用於減少菸灰排放的噴射器雙列簇配置的製作方法

2023-04-29 21:15:01 1

專利名稱：用於減少菸灰排放的噴射器雙列簇配置的製作方法
技術領域：
本發明涉及直噴燃料噴射器系統，其具有優化的簇配置的噴嘴孔。發明背景直噴發動機中，比如與多孔噴嘴一起運行的柴油或火花點火直接發 動機中，噴射後的燃料與高溫及高壓環境接觸。為了確保清潔並且 有效的燃燒過程，噴射後的燃料需要迅速地與周圍空氣混合。這在 某些情形下構成了特別的挑戰，在那裡，應用多餘的外部廢氣再循 環(EGR),以便控制氮氧化物(NOx)的排放。近來對燃料效率與聯邦規定的要求的關注，已再次將努力集中 於開發高效率的、低排放的發動機與運行模式。考慮到將來可能的 嚴格的排放立法，特別是關於氮氧化物(NOJ的排放立法，有必要在 更高的廢氣再循環狀態下運行發動機。然而，由於燃燒過程中有限 的氧氣可獲得性，這一般對菸灰(soot)排放具有負面影響。發明概要本發明旨在解決形成燃料噴射系統的需要，從而能夠使用較小 的孔，同時維持充分的但不多餘的噴注穿透性(spray penetration)。在 本發明中，傳統的多孔噴嘴中的每一個孔，由位於簇配置內並且緊 密地隔開的兩個更小的孔所替換。簇內的孔配置成在兩個水平平面 內或列內上下相鄰，其互相隔開一定距離。蔟配置內的噴嘴孔之間 的距離"d"、成簇的羽狀流角度"a"(該角度為噴嘴孔的中心線之 間的角度間隔)以及噴注夾角"p"得到了優化。"a"與"d"主要對菸灰的形成產生影響，而噴注夾角"(3"選擇成使得菸灰氧化物最大化。計算流體力學分析的結果顯示將角度a設置在20度導致優化的 簇分布。通過利用成簇的孔，該孔的布局藉助計算流體力學與燃燒 建模而得到細緻的優化，可在液體穿透性、噴射穿透性和空氣摻入 之間發現優化的折衷，會同時減少菸灰排放。特別地，本發明提供一種用於發動機的燃料噴射器組件，其包 括限定了出口簇的燃料噴射器，該出口簇具有限定於第一平面內的 第一開口，以及限定於第二平面內的第二開口。第二平面與第一平面平行並且互相隔開。燃料噴射器可運行，以便經由第一開口而排 放第一羽狀流(plume)，並經由第二開口而排放第二羽狀流，並且第 一及第二.羽狀流混合起來，以便形成產生減少的菸灰排放的 一簇羽 狀流。優選地，第一及第二平面大致水平。第二平面優選地與第一 平面隔開一定距離，,人而使該簇羽狀流具有液壓流率，該液壓流率 大致與已經從單個開口傳遞的單個羽狀流的液壓流率等值，同時產 生較低的綜合菸灰形成。第一羽狀流在第一方向內從第一開口出去， 而第二羽狀流在第二方向內從第二開口出去，且第一方向與第二方 向在兩者之間限定了角度間隔。角度間隔優選地為20度。燃料噴射器可以進一步限定第二出口簇，其具有限定於第三平 面內的第三開口及限定於第四平面內的第四開口 。第四平面與第三 平面平行並且互相隔開。燃料噴射器可優選地運行，以便經由第三 開口而排放第三羽狀流，並經由第四開口而排放第四羽狀流，並且 第三及第四羽狀流優選地混合起來，以便形成產生減少的菸灰排方t 的第二簇羽狀流。在本發明的一方面中，第一和第三平面共同延伸， 並且第二與第四平面共同延伸，從而使得開口設置在圍繞燃料噴射 器的兩列內。在本發明的另一方面中，出口簇與第二出口蔟具有大 致等值的噴注角，從而使得出口簇與第二出口簇大致對稱地圍繞燃 料噴射器而設置。當將用於實施本發明的最佳模式的下列詳細描述與附圖結合起來時，本發明的上述特徵與優點及其它特徵與優點將變得十分清楚。 附圖簡述

圖1為穿過噴射器的截面示意圖，展示了一對一的"垂直的"簇配置；圖2為局部的截面示意圖，展示了噴嘴孔之間的距離"d";圖3A為氣缸碗的側面示意圖，該氣缸碗具有成蔟的羽狀流，羽 狀流由"垂直的"噴嘴孔或隔開的每簇二孔配置所形成；圖3B為成簇的羽狀流的俯碎見示意圖，羽狀流形成於圖3A內的 氣釭碗內；圖4A為單一羽狀流的側面示意圖，羽狀流藉助多個未成簇的並 且均勻地隔開的單一噴嘴孔而形成於氣缸碗內；圖4B為形成於圖4A內的氣缸碗內的單一羽狀流的俯視示意圖；圖5A為數字實驗內的三個噴嘴配置相對於時間的菸灰排放濃度 的比較圖形傳統的單一孔噴嘴，優化的每簇二孔配置，其中成簇 的羽狀流角a為20度，以及未優化的每簇二孔配置，其中成簇的羽 狀流角a為IO度；圖5 B展示了傳統的未成簇的單一孔噴嘴羽狀流內的菸灰形成的 樣式；圖5C展示了優化的每簇二孔配置內的菸灰形成的樣式，其中成 簇的羽狀流角a為20度；以及圖5D展示了未優化的每簇二孔配置內的菸灰形成的樣式，其中 成簇的羽狀流角a為IO度。優選實施例詳述參考附圖，其中類似的標號表示類似的零件。圖1展示了穿過 具有噴射器針12和噴射器體14的噴射器系統10的截面示意圖。如 在文中所用，術語比如"垂直的"與"水平的"相對於附圖中的圖1來描述噴射器系統10。應當理解系統10也可以在沒有改變本發明 原理的情況下具有不同的定向。第一出口簇包括第一與第二開口 16、 18。如圖1所示，第一開口 16大體上位於第一水平面17內，而第 二開口 18大體上位於第二水平面19內，並且兩個平面17、 19互相 之間隔開一定距離。因此當從圖2觀察時，構成第一出口簇的開口 16、 18顯示為"垂直簇配置"。換句話說，噴射器針12優選地限定了中 心線C,並且第一開口 16、第二開口 18與中心線C共同限定一個平 面(即，從圖1所觀察的紙面)，乂人而使第一開口 16在中心線C的方 向內直4婁地位於第二開口 18的"下方"。雖然本發明將總體上僅僅相對於第一出口簇而描述，系統10優 選地包括多個出口簇。比如，第二出口簇包括顯示為位於第一平面17 內的第三開口 20,以及顯示為^f立於第二平面19內的第四開口 22。 也可以利用額外的出口簇，並且每個簇包括互相隔開一定距離的兩 個開口。應當理解在沒有改變本發明原理的情況下，第二簇的噴 嘴孔20、 22可相對於第一簇的噴嘴孔16、 18而位於不同的水平平 面內。位於每簇內的開口的所謂垂直配置使得簇之間的間隔最大化， 從而限制了噴注之間的互相作用，並且使空氣利用得以最大化。在 此實施例中，平面17和19垂直地互相隔開一定距離。在另一個實 施中，平面可在不同的方向或方位內互相隔開。噴射器系統10優選地可運行成通過第一開口 16而排放第一羽 狀流，並通過第二開口 18而排;故第二羽狀流，並且第一及第二羽狀 流混合起來從而形成文中所述的第一簇羽狀流效果。系統10可以具 有用於開口 16、 18的一個/^共入口，或者可以^^用單獨的入口。雖 然開口 16、 18已描述成位於對應的水平平面17、 19內，開口 16、 18 優選地配置成使得第一和第二羽狀流在預定的角度而出去。比如， 第一羽狀流沿著中心線26而離開第一開口 16，而第二羽狀流沿著中 心線24而離開第二開口 18。成簇的羽狀流角a然後可以限定為第一 簇內的開口 16、 18的中心線24、 26之間的角度間隔，並且o/2然後表示每個中心線24、 26與第一簇羽狀流的有效中心線25之間的距離。優選地，噴射器系統10也可運行成通過第三開口 20而排放第 三羽狀流，並通過第四開口 22而排放第四羽狀流，並且第三及第四 羽狀流也混合起來，從而形成具有展示於27處的有效中心線的一蔟 羽狀流。當多於一個的簇包含於系統10內時，噴注夾角(3可限定為 第一簇羽狀流的有效中心線(即25)與第二簇羽狀流的有效中心線(即 27)之間的角度。角度|3與卩/2展示於圖1中。優選地，簇圍繞噴射 體14而對稱地設置。圖2為局部截面圖，展示了第一開口 16與第二開口 18之間的 線性距離d。即，d為圖l中的"水平"平面17和19之間的"垂直" 距離。構成簇的開口 16、 18之間的距離d、成簇的羽狀流角a、噴 注夾角卩以及簇的數量得到了優化。菸灰形成的數量主要受到a與d 的影響，而|3優選地選擇成使得菸灰氧化物最大化。更具體地，角 度(3控制噴注對準，即單獨的簇配置是如何相對於活塞及氣缸內流 場而配置的。後來的菸灰氧化循環主要被由一定的活塞碗配置所生 成的流場及為業界所知的其它參數，比如埠配置、噴射器配置及 運行條件例如噴射器壓力所控制。可優化參數的代表值對d來說為0.2 毫米，對於|3來說為150度，而對於a來說20度，並且具有至少5 個簇。圖3A表現了氣缸碗的側面示意圖，其具有由多蔟羽狀流形成的 成簇的羽狀流，該多個簇羽狀流經由開口而從噴射器50出來，該開 口配置成"垂直地"隔開的每簇二孔配置，如相對於圖1所描述的 那樣。圖3B為成簇的羽狀流的俯視示意圖，該羽狀流形成於圖3A 內的氣缸碗內。噴射器50可運行成將羽狀流噴射到氣缸碗(cylinder bowl)內，氣缸碗具有展示於54處的輪廓。圖3A和圖3B也展示了 氣缸套56和活塞碗邊緣(rim)58。在60處箭頭展示了噴注羽狀流前 面的空氣流路徑。低背壓區域顯示於74處，背壓為噴注羽狀流的末端與石宛邊緣70之間的壓力。相比較之下，圖4A為氣缸石宛的側面示意圖，其具有單一羽狀流， 單一羽狀流藉助多個未成簇的並且均勻地隔開的位於噴射器62內的 單一噴嘴開口而形成。圖4B為形成於圖4A內的氣缸碗內的單一羽 狀流的俯視示意圖。噴射器62可運行成將羽狀流64噴射到氣缸碗 內，氣缸碗具有展示於64處的舉侖廓。圖4A和圖4B也展示了氣缸套 68和活塞碗邊緣70。在72處的箭頭展示了噴注羽狀流前面的空氣 流路徑。高背壓區域顯示於76處。因此，雖然均勻地隔開的並且形 成了展示於圖4A和圖4B中的羽狀流的開口允許具有液壓流率，其 與展示於圖3A和圖3B中的垂直簇配置的液壓流率等值，圖4A和 圖4B中的未成簇的且均勻隔開的單一開口結構導致更多的壓力區域 和更高的背壓。因此，可以看出垂直的每簇二孔配置可運行成通 過減小背壓而改善發動機內的噴射穿透性。圖5A為數字實驗內的三個噴嘴配置相對於時間(以秒表示)的以 任意單位(A.U.)表示的菸灰排放濃度的圖形傳統的單一孔噴嘴(即相 對於圖4A和圖4B所討論的配置)，優化的每簇二孔配置，其中成簇 的羽狀流角a為20度，以及未優化的每簇二孔配置，其中成簇的羽 狀流角a為10度。優化的每簇二孔配置具有最低的綜合菸灰排放。 所展示的結果取自計算流體動力學分析，並且證明了適當地對簇配 置進行優化的重要性。圖5 B展示了傳統的未成簇的單一孔噴嘴羽狀流內的菸灰形成的 樣式，其具有用Ll表示的蒸氣穿透性。圖5C展示了優化的每簇二 孔配置內的菸灰形成的樣式，其中成簇的羽狀流角a為20度，其具 有用L2表示的蒸氣穿透性。圖5D展示了未優化的每簇二孔配置內 的菸灰形成的樣式，其中成簇的羽狀流角a為10度，其具有用L3 表示的蒸氣穿透性。從圖5B-圖5D可以看出噴射穿透性在優化的 簇配置內是最低的。這種潛在的主要在全負載處的缺點可通過發動 機內的簇之間的相對細微布局而得以解決。進一步的計算流體動力學分析顯示將簇內的開口配置成兩列的形式，或配置成兩個垂直 地隔開的或一個位於另一個上的水平平面的形式，而不是配置成水 平地位於單列或單個水平平面內，提供了關於發動機內的噴射穿透 性與空氣利用的顯著優點。垂直間隔使得具有兩個孔的簇之間的間 隔得以最大化。這藉助允許排i文出的空氣在噴射末端之前逸出而改 善了穿透性，從而限制了穿透噴射前面的壓力聚積，如圖3B所示。如果發動機運行於所謂的預混合裝料壓縮點火(PCCI)模式下，則 可特別很好地適用此原理。燃燒的預混合裝料壓縮點火模式將標準 的壓縮點火燃燒系統與高速的強冷的廢氣再循環(EGR)及早期開始噴 射(SOI)的正時結合起來。預混合裝料壓縮點火模式具有顯示多餘的 液體壁沖擊的更多機會。每簇二孔配置運行成對燃燒進行改善。通 過適當地選擇所提到的簇配置內的參數，該參數通過數字優化而獲 得，液體在全負載處的穿透性、在局部負載處的最小壁衝擊、充分 的空氣摻入及在全負載範圍內的混合之間可形成優化的平衡。雖然用於實施本發明的最佳^^莫式已被詳細的描述，應當理解所使用的術語具有文字及描述的本意，而不是其限制。那些熟悉本 領域的技術人員將認識到考慮到上述啟示，本發明的許多修改是 可能的。因此，應當理解在所附權利要求的範圍內，本發明可以 大致等同的方式而不是文中特別描述的方式而被實施。
權利要求
1.一種用於發動機的燃料噴射器組件，包括燃料噴射器，其限定了第一出口簇，所述第一出口簇具有限定於第一平面內的第一開口以及限定於第二平面內的第二開口，所述第二平面與所述第一平面平行並且互相隔開；其中所述燃料噴射器可運行，以便經由所述第一開口而排放第一羽狀流，並經由所述第二開口而排放第二羽狀流，所述第一羽狀流與第二羽狀流混合起來，以便形成產生減少的菸灰排放的第一簇羽狀流。
2. 如權利要求1所述的燃料噴射器組件，其特徵在於，所迷第 一羽狀流以第一方向離開所述第一開口 ，而所述第二羽狀流以第二 方向離開所述第二開口 ，所述第一方向與所述第二方向在兩者之間 限定了角度間隔。
3. 如權利要求2所述的燃料噴射器組件，其特徵在於，所述角 度間隔大約為20度。
4. 如權利要求1所述的燃料噴射器組件，其特徵在於，所述燃 料噴射器還限定了第二出口簇，所述第二出口簇具有限定於第一平 面內的第三開口和限定於所述第二平面內的第四開口 ，其中所述燃料噴射器可運行，以便經由所述第三開口而排放第 三羽狀流，並經由所述第四開口而排放第四羽狀流，所述第三羽狀 流和第四羽狀流混合起來，以 <更形成產生減少的菸灰排放的笫二簇 羽狀流。
5. 如權利要求4所述的燃料噴射器組件，其特徵在於，所述第 一出口簇與所述第二出口簇大致對稱地圍繞所述燃料噴射器而設置。
6. 如權利要求4所述的燃料噴射器組件，其特徵在於，所述第 一簇羽狀流和第二簇羽狀流在兩者之間限定了噴注夾角。
7. 如權利要求6所述的燃^]"噴射器組件，其特徵在於，所述的 噴注夾角在110度-160度之間。
8. —種用於發動機的燃料噴射器組件，包括燃料噴射器，其限定了出口簇，所述出口蔟包括第一開口以及 與所述第 一開口隔開一定距離的第二開口 ，所述燃料噴射器可運行， 以便經由所述第一開口而排放第一羽狀流，並經由所述第二開口而 排放第二羽狀流；其中所述距離使得所述第 一羽狀流和所述第二羽狀流混合起 來，以便形成一簇羽狀流，所述簇羽狀流產生比單一羽狀流更小的 綜合菸灰形成，所述單一羽狀流已經經由單一開口並以大致等同的 流率而被傳遞。
9. 如權利要求8所述的燃衝牛噴射器組件，其特徵在於，所述距 離大約為0.2毫米。
10. 如權利要求8所述的燃料噴射器組件，其特徵在於，所述燃 料噴射器限定了多個所述出口簇，所述出口簇大致對稱地圍繞所述 燃料噴射器設置。
11. 如權利要求8所述的燃料噴射器組件，其特徵在於，所述第 一羽狀流以第一方向離開所述第一開口 ，而所述第二羽狀流以第二 方向離開所述第二開口 ，所述第一方向與所述第二方向在兩者之間 限定了角度間隔。
12. 如權利要求11所述的燃料噴射器組件，其特徵在於，所述 距離與所述角度間隔選擇成使得空氣利用最大化，並且使得在所述 第 一羽狀流及第二羽狀流的排放過程中的菸灰的形成最小化。
13. 如權利要求11所述的燃料噴射器組件，其特徵在於，所述 角度間隔大約為20度。
14. 一種用於可在預混合的裝料壓縮點火;f莫式下運行的發動機的 燃料噴射器組件，所述燃料噴射器組件包括燃料噴射器，其限定了第一出口簇，所述第一出口簇具有限定於第一平面內的第一開口以及限定於第二平面內的第二開口 ，所述 第二平面與所迷第一平面平行並與所述第一平面隔開一定距離；其中所述燃料噴射器可運;f於，以便經由所述第一開口而排放第一羽狀流，並經由所述第二開口而排放第二羽狀流，所述第一羽狀 流與第二羽狀流混合起來，以1更形成一簇羽狀流；以及其中所述距離使得所述簇羽狀流產生比單一羽狀流更小的綜合 菸灰形成，所述單一羽狀流已經從單一開口並以大致等同的流率一皮 傳遞。
15. 如權利要求14所述的燃料噴射器組件，其特徵在於，所述 第一平面和第二平面大致水平。
16. 如權利要求14所述的燃料噴射器組件，其特徵在於，所述 燃料噴射器限定了多個所述至少一個出口簇，所述出口簇大致對稱 地圍繞所述燃料噴射器設置。
17. 如權利要求14所述的燃料噴射器組件，其特徵在於，所述 第 一羽狀流以第 一方向離開所述第 一開口 ，而所述第二羽狀流以第 二方向離開所述第二開口 ，所述第一方向與第二方向在兩者之間限 定了角度間隔。
18. 如權利要求17所述的燃料噴射器組件，其特徵在於，所述 角度間隔大約為20度。
19. 如權利要求14所述的燃料噴射器組件，其特徵在於，所述 距離大約為0.2毫米。
全文摘要
一種直接噴射燃料噴射器系統，其包括燃料噴射器，該燃料噴射器限定了位於優化的簇配置內的噴嘴孔。傳統的多孔噴嘴中的每一個孔，由位於每簇二孔的配置內並且緊密地隔開的兩個更小的孔所替換。簇內的孔配置成在兩個水平平面內或列內上下相鄰，其互相隔開一定距離。簇配置內的噴嘴孔之間的距離「d」、成簇的羽狀流角「α」(該角度為噴嘴孔的中心線之間的角度間隔)、以及噴注夾角「β」通過計算流體動力學及燃燒建模而得到了優化，從而使可在液體穿透性、噴注穿透性與空氣摻入之間發現優化的折衷，從而減少了菸灰排放。
文檔編號F02M59/46GK101268273SQ200680019718
公開日2008年9月17日 申請日期2006年4月6日 優先權日2005年4月6日
發明者C·-A·赫爾加特, S·埃爾塔裡, S·福格爾 申請人:通用汽車環球科技運作公司