CN114635814B - 一种加强高强化柴油机油气混合的缩放喷管加速混合器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种加强高强化柴油机油气混合的缩放喷管加速混合器，包括N个缩放喷管和喷管固定座，N≥2，沿喷油嘴中轴线回转形成一具有定位锥角R的安装锥面，N个缩放喷管环形均布于安装锥面上，并经喷管固定座固定于喷嘴下方，120°≤R≤150°，缩放喷管为缩放式结构，包括卷吸锥孔、喷孔喉口和喷出锥孔，卷吸锥孔上端口中心距喷油口中心点K，K＝2±0.1mm，卷吸锥孔的上端口孔径为D1，其到喷孔喉口的距离为L1，喉口口径为D2，喷出锥孔的下端口孔径为D3，其到喷孔喉口的距离为L2，其结构满足关系式：D3＞D1＞D2，L2＞L1；本发明的加速混合器可快速提高燃料和空气的优良混合程度，提高预混燃烧比例和燃烧效率，降低油耗和碳烟排放，提柴油机功率和动力性。

Description

一种加强高强化柴油机油气混合的缩放喷管加速混合器

技术领域

本发明属于内燃机超薄燃烧技术领域，特别是指一种加强高强化柴油机油气混合的缩放喷管加速混合器。

背景技术

柴油机是重型装备机械的主要动力源，为了提高重型民用动力高功率密度和机动性，将更多的货物材料以更快的速度投送到需求区域，柴油机正朝着高强化方向发展，其中燃烧技术向着高效清洁燃烧方向发展，缸内燃油喷射向着快速优良混合方向发展。实现柴油机高强化，高强化柴油机是通过提高转速、喷油压力和进气压力，增加进气量及喷油量来实现的，同时也面临着一些问题：柴油机转速高，燃油雾化混合时间缩短，导致油气混合分布不均匀和燃烧不完全；进气压力提高，致喷雾贯穿距离减小，着火滞燃期缩短，一旦火焰形成，燃油持续喷入火焰中不能与空气混合，使燃烧恶化；喷油压力提高，喷雾贯穿距离延长导致燃油撞击燃烧室壁面而雾化不良，导致不完全燃烧、油耗升高，冒黑烟。通过使用含氧燃料、减少喷孔直径、优化喷油策略等方式，虽然可以在一定程度上可以改善燃烧减少排放，但也面临技术和成本等诸多问题。缩放喷管强化油气混合加速混合技术作为未来实现高效发动机的潜在技术之一，可以有效的提高发动机热效率、减少排放，是未来进一步实现高效发动机节能减排的重要途径。

喷管射流技术作为未来高效发动机预研技术之一，目前对喷管射流的研究还处于直喷管喷射的初步研发阶段。缩放喷管具有加速效应，现有技术在缩放喷管应用于稀薄燃烧的研究还处于空白状态，有必要提供一种缩放喷管强化油气混合加速混合器装置，填补该技术研究的空白。

发明内容

为解决以上现有技术的不足，本发明提供了一种加强高强化柴油机油气混合的缩放喷管加速混合器，促进燃油/空气混合过程，提升预混燃烧比例。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种加强高强化柴油机油气混合的缩放喷管加速混合器，其设置于气缸内，并包括N个缩放喷管和固定缩放喷管的喷管固定座，N≥2，沿喷油嘴中轴线回转形成一具有定位锥角R的安装锥面，N个缩放喷管环形均布于安装锥面上，并通过喷管固定座固定于喷油嘴下方，120°≤R≤150°；

缩放喷管为缩放式结构，包括靠近喷油嘴一侧的上段为卷吸锥孔、中部的喷孔喉口和下段的喷出锥孔，卷吸锥孔上端口中心到喷油嘴的喷油口中心点距离为K，K＝2±0.1mm，卷吸锥孔的上端口孔径为D1，其到喷孔喉口的距离为L1，喉口口径为D2，喷出锥孔的下端口孔径为D3，其到喷孔喉口的距离为L2，缩放喷管的结构满足关系式：D3＞D1＞D2，L2＞L1。

优选地，L1＝6±0.5mm，L2＝8±0.5mm，D1＝3±0.1mm，D1＝2±0.1mm，D1＝4.5±0.1mm。

更为优选地，沿气门对称分割线将气缸分为吸气区和排气区，吸气区的缩放喷管数量≥排气区的缩放喷管数量。

进一步优选地，N＝喷油嘴的喷油孔数，每个缩放喷管分别与喷油嘴上的喷油口相对应。

进一步优选地，喷管固定座包括圆筒形的嵌入座和N个以嵌入座中心轴为中心环形均匀分布的固定爪，固定爪由嵌入座下端面向下延伸，嵌入座与喷油嘴同轴，其上端面嵌入气缸盖内，并通过固定爪之间的紧定螺钉与气缸盖连接，固定爪上开设有斜向贯穿固定爪的固定管孔，缩放喷管安装于固定管孔内。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、利用缩放喷管的“引射作用”把卷吸的空气输送到喷雾轴线核心区以促进油气混合；利用缩放喷管扩张角的“逆压梯度”促进缩放喷管出口涡团的产生并加强喷雾卷吸效应，进而快速提高燃料/空气的优良混合程度，提高预混燃烧比例和燃烧效率，降低油耗和碳烟排放，提柴油机功率和动力性；

2、缩放喷管加速混合器温度低且靠近燃烧室冷壁面，把冷的边界气体卷吸入缩放喷管内使混合气变冷，有效延迟着火滞燃期，稀释喷雾核心的燃料蒸汽浓度来提升预混燃烧比例，实现高效清洁燃烧；

3、缩放喷管具有加速效应，喷管内湍流混合变强，促进混合过程，提高雾化效果；

4、减少油束间干涉，提升雾化质量，缩放喷管可将夹带的空气输送到喷雾核心区，具有均匀化当量比分布的作用，增加燃烧室内过稀区油气浓度；

5、不需对传统发动机进行结构改动，改良成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的混合器在气缸内的装配示意图；

图2为实施例一中混合器装配在气缸盖上的仰视图；

图3为实施例二中混合器装配在气缸盖上的仰视图；

图4为图1中I处的局部放大图；

图5为缩放喷管的结构示意图。

图中：1、喷油器组件，11、喷油嘴；2、气缸盖，3、活塞，31、燃烧室，4、气缸体；5、混合器；51、缩放喷管；511、卷吸锥孔；512、喷孔喉口；513、喷出锥孔；b、喷油口中心点；52、喷管固定座；521、固定爪；522、嵌入座；523、紧定螺钉；524、固定管孔；R、固定夹角；6、双气门组件；61、排放气门孔；62进气气门孔；a、气门对称分割线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一，本实施例以具有双气门组件6和ω形燃烧室31的发动机为例，结合图1-2、图4-5说明本实施例的缩放喷管混合器具体实现方案：

本发明的一种加强高强化柴油机油气混合的缩放喷管加速混合器，包括N个缩放喷管51和固定缩放喷管51的喷管固定座52，N＝6，沿喷油嘴11中轴线回转形成一具有定位锥角R的安装锥面，120°≤R≤150°，安装锥面为截面直径由下至上不断减小的结构，6个缩放喷管51环形均匀阵列于安装锥面上，即缩放喷管51的回转中心线位于安装锥面上，并通过喷管固定座52固定于喷油嘴下方一定距离处，且6个缩放喷管51与六孔喷油嘴11上的喷油口一一相对应，即喷管位于喷油口斜下方的喷油射流场内，因此，可减少喷出油束之间的干涉，提升雾化质量；

缩放喷管51为缩放式结构，包括靠近喷油嘴11一侧的上段为卷吸锥孔511、中部的喷孔喉口512和下段的喷出锥孔513，卷吸锥孔511上端口中心到喷油嘴11的喷油口中心点b距离为K，K＝2±0.1mm，卷吸锥孔511的上端口孔径为D1，其到喷孔喉口512的距离为L1，喉口口径为D2，喷出锥孔513的下端口孔径为D3，其到喷孔喉口512的距离为L2，缩放喷管51的结构尺寸为L1＝6±0.5mm，L2＝8±0.5mm，D1＝3±0.1mm，D1＝2±0.1mm，D1＝4.5±0.1mm；

再次参照图2，具有双气门组件6的发动机中，按照双气门组件6中排放气门孔61和进气气门孔62的分布结构，沿气门对称分割线a将气缸分为吸气区和排气区，吸气区的缩放喷管51数量和排气区的缩放喷管51数量均为3个；

喷管固定座52包括圆筒形的嵌入座522和6个以嵌入座522中心轴为中心环形均匀分布的固定爪521，固定爪521由嵌入座522下端面向下延伸，嵌入座522套设于喷油嘴11外并与其同轴，嵌入座522的上端面嵌入气缸盖2内，并通过位于固定爪521之间的紧定螺钉523与气缸盖2连接，固定爪521上开设有斜向贯穿固定爪521的固定管孔524，缩放喷管51安装于固定管孔524内，其上端伸出固定管孔524外向喷油嘴11延伸，其下端伸出固定管孔524外向燃烧室31一侧延伸，缩放喷管51为金属材质或陶瓷材质；

缩放喷管51与喷油嘴11间有一定流通距离，高压喷射的燃油沿着缩放喷管51轴线进行二次雾化混合，利用缩放喷管51入口的“引射作用”把卷吸的空气输送到喷雾轴线核心区以促进油气混合；利用缩放喷管51扩张角的“逆压梯度”促进缩放喷管51出口涡团的产生并加强喷雾卷吸效应，进而快速提高燃料/空气的优良混合程度，提高预混燃烧比例和燃烧效率，降低油耗和碳烟排放，提柴油机功率和动力性；此外，缩放喷管加速混合器温度低且靠近燃烧室31冷壁面，把冷的边界气体卷吸入缩放喷管51内使混合气变冷，有效延迟着火滞燃期，稀释喷雾核心的燃料蒸汽浓度来提升预混燃烧比例，实现高效清洁燃烧。

实施例二，本实施例以具有双气门组件6和ω形燃烧室31的发动机为例，结合图1、图3-5说明本实施例的缩放喷管混合器具体实现方案：

本发明的一种加强高强化柴油机油气混合的缩放喷管加速混合器，包括N个缩放喷管51和固定缩放喷管51的喷管固定座52，N＝8，沿喷油嘴11中轴线回转形成一具有定位锥角R的安装锥面，120°≤R≤150°，安装锥面为截面直径由下至上不断减小的结构，8个缩放喷管51环形均布于安装锥面上，即缩放喷管51的回转中心线位于安装锥面上，并通过喷管固定座52固定于喷油嘴下方一定距离处，且8个缩放喷管51与八孔喷油嘴11上的喷油口一一相对应；

缩放喷管51为缩放式结构，包括靠近喷油嘴11一侧的上段为卷吸锥孔511、中部的喷孔喉口512和下段的喷出锥孔513，卷吸锥孔511上端口中心到喷油嘴11的喷油口中心点b距离为K，K＝2±0.05mm，卷吸锥孔511的上端口孔径为D1，其到喷孔喉口512的距离为L1，喉口口径为D2，喷出锥孔513的下端口孔径为D3，其到喷孔喉口512的距离为L2，缩放喷管51的结构尺寸为L1＝6±0.2mm，L2＝8±0.3mm，D1＝3±0.05mm，D1＝2±0.05mm，D1＝4.5±0.05mm；

再次参照图3，具有双气门组件6的发动机中，按照双气门组件6中排放气门孔61和进气气门孔62的分布结构，沿气门对称分割线a将气缸分为吸气区和排气区，吸气区的缩放喷管51数量和排气区的缩放喷管51数量均为4个；

喷管固定座52包括圆筒形的嵌入座522和4个以嵌入座522中心轴为中心环形均匀分布的固定爪521，固定爪521由嵌入座522下端面向下延伸，嵌入座522套设于喷油嘴11外并与其同轴，嵌入座522的上端面嵌入气缸盖2内，并通过位于固定爪521之间的紧定螺钉523与气缸盖2连接，固定爪521上开设有斜向贯穿固定爪521的固定管孔524，缩放喷管51安装于固定管孔524内，其上端伸出固定管孔524外向喷油嘴11延伸，其下端伸出固定管孔524外向燃烧室31一侧延伸，缩放喷管51为金属材质或陶瓷材质；

该实施例中缩放喷管加速混合器的工作流程与技术效果与实施例一相同，此处予以赘述。

本发明的描述中，所涉及的术语“下方”、“上段”、“下段”、“上端口”、“下端口”等所指示的方位或位置关系均为基于附图1-5中所示的方位和位置关系，仅是为了便于描述和理解本发明，其不作为本发明保护内容的限制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种加强高强化柴油机油气混合的缩放喷管加速混合器，其特征在于：所述缩放喷管加速混合器设置于气缸内，其包括N个缩放喷管和固定所述缩放喷管的喷管固定座，N≥2，沿喷油嘴中轴线回转形成一具有定位锥角R的安装锥面，N个所述缩放喷管环形均布于所述安装锥面上，并通过所述喷管固定座固定于所述喷油嘴下方，120°≤R≤150°；

所述缩放喷管为缩放式结构，包括靠近所述喷油嘴的上段卷吸锥孔、中部的喷孔喉口和下段的喷出锥孔，所述卷吸锥孔上端口中心到所述喷油嘴的喷油口中心点距离为K，K＝2±0.1mm，所述卷吸锥孔的上端口孔径为D1，其到所述喷孔喉口的距离为L1，所述喉口口径为D2，所述喷出锥孔的下端口孔径为D3，其到所述喷孔喉口的距离为L2，所述缩放喷管的结构满足关系式：D3＞D1＞D2，L2＞L1。

2.根据权利要求1所述的加强高强化柴油机油气混合的缩放喷管加速混合器，其特征在于：所述缩放喷管的结构尺寸分别为：L1＝6±0.5mm，L2＝8±0.5mm，D1＝3±0.1mm，D1＝2±0.1mm，D1＝4.5±0.1mm。

3.根据权利要求2所述的加强高强化柴油机油气混合的缩放喷管加速混合器，其特征在于：沿气门对称分割线将所述气缸分为吸气区和排气区，所述吸气区的所述缩放喷管数量≥所述排气区的所述缩放喷管数量。

4.根据权利要求3所述的加强高强化柴油机油气混合的缩放喷管加速混合器，其特征在于：N＝所述喷油嘴的喷油孔数，且每个所述缩放喷管均与所述喷油嘴上的喷油口位置相对应。

5.根据权利要求4所述的加强高强化柴油机油气混合的缩放喷管加速混合器，其特征在于：所述喷管固定座包括圆筒形的嵌入座和N个沿所述嵌入座中心轴环形均匀分布的固定爪，所述固定爪由所述嵌入座下端面向下延伸，所述嵌入座与所述喷油嘴同轴，其上端面嵌入气缸盖内，并通过所述固定爪之间的紧定螺钉与所述气缸盖连接，所述固定爪上开设有斜向贯穿所述固定爪的固定管孔，所述缩放喷管安装于所述固定管孔内。