具有带有用于增加火焰离地长度的中心体的喷射管道的燃料喷射器和喷嘴组件的制作方法

1.本发明总体上涉及一种管道式燃料喷射器，并且更具体地涉及一种被构造成通过减小穿过该喷射管道的喷射射流通道的面积来增加燃料射流的速度的燃料喷射器喷射管道。


背景技术：

2.现代的内燃机包括一个或多个汽缸，每个汽缸具有相关联的活塞以限定燃烧室。用于燃烧的燃料例如通过使用燃料喷射器直接喷射燃料而输送到燃烧室中。此类燃料喷射器具有至少一个且通常为多个喷孔，通过电或液压致动的出口止回部件来控制其打开和关闭。
3.改变燃料和空气混合物、不同的燃料输送参数、当量比和其他因素可在燃烧期间产生一定范围的结果。来自内燃机的废气中的某些成分通常被过滤、化学还原或以其他方式处理以限制这些成分排放到环境中。近年来，人们对控制和/或管理燃烧方式和机制以努力控制内燃机的废气排放分布具有很大的兴趣。在排放中值得注意的是，通常希望限制颗粒物质和氮氧化物或“no
x”。
4.管道式燃料喷射组件已经在内燃机中实现，以增强混合并减少在燃烧室内形成的颗粒物质即烟灰的量。管道组件通常包括一个或多个管状结构，该管状结构联接至发动机中的汽缸盖并定位成使得管道接收来自燃料喷射器的燃料喷射射流。燃料喷射倾向于与管道相互作用，以最终增强燃料与空气的混合，特别是通过增加燃料喷射射流的所谓“离地长度”以使空气能够与燃料卷流混合。
5.在美国专利第10,012,196b1号和名称为“用于燃料喷射器组件的管道结构”中提出了一种已知的管道式燃料喷射应用。虽然已知的管道式燃料喷射技术显示出广泛应用的前景，但总是存在改进和可替代策略的空间。


技术实现要素：

6.在一个方面，燃料喷射器包括：具有形成在其中的多个喷孔的喷嘴本体；以及联接至喷嘴本体并与多个喷孔沿成喷射路径对准的多个喷射管道。燃料喷射器还包括喷嘴止回部件，该喷嘴止回部件可在喷嘴本体内在打开位置和关闭位置之间移动，该关闭位置阻挡多个喷孔。多个喷射管道中的每一个限定管道中心轴线，并且包括管道内表面和与该管道内表面一起形成喷射射流通道的中心体、围绕该管道中心轴线周向地延伸并且在射流从该喷嘴本体前进的方向上的面积减小的喷射射流通道。
7.在另一方面，燃料喷射器喷嘴组件包括喷嘴本体，该喷嘴本体限定喷嘴中心轴线并包括内喷嘴表面、外喷嘴表面和从内喷嘴表面延伸到外喷嘴表面并与喷嘴中心轴线成角度定向的喷孔。喷嘴组件还包括以与喷孔成喷射路径对准而联接至喷嘴本体的喷射管道。喷射管道包括在管道入口和管道出口之间延伸的管道壁，和联接至管道壁并位于在管道入
口和管道出口之间延伸的喷射路径中的中心体。喷射射流通道沿外围限定在管道壁和中心体之间。
8.在又一方面，操作内燃机系统的方法包括将发动机系统的燃料喷射器中的出口止回部件从关闭位置移动到打开位置，以将燃料喷射器中的包含加压燃料的喷嘴室流体连接至燃料喷射器中的喷孔。该方法还包括基于出口止回部件通过在中心体和喷射管道的管壁之间形成的喷射射流通道的移动，使加压燃料射流从喷孔前进。该方法还包括：基于从喷射管道的入口到出口的喷射射流通道的面积的减小，增加加压燃料的喷射喷嘴的速度；以及将加压燃料的射流从喷射管道喷射到内燃机系统中的发动机的燃烧室中。
附图说明
9.图1是根据一个实施例的内燃机系统的部分截面图解；
10.图2是图1中的发动机系统的一部分的截面图解；
11.图3是根据一个实施例的喷射管道的截面侧视图解；
12.图4是图3中的喷射管道的端视图；并且
13.图5是根据另一个实施例的喷射管道的截面侧视图解。
具体实施方式
14.参见图1，示出了根据一个实施例的内燃机系统10。发动机系统10包括具有发动机壳体12的发动机11，发动机壳体12中形成有燃烧汽缸14。汽缸14可以是具有任何数量和任何适当布置的多个汽缸中的一个。活塞16可在汽缸14内在上止点位置和下止点位置之间移动，通常为传统的四冲程模式。在实际实现中，发动机系统10通过活塞16在压缩冲程中将汽缸14内的流体压力增加到自燃阈值来压缩点火。发动机系统10中的活塞16和任何其他此类活塞以通常常规的方式联接至曲轴18。发动机系统10可操作发电机、泵、压缩机或传动装置以推进车辆，仅举几个示例。发动机头部20附接至发动机壳体12并支撑多个发动机阀22，该发动机阀通常包括至少一个排气阀和至少一个进气阀。图1中未描绘的发动机系统10的附加装备可以包括例如具有涡轮增压器中的压缩机的进气系统，和包含排气后处理设备的排气系统。
15.发动机系统10还包括燃料系统24。燃料系统24可包括诸如燃料箱26、低压泵28和高压泵的燃料供应装置。高压泵30将加压燃料供给到燃料导管32，该燃料导管可包括存储燃料的加压燃料储存器或“共轨”，用于输送到燃料系统24的多个燃料喷射器，燃料系统24中的一个以标号34示出。发动机系统10中的每个汽缸14可以配备有一个燃料喷射器34，该燃料喷射器被支撑在发动机头部20中并且被定位成部分地延伸到对应的汽缸14中。燃料喷射器34可包括可操作以根据公知的原理致动燃料喷射器34的喷射控制阀的电致动器36。电子控制单元或ecu 38电连接至电致动器36。在一种实现中，ecu 38电连接至燃料系统24的每个燃料喷射器中的至少一个电致动器。燃料喷射器34可以配备有喷射管道44。如将从以下描述中进一步显而易见的，喷射管道44被独特地配置为基于从燃料喷射器34喷射到汽缸14中的加压燃料的喷射射流的加速来改善性能。
16.现在还参考图2，燃料喷射器34包括喷嘴本体40，该喷嘴本体具有形成在其中的多个喷孔42，并且每个喷孔42从内喷嘴表面62延伸到外喷嘴表面64，并且与由喷嘴本体40限
定的喷嘴中心轴线48成角度地定向。喷嘴本体40和一个或多个喷射管道44形成燃料喷射器喷嘴组件。喷嘴止回部件46可在喷嘴本体40内在打开位置和阻塞喷孔42的关闭位置之间移动。在一种实现中，基于施加到其关闭液压表面(未示出)的液压压力直接控制喷嘴止回部件46。电致动器36可根据已知的实践操作以致动改变液压压力的喷射控制阀。燃料喷射器34还包括多个喷射管道44，该喷射管道联接至喷嘴本体40并与喷孔42成喷射路径对准。安装件41可以附接至喷射管道44中的每一个上并且还附接至发动机头部20上，大致如图2所示。安装件41可以具有焊接或以其他方式紧固到发动机头部20上的环形圈或类似物的形式。在其他实施例中，喷射管道44可以直接附接至喷嘴本体40。如本文所使用的，术语“成喷射路径对准”是指管道44定位成接收来自其中一个喷孔42喷射的燃料。成喷射路径对准可能不是完美的同轴对准，而是可以包括管道44相对于喷射轨迹的偏移或倾斜定向。
17.每个管道44限定管道中心轴线50。喷射角52限定在管道中心轴线50之间。在一种实现中，喷射角52大于100
°
，并且在一些实施例中可以大于120
°
。管道44可以是任何数量，包括1个，并且在多个管道44中以均匀的喷射角度或变化的喷射角度定位。管道44可以具有均匀的形状和尺寸，或者在一些实施例中具有变化的形状和尺寸。还应当理解，燃料喷射器34图示为具有单个出口喷嘴止回部件。在其他情况下，可以使用多个检查，诸如多个并排检查或同心检查，以有时使用少于所有多个喷射管道44来提供一定范围的燃料喷射量、喷射模式或其他特征。
18.图2中还示出了从管道44大致沿管道中心轴线50向外推进的加压燃料的喷射喷嘴。每个喷射喷嘴54包括环形喷射喷嘴，该环形喷射喷嘴在离开管道44、富射流外围56和贫射流核心58中的相应一个时至少最初具有环形形状。本文中使用的术语“富”和“贫”是相对术语，其可以相对于彼此理解。因此，富射流外围56可包括一些夹带的空气，而贫射流核心58可包括一些燃料。随着每个喷射喷嘴54进入汽缸14的前进向外进行雾化，或者雾化的液体燃料可以至少部分地转变成燃料蒸汽。在实际实现中，发动机系统10以液体燃料(诸如柴油蒸馏物燃料)运行，然而，本发明并不因此受到限制，并且可以使用其它合适的压缩点火液体燃料以及混合物。图2还描绘了喷射喷嘴54的离地长度60。离地长度可以理解为喷射射流离开管道的点与喷射燃料的燃烧和火焰形成开始的点之间的距离。本领域技术人员将理解，增强的离地长度可与改善的性能相关，特别是关于某些排放物诸如烟灰。基于在此进一步讨论的通过管道44的燃料喷射的加速，与包括其他管道式燃料喷射策略的其他燃料喷射策略相比，离地长度60可以相对更长。
19.现在还参考图3，更详细地示出了根据本发明的喷射管道44。管道44限定了如上所述的管道中心轴线50，并且包括具有管道内表面66的管道壁72。管道内表面66可以是圆柱形的，但本发明并不限于此，并且围绕管道中心轴线50周向延伸。管道内表面66还在管道入口74和管道出口76之间延伸。管道44还包括联接至管道壁72并位于由相关联的喷孔42限定的喷射路径中的中心体68。中心体68与管道内表面66一起形成喷射射流通道70，该喷射射流通道70围绕管道中心轴线50周向延伸，并且在从喷嘴体40喷射的方向上的面积减小，因此从管道入口74到管道出口76变窄。因此，喷射射流通道70被理解为限定在管道壁72和中心体68之间的外围，并且可以是在管道入口74和管道出口76之间的中心体68的整个外围。从管道入口74到管道出口76的面积减少可以大于70％。在一个改进中，面积的减少可以大于80％，并且在另一个改进中，面积的减少可以是大约83％。然而，本发明在这方面也不受
限制，并且通过给定管道的截面流动面积的实际减小可以不同于列出的量，只要可以实现通过管道的喷射射流的一些加速。
20.中心体68可包括沿喷射射流推进方向渐缩的中心体外表面78。在图3的图示中，喷射射流前进的方向将被理解为向下的方向，因此中心体外表面78的锥形可以被理解为在喷射射流增强的主题方向上的扩大的锥形。中心体外表面78可以呈圆锥形并且在位于管道中心轴线50上的前锥峰80与后锥底82之间延伸。在图3的图示中，中心体68描绘为正圆锥。术语“圆锥形”包括真正圆锥形的形状和近似圆锥形的形状。因此，中心体外表面78可以是凸的或凹的，或者可能还有其他形状，诸如在凹部和凸部之间过渡的复杂形状，并且仍然被认为呈圆锥形。锥角84由中心体外表面78限定并且可以具有一定范围的尺寸。在一种实现中，锥角84小于45
°
，然而，本发明并不由此受到限制。锥峰80面向相应的喷孔42的方向，并且被描绘为逐渐变细到一点。在其他实施例中，锥峰80可以是半球形的、扁平的或其他形状。
21.现在还参考图4，示出了如图3中的喷射管道44的端视图。在图4中，管道入口74在远离页面平面的方向上打开。因此，管道入口74打开以接收来自喷孔42的喷射射流，并且喷射射流冲击中心体外表面78以在管道出口76的方向上围绕中心体68径向向外扩散到图4中的页面中。因此可以看出，管道出口76具有比管道入口74小的面积，并且围绕锥底82周向延伸。管道44还包括连接在管道内壁66和中心体68之间的至少一个支撑件86和88。在所示实施例中，多个支撑件86和88设置在入口组86中，并且出口组88在喷射射流前进的方向上与入口组86间隔开。从图4中还可以看出，入口组86包括围绕管道中心轴线50均匀地周向间隔开的3个支撑件。出口组88还包括围绕管道中心轴线50周向间隔但偏离入口组86的3个支撑件。该至少一个支撑件86、88还可以包括叶片或其他结构，该叶片或其他结构被定向成通过喷射射流通道70撞击燃料喷射而形成涡流。在所示的实施例中，每个支撑件86包括前缘90和后缘92，并且包括在前缘90和后缘92之间成角度地延伸的表面，以形成叶片或桨叶，该叶片或桨叶被燃料喷射撞击而产生涡流。出口组88可包括一个或多个类似配置的结构。
22.转到图5，示出了根据另一实施例的喷射管道144。喷射管道144包括具有凸形中心体外表面178的圆锥形中心体168。中心体168还包括大致半球形的锥峰180。管道144包括在入口组中的总共一个支撑件186和在出口组中的总共一个支撑件188。喷射管道170围绕中心体168周向延伸。本领域技术人员将理解所公开的管道和中心体的各种可替代配置。
23.工业实用性
24.总体上参见附图，但将焦点返回到图2，可以看到围绕喷嘴中心轴线48周向地间隔开并且相对于喷嘴中心轴线48成角度地定向的多个喷射管道44。喷嘴止回部件46显示为从关闭位置移动到打开位置，将燃料喷射器34中的喷嘴室27流体连接至喷孔42。基于将喷嘴止回部件46移动到打开位置，来自喷孔42的加压燃料射流前进通过形成在中心体68和每个管道44中的管道壁72之间的喷射射流通道70。基于从管道入口74到管道出口76的喷射射流通道70的面积减小，根据公知的原理增加加压燃料射流的速度。随着喷射射流速度的增加，喷射喷嘴54从每个管道44喷射到由内燃机系统10的发动机11中的汽缸14形成的燃烧室中。
25.如本文所讨论的，在每个管道44内，喷射喷嘴冲击中心体外表面78并分布在喷射射流通道70中。在所示实施例的情况下，通过连接在管道壁72和中心体68之间的叶片或类似结构，可以撞击喷射射流的燃料而形成一些涡流。还如上所述，加压燃料射流的增加的速度有助于延长的离地长度，夹带空气并产生贫射流核心58。
26.本说明书仅用于说明目的，而不应解释为以任何方式缩小本发明的范围。因此，本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的完整和合理的范围和精神的情况下，可以对当前公开的实施例进行各种修改。通过阅读附图和所附权利要求书，其他方面、特征和优点将变得显而易见。如本文所用，冠词“一”和“一个”旨在包含一个或多个项目，并且可与“一个或多个”互换使用。在仅想要一个项目的情况下，使用术语“一个”或类似语言。此外，如本文所用，术语“具有(has)”、“具有(have)”、“具有(having)”等旨在为开放式术语。此外，除非另外明确说明，否则短语“基于”旨在表示“至少部分地基于”。

技术特征：
1.一种燃料喷射器，包括：喷嘴本体，具有形成在其中的多个喷孔；多个喷射管道，以与所述多个喷孔成喷射路径对准而联接至所述喷嘴本体；喷嘴止回部件，能够在所述喷嘴本体内在打开位置与关闭位置之间移动，所述关闭位置阻挡所述多个喷孔；以及所述多个喷射管道中的每一个限定管道中心轴线，并且包括管道内表面和与所述管道内表面一起形成喷射射流通道的中心体、围绕所述管道中心轴线周向地延伸并且在射流从所述喷嘴本体前进的方向上的面积减小的喷射射流通道。2.根据权利要求1所述的燃料喷射器，其中所述中心体包括沿喷射射流前进方向渐缩的中心体外表面；所述中心体外表面呈圆锥形并且在位于所述管道中心轴线上的前锥峰与后锥底之间延伸；以及所述喷射射流通道的出口限定在所述管道内表面和所述中心体之间，并围绕所述后锥底周向延伸。3.根据权利要求1或2所述的燃料喷射器，还包括连接在所述管道内表面和所述中心体之间的至少一个支撑件；其中所述至少一个支撑件是围绕所述管道中心轴线圆周地间隔开并且位于所述喷射射流通道内的多个支撑件中的一个。4.根据权利要求3所述的燃料喷射器，其中所述多个支撑件布置在入口组和出口组中，所述出口组在喷射射流前进方向上与所述入口组间隔开；以及所述至少一个支撑件包括叶片，所述叶片定向成通过所述喷射射流通道撞击燃料喷射而形成涡流。5.根据权利要求1所述的燃料喷射器，其中所述喷嘴本体限定喷嘴中心轴线，并且所述多个喷射管道围绕所述喷嘴中心轴线周向地间隔开并且相对于所述喷嘴中心轴线成角度地定向。6.一种燃料喷射器喷嘴组件，包括：喷嘴本体，限定喷嘴中心轴线并且包括内喷嘴表面、外喷嘴表面和从所述内喷嘴表面延伸到所述外喷嘴表面并且与所述喷嘴中心轴线成角度地定向的喷孔；喷射管道，以与所述喷孔成喷射路径对准而联接至所述喷嘴本体；所述喷射管道包括在管道入口与管道出口之间延伸的管道壁，以及联接至所述管道壁并位于在所述管道入口与所述管道出口之间延伸的喷射路径中的中心体；以及喷射射流通道沿外围限定在所述管道壁和所述中心体之间。7.根据权利要求6所述的喷嘴组件，其中所述喷射射流通道在所述管道入口和所述管道出口之间完全围绕所述中心体；以及所述喷射管道还包括至少一个位于所述喷射路径内并将所述中心体连接至所述管道壁的支撑件。8.根据权利要求6或7所述的喷嘴组件，其中所述中心体呈圆锥形；所述管道壁包括圆柱形管道内表面；所述中心体包括面向所述喷孔的方向的锥峰；以及
所述中心体限定小于45
°
的锥角。9.一种操作内燃机系统的方法，包括：将所述发动机系统的燃料喷射器中的出口止回部件从关闭位置移动到打开位置，以将所述燃料喷射器中的包含加压燃料的喷嘴室流体连接至所述燃料喷射器中的喷孔；基于所述出口止回部件的所述移动使加压燃料射流从所述喷孔前进通过形成在喷射管道的中心体与管道壁之间的喷射射流通道；基于从所述喷射管道的入口到出口的所述喷射射流通道的面积的减小来增大所述加压燃料射流的速度；以及将加压燃料射流从所述喷射管道喷射到所述内燃机系统中的发动机的燃烧室中。10.根据权利要求9所述的方法，其中所述喷射所述加压燃料射流包括喷射具有富射流外围和贫射流核心的环形射流；所述使射流前进包括使所述射流前进穿过形成在圆锥形中心体与圆柱形管道壁之间的喷射射流通道；所述方法还包括通过使喷射射流撞击在圆锥形中心体的外表面上而将所述喷射射流分配在所述喷射射流通道中，并经由连接在所述管道壁和所述圆锥形中心体之间的叶片撞击所述喷射射流的燃料而产生涡流。

技术总结
一种燃料喷射器包括喷嘴本体和联接至喷嘴本体并与其中的喷孔成喷射路径对准的喷射管道。喷嘴止回部件可在喷嘴本体内移动以打开和关闭喷孔。喷射管道中的每一个限定管道中心轴线，并且包括与管道内表面一起形成围绕管道中心轴线的喷射射流通道的中心体，喷射射流通道在管道中心轴线的周向上并且在喷射射流从喷嘴本体前进的方向上的面积减小。喷嘴本体前进的方向上的面积减小。喷嘴本体前进的方向上的面积减小。


技术研发人员：R
受保护的技术使用者：卡特彼勒公司
技术研发日：2023.01.17
技术公布日：2023/7/26