具有碰撞喷射的液体喷射器雾化器

摘要

提供了一种用于将液体注入到内燃机中的液体喷射器。该喷射器具有瞄准共同碰撞点的多个喷射，其中，由于由液体流的冲击所消耗的动能，所以至少两个喷射流碰撞，以产生细微的雾化液。由喷射、所应用的压力以及喷射碰撞的距离形成的角度使得向前动量的损失大于产生小于5微米的颗粒所需要的能量。喷射的液体可包括汽油、柴油机型燃料或水。所述喷射器可用于端口喷射或直接喷射。

说明书

相关申请的交叉引证

本申请要求于2012年11月20日提交的美国临时专利申请第 61/728,525号、于2013年6月24日提交的美国临时专利申请第61/838,675 号以及于2013年10月15日提交的美国临时专利申请第61/891,118号的 优先权。上面指出的这些美国临时专利申请通过引证结合于此。

技术领域

本发明涉及用于产生雾化液的设备和方法。更具体地，本发明涉及一 种用于内燃机的雾化液体喷射器。

背景技术

实现用于注入到往复式或旋转式内燃机中的液体的有效雾化是火花 点火、压缩点火(柴油)或连续式内燃机的设计和操作的一个重要方面。 现有技术方法包括使用非常高的压力、使用非常小的喷孔、以及使用将液 体流分散的防冲板或小柱形障碍物。

实现用于往复式或旋转式内燃机中的冷却、减少爆震、NOx降低的有 效雾化是设计和操作的一个重要方面，并且相对于更大的燃料经济性和更 低的排放提供大量优点。

液体燃料和水通常注入到发动机中。燃料可为柴油型燃料、汽油(石 油)、酒精及其混合物。柴油型燃料包括JP-8、喷气燃料以及煤油。酒精 包括与汽油共同混合在一起的乙醇和甲醇。水通常注入到发动机中，以提 供内部冷却效应、爆震、NOx降低，并且这是因为在燃烧期间，尤其是如 果在通过外部冷却和排气损失的热量中存在净减少，则由转化成蒸汽的液 态水提供大膨胀系数。

现代发动机通常使用燃料喷射，以将燃料引入到发动机中。这种燃料 喷射可为端口喷射或直接喷射。在端口喷射中，燃料喷射器位于进气轮系 或进口歧管中的在汽缸之前的某个点上。在直接喷射中，喷射器位于每个 汽缸中。

注入到汽缸内中燃料和其他液体的雾化较为重要。最佳地，在注入的 液体流与发动机的任何内部表面接触之前，将任何喷射的液体雾化。如果 液体接触汽缸表面，则可洗掉润滑剂和沉积物，这引起次佳燃烧。在燃烧 期间沉积的燃料引起碳沉积、更大的排放以及更小的发动机功率。可替换 地，在注入水时，非润滑的内表面(例如，汽缸盖和活塞表面)上的冲击 可提供一些优点。

在传统的燃料喷射器或雾化器内的喷雾构造通常是锥形的，其通常具 有漩涡，但这个构造不受限制并且可导致在直接喷射系统中的活塞和汽缸 壁部上冲击液体。尤其在高压缩发动机中，顶部空间非常有限，这使得更 加难以在这种发动机中进行雾化，而不与发动机内表面上的液体流接触。

有效雾化的一种方法在于使用高压液体喷射和小喷孔，但高压系统昂 贵并且容易发生故障，而且小喷孔容易堵塞。

有效雾化的一种方法还在于与液体一起使用气动剪切，其中，高压的 快速运动的空气用于对液体流进行剪切，以实现雾化。这种方法本身在使 液滴分散方面具有限制。此外，所以如果有可能的话，由于在高压下提供 空气或气体，具有复杂性，所以难以在直接喷射构造中该应用。

在液体燃料的火箭发动机中还已知碰撞式喷射件，其为将燃料和氧化 剂混合在一起的装置。用于内燃机的喷射器与现有技术的火箭发动机的不 同之处在于，火箭发动机喷嘴不是‘开始-保持-停止’型计量装置，而用 于内燃机的喷射器被设计为根据命令而输送特定量的液体。这需要随着时 间小心控制流速，这通常通过电磁阀来实现，但还可通过液压先导驱动、 液压放大、压电堆叠、气动装置或其他方法来控制。而且，在火箭发动机 中的碰撞式喷射旨在用作混合方法，其中，注入两个单独的流体(通常是 燃料和氧化剂)，以相互作用并起反应，而非用作仅用于将流体分散成液 滴或雾化喷射的机构。

传统的雾化器和喷射器使用高压来促使液体通过小喷孔。因此，由施 加压力所提供的动能几乎完全用于使流体加速，并且由于空气剪切、阻力 或拖曳而发生任何分散或雾化。通过观察和理论，显然在开始分散之前喷 射行进大量距离。在具有有限的腔室尺寸(在大部分客车中为大约10cm) 的内燃机中，在分散之前的喷射的“液体长度”或长度比在燃烧室内离喷 射器尖端最远的点更高。这表示在分散之前，喷射将对活塞和/或汽缸壁部 进行冲击。需要一种新机构来实现更好的分散。

发明内容

本发明的一个实施方式包括：喷射器壳体；液体入口，该液体入口被 构造为耦接至液体的外部源；柱销阀，该柱销阀与所述液体入口流体连通， 所述柱销阀被构造为能调节地测量来自液体的外部源的液体流；以及多个 液体通道，该液体通道与柱销阀流体连通并且终止于形成在喷射器壳体的 外表面上的相应的倾斜喷孔，所述液体通道被确定尺寸且倾斜成将相应的 液体喷射引入位于远离形成倾斜喷孔的平面的限定位置处的共同碰撞点 中。所述限定位置沿着雾化喷射器的中心轴线定位在与外表面相距的一距 离处，所述距离被确定尺寸成使雾化液在外表面上的冲击最小化并且小于 满足等式L＝d×C×SM或等式L＝(Α_oΔΡ)/[σ+Cd_o×ΔP/ρ_L],C＝(ρ_aπC_dc/3) 的较小值的液体长度距离，其中，d是以m为单位的倾斜的喷孔直径，m 是常数，并且SM是由(ν/σ)×(2ΔΡ×ρ)^1/2限定的系数，其中，ν是以m²/s为 单位的运动粘度，σ是以N/m为单位的表面张力，ΔΡ是以N/m²为单位的 在倾斜的喷孔之上的压降，并且ρ是以kg/m³为单位的流体密度，其中， d_o是以m为单位的倾斜的喷孔直径，Α_o＝πd_o²/4是以m²为单位的喷孔面 积，ΔΡ是以N/m²为单位的在倾斜的喷孔之上的压降，σ是以N/m为单位 的表面张力，ρ_L是以kg/m³为单位的流体密度，ρ_a是以kg/m³为单位的空 气密度，并且C_dc是在轴向流动中的汽缸的表面摩擦阻力系数。

制造本发明的一个实施方式，钻凿第一液体通道，所述第一液体通道 从喷射器主体的外表面中延伸到设置在形成于喷射器主体中的腔体内的 柱销座部；钻凿第二液体通道，所述第二液体通道从喷射器主体的喷嘴梢 的外表面延伸，以在各自的第一液体通道的非端部区域处与第一液体通道 相交，所述第二液体通道终止于喷孔，所述喷孔形成在喷射器主体的喷嘴 梢的外表面上并且以一角度倾斜，第二液体通道被构造为引导离开喷孔的 喷射，以在喷射器主体外面的限定点处发生碰撞；以及在喷射器主体的外 表面与第一液体通道和第二液体通道的交叉点之间密封第一液体通道。

在一个实施方式中，液体喷射器将液体注入到内燃机中。在一个实施 方式中，液体喷射器将液体注入到往复式或旋转式内燃机的燃烧室中。在 一个实施方式中，液体喷射器将液体注入到往复式内燃机的进气端口、进 口歧管或排气路径中。

在一个实施方式中，喷嘴的外部的喷孔排列成与喷嘴的中心轴线相距 相同的径向距离并且等角地间隔开。

在一个实施方式中，喷孔可排列成与喷嘴的中心轴线相距相同的径向 距离并不等角地间隔开。在一个实施方式中，喷嘴在外端上限定凹形截面， 所述喷孔位于所述凹形截面中。

在一个实施方式中，对于在任何平面上的所有喷孔而言，由喷孔轴线 上的线到在喷嘴外端处指向相邻喷孔的中心轴线限定的角度是相等的。

在一个实施方式中，在所述喷嘴的中心设置有一个额外的喷孔。

在一个实施方式中，喷孔的数量大于2，并且可具有高达50个喷孔的 范围。流体动力学表示两个喷孔的液体喷射在碰撞之后提供扁平的扇形扩 散云，而三个或更多个喷孔将提供三维圆形云。更大数量的喷孔具有更大 的液体输出(所有其他因素相同)。在发动机应用中，例如，用于汽车发 动机的喷射器主体可具有大约8mm的直径并且具有2个到6个喷孔。用 于静止式重型柴油机的喷射器可具有喷射器主体，该主体具有大约5cm 的直径并且具有3个到30个或更多的喷孔。

在一个实施方式中，喷射器是在内燃机中的燃料喷射器或水喷射器。 在一个实施方式中，从水溶液、水以及液体碳氢化合物燃料中选择在喷射 器中的液体。在一个实施方式中，喷射器是燃料喷射器并且从柴油燃料、 JP8、酒精、或汽油、或其混合物中选择液体。

在一个实施方式中，计量装置是电磁阀控制的柱销或压电控制的柱 销。

在一个实施方式中，喷射并非都具有相等的入口压力或喷孔直径以及 碰撞速度或力。

在一个实施方式中，根据所需要的流速，喷孔直径可具有从大约50μm 到大约5000μm或更大的范围。在一个实施方式中，喷孔直径具有从大约 200μm到大约400μm的范围，并且所述液体是碳氢化合物燃料。在一个 实施方式中，喷孔直径具有从大约300μm到大约700μm的范围，并且所 述液体是水或水溶液。

在一个实施方式中，液体压力具有从大约1巴到大约5000巴的范围。

在一个实施方式中，液体在限定每个喷射的喷孔处的速度大于10 m/s，并且在另一个实施方式中，其具有从大约20m/s到大约500m/s的范 围。

在一个实施方式中，在喷孔与碰撞点之间的距离小于在彼此相距最远 的两个最远喷孔之间的距离的3倍。

在一个实施方式中，在喷孔与碰撞点之间的距离比液体喷射的‘液体 长度’更短。

在一个实施方式中，由任何两个喷射限定的角度具有从大约20°到大 约180°的范围。

在一个实施方式中，本发明的喷射器可具有两个或更多个焦点，其中， 至少两个喷射在每个焦点处相交。因此，一个实施方式提供了一种产生雾 化液的液体喷射器，其具有向喷射器的主体供给的液体的加压源，其中， 所述主体具有液体入口、位于主体内部或外面的液体计量装置以及包括喷 嘴的液体出口；其中，所述喷嘴包括两个或更多个喷孔，液体的加压液体 喷射源自所述喷孔，其中，每个喷射均瞄准喷射器外面的共同焦点，其中， 加压液体喷射在所述焦点处的碰撞产生雾化形式的液体，其中，存在两个 或多个离散焦点；其中，所述计量装置在精确的开始和停止时间提供精确 量的液体流。

附图说明

参照下文的描述、所附权利要求以及附图，将更好地理解本发明的这 些和其他特征、方面以及优点，附图中：

图1A示出了本发明的示意性实施方式；

图1B示出了图1A的示意图，但其在打开的位置中具有柱销；

图2示出了从图1A中由下往上看的本发明的喷射器的示意图；

图3A-F示出了各种喷孔图案；

图4示出了待分散的液体喷射的几何示意图；

图5A-C是模型的结果的一个实例，基于造成满足喷射分散条件的力 平衡，从结果中导出待分散的喷射长度的表达；

图6A到图6E示出了本发明的一个实施方式的制造工艺；

图7A和图7B示出了实际现有技术喷射器(图7A)和本发明的喷射 器(图7B)的喷雾图案；

图8A和图8B是用于柴油机的燃料流量发动机负荷的绘图，其示出 了，对于相同的发动机负荷而言，本发明的喷射器具有比传统喷射器更低 的燃料流量。

具体实施方式

本发明提供了一种用于喷射流体的喷嘴，尤其是用于注入到往复式或 旋转式内燃机中的液体。这种液体可为燃料，例如，汽油或柴油、水或水 溶液。在本发明中，在压力下，流体的至少两个或更多个喷射瞄准一个碰 撞点。喷射在碰撞点(多个碰撞点)处的碰撞使液体有效地雾化。雾化液 产生羽流，其使液体与内部发动机表面的实质性接触最小化并且提供了用 于更有效燃烧(或其他效应)的大表面面积。

两个碰撞的喷射产生扇形二维雾化喷射。需要至少第三个碰撞的喷射 来实现完全三维的云。通过以不同的角度构造喷射(包括在中心的喷射)， 液体的雾化云可成形。

在本发明的一个实施方式中，提供了一种产生雾化液的液体喷射器， 其具有向喷射器的主体供给的液体的加压源，其中，该主体具有液体入口、 液体计量装置以及包括喷嘴的液体出口；其中，喷嘴包括两个或更多个喷 射口，液体的加压液体喷射源自该喷孔，其中，每个喷射均瞄准喷射器外 面的共同焦点，其中，加压液体喷射在该焦点处的冲击产生雾化形式的液 体；其中，喷射的夹角在30°到180°之间；并且其中，计量装置在精确且 可控的开始和停止时间提供精确量的液体流。

在另一个实施方式中，提供了一种产生雾化液的液体喷射器，其具有 向喷射器的主体供给的液体的加压源，其中，该主体具有液体入口、位于 主体内的液体计量装置以及包括喷嘴的液体出口，并且其中，主体包括具 有中心轴线的大致圆形截面；其中，喷嘴包括中心轴线、内端以及外端， 其中，两个或更多个通道源自内端，其中，每个通道终止于具有喷孔的外 端，加压液体受迫经过两个或更多个通道至每个通道末端的喷孔，其中， 每个喷孔均引导加压液体的喷射，其中，喷孔被构造成使得每个喷射均瞄 准喷射器外面的共同焦点，其中，加压液体喷射在该焦点处的冲击产生雾 化形式的液体；其中，喷射的夹角在30°到180°之间；并且

其中，计量装置在精确且可控的开始和停止时间提供精确量的液体 流。

在本发明的一个实施方式中，液体喷射器包括液体入口；液体计量装 置，用于提供大量液体流；以及液体出口，该液体出口具有喷嘴。喷嘴包 括：中心轴；内端；外端或喷嘴梢；以及源自内端的两个或更多个通道， 每个通道均终止于具有喷孔的外端部，喷孔被构造成使得至少两个喷射瞄 准喷射器外面的共同焦点。

计量装置可为电磁阀控制的柱销。可替换地，计量装置可为压电控制 的柱销。

本发明的喷嘴在外端上限定了凹形或凹入式锥形的截面。喷孔位于该 凹形截面内。喷孔可排列成与所述喷嘴的中心轴线相距相同的径向距离， 并且等角地间隔开。可替换地，喷孔可排列成与所述喷嘴的中心轴相距相 同的径向距离，并不等角地间隔开。喷孔可相对于喷嘴的中心轴线排列在 单个平面上。可替换地，喷孔的中心相对于喷嘴的中心轴线排列在两个或 更多个平面上。

在本实施方式中，液体喷射器将液体喷射到往复式内燃机的燃烧室或 旋转内燃机的燃烧室中。

在本实施方式中，加压液体受迫经过至少两个或更多个通道至每个通 道末端的喷孔，每个喷孔均引导加压液体的喷射，加压液体喷射在焦点处 的碰撞产生雾化形式的液体。

图1A和图1B是本发明的喷嘴的一个实施方式的示意图，在平面图 中可见两个液体通道。喷嘴是这样一种装置，该装置被设计为在液体流离 开(或进入)封闭室或管道时控制液体流的方向或特征(尤其用于增大速 度)。喷嘴具有主体1，该主体具有中心轴线3。喷嘴的入口端5示出了柱 销轴40和柱销球42的末端。将喷嘴中的加压液体传输至喷孔的液体通道 源自柱销球座部区域中的点36处。

喷嘴1的出口端6(在本文中也被称为“喷嘴梢”)具有凹口7，该凹 口在图1中被示为凹面(即，具有弯曲轮廓，而非具有直壁的边缘)，但 其还可具有锥形轮廓。喷孔10位于凹口7内。喷射的夹角(2θ)可较大、 大于90°，同时依然保持喷射路径长度相对较短，即，沿着线4从10到焦 点2的距离(也表示为R)。较短的喷射路径长度提供了雾化工艺的更好 控制并且将更多的能量传输至碰撞点2。因此，较短的喷射路径更可取， 以避免背部冲击，即，反射回喷射器主体并且对喷射器的喷嘴梢进行冲击 的液滴。

在图1A和1B中描述的实施方式中的每个液体通道由液体通道30和 20的组合构成。在图1A和1B中所示的实施方式中，通过在喷嘴主体1 中从点32处的斜边64到柱销座部46中的点36进行钻凿，形成子通道30。 然后，堵塞截面34。通过在凹口7中从在交叉点22处与子通道30相交的 点10进行钻凿，形成子通道20。

喷孔10可具有插入件11，以使开口变窄为直径比子通道20的内径更 小。由于将根据影响本发明喷嘴的雾化的形状和其他特征的各种因素(例 如，液体的粘度、压力、速度(例如，发动机的rpm))来调节喷孔尺寸， 所以这尤其可取。虽然可出于不同的目的调节孔口尺寸，但对于在喷嘴坯 料中钻孔具有实际的限制。小于500微米的钻孔非常昂贵，这对于批量生 产的物品不可取。因此，可生产制造成本低的较大直径通道，但根据喷嘴 的特定应用，喷孔可具有较小的直径，如果整个通道的直径较大，则该较 小的直径非常昂贵。

柱销为喷射器的套筒中的往复轴。柱销阀42在喷嘴处的端部是圆形 球状部分，被称为柱销球。在默认位置中，抵靠座部46按压柱销球。在 抵靠座部46按压柱销球时，任何流体都不能流入出口通道30中，并且任 何流体都不从喷嘴中流出。在柱销球42通过电磁阀或压电机构移动到打 开位置(图1B)中时，加压液体流过在图1A中由48限定的空间并且流 入出口通道30中以及从喷孔11处的喷嘴中流出。

座部46和柱销球42限定了‘液囊’容量108，该容量必须尽可能得 小，其受到用于出口通道30的合适的进入条件。每个出口通道30在第一 端处与‘液囊’容量108液体连通，并且在第二端处终止于的各自喷孔出 口。出口通道21形成沿着喷射器的中心轴线(线3)引导的单个中心喷射， 并且出口通道20形成具有以碰撞夹角2θ的倾斜喷射。角度2θ可固定为 在大约30°到180°之间的角度。从通道20和中心通道21的端部处的喷孔 中发出的多个喷射被引导成在单个焦点(即，碰撞点)2处发生碰撞。

图2是朝着喷射器的喷嘴梢观看的图1A的端视图。其描述了外部喷 射器主体壁62、斜边64、底面66以及环形物8，该环形物限定凹口7(在 图中示为凹面)。中心喷孔21示出为三个径向喷孔20。在喷孔20的中心 的平面中，在每个喷孔之间的角度是Ψ。如在图2中通过实例所示，径向 喷孔20等角地间隔开120°。尺寸r在喷孔20的中心的平面内限定了径向 喷孔到中心轴线的距离。如在此处所示，沿着中心轴线具有喷孔，但在本 发明中，中心喷孔是可选的。

参照图1A和图1B，通过改变距离R，角度θ可改变，R＝r/Sinθ。如 果r对于规定的R较短并且更接近中心轴线，那么θ将更小。可替换地， 对于规定的r，较大的R产生更小的θ，反之亦然。最小的夹角2θ大约为 30°。通过使r更长并且使钻孔通道20与凹口7的表面尽可能垂直，夹角 2θ可接近180°。在一个实施方式中，夹角2θ是180°。

在一个可替换的实施方式(未示出)中，出口通道20可倾斜，以在 不同的焦点处发生碰撞，从而产生两个单独的碰撞点。

在另一个实施方式中，可提供径向喷孔20的两个(或更多个)环状 物，其中，第一组喷孔具有某个r尺寸，并且第二组喷孔具有不同的r尺 寸，其中，所有喷孔瞄准单个碰撞点。图3示出了可在本发明中使用的喷 孔的非限制性图案。

本发明的喷射器可用于将碳氢化合物燃料、水、水溶液或其混合物直 接喷射到发动机的燃烧室中，或者喷射到进气轮系(进口歧管，也被称为 端口喷射)中，或者喷射到发动机的排气轮系(排放歧管)中。

应用于本发明的喷射器的液体中的压力取决于发动机中的喷射器的 位置和液体的类型而发生变化。对于端口喷射应用而言(其中，喷射器处 于将液体喷射到进口歧管中的位置)，压力可为4巴至5巴，但在一个实 施方式中，远远更高的压力可通过本发明的喷孔用于端口喷射中，高达250 巴。对于直接喷射应用而言，喷射器位于每个汽缸上，以直接喷射到汽缸 的燃烧室中，汽油发动机的压力是大约100巴到大约250巴。对于供压缩 点火(柴油)发动机使用的柴油型燃料而言，在非常高压力的发动机中， 压力是大约250巴到大约2500巴。在一些实施方式中，与通常用于传统 的燃料喷射器的压力相比，更低压力可用于实现有效的雾化。

为了产生雾化形式的液体，本发明的喷射器被构造为控制几个参数， 例如，包括喷孔参数、碰撞速度、液体压力、碰撞角度以及碰撞长度。基 于喷射的特定液体来选择控制参数的值，以便在碰撞点处生成充足的能 量，来使液体雾化并且部分蒸发。下文的描述和附图提供了关于构成本发 明所需要的各种参数的值的选择的细节。

压缩流体(例如，空气、气体、水或液态燃料)具有单位势能或SPE， 其中，SPE＝ΔΡ/ρ(ΔΡ是以kN/m²为单位的在燃料喷嘴之上的压降，并且 ρ是以kg/m³为单位的流体密度)。因此，SPE＝ΔΡ/ρ＝kJ/kg。因此，对于 压差为300巴并且密度为1000kg/m³的水而言，SPE＝30kJ/kg。在理想地 扩展时，这导致喷射速度ν＝(2ΔΡ/ρ)^1/2＝(60000)^1/2＝245m/s。

在两个或多更个这种喷射碰撞时，产生高压停滞恢复(具有50％的恢 复，大约150巴)的小区域，并且小部分能量引起在喷射中的小部分液体 蒸发，除了剪切和湍流分解机构以外，还产生非常强大的额外分解机构。 与具有最大的潜热的水相比，其他液态燃料(例如，汽油或柴油)以明显 更低的压力和更大的喷孔直径显示出显著提高的雾化。

重要的是，要注意，离开传统的喷射器(尤其是直接喷射器)的液体 喷射的速度是大于活塞的速度的量级。这表示即使在下死点(BDC)处发 生喷射，液体喷射也冲击到活塞表面上，或者如果成角度的话则冲击到柱 壁上。还重要的是，要注意，这种喷射的“液体长度”通常大于活塞的行 程长度，这几乎确保了在柱壁和/或活塞表面上的液体冲击。这种冲击是不 期望的并且造成效率损失。

本发明旨在通过两个或更多个喷射在特定的焦点处发生碰撞而使液 体喷射的蒸发最大化，并且考虑到迄今为止未考虑的变量，例如，喷射的 角度、在喷射中的液滴的直径、应用于喷射的压力的量、在液体喷射碰撞 之前的液体长度等。在下文中描述了这些不同的方法。

液体长度(“L”)被限定为液体喷射在开始分散成液滴之前行进的距 离。这在图4中被示出，该图描述了在从空气剪切和其他力中分散时离开 喷孔的加压液体的喷射流，而不与另一个喷射或表面碰撞。在图4中，被 迫经过入口201至喷嘴喷孔202的加压液体产生喷射流203，其在喷孔处 的直径为d_o。具有直径d_j的液体喷射203通过部分204朝着点205逐渐锥 化，其中，喷射基本上被分散，并且形成喷雾羽流206。尺寸L是从202 到205的距离。长度L_j从喷孔出口延伸到点207，其中，喷雾锥形直径(d_spray) 207大约为d_o的3到5倍。

由于更多的动能可用于更强的碰撞，所以液体在碰撞之前行进的距离 越短，则雾化就越大。因此，喷射器设计工艺必须相对于总体喷射器布局 而考虑结合喷射到碰撞点的最佳长度的几何方面。

液体长度在数学上可由以下等式L/d/SM＝m(常数)定义，其中，SM＝ (ν/σ)×(2ΔΡ×ρ)^1/2，并且d是喷孔直径。新无量纲数SM是系数。可替换地， 液体长度L可被表示为L＝m×SM×d。实际上，更一般的方程可用于特定 的压力范围：L/d＝(L/d)_o+m×SM。在此处，(L/d)_o是用实验确定的常数。

如果常数m的值假设等于1/0.09157＝10.921(在现有技术中的实验 数据中可用)，则可估计L/d以通过SM用于任何压力ΔΡ，如在表1的最 后一列中所示。然而，试验表明这个分析可仅对于喷射速度或压差ΔΡ的 非常小的值有效。而且，因为由m＝10.921预测的值对于ΔΡ＝1巴而言太 低，所以必须通过所需要的控制实验来为每个液体确定常数m。

表1：通过L/d＝m×SM模型，估计(L/d)：m＝10.921并且(L/d)_o＝0、 d_o＝0.3mm、ΔΡ＝1.0巴、邦德数B_o＝(ρgd_j²)/σ＝0.0122<<1*。

*表示可以忽略的重力效应。

基于第一原理，称为“喷射长度动量模型”的理论可解决在分散之前 预测液体喷射长度的问题。预先分散长度的估计要求在概念上用公式表示 ‘分散液体喷射的条件’。参照图4，其中，d_o是喷孔直径；A_o是喷孔面 积＝πd_o²；ρL是液体的密度；ρ_a是空气的密度；ΔΡ是在喷孔之上的压降； V_j是在喷孔出口处的喷射速度＝(2ΔΡ/ρ_L)^1/2；σ是液体的表面张力；L是分 散的喷射长度；C_dc是在轴向流动中的汽缸的表面摩擦阻力系数。

考虑在与喷孔平面相距距离x处的长度dx的喷射的部件。这个部件 的质量是m_e＝A_o×ρ_L×dx，其中，速度dV在dx上变化。部件的动量变化 的速率(m_e×dV/dt)是在与表面张力(σ×dx)和气动摩擦力(1/2ρ_aπd_o×dx×C_dc×V²)相反的流动方向上的力。在结合的相反力仅超过驱动动量力时，想 象在这种喷射长度处发生分散。加速度(dV/dt)代替为(V×dV/dx)， 并且假设喷射速度V从在喷孔出口(x＝0)处的V_j线性变化为在分散点 (x＝L)或V＝V_j(1-x/L)处的0。力平衡等式[m_e×dV/dt＝(σ×dx)+ (1/2ρ_aπd_o×dx×C_dc×V²)]采用以下形式：A_oρ_LVdV＝σ×dx+(1/2ρ_aπd_o×C_dc× V_j²)(l-x/L)dx，其可结合在x＝0处的边界条件V＝Vj之间并且在分散时 在x＝L时V＝0，以产生：A_o×ΔΡ＝σL+ρ_aπd_o×C_dc×(ΔΡ/ρ_L)×L/3。

分散的喷射长度的最终表达式是：L＝(A_o×ΔΡ)/[σ+C×d_o×ΔΡ/ρ_L其 中，C＝(ρ_aπC_dc/3)。对于C_dc～0.0而言，以上等式简化为L＝Α_ο×ΔΡ/σ。

有趣的是要注意，对于通过具有相等的直径d_o的喷孔操作的两种流体 (例如，水和柴油)，在分散的喷射长度等于：ΔΡ_c＝(σ_w-σ_D)(ρ_W×ρ_D)/[C× d_o×(ρ_W-ρ_D)]时，具有共同的喷射压力ΔΡ_c。

根据：C_dc＝3×(σ_w-σ_D)(ρ_W×ρ_D)/[ρ_aπ×d_o×ΔΡ_c×(ρ_W-ρ_D)]，基于经验/ 实验数据输入的表面摩擦阻力系数C_dc可独立地交叉检查或估计。

基于以上模型，对于压力ΔΡ的样品范围，对水和柴油进行计算，d_o＝ 0.3mm并且假定值C_dc。在图5A到图5C中，显示了ΔΡ＝1巴到100巴 并且C_dc＝0.0、0.05和0.1的实例结果。

本发明的一个方面在于，碰撞喷射大体上或者完全减少了液体喷射的 正向渗透，据此，液体或喷雾羽流长度始终比行程长度或在活塞表面与喷 射器喷嘴之间的距离更短。本发明的一个方面还在于，在喷射器附近发生 喷射的分散，其中，由所施加的压力给予液体的大量动能被引向由液体喷 射的雾化。

使液体雾化所需要的能量由液体的表面张力控制。必须施加引导远离 液体的运动方向的比表面张力更大的力来实现雾化。雾化所需要的能量或 作业(W)由W＝σ×ΔΑ规定，其中，σ是表面张力，并且ΔΑ是雾化产 生的面积。喷射的比能由可用的总比能(TASE)规定，其由TASE＝ΔΡ/ρ 表示。响应于远离喷射的运动方向分散的用于雾化的能量由EOBU＝(ΔΡ/ρ) sin²θ规定，其中，θ是在喷射与由碰撞点和羽流或喷射器主体的运动方向 形成的轴线之间形成的角度。与较大的角度相比，对于较小的角度θ而言， 喷射在更远的距离处接触，并因此，需要更大的能量或压力来实现雾化。

还可使用喷射的速度来表示能量。在传播方向的速度由V＝(2ΔΡ/ρ)1/2 规定，其中，ρ是液体的密度。可使用以上等式计算初始喷射的理论速度， 并且可基于动量守恒来计算在碰撞之后的喷射速度。可使用与湍动剪切和 阻力相关的等式来计算在碰撞之后的进一步雾化。

本发明的一个方面在于产生直径小于5微米并且在另一个实施方式中 小于1微米的液滴。可以使用以上等式，计算来自连续射流的雾化液滴以 及每个单位质量或容量的液滴的面积以及产生这种雾化所需要的能量。

因此，本发明使用至少两个喷射生成雾化，该喷射在远离喷射或 EOBU的方向可用的理论能量高于产生小于5微米的液滴所需要的分散能 量的点处发生碰撞，其中，施加于液体的压力以及由具有碰撞点和轴线的 喷射形成的角度产生的能量的量大于基于等式EOBU＝(ΔΡ/ρ)sin²θ＝σ×ΔΑ 计算的能量的量。在另一个实施方式中，本发明使用至少三个喷射生成雾 化，在远离喷射或EOBU的方向可用的理论能量高于产生小于5微米的液 滴所需要的分散能量的点处发生碰撞，其中，施加于液体中的压力以及由 具有碰撞点和轴线的喷射形成的角度产生的能量的量大于基于等式 EOBU＝(ΔΡ/ρ)sin²θ＝σ×ΔΑ计算的能量的量。在又一个实施方式中，本发明 使用至少两个喷射生成雾化，在远离喷射或EOBU的方向可用的理论能量 高于产生小于1微米的液滴所需要的分散能量的点处发生碰撞，其中，施 加于液体中的压力以及由具有碰撞点和轴线的喷射形成的角度产生的能 量的量大于基于等式EOBU＝(ΔΡ/ρ)sin²θ＝σ×ΔΑ计算的能量的量。在另一 个实施方式中，本发明使用至少三个喷射生成雾化，在远离喷射或EOBU 的方向可用的理论能量高于产生小于1微米的液滴所需要的分散能量的点 处发生碰撞，其中，施加于液体中的压力以及由具有碰撞点和轴线的喷射 形成的角度产生的能量的量大于基于等EOBU＝(ΔΡ/ρ)sin²θ＝σ×ΔΑ计算的 能量的量。图10是等高线图。

如果1mL的液体雾化以产生直径为D(μm)的液滴，那么由于雾化 ΔΑ＝6/D而产生以m²为单位的区域。克服表面张力所需要的能量是以J 为单位的6σ/D，其中，表面张力σ以N/m为单位。下面在表3中估计并 且提供1mL各种液体(例如，汽油、柴油、酒精或水)所需要的能量EOBU。

表2提供了这些液体在雾化产生直径为Dμm的液滴时的性能，并且 表3提供了每mL液体的EOBU。还在表3中提供了完全蒸发1克液体 EOEV所需要的能量。在表4中提供了用于这些液体的在从0.4巴到4000 巴的各种喷射压力下可用的总比能。表5(a)和表5(b)分别提供了通 过从30°到90°的各种碰撞角度所需要的喷射压力，以提供充分的能量， 从而用于分散(即，雾化)和蒸发。

表2：液体性能：ν是运动粘度；σ是表面张力；ρ是流体密度

液体 ν(×10⁶) σ(×10³) ρ h_fgCp BP 单位 m²/s N/m kg/m³kJ/Kg kJ/kg/K ℃ 柴油 3.5 28.9 830 418.7 1.80 188-340 乙醇 1.48 22.5 788 1658.7 1.549 78 汽油 0.80 22.0 760 628.1 2.010 27-225

水 1.00 72.6 998 2257.4 4.187 100

表3：所选液体的分散和蒸发的比能

表4：在各种压力下可用的总比能TASE(J/gm)

ΔP 柴油 乙醇 汽油 水 0.4 48.2 50.8 52.6 40.1 4.0 481.9 507.6 526.3 400.8 40.0 4819.3 5076.1 5263.2 4008.0 400.0 48192.8 50761.4 52631.6 40080.2 4000.0 481927.7 507614.2 526315.8 400801.6

表5(a)：以各种碰撞角度θ克服表面张力所需要的压差(ΔΡ)(ΔΡ以 巴为单位)

θ 柴油 乙醇 汽油 水 30 7.668 5.970 5.837 19.263 40 4.640 3.612 3.532 11.656 50 3.267 2.543 2.487 8.207 60 2.556 1.990 1.946 6.421 70 2.171 1.690 1.653 4.545 80 1.977 1.539 1.505 4.966 90 1.917 1.493 1.460 4.817

表5(b)：以各种碰撞角度θ蒸发1gm所需要的压差(ΔΡ)(ΔΡ以巴 为单位)

θ 柴油 乙醇 汽油 水 30 26858.0 61317.8 21969.5 115593.1 40 16250.9 37101.5 13293.1 69941.8 50 11442.1 26122.7 9359.5 49245.2 60 8952.7 20439.2 7323.2 38531.0 70 7604.0 17360.2 6220.0 32726.5 80 6923.3 15806.0 5663.1 29796.7

90 6715.6 15331.8 5493.2 28902.8

从在以上表格中的数据中显而易见的是，对于特定的液体，必须选择 喷射的数量、喷射压力ΔΡ以及碰撞角度θ，以满足雾化、羽流形状、尺 寸以及方向的要求。

重要的是，通过在以上表格中表示的压力，正确地估计从喷嘴中喷出 的液体喷射的理论速度。

在本发明中，碰撞点尽可能接近喷孔出口表面，但必须避免背面冲击。 而且，碰撞喷射长度比从喷嘴中喷出的喷射的液体长度(L)更短。如果 在包含喷孔中心的平面中的圆形的直径是D_oc并且在喷射轴与喷射器主体 轴线之间的角度是θ，则碰撞长度L_c确定为L_c＝D_oc/2Sinθ。碰撞点与喷孔 出口点的距离小于3倍D_oc。在另一个实施方式中，该距离小于2倍D_oc。 换言之，碰撞点与喷孔相距的距离比与喷孔相交的圆形的直径或比相隔最 远的两个喷孔之间的距离更短。

由于更多的动能可用于更强烈的碰撞，所以液体在碰撞之前必须行进 的距离越短，雾化就越有效。

图5A、5B以及5C示出了仅通过实例为从1到100巴的压降变化计 算的分别用于水和柴油的液体喷射长度。可以从L∞d_o2的关系中，计算任 何喷孔直径(50μm到1000μm)的液体喷射长度。

本发明在发动机的燃料或水喷射中提供了优于现有技术方法的雾化。 特别地，由喷嘴中的本发明的液体通道构造提供的喷射的向内锐角是优于 现有技术的大幅改进，非常接近喷射器主体地提供了非常有效的雾化，并 且防止液体流冲击发动机中的内部固体表面，这可洗掉油并且造成不完全 燃烧。这在现代高压缩发动机内尤其重要，其中，接近上死点(TDC)的 喷射时间较为重要，并且在TDC处的顶部空间可以非常小。

在一个实施方式中，雾化造成将液体的细微和均匀的悬浮液形成为空 气(或实质上的水蒸气或喷射的燃料)并且在内燃机中造成尽可能接近 TDC或旋转式发动机的内死点(IDC)的完全燃烧。如果施加充分的压力， 则大量液体、燃料、或水、或其任何混合物(包括在水、或燃料、或其混 合物内的固体溶液)几乎立即蒸发。

本发明的用于往复式以及旋转式内燃机的液体喷射器具有计量机构， 例如，柱销阀，以用于控制进入往复式发动机或用于旋转式发动机的连续 流量控制系统中的液体(例如，液态燃料)的量和/或时间。

本发明向内燃机中为燃料或水喷射提供了优于现有技术方法的雾化。 特别地，由喷嘴中的液体通道构造提供的喷射的向内锐角(2θ>90°)是优 于现有技术的大幅改进，非常接近喷射器主体地提供了非常有效的雾化， 并且防止液体流冲击发动机中的内部固体表面，这可以洗掉油并且造成不 完全燃烧。因此，喷射器设计工艺必须相对于总体喷射器布局考虑包含喷 射到碰撞点的最佳长度的几何方面。

喷雾羽流几何形状可适当地与气体空间形状匹配，以用于更好地混 合。喷雾羽流被构造为不冲击用于液态燃料的内部金属壁，但在注水应用 的情况下，可使其冲击不润滑的热表面。

图6A到图6E示出了制造本发明的一个实施方式的阶段。具体而言， 制造工艺始于喷射器主体，在该主体中形成有柱销阀404。在图6A中， 多个第一液体通道406、408从外部表面410开始钻孔或打孔到喷射器主 体402中，并且倾斜以终止于柱销阀404。第一液体通道408沿着喷射器 主体的中心轴线定位，而第一液体通道406沿着喷射器主体的外围设置。

如图6C中所示，以某个角度通过喷射器主体的外部表面410钻凿第 二组液体通道412，以在远离第一液体通道406的任一端的交叉点414处 与第一液体通道406相交。

如图6C中所示，对第一液体通道406的在外部表面410与交叉点414 之间的部分(由415表示)进行密封。本发明的最终喷射器具有流体路径， 该流体路径形成在位于第二液体通道412的远端处的柱销阀404与喷孔 416之间。

如图6D中所示，本发明的一个实施方式可由用于阀门404的座部403 制造，该座部与喷射器主体402分开形成。在本实施方式中的座部403具 有通道406，在将座部403插入到喷射器主体402中之前钻穿该通道。在 将座部403插入到喷射器主体402中之前，还在喷射器主体402中形成通 道412。当座部403和喷射器主体402连接时，如图6D中所示，通道406 与通道412对准。

在图6E(a)和(b)中提供了在图6C中所示的交叉点414的特写。 如在图6E(a)中所示，通道406具有直径d_i；通道412具有直径d_o； 堵塞的通道部分放大为直径d_c并且通过插入插头P形成长度l_c的沉降室 SC；这有助于增大喷孔通道412的流动容量。直径d_c是d_i的大约5倍， 并且l_c≈d_c。在图6E(b)中可以看出，在另一个实施方式中，插头P'可以 具有大约45°的倒角，以增大流动容量。流体速度在沉降室SC中降低大 约5倍，并且压力按照正方比例增大。这大幅提高了通过喷孔通道412的 液体流。

在本发明的一个实施方式中，喷孔可具有插入件，以使喷孔变窄为直 径比子通道(图1，物品11)的内径更小。由于根可据影响本发明的喷嘴 的雾化的形状和其他特征的各种因素，例如，液体的粘度、压力、速度(例 如，发动机的rpm)，来调节孔口尺寸，所以这尤其可取，虽然可以出于 不同的目的调节孔口尺寸，但对喷嘴坯料中钻孔具有实际的限制。小于500 微米的钻孔(例如，在通道20和30内)非常昂贵，这对于批量生产的物 品不可取。因此，可制造便宜的较大直径通道，但取决于喷嘴的特定应用， 喷孔可具有较小的直径，如果整个通道是这样的直径，则这样小的直径非 常昂贵。在一个实施方式中，喷嘴由单一的固体金属构成。

在本发明的背景下，术语“单一的固体金属”表示在以上段落中描述 的喷嘴可由单块金属制成。例如，喷嘴可由单块不锈钢制成，该不锈钢是 足以抵抗发动机燃烧室的温度和压力的材料。

实例

实例1

下面是本发明的一个实例喷嘴的参数，例如，如图中所示。

根据本发明的一个实施方式，以下参数表示本发明喷嘴的3-喷射实施 方式，以用于将汽油注入到内燃机的汽缸中。

参数 值 说明 喷嘴孔直径 Φ0.205mm 限定喷射的出口孔直径 喷嘴孔长度 0.971mm   喷孔L/D 4.73   喷嘴锥角 90° 在图1中的2θ 喷嘴孔水平角 120° 在图2中的Ψ 与中心相距的喷嘴距离 0.80mm 在图2中的γ 供应孔直径 Φ0.25mm   供应孔长度 3.16mm   供应孔L/D 12.64  

在图7B中所示的用于这个喷射器的喷雾图案，与在图7A中所示的 类似的传统喷射器(Bosch HDEV5 6孔喷射器)相比较。这两个喷射器将 水用作液体，在100巴下持续4ms。传统的喷射器(图7A)示出了液体 的连贯喷射，(与在图7B中的本发明的喷射器相比)以用于与喷射器相距 大得多的距离。液体的雾化程度在图7B中大得多，并且显然，与传统的 喷射器相比，液体流在短得多的距离中分散。

实例2

已经证明本发明的喷射器提高了发动机效率，如图8A和图8B中所 示。图8A是显示用于1.6L 4缸柴油机的燃料流量对发动机负荷的绘图。 标有“GDI”的数据是传统的直接喷射器。标有“Imp.喷射器”的数据是 本发明的3孔碰撞喷射的喷射器。在不同的发动机负荷下，本发明的喷射 器示出了比传统喷射器低16％-20％的燃料流量。

在图8B中示出了改进的性能的解释。图8B示出了如在图8A中在用 于相同的发动机负荷数据点的上死点(dBTDC)之前开始点火(SOI)的 程度。图8B示出了，与传统的GDI喷射器相比，使用本发明的喷射器(标 有“Imp.喷射器”)开始点火在循环中明显更早的发生。此外，与使用传 统喷射器(例如，在基线数据点处，255Kpa对215Kpa)的相应数据点 相比，对于每个数据点，作为归一化平均有效压力(NMEP)测量的发动 机输出更大。更早的点火表明燃料的更完全燃烧，这可以解释效率的提高。

该数据还表明，由于由本发明的喷射器造成的改进的雾化促使仅仅在 点火之前在汽缸内的燃料具有大得多的表面面积，并且燃料更少(或者不 存在)冲击发动机的内表面，所以在循环内可以发生燃料点火(至少在柴 油机内)，从而与传统的喷射器相比，调制本发明的碰撞喷射的喷射器的 喷射时间十分重要。