CN102597487B - 具有改进的周向喷射均匀性的可变面积燃料喷射器 - Google Patents

Abstract

一种燃料喷射器，所述燃料喷射装置有带孔的主体，所述孔限定燃料歧管。所述喷射器还具有可变面积的喷射部件，所述可变面积的喷射部件具有带锥形头的轴针和连接至所述主体的轴针弹簧。所述轴针弹簧推压所述轴针的顶端，以密封所述主体的出口孔，使得在所述喷射器主体内施加加压燃料而引起所述轴针移动。超过某一阈值压力，加压燃料引起所述锥形头移动脱离与所述主体的出口孔的接触。接着，这提供了所述加压燃料经过围绕所述轴针的锥形头的出口孔的相应的面积可变的通路。所述喷射器还包括离心式喷嘴，所述离心式喷嘴被配置成在经过所述燃料歧管的加压燃料中产生涡旋作用，其中所述歧管在所述出口孔的上游。

Description

具有改进的周向喷射均匀性的可变面积燃料喷射器

技术领域

本发明一般地涉及燃料输送***，并且更具体地涉及用于将燃料输送至内燃机的燃烧室的燃料喷射器。

背景技术

可变面积燃料喷射器已经在许多与吸气推进***相关的***中使用，包括例如，在冲压式喷气发动机、超音速冲压喷射装置以及在燃气轮机中所使用的（如在航空中所使用的）。冲压式喷气发动机、超音速冲压喷射装置和燃气轮机典型地包括用于压缩进气的部分、用于燃烧被压缩的空气和燃料的部分、和来自由燃料的燃烧所产生的热气的能量被转换为机械能的膨胀部分。来自膨胀部分的排气可以被用于实现推力或者作为热和能量的来源。

通常，一些类型的燃料喷射器在燃烧部分中别使用，以用于将燃料小滴或者雾化燃料的流喷射进入被压缩的空气，以便有助于燃烧。在一些吸气推进***的应用（包括冲压式喷气发动机、超音速冲压喷射装置）中，并且特别是在燃气轮机中，它们必须以可变速度运行，可变面积燃料喷射器已经被使用，因为它们提供将燃料注入燃烧器的廉价的方法，同时还计量燃料流而无需另外的计量阀。

典型地，燃料流量由弹簧、燃料压力和环形面积的组合所控制，所述环形面积随燃料压力的增加而逐渐增大。这与的压力-涡旋雾化器的操作不同，在压力-涡旋雾化器中，压力-流量特性是静态的并且仅由固定的喷射器几何形状和可变喷注压力来确定。通常，可变面积燃料喷射器在比多数压力-涡旋雾化器宽得多的流量范围上提供良好的雾化。另外，利用可变面积燃料喷射器，燃料压降发生在燃料喷注位置，因而提供了比典型的压力-涡旋和平板-孔雾化器更好的雾化。

但是，在其整个工作压力范围，多数可变面积燃料喷射器不提供最佳的周向喷射均匀性或者图案。典型地，这些传统的可变面积燃料喷射装置有用于将燃料供给进入在出口区的上游的燃料歧管的槽或孔。总的来说，这种结构没有防止这些槽或孔的燃料流中形成尾流。希望最佳的（喷射）图案来避免不均匀的燃料分布，不均匀的燃料分布能导致吸气发动机中的热点，从而导致热损坏和发动机自身的故障。良好的（喷射）图案还帮助避免燃烧器中的高燃料集中区（即富集区），所述高燃料集中区减少了燃烧效率并且导致不良的喷射质量。

在与吸气发动机无关的应用中，不良的图案也能导致装置的故障。这样的一个应用是汽车发动机废气处理过程，其中燃料被用于增加发动机排气的温度。通过增加排气的温度，下游的发动机后废气处理装置（例如剂量器分配器和柴油机微粒过滤器）能有效地工作。但是，不良图案在成组的剂量器分配器和柴油机微粒过滤器中能引起热点，因而减小成组的剂量器分配器和柴油机微粒过滤器的寿命。

因而，希望具有可变面积燃料喷射器，其在整个工作燃料流量范围提供优良图案。本发明的实施例提供了这种可变面积燃料喷射器。本发明的这些和其它优点，以及另外的发明性特征，从在此所提供的本发明的描述中是显然的。

发明内容

在一个方面中，本发明的实施例提供了一种燃料喷射器，所述喷射器具有带孔的主体，所述孔限定燃料歧管。喷射器具有可变面积的喷射部件，所述喷射部件具有带锥形头的轴针和连接至主体的轴针弹簧。轴针弹簧推压轴针的顶端，以密封主体的出口孔，从而在主体内施加加压燃料引起轴针移动。在超过一定阈值压力时，加压燃料引起锥形头移动脱离与主体的出口孔的接触。接着，这提供了所述加压燃料经过围绕所述轴针的锥形头的出口孔的相应的面积可变的通路。所述喷射器还包括离心式喷嘴，所述离心式喷嘴被配置成在经过所述燃料歧管的加压燃料中产生涡旋作用，其中所述歧管在所述出口孔的上游。

在另一个方面中，本发明的实施例提供了前述的燃料喷射器，其中移动轴针的锥形头脱离与可变面积出口孔的接触所需的压力的量由施加在轴针弹簧上的预负载确定。

在又一个方面中，本发明的实施例提供了前述的燃料喷射器，其中预负载被固定螺母组件施加在轴针弹簧上，并且离心式燃料喷嘴被配置成在喷射器主体内将轴针保持为基本居中。

结合附图，从下列详细描述中本发明的其它方面、目标和优点将变得更为显然。

附图说明

结合进说明书并且形成说明书的一部分的附图示出了本发明的几个方面，与描述一起，起解释本发明的原理的作用。在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的可变面积燃料喷射器的平面图；

图2是图1的可变面积燃料喷射器的截面图；

图3是根据本发明一个实施例的离心式燃料喷嘴的透视图；

图4A是根据本发明另一个实施例的离心式燃料喷嘴的透视图；

图4B是示出隐藏在图4A的透视图中的离心式燃料喷嘴的端部的图4A的离心式燃料喷嘴的平面图；

图4C是图4A的离心式燃料喷嘴的截面图；并且

图5是根据本发明一个实施例的组装入喷射器的图4A的离心式燃料喷嘴的平面图。

尽管将联系某些优选实施例描述本发明，但是没有打算限制这些实施例。相反，试图覆盖被包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的所有的替代、改进和等效物。

具体实施方式

本发明的实施例解决了前述不良图案的问题和与燃料喷注相关的与其相关的效应，特别是在燃气轮机和其它吸气发动机中。为了理解该问题的解决方案，理解一些原因是有帮助的。燃料喷射器中的不良图案的原因是燃料喷射器主体和燃料喷射器轴针之间缺乏同心性。此外，存在于燃料流中的尾流（其归因于燃料喷射器的出口孔的上游的几何形状）能对燃料喷射的质量具有显著的影响。

根据本发明的实施例，可变面积喷射器100（如同在图1和2中所示出的）具有主体102，主体102沿喷射器100的纵向轴线103具有孔或者开口120，并且包括六边形外表面104，密封表面106和螺纹部分108。在替代性的实施例中，外表面104可以是正方形，波瓣形，或者一些其它的合适的形状（其允许使用某一类型的容易获得的扳手或者相似的工具进行主体的安装）。在本发明的实施例中，离心式燃料喷嘴110在纵向开口120中被附连在主体102的第一端112。在主体102的纵向开口120中离心式燃料喷嘴110的附接可以通过铜焊接或熔接而实现。还应当预期离心式燃料喷嘴110可以被螺纹连接或者压配合入开口120内，或者通过形成在或机加工在开口120的壁内的槽键连接在开口120内。但是，在替代实施例中，离心式燃料喷嘴110不被固定地附接至主体102。在工作期间，离心式燃料喷嘴110通过来自弹簧124的压力并且通过燃料压力被保持就位。可变面积喷射器100还包括轴针114，轴针114在该实施例中具有相对长的小直径的圆柱形部分116和在圆柱形部分116一端的锥形头118。在一个实施例中，圆柱形部分116的下部119形成有螺纹。

在可变面积喷射器100的组装期间，轴针114将被***主体102中的纵向开口120内。如同在上面所解释的，离心式燃料喷嘴110在纵向开口120内在第一端112被附接至主体102。典型地，轴针的圆柱形部分116最初在主体102的第二端122被***，使得当轴针114被完全***时，圆柱形部分116在纵向开口120中基本居中并且在离心式燃料喷嘴110的中心开口中，并且锥形头118安置在主体102的第二端122的可变面积出口孔134中。

离心式燃料喷嘴110被配置成在燃料喷射器工作期间将轴针114保持基本就位。弹簧124被组装在圆柱形部分116上方直至抵靠离心式燃料喷嘴110。固定螺母126和垫圈128被组装于轴针114的下部119上，以便垫圈128抵靠弹簧124。可选的锁定螺母130被组装在轴针114的下部119上，以便确保固定螺母126不松开。在本发明的一个实施例中，下部119形成有螺纹，以便允许固定螺母126螺纹连接在轴针114上。在本发明的一个替代实施例中，固定螺母126通过熔接、铜焊接或者其它合适的手段被附接至下部119。垫圈128，固定螺母126，和可选的锁定螺母130被组装至轴针114，以便在弹簧124上施加预负载。弹簧124上的预负载用于将锥形头118保持成被安置在可变面积出口孔134中。

在本发明的一个实施例中，通过主体102的螺纹部分108，可变面积燃料喷射器100被螺纹连接在燃烧器或某一其他压力容器的壁内，例如燃气轮机的燃烧室的壁（未被示出）。外表面104，无论是六边形、正方形，还是波瓣形，都配置成被扳手、管钳或者某一类似的工具所紧夹，从而有助于将燃料喷射器100组装入燃烧室的壁。主体102的密封表面106被配置成密封燃烧室的壁（未被示出）。

在工作中，锥形头118、主体102的第二端122和外表面104受到燃烧室内部的燃料-空气的燃烧。主体102的螺纹部108、离心式燃料喷嘴110、弹簧124、轴针114的圆柱形部分116，以及螺母126、130和垫圈128都被暴露于加压燃料。当燃料压力低于某一阈值时，弹簧124保持轴针114的锥形头118被安置在纵向开口120中，使得没有燃料流入燃烧室。阈值与在组装期间通过固定螺母126施加至弹簧124的预负载量有关。但是，当燃料压力超过阈值时，弹簧124随着锥形头118从纵向开口120被提升开而被压缩，因而允许燃料流过燃料歧管132，流出包围锥形头118的可变面积出口孔134并且进入燃烧室（未被示出）。

穿过出口孔134和锥形头118之间的开口的加压燃料的流体产生了从燃料喷射器100进入燃烧室（未被示出）的“中空锥形”喷射图案。由于燃料压力增加引起轴针114的锥形头118移动得更加远离纵向开口120，圆柱形部分116的小直径基本替代了出口孔134中的较大的锥形头118，因而增加了出口孔的流动面积。该可变面积这一特征的结果是，在出口孔134处，燃料流能利用的面积的大小随着燃料压力的增加而增加，由此允许燃料以增加的流量流入燃烧室。

当燃料流过燃料歧管132时，为了避免在燃料中形成引起不良的图案的尾流，离心式燃料喷嘴110随着燃料移动经过燃料歧管132而引起燃料以螺旋运动方式运动，因而减小或者消除在燃料流中的不均匀性。另外，通过在燃料穿过出口孔134而流出可变面积喷射器100时使液层变薄，由离心式燃料喷嘴110所产生的涡旋作用改进了燃料的雾化。此外，由于在燃料歧管132和出口孔134中形成了涡旋，燃料流的涡旋作用有助于使轴针114在主体102内居中，从而产生更为均匀的喷射图案。

图3示出了根据本发明一个实施例的结合进入图2的燃料喷射器100的离心式燃料喷嘴110的透视图。离心式燃料喷嘴110具有通常圆柱形的主体140，圆柱主体140具有围绕圆柱形主体140的外表面螺旋地设置的多个一体的叶片142。多个一体的叶片142中的每一个都具有升高部分144，升高部分144设置成当离心式燃料喷嘴110被组装至主体102时接合开口120的壁。离心式燃料喷嘴110包括中心开口146，以便当离心式燃料喷嘴110被组装入主体102时容纳轴针114。当加压燃料围绕离心式燃料喷嘴110流动并且进入燃料歧管132时，由于多个一体的叶片142的螺旋形状，燃料开始涡旋运动。作为该涡旋作用的结果，在燃料流中的（例如那些由上游的尾流所引起的）不均匀性被减小或者被消除。如上所述，涡旋作用（特别是在高流量情况下）在液层流过出口孔134时也趋向于使液膜变薄，因而改进燃料的雾化，这接下来改进了燃烧，导致发动机效率增加并减小了污染。还应当预期本发明的实施例包括具有圆柱形主体的离心式喷嘴，其中围绕圆柱形主体的外表面设置的一个或多个叶片不与圆柱形主体成一体。离心式喷嘴110的几何形状也可以包括其它的设计。例如叶片可以是螺旋状的或是直的，并且离心式喷嘴110能是“插塞件”，所述“插塞件”具有各种孔，所述孔具有带角度的几何形状，或槽，所述槽的取向为将涡旋引入燃料流。

图4A、4B和4C示出了离心式燃料喷嘴150的这样一种替代实施例。图4A是离心式燃料喷嘴150的透视图，离心式燃料喷嘴150基本上是具有多个倾斜孔152的圆柱形插塞件。在离心式燃料喷嘴150的一端154，多个倾斜孔152被钻孔或者形成在升高部分156的侧部中。在离心式燃料喷嘴150的另一端158，如图4B中所示，多个倾斜孔152以均匀地间距围绕端面160的周边被设置。图4C是离心式燃料喷嘴150的截面图，它示出了根据本发明一个实施例的穿过离心式燃料喷嘴150的主体的多个倾斜孔152的路径。应当注意到在图4C中示出的截面不穿过离心式燃料喷嘴150的中心。多个倾斜孔152必须被钻孔（或形成）为不穿过离心式燃料喷嘴150的中心，这是因为存在中心开口161。

图5示出了根据本发明一个实施例的结合离心式燃料喷嘴150的燃料喷射器200。在组装期间，离心式燃料喷嘴150的圆柱形部分162在端部112被***主体102的纵向开口120。离心式燃料喷嘴150包括中心开口161，以便当离心式燃料喷嘴150被组装入主体102时容纳轴针114的圆柱形部分116（在图2中示出）。轴肩部分164被配置成在组装期间抵靠主体102的端部112。轴肩部分164能通过铜焊或通过熔接被附接至主体102。在替代性的实施例中，离心式燃料喷嘴150可以被压配合或螺纹配合入主体102的纵向开口120。弹簧124将抵靠升高的部分156。如同在图1和2中，垫圈128、固定螺母126、和可选的锁定螺母130被组装至轴针114以便在弹簧124上施加预负载。弹簧124上的预负载用于将锥形头118安置在可变面积出口孔134中。

仍然参考图5，在操作中，加压燃料进入在离心式燃料喷嘴150的升高的部分156的侧部上的多个倾斜孔。加压燃料在端面160穿过多个倾斜孔152中的每一个而离开。加压燃料以足以引起希望的涡旋作用的角度离开，这减小或者消除了燃料流中的不均匀性。

所有的参考材料，包括在此所引用的出版物、专利申请、和专利，因此被结合作为参考，达到仿佛各参考材料被单独和具体地表示被结合作为参考并且在此以其整体被提出的相同的程度。

术语（英文中的不定冠词“a”、“an”和定冠词“the”）和相似的指示物在本发明描述的上下文中（具体地在下述权利要求中）被解释为覆盖单数和复数两者，除非在此另外指出或者与上下文清楚地抵触。术语“包括”、“具有”、“包括”、和“包含”被解释为开口术语（即意味着“包括，但不局限于”）除非另外注明。在此所叙述的值的范围仅试图起个别查阅落在范围内的各个分离的值的简便方法的作用，除非在此另外指出，并且各个分离的值被结合在说明书中仿佛它在此被单独地引用一样。在此的所用方法可以任何合适的次序进行，除非在此另外指出或者与上下文是显然抵触的。在此所提供的任意或者全部实例，或者典型语言（例如“例如）的使用，仅试图更好地示出本发明并且不对于本发明的范围进行限制，除非另外申明。说明书中的语言都不应被解释为任何对于本发明的实践是必不可少的非权力要求的元素。

在此描述了本发明的优选实施例，包括发明者已知的用于进行本发明的最佳模式。通过阅读前述描述，对于本领域的普通技术人员这些变更可变得显然。发明者期望熟练技工恰当地采用这样的变更，并且发明者希望本发明与在此所具体描述的不同地实践。因而，本发明包括到此为止在所附权利要求中所陈述的由适用的法律所允许的主旨的所有改进和等效物。此外，在其所有可能的变更中的任何上述元素的结合被包含在本发明中，除非在此另外指出或者与上下文清楚地抵触。

Claims (25)

1.一种燃料喷射装置，其包括：

喷射器主体，所述喷射器主体具有贯穿的孔，所述孔限定燃料歧管；

可变面积的喷射部件，所述可变面积的喷射部件具有带锥形头的轴针和轴针弹簧，所述轴针弹簧被可操作地连接至所述喷射器主体，使得：所述轴针弹簧推压所述锥形头，以密封所述喷射器主体的可变面积出口孔；和，在所述喷射器主体内施加加压燃料而引起所述轴针移动，以便所述轴针的锥形头根据所述喷射器主体中的加压燃料的压力变化而被移动脱离与所述喷射器主体的可变面积出口孔的接触，从而为所述加压燃料提供经过围绕所述轴针的锥形头的出口孔的相应的面积可变的通路；和

离心式燃料喷嘴，所述离心式燃料喷嘴被配置成在经过所述燃料歧管的加压燃料流中产生涡旋作用，其中所述燃料歧管在可变面积出口孔的上游。

2.根据权利要求1所述的燃料喷射装置，其中所述离心式燃料喷嘴被配置成在所述喷射器主体内将所述轴针保持为基本居中。

3.根据权利要求2所述的燃料喷射装置，其中所述离心式燃料喷嘴通过铜焊接和熔接之中的一种被附连至所述喷射器主体。

4.根据权利要求2所述的燃料喷射装置，其中所述离心式燃料喷嘴被压配合、螺纹连接或键连接在所述喷射器主体中的孔内。

5.根据权利要求2所述的燃料喷射装置，其中所述离心式燃料喷嘴通过来自轴针弹簧的压力以及通过燃料的压力被保持就位。

6.根据权利要求1所述的燃料喷射装置，其中使所述轴针的锥形头移动脱离与所述可变面积出口孔的接触所需的压力的量由所述轴针弹簧上的预负载确定。

7.根据权利要求6所述的燃料喷射装置，其中所述预负载被固定螺母组件施加在所述轴针弹簧上。

8.根据权利要求7所述的燃料喷射装置，其中所述固定螺母组件包括固定螺母，垫圈和锁紧螺母。

9.根据权利要求1所述的燃料喷射装置，其中所述喷射器主体包括螺纹部分，以便有助于将所述燃料喷射装置组装入发动机。

10.根据权利要求1所述的燃料喷射装置，其中所述喷射器主体包括六边形部分。

11.根据权利要求1所述的燃料喷射装置，其中所述轴针包括在一端具有锥形头的圆柱形部分。

12.根据权利要求11所述的燃料喷射装置，其中所述轴针包括螺纹部分，固定螺母组件能附连在所述螺纹部分上。

13.根据权利要求12所述的燃料喷射装置，其中所述固定螺母组件被配置成螺纹连接在所述螺纹部分上，从而在所述轴针弹簧上施加预负载。

14.根据权利要求1所述的燃料喷射装置，其中所述轴针弹簧是螺旋弹簧。

15.根据权利要求1所述的燃料喷射装置，其中所述离心式燃料喷嘴包括圆柱形主体，所述圆柱形主体具有围绕所述圆柱形主体的外表面螺旋地布置的一个或多个叶片。

16.根据权利要求15所述的燃料喷射装置，其中所述叶片与所述圆柱形主体成一体。

17.一种燃料喷射器，包括：

喷射器外壳，所述喷射器外壳具有贯穿的开口，所述开口限定燃料歧管；

喷射部件，所述喷射部件具有带锥形头的轴针和轴针弹簧，所述轴针弹簧被可操作地连接至所述喷射器外壳，使得所述轴针弹簧推压所述轴针的顶端，以密封所述喷射部件的出口孔，从而防止加压燃料经过所述出口孔，所述喷射部件被配置成使得所述轴针的锥形头根据所述喷射器外壳中的加压燃料的压力变化而被移动脱离与所述出口孔的接触；和

离心式燃料喷嘴，所述离心式燃料喷嘴被联接至所述喷射器外壳并定位在所述燃料歧管内，所述离心式燃料喷嘴被配置成在经过燃料歧管的加压燃料流中产生涡旋作用。

18.根据权利要求17的燃料喷射器，其中所述离心式燃料喷嘴包括圆柱形主体，所述圆柱形主体具有围绕所述圆柱形主体的外表面螺旋地设置的一个或多个一体的叶片。

19.根据权利要求17所述的燃料喷射器，其中所述离心式燃料喷嘴被配置成在所述喷射器外壳内将所述轴针保持为基本居中。

20.根据权利要求17所述的燃料喷射器，其中使所述轴针的锥形头移动脱离与所述出口孔的接触所需的压力的量由在所述轴针弹簧上的预负载确定。

21.根据权利要求20所述的燃料喷射器，其中所述预负载被固定螺母组件施加在所述轴针弹簧上。

22.根据权利要求17所述的燃料喷射器，其中所述喷射器外壳包括螺纹部分，以便有助于将所述燃料喷射器组装入发动机。

23.根据权利要求17所述的燃料喷射器，其中所述轴针包括圆柱形部分，所述圆柱形部分在一端具有锥形头，并且在另一端还包括螺纹部分，固定螺母组件能被附连至所述螺纹部分。

24.根据权利要求17所述的燃料喷射器，其中所述离心式燃料喷嘴包括的圆柱形插塞件，所述圆柱形插塞件具有圆柱形主体、轴肩部分、和多个倾斜孔，所述多个倾斜孔被配置成在从所述多个倾斜孔排出的燃料中产生涡旋运动。

25.根据权利要求24所述的燃料喷射器，其中所述圆柱形主体被配置成配合在所述喷射器外壳中的开口内，并且所述轴肩部分被配置成抵靠所述喷射器外壳的端部。