一种分段式喷油嘴及其优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种分段式喷油嘴及其优化设计方法，喷油嘴包括针阀、针阀体和扰流环套，针阀与针阀体同轴配合且位于针阀体内部；针阀体设置周向均匀分布的喷油孔，扰流环套设置扰流凹腔和喇叭口，扰流凹腔、喇叭口与喷油孔同轴分布且数量相同；扰流环套与针阀体螺纹连接，相邻边界形状一致且紧密配合，此结构可同时增强喷油嘴流通性能及雾化性能。基于该分段式喷油嘴，本发明专利技术通过搭建透明喷油嘴内流及喷雾可视化实验台；提取分段式喷嘴结构设计的因素、水平和指标，基于正交试验设计进行实验并对数据进行敏感性分析；基于MATLAB建立并训练BP神经网络模型，利用此模型求取最优解组合及多指标权重系数，通过可视化实验验证结果的正确性，完成对喷油嘴设计的优化。完成对喷油嘴设计的优化。完成对喷油嘴设计的优化。

【技术实现步骤摘要】
一种分段式喷油嘴及其优化设计方法


[0001]本专利技术属于燃油喷射系统
，尤其涉及一种分段式的喷油嘴结构和优化设计方法。

技术介绍

[0002]柴油机以其优越的动力性和经济性，广泛应用于商用汽车、载重汽车、工程机械、农业机械、船舶、国防装备等领域，对国民经济的发展具有重要的支撑作用，其技术水平直接决定了配套产品的性能。现代柴油机要求燃油喷射系统能根据发动机工况要求，将燃油定量、定时、并以合适的形态喷入发动机气缸中，形成适合于燃烧的可燃混合气，最终满足柴油机高效低排放要求。喷油器是燃油喷射系统的核心部件，是连接上游燃油喷射与下游喷雾雾化的关键，喷油器喷嘴内部流动特性直接决定了燃油喷射系统关键评价指标——流量特性和喷雾特性，进而改变燃油喷射和喷雾过程控制的精准性、一致性和稳定性，最终直接影响发动机的燃烧效率和排放水平。
[0003]燃油经燃油喷射系统喷油器多孔喷嘴喷出，在喷嘴孔内由于流动收缩，压力下降会出现空化现象，在高喷油压力下的微细喷孔内这种空化现象更为严重和复杂。空化的存在对喷油嘴性能的影响具有两面性，一方面，喷嘴内部空化现象对喷雾雾化过程的直接强化作用对其燃烧和排放有积极的影响；另一方面，随着喷油压力的提高，燃油喷射随针阀运动的强瞬态性，使得空化过程存在更为强烈的非稳态特性，空化泡在瞬间破碎过程中，因“微射流”和“冲击波”作用会使金属壁面承受反复不断的冲击力，进而造成严重的壁面空蚀损毁现象，这种空蚀引起的壁面磨损在严重时喷油器因无法工作而直接失效，而更值得注意的是，即使壁面磨损尚不严重，喷油器依然可以维持正常工作，但这种壁面磨损会影响燃油流动、恶化燃油雾化，改变燃油流量特性，造成各孔流量及喷雾的差异性，从而成为当前喷油量精细控制的最大障碍，使发动机工作状态变差。
[0004]现有燃油喷射系统的喷油嘴结构存在以下问题：喷嘴入口端部初生的几何空化会减小喷孔有效流通面积，降低喷孔流量系数；在下游溃灭的空化泡会对喷孔壁面造成空蚀损害，严重时导致喷孔失效；燃油喷射初期和末期的空气倒吸现象会导致喷嘴内存在残余气泡，从而导致喷嘴下游近场喷雾结构的多样性，不利于喷雾形态和喷油量的准确预测；喷孔内部为单相流时，射流破碎只受到环境空气阻力的影响，因此具有较小的喷雾锥角和较差的雾化效果；现有喷嘴通过机械加工出位于针阀体下端部的喷孔，但是，如激光穿孔等加工工艺会受到喷油器针阀体的阻碍，从而显著增加喷孔加工的难度，限制了异形喷油孔结构的发展和应用。
[0005]喷嘴长度和喷嘴孔径等结构因素，都会对喷油嘴流通性能和雾化性能产生显著影响，优化后分段式喷油嘴更增加了结构优化设计时必须考虑的关键因素。传统的参数分析通常采用单因素分析法，当试验的因素和水平较多时，此方法急剧增加了试验处理的数目，在实际中难以实施。而正交试验法在大大减少试验规模的同时，能探究多因素影响下的变化规律。BP神经网络采用数学形式构造出生物神经网络的结构及工作方式，可高效地得到
优化参数和优化目标之间的复杂函数关系，非常适合解决大规模组合优化问题，但通过以上手段进行分段式喷油嘴结构优化设计的分析较少。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是针对目前喷油嘴存在的问题和不足，提供一种用于燃油喷射系统的分段式喷油嘴及其优化设计方法，只需要在针阀体外部设置扰流环套，不会对针阀及针阀体内部等结构造成任何影响，且有效抑制喷油孔段的几何空化初生、强化扰流凹腔和喇叭口段的湍流扰动、促进喷油嘴下游射流破碎及油气混合，从而在提高燃烧热效率的同时降低碳烟排放。
[0007]本专利技术所采用的技术方案如下：
[0008]一种用于燃油喷射系统的分段式喷油嘴，包括针阀、针阀体和扰流环套，所述针阀和针阀体同轴配合，且针阀位于针阀体内部；在针阀体的下端部设置光滑外环面，光滑外环面的上边沿处加工有外螺纹，在光滑外环面上沿周向均匀设置喷油孔，喷油孔与针阀体内部连通；
[0009]在针阀体的外部套装扰流环套，扰流环套内部设有阶梯孔，且自上往下，第一阶孔内侧开设有内螺纹，内螺纹与针阀体的外螺纹相配合；第二阶孔为光滑内环面，与针阀体的光滑外环面相配合；第二阶孔的壁面为环套外壁面，在环套外壁面上沿周向设置与喷油孔对应的阶梯孔，环套外壁面上的阶梯孔由内向外分别是扰流凹腔和喇叭口，且喷油孔和与该喷油孔对应的扰流凹腔、喇叭口三者保持同轴设置。
[0010]上述方案中，所述喷油孔由内向外设置为渐缩孔型，喷油孔的入口端部流道呈流线型且和针阀体的内壁面光滑过渡。
[0011]上述方案中，所述扰流环套的喇叭口由内向外设置为渐扩孔型。
[0012]上述方案中，所述扰流凹腔的孔径大于喷油孔和喇叭口的最小孔径，所述喷油孔和喇叭口的最小孔径相同。
[0013]上述方案中，喷油孔的数量至少为1个，所述扰流凹腔、喇叭口和喷油孔具有相同的数量。
[0014]上述方案中，所述扰流环套的环套外壁面外形平整，且与喷油孔、扰流凹腔、喇叭口的轴线相垂直。
[0015]上述方案中，所述喷油嘴的材质为钢铁、蓝宝石、有机玻璃、聚碳酸酯。
[0016]本专利技术还提供一种用于燃油喷射系统的分段式喷油嘴的优化设计方法，包括以下步骤：
[0017]步骤1：设计并搭建高压共轨透明喷嘴内部流动及喷雾可视化试验系统；
[0018]步骤2：基于某型常规喷油器，提取分段式喷嘴结构设计的关键因素、水平和指标；所述分段式喷嘴结构设计的关键因素均进行无量纲化，所述无量纲化的关键因素为：扰流凹腔相对位置(L2/L)、扰流凹腔孔径比(D2/D1)、扰流凹腔孔长比(L1/L)、入口圆角半径比(2R/D1)和喇叭口出口孔径比(D3/D1)；上述五个关键因素所取的水平分别为：0.1
‑
0.4、0.05
‑
0.2、1.4
‑
2、1.5
‑
3和0.1
‑
1.5；所述分段式喷嘴结构设计所取评价指标为：流量系数(C
d
)和喷雾锥角(α)；
[0019]步骤3：根据正交试验表确定实验方案，进行可视化实验并对数据进行敏感性分
析；
[0020]步骤4：基于MATLAB建立并训练BP神经网络模型；
[0021]步骤5：利用BP神经网络模型求最优解组合及多指标权重系数并验证。
[0022]上述方案中，所述正交试验因素数大于等于3，指标数大于等于1，所述BP神经网络模型输入层的节点数与因素数相同，所述BP神经网络模型输出层的节点数与指标数相同。
[0023]上述方案中，建立所述分段式喷嘴结构综合评价函数时，采用线性加权法对不同评价指标进行权衡与协调，所述线性加权法的权重系数为：流量系数的权重系数为0.7，喷雾锥角的权重系数为0.3。
[0024]本专利技术的有益效果：
[0025](1)喷油孔圆角入口及渐缩孔型可以减小燃油在喷孔内流动过程中的能量损失，同时有效抑制几何空化的出现，进而提高喷油嘴的流量系数，使得喷油嘴能够在相同的喷射压降下，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于燃油喷射系统的分段式喷油嘴，其特征在于，包括针阀、针阀体和扰流环套，所述针阀和针阀体同轴配合，且针阀位于针阀体内部；在针阀体的下端部设置光滑外环面，光滑外环面的上边沿处加工有外螺纹，在光滑外环面(121)上沿周向均匀设置喷油孔(124)，喷油孔(124)与针阀体(12)内部连通；在针阀体(12)的外部套装扰流环套(13)，扰流环套(13)内部设有阶梯孔，且自上往下，第一阶孔内侧开设有内螺纹(131)，内螺纹(131)与针阀体(12)的外螺纹(123)相配合；第二阶孔为光滑内环面(133)，与针阀体(12)的光滑外环面(121)相配合；第二阶孔的壁面为环套外壁面(135)，在环套外壁面(135)上沿周向设置与喷油孔(124)对应的阶梯孔，环套外壁面(135)上的阶梯孔由内向外分别是扰流凹腔(132)和喇叭口(134)，且喷油孔(124)和与该喷油孔(124)对应的扰流凹腔(132)、喇叭口(134)三者保持同轴设置。2.根据权利要求1所述的一种用于燃油喷射系统的分段式喷油嘴，其特征在于，所述喷油孔由内向外设置为渐缩孔型，喷油孔(124)的入口端部流道呈流线型且和针阀体的内壁面光滑过渡。3.根据权利要求1所述的一种用于燃油喷射系统的分段式喷油嘴，其特征在于，所述扰流环套的喇叭口由内向外设置为渐扩孔型。4.根据权利要求1所述的一种用于燃油喷射系统的分段式喷油嘴，其特征在于，所述扰流凹腔的孔径大于喷油孔和喇叭口的最小孔径，所述喷油孔和喇叭口的最小孔径相同。5.根据权利要求1所述的一种用于燃油喷射系统的分段式喷油嘴，其特征在于，喷油孔的数量至少为1个，所述扰流凹腔、喇叭口和喷油孔具有相同的数量。6.根据权利要求1所述的一种用于燃油喷射系统的分段式喷油嘴，其特征在于，所述扰流环套的环套外壁面外形平整，且与喷油孔、扰流凹腔、喇叭口的轴线相垂直。7.根据权利要求1所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：何志霞，李琛，郭根苗，管伟，王健权，白天阳，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：