气体辅助的流体雾化喷射器

摘要

本发明提供了一种用于直接向内燃发动机的气缸进行喷射的液体喷射器雾化器，其具有加压液体的供应部和加压气体的供应部、主体以及喷嘴，该喷嘴具有各自用于液体和气体的两个或更多个喷口。每个喷口将计量的加压液体或气体的射流从喷射器主体引导喷出。液体射流中的至少两股对准一个或更多个碰撞点，其中，至少两股气体射流在相同的碰撞点或另一个碰撞点碰撞，从而生成细密的雾化液体。

权利要求

1.一种用于产生雾化液体的液体喷射器，所述液体喷射器包括：喷射器主体，所述喷射器主体包括：

液体入口，

在所述喷射器主体的内部或所述喷射器主体的外侧的液体计量装置，以及液体出口，包括喷嘴，所述喷嘴包括中心轴线、内端、和外端、从所述内端开始并在所述外端处以相应的液体喷口终止的两个或更多个通道；以及气体调节装置，所述气体调节装置被配置为对通过所述喷射器主体的内部或外部的气体喷口的气体的流量或压力进行调节；

其中，加压液体被迫通过所述两个或更多个通道至终止于每个通道的所述液体喷口，以及至少一股气体射流被迫通过所述气体喷口，其中，每个所述液体喷口和每个所述气体喷口引导所述加压液体和气体的射流，其中，所述液体喷口和所述气体喷口被配置为使得至少两股液体射流和两股气体射流对准所述液体喷射器的外部的一个或更多个共同焦点，其中，每个焦点处的加压液体射流和气体射流的碰撞形成雾化形式的液体。

2.根据权利要求1所述的用于产生雾化液体的液体喷射器，所述液体喷射器包括：喷射器主体，包括：

液体入口，

在所述喷射器主体的内部或所述喷射器主体的外侧的液体计量装置，以及液体出口，包括喷嘴，所述喷嘴包括中心轴线、内端、和外端、从所述内端开始并在所述外端处以相应的液体喷口终止的两个或更多个通道；以及气体调节装置，所述气体调节装置被配置为对通过所述喷射器主体的内部或外部的气体喷口的气体的流量或压力进行调节；

其中，加压液体被迫通过所述两个或更多个通道至终止于每个通道的相应的所述液体喷口，其中，每个所述液体喷口和每个所述气体喷口分别引导所述加压液体和气体的射流，其中，所述液体喷口和所述气体喷口配置为使得至少两股液体射流和两股气体射流对准所述喷射器主体的外部的一个或两个焦点，并且其中，液体射流和气体射流在每个焦点处的碰撞形成雾化形式的液体。

3.根据权利要求1或2所述的液体喷射器，其中，每股液体射流和所述液体喷射器的中心轴线之间形成的角度在5°和85°之间，包括5°和85°，并且每股气体射流和所述液体喷射器的中心轴线之间形成的角度在0°和75°之间，不包括0°而包括75°。

4.根据权利要求1或2所述的液体喷射器，其中，应用至所述液体的压力在0和3000bar之间，包括0和3000bar。

5.根据权利要求1或2所述的液体喷射器，其中，在0和200bar之间加压所述气体，包括0和200bar。

6.根据权利要求1或2所述的液体喷射器，其中，所述液体计量装置提供精确量的液体流量，并且所述气体调节装置提供精确量的气体流量。

7.根据权利要求1或2所述的液体喷射器，其中，所述液体计量装置提供精确的起止时间，并且所述气体调节装置提供精确的起止时间。

8.根据权利要求1或2所述的液体喷射器，其中，所述液体射流具有大于5m/s的离开所述喷口的速度。

9.根据权利要求1或2所述的液体喷射器，其中，所述液体射流具有大于500m/s的离开所述喷口的速度。

10.根据权利要求1或2所述的液体喷射器，其中，所述气体射流具有大于250m/s的离开所述喷口的速度。

11.根据权利要求1或2所述的液体喷射器，其中，所述气体射流具有大于5000m/s的离开所述喷口的速度。

12.根据权利要求1或2所述的液体喷射器，其中，任一液体喷口与焦点处的碰撞之间的距离小于两个最远液体喷口之间的距离的三倍。

13.根据权利要求1或2所述的液体喷射器，其中，任一液体喷口与焦点处的碰撞之间的距离小于两个最远液体喷口之间的距离。

14.根据权利要求1或2所述的液体喷射器，其中，所述液体喷口的直径大于50μm。

15.根据权利要求1或2所述的液体喷射器，其中，所述液体射流或气体射流由单独的喷嘴产生。

16.根据权利要求1或2所述的液体喷射器，其中，所述气体是空气。

17.根据权利要求1或2所述的液体喷射器，其中，所述液体选自水、水溶液、悬浮液和乳液。

18.根据权利要求1或2所述的液体喷射器，其中，所述液体是选自汽油、柴油、醇、JP8、煤油、和它们的任意混合物中的燃料。

19.根据权利要求1或2所述的液体喷射器，其中，所述液体喷射器应用于选自往复式内燃发动机、旋转式内燃发动机、燃气涡轮发动机和喷气式发动机中的发动机。

20.根据权利要求1或2所述的液体喷射器，其中，所述液体喷射器具有2至30股液体或气体射流，包括碰撞的。

21.一种用于产生雾化液体的液体喷射器，所述液体喷射器包括：喷射器主体，包括：

液体入口，

在所述喷射器主体的内部或所述喷射器主体的外侧的液体计量装置，以及液体出口，包括喷嘴，所述喷嘴包括中心轴线、内端、和外端、从所述内端开始并在所述外端处以相应的液体喷口终止的两个或更多个通道；以及气体调节装置，所述气体调节装置被配置为对通过所述喷射器主体的外部的气体喷口的气体的流量或压力进行调节；

其中，加压液体被迫通过所述两个或更多个通道至终止于每个通道的所述喷口，并且至少一股气体射流被迫通过所述气体喷口，其中，每个所述液体喷口和每个所述气体喷口引导所述加压液体和气体的射流，至少两股液体射流在第一焦点处碰撞；并且

至少两股气体射流在第二焦点处碰撞，所述第一焦点和第二焦点彼此并置，其中，所述第一焦点与所述第二焦点之间的距离在小于所述液体喷口的平均直径到高达10倍的所述液体喷口的平均直径的范围内。

22.根据权利要求21所述的液体喷射器，其中，每股液体射流和所述液体喷射器的中心轴线之间形成的角度在5°和85°之间，包括5°和85°，并且每股气体射流和所述液体喷射器的中心轴线之间形成的角度在0°和75°之间，不包括0°而包括75°。

23.根据权利要求21所述的液体喷射器，其中，应用至所述液体的压力在0和3000bar之间，包括0和3000bar。

24.根据权利要求21所述的液体喷射器，其中，在0和200bar之间加压所述气体，包括0和200bar。

25.根据权利要求21所述的液体喷射器，其中，所述液体射流具有大于5m/s的离开所述喷口的速度。

26.根据权利要求21所述的液体喷射器，其中，所述液体射流具有大于500m/s的离开所述喷口的速度。

27.根据权利要求21所述的液体喷射器，其中，所述气体射流具有大于250m/s的离开所述喷口的速度。

28.根据权利要求21所述的液体喷射器，其中，所述气体射流具有大于5000m/s的离开所述喷口的速度。

29.根据权利要求21所述的液体喷射器，其中，所述液体射流或气体射流由单独的喷嘴产生。

30.根据权利要求21所述的液体喷射器，其中，所述气体是空气。

31.根据权利要求21所述的液体喷射器，其中，所述液体选自水、水溶液、悬浮液和乳液。

32.根据权利要求21所述的液体喷射器，其中，所述液体是选自汽油、柴油、醇、JP8、煤油、和它们的任意混合物中的燃料。

33.根据权利要求21所述的液体喷射器，其中，所述液体喷射器应用于选自往复式内燃发动机、旋转式内燃发动机、燃气涡轮发动机和喷气式发动机中的发动机。

34.根据权利要求21所述的液体喷射器，其中，所述液体喷射器具有2至30股液体或气体射流，包括碰撞的。

35.一种用于产生雾化液体的液体喷射器，所述液体喷射器包括：第一流体入口；

第二流体入口；

与所述第一流体入口流体连通的第一环形腔体；

与所述第二流体入口流体连通的第二环形腔体，所述第二环形腔体与所述第一环形腔体同轴和同心布置；

喷嘴，具有形成在外表面上的多个排出喷口，每个所述排出喷口限定在所述喷嘴的内部部分中形成的相应通道的端部，各相应通道的第一子集提供相应的所述排出喷口与所述第一环形腔体之间的流体流通，并且各相应通道的第二子集提供相应的所述排出喷口与所述第二环形腔体之间的流体连通，其中，所述多个排出喷口被配置为将流体射流引导至一个或更多个碰撞焦点。

36.根据权利要求35所述的液体喷射器，其中，所述第一流体入口接收液体以及所述第二流体入口接收气体。

37.根据权利要求35所述的液体喷射器，其中，对于从与所述第一环形腔体流体连通的所述排出喷口发出的流体射流，每股流体射流与所述液体喷射器的中心轴线之间形成的角度在5°和85°之间，包括5°和85°，以及对于从与所述第二环形腔体流体连通的所述排出喷口发出的流体射流，每股气体射流与所述液体喷射器的中心轴线之间形成的角度在0°和

75°之间，不包括0而包括75°。

38.根据权利要求36所述的液体喷射器，其中，应用至所述液体的压力在0和3000bar之间，包括0和3000bar。

39.根据权利要求36所述的液体喷射器，其中，在0和200bar之间加压所述气体，包括0和200bar。

40.根据权利要求35所述的液体喷射器，进一步包括配置为提供精确量的液体流量的液体计量装置和配置为提供精确量的气体流量的气体计量装置。

41.根据权利要求35所述的液体喷射器，进一步包括配置为提供精确的起止时间的液体计量装置，和配置为提供精确的起止时间的气体计量装置。

42.根据权利要求36所述的液体喷射器，其中，所述液体具有大于5m/s的离开所述排出喷口的速度。

43.根据权利要求36所述的液体喷射器，其中，所述气体具有大于250m/s的离开所述排出喷口的速度。

44.根据权利要求36所述的液体喷射器，其中，所述液体具有大于500m/s的离开所述排出喷口的速度。

45.根据权利要求36所述的液体喷射器，其中，所述气体具有大于5000m/s的离开所述排出喷口的速度。

46.根据权利要求35所述的液体喷射器，其中，与所述第一环形腔体流体连通的任一排出喷口与所述碰撞焦点之间的距离小于喷射器主体的3倍直径。

47.根据权利要求35所述的液体喷射器，其中，与所述第一环形腔体流体连通的任一排出喷口与所述碰撞焦点之间的距离小于两个最远的排出喷口之间的距离。

48.根据权利要求35所述的液体喷射器，其中，所述排出喷口的直径大于50μm。

49.根据权利要求36所述的液体喷射器，其中，所述气体是空气。

50.根据权利要求36所述的液体喷射器，其中，所述液体选自水、水溶液、悬浮液和乳液。

51.根据权利要求36所述的液体喷射器，其中，所述液体是选自汽油、柴油、醇、JP8、煤油、和它们的任意混合物中的燃料。

52.根据权利要求35所述的液体喷射器，其中，所述液体喷射器应用于选自往复式内燃发动机、旋转式内燃发动机、和喷气式发动机中的发动机。

53.根据权利要求35所述的液体喷射器，其中，所述液体喷射器具有包括与所述第一环形腔体流体连通的排出喷口在内的2个排出喷口至30个排出喷口，并且具有包括与所述第二环形腔体流体连通的排出喷口在内的2个排出喷口至30个排出喷口。

说明书

气体辅助的流体雾化喷射器

[0001] I.相关参考的交叉引证

[0002] 本申请要求于2013年10月15日提交的美国临时专利申请序列号61/891,111的权益，通过引用将其内容结合于此。本申请通过引用将于2013年10月15日提交的题目为
“LIQUID INJECTOR ATOMIZER WITH COLLIDING JETS(具有碰撞射流的液体喷射器雾化
器)”的共同拥有、共同未决的美国临时专利申请第61/891,118号的全部公开和内容进一步
结合于此。

[0003] II.技术领域

[0004] 本公开总体上涉及一种用于生成雾化液体的设备和方法。更具体地，本公开涉及气体辅助的雾化液体喷射器。

[0005] III.背景技术

[0006] 通常，在压力雾化器中，通过由气体介质提供另外的能量来改善雾化品质。现有技术中采用两种常用技术，名为空气辅助和空气鼓风。空气辅助和空气鼓风以类似的原理操
作，但在‘空气’组分的量方面不同。在空气辅助技术中，以非常高的速度(或压力)采用少量
空气，而在空气鼓风技术中，以低速度采用相对大量的空气。应当以相对于待雾化的液体的
相关参数的相对术语理解空气的量和速度两者。在所有情况下，雾化取决于用一些紊流打
散从喷口出来的液柱的空气剪切，并也可以实现一些蒸发。应当理解的是，与在相同压力下
雾化的液体相比，气体或空气在相同的压力下实现量级较高的速度。

[0007] 还存在限定空气流和液体流在什么地方相互作用的两种常用技术：两种流在雾化器主体内侧相互作用的‘内混合型’和两种流在离开它们各自的喷口之后两种流在外侧相
互作用的‘外混合型’。在这些概念中，雾化都是由于空气在液体射流或液膜上运动的紊流
剪切行为而实现。

[0008] 还已知其中两股或更多股气体或空气射流与中心液体射流在共同焦点处碰撞的雾化器。还存在已知两股或更多股同轴复合射流在共同焦点处碰撞的进一步设计。

[0009] IV.发明内容

[0010] 本发明的一个实施方式是雾化喷射器，其具有喷射器主体、和配置为在喷射器主体的内部或外部调节通过气体喷口的流量或压力的气体调节装置。

[0011] 喷射器主体构造有液体入口、主体内部或主体外侧的液体计量装置、和包括喷嘴的液体出口。喷嘴包括内端、外端、和从内端开始并在外端处以相应的液体喷口终止的两个
或更多个通道。

[0012] 在本发明的一个实施方式中，推动加压液体通过两个或更多个通道而到达终止于每个通道的喷口，并推动至少一股气体射流通过气体喷口，其中，每个液体喷口和每个气体
喷口分别引导加压液体和气体的射流。将喷口配置为使得至少两股液体射流和两股气体射
流对准喷射器外部的一个或多个共同焦点，其中，每个焦点处的加压液体射流和气体射流
的碰撞形成雾化形式的液体。

[0013] 在本发明的另一个实施方式中，喷射器包括在焦点处碰撞的至少两股液体射流，和在焦点碰撞的至少两股气体射流。在本发明的一个实施方式中，碰撞液体射流的焦点与
碰撞气体射流的焦点相同。在本发明的一个实施方式中，碰撞液体射流的焦点与碰撞气体
射流的焦点不同。

[0014] 在本发明的一个实施方式中，每股液体射流和喷射器的中心轴线之间形成的角度在5°和85°之间，包括5°和85°。在另一个实施方式中，每股气体射流和喷射器的中心轴线之
间形成的角度在0°和75°之间，但是不包括0°而包括75°。在另一个实施方式中，每股液体射
流和喷射器的中心轴线之间形成的角度在5°和85°之间，包括5°和85°，以及每股气体射流
和喷射器的中心轴线之间的形成的角度在0°和75°之间，但不包括0°而包括75°。

[0015] 在本发明的一个实施方式中，应用至液体的压力在0和3000bar之间，包括0和3000bar，和上述范围内的任意之间的任意值。在0和200bar之间加压气体，包括0和200bar。
液体计量装置提供了精确量的液体流量以及气体计量提供了精确量的气体流量。液体计量
提供了精确的起止时间，以及气体计量提供了精确的起止时间。如果在环境压力内雾化，那
么在一个实施方式中，应用至液体的压力可以是约2bar至约100bar。如果将液体喷射至具
有较高压力的空间内，那么雾化压力可以在约30bar至约2000bar的范围内。从约1bar至约
40bar加压气体。

[0016] 在本发明的另一个实施方式中，液体射流具有大于5m/s的离开喷口的速度。可替换地，液体射流具有大于50m/s的离开喷口的速度。

[0017] 在本发明的另一个实施方式中，任意液体喷口和碰撞点之间的距离小于喷射器主体的3倍直径。可替换地，任意液体喷口和碰撞点之间的距离小于两个最远的喷口之间的三
倍距离，以及在另一个实施方式中，任意液体喷口和碰撞点之间的距离小于两个最远的液
体或气体喷孔之间的距离，无论哪个较小。

[0018] 在本发明的另一个实施方式中，喷口直径大于50μm。通过单独的喷嘴产生液体射流或气体射流。

[0019] 液体选自水、水溶液、悬浮液和乳液。液体是选自汽油、柴油、醇、JP8、煤油、和它们的任意混合物中的燃料。喷射器应用于选自往复式内燃发动机、旋转式内燃发动机、燃气涡轮发动机和喷气式发动机中的发动机。该喷射器具有2股至30股液体射流碰撞和2股至30股
气体射流碰撞。

[0020] 在本发明的一个实施方式中，提供了使用本文以下所描述的气体辅助喷射器雾化流体的方法。

[0021] V.附图的简要说明

[0022] 通过以下描述、所附权利要求、和附图将更好地理解本发明的实施方式的这些和其他特征、方面、和优势，在附图中：

[0023] 图1示出了本发明的一个示例性实施方式的方框图。

[0024] 图2示出了表示作为雷诺数Re＝(V.d.ρ)/μ的函数的球形液滴的阻力系数的曲线图，其中，V是液滴和介质之间的相对速度，d是以m为单位的液滴直径，ρ是以kg/m3为单位的
介质密度，以及μ是以(Pa.s)或(kg/m/s)为单位的介质的粘度。

[0025] 图3示出了可在本发明中采用的喷口的多个非限制性图案。

[0026] VI.具体实施方式

[0027] 术语表

[0028] 定义以下术语以有助于详细描述本发明的雾化器的结构和操作。

[0029] ΔP–喷射压力(高于环境压力)-以Pa为单位。

[0030] Ao–喷口面积＝πdo2/4，以m2为单位；do–喷口直径，以m为单位。

[0031] EFP–等效力参数。

[0032] ρ–密度，以kg/m3为单位。

[0033] σ–液体的表面张力，以N/m为单位。

[0034] Cd–喷口流出系数。

[0035] Cv–喷口速度系数。

[0036] n-喷口或射流数

[0037] W–质量流动速率＝n×Cd×Ao(2ΔP×ρ)1/2，以kg/s为单位。

[0038] Q–体积流动速率＝W/ρ＝n×Cd×Ao(2ΔP/ρ)1/2，以m3/s为单位。

[0039] α–射流轴线和主体轴线a-a之间的通用角；根据情况 或θ。

[0040] RoEinA–轴向的能量流入速率＝W(ΔP/ρ)Cos2α。

[0041] RoEinR–径向的能量流入速率＝W(ΔP/ρ)Sin2α。

[0042] RoMinA–轴向的动量流入速率＝W(2ΔP/ρ)1/2Cosα。

[0043] RoMinR–径向的动量流入速率＝W(2ΔP/ρ)1/2Sinα。

[0044] V–孔口速度，以m/s为单位；V＝Cv.(2ΔP/ρ)1/2

[0045] 为了清楚起见，以下引用的脚注为“L”的所有参数和变量指示该参数或变量涉及液体，以及脚注为“g”的所有参数和变量指示该参数或变量涉及气体。

[0046] 本公开的示例性实施方式

[0047] 参考图1，示出了多种可能的实施方式。将喷射器主体1通过其中心轴线a-a示出为仅用于说明性目的的喷射器末端部分。喷射器主体1包含环形的(环状的)腔体2和3，其与相
应的入口通道4和5流体连通。从环形腔体2，由虚线表示的多个流出通道，以射流形式传送
供应至腔体2的加压流体，加压流体在各个焦点P1、P2和P3处聚集并通过喷射器主体1的外
部上的各个排出喷口分别以角度 和 倾斜。类似地，从环形腔体3，由虚线表示的
多个流出通道，以射流形式传送供应至腔体3的第二加压流体，例如气体，诸如空气或蒸汽，
以及在旋转式内燃发动机的情况中的EGR型气体，第二加压流体在各个焦点P1和P2处聚集
并通过喷射器主体1的外部上的各个排出喷口分别以角度θ1和θ2倾斜。

[0048] 从图1看来，当在内燃发动机中实施时，对于每个气缸，分别将喷射器主体1和提供加压流体和气体的环形腔体2和3的构造安装至发动机的气缸盖部，以在例如每个压缩循环
中在用于气缸中的燃烧的温度和压力的受控条件下以本文所描述的方式提供均匀进料。燃
料贮存器将燃料供应到燃料泵(类似于常用的横杆，未示出)，其例如通过螺线管控制的柱
销或压电控制的柱销、或类似的计量装置(未示出)在精确且受控的起止时间时通过入口通
道4或类似的传输装置供给所计量的量的加压流体，例如燃料或水，到喷射器主体，例如到
每个腔体2，用于在发动机气缸中作为液柱来引导填料，使之以本文所描述的方式对准喷射
器外部的焦点。气体压缩机在时控下，通过螺线管控制的柱销或压电控制的柱销、或类似的
剂量装置，通过入口通道5或类似的传输装置向喷射器主体提供加压气体，例如，在每个腔
体3处，所计量的量的加压气体射流在精确且受控的起止时间时对准和喷射至焦点，用于以
本文所描述的方式打散液柱，以导致喷射器主体1向气缸室提供气体辅助的雾化形式的液
体，用于气缸中的燃烧。在一个实施方式中，点火线圈控制火花塞的点火(仅对于SI类发动
机，未示出)，上述火花塞在一个实施方式中是在气缸盖部处紧邻喷射器主体1的中心安装。

[0049] 在一个实施方式中，用于液体射流和气体射流两者的流出通道倾斜以在相同的焦点碰撞。在另一个实施方式中，用于液体射流和气体射流两者的流出通道倾斜以在不同的
焦点处碰撞，因而产生两个或更多个单独的碰撞点。

[0050] 在图1所示的实施方式中，在喷射器主体的外部上的排出喷口以从主体的喷射器轴线a-a的相同径向距离进行排列，并等角间隔。

[0051] 在一个实施方式中，排出喷口可排列成与主体的中心轴线相距相同的径向距离，而并不等角地间隔开。在一个实施方式中，喷射器主体在外端上限定凹形截面，并且液体和
气体射流的排出喷口在凹形截面内。

[0052] 在一个实施方式中，对于在任一平面上的所有喷口而言，由排出喷口到沿着喷射器轴线a-a的焦点的线与相邻喷口限定的角度是相等的。

[0053] 在一个实施方式中，从图3中的实施方式“D”看出，可以在喷射器主体的中心处沿着轴线a-a提供另外的可选的喷口。

[0054] 在一个实施方式中，排出喷口的数量大于两个，并可以在高达五十个喷口的范围。流体动力学指示两个喷口的液体射流在碰撞之后将得到扁平的扇形扩散云，而三个或更多
个喷口将得到三维圆形云。更大数量的喷口将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可以具有约8mm的直径并且具有2-6个喷
口。用于静止式重型柴油机的喷射器可以具有以下喷射器，其具有约5cm的直径并且具有3
个至30个或更多个喷口。

[0055] 在另一个实施方式中，可以提供径向排出喷口的两个(或更多个)环，其中，第一组喷口具有从喷射器的喷射器轴线a-a的一定径向尺寸，以及第二组喷口具有不同的径向尺
寸，其中，所有喷口对准单个或多个碰撞点。图3示出了可以在本发明中采用的喷口的多个
非限制性图案。

[0056] 在一个实施方式中，液体射流和气体射流不都具有相等的入口压力或喷口直径和碰撞速度或碰撞力。

[0057] 在一个实施方式中，根据所需的流动速率，排出喷口直径可以在约50μm至约5000μm或更大的范围内。在一个实施方式中，喷口直径在约200μm至约400μm的范围，并且该液体
是烃燃料。在一个实施方式中，喷口直径在约300μm至约700μm的范围，并且该液体是水或水
溶液。

[0058] 在本发明的一个实施方式中，仅存在焦点P1，因而所有液体射流和气体射流在单个点处碰撞。在一个可替换的实施方式中，存在焦点P1和P2，因而液体射流和气体射流的一
个子集在P1处碰撞以及液体射流和气体射流的第二子集在P2处碰撞。在一个可替换的实施
方式中，液体射流在P1和/或P2处彼此碰撞，而气体射流在P3处彼此碰撞。从图1和本文的描
述可容易了解本发明的其他碰撞构造。

[0059] 在一个实施方式中，如上文所描述的，液体射流和气体射流在单个点处碰撞。如果液体射流和气体射流不在单个点处碰撞，那么液体射流碰撞的焦点和气体射流碰撞的焦点
彼此并置(相邻)，使得液体射流的碰撞焦点和气体射流的碰撞焦点之间的距离在液体喷口
的平均直径至高达液体喷口的约10倍平均直径的范围内。例如，液体射流彼此碰撞和气体
射流彼此碰撞之间的距离是0(相同点)，或从约0至液体喷口的约10倍平均直径的任意距
离，例如，该距离在0和液体喷口的平均直径的大小之间，或距离高达液体喷口的平均直径、
或高达液体喷口的2倍平均直径、或高达液体喷口的3倍平均直径、或高达液体喷口的4倍平
均直径、或高达液体喷口的5倍平均直径、或高达液体喷口的6倍平均直径、或高达液体喷口
的7倍平均直径、或高达液体喷口的8倍平均直径、或高达液体喷口的9倍平均直径或高达液
体喷口的10倍平均直径。因而，在一个实施方式中，沿喷射器轴线a-a，两个并置(相邻)焦点
之间，即焦点P1和P2之间和/或P2和P3之间的距离是0或小于液体喷口的平均直径以及高达
液体喷口的约10倍平均直径。

[0060] 应当理解的是，这些通道中的每个具有在各个腔体内的起点和在凹形外表面6上作为喷口的终点。各条虚线表示来自各个腔体2、3的加压流体穿过通道而到达焦点P1、P2、
P3的路径。如果从入口4向腔体2供给加压气体，那么从入口5向腔体3供给加压液体。可替换
地，应当理解的是，可将液体供给至腔体2并将气体供给至腔体3。

[0061] 本发明的气体辅助碰撞射流雾化器的一个实施方式结合液体射流的动量的径向分量(RoMinR)L，其被完全损坏，并且由可获得的如此生成的力或如此制造的能量(RoEinR)L
被投入至主要的液体打散过程，并失去方向性。动量和能量的轴向分量(RoMinA)L和
(RoEinA)L是向液体羽流赋予方向性(通常沿轴线a-a远离喷射器面运动)的分量。通过碰撞
气体射流的零化动量的反向分量将液体羽流或云的这种方向性进一步降低至零或近似零，
该反向分量是碰撞气体射流的总零化动量的约一半的值(以及在其他实施方式中，在0.25
至0.75之间的范围)。假设将该值表示为‘χ’，可将相互关系用数学式表达为：

[0062] χ.(RoMinR)g＝(RoMinA)L；或

[0063] 或

[0064]

[0065] 因此，可以计算关于气体组分的压力和喷口面积用于给定组参数(AL和ΔPL)，其仅在两个碰撞角度、各股射流的数量和某些熟知的经验系数方面对液体组分是固定的。基于
这些等式，存在几个实际可行的(ng、Ag和ΔPg)的组合，由其可以容易选择组合的气体辅助
射流。在一个实施方式中，使用上文的等式，变量Ag和AL或ΔPg和ΔPL是设计变量选择。本文
所提供的等式避免独立选择这四个设计变量选择中的一个，其中，范围处或范围内的液体
和气体喷射压力和角度在以下的本文中进行了描述。

[0066] 本发明的气体辅助碰撞射流雾化器导致显著改善的雾化品质(约1μm直径或甚至更小的非常细密的液滴)、受控的较短长度的喷雾云并促进更快的蒸发，引起完全混合。

[0067] 以下提供了包括在实现本发明的实施方式和修改中的参数和考虑的进一步描述。

[0068] 要求在最短的可能时间内完全混合喷射的燃料和空气以产生接近均匀的进料。最小的平均微滴大小和微滴在喷射液体的空间内的均匀分散是本发明的一个实施方式的期
望目标。通过在优化组合中选择射流数、喷射压力、和碰撞角度，碰撞液体射流可以实现良
好的雾化。液体射流在碰撞点处提供的可用于雾化液体的总能量，即碰撞能量，在该过程被
用完，且喷雾羽流留在气缸空间中进一步发展，其中，运动的微滴可以合并形成更大的微滴
或在喷雾羽流内分层是可能的。因而，有必要提供用于进一步将喷雾羽流打散成非常细密
的微滴(约1μm直径或更小)的另外能量，以促进蒸发并增强混合品质。

[0069] 可以通过在相同焦点处或在另一个实施方式中在位于沿喷射器轴线上的单独焦点处碰撞的多股空气或气体或蒸汽射流提供这种另外的能量。在低压下，气体的密度约是
液体的千分之一。因此，通过气体射流的方式赋予充分的另外的能量要求非常高的质量流
量或通过对应的高喷射压力的非常高的速度。

[0070] 使用表1中给出的性质计算在多种压力下喷射以及具有多种碰撞角度的1克汽油和水的可用总能量(TAE)和碰撞能量(CE)，且将其作为实例示于以下表2中。

[0071] 表1

[0072]  m2/s N/m kg/m3 kJ/kg kJ/kg.K ℃
液体 ν(x106) σ(x103) ρ hfg Cp BP
汽油 0.80 22.0 760 628.1 2.010 27-225
水 1.00 72.6 998 2257.4 4.187 100

[0073] 表2：TAE＝100(ΔP/ρ)，以kJ为单位；CE＝TAE×sin2θ，以kJ为单位；

[0074] 后缀F用于汽油；W用于水

[0075]

[0076] 用于液体质量的最终“打散”是通过感热和沸腾而实现它的蒸发相变化，包括对于每单位质量供应的潜热和相对大量的能量。机械打散或雾化构成通过克服表面张力将给定
液体质量转换为非常大量的较小液体颗粒。将1克液体雾化为以(μm)为单位的平均微滴直
径D所需的打散机械能(EBU)通过以J/g为单位的EBU＝6000(σ/ρD)给出，其中，σ是以N/m为单位的表面张力；ρ是以kg/m3为单位的密度；D是以μm为单位的液滴直径。在一个实施方式中，
2 2
EBU(J/kg)＝σxΔA(以m为单位的表面积的变化)，其中，ΔA＝N x p x D；N(每kg液体的滴
数)＝(1/ρ)/(ρD3/6)；EBU＝6σ/ρD，J/kg。液滴直径D在μm范围内，那么EBU＝6.106σ/ρD，以J/kg为单位，或6000(σ/ρD)，以J/g为单位。从以下表3中看出，与通过压力或速度提供至1克液体的潜在能量和动能相比，EBU非常小。1J/g能量对应于水的44.7m/s速度和10bar压力并可
以生成0.44μm的液滴。对于汽油的类似数量是：44.7m/s速度，7.6bar压力和0.18μm的微滴。

[0077] 本发明的一个实施方式通过以下机制利用打散能量：1)诱导一段长度的液柱的横向振动，2)使液柱与周围的气体介质相互作用并使用粘性和紊流效应，3)使两个或更多个
液滴彼此碰撞。

[0078] 在以上机制中的任一种中，除用于打散的能量之外，将任何供应的能量用于向喷射射流的介质赋予一些动能以及克服与粘性阻力和紊流混合相关的损失。

[0079] 表3

[0080]

[0081] 用加压气体补充加压液体，并通过雾化器设计确定这两种流体之间的相互作用。在本发明的一个实施方式，存在‘外部混合’使得来自两个喷口的两股单独的流在雾化器外
侧相互作用。当加压气体是空气时，那么根据相对的气流速率和空气速度，将这些称作‘气
体辅助’(当流动速率小且速度大时)或‘空气鼓风’(当流动速率大且速度小时)。在两种情
况中的任一情况下，空气速度都大于液体速度。‘空气鼓风’类型是用于燃气涡轮发动机的
燃料喷射器中非常常见的。‘空气辅助’用在喷漆、农业喷雾、粉末制造等中。

[0082] 通过液体射流碰撞可以更加有效地并且在低压下提供打散液体射流所需的能量。打散液流所需的能量取决于液体的表面张力。必须施加远离液体的运动方向的比表面张力
更大的力来实现打散。这种打散所需的功或能量由W＝σxΔΑ给出，其中，W是功，σ是表面张力，并且ΔΑ是打散形成的面积。射流的比能由等式TAE＝ΔP/ρ给出。

[0083] 负责远离射流的运动方向进行打散的用于打散的能量由EBU＝(ΔP/ρ)sin2α给出，其中，α是在射流轴线与碰撞点和羽流或喷射器主体的运动方向形成的主体轴线a-a之间形
成的角度。即，根据情况， 或θ。与较大的角度相比，对于较小的角度α，射流在更远的距
离处接触，并因此需要更大的能量或压力来实现打散。相对于图1所示的角度，α与角度θ和
角度 有关。结合两种表达式来计算EBU，其遵循下式：

[0084] Nj.(ΔP/ρ)sin2α＝6.106σ/ρD

[0085] 该等式将直径D与其余的设计变量联系：其中，ΔP用于液体和气体， 或θ，以及Nj＝气体和液体的冲击射流的数量。

[0086] 一旦由具有表面张力σ的液体体积产生小颗粒/液滴，则它们由于相对高的内部压力具有合并的趋势。对于直径D的固定液滴，表面张力Fσ＝σ×π×D的等价压力是Pσ＝Fσ/(πD2/4)＝4σ/D。端口处的压力和温度接近于周围大气的压力和温度(P＝1bar，T＝288K以及ρa
＝1.21kg/m3)。如果将密度为ρL kg/m3(原始体积δV＝(1.10-3/ρL)m3)的1g液体打散为直径Dμm的微滴，那么表面积的变化ΔA＝δV(6.106/D-1)≈6.δV×106/D，以m2为单位。对其提供的能量是ΔEσ＝6×σ×δV×106/D，以J为单位。对于液滴(具有非常小的尺寸D≈1μm)，与大气
静压Pg相比，内部压力Pi非常高。此外，必须通过气动阻力提供另外的外部压力，以保持用于
蒸发所必要的充分的持续时间的动态平衡状态。

[0087] 气体组分的初始相对速度VR必须满足力等式：阻力(Drag)≥Fσ。换句话说，对于直径D和阻力系数CD的球形微滴，以下适用：1/2CD×ρg×VR2≥Pσ≥4σ/D。对于直径D和阻力系数CD的这些球形微滴，通过等式(ΔPg＝1/2×ρg×VR2)给出的所需的最小气体喷射压力还可以
表达为ΔPg＝4σ/(D×CD)。诸如图2所示，[CD＝4.2–2.1(log10Re)+0.3(log10Re)2，Re≤1000]或通过相关性：CD＝24(1+Re2/3/6)/Re；Re＝VR×D/ν≤1000所示，作为Re的函数的阻力系数
CD来自数据的迭代输入。如果雾化在静止或相对静止的空气/气体中发生，合并尤其是问
题。

[0088] 碰撞液体射流与碰撞气体射流的结合提供了在前向动量和速度下远远更好地控制喷雾方向性的两全其美的方法。这还提供了液体的远远更有效的打散。

[0089] 适用于在内燃发动机中直接喷射的雾化器的要求，对于给定的燃料流动速率，需要使用用于气流的最低可能的能量，以实现最佳可能的雾化，引起液体燃料的快速蒸发以
及它与空气进料的完全混合。此外，在发动机系统内能够容易地实现在所需压力(和温度)
下的气体这种供应，因而本发明的实施方式的实施便宜。

[0090] 液体射流在它们的打散点之前必须碰撞良好以生成最大碰撞能量。在本发明的背景下，应当将打散点理解为沿着液体流的点，其中，整合的反向力恰好超过驱动动量力。将
从射流喷口至打散点直线测量的射流长度的表达式表征为L＝Ao×ΔP/σ，其中，L是离开喷
口到打散点的长度。所以，在本发明的一个实施方式中，将液体射流配置为在离开喷口小于
L＝Ao×ΔP/σ的距离处碰撞。可以使用另一种相关性，例如：Ao×ΔP＝σL+ρaπdo×Cdc×(Δ
P/ρL)×f{L}，其中，分析确定以及实验校正f{L}。

[0091] 在本发明的一个实施方式中，两股或多股液体射流在液体碰撞焦点处碰撞以及两股或多股气体射流在气体碰撞焦点处碰撞。在本发明的一个实施方式中，液体碰撞焦点和
气体碰撞焦点重合。换句话说，液体射流和气体射流在共同碰撞焦点处碰撞。在本发明的一
个实施方式中，液体碰撞焦点和气体碰撞焦点不重合，但是同轴。换句话说，液体射流和气
体射流在位于喷射器主体1的中心轴线a-a上的不同碰撞焦点处碰撞。为了使上述得到的效
应最大化，如果液体射流和气体射流的焦点不重合，那么两个并置(相邻)的焦点之间的轴
线距离应当尽可能的彼此接近。在一个实施方式中，焦点P1和P2之间和/或P2和P3之间的距
离等于或小于液体喷口的平均直径。在进一步的实施方式中，两个并置(相邻)焦点，即焦点
P1和P2和/或P2和P3之间的距离可以是某些分数的液体喷口直径，或高达液体喷口的平均
直径，或高达液体喷口的2倍平均直径，或高达液体喷口的3倍平均直径，或高达液体喷口的
4倍平均直径，或高达液体喷口的5倍平均直径，或高达液体喷口的6倍平均直径，或高达液
体喷口的7倍平均直径，或高达液体喷口的8倍平均直径，或高达液体喷口的9倍平均直径或
高达液体喷口的约10倍平均直径。

[0092] 通过液体射流和气体射流各自的喷射压力ΔPf、ΔPg；喷口直径dof、dog；喷口数量nf、ng；喷口面积Aof、Aog和各自的质量流量Wf和Wg来限制液体射流和气体射流。从而固定获得的各自的体积流动速率Qf和Qg。

[0093] 以焦点处的轴向和径向方向上所需的各自的射流动量分量为基础条件，可以校正用于所需的体积或质量流量比值的所需的喷口面积比值。如雾化的最终品质所需要的，所
述的用于液相和气相的射流动量分量将必须具有某种比例。将相应地调节来确定以上所需
的各自的压力和碰撞角度。

[0094] 在一个优选的实施方式中，将用于液体组分的碰撞角度 选定为尽可能接近90°，从而由碰撞生成用于打散的最大可能的能量，并且将气体组分碰撞角度θ选择为提供不仅
防止任何合并而且促进进一步打散和蒸发的充分的动能或动量。

[0095] 在本发明的一个实施方式中，每股液体射流和喷射器的中心轴线之间形成的角度在5°和85°之间，包括5°和85°。例如，每股液体射流和喷射器的中心轴线之间形成的角度可
以是5°、6°、7°、8°、9°、10°、11°、12°、13°、14°、15°、16°、17°、18°、19°、20°、21°、22°、23°、
24°、25°、26°、27°、28°、29°、30°、31°、32°、33°、34°、35°、36°、37°、38°、39°、40°、41°、42°、
43°、44°、45°、46°、47°、48°、49°、50°、51°、52°、53°、54°、55°、56°、57°、58°、59°、60°、61°、
62°、63°、64°、65°、66°、67°、68°、69°、70°、71°、72°、73°、74°、75°、76°、77°、78°、79°、80°、
81°、82°、83°、84°、或85°。在另一个实施方式中，每股气体射流和喷射器的中心轴线之间形成的角度在0°和75°之间，不包括0并且高达包括75°。因此，在一个实施方式中，每股气体射
流和喷射器的中心轴线之间形成的角度可以是1°、2°、3°、4°、5°、6°、7°、8°、9°、10°、11°、
12°、13°、14°、15°、16°、17°、18°、19°、20°、21°、22°、23°、24°、25°、26°、27°、28°、29°、30°、
31°、32°、33°、34°、35°、36°、37°、38°、39°、40°、41°、42°、43°、44°、45°、46°、47°、48°、49°、
50°、51°、52°、53°、54°、55°、56°、57°、58°、59°、60°、61°、62°、63°、64°、65°、66°、67°、68°、
69°、70°、71°、72°、73°、74°、或75°。因此，本申请设想了这些多种角度的所有组合和变更。

[0096] 在本发明的一个实施方式中，应用至液体的压力在0和3000bar之间，包括0和3000bar。例如，应用至液体的压力可以在0-100、101-200、201-300、301-400、401-500、501-
600、601-700、701-800、801-900、901-1000、1001-1100、1101-1200、1201-1300、1301-1400、
1401-1500、1501-1600、1601-1700、1701-1800、1801-1900、1901-2000、2001-2100、2101-
2200、2201-2300、2301-2400、2401-2500、2501-2600、2601-2700、2701-2800、2801-2900、
2901-3000bar之间。在一个实施方式中，在0和200bar之间加压气体，包括0和200bar。因而，
例如，在0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、
26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、
51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、
76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、100、
101、102、103、104、105、106、107、108、109、110、111、112、113、114、115、116、117、118、119、
120、121、122、123、124、125、126、127、128、129、130、131、132、133、134、135、136、137、138、
139、140、141、142、143、144、145、146、147、148、149、150、151、152、153、154、155、156、157、
158、159、160、161、162、163、164、165、166、167、168、169、170、171、172、173、174、175、176、
177、178、179、180、181、182、183、184、185、186、187、188、189、190、191、192、193、194、195、
196、197、198、199、或200bar之间加压气体。液体计量装置提供了精确量的液体流量以及气
体计量提供了精确量的气体流量。可替换地，液体计量提供了精确的起止时间，以及气体计
量提供了精确的起止时间。

[0097] 在一个实施方式中，如果在环境压力的空间中雾化，应用至液体的压力可以是例如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、
29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、
54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、
79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、100bar。如果将液体喷射至较高压力的空间中，那么雾化压力可以是例如30-100、101-200、201-300、301-
400、401-500、501-600、601-700、701-800、801-900、901-1000、1001-1100、1101-1200、
1201-1300、1301-1400、1401-1500、1501-1600、1601-1700、1701-1800、1801-1900、1901-
2000bar。气体压力可以是例如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、
21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、或40bar。

[0098] 在本发明的一个实施方式中，液体射流具有离开喷口的大于5m/s的速度，或对于液体，例如汽油，ΔP大于0.1。可替换地，液体射流具有离开喷口的大于500m/s的速度，或对
于液体，例如汽油，ΔP大于950bar。在本发明的一个实施方式中，气体射流具有离开喷口的
大于250m/s的速度，或对于288°K和1.0bar的离开喷口条件，ΔP大于0.378。可替换地，气体
射流具有离开喷口的大于5000m/s的速度，或对于288°K和1.0bar的离开喷口条件，ΔP大于
151.2bar。

[0099] 在本发明的一个实施方式中，任何液体喷口和碰撞点之间的距离小于3倍的喷射器主体的直径或两个最远喷口之间的距离。在本发明的一个实施方式中，喷口直径在约50
至约5000μm的范围，包括50和5000μm。

[0100] 可替换地，任何液体喷口和碰撞点之间的距离小于三倍的两个最远的液体喷口之间的距离，以及在另一个实施方式中，任何液体喷口和碰撞点之间的距离小于两个最远的
液体或气体喷口之间的距离，无论哪个较小。

[0101] 在本发明的一个实施方式中，通过单独的喷嘴产生液体射流和气体射流。

[0102] 在本发明的一个实施方式中，液体选自水、水溶液、悬浮液和乳液。在一个实施方式中，液体是选自汽油、柴油、醇、JP8、煤油、和它们的任何混合物中的燃料，且喷射器用于选自往复式内燃发动机、旋转式内燃发动机、燃气涡轮发动机和喷气式发动机中的发动机。

[0103] 在本发明的一个实施方式中，喷射器具有在一个或多个碰撞焦点处碰撞的2至30股液体或气体射流。

[0104] 在一个实施方式中，液体和气体喷射器喷射各自的液体和气体至内燃发动机。在一个实施方式中，液体和气体喷射器喷射各自的液体和气体至往复式内燃发动机或旋转式
内燃发动机的燃烧室。

[0105] 在一个实施方式中，将用于内燃发动机的液体和气体喷射器设计为按照命令分别地输送特定量的气体或液体，并同时保持死体积至可接受的最小值。这需要随着时间小心
控制流动速率，这往往通过螺线管来实现；然而，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。

[0106] 在一个实施方式中，气体射流和液体射流计量装置分别在精确的起止时间提供精确量的气体流量和液体流量，并可以位于喷射器主体内侧或外侧。在一个实施方式中，气体
射流和液体射流计量装置可以包括螺线管控制的柱销或压电控制的柱销。

[0107] 在一个实施方式中，柱销可以是喷射器中的套筒中的往复轴，其中，在喷嘴处的柱销阀的端部是圆形球状部分，即柱销球。喷嘴包括具有中心轴线a-a的主体1，以及入口通
道，例如通道4(在液体的情况下)或入口通道5(在气体的情况下)，可以包括柱销轴和柱销
球的末端部。对于液体喷射的情况，在喷嘴中将加压液体输送至排出喷口的液体排出通道
起源于柱销球阀座区域中的点。在默认位置中，柱销球压靠阀座。当柱销球压靠阀座时，没
有流体能流入出口通道中，并且没有流体从喷射器主体中流出。当柱销球例如通过电子控
制螺线管或压电机构而被移动到打开位置时，加压液体流过由阀所限定的空间并且流入出
口通道中并从射流排出喷口处的喷嘴主体流出。

[0108] 可以由各个液体和气体来源将加压液体和气体供应至各个流动控制系统，并将计量的液体和气体分别进料至喷射器主体内的相应进料通道。得到的射流在一个或多个焦点
处碰撞。流量控制系统提供相应计量装置，其提供各个液体和气体的受控的连续流动速率。
在一个实施方式中，对于常规已知的气体辅助，用开始/终止计量机构在喷射器中调节气体
供给和压力。例如，在一个实施方式中，将柱销阀用作液体喷射器。可以采用任何常规的装
置，诸如在图1中的腔体2和3处或之前的柱销阀，且其包括入口通道4和5的一部分。

[0109] 例如，柱销阀座和柱销球限定了‘囊’容量，该容量必须尽可能得小，其经受用于出口通道的合适的进入条件。出口通道中的每个均与‘囊’容量在第一端处液体连通，并在第
二端处离开的相应喷口处终止。出口通道以本文所描述的限定碰撞角度形成单股倾斜射
流。引导从通道端部处的喷口发出的多股射流在单个焦点(即碰撞点)处碰撞。

[0110] 应用于本发明的喷射器的液体和气体的压力根据发动机中的喷射器的位置和液体/气体的类型而发生改变。

[0111] 本发明的描述的实施方式旨在是说明性的而非限制性的，并且并非旨在表示本发明的每个实施方式。在不背离在所附权利要求中的字面上并且在法律上视为等效地陈述的
本发明的精神和范围的情况下，可进行各种修改和变化。