一种燃气发动机喷嘴及其设计方法、喷射系统及车辆

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，具体涉及一种燃气发动机喷嘴及其设计方法、喷射系统及车辆。

背景技术

随着能源危机和环境污染的日益严重，国内外都在积极研发各种节能减排技术手段。天然气以其热值高，燃烧清洁，储量丰富成为新一代的替代能游。其中稀薄燃烧由于燃烧温度低，可以有效减少NOx排放，成为一项重要的减排技术手段。但是，随着混合气变稀，发动机的循环变动加剧，甚至在发动机运行在稀燃极限附近时会出现部分燃烧或者失火现象，排放尾气中HC和CO明显增加，循环变动成为影响稀燃极限的一个重要阻碍，因此，合理组织进气、燃烧过程，改善燃烧质量是充分发挥稀燃天然气发动机节能减排能力的重中之重。

目前国内外先进发动机中，针对稀薄燃烧天然气发动机燃料供给方式多采用电控多点喷射方式。现有技术中，通过改变进气结构，采用进气岐管式以提高天然气与空气的混合，以及各缸的均匀性。

但采用进气岐管式对现有发动机进气系统的改动较大，成本较高，且对天然气与空气的混合效果达不到最佳，发动机响应较慢。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种燃气发动机喷嘴及其设计方法、喷射系统及车辆，以解决现有技术中燃气发动机燃烧不充分，而采用进气岐管式对现有发动机进气系统的改动较大，成本较高的问题。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

第一方面，本申请提供一种燃气发动机喷嘴，包括：

进气管，其包括进气段和喷气段，上述进气段的一端用于与天然气长轨导管连接，另一端用于从与进气总管管壁垂直的方向伸入至进气总管内，上述喷气段与上述进气段呈预设夹角，上述喷气段的喷嘴端用于伸入气缸进气道内，且沿轴向间隔设有前喷孔组和后喷孔组，上述前喷孔组包括多个前喷孔，上述后喷孔组包括多个后喷孔，上述前喷孔的喷出方向和上述后喷孔的喷出方向与上述喷气段的轴线呈设定夹角，且相互远离。

在一些可选的实施例中，上述喷气段向上述气缸进气道内伸出设定长度。

在一些可选的实施例中，上述前喷孔的喷出方向与上述喷气段的轴线呈第一设定夹角，上述后喷孔的喷出方向与上述喷气段的轴线呈第二设定夹角，上述第二设定夹角大于上述第一设定夹角。

在一些可选的实施例中，上述喷气段与上述进气总管的轴线重合。

第二方面，本申请还提供一种燃气发动机喷嘴的设计方法，用于设计任一上述的燃气发动机喷嘴，包括以下步骤：

根据进气总管的管壁坡度，确定进气段与喷气段的预设夹角；

根据进气段与喷气段的预设夹角，确定前喷孔的喷出方向和后喷孔的喷出方向与上述喷气段的轴线之间设定夹角的角度。

在一些可选的实施例中，根据进气总管的管壁坡度，确定进气段与喷气段的预设夹角，包括：

根据β＝A+90°确定上述预设夹角β，其中，A为进气总管的管壁坡度。

在一些可选的实施例中，根据进气段与喷气段的预设夹角，确定上述前喷孔的喷出方向和上述后喷孔的喷出方向与上述喷气段的轴线之间设定夹角的角度，包括：

根据γ1＝β/2确定第一夹角γ1。

第三方面，本申请还提供一种多点喷射系统，包括：

多个气缸进气道，其用于将气缸与进气总管连通；

与上述气缸进气道数量相同且一一对应的进气管，上述进气管包括进气段和喷气段，上述进气段的一端与天然气长轨导管连接，另一端伸入至进气总管内，上述喷气段与上述进气段呈预设夹角，上述喷气段的喷嘴端伸入上述气缸进气道内，且沿轴向间隔设有前喷孔组和后喷孔组，上述前喷孔组包括多个前喷孔，上述后喷孔组包括多个后喷孔，上述前喷孔的喷出方向和上述后喷孔的喷出方向与上述喷气段的轴线呈设定夹角，且相互远离。

在一些可选的实施例中，在上述天然气长轨导管上间开设有与上述进气管数量相同的出气口，每一上述进气管均通过一个混合集成组件与天然气长轨导管连通，上述混合集成组件包括：

两个喷射阀，其进气端与两个上述出气口对应连接，用于控制上述天然气长轨导管内天然气的喷出；

混合集成器，其与上述喷射阀的排气端连通，上述进气管的进气段与上述混合集成器连通。

第四方面，本申请还提供一种车辆，包括任一上述的多点喷射系统。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过将前喷孔的喷出方向和后喷孔的喷出方向设置为，与喷气段的轴线呈设定夹角且相互远离，这样当天然气从喷孔喷出时，天然气呈扇形喷出，喷出面积较现有技术中单一方向喷孔来说更大，更有利于与空气的混合；每一个气缸进气道均配置有一个燃气发动机喷嘴和一组混合集成组件，从而可以在进气总管的中部即实现较好的各缸均匀性，且提升了进气的响应性、均匀性，并减少了沿程损失；只对天然气进气部分作出改进，而对天然气发动机的主体结构未作较大改动，因此更为经济，维护成本较低。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种燃气发动机喷嘴的侧视安装透视示意图；

图2为燃气发动机喷嘴安装位置示意图；

图3为图1中进气管的剖面结构示意图；

图4为图3中喷气段的局部示意图；

图5为本发明一种喷射系统的正视结构示意图。

图中：10、进气管；1、进气段；2、喷气段；21、前喷孔；22、后喷孔；3、废气进气管；4、混合集成组件；41、喷射阀；42、混合集成器；5、天然气长轨导管；6、进气总管；7、气缸进气道；8、前端进气管。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

第一方面，如图1至图4所示，本申请提供一种燃气发动机喷嘴，包括进气管10，进气管10是用于将天然气引进至气缸进气道7内，从而在进气总管6的中部就可以实现较好的各缸均匀性，且天然气与空气的良好混合。

具体的，进气管10包括进气段1和喷气段2，上述进气段1的一端用于与天然气长轨导管5连接，另一端用于与进气总管6管壁垂直的方向伸入至上述进气总管6内，上述喷气段2与上述进气段1呈预设夹角，上述喷气段2的喷嘴端用于伸入气缸进气道7内，且沿轴向间隔设有前喷孔组和后喷孔组，上述前喷孔组包括多个前喷孔21，上述后喷孔组包括多个后喷孔22，上述前喷孔21的喷出方向和上述后喷孔22的喷出方向与上述喷气段2的轴线呈设定夹角，且相互远离。

可以理解，本申请实施例中的进气管10为弯折管，进气段1与喷气段2呈预设夹角，从而在满足结构布置的同时，有利于天然气在管内的流通。同时前喷孔21的喷出方向和后喷孔22的喷出方向与喷气段2的轴线呈设定夹角且相互远离，这样当天然气从喷孔喷出时，天然气呈扇形喷出，喷出面积较现有技术中单一方向喷孔来说更大，更有利于与空气的混合。

同时，由于进气总管6为喇叭口状的结构，其与前端进气管8连接的开口大小小于其与气缸进气道7连接的开口大小。因此，当进气段1穿过进气总管6的侧壁并伸入至进气总管6内时，其与进气总管6的管壁垂直，这样更有利于进气总管6与进气段1连接的稳定性。

可选的，前喷孔21和后喷孔22均沿周向等间距间隔设置，且前喷孔组和后喷孔组沿喷气段2的轴向设有多组。在本例中，前喷孔组和后喷孔组均设有两组，在其他实施例中，还可以根据发动机的功率大小和所需要的进气量，来增加前喷孔组和后喷孔组的数量，在此不做赘述。

需要说明的是，进气段1和喷气段2呈预设夹角，该预设夹角为钝角，从而更有利于天然气在管内的流通。

在一些可选的实施例中，上述喷气段2向上述气缸进气道7内伸出设定长度。

在本例中，喷气段2的三分之一位于进气总管6内，喷气段2的三分之二伸入至气缸进气道7内。这样设置的目的是，使天然气尽可能的在气缸进气道7内喷出并与空气混合。

如下表所示，为布置两组前喷孔组和两组后喷孔组时，每组中喷孔数量不同、喷气段2的长度不同，其发动机效率的对比数据。从图中可知，当每组中包括8个喷孔，且喷气段2的长度为120mm时，其发动机热效率最高。

在一些可选的实施例中，上述前喷孔21的喷出方向与上述喷气段2的轴线呈第一设定夹角，上述后喷孔22的喷出方向与上述喷气段2的轴线呈第二设定夹角，上述第二设定夹角大于上述第一设定夹角。

可以理解，后喷孔22更远离气缸进气道7与进气总管6连接的开口处，因此，为了能使后喷孔22喷出的天然气更好的和进气总管6内的空气混合，将上述第二设定夹角大于上述第一设定夹角，从而喷射气体的覆盖面积更靠近气缸进气道7与进气总管6连接的开口处。同时，若第二设定夹角过小，也会导致后喷孔22和前喷孔21喷射气体的覆盖面积之间形成未喷射到的“留白区”，从而不利于天然气与空气的混合。

当然，上述第二设定夹角也不应过大，优选为锐角。

在一些可选的实施例中，上述喷气段2与上述进气总管6的轴线重合。

可以理解，将喷气段2与进气总管6的轴线重合，从而使得喷嘴端在伸入气缸进气道7内时，也是位于气缸进气道7的轴心处，这样，沿周向间隔卡设的前喷孔21和后喷孔22在喷射天然气时，其可以均匀喷射。

第二方面，本申请还提供一种燃气发动机喷嘴的设计方法，用于设计任意一个上述的燃气发动机喷嘴，包括以下步骤：

S1：根据进气总管6的管壁坡度，确定进气段1与喷气段2的预设夹角。

具体的，根据β＝A+90°确定上述预设夹角β，其中，A为进气总管6的管壁坡度。

可以理解，由于进气总管6为喇叭口状的结构，其与前端进气管8连接的开口大小小于其与气缸进气道7连接的开口大小。因此，当进气段1穿过进气总管6的侧壁并伸入至进气总管6内时，其与进气总管6的管壁垂直。而进气总管6的管壁与废气进气管3轴线的垂线之间的夹角，即为进气总管6的管壁坡度，且进气总管6的管壁坡度与进气段1的倾斜角相等。这里，进气段1的倾斜角是指，进气段1与竖直面之间的夹角。

由此可见，上述预设夹角β为钝角。

S2：根据进气段1与喷气段2的预设夹角，确定上述前喷孔21的喷出方向和上述后喷孔22的喷出方向与上述喷气段2的轴线之间设定夹角的角度。

具体的，根据γ1＝β/2确定上述第一夹角γ1。

优选的，上述后喷孔22的喷出方向与上述喷气段2的轴线呈第二设定夹角，上述第二设定夹角大于上述第一设定夹角，即γ1＞γ2。

可以理解，后喷孔22更远离气缸进气道7与进气总管6连接的开口处，因此，为了能使后喷孔22喷出的天然气更好的和进气总管6内的空气混合，将上述第二设定夹角大于上述第一设定夹角，从而喷射气体的覆盖面积更靠近气缸进气道7与进气总管6连接的开口处。同时，若第二设定夹角过小，也会导致后喷孔22和前喷孔21喷射气体的覆盖面积之间形成未喷射到的“留白区”，从而不利于天然气与空气的混合。

由于γ1＝β/2＞γ2，因此，γ1和γ2均为锐角。

在一些可选的实施例中，所有前喷孔21和后喷孔22的截面积之和应小于喷气段2的截面积的一半。这样设置的目的是，以保证有足够的喷射压力以喷出天然气。

在一些可选的实施例中，根据进气总管6的管壁坡度，确定喷气段2的长度。

具体的，根据L＝1/3·a-(a-2a·tanA)/2·tanA+2/3·d确定喷气段2的长度L，其中，a为进气总管6沿喷气段2轴线方向的长度，d为气缸进气道7的进气道长度。

可以理解，在本例中，喷气段2的三分之一位于进气总管6内，喷气段2的三分之二伸入至气缸进气道7内。这样设置的目的是，使天然气尽可能的在气缸进气道7内喷出并与空气混合。

第三方面，本申请还提供一种多点喷射系统，包括上述的燃气发动机喷嘴、多个气缸进气道7、进气总管6及天然气长轨导管5。

具体的，多个气缸进气道7用于将气缸与进气总管6连通；进气管10与上述气缸进气道7数量相同且一一对应，上述进气管10包括进气段1和喷气段2，上述进气段1的一端与天然气长轨导管5连接，另一端伸入至进气总管6内，上述喷气段2与上述进气段1呈预设夹角，上述喷气段2的喷嘴端伸入上述气缸进气道7内，且沿轴向间隔设有前喷孔组和后喷孔组，上述前喷孔组包括多个前喷孔21，上述后喷孔组包括多个后喷孔22，上述前喷孔21的喷出方向和上述后喷孔22的喷出方向与上述喷气段2的轴线呈设定夹角，且相互远离。

可以理解，发动机喷嘴将天然气长轨导管5内的天然气喷射进气缸进气道7内，且气缸进气道7与进气总管6连通。也就是说，部分废气通过EGR(ExhaustGasRecirculation，排气再循环)从废气进气管3引进以利用废气余热，降低能耗，并和新鲜的空气混合，一同进入至进气总管6内，然后再进入至气缸进气道7，并与位于气缸进气道7入口处喷射出的天然气充分混合。

在本例中，进气管10为弯折管，进气段1与喷气段2呈预设夹角，从而在满足结构布置的同时，有利于天然气在管内的流通。同时前喷孔21的喷出方向和后喷孔22的喷出方向与喷气段2的轴线呈设定夹角且相互远离，这样当天然气从喷孔喷出时，天然气呈扇形喷出，喷出面积较现有技术中单一方向喷孔来说更大，更有利于与空气的混合。

同时，由于进气总管6为喇叭口状的结构，其与前端进气管8连接的开口大小小于其与气缸进气道7连接的开口大小。因此，当进气段1穿过进气总管6的侧壁并伸入至进气总管6内时，其与进气总管6的管壁垂直，这样更有利于进气总管6与进气段1连接的稳定性。

可选的，前喷孔21和后喷孔22均沿周向等间距间隔设置，且前喷孔组和后喷孔组沿喷气段2的轴向设有多组。在本例中，前喷孔组和后喷孔组均设有两组，在其他实施例中，还可以根据发动机的功率大小和所需要的进气量，来增加前喷孔组和后喷孔组的数量，在此不做赘述。

需要说明的是，进气段1和喷气段2呈预设夹角，该预设夹角为钝角，从而更有利于天然气在管内的流通。

在一些可选的实施例中，在上述天然气长轨导管5上间开设有与上述进气管10数量相同的出气口，每一上述进气管10均通过一个混合集成组件4与天然气长轨导管5连通，上述混合集成组件4包括两个喷射阀41和混合集成器42。

具体的，两个喷射阀41的进气端与两个上述出气口对应连接，用于控制上述天然气长轨导管5内天然气的喷出；混合集成器42与上述喷射阀41的排气端连通，上述进气管10的进气段1与上述混合集成器42连通。

也就是说，每一个气缸进气道7均配置有一个燃气发动机喷嘴和一组混合集成组件4，从而可以在进气总管6的中部即实现较好的各缸均匀性，且提升了进气的响应性、均匀性，并减少了沿程损失。

两个喷射阀41的设计，提高了天然气的喷射效率。

需要说明的是，天然气长轨导管5的出气口与可以根据两个喷射阀41的安装位置，两个为一组进行开设。

在本例中，天然气长轨导管5的长度大约在700-1000mm，且在天然气长轨导管5内布置有压力传感器，以监测天然气长轨导管5内的天然气压力，并与喷射阀41信号连接。

在一些可选的实施例中，上述喷气段2向上述气缸进气道7内伸出设定长度。

在本例中，喷气段2的三分之一位于进气总管6内，喷气段2的三分之二伸入至气缸进气道7内。这样设置的目的是，使天然气尽可能的在气缸进气道7内喷出并与空气混合。

如下表所示，为布置两组前喷孔组和两组后喷孔组时，每组中喷孔数量不同、喷气段2的长度不同，其发动机效率的对比数据。从图中可知，当每组中包括8个喷孔，且喷气段2的长度为120mm时，其发动机热效率最高。

在一些可选的实施例中，上述前喷孔21的喷出方向与上述喷气段2的轴线呈第一设定夹角，上述后喷孔22的喷出方向与上述喷气段2的轴线呈第二设定夹角，上述第二设定夹角大于上述第一设定夹角。

可以理解，后喷孔22更远离气缸进气道7与进气总管6连接的开口处，因此，为了能使后喷孔22喷出的天然气更好的和进气总管6内的空气混合，将上述第二设定夹角大于上述第一设定夹角，从而喷射气体的覆盖面积更靠近气缸进气道7与进气总管6连接的开口处。同时，若第二设定夹角过小，也会导致后喷孔22和前喷孔21喷射气体的覆盖面积之间形成未喷射到的“留白区”，从而不利于天然气与空气的混合。

当然，上述第二设定夹角也不应过大，优选为锐角。

在一些可选的实施例中，上述喷气段2与上述进气总管6的轴线重合。

可以理解，将喷气段2与进气总管6的轴线重合，从而使得喷嘴端在伸入气缸进气道7内时，也是位于气缸进气道7的轴心处，这样，沿周向间隔卡设的前喷孔21和后喷孔22在喷射天然气时，其可以均匀喷射。

在一些可选的实施例中，上述燃气发动机喷嘴的喷气段2向上述气缸进气道7内伸出设定长度。

在本例中，伸出的设定长度为其自身长度的三分之二。

第三方面，本申请还提供一种车辆，包括任意一个上述的多点喷射系统。

具体的，包括上述的燃气发动机喷嘴、多个气缸进气道7、进气总管6及天然气长轨导管5。多个气缸进气道7用于将气缸与进气总管6连通；进气管10与上述气缸进气道7数量相同且一一对应，上述进气管10包括进气段1和喷气段2，上述进气段1的一端与天然气长轨导管5连接，另一端伸入至进气总管6内，上述喷气段2与上述进气段1呈预设夹角，上述喷气段2的喷嘴端伸入上述气缸进气道7内，且沿轴向间隔设有前喷孔组和后喷孔组，上述前喷孔组包括多个前喷孔21，上述后喷孔组包括多个后喷孔22，上述前喷孔21的喷出方向和上述后喷孔22的喷出方向与上述喷气段2的轴线呈设定夹角，且相互远离。

本发明的一种燃气发动机喷嘴及其设计方法、喷射系统及车辆，通过将前喷孔21的喷出方向和后喷孔22的喷出方向设置为，与喷气段2的轴线呈设定夹角且相互远离，这样当天然气从喷孔喷出时，天然气呈扇形喷出，喷出面积较现有技术中单一方向喷孔来说更大，更有利于与空气的混合；每一个气缸进气道7均配置有一个燃气发动机喷嘴和一组混合集成组件4，从而可以在进气总管6的中部即实现较好的各缸均匀性，且提升了进气的响应性、均匀性，并减少了沿程损失；只对天然气进气部分作出改进，而对天然气发动机的主体结构未作较大改动，因此更为经济，维护成本较低。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。