CN100427734C

CN100427734C - 内燃机

Info

Publication number: CN100427734C
Application number: CNB2004800342395A
Authority: CN
Inventors: 丹·梅里特
Original assignee: Musi Engines Ltd
Current assignee: Musi Engines Ltd
Priority date: 2003-11-19
Filing date: 2004-11-16
Publication date: 2008-10-22
Anticipated expiration: 2024-11-16
Also published as: CN1882766A; GB0326916D0

Abstract

本发明公开一种高热效率稀薄燃烧火花点火二或四冲程发动机，该发动机可在不节流的情况下进行操作，适于使用汽油的车辆。该发动机使用非直接式燃烧室和与其对齐的传输孔口(7)，以在压缩冲程期间产生围绕燃烧室以螺旋涡流方式运动的空气射流(40)。燃料被喷入燃烧室，并对准空气射流以有助于快速蒸发。燃料喷射器(11)的位置和取向确保燃料即使在怠速条件下也可到达火花塞(9)附近，螺旋涡流确保形成在火花塞(9)附近的可点燃混合物的分层。

Description

内燃机

技术领域

本发明涉及一种在四冲程或二冲程发动机循环下操作的火花点火往复式内燃机。

背景技术

本发明尤其涉及使用分层进气方法的稀薄燃烧汽油发动机。本发动机能够在不限制进气的情况下在部分负载进行操作，从而促使部分负载下有更高热效率。

本发明适用于汽车和摩托车应用中并且具有能够大量节省城市交通中使用的燃料的潜力。尚若使用本发明的合适设计，操作未节流的火花点火发动机的困难的技术问题可以在发动机的整个操作范围内被克服。

发明内容

根据本发明的发动机可构造成或者在四冲程发动机循环下进行操作或者二冲程发动机循环下进行操作。

因此，本发明提供了一种内燃机，包括

在气缸中往复移动的活塞；

与所述气缸连通的进气装置；

与所述气缸连通的排气装置；

与所述气缸连通的非直接燃烧室，包括关于所述活塞的近端和远端；

与在燃烧室近端将所述气缸和所述燃烧室连通的传输孔口；

与所述燃烧室连通的火花点火装置；

与所述燃烧室连通的燃料喷射器；

控制所述燃料喷射过程和火花点火操作的控制器；

其特征在于，所述传输孔口适于在所述活塞的压缩冲程期间将空气射流送入所述燃烧室，强制空气围绕所述燃烧室的周边运动，呈离开所述近端、在轴向方向上的螺旋涡流运动，并且，其特征在于，所述燃料喷射器适于将燃料送入所述空气射流中，使火花可点燃混合物能够在到达所述火花点燃装置处的气体中形成。

优选地，燃烧室是中心轴对称的，例如圆柱形，但是也可使用其他形状。燃烧室周边可以是光滑的，或者锯齿形的或者具有起伏波动，从而促进湍流。

优选地，燃料喷射器是电作动喷射器，能够承受燃烧条件并且喷入高达四十巴下的加压气体。

优选地，控制器对燃料喷射的正时和持续时间进行控制，在必要的情况下，也控制供给于燃料喷射器的燃料的压力。

这里的术语空气用于描述纯的或者包含诸如燃烧产物或者甚至碳氢化合物气体的其他气体。术语混合物描述混合有用于燃烧的蒸发燃料的空气。术语稀混合物用于描述气体和燃料混合物，其不可被用于发动机中的火花点燃装置直接点燃。

术语近端这里描述较接近活塞和传输孔口的燃烧室的端部。术语远端描述燃烧室与近端相对的端部，离传输孔口最远。

术语室这里描述燃烧室，术语孔口描述传输孔口。

术语稀薄燃烧这里用于描述发动机通过使用分层方式以总体稀薄混合物燃烧的能力。

术语螺旋涡流这里用于描述在燃烧室中由从孔口出现的空气射流引导的气体运动，射流的切向分量用于产生围绕燃烧室的周边的旋转，轴向速度分量用于产生朝向燃烧室远端的类似螺旋拔塞器的运动。当到达远端时，气体持续其周边旋转，并且从后面到达的气体随着其轴向动量被吸收而挤压前方的气体。应该理解，这会导致一些稍后到达的气体保持至少部分地与早前到达的气体分离，因此形成某种程度的分层。

术语分层这里用于描述气体运动，该运动促进燃料和空气在燃烧室容积中不均匀的共存，从而当活塞处于或接近压缩冲程结束时火花可点燃混合物终止在火花塞附近，空气或稀混合物终止在燃烧室的其他地方。

术语空气射流这里用于描述在活塞的压缩冲程期间穿过孔口进入燃烧室的空气。

术语点火筒这里用于描述具有空余容积的空腔，该空腔的一端包含火花塞，所述容积通过一孔与燃烧室连通，该孔的直径小于火花塞螺纹部分的直径。

术语BMEP描述在气缸中的制动平均有效压力。

根据本发明的构造的发动机必需使用下列三个装置以在其操作范围的至少部分中进行稀薄燃烧。

1.它使用非直接燃烧室，在燃烧室中进行燃料喷入和点燃并且利用空气射流辅助燃料喷雾的快速蒸发。

2.它使用孔口的位置、取向和尺寸以促进适当构造的燃烧室中的螺旋涡流，使得在燃料喷射之后在该涡流流动中形成的混合物在点火时刻到达适当定位的火花塞。

3.它使用位于一位置的燃料喷射器，在该位置处的燃料喷射器允许至少一些燃料喷雾被送入空气射流或由空气射流形成的螺旋涡流。

燃料喷射器可以如此定位，使得其以垂直地横穿空气射流，或者与空气射流呈角度的方式或者以轴向方式将燃料送入空气射流。

接近压缩冲程结束时空气射流达到最大动量，空气射流的速度也随着发动机转速增加。根据燃料喷射器的设计，在压缩冲程开始或更早时送入的燃料喷雾，尤其在低发动机转速时，可穿过空气射流，但是这些燃料可在稍后被吸入空气。

火花塞应该位于恰好在点火时刻之前形成可点燃混合物的位置处。该位置取决于燃料喷射器的位置和取向，尤其取决于燃料喷射相对于活塞位置的正时，其也可替换地由曲柄角位置进行描述。火花塞应该与高速气体和燃料喷雾的直接路径遮挡开。这种遮挡可通过使用点燃筒来实现。

附图说明

本发明在这里进一步借助实例并参照附图进行说明，其中附图并不是按比例绘制并且只是为了示意的目的。

图1是穿过气缸和燃烧室的一部分的正截面图，该燃烧室相对于气缸的轴线倾斜，该图示出了螺旋涡流模式下的流线；

图2是穿过气缸和燃烧室的一部分的正截面图，该燃烧室与气缸的轴线对齐，该图示出根据本发明构造的发动机的另一实施例；

图3是穿过气缸和燃烧室的一部分的正截面图，其燃料输送与图2所示的类似，但是燃烧室倾斜于气缸的轴线，并且该图示出了备选的火花塞位置；

图4示出了相对于气缸轴线倾斜的燃烧室，该图示出孔口位置和燃料喷射器的两个备选位置；

图5示出了类似燃烧室沿着图4的线A-A所作的截面，该图示出孔口位置和燃料喷射器的第三位置；

图6示出了该燃烧室沿着图4的线B-B所作的另一截面，该图示出了孔口位置对螺旋涡流强度的作用；

图7示出了沿图8的线X-X所作的正截面图，该图示出了燃烧室中横穿空气射流(air jet)路径进行燃料喷射的详细情况；

图8示出了图7的平面图；

图9示出了根据本发明构造的二冲程发动机的一实施例。

具体实施方式

图1借助实例示出了一实施例，其中活塞1在压缩冲程期间在气缸2中移动。燃烧室6通过孔口7与气缸相通。燃料喷射器11横穿空气射流40输送燃料。所示的燃料锥体与空气射流相交并且在燃料到达火花塞9所处的远端10时延伸至柱形燃烧室的整个直径。该示意图也示出了以螺旋涡流运动围绕燃烧室的周边22旋转的流线14。该实施例避免燃料直接进入气缸2，因此将碳氢化合物排放减小至最小。采用这种方式构造的发动机能够即使在怠速和低BMEP下进行非节流操作。在怠速和其他低BMEP条件下，少量的燃料在压缩冲程早期被喷入，应该理解，其穿过弱的空气射流，从而沉积在燃烧室10的远壁上和/或远端附近的周边22上。当螺旋涡流空气到达远端时，其使该沉积燃料蒸发，所得到的混合物保持在远端附近，直到火花塞9的点燃时刻。应该理解，火花塞的位置可由发动机设计人员进行变化，从而实现优化的性能。

在较高的BMEP条件下，燃料喷射的持续时间在较长的曲柄角弧度上增加，因此，增加量的混合物包含在从远端10延伸至近端8的气体中。在这些条件下，随着空气射流动量的增加，更多的燃料将被吸收入流过燃料喷雾17的空气射流中。随着发动机转速的增加，燃料管道压力可能需要增加以在可用的曲柄角弧度期间允许输送所需量的燃料。发动机设计人员可选择在各种发动机工况(engine conditions)下的燃料喷射正时、持续时间和压力的最佳结合，并且选择火花塞9的合适位置。发动机管理系统12(参见图2)可相应地进行编程。

图2通过实例示出了根据本发明的另一实施例。图中示出了在压缩冲程期间在气缸2中沿着与燃烧室轴线19平行的轴线18移动的活塞1。气缸2以公知的方式与进气阀和排气阀相连通，这两个阀均以提动阀3示出。燃烧室6是具有锥形远端10的圆柱，火化塞9位于该远端10处。孔口7相对于轴线19倾斜，并且在近端8处伸入燃烧室6，其方向具有轴向和切向分量。切向分量没有在该图中示出。进入燃烧室6的空气射流由矢量20示出，该矢量改变方向以由流线14所示的螺旋涡流形状围绕燃烧室壁部22流动。活塞顶具有可选的空腔100，该空腔允许一些混合物在活塞上方燃烧，如果发动机设计人员希望该燃烧发生的话。

发动机控制器12确定燃料喷射的正时和持续时间，燃料管道压力和火花点火的正时。图示燃料管道13穿过控制器，这仅是说明性的。

图2所示的发动机与图1所示的不同，图2示出燃料喷射器11与孔口7的轴线对齐，允许燃料喷雾共轴地和以相反方向地喷射入空气射流20。这可促进非常快速的蒸发。尤其在低发动机转速下，当空气射流20较弱时，在压缩冲程中较早喷射的燃料，或者在先前进气冲程(induction stroke)期间喷入的燃料，可通过孔口进入气缸2并且在其中蒸发。在压缩冲程后期，该混合物将通过活塞输送入燃烧室。在接近压缩冲程结束时加入空气射流的额外燃料可被控制以形成可点燃的混合物。

根据图2或图3选择的设计方案不需要使用如图2所示的在活塞顶中的空腔。然而，设计成允许大比例的发动机余隙容积设置在空腔100中将导致燃烧室容积的大量减小，以保持理想的压缩比。在这种发动机中，在怠速和低BMEP期间，燃烧室6可设计成通过在接近压缩冲程结束时喷入燃料而接纳的所有燃料。在较高的BMEP条件下，额外的燃料可被较早地通过孔口7喷入气缸，以在压缩冲程结束时在空腔100中形成混合物。在这种方式下，燃烧室主要在空腔100的稀混合物点火模式下操作。如果空腔100中的混合物过稀并且不能被点燃后离开燃烧室的火焰点燃，那么构造成在该模式下操作的发动机需要在低BMEP条件的范围下对进气使用部分节流，但是这种节流与在相同BMEP下操作的传统汽油发动机相比不太剧烈。

图3示出了与空气射流40对齐的燃料喷射器11。在该实施例中，燃烧室轴线相对于气缸轴向倾斜，从而减小螺旋涡流的轴向分量。燃料锥体17在压缩冲程的较早部分期间、在空气射流40较弱时如图所示穿透进入气缸2。示意图也示出了不同的火花塞位置，这些位置可帮助设计人员实现最优的发动机性能。位置9A适于当混合物在燃烧室6的近端8处分层时点燃在压缩冲程较晚时形成的混合物。这种结构适合根据本实施例设计的发动机的怠速和起动工况或者适合设计成在按上述点火模式下操作而设计的发动机。

位置9B或9C可被选择为9A的备选位置或除了9A之外的位置，例如在每个气缸使用两个火花塞的情况下，如果需要与宽燃料范围相协作的话。火花塞9B位于点火筒(pot)中，在该位置处其被罩住。其他的火花塞位置或布置可优选图3所示的内容。

图4至8示出了燃烧室与设计成促进螺旋涡流的孔口相关的几何尺寸。图2所示的布局可导致具有过大轴向分量的螺旋涡流，因为孔口7相对于轴线19的倾斜H较小。在图4中，倾斜角H较大，这会减小螺旋涡流的轴向速度分量。

螺旋涡流的切向速度分量由图5的截面图所示的轴线20与轴线18之间的角度V确定。这将对于给定射流速度控制涡流的角速度。图5所示的切向进入将给出最大值。

孔口7的横截面积将确定空气射流的速度。最大化该面积是有利的，以减小气体在气缸2与燃烧室6之间移动时的泵送损失，通过这样做，发现这种损失可被保持为较低值。

图4和5没有示出火花塞的位置，它们示出了根据本发明的用于燃料喷射器的一些备选位置，因为喷射器112、113和11的取向都取决于孔口7的位置。如果需要，可使用多于一个的燃料喷射器。

图6示出了控制螺旋涡流的角速度分量的强度的方法。孔口7的轴线20从与其平行的直径18移开。将空气射流从周边22移开距离X将减小涡流强度。如果射流直径允许延伸超过直径18一个量Y，那么角强度将被大大地减小，因为部分空气射流将与螺旋涡流的旋转方向相反。当轴线20与直径18重合时，将不会出现涡流运动。

图7和图8示出了发动机的优选实施例的孔口、燃料喷射器和火花塞的相对位置，该发动机已被制造并且测试。该发动机可以非节流下怠速。

在平面图中，图8中的喷射器轴线21穿过孔口7的中心附近，指向燃烧室6的远端10的中心C。孔口7在轴线19的一侧，从而为螺旋涡流促进切向分量，轴向分量由小于90度的倾斜角H提供。图7示出了一喷射器，该喷射器将燃料喷雾17从孔口7上方的位置再次以朝向远端处中心C的方向输送至空气射流。在有必要避免液体燃料沉积在火花塞9上(这会导致短路)的情况下，火花塞位于点火筒99内，该点火筒通过轴向或者倾斜于火花塞轴线的孔口199与燃烧室连通。该装置对于实现冷起动来说证明是必要的。

燃烧室的远端面10可以加工成形。例如，可以是平的、凹入的或者凸出的。如果必要的话，可以设置表面凸起，从而在远端处引入湍流和/或朝向的燃烧室中心促进周边气体流的混合。燃烧室的周边壁部22也可设置有表面波动和表面凸起，从而在必要的情况下促进湍流。

图9示出了本发明应用于二冲程发动机的一实施例，其被改进以利用根据本发明的优势。

空气在活塞1的压缩冲程期间通过设置有单向阀30的入口3进入曲轴箱。与传统的二冲程发动机不同，进气在部分负载下是非节流的并且没有与任何燃料混合。当接近活塞的随后的膨胀冲程结束、输送口31被活塞打开时，空气被传输至气缸2并且被位于活塞1顶部上的凸起33偏转至环形扫气流动方向(loop scavenge flow direction)。在压缩冲程的较早部分或者更早期间、当活塞覆盖排气口4时，活塞燃料喷射器11可开始将燃料喷入燃烧室6。当需要增加BMEP时，燃料喷射器可继续这样做，直到接近压缩冲程结束。

在压缩冲程的结束时最小化气缸2的容积是有利的，以便将最大量的空气输入燃烧室，凸起33和凹槽34的形状可类似形成从而实现这一目标。

该结构去掉了传统二冲程设计固有的缺陷，一个是在扫气期间(blowdown period)在气缸2中存在燃料，另一个是需要在部分负载下对进气进行节流。分层进气能力和高效的燃料准备可使根据本发明改进的二冲程发动机具有显著改善的热效率、更清洁的排气和高速操作。

Claims

1、一种内燃机，包括

在气缸中往复移动的活塞；

与所述气缸连通的进气装置；

与所述气缸连通的排气装置；

与在燃烧室近端将所述气缸和所述燃烧室连通的传输孔口；

与所述燃烧室连通的火花点火装置；

与所述燃烧室连通的燃料喷射器；

控制所述燃料喷射过程和火花点火操作的控制器；

其特征在于，所述传输孔口适于在所述活塞的压缩冲程期间将空气射流送入所述燃烧室，强制空气围绕所述燃烧室的周边运动，呈离开所述近端、在轴向方向上的螺旋涡流运动，并且所述燃料喷射器适于在一方向上将一些燃料送入所述燃烧室中的所述空气射流中，其也使火花可点燃混合物能够在到达所述火花点燃装置处的气体中形成。

2、根据权利要求1所述的发动机，其中，所述燃料喷射器定位在以相对于空气射流轴线的一角度将燃料送入空气射流中的位置上。

3、根据权利要求1所述的发动机，其中，所述燃料喷射器定位在将燃料导向所述燃烧室的远端的位置上。

4、根据权利要求1所述的发动机，其中，在压缩冲程结束时所述活塞上方的余隙容积被最小化。

5、根据权利要求1所述的发动机，其中，所述燃料喷射器定位在将燃料沿着与所述射流的轴线一致或平行的轴线直接送向所述空气射流的位置上。

6、根据权利要求1所述的发动机，其中，所述火花点火装置位于所述燃烧室的远端。

7、根据权利要求1所述的发动机，其中，两个火花点火装置用于在两个不同的位置处进行点火。

8、根据权利要求1所述的发动机，其以二冲程循环操作。

9、根据权利要求1所述的发动机，其以四冲程循环操作。

10、根据权利要求1所述的发动机，其中，导入所述气缸的空气在部分负载下没有被节流。