CN101787924B - 一种发动机腔内直喷系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机腔内直喷系统，包括发动机缸盖，喷火嘴，燃料喷口，喷火嘴主要包括外壳、瓷绝缘体、双头螺杆、导体玻璃密封剂、中心电极、喷火帽，其中喷火帽与发动机缸盖形成热容积喷火腔，在热容积喷火腔的端部喷火帽与发动机缸盖形成圆环型点火隙，在热容积喷火腔壁至少有一个喷口。在热容积喷火腔壁有一个喷口是燃料喷口，还可以有一个喷口是气体喷口。本发明具有点火，喷火，加温助燃等功能，能够实现可靠，均匀而迅速地完成全部燃烧过程；高压空气的加入使发动机燃烧更充分；本发明改变发动机的燃烧方式，大大优化和提升了发动机的性能。

Description

一种发动机腔内直喷系统

技术领域

本发明属于发动机领域，尤其涉及发动机燃烧系统制造领域。

背景技术

随着汽车发动机电子技术的广泛应用，电喷式发动机，缸内直喷式发动机技术在不断的发展，普通式火花塞只能起点火作用，不能达到喷火燃烧的效果。普通发动机活赛运行速度快，火焰传播速度慢。发动机设计就要根据活赛直径确定点火提前角，用点火提前角来弥补火焰传播速度慢的时间差。提前角是靠发动机转动的离心力和活赛直径确定提前角角度，活赛直径50-70毫米提前角大约是7度左右，活赛直径80-100毫米提前角大约是8-12度左右甚至更多，在提前角期间混合气燃烧只是一个预燃期又称作是无效做功期，无效做功期时间比做功期时间长约三分之二。时间越长浪费的燃料就越多。而且提前角控制着发动机整个工作过程，要环保就得节能，要节能就得牺牲动力。真正要做到环保就得取掉不稳定的点火提前角，将点火时间固定起来与发动机转速同步。要想发动机与点火时间同步必须淘汰点式点火的火花塞，因为火花塞工作过程过于简单，给发动机工作留下太多的麻烦。

现有火花塞工作过程是将高压电在火花塞正负极之间产生电火花，电火花将混合气击燃。击燃的混合气火焰向前传播，传播完100毫米直径的发动机活赛大约需要30毫秒左右。可是活赛从上止点0度受高温高压的挤压活赛下行，下行到大约4度左右高温高压突然降低，剩余物里尚未完全燃烧的物质被迫排出体外就成了废气污染物。发动机活赛在上止点0度高温高压情况下只要有一点火星，就能将所有的高温高压混合气点着火。但是电火花产生了之后能不能完全燃烧就成了这种发动机速度的要害问题；点火着火到产生高温高压这一过程需要时间30毫秒。而发动机活赛的运行速度，发动机做功从上止点0度到下行4度为做功期，做功期也只占0.004毫秒，火焰传播速度约30毫秒，活赛运行速度大大快于火焰传播速度。不得不设计点火离心提前角12度和真空提前角12度，提前角越多消耗的氧分子越多，当活赛到上止点正是要做功的时候确严重缺乏氧分子，只剩下高温和高压无法着火的一氧化碳，碳氢化合物，尽管高温高压仍在做功，但是已经是有气无力了。空燃比是指空气与燃料之比，现在发动机使用的是14.7∶1，过去发动机使用的是12∶1，最佳混合比是指最佳的火焰传播速度，开始着火速度非常快，慢慢的因为氧分子减少火焰燃烧速度减慢，然后让活赛到上止点后突然下行高温高压降低使火焰熄灭，再就是火焰达到高温高压因为缺氧分子熄灭。无论是那种原因火焰熄灭，高温高压突然降低是形成一氧化碳，碳氢化合物的根本原因。在点火角16度中就有12度是无效做功期，燃料燃烧热膨胀过程就由12度白白的被浪费掉。

现在有一种缸内直喷技术，但点火系统技术仍然是发动机中最关键的要改进技术，虽然有些变化但基本原理没有太大的转变。汽油发动机只能使用在发动机活赛直径在100毫米以下，活赛直径越大点火离心提前角就越大，活赛直径达到90毫米以上离心提前角都要超过10度以上。随着环境保护的需要所以人们喜欢使用活赛直径小於70毫米的小排量发动机，“点火”离心提前角不超过7度。用这种发动机作为家用型小汽车，其理由是油耗低，环保性能好，但是动力差。无论如何用“电喷”技术还是“缸内直喷”技术，只要“点式”点火系统存在，任何一种发动机都无法克服燃烧不完全理论上存在的弱点。发动机的性能取决于火焰传播速度和火焰传播面积。受火焰传播速度制约的主要因素是火花塞，从十八世纪有了“点火”式发动机就有了火花塞，无论他用一个极跳火还是两个极或者三个，四个极跳火都可称为“点式点火发动机”。点式点火必然要设计点火提前角，无论点火角是7度还是10度都是“无效作功期”，也就是白白浪费能源的环节。

启动和冷启动发动机是设计发动机的动力性，经济性，环保性最为重要的一个环节。它不是供油系统单独能做得到的，点火系统结构设计非常重要。

燃烧室容积是燃烧室三大指标的关键部位，在发动机领域三大指标是指发动机的环保、能耗、动力指标。燃烧室容积大了不利于三大指标的优化，燃烧室容积小了容易诱发暴震，这是制约发动机的原因。

只能点火的火花塞已经给发动机性能快速发展，和从根本上治理排气污染，设置了太多障碍。点火面积小，燃烧速度慢，在提前点火无效做功期内，要浪费大量的燃料，消耗大量的氧分子。氧分子不足会使发动机做功时混合气无法完全燃烧，造成排气严重的污染源。

发明内容

本发明公开了一种发动机腔内直喷系统，它克服现有发动机点火燃烧系统的缺点，本发明通过下列技术方案实现：

发动机腔内直喷系统，主要包括发动机缸盖，喷火嘴，燃料喷口，其中喷火嘴包括外壳，外壳内装有瓷绝缘体，瓷绝缘体内有带接线螺帽的双头螺杆，导体玻璃密封剂和一端伸出瓷绝缘体的中心电极，与中心电极端部焊接的喷火帽，其中喷火帽与发动机缸盖形成热容积喷火腔，在热容积喷火腔的端部喷火帽与发动机缸盖形成圆环型点火隙，在热容积喷火腔壁至少有一个喷口。

在热容积喷火腔壁有一个喷口是燃料喷口。

进一步热容积喷火腔壁可以有两个喷口，一个喷口是燃料喷口，一个喷口是气体喷口。

更进一步圆环型点火隙的隙宽不大于1毫米。气缸体的点火突出部与喷火帽的点火突出部的连线与喷火帽的平面有一夹角，该夹角为20度至30度。最佳是25度。即圆环型点火隙的圆环面是倾斜的。

热容积喷火腔安装喷火嘴后的容积不大于5毫升。

上述喷火嘴，燃料喷口位于缸盖上与发动机气缸等组成发动机。

喷火系统的工作时，首先将很小容积的热容积喷火腔内的混合气点着，着火后的混合气产生压力再将火焰推入大容积气缸和燃烧室内，把一次燃烧过程分为两次或者三次燃烧过程。这就是腔内直喷，它具有如下优点：

(1)取掉点火离心提前角，只用设提前度，改变着火方式，消除暴震，缩小压缩比，提高动力减少燃料消耗。

(2)小容积的热容积喷火腔内的混合气着火后点燃大容积气缸内的混合气使燃料点燃更有效，减少启动和冷启动时排放的废气污染和燃料浪费。

(3)利用腔室小压力大的特点提高喷火燃烧效率，是在发动机里重新构思的独立燃烧系统。

(4)不依靠发动机温度促使混合气蒸发燃烧过程，消除发动机温度造成的温室气体排放。

(5)喷火帽与发动机缸盖形成的圆环型点火隙使热容积喷火腔内的混合气在燃烧高压下呈伞状向气缸内喷出，大大提高了点火燃烧效率。同时圆环型点火隙也使点火更有效不会失火。

(6)喷火帽与发动机缸盖形成圆环型点火隙，而不是原火花塞上同时有点火的两极，这简化了火花塞制造，大大延长火花塞寿命。

(7)高压空气喷口喷人的高压空气与热容积喷火腔内燃料混合防止燃烧缺氧，有利于充分快速燃烧，提高动力。

(8)热容积喷火腔外的喷口用于燃料汽油、燃料天然气喷口。圆环形点火隙喷出的伞状火焰使高压下的汽油空气混合物或天然气空气混合物充分快速燃烧。

综上，本发明具有点火，喷火，加温助燃等功能，能够实现可靠，均匀而迅速地完成全部燃烧过程；高压空气的加入使发动机燃烧更充分；本发明是从根本上消除汽车排气污染的基础条件，同时能够大幅度降低耗油，提高汽车的各种性能，并延长发动机的使用寿命。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明喷火嘴结构示意图；

图2是有一个喷口的发动机腔内直喷系统示意图；

图3是有二个喷口的发动机腔内直喷系统示意图；

图4是点火隙夹角的示意图；

图5是点火隙突出部示意图；

图中：5、热容积喷火腔，7、喷火帽，8、点火隙，9、燃料喷口，13、气体喷口，20、喷火帽的平面，21、外壳的端面，22、发动机缸体，30、气缸体的点火突出部与喷火帽的点火突出部的连线与喷火帽的平面的夹角，31、发动机缸盖火花产生突出部，32、喷火帽火花产生突出部。

具体实施方式

实施例1：结合图1、图中喷火嘴包括外壳，外壳内装有瓷绝缘体，瓷绝缘体内有带接线螺帽的双头螺杆，导体玻璃密封剂和一端伸出瓷绝缘体的中心电极，伸出瓷绝缘体的中心电极端部与喷火帽7焊接，其中喷火帽7是半球型结构，半球型的平面20与外壳3的端面21的垂直距离大于8毫米，本例中是10毫米。其中中心电极只在与喷火帽7焊接部分伸出瓷绝缘体，中心电极的其它部分被瓷绝缘体包裹。喷火帽7可以是图中所示半球型与一平台的结合，也可以就是一半球型，还可以是三角型、梯形等结构，只要其制成的喷火帽有尖锐突出部32能与缸盖22突出部31形成环形点火隙8。半球型的平面20与外壳的端面21的垂直距离根据气缸容积决定，它部分决定热容积喷火腔的容积，大于8毫米可形成约2毫升热容积喷火腔，目前直径100毫米的气缸使用该垂直距离10毫米的较好。热容积喷火腔安装火花塞后的容积不大于5毫升。

结合图2、图4，图2清楚地表示了喷火腔的结构特征，图4是点火隙夹角的示意图，图2图4中可以清楚看见喷火帽7突出部与缸盖22突出部对应，且气缸盖22的点火突出部在喷火帽7的半球型的平面20上端，即气缸盖22的点火突出部与喷火帽7的点火突出部的连线与喷火帽7的半球型的平面20有一夹角，该夹角可以是20度至30度，本例中是25度，因此可见圆环型点火隙的圆环面是倾斜的。该气缸盖22在点火隙8外是呈扩散状，这有利于热容积喷火腔5通过火隙8喷出的火焰呈伞状。

实施例2：结合图2，将本发明的喷火嘴使用在汽油发动机上，图2中的燃料喷口9在热容积喷火腔内，从汽油喷油嘴按装位置就可以看出，以喷火嘴为中心的主要部件共同组成的喷火燃烧系统。喷火嘴中心部位设计安装在热容积喷火腔内一个小腔室里并暴露在空间，整个热容积喷火腔内吸取大量的热能，吸热多散热少形成高温炽热区，等待喷油嘴喷出燃油，当燃油喷进喷火嘴中心与气缸盖体形成的“高温热腔室”时，燃油在炽热区就会突然升温，升温后的燃油就会变成雾化状气体。雾化状气体遇到进气门进来的高速旋流气流，气流层夹杂着雾化状气体高速度随活赛下行到下止点，当活赛上行快到上止点时有将旋转着的气流层压缩成层状体。此时喷火嘴中心电极頂端的喷火帽与气缸盖体之间，由高压线路送来的高压电在点火隙中就会产生高压电火花，电火花击着正在高速旋转着的层状混合气。混合气着火前分为两个阶段；1、喷油嘴将燃油喷入高温热腔室后，由活赛下行吸走了绝大部分燃油，留在高温热腔室内壁上的掺余燃油等待活赛上行时推入第二次旋转着的层状体气流。层状体气流进入高温热腔室内的混合气，在喷火嘴中心陶瓷管的高温帮助下升温速度非常快，与气缸内的混合气温度相混合。此时，高温热腔室内的可燃气体，在小腔室内的混合气，和二次推入层状体部分相加是最佳着火的混合比，这些混合气已经达到高压高温着火临界温度。2、气缸内的气流形成，活赛下行吸动旋转气流挟持着高温热腔室内的临界温度绞拌成层状体气流。当活赛上行时有给层状体气流加压，压到活赛上止点时层状体气流就被压成像千层饼式层状体气流层。当喷火嘴中心电极得到高压线路中传来的高压电，在喷火嘴中心电极的顶端按装有喷火帽，喷火帽边沿高出气缸盖边沿0.6毫米，形成360度园周25度斜角处产生电火花，电火花一边是12-14比1的高温浓混合气，另一边是层状体18-22比1的低温超稀混合气，当高温浓混合气遇到电火花迅速升温升压，高温热腔室容积约2毫升，容量小起火快。将火焰直接喷入层状体气流饼4分之一处一周，火焰分为里外两个方向传播燃烧，促使在同一容器内的混合气同时着火燃烧，燃火速度快燃烧完全瞬间产生的压力不低于压燃式发动机的做功率。这种燃烧过程可使用在在用汽车发动机的技术改造上，重点还是要使用在新型发动机制造上。

实施例3：结合图3，同实施例1、2，但在热容积喷火腔内还有一气体喷口13，气体喷口13可以是空气喷口，空气可以通过加压装置加压后喷入，气体喷口13还可以用做其他气体或燃料喷口用。两个喷口在发动机中有不同的作用，本例中：一喷是喷入高压空气是防止高温高压时缺乏氧分子。二喷是喷入燃油，它混合高压空气利用电火花从点火间隙中喷出火焰进入燃烧室，高压空气的喷口13喷空气的时间在汽油喷油时间之后。汽油喷口9汽油喷入高温小腔室内第待中心陶瓷柱和喷火帽的高温给它加温雾化，雾化了的汽油等待喷火帽边沿尖角与气缸盖内孔边沿尖角处产生电火花，正当产生电火花时小腔室内的汽油已蒸发成高温气体，喷高压空气的喷嘴开始喷高压气体将蒸发好的高温气体推向电火花，电火花点着高压气体与蒸发了的汽油气体混合成高温混合气着火，火焰从喷火帽边沿与缸盖边沿两个尖角之间形成的360度1毫米的间隙8中喷出，喷出火焰刚刚喷出间隙8。连续爆发，连续产生膨胀压力推动活塞下行做功，是产生连续动力的根本？扭矩。连续点火系统；连续点火系统是活塞到上止点开始做功，到活塞下行降压后停止做功之间，防止火焰减弱增加一套连续不间断的点火装置。同时充分利用了能源增加了做功数，起到了完全燃烧保证了环保效果。

Claims (6)

1.一种发动机腔内直喷系统，主要包括发动机缸盖（22），喷火嘴，燃料喷口，其特征是：喷火嘴的中心电极伸出瓷绝缘体并在端部与喷火帽（7）焊接，喷火帽（7）与发动机缸盖（22）形成容积不变的热容积喷火腔（5），喷火帽（7）的点火突出部（32）与发动机缸盖（22）点火突出部（31）形成圆环型点火隙（8），缸盖（22）的点火突出部（31）与喷火帽（7）的点火突出部（32）的连线与喷火帽（7）的平面（20）有一夹角（30），该夹角为20度至30度，在热容积喷火腔（5）壁至少有一个喷口。

2.根据权利要求1所述的发动机腔内直喷系统，其特征在于：在热容积喷火腔（5）壁有一个喷口（9）。

3.根据权利要求1所述的发动机腔内直喷系统，其特征在于：在热容积喷火腔（5）壁有两个喷口（9、13）。

4.根据权利要求1至3任一项所述的发动机腔内直喷系统，其特征在于：热容积喷火腔（5）安装喷火嘴后的容积不大于5毫升。

5.根据权利要求4所述的发动机腔内直喷系统，其特征在于：圆环型点火隙（8）的隙宽不大于1毫米。

6.根据权利要求4所述的发动机腔内直喷系统，其特征在于：气缸盖（22）的点火突出部（31）与喷火帽（7）的点火突出部（32）的连线与喷火帽（7）的平面（20）有的夹角（30）为25度。

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