CN102762835A - 用于内燃机的预燃装置 - Google Patents

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CN102762835A CN2010800644846A CN201080064484A CN102762835A CN 102762835 A CN102762835 A CN 102762835A CN 2010800644846 A CN2010800644846 A CN 2010800644846A CN 201080064484 A CN201080064484 A CN 201080064484A CN 102762835 A CN102762835 A CN 102762835A
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Abstract

本发明公开了一种设备，其包括第一端部，所述第一端部限定了沿第一端部的第一内表面的内通道，其中内通道具有被构造成接纳着火花塞的螺纹。所述设备还包括与第一端部相反且延伸至气缸燃烧室内的第二端部，第二端部限定了沿第二内表面的预燃烧室且在外表面上的螺纹，所述螺纹被构造成旋拧入气缸盖中的火花塞孔，所述火花塞孔可以是被扩大的火花塞孔。第二端部包括将第二端部的预燃烧室流体联结到气缸燃烧室的多个孔。

Description

用于内燃机的预燃装置
相关申请
本申请涉及和要求美国临时专利申请序列号No.61/289，127(其名为“内燃机的预燃装置”，于2009年12月22日提交)和美国专利申请序列号No.12/913，728(其名为“内燃机的预燃装置”，于2010年10月27日提交)的权利，两者的全部内容都通过引用而结合在本文中。
技术领域
本申请涉及内燃机，且更特别地、而非排他地涉及一种火花点火式（spark ignition）发动机的预燃装置。
背景技术
火花点火式发动机中的预燃装置可减少发动机排放，且能通过减少延时和增加释热速度来改进性能。但是，当前可用的预燃装置所遭遇的问题涉及现有发动机的改造和受预燃装置内部高温所影响的点火系统的耐用性。因此，该技术领域持续需要更多的改进。
发明内容
本申请的一个实施例是用于火花点火式发动机的预燃装置。其它的实施例包括包含或涉及火花点火式发动机的更改和/或排放控制的独特方法、系统、装置和设备。本申请的其他目的、形式、实施例、好处、优点、特征和方面将通过本文所包含的说明和视图而变得显而易见。
附图说明
图1是包括预燃装置在内的内燃机的剖视示意图。
图2是预燃装置的视图。
图3A是具有多个梢部开口的预燃装置的示意图。
图3B是具有一个沿中心纵轴线限定的梢部开口的预燃装置的示意图。
图3C是具有多个相对于中心纵轴线成斜角而限定的梢部开口的预燃装置的示意图。
图4是联结到预燃装置上的气缸盖的示意图。
图5是具有主要容积部和次要容积部的预燃装置的示意图。
具体实施方式
为了促进对本发明原理的理解，图中所示的实施例现在将被参考，并且将使用相同的术语来描述相同的特征。然而，将被理解的是，本发明的范围并不因此而意于具有限定性，通常本领域技术人员将意识到本发明所涉及的所示实施例中的改变和另外的更改、以及由这里所示的本发明的原理而思考得到的另外的申请。
图1是包括预燃装置118在内的内燃机100的剖视示意图。所述内燃机100包括气缸盖104，其限定了火花塞通道106和气缸盖冷却通道108。所述内燃机还包括发动机缸体110，其与气缸盖冷却通道108装配以形成内燃机100。在一些实施例中，内燃机100以天然气和/或相关的碳氢化合物（如甲烷、乙烷、或丙烷）作为燃料。在一些实施例中，内燃机100以天然气作为部分燃料，且/或是将天然气与其它燃料结合使用的混合动力式发动机。
气缸盖104可包括多个火花塞通道106，其每个对应于发动机缸体110中的一组多个气缸中的每一个。火花塞通道106接纳火花塞112，所述火花塞112通常将火花塞电极暴露于由发动机缸体110和活塞116所限定的燃烧室114中。在一些实施例中，预燃装置118定位在火花塞通道106中，使得火花塞电极并不直接暴露于燃烧室114中。在一些实施例中，预燃装置118联结到气缸盖104。在一些实施例中，预燃装置118与气缸盖104整体成形。
参考图2，示出了预燃装置。预燃装置118包括第一端部202和第二端部204。在一些实施例中，第一端部202和第二端部204单独成形且紧固到一起。在一些实施例中，第一端部202和第二端部204整体成形。预燃装置118还包括内表面(包括第一内表面206A和第二内表面206B)和外表面208。在一些实施例中，外表面208限定了围绕预燃装置118的冷却槽道210。冷却槽道210与气缸盖冷却通道108流体联结。在一些实施例中，冷却槽道210是由外表面208限定的槽道，且与火花塞通道106和气缸盖104相互协作以限定围绕第二端部204的冷却封套。
第一端部202限定了沿第一内表面206A的内通道224，内通道224限定了螺纹212，其接纳由火花塞112限定的互补火花塞螺纹。在一些实施例中，第一端部202处的内表面206A包括可操作以接纳火花塞112螺纹的第一端部螺纹212。在一些实施例中，与第一端部202相反的第二端部204包括沿外表面208的第二端部螺纹226，其联结到气缸盖104上的互补螺纹。在一些实施例中，气缸盖104上的螺纹是意在用于火花塞112的初始螺纹。在一些实施例中，气缸盖104上的螺纹是在气缸盖104上进行机加工的螺纹，其通过在气缸盖104中攻丝更大的孔而形成，使得预燃装置118接合着这样一个孔，其直径比最初布置在气缸盖104中以用于火花塞112的孔的直径更大。在一些实施例中，气缸盖104可以成形为具有被构造用于预燃装置118的直径较大的孔，和/或气缸盖104可与预燃装置118一体成形。
第二端部204基本上被包封（例如，其除与第一端部202进行流体连接和具有多个用于将燃料注入燃烧室114内的孔214、216之外，基本上被包封）且第二端部204限定了预燃烧室218。当火花塞112被接纳在第一端部202处时，预燃烧室218可操作以与火花塞112的电极流体连通。在一些实施例中，火花塞112包括多个点火部位或电极。例如，火花塞112可以是包括四个电极的标准尺寸和带螺纹的火花塞，且在本申请的一个特定形式中，火花塞是由BERU AKTIENGESELLSCHAFT公司制造的4-电极火花塞，所述公司在路德维希堡（Ludwigsburg）的
Figure BDA00002041734200031
，D-71636有主要营业地。
在预燃装置118联结到气缸盖104并且气缸盖104联结到发动机缸体110时，第二端部204延伸至气缸燃烧室114内。第二端部204充分地延伸至气缸燃烧室114内，其程度足以使得注入孔214、216将燃料置入气缸燃烧室114中，同时注入的流体不会直接撞击气缸壁且被放置成避免干扰活塞116。
在一些实施例中，第二端部204包括多个围绕第二端部204周边布置的孔或开口214。开口214提供了在预燃烧室218和气缸燃烧室114之间的流体联结。在另外一些实施例中，第二端部204包括梢部220，其限定了至少一个接近梢部220中央的梢部开口216。(一个或多个)梢部开口216可以处于梢部220的中央或接近梢部220的中央。在一些实施例中，火花塞112、火花塞通道106和预燃装置118可共用相同的中心纵轴线222。(一个或多个)梢部开口216可对齐中心纵轴线222，或与中心纵轴线222成倾斜角度地进行对准。（一个或多个）梢部开口216提供了在燃烧过程中降低梢部220温度的传热环境，这可防止燃料在点出火花之前发生爆炸且可增加预燃装置118的可靠性。在一些实施例中，(一个或多个)梢部开口216被形成在梢部220上的预期承受最高温度的的位置附近，例如接近燃烧室114的中央。在一些实施例中，第二端部204包括至少两个梢部开口216，其沿与中心纵轴线222相平行且与其相接近的轴线进行限定。
图3A是具有多个梢部开口216的预燃装置118的示意图。图3A中所示的梢部开口216与中心纵轴线222相接近和相平行。图3B是具有一个梢部开口216的预燃装置118的示意图。梢部开口216与中心纵轴线222相平行且近似在中心纵轴线222上进行居中。图3C是具有多个梢部开口216的预燃装置118的示意图。梢部开口216与中心纵轴线222相接近和相倾斜。
图4是联结到预燃装置118上的气缸盖104的示意图。气缸盖104包括火花塞通道106，其可以是由普通火花塞通道进行机加工后的被扩大通道。气缸盖104包括气缸盖冷却通道108，其例如通过在气缸盖冷却通道108的至少一部分和被扩大通道之间的机加工槽道402而流体联结到被扩大通道(火花塞通道106)。在一些实施例中，预燃装置118包括由外表面208限定的冷却槽道210，且可操作以与火花塞通道106和气缸的气缸盖冷却通道108相互协作以限定围绕第二端部204的冷却封套。
图5是具有预燃烧室218的预燃装置118的示意图，所述预燃烧室218具有主要容积部502和次要容积部504。预燃装置118接纳着火花塞112，其电极506位于预燃装置118的内通道中。火花塞112点燃预燃烧室218的主要容积部502中的空气-燃料混合物，而残余点燃气体(例如燃烧产物)流入预燃烧室218的次要容积部504且从火花塞112的电极506流走离开。次要容积部504清理了来自电极506处的火花塞间隙的残余气体和燃烧副产物。火花塞112可例如根据维修计划或作为修复操作的一部分而周期性地被替换。预燃装置118可例如根据维修计划或作为修复操作的一部分而周期性地被替换。在一些实施例中，在第一段时间之后移除和替换火花塞112，且在第二段时间之后移除和替换预燃装置118。
如同以上展示的视图和内容那样明显，可以认识到根据本发明的各种实施例。
在一个示例性地实施例中，一种方法包括：提供火花点火式发动机，其包括具有气缸盖冷却通道和火花塞通道的气缸盖；扩大火花塞通道以提供被扩大的通道；以及提供预燃装置。预燃装置包括限定了内通道以接纳火花塞的第一端部、以及第二端部。第二端部限定了预燃烧室、多个周向孔和被构造以接合气缸盖的第二端部的外表面。所述方法还包括将气缸盖安装到发动机缸体和将外表面接合到气缸盖。在一些实施例中，响应于将外表面接合到气缸盖的步骤，第二端部至少部分延伸至气缸的燃烧室内，且多个周向孔将预燃烧室流体联结到气缸的燃烧室。
在另外一些实施例中，响应于将外表面接合到气缸盖，预燃装置限定了在外表面和气缸盖之间的冷却通道。在另外一些实施例中，所述方法还包括：将火花塞接纳到内通道中，在预燃烧室的主要容积部中将燃料空气混合物点燃，以及将残余点燃气体接纳到预燃烧室的次要容积部中。在一些实施例中，将残余点燃气体接纳到次要容积部中的步骤包括：使残余点燃气体从火花塞的电极流走离开。在一些实施例中，火花塞包括多个点火部位。在一些实施例中，扩大火花塞通道的步骤包括：在被扩大的通道中机加工螺纹，以接纳由第二端部限定的螺纹。
在一些实施例中，所述方法包括将气缸盖冷却通道的至少一部分以流体连通的方式联结到第二端部的外表面。在另外一些实施例中，将气缸盖冷却通道的至少一部分以流体连通的方式到第二端部的外表面的步骤包括：在气缸盖冷却通道的至少一部分和第二端部的外表面之间机加工冷却槽道。
在一个示例性实施例中，一种设备包括：第一端部，其限定了沿第一端部的第一内表面的内通道，所述内通道限定了多个第一端部螺纹，所述多个第一端部螺纹可操作以接纳多个由火花塞限定的火花塞的互补螺纹。所述设备还包括与第一端部相反的、延伸至气缸的燃烧室内的第二端部，所述第二端部限定了沿第二内表面的预燃烧室和多个沿第二端部外表面的第二端部螺纹，所述第二端部螺纹可操作以联结多个由气缸盖限定的互补气缸盖螺纹。第二端部包括可操作以流体联结着预燃烧室和气缸燃烧室的多个孔。
在一些实施例中，第二端部还包括梢部，所述梢部限定了与梢部中心相接近的至少一个梢部开口。在一些实施例中，第一端部和第二端部共用同一中心纵轴线。在另外一些实施例中，第二端部包括梢部，所述梢部限定了与梢部中心相接近的至少一个梢部开口，其中沿中心纵轴线限定了所述至少一个梢部开口。在一些实施例中，第二端部包括梢部，所述梢部限定了与梢部中心相接近的至少一个梢部开口，其中相对于中心纵轴线成斜角地限定了所述至少一个梢部开口。在一些实施例中，第二端部包括梢部，所述梢部限定了与梢部中心相接近的至少两个梢部开口，其中沿与中心纵轴线相平行和相接近的轴线限定了所述至少两个梢部开口。
在一些实施例中，第一端部的外径大于第二端部的外径。在一些实施例中，第一端部和第二端部整体成形。在一些实施例中，所述设备包括槽道，所述槽道由外表面限定、且可操作以与火花塞通道和气缸盖冷却通道相互协作来限定围绕第二端部的冷却封套。
在一些示例性实施例中，一种系统包括：限定了火花塞通道和气缸盖冷却通道的气缸盖，以及定位在火花塞通道中且联结到气缸盖上的装置。所述装置具有第一端部和第二端部且包括内表面和外表面，外表面限定了围绕所述装置的冷却槽道，所述冷却槽道可流体联结到气缸盖冷却通道，第一端部处的内表面包括多个第一端部螺纹，所述第一端部螺纹可操作以接纳多个限定在火花塞中的相应互补螺纹，第二端部大致被包封且在其中限定了预燃烧室，预燃烧室可操作以流体连通着所接纳的火花塞的至少一个电极。当气缸盖联结到发动机缸体时，第二端部可操作以延伸至气缸燃烧室内，且第二端部包括具有多个开口的周边，其中开口可操作以流体联结预燃烧室和燃烧室。
在一些实施例中，系统还包括具有气缸燃烧室的发动机缸体。在另外一些实施例中，发动机缸体包括多个气缸燃烧室，且气缸盖限定了多个火花塞通道，每个火花塞通道对应于发动机缸体中的不同气缸燃烧室。在一些实施例中，第二端部还包括梢部，所述梢部限定了与梢部中心相接近的至少一个梢部开口。在一些实施例中，火花塞、第一端部、第二端部和火花塞通道共用同一中心纵轴线。在一些实施例中，所述至少一个梢部开口沿着中心纵轴线对齐。在一些实施例中，所述至少一个梢部开口相对于中心纵轴线成斜角地对齐。在一些实施例中，所述装置与气缸盖一体成形。
在一个示例性实施例中，一种方法包括操作火花点火式发动机，其包括气缸盖、气缸盖中的气缸盖冷却通道、气缸燃烧室和气缸盖中的火花塞通道。所述方法还包括以下步骤：经由限定在装置的预燃烧室中的多个开口，从气缸燃烧室接纳一部分燃料空气混合物，所述装置定位于火花塞通道中且联结到气缸盖，其中所述装置还包括第一端部和第二端部，第一端部具有内表面和外表面，而第二端部限定了预燃烧室且延伸至气缸燃烧室内；在带有火花塞（其联结到第一端部）电极的预燃烧室中将燃料空气混合物点燃，以形成点燃的混合物；使在气缸燃烧室中的燃料空气混合物与点燃的混合物一起燃烧。
在一些实施例中，在预燃烧室中将燃料空气混合物点燃的步骤包括，将预燃烧室中的位于预燃烧室主要容积部中的燃料空气混合物点燃，所述方法还包括在点燃燃料空气混合物之后将残余废气接纳到围绕火花塞和主要容积部所限定（或在火花塞和主要容积部附近所限定）的次要容积部内。在一些实施例中，所述方法还包括：使用由外表面和火花塞通道所限定且流体联结到气缸盖冷却通道的冷却槽道，而将火花塞冷却。在一些实施例中，所述方法包括在第一段时间之后移除和替换火花塞。在另外一些实施例中，多个火花塞的互补螺纹被多个限定在第一端部中的螺纹可移除地接纳。在一些实施例中，所述方法包括在第二段时间之后移除和替换所述装置。在一些实施例中，多个由第二端部所限定的螺纹被气缸盖中的多个互补螺纹可移除地接纳。
虽然本发明在视图和上述说明中已经被详细地示出和描述，但是这些内容被认为是示意性的而非特征限制性的，可以理解的是仅示出和描述了优选实施例，且期望保护包括在本发明精神内的所有改变和更改。应该理解的是，虽然上述说明书中使用词语诸如优选的、优选地、优选、更优选来指出所描述的特征可能是更理想的，但是，这些特征可以不是必需的，且认为缺乏这些特征的实施例是在本发明范围内的，所述范围由以下权利要求限定。在阅读权利要求时，当在这里使用词语诸如“一个”、“至少一个”或“至少一部分”时，并不意图限制权利要求于仅一个物体，除非在权利要求中特别作出了相反的表示。当使用“至少一部分”和/或“一部分”的语言时，物体可包括一部分和/或全部物体，除非特别作出了相反的表示。

Claims (25)

1.一种方法，包括：
提供以天然气作燃料的火花点火式发动机，其包括气缸盖，所述气缸盖具有气缸盖冷却通道和火花塞通道；
将火花塞通道扩大以提供被扩大的通道；
提供预燃装置，其包括限定了内通道以接纳火花塞的第一端部、限定了预燃烧室和多个周向孔的第二端部、以及被构造成接合气缸盖的外表面；
将气缸盖安装到发动机缸体；
将所述外表面接合到气缸盖；且
其中响应于所述将外表面接合到气缸盖的步骤，第二端部至少部分地延伸至气缸的燃烧室内，并且多个周向孔将预燃烧室与气缸的燃烧室相流体联结。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：响应于所述将外表面接合到气缸盖的步骤，预燃装置在外表面和气缸盖之间限定了冷却通道。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：还包括将火花塞接纳到内通道中，将燃料空气混合物在预燃烧室的主要容积部中点燃，以及将残余点燃气体接纳到预燃烧室的次要容积部中。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述将残余点燃气体接纳到次要容积部中的步骤，包括使残余点燃气体从火花塞的电极流走离开。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于：火花塞包括多个点火部位。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述将火花塞通道扩大的步骤，包括在被扩大的通道中机加工出多个螺纹以接纳多个由第二端部限定的互补螺纹。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括将气缸盖冷却通道的至少一部分流体地联结到第二端部的外表面。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：将气缸盖冷却通道的至少一部分流体地联结到被扩大的通道的步骤，包括在气缸盖冷却通道的至少一部分和第二端部的外表面之间机加工出冷却槽道。
9.一种设备，包括：
第一端部，其限定了沿第一端部的第一内表面的内通道，所述内通道限定了多个第一端部螺纹，所述多个第一端部螺纹可操作以接纳多个由火花塞限定的互补火花塞螺纹；和
第二端部，其与第一端部相反且延伸至气缸的燃烧室内，所述第二端部限定了沿第二内表面的预燃烧室以及限定了多个沿第二端部的外表面的第二端部螺纹，所述第二端部螺纹可操作以联结多个由气缸盖限定的互补气缸盖螺纹；
其中第二端部包括多个可操作以流体联结预燃烧室和气缸燃烧室的孔。
10.如权利要求9所述的设备，其特征在于：第二端部还包括梢部，所述梢部限定了与梢部中心相接近的至少一个梢部开口。
11.如权利要求9所述的设备，其特征在于：第一端部和第二端部共用同一中心纵轴线。
12.如权利要求10所述的设备，其特征在于：第二端部还包括梢部，所述梢部限定了在梢部中心附近的至少一个梢部开口，并且沿中心纵轴线限定了所述至少一个梢部开口。
13.如权利要求11所述的设备，其特征在于：第二端部还包括梢部，所述梢部限定了在梢部中心附近的至少一个梢部开口，并且相对于中心纵轴线成一斜角地限定了所述至少一个梢部开口。
14.如权利要求11所述的设备，其特征在于：第二端部还包括梢部，所述梢部限定了在梢部中心附近的至少两个梢部开口，且沿与中心纵轴线相平行和相接近的轴线限定了所述至少两个梢部开口。
15.如权利要求9所述的设备，其特征在于：第一端部的外径大于第二端部的外径。
16.如权利要求9所述的设备，其特征在于：燃烧室是以天然气作燃料的发动机中的腔室。
17.如权利要求9所述的设备，其特征在于：还包括槽道，其由外表面限定，且可操作以与火花塞通道和气缸盖冷却通道相协作，从而限定了围绕第二端部的冷却封套。
18.一种系统，包括：
气缸盖，其限定了火花塞通道和气缸盖冷却通道；以及
预燃装置，其定位在火花塞通道中且联结到气缸盖，所述预燃装置包括第一端部和第二端部、以及包括内表面和外表面，外表面限定了围绕预燃装置的冷却槽道，所述冷却槽道流体联结到气缸盖冷却通道，第一端部处的内表面包括多个第一端部螺纹，所述第一端部螺纹可操作以接纳多个限定在火花塞中的相应互补螺纹，第二端部被大致包封且在其中限定了预燃烧室，预燃烧室可操作以与被接纳火花塞的至少一个电极进行流体连通；
其中，当气缸盖联结到包括以天然气作燃料的发动机在内的发动机缸体时，第二端部可操作以延伸至气缸燃烧室内，第二端部还包括具有被限定于其中的多个开口的周边，其中所述多个开口可操作以流体联结到预燃烧室和燃烧室；且
其中，气缸盖限定了多个火花塞通道，每个火花塞通道对应于发动机缸体中的多个气缸燃烧室中的不同一个。
19.如权利要求18所述的系统，其特征在于：第二端部还包括梢部，所述梢部限定了位于梢部中心附近的至少一个梢部开口。
20.如权利要求19所述的系统，其特征在于：火花塞、预燃装置和火花塞通道共用同一中心纵轴线，并且所述至少一个梢部开口以沿着中心纵轴线和相对于中心纵轴线成一斜角这两种方式之一进行对准。
21.如权利要求18所述的系统，其特征在于：预燃装置与气缸盖一体成形。
22.一种方法，包括：
操作以天然气作燃料的火花点火式发动机，其包括气缸盖、气缸盖中的气缸盖冷却通道、气缸燃烧室、和气缸盖中的火花塞通道；
经由限定在预燃装置的预燃烧室中的多个开口、从气缸燃烧室接纳一部分燃料空气混合物，所述预燃装置定位于火花塞通道中且联结到气缸盖，其中预燃装置还包括第一端部和第二端部，第一端部具有内表面，而第二端部限定了所述预燃烧室、延伸至气缸燃烧室内且具有外表面；
在预燃烧室中使用联结到第一端部的火花塞的电极来点燃燃料空气混合物，以生成点燃的混合物；且
使气缸燃烧室中的燃料空气混合物与点燃的混合物一起燃烧。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于：在预燃烧室中将燃料空气混合物点燃的步骤包括，将预燃烧室的预燃烧室主要容积部中的燃料空气混合物点燃，所述方法还包括在点燃燃料空气混合物之后将残余废气接纳到在火花塞和主要容积部附近所限定的次要容积部内。
24.如权利要求22所述的方法，其特征在于：还包括在第一段时间后移除和替换火花塞，以及在第二段时间后移除和替换预燃装置。
25.如权利要求22所述的方法，其特征在于：火花塞的多个互补螺纹被多个限定在第一端部中的螺纹可移除地接纳，其中多个由第二端部所限定的螺纹被气缸盖中的多个互补螺纹可移除地接纳。
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