CN104040136A - Ic发动机气缸和活塞 - Google Patents

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Abstract

气缸头具有柱塞座以及活塞具有柱塞，当活塞在BDC和与TDC和BDC都间隔开的中间位置之间的发动机循环范围内在发动机气缸内往复运动时，柱塞使柱塞座暴露于发动机的内部，而当活塞在中间位置和TDC位置之间的发动机循环范围内往复运动时，柱塞将柱塞座对于发动机的内部而关闭。燃料/空气装料在发动机气缸内产生、在其被点火的TDC位置处在柱塞座中被压缩成较高压缩率，并接着用于点火在发动机气缸中的较低压缩率的装料。

Description

IC发动机气缸和活塞
技术领域
本发明的主题总体涉及具有发动机气缸的内燃机类型，活塞在发动机气缸内往复运动。所公开的主题具体涉及发动机气缸和活塞，在活塞接近上止点(TDC)位置时，发动机气缸和活塞配合形成可变容积的第一和第二燃烧室空间，第一和第二燃烧室彼此隔离并在TDC位置处具有不同的压缩率。
背景技术
在机动车的动力装置是火花点火式内燃机时，发动机的控制件之一是进气系统中的节气门。发动机的节流使其能在小于发动机可达到的最大速度和最大转矩的速度和转矩下运行。然而，当发动机在部分节气的情形下运行时，节气门施加了由于发动机泵气损失而造成发动机低效率的限制。
在某些发动机中，节气门可与补充燃料的控制件配合控制以产生具有基本化学当量的燃料/空气比、可有利于废气后处理的特征的缸内燃料/空气装料。
诸如使用天然气作为主要燃料的发动机(NG发动机)之类的某些发动机在贫燃料状态或或带有废气再循环(EGR)的化学当量下运行。燃料/空气补充物中存在过多氧气或EGR会倾向于使装料难以点火。为了确保装料点火，已知的是在发动机气缸内产生预燃烧室空间，除了天然气外的燃料(例如，柴油)也可注入预燃烧室空间以产生更容易点火以发起气缸中的贫混合物燃烧的局部富混合物。在贫空气/燃料混合物(空气/燃料比大于化学当量比)下运行的NG、火花点火式(SI)发动机或在用较高EGR水平稀释的化学当量比的空气/燃料混合物下运行的NG、SI发动机可提供改善的发动机性能和效率，但这些混合物难以点火。
诸如NG发动机的采用少量或没有废气再循环的发动机倾向于容易出现燃烧爆震，在燃烧爆震的情况中，涡轮增压发动机限制发动机增压并因此影响发动机性能。
发明内容
所公开的内燃机包括：发动机气缸，该发动机气缸具有纵向延伸的中心轴线且燃烧在其内部内发生以对发动机提供动力；气缸头，该气缸头封闭发动机气缸的轴端；以及活塞，该活塞在发动机循环期间在发动机气缸内于TDC位置和BDC位置之间轴向地往复运动，并包括面对气缸头的活塞头。
气缸头和活塞共同包括在气缸头和活塞其中一个中的柱塞座和在气缸头和活塞的另一个中的柱塞，当活塞在BDC位置和与TDC位置和BDC位置都间隔开的中间位置之间的发动机循环范围内往复运动时，该柱塞将柱塞座暴露于发动机气缸内部，但当活塞在中间位置和TDC位置之间的发动机循环范围内往复运动时，该柱塞将柱塞座对于发动机气缸内部而关闭，以形成可变容积的第一燃烧室空间，该第一燃烧室空间协配地限定在柱塞和柱塞座之间，并与可变容积的第二燃烧室空间隔离，该第二燃烧室空间由不包括柱塞座和柱塞的气缸头和活塞头的相互面对的表面轴向地界定。
发动机气缸、活塞、气缸头、柱塞座和柱塞的整体几何形状在TDC位置处提供大于第二燃烧室空间的压缩率的第一燃烧室空间的压缩率。
附图说明
图1是内燃机的一部分的示意图，该图示出发动机气缸和在发动机气缸内于BDC位置和TDC位置之间往复运动的活塞。
图2是类似于图1的示意图，但示出活塞位于BDC位置和TDC位置中间的位置。
图3是类似于图2的示意图，其中示出活塞在TDC位置。
具体实施方式
图1示出可用作用于推动机动车的、诸如卡车(图中未示出)的机动车的动力装置的内燃机10的一部分。
发动机10包括如所示的单个发动机那样的多个发动机气缸12，在每个发动机内部有活塞14往复运动。例如，未示出诸如气缸的进气和排气阀之类的所存在的某些其它部件。
发动机气缸12具有纵长方向延伸的中心轴线16和内部，燃烧在该内部内发生，以运转发动机。发动机10包括封闭发动机气缸12的轴端的气缸头18。活塞14在发动机气缸12内的TDC位置(用虚线表示)和BDC位置(用实线表示)之间轴向地往复运动，并包括面对气缸头18的活塞头20。
活塞14包括柱塞22，柱塞22与轴线16同轴并从与气缸头18的相互面对表面相面对的活塞头20上表面轴向向外延伸。柱塞22具有圆柱形侧面和垂直于侧面的平坦端面，但端面也可具有除了平面外的形状，譬如凹形或凸形。
气缸头18包括柱塞座24，柱塞座24与轴线16同轴并从面对活塞头20的气缸头18表面轴向向内延伸。柱塞座24具有圆柱形侧面和垂直于侧面的平坦端面，但端面也可具有除了平面外的形状。
在活塞14于BDC位置和与TDC位置和BDC位置都间隔开的中间位置(如图2所示)之间的发动机循环范围内往复运动时，柱塞座24暴露于发动机气缸12的内部。在活塞14在图2所示的中间位置和TDC位置之间的发动机循环范围内往复运动时，柱塞22将柱塞座24对于发动机气缸12的内部而关闭，以形成可变容积的第一燃烧室空间，该第一燃烧室空间协配地限定在柱塞22和柱塞座24之间，并与位于发动机气缸12内部中的可变容积的第二燃烧室空间隔离，该第二燃烧室空间由不包括柱塞座24和柱塞22的气缸头18和活塞头20的相互面对的表面轴向地界定。
在活塞14的位置处于BDC位置和中间位置之间的发动机循环范围内时，在包括柱塞座24的发动机气缸12内产生燃料/空气装料。燃料/空气装料可以任何合适的适当方式产生。在活塞14向中间位置上行时，活塞均匀地压缩燃料/空气装料。
随着活塞14继续上行，活塞14经过中间位置，在该中间位置，柱塞22开始进入柱塞座24，将柱塞座对于发动机气缸12的内部而关闭。这使第一和第二燃烧室空间彼此隔离开，将燃料/空气装料的一部分围在柱塞座24中。
活塞14到达中间位置限定了发动机气缸12的相应压缩率。随着活塞14继续在从中间位置向着TDC位置的发动机循环范围内上行时，柱塞22和柱塞座24的侧面通过紧密的滑动配合而径向地彼此相面对，以致使被柱塞22围在柱塞座24中的装料部分进一步被压缩，同时仍留在发动机气缸12的内部的装料部分也进一步被压缩，但压缩率与柱塞座24中所围的装料被压缩的比率不同。在即将解释的实例中，被围在柱塞座24中的装料的压缩率大于在发动机气缸12内部内的装料被压缩的比率。
发动机气缸12、活塞14、气缸头18、柱塞座24和柱塞22的共同几何形状在图3所示TDC的位置处为被围在第一燃烧室空间中的装料提供如下压缩率，该压缩率大于在面向第二燃烧室空间的发动机气缸12内的装料的压缩率。
发动机10还包括诸如传统自动火花塞26之类的点火器，点火器用于在第一燃烧室空间中产生点火火花，以点燃由柱塞22围在柱塞座24中的装料。点火器被认为是可选装置，其存在或缺失是以具体气缸/活塞构型和所燃烧的具体燃料为条件。
发动机10还包括燃料供给通道28，燃料供给通道28开口于第一燃烧室空间，且燃料可通过燃料供给通道28而被引入第一燃烧室空间。燃料供给通道28包括止回件30，止回件30防止从第一燃烧室空间到止回件上游的燃料供给通道部分的回流。燃料供应通道28在如下部位处开口于第一燃烧室空间，当活塞14在TDC位置与图2所示的中间位置和图3所示TDC位置之间的位置之间的发动机循环范围内往复运动时，该部位为柱塞22所堵塞。应该理解，某些发动机能点燃高度稀释的气缸装料而不使用由燃料供给通道供应的额外燃料，从而使燃料供给通道28的使用在这种发动机中是可选的。
具体实例通过附图中所标示的尺寸给出，其中，S是在BDC位置和TDC位置之间所测得的活塞14的冲程；Db是活塞头20的直径，Dc是柱塞22的直径，A是柱塞22的轴向长度，B是柱塞座24的轴向长度，以及C是当活塞14处在TDC位置时活塞头20和气缸头18的相互面对表面之间的轴向距离。
在图2所示的活塞14的中间位置处的压缩率(CR1)由以下公式给出：
CR1＝((C+S*Db2+(B-A)*Dc2)/(B*Dc2)+A*(Db-Dc)2
在活塞14处于TDC位置时，第一燃烧室空间中的压缩率(CRp)由以下公式给出：
CRp＝CR1*B/(B+C-A)
在活塞14处于TDC位置时，第二燃烧室空间中的压缩率CRm由以下公式给出：
CRm＝CR1*(A/C)
对于S＝119mm、Db＝116mm、A＝23mm、B＝9mm及Dc＝23mm的数值来说，这些数值是1466柴油发动机转换成NG发动机的代表性尺寸，CR1＝～9、CRp＝～14及CRm＝～11。
被围在柱塞座24中的更多压缩装料在通过自动点火或火花点火时，带有或不带有从燃料供给通道28额外补充燃料，这提供增强的反应性，这有助于一旦柱塞22离开柱塞座24时，在随后点燃发动机气缸12内的较低反应性的装料。然而，柱塞22的周界缘可具有除了圆形之外的形状，例如其可构造成城堡形，以提供小切口，由柱塞座24中的压缩装料点火所产生的火焰喷射可穿过这些切口，以在柱塞22离开柱塞座24之前引起第二燃烧室空间中的混合物部分点燃。
本发明的主题可赋予具有非常稀薄的和/或用EGR高度稀释的空气/燃料(天然气)混合物的可靠点火和燃烧的SI IC发动机。发动机可以较高EGR率和较冷的EGR运行，使其能够具有较高压缩率，从而以较低排放温度来实现较好的发动机性能和效率。可消除或减少进气节气门的使用以缓和泵气损失。可消除或减少爆震燃烧。用于混合物点火的火花能量的降低可提高火花塞的持久性。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种内燃机，包括：
发动机气缸，所述发动机气缸具有沿纵长方向延伸的中心轴线，且燃烧在所述发动机气缸的内部发生，以运转发动机；
气缸头，所述气缸头封闭所述发动机气缸的轴端；
活塞，所述活塞在发动机循环期间在发动机气缸内于TDC位置和BDC位置之间往复运动，并包括面对所述气缸头的活塞头；
所述气缸头和所述活塞共同包括在所述气缸头和所述活塞其中一个中的柱塞座和在所述气缸头和所述活塞中的另一个中的柱塞，在所述活塞于BDC位置和与TDC位置和BDC位置都间隔开的中间位置之间的发动机循环范围内往复运动时，所述柱塞将所述柱塞座暴露于所述发动机气缸的所述内部，但在所述活塞于所述中间位置和TDC位置之间的发动机循环范围内往复运动时，所述柱塞将所述柱塞座对于所述发动机气缸的所述内部而关闭，以形成可变容积的第一燃烧室空间，所述第一燃烧室空间协配地限定在所述柱塞和所述柱塞座之间，并与可变容积的第二燃烧室空间隔离，所述第二燃烧室空间由不包括所述柱塞座和所述柱塞的所述气缸头和所述活塞头的相互面对的表面轴向地界定；
所述发动机气缸、所述活塞、所述气缸头、所述柱塞座和所述柱塞的整体几何形状在TDC位置处提供大于所述第二燃烧室空间的压缩率的所述第一燃烧室空间的压缩率；其中，所述柱塞从所述活塞头的所述相互面对的表面轴向向外地延伸，以及所述空腔从所述气缸头的所述相互面对的表面轴向向内地延伸；所述柱塞和所述柱塞座包括各自的圆柱形侧面，所述圆柱形侧面在所述活塞于所述中间位置和TDC位置之间的所述发动机循环范围内往复运动时彼此轴向面对；所述柱塞和所述柱塞座与所述中心轴线同轴；以及
燃料供给通道，所述燃料供给通道开口于所述第一燃烧室空间，且燃料可通过所述燃料供给通道而被引入所述第一燃烧室空间。
2.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，还包括：点火器，所述点火器用于在所述第一燃烧室空间中产生点火火花。
3.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述燃料供给通道包括止回件，所述止回件防止从所述第一燃烧室空间到所述燃料供给通道在所述止回件的上游的部分的回流。
4.如权利要求3所述的内燃机，其特征在于，所述燃料供应通道在如下部位处开口于所述第一燃烧室空间，当所述活塞在TDC位置与所述中间位置和TDC位置之间的位置之间的发动机循环范围内往复运动时，所述部位由所述柱塞所堵塞。
5.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述发动机气缸、所述活塞、所述气缸头、所述柱塞座和所述柱塞的所述整体几何形状为：在所述活塞在所述中间位置和TDC位置之间的所述发动机循环范围内上行时，所述第一燃烧室空间的压缩以如下速度增加，所述速度大于所述第二燃烧室空间的压缩所增加的速度。
6.一种运行如权利要求1所述的内燃机的方法，包括：在活塞位置处于所述BDC位置和所述中间位置之间的所述发动机循环范围内时，在包括所述柱塞座的所述发动机气缸中产生燃料/空气装料；随着所述活塞向所述中间位置上行而压缩所述燃料/空气装料；以及，随后在所述活塞于所述中间位置和所述TDC位置之间的所述发动机循环范围内上行时，以第一压缩率压缩在所述第一燃烧室空间中的所述燃料/空气装料部分，并以第二压缩率压缩在所述第二燃烧室空间中的所述燃料/空气装料部分，所述第二压缩率小于所述第一压缩率。
7.运行如权利要求1所述的内燃机的所述方法，包括：在活塞位置处于所述BDC位置和所述中间位置之间的所述发动机循环范围内时，在包括所述柱塞座的所述发动机气缸中产生燃料/空气装料；随着所述活塞向所述中间位置上行而压缩所述燃料/空气装料；以及，随后在所述活塞于所述中间位置和所述TDC位置之间的所述发动机循环范围内上行时，以第一压缩率压缩在所述第一燃烧室空间中的所述燃料/空气装料部，分并以第二压缩率压缩在所述第二燃烧室空间中的所述燃料/空气装料部分，所述第二压缩率小于所述第一压缩率。
8.如权利要求7所述的运行所述内燃机的方法，其特征在于，还包括：在活塞位置处于所述中间位置和所述TDC位置之间的所述发动机循环范围内时，引起在所述第一燃烧室空间中的所述燃料/空气装料点火；以及，随后致使所述点火的燃料/空气装料来点火在第二燃烧室空间中的所述燃料/空气装料。
9.如权利要求8所述的运行所述内燃机的方法，其特征在于，还包括：在活塞位置处于所述中间位置和所述TDC位置之间的所述发动机循环范围内时，将燃料引入所述第一燃烧室空间，通过燃料入口而进入所述柱塞座。

Claims (13)

1.一种内燃机，包括：
发动机气缸，所述发动机气缸具有沿纵长方向延伸的中心轴线，且燃烧在所述发动机气缸的内部发生，以运转发动机；
气缸头，所述气缸头封闭所述发动机气缸的轴端；
活塞，所述活塞在发动机循环期间在发动机气缸内于TDC位置和BDC位置之间往复运动，并包括面对所述气缸头的活塞头；
所述气缸头和所述活塞共同包括在所述气缸头和所述活塞其中一个中的柱塞座和在所述气缸头和所述活塞中的另一个中的柱塞，在所述活塞于BDC位置和与TDC位置和BDC位置都间隔开的中间位置之间的发动机循环范围内往复运动时，所述柱塞将所述柱塞座暴露于所述发动机气缸的所述内部，但在所述活塞于所述中间位置和TDC位置之间的发动机循环范围内往复运动时，所述柱塞将所述柱塞座对于所述发动机气缸的所述内部而关闭，以形成可变容积的第一燃烧室空间，所述第一燃烧室空间协配地限定在所述柱塞和所述柱塞座之间，并与可变容积的第二燃烧室空间隔离，所述第二燃烧室空间由不包括所述柱塞座和所述柱塞的所述气缸头和所述活塞头的相互面对的表面轴向地界定；以及
所述发动机气缸、所述活塞、所述气缸头、所述柱塞座和所述柱塞的整体几何形状在TDC位置处提供大于所述第二燃烧室空间的压缩率的所述第一燃烧室空间的压缩率。
2.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述柱塞从所述活塞头的所述相互面对的表面轴向向外地延伸，以及所述空腔从所述气缸头的所述相互面对的表面轴向向内地延伸。
3.如权利要求2所述的内燃机，其特征在于，所述柱塞和所述柱塞座包括各自的圆柱形侧面，所述圆柱形侧面在所述活塞于所述中间位置和TDC位置之间的所述发动机循环范围内往复运动时彼此轴向面对。
4.如权利要求3所述的内燃机，其特征在于，所述柱塞和所述柱塞座与所述中心轴线同轴。
5.如权利要求4所述的内燃机，其特征在于，还包括：点火器，所述点火器用于在所述第一燃烧室空间中产生点火火花。
6.如权利要求4所述的内燃机，其特征在于，还包括燃料供给通道，所述燃料供给通道开口于所述第一燃烧室空间，且燃料可通过所述燃料供给通道而被引入所述第一燃烧室空间。
7.如权利要求7所述的内燃机，其特征在于，所述燃料供给通道包括止回件，所述止回件防止从所述第一燃烧室空间到所述燃料供给通道在所述止回件的上游的部分的回流。
8.如权利要求7所述的内燃机，其特征在于，所述燃料供应通道在如下部位处开口于所述第一燃烧室空间，当所述活塞在TDC位置与所述中间位置和TDC位置之间的位置之间的发动机循环范围内往复运动时，所述部位由所述柱塞所堵塞。
9.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述发动机气缸、所述活塞、所述气缸头、所述柱塞座和所述柱塞的所述整体几何形状为：在所述活塞在所述中间位置和TDC位置之间的所述发动机循环范围内上行时，所述第一燃烧室空间的压缩以如下速度增加，所述速度大于所述第二燃烧室空间的压缩所增加的速度。
10.一种运行如权利要求1所述的内燃机的方法，包括：在活塞位置处于所述BDC位置和所述中间位置之间的所述发动机循环范围内时，在包括所述柱塞座的所述发动机气缸中产生燃料/空气装料；随着所述活塞向所述中间位置上行而压缩所述燃料/空气装料；以及，随后在所述活塞于所述中间位置和所述TDC位置之间的所述发动机循环范围内上行时，以第一压缩率压缩在所述第一燃烧室空间中的所述燃料/空气装料部分，并以第二压缩率压缩在所述第二燃烧室空间中的所述燃料/空气装料部分，所述第二压缩率小于所述第一压缩率。
11.运行如权利要求2所述的内燃机的所述方法，包括：在活塞位置处于所述BDC位置和所述中间位置之间的所述发动机循环范围内时，在包括所述柱塞座的所述发动机气缸中产生燃料/空气装料；随着所述活塞向所述中间位置上行而压缩所述燃料/空气装料；以及，随后在所述活塞于所述中间位置和所述TDC位置之间的所述发动机循环范围内上行时，以第一压缩率压缩在所述第一燃烧室空间中的所述燃料/空气装料部，分并以第二压缩率压缩在所述第二燃烧室空间中的所述燃料/空气装料部分，所述第二压缩率小于所述第一压缩率。
12.如权利要求11所述的运行所述内燃机的方法，其特征在于，还包括：在活塞位置处于所述中间位置和所述TDC位置之间的所述发动机循环范围内时，引起在所述第一燃烧室空间中的所述燃料/空气装料点火；以及，随后致使所述点火的燃料/空气装料来点火在第二燃烧室空间中的所述燃料/空气装料。
13.如权利要求12所述的运行所述内燃机的方法，其特征在于，还包括：在活塞位置处于所述中间位置和所述TDC位置之间的所述发动机循环范围内时，将燃料引入所述第一燃烧室空间，通过燃料入口而进入所述柱塞座。
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