CN104420977B - 具有气室挡板的发动机 - Google Patents

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Abstract

公开了一种发动机。所述发动机可具有气室。所述发动机还可具有通向所述气室中的开口。所述发动机还可具有邻近所述开口定位的挡板。所述发动机还可具有限定出进气口的气缸，其中所述进气口定位在所述气室中。所述挡板可构造成使经过所述开口的空气转向，以引导所述空气远离所述气缸的进气口。

Description

具有气室挡板的发动机
技术领域
本发明涉及一种发动机，并且更具体地涉及具有气室(air box)挡板的发动机。
背景技术
由于液体燃料(例如，柴油)的成本不断上升，发动机制造商已开发采用低成本气态燃料(例如，天然气)的气态燃料和双燃料发动机。在这些类型的发动机中，气态燃料被导入发动机气缸以随后燃烧并产生机械动力。在某些发动机(例如，某些双燃料机车发动机)中，气态燃料在各发动机循环的进气部分期间经进气口喷射到各气缸中。气态燃料与进气混合而形成在例如经由少量柴油的压缩或点燃而点燃时可燃的混合物。这些发动机通常包括涡轮增压器，所述涡轮增压器通过压缩和增加输送到发动机的空气量和因而在各发动机循环期间能燃烧的燃料量来增加发动机的功率密度。压缩空气可转移到与气缸列相关的气室中并经进气口供给到各气缸侧。
1985年7月9日授予Foster的美国专利No.4,527,516(“’516专利”)中描述了双燃料发动机的示例。’516专利公开了一种发动机，其包括将进气导入增压器，所述增压器围绕各气缸列的空气腔室。进气可从空气腔室经进气口转移到发动机气缸。’516专利的发动机还包括气体输入管道，其将气态燃料经进气口之一导入发动机气缸。气态燃料与进气混合而随后燃烧，用以为发动机提供动力。
’516专利的发动机可能存在与经增压的进气导入空气腔室有关的问题。例如，根据增压器的布置，流经’516专利的空气腔室的进气可能迫使由气体输入管道喷射的气态燃料经进气端口远离气缸并进入空气腔室。逸出的气体随后可进入不同气缸，从而导致气态燃料在发动机气缸中的不均匀分布。
此问题在包括仅将压缩空气导入气缸列的一端的涡轮增压器(或增压器)的发动机中尤为严重。由于它的近距离，最靠近涡轮增压器的气缸可能经历与其余气缸高的通过其进气口的空气流量的变化(例如，在朝向涡轮增压器的进气口处较高的流量)。空气流量的较高变化可能引起所喷射的气态燃料逸出并进入围绕气缸的气室。因此，在这些应用中，最靠近涡轮增压器的气缸与气缸列中的其余气缸相比可能尤其容易发生气态燃料浓度的降低。
本发明针对于克服上述问题中的一个或多个和/或现有技术的其它问题。
发明内容
在一方面，本发明涉及一种发动机。所述发动机可包括气室。所述发动机还可包括通向所述气室中的开口。所述发动机还可包括邻近所述开口定位的挡板。所述发动机还可包括限定出进气口的气缸，其中所述进气口定位在所述气室中。所述挡板可构造成使经过所述开口的空气转向以引导空气远离所述气缸的进气口。
在另一方面，本发明涉及一种操作发动机的方法。所述方法可包括经一开口将空气供给到所述发动机的气室中。所述方法还可包括利用邻近所述开口定位的挡板使至少一部分进入所述开口的空气转向而远离第一进气口。所述方法还可包括将转向的空气输送到第二进气口中。
附图说明
图1是示例性公开的发动机的图示；
图2是可结合图1的发动机使用的示例性公开的气室的截面图；
图3是图2的气室的正视图图示；以及
图4A-4B示出可结合图1的发动机使用的示例性公开的气室挡板。
具体实施方式
图1图解了示例性内燃发动机10。发动机10被描绘和描述为二冲程式双燃料发动机，不过应该理解的是，其它类型的发动机是可能的。发动机10可包括至少部分地限定出多个气缸14的发动机缸体12。在示例性实施例中，多个气缸14可呈V形构型排列，包括一对气缸列16和18。各气缸列16和18可包括呈直线构型排列的8个气缸14。虽然描述了V形、16缸发动机，但应该理解的是，发动机10可包括呈本领域中公知的任意构型排列的任意数目的气缸14。
各气缸14可具有相关的气缸盖20和可滑动地设置在各气缸14内的活塞21。出于本发明的目的，应该理解的是，各气缸14可称为发动机缸体12内部的气缸套。各气缸14、气缸盖20和活塞21可共同限定出燃烧室22，所述燃烧室22接收来自液态燃料喷射器24的液态燃料(例如，柴油)和来自气态燃料喷射器26(仅在图2中示出)的气态燃料。各气缸14也可具有相关的排气口27，所述排气口27构造成开启和关闭以选择性地允许排气远离燃烧室22。各气缸列16、18可与气室32相关，所述气室围绕相应气缸列16、18中的每个气缸14的至少一部分(即，各气缸14的至少一部分定位在气室32中)。虽然文中描述了气室32，但应该理解的是，在其它实施例中，气室32可以是进气歧管或构造成向发动机气缸供给空气或其它气体的其它空气供给通路。
在各气缸14内，相关的活塞21可构造成在下死点(BDC)或最下部的位置与上死点(TDC)或最上部的位置之间往复运动。各活塞21可以以本领域中公知的方式可操作地连接到曲轴30。随着曲轴30旋转约180度，各活塞21可在BDC与TDC之间移动通过一个完整的行程。为二冲程发动机的发动机10可具有包括做功/排气/进气冲程(TDC至BDC)和进气/压缩冲程(BDC至TDC)的完整循环。
在做功/排气/进气冲程的最终阶段，空气可经由由各气缸14的侧壁限定出的一个或多个进气端口28吸入各燃烧室22。特别地，随着活塞21在气缸14内向下移动，最终将到达进气口28不再被活塞21的冠部阻挡而且代之以与燃烧室22流体连通的位置。当进气口28与燃烧室22流体连通并且进气口28处的空气压力大于燃烧室22内的压力时，空气可从气室32经进气口28进入燃烧室22。
此外，在进气口28开启时，气态燃料(例如，包含90-95％甲烷的天然气)可由气态燃料喷射器26导入燃烧室22。气态燃料可经由任意数目的气态燃料喷射器26经一个或多个进气口28喷射。此后，气态燃料可与空气混合而在燃烧室22内形成空气和气态燃料的混合物。空气和气态燃料的混合物可在进气/压缩冲程期间被压缩并通过液态燃料的喷射点燃，以产生机械动力并重新开始做功/排气/进气冲程。
各液态燃料喷射器24可定位在相应的气缸盖20的内部并且构造成通过呈大致圆锥形的图案朝气缸14的内部轴向地释放燃料来将液态燃料喷射到燃烧室22的顶部中。液态燃料喷射器24可构造成例如根据当前发动机转速和/或负荷循环地喷射固定量的液态燃料。在示例性实施例中，液态燃料可用作用于气态燃料的点火源，使得可需要比在发动机10仅依靠液态燃料运行的情况下发动机10所需的量小的量。虽然文中将发动机10描述为双燃料发动机，但应该理解的是，在其它实施例中，发动机10可仅依靠气态燃料运行，所述气态燃料例如可以是压燃的或火花点燃的。
在示例性实施例中，发动机10可包括或连接到涡轮增压器46(仅在图2中示出)，所述涡轮增压器构造成经发动机缸体12中的开口48、50将压缩空气导入气室32。涡轮增压器46可以以本领域中公知的方式操作，以增加对各气缸的空气供给并由此增加发动机10的功率输出。例如，来自发动机10的排气可引起涡轮旋转，以给压缩机提供动力，所述压缩机对进气进行加压以将空气导入气室32并最终导入气缸14。此外，应该理解的是，涡轮增压器46仅仅是示例性的，并且其它空气输送装置(例如，增压器、与大气相通的入口等)是可能的。
挡板60可与各气缸列16、18的气室32相关。各挡板60可邻近相应的开口50定位。例如，挡板60可在气室32外的位置通过附接区段68附接到发动机缸体12上，并经开口50伸入气室32。在其它实施例中，挡板60可附接在气室32的内部。挡板60可构造成在空气进入气室32时引导来自涡轮增压器46的空气通过开口50。
图2图解了气室32的截面图，描绘了气缸列16的一些气缸14。气缸列16的气缸14可包括呈直线排列的近侧气缸34至远侧气缸36。例如，近侧气缸34可以是8个气缸之中的第8个(以远侧气缸36为第1个)。各气缸14的至少一部分可布置在气室32中。如上所述，各气缸14可包括进气口28。进气口28可在气室32的内部定位成使得空气可从气室32转移到燃烧室22。虽然未示出，但应该理解的是，气缸列18可以以与气缸列16相似的方式布置(例如，气室32内的镜像布置)。
气室32可包括与气缸列16相关的部分和与气缸列18相关的部分。每个部分都可包括将气室32分离成多个区段52、54和56的第一壁38和第二壁40。在示例性实施例中，区段56可以是将气室32的各气缸列16、18彼此连接的单数区段。气室32的区段56可在两侧连接到相应的区段54(仅示出一个)，所述区段54均可进一步连接到相应的区段56。虽然下文描述了气室32的与气缸列16相关的部分内的空气流，但应该理解的是，气室32的与气缸列18相关的部分内的空气流可以以相似的方式发生。此外，通过气室32的各部分的空气流可在区段56内相互作用。
第一壁38和第二壁40可沿大致垂直于开口48、50的方向延伸。第一壁38和第二壁40可分别包括与多个区段52、54和56中的每个区段流体连通的多个开口42、44。在示例性实施例中，开口42、44可呈圆形(如图3所示)。一部分来自涡轮增压器46的空气可经开口48进入气室32的侧区段52。该空气可经开口42进入气室32的中心区段54，以供给至少一些气缸14。此外，一部分来自涡轮增压器46的空气可经开口50直接进入中心区段54。此外，一部分进入中心区段54的空气可经开口44到达侧区段56，以用于进一步的分配和流过气室32。
如图2所示，经开口48进入气室32的空气可沿平行于第一壁38的方向57流动。该空气可充填侧区段52并经开口42向气缸14分配空气。例如，经开口48进入气室32的空气可到达侧区段52的远端并通过气室32内的压力差被重新引导到中心区段54中。
与进入开口48的空气不一样，可防止至少一部分经开口50进入气室32的空气沿平行于第一壁38的方向58流动。特别地，挡板60可布置成使经开口50进入的空气转向，使得空气沿相对于第一壁38成角度的方向62流动。这样，可防止空气沿方向58流动而直接进入近侧气缸34的进气口28。
挡板60可大致布置成使得至少远侧部分相对于第一壁38成角度θ从第一壁38延伸到中心区段54中并朝近侧气缸34延伸。这样，至少一部分由挡板60重新定向的空气可沿平行于角度θ的方向流动。在一些实施例中，挡板60可通过附接区段68固定地附接到发动机缸体12上，并成角度θ延伸远离第一壁38。在示例性实施例中，角度θ可成约70°-90°角固定，并且特别地，角度θ可为约81°。
在其它实施例中，挡板60可以是可调节的。例如，挡板60的伸出部分可通过可动铰接装置连接到附接区段68，所述可动铰接装置允许挡板60在角度θ的范围内移动。可调节的挡板60可被手动或电子地控制，以根据特定标准设定角度θ。例如，在一些实施例中，传感器70可测量参数，并且控制器72可向可动铰接装置发送信号，以根据特定算法、表格、脉谱图等设定角度θ。测量参数可以是指示气室32内的空气和/或气态燃料的流量和/或有无的任意条件。例如，测量参数可以是空气流量、气态燃料流量、空气与气态燃料的比率、两个或更多个气缸之间的空气和/或气态燃料的流量差、气室中的气态燃料的量或有无等。
图3从气缸列16附近的涡轮增压器46的视角进一步图解了气室32的内部。挡板60可延伸到开口50中，延伸远离第一壁38，并朝近侧气缸34延伸。挡板60可包括多个区段，包括中间区段64、65和远侧区段66。如上所述，远侧区段66可成角度θ从第一壁38延伸。
挡板60可大致确定尺寸和定位成使空气转向，所述空气否则可能直接进入近侧气缸34的进气口28。换言之，挡板60可定位成使得远侧区段66的高度h1与进气口28的高度h2具有重叠的部分。在示例性实施例中，高度h2可为高度h1的约15-25％。因此，挡板50可使在与进气口28相同的高度进入开口50的空气转向远离近侧气缸34的至少一个进气口28。为了适应开口50的形状，中间区段64的高度h3可小于高度h1。这样，中间区段64可从气室32的外侧跨越到开口50中，并且远侧区段66可在气室32的内部超出开口50的下缘延伸以覆盖进气口28。例如，h3可以是h1的约80-85％。中间区段65可具有与远侧区段66相同的高度h1。
图4A-4B进一步描绘了挡板60的示例性实施例，所述挡板60可对应于如图1所示的位于发动机10左侧的挡板60。如图4A所示，附接区段68可包括多个孔74，所述孔可用于例如通过螺栓将挡板60附接到发动机缸体12上。附接区段68可经由过渡区段76连接到中间区段64。在一些实施例中，过渡区段76可以是将中间区段64固定地连接到附接区段68的圆形部分。在挡板60可调的实施例中，过渡区段76可以是可动铰接装置，其可由控制器72(仅在图2中示出)电子地调节。中间区段65和远侧区段66可连接到中间区段64，以使得远侧区段66成角度θ延伸。
如在图4B中描绘的俯视图所示，角度θ的形成可以是逐渐的，其中各中间区段64、65和远侧区段66相对于第一壁38和相对于彼此以不同角度延伸。如图4B所示，中间区段64、65可分别成角度θ1和θ2延伸远离第一壁38(在图4B中未示出，但它垂直于附接区段68)。在示例性实施例中，由中间区段64、65形成的总角度(例如，θ2)可为角度θ的约60-65％。例如，在角度θ为约81°的实施例中，中间区段64可成30°的角度(θ1＝30°)从第一壁38延伸，中间区段65可成20°的角度(θ2＝50°)从中间区段64延伸，并且远侧区段66可成31°的角度(θ＝81°)从中间区段65延伸。然而，应该理解的是，这些角度值是示例性的并且其它角度是可能的。或者，中间区段64、65中的一个或更多个可以是圆形区段。引起远侧区段66成角度θ从第一壁38延伸的区段的任意组合在挡板60的范围内。
示例性公开的挡板60可结合涡轮增压器46使用，以控制压缩空气传递到气室32中。下文更详细地描述用以操作发动机10并使挡板60用于帮助控制空气流到气缸14的示例性方法。
工业适用性
示例性公开的挡板可适用于包括向一个或多个气缸供给气体(例如，空气)的气室或其它空气通路的任意发动机。示例性公开的挡板可尤其适用于包括涡轮增压器或增压器的发动机，所述涡轮增压器或增压器可在发动机气缸的进气口产生不成比例的空气流量。如果发动机为气态燃料或双燃料发动机，则示例性公开的挡板可用于帮助防止进入的进气将气态燃料从一些气缸(例如，最靠近空气入口的气缸)压出并进入其它气缸。这可帮助防止通过进气口的空气流量的大幅变化，由此帮助确保气态燃料保持在适合的气缸中。减少空气流量的变化并将气态燃料保持在适合的气缸中可帮助维持通过气缸和发动机循环的空气与气态燃料的恒定比率，这样可促进发动机的高效运转。下文更详细地描述示例性公开的发动机10的运转和挡板60的效果。
在发动机10的示例性发动机循环期间，与各气缸14相关的各活塞21可移动通过做功/排气/进气冲程，其中各活塞21从TDC位置移动到BDC位置。在该冲程期间的特定点，活塞21可露出进气口28，所述进气口28变成开启而与气室32流体连通。在进气口28开启时，压力差可使空气从气室32经进气口28进入燃烧室22。
一旦活塞21到达BDC位置，它就可逆转方向并开始进气/压缩冲程。在该冲程期间，进气口28可保持至少部分地开启，直至活塞21的冠部到达进气口28被覆盖并因此与气室32隔离的点。进气可继续进入燃烧室22，直至进气口28关闭。除接收进气外，燃烧室22可从气态燃料喷射器26接收气态燃料。气态燃料喷射器26可根据发动机10的特定喷射正时在进气口28开启的任意时间将气态燃料喷射到燃烧室22中。
在进气口28关闭之后，活塞21可继续朝向TDC位置，包括空气和气态燃料的混合物。随着各燃烧室22内的空气和气态燃料的混合物被压缩，混合物的温度可上升。在活塞21接近TDC的点，液态燃料(例如，柴油或其它基于石油的液态燃料)可经由液态燃料喷射器24喷射到燃烧室22中。液态燃料可通过热的空气/燃料混合物点燃，从而使两种燃料燃烧并引起化学能量在燃烧室22内呈温度和压力尖峰的形式释放。在新的做功/排气/进气冲程的第一阶段，燃烧室22内的压力尖峰可迫使活塞21向下，由此向曲轴30分配机械动力。在该向下行程期间的特定点，位于气缸盖20内的排气口27可开启，以允许燃烧室22内的加压排气远离并且所述循环将重新开始。
在示例性公开的实施例中，经排气口27释放的排气可用于为涡轮增压器46提供动力。涡轮增压器46可操作成压缩进气并经开口48、50将空气供给到气室32中。例如，当经由燃烧室22从气室32去除空气时，所述空气可被来自涡轮增压器46的空气替换。经开口48进入的空气可行经气室32的侧区段52，直至它最终经由开口42之一到达气缸14之一。另外的空气可经开口50进入气室32。
可通过挡板60使进入开口50的至少一部分空气转向。特别地，挡板60可使在与进气口28的一部分相同的高度进入开口50的空气转向远离近侧气缸34。被重新定向的空气可朝第二壁40并在近侧气缸34的至少一个进气口28周围行进。空气随后可进入近侧气缸34的另一进气口28或在进入另一气缸14的进气口28之前行经中心区段54和侧区段52、56中的至少一者。经开口48进入的空气可被输送到由于由挡板50产生的转向而接收较少空气的特定进气口28。
在挡板60可调的实施例中，可采用控制方法来设定挡板60的角度θ。在发动机10运转时，传感器70可监视诸如气态燃料从近侧气缸36流出的流量之类的状态。传感器70可向控制器72发送具有测定状态的信号，所述控制器72可判断是否需要对挡板60进行调节。如果控制器72判定为需要调节(例如，气态燃料的测定流量高于阈值)，则控制器72可向挡板60的一部分(例如，电子地控制的可动铰接装置)发送信号，以相应地调节挡板60的角度θ，例如为了减小气态燃料从近侧气缸36流出的气态燃料的流量。
挡板60可特别地为发动机10构造成帮助防止空气直接流入近侧气缸34的一些进气口28(例如，面向涡轮增压器46的进气口28)并由此使通过近侧气缸34的进气口28的空气流量发生大幅变化。特别地，挡板60的角度θ、高度h1和位置可被选择成使得空气流量在近侧气缸34的各进气口28的标准偏差与其它气缸14相称。此外，挡板60可以是可调节的，以使得角度θ可被动态地改变。这样，挡板60可减小气态燃料在它已由气态燃料喷射器26喷射之后从近侧气缸34流出的流量，并且可更一致地维持空气和气态燃料在各气缸14之间更均匀的分布。空气和气态燃料的均匀分布可以是有利的，因为它可引起更大程度上的对各发动机循环期间各气缸14中存在的空气与气态燃料的比率的控制，这在维持发动机10的有效使用中是一个重要因素。因此，挡板60可用于帮助实现发动机10的更有效的运转。
对本领域的技术人员来说将显而易见的是，可以对本发明的发动机做出各种改型和变型而不脱离本发明的范围。根据说明书和对本文中公开的实施例的实践，其它实施例对本领域的技术人员来说将显而易见。应该认为说明书和示例仅为示范性的，本发明的真实范围由以下权利要求指出。

Claims (10)

1.一种发动机，包括:
气室；
通向所述气室中的开口；
邻近所述开口定位的挡板，和
限定出多个进气口的气缸，所述多个进气口定位在所述气室中；
气态燃料喷射器，所述气态燃料喷射器构造成通过多个进气口中的第一进气口将燃料喷射到气缸中；
其中，多个进气口中的至少两个进气口彼此相对地设置并且形成通过所述气缸的通道；
其中，所述挡板构造成使经过所述开口的空气转向，以引导所述空气远离所述通道，从而防止在气态燃料被喷射后空气将气态燃料推出气缸。
2.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述气室包括大致垂直于所述开口的壁，并且所述挡板成角度地延伸远离所述壁。
3.根据权利要求2所述的发动机，其中，所述挡板成约70°至90°的角度延伸远离所述壁。
4.根据权利要求2所述的发动机，其中，所述挡板包括至少一个中间区段和远侧区段，所述至少一个中间区段和所述远侧区段成不同角度延伸远离所述壁。
5.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述挡板定位成使得所述挡板的高度与所述进气口的高度具有重叠的部分。
6.根据权利要求5所述的发动机，其中，所述挡板的高度大于所述进气口的高度。
7.根据权利要求1所述的发动机，还包括构造成将所述挡板固定至所述气室的可动铰接装置，其中所述可动铰接装置是可动的以调节所述挡板相对于所述开口的位置。
8.一种操作发动机的方法，包括:
经开口将空气供给到所述发动机的气室中；
将气态燃料喷射到所述发动机的第一气缸中；
利用邻近所述开口定位的挡板使进入所述开口的空气转向远离形成在所述第一气缸中的通道，其中，所述通道由所述第一气缸限定出的多个进气口中的至少第一进气口和第二进气口形成，其中，使空气转向防止了空气进入第一气缸并且将气态燃料推出第一气缸；以及
通过由第二气缸限定出的多个进气口中的至少一个进气口将转向的空气输送到第二气缸中。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括调节所述挡板的位置以改变所述挡板相对于所述开口的角度。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，调节所述挡板的位置包括借助于来自控制器的信号电子地控制可动铰接装置。
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