CN105275583B - 双预燃室燃烧系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种双预燃室燃烧系统。在一个实施例中，公开了用于发动机的燃烧系统。该系统包括气缸体，其中气缸体限定气缸内孔和沿着气缸内孔的圆周布置的相对的预燃室。该系统还包括燃料喷射器，燃料喷射器离气缸内孔的圆周等距的布置并且沿着垂直于气缸内孔的直径的方向喷射燃料。该系统进一步包括位于预燃室内的火花塞，该火花塞点火来自燃料喷射器的燃料的至少一部分以将点火火焰引导到气缸内孔中。

Description

双预燃室燃烧系统
技术领域
本公开总体上涉及一种用于发动机的燃烧系统。具体而言，公开了便于稀薄空气－燃料混合物的使用的双预燃室燃烧系统。
背景技术
发动机内的内部燃烧的一个副产品为氮氧化物(NOx)气体的形成。当氮气(N2)在与燃烧过程相关联的高温下与氧气(O2)结合时，形成这些类型的气体，从而形成NOx气体，诸如一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)。当释放到大气中时，这些气体可具有多种不利环境的影响。例如，酸雨、烟雾、臭氧层损耗、和其他不利环境影响已被归因于NOx气体到大气中的释放。
减少内燃机中的NOx气体产物的一个方式是通过使用充分稀薄空气-燃料混合物。具体而言，稀薄空气-燃料混合物中增加的空气量具有降低发动机的内部燃烧温度的效果，从而降低NOx气体的形成。然而，使用稀薄空气-燃料混合物不是没有挑战。例如，在传统的内燃机中运行过于稀薄的空气-燃料混合物可造成发动机损坏及“爆震”，及其他问题。
已经作出一些尝试来通过对发动机进行某些修改支持在内燃机中使用稀薄和超稀薄的空气-燃料混合物。一个这样的方法是在汽油直喷式(GDI)发动机中使用分层充气。例如，GDI壁面引导设计典型地使用活塞上专门的轮廓来向位于中央的火花塞引导从侧喷射器喷射的燃料。在其他情况下，已经使用间接喷射设计，在间接喷射设计中燃料喷射器和火花塞都位于预燃室中，从而允许燃烧在预燃室中开始并传播到主燃烧室。然而，这种方法需要复杂的设计并且可仅具有对燃料经济性的边际效应。
为了解决现有技术中的问题，需要开发能够减少NOx气体排放并且提高燃料经济性的简化燃烧系统。
公开于该发明背景技术部分的上述信息仅仅旨在加深对发明背景的理解，因此其可以包含的信息并不构成在本国已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明提供了一种用于提供发动机内的燃烧的系统和方法。具体而言，本文中公开了将沿着气缸内孔的中心轴线喷射的燃料朝向沿着气缸内孔的圆周布置的预燃室重新定向的技术。
在一个实施例中，公开了用于发动机的燃烧系统。该系统包括气缸体，其中气缸体限定气缸内孔和沿着气缸内孔的圆周布置的相对的预燃室。该系统还包括燃料喷射器，燃料喷射器离气缸内孔的圆周等距的布置并且沿着垂直于气缸内孔的直径的方向喷射燃料。该系统进一步包括位于预燃室内的火花塞，该火花塞点火来自燃料喷射器的燃料的至少一部分以将点火火焰引导到气缸内孔中。
根据一些方面，燃烧系统的预燃室可包括将所述点火火焰引导到所述气缸内孔中的多个孔。在一个方面中，所述孔每个直径为大约一毫米。在另一方面中，来自特定预燃室的点火火焰可间隔15度或15度以上。在又一方面中，所述燃烧系统的气缸体可限定至少部分地围绕气缸内孔的冷却剂套。在再一方面中，所述燃烧系统可包括活塞，所述活塞位于气缸内孔中并且向预燃室引导来自燃料喷射器的燃料。在一些情况下，所述预燃室可沿着所述气缸内孔的圆周位于对应于活塞的上死点位置的位置处。
在另一实施例中，公开了一种方法，其中通过位于发动机的气缸内孔中央的燃料喷射器向位于气缸内孔中的活塞的冠部喷射燃料的喷射。在沿着所述气缸内孔的圆周布置的相对的预燃室处接收燃料的喷射的至少一部分。在预燃室中也对该部分的燃料的喷射进行点火以将点火火焰引导到气缸内孔中。
在一个方面中，可在压缩冲程期间喷射燃料的喷射，在压缩冲程中活塞在气缸内孔中向上死点位置移动。在另一方面中，还可使用活塞的冠部向预燃室引导燃料的喷射。在又一方面中，当活塞接近上死点位置时可使用活塞的冠部来迫使燃料的喷射进入预燃室。在再一方面中，所述燃料的喷射可以是燃料的第二喷射，所述方法进一步包括：在进气冲程期间喷射燃料的第一喷射，在进气冲程中活塞在气缸内孔中远离燃料喷射器移动。在一个方面中，所述进气冲程可在压缩冲程之前发生。在又一方面中，从特定预燃室引导的点火火焰间隔至少15度。在一些方面中，使用来自预燃室的点火火焰来点火气缸内孔中的燃料的第一喷射的至少一部分。在又一方面中，该方法还可包括利用至少部分地围绕气缸内孔的冷却套来向气缸内孔提供冷却。
在另一实施例中，公开了用于发动机的燃烧系统。所述系统包括用于将燃料喷射到发动机的气缸内孔中的装置；所述系统还可包括用于接收喷射的燃料的至少一部分的装置。所述系统进一步包括用于点火所接收部分的燃料以将点火火焰引导到气缸内孔中的装置。
在一些方面中，所述燃烧系统还可包括用于向接收装置引导喷射的燃料的装置、用于将空气与喷射的燃料混合的装置、或用于冷却气缸内孔的装置。
有利地，本文所描述的系统和方法提供允许在燃烧期间使用稀薄空气－燃料混合物的预燃室的使用。
附图说明
以下将参照由所附附图显示的本发明的某些示例性实施方案来详细地描述本发明的以上及其它特征，这些附图在下文中仅以例示的方式给出，因而对本发明是非限定性的，并且在这些附图中：
图1为双预燃室燃烧系统的示例侧视图；
图2为具有双预燃室的气缸体的示例俯视图；
图3A-3C示出了在进气冲程期间的图1的系统的示例；
图4A-4C示出了在压缩冲程期间的图1的系统的示例；
图5A-5C示出了在压缩冲程期间当活塞接近上死点时图1的系统的示例；以及
图6A-6C示出了在点火功率事件期间的图1的系统的示例。
应当了解，所附附图不是必须按比例地显示了本发明的基本原理的说明性的各种优选特征的略微简化的画法。本文所公开的本发明的包括例如具体尺寸、方向、位置和外形的具体设计特征将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。
在这些图形中，贯穿附图的多幅图形，附图标记引用本发明的同样的或等同的部分。
具体实施方式
在下文中，将描述本公开以便容易地被本领域技术人员实现。
应当理解，此处所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语一般包括机动车辆，例如包括运动型多用途车辆(SUV)、公共车辆、卡车、各种商用车辆的乘用汽车，包括各种舟艇、船舶的船只，航空器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、可插式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其它替代性燃料车辆(例如源于非汽油的能源的燃料)。正如此处所提到的，混合动力车辆是具有两种或更多动力源的车辆，例如汽油动力和电力动力两者的车辆。
此外，应当理解，一些方法可由至少一个控制器执行。术语控制器指的是包括存储器和处理器的硬件设备，该处理器被配置成执行应当被解释为其算法结构的一个或多个步骤。存储器被配置成存储算法步骤，并且处理器专门配置成执行所述算法步骤以执行以下进一步描述的一个或多个过程。
此外，本发明的控制逻辑可具体化为计算机可读介质上的包含可执行程序指令的非暂时性计算机可读介质，该可执行程序指令由处理器、控制器等执行。计算机可读介质的示例包括，但不限于，ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存驱动器、智能卡和光学数据存储设备。计算机可读记录介质也可分布在通过网络耦合的计算机系统中，使得计算机可读介质例如通过远程信息处理服务器或控制器区域网络(CAN)以分布式方式存储和执行。
本文中所使用的术语仅为了描述特定实施例的目的并且不旨在限制本发明。如本文中所使用地，单数形式“一个”、“一种”、以及“该”旨在也包括复数，除非上下文明确地另作规定。还将理解的是，当在说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”是指存在有所陈述的特征、数值、步骤、操作、元件和/或组分，但是并不排除存在有或额外增加一个或多个其它的特征、数值、步骤、操作、元件、组分和/或其组成的群组。作为在本文中所使用的，术语“和/或”包括列举的相关术语的一个或多个的任何和全部的组合。”
本发明一般提供一种燃烧系统和技术，藉此相对的预燃室沿着发动机的气缸内孔(cylinder bore)的圆周布置。离圆周等距的布置的燃料喷射器沿着基本垂直于气缸内孔的直径轴线向气缸内孔的中央喷射燃料。存在于室中的空气－燃料混合物的燃烧通过点火预燃室中的混合物启动，从而向主室中的混合物传递引导点火火焰。
现参照图1，示出了根据各个实施方式的双预燃室燃烧系统100的示例侧视图。如图所示，燃烧系统100包括气缸体108，通过气缸体108形成气缸内孔112。如将理解的，气缸体108可具有类似于气缸内孔112的任意数量气缸内孔。例如，当配置用于四个气缸发动机时，气缸体108可具有总共四个气缸内孔。在一些实施例中，气缸体108可利用铝、铝合金、或其他轻质材料形成。在这种情况下，气缸内孔112可包括气缸套114，气缸套114利用合适的材料(诸如，钢铁)构造，以增强气缸内孔112的内部。
气缸体108可包括冷却剂套110，冷却剂套110至少部分地包封气缸内孔112。例如，如图2更详细地示出的，冷却剂套110可以是在气缸体108内的围绕气缸内孔112的圆周并且向气缸体108提供液体冷却的空心结构。任何合适形式的冷却剂可用于冷却剂套110中，诸如，水、乙二醇、它们的组合等等。
活塞106位于气缸内孔112中，活塞106通过系统100中的空气-燃料混合物的燃烧驱动。用作混合物的一部分的燃料104由位于中央的燃料喷射器102喷射，燃料喷射器102向气缸内孔112的中央喷射燃料104。换句话说，燃料喷射器102可离沿着气缸内孔112的圆周的所有点等距的位于燃烧室100中并且可沿着垂直于气缸内孔112的直径的方向喷射燃料104。空气还可经由进气阀130提供至气缸内孔112，进气阀130经由进气歧管126调节进入到气缸内孔112中的空气流量。在燃烧之后，所产生的气体经由排气阀128排放出气缸内孔112，排气阀128调节到排气歧管124的废气的流量。
如将理解的，活塞106经由活塞连杆122连接至曲轴(未示出)，并且有助于通过气缸内孔112中的活塞106的运动旋转曲轴。在操作期间，活塞106通过燃烧系统100的受控操作在上死点(TDC)位置(例如，气缸内孔112中的活塞106的最高位置)和下死点(BDC)位置(例如，气缸内孔112中的活塞106的最低位置)之间交替。例如，如图1所示，活塞106被描述为在气缸内孔112内朝向其TDC位置向上移动。
根据各个实施例，气缸体108还限定预燃室116，在预燃室116中发生燃料104的至少一部分(例如，作为空气－燃料混合物的一部分)的燃烧。例如，火花塞120可位于预燃室116内并且用于点火已与来自进气口26的空气混合的喷射的燃料104的一部分。在一个实施例中，预燃室116位于气缸内孔112的圆周的相对侧上，作为双预燃室配置的一部分。每一个预燃室116还可包括沿着气缸内孔112布置的任何数量的孔口/孔118，孔口/孔118向气缸内孔112的中央引导经点火的空气-燃料混合物。在其他配置中，任何数量的预燃室可沿着气缸内孔112的圆周位于不同位置处。
图2示出了图1所示的气缸体108的示例俯视图。在图2所示的示例中，气缸体108包括四个气缸内孔112，但在其他实施方案中可使用任何数量的气缸。如图所示，冷却剂套110形成于气缸体108中并且至少部分地包封气缸内孔112的每一个。在每个气缸内孔112的冠部处为位于中央的燃料喷射器102，该燃料喷射器102将燃料向下喷入气缸内孔112中。根据各个实施方案，预燃室116位于气缸内孔112的每一个的相对侧上以便于内孔中的燃烧。换句话说，气缸内孔112的每一个可具有位于它们上部区域中的双的、成对角的相对的预燃室116。在操作期间，从燃料喷射器102向下喷射的燃料与进入的空气混合，并且空气－燃料混合物的至少一部分由预燃室116接收，其中燃烧通过位于预燃室116的火花塞启动。
一般而言，本文中所描述的燃烧系统遵循四个冲程操作来驱动发动机的活塞。该操作一般包括进气冲程、压缩冲程、做功行程、和排气冲程，在发动机的操作期间可重复这些操作任何次数。以下更详细地描述这些操作的阶段的每一个。
图3A-3C示出了根据一个实施例的在进气冲程期间的图1的燃烧系统100的示例。如图3A-3B所示，活塞106在进气冲程期间处于在气缸内孔112内从TDC位置行进到BDC位置的过程。此时，燃料喷射器102提供燃料104到气缸内孔112中喷射，其用于(例如，通过与来自进气歧管126的空气混合)形成气缸内孔112内的主空气－燃料混合物。在各个实施方案中，在进气冲程期间提供的主空气－燃料混合物为稀薄混合物。在图3C的图表302中示出了在喷射冲程期间的燃烧系统100的操作的描述。如图表302所示，通过燃料喷射器102的燃料的喷射被定时成与进气阀130的致动相一致(例如，以将空气提供至气缸内孔112)，从而采用主空气－燃料混合物填充气缸内孔112。
图4A-4C示出了根据一个实施方案的在压缩冲程期间的图1的燃烧系统100的示例。如图4A-4B所示，活塞106从其BDC位置返回(例如，在完成进气冲程之后)并且在压缩冲程期间行进回其TDC位置。该运动对在图3A-3C所示的进气冲程期间在先喷射到气缸内孔112中的主空气－燃料混合物具有压缩效果。
根据各个实施方案，在压缩冲程期间当活塞106接近其TDC位置时燃料喷射器104可提供燃料104到气缸内孔112中的另一喷射。换句话说，在任何给定操作周期期间(例如，在进气和压缩冲程两者期间)燃料喷射器102可提供燃料104的两次单独的喷射。在压缩冲程喷射期间，接近预燃室116的活塞112的位置有助于向预燃室116引导喷射的燃料104。例如，如图4B所示，在第二喷射期间，喷射的燃料104可形成沿着活塞106的冠部132的流入流404。在各个实施方案中，冠部132可形成为向预燃室116引导燃料104的流的轮廓。例如，冠部132可包括凹槽或便于形成朝向预燃室116的燃料流404的轮廓。因此，在该喷射期间，活塞106提供壁面引导动作以采用来自第二燃料喷射的空气－燃料进气填充预燃室116的每一个。在一个实施方案中，预燃室116的每一个包括多个孔118，燃料104经过多个孔118被接收。例如，如图所示，预燃室116的每一个包括三个孔118，但在其他实施方案中可使用任何数量的孔。
在图4C的图表404中示出了在压缩冲程期间的燃烧系统100的操作的描述。如图表402所示，在一个实施例中，在压缩冲程期间发生的燃料的喷射可以具有比在进气冲程期间的喷射更短的持续时间。换句话说，为了将可燃混合物引导到气缸内孔112的相对的预燃室116中的目的，在压缩冲程期间可喷射较少量的燃料。
图5A-5C示出了在压缩冲程期间当活塞106接近其TDC位置时图1的燃烧系统100的示例。如图5A-5B所示，来自燃料流404的空气－燃料进气通过活塞106的动作被压缩经过孔118并且进入预燃室116。在一个实施方案中，孔118的每一个直径为大约一毫米。在TDC位置，活塞106的顶环槽岸区域也可离开(clear)预燃室116。典型的发动机通常具有在该区域中的5-8毫米的间隙。
在图5C的图表502中示出了在压缩冲程结束期间的燃烧系统100的操作的描述。如图表502所示，点火(SOI)事件的开始可能在压缩冲程即将结束时发生，从而导致做功行程。在SOI事件期间，位于预燃室116的每一个中的火花塞120被通电，从而导致预燃室116中的空气－燃料混合物的点火和操作的做功行程阶段的开始。
图6A-6C示出了诸如在做功行程开始时发生的点火功率事件期间图1的燃烧系统100的示例。如图6A-6B所示，在该事件期间，火花塞120被激活，从而点火预燃室116内的空气－燃料混合物。作为该点火的结果，点火火焰506被引导回(back towards)气缸内孔112。与其他预燃室设计相反，回向气缸内孔112的中央的火焰506的方向避免对气缸内孔112的壁的冲击。火焰506以喷射状的方式进行操作，从而提供气缸内孔112的中央内的强烈的主火焰中心504。在一个实施例中，孔118被形成为将彼此之间成15度或15度以上间隔的火焰提供到气缸内孔112中。如图所示，例如，作为点火预燃室116中的空气－燃料混合物的结果，预燃室的每一个可经由孔118将三个火焰506提供到气缸内孔112中。将理解，火焰506和火焰中心504的形成具有燃烧存在于气缸内孔112中的主空气－燃料混合物作用。由该燃烧释放的能量驱动活塞106远离其TDC位置回到其BDC位置，作为操作的做功行程阶段的一部分。
在图6C的图表602中示出了在操作的做功行程阶段期间的燃烧系统100的操作的描述。如图表602所示，通过点火预燃室116中的混合物来燃烧气缸内孔112中的主空气－燃料混合物向活塞106提供动力。该动力被传递至活塞连杆122，然后被转换成施加至发动机的曲轴的旋转力。
还如图表602所示，在活塞106在气缸内孔112中到达其BDC位置并返回其TDC位置之后(例如，在完成做功行程之后)，发生排气冲程。在排气冲程期间，排气阀128被驱动以允许由燃烧产生的废气被释放到排气歧管124中并且从气缸内孔112去除。在该阶段结束时，进气阀130被驱动，以允许新鲜的空气进气经由进气歧管126进入气缸内孔112，从而导致操作的新的进气冲程阶段开始。
有利地，本文所描述的技术提供一种燃烧系统，其支持非常稀薄的空气－燃料混合物的使用，从而提高燃油经济性并降低NOx气体的排放。已显示与通过降低泵送损失的按化学计量的燃烧系统相比，这些技术提高燃料经济性5-10％。此外，已显示通过使用稀薄空气－燃料混合物显著减少NOx气体的产物。此外，本文中的技术提供了比在预燃室自身内使用燃料喷射器和火花塞两者的传统的预燃室系统更简单的设计。
虽然已详细描述的本公开的实施方案，但是本公开的权利的范围不限于上述实施方案，并且使用所附权利要求限定的本公开的基本概念的本领域技术人员进行的各种修改和改进的形式也属于本公开的权利的范围。

Claims (14)

1.一种用于发动机的燃烧系统，其包括：
气缸体，所述气缸体限定气缸内孔和沿着气缸内孔的圆周布置的相对的预燃室；
燃料喷射器，所述燃料喷射器离所述气缸内孔的圆周等距的布置并且沿着垂直于所述气缸内孔的直径的方向喷射燃料；以及
火花塞，所述火花塞位于预燃室中并且对来自燃料喷射器的燃料的至少一部分进行点火以将点火火焰引导到气缸内孔中。
2.根据权利要求1所述的用于发动机的燃烧系统，其中所述预燃室包括将所述点火火焰引导到所述气缸内孔中的多个孔。
3.根据权利要求2所述的用于发动机的燃烧系统，其中所述孔的每个的直径为一毫米。
4.根据权利要求1所述的用于发动机的燃烧系统，其中来自特定预燃室的点火火焰间隔开15度或15度以上。
5.根据权利要求1所述的用于发动机的燃烧系统，其中所述气缸体限定至少部分地围绕气缸内孔的冷却剂套。
6.根据权利要求1所述的用于发动机的燃烧系统，进一步包括：
活塞，所述活塞位于气缸内孔中并且向预燃室引导来自燃料喷射器的燃料。
7.根据权利要求5所述的用于发动机的燃烧系统，其中所述预燃室沿着所述气缸内孔的圆周位于对应于活塞的上死点位置的位置处。
8.一种操作用于发动机的燃烧系统的方法，包括：
通过位于发动机的气缸内孔中央的燃料喷射器向位于气缸内孔中的活塞的冠部喷射燃料的喷射；
在沿着所述气缸内孔的圆周布置的相对的预燃室处接收至少一部分燃料的喷射；以及
点火预燃室中所述部分的燃料的喷射以将点火火焰引导到气缸内孔中，
其中在压缩冲程期间喷射燃料的喷射，在压缩冲程中活塞在气缸内孔中向上死点位置移动，
其中所述燃料的喷射是燃料的第二喷射，
所述方法进一步包括：
在进气冲程期间通过燃料喷射器喷射燃料的第一喷射，在进气冲程中活塞在气缸内孔中远离燃料喷射器移动。
9.根据权利要求8所述的操作用于发动机的燃烧系统的方法，进一步包括：
使用活塞的冠部来向预燃室引导燃料的喷射。
10.根据权利要求9所述的操作用于发动机的燃烧系统的方法，进一步包括：
当活塞接近上死点位置时使用活塞的冠部来迫使燃料的喷射进入预燃室。
11.根据权利要求8所述的操作用于发动机的燃烧系统的方法，其中所述进气冲程在压缩冲程之前发生。
12.根据权利要求11所述的操作用于发动机的燃烧系统的方法，其中从特定预燃室引导的点火火焰间隔15度或15度以上。
13.根据权利要求11所述的操作用于发动机的燃烧系统的方法，进一步包括：
使用来自预燃室的点火火焰来点火气缸内孔中的燃料的第一喷射的至少一部分。
14.根据权利要求8所述的操作用于发动机的燃烧系统的方法，进一步包括：
利用至少部分地围绕气缸内孔的冷却套来向气缸内孔提供冷却。
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