CN105275585B - 双预燃室活塞碗系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双预燃室活塞碗系统。在一个实施方案中，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。系统进一步包括活塞，活塞位于气缸内孔内并且具有基本圆锥形形状的冠部，该冠部具有将燃料从燃料喷射器朝向相对的预燃室引导的燃料引导槽。

Description

双预燃室活塞碗系统
技术领域
本公开一般涉及双预燃室燃烧系统。具体而言，公开了向预燃室引导燃料的活塞碗系统。
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-燃料混合物并非没有挑战。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)发动机中使用分层进气。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两者的简化燃烧系统。
公开于该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。
在一个实施方案中，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。系统进一步包括活塞，活塞位于气缸内孔内并且具有基本圆锥形形状的冠部，该冠部具有将燃料从燃料喷射器朝向相对的预燃室引导的燃料引导槽。
根据各个方面，活塞的冠部上的燃料引导槽可以任何数量的不同方式配置。在一个方面中，燃料引导槽可远离所述活塞的顶点沿着相对方向径向地延伸。在另一方面中，所述燃料引导槽包括基本垂直于气缸内孔的直径延伸的部分和沿着气缸内孔的直径延伸的部分。在多种情况下，部分的任一个或两者可弯曲。在一个方面中，所述燃料引导槽可朝向预燃室渐缩。在另一方面中，所述燃料引导槽可从活塞的冠部的顶点偏离。在一些情况下，所述燃料引导槽包括分开大于90度的壁。
在一些实施方案中，所述活塞的冠部还包括进气和排气阀断流器。进气和排气阀断流器可朝向活塞的冠部的顶点渐缩，并且其中所述燃料引导槽远离顶点渐缩。在一个实施方案中，所述进气和排气阀断流器可通过燃料引导槽平分。
所述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。在各个实施方案中，所述气缸体可由任何合适的材料构成并且可包括铝。所述燃烧系统还可包括位于相对的预燃室内的火花塞。
在一个实施方案中，公开了一种方法，所述方法包括向气缸内孔的中央喷射燃料。所述方法还包括通过活塞的冠部的燃料引导槽将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。所述方法进一步包括点火燃烧室内的重新定向的燃料。
在一个方面中，所述方法还包括向气缸内孔提供液体冷却。在另一方面中，在活塞的压缩冲程期间喷射并重新定向燃料。
在另一实施方案中，公开了用于发动机的燃烧系统。所述系统包括用于向气缸内孔的中央喷射燃料的装置。所述系统还包括用于将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装置。在进一步的实施方案中，所述系统可进一步包括用于点火预燃室内的重新定向的燃料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将远离气缸内孔的中央的燃料朝向沿着气缸内孔的圆周布置的预燃室重新定向，从而允许稀薄的空气－燃料混合物在燃烧期间被使用。
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为图1的系统的示例立体图；
图3为图1-2所示的活塞的示例立体图；以及
图4为图3所示的活塞的示例俯视图。
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具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形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方案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。
本发明提供一种燃烧系统和技术，由此将相对的预燃室沿着发动机的气缸内孔的圆周布置。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的轴线向气缸内孔的中央喷射燃料。活塞也设置在气缸内孔中，气缸内孔轮廓形成为向相对的预燃室引导所喷射的燃料。
现参照图1和2，示出了根据各个实施方案的双预燃室燃烧系统100的示例侧视和立体图。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的多个气缸内孔。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。在一些实施方案中，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。如将理解的，活塞106经由活塞连杆(未示出)连接至曲轴，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，在气缸内孔112中的活塞106的最高位置)和下死点(BDC)位置(例如，在气缸内孔112中的活塞106的最低位置)之间交替。
根据各个实施方案，燃烧系统100包括位于中央的燃料喷射器102，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。如图所示，气缸体108还可限定预燃室116，在预燃室116中燃料104的至少一部分发生燃烧。例如，火花塞可位于预燃室116内并且用于点火已与空气混合的燃料104的一部分。在一个实施方案中，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，该孔口向气缸内孔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。
燃烧系统100可利用四冲程操作来驱动活塞106。首先，在燃烧系统100的进气冲程(例如，活塞106从气缸内孔112中的TDC行进到BDC)期间，经由燃料喷射器102和进气阀(未示出)在气缸内孔112中提供稀薄空气－燃料混合物。由于活塞106位于TDC和BDC之间的该相位中，稀薄空气－燃料混合物因此被提供至整个燃烧室。接着，作为压缩冲程(例如，当活塞106从BDC返回至TDC时)的一部分，当活塞106接近TDC时发生燃料的二次喷射，从而经由活塞106的冠部120将燃料104提供至预燃室116。仅仅在到达TDC之前，预燃室116中的火花塞用于点火预燃室116中的空气－燃料混合物，以开始动力冲程。响应于点火预燃室116中的混合物，强喷射点火火焰被向内朝向气缸内孔112的中央引导。这向位于燃烧室的中央的稀薄混合物提供强烈的主火焰中心，从而利于稀薄燃烧。例如，预燃室116的每一个可具有沿着气缸内孔112的圆周布置的三个孔口，从而向燃烧室的中央引导六个喷射火焰。气缸内孔112的中央中的主空气－燃料混合物的燃烧驱动活塞106朝向BDC位置返回。最后，在排气冲程(例如，当活塞106从BDC返回至TDC时)期间，废气经由排气阀(未示出)排放至排气歧管，并且这个过程重复进行。
在各个实施方案中，活塞106轮廓形成为向预燃室116引导燃料104作为在压缩冲程期间发生的二次燃料喷射的一部分。例如，活塞106的冠部120可以是基本圆锥形形状，从而自然地向气缸内孔112的圆周引导燃料104。在一些实施方案中，冠部120还包括燃料引导槽122。燃料引导槽122一般充当将燃料104从燃料喷射器102向预燃室116捕获和引导的“碗”。与其他燃料引导机制相比，将理解，燃料引导槽122引导燃料104远离气缸内孔112的中央。例如，用于汽油直喷式(GDI)发动机的壁面引导活塞碗通常操作以向燃烧室的中央引导燃料，火花塞位于燃烧室中央。
图3-4更详细地示出了燃料引导槽122。如图所示，燃料引导槽122可远离冠部120的顶点126沿相对的方向径向延伸并且可渐缩以向预燃室116引导燃料。燃料引导槽122可从顶点126偏移，从而允许顶点126将向顶点126喷射的燃料引导到槽122中。在一个实施方案中，燃料引导槽122中的每一个可包括水平部分128，水平部分128沿着气缸内孔116的直径延伸(例如，通过预燃室116延伸的气缸内孔116的直径)。燃料引导槽122的每一个还可包括基本垂直部分130，基本垂直部分130基本垂直于气缸内孔116的直径延伸。部分128、130中的任一个或两者可以是弯曲的。例如，部分130可弯曲以最大化从燃料喷射器102捕获的燃料的量。部分128、130之间的角度偏移的量还可被选择成最小化朝向预燃室116的燃料的流量。例如，在一些情况下，部分128、130之间的角度可大于90度，以增加朝向预燃室116的燃料的流量。
在一些实施方案中，活塞106的冠部120包括进气和排气阀断流器124，进气和排气阀断流器124在气门重叠条件期间可与阀接触。如图所示，阀断流器124可朝向顶点126渐缩，而燃料引导槽122远离顶点126渐缩。在一个实施方案中，在活塞106的每一侧上的阀断流器124通过燃料引导槽122平分。
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。此外，公开了改善的活塞设计以将燃料从燃烧室内的位于中央的燃料喷射器朝向沿着气缸内孔的圆周布置的预燃室引导。这种预燃室通过提供向燃烧室的中央返回的点燃的空气－燃料混合物喷射，以点火室内的主要混合物。
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 (15)

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
活塞，所述活塞位于所述气缸内孔内并且具有圆锥形形状的冠部，所述冠部具有将燃料从燃料喷射器朝向相对的预燃室引导的燃料引导槽，
其中所述活塞的冠部包括进气和排气阀断流器。
2.根据权利要求1所述的用于发动机的燃烧系统，其中所述燃料引导槽沿着相对方向远离所述活塞的顶点径向地延伸。
3.根据权利要求1所述的用于发动机的燃烧系统，其中所述燃料引导槽包括垂直于气缸内孔的直径延伸的部分和沿着气缸内孔的直径延伸的部分。
4.根据权利要求3所述的用于发动机的燃烧系统，其中所述垂直于气缸内孔的直径延伸的部分是弯曲的。
5.根据权利要求3所述的用于发动机的燃烧系统，其中所述沿着气缸内孔的直径延伸的部分是弯曲的。
6.根据权利要求1所述的用于发动机的燃烧系统，其中所述燃料引导槽朝向预燃室渐缩。
7.根据权利要求1所述的用于发动机的燃烧系统，其中所述燃料引导槽从活塞的冠部的顶点偏离。
8.根据权利要求1所述的用于发动机的燃烧系统，其中所述燃料引导槽包括分开大于90度的壁。
9.根据权利要求1所述的用于发动机的燃烧系统，其中进气和排气阀断流器朝向活塞的冠部的顶点渐缩，并且其中所述燃料引导槽远离顶点渐缩。
10.根据权利要求1所述的用于发动机的燃烧系统，其中所述进气和排气阀断流器通过燃料引导槽平分。
11.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。
12.根据权利要求1所述的用于发动机的燃烧系统，进一步包括位于相对的预燃室内的火花塞。
13.根据权利要求1所述的用于发动机的燃烧系统，其中所述气缸体包括铝。
14.一种用于发动机的燃烧系统的操作方法，包括：
向气缸内孔的中央喷射燃料；
通过活塞的冠部的燃料引导槽将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；以及
点火燃烧室内的重新定向的燃料，
其中在活塞的压缩冲程期间喷射并重新定向燃料。
15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括：
向气缸内孔提供液体冷却。
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