CN105829676B - 用于对置活塞发动机的漩涡保存燃烧室结构 - Google Patents

用于对置活塞发动机的漩涡保存燃烧室结构 Download PDF

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Abstract

当活塞靠近各自的上止点位置时，用于对置活塞发动机的燃烧室结构包括相对于主轴线和位于主轴线上的一对喷射端口的细长的两侧对称形状。燃烧室被限定在一对活塞的第一活塞的端面中的碗状物和从所述一对活塞的第二活塞的端面突出的镜像脊之间。每个脊包括朝向第二活塞的端面的外围弯曲的中心部分且过渡到远离外围弯曲的侧翼部分。脊配置赋予燃烧室的中心部分大体球形配置，在该中心部分增压空气的漩涡运动被保存。

Description

用于对置活塞发动机的漩涡保存燃烧室结构
优先权
本国际申请要求2013年9月13日提交的美国专利申请14/026,931的优先权。
技术领域
该领域包括对置活塞发动机，其中燃烧室被限定在相对设置在端口式气缸(ported cylinder)的孔腔中的活塞的端面之间。更具体地，该领域包括具有燃烧室结构的对置活塞发动机，所述燃烧室结构促进进入气缸中的增压空气的复杂、湍流的牵连(bulk)运动。
背景技术
二冲程循环发动机是内燃发动机，其用曲轴的单一完整旋转和连接到曲轴的活塞的两个冲程完成操作循环。二冲程循环发动机的一个实例是对置活塞发动机，其中一对活塞相对设置在气缸的孔腔中以用于在相对的方向上往复运动。按照图1，对置活塞发动机包括至少一个气缸10，所述气缸具有孔腔12和在其中机械加工或者形成的纵向设置的进气端口14和排气端口16。(在一些方面，当术语“气缸”被用于本申请时，其还指气缸套)。一个或多个燃料喷射器17固定在喷射器端口(喷射器安置其中的端口)中，其通向气缸的侧表面。根据现有技术，两个活塞20，22被设置在孔腔12中，其端面20e，22e彼此相对。为方便起见，活塞20由于邻近进气端口14而被称作“进气”活塞。类似地，活塞22由于邻近排气端口16而被称作“排气”活塞。
具有诸如气缸10的一个或多个端口式气缸(具有在其中形成的一个或多个进气端口和排气端口的气缸)的对置活塞发动机的操作很好理解。在这方面，当响应于燃烧，对置活塞远离各自的上止点(TC)位置移动时，做功冲程开始，在该上止点位置活塞处于其在气缸10中的最里面的位置。当从TC移动时，活塞保持其相关端口关闭直到其接近各自的下止点(BC)位置，在该下止点位置活塞处于其在气缸中的最外面的位置。活塞可同相移动以使得进气端口14和排气端口16一致打开和关闭。可替换地，一个活塞可同相引导另一个，在这种情况下，进气端口和排气端口具有不同的打开和关闭时间。
例如，假定排气活塞引导进气活塞且相位偏移引起活塞按序围绕其BC位置移动，其中当排气活塞22移动通过BC时，排气端口16打开，同时进气端口14仍关闭以使得燃烧气体开始流出排气端口16。当活塞继续远离彼此移动时，进气活塞20移动通过BC，从而引起进气端口14打开同时排气端口16仍打开。当活塞改变方向时，排气端口首先关闭，随后进气端口关闭。
当活塞改变方向并从BC位置朝向TC位置移动时，压缩冲程开始。由于活塞远离其BC位置移动，其移动被定相以使得端口开口重叠以促进扫气。扫气时，增压空气充气通过打开的进气端口14被迫进入气缸10中，通过打开的排气端口16将废气驱出气缸。通常，当新鲜空气充气穿过进气端口14的倾斜开口时，它被打旋。参考图1，漩涡运动(或简单地，“漩涡”)是增压空气的一般性螺旋移动，所述增压空气围绕气缸的纵轴线循环并通过气缸10的孔腔纵向移动。按照图2，当活塞20，22继续朝TC移动时，端口关闭且保留在气缸中的漩涡增压空气在端面20e和22e之间被压缩。当活塞靠近其在气缸孔腔中的各自的TC位置时，燃料40被喷射到活塞的端面20e和22e之间的压缩的增压空气30中。当喷射继续时，在端面20e和22e之间限定的燃烧室32中的空气和燃料的漩涡混合物越来越多地被压缩。当混合物达到点火温度时，燃料在燃烧室中点燃，从而通过朝其各自的BC位置驱离活塞启动另一做功冲程。
进气端口开口和对置活塞发动机的气缸的几何结构为漩涡形式的增压空气的强烈的牵连流体运动的生成提供非常有效的平台，所述漩涡促进废气的移除(扫气)和燃料到空气的移动(空气/燃料混合)。然而，由漩涡支配的增压空气运动在燃烧过程中能够产生不良效应。例如，在平整的活塞端面之间限定的圆柱形燃烧室中的燃烧过程中，漩涡朝气缸孔腔推动火焰，从而引起(相对)较冷的气缸壁的热损失。漩涡的较高速度矢量靠近气缸壁发生，其提供热损失的最糟糕情境：具有速度的高温气体将热传递到气缸壁并降低发动机的热效率。活塞端面的外围还接收相对高的热负荷，当润滑油在高发动机温度下分解时，所述热负荷引起保留在活塞/气缸接口中的石油焦炭的固体残渣的形成。
因此，当燃烧开始时维持由漩涡提供的利益同时减轻它的不良效应是期望的。同时，继续促进增压空气中的湍流运动以便促进燃料和空气的均匀混合是期望的，这转而产生比否则将发生的更彻底且更均匀的点火。
这些优点已通过提供活塞的相对端面的形状在两冲程对置活塞发动机中实现，所述活塞在燃烧室中生成额外部分的牵连空气湍流。就这点而言，特定的对置活塞燃烧室结构包括促进挤流在气缸的径向方向上从燃烧室的外围朝气缸的轴线流动的挤流的碗状物。在一些方面，当活塞端面的外围处的高压区域引起增压空气流到通过碗状物生成的较低压区域时，挤流能够被向内指引，所述碗状物在至少一个活塞端面中形成。例如，美国专利1,523,453描述一对对置活塞，其具有形成在其头部中的凹陷，当活塞彼此邻近时所述凹陷形成梨型燃烧室的它们的头部中。室的较大端基本关闭且较小端打开以准许燃料通过气缸壁中的喷射阀被喷射到室中。
许多最近公开的对置活塞设计针对增压空气的牵连运动中的滚流的生成。例如，申请人的美国申请13/066,589描述对置活塞的邻近的端面中的突出弯曲脊之间的椭圆型燃烧室的形成。弯曲脊是完全相同的，但以180度相互转化。端面与漩涡和挤流相互作用以在靠近气缸的孔腔表面的燃烧室的狭窄端处产生滚流。燃烧室的较宽中心部分保存漩涡。申请人的美国申请13/843,686描述该相互转化的脊配置的改进，其中燃烧室的中心部分具有显著的球形体，其保存多于主要椭圆形状的漩涡。在具有不相同但互补的端面形状的对置活塞之间形成的椭圆型燃烧室在申请人的PCT申请US2012/038061中描述。在该结构中，凹面碗状物在一个端面中形成。相对的端面具有凸面突出物，其中两侧逐渐减小的直径裂缝在镜像连续弯曲脊之间形成。当端面邻近时，凸面突出物被接收在凹面碗状物中且燃烧室主要通过裂缝限定。毗邻的挤流区域通过相对的凸面/凹面端面部分在室的任一侧上形成。
上述申请中描述的活塞经受重大的热挑战。两个对置活塞具有高度波状外形的端面，其中热负荷重重地落在弯曲脊上。在扫气过程中进气活塞通过它端面上的增压空气的通过被提供一些散热。但是该结构要求具有热容量的活塞冷却结构，其经设计以充分冷却排气活塞。这些挑战通过申请人的PCT申请US2012/038061的燃烧室结构减轻，其中具有凹面碗状物的活塞放置在气缸的排气侧中且具有裂缝限定的镜像脊的活塞放置在进气侧中。凹面碗状物缺少突出脊，这使得更容易冷却，尽管它暴露于流出的废气，同时流入的增压空气的冷却效果在扫气过程中被传送到镜像脊。然而，脊的连续弯曲配置限定缺少提高的漩涡保存效果的燃烧室形状。
发明内容
因此，目的是提供用于对置活塞发动机的燃烧室，该燃烧室在增压空气中产生复杂、湍流的牵连运动，同时保留室的中心部分中的漩涡并使室结构的热方面合理化。
通过利用在中心主要球形(或类似球形)容积和侧喷间隙通道之间分布燃烧室容积的碗状物/镜像脊结构的活塞结构实现目的，所述中心主要球形(或类似球形)容积保持燃烧的大部分热，所述侧喷间隙通道沿喷射轴线相互对准并设置在中心容积的各个侧面上。碗状物结构被提供在一对对置活塞的一个活塞的端面上且镜像脊结构提供在该对活塞的另一活塞的端面上。优选地，碗状物结构提供在一对对置活塞的排气活塞的端面上且镜像脊结构提供在该对活塞的进气活塞的端面上。
当燃烧室形成在对置活塞的端面之间时，燃烧室的中心主要球形容积保留增压空气的牵连运动的大部分漩涡。保留的漩涡与滚流共同起作用以当活塞接近最小分离时建立大体球形(或类似球形)牵连空气流场。
在优选结构的一些方面，成对的对置活塞具有互补的相对端面。当活塞邻近时，在一个端面中形成的大体凹面碗状物接收相对端面的大体凸面突出。具有在凸面突出中形成的加宽的中心部分的细长裂缝在端面的直径方向延伸，在相对于对称平面的横截面中对称成形，且在从大体球形中心双向逐渐减少到较窄端的平面中具有形状。当活塞在TC处或靠近TC时，裂缝邻近大体凹面碗状物安置，且限定具有中心主要球形(或类似球形)容积和侧弯曲喷射间隙通道的细长的锥形燃烧室，所述间隙通道沿喷射轴线相互对准并安置在中心空间的各个侧面上。
附图说明
图1是具有现有技术的对置活塞的对置活塞发动机的气缸的侧截面局部示意图，并且被适当地标记为“现有技术”，其中对置活塞接近各自的下止点位置。
图2是图1所示气缸的侧截面局部示意图，并且被适当地标记为“现有技术”，其中现有技术的对置活塞接近各自的上止点位置，在该位置活塞的平整端面限定燃烧室。
图3A和图3B是一起限定优选燃烧室结构的一对活塞的等距视图。
图4A和图4B分别是图3A和图3B的活塞的端视图，其示出它们的端面的细节。
图5A和图5B分别是图3A和图3B的活塞的侧截面视图。
图6A和图6B是示出根据图3A和图3B的在包括一对活塞的对置活塞发动机的压缩冲程过程中的操作顺序的侧截面图。
图7是图3A、图4A和图5A的活塞的端视图，其示出具有从端面突出的镜像脊的端面和以其形成的燃烧室中的燃料喷射模式。
具体实施方式
在将描述的结构中，对置活塞发动机包括至少一个气缸，其具有孔腔和在气缸的侧壁中形成或机械加工而成的纵向分离的排气端口和进气端口。一对活塞被相对设置在气缸的孔腔中，且当活塞移动通过各自的TC位置时燃烧室被限定在活塞的相对端面之间。圆周面积包括每个端面上的外围。燃烧室结构包括通过活塞的相对端面限定的孔腔中的内腔或空间。在平面中，燃烧室具有细长的沟槽式形状，其具有加宽的中心部分。细长的燃烧室形状在气缸的直径方向上延伸。燃烧室具有燃料通过其喷射的完全相对的开口。
在内燃机的操作过程中，当活塞接近TC时，一个或多个挤流区将压缩空气流(称为“挤流”)引导至燃烧室中。该过程称为“生成挤流”。
当活塞朝TC移动时，由于气缸中的增压空气的漩涡流与活塞端面的相互作用，描述的结构在燃烧室中产生牵连流体运动。牵连流体运动包括漩涡、挤流，和滚流的元素。
在下面的描述中，“燃料”是能够在对置活塞发动机中使用的任何燃料。燃料可为相对均匀的组合物，或共混物。例如，燃料可为气态燃料、液体燃料，或能够通过压缩点火点燃的任何其它燃料。当对置活塞在TC位置处或接近TC位置时，描述考虑燃料到燃烧室中的压缩气体中的喷射。在一些方面，喷射可较早发生在压缩冲程中。气体优选为增压的环境空气；然而，它可包括其它组分，诸如废气或其它稀释液。在任何这样的情况下，气体称为“增压空气”。
图3A和图3B示出具有用于限定具有中心主要球形(或类似球形)容积和侧喷间隙通道的燃烧室的互补的活塞端面结构的一对活塞50和60，所述侧喷间隙通道沿喷射轴线相互对准且设置在中心空间的各个侧面上。在图4A和图4B中，端面示出在平面中；在图5A和图5B中，端面示出在立面截面中。活塞50具有带有端面52的冠(crown)51，其中端面52包括围绕碗状物54的外围53，所述碗状物54具有远离外围53朝向活塞50的内部弯曲的凹面55。在端面52中形成的相对槽口56经过外围53通向碗状物54中。另一活塞60具有带有端面62的冠61，端面62包括围绕凸部64的外围63，所述凸部64从活塞60的内部向外突出。在活塞60的直径方向上延伸的细长裂缝65在凸部64中形成。沿喷射轴线67对准并在端面61中形成的相对槽口66经过外围63通向裂缝65的各个末端中。按照下面的描述，凹面碗状物54接收凸部64并覆盖细长裂缝65，从而以其限定燃烧室。
如图4B和图5B所示，裂缝65具有相对于对称平面的细长的两侧对称形状，所述对称平面包括活塞60的喷射轴线67和纵轴线68。两侧对称形状被限定在从活塞60的端面向外突出的镜像脊69之间。如图4B所示，观察平面中的端面62，每个脊包括向外(朝向外围63)弯曲的中心部分72并过渡到向内(远离外围63)弯曲的侧翼部分74。镜像中心部分的曲率的向外/向内变化限定裂缝65和侧喷间隙通道77的中心部分中的主要球形(或类似球形)容积75，所述间隙通道77沿喷射轴线67相互对准并设置在中心容积75的各个侧面上。
如上所述的端面结构提供活塞热负荷的管理的灵活性。优选地，活塞50放置在气缸的排气侧上。由于在发动机操作循环过程中较长暴露于高温废气，排气活塞往往更热。凹面碗状物54具有用于热传递的比活塞60的高度波状外形的端面小的表面积；因此，存在比通过端面62低的通过端面52的热通量。如图5A所示，活塞50具有包括环形廊道57和中心廊道58的内冷却结构，液体冷却液通过所述环形廊道和中心廊道循环。优选地，活塞60放置在气缸的进气侧上，其中当进气端口打开时，由于活塞60移动通过BC，大体凸面形状、裂缝、突出表面，和端面62的较大表面区域暴露于增压空气的进气流的冷却效果。突出表面64难以冷却且往往承受最大的热负荷。且因此，如图5B所示，活塞60提供有内冷却结构，其包括液体冷却液通过其循环的环形廊道87和中心廊道88。参考图4B，通过裂缝65的放大的球形中心部分75得到的燃烧室的较宽的中心部分使火焰和活塞60的壁之间的相互作用最小化，以最小化热传递。由于由向内弯曲的脊部分74引起的喷射间隙通道77的角度的减小，在不增加燃烧容积的情况下可得到该较大的中心部分75。
为了理解配备有如图3A和图3B所示构成的对置活塞的对置活塞发动机的操作，现在参考图6A和图6B。发动机包括一个或多个端口式气缸。每个气缸120包括孔腔121和纵向分离的进气端口124和排气端口126。在图6A中，两个活塞50和60被示出靠近在端口式气缸120的孔腔121内的各自的BC位置。图4B示出靠近孔腔121中的TC位置的活塞50和60。活塞50和60在孔腔中被合理化取向以便互补地对准端面52和62；也就是说，端面52的槽口56与端面62的槽口66对准，且每个槽口对56，66与通向气缸120的侧壁的喷射端口125对准安置。当排气产物通过排气端口126流出气缸时，增压空气通过进气端口124进入气缸120。出于扫气和空气/燃料混合的目的，当增压空气穿过进气端口时其被引起打旋。按照图6A，当活塞50和60在压缩冲程中远离BC移动时，关闭进气端口和排气端口且漩涡增压空气130在端面52和62之间越来越多地被压缩。参考图6B，当活塞50和60接近TC时，燃烧室200被限定在端面52和62之间。燃烧室200具有在凹面55的中心部分和细长裂缝65之间限定的内腔。
参考图6B，当活塞50和60接近TC位置时，压缩的增压空气的挤流135从端面的外围穿过在凹面部分55和凸面部分64之间限定的相对的弯曲挤流区域流到燃烧室200中。同时，更靠近气缸120的纵轴线的压缩空气继续打旋。漩涡和挤流的相互作用在燃烧室200的每端产生滚流。每个滚流部分具有围绕喷射器轴线循环的运动。也就是说，滚流围绕与喷射轴线大体共线的气缸120的直径循环。
参考图6B和图7，当活塞50和60移动通过其各自的TC位置时，邻近的凹面端面和凸面端面形成燃烧室内腔，其具有相对于喷射轴线和位于喷射器轴线上的一对喷射端口的细长的两侧对称形状。端面中相对的一对槽口56，66(见图6A)限定在燃烧室的相对位置处通向燃烧室200中的喷射端口。
参考图6A、图6B，和图7，燃料123通过相对的喷射器127经过气缸120中的喷射端口125被喷射到燃烧室200中。燃料123经过侧喷间隙通道77被传送到中心部分75中，在中心部分75它遇到漩涡增压空气130的主要球形流场140并与所述流场混合。滚流由如在母案和祖母案申请中描述的漩涡和挤流的相互作用引起。滚流145围绕喷射器轴线67循环且与燃烧室200中的漩涡130一起起作用以建立球形流场140。当喷射继续时，空气和燃料的漩涡混合物在燃烧室中越来越多地被压缩。当混合物达到点火温度时，燃料在燃烧室中点燃。
虽然已参考所呈现的优选实施例描述活塞和燃烧室结构的原理，应该理解，在不偏离所述原理的精神的情况下能够进行各种修改。因此，根据这些原理的专利保护由随附的权利要求唯一限定。

Claims (11)

1.一种用于对置活塞发动机的燃烧室结构，所述燃烧室结构包括具有孔腔和纵向分离的排气端口(124)和进气端口(126)的至少一个气缸(120)和在所述气缸的孔腔(121)中彼此相对设置的一对活塞(50，60)，其特征在于：
所述活塞具有形成燃烧室(200)的成形端面(52，62)，所述燃烧室具有相对于对称平面的细长的两侧对称形状，当所述活塞在所述气缸中靠近各自的上止点位置时，所述对称平面包括所述燃烧室的喷射轴线(67)和位于所述喷射轴线上的一对喷射端口(56，66；56，66)；
随着所述一对活塞的第一活塞(50)的所述端面(52)中的碗状物(54)接收所述一对活塞的第二活塞(60)的所述端面(62)的大体凸部并且覆盖裂缝(65)，所述燃烧室被限定在所述第一活塞(50)的所述端面(52)中的所述碗状物(54)和所述第二活塞(60)的所述端面(62)的所述凸部之间，所述凸部包括向外突出的镜像脊(69)和在所述向外突出的镜像脊之间的所述裂缝(65)；当所述第二活塞的所述端面在平面中观察时，每个所述镜像脊(69)包括中心部分(72)，所述中心部分(72)朝向所述第二活塞的所述端面(62)的外围(63)弯曲并过渡到远离所述外围(63)弯曲的各自的侧翼部分(74)；当形成所述燃烧室(200)时，所述镜像脊(69)的所述中心部分(72)限定具有大致球形或类似球形形状的燃烧室容积，从而最小化燃烧火焰与所述第二活塞(60)的活塞壁之间的相互作用以最小化热传递；且
所述气缸包括一对相对的燃料喷射端口(125)，当所述第一活塞和所述第二活塞靠近所述各自的上止点位置时，所述燃烧室的所述喷射端口(56，66；56，66)与所述一对相对的燃料喷射端口对准。
2.根据权利要求1所述的燃烧室结构，其中每个端面(52，62)包括外围边缘、在所述外围边缘内侧延伸的环形表面，和在所述环形表面中形成的完全相对的槽口(56，66)，其中所述第一活塞(50)的所述端面上的所述槽口(56)与所述第二活塞(60)的所述端面上的所述槽口(66)对准，以当所述第一活塞和所述第二活塞靠近各自的上止点位置时形成所述燃烧室的所述一对喷射端口。
3.根据权利要求1至权利要求2中的任一项所述的燃烧室结构，其中所述第一活塞(50)控制所述排气端口(124)且所述第二活塞(60)控制所述进气端口(126)。
4.根据权利要求1所述的燃烧室结构，其中：
所述裂缝具有相对于所述对称平面的细长的两侧对称形状，所述对称平面包括所述燃烧室的喷射轴线；并且
所述第一活塞的所述端面中的所述碗状物具有远离该活塞的外围朝向该活塞的内部弯曲的凹面。
5.一种包括根据权利要求1至权利要求4中的任一项所述的燃烧室结构的对置活塞发动机。
6.一种用于运转包括根据权利要求2至权利要求4中的任一项所述的燃烧室结构的对置活塞发动机的方法，其通过：
将漩涡增压空气引入所述活塞之间的所述气缸中；
在压缩冲程中朝向彼此移动所述活塞；
形成燃烧室(200)；
当所述活塞朝向所述孔腔中的各自的上止点位置移动时，聚集所述活塞的所述端面之间的所述燃烧室的中心局部球形部分中的漩涡增压空气；
在所述燃烧室的各个侧喷间隙通道(77)中的增压空气中生成滚流；且
通过所述侧喷间隙通道将燃料喷射到所述燃烧室中。
7.根据权利要求6所述的方法，其中将燃料喷射到所述燃烧室中包括沿所述燃烧室的所述喷射轴线喷射所述燃料。
8.根据权利要求7所述的方法，其中将燃料喷射到所述燃烧室中包括沿所述喷射轴线喷射相对的燃料喷雾。
9.根据权利要求6至权利要求8中的任一项所述的方法，进一步包括当形成所述燃烧室时，生成增压空气的相对的向内挤流。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括响应于所述燃烧室中的增压空气的压缩点燃所述燃料。
11.一种具有冠(61)的活塞(60)，所述冠(61)用于与另一活塞的相对的冠形成燃烧室，其中所述活塞(60)的冠(61)包括具有围绕凸部(64)的外围(63)的端面(62)、在所述凸部(64)中形成的细长裂缝(65)，和沿喷射轴线(67)对准并形成在所述端面(62)中的相对槽口(66)，所述凸部远离所述活塞(60)的内部向外突出，所述细长裂缝在所述活塞(60)的直径方向上延伸，所述槽口通向所述外围(63)进入所述裂缝(65)的各个末端，其特征在于：
所述裂缝(65)具有相对于对称平面的细长的两侧对称形状，所述对称平面包括所述活塞(60)的所述喷射轴线(67)和纵轴线(68)；
所述两侧对称形状被限定在从所述活塞(60)的所述端面(62)向外突出的镜像脊(69)之间；
每个所述镜像脊(69)包括中心部分(72)，所述中心部分(72)朝向所述外围(63)向外弯曲并过渡到远离所述外围(63)向内弯曲的侧翼部分(74)；且
镜像中心部分的曲率的向外/向内变化限定所述裂缝(65)和侧喷间隙通道(77)的所述中心部分中的球形容积(75)，所述侧喷间隙通道(77)沿所述喷射轴线(67)相互对准并设置在中心容积的各个侧面上，其中所述球形容积(75)最小化燃烧火焰与所述活塞(60)的活塞壁之间的相互作用以最小化热传递。
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