CN105940200B - 燃油直喷内燃机及更具体地低压缩率的压燃式发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及压燃直喷式内燃机,包括至少一个气缸(10)、承载燃料喷射装置(14)的气缸头(12)、在该气缸中滑动的活塞(16)、在一侧上由活塞的上表面(44)界定的燃烧室(34),该活塞包括突起(48),突起(48)沿气缸头的方向延伸并布置在凹碗(46)的中心内,所述发动机包括喷射装置,该喷射装置以具有不同片角度(A1、A2)的至少两个燃料喷射片,具有喷射轴线C1的下片(36)和具有喷射轴线C2的上片(38),在燃烧室的至少两个混合区域(Z1、Z2)中喷射燃料。根据本发明,区域的其中之一包括中心B的环形容积(64),其具有平坦底部(56),下片燃料喷射(40)以下片喷射轴线C1包含在中心B与突起(48)之间的方式喷入该平坦底部。
Description
技术领域
本发明涉及直喷内燃机,且更具体地涉及压燃式发动机及使用该压燃式发动机的方法。
本发明更具体地涉及可用于航空运输和公路部门的发动机,或者诸如发电机的静止设备领域。
此种类型的发动机通常包括至少一个气缸、活塞、用于氧化剂的进气装置、已燃气体排放装置、燃烧室以及将燃料喷射入燃烧室的喷射装置,活塞设有布置在凹碗中的突起并在气缸中往复直线运动地滑动。
如通常被认可的,在发动机设计时,燃烧室的性能、污染物排放和机械强度约束大大增加,而为满足这些目标的手段是完全相反的。
因此,性能提高通常导致排放物增加和更高的机械应力。
为了克服这些约束并确保有限的污染物排放和在发动机的整个工作范围上满足机械强度,尤其在非常高负荷时,使用燃烧室中存在的所有氧化剂,例如包括环境压力下的空气、增压空气或者空气(增压或不增压)和再循环燃烧气体的混合物的氧化剂是非常重要的。
实际上,燃烧室中的燃料混合物(氧化剂/燃料)需要尽可能均匀。
实践中,燃料维持限制在碗中且不能与主要包含在挤压区(即位于由气缸壁和气缸头的与活塞相对的面界定的燃烧室的上部分的容积)内的氧化剂混合。
这包括在燃烧区中产生高富余区域、在该燃料混合物燃烧时产生大量的烟灰、一氧化碳(CO)和未燃碳氢化合物(HC)的缺点。
另外,热载荷聚集在活塞的重入部分,即标记活塞碗(piston bowl)与包围挤压区的上区域之间的过渡的碗颈部或者直径限制部,其在非常高载荷下可能限制机械强度。
背景技术
如专利申请JP-5-71,347更佳描述的,克服上述缺点的一个解决方案包括使用燃料喷射装置,该燃料喷射装置具有至少两个片角度的喷射头和包含具有两个燃烧容积的碗的活塞。
相比于传统的发动机,这允许使用更大量的氧化剂以及在燃烧室的更大表面面积上分布热载荷。
然而,该构造不允许优化内部空气动力以使用两个燃烧室中可用的所有氧化剂并最小化来自各个片的燃料喷射之间的重叠。最后,该构造未最小化由液体燃料润湿的壁。
为了克服这些缺点,且如申请人所提交的法国专利申请13-60,426中更好地描述的,提出了使用一种内燃机,该内燃机包括燃料喷射装置和活塞,该燃料喷射装置带有具有至少两个片角度的喷头,该活塞包括具有两个燃烧容积的碗但具有实质上提高燃烧质量的活塞形状和内部空气动力特性。
然而,该形状主要适于高压缩比,例如18量级。实际上,由于下片的燃料喷射直接撞击碗的切向于活塞的表面的环形部分,碗的容积受限。这导致小的碗容积并因此导致高压缩比。
然而,包含更低压缩率、例如13.5与16.5之间的燃烧室的发动机是有利的。这允许降低燃烧室中的最大压缩压力和连接杆轴承上的应力。由此,对于高性能和高功率密度发动机,该降低是尤其有用的。
因此,本发明的目的是通过提供一种活塞形状和喷射方法来改善上述的发动机,该活塞形状和喷射方法实质上提高了混合物的质量和压缩率范围在13.5与16.5之间的燃烧室的燃烧,从而获得高性能收获,以及显著的消耗和排放(CO、氮氧化物、未燃烧物、烟灰)收获,同时降低燃烧室中的最大压应力和连接杆轴承经受的应力。
发明内容
因此,本发明涉及压燃直喷式内燃机,包括至少一个气缸、承载燃料喷射装置的气缸头、在该气缸中滑动的活塞、在一侧上由活塞的上表面界定的燃烧室,该活塞包括突起,突起沿气缸头的方向延伸并布置在凹碗的中心内,所述发动机包括喷射装置,该喷射装置以具有不同片角度的至少两个燃料喷射片,具有喷射轴线C1的下片和具有喷射轴线C2的上片,在燃烧室的至少两个混合区域中喷射燃料,其特征在于,所述区域之际包括中心B的环形容积,其具有平坦底部,下片燃料喷射以下片喷射轴线C1包含在中心B与突起之间的方式喷入该平坦底部。
燃料喷射片可以同轴地布置在彼此之上。
所述喷射装置可包括至少两个喷射器,所述至少两个喷射器以不同片角度的燃料喷射片喷射燃料。
所述片中的一片的片角度至多105°,而另一片的片角度至少150°。
发动机活塞可包括半径R1和R2的环面容积、碗底直径FD、碗底内部直径FID、碗开口直径BD、颈部直径GD、上喷射直径ID1、碗的径向段2*Cb的展开长度、突起高度H以及碗高度L,以及所述碗的尺寸可满足以下条件的至少一个:
·比率BD/L可以小于6,较佳地小于4,
·比率FD/BD可以小于1,
·FD-FID可以完全是正的,
·比率2*Cb/BD可以小于2,
·比率GD/BD范围可以在0.7和1之间,
·比率H/L大于50%,较佳地大于60%,
·比率R2/R1可以小于1,较佳地小于0.6,
·比率ID1/GD可以大于1,
·ID1可以小于(GD+(2*Cb-GD)*2/3)。
碗可以包括突起的倾斜面的倾斜角a3、通过在一点处撞击环面来喷射入环面的下片燃料喷射的主轴线与撞击点的切线形成的倾斜角a4、外圆形表面的切线与侧壁的倾斜角a5,以及水平面与大致平面壁的切线的倾斜角a6,其特征在于所述碗可以满足以下条件中的至少一个:
·a3可以大致等于下片的喷射片半角A1/2,
·a4可以大于100°,
·a5范围可以在0°和60°之间,较佳地大致在30°和40°之间,
·a6范围可以在15°和75°之间,
本发明还涉及压燃直喷式内燃机的喷射方法,该压燃直喷式内燃机包括至少一个气缸、承载燃料喷射装置的气缸头、在该气缸中滑动的活塞、在一侧上由活塞的上表面界定的燃烧室,该活塞包括突起,突起沿气缸头的方向延伸并布置在凹碗的中心内,所述方法包括以具有不同片角度的至少两个燃料喷射片,具有喷射轴线C1的下片和具有喷射轴线C2的上片中喷射燃料,其特征在于,对于在碗的底部与上片的燃料喷射的原点之间的活塞的位置,其大致相对应于D=L4+ID1/tan(a2),其中L4是碗底部与上片燃料喷射的撞击点之间的高度,ID1是撞击点之间的上喷射直径且a2是上片顶部出的角度的一半,所述方法包括将下片燃料以燃料喷射片的轴线C1包含在中心B与突起之间的方式喷射入一区域,该区域包括中心B的环面容积。
附图说明
在阅读下文参考附图以非限制性示例给出的描述之后,本发明的其它特征和优点将清楚,附图中:
图1示出根据本发明的内燃机,以及
图2是图1所示发动机的活塞碗轮廓的一半部分的放大局部视图。
具体实施方式
参考图1,压燃直喷式内燃机包括至少一个气缸10、在上部分关闭气缸的气缸头12、由气缸头承载的燃料喷射装置以及活塞16,活塞16沿轴线XX’在气缸中往复直线运动滑动。
燃料理解为诸如柴油、煤油的液体燃料或者具有允许包含该燃料的直接喷射系统的压燃式发动机运行的物理化学特性的任何其它燃料。
该发动机还包括燃烧气体排放装置18和用于氧化剂的进气装置24,燃烧气体排放装置18具有至少一个排放管20,可以通过诸如废气阀22的任何方式来控制排放管20的打开,进气装置24具有至少一个进气管26,可以通过诸如进气阀28的任何方式来控制进气管26的打开。
氧化剂理解成环境压力下的空气或者增压空气或者空气(增压或未增压)和已燃烧气体的混合物。
喷射装置包括较佳地沿活塞的轴线XX'布置的至少一个燃料喷射器30,燃料喷射器30的喷嘴32包括多个孔,燃料通过这些孔沿发动机的燃烧室34方向喷射和投射。
来自这些喷射装置,投射的燃料形成至少两个喷射片,这里是两个燃料喷射40和42片36和38,在所示的示例中,这两个片具有与活塞16的轴线合并的总轴线,同时轴向重叠定位。
更精确地,更靠近活塞16的片36在下面的描述中称为下片,而更远离该活塞的片38称为上片。
如可在图1中看到的,这两个片形成彼此不同的片角度A1和A2。片角度应理解为由源自喷射器的圆锥形成的顶角,喷射器的虚周壁穿过燃料喷射40和42的所有轴线C1和C2。
有利地,下片的片角度A1最多等于105°,较佳地范围在40°与75°之间,而上片的片角度A2最多等于180°,较佳地范围在150°与180°之间。
为了简化,在余下的描述中,角度a1相对应于A1/2,而角度a2相对应于A2/2(参见图2)。
由此,两个片角度之间的差至少50°,从而限制两个片之间的燃料喷射重叠并因此形成诸如烟灰的污染物。
当然,喷射装置也可以不沿轴线XX’布置,但在该情形中,来自燃料喷射器的燃料喷射片的总轴线至少基本上平行于该轴线XX’。
类似地,可以考虑每个片由不同的喷射器(单片喷射器)来承载,该喷射器专用于燃烧室的不同区域。
燃烧室34由气缸头12的与活塞相对的内表面、气缸10的圆形内壁以及活塞16的上表面44来界定。
活塞的上表面包括凹碗46,这里凹碗的轴线与气缸的轴线合并,凹碗的凹腔朝向气缸头并容纳突起48,突起48布置在碗的大致中心并朝向气缸头12升起,同时较佳地与来自喷射器30的燃料片的轴线同轴。
当然,可以考虑碗的轴线与气缸的轴线不同轴,但主要的是布局,根据该布局,燃料喷射片、突起的轴线以及碗的轴线较佳地合并。
另外,参考图2大致呈截头形状的突起48包括顶部50,顶部50在朝向活塞16外部对称远离轴线XX’移动的同时延伸大致线性倾斜表面52,该大致线性倾斜表面52通过倾斜侧面54向下延伸至碗的底部56。
当然,倾斜表面52可以是不存在的(零长度)且因此倾斜侧面54将突起的顶部连接至碗的底部。
在图2的示例中,该碗的底部通过大致平面表面56实体化并在一侧在点K处连接至凹圆形表面58,该凹圆形表面呈具有半径R1的圆弧形式,称为内圆形表面,其连接至倾斜表面54的底部,且该碗的底部在另一侧在点M处连接至另一凹圆形表面60,该凹圆形表面60呈具有半径R2的圆弧形式,称为外圆形表面,在其另一端在点N处连接至侧表面62(这里基本上垂直)。
两个圆形表面58和60以及平面表面56由此界定环形容积的下部分,这里环面的大致圆柱形部分64。
侧壁62仍是远离轴线XX’移动而延伸凸圆形表面66,该凸圆形表面66成具有半径R3的圆弧形式,称为再进入部,引导至倾斜平面68,该倾斜平面68连接至凹拐点表面69,凹拐点表面69连接至大致平面表面。该平面表面由外凸表面72连续,该外凸表面72呈具有半径R5的圆弧形式,其通向平面表面74,该平面表面74向上延伸至气缸壁的附近。
由此,燃烧室包括两个不同区域Z1和Z2,其中发生它们包含的氧化剂(增压或者不增压的空气,或者空气和再循环燃烧气体的混合物)与来自喷射器的燃料的混合,以及由此形成燃料混合物的燃烧。
由突起48界定的区域Z1、在碗底部处的环面64、壁62以及凸圆形表面66形成与燃料喷射轴线C1的下片36关联的燃烧室的下区域。由平面68界定的区域Z2、凹表面69、大致平面表面70、凸表面72、平面表面74、气缸和气缸头12的内周壁形成与燃料喷射轴线C2的上片38关联的该室的上区域。
在此构造中,对于靠近顶部死点中心的活塞位置,该碗包括:
-直径DD外的碗底部,具有被认为在轴线XX’与点M之间的半径,点M在平面表面56与半径为R2的表面60之间的接合处,
-直径DD内的碗底部,具有被认为在轴线XX’与点K之间的半径,点K在平面表面56与半径为R1的表面58之间的接合处,
-碗开口直径BD,具有被认为在碗底部附近并相对应于轴线XX’与外凹表面60的最远点之间量取的距离的半径,
-颈部直径GD,具有相对应于轴线XX’与界定该碗的外部分的垂直壁62之间的距离,
-上喷射直径ID1,具有相对应于轴线XX’与拐点表面69在点P(点P在倾斜平面68与凹表面70之间)处的起始点之间的距离的半径,通过界定喷射器喷嘴的轴线上的喷射轴线C2的原点T2与点P之间的喷射38的长度L6,满足公式ID1/sin(a2),
-碗的径向半部分Cb的展开长度,包括从突起顶部与轴线XX’交叉点至气缸壁的长度,
-在点M出的碗底部与突起的顶部之间的突起高度H,
-在点M处的碗底部与平面表面74之间的碗高度L,
-相对应于侧壁62的延伸的接合高度L3,该侧壁62的延伸被认为在外圆形表面60在点N处的端点与外圆形表面66的起点之间,
-被认为在点P与点M之间的高度L4,
-倾斜表面54相对于垂直线的倾斜角度a3,
-通过界定喷嘴的轴线上喷射轴线C1的原点T1与点F之间的喷射40长度L5,由撞击环面的下片36燃料喷射的主轴线C1与撞击点F的切线形成的倾斜角a4。该长度L5满足公式ID2/sin(a1),其中ID2相对应于具有相对应于轴线XX'与点F之间的距离的半径,
-被认为在外圆形表面60与侧壁62在点NMD处的切线的倾斜角a5,
-水平面相对于大致平面壁70的切线的倾斜角a6,
-水平面相对于倾斜平面68在相交点P处的倾斜角a7。
所有这些参数关于顶部死点中心附近的活塞16位置来考虑,其相对应于点M与喷射42的轴线C2的原点T2之间的距离D。
更精确地,距离D等于高度L4和高度C的和,高度C相对应于原点T2和点P之间的轴向高度。该高度相对应于公式ID1/tan(a2)。
由此,该碗的尺寸和角度参数满足以下条件中的至少一个:
-角度a4大于100°,该大小使得下片燃料喷射撞击半径R1的下降表面58并将该燃料喷射重定向到平面表面56上和半径R2的表面60上,并由此在环面中产生朝向气缸的顶部和中心的空气动力学向上运动,其允许与上片更多的相互利用,
-角度a5必须是正的且小于60°。较佳地必须是30°至40°量级,从而将下片36燃料喷射40朝向氧化剂容积S2引导,以使用该区域的氧化剂同时限制该燃料朝向上片38向上流动,
-突起48的顶部的位置尽可能靠近喷射器30的喷嘴32,从而限制喷射器下方不会有燃料喷射撞击的氧化剂的体积。由此,比率H/L大于40%且较佳地大于60%。
-角度a3大致等于下片的角度a1。由此,下片喷射的总轴线与突起的斜面54相切。下喷射由此可以在撞击活塞之前通过完全蒸发而撞击圆形表面58。
-两个片之间的氧化剂体积S2不为零,因为各片之间的相互作用不利于污染物。然而,体积S2需要最小化。因此,环面与再进入部66(中心R3的凸圆形表面)之间的连接长度L3必须使得L3/(2*R2的长度)<1或者(L3/R2的长度<2),以确保上片38与下片36之间可用的氧化剂体积S2相对于由下片的喷射产生的燃料体积是低的,
-布置在从再进入部66起始的活塞的上部分中的第二燃烧区用于上片38的燃料喷射42,
-区域Z2的燃烧体积至少等于碗的总容积的十分之一。
-称为挤压区的该区域由倾斜平面68、凹表面69、平面表面70、凸表面72以及平面表面74形成。角度a6范围在10°和75°之间,其允许燃烧燃料喷射42从而在活塞上产生空气动力学运动并还允许在挤压区使用氧化剂。该空气动力学允许在活塞上更好的燃料/氧化剂混合,尤其在发动机膨胀阶段过程中,由此促进燃烧气体的氧化,
-为了促进喷射42撞击在挤压区上,在再进入部与表面70之间设置引导表面68。该引导表面可以在再进入部的连接处倒圆角或者是大致平面。该引导表面的目的是集中燃料喷射42并将燃料喷射朝向凸表面72引导。由此,该引导表面在相交点P处具有角度a7,其与角度a2之间的差小于45°,
-表面58和60必须通过不为零长度(尺寸等于FD减去FID)的平坦底部连接,
-拐点表面69的位置使得距离(L5+(FD-FID))和L6大致具有相同的量级(0.5<(L5+(FD-FID))/L6<2)。由此,有利地,下片和上片的燃料喷射将基本上同时分别撞击环面的表面60和拐点区域,
-直径ID1必须使得ID1/GD>1且ID1<(GD+(Cb-GD)*2/3)。这允许燃料喷射42优化活塞上方的空气动力学。
此外,
·比率BD/L小于6,较佳地小于4,
·比率R2/R1小于1,较佳地小于0.6,
·比率FD/BD小于1,
·比率Cb/BD小于2,从而维持燃料的完全蒸发并防止气缸壁润湿,
·为了环面的空气动力学和燃料喷射的向上流动,比率GD/BD范围在0.7与1之间,
·比率H/L大于40%,较佳地大于60%,从而最小化喷射器喷嘴与突起之间的氧化剂体积,
·为了两个燃料喷射片同时撞击在拐点区域和环面上的上升部分,比率(L5+(FD-FID))/L6范围在0.5和2之间,
·A1范围在40°与105°之间,其中a1=A1/2,
·A2范围在150°与180°之间,其中a2=A2/2,
·a3大致等于a1,
·a4大于100°,
·a5范围在0°和60°之间,较佳地大致在10°和50°之间,
·a6范围在15°和75°之间,
·a7-a2小于45°,
·比率ID1/GD大于1,
·ID1小于(GD+(Cb-GD)*2/3)。
由此,通过该碗参数,下片36燃料喷射直接目标是环面64且它们不直接撞击再进入部66。
因此,下燃料/氧化剂混合物的燃烧基本上发生在下活塞容积中,即在环面中,而上燃料/氧化剂混合物的燃烧基本上发生在挤压区中并在活塞上方。
适于低压缩率(例如13.5和16.5之间)的该碗参数允许大大确保上片喷射与下片喷射的受限相互作用,其允许燃料/氧化剂混合均匀化,同时在高负载或非常高负载下满足机械强度要求。
Claims (8)
1.一种压燃直喷式内燃机,包括至少一个气缸(10)、承载燃料喷射装置(14)的气缸头(12)、在所述气缸中滑动的活塞(16)、在一侧上由所述活塞的上表面(44)界定的燃烧室(34),所述活塞包括突起(48),所述突起(48)沿所述气缸头的方向延伸并布置在凹碗(46)的中心内,所述压燃直喷式内燃机包括喷射装置,所述喷射装置以具有不同片角度(A1、A2)的至少两个燃料喷射片,具有喷射轴线C1的下片(36)和具有喷射轴线C2的上片(38),在所述燃烧室的至少两个混合区域(Z1、Z2)中喷射燃料,其特征在于,所述区域的其中之一包括中心B的环形容积(64),所述环形容积(64)具有平坦底部(56),所述下片的燃料喷射(40)以所述下片的喷射轴线C1包含在中心(B)与突起(48)之间的方式喷入所述平坦底部(56),并且与燃料喷射轴线C1的所述下片(36)相关联的所述燃烧室的下区域(Z1)由突起(48)、在碗底部处的环面、侧壁(62)以及凸圆形表面(66)来界定,而与燃料喷射轴线C2的上片(38)相关联的所述燃烧室的上区域(Z2)由倾斜平面(68)、凹拐点表面(69)、大致平面表面(70)、凸表面(72)、平面表面(74)、所述气缸和所述气缸头(12)的内周壁来界定,并且水平面与大致平面表面(70)的切线的倾斜角(a6)的范围在10°和75°之间。
2.如权利要求1所述的内燃机,其特征在于,所述燃料喷射片中的所述上片轴向布置在所述下片之上。
3.如权利要求1或2任一项所述的内燃机,其特征在于,所述喷射装置包括至少两个喷射器,所述至少两个喷射器以不同的片角度的燃料喷射片喷射燃料。
4.如权利要求1或2所述的内燃机,其特征在于,所述燃料喷射片的其中之一的片角度(A1)至多105°,而另一片的片角度(A2)至少150°。
5.如权利要求1或2所述的内燃机,其特征在于,所述碗包括半径R1和R2的环形容积(64)、碗底直径FD、碗底内部直径FID、碗开口直径BD、颈部直径GD、上喷射直径ID1、碗的径向段2*Cb的展开长度、突起高度H以及碗高度L,其特征在于,所述碗的尺寸满足以下条件中至少一个:
·比率BD/L小于6,
·比率FD/BD小于1,
·FD-FID完全是正的,
·比率2*Cb/BD小于2,
·比率GD/BD范围在0.7和1之间,
·比率H/L大于50%,
·比率R2/R1小于1,
·比率ID1/GD大于1,
·ID1小于(GD+(2*Cb-GD)*2/3)。
6.如权利要求1或2所述的内燃机,其特征在于,所述碗包括外圆形表面(60)、突起(48)的倾斜面(54)的倾斜角(a3)、通过在点(F)处撞击环面来喷射入环面的下片(36)燃料喷射(40)的主轴线(C1)与撞击点(F)的切线形成的倾斜角(a4)、外圆形表面(60)的切线与侧壁(62)的倾斜角(a5),以及水平面与大致平面表面(70)的切线的倾斜角(a6),其中所述外圆形表面(60)连接至侧壁(62),所述侧壁(62)与通向连接至凹拐点表面(69)的倾斜平面(68)的凸圆形表面(66)连续,其特征在于,所述碗满足以下条件中的至少一个:
·a3等于所述下片的喷射片半角A1/2,
·a4大于100°,
·a5范围在0°和60°之间,
·a6范围在15°和75°之间。
7.如权利要求6所述的内燃机,其特征在于,a5范围在30°和40°之间。
8.一种压燃直喷式内燃机的喷射方法,所述内燃机包括至少一个气缸(10)、承载燃料喷射装置(14)的气缸头(12)、在所述气缸中滑动的活塞(16)、在一侧上由活塞的上表面(44)界定的燃烧室(34),所述活塞包括突起(48),突起(48)沿气缸头的方向延伸并布置在凹碗(46)的中心内,所述方法包括以不同片角度(A1、A2)的至少两个燃料喷射片,喷射轴线C1的下片(36)和喷射轴线C2的上片(38)喷射燃料,其特征在于,与燃料喷射轴线C1的所述下片(36)相关联的所述燃烧室的下区域(Z1)由突起(48)、在碗底部处的环面、侧壁(62)以及凸圆形表面(66)来界定,而与燃料喷射轴线C2的上片(38)相关联的所述燃烧室的上区域(Z2)由倾斜平面(68)、凹拐点表面(69)、大致平面表面(70)、凸表面(72)、平面表面(74)、所述气缸和所述气缸头(12)的内周壁来界定,对于在碗(M)的底部与上片的燃料喷射的原点(T2)之间的活塞(16)的位置(D),其相对应于D=L4+ID1/tan(a2),其中L4是碗底部与上片燃料喷射的撞击点(P)之间的高度,ID1是撞击点(P)之间的上片的喷射直径,且a2是上片的喷射角度的一半,所述方法包括将下片燃料以燃料喷射片的轴线C1包含在中心B与突起(48)之间的方式喷射入一区域,所述区域包括中心B的环形容积(64),并且水平面与所述大致平面表面(70)的切线的倾斜角(a6)的范围在10°和75°之间。
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