CN106103972B - 包括用于冷却活塞的装置的带有压缩点火的直接喷射燃料的压缩式引擎 - Google Patents

包括用于冷却活塞的装置的带有压缩点火的直接喷射燃料的压缩式引擎 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种带有压缩点火的直喷内燃机，包括至少一个汽缸(10)、汽缸盖(12)、活塞(16)、燃烧室(34)和冷却装置(76)，该汽缸盖(12)具有根据带有不同层角度(A1、A2)的至少两个燃料喷射层(36、38)注入燃料的燃料注射装置(14)，活塞(16)在该汽缸中滑动，燃烧室(34)在一个侧面通过该活塞的上正面(44)界定，所述活塞包括沿汽缸盖方向上升且布置在带有至少两个混合区(Z1、Z2)的凹形凹陷部(46)的中心的凸缘(48)，冷却装置(76)用于冷却嵌入在活塞的材料中的活塞。根据本发明，冷却装置包括与活塞的凹陷部(46)共轴且相对至少一个混合区(Z1、Z1)布置的至少一个圆周通道(78、82)。

Description

包括用于冷却活塞的装置的带有压缩点火的直接喷射燃料的 压缩式引擎
技术领域
本发明涉及一种包括活塞冷却装置的压缩点火直喷燃烧式引擎。
本发明更具体地涉及可在空中运输或公路部门中使用的此类引擎，或可在静态设备诸如引擎发电机的领域中使用的此类引擎。
该类型的引擎通常包括至少一个汽缸、活塞、用于氧化剂的进气装置、燃烧气体排放装置、燃烧室和注射装置，所述活塞具有布置在凹形凹陷部中的凸缘并以往复直线运动在该汽缸中滑动，所述注射装置用于将燃料注入燃烧室。
众所承认，在设计引擎时，性能、污染物排放和燃烧室的机械强度限制日益提高，然而满足这些要求的装置却完全相反。
由此，性能增加通常导致排放物的增加和更高的机械应力。
因此，有必要克服这些应力以便在引擎的整个操作范围内、尤其在非常高负载下保证有限的污染物排放和满意的机械强度。尤其是对于污染物排放而言非常重要的是，使用在燃烧室中出现的氧化剂(例如包括环境压力下的空气、增压空气或者空气(增压或未增压的)混合物的氧化剂)和再循环燃烧气体的氧化剂。
实际上，燃烧室中的燃料混合物(氧化剂/燃料)需要尽可能地均匀。
在实践中，燃料囿于凹陷部中，因而其不能与挤压空间(即，在由汽缸壁和相对活塞的汽缸盖正面界定的位于燃烧室上部的体积中)中显著含有的氧化剂混合。
这涉及在燃烧这种燃料混合物时的缺点：在燃烧区中创建高富集区域，生成大量烟灰，一氧化碳(CO)和未燃烧烃类(HC)。
此外，回到机械强度问题，热负载集中在活塞的再入部分(即标记活塞凹陷部和涵盖挤气区域的上区之间的过渡的凹陷部颈或直径限制部)，在处于非常高负载的机械强度的情况下，该再入部分可受限。
背景技术
为了克服这些缺点，以及如在本申请人提交的法国专利申请号13/60,426更详尽描述的，本文提供一种内燃机，该内燃机包括燃料注射装置和活塞，该燃料注射装置带有具有至少两个片角度的射流，该活塞包括带有凸缘的凹陷部，该凹陷部带有两个燃烧区体积以及基本上改进燃烧质量的内部空气动力。
然而，增加这类引擎的功率密度的愿望引起设计者重新考虑尺寸并且因此重新考虑这类引擎的各种组成部件的质量。
值得注意的是，引擎机体是引擎的最重要部件之一，经常考虑减少该部件的高度(行李舱盖高度减少)以便显著减少其质量。这种高度变化显著引起活塞高度减少。
现在，增加引擎的功率密度也涉及增加引擎的特定功率。
这引起燃烧室的组成部件(诸如汽缸盖、汽缸和活塞)经受的机械应力的大幅增加。尽管必要的活塞高度减少和应力增加，但是维持高可靠性水平，尤其关于用于这类引擎的机械强度的高可靠水平需要使用钢而不是常规使用的铝作为这种活塞的组成材料，以便使得更好的活塞抗性成为可能。
然而，相比于铝，钢具有较低的热传导率。因此，有必要使用允许从最常承受热应力的这种部件的区(诸如再入部分、凹陷部底部和挤气区域)移除热的装置。
众所周知，尤其通过法国专利申请号2,839,116，可以使用以油循环通道形式的冷却装置改进对这种活塞的冷却，该油循环通道在活塞下正面上耦接有特定油喷雾系统。
然而，此类通道布局到现在未被优化，这导致不期望的活塞温度上升。
因此，本发明目的在于通过这样的活塞克服上述缺点，该活塞包括提供简单廉价的冷却活塞的通道。
发明内容
因此，本发明涉及压缩点火直喷内燃机，其包括至少一个汽缸、汽缸盖、活塞、燃烧室和活塞冷却装置，该汽缸盖承载以带有不同料束角度的至少两个燃料喷射片将燃料注入的燃料注射装置，该活塞在该汽缸中滑动，该燃烧室在一个侧面通过活塞的上正面界定，活塞包括沿汽缸盖方向延伸并布置在带有至少两个混合区的凹形凹陷部中心的凸缘，该活塞冷却装置容纳在活塞的材料中，其特征在于，冷却装置包括与活塞凹陷部共轴并相对至少一个混合区布置的至少一个圆周通道。
通道的节段的形状可为柱形。
通道的横截面积范围可在20mm2和200mm2之间。
一个通道的表面积可不同于另一个通道的表面积。
通道可相对两个混合区延伸。
在凹陷部表面和最靠近的通道的壁之间的距离范围可在2mm和7mm之间。
附图说明
本发明的其他特征和优点通过阅读参考附图以非限制性示例方式给出的以下说明书将显而易见，其中：
图1示出根据本发明的内燃机，
图2为图1所示引擎的活塞凹陷部轮廓的半个节段的局部放大图，以及
图3示出在图1和图2所示引擎活塞中冷却装置的放大布局图。
具体实施方式
参考图1，压缩点火直喷内燃机包括至少一个汽缸10，在上部靠近汽缸的汽缸盖12，由汽缸盖承载的燃料注射装置14，和以往复直线运动沿轴线XX在汽缸的活塞16(优选由钢制造)中滑动。
燃料理解成液体燃料诸如柴油燃料、煤油或任何其他燃料，其带有允许包括用于这种燃料的直接注射系统的压缩点火型的引擎的操作的物理化学特性。
这种引擎还包括燃烧气体排放装置18和用于氧化剂的进气装置24，该燃烧气体排放装置18带有至少一个排放管20，该排放管20的开口可由任何装置诸如排放阀22(例如)控制，该进气装置24带有至少一个进气管26，该进气管26的开口可由任何装置诸如进气阀28(例如)控制。
氧化剂理解成处于环境压力的空气，或加压空气，或空气(加压或未加压的)和燃烧气体的混合物。
注射装置包括优选沿活塞的轴线XX布置的至少一个燃料注射器30，该注射器30的喷嘴32包括多个腔，通过该腔燃料被喷雾并且沿引擎的燃烧室34的方向注入。
通过这些注入装置，注入的燃料形成至少两个燃料喷射片(在这里燃料喷射40和42的两个片36和38)在所示的示例中，该两个片36和38具有与活塞16的轴线合并的共用轴线，同时被轴向地定位成一个在另一个上方。
更精确地，更靠近活塞16的片36在以下说明书中被称为下片，而更远离该活塞的片38被称为上片。
从图1可以看出，这两个片形成彼此不同的片角度A1和A2。片角度理解为由源自注射器的圆锥体形成的顶角，该圆锥体想象中的外围壁通过燃料喷射40和42的全部轴线C1或C2。
有利地，下片的片角度A1至多等于130°，优选范围在40°和130°之间，而上片的片角度A2至多等于180°，优选范围在150°和180°之间。
为了简化的原因，在说明书剩余部分，角度a1对应于A1/2而a2对应于A2/2(参见图2)。
因此，两个片角度之间的差值至少50°以便限制燃料喷射在两个片之间重叠并且因此限制污染物诸如烟灰的形成。
当然，注入装置可以不沿着轴线XX布置，但在这种情况下燃料喷射片与燃料注射器的通用轴线至少基本上平行于该轴线XX。
相似地，每个片由专用于燃烧室不同区的不同注射器(单片喷射器)承载是可以的。
燃烧室34由相对活塞的汽缸盖12的内正面、汽缸10的圆形内壁和活塞16的上正面44界定。
活塞的该上正面包括凹形凹陷部46，这里其轴线与汽缸的轴线合并，该凹形凹陷部46的凹面朝向汽缸盖并且该凹陷部容纳基本上布置在凹陷部中心的凸缘48，该凸缘48朝向汽缸盖12上升，同时优选与来自注射器30的燃料片的轴线共轴。
当然，凹陷部的轴线可以不与汽缸的轴线共轴，但重要的是这样的布局，根据该布局燃料注射片的轴线、凸缘的轴线和凹陷部的轴线优选合并。
此外，参考图2，凸缘48(大体上截顶的形状)包括优选圆顶部50，在远离轴线XX朝向活塞16的外面对称地移动时，该圆顶部50通过经倾斜侧面54向下延伸的基本上直线的倾斜表面52向下延伸至凹陷部的底部56。
当然，不脱离本发明范围的情况下，倾斜表面52可不存在(零长度)并且然后倾斜侧面54将凸缘的顶部连接至凹陷部的底部。
在图2的示例中，该凹陷部的底部为圆的，其中半径为R1的以圆弧形式的凹形圆表面58(被称为内圆表面)连接至倾斜侧面54的底部，并且半径为R2以圆弧形式的另一个凹形圆表面60(被称为外圆表面)在一个端部于点M处连接至内圆表面的下端部并在其另一个端部于点N处连接至基本上在此垂直的侧壁62。
因此，这两个圆表面58和60界定了曲面体积的下部分，在这里是基本上柱形的节段64和中心B的环面，该中心B的作用在说明书剩余部分描述。
仍然在远离轴线XX移动时，侧壁62通过半径为R3以圆弧形式的凸形圆表面66(被称为再入部分)延伸，通向接连至与基本上平表面70连接的凹形弯曲表面69的倾斜平面68。该平表面通过半径R5以圆弧形式的外凸形表面72延长，该表面72通向一直延伸到汽缸壁附近的平表面74。
因此，燃烧室包括两个不同的区Z1和Z2，在其中发生Z1、Z2含有的氧化剂(加压或未加压的空气，或者空气和再循环燃烧气体的混合物)与来自注射器的燃料的混合，以及因此形成的燃料混合物的燃烧。
为了简化的原因，在说明书的剩余部分，这些区被称为燃烧区。
区Z1(由凸缘48，在凹陷部底部的环面64，壁62和凸形圆表面66界定)形成与轴线C1的燃料喷射的下片36相关的燃烧室的下区。区2(由倾斜平面68，凹形表面69，基本上平表面70，凸形表面72，平表面74，汽缸的外围内壁和汽缸盖12界定)形成与轴线C2的燃料喷射的上片38相关的燃烧室的上区。
在这种构型中，针对靠近上止点的活塞位置，凹陷部包括：
凹陷部底部外径FD，其具有据认为在轴线XX和凹陷部最低点(M点，即在半径R1的表面和半径R2的表面之间的交汇处)之间的半径，
凹陷部开口直径BD，其具有据认为在凹陷部底部附近中并对应于在轴线XX和外凹形表面60的最远点之间截取的距离，
颈部直径GD，其具有对应于在轴线XX和限定该凹陷部的出口节段的竖直壁62之间距离的半径，
上注射直径ID1，其具有对应于在轴线XX和在点P的弯曲表面69的起始处之间距离的半径，该点P在倾斜平面68和凹形表面66之间，通过限定在注射器喷嘴轴线上的喷射的轴线C2的起点T2和P点之间的喷射38的长度L6，ID1满足公式ID1/sin(a2)，
凹陷部直径的半节段Cb的展开长度，其由从凸缘顶部与轴线XX交汇处至柱形壁的长度组成，
凸缘高度H，其在点M的凹陷部底部和凸缘顶部之间，
凹陷部高度L，其在点M的凹陷部底部和平表面74之间，
接合高度L3，其对应于侧壁62的延伸，该延伸据认为在点N的外圆表面60的端部和外圆表面66起始处之间，
高度L4，其据认为在点P和点M之间，
倾斜角a3，其关于倾斜侧面54与垂线，
倾斜角a4，通过界定在注射器喷嘴的轴线上的喷射的轴线C1的起点T1和点F之间的喷射40的长度L5，所述倾斜角a4由冲击环面的下片36的燃料喷射的主轴线C1与冲击点F的切线形成。该长度L5满足公式ID2/sin(a1)，其中ID2对应于具有半径的下注射直径，该半径对应于轴线XX和点F之间的距离，
倾斜角a5，其据认为在外圆表面60与侧壁62于点N的相切处，
倾斜角a6，其关于水平线和基本上平面的壁70的切线，
倾斜角a7，其关于在交汇点P的水平线和倾斜平面68。
全部这些参数理解成用于在上止点附近中活塞16的位置，该上止点对应于据认为在点M和喷射42的轴线C2的起点T2之间的距离D。
更精确地，该距离D等于高度L4和高度C的总和，其中高度C对应于起点T2和点P之间的轴向高度。该高度对应于公式ID1/tan(a2)。
因此，该凹陷部的尺寸和角度参数满足以下些条件中的至少一个：
角度a4大于80°，其等同于越过在环面65的中心B和凸缘且更精确地在点M的下部分之间的半个燃料喷射，并且因此在环面中生成朝向汽缸顶部的空气动力的向上运动，
角度a5必须为正角并小于90°。优选地，其具有30°至40°的顺序以便朝向氧化剂体积S1引导下片36的燃料喷射40以便使用该区的氧化剂同时限制该燃料朝向上片38的上升流动，
仍然为了优化燃烧室中氧化剂的使用，最小化下片的燃料喷射40之间的氧化剂体积S1，
凸缘48顶部的位置尽可能靠近注射器30的喷嘴32以便限制在不由燃料喷射冲击的注射器下方的氧化剂体积，这再次等同于最小化体积S1。因此，比率H/L大于40％并优选大于60％，
角度a3基本上等于或大于下片的角度a1(-10°＜a3-a1＜10°)。因此，下片喷射的共用轴正切与凸缘的侧面54。因此，下片36的燃料喷射40可通过在冲击活塞之前完全汽化而与圆表面58相互作用，
在两个片之间的氧化剂体积S2为非零，因为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，在环面和再入部分66(半径R3的凸形圆表面)之间的接合长度L3使得L3/(2*R2的长度)<1或者(L3/R2的长度<2)，以便确保在上片38和下片36之间可用的氧化剂体积S2相对于由下片的喷射生成的燃料体积而低，
第二燃烧区Z2，其布置在从再入部分66开始的活塞的上部分中，用于上片38的燃料喷射42，
区Z2的燃烧体积至少等于凹陷部总体积的十分之一，
被称为挤气区域的区域通过倾斜平面68、凹形表面69、平表面70、凸形表面72和平表面74形成。角度a6范围在10°和75°之间，这允许突然出现燃料喷射42以便在活塞上方创建空气动力的运动并且另外使用在挤气区域中的氧化剂。这种空气动力允许在活塞上方尤其在膨胀期间更好的燃料/氧化剂的混合，因而促进燃烧气体的氧化，
为了促进来自喷射42的燃料在挤气区域中的分配，在再入部分66和表面70之间提供引导表面68。该引导表面可为在再入部分的延续部分中的圆的或基本上平面的。该引导表面的作用在于浓缩燃料喷射42并将其朝向凸形表面72引导。因此，该引导表面在交汇点P具有角度a7，该角度与片角度a2的差值小于45°，
弯曲表面69的位置使得距离L5和L6具有大约相同的顺序(0.5小于L5/L6＜2)。因此，有利地，燃料喷射将同时分别冲击环面中的活塞和弯曲区，
直径ID1必须使得ID1/GD>1及ID1<(GD+(Cb-GD)*2/3)。这允许燃料喷射42优化在活塞上方的空气动力。
此外，
●比率BD/L小于6，优选小于4，
●比率R2/R1小于1，优选小于0.6，
●比率FD/BD小于1，
●比率Cb/BD小于2，以便维持燃料的完全蒸发及阻止汽缸壁变湿，
●比率GD/BD范围在0.7和1之间以便环面空气动力和燃料喷射的上升流动，
●比率H/L大于40％，优选大于60％以便最小化在注射器喷嘴和凸缘之间的氧化剂体积，
●比率L5/L6范围在0.5和2之间以便同时冲击两个片，
●A1范围在40°和130°之间，其中a1＝A1/2，
●A2在130°和180°之间的范围，其中a2＝A2/2，
●a3基本上等于a1，
●a4大于80°，
●a5范围在0°和90°之间，优选基本上在30°和40°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)。
因此，通过这种凹陷部参数，下片36的燃料喷射直接以环面64为目标并且燃料喷射不直接冲击再入部分66。
因此，下燃料/氧化剂混合物的燃烧主要发生在环面体积中，因此上燃料/氧化剂混合物的燃料主要发生在挤气区域及活塞上方。
此外，上片喷射与下片喷射的相互作用被限制，这允许燃料/氧化剂混合物均匀同时满足在高负载下的机械强度限制。
活塞还包括冷却装置76，其包括与至少一个燃烧区Z1、Z2相关的至少一个通道78。
该通道78为与轴线XX共轴的圆周通道，容纳在活塞材料中，每个相对至少一个燃烧区Z1、Z2布置。
众所周知，冷却流体诸如引擎润滑油允许通过基本上平行于轴线XX的入口管路80进入通道中，并且冷却流体通过与入口管路相同布局的排出管路(未示出)排出。
因此，在收集在燃烧区中燃烧燃料混合物时释放的热的一部分时，冷却流体在通道内循环，因此阻止活塞温度过度上升。
更具体地，通道78允许提供从凹陷部的部件诸如外圆表面60、凸形圆表面66(再入部分)和倾斜平面68移除热，该倾斜表面68连接至与燃烧区72的基本上平表面70接连的凹形弯曲表面69。
实际上，这些部件直接位于燃烧进行的地方，并且因此它们为经受最高热应力的活塞部件。
因此，至少一个圆周冷却通道78提供在活塞的材料中，靠近界定凹陷部周边(包括凸形圆表面66(再入部分)和连接至与基本上平面的表面70接连的凹形弯曲表面69的倾斜表面68)的壁。有利地，该通道也可相对在外圆表面60附近的区Z1延伸。
有利地(参见图1)，以通道78不延伸远至表面60的方式，在区Z1的环面64的外圆表面60的附近中，带有其入口管路84和其排放管路(未示出)的至少另一个通道82可提供在活塞的材料中。
这些通道78和82优选具有范围在20mm2和200mm2之间的横截面积，并且它们被供应冷却油，以举例方式，经由油注射或喷雾通过入口管路80、84在活塞下止点进入到一个/多个通道中。油的重力排放发生在另一个管路(未示出)。
因此，通道的横截面积(一个通道的横截面与另一个通道的横截面间可以不同)允许阻止不利于活塞冷却并使活塞的机械性能退化的气泡。
以举例方式，通道可包括柱形形状的节段，基本上不规则四边形形状诸如通道78的节段，或基本上圆形形状的节段，如由通道82所示的。
然而，在燃烧区和通道之间的具有足够的活塞材料厚度是必要的，以便使得不影响活塞的机械强度。
更精确地，以举例方式结合图3，在凹陷部的不同表面和最靠近凹陷部的通道壁之间的距离必须范围在2mm和7mm之间。
更精确地，在连接至凹形弯曲表面69的倾斜平面68和最靠近该倾斜平面的通道78的上壁86之间的距离E1，在外圆表面60和最靠近该表面的通道78的壁(这里为垂直壁88)之间的距离E2，和在凸形圆表面66与该通道的凸形表面90的距离E3必须在前述距离范围中获得。
相似地，如果另一个通道82相对外圆表面60布置，在该圆表面和最靠近通道的壁之间的距离E4必须范围在2mm和7mm之间。
最大距离7mm允许为经受最高热应力的活塞部件提供足够冷却，并且因此维持高可靠性水平。

Claims (5)

1.一种压缩点火直喷内燃机，包括至少一个汽缸(10)、汽缸盖(12)、活塞(16)、燃烧室(34)和活塞冷却装置(76)，所述汽缸盖(12)承载以带有不同片角度(A1、A2)的至少两个燃料喷射片(36、38)将燃料注入的燃料注射装置(14)，所述活塞(16)在所述汽缸中滑动，所述燃烧室(34)在一个侧面通过所述活塞的上正面(44)界定，所述活塞包括沿所述汽缸盖方向延伸并布置在带有至少两个混合区(Z1、Z2)的凹形活塞凹陷部(46)中心的凸缘(48)，所述活塞冷却装置(76)容纳在所述活塞的材料中，其特征在于，所述冷却装置包括与所述凹形活塞凹陷部(46)共轴并相对所述至少一个混合区(Z1、Z1)布置的两个圆周通道(78、82)，其中，一个圆周通道的表面积不同于另一个圆周通道的表面积，以及其中，两个圆周通道中的一个圆周通道(78)靠近界定所述凹形活塞凹陷部(46)的周界的壁设置，所述周界包括凸形圆再入表面(66)和倾斜表面(68)，所述倾斜表面连接至与基本上平面的表面(70)接连的凹形弯曲表面(69)。
2.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述通道(78、82)的节段的形状为柱形形状。
3.根据权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，所述通道(78、82)的横截面积范围在20mm2和200mm2之间。
4.根据权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，所述通道(78)相对所述至少两个区(Z1、Z2)延伸。
5.根据权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，在所述凹形活塞凹陷部的表面和最靠近的通道壁之间的距离(E1、E2、E3、E4)范围在2mm和7mm之间。
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