CN106870116B - 内燃发动机的预燃室 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于内燃发动机(1)的预燃室主体(26)。预燃室主体(26)包括预燃室(34)、流体连接预燃室(34)和预燃室主体(26)外部的流动传输通道(40)。预燃室主体(26)还包括至少一个流体连接预燃室(34)和流动传输通道(40)的回流管道(52，62)。至少一个回流管道(52，62)帮助平均预燃室(34)和流动传输通道(40)的空气燃料比分布。

Description

内燃发动机的预燃室
技术领域
本发明总体上涉及内燃发动机。更具体地说，本发明涉及用于内燃发动机的预燃室主体、用于内燃发动机的预燃室组件以及运行内燃发动机的方法，内燃发动机包括主燃室和预燃室。
背景技术
气体燃料和空气的贫混合物供能的气体燃料内燃发动机可以在每个汽缸包括预燃烧室(也可称作预燃室)，用于点火。特别是，大孔口发动机可以受益于预燃室，因为使用贫燃料空气混合物以连续实现完全和彻底的燃烧是特别困难的。
典型地，预燃室可以经由流动传输通道(包括上升管道和多个流动传输管道)流体地连接至各个汽缸的主燃室。在压缩冲程期间，流动传输通道通过流动传输管道和上升管道使来自主燃室的气体燃料和空气的贫混合物流入预燃室。经由独立燃料供应通道提供少量(气体)燃料进入预燃室，例如在进气冲程期间，预燃室的富化贫混合物可以受到影响。通过点火器，例如火花塞，富化的混合物可以在预燃室点燃。富化的混合物的点燃使来自预燃室传播的热气体的火焰前缘经由流动传输通道进入主燃室。因此，主燃室的贫混合物点燃并燃烧，另外扩张驱动曲轴的移动活塞。
例如，US 2013/0160734 A1公开了内燃发动机的预燃室系统。预燃室系统具有预燃室、燃料引进装置和死区空间，死区空间将燃料引进装置连接到预燃室。提供的管道可以连接预燃室到死区空间，以便死区空间得以冲洗，从而避免死区空间的富裕区域和烟尘颗粒的形成。
本发明可至少部分地经引导以改善或克服先前系统的一个或多个方面。
发明内容
一方面，本发明涉及用于内燃发动机的预燃室主体。预燃室主体可包括预燃室、流体连接预燃室和预燃室主体外部的流动传输通道。预燃室主体包含至少一个流体连接预燃室和流动传输通道的回流管道。
另一方面，本发明涉及预燃室组件。预燃室组件包括如本文示例性公开的预燃室主体。预燃室组件包括可操作联接到预燃室的点火装置以点燃其中的混合物，以及流体连接到预燃室的燃料供应装置以供应燃料。
仍有另一方面，本发明涉及操作包括主燃室和预燃室的内燃发动机的方法。此方法包括将燃料气体混合物经由流体连接预燃室和主燃室的流动传输通道从主燃室供应到预燃室。此方法包括供应燃料到预燃室，并因此，通过混合来自主燃室的混合物和燃料，富化主燃室的混合物。此方法还包括将来自预燃室的富化的混合物的一部分通过至少一个回流管道供应到流动传输通道，并因此，通过混合来自主燃室的混合物和来自预燃室的富化的混合物，使流动传输通道中的混合物富化。
本发明的其他特征和方面可以从以下描述和附图明显得知。
附图说明
附图在本文中引入并组成说明书的一部分，阐明本发明的示例性实施例，连同说明书用于解释本发明原则。在附图中：
图1示出根据本发明的配备预燃室主体的内燃发动机的一部分的示意性剖视图；
图2示出根据本发明的示例性预燃室组件的示例性剖视图；和
图3示出根据本发明的另一个示例性预燃室组件的示例性剖视图。
具体实施方式
以下是本发明示例性实施例的详细说明。在其中描述并在附图中阐明的示例性实施例旨在教导本发明的原则，使本领域的普通技术人员能够使本发明在许多不同的环境中实施并用于许多不同应用中。因此，示例性实施例不旨在，也不考虑为对专利保护范围的限制性描述。相反，专利保护范围应该受限于所附权利要求书。
本发明部分地基于预燃室内空气燃料比(AFR)分布与由气体燃料吹扫的常规预燃室中点火时间不均的实现。特别是，其燃料或燃料和气体的富混合物通过燃料供应装置直接供应的预燃室上部区域与预燃室下部区域和连接预燃室和主燃室的流动传输通道相比，AFR较低。换句话说，在点火时间上，上部区域填充的富混合物比预燃室和流动传输通道的下部区域更富足。在AFR分配中的不均导致燃烧速度和排放构造的恶化。
相应地，在此建议在预燃室主体中包括回流再循环管道。回流管道可经配置以根据压力差生成从预燃室到流动传输通道的回流。回流增加预燃室和流动传输通道中的混合，并因此平均预燃室和流动传输通道中的AFR分配。
现参考附图通过示例方式解释本发明的总则。图1描述设置在内燃发动机1(未在更多细节中示出)的一部分的汽缸4内的活塞2。汽缸4由汽缸盖6覆盖。活塞2、汽缸4和汽缸盖6一起限定内燃发动机1的主燃室8。活塞2可在内燃发动机1工作期间，往复地设置在汽缸4中以在上止点(TDC)和下止点(BDC)之间移动。
为了描述本发明的示例性实例，内燃发动机1被认为是一种四冲程内燃发动机，其至少部分地基于气体燃料操作，例如气体燃料发动机或双燃料发动机。如这里所公开的，本领域技术人员将会理解，内燃发动机可以是任何类型的发动机(涡轮机、燃气、柴油、天然气、丙烷、二冲程等)，其将利用预燃室组件。此外，内燃发动机可以是任何尺寸，具有任意数量汽缸，以及以任意配置(V型、直列式、径向等)。此外，内燃发动机可以用于驱动任何机器或其它装置，包括机车应用、公路卡车或车辆、越野卡车或机器、土方设备、发电机、航天应用、海洋应用、泵、静止设备，或其它发动机驱动的应用。
汽缸盖6包括至少一个入口阀10，例如提升阀。入口阀10容纳在汽缸盖6的活塞侧表面14中的入口管道12开口中，用于提供气体燃料和空气的(贫)混合物或空气进入主燃室8。类似地，至少一个出口阀16，例如同样是提升阀，容纳在汽缸盖6的出口管道18，以引导废气排出主燃室8。
汽缸盖6还包括预燃室组件20。多个流传送管道22将主燃室8与上升管道和在预燃室组件20内的预燃室(图1中都不可见)流体连接。
预燃室组件20经由安装主体24安装在汽缸盖6中，如图1所示。另外，预燃室组件20可以以任何其他的方式安装在汽缸盖6中。
参阅图2，预燃室组件20的第一实施例是以示意性剖视图示出的。
预燃室组件20包括第一预燃室主体26、第二预燃室主体28、点火装置30和燃料供应装置32。第一预燃室主体26和第二预燃室主体28相互连接。点火装置30和燃料供应装置32容纳在第二预燃室主体28中。
第一预燃室主体26包括并限定预燃室或预燃室主要部分34、上升管道38和流动传输管道22。上升管道38和流动传输管道22一起形成流动传输通道40。流动传输通道40连接预燃室34与第一预燃室主体26的外部。在组装后状态下，流动传输通道40连接预燃室34和主燃室8(图1所示)。
如图2所示，预燃室34的直径大于上升管道38的直径，上升管道38的直径接着大于流动传输管道22的直径。
预燃室或主(上部)预燃室容积34由第一预燃室主体26的预燃室表面42限定。预燃室表面42包括形成于第一预燃室主体26中的第一部段42A，以及形成于第二预燃室主体28中的第二部段42B。在所示的实施例中，第一部段42A是围绕预燃室纵向轴线A同心地布置的圆周面。
预燃室34沿第一预燃室主体26的纵向轴线A延伸，呈漏斗状，在上升管道38的方向上逐渐变为锥形。另外，预燃室34可以有任何其它的形状，例如圆柱形、棱锥形、圆锥形，以及其组合。例如，预燃室34的体积介于汽缸4压缩体积的0.1％和10％之间。(见图1)
预燃室34的底部段平滑过渡到上升管道38。上升管道38纵向地延伸到第一预燃室主体26，并且一端在预燃室34中开口。正如图2所示的结构，上升管道38与预燃室纵向轴线A对齐。另外，上升管道38可以平行于预燃室纵向轴线A伸展，或者可以与预燃室纵向轴线A界定角度。上升管道38流体连接预燃室34和流动传输管道22。
为了流体连接上升管道38的底部段和主燃室8的顶部段(见图1)，设置有流动传输管道22。流动传输管道22以弯曲或直线的方式延伸通过第一预燃室主体26的尖端部分43。
在一些实施例中，流动传输管道22可以直接在预燃室34中开口。换句话说，流体连通在预燃室和流动传输管道之间的上升管道可以省略。
点火装置30，例如火花塞、激光或等离子体点火器，点火燃料喷射器或电热塞，可安装在预燃室组件20中，使得点火装置30可操作地联接到预燃室34。
如本文中所使用的，“可操作地联接”意味着点火装置30根据其点火机理经配置和安排以点燃预燃室34中的可燃混合物。例如，如果点火装置30是火花塞，点火装置30可延伸进入预燃室34。具体而言，火花塞的电极可进入预燃室34，使得电极之间的火花可以点燃预燃室34中的混合物。作为另一示例，如果点火装置30是激光点火器，点火装置30可以经由窗口从预燃室34中分离，窗口配置为将激光束从激光点火器发射到预燃室34。
如果点火装置30配置为进入到预燃室34的点火器(如图2所示的示例图)，点火装置30可安装在第一或第二预燃室主体26、28以延伸通过点火装置孔44。
燃料供应装置32安装在延伸通过第二预燃室主体28的燃料供应孔46。另外，燃料供应装置32可以安装在第一预燃室主体26中。
燃料供应装置32可配置成将燃料(例如，气体燃料，或燃料和空气的富混合物)供应到死区空间48，死区空间48经由燃料供应管道50流体连接到预燃室34。燃料供应管道50在点火装置30附近的预燃室34的顶部区域中打开，以便将燃料从燃料供应装置32供应到预燃室34。
在一些实施例中，燃料供应装置可直接进入预燃室34。换句话说，在燃料供应装置和燃料供应通道之前的死区空间可省略。
第一预燃室主体部分还包括多个回流或再循环管道52。回流管道52各自在预燃室开口54与上升通道开口56之间延伸，以流体连接预燃室34与上升管道38。预燃室34的锥形部段中设置预燃室开口54。附加或额外的是，预燃室开口54可放置在预燃室34中具有恒定直径的部段。
回流管道52放置在围绕预燃室纵向轴线A周向延伸的预燃室壁58中。例如，如图2所示，回流管道可围绕预燃室纵向轴线A对称设置。
在一些实施例中，例如，如图2所示的实施例，上升管道38包括文丘里收缩段(直径变小之后紧接着直径变大)。本领域技术人员将了解，上升通道开口56位于上升管道38的文丘里收缩段中，以形成本领域技术人员所理解的所谓的文丘里管。
例如，一些回流管道52可在1和16范围之间，尤其是在4和8范围间。
在所示的实施例中，回流管道52具有弯曲形状。在其他实施例中，回流管道可具有直线形状，例如允许回流管道52进行钻孔。
参考图3，示出了第一预燃室主体26的另一个示例性实施例。除了回流管道的配置，图3的第一预燃室主体26与图2中的第一预燃室主体26大致相似。
在此，多个回流或再循环管道60在预燃室开口62与流动传输管道开口64之间延伸，以流体连接预燃室34与流动传输管道22。与图2所示的实施例类似的是，回流管道60在预燃室壁58中围绕预燃室纵向轴线A对称设置，预燃室34的锥形部段中设置预燃室开口62。其他实施例中，回流管道60可以其他方式设置，例如，围绕预燃室纵向轴线A不对称设置，例如以影响在点火装置30周围的AFR。
在一些实施例中，流动传输管道22可包括文丘里收缩段以形成文丘里管，连同流动传输管道开口64一起布置在文丘里收缩段附近。
在一些实施例中，第一预燃室主体26可同时包括在上升传输通道38中的回流管道52开口以及在流动传输管道22中的回流管道60开口。比如，回流管道52与回流管道60可彼此交替设置在围绕预燃室纵向轴线A的圆周方向。
工业实用性
本文示例性公开的预燃室尤其适用于使用贫燃料混合物的固定的或船用大口径气体燃料内燃发动机。然而，本领域技术人员将了解，本文也公开装备预燃室的其他内燃发动机。
接下来，描述结合预燃室组件20功能的内燃发动机1的操作。
在内燃发动机1运行期间，燃料和空气混合物，例如贫燃料和空气混合物从主燃室8进入预燃室34。特别地，燃料和空气混合物通过流动传输通道40(尤其是流动传输管道22与上升管道38)进入预燃室34。
此外，燃料和空气的富混合物或仅燃料(例如气体燃料)经由燃料供应装置32供应到预燃室34。特别地，燃料供应装置32将燃料(以及可选的空气)供应到死区空间48，从此流入预燃室34的上部段。燃料与来自主燃室8的混合物混合，并因此在预燃室34中(尤其在火花塞30前方)产生可燃的富化的混合物。
然而，燃料浓度(AFR分布)可不均匀分布在预燃室34、上升管道38以及流动传输管道22中。
本文公开的预燃室主体26允许来自预燃室34的富化的混合物一部分经由回流管道52和60流入流动传输通道40。例如，富化的混合物可进入回流管道52的进气开口54，流过回流管道52，并通过出气开口56离开回流管道52，进入上升管道38。附加或额外的是，例如，富化的混合物可进入回流管道60的进气开口62，流过回流管道60，并通过出气开口64离开回流管道60，进入上升管道22。富化的混合物的回流在第一预燃室26中引起再循环，因此在远离燃料供应装置32的预燃室组件20的区域处(例如，在燃料传输管道22以及上升管道38处)增加燃料浓度。此外，进入流动传输通道40的回流改进了混合，并且因此，改进相对于燃料浓度的均匀性和/或预燃室组件20内的AFR分布。
进入流动传输通道40的回流通过预燃室34与流动传输通道40之间的压力差得到促进。特别地，预燃室34比流动传输通道40具有更高的静态压力，因为流动传输通道40中的流动速率由于流动传输通道40减少的流动截面积而变得更高，尤其是在流动传输管道22与上升管道38中。
此外，如果在上升管道38的文丘里收缩段和流动传输管道22中分别提供回流管道出口56和/或64，则进入流动传输通道40的回流可增加，以形成文丘里管(参见图2)。文丘里管进一步减少回流管道出口56和/或64的区域中的压力，以此各自增加相对开口54、56以及62之间的压力差。因此，由于文丘里效应，来自预燃室34的富化的混合物可更快的地经由回流管道54和60抽吸进入流动传输通道40。
在一些实施例中，为了增加AFR分布的均匀性，多个回流管道52和/或60可配置在围绕预燃室轴线A的圆周方向，例如，在围绕预燃室轴线A的圆周方向上均匀地分布。
预燃室主体26和/或28可通过钻孔、侵蚀、浇铸、3D烧结、3D印刷(添加制造)和/或其他本领域熟悉的合适方法制造。
用于制造预燃室主体26和/或28的3D印刷工艺可尤其包括：熔融沉积成形(FDM)、熔丝制造(FFF)、机器控制沉积、直写成型技术(DIW)、光固化快速成型(SLA)、数字光处理(DLP)、粉末层和喷墨头3D印刷(3DP)、电子束熔融(EBM)、选择型激光熔化(SLM)、选择性热烧结(SHS)、选择性激光烧结(SLS)、直接金属激光烧结(DMLS)、分层实体制造(LOM)，和/或电子束自由成形制造(EBF3)。
当涉及可测量值时，例如，参数、数额、短暂持续时间等，此处用到的诸如术语“约”、“大约”、“近于”，或者“大体上”意思为涵盖从指定值+/-10％或更少变化、优选+1/-1％或更少，以及更优选+1/-0.1％或更少，在这些情况下，此类变化适于在本公开的发明中执行。通过端点引述的数值范围包括各自范围内的全部数值和分数，以及所引述的端点。
虽然此处介绍了本发明的优选实施例，但是在不超过本发明范围的情况下，可以进行修改和改进。

Claims (12)

1.一种用于内燃发动机(1)的预燃室主体(26)，所述预燃室主体(26)包括：
预燃室(34)；
流体连接所述预燃室(34)以及所述预燃室主体(26)外部的流动传输通道(40)，其中，流动传输通道(40)由上升管道(38)和流动传输管道(22)形成，所述流动传输管道(22)用于流体连接上升管道(38)的底部段和内燃发动机(1)的主燃室(8)的顶部段，并且上升管道(38)包括文丘里收缩段；
流体连接所述预燃室(34)以及所述流动传输通道(40)的第一回流管道(52)和第二回流管道(60)，
其中，第一回流管道(52)在所述文丘里收缩段中开口，第二回流管道(60)在流动传输管道(22)中开口。
2.根据权利要求1所述的预燃室主体(26)，其中，第一回流管道(52)和第二回流管道(60)设置在围绕预燃室纵向轴线A的圆周方向。
3.根据权利要求1或2所述的预燃室主体(26)，其中所述流动传输通道(40)包括上升管道(38)和多个流动传输管道(22)，所述预燃室(34)中的所述上升管道(38)开口以及所述多个流动传输管道(22)流体连接所述上升管道(38)以及预燃室主体(26)外部。
4.根据权利要求1或2所述的预燃室主体(26)，其中所述预燃室(34)具有预燃室直径，所述上升管道(38)具有上升管道直径，且所述上升管道直径小于所述预燃室直径。
5.根据权利要求1或2所述的预燃室主体(26)，其中所述预燃室(34)具有预燃室直径，所述流动传输管道(22)具有流动传输管道直径，且所述流动传输管道直径小于所述预燃室直径。
6.根据权利要求1或2所述的预燃室主体(26)，其中所述预燃室(34)在通向所述流动传输通道(40)的方向上逐渐变为锥形，且至少一个回流管道(52，60)在所述预燃室(34)的锥形部段中开口。
7.根据权利要求1或2所述的预燃室主体(26)，还包括在输送预燃室(34)中开口的燃料供给管道(50)。
8.根据权利要求1或2所述的预燃室主体(26)，其通过3D印刷工艺制造。
9.一种预燃室组件(20)，其包括：
根据前述权利要求中任一项所述的预燃室主体(26)；
点火装置(30)，其操作地联接至所述预燃室(34)以点燃其中的混合物；以及
燃料供给装置(32)，其流体连接至所述预燃室(34)以供应燃料。
10.一种用于操作内燃发动机(1)的方法，其包括主燃室(8)以及预燃室(34)，所述方法包含：
经由流动传输通道(40)流体连接所述预燃室(34)以及所述主燃室(8)，将来自所述主燃室(8)的燃料和空气混合物供应到所述预燃室(34)，其中，流动传输通道(40)由流动传输管道(22)和上升管道(38)形成，所述流动传输管道(22)用于流体连接上升管道(38)的底部段和内燃发动机(1)的主燃室(8)的顶部段，并且上升管道(38)包括文丘里收缩段；
将燃料供应到所述预燃室(34)，并且由此，通过将来自所述主燃室(8)的混合物与所述燃料混合来富化所述预燃室(34)中的所述混合物；
经由第一回流管道(52)和第二回流管道(60)将来自所述预燃室(34)的富化的混合物的一部分供应到所述流动传输通道(40)，其中，第一回流管道(52)在所述文丘里收缩段中开口，第二回流管道(60)在流动传输管道(22)中开口，并且由此，通过将来自所述主燃室(8)的所述混合物与所述预燃室(34)的所述富化的混合物混合来富化所述流动传输通道(40)中的混合物。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括：
经由所述流动传输通道(40)将来自所述主燃室(8)的燃料和空气混合物供应到所述预燃室(34)时，在所述流动传输通道(40)中设立第一静态压力，所述预燃室(34)中设立第二静态压力，且所述第一静态压力小于所述第二静态压力。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，
由于文丘里效应，通过减少所述流动传输通道(40)中的压力，抽吸来自所述预燃室(34)的所述富化的混合物通过第一回流管道(52)和第二回流管道(60)进入所述流动传输通道(40)。
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