CN107923305B - 用于对置活塞式发动机的偏斜燃烧室 - Google Patents

Abstract

用于对置活塞式发动机的燃烧室在燃烧室的直径相对的开口之间具有在正交于室中心线的纵向截面中的旋转偏斜形状，燃料通过该开口喷射。旋转偏斜形状与涡流相互作用以产生增加湍流的滚流整体增压空气运动结构。

Description

用于对置活塞式发动机的偏斜燃烧室

相关申请

本申请包含与以下共同拥有的申请的主题相关的主题：US 13/066,589，现在是US专利8,800,528；US 13/136,954，现在是US专利8,820,294；US 14/117,831，公布为US2014/0083396；US 13/843,686，公布为US 2013/0213342；US 14/026,931，公布为US 2014/0014063；US 14/074,580，公布为US 2015/0122227；以及US 14/675,407。

技术领域

本领域包括对置活塞式发动机，其中燃烧室被限定在相对设置在汽缸的孔中的活塞的端部表面之间。更具体地，本领域包括具有燃烧室的对置活塞式发动机，该燃烧室具有促进增压空气与喷射燃料混合的形状。

背景技术

相关专利申请描述了二冲程循环压缩点火对置活塞式发动机，其中成对活塞在带有端口的汽缸的孔中相对移动。二冲程循环对置活塞式发动机通过一对对置活塞的两个冲程来完成发动机操作的循环。在压缩冲程期间，当活塞开始朝向彼此移动时，增压空气被允许在活塞的端部表面之间进入汽缸中。随着活塞接近相应的上止点(“TC”)位置以形成燃烧室，增压空气在接近的端部表面之间不断地被压缩。当端部表面彼此最接近，靠近压缩冲程的结束时，出现最小燃烧室容积(“最小容积”)，直接喷射到汽缸中的燃料与被压缩的增压空气混合。当压缩空气达到导致燃料开始燃烧的温度和压力水平时发起燃烧；这就是所谓的“压缩点火”。燃烧定时通常参考最小容积。在一些情况下，在最小容积或接近最小容积时喷射发生；在其它情况下，喷射可发生在最小容积之前。在任何情况下，响应于燃烧，活塞在动力冲程中反向并远离彼此移动。在动力冲程期间，活塞朝向孔中的下止点(“BC”)位置移动。当活塞在上止点位置和下止点位置之间往复运动时，它们按时间顺序打开和关闭形成在汽缸的相应进气位置和排气位置的端口，这控制增压空气流入汽缸和排气流出汽缸。

燃烧受到压缩的增压空气与喷射的燃料混合的程度的影响。汽缸中的增压空气的运动和湍流是有助于空气/燃料混合和燃烧的关键因素。在对置活塞式发动机中，加压的增压空气可以以正切方向进入汽缸，这导致形成穿过燃料喷射方向在汽缸中纵向螺旋运动的涡旋结构(通常被称为“涡流”)。整体(bulk)涡流运动使喷射的燃料流破碎，并且将燃料液滴带入移动的增压空气中。在点火之前的短时间内，希望通过产生额外的整体空气流结构来增强增压空气运动的湍流。为了该目的，二冲程对置活塞式发动机配备有活塞，该活塞具有带有波状轮廓的端部表面的冠顶，该冠顶与汽缸中的打旋的增压空气以及来自活塞端部表面的圆形周边的增压空气的挤压流相互作用。该相互作用产生额外的整体运动结构(通常称为“滚流”)，其为横向或正切于涡流涡旋取向的涡旋的形式。结果是在燃烧室中产生复杂的湍流增压空气运动，其有助于燃烧，并且随着动力冲程开始而继续鼓励未燃燃料和燃烧产物的氧化。

相关应用涉及二冲程循环压缩点火对置活塞应用，其中活塞端部表面具有使整体空气流结构呈滚流的形状。在这些应用中，燃烧室由沿在室中心线的相对侧上延伸的端部表面脊部伸展的碗状物限定。碗状物的凹陷的内表面和脊部引导燃烧室中的空气流和燃料羽流。脊部的凸出外表面起斜坡的作用，以从挤压流中产生滚流。虽然这些脊部确实促成滚流的产生，但它们也对发动机操作和活塞热管理构成重大挑战。脊部呈现具有尖锐边缘的不规则轮廓，尖锐边缘从活塞端部表面向外突出，并且在燃烧发生时在活塞冠顶中导致热点。热点损害燃烧，这会降低发动机效率。它们还在冠顶下表面上产生不规则的热分布，这是难以管理的，并且需要复杂的内部活塞结构来输送液体冷却剂。最后，脊形端部表面和所需的冷却结构使得活塞难以制造并且增加了发动机生产和维修的成本。

发明内容

通过为对置活塞式发动机提供燃烧室来消除或减少这些缺点，该燃烧室具有这样的形状，其没有与增压空气运动相互作用以产生滚流的脊部。在活塞的平面图中，燃烧室具有沿室中心线在燃烧室的直径相对的开口(燃料通过其喷射)之间延伸的细长形状。当活塞位于汽缸的孔中的上止点位置附近时，燃烧室结构被限定在一对相对的活塞的相对端部表面之间。

该对活塞中的每个活塞具有纵向轴线和不包括脊部的端部表面。端部表面在以纵向轴线为中心的圆形的圆周边缘处与活塞侧壁相遇。圆周边缘限定活塞端部表面的周边。端部表面相对于正交于纵向轴线并且包含周边边缘的参考平面是平坦的。形成在端部表面中的两个直径相对的凹口通过圆周边缘开口。细长的凹陷碗状物形成在端部表面中，并且在凹口之间延伸。碗状物和凹口位于参考平面下方。该碗状物具有偏斜的形状，其中沿碗状物的最深部分的线被偏移到与凹口对准的活塞直径的一侧，并且活塞直径限定燃烧室的中心线。

燃烧室形成在具有平坦端部表面的两个相对活塞之间，平坦端部表面中形成有偏斜的碗状物。活塞被对准，其中它们的端部表面相对，使得碗状物的偏斜形状被设置成相对的面向对准(facing alignment)，这形成相对于室中心线具有旋转偏斜形状的燃烧室。旋转偏斜形状与增压空气运动相互作用以产生一个或更多个滚流运动。

对置活塞式发动机包括至少一个汽缸，该至少一个汽缸具有孔以及靠近汽缸的相应端部在汽缸中加工或形成的纵向移位的排气道和进气道。具有平坦端部表面的两个活塞彼此相对设置在孔中。每个平坦端部表面具有碗状物，该碗状物具有形成在其中的偏斜形状。当活塞靠近孔中的上止点位置时，在碗状物之间形成具有用于允许燃料的直径相对的开口的燃烧室。在竖直截面图中，燃烧室相对于室中心线具有旋转偏斜形状。旋转偏斜形状与增压空气运动相互作用以产生一个或更多个滚流运动。

附图说明

图1是现有技术的对置活塞式发动机的示意图。

图2是现有技术的活塞的等距视图，该活塞具有成形以与对应的对置活塞的端部表面形成燃烧室的端部表面。

图3是根据本公开的活塞的等距视图。

图4是图3的活塞的端部表面的平面图，其示出形成在端部表面中的碗状物；图4A是碗状物的面向侧壁的纵向直径截面图，该视图通过正交于端部表面的直径的纵向平面。

图5A、图5B和图5C是在具有根据图4成形的端部表面的一对活塞的相对端部表面之间形成的燃烧室的纵向直径截面图，其中视图对应于由图4的线A-A、线B-B和线C-C表示的平行平面。

图5D是图5A、图5B和图5C的燃烧室的纵向直径截面图，其中视图对应于图4的线D-D，该线与图4的线A-A、线B-B和线C-C正交。

具体实施方式

图1是包括至少一个汽缸10的对置活塞类型的二冲程循环内燃发动机8的示意图。汽缸包括孔12和靠近汽缸的相应端部在汽缸中加工或形成的纵向移位的进气道/端口14和排气道/端口16。进气道和排气道中的每个包括开口构成的一个或更多个圆周阵列，其中邻近的开口被汽缸壁的实心部分(也称为“桥”)分隔开。在一些描述中，每个开口被称为“端口”；然而，此类“端口”的圆周阵列的构造与图1中的端口构造没有区别。

燃料喷射喷嘴17固定在通过汽缸侧表面开口的螺纹孔中。两个活塞20、22设置在孔12中，其中它们的端部表面20e、22e彼此相对。为了方便起见，活塞20由于其靠近进气道14而被称为“进气”活塞。类似地，活塞22由于其靠近排气道16而被称为“排气”活塞。优选地，但并非必须地，进气活塞20和所有其它进气活塞耦接到沿发动机8的一侧布置的曲轴30；并且排气活塞22和所有其它排气活塞耦接到沿发动机8的相对侧布置的曲轴32。

诸如具有一个或更多个带有端口的汽缸(汽缸在其端部附近形成有进气道和排气道)(诸如汽缸10)的发动机8的对置活塞式发动机的操作是很好理解的。在这方面，响应于燃烧，相对的活塞远离其中它们位于汽缸10中它们的最内位置处的相应的TC位置移动。当从TC移动时，活塞保持其相关联的端口关闭，直到它们接近其中它们位于汽缸中它们的最外位置处的相应的BC位置，相关的端口打开。活塞可同相运动，使得进气道14和排气道16一致地打开和关闭。或者，一个活塞可以在相位上领先于另一个，在这种情况下，进气道和排气道具有不同的打开和关闭次数。

当增压空气通过进气道14进入汽缸10时，进气道开口的形状导致增压空气围绕汽缸的纵向轴线在涡旋34中旋转，其在排气道16的方向螺旋运动。涡流涡旋34促进空气/燃料混合、燃烧以及污染物的抑制。涡流速度随着端部表面20e和22e一起移动而增加。

图2是在相关的美国专利8,800,528中教导的用于对置活塞式发动机的现有技术活塞的等距视图。活塞50具有端部表面51，端部表面51被成形为与相对活塞的端部表面形成燃烧室。活塞的端部表面51具有包围碗状物54的周边53，该碗状物限定凹陷表面56。凹陷表面56包括远离周边53朝向活塞50的内部弯曲的第一部分58。凹陷表面56还包括第二部分62，第二部分62远离第一部分58弯曲并且从端部表面51部分地向外突出。与碗状物54相对的凸出表面64远离周边53弯曲并且从端部表面51向外突出。凸出表面64与凹陷表面56的第二部分62相遇以与其形成脊部70。脊部70具有边缘72。端部表面结构设置在两个活塞上，并且活塞设置在带有端口的汽缸的孔中，其中活塞的端部表面取向成将端部表面结构的互补弯曲表面相对放置，以便限定燃烧室。限定在这两个端部表面之间的燃烧室空间具有加强并且维持增压空气滚流运动的几何形状，滚流运动促使燃料/空气混合。然而，当发生燃烧时，脊部的边缘72变成细长的弯曲的热点。

偏斜燃烧室结构：根据本公开构造的对置活塞具有平坦端部表面。在每个端部表面中形成具有偏斜结构的椭圆凹陷碗状物(也称为“凹部”或“空腔”)。活塞在汽缸孔中旋转地取向，以使它们的碗状物相对对准。当活塞相互最靠近时，靠近压缩冲程的结束，相对的碗状物限定具有偏斜形状的燃烧室，该偏斜形状与涡流相互作用以在整体空气运动中产生滚流流动结构。端部表面中的相对的凹口对形成直径相对的开口，燃料通过该开口被喷射到燃烧室中。端部表面的平坦面貌消除了由向外延伸的脊部导致的热点。

活塞结构：每个活塞的平坦端部表面在周边边缘处与活塞侧壁相遇。周边边缘具有以活塞的纵向轴线为中心并且设置在活塞的单一纵向水平处的圆形形状。一对凹口形成在端部表面中。凹口相对定位在周边边缘上，与端部表面直径对准。在端部表面中形成的凹陷碗状物具有沿端部表面直径在凹口之间的细长的椭圆形形状。碗状物在任一侧上通过延伸到周边边缘的平坦端部表面部分侧面相接。该碗状物具有相对的侧壁和弯曲底部部分，该弯曲底部部分在竖直截面中平滑地连接侧壁，其中碗状物的最大深度从底部部分的点测量，该底部部分从包含活塞的纵向轴线和端部表面直径的平面偏移，也就是说，位于包含活塞的纵向轴线和端部表面直径的平面的一侧。

图3是用于对置活塞式发动机的活塞100的等距视图；图4是活塞的端部表面的平面图。现在参照图3和图4，对于每个活塞，限定燃烧室的活塞端部表面的结构特征基本上相同，如果不是完全相同的话；因此，在这些图中所示的活塞100表示进气活塞和排气活塞。活塞100包括冠顶102，冠顶102附接到、附连到裙部104或者与裙部104一起制造，以形成活塞的连续的圆柱形侧壁。冠顶102包括平坦端部表面108。侧壁和端部表面108在周边边缘110处相遇。周边边缘110具有以活塞的纵向轴线112为中心的圆形形状，如图4的平面图所示。一对凹口118和凹陷碗状物120形成在端部表面108中。凹口118在周边边缘110中相对地定位，与活塞在端部表面处的直径122对准。

图4A是碗状物120的面对的侧壁的纵向直径截面图，该视图通过正交于端部表面的直径的纵向平面观察。参考图4和图4A，凹陷碗状物120具有沿直径122细长并且平滑地与每个凹口118连接的椭圆形形状。凹陷碗状物120通过延伸到周边边缘110的平坦端部表面部分108a和108b邻接在其开口的相对侧上。周边边缘110和平坦端部表面部分108a和108b设置在活塞的单一纵向水平处，在该纵向水平处限定正交于纵向轴线112并且与端部表面直径122相交的端部表面平面P_ES。

如图4A的截面图所示，凹陷碗状物120具有相对的侧壁123和124以及在所示竖直截面中平滑地连接侧壁的弯曲底部部分125。参考图4和图4A，侧壁123包括圆形唇形件123l，其中侧壁123平滑地连接到端部表面部分108a，并且侧壁124包括圆形唇形件124l，其中侧壁124平滑地连接到端部表面部分108b。

如图4A的截面图所示，碗状物深度D是在沿直径122截取的一系列竖直截面中的每个中测量的弯曲底部部分125和端部表面平面P_ES之间的最大距离。竖直截面中存在凹陷碗状物120的最大深度D_max。根据本公开，碗状物120被构造成使得每个碗状物深度D从底部部分125的在正交方向上从纵向切割平面P_L偏移(定位到纵向切割平面P_L的一侧)的点测量。平面P_L包含活塞的纵向轴线和直径122；并且平面P_L和P_ES是相互正交的。在一些情况下，碗状物深度D可从与直径122的中点M对准的D_max位置朝向凹口118中的每个平滑地减小。如在图4的平面图中看到的，深度D位置沿底部部分125通过具有面向平面P_L的凹陷侧的弯曲弧形126进行描绘。在其中D_max位置与中点M对准的一些情况下，最大深度D可从中点以相同的速度在每个方向上减小，使得弯曲弧形关于平面P_L对称。尽管在图4和图4A中示出了一个此类示例，但这并不意在限制。例如，碗状物深度D可从位于平面中的端部表面直径的中点M和相应的凹口118中的一个之间的最大碗状物深度D_max平滑地减小。

如图4A的截面图所示，碗状物深度位置沿弯曲弧形126的偏移导致侧壁123比侧壁124更陡峭地朝向底部部分125倾斜。侧壁124具有大致线性的偏转部分A。偏转部分A相对于端部表面平面P_ES以斜槽角度α在碗状物120的内侧上倾斜。在一些情况下，斜槽角度α从相对于直径122的中点M的最大值(α_max)位置朝向凹口118中的每个平滑地减小。在此类情况下，斜槽角度α可从中点M朝向相应的凹口118在每个方向上以相同的速率减小。虽然在图4和图4A中示出了一个此类示例，但这并不意在限制。

如图4A的截面图所示，侧壁123的斜面的陡峭度取决于深度D和偏移量O_D。陡度进一步取决于沿正交于平面P_L并且在平面P_L与其中唇形件123l的曲率转变到平坦端部表面部分108a的点之间延伸的直线L的距离。

将最大深度D定位到纵向切割平面的一侧的预期效果是在纵向直径截面图中给予碗状物120偏斜的形状。碗状物偏斜的形状和程度能够通过碗状物参数D、α、L和O_D以及其它可能的参数中的一个或更多个的变化来更改。此外，尽管在图4A中看到的碗状物的偏斜是向左的，但是应当很明显地意识到，偏斜可向右。

在图5A、图5B和图5C中看到的燃烧室的纵向直径截面图示出形成在两个活塞100’和100”的端部表面之间的燃烧室150，这两个活塞100’和100”在汽缸160的孔中相对设置。这些截面图横向于燃烧室中心线CC，如图5D最佳所示。例如，这些截面图正交于室中心线CC。端部表面108’和108”根据图3、图4和图4A构造。活塞100’和100”围绕它们的纵向轴线旋转到其中端部表面的凹口118纵向相对对准的位置，并且在该位置处碗状物120相互取向，使得偏转部分A’和A”分别与陡峭的弯曲侧壁123”和123’相对。这将碗状物的偏斜形状设置成相对的面向对准，其限定具有在图5A、图5B和图5C的纵向截面图中旋转地偏斜的形状的燃烧室150。虽然附图示出在顺时针方向上的旋转偏斜，但是应当很明显地意识到，活塞可以在逆时针方向上旋转以使偏斜定向。燃烧室的形状旋转地偏斜，因为碗状物120’和120”的最深部分设置在纵向平面P_CYL的相对侧上，该纵向平面P_CYL包含汽缸的纵向轴线152并且与活塞100’和100”的纵向平面重合。此外，偏斜以与活塞直径122对准的燃烧室中心线CC为中心。在图5D所示的与图5A、图5B和图5C的视图正交的燃烧室的纵向截面图中，燃烧室具有细长形状，细长形状带有沿燃烧室中心线CC朝向安装在汽缸侧壁170中的燃料喷射器165渐缩的相对端部部分。燃料喷射器165与燃烧室中心线CC对准并且定位成通过限定在相对凹口108’和108”之间的喷射端口将相对的燃料喷雾喷射到燃烧室150中。例如，燃料喷射器165可被构造成喷出包括具有喷射轴线的多个羽流的燃料喷雾，该喷射轴线或者与室中心线CC正切，或者以相关的美国专利8,820,294的图10A至图10C中所示的方式与室中心线CC共线。例如，燃料喷雾可包括三个羽流或四个羽流。

在图5A至图5D的截面图中，活塞100’和100”靠近孔中的TC位置，并且燃烧室150接近最小容积。参考图5A至图5C，当活塞以最小容积接近彼此时，从活塞端部的周边之间到燃烧室的挤压运动变得更强。与碗状物的较浅区域(A’和A”)相比，这种挤压流优选地在碗状物轮廓更深的地方(123’和123”)被分离的更多。该优选的流动分离建立围绕燃烧室中心线CC循环的旋转结构176。可以看出，旋转结构横向于与汽缸轴线152大致共线的涡流轴线循环：因此结构176是滚流的。随着相对的碗状物的最深部分的设置的增加，该滚流运动的强度增加。该滚流运动的产生对于确保从相对的喷射器发出的燃料喷雾的点火产生的扩散羽流集中在燃烧室中，从而使对燃烧室壁的排热最小化是有用的。

滚流运动178也建立在图5D所示的正交切割平面中。这些滚流运动可由若干来源引起，诸如涡流和挤压运动的相互作用、清除过程中汽缸中残留的滚流以及气流运动与燃料喷雾的相互作用。它们对发动机的性能和排放特性的影响较小，因为该纵向截面中的主导因素是燃料喷射引起的动量。

应当注意，碗状物的最深部分可以从中心线中点M偏移。参考图5D，例如，对于每个碗状物108’和108”，碗状物的最深部分可更接近喷射器165中的相应的一个。例如，碗状物108’的最大深度可位于中点M和左侧喷射器165之间，而碗状物108”的最大深度可位于中点M和右侧喷射器165之间。碗状物的最深部分与喷射器的接近具有潜在的益处，其在燃烧过程早期减少碗状物上的羽流冲击，并且在燃烧过程后期最小化对碗状物沟槽区域的排热。减少对碗状物槽沟区域的排热可进一步降低冷却剂流动速率，从而改善发动机制动比燃料消耗率。

尽管已经参考目前优选的实施例描述了活塞和燃烧室结构的原理，但是应当理解，能够在不脱离所述原理的精神的情况下进行各种修改。因此，符合这些原理的专利保护范围仅受随附权利要求的限制。

Claims (4)

1.一种二冲程循环压缩点火对置活塞式发动机，其包括至少一个汽缸，所述至少一个汽缸具有孔、靠近所述汽缸的相应端部的活塞控制的排气道和进气道以及相对设置在所述孔内的一对活塞，每个活塞包括：

平坦端部表面，其具有形成在其中的细长的凹陷碗状物以与形成在对置活塞的平坦端部表面中的细长碗状物限定燃烧室；其中

所述平坦端部表面在具有圆形形状的周边边缘处与活塞侧壁相遇，所述圆形形状以所述活塞的纵向轴线为中心并且设置在所述活塞的单一纵向水平处；

一对凹口，其形成在所述端部表面中并且在所述周边边缘上相对设置、与端部表面直径对准；

所述凹陷碗状物具有沿所述凹口之间的所述端部表面直径为细长的椭圆形形状；

所述凹陷碗状物在任一侧上与延伸到所述周边边缘的平坦端部表面部分侧面相接；

所述凹陷碗状物具有相对的侧壁和弯曲底部部分，所述弯曲底部部分在竖直截面中平滑地连接所述侧壁；

所述碗状物的最大深度(D_max)在所述弯曲底部部分的点和与所述活塞纵向轴线相交且定位在所述单一纵向水平处的平面(P_ES)之间进行测量，其中该点在与所述平面(P_ES)正交的方向上从所述平面(P_ES)偏移；

当所述活塞靠近所述孔中的上止点位置时，带有细长旋转偏斜形状的燃烧室形成在所述活塞的所述平坦端部表面之间；

两个燃料喷射器直径相对地设置并且与所述燃烧室的中心线对准；

所述燃烧室的第一纵向截面具有关于所述燃烧室中心线对称的旋转偏斜形状；并且

所述燃烧室的与所述燃烧室的所述第一纵向截面正交的第二纵向截面具有细长形状，所述细长形状具有沿所述燃烧室中心线朝向所述燃料喷射器渐缩的相对端部部分。

2.根据权利要求1所述的对置活塞式发动机，其中每个燃料喷射器被构造成喷出具有三个羽流或四个羽流的燃料喷雾。

3.一种用于操作根据权利要求1所述的二冲程循环压缩点火对置活塞式发动机的方法，通过：

将打旋的增压空气引入到所述活塞的端部表面之间的所述汽缸中；

在压缩冲程中将所述活塞朝向彼此移动；以及，

在所述活塞的端部表面之间形成燃烧室，所述燃烧室具有：

在第一纵向截面中的关于所述燃烧室中心线对称的旋转偏斜形状；以及

在与所述第一纵向截面正交的第二纵向截面中的细长形状，所述细长形状具有沿所述燃烧室中心线朝向所述燃料喷射器渐缩的相对端部部分；以及

在所述燃烧室中通过相对的所述凹口将相对燃料喷雾喷射到打旋的增压空气中。

4.根据权利要求3所述的方法，其中每个喷雾模式具有三个羽流或者四个羽流。

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