CN108026827B - 喷嘴燃烧护罩 - Google Patents

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Abstract

公开了用于喷射器组件的设备和方法，该喷射器组件包括：喷射器末端，其具有诸如永久性被动预燃室(PPPC)之类的预燃室；以及喷嘴燃烧护罩(NCS)，其用于缓解由预燃室过热而引起的诸如爆震之类的早燃事件。NCS具有比喷射器末端大的导热率。NCS可选地包括筒，筒与气缸盖的孔形成滑动配合并且与喷射器末端形成压配合。NCS还可选地包括与气缸盖形成燃烧密封的边缘。当火花塞点燃预燃室中的燃料供送时，热量被吸收到喷射器末端中，流入NCS的筒，流出NCS的边缘，进入气缸盖中，以便借助冷却套进行冷却。

Description

喷嘴燃烧护罩
技术领域
本公开涉及内燃发动机。具体地，本公开涉及管理火花点火式发动机的燃料喷射器的温度。
背景技术
各种火花点火式发动机包括具有预燃室的喷射器组件，其有时形成为与主燃烧腔室分开限定的容积，在使用时用于点燃燃料供送。预燃室通过在喷射器末端中形成孔的情况下限定点燃波前来改善燃烧特性。喷射器末端有时被拧入和旋入气缸盖中，以将其保持就位。螺纹还用于将来自喷射器末端的热传递到气缸盖中。足够的热传递用于缓解有害的诸如爆震的早燃事件。然而，在长时间使用之后，螺纹型喷射器末端会卡住，变得难以取下进行维修。有时，需要进行重大的钻孔操作来从气缸盖上取下喷射器组件。一直需要在通过提供足够冷却来管理温度以防有害早燃事件的同时有助于喷射器组件的可维护性的火花点火式发动机设计。
发明内容
各种实施方式的一些方面涉及包括喷射器末端和喷嘴燃烧护罩(NCS)的组件。所述喷射器末端包括预燃室和腔室壳体的至少一部分。所述预燃室由所述腔室壳体的所述至少一部分限定。所述NCS包括内表面和外表面。所述NCS的所述内表面与所述腔室壳体成压配合配置。所述腔室壳体具有第一导热率。所述NCS具有比所述腔室壳体的所述第一导热率大的第二导热率。
一些实施方式涉及一种组件，该组件包括：喷射器末端，其包括预燃室，所述喷射器末端具有第一导热率；NCS，其与所述喷射器末端成非螺纹压配合配置，其中，所述NCS具有第二导热率，所述第二导热率大于所述喷射器末端的所述第一导热率；以及气缸盖，其包括孔和近侧表面，所述NCS的至少一部分被接收在所述气缸盖的所述孔中，所述NCS与所述气缸盖成滑动配合配置，其中，所述NCS与所述近侧表面直接接触。
其他实施方式涉及一种方法，该方法包括以下步骤：提供具有预燃室和第一导热率的喷射器末端；提供包括筒和边缘的NCS，所述NCS具有第二导热率，所述第二导热率大于所述喷射器末端的所述第一导热率；以及将所述NCS以压配合配置装配到所述喷射器末端，以形成喷射器组件。
虽然公开了多个实施方式，但是根据示出和描述了本发明的例示实施方式的以下具体实施方式，对于本领域技术人员而言，本发明的其他实施方式将变得清楚。因此，附图和具体实施方式在本质上将被视为是例示性的，而非限制性的。
附图说明
图1是根据一些实施方式的包括具有腔室壳体和喷嘴燃烧护罩(NCS)的喷射器组件的气缸的局部剖切立体图。
图2是根据一些实施方式的示出火花塞的图1的气缸的另一个局部剖切立体图。
图3是根据一些实施方式的示出喷射器末端的图1的气缸的又一个局部剖切立体图。
图4是根据一些实施方式的从燃烧腔室看的图1的气缸的立体图。
图5是根据一些实施方式的NCS的俯视立体图。
图6是根据一些实施方式的NCS的下侧立体图。
图7是根据一些实施方式的示出喷射器末端细节的与图1的气缸类似的另一个气缸的局部剖视示意图。
图8是根据一些实施方式的组装和维修图1的气缸的方法的例示。
虽然本发明经得起各种修改和替代形式，但是特定实施方式已经以举例方式在附图中示出并且在以下进行详细描述。然而，本发明并不将本发明限于所描述的特定实施方式。相反，本发明旨在覆盖落入随附权利要求书限定的本发明的范围内的所有修改形式、等同形式和替代形式。
具体实施方式
图1至图4是根据一些实施方式的内燃发动机的组装好的气缸10的各种局部视图。示例内燃发动机是诸如天然气发动机、多燃料发动机或其他合适火花点火式内燃发动机的火花点火式内燃发动机。图1是根据一些实施方式的包括具有腔室壳体25和喷嘴燃烧护罩(NCS)的喷射器组件20的气缸10的局部剖切立体图，示意性示出了由喷射器组件限定的空间。图2是气缸10的另一个局部剖切立体图，示意性示出了根据一些实施方式的定位有腔室壳体25的火花塞50并且示意性示出了由喷射器组件限定的空间。图3是气缸10的又一个局部剖切立体图，示出了根据一些实施方式的喷射器末端60并且示意性示出了由喷射器组件限定的空间。图4是根据一些实施方式的从燃烧腔室35看的气缸10的立体图。
气缸盖15的该部分被示出为设置在示例气缸10的燃烧腔室35上方。示例喷射器组件20部分地设置在气缸盖15中，并且气缸盖15包括孔17。示例喷射器组件20的远端40可选地从孔17伸入燃烧腔室35中。在一些实施方式中，喷射器组件20的远端40没有伸入燃烧腔室35中。例如，远端40的远侧表面将与气缸盖15齐平(图7)。在各种实施方式中，气缸盖15由铁、钢或另一合适的铁合金形成。
示例腔室壳体25是喷射器组件20的下部或壳体。如所示的，腔室壳体25接合气缸盖15。在一些实施方式中，腔室壳体25由不锈钢或另一合适的铁合金形成。
示例喷射器组件20包括火花塞壳体45和火花塞50。示例火花塞壳体45接合腔室壳体25。示例火花塞壳体45是喷射器组件20的上部或壳体。在一些实施方式中，火花塞壳体45由钢或其他合适的铁合金形成。
示例火花塞壳体45被联接组件55接合和压缩。示例联接组件55包括一个或更多个螺柱(或螺钉)和帽，以提供将喷射器组件20保持(或夹持)在气缸盖15上的力。有可能如图2中最佳示出的，示例火花塞50部分地设置在火花塞壳体45中并且部分地设置在腔室壳体25中。
喷射器组件20包括喷射器末端60。喷射器末端60通常被限定为喷射器组件20的在火花塞50和燃烧腔室35之间的部分。总体上，预燃室65是形成在喷射器末端60中的腔室壳体25中的容积。示例预燃室65是集成或整体的被动预燃室(可选地，永久性的)。作为由火花塞50的位置限定的喷射器末端60的替代或补充，喷射器末端60被限定为喷射器组件20的从腔室壳体25的肩部67延伸的部分。
一个或更多个喷射器孔70形成在腔室壳体25中的喷射器末端60处。喷射器孔70有助于预燃室65和燃烧腔室35之间进行流体连通。具体地，喷射器孔70允许在内燃发动机进行操作期间(诸如，在四冲程周期的进气和压缩阶段期间)使燃料供送(例如，预混的燃料和空气供送)流入预燃室65中。有可能如图4中最佳看到的，喷射器孔70相对于喷射器末端60相对小。然而，料想到，其他尺寸的喷射器孔70或喷射器末端60中的其他孔与燃烧腔室35流体连通。
当气缸10在使用中时，流入预燃室65中的燃料供送可选地由火花塞50点燃，燃料供送在预燃室65中开始燃烧(例如，开始动力冲程)。燃烧从喷射器孔70流出，进入燃烧腔室35中，作用于动力冲程的主燃烧部分。以这种方式，预燃室65有助于受控制的燃烧或煅烧。作为其使用的结果，喷射器末端60暴露于极端的燃烧温度，并且通常，喷射器末端60从燃烧中吸收过量的热量。喷射器末端60中的过多热量可能造成燃料供送早燃(例如，早燃事件或爆震)，这会使内燃发动机受损。
示例气缸10和气缸盖15被设计成被冷却，以减少燃烧中的热量累积。例如，在示例气缸盖15中形成冷却套75。当在使用时，冷却剂可选地流经冷却套75，以冷却其中的部件(例如，从其中的部件带走热)。
由于被暴露于燃烧，喷射器组件20通常需要特别的冷却考虑。例如，喷射器组件20与冷却剂接触的表面积有限。示例喷射器末端60不与冷却套75直接接触。这至少部分是由于气缸盖15含有与燃烧腔室35相邻的材料以限定与冷却套75分开的燃烧腔室35并且也足以承受燃烧力的要求而导致的。另外，从腔室壳体25直接到冷却套75中的冷却剂的热传递路径有时不足以冷却喷射器末端60并且防止早燃。有时，这部分是由于腔室壳体25由具有耐受燃烧的所期望性质但是具有不足的导热率的材料(例如，钢)形成而导致的。
本公开的实施方式提供了用于从喷射器末端60带走热量的单独热传递路径。图1至图3中示出了NCS 30的剖视图(在图4至图6中示出相关的立体图)。喷射器末端60中的热量被传递到NCS 30，进入气缸盖15中。本文中描述了NCS 30本身和作为喷射器组件一部分的NCS 30的配置的细节。
图5至图6分别是根据一些实施方式的示出隔离开的示例NCS 30的俯视立体图和下侧立体图。NCS 30包括筒80和边缘85。示例边缘85从筒80向外延伸。具体地，示例边缘85从NCS 30的近端90延伸。在NCS 30的近端90处形成开口95。导管100从近端开口95延伸到形成在NCS 30的远端110中的开口105。示例导管100贯穿筒80和边缘85。
示例NCS 30是对称的。示例筒80呈具有恒定直径的柱形形状。可选择其他形状，以适形于腔室壳体25(例如，在喷射器末端60处)和气缸盖15的形状。示例筒80从NCS 30的近端90延伸到远端110。示例NCS 30具有大体沿着筒80的外表面115和内表面120。
示例边缘85呈具有恒定直径的扁平环形状。可选择其他形状，以适形于腔室壳体25(例如，在喷射器末端60处)和气缸盖15。示例边缘85从NCS 30的筒80延伸到外边缘135。示例NCS 30具有大体沿着边缘85的上表面125和下表面130。因存在边缘85，提供了与气缸盖15(图1)接触的附加表面积，以便向其传递热量。
大体上，NCS 30具有比腔室壳体25的导热率大的导热率，特别是在喷射器末端60处。在一些实施方式中，NCS 30包含铜材料。在各种实施方式中，示例NCS 30由铜合金材料形成。铜合金材料的非限制示例包括铜-锆合金、C15000合金或C10200合金。在其他实施方式中，例如，NCS 30由多种材料形成，并且可将不同的材料用于边缘和筒。
图7是示出根据一些实施方式的示例气缸12和当在使用时的示例热量流动或热传递路径150的局部剖视示意图，气缸12包括与气缸盖15和腔室壳体25组装在一起的NCS 30。在例示实施方式中，示例气缸12与示例气缸10类似，不同之处在于，示例气缸12将喷射器组件远端40设定成与气缸盖15齐平。对于这两个气缸10和12，将相同的标号用于这些类似元件。
当被组装时，NCS 30沿着NCS的边缘85接合腔室壳体25和气缸盖15。腔室壳体25包括提供远侧表面140的肩部67。示例远侧表面140是平坦的，以便协作地接合NCS 30的示例上表面125。当被组装时，来自示例联接组件55(图1中示出)的力将腔室壳体25的远侧表面140压向NCS 30的边缘85，从而在燃烧接近腔室壳体25的远侧表面140时可选地形成燃烧密封。
气缸盖15包括提供近侧表面145的肩部142。示例肩部142还有助于限制喷射器组件20相对于气缸盖15(如图1至图4所示的示例气缸10利用相同的气缸盖肩部)的轴向移动。示例近侧表面145是平坦的，以便协作地接合NCS 30的示例下表面130。当被组装并且腔室壳体25被联接组件55(图1中示出)压下时，近侧表面145接合NCS 30的下表面130，形成燃烧密封。在燃烧火焰接近气缸盖15的近侧表面145时，燃烧密封防止燃烧腔室35(图1)中的燃烧流出NCS 30的边缘85或NCS的外边缘135。
当被组装时，示例NCS 30还沿着NCS的筒80接合腔室壳体25和气缸盖15。示例筒80在喷射器末端60处围绕腔室壳体25的周缘。特别地，NCS 30的示例内表面120以压配合配置与腔室壳体25接合，从而利用正确的尺寸和形状来促成摩擦干涉配合。压配合配置限制了NCS 30在腔室壳体25上的移动。示例压配合配置限制NCS 30相对于腔室壳体25的旋转、横向和轴向移动中的一个或更多个。
压配合配置有几个优点。例如，压配合配置增加了接触并且减少了气穴，从而可限制从腔室壳体25到NCS 30的热传递。另外，压配合配置减轻了腔室壳体25和NCS 30之间的燃烧流动。此外，压配合配置是螺纹接合的替代形式，螺纹接合在被取下时容易被卡住。例如，在压配合到腔室壳体25上之后，可以可选地在喷射器末端60处从腔室壳体25取下NCS30。在一些情形下，例如，NCS 30被配置成被切割，以便被取下。在各种情形下，NCS 30被配置成被夹持和抽出。
NCS 30的示例筒80设置在气缸盖15的孔17中并且被气缸盖15包围。NCS 30的示例外表面115以滑动配合配置与气缸盖15接合，从而限制了NCS在气缸盖15的孔17中移动。示例滑动配合配置通常限制了横向移动，但是通常没有限制NCS 30相对于气缸盖15的轴向和/或旋转移动。通常，滑动配合配置利用正确的尺寸和形状来促成比压配合配置小的摩擦干涉。作为螺纹接合的替代形式，滑动配合配置还有助于方便地进行示例气缸12的安装、维护和修理。
大体上，NCS 30的远端110没有延伸超出气缸盖15。如图7中所示，远端110在喷射器末端60开始渐缩的地方结束。
示意性例示热传递路径150，以示出当示例气缸12在使用中时的热量移动(对于气缸10，也将是类似的)。由预燃室65中的燃烧事件产生的热量被传递到腔室壳体25中。然后，热量经过腔室壳体25，通过腔室壳体和筒之间的压配合界面而通向NCS 30的筒80。NCS 30将热量朝向NCS 30的边缘85传递。热量从边缘85传递出，进入气缸盖15中。虽然未示出，但是与冷却剂交互的表面积比喷射器组件20大的气缸盖15被流入冷却套75中的冷却剂冷却。
由于NCS 30的筒80和气缸盖15之间的滑动配合配置与NCS 30的边缘85和气缸盖15之间的压配合配置，导致热量中的大部分通过边缘85移至气缸盖15。在示例气缸10和12中，冷却剂不与边缘85直接接触。然而，在其他实施方式(未示出)中，冷却剂与NCS 30的边缘85接触，以提供用于热传递的附加路径。在这些实施方式中，从NCS 30直接通向冷却剂的热传递路径可以是相对于从NCS 30到气缸盖15的热传递路径的用于热传递的次要或主要路径。
以这种方式，包括NCS 30的喷射器组件20提供足够的冷却以减轻因使用期间预燃室过热而引起的早燃事件。另外，喷射器组件20由于没有螺纹接合(例如，在没有螺纹接合的情况下)而容易进行维护。
图8是根据一些实施方式的将气缸10、12与NCS 30组装在一起并且进行维护的示例方法200的例示。方法200可选地与本文中别处描述的示例气缸10或12一起利用。在操作210中，形成喷射器组件，喷射器组件包括与和预燃室相邻的腔室壳体成压配合配置的NCS。示例喷射器组件是火花点火式喷射器组件。示例预燃室是永久性的被动预燃室(PPPC)。在操作220中，将喷射器组件布置在气缸盖的孔中，使得NCS的筒和气缸盖之间形成滑动配合配置。这样形成了NCS筒和气缸盖之间的滑动配合。在操作230中，喷射器组件例如通过联接组件而固定于气缸盖。示例联接组件将喷射器组件夹持于气缸盖。更大的夹持力可增加例如NCS的边缘和气缸盖之间的金属-金属接触热传导。在内燃发动机利用火花点火进行操作期间，可使用喷射器组件。
在进行维护、维修或修理时，可选地执行操作240，以从气缸盖的孔取下喷射器组件。另外，在操作250中，例如，通过从腔室壳体切割NCS或抽出NCS，可选地从腔室壳体取下NCS。
可对在不脱离本发明的范围的情况下讨论的示例性实施方式进行各种修改和添加。例如，虽然上述实施方式涉及特定特征，但是本发明的范围还包括具有不同特征组合的实施方式和不包括所有上述特征的实施方式。

Claims (21)

1.一种喷射器组件，该组件包括：
喷射器末端，其具有与火花塞相邻的近端，所述喷射器末端从所述火花塞延伸到燃烧室并且包括预燃室和腔室壳体的至少一部分，所述预燃室由所述腔室壳体的所述至少一部分限定，并且所述腔室壳体具有第一导热率；以及
喷嘴燃烧护罩NCS，其包括内表面，所述NCS具有第二导热率，所述内表面与所述腔室壳体处于压配合配置，其中，所述NCS的所述第二导热率大于所述腔室壳体的所述第一导热率，并且所述NCS包括近端和远端，所述NCS的所述近端和所述远端二者与所述喷射器末端相邻地定位，其中所述NCS的近端紧邻所述喷射器末端的近端定位。
2.根据权利要求1所述的喷射器组件，其中，所述NCS还包括外表面，所述内表面和所述外表面不带螺纹。
3.根据权利要求1所述的喷射器组件，其中，所述腔室壳体包括提供近侧表面的肩部，所述喷射器末端从所述肩部延伸，所述NCS的所述内表面直接接触所述肩部和所述喷射器末端。
4.根据权利要求3所述的喷射器组件，其中，所述NCS包括筒和向外伸出的位于所述筒的端部上的边缘，所述NCS的所述边缘与所述腔室壳体的所述肩部直接接触。
5.根据权利要求4所述的喷射器组件，其中，所述NCS的内表面与所述喷射器末端处于压配合配置。
6.根据权利要求5所述的喷射器组件，所述组件还包括气缸盖，所述气缸盖包括孔和近侧表面，所述NCS的所述筒至少部分地设置在所述气缸盖的所述孔中，所述NCS的所述筒包括与所述气缸盖成滑动配合配置的外径，所述NCS的所述边缘与所述气缸盖的所述近侧表面直接接触。
7.根据权利要求6所述的喷射器组件，所述组件还包括与所述腔室壳体接合的火花塞壳体，其中，所述火花塞壳体、所述腔室壳体和所述NCS联接于所述气缸盖，以在所述NCS和所述气缸盖的近侧表面之间形成燃烧密封。
8.根据权利要求6所述的喷射器组件，其中，所述气缸盖包括形成在所述气缸盖中的冷却套，所述冷却套适于容纳用于接收来自所述气缸盖的热量的冷却剂，并且所述冷却套与所述NCS的所述边缘相邻地设置，以间接接收来自所述预燃室和所述气缸盖处的所述NCS的热量。
9.根据权利要求1所述的喷射器组件，其中，所述NCS包含铜材料和铜合金材料中的至少一种，并且其中，所述铜合金包含锆。
10.根据权利要求1所述的喷射器组件，其中，所述NCS包含C15000合金材料和C10200合金材料中的至少一种。
11.根据权利要求9所述的喷射器组件，其中，所述NCS由单一材料制成。
12.一种喷射器组件，该组件包括：
喷射器末端，其具有与火花塞相邻的近端，所述喷射器末端从所述火花塞延伸到燃烧室并且包括预燃室，所述喷射器末端具有第一导热率；
腔室壳体，其与所述喷射器末端一体地形成，所述腔室壳体容纳火花塞的至少一部分；
喷嘴燃烧护罩NCS，其与所述喷射器末端成非螺纹压配合配置，其中，所述NCS具有第二导热率，所述第二导热率大于所述喷射器末端的所述第一导热率；
所述NCS包括近端和远端，并且所述NCS的所述近端和所述远端二者与所述喷射器末端相邻地定位，其中所述NCS的近端紧邻所述喷射器末端的所述近端定位；以及
气缸盖，其包括孔和近侧表面，所述NCS的至少一部分被接收在所述气缸盖的所述孔中，所述NCS与所述气缸盖成滑动配合配置，其中，所述NCS与所述气缸盖的所述近侧表面直接接触。
13.根据权利要求12所述的喷射器组件，其中，所述NCS包括边缘和筒，所述边缘与所述气缸盖的所述近侧表面形成燃烧密封，所述筒与所述喷射器末端成压配合配置并且与所述气缸盖成滑动配合配置。
14.根据权利要求13所述的喷射器组件，所述组件还包括火花塞壳体，其中，所述火花塞至少部分地设置在所述火花塞壳体中并且至少部分地设置在所述腔室壳体中。
15.根据权利要求14所述的喷射器组件，其中，所述气缸盖包括冷却套，所述冷却套设置在所述气缸盖中，用于容纳冷却剂，所述冷却套被设置成通过所述NCS和所述气缸盖间接接收来自所述喷射器末端的热量。
16.根据权利要求12所述的喷射器组件，其中，所述NCS包含C15000合金材料和C10200合金材料中的至少一种。
17.一种形成喷射器组件的方法，该方法包括以下步骤：
提供具有预燃室和第一导热率的喷射器末端，所述喷射器末端具有与火花塞相邻的近端，所述喷射器末端从所述火花塞延伸到燃烧室；
提供与所述喷射器末端一体地形成的腔室壳体，所述腔室壳体容纳火花塞的至少一部分；
提供包括筒和边缘的喷嘴燃烧护罩NCS，所述NCS具有第二导热率，所述第二导热率大于所述喷射器末端的所述第一导热率，所述NCS包括近端和远端，并且所述NCS的所述近端和所述远端二者与所述喷射器末端相邻地定位；以及
将所述NCS以压配合配置装配到所述喷射器末端，以形成喷射器组件，其中所述NCS的近端紧邻所述喷射器末端的所述近端定位。
18.根据权利要求17所述的形成喷射器组件的方法，所述方法还包括在所述NCS的所述筒和气缸盖之间形成滑动配合。
19.根据权利要求18所述的形成喷射器组件的方法，所述方法还包括将所述喷射器组件固定于所述气缸盖，以在所述NCS和所述气缸盖之间形成燃烧密封。
20.根据权利要求19所述的形成喷射器组件的方法，所述方法还包括从所述气缸盖取下所述NCS的所述筒，并且包括从所述喷射器末端取下所述NCS。
21.一种喷射器组件，该组件包括：
喷射器末端，其具有与火花塞相邻的近端，所述喷射器末端从所述火花塞延伸到燃烧室并且包括预燃室和腔室壳体的至少一部分，所述预燃室由所述腔室壳体的所述至少一部分限定，所述腔室壳体具有第一导热率并且与所述喷射器末端一体地形成，所述腔室壳体容纳火花塞的至少一部分；以及
喷嘴燃烧护罩NCS，其包括内表面，所述NCS具有第二导热率，所述内表面与所述腔室壳体处于压配合配置，其中，所述NCS的所述第二导热率大于所述腔室壳体的所述第一导热率，并且所述NCS包括筒和边缘，所述筒在所述NCS的远端和近端之间大体竖直延伸，所述边缘从所述NCS的所述近端向外横向延伸，并且所述远端与所述喷射器末端相邻地定位；
所述NCS包括近端和远端，并且所述NCS的所述近端和所述远端二者与所述喷射器末端相邻地定位，其中所述NCS的近端紧邻所述喷射器末端的所述近端定位。
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