CN109578130B - 具有沿进气运动方向的直接燃料喷射的内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内燃机，包括设置有单个进气门(2)、单个排气门(3)、两个火花塞(4a、4b)和燃料喷射器(5)的燃烧室。此外，该燃烧室包括用于在燃烧室中形成进气空气动力学涡流运动结构的装置。此外，燃料喷射器(5)定向成，将燃料沿空气动力学涡流运动结构的方向喷射入燃烧室的中心区域中。

Description

具有沿进气运动方向的直接燃料喷射的内燃机
技术领域
本发明涉及直接燃料喷射内燃机领域。
这种类型的发动机一般至少包括气缸、在该气缸中以往复直线运动滑动的活塞、用于氧化剂的进气装置、已燃烧气体排气装置、燃烧室和用于将燃料直接注入燃烧室中的喷射装置。
在设计发动机时，性能、污染物排放和燃烧室机械强度的约束越来越高，而用于满足这些约束的手段可能是不兼容的。
因此，性能增加一般会导致排放的增加且导致更高的机械应力。
为了克服这些应力且为了保证在整个发动机运行范围内的低污染物排放和令人满意的机械强度，通过氧化剂使用燃烧室中存在的全部燃料是非常重要的，氧化剂例如包括环境压力下的空气、增压空气、或空气(增压或未增压)和再循环的已燃烧气体的混合物。实际上，燃烧室中的燃料混合物(氧化剂/燃料)需要尽可能均质化。
此外，为了确保良好的效率和燃烧率，期望的是具有高湍流度，且更具体是在点燃燃料混合物时的高湍动能级。
存在不同的技术用于实施这种湍流，这些技术被称作涡流(纵向运动)、滚流(横向运动)、涡滚流(涡流和滚流)以及挤流(突然运动)。
涡流是燃料混合物围绕与气缸轴线共线的轴线的宏观旋转运动，涡流的特征在于，进气过程期间、且更具体是在活塞上升期间的良好运动保持。这是一种通常用于压燃式内燃机的空气动力学宏观运动，对于压燃式内燃机而言，这是使燃料混合物均质化的良好方式。
滚流也是燃料混合物的宏观旋转运动，但围绕基本上垂直于气缸轴线的轴线。其具有的特定特征在于，当气缸提升时，转化成产生湍流的微观空气动力学运动。这是一种通常用于火花点火式内燃机的空气动力学宏观运动，对于火花点火式内燃机而言，这是获得可接受的燃烧率的良好方式。此外，在扩散以及最大升程高度方面，该运动对于燃烧室几何形状和升程规则相当敏感。
涡滚流是包含涡流和滚流的运动。使用涡滚流允许受益于以上详细描述的两种空气动力学结构的优势并因而受益于出色的均质化和更好的燃烧率，这是由于在进气阶段期间比最好的现有火花点火式发动机所观察到的湍流度更高的湍流度。
挤流是当空气从死区容积快速“排出”时出现的突然的空气动力学运动。
背景技术
为了实施这些现象，已完成各种燃烧室设计。
例如，专利US-2005/241,612描述了一种直喷式高挤流燃烧室，其点燃通过至少一个火花塞发生。然而，气门、喷射器和火花塞的布置未被优化以促进涡滚流，从而改善发动机性能(效率和燃烧率)。
根据另一示例，专利PH-2010/000,186描述了一种燃烧室，其通过接近椭圆形的特定形状生成挤流。然而，对于该燃烧室，燃料喷射不是直接的，这不促进涡滚流和发动机性能(效率和燃烧率)。
此外，在具有进气的湍流空气动力学结构(即具有涡流和/或滚流和/或挤流)的这些燃烧室的情况下，为了促进均质化，燃料喷射器布置成产生与进气空气动力学运动逆流的射流，这在空气动力学结构中产生中断。
为了克服这些缺陷，本发明提供了一种内燃机，该内燃机包括设置有单个进气门、单个排气门、两个火花塞和燃料喷射器的燃烧室。此外，该燃烧室包括用于在燃烧室中形成进气的湍流空气动力学运动结构的装置。此外，燃料喷射器定向成，将燃料沿湍流空气动力学运动结构的方向喷射入燃烧室的中心区域中。因而，该同向燃料喷射允许避免中断进气的空气动力学结构，同时由于湍流度而保持良好的燃料混合均质性。
发明内容
本发明涉及一种内燃机，包括活塞在其中运动的至少一个气缸，所述气缸与燃烧室相关联，燃烧室设置有单个进气门、单个排气门、燃料喷射器和两个火花塞。所述燃烧室包括用于在所述燃烧室内形成具有湍流的进气空气动力学运动结构的装置，且所述燃料喷射器定向成将燃料沿所述进气空气动力学运动结构的方向在所述两个火花塞之间喷射到所述燃烧室的中心区域中。
根据本发明的一种实施例，所述燃料喷射器布置在所述进气门与所述火花塞之间。
根据本发明的一种实施方式，所述燃料喷射器具有圆筒形状的机加工零件。
有利地，所述燃料喷射器相对于气缸轴线的方向以小于15°、优选地在6°至10°之间的范围内、且更优选地基本上等于8°的角度倾斜。
根据一方面，所述燃料喷射器布置在燃烧室中，接近所述燃烧室的周界。
根据一种特征，所述火花塞定位在所述进气门与所述排气门之间。
根据一种实施例，所述燃料喷射器定位在距所述进气门5至15mm之间、更具体地9至10mm之间范围的距离处，且距排气门20至40mm之间、更具体地25至30mm之间范围的距离处。
有利地，所述火花塞间隔开所述气缸直径的30％至50％之间、优选地所述气缸直径的35％至45％之间范围的距离。
根据一种实施方式，所述火花塞和所述进气门和所述排气门定位成使得其各中心构成正方形的各顶点。
优选地，所述正方形具有24至31mm之间范围内的长度的边(缘)。
根据一种实施例，最接近所述燃料喷射器的火花塞相对于气缸轴线的方向以25°至30°之间、优选地28°至29°之间范围内的角度倾斜。
根据一方面，离所述燃料喷射器最远的火花塞相对于所述气缸轴线的方向以25°至35°之间、更具体地28°至32°之间范围内且优选地大致30°的角度倾斜。
根据一种特征，燃烧室具有大致椭圆形形状，所述进气门和所述排气门布置在椭圆的长轴的各端部处，且所述火花塞接近椭圆的短轴布置。
根据一种实施方式，用于形成所述进气空气动力学运动结构的所述装置(措施)涉及所述燃烧室的形状和/或进气管的形状。
此外，本发明涉及根据以上特征中的一个的内燃机用于米勒循环的用途。
附图说明
通过阅读下文通过非限制性示例并参考附图给出的描述，根据本发明的系统的其他的特征和优点将会变得清晰，在附图中：
－图1示出了根据本发明的实施例的燃烧室；
－图2是根据本发明的实施例的内燃机的剖视图；
－图3是根据本发明的实施例的内燃机的剖视图；
－图4示出了根据本发明的实施例的借助燃烧室形成于气缸中的涡滚流的结构；
－图5示出了根据本发明的实施例的进入燃烧室中的燃料喷射；以及
－图6示出了根据本发明的实施例的在燃烧室中的燃烧情况下火焰前锋的演变。
具体实施方式
本发明涉及一种内燃机。该内燃机包括：
-活塞在其中运动的至少一个气缸；
-与气缸相关联的燃烧室，燃烧室包括：
ο单个进气门，其允许气体混合物在燃烧阶段之前递送至燃烧室；
ο单个排气门，其允许在燃烧阶段之后排放已燃烧气体；
ο单个燃料喷射器，其允许燃料直接喷射入燃烧室中；
ο两个火花塞(也称作点火装置)，其允许在燃烧室中点燃气体/燃料混合物；以及
ο在燃烧室中形成具有湍流的进气的空气动力学运动结构的装置(换言之，允许在燃烧室中形成涡滚流和/或挤流的装置)。
气体混合物可包括增压或未增压空气、或者增压或未增压空气与再循环的已燃烧气体的混合物。
特别地，燃料可为汽油或柴油燃料。
根据本发明，燃料喷射器定向成将燃料沿进气空气动力学运动结构的方向喷射，同时防止打湿各壁。在该情形中，燃料喷射器朝向燃烧室的中心定向，以便促进两个点火装置之间的燃料喷射。因而，该同向燃料喷射允许防止中断进气的空气动力学结构，同时由于湍流度而保持良好的燃料混合均质性。
使用仅两个气门(一个用于进气且另一个用于排气)涉及若干设计优势。实际上，这种发动机价格更低(具有受限的零件数)、更轻且更紧凑。此外，该设计为火花塞和喷射器提供更多空间。
使用单个进气门便于涡滚流的产生。实际上，更困难的是借助两个分配进气管产生涡滚流。
根据本发明的一方面，燃料喷射器可具有圆筒形的机加工零件，以便防止燃料飞溅到壁上。换言之，燃料喷射器的就地机加工一直进行到燃烧室(突出进入燃烧室)，以确保喷射器不被燃烧室部分阻塞。
为了允许适当的燃料定向，燃料喷射器可相对于气缸轴线(大致竖直轴线)的方向倾斜。燃料喷射器相对于该方向的倾斜角度可小于15°，其优选地在6°至10°之间的范围中，且其更优选地基本上等于8°。
根据本发明的一种实施方式，燃料喷射器可定位在距进气门5至15mm之间范围的距离处，优选地距进气门9至10mm之间，以及在20至40mm之间范围的距离处，更具体地距排气门25至30mm之间。该构造的主要优势在于使燃料喷射器更接近进气而不是排气，这允许对其温度的更好管理以及可能允许对其冷却。
根据一种特征，各火花塞可间隔开气缸直径的30％至50％之间、优选地气缸直径的35％至45％之间范围的距离。该间距对于双火焰前锋发展而言是最优的，双火焰前锋发展使燃烧持续时间最小，同时避免未燃烧气体区域和可能出现发动机爆震的区域。
根据本发明的一种构造，两个火花塞和两个气门(进气和排气)可定位成使得其各中心构成正方形的顶点。有利地，所形成的正方形可具有24至31mm之间范围内的长度的边(缘)。
优选地，各火花塞可相对于气缸的轴线方向(大致竖直方向)倾斜，更具体地呈两个不同角度。这允许补偿与内燃机架构有关的约束。实际上，不可能将火花塞以其最优位置竖直地定位在腔室中。使火花塞倾斜允许重新对中点火点，而无须整个移动火花塞。
根据一种示例性实施例，最接近燃料喷射器的火花塞可相对于气缸轴线的方向以25°至30°之间、优选地28°至29°之间范围内的角度倾斜。
根据一种示例性实施例，离燃料喷射器最远的火花塞可相对于气缸轴线的方向以25°至35°之间、更具体地28°至32°之间范围内的角度且优选地以大致30°的角度倾斜。
形成具有湍流(涡滚流和/或挤流)的进气空气动力学结构的装置可特别地包括燃烧室的形状和/或进气管的形状。
根据本发明的一种实施例，燃烧室可基本上具有椭圆形状。该形状促进显著的挤流。实际上，该椭圆形的表面积与气缸截面的表面积之比特别小，这对应于大量的挤流。
为了促进滚流和挤流，燃烧室的各部件可能以特定方式布置：
-进气门和排气门布置在椭圆的长轴的各端部(两端)处，因而各气门定位在相对各端处且间隔开；
-火花塞接近椭圆的短轴布置，因而火花塞定位在进气门与排气门之间；以及
-燃料喷射器在进气门与火花塞之间布置在椭圆内部、接近椭圆周界，由于涡滚流运动，该定位促进气体与燃料的混合。
与各部件的该布置相关联的燃烧室的该椭圆形设计允许产生空气动力学涡滚流结构并促进燃料混合物的均质化。此外，其允许高燃烧率，同时防止自燃(自动点火)现象。实际上，要指出的是，涡滚流由于进气阶段期间比最佳现有火花点火式发动机所观察到的那些更好的湍流度而允许受益于出色的均质化和更好的燃烧率。
根据本发明的实施例，椭圆形可包括朝向进气门延伸的凹部。该凹部关于长轴与燃料喷射器基本上对称地布置。换言之，凹部在进气门的与燃料喷射器所定位的那侧相对的一侧上。因而，凹部定位在火花塞与进气门之间。凹部要理解为对椭圆的外形的改变，该改变朝向椭圆的内部进行。凹部允许强化涡流类型湍流。实际上，凹部的目的在于促进涡滚流运动中涡流部分的形成。该凹部产生了管在腔室中的延伸，从而提供了空气动力学结构形成的延续。
根据本发明的一种实施例，进气门可与椭圆相切。因而，燃烧室的充填被优化。
根据本发明的一种特征，排气门可与椭圆相切。因而，燃烧室的排空被优化。
根据本发明的一种构造，火花塞不定位在椭圆的周界上。火花塞的这种布置提供了火焰前锋的最佳传播，以便防止(产生)发动机爆震和未燃烧气体。
根据本发明的一种实施例，内燃机可包括连接至燃烧室的空气进气管，进气门定位在其中，其构造成引发涡滚运动、即空气围绕气缸轴线的旋转运动(滚流)以及围绕垂直于气缸轴线的轴线的旋转运动(涡流)。
图1通过非限制性示例示意性地示出了根据本发明的实施例的燃烧室1。燃烧室1基本上具有椭圆6的形状。椭圆6由其长轴8和短轴9限定。燃烧室1包括位于长半轴8的一端处的单个进气门2。进气门2相切于椭圆6。燃烧室1包括位于长半轴8的一端处的单个排气门3。该端部与进气门2所在端部是相对的。排气门3相切于椭圆6。燃烧室1还包括两个火花塞4a和4b。火花塞4a和4b基本上布置在短轴9上(接近短轴9)。此外，燃烧室1包括单个燃料喷射器5。燃料喷射器5在椭圆6内部定位在椭圆6的周界上。此外，燃料喷射器5定位在进气门2与火花塞4a之间。在与喷射器5相对的侧上，椭圆6包括直线状凹部7。直线状凹部7定位在火花塞4b与进气门2之间。直线状凹部7朝向进气门2延伸。
除了促进挤流之外，如所示的椭圆形6还促进起始于进气管中涡流运动的进展(发展)。该燃烧室在某种程度上是进气管的延伸。
图2通过非限制性示例示意性地示出了根据本发明的实施例的内燃机的局部剖视图。图2是沿图1的轴线AA的剖视图。图2示出了发动机曲轴箱16内部(图中的白色部分)，特别是燃烧室1、位于进气管14与燃烧室之间的进气门2、以及火花塞4a。该图还示出了进气门2的致动器15。此外，在该图中分别还示出了火花塞4a和4b的轴线17a和17b。轴线17a对应于火花塞4a，轴线17b对应于火花塞4b(剖面AA中未示出)。火花塞4a和4b两者都相对于竖直方向(即气缸的方向)倾斜，轴线17a和17b的倾斜角不同。
图3通过非限制性示例示意性地示出了根据本发明的实施例的内燃机的局部剖视图。图3是沿图1的轴线BB的剖视图。图3示出了发动机曲轴箱16内部(图中的白色部分)，特别是燃烧室1和燃料喷射器5。燃料喷射器5包括大致圆筒形的机加工零件18，其突出进入燃烧室1中，从而确保喷射器不被燃烧室部分地阻塞。此外，该图还示出了燃料喷射器5的轴线19。燃料喷射器相对于竖直方向(即气缸的方向)倾斜，轴线19的倾斜角小于图2中的火花塞4a和4b的角度17a和17b。
根据本发明的一方面，内燃机包括至少一个气缸。例如，内燃机可包括两个、三个或四个气缸。
根据本发明的一种特征，内燃机可包括已燃烧气体再循环回路(EGR)。
本发明涉及一种内燃机，该内燃机具体设计成获得良好的燃料混合物均质性，并因而提供更好的燃烧效率。
特别地，根据本发明的内燃机特别在宽运行范围上适用于所谓米勒循环。该循环的特征在于，进气门在活塞的下死点之前关闭。这允许增加的做功回收，此外还允许冷却所吸入的进料。
这种内燃机可例如用于运输、道路运输或航空运输领域，或用于固定设备领域，比如发电机组。
应用示例
根据本发明的内燃机的特征和优势将通过阅读以下应用示例变得清楚。
图4通过非限制性示例示意性地示出了对于设置有根据本发明的燃烧室的发动机的进气管10和气缸11内的空气动力学涡滚流结构的图示。图4示出了这些元件中的各种气流13。
还观察到，燃烧持续时间与分布定律扩散和校准无关，这在现有火花点火式发动机中未发现。这允许内燃机的整体效率被有利地影响。
因而，根据本发明的燃烧室允许气缸中的高涡滚流，从而优化燃烧效率并因此优化内燃机。
图5通过非限制性示例示意性地示出对于根据本发明的内燃机燃烧室1和气缸11中的燃料喷射的可视化表示。燃烧室1是根据图1中的实施例：燃烧室1具有基本上椭圆形形状且其包括进气门2、两个火花塞4a和4b以及燃料喷射器5。燃料喷射器5定向成将燃料沿进气空气动力学运动结构的方向喷射，同时防止打湿各壁。在该情形中，燃料喷射器5朝向燃烧室1的中心定向，以有利于两个火花塞4a和4b之间的燃料喷射。图5以深灰色示出了来自燃料喷射器5的若干燃料束20。这些束被引导朝向两个火花塞4a与4b之间的中心区域。
图6示出了对于包括如图1和2中所示的燃烧室的发动机在燃烧期间火焰前锋的演化，图6是气缸11和燃烧室的俯视图。内燃机包括椭圆形燃烧室，燃烧室具有单个进气门2、单个排气门3、两个火花塞4a和4b以及喷射器(未示出)。图6中的每个缩略图对应于不同时间(时间)(时间由曲轴角定义，其中，在发动机燃烧阶段期间，360°作为对应于活塞的上死点的基准)。较深色区域18对应于火焰前封。这些缩略图清楚地示出了由根据本发明优化的双点火点所提供的优势。实际上，可注意到，火焰前封是圆形的，且其没有留下任何未燃烧气体可能存留的“死区”。

Claims (22)

1.一种内燃机，包括活塞在其中运动的至少一个气缸(11)，所述气缸(11)与燃烧室相关联，所述燃烧室设置有单个进气门(2)、单个排气门(3)、燃料喷射器(5)和两个火花塞(4a、4b)，其特征在于，所述燃烧室包括用于在所述燃烧室内形成具有湍流的进气空气动力学运动结构的装置，且所述燃料喷射器(5)定位成将燃料沿所述进气空气动力学运动结构的方向在所述两个火花塞(4a、4b)之间喷射到所述燃烧室的中心区域中；所述燃烧室具有椭圆形形状(6)，所述进气门(2)和所述排气门(3)布置在椭圆的长轴(8)的各端部处，且所述火花塞(4a、4b)接近椭圆的短轴(9)布置；所述椭圆形包括朝向所述进气门延伸的且关于所述长轴与所述燃料喷射器(5)对称地设置的凹部。
2.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述燃料喷射器(5)布置在所述进气门(2)与火花塞(4a)之间。
3.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述燃料喷射器(5)具有圆筒形状的机加工零件。
4.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述燃料喷射器(5)相对于所述气缸(11)的轴线的方向以小于15°的角度倾斜。
5.根据权利要求4所述的内燃机，其特征在于，所述燃料喷射器(5)相对于所述气缸(11)的轴线的方向在6°至10°之间的范围内的角度倾斜。
6.根据权利要求5所述的内燃机，其特征在于，所述燃料喷射器(5)相对于所述气缸(11)的轴线的方向等于8°的角度倾斜。
7.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述燃料喷射器(5)布置在所述燃烧室中，接近所述燃烧室的周界。
8.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述火花塞(4a、4b)定位在所述进气门(2)与所述排气门(3)之间范围的距离处。
9.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述燃料喷射器(5)定位在距所述进气门(2)5至15mm之间范围的距离处，且距所述排气门(3)20至40mm之间范围的距离处。
10.根据权利要求9所述的内燃机，其特征在于，所述燃料喷射器(5)定位在距所述进气门(2)9至10mm之间范围的距离处，且距所述排气门(3)20至40mm之间范围的距离处。
11.根据权利要求9或10所述的内燃机，其特征在于，所述燃料喷射器(5)定位在距所述排气门(3)25至30mm之间范围的距离处。
12.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述火花塞(4a、4b)间隔开所述气缸(11)的直径的30％至50％之间范围的距离。
13.根据权利要求12所述的内燃机，其特征在于，所述火花塞(4a、4b)间隔开所述气缸(11)的直径的35％至45％之间范围的距离。
14.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述火花塞(4a、4b)和所述进气门(2)和所述排气门(3)定位成使得其各中心构成正方形的顶点。
15.根据权利要求14所述的内燃机，其特征在于，所述正方形具有24至31mm之间范围内的长度的边。
16.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，最接近所述燃料喷射器(5)的火花塞(4a)相对于气缸轴线的方向以25°至30°之间范围内的角度倾斜。
17.根据权利要求16所述的内燃机，其特征在于，最接近所述燃料喷射器(5)的火花塞(4a)相对于气缸轴线的方向以28°至29°之间范围内的角度倾斜。
18.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，离所述燃料喷射器(5)最远的火花塞(4b)相对于所述气缸的轴线的方向以25°至35°之间范围内的角度倾斜。
19.根据权利要求18所述的内燃机，其特征在于，离所述燃料喷射器(5)最远的火花塞(4b)相对于所述气缸的轴线的方向28°至32°之间范围内的角度倾斜。
20.根据权利要求19所述的内燃机，其特征在于，离所述燃料喷射器(5)最远的火花塞(4b)相对于所述气缸的轴线的方向以30°的角度倾斜。
21.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，用于形成所述进气空气动力学运动结构的所述装置涉及所述燃烧室的形状和/或进气管的形状。
22.根据前述权利要求中任一权利要求所述的内燃机用于米勒循环的用途。
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