CN110230534A - 用于内燃机的预燃室装置 - Google Patents

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M.拉波拉尼
S.莱明格
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Abstract

公开了一种用于内燃机的预燃室装置(1)。预燃室装置包括预燃室主体(13)、喷嘴主体(14)，预燃室主体(13)沿周向包封预燃室腔体(12)，喷嘴主体(14)从预燃室主体延伸，且设置在预燃室装置的第一轴向端处，其中喷嘴主体的内部与预燃室腔体(12)成流体连通，且提供预燃室腔体(12)的附属部。预燃室主体和喷嘴主体设置为包括内表面(16)和外表面(17)的壁，且包括第一材料。由第二材料构成的芯体部件(18)被包封在壁的内部、在内表面与外表面之间，且在喷嘴主体(14)的内部沿轴向延伸，由第一材料包封。

Description

用于内燃机的预燃室装置
技术领域
本公开涉及一种如权利要求书中阐述的用于内燃机的预燃室装置。本公开进一步涉及如权利要求书中进一步阐述的一种汽缸盖和一种往复式发动机，且涉及制造预燃室装置的方法。
背景技术
某些类型的内燃机(特别是往复式内燃机)装备有预燃室，预燃室有助于对燃烧室中提供的燃料-氧化剂混合物进行快速地且完全地点火。在预燃室腔体中，部分腔体的燃料-氧化剂混合物由点火源(诸如，例如火花塞)点火。包封预燃室腔体的预燃室装置在预燃室装置的一个轴向末梢处包括喷嘴开口，燃烧的混合物和/或热的燃烧产物和/或等离子体的射流通过喷嘴开口而排放到主燃烧室中，这些射流深深地穿透到主燃烧室中，且引起主燃烧室中提供的燃料-氧化剂混合物的快速的且完全的点火。因此提高了例如往复式发动机的效率，且可有助于排放控制。
如具有本领域中的普通技术的人员所熟知的那样，这样的预燃室装置通常设在往复式发动机的汽缸盖中。在实施例中，每个汽缸可设置一个预燃室装置。
如将容易理解的那样，预燃室装置受到显著的热负荷。US2013/0139784提出将预燃室装置设置为一种夹层构造，在该预燃室装置中设置支承结构，支承结构由具有相对较高的机械强度和相对较低的热导率的材料制成，且由具有相对较低的机械强度和相对较高的热导率的材料构成的部件嵌入在支承结构内。根据US2013/0139784的教导，具有较高的热导率的材料构成预燃室装置的表面的部分。因此，预燃室装置受到外部影响，例如与冷却流体的接触和因此产生的例如腐蚀行为(如果必须考虑该材料的话)。对于意图的使用来说，足够的机械强度是进一步的前提。材料的选择和/或预燃室装置适合在其下运行的状况因此受限制。US2016/0333771公开了一种预燃室装置，其沿着轴向方向从第一轴向端延伸到第二轴向端，预燃室装置包括沿周向包封预燃室腔体的预燃室主体。喷嘴主体在预燃室装置的第一轴向端处从预燃室主体延伸，其中喷嘴主体的内部与预燃室腔体成流体连通，且提供预燃室腔体的附属部。喷嘴开口设置成通过喷嘴主体而从喷嘴主体的内部到外部。预燃室装置装备有冷却通路。在实施例中，冷却通道是封闭的，且填充有具有高的热导率(当与预燃室装置的周围结构材料比较时)的材料。在其它实施例中，所述冷却通路包括液体，从而形成热管。US2016/0333771中公开的冷却通路为相对较长且较细的结构，其主要沿预燃室装置的轴向方向延伸。因此，热传递和温度均匀化主要沿预燃室装置的轴向方向实现，尽管冷却通路围绕预燃室装置的圆周而离散地分布。
发明内容
本公开的目的是提出一种呈最初提到的类型的装置，以及一种用于制造所述装置的方法。在更具体的方面，将公开一种呈最初提到的类型的改进的装置。在进一步的更具体的方面，将公开一种预燃室装置，其包括用以支持远离高热负荷的喷嘴主体和喷嘴主体的末梢而进行的热传递的机构。在另一方面，本公开的目标是提供一种呈最初提到的类型的装置，其适合于提供特别是喷嘴主体的更均匀的温度分布。即，将相应地减小或限制喷嘴主体中的涉及轴向温度梯度以及周向温度梯度的空间温度梯度。
这通过权利要求1中描述的主题来实现。
考虑到下文提供的公开，所公开的主题的进一步的效果和益处(无论是否明确地提到)将变得显而易见。
要注意的是，在本公开的框架内，不定冠词“一”或“一种”的使用决不规定单数性，也不排除存在多个指定的部件或特征。因此，将在“至少一个”或“一个或多个”的意义上阅读不定冠词。
因此，所公开的是一种用于内燃机的预燃室装置，预燃室装置沿着轴向方向从第一轴向端延伸到第二轴向端。预燃室装置包括预燃室主体和喷嘴主体，预燃室主体沿周向包封预燃室腔体，喷嘴主体从预燃室主体延伸，且作为预燃室主体的附属部而设置在预燃室装置的第一轴向端处。要理解的是，预燃室主体和喷嘴主体可设置成彼此成一体，使得预燃室装置设置为一体的单件式装置。喷嘴主体的内部与预燃室腔体成流体连通，且提供预燃室腔体的附属部。喷嘴开口设置成通过喷嘴主体而从喷嘴主体的内部到外部。预燃室主体和喷嘴主体设置为壁，其中，如上文注意到的那样，它们可设置为一个一体的单件式壁。壁包绕预燃室腔体和喷嘴主体的内部。喷嘴主体的内部可理解为预燃室腔体的附属部和部分。壁包括内表面和外表面。特别地，内表面和外表面沿周向延伸。内表面设置成邻近且包绕预燃室装置的内部，即包括在喷嘴主体的内部形成的附属部的预燃室腔体。要理解的是，外表面设置成横跨壁而与内表面相反。预燃室主体和喷嘴主体相应地包括第一材料或由第一材料制成。所述第一材料形成壁的内表面和外表面。相应地包括第二材料或由第二材料制成的芯体部件被包封在壁的内部、在内表面与外表面之间。要理解的是，芯体部件被包封在壁的内部，而不是由壁包封。因此，特别地，芯体部件可被密闭地包封在壁的内部。即，芯体部件的表面可至少基本上整个地由形成壁的第一材料覆盖。芯体部件设置成在喷嘴主体壁的内部沿轴向延伸，且由第一材料包封。芯体部件包括一体地跨越预燃室装置的圆周的至少一个横截面。由于包括第二材料的芯体部件完全被包封在壁的内部的事实，故预燃室装置的外部表面只由第一材料形成。根据另一观点，没有外部表面是由第二材料形成。因此，第二材料不会受到来自例如燃烧气体或冷却剂的侵蚀或腐蚀。
大体上，预燃室装置的与喷嘴主体相反的轴向端可装备有用以接纳且附连点火装置的机构。例如，可设置延伸到预燃室腔体中且设置和构造成接纳点火装置(例如火花塞)的母螺纹。
第一材料可选择成具有或表现出第一热导率，且第二材料可选择成具有或表现出第二热导率，其中特别地，第二热导率可大于或超过第一热导率。
第一材料可选择成具有或表现出第一机械强度参数，且第二材料可选择成具有或表现出第二机械强度参数，其中特别地，至少一个第一机械强度参数超过对应的第二机械强度参数。机械强度参数可包括而不限于下者中的至少一个：弹性模量、断裂强度、硬度、抗冲击性、弹性模量、屈服强度、极限抗张强度、疲劳强度和/或抗蠕变性。
第一材料可选择成具有或表现出第一熔点，且第二材料可选择成具有或表现出第二熔点，其中特别地，第二熔点低于第一熔点。
第一材料可选择成具有或表现出第一抗腐蚀和/或侵蚀性，且第二材料可选择成具有或表现出第二抗腐蚀和/或侵蚀性，其中特别地，第二抗腐蚀和/或侵蚀性低于第一抗腐蚀和/或侵蚀性。在这方面可以说，大体上第一材料表现出比第二材料更高的对化学的和物理的磨损和磨蚀和/或侵蚀的抗性。
在某些实施例中，芯体部件或芯体部件的轴向范围可相应地被限制于喷嘴主体，使得芯体部件只在喷嘴主体的内部延伸。然而，在其它实施例中，芯体部件可沿轴向至少延伸通过喷嘴主体的一部分和预燃室主体的一部分。
在某些实施例中，芯体部件可定形为由实心的连续壁包封的管道，特别是具有沿周向封闭的壳表面。在更具体的实施例中，芯体部件可呈空心圆柱体、空心截头圆锥体等形状，或类似它们的形状。然而，在其它实施例中，芯体部件可表现出穿孔的或穿通的或中断的壳表面。芯体部件例如可定形为冠和笼中的一个。
在如本文公开的预燃室装置的某些示例性实施例中，芯体部件由其制成或构成的第二材料可选择成具有或表现出足够低的熔点，从而在预燃室装置的运行期间液化。技术人员将容易理解，当预燃室装置在发动机中运行时，预燃室装置将在典型的温度窗口中运行，且在任何情况下均在高于某个阈温度的温度下运行(除冷启动状况之外)。由于该考虑，上文的陈述为具有本领域中的技术的人员提供了清楚且明白的教导。即，在运行期间，芯体部件作为被包封在预燃室装置的壁的内部的液体而存在。芯体部件于是可以以类似于热管的方式传递热。在预燃室装置在发动机中安装成使得喷嘴主体布置成在重力上比预燃室主体更低(在许多应用中情况就是这样)的进一步的前提的情况下，从喷嘴主体到预燃室主体且进一步从预燃室主体到汽缸盖的热传递由芯体部件所占据的腔体的内部的自然对流支持。“在重力上更低”应宽泛地理解为涉及任何加速度场或重力场(例如地球上的加速度场或重力场)，其中“在重力上更低”实际上意味着“更低”，但“在重力上更低”还涉及由离心力引起的重力场。大体上，实体布置成在重力上比第二实体更低应解释成意味着该实体相对于第二实体沿重力加速度和力(包括离心加速度和力)作用所沿的方向移位。
可进一步有益的是，将芯体部件由其制成的材料选择成具有或表现出足够高的熔点，以便有助于在制造期间操纵芯体部件。即，该材料可选择成使得芯体部件在典型的室温区间(大约低于50℃)下为固体，且进一步，该材料可选择成具有或表现出高于100℃、高于200℃或高于300℃的熔点。如上文提到的那样，该材料可选择成使得其在典型的运行状况下液化。
在本公开的其它方面，公开了用于制造如上文描述的预燃室装置的方法。大体上，可通过应用增材制造方法而特别容易地制造如本文描述的预燃室装置。特别地，增材制造方法应理解为基本上类似3D打印的方法。作为示例而决不是限制性的，这些方法可包括所谓的选择性激光熔化SLM、电子束熔化EBM、直接金属激光熔化DMLM和激光粉末成形LPF。在更具体的方面，该方法包括通过增材制造方法来提供由第二材料构成的实心芯体部件，且围绕芯体部件设置第一材料。在进一步的更具体的方面，该方法可包括通过增材制造方法来制造预燃室装置，其中在制造过程期间改变设置成用于增材制造方法的材料，使得预燃室装置的壁应由其制造的第一材料在第一位置处设置且熔合，而芯体部件应由其制造的第二材料在第二位置处设置且熔合。
所进一步公开的是一种包括呈上文公开的类型的预燃室装置的汽缸盖，以及一种包括汽缸盖的往复式发动机，该汽缸盖又包括呈上文公开的类型的预燃室装置。
技术方案1. 一种用于内燃机的预燃室装置(1)，所述预燃室装置沿着轴向方向从第一轴向端延伸到第二轴向端，
所述预燃室装置包括：
预燃室主体(13)，其沿周向包封预燃室腔体(12)，
喷嘴主体(14)，其从所述预燃室主体延伸，且作为所述预燃室主体的附属部而设置在所述预燃室装置的第一轴向端处，其中所述喷嘴主体的内部与所述预燃室腔体(12)成流体连通，且提供所述预燃室腔体(12)的附属部，并且喷嘴开口(15)设置成通过所述喷嘴主体而从所述喷嘴主体的所述内部到外部，
其中所述预燃室主体和所述喷嘴主体设置为包括内表面(16)和外表面(17)的壁，
其中所述预燃室主体和所述喷嘴主体包括第一材料，所述第一材料形成所述壁的所述内表面和所述外表面，并且由第二材料构成的芯体部件(18)被包封在所述壁的内部、在所述内表面与所述外表面之间，且在所述喷嘴主体(14)的壁的内部沿轴向延伸，且由所述第一材料包封，
其特征在于，所述芯体部件(18)包括一体地跨越所述预燃室装置的圆周的至少一个横截面。
技术方案2. 根据前述技术方案所述的预燃室装置，其中所述第一材料具有第一热导率，且所述第二材料具有第二热导率，其特征在于，所述第二热导率大于所述第一热导率。
技术方案3. 根据任一前述技术方案所述的预燃室装置，其中所述第一材料具有第一机械强度参数，且所述第二材料具有第二机械强度参数，其特征在于，至少一个第一机械强度参数超过对应的第二机械强度参数。
技术方案4. 根据前述技术方案中的任一项所述的预燃室装置，其中所述第一材料具有第一熔点，且所述第二材料具有第二熔点，其特征在于，所述第二熔点低于所述第一熔点。
技术方案5. 根据前述技术方案中的任一项所述的预燃室装置，其中所述第一材料具有第一抗腐蚀和/或侵蚀性，且所述第二材料具有第二抗腐蚀和/或侵蚀性，其特征在于，所述第二抗腐蚀和/或侵蚀性低于所述第一抗腐蚀和/或侵蚀性。
技术方案6. 根据前述技术方案中的任一项所述的预燃室装置，其特征在于，所述芯体部件(18)被限制于所述喷嘴主体(14)。
技术方案7. 根据技术方案1-5中的任一项所述的预燃室装置，其特征在于，所述芯体部件(18)沿轴向至少延伸通过所述喷嘴主体(14)的一部分和所述预燃室主体(13)的一部分。
技术方案8. 根据前述技术方案中的任一项所述的预燃室装置，其特征在于，所述芯体部件(18)定形为由实心壁包封的管道。
技术方案9. 根据技术方案1-7中的任一项所述的预燃室装置，其特征在于，所述芯体部件(18)定形为冠和笼中的一个。
技术方案10. 根据前述技术方案中的任一项所述的预燃室装置，其特征在于，所述第二材料选择成具有足够低的熔点，从而在所述预燃室装置的运行期间液化。
技术方案11. 一种制造根据前述技术方案中的任一项所述的预燃室装置的方法，其特征在于，通过增材制造方法来提供由所述第二材料构成的实心芯体部件(18)，且围绕所述芯体部件设置所述第一材料。
技术方案12. 一种制造根据要求保护预燃室装置的前述技术方案中的任一项所述的预燃室装置的方法，其中通过应用增材制造方法来制造所述预燃室装置，其特征在于，通过在制造过程期间改变设置成用于所述增材制造方法的材料来制造所述芯体部件(18)。
技术方案13. 一种汽缸盖，其特征在于，所述汽缸盖包括根据前述技术方案中的任一项所述的预燃室装置(1)。
技术方案14. 一种往复式发动机，其包括根据前述技术方案所述的汽缸盖。
要理解的是，上文公开的特征和实施例可彼此组合。将进一步理解的是，可构想出对技术人员来说显然的且显而易见的处于本公开和要求保护的主题的范围内的进一步的实施例。
附图说明
现在将借助于附图中显示的经选择的示例性实施例来更详细地阐释本公开的主题。附图显示了：
图1为呈本文公开的类型的预燃室装置的第一示例性实施例的截面视图；以及
图2为呈本文公开的类型的预燃室装置的第二示例性实施例的截面视图。
要理解的是，附图是高度示意性的，并且为了容易地理解和描绘，指示目的所不需要的细节可已省略。要进一步理解的是，附图仅显示经选择的说明性的实施例，且未显示的实施例仍可完全处于本文公开的和/或要求保护的主题的范围内。
具体实施方式
图1以截面视图显示了根据本公开的教导的预燃室装置的第一示例性实施例。预燃室装置1包括预燃室主体13和喷嘴主体14，喷嘴主体14从预燃室主体13延伸，且设置在预燃室装置的一个轴向端处。预燃室装置的轴线以11表示。预燃室腔体12在预燃室装置的内部形成，且沿轴向延伸到喷嘴主体中，从而形成喷嘴主体的内部。喷嘴开口15设在喷嘴主体14中，且提供喷嘴主体的内部与喷嘴主体的外部之间的流体连通。预燃室腔体12由壁沿周向且在喷嘴侧轴向端处界定。要注意的是，预燃室装置1在与喷嘴主体相反的轴向端处是开放的，从而在预燃室腔体12中接纳点火装置，诸如火花塞。界定预燃室腔体12的壁包括邻近预燃室腔体12的内表面16，以及外表面17。壁由第一材料制成。该第一材料形成内表面和外表面，且大体上相应地形成壁或预燃室装置1的整个外部表面。芯体部件18设置且被包封在壁的内部。芯体部件18被密闭地包封在壁的内部。芯体部件18设置在壁的内表面16与外表面17之间，其中内表面16和外表面17由第一材料形成。芯体部件18相应地包括第二材料或由第二材料制成，第二材料不同于壁以及内表面和外表面由其形成的第一材料。芯体部件18没有外部表面，且整个地由第一材料包封。芯体部件18围绕预燃室装置1的整个周向范围而沿周向且特别是一体地、不中断地延伸。在图1中显示的示例性实施例中，芯体部件18可为空心圆柱体。对于非限制性的实例，芯体部件18可由作为第二材料的铝或铜制成，第二材料具有相对较高的热导率和相对较低的机械强度。在其中包封芯体部件18的壁可由形成比较高的机械强度(特别是在高温下)和比较低的热导率的任何材料制成。因此，在机械方面较弱的芯体部件被牢固地包封且支承在在机械方面较强的壁的内部，且因此不会或仅非显著地承受机械负荷。进一步保护芯体部件整个不受任何化学的或物理的腐蚀和/或磨蚀影响。在另一方面，芯体部件用于强化在预燃室装置1的内部的热传导，因此用于减小在运行期间出现的温度梯度，减小由热诱发的应力，且因此又支持预燃室装置的机械完整性。如技术人员将容易理解的那样，在预燃室装置的运行期间，吸到预燃室装置的材料中的热在喷嘴主体处和喷嘴主体的末梢处高，且进一步从内表面16吸热。这由下者引起：在预燃室腔体12的内部的燃烧，以及热的气体和等离子体通过喷嘴开口15而被排出，因此强化吸到包围喷嘴开口的材料中的热，且进一步强化在喷嘴主体14的末梢处从发动机的燃烧室吸的热。另一方面，预燃室主体13的外表面17接纳在经冷却的汽缸盖中。因此，产生温度梯度，其中一方面，温度从喷嘴主体14的末梢到预燃室主体13沿轴向方向降低，且另一方面，温度从内表面16到外表面17沿径向方向降低。包括具有相比于周围壁的材料而比较高的热导率的材料的芯体部件18相应地强化热传导，或减小驱动某个热通量所需的温度梯度。结果，壁中的温度梯度以及连同其一起的由热诱发的应力也减小。因为芯体部件18一方面沿轴向延伸，且另一方面跨越预燃室装置1的圆周，故轴向的温度梯度减小，且周向的温度梯度减小(如果没有避免的话)。要注意的是，特别地，芯体部件18可沿周向封闭，或表现出芯体部件18在其中沿周向封闭的至少一个横截面，从而进一步支持使沿着预燃室装置1的圆周的温度分布均匀。
在图2中显示的第二示例性实施例中，芯体部件18表现出比图1的实施例中的芯体部件18显著更大的轴向范围。在该说明性的且示例性的实施例中，芯体部件18从喷嘴主体14的内部远远地延伸到预燃室主体13中。为了实现该结构(特别是围绕预燃室腔体12的锥形区段)，芯体部件18基本上为漏斗形，其中截头圆锥形区段在预燃室主体13的内部，且包围预燃室腔体12的锥形区段，并且圆柱形区段延伸到喷嘴主体14中。技术人员将理解，图2的实施例中的扩大的芯体部件进一步强化在预燃室装置1的内部的热传导。通过对用于具体的发动机或汽缸盖中的预燃室装置的运行的热传递和温度分布进行标准的计算，技术人员将容易确定芯体部件18的最佳尺寸和形状。
尽管借助于示例性实施例阐释了本公开的主题，但要理解的是，这些示例性实施例决不旨在限制要求保护的发明的范围。将理解的是，权利要求书涵盖本文未明确地显示或公开的实施例，并且偏离实施本公开的教导的示例性模式中公开的实施例的实施例将仍由权利要求书涵盖。

Claims (10)

1.一种用于内燃机的预燃室装置(1)，所述预燃室装置沿着轴向方向从第一轴向端延伸到第二轴向端，
所述预燃室装置包括：
预燃室主体(13)，其沿周向包封预燃室腔体(12)，
喷嘴主体(14)，其从所述预燃室主体延伸，且作为所述预燃室主体的附属部而设置在所述预燃室装置的第一轴向端处，其中所述喷嘴主体的内部与所述预燃室腔体(12)成流体连通，且提供所述预燃室腔体(12)的附属部，并且喷嘴开口(15)设置成通过所述喷嘴主体而从所述喷嘴主体的所述内部到外部，
其中所述预燃室主体和所述喷嘴主体设置为包括内表面(16)和外表面(17)的壁，
其中所述预燃室主体和所述喷嘴主体包括第一材料，所述第一材料形成所述壁的所述内表面和所述外表面，并且由第二材料构成的芯体部件(18)被包封在所述壁的内部、在所述内表面与所述外表面之间，且在所述喷嘴主体(14)的壁的内部沿轴向延伸，且由所述第一材料包封，
其特征在于，所述芯体部件(18)包括一体地跨越所述预燃室装置的圆周的至少一个横截面。
2.根据前述权利要求所述的预燃室装置，其中所述第一材料具有第一热导率，且所述第二材料具有第二热导率，其特征在于，所述第二热导率大于所述第一热导率。
3.根据任一前述权利要求所述的预燃室装置，其中所述第一材料具有第一机械强度参数，且所述第二材料具有第二机械强度参数，其特征在于，至少一个第一机械强度参数超过对应的第二机械强度参数。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的预燃室装置，其中所述第一材料具有第一熔点，且所述第二材料具有第二熔点，其特征在于，所述第二熔点低于所述第一熔点。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的预燃室装置，其中所述第一材料具有第一抗腐蚀和/或侵蚀性，且所述第二材料具有第二抗腐蚀和/或侵蚀性，其特征在于，所述第二抗腐蚀和/或侵蚀性低于所述第一抗腐蚀和/或侵蚀性。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的预燃室装置，其特征在于，所述芯体部件(18)被限制于所述喷嘴主体(14)。
7.根据权利要求1-5中的任一项所述的预燃室装置，其特征在于，所述芯体部件(18)沿轴向至少延伸通过所述喷嘴主体(14)的一部分和所述预燃室主体(13)的一部分。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的预燃室装置，其特征在于，所述芯体部件(18)定形为由实心壁包封的管道。
9.根据权利要求1-7中的任一项所述的预燃室装置，其特征在于，所述芯体部件(18)定形为冠和笼中的一个。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的预燃室装置，其特征在于，所述第二材料选择成具有足够低的熔点，从而在所述预燃室装置的运行期间液化。
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