CN110578597B - 预燃室、气缸装置以及相关方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及预燃室底部部分、预燃室、气缸装置以及相关方法。一种内燃机的气缸的预燃室的预燃室底部部分(1)包括具有竖直轴(3)的点火室下部(2)和用于将点火室下部(2)与主燃烧室连接的管道(4)，管道(4)包括正好一个管道纵轴(5)。管道(4)的进口(6)被形成为使得竖直轴(3)相对于管道纵轴(5)具有倾斜角(A)，并且进口(6)偏心布置以使得能在点火室中形成滚流运动。管道(4)包括至少一个出口(7)，出口(7)被布置成使得气体‑空气混合物束能形成为相对于竖直轴(3)不对称地分布。进口(6)处的边缘(8)被设计为圆滑边缘。

Description

预燃室、气缸装置以及相关方法
本发明是申请号为201510408766.8、申请日为2015年7月13日、发明名称为“预燃室底部部分、预燃室、气缸装置以及相关方法”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及预燃室底部部分、预燃室、气缸装置、用于混合气体和空气并且点燃预燃室中的所述气体-空气混合物的方法以及用于更换预燃室的方法。
背景技术
预燃室尤其用于所谓的稀薄燃烧发动机，在稀薄燃烧发动机中需要强大的点火源。在这种情况下，使用预燃室来提供用于点燃主燃烧室中的稀薄气体混合物的高能量。在预燃室中，通过喷射适当的燃料(所述燃料在过量空气中反应并且在超过特定压力和温度条件下进行自燃)或者通过电热塞或火花塞与通过在预燃室中直接添加正确量的气体而可得到的本地理想配比的空气-气体混合物的结合，可点燃来自主燃烧室的稀薄基本空气-气体混合物。预燃室的形状取决于实际点火方法。带或不带电热塞的引燃燃料点火可提供比传统火花预燃室点火系统高的点火能量。这要求通常将引入预燃室的基本空气-气体燃料混合物与待喷射引燃燃料的混合物快速且可重复的混合。尽管多种预燃室布置是已知的，但它们不能够同时满足上述要求。
US 5,293,851公开了一种包括预燃室的气体发动机的燃烧系统。预燃室通过简单的管道连接到主燃烧室。管道没有在流动方面进行优化并且包括通向预燃室的陡边，这造成寿命短并导致正供应到气缸中的气体-空气混合物的分布差，尤其是在诸如轮船发动机的大型发动机的情况下。
在DE 197 03 309中，公开了由两个部分制成的预燃室。预燃室是对称构成的，使得经过管道的流动将导致比有限的滚流运动更多的涡流。
WO 2009/109694公开了用于奥拓循环的预燃室布置，该预燃室布置包括用于将被点燃的气体-空气混合物对称分布在气缸燃烧室中的数个开口。这种预燃室往往会由于使开口之间的小金属桥受损的高温而频繁更换包括开口的部件。
发明内容
因此，本发明的目的是避免现有技术的缺陷并且形成预燃室底部部分、预燃室、气缸装置、用于混合气体和空气并且点燃气体-空气混合物的方法以及用于更换预燃室底部部分的方法，所述预燃室底部部分具有进入主燃烧室中的气体-空气混合物的优化入口和优化寿命。
该目的是通过用于内燃机的气缸的预燃室的预燃室底部部分来实现的，该预燃室底部部分包括具有竖直轴的点火室下部，用于点燃气体-空气混合物。预燃室底部部分包括管道，用于将点火室下部与气缸的主燃烧室连接。管道包括至少一个管道纵轴，并且通向点火室下部的管道的进口被形成为使得竖直轴相对于管道纵轴具有倾斜角。进口被偏心布置以使得在点火室中能形成滚流运动。管道包括至少一个出口(优选地，确切地说是一个出口)，出口被布置成使得气体-空气混合物束能形成为相对于竖直轴不对称地分布。进口处的边缘被设计为圆滑边缘。
这种预燃室底部部分造成气体和空气的优化分布，因此，造成预燃室中和气缸的主燃烧室中的优化点火。此外，预燃室底部部分的寿命延长。
管道纵轴可被布置成相对于竖直轴成大致0.1°至80°的角度，优选地相对于竖直轴成10°至45°的角度，最优选地相对于所述竖直轴成16°至30°的角度。
这种管道造成点火室中的气体-空气混合物的最佳不对称分布和优化滚流运动。
被点燃的气体-空气混合物束可从所述出口被引入所述主燃烧室，仅仅在径向环绕所述竖直轴最大成180°且与竖直轴轴向成90°的球心角体内。
这种设计能够使主燃烧室中的被点燃的气体-空气混合物的分布优化。
所述管道可包括相对于管道纵轴倾斜的管道区段。
这种设计能够形成具有管道的流动优化管道进口和出口的预燃室，这样能够使得被点燃的气体-空气混合物的分布不对称。但是，得到通道内的优化流动。
所述管道的横截面和/或所述管道区段的横截面可从所述进口向着所述出口渐缩。
渐缩的横截面造成穿过管道的流动速率增大，从而将气体-空气混合物更远地引入主燃烧室中。这造成更均匀的燃烧和更稳定的过程。
所述管道区段相对于所述竖直轴的倾斜角可以在从0.2°至90°的范围内、优选地在从20°至70°的范围内、更优选地在从45°至55°的范围内。
通常，管道区段相对于竖直轴的倾斜角和管道纵轴相对于竖直轴的倾斜角不被优选地选择，使得它们彼此的作用不复存在。因此，管道区段的倾斜角被优选地选定为大于管道的倾斜角。管道区段的倾斜角造成可能将预燃室设置在气缸中部外侧并且还将气体/空气混合物供给到燃烧室中部内和/或供给到燃烧室内的气体-空气流的漩涡中。使用两个不同的倾斜角造成预燃室底部部分的尺寸减小并且更容易制造预燃室底部部分。
可在管道和管道区段之间布置球形横截面加宽部分。
管道和管道区段之间的球形横截面加宽部分造成可能钻出具有两个不同钻孔方向的管道和管道区段。这造成制造成本较低并且部件更精确。
所述管道可按弯曲方式设计，优选地，所述管道的曲率半径在与所述竖直轴垂直的所述点火室的最大横截面的1.5倍至2倍的范围内。
这种管道在流动方面被优化并且造成最佳的流动速率。
优选地，预燃室底部部分通过铸造或精密铸造制成。
铸造的预燃室底部部分被更容易地制造，因此更具成本效益。此外，预燃室底部部分的设计受到更少的限制。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于点燃内燃机中的气体/空气混合物的预燃室，该预燃室包括预燃室顶部部分和如之前描述的预燃室底部部分。这种预燃室造成燃料气体与喷射的引燃燃料被有效循环且快速混合。混合物的滚流运动造成预燃室以及主燃烧室二者中的可重复和强力的燃烧。另外，预燃室可布置在与燃烧室的中间竖直轴相距一定距离的位置，由此造成更容易构造整个气缸装置。
预燃室可包括延伸到点火室中的点火装置，所述点火装置用于点燃气体-空气混合物，优选地，所述点火装置是火花塞或电热塞。
点火室是由预燃室底部部分的点火室下部和预燃室顶部部分构成的。
点火室造成预燃室中的气体-空气混合物被点燃，从而造成在燃烧稳定性增加的情况下进行高效燃烧。
预燃室可包括燃料供给管，通过燃料供给管能将燃料供给到预燃室中。
在使用自燃的情况下，燃料供给管是点火装置的替代方式。
点火室的容积与所有出口的横截面之和或出口的横截面之间的关系在200mm和1000mm之间的范围内。
容积的这种关系造成进入气缸装置的燃烧室中的气体-空气混合物的流动和流速被优化。
点火室的容积对应于除了管道的容积之外的预燃室的容积。
所述预燃室顶部部分相对于所述竖直轴不对称地设计，优选地通过与所述竖直轴相距一定距离布置的开口而不对称地设计。
因此，预燃室顶部部分的内壁具有不对称形状，使得所述内壁相对于纵轴略微改变。优选地，进口侧的点火室的赤道区域处的内壁包括比该点相对的壁更小的曲率半径。
这种设计在流动方面被优化并且造成燃烧优化。
根据本发明的另一方面，提供一种气缸装置，该气缸装置包括如之前描述的预燃室。
这种气缸装置造成更有效且稳定的燃烧并且可用于两冲程或四冲程的发动机。
气缸装置可包括两个预燃室。优选地，这两个预燃室可被布置在气缸盖中。
使用两个预燃室造成主燃烧室中的气体-空气混合物的分布被优化，尤其是在诸如用于轮船的燃烧发动机中的大型燃烧室的情况下。
气缸盖中的布置造成在更换预燃室或预燃室底部部分的情况下能容易接近。
预燃室可偏心布置，优选地接近气缸套的内径、优选地接近气缸盖中的气缸套的内径。
根据本发明的接近气缸套的内径包括相比于气缸装置的中间更靠近气缸套的内径布置每个预燃室。
这种布置允许燃烧室中的气体-空气混合物的分布被优化，从而造成燃烧更高效。
此外，甚至三个或四个预燃室可以偏心布置，接近边缘，优选地，均匀地分布于气缸盖的边缘。
这种设计允许被点燃的气体-空气混合物甚至更均匀地分布。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于在如之前所述的气缸装置的预燃室中混合气体和空气并且点燃混合物的方法。气体与空气被混合以形成气体-空气混合物并接着被供给到所述预燃室中。所述气体-空气混合物接着被点燃，其中，在所述预燃室中形成滚流运动，并且被点燃的所述气体-空气混合物通过管道被供给到所述主燃烧室中。被点燃的所述气体-空气混合物的流动在所述管道内被偏转，并且所述气体-空气混合物的流动速率在所述管道内被增大。
这样，被点燃的气体-空气混合物达到燃烧室的深部并且造成完全且高效的燃烧。
在点燃气体-空气混合物之前，另外的气体可被引入预燃室中。
这样，气体-空气混合物更快且更可靠地被点燃。
气体-空气混合物可从所述预燃室通过至少一个出口相对于所述主燃烧室的竖直轴不对称地供给到所述主燃烧室中。由于预燃室的布置，气体-空气混合物的不对称地引入主燃烧室造成燃烧被优化。
气体-空气混合物可通过每个预燃室的(精确地)一个出口被供给到主燃烧室。
使用(精确地)一个出口造成预燃室的寿命更长，因为预燃室的这些部分更结实。
根据本发明的另一方面，提供了一种通过拆卸预燃室底部部分并且安装如之前描述的预燃室底部部分来更换预燃室底部部分的方法。
这种方法造成预燃室的成本优化使用(由于其寿命较长)并且有可能只用更换预燃室的底部部分。
附图说明
下文中通过附图在实施方式中进一步解释本发明：
图1：预燃室底部部分的示意性剖视图；
图2：预燃室的示意性剖视图；
图3：旋转90°后图2的示意性剖视图；
图4：包括两个预燃室的气缸盖的示意性剖视图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的预燃室底部部分1。预燃室底部部分1包括具有竖直轴3的点火室下部2。点火室下部2可与点火室顶部(未示出)相结合，以形成完整的点火室(未示出)。管道4从点火室下部2向下延伸。进口6布置在点火室下部2和管道4之间。管道4还包括管道纵轴5，管道纵轴5相对于竖直轴3以大致18°的倾斜角A倾斜。管道4还包括管道区段14，管道区段14相对于竖直轴3以大致65°的第二倾斜角B倾斜。球面加宽部分布置在管道4和管道区段14之间。进口6被布置成使得管道4以大致与一侧相切的形式通向点火室下部2。进口6的边缘8被设计为平滑或圆滑边缘，以一方面优化气体-空气混合物的流动并且另一方面防止在预燃室底部部分1的材料中形成热点。管道区段14包括出口7，出口7被设计成使得气体-空气混合物束相对于竖直轴3是不对称分布的。
图2示出根据本发明的预燃室9的第一剖视图。预燃室9包括预燃室底部部分1(如图1中所示)和预燃室顶部部分10。预燃室顶部部分10是具有平滑弯曲壁的椭圆形状。来自管道4的流动运动由点火室12的椭圆形状的上部进一步引导。为此目的，引燃喷射装置15尽可能小地突出进入点火室12。点火室12的容积取决于所使用气缸的活塞直径并且应该相应进行选择。点火室12的尺寸对应于点火室12内部的竖直轴的长度与点火室12的最宽点处的简单横轴的长度之间的比值。该比值优选地被选定在0.6和1.8之间。根据图2的实施方式另外包括如有必要可使用的电热塞16。
图3示出从旋转90°的视角看到的图2的预燃室9。这个视角示出如图1中所示的管道区段14和出口7。由于出口7相对于竖直轴3不对称布置，所以出口7在图2中不可见。引燃喷射装置15位于竖直轴3的第一侧，而电热塞16位于竖直轴3的另一侧。
图4示出气缸盖17的剖视图，气缸盖17包括被布置成接近气缸套18的内径的两个预燃室9(如图2和图3中所示)。气体-空气混合物在气缸(未完全示出)内被压缩并且被压入预燃室9中。为了优化点火性能，在预燃室中添加另外的气体。通过引燃喷射或电热塞，气体-空气混合物被点燃并且被引入气缸(由气缸套18指示)的主燃烧室中。

Claims (12)

1. 一种用于内燃机的气缸的预燃室（9），该预燃室具有预燃室底部部分（1）和预燃室顶部部分（10），该预燃室底部部分（1）包括：
具有竖直轴（3）的点火室下部（2），所述点火室下部（2）用于点燃气体-空气混合物；以及
管道（4），所述管道（4）用于将所述点火室下部（2）与所述气缸的主燃烧室连接，其中，所述管道（4）包括至少一个管道纵轴（5），并且
通向所述点火室下部（2）的所述管道（4）的进口（6）被形成为使得所述竖直轴（3）相对于所述管道纵轴（5）具有倾斜角（A），并且
所述进口（6）被偏心布置成使得能在点火室中形成滚流运动，
其中，所述管道（4）包括相对于所述管道纵轴（5）倾斜的管道区段（14），并且所述管道区段（14）包括正好一个出口（7），所述出口（7）被布置成使得气体-空气混合物束能形成为相对于所述竖直轴（3）不对称地分布，其中，所述进口（6）处的边缘（8）被设计为圆滑边缘，其特征在于，所述管道区段（14）被设计为能够使得被点燃的所述气体-空气混合物的分布不对称，从而所述气体-空气混合物被供给到所述主燃烧室内的气体-空气流的漩涡中，其中，所述预燃室顶部部分（10）相对于所述竖直轴（3）不对称地设计。
2.根据权利要求1所述的预燃室（9），其特征在于，所述管道纵轴被布置成相对于所述竖直轴成16°至30°的角度。
3.根据权利要求1所述的预燃室（9），其特征在于，所述管道的横截面和/或所述管道区段的横截面从所述进口向着所述出口渐缩。
4.根据权利要求1所述的预燃室（9），其特征在于，所述管道区段相对于所述竖直轴的倾斜角在从45°至66°的范围内。
5.根据权利要求1所述的预燃室（9），其特征在于，所述预燃室（9）包括延伸到点火室（12）中的点火装置（11），所述点火装置（11）用于点燃所述气体-空气混合物。
6.根据权利要求5所述的预燃室（9），其特征在于，所述点火装置（11）是火花塞。
7.一种气缸装置，该气缸装置包括根据权利要求1所述的预燃室（9）。
8.根据权利要求7所述的气缸装置，其特征在于，所述气缸装置包括两个预燃室。
9.根据权利要求8所述的气缸装置，其特征在于，所述两个预燃室被布置在气缸盖中。
10.根据权利要求8所述的气缸装置，其特征在于，所述两个预燃室被偏心布置且接近所述气缸装置的边缘。
11.一种用于混合气体-空气混合物并且点燃根据权利要求1所述的预燃室（9）中的所述气体-空气混合物的方法，其中，气体与空气被混合以形成气体-空气混合物并接着被供给到所述预燃室（9）中，所述气体-空气混合物被点燃，在所述预燃室（9）中形成滚流运动，并且被点燃的所述气体-空气混合物通过管道（4）被供给到主燃烧室中，其特征在于，被点燃的所述气体-空气混合物的流动在所述管道（4）内被偏转，所述气体-空气混合物的流动速率在所述管道（4）中被增大，并且所述气体-空气混合物被不对称地分布且被供给到所述主燃烧室内的气体-空气流的漩涡中。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述气体-空气混合物从所述预燃室（9）通过正好一个出口（7）相对于所述主燃烧室的竖直轴（13）不对称地被供给到所述主燃烧室中。
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