CN112219019B - 内燃机预燃室主体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于内燃机的预燃室主体(1)。预燃室主体(1)包括具有预燃室的预燃室尖端(10)，预燃室由环绕侧壁(12)和将预燃室与预燃室主体(1)的外部流体地连接的至少一个流动传输通道(2)限定，流动传输通道(2)延伸穿过环绕壁(12)，其中侧壁(12)在流动传输通道(2)附近或邻近处具有至少一个刚度减小部分(3)。

Description

内燃机预燃室主体
技术领域
本发明涉及一种内燃机的预燃室主体，并且具体地涉及一种用于高比输出的天然气内燃机的预燃室主体。
背景技术
内燃机，尤其是以气态燃料和空气的稀薄燃料空气混合物，例如天然气和空气的混合物为动力的内燃机，可以包括预燃室主体，该预燃室主体也称为预燃室，每个气缸用于点火。大口径发动机可能会受益于这些预燃室主体，因为否则难以使用稀薄的燃料空气混合物持续实现完全和彻底的燃烧。
预燃室主体典型地包括预燃室主体尖端，预燃室主体尖端包括由预燃室主体的环绕壁限定的实际预燃室。流动传输通道流体地连接预燃室和预燃室主体的外部，并且特别地流体地连接各个气缸的预燃室和主燃烧室。流动传输通道允许气态燃料和空气的稀薄混合物在压缩冲程期间从主燃烧室流入预燃室中。预燃室中的气态燃料和空气的稀薄混合物然后在预燃室中由诸如火花塞的点火器来点燃。稀薄混合物的点燃引起热气体的火焰锋，该热气体从预燃室传播通过流动传输通道传播到主燃烧室中。火焰峰被这些流动传输通道引导以形成多个喷射炬，该喷射炬被指向不同的方向，使得主燃烧室中的气态混合物的均匀且更优选的点火。
在优选实施方式中，在气缸的压缩冲程中输送到预燃室中的气态燃料和空气的稀薄混合物也可以通过经由单独的燃料供给通道将少量气态燃料直接添加到预燃室中来富集，因此，富集的混合物由火花塞点燃。
美国第6,854,439 B2号公开了一种特别适用于大型柴油发动机的预燃室燃烧系统。
预燃室主体的尖端在操作过程中经受高温。具有较高特定输出的天然气内燃机可以与发电机组合使用，如所谓的双组，并且用作快速调节发电厂以保持电网条件稳定。以这种操作方式，典型地实现大型天然气内燃机的许多起动和停止，使得预燃室主体并且特别是预燃室尖端经历频繁的加热和冷却循环，这可能导致预燃室主体的磨损增加。
发明内容
从现有技术出发，本发明的目的是提供一种具有改进的磨损特性的用于内燃机的预燃室主体。
该目的通过具有权利要求1的特征的预燃室主体来解决。优选实施方式可以从附图、说明书以及从属权利要求中获得。
因此，提供了一种用于内燃机的预燃室主体。该预燃室主体包括具有预燃室的预燃室尖端，预燃室由环绕侧壁和将预燃室和预燃室主体的外部流体地连接的至少一个流动传输通道限定。流动传输通道延伸穿过环绕壁。此外，侧壁在流动传输通道附近或邻近处具有至少一个刚度减小部分。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述将更容易地理解本发明，在附图中：
图1示出了具有最大压缩应力和塑性变形的模拟区域的常规预燃室尖端的纵向截面，
图2示出了根据第一实施方式的预燃室尖端的透视图，
图3示出了根据第二实施方式的预燃室尖端的透视图，
图4示出了通过图3的预燃室尖端的纵向截面，
图5示出了根据第三实施方式的穿过预燃室尖端的下部部分的横截面，
图6示出了根据第五实施方式的预燃室尖端的示意图，
图7示出了根据第六实施方式的穿过预燃室尖端的示意性纵向截面，
图8示出了根据第七实施方式的穿过预燃室尖端的示意性纵向截面，以及
图9示出了根据另一个实施方式的穿过预燃室尖端的示意性纵向截面。
具体实施方式
下面，将参照附图更详细地解释本发明。在附图中，相同的元件由相同的附图标记表示，并且为了避免重复，可以省略对其的重复描述。
图1是穿过传统的预燃室尖端100的示意性纵向截面，该预燃室尖端100包括侧壁110，该侧壁围绕限定在预燃室尖端100内部的预燃室112。
提供了流动传输通道120，该流动传输通道从预燃室112朝着预燃室尖端100的外部延伸穿过侧壁110。这样，每个流动传输通道120构成侧壁110中的通孔，从而将预燃室112与预燃室尖端100的外部流体地连接。
每个流动传输通道120具有形成在预燃室尖端100的外表面上的外部开口，在图1中未明确示出，以及内部开口122，其将相应的流动传输通道120通向预燃室112。相邻的内部开口122通过侧壁110的材料124的部分彼此分开。换句话说，在相邻的内部开口122之间，保留侧壁110的材料124的部分。
有限元分析表明，在流动传输通道120的内部开口122之间的区域中的材料124的这些部分最容易受到在预燃室尖端100的操作过程中由加热和冷却循环引起的压缩应力和塑性变形的影响。已经表明，在传统的预燃室中，与传统的预燃室尖端100的其他区域相比，材料124的这些部分经受更大的磨损。
为了减小作用在预燃室尖端的某些区域上的压缩应力，提供了预燃室主体1，特别是根据第一实施方式的预燃室尖端10，其在图2中示出。根据该实施方式的预燃室尖端10包括侧壁12，该侧壁环绕并限定接收在预燃室尖端10内的预燃室14。流动传输通道2可以设置在侧壁12中，每个流动传输通道将接收在预燃室尖端10内的预燃室14与预燃室主体1的外部流体地连接。流动传输通道2在图2中以孔的形式示出。具体地，在预燃室尖端10的外表面处，流动传输通道2包括外部开口20，流动传输通道2经由外部开口20向预燃室主体1的外部敞开。
在相邻的流动传输通道2之间，设置刚度减小部分3，使得侧壁12的材料厚度在流动传输通道2附近减小。在图2中，刚度减小部分3以构成侧壁12的材料的机加工部分的形式提供。具体地，刚度减小部分3是在相邻的流动传输通道2之间沿着预燃室主体1的纵向方向延伸的凹槽或凹口。换句话说，刚度减小部分3以侧壁11的一部分的形式提供，其中侧壁12的材料厚度减小。
在本文中，术语″材料厚度″是指侧壁在垂直于其外表面的方向上的尺寸。换句话说，刚度减小部分可以构成预燃室尖端的区域，在该区域中使用与侧壁的其他部分相比更少的材料，特别是与刚度减小部分相邻布置的侧壁的部分。刚度减小的区域可以通过凹部或凹口或铣削来提供，这导致环绕并限定预燃室的侧壁的材料的厚度减小。
需要注意的是，以厚度减小部分的形式提供的刚度减小部分3被提供在流动传输通道2之间，尤其是在流动传输通道2的外部开口20之间。以此方式，刚度减小部分在流动传输通道2之间的区域中提供侧壁12的减小的厚度，但不包括流动传输通道2位于预燃室尖端10的侧壁12中的区域。
换句话说，流动传输通道2可以具有与相应的常规预燃室主体相同的尺寸。因此，仍然可以以与传统预燃室主体相同的方式实现流动传输通道2的功能，即将点火炬从预燃室喷射到(未示出)气缸腔中。但是，借助于刚度减小部分3，可以使预燃室尖端10的刚度减小。以此方式，可以有效地防止在流动传输通道2之间，特别是在流动传输通道2的内部开口之间的区域中的材料部分由于加热和冷却循环而经受过大的负荷。特别地，流动传输通道2之间的区域上的压缩应力，并且特别地，流动传输通道2的内部开口之间的区域上的压缩应力可以通过刚度减小部分3来减小。结果，与传统的预燃室尖端相比，预燃室尖端10的磨损在加热和冷却循环期间可以减少。
图3示出了预燃室主体1的另一个实施方式，具体地，预燃室主体1的预燃室尖端10的另一个实施方式，该预燃室主体1具有流动传输通道2。在预燃室尖端10中，存在第一刚度减小部分30，其以机加工去除部分的形式，特别是凹口的形式示出，该凹口沿着纵向方向在侧壁12中的流动传输通道2之间延伸。
除了第一刚度减小部分30之外，还可以存在第二刚度减小部分32，第二刚度减小部分可以以围绕预燃室尖端10周向延伸的周向凹槽的形式提供。这样，预燃室尖端10可以在流动传输通道2附近的区域中进一步软化。
在图4中，示出了穿过图3所示的预燃室尖端10的纵向截面，其中可以清楚地看到构成第二刚度减小部分32的凹槽的设置。从图4可以得出，侧壁12由于第二刚度减小部分32而具有减小的材料厚度rt，减小的材料厚度rt可以基本上是侧壁12的邻近第二刚度减小部分32布置的部分的非减小的材料厚度t的75％。
还示出了流动传输通道2的内部开口22以及在内部开口22之间的材料部分，其中这些部分由附图标记24表示。这样的预燃室在附图标记14处示出。
根据图3和图4的预燃室尖端10还在其端面处包括铣削部分34，在该铣削部分中实现了侧壁12的进一步减小的厚度。例如，铣削部分34可以通过球磨制成。
在此上下文中，术语″端面″旨在是指预燃室尖端的面向预燃室主体外部的前表面。例如，刚度减小部分可以是通过球磨预燃室尖端的头部制成的铣削部分。
已经示出，在根据图3和图4的预燃室尖端10的实施方式中，借助于刚度减小部分30、32和34可以显著减小在流动传输通道2的内部开口22之间的部分24中引起的压缩应力。
图5示出了垂直于预燃室尖端10的又一实施方式的纵向延伸的横截面，其中示出了输送流动通道2并且刚度减小部分35可以以不同的形状存在于预燃室尖端10的侧壁12的外部区域中。具体地，刚度减小部分35可以在侧壁12的外部区域上沿着预燃室主体1的纵向方向螺旋地延伸。
在图6中，示出了预燃室尖端10的又一实施方式，其中至少一个流动通道2可以由刚度减小部分36围绕。具体地，刚度减小部分36可以以圆形铣削凹槽的形式设置在流动传输通道2周围，特别是在流动传输通道2的外部开口20周围。实际的制造过程可以是使用阶梯式工具的形式，该工具提供了构成流动传输通道2的孔以及以铣削材料的形式提供刚度减小部分36。
图7示出了预燃室尖端10的又一实施方式，其中侧壁12的厚度可以被部分地减小以提供刚度减小部分30以及34。流动传输通道2可以通过管4被提供在侧壁12中，管4可以被插入材料中并且可以沿侧壁12的厚度方向延伸穿过侧壁12。管4可以实现特定的材料成分，这还可以导致围绕流动传输通道2的进一步的刚度减小部分。
在图8中，示出了预燃室尖端10的另一实施方式，其中流动传输通道2包括内部开口22，并且内部开口22可以通过可以从预燃室主体1的外部插入的圆化工具而被平滑化或定相或圆化。在该实施方式中，刚度减小部分38可以在流动传输通道2的内部开口22处以埋头孔的形式提供。由于埋头孔形式的刚度减小部分38，侧壁12的材料厚度可在邻近流动传输通道2的区域中减小。
在图9中，示出了预燃室尖端10的另一实施方式。流动传输通道2可以被提供成锥形形状。这可能导致在壁12的内部上的限定预燃室14的显著增加的区域24，使得显著增加的部分24可以较少地倾向于压缩应力和塑性变形。具体地，刚度减小部分39可以以锥形流动传输通道2的形式提供，锥形流动传输通道2可以在从预燃室主体1的外部到预燃室14的方向上逐渐变细。
对于本领域技术人员显而易见的是，前面提到的实施方式和项目仅描述了多种可能的示例。因此，在此示出的实施方式不应当被理解为形成对这些特征和配置的限制。可以根据本发明的范围来选择所描述的特征的任何可能的组合和配置。
这尤其是关于以下可选特征的情况，这些可选特征可以与之前提及的一些或所有实施方式、项目和/或特征以任何技术上可行的组合进行组合。
可以提供用于内燃机的预燃室主体。预燃室主体可以包括具有预燃室的预燃室主体尖端，预燃室可以由环绕侧壁限定并且可以具有至少一个流动传输通道，流动传输通道将预燃室和预燃室主体的外部流体地连接。流动传输通道可以延伸穿过环绕壁。此外，侧壁可以在流动传输通道附近或邻近处具有至少一个刚度减小部分。
已经发现，在发动机运行期间，由于高且频繁的温度波动在预燃室主体的尖端中引起的张力可以通过刚度减小部分来减小。因此，由于预燃室尖端可以包括至少一个刚度减小部分，因此可以减小在加热和冷却循环期间预燃室主体并且特别是预燃室尖端的磨损。
更具体地，由于刚度减小部分，侧壁的材料厚度可以减小。在本文中，术语″材料厚度″旨在表示侧壁在垂直于其外表面的方向上的尺寸。换句话说，刚度减小部分可以构成预燃室尖端的区域，在该区域中使用与侧壁的其他部分相比更少的材料，特别是与刚度减小部分相邻布置的侧壁的部分。刚度减小的区域可以通过凹部或凹口或铣削来提供，这导致环绕并限定预燃室的侧壁的材料的厚度减小。
预燃室尖端可以被设计成使得，由于刚度减小部分，侧壁的材料厚度可以局部地减小，特别是在流动传输通道附近或邻近。通过提供刚度减小部分，可以实现预燃室尖端的负荷优化设计。
由于刚度减小部分，侧壁可以具有减小的材料厚度，该减小的材料厚度为与刚度减小部分相邻布置的侧壁的部分中的非减小的材料厚度的50％和90％之间。具体地，侧壁的减小的材料厚度可以是非减小的材料厚度的50％或75％。在本文中，非减小的材料厚度可以是侧壁的最大材料厚度。
通过在流动传输通道附近提供刚度减小部分，流动传输通道的尺寸，并且具体地，其直径和其长度可以与不具有刚度减小部分的类似的预燃室相同。因此，预燃室主体可以是在特定发动机中使用的类型，并且随后可以在不改变流动传输通道的尺寸的情况下在预燃室尖端的侧壁中提供刚度减小区域。换句话说，位于流动传输通道周围的预燃室尖端的材料可以像传统的预燃室尖端一样保留。
至少一个刚度减小部分可以位于两个相邻的流动传输通道之间。以此方式，在流动传输通道之间的区域中，即刚度减小部分中，侧壁的厚度可以相对于流动传输通道所在的区域中的侧壁的厚度而减小。
预燃室尖端可以配备有沿着预燃室尖端的周向均匀分布的多个流动传输通道，从而形成一圈流动传输通道，其中在两个相邻的流动传输通道之间，可以分别提供一个刚度减小部分。
该至少一个刚度减小部分还可以被提供在流动传输通道的环的上方或下方的区域中，或在流动传输通道限定的平面的远侧和/或近侧的区域中。
该至少一个刚度减小部分可以被提供在侧壁的面向预燃室主体的外部的外侧上。附加地或替代地，至少一个刚度减小部分可以设置在侧壁的面向预燃室的内侧上。
该至少一个刚度减小部分可以是或可以包括沿着预燃室主体的纵向方向延伸的凹槽或凹口。
至少一个刚度减小部分可以沿着预燃室主体的纵向方向在侧壁上螺旋地延伸。
至少一个刚度减小部分可以围绕预燃室主体的纵向方向周向地延伸。
如上所述的这种周向地延伸的刚度减小部分可以设置在侧壁的外侧。周向地延伸的刚度减小部分可以被提供在侧壁的内侧。例如，刚度减小部分可以是围绕预燃室尖端的周向延伸的周向凹槽。
至少一个刚度减小部分可以设置在预燃室主体尖端的端面处。在此上下文中，术语″端面″旨在是指预燃室尖端的面向预燃室主体外部的前表面。例如，刚度减小部分可以是通过球磨预燃室尖端的头部制成的铣削部分。
至少一个刚度减小部分可以例如以圆形方式围绕流动传输通道周向地提供。具体地，刚度减小部分可以围绕流动传输通道的外部开口以圆形铣削凹槽的形式提供。围绕流动传输通道的这种圆形延伸的刚度减小部分可以提供在侧壁的外侧和/或内侧。
根据前述指定的示例和/或实施方式的刚度减小部分的结构设计可以提供侧壁的减小的厚度，该侧壁在流动传输通道的区域周围环绕并限定预燃室，但是可以不包括流动传输通道位于预燃室尖端的侧壁中的区域。
刚度减小部分还可以提供在流动传输通道中，特别是通过在预燃室的一端，即在预燃室尖端的内部，使流动传输通道的开口定相或圆化。因此，至少一个刚度减小部分可以是提供在流动传输通道的内部开口处的凹部或埋头孔。
可以存在以减小的预燃室尖端的壁厚形式的刚度减小部分，其中围绕流动传输通道的材料可以以从预燃室主体的剩余表面延伸的方式设置。
流动传输通道可以由延伸穿过侧壁的至少一个管形成。以这种方式，管可以由特定的材料成分制成，从而导致围绕流动传输通道的刚度减小部分。
流动传输通道可能以其具有锥形孔的形式提供，使得可以增大留在预燃室尖端的内部，即在指向预燃室尖端的内部的流动传输通道的内部开口之间的预燃室尖端的内部的材料。因此，可以以锥形流动传输通道的形式提供至少一个刚度减小部分，该锥形流动传输通道可以具体地在从预燃室主体的外部到预燃室的方向上逐渐变细。
由于加热和冷却循环，可能施加在预燃室尖端上的压缩应力，特别是在流动传输通道的开口之间的预燃室内部部分上的压缩应力可以通过在预燃室尖端中提供刚度减小部分来减小。减小作用在预燃室尖端的内侧上的材料上的压缩应力的发现可能与为了产生刚度减小部分而去除的材料是位于预燃室尖端的外表面上还是位于预燃室尖端的内表面上无关。已经发现，仅在流动传输通道附近的区域中使预燃室尖端的刚度降低才有意义。
可以使预燃室尖端比现有技术的预燃室尖端更柔软，从而可以减小限定预燃室尖端的材料中的压缩应力。这还可能导致在操作期间的加热和冷却循环中材料的较低的变形量或塑化量。
因此，由于刚度减小部分，施加在限定预燃室尖端的材料上的压缩应力可以减小，特别是在冷却期间，当预燃室尖端内的材料仍然比其周围区域更热时高温会导致预燃室尖端内的塑性变形。
工业实用性
参考附图并且在操作中，提出了一种用于内燃机的预燃室主体1，其包括具有预燃室14的预燃室尖端10，该预燃室14被环绕侧壁12和至少一个流动地连接预燃室14和预燃室主体1的外部的流动传输通道2限定，流动传输通道2延伸穿过环绕壁12，其中侧壁12在流动传输通道2附近或邻近处具有至少一个刚度减小部分。
如上所述的预燃室主体1适用于内燃机，尤其适用于以气态燃料和空气的稀薄燃料空气混合物，例如天然气和空气的混合物为动力的内燃机。它可以替代传统的预燃室主体并且可以用作替代或改造部件。

Claims (14)

1.一种用于内燃机的预燃室主体(1)，包括具有预燃室(14)和至少两个流动传输通道(2)的预燃室尖端(10)，所述预燃室(14)由环绕的侧壁(12)限定，所述流动传输通道(2)将所述预燃室(14)与所述预燃室主体(1)的外部流体地连接，所述流动传输通道(2)延伸穿过所述侧壁(12)，其中每个流动传输通道(2)具有形成在所述侧壁(12)的外表面上的外部开口(20)和形成在所述侧壁(12)的内表面上以使相应流动传输通道(2)通向所述预燃室(14)的内部开口，彼此相邻的两个内部开口通过所述侧壁(12)的内表面的一部分相互间隔开，所述侧壁(12)的外表面在两个相邻的所述流动传输通道(2)的外部开口(20)之间具有至少一个刚度减小部分(3、30、35)，在提供所述刚度减小部分之后所述内表面的所述部分保持不变，所述刚度减小部分构造成减小所述侧壁(12)的所述内表面的所述部分的刚度。
2.根据权利要求1所述的预燃室主体，其中，由于所述刚度减小部分(3、30、35)，所述侧壁(12)的材料厚度局部减小。
3.根据权利要求2所述的预燃室主体，其中，由于所述刚度减小部分(3、30、35)，所述侧壁(12)具有减小的材料厚度(rt)，所述减小的材料厚度(rt)是所述刚度减小部分(3、30)邻近的侧壁(12)的部分的非减小厚度(t)的50％至90％。
4.根据权利要求1所述的预燃室主体，其中所述刚度减小部分(3、30)是沿所述预燃室主体(1)的纵向方向延伸的凹槽或凹口。
5.根据权利要求1所述的预燃室主体，其中所述刚度减小部分(35)沿所述预燃室主体(1)的纵向方向在所述侧壁(12)上螺旋地延伸。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的预燃室主体，其中至少一个第二刚度减小部分(32)围绕所述预燃室主体(1)的纵向方向在所述侧壁(12)的外侧和/或内侧周向地延伸。
7.根据权利要求6所述的预燃室主体，其中，所述第二刚度减小部分(32)是围绕所述预燃室尖端(10)的周向延伸的周向凹槽。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的预燃室主体，其中，在所述预燃室尖端(10)的端面处设置有至少一个第二刚度减小部分(34)，所述第二刚度减小部分(34)朝所述预燃室(14)凹入。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的预燃室主体，其中，在所述侧壁(12)的外侧和/或内侧围绕所述流动传输通道(2)周向地具有至少一个第二刚度减小部分(36)。
10.根据权利要求9所述的预燃室主体，其中所述第二刚度减小部分(36)以围绕所述流动传输通道(2)的外部开口(20)的圆形铣削凹槽的形式提供。
11.根据权利要求1至5中任一项所述的预燃室主体，其中所述流动传输通道(2)是由延伸穿过所述侧壁(12)的至少一个管(4)形成。
12.根据权利要求1至5中任一项所述的预燃室主体，其中至少一个第二刚度减小部分(38)是提供在所述流动传输通道(2)的内部开口(22)处的凹部或埋头孔。
13.根据权利要求1至5中任一项所述的预燃室主体，其中，至少一个第二刚度减小部分(39)以锥形流动传输通道(2)的形式提供，所述锥形流动传输通道在从所述预燃室主体(1)的外部到所述预燃室(14)的方向上逐渐变细。
14.根据权利要求7所述的预燃室主体，其中，所述第二刚度减小部分(32)连接到所述刚度减小部分(30)。
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