CN115726884A - 使用匹配的燃料喷射器和活塞来优化与燃烧碗的喷射射流相互作用的发动机系统和操作方法 - Google Patents

Abstract

操作发动机包括通过燃料喷射器中的恰好七个喷射出口将液体燃料直接喷射到燃烧气缸中，并且对着活塞中的燃烧碗内的中心锥体的斜面扫掠燃料的喷射射流。操作发动机还包括将扫掠的喷射射流的燃料引导到围绕燃烧碗周向延伸的凹入突出部，并且将引导的燃料分成在由活塞端面形成的倾斜内缘表面上方的分离小流和朝向发动机的防火甲板表面从凹入突出部向上和向内推进的循环大流。直接喷射的液体燃料在燃烧气缸中自动点火。公开了相关的发动机系统和燃烧系统装置。

Description

使用匹配的燃料喷射器和活塞来优化与燃烧碗的喷射射流相 互作用的发动机系统和操作方法

技术领域

本公开总体上涉及操作发动机，并且更具体地涉及燃料喷射和燃烧策略，其中燃料喷射器特征和活塞特征协作以优化效率、功率密度和排放。

背景技术

内燃发动机是众所周知的，并在全世界范围内广泛用于各种用途，从载具推进和公路、非公路和海上应用到发电以及泵、压缩机和各种工业设备的操作。许多内燃发动机通常可以基于燃料在发动机中被点燃的方式进行分类。在火花点火式发动机中，电火花用于在期望的时间触发液体燃料或气体燃料的点火。在压燃式发动机中，缸内压力增加到自燃阈值，在该自燃阈值处燃料在没有额外外部能量输入的情况下点燃。多年来已开发出这些通用策略的许多不同变型和排列，包括前室点火、液体燃料引燃点火以及其他一些策略。

近年来，增加的研究和开发，尤其是在压燃式发动机的情况下，一直针对增加功率密度。功率密度通常可以定义为发动机的每单位体积可以产生的输出功率量。相对较大的功率密度使得发动机能够在较小的空间范围内产生给定的输出功率，并具有减轻重量和潜在地降低发动机构造中的材料成本的伴随优势。与以前的平台相比，通过使用具有相对较大功率密度的发动机可以实现许多商业和实用优势。

增加功率密度的努力集中在对发动机的特征和操作方面进行多种不同的改进，但往往会带来新的挑战。在某些情况下，增加可在发动机循环中喷射的燃料量可使得能够燃烧更多燃料，并且因此增加具有给定发动机尺寸的发动机的功率输出。然而，增加燃料喷射量可能需要极高的喷射压力和用于处理高压燃料的专用设备。增加燃料喷射量也可能需要增强的冷却策略来消散增加的热。每当燃烧温度升高时，如高功率密度发动机的常见情况，可能需要仔细调整部件材料、放置和部件几何形状以避免过热和/或热疲劳现象。增强冷却或其他温度管理方案的策略也集中在燃烧气缸内的结构，包括发动机活塞和燃料喷射器的特征上。美国专利申请公开第20160169153号涉及一种用于内燃发动机的活塞，其中顶部槽岸表面的高度与气缸孔的标称内径之间的比率明显被优化以增加热释放率。高功率密度应用中的排放考虑也仍然与以往一样严格，并且预计未来几年的法规将更加苛刻，尤其是在氮氧化物和颗粒物或烟尘方面。美国专利第10,519,914号涉及一种燃料喷射系统，其中基于不同的发动机速度和负载在轴向位置上调整燃料喷射器喷嘴的定位系统以优化某些排放。

发明内容

在一个方面，一种操作发动机的方法包括在燃烧气缸中的下止点位置和上止点位置之间移动活塞，以及基于活塞的移动将燃烧气缸中的缸内压力增加到空气和喷射液体燃料的自燃阈值。该方法还包括通过燃料喷射器中的恰好七个喷射出口将液体燃料直接喷射到燃烧气缸中以产生从燃料喷射器向外和向下推进到由活塞端面形成的燃烧碗中的喷射射流，以及对着燃烧碗内的中心锥体的斜面扫掠喷射射流。该方法还包括将扫掠的喷射射流的燃料沿着从中心锥体延伸的外碗表面引导到围绕燃烧碗周向延伸的凹入突出部，以及将引导的燃料分成在由活塞端面形成的倾斜内缘表面上方从凹入突出部向上和向外推进的分离小流，和朝向发动机的防火甲板表面从凹入突出部向上和向内推进的循环大流。该方法另外还包括在燃烧气缸中自动点燃直接喷射的液体燃料。

在另一方面，一种发动机系统包括具有形成在其中的燃烧气缸的发动机壳体，以及可在燃烧气缸中在下止点位置与上止点位置之间移动以将缸内压力增加到空气和喷射液体燃料的自燃阈值的活塞。活塞限定活塞中心轴线，并且包括形成围绕燃烧碗周向延伸的环形活塞边缘的活塞端面，以及在燃烧碗内的中心锥体。该发动机系统还包括燃料喷射器，所述燃料喷射器具有在燃烧气缸内的喷嘴尖端，以及形成在喷嘴尖端中的喷射出口。燃烧碗具有凹入轮廓，中心锥体限定锥角，喷射出口的数量恰好为七个并且其中具有小于锥角的均匀喷射角，以便在活塞处于上止点位置时在中心锥体上形成扫掠喷射射流冲击图案。

在又一方面，一种用于发动机的燃烧系统包括燃料喷射器和活塞，所述燃料喷射器具有形成在其中的恰好七个喷射出口，所述活塞限定活塞中心轴线并且包括形成具有碗底和碗外壁的燃烧碗的活塞端面，在燃烧碗内限定锥角的中心锥体以及环形活塞边缘。活塞还包括围绕燃烧碗周向延伸的凹入突出部，并且环形边缘和碗外壁在凹入突出部处相交。该燃烧系统还包括具有喷嘴尖端的燃料喷射器，所述喷嘴尖端具有形成在其中的恰好七个喷射出口并且每个喷射出口限定喷射轴线，喷射出口围绕中心轴线周向地间隔并且以小于锥角的均匀喷射角布置。活塞可在下止点位置与上止点位置之间移动，并且碗底被倒圆以形成环形并在活塞的上止点位置处与喷射轴线相交。

附图说明

图1是根据一个实施例的内燃发动机系统的示意图；

图2是根据一个实施例的内燃发动机系统的剖视侧视示意图；

图3是根据一个实施例的气缸盖组件的俯视图；

图4是根据一个实施例的气缸盖组件的俯视图；

图5是根据一个实施例的气缸盖组件的仰视图；

图6是根据一个实施例的燃料喷射器组件的示意图；

图7是根据一个实施例的燃料喷射器组件的示意图；

图8是根据一个实施例的燃料喷射器夹具的示意图；

图9是根据一个实施例的燃料喷射器夹具的俯视图；

图10是根据一个实施例的燃料喷射器组件的剖视侧视示意图；

图11是根据一个实施例的燃料喷射器的侧视示意图；

图12是根据一个实施例的燃料喷射器的侧视示意图；

图13是根据一个实施例的燃烧系统的侧视示意图；

图14是根据一个实施例的用于气缸盖中的燃料喷射器的喷嘴组件的透视示意图；

图15是根据一个实施例的燃料喷射器的端视图；

图16是根据一个实施例的发动机中的燃烧状态的示意图；以及

图17是根据一个实施例的发动机中的燃烧状态的示意图。

具体实施方式

参考图1，示出了根据一个实施例的内燃发动机系统10。在图示的实施例中，发动机系统10包括具有气缸体14的发动机12，所述气缸体具有在气缸套16内形成在其中的燃烧气缸18。包括气缸体14、气缸套16和气缸盖34的发动机12的部件一起形成发动机壳体。活塞20可在燃烧气缸18内在下止点位置和上止点位置之间移动以将燃烧气缸18内的压力增加到喷射液体燃料和空气的自燃阈值，如本文进一步所述的。活塞20联接到连杆22，所述连杆又以通常常规的方式联接到曲轴24，从而为诸如发电机、泵、压缩机的负载提供动力，或用于推进载具，仅举几例。在实际实施方式中，发动机系统10在传统的四冲程发动机循环中操作。燃烧气缸18可以是发动机12中的以任何合适布置(例如，直列、V型或其它布置)的许多燃烧气缸中的一个。发动机系统10可以包括压燃式发动机系统，其配置用于提高功率密度、效率和减少排放以及从以下描述中将进一步明显的其他性质。

发动机系统10还包括进气系统26，所述进气系统具有空气入口28和进气歧管30，所述进气歧管构造成接收来自空气入口28的过滤进气流并通过进气流道32将其输送到气缸盖组件35中的气缸盖34。附加的进气流道可以构造成将进气进给供应到发动机12中的其他燃烧气缸。在实际实施方式中，可以通过涡轮增压器压缩机以通常常规的方式压缩进气。除了进气之外，再循环的排气可以被供应到输送到燃烧气缸18的压缩空气进给中。发动机系统10还包括排气歧管60，所述排气歧管构造成接收来自燃烧气缸18的排气。在图1中，与气门复位弹簧56联接的进气门52支撑在气缸盖34中以打开和关闭进气流道32与燃烧气缸18之间的流体连通。排气门54类似地支撑在气缸盖34中并与气门复位弹簧58联接以控制燃烧气缸18与排气歧管60之间的流体连通。在典型的实施方式中，两个排气门和两个进气门将与燃烧气缸18关联。气门盖36可以同样以通常常规的方式附接到气缸盖34。

发动机系统10还包括具有燃料供给或燃料箱42的液体燃料系统40，以及在图示的实施例中的低压泵44，所述低压泵构造成将液体燃料从燃料箱42输送到高压泵46，所述高压泵将输送的液体燃料加压到喷射压力。高压泵46可以供给共轨或其他加压燃料储存器48，并且燃料管道49从加压燃料储存器48延伸到支撑在气缸盖34中的燃料喷射器50。液体燃料可以是任何合适的压缩点火液体燃料，例如柴油馏分燃料，其他液体压缩点火燃料或混合物，或具有例如十六烷增强剂的液体燃料。燃料喷射器50可以是电子控制的并且通常将包括螺线管致动控制阀(未示出)，所述控制阀可操作地联接到出口止回阀(未示出)，例如直接控制的针形止回阀。可以使用附加的或替代的内部燃料喷射器部件，并且本公开不限于内部阀部件方式或对燃料喷射器操作的控制。在其他实施例中，可以使用凸轮致动或液压致动的单元泵燃料喷射器。电子控制单元62与燃料喷射器50进行控制通信，并且还可以与高压泵46和发动机系统10中的各种其他装置(包括传感器、致动器或另外其他装置)进行通信。

现在还参考图2，示出了发动机系统10的附加特征，特别是气缸盖组件35的附加特征。气缸盖34可以包括一体式气缸盖铸件64，其具有上表面66和形成防火甲板70的下防火甲板表面68。气缸盖垫圈104可以夹在气缸盖34与气缸体14之间。在图2中还描绘了联接到排气门54和在图2中不可见的另一排气门的气门桥106。也标有参考数字106的另一气门桥类似地联接到进气门52和在图2中不可见的另一进气门。进气管道94形成在气缸盖铸件64中并且将压缩进气或压缩进气和其他气体(例如再循环的排气)的输入流输送到燃烧气缸18。排气管道96也形成在气缸盖铸件64中并且将排气的输出流从燃烧气缸18输送到排气歧管60。从图2也可以看出，燃料喷射器50接收在喷射器套筒98中，并且挤压垫圈100位于燃料喷射器50与喷射器套筒98之间。螺栓102将气缸盖铸件64夹持到气缸体14。

气缸盖铸件64还具有形成在其中的喷射器孔72，所述喷射器孔限定喷射器孔中心轴线74并且在上表面66与下表面68之间延伸通过气缸盖铸件64。现在还参考图3-5，气缸盖铸件64还包括形成在防火甲板70中的总共四个气体交换开口78、80、82和84。在图示的实施例中，气体交换开口78和84包括进气开口，并且气体交换开口80和82包括排气开口。气缸盖铸件64还具有形成在其中的螺栓孔86，所述螺栓孔限定平行于喷射器孔中心轴线74的螺栓孔中心轴线88。气缸盖铸件64还具有形成在其中的电热塞孔92，所述电热塞孔限定在上表面66与下表面68之间延伸通过气缸盖铸件64的塞孔中心轴线92。四个气体交换开口78、80、82和84周向地围绕喷射器孔中心轴线74分别布置在十二点钟、三点钟、六点钟和九点钟位置。

螺栓孔86起源于上表面66并终止于下表面68的向内的位置。因此，螺栓孔86在上表面66处敞开但不延伸通过下表面68。螺栓孔86周向地围绕喷射器孔中心轴线74成角度地定位在十二点钟位置与三点钟位置之间。电热塞孔90起源于上表面66并终止于下表面68，因此完全延伸通过气缸盖铸件64。任何合适配置的电热塞(未示出)可以定位在电热塞孔90中以用于包括冷启动的传统目的，其中电热塞的加热元件定位成受到喷射燃料的喷射羽流或射流的冲击，例如在一些实施例中受到喷射羽流的外周边的冲击。电热塞孔90周向地围绕喷射器孔中心轴线74成角度地定位在三点钟位置与六点钟位置之间。从图1还可以注意到，燃料喷射器50包括在燃烧气缸18内的喷嘴尖端252，其布置和结构在本文中进一步讨论。稍后描述的喷射出口形成在喷嘴尖端252中。

从图4还可以特别注意到，螺栓孔86可以周向地围绕喷射器孔中心轴线74定位成与三点钟位置相比更靠近十二点钟位置。电热塞孔90可以周向地围绕喷射器孔中心轴线74定位成与六点钟位置相比更靠近三点钟位置。电热塞孔90限定如上所述的塞孔中心轴线92。塞孔中心轴线92可以与喷射器孔中心轴线74对角地定向，并且在上表面66中的径向向外位置与下表面68中的径向向内位置之间延伸。通过比较图4和5中的电热塞孔90和塞孔中心轴线92的相对位置可以看出该布置。

继续关注图4，可以看出圆110由四个气体交换开口78、80、82和84中的每一个的中心轴线116、118、120和122限定。在图示的实施例中，螺栓孔86和电热塞孔90中的每一个都在圆110内。气体交换开口78、80、82和84也可以布置成四边形图案(在图示的实施例中为矩形图案)，喷射器孔72在四边形图案的中心。中线112由四个气体交换开口78、80、82和84限定。在图4所示的布置中，分别在十二点钟位置和九点钟位置处的气体交换开口78和84位于中线112的第一侧。分别在三点钟位置和六点钟位置处的气体交换开口82和80位于中线112的第二侧。将回想起气体交换开口78和84可以是进气开口并且气体交换口80和82可以是排气开口。除其他外，相应的气体交换开口、电热塞孔和螺栓孔的相对紧凑和精确的布置使得这些特征和与它们关联的部件能够被限制在气缸盖组件35中相对较小的占地面积内，使得在高功率密度应用中，进气管道94和排气管道96可以制造得相对较大以提供用于交换进气和排气的大的最佳流动区域，同时保持最佳壁厚。

发动机系统10和气缸盖组件35还可以包括联接到燃料喷射器50的夹具124(其特征在本文中进一步描述)，以及螺栓126，所述螺栓在螺栓孔86内并延伸通过夹具124以在喷射器孔72内将燃料喷射器50夹持到气缸盖34。此外，在图示的实施例中，燃料喷射器50被中线112等分，并且夹具124相对于中线112倾斜。周向地围绕喷射器孔中心轴线74的偏移角114限定在中线112与螺栓孔中心轴线88之间，如本文进一步讨论的。

如上所述，在内燃发动机中实现增加的功率密度会产生各种挑战，一个这样的挑战涉及将各种部件封装在气缸盖组件中。燃料系统40是所谓的“顶部供给”燃料喷射器，因此必须全部从气缸盖34上方的位置被支撑和被供应燃料，以及电连接到电子控制单元62。为此，夹具124的倾斜构造可以有助于使燃料喷射器50能够稳固地附接到气缸盖34，同时仍将夹具124装配在包括进气门52和排气门54的气门机构部件中和之间。值得注意的是，可以使用需要大弹簧直径的相对稳固的气门复位弹簧以确保快速和可靠的气体交换气门关闭，这可能是在燃烧气缸18、进气管道94、进气管道96或发动机系统10中的其他地方经历相对高的压力或压力差时所需要的。本文进一步描述的夹具124的倾斜构造有助于将燃料喷射器50和夹具124装配在处于紧密受限的封装空间中的相对较大的气门复位弹簧，尤其是与进气门52中的相应一个关联的气门复位弹簧56中。

如上所述，偏移角114限定在中线112与螺栓孔中心轴线96之间。尽管夹具124的倾斜构造提供了实际的实施策略，但在其他实施例中，可以使用对称或非倾斜夹具，其中燃料喷射器50上的夹具接合的表面定向成提供偏移角114。在另外的其他实施例中，夹具124中的螺栓孔可以是偏移的，或者可以使用这些各种特征的某种组合。此外，在实际的实施策略中，偏移角114为5°加或减2.5°。继续关注图4，可以看到分别在十二点钟和三点钟位置的气体交换开口78和82的中心轴线116和120之间限定的线128。螺栓孔中心轴线88可以相对于喷射器孔中心轴线74位于线128的径向内侧。

现在还参考图6-12，示出了一起形成燃料喷射器组件206的燃料喷射器50和夹具124的附加特征。燃料喷射器50包括限定纵向轴线132的喷射器壳体130。当燃料喷射器组件206安装在气缸盖34中以便维护时，纵向轴线132通常将与喷射器孔中心轴线74共线。纵向轴线132在第一轴向喷射器端134与第二轴向喷射器端140之间延伸，所述第一轴向喷射器端包括围绕电连接器孔138周向延伸的壳体轴向端表面136，所述第二轴向喷射器端包括向下延伸的喷嘴142，所述喷嘴具有形成在其中的多个喷射出口144。喷射器壳体130还包括燃料连接器146和围绕纵向轴线132周向延伸的外壳体表面148。外壳体表面148包括与壳体轴向端表面136相邻的圆柱形上部部段150、圆柱形下部部段152和中间部段154。喷射器壳体130还可以包括上部主体件176，所述上部主体件具有形成在其上的圆柱形上部部段150、圆柱形下部部段152和中间部段154。

喷射器壳体130还包括在第一轴向喷射器端134与第二轴向喷射器端140之间的第一夹持表面178和第二夹持表面180，所述第一夹持表面和所述第二夹持表面形成在主体件176上并且在由燃料连接器146限定的连接器轴线156与圆柱形下部部段152之间轴向延伸。连接器轴线156可以理解为横向轴线，并且在一些实施例中垂直于纵向轴线132定向。连接器轴线156在附接到中间部段154的第一或基部连接器端158与第二或终端连接器端160之间延伸，所述第二或终端连接器端相对于纵向轴线132在外壳体表面148的径向外侧，并且具有形成在其中的燃料入口162。燃料入口162可以包括构造成与加压燃料管道49的合适连接特征接合的锥形或球形入口。燃料连接器146还包括外连接器表面164，该外连接器表面围绕连接器轴线156周向延伸，并且具有邻近第一连接器端158的无螺纹基部部段166和邻近终端连接器端160的外螺纹端部段168。如图3中所示，加压燃料管道49包括螺母190，所述螺母与外螺纹端部段168接合以将燃料连接器146夹持到加压燃料管道49并将燃料喷射器50流体地连接到加压燃料的供给，例如加压燃料储存器48。

继续关注图3，加压燃料管道49可以包括与燃料连接器146同轴布置、平行于中线112并通过螺母190夹持到燃料连接器146的输入线性部段192。加压燃料管道49还可以包括与输入线性部段192形成锐角196并且相对于连接器轴线156和纵向轴线132两者在图3的页面内外成对角布置的第二线性部段194。加压燃料管道49还可以包括连接在输入线性部段192与第二线性部段194之间的弯曲部段198。加压燃料管道49的布置可以有助于将气门盖36下方的加压燃料进给到相对受限的空间，其中燃料喷射器50和夹具124位于进气门和排气门及相关装置之间。

将回想起电连接器孔138可以形成在第一轴向喷射器端134中。在实施方式中，电连接器孔138可以带有内螺纹，并且电连接器170在电连接器孔138内螺纹接合以附接到喷射器壳体130和主体件176。电连接器170可以完全位于由圆柱形上部部段150限定的圆筒内，从而使得能够在安装或维修期间在可用的受限的封装空间内竖直地执行电子控制单元62与燃料喷射器50中的一个或多个螺线管致动器之间的电连接。电连接器170可以包括向上突出的电插脚172，以及布置在向上突出的电插脚172之间的位于中心的分隔壁174。

如上所述，喷射器壳体130在主体件176上包括第一夹持面178和第二夹持面180。第一夹持面178和第二夹持面180可以是平面的且平行的，并且限定中间平面182，如图12中所示。中线112可以在中间平面182内。连接器轴线156和纵向轴线132也可以如上所述彼此垂直定向，并且可以各自位于中间平面182内。连接器轴线156可以轴向地定位在圆柱形上部部段150与第一夹持面178和第二夹持面180中的每一个之间。喷射器壳体130还包括连接器基部184，所述连接器基部围绕燃料连接器146在周边上延伸并且在燃料连接器146与第一夹持面178和第二夹持面180中的每一个之间过渡。燃料连接器146和连接器轴线156可以周向地围绕纵向轴线132成角度地定位在第一夹持面178与第二夹持面180之间，并且燃料连接器146可以通过圆柱形上部部段150与第一轴向喷射器端134间隔。

关注图11和12，燃料喷射器壳体130在主体件176内限定燃料喷射器50的全直径(FD)186。在喷射器壳体130的径向外侧在外壳体表面148与终端连接器端160之间的燃料连接器146的突出部188的距离可以等于或大于FD。还应当领会，为了本描述的目的，主体件176可以理解为限定与纵向轴线132共线的纵向轴线，并且通常被标记。此外，第一轴向喷射器端134也可以理解为主体件176的其上具有轴向端表面136的第一轴向主体端。主体件176的第二轴向主体端177示出为与本文进一步描述的其他喷射器壳体部件相邻。

第一夹持面178和第二夹持面180可以如上所述平行，并且限定中间平面182。第一夹持面178和第二夹持面180也可以理解为在它们之间限定小直径(MD)200。燃料连接器146限定第二直径202，如图7所示，并且第二直径202可以小于(MD)200。连接器基部184可以限定平行于小直径200的第三直径204。第三直径204可以大于第二直径202并且小于MD200。燃料连接器146可以在轴向范围上与第一夹持面178和第二夹持面180中的每一个部分地重叠，并且周向地围绕纵向轴线132与夹具124的螺栓连接部分相对地定位。第一夹持面178和第二夹持面180可以围绕纵向轴线132周向地彼此相对定位。

现在关注图8和9，夹具124包括叉形喷射器部分208，所述叉形喷射器部分形成接收燃料喷射器50并与第一夹持面278和第二夹持面280中的每一个接触的槽210。夹具124还包括螺栓连接部分212，所述螺栓连接部分定位在燃料喷射器组件206中的燃料喷射器50的径向外侧并且具有形成在其中的螺栓孔214，所述螺栓孔限定螺栓孔轴线216，所述螺栓孔轴线平行于纵向轴线132定向并且偏离由第一夹持面278和第二夹持面280限定的中间平面182。叉形喷射器部分208可以包括与第一夹持面278接触的第一尖头226和与第二夹持面280接触的第二尖头228。夹具124还包括中心部段233，所述中心部段在其上形成有围绕螺栓孔轴线216周向延伸的螺栓凸台237。将理解当喷射器组件206安装在气缸盖组件35中时，夹具124中的螺栓孔轴线216和螺栓孔中心轴线88可以理解为公共螺栓或螺栓孔轴线。中心部段233的周边表面239相对于螺栓孔轴线216径向向外延伸到夹具124的第一外表面241和夹具124的第二外表面243。夹具124还包括下部螺栓轴侧238和上部螺栓头侧236。第一尖头226和第二尖头228中的每一个在上部螺栓头侧236分别在第一尖头尖端226和第二尖头尖端228的方向上向下倾斜。螺栓连接部分212从螺栓孔214延伸到终端鼻部242并限定夹具轴线244。夹具轴线244延伸通过终端鼻部242和螺栓孔轴线216，并且相对于纵向轴线132在纵向方面和周向方面中的每一个中与中间平面182对角地定向。

例如，如图11和12中可见，喷射器壳体130还包括第一台阶218和第二台阶220，每个台阶分别沿着第一夹持面278和第二夹持面280在周边上延伸。在图示的实施例中，第三台阶222与第一台阶218相对，并且第四台阶224与第二台阶220相对。当夹具124联接到燃料喷射器50时，第一尖头226与第一台阶218接触并且第二尖头228与第二台阶220接触。第一尖头尖端230与第一台阶218轴向面对接触，并且第二尖头尖端232与第二台阶220轴向面对接触。第一尖头尖端230和第二尖头尖端232与每个相应的第一台阶218和第二台阶220的接触长度238可以小于每个相应的第一台阶218和第二台阶220的全长240的大部分。

将回想起气体交换开口78、80、82和84限定中线112。中线112可以位于通常用参考数字112标记的气缸盖中间平面内，所述气缸盖中间平面竖直地延伸通过气缸盖34和燃料喷射器50。燃料喷射器50可以被气缸盖中间平面112等分。螺栓孔214和螺栓孔86沿着偏离气缸盖中间平面112的公共轴线216/88同轴布置。当燃料喷射器组件206安装在气缸盖组件35中以便维护时，气缸盖中间平面212、燃料喷射器中间平面182以及限定在第一尖头226的第一内侧尖头表面246和第二尖头228的第二内侧尖头表面248之间的夹具中间平面(未编号)可能都是共面的。返回关注图8和9，将回想起夹具124可以是倾斜的。倾斜意味着偏离，并且在图9的俯视图中，叉形喷射器部分208相对于螺栓连接部分212的倾斜是显而易见的。在如图9所示的垂直于螺栓孔轴线216定向的投影平面中，夹具轴线244可以与第一内侧尖头表面246和第二内侧尖头表面248中的每一个成对角。

现在关注燃料喷射器50的附加比例和尺寸属性，将回想起燃料喷射器50被构造用于安装在气缸盖组件35中的气门机构部件之间的相对紧凑的封装空间中。与某些已知的燃料喷射器相比，燃料喷射器50可以相比于其直径相对较长或相对较高，并且具有各种相对比例的喷射器壳体130的部件，其适于装配到可用的封装空间中，而不会损害其他因素，例如功能性或可维护性。将回想起喷射器壳体130包括具有喷嘴终端尖端252的喷嘴142。喷射器全直径(FD)186由主体件176限定。轴向距离(AD)254限定在连接器轴线156和纵向轴线132的交点与喷嘴终端尖端252之间。AD与FD的比率可以为4.8至5.1。在改进中，AD与FD的比率可以为4.88至5.06。在一个实际实施方式中，FD等于30毫米，在加0.8毫米或减0.0毫米的公差内，而AD等于151.16毫米，在加0.7毫米或减0.65毫米的公差内。

电连接器170还可以包括连接器终端尖端256。喷射器轴向长度(AL)258限定在连接器终端尖端256与喷嘴终端尖端252之间。AL与FD的比率可以为6.9至7.2。在改进中，AL与FD的比率为6.94至7.19。在实际实施方式中，AL等于214.86毫米，在加0.9毫米或减0.85毫米的公差内。

喷射器壳体130还可以包括喷嘴壳260，以及在喷嘴壳260与上部主体件176之间的中间主体件262。减小的直径(RD)270由喷嘴壳260限定。中间主体件262可以包括直径266等于FD的上部部段264，以及直径272等于RD的下部部段268。相应的直径可以在应用于喷射器壳体直径的公差内相等，因此将与FD相关的公差应用于相对于FD的所述关系意味着在加2X0.8毫米或减2X0.0毫米内满足“相等”。从图11和12还将认识到FD与MD垂直，并且RD大于MD且小于FD。

喷射器壳体130还可以包括定位表面273，所述定位表面在喷嘴终端尖端252的内侧轴向间隔并且围绕喷嘴142周向延伸。暴露的尖端长度轴向距离(TL)274限定在定位表面273与喷嘴终端尖端252之间。AD与TL的比率可以为8.06至8.34。在改进中，AD与TL的比率可以为8.07至8.32。AL与TL的比率可以为11.48至11.86。在图示的实施例中，挤压垫圈100形成定位表面273。在一个实际实施方式中，TL等于18.36毫米，在加0.3毫米或减0.15毫米的公差内。如从以下描述中将进一步显而易见的，所公开的相对于细长喷嘴142的比例和尺寸属性可以帮助将喷嘴终端尖端252精确定位在燃烧气缸18内，使得喷嘴142不太可能过热，同时还具有与活塞20的特征匹配的喷射出口特征以实现理想的性能目标。

现在还参考图13-15，突出距离(PD)276限定在下部防火甲板表面70与喷嘴终端尖端252之间。TL与PD的比率可以为8.67至8.89。在一个实际实施方式中，PD等于2.1毫米，在例如加0.3毫米或减0.15毫米的公差内。喷嘴壳260还可以包括轴向端表面278。从轴向端表面278到喷嘴终端尖端252的距离280可以为19.86毫米，在加0.3毫米或减0.15毫米的公差内。应当领会，轴向端表面278是在围绕喷嘴142定位时被挤压垫圈100遮蔽的表面。喷射出口144可以具有均匀的尺寸、均匀的形状(例如圆柱形)，并且围绕由细长喷嘴142限定的中心轴线288均匀分布。如在图13和14中可见，喷嘴终端尖端252可以为半球形形状。

喷射出口144可以限定喷射轴线284，所述喷射轴线限定例如加或减0.75°的公差的130°的喷射角。喷射轴线284还可以限定喷嘴142内的喷射轴线顶点282。从喷射轴线顶点282到喷嘴终端尖端252的距离286可以为1.1毫米。尖端全长(FL)限定在轴向端表面278与喷嘴终端尖端252之间。喷射轴线284均可以限定相应的喷射出口位置处的中心点292。基部-顶点轴向尺寸(BA)294限定在轴向端表面278与喷射轴线顶点282之间。基部-中心点轴向尺寸(BC)296限定在轴向端表面278与中心点292之间。FL与BA的比率可以为1.06至1.10，并且FL与BC的比率可以为1.04至1.08。在一个实际实施方式中，FL等于19.86毫米，在加0.3毫米或减0.15毫米的公差内。

现在关注图13，示出了包括燃料喷射器50和活塞20的燃烧系统360。如上所述，包括尺寸、比例和其他几何属性的燃料喷射器50的特征可以理解为与活塞20的特征协同工作以获得期望的和意想不到的有利结果。活塞20包括活塞端面302，所述活塞端面形成围绕活塞中心轴线350周向延伸的环形活塞边缘304。环形边缘304可以包括外缘表面306和倾斜内缘表面308。在一些实施例中，环形边缘304可以包括凹穴以容纳进气门。活塞端面302进一步形成具有碗底316和碗外壁318的燃烧碗310。由活塞端面302形成的中心锥体312在燃烧碗310内并限定锥角322。喷射轴线284限定小于锥角322的喷射角298。例如，喷射角298可以为130°加或减0.75°。例如，锥角322可以为140°加或减0.75°。喷射角298与锥角322之间的差可以为10°加或减1.5°。中心锥体312的顶点313通常以活塞中心轴线350为中心。活塞20还包括围绕燃烧碗310周向延伸的凹入突出部320。环形边缘304和碗外壁318在凹入突出部320处相交。碗底316被倒圆以形成环形并且在活塞20的上止点位置处与喷射轴线284相交，大致如图13中所示。在一个实际实施方式中，外缘表面306如上所述是平坦的或平面的，并且倾斜内缘表面308被倒圆。在改进中，倾斜内缘表面308形成倒角、组合的倒角和倒圆轮廓，邻接凹入突出部320。内缘表面308的倾斜轮廓至少部分地由该倒角形成。凹入突出部320可以包括锐边，所述锐边限定由活塞端面302形成的所有曲率半径中最小的曲率半径。在一个实施例中，凹入突出部320包括去毛刺边缘。如本文进一步讨论的，当活塞20处于上止点位置时，燃料喷射器50和活塞20的特征在中心锥体312上形成扫掠喷射射流冲击图案。

工业适用性

如上文所述，燃料喷射器50和活塞20的特征可以理解为匹配以提供期望的功率密度、效率和排放。为此，喷射出口144的定位、定向和数量相对于防火甲板70和活塞20的特征是高度精确的。以该方式配置燃料喷射器50使得燃料喷射羽流能够以期望模式推进，所述模式限制相邻的燃料喷射羽流或射流之间的羽流间相互作用，也限制任何一个喷射羽流与其自身的相互作用，并支持即使在相对较大量的高压燃料喷射的情况下也优化燃烧缸18内的可用氧的使用的燃烧策略。

已经发现，使用数量多于七个的喷射出口可能与喷射羽流之间的相互作用的更大风险和当前挑战相关联，特别是在瞬态发动机条件下的排放方面，从而导致过量的烟尘产生。至少在没有(仍可以产生另外其他挑战的)其他补偿的情况下，使用超过七个出口还可能与喷射羽流无法充分穿透到气缸中以实现最佳燃烧相关联。进一步发现，使用数量少于七个的喷射出口也可能带来不同的挑战，即通常较高的烟尘排放，并且可能是因为较大的出口导致喷射羽流比期望更多地穿透到气缸中，导致潜在的壁润湿和/或羽流自身过度回卷，并且因此限制燃料暴露于其他可用氧。使用根据本公开配置的恰好七个喷射出口提供了喷射燃料到可用燃烧空间的分布的理想平衡，从而提供足够但不过量的喷射穿透，同时最小化羽流间和羽流内相互作用风险。如下文进一步讨论的，喷射出口布置和数量的特征也与活塞特征协作。

现在还参考图16和17，操作发动机12可以包括使活塞20在燃烧气缸18中的下止点位置和上止点位置之间移动，并且基于活塞20的移动将燃烧气缸18中的缸内压力增加到空气和喷射液体燃料的自燃阈值。操作发动机12还可以包括通过燃料喷射器50中的恰好七个喷射出口144将液体燃料直接喷射到燃烧气缸18中以产生从燃料喷射器50向外和向下推进到由活塞端面302形成的燃烧碗310中的喷射射流。

如图16中所示，喷射射流或羽流400示出为它们可能出现在活塞20的上止点位置处或之后，已从燃料喷射器50向外和向下传播并且首先冲击在位于中心锥体314的斜面上的冲击位置410处。特别地，冲击位置410可以在锥体顶点313与由碗底316形成的燃烧碗310的底部之间的斜面的中间三分之一内。因此，在上止点位置处，大致如图16中所示，喷射射流400瞄准燃烧碗310的底部。在初始第一冲击时和之后，喷射射流400可以被理解为对着中心锥体314的斜面扫掠。喷射射流400的掠射可以理解为启动喷射燃料沿碗表面的滑动流动，从而平滑地引导燃料，同时限制由于更直接的冲击而可能发生的任何动量减少，并帮助确保随着射流400沿着碗表面继续，燃料流将持续稳固。换句话说，所描述的策略保存动量，使得燃料和空气的混合可以在喷射循环的后期最佳地继续。

扫掠的喷射射流400的燃料可以沿着外碗表面或壁318向上朝向凹入突出部320引导。在凹入突出部320处，引导的燃料分成在倾斜内缘表面308上方从凹入突出部320向上和向外推进的分离小流408。形成具有斜面，特别是具有倒角的内缘表面308有助于控制小流408的分离以免过度，同时利用活塞边缘304与防火甲板70之间的空间中的可用氧。循环大流406朝向发动机12中的防火甲板表面70从凹入突出部320向上和向内推进。引导的燃料的分离可以进一步包括以限制循环大流的自再夹带(羽流内相互作用)的方式分配引导的燃料。在图16和17中，402所示的燃料区域尚未燃烧或刚刚开始燃烧，而404所示的区域在活跃燃烧并处于高温。405所示的区域仍在活跃燃烧，但随着燃烧接近完成，温度会逐渐降低。

本说明书仅用于说明目的，并且不应被解释为以任何方式缩小本公开的范围。因此，本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的完整和合理范围和精神的情况下，可对当前公开的实施例进行各种修改。通过查看所附附图和所附权利要求书，其他方面、特征和优点将变得显而易见。如本文所使用，冠词“一(a)”和“一(an)”旨在包括一个或多个项目，并且可与“一个或多个”互换使用。在意图表示仅有一个项目时，使用术语“一个(one)”或类似语言。此外，如本文所使用，术语“具有(has)”、“具有(have)”、“具有(having)”等旨在为开放式术语。此外，短语“基于”意图表示“至少部分地基于”，除非另有明确说明。

Claims (10)

1.一种操作发动机的方法，包括：

使活塞在燃烧气缸中的下止点位置和上止点位置之间移动；

基于所述活塞的移动将所述燃烧气缸中的缸内压力增加到空气和喷射液体燃料的自燃阈值；

通过燃料喷射器中的恰好七个喷射出口将液体燃料直接喷射到所述燃烧气缸中以产生从所述燃料喷射器向外和向下推进到由活塞端面形成的燃烧碗中的喷射射流；

对着所述燃烧碗内的中心锥体的斜面扫掠喷射射流；

将扫掠的喷射射流的燃料沿着从所述中心锥体延伸的外碗表面引导到围绕所述燃烧碗周向延伸的凹入突出部；

将引导的燃料分成在由所述活塞端面形成的倾斜内缘表面上方从所述凹入突出部向上和向外推进的分离小流和朝向所述发动机的防火甲板表面从所述凹入突出部向上和向内推进的循环大流；以及

在所述燃烧气缸中自动点燃直接喷射的液体燃料。

2.根据权利要求1所述的方法，其中：

液体燃料的直接喷射包括以在所述恰好七个喷射出口之间均匀的喷射角直接喷射液体燃料；

喷射射流的扫掠包括对着所述中心锥体的斜面扫掠喷射射流，所述中心锥体限定大于所述喷射角的锥角；

引导的燃料的分离包括在所述凹入突出部的形成在所述外碗表面与所述倾斜内缘表面的相交处的锐边处将所述引导的燃料分成分离小流和循环大流；并且

所述引导的燃料的分离还包括以限制所述循环大流的自再夹带的方式分配所述引导的燃料。

3.根据权利要求2所述的方法，其中：

所述喷射角为130°加或减0.75°；并且

液体燃料的直接喷射包括使喷射射流瞄准所述燃烧碗的底部。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中：

喷射射流的扫掠包括首先在锥体顶点与所述燃烧碗的底部之间的斜面的中间三分之一内的位置处将喷射射流冲击在所述中心锥体的斜面上；

所述锐边限定由所述活塞端面形成的所有曲率半径中最小的曲率半径；并且

所述倾斜内缘表面形成倒角。

5.一种发动机系统，包括：

发动机壳体，所述发动机壳体具有形成在其中的燃烧气缸；

活塞，所述活塞可在所述燃烧气缸中在下止点位置与上止点位置之间移动以将缸内压力增加到空气和喷射液体燃料的自燃阈值；

所述活塞限定活塞中心轴线，并且包括形成围绕燃烧碗周向延伸的环形活塞边缘的活塞端面以及在所述燃烧碗内的中心锥体；

燃料喷射器，所述燃料喷射器包括在所述燃烧气缸内的喷嘴尖端以及形成在所述喷嘴尖端中的喷射出口；并且

所述燃烧碗具有凹入轮廓，所述中心锥体限定锥角，并且所述喷射出口的数量恰好为七个并且其中具有大于所述锥角的均匀喷射角，以便在所述活塞处于所述上止点位置时在所述中心锥体上形成扫掠喷射射流冲击图案。

6.根据权利要求5所述的发动机系统，其中：

所述喷射角为130°加或减0.75°；

所述活塞端面包括碗外壁表面，所述碗外壁表面在凹入突出部上与环形边缘相交，并且所述凹入突出部限定由所述活塞端面形成的所有曲率半径中最小的曲率半径；并且

在所述活塞处于所述上止点位置时，所述喷射出口围绕所述活塞中心轴线周向地均匀间隔，并且限定与碗底相交的喷射轴线。

7.根据权利要求5或6所述的发动机系统，其中：

所述环形边缘具有邻近所述凹入突出部的倾斜轮廓；并且

所述环形边缘包括至少部分地形成所述倾斜轮廓的倒角。

8.一种用于发动机的燃烧系统，包括：

燃料喷射器，所述燃料喷射器具有形成在其中的恰好七个喷射出口；

活塞，所述活塞限定活塞中心轴线，并且包括形成具有碗底和碗外壁的燃烧碗的活塞端面、在所述燃烧碗内限定锥角的中心锥体以及环形活塞边缘；

所述活塞还包括围绕所述燃烧碗周向延伸的凹入突出部，并且所述环形活塞边缘和所述碗外壁在所述凹入突出部处相交；

燃料喷射器包括喷嘴尖端，所述喷嘴尖端具有形成在其中的恰好七个喷射出口并且每个喷射出口限定喷射轴线，所述喷射出口围绕所述活塞中心轴线周向地间隔并且以小于所述锥角的均匀喷射角布置；并且

所述活塞可在下止点位置与上止点位置之间移动，并且所述碗底被倒圆以形成环形并且在所述活塞的上止点位置处与所述喷射轴线相交。

9.根据权利要求8所述的燃烧系统，其中：

所述燃料喷射器包括半球形喷嘴尖端，并且所述喷射出口具有均匀尺寸和形状并且形成在所述半球形喷嘴尖端中；并且

所述喷射角为130°加或减0.75°，并且所述锥角为140°加或减0.75°。

10.根据权利要求8或9所述的燃烧系统，其中所述环形活塞边缘包括平坦的外缘表面，以及邻接所述凹入突出部的倒角。

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