CN1198800A - 一种用于内燃机的一体的喷射和点火装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在内燃机中的一体的喷射和点火装置,尤其是用于具有独立的燃料点火单元的四冲程发动机的一体的喷射和点火装置。该装置包括整体的喷射单元(14)和点火单元(16)。点火单元包括可连接到发动机顶部的、而且有一圆筒形内部的壳体,该壳体下部与锥形空腔(7)汇合,空腔(7)的底面朝向发动机的燃烧室(2)敞开,因此锥形空腔(7)形成燃烧室的附加的较小容积。

Description

一种用于内燃机的一体 的喷射和点火装置

本发明涉及内燃机中的一体的喷射和点火装置，尤其是在具有独立的点火单元的四冲程发动机中一体的喷射和点火装置。

为减少燃料消耗和来自汽车和其它应用的内燃机的有害燃烧残余物的排出，人们已作出了巨大的努力。近年来，电子技术和计算机的发展使向更有效的发动机方向发展更加容易，它是通过实现更精确的燃料配比、优化的点火和燃烧的监控而达到的。

现代发动机电子技术主要集中于减少吸入空气中燃料的比例，和增加空气的比例。在燃料被喷入发动机气缸以前，燃料一般与吸入的空气混合。但是，也有可能将燃料直接喷入发动机气缸内，如在柴油机的情况下就是如此。吸入的空气充入气缸后，阀门关闭。早在二十世纪六十年代梅赛德-奔驰公司(Mercedes-Benz)就已开发出一种实用的直喷式汽油驱动的汽车。近年来，已开发出很多可供选择的直喷式结构，其具体目标集中在将燃料直接喷射到火花塞上。

汽油驱动的汽车不具有柴油机的很多优点，例如柴油机可将空气混合物中的自由氧连续充入。柴油机不具有任何型式的节气阀，在其它类型的内燃机中，当发动机吸入空气时，这种节气阀可产生真空，当发动机空转时，真空度最大，随后减小。因此，在低功率输出时，这种节气阀起很大的内在阻力的作用，从而降低了发动机的燃料经济性。

尽管许多现代的四冲程发动机的喷射系统接近于柴油发动机具备的优点，但是它们不仅在使用上十分不便、价格昂贵，而且占用结构空间，因此在现今的发动机中不可能应用这些系统。

因此，本发明的一个目的是力图改变内燃机的这些基本性能，通过降低给定发动机的内在阻力，增加给定发动机的功率，增加给定发动机产生的转矩，产生更大的功率，并减少给定燃料体积中未燃烧的废气残余物的排出，提供敏捷的发动机运行加速性，提供良好的冷态发动机起动，减少发动机外围设备的数量，从而节约空间，并使本发明可应用于现代发动机中。

通过作为如下权利要求书中所述的特征的本发明，使这些发明目的得以实现。根据本发明构思，几个相互配合作用的功能单元可以实现上述目的。例如，喷射和点火功能单元设置在一个一体的装置中，其中点火单元适合设置于一个可安装在发动机内的单元内，而喷射单元依次连接到点火单元上。点火单元内部为一圆筒形，该单元一般还具有一锥形空腔，锥形空腔的敞开底面向里朝向发动机燃烧室。燃料在锥顶内从喷射器高压喷出，采用喷射调节以使燃料/空气混合物在燃料喷射阀关闭后立即被点燃。发动机功率要求通过喷射器开启的时间和燃料的供给量进行调节。当发动机空转时，最小量的首先点燃的燃料在用电极的火花点燃时以最佳空气/燃料混合比从喷射器喷入，并充满锥顶，其中电极设置在锥顶内喷射器下面的特定的(优选的)位置上。点火前，燃料可适当向气缸内喷射几次。在活塞的压缩冲程中，燃料喷入气缸的阻力增加，即每单位时间内，较少量的连续燃料喷入气缸。首先燃烧的燃料的喷射发生于压缩冲程的最后阶段，而且燃料的压力必须大于压缩压力一定的范围内，在该范围内过压才使燃料产生强烈的雾化作用，并可在气缸内得到燃料/空气的充分混合物。这种喷射器开启时间，接合燃料压力和气缸在各个时机的压缩，就使得燃料在每个燃烧时机喷出一特定量，并依此产生功率输出。焰锋从首先点燃的燃料通过一加速焰锋点燃燃烧室内其余的燃料，而且在所有不同燃料量的情况下，气缸内其余的空气被加热，并产生挤压周围表面的压力，同时在气缸内向下挤压活塞。当未燃烧的氧化物输送到锥形空腔时，达到更有效的燃烧。这样，燃料喷射器在高压下同时喷射燃料和空气，就可实现最有效的燃烧。

现在，参照本发明的附图及一个非限制性的实施例，详细说明如下。

图1为本发明的燃料喷嘴/点火系统的轴向剖面图，其中该系统被固定于内燃机的气缸盖上；

图2说明燃料喷嘴和点火单元下部的放大视图；

图3说明点火单元和燃料喷射阀系统相对图2旋转90°的视图；

图4说明点火单元及其可调电极的俯视图；

图5说明在内燃机燃烧室内几团燃料/空气混合物的示意图；

图6说明图1所示点火单元的另一实施例；

图7说明图1所示点火单元的又一实施例；

图8说明图1所示的点火单元的另一种变型。

在图1所示的实施例中，本装置1对中地设置于传统内燃机的燃烧室2中，这种传统的内燃机可以是一四冲程发动机。这种发动机的气缸盖3一般固定于气缸体4上，图中示出了一处于顶部位置的活塞5。处于这种点火状态的燃烧室主要由点火单元6的锥形空腔7，邻近的活塞表面8，进气阀9，排气阀10和邻近的气缸盖表面限定而成。空气通过进气通道11导入发动机的燃烧室2，并通过发动机的排气管道12排出。点火单元6通过螺纹13适当地拧到气缸盖上。接下来，燃料喷射单元14通过螺纹15拧到点火单元6上。密封件16设置于点火单元的壳体上，防止气体压力从燃烧室2扩散。设置于点火单元的锥形空腔7内的是电极17、18，电极17、18起到点燃锥形空腔和燃烧室内的燃料/空气混合物的作用。燃料喷嘴单元14还包括一电气插头19，用于控制燃料和空气流；耦合装置用于供给高压下的燃料20和压缩空气21。燃料/空气的混合物通过阀22以高压喷入锥形空腔7。

图2说明放大的点火单元6。从图中可看出，锥形空腔7的两侧不是直的，而是有一曲面23，该曲面23确定了燃料/空气混合物点火后燃烧室2内焰锋的传播。点火单元的一个电极17装在其一端上，该端与突伸入空腔7的那一端相反安置，一个传播接点24用于连接到地/气缸体，从而起到点火单元副电极的作用。点火单元的另一电极18通过电极槽25连接到接线装置26上，所述接线装置26接收源于发动机电控系统的点火放电。标准的点火线圈或火花塞插头通过将该插头插入接线空间27而连接到接线装置26上，所述空间27设置于点火单元6的上部，用于连接接线装置26。该插头通过一位于点火单元上部的保证接触和防潮的结构28固定在所述的空间内。

图3说明相对图2转动90°的点火单元，而且展示了点火单元的其它部分。图3展示了点火单元的接地电极17，并且从图中可看出，其上边缘和下边缘有倾斜面29，以便构成流线型，从而当燃料/空气混合物流入锥形空腔时，减小燃料/空气混合物的阻力，并减少电极的浸湿。从图3中还可看到，燃料喷嘴包括阀22，该阀22位于燃料喷射单元14的下部，与阀座30相邻接，阀座30通过阶梯形结构31的中间与锥形空腔7和燃烧室相连接。当阀关闭时，阀22的下游的阶梯形结构形成良好的燃料分配，并在关闭阶段中最后一些燃料被压靠在最近的阶梯上，使燃料混合物借助所述阀的结构轴向输送到阀前的轴向区域中，该燃料的燃烧压力保证阀22顶靠在阀座30上关闭。

图4是点火单元6的横剖视图，并展示了靠在点火单元外缘上的电极17的传播接点24，该接点24在气缸体内接地。点火单元的第二电极18是柔性可调的，如图中虚线所示，以使电极的间距可调。从图4中还可看到锥形空腔的内壁32通常是圆形的。

图5展示了锥形空腔7和燃烧室2其余部分内的几团燃料/空气的混合物。图5还展示了锥形空腔内的电极17、18。该视图表明在电极点燃锥形空腔7内首先点燃的燃料33之前的状态，在应用情况下，该燃料接着点燃燃烧室2内次级点燃的燃料34。这种燃料可能由非常稀薄的燃料/空气的混合物构成。因为锥形空腔的底面有一确定的半径，所以当燃料点燃时，焰锋可被有效地传播。

图6所示的点火单元与图1所示的点火单元具有相同的功能，并也包括用于将该单元拧到气缸体上的螺纹13，但未示出。本实施例的点火单元还有内螺纹15，用于安装燃料喷嘴单元(未示出)，它可以具有基本和图1所示相同的外轮廓，不同的是在这种情况下，这种燃料喷嘴单元必须有一延长部分，该延长部分装入点火单元的圆筒形延长部分35内，并靠近实际的燃烧室上边缘的锥形空腔7而终止。在这种情况下，将副电极17直接固定在点火单元6上，而主电极18在其电极槽25内延伸到接线装置26。主电极18由点火单元内的绝缘体36所包围。本实施例的电接线装置26也有位于点火单元上边缘的防潮结构28。

图7中所示的点火单元与图6所示的点火单元主要区别在于：电极槽25的定向不同，从而改善对燃烧压力的阻力，在这种情况下，绝缘体37必须强于图6的实施例的绝缘体。

图8所示的点火单元2与图6和图7所示的点火单元主要区别在于：强化的点火单元主体，和点火单元圆筒形延长部分35的结构不同，该延长部分更适合于喷嘴部件的形状，即所说喷嘴部件有一向外凸出的阀部分，该阀部分有一安装在37处的阀座，和装配在空间38内的喷嘴的阀针。接线装置26的设计与图1、6和7所述的实施例的装置也略有不同，从而有利于点火线圈的火花塞或插头的连接。绝缘体36也被拉制成一个增大的隆起部分39。

根据本发明所构成的点火单元，提供了一种喷嘴部件易于从点火单元上拧下来的单元结构，并且点火单元的实际的壳体可以相同方式从发动机的气缸盖上拧下来。这样，在需要时，该单元就可容易而经济地实现装置的替换。这种点火单元的壳体可固定到气缸盖上，而喷嘴部件可通过其它方式安装于喷嘴部件的壳体上，例如夹紧在其上或用螺栓固定到其上。

点火单元可全部或部分由耐热和电绝缘的材料制成，例如陶瓷材料。这样就在产生首先燃烧的锥形空腔内产生一小的吸热表面，从而减少热损失，尤其在小功率输出时更是如此，此后，充分燃烧仍会在锥形空腔内进行。但点火单元也可完全由金属制成，以简化制造工艺并提供更长的寿命。然而，点火单元6的锥形空腔7和所述的空腔确定的表面，可由一单独的插入物组成该插入物的全部或部分由导电和绝热材料制成。

本发明的点火单元还提供了在喷嘴单元和小锥形空腔内加热燃料的优点，从而使燃料能够被火花更迅速地点燃。另外，当锥形空腔的底面形成一朝向燃烧室界限面的圆形面时，焰锋将会更有效地在燃烧室内传播，从而实现在所述燃烧室内的燃料更有效和更完全的燃烧。

电极在点火单元内的位置对点火单元的效率也是有影响的。电极最好设置在喷嘴部件的燃料阀下游一合适距离的位置上，电极的最佳位置最好考虑空转时，发动机需要的燃料来确定。燃料在喷嘴部件附近被点燃，电极被喷入的燃料有效地冷却至一合适的工作温度，从而避免过热。火花隙可通过弯曲电极而得到很好地调节。在起动前，也可当发动机空转时，在燃烧室中没有燃料期间，可清洗电极和/或由多余的火花加热电极。

对本发明的发动机效率有帮助的发动机的特点，包括：

由于没有设置节气阀，从而在发动机的所有档速上，都能产生大的空气余量。

在非真空的情况下，当空转和小功率输出时，发动机内较小的内阻可导致低的燃料消耗。

由于入口与气缸连续地充入空气，导致快速的节气阀动作。气缸也可用涡轮/压缩机或类似装置“过量充气”。这样就导致发动机从空转状态极迅速的使节气阀动作，并且可通过省去节气阀而增加其它优点。

更多的空气从气缸上吸收了多余的热量。从而传给缸壁和其它吸热表面的热量损失减少了。最大量的空气吸入或压入气缸，并被气缸壁加热，从而用确定数量的燃料就可使空气膨胀和输出更多的动力。这样用确定数量的燃料就可形成更有效的发动机。

在发动机低转速时产生高转矩和大功率。

发动机可在更低温度下运转，这样就减少了发动机损坏的危险。

产生更洁净的废气，因为大量的自由氧可与已存在于气缸内的首先燃烧的废气反应，其中的废气以固有的聚己二酸乙二醇酯(EGR)的形式存在。这些数量的自由氧可与缸体内的燃料的残余物反应，并通过入口和排气支管、涡轮机、排气管道、催化剂和发动机排气系统的保温部件等全部途径排出发动机。

燃烧前吸入或压入气缸内的空气越多，燃料的残余物就会越稀少。排出的碳氢化合物、碳氧化合物和氮氧化合物达到相应更小的程度。

借助于现代发动机电子学，可这样控制本发明的装置，即线性分配喷射的燃料量与消耗的空气量。

根据本发明，随着局部的首先燃烧可得到如下结果：

尤其是在冷态发动机起动的情况下，即当更大量的燃料/空气的混合物需要点火时，黑烟急剧减少。本发明能使混合物定位并局部点火。

强制燃烧与对燃料/空气混合物的整个点火范围内的良好控制，减少了点火失效的可能性及发动机的磨损。

高度压缩成为可能，燃料量在数量上和在燃烧室内的位置上可得到很好的调节，这就减少了峰值工况的危险。

其它燃料可补充初级燃烧。例如可使用天然气、酒精、柴油、煤油或一些低燃点的燃料。补充的燃料可通过进气阀与其它空气一起吸入，并由首先的燃烧点燃。

由于没有节气阀和用于指示空气量、空气湿度、空气温度和空气密度的指示器，EGR装置，气泵等等，所以使发动机的结构很简单。整个装置可装配在现有发动机的火花塞所占的空间内。

用于机动车辆和船舶等的现有的发动机，都可以配置本发明。而本结构则可以安置在火花塞的已有的空间内，所有的汽油发动机都装备有火花塞，化油器发动机以及喷射阀发动机不考虑阀门数目。

尽管本发明已参照不同的实施例作出了说明，但应该理解在不脱离本发明构思的范围下，不同实施例中的不同的解决方案可相互组合，而且其它公知的有关内燃机方面的具体方案也可与本发明组合。

Claims (11)

1.一种用于在内燃机中一体的喷射和点火装置，其特征在于：该装置包括整体的喷射单元(14)和点火单元(16)，其中点火单元包括可紧固到发动机顶部的壳体，该壳体具有一圆筒形的内部，该圆筒形的下部连接一锥形空腔(7)，该锥形空腔的底面朝向燃烧室2敞开，从而使锥形空腔(7)形成燃烧室的附加的较小容积。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：点火单元(16)具有外螺纹(13)，其可拧入发动机顶部的对应螺纹内。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：锥形空腔(7)的壁相对轴线形成最大为25°的角。

4.根据权利要求1至3中之一所述的装置，其特征在于：由锥形空腔(7)形成的附加的较小容积最大达到燃烧室总体积的1/4。

5.根据上述权利要求中之一所述的装置，其特征在于：邻近燃烧室的锥形空腔(7)的端部有一圆形的连接部分(23)，连接部分的半径最好在3至30mm之间。

6.根据上述权利要求中之一所述的装置，其特征在于：点火单元(6)包括至少两个电极(17，18)，其中一个电极(17)由一传播接点(24)连接到发动机/地上，而且至少一个电极(18)与地绝缘，并连接到用于与高压电源进一步连接的接电装置(26)上。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：将电极(17，18)固定于点火单元(6)内，以使其设置在锥形空腔(7)内。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：电极(17，18)在其各个上边缘和下边缘倾斜成一流线型(29)。

9.根据权利要求6至8中之一所述的装置，其特征在于：电极(18)通过绝缘体(36)电极槽(25)连接到接电装置(26)上，电极槽(25)贯穿点火单元(6)的壳体。

10.根据上述权利要求中之一所述的装置，其特征在于：喷射单元(14)包括一个外螺纹(15)，用于将喷射单元拧到点火单元(6)上。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于：喷射单元(14)包括紧靠在阀座(30)上的阀门(22)，阀门(22)用于关闭燃烧室(2)，阀座(30)最好在邻近锥形空腔(7)处有台阶状结构(31)。

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