CN1789688A - 预混合压缩点火发动机 - Google Patents

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Abstract

在活塞顶面(6a)上设置有燃烧室(20)，所述燃烧室(20)备有凹陷成球面状的第1凹陷部(21)、和形成于第1凹陷部(21)的中央部并且凹陷成球面状的第2凹陷部(22)。燃烧室(20)设定成下述形状，即、燃开口(24)的直径(D)相对于最深部(23)的深度(H)的比为5～13，而且，挤气区(25)的面积相对于活塞顶面(6a)的面积的比为0.25～0.45。并且，设定成挤气区(25)和压力缸盖(5)的下表面(5a)之间的间隙为2～3mm。

Description

预混合压缩点火发动机
技术领域
本发明涉及一种预混合压缩点火发动机，特别是涉及预混合压缩点火发动机的活塞的构造。
背景技术
以往的预混合压缩点火发动机例如记载于日本特开2001-65350号公报(图1、图6)中。该预混合压缩点火发动机如下所述，即、将上死点处的活塞顶面与压力缸盖下表面之间设定成尽可能小的间隙，并且，在活塞顶面上设置有深盘型的燃烧室。由此，尽可能地减小与压力缸壁面接触而温度降低了的混合气体的体积。根据该预混合压缩点火发动机，在压缩步骤后期，混合气体的大部分被压入到深盘型的燃烧室中。此时，与压力缸壁面接触而温度降低的混合气体的体积，与燃烧室内的所有混合气体的体积相比很小。由此，未燃烧气体和中间生成物的产生量降低。另外，通过将燃烧室设成搅拌吸入混合气体的气流的形状，使得温度分布均匀化，减小了点火性的差异，减少了相对来说对自点火不利的区域，所以未燃烧气体和中间生成物的产生量降低。
但是，通过将燃烧室设成深盘型的，仅在活塞处于上死点这一瞬间可以使压力缸壁面附近的间隙变小，在其前后，相反，表面积相对于燃烧室容积的比会增加而导致热损失增大，所以存在难以确保自点火所需筒内温度的问题。
另外，如果使燃烧室内的温度分布均匀，则各周期中点火时刻离散而会导致燃烧不稳定，所以还存在转矩变动的问题。具体地说，燃烧室内的温度分布均一，会使得在燃烧室内的多个部位同时点火。在多个部位同时点火的情况下，会使燃烧室内的混合气体一下子燃烧，产生所谓爆燃问题。
发明内容
本发明是鉴于这种问题而作出的，其目的在于提供一种使得燃烧稳定的预混合压缩点火发动机。
本发明的预混合压缩点火发动机，利用在一端被压力缸盖封闭的压力缸内往复滑动的活塞，将燃料和含氧气体的混合气体压缩而使其自点火并燃烧，其特征在于，活塞备有：挤气区，设置在与压力缸盖对置的活塞顶面的外缘部上，产生挤气；燃烧室，具有设置在挤气区的内侧、包括凹陷最深的位置即最深部的凹状的第1凹陷部；第1凹陷部的深度朝向最深部变深，使得燃烧室内的混合气体具有下述温度梯度，即、温度从挤气区朝向最深部上升，在最深部达到最高温度。
另外，本发明的预混合压缩点火发动机，利用在一端被压力缸盖封闭的压力缸内往复滑动的活塞，将燃料和含氧气体的混合气体压缩而使其自点火并燃烧，其特征在于，活塞备有：挤气区，设置在与压力缸盖对置的活塞顶面的外缘部上，产生挤气；燃烧室，设置在挤气区的内侧，具有包括凹陷最深的位置即最深部的凹状的第1凹陷部；对于活塞，(a)第1凹陷部的开口面的直径相对于最深部的深度的比为5～13的范围；(b)前述挤气区的面积相对于活塞顶面的面积的比为0.25～0.45；(c)当活塞位于上死点的位置上时，挤气区和前述压力缸盖的下表面之间的间隙的间隔为2～3mm。
附图说明
图1是本发明实施方式1的预混合压缩点火发动机的结构图。
图2是该实施方式1的预混合压缩点火发动机的活塞和压力缸的剖视图。
图3是该实施方式1的预混合压缩点火发动机的活塞在压力缸内位于上死点位置时的剖视图。
图4是实施方式2的预混合压缩点火发动机的活塞的剖视图。
具体实施方式
下面基于附图对本发明的实施方式进行说明。
实施方式1
关于实施方式1的预混合压缩点火发动机，以燃气热泵(以下称为GHP)用发动机为例进行说明。
如图1所示，GHP用发动机2备有在内部设置有压力缸3的压力缸体4。在压力缸体4的上部设置有压力缸盖5。在压力缸3内，以可往复运动的方式设置有活塞6。连杆7的一端连接在活塞6上，在连杆7的另一端上连接有曲柄轴8。
在压力缸盖5上，设置有开闭吸气口9的吸气阀11和开闭排气口10的排气阀12。在吸气口9上连接有吸气通路13，在排气口10上连接有排气通路14。吸气通路13的另一端向大气敞开，并且在其中途设置有将城市煤气作为燃料喷射的燃料喷射喷嘴15。
如图2所示，在活塞顶面6a上设置有燃烧室20。燃烧室20备有：凹陷成球面状的第1凹陷部21、和形成于第1凹陷部21的中央部并且凹陷成球面状的第2凹陷部22。在活塞顶面6a上，形成有燃烧室20的圆形的开口24。燃烧室20具有凹陷成球面状的斜面20a，所述斜面20a的斜度为，朝向燃烧室20的中央部下降。在此，设从第2凹陷部22内的凹陷最深的位置即最深部23到活塞顶面6a的距离、即最深部23的深度为H，设开口24的直径为D。开口24的直径D相对于最深部23的深度H的比D/H为8。
另外，在从活塞顶面6a的外缘6b到开口24的周缘24a之间的区域即外缘部26上，设置有平坦的挤气区25。挤气区25是如下所述的部分，即、在活塞6于压力缸3内上升时，有助于处于挤气区25上的混合气体成为涡流即挤气而向燃烧室20内部流入。在此，挤气区25的面积相对于活塞顶面6a的面积的比为0.3。
进而，设定成，如图3所示在活塞6到达上死点时，挤气区25和压力缸盖5的下表面5a之间的间隙Δx为2mm。
下面，对本实施方式的预混合压缩点火发动机的工作进行说明。
如图1所示，GHP用发动机2起动后，将在吸气通路13内流动的空气和从燃料喷射喷嘴15向吸气通路13内喷射的气体燃料的混合气体供给到GHP用发动机2中。当活塞6从上死点开始下降时，吸气阀11打开，混合气体被吸引到压力缸3内。当活塞6从下死点转为上升时，吸气阀11关闭，伴随着活塞6的上升，压力缸3内的混合气体的压力和温度上升。混合气体的温度上升时，由此燃料自然点火，在压力缸3内引起燃烧。通过该燃烧，活塞6被向下推压，活塞6从下死点开始上升后，排气阀12打开，压力缸3内的燃烧气体被向排气通路14压出。
活塞6的这样的往复运动经由连杆7转换成曲柄轴8的旋转运动，从GHP用发动机2得到输出。
下面对本实施方式的预混合压缩点火发动机中燃料的燃烧进行说明。
如图2所示，在压力缸3内，处于挤气区25和压力缸盖5的下表面5a之间的间隙中的混合气体，与燃烧室20内的混合气体相比，处于距压力缸壁3a较近的位置。压力缸壁3a由用于冷却GHP用发动机2的冷却水或空气流冷却，所以处于挤气区25和压力缸盖5的下表面5a之间的间隙中的混合气体比燃烧室20内的混合气体温度低。压力缸3内的混合气体在活塞6于压力缸3内上升时被压缩而温度上升，处于挤气区25和压力缸盖5的下表面5a之间的间隙中的混合气体作为图2的箭头A所示的挤气而沿着斜面20a流入到燃烧室20内。这样，温度比燃烧室20内的混合气体低的混合气体成为挤气而在燃烧室20内沿着斜面20a流动时，燃烧室20内的混合气体具有下述温度梯度，即温度从挤气区25朝向最深部23上升，在最深部23处达到最高温度。
结果，在燃烧室20内，在成为最高温的最深部23处，首先点火。即，燃烧室20内的点火的起点被特定在最深部23。而且，由于最深部23处于第2凹陷部22的内部，所以点火时刻的离散降低。另外，应补充的是，本发明中的点火时刻是指产生了全部热产生量中的10％热量的时刻。在汽油发动机中，通过由火花塞进行的点火而可从外部主动控制燃烧开始时刻，在柴油发动机中通过燃料喷射而可从外部主动控制燃烧开始时刻。与此相对，在不具有同样的机构而是通过从外部观测来确认燃烧开始时刻的预混合压缩点火发动机中，为了方便起见，大多将产生了5～10％的热量的时刻作为点火时刻。在此，出于同样的理由采用前述定义。在最深部23处点火后，沿着温度梯度而缓缓产生燃烧，燃烧室20内的混合气体的燃烧变得缓慢。因此，与燃烧室20内的混合气体的温度均匀的情况不同，没有多点同时点火而导致所有混合气体一下子燃烧的情况，也不会产生爆燃等异常燃烧和大的爆炸声。
这样，将设置于活塞6上的燃烧室20设成下述形状，即、燃烧室20的开口24的直径D相对于最深部23的深度H的比D/H为8，而且挤气区25的面积相对于活塞顶面6a的面积的比为0.3，并设定成，在活塞6处于上死点的位置时，挤气区25和压力缸盖5的下表面5a之间的间隙为2mm，所以，各周期的点火起点被特定在最深部23处，可以降低点火时刻的离散。也就是说，使得第1凹陷部21的深度朝向最深部23变深，以使得燃烧室20内的混合气体具有下述温度梯度，即温度从挤气区25向最深部23上升，且在最深部23温度最高，所以将各周期的点火起点特定在最深部23处，从而可以降低点火时刻的离散。而且，通过使燃烧室20内的混合气体具有温度梯度，在最深部23处点火后会沿着温度梯度而缓缓引起燃烧，从而燃烧室20内的混合气体的燃烧变得缓慢，可以抑制爆燃等异常燃烧和爆炸声。
实施方式2
下面，对本发明实施方式2的预混合压缩点火发动机进行说明。在下面的实施方式中，与图1～图3的附图标记相同的附图标记表示相同或者等同的构成要素，省略其详细说明。
实施方式2的预混合压缩点火发动机相对于实施方式1来说，在燃烧室20内的最深部23上设置有隔热件。
如图4所示，在设置于活塞30上的燃烧室20内的最深部23中，设置有铁类的金属材料或陶瓷等隔热件31。与实施方式1同样，燃烧室20内的混合气体具有下述温度梯度，即在最深部23具有最高温度并且从挤气区25朝向最深部23温度上升。利用隔热件31的保温效果，可以防止最深部23处的混合气体的热量经由活塞6而散掉。由此，可以将最深部23处的混合气体的温度尽可能维持得较高，所以可以可靠地将点火的起点特定在最深部23。
在实施方式1和2中，设D/H为8，但并不限于该值。通过将D/H的值设定为5～13的范围，便可以使燃烧室20内的混合气体具有这样的温度梯度。这是因为，如果D/H比这个范围小，则斜面20a的斜度变大，挤气不易沿着斜面20a流动，所以难以使混合气体具有沿着斜面20a的温度梯度。相反，如果D/H比这个范围大，则最深部23的深度变浅，使得最深部23附近的混合气体的温度容易受到压力缸3内部的温度影响，从而不能使燃烧室20内的混合气体具有温度梯度。
在实施方式1和2中，设挤气区25的面积相对于活塞顶面6a的面积之比为0.3，但并不限于该值。通过将该面积比设定为0.25～0.45的范围，便可以产生使燃烧室20内的混合气体具有温度梯度的挤气。这是因为，如果该面积比比这个范围大，则挤气变大，流入到燃烧室20内的挤气会搅拌燃烧室20内的混合气体，从而使温度均匀化。相反，如果该面积比比这个范围小，则挤气变小，不能充分地在燃烧室20内流通，所以难以使燃烧室20内的混合气体具有温度梯度。
在实施方式1和2中，设挤气区25和压力缸盖5的下表面5a之间的间隙Δx为2mm，但并不限于该值。通过将Δx设定为2～3mm的范围，便可以产生使燃烧室20内的混合气体具有温度梯度的挤气。这是因为，如果Δx比这个范围小，则挤气变大，会使燃烧室20内的混合气体的温度均匀化。相反，如果Δx比这个范围大，则挤气变小，难以使燃烧室20内的混合气体具有温度梯度。
在实施方式1和2中，燃烧室20和30备有第1凹陷部21和第2凹陷部22，但是并不限于该形状。只要是具有斜度为朝向最深部23下降的斜面并且D/H的值为5～13的范围，则也可以不是球面状。作为其他形状，列举有将圆锥形的顶点倒圆了的凹陷等。在这种情况下，圆锥的顶点成为最深部。另外，也可以是没有第2凹陷部22，仅有第1凹陷部21。在没有第2凹陷部22的情况下，第1凹陷部21中凹陷最深的位置成为最深部23。
另外，在不脱离本发明的宗旨的范围内，可以对实施方式1和2进行变更。例如，在实施方式1和2中，将燃料设为城市煤气，但是也可以采用LPG或CNG等其他气体燃料，另外，还可以使用轻油或汽油等液体燃料。作为向吸气通路内供给气体燃料的机构，除了燃料喷射喷嘴之外，还可以适当选择混合器等。发动机的形式也可以进行适当变更，为V型、水平对置型等。

Claims (5)

1.一种预混合压缩点火发动机(2)，利用在一端被压力缸盖(5)封闭的压力缸(3)内往复滑动的活塞(6)，将燃料和含氧气体的混合气体压缩而使其自点火并燃烧，其特征在于，前述活塞(6)备有：
挤气区(25)，设置在与前述压力缸盖(5)对置的前述活塞顶面(6a)的外缘部(26)上，产生挤气；
燃烧室(20)，设置在前述挤气区(25)的内侧，具有包括凹陷最深的位置即最深部(23)的凹状的第1凹陷部(21)；
前述第1凹陷部(21)的深度朝向前述最深部(23)变深，使得前述燃烧室(20)内的混合气体具有下述温度梯度，即、温度从前述挤气区(25)朝向前述最深部(23)上升，在前述最深部(23)达到最高温度。
2.一种预混合压缩点火发动机(2)，利用在一端被压力缸盖(5)封闭的压力缸(3)内往复滑动的活塞(6)，将燃料和含氧气体的混合气体压缩而使其自点火并燃烧，其特征在于，前述活塞(6)备有：
挤气区(25)，设置在与前述压力缸盖(5)对置的前述活塞顶面(6a)的外缘部(26)上，产生挤气；
燃烧室(20)，设置在前述挤气区(25)的内侧，具有包括凹陷最深的位置即最深部(23)的凹状的第1凹陷部(21)，对于前述活塞(6)，
(a)前述第1凹陷部(21)的开口面(24)的直径相对于前述最深部(23)的深度的比为5～13的范围；
(b)前述挤气区(25)的面积相对于前述活塞的顶面(6a)的面积的比为0.25～0.45；
(c)当前述活塞(6)位于上死点的位置上时，前述挤气区(25)和前述压力缸盖(5)的下表面(5a)之间的间隙的间隔为2～3mm。
3.如权利要求1或2所述的预混合压缩点火发动机，其特征在于，在前述第1凹陷部(21)的凹陷最深的位置上，设置有第2凹陷部(22)，前述最深部(23)位于前述第2凹陷部(22)内。
4.如权利要求1或2所述的预混合压缩点火发动机，其特征在于，在前述最深部(23)中，设置有隔热件(31)。
5.如权利要求1或2所述的预混合压缩点火发动机，其特征在于，前述预混合压缩点火发动机(2)是燃气热泵用发动机。
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