CN202280529U - 一种燃烧系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种燃烧系统，其包括：汽缸盖，所述汽缸盖具有两个进气门和一个排气门；燃料喷射器，所述燃料喷射器在所述进气门外侧被安装在所述汽缸盖中；汽缸孔，所述汽缸孔被联接至所述汽缸盖；以及活塞，所述活塞被滑动地设置在汽缸孔内，所述活塞的顶部具有拱顶，该拱顶具有被限定在该拱顶内的球形碗，所述碗在所述活塞靠近所述进气门的一侧。拱形顶部具有形成在其中的燃烧碗，从而便于期望的空气-燃料的混合云的形成，特别是在轻微的分层进气运行期间，例如冷启动期间。

Description

一种燃烧系统
技术领域
本公开涉及一种燃烧系统，具体涉及用于直喷式火花点火内燃发动机的活塞碗设计和燃料喷射器。 
背景技术
与传统的进气道燃料喷射(PFI)发动机相比，汽油直喷(GDI)内燃发动机将燃料直接喷射至燃烧室中，这潜在地节省了燃料，减少了排放并且增大了扭矩/动力。燃料被直接喷射到燃烧室中，燃料在燃烧室中汽化并与空气混合并且随后被火花塞点燃。均匀进气GDI的主要燃料节省机制是燃料汽化过程的进气冷却，这允许更高的压缩比，从而实现更高效的发动机运行。进气冷却还负责在全负荷下通过更高容积效率来增大GDI发动机的扭矩潜能。由于进气冷却，被引导入发动机内的空气密度更大，由此允许引入更多空气并且产生更多动力。由于分层进气燃烧在冷启动(产生大部分排放的工况)期间使用分离喷射，所以与PFI发动机相比较，GDI发动机可能减少排放。在启动期间，通过最小化喷射的燃料质量并且减少液体燃料表面的浸湿，分离喷射导致排放减少。它还能够通过高热通量延迟的点火正时而加速催化剂的起燃。 
然而，与PFI发动机相比，GDI发动机潜在地遭受更不好的燃料-空气混合。GDI发动机中的混合由燃料喷射和汽缸内的空气湍流的相互作用控制。因此，混合依赖于时间、燃料喷射的空间分配和缸内进气运动的特征。为了在燃烧室中均匀地分配燃料，燃料射流的空间目标朝向和空气运动之间的相互作用被优化。还有，混合的时间在进气冲程期间被最佳化。如果在进气冲程期间燃料被喷射过晚和/或燃料没有被喷射器喷射模式目标朝向(targetting)充分地驱散，则汽化和完全混合的时间不充分。这导致稀区域和富区域。富区域的燃烧导致由升高的CO排放量指示的不完全燃烧和未完全利用进气混合物中的氧，因此减少了燃烧效率从而导 致更高的燃料消耗率。另一方面，如果燃料喷射被喷射过早，则燃料冲击在活塞上，从而产生可存在在混合过程中的液体膜并产生碳烟排放。一般说来，GDI发动机具有碳烟/混合折中，其中当使用提前喷射起动(SOI)时产生不期望的碳烟排放，并且当使用较晚SOI时产生小于最佳燃料效率的燃料效率。 
一般地，燃料的一部分在压缩冲程后期被喷射，从而在火花塞附近提供富区域以协助冷启动。仅为部分负荷混合优化的喷射器喷射模式和燃烧系统不必在冷启动条件下为稳定燃烧在点火时刻并且在火花塞附近提供期望的富燃料云。 
在设计喷射模式/燃烧室形状时存在挑战，该喷射模式/燃烧室形状能够产生良好的混合以减少碳烟排放量并且在部分负荷下提供良好热效率的同时还允许在冷启动时形成分层混合物并在火花塞处形成富区域。在一些燃烧系统中，在活塞顶部提供了具有复杂几何形状的深碗形，从而在火花塞附近区域部分地包含富燃料进而为冷启动稳健性改进富区域。 
实用新型内容
为了能够产生良好的混合以减少碳烟排放量并且在部分负荷下提供良好热效率的同时还允许在冷启动时形成分层混合物并在火花塞处形成富区域，本实用新型提供一种改进的燃烧系统，包括：汽缸盖，所述汽缸盖具有两个进气门和一个排气门；燃料喷射器，所述燃料喷射器在所述进气门外侧被安装在所述汽缸盖中；汽缸孔，所述汽缸孔被联接至所述汽缸盖；以及活塞，所述活塞被滑动地设置在汽缸孔内，所述活塞的顶部具有凸拱顶，该凸拱顶具有被限定在该拱顶内的球形凹碗，所述碗在所述活塞靠近所述进气门的一侧。 
根据本实用新型的一个实施例，其中所述拱顶包括球体的一部分，所述拱顶和所述碗之间的交界线基本上为圆形，并且所述圆形的直径小于所述活塞直径的一半。 
根据本实用新型的又一个实施例，其中燃烧系统还包括：火花塞，所述火花塞被基本上安装在所述汽缸盖的中心，其中所述火花塞的纵向轴线与所述活塞碗的边缘相交。 
根据本实用新型的又一个实施例，其中所述燃料喷射器具有至少五个孔口，其中两个所述孔口朝向所述活塞碗并在与所述燃料喷射器一致的所述活塞碗直径的任一侧被移置。 
根据本实用新型的又一个实施例，其中所述燃料喷射器具有至少五个孔口，其中两个所述孔口在与所述燃料喷射器一致的所述活塞碗直径的任一侧朝向所述活塞碗，并且所述喷射器在所述两个孔口之间密封。 
根据本实用新型再一实施例，提供一种燃烧系统具有汽缸盖，汽缸盖具有两个进气门和至少一个排气门、被联接至汽缸盖的汽缸孔、被基本上安装在汽缸盖中心的火花塞、在两个进气门外侧被周边地安装在所述汽缸盖中并且相对进气门对称的燃料喷射器和汽缸孔中的活塞。活塞顶部具有球形拱顶，其中球形碗被限定在拱顶内。碗一般位于进气门的下方。碗的直径基本位于由火花塞顶端、喷射器顶端和活塞中心轴线限定的直径面中。 
使用球形切割工具机加工碗，所述球形切割工具的直径介于活塞直径的0.75倍到1倍之间。碗直径比活塞直径的一半小并且碗被定位使得碗不会位于排气门下方。碗上离燃料喷射器最远的点基本上位于火花塞的下方。或者在可替代的限定中，火花塞具有纵向轴线并且碗上离燃料喷射器最远的点位于距纵向轴线5mm内。 
燃料喷射器的纵向轴线与汽缸孔的中心轴线形成了至少60度的角。可替代地，汽缸孔的中心轴线和燃料喷射器纵向轴线形成的角大于燃料喷射器纵向轴线和垂直于汽缸孔中心轴线的水平面形成的角。燃料喷射器具有六个孔口，其中两个孔口指向活塞碗并被置于直径面(diametral plane)的任一侧。燃料喷射器在两个孔口之间密封，这意味着在相对于直径面被移置的两个孔口之间没有孔口。 
燃烧系统还包括排气门，所述排气门被设置在汽缸盖中，其距离燃料喷射器的距离比距离进气门更远，其中碗直径小于活塞直径的一半并且碗被定位成没有碗的部分位于排气门的下方。在该燃烧系统中，碗上距离燃料喷射器的最远点基本上位于火花塞的下方；其中火花塞具有纵向轴线并且碗上距离燃料喷射器的最远点位于纵向轴线的5mm内；其中碗上距离燃料喷射器的最远点基本上位于火花塞周边上距离燃料喷射器的 最远点的下方；其中燃料喷射器的纵向轴线与汽缸孔径的中心轴线形成至少60度的角度；其中燃料喷射器具有六个孔口，其中两个孔口直接朝向活塞碗并且在所述平面的任一侧被移置；并且燃料喷射器在直接朝向活塞碗的两个孔口之间被密封。 
在活塞中形成碗的方法包括使用球形切割工具机加工形成碗，从而在活塞的顶部形成球形凹陷，其中在机加工操作之前顶部是拱顶并且活塞碗的中心从活塞的中心移置至少活塞的四分之一直径。该方法还包括机加工顶部以包括用于进气门和排气门的凹陷；并且机加工顶部以包括用于火花塞的凹陷；其中球形切割工具的直径介于活塞直径的0.75倍至1.0倍之间。 
根据本实用新型的燃烧系统，其中拱形顶部具有形成在其中的燃烧碗，从而便于期望的空气-燃料的混合云的形成，特别是在轻微的分层进气运行期间，例如冷启动期间。 
附图说明
图1显示带有浅活塞碗和形成在拱形顶部中的其他部件的拱形活塞顶部； 
图2是具有图1的活塞的燃烧室的横截面； 
图3是说明来自燃料喷射器的六个燃料喷射器射流的分配的燃烧系统的等轴测视图；并且 
图4是从喷射器顶端移动50mm之后燃料喷射器射流的目标位置的图示。 
具体实施方式
如本领域的技术人员将理解的，参考任一附图说明并描述的实施例的各种特征可与在一个或多于一个附图中说明的特征相组合，进而产生未被详细说明或描述的可替代实施例。所说明的特征的组合提供了典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教示一致的特征的多种组合和修改对于具体的应用或实施例可以是期望的。在说明中使用的代表性实施例一般涉及四冲程、多汽缸、直喷、火花点火的具有直列配置的内燃发 动机。本领域技术人员可认知具有其他发动机/车辆技术和配置的相似应用和实施方式，例如所述发动机/车辆技术和配置不限于直列配置。 
图1是根据本公开的实施例的活塞的一部分(即，活塞10的顶部)的等轴测视图。活塞10被机加工或铸造为具有拱顶12，其被几何地描述为通过与平面相交而形成去掉一部分的球体。拱顶被对称地设置在活塞顶部，从而拱顶的中心与活塞10的纵向轴线基本一致。与偏移设置相比较，对称的拱顶简化了机加工。 
部件被机加工为拱顶12，包括：浅碗14，容纳进气门的凹陷15，容纳排气门的凹陷16，接近进气门的挤流区域17，接近排气门的挤流区域(squish region)18和容纳火花塞电极的凹陷19。提供凹陷15和16从而使得进气门和排气门在它们与发动机曲轴位置的限定相位处与活塞拱顶具有最小的预定间隙(clearance)。例如，当在配气机构相位范围(capability)内被定相为充分提前时，进气门将具有间隙，从而使得进气门打开发生在活塞上止点(TDC)之前。同样地，当在配气机构相位范围内被定向为充分延迟时，排气门将具有间隙，从而使得排气门关闭发生在活塞上止点(TDC)之后。所有超出这些进气提前和排气延迟的其他正时将释放该间隙。配气机构和活塞凹陷设计的组件一般被称作自由飞轮(freewheeling)，并且也可被包括在内。也就是说，活塞10在汽缸孔内往复运动。进气门和排气门也往复运动，其中气门打开和关闭事件的正时通过正时带或正时链与活塞运动相关。在适当的正时下，气门和活塞不会碰撞。然而，如果正时带滑动或断裂，气门和活塞可能彼此碰撞，这能够损坏发动机。为了避免这种情况，在活塞顶10提供了凹陷或通常称作的眉部(eyebrow)，从而使处于上止点位置的活塞和处于开放位置的气门之间存在小间隙。 
在图1中未显示汽缸盖。然而，通常在汽缸盖上提供部件，当活塞10处于上止点位置时其具有与挤流区域17和18的较小缝隙。当活塞朝向上止点运动时，接近挤流区域的气体被迫进入主燃烧室，由此增大燃烧室中的湍流。同样未显示在图1中的是火花塞顶端和活塞10之间的关系。为了容纳到达燃烧室中的火花塞顶端，提供了凹陷19。火花塞电极(即，火焰中心开始的位置)位于远离汽缸盖的存在更多流体流动的区 域是有利的。然而，为了提供高压缩比，活塞在上止点运行至非常接近汽缸盖。凹陷19提供了火花塞电极的空间，从而避免与活塞10的干扰。 
碗14通过球形切割工具形成在拱顶12中。所产生的凹陷是拱形形状的，即从凸起的拱顶12去除凹入的拱形碗。碗14和拱顶12之间的交界线基本上为圆形。在一个实施例中，活塞直径基本上为90mm，球形切割工具直径大约为80mm，并且由碗和拱球形的交界线限定的碗的尺寸大约为40mm。基于这些尺寸，所产生的碗的深度相对圆形交界线大约为5mm，这比一般直喷发动机上的碗要明显浅。这种浅碗的优点包括：它具有对压缩比的最小影响，它最小地增加活塞顶部的表面积，并且仅需要单个机加工操作形成这种碗。在此，示例的尺寸并不意欲限定。此外，冷活塞稍微不圆是常见的，以便当由于加热而膨胀时，被加热的活塞基本上为圆形。因此，活塞的直径不是仅具有单一值。在此，直径为活塞的平均直径。为了提供浅碗，切割工具的直径至少为活塞直径的0.75倍。在一个实施例中，切割工具的直径在活塞直径的0.75到1.0倍之间的范围内。 
图2是多汽缸直喷内燃发动机的典型汽缸或燃烧室的横截面，其根据本公开说明了运行直喷发动机的系统或方法的一个实施例的运行。发动机20包括具有多个汽缸孔24的发动机缸体22。燃烧室30由汽缸盖28、汽缸孔24和活塞10限定，活塞10在汽缸孔24内往复运动。汽缸盖28包括多个排气道46和进气道48。如本领域的技术人员将理解的，虽然在一个实施例中每个汽缸包括两个进气道和两个排气道(在图2中仅显示其中的各一个)，但是本公开也应用至具有两个或两个以上进气道和一个或多个排气道的发动机配置中。 
每个燃烧室30包括用于每个进气道的进气门50和用于每个排气道的排气门52。进气门50将燃烧室30选择性地连接至相关的进气歧管(未显示)。相似地，排气门52将燃烧室30选择性地连接至相关的排气歧管(未显示)。当然，取决于具体的应用，进气歧管/排气歧管可被整体地形成在汽缸盖28内，或者可以是分离的部件。可使用多个已知策略中的任何一种操作进气门50和排气门52，所述已知的策略例如包括常规的凸轮轴装置，可变凸轮轴正时和/或可变升程装置，或者使用电磁气门驱动器。 
每个燃烧室30包括安装在汽缸盖28内并且穿过燃烧室30的侧部分延伸的相关的侧安装燃料喷射器60。根据具体的应用和实施例，燃料喷射器60的纵向轴线72相对汽缸纵向轴线42被设置一个角度。在运行中，响应于发动机控制器产生的一个或多个对应的燃料喷射信号，燃料喷射器60通过多个孔或喷嘴基本同时地将燃料直接喷入燃烧室300，从而产生期望的燃料喷射模式。 
同样在如图2中说明的，每个燃烧室30包括点火源，例如延伸通过汽缸顶的火花塞62。活塞10被设置为在每个汽缸孔24内往复运动并且通过连杆(未显示)以常规方式联接至曲轴。如以上描述的，活塞10包括拱形顶部，所述拱形顶部具有形成在其中的燃烧碗14，从而便于期望的空气-燃料的混合云的形成，特别是在轻微的分层进气运行期间，例如冷启动期间。 
本公开还提供了用于汽油直喷(GDI)内燃发动机的多孔喷射器设计的喷射模式，其被优化以减少燃烧排放并且提高GDI发动机的燃料效率。 
已经被优化以减少燃烧排放并且提高GDI发动机的燃料效率的6-孔喷射模式的喷射器被显示在图3中。汽缸的一部分被显示具有以虚线示出的进气门的凸起51，排气门的凸起53和火花塞的凸起63。燃料喷射器顶端61被显示具有6个射流1-6，它们从进气门之间延伸到燃烧室内。示出射流1比其他射流高，因此在图3的等轴测视图中，它表现为比其他射流更短。在图3中，射流5和6被导入碗中并且看起来更长。然而，燃料从喷射器的所有孔口被同时喷射并且燃料射流的顶端远离喷射器孔口的距离基本上相等，除非冲击燃烧室中的部件或者被燃烧室中流体流显著地冲击。 
图4和表1示出在垂直于喷射器轴线并且在图3中显示的喷射器喷射(spray)的喷射器顶端下游50mm的平面上的各喷射的目标朝向尺寸。注意图4是喷射器顶端下游的喷射模式，该透视图朝向喷射器顶端，类似于图3的透视图。阿尔法角度是每个射流相对负向y-轴线的取向，正值是顺时针方向。偏离轴线角度是在射流和喷射器轴线之间的3-D角度。喷射器限定从水平面测量为27.5°的安装角或者相对平行于汽缸孔的轴线为62.5°。因此，表1中详示的喷射器目标朝向采用27.5°的喷射器安装角， 表明缸内实际的喷射目标朝向。这种喷射器的安装角被提供为示例，对于其他的安装角，通过调整喷射器上喷嘴的方位能够获得相同的缸内喷射目标朝向。表1中的射流角度应被认为以表中的值加上5°和减去5°为中心的范围。从表1的说明中，x、y和z的坐标随着具体范围内的各喷射射流相应变化。 
表1.喷射器喷射流目标朝向 
  射流编号   阿尔法，°   偏离轴线角度°   x，mm   y，mm   z，mm
  1   180   15.0   0   13.90   -50
  2   75.0   21.4   -19.41   -5.20   -50
  3   0.0   5.0   0.00   -4.87   -50
  4   -75.0   21.4   19.41   -5.20   -50
  5   38.5   27.0   -16.17   -20.33   -50
  6   -38.5   27.0   16.17   -20.33   -50
喷射射流被设计成避免气门的浸湿并且最小化衬垫和活塞的浸湿。此外，射流被设计成与浅碗活塞设计相互作用，从而围绕火花塞产生稳定分层的混合物，从而实现冷启动稳定性和减少排放。射流1-4被提供用于均匀进气操作中的良好混合。射流1和3的喷射目标朝向在进气门之间并且在最小化孔衬垫浸湿的情况---下在排气侧达到尽可能的远。射流2和4被定向为最小化气门浸湿，因为气门浸湿是碳烟的主要来源。射流3、5和6通过保证射流基本被包含在浅活塞碗内在冷启动运行时为轻微分层进气提供了良好的燃烧稳定性。 
已经发现朝向活塞碗的更多射流协助在火花塞周围产生稳定并且富的混合物，这改进了冷启动的燃烧稳定性。然而，其代价是产生了更高的烟尘排放量。在US.7,418,940B1中描述的一个背景技术系统中，三个射流朝向活塞碗，与本申请共同转让并且以其整体并入本文。也就是说，在US.7,418,940中的系统具有位于以上图3的射流5和6之间的额外的射流。已经发现这种朝向活塞碗正中心的额外的射流没有成比例地影响碳烟排放量。射流5和6没有产生这么多碳烟，可能是由于被成角度地喷射到碗中。 
在表2中，将类似于US.7,418,940中示出的活塞碗的方案的活塞碗 的燃烧室表面积与本文公开的活塞碗进行比较。 
表2.两个燃烧室之间的表面积比较 
  活塞   压缩比   燃烧室面积(mm2)   ％变化量
  U.S.7418,940B1   12.03   19517   基线
  本文公开的   11.99   18867   -3.3
可知从表面积下降3.3％得到的燃料经济性收益大约为1％，这近似于在单汽缸测功发动机的通过实验方式发现的，并且燃烧稳定性在冷启动时没有恶化。数据还显示被优化的喷射器允许更早的喷射起动，而没有增加烟尘排放量，这与其中六个射流中的三个指向活塞碗的喷射器相比，显著改进了混合。 
虽然已经关于具体实施例详细描述了最佳模式，但是熟悉本领域的技术人员将认识到所附权利要求范围内的各种可替代设计和实施例。虽然多种实施例已经被描述为提供优点或者在一个或多个期望特征方面相比其他实施例是优选的，但是本领域技术人员将明白可以用这种一个或多个特征来折中实现期望的系统属性，这取决于具体应用和实施例。这些属性包括但不限于：成本、强度、耐久性、寿命周期成本、强度、耐久性、寿命周期成本、可销售性、外观、封装、大小、适用性、重量、可制造性、易组装性等等。本文公开的相比于其他实施例或现有技术实施例在一个或更多个特性方面具有较不理想特征的实施例并没有落在本公开范围之外并且对于特定应用来说是符合期望的。 

Claims (10)

1.一种燃烧系统，其特征在于，包括：
汽缸盖，所述汽缸盖具有两个进气门和一个排气门；
燃料喷射器，所述燃料喷射器在所述进气门外侧被安装在所述汽缸盖中；
汽缸孔，所述汽缸孔被联接至所述汽缸盖；以及
活塞，所述活塞被滑动地设置在汽缸孔内，所述活塞的顶部具有拱顶，该拱顶具有被限定在该拱顶内的球形碗，所述碗在所述活塞靠近所述进气门的一侧。
2.如权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，其中所述拱顶包括球体的一部分，所述拱顶和所述碗之间的交界线基本上为圆形，并且所述圆形的直径小于所述活塞直径的一半。
3.如权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，其还包括：火花塞，所述火花塞被基本上安装在所述汽缸盖的中心，其中所述火花塞的纵向轴线与所述活塞碗的边缘相交。
4.如权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，其中所述燃料喷射器的纵向轴线与所述汽缸孔的中心轴线形成了角度，该角度大于在所述燃料喷射器的所述纵向轴线与垂直于所述汽缸孔的所述中心轴线的水平面之间形成的角度。
5.如权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，其中所述燃料喷射器具有至少五个孔口，其中两个所述孔口朝向所述活塞碗并在与所述燃料喷射器一致的所述活塞碗直径的任一侧被移置。
6.如权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，其中所述燃料喷射器具有至少五个孔口，其中两个所述孔口在与所述燃料喷射器一致的所 述活塞碗直径的任一侧朝向所述活塞碗，并且所述喷射器在所述两个孔口之间密封。
7.如权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，其中所述球形碗由直径为所述活塞直径的至少0.75倍的工具形成。
8.一种燃烧系统，其特征在于，包括：
汽缸盖，所述汽缸盖具有两个进气门；
汽缸孔，所述汽缸孔被联接至所述汽缸盖；以及
所述汽缸孔内的活塞，所述活塞的顶部具有球形拱顶，该拱顶具有被限定在该拱顶内的球形碗，所述碗位于所述进气门的下方。
9.如权利要求8所述的燃烧系统，其特征在于，其还包括：
火花塞，所述火花塞被基本上安装在所述汽缸盖的中心；以及
燃料喷射器，所述燃料喷射器在所述两个进气门外侧被周边地安装在所述汽缸盖中，并且相对于所述进气门对称，其中所述碗的直径位于由所述火花塞的顶端、所述喷射器的顶端和所述活塞的中心轴线限定的平面内。
10.如权利要求8所述的燃烧系统，其特征在于，其中所述碗被球形切割工具机加工，所述球形切割工具的直径为所述活塞直径的0.75倍到1倍之间。 
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