CN203050877U - 内燃式发动机 - Google Patents

Abstract

研发了一种具有侧面喷射的环形燃烧室，具体涉及用于对置活塞发动机的具有侧面喷射器的环形燃烧室。这种配置中的有益的燃烧特征被转移至传统的发动机，即具有一个由活塞、气缸壁、气缸盖限定的燃烧室的发动机中。至少一个喷射器在外周处置于气缸盖中。燃料基本上是沿着气缸盖与气缸缸体之间的分界面的平面喷射。进气系统配置为在燃烧室内提供涡流。燃料以与气缸的中轴线偏离的角度并沿着涡流的方向喷射。在一些实施例中，当活塞位于顶部中心时，基本上呈环形的容积形成于活塞与气缸盖之间。一个或多个喷射器大体上与环面相切地将燃料喷射到环形的容积内。

Description

内燃式发动机

技术领域

本公开涉及燃烧室的形状和喷射器在内燃机中的定向。 

背景技术

内燃机的热效率和发动机排放取决于许多因素，包括燃烧系统设计和机械设计。燃烧系统设计包括燃烧室的形状、燃料喷嘴、燃油喷射压力、进气歧管和排气歧管等等。所有这些共同实现有效燃烧的混合质量。 

正在研发的一种非传统的用以利用其大功率密度和其它积极特征的发动机是对置活塞发动机。由于燃烧室包含在两个活塞表面之间，因此传统发动机中的布置在中心的喷射器不适用于对置活塞发动机，所以传统的直喷式柴油机燃烧室几何形状无法用于对置活塞发动机。在对置活塞发动机中，可安装传统喷射器从而能够到达燃烧室的唯一位置是气缸壁。已发现，环形的燃烧室可提供非常有益的燃烧特性。理想的是，在其它发动机构架中获得这种理想的燃烧和排放特性。 

实用新型内容

已经发现具有侧面喷射的环形燃烧室为对置活塞发动机提供了有益的排放特征。这些有益特征可在具有气缸盖的发动机中显现优点。在此披露了一种内燃机，其具有限定了气缸壁的缸体和附于缸体上的气缸盖。气缸盖具有两个进气口以及两个排气口，第一和第二进气阀布置在进气口中，第一和第二排气阀布置在排气口中。气缸盖还具有促进流经进气口的气体的涡流的几何形状。活塞布置在气缸壁内，活塞的中轴线大体上与气缸壁的中轴线重合。活塞的顶 部的邻近外周具有凸起的外环，当活塞向气缸盖移动时，将气体向内朝中轴线挤压。第一喷射器布置于气缸盖中紧接气缸壁的位置。喷射器具有至少一个孔，当该孔打开时，至少一个燃料射流经由该孔流出。喷射器布置在气缸壁中，喷射器的轴线倾斜使得喷射器的喷嘴向下朝向缸体。燃料射流呈角度射出，使得射流相对于沿着喷射器的轴线向上并沿着涡流的方向被引导。活塞顶部还包括凸起的中心区域，以及置于凸起的中心区域与外环之间的内环，从而在活塞顶部中限定了一个大体环形的容积。当活塞在气缸壁中移动过程中位于顶部中心位置时，活塞顶部在凸起的中心区域中几乎与气缸盖接触。进气阀和排气阀在气缸盖中的布置使得标准燃料喷射器袋部不能被容纳于气缸盖中心。标准燃料喷射器袋部包括燃料喷射器、其中固定有喷射器的材料、围绕燃料喷射器设置的冷却水通道。在一些实施例中，气缸盖具有位于中心的凸起的区域，凸起的区域的形状在与缸体的台面平行的平面中为椭圆形。在一些实施例中，还包括第二燃料喷射器被布置在气缸盖中大约与第一燃料喷射器沿直径相对的位置。第二喷射器具有至少一个孔，当该孔打开时，至少一个燃料射流经由该孔流出。第二喷射器置于气缸壁中，第二喷射器的轴线倾斜使得喷射器的喷嘴向下朝向缸体。第二喷射器的一个燃料射流呈角度地射出将射流相对于第二喷射器的轴线向上并沿着涡流的方向引导。 

还披露了一种内燃式发动机，其具有限定了气缸壁的缸体和附于缸体上的气缸盖。该气缸盖具有至少一个进气口以及至少一个排气口，进气口中布置有进气阀，排气口中布置有排气阀。活塞具三个区域：中心、邻近活塞外周的外环、相对于中心和外环凹陷的内环。这三个区域分别具有的几何中心大体上与气缸壁的中轴线重合。喷射器布置于气缸盖中紧接气缸壁。喷射器具有至少一个孔，当该孔打开时，至少一个燃料射流从其中射出。燃料射流大体上导入与内环关联的凹陷中。 

活塞适应于在气缸壁中顶部中心位置与底部中心位置之间做往 复运动。当活塞位于顶部中心位置时，活塞顶部和气缸盖被外环和中心的区域中的小间隙隔开，并且气缸盖与活塞之间的大部分容积位于活塞的内环中。当活塞位于顶部中心位置时，气缸盖和活塞顶部之间的容积大体上为邻近内环的环形容积，环形容积的几何中心大体上与气缸壁的中轴线重合。 

在一些实施例中，发动机还包括第二燃料喷射器，其布置在气缸盖中大约与第一燃料喷射器沿直径相对的位置上。第二喷射器具有至少一个孔，当该孔打开时，至少一个燃料射流经由该孔射出。从第二喷射器中射出的至少一个燃料射流被引导进入与内环关联的凹陷中。来自第一喷射器中的至少一个燃料射流沿着内环的第一侧被引导，来自第二喷射器中的至少一个燃料射流沿着内环的第二侧被引导，该第二侧与第一侧相对。气缸盖具有两个进气口、两个排气口、两个进气阀、两个排气阀。燃料喷射器置于相邻的阀之间。 

附图说明

图1示出了OPOC发动机的一部分的轴测视图； 

图2示出了对置活塞发动机中的燃烧室的截面图； 

图3示出了图2的进气活塞的顶部区域的示意图； 

图4示出了传统燃烧室和具有侧面喷射的对置活塞环形燃烧室的散热的线图； 

图5示出了发动机的环形燃烧室的截面图，该发动机具有一个位于气缸中的活塞，以及一个气缸盖； 

图6示出了类似于图5中所示的活塞的活塞顶部； 

图7示出了发动机的环形燃烧室的截面图，该发动机具有一个位于气缸中的活塞，以及一个气缸盖； 

图8示出了类似于图7中所示的活塞的活塞顶部；以及 

图9示出了发动机的环形燃烧室的截面图，该发动机具有一个位于气缸中的活塞，以及一个气缸盖。 

具体实施方式

如本领域技术人员所能理解的，参照任意一个附图所示出和描述的实施例的各个特征可与另一个或另外多个附图中所示出的多个特征相组合，从而产生未明确示出或描述的可选的实施例。所示的多个特征的多种组合为典型应用提供了示例性实施例。但是，与本公开的教导一致的特征的各种组合及修改可用于特定的应用或实施。本领域技术人员可识别出相似的应用或实施，无论是否明确地描述或示出。 

US 6,170,443中公开了一种对置活塞对置气缸发动机的实例，在此通过引用并入本文。图1展示了对置活塞对置气缸发动机10的一端的轴测视图。进气活塞12和排气活塞14在气缸(未示出，以便于观察连杆)内做往复运动。排气活塞14通过推杆16与曲轴20的轴颈(不可见)联接。每个进气活塞12具有两个拉杆18，进气活塞12通过所述拉杆18与曲轴20的两个轴颈(不可见)联接。图1中的发动机具有一个形成于进气活塞12的活塞顶部、排气活塞14的活塞顶部、以及气缸壁(未示出)之间的燃烧室。活塞12和14展示在图1的中间位置。当活塞相互接近时燃烧开始。 

图2中示出了描绘燃烧室形状的截面图，这是在分析结果的基础上做出的预示性的展示。示出了进气活塞40和排气活塞42处于相互最接近的位置。活塞40具有槽44和45，活塞42具有槽46和47，用于容纳活塞环(未示出)。活塞40和42在气缸壁50内做往复运动。燃烧室是活塞40和42的顶部以及气缸壁50之间包围的容积。气缸壁50中设有袋部62。喷射器60刺穿气缸壁50并引入袋部62中。 

图3中展示了进气活塞40的顶部。所示的活塞具有三个区域：外环52、内环54、中心56。排气活塞42有三个相应的区域：外环、内环和中心。当所述的活塞贴近时，燃烧室的主要容积是包含于进气活塞的内环表面与排气活塞的内环表面之间的容积中。 

如图2中所示的燃烧室容积的横截面，展示了两个大体椭圆形 的区域64。内环区域中的燃烧室的形状是通过在绕气缸50的中轴线66的空间中环绕的椭圆形区域64产生的旋转曲面。严格的说，围绕轴线旋转一个圆周的结果是圆环。但是，在本公开中，术语“圆环”被用来应用于任何围绕中轴线66旋转的二维形状。如图3中所示，区域64的横截面积在绕中轴线66旋转的过程中发生轻微的变化，这是由于中心56沿水平轴线32的长度比沿着竖直轴线34的长度更长，即中心56是卵形的。术语“圆环”用来表示所有这些变型。 

图4展示了柴油燃烧的一个典型放热率曲线66。初始，由于喷射的燃料的挥发效应，放热率下降至低于0。着火时放热迅速上升，波峰通常代表预混燃烧阶段，后面部分中的尾部代表混合控制燃烧阶段。预混燃烧阶段是产生NO_X的主要阶段。通过利用多次喷射减少着火延滞，从而可降低预混燃烧阶段的高度。但是，仍然需要减少放热率中的初始阶段的高波峰带来的影响。在如图2和3中所示的燃烧系统中的放热率以虚曲线68展示在图4中，其产生的NO_X产量大约为典型的柴油燃烧的放热率曲线66的三分之一至二分之一。这样的由图2和图3中的燃烧室形状所提供的燃烧特征的重要变化也可以转化到传统的发动机燃烧室中。 

图5示出了利用对置活塞配置中所见优点的活塞和气缸盖装置。活塞70置于缸体72中。在活塞70在外周具有挤流区域74。当活塞70位于其最接近气缸盖76的位置时，燃烧室的容积主要包含于活塞顶部中大体呈椭圆形的区域80中。燃烧室由气缸壁78、活塞70的顶部、气缸盖76的与活塞70相对的底部限定。气缸盖延伸超过气缸壁并可覆盖多个气缸。气缸盖76的包围燃烧室的部分是在气缸壁78的投影内的部分，或者换句话说，与活塞顶部相对的部分。气缸盖76具有多个口或开口，提升阀84、86置于这些口或开口中。在最新式的发电机中，提供两个进气阀和两个排气阀。采用横截面来示出阀84、86。气缸盖76中还包括喷射器88。作为替代，可将喷射器88安装到气缸盖76中，位于从阀86的最宽部分旋转的位置上。但是，为了方便说明，在图5中也以横截面视图展示喷射器88。喷 射器88位于气缸的外周，而典型的燃料喷射器位于中心，因此相比于中心喷射器，来自喷射器88的燃料需要传播更长的距离才能到达燃烧室中最远的区域。为了克服此问题，可在气缸盖中安装第二喷射器(未示出)，其大体上与喷射器88沿直径相对。喷射器88的轴线被设置为相对于气缸盖76的与缸体72的台面90相交接的部分成锐角。这样的角度是由台面90与气缸盖76之间的分界面决定的，就是说喷射器88要么安装在气缸盖76中，要么安装在气缸壁78中，即离开上述分界面。喷射器88的喷嘴中的多个孔被限定为使得一个或多个燃料射流94与喷射器88的轴线成角度地偏离。为喷射器88的射流94设有袋部92，使其能进入到活塞70中的区域80中。 

尽管会出现其它困难，在一个可选的实施例中，可将喷射器置于气缸壁中，使得喷射器向上朝气缸盖倾斜，使射流向下对准到活塞70中的区域80中。 

图6是类似于图5中所示的活塞70的活塞100的图示。挤流区域102位于外周。虚线圆圈104表示与挤流区域102相关的可重入的边缘。中心106从活塞顶部向上凸起，以虚线椭圆108表示与中心106相关的另一个可重入的边缘。设有用于燃料喷射器的袋部110。气缸盖中的提升阀被投影在活塞100上显示。进气阀112比排气阀114稍大。在一些实施例中，活塞顶中可具有盘片(未示出)，用于避免活塞顶中的阀112、114的冲突。这些通常称为前缘(eyebrows)。 

在图6中，进气阀112和排气阀114的投影与活塞100中的袋部110重叠。这是因为袋部110位于活塞100中，而阀位于气缸盖中。但是，所需要的气缸盖中用于容纳喷射器的空间(包括喷射器、其中固定着喷射器的材料、冷却通道)，可以比某些实施例中所示的配置中所能容纳的更大。在这种情况下，可将对定位进行调整使得燃料喷射器排列在各对相邻的阀之间。在这种情况下，进气阀和排气阀的投影相对于活塞的顶部转动。 

图5中所示的燃烧室的一个优点是，相比于有容纳一个中心喷 射器的气缸盖的燃烧室，其进气阀和排气阀可更大。对活塞70上的凸起的中心部分73进行冷却是一项挑战，因为活塞是以穿过活塞环的传导和源于底面上的油冷却而得以冷却的。由于气缸盖是水冷的，因而由于强制流动而减小了对冷却的挑战。 

在图7中，示出了一个可选的燃烧室形状，其中凸起的中心部分被设置于气缸盖上，而不是在活塞上。活塞170相对于作为缸体的一部分的气缸壁178做往复运动。活塞170具有在外周的挤流区域174。当活塞170位于其最接近气缸盖176的位置时，燃烧室中的容积主要包含于大体呈椭圆形的区域180中。燃烧室由气缸壁178、活塞170的顶部、气缸盖176的与活塞170相对的底部限定。气缸盖176具有多个口或开口，提升阀184、186被置于这些口或开口中。气缸盖176中还包括喷射器188。设有袋部192用于喷射器188的射流194，用于触及活塞170中的区域180中压缩的空气。 

图8是类似于图7中的活塞170的活塞200的图示。挤流区域202位于外周。虚线圆圈204表示与挤流区域202相关的可再入的边缘。位于中心的椭圆206是气缸盖的中心区域(相对于图7中的凸起部分173)的投影。设有袋部210，用于喷射器喷出的射流。 

这样的备选方案的优点是具有作为气缸盖176的一部分的凸起的部分173，其可水冷。但是，图7中的备选方案的缺点是凸起的部分173限制了阀184和186的尺寸。 

在图9中的另一个备选方案中，其燃烧室与传统的燃烧室非常相似，除了在侧面安装了一个或多个喷射器，而不是中心喷射器。 

相比于具有中心喷射器的气缸盖，根据图5、6和9所描述的实施例可允许更大的阀。附加的阀区域可应用于进气阀，从而获得改良的通气效果、增加的涡流、或者它们的组合。 

虽然针对特定实施例对最佳方式进行了详细的描述，熟悉该领域的可识别出在下面的权利要求的范围内的各种可选的设计方案和实施例。虽然针对一个或多个期望的特征，已对相比其它实施例具有优势或是优选的各种实施例进行了描述，但是，作为本领域技术 人员应意识到，一个或多个特征可被妥协以获得期望的系统特性，这取决于具体的应用和实施。这些特性包括，但不限于：成本、强度、耐久性、寿命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、适用性、重量、可制造性、易于装配等等。本文所描述的一些实施例被认为在一个或多个特征方面相比于其它实施例或现有技术实施是不太满意的，这些实施例并不处于本公开的范围之外，并且对于某些特定的应用也许所希望的。 

Claims (10)

1.一种内燃式发动机，包括：

缸体，其限定了气缸壁；

气缸盖，其附接于缸体上，该气缸盖具有两个进气口，第一和第二进气阀布置在所述进气口中，以及两个排气口，第一和第二排气阀布置在所述排气口中，气缸盖还具有促进流经进气口的气体的涡流的进气几何形状；

活塞，其被布置在气缸壁内，活塞的中轴线基本上与气缸壁的中轴线重合，活塞的顶部邻近活塞的外周具有凸起的外环，当活塞向气缸盖移动时，该外环将气体向内朝中轴线挤压；

第一喷射器，其布置在气缸盖中紧接气缸壁的位置，其中：

喷射器具有至少一个孔，当该孔打开时，至少一个燃料射流经由所述孔流出；

喷射器布置在气缸壁中，喷射器的轴线倾斜，使得喷射器的喷嘴向下朝向缸体指向；以及

至少一个燃料射流呈角度地射出，以引导射流相对于喷射器的轴线向上并沿着涡流的方向，其中活塞顶部还包括凸起的中心区域，以及置于凸起的中心区域与外环之间的内环，从而在活塞顶部中限定了一个大体环形的容积。

2.如权利要求1所述的发动机，其中进气阀和排气阀位于气缸盖中，使得标准燃料喷射器袋部不能容纳于气缸盖的中心内，以及其中标准燃料喷射器袋部包括燃料喷射器、在其中固定着喷射器的材料、围绕燃料喷射器设置的冷却水通道。

3.如权利要求1所述的发动机，其中气缸盖具有位于中心的凸起的区域，该凸起的区域的形状在与缸体的台面平行的平面中为椭圆形。

4.一种内燃式发动机，包括：

缸体，其限定了气缸壁；

气缸盖，其附接于缸体上，该气缸盖具有至少一个进气口和至少一个排气口，所述进气口中布置有一个进气阀，以及所述排气口中布置有一个排气阀；

活塞，其置于气缸壁内，活塞的中轴线基本上与气缸壁的中轴线重合，活塞的活塞顶部具三个区域：中心、邻近活塞外周的外环、相对中心和外环凹陷的内环，这三个区域分别具有的几何中心基本上与气缸壁的中轴线重合；以及

喷射器，其布置在气缸盖中紧接气缸壁，其中喷射器具有至少一个孔，当该孔打开时，燃料射流经由所述孔中流出，以及燃料射流基本上被引入与内环关联的凹陷中。

5.如权利要求4所述的发动机，其中：

发动机的燃烧室由活塞的顶部、气缸壁、气缸盖的与活塞相对的部分限定；以及

气缸盖部分中的口的布置使得燃料喷射器袋部不紧接于燃烧室的中心。

6.如权利要求4所述的发动机，其中：

活塞能够在气缸壁内在顶部中心位置与底部中心位置之间做往复运动；

当活塞位于顶部中心位置时，活塞顶部和气缸盖被外环和中心的区域中的小间隙隔开；以及

当活塞位于顶部中心位置时，气缸盖与活塞之间的大部分容积位于活塞的内环内。

7.如权利要求4所述的发动机，其中当活塞位于顶部中心位置时，气缸盖和活塞顶部之间的容积基本上为邻近内环的环形容积，该环形容积的几何中心基本上与气缸壁的中轴线重合。

8.如权利要求4所述的发动机，其中燃料喷射器为第一燃料喷射器，该发动机还包括：

第二燃料喷射器，其被布置在气缸盖中在大约与第一燃料喷射器沿直径相对的位置上，其中：

第二喷射器具有至少一个孔，当该孔打开时，至少一个燃料射流从所述孔中流出；

至少一个燃料射流从第二喷射器中被引导进入与内环关联的凹陷中；以及

来自第一喷射器的至少一个燃料射流被沿着内环的第一侧引导，并且来自第二喷射器的至少一个燃料射流被沿着内环的第二侧引导，该第二侧与第一侧相对。

9.如权利要求4所述的发动机，其中气缸盖具有两个进气口、两个排气口、两个进气阀、两个排气阀；以及燃料喷射器被布置于相邻的阀之间。

10.一种内燃式发动机，包括：

缸体，其限定了气缸壁；

气缸盖，其附接于缸体上，该气缸盖具有两个进气口以及两个排气口，第一和第二进气阀布置在进气口中，第一和第二排气阀布置在排气口中，气缸盖还具有一个凸起部分，其基本上与气缸的中轴线重合；

活塞，其置于气缸壁内，并能够在气缸壁内做往复运动，活塞的活塞顶部具有三个区域：中心、邻近活塞外周的外环、相对于外环凹陷的内环；当活塞位于与气缸盖最接近的位置时，中心基本上与气缸盖的凸起部分套叠；这三个区域分别具有基本上与气缸的中轴线重合的几何中心；以及

第一喷射器，其布置在气缸盖中紧接气缸壁的位置上，其中喷射器具有至少一个孔，当该孔打开时，至少一个燃料射流从所述孔中流出，加压的燃料被提供给喷射器，至少一个燃料射流基本上被引导到与内环关联的凹陷中，其中当活塞位于顶部中心位置时，气缸盖和活塞顶部之间的容积基本上为邻近内环的环形容积，环形容积的几何中心基本上与气缸壁的中轴线重合。

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