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CN108779702A - 预燃室组件 - Google Patents

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CN108779702A
CN108779702A CN201580083633.6A CN201580083633A CN108779702A CN 108779702 A CN108779702 A CN 108779702A CN 201580083633 A CN201580083633 A CN 201580083633A CN 108779702 A CN108779702 A CN 108779702A
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chamber component
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A·C·安德森
J·R·安德莱斯
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Cummins Inc
Original Assignee
Cummins Inc
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Publication date
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Abstract

一种内燃发动机的预燃室组件包括预燃室壳体和延伸穿过所述预燃室壳体的一部分的多个喷嘴。所述多个喷嘴指向一个位置。

Description

预燃室组件
技术领域
本公开涉及一种内燃发动机的预燃室组件，更具体而言，涉及这样一种预燃室组件，该预燃室组件具有指向内燃发动机的活塞的活塞碗中的一个位置的多个喷嘴。
背景技术
内燃发动机可以既包括主燃室又包括预燃室或前燃室。主燃室包括被构造成在燃烧循环过程中往复运动的活塞。预燃室位于主燃室上方并且位于发动机的气缸盖内。预燃室可以包括火花塞，从而可以在预燃室中而不是主燃室中发起燃烧。由于在点燃时相对于主燃室来说预燃室内的空气/或燃料的湍流较低，因此在预燃室而不是在主燃室内发起燃烧可以使得初始火焰中心恒定生长，这会导致更有效的燃烧。
可以在气缸盖内设置各种类型的预燃室，包括被动式预燃室、供填料式预燃室和供燃料式预燃室。被动式预燃室组件不直接接收任何空气和/或燃料，而是在活塞的压缩冲程过程中从主燃室接收空气和/或燃料。供燃料式预燃室组件在燃烧循环过程中将原始燃料接收到预燃室组件内。供填料预燃室组件在燃烧循环过程中将空气和燃料的填料直接接收到预燃室组件内。任何一种预燃室都可以采取喷雾喷嘴预燃室的形式，该喷出喷嘴预燃室包括多个喷嘴，每个喷嘴都指向主燃室内的不同位置。
喷雾喷嘴型预燃室可能导致不完全燃烧，因为在燃烧过程中从预燃室排出的出口射流可能无法与主燃室中的填料完全混合。更具体地说，因为喷雾喷嘴型预燃室将多个单独出口射流聚集到主燃室内的不同位置，这些出口射流形成了多个小的点燃位点，而不是形成单个、大的点燃位点。这可以导致主燃室内的不良点燃。因此，需要一种被构造成增加主燃室中的点燃的预燃室。
发明内容
在本公开的一个实施方式中，一种内燃发动机的预燃室组件包括：预燃室壳体；和延伸穿过所述预燃室壳体的一部分的多个喷嘴。所述多个喷嘴指向一个位置。
在所述预燃室组件的一个方面中，来自每个喷嘴的输出被配置成在所述发动机的预定操作时会聚在所述一个位置处。
在所述预燃室组件的又一个方面中，所述发动机的所述预定操作选自由如下构成的组：活塞在所述发动机的燃烧室内的位置；所述发动机的曲轴的位置；所述预燃室中的压力；和所述发动机的主燃室中的压力。
在所述预燃室组件的另一个方面中，所述预燃室组件为被动式预燃室组件。
在所述预燃室组件的另一个方面中，所述预燃室组件是供燃料式预燃室组件。
在所述预燃室组件的另一个方面中，所述预燃室组件是供填料式预燃室组件。
在所述预燃室组件的又一个方面中，来自每个喷嘴的输出朝向所述内燃发动机的燃烧室的所述中央部分处的单个位置会聚。
在所述预燃室组件的另一个方面中，每个喷嘴被构造成从所述燃烧室接收填料流，并且所述填料流的速度小于110m/s。
在所述预燃室组件的一个方面中，所述填料流的速度小于90m/s。
在所述预燃室组件的另一个方面中，所述预燃室壳体具有第一直径，每个喷嘴具有第二直径，并且所述第一直径与所述第二直径的比为3.0至6.0。
在所述预燃室组件的一个变型中，所述第一直径与所述第二直径的比为3.4至5.0。
在本公开的另一个实施方式中，一种内燃发动机包括：包括主燃室和流体地联接至所述主燃室的预燃室的至少一个气缸；流体地联接所述预燃室和所述主燃室的多个喷嘴；和活塞，该活塞位于所述主燃室内并且包括面对所述预燃室的活塞碗。来自每个喷嘴的输出被配置成会聚在所述活塞碗内。
在所述内燃发动机的一个方面中，来自每个喷嘴的输出会聚在所述活塞碗的中央部分处。
在所述内燃发动机的又一个方面中，点火装置支撑在所述预燃室内并且被构造成点燃所述预燃室内的填料。
在所述内燃发动机的一个方面中，该内燃发动机进一步包括至少一个冷却剂流动路径，并且所述预燃室和所述点火装置中的至少一者位于所述冷却剂流动路径内。
在所述内燃发动机的一个方面中，每个喷嘴朝向所述预燃室的中央部分倾斜。
在所述内燃发动机的一个方面中，所述预燃室具有第一直径，每个喷嘴具有第二直径，并且所述第一直径与所述第二直径的比为3.0至6.0。
在所述内燃发动机的一个方面中，所述第一直径与所述第二直径的比为3.4至5.0。
在所述内燃发动机的一个方面中，每个喷嘴具有相同直径。
在本公开的又一个实施方式中，一种在内燃发动机内引起燃烧的方法包括：提供沿着纵向轴线延伸的主燃室；提供通过多个喷嘴流体地联接至所述主燃室的预燃室；点燃所述预燃室中的填料；以及将来自每个喷嘴的点燃填料的输出聚集向所述主燃室内的一个位置。
在所述方法的一个方面中，该方法进一步包括在所述主燃室内设置具有活塞碗的活塞，其中将所述输出聚集包括将来自每个喷嘴的点燃填料的输出聚集向所述活塞碗的中央部分。
在所述方法的一个方面中，将所述输出聚集包括将来自每个喷嘴的点燃填料的输出会聚在所述活塞碗内。
在所述方法的一个方面中，该方法进一步包括使第二填料从所述主燃室流到所述活塞碗内，其中将所述输出聚集包括将来自每个喷嘴的点燃填料的输出在所述第二填料流的下方会聚在所述活塞碗内。
当结合附图考虑时，该公开的实施方式的优点和特征将从如下对示例性实施方式的详细描述变得更清楚。
附图说明
图1是本公开的内燃发动机的气缸组件的立体图，该气缸组件包括联接至气缸的气缸盖；
图2是图1的预燃室组件、火花塞和气缸盖的分解图；
图3是图2的预燃室组件、火花塞和气缸盖的剖视图；
图4是图2的预燃室组件的壳体构件的仰视图；
图5是支撑在图4的壳体构件内的图2的火花塞的剖视图；
图6是沿着图1的线6-6截取的图1的气缸盖和气缸的剖视图；以及
图7是图6的气缸盖和气缸的一部分的详细视图。
具体实施方式
参照图1，内燃发动机包括多个气缸组件2。燃料可以在涡轮增压器压缩器(未示出)的上游提供给内燃发动机。该燃料可以是天然气、汽油、柴油燃料，或者被配置成用于内燃发动机的任何其它类型燃料。另外，内燃发动机可以是具有任意数量气缸组件2的直列或V型发动机。
每个气缸组件2包括气缸4和气缸盖6。气缸盖6利用位于该气缸盖6和气缸4之间的垫圈16(图6)密封地联接至气缸4。气缸4沿着气缸组件2的纵向轴线L纵向地延伸。活塞(图6)被构造成在内燃发动机的燃烧循环过程中在气缸4的气缸孔5内在上止点位置(TDC)和下止点位置(BDC)之间往复运动。活塞8包括如这里进一步公开的活塞碗58。当活塞碗58位于TDC时，活塞碗58可以与气缸盖6间隔开一间隙或挤气区域60，如图7所示。主燃室7被限定为气缸孔5内位于活塞8上方和气缸盖6下方的空间，并且包括活塞碗58。
如图1至图3和图6所示，气缸盖6位于气缸4上方并且包括用于接收燃烧进气和从气缸4排出燃烧副产品的多个通路10。另外，气缸盖6包括多个流体地联接至通路10的多个阀12。更具体地说，每个阀12定位在气缸盖6的引导件14(图2)内。阀12中的两个阀允许进气进入气缸4，并且阀12中的两个阀允许燃烧副产品从气缸4流出。气缸盖6还包括至少一个冷却通路18，如图3和图6所示，该冷却通路18被构造成接收冷却流体(例如，空气或冷却剂)，以在内燃发动机的操作过程中降低气缸盖6以及其中部件的温度。
如图2至图7所示，气缸盖6还包括位于气缸盖6的圆筒状通道36内。例示性地说，通道36并因此预燃室组件20位于阀12中间。在一个实施方式中，预燃室组件20可以是被动式预燃室组件、供燃料式预燃室组件或供填料式预燃室组件。
例示性地说明，预燃室组件20为被动式预燃室组件，该被动式预燃室组件包括第一壳体构件22、第二壳体构件24、第一密封件26、第二密封件28、第三密封件30和第四密封件31(图2和图5)。密封件26可以是金属燃烧密封件，而第四密封件31可以是柔性火花塞垫圈。在预燃室20和气缸盖6之间和/或在预燃室20和气缸4之间可以设置另外的密封件。参照图3、图6和图7，第一壳体构件22邻近冷却通路18并位于气缸4正上方。更具体地说，第一壳体构件22的下端38与气缸盖6的下端40(图6)大体齐平，并且可以包括用于与气缸盖6联接的螺纹(未示出)。第一壳体构件22的下端38包括将预燃室组件20的第一壳体构件22的内部容积72流体地联接至气缸4的气缸孔5的多个喷嘴52(图4至图7)。在一个实施方式中，第一壳体构件22的内部容积72具有直径D(图4和图5)为10-20mm(例如，近似17.0mm)的大体圆筒状形状。另外，第一壳体构件22的内部容积72的燃烧容积的长度被示出为长度P(图5)。长度P可以为10至20mm，更具体地说，可以为近似15.0mm。在一个实施方式中，内部容积72的长度P与内部容积72的直径D的比为0.8至0.25。例如，长度P与直径D的比可以为0.5至1.0。
例示性地说，第一壳体构件22包括可以与彼此间隔开近似120°的三个喷嘴52。每个喷嘴52可以具有直径d(图4和图5)，并且每个喷嘴52的直径d的总和限定第一壳体构件22的等效直径。更具体地说，当每个喷嘴52的直径d被加在一起以限定等效直径时，该等效直径可以近似为1.0至5.0mm，在一个实施方式中，该等效直径可以为2.5mm。在一个实施方式中，第一壳体构件22的内部容积72的直径D与喷嘴52的等效直径的比为2.0至10.0。例如，直径D与该等效直径的比可以为3.0至6.0，更具体地为3.4至5.0。要认识到，本领域技术人员受益于该公开将根据某些参数和应用(诸如发动机大小、待分配的燃料量、期望的动力输出、发动机或燃料系统的操作参数等等)来选择各种范围。
如图4至图7所示，喷嘴52朝向第一壳体构件22的下端38的中央部分向内倾斜。例如，在一个实施方式中，喷嘴52从纵向轴线L倾斜近似5至15°，更具体地，从纵向轴线L倾斜近似10°，如图7中的α所示。图示的喷嘴52朝向彼此倾斜，从而每个喷嘴52的轨迹被配置成会聚在单个位置70处(图7)。这样，每个喷嘴52的输出会聚在同一位置70处，如这里进一步公开的。要认识到，本领域技术人员受益于该公开将根据某些参数和应用(诸如发动机大小、待分布的燃料量、期望的动力输出、发动机或燃料系统的操作参数等等)来选择各种范围。
如图6所示，第一壳体构件22的上端42被收纳在第二壳体构件24的下端中。第三密封件30位于第一壳体构件22和第二壳体构件24之间，从而第一壳体构件22的上端42密封地收纳在第二壳体构件24内，如图3中所示。
第二壳体构件24利用第二密封件28密封地收纳在气缸盖6的通道36内。另外，第二壳体构件24可以利用保持构件32和联接器34联接至气缸盖6。另选地，保持构件32可以被构造成将内燃发动机的另一个部件保持在气缸盖6上(例如，燃料喷射器、火花塞或者被构造成支撑在气缸盖6上或气缸盖6内的任何其他部件)。保持构件32包括具有开口46的突出部44，该开口46与气缸盖6中的开口48对准以接收联接器34。保持构件32还包括用于收纳第二壳体构件24的一部分或内燃发动机的另一个部件的半圆形收纳表面50。
第二壳体构件24具有圆筒状通道54。点火装置(图示为火花塞56)位于通道54内并延伸到第一壳体构件22的内部容积72内。这样，火花塞56在第一和第二壳体构件22、24之间延伸。更具体地说，火花塞56利用第四密封件31靠着第一壳体构件22的内部密封地联接，但是与第二壳体构件24的内表面间隔开。火花塞56还可以包括用于与第一壳体构件22的螺纹部分64螺纹联接的螺纹，如图5所示。
在内燃发动机的操作过程中，燃料和/或空气供应至气缸孔5和/或预燃室组件20内进行燃烧。在一个实施方式中，燃料和空气可以分开地直接提供给气缸孔5和/或预燃室组件20。另选地，燃料和空气可以在引入气缸孔5和/或预燃室组件20内时混合而形成燃料/空气混合物或“填料”。
在气缸组件2的图示实施方式中，燃烧在预燃室组件20内而不是在气缸孔5中发起。更具体地说，燃料和/或空气可以初始引入到气缸孔5内。然而，当活塞8在燃烧循环的压缩形成过程中从BDC移动到TDC时，来自气缸孔5的燃料和/或空气被泵送到预燃室组件20内，如图5中的入口射流65所示，这是因为在燃烧循环过程中的该时间点时预燃室组件20内的压力低于气缸孔5中的压力。在一个实施方式中，入口射流65的速度可以为20至110m/s，更具体而言，可以为30至70m/s。从气缸孔5进入的燃料和/或空气然后与已经存在于预燃室组件20中(例如来自于之前燃烧循环)的任何残余燃料和/或空气混合。燃料和空气在预燃室组件20内混合以在其中形成均匀填料。因为预燃室组件20内的填料均匀地混合，预燃室组件20内的填料的莱姆达(γ)和速度在每个燃烧循环过程中都是均匀的。填料的莱姆达涉及相对于化学计量空/燃比的空/燃比。例如，当莱姆达大于1.0时，在燃烧循环过程中存在贫填料。相反，当莱姆达小于1.0时，在燃烧循环过程中存在富填料。在一个实施方式中，预燃室组件20和气缸孔5内存在的填料的莱姆达为1.7至2.0，由此表示气缸组件2在燃烧循环过程中以贫填料操作。
当填料从气缸孔5通过喷嘴52进入预燃室组件20时，火花塞56的电极57(图5)将填料点燃，从而在预燃室组件20内发起燃烧。通过在预燃室组件20内发起燃烧，当火花塞56点燃预燃室组件20内的填料形成的初始火焰中心恒定并且快速地生长，这是因为预燃室组件20的填料流比气缸孔5的燃料流的湍流小。
参照图6，在预燃室组件20内在燃烧过程中形成的火焰中心通过喷嘴52从预燃室组件20排出而形成出口射流62。更具体地说，出口射流62通过第一壳体构件22的喷嘴52指向气缸孔5。这样，当出口射流62点燃气缸孔5中存在的填料时，在气缸孔5中发生燃烧。
如图5所示，因为喷嘴52朝向彼此倾斜，所以出口射流62会聚在气缸孔5内的单个位置70处，更具体地说，会聚在活塞碗58内的位置70处。例示性地说，喷嘴52朝向活塞碗58的纵向中心部分倾斜并且纵向地位于挤气区域60下面，从而在活塞碗58中发生出口射流62会聚在位置70的情况。在一个实施方式中，该位置70位于活塞碗58的近似纵向中心处，但是与活塞碗58的径向中心偏离，如图6所示。然而，根据喷嘴52的角度和参数，出口射流62可以指向活塞碗58内的任何单个位置。
出口射流62的会聚形成了强烈的高能点燃源，以便点燃气缸孔5内的填料而在其中进行燃烧。例如，在燃烧循环过程中的预定时间，将出口射流62配置成会聚在位置70处，以使填料在气缸孔5内完全燃烧。在一个实施方式中，用于出口射流62的会聚时间基于活塞8在气缸孔5内的位置、操作地联接至活塞8的曲轴的位置、预燃室组件20内的压力和/或气缸孔5内的压力。通过使喷嘴52指向近似位于活塞碗58的中央部分处的位置70，出口射流62可以通过活塞碗58内的空气和/或燃料的再循环流而伸展并被夹带在该再循环流中。更具体地说，空气和/或燃料的再次循环流动由箭头66(图7)表示，并且由在活塞8从BDC上升到TDC时从挤气区域60发出的挤气射流74形成。例如，当燃料和/或空气在燃烧过程中供应至气缸孔5时，该空气和/或燃料在活塞8从BDC移动到TDC时开始在气缸孔5内流动。当活塞8接近TDC时，挤气区域60中的捕获填料部分减小，而活塞碗58中的捕获填料部分增加。这使得挤气射流74从挤气区域60径向向内流到活塞碗58，这会夹带活塞碗58内存在的填料，从而在活塞碗58内得到再循环流66以及增强的湍流。因此，气缸孔5内的空气和/或燃料的流的湍流可能受到活塞8的形状和挤气区域60二者的影响。此外，应该认识到，根据活塞8、气缸孔5和内燃发动机的操作的各种参数，再循环流66可以在与图7所示的相反方向上流动。通过将出口射流62聚向活塞碗58内的区域70而不是活塞碗58的周边，可以将出口射流62直接引入再循环流66内，如图7所示，这提高了气缸孔5内燃烧的完全性，其原因在于，出口射流62致使活塞碗58内的所有填料都燃烧。区域70可以是单个位置，或者可以是由成组区域内的多个点限定。例示性地，区域70位于活塞碗58的中央部分处。
在燃烧过循环过程中，预燃室组件20和火花塞56经历了增高的温度。然而，如图3和图6所示，预燃室组件20位于气缸盖6的冷却通路18内。更具体地说，第一壳体构件22直接位于通过冷却通路18的冷却流体流中。这样，当冷却流体(例如，空气或冷却剂)流过冷却通路18时，第一和第二壳体构件22、24和花火塞56可以被冷却。这样，冷却通路18使热流远离喷嘴52。因此，预燃室组件20由冷却通路18内的冷却流体冷却，这降低了燃烧循环过程中提前点火和爆燃或“爆震”的可能性。另外，因为火花塞56也被冷却通路18内的冷却流体冷却，所以可以增加火花塞56的寿命。
尽管已经示出并描述了公开的各种实施方式，但是要理解这些实施方式并不限于此。本领域技术人员可以对这些实施方式进行改变、修改和进一步应用。因此，这些实施方式并不限于之前所示出和描述的细节，而是还包括所有这种改变和修改。

Claims (23)

1.一种内燃发动机的预燃室组件，该预燃室组件包括：
预燃室壳体；和
延伸穿过所述预燃室壳体的一部分的多个喷嘴，所述多个喷嘴指向所述内燃发动机的燃烧室的中央部分。
2.根据权利要求1所述的预燃室组件，其中，来自每个喷嘴的输出被配置成在所述发动机的预定操作时会聚在所述燃烧室的所述中央部分处。
3.根据权利要求2所述的预燃室组件，其中，所述发动机的所述预定操作选自由如下构成的组：活塞在所述发动机的燃烧室内的位置；所述发动机的曲轴的位置；所述预燃室壳体中的压力；和所述发动机的主燃室中的压力。
4.根据权利要求1所述的预燃室组件，其中，所述预燃室组件为被动式预燃室组件。
5.根据权利要求1所述的预燃室组件，其中，所述预燃室组件是供燃料式预燃室组件。
6.根据权利要求1所述的预燃室组件，其中，所述预燃室组件是供填料式预燃室组件。
7.根据权利要求1所述的预燃室组件，其中，来自每个喷嘴的输出朝向所述燃烧室的所述中央部分处的单个位置会聚。
8.根据权利要求7所述的预燃室组件，其中，每个喷嘴被构造成从所述燃烧室接收填料流，并且所述填料流的速度小于110m/s。
9.根据权利要求8所述的预燃室组件，其中，所述预燃室壳体包括内部容积，并且所述内部容积的长度与所述预燃室壳体的直径的比为0.5到1.0。
10.根据权利要求1所述的预燃室组件，其中，所述预燃室壳体具有第一直径，每个喷嘴具有第二直径，并且所述第一直径与所述第二直径的比为3.0至6.0。
11.根据权利要求10所述的预燃室组件，其中，所述第一直径与所述第二直径的比为3.4至5.0。
12.一种内燃发动机，该内燃发动机包括：
包括主燃室和预燃室的至少一个气缸；
流体地联接所述预燃室和所述主燃室的多个喷嘴；和
活塞，该活塞位于所述主燃室内并且包括面对所述预燃室的活塞碗；
其中来自所述多个喷嘴的输出被配置成会聚在所述活塞碗内。
13.根据权利要求12所述的内燃发动机，其中，来自每个喷嘴的输出指向所述活塞碗的中央部分。
14.根据权利要求12所述的内燃发动机，该内燃发动机进一步包括支撑在所述预燃室内并且被构造成点燃所述预燃室内的填料的点火装置。
15.根据权利要求14所述的内燃发动机，该内燃发动机进一步包括至少一个冷却剂流动路径，并且所述预燃室和所述点火装置中的至少一者位于所述冷却剂流动路径内。
16.根据权利要求14所述的内燃发动机，其中，每个喷嘴朝向所述预燃室的中央部分倾斜。
17.根据权利要求12所述的内燃发动机，其中，所述预燃室具有第一直径，每个喷嘴具有第二直径，并且所述第一直径与所述第二直径的比为3.0至6.0。
18.根据权利要求17所述的内燃发动机，其中，所述第一直径与所述第二直径的比为3.4至5.0。
19.根据权利要求12所述的内燃发动机，其中，每个喷嘴具有相同直径。
20.一种在内燃发动机内引起燃烧的方法，该方法包括：
提供沿着纵向轴线延伸的主燃室；
提供通过多个喷嘴流体地联接至所述主燃室的预燃室；
点燃所述预燃室中的填料；以及
将来自每个喷嘴的点燃填料的输出聚集向所述主燃室内的一个位置。
21.根据权利要求20所述的方法，该方法进一步包括在所述主燃室内设置具有活塞碗的活塞，其中将所述输出聚集包括将来自每个喷嘴的点燃填料的输出聚集向所述活塞碗的中央部分。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，将所述输出聚集包括将来自每个喷嘴的点燃填料的输出会聚在所述活塞碗内。
23.根据权利要求21所述的方法，该方法进一步包括使第二填料从所述主燃室流到所述活塞碗内，其中将所述输出聚集包括将来自每个喷嘴的点燃填料的输出在所述第二填料流的下方会聚在所述活塞碗内。
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