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CN115443373A - 具有预燃室的火花点火式发动机、用于该发动机的预燃室和转接器插入件 - Google Patents

具有预燃室的火花点火式发动机、用于该发动机的预燃室和转接器插入件 Download PDF

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CN115443373A
CN115443373A CN202080097415.9A CN202080097415A CN115443373A CN 115443373 A CN115443373 A CN 115443373A CN 202080097415 A CN202080097415 A CN 202080097415A CN 115443373 A CN115443373 A CN 115443373A
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CN
China
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engine
cylinder head
spark plug
prechamber
insert
Prior art date
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Application number
CN202080097415.9A
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休·布拉克西利
迈克尔·巴西特
迈克尔·邦斯
艾德里安·库珀
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Mahle International GmbH
Original Assignee
Mahle International GmbH
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Publication date
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Abstract

本发明涉及一种火花点火式发动机(3)。该发动机(3)包含至少一个主燃烧室(8)和至少部分包围主燃烧室(8)的气缸盖(2)。具有中心轴线(6)的发动机(3)的火花塞(4)被布置在气缸盖(2)中，并且火花塞(4)的点火端(9)面向主燃烧室(8)。具有至少两个喷嘴(13)的预燃室(12)被布置在主燃烧室(8)中，并通过喷嘴(13)连接火花塞(4)的点火端(9)和主燃烧室(8)。

Description

具有预燃室的火花点火式发动机、用于该发动机的预燃室和 转接器插入件
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1所述的具有预燃室的火花点火式发动机。本发明还涉及用于该发动机的预燃室和具有预燃室的转接器插入件。
背景技术
火花塞用于火花点火式发动机中，用于点燃发动机气缸的主燃烧室中的充料(charge)——即混合燃料和空气。被动式预燃室可以被布置在火花塞上，并且可以通过喷嘴与主燃烧室相连。预燃室的使用可从如US 3,921,605 A，US 4,218,992 A，US 4,092,969A和US 9,850,806 B2中获悉。充料的点火发生在预燃室，并通过喷嘴将部分燃烧的充料喷射到主燃烧室。在发动机的压缩冲程期间，充料被从主燃烧室强制送入预燃室，并随后被火花塞点燃。部分燃烧的充料通过喷嘴流向主燃烧室，并且主燃烧室中的充料在多个点上被点燃。通过这种方式，主燃烧室中燃料可以更快地燃烧，并且可以避免发动机的爆震。预燃室还能够点燃稀薄的混合物，这在没有预燃室的情况下使用传统的火花塞是不可能的。预燃室的使用在摩托比赛的应用中已经很成熟，但尚未辐射至公路汽车的应用中。这是因为在发动机低负荷(如怠速)和缓慢燃烧阶段(如在最初的冷启动期间为排气催化剂产生热量)，难以实现可接受的稳定燃烧。
发明内容
因此，本发明的目的是，为通用型火花点火式发动机指定一种改进的或至少替代的实施例，以克服所述缺点。特别地，本发明的目的是指定一种预燃室，其能够使发动机在整个速度载荷图上运行(并且特别是在发动机低负荷和/或在缓慢燃烧阶段和/或冷启动条件下)。
根据本发明，该目的通过独立权利要求的主题实现。有利实施例是从属权利要求的主题。
火花点火式发动机包含至少一个主燃烧室和至少部分包围主燃烧室的气缸盖。该发动机包含火花塞，该火花塞具有中心轴线，并被布置在气缸盖中。此处，火花塞的点火端面向主燃烧室。换言之，火花塞的点火端从外部沿主燃烧室的方向穿过气缸盖。具有至少两个喷嘴的预燃室被布置在主燃烧室中，并通过喷嘴连接火花塞的点火端和主燃烧室。换言之，具有喷嘴的预燃室被布置在火花塞的点火端和主燃烧室之间。根据本发明，预燃室体积比对应于预燃室的体积与主燃烧室在上止点处的体积之比，并且为1.9％至3.1％。此外，喷嘴系数对应于喷嘴的总过流面积(summed flowed-through area)与预燃室的体积之比，并且为0.085 1/cm至1.15 1/cm。
不言而喻，上止点是具有所述主燃烧室的气缸的活塞位置。主燃烧室在上止点处的体积最小。预燃室体积比决定了预燃室中燃烧所能获得的点火能量。如果预燃室体积比低于1.9％，则在发动机低负荷时点火能量不足，燃烧的充料喷流对主燃烧室的渗透性降低。相反，如果预燃室体积比大于3.1％，预燃室中的压力在发动机高负荷时会过高并且热损失也会增加。喷嘴系数与允许燃烧后从预燃室中流出并向预燃室中补充新充料的能力有关。喷嘴系数也可用于控制预燃室在燃烧过程中的压力上升，这反过来又影响到喷射到主燃烧室中部分燃烧的充料的渗透性，以及主燃烧室中的点火点的位置。有利地，使用预燃室体积比为1.9％至3.1％，并且喷嘴系数为0.085 1/cm至1.15 1/cm的预燃室，可以在整个运行图上和发动机低负荷、缓慢燃烧阶段、发动机冷启动的条件下实现最佳燃烧。火花点火式发动机可用于客车、商务车、摩托车、休闲车，作为固定式发动机或用于其他应用中。火花点火式发动机可以使用汽油或其他类型的燃料。
有利地，可以规定喷嘴长径比对应于相应喷嘴的长度与相应喷嘴的直径之比。喷嘴长径比为1.7至2.2。喷嘴长径比允许控制燃烧充料的各个射流进入主燃烧室的速度和渗透性。此外，喷嘴的长径比确保预燃室中的燃烧事件在通过喷嘴时充分熄灭，从而提供在主燃烧室中启动燃烧所需的部分燃烧充料的射流。
有利地，可以规定预燃室形成为气缸盖的组成部分。随后，在穿过气缸盖并通向预燃室的孔内，火花塞与气缸盖直接接合。优选地，火花塞具有标准的尺寸。预燃室可以通过铸造气缸盖形成，也可以机械地结合在铸造的气缸盖中。作为该实施例的替代方案，预燃室可以形成为气缸盖的组成部分，随后火花塞可以通过转接器与气缸盖接合，并位于穿过气缸盖并进入预燃室的孔内。优选地，火花塞有标准的尺寸。预燃室可以通过铸造气缸盖形成，也可以机械地结合在铸造的气缸盖中。作为上述实施例的替代，预燃室可以形成为火花塞的组成部分。因此，具有预燃室的火花塞可以在插入孔内与气缸盖接合，其中插入孔穿过气缸盖并通向主燃烧室。
作为上述预燃室的实施例的替代，发动机可以包含具有空心圆柱形固定部分和空心圆柱形插入部分的转接器插入件。固定部分和插入部分彼此轴向相邻并且不彼此轴向重叠。因此，固定部分和插入部分具有相同的中心轴线，该中心轴线决定了转接器插入件的中心轴线。火花塞的点火端完全布置在固定部分，而插入部分则布置在插入孔内。插入孔在气缸盖上形成，并从外面通向主燃烧室。如果火花塞插在转接器插入件中，转接器插入件插在插入孔内，那么转接器插入件的中心轴线和火花塞的中心轴线以及插入孔的中心轴线是相同的。换言之，转接器插入件、插入孔和火花塞同心布置。预燃室形成于转接器插入件的插入部分中。转接器插入件包含在轴向上彼此不重叠的插入部分和固定部分。这样，固定部分可以适配火花塞，而插入部分可以彼此独立地适配气缸盖上的插入孔。有利地，使用转接器插入件能够将预燃室安装在没有预燃室的现有发动机中。
还可以规定，转接器插入件的固定部分通过第一螺纹与火花塞螺合，从而使火花塞与外部紧密配合。转接器插入件的插入部分通过第二螺纹与气缸盖在插入孔内螺合，从而使转接器插入件与外部紧密配合。不言而喻，第一螺纹的直径小于第二螺纹的直径。特别有利地，固定部分的第一螺纹和插入部分的第二螺纹在轴向上不重叠。这样，固定部分可以适配于火花塞，插入部分可以彼此独立地适配于气缸盖上的插入孔。此外，在固定部分和插入部分没有重叠的情况下，转接器插入件可以用一种简单的方式在技术上实现。优选地，第一螺纹和第二螺纹是标准化的。优选地，标准化的第一螺纹为M10或M12，标准化的第二螺纹为M12或M14。这样，就可以在标准化的M12或M14插入孔内使用标准化的M10或M12火花塞。M10、M12和M14是ISO标准的螺纹尺寸。M10、M12和M14螺纹对应的直径为10.00毫米、12.00毫米和14.00毫米。
作为上述转接器插入件实施例的替代，转接器插入件的插入部分可以在插入孔内与气缸盖材料约束或压装在一起。通过这种方式，转接器插入件被永久地固定在插入孔内，并与外部紧密配合。转接器插入件的固定部分可以通过螺纹与火花塞螺合，从而使火花塞与外部紧密配合。优选地，该螺纹是标准化的。优选地，这里的标准化螺纹是M12或M14，这样就可以使用标准化的M10或M12火花塞。
有利地，可以规定在转接器插入件上的插入部分和固定部分之间形成第一周向止动件。换言之，第一止动件形成在转接器插入件的插入部分和固定部分之间的外部和周围。第一止动件可以由固定部分的轴向外表面形成。通过第一止动件，转接器插入件被轴向地支撑在气缸盖的外侧。特别有利地，转接器插入件可以在第一止动件上紧密配合到气缸盖。另外，第二周向止动件可以由固定部分形成在转接器插入件上并且背离插入部分。换言之，第二止动件通过固定部分的轴向外表面在外部并围绕转接器插入件。通过第二止动件，火花塞可以被轴向地支撑在转接器插入件的外侧。有利地，火花塞可以紧密配合第二止动件上的转接器插入件。
有利地，可以规定发动机包含用于火花塞的点火线圈，其中点火线圈具有60μs至1000μs的可变火花持续时间和/或被设计为提供多击火花事件。点火线圈可以集成在火花塞中，也可以是布置在火花塞上的独立部件。独立于此，点火线圈与火花塞的点火端相连，并能在点火端引发火花事件。在苛刻的应用中，例如在发动机低负荷下，使用这样的点火线圈可以增加燃烧的稳定性。在某些情况下，在发动机低负荷时，在正常点火时预燃室中的充料并不易燃，不能启动点火。当通过延长火花持续时间或提供多击火花事件使预燃室中的充料易燃时，在这些情况下随后能够点火。通过这种方式，可以避免失火或部分燃烧事件。总之，在极端操作条件下的鲁棒性方面可以有更多优势，例如在发动机负荷很低的情况下和/或在冷启动火花延缓催化剂加热的情况下和/或在充料高度稀释的情况下。特别地，它可以在整个运行图上和发动机冷启动下运行。此外，无需使用第二点火器。
本发明进一步涉及用于上述火花点火式发动机的预燃室。该预燃室包含至少两个喷嘴，被配置为通过喷嘴连接火花塞的点火端和发动机的主燃烧室。预燃室的特点是预燃室体积比和喷嘴系数。预燃室体积比对应于预燃室的体积与主燃烧室在上止点处的体积之比，并且为1.9％至3.1％。喷嘴系数对应于喷嘴的总过流面积与预燃室体积之比，并且为0.085 1/cm至1.15 1/cm。此外，预燃室可以通过喷嘴长径比来表征。喷嘴长径比对应于相应喷嘴的长度与相应喷嘴的直径之比，并且可以为1.7至2.2。有利地，预燃室可以形成为气缸盖的组成部分。在这里，预燃室可以通过铸造气缸盖形成，或者可以机械地结合在铸造的气缸盖中。有利地，预燃室可以形成在转接器插入件中。通过这种方式，预燃室可以安装在没有预燃室的现有发动机中。有利地，预燃室可以形成为火花塞的组成部分。在这个实施例中，预燃室也可以安装在没有预燃室的现有发动机中。
本发明进一步涉及用于上述火花点火式发动机的转接器插入件。该转接器插入件包含空心圆柱形的固定部分和空心圆柱形的插入部分。固定部分和插入部分彼此轴向相邻并且不彼此轴向重叠。因此，固定部分和插入部分具有相同的中心轴线，该中心轴线限定了转接器插入件的中心轴线。火花塞的点火端可以完全布置在固定部分，而插入部分可以布置在插入孔内，其中插入孔穿过气缸盖并通向主燃烧室。随后，预燃室在转接器插入件中形成。
因此，转接器插入件的固定部分可以被配置为通过第一螺纹与火花塞螺合。转接器插入件的插入部分可以被配置为在插入孔内通过第二螺纹与气缸盖螺合。优选地，第一螺纹和第二螺纹是标准化的。标准化的第一螺纹可以是M10或M12，标准化的第二螺纹可以是M12或M14。在这种情况下，可以在标准化的M12或M14插入孔内使用标准化的M10或M12火花塞。或者，转接器插入件的插入部分可以在插入孔内与气缸盖材料约束或压装在一起。
本发明的其他重要特征和优点从从属权利要求、附图以及参考附图的附图的相关描述中得出。
应当理解，在不离开本发明的范围的情况下，上述特征和仍将在下文中解释的特征不仅可以在所述的各个组合中使用，还可以在其他组合中使用或单独使用。
本发明的优选示例性实施例在附图中示出，并在以下描述中更详细地解释，其中相同的附图标记指代相同或类似或功能相同的部件。
附图说明
在附图中示意性地示出，
图1至图4为根据本发明的火花点火式发动机的截面图，其中预燃室以不同的方式安装在发动机中。
具体实施方式
图1示出了第一实施例中的火花点火式发动机3的截面图。该发动机3包含主燃烧室8和部分包围主燃烧室8的气缸盖2。气缸盖2中形成有插入孔7，并且插入孔7从外部通向主燃烧室8。在气缸盖2的插入孔7内布置了转接器插入件5，并且在转接器插入件5中布置了具有中心轴线6的火花塞4。因此，火花塞4的点火端9完全被布置在转接器插入件5中。火花塞4、转接器插入件5、插入孔7和火花塞4具有相同的中心轴线6，或者换言之，它们相互之间是同心布置的。转接器插入件5包含固定部分10和插入部分11，它们被布置成彼此轴向相邻并且不轴向重叠。术语“轴向”和“径向”总是参考中心轴线6。
火花塞4被布置在转接器插入件5的固定部分10中，并通过标准化的第一螺纹M10或M12与之螺合。转接器插入件5以其插入部分11布置在插入孔7内，并通过标准化的第二螺纹M12或M14与气缸盖2螺合。固定部分10的第一螺纹和插入部分11的第二螺纹在轴向上不重叠。在其他情况下，没有足够的金属可用于固定部分10和插入部分11之间的连接的技术实施。有利地，M10或M12标准化的火花塞4可以用于气缸盖2中的M12或M14标准化的插入孔7。
在转接器插入件5的插入部分11中，形成具有喷嘴13的被动式预燃室(passivepre-chamber)12。喷嘴13穿过转接器插入件5的插入部分11，并将火花塞4的点火端9与主燃烧室8流体连接。预燃室体积比对应于预燃室12的体积与主燃烧室8在上止点(top-dead-center)处的体积之比，并且为1.9％至3.1％。喷嘴系数对应于喷嘴13的总过流面积与预燃室12的体积之比，并且为0.085 1/cm至1.15 1/cm。喷嘴长径比对应于相应喷嘴13的长度与相应喷嘴13的直径之比，并且可以为1.7至2.2。
在转接器插入件5上，在插入部分11和固定部分10之间形成了第一外部周向止动件14。通过第一止动件14，转接器插入件5以紧密配合的方式被轴向支撑在气缸盖2的外侧上。第二外部周向止动件15由固定部分10形成在转接器插入件5上并且背离插入部分11。通过第二止动件15，火花塞4以紧密配合的方式被轴向支撑在转接器插入件5的外侧上。
火花塞4包含点火线圈16，该线圈可以具有60μs至1000μs的可变火花持续时间或者可以被设计为提供多击火花事件(multi-strike spark events)。这样，在苛刻的应用中，例如在发动机低负荷和/或在冷启动火花延时以加热催化剂和/或在充料高度稀释时(at high levels of charge dilution)，可以避免在主燃烧室8中发生失火或部分燃烧事件。
图2示出了第二实施例中的火花点火式发动机3的截面图。与发动机3的第一实施例不同的是，转接器插入件5在插入孔7内与气缸盖2压装在一起。因此，转接器插入件5的插入部分11和气缸盖2的插入孔7不包含任何螺纹。因此，转接器插入件5不可移动地固定在插入孔7内。否则，第二实施例中的发动机3对应于发动机3的第一实施例。
图3示出了第三实施例中的火花点火式发动机3的截面图。与发动机3的第一和第二实施例不同的是，预燃室12整体地形成在气缸盖2上，并且发动机3在此不包含转接器插入件。预燃室12是由气缸盖2铸造形成的，而喷嘴是机械地结合在铸造的预燃室12中的。火花塞4的点火端9被布置在穿过气缸盖2并通向预燃室12的孔17内。否则，第三实施例中的发动机3对应于发动机3的第一和第二实施例。所示的实施例也可以理解为具有预燃室12并由气缸盖2铸成的转接器插入件5。
图4示出了第四实施例中的火花点火式发动机3的截面图。与发动机3的第一、第二和第三实施例不同的是，预燃室12整体地形成在火花塞4上，具有预燃室12的火花塞4被螺合在气缸盖2的插入孔7内。在第四实施例中，发动机3不包含转接器插入件。预燃室12由火花塞4的主体形成，喷嘴13机械地与该主体结合在一起。否则，第四实施例中的发动机3对应于发动机3的第一、第二和第三实施例。
根据本发明的预燃室12的使用，能够在整个运行图上以及在发动机低负荷、缓慢燃烧阶段和发动机冷启动的条件下实现最佳燃烧。使用根据本发明的转接器插入件5可以将预燃室12安装在现有的发动机3中。特别地，M10或M12标准的火花塞4可以用于气缸盖2上的M12或M14标准的插入孔7。根据本发明，火花点火式发动机3可以在整个运行图上有利地运行并通过冷启动。

Claims (10)

1.一种火花点火式发动机(3)，
-其中，发动机(3)包含至少一个主燃烧室(8)和至少部分包围主燃烧室(8)的气缸盖(2)，
-其中，发动机(3)的具有中心轴线(6)的火花塞(4)被布置在气缸盖(2)中，并且火花塞(4)的点火端(9)面向主燃烧室(8)，
-其中，具有至少两个喷嘴(13)的预燃室(12)被布置在主燃烧室(8)中，并通过喷嘴(13)连接火花塞(4)的点火端(9)和主燃烧室(8)，其特征在于，
-预燃室体积比对应于预燃室(12)的体积与主燃烧室(8)在上止点处的体积之比，并且为1.9％至3.1％，且，
-喷嘴系数对应于喷嘴(13)的总过流面积与预燃室(12)的体积之比，并且为0.085 1/cm至1.15 1/cm。
2.根据权利要求1所述的发动机，
其特征在于，
喷嘴长径比对应于相应喷嘴(13)的长度与相应喷嘴(13)的直径之比，并且为1.7至2.2。
3.根据权利要求1或2所述的发动机，
其特征在于，
-预燃室(12)形成为气缸盖(2)的组成部分，并且火花塞(4)在孔(17)内与气缸盖(2)直接接合，其中孔(17)穿过气缸盖(2)并通向预燃室(12)，或，
-预燃室(12)形成为气缸盖(2)的组成部分，并且火花塞(4)通过转接器在孔(17)内与气缸盖(2)接合，其中孔(17)穿过气缸盖(2)并通向预燃室(12)，或，
-预燃室(12)形成为火花塞(4)的组成部分，并且具有预燃室的火花塞(4)在插入孔(7)内与气缸盖(2)接合，其中插入孔(7)穿过气缸盖(2)并通向主燃烧室(8)。
4.根据权利要求1或2所述的发动机，
其特征在于，
-发动机包含转接器插入件(5)，所述插入件具有中空圆柱形固定部分(10)和中空圆柱形插入部分(11)，
-固定部分(10)和插入部分(11)彼此轴向相邻并且不彼此轴向重叠，
-火花塞(4)的点火端(9)完全布置在固定部分(10)中，并且插入部分(11)布置在插入孔(7)中，其中插入孔(7)穿过气缸盖(2)并通向主燃烧室(8)，且，
-预燃室(12)形成于转接器插入件(5)的插入部分(11)中。
5.根据权利要求4所述的发动机，
其特征在于，
-转接器插入件(5)的固定部分(10)通过第一螺纹与火花塞(4)螺合，从而使火花塞(4)与外部紧密配合，且，
-转接器插入件(5)的插入部分(11)通过第二螺纹与气缸盖(2)在插入孔(7)内螺合，从而使转接器插入件(5)与外部紧密配合。
6.根据权利要求4所述的发动机，
其特征在于，
-转接器插入件(5)的固定部分(10)通过螺纹与火花塞(4)螺合，从而使火花塞(4)与外部紧密配合，且，
-转接器插入件(5)的插入部分(11)在插入孔(7)内与气缸盖(2)材料约束或压装在一起，从而使转接器插入件(5)与外部紧密配合。
7.根据权利要求4至6之一所述的发动机，
其特征在于，
-在插入部分(11)和固定部分(10)之间形成第一周向止动件(14)，其中，通过第一止动件(14)，转接器插入件(5)被轴向支撑在气缸盖(2)的外侧，和/或，
-第二周向止动件(15)由固定部分(10)形成并且背离插入部分(11)，其中，通过第二止动件(15)，火花塞(4)被轴向支撑在转接器插入件(5)的外侧。
8.根据权利要求1至7之一所述的发动机，其特征在于，
发动机(3)包含用于火花塞(4)的点火线圈(16)，其中点火线圈(16)具有60μs至1000μs的可变火花持续时间和/或被设计为提供多击火花事件。
9.一种用于根据权利要求1至8中之一所述的火花点火式发动机(3)的预燃室(12)，其中预燃室(12)包含至少两个喷嘴(13)并被配置为通过喷嘴(13)连接火花塞(4)的点火端(9)和发动机(3)的主燃烧室(8)。
10.一种用于根据权利要求1至8中之一所述的火花点火式发动机(3)的转接器插入件(5)，
-其中，转接器插入件(5)包含空心圆柱形固定部分(10)和空心圆柱形插入部分(11)，
-其中，固定部分(10)和插入部分(11)彼此轴向相邻并且不彼此轴向重叠，
-其中，火花塞(4)的点火端(9)能够完全布置在固定部分(10)中，并且插入部分(11)能够布置在插入孔(7)中，其中插入孔(7)穿过气缸盖(2)并通向主燃烧室(8)，且，
-其中，预燃室(12)形成于转接器插入件(5)的插入部分(11)中。
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