CN101346536B - 内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高热效率稀薄燃烧火花点火二或四冲程内燃机，该内燃机可在不节流的情况下进行操作，适于使用汽油的车辆。该内燃机使用非直接式燃烧室和传输孔口，以形成燃烧室在压缩冲程期间产生围绕燃烧室以螺旋涡流方式运动的空气射流。燃料被喷入燃烧室，并对准空气射流以有助于快速蒸发。燃料喷射器的位置和取向确保燃料即使在怠速条件下也可以到达火花塞附近，螺旋涡流确保形成在火花塞附近的可点燃混合物分层。内燃机压缩率是可变的，还可提供第二燃料喷射器。

Description

内燃机

技术领域

本发明涉及一种在四冲程或二冲程内燃机循环下操作的火花点火往复式内燃机。

背景技术

本发明尤其涉及使用分层进气方法的稀薄火花点火式内燃机。本内燃机能够在不限制进气的情况下在部分负载甚至是无负载下进行操作，从而促使在部分负载下具有更高的热效率。

本发明适用于汽车和摩托车的使用中，并且具有能够大量节省燃料的潜力。

发明内容

根据本发明的内燃机可构造成在常数压缩率或者可变压缩率下进行操作。

本发明尤其涉及一些在WO2005/052335专利申请所描述的内燃机基础上的发展与改进。

因此，本发明提供了一种内燃机，其包括：

气缸；

在气缸中往复移动的活塞；

与气缸连通的进气装置；

与气缸连通的排气装置；

与气缸连通的非直接燃烧室，该非直接燃烧室包括相对于活塞的近端和远端；

位于燃烧室附近将气缸与所述燃烧室连通的传输孔口，该传输孔口适于在活塞的压缩冲程期间将空气射流送入燃烧室；

促使燃烧室内的空气以螺旋涡流运动的装置，该螺旋涡流运动包括围绕燃烧室周边的切向速度分量和沿着燃烧室的轴向速度分量，该轴向速度分量呈远离近端并指向远端；

位于燃烧室内的火花点火装置；

与燃烧室连通的燃料喷射装置，该燃料喷射装置适于在一方向上将一些燃料送入燃烧室中的空气射流中，其也使火花可点燃混合物能够在到达所述火花点火装置处的气体中形成；

控制燃料喷射过程和火花点火过程的控制器；

其特征在于，螺旋涡流运动的轴向速度分量是由位于燃烧室内的表面所引起的。

大家会注意到，在前WO2005/052335专利申请中所描述的内燃机中，传输孔口是用做控制涡流速度分量和以促进燃烧室内螺旋涡流的轴向速度分量的唯一装置。螺旋涡流是提高本发明中分层的关键。轴向速度分量是由传输孔口的轴与燃烧室的轴之间的倾斜角大于90度而产生的。传输孔口的切线位置决定切向或涡流速度分量。然而，为使穿过传输孔口的空气流具有稳定的轴向速度分量，如此简单的设计却需要相当长的传输孔口。由于空气高速移动穿过传输孔口时与传输孔口壁之间的空气摩擦和热量损失增加，因此传输孔口额外的长度降低内燃机的热效率。传输孔口在气缸端的倾斜入口导致伸长的椭圆孔，从而减少阀可用面积及阻碍内燃机进气。

本发明提供一种提高在燃烧室内驱动螺旋涡流的最少一个轴向速度分量的改良的、新的装置。该装置克服在上段提到的所有缺点。本发明通过在燃烧室内构造合适的内表面来实现。本发明克服了对倾斜传输孔口的需求。优选地，本发明或者通过在燃烧室的近端构造端壁以形成螺旋坡道，或者通过在燃烧室的***提供螺旋凹槽，或者是两种方法的混合使用。在这两种方法中，空气通过为本目的而设计的内倾斜面而具有轴向速度分量。既然轴向与切向速度分量的比率对于得到稳定燃烧所需的螺旋涡流是关键的，上述表面的构造需要仔细的设计。

螺旋坡道形成如围绕燃烧室轴的楔形蜿蜒，象螺纹，跨过相当短的距离。在围绕轴转了合适的角度后坡道终止，角度最好不少于270度。坡道的结构之后将在图示的帮助下进行讲解。

另一种螺旋凹槽为刻入燃烧室圆周壁的***通道(例如图2中的22)，就象与带有螺纹的螺钉配合的螺母的凹槽。优选地，凹槽由传输孔口进入燃烧室处的附近开始。既然空气被导入围绕燃烧室***的涡流，部分空气也将由凹槽推向燃烧室的远端。内燃机设计人员可以选择凹槽的尺度，也就是凹槽的深度、形状及进入燃烧室的轴穿透。该结构相信是可以自我说明的(self explanatory)，因此没有图示的辅助说明。

此外，本发明还提供一种对内燃机加燃料需求的解决方法，其允许在整个空气-燃料比的范围内进行操作。在压缩冲程期间，空气一旦穿过传输孔口由气缸进入非直接燃烧室后燃料就添加到空气里。从压缩冲程初始阶段的相对低值到压缩冲程结束阶段的较高值，每单位时间内传输的空气质量是呈非线性增加的，在压缩冲程的结束阶段传输孔口内的空气的密度和速度是骤升的。因而，燃料喷射装置需要在每个内燃机循环的压缩冲程期间逐渐增加输送燃料的质量流速，以利于将燃料送入空气射流使所形成的混合物可燃烧。据人们所知到目前为止，市场上还没有任何一种单独的燃料喷射器具有这种输送能力。因此，本发明在燃烧室的重要位置配置两个燃料喷射器。第一燃料喷射器在单位时间内具有较低的燃料质量流速，位于燃烧室的近端并指向远端，其在压缩冲程的较早时期输送燃料。第二燃料喷射器具有足够高的燃料输送速率，对准由传输孔***出的空气射流，其能够在压缩冲程的后期及较高的内燃机负载下输运燃料，如有必要甚至在点火后仍然喷射燃料。

本发明也提供一种在操作期间通过可动的活塞调节燃烧室的体积来改变内燃机压缩率的装置。该装置能够在稀薄空气-燃料比的条件下，增加压缩率，从而在没有早燃或***危险的情况下增加部分负载的内燃机的热效率。

这里的术语空气用于描述纯的或者包括诸如燃料产物或甚至碳氢化合物气体的其他气体。术语混合物描述混合有用于燃烧的蒸发燃料的空气。术语稀混合物用于描述气体和燃料混合物，其不可被用于内燃机中的火花点燃装置直接点燃。术语稀薄燃烧这里用于描述内燃机通过使用分层方式以总体稀薄混合物燃烧的能力。

术语点火筒用于描述具有空余容积的空腔，该空腔的一端包含火花塞，该容积通过一孔与燃烧室连通，该孔的直径小于火花塞螺纹部分的直径。

术语火花塞和点火装置可能同样包括位于点火筒内的火花塞。

术语BMEP描述在气缸中的制动平均有效压力。

术语室描述燃烧室。优选地，燃烧室是中心轴对称的，例如圆柱形或圆锥形，但是也可以是利于使用的其它形状。

附图说明

本发明在这里进一步借助实例并参考附图进行说明，其中附图并不是按比例绘制并且只是为了示意的目的。

图1是做为参考的WO2005/052335专利申请中图1的复制图；

图2示出了图1所示内燃机布置的类似视图，但是依据的是本发明，并且示出提高空气射流的轴向速度分量的内表面的使用；

图3示出了朝向燃烧室近端的内截面视图，其中内表面由横跨270度的螺旋坡道构成，其端视图通过忽略壁厚度而加以简化；

图4示出了沿图3的S方向的视图，出于单独说明螺旋坡道8B可能形状的目的，再次忽略燃烧室壁的厚度及删除传输孔口7及燃料喷射器11的图示；

图5类似于图3和4，示出了传送切线运动与轴向运动的扩展螺旋坡道；

图6和7类似于图3，但是示出了关于螺旋坡道的一些可能的设计变化；

图8示出了具有两个燃料喷射器的一个实施例；

图9示出了利用活塞的液压驱动具有可变压缩率的燃烧室的一个截面；

图10示出了利用活塞的电机驱动具有可变压缩率的燃烧室的一个截面。

具体实施方式

图1所示的先前布置中，螺旋涡流所需的轴向速度分量是由燃烧室6的长轴倾斜于气缸2的长轴和传输孔口7倾斜于燃烧室的长轴导致的。依据本发明的一个优选实施例，燃烧室的长轴垂直于气缸的长轴，轴向速度分量是由燃烧室内适当设置的内表面导致的。

如图1所示的布置中，活塞1在压缩冲程期间在气缸2中如图示向上移动。燃烧室6通过传输孔口7与气缸相通。单独的燃料喷射器11横穿空气射流40输送燃料。所示的燃料锥体与空气射流相交，并且在燃料到达火花塞9所处的远端10时扩散至圆柱形燃烧室的整个直径。该示意图也示出了以螺旋涡流运动围绕燃烧室的***22旋转的流线14。气缸2以已知的方式(未示出)与进气阀和排气阀连通。燃烧室6是圆柱形的，火花塞9位于其远端10处。传输孔口7以钝角倾斜于燃烧室6的长轴，并在近端8进入燃烧室6，其方向具有轴向和切向分量。内燃机控制器(未示出)决定燃料喷射的正时和持续时间，燃料管道压力和火花点火的时间，这些都如在WO2005/052335专利申请中所描述的。

图2所示实施例中的许多部件与图1所示布置的部件具有相同的功能，并具有相同的参考标号。共有部件的功能将不再重复。本实施例中的空气射流40进入燃烧室6中，其与燃烧室的长轴呈90度角并具有切向速度分量而无轴向速度分量。轴向速度分量由燃烧室内倾斜状的内表面导致的，尤其是由位于近端8的端壁导致的，由此流线14沿着端壁的倾角而行。

在形式上，未示出，近端壁可由一侧向另一侧朝向远端倾斜，距离传输孔口7的最远侧比距离传输孔口7的最近侧距离远端更近。一般说来，近端壁可形成包括沿轴向指向远离近端的倾斜表面。

在本发明的一个优选形式中，近端壁可形成更复杂的形式，例如围绕***锲形螺旋所形成的螺旋坡道，该螺旋坡道具有不变的或者变化的(优选增加的)坡度。

图3和4示出了上述布置的一个实施例。图3所示为朝向燃烧室8近端的内视图，在该内视图中可见燃料喷射器11的进入端口、传输孔口7以及代表在入口处进入燃烧室的空气射流40速度矢量的矢量。同样示出的还有以螺旋旋转方式移动流线14。径线A示出了跟随平台8A的上升螺旋坡道8B的起始处，所述平台8A与(圆形)传输孔口7的边重合。坡道8B围绕燃烧室延伸跨越270度，到终止于壁8C的线B，该壁8C与燃烧室的长轴平行且将坡道8B的边与平台8A连接。

平台8A，在优选实施例中跨越90度，具有如下所述的三个主要的功能：使由传输孔口进入的空气射流具有相对不间断的通道；使与传输孔口相对的第二燃料喷射器(未示出)的喷雾能够进入；也使第一燃料喷射器的出射口的具有平台。壁8C也具有将由传输孔口进入的空气射流保持在其与燃烧室***之间的功能，从而迫使空气射流改变方向并爬上坡道。

图4以更直观的方式示出了图3中的螺旋坡道8B，其包括沿坡道运动的流线14。尺度P代表螺旋的半坡度，该坡度决定螺旋涡流运动轴向分量的强度。在本实施例中，坡度是不变的。

图6和7示出了延伸横跨不同弧角K1和K2的螺旋坡道的两种结构。在图6中，坡道8B终止于线B且后面跟随包含线B的上升平台8E。在图7中，较短的坡道终止于线B且其后没有跟随上升平台。线B也位于延伸回平台8A的壁8C。

对于内燃机的设计人员来说，弧度K的选择，平台8A、8E及壁8C的形状与长度都是可变的。

另外，采用燃烧室的内表面来产生或者放大空气流的切线运动，以取代仅依靠传输孔口的位置去完成整个任务也许是可取的。图5所示出的布置与图2的相似，但是图2中的螺旋坡道8B围绕燃烧室的***延伸超过270度，而本实施例中终止于线B延伸310度。

在本图示中，端壁8C能保持位于距离螺旋坡道8B的最末部分下的空腔C大于270度的位置。坡道下空腔的顶壁可将传输孔口7有效地扩展进入盖(roof)下的燃烧室内。偏斜壁8D整个或者部分位于盖下并接近燃烧室，其可用于将切线方向的空气射流偏转朝向燃烧室的***并进入开放空间8A。

第一燃料喷射器的端口11设置于平台8A，使燃料喷雾到达火花塞所处的燃烧室的远端。

偏转***流由此处继续经过螺旋坡道8B起始的径线A。

偏转表面8D可以加工成曲面、平面或两者的混合，并可以延伸超过如图所示坡道8B端部的盖或者可以终止于坡道终止处的线B。

上述布置可与传输孔口7配合使用，该传输孔口位于如图5所示的稍远离极端切线位置处。通过这种方式，切向速度分量由内表面8D和空气射流40的近切线取向共同传递。

图8示出了在内燃机压缩冲程结束前活塞1处于30曲柄度时的内燃机。在该简化的实例例中，燃烧室内设置有两个共同提供燃料喷射装置的燃料喷射器。第一燃料喷射器11对准燃烧室的远端，优选喷射出的燃料喷雾横跨并穿越从传输孔口7流入的空气射流。第二燃料喷射器111对准将燃料喷雾沿轴向输送入从传输孔口流入的空气射流中，并且指向空气流的相反方向。图示的活塞位置的选择是一个当位于活塞1上方标示为V1的阴影体积在大小上等于燃烧室的体积V6时的示例。由此，在上述两个体积中所容纳的空气质量近乎相等。如果燃料喷射器111保持不活动，活塞上方体积V1内的空气不包含燃料，同时燃烧室的体积V6内的空气将包含燃料，该燃料通过螺旋涡流空气运动在火花塞附近分层。如果现在将火花塞9施加电压，体积V6内的混合物将燃烧，但是在燃烧过程中，只有原先在气缸中的一半质量空气被使用。

在本实施例，第一燃料喷射器11在压缩冲程的150至180曲柄度的范围内提供一半带有燃料的空气。如果在燃烧过程中使用空气中所有的氧气，第二燃料喷射器111仅跨越30曲柄度就需要输送相同的燃料量。每单位时间内喷射的燃料质量比被曲柄度所平分，其需要大于由第一燃料喷射器喷射的五倍。

如果在压缩冲程期间通过内燃机控制***的控制能够将第一燃料喷射器11的流速提高五倍以上，第二喷射器可以不需要，但是流速可变的喷射器因为无法一接受指令就在短时间内立即变化，从而会起反作用。

从怠速到中等BMEP期间，第一燃料喷射器11可独立地操作内燃机，但是对于更大的输出，就需要第二燃料喷射器111在同一内燃机循环中输送燃料。既然在压缩冲程的结束期，传输孔口中空气的速度和密度将达到最大，第二燃料喷射器喷出的燃料将与以最高质量流速进入燃烧室并与空气混合。这将有助从燃料喷射器111输送入空气的燃料的快速蒸发。所形成的混合物将由火花塞9点燃第一喷射器11输送的混合物所产生的火焰点燃。

虽然使用两个燃料喷射器听起来有些浪费，但却能付很少的费用即可使汽油内燃机与部分负载的柴油内燃机的热效率竞争。

应该明白，第二燃料喷射器111也可以通过控制在燃烧期间喷射燃料，从而使燃料在输送后如柴油内燃机的燃烧过程一样地燃烧。

同样应该明白，由于第二燃料喷射器111与传输孔口方向相对，在空气射流较弱、或者是在引入冲程期间、压缩冲程的早期或两者兼而有之时，有些内燃机操作状态可能有利于第二燃料喷射器111穿过传输孔口7直接将燃料喷射入圆筒2。由此，在压缩冲程期间输送进燃烧室的空气射流也会包含一些燃料。

内燃机的操作可描述如下。在内燃机怠速条件下，第一燃料喷射器在压缩冲程的早期输送少量的燃料，然后停止。此时空气射流的速度较小，燃料到达远端壁10并沉积于其上。在空气到达燃烧室10远端时有时间蒸发所沉积的燃料，螺旋涡流运动确保所得混合物保持在端壁10的附近。在上述丰富得足以燃烧的混合物附近发生火花点火，从而使内燃机产生非节流怠速运转。

对BMEP在怠速与中等速度之间时，喷射器11的燃料输送时间延长，同时通过控制喷射开始与结束的时间优化燃烧。第二燃料喷射器111在此范围保持不活动。

对更高BMEP输出时，在第一燃料喷射器11已经开动之后并当空气射流的速度与密度骤增时，第二燃料喷射器111在接近压缩冲程结束时也被开动。由火花塞9点火后，火焰到达由第二燃料喷射器111注入燃料所形成的燃料混合物，第二燃料喷射器111甚至可以在燃烧期间仍可继续注入燃料。在有些内燃机设计中，将第二火花塞9B设置于燃烧室的近端8附近，这可能有助于在高负载下点燃燃料。

如通常的实践一般，能够通过改变燃料喷射器入口处的燃料管道压力来调节燃料喷射流速，用以应付内燃机速度的变化。

图9和10示出本发明可变压缩率的情况。如前所述，空气在燃烧室6中以螺旋涡流的方式移动。

为提供可变的压缩率，圆柱状燃烧室6在其远端包括以活塞100形式存在的可移动的壁或界面。活塞装配有***多重密封物101，例如活塞环型密封物，能够承受升高的温度。为保护密封物，可冷却燃烧室的内壁。活塞所示处于其最内部位置，达到压缩率的最大值，由***部102限制而无法进一步移动，***部102可提供额外的密封面。

图9所示活塞后的空腔107充满液压机液体，优选的液体例如油，穿过通向一孔的管115泵入空腔中。若优选使用压缩气体，可选用合适的装置。液体通过泵将压力增加至超过峰值圆筒气压。

图9示出了火花塞9的两种可能位置。若想处于位置9A，需要管109包围活塞，管109通过密封关节连接至活塞，例如通过焊接的方式，且当管与活塞共同移动时需要有自己的密封物110。

若选择处于位置9B，需要在活塞处于如图所示的最内侧位置时，在接近活塞的表面处允许在稀薄燃烧的条件下火花点火。图中所示的两种火花塞都设置在通过小孔与燃烧室连通的点火洞内，以利于在怠速和低负载条件下减少射入的燃料弄湿火花塞，但是既然露出火花塞也能保证点火就没有必要这样。

如图9所示，活塞保持在处高压缩率状态的位置，在刚起动、低负载条件下，在燃料供应增加时液压管道控制器允许液体由空腔107流出，活塞处于较低压缩率位置时能够达到峰值缸压。将缸峰值压限制到预定值时，可变卸压阀能够控制液体的流出。

图10示出了驱动和控制活塞100位置的机械方法。活塞连接于带有螺纹的杆108，螺母111限制于管套中并在其中能够通过旋转驱动活塞的运动。如图所示旋转通过蜗杆113和轮112的设置来实现，蜗杆可由电动马达驱动，如步进马达。该方法允许活塞在其移动范围内精确地定位，但是其与多缸内燃机的液压***相比需要更多的部件。

可变压缩率的能力可应用于正常吸气、涡轮增压或增压的四冲程和二冲程的内燃机。在高BMEP操作时达到中等峰值缸压。

Claims (11)

1.一种内燃机包括：

气缸；

在气缸中往复移动的活塞；

与气缸连通的进气装置；

与气缸连通的排气装置；

与气缸连通的非直接燃烧室，该非直接燃烧室包括相对于活塞的近端和远端；

位于燃烧室附近将气缸与所述燃烧室连通的传输孔口，该传输孔口适于在活塞的压缩冲程期间将空气射流送入燃烧室；

促使燃烧室内的空气以螺旋涡流运动的装置，该螺旋涡流运动包括围绕燃烧室周边的切向速度分量和沿着燃烧室的轴向速度分量，该轴向速度分量呈远离近端并指向远端；

位于燃烧室内的火花点火装置；

与燃烧室连通的燃料喷射装置，该燃料喷射装置适于在一方向上将一些燃料送入燃烧室中的空气射流中，其也使火花可点燃混合物能够在到达所述火花点火装置处的气体中形成；

控制燃料喷射过程和火花点火过程的控制器；

其特征在于，螺旋涡流运动的轴向速度分量是由位于燃烧室内的表面所引起的，该燃烧室的内表面为螺旋坡道的形式。

2.根据权利要求1所述的内燃机，其中，该螺旋坡道径向延伸至燃烧室的***，并绕燃烧室的轴跨越小于360度的角。

3.根据权利要求1所述的内燃机，其中，该燃烧室的内表面是以形成于燃烧室***的螺旋凹槽的形式。

4.根据权利要求1所述的内燃机，其中，该燃料喷射装置是指向燃烧室远端的燃料喷射器。

5.根据权利要求1所述的内燃机，其中，该燃料喷射装置包括第一燃料喷射器和第二燃料喷射器，第二燃料喷射器指向传输孔口。

6.根据权利要求5所述的内燃机，其中，该第一燃料喷射器和第二燃料喷射器能够在相同的内燃机循环期间向燃烧室输送燃料。

7.根据权利要求1所述的内燃机，其中，该燃烧室的远端适于驱动滑动活塞改变位置，并保持沿燃烧室的轴跨越有限的预定距离的状态，同时提供燃烧室***的空气密封。

8.根据权利要求7所述的内燃机，其中，该活塞运动是液压驱动的。

9.根据权利要求7所述的内燃机，其中，该活塞运动是机械驱动的。

10.根据权利要求1所述的内燃机，其以二冲程循环操作。

11.根据权利要求1所述的内燃机，其以四冲程循环操作。

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