CN105089777A - 具有径向燃料喷射的发动机*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有径向燃料喷射的发动机***。公开了一种发动机***。该发动机***可具有至少部分地限定气缸孔的发动机缸体，和设置在气缸孔内的气缸套。该发动机***还可包括构造成径向地穿过气缸孔并与气缸套螺纹接合的燃料喷射器。

Description

具有径向燃料喷射的发动机***
技术领域
本发明总体上涉及一种发动机***，并且更具体地涉及一种具有径向燃料喷射的发动机***。
背景技术
气态燃料动力的发动机在机车应用中很普遍。例如，机车的发动机可单独由天然气(或另一种气态燃料)或由天然气和柴油的混合物提供动力。天然气会更丰富，因此不如柴油贵。此外，在一些应用中天然气可更清洁地燃烧。
天然气通常径向地导入发动机的气缸中，以随着相关的活塞朝上止点(TDC)位置移动而与其中的空气混合。在一些应用中，天然气喷嘴定位成穿过位于发动机气缸套的环形表面内的已有空气输入端口喷射气态燃料。尽管在一定程度上有效，但在该位置喷射气态燃料也会是低效的。特别地，一些喷射的气态燃料会经同一空气输入端口退出(或经另一空气输入端口退出)到相关的气室中。此外，在该位置喷射引起喷射正时提前，这会允许一部分喷射的燃料经由仍打开的排气门离开气缸。在任一状况下，都会浪费一部分气态燃料。
1991年7月30日公布的Welch等人的美国专利5,035,206(“’206专利”)中公开了一种示例性的双燃料天然气/柴油发动机。该发动机包括气缸、气缸内的活塞、气缸周围的未被活塞的向下运动覆盖的输入端口。风机迫使空气通过输入端口，并且设置了喷射器以用于在各循环期间喷射一次天然气到气缸内。该喷射器具有在进气口上方的位置连通到气缸中的输送管道。当活塞下行时，活塞在开始露出进气口之前完全露出输送管道。在此构型中，天然气的喷射正时设定成尽可能迟，优选在活塞到达下止点(BDC)之后，并且继续到空气进入已由于活塞的向上运动而停止之后为止。该措施确保了大部分空气会在天然气的进入之前充填气缸，用以最大限度地减少天然气的逸散和损失。
尽管’206专利的发动机可帮助减少天然气的损失，但它仅可应用于空气冷却式发动机和/或新制造的发动机。特别地，’206专利的输送管道可能与具有形成在气缸周围的水套的液体冷却式发动机不兼容。此外，’206专利未提供改造已有的具有输送管道的发动机的方式。此外，在空气导入期间喷射气态燃料仍会导致气态燃料从输入端口逆流出来。
本发明的发动机***解决了一个或多个上述问题和/或本领域中的其它问题。
发明内容
在一方面，本发明涉及一种发动机***。该发动机***可包括至少部分地限定气缸孔的发动机缸体，和设置在气缸孔内的气缸套。该发动机***还可包括构造成径向地穿过气缸孔并与气缸套螺纹接合的燃料喷射器。
在另一方面，本发明涉及另一种发动机***。该发动机***可包括至少部分地限定气缸孔的发动机缸体、设置在气缸孔内的气缸套、和位于气缸孔与气缸套之间的水套。该发动机***还可包括构造成封闭气缸孔的一端的气缸盖、形成在气缸套内的至少一个进气口、和可往复运动地设置在气缸套内的活塞。该发动机***还可包括燃料喷射器，该燃料喷射器构造成径向地穿过水套和气缸孔以在该至少一个进气口与气缸盖之间的轴向位置处与气缸套螺纹接合。该燃料喷射器构造成在活塞到达上止点之前约100°处该至少一个进气口被活塞封闭时开始喷射燃料，并且在活塞到达上止点之前约120°处活塞覆盖燃料喷射器末端时停止喷射燃料。
在另一方面，本发明涉及一种用于改造具有燃料喷射器的发动机的方法。该方法可包括径向地钻出穿过发动机缸体与气缸孔相通的第一孔，并且径向地钻出穿过气缸套的第二孔。该方法还可包括对第二孔攻丝，并且使燃料喷射器与第二孔螺纹接合。
附图说明
图1是示例性公开的发动机***的截面图。
具体实施方式
图1示出了示例性内燃发动机10的一部分。尽管发动机10被示出和描述为二冲程气态燃料发动机，但设想发动机10可以是另一类型的发动机(例如，四冲程气态燃料发动机或二冲程或四冲程双燃料发动机)。发动机10可尤其包括限定至少一个气缸孔14的发动机缸体12。气缸套16可设置在气缸孔14内，并且气缸盖18可与发动机缸体12连接以封闭气缸孔14的一端。活塞20可以可滑动地设置在气缸套16内，并且活塞20可连同气缸套16和气缸盖18一起限定燃烧室22。设想发动机10可包括任何数量的燃烧室22并且燃烧室22可呈“直列”构型、“V”形构型、对置活塞构型或任何其它合适的构型设置。
活塞20可构造成在TDC与BDC之间在气缸套16内往复运动。特别地，活塞20可与可旋转地设置在发动机缸体12内的曲轴(未示出)枢转地连接。在此构型中，各活塞20在气缸套16内的滑动运动可引起曲轴的旋转。类似地，曲轴的旋转可引起活塞20的滑动运动。随着曲轴旋转约180°，活塞20可移动通过两个完整行程(即，从TDC到BDC再到TDC)。发动机10(作为二冲程发动机)在此时间内可经历完整的燃烧循环，其包括做功/排气/进气冲程(TDC到BDC)和进气/压缩冲程(BDC到TDC)。
在进气冲程的最终阶段期间，空气可经由位于气缸套16的环形表面26内的一个或多个进气口24吸入和/或压入燃烧室22内。特别地，随着活塞20在气缸套16内向下移动，最终将到达进气口24不再被活塞20阻塞而是代之以与燃烧室22流体连通的位置。当进气口24与燃烧室22流体连通并且进气口24处的空气压力大于燃烧室22内的压力时，空气将经进气口24进入燃烧室22内。
气态燃料(例如，天然气)可在空气进入燃烧室22之前、期间和/或之后与空气混合。在所公开的实施例中，单个径向燃料喷射器25位于进气口24上方(即，进气口24与气缸盖18之间)的轴向距离d处。但是，设想可利用任何数量的喷射器25。距离d可被选择成提供活塞20的移动期间相对于进气口24的开启和/或关闭的期望喷射正时。在所公开的实施例中，距离d可为约25-40mm且喷射器24可确定时间为在活塞20到达其TDC位置之前的约100-120°喷射燃料。而且，对于内径为约200-250mm的气缸而言，轴向距离d与直径的比例可为约1：5至1：10。如下文将更详细地说明的，该独特比例可提供燃烧室22内促进效率和低排放的期望条件(例如，喷射正时、压力、温度等)。来自喷射器25的气态燃料可在燃烧室22内与来自进气口24的空气混合而形成燃料/空气混合物。
在上述压缩冲程的开始期间，空气仍可随着活塞20开始其向上行程而经由进气口24进入燃烧室22以使任何残留气体与燃烧室22中的空气和燃料混合。最终，进气口24可由活塞20阻塞，并且活塞20的进一步向上运动可压缩该混合物。随着燃烧室22内的混合物被压缩，该混合物的压力和温度将上升，直至它燃烧并释放化学能。这可引起燃烧室22内的压力和温度的进一步和显著上升。应该指出的是，在双燃料发动机中，可能需要喷射液态燃料(例如，柴油)来使燃烧室22内的混合物点燃。
在活塞20到达TDC之后，燃烧引起的上升的压力可向下迫压活塞20，由此将机械动力分配给曲轴。在该运动的后期，位于气缸盖18内的一个或多个排气门27可打开，以允许燃烧室22内的加压排气经由相应的排气口30离开到相关的排气歧管28中。特别地，随着活塞20在气缸套16内向上移动，最终将到达排气门27移动成使燃烧室22与排气口30流体连通的位置。当燃烧室22与排气口30流体连通并且燃烧室22中的压力大于排气口30处的压力时，排气将从燃烧室22经排气口30进入排气歧管28中。在所公开的实施例中，排气门27的移动将例如借助于凸轮(未示出)或与曲轴机械地连接的其它装置被循环地控制。但是，设想如果需要的话，可替代地以非循环方式控制排气门27的移动。还设想例如在循环扫气式二冲程发动机中，排气口30可替代地位于气缸套18内，它们的开启和关闭由活塞20的运动决定(即，可省略排气门27)。尽管已参考图1描述了二冲程发动机10的操作，但本领域的技术人员将理解在四冲程发动机中燃料可以以类似方式燃烧并且可产生排气。
如果不加以处理的话会损坏发动机10的来自上述燃烧过程的热可经由水套38从气缸孔14消散。水套38可位于气缸孔14的内壁与气缸套16的外壁之间。例如，水套38可在气缸孔14的内壁处和/或气缸套16的外壁内由发动机缸体12内的凹部形成。还设想，根据需要，水套38可围绕气缸套16完全形成在发动机缸体12内，完全形成在气缸套16内，和/或由钎焊至发动机缸体12或气缸套16中的任一者上的中空套筒(未示出)形成。水、乙二醇或掺杂混合物可被引导通过水套38，以从发动机缸体12和气缸套16吸热。
气态燃料喷射器25可穿过水套38。具体地，气态燃料喷射器25可包括基部40和具有末端44的喷嘴42；并且发动机缸体12和气缸套16可包括构造成分别接纳喷嘴42和末端44的孔46和48。孔46可大于孔48，以使得可经由孔46来提供从外部对孔48的接近。第一台肩50可位于喷嘴42的基部处，并且第二台肩52可位于末端44的基部处。台肩50可构造成抵接在发动机缸体12中加工出的面(或水套38的不同外表面)，而台肩52可构造成抵接在气缸套16的外壁中加工出的面(或水套38的不同内表面)。密封件(例如，弹性O形环)54可位于这些抵接处。末端44可包括与气缸套16接合的螺纹56，以使得随着喷射器25旋转，第一台肩50和第二台肩52可被向内牵拉以将密封件54压靠在发动机缸体12和气缸套16的面上。在此构型中，密封件54可抑制冷却剂从水套38漏出并进入燃烧室22(例如，经由孔48)或在发动机缸体12下方连接(例如，经由孔46)的曲轴箱(未示出)中。
气态燃料喷射器25可与气缸孔14的中心轴线和大致垂直于中心轴线定向的平面成一定角度定向。具体地，喷嘴42可倾斜例如±10°约以向下朝活塞20或向上朝气缸盖18喷射。类似地，喷嘴42可偏向中心轴线的一侧以在燃烧室22内形成旋流。该偏角可为例如约±10°。在一个实施例中，末端44可具有大致圆形截面，直径为约16-24mm。在另一实施例中，末端44可具有大致矩形截面，宽度为约20-30mm，且高度(与气缸孔14的中心轴线对齐)为约10-16mm。
工业适用性
所公开的发动机***可用于有益于减少有害气体的排放而同时还输送不贵的动力输出的任何机器或动力***应用中。所公开的发动机***尤其在移动式机器如机车内具有适用性，所述机车会经历大的负荷和排放要求的变化。所公开的发动机***可提供一种有效的输送已知产生较低水平的管制排气成分的气态燃料的方式。
通过在所公开的正时喷射燃料，可将更大量的气态燃料保持在燃烧室22内。具体地，燃料喷射不会开始，直至进气口24已经由于活塞20的向上运动而被封闭之后。而且，喷射器25可在轴向上定位得足够高，以允许在喷射器25的末端44被活塞20覆盖之前喷射所有必要的气态燃料。喷射器25的轴向位置在气缸套16内仍可足够低，以使气态燃料在点燃之前充分混合。
可将已有的发动机改造成接受气态燃料喷射器25。具体地，可修改任何发动机，以使得气态燃料可在与上述正时相关的位置径向喷射到发动机的气缸内。这些修改可包括分别在发动机缸体12和气缸套16中钻出孔46和48，以及在孔46和48周围加工密封面。孔46可大于孔48并且首先钻出，经由孔46钻出孔48。密封件54被压靠在其上的面可在孔46、48的形成之前或之后加工。此后，可对孔48攻丝以形成螺纹56。喷射器25(连同密封件54一起)然后可穿过孔46，以旋拧到孔48中并靠在密封面上。在一些应用中，使用喷射器25对已有的发动机进行的该改造可在甚至不必开启燃烧室22(例如，通过移除气缸盖18)或移除气缸套16和活塞20的情况下完成。这可允许较低成本的改造过程，并且还引起发动机的潜在污染更少。应该指出的是，如果希望的话，喷射器25也可安装在不具有水套38的发动机中。在此应用中，可省略密封件54。
对本领域的技术人员来说将显而易见的是，可以对所公开的发动机***作出各种改型和变型而不脱离本发明的范围。考虑说明书和本文公开的发动机***的实施，所公开的发动机***的其它实施例对本领域的技术人员来说将显而易见。本说明书和示例应当被认为仅仅是示例性的，本发明的真实范围通过以下权利要求和它们的等同方案来表示。

Claims (10)

1.一种发动机***，包括：
至少部分地限定气缸孔的发动机缸体；
设置在所述气缸孔内的气缸套；和
燃料喷射器，所述燃料喷射器构造成径向地穿过所述气缸孔并与所述气缸套螺纹接合。
2.根据权利要求1所述的发动机***，还包括位于所述气缸孔与所述气缸套之间的水套，其中，所述燃料喷射器穿过所述水套。
3.根据权利要求2所述的发动机***，其中，所述水套形成在所述气缸孔的内壁与所述气缸套的外壁之间。
4.根据权利要求2所述的发动机***，其中，所述燃料喷射器包括：
基部；和
喷嘴，所述喷嘴在所述基部的一端连接并具有与所述气缸套螺纹接合的末端。
5.根据权利要求4所述的发动机***，其中，所述燃料喷射器包括：
位于所述喷嘴的基部处的第一台肩，所述第一台肩构造成抵接所述发动机缸体；和
位于所述末端的基部处的第二台肩，所述第二台肩构造成抵接所述气缸套。
6.根据权利要求5所述的发动机***，还包括位于所述第一台肩和第二台肩处的密封件，其中，所述末端与所述气缸套的螺纹接合引起所述第一台肩和第二台肩压缩所述密封件。
7.根据权利要求6所述的发动机***，其中：
所述发动机缸体和所述气缸套包括加工面和穿过所述加工面的孔；
所述燃料喷射器构造成由所述孔接纳；并且
所述末端与所述气缸套的螺纹结合引起所述第一台肩和第二台肩将所述密封件压靠在所述加工面上。
8.根据权利要求6所述的发动机***，其中，所述密封件为弹性O形环密封件。
9.根据权利要求1所述的发动机***，还包括：
气缸盖，所述气缸盖构造成封闭所述气缸孔的一端；和
形成在所述气缸套内的至少一个进气口，其中：
所述燃料喷射器构造成喷射气态燃料；
所述燃料喷射器构造成在所述气缸盖与所述至少一个进气口之间的位置与所述气缸套螺纹接合；并且
所述燃料喷射器构造成在距离所述至少一个进气口的中心的一轴向距离处与所述气缸套螺纹接合，所述轴向距离与所述气缸套的直径的比值为约1：5至1：10。
10.根据权利要求9所述的发动机***，还包括可往复运动地设置在气缸套内的活塞，其中：
所述燃料喷射器构造成在所述活塞到达上止点之前约100°处所述至少一个进气口被所述活塞封闭时开始喷射燃料；并且
所述燃料喷射器构造成在所述活塞到达上止点之前约120°处所述活塞覆盖所述燃料喷射器的末端时停止喷射燃料。
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