CN108443006B - 用于发动机的排气预燃室组件 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于内燃机的汽缸的预燃室组件，其中通过多个端口，预燃室容积与汽缸流体连通。非致动的固定孔口在预燃室容积与形成在预燃室容积内的通道之间延伸，以便允许预燃室容积内的燃烧气体进入通道。通道可以被配置为将其中的燃烧气体排出本体。孔口可以减少在预燃室容积中产生的NOx排放物。

Description

用于发动机的排气预燃室组件
技术领域
本发明涉及一种发动机，并且更具体地涉及一种用于这种发动机的预燃室组件。
背景技术
在使用预燃室(也称为预燃烧室)的发动机内，预燃室通常设置在发动机的汽缸盖中。在发动机中，预燃室与汽缸的主燃烧室流体连通。将燃油和空气的引燃料引入预燃室。燃烧从预燃室开始，并且从预燃室进入主燃烧室，使燃油和空气的主燃料燃烧。使用预燃室的发动机可以实现高压缩比和功率输出，然而在运行期间，预燃室内的温度可能超过主燃烧室内的温度。
Toho Gas KK公司的日本专利公开文献JP2015055185A公开了一种具有燃烧室的燃气发动机。火花塞盖在燃烧室中形成点火室。火花塞盖具有多个连通端口，这些连通端口使得点火室与燃烧室连通。在点火室中设有火花塞，用于启动燃烧。排气通道由排气阀控制，并通向点火室，用于排出其中的热燃烧气体，从而提高火花塞的耐用性。
发明内容
人们已经发现，当燃油和空气的主燃料在主燃烧室中燃烧时，在预燃室中可能形成大量NOx排放物。当燃烧室的燃烧开始时，由引燃料燃烧而产生的热废气留在预燃室内。汽缸活塞朝向上止点移动，再次压缩预燃室中的热废气。结果，这些热废气保持高温高压，直到汽缸活塞朝向下止点移动并且气体膨胀。存在于高温高压下的废气可能导致预燃室中产生大量的NOx。
在本发明的一个方面，一种用于内燃机的汽缸的预燃室组件包括本体，该本体在其一端限定预燃室容积。在靠近该端的本体内形成有多个端口，所述端口使预燃室容积与汽缸流体连通。非致动的固定孔口形成在本体内，并且在预燃室容积与形成在本体内的通道之间延伸，以便允许预燃室容积内的燃烧气体进入通道，其中通道被配置为将其中的燃烧气体排出本体。
在本发明的另一方面，提供了一种包括汽缸的内燃机，该汽缸具有与其相关联的相应燃烧预燃室。该内燃机包括限定燃烧预燃室容积的本体。在本体内形成有多个端口，所述端口使燃烧预燃室容积与汽缸流体连通。非致动的固定孔口形成在本体内，并且在预燃室容积与形成在本体内的通道之间延伸，以便允许预燃室容积内的燃烧气体进入通道，其中通道被配置为将其中的燃烧气体排出本体。
在本发明的另一方面，提供了一种用于减少包括汽缸的发动机排放物的方法。该方法包括提供燃烧预燃室容积，其通过多个端口与汽缸流体连通；提供非致动的固定孔口，其在预燃室容积与通道之间延伸，以便允许预燃室容积内的燃烧气体进入通道，其中通道被配置为将其中的燃烧气体排到排气歧管或烟囱、进气歧管或减排***中的其中之一。
通过以下描述和附图，本发明的其他特征和方面将变得显而易见。
附图说明
图1示出了根据本发明的一个实施例的配备有预燃室组件的发动机的汽缸盖的横截面；
图2示出了图1的预燃室组件；
图3A示出了根据本发明的一个示例性预燃室容积中，孔口直径对NOx浓度的影响；
图3B示出了根据本发明的一个示例性预燃室容积中，孔口直径对温度的影响；并且
图4示出了根据本发明的一个实施例的用于减少发动机排放物的方法。
具体实施方式
本发明涉及一种用于内燃机的汽缸的预燃室组件。该预燃室组件包括本体，该本体在其一端限定预燃室容积。燃油和空气的引燃料在预燃室容积中燃烧。非致动的固定孔口形成在本体内，并且在预燃室容积与形成在本体内的通道之间延伸，以便允许预燃室容积内的燃烧气体进入通道。通道被配置为将其中的燃烧气体排出本体。非致动的固定孔口和通道允许预燃室容积内的热燃烧气体离开预燃室容积，而来自主燃烧室(例如汽缸)的相对较冷的气体进入预燃室容积。当汽缸活塞朝向上止点移动时，压力增加，迫使预燃室容积内的热燃烧气体进入孔口和通道。通道比孔口宽，使得热燃烧气体在进入通道时膨胀冷却。设置非致动孔口简化了发动机控制并降低部件成本。通道可以连接到任何合适的燃烧气体容器，例如进气歧管、排气歧管或后处理***。
现在将详细参考具体实施例或特征，其示例在附图中示出。在可能的情况下，整个附图中将使用对应或相似的附图标记来表示相同或相应的部件。此外，当可能存在多个相同类型的元件时，可以笼统或单独地对本文所述的各种元件进行引用。然而，这种引用本质上仅仅是示例性的。可以理解的是，除非在所附权利要求书中明确提出，否则以单数形式对元件的任何引用也可以被解释为与复数形式有关，反之亦然，而非将本发明的范围限定为这种元件的确切数量或类型。
图1示出了发动机14的汽缸盖10和汽缸体12的局部剖视图。汽缸盖10安装在汽缸体12上。本实施例的发动机14是燃气发动机。发动机14可以实施为压缩点火发动机、火花点火发动机或本领域已知的任何类型的内燃机。汽缸体12包括多个汽缸16，其中一个的横截面如图1所示。多个汽缸16可以设置为内联结构、径向辐射结构或本领域已知的任何其他结构。汽缸体12包括设置在每个汽缸16内的活塞18。
在一个冲程中，活塞18在下止点(BDC)与上止点(TDC)之间往复运动。发动机14的一个工作循环包括各种冲程，例如吸入冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程等。TDC与BDC之间的容积限定了扫气容积。扫气容积表示燃烧的燃料所占用的体积。本文所使用的措辞“燃料”是指空气和燃油的混合物。在活塞18的TDC处，活塞18与汽缸盖10的内部20之间的可用体积被定义为主燃烧室22。
汽缸盖10包括用于将主燃料引入汽缸16的入口阀24。汽缸盖10还包括允许燃料进入汽缸16的入口端口(未示出)。一旦主燃料在主燃烧室22内燃烧，则在发动机14的排气冲程期间，燃烧产物通过排气阀26排出汽缸16。
发动机14还包括设置在汽缸盖10中的预燃室组件28。预燃室组件28包括本体30，其在本体30的一端34处限定预燃室容积32。预燃室组件28的一端34伸入主燃烧室22中。在本体30的一端34设有多个端口36。端口36在预燃室容积32与汽缸16之间形成流体路径。
在预燃室组件28中设有喷射器38，其在活塞18的压缩冲程期间将引燃料引入预燃室容积32。在根据内燃机的类型而触发的预燃室燃烧事件中，引燃料燃烧。例如，由于活塞18朝向压缩点火发动机中的TDC移动而导致压缩，可以触发引燃料燃烧，或者可以由点火装置(例如火花塞或电热塞)触发引燃料的燃烧。由于预燃室容积32流体连接到汽缸16，所以燃烧从预燃室容积32开始并进入主燃烧室22，从而触发汽缸16中主燃料的燃烧。在预燃室燃烧事件发生后，由引燃料的燃烧而产生的热废气留在预燃室容积32中。随着活塞18继续朝向TDC移动，这些热废气被压缩并由此被加热。结果，可能在预燃室容积32中产生有害排放物，特别是NOx。
现在参照图2，图中预燃室组件28以放大形式示出，在本体30中形成有孔口40。孔口40在预燃室容积32与形成在本体30中的通道42之间延伸。孔口40可以通向远离端34的预燃室容积32。孔口40是非致动的固定孔口，从而无需其他阀门和相关控制，而这往往会增加发动机14的成本。
孔口40允许预燃室容积32中的热燃烧气体进入通道42。通道42的横截面积比孔口40大，由此当燃烧气体从孔口40进入通道42时，它们膨胀并冷却。
通道42可以被配置为将其中的燃烧气体排出本体30。通道42可以被配置为将其中的燃烧气体排到任何合适的燃烧气体容器中，例如排气歧管或烟囱、作为排气再循环***的一部分的进气歧管、或排气后处理装置或设备。
在如图2所示的实施例中，通道42在本体30的另一端44开口。另一端44远离端34。通道42在另一端44的开口处可以设有连接装置(未示出)，以便允许燃烧气体通过。在一个示例中，在另一端44处的通道42内可以形成有螺纹部分，用于容纳螺纹导管或管道。在其他示例中，在通道42周围可以设有从另一端44突出的凸缘。也可以使用本领域已知的其他合适的连接装置。
通道42可以形成为沿本体30的一段48靠近本体30的外壁46。本体30的沿段48的外壁46可以与发动机14内的冷却套50热连通。这种设置有助于冷却通道42内的燃烧气体。
虽然如图1和图2所示的实施例中通道42被示出为在本体30的另一端44处开口，但是在其他实施例中，通道42可以通向本体30上的其他位置。在一个实施例中，通道42沿外壁46开口，以便与形成在汽缸盖10中的对应通道对齐。相应的通道可以伸入发动机的进气歧管或排气歧管。在另一个实施例中，通道42可以通向形成在本体30中的空腔52，用于连接到如上所述的管道或导管。如图1和图2所示的实施例中，喷射器38容纳在空腔52中。
活塞18继续朝向TDC移动导致压力增加，迫使预燃室燃烧事件之后留在预燃室容积32中的引燃料燃烧而产生的热废气通过孔口40进入通道42。而热废气被来自汽缸16的相对较冷的气体所取代。
孔口40的直径范围可以为0.5mm至5mm。在一些实施例中，孔口40的直径范围可以为2.0mm至3.5mm。由于引燃料的燃烧特别快，很少的气体可以通过孔口40，所以孔口40对预燃室容积32中的引燃料的燃烧的影响可以忽略不计。
图3B示出了在没有孔口40(表示为“0mm”)，孔口40的直径为0.5mm、1.5mm、2.5mm和3.5mm的情况下，体积为700cc的预燃室容积32的一个示例内的温度。图3B中的第一峰值“A”出现在预燃室容积中的引燃料发生燃烧的过程中。第一峰值“A”相对较窄，出现在有限的曲柄转角范围内。第一峰值“A”之后出现第二峰值“B”。第二峰值“B”表示由于主燃烧室的压力上升，预燃室容积内的温度升高。如图3B所示，孔口40的存在可以有助于降低预燃室容积32内存在的废气的温度，而这又可以减少预燃室容积32中产生的有害排放物(例如NOx)的量。
图3A示出了在没有孔口40(表示为“0mm”)以及孔口40的直径为0.5mm、1.5mm、2.5mm和3.5mm的情况下，示例性预燃室容积32内的NOx浓度为700cc。如图3A所示，在预燃室容积32中的引燃料燃烧期间，产生相对较少的NOx。在主燃烧室燃烧事件中，在预燃室容积32中产生大部分的NOx排放物，对应于如图3B所示的第二峰值“B”。如图3A所示，孔口40的存在可以有助于减少预燃室容积32中产生的NOx的浓度。如图所示，在700cc的预燃室容积32中，孔口40的直径为2.0mm至3.5mm，这可以使预燃室容积32中产生的NOx浓度降低23％至54％。
工业实用性
本发明的预燃室组件28可以用于减少来自内燃机的有害排放物，例如NOx。
图4示出了根据本发明的实施例的用于减少发动机排放物的方法100，该发动机包括汽缸。该方法开始于步骤102，提供燃烧预燃室容积，其通过多个端口与汽缸流体连通。该方法继续进行到步骤104，提供非致动的固定孔口，其在预燃室容积与通道之间延伸，以便允许预燃室容积内的燃烧气体进入通道。通道被配置为将其中的燃烧气体排到排气歧管或烟囱、进气歧管或减排***中的其中之一。
虽然已经参照以上实施例具体示出并描述了本发明的各个方面，但是本领域技术人员将理解的是，可以在不背离所公开内容的精神和范围的情况下，通过对所公开的机器、***和方法进行修改而想到各种其他实施方式。应当理解的是，这种实施方式属于基于权利要求及其任何等同物所确定的本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种用于内燃式的发动机的汽缸的预燃室组件，包括：
本体，其在所述本体的一端限定预燃室容积；
在靠近所述本体的第一端的所述本体内形成有多个端口，所述端口使所述预燃室容积与所述汽缸流体连通；和
非致动的固定孔口，其形成在所述本体内，并且在所述预燃室容积与形成在所述本体内的非致动的通道之间延伸，所述非致动的通道允许所述预燃室容积内的燃烧气体进入所述通道，其中所述通道将其中的燃烧气体排出所述本体，
其中，在所述本体的在关于所述预燃室容积的径向平面上的侧剖视图中，所述通道和所述孔口中的每一者相对于所述预燃室容积以非重叠关系布置，
其中，所述孔口在其开口处暴露在所述预燃室容积中并且设置在所述本体的第二端处，所述本体的第二端与靠近其设有所述多个端口的所述本体的所述第一端相对，并且
其中，所述孔口的尺寸允许所述燃烧气体通过并且不允许未燃烧的燃料从所述预燃室容积通到所述通道。
2.如权利要求1所述的预燃室组件，其中所述通道的横截面积比所述孔口大，其中燃烧气体在进入所述通道时膨胀并因此冷却。
3.如权利要求1所述的预燃室组件，其中所述通道形成为沿所述本体的一段邻近所述本体的外壁。
4.如权利要求3所述的预燃室组件，其中沿所述段的所述本体的外壁与所述发动机内的冷却套热连通。
5.如权利要求1所述的预燃室组件，其中所述通道被配置为将其中的燃烧气体排到排气歧管或烟囱、或减排***中的其中之一。
6.如权利要求1所述的预燃室组件，其中所述孔口的直径范围为0.5 mm至5 mm。
7.如权利要求1所述的预燃室组件，其中在侧剖视图中，所述通道和所述孔口中的每一者相对于所述预燃室容积以非重叠关系布置。
8.如权利要求1所述的预燃室组件，其中所述孔口通向远离所述一端的预燃室容积。
9.一种包括汽缸的内燃式的发动机，所述汽缸具有与其相关联的相应燃烧预燃室组件，所述内燃式的发动机包括：
所述燃烧预燃室组件，所述燃烧预燃室组件包括：
限定燃烧预燃室容积的本体；
在所述本体内形成有多个端口，所述端口使所述预燃室容积与所述汽缸流体连通；和
非致动的固定孔口，其形成在所述本体内，并且在所述预燃室容积与形成在所述本体内的非致动的通道之间延伸，所述非致动的通道允许所述预燃室容积内的燃烧气体进入所述通道，其中所述通道将其中的燃烧气体排出所述本体，
其中，在所述本体的在关于所述预燃室容积的径向平面上的侧剖视图中，所述通道和所述孔口中的每一者相对于所述预燃室容积以非重叠关系布置，
其中，所述孔口在其开口处暴露在所述预燃室容积中并且设置在所述本体的第一端部处，所述本体的第一端部与在其处设有所述多个端口的所述本体的第二端部相对，并且
其中，所述孔口的尺寸允许所述燃烧气体通过并且不允许未燃烧的燃料从所述预燃室容积通到所述通道。
10.如权利要求9所述的发动机，其中所述通道的横截面积比所述孔口大，其中燃烧气体在进入所述通道时膨胀并因此冷却。
11.如权利要求9所述的发动机，其中所述通道形成为沿所述本体的一段邻近所述本体的壁。
12.如权利要求11所述的发动机，其中沿所述段的所述本体的壁与所述发动机内的冷却套热连通。
13.如权利要求9所述的发动机，其中所述通道被配置为将其中的燃烧气体排到排气歧管或烟囱、进气歧管或减排***中的其中之一。
14.如权利要求9所述的发动机，其中所述通道在所述燃烧气体自其通过时冷却所述燃烧气体，并且
其中，所述预燃室容积中的所述燃烧气体响应于活塞朝向上止点运动而进入所述通道。
15.如权利要求9所述的发动机，其中所述孔口的直径范围为2.0 mm至3.5 mm。
16.如权利要求9所述的发动机，其中所述孔口通向远离所述汽缸的燃烧预燃室容积。
17.一种用于减少发动机排放物的方法，所述发动机包括汽缸，所述方法包括：
提供预燃室容积，其通过多个端口与所述汽缸流体连通；和
提供非致动的固定孔口，其在所述预燃室容积与非致动的通道之间延伸，所述非致动的通道允许所述预燃室容积内的燃烧气体进入所述通道，其中所述通道将其中的燃烧气体排到排气歧管或烟囱、进气歧管或减排***中的其中之一，
其中，在限制所述预燃室容积的本体的在关于所述预燃室容积的径向平面上的侧剖视图中，所述通道和所述孔口中的每一者相对于所述预燃室容积以非重叠关系布置，
其中，所述孔口在其开口处暴露在所述预燃室容积中并且设置在所述本体的第一端部处，所述本体的第一端部与在其处设有所述多个端口的所述本体的第二端部相对，并且
其中，所述孔口的尺寸允许所述燃烧气体通过并且不允许未燃烧的燃料从所述预燃室容积通到所述通道。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述通道的横截面积比所述孔口大，其中燃烧气体在进入所述通道时膨胀并因此冷却。
19.如权利要求17所述的方法，其中所述通道形成为邻近所述发动机内的冷却套。
20.如权利要求17所述的方法，其中所述孔口的直径范围为0.5 mm至5 mm。
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