专利名称：具有燃料喷射引发燃烧室混合的发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括直喷式燃料系统的内燃机。
背景技术：
该部分的内容提供与本发明有关的背景信息，其不必要构成现有技术。发动机组件可包括直喷式发动机燃料系统，其将燃料供应直接提供给发动机的燃烧室。通常，直喷式燃料系统可包括中心定位的燃料喷射器。在喷射期间，燃料喷射器可提供朝向燃烧室壁引导的多个径向燃料喷雾。燃料喷射器和得到燃料流的定向可导致燃料冲击燃烧室壁并因此限制在燃烧室内的混合。
发明内容
发动机组件可包括发动机结构、活塞和直喷式燃料系统。发动机结构可限定气缸孔，活塞可设置在气缸孔内，用于在上止点位置和下止点位置之间往复移位。直喷式燃料系统可包括燃料喷射器，所述燃料喷射器向由活塞和发动机结构限定的燃烧室提供燃料喷雾。燃料流可大致切向于燃烧室的圆周延伸，且可限定在径向跨过燃烧室的方向上延伸的中心线。一种方法可包括提供直喷式燃料喷射器，所述直喷式燃料喷射器与由发动机结构和设置在发动机结构限定的气缸孔中的活塞限定的内燃机燃烧室连通。该方法还可包括将夹带空气的燃料喷雾从燃料喷射器与燃烧室的圆周侧壁大体切向地直接喷射到燃烧室中。 可通过切向燃料喷射产生燃料喷雾和燃烧室内的其余空气的旋转流。本发明涉及下述技术方案。1. 一种发动机组件，包括
发动机结构，所述发动机结构限定气缸孔；
活塞，所述活塞设置在气缸孔内，用于在上止点位置与下止点位置之间往复移位；和直喷式燃料系统，所述直喷式燃料系统包括燃料喷射器，所述燃料喷射器向由活塞和发动机结构限定的燃烧室提供燃料喷雾，燃料喷雾大致切向于燃烧室的圆周延伸并且限定在径向跨过燃烧室的方向上延伸的中心线。2.根据方案1所述的发动机组件，其中，燃料喷雾的中心线在从燃烧室圆周上的圆周起始点至燃烧室圆周上的第一圆周结束点的方向上延伸，所述第一圆周结束点在旋转方向上从圆周起始点旋转地偏移沿着圆周小于或等于135度。3.根据方案2所述的发动机组件，其中，燃料喷雾包括限定围绕中心线延伸的内径向外围和外径向外围的喷雾图案，所述外径向外围在从圆周起始点至燃烧室圆周上的第二圆周结束点的方向上延伸，所述第二圆周结束点在旋转方向上从圆周起始点旋转地偏移沿着圆周小于或等于90度。4.根据方案3所述的发动机组件，其中，燃料喷雾限定小于或等于30度的角度跨度。
5.根据方案1所述的发动机组件，其中，燃料喷射器位于延伸通过燃烧室侧壁的开口中，所述燃烧室侧壁限定燃烧室的圆周。6.根据方案5所述的发动机组件，其中，活塞包括相对于活塞的环形轴向端表面轴向向外延伸的中心圆顶区域，所述环形轴向端表面围绕所述中心圆顶区域。7.根据方案6所述的发动机组件，其中，活塞包括接合活塞的外圆周和燃烧室的圆周的密封环，当活塞处于上止点位置时，所述燃料喷雾从密封环轴向向外地定位。8.根据方案1所述的发动机组件，其中，燃料喷射器定位在延伸通过燃烧室的轴向端的开口中。9.根据方案8所述的发动机组件，其中，活塞限定环形凹槽，所述环形凹槽轴向延伸到活塞的端表面中并且与燃料喷射器径向对齐。10.根据方案1所述的发动机组件，其中，燃料喷射器与在至少120兆帕(MPa)的操作压力下的加压燃料供应流体连通。11. 一种方法，包括
提供直喷式燃料喷射器，所述直喷式燃料喷射器与由发动机结构中的气缸孔和设置在气缸孔中的活塞限定的内燃机燃烧室连通；
将来自于燃料喷射器的燃料喷雾与燃烧室的圆周侧壁大体切向地直接引导到燃烧室中；以及
从所述喷射产生燃烧室内的燃料喷雾和空气充气的旋转流。12.根据方案11所述的方法，其中，所述喷射限定包括用于燃烧事件的喷射开始和喷射终止的燃料喷射时段，所述产生包括燃料喷雾从喷射开始围绕燃烧室行进大约360 度至喷射终止。13.根据方案11所述的方法，其中，所述喷射从相对于燃烧室圆周侧壁的圆周起始点提供燃料至燃烧室，所述产生包括在初始喷射时提供的燃料喷雾在喷射期间围绕燃烧室旋转地行进到开始位置。14.根据方案11所述的方法，其中，所述产生包括燃料喷雾的中心线在从燃烧室圆周上的圆周起始点至燃烧室圆周上的第一圆周结束点的方向上延伸，所述第一圆周结束点在旋转喷雾的旋转方向上从圆周起始点旋转地偏移沿着圆周小于或等于135度。15.根据方案14所述的方法，其中，所述燃料喷雾包括在从圆周起始点至燃烧室圆周上的第二圆周结束点的方向上延伸的外径向外围，第二圆周结束点在旋转方向上从圆周起始点旋转地偏移沿着圆周小于或等于90度。16.根据方案15所述的方法，其中，燃料喷雾限定小于或等于30度的角度跨度。17.根据方案11所述的方法，其中，燃料喷射器位于延伸通过燃烧室侧壁的开口中，所述燃烧室侧壁限定燃烧室的圆周。18.根据方案17所述的方法，其中，活塞包括相对于活塞的环形轴向端表面轴向向外延伸的中心圆顶区域以及密封环，所述环形轴向端表面围绕所述中心圆顶区域，所述密封环接合活塞的外圆周和燃烧室的圆周，所述喷射包括在活塞处于上止点位置时燃料喷雾从密封环轴向向外地定位。19.根据方案11所述的方法，其中，所述燃料喷射器定位在延伸通过燃烧室的轴向端部的开口中，所述活塞限定环形凹槽，所述环形凹槽轴向延伸到活塞的端表面中并且
4与燃料喷射器径向对齐，所述喷射包括将燃料喷雾引导到环形凹槽中。20.根据方案11所述的方法，其中，所述喷射包括在至少120兆帕(MPa)的操作压力下向燃料喷射器提供燃料喷雾。进一步的应用领域从下文提供的说明显而易见。应当理解的是，说明和具体示例仅旨在用于说明的目的且并不旨在限制本发明的范围。
本文所描述的附图仅用于举例说明目的，且决不旨在限制本发明的范围。图1是根据本发明的发动机组件的示意性截面图； 图2是图1的发动机组件的附加示意性截面图3是根据本发明的替代性发动机组件的示意性截面图； 图4是图3的发动机组件的附加示意性截面图； 图5是根据本发明的替代性发动机组件的示意性截面图； 图6是图5的发动机组件的附加示意性截面图； 图7是根据本发明的第一燃料喷射器喷嘴的示意图； 图8是根据本发明的第二燃料喷射器喷嘴的示意图； 图9是根据本发明的第三燃料喷射器喷嘴的示意图；以及图10是根据本发明的替代性喷射配置的图形描述； 图11是包括图10的喷射配置的发动机组件的示意图；以及图12是根据本发明的替代性发动机组件的示意图。贯穿附图的几个视图，相应的附图标记指代相应的部件。
具体实施例方式现将参考附图来更完整地描述本发明的示例。以下说明本质上仅为示例性的且绝不旨在限制本发明、它的应用、或使用。提供示例性实施例，使得本发明将是完整的并且向本领域技术人员充分地传达其范围。各种具体细节被阐述，例如具体部件、装置和方法的示例，以便提供本发明实施例的透彻理解。对于本领域技术人员来说将显而易见的是，不必要采用具体细节，并且示例性实施例可通过许多不同的形式来实施且其应被认为不限制本发明的范围。在一些示例性实施例中，不详细地描述已知的过程、已知的装置结构和已知的技术。当元件或层被称为“在……上”、“接合到”、“连接到”或“联接到”其它元件或层时，所述元件或层可直接在其它元件或层上、连接到或者联接到其它元件或层，或者可存在中间元件或层。相反，当一个元件被称为“直接在……上”、“直接接合到”、“直接连接到”或 “直接联接到”其它元件或层时，将不存在中间元件或层。用于描述元件之间关系的其它词语应当以相同的方式来解释(例如，“在……之间”对比“直接在……之间”、“相邻”对比“直接相邻”等等)。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关列出条目的一个或多个的任何以及所有组合。虽然在本文中可使用术语“第一”、“第二”、“第三”等等来描述各种元件、部件、区域、层和/或区段，但是这些元件、部件、区域、层和/或区段不应当被这种术语限制。这些术语仅可用于将一个元件、部件、区域、层或区段与其它区域、层或区段区分开。本文所使用的术语例如“第一”、“第二”和其它数值术语不暗含序列或顺序，除非在上下文中清楚地指明。因此，下述讨论的第一元件、部件、区域、层或区段可称为第二元件、部件、区域、层或区段而不偏离示例性实施例的教导。参考图1和2，发动机组件10可包括发动机结构12、燃料系统14和活塞16，所述活塞通过连杆20联接到曲轴18。发动机结构12可包括限定气缸孔M的发动机缸体22和限定进气和排气端口 28、30的气缸盖沈。活塞16可设置在气缸孔M中，并且可在上止点 (TDC)位置与下止点(BDC)位置之间往复地移位，以驱动曲轴18的旋转。本发明同样可应用到包括任何数量的活塞/气缸配置、包括相对活塞配置(图12)以及顶置凸轮和缸体内凸轮配置的发动机。本发明还同样地适用于柴油发动机和直喷式汽油发动机。活塞16和发动机结构12协作以限定燃烧室32。活塞16可具有接合其外圆周和发动机结构12的密封环41，以将燃烧室32从发动机曲轴箱隔离。燃烧室32可包括圆形截面，所述圆形截面限定燃烧室32的圆周。燃料系统14可包括燃料泵34，所述燃料泵向燃料喷射器36提供加压油供应。在本非限制性示例中，提供给燃料喷射器36的燃料在高负荷操作期间可以处于至少一百二十兆帕(120 MPa)、更具体地大于二百兆帕(200 MPa)的操作压力下。燃料系统14在发动机的低负荷和部分负荷操作下可操作在降低的压力下。燃料喷射器36与燃烧室32直接连通，从而形成直喷式配置。燃料喷射器36可结合到具有多个燃料喷射器的燃料轨道(未示出)中。燃料喷射器36可延伸通过燃烧室32的侧壁40，并且提供径向延伸到燃烧室32 中的燃料喷雾(F1)。燃料喷雾(Fl)可以是精细雾化的喷雾形式。当活塞16处于TDC位置时，燃料喷雾(Fl)可位于活塞16的密封环41的轴向上方。在本非限制性示例中，燃料喷雾(Fl)可大致切向于燃烧室32的侧壁(圆周)40延伸。更具体地，燃料喷雾(Fl)可限定包括在内径向和外径向外围(Pli, P1。)之间的中心线(Cl)的燃料喷雾图案。中心线(Cl)可在跨过燃烧室32的方向上从圆周起始点42延伸至第一圆周结束点44，中心线(Cl)在第一圆周结束点44处与气缸孔M相交。第一圆周结束点44可以从圆周起始点42周向地间隔 (旋转地偏移)角度(θ 1)，所述角度θ 1小于或等于一百三十五度。外径向外围(Ρ1。)可沿这样的方向延伸，使得在从圆周起始点42周向地间隔(旋转地偏移)角度(θ 2)的第二圆周结束点46处与气缸孔M相交，所述角度θ 2小于或等于九十度。燃料喷雾(Fl)可限定小于或等于三十度的角度跨度(θ 3)。燃料喷雾(Fl)可包括多个股流。所述多个股流可通过燃料喷射器36的喷嘴48产生，所述喷嘴限定通过针形阀51选择性地打开的多个孔50，如图7所示。然而，应当理解的是，燃料喷雾(Fl)可替代性地包括单个股流。所述单个股流可通过燃料喷射器36限定单个开口 M的喷嘴52和菌形阀56产生，如图8所示。替代性地，如图9所示，限定单个开口 60的喷嘴58可结合针形阀62使用，以形成单个环形股流。在任何配置中，加压燃料供应的高操作压力和燃料喷雾(Fl)相对于燃烧室32的定向可产生在燃烧室32内的旋转涡旋喷雾并且提供混合。当燃料喷射推进时，燃烧室内的空气旋转将空气流提供给来自于喷射器的喷雾， 空气流既不包含燃料也不包括来自于该喷射事件的燃烧产物。在本文描述为“空气”的燃烧室内气体可包括来自于先前燃烧循环的再循环排气产物。燃料喷雾(Fl)可在围绕旋转轴线(Al)的旋转方向(Rl)上行进，所述旋转轴线(Al)大体上平行于活塞16的往复运动方向。燃料喷雾(Fl)在燃烧室32内的动量可提供空气充气和燃料在燃烧室32内的混合并且产生燃料喷雾(Fl)和空气充气混合气(燃料-空气充气)的旋转流。更具体地，在相应燃烧事件(对应于做功冲程的缸内燃烧)的喷射事件期间，燃料喷雾(Fl)的动量可足够提供围绕燃烧室32的燃料-空气充气的完全旋转。在喷射事件的开始时(初始喷射)，输送到燃烧室32的燃料可围绕旋转轴线(Al)行进至少三百六十度，从而在喷射事件的结束时(喷射终止)返回至喷射位置。从喷射事件的开始至喷射事件的结束的时间可限定燃料喷射时段。参考图10和11，在例如部分负荷操作的操作模式中，其中在喷射事件期间在燃料喷雾中可存在不足够的动量以将气缸燃料-空气充气旋转三百六十度，燃料的喷射可在多个事件(F1a，FIb, Flc, FId, FIe)中经历延长的时间段来进行，以将燃料更均勻地分配在燃烧室32中。图10图形描述了多次喷射。图10中的χ轴是时间(t)，y轴是喷射器开度， 其中“0”表示关闭，“1”表示开启。通过非限制性示例，燃料喷雾(Fl)可包含线性动量(M)，其与喷射压力水平和喷射持续时间大致成正比。在喷射事件结束时燃烧室燃料-空气充气具有最终旋转速度 (ω )，其通过将喷雾动量(M)乘以其至燃烧室32中心的切向距离(R)的乘积除以燃烧室气体的转动惯量(I)来近似。最终旋转速度(ω )可通过在喷射事件之前存在于燃烧室中的燃料-空气充气的任何初始旋转速度或涡旋(ω。)来进一步增加。在图3和4中描述了替代性发动机组件110。发动机组件110可大体上类似于发动机组件10。因此，为了简明起见，基于发动机组件10的描述同样适用的理解，将不再详细描述发动机组件110，不同之处将在下文描述。发动机组件110中的活塞116可包括从活塞116的环形轴向端表面119延伸的中心圆顶区域117，所述环形轴向端表面119围绕中心圆顶区域117。燃料喷射器136可将燃料喷雾(F2)引导到被径向限定在中心圆顶区域117与发动机结构112之间的环形通道121 中。环形通道121可有助于限定燃料喷雾(F2)的旋转方向(R2)。燃料喷雾(F2)可以是单个股流的形式(例如，图8中的喷嘴52和菌形阀56或者图9中的喷嘴58和针形阀62)。然而如上关于发动机组件10所述，燃料喷雾(F2)可替代性地包括多个股流(例如，图7中的喷嘴48和孔50)。燃料喷雾(F2)的动量和喷雾特性可类似于关于燃料喷雾(Fl)所述的，且因此将不再详细描述。在图5和6中描述了替代性发动机组件210。发动机组件210大体上类似于发动机组件10。因此，为了简明起见，基于发动机组件10的描述同样适用的理解，将不再详细描述发动机组件210，不同之处将在下文描述。发动机组件210可包括修改定向的燃料喷射器 236和修改几何结构的活塞216。更具体地，燃料喷射器236可轴向延伸到燃烧室232中。活塞216可限定在面向燃料喷射器236的轴向端219中的环形(torroidal)槽室217。环形(torroidal)槽室217 可包括环形凹槽221。燃料喷射器236可与环形凹槽221径向对齐并且将将燃料喷雾(F3) 引导到环形凹槽221中。环形凹槽221可有助于限定燃料喷雾(F3)的旋转方向(R3)。燃料喷雾(F3)的动量和喷雾特性可类似于关于燃料喷雾(Fl)所述的，且因此将不再详细描述。此外，由于燃料喷射器236的轴向定向，喷嘴248可限定径向排出路径，以产生在环形凹槽221内的旋转涡旋喷雾图案。 图12描述了包括相对设置的活塞315、316的发动机组件310。发动机组件310可大体上类似于图3和4中所示的发动机组件110。然而，燃料喷射器336在相对设置的活塞 315,316之间轴向对中的位置处可延伸通过燃烧室332的侧壁340。燃料喷射器336可提供燃料喷雾(F4)，所述燃料喷雾(F4)径向进入到燃烧室332中并且切向于燃烧室332的侧壁340。活塞315、316每个均可限定中心圆顶区域317、318以提供用于燃料喷雾(F4)的环形流动路径。
权利要求
1.一种发动机组件，包括发动机结构，所述发动机结构限定气缸孔；活塞，所述活塞设置在气缸孔内，用于在上止点位置与下止点位置之间往复移位；和直喷式燃料系统，所述直喷式燃料系统包括燃料喷射器，所述燃料喷射器向由活塞和发动机结构限定的燃烧室提供燃料喷雾，燃料喷雾大致切向于燃烧室的圆周延伸并且限定在径向跨过燃烧室的方向上延伸的中心线。
2.根据权利要求1所述的发动机组件，其中，燃料喷雾的中心线在从燃烧室圆周上的圆周起始点至燃烧室圆周上的第一圆周结束点的方向上延伸，所述第一圆周结束点在旋转方向上从圆周起始点旋转地偏移沿着圆周小于或等于135度。
3.根据权利要求2所述的发动机组件，其中，燃料喷雾包括限定围绕中心线延伸的内径向外围和外径向外围的喷雾图案，所述外径向外围在从圆周起始点至燃烧室圆周上的第二圆周结束点的方向上延伸，所述第二圆周结束点在旋转方向上从圆周起始点旋转地偏移沿着圆周小于或等于90度。
4.根据权利要求3所述的发动机组件，其中，燃料喷雾限定小于或等于30度的角度跨度。
5.根据权利要求1所述的发动机组件，其中，燃料喷射器位于延伸通过燃烧室侧壁的开口中，所述燃烧室侧壁限定燃烧室的圆周。
6.根据权利要求5所述的发动机组件，其中，活塞包括相对于活塞的环形轴向端表面轴向向外延伸的中心圆顶区域，所述环形轴向端表面围绕所述中心圆顶区域。
7.根据权利要求6所述的发动机组件，其中，活塞包括接合活塞的外圆周和燃烧室的圆周的密封环，当活塞处于上止点位置时，所述燃料喷雾从密封环轴向向外地定位。
8.根据权利要求1所述的发动机组件，其中，燃料喷射器定位在延伸通过燃烧室的轴向端的开口中。
9.根据权利要求8所述的发动机组件，其中，活塞限定环形凹槽，所述环形凹槽轴向延伸到活塞的端表面中并且与燃料喷射器径向对齐。
10.一种方法，包括提供直喷式燃料喷射器，所述直喷式燃料喷射器与由发动机结构中的气缸孔和设置在气缸孔中的活塞限定的内燃机燃烧室连通；将来自于燃料喷射器的燃料喷雾与燃烧室的圆周侧壁大体切向地直接引导到燃烧室中；以及从所述喷射产生燃烧室内的燃料喷雾和空气充气的旋转流。
全文摘要
本发明涉及具有燃料喷射引发燃烧室混合的发动机。发动机组件可包括发动机结构、活塞和直喷式燃料系统。发动机结构可限定气缸孔，活塞可设置在气缸孔内，用于在上止点位置和下止点位置之间往复移位。直喷式燃料系统可包括燃料喷射器，所述燃料喷射器向由活塞和气缸孔限定的燃烧室提供燃料喷雾。燃料流可大致切向于燃烧室的圆周延伸，且可限定在径向跨过燃烧室的方向上延伸的中心线。
文档编号F02B15/00GK102213136SQ20111008190
公开日2011年10月12日 申请日期2011年4月1日 优先权日2010年4月1日
发明者R·D·斯特劳布 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司