椭圆形燃烧室的制作方法

本发明涉及内燃机领域。特别地，本发明涉及这种发动机的燃烧室。

这种类型的发动机总地至少包括气缸、在该气缸中以往复直线运动滑动的活塞、用于氧化剂的进气装置、已燃烧气体排气装置、燃烧室和用于将燃料直接注入燃烧室中的喷射装置。

在设计发动机时，性能、污染物排放和燃烧室机械强度的约束越来越高，而用于满足这些约束的手段可能是不兼容的。

因此，性能增加一般会导致排放的增加且导致更高的机械应力。

为了克服这些应力且为了保证在整个发动机运行范围内的低污染物排放和令人满意的机械强度，通过氧化剂使用燃烧室中存在的全部燃料是非常重要的，氧化剂例如包括环境压力下的空气、增压空气、或空气(增压或未增压)和再循环的已燃烧气体的混合物。实际上，燃烧室中的燃料混合物(氧化剂/燃料)需要尽可能均质化。

此外，为了确保良好的效率和燃烧率，期望的是具有高湍流度，且更具体是在点燃燃料混合物时的高湍动能级。

存在不同的技术用于实施这种湍流，这些技术被称作涡流(纵向运动)、滚流(横向运动)、涡滚流(涡流和滚流)以及挤流(突然运动)。

涡流是燃料混合物围绕与气缸轴线共线的轴线的宏观旋转运动，涡流的特征在于，进气过程期间、且更具体是在活塞上升期间的良好运动保持。这是一种通常用于压燃式内燃机的空气动力学宏观运动，对于压燃式内燃机而言，这是使燃料混合物均质化的良好方式。

滚流也是燃料混合物的宏观旋转运动，但围绕总体上垂直于气缸轴线的轴线。其具有的特定特征在于，当气缸提升时，转化成产生湍流的微观空气动力学运动。这是一种通常用于火花点火式内燃机的空气动力学宏观运动，对于火花点火式内燃机而言，这是获得可接受的燃烧率的良好方式。此外，在扩散以及最大升程高度方面，该运动对于燃烧室几何形状和升程规则相当敏感。

涡滚流是包含涡流和滚流的运动。使用涡滚流允许受益于以上详细描述的两种空气动力学结构的优势并因而受益于出色的均质化和更好的燃烧率，这是由于在进气阶段期间比最好的现有火花点火式发动机所观察到的湍流度更高的湍流度。

挤流是当空气从死区容积快速“排出”时出现的突然的空气动力学运动。

背景技术：

为了实施这些现象，已完成各种燃烧室设计。

例如，专利us-2005/241,612描述了一种直喷式高挤流燃烧室，其点燃通过至少一个火花塞发生。然而，阀(气门)、喷射器和火花塞的布置未被优化以促进涡滚流，从而改善发动机性能(效率和燃烧率)。

根据另一示例，专利ph-2010/000,186描述了一种燃烧室，其通过接近椭圆形的特定形状生成挤流。然而，对于该燃烧室，燃料喷射不是直接的，这不促进涡滚流和发动机性能(效率和燃烧率)。

为了克服这些缺陷，本发明涉及一种内燃机的燃烧室。该燃烧室包括单个进气阀、单个排气阀、燃料喷射器和两个火花塞。根据本发明，燃烧室是大致椭圆形的且燃烧室的部件布置如下：

－各阀位于椭圆的长轴的端部处；

－各火花塞接近椭圆的短轴定位；

－燃料喷射器在进气阀与火花塞之间定位在椭圆的周界上。

与各部件的该布置相关联的燃烧室的该椭圆形设计允许产生空气动力学涡滚流结构并促进燃料混合物的均质化。此外，其允许高燃烧率，同时防止自燃(自动点火)现象。

技术实现要素：

本发明涉及一种内燃机的燃烧室，内燃机包括活塞在其中运动的至少一个气缸，所述燃烧室包括单个进气阀、单个排气阀、单个燃料喷射器和两个火花塞。所述燃烧室基本上具有椭圆形，所述进气阀和所述排气阀布置在所述椭圆的长轴的各端部处，所述火花塞接近所述椭圆的短轴定位且所述燃料喷射器定位在椭圆内部，接近所述进气阀与火花塞之间的椭圆周界。

根据本发明的一种实施例，所述椭圆包括朝向所述进气阀延伸且关于长半轴与所述燃料喷射器基本上对称布置的凹部。

有利地，所述凹部是基本直线形的。

根据一种实施方式，所述进气阀相切于所述椭圆。

根据本发明的一方面，所述排气阀相切于所述椭圆。

根据一种特征，所述进气阀的直径与所述排气阀的直径之比可在1至3之间的范围内，优选地在1.5至2之间的范围内，更优选地在1.65至1.75之间的范围内。

有利地，所述椭圆的长半轴的长度基本上等于所述内燃机的所述气缸的半径。

优选地，所述椭圆的短半轴的长度在所述内燃机的所述气缸的半径的70至90％之间、优选在75至85％之间的范围内。

此外，本发明涉及一种内燃机，包括活塞在其中滑动的至少一个气缸以及根据上述特征中的一个的燃烧室。

根据本发明的一种实施例，所述内燃机包括进气管，该进气管构造成引发空气围绕气缸轴线的旋转运动以及围绕垂直于所述气缸轴线的轴线的旋转运动。

此外，本发明涉及根据以上特征中的一个的内燃机用于米勒循环的用途。

附图说明

通过阅读下文通过非限制性示例并参考附图给出的描述，根据本发明的装置的其他的特征和优点将会变得清晰，在附图中：

－图1示出了根据本发明的实施例的燃烧室；

－图2示出了对于根据本发明的燃烧室的滚流比变化与进气阀升程的关系；

－图3示出了对于根据本发明的燃烧室的涡流比变化与进气阀升程的关系；以及

－图4示出了借助根据本发明的燃烧室形成于气缸中的涡滚流的结构。

具体实施方式

本发明涉及用于内燃机的燃烧室。内燃机包括活塞在其中运动的至少一个气缸。

根据本发明，燃烧室包括：

-单个进气阀，其允许气体混合物在燃烧阶段之前递送至燃烧室；

-单个排气阀，其允许在燃烧阶段之后排放已燃烧气体；

-单个燃料喷射器，其允许燃料直接喷射入燃烧室中；以及

-两个火花塞，其允许在燃烧室中点燃气体/燃料混合物。

气体混合物可包括增压或未增压空气、或者增压或未增压空气与再循环的已燃烧气体的混合物。

特别地，燃料可为汽油或柴油燃料。

使用仅两个阀(一个用于进气且另一个用于排气)涉及若干设计优势。实际上，这种发动机价格更低(具有受限的零件数)、更轻且更紧凑。此外，该设计为火花塞和喷射器提供更多空间。

使用单个进气阀便于涡滚流的产生。实际上，更困难的是借助两个分配进气管产生涡滚流。

根据本发明，燃烧室基本上具有椭圆形状。该形状促进显著的挤流。实际上，该椭圆形的表面积与气缸截面的表面积之比特别小，这对应于大量的挤流。

为了促进滚流和挤流，燃烧室的各部件以特定方式布置：

-进气阀(进气门)和排气阀(排气门)布置在椭圆的长轴的各端部(两端)处，因而各阀彼此相对定位且间隔开；

-火花塞接近椭圆的短轴布置，因而火花塞定位在进气阀与排气阀之间；以及

-燃料喷射器在进气阀与火花塞之间布置在椭圆的周界上，由于涡滚流运动，该定位促进气体与燃料的混合。

与各部件的该布置相关联的燃烧室的该椭圆形设计允许产生空气动力学涡滚流结构并促进燃料混合物的均质化。此外，其允许高燃烧率，同时防止自燃(自动点火)现象。实际上，要指出的是，涡滚流由于进气阶段期间比最佳现有火花点火式发动机所观察到的那些更好的湍流度而允许受益于出色的均质化和更好的燃烧率。

根据本发明的实施例，椭圆形可包括朝向进气阀延伸的凹部。该凹部关于长轴与燃料喷射器基本上对称地布置。换言之，凹部在进气阀的与燃料喷射器所定位的那侧相对的一侧上。因而，凹部定位在火花塞与进气阀之间。凹部要理解为对椭圆的外形的改变，该改变朝向椭圆的内部进行。凹部允许强化涡流类型湍流。实际上，凹部的目的在于促进涡滚流运动中涡流部分的形成。该凹部在腔室中产生了管的延伸，从而提供了空气动力学结构形成的延续。

有利地，该凹部可具有大致直线形状。例如，直线形凹部可由范围在2至10mm之间、优选在4至6mm之间的圆角半径获得。

根据本发明的一种实施例，进气阀可与椭圆相切。因而，燃烧室的充填被优化。

根据本发明的一种特征，排气阀可与椭圆相切。因而，燃烧室的排空被优化。

根据本发明的一种实施例，进气阀直径与排气阀直径之比可在1至3之间的范围内，优选地在1.5至2之间的范围内，更优选地在1.65至1.75之间的范围内。这种比例提供了发动机性能(与所吸入的空气量有关)与充足的发动机排放容量(draincapacity)之间的折衷。

根据本发明的一种实施例，椭圆的长半轴的长度可基本上等于内燃机气缸半径。因而，椭圆的较大尺寸基本上对应于气缸的直径，这允许燃烧室的容积被优化。

根据本发明的一种实施例，椭圆的短半轴的长度可在内燃机气缸半径的70至90％之间、优选在75至85％之间的范围内。

根据本发明的一种构造，火花塞不定位在椭圆的周界上。火花塞的这种布置提供了火焰前锋的最佳传播，以便防止(产生)发动机爆震和未燃烧气体。

此外，燃烧室可设计成经受6:1至22:1之间的压缩比，优选地经受10:1至20:1之间的压缩比，更优选地经受14:1至18:1之间的压缩比。

图1通过非限制性示例示意性地示出了根据本发明的实施例的燃烧室1。燃烧室1基本上具有椭圆6的形状。椭圆6由其长轴8和短轴9限定。燃烧室1包括位于长半轴8的一端处的单个进气阀2。进气阀2相切于椭圆6。燃烧室1包括位于长半轴8的一端处的单个排气阀3。该端部与进气阀2所在端部是相对的。排气阀3相切于椭圆6。燃烧室1还包括两个火花塞4。火花塞4基本上布置在短轴9上(接近短轴9)。此外，燃烧室1包括单个燃料喷射器5。燃料喷射器5定位在椭圆6的周界上。此外，燃料喷射器5定位在进气阀2与火花塞4之间。在与喷射器5相对的侧上，椭圆6包括直线状凹部7。直线状凹部7定位在火花塞4与进气阀2之间。直线状凹部7朝向进气阀2延伸。

除了促进挤流之外，如所示的椭圆形6还促进起始于进气管中涡流运动的进展(发展)。该腔室在某种程度上是进气管的延伸。

本发明还涉及一种内燃机，该内燃机包括：

-活塞在其中运动的至少一个气缸；

-与气缸关联的燃烧室，该燃烧室根据任何一种上述变型或根据上述变型的任何一种组合获得。

根据本发明的一方面，内燃机包括一个至八个之间的气缸。例如，内燃机可包括两个、三个或四个气缸。

根据本发明的一种特征，内燃机可包括已燃烧气体再循环回路(egr)。

根据本发明的一种实施例，内燃机可包括连接至燃烧室的空气进气管，进气阀定位在其中，其构造成引发涡滚运动、即空气围绕气缸轴线的旋转运动(滚流)以及围绕垂直于气缸轴线的轴线的旋转运动(涡流)。

本发明涉及一种燃烧室，该燃烧室特别地设计成获得比当前火花点火式发动机更高的燃烧率并因而提供更好的燃烧效率。

特别地，根据本发明的所述燃烧室特别在宽运行范围上适用于所谓米勒循环。该循环的特征在于，进气阀在活塞的下死点之前关闭。这允许增加的做功回收，此外还允许冷却所吸入的进料。

这种内燃机可例如用于运输、道路运输或航空运输领域，或用于固定设备领域，比如发电机组。

应用示例

根据本发明的燃烧室的特征和优势将通过阅读以下应用示例变得清楚。

通过现有火花点火式发动机对本发明进行评估和比较。图2和3分别示出了对于根据本发明的燃烧室的滚流比和涡流系数的变化。

图2示出了滚流系数ct的变化与进气阀以mm为单位的升程l的关系。图2还示出了通过进气阀的气体以kg/h(公斤/小时)为单位的流速d。可见到，在进气阀提升时，滚流系数增加并保持较高。

图3示出了涡流系数cs的变化与进气阀以mm为单位的升程l的关系。图3还示出了通过进气阀的气体以kg/h(公斤/小时)为单位的流速d。可见到，在进气阀提升时，涡流系数(绝对值)保持较高。因此，根据本发明的燃烧室允许涡滚流运动。

图4通过非限制性示例示意性地示出了对于设置有根据本发明的燃烧室的发动机的进气管10和气缸11内的空气动力学涡滚流结构的图示。图4示出了这些元件中的各种气流13。

还观察到，燃烧持续时间与分布定律扩散和校准无关，这在现有火花点火式发动机中未发现。这允许内燃机的整体效率被有利地影响。

因而，根据本发明的燃烧室允许气缸中的高涡滚流，从而优化燃烧效率并因此优化内燃机。