预燃室的制作方法

本发明涉及一种用于内燃发动机的气缸的预燃室，涉及一种气缸装置以及一种用于将燃气-空气混合物从预燃室供给到内燃发动机的燃烧室的方法。

背景技术：

大缸径、稀薄运行的燃气发动机通常包括预燃室组件，以便确保发动机中的点火过程。预燃室包括预燃室容积，该预燃室容积经由小的孔口与气缸的主燃烧室流体连通。

预燃室尤其在需要强力点火源的所谓的稀薄燃烧发动机中使用。在这种情况下，预燃室用于提供用于点燃主燃烧室中的稀薄燃气混合物的高能量。在预燃室中，来自主燃烧室的基本稀薄的空气-燃气混合物可以或者通过喷射合适的燃料而点燃，该燃料在过量空气中反应并在超过一定压力和温度条件下自燃，或者借助于电热塞或火花塞与局部化学计量的空气-燃气混合物结合而点燃，该局部化学计量的空气-燃气混合物可以通过在预燃室中直接添加适量的燃气而获得。预燃室的形状取决于实际的点火方法。具有或不具有电热塞的引燃燃料点火可以提供比传统的火花预燃室点火系统更高的点火能量。这些要求通常是快速的且可重复地混合被引入到预燃室中的基本空气-燃气燃料混合物和要喷射的引燃燃料。尽管已知有许多预燃室布置，但它们不能同时满足上述要求。

气体燃料和空气的混合物的点燃产生了被引入主燃烧室中的燃烧燃料的前部。预燃室组件经受高温，尤其是在采用涡轮增压器且发动机以高功率密度水平运行的情况下。特别地，一些最高温度发生在内燃发动机的运行期间。因此，预燃室的使用寿命是内燃发动机的寿命的关键因素。

例如如在de1020140116911中所公开的，预燃室可以至少部分地布置在气缸盖中的开口中，其中提供了基本上包围预燃室系统的冷却腔，使得冷却流体可以与预燃室的外表面接触。另外，预燃室可以具有孔，这些孔与冷却腔流体接触，例如如在us201767356中所公开的。

然而，当要移除或更换预燃室时，首先必须移除冷却流体，并且必须确保冷却腔相对于气缸容积是封闭的。必须施加密封件，这使得预燃室的组装变得复杂。

us5,293,851公开了一种用于包括预燃室的燃气发动机的燃烧系统。预燃室通过简单的管道连接到主燃烧室。该管道不是流动优化的，并且包括到预燃室的尖锐边缘，这导致短的寿命周期和供给到气缸中的燃气-空气混合物的不良分布，尤其是在大型发动机的情况下，例如船用发动机。

在ep2975237中公开了流动优化的预燃室，该预燃室被设计成具有软边缘。

在de19703309中公开了由两个部件制造的预燃室。预燃室对称地构造，使得穿过管道的任何流动将导致涡流，而不只是导致限定的翻滚流动运动。

wo2009/109694公开了一种奥托循环的预燃室装置，该预燃室装置包括若干开口，用于将点燃的燃气-空气混合物对称地分布在气缸燃烧室中。由于高温破坏了开口之间的小的金属桥，这种预燃室易于频繁更换包括开口的部分。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是避免现有技术的缺点，并创造一种预燃室和一种气缸装置，其中，预燃室可以相对于气缸装置最佳地布置，并且其中，提供了最佳的寿命。

该目的通过用于点燃燃气-空气混合物的用于内燃发动机的气缸的预燃室来实现，该预燃室包括用于点燃燃气-空气混合物的点火室和用于将点火室与气缸的主燃烧室连接的管道。优选地，存在正好一个管道。

该预燃室包括具有集成的、并且优选自给自足的冷却组件的壳体。

“自给自足”是指冷却独立于气缸。因此，如果将预燃室从气缸移除或者没有完全组装到气缸，冷却仍然是可能的。例如，可以在冷却组件和冷却流体源以及冷却流体空腔之间直接建立流体连接，而在冷却流体和气缸的部分之间没有任何接触。优选地，冷却组件相对于气缸是封闭的。

在优选实施方式中，壳体包括至少一个冷却通道。优选地，通道的直径是局部壁厚的0.2至0.8倍。

水或油可以用作冷却流体。

多个冷却通道可布置在壳体中。冷却通道适于冷却流体的通过，尤其是冷却液体，例如水。

至少一个冷却通道具有用于与冷却流体源流体连接的入口和用于与冷却流体槽流体连接的出口。冷却流体源和冷却流体槽可由相同的冷却流体贮存器建立。优选地，预燃室包括正好一个冷却流体入口和正好一个冷却流体出口。

预燃室的包括管道的部分通常被称为预燃室的下部分。当预燃室组装好时，预燃室的下部分定位在气缸的盖中或衬套中。指向远离下部分的部分被称为预燃室的上部分。通常，上部分的至少一部分从气缸盖或衬套突出。优选地，冷却流体入口和冷却流体出口布置在预燃室的上部分中，该上部分指向远离预燃室的布置有管道的部分。

优选地，冷却流体入口和冷却流体出口布置在两部分式预燃室的上部分中。

该至少一个冷却通道可以仅布置在两部分式预燃室的上部分中。优选地，冷却通道布置在两部分式预燃室的上部分和下部分中。

因此，冷却流体可以直接供应到预燃室而不流动穿过气缸的任何部分或沿着气缸的任何部分流动。

该预燃室，特别是至少该预燃室的下部分，可以通过3d打印工艺或粉末冶金工艺形成。该预燃室可以由镍基材料制成，例如kfs99或nicr50。

在有利的实施例中，预燃室的壳体包括内壳体和用于保持冷却流体靠近内壳体的外壳。

外壳优选地由金属板制成。外壳可由耐腐蚀合金、co-cr合金或ni-cr合金制成，例如nimonic80a或nicr50。所用的材料可以是ep227572b1中公开的合金。

冷却通道可以位于内壳体和外壳之间。例如，管可以布置在内壳体和外壳之间的空间中。或者，壳体和外壳之间的空间可以被冷却剂穿过。

本发明的目的还通过一种气缸装置来实现，该气缸装置包括燃烧气缸和如上所述的预燃室。

优选地，该气缸装置可以用于大型船用发动机。根据本发明的大型船用发动机是一种内燃发动机，该内燃发动机的气缸具有至少为100mm的内径，优选为200mm。

发动机优选地是二冲程十字头发动机。发动机可以是柴油发动机或双燃料发动机。

本发明的目的还通过一种气缸装置来实现，该气缸装置优选地如上所述，优选地用于大型船用发动机，该气缸装置包括燃烧气缸和用于点燃燃气-空气混合物的预燃室。

根据本发明，在预燃室(优选地为预燃室的下部分)和燃烧气缸(优选地为燃烧气缸的盖和/或衬套)之间存在连接，该连接允许预燃室和燃烧气缸之间的直接热量传递。

因此，热量可以从预燃室的壳体和/或外壳直接传递到气缸的盖和/或衬套。

另外，热量可以通过集成的冷却系统被引导离开预燃室。

气缸可包括冷却系统，例如布置在衬套和/或盖中的冷却通道，该冷却通道促进热量的去除。

优选地，在预燃室和燃烧气缸之间存在压配合连接。

优选地，在预燃室和燃烧气缸之间的接触面主要形成为圆形气缸，其中半径和长度之间的比率为0.5至2，特别地是1。

因此，接触面具有足够大的区域以提供适当的热量传递。

至少预燃室的下部分和气缸的衬套和/或盖包括金属或由金属制成。因此，热量可以被传递到接触区域以及离开接触区域，尤其是如果存在热量梯度。例如在气缸的冷却系统中，可以通过冷却剂提供促进从预燃室到气缸的热量传递的热量梯度。

在气缸装置的有利实施方式中，预燃室包括用于点燃燃气-空气混合物的具有点火室纵向轴线的点火室和用于将点火室与气缸的主燃烧室连接的管道。

优选地，管道布置在两部分式预燃室的下部分中。

优选地，预燃室的上部分的壳体的至少一部分具有圆柱形形状。通常，点火室纵向轴线平行于相应圆柱体的轴线。

该管道包括第一管道部分，该第一管道部分具有通向点火室的管道的入口开口。第一管道部分具有第一纵向轴线。

点火室纵向轴线具有相对于第一纵向轴线的倾斜度。

入口开口偏心地布置，使得在点火室中可形成翻滚流动运动。优选地，在入口开口处的边缘被设计为软边缘。

在本申请的上下文中，术语“软边缘”是指两个表面(例如入口开口的表面和点火室的表面)彼此汇合，而没有这样的边缘：在该边缘处表面不能被连续地区分。

该管道包括优选地正好一个出口开口，该出口开口被布置成使得可形成燃气-空气混合物束。

该管道包括第二管道部分，该第二管道部分包括第二纵向轴线，该第二纵向轴线相对于第一纵向轴线和点火室纵向轴线倾斜。

这种布置导致燃气和空气的优化分布，并因此导致预燃室中的和气缸的主燃烧室中的优化点火。此外，延长了预燃室的寿命。

根据另一方面，本发明的目的通过一种气缸装置来实现，该气缸装置优选地如上所述，优选地用于大型船用发动机，该气缸装置包括燃烧气缸和用于点燃燃气-空气混合物的正好一个预燃室。

预燃室包括用于点燃燃气-空气混合物且具有点火室纵向轴线的点火室和用于将点火室与燃烧气缸的主燃烧室连接的管道。

该管道包括第一管道部分，该第一管道部分具有通向点火室的管道的入口开口。

第一管道部分具有第一纵向轴线。该点火室纵向轴线具有相对于该第一纵向轴线倾斜度。

入口开口偏心地布置，使得在点火室中可形成翻滚流动运动。

在入口开口处的边缘被设计成软边缘。

该管道包括正好一个出口开口，该出口开口被布置成使得可形成燃气-空气混合物束。

该管道包括第二管道部分，该第二管道部分包括第二纵向轴线，该第二纵向轴线相对于第一纵向轴线和点火室纵向轴线倾斜。

在优选实施方式中，预燃室相对于燃烧气缸的主轴线偏心地布置，优选地靠近气缸衬套的内径，优选地靠近气缸盖中的气缸衬套的内径。

根据本发明，靠近气缸衬套的内径指的是，预燃室布置成比靠近气缸装置的气缸轴线更靠近气缸衬套的内径。

这种布置导致燃气-空气混合物相对于燃烧室的主轴线不对称流动到主燃烧室中。

优选地，管道的出口开口提供主流出方向，该主流出方向不指向气缸的主轴线。

内燃发动机通常包括布置在气缸中的至少一个活塞。活塞由连接到曲轴的活塞杆驱动。曲轴的旋转程度用于指示活塞在气缸内的位置。活塞和气缸限定可变主燃烧室和可变第二室。通常，活塞在气缸内向上和向下移动，从而将气缸分成上部空间和下部空间。所述上部空间限定燃烧室，以及所述下部空间限定第二室。所述室的尺寸取决于活塞的实际位置。

第二室是能够流体连接并且特别地经由至少一个入口开口连接到涡轮增压器的压缩机侧，以将压缩空气流引入到第二室中。此外，主燃烧室能够连接并且特别地经由气缸排气开口连接到涡轮增压器的涡轮机侧。当活塞处于其下止点(bdc)时，主燃烧室也能够连接并且特别地经由位于气缸的下端处的入口开口连接到涡轮增压器的所述压缩机侧。

从预燃室流动到燃烧室中的燃气-空气混合物与燃烧室中的燃气-空气混合物结合。切向流入促进或产生燃烧室中的循环流动。这种设计使得点燃的燃气-空气混合物能够优化地分布到主燃烧室中。

优选地，该预燃室是具有上述冷却系统的预燃室。

第二管道部分可以具有圆柱形部分或者可以朝向出口开口逐渐变细。第二管道部分的内部开口区域也可以朝向出口开口变窄，使得第二管道部分形成使流出的燃气-空气混合物加速的喷嘴。燃气-空气混合物被进一步引入到主燃烧室中。

点火室的容积与出口开口的横截面的比率可以在200mm和1000mm之间。

这种容积的比率导致进入到气缸装置的燃烧室中的燃气-空气混合物的优化流动和流动速度。

点火室的容积对应于预燃室的除了管道的容积之外的容积。

第一纵向轴线可相对于点火室纵向轴线以基本上0.1°至80°的角度布置，相对于点火室纵向轴线优选地为10°至45°并且最优选地为16°至30°。

第二纵向轴线可相对于点火室纵向轴线以基本上0.2°至90°的角度布置，相对于点火室纵向轴线优选地为20°至80°并且最优选地为45°至66°。

第二管道部分可相对于气缸的主轴线以基本上0.1°至90°的角度布置，优选地为40°至85°，更优选地为70°至80°。

这种管道导致燃烧室内的燃气-空气混合物的最佳不对称分布。

在有利的实施方式中，管道包括弯曲部分。优选地，弯曲部分包括在以下范围内的曲率半径：点火室的垂直于点火室纵向轴线的最大横截面的一半到点火室的垂直于点火室纵向轴线的最大横截面的两倍。

这种管道是流动优化的，并导致最佳的流动速度。

优选地，至少预燃室下部分通过铸造、精密铸造，通过3d打印工艺或粉末冶金工艺来制造。

在优选实施方式中，预燃室包括用于点燃燃气-空气混合物的点火装置，优选地为火花塞，该点火装置延伸到点火室中。

点火装置导致在预燃室中点燃燃气-空气混合物，从而导致具有增加的燃烧稳定性的有效燃烧。

预燃室可以包括燃料供给装置，借助于该燃料供给装置燃料可供给到预燃室中。在使用自点火的情况下，燃料供给装置是点火装置的替代。

预燃室的上部分的壳体可包括用于插入点火装置或燃料供给装置的开口。开口可包括圆柱形部分，其中相应圆柱体轴线平行于点火室纵向轴线。

预燃室可包括顶部分和下部分，该下部分相对于点火室纵向轴线不对称地设计。优选地，顶部分和下部分独立地制造为预燃室的单独的部分，并且被组装以形成预燃室。

预燃室可以布置在气缸盖中和/或气缸衬套中。

优选地，预燃室接触气缸盖和/或气缸衬套。

在气缸装置的有利的实施方式中，预燃室的容积与燃烧气缸的压缩容积的比率在0.2％至1％之间，优选地为0.25至0.8％。

压缩容积是当活塞处于其上止点(tdc)时燃烧室的最小容积。

因此，即使当气缸装置仅包括一个预燃室时，预燃室也可以具有这样小的容积，因为燃气-空气混合物的流入提供了燃烧室内燃气流的有效结合。

在优选实施方式中，燃烧气缸具有布置在气缸盖中的中心出口阀。由于中心出口阀位于气缸盖中的中心位置，因此预燃室的出口必须相对于主气缸轴线不对称地布置。

优选地，预燃室的出口和中心出口阀之间的距离在出口阀和衬套之间的距离的0％至105％之间。

预燃室的出口可以布置在气缸盖中靠近中心出口阀。

预燃室的出口可布置在气缸衬套中，使得预燃室的出口将燃气-空气混合物排放到与燃烧室流体连接的衬套中的开口中。因此，预燃室的出口与中心出口阀之间的距离大于气缸衬套与出口阀之间的距离。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于将燃气-空气混合物从优选地如上所述的预燃室供给到内燃发动机的优选地如上所述气缸装置中的燃烧室的方法。

燃气-空气混合物被引导穿过预燃室的管道的出口进入到燃烧室中。燃气-空气混合物以循环流动的方式围绕燃烧气缸的主轴线流动，并且与从涡轮增压器引入到燃烧室中的空气结合。

附图说明

下面，借助于附图在实施方式中进一步解释本发明：

图1：示出了预燃室的第一实施例的示意性剖视图；

图2：示出了预燃室的第二实施例的示意性剖视图；

图3：示出了预燃室的第三实施例的示意性剖视图

图4：示出了包括预燃室的气缸装置的第一实施例的示意性剖视图；

图5：示出了包括预燃室的气缸装置的第二实施例的示意性剖视图；

图6：示出了包括预燃室的气缸装置的第三实施例的示意图；

图7：示出了图5的第二实施例的细节。

具体实施方式

图1示出了预燃室9的第一实施例的示意性剖视图。预燃室9包括用于点燃燃气-空气混合物的点火室12和用于将点火室12与气缸20(见图4和图5)的主燃烧室21(见图4和图5)连接的管道4。

管道4包括正好一个出口开口7。

预燃室9包括壳体11，该壳体11具有集成的、并且优选自给自足的冷却组件28。在这种情况下，预燃室9包括冷却通道22，该冷却通道22终止于预燃室9的上部分2中。

管道4包括第一管道部分13，该第一管道部分13具有管道4的入口开口6，通向点火室12。

第一管道部分13具有第一纵向轴线5。点火室纵向轴线3具有相对于第一纵向轴线5的倾斜度。第一纵向轴线5可以相对于点火室纵向轴线3以16°至30°的角度α布置。

入口开口6偏心地布置，使得在点火室12中可形成翻滚流动运动。

管道4包括具有第二纵向轴线14的第二管道部分19，该第二纵向轴线14相对于第一纵向轴线5和点火室纵向轴线3倾斜。第二纵向轴线14可以相对于点火室纵向轴线3以45°至66°的角度β布置。

管道4还包括弯曲部分29，该弯曲部分29连接第一管道部分13和第二管道部分19。

在入口开口6处的边缘8被设计成软边缘。

预燃室9包括点火装置15，在这种情况下为火花塞16，用于点燃燃气-空气混合物，该点火装置延伸到点火室12中。

图2示出了预燃室9的第二实施例的示意性剖视图。

预燃室9布置在气缸盖17中。

预燃室9的壳体11包括冷却通道22。冷却通道22具有冷却通道入口31，该冷却通道入口31可连接到冷却流体源(图中未示出)。冷却通道入口31以及冷却通道出口32(见图7)布置在预燃室9的上部分2中，使得冷却组件是自给自足的，并且可以独立于气缸盖17使用。

图3示出了预燃室9的第三实施例的示意性剖视图。壳体11包括内壳体23和外壳24，外壳24可以由金属板制成，用于保持冷却流体靠近内壳体23。在这种情况下，冷却通道22布置在内部壳体23和外壳24之间。冷却通道22包括冷却通道入口31和冷却通道出口32，该冷却通道入口31和冷却通道出口32布置在预燃室9的上部分2中。

图4示出了气缸装置30的第一实施例的示意性剖视图，该气缸装置30包括布置在气缸盖17中的正好一个预燃室9。

预燃室9包括正好一个管道出口开口7，该管道出口开口7被布置成使得在燃烧室21中可形成燃气-空气混合物束。管道出口开口7布置成使得燃气-空气混合物的流出气流不是指向气缸20的主轴线25。

图5示出了包括如图2中所公开的预燃室9的气缸装置30的第二实施例的示意性剖视图。

气缸装置30的燃烧气缸20具有布置在气缸盖17中的中心出口阀26。

预燃室9的出口7布置在气缸盖17中。

在附图中未详细公开的另外的预燃室9可以布置在气缸盖17中，每个预燃室9都具有正好一个出口7。

具有第二纵向轴线14的预燃室9的第二管道部分19可以相对于气缸20的主轴线25以70°至80°的角度γ布置，使得燃气-空气混合物被供给到气缸20内的燃气-空气气流的漩涡中。

图6示出了包括预燃室9的气缸装置30的第三实施例的示意性剖视图。

气缸装置30的燃烧气缸20具有中心出口阀26和布置在气缸盖17中的入口开口35。

预燃室9的出口7和中心出口阀26之间的距离27小于出口阀26和衬套18之间的距离33。

预燃室9也可以布置在气缸的衬套18内(图中未示出)。在这种情况下，预燃室9的出口7和中心出口阀26之间的距离27可以大于出口阀26和衬套18之间的距离33。

图7示出了图5所示的气缸装置30的第二实施例的细节。

在预燃室9的下部分1和燃烧气缸20之间存在允许直接热量传递的连接，在这种情况下为压配合连接。

预燃室9与燃烧气缸20之间的接触面34主要形成为圆筒，其中直径d与长度l之间的比率在1到4的范围内。优选地，如在这种情况下，该比率为1.5。