对置活塞式发动机中具有涡流喷雾模式的燃料喷射的制作方法
【专利说明】对置活塞式发动机中具有涡流喷雾模式的燃料喷射
[0001]相关申请
[0002]本申请包含的主题涉及于2011年8月15日提交的针对“用于对置活塞式发动机的燃料喷射喷雾模式”，并且在2012年3月29日公开为US 2012/0073541 Al的美国专利申请13/136954的主题。
[0003]本申请包含的主题涉及于2011年4月18日提交的针对“用于对置活塞式发动机的燃烧室结构”，并且在2011年11月10日公开为US 2011/0271932 Al的美国专利申请13/066589 的主题。
技术领域
[0004]该领域为对置活塞式发动机中的燃料喷射，其中，在相对布置在带有接口的汽缸的镗孔中的活塞端面之间限定燃烧室。更具体地，该领域包括通过汽缸的侧面将燃料直接喷入对置活塞式发动机的燃烧室中。
【背景技术】
[0005]在柴油发动机中，燃料喷射为燃烧的重要组成部分，并且为影响柴油发动机操作效率的过程之一。期望控制燃料喷射以便使燃烧产生的热量最大化，同时使传递到诸如汽缸镗孔和活塞表面的发动机部件的燃烧热量最小化。对置活塞式发动机通常利用两个燃料喷射器，这两个燃料喷射器在沿着汽缸直径的相对方向上喷射燃料。例如，参见在共同拥有的美国公开2012/0073541A1中描述并且说明的燃料喷射结构。
[0006]柴油喷射器通常包括具有多个孔的喷嘴，燃料通过所述孔被喷射。这些孔相对于喷射器的轴线径向排列。通过多个孔的喷射产生从喷射器轴线径向向外喷射的一股或多股羽流构成的喷雾模式。通常，羽流由在与喷射器轴线共享的相应平面中形成角(“喷雾角”)的向量表示。较宽的喷雾角导致羽流在距离喷射器轴线较高的角度处喷射。由于每股单独羽流的燃料均在空气存在的情况下独立于其他羽流燃烧，所以这是期望的。单独羽流的相互作用更小，并且因此，燃烧时间更快。然而，在对置活塞式发动机中，更宽的喷雾角也推动羽流，并且因此，火焰更接近汽缸镗孔和活塞表面，从而导致靠近那些表面的燃烧。这能够导致过多的热量传递到汽缸衬套和活塞壁。此类热传递导致能量损失；并且更高的热量传递损失意味着发动机的指示热效率更低。通过引导羽流远离汽缸镗孔表面能够减少热传递。
[0007]为了减少穿过活塞和壁的热传递，多个孔的喷雾角被减小。然而，这导致相对喷雾羽流的相互作用，其相互作用使燃料蒸汽、混入空气和一些热燃烧产物集中在燃烧室的中心区域周围。这抑制了空气/燃料混合，从而导致燃烧时间增加。
[0008]为了在对置活塞操作中既实现更快燃烧又减少向汽缸镗孔和活塞表面的热传递，所期望的是燃料喷射喷雾模式使喷雾(均来自相同的喷射器和对置喷射器)的相互作用最小化，使向活塞和汽缸镗孔表面的热传递最小化，并且促进燃料/空气更快混合。
【发明内容】
[0009]燃料喷射喷雾模式向直接被喷入对置活塞式发动机的燃烧室中的喷雾模式的燃料添加了涡流分量，在燃料喷射喷雾模式中，单独的喷雾羽流相对于喷射轴线具有径向分量和切向分量两者。与仅具有径向分量的喷雾模式相比，具有祸流分量的喷雾模式使喷射出的燃料喷雾的相互作用最小化，以便提供更快的燃烧时间。同时，切向分量的添加为喷雾羽流提供了附加距离，以使其在未接触活塞表面、汽缸镗孔和/或相对喷雾羽流的情况下行进，这减少了穿过活塞和汽缸壁的热传递同时促使空气/燃料更快混合。
[0010]在某些方面，涡流喷雾模式通过汽缸侧壁被直接喷入燃烧室中。在某些方面，涡流喷雾模式具有与燃烧室的纵向轴线对齐的喷射轴线；在这些方面的一些中，喷射轴线横于汽缸的纵向轴线。
[0011]在另一些方面，直接侧向喷射包括，在汽缸镗孔的相对径向方向上到对置活塞式汽缸的燃烧室中的涡流喷雾模式喷射，其中增压空气具有复杂的湍流运动。优选地，空气运动包括祸流分量和滚流(tumble)分量。
[0012]在下文中，产生涡流喷雾模式的具有带多孔结构的喷嘴的燃料喷射器被称为多孔涡流喷射器(MHSI)。尽管常规多孔喷射器喷嘴结构经设计使得平面能够穿过表示单独羽流的向量和喷射器轴线，但MHSI产生了具有一股或多股喷雾羽流特征的涡流喷雾模式，其中喷雾羽流的向量不位于包含喷射器轴线的平面中。
【附图说明】
[0013]图1A和图1B为图示说明相对于8孔喷射器的喷射器轴线对燃料喷雾模式添加涡流分量的效果的示意图。
[0014]图2A为图示说明具有多孔涡流喷射模式的18孔喷射器的多个3孔组的示意图；图2B为示出3孔组的涡流喷雾模式的放大示意图。
[0015]图3A和图3B图示说明对置活塞式发动机的汽缸，其中燃料喷射器经放置用于将燃料直接侧面喷入当汽缸中的对置活塞靠近上止点位置时所形成的燃烧室。
[0016]图4为图3所示的燃料喷射器中的一个喷射器的剖视图。
[0017]图5为图4的多孔燃料喷射器的一部分喷嘴部分的放大透视图。
[0018]图6为图4的多孔燃料喷射器的喷嘴部分的放大侧面剖视图。
[0019]图7为图4的多孔燃料喷射器的喷嘴部分的放大平面剖视图。
[0020]图8为图4的多孔燃料喷射器的喷嘴部分的放大透视图，其不出了由图5、图6和图7的喷嘴部分的多孔涡流喷射结构产生的喷雾模式。
[0021]图9为沿着包含用于多孔燃料喷射器的喷嘴的竖直中心线的中心平面所取的示意性剖视图，其示出具有单个角的径向孔模式。
[0022]图10为用于多孔涡流喷射器的喷嘴结构的示意性剖视图，其在限定主孔角的中心平面上所取。
[0023]图11为在限定次级孔角的主角平面上所取的图10的喷嘴结构的示意性剖视图。
[0024]图12为示出由多孔涡流喷射器产生的涡流喷雾模式的喷雾区域的代表性示意图。
[0025]图13、图14、图15、图16和图17为在中心平面上所取的用于多孔涡流喷射器的喷嘴结构的示意性剖视图，其图示说明由主角和次级角的各种组合产生的结构效果。
【具体实施方式】
[0026]在以下说明中，“燃料”为能够在对置活塞式发动机中使用的任何燃料。该燃料可以为相对均质的合成物或混合物。例如，燃料可以为柴油燃料或由压缩点火可点燃的任何其他燃料。进一步地，该说明考虑了由空气/燃料混合物的压缩产生的点火；然而，可期望提供诸如电热塞的附加机构以辅助压缩点火。该说明考虑了当对置活塞处于或靠近TDC位置时，将燃料喷入燃烧室中的压缩空气中。气体优选地为加压的环境空气；然而，其可以包括诸如排气气体或其他稀释气体的其他组分。在任何此类情况下，气体均被称为“增压空气”。
[0027]图1A和图1B示意性地图示说明相对于8孔喷射器的喷射器轴线在喷射的喷雾模式的单独羽流中的涡流分量的效果。图1A表示常规燃料喷射器的8孔喷嘴的端视图，并且图1B表示MHSI的8孔喷嘴的端视图。在每个图中，黑色箭头均为喷雾羽流向量，并且中心十字为喷射器轴线。按照图1A，在常规8孔燃料喷射器喷嘴中，喷雾羽流向量远离喷射器轴线径向定向并且无切向分量。结果是喷雾模式具有轴对称圆锥形状。按照图1B，除径向分量外，8孔MHSI的每个羽流向量均具有切向分量；即，每个羽流向量均相对于喷射轴线具有径向分量和偏斜分量，其中喷射轴线与喷射器轴线共线。作为偏斜分量的结果，产生具有周向速度的轴对称喷雾模式，并且其效果引起喷雾模式相对于喷射轴线涡旋。在下文中，具有涡流分量的喷雾模式被称为“涡流喷雾模式”。如图1B所示，涡流具有顺时针(CW)方向，但是这仅是为了说明且并非意味着排除包括逆时针(CCW)的其他涡流方向。
[0028]有利地，图1B的涡流喷雾模式增加了燃料蒸汽与周围空气的混合，并且也减少了燃料喷雾羽流在活塞和镗孔表面