一种压缩着火式预燃室结构、发动机及运行方法与流程

1.本发明涉及发动机技术领域，特别涉及一种压缩着火式预燃室结构、发动机及运行方法。


背景技术：

2.目前受节能减排和油耗法规要求，发动机达到45％甚至更高有效热效率成为追求的目标。针对汽油、天然气、甲醇和氨等各种燃料发动机稀薄燃烧能提高混合气的绝热指数、降低燃烧温度、抑制爆震，是实现大于45％热效率的有效技术。比如，针对汽油发动机稀薄燃烧能提高燃油经济性5％—10％，此外还能降低一氧化碳(co)、氢气(h2)、烃类(hc)等排放。若采用超稀薄燃烧(lambda大于1.5)，因为空气稀释程度高，燃烧温度相对较低，在能提高汽油机热效率的同时，还不会导致过高的nox排放。
3.然而，现有火花塞难以点燃超稀薄混合气，为此要求超稀薄燃烧需要搭配高能点火装置才能满足使用要求。因此，在超稀薄燃烧的研究中，预燃室技术受到了广泛的关注。该技术在预燃室内形成可用火花塞容易点燃的混合气，再将预燃室混合气燃烧后高温燃烧混合物从预燃室喷入主燃室，快速引燃主燃室中的稀薄混合气。预燃室的喷射点火，在喷孔喷射区域产生多个点火源，可以实现非常快的燃烧速率。
4.显而易见，预燃室可以降低稀燃工况的点火难度，显著提高燃烧速率，克服了超级稀燃下火焰传播速度慢、燃烧循环变动大的缺点，现有技术通常在预燃室内采用燃油喷射装置，将部分燃油喷射进入预燃室，以在预燃室内形成相对浓一些的易被火花塞点燃的混合气。但是该措施存在以下缺点：预燃室体积较小，合理布置燃油喷射装置和火花塞将非常困难，内部混合气组织非常困难，火花塞位置处的燃油浓度稳定性较差，导致火焰发展的不确定性增强，发动机循环变动大，直喷方式导致燃油撞壁严重，易结焦和生成碳烟；液态燃料直喷后在预燃室内气化吸热，使得冷启动更加困难。


技术实现要素：

5.本发明目的在于提供一种压缩着火式预燃室结构、发动机及运行方法，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
6.为解决上述技术问题所采用的技术方案：
7.首先本发明提供一种压缩着火式预燃室结构，其包括：预燃主体、发动机气缸，在所述发动机气缸内设有形成于活塞与发动机气缸内部空间的主燃室，所述预燃主体设有盲孔结构的预燃本体孔，所述预燃本体孔滑动安装有柱塞体，所述柱塞体连接有用于驱动所述柱塞体沿预燃本体孔轴向往复移动的柱塞驱动机构，所述柱塞体的内端面设有为敞开腔体结构的预燃内腔，所述预燃内腔、预燃本体孔的底面和侧壁共同限定形成预燃室，所述预燃本体孔内端侧壁设置有与主燃室连通的喷射通道，所述预燃内腔侧壁设有与所述喷射通道对应的喷射孔，在所述柱塞体往复移动中具有上限位和下限位，所述柱塞体处于所述上限位使喷射通道直接连通主燃室和预燃室，所述柱塞体处于所述下限位使所述喷射孔将喷
射通道、预燃室和主燃室连通。
8.本发明所提供的预燃室结构有益效果是：通过柱塞驱动机构来驱动柱塞体在预燃本体孔内燃轴向往复移动，从而改变预燃室的容积，实现对预燃室内新鲜混合气的压缩，促使新鲜混合气中燃料自燃或者发生部分燃烧反应，当柱塞体处于预燃本体孔的上限位时，预燃室容积最大，此时的喷射通道直接连通主燃室与预燃室，主燃室与内新鲜混合气可通过喷射通道进入预燃室；而当柱塞体处于预燃本体孔的下限位时，预燃室容积最小，预燃室内混合气被压缩而发生自燃或者部分燃烧反应，喷射孔将喷射通道、预燃室与主燃室连通，预燃室内发生反应后的高温高压的混合气依进入主燃室引燃稀薄的新鲜混合气；当柱塞体处于上限位与下限位中间其它位置，喷射通道被预燃内腔侧壁堵住，预燃室与主燃室之间连通断开，本技术通过柱塞体移动至不同位置，利用预燃内腔侧壁可使预燃室与主燃室通过喷射通道保持连通与断开，使主燃室混合气可以经喷射通道进入预燃室，也可以使预燃室内燃烧后的高温混合物经喷射孔和喷射通道进入主燃室。
9.预燃室内可燃混合气压缩着火，无需在预燃室上布置点火装置，而且压缩着火对预燃室内混合气组织需求明显降低，也无需预燃室上布置燃油喷射装置，省去一套点火装置和燃油喷射装置，结构简单、成本低。针对点火能量高的燃料，比如氨燃料，现有点火装置点燃预燃室内混合气比较困难，但是本发明的压缩着火可以使预燃室混合气可靠自燃或者发生部分燃烧反应，使这类燃料在发动机上实现应用成为可能。
10.作为上述技术方案的进一步改进，所述预燃本体孔内端侧壁周向排布有多个所述喷射通道，所述预燃内腔侧壁设有多个与喷射通道周向布置位置一致的多个喷射孔。
11.多个喷射通道主要用于增加点火源，因为每一个喷射通道喷射出来的射流相当于一个点火源。喷射通道个数、布置方式一般需要缸内燃烧计算获得，需要与缸内流动相互配合。
12.作为上述技术方案的进一步改进，所述预燃本体孔侧壁设有第一周向定位部，所述柱塞体设置有与第一周向定位部滑动配合的第二周向定位部。
13.本方案通过第二周向定位部与第一周向定位部的滑动配合，实现对柱塞体周向定位，使得柱塞体在往复运动过程中，喷射孔可准确地与喷射通道对应连通。
14.作为上述技术方案的进一步改进，所述柱塞体的外周壁设置有多道环槽，所述环槽套设有柱塞环，所述喷射孔设置于其中相邻两道环槽之间。
15.本方案中的柱塞体通过多个柱塞环与预燃本体孔侧壁滑动密封抵触，提高柱塞体与预燃本体孔之间的密封性，防止预燃室内高温高压混合气泄露。
16.作为上述技术方案的进一步改进，所述预燃本体孔为“t”形阶梯结构，所述预燃本体孔包括上端大孔和下端小孔，所述柱塞体为“t”形轴类结构，所述柱塞体包括设置于上端大孔内的大头、下端套设于下端小孔内的小头，所述柱塞驱动机构包括柱塞弹簧、柱塞驱动凸轮、柱塞凸轮轴，所述大头通过柱塞弹簧与预燃本体孔的台阶面柔性连接，所述柱塞驱动凸轮安装于柱塞凸轮轴，所述柱塞驱动凸轮的外周面与柱塞体顶端抵触。
17.本方案中的柱塞驱动机构通过柱塞凸轮轴来带动柱塞驱动凸轮转动，柱塞弹簧的弹力促使柱塞体的大头压紧凸轮表面，旋转的柱塞驱动凸轮又克服柱塞弹簧的弹力促使柱塞体在预燃本体孔内做往复运动，实现预燃室容积变化。
18.作为上述技术方案的进一步改进，在所述预燃内腔设有用于引导预燃室内混合气
流动的导流结构、用于加强结构强度的加强筋结构。
19.作为上述技术方案的进一步改进，所述预燃内腔的壁面、导流以及加强筋结构的表面涂敷隔热涂层。隔热涂层可减少预燃室内高温混合气的与壁面之间的传热损失。
20.作为上述技术方案的进一步改进，所述发动机气缸包括缸体和缸盖，所述预燃主体为缸盖的一部分。
21.本方案直接在缸盖上加工出预燃主体一部分，减少发动机零件数量，预燃本体孔和喷射通道直接在缸盖上加工出来，减少装配误差。
22.本发明还提供一种发动机，其包括上述的压缩着火式预燃室结构，所述柱塞驱动机构包括与发动机曲轴或发动机凸轮轴其中一个传动连接的柱塞凸轮轴，所述柱塞凸轮轴通过柱塞驱动凸轮带动柱塞体往复运动。
23.柱塞凸轮轴由发动机曲轴或者发动机凸轮轴通过齿轮系或者皮带驱动，其中柱塞凸轮轴与发动机曲轴之间传动比为1:2，柱塞凸轮轴与发动机凸轮轴之间传动比为1:1，如此在一个发动机循环内，柱塞体完成一次完整的往复运动，即从处于预燃本体孔的上限位运行到下限位，之后又回到上限位；以及利用现有发动机凸轮轴上的可变气门正时技术，同样可以实现柱塞驱动凸轮的正时可变，通过该方式可以控制预燃室内高温高压混合物喷射进入主燃室的时刻，进而达到控制燃烧的目的。
24.本发明还提供一种发动机的运行方法，其采用上述的发动机，该发动机为四冲程发动机运转方式运转，并对外输出动力，具体运行方法如下：
25.在发动机压缩冲程的前期，柱塞体处于上限位，喷射通道连通主燃室与预燃室，预燃室容积最大，逐渐上行的活塞将新鲜混合气压入预燃室内；
26.在发动机压缩冲程的后期，柱塞体开始下行，喷射通道和预燃室不连通，逐渐下行的柱塞体对预燃室混合气进行压缩，使预燃室混合气发生自燃或者部分燃烧反应造成预燃室温度和压力均上升，当柱塞体下行到下限位，所述喷射孔与喷射通道连通，预燃室内高温高压混合气依次通过喷射孔与喷射通道喷射进入主燃室，实现对主燃室内稀薄混合气的引燃；
27.在发动机做功冲程、发动机排气冲程和发动机进气冲程的早期中，柱塞体保持在下限位，保持预燃室容积最小，使预燃室内残余废气最少；
28.在发动机进气冲程的后期，柱塞体逐渐上行至上限位，喷射通道和预燃室连通，预燃室容积最大，使尽量多的新鲜混合气经喷射通道进入预燃室；
29.之后，发动机重新进入压缩冲程，发动机完成一个完整循环。
30.本发明所提供的发动机有益效果是：预燃室内可燃混合气压缩着火，预燃室内着火更加稳定，发动机的循环变动降低，发动机可采用更加稀薄的混合气，提高发动机热效率和降低污染物排放。
附图说明
31.下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明；
32.图1是本发明所提供的发动机，其一实施例的剖视图，其中两箭头分别表示上向和下向；
33.图2是本发明所提供的压缩着火式预燃室结构，其一实施例的柱塞体处于上限位
时的剖视图，其中两箭头分别表示上向和下向；
34.图3是本发明所提供的压缩着火式预燃室结构，其一实施例的柱塞体处于下限位时的剖视图，其中两箭头分别表示上向和下向；
35.图4是本发明所提供的发动机，其一实施例的一个循环过程中活塞与柱塞体的位置示意图。
具体实施方式
36.本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
37.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
38.在本发明的描述中，如果具有“若干”之类的词汇描述，其含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。
39.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
40.参照图1至图3，本发明的发动机作出如下实施例：
41.发动机为往复活塞式内燃机，本实施例的发动机包括压缩着火式预燃室结构，该压缩着火式预燃室结构包括：预燃主体900和发动机气缸，其中发动机气缸包括缸体700、盖设于缸体700顶部的缸盖800，缸盖800设置有进气道810、排气道820，进气道810设置有进气门830，排气道820设置有排气门840，在所述缸体700内滑动安装有活塞100，活塞100、缸体700与缸盖800围成主燃室200。
42.为了减少装配误差，本实施例中的预燃主体900为缸盖800的一部分，在加工时，本实施例直接在缸盖800上加工出预燃主体900一部分，减少发动机零件数量。
43.在其他一些实施例中，也可以额外设计的预燃主体900，然后安装到缸盖800上。
44.其中预燃主体900顶部设置有轴向呈上下延伸的预燃本体孔300，预燃本体孔300为盲孔结构，在预燃本体孔300中滑动设置有柱塞体400，柱塞体400的下端与预燃本体孔300的内侧壁滑动密封抵触。
45.柱塞体400的下端凹设有预燃内腔410，预燃内腔410为敞开腔体结构，这样预燃内腔410、预燃本体孔300的底面和侧壁共同限定构成预燃室600，在预燃本体孔300壁体设有喷射通道310，喷射通道310的一端口与主燃室200连通，喷射通道310的另一端口设置于预燃本体孔300的侧壁上，喷射通道310为圆形管道类结构，本实施例的喷射通道310直接在缸盖800上加工出来，也减少装配误差。喷射通道310可采用圆形直管结构，方便采用钻削工艺，也可以采用其它形状的管道类结构。
46.本实施例设置有柱塞驱动机构500，柱塞驱动机构500用于驱动所述柱塞体400在
预燃本体孔300内上下往复移动，具体地：本实施例的预燃本体孔300为阶梯盲孔结构，形状类似“t”形，进而本实施例的预燃本体孔300包括有呈上下连接的上端大孔320与下端小孔330，上端大孔320与下端小孔330之间形成有台阶面，而柱塞体400为“t”形轴类结构，柱塞体400包括依次连接的大头420和小头430，其中小头430的下端上下滑动地套设于下端小孔330，而大头420位于上端大孔320内，柱塞驱动机构500包括有柱塞凸轮轴530、柱塞驱动凸轮520和柱塞弹簧510，柱塞弹簧510位于大头420与预燃本体孔300内的台阶面之间，柱塞弹簧510套设于小头430上端部的外周侧，这样对柱塞弹簧510起到限位的作用，大头420通过柱塞弹簧510与台阶面柔性连接，所述柱塞驱动凸轮520连接于柱塞凸轮轴530，柱塞驱动凸轮520的外凸轮面与柱塞体400的顶端抵触，柱塞弹簧510的弹力促使柱塞体400的大头420压紧凸轮表面，旋转的柱塞驱动凸轮520又克服柱塞弹簧510的弹力促使柱塞体400在预燃本体孔300内做往复运动，实现预燃室600容积变化。
47.在所述预燃内腔410的侧壁设置有喷射孔411，喷射孔411与所述喷射通道310的另一端口对应，当柱塞体400移动至上限位时，喷射通道310直接将主燃室200和预燃室600连通，而柱塞体400移动至下限位时，预燃室600通过喷射孔411与喷射通道310连通，使得预燃室600和主燃室200连通，而柱塞体400在下限位和上限位之间移动的过程中，预燃内腔410的侧壁封堵喷射通道310的另一端口。
48.喷射孔411为通孔类结构，其形状可以是圆孔、椭圆形或者圆角矩形等。
49.为了让喷射孔411可准确地与喷射通道310对应连通，在预燃本体孔300的上端大孔320侧壁设有第一周向定位部321，在所述大头420的外周壁设置有第二周向定位部421，第一周向定位部321与第二周向定位部421滑动配合，本实施例的第一周向定位部321为键槽，第二周向定位部421为凸键，凸键与键槽相互配合，用于柱塞体400周向定位。
50.在其他一些实施例中，柱塞体400与预燃本体孔300之间周向定位也可以采用其它定位方式，例如销定位。
51.进一步地，为了增加点火源，所述喷射通道310和喷射孔411的数量均为多个，多个所述喷射通道310周向排布于预燃本体孔300内端侧壁，多个喷射孔411周向排布于预燃内腔410的侧壁，本实施例的预燃本体孔300内端侧壁周向对称设有4-8个喷射通道310，喷射通道310的周向位置根据缸内混合气流动情况而定，也可非对称布置。
52.为了防止预燃室600内高温高压混合气泄露，柱塞体400的小头430外周壁设有多道环槽431，每一道环槽431套设有柱塞环，具体地，本实施例设置有三道环槽431，分别为从上往下依次间隔排列的第一环槽431、第二环槽431和第三环槽431，喷射孔411位于第一环槽431、第二环槽431之间。这样柱塞体400通过多个柱塞环与预燃本体孔300侧壁滑动密封抵触，提高柱塞体400与预燃本体孔300之间的密封性，防止预燃室600内高温高压混合气泄露。
53.并且，在所述预燃内腔410设有导流结构和加强筋结构，导流结构用于引导预燃室600内混合气流动，加强筋结构用于加强结构强度，同时，在所述预燃内腔410的壁面、导流结构以及加强筋结构的表面上均涂敷隔热涂层，隔热涂层可减少预燃室600内高温混合气的与壁面之间的传热损失。
54.另外，可根据燃油种类、混合气成分调整导流或者加强筋结构，达到调整预燃室600的容积目的。
55.在其他一些实施中，柱塞体400的往复运动还可以采用其它驱动方式，包括液压驱动、电驱动、蜗轮蜗杆等方式。
56.本实施例采用柱塞驱动凸轮520与柱塞弹簧510配合的驱动方式，本发明的预燃室燃烧控制通过控制柱塞驱动凸轮520的正时实现，并且在使用时，柱塞凸轮轴530可与发动机曲轴或发动机凸轮轴其中一个传动连接，柱塞凸轮轴530由发动机曲轴或者发动机凸轮轴通过齿轮系或者皮带驱动，其中柱塞凸轮轴530与发动机曲轴之间传动比为1:2，柱塞凸轮轴530与发动机凸轮轴之间传动比为1:1，如此在一个发动机循环内，柱塞体400完成一次完整的往复运动，即从处于预燃本体孔300的上限位运行到下限位，之后又回到上限位；以及利用现有发动机凸轮轴上的可变气门正时技术，同样可以实现柱塞驱动凸轮520的正时可变，通过该方式可以控制预燃室600内高温高压混合物喷射进入主燃室200的时刻，进而达到控制燃烧的目的。
57.本实施例通过柱塞驱动机构500来驱动柱塞体400在预燃本体孔300内燃轴向往复移动，从而改变预燃室600的容积，实现对预燃室600内新鲜混合气的压缩，促使新鲜混合气中燃料自燃或者发生部分燃烧反应。
58.当柱塞体400处于预燃本体孔300的上限位时，预燃室600容积最大，此时的喷射通道310直接连通主燃室200与预燃室600，主燃室200与内新鲜混合气可通过喷射通道310进入预燃室600；
59.而当柱塞体400处于预燃本体孔300的下限位时，预燃室600容积最小，预燃室600内混合气被压缩而发生自燃或者部分燃烧反应，喷射孔411将喷射通道310、预燃室600与主燃室200连通，预燃室600内发生反应后的高温高压的混合气依进入主燃室200引燃稀薄的新鲜混合气；
60.当柱塞体400处于上限位与下限位中间其它位置，喷射通道310被预燃内腔410侧壁堵住，预燃室600与主燃室200之间连通断开。
61.本技术通过柱塞体400移动至不同位置，利用预燃内腔410侧壁可使预燃室600与主燃室200通过喷射通道310保持连通与断开，使主燃室200混合气可以经喷射通道310进入预燃室600，也可以使预燃室600内燃烧后的高温混合物经喷射孔411和喷射通道310进入主燃室200。
62.这样预燃室600内可燃混合气压缩着火，无需在预燃室600上布置点火装置，而且压缩着火对预燃室600内混合气组织需求明显降低，也无需预燃室600上布置燃油喷射装置，省去一套点火装置和燃油喷射装置，结构简单、成本低。
63.针对点火能量高的燃料，比如氨燃料，现有点火装置点燃预燃室内混合气比较困难，但是本发明的压缩着火可以使预燃室600内的混合气可靠自燃或者发生部分燃烧反应，使这类燃料在发动机上实现应用成为可能。
64.本实施例还提供一种上述发动机的运行方法，具体运行方法如下：
65.在发动机压缩冲程的前期，柱塞体400处于上限位，喷射通道310连通主燃室200与预燃室600，预燃室600容积最大，逐渐上行的活塞100将尽量多新鲜混合气压入预燃室600内；
66.在发动机压缩冲程的后期，柱塞体400在柱塞驱动凸轮520的推动下开始下行，喷射通道310和预燃室600此时不连通，主燃室200和预燃室600之间也不连通，逐渐下行的柱
塞体400对预燃室600内的新鲜混合气进行压缩，由于预燃室600内新鲜混合气已在主燃室200经历压缩过程，其压力和温度均已上升，再次在预燃室600内经历很小压缩比的压缩后即可达到自燃或者部分燃烧反应状态，预燃室600混合气发生反应造成温度和压力均上升；
67.当柱塞体400下行到下限位，所述喷射孔411与喷射通道310连通，预燃室600内高温高压混合气依次通过喷射孔411与喷射通道310喷射进入主燃室200，实现对主燃室200内稀薄混合气的引燃；
68.在发动机做功冲程中，柱塞体400保持在下限位，保持预燃室600容积最小，使预燃室600内的残余废气最少；
69.在发动机排气冲程中，柱塞体400保持在下限位，保持预燃室600容积最小，使预燃室600内的残余废气最少；
70.以及在发动机进气冲程的早期中，柱塞体400保持在下限位，保持预燃室600容积最小，使预燃室600内的残余废气最少；
71.在发动机进气冲程的后期，柱塞体400在柱塞弹簧510作用下，柱塞体400逐渐上行至上限位，喷射通道310和预燃室600连通，预燃室600容积最大，使尽量多的新鲜混合气经喷射通道310进入预燃室600；
72.之后，发动机重新进入压缩冲程，发动机完成一个完整循环，柱塞体400完成一次完整往复运动。
73.这样预燃室600内可燃混合气压缩着火，预燃室600内着火更加稳定，发动机的循环变动降低，发动机可采用更加稀薄的混合气，提高发动机热效率和降低污染物排放。
74.以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。