專利名稱：在燃燒室內(nèi)減少微粒和提高燃燒率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用來在內(nèi)燃機(jī)燃燒室內(nèi)造成一燃燒活動的方法和裝置，該燃燒活動減少在該燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的微粒。
背景技術(shù)：
通過采用快速的上止點(diǎn)附近燃料射流噴射能實(shí)現(xiàn)高效和低速高轉(zhuǎn)矩的優(yōu)點(diǎn)，這種直接噴射造成其固有的紊流，并以在特性上受紊流限制的燃燒率燃燒。
現(xiàn)代傳統(tǒng)柴油機(jī)的特有缺點(diǎn)是由于燃料的不完全氧化而有產(chǎn)生微粒物質(zhì)特別是黑煙的趨勢。另一個(gè)趨勢是由于擴(kuò)散燃燒是這種系統(tǒng)的特性——燃燒發(fā)生在化學(xué)計(jì)算溫度或最高溫度附近，而產(chǎn)生過多的氮氧化物(NOX)。長期已知的是，趨向于減少氮氧化物產(chǎn)生的措施也趨向于增加黑煙的產(chǎn)生，反之亦然。然而，如果能抑制黑煙的產(chǎn)生，就也能減少NOX的產(chǎn)生。而且，減少黑煙還能增加功率密度。
影響黑煙產(chǎn)生的相關(guān)問題涉及用來減少氮氧化物的策略，該策略是部分的廢氣再循環(huán)(EGR)。EGR有助于減小燃燒溫度，結(jié)果，減少NOX。然而燃燒溫度的減小對形成為燃燒中間物的黑煙的氧化率發(fā)生影響。此外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)它還趨向于減小燃燒率，這種不完全燃燒導(dǎo)致減小了發(fā)動機(jī)整體效率，因而，考慮到黑煙的產(chǎn)生和不完全燃燒限制了能使用廢氣再循環(huán)(EGR)的范圍，所以用于增加燃燒率和黑煙氧化率的措施的優(yōu)點(diǎn)是很明顯的。
內(nèi)燃機(jī)技術(shù)上的發(fā)展表明能用氣態(tài)燃料代替柴油燃料給壓燃發(fā)動機(jī)加燃料，這些發(fā)展中的一些允許用氣態(tài)燃料保持性能和/或效率。這種燃料的例子包括天然氣、甲烷、丙烷、乙烷、氣態(tài)易燃的碳?xì)浠衔镅苌锖蜌?。用這種氣態(tài)燃料代替柴油產(chǎn)生優(yōu)于柴油的排放好處，具體地說，在這種發(fā)動機(jī)里產(chǎn)生的廢氣中發(fā)現(xiàn)較低的NOX和黑煙產(chǎn)物。
用來確保氣態(tài)燃料在極大程度上與在柴油點(diǎn)燃發(fā)動機(jī)中發(fā)現(xiàn)的性能和效率相匹配的方法依靠擴(kuò)散燃燒。即，在高壓下將氣態(tài)燃料直接噴射到燃燒室中，在燃燒室中，引火源通常用來點(diǎn)燃?xì)鈶B(tài)燃料。由于這種直接噴射和擴(kuò)散燃燒，該燃料通常會遭到上面提及的關(guān)于產(chǎn)生黑煙和NOX的相同的問題，雖然其水平比用柴油的情況低得多。結(jié)果被認(rèn)為是關(guān)于由供給柴油壓燃策略引起的燃燒所發(fā)現(xiàn)的相同的不完全氧化區(qū)。照這樣，當(dāng)氣態(tài)燃料使得微粒和NOX被相當(dāng)大地減少時(shí)，這些直接噴射的燃料被一些在供給柴油的壓燃發(fā)動機(jī)中發(fā)現(xiàn)的相同物理過程所支配。因而，在供給氣態(tài)燃料和供給柴油的直接噴射發(fā)動機(jī)中都具有管理黑煙和微粒產(chǎn)生的余地。
Dec，J.E.，“A conceptual Model of DI Diesel Combustion based on Laser-Sheet Imaging”，SAE 970873，1997對于燃燒的準(zhǔn)穩(wěn)定時(shí)期提供了一種傳統(tǒng)柴油燃燒的物理認(rèn)識，看起來燃燒在兩個(gè)階段中發(fā)生。第一個(gè)出現(xiàn)在濃混合氣中，濃混合氣是由于空氣被帶入燃料射流中形成。這里當(dāng)量比是如此的高，以致火焰溫度很低(大約1600K)，由于缺氧而通過熱解形成黑煙，產(chǎn)生富黑煙區(qū)，其被一個(gè)稀薄區(qū)所包圍，在該稀薄區(qū)中，發(fā)生最終混合和所有剩余的化學(xué)反應(yīng)。對富黑煙區(qū)的特性的理解提供了在上述柴油和天然氣發(fā)動機(jī)中減少黑煙產(chǎn)生的起點(diǎn)。
在“The Rotating Injector as a Tool for Exploring DI Diesel combustionand Emissions Formation Processes”，2001，ISSN 1400-1179中的Sioeberg提供了一種旋轉(zhuǎn)式噴射器，通過移動燃料射流使其遍及燃燒室，旋轉(zhuǎn)式噴射器實(shí)際上產(chǎn)生沖擊到富黑煙區(qū)的紊流。然而，這種策略難以實(shí)施，旋轉(zhuǎn)式噴射器將容易受到磨損且具有耐用性問題的移動部分引入到發(fā)動機(jī)。
美國專利5862788提供了一個(gè)在活塞頭內(nèi)的反應(yīng)室，其將燃料和空氣的混合物排向活塞碗(piston bowl)的中心。這里，反應(yīng)室如此設(shè)計(jì)，以便燃料被接納并在反應(yīng)室中循環(huán)，且燃料在被引向黑煙云之前被加熱，黑煙云被認(rèn)為形成于活塞碗內(nèi)。由于黑煙云依賴燃料射流，所以在反應(yīng)室內(nèi)混合燃料的要求限制了燃料/空氣反應(yīng)產(chǎn)物的作用。通常，當(dāng)活塞在燃料燃燒期間正在遠(yuǎn)離上止點(diǎn)時(shí)，對富黑煙區(qū)的影響是有限的。此外，根據(jù)該發(fā)明，一些燃料需要被引向反應(yīng)室中，限制了通向反應(yīng)室的孔口的布置。
本發(fā)明處理上述與在內(nèi)燃機(jī)中使用的直接噴射燃料相關(guān)的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明引入了燃燒室“進(jìn)氣射流”，該“進(jìn)氣射流”目的是干擾直接噴射的燃料，以有助于減少由直接噴射燃料引起的凈黑煙產(chǎn)生率。引入的進(jìn)氣射流的目的是“破壞”富黑煙區(qū)且還造成紊流以幫助黑煙氧化過程，其中富黑煙區(qū)在直接噴射的燃料量被噴入燃燒室的地方出現(xiàn)。
本發(fā)明的一個(gè)方面是提供一種減少在燃料燃燒期間產(chǎn)生的黑煙的方法，所述燃料直接噴射到正在運(yùn)行的內(nèi)燃機(jī)的燃燒室中，該方法包括在活塞的進(jìn)氣沖程期間將進(jìn)氣引入燃燒室中，在活塞的壓縮沖程期間對進(jìn)氣進(jìn)行壓縮，在活塞的壓縮沖程期間通過孔口將一些進(jìn)氣接收到一容器中，并將燃料的燃料射流直接噴射到燃燒室中且點(diǎn)燃燃料的燃料射流，然后通過用壓力梯度將進(jìn)氣射流從容器經(jīng)由孔口推動到燃燒室中，產(chǎn)生干擾燃料射流的紊流。
在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，容器相對于噴射器固定。而且，進(jìn)氣射流對準(zhǔn)在燃料燃燒期間產(chǎn)生的燃料射流內(nèi)的富黑煙區(qū)。
進(jìn)氣射流可以被引入或引出富黑煙區(qū)。
進(jìn)氣射流可以增加燃燒的燃料射流的OSA∶SV比。
燃料可以在活塞處于上止點(diǎn)附近時(shí)噴入燃燒室中。而且，容器可以由懸掛到燃燒室中的環(huán)確定，在火力板(fire deck)局部確定燃燒室的情況下，該環(huán)也可以確定于火力板內(nèi)。
在一些實(shí)施方式中，在活塞處于上止點(diǎn)時(shí)，容器的容積與燃燒室的容積之比在1∶9和1∶4之間。
本發(fā)明另一個(gè)方面提供了一種內(nèi)燃機(jī)，包括氣缸、布置在氣缸中的活塞和火力板，在發(fā)動機(jī)運(yùn)行期間，活塞在上止點(diǎn)和下止點(diǎn)之間往復(fù)運(yùn)動?；鹆Π?、氣缸和活塞確定了燃燒室。發(fā)動機(jī)包括能將燃料的燃料射流直接噴射到燃燒室中的燃料噴射器和至少一個(gè)用來在活塞的壓縮沖程期間積聚一些進(jìn)氣的容器，至少一個(gè)孔口布置在容器中，所述容器通過所述至少一個(gè)孔口與燃燒室流體連通，所述至少一個(gè)孔口具有一橫截面積，該橫截面積能在活塞的作功沖程期間，限制所述一些進(jìn)氣從容器向燃燒室中的流動。
在一些實(shí)施方式中，容器相對于噴射器固定，或容器由懸掛到燃燒室中的環(huán)確定。該環(huán)可以從火力板懸掛下來，該環(huán)可以基本上以噴射器為中心。
容器可以由至少一個(gè)立柱確定，立柱從火力板突出到燃燒室中。
容器可以設(shè)置在火力板內(nèi)。
在一些實(shí)施方式中，在活塞處于上止點(diǎn)時(shí)，容器的容積與燃燒室的容積之比在1∶9和1∶4之間。
氣態(tài)燃料可以用作所述燃料，氣態(tài)燃料可以包括天然氣。
電熱塞可以懸掛到燃燒室中以點(diǎn)燃天然氣燃料。
本發(fā)明另一個(gè)方面提供一種在正在運(yùn)行的內(nèi)燃機(jī)的燃燒室中產(chǎn)生紊流的方法，該方法在活塞的進(jìn)氣沖程期間將進(jìn)氣引入燃燒室中，在活塞的壓縮沖程期間對進(jìn)氣進(jìn)行壓縮，在活塞的壓縮沖程期間通過孔口將一些進(jìn)氣接收到一容器中，并在燃燒室內(nèi)直接噴射和點(diǎn)燃燃料的燃料射流，然后當(dāng)活塞超過上止點(diǎn)15度時(shí)，通過用壓力梯度將進(jìn)氣射流從容器經(jīng)由孔口推動到燃燒室中，在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生紊流。
下面描述本發(fā)明其它方面和本發(fā)明具體實(shí)施方式
的特征。


在表示本發(fā)明非限制性實(shí)施方式的圖中圖1表示在燃料射流的燃燒期間直接噴射的燃料射流的橫截面，說明了關(guān)于黑煙怎樣在燃料射流中積聚和在哪兒積聚的現(xiàn)有技術(shù)的理解；圖2a和2b表示本發(fā)明第一實(shí)施方式的燃燒室的俯視圖和橫截面圖，其中進(jìn)氣容器與燃燒室連通，圖2a表示主題發(fā)明的該實(shí)施方式的俯視圖，其中進(jìn)氣容器確定于火力板內(nèi)，圖2b表示橫穿圖2a中所示的線A-A的該實(shí)施方式的橫截面圖；圖3a和3b是本發(fā)明第二實(shí)施方式的兩個(gè)視圖，圖3a表示主題發(fā)明的該實(shí)施方式的俯視圖，其中包含進(jìn)氣容器的環(huán)構(gòu)件從火力板懸掛到燃燒室內(nèi)，圖3b表示橫穿圖3a中所示的線B-B的該實(shí)施方式的橫截面圖；圖4a和4b是本發(fā)明第三實(shí)施方式的兩個(gè)視圖，圖4a表示主題發(fā)明的該實(shí)施方式的俯視圖，其中包含進(jìn)氣容器的一系列立柱從火力板懸掛到燃燒室內(nèi)，圖4b表示橫穿圖4a中所示的線C-C的該實(shí)施方式的橫截面圖；圖5是一個(gè)曲線，示出相對于曲柄角的氣缸壓力、進(jìn)氣射流速度和進(jìn)氣射流動量與燃料射流動量之比，其中曲柄角以旋轉(zhuǎn)角度為單位測量。
具體實(shí)施例方式
在本發(fā)明中，提供了進(jìn)氣容器，其允許增壓的進(jìn)氣量被收集且然后作為“進(jìn)氣射流”引入到直接噴射的燃料射流中，擾亂燃料的富黑煙區(qū)。因而，當(dāng)燃料點(diǎn)燃時(shí)，黑煙氧化區(qū)的表面積相對于富黑煙區(qū)的體積增大。
參考圖1，表示了關(guān)于黑煙怎樣在燃料射流中積聚和在哪兒積聚的現(xiàn)有技術(shù)的理解。燃料射流10通過噴射孔15噴射到隔離環(huán)境中，這里，在將燃料射流噴射到有助于所選燃料的點(diǎn)燃和燃燒的環(huán)境中之后，燃料射流被點(diǎn)燃并燃燒。示出在燃燒區(qū)24在一側(cè)被黑煙氧化區(qū)20局部限定的情況下的黑煙氧化區(qū)20和富黑煙區(qū)22。
通常，當(dāng)進(jìn)氣被吸入燃燒室并在發(fā)動機(jī)的壓縮沖程期間壓縮時(shí)，產(chǎn)生點(diǎn)燃和燃燒環(huán)境。取決于燃料，可能需要一些類型的點(diǎn)燃輔助裝置，例如電熱塞或點(diǎn)燃燃料或其它為本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的點(diǎn)燃輔助裝置。如果天然氣是燃料，這種點(diǎn)燃輔助裝置通常是需要的。通常，無論它需要輔助還是由進(jìn)氣的特性單獨(dú)引起，這都被稱為對所選燃料特有的在燃燒室內(nèi)建立的點(diǎn)燃環(huán)境。
參考圖1，在燃燒期間，直接噴射的燃料射流將在燃燒區(qū)24內(nèi)燃燒，燃燒區(qū)24由燃料射流10和周圍的燃燒環(huán)境之間的邊界層確定。沿著該區(qū)交界的是包圍富黑煙區(qū)22的黑煙氧化區(qū)20。富黑煙區(qū)22是燃料和空氣不充分混合的區(qū)域，微粒形成于其中。如果失去氧氣，該相對大的區(qū)22趨向于將這里產(chǎn)生的黑煙驅(qū)逐到排氣系統(tǒng)中。對該應(yīng)用來說，黑煙包括在燃料燃燒期間在燃燒室中產(chǎn)生的微粒物質(zhì)。
當(dāng)進(jìn)氣射流干擾一個(gè)或多個(gè)燃料射流時(shí)，它破壞富黑煙區(qū)，使得氧氣與該富黑煙區(qū)混合并減少在燃燒期間產(chǎn)生黑煙的傾向。通過干擾富黑煙區(qū)，該進(jìn)氣射流使得氧化區(qū)的表面積(OSA)與富黑煙區(qū)的體積(SV)之比(OSA∶SV比)增加，因而，被驅(qū)逐到排氣系統(tǒng)中的微粒量減少。
下面論述的實(shí)施例提供了一種由活塞部分地確定的燃燒室，當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)行時(shí)，活塞在氣缸內(nèi)在上止點(diǎn)和下止點(diǎn)之間往復(fù)運(yùn)動。在運(yùn)行過程中，在進(jìn)氣沖程期間通過進(jìn)氣門將進(jìn)氣吸入到燃燒室中，然后，在壓縮沖程中對該進(jìn)氣進(jìn)行壓縮，然后，在壓縮沖程完成時(shí)或接近完成時(shí)，在燃燒室內(nèi)建立點(diǎn)燃環(huán)境。如上所述，在所有實(shí)施方式中，可以包括在其中引發(fā)燃燒的點(diǎn)燃或熱表面的點(diǎn)燃環(huán)境，如關(guān)于供給氣態(tài)燃料的柴油沖程發(fā)動機(jī)中通常的情況那樣，由進(jìn)氣獨(dú)自建立的環(huán)境，即進(jìn)氣的溫度和/或壓力，不足以點(diǎn)燃燃料。就這一點(diǎn)而論，可以補(bǔ)充點(diǎn)燃環(huán)境，例如通過點(diǎn)燃少量較容易自燃的燃料或通過在燃燒室中放置電熱塞。這種點(diǎn)燃輔助裝置連同進(jìn)氣一起包含在燃燒室內(nèi)的點(diǎn)燃環(huán)境的討論中。無論如何，實(shí)施例假定所討論的燃料在其直接噴射到燃燒室之后被點(diǎn)燃。
所有的實(shí)施方式都考慮使用直接噴射的氣態(tài)燃料和直接噴射的柴油或其它液體燃料的發(fā)動機(jī)。
參考圖2，燃燒室40基本上由活塞42、氣缸壁44和火力板46確定，用來將一些燃料直接噴射到燃燒室中的燃料噴射器也被示出，其具有噴射器頂端48。在圖中，活塞42在遠(yuǎn)離火力板46的方向50上移動，畫出了燃料射流52和進(jìn)氣射流54的輪廓。還提供了進(jìn)氣容器56，其中進(jìn)氣容器56被容器壁所包圍，孔口60位于容器壁中，孔口60允許在容器56和燃燒室40之間的進(jìn)氣連通。容器56的位置應(yīng)該是這樣的，即它們避免與進(jìn)氣門和排氣門的運(yùn)動發(fā)生干涉，如圖2a中所示。
在圖2中，進(jìn)氣已經(jīng)在燃燒室中被壓縮，進(jìn)氣中的一些被強(qiáng)迫通過孔口60進(jìn)入容器56中。在作功沖程的開始或接近作功沖程的開始，當(dāng)活塞位于上止點(diǎn)或在上止點(diǎn)附近時(shí)，燃料52被提供到燃燒室40中。對該應(yīng)用來說，當(dāng)以曲柄軸旋轉(zhuǎn)角度的方式測量時(shí)，如果活塞在上止點(diǎn)的30度之內(nèi)，則認(rèn)為活塞在上止點(diǎn)附近。
一旦被點(diǎn)燃，燃料就驅(qū)動作功沖程，其中迫使活塞在方向50上離開火力板46。由于孔口60的限制性尺寸，活塞離開火力板46的這個(gè)運(yùn)動在容器56和燃燒室40之間引起陡的壓力梯度，孔口60延緩了這兩個(gè)空間之間的壓力的均等。容器壓力不能與燃燒室內(nèi)的壓力變化相匹配，在燃料的點(diǎn)燃開始之后，燃燒室和容器的容積上的差別有助于非常迅速地建立壓力梯度。
一旦在容器56和燃燒室40之間建立了壓力梯度，就迫使容器56內(nèi)的進(jìn)氣離開孔口60，引起進(jìn)氣射流54。進(jìn)氣射流54被孔口60引導(dǎo)與燃料射流52相交，在點(diǎn)燃的燃料射流內(nèi)，由這些射流的相互作用產(chǎn)生的紊流趨向于破壞富黑煙區(qū)。OSA∶SV比增大，產(chǎn)生微粒的趨勢減小。
優(yōu)選地，燃料噴射正時(shí)應(yīng)該在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生進(jìn)氣射流之前，即，當(dāng)富黑煙區(qū)的體積積聚起來時(shí)，在進(jìn)氣射流54與燃料射流52相互作用的情況下，進(jìn)氣射流的作用得以實(shí)現(xiàn)。
注意，盡管在圖2中示出了來自每個(gè)容器56的幾個(gè)孔口60，但可以使用一個(gè)或多個(gè)孔口。當(dāng)采用多個(gè)孔口時(shí)，每個(gè)孔口都定向成干擾燃料射流的富黑煙區(qū)。
優(yōu)選地，至少一個(gè)進(jìn)氣射流被引導(dǎo)成干擾每一個(gè)燃料射流52的富黑煙區(qū)。盡管在圖2中僅僅示出了兩個(gè)容器56，但能利用多個(gè)容器和多個(gè)進(jìn)氣射流。一般而言，在直接噴射式內(nèi)燃機(jī)中，多個(gè)燃料射流噴射到整個(gè)燃燒室中，因而，能用多個(gè)容器和多個(gè)進(jìn)氣射流來干擾每個(gè)燃料射流的每個(gè)富黑煙區(qū)。
而且，進(jìn)氣射流54和燃料射流52之間的相互作用不局限于引導(dǎo)進(jìn)氣射流和燃料射流之間的干擾。進(jìn)氣射流可以指向燃燒室內(nèi)以利用燃燒室的幾何形狀在燃燒室40內(nèi)造成紊流，在沒有這種進(jìn)氣射流的情況下，這種紊流將不存在。結(jié)果是減小了OSA∶SV比。
參考圖3，提供了本發(fā)明的第二實(shí)施例。立柱82從火力板80突出到燃燒室81中，從立柱82連接著環(huán)84。環(huán)84是空心的，提供了環(huán)容器86，環(huán)容器86通過環(huán)孔口88與燃燒室81連通。以虛線表示輪廓的是燃料射流90和進(jìn)氣射流92，燃料射流90表示為通過噴射器頂端94進(jìn)入燃燒室81，燃燒室81還由活塞96和氣缸壁98確定，活塞96正在方向100上移動。
如同第一實(shí)施例一樣，圖3表示在作功沖程開始時(shí)，當(dāng)活塞處于上止點(diǎn)或在上止點(diǎn)附近時(shí)的燃燒室81。進(jìn)氣在活塞96的進(jìn)氣沖程期間被吸入燃燒室中，然后在壓縮沖程期間在燃燒室內(nèi)對進(jìn)氣進(jìn)行壓縮，同時(shí)，許多進(jìn)氣被迫通過孔口88進(jìn)入容器86中。
在作功沖程開始時(shí)，活塞96正在方向100上移動離開火力板80，當(dāng)活塞處于上止點(diǎn)或在上止點(diǎn)附近時(shí)，燃料通過頂端94直接噴射。燃料的燃燒向下驅(qū)動活塞，燃燒室81內(nèi)的容積迅速增大，由于孔口84較窄，所以壓力梯度在容器86和燃燒室81之間建立起來。該壓力梯度使得在壓縮沖程期間積聚在容器86內(nèi)的進(jìn)氣被從該容器通過孔口88推出，形成進(jìn)氣射流92。進(jìn)氣射流92對準(zhǔn)燃料射流90以在富黑煙區(qū)內(nèi)產(chǎn)生干擾，因而，OSA∶SV比增大。
該第二實(shí)施例的優(yōu)選布置具有多個(gè)孔口88，孔口88將多個(gè)進(jìn)氣射流92引導(dǎo)到富黑煙區(qū)中，且環(huán)84優(yōu)選地位于燃料射流90的路徑上，如圖3中所示。因而，進(jìn)氣射流92噴射出富黑煙區(qū)。當(dāng)在容器86的出口時(shí)，進(jìn)氣射流92通常處于它們的最大速度，出口優(yōu)選地如此定位，以便進(jìn)氣射流92被迅速引入和引出富黑煙區(qū)，通過處于高速的進(jìn)氣射流的影響來產(chǎn)生干擾。
作為額外的好處，環(huán)本身充當(dāng)燃燒室內(nèi)的障礙物，干擾燃料射流90，在富黑煙區(qū)中產(chǎn)生額外的干擾。
圖3中的實(shí)施方式示出了分布在整個(gè)環(huán)84上的多個(gè)孔口88。由于容器分布在環(huán)繞噴射器頂端94的環(huán)中，所以在大多數(shù)情況下，在該噴射器將一系列燃料射流提供到整個(gè)燃燒室的場合，環(huán)構(gòu)件提供了從一個(gè)容器產(chǎn)生多個(gè)進(jìn)氣射流的機(jī)會，所述進(jìn)氣射流干擾每個(gè)燃料射流。即，容器86和相應(yīng)的孔口88可以布置在每個(gè)燃料射流90的路徑內(nèi)。
通常，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所了解的，在本實(shí)施方式中環(huán)的定位優(yōu)選地以噴射器頂端為中心，當(dāng)燃料射流90在相似的條件下從噴射器頂端散開的情況下，允許每個(gè)進(jìn)氣射流92近似相等地影響每個(gè)燃料射流90。
孔口和容器的特性能變化以幫助在進(jìn)氣射流和燃料射流內(nèi)的富黑煙區(qū)之間提供干擾。作為例子，能改變孔口的數(shù)量、方位、尺寸和表面光潔度以及容器的方位、位置、數(shù)量和體積以幫助優(yōu)化這個(gè)干擾。
該第二實(shí)施方式的變型包括安裝到活塞的容器環(huán)，即，除了容器86通過固定到活塞的立柱懸掛在活塞96上面之外，該實(shí)施方式是相似的。這里，為了幫助在燃燒室中形成干擾或紊流，優(yōu)選地，用一種控制策略工作，即當(dāng)活塞處于上止點(diǎn)或在上止點(diǎn)附近時(shí)引入燃料。連接到活塞的環(huán)構(gòu)件的優(yōu)點(diǎn)在于如連接到火平臺的環(huán)構(gòu)件所表明的，環(huán)能使用相同的容器或容器殼即環(huán)，以影響分布在整個(gè)氣缸中的全部燃料射流。
此外，立柱82還可以用來確定一個(gè)連接到容器86或獨(dú)立于容器86的容器，容器86具有一個(gè)或多個(gè)引導(dǎo)來自立柱容器的增壓進(jìn)氣的孔口。
僅僅作為例子，圖3中提供的環(huán)容器86的實(shí)施方式的相關(guān)尺寸可以如下確定D＝(0.45-0.95)*Bd＝(0.35-0.85)*Bh＝(0.02-0.2)*B
其中D是環(huán)的外徑，d是環(huán)的內(nèi)徑，h是支承立柱的高度，B是氣缸的直徑。這是環(huán)被定位成阻礙供給燃料90的富黑煙區(qū)的場合。這種環(huán)的體積優(yōu)選地處于在上止點(diǎn)時(shí)的氣缸容積的大約10％到20％之間，孔口的直徑可以是0.5mm到2mm。容器容積和孔口直徑可以落入上述第一實(shí)施方式的相似范圍中。
此外，由于該實(shí)施方式在燃料射流的路徑中提供了實(shí)體障礙物，該障礙物可以進(jìn)一步增強(qiáng)紊流，這又增大了OSA∶SV比。
如本領(lǐng)域技術(shù)人員所了解的，應(yīng)該當(dāng)心以確保環(huán)沒有干涉燃燒室中的進(jìn)氣門和排氣門，允許這些氣門在發(fā)動機(jī)運(yùn)行期間根據(jù)需要打開。
參考圖4，提供了第三實(shí)施例。這里，立柱120分布在整個(gè)燃燒室122中，燃燒室122由活塞124和火力板126部分地確定。立柱容器128連同一個(gè)或多個(gè)孔口130一起出現(xiàn)在每個(gè)立柱120中，孔口130允許燃燒室122內(nèi)的進(jìn)氣與立柱容器128連通。還示出了噴射器頂端132?；钊?24正在方向134上移動，畫出了燃料射流136和進(jìn)氣射流138的輪廓。
該實(shí)施例提供了突出到燃燒室122中的容器128，容器128容納在立柱中而不是環(huán)構(gòu)件中。如同第二和第一實(shí)施方式一樣，進(jìn)氣體積在活塞124的壓縮沖程期間積聚在容器128內(nèi)，孔口130形成合適尺寸以允許在作功沖程開始期間建立壓差，引起所積聚進(jìn)氣的增壓噴出，導(dǎo)致進(jìn)氣射流138從容器128噴出以產(chǎn)生局部紊流。
如同環(huán)構(gòu)件一樣，立柱120定位成幫助提供局部紊流以便擾亂富黑煙區(qū)。
而且，通過將立柱放置在燃料射流路徑內(nèi)作為實(shí)體障礙物，能通過這種障礙物產(chǎn)生額外的紊流。
立柱120可以定位在整個(gè)燃燒室中，包括連接到活塞以及連接到火力板。如同前面兩個(gè)實(shí)施方式一樣，變量如孔口參數(shù)、容器容積以及立柱的定位能用來在燃燒室內(nèi)更好地提供紊流，該紊流足以破壞燃料射流內(nèi)的富黑煙區(qū)。
參考圖5，提供了一個(gè)曲線，其表示本發(fā)明對燃燒室內(nèi)的燃料射流的影響的例子。示出了當(dāng)活塞在上止點(diǎn)附近直到超過上止點(diǎn)60度時(shí)的燃燒室壓力線200。而且，在發(fā)動機(jī)循環(huán)的相同周期上，作為來自容器的進(jìn)氣射流的速度量度提供了進(jìn)氣射流速度線202。線206表示減小孔口直徑的速度線。在燃料是氣態(tài)燃料的場合，動量比線204也表示為進(jìn)氣射流的動量到總?cè)剂蟿恿康牧慷?。線208表示減小孔口直徑。提供的圖表用于典型的發(fā)動機(jī)參數(shù)。
參考圖5，對于提供的范例情況，進(jìn)氣射流速度即線202在經(jīng)過上止點(diǎn)30度附近處于最大值。在1(看右邊的y軸)表示相等動量的場合，動量比204表示離開空腔的空氣的總動量接近一個(gè)氣態(tài)燃料射流噴射到燃燒室中的總動量。由于富黑煙區(qū)在燃料的結(jié)尾燃燒時(shí)是更加普遍的，所以考慮該例子，在超過上止點(diǎn)30度處或超過上止點(diǎn)30度附近，對燃料射流的影響是最重大的。
進(jìn)氣射流的優(yōu)點(diǎn)在于它朝著燃燒期末端而不是如擠氣的情況中那樣，例如僅僅在壓縮沖程的較后階段期間，補(bǔ)充氣缸運(yùn)動和紊流。即，在提供進(jìn)氣射流的場合，可以延續(xù)到在許多壓燃式發(fā)動機(jī)中發(fā)現(xiàn)的渦流和擠氣型紊流。當(dāng)活塞超過上止點(diǎn)幾度時(shí)，進(jìn)氣射流的速度接近循環(huán)最大值。由于渦流和擠氣在活塞位于上止點(diǎn)附近時(shí)處于最大值，所以進(jìn)氣射流幫助局部地延續(xù)該紊流超過上止點(diǎn)。再次參考圖5，在上止點(diǎn)之后超過20度，進(jìn)氣射流提供額外的紊流。
如本領(lǐng)域技術(shù)人員所認(rèn)識到的，重要的是，環(huán)、立柱或其它這種構(gòu)件定位成不會阻礙進(jìn)氣門和排氣門。
容器和容納那些容器的容器構(gòu)件不局限于上面披露的三個(gè)實(shí)施方式，可以采用用來在燃燒室內(nèi)確定或容納容器的其它構(gòu)件，優(yōu)選地，它們定位成允許在活塞移動到超過上止點(diǎn)20度和30度之間時(shí)干擾燃料射流。因而，這可能限制在活塞上或連接到活塞的容器的布置。然而，火力板和氣缸的壁在某些環(huán)境下可能是合適的。
而且，可以獨(dú)立于壓縮沖程產(chǎn)生射流或進(jìn)氣射流，即，可以將進(jìn)氣射流增壓并通過噴射器或其它不在壓縮沖程期間產(chǎn)生的增壓容器迫使進(jìn)氣射流進(jìn)入燃燒室。這可以在使用多個(gè)燃料射流的場合或在作功沖程期間適當(dāng)?shù)卦谏现裹c(diǎn)之后噴射一個(gè)燃料射流的場合使用。
本發(fā)明需要能經(jīng)受住在燃燒室內(nèi)存在的高溫和高應(yīng)力的材料，如關(guān)于其它內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用一樣，這些材料對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是眾所周知的。例如，就環(huán)84和立柱120而論，在電熱塞防護(hù)中使用的電熱塞防護(hù)材料可能是合適的。
盡管本發(fā)明設(shè)想為它應(yīng)用于四沖程發(fā)動機(jī)，但如本領(lǐng)域技術(shù)人員能理解的那樣，它可以適合于兩沖程發(fā)動機(jī)。
在放置于燃料射流的路徑中或燃料射流附近的實(shí)施例的情況下，存儲在用來提供容器的高溫構(gòu)件中的能量也可能明顯加強(qiáng)燃料射流的點(diǎn)燃。
如本領(lǐng)域技術(shù)人員能理解的，用螺釘或焊接法或任何其它的合適方法來緊固環(huán)或立柱或其它確定布置在燃燒室中的容器的構(gòu)件都是適當(dāng)?shù)摹?br> 盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的具體元件、實(shí)施方式和應(yīng)用，但當(dāng)然應(yīng)該了解，本發(fā)明不局限于這些，因?yàn)樵诓槐畴x本公開范圍的情況下，特別是根據(jù)前述教導(dǎo)，本領(lǐng)域技術(shù)人員能作出變型。
權(quán)利要求
1.一種減少在燃料燃燒期間產(chǎn)生的黑煙的方法，所述燃料直接噴射到正在運(yùn)行的內(nèi)燃機(jī)的燃燒室中，所述方法包括a.在活塞的進(jìn)氣沖程期間將進(jìn)氣引入所述燃燒室中，所述活塞部分地限定所述燃燒室，b.在所述活塞的壓縮沖程期間對所述進(jìn)氣進(jìn)行壓縮，c.在所述活塞的壓縮沖程期間通過孔口將一定量的所述進(jìn)氣接收到一容器中，d.將所述燃料的燃料射流直接噴射到所述燃燒室中，e.在所述活塞的作功沖程期間，在所述燃燒室中燃燒所述燃料，f.通過用壓力梯度將進(jìn)氣射流從所述容器經(jīng)由所述孔口推動到燃燒室中，產(chǎn)生干擾所述燃料射流的紊流。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述容器相對于噴射器固定，所述燃料射流通過所述噴射器直接噴射到所述容器中。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述進(jìn)氣射流瞄準(zhǔn)在所述燃料的燃燒期間產(chǎn)生的燃料射流內(nèi)的富黑煙區(qū)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述進(jìn)氣射流被引入富黑煙區(qū)中。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述進(jìn)氣射流被引出所述富黑煙區(qū)中。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述進(jìn)氣射流增加所述燃燒的燃料射流的OSA∶SV比。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述燃料在所述活塞處于上止點(diǎn)附近時(shí)噴入所述燃燒室中。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述容器由懸掛到所述燃燒室中的環(huán)確定。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述環(huán)從火力板懸掛到所述燃燒室中，所述火力板部分地限定所述燃燒室。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述環(huán)從所述活塞懸掛到所述燃燒室中。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述容器在火力板內(nèi)限定，所述火力板部分地限定所述燃燒室。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中當(dāng)所述活塞處于上止點(diǎn)時(shí)，所述容器的容積與所述燃燒室的容積之比在1∶9和1∶4之間。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其中當(dāng)所述活塞在上止點(diǎn)附近時(shí)，所述燃料射流噴射到所述燃燒室中。
14.一種內(nèi)燃機(jī)包括a.氣缸，b.布置在所述氣缸中的活塞，在所述發(fā)動機(jī)運(yùn)行期間，所述活塞在上止點(diǎn)和下止點(diǎn)之間往復(fù)運(yùn)動，c.火力板，所述氣缸、活塞和火力板限定了燃燒室，d.燃料噴射器，所述燃料噴射器能夠?qū)⑷剂系娜剂仙淞髦苯訃娚涞剿鋈紵抑校琫.至少一個(gè)用來在所述活塞的壓縮沖程期間積聚一定量進(jìn)氣的容器，f.至少一個(gè)孔口，其中所述容器通過所述至少一個(gè)孔口與所述燃燒室流體連通，所述至少一個(gè)孔口具有一橫截面積，該橫截面積能夠在所述活塞的作功沖程期間，限制所述一定量進(jìn)氣從所述容器向燃燒室中的流動。
15.如權(quán)利要求14所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述至少一個(gè)容器相對于所述噴射器固定。
16.如權(quán)利要求14所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述容器由懸掛到所述燃燒室中的環(huán)限定。
17.如權(quán)利要求16所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述環(huán)從所述火力板懸掛下來。
18.如權(quán)利要求16所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述環(huán)繞所述噴射器居中。
19.如權(quán)利要求14所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述容器由至少一個(gè)立柱限定，所述至少一個(gè)立柱從所述火力板突出到所述燃燒室中。
20.如權(quán)利要求14所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述容器部分地在所述火力板內(nèi)限定。
21.如權(quán)利要求16所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述環(huán)固定到所述活塞上。
22.如權(quán)利要求14所述的內(nèi)燃機(jī)，其中當(dāng)所述活塞處于上止點(diǎn)時(shí)，所述至少一個(gè)容器的容積與所述燃燒室的容積之比在1∶9和1∶4之間。
23.如權(quán)利要求1到22中任一項(xiàng)所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述燃料是氣態(tài)燃料。
24.如權(quán)利要求23所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述燃料是天然氣。
25.如權(quán)利要求24所述的內(nèi)燃機(jī)，還包括電熱塞，其懸掛到所述燃燒室中，能夠點(diǎn)燃所述天然氣。
26.一種兩沖程內(nèi)燃機(jī)包括a.氣缸，b.設(shè)置在所述氣缸中的活塞，在所述發(fā)動機(jī)運(yùn)行期間，所述活塞在上止點(diǎn)和下止點(diǎn)之間往復(fù)運(yùn)動，c.火力板，所述氣缸、活塞和火力板限定了燃燒室，d.燃料噴射器，所述燃料噴射器能夠?qū)⑷剂系娜剂仙淞髦苯訃娚涞剿鋈紵抑?，e.至少一個(gè)容器，用來在所述活塞朝著所述火力板移動時(shí)，積聚一定量的進(jìn)氣，f.至少一個(gè)孔口，其中所述容器通過所述至少一個(gè)孔口與所述燃燒室流體連通，所述至少一個(gè)孔口具有一橫截面積，該橫截面積能夠在所述活塞遠(yuǎn)離所述火力板時(shí)，限制所述一定量進(jìn)氣從所述容器向燃燒室中的流動。
27.一種在正在運(yùn)行的內(nèi)燃機(jī)的燃燒室產(chǎn)生紊流的方法，該方法包括a.在活塞的進(jìn)氣沖程期間將進(jìn)氣引入所述燃燒室中，所述活塞部分地限定所述燃燒室，b.在所述活塞的壓縮沖程期間對所述進(jìn)氣進(jìn)行壓縮，c.在所述活塞的壓縮沖程期間通過孔口將一定量所述進(jìn)氣接收到一容器中，d.將所述燃料的燃料射流直接噴射到所述燃燒室中，e.在所述活塞的作功沖程期間，在所述燃燒室中燃燒所述燃料，f.在上止點(diǎn)之后超過15度時(shí)，通過利用壓力梯度將進(jìn)氣射流從所述容器經(jīng)由所述孔口推動到燃燒室中，在所述燃燒室內(nèi)產(chǎn)生紊流。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在內(nèi)燃機(jī)燃燒室內(nèi)產(chǎn)生紊流和對燃燒的燃料射流中的富黑煙區(qū)產(chǎn)生影響的方法和裝置。公開了一種容器，用來積聚進(jìn)氣且將該進(jìn)氣發(fā)射到燃燒室中和發(fā)射到正在燃燒的燃料中和周圍，所述燃料被直接噴射到燃燒室中。披露了一個(gè)環(huán)或火力板，它們確定一個(gè)或多個(gè)具有孔口的容器，該容器用來積聚、引導(dǎo)和噴射進(jìn)氣。氣態(tài)燃料能受益于本披露。
文檔編號F02F3/26GK1717538SQ200380104276
公開日2006年1月4日 申請日期2003年10月2日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月2日
發(fā)明者菲利普·G·希爾, 張德虹, 李國偉 申請人:韋斯特波特研究公司