一种对置活塞二冲程缸内直喷汽油机燃烧室

摘要

本发明提供了一种对置活塞二冲程缸内直喷汽油机燃烧室，包括气缸套，气缸套两端设有进气口和排气口，气缸套中心的缸套侧壁上布置有对置的火花塞和喷油器；气缸套中心和进气口之间布置有能在气缸套内做往复运动的进气活塞，气缸套中心和排气口之间布置有排气活塞；进气活塞的顶面和排气活塞的顶面相对；进气活塞顶面具有球面凸起部分和球面凹坑部分，排气活塞顶面具有球面凹坑部分，当二者在最靠近的位置时，火花塞和喷油器的头部位于进气活塞和排气活塞之间的间隙内。本发明提供的装置可以有效组织缸内不同流动形式，保证缸内混合气的形成和燃烧过程的组织；同时通过优化燃烧室结构加速燃烧过程，有效抑制爆震；并实现油耗率和排放的同时降低。

说明书

技术领域

本发明涉及内燃机技术领域，具体涉及一种对置活塞二冲程缸内直喷汽油 机燃烧室，能够在进气过程中组织缸内涡流和滚流，在内止点附近组织缸内挤 流，有效促进缸内混合气的形成和燃烧过程的组织。

背景技术

内燃机在满足动力性能要求的前提下，如何降低其燃油消耗和减少对环境 的有害排放，已经作为目前内燃机行业主要面临的问题。世界各国在节能环保 动力的研究过程中，一方面在积极致力于传统内燃机的改进，另一方面也在积 极追求新技术、新原理的动力形式以满足日益严格的排放法规和性能要求。然 而，传统内燃机排放性能的提高往往以牺牲指示热效率为代价，排放性能与指 示热效率很难兼顾。在此种背景下对置活塞二冲程发动机以其高效、高功率密 度等优点重新被重视起来。对置活塞二冲程发动机概念早在1890年左右被提 出。对置活塞二冲程发动机的两个对置活塞布置于同一气缸，并取消了气缸盖 和气门机构，具有功率密度高、传热损失小、平衡性好等优点。在20世纪后期， 现代排放法规阻止了二冲程发动机的发展。近年来，随着现代科技和电控技术 的发展，为提高内燃机效率和排放性能，对置活塞二冲程发动机持续受到关注 和发展。

基于对置活塞二冲程发动机的固有和潜在优势，同时由于柴油机采用燃油 缸内直喷、扩散分层燃烧，其燃烧效率高、燃油经济性好，对置活塞二冲程发 动机主要以柴油作为燃料并衍生出不同结构和型号的发动机。相对柴油机而言， 汽油机采用预混合均质燃烧的特点，以汽油作为对置活塞二冲程发动机燃料势 必带来由于二冲程汽油机换气方面存在的固有问题发生燃油短路，导致HC排放 和油耗率较高。二冲程汽油机分层扫气技术和缸内直喷技术为解决二冲程汽油 机存在的上述问题提供了有效的途径。将“气口-气口”式直流扫气方式和缸内 直喷技术应用于对置活塞二冲程汽油机，燃油在排气口关闭后进行喷射，可以 实现纯空气扫气，避免燃油短路，从而改善对置活塞二冲程汽油机的油耗和排 放。

对置活塞二冲程汽油机由于取消了气缸盖结构，燃烧室由对置活塞顶面组 成，喷油器和火花塞均采用在气缸套侧壁布置的形式，缸内气流运动主要依靠 进气口的流通特性、燃烧结形状和进气腔结构对气流的组织。由于二冲程工作 模式，没有独立的进排气冲程，进排气口叠开时间长，换气过程中不可避免的 出现新鲜充量的短路损失。换气过程中进排气同时进行容易导致换气不充分， 换气结束后缸内残余废气系数较大。同时，换气过程还是缸内流动的组织过程， 不仅影响了缸内气流运动规律，而且影响混合气形成及燃烧过程。对置活塞二 冲程汽油机燃油喷射过程处于排气口关闭后的压缩过程，油气混合时间短。由 于喷油器采用气缸套侧壁布置的方式，对燃油喷射和缸内流动的匹配提出了新 的要求。对置活塞二冲程汽油机采用火花塞在气缸套侧壁布置的方式，相比传 统汽油机其着火核心偏置，火焰传播距离变长，因此对燃烧室形状和火花塞的 位置及点火相位等因素必须予以考虑。此外，燃烧室结构形状对缸内混合气的 形成与燃烧具有重要的影响，一方面影响着缸内流场的分布，另一方面影响燃 油喷雾的引导和燃烧过程的组织。

现有小排量二冲程汽油机大多采用平顶活塞，平顶活塞虽然加工简单，制 造成本低，受热面积小，但是缸内无法形成有组织的气流运动。在进气过程中， 可燃混合气容易由进气口经活塞顶部直接流向排气口，对于应用平顶活塞的二 冲程汽油机，存在较严重的燃油短路损失，致使其动力性、经济性和排放性较 差。另外，在二冲程汽油发动机的整个换气过程中，约30％～40％的新鲜可燃混合 气在扫气过程中随废气排出缸外。缸内直喷小排量汽油机相对于传统汽油机具 有大幅度节能减排的潜力，成为汽油机的主要节能途径，但仍存在着燃烧不稳 定和燃油消耗率高的问题。因此，汽油机要实现大幅度节能减排，进一步改进 其燃烧系统是关键。

发明内容

本发明针对对置活塞二冲程缸内直喷汽油机采用火花塞和喷油器在气缸套 侧壁布置所引起的混合气的火焰核心偏移和火焰传播距离增大而且针对缸内流 动组织不同于传统发动机等方面的问题，设计提供了一种对置活塞二冲程缸内 直喷汽油机燃烧室。该燃烧室不仅能够有效改善燃烧室面容比，有利于燃烧过 程火焰传播，而且能够在进气过程组织有效的涡流和滚流运动，在内止点附近 组织缸内挤流运动。

本发明提供的对置活塞二冲程缸内直喷汽油机燃烧室，包括气缸套，所述 气缸套两端分别设有进气口和排气口，所述气缸套中心的缸套侧壁上布置有火 花塞和喷油器，所述火花塞和所述喷油器对置；所述气缸套中心和所述进气口 之间布置有能够在所述气缸套内做往复运动的进气活塞，所述气缸套中心和所 述排气口之间布置有能够在所述气缸套内做往复运动的排气活塞；所述进气活 塞的顶面和所述排气活塞的顶面相对；

所述进气活塞顶面具有球面凸起部分和球面凹坑部分，所述排气活塞顶面 具有球面凹坑部分，当所述进气活塞和所述排气活塞在最靠近的位置时，所述 火花塞的头部位于所述进气活塞和所述排气活塞之间的间隙内。

优选地，所述进气活塞顶面的球面凸起部分的最高点与所述所述进气活塞 顶面边缘之间的最短曲面距离为所述排气活塞顶面的球面凹坑部分曲面周长的 1/4-1/3。

优选地，所述进气口设有相对气缸套径向的进气口径向倾角。

优选地，所述进气活塞顶面的球面凸起部分形成挤气面，球面凹坑部分形 成导流面，所述火花塞位于进气活塞导流面正下方，所述喷油器位于进气活塞 挤气面正上方，二者呈180°布置。

更优选地，所述进气活塞顶面设有火花塞避让坑；所述排气活塞顶面设有 火花塞避让坑和喷油器避让坑。

优选地，所述进气活塞顶面的球面凸起部分与所述排气活塞顶面的球面凹 坑部分具有相同的曲率。

本发明提供的对置活塞二冲程缸内直喷汽油机燃烧室，主要由气缸套壁面 和进、排气活塞顶面包络形成，火花塞和喷油器布置在气缸套中部的侧壁位置， 进、排气口设计在气缸套的两端，进、排气活塞相对布置在气缸套内部。对置 活塞二冲程缸内直喷汽油机燃烧室除组织缸内混合气的燃烧外，通过进、排气 活塞在气缸内相对进、排气口的运动实现缸内的充量更换。同时，通过进气口 的径向倾角设计和进气活塞导流面设计进行缸内涡流和滚流的组织，在内止点 附近通过进、排气活塞顶面的挤流面设计实现缸内挤流的组织，通过不同流动 形式的组织实现缸内混合气的形成和快速燃烧组织。

因此，本发明提供的对置活塞二冲程缸内直喷汽油机燃烧室具有以下突出 的优点：

(1)该形式的燃烧室结构特点应用于对置活塞二冲程缸内直喷汽油机能够 组织缸内不同的流动形式；

(2)该形式的燃烧室通过优化燃烧室结构，可以促进混合气形成，稳定和 加速燃烧过程，并有效抑制爆震；

(6)该形式的燃烧室能够实现油耗和排放的同时降低；

(4)组成燃烧的进排气活塞顶面的球面结构采用相同的曲率；

(5)进气活塞顶面的进气导流面采用球面结构，可有效形成涡流和滚流运 动；

(6)火花塞位于进气活塞导流面正下方，喷油器位于进气活塞挤气面正上 方，二者呈180°布置；

(7)进气活塞和排气活塞设计有火花塞和喷油器的避让坑，保证在内止点 位置时进排气活塞与火花塞和喷油器不发生干涉。

附图说明

图1是本发明提供的对置活塞二冲程缸内直喷汽油机燃烧系统的整体结构 示意图；

图2是本发明提供的对置活塞二冲程缸内直喷汽油机内止点时燃烧室的剖 面示意图；

图3是本发明提供的对置活塞二冲程缸内直喷汽油机进气活塞结构示意 图；

图4是本发明提供的对置活塞二冲程缸内直喷汽油机排气活塞结构示意 图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结 合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的 限定。

对置活塞二冲程缸内直喷汽油机燃烧系统的整体结构。燃烧系统与内燃机 的其它系统不同，不是孤立系统，为在燃烧室内进行燃烧，完成能量转换功能， 需要涉及很多方面。因此，除燃烧室以外，燃烧系统同时也包括了一些直接影 响和保障内燃机能量转换基本功能的辅助系统，即燃烧系统的子系统，如进排 气系统、燃油供给系统、点火系统等。结合对置活塞二冲程缸内直喷汽油机燃 烧系统采用直流扫气、燃油直喷、火花塞7和喷油器4在气缸套侧壁布置等特 点，其燃烧系统主要包括：完成缸内充量更换和流动组织的换气系统；实现燃 油喷雾和混合气形成的燃油喷射系统；组织点火和燃烧的燃烧室系统。

一种对置活塞二冲程缸内直喷汽油机燃烧室，具体如图1所示，由气缸套 1，布置于气缸套1内，且能够在气缸套1内做往复运动的进气活塞6和排气活 塞2的顶面组成，气缸套1水平布置，中部布置有对置的火花塞7和喷油器4， 在气缸套1两端分别设有进气口5和排气口3。其中，进气口5用于向气缸内 输送新鲜空气，排气口3用于将燃烧后的废气经排气腔排出；同时将进气口5 设计为具有相对气缸半径方向的进气口径向倾角，可实现缸内涡流运动的组织。 进气口5和排气口3的开启和关闭分别通过进气活塞6和排气活塞2的相向或 相反运动来控制，当进气活塞6滑过进气口5上沿时进气口5关闭，反之则进 气口5打开，排气口3亦然。进、排气口高度和进、排气活塞运动规律共同决 定了对置活塞二冲程缸内直喷汽油机的配气相位和气口开启的角面值。

特别的，具体如图2-4所示，上述进气活塞6，其顶面具有球面凸起部分 和球面凹坑部分结构，所述进气活塞顶面的球面凸起部分形成挤气面，球面凹 坑部分形成导流面，上述排气活塞2的顶面具有球面凹坑结构，其中进气活塞 6挤气面采用凸起球面结构形式，并与排气活塞2的球面凹坑具有相同的曲率， 以保证在内止点附近可实现较好的挤流效应；进气活塞6导流面采用圆弧柱面 凹坑结构，在扫气过程中，通过进气口5进入气缸的新鲜空气在进气活塞6导 流面的作用下，在缸内可组织滚流运动。当所述进气活塞6和所述排气活塞2 在最靠近的位置时，所述火花塞7的尖端位于所述进气活塞6和所述排气活塞 2之间的间隙内。同时，在进气活塞6的顶面设有火花塞避让坑和喷油器避让 坑，保证在内止点时刻进气活塞与火花塞不发生干涉。

具体如图2所示，为对置活塞二冲程缸内直喷汽油机内止点时燃烧室示意 图，主要由进、排气活塞顶面和气缸套1组成并采用火花塞在气缸套1侧壁布 置的点火方式，与传统汽油机相比，不仅使混合气的火焰核心偏移和火焰传播 距离增大。

在内止点位置，排气活塞2和进气活塞6的相对距离达到最小值，进排气 活塞顶面和气缸套1壁面构成了燃烧室的最小容积，进气活塞6顶面的球面凸 起部分的最高点与所述所述进气活塞6顶面边缘之间的最短曲面距离为所述排 气活塞2顶面的球面凹坑部分曲面周长的1/4-1/3。由于对进、排气活塞顶面 进行了合理设计，相对平顶活塞而言，燃烧室容积比较小，同时，排气活塞2 和进气活塞6的顶面在内止点附近可有效组织缸内挤流和逆挤流。

上述排气活塞顶面的凹坑球面一方面与进气活塞挤气面相配合实现内止点 附近的挤流与逆挤流的组织；另一方面与进气活塞凹坑导流面相配合组成对置 活塞二冲程缸内直喷汽油机内止点位置的最小燃烧室结构。同时，排气活塞顶 面凹坑的边沿分别设有喷油器避让坑和火花塞避让坑，保证在内止点位置时排 气活塞2与喷油器4和火花塞7不发生干涉。此外，排气活塞顶面凹坑球面的 设计可有效提高排气口3开启初始气口的流量系数，有利自由排气过程的进行。

上述火花塞7和喷油器4，通过两个相对运动的进气活塞6和排气活塞2 布置在同一气缸套1内共同构成燃烧室结构，由于取消了气缸盖结构，对置活 塞二冲程缸内直喷汽油机的火花塞7和喷油器4均布置在气缸套1的侧壁上。 为保证燃油在较短的时间内喷入气缸，并在点火时刻缸内形成均匀混合气，采 用多孔喷油器4结构进行燃油喷射。喷油器4根据发动机循环定时、定量将高 压燃油喷入气缸；火花塞7的位置根据缸内混合气的分布进行合理布置。火花 塞7和喷油器4布置在气缸套1中部的缸套侧壁位置，相对于进气活塞而言， 火花塞7位于进气活塞导流面正下方，喷油器4位于进气活塞挤气面正上方， 二者呈180°布置。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，其保护范 围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换， 均在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围以权利要求书为准。