CN100465416C - 用于运行直接喷射柴油内燃机的方法及内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行带有至少一个在气缸内往复移动活塞的直接喷射柴油内燃机的方法，其中，内燃机这样运行，使燃油基本上在低于NOx形成温度的局部温度下并以高于炭黑形成极限的过量空气系数进行燃烧，其中，燃油喷射在压缩阶段上止点之后最大约10°曲柄转角的上止点之前2°曲柄转角之间的范围内开始并回收废气，其中，废气回收率约为20%-40%。为达到特别低的氮氧化物和炭黑排放，提供至少一个活塞(27)，带有一个挤压面(34)和一个环形活塞盆形燃烧室(28)和一个处于挤压面(34)与活塞盆形燃烧室(28)之间过渡区内的收缩部位(29)；在活塞(27)向上运动时，产生一种从外向内对着活塞盆形燃烧室(28)的挤压流并在活塞盆形燃烧室(28)的内部形成一种涡流的主流(43、43a)；燃油至少主要向环形活塞盆形燃烧室(28)内喷射，并沿活塞盆形燃烧室侧壁(31)和/或活塞底(32)在至少部分汽化下输送。

Description

用于运行直接喷射柴油内燃机的方法及内燃机
技术领域
本发明涉及一种用于运行带有至少一个在气缸内往复移动活塞的直接喷射柴油内燃机的方法，其中，内燃机这样运行：使燃油基本上在低于NOx形成温度的局部温度下并以高于炭黑形成极限的局部过量空气系数进行燃烧，其中，燃油喷射在压缩阶段的上止点之后最大约10°曲柄转角的上止点之前2°曲柄转角之间的范围内开始并回收废气，其中，废气回收率约为20％-40％。此外，本发明还涉及一种用于实施该方法的一种内燃机。
背景技术
采用内部燃烧的内燃机中燃烧过程最主要的参数是燃烧过程或燃烧开始的相位、气缸压力的最大上升速度以及峰值压力。
在基本上通过直接喷射燃油量的自点火进行燃烧的内燃机中，这些参数关键通过喷油持续时间点、充气成分和点火延迟规定。这些参数从它们方面通过大量影响值确定，例如像转速、燃油量、进气温度、增压压力、有效压缩比、气缸充量的废气含量和零件温度。
严格的法律框架条件的作用是，在设计燃烧方法时，必须不断开辟新的途径，以减少柴油内燃机上炭黑颗粒和NOx排放的排出物。
美国专利US 6.158.413A介绍了一种直接喷射的柴油内燃机，其中，燃油喷射不是在压缩的上止点之前开始，而且通过废气回收降低燃烧室内的氧气浓度。这种运行方法在这里也称为HPLI方法(Highly Premixed Late Injection)。与上止点之前的常规喷油相比，由于上止点之后下降的温度水平和比常规运行方案提高了所回收废气的量，点火延迟比常规的柴油燃烧时要长。通过废气回收率控制的低温度水平的作用是，将燃烧温度尽可能保持在对NOx形成关键的数值以下。通过受推迟喷油时间点影响加大点火延迟达到一种良好的混合气形成，由此在混合气燃烧时明显降低了局部缺氧，由此减少了颗粒形成。燃烧过程的点火滞后偏移降低了最大温度，但同时导致提高了后面出现的曲柄转角中的平均温度，这样增加了炭黑燃烧。此外，在与高废气回收率的共同作用下，尽管由于延长点火延迟加大了预混合的燃油量并因此提高了最大燃烧率，但燃烧推迟到膨胀行程内仍导致气缸内不超过允许程度的压力升高率。
此外，公知柴油内燃机的活塞采用基本上环形的活塞盆形燃烧室构成。在此方面，在活塞端面与活塞盆形燃烧室之间的过渡区内设置一个收缩部位，构成一个相当窄的通过横断面。通过窄的输送横断面提供一种高混合气形成能量，由此燃油处理得到明显改善。带有这种环形活塞盆形燃烧室的活塞，基本由公开专利EP 0383 001 A1、DE 1 122 325 AS、AT 380 311 B、DE 21 36 594 A1、DE 974 449 C或者JP 60-206960 A是已知的。在常规运行的内燃机中，利用这种活塞对内燃机的运行特性产生如下具有优点的效果：可以提高烟气限制的满负荷；可以实现高压缩，从中通过更小的点火延迟产生更低的燃烧噪声、更低的碳氢化合物排放、发动机更有利的起动特性和提高内燃机的效率；此外产生的可能性是将点火时间在方向上靠后延期，通过混合气形成能量在更长时间间隔上保持高水平这种事实，没有明显的烟气、消耗和HC上升。这种可能性意味着主要是降低了氮氧化物、燃烧噪声和气缸峰值压力。
此外，公开专利DE 11 22 325 C1已知一种带有活塞盆形燃烧室和收缩部位的活塞，其中，在挤压面和收缩部位之间具有一个造型。
在按照HPLI方法工作的内燃机中，迄今为止不使用这种带有深收缩活塞盆形燃烧室的活塞样式，因为迄今为止人们认为，由于深活塞盆形燃烧室和很强的挤压流起动能力和热力学的效率会变得过差。美国专利US 6,158,413A因此提出首先抑制挤压流，其中，使用带有非常扁平的活塞盆形燃烧室的活塞。
发明内容
本发明任务在于，对用于运行内燃机的HPLI方法这样进行改进，使其一方面可以进一步降低氮氧化物和炭黑排放，另一方面可以达到扩大可以在HPLI运行中行驶的负荷范围。
依据本发明该任务由此得以实现，即提供至少一个活塞，带有至少一个挤压面和一个环形活塞盆形燃烧室以及一个处于挤压面与活塞盆形燃烧室之间过渡区内的收缩部位；在活塞向上运动时，产生一种从外向内对着活塞盆形燃烧室的挤压流并在活塞盆形燃烧室的内部形成一种涡流的主流；燃油至少主要向环形活塞盆形燃烧室内喷射，并沿活塞盆形燃烧室侧壁和/或活塞底在至少部分汽化下输送。活塞盆形燃烧室内的流动取决于是否存在带有涡流或者无涡流的进气流。
因此在依据本发明的一种实施方案中，在气缸内产生一种涡流数≥1的带有涡流的进气流，而且燃油通过挤压流沿活塞盆形燃烧室侧壁在至少部分汽化下向活塞底方向并继续沿活塞底向盆形燃烧室中心输送。涡流在压缩阶段期间保持在活塞盆形燃烧室的内部。
而在另一实施方案中则相反，在气缸内产生一种涡流数<1的无涡流的进气流，而且燃油通过挤压流在至少部分汽化下从盆形燃烧室中心，沿活塞底向活塞盆形燃烧室侧壁并继续向收缩部位输送。
情况令人惊异地表明，通过安装活塞盆形燃烧室，起动能力在按HPLI方法工作的内燃机上并没有明显变差。挤压流造成的热力学的效率的损失，通过活塞盆形燃烧室内得到改善的混合气处理可以明显抵消高涡流的后果。
燃油-空气混合气既在活塞盆形燃烧室内，也在活塞表面和气缸盖之间的间隙内进行燃烧。
在HPLI方法中，喷油阶段的主要部分处于压缩的上止点之后。与上止点之前的常规喷油相比，由于上止点之后下降的温度水平和比常规运行方案提高的20％和40％之间所回收废气的量，点火延迟在这里更长。为延长点火延迟需要时也可以采用其他手段，像降低有效压缩比和/或进气温度，以及为缩短喷油持续时间可以提高喷油压力和/或扩大喷油嘴的喷油孔横断面。喷油持续时间这样设计，使喷油结束处于燃烧开始之前。在这种情况下可以将炭黑排放保持在非常低的水平上。这一点由此可以得到说明，即在此方面避免一方面在燃油射束中另一方面在以常规方案包围射束的火焰中同时出现液态燃油，由此也可以阻止平时导致炭黑形成，在空气不足情况下在射束附近产生的氧化反应。对于HPLI燃烧法来说，喷油压力至少需要500bar。这种方法的优点是非常低的NOx和颗粒排放并达到相当高的废气温度，它的其他优点在于颗粒-废气再处理装置的再利用方面。这种内燃机采用约1.0-2.0的全局的过量空气系数运行。
此外具有优点的是，几何形状的压缩比可以改变。几何形状的压缩比在此方面可以在14和18之间的范围内变化。高压缩比对于冷起动阶段来说是优点。降低负载增加期间的压缩比，提高了可达到的最大负荷并减少了由于延长点火延迟造成的炭黑排放。
在此方面，通过至少一个进气阀的关闭时间点改变有效压缩比。通过推迟进气口关闭或者通过非常早地关闭进气口可以降低有效压缩比，由此可以降低对低NOx率和炭黑排放所要求的废气回收率。在此方面，既可以推迟进气阀打开的时间点，也可以推迟进气门关闭的时间点，或者只推迟进气阀关闭的时间点。
为实施该方法适用一种内燃机，带有至少一个用于直接燃油喷射的喷射装置，一个废气回收装置和至少一个在气缸内往复移动的活塞，该活塞具有一个鲜明的挤压面和一个环形的活塞盆形燃烧室。在此方面，活塞在挤压面和活塞盆形燃烧室之间的过渡区内具有一个圆形的收缩部位。由此一方面产生一种鲜明的挤压流，而另一方面达到液流以相当高的速度流入盆形燃烧室内。活塞盆形燃烧室内相当高的涡流水平面有利地影响充分燃烧状况，由此可以明显降低HC和CO排放。特别有利的是，活塞盆形燃烧室这样确定尺寸，使其适用最大盆形燃烧室直径DB与活塞直径D之比为：0.5<DB/D<0.7，而且活塞盆形燃烧室这样确定尺寸，使其适用最大盆形燃烧室深度HB与活塞直径D之比为：0.12<HB/D<0.22。由此可以将自由燃油射束长度保持在尽可能大的程度上。为构成鲜明的挤压流，最好活塞盆形燃烧室这样确定尺寸，使其适用收缩部位的直径DT与最大盆形燃烧室直径DB之比为：0.7<DT/DB<0.95。
在挤压面和收缩部位之间作为进气区设置一个绕行的环形造型，带有平整的底部和圆柱形的壁。最好该造型具有最大盆形燃烧室深度5％与15％之间的深度，该造型具有至少部分圆柱形的壁，而且该造型在壁的区域内具有大于收缩部位直径10％-20％之间的直径。通过该造型在活塞下行时降低从活塞盆形燃烧室的径向流出速度。由此燃料部分不是沿活塞端面，而是在轴向输送到气缸盖。
附图说明
下面借助附图对本发明进行详细说明。其中：
图1示出用于实施依据本发明方法的内燃机；
图2示出该内燃机气缸的纵剖面。
具体实施方式
图1示出具有进气歧管2和排气歧管3的内燃机1。内燃机1通过废气涡轮增压器4增压，后者具有废气驱动的涡轮5和通过涡轮5驱动的压缩机6。沿压缩机6逆流在进气侧上设置一个增压空气冷却器7。
此外，高压废气回收系统8在废气线路10和进气管11之间具有第一废气回收管9。废气回收系统8具有废气回收冷却器12和废气回收阀13。取决于排气线路10和进气管11之间的压差，第一废气回收管9内还可以具有一个废气泵14，以便控制或提高废气回收率。
除了该高压废气回收系统8外，还具有一个沿涡轮5顺流和沿压缩机6逆流的低压废气回收系统15，其中，在废气管16内沿微尘滤清器17的顺流分支第二废气回收管18并沿压缩机6的逆流通入进气管19内。此外，在第二废气回收管18内设置一个废气回收冷却器20和一个废气回收阀21。为控制废气回收率在废气管16内沿支线的顺流设置一个废气阀22。
沿第一废气回收管9支线的逆流在废气线路10内设置一个氧化催化器23，去除HC、CO和颗粒排放的挥发部分。副作用是与此同时提高废气温度并因此将附加的能量输送到涡轮5。在此方面，原则上也可以将氧化催化器23沿废气回收管9分支的顺流设置。图1所示采用沿氧化催化器23顺流支线设置具有的优点是废气冷却器12受到更小的污染，但缺点是由于废气温度升高需要废气回收冷却器12具有更高的冷却能力。
内燃机1的每个气缸24具有至少一个将柴油直接喷射到燃烧室26内的喷油阀25，其喷油开始可以在压缩阶段的上止点后最大10°曲柄转角的上止点之前约2°曲柄转角之间的范围内变化。喷油压力在此方面处于500和2500bar之间。
在气缸24内来回移动的活塞27具有一个基本上旋转对称的环形活塞盆形燃烧室28，设计成一个悬挂壁区30的收缩部位29。活塞盆形燃烧室28的侧壁采用31、活塞底采用32以及凸起的盆形燃烧室中心采用44标注。
在活塞端面33上，收缩部位29的外面设计成一个挤压面34。活塞27的几何形状、喷油持续时间点和喷油阀25的喷油几何形状这样确定，使喷油射束的轴线35对着环绕侧壁31和挤压面34之间收缩部位29的一个区域36。该冲击区域36包括悬挂壁区30、收缩部位29本身以及通过一个绕行的环形造型37a在挤压面34和收缩部位29之间构成的进气区37。造型37a具有一个平整的底部37b和一个圆柱形的壁37c，其中，过渡半径r设计为约1mm和活塞盆形燃烧室深度HB的50％之间。造型37a的深度h约为最大盆形燃烧室深度HB的5％-15％。造型37a的直径D1大于收缩部位29直径DT的10％-20％。
通过造型37a，在活塞27向下运动时明显降低了径向流出速度，由此大大减少了向活塞端面33上和继续向气缸壁输送的燃油部分。由此只有少量燃烧残留物进入发动机油内。
在图2中，附图符号43表示带有涡流的进气流中的挤压流，而附图符号43a则表示无涡流的进气流中的挤压流。
该内燃机按照所谓的HPLI方法运行。在此方面，喷油阶段的主要部分处于上止点之后。该内燃机以20-40％的废气回收率运行，其中，喷油的开始处于压缩阶段上止点之后最大约10°曲柄转角的上止点之前2°曲柄转角之间的范围内。通过喷油结束和燃烧开始的完全分离，达到混合气与预混合燃烧的部分均匀化。由于与上止点之前的常规喷油相比下降的温度水平和比常规运行方案提高的所回收废气的量，点火延迟延长。为延长点火延迟也可以采用其他手段，像降低有效压缩比和/或进气温度，以及为缩短喷油持续时间可以提高喷油压力和/或者扩大喷油嘴的喷油孔横断面。为使喷油结束处于燃烧开始之前，要求缩短喷油持续时间。在这种情况下可以将炭黑排放保持在非常低的水平上。这一点由此可以得到说明，即在此方面避免在燃油射束中和在以常规方案包围射束的火焰中同时出现液态燃油，由此也可以阻止平时导致炭黑形成，在空气不足情况下在射束附近产生的氧化反应。喷油时间点的滞后位置与相当长的点火延迟，共同导致整个燃烧过程的后移，由此也使气缸压力分布向后推迟，并造成产生低NOx排放的最大温度下降。
燃烧过程的点火滞后偏移降低了最大温度，但同时导致提高了后面出现的曲柄转角中的温度，这样增加了炭黑燃烧。
此外，在与高废气回收率的共同作用下，尽管由于延长点火延迟加大了预混合的燃油量并因此提高了最大燃烧率，但燃烧推迟到膨胀行程内仍导致气缸内不超过允许程度的压力升高率。造成高的等容度的最大高燃烧率可以部分补偿由于燃烧过程后移造成的效率损失。为取得高效率，燃烧重点应尽可能靠近上止点TDC。
所使用的HPLI方法的优点是，可以形成非常低的NOx和颗粒排放并达到高的废气温度，这对微尘滤清器的再利用来说是具有优点的。局部燃烧温度一小部分可以高于低的NOx形成温度。局部过量空气系数在此方面大部分高于炭黑形成极限。在HPLI方法中，虽然在燃烧过程开始时由于高压喷油造成强涡流形成炭黑，但通过高温炭黑在燃烧过程即将结束时被氧化，由此整体上形成很低的炭黑排放。可以或者仅通过外部废气回收装置或者通过外部和内部由可变阀门控制的废气回收装置的组合，取得高的废气回收率。为在混合气形成时达到一种高涡流，具有有利的是产生涡流的进气道用于产生最高约5个高涡流数。
活塞盆形燃烧室28具有一个相当大的最大直径DB，其中，DB与D之比处于0.5-0.7的范围内。最大活塞深度HB与活塞直径D之比，以有利的方案处于0.12和0.22之间。由此可以产生一种长的自由射束长度，它对混合气形成具有优点。为构成一种强挤压流43，收缩部位29的直径DT与最大活塞直径DB之比处于0.7-0.95之间。由此达到进入活塞盆形燃烧室28内的高进气速度，这有利于燃油-空气混合气的均匀化。
喷油射束轴线35的几何形状以及活塞盆形燃烧室28的几何形状，可以对常规的柴油内燃机在满负荷程度上进行优化。

Claims (16)

1.用于运行带有至少一个在气缸(24)内往复移动活塞(27)的直接喷射柴油内燃机的方法，其中，内燃机这样运行，使燃油基本上在低于NOx形成温度的局部温度下并以高于炭黑形成极限的过量空气系数进行燃烧，其中，燃油喷射在压缩阶段的上止点之后最大约10°曲柄转角的上止点之前2°曲柄转角之间的范围内开始并回收废气，其中，废气回收率约为20％一40％，其特征在于，提供至少一个活塞(27)，带有至少一个挤压面(34)和一个环形活塞盆形燃烧室(28)和一个处于挤压面(34)与活塞盆形燃烧室(28)之间过渡区内的收缩部位(29)；在活塞(27)向上运动时，产生一种从外向内对着活塞盆形燃烧室(28)的挤压流并在活塞盆形燃烧室(28)的内部形成一种涡流的主流(43、43a)；燃油至少主要向环形活塞盆形燃烧室(28)内喷射，并沿活塞盆形燃烧室侧壁(31)和/或活塞底(32)在至少部分汽化下输送。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，在气缸(24)内产生一种涡流数≥1的带有涡流的进气流，而且燃油通过涡流的主流(43)沿活塞盆形燃烧室侧壁(31)在至少部分汽化下向活塞底(32)方向并继续沿活塞底(32)向盆形燃烧室中心(44)输送。
3.按权利要求1所述的方法，其特征在于，在气缸(24)内产生一种涡流数<1的无涡流的进气流，而且燃油通过涡流的主流(43a)在至少部分汽化下从盆形燃烧室中心(44)，沿活塞底(32)向活塞盆形燃烧室侧壁(31)并继续向收缩部位(29)输送。
4.按权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，将燃油向活塞(27)的收缩部位(29)方向喷射，其中，喷油开始时大部分燃油量的至少一个燃油射束的射束轴线(35)的切合点(38)处于盆形燃烧室侧壁(31)和挤压面(34)之间的一个区域(36)内，该区域包括悬挂壁区(30)、收缩部位(29)以及挤压面和收缩部位(29)之间的进气区(37)。
5.按权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，燃油喷射在500—2500bar之间的喷油压力时进行。
6.按权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，全局的过量空气系数在1.0和2.0之间调整。
7.按权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，进行外部和/或内部废气再循环。
8.一种直接喷射柴油内燃机，用于实施按权利要求1—7之一所述的方法，利用该方法可以对燃油喷射的开始在压缩阶段上止点之后大约10°曲柄转角的上止点之前的约2°曲柄拐角之间的范围内进行调整，以及带有一个废气回收率处于20％和40％之间的废气回收系统，带有至少一个在气缸(24)内往复移动的活塞(27)，其特征在于，活塞(27)在其端面(33)上具有至少一个挤压面(34)和一个带有收缩部位(29)的环形活塞盆形燃烧室(28)，基本上成凹形弯曲的侧壁(31)和底部(32)，以及一个侧壁(31)与收缩部位之间的悬挂壁区(30)，其中，大部分燃油量的喷油装置(25)燃油射束的至少一个射束轴线(35)在喷射开始时对着侧壁(31)与挤压面(34)之间的一个区域(36)，该冲击区域(36)包括悬挂壁区(30)、收缩部位(29)以及挤压面(34)与收缩部位(29)之间的进气区(37)。
9.按权利要求8所述的内燃机，其特征在于，活塞盆形燃烧室(28)这样确定尺寸，使其适用最大盆形燃烧室直径(DB)与活塞直径(D)之比为：0.5<DB/D<0.7。
10.按权利要求8或9所述的内燃机，其特征在于，活塞盆形燃烧室(28)这样确定尺寸，使其适用最大盆形燃烧室深度(HB)与活塞直径(D)之比为：0.12<HB/D<0.22。
11.按权利要求8或9所述的内燃机，其特征在于，活塞盆形燃烧室(28)这样确定尺寸，使其适用收缩部位(29)的直径(DT)与最大盆形燃烧室直径(DB)之比为：0.7<DT/DB<0.95。
12.按权利要求8或9所述的内燃机，其特征在于，进气区(37)在挤压面(34)与收缩部位(29)之间具有一个绕行的环形造型(37a)。
13.按权利要求8或9所述的内燃机，其特征在于，造型(37a)具有通向活塞盆形燃烧室(28)的平整底部(37b)。
14.按权利要求8或9所述的内燃机，其特征在于，造型(37a)具有最大盆形燃烧室深度(HB)5％和15％之间的深度(h)。
15.按权利要求8或9所述的内燃机，其特征在于，造型(37a)具有一个至少部分圆柱形的壁(37c)。
16.按权利要求8或9所述的内燃机，其特征在于，造型(37a)在壁(37c)的区域内，具有大于收缩部位(29)直径(DT)10％-20％之间的直径(D1)。
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