CN101128657A - 具有适配凹坑的车用活塞式内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有适配凹坑的车用活塞式内燃机，该车用活塞式内燃机(10)具有至少一个气缸和气缸内的活塞(1)以及气缸盖，活塞具有凹槽(2)，气缸盖相对于活塞(1)屋顶形状具有相反的且有第一侧面和第二侧面的屋顶形状，第一侧面和第二侧面成山形墙形状相交，活塞(1)和气缸盖限定出燃烧室的顶面和底面，车用活塞式内燃机还具有点火装置，它至少近似居中布置在屋顶形状中，车用活塞式内燃机还具有最好两个布置在第一侧面(6)的进气门(5)以及最好两个布置在第二侧面(7)的排气门(4)。凹槽(2)延伸于两个侧面上，凹槽(2)在侧面具有近似垂直下降的侧面和一个至少近似平坦的底面，活塞具有至少两个但优选是四个挤流面，挤流面通过气门凹座至少在局部被相互分隔开。

Description

具有适配凹坑的车用活塞式内燃机

技术领域

本发明涉及一种车用活塞式内燃机，该内燃机具有至少一个气缸以及该气缸内的一个活塞，该活塞具有凹坑。

背景技术

例如从美国专利US6,129,066中公开了，在内燃机中，为用于四气门配置的活塞配设有凹坑，凹坑相对于气缸火花塞配置结构大致居中地位于气缸盖中。另外，活塞中的凹坑具有浅平的几何形状，尤其呈圆形。这样的活塞几何形状能够一方面减小敲缸趋势，且另一方面能在减少HC排放的同时改善稀薄燃料运转(以下称为稀燃运转)。尤其是，这样的系统能被用于自燃式内燃机。

发明内容

本发明的任务是提出一种车用活塞式内燃机，它具有改善的、尤其适应于稀燃运转的燃烧过程。

利用具有权利要求1的特征的车用活塞式内燃机、以及具有权利要求18的特征的车用活塞式内燃机的燃烧方法来完成该任务。在各自的从属权利要求中给出了其它的有利设计和改进。

根据本发明的车用活塞式内燃机，以下简称内燃机，具有至少一个气缸，在这里，在气缸中设有带凹坑的活塞。另外，内燃机具有气缸盖，相对于活塞的屋顶形状，气缸盖具有相反的屋顶形状并具有第一侧面和第二侧面，这两个侧面呈山形墙形状相交，在这里，活塞和气缸盖限定出燃烧室的顶面和底面。内燃机具有点火装置，该点火装置至少近似居中地处于屋顶形状中。另外，气缸优选具有两个进气门，它们安置在第一侧面，并且气缸具有两个排气门，它们安置在第二侧面。所述凹坑延伸于两个侧面，在这里，凹坑包括在侧面近似垂直下降的侧面和底面。另外，活塞具有至少两个最好是四个挤流面，它们通过气门凹座至少在局部相互分隔开。

第一设计方案建议，一个气门凹座将两个挤流面完全相互分开。一个气门凹座最好在活塞上表面上具有至少5毫米的深度。根据一个改进方案，该深度就在气门凹座的一个边缘上。该深度沿气门凹座可以是不变的，也可以是变化的。例如，气门凹座可以包括一个具有减小和/或增大面积的平面。气门凹座也可以在至少一个区域内具有边缘，而在第二区域内没有边缘。例如，一个边缘可以布置在本身朝外延伸向活塞外周的区域内。例如在一个与凹坑相邻的区域内不设置边缘或者只设置较小的边缘。

还可以规定，气门凹座深度介于5毫米至15毫米。最好规定，在俯视时挤流面占活塞总表面的比例为20％至40％。不过，所占比例可以低一些，例如达到15％。

另一个设计方案规定，气门凹座以尖棱状至少形成在迎流区内。棱边最好没有倒圆。相反，边缘还可以具有能产生涡流的几何形状，例如缺口、附加突起等能够引起扰流的形状。构成棱边的面最好以70度至90度的锐角或者90度至110度的钝角相交。优选至少大约为90度的角度。

一个改进方案建议，至少在气门凹座旁边，在活塞头上设置一个凹面，它从凹坑开始朝外最好一直将要延伸到活塞外周面并有至少一个棱边，气流在该棱边上散开。该棱边可以与如上所述的气门凹座棱边一样地形成。该凹面最好位于第一和第二气门凹座之间并且过渡变为挤流面。

另一个设计方案规定，至少在挤流面旁边，在活塞头上设置一个凹面，该凹面从凹坑开始朝外延伸至活塞外周面并有至少一个棱边，气流在该棱边上散开。该凹面最好呈槽状并至少部分位于第一挤流面和第二挤流面之间，并且最好至少过渡变为其中一个挤流面。尤其是，该凹面也可以朝向活塞周面升高，但在两侧分别具有尖棱。该凹面也可以完全具有尖棱。

利用上述的内燃机能够，尤其对具有95至98ROZ的燃油来说，获得超过38％的最佳效率。尤其是，上述内燃机在部分负荷的情况下所具有的效率远高于迄今用这样的内燃机能获得的效率。这是通过燃烧室的几何形状做到的，因为该几何形状能够实现高的燃烧速度。特别是，该内燃机可以被用于例如λ为1.4至1.5的超稀燃运转方式中。此外，该内燃机可以具有增压器。可以通过改善的燃尽状况获得HC排放的减少。

内燃机优选在气缸盖中具有15度至25度的顶角。如此形成气缸盖中的气门和通道，即在燃烧室中产生翻滚运动。特别是，可以为此在各通道中设置启闭机构。通道也可以为此具有分支。根据活塞的几何形状及其相对于气门和通道的定向，当从UT至OT的过程中，所产生的翻滚运动将被转换为涡流。由此出现了火焰芯成形。火焰芯成形的中心最好居中位于凹坑内，紧靠点火装置。

为了由翻滚运动产生涡流，凹坑棱边最好如上所述被制成特殊形状。此时，棱边构成阻流体，其造成流向近似平行于曲轴轴线的翻滚流的散开。例如，所述棱边也可以是中断的，或者形成斜坡部。因此，根据一个设计方案，活塞头尤其构造成非常厚的形状。由此一来，例如在翻滚流流经活塞凹坑时出现翻滚流分散。此外，通过整合于活塞中的气门凹座规定气门自由通路。气门凹座的棱边也最好这样构成，即它们至少支持由翻滚运动形成涡流。气门自由通路最好具有下陷部分，它至少比最小所需的自由通路深2倍。优选2至5倍。气门凹座例如具有至少5毫米的下陷部分。

最好如此选择气门角度，即在进气门打开时与进气道一起引起翻滚流动。这得到燃烧室形状的支持，在该燃烧室形状中，凹坑深深突入呈屋顶形的活塞中。根据一个设计方案，凹坑应该具有至少等于10％缸径的深度，优选至少等于15％缸径。一个改进方案规定，该深度为缸径的至少18％，优选至少20％。于是，凹坑例如在缸径为80毫米时具有20毫米深度。凹坑最好近似居中位于活塞中。由此实现了凹坑在活塞上移运动时能支持由已有的翻滚运动产生涡流。

此外，凹坑的居中性保证了在OT位置形成的燃烧室以居中位于气缸盖中的火花塞为中心。通过这种方式，燃烧室中的火苗长度短。这是因为活塞轮廓与气缸盖一起在OT位置形成挤流面。最好规定，由于OT时必然出现气门自由通路和明显的气门开度重叠，所以所出现的挤流面至少将被分为两个分挤流面，但最好是四个分挤流面。在分为两个分挤流面的情况下，进气门和排气门尤其被分开。在挤流面被分为四个分挤流面时，所有四个气门的区域相互分开。挤流面的大小最好在投影活塞面的5％-40％之间变化。投影活塞面此时是气缸直径的圆面。尤其是，挤流面可以如此设计，即它与要获得的翻滚程度相关。在这种情况下，在4级翻滚下形成25％至35％、尤其是30％的挤流面被事实证明是有利的。

翻滚级别是翻滚数的计算结果。翻滚数c_T/c_A是气缸充气的切向速度与轴向速度之比。这通过在静态流动试验中对进气侧产生的翻滚运动进行量化而算出，所述静态流动试验依据在模型气缸中居中加入的叶轮的转速。对此采用的试验组成以及用于翻滚数和翻滚级的计算参数是已知的(Thien，G：四冲程柴油机的气门通道的研究工作，OesterreichischeIngenieurzeitschrift8/65，P291)。在公开范围内，关于翻滚数的计算完全参照该文献。

一个设计方案规定，在OT位置的节流高度低于1毫米，最好是0.5毫米至O.7毫米。此外，用于已有气门的缺口最好至少等于5毫米。通过这种方式，即便是OT位置上也能出现火焰燃烧。尤其是，如此设计缺口，即根据一个设计方案，在所有工作点上，火焰可以窜入形成的缝隙中，燃烧那里的气体，由此避免了自燃过程。

一个改进方案规定，近似成角状、而没有倒圆相接平面地过渡为挤流面对此是有帮助的。通过这种方式，能够利用所谓的“挤流效果”和“反挤流效果”。如果活塞很接近OT地移向气缸盖，则燃烧室中的气体进入活塞头上的凹坑。由此出现了高的气体速度和在凹坑中的相应混合效果。在反挤流时利用了，当活塞掉头运动且随之从OT下移向UT时，气体被吸入缝隙中。借此，尤其是实现了火焰快速到达挤流区。通过挤流面的这种形状且尤其是构造，可以使那里的火苗保持短的长度。

一方面优选规定，在OT前的23度至10度之间，从挤流面和活塞顶面之间缝隙流出的气流达到其最大速度。另一方面优选规定，在OT后的10度至23度之间，流入挤流面和活塞顶面之间缝隙的气流达到其最大速度。

另一个设计方案规定，经过排气门的轴线在凹坑外对准活塞，而经过进气门的轴线至少对准活塞的一个边缘。这在OT位置被确定下来。另外，将如此支持翻滚产生和进而随后的有利燃烧，即至少进气门对应于进气道，所述进气道相互平行地通入燃烧室。也可以使排气门对应于排气道，排气道也相互平行地通入燃烧室。这允许产生翻滚运动，所述翻滚运动可以更简单地被拆散为普通涡流。

为了顺畅地将燃料转入燃烧室而例如规定，燃料流入机构在屋顶形状中靠近山形墙地布置在排气门侧，燃料流入的轴线如此倾斜，即点火装置轴线在气缸盖屋顶形状区域内与之交叉。由此一来，燃烧中心可以接近点火装置，尤其是在凹坑区域内非常紧凑。这尤其通过以下措施来支持，即燃料流入轴线向进气门倾斜。另一个设计方案规定，燃料流入尤其是燃料喷嘴的尖点不一样地布置在燃烧室中，例如接近进气门或者接近排气门。此外，燃料流入方向可以与燃料喷嘴轴线重合，不过也可以与之偏离。在喷入燃料时也可以出现具有不同方向分量的混合形式。输入的且尤其是喷入的液态的或者流入的气态的燃料也可以按照节拍方式被输入，在这里，燃料输入的控制和/或调整例如照顾到在燃烧室中出现的、取决于负荷的涡流情况。

一个改进方案规定，内燃机是煤气发动机的组成部分。煤气发动机例如也可以以稀燃运转方式工作，在这里，可以在满负荷下获得大约150巴的最高压力P_max。可是，最高压力也可以低一些。在这里，最好借助增压器，例如机械式增压器或废气涡轮增压器。尤其是，在活塞、气缸盖和如此形成的燃烧室之间，可以谐调地获得最好介于11至16的高压缩比。对于煤气发动机，尤其是对于以天然气工作的煤气发动机，最好取大约14的值。对汽油运转来说，优选大约13的压缩比。除了天然气，也可以采用其它的、以气态流体形式输入燃烧室的燃料。

除了被设计成直喷式内燃机外，所提出的内燃机也可以与吸管汲油组合。

根据本发明的另一个构想，提供一种如上所述的、按照四冲程原理工作的车用活塞式内燃机来完成上述任务，在这里，在燃烧室中，流体的翻滚运动在压缩冲程中借助至少由一个凹坑在活塞头上形成的棱边被至少局部分散为涡流。如此获得的紊流流入在活塞顶面和活塞头的挤流面之间的缩小缝隙中，并且在到达活塞OT位置前又流出来。流入的燃料被带入缝隙中或又从缝隙流出，由此被携带入随后的燃烧中，在OT位置上在燃烧室中调节出介于11至16的压缩比。

活塞上的挤流面最好分隔开燃烧室，在这里，出现围绕近似居中的点火装置且处于该点火装置下方的燃烧集中。

一个改进方案规定，凹坑棱边按照进气节奏通过流入空气或混合气被冷却。尤其是通过分散例如呈涡流形式的定向流动，可以获得高的流速。这允许改善例如在棱边和流入的冷的新鲜气体之间的热交换。而且，一个设计方案规定，在部分负荷下在燃烧室中出现分层充气。通过这种方式，可以尤其与凹坑形状谐调地实现改善的燃烧方法。通过把增压空气送入燃烧室中获得了进一步的支持。尤其是，稀燃运转可以通过这种方式有利地实现。

另外，可以规定点火时间排列。例如，满负荷时的点火时刻被推迟，就是说，在15°至20°KW的区域。通过这种方式，在相应形成混合气时，可以获得NOx排放减少的短暂燃烧。

附图说明

在以下图中详细示出了其它的有利设计和改进。不过，在各设计方案中示出和描述的特征不局限于这些设计方案。相反，这些特征可以同其它设计尤其与上述特征组合成改进方案。其中：

图1示意表示带有前置的气门通道的活塞；

图2是图1示意所示活塞的视图；

图3是车用活塞式内燃机的示意图，如图所示，其至少一个气缸的活塞处于从UT到OT的上移运动；

图4表示图3的活塞继续上移；

图5表示进入OT的图3的活塞；

图6示意表示包括所属部件的车用活塞式内燃机；

图7示意表示第一缝隙；

图8示意表示第二缝隙；

图9示意表示第三缝隙；

图10是具有第一凹面的活塞头的俯视示意图；

图11是具有多个不同凹面的另一活塞头的俯视示意图。

具体实施方式

图1是活塞1的俯视示意图，活塞居中设有凹坑2。活塞1具有屋顶形状，其具有山形墙棱边3。该棱边3大致居中地沿活塞1延伸并由此使排气门4与进气门5分隔开。此外，进气门4设置在一个车用活塞式内燃机的气缸盖的在此未示出的屋顶形状的第一侧面6，排气门布置在其第二侧7。进气门5和排气门4分别具有通道8，通道走向分别相互平行。尤其是，进气门5的通道的走向也可以平行于排气门4的通道8。另外，在气门之间示意示出了挤流面15。

图2仍示意地表示活塞1。凹坑2具有用于气门的缺口9。用于进气门的缺口9此时可以具有与用于排气门的缺口一样的深度。但是，它们的深度也可以是不同的。例如，用于排气门的缺口的深度小于用于进气门的缺口的深度。不过，用于排气门的缺口的深度大于用于进气门的缺口的深度也是可行的。缺口9的尺寸可以由气门开度重叠的程度以及尤其在OT位置力求达到多大的气门开度来决定。缺口9尤其可以呈尖棱状被加入活塞形状中。通过这种方式，所述缺口能在出现翻滚流时将翻滚流拆散为普通的带涡流的不定向流。例如，一个缺口具有气门凹座9.1，凹面9.2与该气门凹座相连。凹面9.2朝外延伸向活塞外周面并在侧向被挤流面包围。此外，凹面9.2呈尖棱状被加入活塞的上表面。在此棱边上，翻滚涡流分散开，由此提高涡流程度。

图3至图5表示翻滚产生过程。例如，借助通道形状和气门形状来产生翻滚。在一条通道和一个气门之间限定出角度α，该角度如此设定，即流入气体沿切向流入燃烧室，在对置的燃烧室壁转向，由此出现翻滚运动。随着活塞继续移向OT位置，整个翻滚涡流因边缘效应被分散成多股细支流。由此一来，翻滚涡流尽量在到达OT前分解，燃烧室内的涡流率得以提高。

图6示意表示车用活塞式内燃机10。例如，通过燃料箱11给内燃机10提供液态或气态的燃料流。例如，气体也可以直接流入在此未详细示出的气缸。此外，通过增压器12将高压空气供给内燃机10。增压器12例如可以与废气涡轮13连接，在废气涡轮的后面是废气后处理站14。废气后处理站14例如可以是催化器和/或粒子过滤器。

图7示意表示在活塞头中的凹面或气门凹座的缩成尖形的面的可能作用，它构成一个使翻滚在此中断的棱边。翻滚通过对准棱边的箭头表示。所出现的涡流用离开棱边的箭头表示。

图8示意表示所谓的“挤流”：在到达OT前，在活塞顶面和挤流面之间的流体朝着一个凹坑的方向流出。

图9示意表示在OT后的状态。在这里，流体以“反挤流”形式返回缝隙。图9还示出了棱边也由缩成尖形的面构成。

在图10中，举例给出了能够将凹面布置在活塞头的挤流面旁边的另一种方案。凹面至少在一个区域内具有如上所述的棱边形状。挤流面用阴影线表示。凹面从凹坑开始一直延伸到活塞外周面。由此一来，通过凹面的整个通道长度为来自缝隙的流体提供流入或流出的可能性。此外，通过形成棱边，也会产生可能有的涡流的分散。

图11示意表示另一个可行的设计方案。在这里，一个凹面从凹坑起向外伸出，但没有到达活塞外周面。相反，该凹面通过一个挤流面与活塞外周面分隔开。该凹面又局部分隔开两个气门凹座。

Claims (24)

1.一种车用活塞式内燃机(10)，所述车用活塞式内燃机(10)具有至少一个气缸和在该气缸内的活塞(1)以及气缸盖，所述活塞具有凹坑(2)，所述气缸盖相对于所述活塞(1)的屋顶形状具有相反的且具有第一侧面和第二侧面的屋顶形状，所述第一侧面和第二侧面成山形墙形状相交，其中所述活塞(1)和所述气缸盖限定了燃烧室的顶面和底面，所述车用活塞式内燃机还具有点火装置，所述点火装置至少近似居中布置在屋顶形状中，所述车用活塞式内燃机还具有布置在所述第一侧面(6)的最好两个进气门(5)以及布置在所述第二侧面(7)的最好两个排气门(4)，其中所述凹坑(2)延伸于第一侧面和第二侧面上，并且所述凹坑(2)在侧面具有近似垂直降低的侧面和一个底面，所述活塞具有至少两个优选是四个挤流面，所述挤流面通过用于气门的气门凹座至少在局部被相互分隔开。

2.根据权利要求1所述的车用活塞式内燃机(10)，其特征在于，至少一个气门凹座将两个挤流面完全分隔开。

3.根据权利要求1或2所述的车用活塞式内燃机(10)，其特征在于，所述气门凹座的深度至少为5毫米。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的车用活塞式内燃机(10)，其特征在于，当俯看活塞时，所述挤流面占活塞总表面积的比例为20％至40％。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的车用活塞式内燃机(10)，其特征在于，一个气门凹座至少在一个入流区域内成尖棱形式。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的车用活塞式内燃机(10)，其特征在于，至少在气门凹座旁边，在所述活塞头上设有凹面，该凹面从所述凹坑起向外延伸并且具有至少一个棱边，气流在该棱边上分散开。

7.根据权利要求6所述的车用活塞式内燃机(10)，其特征在于，所述凹面位于第一气门凹座和第二气门凹座之间并且过渡变为一挤流面。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的车用活塞式内燃机(10)，其特征在于，在所述活塞头上，至少在挤流面旁边设有凹面，该凹面从所述凹坑起向外延伸并具有至少一个棱边，气流在该棱边上分散开。

9.根据权利要求8所述的车用活塞式内燃机(10)，其特征在于，所述凹面成槽状布置在第一挤流面和第二挤流面之间并至少过渡变为其中一个挤流面。

10.根据权利要求1所述的车用活塞式内燃机(10)，其特征在于，所述凹坑(2)近似居中布置在所述活塞(1)上。

11.根据权利要求1所述的车用活塞式内燃机(10)，其特征在于，至少所述进气门(5)对应于进气道(8)，所述进气道(8)相互平行延伸地通入燃烧室。

12.根据权利要求1所述的车用活塞式内燃机(10)，其特征在于，至少所述排气门(4)对应于排气道(8)，所述排气道相互平行延伸地通入燃烧室。

13.根据权利要求1所述的车用活塞式内燃机(10)，其特征在于，在屋顶形状中，燃料流入机构在山形墙附近布置在排气门侧，并且燃料流入轴线如此倾斜，即所述轴线与在气缸盖内的屋顶形状区域内的点火装置轴线交叉。

14.根据权利要求13所述的车用活塞式内燃机(10)，其特征在于，所述燃料流入轴线向进气门(5)方向倾斜。

15.根据权利要求1所述的车用活塞式内燃机(10)，其特征在于，所述挤流面被相互分隔开。

16.根据权利要求1所述的车用活塞式内燃机(10)，其特征在于，所述内燃机是煤气发动机。

17.将根据权利要求1所述的车用活塞式内燃机(10)用作无氮氧化物催化器的车用稀燃发动机。

18.一种活塞式内燃机(10)的燃烧方法，所述活塞式内燃机具有权利要求1的特征并按照4冲程原理工作，其中在燃烧室中，流体的整个翻滚运动在压缩冲程中借助至少由一个凹坑(2)在活塞头上形成的棱边被至少局部分散为涡流，如此获得的紊流流入在活塞顶面和活塞头的挤流面之间的缩小缝隙中，并且在到达活塞OT位置前又回流，其中流入的燃料被带入所述缝隙或又从所述缝隙流出，在随后的燃烧中被带走，在OT位置上在燃烧室中调节出介于11至16的压缩比。

19.根据权利要求18所述的燃烧方法，其特征在于，围绕近似居中布置的点火装置并在该点火装置下方实现燃烧集中。

20.根据权利要求18或19所述的燃烧方法，其特征在于，在OT位置前的23度和10度之间，从挤流面和燃烧室顶之间的缝隙流出的气流达到其最大速度。

21.根据权利要求18至20中任一项所述的燃烧方法，其特征在于，在OT后的10度和23度之间，流入挤流面和燃烧室顶之间缝隙中的气流达到其最大速度。

22.根据权利要求18至21中任一项所述的燃烧方法，其特征在于，凹坑的棱边按照进气节奏通过流入空气被冷却。

23.根据权利要求18至22中任一项所述的燃烧方法，其特征在于，在部分负荷下在燃烧室中出现分层充气。

24.根据权利要求18至23中任一项所述的燃烧方法，其特征在于，增压空气被送入燃烧室中。

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