CN102444520A - 具有喷嘴的直接喷射式内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直接喷射式内燃机，所述直接喷射式内燃机具有：-至少一个气缸(1)，其中燃烧室(4)由活塞(2)的活塞顶(2a)和气缸盖(3)共同形成，每个气缸(1)具有用于供应新鲜空气的进气口，以及-喷嘴(5)，其在所述活塞顶(2a)的相对侧布置在所述气缸盖(3)中，在所述喷嘴上，在突出到所述燃烧室(4)中的自由端(5b)，设有用于燃料直接喷射的至少两个喷嘴孔，所述喷嘴(5)偏心地布置，与所述气缸(1)的纵轴线间隔开并且与所述气缸(1)的纵轴线(1a)成角α倾斜，设法提供上述类型的直接喷射式内燃机，其关于燃料的喷射被改进并且其中特别地由喷嘴的倾斜安装位置产生并且从现有技术已知的影响被消除或减弱。这借助于上述类型的直接喷射式内燃机实现，其特征在于-至少两个喷嘴孔具有不同尺寸的开口横截面。

Description

具有喷嘴的直接喷射式内燃机

技术领域

本发明涉及一种直接喷射式内燃机，其具有：

-至少一个气缸，其中燃烧室由活塞的活塞顶和气缸盖共同形成，每个气缸仅仅具有一个用于供应新鲜空气的进气口，以及

-喷嘴，其在所述活塞顶的相对侧布置在所述气缸盖中，在所述喷嘴上，在突出到所述燃烧室中的自由端，设有用于燃料直接喷射的至少两个喷嘴孔，所述喷嘴偏心地布置，与所述气缸的纵轴线间隔开并且与所述气缸的纵轴线成角α倾斜。

背景技术

在本发明的背景下，词组“内燃机”特别地包括柴油发动机，但是也包括混合式内燃机，也就是说使用混合燃烧过程操作的内燃机，并且也包括火花点火式发动机。

在内燃机的发展中，一直追求最小化燃料消耗、减少污染物排放和减小成本。

后者可以特别地通过减少部件的数量实现。部件数量的减少减小了部件的总生产成本，减小尤其在部件的管理和储存中产生的供应成本，以及在内燃机的组装期间的组装成本。

所提出的用于减少部件的数量的一种解决方案在于开发多功能部件。这样的例子是将排气歧管整合到内燃机的气缸盖中。由于排气歧管被整合到气缸盖中，免除了作为独立的(也就是说单独的)部件的歧管。由于整合，原则上免除了在内燃机的组装期间歧管的储存和安装。

所提出的用于减少部件的数量的另一种解决方案在于完全免除单独的部件，优选的是免除提供了两个或以上的部件。

在该背景下，适宜的是减少气门驱动的部件的数量。

为了控制充气交换，内燃机需要控制元件和用于致动控制元件的致动装置。在充气交换期间，燃烧气体经由排气口被排出并且燃烧室的充气(也就是说新鲜空气的引入)经由进气口发生。为了控制充气交换，在四冲程发动机中，几乎完全使用提升气门作为控制元件，所述提升气门执行内燃机的操作期间的摆动提升运动并且所述提升气门以该方式打开和闭合进气口和排气口。气门运动所需的气门致动机构(包括气门自身)被称为气门驱动。

气门致动装置包括凸轮轴，多个凸轮布置在所述凸轮轴上。在底置凸轮轴和顶置凸轮轴之间进行基本区分，参考点是气缸盖和气缸体之间的分离面。如果凸轮轴布置在所述分离面之上，则它是顶置凸轮轴，否则它是底置凸轮轴。

顶置凸轮轴(类似于气门自身)常规地安装在气缸盖中，其中具有顶置凸轮轴的气门驱动具有作为另外的气门驱动部件的摆臂、摇臂或挺杆。底置凸轮轴附加地需要推杆，为此顶置凸轮轴也是基本优选的，原因是在这些中运动质量更小。

气门驱动的目的是在正确的时间打开和闭合燃烧室的进气口和排气口，追求最大可能的流动横截面的快速打开以便将流入和流出气流的节气损失保持在低水平并且保证用新鲜空气最佳可能地对燃烧室进行充气，以及废气的有效(也就是说完全)排出。所以，根据现有技术，燃烧室也常常并且越来越多地设有两个或以上进气口和排气口。

为了减少气门驱动部件的数量，燃烧室可以备选地设有仅仅一个进气口。所以本发明也包含其中每个气缸仅仅具有用于供应新鲜空气的一个进气口的内燃机。与另外的进气口一起，关联的气门及其致动装置的部件(具体地，凸轮、摆臂、摇臂和/或挺杆)被消除。

然而由于如上所述在充气交换期间的基本目的是尽可能快地打开最大可能的进气口横截面以便保证用新鲜空气最佳可能地对燃烧室进行充气，因此当每个气缸仅仅使用一个进气口时必须使所述口相对于具有两个或以上进气口的实施例具有相应大的尺寸。进气口的这样的设计导致气缸中(也就是说气缸盖中)的安装空间位置的修改，在直接喷射式内燃机的情况下这不仅必须适应进气口和排气口以及关联的气门，而且必须适应喷嘴。

每个气缸的单一大进气口使从气缸的纵轴线间隔开的喷嘴的偏心布置成为必要。为了为进气门和进气侧致动装置(特别是进气凸轮轴)提供足够的安装空间，喷嘴附加地被布置成相对于气缸的纵轴线成角α倾斜。

喷嘴的这样的布置对气缸中(也就是说燃烧室中)的混合物形成具有影响。喷嘴的倾斜安装位置具有的影响是从喷嘴孔出现的燃料射流不具有一致的动量。这由在喷嘴排气口的上游的一些喷射影响因素由于喷嘴的倾斜而在喷嘴孔之间变化产生。取决于单独的喷嘴孔的位置，通过所述喷嘴孔被引入气缸中的燃料流以或大或小的程度和以或大或小的频率在它到喷嘴排气口的路径上被偏转。这里产生的燃料中的压力损失对进入燃烧室中的燃料射流的动量具有显著影响。

从喷嘴孔出现的燃料射流的非一致动量导致在局部限定区域中，特别是在可能设有的活塞凹陷中的很贫或很富的燃料/空气混合物。这对燃烧和污染物的形成，特别是未燃烧碳氢化合物的排放具有负面影响。

在高负荷下或在全负荷下，局部很富的混合物分数由于空气利用不良而导致灰粒排放的增加，这也可能导致动力下降。在部分负荷范围内，会产生关于噪声排放的缺点，例如原因在于通过预喷射喷射的燃料未燃烧或不完全燃烧，因此当开始燃烧时压力梯度增加。未燃烧碳氢化合物的排放在这里也增加。如果借助于预喷射的燃料量的增加抵消后者的影响，则这会导致局部很富的混合物部分中的灰粒的形成增加。

发明内容

基于上述的背景，本发明的目的是提供一种根据权利要求1的前序部分所述的直接喷射式内燃机，其关于燃料的喷射被改进并且其中特别地由喷嘴的倾斜位置产生并且从现有技术已知的影响被消除或减弱。

所述目的借助于一种直接喷射式内燃机实现，所述直接喷射式内燃机具有：

-至少一个气缸，其中燃烧室由活塞的活塞顶和气缸盖共同形成，每个气缸仅仅具有一个用于供应新鲜空气的进气口，以及

-喷嘴，其在所述活塞顶的相对侧布置在所述气缸盖中，在所述喷嘴上，在突出到所述燃烧室中的自由端，设有用于燃料的直接喷射的至少两个喷嘴孔，所述喷嘴偏心地布置，与所述气缸的纵轴线间隔开并且与所述气缸的纵轴线成角α倾斜，

并且其特征在于

-至少两个喷嘴孔具有不同尺寸的开口横截面。

根据本发明的内燃机的喷嘴的至少两个喷嘴孔不具有一致的几何形状，而是具有不同的几何形状。根据本发明，所述喷嘴孔由不同尺寸的开口横截面表征，而从现有技术已知的常规喷嘴的喷嘴孔具有一致设计。在现有技术中对于喷嘴孔而言一致设计的喷嘴是优选的，因为以该方式，在组装期间错误安装的可能来源被消除。

喷嘴孔的开口横截面对从喷嘴孔出现的燃料射流的动量具有显著影响，其中动量可以通过增加横截面的尺寸而增加并且通过减小横截面的尺寸而减小。由于喷嘴的倾斜安装位置产生的喷嘴孔之间的动量的变化可以以该方式被补偿。

在这里，其动量由于喷嘴倾斜而相对于其他喷嘴孔较小的喷嘴孔带有更大的开口横截面，而即使喷嘴倾斜也具有较大动量的喷嘴孔带有更小的开口横截面。

使用根据本发明设计的内燃机或喷嘴，有可能实现动量一致的到气缸的燃烧室中的燃料喷射，因此从现有技术已知的负面影响被消除。

根据本发明的内燃机，其特征在于布置在气缸盖中的喷嘴的喷嘴孔具有不同尺寸的开口横截面，因此实现本发明所基于的目的，具体地说，提供一种直接喷射式内燃机，其关于燃料的喷射被改进并且其中特别地由喷嘴的倾斜位置产生并且从现有技术已知的影响被消除或减弱。

内燃机的这样的实施例类似地是根据本发明的内燃机，其中所述至少一个气缸的喷嘴设有三个或以上喷嘴孔，并非所有的喷嘴孔具有不同尺寸的开口横截面，只要至少两个喷嘴孔具有不同尺寸的开口横截面，也就是说当考虑所有的喷嘴孔时只要遇到至少两个不同尺寸的开口横截面。

将结合从属权利要求论述内燃机的另外的有利实施例。

内燃机的这样的实施例是有利的，其中所述至少两个喷嘴孔的所述开口横截面从面向所述气缸的纵轴线的侧开始在背离所述气缸的纵轴线的侧的方向上增加。

所述实施例允许当使用具有一致喷嘴开口横截面的喷嘴时，位于背离气缸纵轴线的侧上的喷嘴孔将具有较低的动量，并且根据本发明，因此需要，也就是说必须具有相对于其他孔更大的开口横截面。

在每个喷嘴三个和以上喷嘴孔的情况下，有利的是孔的开口横截面随着离气缸纵轴线的距离增加(也就是说在背离气缸纵轴线的侧的方向上)变得越来越大。

内燃机的这样的实施例是有利的，其中所述至少两个喷嘴孔具有大致圆形的横截面。具有对称的对称设计的喷嘴孔(也就是说圆形横截面)提供生产优势并且因此也提供成本优势。

在其中喷嘴孔具有大致圆形横截面的内燃机的情况下，这样的实施例是有利的，其中所述至少两个喷嘴孔带有不同尺寸的直径以便形成不同尺寸的开口横截面。

在这里，内燃机的这样的实施例是有利的，其中所述喷嘴孔的直径从面向所述气缸的纵轴线的侧开始在背离所述气缸的纵轴线的侧的方向上增加。

就此而论，内燃机的这样的实施例是有利的，其中所述至少两个喷嘴孔的直径变化高达25％。

特别地，内燃机的这样的实施例是有利的，其中所述至少两个喷嘴孔的直径变化高达18％。

此外，内燃机的这样的实施例是有利的，其中所述至少两个喷嘴孔的直径变化至少5％，优选地至少10％。

喷嘴孔的直径的变化应当优选地与喷嘴的倾斜角相协调，也就是说喷嘴孔的安装位置倾斜的程度越大，直径的变化应当越明显。这对应于喷射流的动量随着倾斜角的增加而在更大的程度上不同。

内燃机的这样的实施例是有利的，其中所述喷嘴相对于所述气缸的纵轴线成角α≤30°，优选地成角α≤20°倾斜。

内燃机的这样的实施例是有利的，其中所述喷嘴相对于所述气缸的纵轴线成角α≥5°，优选地成角α≥10°倾斜。

如先前所述，大进气口需要喷嘴的倾斜安装位置以便为进气门和进气凸轮轴提供足够的安装空间。然而必须考虑的是，尽管倾斜喷嘴增加了在进气侧的空间可用性，但是它也同时减小了在排气侧的安装空间，排气门和特别是排气凸轮轴必须布置在所述排气侧的安装空间中。在这方面，喷嘴应当被布置成相对于气缸的纵轴线成角α倾斜，这允许每个气缸的单一进气口的使用，并且这样做不会不利地限制在排气侧的结构设计。

在这方面，内燃机的这样的实施例是有利的，其中所述喷嘴相对于所述气缸的纵轴线成7°≤α≤15°的角倾斜。

内燃机的这样的实施例是有利的，其中所述喷嘴具有至少三个，优选地至少五个喷嘴孔，特别地七个或八个喷嘴孔。

一定数量的喷嘴孔首先保证燃料在燃烧室中的尽可能广泛的分布，藉此燃烧室的广大区域由喷射流覆盖，这对于空气/燃料混合物的均匀化是特别有利的。

其次，必须考虑的是喷嘴必须不仅能够在低和中等负荷范围内喷射相对少量的燃料而且能够在更高的负荷下，具体地在相对短的时期内喷射相对大量的燃料，取决于内燃机的旋转速度，所述时期可以是几毫秒。由于关于喷射流的形成，喷嘴孔的直径不能任意地被扩大，因此为了增加所有孔的总横截面，必须增加孔的数量。

在优选的实施例中，喷嘴孔环形地布置，也就是说在假想环上，并且彼此间隔开，其中在这里，环形并不一定表示圆形。在这里，喷嘴孔位于假想线上，并且所述假想线的终点再次抵接所述线的起点，也就是说所述线形成闭合路径。

内燃机的这样的实施例是有利的，其中所述喷嘴的所述喷嘴孔以规则的间隔彼此间隔开布置。

内燃机的这样的实施例是有利的，其中所述喷嘴孔是多孔喷嘴，特别是向内打开的多孔喷嘴。

内燃机的这样的实施例是有利的，其中所述喷嘴设有在其纵轴线的方向上在喷嘴针阀导向器中在休止位置和工作位置之间可移动的喷嘴针阀，其中所述喷嘴针阀在所述休止位置中闭合所述至少两个喷嘴孔，并且在所述工作位置中为了喷射燃料打开所述喷嘴孔。喷嘴针阀允许喷嘴的机械致动和喷射过程的控制。

内燃机的这样的实施例是有利的，其中借助于自动点火启动燃料/空气混合物的燃烧，也就是说其中所述内燃机是柴油发动机。

在直接喷射式柴油发动机的情况下，内燃机的这样的实施例是有利的，其中所述喷嘴是压电或磁控喷嘴。

内燃机的这样的实施例是有利的，其中所述活塞的所述活塞顶设有活塞凹陷。

对于燃烧室中的混合物准备，也就是说在包括蒸发的预备反应的背景下空气和燃料的混合以及燃料的准备，和对于准备好的混合物的点火，仅仅少量的时间可用于燃料的喷射。

布置在活塞顶中的优选地为Ω形的活塞凹陷有利地用于在整个燃烧室中分配燃料并且保证所喷射的燃料与经压缩的气体的快速混合。

当燃料喷射流撞击凹陷表面时，它们被分裂成也使得燃料加速离开活塞凹陷的多个发散的燃料部分射流，使得保证最佳空气利用。以该方式，发生快速混合，尽管从喷射流形成喷射锥的张角有限。

将喷射流分裂成多个部分射流和利用所喷射的燃料的动能使得所述部分射流加速离开活塞凹陷基本上有助于混合物准备，特别是混合物的均匀化。

在其活塞设有活塞凹陷的内燃机中，这样的实施例可能是有利的，其中所述活塞凹陷不对应于所述喷嘴(也就是说偏心地)形成，而是在所述活塞顶中居中地形成，使得所述凹陷的纵轴线与所述活塞的纵轴线重合。

所述实施例允许在压缩期间活塞凹陷对燃烧室中的气缸新鲜充气的运动具有显著影响。

在具有被安装成围绕旋转轴线可旋转的曲柄轴的内燃机中，这样的实施例是有利的，其中所述喷嘴与所述曲柄轴的旋转轴线和所述至少一个气缸的纵轴线都位于其中的平面间隔开布置。

附图说明

下面在根据图1a和1b的示例性实施例的基础上更详细地描述了本发明。在图中：

图1a示意性地显示了以侧视图形式显示的内燃机的第一实施例的气缸的横截面；以及

图1b示意性地显示了图1中所示的气缸的平面图。

具体实施方式

图1a示意性地显示了以侧视图形式显示的内燃机的第一实施例的气缸1的横截面。图1b示意性地显示了图1a中所示的气缸1的平面图。

气缸1包括燃烧室4，所述燃烧室由活塞2的活塞顶2b、气缸盖3和气缸套7共同形成。活塞2可以以平移方式沿着它的纵轴线2a移动，所述纵轴线与气缸1的纵轴线1a重合。活塞2用于将燃烧所生成的气体力传递到曲柄轴。为了该目的，活塞2借助于活塞销2d铰接地连接到连接杆，所述连接杆又可移动地安装在曲柄轴(未示出)上。

在活塞顶2b的相对侧，喷嘴5布置在气缸盖3中，所述喷嘴在突出到燃烧室4中的它的自由端5b具有用于将燃料直接喷射到燃烧室4中的八个喷嘴孔。

喷嘴5与气缸1的纵轴线1a间隔开，也就是说具有间隔Δ，并且因此偏心地布置。此外，喷嘴5相对于气缸1的纵轴线1a成角α倾斜，其中α表示或指示喷嘴5的纵轴线5a与气缸1的纵轴线1a之间的角。

为了补偿或消除常规地由喷嘴5的倾斜安装位置产生的影响，八个喷嘴孔具有不同尺寸的直径。图1b中所示的两个弯箭头指示孔的直径减小的方向，具体地从背离气缸纵轴线1a的侧开始在面向气缸纵轴线1a的侧的方向上减小。

活塞2的活塞顶2b设有对应于喷嘴5的活塞凹陷2c，所述活塞凹陷在活塞顶2b中布置成与气缸1的纵轴线1a间隔开。

活塞凹陷2c在与喷嘴5的相互作用中用于混合并且因此均匀化燃烧室4中的燃料/空气混合物。

从八个喷嘴孔出现的喷射流6撞击凹陷2c的表面，因此所喷射的燃料进一步分配在燃烧室4中。尽管从喷射流6形成的喷射锥的张角有限，但是在空气位于活塞凹陷2c的外部的情况下发生快速混合。

附图标记

1   气缸

1a  气缸的纵轴线

2   活塞

2a  活塞的纵轴线

2b  活塞顶

2c  活塞凹陷

2d  活塞销

3   气缸盖

4   燃烧室

5   喷嘴

5a  喷嘴的纵轴线

5b  喷嘴尖端，喷嘴的自由端

6   喷射流，燃料射流

7   气缸套

α喷嘴的倾斜角

Δ喷嘴离气缸纵轴线的间隔

Claims (14)

1.一种直接喷射式内燃机，具有：

-至少一个气缸(1)，其中燃烧室(4)由活塞(2)的活塞顶(2a)和气缸盖(3)共同形成，每个气缸(1)具有用于供应新鲜空气的进气口，以及

-喷嘴(5)，所述喷嘴在所述活塞顶(2a)的相对侧布置在所述气缸盖(3)中，在所述喷嘴上，在突出到所述燃烧室(4)中的自由端(5b)，设有用于燃料直接喷射的至少两个喷嘴孔，所述喷嘴(5)偏心地布置，与所述气缸(1)的纵轴线(1a)间隔开并且与所述气缸(1)的纵轴线(1a)成角α倾斜，

其中

-至少两个喷嘴孔具有不同尺寸的开口横截面。

2.根据权利要求1所述的内燃机，其中所述至少两个喷嘴孔的所述开口横截面从面向所述气缸的纵轴线(1a)的侧开始在背离所述气缸的纵轴线(1a)的侧的方向上增加。

3.根据权利要求1或2所述的内燃机，其中所述至少两个喷嘴孔具有大致圆形的横截面。

4.根据权利要求3所述的内燃机，其中所述至少两个喷嘴孔形成有不同尺寸的直径以便形成不同尺寸的开口横截面。

5.根据权利要求4所述的内燃机，其中所述至少两个喷嘴孔的直径变化高达25％。

6.根据权利要求4或5所述的内燃机，其中所述至少两个喷嘴孔的直径变化高达18％。

7.根据权利要求4至6之一所述的内燃机，其中所述至少两个喷嘴孔的直径变化至少5％。

8.根据权利要求4至7之一所述的内燃机，其中所述至少两个喷嘴孔的直径变化至少10％。

9.根据前述权利要求之一所述的内燃机，其中所述喷嘴(5)布置为相对于所述气缸(1)的纵轴线(1a)成角α≤30°倾斜。

10.根据前述权利要求之一所述的内燃机，其中所述喷嘴(5)布置为相对于所述气缸(1)的纵轴线(1a)成角α≤20°和/或α≥5°倾斜。

11.根据前述权利要求之一所述的内燃机，其中所述喷嘴(5)具有至少五个喷嘴孔。

12.根据前述权利要求之一所述的内燃机，其中所述内燃机是柴油发动机。

13.根据前述权利要求之一所述的内燃机，其中所述活塞(2)的所述活塞顶(2b)设有活塞凹陷(2c)。

14.根据前述权利要求之一所述的内燃机，其具有被安装成围绕旋转轴线可旋转的曲柄轴，其中所述喷嘴(5)布置成与所述曲柄轴的旋转轴线和所述至少一个气缸(1)的纵轴线(1a)都位于其中的平面间隔开。

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