CN102770633B - 布置成在内燃机气缸内往复运动的活塞 - Google Patents

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Abstract

一种活塞（3），该活塞（3）布置成在内燃机气缸（2）内往复运动，其中，在与所述往复运动大致垂直的平面内，在焰羽冲击区域之间的正中间处布置有多个突起（70）或凸脊，所述突起（70）或凸脊突出到燃烧室中并具有适于保留所述焰羽内的动能的平滑形式，并且其中，所述凸脊包括左侧部（80）、顶部分（81）和右侧部（82），并且其中，位于所述侧部中的每一个和所述顶部分之间的过渡部分（83）包括偏转边缘（71），以最小化流动损失。

Description

布置成在内燃机气缸内往复运动的活塞
技术领域
本发明涉及一种用于控制内燃机中的燃烧过程的装置。本发明涉及如下一种装置，该装置尤其用于：在燃料/气缸气体的混合物被气缸内产生的压缩热量点燃的内燃机中，减少碳烟排放并且也减少一氧化碳和碳氢化合物。
背景技术
碳烟颗粒(或颗粒物)是在燃烧期间、可能形成并随后被氧化为二氧化碳(CO2)的一种产物。在排气中测量到的碳烟颗粒的量是所形成的碳烟与被氧化的碳烟之间的净差额。该过程非常复杂。富含燃料的燃料/空气混合物在混合不良的情况下、在高温下燃烧会导致大量的碳烟形成。如果能够把所形成的碳烟颗粒与诸如氧原子(O)、氧分子(O2)、氢氧化物(OH)等的氧化物质在足以实现良好氧化率的高温下放在一起，则大部分碳烟颗粒可以被氧化。在柴油机中，该氧化过程被认为与形成过程处于相同的数量级，这意味着：净碳烟产生量是所形成的碳烟量与被氧化的碳烟量之间的差额。因此，可首先通过减少碳烟的形成并随后通过增加碳烟的氧化来影响碳烟的净排放。对于柴油机来说，一氧化碳排放(CO)和碳氢化合物排放(HC)通常非常低。然而，如果未燃烧的燃料结束(ends up)于较冷区域或停滞区域(stagnation regions)内，则上述百分比可能升高。具有强冷却的区域可位于气缸壁附近。可能出现停滞区域的地方的示例是：两个行进中的焰羽(flame plumes)发生碰撞之处，或一个行进中的焰羽与活塞壁发生碰撞之处。
在具有强的温度依赖性且取决于被加热体积的大小及其过程持续时间的热过程中，由空气中的氮成分形成氮氧化物(NOx)。
燃料直接喷射到气缸内且被气缸内的高温和高压点燃的燃烧过程一般称为柴油机过程。当燃料在气缸内被点燃时，气缸内存在的燃烧气体与燃烧中的燃料发生湍流混合(turbulent mixing)，从而形成混合物控制的扩散焰。燃料/气体混合物在气缸内的燃烧导致了热量的产生，所述热量导致气缸内的气体膨胀且因此导致活塞在气缸内移动。取决于多个参数，例如燃料喷射压力、再循环到气缸内的排气的量、燃料喷射时间以及气缸内存在的湍流，可获得不同的效率和发动机排放值。
下面给出现有技术中的、尝试通过控制火焰来降低碳烟排放和NOx排放的设备的一个示例，该设备试图打破碳烟排放和氮氧化物排放之间的、众所周知的“此消彼长关系(trade off)”，这种“此消彼长关系”是柴油机的典型特点且难以被影响。能够减少碳烟排放的大多数措施都会增加氮氧化物的排放。
WO 2009/058055公开了一种具有燃烧室的内燃机，该内燃机包括活塞和具有多个孔口的喷射器，这些孔口被布置成用于喷射喷雾/焰羽，在大部分喷射期间，所述喷雾/焰羽都冲击在活塞的外碗部分上。在所述喷雾/焰羽的冲击区域之间，在与往复活塞运动大致垂直的平面内布置有突出到燃烧室内的第一类突起，该第一类突起具有平滑的形式，以保留火焰中的动能并在火焰与火焰之间的相互作用最小的情况下将周向的火焰行进改变为主要朝着活塞中心轴线的方向。在所述冲击区域中布置有第二类突起，该第二类突起适于在火焰与活塞壁之间的相互作用最小且动能损失最小的情况下、将火焰行进的方向改变为与所述往复活塞运动大致垂直的平面内的周向火焰行进方向。
在最小化上述焰羽内的动能损失方面，所述第一类突起表现良好，但在控制所述焰羽的行进方面，根据该现有技术的第一类突起的形式不是最佳的。
因此，需要实现所述第一类突起(下文仅称为“突起”)的更佳形式。
发明内容
因此，本发明的一个目的是克服现有技术的缺陷并提供包括如下燃烧室布置结构的内燃机，该燃烧室布置结构被设计为用于进一步优化焰羽的行进。这通过如下方式来实现：识别出在突起的顶部处发生流动损失的停滞区域，然后，为该突起赋予使所述停滞区域最小的形状。
本发明的另一个目的是提高对于焰羽主流的控制的稳健性。该稳健性的提高是由于如下位置的敏感度降低所导致的：当所述焰羽朝着燃烧室中心继续行进时，所述焰羽的主流与所述突起在该位置处分离。
本发明的另一目的是促进残留碳烟的进一步的后氧化。对于例如柴油的燃料来说，减少碳烟是非常重要的。本发明进一步有助于减少一氧化碳(CO)排放和碳氢化合物(HC)排放。对于例如DME(二甲醚)的燃料来说，CO和HC的减少变得尤其重要。所述焰羽内的更大量的可用动能能以有用的方式用于增进残余燃料的氧化。以此方式，燃烧过程的持续时间将更短，这使得燃料消耗减少。
本发明的另一目的是提高效率。根据本发明的燃烧室内的所述突起的设计有助于更快的燃烧过程，由此导致效率提高。
通过满足上述目的，使得可通过本发明来至少部分地补偿当使用例如增加的排气再循环量时的已知效应。
根据本发明，可通过提供如下活塞来实现上述目的及其他更详细的目的，该活塞被布置成在内燃机气缸内、在下止点位置和上止点位置之间往复运动。所述活塞包括活塞顶，该活塞顶包括面向燃烧室的上表面。所述活塞顶包括由向外敞口的空腔形成的活塞碗，并且其中，所述活塞碗包括在横截面中具有凹入曲线形状的、向外扩口的外碗部分，所述气缸布置有至少一个进气口以向燃烧室提供进气，所述气缸还布置有喷射器，以将燃料从与所述燃烧室的几何中心轴线邻近的位置喷射到燃烧室内并使行进中的焰羽的冲击区域处于所述外碗部分中，并且其中，在与所述往复运动大致垂直的平面内，在所述冲击区域之间的大致正中间处布置有多个突起，所述突起突出到燃烧室中并具有适于保留所述焰羽内的动能的平滑形式，并且其中，所述多个突起中的每一个均具有纵向凸脊的形状，在与所述往复运动大致平行或近似平行的平面内，该纵向凸脊仅在外碗区域中延伸，并且其中，当在与所述往复运动垂直的平面内观察时，所述凸脊包括左侧部、顶部分和右侧部，并且其中，在所述侧部中的每一个与所述顶部分之间布置有过渡部分。所述活塞的特征在于，所述过渡部分包括偏转边缘，以最小化流动损失。
根据本发明的一个实施例，所述侧部中的每一个均具有侧表面，且所述顶部分具有顶表面，并且其中，在所述过渡部分中，所述侧表面的切线与所述顶表面的切线之间的分离角在90度和160度之间，所述侧表面中的每一个与所述顶表面在所述过渡部分处相遇并形成所述偏转边缘。在另一实施例中，所述分离角在120度和150度之间。
根据本发明的又一实施例，偏转角被定义为：与所述突起的中心线平行的线和所述侧表面的切线之间的角度。在又一实施例中，所述偏转角(88)在-30度和+30度之间。所述偏转角的不同的值能够与所述分离角的不同的值相组合。
在本发明的另一实施例中，当在与所述往复运动垂直的平面内观察时，所述侧部中的每一个均具有带有第一半径的凹入曲线形状，并且所述顶部分具有带有第二半径的凸出曲线形状。
在本发明的又一实施例中，所述偏转边缘沿着所述凸脊的整个延伸而布置。
在本发明的另一实施例中，所述突起被布置成用于在火焰与火焰之间的相互作用最小的情况下、将周向的火焰行进改变为主要朝着所述活塞的中心轴线的方向。
附图说明
下面将参考附图来更详细地描述本发明，出于示例性目的，这些附图示出了本发明的更优选的实施例并且也示出了技术背景，其中：
图1示意性地示出了可实施本发明的、内燃机中的现有技术的活塞和气缸的剖面图。
图2a示意性地示出了图1中的活塞的顶视图，图中带有根据现有技术的喷雾/火焰流。
图2b示意性地示出了根据图2a中的现有技术的实施例的替代实施例。
图3示意性地示出了根据现有技术的、放大的突起40的横截面。
图4示意性地示出了根据本发明的、放大的突起的横截面。
图5示意性地示出了根据图4中公开的突起的、另一个放大的突起的一半的横截面。
具体实施方式
图1中示出了内燃机1的示意图，该内燃机1被设计为根据柴油机过程而工作。发动机1包括气缸2和活塞3，该活塞3在气缸2内往复运动并连接到曲轴4，从而活塞3被设定为在气缸2内、在上止点和下止点位置处反转方向。如通常情况，气缸内腔的一端被发动机气缸盖14封闭。活塞3在其上表面5中设有活塞碗6，该活塞碗6与气缸盖14的内表面21、气缸2的壁一起形成燃烧室7。在气缸盖14内布置有一个或多个进气口9。各个进气口9与气缸2之间的连接可通过布置在每个进气口9内的进气门10来打开和关闭。在该气缸盖内也布置有一个或多个排气口11。各个排气口11与气缸2之间的连接可通过布置在每个排气口11内的排气门12来打开和关闭。这些气门10和12的打开和关闭可通过机械凸轮或液压致动系统或其他驱动系统、以根据活塞3的往复运动而仔细控制的时序来实现。
在气缸盖14内布置有至少一个燃料喷射器13，通过该燃料喷射器将燃料作为燃料喷雾喷射到气缸2内，使得该燃料与在气缸2内压缩的气体混合而形成燃料/气体混合物，该燃料/气体混合物被气缸2内产生的压缩热量点燃。该喷雾的被点燃的部分形成了焰羽。在喷射期间，该喷雾的、最靠近喷射器且具有新喷射燃料的部分尚未开始燃烧。该燃料优选在非常高的压力下喷射。喷射器13包括多个小的喷射孔口(未示出)，这些喷射孔口形成在喷射器13的嘴嘴组件的下端，以允许高压燃料从喷射器13的喷嘴腔在非常高的压力下流到燃烧室7内，以使燃料与高温的压缩进气在燃烧室7内彻底混合。应当理解，喷射器13可以是能够以下述方式将高压燃料通过多个喷射器孔口喷射到燃烧室7内的、任何类型的喷射器。此外，喷射器13可包括机械致动的柱塞，该柱塞容纳在喷射器本体内，用于在柱塞组件的前进行程期间产生高压。替代地，喷射器13也可从例如包括一个或多个高压泵和/或高压蓄能器和/或燃料分配器的泵-管-喷嘴系统中的上游高压源接收高压燃料。喷射器13可包括电致动的喷射控制阀，该喷射控制阀将高压燃料供给到喷嘴阀组件以打开喷嘴阀元件，或者，该喷射控制阀控制高压燃料从喷嘴阀内腔的排出以造成喷嘴阀元件上的压力不平衡，由此使喷嘴阀元件打开和关闭以形成喷射行为。例如，该喷嘴阀元件可以是通过燃料压力致动的、常规的通过弹簧偏压而关闭的喷嘴阀元件。燃料喷射器13优选居中布置在气缸盖中，因此，该燃料喷射器的几何中心轴线与气缸的几何中心轴线15重合，如图1所示，该几何中心轴线也是活塞3的往复运动的轴线。
图1所示的内燃机1可根据四冲程和/或二冲程的原理而工作。发动机1优选包括多个气缸2，每个气缸2均设有一个活塞3，其中，每个活塞3均通过连杆连接到公共的曲轴4，因此，使得该活塞随着发动机曲轴4的旋转而在气缸2内沿着直线路径往复运动。
图1示出了活塞3处于上止点(TDC)位置之前大约45度的位置。当曲轴的位置使得活塞移动到离曲轴的旋转轴线最远的位置时，达到了TDC位置。在常规的方式中，当活塞行进经过进气冲程和做功冲程时，活塞从上止点位置移动到下止点(BDC)位置。为了便于本公开内容，用语“向上”和“向上地”对应于远离发动机曲轴的方向，而用语“向下”和“向下地”则对应于朝着发动机曲轴或朝着活塞下止点位置的方向。
在最上方的TDC位置处，活塞3刚好完成其向上的压缩冲程，在压缩冲程期间，允许从进气口9进入燃烧室7内的进气被压缩，从而其温度升高到发动机燃料的燃点温度以上。在此，该位置被认为是活塞3的整个720度四冲程循环中的、开始膨胀冲程/燃烧冲程的360度的位置。被促使进入燃烧室内的进气量可通过在发动机的进气歧管内提供增压装置来提高。此增压装置例如可通过由涡轮机驱动的涡轮增压器(未示出)提供，或者可以由发动机的曲轴驱动，上述涡轮机由发动机的排气提供动力。该增压装置也可通过两级涡轮增压器、涡轮复合式设备等来提供。
活塞3的上部可称为活塞顶16。活塞顶16包括部分形成燃烧室7的上表面5以及由向上敞口的空腔形成的活塞碗6。活塞碗6包括突出部17，该突出部17优选位于活塞碗6的中心处或中心附近。突出部17包括远端18，在图1所示的优选实施例中，该远端18位于活塞碗6的中心且因此沿着活塞3的往复运动轴线15定位。突出部17还包括内碗底部分19，如图1所示，该内碗底部分19从突出部17、以与活塞3的往复运动轴线垂直的平面为起始边的内碗底角α向下延伸。外碗部分20被设计为具有特定半径R1以及作为半径中心CR1的特定位置。
图2a示出了现有技术的一个实施例，它仅具有围绕外碗6的圆周均匀布置的第一类突起40。所述第一类突起大致布置在两个相邻的焰羽(在图2a和图2b中由两个最大的箭头表示)的冲击区域41之间的正中间处。
根据该现有技术，所述第一类突起具有沿竖直方向延伸的凸脊的形式，因此，在图2a和图2b中，突起40在横截面图中从上方可见。
优选地，第一类突起40的凸脊在与冲击区域的长度相对应的长度上延伸。因此，所述第一类突起的所述凸脊至少从布置在对于所述第一冲击点来说公共的第一水平面内的第一位置延伸，并最多延伸至布置在对于所述第二冲击点来说公共的第二水平面内的第二位置。上述两个水平面垂直于所述活塞3的往复运动方向或气缸的几何中心轴线15。
所述凸脊的基部的宽度43的每一半均可例如沿着外碗部分的圆形轮廓、最多延伸至总喷雾扇区距离42的大约1/3。
图2b示出了具有第二类突起50和所述第一类突起的实施例。所述第二类突起将火焰的水平或大致水平的(取决于所喷射的焰羽相对于水平面的角度如何)移动从朝着外碗区域(冲击区域)的方向改变为切向方向。
根据现有技术，上述特征件(包括所述突起)和燃烧室部件的总体尺寸、形状和/或相对位置可成形为使得燃料喷雾/燃烧的气缸气体火焰的动量在其离开喷射器的路径上被尽可能长时间地保留。
另外，上述特征件和燃烧室部件的尺寸、形状和/或相对位置可成形为使得能够实现该燃料喷雾/焰羽的竖直动量(主要向上的动量)与切向动量(在与轴线15垂直的平面内引导的动量)之间的、预定水平的平衡。
本发明尤其涉及增强将焰羽的水平移动改变为朝着轴线15的方向，即，当焰羽从指向所述外碗的方向改变为指向所述切向方向时，并且进一步涉及将该切向移动改变为指向所述轴线15的移动，这在图2a和图2b中从上方可见。
本发明的发动机包括如下所述地成形的突起，以有利地进一步减少颗粒物(PM)并维持燃料经济性。本发明尤其针对减少碳烟排放。碳烟是PM的一部分。本发明的突起提高了对于焰羽流的控制的稳健性。可减少该突起的顶部上方的富燃区的、非期望的混合。
图3公开了根据现有技术的所述突起40中的一种。如上所述，所述突起40具有纵向凸脊的形状，该纵向凸脊在与所述往复运动大致平行或近似平行(例如，与所述往复运动或气缸的所述几何中心轴线15可具有1度至30度之间的偏差)的平面内、仅在外碗区域中延伸。当在与所述往复运动平行的平面内观察时，所述凸脊包括左侧部60、顶部分61和右侧部62。过渡部分63可定义为所述侧部中的每一个与所述顶部分之间的部分。箭头64示出了被改变方向的焰羽的主流，该焰羽的主流在与气缸的所述几何中心轴线15垂直的平面内、从所述突起的每一侧扩散且在主要朝着气缸的几何中心轴线15的方向上继续行进(在图3、图4和图5中未公开)。根据该现有技术，通过将所述侧部和顶部分成形为具有很适于产生最小流动损失的半径的曲线形状，实现了主流64的平滑的方向改变。
如图3可见，主流64的一小部分将遵循于所述顶部分61的曲线形状。因此，可以说，存在着未限定的主流分离点，即，当所述主流到达位置时，与该主流如何以及何时从所述侧部和/或顶部分分离有关的、该主流的方向和大小。另外，这一小部分可定义为损失流65，因为它们导致在沿着所述凸脊刚好在该凸脊的顶部分61上方延伸的空间66内的流动停滞。
图4公开了根据本发明实施例的突起70。所述突起70具有相应的左侧部80、右侧部82、顶部分81和过渡部分83。根据本发明，在每一侧，所述过渡部分均包括偏转边缘71。该偏转边缘的一个效果是：所述主流与所述突起的分离被固定在该偏转边缘处。因此，将能增强对于焰羽主流行进的控制。所述主流与所述突起分离的位置可更加固定。因此，已限定了所述主流与所述突起分离的固定位置。
此外，在本发明的一个实施例中，两个相邻突起的侧部均可达到所述扇区(对应于图2a中的42)的大约1/3，即，这两个突起之间的所述扇区的1/3区域不含有所述侧部。在另一实施例中，所述侧部可彼此几乎在所述扇区的1/2处会合，即刚好位于这两个相邻突起的正中间。
图5中公开了图4中的突起70的一半，其中，在与所述往复运动垂直的平面内，所述侧部80被根据具有第一半径Rs的凹入曲线形状而成形，且所述顶部分81被根据具有第二半径Rt的凸出曲线形状而成形。选择所述半径Rs和Rt来成形所述突起70的表面，使得所述表面是平滑的且使得所述焰羽的主流74的流动损失最小。
所述侧部80、82中的每一个均具有侧表面84，所述顶部分81具有顶表面85，其中，所述侧表面和所述顶表面一起构成了所述突起70的面向燃烧室的表面。
所述半径Rs和Rt不需要沿着所述表面84和/或85的延伸是恒定的。所述两个半径可沿所述表面是变化的，或者也可以部分是变化的，部分是恒定的。
在另一实施例中，可增大半径Rt，使得所述表面84和85之间的距离增加。这可用于将一个尺寸的活塞中的突起缩放适配于喷射器内的不同数量的喷嘴孔。
在所述侧表面中的每一个与所述顶表面相遇并形成所述偏转边缘71的所述过渡部分中，所述侧表面的切线87与所述顶表面的切线90之间的分离角86可以在90度和160度之间的区间内。在本发明的另一实施例中，所述分离角也可以在120度和150度之间。本发明的所述偏转边缘71可沿着所述凸脊或突起70的整个延伸而布置。所述分离角限定了该偏转边缘的锐利程度。该角度越小，则对所述主流的分离效果越明显。
如图5可见，偏转角88代表了所述主流在偏转边缘71处离开该凸脊时、该凸脊控制所述主流的主要方向的能力。偏转角88被定义为：与所述突起的中心线平行的线89和所述主流的由所述侧部的形状控制的方向(即，所述侧表面的切线87)之间的角度。所述偏转角可以在-30度和+30度之间。在图5的示例中，所述偏转角为大约-10度。
在本发明的另一实施例中，所述偏转角的不同的值能够与所述分离角的不同的值相组合。
如图4所示，根据本发明的所述分离角导致减少了主流74的将遵循于所述顶部分81的曲线形状的、相应的一小部分损失流75。因此，本发明的优点是：将使顶部分81上方的空间76中的流动停滞最小。此外，本发明的突起70提高了对于焰羽流的控制的稳健性，即提高了对于主流74的控制的稳健性。能够减少所述突起的顶部分81上方的流动中的、非期望的湍流和停滞。
本发明的所述活塞可通过机械加工来制造，例如通过车床和/或铣刀和/或通过锻造来制造，以成形所述突起。
本发明可用在由例如柴油、DME(二甲醚)等燃料驱动的发动机中。
不应认为本发明局限于上述实施例，而是，在本发明的范围内，可以构思出多个进一步的变型和变体。

Claims (9)

1.一种活塞(3)，所述活塞(3)布置成在内燃机气缸(2)内、在上止点位置和下止点位置之间往复运动，所述活塞包括活塞顶(16)，所述活塞顶(16)包括面向燃烧室(7)的上表面，所述活塞顶包括由向外敞口的空腔形成的活塞碗，所述活塞碗包括在横截面中具有凹入曲线形状的、向外扩口的外碗部分(20)，所述气缸布置有至少一个进气口(9)以向所述燃烧室内提供进气，所述气缸还布置有喷射器(13)，以将燃料从与所述燃烧室的几何中心轴线(15)邻近的位置喷射到所述燃烧室内并使行进中的焰羽的冲击区域处于所述外碗部分中，并且其中，在与所述往复运动垂直的平面内，在所述冲击区域之间的正中间处布置有多个突起(70)，所述突起(70)突出到所述燃烧室中并具有适于保留所述焰羽内的动能的平滑形式，并且其中，所述多个突起(70)中的每一个均具有纵向凸脊的形状，在与所述往复运动平行的平面内，所述纵向凸脊仅在外碗区域中延伸，并且其中，当在与所述往复运动垂直的平面内观察时，所述凸脊包括左侧部(80)、顶部分(81)和右侧部(82)，其中所述突起(70)布置成用于在火焰与火焰之间的相互作用最小的情况下、将周向的火焰行进改变为主要朝着所述活塞的中心轴线(15)的方向，并且其中，在所述侧部中的每一个与所述顶部分之间布置有过渡部分(83)，其特征在于，所述过渡部分(83)包括偏转边缘(71)，以最小化流动损失。
2.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述侧部(80、82)中的每一个均具有侧表面(84)，并且所述顶部分(81)具有顶表面(85)，其特征在于，在所述过渡部分(83)中，所述侧表面的切线(87)与所述顶表面的切线(90)之间的分离角(86)在90度和160度之间，所述侧表面中的每一个与所述顶表面在所述过渡部分(83)处相遇并形成所述偏转边缘。
3.根据权利要求2所述的活塞，其特征在于，所述分离角(86)在120度和150度之间。
4.根据权利要求2或3所述的活塞，其特征在于，偏转角(88)被定义为：与所述突起的中心线平行的线(89)和所述侧表面的切线(87)之间的角度。
5.根据权利要求4所述的活塞，其特征在于，所述偏转角(88)在-30度和+30度之间。
6.根据权利要求4所述的活塞，其特征在于，所述偏转角(88)的不同的值能够与所述分离角(86)的不同的值相组合。
7.根据权利要求5所述的活塞，其特征在于，所述偏转角(88)的不同的值能够与所述分离角(86)的不同的值相组合。
8.根据权利要求2或3所述的活塞，其特征在于，当在与所述往复运动垂直的平面内观察时，所述侧部(80、82)中的每一个均具有带有第一半径(Rs)的凹入曲线形状，并且所述顶部分(81)具有带有第二半径(Rt)的凸出曲线形状。
9.根据权利要求2或3所述的活塞，其特征在于，所述偏转边缘(71)沿着所述凸脊的整个延伸而布置。
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