CN103620179B - 用于将燃料喷射进燃烧室中的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

在将燃料喷射进交通运输工具(10)的发动机(30)的气缸(13)的燃烧室(2)中时，燃料以多条射束(3)的形式借助喷射器(1)喷射。在此定义第一平面，喷射器(1)的中轴线(11)和气缸(13)的中轴线(12)处于该第一平面中。此外定义第二平面，喷射器(1)的中轴线(11)和第一平面的面法线处于该第二平面中。所述射束(3)这样产生，使得对于每个由两个射束(3)构成的射束对，所述射束对的两个射束的两个中轴线在第二平面中的投影之间的角度小于50度。

Description

用于将燃料喷射进燃烧室中的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于将燃料有针对性地喷射入交通运输工具的内燃机气缸的燃烧室中的方法以及一种相应构造的装置、一种相应构造的发动机和一种相应构造的交通运输工具。
背景技术
按照现有技术已经广泛已知如何将燃料多射束地喷射入燃烧室，参照例如DE 10032 330 A1、DE 10 2004 041 031 A1、DE 10 2004 002 296 A1、US7,770,55 B2或JP2007092633 A。
在此，按照现有技术这样实施燃料的喷射，使得气缸的火花塞和气门尽可能不被注入的燃料沾湿(尤其参照DE 100 32 330 A1、DE 10 2004 041 031 A1和DE 10 2004 002296 A1)。在注入燃料时壁被沾湿的问题也在专利文献DE 10 2004 041 031 A1和DE 102004 002 296 A1中谈到过。
发明内容
从现有技术出发，本发明所要解决的技术问题在于，将多射束形式的燃料这样喷射入燃烧室中，使得
-气缸的工作面尽可能不被沾湿，
-伸入气缸内的气门的气门顶尽可能不被沾湿，
-活塞尽可能不被沾湿，并且
-燃烧室尽可能不被沾湿。
按照本发明，所述技术问题首先通过一种用于将燃料喷射进交通运输工具的发动机的气缸的燃烧室中的方法来解决，按照该方法，
其中，燃料借助喷射器以四条、五条或者六条射束喷射，
其中，定义第一平面，喷射器的中轴线和气缸的中轴线处于该第一平面中，并且
其中，定义第二平面，喷射器的中轴线和第一平面的面法线处于该第二平面中，
其中，喷射器的中轴线相对气缸的中轴线具有一定角度，因此燃料侧向地倾斜喷射入气缸中，
按照本发明方法，所述射束这样产生，使得对于每个由两个射束构成的射束对，所述射束对的两个射束的两个中轴线在第二平面中的投影之间的角度小于50度。
通过限定在50度以下可以有利地保证射束不会沾湿气缸工作面(活塞沿其运动的气缸壁)。
本发明的发明者已经实施了大量的模拟和实验，用于确定喷射几何形状(喷射射束的确定布局)，该喷射几何形状一方面尽可能最佳地解决前述技术问题，另一方面在气缸内产生燃料-空气混合物，其中尽管如此仍能最佳地充分利用燃烧室的容积。发明者的模拟和实验的结果是具有五个孔的特定喷射几何形状和具有四个孔的特定喷射几何形状。
为了定义喷射几何形状，每个射束(以及每个孔)通过第一角度和第二角度定义。在此，第一角度处于各射束的中轴线在第一平面的投影和喷射器的中轴线之间。第二角度处于各射束的中轴线在第二平面的投影和喷射器的中轴线之间。
在具有正好五个孔的喷射几何形状中，燃料(尤其是同时)以正好五条射束喷入燃烧室中，因此存在第一射束、第二射束、第三射束、第四射束和第五射束。以下的表格1显示了按照本发明的最佳的五射束布局的各条单独射束相对喷射器的中轴线的位置。
表格1：最佳的五射束布局
在具有正好四个孔的喷射几何形状中，燃料(尤其是同时)以正好四条射束喷入燃烧室中，因此存在第一射束、第二射束、第三射束和第四射束。表格2显示了这四条射束相对喷射器的中轴线形成的第一角度或第二角度。
表格2：最佳的四射束布局
在具有正好六个孔的喷射几何形状中，燃料(尤其是同时)以正好六条射束喷入燃烧室中，因此存在第一射束、第二射束、第三射束、第四射束、第五射束和第六射束。表格3显示了这条六射束相对喷射器的中轴线形成的第一角度或第二角度。
表格3：最佳的六射束布局
对于每一射束对优选的是，射束对的两个射束的两个中轴线之间的角度大于15°(更好是20°)。
需要指出的是，所述大于15°(20°)的角度不局限于第一或第二平面，而是该需要遵循的角度大致适用于由每两个射束的两个中轴线形成的平面。
通过保持所述最小角度，优选能够保证两个相邻射束不会因为靠得过近而加强它们的射束。若两个射束靠得过近，则相应燃料的穿透性不利地过大，使得燃料在燃烧室中喷得太远，因此例如可能沾湿气缸工作面。
按照一种优选的按照本发明的实施形式，以大于200bar(更好地是大于250bar)的压力将射束喷射到燃烧室中。此外，为了运行发动机可以使用特殊的喷射时机，其中喷射射束根据(进气气门冲程的)进气气门位置和活塞位置进行喷射。
通过200bar(或者甚至250bar)的较高喷射压力，可以有利地避免沾湿活塞或进气气门，并且还可以降低(废气中的)颗粒排放。本发明由于侧面的喷射位置同样提供这种可能，即使用喷射压力最大高达800bar的高压共轨喷射器，其例如对于柴油机是已知的。
此外按照本发明可以实现多次喷射，这意味着所述(例如四条或者五条)射束中的每一射束在同一工作冲程中多次喷射。
通过多次喷射可以进一步优化气缸中的汽化和混合物的形成，由此尤其改善冷启动性能和排放性能。
在本发明的范围中还提供一种用于将燃料喷射进交通运输工具的发动机的气缸的燃烧室中的装置(例如燃料喷射系统)，
其中，该装置包括喷射器(也就是燃料喷射装置)和孔结构(例如是一个面)，该孔结构具有四个、五个或者六个孔，
其中，所述装置这样设计，使得喷射器通过所述四个、五个或者六个孔将燃料喷射进燃烧室，
其中，定义第一平面，喷射器的中轴线和气缸的中轴线处于该第一平面中，并且
其中，定义第二平面，喷射器的中轴线和第一平面的面法线处于该第二平面中，其中，喷射器的中轴线相对气缸的中轴线具有一定角度，因此燃料侧向地倾斜喷射入气缸中，
按照本发明装置的设计，所述四个、五个或者六个孔这样布置，使得对于每个由两个孔构成的孔对，所述两个孔的中轴线在第二平面中的两个投影之间的角度小于50°。
若喷射器将燃料穿过孔结构的孔而喷射进入燃烧室中，则两个孔的中轴线尤其相当于这些射束的中轴线。因此各孔的中轴线的方向相当于可通过孔产生的射束的中轴线的方向。
按照本发明的装置的优点基本与按照本发明方法的优点相对应，所述方法之前已详细说明，因此在此不再赘述。
在本发明的范围中还提供一种发动机，其包括按照本发明的装置。
最后在本发明的范围中提供一种交通运输工具，其包括按照本发明的装置和/或按照本发明的发动机。
通过本发明，燃料这样喷射进燃烧室中，使得气缸工作面、燃烧室顶和活塞都不会被喷入的燃料沾湿。这可以有利地减少颗粒排放、避免结焦、避免润滑油稀释并且提高形成于燃烧室中的燃料-空气混合物的燃烧速度。换而言之，按照本发明的高压喷射阀(高压喷射器)的喷射图形或各单独的喷射射束的布局被设计成，使得借助特殊的高压喷射阀设计和在进气通道中没有活门系统的情况下很高的充气运动避免进气气门、活塞和气缸套被燃料沾湿。
通过本发明可以降低在气缸壁附近存在的碳氢化合物(壁-熄焦)，并且进而明显降低有害物质的排放。这首先是由于燃料射束的穿透性明显的降低。为了进一步降低颗粒排放，可以实现吸管喷射和直接喷射的结合。此外可行的是，实现具有进气和出气凸轮轴调节器的发动机，用于尽可能地实现进排气相位重叠并且因此改善低转速时的扭矩(“LowEnd Torque”)，并且降低燃料消耗和有害物质的排放(尤其是颗粒排放和碳氢化合物的排放)。充气运动的提高导致发动机气缸中涡旋动能的提高。本发明的另一优点在于降低活塞和燃烧室顶的沉积，这又有助于降低颗粒排放。
本发明尤其适用于汽车的汽油机。当然，本发明不局限于所述优选的应用领域，因为本发明还可以用于轮船、飞机以及有轨的或轨道引导的交通运输工具中。此外，本发明至少在原理上也能够用于其它类型的发动机。
附图说明
以下结合按照本发明的实施形式参照附图详细阐述本发明。
图1示出汽油机的气缸内部；
图2示出具有按照本发明的5孔结构的喷射器的喷射射束的定向；
图3示出具有按照本发明的4孔结构的喷射器的喷射射束的定向；
图4示出具有按照本发明的6孔结构的喷射器的喷射射束的定向；
图5示意示出具有按照本发明的发动机的按照本发明的交通运输工具。
具体实施方式
图1示出在汽油机的气缸13内部的燃烧室2。活塞14在气缸13的内部运动，其中活塞14处于所谓的燃烧室顶15的对面。进气阀8、出气阀9、火花塞7和喷射器1伸入气缸13内并且因此伸入燃烧室2内。由于喷射器1的中轴线11相对气缸13的中轴线12具有一定角度，因此燃料或汽油侧向地倾斜喷射入气缸13中。燃烧室顶的所谓喙或下缘(用于装配喷射器1的相应凹口)处于燃烧室顶的下方。在运行时，喷射器1将燃料射束3喷入燃烧室2中。
燃料喷射通过孔结构相应的孔，从而产生这些燃料射束3。若将该孔结构想象成球体部段的表面，则每个孔的中轴线(例如相当于一条延伸通过相应球体的中心和相应孔的中心的直线)构成与喷射器1的中轴线11的关系，这通过第一角度α和第二角度β表示。
为此存在第一和第二平面。第一平面由喷射器的中轴线和气缸13的中轴线12形成。第二平面垂直于第一平面并且包含喷射器的中轴线，因此喷射器的中轴线既在第一平面中也在第二平面中。第一角度α对应第一平面中的角度，而第二角度β对应第二平面中的角度。孔结构的孔的中轴线对应穿过该孔喷射到燃烧室2内的射束的中轴线。每个孔和每个射束通过第一角度α和第二角度β确定。在此，第一角度α说明喷射器1的中轴线11和各孔的中轴线(射束)在第一平面中的投影之间的角度大小。以相似方式，第二角度β说明喷射器1的中轴线11和各孔的中轴线(射束)在第二平面中的投影之间的角度大小。
在图2中示出5孔结构的五条射束21-25的定向。作为补充在图2中还示出进气气门8和排气气门9的气门冲程曲线5。为了使各个射束21-25在任何时间都不与气门8、9之一(或者更确切地说是气门8、9之一的气门顶)相遇，相应的射束21-25必须处于封闭的气门冲程曲线5之外，按照本发明的在图2中所示的喷射几何形状就是这种情况。
此外，射束21-25不应该触及燃烧室顶15的下缘(喙)。为此，射束21-25应该处于曲线6之下，所述曲线6表示燃烧室顶15的下缘，按照本发明的在图2中所示的喷射几何形状同样是这种情况。
射束21-25之一的直径例如为150μm。
在图3中示出按照本发明的4孔结构的喷射几何形状。相对于图2所示的5孔结构，在图3中所示的4孔结构在第一角度α方面更紧凑。
在图4中示出按照本发明的6孔结构的射束几何形状。相对于图2所示的5孔结构，在图4中所示的6孔结构在对燃烧室的充分利用方面扩展出另一射束26。在此也保证了气缸工作面以及燃烧室顶和活塞都不被喷入的燃料沾湿。通过这种对称的形状改进了喷射孔的数量。
最后在图5中示意地示出按照本发明的交通运输工具10。该交通运输工具10包括汽油机30，该汽油机具有按照本发明的喷射装置20。按照本发明的喷射装置20本身包括喷射器1和孔结构4。

Claims (13)

1.一种用于将燃料喷射进交通运输工具(10)的发动机(30)的气缸(13)的燃烧室(2)中的方法，
其中，燃料借助喷射器(1)以四条、五条或者六条射束(3)喷射，
其中，定义第一平面，喷射器(1)的中轴线(11)和气缸(13)的中轴线(12)处于该第一平面中，并且
其中，定义第二平面，喷射器(1)的中轴线(11)和第一平面的面法线处于该第二平面中，
其中，喷射器(1)的中轴线(11)相对气缸(13)的中轴线(12)具有一定角度，因此燃料侧向地倾斜喷射入气缸(13)中，
其特征在于，所述射束(3)这样产生，使得对于每个由两个射束(3)构成的射束对，所述射束对的两个射束的两个中轴线在第二平面中的投影之间的角度小于50度。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述射束(3)包括第一射束、第二射束、第三射束、第四射束和第五射束，
每个射束(3)的方向通过喷射器(1)的中轴线(11)和各个射束(3)的中轴线在第一平面中的投影之间的第一角度(α)并且通过喷射器(1)的中轴线(11)和各个射束(3)的中轴线在第二平面中的投影之间的第二角度(β)定义，
第一射束(21)的第一角度处于-3°至+3°的角度范围中，
第一射束(21)的第二角度处于-3°至+3°的角度范围中，
第二射束(22)的第一角度处于-40°至-20°的角度范围中，
第二射束(22)的第二角度处于-40°至-20°的角度范围中，
第三射束(23)的第一角度处于-20°至-5°的角度范围中，
第三射束(23)的第二角度处于-40°至-20°的角度范围中，
第四射束(24)的第一角度处于+5°至+20°的角度范围中，
第四射束(24)的第二角度处于-40°至-20°的角度范围中，
第五射束(25)的第一角度处于+20°至+40°的角度范围中，并且
第五射束(25)的第二角度处于-40°至-20°的角度范围中。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述射束(3)包括第一射束、第二射束、第三射束和第四射束，
每个射束(3)的方向通过喷射器(1)的中轴线(11)和各个射束(3)的中轴线在第一平面中的投影之间的第一角度(α)并且通过喷射器(1)的中轴线(11)和各个射束(3)的中轴线在第二平面中的投影之间的第二角度(β)定义，
第一射束(21)的第一角度处于-3°至+3°的角度范围中，
第一射束(21)的第二角度处于-3°至+3°的角度范围中，
第二射束(22)的第一角度处于-24°至-18°的角度范围中，
第二射束(22)的第二角度处于-31°至-25°的角度范围中，
第三射束(23)的第一角度处于-3°至+3°的角度范围中，
第三射束(23)的第二角度处于-25°至-19°的角度范围中，
第四射束(24)的第一角度处于+18°至+24°的角度范围中，并且
第四射束(24)的第二角度处于-31°至-25°的角度范围中。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述射束(3)包括第一射束、第二射束、第三射束、第四射束、第五射束和第六射束，
每个射束(3)的方向通过喷射器(1)的中轴线(11)和各个射束(3)的中轴线在第一平面中的投影之间的第一角度(α)并且通过喷射器(1)的中轴线(11)和各个射束(3)的中轴线在第二平面中的投影之间的第二角度(β)定义，
第一射束(21)的第一角度处于-3°至+3°的角度范围中，
第一射束(21)的第二角度处于-3°至+3°的角度范围中，
第二射束(22)的第一角度处于-40°至-20°的角度范围中，
第二射束(22)的第二角度处于-40°至-20°的角度范围中，
第三射束(23)的第一角度处于-20°至-5°的角度范围中，
第三射束(23)的第二角度处于-40°至-20°的角度范围中，
第四射束(24)的第一角度处于+5°至+20°的角度范围中，
第四射束(24)的第二角度处于-40°至-20°的角度范围中，
第五射束(25)的第一角度处于+20°至+40°的角度范围中，
第五射束(25)的第二角度处于-40°至-20°的角度范围中，
第六射束(26)的第一角度处于+3°至-3°的角度范围中，并且
第六射束(26)的第二角度处于-45°至-30°的角度范围中。
5.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述射束(3)这样产生，使得对于每个由两个射束(3)构成的射束对，所述射束对的两个射束的两个中轴线之间的角度大于15°。
6.按照权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，所述射束(3)以大于200bar的压力喷射进燃烧室(2)中。
7.按照权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，所述射束(3)在同一工作冲程中多次喷射。
8.一种用于将燃料喷射进交通运输工具(10)的发动机(30)的气缸(13)的燃烧室(2)中的装置，
其中，该装置包括喷射器(1)和孔结构(4)，该孔结构具有四个、五个或者六个孔，
其中，所述装置(20)这样设计，使得喷射器(1)通过所述四个、五个或者六个孔将燃料喷射进燃烧室(2)，
其中，定义第一平面，喷射器(1)的中轴线(11)和气缸(13)的中轴线(12)处于该第一平面中，并且
其中，定义第二平面，喷射器(1)的中轴线(11)和第一平面的面法线处于该第二平面中，其中，喷射器(1)的中轴线(11)相对气缸(13)的中轴线(12)具有一定角度，因此燃料侧向地倾斜喷射入气缸(13)中，
其特征在于，所述四个、五个或者六个孔这样布置，使得对于每个由两个孔构成的孔对，所述两个孔的中轴线在第二平面中的两个投影之间的角度小于50°。
9.按照权利要求8所述的装置，其特征在于，每个孔的中轴线的方向确定能通过所述孔产生的射束的中轴线的方向。
10.按照权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置(20)设计用于实施按照权利要求2至7之一所述的方法。
11.按照权利要求9所述的装置，其特征在于，所述装置(20)设计用于实施按照权利要求2至7之一所述的方法。
12.一种用于交通运输工具(10)的发动机，具有按照权利要求8至11之一所述的装置(20)。
13.一种交通运输工具(10)，具有按照权利要求8至11之一所述的装置(20)和/或具有按照权利要求12所述的发动机(30)。
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