CN103703235A - 用于活塞式内燃机的燃烧方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于活塞式内燃机、尤其是柴油内燃机的燃烧方法，该内燃机的燃料喷射系统采取提前喷射的方式工作。按本发明，在冷启动阶段在达到活塞上止点前进行两次提前喷射（2、3），即在上止点前约25°KW（曲柄角）时的第一次提前喷射（2）以及在上止点前约5°KW时的第二次提前喷射（3），并且与转速无关地，在两次提前喷射（2、3）之间保持约20°KW的曲柄角间隔α且在第二次提前喷射（2）和主喷射（4）之间保持约5°KW的曲柄角间隔β。由此，即使在非常低的温度下，尤其是柴油内燃机也能实现安全可靠的启动。

Description

用于活塞式内燃机的燃烧方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的用于活塞式内燃机、尤其是柴油内燃机的燃烧方法，所述内燃机的燃料喷射系统采取提前喷射的方式工作。此外本发明还涉及一种借助这种燃烧方法来工作的活塞式内燃机。
背景技术
由DE3736630A1已知一种用于活塞式内燃机、尤其是柴油内燃机的燃烧方法，其燃料喷射系统采取提前喷射的方式工作。基于这样的事实，即特别是柴油内燃机必须以相对低的压缩比并且以十六烷值相对低的燃料进行工作，因此在冷启动阶段存在点火问题，这会导致高噪音和有害物质排放。通过建议的燃料喷射与提前喷射以及外源点火的结合，在柴油内燃机的整个运行范围内实现安全和准确限定的点火条件，而这能够降低噪音和有害物质排放。
由EP0534491A2已知一种燃料喷射控制系统，它尤其旨在简化柴油内燃机的启动。燃料喷射控制系统与信号同步地向燃烧室喷射燃料前期喷射流，该信号显示柴油内燃机的曲轴的角度位置。当燃料前期喷射流喷射完毕后，燃料喷射控制系统喷射燃料主喷射流，它的量大于喷射的燃料前期喷射流。即使当转速较低并且经受特别是在冷启动阶段中经常出现的大变化时，燃料喷射控制系统也会可靠地将燃料前期喷射流在一个希望的时间点喷射入燃烧室中。但是在冷启动阶段，不仅是在燃料主喷射流之前喷射燃料前期喷射流，同时还要点火，以便在燃烧室中产生可易燃的、可触发的状态。因此随后喷入的燃料主喷射流能够通过燃烧室中的触发状态来点燃，这样可以可靠安全地启动柴油内燃机，尤其是可在冷启动阶段降低噪音和有害物质排放。
柴油内燃机通常具有气缸峰值压力相对较高的基本缺点。为避免这一缺点，在某些情况下选择较低的压缩比，但是这又会导致一个缺点，即在冷启动阶段和部分负荷时由于随后的点火延迟特别高会出现困难，这一方面会导致噪音的产生，另一方面未燃烧的碳氢化合物会导致有害物质的高排放。但是当使用的燃料点火性能不良时，在正常运行时也会出现类似的问题。缩短点火延迟的一个有效的方法是，在原本的主燃料量之前提前喷射一定量的燃料以及进行预燃，这样能够明显提高气缸中的压力和温度水平，由此可创造更好的点火条件。
发明内容
因此本发明针对的问题是，为燃烧方法和这类活塞式内燃机提供一种改进的或至少可选的实施方式，其特点主要是，即使在环境温度低且燃料质量不好时也能可靠地启动。
根据本发明，通过独立权利要求的内容来解决这一问题。从属权利要求的内容是有利的实施方式。
本发明基于这样一个总体思想，即在活塞式内燃机的以燃料提前喷射方式运行的燃烧方法中，在冷启动阶段在达到活塞的上止点之前进行两次提前喷射，也就是在上止点之前约25°曲柄角（KW）时的第一次提前喷射以及在上止点之前约5°曲柄角（KW）时的第二次提前喷射。不同于至今为止已知的燃烧方法，根据本发明规定了单次提前喷射之间的受限制的曲柄角间隔，而不是像在至今为止的燃烧方法中那样规定固定的时间间隔。在止点之前约25°KW时的第一次提前喷射以及两次提前喷射的点火都提高了燃烧室中的压力和温度，这明显改善了主喷射的混合物形成条件，此外还降低了点火延迟，这样就能对喷射的燃料量进行明显更好的转化与应用。在此，在单次提前喷射之间需保持约为20°KW的曲柄角间隔α，且在第二次提前喷射和主喷射之间需保持约为5°KW的曲柄角间隔β，且与转速无关。但是根据现有技术已知的燃烧方法中通常都保持固定的时间间隔，但是这在混合物形成方面由于点火延迟而存在困难。通过单次提前喷射之间以及第二次提前喷射和主喷射之间固定的约20°KW和5°KW的曲柄角间隔，可总体上与转速关无地进行提前喷射，因为第一次提前喷射总是在上止点之前约25°KW时进行，而第二次提前喷射在上止点之前约5°KW时进行。在根据本发明的燃烧方法中尤其缩短了冷启动阶段，由此缩短了启动时间，同时在冷启动阶段和部分负荷运转中且尤其是怠速运转时降低了噪音和有害物质排放。
适宜地，至少在冷启动阶段通过电热塞（Glühkerze）改善活塞式内燃机的燃烧室中的混合物的点火条件。电热塞以已知方式作为电气加热元件使用在内燃机（通常是柴油发动机）的燃烧室中，其中在活塞式内燃机的启动阶段只是短时间地对电热塞进行供电并加热。尤其是在柴油内燃机中，可通过这种电热塞降低位于燃烧室中的燃料-空气混合物的点火难度，因为至少在电热塞的加热端改善了燃料-空气混合物的点火条件，这有助于柴油内燃机的可靠安全的启动。尤其柴油燃料在柴油内燃机的冷启动阶段总是很难点火，原因在于燃烧室和活塞的冷壁具有高的比热值。此外，在冷启动中电气起动机产生的活塞速度很低，这样就降低了压缩热。同时压缩热较快地转移到还很冷的气缸壁或还很冷的活塞顶上。此外，不同的燃料质量、尤其是不利点火的燃料都会在柴油内燃机冷启动阶段提高所述难度。出于这些原因，很久以来就知道在燃烧室中使用可电气加热的电热塞，其中在冷启动阶段结束后至少还在准确限定的一定时间内对电热塞供电，并由此继续进行加热，以进一步降低废气中的有害物质排放。在现代电热塞中可将对电热塞进行供电和因此以明显程度对汽车电池加载荷的持续时间限制在几秒内。通常使用两种不同的电热塞，一种是金属电热塞，另一种是陶瓷电热塞，它们的区别主要在于加热轴的温度，其中在金属电热塞中为1000℃，而在陶瓷电热塞中为1300℃。
本发明还基于这样一个总体思想，即在已知的活塞式内燃机、尤其是柴油内燃机中使用燃料喷射系统，它在冷启动阶段在活塞上止点前约25°KW时进行第一次提前喷射且在上止点前约5°KW时进行第二次提前喷射，其中在单次提前喷射之间与转速无关地保持约为20°KW的曲柄角间隔α，并在第二次提前喷射和主喷射之间与转速无关地保持约为5°KW的曲柄角间隔β。在此，根据本发明的燃料喷射系统采用在总体思想中说明和分析的活塞式内燃机燃烧方法进行工作，并由此获得可通过根据本发明的燃烧方法达到的优点，即在低温下实现更短的启动时间，在低至-30℃的极低温度下更可靠地启动活塞式内燃机，降低启动时间变化以及在冷的活塞式内燃机中在怠速运转时降低噪音。在低于-15℃的低的外温条件下也能安全地启动活塞式内燃机，这一性能与至今为止已知的燃烧方法和活塞式内燃机相比具有明显的优势。由于环境法规和排放法规的规定日益严格，尤其对在冷启动阶段中的有害物质排放的降低有利。
在从属权利要求、附图和根据附图的所述附图说明中对本发明的其它重要特征和优势进行了说明。
需理解，上述的以及下文待分析的特征不仅可使用在相应说明的组合中，也可使用在其他组合中或独自使用，但不超出本发明的范围。
附图说明
在附图中说明了本发明的优选实施方式，并在下文说明中进行详细分析，其中相同的参考符号表示相同或相似或功能相同的部件。其中分别示意性地示出了：
图1在图表中与曲柄角W有关地示出了当采取本发明的燃烧方法时活塞式内燃机的燃烧室中的压力P，并与采取传统燃烧方法时进行比较。
图2在图表中示出了在传统活塞式内燃机中以及在借助本发明的燃烧方法运行的活塞式内燃机中与冷却水温度有关的启动时间ts。
具体实施方式
根据图1，可在曲线1上读出活塞式内燃机、尤其是柴油内燃机——其燃料喷射系统进行两次提前喷射——的根据本发明的燃烧方法的运行走向。其中明显的是，在活塞上止点前约25°KW时进行第一次提前喷射2，而在上止点前约5°KW时进行第二次提前喷射。上止点为0°KW。然后，在上止点进行主喷射4。根据本发明的燃烧方法，在两次提前喷射2、3之间保持约为20°KW的曲柄角间隔α，而在第二次提前喷射3和主喷射4之间保持约为5°KW的曲柄角间隔β。在此两次提前喷射2、3之间的约为20°KW的曲柄角间隔α和/或第二次提前喷射3和主喷射4之间的约为5°KW的曲柄角间隔β都与转速无关地被保持。与曲线1相比，曲线5示出了常规的燃烧方法，在常规的燃烧方法中单次提前喷射2’和3’之间以及第二次提前喷射3’和主喷射4’之间的曲柄角间隔是根据活塞式内燃机的相应存在的转速进行变化。按照曲线1’和5’，根据各自的曲柄角描述了压力走向，其中曲线1’在此对应于按本发明的燃烧方法，而曲线5’对应于没有应用按本发明的燃烧方法的走向。在此还可清楚地看到，在应用按本发明的燃烧方法时（即在曲线1’时）至少燃烧室中的压力明显比曲线5’增大，因此能够改善混合气的点火能力，并因此还能在喷射相同的燃料量时能改善燃烧室中的点火。
至少在活塞式内燃机的冷启动阶段中，燃烧室中的混合气的点火条件借助电热塞来改善，该电热塞例如预热约2秒。该电热塞在此在冷启动阶段之后还在受限的时间内通电，因此还能进一步降低有害物质排放。
在按图2的图表中，在横轴上以℃标出了冷却水温度，并在纵轴上标出了活塞式内燃机的启动时间ts，其中该启动时间基本上对应于从起动过程的开始直至达到怠速运转。正方形的测量点在此对应于具有提前喷射的活塞式内燃机，但它不是用按本发明的燃烧方法进行工作，圆形的测量点代表借助按本发明的燃烧方法进行工作的活塞式内燃机。在此还可清楚地看到，例如在冷却水温度T为-30℃时借助按本发明的燃烧方法将启动时间ts从23.4秒降至6.9秒，并因此是原有的在常规的活塞式内燃机中所需的启动时间ts的约25%。在冷却水相对较暖时且温度约为-23℃时，借助按本发明的燃烧方法还能将启动时间ts从7.2秒降至3.1秒，并因此缩短超过一半。
因此，即使是在低温T的情况下，通过根据本发明的燃烧方法和按照这一燃烧方法运行的根据发明的活塞式内燃机也可明显缩短启动时间ts，其中尤其即使是在非常低的温度T下、例如在-30℃时也能确保活塞式内燃机的可靠安全启动，这在目前是很少能做到的。此外可降低启动时间变化，以及可在冷启动阶段和部分负荷运行阶段（特别是在怠速运转时）降低活塞式内燃机的噪音和有害物质排放。这两个根据本发明在25°KW和5°KW进行的喷射可提高燃烧室中的压力和温度，并由此明显改善主喷射4的混合气形成条件。通过改善的混合气形成，又可以减少点火延迟，并更好地转化喷射的燃料。

Claims (6)

1.一种用于活塞式内燃机、尤其是柴油内燃机的燃烧方法，所述内燃机的燃料喷射系统采取提前喷射的方式工作，其特征在于，在冷启动阶段在达到活塞上止点前进行两次提前喷射（2、3），即在上止点前约25°KW（曲柄角）时的第一次提前喷射（2）以及在上止点前约5°KW时的第二次提前喷射（3），且在两次提前喷射（2、3）之间与转速无关地保持约20°KW的曲柄角间隔α，并且在第二次提前喷射（2）和主喷射（4）之间与转速无关地保持约5°KW的曲柄角间隔β。
2.根据权利要求1所述的燃烧方法，其特征在于，至少在冷启动阶段，通过电热塞来改善活塞式内燃机的燃烧室中的混合物的点火条件。
3.根据权利要求2所述的燃烧方法，其特征在于，在冷启动阶段后还对电热塞进行规定时间的通电，以降低有害物质排放。
4.一种活塞式内燃机、尤其是柴油内燃机，该内燃机的燃料喷射系统采取提前喷射的方式工作，其特征在于，所述燃料喷射系统这样构成，即，在冷启动阶段在上止点前约25°KW时进行第一次提前喷射（2）以及在上止点前约5°KW时进行第二次提前喷射（3），且在两次提前喷射（2、3）之间与转速无关地保持约20°KW的曲柄角间隔α，并且在第二次提前喷射（2）和主喷射（4）之间与转速无关地保持约5°KW的曲柄角间隔β。
5.根据权利要求4所述的活塞式内燃机，其特征在于，为每个燃烧室设置至少一个电热塞，该电热塞至少在冷启动阶段改善活塞式内燃机的燃烧室中的混合物的点火条件。
6.一种机动车辆、尤其是乘用车辆或商用车辆，其具有根据权利要求4或5中任一项所述的活塞式内燃机。
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