CN105683521A - 燃料直喷柴油发动机和用于该种发动机的燃料喷射方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种直喷柴油发动机，包括至少一个汽缸(10)、承载燃料喷射装置(14)的汽缸盖(12)、在汽缸内滑动的活塞(16)、燃烧室(34)，所述燃烧室(34)的一侧由包括突部(48)的活塞的上表面(44)界定，所述突部(48)向汽缸盖方向提升并布置在凹型碗状腔体(46)的中心内，所述发动机包括喷射装置，所述喷射装置通过至少两个具有不同流层夹角(A1，A2)的燃料射流流层、具有射流轴线(C1)的下流层(36)以及具有射流轴线(C2)的上流层(38)，将燃料喷射到燃烧室的至少两个混合区域(Z1，Z2)。根据本发明，区域之一包括具有中心(B)的环形容积(64)，下流层的燃料射流(40)被射入所述环形容积(64)内，使得下流层射流的轴线(C1)位于中心(B)与突部(48)之间。

Description

燃料直喷柴油发动机和用于该种发动机的燃料喷射方法
本发明涉及一种直喷内燃发动机，更具体地涉及一种压缩点火发动机以及使用该发动机的方法。
本发明更具体地涉及一种发动机，所述发动机能用于飞行器或汽车行业，或用于固定设备领域，例如发电机组。
这类发动机一般包括至少一个汽缸、活塞、氧化剂进气装置、燃烧废气排气装置、燃烧室和用于将燃料喷入燃烧室的喷射装置，该活塞具有布置于凹型碗状腔体(bowl，碗状部)中的突部并且在该汽缸中往复直线滑动。
在设计发动机时，燃烧室的性能、污染物排放以及机械强度方面受到越来越高的限制，然而满足这些限制的装置却呈相对态势，这点一般是被接受的。
因此，性能的提高一般会导致排放的增加和更高的机械应力。
为了克服这些限制并保证在发动机的整个运行范围中、尤其是在负载非常高时的低排放以及令人满意的机械强度，非常重要的是要利用燃烧室内存在的所有氧化剂，例如氧化剂包括环境压力下的空气、增压空气或空气(增压或非增压)的混合物以及再循环的已燃烧气体。
实际上，燃烧室内的燃料混合物(氧化剂/燃料)需要尽可能地均匀。
实践中，燃料被限制在碗状腔体中，不能与主要位于挤气(squish，挤流)区的氧化剂混合，挤气区即为由汽缸壁和汽缸盖的与活塞相对的面界定的燃烧室上部的容积。
这涉及在燃烧区域内形成高富集区的缺点，在该燃料混合物燃烧时会产生大量炭烟、一氧化碳(CO)以及未燃烧的烃(HC)。
此外，热负荷集中在活塞的再进入部，即碗状腔体颈部或标志活塞碗状腔体和包括挤气区的上部区域之间过渡的直径约束部，所述再进入部在负荷非常高时是有限制的。
如在专利申请JP5-71347中较好描述的一种用以克服前述缺点的方案包括使用燃料喷射装置以及活塞，所述燃料喷射装置的射流具有至少两个流层夹角，所述活塞包括带有两个燃烧容积的碗状腔体。
相比于常规发动机，该方案允许使用更大量的氧化剂，且允许在燃烧室的更大表面积上分配热负荷。
然而该配置并不能为了利用两个燃烧容积内所有可用的氧化剂以及最小化来自不同流层的燃料射流之间的重叠而优化内部空气动力性能。最终该配置未最小化液体燃料在缸壁上的堆积。
本发明的目的是要提高混合物的质量以获得性能的改良以及显著的消耗和排放(CO、氮氧化物、未燃烧物、炭烟)的改良。
因此，本发明涉及压缩点火直喷内燃发动机，所述发动机至少包括汽缸、承载燃料喷射装置的汽缸盖、在汽缸内滑动的活塞、燃烧室，所述燃烧室的一侧由包括突部的活塞的上表面界定，所述突部向汽缸盖方向延伸并布置在凹型碗状腔体的中心处，所述喷射装置通过至少两个具有不同流层夹角的燃料射流流层、具有射流轴线C1的下流层以及具有射流轴线C2的上流层，将燃料喷射到燃烧室的至少两个混合区域，其特征在于，区域之一包括具有中心B的环形容积，下流层的燃料射流被射入所述环形容积内，以使下流层射流的轴线C1包含在中心B与突部之间。
燃料射流流层可沿轴向一层布置在另一层上方。
喷射装置可包括至少两个喷射器，通过具有不同流层夹角的燃料射流流层将燃料喷出。
某一流层的流层夹角最大为130°，而另一流层的流层夹角最小为130°。
碗状腔体可包括具有半径R1和R2的环形容积、碗状腔体底部直径FD、碗状腔体开口直径BD、颈部直径GD、上喷射直径ID1、碗状腔体的直径截面的展开长度2*Cb、突部高度H以及碗状腔体高度L，且碗状腔体的尺寸可满足下列条件中的至少一个：
·比例BD/L小于6，优选地小于4，
·比例FD/BD小于1，
·比例2*Cb/BD小于2，
·比例GD/BD的范围在0.7和1之间，
·比例H/L大于50％，优选地大于60％，
·比例R2/R1小于1，优选地小于0.6，
·比例ID1/GD大于1，
·ID1小于(GD+(2*Cb-GD)*2/3)。
碗状腔体可包括突部的倾斜侧面的倾斜角(a3)、由通过在点(M)处冲击环面而喷射入环面的下流层的燃料射流的主轴线C1和在冲击点(M)处的切线形成的倾斜角(a4)、被认为是外倒圆表面与侧壁形成的倾斜角(a5)，且碗状腔体可满足下列条件中的至少一个：
·a3大体等于a1，
·a4大于80°，
·a5的范围在0°和90°之间，优选地大体在30°和40°之间，
·a6的范围在15°和75°之间。
本发明还涉及用于压缩点火直喷内燃发动机的喷射方法，所述发动机包括至少一个汽缸、承载燃料喷射装置的汽缸盖、在汽缸内滑动的活塞、燃烧室，所述燃烧室的一侧由包括突部的活塞的上表面界定，所述突部向汽缸盖方向延伸并布置在凹型碗状腔体的中心，所述方法包含通过至少两个具有不同流层夹角的燃料射流流层、具有射流轴线C1的下流层以及具有射流轴线C2的上流层将燃料喷出，其特征在于，对于活塞的位置D，活塞的位置D认为是在碗状腔体的底部和上流层的燃料射流的源头之间，大体对应于D＝L4+ID1/tana2，其中，L4为碗状腔体的底部和上流层的燃料射流的冲击点之间的高度，ID1为被认为在冲击点之间的上喷射直径，a2为上流层顶部处的半角，该方法在于将下流层燃料喷射入包括具有中心B的环形容积的区域，使得该流层的燃料射流的轴线C1包含在中心B与突部之间。
在阅读了下面参照附图借助非限制性示例给出的描述之后本发明的其它特征和优点会变得清楚，在附图中：
图1示出了一种根据本发明的内燃发动机，以及
图2是图1中发动机的活塞碗状腔体轮廓的放大的局部半剖视图。
参照图1，一种压缩点火直喷内燃发动机包括至少一个汽缸10、用于在上部封闭汽缸的汽缸盖12、由汽缸盖承载的燃料喷射装置14以及轴线为XX’的活塞16，该活塞在汽缸中往复直线滑动。
燃料理解为液体燃料，例如柴油燃料、煤油或任何其他拥有如下物理化学特性的燃料，所述物理化学特性允许包括该种燃料的直喷系统的压缩点火类型发动机的运转。
该发动机还包括带有至少一根排气管20的燃烧废气排气装置18，所述排气管20的开启可由任何装置控制，例如排气阀22，该发动机还包括带有至少一根进气管26的氧化剂进气装置24，所述进气管26的开启可由任何装置控制，例如进气阀28。
氧化剂理解为环境压力下的空气、增压空气或空气(增压或非增压)的混合物，以及燃烧废气。
喷射装置包括至少一个燃料喷射器30，其优选地沿轴线XX’布置，所述燃料喷射器30的喷嘴32包括多个孔口，燃料通过所述孔口喷出并沿发动机的燃烧室34的方向喷射。
射出的燃料从离开这些喷射装置起形成至少两个燃料射流流层，此处为燃料射流40和42的两个流层36和38，所述流层在示例中具有与活塞16的轴线合并的大致轴线，且轴向上一层定位于另一层上方。
更精确地，更接近活塞16的流层36在下文的说明书中称为下流层，而离该活塞较远的层38称为上流层。
从图1中可见，这两流层形成不同的流层夹角A1和A2。流层夹角理解为由源自喷射器的锥体所形成的顶角，所述锥体的假想周壁穿过射流40和42的所有轴线C1和C2。
有利地，下流层的流层夹角A1至多等于130°，优选地在40°至130°的范围内，而上流层的流层夹角A2至多等于180°，优选地在130°至180°的范围内。
为简单起见，在说明书的余下部分，角a1对应于A1/2，角a2对应于A2/2(参见图2)。
两个流层夹角的差允许对两流层间的燃料射流的重叠进行限制，因此限制了例如炭烟的污染物的形成。
当然，喷射装置不沿轴线XX’布置也是可能的，但在此情况下，离开燃料喷射器的燃料射流流层的大体轴线至少基本与轴线XX’平行。
类似地，可以想见各流层由不同的喷射器(单流层喷射器)承载，专门以燃烧室的不同区域作为目标。
燃烧室34由汽缸盖12与活塞相对的内表面、汽缸10的环形内壁和活塞16的上表面界定。
活塞的上表面包括凹型碗状腔体46，所述凹型碗状腔体46的轴线与汽缸的轴线在此处合并，所述凹型碗状腔体46的凹度指向汽缸盖，且所述凹型碗状腔体46容纳突部48，所述突部48基本布置在碗状腔体的中心处且朝向汽缸盖12上升，且优选地与离开喷射器30的燃料各流层的轴线共轴。
当然，可以想见碗状腔体的轴线不与汽缸的轴线共轴，但主要的是根据布局，燃料射流流层的轴线、突部的轴线与碗状腔体的轴线优选地是共轴的。
参考图2，突部48一般为截头形状，包括优选为倒圆的顶部50，同时对称地远离轴线XX’并朝向活塞16的外部、通过大体直线的倾斜表面52延伸，所述倾斜表面52由倾斜侧面54延伸至下方的碗状腔体的底部56。
当然，在不脱离本发明范围的前提下，倾斜表面52可以不存在(长度为零)，则倾斜侧面54连接突部的顶部和碗状腔体的底部。
在图2的示例中，碗状腔体的底部是倒圆的且具有呈现为半径为R1的圆弧的凹型倒圆表面58，所述凹型倒圆表面58称为内倒圆表面且连接至倾斜侧面54，以及碗状腔体的底部还具有另一呈现为半径为R2的圆弧的凹型倒圆表面60，所述凹型倒圆表面60称为外倒圆表面，且其一端在点M连接至内倒圆表面的下端，而其另一端在点N连接至在此处大体为垂直的侧壁62。
两个倒圆表面58和60因此界定了环形容积的下部，此处为大体圆柱形段64的环面，且其具有中心B，其目的在下述说明书的余下部分中会作阐述。
侧壁62继续远离轴线XX’、由呈现为半径为R3的圆弧的凸型倒圆表面66延伸，所述凸型倒圆表面66称为再进入部，且引导至倾斜平面68，所述倾斜平面68连结至凹型拐折表面(inflectionsurface，转折表面)69，所述凹型拐折表面69连接至大体为平面的表面70。该平面表面由呈现为半径为R5的圆弧的外凸型表面72延续，所述凸型表面72引导至平面表面74，所述平面表面74一直延伸到汽缸壁的附近。
燃烧室因此包括两个不同区域Z1和Z2，所述区域Z1和Z2能使这些区域中所包含的氧化剂(增压或非增压的空气，或空气和再循环的燃烧废气的混合物)与来自喷射器的燃料进行混合，还能燃烧因此形成的燃料混合物。
由突部48、位于碗状腔体底部的环面64、壁62和凸型倒圆表面66界定的区域Z1形成了与轴线C1的燃料射流的下流层36相关联的燃烧室的下部区域，而由倾斜平面68、凹型表面69、大体为平面的表面70、凸型表面72、平面表面74、汽缸的环形内壁以及汽缸盖12界定的区域Z2形成了与轴线C2的燃料射流的上流层38相关联的该室的上部区域。
在该配置中，为使活塞位置接近于上死区中心，碗状腔体包括：
-碗状腔体底部直径FD，所述碗状腔体底部直径FD具有在轴线XX’和碗状腔体的最低点M之间的半径，点M即在半径为R1和R2的两表面的相交处，
-碗状腔体开口半径BD，所述碗状腔体开口半径BD具有认为在碗状腔体底部附近的半径，所述半径对应于轴线XX’与外凹型表面60的最远点之间的距离，
-颈部直径GD，所述颈部直径GD具有对应于轴线XX’与垂直壁62之间距离的半径，从而界定了该碗状腔体的出口部，
-上喷射直径ID1，通过界定射流38在位于喷射器喷嘴的轴线上的射流轴线C2的源头T2和点P之间的长度L6，所述上喷射直径ID1具有对应于轴线XX’与位于倾斜平面68和凹型表面70之间的拐折表面69的位于点P处的起点之间距离的半径，所述长度L6满足公式ID1/sina2，
-碗状腔体直径的半截展开长度Cb，包括从突部顶部与轴线XX’的交点至汽缸壁的长度，
-碗状腔体底部的点M与突部顶部之间的突部高度H，
-碗状腔体底部的点M与平面表面74之间的碗状腔体高度L，
-接合高度L3，对应于侧壁62的范围，所述侧壁62被认为是在外倒圆表面60的点N与外倒圆表面66的起点之间，
-高度L4，所述高度L4认为是在点P和点M之间，
-倾斜侧面54相对于垂直方向的倾斜角a3，
-倾斜角a4，通过界定射流40在位于喷射器喷嘴的轴线上的射流轴线C1的源头T1和点F之间的长度L5，所述倾斜角a4由冲击环面的下流层36的燃料射流的主轴线C1和在冲击点F处的切线形成。长度L5满足公式ID2/sina1，ID2对应于下喷射器直径，所述下喷射器直径具有对应于轴线XX’和点F之间距离的半径，
-倾斜角a5，所述倾斜角a5认为是外倒圆表面60在点N处的切线与侧壁62形成的角度，
-大体为平面的壁70相对于水平方向的倾斜角a6，
-倾斜平面68相对于水平方向在交点P处的倾斜角a7。
所有这些参数应理解为活塞16的位置在上死区中心附近，该位置对应于被认为是点M和射流42的轴线C2的源头T2之间的距离D。
更精确地，该距离D等于高度L4和高度C的和，高度C对应于源头T2和点P之间的轴向高度。该高度对应于公式ID1/tana2。
因此，该碗状腔体的尺寸和角度参数符合下列条件的至少一个：
-角a4大于80°，相当于使多于一半的燃料射流在环面64的中心B和突部之间通过，更精确地，通过点M的水平处的下部，因此在环面内产生了方向汽缸顶部的空气动力向上运动，
-角a5必须为正且小于90°。为了在使用该区域中的氧化剂的同时限制下流层36的燃料朝向上流层38向上流动，优选地，角a5必须在30°至40°这个量级，以将下流层36的燃料射流40导向氧化剂容积S1，
-仍旧为了优化室内氧化剂的利用，布置在下流层的燃料射流40间的氧化剂容积S1被最小化，
-突部48的顶部的位置尽可能地接近于喷射器30的喷嘴32，以限制不会被燃料射流影响到的位于喷射器下氧化剂的容积，这又相当于最小化了容积S1。因此，比例H/L大于40％且优选地大于60％，
-角a3大体等于或大于下流层的角a1(-10°<a3-a1<10°)。这允许在利用突部的侧面54来引导环面64内的燃料射流40的同时，使这些射流在冲击活塞之前全部蒸发，
-由于流层间的相互作用对污染物是有害的，两流层之间的氧化剂容积S2不为零。然而容积S2需被最小化。因此，为了确保与下流层的射流产生的燃料容积相比上流层38和下流层36之间的可用氧化剂容积S2是小的，环面和再进入部66(中心为R3的凸型倒圆表面)之间的接合高度L3满足L3/(2*R2的长度)<1或(L3/R2的长度<2)，
-布置于从再进入部66开始的位于活塞上部的第二燃烧区域Z2是用于上流层38的燃料射流42的，
-区域Z2的燃烧容积至少等于碗状腔体总容积的十分之一，
-称为挤气区的区域由倾斜平面68、凹型表面69、平面表面70、凸型表面72以及平面表面74形成。角a6的范围在10°和75°之间，这允许炸开(burst，爆裂开)燃料射流42，以在活塞上方产生空气动力运动，且额外利用了挤气区内的氧化剂。该空气动力性能使得活塞上方燃料/氧化剂更好的混合，尤其是在膨胀时，因而促进了燃烧废气的氧化，
-为了促进射流42对挤气区的冲击，在再进入部66与表面70之间设有引导表面68。引导表面可为倒圆的作为再进入部的延续，或大体为平面。该引导表面的目的是集中燃料射流42并引导其朝向凸型表面72。因此，该引导表面在交点P处具有角a7，其相对与流层夹角a2的差小于45°，
-拐折表面69的位置使得距离L5和L6是大致相同的量级(0.5<L5/L6<2)。因此，有利地，燃料射流将大体同时分别在环面和拐折区域内冲击活塞。更一般地，直径ID1必须使得ID1/GD>1以及ID1<(GD+(Cb-GD)*2/3)。这允许燃料射流42使活塞上方的空气动力性能得到优化。
此外，
·比例BD/L小于6，优选地小于4，
·比例R2/R1小于1，优选地小于0.6，
·比例FD/BD小于1，
·比例Cb/BD小于2以保持燃料的完全蒸发并防止汽缸壁的润湿，
·为了环面的空气动力性能以及燃料射流的上流，比例GD/BD的范围在0.7和1之间，
·比例H/L大于40％，优选地大于60％，以最小化喷射器喷嘴和突部之间的氧化剂的容积，
·为了两流层同时冲击，比例L5/L6的范围在0.5和2之间，
·A1的范围在40°和130°之间，a1＝A1/2，
·A2的范围在130°和180°之间，a2＝A2/2，
·a3大体等于a1，
·a4大于80°，
·a5的范围在0°和90°之间，优选地大体在30°和40°之间，
·a6的范围在15°和75°之间，
·a7-a2小于45°，
·比例ID1/GD大于1，
·ID1小于(GD+(Cb-GD)*2/3)。
因此，借助该碗状腔体的参数化，下流层36的燃料射流直接以环面64为目标，而不直接冲击再进入部66。
因此，下部燃料/氧化剂混合物的燃烧主要发生在环面容积内，而上部燃料/氧化剂混合物的燃烧主要发生在活塞上方的挤气区内。
此外，上流层射流与下流层射流的相互作用受到限制，在使得燃料/氧化剂混合物更为均匀的同时，满足了高负荷时的强度限制。

Claims (7)

1.一种压缩点火直喷内燃发动机，所述内燃发动机包括至少一个汽缸(10)、承载燃料喷射装置(14)的汽缸盖(12)、在所述汽缸内滑动的活塞(16)、燃烧室(34)，所述燃烧室(34)在一侧由包括突部(48)的所述活塞的上表面(44)界定，所述突部(48)向所述汽缸盖方向延伸并布置在凹型碗状腔体(46)的中心处，所述喷射装置通过至少两个具有不同流层夹角(A1，A2)的燃料射流流层、具有射流轴线C1的下流层(36)以及具有射流轴线C2的上流层(38)，将燃料喷射到所述燃烧室的至少两个混合区域(Z1，Z2)，其特征在于，所述区域之一包括具有中心B的环形容积(64)，所述下流层的燃料射流(40)被射入所述环形容积(64)，使得所述下流层射流的轴线C1被包含在所述中心B与所述突部(48)之间。
2.如权利要求1所述的内燃发动机，其特征在于，燃料射流流层(24，26)沿轴向一层布置在另一层上方。
3.如权利要求1或2中任一项所述的内燃发动机，其特征在于，所述喷射装置包括至少两个喷射器，所述喷射器通过具有不同的流层夹角的燃料射流流层将燃料射出。
4.如前述任一项权利要求所述的内燃发动机，其特征在于，所述流层之一(24)的流层夹角(A1)最大为130°，而另一流层的流层夹角(A2)最小为130°。
5.如前述任一项权利要求所述的内燃发动机，所述碗状腔体包括具有半径R1和R2的环形容积(64)、碗状腔体底部直径FD、碗状腔体开口直径BD、颈部直径GD、上喷射直径ID1、碗状腔体的直径截面的展开长度2*Cb、突部高度H以及碗状腔体高度L，其特征在于，所述碗状腔体的尺寸满足下列条件中的至少一个：
·比例BD/L小于6，优选地小于4，
·比例FD/BD小于1，
·比例2*Cb/BD小于2，
·比例GD/BD的范围在0.7和1之间，
·比例H/L大于50％，优选地大于60％，
·比例R2/R1小于1，优选地小于0.6，
·比例ID1/GD大于1，
·ID1小于(GD+(2*Cb-GD)*2/3)。
6.如前述任一项权利要求所述的内燃发动机，所述碗状腔体包括所述突部(48)的倾斜侧面(54)的倾斜角(a3)、由通过在点(M)处冲击环面(64)而喷射入所述环面的下流层(36)的燃料射流(40)的主轴线C1和在冲击点(M)处的切线形成的倾斜角(a4)、被认为是外倒圆表面(60)与侧壁(62)形成的倾斜角(a5)，其特征在于，所述碗状腔体满足下列条件中的至少一个：
·a3大体等于a1，
·a4大于80°，
·a5的范围在0°和90°之间，优选地大体在30°和40°之间，
·a6的范围在15°和75°之间。
7.一种用于压缩点火直喷内燃发动机的喷射方法，所述内燃发动机包括至少一个汽缸(10)、承载燃料喷射装置(14)的汽缸盖(12)、在所述汽缸内滑动的活塞(16)、燃烧室(34)，所述燃烧室(34)在一侧由包括突部(48)的所述活塞的上表面(44)界定，所述突部(48)向所述汽缸盖方向延伸并布置在凹型碗状腔体(46)的中心处，所述方法在于通过至少两个具有不同流层夹角(A1，A2)的燃料射流流层、具有射流轴线C1的下流层(36)以及具有射流轴线C2的上流层(38)将燃料喷出，其特征在于，对于所述活塞(16)的位置D，所述活塞(16)的位置D认为是在所述碗状腔体的底部(M)和所述上流层的燃料射流的源头(T2)之间，大体对应于D＝L4+ID1/tana2，其中，L4为所述碗状腔体的底部和所述上流层的燃料射流的冲击点(P)之间的高度，ID1为被认为在冲击点(P)之间的上喷射直径，a2为所述上流层顶部的半角，该方法在于将所述下流层燃料喷射入包括具有中心B的环形容积(64)的区域，使得所述流层燃料射流的轴线C1被包含在所述中心B与所述突部(48)之间。
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