CN106164465A - 具有不同流率的两个燃料片喷射的内燃机及其燃料喷射方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种压燃直喷式内燃机，包括：至少一个气缸(10)；具有燃料喷射装置(14)的气缸头(12)；在所述气缸中滑动的活塞(16)；和在一侧上由活塞的上表面(44)界定的燃烧室(34)，所述活塞包括突起(48)，所述突起(48)沿气缸头的方向延伸并布置在具有至少两个混合区(Z1，Z2)的凹碗(46)的中心内。所述喷射装置以不同片角度(A1、A2)将燃料喷射在至少两个燃料喷射片内：喷射轴线C1的下片(36)用于区域(Z1)且喷射轴线C2的上片(38)用于区域(Z2)。根据本发明，所述发动机包括对于每个片(36，38)以不同流率将燃料馈送到所述燃烧室的喷射装置(14)，以专用于所述燃烧室的不同混合区(Z1,Z2)。

Description

具有不同流率的两个燃料片喷射的内燃机及其燃料喷射方法
技术领域
本发明涉及直喷内燃机，且更具体地涉及压燃式发动机及其使用方法。
本发明更具体地涉及可用于航空运输和公路部门的发动机，或者诸如发电机的静止设备领域。
背景技术
此种类型的发动机通常包括至少一个气缸、活塞、用于氧化剂的进气装置、已燃气体排放装置、燃烧室以及将燃料喷射入燃烧室的喷射装置，活塞设有布置在凹碗中的突起并在气缸中往复直线运动地滑动。
如通常被认可的，在发动机设计时，燃烧室的性能、污染物排放和机械强度约束大大增加，而为满足这些目标的手段是完全相反的。
因此，性能提高通常导致排放物增加和更高的机械应力。
为了克服这些约束并确保低排放和在发动机的整个工作范围上满足机械强度，尤其在非常高负荷时，使用燃烧室中存在的所有氧化剂，例如包括环境压力下的空气、增压空气或者空气(增压或不增压)和再循环燃烧气体的混合物的氧化剂是非常重要的。
实际上，燃烧室中的燃料混合物(氧化剂/燃料)需要尽可能均匀。
实践中，燃料维持限制在碗中且不能与主要包含在挤压区(即由气缸壁和气缸头的与活塞相对的面界定的燃烧室的上部分的容积)内的氧化剂混合。
这包括在燃烧室中产生高富余区域、在该燃料混合物燃烧时产生大量的烟灰、一氧化碳(CO)和未燃碳氢化合物(HC)的缺点。
另外，热载荷聚集在活塞的重入部分，即标记活塞碗(piston bowl)与包围挤压区的上区域之间的过渡的碗颈部或者直径限制部，其在非常高载荷下可能受到限制。
为了克服这些缺点，且如申请人所提交的法国专利申请13-60,426中更好地描述的，提出了使用一种内燃机，该内燃机包括燃料喷射装置和活塞，该燃料喷射装置带有具有至少两个片角度的喷头，该活塞包括设有具有两个燃烧区容积的结构的碗，具有实质上提高燃烧质量的内部空气动力特性。
相比于传统的发动机，这允许使用更大量的氧化剂以及在燃烧室的更大表面面积上分布热载荷。
但是，尽管该方案提供性能优点，但使用具有双片角度的喷射系统需要匹配燃烧区的容积的特定喷射燃料量。
实际上，这些燃烧区的容积显著不同，且具有常规双片角度的喷射系统将在这两个区中的每个内喷射相同量的燃料。
每个区内的混合物和富集度因此不同。
具体来说，具有氧化剂的低效容积的挤压区相对于碗底部的富集度太富集，这产生太高的烟灰和为燃烧烃的产生。
本发明旨在用允许得到气态流体(氧化剂)与所喷射燃料的更好混合的发动机和方法来克服上述缺点，以及通过使用具有至少两个片角度的特定喷射系统实现燃烧室内的更好富集度控制。
发明内容
因此，本发明涉及压燃直喷式内燃机，包括至少一个气缸、承载燃料喷射装置的气缸头、在该气缸中滑动的活塞、在一侧上由活塞的上表面界定的燃烧室，该活塞包括突起，突起沿气缸头的方向延伸并布置在凹碗的中心内，所述发动机包括喷射装置，该喷射装置以具有不同片角度的至少两个燃料喷射片喷射燃料，具有喷射轴线C1的下片用于该区域和具有喷射轴线C2的上片用于该区域，其特点在于，所述发动机包括对于每个片以不同流率将燃料馈送到所述燃烧室的喷射装置，以专用于所述燃烧室的不同混合区。
上部喷射片的流率可低于下部喷射片的流率。
上片的流率可比下片的流率低至少10％。
上片的流率可比下片的流率低20％至40％。
喷射装置可包括喷射器，该喷射器以对于每个片不同的角度在轴向彼此叠置的至少燃料喷射片内喷射燃料。
所述喷射装置可包括至少两个喷射器，所述至少两个喷射器以对于每个片不同的角度在燃料喷射片内喷射燃料。
喷射器可具有不同的渗透性。
所述片中的一片的片角度可以是至多130°，而另一片的片角度可以是至少130°。
本发明还涉及压燃直喷式内燃机的喷射方法，该压燃直喷式内燃机包括至少一个气缸、承载燃料喷射装置的气缸头、在该气缸中滑动的活塞、在一侧上由活塞的上表面界定的燃烧室，该活塞包括突起，突起沿气缸头的方向延伸并布置在凹碗的中心内，所述方法包括以具有不同片角度的至少两个燃料喷射片，具有喷射轴线C1的下片和具有喷射轴线C2的上片中喷射燃料，其特点在于，其通过两个喷射片对于每个燃烧区喷射不同量的燃料。
该方法会在于在两个片之间以至少10％的量差喷射燃料。
附图说明
在阅读下文参考附图以非限制性示例给出的描述之后，本发明的其它特征和优点将清楚，附图中：
-图1示出根据本发明的内燃机，
-图2是图1所示发动机的活塞碗轮廓的一半部分的放大局部视图。
－图3示出用于图1和2所示发动机的燃料喷射装置的更大比例。
具体实施方式
参考图1，压燃直喷式内燃机包括至少一个气缸10、在上部分关闭气缸的气缸头12、由气缸头承载的燃料喷射装置以及活塞16，活塞16沿轴线XX’在气缸中往复直线运动滑动。
燃料理解为诸如柴油、煤油的液体燃料或者具有允许包含该燃料的直接喷射系统的压燃式发动机运行的物理化学特性的任何其它燃料。
该发动机还包括燃烧气体排放装置18和用于氧化剂的进气装置24，燃烧气体排放装置18具有至少一个排放管20，可以通过诸如废气阀22的任何方式来控制排放管20的打开，进气装置24具有至少一个进气管26，可以通过诸如进气阀28的任何方式来控制进气管26的打开。
氧化剂理解成环境压力下的空气或者增压空气或者空气(增压或未增压)和已燃烧气体的混合物。
喷射装置包括较佳地沿活塞的轴线XX'布置的至少一个燃料喷射器30，燃料喷射器30的喷嘴32包括多个孔，燃料通过这些孔沿发动机的燃烧室34方向喷射和投射。
来自这些喷射装置，投射的燃料形成至少两个喷射片，这里是两个燃料喷射40和42片36和38，在所示的示例中，这两个片具有与活塞16的轴线合并的总轴线，同时轴向重叠定位。
更精确地，更靠近活塞16的片36在下面的描述中称为下片，而更远离该活塞的片38称为上片。
从图1中可以看到，这两个片形成彼此不同的片角度A1和A2。片角度应理解为由源自喷射器的圆锥形成的顶角，喷射器的虚周壁穿过燃料喷射40或42的所有轴线C1或C2。
有利地，下片的片角度A1最多等于130°，较佳地范围在40°与130°之间，而上片的片角度A2最多等于180°，较佳地范围在150°与180°之间。
为了简化，在余下的描述中，角度a1相对应于A1/2，而角度a2相对应于A2/2(参见图2)。
两个片角度之差因此为至少50°。这因此允许限制两个片之间的燃料喷射交叠，且因此限制诸如烟灰的污染物的形成。
当然，喷射装置也可以不沿轴线XX’定位，但在该情形中，来自燃料喷射器的燃料喷射片的总轴线至少基本上平行于该轴线XX’。
类似地，可以每个片由不同的喷射器(单片喷射器)来承载，该喷射器专用于燃烧室的不同区域。
燃烧室34由气缸头12的与活塞相对的内表面、气缸10的圆形内壁以及活塞16的上表面44来界定。
活塞的上表面包括凹碗46，这里凹碗的轴线与气缸的轴线合并，凹碗的凹腔朝向气缸头并容纳突起48，突起48布置在碗的大致中心并朝向气缸头12升起，同时较佳地与来自喷射器30的燃料片的轴线同轴。
当然，也可能碗的轴线与气缸的轴线不同轴，但主要的是布局，根据该布局，燃料喷射片、突起的轴线以及碗的轴线较佳地合并。
另外，参考图2大致呈截头形状的突起48包括较佳地圆形顶部50，该顶部50在朝向活塞16外部对称远离轴线XX’移动的同时延伸大致线性倾斜表面52，该大致线性倾斜表面52通过倾斜侧面54向下延伸至碗的底部56。
当然，倾斜表面52可以是不存在的(零长度)且因此倾斜侧面54将突起的顶部连接至碗的底部。
在图2的示例中，该碗的底部是圆形的，具有半径R1的圆弧形式的凹圆形表面58，称为内部圆形表面并连接到倾斜侧面54的底部，并具有半径R2的另一圆弧形式的凹圆形表面60，称为外部圆形表面，在点M通过其一端连接到内部圆形表面的下端并在点N处通过其另一端连接到这里基本上竖直的侧壁62。
两个圆形表面58和60因此界定环形容积的下部，这里是基本上圆柱形部分64的环并具有中心B，其目的将在以下描述中解释。
侧壁62仍是在远离轴线XX’移动的同时而延伸凸圆形表面66，该凸圆形表面66成具有半径R3的圆弧形式，称为再进入部，引导至倾斜平面68，该倾斜平面68连接至凹面69，该凹面69连接至大致平面表面。该平面表面由外凸表面72连续，该外凸表面72呈具有半径R5的圆弧形式，其通向平面表面74，该平面表面74向上延伸至气缸壁的附近。
由此，燃烧室包括两个不同区域Z1和Z2，其中发生它们包含的氧化剂(增压或者不增压的空气，或者空气和再循环燃烧气体的混合物)与来自喷射器的燃料的混合，以及由此形成燃料混合物的燃烧。
由突起48界定的区域Z1、在碗底部处的环面64、壁62以及凸圆形表面66形成与燃料喷射轴线C1的下片36关联的燃烧室的下区域。由平面68界定的区域Z2、凹表面69、大致平面表面70、凸表面72、平面表面74、气缸和气缸头12的内周壁形成与燃料喷射轴线C2的上片38关联的该室的上区域。
在此构造中，对于靠近顶部死点中心的活塞位置，该碗包括：
-碗底部外径FD，具有认为在轴线XX’与碗的最下部点M之间的半径，即在半径为R1与R2的表面之间相交处。
-碗开口直径BD，具有被认为在碗底部附近并相对应于轴线XX’与外凹表面60的最远点之间量取的距离的半径，
-颈部直径GD，具有相对应于轴线XX’与界定该碗的外部分的垂直壁62之间的距离，
-上喷射直径ID1，具有相对应于轴线XX’与转折面69在点P(点P在倾斜平面68与凹表面66之间)处的起始点之间的距离的半径，通过界定喷射器喷嘴的轴线上的喷射轴线C2的原点T2与点P之间的喷射38的长度L6，满足公式ID1/sin(a2)，
-碗的径向半部分Cb的展开长度，包括从突起顶部与轴线XX’交叉点至气缸壁的长度，
-在点M出的碗底部与突起的顶部之间的突起高度H，
-在点M处的碗底部与平面表面74之间的碗高度L，
-相对应于侧壁62的延伸的接合高度L3，该侧壁62的延伸被认为在外圆形表面60在点N处的端点与外圆形表面66的起点之间，
-被认为在点P与点M之间的高度L4，
-倾斜表面54相对于垂直线的倾斜角度a3，
-通过界定喷嘴的轴线上喷射轴线C1的原点T1与点F之间的喷射40长度L5，由撞击环面的下片36燃料喷射的主轴线C1与撞击点F的切线形成的倾斜角a4。该长度L5满足公式ID2/sin(a1)，其中ID2相对应于具有相对应于轴线XX'与点F之间的距离的半径，
-被认为在外圆形表面60与侧壁62在点NMD处的切线的倾斜角a5，
-水平面相对于大致平面壁70的切线的倾斜角a6，
-水平面相对于倾斜平面68在相交点P处的倾斜角a7。
所有这些参数关于顶部死点中心附近的活塞16位置来考虑，其相对应于点M与喷射42的轴线C2的原点T2之间的距离D。
更精确地，距离D等于高度L4和高度C的和，高度C相对应于原点T2和点P之间的轴向高度。该高度相对应于公式ID1/tan(a2)。
由此，该碗的尺寸和角度参数满足以下条件中的至少一个：
-角度a4大于80°，其大小将喷射燃料的一半以上通入环空64的中心B与突起之间，更具体地，在点M的水平处的下部，且因此在环空内产生朝向圆柱形顶部的空气动力学向上运动，
-角度a5必须是正的且小于90°。较佳地，必须是30°至40°量级，从而将下片36燃料喷射40朝向氧化剂容积S1引导，以使用该区域的氧化剂同时限制该燃料朝向上片38向上流动，
-定位在夏普的燃料喷射40之间的氧化剂容积S1最小，仍优化腔室内氧化剂使用。
-突起48的顶部的位置尽可能靠近喷射器30的喷嘴32，从而限制喷射器下方不会有燃料喷射撞击的氧化剂的体积，其量同样使容积S1最小。由此，比率H/L大于40％且较佳地大于60％。
-角度a3大致等于或大于下片的角度a1(-10°<a3-a1<10°)。由此，下片喷射的总轴线与突起的斜面54相切。下片36的燃料喷射40可因此通过完全在撞击活塞之前蒸发而与圆形表面58相交。
-两个片之间的氧化剂体积S2不为零，因为各片之间的相互作用不利于污染物。然而，体积S2需要最小化。因此，环面与再进入部66(半径R3的凸圆形表面)之间的连接长度L3必须使得L3/(2*R2的长度)<1或者(L3/R2的长度<2)，以确保上片38与下片36之间可用的氧化剂体积S2相对于由下片的喷射产生的燃料体积是低的，
-布置在从再进入部66起始的活塞的上部分中的第二燃烧区用于上片38的燃料喷射42，
-区域Z2的燃烧体积至少等于碗的总容积的十分之一。
-称为挤压区的该区域由倾斜平面68、凹表面69、平面表面70、凸表面72以及平面表面74形成。角度a6范围在10°和75°之间，其允许燃烧燃料喷射42从而在活塞上产生空气动力学运动并还允许在挤压区使用氧化剂。该空气动力学允许在活塞上更好的燃料/氧化剂混合，尤其在膨胀时，由此促进燃烧气体的氧化，
-为了促进喷射42在挤压区的分布，在再进入部66与表面70之间设置引导表面68。该引导表面可以在再进入部的连接处倒圆角或者是大致平面。该引导表面的目的是集中燃料喷射42并将燃料喷射朝向凸表面72引导。由此，该引导表面在相交点P处具有角度a7，其与角度a2之间的差小于45°，
-弯曲表面69的位置使得距离L5和L5大约为相同量级(0.5<L5/L6<2)。因此，有利地，燃料喷射会分别在环空和弯曲区域同时撞击活塞。
-直径ID1必须使得ID1/GD>1且ID1<(GD+(Cb-GD)*2/3)。这允许燃料喷射42优化活塞上方的空气动力学。
此外，
·比率BD/L小于6，较佳地小于4，
·比率R2/R1小于1，较佳地小于0.6，
·比率FD/BD小于1，
·比率Cb/BD小于2，从而维持燃料的完全蒸发并防止气缸壁润湿，
·为了环面的空气动力学和燃料喷射的向上流动，比率GD/BD范围在0.7与1之间，
·比率H/L大于40％，较佳地大于60％，从而最小化喷射器喷嘴与突起之间的氧化剂体积，
·比值L5/L6的范围同时对于两个片的影响在0.5至2之间。
·A1范围在40°与130°之间，其中a1＝A1/2，
·A2范围在130°与180°之间，其中a2＝A2/2，
·a3大致等于a1，
·a4大于80°，
·a5范围在0°和90°之间，较佳地大致在30°和40°之间，
·a6范围在15°和75°之间，
·a7-a2小于45°，
·比率ID1/GD大于1，
·ID1小于(GD+(Cb-GD)*2/3)。
由此，通过该碗参数，下片36燃料喷射直接目标是环面64且它们不直接撞击再进入部66。
因此，下燃料/氧化剂混合物的燃烧基本上发生在环空容积中，而上燃料/氧化剂混合物的燃烧基本上发生在挤压区中并在活塞上方。
此外，上片喷射与下片喷射的相互作用被限制，这允许燃料/氧化剂混合物被均匀化同时满足高负载下的机械强度限制。
图3示出用于将燃料以每个片36和38不同流率喷入燃烧室的装置的示例。
这些装置包括燃料喷射器30，燃料喷射器30在其喷嘴32区域中带有彼此大致平行布置的至少两个系列80、82径向燃料喷射孔84、86。各孔周向地定位在喷嘴上且各系列布置在彼此上方。一个系列80包括直径为d1的孔84，燃料喷射过孔84，形成混合区Z1的下喷射片36轴线C1。另一系列82包括直径为d2的孔86，用于喷射燃料，形成混合区Z2的上喷射片38的轴线C2。
有利地，孔86的直径d2小于孔84的直径d1。由于喷射器喷嘴区域中的喷射压力相同，这导致具有不同流率的两个燃料喷射片。更精确地，上片38具有比下片36更低的流率。
较佳地，上片的流率至少比下片的流率低10％，且理想地低20％至40％。
这种布局的优点是对于没排孔，理论喷射速度是相同的，这允许两个燃料喷射片都基本上同时撞击在活塞的表面上。
由此，使用每片具有不同流率的燃料喷射允许调节到达关联燃烧区的容积的燃料量，并由此改善燃烧质量。
此外，各片之间最小10％渗透率差允许获得一种燃烧，该燃烧为发动机提供最大功率同时改善燃烧质量，这在根源上减少了未燃碳氢化合物和烟尘颗粒排放。
注意，喷射流之间的比率取决于待喷射的燃料的总流率以及所需的喷射器端口数量，以及两个混合区之间的容积比。
仅以示例性方式，用于形成下片36的150微米直径d1的孔84以及用于下片38的130微米直径d2的孔86，喷射的燃料的流率差以及因此质量(数量)差约为25％。
当然，在不脱离本发明的范围的情况下，每个片可以由不同的喷射器(单片喷射器)携带，该喷射器专用于燃烧室的不同区域Z1和Z2。
该构造中，喷射器之一具有不同于另一喷射器的片角度和渗透率(给定压力下的静态流)，或者两个喷射器具有不同的片角度和相同的渗透率，但每个喷射器具有不同的喷射压力。

Claims (10)

1.一种压燃直喷式内燃机，所述内燃机包括至少一个气缸(10)、承载燃料喷射装置(14)的气缸头(12)、在所述气缸中滑动的活塞(16)、在一侧上由所述活塞的上表面(44)界定的燃烧室(34)，所述活塞包括突起(48)，所述突起(48)沿所述气缸头的方向延伸并布置在具有至少两个混合区(Z1，Z2)的凹碗(46)的中心内，所述喷射装置以不同片角度(A1、A2)将燃料喷射在至少两个燃料喷射片内，喷射轴线C1的下片(36)用于区域(Z1)且喷射轴线C2的上片(38)用于区域(Z2)，其特征在于，所述发动机包括对于每个片以不同流率将燃料馈送到所述燃烧室的喷射装置(14)，以便专用于所述燃烧室的不同混合区(Z1,Z2)。
2.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述上部喷射片(38)的流率低于下部喷射片(36)的流率。
3.如权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，所述上部片(38)的流率比下部片(36)的流率低至少10％。
4.如权利要求3所述的内燃机，其特征在于，所述上部片(38)的流率比下部片(36)的流率低20％至40％。
5.如前述权利要求中任一项所述的内燃机，其特征在于，所述喷射装置包括喷射器，所述喷射器以对于每个片不同的角度在轴向彼此叠置的至少燃料喷射片(36，38)内喷射燃料。
6.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述喷射装置包括至少两个喷射器，所述至少两个喷射器以对于每个片不同的角度在燃料喷射片内喷射燃料。
7.如权利要求6所述的内燃机，其特征在于，所述喷射器具有彼此不同的渗透率。
8.如前述权利要求任一项所述的内燃机，其特征在于，所述片的其中之一(36)的片角度(A1)至多130°，而另一片(38)的片角度(A2)至少130°。
9.一种压燃直喷式内燃机的喷射方法，所述内燃机包括至少一个气缸(10)、承载燃料喷射装置(14)的气缸头(12)、在所述气缸中滑动的活塞(16)、在一侧上由所述活塞的上表面(44)界定的燃烧室(34)，所述活塞包括突起(48)，突起(48)沿气缸头的方向延伸并布置在凹碗(46)的中心内，所述方法包括以不同片角度(A1、A2)的至少两个燃料喷射片，喷射轴线C1的下片(36)和喷射轴线C2的上片(38)喷射燃料，其特征在于，其特征在于，其通过两个喷射片(36，38)对于每个燃烧区(Z1,Z2)喷射不同量的燃料。
10.如权利要求9所述的喷射方法，其特征在于，该方法在于在两个片(36，38)之间以至少10％的量差喷射燃料。
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