CN1143951C - 内燃机中控制燃烧过程的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是借助于整个燃烧系统技术逐步的发展，利用喷雾控制、直接喷射燃烧的方法，在喷射和后燃烧期间，获得一个强力混合过程，并在各个阶段有效地加速烟炱氧化，从而使内燃机能在所需NOx足够高的EGR含量和烟炱含量降到超低量排放物下运行，同时，控制效率的参数与所需排放标准的方法分离，因此，该过程能够达到最佳效率。

Description

内燃机中控制燃烧过程的方法
技术领域
本发明涉及一种内燃机中控制燃烧过程的方法。本发明尤其涉及这样一种减少内燃机中形成的烟炱排放物和氮的氧化物排放物(NOx)的方法，在内燃机中，通过汽缸中产生的压缩热点燃燃料/汽缸气体混合物。
背景和现有技术
在一个热过程中空气中的氮形成氮的氧化物(NOx)，该过程与高温有关，并取于加热体积大小和持续的时间。
烟炱粒子是一种产物，它在燃烧期间形成，随后被氧化成二氧化碳(CO2)。排气中测出的烟炱粒子量是形成的烟炱与氧化的烟炱之间净差数。该过程非常复杂。如果重质燃料，即富油-燃料/空气混合物，在高温混合不良时燃烧将产生高烟炱形成物。如果将形成的烟炱粒子与氧化物如氧原子(O)、氧分子(O2)、氢氧化物(OH)一起在高温下混合，得到一个好的氧化速度，那么，大部分烟炱粒子会得到氧化。在柴油机中，认为氧化过程与形成过程是相同的数量级，这意味着净烟炱产量是形成的烟炱量与氧化的烟炱量之间差数。因此，首先减少烟炱形成，其次增加烟炱的氧化可影响烟炱的净排放量。柴油机中一氧化碳排放物(CO)与碳化氢排放物(HC)通常很低。然而，如果未燃烧的燃料最后在相对低温的区域，那么，百分比会升高。这种地区尤其是位于缸壁附近的剧烈低温区域。另一个例子是活塞与缸衬之间的空腔。
燃料直接喷入汽缸并且在汽缸中通过增温和增压点燃的燃烧过程通常称为内燃机的过程。当在汽缸中点燃燃料时，汽缸中存在的燃烧气体与燃烧燃料发生紊流混合，从而形成混合物控制的扩散火焰。汽缸中燃料/气体混合物的燃烧产生热量，这样引起汽缸中气体的膨胀，从而引起活塞在汽缸中运动。根据许多参数，如燃料的喷射压力、再循环到汽缸的排气量、燃料的喷射时间和汽缸中的主要紊流，可获得不同的效率和发动机排放值。
就排放物来说，如氮的氧化物和烟炱粒子，按照内燃机过程工作的传统内燃机显示出相当高的数值。
众所周知，及早或在膨胀冲程以前喷入燃料，可减少烟炱粒子的形成，而同时使点燃滞后，以便在汽缸中的气体点燃燃料之前，使燃料充分汽化和混合。从而获得减少传统内燃机排放物含量的方法。
为进一步减少烟炱排放物，特别提出一种已知方法，即通过装在燃烧室里的喷射装置在相当高的喷射压力下(测试达到2000巴)将燃料直接喷入燃烧室。高喷射压力产生相对于喷射装置和汽缸气体的燃料高流动速率。燃料高流动速率为燃料和汽缸气体的混合过程提供能量，从而导致它们之间的高混合速率。当混合速率足够高时，燃料和导致燃烧的汽缸气体之间没时间发生化学反应，从而使燃烧更进一步在燃烧室中发生。获得一个大的所谓“初动”，也就是，在喷射装置出口和燃料/汽缸气体混合反应喷雾的下游位置之间有相当大的距离。大的距离为更多的汽缸气体和后来的氧气被吸入喷雾中心部分提供机会。在燃烧室中更进一步发生的燃烧结果是：在燃烧之前，燃料和汽缸气体达到较高的混合程度。当混合速率和混合程度足够时，用足够数量的氧气可减少喷雾中烟炱粒子的形成，实现燃料/汽缸气体混合物的燃烧。在燃料较低流动速率下，燃烧之前，由于燃料没有充分地与汽缸气体中的氧气混合，结果导致在氧气相当不足情况下大量燃烧。这会产生大量烟炱粒子。根据这种方法，燃料和汽缸气体的混合过程主要在喷雾中局部实现。这种方法的缺点主要是氮的氧化物的排放不但足够低，而且烟炱排放也会更高。没有排气再循环，有可能获得氮的氧化物排放量最低标准的较低限制。在燃烧循环过程中，通过滞后喷射开始时间通常可获得低氮的氧化物排放物。活塞到达上死点后，燃烧发生的越迟，压缩温度就变得越低。这样，在低温下实现燃烧，从而产生较低氮的氧化物排放物。然而，喷射开始时间的滞后影响燃烧完成的时间。同样的原因，也减少了烟炱氧化的时间。结果是：燃烧发生的越晚，发动机的烟炱排放物增加得就越多。所以这实际上限制了在没有排放气体再循环的情况下能达到的氮的氧化物排放物最低标准。
减少烟炱排放物的大多数措施是增加氮的氧化物排放物。论及一种“平衡”，它是一种典型的柴油机，在烟炱排放物和氮的氧化物排放物之间，“平衡”的影响是很困难的。
为了更进一步降低排放物，提出了一种常用方法，涉及在一段最佳时间，例如，在进气冲程的早期用低压把燃料喷入发动机的充气系统。在进气冲程期间，大量的排出气体也再循环到汽缸中，这是为了冷却燃烧过程，防止氮的氧化物的形成。氮的氧化物的形成发生在燃烧高温。由于再吸入排放气体占据燃烧室相当大的比例，故再循环排放气体降低了燃烧室中氧气的浓度。较少量的氧气导致低温燃烧过程，但同时，由于局部氧气不足的较大风险，也导致了更多烟炱排放物的形成。因此，在与燃料的反应中，必须更有效地利用氧气剩余量。对于这种情况的解决办法是提供更多的混合能量，以便氧气“撞击”燃料。通过使再循环排放气体和重新提供气流形成涡流运动来做到这点，该涡流运动通常称为旋涡，以便在汽缸中形成一种燃料和汽缸气体实际均匀的混合物。而且当活塞接近上死点时，均匀的燃料/气体混合物被汽缸中产生的压缩热加热。因为在进气冲程期间，燃料被送进内燃机充气系统，一旦把全部燃料量引进汽缸和汽缸中达到了点燃温度，那么将点燃燃料/气体混合物。这种燃烧过程通常称为HCCI(均匀压缩燃烧点燃)。结果是获得含量很低的烟炱和氮的氧化物排放物。然而，这种方法的缺点是发动机只能低载运行。原因是在均匀燃料/汽缸气体混合物中全部燃料量的燃烧完成得太快，也就是，曲柄角度过小，因此在汽缸中产生太快或突然和强度限制压力增强以及最高能级压力。另一个缺点是最接近汽缸壁的燃料/气体混合物有时间冷却，并因此无法通过压缩热点燃，换句话说，由于壁附近的冷却效应，熄灭了汽缸壁附近正在燃烧的燃料。这导致一些燃料冷凝在汽缸壁上并绕过活塞。燃料随后向下流进内燃机的曲柄部分并与发动机的润滑油混合，导致油润滑性能变坏。这种方法的另一个缺点是，很难控制燃料/汽缸气体混合物的点燃时间，尤其是在负载和内燃机转速变化的情况下。未燃烧的燃料/气体混合物也会引起碳化氢的形成。因为根据这种已知的方法，在相当低的温度下实现燃烧过程，排出气体也将是低温。其结果是使排出气体的后处理更加困难，因为排出气体的温度低总是不能激活放置在排出气体系统中的催化剂。
还有另一个已知的方法，该方法是上述方法改进的，涉及燃料不是在压缩冲程后期或膨胀冲程早期直接喷入汽缸，根据该方法，注意确保，只有把全部量的燃料喷入汽缸，才能点燃燃料/汽缸气体混合物。在这里，要使再循环排放气体和新近供给的空气以很快的涡流运动流动，这首先为了获得燃料均匀混合，氧气也因此被有效利用，其次也可防止燃料冷凝在汽缸壁上。为了充分混合，要延长点燃滞后，也就是从燃料喷射开始到燃料/汽缸气体混合物点燃的时间。这样也导致获得很低的排放量。这种方法的缺点主要是内燃机只能低载运行，这是因为在均匀燃料/汽缸气体混合物中全部燃料量的燃烧过程完成得太快，因而会产生发动机强度问题。这也因此获得温度相当低的排放气体，从而用催化剂进行排放气体的后处理更加困难。
因此，根据以上所述，本发明的目的是以这种方式来控制燃烧过程，即在整个内燃机的工作范围内，也就是全载和瞬态过程期间，例如加速期，获得很低的烟炱和氮的氧化物排放物。本发明也打破了烟炱和氮的氧化物排放物之间典型的“平衡”(上面所述)和在没有增加烟炱排放物的情况下，使氮的氧化物排放物减少。本发明更进一步确保获得高效和汽缸压力保持在一个可接受的低水平。
发明描述
根据本发明，提供了一种内燃机中控制燃烧过程的方法，包括至少一个气缸、至少一个活塞，该活塞在汽缸中作往复运动，并使之在汽缸中上、下死点位置回动，还包括至少有一个燃料输送装置，该装置装在汽缸中，并通过它，以高动能把燃料或燃料混合物直接喷入汽缸中，使得燃料或燃料混合物在进入汽缸路途中，形成喷雾并与汽缸中压缩的汽缸气体混合，形成燃料/气体混合物，只有在已经发生燃料和汽缸气体的至少局部混合后，汽缸中产生的压缩热才能点燃该混合物，其特征在于：喷射过程中，喷雾提供动能并控制燃料或燃料混合物与汽缸气体之间的喷雾内部混合过程，且为大规模全部混合过程提供动能，并由于活塞运动和/或构造的结果，更多的动能被提供给喷雾内部和全部混合过程。本方法还具有以下特征，
燃烧过程中产生的烟炱和氮的氧化物(NOx)排放物以及内燃机的效率基本上相互独立地得到控制，因为，为混合物提供的动能量主要控制烟炱排放，来自早期燃烧过程的排放气体的量主要控制氮的氧化物排放，和，燃烧室重心与热释放持续时间主要控制效率。
为获得氮的氧化物的任选排放量，汽缸中的压缩气体包含来自早期燃烧过程的一定比例的排放气体，该排放气体按照约21％至约15％的含氧量变化已被再循环到汽缸。
燃料输送装置的喷射压力高于300巴，最好在1000巴和3000巴之间。
喷射压力得到控制，使得它在燃料或燃料混合物喷射进入汽缸期间可变化。
燃料或燃料混合物被喷射，使得在喷射开始时，以整个喷射期间产生的最高压力喷射燃料或燃料混合物。
由于活塞运动和构造的结果，在膨胀阶段，动能被提供给大规模全部混合过程。
通过圆形、椭圆形或其他合适的形状且尺寸约为0.05mm-0.40mm，最好约为0.10-0.25mm的喷嘴，喷射燃料或燃料混合物。
当以上死点位置前约20°曲柄角到上死点位置后约20°曲柄角作用于装有曲柄轴的内燃机时，燃料或燃料混合物开始喷入汽缸。
局部地完成混合，因为，在发生燃烧的喷雾的上游区，燃料或燃料混合物与汽缸气体混合，并因为在点燃实现后喷射继续进行。
在喷射期间的局部混合被燃料喷嘴和燃料/气体混合物主要燃烧处之间的距离控制，并且该距离可由动能和喷雾中的紊流和离开燃料喷嘴的喷雾的形状控制，和由汽缸中来自早期燃烧过程再循环到汽缸的排放气体的含量来控制。
全部地完成混合，因为，在实现点燃和燃烧之前，符合一个燃烧周期的整个燃料量在汽缸中基本被喷射和混合。
当活塞在上死点时，通过汽缸中存在的气体形成气体运动，该气体通过活塞顶端周围和汽缸的一个端之间的间隙被压出。
旋涡运动在汽缸中产生。
更多的动能通过后喷射提供给混合物。
按照本发明方法涉及的喷雾，在喷射过程中，提供大量的动能并控制喷雾内部的混合过程和为大规模全部混合过程提供动能。同时，由于活塞的运动和结构也为喷雾内部和全部混合过程提供动能。
本方法的优点主要是获得低的烟炱和氮的氧化物排放物。
在本发明方法第一个优选实施例中，烟炱与氮的氧化物(NOx)排放物和内燃机效率基本上彼此独立地得到控制，因为烟炱排放物主要通过供给的混合能量得到控制，氮的氧化物排放物主要通过燃烧过程早期的排气量得到控制，而效率则主要由重心和热释放持续时间控制。该方法的优点是，原则上可自由选择排放量与内燃机效率。
在本发明方法第二个优选实施例中，混合局部完成，因为，燃料与汽缸气体在发生燃烧的喷雾区域上游区混合，并因为在点燃实现后喷射继续进行，也就是喷雾控制燃烧。该方法的优点是，获得较充足的燃烧过程，可应付所有负载范围，同时达到超低量排放物标准。
在本发明方法第三个优选实施例中，混合全部完成，因为在实现点燃和燃烧之前，适合一个燃烧循环的全部燃料量基本上喷入汽缸并在其中混合。该实施例也可应付所有负载范围，同时达到超低量排放物标准。该实施例与HCCI一样有许多特性。基本的不同是，喷射方法本身产生必要的混合。与现有技术不同的是，该实施例也应付内燃机高载范围，同时，在汽缸压力变化不太快、强度限制没有增强的情况下，可达到超低量排放物标准。可能限制压力增强的原因在于汽缸中足够大量的EGR、足够低的温度与压力的综合因素限制了导致点燃与燃烧化学反应的速率。
附图说明
参照附图，下面将详述本发明，为便于说明，该附图表示本发明的优选实施例。
图1表示内燃机简图，
图2表示根据现有技术喷射燃料的喷嘴简图，
图3表示根据本发明方法喷射燃料的喷嘴简图，
图4表示根据本发明的设有许多开口并把燃料喷入汽缸的喷嘴简图，
图5a与5b表示汽缸喷雾与汽缸气体运动简图以及
图6表示把具有各种组合参数的氮的氧化物排放物作为函数的烟炱排放物曲线图。
发明优选实施例详述
图1表示内燃机1简图，该内燃机1是根据柴油机工作过程设计工作。内燃机1包括汽缸2和活塞3，该活塞3在汽缸2中作往复运动并连接在曲柄轴4上，以便使活塞3在汽缸中上、下死点处回动。活塞3上表面5设有凹口6，该凹口6形成燃烧室7。活塞3上部称为活塞顶端8。汽缸2联结一个或多个进气孔9。各个进气孔9与汽缸2之间的连接处可通过设在每个进气孔9上的进气阀10打开和关闭。汽缸2还联结一个或多个排气孔11。各个排气孔11与汽缸2之间的连接处可通过设在每个排气孔11上的排气阀12打开和关闭。
汽缸2至少装有一个喷嘴13，通过该喷嘴13，把燃料喷入汽缸2中，致使燃料与汽缸2中压缩气体混合，形成燃料/气体混合物，该混合物被汽缸2中产生的压缩热点燃。
图1所示的内燃机1包括汽缸2，并根据四冲程原理工作。更可取的是内燃机1包括许多汽缸2，每个汽缸设有活塞3，其中每个活塞3连接在公共曲柄轴4上。每个汽缸2可包括两个活塞3，这样就把内燃机1设计成双活塞内燃机，其中，活塞3之间形成燃烧室(未示出)。
图2简略表示根据现有技术喷射燃料的喷嘴13。图2中，简略示出的喷嘴13只设一个开口14。通过开口14，把燃料喷入内燃机1的汽缸2中。喷射的燃料形成射流15(液相)，尤其是汽缸2中射流的形状和长度，取决于喷嘴13开口14的尺寸和形状以及燃料瞬时喷射压力和汽缸2瞬时汽缸压力。燃料射流15的下游，形成第一个区域16，该区域中，初始混合燃料和汽缸气体形成充足的燃料/气体混合物。第一区域16的边缘17处，产生燃料非常充足的混合火焰。通过燃料充足火焰后和在远离喷嘴13的运动期间，燃料在氧气不足的环境中继续反应，因此在燃烧期间形成烟炱粒子。这种氧气不足标志的燃烧在第二区域18燃料射流15的下游发生，并且也在第一区域16的下游发生。正在燃烧的燃料随后向第二区域18的外边缘19移动，在该边缘处，具有较高的化学计量燃料/气体比。在这种燃料/气体比率下，发生主要的热释放并且也在这里产生最高燃烧温度，从而导致产生一些烟炱粒子，当该烟炱粒子到达所述第二区域18的外边缘19时，正在第二区域18中的燃烧形成这种烟炱粒子。标有全部物相的参考编号15，16，17，18，19一般称为喷雾。
为了减少烟炱粒子含量，根据本发明方法喷射燃料，图3、4、5a和5b将描述这种情况。图3简略地表示喷嘴13，根据本发明从该喷嘴喷射燃料。图2以同样的方式，简图所示喷嘴13只设有一个开口14。图2和3中，基本上以同样的比例描绘喷嘴13。本发明的特征在于：在喷射期间，喷雾提供大量的动能并控制喷雾内部混合过程以及为大规模全部混合过程提供动能。活塞运动和设计的结果是为喷雾内部和全部混合过程进一步提供动能，同时，当第二区域18变得相对较小时，具有扩大喷雾第一区域16的效果，并使烟炱粒子的后氧化达到最大值。
为实现本方法，燃料以高于300巴，最好在1000和3000巴之间的喷射压力喷射燃料。喷射压力标准的选择随着内燃机转速和转矩输出有很大变化，而理想的再循环排气量又控制着氮的氧化物的排放量。喷入汽缸2中的燃料流动速率和燃料射流15的形状也有在喷嘴13与发生燃烧的第二区域18外边缘18那部分之间增加距离D。距离D称为“初动”。距离D的增加使燃料喷射朝第一区域16方向和进入该区域输送大部分汽缸气体和使燃料与大部分汽缸气体混合。因此达到减少第一区域16中燃料/气体比。因为发生烟炱形成的区域18较小，并且在远离喷嘴13的燃料不充足的区域发生，这导致减少烟炱形成。此外，依靠燃料喷射和通过活塞运动提供较大的动能导致燃料和汽缸气体有效地全部混合，不过，该混合仍使那些形成的烟炱粒子有效氧化。
根据本发明，控制燃料喷射压力是可能的，从而在进入汽缸2中燃料的喷射期间，改变燃料喷射压力。在喷射开始时，如果以喷射期间产生的最大压力喷射燃料，则可获得特别好的效果，这种压力称为开启压力，因为，当为进入汽缸2的燃料喷射打开燃料喷嘴13时，产生这种压力。为了提供开启压力，获得燃料喷射期间产生的最大压力，最好选择合适的喷射系统(未示出)。而且，最好设计喷射系统，以便能控制燃料喷射压力，这样在燃料喷入汽缸2期间获得燃料喷射压力的变化。从而获得影响内燃机效率和烟炱粒子形成的可能性。下面较详细地解释这种情况。借助于喷射系统，也能控制燃料量和喷射燃料流动速率。
尤其是喷入汽缸2的燃料流动速率和来自喷嘴13的燃料射流形状，取决于喷射压力，而且还取决于喷嘴13单个开口或多个开口14的尺寸和形状以及汽缸2的占主导的压缩。开口14的数量也对燃烧过程有影响。喷射必须与汽缸气体的状态相一致。柴油机中，根据内燃机的结构，气体大约被压缩10-25倍。这产生一个很高的气体密度，以致尽管高压和速率，它的分子密度也会使喷雾受到严重影响。众所周知，例如，当喷雾既不太容易也不太困难地通过气团时，即所谓的喷雾穿透，最佳数量的孔带有一定涡流。
可使用设有一个开口14或大量开口14的喷嘴13。例如，喷嘴13可配有多孔材料，以提供大量开口14。最好这样选择开口14数量使最大可能地利用燃烧室7的有效容积和形状。通过最佳利用燃烧室7的有效容积和形状，获得燃料气载燃烧的最大可能部分。实际上，这样可避免燃料的接近壁的燃烧，也使在燃烧过程中的热损失减少到最低限度，并同时减少碳化氢(HC)和一氧化碳(CO)的产生。热损失的减少使内燃机1获得最优的热效率。下面还提出一种不同策略的描述，在该策略中，特意使用燃烧气体与燃烧室壁之间的接触以产生总的混合能量。在喷嘴13中的开口14方向对于燃烧室7的有效容积利用程度也有意义。喷嘴13中布置双排开口14是可能的。所以最好以这样一种方式布置开口14，以使来自各种开口14的燃料射流15相互扰动。我们在喷雾中和周围获得氧气和燃料局部增加混合。每排开口14也可设计为不同的尺寸。例如，一排开口14可特别适于作用燃料点燃滞后。为产生圆锥形燃料射流15，可分散设计开口14。开口14也可这样设计，在开口14中产生离隙或空隙现象，从而增加紊流能。根据本发明，燃料喷嘴13也能实现该方法，它能把空气混入燃料射流15。另一影响喷射燃料流动速率和形状的因素是汽缸2中占主导的全部气体运动和汽缸气体中产生的紊流，下面将更详细地解释这一点。
燃料射流15中的喷射燃料形状和流动速率，以及喷雾导致燃料射流15这样朝燃烧燃料/气体混合物方向输送汽缸气体，即在燃料与汽缸气体之间的混合速率在第一区域16中较高的情况下输送。因此获得喷雾控制强化混合过程，从而产生燃料和汽缸气体的连续和增强喷雾内部混合。因此，扩大了第一区域16，这在图3中示出。高混合速率有不能点燃燃料的影响。一旦混合速率下降，这种情况在第一区域16的外部边缘17处发生，就能点燃燃料。根据本发明，在第一区域16外部边缘17处的燃料/气体比比根据现有技术的第一区域16外部边缘17处占主导的燃料/气体比更低，这在图2中示出。这样，第一区域16的外部边缘17朝第二区域18中燃料射流15的下游方向移动，在第二区域18中，较低的燃料/气体比占主导。这导致被点燃的燃料正在第二区域中和向第二区域18外部边缘19移动时，形成较小部分烟炱粒子，也导致在第二区域18外部边缘19处烧尽形成烟炱粒子的大部分。
由于汽缸2中的高温，在第二区域18的外部边缘19处没有烧尽的一部分烟炱粒子将在汽缸2中第二区域18的外部或在汽缸2中的任意位置，在喷射结束后的较后阶段烧尽，在任意位置，存在烟炱氧化的条件。烟炱粒子的这种燃烧称为后氧化。通过更多混合能量的供给，能增强后氧化，这样使剩余的氧“撞击”烟炱粒子。可采取多种方式为总的大规模混合提供混合能量。活塞3的运动和设计能使汽缸气体处于运动状态。进气口9的形状与结合高速吸入供给的新鲜空气/排出气体混合物能使汽缸气体处于涡流运动(旋涡)状态。燃烧室的其他部分也可这样设计，以便使之以某种方式控制汽缸气体的运动。另外，可利用喷射特性获得总的混合效果，并使效果尽可能继续在后燃烧中存在。这种情况的关键是每个喷雾提供给汽缸气体的动能总量。如果喷雾器需要一定流量，孔的数量选择则应使每个孔按顺序改变动能，并与活塞3的设计一起获得最佳气体运动，该气体运动将存在到喷射期结束后为止。例如，如果流量值和其它硬件以及设定值相等，则少量孔中的每个孔产生较大质量流量，并因此产生每一喷雾的较大动能。借助于优化活塞几何形状，喷雾方向、喷射特性和系统的气体状态，利用这些可使燃烧气体的控制运动沿着活塞3壁进行，达到潜在大规模全部运动，在喷射周期结束后，继续存在一段时间。沿着汽缸壁的气体运动有产生紊流的优点，因为汽缸壁迫使气流改变方向。然而缺点是：有相当多的热损失，产生更差的效率。另外，为了提高后氧化，可实行附加的多倍燃料喷射。在燃烧过程后期，可实行一次或多次喷射。通过在燃烧过程后期，高压喷射少量燃料，使在燃烧过程后期获得额外的动能作用，转化成燃烧燃料和汽缸气体的紊流。燃烧燃料和汽缸气体的紊流增加促进了烟炱粒子的后氧化。
活塞几何形状可增加气体输送到第一区域16方式的例子是：在活塞3与汽缸2之间形成的气体运动20引导汽缸2中的气体在燃料喷嘴13方向，然后，在喷嘴13处，通过燃料使之向燃烧的燃料/气体混合物输送。图4说明，当活塞3在上死点时，怎样通过存在于汽缸2中的气体形成气体运动20，该气体通过活塞顶端8的周边与汽缸2的末端之间的间隙21被压出。气体运动20被称为“压进”。图5a和5b进一步简略表示：上死点之前瞬间和上死点之后瞬间，喷流27、28是怎样受汽缸气体运动25影响的，活塞3运动26和构造29引起该气体运动25。在图5a中，喷射和喷雾控制的混合是在进行状态，活塞是在26上方向。被挤入活塞顶端8和汽缸2的末端之间的间隙21的汽缸气体被迫向喷雾的“初动”区域移动。在图5b中，完成喷射和由于活塞3构造29，由燃料喷射供给的剩余动能引起喷流28在向上方向的周围旋转。在这种情况下，喷流28在其向上方向处可遇到反方向的汽缸气流25，即所谓的活塞向下运动26引起的“反向压进”。在喷流28和汽缸气流25相遇处，引起大量的紊流，该紊流提高了后氧化。图5a和5b中，活塞几何形状可任意选择。为清楚起见，图5a和5b中，未图示阀的布置。
汽缸2中也可获得涡流(未示出)，该涡流的旋转轴与汽缸2的中心轴22重合，这种涡流称为“旋涡”。通过在进气冲程中汽缸气体动能和/或通过汽缸2中活塞3的运动可产生这种涡流。为了增加这种涡流中的紊流，通过使用活塞3上布置的特别突起部或阀瓣(未示出)，大规模的旋涡可被瓦解成紊流。旋涡延长点燃滞后和阻止燃料到达汽缸壁23，因此阻止碳化氢HC的形成。如果可能，最好选择最低可能的旋涡数量，例如在0-0.5范围内，但在0.5-10范围内的标准也是合适的。低旋涡被认为产生低的热损失和点燃发生前依靠接近壁的低空气运动产生较少的热传递，而产生较好的效率。从流动工程学方面来说，低旋涡需要能量也较少，也就是，进气冲程期间内燃机的大量功是较低的，这也提高了总效率。应该提出，本发明的方法适用于汽缸2中没有旋涡。
在优化喷雾内部的混合过程和大规模全部混合过程条件下，一方面，获得区域18，在该区域中，形成烟炱，而它在喷雾中大大减少，与此同时，提高了剩余烟炱的后氧化。总之，这从根本上使烟炱排放物产量净减少。
在图4，表示了一个燃料喷入汽缸2方式的例子。喷嘴13的开口14这样布置，以便获得实际上气载的燃料燃烧，这意味着，燃料是以阻止它到达活塞顶端8或汽缸2的壁23的方式喷射。然而，如上面所述，为了促进全部混合和紊流形成，也可选择部分接近壁的气体运动和燃烧。图4中，喷嘴13设有两处开口14。为清楚起见，图中去掉了进气口和排气口。
为了减少内燃机1排出的氮的氧化物(NOx)排放物，燃料过程早期的排放气体可再循环到汽缸2中。再循环排放气体也有助于确保降低导致燃料点燃的化学反应的速率，结果获得长时间的点燃滞后。长时间的点燃滞后是好的，因为这可为在燃料和汽缸气体之间的混合过程提供更多的时间。在传统的柴油机中，更多的排放气体的混入导致烟炱排出物的增加，因为在汽缸气体中氧的浓度较小。然而，如上所述，如果为了确保剩余的氧有效利用而提供大量混合能量，那么，氧浓度的减少对于烟炱排放物没有实际意义。换句话说，这样通过与烟炱排放物大致无关的再循环排放气体可根本上控制氮的氧化物的排放。通过使用为控制目的的气缸压缩气体中再循环排放气体数量可自由选择氮的氧化物排放物的数量。在汽缸压缩气体中的再循环排放气体数量一般可在0-0.7％(百分比按体积计)之间变化。为了获得很低的氮排放物，最好在40-50％的范围内(百分比按体积计)选择再循环排放气体的数量。0-70％的范围涉及内燃机中-高负荷范围和最大负荷。在低负荷范围中，仍可发现较高的再循环排放气体含量。再循环排放气体含量的选择应符合含氧量从大约21％到大约15％(百分比按体积计)的变化范围。对于很低的氮的氧化物排放物，最好接近15％。
高含量的再循环排放气体可间接有利于确保烟炱粒子形成的减少。如上所述，在燃烧过程中，引起高强度紊流，本身又导致燃料和汽缸气体之间的高混合速率，以致，如果局部的燃料/气体混合物有足够低的燃料过剩，烟炱的形成就不能发生。高混合速率作用取决于在燃烧过程期间产生的化学反应速率。烟炱粒子形成的高混合速率作用在较慢的化学反应下是较大的，这导致低烟炱粒子的形成。
增加点燃滞后的其他方法是在上死点之后喷射燃料，当燃料在上死点之后喷射时，压缩温度已下降，且汽缸2中的压力降低，这有助于滞后的点燃时间。通过进入汽缸2之前冷却汽缸气体增加点燃滞后也是可能的。通过降低压缩比，也可获得增加的点燃滞后。不过，对于燃烧过程中最好的稳定性和强度来说，加大混合强度达到延长点燃滞后是更可取的。一个原因是，增加点燃滞后产生不断增加的燃料部分，该燃料可以不规则方式与汽缸气体混合。在活塞内燃机1内的燃烧必然是紊流，这意味着不同过程中变化的可能性因此是高的。从经验来看，控制喷雾的燃烧是相当稳定的。另一个原因是，点燃滞后的增加意味着在点燃过程中具有按指数律增大的不稳定性风险，在最坏的情况下，会导致点燃的完全失败。点燃滞后的临界持续时间是：点燃滞后中的自然波动变得大到发生自发不点火的时候。
喷雾内部的混合过程主要通过流动速率和喷雾的形状加以控制，而且还通过从燃烧过程早期再循环到汽缸(2)的排出气体在汽缸(2)中的含量和气体状态进行控制。
根据本发明的方法，获得这样一个燃烧过程，该过程在内燃机的整个工作范围内，从低负荷到高负荷，并且也在瞬时过程中，例如加速期间，产生低的排放物。原因是，燃烧是控制喷雾式的，并且是连续实现的，这就使得最大汽缸压力和压力梯度得到良好控制。在实际试验中，获得的氮的氧化物和烟炱粒子含量，只等于控制喷雾式扩散燃烧传统内燃机最佳可能期望值的十分之一。该试验示例中获得的所测氮的氧化物含量和烟炱粒子含量分别是0.05-0.6克/千瓦时和0-0.07克/千瓦时。
根据本发明方法，提供两种达到超低量烟炱和氮的氧化物排放物的不同方式。图6将图示这点。图6中的曲线图概略地表示烟炱排放物和氮的氧化物排放物是怎样相互依赖的。x轴表示烟炱排放物的数量，y轴表示氮的氧化物排放物的数量。字母A、B、C、D、E、F表示在该处符合现在和将来的法定要求的曲线图上找到关于烟炱和氮的氧化物(NOx)排放物的点。
-A符合现在的柴油机排放物标准和法定要求。
-B符合美国2002标准，即NOx减半，同时保持烟炱标准。
-C符合欧IV标准，即保持NOx，并且与美国2002标准相比，烟炱减少到1/4。
-D符合假定的欧V标准，即与欧IV标准相比，NOx减半。
-E符合假定的欧V+标准，即与欧V标准相比，NOx减半。
-F符合美国2007标准，即与欧V+标准相比，NOx减少到十分之一 。
图6中曲线图左边最底部长方形区表示将来的超低量排放物要求，也就是F。曲线图中符号D1到D7表示，为了达到不同的排放物要求，在柴油机中控制燃烧过程的不同方法。图中标记“内燃机方法”的大箭头表示如何用各种技术方法把烟炱的峰值压低到超低水平。
-D1符合现在的技术。烟炱排放物相当低，氮的氧化物排放物则是中-高程度。
-D2.这里已加大了排放气体的再循环。内燃机构造与D1相同。氮的氧化物排放物随着加大排放气体再循环而下降，但是，烟炱排放物程度由于氧浓度较低而上升。忽略B处的烟炱排放物要求。
-D3这里更进一步加大排放气体再循环和/或推迟开始喷射。延长总的点燃滞后直至在点燃产生之前，使所有的燃料有时间喷射。这产生充分的混合，达到超低量排放物，也就是F。这代表实现F的第一种方式。
-D4高喷射压力型的内燃机方法产生较低的烟气峰值。氮的氧化物排放物可降低到C。这里没有使用延长的总点燃滞后，也就是，在被点燃之前，喷射所有的燃料。
-D5进一步的方法是增加紊流，实际上已将烟炱峰值减少到最小值。这时氮的氧化物排放物可降低到E。在这里，也没有使用延长的总点燃滞后。
-D6最终目的是通过使用内燃机方法彻底降低烟炱峰值。这里要求的内燃机方法是更先进的，并且除高喷射压力外，还可组成可变阀倍数、可变压缩和燃烧原理其他设计参数的重新优化，例如活塞的几何构造和喷射系统。当烟炱排放物已经降低到超低量水准时，在保持低烟炱水准条件下，可全部自由地选择氮的氧化物排放物水准。这与沿虚线的移动相一致，该虚线平行于x轴，在图中最下处。D6中，设置延长的总点燃滞后是没有用的，但是，相反地，仅通过喷雾控制的燃烧方式将继续达到超低量排放物。
-D7这里用喷雾控制的燃烧和相对早的喷射开始获得超低量排放物，并取得良好的效率和强度。这表示实现F的第二种方式。
根据本发明的方法也有这种效果，即在燃烧过程中产生的氮的氧化物含量、烟炱粒子含量及内燃机1的效率基本上彼此独立地可得到控制。这有助于确保内燃机在该机整个工作范围内运转并获得超低量排放物。燃烧过程中产生的氮的氧化物含量主要取决于到汽缸2的再循环排放气体比例。因此，如上所述，借助于排放气体再循环，可控制氮的氧化物的含量，结果可获得基本任意的氮的氧化物含量。
燃烧过程中产生的烟炱粒子含量取决于流动速率和通过燃料喷嘴13喷射的燃料形状以及在燃料与汽缸气体之间的混合过程，该混合过程既是全部的，又是局部的，流动速率和燃料形状在汽缸2中产生该烟炱粒子含量。而通过燃料喷嘴13喷射的燃料形状和流动速率又取决于压力，该压力把燃料喷入汽缸2，还取决于燃料喷嘴13开口14的形状。上述压进和旋涡也影响燃料与汽缸气体之间的混合过程。因此，烟炱粒子含量可通过喷射燃料的压力、数量、方向和喷嘴13中开口14的形状以及汽缸中产生的大规模全部汽缸气体运动，也就是，压进和旋涡以及两者结合的方法得到控制。在这里，改变开口14的形状也意味着可改变开口14的尺寸。
内燃机1效率通过热释放、其形状和持续时间得到控制。这既通过上面喷射开始后自始至终的燃料喷射模式，又通过汽缸气体的合成和状态，还通过根据孔的数量、喷雾方向和燃烧室几何构造所述系统的几何构造影响内燃机效率。热释放持续时间意味着时间跨度，在该跨度时间内，热在汽缸2燃烧过程中释放。另外，汽缸壁周围的系统热损失也影响内燃机效率。上述同样的参数可影响热损失。因此，在某一时刻和某一时间跨度内把燃料喷入汽缸2中，以便内燃机1的效率因此可得到控制。燃料开始喷入汽缸(2)中的合适时间是在上死点前20°曲柄角和上死点后20°曲柄角之间。
根据本发明方法允许氮的氧化物排放物参数、烟炱排放物参数和效率参数大部分彼此独立地得到控制，也就是允许：
●再循环排气量将主要控制氮的氧化物排放物，
●使用喷射压力将主要控制烟炱排放物，和
●使用燃烧循环中喷射开始的时间将主要控制效率。
这将应用于规定的内燃机构造。如果增加可变压缩和/或可变阀倍数，则可以控制汽缸气体的状态，从而，无论把它看作为基本的内燃机，还是在实际运行中进行操作，用上述参数提供新的改进前景。根据本发明的方法，为获得最高的效率，上面三个主要参数相互独立地同时优化压缩比是可能的。因此这种方法的优点是，在强度、可控制性和效率方面，只就效率来说，使再一次接近现在所知的柴油机过程(混合物控制的柴油机火焰)成为可能，即从燃烧循环到燃烧循环，具有大于45％的效率和全部可控制性。
根据本发明的方法具有这种效果，即为获得低排放物，可非常精确地控制点火时间和控制如加速期间的瞬时过程。对于正在被点燃的和在喷射期已经开始燃烧的以及即使喷射期结束后继续燃烧的燃料来说，并不是所有在喷射循环过程中喷射的燃料立即燃烧(按照现有技术)。在汽缸中获得一种平稳和容许峰值压力充分缓慢的压力增强，从而减轻强度问题。
把排气涡轮或压缩机(未示出)连在内燃机1上实现本发明的方法也是可能的。上面已经讨论了四冲程原理工作的内燃机1。根据本发明的方法也适用于根据另一原理工作的内燃机，例如，根据两冲程、六冲程或八冲程原理。例如，为了因获得输入汽缸2气体混合物的特殊性能，借助于一个或两个额外的压缩循环，不用燃料喷入汽缸可实现六冲程和八冲程。例如，凡是本发明方法应用到没有曲柄轴无活塞内燃机的地方，本文中引用的曲柄角度则换算成该类型内燃机的相应距离。
内燃机1也可设进气阀和排气阀10、12，这些阀可以控制，从而可改变阀10、12的打开和关闭时间。这样汽缸2中的气体状态和紊流的热动力操作可通过适当地打开和关闭阀10、12实现。用进气阀和排气阀10、12可变的打开和关闭时间，影响有效压缩比是可能的。
可变压缩比是一项技术，该技术强有力地影响气体状态并正确通过内燃机转速和转矩的范围进行优化。为了尽可能高的效率和本发明的其它特性，例如关于排放物，这种内燃机可有效地优化。
传统的柴油可构成实现本发明方法所用燃料类型。其他的燃料类型也是可利用的。使用一种具有含低热的燃料类型和具有降低热含量添加剂的传统柴油，相对较多的燃料不得不喷入汽缸2中，结果是，喷射的燃料中产生增强的紊流。其它燃料特殊性能，如汽化曲线、含氧量、十六烷数量等等，也可用来优化燃烧过程。如用水或其它物质混合燃料更有可能。水与燃料混合产生很快的汽化过程，并由此产生快速喷雾均化作用。较快的汽化过程是由于燃料中的水喷射后直接汽化造成的，因此产生加速燃料雾化过程的局部压力波。同时，汽化热被外界带走，从而降低火焰温度。在这种情况下，含氧水输送到燃料直接邻近的燃烧室中，这也为低烟炱形成和/或有效的烟炱氧化提供了潜能。为了增加可控制性以及影响混合过程与点燃滞后，汽缸中使用单独喷雾器来处理水喷射。
喷射装置13中大量的小喷射孔产生良好的局部混合，但是不良的全部燃料/汽缸气体混合。另一方面，少量的大孔产生不良的局部混合但是良好的全部混合。
为了更进一步减少内燃机排出的排放物，可用催化剂后处理内燃机的排出气体。如果内燃机这样控制，致使在燃烧过程中形成氮的氧化物和烟炱粒子的超低量水准，为了减少内燃机排出的碳氢化合物和一氧化碳，可使正在氧化的氧化催化剂同排气系统结合。
根据本发明的方法可与除压缩点燃外的燃料点燃装置相配合。例如，所举例子中，通过微波或等离子流点燃燃料/汽缸气体混合物是可能的，条件是压缩热不能预先点燃燃料/汽缸气体混合物。
较冷的进气产生较低的压缩温度，也就是，特别对点燃时间至关重要。因此，当使用根据本发明的方法时，各种冷却和控制进气方式，即进气还混入再循环排放气体，是有利的。
对于每一个在本发明内采取的技术步骤，内燃机的气体交换系统被综合优化，以获得理想的负载压力、排气反压力、负载温度、再循环气体量和全部燃料/空气比。

Claims (17)

1.内燃机(1)中控制燃烧过程的方法，包括至少一个气缸(2)、至少一个活塞(3)，该活塞在汽缸(2)中作往复运动，并使之在汽缸(2)中上、下死点位置回动，还包括至少有一个燃料输送装置(13)，该装置装在汽缸(2)中，并通过它，以高动能把燃料或燃料混合物直接喷入汽缸中，使得燃料或燃料混合物在进入汽缸(2)路途中，形成喷雾并与汽缸(2)中压缩的汽缸气体混合，形成燃料/气体混合物，只有在已经发生燃料和汽缸气体的至少局部混合后，汽缸(2)中产生的压缩热才能点燃该混合物，其特征在于：喷射过程中，喷雾提供动能并控制燃料或燃料混合物与汽缸气体之间的喷雾内部混合过程，且为大规模全部混合过程提供动能，并由于活塞运动和/或构造的结果，更多的动能被提供给喷雾内部和全部混合过程。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于：燃烧过程中产生的烟炱和氮的氧化物(NOx)排放物以及内燃机(1)的效率基本上相互独立地得到控制，因为，为混合物提供的动能量主要控制烟炱排放，来自早期燃烧过程的排放气体的量主要控制氮的氧化物排放，和，燃烧室重心与热释放持续时间主要控制效率。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：为获得氮的氧化物的任选排放量，汽缸(2)中的压缩气体包含来自早期燃烧过程的一定比例的排放气体，该排放气体按照约21％至约15％的含氧量变化已被再循环到汽缸。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：燃料输送装置(13)的喷射压力高于300巴。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：燃料输送装置(13)的喷射压力在1000巴和3000巴之间。
6.根据权利要求中1，2，4或5所述的方法，其特征在于：喷射压力得到控制，使得它在燃料或燃料混合物喷射进入汽缸(2)期间可变化。
7.根据权利要求1，2，4，5中任何一项所述的方法，其特征在于：燃料或燃料混合物被喷射，使得在喷射开始时，以整个喷射期间产生的最高压力喷射燃料或燃料混合物。
8.根据权利要求1，2，4，5中任何一项所述的方法，其特征在于：由于活塞(3)运动和构造(29)的结果，在膨胀阶段，动能被提供给大规模全部混合过程。
9.根据权利要求1，2，4，5中任何一项所述的方法，其特征在于：通过圆形、椭圆形或其他合适的形状且尺寸为0.05mm-0.40mm的喷嘴，喷射燃料或燃料混合物。
10.根据权利要求1，2，4或5所述的方法，其特征在于：通过圆形，椭圆形或其他合适的形状且尺寸为0.1-0.25mm的喷嘴，喷射燃料或燃料混合物。
11.根据权利要求1，2，4，5中任何一项所述的方法，其特征在于：当以上死点位置前约20°曲柄角到上死点位置后约20°曲柄角作用于装有曲柄轴的内燃机时，燃料或燃料混合物开始喷入汽缸(2)。
12.根据权利要求1，2，4，5中任一项所述的方法，其特征在于：局部地完成混合，因为，在发生燃烧的喷雾的上游区，燃料或燃料混合物与汽缸气体混合，并因为在点燃实现后喷射继续进行。
13.根据权利要求12的方法，其特征在于：在喷射期间的局部混合被燃料喷嘴(13)和燃料/气体混合物主要燃烧处之间的距离控制，并且该距离可由动能和喷雾中的紊流和离开燃料喷嘴(13)的喷雾的形状控制，和由汽缸(2)中来自早期燃烧过程再循环到汽缸(2)的排放气体的含量来控制。
14.根据权利要求1，2，4，5中任何一项所述的方法，其特征在于：全部地完成混合，因为，在实现点燃和燃烧之前，符合一个燃烧周期的整个燃料量在汽缸(2)中基本被喷射和混合。
15.根据权利要求1，2，4，5中任何一项所述的方法，其特征在于：当活塞(3)在上死点时，通过汽缸(2)中存在的气体形成气体运动，该气体通过活塞顶端(8)周围和汽缸(2)的一个端之间的间隙(21)被压出。
16.根据权利要求1，2，4，5中任何一项所述的方法，其特征在于：旋涡运动在汽缸(2)中产生。
17.根据权利要求1，2，4，5中任何一项所述的方法，其特征在于：更多的动能通过后喷射提供给混合物。
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