CN117780487A - 火花点火式四冲程内燃机的操作方法 - Google Patents

火花点火式四冲程内燃机的操作方法 Download PDF

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Abstract

一种操作火花点火式四冲程内燃机的方法，其中在至少一个工作循环的工作冲程期间，通过至少一次燃料喷射事件将燃料直喷进主燃烧室，在燃料/空气混合物燃烧之前，通过至少一个预点火火花在预燃室中形成自由基，通过至少一个主点火火花在预燃室中点燃混合物。为了内燃机稳定运行，在压缩冲程期间，通过将主燃烧室中的混合物引入来压缩构建为被动预燃室的预燃室中的残余气体，减小预燃室内的空气比，在预点火火花时间窗口期间，在被动预燃室中引发至少一个预点火火花，在预燃室内部产生自由基，含有自由基的气体部分量从预燃室移入与其通流连接的自由基存储体积，通过在主点火火花时间窗口内引发主点火火花来开始在预燃室中燃烧含有自由基的混合物。

Description

火花点火式四冲程内燃机的操作方法
技术领域
本发明涉及一种操作火花点火式四冲程内燃机的方法，其中在工作冲程期间，通过至少一次燃料喷射事件将燃料直接喷射进主燃烧室，其中在燃料/空气混合物燃烧之前，通过至少一个预点火火花在预燃室中形成自由基，并且通过至少一个主点火火花在所述预燃室中点燃所述燃料/空气混合物。本发明还涉及一种火花点火式四冲程内燃机，其具有至少一个主燃烧室，至少一个用于直接燃料喷射的燃料喷射装置与所述主燃烧室连通，且所述火花点火式四冲程内燃机具有点火单元，所述点火单元具有与所述主燃烧室通流连接的被动预燃室，点火装置与所述预燃室连通。
背景技术
在火花点火式内燃机中，预燃室点火的先进燃烧系统的燃烧特性会发生变化，因此，特别是在发动机未完全预热的情况下，在催化剂加热运行和低负载运行中应用已知的喷射和点火策略不足以可靠地实现稳定运行。
在火花点火式内燃机中，已知的方案是通过预点火火花在预燃室中产生自由基。
DE 2843119 A1揭示过一种具有预燃室的火花点火式内燃机，火花塞与此预燃室连通。在进气冲程结束时，通过预点火火花由燃料/空气混合物产生自由基。
EP 2020503 A2揭示过一种火花点火式内燃机，其中产生多个预点火火花以由燃料/空气混合物形成自由基。
DE 102015016772 A1描述过一种具有预燃室的内燃机，此预燃室中布置有火花塞，其中通过热方式产生自由基。其中，通过火花点火装置离解出羟基自由基。
发明内容
本发明的目的是以尽可能简单的方式实现内燃机特别是在预热阶段的稳定运行。
根据本发明，上述目的例如通过以下方式实现：在所述工作循环的压缩冲程期间，通过将所述主燃烧室中的燃料/空气混合物引入来压缩构建为被动预燃室的所述预燃室中的残余气体，并且减小所述预燃室内的空气比，在预点火火花时间窗口期间，在所述被动预燃室中引发至少一个预点火火花，并且在所述预燃室内部产生自由基，含有自由基的气体部分量从所述预燃室移入与所述预燃室通流连接的自由基存储体积，通过在主点火火花时间窗口内引发主点火火花来开始在所述预燃室中燃烧含有所述自由基的燃料/空气混合物。
此处的被动预燃室是指不与燃料喷射装置连通的预燃室。
根据本发明，所述点火单元具有与预燃室通流连接和/或集成在这个预燃室中的自由基存储体积。
将所产生的自由基的一部分暂存在自由基存储体积中。在工作冲程期间，暂存在自由基存储体积中的自由基延迟进入预燃室以及进一步进入主燃烧室，且特别是对燃烧过程有稳定和加速的作用。与已知的现有技术相比，附加的自由基存储体积能够在用于主燃烧的主燃烧室中提供量更大的自由基。其特别是在内燃机的预热运行中对燃烧有加速和稳定的作用。
内燃机的点火装置有利地与点火电路连接，该点火电路适于在每个工作循环中产生多个点火火花。
有利地，预点火火花时间窗口对应于至少一个工作循环的压缩冲程，优选对应于点火上止点之前的180°至30°的曲轴转角范围，特别优选对应于点火上止点之前的120°至80°的曲轴转角范围。主点火火花时间窗口有利地对应于相对于点火上止点而言的-30°至+30°的曲轴转角范围。
在本发明的一个实施变体中，至少一个预点火火花可以与燃料喷射事件相关联，其中在燃料喷射事件之后的定义的延迟时长之后引发至少一个预点火火花，其中延迟时长优选在40°至10°的曲轴转角之间。这样就能优化自由基的形成。
其中，有利地，在进气冲程中，在点火上止点之前的340°至180°的曲轴转角范围内实施至少一次燃料喷射，以及/或者在压缩冲程中，在点火上止点之前的180°至30°的曲轴转角范围内实施至少一次燃料喷射。
在本发明的一个实施变体中，至少两个燃料喷射装置与主燃烧室连通，其中燃料喷射装置可以以不同的喷射参数和/或相互独立地工作。这样就能实现特别有效的预激活。
根据本发明的一个实施变体，在点火上止点之前的140°至120°的曲轴转角范围内引发第一预点火火花。优选地，在点火上止点之前的100°至80°的曲轴转角范围内引发第二预点火火花。这样就能形成特别多的自由基。
根据本发明的一个实施变体，预燃室通过多个(优选四至十二个)例如由钻孔形成的溢流通道与主燃烧室流体连接。有利地，溢流通道可以分别具有一个直径为0.4mm至3.0mm的圆形横截面，或相当于这个圆形横截面的横截面面积的等效横截面。实验证明，这个结构性设计对主燃烧室中的起燃特别有利。
有利地，自由基存储体积比点火装置的电极到溢流通道的距离更远。自由基存储体积有利地通过至少一个，例如二至八个连接通道与预燃室通流连接，其中连接通道优选分别具有一个直径为0.4mm至3.0mm的圆形横截面，或相当于这个圆形横截面的横截面面积的等效横截面。这个布局和结构性设计有利于迅速且稳定的燃烧。
在本发明的有利实施变体中，自由基存储体积通常为预燃室的体积的10％至75％，优选20％至40％。
附图说明
下面结合非限制性附图中所示的实施例对本发明进行详细说明。其中示意性地示出：
图1为本发明的内燃机的气缸在压缩冲程的第一阶段的纵向剖面图；
图2和图3为图1中的细节II；
图4为图1中的气缸在压缩冲程的第二阶段；
图5为图4中的细节V；
图6为图1中的气缸在工作冲程期间；
图7为图6中的细节VII；
图8为预燃室连同自由基存储体积的侧视图；
图9为本发明的方法中的燃料喷射和点火的曲轴转角图；以及
图10为本发明的方法中，气缸压力和气缸温度的时间曲线。
具体实施方式
图1示意性地示出本发明的内燃机的具有往复活塞2的气缸1。火花点火式内燃机以四冲程过程工作，且可以具有一或多个气缸1。每个气缸1中，在活塞2与在此因气缸头3而呈屋顶状的燃烧室顶面4之间构建有主燃烧室5。
点火单元6居中地，也就是在气缸轴1a的区域内与主燃烧室5连通。点火单元6具有被动预燃室7，高压点火电路的点火装置8与该预燃室连通。点火装置8的至少一个电极8a在气缸轴1a的区域内布置在预燃室顶部7a区域内。预燃室7通过多个(例如四至十二个)溢流通道9与主燃烧室5流体连接。溢流通道9分别具有一个直径为0.4mm至3.0mm的圆形横截面，或相当于这个圆形横截面的横截面面积的等效横截面，以便以定义的程度节制流过的气流。
特别是如图2和图3所示，点火装置8的集成在点火单元6中的电极8a、8b布置在被动预燃室7中的预燃室顶部7a的区域内，这样就能以已知方式以电感式点火线圈工作，其中电极8a与8b之间的间距在0.5mm至1.5mm(特别是0.7mm-1.2mm)的范围内。高压点火电路适于在每个发动机循环中产生多个火花(720°KW)，其中每个火花可选地也可以通过延长点火时长来实现。
点火单元6配设有定义大小的自由基存储体积10。此外，自由基存储体积10比点火装置8的电极8a、8b到溢流通道9的距离更远(参见图3)。自由基存储体积10例如为预燃室7的体积的10％至75％，优选20％至40％。
图8示出作为负体的点火单元8的详图。预燃室7形成点火单元8的主体积，并且通过溢流通道9与主燃烧室5流体连接。自由基存储体积10例如由气缸头3与点火装置8之间包围点火装置8的环形空间形成，且在轴向上与预燃室7间隔一定距离。自由基存储体积10通过一或多个(例如二至八个)轴向连接通道12与预燃室7通流连接。连接通道12可以分别具有一个直径例如为0.4mm至3.0mm的圆形横截面，或相当于这个圆形横截面的横截面面积的等效横截面。
可以通过一个燃料喷射装置11或多个与主燃烧室5连通的燃料喷射装置11将燃料直接喷射至主燃烧室5。两个燃料喷射装置11间的燃料输送压力、位置和喷射方向可以完全不同。在图1、图4、图6中用虚线绘示的采用多个燃料喷射装置11的情形中，这些燃料喷射装置独立工作，并且在每个工作循环中实施多次燃料喷射事件KE。
气流在图1至图7中用箭头S表示。
前述工作循环的结果是，在低压条件下，预燃室7的体积的绝大部分充满残余气体RG，该低压条件类似于主燃烧室5中的压力。
根据本发明的方法，在压缩冲程期间，通过将主燃烧室5中的燃料/空气混合物引入被动预燃室7来压缩残余气体RG，且预燃室7内的空气比λ减小(参见图1、图2)。在预点火火花时间窗口VZF期间，在被动预燃室7中引发至少一个预点火火花VZ，并且在预燃室7产生自由基OH。含有自由基OH的气体部分量从预燃室7移入与被动预燃室7通流连接的自由基存储体积10并且被暂存(参见图3)。通过在主点火火花时间窗口HZF内引发主点火火花HZ来开始在预燃室7中燃烧预燃室7的含有自由基OH的燃料/空气混合物。
图9示出实施本发明的方法期间内燃机的工作循环的参数点火信号Z和喷射信号E，绘示在曲轴转角KW上。示出工作循环的进气冲程ET、压缩冲程VT和工作冲程AT。
预点火火花时间窗口VZF对应于至少一个工作循环的压缩冲程VT，例如对应于点火上止点OTC之前的180°至30°的曲轴转角KW的曲轴转角范围。预点火火花时间窗口VZF特别是对应于点火上止点OTC之前的120°至80°的曲轴转角KW的曲轴转角范围。例如可以在点火上止点OTC之前的100°至80°的曲轴转角KW的曲轴转角范围内引发预点火火花VZ。例如可以在点火上止点OTC之前的140°至120°的曲轴转角KW的曲轴转角范围内引发另一预点火火花VZ。
主点火火花时间窗口VZF对应于相对于点火上止点OTC而言的-30°至+30°的曲轴转角KW的曲轴转角范围。至少一个预点火火花VZ可以与燃料喷射事件KE相关联，其中在燃料喷射事件KE之后的定义的延迟时长之后引发该至少一个预点火火花VZ。延迟时长vt例如可以在40°至10°的曲轴转角KW之间。
可以在进气冲程ET中，在点火上止点OTC之前的340°至180°的曲轴转角KW的曲轴转角范围内，和/或在点火上止点OTC之前的180°至30°的曲轴转角KW的曲轴转角范围内实施至少一次燃料喷射事件KE。
此外，图9示出压缩冲程VT和主点火窗口HZF的残余气体RG的含量和空气比λ。空气比λ的曲线的形状可以受到主燃烧室5中的喷射策略的影响。残余气体RG的曲线的形状可以受到预燃室7的设计参数的影响。
此外，图9示出根据本发明的方法，单次预燃EZ和多次预燃MZ的燃烧期间的放热率RoHR。
此外，图10同样示出在本发明的方法中，单次预燃EZ与多次预燃MZ之间的对比，其中气缸压力p、气缸温度T和放热率RoHR绘示在曲轴转角KW上。可以清楚地看出，通过多次点燃MZ可以实现更快速的燃烧。
图1示出在压缩冲程的早期阶段沿方向R向上运动的活塞2。图2和图3示出这个阶段的点火单元6。如图1、图2和图3中的箭头S所示，在压缩冲程VT期间，通过主燃烧室5中的燃料-空气混合物压缩预燃室7中的残余气体RG。预燃室7中的总质量增加，残余气体RG的空气比λ下降。残余气体RG的浓度与点火单元6的总体积有关，该总体积由被动预燃室7的体积与自由基存储体积10组成。残余气体RG的浓度的变化率由总体积的大小和分布决定。
同时，点火单元6内的燃料含量增加。燃料含量的增加速度受到从主燃烧室5进入预燃室7的混合物的空气/燃料比的影响。
通过压缩冲程期间针对性的一次多次预点火，可以激励在这个时间点已经进入预燃室7的燃料发生第一次化学反应，该反应导致分子部分分解并且形成自由基OH，从而形成高反应性的分子，但在循环的这个点上不会导致完全燃烧。这种上游火花可以与主燃烧室5中的燃料喷射相关联，以便精确地作用于在考虑到燃料喷射装置11的喷嘴与预燃室7的体积，特别是点火装置8的电极8a、8b之间的移动距离和移动时间的情况下由喷射脉冲产生的那部分燃料。
在内燃机的压缩冲程中，将某部分含自由基气体压入自由基存储体积10(参见图3中的箭头S)，其中当形成自由基OH时，点火装置8的电极8a、8b在圆B标出的区域内作用于进入预燃室7的新鲜燃料/空气混合物。
所产生的自由基OH留在预燃室7中并且与残余气体RG混合。残余气体RG的高温可以强化由前述火花引起的自由基形成过程。如图3所示，在压缩冲程中，将由残余气体RG和自由基OH形成的混合物的一部分压入自由基存储体积10。
图4示出压缩冲程VT结束时上止点OTC中的活塞2，图5示出这个阶段的点火单元6。如图4和图5中的掺杂所示，主燃烧室5、预燃室7和自由基存储体积10之间的压力基本上平衡。
图6示出工作冲程中点火后的活塞2。为此，图7示出这个阶段的点火单元6。当由每气缸1一个的点火装置8的主点火火花HZF触发的主燃烧开始时，由预点火火花VZ预激活的混合物处于预燃室7中，并且通过所含的自由基OH引发快速燃烧过程。如图7中的箭头S所示，由可燃气体、燃油喷雾和自由基OH形成的混合物从预燃室7进入主燃烧室5，并且使主燃烧室5中的点火或燃烧稳定。存储在自由基存储体积10中的由残余气体RG形成的混合物在工作冲程AT期间进入预燃室7，并且将预燃室7中所含有的由部分未燃烧的燃料/空气和自由基OH形成的混合物推入主燃烧室5，从而加速并且进一步稳定主燃烧室5中的燃烧。
因此，与现有技术已知的方法相比，可以通过自由基存储体积10实现更快速且更稳定的燃烧。
通过点火线圈的充电时间来设定预点火火花VZ的能量。通过几何参数与工作参数相结合，可以实现未燃烧的新鲜燃料、自由基OH和残余气体RG的最佳混合和空间分布，这一点会在主点火火花HZ的时间点上使得点火稳定、预燃室7中的火焰快速传播并且朝主燃烧室5的方向快速膨胀。由此，实现主燃烧室5中稳定且快速的燃烧。

Claims (17)

1.一种操作火花点火式四冲程内燃机的方法，其中在至少一个工作循环的工作冲程(AT)期间，通过至少一次燃料喷射事件(KE)将燃料直接喷射进主燃烧室(5)，其中在燃料/空气混合物燃烧之前，通过至少一个预点火火花(VZF)在预燃室(7)中形成自由基(OH)，并且通过至少一个主点火火花(HZF)在所述预燃室(7)中点燃所述燃料/空气混合物，其特征在于，在所述工作循环的压缩冲程(VT)期间，通过将所述主燃烧室(5)中的燃料/空气混合物引入来压缩构建为被动预燃室的所述预燃室(7)中的残余气体，并且减小所述预燃室(7)内的空气比(λ)，在预点火火花时间窗口(VZF)期间，在所述被动预燃室(7)中引发至少一个预点火火花(VZ)，并且在所述预燃室(7)内部产生自由基(OH)，含有自由基(OH)的气体部分量从所述预燃室(7)移入与所述预燃室(7)通流连接的自由基存储体积(10)，以及，通过在主点火火花时间窗口(HZF)内引发主点火火花(HZ)来开始在所述预燃室(7)中点燃含有所述自由基(OH)的燃料/空气混合物。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预点火火花时间窗口(VZF)对应于至少一个工作循环的压缩冲程(VT)，优选对应于所述点火上止点(OTC)之前的180°至30°的曲轴转角(KW)的曲轴转角范围，特别优选对应于所述点火上止点(OTC)之前的120°至80°的曲轴转角(KW)的曲轴转角范围。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述主点火火花时间窗口(HZF)对应于相对于所述点火上止点(OTC)而言的-30°至+30°的曲轴转角(KW)的曲轴转角范围。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，至少一个预点火火花(VZ)与燃料喷射事件(KE)相关联，其中在所述燃料喷射事件(KE)之后的定义的延迟时长(tv)之后引发至少一个预点火火花(VZ)，其中所述延迟时长(tv)优选在40°至10°的曲轴转角之间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在进气冲程(ET)中，在所述点火上止点(OTC)之前的340°至180°的曲轴转角(KW)的曲轴转角范围内实施至少一次燃料喷射事件(KE)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在压缩冲程(VT)中，在所述点火上止点(OTC)之前的180°至30°的曲轴转角(KW)的曲轴转角范围内实施至少一次燃料喷射事件(KE)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，在所述点火上止点(OTC)之前的140°至120°的曲轴转角(KW)的曲轴转角范围内引发第一预点火火花(VZ)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述点火上止点(OTC)之前的100°至80°的曲轴转角(KW)的曲轴转角范围内引发第二预点火火花。
9.一种火花点火式四冲程内燃机，其具有：至少一个主燃烧室(5)，至少一个用于直接燃料喷射的燃料喷射装置(11)与所述主燃烧室连通；点火单元(6)，所述点火单元具有与所述主燃烧室(5)通流连接的被动预燃室(7)，点火装置与(8)所述预燃室连通，所述火花点火式四冲程内燃机特别是用于实施根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述点火单元(6)具有与所述预燃室(7)通流连接和/或集成在所述预燃室中的自由基存储体积(10)。
10.根据权利要求9所述的内燃机，其特征在于，所述点火单元(6)与高压点火电路连接，所述高压点火电路适于在每个工作循环中产生多个点火火花(VZ，HZ)。
11.根据权利要求9或10所述的内燃机，其特征在于，至少两个燃料喷射装置(11)与所述主燃烧室(5)连通，其中所述燃料喷射装置(11)可以以不同的喷射参数和/或相互独立地工作。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的内燃机，其特征在于，所述预燃室(7)通过多个(优选四至十二个)溢流通道(9)与所述主燃烧室(5)流体连接。
13.根据权利要求12所述的内燃机，其特征在于，所述溢流通道(9)分别具有一个直径为0.4mm至3.0mm的圆形横截面，或相当于所述圆形横截面的横截面面积的等效横截面。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的内燃机，其特征在于，所述自由基存储体积(10)比所述点火装置(8)的电极(8a，8b)到所述溢流通道(9)的距离更远。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的内燃机，其特征在于，所述自由基存储体积(10)通过至少一个，优选二至八个连接通道(12)与所述预燃室(7)通流连接。
16.根据权利要求15所述的内燃机，其特征在于，所述连接通道(12)分别具有一个直径为0.4mm至3.0mm的圆形横截面，或相当于所述圆形横截面的横截面面积的等效横截面。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的内燃机，其特征在于，所述自由基存储体积(10)为所述预燃室(7)的体积的10％至75％，优选20％至40％。
CN202311266336.8A 2022-09-29 2023-09-28 火花点火式四冲程内燃机的操作方法 Pending CN117780487A (zh)

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