CN1729354A - 用于运行直接喷射柴油内燃机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行直接喷射柴油内燃机的方法，带有至少一个在气缸(24)内往复移动的活塞(27)，其中，内燃机这样运行，使燃油在低于NOx－形成温度的局部温度下并以高于炭黑形成极限的局部空气比进行燃烧，其中，燃油喷射在曲柄转角50°和5°之间的范围内在压缩阶段的上止点之前开始并回收废气，其中，废气回收率约为50％－70％。为达到特别低的氮氧化物－和炭黑排放，提供至少一个活塞(27)，带有一个挤压面(34)和一个环形活塞盆形燃烧室(28)和一个处于挤压面(34)与活塞盆形燃烧室(28)之间过渡区内的收缩部位(29)；在活塞(27)向上运动时，产生一种从外向内对着活塞盆形燃烧室(28)的挤压流(43)；燃油至少主要向环形活塞盆形燃烧室(28)内喷射，并通过挤压流(43)沿活塞盆形燃烧室侧壁(31)和/或活塞底(32)在至少部分汽化下输送。

Description

用于运行直接喷射柴油内燃机的方法
技术领域
本发明涉及一种用于运行直接喷射柴油内燃机的方法，带有至少一个在气缸内往复移动的活塞，其中，内燃机这样运行，使燃油在低于NOx-形成温度的局部温度下并以高于炭黑形成极限的局部空气比进行燃烧，其中，燃油喷射在曲柄转角50°和5°之间的范围内在压缩阶段的上止点之前开始并回收废气，其中，废气回收率约为50％-70％。此外，本发明还涉及一种用于实施该方法的一种内燃机。
背景技术
采用内部燃烧的内燃机中燃烧过程最主要的参数是，燃烧过程或燃烧开始的相位、气缸压力的最大上升速度以及峰值压力。
在基本上通过直接喷射燃油量的自点火进行燃烧的内燃机中，这些参数关键通过喷油时间点、充气成分和点火延迟规定。这些参数从它们方面通过大量影响值确定，例如像转速、燃油量、进气温度、增压压力、有效压缩比、气缸充量的废气含量和零件温度。
严格的法律框架条件的作用是，在设计燃烧方法时，必须不断开辟新的途径，以减少柴油内燃机上炭黑颗粒和NOx-排放的排出物。
公知减少废气中NOx-和炭黑排放的方法是通过提前喷油时间点加大点火延迟，从而通过稀薄的燃油-空气混合气的自点火进行燃烧。在这里一种可行的方案称为HCLI-方法(Homogenous Charge Late Injection)。如果燃油喷射在压缩阶段的上止点之前足够远进行，那么产生这种混合气形成，由此产生一种在一定程度上提前混合的燃油-空气混合气。通过废气回收可以达到将燃烧温度保持在对NOx-形成所要求的最低温度以下。
美国专利US 6.338.245 B1介绍了一种按照HCLI-方法工作的柴油内燃机，其中，燃烧温度和点火延迟这样调整，在低和中部分负荷范围内使燃烧温度低于NOx-形成温度和局部空气比高于对炭黑形成关键的数值。燃烧温度在此方面通过改变废气回收率，点火延迟通过燃油喷射时间点进行控制。在中和高负荷情况下，燃烧温度尽可能降低，使其既减少NOx-也减少炭黑形成。
此外，公知柴油内燃机的活塞采用基本上环形的活塞盆形燃烧室构成。在此方面，在活塞端面与活塞盆形燃烧室之间的过渡区内设置一个收缩部位，构成一个相当窄的通过横断面。通过窄的输送横断面提供一种高混合气形成能量，由此燃油处理得到明显改善。带有这种环形活塞盆形燃烧室的活塞，基本由公开专利EP 0 383 001 A1、DE 1 122 325 AS、AT 380311 B、DE 21 36 594 A1、DE 974 449 C或者JP 60-206960 A是已知的。在常规运行的内燃机中，利用这种活塞对内燃机的运行特性产生如下具有优点的效果：可以提高烟气限制的满负荷；可以实现高压缩，从中通过更小的点火延迟产生更低的燃烧噪声、更低的碳氢化合物排放、发动机更有利的起动特性和提高内燃机的效率；此外产生的可能性是将点火时间在方向上靠后延期，通过混合气形成能量在更长时间间隔上保持高水平这种事实，没有明显的烟气、消耗和HC上升。这种可能性意味着主要是降低了氮氧化物、燃烧噪声和气缸峰值压力。
此外，公开专利DE 11 22 325 C1已知一种带有活塞盆形燃烧室和收缩部位的活塞，其中，在挤压面和收缩部位之间具有一个造型。
在按照HCLI-方法工作的内燃机中，迄今为止不使用这种带有深收缩活塞盆形燃烧室的活塞样式，因为迄今为止人们认为，由于深活塞盆形燃烧室和很强的挤压流起动能力和热力学的效率会变得过差。美国专利US 6.158.413 A因此提出首先抑制挤压流，其中，使用带有非常扁平的活塞盆形燃烧室的活塞。
发明内容
本发明任务在于，对用于运行内燃机的HCLI-方法这样进行改进，使其一方面可以进一步降低氮氧化物和炭黑排放，另一方面可以达到扩大可以在HCLI-运行中行驶的负荷范围。
依据本发明该任务由此得以实现，即提供至少一个活塞，带有至少一个挤压面和一个环形活塞盆形燃烧室以及一个在挤压面与活塞盆形燃烧室之间过渡区内的收缩部位；在活塞向上运动时，产生一种从外向内对着活塞盆形燃烧室的挤压流；燃油至少主要向环形活塞盆形燃烧室内喷射，并通过挤压流沿活塞盆形燃烧室侧壁和/或活塞底在至少部分汽化下输送。燃油射束在此方面喷入流入活塞盆形燃烧室内的挤压流内。挤压流将大部分燃油输送到活塞盆形燃烧室内，在那里燃油汽化并与流入的空气进行接近均匀的混合。活塞盆形燃烧室内的流动取决于是否存在带有涡流或者无涡流的进气流。
因此在依据本发明的一种实施方案中，在气缸内产生一种涡流数≥1的带有涡流的进气流，而且燃油通过挤压流沿活塞盆形燃烧室侧壁，在至少部分汽化下向活塞底方向并继续沿活塞底向盆形燃烧室中心输送。涡流在压缩阶段期间保持在活塞盆形燃烧室的内部。
而在另一实施方案中则相反，在气缸内产生一种涡流数＜1的无涡流的进气流，而且燃油通过挤压流在至少部分汽化下从盆形燃烧室中心，沿活塞底向活塞盆形燃烧室侧壁并继续向收缩部位输送。
情况令人惊异地表明，通过安装活塞盆形燃烧室，起动能力在按HCLI-方法工作的内燃机上并没有明显变差。挤压流造成的热力学的效率的损失，通过活塞盆形燃烧室内得到改善的混合气处理，可以明显抵消高涡流的后果。
在此方面，最好将燃油向活塞的收缩部位方向喷射，其中，喷射开始时大部分燃油量至少一个燃油射束的射束轴线的切合点，处于盆形燃烧室侧壁和挤压面之间的一个区域内，该区域包括悬挂壁区、收缩部位以及挤压面与收缩部位之间的进气区。
在常规的柴油内燃机中，燃油的切合点和喷射时间点通常这样选择，使燃油在喷射开始时-与负荷无关-射中收缩部位下面的悬挂壁区。在本发明的主题中，切合点在低负荷下根据活塞盆形燃烧室内部悬挂壁区的一个区域进行调整，而且随着负荷的上升切合点向收缩部位的方向移动。这一点可以通过提前喷油时间点达到。由此部分燃油-与挤压流相反-喷射到活塞和气缸盖之间的间隙内。喷射到活塞表面和气缸盖之间间隙内的大部分燃油被挤压流带入活塞盆形燃烧室内。这一点有利地降低HC-和CO-排放情况下提高了空气分布和混合气处理。燃油-空气混合气既在活塞盆形燃烧室内也在活塞表面和气缸盖之间的间隙内进行燃烧。
因为具有相当高废气回收率的内燃机在50°与70°之间运行，所以局部燃烧温度处于NOx-形成温度以下。局部过量空气系数保持在炭黑形成极限以上。废气回收可以通过外部或者内部的废气回收装置进行，或者通过外部和内部的废气回收装置与可变的阀门配气组合进行。燃油喷射在500和2500bar之间的喷油压力下进行。燃烧重点处于上止点后最高10°曲柄转角前的10°之间，由此产生一种非常高的效率。内燃机以约1.0-2.0的非局部空气比运行。
为实施该方法适用一种内燃机，带有至少一个用于直接燃油喷射的喷射装置，一个废气回收装置和至少一个在气缸内往复移动的活塞，该活塞具有一个鲜明的挤压面和一个环形的活塞盆形燃烧室。在此方面，活塞在挤压面和活塞盆形燃烧室之间的过渡区内具有一个圆形的收缩部位。由此一方面产生一种鲜明的挤压流，而另一方面达到液流以相当高的速度流入盆形燃烧室内。活塞盆形燃烧室内相当高的涡流水平面有利地影响充分燃烧状况，由此可以明显降低HC-和CO-排放。特别有利的是，活塞盆形燃烧室这样确定尺寸，使其适用最大盆形燃烧室直径DB与活塞直径D之比为：0.5＜DB/D＜0.7，而且活塞盆形燃烧室这样确定尺寸，使其适用最大盆形燃烧室深度HB与活塞直径D之比为：0.12＜HB/D＜0.22。由此可以将自由燃油射束长度保持在尽可能大的程度上。为构成鲜明的挤压流，最好活塞盆形燃烧室这样确定尺寸，使其适用收缩部位的直径DT与最大盆形燃烧室直径DB之比为：0.7＜DT/DB＜0.95。
在挤压面和收缩部位之间作为进气区设置一个环形造型，带有平整的底部和圆柱形的壁。最好该造型具有最大盆形燃烧室深度5％与15％之间的深度，该造型具有至少部分圆柱形的壁，而且该造型在壁的区域内具有大于收缩部位直径10％-20％之间的直径。通过该造型在活塞下行时降低从活塞盆形燃烧室的径向流出速度。由此燃料部分不是沿活塞端面，而是在轴向输送到气缸盖。
附图说明
下面借助附图对本发明进行详细说明。其中：
图1示出用于实施依据本发明方法的内燃机；
图2a和2b示出该内燃机气缸的纵剖面；
图3示出图2a的局部放大图III，以及
图4示出依据现有技术水平的该局部放大图。
具体实施方式
图1示出具有进气收集器2和排气收集器3的内燃机1。内燃机1通过废气涡轮增压器4增压，后者具有废气驱动的涡轮5和通过涡轮5驱动的压缩机6。沿压缩机6逆流在进气侧上设置一个增压空气冷却器7。
此外，高压废气回收系统8在废气线路10和进气管11之间具有第一废气回收管9。废气回收系统8具有废气回收冷却器12和废气回收阀13。取决于排气线路10和进气管11之间的压差，第一废气回收管9内还可以具有一个废气泵14，以便控制或提高废气回收率。
除了该高压废气回收系统8外，还具有一个沿涡轮5顺流和沿压缩机6逆流的低压废气回收系统15，其中，在废气管16内沿微尘滤清器17的顺流分支第二废气回收管18并沿压缩机6的逆流通入进气管19内。此外，在第二废气回收管18内设置一个废气回收冷却器20和一个废气回收阀21。为控制废气回收率在废气管16内沿支线的顺流设置一个废气阀22。
沿第一废气回收管9支线的逆流在废气线路10内设置一个氧化催化器23，去除HC、CO和颗粒排放的挥发部分。副作用是与此同时提高废气温度并因此将附加的能量输送到涡轮5。在此方面，原则上也可以将氧化催化器23沿废气回收管9分支的顺流设置。图1所示采用沿氧化催化器23顺流支线设置具有的优点是废气冷却器12受到更小的污染，但缺点是由于废气温度升高需要废气回收冷却器12具有更高的冷却能力。
内燃机1的每个气缸24具有至少一个将柴油直接喷射到燃烧室26内的喷油阀25，其喷油开始可以在上止点前50°至5°曲柄转角之间的范围内变化。喷油压力在此方面处于500和2500bar之间。
在气缸24内往复移动的活塞27具有一个基本上旋转对称的环形活塞盆形燃烧室28，设计成一个悬挂壁区30的收缩部位29。活塞盆形燃烧室28的侧壁采用31、活塞底采用32以及凸起的盆形燃烧室中心采用44标注。
在活塞端面33上，收缩部位29的外面设计成一个挤压面34。活塞27的几何形状、喷油时间点和喷油阀25的喷油几何形状这样确定，使喷油射束的轴线35对着环绕侧壁31和挤压面34之间收缩部位29的一个区域36(图3)。该区域36包括悬挂壁区30、收缩部位29本身以及通过一个环形的造型37a在挤压面34和收缩部位29之间构成的进气区37。造型37a具有一个平整的底部37b和一个圆柱形的壁37c，其中，过渡半径r设计为约1mm和活塞盆形燃烧室深度HB的50％之间。造型37a的深度h约为最大盆形燃烧室深度HB的5％-15％。造型37a的直径D1大于收缩部位29直径DT的10％-20％。大部分喷射的燃油量第一喷油射束轴线35固有的第一切合点38，处于区域36的内部并取决于负荷的变化。在低负荷时，切合点38处于悬挂壁区30的区域内。附图符号39表示非常低负荷时最下部的切合点38。随着负荷上升，切合点38向挤压面34的方向移动，如图3中箭头P1所示。图3中附图符号40表示切合点38的最上部极端位置。因此在较高负荷时，一部分喷射的燃油逆挤压流43或43a的方向喷射到挤压面34和气缸盖42之间的挤压空间41内。在图2b中，附图符号43表示带有涡流的进气流中的挤压流，而附图符号43a则表示无涡流的进气流中的挤压流。通过活塞27的向上运动，切合点38在喷油期间向活塞盆形燃烧室28的方向移动，如箭头P2所示。在活塞27向上运动时，通过挤压面34产生的挤压流43、43a的作用是，将一部分进入在活塞端面33和气缸盖42之间构成的挤压空间41内的燃油，由挤压流43、43a带到活塞盆形燃烧室28的方向上并在那里汽化。由此形成与空气特别好的充分混合，从而一方面提高HCLI-运行中可以达到的最大负荷，而另一方面可以进一步降低HC-和CO-排放。燃烧既在活塞盆形燃烧室28的内部，也在挤压空间41的区域内进行。
通过造型37a，在活塞27向下运动时明显降低了径向流出速度，由此大大减少了向活塞端面33上和继续向气缸壁输送的燃油部分。由此只有少量燃烧残留物进入发动机油内。
为进行比较，图4示出在常规分层运行的柴油内燃机上止点区域内燃油喷射开始时喷油射束第一切合点的区域36′。燃油的该区域36′-与负荷状态无关-通常始终处于悬挂壁区30的区域内。因此切合点不移动。
喷油的开始特别是在下部部分负荷区域内相对提前处于压缩行程内，也就是上止点之前约50°-5°的曲柄转角时，由此为构成局部均匀的混合气较长的点火延迟，可供预混合的燃烧使用。通过鲜明的预混合和稀释，可以达到极低的炭黑-和NOx-排放值。在此方面，局部过量空气系数始终高于对炭黑形成关键的极限。通过50％-70％之间的高废气回收率达到，局部燃烧温度始终低于最小的氮氧化物形成温度。在此方面，喷油在500-2500 bar之间的压力时进行。长的点火延迟的作用是，将燃烧阶段推迟到环绕上止点的效率最佳位置。燃烧重点处于上止点后最高10°曲柄转角前的10°之间，由此可达到一种高效率。高的废气回收率可以或者仅通过外部的废气回收装置，或者也可以通过外部与内部废气回收装置的组合，通过可变的阀门控制装置实现。为在混合气形成时达到一种高涡流，具有优点的是产生涡流的进气道用于产生最高约5个高涡流数。
活塞盆形燃烧室28具有一个相当大的最大直径DB，其中，DB与D之比处于0.5-0.7的范围内。最大活塞深度HB与活塞直径D之比，以有利的方式处于0.12和0.22之间。由此可以产生一种长的自由射束长度，它对混合气形成具有优点。为构成一种强挤压流43，收缩部位29的直径DT与最大活塞直径DB之比处于0.7-0.95之间。由此达到进入活塞盆形燃烧室28内的高进气速度，这有利于燃油-空气混合气的均匀化。
喷油射束35的几何形状以及活塞盆形燃烧室28的几何形状，可以对常规的柴油内燃机在满负荷程度上进行优化。

Claims (22)

1.用于运行直接喷射柴油内燃机的方法，带有至少一个在气缸(24)内往复移动的活塞(27)，其中，内燃机这样运行，使燃油在低于NOx形成温度的局部温度下并以高于炭黑形成极限的局部空气比进行燃烧，其中，燃油喷射在曲柄转角50°和5°之间的范围内在压缩阶段的上止点之前开始并回收废气，其中，废气回收率约为50％-70％，其特征在于，提供至少一个活塞(27)，带有至少一个挤压面(34)和一个环形活塞盆形燃烧室(28)和一个处于挤压面(34)与活塞盆形燃烧室(28)之间过渡区内的收缩部位(29)；在活塞(27)向上运动时，产生一种从外向内对着活塞盆形燃烧室(28)的挤压流(43)；燃油至少主要向环形活塞盆形燃烧室(28)内喷射，并通过挤压流(43)沿活塞盆形燃烧室侧壁(31)和/或活塞底(32)在至少部分汽化下输送。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，在气缸(24)内产生一种涡流数≥1的带有涡流的进气流，而且燃油通过挤压流(43)沿活塞盆形燃烧室侧壁(31)在至少部分汽化下向活塞底(32)方向并继续沿活塞底(32)向盆形燃烧室中心(44)输送。
3.按权利要求1所述的方法，其特征在于，在气缸(24)内产生一种涡流数＜1的无涡流的进气流，而且燃油通过挤压流(43)在至少部分汽化下从盆形燃烧室中心(44)沿活塞底(32)向活塞盆形燃烧室侧壁(31)并继续向收缩部位(29)输送。
4.按权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，将燃油向活塞(27)的收缩部位(29)方向喷射，其中，喷油开始时大部分燃油量的至少一个燃油射束的射束轴线(35)的切合点(38)处于盆形燃烧室侧壁(31)和挤压面(34)之间的一个区域(36)内，该区域包括悬挂壁区(30)、收缩部位(29)以及挤压面和收缩部位(29)之间的进气区(37)。
5.按权利要求4所述的方法，其特征在于，切合点(38)在低负荷下根据活塞盆形燃烧室(28)内部悬挂壁区(30)的一个区域进行调整。
6.按权利要求4或5所述的方法，其特征在于，随着负荷的上升切合点(38)向收缩部位(29)的方向移动。
7.按权利要求1-6之一所述的方法，其特征在于，随着负荷的上升，喷油从上止点之前一个分配给低部分负荷的约5°-15°的区域直至上止点之前约50°曲柄转角提前开始。
8.按权利要求1-7之一所述的方法，其特征在于，燃油喷射在喷油压力处于500-2500bar之间进行。
9.按权利要求1-8之一所述的方法，其特征在于，燃烧重点处于上止点之前的10°-上止点之后的10°之间的曲柄转角范围内。
10.按权利要求1-9之一所述的方法，其特征在于，非局部空气比在1.0和2.0之间调整。
11.按权利要求1-10之一所述的方法，其特征在于，废气回收在外部和/或内部进行。
12.按权利要求11所述的方法，其特征在于，外部废气回收通过排气阶段期间打开进气阀和/或通过进气阶段期间打开排气阀进行。
13.直接喷射柴油内燃机，用于实施按权利要求1-12之一所述的方法，利用该方法可以对燃油喷射的开始在压缩阶段上止点之前的50°至5°曲柄转角之间的范围内进行调整，以及带有一个废气回收率处于50％和70％之间的废气回收系统，带有至少一个在气缸(24)内往复移动的活塞(27)，其特征在于，活塞(27)在其端面(33)上具有至少一个挤压面(34)和一个带有收缩部位(29)的环形活塞盆形燃烧室(28)，基本上成凹形弯曲的侧壁(31)和底部(32)，以及一个侧壁(31)与收缩部位之间的悬挂壁区(30)，其中，大部分燃油量的喷油装置(25)燃油射束的至少一个射束轴线(35)对着侧壁(31)与挤压面(34)之间的一个区域(36)，该区域(36)包括悬挂壁区(30)、收缩部位(29)以及挤压面(34)与收缩部位(29)之间的进气区(37)。
14.按权利要求13所述的内燃机，其特征在于，燃油射束至少一个射束轴线(35)的切合点(38)，在喷油开始时可在悬挂壁区(30)与收缩部位(29)之间变化。
15.按权利要求13或14之一所述的内燃机，其特征在于，活塞盆形燃烧室(28)这样确定尺寸，使其适用最大盆形燃烧室直径(DB)与活塞直径(D)之比为：0.5＜DB/D＜0.7。
16.按权利要求13-15之一所述的内燃机，其特征在于，活塞盆形燃烧室(28)这样确定尺寸，使其适用最大盆形燃烧室深度(HB)与活塞直径(D)之比为：0.12＜HB/D＜0.22。
17.按权利要求13-16之一所述的内燃机，其特征在于，活塞盆形燃烧室(28)这样确定尺寸，使其适用收缩部位(29)的直径(DT)与最大盆形燃烧室直径(DB)之比为：0.7＜DT/DB＜0.95。。
18.按权利要求13-17之一所述的内燃机，其特征在于，进气区(37)在挤压面(34)与收缩部位(29)之间具有一个环形的造型(37a)。
19.按权利要求18所述的内燃机，其特征在于，造型(37a)具有通向活塞盆形燃烧室(28)的平整底部(37b)。
20.按权利要求18或19所述的内燃机，其特征在于，造型(37a)具有最大盆形燃烧室深度(HB)5％和15％之间的深度(h)。
21.按权利要求18-20之一所述的内燃机，其特征在于，造型(37a)具有一个至少部分圆柱形的壁(37c)。
22.按权利要求18-21之一所述的内燃机，其特征在于，造型(37a)在壁(37c)区域内具有大于收缩部位(29)直径(DT)10％-20％之间的直径(D1)。
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