CN1882767B - 往复式内燃机及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种往复式内燃机，在每个气缸(1)具有：至少两个带有进气门(6)的进气口(3)，至少一个带有排气门(7)的排气口(4)和至少一个点火装置(14)；由气缸盖(2.1)和在气缸(1)中以往复运动的方式引导的活塞(11)的顶(11.1)形成的燃烧室(1.1)，所述进气口以相对于气缸盖平面(2.1)测量的、小于45度的较平角度通向该燃烧室，其中一方面活塞顶(11.1)另一方面气缸盖(2.1)在垂直截面中基本呈顶状，其中在各个情况下一个顶面与进气门(6)关联，另一顶面与排气门(7)关联，气缸盖(2.1)的顶面方向与活塞顶(11.1)的顶面方向一致；在进气门(6)之间的进气口(3)的入口区域附近通向气缸(1)的燃料喷嘴(8)，其中燃料喷嘴(8)的喷射轴线(9)相对于气缸轴线(5)测量的角度大于所述进气口的角度；靠近气缸轴线(5)设在气缸盖(2.1)中的点火装置(14)；设在活塞顶(11.1)中的槽形凹部(12)，由槽底(12.1)和侧壁(16)限定，与活塞顶上的顶脊(11.2)相交并且在两个顶面区域上延伸，所述槽底(12.1)朝着燃料喷嘴(8)倾斜并且终止于一壁区(12.2)中，该壁区在其面向燃料喷嘴(8)的一侧上垂直向上延伸，其中在槽底(12.1)与侧壁(16)之间的过渡区(15)具有在平面图中基本为桶形的轮廓，该轮廓首先从排气侧的两侧变宽，接着再朝进气侧变窄，该轮廓的一端由陡峭地向上延伸的壁区(12.2)形成。

Description

往复式内燃机及其操作方法
背景技术
在具有火花点火和直接燃料喷射的往复式内燃机中，通过喷射器将燃料直接喷入发动机的工作区。对于喷射时间存在两种基本操作模式。
在所谓的均匀燃烧操作中，通常在助燃空气流入期间，即，当进气门打开时提前将燃料喷入燃烧室。从而实现燃料/空气混合物的良好的均匀化。当发动机处于高负载运转时该操作模式是优选的。
在所谓的分层进气操作中，直到进气门关闭之后，当活塞在其向上运动期间进入其上死点位置区域中时才进行喷射。这是为了使燃料在由点火装置点燃之前仅以局部限定的方式与缸中所含的一些新鲜空气混合。当发动机以局部负载或空载运行时优选采用该操作模式。其优点在于，发动机可在不对进气进行节流并且点火装置附近的燃料空气比不是太低从而能够可靠点火的情况下运行。
对于这些操作模式，已知将燃料引入气缸室并形成混合物的不同方法，这些方法可分成两类：
在所谓的喷射引导式方法中，喷射器直接对准点火装置。喷射的雾状燃料与助燃空气混合并由点火装置点燃。因此，如果点火装置很靠近喷射器定位，就只能确保可靠的分层进气操作。这样的缺点在于只能利用特别小的、工作点特定的点火窗口，因此，为使工作特性范围较大而调整射流扩散是危险的。另外，使用的喷射器必须高精度制造。在长期工作期间，即使是喷射器中很小的容差或变化也会导致不利的点火边界条件。
因此仅能通过在点火装置和喷射器之间精确的几何关系来确保分层进气操作中的点火状况。从而执行该类已知方法时没有限定的或有力的进气运动。然而在均匀燃烧操作中，缺少这种用于提高燃料/空气混合物均匀性的运动，从而导致输出损失、增加燃料消耗从而相应地增加污染物的排放。
这种方法还存在增加磨损的缺点，并且由于直接喷射在点火装置上而引起点火装置寿命缩短。
所谓的壁引导式方法基于这样的事实，即，在分层操作中，通过由活塞顶形成的部分燃烧室壁将燃料喷射器偏转向喷射装置。通过有力的进气运动而有助于该动作。该方法避免直接喷射在点火装置上。燃料喷射器的容差和工作状态都不如上述喷射引导式方法中重要。
这些方法的缺点是，当燃料直接喷入气缸室中时，燃料行进直到燃烧室壁，特别是活塞顶，导致在某些工作状态下存在不完全燃烧，从而增加未燃的碳氢化合物和烟尘的排放。该方法至今通过进气侧上的燃料喷射器执行，并且从转动方位和方向的角度看，该方法基于在喷射方向上形成气缸进气的特定柱形流动，该流动通过活塞顶将混合射流导向点火装置。可以通过大角度直立的进气口(EP 0 558 072 B1和DE 197 08288 A1)实现这种模式的进气运动，这导致发动机的整体高度相应较大。根据提出的另一解决方案，通过特定地形成进气口或者例如特定形成在进气门座区域中的几何形状(EP 0 463 613 B1)而实现气缸进气的理想运动模式，但是其对于进气系统的流动质量存在不利影响从而对发动机的满负荷运转不利。在两种情况下，喷射器对准活塞顶中的凹部，使得在分层进气操作期间，仍是液体的燃料撞击活塞顶。接着将在那里形成的混合物导向与活塞顶壁接触的点火装置。
通过该方法，在分层进气操作中所必需的有力的进气运动在均匀燃烧操作期间由于引起刺耳的燃烧噪音并增加壁的热损失而存在不利影响。
WO01/49996A公开了一种往复式内燃机，它在每个气缸具有两个带有进气门的进气口，至少一个带有排气门的排气口和至少一个点火装置，并且具有由气缸盖和在气缸中以往复运动的方式被引导的活塞顶形成的燃烧室，其中一方面活塞顶另一方面气缸盖在垂直截面中基本呈屋顶状，其中在各个情况下其中一个顶面与进气门关联，另一顶面与排气门关联，气缸盖的顶面方向与活塞顶的顶面方向一致。在活塞顶中设有槽形凹部，该凹部在活塞顶的顶脊区上延伸，从而在两个顶面上延伸。燃料喷嘴通向在进气门旁的进气口入口区域附近的气缸。点火装置靠近气缸垂直轴线设在气缸盖中。
由于气缸盖和活塞顶形成为屋顶状，连同活塞顶中的槽形凹部一起形成了仅具有微隙的燃烧室，所以产生了朝向燃料喷嘴的气缸进气运动。由于进气口以一角度通向燃烧室，所以在进气冲程期间形成滚流，该滚流最初沿着气缸盖流入燃烧室，然后通过槽形凹部朝着燃料喷嘴导回。该流动在压缩冲程期间仍然保持。
特别在分层进气操作中，通过活塞顶朝着燃料喷嘴引导空气，然后将燃料喷入空气中。如果在分层进气操作期间，在进气门关闭后活塞在其向上运动期间靠近其上死点位置的时候喷射燃料，那么在紧邻进气门的附近区域就改进了混合物准备。在喷射阀区域中，气流改变方向并被导向点火装置。尽管减少了燃烧室容积，但对于沿在气缸中朝着点火装置的气流方向的燃料而言，仍可以形成混合物最优化的长自由射流路径。这在气缸壁上仅产生了少许燃料覆层。特定形成的燃烧室和燃料喷嘴的位置允许射流在分层进气操作中被非常平滑地引导，从而使成扇形展开的射流能够以满意的方式进入在活塞顶槽形凹部区域中的燃烧室，并且几乎不会弄湿活塞顶，因此优化的燃料/空气混合物到达点火装置。
发明内容
本发明的目的在于提供进一步改进的点火状况，尤其是在局部负载下，并且在于降低上述类型的具有火花点火和直接喷射的往复式内燃机的污染物排放。
根据本发明，通过一种往复式内燃机实现该目的，该内燃机在每个气缸具有：至少两个带有进气门的进气口，至少一个带有排气门的排气口和至少一个点火装置；由气缸盖和在气缸中以往复运动的方式被引导的活塞顶形成的燃烧室，进气口以较平的角度(相对于气缸盖平面测量)通向该燃烧室，其中一方面活塞顶另一方面气缸盖在垂直截面中基本呈屋顶状，其中在各个情况下其中一个顶面与进气门关联，另一顶面与排气门关联，气缸盖的顶面朝向与活塞顶的顶面朝向对应；在进气门之间的进气口入口区域附近通向气缸的燃料喷嘴，其中燃料喷嘴的喷射轴线相对于气缸轴线测量的角度大于进气口的角度；靠近气缸轴线设在气缸盖中的点火装置；设在活塞顶中的槽形凹部，该凹部由槽底和侧壁限定，与活塞顶上的顶脊相交并在两个顶面区域上延伸，所述槽底朝着燃料喷嘴倾斜并且终止于一壁区中，该壁区在其面向燃料喷嘴的一侧上陡峭地向上延伸，其中在槽底与侧壁之间的过渡区具有在平面图中基本为桶形的轮廓，该轮廓首先从排气侧的两侧变宽，接着再朝进气侧变窄，该轮廓的一端由陡峭地向上延伸的壁区形成。
侧壁的桶形结构赋予活塞槽更加开放的形状，这使得喷入射流与壁的接触更少从而降低污染排放，特别是在均匀燃烧操作中减少了烟尘的形成。同时，在分层进气操作中提高了燃烧稳定性，即，减少了不发火的情况。
由于活塞顶中的槽形凹部以通道的形式促进和引导滚流，所以根据本发明提供的桶形轮廓具有横过主流方向的效果。在活塞顶附近，滚流首先略微横过流动方向膨胀，即略微减慢，然后又在即将过渡到陡峭地向上延伸的壁区之前增强，即加速。这样，滚流变得紊乱，这使得喷入空气流的燃料的量更好地混合，从而可更好地燃烧并显著降低废气中污染物的排放，特别是烟尘颗粒的排放。在均匀燃烧操作和分层进气操作中均可产生该效果。
如果槽底具有平整表面并且限定桶形轮廓的侧壁与槽底连成盘形，那么是有利的。
在更有利的实施例中，面向排气口的槽形凹部的末端区设置成比面向进气口并且由陡峭的壁区限定的末端区宽。
附图说明
从以下实施例的描述中将清楚本发明的其它特征和优点。示意图中：
图1表示穿过气缸的垂直剖面，表示在均匀燃烧操作期间在压缩冲程开始时的进气运动；
图2表示在分层进气操作期间进行喷射的穿过气缸的垂直剖面；
图3表示穿过活塞的剖面；
图4表示一个实施例的活塞顶的平面图。
具体实施方式
图1所示的往复式内燃机的气缸1设有气缸盖2，其具有两个倾斜延伸的进气口3和两个与进气口基本镜像对称设置的排气口4。从图1的垂直剖面可以看到，进气口3和排气口4都设在气缸盖2中，从而它们以小于45°的角度(相对于气缸盖平面2.1测量)通向气缸室1.1。进气口3可以通过相应的进气门6打开和关闭，排气口4可以通过相应的排气门7打开和关闭。
燃料喷嘴8设在气缸盖2中的进气门6的区域内，可以是共轨技术高压直接燃料喷射系统的一部分。在此处具有两个进气口3的所示实施例中，燃料喷嘴8设在两个进气门6之间。燃料喷嘴8大约在限定相应进气口的气门座环6.1的下缘高度处通向气缸室1.1。燃料喷嘴8的喷射轴线9指向气缸轴线5并与其成一角度延伸，不过该角度大于进气口3的入口角(相对于垂线测量)，因此喷射轴线以很平的角度伸入气缸室。
在此处所示的实施例中，气缸盖2.2和活塞11的顶11.1为屋顶状，相应的顶面与进气门6和排气门7关联。在活塞顶11.1中设有指向燃料喷嘴8的槽形凹部12，该凹部横穿“顶脊”11.2经过两个“顶面”延伸。
图1表示在均匀燃烧操作中的压缩冲程期间，当燃料喷嘴8将燃料喷入新鲜空气流之后的活塞11的位置，当进气门6打开时，所述空气流在活塞11的向下运动期间成滚流(参照箭头)沿着排气侧上的顶面流入燃烧室。
在均匀燃烧操作期间，即在高负荷时，成扇形展开的射流13通过燃料喷嘴8喷射。在关闭进气门6之后，滚流在活塞的向上运动期间引导气缸进气(空气和燃料)形成均匀的燃料/空气混合物，然后通过点火装置14使混合物开始燃烧。具有桶状轮廓的槽形凹部12的作用在该操作模式中也很重要，这将在下文中进一步详细描述。即使赋予由桶状槽直接引导的燃料/空气混合物很轻微的横向运动，也会产生改进的准备，从而产生改进的燃烧。特别是大大减少了烟尘的形成。高单位功率所必需的进气系统的高流动值未受影响。
可以通过在进气口3中设置可控的调节部件(此处未示出)来进一步影响滚流在气缸室1.1中的形成。根据调节部件的结构和位置，在气缸室1.1中产生更强(关闭调节部件用于分层进气操作)或更弱(打开调节部件用于均匀燃烧操作)的滚流。可通过在至少一个进气口3中设置横穿气缸轴线5定向的分隔件来进一步增加可控调节部件的作用，该分隔件将进气口3分成上子端口和下子端口。
图2表示对于所谓的分层进气操作，即，对于从空载到局部负载的操作，在喷射时活塞11在气缸室1.1中的位置和流径。在这种情况下，通过相应的喷嘴结构成扇形展开的燃料射流13通过燃料喷嘴8喷入气缸室中，气体交换气门6和7关闭。此时在活塞11的向上运动期间通过活塞顶11.1中的槽形凹部12有助于由进气冲程产生的滚流，并且槽底12.1朝向进气侧向下倾斜，因此指向气缸盖并由燃料射流撞击的滚流的向上分量仍然保持在燃料喷嘴8朝压缩冲程末端的嘴部前方。至少保持了由凹部12的桶形结构产生的滚流的横向效应。
在这种情况下，燃料射流13由空气紊流吸收，基本不与凹部12的底部直接接触，从而在进气门6侧附近朝向点火装置14偏转，在滚流中形成可燃混合物并被点燃。利用在压缩期间中的受控的进气运动与较迟的喷射时间以局部限定的方式将燃料和空气预混，并将其作为易燃混合物输送至点火装置附近。在开始燃烧后，来自进气附近区域的空气通过进气运动协助燃烧。
图3和图4示出了根据本发明的活塞顶的结构。槽底12.1与水平面成大约为12°的角度α，从排气侧(由附图标记4表示)向进气侧(由附图标记3表示)倾斜，在壁区12.2中终止，该壁区在其面向燃料喷嘴8的一侧上陡峭地向上延伸。因此，滚流在到达燃料喷嘴8的嘴部之前急剧向上偏转，如图2中的箭头所示。
槽形凹部12具有图4所示的形状。在该情况中，具有平整表面的朝向槽底12.1的过渡区15与基本为盘形的侧壁16一起形成基本为桶形的轮廓，该轮廓首先在排气侧4的两侧上加宽，接着再朝着进气侧3变窄。
槽形凹部12的面向排气侧4的末端区12.3比面向进气侧3并由陡峭的壁区12.2限定的末端区12.4宽。如图4所示，两侧的上边界轮廓在平面图中基本为圆形，并以大约为25°的角度β(相对于槽形凹部的纵向轴线L测量)向陡峭的壁区12.2延伸，该壁区的上边界边缘12.5成直线延伸。
上边界轮廓的最大宽度A可以是在位于边界边缘12.5处的末端区域中的槽宽度B的1.8至1.9倍。

Claims (13)

1.一种往复式内燃机，在每个气缸(1)具有：至少两个带有进气门(6)的进气口(3)，至少一个带有排气门(7)的排气口(4)和至少一个点火装置(14)；由气缸盖(2.1)和在气缸(1)中以往复运动的方式引导的活塞(11)的顶(11.1)形成的燃烧室(1.1)，所述进气口以相对于气缸盖平面(2.1)测量的较平角度通向该燃烧室，其中一方面活塞顶(11.1)另一方面气缸盖(2.1)在垂直截面中基本呈屋顶状，其中在各个情况下其中一个顶面与进气门(6)关联，另一顶面与排气门(7)关联，气缸盖(2.1)的顶面朝向与活塞顶(11.1)的顶面朝向对应；在进气门(6)之间的进气口(3)的入口区域附近通向气缸(1)的燃料喷嘴(8)，其中燃料喷嘴(8)的喷射轴线(9)相对于气缸轴线(5)测量的角度大于所述进气口的角度；靠近气缸轴线(5)设在气缸盖(2.1)中的点火装置(14)；设在活塞顶(11.1)中的槽形凹部(12)，该凹部(12)由槽底(12.1)和侧壁(16)限定，与活塞顶上的顶脊(11.2)相交并在两个顶面区域上延伸，所述槽底(12.1)朝着燃料喷嘴(8)倾斜并且终止于一壁区(12.2)中，该壁区在其面向燃料喷嘴(8)的一侧上陡峭地向上延伸，其中在槽底(12.1)与侧壁(16)之间的过渡区(15)具有在平面图中基本为桶形的轮廓，该轮廓首先从排气侧(4)的两侧变宽，接着再朝进气侧变窄，该轮廓的一端由陡峭地向上延伸的壁区(12.2)形成。
2.如权利要求1所述的往复式内燃机，其特征在于，所述槽底(12.1)具有平整表面并且限定桶形轮廓的所述侧壁(16)与所述槽底(12.1)连成盘形。
3.如权利要求1或2所述的往复式内燃机，其特征在于，所述槽形凹部(12)的面向所述排气侧(4)的末端区(12.3)比面向所述进气侧(3)并且由所述陡峭的壁区(12.2)限定的末端区(12.4)宽。
4.如权利要求1所述的往复式内燃机，其特征在于，所述两侧的上边界轮廓在平面图中基本为圆形，并以相对于所述槽形凹部的纵向轴线测量的大约为25°的角度向所述陡峭的壁区(12.2)延伸，该壁区的上边界边缘(12.5)直线延伸。
5.如权利要求1所述的往复式内燃机，其特征在于，所述上边界轮廓的最大宽度(A)可以是在位于所述边界边缘(12.5)处的末端区域中的槽宽度(B)的1.8至1.9倍。
6.如权利要求1所述的往复式内燃机，其特征在于，所述进气口以小于45度的较平角度通向所述燃烧室内。
7.如权利要求1所述的往复式内燃机，其特征在于，所述槽底(12.1)从所述排气侧向所述进气侧以与水平面成大约为12°的角度倾斜。
8.如权利要求1所述的往复式内燃机，其特征在于，在至少一个所述进气口(3)中设置横穿气缸轴线(5)定向的分隔件，该分隔件将进气口(3)分成上子端口和下子端口。
9.如权利要求1所述的往复式内燃机，其特征在于，所述槽形底(12.1)的面向所述排气侧(4)的末端区(12.3)从所述活塞顶的外上边缘高度处开始倾斜。
10.一种操作往复式内燃机的方法，该内燃机在每个气缸(1)具有：至少两个带有进气门(6)的进气口(3)，至少一个带有排气门(7)的排气口(4)和至少一个点火装置(14)；由气缸盖(2.1)和在气缸(1)中以往复运动的方式引导的活塞(11)的顶(11.1)形成的燃烧室(1.1)，所述进气口以相对于气缸盖平面(2.1)测量的小于45度的较平角度通向该燃烧室，其中一方面活塞顶(11.1)另一方面气缸盖(2.1)在垂直截面中基本呈屋顶状，其中在各个情况下一个顶面与进气门(6)关联，另一顶面与排气门(7)关联，气缸盖(2.1)的顶面方向与活塞顶(11.1)的顶面方向对应；在进气门(6)之间的进气口(3)的入口区域附近通向气缸(1)的燃料喷嘴(8)，其中燃料喷嘴(8)的喷射轴线(9)相对于气缸轴线(5)测量的角度大于所述进气口的角度；靠近气缸轴线(5)设在气缸盖(2.1)中的点火装置(14)；设在活塞顶(11.1)中的槽形凹部(12)，其由槽底(12.1)和侧壁(16)限定，并与活塞顶上的顶脊(11.2)相交并且在两个顶面区域上延伸，所述槽底(12.1)朝着燃料喷嘴(8)倾斜并且终止于一壁区(12.2)中，该壁区在其面向燃料喷嘴(8)的一侧上陡峭地向上延伸，其中在槽底(12.1)与侧壁(16)之间的过渡区(15)具有在平面图中基本为桶形的轮廓，该轮廓首先从排气侧(4)的两侧变宽，接着再朝进气侧变窄，该轮廓的一端由陡峭地向上延伸的壁区(12.2)形成，从而在活塞顶的附近，滚流首先略微横过流动方向膨胀而略微减慢，然后又在即将过渡到陡峭地向上延伸的壁区的前方增强而加速，从而使滚流变得紊乱。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述内燃机以均匀燃烧操作模式运行。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述内燃机以分层进气操作模式运行。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，燃料射流(13)由空气紊流吸收，基本不与所述凹部(12)的底部直接接触，并且在所述进气门(6)侧朝向所述点火装置(14)偏转，从而在滚流中形成可燃混合物并被点燃。
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