专利名称：设有活塞式喷射泵的内燃机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种内燃机，尤其是柴油内燃机，该内燃机至少有一个用于燃油供给的活塞式喷射泵，该泵带有一个用于容纳往复式压力活塞的油缸，活塞端面紧靠压力腔，端面边缘构成了一个环形第一级控制棱边(Steuerkante)，在油缸的活塞导向段(Kolbenfuhrungsabschnitt)内油缸至少有一个径向回油孔，该孔至少可以由一个通过压力活塞外壳表面形状构成的第二级压力活塞控制棱边盖住。此外，本发明还涉及一种用于驱动内燃机的方法，特别是柴油内燃机，以及用于执行这种方法的一种装置。
背景技术：
传统结构的活塞式喷射泵具有光滑的油缸表面，带有一个径向回油孔和一个压力活塞，压力活塞带有一个通常在油缸轴线基准平面内分布的上部控制棱边和一个与基准平面成一定角度分布的下部控制棱边；这种喷射泵还具有一个向轴向分布的零输送凹槽。US5,396.871A、US 4,964.789A或US 4,824.341A中介绍了这种活塞式喷射泵。压力活塞的控制表面盖住回油孔时泵输送燃油。喷射量通过倾斜的下部控制棱边以扭转活塞方式控制。使用高压喷射泵时，也可以为所述特征为两倍，即错开180°，以便尽可能创造对称性条件。
通过向相对回油孔分布的基准方向侧向偏转压力活塞，可能由此在密封间隙内分配压力，这样就会在活塞上产生侧向力。在以后的使用中可能会因此而导致压力活塞严重磨坏。
对内燃机的内部燃烧过程来说最重要的决定因素是，燃烧过程及燃烧开始时的相位、气缸压力的最大提升速度以及喷射压力。
在主要通过定量燃油直喷压燃方式形成燃烧的内燃机上，这些决定因素基本上通过喷射时间点、进气成分和点火延迟来确定。这些参数本身由许多影响因素决定，例如转速、燃油量、进气温度、进气压力、有效压缩比、气缸进气中的惰性气体含量和部件温度。
越来越严格的法规框架条件要求考虑燃烧方法时必须不断采用新途经，以便降低柴油内燃机碳烟颗粒物和NOx的排放量。
目前已知降低尾气中NOx和碳烟颗粒物排放的方法是，通过喷射时间点前移来加大点火延迟，从而使稀燃油空气混合气压燃来形成燃烧。另一种方法在此称为HCLI方法(均匀进气延迟喷射)。如果进行这种方式的混合气燃烧，则离压缩阶段上止点前较远时喷射燃油，因此会形成非常均匀的燃油空气混合气。通过废气再循环可以使燃烧温度始终低于形成Nox所需要的最低温度之下。因为尽管燃油与空气的均匀混合与时间有关，但是实现这种方法时还受到转速和负荷的限制，混合不均匀时颗粒物排放增加。
US 6,338,245 B1中描述了一种按照HCLI方法工作的柴油内燃机，在这种柴油机内调节燃烧温度和点火延迟的方式是，在下部和中部部分负荷区域内燃烧温度位于NOx形成温度之下，空气过量系数位于对碳烟形成起决定作用的数值之上。此时燃烧温度通过改变废气再循环比率，点火延迟通过燃油喷射时间点来控制。在负荷为中等或较高时，燃烧温度降低到不仅避免形成NOx，也避免形成碳烟。其缺点是，在中部部分负荷区域内会出现空气过量系数和燃烧温度较低的情况，因此必然会造成效率较差。
US 6,158,413 A中描述了一种直接喷射柴油内燃机，在这种柴油机内没有规定燃油在压缩行程的上止点前喷射，且通过废气再循环来降低燃烧室内氧气的集中度。在此这种工作方法也称为HPLI方法(高度预混延迟喷射)。因为与传统的上止点前喷射相比，在上止点后降低了温度水平，同时相对传统工作方式废气再循环量提高，所以点火延迟比所谓的扩散燃烧时长。通过废气再循环控制的低温度水平使燃烧温度保持在对NOx形成起决定作用的数值之下。通过由较迟喷射时间点影响的长点火延迟实现较好的混合，混合气燃烧时局部缺氧情况明显减少，同时减少了颗粒物的形成。燃烧过程推迟有助于降低最高温度，但是会导致设定较迟的曲轴转角时中间温度提高，因此会加强碳烟燃烧程度。此外，虽然由于长点火延迟而使燃油预混合较充分且有较高的燃烧率，但是膨胀行程中的燃烧推迟与高废气再循环率共同作用，仍会导致气缸内压力提高比率不超过允许值。其缺点是下部部分负荷区域内效率较低。
发明内容
本发明的目的是，避免这些缺点并采用本文开头所述方式的活塞式喷射泵来降低磨损，尤其是防止压力活塞与油缸之间的严重磨损。
本发明的另一个目的是，提出一种驱动内燃机的方法，利用这种方法一方面可以从下部部分负荷区域至满负荷区域实现最低的氮氧化物和碳烟排放量，另一方面可以实现较高的效率。
为了达到上述目的，本发明提供了一种油缸，该油缸至少具有两个最好彼此正对着布置的压力平衡通道(Druckausgreishskanal)，用于平衡油缸活塞导向段两个不同圆周区域之间的压力。通过压力平衡通道可以降低因侧向偏转而产生的侧向力。其本质是使油缸活塞导向段区域内的压力平衡通道与回油孔之间隔开一定距离，从而围绕油缸回油孔形成一个可与压力活塞搭接的密封面。因此可以完全保证压力活塞在环绕回油孔区域内的密封功能。
如果压力平衡通道至少在压力活塞的一个供油位置，使压力腔与位于回油孔高度附近的油缸活塞导向段区域连通，即可显著降低侧向力。
在本发明的一个理想实施例中，至少有一个压力平衡通道由至少一个油缸凹槽构成，最好由一个平行于油缸轴线的纵向凹槽构成。在此可以在油缸壁内形成多个窄轴向凹槽，或形成几个宽轴向凹槽。
除此之外也可以是，至少有一个压力平衡通道具有至少两个沿轴向隔开一定距离、基本上沿径向方向与油缸连通的横向孔，这些孔通过至少一个基本上平行于油缸轴线布置的纵向孔彼此连通。此时可以在活塞导向段内，沿油缸轴向方向紧挨着布置至少两个径向横向孔，最好布置在回油孔高度处。这些横向孔可以以至少一排的方式沿轴向紧挨着布置。
如果在圆周方向上两侧布置至少两个压力平衡通道，最好与回油孔对称布置，则可以进一步降低不希望出现的侧向力。如果至少两个压力平衡通道相对油缸轴线以点对称方式布置，则会更理想。
按照本发明的方法有以下步骤-在第一个分配了较低部分负荷的运行区域内驱动内燃机，此时混合气非常均匀地燃烧且燃油喷射较迟，燃油喷射开始时间位于压缩行程上止点前曲轴转角约50°至5°之间的区域内；-在第二个分配了中等部分负荷的运行区域内驱动内燃机，此时为低温混合气燃烧且喷射比第一个运行区域内更迟，燃油喷射开始时间位于压缩行程上止点前曲轴转角2°至上止点后曲轴转角约20°之间的区域内，-燃油在第一个运行区域内通过第一喷射口，在第二个运行区域内至少通过第二喷射口、最好采用双针喷嘴(Doppelnadelduse)的喷射阀、喷入燃烧室内。
在第一个运行区域内内燃机按照HCLI方法工作，采用这种方法时喷射时间点在压缩行程中相对提前，即在上止点前曲轴转角约50°至5°之间的区域内。在第一个运行区域内燃油最好400至1000bar之间的区域内喷射。燃烧中心位于上止点前曲轴转角10°至上止点后曲轴转角10°之间，因此可以达到很高的效率。通过50％至70％的较高废气再循环比率实现局部燃烧温度低于NOx形成温度。这样局部空气过量系数即可保持在碳烟形成限值之上。废气再循环可以通过外部或内部废气再循环实现，或通过外部或内部废气再循环与可变气门控制系统组合的方式实现。
在第二个运行区域内内燃机按照HPLI方法工作。此时喷射阶段的主要部分位于压缩上止点后。因为上止点后温度水平比传统上止点前喷射时低，且相对传统运行方式废气再循环量提高20％至40％，所以在此点火延迟也较长。为延长点火延迟，必要时也可以考虑其它方法，例如降低有效压缩比和/或进气温度；为缩短喷射持续时间可以考虑提高喷射压力和/或扩大喷嘴喷射孔断面。设置喷射持续时间，使喷射过程在燃烧开始前结束。在这种情况下可以使碳烟排放保持在很低的水平。这一点可以解释为，一方面避免了燃油喷束中同时出现液态燃油，另一方面避免了以传统方式包围喷束的火焰，而且阻止了喷束附近空气不足时导致碳烟形成的氧化反应。对于第二个运行区域内的燃烧方法来说，需要喷射压力至少达到1000bar。这种方法的优点是，NOx和颗粒物的排放量很低且废气温度相对较高，而高温则有利于废气颗粒物处理装置复原。
较理想的方式是，在第一个运行区域内燃油喷射量比在第二个运行区域内少。如果燃油在第一个和第二个运行区域内以沿着锥形套表面分布的燃油喷束喷入，而在第一个运行区域内燃油喷射的锥形开口角度(最好小一些)与第二个运行区域内不同，那么即可保证氮氧化物和碳烟排放非常低。
在本发明的另一个实施例中，在第三个分配了较高部分负荷和满负荷的运行区域内，燃油喷射的主要部分位于上止点前曲轴转角10°至上止点后曲轴转角10°之间，理想方式是在第三个运行区域内进行多次喷射。在第三个运行区域内废气再循环比率最高可达30％，理想状态下约为10％至20％。这样一方面可以提高发动机功率，另一方面可以显著降低NOx和颗粒物的排放量。
在第三个运行区域内燃油可以通过第一和/或第二喷射口喷入。
内燃机在第一个、第二个和/或第三个运行区域内以较大的空气过量系数约1.0至2.0驱动。
其优点是，空气再循环在外部和/或内部进行且涡流在至少一个运行区域内，最好在所有三个区域内都是可变的。低燃油消耗时有利的尾气值可以通过涡流数量在0至5之间来实现。
此外还有一个优点是几何压缩比可变。几何压缩比可以在13至19之间变化。高压缩比对冷起动阶段有利。负荷提高期间降低压缩比，在第一个和第二个运行区域内都可提高最大负荷并降低因点火延迟较长而产生的碳烟排放量。
在此可以规定有效压缩比通过至少一个进气门的闭合时间点来改变。通过进气结束时间延迟或通过很早结束进气，可以降低有效压缩比，因此可以降低低NOx和碳烟排放所需要的废气再循环比率。在此不仅可以推迟进气开启时间点，也可以推迟进气闭合时间点或仅推迟进气闭合时间点。
在本发明的另一个实施例中，从第一个向第二个运行区域或从第二个向第一个运行区域的切换通过降低或提高废气再循环比率来执行。从第一个向第二个发动机运行区域或从第二个向第一个区域的过渡也可以通过降低内部或外部废气再循环比率、通过喷射开始时间延迟或通过提高废气再循环比率以及通过喷射开始时间提前来实现。
比较理想的方式是，在第一个与第二个发动机运行区域之间过渡时，通过控制进气门的开启和/或闭合时间点来降低废气再循环比率。
在第一个运行区域内平均有效压力位于约0至6bar之间比较合适，最好至5.5bar；在第二个运行区域内位于约3.5至8bar之间比较合适，最好位于4至7bar之间；在第三个运行区域内至少约为5.5bar，最好至少约6bar。
为采用这种方法，要求直接喷射内燃机至少有一个带有往复式活塞的气缸，在该气缸中燃油喷射开始时间至少位于上止点前曲轴转角50°与上止点后曲轴转角20°之间，最好至上止点后曲轴转角50°，而且废气再循环比率可在约0％至70％之间变化。此外要求燃油喷射压力至少可以在第一个与第二个压力水平之间变化，最好第一个压力水平覆盖至1000bar的范围，第二个压力水平覆盖至少1000bar的范围，同时可以使用一个改变涡流水平的装置。
此外还有一个优点是进气开启时间点和进气关闭时间点可变。实现这个要求的理想方式是，进气门或排气门的正时时间可以借助相位推移器推移。更理想的方式是，至少有一个进气门可在排气阶段内工作。也可以是至少有一个排气门在进气阶段内工作。
为进行喷射最好使用带有第一和第二喷射口的双针形喷嘴，这些喷射口可以单独控制。
为了使第一个和第二个运行区域内的喷射量不同，可以使第一喷射口的总喷射断面面积小于第二喷射口的总喷射断面面积。
因为在第一个和第二个运行区域内使用不同的燃烧策略，所以其优势是第一喷射口的中心轴沿着第一个锥形套表面布置，第二喷射口的中心轴沿着第二个锥形套表面布置，而第一个锥形套表面的锥形开口角度则可以小于第二个锥形套表面的锥形开口角度。
在本发明特别理想的一个实施例中，第一和第二喷嘴针以同轴方式布置，理想方式是第一喷嘴针插入空心针结构的第二喷嘴针内。也可以将第一和第二喷嘴针彼此平行布置在一个喷嘴支架内。
DE 100 40 738 A1中描述了喷嘴针以同轴或彼此平行方式布置的双针形喷嘴。
下面结合附图对本发明进行更详细的解释。
图1是一轴侧图，其中示出了一个传统活塞式喷射泵的油缸，图2是一展开图，其中示出了这种传统活塞式喷射泵的压力活塞和油缸图3是一轴侧图，其中示出了第一个实施例中按照本发明的一个活塞式喷射泵的一个油缸，图4是一展开图，其中示出了这种活塞式喷射泵的压力活塞和油缸，图5是一横截面图，其中示出了这种活塞式喷射泵的油缸，图6是一纵向剖开的轴侧图，其中示出了这种油缸，图7是一展开图，其中示出了第二个实施例中按照本发明的一个活塞式喷射泵的压力活塞和油缸，图8是一横截面图，其中示出了这个实施例的油缸，图9是一纵向剖开的轴侧图，其中示出了这种油缸，图10是一横截面图，其中示出了第三个实施例中按照本发明的一个活塞式喷射泵的一个油缸，图11是一纵向剖开的轴侧图，其中示出了这种油缸，图12是一纵向剖开的轴侧图，其中示出了第四个实施例中按照本发明的一个活塞式喷射泵的一个油缸，图13是一示意图，其中示出了采用本发明方法的一台内燃机，图14是一曲线图，其中示出了局部空气过量系数λL与局部温度TL之间的关系，图15是一发动机负荷-转速曲线图，
图16至图19是带有不同可变正时时间的气门行程曲线图，图20是一喷射时间-EGR-比率-负荷曲线图，图21是第一个运行区域A的测量曲线图，图22是第二个运行区域B的测量曲线图，图23是一个带有同轴喷嘴针的双针形喷嘴，图24是一个喷嘴针彼此平行布置的双针形喷嘴。
具体实施例方式
图1和图2表示一个传统活塞式喷射泵的油缸1和压力活塞2。油缸1有一个非常光滑的油缸表面3，在此有两个回油孔4沿径向通向油缸1内。压力活塞2有一个基本上在标准平面5内布置在油缸轴6上的第一级控制棱边7，在外壳表面2a内有一个与标准平面5成一定角度、呈螺旋状的第二级控制棱边8以及一个沿轴向方向分布的零输送凹槽9。油缸1和压力活塞2具有两个错开180°布置的第二级控制棱边8和回油孔4，以便创造对称性条件。燃油通过活塞2的控制面10盖住回油孔4来输送。喷射量可以通过倾斜的第二级控制棱边8以扭转压力活塞2的方式控制。通过向相对回油孔4分布的基准方向侧向偏转压力活塞2，可以由此在密封间隙内分配压力，这样就会在压力活塞2上产生侧向力，这个侧向力作用于偏转方向且因偏转而加强，从而使磨损加剧，在个别情况下可能会导致油缸1与压力活塞2之间严重磨损。
油缸1、101、201和压力活塞2、102、202在图2、图4和图7中通过不同的阴影线方向表示。
为了避免压力活塞102、202侧向偏转时压力分配不对称，在下述实施例中规定了压力平衡通道150、250、350、450在油缸101、201、301、401内的位置，这些通道可以在圆周方向上平衡油缸101、201、301、401与压力活塞102、202之间密封间隙内的压力。比较理想的方式是，压力平衡通道150、250、350、450在压力活塞102、202的某一端面111、211与油缸101、201、301、401所压紧的压力腔112、212、312、412之间延伸，直至到达油缸101、201、301、401的某一活塞导向段113、213、313、413内，该导向段位于回油孔104、204、304、404的区域内和/或位于避开压力腔112、212、312、412的回油孔104、204、304、404侧。端面111、211的边缘构成一个第一级控制棱边107、207。压力活塞102、202的外壳表面102a、202a沿轴向方向有一个零输送凹槽109、209。活塞导向段113、213、313、413在压力活塞102、202的至少一个供油位置处被一个环形腔114、214盖住，该环形腔在压力活塞102、202与油缸101、201、301、401之间延伸，直至达到压力活塞102、202的第二级控制棱边108、208处。
压力平衡通道150、250、350、450可以形成开启或闭合通道。其本质是使压力平衡通道150、250、350、450与每个回油孔104、204、304、404隔开一定距离，以便形成可环绕压力活塞102、202回油孔104、204、304、404搭接的密封面118、218、318、418。
在图3至图6中示出的第一个实施例中，压力平衡通道150通过回油孔104两侧油缸101上表面103内的窄轴向纵凹槽151构成。纵凹槽151可以通过在油缸101的表面103内进行铣削或侵蚀加工形成。各纵凹槽151之间通过压力腔112实现的压力平衡用基准符号120表示。如图5所示，纵凹槽151相对油缸轴106以点对称方式布置，相对于通过回油孔104轴104a和油缸轴106压紧的纵向平面115以对称方式布置。
图7至图9中示出了用于容纳活塞式喷射泵往复式压力活塞202的一个油缸201的第二个实施例，其压力平衡通道250通过平衡孔204之间的宽纵凹槽251构成。两个纵凹槽251相对油缸轴206以点对称方式布置，同时相对于通过回油孔204轴204a和油缸轴206压紧的纵向平面215以及一个通过油缸轴206的基准平面216以对称方式布置。
图10至图11中示出了一个油缸301的第三个实施例，该油缸用于容纳一个未继续画出的、图2、图4和图7中相应的活塞式喷射泵压力活塞，其压力平衡通道350通过沿轴向以一定距离彼此隔开的横向孔351、352构成，这些孔通过一个基本上平行于油缸轴306分布的纵向孔353彼此连通。横向孔351、352及纵向孔353制造后对外部封住。如图10所示，横向孔351、352相对油缸轴307以点对称方式布置，同时相对于通过回油孔304轴304a和油缸轴306压紧的纵向平面315以及一个基准平面316以对称方式布置。下部横向孔353位于活塞导向段313内，回油孔304附近。
图12示出了第四个实施例，该实施例与图10和图11中所示的实施例不同，即有多个下部横向孔451以一排方式彼此隔开布置。下部横向孔451通过纵向孔453与一个上部横向孔452相连，该横向孔连到位于压力活塞上方的压力腔512内。在此下部横向孔451还连接到油缸401中回油孔404附近的活塞导向段413内。
横向孔352、452用于确保与上部压力腔312、412进行压力平衡。下部横向孔351、451用于缩小密封面318、418。
图13示出了一个带有进气集气管1002和排气集气管1003的内燃机1001。内燃机1001通过一个废气涡轮增压器增压器1004进气，该增压器具有一个由废气驱动的涡轮机1005和一个由涡轮机1005驱动的压缩机1006。进气侧在压缩机1006的气流流出方向布置了一个增压空气冷却器1007。
此外，在排气管1010与进气管1011之间还布置了带有一个第一级废气再循环管路1009的高压废气再循环系统1008。废气再循环系统1008具有一个废气再循环冷却器1012和一个废气再循环阀1013。根据排气管1010与进气管1011之间的压差大小，也可以在第一级废气再循环管路1009内布置一个废气泵1014，以便控制或提高废气再循环比率。
除了高压废气再循环系统1008外，在涡轮机1005的气流流出方向和压缩机1006的气流流入方向之间还布置了一个低压废气再循环系统1015，在排气管路1016内向颗粒滤清器1017的气流流出方向以旁通方式连接了一个第二级废气再循环管路1018，该管路在压缩机1006的气流流入方向连通到进气管路1019内。在第二级废气再循环管路1018内也布置了一个废气再循环冷却器1020和一个废气再循环阀1021。为了控制废气再循环比率，在排气管路1016内向流出旁通方向布置了一个废气阀门1022。
在第一级废气再循环管路1009旁通的流入方向上排气管1010内布置了一个氧化催化转换器1023，该转换器用于清除HC、CO和部分颗粒物。其附加用是提高废气温度并因此将更多能量输送给涡轮机1005。原则上氧化催化转换器1023也可以布置在废气再循环管路旁通的流出方向上。图13所示的布置在氧化催化转换器1023流出方向上带有旁通，其优点是废气冷却器1012所受污染较小，但是这种布置也有缺点，即因为废气温度较高，所以废气再循环冷却器1012所需要的冷却功率也较高。
内燃机1001的每个气缸1024都至少有一个将柴油直接喷入燃烧室内的喷射阀1025，喷射阀能够在每个做功循环内喷射多次，且各喷射开始时间可以在上止点TDC前50°曲轴转角CA至上止点TDC后50°曲轴转角CA之间的一个区域内变化。此时最大喷射压力应至少达到1000bar。
燃烧室形状和燃油喷射组件是按照传统满负荷柴油燃烧情况设计的。
图14是一个曲线图，其中示出了局部空气过量系数λL与局部温度TL之间的关系。在用SOOT表示的区域内会形成较浓的碳烟，用NOx表示的区域为形成浓氮氧化物的区域。用A、B、C表示的区域是在此所述方法的第一个、第二个和第三个运行区域。
第一个运行区域A与下部至中部部分负荷范围LL对应，第二个发动机运行区域B与中部至上部部分负荷范围LM对应，第三个发动机运行区域C与高负荷和满负荷范围LH对应，如图15所示的负荷L与转速n曲线图。
在第一个运行区域A，也称为HCLI区域(均匀进气延迟喷射)内，压缩行程时喷射开始时间相对提前，即在压缩行程后上止点TDC前约50°至5°曲轴转角CA之间，长点火延迟使燃油混合较均匀，因此有助于预混合燃烧。通过充分的预混合和稀释可以达到极低的碳烟和NOx排放值。如图14所示，第一个运行区域A明显高于对碳烟形成起决定作用的空气过量系数λLS限值。通过50％至70％的较高废气再循环比率EGR使局部燃烧温度TL始终低于最低氮氧化物形成温度TNOx。喷射在压力位于400至1000bar之间时进行。长点火延迟的作用是使燃烧阶段移到上止点TDC附近效率最佳的位置。燃烧中心位于上止点TDC后-10°至10°曲轴转角CA之间，因此可以达到较高的效率。第一个运行区域A所需要的高废气再循环比率EGR既可以通过外部废气再循环单独实现，也可以通过外部和内部废气再循环与可变气门控制系统组合的方式实现。
在第二个运行区域B内，内燃机按照所谓的HPLI方法(高度预混延迟喷射)工作。此时喷射阶段的主要部分位于上止点TDC后。在第二个运行区域B内，内燃机在废气再循环比率位于20％至40％之间的状态下工作，喷射开始时间位于上止点前2°曲轴转角CA至上止点后20°曲轴转角CA之间的区域内。通过使喷射结束时间与燃烧开始时间完全分开，可以实现混合气与预混合燃烧部分均匀化。因为与传统的上止点前喷射相比降低了温度水平，同时相对传统工作方式废气再循环量提高，所以点火延迟较长。为延长点火延迟也可以使用其它方法，例如降低有效压缩比ε和/或进气温度；为缩短喷射持续时间，也可以提高喷射压力和/或扩大喷嘴喷射孔断面。为了使喷射结束时间位于燃烧开始时间之前，要求喷射持续时间较短。在这种情况下可以使碳烟排放保持在很低的水平。这一点可以解释为，避免了燃油喷束中出现液态燃油和火焰以传统方式包围喷束同时出现，而且阻止了喷束附近空气不足时导致碳烟形成的氧化反应。喷射时间点较迟与点火延迟相对较长一起促使整个燃烧过程向延迟方向偏移，油缸压力曲线向延迟方向推移且最高温度降低，从而降低NOx排放值。
燃烧过程向延迟方向推移的作用是降低最高温度，但同时会在所给曲轴转角CA较迟时导致温度升高，从而造成碳烟再次燃烧。
此外，虽然因长时间延迟而使燃油预混合量较大且最大燃烧率较高，但是膨胀行程中的燃烧推迟与高的废气再循环率EGR共同作用，仍会导致气缸内压力提高比率不超过允许值。高的最大燃烧率可提高定容积率，能够通过燃烧过程向延迟方向推移部分补偿效率损失。为实现高效率，燃烧中心应尽可能位于上止点TDC附近。
第二个运行区域B内所用HPLI方法的优点是，可以实现NOx和颗粒物的排放量很低且废气温度较高，高温则有利于颗粒物过滤器复原。如图14所示，第二个运行区域B内局部燃烧温度TL有一小部分位于下面的NOx形成温度TNOx上。此时局部空气过量系数λL绝大部分位于碳烟形成限值λLS之上。在第二个运行区域B内虽然在燃烧过程开始时会形成碳烟，但是可通过随后高压喷射产生的强湍流和高温使碳烟在燃烧过程结束时氧化，因此总碳烟排放量很低。
在第三个运行区域C内，内燃机在废气再循环比率EGR位于0％至30％之间的状态下以传统方式工作，此时可以进行多次喷射。因此可以进行预混合燃烧和扩散燃烧。也可以组合使用外部和内部废气再循环来实现废气再循环。
为进行对比，在图14中以点的形式画出了运行区域D。例如，在US 6,338,245 B1中这个运行区域D位于中部至较高部分负荷范围内。但是其缺点是，因温度较低而造成效率较差。在按照本发明的上述方法中通常可以避开这个区域。
在第一个、第二个和/或第三个运行区域A、B、C内也可以在燃烧室中形成涡流。形成涡流有助于进一步减少碳烟的形成。在此必须使涡流与高效率互相匹配。
特别理想的实施方式是，可以在内燃机1001中调节气门正时时间。这样即可在负荷变化时快速准确地调节运行区域A、B、C之间的废气再循环比率EGR。通过组合使用外部和内部废气再循环可以非常迅速准确地控制废气再循环比率EGR。最后也可以借助可变气门控制系统调节有效压缩比ε，由此可以在废气再循环比率EGR减小的情况下实现较低的氮氧化物和碳烟排放量。
图16是一个气门提升曲线图，其中示出了至少一个排气门A和至少一个进气门E的气门提升Lv与曲轴转角CA之间的关系。通过向延迟方向推移节气门曲线E，例如用相位推移器，可以降低有效压缩比ε和所需要的废气再循环比率EGR。这可以在所有三个运行区域A、B和C内实现。进气门的开启和闭合时间点用E0及Ec表示。推移后的进气门提升曲线Es的开启开始时刻和闭合时间点用Eos和Eoc表示。
为此也可以只改变进气门提升曲线E的闭合沿坡度，就像图17中所示的曲线Es’和Es”那样，使闭合时间点提前或推迟。这样做的效果基本上与推移整个气门提升曲线(图16)相同。
内部废气再循环可以通过进气行程期间重新开启排气门实现，如图18中的曲线A’所示，或者通过排气行程期间重新开启进气门实现，见图19中的曲线E’。这样即可快速控制所有运行区域A、B、C内的废气再循环比率EGR。可以只通过内部废气再循环和通过前移燃油喷射I的开始点αI，从废气再循环比率EGR为20％至40％的第二个运行区域B向废气再循环比率EGR为50％至70％的第一个运行区域A过渡。也可以从第一个运行区域A向第二个运行区域B反向切换。
如果未使用可变气门控制系统，那么如图20所示，第一个与第二个运行区域A、B之间的过渡可以通过降低外部废气再循环比率EGR且同时前移燃油喷射I的开始点αI来进行。通过同时降低废气再循环比率EGR及前移燃油喷射I的开始点可以避免点火缺火。反过来可以通过同时提高内部废气再循环比率EGR和通过前移燃油喷射I的开始点αI从第二个运行区域B向第一个运行区域A过渡。
图21是一个实施例的第一个运行区域A的测量曲线图，其中示出了喷射I、热量释放率Q、累积热量释放率ΣQ和气缸压力p与曲轴转角CA之间的关系。图22是第二个运行区域B的一个模拟测量曲线图。细线和粗线表示不同的参数配置。从中可以明显看出喷射I与燃烧之间的点火延迟相对较长。
图23和图24示出了喷射阀1025及用于安装双针形喷嘴1100、1200的喷嘴支架1110、1210。
图23中所示的双针形喷嘴1100有一个第一喷嘴针1101，该喷嘴针以可移动方式布置在空心结构的第二喷嘴针1102内。第一喷嘴针1101控制第一喷射口1103，第二喷嘴针1102控制第二喷射口1104，喷射口布置在喷嘴顶尖1106内。在此第一喷射口1103的直径d1之和小于第二喷射口1104的直径d2之和。第一喷射口1103和第二喷射口1104的中心轴1103a、1104a分别布置在一个锥形面1107、1108上，其锥形开口角度称为α1和α2。在此第一喷射口1103的锥形开口角度α1略小于第二喷射口1104的锥形开口角度α2。
图24中所示的喷射阀1025具有一个双针形喷嘴1200，该喷嘴带有一个第一喷嘴针1201和一个第二喷嘴针1202，两个喷嘴针1201、1202彼此平行布置。喷嘴轴1201’和1202’彼此隔开一定距离。第一喷嘴针1201控制第一喷射口1203，第二喷嘴针1202控制第二喷射口1204，喷射口分别布置在一个喷嘴顶尖1206a、1206b内。第一和第二喷射口1203、1204沿着一个锥形套表面1207、1208布置，其锥形开口角度称为α1和α2。第一和第二喷射口1203、1204的直径称为d1和d2。第一喷射口1203的断面之和小于第二喷射口1204的断面之和。喷射口1203连接至第一喷嘴顶尖1206a燃烧室内的通道和第二喷嘴顶尖1206b喷射口1204的通道，分别布置在以一定距离隔开的标准平面1209a、1209b内喷嘴针轴1201’、1202’上。标准平面1209a、1209b之间的距离用a表示。这个距离的作用是，满负荷运转时第一和第二喷射口1203、1204的喷束不互相妨碍，也不会彼此重叠。比较理想的结构是两个喷嘴顶尖1206a、1206b带有相同的孔数，最好三个。
第一和第二喷嘴针1101、1102、1201、1202可以按已知方式单独控制，如DE 10040738A1中所描述的方式。在第一个发动机运行区域A内第一喷嘴针1101、1201工作，同时第一喷射口1103、1203打开，而第二喷射口1104、1204则保持关闭。在第二个运行区域B内第二喷嘴针1102、1202工作，同时第二喷射口1104、1204打开，而第一喷射口1103、1203则保持关闭。因为在运行区域A、B内使用彼此独立的喷射口1103、1104、1203、1204，所以可以在第一个运行区域A内最佳实现HCLI 运行的喷射特性，第二个发动机运行区域B内最佳实现HPLI运行的喷射特性。在第三个发动机运行区域C内操纵两个喷嘴针1101、1102；1201、1202，喷射通过所有喷射口1103、1104；1203、1204进行。
通过所述方法可以在第一个、第二个和第三个运行区域A、B、C内以高效率及低NOx和碳烟排放驱动内燃机。
本申请所提出的权利要求是没有取得进一步专利保护判例的表述性建议。申请人就目前只在本说明和/或插图中公开的其它特征要求保留相关权利。
子权利要求中所使用的追溯关系通过各子权利要求的特征指出主权利要求对象的进一步扩展；不能将它们理解为放弃对追溯性子权利要求特征提出独立具体的保护。
但是，这些子权利要求的对象也构成独立的发明，这些发明具有不依赖上述子权利要求对象的形态。
本发明也不限于本说明列举的实施例。确切的说，在本发明的范围内可以进行许多修改和更改，特别是变体、元件、组合和/或材料方面，例如这些方面可以通过组合或略加改变与实施例及权利要求一般性说明有关且插图中所包含的各个特征及元素或方法步骤而具有本发明的性质，也可以通过可组合的特征形成一个新对象，或者形成新方法步骤或方法步骤结果，此外还涉及到制造、检测和工作方法。
权利要求
1.一种内燃机，特别是柴油内燃机，该内燃机具有至少一个用于燃油供给的活塞式喷射泵，该泵带有一个用于容纳一往复式压力活塞的油缸，该活塞的端面紧靠于一压力腔，端面边缘构成了一环形第一级控制棱边，该油缸的一活塞导向段内至少有一径向回油孔，该回油孔至少可以由一通过压力活塞外壳表面形状构成的第二级压力活塞的控制棱边盖住，其特征在于，该油缸至少具有两个最好彼此正对着布置的压力平衡通道，用于平衡油缸的活塞导向段的两个不同圆周区域之间的压力。
2.特别是按照权利要求1中所述的内燃机，其特征在于，这至少的两个压力平衡通道至少在压力活塞的一个供油位置使压力腔与位于回油孔高度附近的油缸活塞导向段区域彼此连通。
3.特别是按照权利要求1或2中所述的内燃机，其特征在于，至少有一个压力平衡通道由至少一个油缸凹槽构成，最好由一个平行于油缸轴线的纵向凹槽构成。
4.特别是按照权利要求1至3中任意一项所述的内燃机，其特征在于，至少有一个压力平衡通道具有至少两个沿轴向隔开一定距离、基本上沿径向与油缸连通的横向孔，这些横向孔通过至少一个基本上平行于油缸轴线布置的纵向孔彼此连通。
5.特别是按照权利要求1至4中任意一项所述的内燃机，其特征在于，在活塞导向段内，沿油缸轴向方向紧挨着布置至少两个径向横向孔，最好布置在回油孔高度处。
6.特别是按照权利要求1至5中任意一项所述的内燃机，其特征在于，至少有两个压力平衡通道相对油缸轴线以点对称方式布置。
7.特别是按照权利要求1至6中任意一项所述的内燃机，其特征在于，在圆周方向上在两侧布置至少两个压力平衡通道，最好相对回油孔对称布置。
8.特别是按照权利要求1至7中任意一项所述的内燃机，其特征在于，油缸活塞导向段区域内的压力平衡通道与回油孔之间隔开一定距离，从而围绕油缸回油孔形成一可与压力活塞搭接的密封面。
9.一种利用以下步骤驱动特别是一直接喷射式内燃机，特别是一柴油内燃机的方法-在第一个分配了较低部分负荷的运行区域内驱动内燃机，此时混合气非常均匀地燃烧且燃油喷射较迟，燃油喷射开始时间位于压缩行程上止点前曲轴转角为约50°至5°之间的区域内；-在第二个分配了中等部分负荷的运行区域内驱动内燃机，此时为低温混合气燃烧且喷射比第一个运行区域内更迟，燃油喷射开始时间位于压缩行程上止点前曲轴转角2°至上止点后约曲轴转角20°之间的区域内，-燃油在第一个运行区域内通过第一喷射口，在第二个运行区域内至少通过第二喷射口、最好采用双针喷嘴的喷射阀、喷入燃烧室内。
10.特别是按照权利要求9中所述的方法，其特征在于，在第一个运行区域内燃油喷射量比在第二个运行区域内少。
11.特别是按照权利要求9或10中所述的方法，其特征在于，燃油在第一个和第二个运行区域内以沿着锥形套表面分布的燃油喷束喷入，而在第一个运行区域内燃油喷射的锥形开口角度最好小一些并与第二个运行区域内的不同。
12.特别是按照权利要求9至11中任意一项所述的方法，其特征在于，在第三个分配了较高部分负荷和满负荷的运行区域内，燃油喷射的主要部分位于上止点前曲轴转角10°至上止点后曲轴转角10°之间的区域内。
13.方法，特别是权利要求9至12中任意一项所述的方法，其特征在于，在第三个运行区域内燃油通过第一和/或第二喷射口喷入。
14.一种装置，尤其是执行权利要求9至13中的方法用的装置，该装置带有一个将柴油直接喷入燃烧室内的喷射阀，其特征在于，该喷射阀采用双针喷嘴，该喷嘴带有第一和第二喷射口，而第一和第二喷射口则可以单独控制。
15.尤其是按照权利要求14中所述的装置，其特征在于，第一喷射口的总喷射断面面积小于第二喷射口的总喷射断面面积。
16.尤其是按照权利要求14或15中所述的装置，其特征在于，第一喷射口的中心轴线沿着第一个锥形套表面布置和/或第二喷射口的中心轴线沿着第二个锥形套表面布置，第一个锥形套表面的锥形开口角度最好小于第二个锥形套表面的锥形开口角度。
17.尤其是按照权利要求14至16中任意一项所述的装置，其特征在于，第一和第二喷嘴针以同轴线方式布置，理想方式是第一喷嘴针插入空心针结构的第二喷嘴针内。
18.尤其是按照权利要求14至16中任意一项所述的装置，其特征在于，第一和第二喷嘴针彼此平行布置在一个喷嘴支架内。
全文摘要
一种设有用于燃油供给的一活塞式喷射泵的内燃机，该泵带有一个用于容纳往复式压力活塞的油缸，活塞端面紧靠压力腔。端面边缘构成了一个环形第一级控制棱边。在油缸的活塞导向段内油缸至少有一个径向回油孔，该孔至少可以由一个通过压力活塞外壳表面形状构成的第二级压力活塞控制棱边盖住。
文档编号F04B1/14GK1780980SQ200480008951
公开日2006年5月31日 申请日期2004年4月1日 优先权日2003年4月1日
发明者M·里克, M·威斯贝克, J·萨托, M·格伦斯威格, T·山姆斯, P·赫佐格 申请人:Avl里斯脱有限公司