内燃机的工作方法

专利名称：内燃机的工作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于一种内燃机特别是柴油机的工作方法，以及涉及适于实施这种方法的内燃机。
内燃机中，制约燃烧过程的最重要的变量是燃烧历程的相位，确切地说，是燃烧的开始点、气缸压力的最大升高率以及气缸峰值压力。
在直接喷射的燃料量基本上依靠自行着火而发生燃烧的内燃机中，各个制约变量基本上决定于燃料喷射定时、气缸充入物的成份以及着火滞后。这些参数又取决于许多变量，诸如发动机转速、燃料量、进气温度、气缸充入物的压力、有效压缩比、气缸充入物中的惰性气体的量以及发动机的各个部分的温度。
面对越来越严格的环保立法要求，需要开发燃烧设计方面的新概念，以降低柴油机的颗粒物和NOx的排放。
现在已知，通过提前喷射的起始点以及增大着火滞后，使燃烧由贫油的燃料空气混合物的自行着火开始，可降低发动机排气中的NOx和颗粒物的排放量。这种型式的一个方案被称为HCLI方法(均质注入迟后喷射)。在这种型式的燃烧过程中，在到压缩冲程的上止点有一个距离处发生燃料喷射，这个距离要大得足以使得形成基本上均质的燃料空气混合物。采用排气回流，可将燃烧温度保持在形成NOx所需要的温度以下。由于达到燃料和空气的均质混合与时间有关，所以，这种方法受限于发动机的转速和负荷，并且，如果均质化不充分，颗粒物排放量将增多。
美国专利6,338,245 B1描述了一种按照HCLI方法工作的内燃柴油机，其中，燃烧温度和着火滞后是以这样的方式来选择的，即，在低到中等负荷区域，使燃烧温度处于形成NOx的温度以下，并使空气比(air ratio)处于可能产生颗粒物的数值以上。通过改变排气排气再循环量百分比来调节燃烧温度，通过燃料喷射定时来调节着火滞后。在中到高负荷时降低燃烧温度，以降低NOx和颗粒物的形成。特别是在中等负荷区域，把低的空气比和低的燃烧温度相组合是不利的，因为这样会损失效率。
美国专利6.158,413 A描述了一种直喷式内燃柴油机，其中，燃料喷射不是在压缩冲程上止点之前进行，并通过排气回流来降低燃烧室里的氧气浓度。这一方法被称为HPLI方法(高度预混合迟后喷射)。由于在上止点之后温度降低(与上止点之前的常规喷射相比较)，以及回流的排气量的增大(与常规的工作过程相比较)，着火滞后比所谓扩散性燃烧情况中的大。用排气回流调节得到的低温可使燃烧温度维持在生成NOx所需要的数值以下。由推迟的喷射引起的大的着火滞后使能达到良好的油/气混合，这可避免在燃烧过程中局部氧气不足，因而可降低颗粒物的形成。燃烧过程向后推移会使燃烧最高温度降低，但同时可导致某一后来曲柄角度处的平均温度增高，这可使更多的颗粒物燃烧掉。把燃烧向膨胀冲程推移，再组合以高的排气排气再循环量百分比，可将气缸里的压力升高率保持在可接受的范围内，尽管由于着火滞后大而预混合燃料量较大，因而有较高的最大燃烧速率。这种方法的一个缺点也是在低负荷时的效率低。
从出版物“柴油的均质注入压缩着火(HCCI)(Homogeneous Charge CompressionIgnition(HCCI)of Diesel Fuel)( )”，Allen W.Gray et al.，SAE 971676得知，在自行着火的贫油燃料/空气混合物的燃烧中，由于浓度和温度的均匀分布，排出的NOx排放物和烟灰将是很少。在说英语的国家里，这一方法被称为HCCI(均质注入压缩着火(Homogeneous Charge Compression Ignition)方法。
还已知把柴油内燃机的活塞的顶部设计成有大致旋涡形状的凹窝，它被称为活塞凹窝。在活塞顶和活塞凹窝之间的过渡区域，设置一个缩口(constriction)或称喉口，它形成相当窄的流动断面。这种窄的流动断面将引起很高的混合物形成能量，因而可大大改善燃料/空气混合。例如，从专利文件EP 0 383 001 A1、DE 1 122 325AS、AT 380 311 B、DE 21 36 594 A1、DE 974 449 C或JP 60-206960 A可以看到具有这种旋涡状凹窝的活塞。在按常规工作的内燃机中，这种活塞对内燃机的工作性能有下述有利的影响可以增高限制冒烟的全负荷；可以实现高的压缩比，因而可降低因着火滞后较小而产生的燃烧噪声，烃类排放物较少，起动性能较好以及提高发动机效率；还可以推迟着火，而冒烟、燃料消耗量或烃类排放物又不会明显增多，这是因为能够在一段较长的时间内维持很高的混合物形成能量。这尤其可导致NOx、燃烧噪声和气缸最高压力的降低。
还有，在专利文件DE 11 22 325 C1中描述了一种有一个活塞凹窝和一个缩口的活塞，其中，在活塞顶面和缩口之间设置了一个阶梯状凹部。
在按照HCLI方法或HPLI方法工作的内燃机中，由于认为这种深的活塞凹窝和强烈的燃烧室内气流会使发动机的起动性能和热动力效率严重恶化，所以到现在已经不用这种有一个深而带有缩口的凹窝的活塞了。由于这一原因，美国专利6,158,413 A已经提出用带有很浅的凹窝的活塞完全抑制这种燃烧室内气流。
本发明的目的是开发一种内燃机的工作方法，这种方法可使内燃机在从低负荷到全负荷的范围内的NOx和颗粒物的排放量为最少，同时又能使发动机在整个负荷范围内保持高效率。
本发明的这一目的是用下述步骤来达到的——使这种内燃机以基本上均质的油气混合物的燃烧和推迟的燃料喷射在一个对应于低的部分负荷的第一工作区域工作，燃料喷射的起始点是在压缩冲程上止点前50°到5°曲柄转角范围内；——使这种内燃机以低温油气混合物的燃烧和比在第一工作区域更推迟的燃料喷射在一个对应于中等部分负荷的第二工作区域工作，燃料喷射的起始点是在压缩冲程上止点前约2°到压缩冲程上止点后约20°并且较佳的是10°曲柄转角范围内；——在第一工作区域，燃料是通过较佳地被构造成双针塞喷嘴的喷射阀的多个第一喷射孔喷进内燃机的燃烧室，以及，在第二工作区域燃料通过所述喷射阀的多个第二喷射孔喷进燃烧室。
在第一工作区域，这种内燃机按照HCLI方法工作，其中燃料喷射定时为在压缩冲程里相对较早，即，在压缩冲程上止点前约50°到5°曲柄转角范围内。在这一第一工作区域，燃料喷射压力较佳的是在400到1,000巴之间。燃烧主要是发生在压缩冲程上止点前10°和压缩冲程上止点后10°之间，这可产生很高的效率。由于用50％到70％之间的相当高的排气再循环量百分比，局部燃烧温度是在形成NOx的温度以下。局部空气比处在颗粒物形成的极限值以上。排气回流可以用外部回流或通过可变阀门控制兼用外部和内部回流来实现。
在第二工作区域，这种内燃机按照HPLI方法工作。其中，燃料喷射的主要部分是发生在压缩冲程上止点以后。由于与常规的在压缩冲程上止点前喷射燃料相比，压缩冲程上止点后的温度较低，并与常规的工作过程相比排气再循环量百分比增大了20％到40％，所以着火滞后增大了。如果必要，可以采取进一步的措施来增大着火滞后，诸如降低有效压缩比和/或进气温度，或通过提高喷射压力和/或增大喷嘴喷射孔的断面来缩短喷射持续时间。喷射持续时间可选择为其结束点处于燃烧开始点之前，在这一情况中可将颗粒物的排放量保持在非常低的水平。这可以这样来解释是因为可以避免常规情况中那种喷射束中的液体燃料和包围喷射束的火焰同时存在的现象，因而也能够消除在喷射束附近发生氧化反应的现象，而这种现象在缺少空气的情况下就会发生并将生成颗粒物。对于在第二工作区域用这一燃烧方法，需要至少1,000巴的喷射压力。这种方法的优点在于NOx和颗粒物排放量非常低以及排气温度相当高，这又有利于用于过滤排气中的颗粒物的过滤器的再生。
可以优选地设置成在第一工作区域的燃料喷射流量比在第二工作区域的低。特别是，如果在第一工作区域和第二工作区域使喷射出去的诸多燃料束形成一个圆锥表面形状，以及，在第一工作区域的圆锥表面的锥顶角不同于在第二工作区域的锥顶角，并且较佳的是前者较小，那么可达到很低的NOx和颗粒物排放量。
在本发明的再一项开发中设置成在对应于较高部分负荷或全负荷的第三工作区域，使燃料喷射的主要部分的开始发生在上止点前10°到上止点后10°曲柄转角范围内。还可较佳地设置成在第三工作区域采用多重喷射。在这一工作区域，排气再循环量百分比最大可达30％，并且较佳的是10％到20％。这将能确保这种内燃机有好的性能，并且NOx和颗粒物的排放量也很低。
在第三工作区域，可通过多个第一和/或多个第二喷射孔喷射燃料。
这种内燃机在第一、第二和/或第三工作区域以约为1.0到2.0的总空气比运作。
在一个较佳实施例中，设置成能够进行外部和/或内部排气回流，并且在至少一个，较佳的是，在所有三个工作区域，涡流是可改变的。在0到5之间的旋涡值(swirl value)可使低燃料消耗量时的排气情况很好。
还有，如果几何压缩比(geometric compression ratio)是可改变的将是有利的。几何压缩比应可在13到19之间改变。高压缩比对内燃机的冷态起动是有利的。随着负荷增高而降低压缩比，将能增高在第一工作区域以及第二工作区域能够达到的最大负荷，并可借助较大的着火滞后而降低颗粒物排放量。
本文中提出，通过移动至少一个进气阀的关闭时刻来改变有效压缩比。通过推迟进气阀的关闭或通过非常早地关闭进气阀，可降低有效压缩比，借以允许降低为达到低的NOx和颗粒物排放量所需要的排气再循环量百分比。可以既改变进气阀的开启时刻又改变其关闭时刻，或者只改变其关闭时刻。
在本发明的再一个方案中可设置成通过减小或增大排气再循环量百分比来促使内燃机从第一工作区域转换到第二工作区域或反过来从第二工作区域转换到第一工作区域。或者，可通过减小内部或外部排气再循环量百分比并推迟喷射的开始点，或通过增大排气再循环量百分比并提前喷射的起始点，促使内燃机从第一工作区域转换到第二工作区域，或者相反。
较佳的是可设置成通过适当地控制进气阀的开启和/或关闭时刻，在降低排气再循环量百分比的情况下使内燃机从第一工作区域改变到第二工作区域。
在第一工作区域，气缸平均有效压力较佳的是在0到6巴之间，并且更佳的是在0到5.5之间；在第二工作区域，气缸平均有效压力较佳的是在3.5到8巴之间，并且更佳的是在4到7之间；以及，在第三工作区域，气缸平均有效压力至少是5.5巴，并且更佳的是至少6巴。
为了实施这种方法，直喷式柴油机需要有至少一个其中有一个往复运动的活塞的气缸，其中，燃料喷射的开始点至少可在压缩冲程上止点前50°和压缩冲程上止点后20°并且最好达50°曲柄转角之间改变，并且，其中的排气再循环量百分比可在0％到70％之间改变。另外，可设置成燃料喷射压力至少可在第一和第二两个压力等级之间改变，其中第一压力等级较佳的是在1,000巴上下或再低些，而第二压力等级较佳的是在1,000巴上下或更高些。还有，可设置一个用于改变涡流强弱程度的装置。
如果进气过程的开启时刻和关闭时刻都可改变，也是有利的。为此目的，如果能够用一个移相装置(phase shifting device)改变进气阀正时(timing of the intakevalve)和排气阀正时，将是有利的。如果能够在排气冲程中驱动至少一个进气阀，将是特别有利的。附加地或替代地，也可以在进气冲程中驱动至少一个排气阀。
燃料喷射是最佳地使用具有第一喷射孔和第二喷射孔的双针塞喷嘴(doubleneedle nozzle)进行，两个针塞可被单独地驱动。
为使在第一工作区域和在第二工作区域时的燃料喷射量不同，可使各个第一喷射孔的总流通断面小于各个第二喷射孔的总流通断面。
由于在第一工作区域和第二工作区域采用不同的燃烧方法，如果把各个第一喷射孔的轴线定位在一个第一圆锥表面上，以及把各个第二喷射孔的轴线定位在一个第二圆锥表面上，并且使第一圆锥表面的锥顶角小于第二圆锥表面的锥顶角，则是有利的。
在本发明的一个特别可取的方案中，第一喷嘴针塞和第二喷嘴针塞是被构造成同轴线的，第一喷嘴针塞装在被构造成为空心的第二喷嘴针塞里并由其引导。或者，也可把第一针塞和第二针塞定位在一个喷嘴座里，互相并列平行。
具有同轴的两个针塞的或具有互相平行的两个针塞的双针塞喷嘴，见专利文件DE 100 40 738 A1。
对于按照HCLI方法进行工作，本发明提出，这种内燃机设有至少一个活塞，该活塞设有至少一个活塞顶面、一个旋涡形的活塞凹窝以及一个在活塞顶面和活塞凹窝之间的过渡区域的缩口，在活塞向上运动过程中产生从活塞凹窝外面流向其内的燃烧室内气流，并且喷射的燃料的至少较大部分是喷进活塞凹窝并由燃烧室内气流沿着活塞凹窝的侧壁和/或活塞凹窝的底面输送，在这一输送路径上至少部分地蒸发。喷射的燃料束冲向流进活塞凹窝的燃烧室内气流。燃烧室内气流把大部分燃料输送到活塞凹窝里，燃料在其中蒸发而与流进的空气达到几乎均质的混合。活塞凹窝里的流动取决于进气流中有无涡流。
还可优选地设置成燃料对着活塞凹窝的缩口喷射，使得在喷射开始时带有较大部分燃料的至少一个喷射束相交于活塞凹窝的侧壁和活塞顶面之间的一个区域，这个区域包括一个悬臂区域、所述缩口以及活塞顶面和所述缩口之间的向内流区域。
在常规的内燃柴油机中，喷射燃料束的相交点和喷射时间是选择为使喷射开始时的喷射燃料束冲撞缩口以下的悬臂区域，并且与负荷状况无关。本发明中可设置成对于低负荷，使相交点位于活塞凹窝的悬臂区域，但随着负荷增高使相交点向缩口移动。这可通过把喷射时间提前来达到。这样，燃料的一部分将是逆着燃烧室内气流喷射进活塞和气缸头之间的空隙。喷射进活塞和气缸头之间的空隙里的燃料的大部分将被燃烧室内气流挟带进入活塞凹窝。这将改善空气的分布和油气混合物的形成，从而有利地降低烃类和一氧化碳的排放量。燃料/空气混合物的燃烧发生在活塞凹窝里以及在活塞顶面和气缸头之间的空隙里。
由于这种内燃机能够以50％到70％的高的排气再循环量百分比工作，所以局部燃烧温度在形成Nox的温度以下。局部空气比保持在黑烟形成极限值以上。可以进行内部或外部型式的排气回流，或者，可以通过可变阀门控制兼用外部和内部型式的排气回流。燃料喷射以500到2,500巴之间的喷射压力进行。燃烧的主要部分发生在压缩冲程上止点前10°到压缩冲程上止点后10°之间，这可导致很高的效率。这种内燃机以约1.0到2.0的总空气比工作。
对于用HPLI方法进行工作，本发明提出这种内燃机设有至少一个活塞，该活塞设有至少一个活塞顶面、一个旋涡形的活塞凹窝以及一个在活塞顶面和活塞凹窝之间的过渡区域的缩口，在活塞向上运动过程中产生从活塞凹窝外面流向其内的燃烧室内气流，并且喷射的燃料的至少较大部分是喷进活塞凹窝并由燃烧室内气流沿着活塞凹窝的侧壁和/或活塞凹窝的底面输送，在这一输送路径上至少部分地蒸发。活塞凹窝里的流动取决于进气流中有无涡流。
燃料/空气混合物的燃烧发生在活塞凹窝里以及在活塞顶面和气缸头之间的空隙里。
在HPLI工作方法中，燃料喷射相位的主要部分是在压缩冲程上止点后。与常规的在压缩冲程上止点前喷射燃料相比，由于压缩冲程上止点后的温度较低，以及，与常规的工作过程相比，由于排气再循环量百分比增大了20％到40％，所以着火滞后增大了。还可以采取进一步的措施来增大着火滞后，诸如降低有效压缩比和/或进气温度，或通过提高喷射压力和/或增大喷嘴喷射孔的断面来减短喷射持续时间。喷射持续时间可选择为其结束点处于燃烧开始点之前，在这一情况中可将颗粒物的排放量保持在非常低的水平。这可以这样来解释是因为可以避免常规情况中那种喷射束中的液体燃料和包围喷射束的火焰同时存在的现象，因而也能够消除在喷射束附近发生氧化反应的现象，而在缺少空气的情况下就会发生这种现象并将生成颗粒物。HPLI燃烧方式需要500巴的喷射压力。这种燃烧方式的优点在于非常低的NOx和颗粒物排放量以及相当高的排气温度，这又有利于用于过滤排气中的颗粒物的过滤器的再生。这种内燃机以约1.0到2.0的总空气比工作。
如果几何压缩比是可改变的，也是有利的。可以在14到18的范围内改变几何压缩比。高的压缩比有利于冷态起动。随着负荷增高降低压缩比可使可以达到的最大负荷更大，并可借助较大的着火滞后而减小颗粒物排放量。
本文中提出，可通过改变至少一个进气阀的关闭时刻来改变有效压缩比。通过推迟进气阀的关闭或通过非常早地关闭进气阀——粗略地说0°到20°曲柄转角——可以降低有效压缩比。从而允许降低达到低的NOx和颗粒物排放量所需要的排气再循环量百分比。可以既改变进气阀的开启时刻又改变其关闭时刻，或者只改变关闭时刻。通过在至少一个工作区域把进气结束点移到“很迟”，可以大大降低内燃机噪声。可以减少烟气的形成，也可以降低特别是较高负荷下的燃料消耗量。通过向前或向后移动进气结束点，可以降低压缩终点温度并可增大着火滞后。如果把进气结束点移到“很早”，则有附加的冷却气缸注入物的作用。用进气阀的关闭时刻可以控制燃烧过程特别是燃烧的主要部分(MFB50％——烧掉的质量比值)的位置。通过改变喷射正时，或者，作为近似均质的HCCI燃烧(均质气缸注入压缩着火)情况(这种情况中喷射的起始点和燃烧的起始点或MFB50％时间之间不存在任何关系)中的单独控制作用，可以附加地或与MFB50％组合地做到这一点。用进气阀的关闭时刻，或者附加地，或者通过内部排气回流而与dp/dα控制组合地(p是气缸压力，α是曲柄转角)，或者作为近似均质的HCCI燃烧情况(这种情况中喷射的起始点和燃烧的起始点或MFB50％时间之间不存在任何关系)中的单独控制作用，也可以控制燃烧的激缓程度、热释放速率曲线或气缸压力最大梯度dp/dα的位置和数值。还有，用进气阀的关闭时刻，特别是组合地应用内部或外部排气回流，可以最佳地控制着火滞后(即，喷射起始点和不考虑先前的反应的主要燃烧的起始点之间的时间窗口(time-window))在HCLI工作方法以及HPLI工作方法中，如果在气缸里能够产生旋涡值大于等于1的涡流，以及，如果燃料被产生的燃烧室内气流沿着活塞凹窝的壁向下输送，并且在这一输送路径上燃料至少部分地蒸发，继而沿着活塞凹窝的底面流向其中心，则是很有利的。在压缩冲程中，涡流保持在活塞凹窝内流动。
在另一方案中，可设置成使气缸里产生旋涡值小于1的无涡流进气流，燃料由这样的气缸内气流从活塞凹窝的中心沿着其底面输送到其侧壁，继而输送到其缩口，并且在这一输送路径上至少部分地蒸发。
已经令人有些吃惊地发现凹下的活塞凹窝并不明显地削弱内燃机以HCLI和/或HPLI方式工作的起动性能。由燃烧室内气流产生的热动力效率的降低将会由活塞凹窝里因有强烈的纹流而导致的燃料和空气的更好混合而得以更多地补偿。
为了实施本发明的方法，一种内燃机应具有至少一个用于燃料直喷的喷射装置，还应设有一排气回流装置和至少一个内部有一往复运动的活塞的气缸，该活塞应具有明确限定的活塞顶面和旋涡形的活塞凹窝。在活塞顶面和活塞凹窝之间的过渡区域有一个环形缩口。一方面，这可导致强烈的燃烧室内气流，另一方面，可确保这一气流以相当高的速度流进活塞凹窝。活塞凹窝里的相当高的纹流强度有利于燃料的完全燃烧，从而可大大降低烃类和一氧化碳排放量。如果活塞凹窝的尺寸确定为活塞凹窝的最大直径DB与活塞直径D之比在0.5＜DB/D＜0.7范围内以及凹窝最大深度HB与活塞直径D之比在0.12＜HB/D＜0.22范围内，则是特别有利的。这将允许尽可能加长喷射束的长度。为了产生强烈的燃烧室内气流，这里提出活塞凹窝的尺寸应确定为其缩口的直径DT对凹窝的最大直径DB之比在0.7＜DT/DB＜0.95范围内。
在活塞顶面和缩口之间，设置一个有平的底面和圆柱形侧壁的环形凹部形状的向内流区域(inflow region)。还优选地指出环形凹部的深度近似为活塞凹窝的最大深度的5％到15％。环形凹部有至少部分地圆柱形侧壁表面，环形凹部的直径比缩口的直径大10％-20％。这个环形凹部可降低活塞向下运动过程中从活塞凹窝流出的气流的径向速度。借以引导一部分燃料沿着轴向而不是沿着活塞顶面流向气缸头。
为了特别是在高的排气再循环量百分比情况下增加气缸注入以及为了扩大在HCLI区域的负荷范围，可把这种内燃机设置成在至少一个工作区域以脉冲增压方式工作。内燃机和进行脉冲增压的方法，见例如专利文件DE 199 08 435 A1。
为了避免在短的减速阶段结束时产生NOx峰值，如果在减速或超车过程中把安装在进气通道里的节流阀关闭，并把排气回流管路上的排气回流阀门打开，则是有利的。专利文件DE 18 878 A1中揭示了为了避免在拖长的减速阶段中催化转换器内的温度下降而在内燃机减速过程中使排气回流的方法。
为了避免由于燃料/空气比太低而出现高的颗粒物排放量，这里提出从最小允许燃料/空气比和实际测量的新鲜空气质量来计算最大允许的喷射燃料量。或者，可以用一个探针测量新鲜空气的质量和实际的燃料/空气比。
可以计算用于燃烧控制的至少一个燃烧参数的实际的现时数值，作为以前若干个循环的数值的加权平均值。对于一个循环z，燃烧的主要部分的位置MFB50ist的实际的现时数值可以用以下公式计算，对最后过去的四个循环，分别用加权值40％、30％、20％、10％MFB50ist(z)＝0.4·MFB50(z-1)+0.3·MFB50(z-2)+0.2·MFB50(z-3)+0.1·MFB50(z-4)还有，最好是把目标数值表示为一个燃烧控制器(例如MFB50控制器)的各参数的函数。可根据目标函数来修改控制器的各个参数。如果把燃烧MFB50％的主要部分的位置向推迟方向移(例如在采用HPLI工作方法时)，喷射正时对MFB50的位置的影响将增大(系统增益增大)。所以可根据目标数值MFB50％修改各控制参数(放大系数)，其作法是对于推迟的燃烧，不改变闭环控制的传递函数。
下面参照各附图详细说明本发明。


图1是适于应用本发明的方法的内燃机的示意图；图2是表示局部空气比λL和局部温度TL之间的函数关系的示意图；图3是负荷与转速的关系图；图4到7是各种不同定时规则(timing regime)的阀门升程曲线图；图8是喷射时间对EGR(排气再循环量百分比)和负荷的关系图；图9是第一工作区域A的一个测量数据图；图10是第二工作区域B的一个测量数据图；图11表示有两个同轴线针塞的双针塞喷嘴；图12表示有两个并列针塞的双针塞喷嘴；图13和14分别表示本发明的内燃机的气缸的一个纵向剖面；图15详细表示图13中的局部III；以及图16详细表示现有技术中的这一局部。
图1表示出有进气总管2和排气总管3的内燃机1。由包括一排气驱动的涡轮机5和由该涡轮机5驱动的一压气机6的一排气涡轮增压器4给内燃机1充入空气。在进气侧，沿着空气流动方向，中间冷却器7设置在压气机6的下游。
还有，一个有第一排气回流管路9的高压排气回流系统8设置在排气管路10和进气管路11之间。该排气回流系统8包括一排气回流冷却器12和一排气回流阀门13。根据排气管路10和进气管路11之间的压力差，可在排气回流管路9上设置一个排气泵14，用以控制或增大排气再循环量百分比。
除这一高压排气回流系统8之外，还在涡轮机5的下游和压气机6的上游设置了一个低压排气回流系统15，第二排气回流管路18从排气管路16上的一颗粒物过滤器17的下游引出并通向压气机6上游的进气管路19。在第二排气回流管路18上，还设有一排气(EGR)回流冷却器20和一排气回流阀门21。为了控制排气再循环量百分比，在排气管路16上在第二排气回流管路18的引出点的下游设置了一排气阀22。
在第一排气回流管路9的引出点的上游，在排气管路10上设置有一氧化催化过滤器23，它能够除去排放物中的烃类、一氧化碳和挥发性成份。它的副作用会使排气温度升高因而使供给涡轮机5的能量增大。在原理上，该氧化催化过滤器23也可以设置在第一排气回流管路9的引出点的下游。表示于图1的、具有在氧化催化过滤器23的下游引出的排气回流管路的这一方案的优点是排气回流冷却器12不容易受到沾染，而缺点是较高的排气温度需要排气回流冷却器12有较高的冷却性能。
作为一种对用压气机6进行的增压的替代或附加，可以采用脉冲增压。脉冲增压是从压力波增压发展而来的。如果压力波管子的长度以这样的方式对应于发动机的转速，即，吸气气缸的低压波在压力波总管处反射之后作为一个高压波达到进气阀，以及，如果这一高压在进气结束之后被限制在燃烧室里，就可使气缸注入量增加。可用设置在每个吸气管里的一个脉冲转换元件使注入量交换的气体动力作用增强。如果在进气结束之前关闭脉冲转换元件，就可由于返回的活塞的压缩作用而使脉冲转换元件下游的进口通道里的压力升高。这种压力储备要求有一个密封非常好的舌片阀系统(system of very well-sealing flaps)，该系统的转换时间应该很短，具体地说，应不超过10毫秒，这个时间是指从一个第一极端位置转换到一个第二极端位置再转换回第一极端位置所用的时间。
内燃机1的每个气缸24具有至少一个用于把柴油喷进燃烧室的喷射阀25，它能够在每一工作循环中进行几次喷射，每次喷射的起始点可在上止点(TDC)之前50°曲柄转角(CA)到TDC之后50℃A的范围内变化。喷射压力是在500-2,500巴范围内，最高喷射压力最好是至少1,000巴。
燃烧室的形状和燃料喷射系统的配置应该设计成与常规柴油机全负荷燃烧的情况相类似。
图2表示出局部空气比λL和局部燃烧温度TL之间的函数关系，前者是纵坐标，或者是横坐标。在标明为SOOT(黑烟)的区域，会形成大量的颗粒物。标有NOX的区域是主要形成NOx的区域。A、B、C对应于本发明的第一、第二和第三工作区域。
第一工作区域A对应于低到中等部分负荷LL的区域，第二工作区域B对应于中到高部分负荷LM的区域，以及，第三工作区域C对应于高到全负荷LH的区域，这可从图3的负荷—转速曲线看出。
在第一工作区域A，也称为HCLI区域(均质注入迟后喷射)，喷射的起始点在压缩冲程中的相当早期，也就是在压缩冲程的上止点前50°到5°曲柄转角之间，这样可提供一个大的着火滞后，在这个滞后期间里可为预混合燃烧形成部分地均质的燃料空气混合物。由于充分的预混合和燃料空气混合物稀薄，可以达到极低的颗粒物和NOx排放量。从图2可以看出，第一工作区域A明显地处在界定黑烟形成区域的局部空气比的λLS值之上。通过采用在50％-70％之间的高的排气再循环量百分比EGR，可以确保局部燃烧温度TL在生成NOx所需要的最低温度TNOx以下。喷射发生在400-1,000巴之间的压力。这样大的着火滞后可使燃烧相位移到上止点TDC附近的区域，在这一区域热效率为最佳。燃烧的主要部分发生在上止点前10°和上止点后10°曲柄转角CA之间，这样可达到很高的热效率。第一工作区域A所需要的高的排气再循环量百分比EGR可以只用外部回流或兼用外部回流和内部回流来达到，可以用可变阀门控制外部和内部回流。
在第二工作区域B，这种内燃机是按照HPLI方法(高度预混合的迟后喷射)。喷射相位的主要部分现在是在上止点TDC之后。在第二工作区域B，发动机工作时的排气再循环量百分比是在20％和40％之间，喷射起始点在上止点前2°到上止点后20°曲柄转角CA之间。通过把喷射结束点完全分离于燃烧开始点，可以达到混合物的部分均质化，从而达到预混合燃烧。与常规的上止点之前喷射相比，由于温度较低，以及，与常规的工作过程相比，由于回流的排气量增多，着火滞后增大。可以采取进一步的措施增大着火滞后，诸如降低有效压缩比ε和/或进气温度，或通过提高喷射压力和/或增大喷嘴喷射孔的断面来缩短喷射持续时间。如果喷射的结束点是在燃烧的起始点之前，就需要短的喷射持续时间。在这一情况中，可把颗粒物的排放量保持在很低的程度。这可以这样来解释，是因为可以避免常规情况中那种喷射束中的液体燃料和包围油束的火焰同时存在的现象，因而也能够消除在喷射束附近发生氧化反应的现象，而这种现象在缺少空气的情况下就会发生并将生成颗粒物。推迟的喷射时间与相当长的着火滞后一起可导致整个燃烧过程的后移，这样可使气缸压力曲线后移以及可使最高温度降低，这可使NOx的排放量降低。
燃烧过程的推迟可使最高温度降低，但同时也会导致某一往后的曲柄转角CA处的温度升高，这又会把颗粒物更多地烧掉。
把燃烧推移进入膨胀冲程，再兼用高的排气再循环量百分比EGR，尽管由于大的着火滞后而预混合燃料量较大，因而最大燃烧速率也较高，还是可将气缸里的压力升高率保持在可接受的范围内。非常近似于恒定容积燃烧的高的最大燃烧速率可以至少部分地补偿由燃烧相位的后移造成的效率损失。为了达到高效率，燃烧的主要部分应该尽可能接近上止点TDC。
应用在第二工作区域B里的HPLI方法的优点在于NOx和颗粒物的排放量非常低以及排气温度很高，这对颗粒物过滤器的再生是有利的。从图2可以看出，第二工作区域B里的局部燃烧温度TL在较低NOX生成温度TNOx之上一个很小的程度。在绝大部分内，局部空气比λL处在形成黑烟或颗粒物的极限λLS以上。在第二工作区域B，燃烧过程开始时会形成颗粒物，但是由于由高压喷射产生的强烈涡流以及由于高温，接近燃烧过程结束时颗粒物将被烧掉，所以，总的颗粒物排放量还是很低。
在第三工作区域C内燃机以常规的方式工作，排气再循环量百分比在0到30％之间，可以进行多重喷射。这样，可以兼用预混合燃烧和扩散燃烧。至于排气回流，可以兼用外部回流和内部回流。
为了作比较，图2还表示出工作区域D。这个区域D例如是被用在美国专利6,338,245 B1中，用于中到高负荷范围。其缺点是由于温度低而效率低。总的来说，本发明将避开这一工作区域。
在第一、第二和/或第三区域A、B、C，可以任选地使燃烧室里产生一个涡流，这样可进一步降低颗粒物的形成。但必须设法使涡流和高效率互相平衡。
如果能可变地调整内燃机1的阀门正时，则将特别有利。这将允许在负荷变化时在工作区域A、B、C之间快速而精确地调整排气再循环量百分比。通过兼用外部和内部排气回流，可以特别快速而精确地控制排气再循环量百分比EGR。最后，可变的阀门控制也使可调整有效压缩比ε，这又允许以降低的排气再循环量百分比EGR来降低NOx和颗粒物排放量。
图4表示出一个阀门升程图，其中标绘出至少一个排气阀A和至少一个进气阀E的阀门升程LV与曲柄转角CA的关系。通过用例如一移相器把进气阀曲线E向后移，可以减小有效压缩比ε和所需要的排气再循环量百分比EGR。通过改变进气阀的关闭时刻，可以调整着火滞后。通过推迟进气阀的关闭时刻，可以大大降低燃烧噪声。还有，可以做到在较高的负荷下降低黑烟和燃料消耗量。这可发生在所有三个工作区域里。Eo和Ec分别表示进气阀升程曲线E的开启时刻和关闭时刻。Ecs和Eos分别表示移动的进气阀升程曲线Es的开启时刻和关闭时刻。
作为一种替代，可以只改变进气阀升程曲线E的关闭坡度(closing slope)，这将使关闭时刻向前或向后移，如图5中的曲线Es”和Es所示。这将与移动整个阀门升程曲线(见图4)有同样的效果。
可以通过在进气冲程中使排气阀重新开启，如图6中的曲线A’所示，或者，在排气冲程中使进气阀重新开启，如图7中的曲线E’所示，来实现内部排气回流。这将允许在所有工作区域A、B、C里快速控制排气再循环量百分比EGR。通过只用内部排气回流并且把燃料喷射I的开始角度αI向前移，可以达到从EGR为20％-40％的第二工作区域B向EGR为50％-70％的第一工作区域A的转换。用这种方式，也可以进行从第一工作区域A向第二工作区域B的转换。
如果不用可变阀门控制，可以通过降低外部排气再循环量百分比EGR以及同时地把燃料喷射I的开始角度αI向前移，来实现第一工作区域A和第二工作区域B之间的转换，如图8中所示。通过同时地降低排气再循环量百分比EGR和把燃料喷射I的开始角度αI向前移，可以避免逆火。反过来，可以通过同时地增大内部排气再循环量百分比EGR和把燃料喷射I的开始角度αI向前移，实现从第二工作区域B向第一工作区域A的转换。
图9表示出第一工作区域A的一个例子的测量值曲线图，其中标绘出喷射I、热释放率Q、累积热释放率∑Q以及气缸压力P对曲柄转角CA的关系。图10表示出第二工作区域B的类似的测量值曲线图。细线和粗线代表不同的参数配置。可以清楚地看出喷射I和燃烧之间的相当大的着火滞后。
图11和12表示出带有喷嘴座110、210的喷射阀25，每个喷嘴座安装有一个双针塞的喷嘴100、200。
图11的双针塞喷嘴100具有一第一喷嘴针塞101和一空心的第二喷嘴针塞102，前者并在后者里滑动。第一喷嘴针塞101控制着各第一喷射孔103，第二喷嘴针塞102控制着各第二喷射孔104，两种喷射孔都被定位在喷嘴鼻梁106上。各第一喷射孔103的直径d1之和小于各第二喷射孔104的直径d2之和。各第一喷射孔103和各第二喷射孔104的轴线103a、104a分别沿着圆锥表面107、108对准，圆锥表面的锥顶角分别是α1和α2。各第一喷射孔103的锥顶角α1略微小于各第二喷射孔104的锥顶角α2。
图12中表示的喷射阀25有一双针塞喷嘴200，它的第一喷嘴针塞201和第二喷嘴针塞202定位成并列平行。喷嘴轴线201’和202’之间有一个距离。第一喷嘴针塞201控制着各第一喷射孔203，第二喷嘴针塞202控制着各第二喷射孔204，它们分别定位在喷嘴鼻梁206a和206b上。各第一喷射孔203和各第二喷射孔204分别沿着圆锥表面207、208对准，圆锥表面的锥顶角分别是α1和α2。各第一和第二喷射孔203、204的直径是d1、d2。各第一喷射孔203的横断面之和小于各第二喷射孔204的横断面之和。喷嘴鼻梁206a上的喷射孔203开向在垂直于针塞轴线201’、202’的平面209a内的燃烧室，而喷嘴鼻梁206b上的喷射孔204开向垂直平面209b内的燃烧室，平面209a和平面209b之间有一个距离a。这个距离保持从喷射孔203和204出来的喷射束在全负荷时不会发生互相碰撞而互相干扰。两个喷嘴鼻梁206a、206b上应该有同样数目的喷射孔，最好都是三个。
可以用已知的方式独立地控制第一和第二喷嘴针塞101、102、201、202，例如可以像专利文件DE 100 40 738 A1中所述的那样。在发动机的第一工作区域A，可驱动喷嘴针塞101、201，从而打开各第一喷射孔103、203，而各第二喷射孔104、204保持关闭着。在发动机的第二工作区域B，可驱动喷嘴针塞102、202，打开各第二喷射孔104、204，而各第一喷射孔103、203保持关闭着。通过对每个工作区域A和B采用独立的喷射孔103、104、203、204，可以最佳地实现在第一工作区域A用HCLI工作方法的喷射特性以及在第二工作区域B用HPLI工作方法的喷射特性。在第三工作区域C，驱动所有喷嘴针塞101、102和201、202，使得通过所有喷射孔103、104和203、204进行喷射。
如图13到16中所示，在气缸24里往复运动的活塞27具有一大致回转对称的旋涡形活塞凹窝28，该凹窝28带有一缩口29，这样形成一悬臂区域30。活塞凹窝28的侧壁被命名为31，其底面为32以及其中心凸尖为44。
在活塞顶部33上，活塞顶面34处在缩口29的外面。活塞27的几何形状、喷射正时和喷射阀25的喷射束形状是设计成这样的，即，使各喷射束的轴线对准围绕处于侧壁31和活塞顶面34之间的缩口29的一区域36(见图15)。该区域36包括悬臂区域30、缩口29本身以及由处在活塞顶面34和缩口29之间的环形凹部37a构成的一流入区域37。环形凹部37a具有一平的底面37b和一圆筒形壁37c，该底面37b和壁37c之间的过渡圆角半径r在1mm和活塞凹窝的深度HB的50％之间。环形凹部37a的深度h近似为凹窝的最大深度HB的5％到15％。环形凹部37a的直径D1比缩口29的直径DT大10％-20％。
活塞凹窝28具有一较大的最大直径DB，DB与活塞直径D之比在0.5到0.7范围内。有利的是，凹窝最大深度HB与活塞直径之比在0.12和0.22之间。这将允许加长喷射束的长度，进而有利于混合物的形成。为了产生强烈的燃烧室内气流43，缩口29的直径DT对凹窝28的最大直径DB之比应在0.7和0.95之间。这将产生很高的进入活塞凹窝28的气流速度，而这有利于燃料/空气混合物的均质化。
对于常规的柴油内燃机，在全负荷下，可使喷射束的形状和活塞凹窝28的几何形状最佳化。
至少对HCLI工作方法而言，下述是正确的被喷射的燃料的较大部分的各第一喷射束的轴线35的第一相交点38是在区域36内，并且其变动取决于负荷。在低负荷下，相交点38是位于悬臂区域30处。在非常低负荷下的最低相交点38以标号39标示。随着负荷增大，相交点38向活塞顶面34方向移，如图15中的箭头P1所示。图15中的标号40标示相交点38的最高极限位置。在较高负荷下，喷射的燃料的一部分逆着燃烧室内气流43和43a的方向喷进活塞顶面34和气缸头42之间的燃烧室空间41。在图14中，标号43表示在进气流有旋涡情况下的燃烧室内气流，而标号43a表示进气流没有旋涡情况下的燃烧室内气流。由于活塞27的向上运动，在喷射过程中相交点38向活塞凹窝28方向移动，如箭头P1所示。在活塞27的向上运动过程中，由活塞顶面34产生的燃烧室内气流43、43a使一部分燃料进入活塞顶面34和气缸头42之间的燃烧室空间41，被向活塞凹窝28方向的燃烧室内气流43、43a挟带到活塞凹窝28里蒸发。这可使燃料和空气达到非常充分的混合，这种情况，一方面，允许用HCLI工作方法可达到的最高负荷增大，另一方面，可使烃类和一氧化碳排放物。燃烧即发生在活塞凹窝28里也发生在燃烧室空间41里。
在活塞27向下运动过程中，环形凹部37a可大大降低径向向外的气流速度，因而几乎没有什么燃料成份被输送到活塞顶面33并到达气缸壁。所以，润滑油几乎不会受到燃烧残留物的沾染。
为了比较，图16表示出在一个令人满意地工作的常规柴油内燃机的上止点区域开始喷射时各喷射束的第一相交点的区域36’。区域36’通常停留在悬臂区域30，而与负荷情况不大相关。也就是说，相交点是不动的。
在HCLI工作方法中，喷射是在压缩冲程里相对较早地开始，特别是在低的部分负荷下，是在上止点前50°到5°曲柄转角之间，因此有大的着火滞后，这使可为预混合燃烧形成部分地均质的混合物。由于充分的预混合和混合物极为稀薄，可以达到很低的颗粒物和NOx排放量。局部空气比总是保持在与形成黑烟相关的限制值以上。采用50％到70％的高的排气再循环量百分比，可把局部燃烧温度永久性地保持在形成NOx的最低温度以下。在500到2,500巴的压力下进行喷射。大的着火滞后可使燃烧相位向靠近上止点的位置移动，这种情况下的效率可达最佳。燃烧的主要部分是在上止点前约10°曲柄转角和上止点后约10°曲柄转角之间，这可使效率为很高。可以只采用外部排气回流或通过可变阀门控制兼用外部和内部排气回流，实现高的排气再循环量百分比。为了得到混合物形成所需的强烈涡流，采用能够产生高达5的旋涡值的旋涡形成进气通道(swirl-producing inlet passage)是有利的。
如果令内燃机按照所谓的HPLI(高度预混合迟后喷射)方法工作，喷射相位的主要部分是在上止点之后。使内燃机以20％到40％之间的排气再循环量百分比工作，喷射起始点在上止点前2°曲柄转角和上止点后10°曲柄转角之间。通过把喷射的结束点完全分离于燃烧的开始点，可以达到燃料/空气混合物的部分均质化和预混合燃烧。与常规的上止点之前喷射相比，由于温度较低，以及，与常规的工作方法相比，由于回流的排气量较大，着火滞后更长了。也可以采取其它措施来增大着火滞后，诸如降低有效压缩比和/或降低进气温度以及通过提高喷射压力和/或增大喷嘴喷射孔的断面来缩短喷射持续时间。如果要使喷射的结束点在燃烧的开始点之前，就需要短的喷射持续时间。在这一情况中，可把颗粒物排放量保持在非常低的程度。这可以这样来解释是因为可以避免常规情况中那种喷射束中的液体燃料和包围油束的火焰同时存在的现象，因而也能消除在喷射束附近发生氧化反应的现象。推迟的喷射开始点与相当长的着火滞后一起可导致整个燃烧过程的“推迟”，这样可使气缸压力曲线后移以及可使最高温度降低，这可降低NOx的排放量。
燃烧过程的推迟可使最高温度降低，但同时也会使某一往后的曲柄转角处的温度升高，这又会把颗粒物更多地烧掉。
把燃烧推移进入膨胀冲程，再兼用高的排气再循环量百分比，尽管由于大的着火滞后而预混合燃料量较大，并且因而最大燃烧速率也较高，但还是可将气缸里的压力升高率保持在允许的范围内。高度近似于恒定容积燃烧的高的最大燃烧速率可以至少部分地补偿由燃烧过程的后移造成的效率损失。为了达到高效率，燃烧的主要部分应接近上止点。
HPLI方法的优点在于NOx和颗粒物的排放量非常低以及能够达到很高的排气温度，这对颗粒物过滤器的再生是有利的。对一个小部分来说，局部燃烧温度可能在NOX生成温度的下限温度以上。局部空气比主要是在形成黑烟的极限值以上。在HCLI工作方法中，燃烧过程开始时会形成颗粒物，但是由于由高压喷射产生的强烈涡流以及由于高温，接近燃烧过程结束时颗粒物将被烧掉，所以，总的颗粒物排放量还是很低。还可以只采用外部排气回流或通过可变阀门控制兼用外部和内部排气回流来达到高的排气再循环量百分比。为了得到混合物形成所需的强烈涡流，采用能够产生高达5的旋涡值的旋涡形成进气通道是有利的。
用上述方法，可使内燃机在第一、第二或第三工作区域A、B、C高效率地工作，并且NOx和颗粒物的排放量很低。
为了避免在短的减速阶段结束时出现NOx峰值，最好是在减速或超车过程中把安装在进气通道里的节流阀关闭，并把排气回流管路上的排气回流阀门打开。
为了避免由于燃料/空气比太低而出现高的颗粒物排放量，这里提出从最小允许燃料/空气比λmin和实际测量的新鲜空气质量Airact来计算最大允许的喷射燃料量Fuelmax。
FuelMax=Airactfstoich.λMin]]>式中fstoich是按照化学配比的空气和燃料的重量比。
或者，可以用一个探针测量新鲜空气的质量和实际的燃料/空气比。
可以计算用于燃烧控制的至少一个燃烧参数的实际的现时数值，作为以前若干个循环的数值的加权平均值。例如，对于一个循环z，燃烧的主要部分的位置MFB50ist的实际的现时数值可以用以下公式计算，对最后过去的四个循环，分别用加权值40％、30％、20％、10％MFB50ist(z)＝0.4·MFB50(z-1)+0.3·MFB50(z-2)+0.2·MFB50(z-3)+0.1·MFB50(z-4)还有，最好是把目标值表示为一个燃烧控制器(例如MFB50控制器)的各参数的函数。可根据目标值修改控制器的各个参数。如果把燃烧MFB50％的主要部分的位置向拖后方向移(例如在采用HPLI工作方法时)，喷射正时对MFB50％的位置的影响将增大(系统增益增大)。所以可根据目标值MFB50％来修改各控制参数(放大系数)，其作法是对于推迟的燃烧不改变闭合控制环(closed controlloop)的传递函数。
随这一申请书递交的专利权利要求是一些关于方案设计的建议，它们不妨碍对扩大专利保护范围做进一步的努力。本申请人保留对至此仅在说明书和/或附图中揭示的特征进一步要求保护的权利。
用在各项从属权利要求中的引用是指主权利要求的对象通过该从属权利要求的特征的进一步扩展；不能把它们看作是放弃对各个被引用的从属权利要求的特征要求独立的、与对象关连的专利保护。
但是，这些从属权利要求的对象构成各个独立的发明，它们的配置和设计独立于其前面的各从属权利要求的对象。
应该理解，本发明不限于说明书中给出的实施例，而是可以在本发明的框架内，例如通过组合或改动实施例的一般说明书或权利要求或附图中所描述的结构或元件或过程步骤，做出许许多多改变和变型，具体地说，可以改变构成本发明的一部分的各个方案、元件、组合和/或材料，并且，通过各个特征的组合可以得出新的对象或新的过程步骤或新的过程步骤顺序，包括制造、试验和施工过程。
权利要求
1.一种用于较佳地直喷的内燃机，特别是一柴油机的工作方法，当所述内燃机处在与低到中等部分负荷相关的一第一工作区域时，以这样一种方法工作，即使燃料在低于形成NOx的温度的局部温度下以及在局部空气比高于形成颗粒物的空气比的情况下发生燃烧，并且其中燃料喷射是在压缩冲程的上止点前50°到5°之间的曲柄转角处开始，以及，以50％到70％的排气再循环率使排气回流；以及，当处在对应于中等部分负荷的一第二工作区域时，其中燃料喷射是在上止点前约2°曲柄转角到上止点后约20°曲柄转角的范围内开始，并且最好是在上止点前约2°曲柄转角到上止点后约10°曲柄转角的范围内开始。
2.一种用于较佳地直喷的内燃机，特别是一柴油机的工作方法，该方法包括下述步骤——使所述内燃机以大致均质的混合物燃烧和推迟的燃料喷射工作在对应于低的部分负荷的一第一工作区域，所述燃料喷射是在压缩冲程的上止点之前约50°到5°曲柄转角的范围内开始；——使所述内燃机以低温混合物燃烧和比在所述第一工作区域更推迟的燃料喷射工作在对应于中等部分负荷的一第二工作区域，所述燃料喷射是在压缩冲程的上止点之前约2°曲柄转角到上止点后约20°曲柄转角的范围内开始；——在所述第一工作区域，是通过较佳地被构造成双针塞喷嘴的喷射阀的多个第一喷射孔把燃料喷进燃烧室，而在所述第二工作区域，是至少通过所述较佳地被构造成双针塞喷嘴的喷射阀的多个第二喷射孔把燃料喷进燃烧室。
3.一种用于具有至少一个在一气缸里往复运动的活塞的较佳地直喷的内燃机的工作方法，其中，所述内燃机以这样的方式工作，即，它的燃料基本上是在低于NOx形成的温度界限值的局部温度下以及局部空气比高于形成颗粒物的极限值的情况下发生燃烧，燃料喷射是在压缩冲程的上止点前2°曲柄转角到上止点后10°曲柄转角的范围内开始，以及，以20％到40％的排气再循环量百分比使排气回流，并且活塞设置有至少一个活塞顶面、一个旋涡形状的活塞凹窝以及一个在所述活塞顶面和所述活塞凹窝之间的过渡区域的缩口，并且，在所述活塞向上运动时产生一个从外面流进所述活塞凹窝的燃烧室内气流、并促使所述活塞凹窝里产生一个基本上为纹流的流动，以及，其中，所述燃料至少较大部分地被喷进所述旋涡形状的活塞凹窝里并沿着所述活塞凹窝的侧壁和/或沿着活塞凹窝的底面流动，并且沿着所述流动路径至少部分地蒸发。
4.一种用于具有至少一个在一气缸里往复运动的活塞的、较佳地直喷的内燃机的工作方法，其中，所述内燃机以这样的方式工作，即，它的燃料基本上是在低于NOx形成的温度界限值的局部温度下以及局部空气比高于形成颗粒物的极限值的情况下发生燃烧，燃料喷射是在压缩冲程的上止点前50°到5°曲柄转角范围内开始，以及，以50％到70％的排气再循环量百分比使排气回流，以及，其中活塞设置有至少一个活塞顶面、一个旋涡形状的活塞凹窝以及一个在所述活塞顶面和所述活塞凹窝之间的过渡区域的缩口，以及，其中，在所述活塞向上运动时产生一个从外面流进所述活塞凹窝的燃烧室内气流，其中，所述燃料是至少较大部分地被喷进所述旋涡形状的活塞凹窝里并沿着所述活塞凹窝的侧壁和/或沿着活塞凹窝的底面流动，并且沿着所述流动路径至少部分地蒸发。
5.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，在所述第一工作区域的燃料喷射流量比在所述第二工作区域的低。
6.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，在所述第一和第二工作区域，把燃料喷射成其多个喷射束以形成一个圆锥表面，在所述第一工作区域的所述圆锥表面的锥顶角不同于在所述第二工作区域的所述圆锥表面的锥顶角，并且较佳的是前者较小。
7.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，在所述第二工作区域，以20％到40％的排气再循环量百分比使排气回流。
8.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，在所述第二工作区域，以至少1,000巴的喷射压力喷射燃料。
9.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，在所述第一工作区域，以400到1,000巴之间的的喷射压力喷射燃料。
10.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，在所述第一工作区域，燃烧的主要部分是在上止点前10°到上止点后10°曲柄转角范围内。
11.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，在对应于高的部分负荷或全负荷的第三工作区域，燃料喷射的所述主要部分的开始点是发生在上止点前10°到上止点后10°曲柄转角范围内。
12.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，在所述第三工作区域采用多重喷射。
13.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，在所述第三工作区域，所述排气再循环量百分比最大可达30％，并且较佳的是10％到20％。
14.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，在所述第三工作区域通过所述多个第一和/或多个第二喷射孔喷射燃料。
15.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，总的空气比在1.0到2.0之间。
16.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，可以进行外部和/或内部排气回流。
17.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，在至少一个、较佳的是所有工作区域，所述旋涡值可根据发动机负荷和转速改变。
18.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，可通过推移至少一个进气阀的关闭时间改变有效压缩比。
19.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，最好是至少在所述第一工作区域和/或所述第三工作区域、通过在排气冲程中打开进气阀和/或在进气冲程中打开排气阀进行内部排气回流。
20.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，通过降低排气再循环量百分比，可以促成从所述第一工作区域转换到所述第二工作区域；反之，通过增大排气再循环量百分比，可以促成从所述第二工作区域转换到所述第一工作区域。
21.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，通过降低内部或外部排气再循环量百分比以及通过推迟喷射的开始，可以促成从所述第一工作区域转换到所述第二工作区域；反之，通过增大排气再循环量百分比以及通过提前喷射的开始，可以促成从所述第二工作区域转换到所述第一工作区域。
22.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，通过向后推移进气阀的开启和/或关闭时刻，可以达到从所述第一工作区域转换到所述第二工作区域所需要的排气再循环量百分比的降低。
23.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，在所述第一工作区域，气缸平均有效压力在0到6巴之间，并且最好在0到5.5巴之间。
24.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，在所述第二工作区域，气缸平均有效压力在3.5到8巴之间，并且最好是在4到7巴之间。
25.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，在所述第三工作区域，气缸平均有效压力至少是5.5巴，并且最好是至少6巴。
26.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，在至少一个工作区域，在气缸里产生一带有达到大于等于1的旋涡值的一涡流的进气流，并且燃料被这一燃烧室内气流沿着所述活塞凹窝的侧壁输送到活塞凹窝的底部，沿着这一输送路径燃料至少部分地蒸发，继而燃料被沿着所述活塞凹窝的底部输送到活塞凹窝的中心。
27.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，在至少一个工作区域，在气缸里产生一旋涡值小于1的无涡流的进气流，并且喷射的燃料被这一燃烧室内气流从所述活塞凹窝的中心沿着所述活塞凹窝的底面输送到所述活塞凹窝的侧壁，继而到达所述活塞凹窝的所述缩口之外，在这一输送路径上燃料至少部分地蒸发。
28.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，在至少一个工作区域，在气缸里产生一旋涡值小于1的无涡流的进气流，并且喷射的燃料被这一基本上为纹流的气流从所述活塞凹窝的中心沿着所述活塞凹窝的底部输送到所述活塞凹窝的侧壁，继而到达所述活塞凹窝的所述缩口之外，在这一输送路径上燃料至少部分地蒸发。
29.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，燃料被喷向所述活塞凹窝的所述缩口，在喷射开始时对于大部分燃料量至少一个喷射束的轴线的相交点是在所述活塞凹窝的侧壁和所述活塞顶面之间的一个区域，这个区域包括所述侧壁的一悬臂区域、所述缩口和所述活塞顶面和缩口之间的一向内流区域。
30.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，在低负荷下，所述相交点是在所述活塞凹窝里在所述悬臂区域。
31.如权利要求29或30所述的方法，其特征在于，随着发动机负荷的增加，所述相交点向所述缩口方向移动。
32.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，随着发动机负荷增加，喷射的开始点从对应于低的部分负荷区域的上止点前5°到15°曲柄转角提前到上止点前约50°曲柄转角。
33.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，以500到2,500巴的喷射压力进行燃料喷射。
34.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，燃烧的主要部分是在上止点前10°曲柄转角到上止点后10°曲柄转角的范围内。
35.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述总的空气比设定在1.0到2.0之间。
36.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述内燃机是以脉冲增压方式工作在至少一个工作区域。
37.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，在至少一个工作区域，可把至少一个气缸的至少一个进气阀的关闭时间向提早或拖后方向改变。
38.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，最大允许燃料喷射量是根据最小允许空气/燃料比和实际测量的新鲜空气质量或实际的空气/燃料比计算的。
39.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，计算用于燃烧控制的燃烧参数的至少一个实际的现时数值，作为以前若干个循环的数值的一加权平均值。
40.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，可根据所希望的目标数值来修改燃烧控制器的至少一个控制参数。
41.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，在所述内燃机的至少一个减速阶段中，至少对进气流进行节流，较佳的是把进气流关断，并且较佳的是对排气回流不进行节流。
42.一种内燃机，特别是用于实施如权利要求1到41中的任一权利要求所述的工作方法的、直喷式的、具有燃料喷射系统和排气回流系统的柴油内燃机，其中，在至少一个工作区域，燃料喷射的开始点可在上止点前50°和上止点后20°并且最好是到上止点后50°曲柄转角之间改变，其中，排气再循环量百分比可在0到70％之间改变。
43.一种内燃机，特别是用于实施如权利要求1到41中的任一权利要求所述的工作方法的、具有用于把燃料直接喷进燃烧室的喷射阀的内燃机，所述喷射阀设计成具有多个第一喷射孔和多个第二喷射孔的一双针塞喷嘴，所述多个第一喷射孔和多个第二喷射孔可独立控制。
44.一种内燃机，特别是用于实施如权利要求1到41中的任一权利要求所述的工作方法的直喷式柴油内燃机，其中，燃料喷射的开始点可以设定在压缩冲程的上止点前50°到5°的范围内，以及，所述内燃机具有一排气再循环量百分比在50％到70％之间的排气回流系统，并且具有至少一个在气缸里往复运动的活塞，所述活塞具有在其顶部上的至少一个活塞顶面和一个旋涡形活塞凹窝，所述活塞凹窝具有一个缩口、侧壁、基本上凹下的底部、以及在所述侧壁和所述缩口之间的一悬臂区域，其中，所述喷射阀的喷射束的至少一个喷射束轴线在喷射开始时是指向所述侧壁和所述活塞顶面之间的区域，这个区域包括所述悬臂区域、所述缩口以及所述活塞顶面和所述缩口之间的一向内流区域。
45.一种内燃机，特别是用于实施如权利要求1到41中的任一权利要求所述的工作方法的直喷式柴油内燃机，其中，所述燃料喷射的起始点可以设定在从压缩冲程的上止点前2°到压缩冲程的上止点后10°的范围内，以及所述内燃机具有一排气再循环量百分比在20％到40％之间的排气回流系统，并且具有至少一个在一气缸里往复运动的活塞，所述活塞具有在其顶部上的至少一个活塞顶面和一个旋涡形活塞凹窝，所述活塞凹窝具有一个缩口、侧壁、基本上凹下的底部以及在所述侧壁和所述缩口之间的一悬臂区域，其中，所述喷射阀的喷射束的至少一个喷射束轴线在喷射起始时指向所述侧壁和所述活塞顶面之间的区域，这个区域包括所述悬臂区域、所述缩口以及所述活塞顶面和所述缩口之间的一向内流区域。
46.如权利要求42到45中的任一权利要求所述的内燃机，其特征在于，燃料喷射压力可在至少一个第一喷射压力和第二喷射压力之间改变，所述第一喷射压力较佳的是在达1,000巴的一个范围内，而所述第二喷射压力是在至少为1,000巴的范围内。
47.如权利要求42到46中的任一权利要求所述的内燃机，其特征在于，设有用于改变涡流强弱程度的装置。
48.如权利要求42到47中的任一权利要求所述的内燃机，其特征在于，设有用于改变至少一个进气阀的开启时刻和/或关闭时刻的装置。
49.如权利要求42到48中的任一权利要求所述的内燃机，其特征在于，可以用一移相装置改变所述进气阀正时和/或所述排气阀正时。
50.如权利要求42到49中的任一权利要求所述的内燃机，其特征在于，可以在排气冲程中驱动至少一个进气阀。
51.如权利要求42到50中的任一权利要求所述的内燃机，其特征在于，可以在进气冲程中驱动至少一个排气阀。
52.如权利要求42到51中的任一权利要求所述的内燃机，其特征在于，所述多个第一喷射孔的总流通断面小于所述多个第二喷射孔的总流通断面。
53.如权利要求42到52中的任一权利要求所述的内燃机，其特征在于，所述多个第一喷射孔的轴线处在一个第一圆锥表面内，以及，所述多个第二喷射孔的轴线处在一个第二圆锥表面内，所述第一圆锥表面的锥顶角小于所述第二圆锥表面的锥顶角。
54.如权利要求42到53中的任一权利要求所述的内燃机，其特征在于，所述第一喷嘴针塞和所述第二喷嘴针塞同轴线，所述第一喷嘴针塞装在被构造成空心的所述第二喷嘴针塞里并由其引导。
55.如权利要求42到54中的任一权利要求所述的内燃机，其特征在于，所述第一喷嘴针塞和所述第二喷嘴针塞并列平行地安装在一个喷嘴座里。
56.如权利要求42到55中的任一权利要求所述的内燃机，其特征在于，所述内燃机可以在至少一个工作区域以脉冲增压方式工作。
57.如权利要求42到56中的任一权利要求所述的内燃机，其特征在于，在至少一个进气管里设置有一个快速作用脉冲开关元件，较佳的是所述脉冲开关元件的开关时间——从第一极端位置到第二极端位置再返回第一极端位置——最长为10毫秒，最好是8毫秒。
58.如权利要求57所述的内燃机，其特征在于，所述脉冲开关元件构造成为一个舌片阀。
59.如权利要求57所述的内燃机，其特征在于，所述脉冲开关元件构造成为一个滑阀，较佳的是一个旋转式滑阀。
60.如权利要求42到59中的任一权利要求所述的内燃机，其特征在于，在至少一个工作区域所述进气阀的关闭时刻可被向后推移。
61.如权利要求42到60中的任一权利要求所述的内燃机，其特征在于，在喷射开始时，喷射束的至少一个喷射束轴线的相交点可被在至少所述悬臂区域和所述缩口之间改变。
62.如权利要求42到61中的任一权利要求所述的内燃机，其特征在于，所述活塞凹窝的尺寸被确定为使得0.5＜DB/D＜0.7，其中DB是所述活塞凹窝的最大直径，D是活塞直径。
63.如权利要求42到62中的任一权利要求所述的内燃机，其特征在于，所述活塞凹窝的尺寸被确定为使得0.12＜HB/D＜0.22，其中HB是所述活塞凹窝的最大深度，D是活塞直径。
64.如权利要求42到63中的任一权利要求所述的内燃机，其特征在于，所述活塞凹窝的尺寸被确定为使得0.7＜DT/DB＜0.95，其中DT是所述缩口的直径，DB是所述活塞凹窝的最大直径。
65.如权利要求42到64中的任一权利要求所述的内燃机，其特征在于，所述向内流区域被构造成一个在所述活塞顶面和所述缩口之间的环形凹部
66.如权利要求42到65中的任一权利要求所述的内燃机，其特征在于，所述环形凹部有一个延伸到所述活塞凹窝的平底面。
67.如权利要求42到66中的任一权利要求所述的内燃机，其特征在于，所述环形凹部的深度是所述活塞凹窝的最大深度的5％到15％。
68.如权利要求42到67中的任一权利要求所述的内燃机，其特征在于，所述环形凹部具有至少一部分圆柱形壁面。
69.如权利要求42到68中的任一权利要求所述的内燃机，其特征在于，所述环形凹部的所述壁面区域的直径比所述缩口的直径大10％到20％。
全文摘要
本发明涉及一种直喷式内燃机，它能够以基本上均质的油气混合物的燃烧和推迟的燃料喷射在与低的部分负荷相关的第一工作区域工作。所述内燃机还能以油气混合物的低温燃烧在与中等部分负荷相关的第二工作区域工作。这样，可使这种内燃机在低负荷区域直至全负荷区域的NOx和颗粒物的排放量为最少，并达到很高的效率。
文档编号F02M63/00GK1882772SQ200480033554
公开日2006年12月20日 申请日期2004年4月16日 优先权日2003年10月9日
发明者F·齐梅拉, J·萨托, H·埃切桑德, G·费格, C·福克斯, M·格伦斯威格, P·赫佐格, T·卡曼迪纳, K·纽恩特费, G·皮埃克, T·山姆斯, M·威斯贝克 申请人:Avl里斯脱有限公司