用于降低车辆内燃机中的碳烟排放的装置的制作方法

专利名称：用于降低车辆内燃机中的碳烟排放的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于控制内燃机内的燃烧过程的装置。本发明尤 其涉及这样一种用于降低内燃机中的碳烟排放的装置，其中，燃料/气 缸气体混合物通过在气缸内生成的压縮热而点燃。
背景技术：
碳烟微粒(或微粒子)是能够在燃烧期间形成并随后被氧化为二
氧化碳(C02)的产物。在排气中测得的碳烟微粒量是所形成的碳烟与 被氧化的碳烟之间的净差。所述过程是非常复杂的。在高温下通过富 含燃料、即不良混合的富集燃料/空气混合物燃烧产生了高的碳烟形成。 如果所形成的碳烟微粒能够与诸如氧原子(0)、氧分子(02)、氢氧化 物(OH)的氧化物质在足够高的温度下置于一起以用于良好的氧化速 度，则能够氧化碳烟微粒中的很大一部分。在柴油机中，氧化过程被 认为与所述形成处于相同的量级，这意味着净碳烟产生量是所形成的 碳烟量与被氧化的碳烟量之差。因此能够首先通过降低碳烟的形成和 其次能够通过增加碳烟的氧化来影响碳烟的净排放。来自柴油机的一 氧化碳排放(CO)和碳氢化合物排放(HC)通常非常低。然而，如果 未燃烧的燃料在相对冷的区域内结束则该百分比能够升高。这样的区 域特别是位于气缸壁附近的带有强冷却的区域。另一个例子是活塞和 气缸套之间的腔。
由空气中的氮成分在热过程中形成氮氧化物(NOx)，氮氧化物 (NO》具有强的温度相关性且取决于被加热体积的尺寸和该过程的持 续时间。
其中燃料直接喷射到气缸内且被气缸内升高的温度和压力点燃的燃烧过程一般称为柴油机过程。当燃料在气缸内点燃时，存在于气缸 内的燃烧气体经历与燃烧中的燃料的湍流混合，使得形成混合物受控 的扩散火焰。燃料/气体混合物在气缸内的燃烧导致生热，这导致气缸 内的气体膨胀并因此导致活塞在气缸内运动。根据多个参数，例如燃 料的喷射压力、再循环到气缸内的排气的量、燃料喷射的时间和气缸 内的湍流，获得了不同的效率和发动机排放值。
下面给出现有技术的尝试通过控制火焰来降低碳烟和NOx排放和 试图抑制所熟知的碳烟排放与氮氧化物排放之间的消长关系的设备的 两个例子，所述设备是典型的柴油发动机，且所述"消长关系"难以 影响。降低碳烟排放的多数措施增加了氮氧化物的排放。
EP1216347示出一种用于通过控制燃烧火焰来控制内燃机中的燃 烧过程的设备，其目的是降低碳烟和NOx排放。燃料以相对高的动能 (高喷射压力)喷射到燃烧室内以便以如下方式向喷雾提供动能，即 在燃料和气缸气体之间实现喷雾内部混合过程和大范围的全面混合过 程，从而使碳烟排放保持低于选定的水平。选择再循环排气的比例， 使得氮氧化物排放保持低于选定的水平。
US6732703示出一种用于最小化NOx排放和碳烟微粒的设备。在 此，在喷射期间燃料喷雾冲击内碗底板部分以冷却燃烧，由此减少NOx 的生成。燃料以高压力喷射且活塞被成形为保持喷雾羽流和燃料/空气 混合物内的动量，使得在燃烧过程后期发生可用氧和碳烟的良好混合。 当喷雾羽流冲击内碗底板部分时，大量的动量损失了。
由于针对内燃机的即将来临的排放法规，存在进一步降低碳烟排 放水平以满足未来需要的需求。

发明内容
因此，本发明的一个目的是克服现有技术的缺陷并提供一种包含被设计为充分降低不希望的碳烟排放以满足新法规限制的燃烧室布置 结构的内燃机。因此，本发明的重要目的是通过保证在燃烧过程期间 形成的碳烟的完全燃烧/氧化而促进燃料在燃烧室内的有效燃烧来最小 化碳烟量。
本发明的另一个目的是提供一种发动机，其中包括活塞碗和喷射 喷雾角的燃烧室布置结构的各种特征的形状、位置和尺寸导致喷雾/火 焰冲击在外碗部分内的活塞碗表面上并接触该活塞碗表面，且所述外 碗部分的曲线形状使得中心轴线的所述冲击的反射角至少在喷射开始 期间为正，以增加喷雾/火焰的切向运动和竖直向上引导的运动之间的 平衡。
本发明的又一个目的是提供一种柴油机，与例如US02发动机相
比，该柴油机能够以显著的碳烟排放改进而运行，同时也满足对于商 业上可接受的发动机的机械设计约束。
本发明的更特定的目的是提供包括一种包括如下燃烧室布置结构 的发动机，该下燃烧室布置结构具有在燃烧期间保证足量的碳烟被氧 化的尺寸和尺寸关系，以最小化可用于排放到排气系统内的碳烟。能
够实现这一点而不增加NOx的生成。
根据本发明，通过提供具有燃烧室布置结构的发动机，可以实现 上述目的和其他更详细的目的，所述燃烧室布置结构具有包括特定的 燃烧室尺寸和尺寸关系的燃烧室设计参数的一些预定组合。例如，在
优选实施例中，具有燃烧室的发动机包括发动机机体，该发动机机
体包括发动机气缸、形成燃烧室内表面的气缸盖和形成在气缸盖内用 于在运行期间将进气以无涡流效应或低涡流效应的方式引导到燃烧室
内的至少一个进气口；活塞，该活塞定位为在所述发动机气缸内在下
止点位置和上止点位置之间往复运动，所述活塞包括具有面向燃烧室 的上表面的活塞冠，所述活塞冠包括由向外开口的腔形成的活塞碗，所述活塞碗包括突出部，该突出部具有远端和内碗底板部分，该内碗 底板部分与垂直于活塞的往复运动轴线的平面成正的内碗底板角(a ) 地向内延伸，所述活塞碗还包括向外展开的外碗部分，该外碗部分在 横截面内具有凹入的曲线形状；喷射器，该喷射器邻近所述活塞碗的 所述突出部地安装在发动机机体上，以将燃料以高喷射压力喷射到燃 烧室内，所述喷射器包括布置为形成最终变成火焰的燃料喷雾羽流的 多个孔。本发明的一个优选实施例的特征在于，所述多个孔中的每一 个均具有定向为与垂直于活塞的往复运动轴线的平面成正喷雾角的中
心轴线，所述正喷雾角足以使喷雾/火焰冲击在所述外碗部分上，并且 所述外碗部分的曲线形状使得所述孔的所述中心轴线的所述冲击的反 射角至少在喷射开始期间为正，以增加喷雾/火焰的切向运动和竖直向 上引导的运动之间的平衡，并在循环后期保留混合能量以用于提高碳 烟氧化。
在本发明的进一步开发的实施例中，所述喷射器布置为以iooo至
3000 bar范围内的平均喷射压力喷射燃料。在更优选的实施例中，所述 平均喷射压力在1500至2500 bar的范围内。
在本发明的一个更优选的实施例中，所述中心轴线布置为在整个 喷射期间冲击所述外碗部分。
在本发明的另一个更优选的实施例中，所述外碗部分的曲线形状 具有在0.054至0.117的无量纲范围内的半径，且通过该无量纲范围的 数字，能够为具有特定发动机气缸容积的发动机提供长度测量值范围， 这通过将所述半径的所述无量纲数字与所述特定发动机的气缸容积的 三分之一次方相乘得到。在本发明的更优选的实施例中，所述半径在 0.066至0.101的范围内。无量纲换算方法在下文中有进一步描述。
在本发明的另一个更优选的实施例中，当所述活塞处于上止点位 置时，所述冲击的所述反射角在>0至50度的范围内。在本发明的另一个更优选的实施例中，上止点位置时的反射角(Y )在1(KY〈35度的 范围内。
在本发明的又一个优选实施例中，所述冲击的所述反射角在喷射
开始期间和所述喷射的大部分期间在>0至50度的范围内，并且所述反
射角在喷射结束期间略微为负。在本发明的另一个优选实施例中，在
喷射开始期间，反射角(Y)在1(KY〈35度的范围内。
在本发明的又一个优选实施例中，在整个喷射期间，所述冲击的
所述反射角在>0至50度的范围内。在本发明的另一个优选实施例中， 在整个喷射期间反射角(y)在1(KY。5度的范围内。
在本发明的另一个优选实施例中，所述孔的个数为4个或更多， 并且在另外的实施例中为5个至7个。
在本发明的另一个更优选的实施例中，所述涡流效应产生在0.0 至0.7范围内的涡流比。
在本发明的另一个更优选的实施例中，内碗底板部分相对于喷雾 轴线的几何形状布置为如下方式，使得在内碗底板部分和喷雾轴线之 间有足够的容量和距离，从而避免喷雾的喷嘴附近的未点燃部分与内 碗部分之间的干扰接触。
在本发明的另一个更优选的实施例中，所述喷射的燃料在喷射时 被布置为在所述燃烧室内与所述进气形成混合物，且所述混合物在被 所述活塞压縮时自燃。
在本发明的另一个更优选的实施例中，所述发动机被布置为将再 循环排气的预定部分添加到所述进气内，所述部分适于使产生于所述 燃烧的氮氧化物排放保持低于选定的低水平。本发明另外的有利实施例从权利要求l后的从属权利要求中得到。


下面将参照附图更详细地描述本发明，所述附图出于示例性目的 示出了本发明另外的优选实施例并且也示出技术背景，在附图中
图l示意性示出本发明实施例的内燃机中的活塞和气缸的剖视图2a示意性示出图1中活塞的右半部分，带有根据本发明的喷雾 几何中心轴线的反射角；
图2b示出本发明实施例的活塞位置与喷雾几何中心轴线的反射角 之间关系的曲线图3示意性示出图1中活塞的俯视图，带有根据本发明实施例的 喷雾/火焰流；
图4示意性示出图3中的喷雾/火焰流的相应的侧视图； 图5a至图5i三维地示意性示出根据本发明的活塞，其中在燃料喷 射和燃烧过程期间，气缸处于九种不同的现场情况。
具体实施例方式
为理解根据本发明的燃烧室7的独特的物理特性，首先关注图1 和2a，该图l和2a示出实现本发明的出乎意料的降低排放的优点所需 的各种物理特性或参数。
在图1中，示出了内燃机1的示意图，该内燃机1被设计为根据 柴油机过程而工作。发动机1包括气缸2和活塞3，该活塞3在气缸2 内往复运动且连接到曲轴4，使得活塞3被设定为在上止点和下止点位 置处在气缸2内反向。众所周知，气缸腔的一端被发动机气缸盖14封 闭。活塞3在其上表面5内设有活塞碗6，该活塞碗6与气缸盖14的 内表面21以及气缸2的壁一起形成燃烧室7。在气缸盖14内，布置有 一个或多个进气口 9。各个进气口 9和气缸2之间的连接能够通过布置 在每个进气口 9内的进气门IO来打开和关闭。在气缸盖内也布置有一个或多个排气口 11。各个排气口 11和气缸2之间的连接能够通过布置
在每个排气口 11内的排气门12来打开和关闭。气门10和11的打开和 关闭可利用活塞3的往复运动通过机械凸轮或液压促动系统或其他动 力系统以仔细控制的时间序列来实现。
在气缸盖14内布置有至少一个燃料喷射器13，通过该燃料喷射器 13，燃料作为燃料喷雾喷射到气缸2内，使得燃料与气缸2内压缩的 气体混合以形成燃料/气体混合物，该燃料/气体混合物通过气缸2内生 成的压縮热而点燃。喷雾的被点燃部分形成火焰。在喷射期间，最靠 近喷射器的带有新喷入燃料的一部分喷雾尚未开始燃烧。燃料优选以 非常高的压力喷射。喷射器13包括多个小喷射孔(未示出)，所述多 个小喷射孔形成在喷射器13的喷嘴组件的下端内，用于允许高压燃料 从喷射器13的喷嘴腔以非常高的压力流动到燃烧室7内，以使燃料与 高温压縮的进气在燃烧室7内完全混合。应当理解，喷射器13可以是 能够以下文描述的方式通过多个喷射器孔将高压燃料喷射到燃烧室7 内的任何类型的喷射器。此外，喷射器13可以包括容纳在喷射器体内 的用于在柱塞组件的前进行程期间产生高压的机械促动式柱塞。替代 地，喷射器13可以从诸如泵-管线-喷嘴系统中的上游高压源接收高压 燃料，所述上游高压源包括一个或多个高压泵和/或高压促动器和/或燃 料分配器。喷射器13可以包括电促动的喷射控制阀，该喷射控制阀将 高压燃料供给到喷嘴阀组件以打开喷嘴阀元件，或控制高压燃料从喷 嘴阀腔的排出以在喷嘴阀元件上产生压力平衡，从而使喷嘴阀元件打 开和关闭以形成喷射行为。例如，喷嘴阀元件可以是常规的通过燃料 压力促动的由弹簧偏置关闭的喷嘴阀元件。燃料喷射器13优选居中布 置在气缸盖中，因此燃料喷射器的几何中心轴线与气缸的几何中心轴 线15重合，气缸的几何中心轴线15也是活塞3的往复运动轴线，如 图1所示。
图1所示的内燃机1根据四冲程原理工作。发动机1优选包括多 个气缸2，每个气缸2均设有活塞3，其中每个活塞3通过连杆连接到公共曲轴4并因此使活塞在发动机曲轴4旋转时沿直线路径在气缸2 内往复运动。
图1示出在上止点(TDC)位置之前大约45度的活塞3的位置。 当曲轴被定位为将活塞移动到离曲轴的旋转轴线最远的位置时实现了 TDC位置。以常规的方式，活塞在前进通过进气冲程和做功冲程时从 上止点位置移动到下止点(BDC)位置。为了本公开内容的目的，词 语"向上"和"向上地"对应于离开发动机曲轴的方向，而词语"向 下"和"向下地"对应于朝着发动机曲轴或活塞的下止点位置的方向。
在最上方的TDC位置处，活塞3刚完成其向上的压縮冲程，在该 压縮冲程期间被允许从进气口 9进入燃烧室7的进气被压縮，从而使 该进气的温度升高到发动机燃料的点燃温度以上。在此，此位置被视 作开始活塞3的整个720度四冲程循环中的膨胀/压縮冲程的360度位 置。可以通过在发动机的进气歧管内提供增压压力来提高进入燃烧室 中的进气量。此增压压力例如通过涡轮增压器(未示出)提供，该涡 轮增压器(未示出)由以发动机排气为动力的涡轮机驱动，或可以由 发动机的曲轴驱动。
本发明的发动机包括如下文所述的被设定尺寸、形状和/或相对于 彼此定位的燃烧室部件和特征，以有利地将微粒物(PM)降低到新法 规标准或低于该标准的水平，同时保持可接受的燃料经济性。本发明 特别针对降低碳烟排放。碳烟是PM的一部分。
特别地，燃烧室部件和特征的尺寸、形状和/或相对定位使得燃料 喷雾或燃烧的气缸气火焰的动量在其从喷射器沿略向下方向跟随内底 板碗部分19和外碗部分20的形状和进一步向上直至与气缸盖的内表 面21发生冲击的路径上尽可能长保留，因此在随后的燃烧情况中保证 碳烟的充分氧化。另外，燃烧室部件和特征的尺寸、形状和/或相对定 位使得在燃料喷雾/火焰的竖直(主要向上)动量和切向(在垂直于轴线15的平面内指向)动量之间实现预定水平的平衡。根据本发明，达 到此平衡是重要的，以便能够实现非常低的碳烟排放水平。将控制该 平衡的参数选择为使得喷雾/火焰在其冲击外碗部分20后主要沿向上 方向朝着气缸盖的内表面21引导，以最小化动量损失。
优选地，火焰的竖直和切向运动在刚与外碗部分20冲击后形成扇 形图案(也见图5d，在下文中说明)，其中大约1/3的火焰运动被向上 引导，如图4中的Y所示，而其余部分被沿切向方向引导，如图3中 以Xk指示右转部分并以Xl指示左特部分。如下文描述的燃烧室部件 和特征的尺寸、形状和/或相对定位导致燃烧室能够在燃料喷射的初始 阶段期间以及在活塞3的做功冲程期间和喷射结束后导致的气体的燃 烧和膨胀的初始期间，形成、引导、控制和产生所喷射的燃料以及燃 烧室7内的所有燃烧中的燃料/气缸气体混合物(火焰)的大部分的图 案，以实现非常高的碳烟排放降低。
更具体地，活塞3的上部分可以称为活塞冠16。活塞冠16包括部 分形成燃烧室7的上表面5和由向上开口的腔体形成的活塞碗6。活塞 碗6包括优选定位于碗6的中心处或中心附近的突出部17。突出部17 包括远端18，该远端18在图1所示的优选实施例中定位在活塞碗6的 中心处并因此沿活塞3的往复运动轴线15定位。突出部17也包括与 垂直于活塞3的往复运动轴线的平面成内碗底板角a地从突出部17向 下延伸的内碗底板部分19，如图1所示。
活塞碗6也包括向上展开的外碗部分20，该外碗部分20在直径横 截面内具有大致凹入的曲线形状。外碗部分20在燃烧室内有效地成形
和引导燃料/空气混合物或火焰流。
图2a示意性示出图1中活塞的碗形形状的右半部分，带有喷雾的 几何中心轴线30 (以下称为喷雾轴线)的反射角y和喷雾轴线角(以 下称为喷雾角)P 。外碗部分20设计有特定的半径R4和特定的半径中心CRJ立置。D,进一步示出远端18和喷射器13内的数个喷雾轴线的 交叉点C之间的距离。距离D2指示喷射的持续时间和喷雾轴线冲击点 在活塞3向下移动期间的改变/移动。D2的开始和结束位置取决于持续 时间(待喷射的燃料量)和喷射正时。R2指示将外碗20与活塞3的上 表面5连接的唇部或边缘的半径。半径R2的中心指示为CR2。 R3指示 活塞碗半径。虽然燃烧室的一般形状在现有技术中有先例，但导致本 发明的改进的功能性的是特定的构造，且更重要的是在下文中描述的 关键尺寸和尺寸关系。
根据本发明，喷雾角p应选择为使得喷雾轴线30至少在喷射开始 期间冲击外碗部分20。同时，指示外碗部分的形状的参数R^和活塞碗 半径R3应选择为使得反射角Y至少在喷射开始期间为正，并优选在随 后的大部分喷射期间为正。R3在0.33至0.39的无量纲范围(见下文的 说明)内，优选为0.35至0.37。优选地，在喷射开始期间，反射角y 能够选择在0<Y<50度的范围内。本申请人已发现，在整个喷射期间 在0<Y<50度的范围内的反射角给出最低的碳烟排放水平。根据本发 明的一个实施例，反射角能够在喷射的大部分期间为正，而仅在接近 喷射结束期间为负。在本发明的更优选的实施例中，反射角在10<Y<35 度的范围内。
在图2b中示出反射角Y在喷射期间如何变化的例子。x轴线示出 发动机的曲轴转角CA。 SOI指示喷射开始且EOI指示喷射结束。在示 出的例子中，SOI在大约356度时发生，即在TDC前4度发生，且EOI 在大致382度处发生。在示出的例子中，反射角大致在SOI处大致为 29度，且在TDC处增加到最大值31度，然后曲线转向下，在EOI处 结束为10度反射角。根据本发明，当喷雾/火焰流沿外碗部分20流动 时，在喷射期间的正反射角使喷雾/火焰流的动量损失最小。当由于与 外碗部分20冲击而迫使喷雾/火焰流改变方向时，更接近上范围极限的 反射角一般给出更低的喷雾/火焰流的动量损失。除了喷射正时和喷射 持续时间之外，喷射期间的反射角的值强烈依赖于数个几何参数的选择，例如DpR,、 P和活塞碗半径R3。
如前所述，燃料应以高喷射压力喷射。优选的平均喷射压力区间
为1000至3000 bar，且更优选在1500至2500 bar的范围内。喷射压力 是保证喷雾/火焰流在沿内碗底板部分、外碗流动部分、与气缸盖的内 表面冲击的运动中特别是在气缸气体在EOI之后的运动中具有高动量 的重要参数。
用于控制排放的另一个燃烧室参数是由进气口 9产生的空气流的 涡流比。涡流比SR是绕燃烧室7旋转的空气的切向速度除以发动机转 速的比值。即涡流比是空气从气缸盖14的进气口 9进入发动机气缸时 的切向运动的测量值。确切地讲，术语"涡流比"指的是在进气门关 闭时空气的平均缸内角速度除以气缸活塞角速度。例如，以1800 rpm 运行的具有气缸盖的发动机生成涡流比为2的空气运动时意味着在
进气门关闭时缸内的空气以3600 rpm的平均角速度旋转。涡流比越高 则空气或空气燃料混合物的涡流效应越大，而涡流比越低则涡流效应 越小。涡流效应是一般的切向运动，在被活塞3压縮时，该切向运动 产生湍流并有助于燃烧过程。根据本发明，为能够在整个燃烧期间确 保对喷雾/火焰运动的控制，应尽可能小地干扰由喷射压力产生的动量。 因此，根据本发明，低涡流优选能够实现本发明的最大优点。在本说 明书中，低于l.O的涡流被认为是低涡流。本申请人已发现低于0.7的 涡流比是优选的，且甚至更优选的是低于0.5的和低至0的涡流比。
外碗部分20设计有特定的半径！^和特定的半径中心C&位置， 以保证喷雾羽流与气缸盖14的内表面21以合适的方式相互作用，以 保证特别是在燃烧过程后期碳烟的适当混合和燃烧。具体地，半径& 能够选择在0.054至0.117的无量纲范围内，且优选在0.066至0.101
的无量纲范围内。从根据下式的长度和体积比例之间的关系<formula>formula see original document page 15</formula>(1)
能够通过调整上述式(1)来获得无量纲因数e
<formula>formula see original document page 16</formula>
(2)
通过选择带有以立方毫米为单位的特定发动机气缸容积的发动 机，无量纲范围的数字能够转换为例如毫米的长度测量值，即，将所 述半径的所述无量纲数字与所述特定发动机的气缸容积的三分之一次 方相乘，即半径=(无量纲数字)*(气缸容积)'/3。例如，第一提及的范围
的上限(即0.08)与2.0升/气缸的气缸容积一起给出如下的上限半径 i= ￡*F1/3 =0.08*(2.0*106;>1/3 =10.1ww
以相应的方式，在此说明书中所述的其他参数能够从所述无量纲 范围转换，以用于不同发动机尺寸的不同参数。
通过将&的大小和CA的位置组合，本发明得到具有向上展开的 外碗部分20，该向上展开在喷雾羽流/火焰跟随外碗部分20且向上朝 着气缸盖的内表面21改变方向时能够控制该喷雾羽流/火焰的动量。在 替代实施例中，外碗部分20的形状不需要符合圆半径。替代地，外碗 部分的形状能够沿其外形改变半径。
特别地，CR,的位置和&的大小保证从活塞碗6的半径为R2的上 边缘滚动开的火焰具有足够的动量以被引导到气缸盖20内，从而导致 碳烟的适当程度的混合和氧化。外碗部分20特别设计为防止喷雾/火焰 的动量不足，动量不足可能导致喷雾/火焰的不希望的驻留而非与气缸 盖相互作用，由此导致碳烟的不充分混合和燃烧。这通过具有足够大 的R,来实现，从而导致外碗部分20中的弯曲，以产生并保持喷雾/火 焰内的动量。外碗部分20也设计为防止喷雾/火焰内的沿一个或多个方 向的过大动量，这将导致喷雾/火焰与其他方向相比沿某一方向前进过 多，从而导致喷雾/火焰的不希望的驻留，并因此导致增加的碳烟排放。根据本发明，在喷雾/火焰的运动方向之间应该存在一种平衡。因 此，Ri设计为调节喷雾/火焰的动量以保证喷雾/火焰具有足够的动量以 与气缸盖相互作用，并以预定方式(见另外的图5f和如下描述)反射
回或再循环到燃烧室7的开放空间内。成比例地小的R,趋向于降低燃 烧羽流的动量。
外碗部分20的邻近半径为R2的边缘的上竖直表面22优选平行于 活塞3的几何中心轴线竖直延伸，或相对于活塞15的往复运动轴线略 向内或略向外延伸，以影响火焰到气缸盖的流动情况和另外的火焰再 循环过程的形成。外碗部分20的曲线形状可以通过具有曲率半径Rj 的表面来形成，该表面终止于半径为R2的边缘前，而外碗部分20的上 竖直表面22从具有曲率半径的表面垂直于半径为R2的边缘切向延 伸。优选地，C&定位在上表面5下方，且优选上部竖直表面22不以 将气体朝着气缸2的壁向外引导的方式与半径为R2的边缘交叉。以此 方式，增强对喷雾/火焰的正确控制和与气缸盖的相互作用的控制，同 时防止与气缸壁的相互作用，由此降低在气缸2的缸套上积碳的风险， 这是由于根据本发明的火焰控制将大部分火焰朝着往复运动轴线15向 内引导。
如在上文中已间接提及的，本发明主体的重要方面涉及将每个孔 的中心轴线定向为喷雾角P ，该喷雾角P是在垂直于活塞的往复运动 轴线的平面和每个喷雾的中心轴线30之间测得的角度(图2a)，使得 喷雾轴线30至少在SOI期间冲击在外碗部分20上。内碗底板部分19 相对于喷雾轴线13的几何形状使得在内碗底板部分和喷雾轴线30之 间有足够的容积和距离，从而避免所述喷雾的喷嘴附近的未点燃部分 与内碗部分之间的干扰接触。此作用导致喷雾轴线30被朝着外碗部分 20引导而与内碗底板部分接触最少，由此避免干扰喷雾的点燃。以此 方式，对于最大化直至喷雾/火焰冲击外碗部分前的喷雾/火焰动量的保 留有贡献。从突出部17的远端18到喷射器13内的数个喷雾轴线的交叉点C测得的竖直距离在图2a中以Dl指示。
明显影响碳烟排放的另一个重要的燃烧室参数是喷射器13内的喷 射或喷雾孔的数量。根据本发明，至少四个喷射孔用于将燃料输送到 燃烧室7。优选地，能够使用五个至七个喷射孔。喷射孔的数量N对于 在喷雾/火焰的竖直动量和切向动量之间产生上述适当平衡是关键的。 如果喷射孔过多，则喷雾轴线冲击(与外碗部分)的不同点之间的距 离将变得彼此过于接近，使得可限制喷雾在水平面内的平滑的回转运 动(再循环)，并且向上的竖直运动变得更强，这可产生几乎失去所有 动量的喷雾/火焰区域，因此将降低随后的碳烟氧化。影响再循环的另 一个重要参数是燃料供给速度。
能够设定为帮助最小化动量损失风险的另一个燃烧室参数是从喷 射器13内的喷射孔的出口孔的中心到气缸盖14的内表面21测得的竖 直距离(未示出)。即，所述距离表示喷射孔突入到气缸盖14下方的 燃烧室7内的距离。本申请人已发现，此距离的范围应优选为至少0.008 (无量纲)，以在喷射的初始阶段期间使喷雾/火焰从气缸盖14的表面 离开，其方式与喷雾/火焰不应靠近内碗底板部分19 (见以上描述)相同。
另一个关键的燃烧室参数是燃烧碗6的唇部或边缘处的曲率半径 R2，如图2a所示。虽然在图2a中仅在沿边缘的一个点处示出半径R2， 但应当理解，R2沿着绕活塞碗6的外周的整个边缘形成。R2优选在0.02 至0.08的无量纲范围内。上限0.08对于在火焰流动离开外碗部分20 时维持对火焰流动方向的控制是重要的。
为了增加对本发明的喷雾/火焰控制的理解，图5a至图5i三维地 示意性示出根据本发明的活塞3，其中在燃料喷射和燃烧过程期间，即 从TDC前大约5度到燃烧过程后期的时间点，即到TDC以后的很长时 间，气缸2处于九种不同的现场情况。在图5a至图5i中以虚线指示两个邻近地定位的喷雾的喷雾轴线30的开始。为了提高图5a至图5i的 清晰性，仅示出数个喷雾中的两个。
图5a示出喷射的开始(SOI)。存在点火延迟，该点火延迟发生在 SOI和燃料点燃之间。
图5b示出燃烧开始(SOC)。白色区域指示燃烧中的气缸气体火焰。
图5c示出火焰冲击外碗部分20 (FlameToWall)的时刻。左侧火 焰的运动方向(相应适用于右侧火焰)以箭头指示。因此，火焰从喷 射器13朝着外碗部分20移动。图5d示出火焰彼此相遇(FlameToFlame) 的时刻。撞击以四个箭头中的相互指向的两个箭头指示。根据本发明， 当火焰在与外碗部分第一次冲击(图5c)之后以太阳扇形图案展开时， 实现竖直和切向运动之间的平衡，如图5d所示。这通过在所述范围内 选择上述参数来实现。图5d中的竖直箭头对应于图4中的Y，而图5d 中指向右侧的箭头对应于图3中的Xr，最后，图5d中指向左侧的箭头 对应于图3中的Xl。
图5e示出火焰冲击气缸盖的内表面21 (FlameToHead)的时刻。 这通过火焰内的虚线区域指示。在所述虚线区域内，火焰与气缸盖14 的内表面21接触。左侧火焰内的两个箭头指示火焰沿所述内表面21 的主要运动。
图5f示出对于本发明重要的火焰再循环，该火焰再循环由 FlameToHead和FlameToFlame的相互作用引起，并且是主要在所述范 围内选择上述参数使得在竖直和切向火焰运动之间实现所述平衡的结 果。对所述参数的特定选择控制着所述火焰再循环的时刻和位置，尤 其在图5f中示出，但也在图5g至图5i中示出。特别地，对称的 FlameToFlame相互作用产生有用的火焰再循环旋涡。箭头指示被引导回到燃烧室7内的火焰再循环的运动方向。由于对称驱动地产生由
FlameToFlame引起的漩涡，在此，低涡流间接是更充分混合的原因。 邻近的火焰实际上相互撞击且彼此推动，以最终朝着往复运动轴线15 运动。由于有足够的混合能量(动量)剩余，此火焰再循环有助于使 最后喷射的(且产生碳烟的)燃料混合并燃烧，且因此也在燃烧过程 后期将碳烟氧化。
图5g示出喷射结束(EOI)，因此来自喷射压力的动量已结束且气 缸气体的进一步运动主要取决于更早提供的来自喷射压力的动量。
图5h示出EOI之后由于气缸气体/火焰的强力混合而导致的碳烟 氧化和喷雾稀释。
图5i示出后期在燃烧后富含袋(pocket)的碳烟氧化，本发明的 目的是通过控制喷雾/火焰运动来增加所述碳烟氧化，其目的是在EOI 后尽可能长时间地保留气缸气体内的动量。
本发明的一个重要优点是能够存在低温碳烟后氧化而无明显的氮 氧化物(NOx)的形成。本发明的用于降低微粒/碳烟排放的不同实施 例能够有利地与用于降低NOx的不同的已知废气后处理设备(还有碳 烟捕获器)结合，以更进一步降低NOx排放。本发明也能够有利地与 废气再循环(EGR)装置结合，由此能够与微粒/碳烟排放无关地控制 NOx排放的水平(例如，见EP1216347)。
与常规的发动机设计相比，在指定范围内选定的上述燃烧室参数 的组合提供了降低碳烟/微粒排放的优点，特别包括满足与碳烟尤其相 关的新排放标准。本发明的燃烧室7特别包括正反射角Y、低涡流和 高喷射压力，且能够与一个或数个其他上述参数的正确选择相结合来 进一步增强本发明的积极效果。本申请中提供的无量纲范围能够应用于客车尺寸的发动机且应用 于直至大型船舶的发动机尺寸。
不应认为本发明限于上述实施例，而是在如下的专利权利要求的 范围内可构思多个另外的变体和修改。
权利要求
1.一种具有燃烧室(7)的内燃机(1)，包括发动机机体，该发动机机体包括发动机气缸(2)、形成燃烧室(7)的内表面(21)的气缸盖(14)和形成在气缸盖(14)内用于在运行期间将进气以无涡流效应或低涡流效应的方式引导到所述燃烧室内的至少一个进气口(9)；活塞(3)，该活塞(3)定位为在所述发动机气缸(2)内在下止点位置和上止点位置之间往复运动，所述活塞包括具有面向所述燃烧室的上表面(5)的活塞冠(16)，所述活塞冠包括由向外开口的腔形成的活塞碗(6)，所述活塞碗包括突出部(17)，该突出部(17)具有远端(18)和内碗底板部分(19)，该内碗底板部分(19)与垂直于活塞(3)的往复运动轴线(15)的平面成正的内碗底板角(α)地向下延伸，所述活塞碗还包括向外展开的外碗部分(20)，该外碗部分(20)在横截面内具有凹入的曲线形状；喷射器(13)，该喷射器(13)邻近所述活塞碗的所述突出部安装在发动机机体上，以将燃料以高喷射压力喷射到所述燃烧室内，所述喷射器包括布置为形成最终变成火焰的燃料喷雾羽流的多个孔，其特征在于，所述多个孔中的每一个均具有定向为与垂直于所述活塞的往复运动轴线的平面成正喷雾角(β)的中心轴线(30)，所述正喷雾角(β)足以使喷雾/火焰冲击在所述外碗部分(20)上，并且所述外碗部分的曲线形状使得所述中心轴线(30)的所述冲击的反射角(γ)至少在喷射开始期间为正，以增加喷雾/火焰的切向运动和竖直向上引导的运动之间的平衡，并在燃烧循环后期保留混合能量以用于提高碳烟氧化。
2. 根据权利要求l所述的内燃机，其特征在于，所述喷射器(13) 布置为以1000至3000 bar范围内的平均喷射压力喷射燃料。
3. 根据权利要求2所述的内燃机，其特征在于，所述平均喷射压力在1500至2500 bar的范围内。
4. 根据前述权利要求中的任一项所述的内燃机，其特征在于，所 述孔的所述中心轴线(30)被布置为在整个喷射期间冲击所述外碗部 分(20)。
5. 根据前述权利要求中的任一项所述的内燃机，其特征在于，所 述外碗部分的曲线形状具有在0.054至0.117的无量纲范围内的半径(R。，且通过该无量纲范围的数字，能够为具有特定发动机气缸容 积的发动机提供长度测量值范围，这通过将所述半径的所述无量纲数 字与所述特定发动机的气缸容积的三分之一次方相乘得到。
6. 根据前述权利要求5所述的内燃机，其特征在于，所述外碗部 分的曲线形状具有在0.066至0.101的无量纲范围内的半径(R。。
7. 根据权利要求5或6所述的内燃机，其特征在于，所述外碗部 分的曲线形状具有沿其外形大致恒定的半径(R。。
8. 根据权利要求5或6所述的内燃机，其特征在于，所述外碗部 分的曲线形状具有沿其外形变化的半径(R。。
9. 根据前述权利要求中的任一项所述的内燃机，其特征在于，当 所述活塞(3)处于上止点位置时，所述冲击的所述反射角(Y)在>0 至50度的范围内。
10. 根据前述权利要求中的任一项所述的内燃机，其特征在于， 所述冲击的所述反射角(Y)在喷射开始期间和所述喷射的大部分期 间在>0至50度的范围内，并且所述反射角(Y)在喷射结束期间略微 为负。
11. 根据权利要求1至9所述的内燃机，其特征在于，在整个喷 射期间，所述冲击的所述反射角(Y)在>0至50度的范围内。
12. 根据前述权利要求中的任一项所述的内燃机，其特征在于， 所述冲击的所述反射角(Y )在10<￥<35度的范围内。
13. 根据前述权利要求中的任一项所述的内燃机，其特征在于， 所述孔的个数为4个或更多。
14. 根据前述权利要求13所述的内燃机，其特征在于，所述孔的 个数为5个至7个。
15. 根据前述权利要求中的任一项所述的内燃机，其特征在于， 所述涡流效应产生在0.0至0.7范围内的涡流比。
16. 根据前述权利要求中的任一项所述的内燃机，其特征在于， 内碗底板部分(19)相对于喷雾轴线(30)的几何形状布置为如下方 式，使得在所述内碗底板部分和喷雾轴线(30)之间有足够的容积和 距离，从而避免所述喷雾的喷嘴附近的未点燃部分与内碗部分之间的 干扰接触。
17. 根据前述权利要求中的任一项所述的内燃机，其特征在于， 所述喷射的燃料在喷射时被布置为在所述燃烧室内与所述进气形成混 合物，且所述混合物在被所述活塞压縮时自燃。
18. 根据前述权利要求中的任一项所述的内燃机，其特征在于， 所述发动机(1 )被布置为将再循环排气的预定部分添加到所述进气内， 所述部分适于使产生于所述燃烧的氮氧化物排放保持低于选定的低水平。
全文摘要
一种内燃机(1)，包括燃烧室(7)、用于将进气以无涡流或低涡流的方式引导到燃烧室内的至少一个进气口(9)；具有活塞碗(6)的活塞(3)；喷射器(13)，该喷射器(13)具有布置为以高喷射压力喷射燃料从而形成喷雾羽流的多个孔，所述多个孔中的每一个均具有定向为正喷雾角(β)的中心轴线(30)，该正喷雾角(β)足以使喷雾/火焰冲击在活塞外碗部分(20)上，并且所述外碗部分的曲线形状使得所述中心轴线(30)的所述冲击的反射角(γ)至少在喷射开始期间为正，以增加喷雾/火焰的竖直向上引导的运动和切向运动之间的平衡，并在燃烧循环后期保留混合能量，以用于提高碳烟氧化。
文档编号F02B23/06GK101568709SQ200680056852
公开日2009年10月28日 申请日期2006年12月28日 优先权日2006年12月28日
发明者让·埃斯马克, 迈克尔·巴尔萨尔 申请人:沃尔沃拉斯特瓦格纳公司