专利名称：用于降低车辆内燃机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。本发明特别涉及用于特别 降低内燃机中的碳烟排放以及一氧化碳和碳氢化合物排放的这种装置，在内燃机中燃料/ 气缸气体混合物通过气缸内由压缩生成的热而点燃。
背景技术：
碳烟微粒(或粒子)是燃烧期间能够形成且基本上能够被氧化为二氧化碳(CO2) 的产物。排气内测量到的碳烟微粒的量是所形成的碳烟和被氧化的碳烟之间的净差。过程 非常复杂。在高温下以不良混合的燃料富集的燃料/空气混合物进行的燃烧产生高的碳烟 形成。如果将所形成的碳烟微粒能够与例如氧原子(0)、氧分子(O2)、羟基(OH)的氧化物质 在对于良好的氧化速度足够高的温度下置于一起，则碳烟微粒的更多部分能够被氧化。在 柴油发动机中，氧化过程被考虑为处于与形成相同的量级，这意味着净碳烟产物是碳烟的 形成量和碳烟的氧化量之间的差异。因此能够首先通过降低碳烟的形成且其次通过增加碳 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。但如果未燃烧的燃料在相对冷的区域内结束则能够升高百分比。这样的区域 特别是位于靠近气缸壁的具有强化冷却的区。另一个例子是活塞和气缸套之间的腔。氮氧化物(NOx)由空气内的氮成分在热过程中形成，所述氮氧化物的形成具有强 的温度依赖性，且取决于被加热的体积和过程的持续时间。其中燃料直接喷射到气缸内且通过气缸内升高的温度和压力而被点燃的燃烧过 程一般称为柴油机过程。当燃料在气缸内被点燃时，存在于气缸内的燃烧气体经历与燃烧 中燃料的湍流，使得形成由混合物控制的扩散火焰。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，且所述膨胀因此导致活塞在气缸内移动。根据多个参 数，例如燃料喷射压力、再循环到气缸内的排气的量、燃料喷射时间和气缸内存在的湍流获 得了不同的效率值和发动机排放值。如下给出了两个现有技术的设备的例子，所述设备通过控制火焰且试图抑制碳烟 排放和氮氧化物排放之间的已熟知的“消长关系”而力图降低碳烟和NOx排放，所述碳烟排 放和氮氧化物排放在柴油机中是典型的，且难于影响所述“消长关系”。降低碳烟排放的大 多数措施使氮氧化物排放升高。EP1216347示出了用于通过控制燃烧火焰来控制内燃机内的燃烧过程的设备，其 目的是降低碳烟和NOxW排放。带有足够高的动能(高喷射压力)的燃料被喷射到燃烧室 内，以向喷雾提供动能，其方式使得实现了喷雾内混合过程以及燃料和气缸气体之间的大 程度全局混合过程，因此将碳烟排放保持为低于选择的水平。再循环的排气的部分被选择， 使得将氮氧化物的排放保持为低于选择的水平。US6732703示出了用于最小化NOx排放和碳烟微粒的设备。在此，在喷射期间燃料 喷雾撞击内部碗状底部部分，以将燃烧冷却且因此降低NOx的生成。燃料以高压喷射且活 塞成形为保持喷雾羽流/火焰和燃料/空气混合物的动量，使得在燃烧过程后期发生可利
4用的氧与碳烟的良好混合。在周向火焰行进期间，当喷雾羽流撞击内部碗状底部部分时且 当两个邻近的火焰相互撞击时损失了大量动量。US5215052披露了用于改进燃料/空气混合物的设备和燃烧空间内周向方向上降 低的火焰膨胀流动损失。这通过如下方式实现，即为活塞提供浅的活塞凹陷且在凹陷底部 提供沉陷，使得沉陷具有相对于活塞凹陷的周向方向且主要在垂直于活塞往复运动的平面 内的皱褶形状。当火焰在垂直于活塞往复运动的周向方向上行进时仍将损失大量动量。此 布置不适合于促进后期碳烟的氧化。JP59010733披露了在活塞碗状部的顶部和内侧处带有突起10的燃烧室8。对于 每个喷雾存在一个突起。每个燃料喷雾指向其突起，以当喷雾溅射在突出时增加喷雾沿活 塞碗状部的周向壁的流动速度。特别地，在周向火焰行进期间当邻近的火焰相互撞击时，大
量动量损失。鉴于内燃机的未来排放法规，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，且提供一种包含燃烧室设备的 内燃机，所述燃烧室设备设计为将不希望的碳烟排放充分降低以满足新的法规极限。因此， 本发明的重要目标是通过促进有效的火焰再循环且因此“节约”混合能量以最终将碳烟和 剩余的燃料氧化来最小化碳烟的量。碳烟降低对于例如柴油的燃料是特别重要的。本发明 进一步有助于降低一氧化碳(Co)和碳氢化合物(HC)排放。对于例如DME (二甲醚)的燃 料，CO和HC的降低变得特别重要。本发明的另一个目的是提供一种发动机，其中燃烧室设备的多种特征的形状、位 置和尺寸导致喷雾/火焰冲击且接触外部碗状部分内的活塞碗状部表面，且为优化火焰移 动中的动能保持，主要将喷雾/火焰在垂直于活塞往复运动的平面内引导。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，所述柴油机能 够在运行带有明显的碳烟排放改进，同时也满足对于商用发动机的机械设计约束。本发明的更特定的目的是提供一种发动机，所述发动机包括具有保证在燃烧期间 将充分量的碳烟氧化以最小化排放到排气系统的碳烟的尺寸和尺寸关系的燃烧室。这能够 在不增加NOx生成的情况下实现。根据本发明，以上目的和更详细的目的可以通过提供带有燃烧室的发动机实现， 所述发动机包括发动机本体，该发动机本体包括发动机气缸、形成燃烧室内表面和至少一 个进气口的气缸盖；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，所述活塞包括活塞顶，所述活塞顶包括面向燃烧室的上表面，所述活塞顶包 含由向外敞开的腔形成的活塞碗状部，所述活塞碗状部包括具有远端端部的突出部分和内 部碗状底部部分，所述内部碗状底部部分从垂直于活塞的往复轴线的平面以正的内部碗状 底部角向下延伸，所述活塞碗状部还包括向外展开的、在横截面内具有凹入曲线形状的外 部碗状部分；喷射器，该喷射器安装在发动机本体上且邻近所述活塞碗状部的所述突出部 分，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燃料喷雾羽流的 多个孔，所述喷雾羽流在行进期间变成被点燃的火焰，所述火焰在所述外部碗状部分上在预定的冲击区域冲击。本发明的特征在于，在喷射的大多数时间内，所述冲击区域在外部碗 状部分内，且在于在所述冲击区域之间的基本上的中间处在外部碗状部分内且在垂直于所 述往复运动的平面内布置了第一类型的突起，所述第一类型的突起突出到燃烧室内，且具 有平滑的形状，该平滑的形状适合于保持火焰内动能且适合于将周向火焰行进主要朝着活 塞中心轴线改向，从而使得具有最小的火焰与火焰相互作用。根据本发明的一个实施例，第二类型的突起布置在所述冲击区域内。所述第二类 型的突起适合于将指向冲击区域的火焰行进主要改向为基本上垂直于所述往复运动的平 面内的周向火焰行进方向，并且使得具有最小的火焰与壁的相互作用和最小的动能损失。在本发明的另外的扩展的实施例中，所述突起具有在基本上平行于所述活塞的所 述往复运动的平面内仅在外部碗状区域内延伸的纵向凸脊的形状。在另一个实施例中，所 述凸脊的顶部的垂直于所述凸脊的延伸的横截面形成为弯曲的形状，其平均半径为所述活 塞的活塞碗状部半径的至少1/20。根据另一个实施例，所述第一类型的突起与所述第二类 型的突起相比更多地突出到燃烧室内。所述内燃机能够具有在喷射开始时在所述冲击区域内的第一冲击和在喷射结束 时在所述冲击区域内的第二冲击点。所述凸脊能够至少从布置在第一平面内的第一位置延 伸至布置在第二平面内的第二位置，所述第一平面对于所述第一冲击点和所述第一位置是 共用的，所述第二平面对于所述第二冲击点和所述第二位置是共用的。所述第一平面和第 二平面垂直于所述活塞的往复运动。在本发明的另一个优选实施例中，所述中心轴线布置为在整个喷射期间冲击所述 外部碗状部分。在本发明的又一个优选实施例中，所述进气口形成在气缸盖内用于在运行期间将 进气引导到燃烧室内而不带有涡流效应或带有低涡流效应。在本发明的优选实施例中，所 述涡流效应具有范围在0. 0至0. 7之间的涡流比。在本发明的又一个优选实施例中，内部碗状底部部分的几何形状相对于喷雾轴线 的布置方式使得在内部碗状底部部分和喷雾轴线之间具有充分的体积和距离，使得避免在 喷雾的未点燃的喷嘴附近的部分和内部碗状底部部分之间的干扰接触。在本发明的又一个优选实施例中，所述喷射的燃料当被喷射时布置为与所述进气 在所述燃烧室内形成混合物，且所述混合物在被所述火焰压缩时自燃。在本发明的又一个优选实施例中，所述发动机布置为将预定部分的再循环废气添 加到所述进气内，所述部分适合于将由所述燃烧生成的氮氧化物排放保持在所选择的低水 平以下。本发明的另外的有利实施例从权利要求1后的从属权利要求中得到。
参考附图在下文中更详细地描述本发明，为例证的目的，所述附图示出了本发明 的其他优选的实施例且也示出了技术背景，且各图为图1示意性地示出了本发明的实施例的内燃机内的活塞和气缸的剖视图。图2示意性地示出了图1中活塞的右半侧，图中带有喷雾的几何中心轴线的反射
图3a示意性地示出了根据本发明的实施例的图1中活塞的顶视图，图中带有喷雾 /火焰流动。图3b示意性地示出了图3a中的实施例的替代实施例。图4a示意性地示出了图3a中的喷雾/火焰流动的相应的侧视图。图4b示意性地示出了图3b中的喷雾/火焰流动的相应的侧视图。图5a至图5i三维地且示意性地示出了根据本发明的活塞，图中带有在燃料喷射 和燃烧次序期间在九个不同的现场点处的气缸。图6示出了图3a和图4a中示出的实施例的三维图示。
具体实施例方式为理解根据本发明的燃烧室7的独特的物理特征，最初关注图1和图2，所述图1 和图2图示了实现本发明的未预料到的排放降低优点所要求的多种物理特征或参数。图1中示出了设计为根据柴油机过程工作的内燃机1的示意性图示。发动机1包 括气缸2和活塞3，所述活塞3在气缸2内往复运动且连接到曲轴4，使得活塞3设定为在 气缸2内在上止点位置和下止点位置处折返。通常，气缸腔的一端也通过发动机气缸盖14 封闭。活塞3在其上表面5内提供有活塞碗状部6，所述活塞碗状部6与气缸盖14的内表 面21和气缸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。各进 气口 9和气缸2之间的连接能够使用布置在每个进气口 9内的进气门10打开和关闭。在 气缸盖内也布置有一个或多个排气口 11。各排气口 11和气缸2之间的连接能够使用布置 在每个排气口 11内的排气门12打开和关闭。气门10和11的打开和关闭通过机械凸轮或 液压促动系统或其他运动系统以随活塞3的往复运动而精细控制的时间次序实现。在气缸盖内布置有至少一个燃料喷射器13，通过所述燃料喷射器将燃料作为燃料 喷雾喷射到气缸2内，使得燃料与在气缸2内压缩的气体混合以形成燃料/气体混合物，所 述混合物通过在气缸2内生成的压缩热点燃。喷雾的被点燃的部分形成火焰。在喷射期 间，喷雾的最靠近喷射器的带有新喷射的燃料的部分尚未开始燃烧。燃料优选以非常高的 压力喷射。喷射器13包括形成在喷射器13的喷嘴组件的下端内的多个小的喷射孔(未示 出)，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入到燃烧室7内，以导致 燃料与高温压缩进气在燃烧室7内的完全混合。应理解的是，喷射器13可以是能够以如下 所述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。然而，喷 射器13可以包括机械促动的柱塞，所述柱塞容纳在喷射器主体内，用于在柱塞组件前进行 程期间造成高压力。替代地，喷射器13可以从上游的高压源接收高压燃料，所述高压源例 如是泵管喷嘴系统，所述系统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，所述喷射控制阀将高压燃料提供到喷嘴阀组件， 以打开喷嘴阀元件或控制高压燃料从喷嘴阀腔的排放以在喷嘴阀元件上形成压力不平衡， 从而导致喷嘴阀元件打开和关闭以形成喷射情况。例如，喷嘴阀元件可以是常规的弹簧偏 置的由燃料压力促动的常闭型喷嘴阀元件。燃料喷射器13优选布置在气缸盖中心，使得燃 料喷射器的几何中心轴线与气缸的几何中心轴线15重合，此气缸几何中心轴线也是活塞3 的往复轴线，如图1中所示。图1中示出的内燃机1根据四冲程原理工作。内燃机1优选包括多个气缸2，每个气缸提供有活塞3，其中每个活塞通过连杆连接到曲轴4且因此导致当发动机曲轴4旋转时 活塞沿直线路径在气缸2内往复运动。图1图示了活塞3大约在上止点(TDC)前45度的位置。当曲轴定位为将活塞移 动到最远离曲轴的旋转轴线的位置时实现了所述TDC位置。在常规方式中，活塞在经历进 气行程和做功行程前进时从上止点位置移动到下止点(BDC)位置。为此披露的目的，词语 “向上”和“向上地”对应于远离发动机曲轴的方向，且词语“向下”和“向下地”对应于指向 发动机曲轴或活塞下止点位置的方向。在最上方位置处，即在TDC位置处，活塞3已刚好完成其向上的压缩行程，在所述 压缩行程期间，从进气口 9被允许进入燃烧室7内的进气被压缩，因此其温度升高到发动机 燃料的点燃温度之上。此位置在此考虑为活塞3的四冲程循环的完全720度中的膨胀/燃 烧行程的360度位置。导致进入燃烧室的进气的量可以通过在发动机进气歧管内提供增压 器来增加。此增压器可以例如通过由发动机排气驱动的涡轮机来驱动的涡轮增压器(未示 出)提供，或通过由发动机曲轴驱动的增压器提供。本发明的发动机包括相互定尺寸、定形状和/或定位的燃烧室部件和特征，如在 下文中描述，以有利地降低微粒物(PM)到新法规标准要求的水平或更低的水平，同时维持 可接受的燃料经济性。本发明特别地涉及降低碳烟排放。碳烟是PM的一个部分。优选地，燃烧室部件和特征的总体尺寸、形状和/或相对定位使得燃料喷雾/燃烧 中的气缸气体火焰的动量在其离开喷射器的路径内被尽可能长地保持，所述路径在略微向 下的方向上跟随内底部碗部分19和外部碗状部分20，且进一步向上直至发生与气缸盖的 内表面21的冲击，因此保证碳烟在燃烧情况后期被充分地氧化。另外，燃烧室部件和特征的尺寸、形状和/或相对定位使得实现了燃料喷雾/火焰 的垂直(主要向上)动量和切向(在垂直于轴线15的平面内引导)动量之间的预定水平 的平衡。达到此平衡是重要的，以能够实现非常低的碳烟排放水平。控制平衡的参数选择 为使得喷雾/火焰在已冲击外部碗状部分20后主要在向上的方向上被引导向气缸盖的内 表面21，以最小化动量损失。优选地，火焰的垂直动量和切向动量在刚与外部碗状部分20冲击后形成扇形形 状(也见图5d，如在下文中解释)，其中火焰移动的大致1/3被向上引导，如通过图4中的 Y指示，且剩余部分在切向(水平)方向上被引导，如以Xk指示火焰的向右转的部分，且以 \指示火焰的向左转的部分，如在图3a和图3b中示出。此发明特别地针对增强火焰的水 平移动的改向，即当火焰从被引导向外碗到在所述切向方向上被引导的方向改变，且进一 步地切向移动的改向到向轴线15引导的移动，这从以上的图3a和图3b中可见。如在下文中描述的燃烧室部件和特征的尺寸、形状和/或相对定位导致能够在燃 烧室7内在活塞3的做功行程期间的燃料喷射的初始阶段期间且在燃烧初始和作为结果的 气体的膨胀期间且在喷射结束后形成、引导、控制和造成喷射的燃料且特别是燃烧中的燃 料/气缸气体混合物(火焰)的形状的燃烧室，以实现特别是碳烟排放而且还有一氧化碳 和碳氢化合物的非常高的降低。更特定地，活塞3的上部分可以称为活塞顶16。活塞顶16包括部分地形成燃烧 室7的上表面5和通过向上开口的腔所形成的活塞碗状部6。活塞碗状部6包括优选地定 位在碗6的中心处或附近的突出部分17。突出部分17包括远端端部18，所述远端端部18在图1中示出的优选实施例中定位在活塞碗状部3的中心处且因此沿活塞3的往复轴线15 定位。突出部分17也包括从其向下在内碗底处与垂直于活塞3的往复轴线的平面成α角 的内部碗状底部部分19，如在图1中示出。活塞6也包括向上张开的外部碗状部分20，所述外部碗状部分20具有在直径横截 面内一般地凹入的曲线形状。外部碗状部分20优选地形成且引导燃料/空气混合物或火 焰在燃烧室内的流动，特别地在向上的方向上(如在图4中最好地示出)。图2示意性地示出了图1中的碗形状的右半部，其中带有喷雾的几何中心轴线 30 (在下文中称为喷雾轴线)的反射角Y，以及喷雾轴线角β (在下文中称为喷雾角)。外 部碗状部分20设计有特别地半径R1和特别地用于半径的中心的位置CR115 D1进一步指示 了远端端部18和数个喷雾轴线在喷射器13内的交叉点C之间的距离。距离D2指示了在 活塞3的向下移动期间喷射的持续和喷雾轴线冲击点的改变/移动。D2的开始位置和结束 位置取决于持续时间(待喷射的燃料量)和喷射正时。喷射开始在距离D2的下端处，且喷 射结束在距离D2的上端处。R2指示了将外碗20与活塞3的上表面5连接的唇部或边缘处 的半径。半径R2的中心通过CR2指示。R3指示了活塞碗状部半径。而燃烧室的一般形状具 有在现有技术中的先例(antecedence)，特定的构造且更重要的是下文中描述的关键尺寸 和尺寸关系导致了本发明的改进的功能性能。在喷射期间反射角的值明显取决于数个几何参数的选择，例如DpR” β和活塞碗 状部半径R3,此外也取决于喷射正时和喷射持续时间。根据所申请的本发明且如以上图3a和图3b所介绍，披露了本发明的两个优选实 施例，且其中图3a仅示出了均勻地围绕外碗6的圆周分布的第一类型的突起40的实施例。 所述第一类型的突起布置在基本上两个相邻火焰(在图3a和图3b中通过两个最大的箭头 指示)的冲击区域41中途。在本发明的优选实施例中，所述第一类型的突起具有在垂直方向上延伸的凸脊的 形式，因此在图3a和图3b中突起在横截面中从上方可见。所述横截面可在图2中形成水 平线(未示出)，其中所述水平线通过图2中由D2指示的冲击区域。因此，所述第一类型的 突起布置在与不同火焰的冲击区域相同的水平面内。优选地，第一类型的突起的凸脊部在 长度上对应于冲击区域的长度延伸。因此，所述第一类型突起的所述凸脊部至少从第一位 置延伸直至第二位置，所述第一位置布置在对于所述第一冲击点(距离D2的下端点)和所 述第一位置共用的第一水平面内，所述第二位置布置在对于所述第二冲击点(距离D2的上 端点)和所述第二位置共用的第二水平面内。所有所述的平面垂直于所述活塞3的往复运 动或气缸的中心轴线15。所述突起当在图3a或图3b内的横截面内观察时可具有不同的形式。在一个实 施例中，凸脊部的顶部能够更锋利(未示出)。在另一个实施例中，凸脊部的基部的端部能 够更不锋利而带有在凸脊部部分和外部碗状部分的圆形形状之间的更平滑的过渡(未示 出)。更锋利的凸脊部顶部和更平滑的从凸脊部到外部碗状部分的圆形形状的过渡也是可 以的(未示出)。凸脊部的基部的宽度43的一般能够例如沿外部碗状部分的圆形形状延伸 直至总喷射扇形距离42的大致1/3处。图3b示出了本发明的另一个实施例，其中带有所述第一类型的突起和第二类型 的突起50。所述第二类型的突起将火焰的水平移动从向着外部碗状区域(冲击区域)的方
9向改向到切向方向Xk和Xlο在本发明的一个实施例中，垂直于所述第一或第二类型的突起的所述凸脊部的延 伸的横截面揭示了形成为带有弯曲形状的所述凸脊部的顶部，所述弯曲形状的平均半径为 活塞碗状部半径R3的大致1/20。一个这样的横截面的形状能够是数个数学限定的曲线的结果。在本发明的另一个实施例中，与所述第二类型的突起相比，所述第一类型的突起 向燃烧室7内突出更多。相反的情况也是可以的，或所述第一类型和第二类型的突起在尺 寸上相同。所述第一类型或第二类型的突起的顶部是突出的伸入燃烧室7内最远的部分。在 本发明的一个实施例中，当在垂直方向上观察时，所述第一类型的突起的顶部定位为沿所 述距离D2在所述冲击区域中途。在本发明的另一个实施例中，第二类型的突起的顶部定位 在冲击的中间且沿所述距离D2。其中仅存在第二类型的突起的实施例也是可以的。如在前文中所指示，燃料应以高喷射压力喷射。平均喷射压力的例子在300至 4000bar之间，且在进一步的示例实施例中，范围可以在1500至2500bar之间。喷射压力是 保证喷雾/火焰流动在沿内部碗状底部部分、外碗流动部分、与气缸盖的内表面的冲击的 流动中且特别地在EOI (喷射结束)后气缸气体的移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生成的气体流动的涡流比。涡流 比SR是围绕燃烧室7旋转的空气的切向速度除以发动机速度的比值。S卩，涡流比是空气在 从气缸盖14的进气口 9进入发动机气缸时的切向运动的度量值。精确地将，术语涡流比 指在进气门关闭时的空气平均缸内角速度除以气缸活塞的角速度。例如，以ISOOrpm旋转 的发动机在由气缸盖生成涡流比为2的空气运动意味着气缸内的空气在进气门关闭时以 3600rpm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。涡流效应是一般地切向运动，所述切向运动在被活塞3压缩时 造成湍流且有助于燃烧过程。根据本发明的实施例，为能保证在整个燃烧期间控制喷雾/火焰移动，由喷射压 力造成的动量应被尽可能少地扰动。因此，根据本发明，低涡流是优选地，以能够通过在如 上所指示且在附图中示出的对称的所述第一类型和第二类型的突起来实现本发明的最大 优点。在此描述中，低于1.0的涡流被考虑为低涡流。发明人已发现，低于0.7的涡流比是 优选的，且低于0.5的涡流比是更优选的，且对于以上所述的实施例涡流比下降为零。在本发明的另外的实施例中，能够允许更大的涡流。在此实施例中，第一类型和第 二类型的突起适应于特别地涡流范围。此适应能够通过使突起(特别是突起顶部)具有在 涡流的流动方向上扫掠过一定角度的形式而实现。因此，这样的突起是非对称的。R1应足够大以在外部碗状部分20内造成明显地维持喷雾/火焰内的动量的曲率。 外部碗状部分20也设计为防止喷雾/火焰内在一个或多个方向上过大的动量，所述过大的 动量可能导致喷雾/火焰在一定方向上与其他方向相比行进过多，从而导致喷雾/火焰的 不希望的停止，且因此引起增加的碳烟排放。当确定所述第一和/或第二类型的突起的尺 寸时，也应考虑防止喷雾/火焰内的过大的动量。如已在上文中间接提及，重要的方面涉及每个孔的中心轴线在喷雾角β内的定
10向，所述β角在垂直于活塞的往复轴线的平面和每个喷雾的中心轴线30之间测量(图2)， 使得在喷射持续时间的至少部分期间，喷雾轴线30冲击外部碗状部分20。内部碗状底部部 分19相对于喷雾轴线30的几何形状使得在内部碗状底部部分和喷雾轴线30之间存在充 足的空间和距离，使得避免了喷嘴附近的未点燃喷雾部分和内碗部分之间的干扰接触。此 情况导致喷雾轴线30被引导向外部碗状部分20而与内部碗状底部部分具有最小接触，因 此避免了干扰喷雾的点燃。以此方式，有助于最大化喷雾/火焰动量的保持直至喷雾/火 焰冲击外部碗状部分。显著影响碳烟排放的另一个重要的燃烧室参数是喷射器13内的喷射孔或喷雾孔 的数量。根据本发明的实施例，至少四个喷射孔用于将燃料输送到燃烧室7。对于卡车型内 燃机，能够优选地使用五个至七个喷射孔。活塞直径更大的发动机具有用于更多孔的空间。 孔的数量取决于两个邻近的喷雾的冲击点的相互接近程度如何。喷射孔的数量N对于造成 以上所述的喷雾/火焰的垂直移动和切向移动之间的合适的平衡是关键的。如果存在过多 的喷射孔，则喷雾轴线(与外部碗状部分)的不同冲击点之间的距离可能变得相互间过紧 密，使得喷雾在水平面内的平滑的回转移动(再循环)受限，且垂直向上的移动可能变得过 强，这可导致其处基本上所有动量都损失的喷雾/火焰的区域，因此碳烟的随后氧化降低。 影响再循环的另一个重要参数是燃料供给速度。为增加对于本发明的水平面内喷雾/火焰控制的理解，图5a至图5i以三维方式 且示意性地示出了活塞3，其中气缸2处于燃料喷射和燃烧次序期间的九个不同的现场情 况，即从大致TDC前5度到燃烧次序后期的时间点，即在TDC以后长时间的时间点。注意到， 在图5a至图5i中不包括根据本发明的突起。这些图的目的是试图将两个邻近的火焰的行 进可视化。两个邻近定位的火焰的喷雾轴线30的开始以图5a至图5i中的虚线指示。为 增加图5a至图5i的清晰性，仅示出数个喷雾中的两个。图5a示出了喷射开始(SOI)。存在发生在SOI和燃料点燃之间的点火延迟。图5b示出了燃烧开始(SOC)。白色区指示正在燃烧的气缸气体火焰。图5c示出了火焰冲击外部碗状部分20时的情况(FlameToWall)。左侧火焰的移 动方向(相应地适应于右侧火焰)以箭头指示。因此，火焰从喷射器13向外部碗状部分20 移动。图5d示出了火焰相互相遇时的情况(FlameToFlame)。碰撞由四个相互指向的箭 头中的两个指示。垂直移动和切向移动之间的重要的平衡能够在火焰首次与外部碗状部分 (图5c)冲击后以放射形方式展开时实现，如在图5d中指示。这通过在预定范围内选择燃 烧室参数实现。图5d中的垂直箭头对应于图4a和图4b中的Y，且图5d中指向右的箭头对 应于图3a和图3b中的Xk，且最后图5d中指向左的箭头对应于图3a和图3b中的Xp图5e示出了火焰冲击气缸盖21的内表面时的情况(FlameToHead)。这通过火焰 内的虚线区指示。在所述虚线区内，火焰与气缸盖14的内表面21接触。左火焰中的两个 箭头指示了火焰沿所述内表面21的主要移动。图5f示出了重要的火焰再循环，这受到火焰对缸盖和火焰对火焰相互作用的促 使，且这是在预定范围内主要地选择燃烧室参数的结果，使得在垂直火焰移动和切向火焰 移动之间实现平衡。根据本发明，决定所述突起的尺寸的参数是能够用于火焰控制的数个 参数之一。所述参数的一定选择控制了所述火焰再循环的正时，如在图5中特别地示出，但也在图5g和图5i中示出。根据本发明的突起进一步增进了所述火焰再循环的积极影响。 特别地，对称的火焰对火焰相互作用造成了有用的火焰再循环涡流。箭头指示了火焰再循 环的移动方向，所述移动方向被引导回到燃烧室7内。在此，低涡流间接地是更强化的混合 的原因，这是由于火焰对火焰导致的涡流的对称驱动。在保留有足够的混合能量(动量) 的同时，此火焰再循环有助于将最后喷射的(且产生碳烟的)燃料混合且使之燃烧，且因此 也将碳烟在燃烧次序后期氧化。图5g示出了喷射结束(EOI)，因此来自喷射压力的动量已结束且气缸气体的进一 步移动主要取决于来自喷射压力的更早提供的动量。图5h示出了喷射结束后由于气缸气体/火焰的有力混合导致的碳烟的氧化和喷 雾的稀释。图5i示出了在燃烧气窝富集的(rich pocket)碳烟氧化后的情况，本发明意图 于使用其目的是在气缸气体内进一步保持且因此在喷射结束后尽可能长保持动量的对于 水平喷射/火焰移动的更好的控制来增加所述燃烧。本发明的一个重要的优点是增强的低温碳烟后期氧化能够存在而无明显的氮氧 化物(NOx)的形成。本发明的用于降低微粒/碳烟排放的不同的实施例能够有利地与用于 降低NOxW不同的已知排气后处理设备组合，(且也与碳烟捕获器组合)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)组合，以此能够将NOx排放水平几乎与 微粒/碳烟排放独立地控制(例如见EP1216347)。以上所述的在特定范围内选择的燃烧室参数的组合提供了与常规发动机设计相 比在降低碳烟/微粒排放方面的优点，包括特别地满足特别相对于碳烟的新排放标准。本 发明的燃烧室7除以上所提及的本发明的突起外特别地包括正反射角Y、低涡流和高喷射 压力，且本发明的有益效果能够进一步结合其他以上所提及的参数的一个或多个的选择而 增加。本发明能够使用在有燃料驱动的发动机内，例如柴油机、DME( 二甲醚)等燃料驱 动的发动机。所提出的本发明能够应用在乘用车尺寸的发动机上，且应用在直至大型船舶尺寸 的发动机上。本发明不应被认为限制于以上所述的实施例，而是在所附权利要求的范围内可构 思多个另外的变化和修改。
权利要求
一种具有燃烧室(7)的内燃机(1)，包括发动机本体，所述发动机本体包括发动机气缸(2)、气缸盖(14)，所述气缸盖(14)形成至少一个进气口(9)和所述燃烧室(7)的内表面(21)；活塞(3)，所述活塞(3)定位为在所述发动机气缸(2)内在下止点位置与上止点位置之间往复运动，所述活塞包括活塞顶(16)，所述活塞顶(16)包括面向所述燃烧室的上表面(5)，所述活塞顶包含由向外敞开的腔形成的活塞碗状部(6)，所述活塞碗状部包括内部碗状底部部分(19)和具有远端端部(18)的突出部分(17)，所述内部碗状底部部分(19)从垂直于所述活塞(3)的往复轴线(15)的平面以正的内部碗状底部角(α)向下延伸，所述活塞碗状部还包括向外展开的外部碗状部分(20)，所述外部碗状部分(20)在其横截面上具有凹入的曲线形状；喷射器(13)，所述喷射器(13)安装在所述发动机本体上且邻近所述活塞碗状部的所述突出部分，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燃料喷雾羽流的多个孔，所述喷雾羽流在行进期间变成被点燃的火焰，所述火焰在所述外部碗状部分(20)上的预定的冲击区域内发生冲击，其特征在于，在所述喷射的大多数时间内，所述冲击区域位于所述外部碗状部分(20)内；并且在所述外部碗状部分(20)内的所述冲击区域之间的基本上的中间处且在基本上垂直于所述往复运动的平面内布置有第一类型的突起，所述第一类型的突起突出到所述燃烧室(7)内且具有平滑的形状，所述平滑的形状适合于保持火焰内的动能且适合于将周向火焰行进主要朝着所述活塞(3)的中心轴线改向，且具有最小的火焰与火焰的相互作用。
2.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，第二类型的突起布置在所述冲击区域 内，所述第二类型的突起适合于将指向所述冲击区域的火焰行进主要改向为基本上垂直于 所述往复运动的平面内的周向火焰的行进方向，并且具有最小的火焰与壁的相互作用和最 小的动能损失。
3.根据权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，所述突起中的每个具有纵向凸脊 的形状，所述纵向凸脊在基本上平行于所述往复运动的平面内仅在所述外部碗状区域内延 伸。
4.根据前述权利要求所述的内燃机，其特征在于，所述凸脊的顶部的垂直于所述凸脊 延伸的横截面形成为弯曲形状，所述弯曲形状的平均半径为所述活塞(3)的活塞碗状部半 径(R3)的至少1/20。
5.根据权利要求2所述的内燃机，其特征在于，所述第一类型的突起与所述第二类型 的突起相比更多地突出到燃烧室⑵内。
6.根据权利要求3所述的内燃机，具有在喷射开始时在所述冲击区域内的第一冲击 和在喷射结束时在所述冲击区域内的第二冲击点，其特征在于，所述凸脊至少从布置在第 一平面内的第一位置延伸至布置在第二平面内的第二位置，所述第一平面对于所述第一冲 击点和所述第一位置是共用的，所述第二平面对于所述第二冲击点和所述第二位置是共用 的，并且所述第一平面和所述第二平面垂直于所述活塞(3)的往复运动。
7.根据前述权利要求中一项所述的内燃机，其特征在于，所述孔的中心轴线(30)布置 为在整个喷射期间冲击所述外部碗状部分(20)。
8.根据前述权利要求中一项所述的内燃机，其特征在于，所述进气口(9)形成在所述 气缸盖(14)内，用于在运行期间将进气引导到所述燃烧室内，且不具有涡流效应或具有低 涡流效应。
9.根据前述权利要求所述的内燃机，其特征在于，所述涡流效应导致范围在0.0至0. 7 之间的涡流比。
10.根据前述权利要求中一项所述的内燃机，其特征在于，以如下方式布置所述内部碗 状底部部分(19)相对于所述喷雾轴线(30)的几何形状，使得在所述内部碗状底部部分与 所述喷雾轴线(30)之间具有充分的体积和距离，以便避免在喷雾的未点燃的喷嘴附近部 分与所述内部碗状底部部分之间的干扰接触。
11.根据前述权利要求中一项所述的内燃机，其特征在于，所述喷射的燃料在喷射时布 置为与所述进气在所述燃烧室内形成混合物，并且所述混合物在被所述火焰压缩时自燃。
12.根据前述权利要求中一项所述的内燃机，其特征在于，所述发动机(1)布置为将预 定部分的再循环废气添加到所述进气，所述部分适合于将由所述燃烧生成的氮氧化物排放 保持在所选择的低水平以下。
全文摘要
一种发动机(1)内的燃烧室(7)，包括活塞(3)、具有布置为喷射喷雾/焰羽流的多个孔的喷射器(13)，在喷射的大部分期间喷雾/焰羽流冲击在活塞外部碗状部分上。在喷雾/焰羽流冲击区域之间且在基本上垂直于往复活塞运动的平面内布置有突出到燃烧室(7)内的第一类型的突起，所述第一类型的突起具有平滑的形状，用于保持火焰内的动能且将周向火焰行进主要向活塞(3)的中心轴线改向，使得具有最小的火焰与火焰的相互作用。第二类型的突起布置在冲击区域内，所述第二类型的突起适合于将火焰行进改向到基本上垂直于所述往复活塞运动的平面内的周向火焰的行进方向中，且使得具有最小的火焰与活塞壁的相互作用和最小的动能损失。
文档编号F02B23/06GK101970828SQ200780101355
公开日2011年2月9日 申请日期2007年10月30日 优先权日2007年10月30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