用于监测带有直接喷射的、特别是带有压缩点火的内燃机的燃料喷射的方法及使用这种方法的引擎与流程

本发明涉及一种用于控制直接喷射内燃机(尤其是压缩点火引擎)的燃料喷射的方法，并涉及使用这种方法的引擎。

本发明尤其涉及用于在航空运输或公路行业中，或在诸如引擎发电机等固定设备的领域中可使用的引擎的方法。

该类型的引擎通常包括至少一个汽缸、设置有布置在凹形凹陷部中的凸缘并以往复直线运动在该汽缸中滑动的活塞、用于氧化剂的进气装置、燃烧气体排放装置、燃烧室以及用于喷射燃料到燃烧室中的喷射装置。

如普遍承认的那样，在设计引擎时，燃烧室的性能、污染物排放以及机械强度约束越来越高，而用于满足它们的装置恰恰相反。

由此，性能增加通常导致排放增加并导致较高的机械应力。

因此，有必要克服这些应力以保证在引擎的整个操作范围内有限的污染物排放和令人满意的机械强度，特别是在非常高的负荷处。特别是对于污染物排放，使用出现在燃烧室中的所有氧化剂，例如包括环境压力处的空气、增压空气或空气(增压的或未增压的)的混合物和再循环的燃烧气体的混合物的氧化剂，是非常重要的。

的确，燃烧室中的燃料混合物(氧化剂/燃料)需要尽可能地均匀。

在实践中，燃料仍然被限制在凹陷部中且其不可与尤其在挤气面积(即，在位于通过汽缸壁和与活塞相对的汽缸该的面限定的燃烧室的上部中的体积中)中所含的氧化剂混合。

这涉及在燃烧室中创建高丰富性面积，在燃烧该燃料混合物时生成高产量的烟灰、氧化碳(CO)和未燃的碳氢化合物(HC)的缺点。

另外，回到机械强度问题，热负荷集中在活塞的凹入面上，即，标志着活塞凹陷部和涵盖挤气面积的上区之间的转换的凹陷部的颈或直径限制，其在非常高的负荷处的机械强度方面为限制性的。

背景技术：

为了克服这些缺点，且如申请人提交的法国专利申请No.13/60,426中更好地描述，提供了内燃机，该内燃机包括燃料喷射装置，其带有具有至少两个片角的喷射，以及包括凹陷部的活塞，所述凹陷部设置有带有两个燃烧区体积和大幅改善燃烧质量的内琳气动力学的凸缘。

相比常规引擎，这允许使用较大数量的氧化剂，且允许在燃烧室的较大表面面积上分布热负荷。

在这种类型的引擎中，被准许进入燃烧室的喷射的燃料的混合和氧化剂的混合，诸如环境压力处的空气或增压空气或空气(增压的或未增压的)的混合物和再循环的废气的混合物，发生在两个阶段中。

首先，在燃料喷射时，位于燃料喷射的外围上的氧化剂通过该喷射带走。由于由该雾沫生成的湍流，小规模的混合然后发生。

为了改善该燃料/氧化剂混合，提供未混合燃料的大规模的“搅动”的氧化剂的旋涡运动(称为旋涡)在第二阶段中使用。该旋涡可被视为氧化剂围绕基本平行于燃烧室的轴或与燃烧室的轴合并的轴的旋转运动。该旋涡可凭借特定的氧化剂入口(诸如，具体的入口管线几何结构)获得。

然而，在该配置中，应该注意的是，虽然在气态喷射中实行的小规模的混合是非常快的，但与旋涡运动关联的大规模的混合更缓慢地发生。

引擎的性能，其燃料消耗或污染物(诸如烟灰、一氧化碳或未燃的碳氢化合物)的排放很大程度上取决于带有被准许进入的氧化剂的燃料的快速混合的能力。

因此通常实行喷射系统的优化和旋涡水平的优化以便优化引擎性能。

一个方案包括使用相对较高的2到3量级的旋流数Ns，该数等于氧化剂的旋涡运动的旋转速度与曲轴的旋转速度的比。

该方案的一个缺点是对于一些引擎操作点，特别是当燃料喷射压力不足够高时，或当喷射大量的燃料时，燃料喷射可过度周向转移，从而引起各种喷射之间的相互作用或甚至重合。

该现象可显著增加烟灰和未燃的碳氢化合物排放，同时降低燃烧效率且因此降低功率和消耗。

本发明旨在凭借允许获得氧化剂(气态液体)的更好混合同时能够使用带有至少两个片角的燃料喷射系统和活塞的方法克服上述缺点，活塞的轮廓允许燃烧室包括至少两个燃烧区。

技术实现要素：

本发明因此涉及用于压缩点火直接喷射内燃机的燃料喷射方法，所述内燃机包括至少一个汽缸、携带燃料喷射装置的汽缸盖、在该汽缸中滑动的活塞、由活塞的上面在一侧上限定的燃烧室，所述活塞包括在汽缸盖的方向上延伸并布置在带有至少两个混合区的凹形凹陷部的中心中的凸缘，所述喷射装置在带有不同的片角的至少两个燃料喷射片中注入燃料，所述两个燃料喷射片为用于区Z1的喷射轴C1的下片和用于区Z2的喷射轴C2的上片，其特征在于，所述方法包括在与另一片的燃料喷射的径向方向C2形成非零角b2的径向方向C1上将片中的一个的燃料喷射喷射到燃烧室中，且准许氧化剂以小于或等于1.5的旋流数进入旋涡运动。

所述方法包括以属于不同片的两个邻近的喷射之间的角偏置b2喷射燃料喷射，所述角偏置基本等于相同的片的两个喷射之间的半角。

所述方法包括在通过关联：-4.Ns+16≤n≤-4.Ns+18与旋流数Ns相关的n数量的喷射中喷射燃料。

所述方法包括在上下轴向安置的至少两个燃料喷射片中喷射燃料，每个燃料喷射片带有不同的片角。

所述方法包括在每个片中以不同的燃料流速喷射燃料。

本发明也涉及压缩点火直接喷射内燃机，包括至少一个汽缸、携带燃料喷射装置的汽缸盖、在该汽缸中滑动的活塞、由活塞的上面在一侧上限定的燃烧室，所述活塞包括在汽缸盖的方向上延伸并布置在凹形凹陷部的中心中的凸缘，所述方法包括在带有不同的片角的至少两个喷射片中喷射燃料，所述两个喷射片为喷射轴C1的下片(36)和喷射轴C2的上片，其特征在于所述内燃机包括燃料喷射装置，其用于在与另一片的燃料喷射的径向方向形成非零角的径向方向上喷射片中的一个的燃料喷射，和用于准许氧化剂以小于或等于1.5的旋流数进入旋涡运动中的装置。

附图说明

参考附图，阅读以下以非限制性实例的方式给出的描述，本发明的其它特征和优点将变得清楚，其中：

图1示出根据本发明的内燃机。

图2是图1所示引擎的活塞凹陷部轮廓的半截面的部分放大图，

图3是在初始的燃料喷射阶段期间凹陷部的局部横截面图，

图3A和图3B是沿图3中的线AA和BB的截面图，

图4是在最后的燃料喷射阶段期间凹陷部的另一局部横截面图，且

图4A和图4B是沿图4中的线AA和BB的截面图。

具体实施方式

参考图1，压缩点火直接喷射内燃机包括至少一个汽缸10，关闭上部中的汽缸的汽缸盖12，由汽缸盖携带的燃料喷射装置14，以及轴XX’在汽缸中以往复直线运动滑动的活塞16。

燃料被理解为液体燃料，诸如柴油燃料、煤油或带有理化特性的任何其它燃料，该理化特性允许包括用于该燃料的直接喷射系统的压缩点火类型的引擎的操作。

该引擎还包括带有至少一个排气管20的燃烧气体排气装置18，所述排气管20的开口可通过诸如例如排气阀22等任何装置控制，以及用于氧化剂的带有至少一个进气管26的进气装置24，所述进气管26的开口可通过诸如例如进气阀28等任何装置控制。

进气装置被设计用于准许带有预定的旋流比的氧化剂进入。进气装置因此可以包括至少一个节流装置且引擎可以包括至少一个控制装置以用于致动节流装置以便获得预定的旋流比。这些进气装置也可以包括进气管26的具体的几何结构。

喷射装置包括至少一个燃料喷射器30，优选沿活塞的轴XX’布置，其喷嘴32包括多个孔口33，燃料通过所述孔口33在引擎的燃烧室34的方向上喷射并注入。

注入的燃料是从这些喷射装置形成至少两个燃料喷射片，这里为燃料喷射40和42的两个片36和38，其在所示实例中具有与活塞16的轴合并的一般轴，同时上下轴向安置。

更精确地说，在以下的描述中更接近活塞16的片36被称为下片，而更远离该活塞的片38被称为上片。

如图1可见，这两个片形成彼此不同的片角A1和A2。片角被理解为是由源自喷射器的圆锥体形成的顶角，其假想的外围壁穿过燃料喷射40或42的所有轴C1或C2。

有利地，下片的片角A1至多等于130度，优选在105度和130度之间的范围内，而上片的片角A2至多等于180度，优选在155度和180度之间的范围内。

出于简单化的原因，在其余的描述中，角a1对应于A1/2且角a2对应于A2/2(参见图2)。

优选地，角A1和角A2之间的差异大于或等于25度。因此这允许限制两个片之间的燃料喷射重叠且因此限制诸如烟灰等污染物的形成。

当然，喷射装置不沿轴XX’布置是可行的，但在这种情况中来自燃料喷射器的燃料喷射片的一般轴至少基本平行于该轴XX’。

类似地，每个片由专门针对燃烧室的不同的区的不同的喷射器(单片喷射器)携带是可行的。

燃烧室34通过与活塞相对的汽缸盖12的内面、汽缸10的圆形内壁和活塞16的上面44限定。

活塞的该上面包括凹形凹陷部46，其轴在这里与汽缸的轴合并，其凹度朝汽缸盖引导且其容纳基本布置在凹陷部的中心中的凸缘48，所述凹陷部朝汽缸该12上升，同时优选与来自喷射器30的燃料片的轴共轴。

当然，凹陷部的轴不与汽缸的轴共轴是可行的，但主要的是布局，根据该布局，燃料喷射片的轴，凸缘的轴和凹陷部的轴优选合并。

此外，参考图2，通常为截头形状的凸缘48包括优选圆形的顶部50，其被延伸，同时通过基本直线运动的斜表面52远离轴XX’朝活塞16外对称地移动，所述斜表面52通过斜侧面54向下延伸到凹陷部的底部56。

当然，在不偏离本发明的范围的情况下，斜表面52可不存在(零长度)且斜侧面54然后使凸缘的顶部连接到凹陷部的底部。

在图2的实例中，凹陷部的底部为圆形的，其中称为内圆表面的半径为R1的圆的圆弧形式的凹圆表面58连接到斜侧面54的底部，且被称为外圆表面的半径为R2的圆的圆弧形式的另一凹圆表面60在一端处连接到点M处的内表圆面的下端且在其另一端处连接到点N处的这里基本垂直的侧壁62。

两个圆表面58和60因此限定环形体积的下部，这里为基本上圆柱形的截面64和中心B的圆环面，其目的在其余的描述中描述。

仍远离轴XX移动的侧壁62通过被称为凹入面的半径为R3的圆的圆弧形式的凸圆表面66延伸，导致斜面68链接到连接到基本片的表面70的凹喷射面69。该片通过半径为R5的圆的圆弧形式的外凸面72延续，这导致片74延伸直至汽缸壁附近。

燃烧室因此包括两个不同的区Z1和Z2，其中它们所包含的氧化剂(空气、增压的或未增压的，或空气和再循环的燃烧气体的混合物)与来自喷射器的燃料的混合，以及因此形成的燃料混合物的燃烧发生。

通过凸缘48、凹陷部底部处的圆环面64、壁62和凸圆表面66限定的区Z1形成与轴C1的燃料喷射的下片36关联的燃烧室的下区。通过斜面68、凹表面69、基本片的表面70、凸表面72、片74、汽缸的外围内壁以及汽缸盖12限定的区Z2形成与轴C2的燃料喷射的上片38关联的该室的上区。

在该配置中，对于接近上死点的活塞位置，凹陷部包括：

-凹陷部底部外直径FD，其半径被认为在轴XX’和点M(凹陷部的最低点)之间，该M点即在半径R1和R2的表面之间的相交处，

-凹陷部开口直径BD，其半径被认为在凹陷部底部附近并对应于在轴XX’和外凹表面60的最远点之间截取的距离，

-颈直径GD，其半径对应于轴XX’和限定该凹陷部的出口截面的垂直壁62之间的距离，

-上喷射直径ID1，通过限定喷射器喷嘴的轴上的喷射的轴C2的原点T2和点P之间的喷射38的长度L6，所述直径IDI的半径对应于轴XX’和斜面68和凹表面66之间的点P处的喷射面69的起点之间的距离，该长度L6满足公式ID1/sin(a2)，

-凹陷部的直径半截面Cb的展开长度，其包括从凸缘顶部与轴XX’的相交到汽缸壁的长度，

-凸缘高度H，其在点M处的凹陷部底部和凸缘的顶部之间，

-凹陷部高度L，其在点M处的凹陷部底部和片74之间，

-结点高度L3，其对应于被认为在点N处的外圆表面60的末端和外圆表面66的起点之间的侧壁62的程度，

-高度L4，其被认为在点P和点M之间，

-相对于用于斜侧面54的垂直面的倾斜角a3，

-倾斜角a4，通过限定喷射器喷嘴的轴上的喷射的轴C1的原点T1和点F之间的喷射40的长度L5，所述倾斜角a4由下片36的燃料喷射的主轴C1与碰撞点F处的切线形成。该长度L5满足公式ID2/sin(a1)，ID2对应于带有对应于轴XX’和点F之间的距离的半径的下喷射直径，

-倾斜角a5，其被认为在外圆表面60与点N处的侧壁62的相切处，

-相对于水片和与基本片的壁70相切的切线的倾斜角a6，

-相对于水片和相交点P处的斜面68的倾斜角a7。

所有这些参数被理解用于对应于距离D的上死点附近的活塞16的位置，距离D被认为在点M和喷射42的轴C2的原点T2之间。

更精确地说，该距离D等于高度L4和高度C的和，高度C对应于原点T2和点P之间的轴向高度。该高度对应于公式ID1/tan(a2)。

因此，该凹陷部的尺寸和角参数满足以下条件中的至少一个：

-角a4大于80度，其相当于在圆环面65的中心B和凸缘之间的半个燃料喷射上方通过，且更精确地说点M处的下部，且因此相当于在朝向汽缸的顶部的圆环面中生成空气动力向上运动，

-角a5必须为正且小于90度。优选地，其必须为30度到40度的量级以便朝氧化剂体积S1引导下片36的直接燃料喷射40，从而使用该区的氧化剂，同时限制朝向上片38的该燃料的上升流，

-下片的燃料喷射40之间的氧化剂体积S1被最小化，以便优化燃烧室中氧化剂的使用，

-凸缘48的顶部的位置尽可能接近喷射器30的喷嘴32以便限制将不被燃料喷射碰撞的喷射器下面的氧化剂的体积，其再次相当于最小化体积S1。因此，H/L比大于40％且优选大于60％，

-角a3基本等于或大于下片的角a1(-10°<a3-a1<10°)。因此，下片喷射的一般轴与凸缘的侧面54相切。下片36的燃料喷射40因此可以通过在碰撞活塞之前完全蒸发来与圆表面58相互作用，

-由于片之间的相互作用对污染物是不利的，两个片之间的氧化剂体积S2不为零。然而，体积S2需要最小化。因此，凸缘和凹入面66(半径为R3的凸圆表面)之间的结点高度L3必须为这样的以使得L3/(2*R2的长度)<1或(L3/R2的长度<2)，以便确保相对于由下片的喷射生成的燃料体积，在上片38和下片36之间可用的氧化剂体积S2低，

-布置在从凹入面66开始的活塞的上部中的第二燃烧区Z2旨在用于上片38的燃料喷射42，

-区Z2的燃烧体积至少等于凹陷部的总体积的十分之一，

-被称为挤气面积的面积由斜面68、凹表面69、片70、凸表面72和片74形成。角a6的范围在10度和75度之间，这允许突发燃料喷射42以便在活塞上创建空气动力学运动且另外允许在挤气面积中使用氧化剂。该空气动力学允许活塞上更好的燃料/氧化剂混合，尤其在扩张期间，从而促进燃烧气体的氧化，

-为了促进来自喷射42的燃料在挤气面积中的分布，引导表面68设置在凹入面66和表面70之间。该引导表面在凹入面的延续中可为圆形的或可为基本片的。该引导表面的目的是集中燃料喷射42并朝凸表面72引导它们。因此，该引导表面在相交点P处具有角a7，其相对于片角a2的差异小于45度，

-喷射表面69的活塞为这样的以使得距离L5和L6约为相同量级的(0.5<L5/L6<2)。因此，有利地，燃料喷射将基本同时碰撞分别在凸缘和喷射区中的活塞，

-直径ID1必须为这样的以使得ID1/GD>1且ID1<(GD+(Cb-GD)*2/3)。这允许燃料喷射42优化活塞上的空气动力学。

此外，

BD/L比小于6，优选小于4，

R2/R1比小于1，优选小于0.6，

FD/BD比小于1，

Cb/BD比小于2以便维持燃料的彻底的蒸发并防止汽缸壁变湿，

GD/BD比在0.7和1之间的范围内以用于燃料喷射的圆环面空气动力学和上升流，

H/L比大于40％，优选大于60％以便使喷射器喷嘴和凸缘之间的氧化剂体积最小化，

L5/L6比在0.5和2之间的范围内以用于同一时间的两个片的碰撞，

A1在40度和140度之间的范围内，a1＝A1/2，

A2在130度和180度之间的范围内，a2＝A2/2，

a3基本等于a1，

a4大于80度，

a5在0度和90度之间的范围内，优选基本在30度和40度之间的范围内，

a6在15度和75度之间的范围内，

a7-a2小于45度，

ID1/GD比大于1，

ID1小于(GD+(Cb-GD)*2/3)。

因此，借助该凹陷部参数化，下片36的燃料喷射直接瞄准圆环面64且它们不直接碰撞凹入面66。

因此，下燃料/氧化剂混合物的燃烧本质上出现在圆环面体积中，而上燃料/氧化剂混合物的燃烧本质上出现在挤气面积中和活塞上。

此外，上片喷射与下片喷射的相互作用受限制，这允许燃料/氧化剂混合物被均化，同时满足高负荷处的机械强度约束。

现在我们考虑与图1关联的图3，其示出喷射到燃烧室34中的燃料喷射的实例。

如已经提到的那样，喷射器30在其喷嘴32的区域中携带燃料喷射从其径向延伸的喷射孔口33(参见图1)。这些孔口由彼此基本平行布置的至少两列的径向燃料喷射孔口33a和33b组成。孔口周向安置在喷嘴上且所述列上下布置。该列中的一个包括孔口33a，燃料通过形成用于混合区Z1的轴C1的下喷射片36经过所述孔口33a喷射。另一列包括用于形成用于混合区Z2的轴C2的上喷射片38的燃料的喷射的孔口33b。

在该配置中，燃料喷射的径向喷射发生在从喷射器到对应于轴C1和C2的燃烧室的壁的径向方向上。

当然，在不偏离本发明的范围的情况下，孔口33a和33b的直径可不同。通过实例的方式，孔口33a的直径可大于孔口33b的直径。由于喷射器喷嘴的区域中的喷射压力相同，这导致带有不同的流速的两个燃料喷射片。

类似地，下片和上片之间的孔口的数量可不同且相互关联作为如下所述的旋流数的函数。

最后，为整个两个片提供的孔口的数量n可通过关联：-4.Ns+16≤n≤-4.Ns+18与旋流数Ns有关。

孔口的数量(其中n＝18)的限制性情况对应于零旋流数。的确，通过燃料喷射形成的角大致接近20度，在不存在旋涡的情况中，喷射的数量必须小于或等于18以便避免喷射之间的直接的相互作用。此外，在该限制性情况中，下片的喷射与凹陷部底部的相互作用引起燃料喷射头变宽，在其上升流朝向挤气面积时，它们可与上片的喷射相互作用并扰乱混合过程。

这通常导致烟灰产量增加且燃烧效率降低。喷射的数量因此优选稍微减少到17或甚至16以便确保喷射之间不可能有相互作用。

当旋涡不为零时，由申请人以每个片上相同数量的孔口进行的模拟被允许示出当旋流数为1时喷射的数量不应超过14，否则烟灰的产量可显著增加。

一般来说，目的为使混合过程中的旋涡运动的作用最小化且通过乘以喷射的数量实行混合，建议不低于10个喷射端口，即每个片5个端口，且不超过1.5的旋流数。

参考图3，其示出包括带有6个孔口33a和6个孔口33b的12个喷射孔口的喷射器，片36的喷射40周向地均匀分布，同时每个通过相对于它们的轴C1的基本等于60度的角α分离，且片38的喷射42也周向地均匀分布，同时每个通过相对于它们的轴C2的基本等于60度的角β分离。

此外，下片的孔口33a和上片的孔口33b不必上下安置；属于不同片的两个邻近的喷射的轴必须具有角偏置，用b2表示，其在这里基本等于相同片的两个喷射之间的半角。

当来自下片的燃料离开凹陷部区进入挤气面积时，这允许防止两个片之间的相互作用。

因此，可行的是，使用大量的且同等数量的端口用于带有低旋流数(理想上低于1.5)的每个片，以便主要在喷射过程期间尽可能快地混合燃料和氧化剂。

混合然后主要通过燃料喷射经过气态氧化剂的雾沫实现，该贡献与仍然低并保持的旋涡运动相关以仅在活塞扩张时以大规模的搅动完成混合过程。

因此，在燃料喷射期间，氧化剂以旋涡运动S和1.5的旋流数被准许进入燃烧室34。

存在在两个片中均匀分布的12个燃料喷射(用于下片的6个喷射和用于上片的6个喷射)且角b2为30度。

下片的燃料喷射40朝区Z1中的凹陷部46的底部发送(图3A)，而上片的喷射42朝区Z2中的凹陷部的顶部定向。

在最后的喷射阶段期间，可观察到，尽管有旋涡S，但两个片的燃料喷射不重叠(图4)且燃烧已经使用几乎所有出现在区Z1中(图4A)和区Z2中(图4B)中的氧化剂。