内燃机和运行内燃机的方法与流程

本发明涉及一种内燃机和一种运行内燃机的方法。

背景技术：

现代内燃机、尤其燃料直喷的柴油机的压缩比对内燃机的效率以及排放有决定性的影响。此外，冷启动性能以及废气再处理部件的加热取决于内燃机的压缩比。因此，在由现有技术已知的具有恒定压缩比的内燃机中的压缩比一直是不同要求之间的折衷。

此外已知具有可变压缩比的内燃机，其中，可以使压缩比适应内燃机的运行状态。由专利文献wo2016/016194a1已知一种具有可变压缩比的内燃机，其中，为了改变压缩比相应地调整连杆长度，从而活塞在上止点根据希望的压缩比与气缸盖处的燃烧室边界间隔距离。此外，专利文献wo2016/016194a1还涉及一种运行内燃机的方法，其中，可调节的压缩比至少在内燃机的运行期间可改变，并且附加地，至少一个另外的发动机部件与压缩比的变化相协调。

然而已知方法的缺点是，单单调整压缩比不会使内燃机处在最佳的运行状况中。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，改善内燃机的冷启动能力并且同时提高热力学效率以及减小排放。

所述技术问题按照本发明通过一种内燃机解决，所述内燃机具有发动机缸体和气缸盖，其中，内燃机包括至少一个燃烧室，在所述燃烧室中布置有用于压缩燃烧用空气混合物的活塞。在此，在气缸盖中布置有至少一个燃料喷射阀、优选高压喷射系统的燃料喷射器，所述燃料喷射阀包括燃料喷嘴。所述内燃机具有可变的压缩比，该压缩比在内燃机的运行中可改变。燃料喷嘴具有多个喷口，所述喷口布置在两个不同的孔节圆上。通过多个孔节圆上的不同的喷口结合内燃机的可变压缩比可以满足对排放少的、最大效率的发动机运行的日益提高的要求并且可以克服现有技术中已知的缺点。

在本发明的优选的设计方案中规定，第一孔节圆的喷口具有比第二孔节圆的喷口更平的喷射角度。喷口的布置方式在此优选如此选择，使得第二孔节圆的喷束锥处于第一孔节圆的喷束锥之间。这意味着，从下方或上方观察燃料喷射阀，第二孔节圆的喷口以小于20°的角度偏离第一孔节圆的两个相邻的喷口之间的角平分线，并且特别优选相对该角平分线对称地布置。通过平坦的喷射角度可以将较小的喷射量对准目标地引入活塞的燃烧凹坑中，从而被引入的燃料不会或仅较少的量击中低温的燃烧室壁部或活塞。在此，可以实现燃料的高效转化，同时排放较少。

在内燃机的另外的改良方案中规定，第一孔节圆的喷口具有比第二孔节圆的喷口更小的直径。在此，当负荷增大时可以相应地调整喷射量，从而较小量的雾化与引入较大燃料一样可以获得较高的功率值。

在本发明的有利的实施方式中规定，第一孔节圆上的喷口的数量大于第二孔节圆上的喷口的数量。在此，第一孔节圆具有优选至少三个、特别优选四个均匀分布在燃料喷嘴周向上的喷口，同时第二孔节圆具有少于第一孔节圆的优选至少一个喷口、特别优选正好两个喷口，这两个喷口优选以180°在燃料喷嘴的周向上彼此间隔。在此，第二孔节圆的喷孔的总通流量是第一孔节圆的喷孔的总通流量的50％至400％、特别优选地在第一孔节圆的通流量的70％至200％的范围内。通过第一孔节圆上的相对较多的较小的喷口可以实现良好的雾化和燃料在燃烧室中的均匀分布，由此可以减小碳烟形成的趋势。

在本发明的优选的实施方式中规定，所述燃料喷嘴的朝向内燃机的燃烧室的部段构造为锥形，从而第一孔节圆具有比第二孔节圆的直径更小的直径。在此，孔节圆中的至少一个孔节圆、优选两个孔节圆位于燃料喷嘴的锥形部段中。备选地，两个孔节圆之一也可以构造在燃料喷嘴的柱形部段中。由于锥形的部段能够以相对简单的方式实施可行的喷射角的相对较宽的范围，从而与将喷口设置在柱形区域相比可以实施更陡的喷射角，这尤其对第二孔节圆上的喷口是有利的。

在本发明的有利的改良方案中规定，第一孔节圆的喷口的喷射角处于155°至175°之间，并且第二孔节圆的喷射角处于90°至170°之间。在此特别有利的是，第一孔节圆的喷口的喷射角比第二孔节圆的喷口的喷射角大至少5°。如果第二孔节圆的喷口具有比第一孔节圆的喷口更陡的喷射角，则通过第二孔节圆的喷口计量加入的燃料也到达活塞的燃烧凹坑中，从而可以最佳地转移燃料。

所述内燃机优选设计为按照柴油机原理的自点火的内燃机，并且不具有用于内燃机的燃烧室中的燃烧用混合气的外源点火的附加的点火机械装置。

所述内燃机的压缩比优选处于13至23之间，其中，压缩比能够无级地改变或者能够在两个或多个具体的级别中改变。在此，最小压缩比与最大压缩比之差处于优选2至8个单位。最小与最大压缩比之差优选为2.5至6个单位、特别优选3至4个单位。压缩比的无级的调整和三点或两点调节都可以考虑，这些调节可以在技术上更简单地实施。利用处于13至23、尤其14至20之间的可变压缩比可以适应于不同的运行状态，其中，可以改善冷启动能力、加速地加热废气再处理部件并且实现内燃机的最大效率的正常运行。

在本发明的优选的实施方式中规定，压缩比在具有较高压缩程度的第一级别中处于17至23之间，并且在具有较低压缩程度的第二级别中处于13至17之间。

在本发明的优选的实施方式中规定，所述内燃机在第一运行状态下、尤其在低负荷下以高压缩比运行，其中，燃料仅通过第一孔节圆的喷口喷入所述燃烧室中。通过高压缩比和仅通过第一孔节圆的喷口被计量加入的较小喷射量的结合，可以尤其在内燃机的冷启动阶段改善内燃机的运行性能。

在有利的实施方式中规定，所述内燃机在第二运行状态下、尤其在高负荷下以低压缩比运行，其中，燃料既通过第一孔节圆的喷口又通过第二孔节圆的喷口喷射。由于通过两个孔节圆的喷口喷射并且压缩比减小，内燃机可以在正常运行中获得较高的效率。

在内燃机的有利的改良方案中规定，压缩比通过改变与所述活塞相连的连杆的有效的连杆长度能够被改变。通过改变有效的连杆长度可以调整内燃机的压缩比，以便获得前述优点。

在本发明的另外的改良方案中规定，所述活塞在其朝向所述燃料喷嘴的端面上具有燃烧凹坑。通过燃烧凹坑可以有利于燃料空气混合物在燃烧室中的燃烧，其中，可以使喷入燃烧室中的燃料与通过进气门输入的空气最佳地混合。

按照本发明，建议一种运行内燃机的方法，所述内燃机具有发动机缸体和气缸盖，其中，所述内燃机包括至少一个燃烧室，优选至少三个燃烧室。在所述燃烧室中，通过连杆与曲轴连接的活塞可移动，内燃机的燃烧室中的燃烧用混合气通过所述活塞可被压缩。在所述气缸盖中布置有至少一个燃料喷射阀，所述燃料喷射阀包括燃料喷嘴。在此，所述内燃机的压缩比尤其通过改变有效的连杆长度可被改变。所述燃料喷嘴具有多个喷口，所述喷口在燃料喷嘴周向上分布式地布置在第一孔节圆和第二孔节圆上。在此，在第一运行状态中，在低负荷下以17至23的高压缩比运行内燃机，其中，在此运行状态中仅通过第一孔节圆的喷口将燃料喷入所述燃烧室中。此外，在第二运行状态中，在高负荷下以13至17的低压缩比运行内燃机，其中，通过两个孔节圆的喷口将燃料喷入内燃机的至少一个燃烧室中。通过按照本发明的方法可以将废气再处理部件在冷启动后更快地带到其运行温度，并且可以普遍改善内燃机的冷启动能力，并且在正常运行中可以改善内燃机的效率，因为压缩比不再被设计作为不同要求之间的折衷，而是可以分别适应于多种运行状况。

在所述方法的改良方案中规定，在内燃机的废气通道中的较低温度下、尤其在低于250℃的温度下、特别优选在小于150℃的温度下，以高压缩比运行内燃机，以便改善内燃机的冷启动阶段并且有利于加热废气再处理部件，并且在较高温度下、尤其在高于350℃的温度下，以低压缩比运行内燃机。由此，在不需要另外加热废气设备中的废气再处理装置的部件的阶段中可以改善内燃机的运转平稳性并且减少氮氧化物排放。由此，在废气通道中的较低温度下可以进一步改善废气再处理部件的加热，并且必要时在废气通道中的较高温度下可以在特性曲线范围内舍弃高压缩比，由此可以提高内燃机的效率。

在本申请文本中提到的本发明的不同的实施方式，如果在单个情况下同样地实施，则能够相互组合优点。

附图说明

以下在实施例中结合附图阐述本发明。在此，相同的构件或具有相同功能的构件在不同的附图中用相同的附图标记标记。在附图中：

图1示意性地示出按照本发明的具有可改变的压缩比的内燃机和具有多个孔节圆的燃料喷嘴；

图2示出按照本发明的内燃机的燃料喷嘴，其中，多个喷口分布在两个孔节圆上；

图3示意性地示出内燃机的第一运行状态，其中，内燃机在较低的部分负荷下以较高的压缩比运行，并且喷嘴针阀仅一定程度地打开，直到燃料仅通过第一孔节圆的喷口被引入燃烧室中；

图4示意性地示出内燃机的第二运行状态，其中，内燃机在较高的部分负荷或全部负荷下以较低的压缩比运行，并且燃料喷嘴的喷嘴针阀一定程度地打开，直到燃料既可以通过第一孔节圆的喷口又可以通过第二孔节圆的喷口被引入燃烧室中。

具体实施方式

图1示意性地示出按照本发明的内燃机10。内燃机10具有发动机缸体12和与发动机缸体12连接的气缸盖14，其中，在发动机缸体12的缸孔中布置有活塞18，活塞18通过连杆34与曲轴58连接。缸孔表示出气缸壁38，活塞18借助活塞环以已知的方式在气缸壁38上导引。活塞18和气缸盖14限定内燃机10的燃烧室16的边界。此外，在气缸盖14中构造有用于燃烧室16的气体交换的进气通道和排气通道，其中，通过进气门40或排气门42可以关闭相应的通道，从而流入或流出燃烧室16暂时被中断。为了打开进气门40设有进气凸轮轴54，进气凸轮轴54的凸轮朝燃烧室16的方向挤压进气门40，从而进气门40被打开。为了操纵排气门42设有排气凸轮轴56，其中，排气凸轮轴56的凸轮控制排气门42的打开和关闭。此外，在气缸盖14上还构造有孔，用于容纳燃料喷射阀36、尤其高压喷射系统的燃料喷射器，燃料喷射阀36装在所述孔中。燃料喷射阀36在其朝向燃烧室16的端部上具有燃料喷嘴20，在燃料喷嘴20上构造有多个喷口22、24。在此，喷口22、24分布在第一孔节圆26和第二孔节圆28上，其中，喷口22布置在第一孔节圆26上并且喷口24布置在第二孔节圆28上。在此，第一孔节圆26的喷口22构成第一喷射锥，第一喷射锥具有155°至175°的锥角α，并且第二孔节圆28的喷口24具有第二喷射锥，第二喷射锥具有90°至170°的锥角β，其中，第一喷射锥的锥角α比第二喷射锥的锥角β大至少5°。活塞18在朝向燃料喷嘴20的端面30上具有燃烧凹坑32，其中，当活塞处在上止点附近的位置时，至少喷口22的喷射锥对准燃烧凹坑32。以已知的方式可以改变连杆34的有效连杆长度lp并且因此可以改变活塞18在上止点附近相对于气缸盖14的间距，由此按照本发明的内燃机10的压缩比是可变的。

图2示出按照本发明的内燃机10的燃料喷嘴20的放大图。燃料喷嘴20具有喷嘴体44和喷嘴针阀46，喷嘴针阀46用作关闭元件并且在阀座48中贴靠在喷嘴体44上。在喷嘴体44中构造有第一组喷口22、尤其喷孔，第一组喷口22具有直径d1并且布置在燃料喷嘴20的第一孔节圆26上。此外，在喷嘴体44中还构造有第二组喷口24，第二组喷口24布置在第二孔节圆28上并且具有直径d2。第一孔节圆26和第二孔节圆28构造在喷嘴体44的锥形部段52中，从而第一孔节圆26具有比第二孔节圆28更小的直径d3，第二孔节圆28具有更大的直径d4。在此，第二孔节圆28的喷口24的锥角β更小，从而喷射的燃料更深地进入燃烧室16中。第一孔节圆26的喷口22的锥角α更平坦，以便能够尤其在上止点附近将燃料引入活塞18的燃烧凹坑32中并且不会击中相对较冷的气缸壁38。此外，燃料喷嘴20还具有喷嘴顶部50，喷嘴顶部50朝向燃烧室16。第二孔节圆28上的喷口24的数量为第一孔节圆26上的喷口24的优选50％。第二孔节圆的通流量优选处于第一孔节圆的50％至400％、特别优选70％至200％，其中，第二孔节圆28的喷口24具有比第一孔节圆26的喷口22更大的直径d2。第二孔节圆28的喷口24的布置方式优选如此选择，使得第二孔节圆28的喷束锥处于第一孔节圆26的喷束锥之间。这意味着，从下方或上方观察燃料喷射阀36，第二孔节圆28的喷口24以小于20°的角度偏离第一孔节圆的两个相邻的喷口22之间的角平分线，其中，第二孔节圆28的喷口24特别优选地相对该角平分线对称地布置。

图3示出按照本发明的内燃机10的第一运行状态，内燃机10具有可变压缩比ε并且具有燃料喷嘴20，燃料喷嘴20具有不同的孔节圆26、28上的多个喷口22、24。在此可以通过调节上止点中的活塞位置实现可变压缩比ε。孔节圆26、28在此具有用于计量加入的燃料的喷射束的不同锥角α、β，从而考虑视压缩比ε而定的不同的活塞位置。在第一运行状态a中，内燃机10以高压缩比ε1在较小转矩t和相应较小喷射量下运行，其中，针对活塞18调节较高的活塞位置。在此，压缩比ε1处于17与23之间的值中。这样的高压缩比ε1的目的是改善在较迟的燃烧重心位置的燃烧稳定性。较迟的燃烧重心位置和高压缩比ε1的结合有利于快速加热后的发动机附近的废气再处理部件、如nox存储催化器、氧催化器、用于选择性地催化还原氮氧化物的催化器(scr催化器)和/或颗粒过滤器，以便将废气再处理部件在内燃机10的冷启动后尽可能在短时间内带到启动温度。所述结合此外还有利于为了获得需要的温度以及相应地加热废气再处理部件，从而废气再处理部件可以快速并且稳定地运行。所述第一运行状态也可以尤其用于将颗粒过滤器加热到再生温度。

燃烧的重心位置可以在这样高的压缩比ε1下达到在活塞18到达上止点之后的20℃a(曲轴转角)至50℃a之间，这样的燃烧重心位置通过由现有技术已知的直接喷射的柴油发动机的低压缩比不能实现。为此，具有活塞18到达上止点之后的优选5℃a至20℃a的重心位置的主喷射是有意义的。该主喷射优选通过紧临主喷射之前的预喷射被补充，在该预喷射中，喷射的燃料的量不超过主喷射的量的10％并且处于1mg至3.5mg燃料的范围内。在此，预喷射超前主喷射不应大于50℃a。此外，为了在较迟的燃烧重心位置中产生的更多颗粒排放进行燃烧室内的后氧化，有意义的是，设置较早的后喷射，在该后喷射中，不超过主喷射的喷射量的20％的喷射量被计量加入燃烧室16中。在此，后喷射的喷射量处于1mg至8mg燃料的范围内，该喷射量优选在活塞18到达上止点之后的5℃a至50℃a之间被喷射。在第一运行状态中的较小喷射量下，燃料仅通过具有较宽锥角α的第一孔节圆26上的喷口22喷射到活塞18的燃烧凹坑32中。

在图4中示出内燃机10的第二运行状态，其中，压缩比ε相对于第一运行状态降低，从而实现了功率要求、驱动装置负荷和颗粒-nox-权衡之间的良好折衷。在此，用于第二运行状态b的压缩比ε的值处于13至17的范围内。较高压缩比ε1与较低压缩比ε2之间的价差(spreizung)在此优选处于最大8个单位、特别优选2.5至6个单位、理想地3至4个单位。无级地调整压缩比和两点或三点调节都可以考虑。以下基于较高压缩比ε1与较低压缩比ε2之间的两点调节，但也可以在多点调节或无级调节中实施该方法。

确定最佳的压缩比优选通过转速和转矩特性曲线或通过喷射量特性曲线实现，其中将使废气温度升高的(但更不利于效率的)高压缩比ε1设定在小于2500转/分钟的转速n和小于最大值的一半的转矩或喷射量附近。为了描述尽可能有利的消耗，有意义的是，修正关于另外的影响量的基本设定。关于后置于内燃机10的废气设备的至少一个构件的测量或建模的温度，在较低温度t1、尤其低于150℃的温度下，将所述基本设定朝向较高的转速和/或喷射量或转矩移动。反之，在较高的温度t2、尤其高于350℃的温度下，也可以设置较小的特性曲线区域具有高压缩比ε1，在较高的温度t2、尤其高于350℃的温度下，不需要另外加热或保温。必要时，在废气通道中的较高的温度t2下可以在特性曲线范围内舍弃具有高压缩比ε1的运行。另外的用于确定当前最佳的压缩比ε的影响量可以是：冷却剂温度、环境或吸入空气温度、增压压力、润滑油温度、增压空气温度、燃烧室16中的峰值压力、以及尤其在内燃机的废气通道中的另外的测量的或建模的温度。此外，设置高压缩比ε1与低压缩比ε2之间的转化滞后。

压缩比ε的调节、尤其建议的两点调节可以通过改变有效的连杆长度lp进行。备选地，可以考虑抬起或下沉气缸盖14，以便调整压缩比ε。通过第一孔节圆26的喷口22喷射向通过所有喷口22、24喷射的转化可以通过喷嘴针阀46和喷嘴体44的相应成形实现，其中，可以直接或间接控制喷嘴针阀46。

附图标记列表

10内燃机

12发动机缸体

14气缸盖

16燃烧室

18活塞

20燃料喷嘴

22(第一孔节圆上的)喷口

24(第二孔节圆上的)喷口

26第一孔节圆

28第二孔节圆

30(活塞的)端面

32燃烧凹坑

34连杆

36燃料喷射阀

38气缸壁

40进气门

42排气门

44喷嘴体

46喷嘴针阀

48阀座

50喷嘴顶部

52锥形部段

54进气凸轮轴

56排气凸轮轴

58曲轴

ε压缩比

ε1较高压缩程度下的压缩比

ε2较低压缩程度下的压缩比

d1第一孔节圆上的喷口的直径

d2第二孔节圆上的喷口的直径

d3第一孔节圆的直径

d4第二孔节圆的直径

lp连杆的长度

n转速

t转矩

t1废气通道中的第一温度

t2废气通道中的第二温度