内燃机中的未燃烧燃料排放 |
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| 申请号 | CN201380065349.7 | 申请日 | 2013-12-20 | 公开(公告)号 | CN104854326B | 公开(公告)日 | 2017-11-28 |
| 申请人 | 卡特彼勒能源方案有限公司; | 发明人 | K·施特尔瓦格恩; | ||||
| 摘要 | 本 发明 通常涉及一种 内燃机 (1)，其包括：汽缸(2)，其限定用于在其中燃烧空气/ 燃料 混合物的 燃烧室 (28)； 活塞 (30)，其可在所述汽缸(2)内在上死点(TDC)和下死点(BDC)之间往复运动，并包括配置成密封地 接触 所述汽缸(2)的最顶端 活塞环 (32)；环形裂隙(18)，其面对所述燃烧室(28)并由所述汽缸(30)、所述活塞(2)以及所述最顶端活塞环(32)限定；以及至少一个流动通道(40)，所述流动通道 流体 连接到所述燃烧室(28)，并被配置用于引导未燃烧的空气/燃料混合物离开所述燃烧室(28)。所述至少一个流动通道(40)可 定位 成：当所述活塞(30)定位成使得 曲柄 角 在所述上死点(TDC)之后约85°到95°的范围中时，与所述环形裂隙(18)直接流体连接。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种内燃机(1)，其包括： |
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| 说明书全文 | 内燃机中的未燃烧燃料排放技术领域背景技术[0002] 在内燃机的操作期间，废气可包括来自燃烧室表面和活塞与汽缸壁之间的空间中的裂隙容积的淬火气，其中在发动机汽缸中的燃烧结束之后存在未燃烧燃料，特别是未燃烧的空气/燃料混合物。因此，需要获得未燃烧的空气/燃料混合物的量并在后续的燃烧循环期间将其再循环。 [0003] 例如，US 4 191 150 A公开一种选择性将未燃烧混合物从活塞裂隙容积排出的发动机。特别地，排放装置包括在汽缸壁中的一个或多个旁路通道，所述旁路通道绕过活塞环并将裂隙容积与活塞冲程下部中的发动机曲柄箱连接。在做功冲程的后期去除混合物。 [0004] US 5 357 919 A公开一种用于四冲程火花引燃式内燃机的碳氢化合物排放控制系统，其具有容积可变的腔室和容积固定的辅助腔室，所述辅助腔室的固定容积小于工作腔室的最大容积。工作腔室及辅助腔室通过汽缸壁中的一组通路彼此相连，其中汽缸壁中的通路定位成使得在活塞接近其排气冲程的顶部时，在辅助腔室中存储的尾气排放到曲柄箱内。 [0005] US 6 431 157 B1公开一种内燃机，其包括具有至少一个汽缸筒的汽缸体、汽缸盖及位于活塞下方的用于润滑油的曲柄箱，所述汽缸盖具有带通向燃烧室的相关入口阀和排气阀的至少一个入口通道和排气通道，所述至少一个入口通道和排气通道位于可在汽缸筒中运动的活塞上方。活塞包括彼此相隔一定距离的至少两个凹槽，每一凹槽具有活塞环及活塞环之间所包含的活塞集气室。 [0006] 本发明至少部分旨在改进或克服现有系统的一个或多个方面。 发明内容[0007] 根据本发明的一方面，内燃机可包括汽缸、活塞、环形裂隙以及至少一个流动通道，所述汽缸限定用于燃烧其中的空气/燃料混合物的燃烧室，所述活塞可在汽缸内上死点和下死点之间往复运动并包括面向燃烧室的顶端和配置为密封地接触汽缸的最顶端活塞环，所述环形裂隙由汽缸、活塞、活塞顶端和最顶端活塞环限定，所述至少一个流动通道流体连接到燃烧室并配置成将未燃烧的空气/燃料混合物引导出燃烧室。至少一个流动通道可配置并定位成：当活塞具有对应于在上死点之后约85°至95°和约265°至275°的曲柄角范围的位置时，直接流体连接到环形裂隙。 [0008] 根据本发明的另一方面，公开了一种操作内燃机的方法，所述内燃机包括汽缸、活塞以及入口通道，所述汽缸限定其内的燃烧室，所述活塞可在汽缸内上死点和下死点之间往复运动，所述入口通道配置为将预定量的空气/燃料混合物供应到燃烧室，所述方法可包括：仅当活塞在内燃机的做功冲程期间具有对应于在上死点之后约85°至95°的曲柄角范围的位置时，将未燃烧的空气/燃料混合物引导出环形裂隙进入进气通道，所述环形裂隙在汽缸和活塞之间形成并与燃烧室流体连通。 [0009] 根据本发明的另一方面，配置成插入到内燃机的汽缸中的汽缸套可包括圆周壁，所述圆周壁限定用于燃烧其中的空气/燃料混合物的燃烧室。圆周壁可配置为在上死点和下死点之间往复引导活塞，其中，所述活塞可包括面向燃烧室的顶端和配置为密封地接触圆周壁的最顶端活塞环，使得环形裂隙由圆周壁、活塞、活塞顶端和最顶端活塞环限定。汽缸套可进一步包括延伸穿过圆周壁的多个排放孔。多个排放孔可配置并定位成：当活塞具有对应于在上死点之后约85°至95°和约265°至275°的曲柄角范围的位置时，直接流体连接到环形裂隙。 [0010] 在一些实施例中，内燃机进一步包括插入汽缸的汽缸套，使得活塞可往复地设置在汽缸套内且环形裂隙由汽缸套、活塞、活塞顶端和最顶端活塞环限定，其中汽缸套可包括与至少一个流动通道流体连接的多个排放孔。 [0011] 在一些实施例中，内燃机可进一步包括圆周地设置在汽缸处的聚积槽。所述聚积槽可配置成流体地互相连接在多个排放孔和至少一个流动通道之间。 [0012] 在一些实施例中，内燃机可进一步包括流体地连接到至少一个流动通道的调节阀。调节阀可配置成：当所述活塞在内燃机的做功冲程期间具有对应于在上止点后约85°至95°的曲柄角范围的位置时，打开，并且在内燃机的进气冲程、压缩冲程和排气冲程期间以及当所述活塞在做功冲程期间具有对应于在上止点后约0°至85°和95°至180°的曲柄角范围的位置时，关闭。 附图说明[0014] 图1示出了所公开的示例性内燃机的示意图； [0015] 图2示出了图1的内燃机的细节II-II的示意图；和 [0016] 图3是与以下部分相关联的图解：其中环形裂隙取决于四冲程循环期间的曲柄角与至少一个流动通道直接流体连通。 具体实施方式[0017] 以下是本发明的示例性实施例的具体实施方式。其中所描述的和在附图中所说明的示例性实施例旨在教导本发明的原则，使本领域普通技术人员能够在许多不同的环境并针对许多不同的应用实施并使用本发明。因此，示例性实施例并不旨在作为并且不应当被视为专利保护范围的限制性描述。而是，专利保护的范围应当由所附的权利要求书限定。 [0018] 本发明可部分地基于下述实现方式：提供一种带有至少一个流动通道的内燃机汽缸，所述至少一个流动通道定位为：当所述活塞在做功冲程期间具有对应于在上死点之后约85°至95°的曲柄角范围的位置时，使得所述至少一个流动通道与捕集活塞处的未燃烧空气/燃料混合物的环形裂隙直接流体连通，所述活塞可往复地设置在汽缸内；所述汽缸可从所述环形裂隙释放未燃烧燃料，因此，可以防止排出未燃烧空气/燃料混合物。此外，这可以增加所述内燃机的效率。 [0019] 本发明可进一步部分地基于下述实现方式：所述内燃机也可设有插入到汽缸中的汽缸套。在此情况下，汽缸套包括多个排放孔，其中，每一个排放孔均与所述至少一个流动通道流体连通。同样在这种情况下，可将捕集在由所述汽缸套与往复地设置在汽缸套内的活塞形成的环形裂隙中的未燃烧空气/燃料混合物从燃烧室释放出来，并且可在随后的燃烧循环中重新供应以用于燃烧。 [0020] 根据本发明，所述至少一个流动通道和所述环形裂隙之间的直接流体连通可被限定为活塞位置，其中所述至少一个流动通道面向环形裂隙。上述情况适用于具有汽缸套的内燃机，所述汽缸套包括多个排放孔。在此情况下，多个排放孔面向环形裂隙以便于与所述环形裂隙直接流体连通。 [0022] 内燃机1可以包括如下未示出特征，如燃料系统、空气系统、冷却系统、外围设备、传动系统部件等。出于本发明目的，内燃机1被认为是四冲程气体燃料内燃机。然而本领域的技术人员将认识到，内燃机1可以是任何类型的能利用从燃烧室的裂隙空间排出的未燃烧空气/燃料混合物的发动机(气体、柴油、天然气、丙烷、双燃料等)。此外，气体燃料内燃机1可以是任何大小的，具有任意数量的汽缸，并且采用任意配置(“V”，直列，径向等)。 [0024] 包括在其中限定燃烧室28的圆周壁12的汽缸套10密封地插入汽缸2中。特别地，密封圈(在附图中并未明确示出)可配置成在汽缸套10与汽缸2之间形成密封。 [0025] 如图1所示，汽缸盖6配置成封闭汽缸2和汽缸套10的上端。汽缸盖6设有入口通道20和出口通道24，所述通道分别设有进气阀22和排气阀26。入口通道20可(例如)连接至设置于进气阀22上游的气体混合器。进气阀22配置成打开和关闭入口通道20，由此促使或限制空气/燃料混合物进入燃烧室28。排气闭26配置成打开和关闭出口通道24，由此促使或限制废气离开燃烧室28。发动机控制单元(在附图中并未明确示出)可配置成分别控制进气阀 22和排气阀26。 [0026] 活塞30可沿轴C往复地设置在汽缸套10内并可在上死点(在下文中称为TDC)与下死点(在下文中称为BDC)之间运动。特别地，活塞30配置成通过在TDC与BDC之间往复运动而改变燃烧室28的容积。进一步指示活塞30位于TDC(表示靠近进气阀22和排气阀26)及BDC(表示最远离进气阀22和排气阀26的位置)。在图1中由虚线指示活塞30在TDC和BDC的两个位置。 [0027] 活塞30包括面向燃烧室28的顶端31。活塞30设有最顶端活塞环32和最底端活塞环34，所述活塞环配置成使燃烧室28与活塞30下方的部分(表示与曲柄箱)形成密封。最顶端活塞环32和最底端活塞环34可进一步被认为是已知的刮油环。如图1所示，活塞30可进一步设有一个中间活塞环33。然而，在一些实施例中，活塞30可设有配置成进一步使活塞30与(例如)曲柄箱形成密封的一个以上中间活塞环。 [0028] 汽缸套10包括延伸穿过圆周壁12的多个排放孔14、16。关于图1，示出两个排放孔14和16。然而，在一些实施例中，汽缸套10可包括两个以下或以上排放孔14、16。例如，汽缸套10可以包括绕汽缸套10的圆周对称设置的六个排放孔。多个排放孔14、16配置成将未燃烧的空气/燃料混合物释放出燃烧室28。 [0029] 关于图2，示出排放孔14的放大视图。如图所示，在活塞30上形成有环形裂隙18。特别地，由汽缸套10、活塞30的圆周、最顶端活塞环32和活塞30的顶端31的虚拟延长部形成环形裂隙18。在一些并未利用汽缸套10的实施例中，由汽缸2的内壁、活塞30的圆周、最顶端活塞环32和活塞30的顶端31的虚拟延长部限定环形裂隙18。 [0030] 活塞杆36通过由二个锁紧环39轴向紧固的活塞销38连接至活塞30。活塞杆36配置成连接至设置于发动机体4的曲柄箱(未示出)内的曲轴(附图中未示出)，以使曲轴的旋转引起活塞30在汽缸套10内的往复运动。本领域技术人员将认识到，在曲柄角呈0°时，活塞30可定位于TDC。另外，在曲柄角呈180°时，活塞30可定位于BDC。 [0031] 多个排放孔14、16定位成：当活塞30特别是在内燃机1的做功冲程期间定位成使得曲柄角在TDC后约85°到95°的范围内时，流体连接至环形裂隙18，下面将详细描述。 [0032] 发动机体4包括至少一个流动通道40，其中之一如图1所示。至少一个流动通道40设置于发动机体4中的汽缸2处并配置成流体连接至多个排放孔14、16。在内燃机1可能不利用汽缸套10的情况下，所述至少一个流动通道40可以流体连接至燃烧室28。 [0033] 聚积槽42周向地设置在汽缸2处并配置成使多个排放孔14、16与至少一个流动通道40之间互相流体连接。聚积槽42配置成为未燃烧的空气/燃料混合物在通过多个排放孔14、16排出燃烧室28之后提供聚积空间，以使得未燃烧的空气/燃料混合物可通过至少一个流动通道40引导出燃烧室28。 [0034] 可以在至少一个流动通道40中设置调节阀50。调节阀50可配置成打开或关闭至少一个流动通道40，由此促使或限制气态流体从中穿过。可以通过发动机控制单元(附图中未示出)控制调节阀50。在一些实施例中，调节阀50可以是调压阀，通过调压阀上游和下游的气体压力来控制所述调压阀。 [0035] 多个排放孔14、16、聚积槽42以及至少一个流动通道40可以限定泄漏腔。在本发明的上下文中，泄漏腔可由从燃烧室28延伸至调节阀50的聚积空间限定并可配置成存储一定量排出的未燃烧的空气/燃料混合物和/或一定量废气。 [0036] 在未燃烧的空气/燃料混合物从环形裂隙18排出燃烧室28进入泄漏腔之后，未燃烧的空气/燃料混合物可以在后续的燃烧循环期间重新供应到入口通道20并由此供应到燃烧室28。在一些实施例中，可首先将排出的未燃烧的空气/燃料混合物引导至曲柄箱内，在此可聚积未燃烧的空气/燃料混合物。随后，聚积在曲柄箱内的空气/燃料混合物便可通过入口通道20重新供应到燃烧室28。 [0037] 应当注意到，内燃机1可以不设有汽缸套10。在这种情况下，至少一个流动通道40与燃烧室28直接流体连通并配置成在活塞30处于上文提及的位置时(即在曲柄角在约85°到95°的范围中时)从燃烧室释放未燃烧的空气/燃料混合物。 [0038] 工业实用性 [0039] 在下文中，参照图1至图3描述内燃机1的操作。 [0040] 参照图3，示出图表，其中纵坐标100构成环形裂隙18与多个排放孔14、16直接流体连通的部分，并且横坐标101构成在包括进气冲程102、压缩冲程104、做功冲程106及排气冲程108的完整四冲程循环中的曲柄角；其中0°曲柄角指示进气冲程的开始，并且720°曲柄角指示排气冲程的结束并由此指示完整四冲程循环的结束。 [0041] 特别地，在曲柄角范围为0°到180°期间，四冲程循环处于进气冲程102。在曲柄角范围为180°到360°期间，四冲程循环处于压缩冲程104。在曲柄角范围为360°到540°期间，四冲程循环处于做功冲程106。在曲柄角范围为540°到720°期间，四冲程循环处于排气冲程108。 [0042] 此外，曲柄角为0°、360°和720°时，活塞30处于TDC，这表示处于由图1中虚线所示的较上方位置，而曲柄角为180°和540°时，活塞30处于BDC，这表示处于由图1中虚线所示的较下方位置。 [0043] 如上所提及，在曲柄角为0°时，四冲程循环从进气冲程102开始。此时，活塞30处于TDC并开始向下运动。然后，进气阀22打开，使得在进气冲程102期间，预定量的空气/燃料混合物注入燃烧室28中。所述预定量的空气/燃料混合物可以在来源于(例如)内燃机1的涡轮增压器单元的预定的进气压力下提供。此时，排气阀26和调节阀50关闭。 [0044] 当曲柄角达到约85°时(这表示在进气冲程102期间的TDC之后的85°)，环形裂隙18变得与多个排放孔14、16直接流体连通，使得少量的空气/燃料混合物可渗透到泄漏腔。此时空气/燃料混合物的泄漏在图3中由第一虚线112指示。然而，当调节阀50处于关闭位置时，未燃烧空气/燃料混合物的量只限于通过调节阀50。 [0045] 在通过处于180°曲柄角的BDC之后，活塞30向上运动，并且压缩冲程104开始。因此，至少此时，进气阀22关闭，使得活塞30在燃烧室28内在向上运动的同时压缩空气/燃料混合物。在压缩冲程104期间，随着在活塞30的向上运动期间，燃烧室28容积的不断降低，在燃烧室28和泄漏腔内的空气/燃料混合物的压力不断地增加。 [0046] 在曲柄角范围为大约85°至275°的期间(这表示在进气冲程102的后一部分和压缩冲程104的第一部分期间)，泄漏腔持续与燃烧室28流体连通，并且因此可连续地用有(例如)大约2巴的压力的空气/燃料混合物填充。燃烧室28内的压力可取决于发动机负荷。因此，可以预期燃烧室压力对应于实际的充气压力。 [0047] 当达到265°的曲柄角时(这表示在压缩冲程104期间在BDC之后的曲柄角为85°)，环形裂隙18再次变得与多个排放孔14、16直接流体连通。这在图3中通过第二虚线114指示。然而，由于调节阀50仍处于关闭位置，空气/燃料混合物渗入泄漏腔中的量仍是限于通过调节阀50。 [0048] 当曲柄角达到大约275°时(这表示在压缩冲程期间BDC后的曲柄角为约95°)，环形裂隙18变得与多个排放孔14、16断开直接流体连通。此外，所述多个排放孔12、14变得与所述燃烧室28完全断开流体连通。 [0049] 此时，由于空气/燃料混合物的压缩所引起的空气/燃料混合物在泄漏腔内的压力增大和/或由于充入注射空气/燃料混合物，捕集在泄漏腔中的空气/燃料混合物可以流出泄漏腔进入活塞30下方的部分并随后进入曲轴箱。 [0050] 特别地，当活塞30设置有最底端活塞环34时，空气/燃料混合物可首先进入最顶端活塞环32和最底端活塞环34之间的部分。当最底端活塞环34沿向上的方向经过多个排放孔14、16时，可允许空气/燃料混合物随后流出泄漏腔进入活塞30下方的部分并随后进入曲轴箱。 [0051] 在压缩冲程104期间，特别在曲柄角范围为约275°到360°(这表示在压缩冲程期间在BDC之后的曲柄角范围为约95°到180°)期间，至少一定量的空气/燃料混合物可被推压进入环形裂隙18。由于最顶端活塞环32密封地接触汽缸套10，所以限制在环形裂隙18内的空气/燃料混合物进一步向下流动。 [0052] 当达到360°的曲柄角时，活塞30处于TDC，并且可以开始点火。火花塞(未示出)可以在燃烧室28内提供点燃空气/燃料混合物的火花。燃烧的混合物可以膨胀，并因此可以向下推压活塞30，这表示做功冲程106开始。 [0053] 然而，因为当接触活塞时燃烧的燃料可以被至少部分地淬火，所以捕集在环形裂隙18内的空气/燃料混合物可不被点燃，并可以因此维持不燃烧。此外，膨胀燃烧燃料可以进一步推压未燃烧的空气/燃料混合物进入环形裂隙18并可以进一步压缩空气/燃料混合物。 [0054] 当达到约445°的曲柄角时(这表示做功冲程106期间在TDC之后的曲柄角为约85°)，环形裂隙18再次变得与多个排放孔14、16直接流体连通。这由图3的实线116指示。由于此时未燃烧的空气/燃料混合物的压力可为(例如)约20巴，所以捕集在环形裂隙18内的未燃烧的空气/燃料混合物流出燃烧室28进入泄漏腔。同时，调节阀50打开，从而使排出量的未燃烧空气/燃料混合物通过调节阀50。 [0055] 调节阀50维持打开状态直到达到约455°的曲柄角，这表示在做功冲程106期间在TDC之后的曲柄角为95°。然后，环形裂隙18与多个排放孔14、16之间的直接流体连通被中断，且调节阀50关闭。 [0056] 因此，当曲柄角在大约445°到455°的范围内(这表示在做功冲程106期间在TDC之后约85°到95°的范围内)时，环形裂隙18与泄漏腔直接流体连通，并且，调节阀50在此时打开。 [0057] 随后，在曲柄角范围为约455°到625°期间(这表示在做功冲程106的后一部分和随后的排气冲程108的第一部分期间)，至少一些废气可流入泄漏腔。然而，由于调节阀50在做功冲程106的此部分期间关闭，限制废气通过调节阀50。 [0058] 当达到540°的曲柄角时(这表示活塞30处于BDC)，排气冲程108开始且活塞30开始再次向上运动。此时，排气阀26打开且活塞30将废气通过出口通道24从燃烧室28推出。 [0059] 在曲柄角范围为约625°到635°(这表示在排气冲程108期间在BDC之后的曲柄角范围为约85°到95°)期间，环形裂隙18再次与所述多个排放孔14、16直接流体连通，在图3中用第三虚线118指示，但是调节阀50仍关闭，使得仍限制废气通过调节阀50离开泄漏腔。 [0060] 在曲柄角通过约635°之后(这表示在排气冲程108期间在BDC之后通过约95°的曲柄角之后)，环形裂隙18与泄漏腔断开流体连通。 [0061] 在曲柄角范围为从约635°到720°(这表示在排气冲程108期间在BDC之后的曲柄角范围为约95°到180°)期间，捕集在泄漏腔内的废气可流入活塞30下方的部分，并且随后流入曲柄箱(其已经在上文结合压缩冲程104进行了描述)。 [0062] 在排气冲程108结束时(这也限定了四冲程循环的结束)，活塞30再次处于TDC。然后，上述四冲程循环可以再次从进气冲程102开始。 [0063] 当未燃烧的空气/燃料混合物和/或废气流入曲柄箱时，重新供应连接件(未示出)可配置成使曲柄箱与入口通道20流体连接，使得可在后续的燃烧循环中重新供应未燃烧的空气/燃料混合物。在一些实施例中，例如，在涡轮增压发动机中，可将未燃烧的空气/燃料混合物重新供应至涡轮增压器的压缩机上游的进气管道。 [0064] 此外，也可将所述量的在做功冲程106期间通过调节阀50的未燃烧的空气/燃料混合物重新供应到入口通道20，用于使此量的未燃烧的空气/燃料混合物再循环。在一些实施例中，也可将所述量的在做功冲程106期间通过调节阀50的未燃烧的空气/燃料混合物供应到曲柄箱，然后供应到入口通道20中。 [0065] 在上述四冲程循环期间，一定量的废气也可通过调节阀50。然而，废气的所述一定量可能会远小于排出的未燃烧空气/燃料混合物的量，使得可以忽略此少量的废气。 [0066] 此外，在压缩冲程104期间，一定量的注入空气/燃料混合物可能漏到泄漏腔中。因此，在进气冲程102期间注入的空气/燃料混合物的量可以增加漏入泄漏腔中的空气/燃料混合物的量。 [0067] 所述多个排放孔14、16可包括圆形横截面，其直径处于(例如)约0.5mm到2.0mm的范围内。因此，聚积槽42可包括槽状横截面，其大于排放孔的横截面。所述至少一个流动通道40可包括圆形横截面，其直径处于(例如)约5mm到20mm的范围内。 [0068] 如上文所提及，发动机控制单元(未示出)可控制调节阀50的打开和关闭。然而，在一些实施例中，调节阀50可以是通过调压阀上游和下游的压力来控制的调压阀。在这样的实施例中，燃烧室压力可对应于或严格大于充气压力，使得可使用具有预期值间距的公共压力控制器。 |
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