技术领域
[0001] 本
发明涉及根据
权利要求1的前序部分所述的压燃式
增压内燃机。本发明还涉及根据权利要求11的前序部分所述的操作内燃机的方法。
背景技术
[0002] 内燃机的
活塞将通过
燃料燃烧释放的
能量经由
活塞销传递到
连杆，并进一步传递到
曲柄机构。活塞通过
活塞环密封于
发动机的
气缸，从而无不必要损失地进行能量传递。内燃机的
燃烧室部分由活塞的上部、气
缸套限定，部分由气缸盖限定。该区域受到较大热应
力。沿气缸的纵向延伸并位于活塞环下方的活塞壁引导活塞运动，并用作润滑表面。在现代的
压缩机增压的发动机中，对活塞的要求更高。
[0003] 活塞通过连杆与发动机的
曲轴连接，该连杆在其一端处通过销与所述活塞连接，并通过大端
轴承与曲轴连接。发动机的主要构成要素是缸径/冲程比、杆长/冲程比。其中重要的功能特征是压缩比、气
门正时、转速、增压增益和燃料供给问题。
[0004] 压燃式内燃机中的燃料燃烧和燃料的能量转换成机械功受多种因素影响，这些因素中的一些与过程相关，而一些因素涉及发动机的机械构造。压燃式发动机中的燃烧过程较大程度地受燃烧室形状的影响。因此，活塞上部的形状对发动机的性能具有重要意义。
[0005]
现有技术中存在多种公开文献描述布置在活塞顶部中的
旋转对称碗部。例如，US
专利6,732,703、6,966,294和7,210448示出了这类活塞的上部形状。以上提及的专利解决了与排气中所涉及的环境问题的最近需求以及油烟在活塞环上方向
润滑油迁移有关的问题。它们主要涉及活塞顶部的形状和活塞与燃料喷射器之间的协作，其中，
活塞碗部的形状和喷射雾化
角致使喷雾羽流在离开喷射器口之后以一定的方式撞击在活塞碗部表面上并与该活塞碗部表面
接触。本发明主要涉及排放物控制，尤其是NOX排放物。
[0006] 尽管这些专利所示的活塞形状可能同样有利，但还存在进一步改进压燃式发动机的构造和操作的需要，从而可进一步改进发动机的性能。
[0007] 本发明的目的在于提供一种符合本发明目的的压燃式增压内燃机。本发明的目的还在于提供一种操作内燃机的方法，该方法使得在性能改善的同时保持低废气排放
水平，尤其是NOX排放物。
[0008] 在本文中，术语“百分比-度”(％度)是指相对气门
位置在曲柄角范围内的积分，其中，百分比是指相对于
气缸直径的气门位置。
发明内容
[0009] 本发明的目的基本满足如权利要求1和11中所公开的内容。其它权利要求提供本发明不同实施方式的更多细节。
[0010] 根据本发明的优选实施方式，一种压燃式增压内燃机包括：主体，在该主体中布置至少一个气缸；气缸盖，该气缸盖与所述气缸相关地布置，并设置有至少一个进气门和至少一个排气门；气门机构，该气门机构布置成用于操作所述气缸盖中的所述气门；活塞，该活塞布置成在所述气缸中能在其
上止点(TDC)与
下止点(BTC)之间移动。该内燃机的特征在于，所述气门机构布置成操作为使扫气区域为80-120百分比-度(％度)。该方式提供了非常有效的扫气，其使得可以将内燃机布置成以相当高的性能操作，而不过分地危及其可靠性。
[0011] 当所述气门机构被布置成操作为使所述扫气区域(S)的
顶点高度小于所述气缸的直径的3％时，通过允许所述活塞的顶部相当靠近所述气缸盖和所述气门，可以提高所述内燃机的压缩比。这通过根据本发明的实施方式的活塞形状而特别有利，在所述活塞形状中，所述活塞的中间顶部区域与所述活塞的顶部的边缘区域处于相同高度，从而通过所述活塞的形状来增大所述内燃机的压缩比。
[0012] 因此所述气门机构被布置成在
排气冲程和
进气冲程之间保持所述进气门和所述排气门同时打开，从而基本抵消由增大的压缩比所造成的增大的热负荷。
[0013] 根据本发明的实施方式，与所述排气门曲线相比，所述进气门曲线形成更大的区域(％度)。因此，压力由
涡轮增压器的压缩机保持的扫气空气可以较容易地进入燃烧室，并进一步通过所述排气门而离开所述燃烧室。
[0014] 根据一种操作压燃式增压内燃机的方法，该内燃机包括：主体，在该主体中布置有至少一个气缸；气缸盖，该气缸盖与所述气缸相关地布置，并设置有至少一个进气门和至少一个排气门；气门机构，该气门机构操作所述气缸盖中的所述气门；活塞，该活塞布置成在所述气缸中可在其上止点(TDC)与下止点(BTC)之间往复运动。该方法的特征在于，所述气门机构操作成使扫气区域(S)为80-120百分比-度(％度)。
[0015] 优选地，所述活塞往复运动，使得在TDC位置处，该活塞距所述气缸盖的距离为所述气缸的直径(DC)的3.5-4％。这提供了相当高的压缩比，并提供所述活塞的边缘与所述气缸盖之间在TDC位置处的最佳距离。
[0016] 优选地，所述进气门最迟在所述曲柄角为335°时打开1％，并且所述排气门直到所述曲柄角为385°时打开1％。这提供了非常宽的有效扫气区域，并使得可以将气门操作成使所述扫气区域(S)的顶点高度小于所述气缸的直径的3％。
附图说明
[0017] 在下文中，参照所附的示意图来描述本发明，在附图中：
[0018] 图1示出了根据本发明的实施方式的压燃式内燃机；
[0019] 图2示出了图1中所示的发动机的
气缸组件；
[0020] 图3以更详细的方式示出了根据本发明的优选实施方式的活塞的上部；
[0021] 图4示出了从方向A所看的图3的活塞的一部分；
[0022] 图5示出了根据本发明的优选实施方式进行门和排气门的相关开度。
具体实施方式
[0023] 图1示意地示出了压燃式内燃机10。该发动机包括布置在该发动机的主体15中的气缸20。该发动机是增压发动机，设置有与其换气系统联接的
涡轮增压器12。
[0024] 图2示意地示出了根据本发明的优选实施方式的压燃式内燃机10的气缸组件，该图仅示出了发动机的主体15的一部分。为了清楚起见，仅示出了发动机10的一个气缸20，并且应清楚，该发动机可包括若干气缸，这些气缸例如图1中所见布置成一列，或者例如布置成V形构造。活塞25纵向可动地布置在发动机的气缸20中。在本文中，纵向是指气缸的中
心轴线60的方向。活塞25通过
活塞杆35联接到曲轴30。因此，活塞25可在上止点(TDC)与下止点(BDC)之间往复运动。因此发动机的冲程长度由曲轴30的尺寸限定。
[0025] 发动机10还设置有布置于各气缸20的顶部上的气缸盖40。气缸盖40、气缸20和活塞25在发动机的各气缸中限定燃烧室50。气缸盖40还布置有燃料喷射器55，该燃料喷射器用于向燃烧室50中喷射燃料。在图2的实施方式中，燃料喷射器布置在气缸的中心轴线60上，并且设置有多个燃料喷射孔口551(图3)，以在喷射阶段提供若干基本同时的径向燃料射流。
[0026] 在该情况下，气缸20包括作为发动机主体15的可移除部分的分离式气缸套21。气缸盖40设置有至少一个进气门42和至少一个排气门44，以利于燃烧室中的气体交换。然而，通常的现代
四冲程发动机包括一对进气门和排气门。进气门42设置有用于操作发动机的进气门42的第一气门机构421。相应地，排气门44设置有用于操作发动机的排气门44的第二气门机构441。第一气门机构和第二气门机构还可由控制进气门和排气门的一个联合气门机构。该气门机构设置有与曲轴30的位置联动的联动装置70，从而还可基于曲柄角并因此基于相应活塞的位置控制进气门和排气门的位置。实践中存在实现该气门机构的若干公知替代。联动装置70可包括机械、液压或电系统或者这些系统的结合，通过这些系统使各气门具有适当定时的挺升性能。
[0027] 图3以更详细的方式示出了根据本发明的优选实施方式在气缸20中处于TDC位置的活塞的上部。在图3中，因气缸相对于其中心轴线对称的缘故因此仅示出了气缸的上部的一半。图3的活塞的一部分在图4中从方向A示出。
[0028] 活塞25布置在直径为DC的气缸20中。在本文中，定义气缸直径比定义活塞直径更重要，因为气缸的表面部分地限定了发动机10的燃烧室。活塞的上部设置有碗部251，该碗部251相对于中心轴线60旋转对称。该碗部的直径为DB。活塞还具有基本平坦的边缘区域256，该边缘区域环绕活塞顶部在碗部251与活塞的外缘之间径向延伸。平坦的边缘区域的平面相对于气缸的中心轴线60基本成90°角。根据本发明碗部直径DB限定为气缸直径DC/碗部直径DB之比为大约1.15至1.65。活塞碗部深度260较深。碗部深度是指碗部从活塞顶缘延伸到活塞内的最大距离。根据本发明碗部深度260限定为气缸直径DC/碗部深度260之比大约为9.2至12.2。该碗部深度与碗部直径一起提供了布置碗部的适当形成的(径向)外部区域的
基础，这将在下面进行说明。
[0029] 活塞碗部251包括下列径向区域。首先，活塞上部的中间顶部区域252具有半径为R1的曲线形状。该区域相对较小，其直径大约为气缸20的直径DC的10％以下。半径R1大约为气缸直径DC的10％。该中间顶部区域在活塞的中心轴线60的方向上与平坦的边缘区域256位于基本相同的纵向位置。因此，碗部251绕中间顶部区域形成。
[0030] 碗部251在活塞顶部上的邻近区域是圆锥形区域253。圆锥形区域253布置在活塞的中间顶部径向后方，作为其延伸部。在本文中，径向是从活塞的中心轴线朝向活塞的周缘的方向。圆锥形区域的形状是在中间顶部区域252与邻近区域，即弯曲的底部区域254之间朝活塞25的周缘径向延伸的截头圆锥。圆锥形区域的表面相对于气缸的中心轴线60成角度α。该角度为65°＜α＜75°。弯曲的底部区域254则具有半径R2。有利的是，碗部深度260/底部半径R2之比大约为0.9至1.2。这提供了一种形式，这种形式与本发明的其它特征一起为发动机的操作提供有益效果。角度α与弯曲的底部区域一起改善了发动机10的燃烧室中的火焰扩散和紊流产生。
[0031] 如所提及的那样，活塞具有面向气缸盖在碗部251与活塞的外缘之间径向延伸的基本平坦的边缘区域256。边缘区域256与碗部的弯曲的底部区域254通过半径为R3的唇部255彼此连接。碗部深度260/唇部半径R3之比有利地为大约2.4至3。这种活塞碗部形状和以下将要描述的燃料喷射装置一起，可提供改善的燃料射流引导并改善因此产生的羽流。
[0032] 燃料喷射器55布置于气缸的中心轴线60。该喷射器设置有多个孔口551，孔口551成径向并以等间隔的方式布置在喷射器的尖端。各燃料喷射孔口的方向552相对于气缸的中心轴线60成角度β。角度β使得燃料射流的方向基本朝向活塞的弯曲的底部区域
254。角度α显著小于角度β，因此，燃料射流和因此形成的羽流与活塞的表面相互作用，从而减小朝向气缸套的火焰扩散并且加强侧向向内的火焰扩散。因此，在操作发动机时，燃料射流和产生的羽流主要撞击在活塞的弯曲的底部区域254上。这使得喷射的燃料以及由燃料和产生的火焰前峰引发的气体形成期望模式。
[0033] 燃料喷射在TDC之前不早于20°且最迟在TDC处开始。因此，在活塞如图3中所示向下移动使活塞位于用虚线表示的下位置25’时，形成由燃料喷射和开始燃烧产生的大多数羽流，从而实现期望的燃烧性能。另外，羽流被引向活塞的弯曲的底部区域254，并且因碗部的形状，羽流较大程度地分成相反的径向流265，如图4中所示。控制喷射，使得喷射时长使产生的大部分羽流撞击到弯曲的底部区域254。这样，火焰与气缸表面接触很少，使得缸套和润滑油膜上的热负荷最小。
[0034] 活塞的中间顶部区域252在中心轴线60的方向上与边缘区域256基本处于相同高度，这使得压缩体积Vc相当小。因此，在根据本发明的发动机中，压缩比，即，在TDC与BDC之间由活塞掠过的体积+压缩体积Vc之和与压缩体积Vc之比相当高。有利地，该压缩比为15至18。这不仅对显著降低燃料消耗有较大影响，而且还具有增大燃烧室的热负荷的趋势。
[0035] 现在，为了抵消由根据本发明的发动机中的相当小的压缩体积Vc造成的增大的热负荷，将用于操作发动机的进气门42的第一气门机构421和用于操作发动机的排气门44的第二气门机构441布置成以特定方式操作，这在以下结合并参照图5说明。
[0036] 另外，通过使压挤距离265在活塞的TDC位置处相当小也可改善发动机的操作，所述压挤距离即活塞的平坦边缘区域256与气缸盖之间的距离。优选地，在TDC处压挤距离大约为气缸直径DC的3.5-4％。活塞顶缘与气缸盖之间的间隙(压挤距离)与根据本发明的活塞的形状一起能够利用较高的压缩比，同时减小火焰与气缸套的接触。另外，压挤距离基本上在燃料喷射开始之前在燃烧室中产生增大的紊流，以促进点火和燃烧过程。
[0037] 另外，在活塞的TDC位置并因此在燃料喷射开始时，喷射器55非常靠近活塞的中间顶部区域252。在实践中，这意味着活塞的上表面有效地参与朝向弯曲的底部区域引导燃料和火焰以及产生的羽流。
[0038] 由于压缩比较高，因此特别是对于排气门来说热负荷增大得相当高。为了避免不适当的热负荷，气门机构421、441被布置成以与活塞顶部和燃料喷射装置的上述形式一起对发动机10的操作提供协同效果的方式进行操作。以下参照图5描述气门机构的操作。图5描述根据本发明的实施方式关于曲柄角(CA)的进气门相对位置510和排气门相对位置
500。图5中还示出了现有技术装置的相应曲线510.1、500.1。气门的相对位置被定义为气门开度相对于气缸直径的百分比，使得该值更易于与其它发动机对比。曲线520示出根据本发明的实施方式活塞顶部相对于气缸盖的位置。相应地，图5中还示出了曲线520.1，该曲线520.1示出了对于现有技术装置活塞顶部相对于气缸盖的位置。
[0039] 发动机被操作成使得在该发动机运行时，发动机的曲柄机构被布置成使活塞靠近气缸盖，从而使压挤距离大约为气缸直径DC的3.5-4％，压缩比大约为15-18，并且在压缩冲程之后，在活塞的曲柄角在TDC之前20°与TDC之间时开始燃料喷射，这使得活塞的燃烧室中的压力升高。如从图5可看出，在TDC位置处，即在曲柄角为360°处，活塞距气缸盖的距离大约为3.5％。在实践中，在TDC位置处，可使活塞距气缸盖的距离为3.5-4％。由于根据本发明的压缩比较高，由燃烧引起的附加压升大约为由压缩引起的压力的5-35％。在燃料燃烧之后，燃烧室和其中的气体膨胀，使活塞远离气缸盖移动。之后，曲柄角(在压缩冲程之后零度角为TDC，周期长度为720度)达到大约124度(未示出)。在大约190度的曲柄角处，排气门达到其7.7％的开度，即位于其最大值。气门挺升曲线优选包括多项式曲线或曲线线段。
[0040] 现在，如上所述，由于高压缩比和燃烧压力，因此采取特定措施来为发动机的燃烧室扫气。气门机构被布置成操作为使在进气门和排气门同时打开期间形成所谓的扫气三角形区域S。这在图5中由斜阴影区域示出，该区域由气门曲线500、510和水平轴线，即曲柄角限定。区域S还定义为“百分比-度”(％度)的值，该值是指气门相对位置在曲柄角范围内的积分。根据本发明，扫气三角形区域S为80≤S≤120百分比-度(％度)。该百分比-度区域限定气门相对于曲柄角的开度曲线，因此限定气门机构的操作。根据本发明的该方式，扫气因活塞而与根据本发明的燃烧过程适当平衡。另外，注意，与示例的现有技术的方案相比扫气三角形相当宽且高度相当低，即气门曲线500、510是这样的曲线：在进气门初始打开之后且在排气门最终关闭之前，这些曲线相当平缓地倾斜。在曲线的交点530处，气门的位置大约为2.6％。
[0041] 为了获得本发明的优点，曲线的交点530(其还是扫气区域S的顶点)小于3％。因此，由于活塞与气门之间的安全裕度540保持得足够大，曲线500、510和扫气三角形的实际形式甚至可比线500’、510’所示的更宽。因此，基本思想是提供相当低的扫气三角形(顶点在3％以下)，并且仍具有80≤S≤120百分比-度(％度)的区域。如图5中所示，对于进气门和排气门来说挺升曲线不需要对称。
[0042] 如上所述，进气门曲线和排气门曲线可具有不同形状。已发现，通过这样的构造也可获得良好的结果，在该构造中进气门曲线在360℃A以下比进气门曲线510在360℃A以上形成更大的区域(％度)。可通过在进气门操作上利用延长期(extension)510’，而在排气门操作上不利用延长期500’来采用该构造。在该构造中，排气门与活塞之间的间隙可保持为更大。
[0043] 扫气区域S相当宽，因为根据本发明的优选实施方式，进气门被布置成最迟在曲柄角为335°时打开1％，并且排气门被布置成至少直到曲柄角为385°时仍为1％开度。
[0044] 在TDC位置处，即在曲柄角为360°处，活塞距气缸盖的距离大约为3.5％，因此，在气门与活塞之间存在至少0.5％的间隙。
[0045] 本发明特别适用于气缸直径大于200mm并且以低级
液体燃料(例如重质
燃料油)操作的发动机。重质燃料油尤其对于其内容物来说对燃烧造成若干影响。例如，涡轮之前的排气
温度对涡轮表面的积灰趋势具有很大影响。根据本发明的扫气方法将排气温度保持在可接受水平。以下是气缸直径为460mm的发动机的一些细节的
实施例。
[0046] -碗部深度＝38-50mm
[0047] -碗部直径＝1.15-1.65mm
[0048] -半径R1＜46mm
[0049] -半径R2＝36-48mm
[0050] -半径R3＝12.6-21mm
[0051] -TDC处的压挤距离＝16mm
[0052] -扫气三角形区域S＝110％度
[0053] -气门挺升曲线的交点＝12mm
[0054] 进气门在曲柄角300-320°处开始打开。在图5的实施方式的挺升曲线510中，进气门在曲柄角310°处开始打开。排气门在曲柄角大约310°处开始关闭。在进气门和排气门同时至少部分打开期间，在曲柄角大约为310-410度之间开始扫气阶段，同时通过进气门进入燃烧室中的新鲜空气可流过燃烧空间。这提供了扩展扫气，该扩展扫气本身允许利用增大的压缩比，因此改善发动机性能。
[0055] 应注意，涡轮增压器12(图1)的压缩机布置成提供足够的压力，以获得充分的扫气功能。本发明的扫气三角形区域S由于通过气门的较大扫气空气流而提供非常有效的扫气。这除了降低对燃烧室的热负荷之外，还提供了降低涡轮之前的排气温度，在重质燃料油操作的发动机中这减小了涡轮增压器的涡轮的积灰趋势。
[0056] 尽管这里结合目前被认为是最为优选的实施方式通过实施例描述了本发明，但应理解，本发明不局限于所公开的实施方式，而是旨在
覆盖其特征的各种组合或
修改以及由权利要求限定的本发明的范围内所包含的若干其它应用。当技术上可行时，关于以上任意实施方式所述的细节可用于其它实施方式中。
