專利名稱：設(shè)有活塞式噴射泵的內(nèi)燃機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃機，尤其是柴油內(nèi)燃機，該內(nèi)燃機至少有一個用于燃油供給的活塞式噴射泵，該泵帶有一個用于容納往復式壓力活塞的油缸，活塞端面緊靠壓力腔，端面邊緣構(gòu)成了一個環(huán)形第一級控制棱邊(Steuerkante)，在油缸的活塞導向段(Kolbenfuhrungsabschnitt)內(nèi)油缸至少有一個徑向回油孔，該孔至少可以由一個通過壓力活塞外殼表面形狀構(gòu)成的第二級壓力活塞控制棱邊蓋住。此外，本發(fā)明還涉及一種用于驅(qū)動內(nèi)燃機的方法，特別是柴油內(nèi)燃機，以及用于執(zhí)行這種方法的一種裝置。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的活塞式噴射泵具有光滑的油缸表面，帶有一個徑向回油孔和一個壓力活塞，壓力活塞帶有一個通常在油缸軸線基準平面內(nèi)分布的上部控制棱邊和一個與基準平面成一定角度分布的下部控制棱邊；這種噴射泵還具有一個向軸向分布的零輸送凹槽。US5,396.871A、US 4,964.789A或US 4,824.341A中介紹了這種活塞式噴射泵。壓力活塞的控制表面蓋住回油孔時泵輸送燃油。噴射量通過傾斜的下部控制棱邊以扭轉(zhuǎn)活塞方式控制。使用高壓噴射泵時，也可以為所述特征為兩倍，即錯開180°，以便盡可能創(chuàng)造對稱性條件。
通過向相對回油孔分布的基準方向側(cè)向偏轉(zhuǎn)壓力活塞，可能由此在密封間隙內(nèi)分配壓力，這樣就會在活塞上產(chǎn)生側(cè)向力。在以后的使用中可能會因此而導致壓力活塞嚴重磨壞。
對內(nèi)燃機的內(nèi)部燃燒過程來說最重要的決定因素是，燃燒過程及燃燒開始時的相位、氣缸壓力的最大提升速度以及噴射壓力。
在主要通過定量燃油直噴壓燃方式形成燃燒的內(nèi)燃機上，這些決定因素基本上通過噴射時間點、進氣成分和點火延遲來確定。這些參數(shù)本身由許多影響因素決定，例如轉(zhuǎn)速、燃油量、進氣溫度、進氣壓力、有效壓縮比、氣缸進氣中的惰性氣體含量和部件溫度。
越來越嚴格的法規(guī)框架條件要求考慮燃燒方法時必須不斷采用新途經(jīng)，以便降低柴油內(nèi)燃機碳煙顆粒物和NOx的排放量。
目前已知降低尾氣中NOx和碳煙顆粒物排放的方法是，通過噴射時間點前移來加大點火延遲，從而使稀燃油空氣混合氣壓燃來形成燃燒。另一種方法在此稱為HCLI方法(均勻進氣延遲噴射)。如果進行這種方式的混合氣燃燒，則離壓縮階段上止點前較遠時噴射燃油，因此會形成非常均勻的燃油空氣混合氣。通過廢氣再循環(huán)可以使燃燒溫度始終低于形成Nox所需要的最低溫度之下。因為盡管燃油與空氣的均勻混合與時間有關(guān)，但是實現(xiàn)這種方法時還受到轉(zhuǎn)速和負荷的限制，混合不均勻時顆粒物排放增加。
US 6,338,245 B1中描述了一種按照HCLI方法工作的柴油內(nèi)燃機，在這種柴油機內(nèi)調(diào)節(jié)燃燒溫度和點火延遲的方式是，在下部和中部部分負荷區(qū)域內(nèi)燃燒溫度位于NOx形成溫度之下，空氣過量系數(shù)位于對碳煙形成起決定作用的數(shù)值之上。此時燃燒溫度通過改變廢氣再循環(huán)比率，點火延遲通過燃油噴射時間點來控制。在負荷為中等或較高時，燃燒溫度降低到不僅避免形成NOx，也避免形成碳煙。其缺點是，在中部部分負荷區(qū)域內(nèi)會出現(xiàn)空氣過量系數(shù)和燃燒溫度較低的情況，因此必然會造成效率較差。
US 6,158,413 A中描述了一種直接噴射柴油內(nèi)燃機，在這種柴油機內(nèi)沒有規(guī)定燃油在壓縮行程的上止點前噴射，且通過廢氣再循環(huán)來降低燃燒室內(nèi)氧氣的集中度。在此這種工作方法也稱為HPLI方法(高度預混延遲噴射)。因為與傳統(tǒng)的上止點前噴射相比，在上止點后降低了溫度水平，同時相對傳統(tǒng)工作方式廢氣再循環(huán)量提高，所以點火延遲比所謂的擴散燃燒時長。通過廢氣再循環(huán)控制的低溫度水平使燃燒溫度保持在對NOx形成起決定作用的數(shù)值之下。通過由較遲噴射時間點影響的長點火延遲實現(xiàn)較好的混合，混合氣燃燒時局部缺氧情況明顯減少，同時減少了顆粒物的形成。燃燒過程推遲有助于降低最高溫度，但是會導致設(shè)定較遲的曲軸轉(zhuǎn)角時中間溫度提高，因此會加強碳煙燃燒程度。此外，雖然由于長點火延遲而使燃油預混合較充分且有較高的燃燒率，但是膨脹行程中的燃燒推遲與高廢氣再循環(huán)率共同作用，仍會導致氣缸內(nèi)壓力提高比率不超過允許值。其缺點是下部部分負荷區(qū)域內(nèi)效率較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，避免這些缺點并采用本文開頭所述方式的活塞式噴射泵來降低磨損，尤其是防止壓力活塞與油缸之間的嚴重磨損。
本發(fā)明的另一個目的是，提出一種驅(qū)動內(nèi)燃機的方法，利用這種方法一方面可以從下部部分負荷區(qū)域至滿負荷區(qū)域?qū)崿F(xiàn)最低的氮氧化物和碳煙排放量，另一方面可以實現(xiàn)較高的效率。
為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種油缸，該油缸至少具有兩個最好彼此正對著布置的壓力平衡通道(Druckausgreishskanal)，用于平衡油缸活塞導向段兩個不同圓周區(qū)域之間的壓力。通過壓力平衡通道可以降低因側(cè)向偏轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的側(cè)向力。其本質(zhì)是使油缸活塞導向段區(qū)域內(nèi)的壓力平衡通道與回油孔之間隔開一定距離，從而圍繞油缸回油孔形成一個可與壓力活塞搭接的密封面。因此可以完全保證壓力活塞在環(huán)繞回油孔區(qū)域內(nèi)的密封功能。
如果壓力平衡通道至少在壓力活塞的一個供油位置，使壓力腔與位于回油孔高度附近的油缸活塞導向段區(qū)域連通，即可顯著降低側(cè)向力。
在本發(fā)明的一個理想實施例中，至少有一個壓力平衡通道由至少一個油缸凹槽構(gòu)成，最好由一個平行于油缸軸線的縱向凹槽構(gòu)成。在此可以在油缸壁內(nèi)形成多個窄軸向凹槽，或形成幾個寬軸向凹槽。
除此之外也可以是，至少有一個壓力平衡通道具有至少兩個沿軸向隔開一定距離、基本上沿徑向方向與油缸連通的橫向孔，這些孔通過至少一個基本上平行于油缸軸線布置的縱向孔彼此連通。此時可以在活塞導向段內(nèi)，沿油缸軸向方向緊挨著布置至少兩個徑向橫向孔，最好布置在回油孔高度處。這些橫向孔可以以至少一排的方式沿軸向緊挨著布置。
如果在圓周方向上兩側(cè)布置至少兩個壓力平衡通道，最好與回油孔對稱布置，則可以進一步降低不希望出現(xiàn)的側(cè)向力。如果至少兩個壓力平衡通道相對油缸軸線以點對稱方式布置，則會更理想。
按照本發(fā)明的方法有以下步驟-在第一個分配了較低部分負荷的運行區(qū)域內(nèi)驅(qū)動內(nèi)燃機，此時混合氣非常均勻地燃燒且燃油噴射較遲，燃油噴射開始時間位于壓縮行程上止點前曲軸轉(zhuǎn)角約50°至5°之間的區(qū)域內(nèi)；-在第二個分配了中等部分負荷的運行區(qū)域內(nèi)驅(qū)動內(nèi)燃機，此時為低溫混合氣燃燒且噴射比第一個運行區(qū)域內(nèi)更遲，燃油噴射開始時間位于壓縮行程上止點前曲軸轉(zhuǎn)角2°至上止點后曲軸轉(zhuǎn)角約20°之間的區(qū)域內(nèi)，-燃油在第一個運行區(qū)域內(nèi)通過第一噴射口，在第二個運行區(qū)域內(nèi)至少通過第二噴射口、最好采用雙針噴嘴(Doppelnadelduse)的噴射閥、噴入燃燒室內(nèi)。
在第一個運行區(qū)域內(nèi)內(nèi)燃機按照HCLI方法工作，采用這種方法時噴射時間點在壓縮行程中相對提前，即在上止點前曲軸轉(zhuǎn)角約50°至5°之間的區(qū)域內(nèi)。在第一個運行區(qū)域內(nèi)燃油最好400至1000bar之間的區(qū)域內(nèi)噴射。燃燒中心位于上止點前曲軸轉(zhuǎn)角10°至上止點后曲軸轉(zhuǎn)角10°之間，因此可以達到很高的效率。通過50％至70％的較高廢氣再循環(huán)比率實現(xiàn)局部燃燒溫度低于NOx形成溫度。這樣局部空氣過量系數(shù)即可保持在碳煙形成限值之上。廢氣再循環(huán)可以通過外部或內(nèi)部廢氣再循環(huán)實現(xiàn)，或通過外部或內(nèi)部廢氣再循環(huán)與可變氣門控制系統(tǒng)組合的方式實現(xiàn)。
在第二個運行區(qū)域內(nèi)內(nèi)燃機按照HPLI方法工作。此時噴射階段的主要部分位于壓縮上止點后。因為上止點后溫度水平比傳統(tǒng)上止點前噴射時低，且相對傳統(tǒng)運行方式廢氣再循環(huán)量提高20％至40％，所以在此點火延遲也較長。為延長點火延遲，必要時也可以考慮其它方法，例如降低有效壓縮比和/或進氣溫度；為縮短噴射持續(xù)時間可以考慮提高噴射壓力和/或擴大噴嘴噴射孔斷面。設(shè)置噴射持續(xù)時間，使噴射過程在燃燒開始前結(jié)束。在這種情況下可以使碳煙排放保持在很低的水平。這一點可以解釋為，一方面避免了燃油噴束中同時出現(xiàn)液態(tài)燃油，另一方面避免了以傳統(tǒng)方式包圍噴束的火焰，而且阻止了噴束附近空氣不足時導致碳煙形成的氧化反應(yīng)。對于第二個運行區(qū)域內(nèi)的燃燒方法來說，需要噴射壓力至少達到1000bar。這種方法的優(yōu)點是，NOx和顆粒物的排放量很低且廢氣溫度相對較高，而高溫則有利于廢氣顆粒物處理裝置復原。
較理想的方式是，在第一個運行區(qū)域內(nèi)燃油噴射量比在第二個運行區(qū)域內(nèi)少。如果燃油在第一個和第二個運行區(qū)域內(nèi)以沿著錐形套表面分布的燃油噴束噴入，而在第一個運行區(qū)域內(nèi)燃油噴射的錐形開口角度(最好小一些)與第二個運行區(qū)域內(nèi)不同，那么即可保證氮氧化物和碳煙排放非常低。
在本發(fā)明的另一個實施例中，在第三個分配了較高部分負荷和滿負荷的運行區(qū)域內(nèi)，燃油噴射的主要部分位于上止點前曲軸轉(zhuǎn)角10°至上止點后曲軸轉(zhuǎn)角10°之間，理想方式是在第三個運行區(qū)域內(nèi)進行多次噴射。在第三個運行區(qū)域內(nèi)廢氣再循環(huán)比率最高可達30％，理想狀態(tài)下約為10％至20％。這樣一方面可以提高發(fā)動機功率，另一方面可以顯著降低NOx和顆粒物的排放量。
在第三個運行區(qū)域內(nèi)燃油可以通過第一和/或第二噴射口噴入。
內(nèi)燃機在第一個、第二個和/或第三個運行區(qū)域內(nèi)以較大的空氣過量系數(shù)約1.0至2.0驅(qū)動。
其優(yōu)點是，空氣再循環(huán)在外部和/或內(nèi)部進行且渦流在至少一個運行區(qū)域內(nèi)，最好在所有三個區(qū)域內(nèi)都是可變的。低燃油消耗時有利的尾氣值可以通過渦流數(shù)量在0至5之間來實現(xiàn)。
此外還有一個優(yōu)點是幾何壓縮比可變。幾何壓縮比可以在13至19之間變化。高壓縮比對冷起動階段有利。負荷提高期間降低壓縮比，在第一個和第二個運行區(qū)域內(nèi)都可提高最大負荷并降低因點火延遲較長而產(chǎn)生的碳煙排放量。
在此可以規(guī)定有效壓縮比通過至少一個進氣門的閉合時間點來改變。通過進氣結(jié)束時間延遲或通過很早結(jié)束進氣，可以降低有效壓縮比，因此可以降低低NOx和碳煙排放所需要的廢氣再循環(huán)比率。在此不僅可以推遲進氣開啟時間點，也可以推遲進氣閉合時間點或僅推遲進氣閉合時間點。
在本發(fā)明的另一個實施例中，從第一個向第二個運行區(qū)域或從第二個向第一個運行區(qū)域的切換通過降低或提高廢氣再循環(huán)比率來執(zhí)行。從第一個向第二個發(fā)動機運行區(qū)域或從第二個向第一個區(qū)域的過渡也可以通過降低內(nèi)部或外部廢氣再循環(huán)比率、通過噴射開始時間延遲或通過提高廢氣再循環(huán)比率以及通過噴射開始時間提前來實現(xiàn)。
比較理想的方式是，在第一個與第二個發(fā)動機運行區(qū)域之間過渡時，通過控制進氣門的開啟和/或閉合時間點來降低廢氣再循環(huán)比率。
在第一個運行區(qū)域內(nèi)平均有效壓力位于約0至6bar之間比較合適，最好至5.5bar；在第二個運行區(qū)域內(nèi)位于約3.5至8bar之間比較合適，最好位于4至7bar之間；在第三個運行區(qū)域內(nèi)至少約為5.5bar，最好至少約6bar。
為采用這種方法，要求直接噴射內(nèi)燃機至少有一個帶有往復式活塞的氣缸，在該氣缸中燃油噴射開始時間至少位于上止點前曲軸轉(zhuǎn)角50°與上止點后曲軸轉(zhuǎn)角20°之間，最好至上止點后曲軸轉(zhuǎn)角50°，而且廢氣再循環(huán)比率可在約0％至70％之間變化。此外要求燃油噴射壓力至少可以在第一個與第二個壓力水平之間變化，最好第一個壓力水平覆蓋至1000bar的范圍，第二個壓力水平覆蓋至少1000bar的范圍，同時可以使用一個改變渦流水平的裝置。
此外還有一個優(yōu)點是進氣開啟時間點和進氣關(guān)閉時間點可變。實現(xiàn)這個要求的理想方式是，進氣門或排氣門的正時時間可以借助相位推移器推移。更理想的方式是，至少有一個進氣門可在排氣階段內(nèi)工作。也可以是至少有一個排氣門在進氣階段內(nèi)工作。
為進行噴射最好使用帶有第一和第二噴射口的雙針形噴嘴，這些噴射口可以單獨控制。
為了使第一個和第二個運行區(qū)域內(nèi)的噴射量不同，可以使第一噴射口的總噴射斷面面積小于第二噴射口的總噴射斷面面積。
因為在第一個和第二個運行區(qū)域內(nèi)使用不同的燃燒策略，所以其優(yōu)勢是第一噴射口的中心軸沿著第一個錐形套表面布置，第二噴射口的中心軸沿著第二個錐形套表面布置，而第一個錐形套表面的錐形開口角度則可以小于第二個錐形套表面的錐形開口角度。
在本發(fā)明特別理想的一個實施例中，第一和第二噴嘴針以同軸方式布置，理想方式是第一噴嘴針插入空心針結(jié)構(gòu)的第二噴嘴針內(nèi)。也可以將第一和第二噴嘴針彼此平行布置在一個噴嘴支架內(nèi)。
DE 100 40 738 A1中描述了噴嘴針以同軸或彼此平行方式布置的雙針形噴嘴。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行更詳細的解釋。
圖1是一軸側(cè)圖，其中示出了一個傳統(tǒng)活塞式噴射泵的油缸，圖2是一展開圖，其中示出了這種傳統(tǒng)活塞式噴射泵的壓力活塞和油缸圖3是一軸側(cè)圖，其中示出了第一個實施例中按照本發(fā)明的一個活塞式噴射泵的一個油缸，圖4是一展開圖，其中示出了這種活塞式噴射泵的壓力活塞和油缸，圖5是一橫截面圖，其中示出了這種活塞式噴射泵的油缸，圖6是一縱向剖開的軸側(cè)圖，其中示出了這種油缸，圖7是一展開圖，其中示出了第二個實施例中按照本發(fā)明的一個活塞式噴射泵的壓力活塞和油缸，圖8是一橫截面圖，其中示出了這個實施例的油缸，圖9是一縱向剖開的軸側(cè)圖，其中示出了這種油缸，圖10是一橫截面圖，其中示出了第三個實施例中按照本發(fā)明的一個活塞式噴射泵的一個油缸，圖11是一縱向剖開的軸側(cè)圖，其中示出了這種油缸，圖12是一縱向剖開的軸側(cè)圖，其中示出了第四個實施例中按照本發(fā)明的一個活塞式噴射泵的一個油缸，圖13是一示意圖，其中示出了采用本發(fā)明方法的一臺內(nèi)燃機，圖14是一曲線圖，其中示出了局部空氣過量系數(shù)λL與局部溫度TL之間的關(guān)系，圖15是一發(fā)動機負荷-轉(zhuǎn)速曲線圖，
圖16至圖19是帶有不同可變正時時間的氣門行程曲線圖，圖20是一噴射時間-EGR-比率-負荷曲線圖，圖21是第一個運行區(qū)域A的測量曲線圖，圖22是第二個運行區(qū)域B的測量曲線圖，圖23是一個帶有同軸噴嘴針的雙針形噴嘴，圖24是一個噴嘴針彼此平行布置的雙針形噴嘴。
具體實施例方式
圖1和圖2表示一個傳統(tǒng)活塞式噴射泵的油缸1和壓力活塞2。油缸1有一個非常光滑的油缸表面3，在此有兩個回油孔4沿徑向通向油缸1內(nèi)。壓力活塞2有一個基本上在標準平面5內(nèi)布置在油缸軸6上的第一級控制棱邊7，在外殼表面2a內(nèi)有一個與標準平面5成一定角度、呈螺旋狀的第二級控制棱邊8以及一個沿軸向方向分布的零輸送凹槽9。油缸1和壓力活塞2具有兩個錯開180°布置的第二級控制棱邊8和回油孔4，以便創(chuàng)造對稱性條件。燃油通過活塞2的控制面10蓋住回油孔4來輸送。噴射量可以通過傾斜的第二級控制棱邊8以扭轉(zhuǎn)壓力活塞2的方式控制。通過向相對回油孔4分布的基準方向側(cè)向偏轉(zhuǎn)壓力活塞2，可以由此在密封間隙內(nèi)分配壓力，這樣就會在壓力活塞2上產(chǎn)生側(cè)向力，這個側(cè)向力作用于偏轉(zhuǎn)方向且因偏轉(zhuǎn)而加強，從而使磨損加劇，在個別情況下可能會導致油缸1與壓力活塞2之間嚴重磨損。
油缸1、101、201和壓力活塞2、102、202在圖2、圖4和圖7中通過不同的陰影線方向表示。
為了避免壓力活塞102、202側(cè)向偏轉(zhuǎn)時壓力分配不對稱，在下述實施例中規(guī)定了壓力平衡通道150、250、350、450在油缸101、201、301、401內(nèi)的位置，這些通道可以在圓周方向上平衡油缸101、201、301、401與壓力活塞102、202之間密封間隙內(nèi)的壓力。比較理想的方式是，壓力平衡通道150、250、350、450在壓力活塞102、202的某一端面111、211與油缸101、201、301、401所壓緊的壓力腔112、212、312、412之間延伸，直至到達油缸101、201、301、401的某一活塞導向段113、213、313、413內(nèi)，該導向段位于回油孔104、204、304、404的區(qū)域內(nèi)和/或位于避開壓力腔112、212、312、412的回油孔104、204、304、404側(cè)。端面111、211的邊緣構(gòu)成一個第一級控制棱邊107、207。壓力活塞102、202的外殼表面102a、202a沿軸向方向有一個零輸送凹槽109、209?；钊麑蚨?13、213、313、413在壓力活塞102、202的至少一個供油位置處被一個環(huán)形腔114、214蓋住，該環(huán)形腔在壓力活塞102、202與油缸101、201、301、401之間延伸，直至達到壓力活塞102、202的第二級控制棱邊108、208處。
壓力平衡通道150、250、350、450可以形成開啟或閉合通道。其本質(zhì)是使壓力平衡通道150、250、350、450與每個回油孔104、204、304、404隔開一定距離，以便形成可環(huán)繞壓力活塞102、202回油孔104、204、304、404搭接的密封面118、218、318、418。
在圖3至圖6中示出的第一個實施例中，壓力平衡通道150通過回油孔104兩側(cè)油缸101上表面103內(nèi)的窄軸向縱凹槽151構(gòu)成?？v凹槽151可以通過在油缸101的表面103內(nèi)進行銑削或侵蝕加工形成。各縱凹槽151之間通過壓力腔112實現(xiàn)的壓力平衡用基準符號120表示。如圖5所示，縱凹槽151相對油缸軸106以點對稱方式布置，相對于通過回油孔104軸104a和油缸軸106壓緊的縱向平面115以對稱方式布置。
圖7至圖9中示出了用于容納活塞式噴射泵往復式壓力活塞202的一個油缸201的第二個實施例，其壓力平衡通道250通過平衡孔204之間的寬縱凹槽251構(gòu)成。兩個縱凹槽251相對油缸軸206以點對稱方式布置，同時相對于通過回油孔204軸204a和油缸軸206壓緊的縱向平面215以及一個通過油缸軸206的基準平面216以對稱方式布置。
圖10至圖11中示出了一個油缸301的第三個實施例，該油缸用于容納一個未繼續(xù)畫出的、圖2、圖4和圖7中相應(yīng)的活塞式噴射泵壓力活塞，其壓力平衡通道350通過沿軸向以一定距離彼此隔開的橫向孔351、352構(gòu)成，這些孔通過一個基本上平行于油缸軸306分布的縱向孔353彼此連通。橫向孔351、352及縱向孔353制造后對外部封住。如圖10所示，橫向孔351、352相對油缸軸307以點對稱方式布置，同時相對于通過回油孔304軸304a和油缸軸306壓緊的縱向平面315以及一個基準平面316以對稱方式布置。下部橫向孔353位于活塞導向段313內(nèi)，回油孔304附近。
圖12示出了第四個實施例，該實施例與圖10和圖11中所示的實施例不同，即有多個下部橫向孔451以一排方式彼此隔開布置。下部橫向孔451通過縱向孔453與一個上部橫向孔452相連，該橫向孔連到位于壓力活塞上方的壓力腔512內(nèi)。在此下部橫向孔451還連接到油缸401中回油孔404附近的活塞導向段413內(nèi)。
橫向孔352、452用于確保與上部壓力腔312、412進行壓力平衡。下部橫向孔351、451用于縮小密封面318、418。
圖13示出了一個帶有進氣集氣管1002和排氣集氣管1003的內(nèi)燃機1001。內(nèi)燃機1001通過一個廢氣渦輪增壓器增壓器1004進氣，該增壓器具有一個由廢氣驅(qū)動的渦輪機1005和一個由渦輪機1005驅(qū)動的壓縮機1006。進氣側(cè)在壓縮機1006的氣流流出方向布置了一個增壓空氣冷卻器1007。
此外，在排氣管1010與進氣管1011之間還布置了帶有一個第一級廢氣再循環(huán)管路1009的高壓廢氣再循環(huán)系統(tǒng)1008。廢氣再循環(huán)系統(tǒng)1008具有一個廢氣再循環(huán)冷卻器1012和一個廢氣再循環(huán)閥1013。根據(jù)排氣管1010與進氣管1011之間的壓差大小，也可以在第一級廢氣再循環(huán)管路1009內(nèi)布置一個廢氣泵1014，以便控制或提高廢氣再循環(huán)比率。
除了高壓廢氣再循環(huán)系統(tǒng)1008外，在渦輪機1005的氣流流出方向和壓縮機1006的氣流流入方向之間還布置了一個低壓廢氣再循環(huán)系統(tǒng)1015，在排氣管路1016內(nèi)向顆粒濾清器1017的氣流流出方向以旁通方式連接了一個第二級廢氣再循環(huán)管路1018，該管路在壓縮機1006的氣流流入方向連通到進氣管路1019內(nèi)。在第二級廢氣再循環(huán)管路1018內(nèi)也布置了一個廢氣再循環(huán)冷卻器1020和一個廢氣再循環(huán)閥1021。為了控制廢氣再循環(huán)比率，在排氣管路1016內(nèi)向流出旁通方向布置了一個廢氣閥門1022。
在第一級廢氣再循環(huán)管路1009旁通的流入方向上排氣管1010內(nèi)布置了一個氧化催化轉(zhuǎn)換器1023，該轉(zhuǎn)換器用于清除HC、CO和部分顆粒物。其附加用是提高廢氣溫度并因此將更多能量輸送給渦輪機1005。原則上氧化催化轉(zhuǎn)換器1023也可以布置在廢氣再循環(huán)管路旁通的流出方向上。圖13所示的布置在氧化催化轉(zhuǎn)換器1023流出方向上帶有旁通，其優(yōu)點是廢氣冷卻器1012所受污染較小，但是這種布置也有缺點，即因為廢氣溫度較高，所以廢氣再循環(huán)冷卻器1012所需要的冷卻功率也較高。
內(nèi)燃機1001的每個氣缸1024都至少有一個將柴油直接噴入燃燒室內(nèi)的噴射閥1025，噴射閥能夠在每個做功循環(huán)內(nèi)噴射多次，且各噴射開始時間可以在上止點TDC前50°曲軸轉(zhuǎn)角CA至上止點TDC后50°曲軸轉(zhuǎn)角CA之間的一個區(qū)域內(nèi)變化。此時最大噴射壓力應(yīng)至少達到1000bar。
燃燒室形狀和燃油噴射組件是按照傳統(tǒng)滿負荷柴油燃燒情況設(shè)計的。
圖14是一個曲線圖，其中示出了局部空氣過量系數(shù)λL與局部溫度TL之間的關(guān)系。在用SOOT表示的區(qū)域內(nèi)會形成較濃的碳煙，用NOx表示的區(qū)域為形成濃氮氧化物的區(qū)域。用A、B、C表示的區(qū)域是在此所述方法的第一個、第二個和第三個運行區(qū)域。
第一個運行區(qū)域A與下部至中部部分負荷范圍LL對應(yīng)，第二個發(fā)動機運行區(qū)域B與中部至上部部分負荷范圍LM對應(yīng)，第三個發(fā)動機運行區(qū)域C與高負荷和滿負荷范圍LH對應(yīng)，如圖15所示的負荷L與轉(zhuǎn)速n曲線圖。
在第一個運行區(qū)域A，也稱為HCLI區(qū)域(均勻進氣延遲噴射)內(nèi)，壓縮行程時噴射開始時間相對提前，即在壓縮行程后上止點TDC前約50°至5°曲軸轉(zhuǎn)角CA之間，長點火延遲使燃油混合較均勻，因此有助于預混合燃燒。通過充分的預混合和稀釋可以達到極低的碳煙和NOx排放值。如圖14所示，第一個運行區(qū)域A明顯高于對碳煙形成起決定作用的空氣過量系數(shù)λLS限值。通過50％至70％的較高廢氣再循環(huán)比率EGR使局部燃燒溫度TL始終低于最低氮氧化物形成溫度TNOx。噴射在壓力位于400至1000bar之間時進行。長點火延遲的作用是使燃燒階段移到上止點TDC附近效率最佳的位置。燃燒中心位于上止點TDC后-10°至10°曲軸轉(zhuǎn)角CA之間，因此可以達到較高的效率。第一個運行區(qū)域A所需要的高廢氣再循環(huán)比率EGR既可以通過外部廢氣再循環(huán)單獨實現(xiàn)，也可以通過外部和內(nèi)部廢氣再循環(huán)與可變氣門控制系統(tǒng)組合的方式實現(xiàn)。
在第二個運行區(qū)域B內(nèi)，內(nèi)燃機按照所謂的HPLI方法(高度預混延遲噴射)工作。此時噴射階段的主要部分位于上止點TDC后。在第二個運行區(qū)域B內(nèi)，內(nèi)燃機在廢氣再循環(huán)比率位于20％至40％之間的狀態(tài)下工作，噴射開始時間位于上止點前2°曲軸轉(zhuǎn)角CA至上止點后20°曲軸轉(zhuǎn)角CA之間的區(qū)域內(nèi)。通過使噴射結(jié)束時間與燃燒開始時間完全分開，可以實現(xiàn)混合氣與預混合燃燒部分均勻化。因為與傳統(tǒng)的上止點前噴射相比降低了溫度水平，同時相對傳統(tǒng)工作方式廢氣再循環(huán)量提高，所以點火延遲較長。為延長點火延遲也可以使用其它方法，例如降低有效壓縮比ε和/或進氣溫度；為縮短噴射持續(xù)時間，也可以提高噴射壓力和/或擴大噴嘴噴射孔斷面。為了使噴射結(jié)束時間位于燃燒開始時間之前，要求噴射持續(xù)時間較短。在這種情況下可以使碳煙排放保持在很低的水平。這一點可以解釋為，避免了燃油噴束中出現(xiàn)液態(tài)燃油和火焰以傳統(tǒng)方式包圍噴束同時出現(xiàn)，而且阻止了噴束附近空氣不足時導致碳煙形成的氧化反應(yīng)。噴射時間點較遲與點火延遲相對較長一起促使整個燃燒過程向延遲方向偏移，油缸壓力曲線向延遲方向推移且最高溫度降低，從而降低NOx排放值。
燃燒過程向延遲方向推移的作用是降低最高溫度，但同時會在所給曲軸轉(zhuǎn)角CA較遲時導致溫度升高，從而造成碳煙再次燃燒。
此外，雖然因長時間延遲而使燃油預混合量較大且最大燃燒率較高，但是膨脹行程中的燃燒推遲與高的廢氣再循環(huán)率EGR共同作用，仍會導致氣缸內(nèi)壓力提高比率不超過允許值。高的最大燃燒率可提高定容積率，能夠通過燃燒過程向延遲方向推移部分補償效率損失。為實現(xiàn)高效率，燃燒中心應(yīng)盡可能位于上止點TDC附近。
第二個運行區(qū)域B內(nèi)所用HPLI方法的優(yōu)點是，可以實現(xiàn)NOx和顆粒物的排放量很低且廢氣溫度較高，高溫則有利于顆粒物過濾器復原。如圖14所示，第二個運行區(qū)域B內(nèi)局部燃燒溫度TL有一小部分位于下面的NOx形成溫度TNOx上。此時局部空氣過量系數(shù)λL絕大部分位于碳煙形成限值λLS之上。在第二個運行區(qū)域B內(nèi)雖然在燃燒過程開始時會形成碳煙，但是可通過隨后高壓噴射產(chǎn)生的強湍流和高溫使碳煙在燃燒過程結(jié)束時氧化，因此總碳煙排放量很低。
在第三個運行區(qū)域C內(nèi)，內(nèi)燃機在廢氣再循環(huán)比率EGR位于0％至30％之間的狀態(tài)下以傳統(tǒng)方式工作，此時可以進行多次噴射。因此可以進行預混合燃燒和擴散燃燒。也可以組合使用外部和內(nèi)部廢氣再循環(huán)來實現(xiàn)廢氣再循環(huán)。
為進行對比，在圖14中以點的形式畫出了運行區(qū)域D。例如，在US 6,338,245 B1中這個運行區(qū)域D位于中部至較高部分負荷范圍內(nèi)。但是其缺點是，因溫度較低而造成效率較差。在按照本發(fā)明的上述方法中通?？梢员荛_這個區(qū)域。
在第一個、第二個和/或第三個運行區(qū)域A、B、C內(nèi)也可以在燃燒室中形成渦流。形成渦流有助于進一步減少碳煙的形成。在此必須使渦流與高效率互相匹配。
特別理想的實施方式是，可以在內(nèi)燃機1001中調(diào)節(jié)氣門正時時間。這樣即可在負荷變化時快速準確地調(diào)節(jié)運行區(qū)域A、B、C之間的廢氣再循環(huán)比率EGR。通過組合使用外部和內(nèi)部廢氣再循環(huán)可以非常迅速準確地控制廢氣再循環(huán)比率EGR。最后也可以借助可變氣門控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)有效壓縮比ε，由此可以在廢氣再循環(huán)比率EGR減小的情況下實現(xiàn)較低的氮氧化物和碳煙排放量。
圖16是一個氣門提升曲線圖，其中示出了至少一個排氣門A和至少一個進氣門E的氣門提升Lv與曲軸轉(zhuǎn)角CA之間的關(guān)系。通過向延遲方向推移節(jié)氣門曲線E，例如用相位推移器，可以降低有效壓縮比ε和所需要的廢氣再循環(huán)比率EGR。這可以在所有三個運行區(qū)域A、B和C內(nèi)實現(xiàn)。進氣門的開啟和閉合時間點用E0及Ec表示。推移后的進氣門提升曲線Es的開啟開始時刻和閉合時間點用Eos和Eoc表示。
為此也可以只改變進氣門提升曲線E的閉合沿坡度，就像圖17中所示的曲線Es’和Es”那樣，使閉合時間點提前或推遲。這樣做的效果基本上與推移整個氣門提升曲線(圖16)相同。
內(nèi)部廢氣再循環(huán)可以通過進氣行程期間重新開啟排氣門實現(xiàn)，如圖18中的曲線A’所示，或者通過排氣行程期間重新開啟進氣門實現(xiàn)，見圖19中的曲線E’。這樣即可快速控制所有運行區(qū)域A、B、C內(nèi)的廢氣再循環(huán)比率EGR?？梢灾煌ㄟ^內(nèi)部廢氣再循環(huán)和通過前移燃油噴射I的開始點αI，從廢氣再循環(huán)比率EGR為20％至40％的第二個運行區(qū)域B向廢氣再循環(huán)比率EGR為50％至70％的第一個運行區(qū)域A過渡。也可以從第一個運行區(qū)域A向第二個運行區(qū)域B反向切換。
如果未使用可變氣門控制系統(tǒng)，那么如圖20所示，第一個與第二個運行區(qū)域A、B之間的過渡可以通過降低外部廢氣再循環(huán)比率EGR且同時前移燃油噴射I的開始點αI來進行。通過同時降低廢氣再循環(huán)比率EGR及前移燃油噴射I的開始點可以避免點火缺火。反過來可以通過同時提高內(nèi)部廢氣再循環(huán)比率EGR和通過前移燃油噴射I的開始點αI從第二個運行區(qū)域B向第一個運行區(qū)域A過渡。
圖21是一個實施例的第一個運行區(qū)域A的測量曲線圖，其中示出了噴射I、熱量釋放率Q、累積熱量釋放率ΣQ和氣缸壓力p與曲軸轉(zhuǎn)角CA之間的關(guān)系。圖22是第二個運行區(qū)域B的一個模擬測量曲線圖。細線和粗線表示不同的參數(shù)配置。從中可以明顯看出噴射I與燃燒之間的點火延遲相對較長。
圖23和圖24示出了噴射閥1025及用于安裝雙針形噴嘴1100、1200的噴嘴支架1110、1210。
圖23中所示的雙針形噴嘴1100有一個第一噴嘴針1101，該噴嘴針以可移動方式布置在空心結(jié)構(gòu)的第二噴嘴針1102內(nèi)。第一噴嘴針1101控制第一噴射口1103，第二噴嘴針1102控制第二噴射口1104，噴射口布置在噴嘴頂尖1106內(nèi)。在此第一噴射口1103的直徑d1之和小于第二噴射口1104的直徑d2之和。第一噴射口1103和第二噴射口1104的中心軸1103a、1104a分別布置在一個錐形面1107、1108上，其錐形開口角度稱為α1和α2。在此第一噴射口1103的錐形開口角度α1略小于第二噴射口1104的錐形開口角度α2。
圖24中所示的噴射閥1025具有一個雙針形噴嘴1200，該噴嘴帶有一個第一噴嘴針1201和一個第二噴嘴針1202，兩個噴嘴針1201、1202彼此平行布置。噴嘴軸1201’和1202’彼此隔開一定距離。第一噴嘴針1201控制第一噴射口1203，第二噴嘴針1202控制第二噴射口1204，噴射口分別布置在一個噴嘴頂尖1206a、1206b內(nèi)。第一和第二噴射口1203、1204沿著一個錐形套表面1207、1208布置，其錐形開口角度稱為α1和α2。第一和第二噴射口1203、1204的直徑稱為d1和d2。第一噴射口1203的斷面之和小于第二噴射口1204的斷面之和。噴射口1203連接至第一噴嘴頂尖1206a燃燒室內(nèi)的通道和第二噴嘴頂尖1206b噴射口1204的通道，分別布置在以一定距離隔開的標準平面1209a、1209b內(nèi)噴嘴針軸1201’、1202’上。標準平面1209a、1209b之間的距離用a表示。這個距離的作用是，滿負荷運轉(zhuǎn)時第一和第二噴射口1203、1204的噴束不互相妨礙，也不會彼此重疊。比較理想的結(jié)構(gòu)是兩個噴嘴頂尖1206a、1206b帶有相同的孔數(shù)，最好三個。
第一和第二噴嘴針1101、1102、1201、1202可以按已知方式單獨控制，如DE 10040738A1中所描述的方式。在第一個發(fā)動機運行區(qū)域A內(nèi)第一噴嘴針1101、1201工作，同時第一噴射口1103、1203打開，而第二噴射口1104、1204則保持關(guān)閉。在第二個運行區(qū)域B內(nèi)第二噴嘴針1102、1202工作，同時第二噴射口1104、1204打開，而第一噴射口1103、1203則保持關(guān)閉。因為在運行區(qū)域A、B內(nèi)使用彼此獨立的噴射口1103、1104、1203、1204，所以可以在第一個運行區(qū)域A內(nèi)最佳實現(xiàn)HCLI 運行的噴射特性，第二個發(fā)動機運行區(qū)域B內(nèi)最佳實現(xiàn)HPLI運行的噴射特性。在第三個發(fā)動機運行區(qū)域C內(nèi)操縱兩個噴嘴針1101、1102；1201、1202，噴射通過所有噴射口1103、1104；1203、1204進行。
通過所述方法可以在第一個、第二個和第三個運行區(qū)域A、B、C內(nèi)以高效率及低NOx和碳煙排放驅(qū)動內(nèi)燃機。
本申請所提出的權(quán)利要求是沒有取得進一步專利保護判例的表述性建議。申請人就目前只在本說明和/或插圖中公開的其它特征要求保留相關(guān)權(quán)利。
子權(quán)利要求中所使用的追溯關(guān)系通過各子權(quán)利要求的特征指出主權(quán)利要求對象的進一步擴展；不能將它們理解為放棄對追溯性子權(quán)利要求特征提出獨立具體的保護。
但是，這些子權(quán)利要求的對象也構(gòu)成獨立的發(fā)明，這些發(fā)明具有不依賴上述子權(quán)利要求對象的形態(tài)。
本發(fā)明也不限于本說明列舉的實施例。確切的說，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以進行許多修改和更改，特別是變體、元件、組合和/或材料方面，例如這些方面可以通過組合或略加改變與實施例及權(quán)利要求一般性說明有關(guān)且插圖中所包含的各個特征及元素或方法步驟而具有本發(fā)明的性質(zhì)，也可以通過可組合的特征形成一個新對象，或者形成新方法步驟或方法步驟結(jié)果，此外還涉及到制造、檢測和工作方法。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)燃機，特別是柴油內(nèi)燃機，該內(nèi)燃機具有至少一個用于燃油供給的活塞式噴射泵，該泵帶有一個用于容納一往復式壓力活塞的油缸，該活塞的端面緊靠于一壓力腔，端面邊緣構(gòu)成了一環(huán)形第一級控制棱邊，該油缸的一活塞導向段內(nèi)至少有一徑向回油孔，該回油孔至少可以由一通過壓力活塞外殼表面形狀構(gòu)成的第二級壓力活塞的控制棱邊蓋住，其特征在于，該油缸至少具有兩個最好彼此正對著布置的壓力平衡通道，用于平衡油缸的活塞導向段的兩個不同圓周區(qū)域之間的壓力。
2.特別是按照權(quán)利要求1中所述的內(nèi)燃機，其特征在于，這至少的兩個壓力平衡通道至少在壓力活塞的一個供油位置使壓力腔與位于回油孔高度附近的油缸活塞導向段區(qū)域彼此連通。
3.特別是按照權(quán)利要求1或2中所述的內(nèi)燃機，其特征在于，至少有一個壓力平衡通道由至少一個油缸凹槽構(gòu)成，最好由一個平行于油缸軸線的縱向凹槽構(gòu)成。
4.特別是按照權(quán)利要求1至3中任意一項所述的內(nèi)燃機，其特征在于，至少有一個壓力平衡通道具有至少兩個沿軸向隔開一定距離、基本上沿徑向與油缸連通的橫向孔，這些橫向孔通過至少一個基本上平行于油缸軸線布置的縱向孔彼此連通。
5.特別是按照權(quán)利要求1至4中任意一項所述的內(nèi)燃機，其特征在于，在活塞導向段內(nèi)，沿油缸軸向方向緊挨著布置至少兩個徑向橫向孔，最好布置在回油孔高度處。
6.特別是按照權(quán)利要求1至5中任意一項所述的內(nèi)燃機，其特征在于，至少有兩個壓力平衡通道相對油缸軸線以點對稱方式布置。
7.特別是按照權(quán)利要求1至6中任意一項所述的內(nèi)燃機，其特征在于，在圓周方向上在兩側(cè)布置至少兩個壓力平衡通道，最好相對回油孔對稱布置。
8.特別是按照權(quán)利要求1至7中任意一項所述的內(nèi)燃機，其特征在于，油缸活塞導向段區(qū)域內(nèi)的壓力平衡通道與回油孔之間隔開一定距離，從而圍繞油缸回油孔形成一可與壓力活塞搭接的密封面。
9.一種利用以下步驟驅(qū)動特別是一直接噴射式內(nèi)燃機，特別是一柴油內(nèi)燃機的方法-在第一個分配了較低部分負荷的運行區(qū)域內(nèi)驅(qū)動內(nèi)燃機，此時混合氣非常均勻地燃燒且燃油噴射較遲，燃油噴射開始時間位于壓縮行程上止點前曲軸轉(zhuǎn)角為約50°至5°之間的區(qū)域內(nèi)；-在第二個分配了中等部分負荷的運行區(qū)域內(nèi)驅(qū)動內(nèi)燃機，此時為低溫混合氣燃燒且噴射比第一個運行區(qū)域內(nèi)更遲，燃油噴射開始時間位于壓縮行程上止點前曲軸轉(zhuǎn)角2°至上止點后約曲軸轉(zhuǎn)角20°之間的區(qū)域內(nèi)，-燃油在第一個運行區(qū)域內(nèi)通過第一噴射口，在第二個運行區(qū)域內(nèi)至少通過第二噴射口、最好采用雙針噴嘴的噴射閥、噴入燃燒室內(nèi)。
10.特別是按照權(quán)利要求9中所述的方法，其特征在于，在第一個運行區(qū)域內(nèi)燃油噴射量比在第二個運行區(qū)域內(nèi)少。
11.特別是按照權(quán)利要求9或10中所述的方法，其特征在于，燃油在第一個和第二個運行區(qū)域內(nèi)以沿著錐形套表面分布的燃油噴束噴入，而在第一個運行區(qū)域內(nèi)燃油噴射的錐形開口角度最好小一些并與第二個運行區(qū)域內(nèi)的不同。
12.特別是按照權(quán)利要求9至11中任意一項所述的方法，其特征在于，在第三個分配了較高部分負荷和滿負荷的運行區(qū)域內(nèi)，燃油噴射的主要部分位于上止點前曲軸轉(zhuǎn)角10°至上止點后曲軸轉(zhuǎn)角10°之間的區(qū)域內(nèi)。
13.方法，特別是權(quán)利要求9至12中任意一項所述的方法，其特征在于，在第三個運行區(qū)域內(nèi)燃油通過第一和/或第二噴射口噴入。
14.一種裝置，尤其是執(zhí)行權(quán)利要求9至13中的方法用的裝置，該裝置帶有一個將柴油直接噴入燃燒室內(nèi)的噴射閥，其特征在于，該噴射閥采用雙針噴嘴，該噴嘴帶有第一和第二噴射口，而第一和第二噴射口則可以單獨控制。
15.尤其是按照權(quán)利要求14中所述的裝置，其特征在于，第一噴射口的總噴射斷面面積小于第二噴射口的總噴射斷面面積。
16.尤其是按照權(quán)利要求14或15中所述的裝置，其特征在于，第一噴射口的中心軸線沿著第一個錐形套表面布置和/或第二噴射口的中心軸線沿著第二個錐形套表面布置，第一個錐形套表面的錐形開口角度最好小于第二個錐形套表面的錐形開口角度。
17.尤其是按照權(quán)利要求14至16中任意一項所述的裝置，其特征在于，第一和第二噴嘴針以同軸線方式布置，理想方式是第一噴嘴針插入空心針結(jié)構(gòu)的第二噴嘴針內(nèi)。
18.尤其是按照權(quán)利要求14至16中任意一項所述的裝置，其特征在于，第一和第二噴嘴針彼此平行布置在一個噴嘴支架內(nèi)。
全文摘要
一種設(shè)有用于燃油供給的一活塞式噴射泵的內(nèi)燃機，該泵帶有一個用于容納往復式壓力活塞的油缸，活塞端面緊靠壓力腔。端面邊緣構(gòu)成了一個環(huán)形第一級控制棱邊。在油缸的活塞導向段內(nèi)油缸至少有一個徑向回油孔，該孔至少可以由一個通過壓力活塞外殼表面形狀構(gòu)成的第二級壓力活塞控制棱邊蓋住。
文檔編號F04B1/14GK1780980SQ200480008951
公開日2006年5月31日 申請日期2004年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月1日
發(fā)明者M·里克, M·威斯貝克, J·薩托, M·格倫斯威格, T·山姆斯, P·赫佐格 申請人:Avl里斯脫有限公司