CN102483007A - 用于运行内燃机的方法 - Google Patents

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Abstract

介绍一种用于运行内燃机的方法和用于这样的内燃机的燃烧室。在该方法中，稀薄的基本混合物通过在喷射时刻附加喷入引燃燃料而被点燃，其中，这样选择引燃燃料的喷射时刻，使得不发生引燃燃料与基本混合物的完全的均匀化。

Description

用于运行内燃机的方法
技术领域
本发明涉及一种用于运行内燃机的方法。此外，本发明涉及一种用于执行所介绍的方法的用于内燃机的燃烧室。
背景技术
内燃机基本上可区分成两种类型，即外源点燃式和压燃式内燃机。
对于外源点燃式内燃机，通常将由空气和燃料构成的化学计量学的混合物引入到内燃机的缸体中，此后活塞压缩该混合物并且火花塞在预定的曲轴转角点燃该混合物。
与此相反，压燃式内燃机以更高的压缩比(典型地在15至22的范围中)工作。对于压燃式内燃机，空气被引入到气缸中并且被压缩。在压缩冲程的末端的区域中，当所包围的空气具有足够高的温度时，喷入燃料，燃料燃烧。
应注意的是，对于所谓的非公路应用的未来的排放限值(例如从2014起的EPA Tier4)不再可通过改进当前的柴油燃烧方法来遵守。因此，未来复杂的废气后处理***得到应用，然而其与高的技术费用和提高的成本相联系。为了在成本可比的情况下在未来遵守排放法规，新的改进的燃烧方法是必要的。
由于在燃料经济性和排放方面的所指出的提高的要求，进行更强的努力以开发带有有效率的燃烧方法和较低的排放的高效率的压燃式内燃机。此外，在此研究了利用预混合充量(Ladung)压燃的燃烧方法(PCCI：预混合冲量压燃)和利用均匀充量压燃的方法(HCCI：均匀充量压燃)。
文件DE 10 2006 007 279 A1描述了一种用于运行压燃式内燃机的方法，该压燃式内燃机以PCCI运行方式利用双燃料喷射***工作。在其中，通过将副燃料喷射到进入空气流中或者直接到气缸中，扩大了压燃式内燃机的安静运行的负荷极限。
在文件US 6 659 071 B2中描述了另一PCCI燃烧方法。在其中，第一燃料与进入空气相混合，而第二燃料直接喷入。
为了已经在燃烧室中避免污染物颗粒和氮氧化物的产生，在最近几年中加强研究了HCCI燃烧方法。在均匀自燃的情况下，均匀的稀薄的燃料空气混合物被引入到燃烧室中，该混合物在压缩冲程期间近似同时在整个燃烧室中燃烧。为了避免不允许得较高的压力梯度，较高的充量稀薄(Ladungsverdünnung)是必要的，由此产生明显更低的局部燃烧温度，并且因此还几乎不出现由热造成的氮氧化物形成。由于几乎同步燃烧的均匀的稀薄的混合物，没有碳烟颗粒形成。
介绍许多HCCI燃烧方法，其主要以混合物形成的类型而区分。例如PREDIC、HCDC、HCLI、HPLI等。在该燃烧方法中，柴油燃料的喷射和燃烧尽可能分离地进行，使得没有对强烈影响排放物和燃料消耗的燃烧开始阶段的直接的干预可能性
Figure BPA00001488351400021
此外须注意，HCCI燃烧方法由于稀薄的、较冷的燃烧而具有在未燃烧的碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)处较高的排放。另一缺点在于可实现HCCI方法的受限制的特性场区域。受限制的因素为最大许可压力梯度和许可喷射压力，使得已经在部分负荷区域中必须转换到相应的传统的燃烧方法，即柴油机不均匀(heterogen)或汽油机外源点燃。该受限制的大小主要取决于所使用的发动机和使用工况。在较高的负荷下尽管充量稀薄但是产生陡峭的压力梯度，其限制了HCCO燃烧方法的运行区域。
发明内容
所介绍的方法用于运行内燃机，在其中典型地显著地以废气和/或空气稀薄的均匀的基本混合物(Grundgemisch)通过引燃燃料(Pilotkraftstoff)的附加的喷射被点燃，其中，引燃燃料的喷射时刻这样选择，使得不发生引燃燃料与基本混合物的完全的均匀化，即仅部分均匀化。
在设计方案中，引燃燃料在ZOT前大约70至20°KW时、优选在ZOT前70至30°KW时被喷入。
柴油可用作引燃燃料。在一实施方案中，引燃燃料的量对应于全部燃料量的大约5％至15％，在较高的负荷时(即大约5％)比在较低的负荷时(即大约15％)更少。
汽油可用作用于基本混合物的燃料。异辛烷、乙醇、甲醇、LNG、LPG或CNG可考虑作为用于均匀的基本混合物的其它燃料。除这些燃料之外，基本燃料还可包括柴油燃料的成分。替代地对于引燃燃料为正庚烷(n-Heptan)、煤油、石脑油(Naphta)。
此外，喷射时刻可根据确定的边界条件来选择。因此喷射时刻可根据喷射孔的数目来调节。
在方法的设计方案中，使用用于喷入引燃燃料的六至十二个喷射孔。
引燃喷射的喷射压力可处于300与1200bar之间，优选在800和1200bar之间。
基本混合物可利用进气管喷射或直接喷射来获得。
在内燃机中的所介绍的燃烧室用于该燃烧方法、尤其用于上文所描述类型的燃烧方法，并且具有用于引入用于基本混合物的燃料的第一装置(Einrichtung)和用于喷入引燃燃料的喷入部(Einspritzung)，其中，燃烧室这样设计，使得该喷入根据内燃机的曲轴转角实现。
在设计方案中，设置六至十二个喷孔用于喷入引燃燃料。
可设置有外部的废气再循环和两级增压。
利用用于运行内燃机的所描述的方法，介绍所谓的双燃料燃烧方法(利用双燃料的燃烧方法)，利用该方法可能通过少量易燃的燃料的引燃喷射来调节显著地以废气和/或空气稀薄的、均匀的空气混合物的自燃。在基本混合物中的燃料例如为汽油。柴油可用作引燃燃料。引燃燃料在此必须在确定的时刻到达燃烧室中，以便一方面承担燃烧的控制并且另一方面获得非常少的碳烟和氮氧化物排放物。
至少在一些实施方案中，该方法需要带有外部的废气再循环(AGR)的极高的充量稀释(Ladungsverdünnung)，这是因为混合物的易燃性通过有目的的引燃喷射被提高。
与已知的HCCI方法相比，所描述的燃烧方法可应用在整个发动机特性场区域中。尤其地，在没有复杂的且昂贵的废气处理措施的情况下可满足未来的排放法规。此外，给出应用不同的燃料的可能性。
在所介绍的双燃料燃烧方法中，因此显著地以空气和/或废气稀薄的、均匀的基本混合物通过不均匀的喷入少量容易地可易燃的引燃燃料(例如柴油燃料，例如EN590、煤油)(整个燃料量的大约5％至15％)被可靠地且快速地点燃。由此实现利用HCCI燃烧方法的优点，其中，同时避免了与该此相联系的缺点。容易地可易燃的引燃燃料的喷入提供了控制燃烧的可能性。同时确保甚至在相当高的AGR率时的可靠的点燃。在此，引燃喷射的时刻对燃烧和排放具有决定性的影响。
因此在一设计方案中涉及汽油机HCCI燃烧方法，其自燃通过更易燃的燃料的供给来控制。
另一双燃料燃烧方法通过将汽油机HCCI燃烧方法与大型柴油机的机械上的设计和应用范围相联系而突出。该组合使得能够覆盖C&I应用的完整的发动机特性场。由此，取消了在两个燃烧方法之间的转换，这再次简化了控制或调节性并且在整个发动机特性场区域中使得最低的氮氧化物和颗粒排放成为可能。原理上，也可考虑在船用发动机和发电机范围中的应用。
如果使用均匀的柴油燃烧(柴油机HCCI)，则柴油燃料的高易燃性导致如此高的压力梯度，使得甚至可能超出大型柴油机的机械负荷极限。所以，柴油机HCCI燃烧方法应主要应用在部分负荷区域(＜50％负荷)中。在此须注意，对于汽油发动机的目前的结构(在自然吸气式发动机中最大峰值压力＜100bar)和对声学及冷起动运行的要求，同样仅在较低的负荷和转速时应用汽油机HCCI燃烧方法。
与此相对，柴油发动机提供对于汽油机HCCI的最佳的边界条件。该发动机可装备有外部的废气再循环(AGR)和两级增压，使得已经提供用于所需的充量稀薄的组分供使用。通过直至230bar的高的允许的峰值压力，带有AGR(60％)的高的稀薄是可能的，而不用碰到机械负荷的极限。高的废气再循环率具有调节充量的所期望的燃烧开始和所期望的燃烧持续期的意义。废气再循环率可根据负荷和转速来干预。与在客车(Pkw)中的应用相比，此外明显更高的压力梯度(例如100bar/ms)是允许的，使得在1300l/min时可没有限制地实现20bar的有效的中间压力(Mitteldruck)。为此，应匹配两级废气涡轮增压(ATL)，以便在最大转矩时提供所需的空气。由于对于在燃烧室中充量的稀薄的所需的废气再循环率，在其流量方面与传统的柴油机应用相比，ATL的涡轮可选择为1/3至1/4。
因为气缸充量的温度对双燃料燃烧的燃烧位置有决定性的影响，所以应设置有冷却的AGR，以便实现最大转矩和最大功率。
本发明的另外的优点和设计方案从说明书和附图中得出。
应理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，上面所提及的和下文仍待阐述的特征不仅可以以相应说明的组合而且可以以其它的组合或单独地应用。
附图说明
本发明根据在附图中的实施形式来示意性示出并且接下来参考附图来详细地描述。
图1显示了在双燃料运行中的不同的混合物形成。
图2显示了根据喷射时刻的压力曲线。
图3显示了喷入和燃烧的过程。
具体实施方式
在图1中示出了在双燃料运行中带有所属的燃烧的不同的混合物形成。在此，引燃燃料的喷入在关于点火上止点或ZOT(OT：上止点)的不同的时刻发生。
在示图的左侧示出燃烧室10，在其中存在均匀的汽油柴油混合区域12，其中，引燃喷束(Pilotstrahl)14被引入。
在示图的中部示出带有均匀的汽油混合区域22和火焰前锋24的另一燃烧室20。
在示图的右侧复述带有引燃喷束32和火焰前锋34的第三燃烧室30。
图1说明引燃燃料量的喷射时刻的影响。如果引燃燃料非常早地、在ZOT前大约180至70°KW喷入到燃烧室10中，则易燃的引燃燃料直至ZOT几乎与基本混合物相混合，这对应于HCCI燃烧方法。在该状况中，喷射时刻对燃烧位置(Verbrennungslage)没有影响。非常早的喷射时刻引起极其低的碳烟和NOx排放。
如果引燃燃料在ZOT前大约70至20°KW到达燃烧室20中，则更少的时间供与基本混合物的均匀化使用。因为温度在该时刻时对于点燃引燃燃料还不足够，所以发生部分均匀化并且点燃在较浓区域开始，该区域由于引燃喷束而形成。在此，颗粒和氮氧化物保持在与在在燃烧室10中完全均匀的燃烧的情况相同的、非常低的水平上。然而，在该情况中燃烧位置可借助于喷射阀来控制。在此，在所提及的转角范围中的较早的喷入导致更晚的燃烧，因为压力和温度水平在此比在更晚喷入(其具有更短的点火延迟)时更低。
如果引燃燃料(如在图1的右侧所示)在ZOT前大约20至0°KW被喷入，则仅仍不充分地实现均匀化并且燃烧与强烈的爆震现象相联系地朝向更早时刻转移。在此，NOx和颗粒排放明显升高。
示图显示，追求引燃燃料在ZOT前大约70至20°KW的范围中的喷入，其中，引燃燃料为全部燃料量的大约5％至15％。然而须注意的是，该范围根据其它边界条件、例如在引燃燃料的燃料喷嘴中的喷孔的数目而变化。随着喷孔的数目增大，燃料的均匀化改善，使得与六个喷孔相比，带有十二个喷孔可以晚大约10至20°KW被喷入，而不离开部分均匀的范围。
六至十二个、优选八至十二个喷孔数目证实为有意义的，其中它们的空间布置也显示出对燃烧的明显影响。通过喷孔与不同的喷孔角度相联系地以两个或多个级联(Kaskade)的布置，燃料可更好地分布在燃烧室中。点火群(Zuendherde)以更好的空间分布产生，其中，降低了爆震趋势。
此外，300至1200bar的引燃喷射的喷射压力证实为合适的。更高的压力由于较小的引燃燃料量而不是必需的。
所需的AGR率根据负荷点变化。虽然以空气的稀薄直至所指示的11bar的中间压力是足够的并且必要时15％的AGR率在油耗和排放物方面带来优点，但是对于所指示的16bar的中间压力需要50至60％的外部AGR，以便避免爆震燃烧且确保适度的压力升高率。
应理解的是，均匀的基本混合气不仅可利用进气管喷射而且可利用直接喷射来获得。
内燃机的启动在一实施方案中利用100％引燃燃料实现。一旦发动机达到运行温度(60至80℃水温)，则持续地提高基本混合物，直至引燃燃料量仅还为全部燃料量的大约5％至15％。对于大于3bar pme的负荷和大于1000U/min的转速，其为大约10％，对于大于12bar pme的负荷，其为大约5％。在怠速区域中，必要时必须提高引燃燃料量(15％)，以便实现可靠的点燃。然后在70与20°KW之间实现引燃燃料的喷入。随着发动机负荷升高，AGR率从怠速中的0％提高到在全负荷时的大约50至70％。
在图2中，根据曲轴转角°KW示出不同的压力曲线。在此，横坐标50描绘曲轴转角°KW，而纵坐标52描绘气缸中的压力。
第一曲线显示引燃燃料在ZOT前10°KW的喷射时刻下的过程。第二曲线56在ZOT前25°KW下的过程。第三曲线58复述在ZOT前35°KW下的关系。
在图3中示出喷射和燃烧的过程。在此，横坐标70描绘以°KW计的曲轴转角。曲线72表示气缸压力曲线。在时刻74实现引燃喷射。在时间段76中进行汽油燃料的喷入。在时刻78打开进口。图3显示，在压缩期间执行引燃燃料喷射。

Claims (16)

1.一种用于运行内燃机的方法，在其中，稀薄的基本混合物通过附加喷入引燃燃料而被点燃，其中，这样选择所述引燃燃料的喷射时刻(74)，使得不发生所述引燃燃料与所述基本混合物的完全的均匀化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述引燃燃料在ZOT前大约70至20°KW被喷入。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，柴油被用作引燃燃料。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述引燃燃料的量对应于全部的燃料量的大约5％至15％。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，汽油被用作用于基本混合物的燃料。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述喷射时刻(74)根据确定的边界条件来选取。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述喷射时刻(74)根据喷射孔的数目来选取。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，使用六至十二个喷射孔。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述引燃喷射的喷射压力处于300与1200bar之间。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述基本混合物利用进气管喷射来获得。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述基本混合物利用到燃烧室中的直接喷射来获得。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，用于调节燃烧持续期的废气被回引给充量。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，燃烧室以燃烧空气的足够的充填通过充气在压力水平中的匹配来设置。
14.一种用于燃烧方法、尤其用于根据权利要求1至13中任一项所述的燃烧方法的在内燃机中的燃烧室，所述燃烧室具有用于引入用于基本混合物的燃料的第一装置和用于喷入引燃燃料的喷射部，其中，所述燃烧室(10，20，30)这样设计，使得所述喷射根据所述内燃机的曲轴转角来实现。
15.根据权利要求14所述的燃烧室，其特征在于，设置有用于喷入所述引燃燃料的八至十二个喷孔。
16.根据权利要求14或15所述的燃烧室，其特征在于，设置有外部的废气再循环和两级增压。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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