CN102985658B - 具有带螺旋分级的活塞凹坑的压燃式内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种压燃式内燃机，具有至少一个缸（2）和可在所述缸（2）中往复运动的活塞（3），所述活塞与所述缸（2）限定燃烧室（6）的边界并且具有朝向所述燃烧室（6）的活塞凹坑（14），所述活塞凹坑在所述缸（2）和所述活塞（3）的周缘方向上具有变化的流动截面，所述压燃式内燃机还具有在中间设置在所述活塞凹坑（14）上方的用于将燃料喷射到所述活塞凹坑（14）中的喷射器（11），所述喷射器具有多个喷射口（12，13）。为了降低内燃机的排放、尤其是炭黑排放，所述喷射口（12，13）的至少一部分具有不同的开口横截面，其中，所述具有不同的开口横截面的喷射口（12，13）指向所述燃烧室凹坑（14）的具有不同流动截面的区域。

Description

具有带螺旋分级的活塞凹坑的压燃式内燃机
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的压燃式内燃机。
背景技术
机动车的用柴油运行的压燃式内燃机与机动车的用汽油运行的内燃机相比较具有明显高的炭黑排放。因为所述炭黑排放在显著范围内增加空气的细尘负担，所以作出大量努力来减少炭黑排放。相应情况也适用于机动车的内燃机的其它有害物质排放，例如氮氧化物排放。用于减小内燃机的有害物质排放的可能性之一在于，这样影响缸的燃烧室中的燃烧，使得保证所喷入的燃料与燃烧用空气的氧完全转化成二氧化碳和水蒸汽。但完全转化仅在燃料和燃烧用空气在燃烧室中良好混合的情况下才可以进行。这种混合主要与活塞或燃烧室凹坑的几何特征相关，所述活塞或燃烧室凹坑在喷射器对面设置在活塞的端侧中。
为了提高在活塞或燃烧室凹坑内部燃烧用空气流动的湍流并且由此改善喷射到燃烧室中的燃料的涡流，以便实现燃料更好地燃烧，已经提出了一种内燃机，在所述内燃机中，活塞的活塞或燃烧室凹坑具有总体上多角的或多边形的轮廓或者说周缘。通过这种凹坑形状可在活塞或燃烧室凹坑的角部中形成涡流，所述涡流反作用于主流动或者说以其它方式与所述主流动交替作用，以便通过产生的湍流实现燃烧用空气和燃料更好地混合。
由DE-A-2343023已经公知了开头所述类型的内燃机，在所述内燃机中，为了改善所喷入的燃料的分布和雾化，活塞或燃烧室凹坑具有总体上正方形的轮廓，所述轮廓具有圆整角部，而喷射器设置有四个喷射口，所述喷射口呈90度的角度间距来设置并且这样取向，使得由喷射口喷出的燃料在流动方向或螺旋方向上观察在圆整角部之前在倾斜的角下碰撞到活塞或燃烧室凹坑的边界面上。
发明内容
由此出发，本发明的目的在于，这样改善开头所述类型的内燃机，使得内燃机的排放、尤其是炭黑排放可进一步降低。
根据本发明，所述目的这样来实现：喷射器的喷射口具有不同的开口横截面，具有不同的开口横截面的喷射口指向燃烧室凹坑的具有不同流动截面的区域。
本发明的构思在于，喷射器的喷射口的不同的开口横截面在轨压力相同的情况下并且在喷射持续时间相同的情况下产生不同的喷入质量，所述喷入质量具有不同的滴谱和汽化率。但由此喷射射束也具有不同的螺旋需求，对所述螺旋需求通过喷射口或者说喷射射束朝具有不同流动截面并且由此具有流过活塞凹坑的燃烧用空气的不同流动速度的区域的取向来考虑。
优选这样选择喷射口的取向，使得具有较高螺旋需求的喷射射束、即来自具有较小的开口横截面的喷射口的喷射射束分别朝这样的方向偏转，在所述方向上，活塞或燃烧室凹坑具有较小流动截面并且因此燃烧用空气在凹坑中的流动速度较大，而具有较低螺旋需求的喷射射束、即来自具有较大的开口横截面的喷射口的喷射射束分别朝这样的方向偏转，在所述方向上，活塞或燃烧室凹坑具有较大流动截面并且因此燃烧用空气在凹坑中的流动速度较小。喷射射束的螺旋需求与喷射射束的进入深度和蒸发速度相关，进入深度越大或者说蒸发持续时间越长，所述螺旋需求越小。喷射射束的进入深度及其蒸发所需时间又随着喷射口的开口横截面的增大而增大。
通过根据本发明的措施，在全负荷时具有较大的开口横截面的喷射口的优点与在部分负荷时具有较小的开口横截面的喷射口的优点可以组合。另外，燃烧室中的空气可更好地被检测并且与燃料混合，这使得在氮氧化物和炭黑排放较小的情况下较快速燃烧。
为了在活塞或燃烧室凹坑内部实现不同的流动截面，凹坑可这样成形，使得凹坑的分别与具有不同开口横截面的喷射口对置的外周缘面到喷射器具有不同的径向的间距和/或具有不同的深度。优选间距和/或深度在具有较大的开口横截面的喷射口的区域中较大，由此，在那里相应地存在较大的流动截面，而深度在具有较小的开口横截面的喷射口的区域中较小，由此，在那里相应地存在较小的流动截面。
本发明的另一个优选构型提出，喷射器具有多个对的喷射口，所述对分别包括一个具有较大的开口横截面的喷射口和一个具有较小的开口横截面的喷射口。具有较大的开口横截面的喷射口和具有较小的开口横截面的喷射口在缸和活塞的周缘方向上相互交替，其中，具有较大的开口横截面的喷射口指向活塞凹坑的具有较大流动截面的区域，具有较小的开口横截面的喷射口指向活塞凹坑的具有较小流动截面的区域。相邻的大小相同的喷射口在此优选具有与活塞或燃烧室凹坑的其中流动截面具有最大值或者说最小值的相邻区域相同的角间距。有利的是，活塞或燃烧室凹坑具有多个正对着的对称平面，所述对称平面的数量相应于喷射口的对的数量，符合目的地取值为四。活塞或燃烧室凹坑的流动截面在所述对称平面中具有最大值或最小值并且从那里一直到相邻的对称平面又变大或者说变小。
有利的是，喷射器的全部喷射口设置在相对于缸和活塞的纵向中心轴线垂直的平面中，并且向斜下方朝活塞或燃烧室凹坑的方向指向，其中，所述喷射口指向凹坑的对置的周缘面。
本发明的一个特别优选的构型提出，活塞或燃烧室凹坑具有这样的轮廓或周缘，所述轮廓或周缘总体上相应于具有圆整角部的圆整多边形，并且符合目的地相应于圆整正方形。优选多边形或者说正方形的边也向外稍微凸出地弯曲，但其中曲率半径在具有较大流动截面的区域中即在圆整多边形或者说正方形的角部上比在具有较小流动截面的区域中即在圆整多边形或者说正方形的边上小。
有利的是，活塞或燃烧室凹坑的外周缘面不具有不连续性，由此，可在最大程度上在凹坑内部避免空气流从周缘面剥离并且由此避免形成二次涡流。
根据本发明的另一个有利构型，活塞或燃烧室凹坑具有碗形的截面，所述碗形的截面具有扩宽的腹部部分和收缩的颈部部分，所述颈部部分设置在扩宽的腹部部分与燃烧室凹坑和活塞的平的端面的稍微扩宽的汇合处之间。在活塞或燃烧室凹坑的中间有利地存在向上突出于凹坑的底部的总体上棱锥形的突出部，所述突出部具有圆整角部和圆整尖部，所述突出部的周缘面与凹坑的外周缘面一起限定所述凹坑内部的不同流动截面。
总体上棱锥形的突出部的周缘面可有利地相对于活塞或燃烧室凹坑的总体上多边形的周缘的边平行地延伸，但突出部也可这样绕缸和活塞的纵向中心轴线转动，使得所述突出部的圆整角部与凹坑的总体上多边形的周缘的边对置。
附图说明
下面借助于附图中所示的几个实施例详细描述本发明。附图表示：
图1  根据本发明的内燃机的活塞的缸和喷射器的简化截面视图；
图2  活塞的活塞凹坑在两个不同的剖切平面中的叠加的截面视图；
图3a和图3b  具有活塞凹坑的活塞的上端侧的俯视图，其中，为了描述喷射口关于活塞凹坑的两个优选取向也示出了喷射器；
图4  与图2相应的、作为替换方案的活塞凹坑在两个不同的剖切平面中的叠加截面视图；
图5  具有图4中的活塞凹坑的活塞的上端侧的俯视图，其中，也示出了喷射器；
图6  活塞的另一个作为替换方案的活塞凹坑的截面视图；
图7  图6中的活塞凹坑的另一个截面视图；
图8  具有图6中的活塞凹坑的活塞的下端侧的俯视图；
图9  具有图6中的活塞凹坑的活塞的上端侧的立体视图；
图10  另一个作为替换方案的活塞凹坑的侧视图；
图11  沿着图10的线XI-XI的截面视图；
图12  活塞的再另一个作为替换方案的活塞凹坑的侧视图；
图13  沿着图12的线XIII-XIII的截面视图；
图14  喷射器的下端部的放大侧视图。
具体实施方式
在图1中所示的在柴油内燃机的缸曲轴箱1中留空得到的缸1中，活塞3可沿着缸2和活塞3的纵向中心轴线4往复运动。
缸2和活塞3与内燃机的缸盖5一起限定燃烧室6的边界。可通过进气阀7关闭的进气通道8用于将燃烧用空气输入到燃烧室6中。可通过排气阀9关闭的排气通道10用于将燃烧气体从燃烧室6排出。喷射器11用于将柴油燃料喷射到燃烧室6中，所述喷射器安装在缸盖5的与纵向中心轴线4共轴的孔中并且从上伸到燃烧室6中。喷射器11在其自由端部上具有总共八个喷射口12、13，所述喷射口绕纵向中心轴线4呈45度角度间距设置在相对于纵向中心轴线4垂直的平面中。横截面呈圆形的向斜下方指向的喷射口12、13成对地具有不同的孔直径，如图14中最清楚所示，其中，在喷射器11的周缘方向上总是在两个具有较大直径的喷射口12之间设置有一个具有较小直径的喷射口13，反之亦然。
活塞3在其朝向燃烧室6的上端部上具有向上敞开的活塞凹坑14，所述活塞凹坑由活塞3的与缸2相邻的总体上环形的平的端面15环绕。
图1至图5和图10至图13中所示的活塞凹坑14具有轮廓或周缘16，所述轮廓或周缘关于缸2和活塞3的纵向中心轴线4非旋转对称，而是在俯视图中总体上具有正方形的形状，所述正方形具有四个等长的向外凸出地弯曲的边和四个圆整角部，所述等长的向外凸出地弯曲的边具有较大的曲率半径R1，所述圆整角部具有较小的曲率半径R2。在俯视图中，活塞凹坑14关于四个呈45度角度间距设置的对称平面17、18、19、20镜像对称，所述对称平面中的两个对称平面17、18延伸通过纵向中心轴线4和正方形的圆整角部的中心，两个对称平面19、20延伸通过纵向中心轴线4和正方形的边的中心，如图3a、图3b以及图11和图13中最清楚所示。
而图6至图9中所示的活塞凹坑14具有圆形的轮廓或周缘16，所述轮廓或周缘关于缸2和活塞3的纵向中心轴线4旋转对称。
如图1、图2、图4、图6、图7、图10和图12中最清楚所示，全部活塞凹坑14都具有总体上碗形的截面，其中，所述活塞凹坑的外周缘16具有扩宽的腹部部分21和相对于腹部部分21稍微收缩的颈部部分22，所述颈部部分在腹部部分21上方设置在所述腹部部分与活塞3的端面15之间并且朝端面15稍微扩宽。
全部活塞凹坑14在其中心具有向上突出于活塞凹坑14的底部23的突出部24，所述突出部总体上具有正方棱锥的形状，所述正方棱锥具有圆整角部和圆整尖部，如图1、图2、图4、图6和图7中最清楚所示。棱锥的尖部在喷射器11下方设置在缸2和活塞3的纵向中心轴线4上。棱锥在其圆整角部之间的四个侧面总体上可以是平的（图13）、在活塞凹坑的周缘16的方向上向外稍微凸出地拱曲（图11）或在纵向中心轴线4的方向上向内稍微凹入地弯曲（图3a、图3b和图5）。棱锥的侧面和角部可视活塞凹坑14的深度和截面尺寸而定具有较陡的（图7）或较浅的（图6）坡度。棱锥可这样取向，使得所述棱锥的圆整角部关于通过活塞凹坑14的圆整角部的中心的对称平面17、18镜像对称，如图11中所示。但作为替换方案，棱锥也可这样取向，使得所述棱锥的圆整角部关于通过活塞凹坑14的边的中心的对称平面19、20镜像对称，如图13中所示。
活塞凹坑14由于其总体上正方形的轮廓而在缸2和活塞3的周缘方向上观察具有不同的截面尺寸或者说直径D，所述截面尺寸或者说直径D在通过活塞凹坑14的边的中心的对称平面19、20上的最小直径D1与通过活塞凹坑14的圆整角部的中心的对称平面17、18上的最大直径D2之间变化并且分别在相邻的对称平面之间连续地增大或者说减小。确定的角度位置上的直径D是在该角度位置上纵向中心轴线4与周缘16之间的最大间距。
活塞凹坑14沿着其整个周缘可具有相同的深度T。作为替换方案，活塞凹坑14在缸2和活塞3的周缘方向上可具有变化的深度T，如图2以及图6和图7中所示，在那里，较浅的区域B和较深的区域C相互交替。在图2中所示的活塞凹坑14中，深度T在直径D1的区域中或者说在对称平面19、20上具有最大值T1，在直径D2的区域中或者说在对称平面17、18上具有最小值T2。
由于活塞凹坑14的不同的截面尺寸或者说直径D和/或不同的深度T，所述活塞凹坑在棱锥形的突出部24与其外周缘16之间具有变化的流动截面。在图1至图5和图10至图13中的活塞凹坑中，流动截面的最大值分别处于对称平面17、18中，而最小值分别处于对称平面19、20中。由此，以螺旋通过进气通道8输入到燃烧室6中的燃烧用空气的流动速度也变化，所述燃烧用空气在附图中在箭头A的方向上即逆时针绕棱锥形的突出部24流过活塞凹坑14，如通过不同长度的箭头A所示。因为活塞凹坑14的外周缘16在活塞3的周缘方向上观察不具有不连续性，所以在此在活塞凹坑14中基本上不产生二次涡流。
如图3a和图3b中通过两个不同长度的箭头E以及图11和图13中通过八个具有两种不同长度的箭头E最清楚所示，喷射器11的不同大小的喷射口12、13指向活塞凹坑14的具有不同流动截面的区域。
在图3a中所示的活塞凹坑14中，喷射口12、13这样设置，使得从较大的喷射口12射出的通过较长的箭头E标记的具有较小螺旋需求的喷射射束处于通过活塞凹坑14的圆整角部的中心的对称平面17、18之一中，由此指向活塞凹坑14的具有最大流动截面并且由此具有最小流动速度的区域。从较小的喷射口13射出的通过较短的箭头E标记的具有较大螺旋需求的喷射射束处于通过活塞凹坑14的边的中心的对称平面19、20之一中，由此指向燃烧室凹坑的具有最小流动截面并且由此具有最大流动速度的区域。全部喷射射束在活塞3的俯视图中相对于活塞凹坑14的对置的周缘面垂直地取向。
相应情况也适用于图11和图13中所示的活塞凹坑14，在所述活塞凹坑中，来自大的或者说小的喷射口12、13的喷射射束也通过不同长度的箭头E标记并且流动速度通过不同长度的箭头A标记。
而在图3b中所示的活塞凹坑14中，喷射口12、13这样设置，使得不仅从较大的喷射口12射出的喷射射束（较长的箭头E）而且从较小的喷射口13射出的喷射射束（较短的箭头E）与两个相邻的对称平面17、20，20、18夹有锐角。所述角在图3b中的活塞凹坑14中分别取值为22.5度，由此，全部喷射射束在活塞3的在图3b中所示的俯视图中相对于凹坑14的对置的周缘面以67.5度的角取向。
3D仿真已经表明，通过图3a和图3b中所示的布置形式可特别显著地降低内燃机的有害物质排放、尤其是炭黑排放。
参考标号清单
1     缸曲轴箱
2     缸
3     活塞
4     纵向中心轴线
5     缸盖
6     燃烧室
7     进气阀
8     进气通道
9     排气阀
10    排气通道
11    喷射器
12    喷射口
13    喷射口
14    活塞凹坑
15    活塞的端面
16    活塞凹坑的周缘
17    对称平面
18    对称平面
19    对称平面
20    对称平面
21    腹部部分
22    颈部部分
23    底部
24    突出部

Claims (11)

1.一种压燃式内燃机，具有至少一个缸和能在所述缸中往复运动的活塞，所述活塞与所述缸限定燃烧室的边界并且具有朝向所述燃烧室的活塞凹坑，所述活塞凹坑具有在所述缸和所述活塞的周向方向上变化的流动截面，所述压燃式内燃机还具有居中设置在所述活塞凹坑上方的、用于将燃料喷射到所述活塞凹坑中的喷射器，所述喷射器具有多个喷射口，其中，所述喷射口(12，13)的至少一部分具有不同的开口横截面，
其特征在于，
具有不同开口横截面的喷射口(12，13)指向所述活塞凹坑(14)的具有不同流动截面的区域，并且所述喷射口(12，13)设置在与纵向中心轴线(4)垂直的平面中。
2.根据权利要求1的压燃式内燃机，其特征在于：具有不同开口横截面的喷射口(12，13)指向所述活塞凹坑(14)的如下的区域：其中在所述活塞凹坑(14)的外周缘(16)与所述缸(2)和所述活塞(4)的纵向中心轴线(4)之间的间距(D1，D2)大小不同。
3.根据权利要求1或2的压燃式内燃机，其特征在于：具有不同开口横截面的喷射口(12，13)指向所述活塞凹坑(14)的如下的区域：其中所述活塞凹坑(14)的深度(T1，T2)大小不同。
4.根据权利要求1或2的压燃式内燃机，其特征在于：所述喷射器(1)具有多个喷射口(12，13)对，所述喷射口对分别包括一个具有较大开口横截面的喷射口(12)和一个具有较小开口横截面的喷射口(13)，其中，具有较大开口横截面的喷射口(12)和具有较小开口横截面的喷射口(13)相互交替。
5.根据权利要求4的压燃式内燃机，其特征在于：所述具有较大开口横截面的喷射口(12)指向所述活塞凹坑(14)的具有较大流动截面的区域；所述具有较小开口横截面的喷射口(13)指向所述活塞凹坑(14)的具有较小流动截面的区域。
6.根据权利要求1或2的压燃式内燃机，其特征在于：所述活塞凹坑(14)关于所述缸(2)和所述活塞(3)的纵向中心轴线(4)非旋转对称。
7.根据权利要求4的压燃式内燃机，其特征在于：所述活塞凹坑(14)具有多个对称平面(17，18，19，20)，所述对称平面的数量相应于喷射口(12，13)对的数量；所述活塞凹坑(14)的流动截面分别在所述对称平面(17，18，19，20)中具有最大值或最小值并且从那里一直减小或增大到相邻的对称平面(19，20，17，18)。
8.根据权利要求1或2的压燃式内燃机，其特征在于：所述活塞凹坑(14)具有凸出地弯曲的外周缘(16)，所述凸出地弯曲的外周缘具有不同的曲率半径(R1，R2)，其中，在较大流动截面的区域中的曲率半径(R2)小于在较小流动截面的区域中的曲率半径(R1)。
9.根据权利要求1或2的压燃式内燃机，其特征在于：所述活塞凹坑(14)的外周缘(16)不具有不连续部。
10.根据权利要求1或2的压燃式内燃机，其特征在于：所述活塞凹坑(14)具有碗形的截面，所述碗形的截面具有扩宽的腹部部分(21)和收缩的颈部部分(22)，所述颈部部分处于所述腹部部分(21)与所述活塞凹坑(14)同所述活塞(3)的平的端面(15)相交的汇合部之间。
11.根据权利要求1或2的压燃式内燃机，其特征在于：设置有在所述活塞凹坑(14)的中央向上突出于所述活塞凹坑(14)底部(23)的总体上为棱锥形的突出部(24)，所述突出部具有圆整的角部和圆整尖部。
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