CN114391061A - 用于内燃机的燃油喷射设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种四冲程内燃机，所述内燃机具有增压器(2)和节流阀(6)，在增压过程中，所述增压器(2)会在超过一个大气压的压力的情况下提供增压空气(3)，所述节流阀(6)用于对所述增压空气(3)进行节流，以便降低压力，因此实现用于在进气管(10)中使所述增压空气(3)过冷的文丘里效应。气缸盖用于燃油喷射(8)，每个主燃室(11)配备有涡流室(13)或预燃室(13)，其尺寸至少为主燃室(11)尺寸的5％。仅在涡流室(13)中进行的燃油(8)喷射允许每个主燃室(11)可靠地点燃少量燃油(8)，并且结合使进气管(10)中的增压空气(3)过冷，实现了减少废气排放，同时节省燃油。

Description

用于内燃机的燃油喷射设备
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机的燃油喷射设备，尤其是用于一种四冲程往复式内燃机。
背景技术
燃油喷射对于所有类型的内燃机都很重要。燃油直接或间接地喷入四冲程内燃机的燃室。在现有技术中，已知直接喷射和间接燃油喷射。在直接喷射的情况下，全部燃油在主燃室内进行，在主燃室内形成混合气，并燃烧燃油-空气混合物。具有进气管喷射的内燃机也非常类似得如此运行。利用这种间接的喷射方法，燃油被喷射到内燃机的进气管中，然后通过活塞与空气一起被吸入发生燃烧的主燃室。
预燃室喷射或涡流室喷射也是已知的。在这个过程中，燃油喷射发生在预燃室中，预燃室的尺寸相当于主燃室的35–40％，空气-燃油混合物也从这里开始燃烧。膨胀将剩余的燃油推入主燃室，在那里进行主燃烧。对于内燃机的性能而言，不仅燃油喷射很重要，而且(除其他外)进气管中的进气温度也很重要。如果温度较低，内燃机的效率则更高。
在现有技术中，还已知内燃机(DE 2921997 C2)、(DE 2454813 A1)、(DE 2821155A1)、(DE 102007060560 A1)、(DE 1926474 A)、(AT 516717 B1)、(AT 516257 A4)，该内燃机在每个气缸至少具有一个预燃室的情况下运行，其尺寸对应于主燃室尺寸的2％到15％。在点火点时，这些内燃机在预燃室内利用浓度较高的混合气(空气+燃油)工作并且在主燃室内利用浓度较低的混合气工作。因此，通过在预燃室中燃烧浓度较高的混合气，可以在主燃室中安全地点燃浓度较低的混合气。
在现有技术中，已知一种具有燃油进气通道喷射的内燃机(WO 00000070213 A1)，在进气通道喷射中使增压空气通过文丘里效应过冷。进气管中增压空气的过冷(高达-20℃)减少了燃室中混合物(空气和燃油)的提前点火。如允许内燃机以更高的压缩比工作、在燃烧过程中更好地利用来自燃油的能量并且没有更多的燃油消耗，则与类似类型的发动机在没有增压空气过冷的情况下相比，功率可以增加200％。由于发动机功率高，内燃机的结构负荷很大，因此许多发动机部件必须由陶瓷材料制成，而这与高昂的采购成本相关。这种发动机类型尤其适合赛车。此外，进气管中增压空气的过冷结合进气管喷射(或结合直接喷射)不能够实现显著的节省燃油。
发明内容
本发明的目的通过提供一种内燃机，其中通过燃油喷射装置并结合进气通道中增压空气的过冷可以减少废气排放，同时节省燃油。
本发明的目的可以通过以下实现：一种内燃机，所述内燃机具有增压器和节流阀，在增压过程中，所述增压器会在超过一个大气压的压力的情况下提供增压空气，所述节流阀用于对所述增压空气进行节流，根据本发明，为了在进气管中实现用于利用文丘里效应使增压空气过冷的减压以便进行燃油喷射，在气缸盖中每个气缸具有涡流室或预燃室，其尺寸相当于主燃室的尺寸的至少5％、尤其是12％至15％，并且燃油喷射仅在涡流室或预燃室中进行。气缸盖中的涡流室的尺寸也可以大于主燃室的15％(16％或大于16％)。所述涡流室(预燃室)配有喷油嘴和火花塞(汽油喷射)。用于柴油喷射则需要在涡流室中安装喷油嘴和电热塞。涡流室和主燃室通过燃烧通道连接，在涡流室中开始的燃烧通过燃烧通道传播到主燃室。仅在较小的涡流室(预燃室)中进行的燃油喷射(不向主燃室喷射燃油)允许在每个气缸中可靠地点燃少量燃油，因为涡流室中的混合气(空气-燃油)以及点火点处主燃室中的增压空气是足够分开的。仅向涡流室喷射燃油(涡流室的尺寸相当于主燃室尺寸的12％至15％)，内燃机的每个气缸的燃油减少60％至70％，在这个过程中，与相同发动机容量的内燃机、进气管中的增压空气过冷(高达-20℃)或进气管喷射(或直接燃油喷射)相比，内燃机的功率至少减少67％。将燃油喷射到较小的涡流室中，可以将内燃机结构上的负载降低67％，使进气通道中的增压空气过冷度降低，同时实现高达70％的燃油节省。通过将发动机结构上的负载降低67％，高成本的发动机部件、例如工业陶瓷(陶瓷材料)不再是必要的。因此，生产成本与在增压空气不过冷的情况下运行的内燃机相当，因此更适合制造商(批量生产)。
根据本发明，气缸盖中的内燃机还配备有两个(或更多)的涡流室或每个气缸的预燃室。每个涡流室的大小相当于主燃室的7％。涡流室的体积也可以比主燃室的7％大或小(例如10％或约4％)。在每个气缸有两个涡流室的情况下，部分负载下的燃油喷射例如仅在一个涡流室中进行。在这个过程中，与每个气缸只需一个涡流室(涡流室的大小相当于主燃室的12％到15％)的内燃机相比，可以可靠地点燃相比之下每个气缸减少50％的燃油量。在内燃机满载时，喷射在两个腔室中进行。每个涡流室通过燃烧通道与主燃室相连。
每个涡流室或预燃室必须配备喷油嘴和火花塞(汽油喷射)或喷油嘴和电热塞(柴油喷射)。
附图说明
以下，本发明可以通过参考附图来进一步阐述，其中每个附图均示意性地说明了内燃机的燃室。所述附图为：
图1示出具有进气通道喷射的四冲程内燃机(现有技术)；
图2示出采用进气通道喷射和进气通道中增压空气过冷以提高性能的内燃机(现有技术)；
图3示出根据本发明的带有增压空气过冷的内燃机，带有用于节省燃油的涡流室喷射；
图4示出每个气缸有两个涡流室的内燃机；以及
图5示出带有结合了进气通道喷射和每个气缸具有涡流室喷射的内燃机。
具体实施方式
图1示出有内燃和二次增压的四冲程内燃机。增压器2(例如由废气1驱动的涡轮增压器)将增压空气3通过增压空气冷却器4压入增压空气管路5。节流阀6在内燃机7的满载(从0到100％)下完全打开。进气管10中的增压空气3的温度超过40℃。燃油8通过进气管喷射9进入进气管10，然后混合物(空气3+燃油8)被吸入主燃室11，在主燃室11中发生燃烧。压缩比为±9:1(汽油喷射)。出于环境原因，废气后处理是必要的。
图2示出现有技术中已知的内燃机，该内燃机利用进气通道喷射9(汽油)并且利用文丘里效应工作，用于进气通道10中增压空气3的过冷。增压器2(例如由废气1驱动的涡轮增压器)用于在压力超过一个大气压(满载时超压2.8巴)的情况下压缩增压空气3，使其通过增压空气冷却器4进入增压空气管路5。节流阀6的工作方式为，为燃室11中的混合气形成提供充足的增压空气3，同时对增压空气管路5中增压空气3的超压进行节流，从而在增压空气管路5和进气通道10之间实现增压空气3的压差。在内燃机的中高档速度范围内，节流阀6也会根据来自增压器2的增压空气3的压力打开7(或关闭)。如果来自增压器2(涡轮增压器)的增压空气3的压力更大(这是在主燃室11中形成最佳混合气所必需的)，则节流阀6的开口7更小，以实现节流，从而降低增压空气3的此不需要的压力。节流阀6的较小开口7(满负荷时从0％到30％)对增压空气管路5中的增压空气3进行节流，从而使节流阀6后面的进气通道10中的增压空气3减压。随着增压空气3的压力降低，同时进气通道10中的增压空气3的温度降低。在内燃机满负荷时，增压空气管路5中的增压空气3的温度约为50℃，进气通道10中的增压空气3的温度为-20℃。通过这种方法，进气通道10中增压空气3的过冷达到文丘里效应。进气管10中增压空气3的过冷度(高达-20℃)减少了主燃室11中混合气(空气3°F燃油8)的提前点火。这允许内燃机(汽油喷射)以更大的压缩比(14:1)工作，“更好地利用来自燃油8的能量”，与类似发动机类型相比，将内燃机的功率(无额外燃油消耗)增加200％，但增压空气3没有过冷(图1)。对于根据图2的内燃机，不需要水冷却。进气管10中增压空气3的过冷也会降低气缸内燃烧期间的温度，因此废气1中(几乎)没有污染物排放。不需要催化剂和排气过滤器(GPF)。但由于其高性能，内燃机的许多部件都负载较重，这些部件必须由陶瓷材料(工业陶瓷)制成。它与高收购成本有关，因此不利于批量生产。
图三示出根据本发明的一种内燃机，其工作原理是将燃油8喷射到涡流室13或预燃室中，并使进气通道10中的增压空气3过冷。增压器2(由废气1驱动的涡轮增压器)将增压空气3通过增压空气冷却器4压入增压空气管路5，压力超过一个大气压(满载时超压高达2.8巴)。节流阀6的工作方式(与图2相同)为主燃室11提供充足的增压空气3，同时降低增压空气管路5中增压空气3的超压；在增压空气管路5和进气通道10之间实现增压空气3的压差。因为，在内燃机的中高速范围内，增压空气管路5中来自增压2(涡轮增压器)的增压空气3的压力更大，这在主燃室11中是必要的，节流阀6的开口7更小，以实现节流，以降低进气通道10中增压空气3的此不良压力。节流阀6的较小开口7(满负荷时从0％到30％)对增压空气管路5中的增压空气3进行节流，因此增压空气管路5中的增压空气3的压力较大，而节流阀6后面的进口通道10中的增压空气3的压力较小。进气通道10中的增压空气3发生压力降低，同时温度降低(过冷)。因此，通过文丘里效应实现了进气通道10中增压空气3的过冷(满负荷时最高可达-20℃))。
根据本发明，内燃机的主燃室11配备有涡流室13或用于燃油喷射的预燃室8，其尺寸对应于主燃室11尺寸的12％至15％。涡流室13(预燃室)的体积也可以大于主燃室11尺寸的15％(16％及以上)。涡流室13配备有喷油嘴14和火花塞15，用于汽油喷射。涡流室13和主燃室11连接一个燃烧通道16，涡流室13中开始的燃烧通过该通道传播到主燃室11。通过涡流室13中的喷油器14，燃油8不会喷射到主燃室11中，而只喷射到涡流室13(预燃室)。在内燃机满负荷时，涡流室13中的喷油嘴14产生富集的混合物(1:8)。富集的混合物(燃油8+空气3)可在部分负荷下按顺序稀释至化学计量比混合物(1:14.7)。涡流室13中的连续混合气稀释(从1:8到1:14.7)或混合气富集(从1:14.7到1:8)，使内燃机能够使用几乎相同量的增压空气3进入主燃室11，与满负荷和部分负荷一样，在主燃室11内高压工作。因为对于涡流室13中燃油8的燃烧(其尺寸相当于主燃室11的12％至15％)，喷油器14的燃油8减少70％，因此内燃机的功率降低67％，与具有进气通道喷射9且增压空气3过冷的类似发动机类型(图2)相比，但发动机功率与没有增压空气3过冷的类似发动机类型(图1)相当。因为与进气通道喷射9相比，仅向涡流室13喷射燃油8，燃油消耗量减少60％至70％，主燃室的温度负荷减少11％(图2)。
在此过程中，进气通道10中增压空气3的过冷度(高达-20℃)，涡流室13中混合气(空气3°燃油8)的早期点火进一步降低，与图2所示的内燃机相比，允许内燃机以更高的压缩比(高达16:1)(汽油喷射)运行，并将废气排放(CO2)减少70％。
图4示出一种内燃机，其中增压空气3在文丘里管效应下过冷(与图3相同)，并配备有两个相同的涡流室17、17'或每个主燃室11的预燃室，用于喷射燃油8。每个涡流室17'或17'相当于主燃室11的7％。每个涡流室17'或17'也可以比主燃室11的7％大(10％及以上)或小(4％)。涡流室17在气缸盖中配备有喷油嘴14'和火花塞15'，与涡流室17'相同，带有喷油嘴14'和火花塞15'(汽油喷射)。在内燃机满负荷时，燃油8被喷入两个涡流室17、17'或14和14'喷油器产生富集的混合物的预燃室。在内燃机的部分负载中，燃油8仅喷入涡流室17，但最好交替喷入。根据本发明(图4A)，对于活塞12的一个工作循环(四冲程)，燃油8仅通过喷油嘴14喷射到涡流室17中，对于活塞12的下一个工作循环(四冲程)(图4B)，燃油8仅通过喷油器14'喷射到涡流室17'中。燃油8的交替喷射能够更好地冷却缸盖中的17和17'涡流室。这允许活塞12以更大的压缩比工作。仅将燃油8喷射到涡流室17或17(其尺寸约为主燃室11的7％)中，与每个主燃室11仅配备一个涡流室13或一个预燃室(图3)的内燃机相比，允许在内燃机低负荷下可靠地点火50％的燃油8。
图5示出一种内燃机，其在进气通道10中增压空气3过冷的情况下运行(过冷与根据图2相同)，结合进气通道喷射9和燃油8喷射至涡流室13，其尺寸相应于主燃室11的12％至15％。对于非常高的内燃机功率(图5A)，20％的燃油8进入涡流室13，同时80％的燃油8通过进气通道喷射9进行。为了节省燃油(部分负载)(图5B)，只有25％的燃油8经过喷油器14，只进入涡流室13。将燃油8喷射到涡流室13和进气通道喷射9的组合允许在需要时在内燃机中实现高性能或节油。然而，由于发动机功率高(如图2所示)，这种组合对内燃机设计的负载要求很高。与图2(现有技术)相比的优点是，如果燃油8的喷射仅发生在涡流室13中，则内燃机是经济的，并且通过额外的进气通道喷射9可获得较高的发动机功率。
将燃油喷射到涡流室或预燃室(其尺寸为12％至15％，与主燃室的尺寸相对应)的装置特别适用于内燃机，在文丘里效应的作用下，实现进气通道中增压空气的过冷(最高-20℃)。这项技术能够实现：
–与图1或图2(现有技术)相比，实现高达70％的燃油节约；
–发动机结构上的负载减少了67％(与图2相比)，从而节省了成本，因为不再需要由陶瓷材料制成的内燃机部件；
–废气排放量(CO2)减少70％(与图2相比)；
–由于环境原因，不再需要废气后处理(与图1相比)。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种四冲程内燃机，所述内燃机具有增压器(2)和节流阀(6)，所述增压器(2)设计用于在所述内燃机满负载时以高达2.8bar的超压将增压空气(3)供应至增压空气管路(5)中，所述节流阀(6)工作原理在于向主燃室(11)提供足够的增压空气(3)，同时对所述增压空气管路(5)中的增压空气(3)的超压进行节流，以便实现降低压力，同时利用文丘里效应实现进气管(10)中的增压空气(3)的降低温度，其中，用于在汽缸盖中喷射燃油的内燃机每个主燃室(11)具有涡流室(13)或预燃室(13)，并且燃油(8)的喷射仅在该涡流室(13)或预燃室(13)中进行，
其特征在于，
每个主燃室(11)的涡流室(13)或预燃室的尺寸相当于主燃室(11)的尺寸的至少为5％、尤其是12％至15％。
2.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，
用于燃油喷射的气缸盖(8)每个主燃室(11)配备有两个相同的涡流室(17,17’)或预燃室，其尺寸总和相当于主燃室(11)尺寸的至少8％、尤其是14％到20％。
3.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，
涡流室(13)或预燃室(13)的体积大于主燃室(11)尺寸的15％。
4.根据权利要求2所述的内燃机，其特征在于，
涡流室(17和17’)的体积总和大于主燃室(11)尺寸的20％。
5.根据权利要求2所述的内燃机，其特征在于，
燃油(8)仅在部分负载下喷射到每个主燃室(11)的一个涡流室(17)或(17’)或预燃室中。
说明或声明(按照条约第19条的修改)
申请人根据PCT第19条对权利要求书作出修改。在权利要求1中仅对于该实施方式作出了进一步描述。具体修改请看下方下划线修改标记。此修改源于原PCT文件的第8页第4-9行。对于权利要求2-5没有作出修改。
1.一种四冲程内燃机，所述内燃机具有增压器(2)和节流阀(6)，所述增压器(2)设 计用于在所述内燃机满负载时以高达2.8bar的超压将增压空气(3)供应至增压空气管路(5)中，所述节流阀(6)工作原理在于向主燃室(11)提供足够的增压空气(3)，同时对所述增 压空气管路(5)中的增压空气(3)的超压进行节流，以便实现降低压力，同时利用文丘里效应实现进气管(10)中的增压空气(3)的降低温度，其中，用于在汽缸盖中喷射燃油的内燃机每个主燃室(11)具有涡流室(13)或预燃室(13)，并且燃油(8)的喷射仅在该涡流室(13)或预燃室(13)中进行，
其特征在于，
每个主燃室(11)的涡流室(13)或预燃室(13)的尺寸相当于主燃室(11)的尺寸的至少为5％、尤其是12％至15％。

Claims (5)

1.一种四冲程内燃机，所述内燃机具有增压器(2)和节流阀(6)，在增压过程中，所述增压器(2)会在超过一个大气压的压力的情况下提供增压空气(3)，所述节流阀(6)用于对所述增压空气(3)进行节流，为了在进气管(10)中实现用于利用文丘里效应使所述增压空气(3)过冷的减压，该进气通道(10)在气缸盖中具有涡流室(13)，或每个主燃室(11)具有预燃室，并且燃油(8)的喷射仅在该涡流室(13)或预燃室中进行，
其特征在于，
每个主燃室(11)的涡流室(13)或预燃室的尺寸相当于主燃室(11)的尺寸的至少为5％、尤其是12％至15％。
2.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，
用于燃油喷射的气缸盖(8)每个主燃室(11)配备有两个相同的涡流室(17,17’)或预燃室，其尺寸总和相当于主燃室(11)尺寸的至少8％、尤其是14％到20％。
3.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，
涡流室(13)或预燃室的体积大于主燃室(11)尺寸的15％。
4.根据权利要求2所述的内燃机，其特征在于，
涡流室(17和17’)的体积总和大于主燃室(11)尺寸的20％。
5.根据权利要求2所述的内燃机，其特征在于，
燃油(8)仅在部分负载下喷射到每个主燃室(11)的一个涡流室(17)或(17’)或预燃室中。
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