專利名稱：通過設(shè)在進氣側(cè)上的噴射器進行直接燃料噴射的往復(fù)式內(nèi)燃機的制作方法
背景技術(shù)：
在具有火花點火和直接燃料噴射的往復(fù)式內(nèi)燃機中，通過噴射器將燃料直接噴入發(fā)動機的工作區(qū)。對于噴射時間存在兩種基本操作模式。
在所謂的均勻燃燒操作中，通常在助燃空氣流入期間，即，當(dāng)進氣門打開時提前將燃料噴入燃燒室。從而實現(xiàn)燃料/空氣混合物的良好的均勻化。當(dāng)發(fā)動機處于高負載運轉(zhuǎn)時該操作模式是優(yōu)選的。
在所謂的分層進氣操作中，直到進氣門關(guān)閉之后，當(dāng)活塞在其向上運動期間進入其上死點位置區(qū)域中時才進行噴射。這是為了使燃料在由點火裝置點燃之前僅以局部限定的方式與缸中所含的一些新鮮空氣混合。當(dāng)發(fā)動機以局部負載或空載運行時優(yōu)選采用該操作模式。其優(yōu)點在于，發(fā)動機可在不對進氣進行節(jié)流并且點火裝置附近的燃料空氣比不是太低從而能夠可靠點火的情況下運行。
對于這些操作模式，已知將燃料引入氣缸室并形成混合物的不同方法，這些方法可分成兩類在所謂的噴射引導(dǎo)式方法中，噴射器直接對準點火裝置。噴射的霧狀燃料與助燃空氣混合并由點火裝置點燃。因此，如果點火裝置很靠近噴射器定位，就只能確保可靠的分層進氣操作。這樣的缺點在于只能利用特別小的、工作點特定的點火窗口，因此，為使工作特性范圍較大而調(diào)整射流擴散是危險的。另外，使用的噴射器必須高精度制造。在長期工作期間，即使是噴射器中很小的容差或變化也會導(dǎo)致不利的點火邊界條件。
因此僅能通過在點火裝置和噴射器之間精確的幾何關(guān)系來確保分層進氣操作中的點火狀況。從而執(zhí)行該類已知方法時沒有限定的或有力的進氣運動。然而在均勻燃燒操作中，缺少這種用于提高燃料/空氣混合物均勻性的運動，從而導(dǎo)致輸出損失、增加燃料消耗從而相應(yīng)地增加污染物的排放。
這種方法還存在增加磨損的缺點，并且由于直接噴射在點火裝置上而引起點火裝置壽命縮短。
所謂的壁引導(dǎo)式方法基于這樣的事實，即，在分層操作中，通過由活塞頂形成的部分燃燒室壁將燃料噴射器偏轉(zhuǎn)向噴射裝置。通過有力的進氣運動而有助于該動作。該方法避免直接噴射在點火裝置上。燃料噴射器的容差和工作狀態(tài)都不如上述噴射引導(dǎo)式方法中重要。
這些方法的缺點是，當(dāng)燃料直接噴入氣缸室中時，燃料行進直到燃燒室壁，特別是活塞頂，導(dǎo)致在某些工作狀態(tài)下存在不完全燃燒，從而增加未燃的碳氫化合物和煙塵的排放。該方法至今通過進氣側(cè)上的燃料噴射器執(zhí)行，并且從轉(zhuǎn)動方位和方向的角度看，該方法基于在噴射方向上形成氣缸進氣的特定柱形流動，該流動通過活塞頂將混合射流導(dǎo)向點火裝置。可以通過大角度直立的進氣口(EP 0 558 072 B1和DE 197 08288 A1)實現(xiàn)這種模式的進氣運動，這導(dǎo)致發(fā)動機的整體高度相應(yīng)較大。根據(jù)提出的另一解決方案，通過特定地形成進氣口或者例如特定形成在進氣門座區(qū)域中的幾何形狀(EP 0 463 613 B1)而實現(xiàn)氣缸進氣的理想運動模式，但是其對于進氣系統(tǒng)的流動質(zhì)量存在不利影響從而對發(fā)動機的滿負荷運轉(zhuǎn)不利。在兩種情況下，噴射器對準活塞頂中的凹部，使得在分層進氣操作期間，仍是液體的燃料撞擊活塞頂。接著將在那里形成的混合物導(dǎo)向與活塞頂壁接觸的點火裝置。
通過該方法，在分層進氣操作中所必需的有力的進氣運動在均勻燃燒操作期間由于引起刺耳的燃燒噪音并增加壁的熱損失而存在不利影響。
WO01/49996A公開了一種往復(fù)式內(nèi)燃機，它在每個氣缸具有兩個帶有進氣門的進氣口，至少一個帶有排氣門的排氣口和至少一個點火裝置，并且具有由氣缸蓋和在氣缸中以往復(fù)運動的方式被引導(dǎo)的活塞頂形成的燃燒室，其中一方面活塞頂另一方面氣缸蓋在垂直截面中基本呈屋頂狀，其中在各個情況下其中一個頂面與進氣門關(guān)聯(lián)，另一頂面與排氣門關(guān)聯(lián)，氣缸蓋的頂面方向與活塞頂?shù)捻斆娣较蛞恢?。在活塞頂中設(shè)有槽形凹部，該凹部在活塞頂?shù)捻敿箙^(qū)上延伸，從而在兩個頂面上延伸。燃料噴嘴通向在進氣門旁的進氣口入口區(qū)域附近的氣缸。點火裝置靠近氣缸垂直軸線設(shè)在氣缸蓋中。
由于氣缸蓋和活塞頂形成為屋頂狀，連同活塞頂中的槽形凹部一起形成了僅具有微隙的燃燒室，所以產(chǎn)生了朝向燃料噴嘴的氣缸進氣運動。由于進氣口以一角度通向燃燒室，所以在進氣沖程期間形成滾流，該滾流最初沿著氣缸蓋流入燃燒室，然后通過槽形凹部朝著燃料噴嘴導(dǎo)回。該流動在壓縮沖程期間仍然保持。
特別在分層進氣操作中，通過活塞頂朝著燃料噴嘴引導(dǎo)空氣，然后將燃料噴入空氣中。如果在分層進氣操作期間，在進氣門關(guān)閉后活塞在其向上運動期間靠近其上死點位置的時候噴射燃料，那么在緊鄰進氣門的附近區(qū)域就改進了混合物準備。在噴射閥區(qū)域中，氣流改變方向并被導(dǎo)向點火裝置。盡管減少了燃燒室容積，但對于沿在氣缸中朝著點火裝置的氣流方向的燃料而言，仍可以形成混合物最優(yōu)化的長自由射流路徑。這在氣缸壁上僅產(chǎn)生了少許燃料覆層。特定形成的燃燒室和燃料噴嘴的位置允許射流在分層進氣操作中被非常平滑地引導(dǎo)，從而使成扇形展開的射流能夠以滿意的方式進入在活塞頂槽形凹部區(qū)域中的燃燒室，并且?guī)缀醪粫獫窕钊?，因此?yōu)化的燃料/空氣混合物到達點火裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供進一步改進的點火狀況，尤其是在局部負載下，并且在于降低上述類型的具有火花點火和直接噴射的往復(fù)式內(nèi)燃機的污染物排放。
根據(jù)本發(fā)明，通過一種往復(fù)式內(nèi)燃機實現(xiàn)該目的，該內(nèi)燃機在每個氣缸具有至少兩個帶有進氣門的進氣口，至少一個帶有排氣門的排氣口和至少一個點火裝置；由氣缸蓋和在氣缸中以往復(fù)運動的方式被引導(dǎo)的活塞頂形成的燃燒室，進氣口以較平的角度(相對于氣缸蓋平面測量)通向該燃燒室，其中一方面活塞頂另一方面氣缸蓋在垂直截面中基本呈屋頂狀，其中在各個情況下其中一個頂面與進氣門關(guān)聯(lián)，另一頂面與排氣門關(guān)聯(lián)，氣缸蓋的頂面朝向與活塞頂?shù)捻斆娉驅(qū)?yīng)；在進氣門之間的進氣口入口區(qū)域附近通向氣缸的燃料噴嘴，其中燃料噴嘴的噴射軸線相對于氣缸軸線測量的角度大于進氣口的角度；靠近氣缸軸線設(shè)在氣缸蓋中的點火裝置；設(shè)在活塞頂中的槽形凹部，該凹部由槽底和側(cè)壁限定，與活塞頂上的頂脊相交并在兩個頂面區(qū)域上延伸，所述槽底朝著燃料噴嘴傾斜并且終止于一壁區(qū)中，該壁區(qū)在其面向燃料噴嘴的一側(cè)上陡峭地向上延伸，其中在槽底與側(cè)壁之間的過渡區(qū)具有在平面圖中基本為筒形的輪廓，該輪廓的一端由陡峭地向上延伸的壁區(qū)形成。
側(cè)壁的筒形結(jié)構(gòu)賦予活塞槽更加開放的形狀，這使得噴入射流與壁的接觸更少從而降低污染排放，特別是在均勻燃燒操作中減少了煙塵的形成。同時，在分層進氣操作中提高了燃燒穩(wěn)定性，即，減少了不發(fā)火的情況。
由于活塞頂中的槽形凹部以通道的形式促進和引導(dǎo)滾流，所以根據(jù)本發(fā)明提供的筒形輪廓具有橫過主流方向的效果。在活塞頂附近，滾流首先略微橫過流動方向膨脹，即略微減慢，然后又在即將過渡到陡峭地向上延伸的壁區(qū)之前增強，即加速。這樣，滾流變得紊亂，這使得噴入空氣流的燃料的量更好地混合，從而可更好地燃燒并顯著降低廢氣中污染物的排放，特別是煙塵顆粒的排放。在均勻燃燒操作和分層進氣操作中均可產(chǎn)生該效果。
如果槽底具有平整表面并且限定筒形輪廓的側(cè)壁與槽底連成盤形，那么是有利的。
在更有利的實施例中，面向排氣口的槽形凹部的末端區(qū)設(shè)置成比面向進氣口并且由陡峭的壁區(qū)限定的末端區(qū)寬。


從以下實施例的描述中將清楚本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點。示意圖中圖1表示穿過氣缸的垂直剖面，表示在均勻燃燒操作期間在壓縮沖程開始時的進氣運動；圖2表示在分層進氣操作期間進行噴射的穿過氣缸的垂直剖面；
圖3表示穿過活塞的剖面；圖4表示一個實施例的活塞頂?shù)钠矫鎴D。
具體實施例方式
圖1所示的往復(fù)式內(nèi)燃機的氣缸1設(shè)有氣缸蓋2，其具有兩個傾斜延伸的進氣口3和兩個與進氣口基本鏡像對稱設(shè)置的排氣口4。從圖1的垂直剖面可以看到，進氣口3和排氣口4都設(shè)在氣缸蓋2中，從而它們以小于45°的角度(相對于氣缸蓋平面2.1測量)通向氣缸室1.1。進氣口3可以通過相應(yīng)的進氣門6打開和關(guān)閉，排氣口4可以通過相應(yīng)的排氣門7打開和關(guān)閉。
燃料噴嘴8設(shè)在氣缸蓋2中的進氣門6的區(qū)域內(nèi)，可以是共軌技術(shù)高壓直接燃料噴射系統(tǒng)的一部分。在此處具有兩個進氣口3的所示實施例中，燃料噴嘴8設(shè)在兩個進氣門6之間。燃料噴嘴8大約在限定相應(yīng)進氣口的氣門座環(huán)6.1的下緣高度處通向氣缸室1.1。燃料噴嘴8的噴射軸線9指向氣缸軸線5并與其成一角度延伸，不過該角度大于進氣口3的入口角(相對于垂線測量)，因此噴射軸線以很平的角度伸入氣缸室。
在此處所示的實施例中，氣缸蓋2.2和活塞11的頂11.1為屋頂狀，相應(yīng)的頂面與進氣門6和排氣門7關(guān)聯(lián)。在活塞頂11.1中設(shè)有指向燃料噴嘴8的槽形凹部12，該凹部橫穿“頂脊”11.2經(jīng)過兩個“頂面”延伸。
圖1表示在均勻燃燒操作中的壓縮沖程期間，當(dāng)燃料噴嘴8將燃料噴入新鮮空氣流之后的活塞11的位置，當(dāng)進氣門6打開時，所述空氣流在活塞11的向下運動期間成滾流(參照箭頭)沿著排氣側(cè)上的頂面流入燃燒室。
在均勻燃燒操作期間，即在高負荷時，成扇形展開的射流13通過燃料噴嘴8噴射。在關(guān)閉進氣門6之后，滾流在活塞的向上運動期間引導(dǎo)氣缸進氣(空氣和燃料)形成均勻的燃料/空氣混合物，然后通過點火裝置14使混合物開始燃燒。具有筒狀輪廓的槽形凹部12的作用在該操作模式中也很重要，這將在下文中進一步詳細描述。即使賦予由筒狀槽直接引導(dǎo)的燃料/空氣混合物很輕微的橫向運動，也會產(chǎn)生改進的準備，從而產(chǎn)生改進的燃燒。特別是大大減少了煙塵的形成。高單位功率所必需的進氣系統(tǒng)的高流動值未受影響。
可以通過在進氣口3中設(shè)置可控的調(diào)節(jié)部件(此處未示出)來進一步影響滾流在氣缸室1.1中的形成。根據(jù)調(diào)節(jié)部件的結(jié)構(gòu)和位置，在氣缸室1.1中產(chǎn)生更強(關(guān)閉調(diào)節(jié)部件用于分層進氣操作)或更弱(打開調(diào)節(jié)部件用于均勻燃燒操作)的滾流。可通過在至少一個進氣口3中設(shè)置橫穿氣缸軸線5定向的分隔件來進一步增加可控調(diào)節(jié)部件的作用，該分隔件將進氣口3分成上子端口和下子端口。
圖2表示對于所謂的分層進氣操作，即，對于從空載到局部負載的操作，在噴射時活塞11在氣缸室1.1中的位置和流徑。在這種情況下，通過相應(yīng)的噴嘴結(jié)構(gòu)成扇形展開的燃料射流13通過燃料噴嘴8噴入氣缸室中，氣體交換氣門6和7關(guān)閉。此時在活塞11的向上運動期間通過活塞頂11.1中的槽形凹部12有助于由進氣沖程產(chǎn)生的滾流，并且槽底12.1朝向進氣側(cè)向下傾斜，因此指向氣缸蓋并由燃料射流撞擊的滾流的向上分量仍然保持在燃料噴嘴8朝壓縮沖程末端的嘴部前方。至少保持了由凹部12的筒形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的滾流的橫向效應(yīng)。
在這種情況下，燃料射流13由空氣紊流吸收，基本不與凹部12的底部直接接觸，從而在進氣門6側(cè)附近朝向點火裝置14偏轉(zhuǎn)，在滾流中形成可燃混合物并被點燃。利用在壓縮期間中的受控的進氣運動與較遲的噴射時間以局部限定的方式將燃料和空氣預(yù)混，并將其作為易燃混合物輸送至點火裝置附近。在開始燃燒后，來自進氣附近區(qū)域的空氣通過進氣運動協(xié)助燃燒。
圖3和圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的活塞頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)。槽底12.1與水平面成大約為12°的角度α，從排氣側(cè)(由附圖標(biāo)記4表示)向進氣側(cè)(由附圖標(biāo)記3表示)傾斜，在壁區(qū)12.2中終止，該壁區(qū)在其面向燃料噴嘴8的一側(cè)上陡峭地向上延伸。因此，滾流在到達燃料噴嘴8的嘴部之前急劇向上偏轉(zhuǎn)，如圖2中的箭頭所示。
槽形凹部12具有圖4所示的形狀。在該情況中，具有平整表面的朝向槽底12.1的過渡區(qū)15與基本為盤形的側(cè)壁16一起形成基本為筒形的輪廓，該輪廓首先在排氣側(cè)4的兩側(cè)上加寬，接著再朝著進氣側(cè)3變窄。
槽形凹部12的面向排氣側(cè)4的末端區(qū)12.3比面向進氣側(cè)3并由陡峭的壁區(qū)12.2限定的末端區(qū)12.4寬。如圖3所示，兩側(cè)的上邊界輪廓在平面圖中基本為圓形，并以大約為25°的角度β(相對于槽形凹部的縱向軸線L測量)向陡峭的壁區(qū)12.2延伸，該壁區(qū)的上邊界邊緣12.5成直線延伸。
上邊界輪廓的最大寬度A可以是在位于邊界邊緣12.5處的末端區(qū)域中的槽寬度B的1.8至1.9倍。
權(quán)利要求
1.一種往復(fù)式內(nèi)燃機，在每個氣缸(1)具有至少兩個帶有進氣門(6)的進氣口(3)，至少一個帶有排氣門(7)的排氣口(4)和至少一個點火裝置(14)；由氣缸蓋(2.1)和在氣缸(1)中以往復(fù)運動的方式引導(dǎo)的活塞(11)的頂(11.1)形成的燃燒室(1.1)，所述進氣口以相對于氣缸蓋平面(2.1)測量的較平角度通向該燃燒室，其中一方面活塞頂(11.1)另一方面氣缸蓋(2.1)在垂直截面中基本呈屋頂狀，其中在各個情況下其中一個頂面與進氣門(6)關(guān)聯(lián)，另一頂面與排氣門(7)關(guān)聯(lián)，氣缸蓋(2.1)的頂面朝向與活塞頂(11.1)的頂面朝向?qū)?yīng)；在進氣門(6)之間的進氣口(3)的入口區(qū)域附近通向氣缸(1)的燃料噴嘴(8)，其中燃料噴嘴(8)的噴射軸線(9)相對于氣缸軸線(5)測量的角度大于所述進氣口的角度；靠近氣缸軸線(5)設(shè)在氣缸蓋(2.1)中的點火裝置(14)；設(shè)在活塞頂(11.1)中的槽形凹部(12)，該凹部(12)由槽底(12.1)和側(cè)壁(16)限定，與活塞頂上的頂脊(11.2)相交并在兩個頂面區(qū)域上延伸，所述槽底(12.1)朝著燃料噴嘴(8)傾斜并且終止于一壁區(qū)(12.2)中，該壁區(qū)在其面向燃料噴嘴(8)的一側(cè)上陡峭地向上延伸，其中在槽底(12.1)與側(cè)壁(16)之間的過渡區(qū)(15)具有在平面圖中基本為筒形的輪廓，該輪廓的一端由陡峭地向上延伸的壁區(qū)(12.2)形成。
2.如權(quán)利要求1所述的往復(fù)式內(nèi)燃機，其特征在于，所述槽底(12.1)具有平整表面并且限定筒形輪廓的所述側(cè)壁(16)與所述槽底(12.1)連成盤形。
3.如權(quán)利要求1或2所述的往復(fù)式內(nèi)燃機，其特征在于，所述槽形凹部(12)的面向所述排氣側(cè)(4)的末端區(qū)(12.3)比面向所述進氣側(cè)(3)并且由所述陡峭的壁區(qū)(12.2)限定的末端區(qū)(12.4)寬。
全文摘要
一種內(nèi)燃機，在每個氣缸(1)具有至少兩個進氣口(3)、至少一個排氣口(4)以及至少一個點火裝置(14)，并具有燃燒室(1.1)，進氣口以較平的角度通向該燃燒室?；钊?11.1)和氣缸蓋(2.1)在垂直截面中基本呈屋頂狀。燃料噴嘴(8)在進氣門(6)之間的進氣口(3)的入口區(qū)域附近通向氣缸(1)中，其中燃料噴嘴(8)的噴射軸線(9)相對于氣缸軸線(5)測量的角度大于所述進氣口(3)的角度。點火裝置(14)靠近氣缸軸線(5)設(shè)在氣缸蓋(2.1)中。在活塞頂(11.1)中設(shè)有槽形凹部(12)，它由槽底(12.1)和側(cè)壁(16)限定并與活塞頂上的頂脊(11.2)相交。槽底(12.1)朝著燃料噴嘴(8)傾斜并且終止于一壁區(qū)(12.2)中，該壁區(qū)在其面向燃料噴嘴(8)的一側(cè)上陡峭地向上延伸，其中在槽底(12.1)與側(cè)壁(16)之間的過渡區(qū)(15)具有在平面圖中基本為筒形的輪廓。
文檔編號F02B17/00GK1882767SQ200480034337
公開日2006年12月20日 申請日期2004年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月22日
發(fā)明者約爾格·巴勞夫, 喬斯·吉格, 馬丁·溫特 申請人:Fev電機技術(shù)有限公司, 現(xiàn)代自動車株式會社