本發(fā)明涉及根據(jù)獨立權(quán)利要求的內(nèi)燃機。

背景技術(shù)：

本發(fā)明涉及利用火花點火的內(nèi)燃機領(lǐng)域。已經(jīng)證明，與具有較低λ的燃燒相比，λ在大約1<λ<1.5的范圍內(nèi)的稀薄燃燒增加了凈熱效率，然而其也增加了nox排放，從而需要催化轉(zhuǎn)化器。具有λ>1.5的超稀薄燃已經(jīng)證明了同時提高凈熱效率和顯著減少nox排放的能力。超稀薄燃系統(tǒng)的主要限制是混合物的不良點火性質(zhì)，其導致λ值的“稀薄極限”，高于這些λ值，內(nèi)燃機不點燃。

已知在那些內(nèi)燃機中，通過使用湍流噴射點火(tji)(一種高能量點火源)來處理超稀薄空氣燃料混合物的低點火性質(zhì)。用于tji的內(nèi)燃發(fā)動機包括具有至少一個預燃室的點火系統(tǒng)，所述預燃室具有布置在其中的燃料噴射器和點火裝置。所述點火裝置能夠進行湍流噴射點火，其通過利用從預燃室排出的自由湍流噴射能夠進行超稀薄操作，以為主室提供點火源。

預燃室與主室的容積相比較小，并且具有多個孔以在整個主室中產(chǎn)生多個分布的點火位置。所述孔具有小尺寸，以允許當燃燒產(chǎn)物從預燃室排出進入主燃燒室時進行火焰熄滅。然后燃燒產(chǎn)物與主燃料進料反應，并在主燃燒室中的多個位置處通過化學、熱和湍流效應在與預燃室噴嘴相距一定距離處開始燃燒?；瘜W效應由存在于射流中的自由基物質(zhì)引起，所述自由基物質(zhì)是高反應性的，以便能夠點燃主室中存在的空氣-燃料混合物。熱效應由部分或完全燃燒的燃燒產(chǎn)物引起，這些燃燒產(chǎn)物以能夠觸發(fā)主室燃燒的升高溫度進入主室。湍流效應確保湍流射流和主室中的進料之間相互作用。

在us2012103302a1中示出了現(xiàn)有技術(shù)中具有布置在其中的這種點火系統(tǒng)的內(nèi)燃機。所述內(nèi)燃機具有帶有一個或多個氣缸的發(fā)動機缸體。每個氣缸具有與主燃燒室接壤的氣缸蓋，主空氣燃料進料在該主燃燒室中被點燃。鄰近燃燒室設(shè)置有活塞，該活塞通過桿連接在曲軸處，以便允許往復運動。每個氣缸蓋限定進氣口和排氣口。進氣和排氣口經(jīng)由凸輪驅(qū)動閥打開和關(guān)閉，以在氣缸和進氣歧管和排氣歧管之間提供流體連通。內(nèi)燃機還包括安裝在進氣歧管中的燃料噴射器，作為通過進氣口將主燃料/空氣進料引入燃燒室的裝置。點火裝置具有布置成面向內(nèi)預燃室容積的點火器部分和噴射器。

對預燃室進行成形，以便形成噴嘴，所述噴嘴具有彼此間隔開設(shè)置的多個孔并且在預燃室和燃燒室之間提供流體連通。點火器部分點燃預燃室中的燃料。當燃燒產(chǎn)物從預燃室排出進入主燃燒室時，孔直徑保持較小以促進火焰熄滅?；鹧嫦缫馕吨糠秩紵念A燃室產(chǎn)物被迫通過預燃室的小孔。燃燒產(chǎn)物熄滅，但是通過主燃燒室分散，然后與主燃料進料反應，并且通過遠離預燃室噴嘴一定距離的化學、熱和湍流效應在多個位置處點燃主燃料室中的燃燒。

在us20150068489a1中公開了一種能夠產(chǎn)生反應射流的改進的點火裝置。點火裝置的預燃室包括多個孔，以在預燃室容積和主室容積之間提供流體連通。為了確保湍流射流深入穿透到主室內(nèi)，孔被限制在特定的最大和最小直徑范圍內(nèi)，同時預燃室容積保持在特定的范圍內(nèi)。

這種設(shè)計僅僅用于適當?shù)孛闇蕠娮焯匦?，例如相對于預燃室容積的孔直徑、孔數(shù)量。已知設(shè)計相關(guān)的缺點是其僅涉及物理射流性質(zhì)，例如速度、穿透和點火位置分布到一系列預燃室容積。需要指定預燃室和噴嘴幾何特征之間的關(guān)系以及由氣缸內(nèi)徑尺寸所描述的發(fā)動機氣缸的尺寸。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的目的是提供一種具有提高的熱效率的內(nèi)燃機，并且相對于內(nèi)燃機的缸徑，考慮了主燃燒室的設(shè)計(即尺寸)，尤其是孔的設(shè)計(即尺寸)。

該目的是通過根據(jù)獨立權(quán)利要求的內(nèi)燃機實現(xiàn)的。本發(fā)明的具體方面形成相應從屬權(quán)利要求的主題。

本發(fā)明包括內(nèi)燃機，該內(nèi)燃機具有至少一個氣缸和活塞，該活塞被支撐用于在氣缸中重復往復運動，以便限定發(fā)動機孔直徑(a-a)的燃燒室。內(nèi)燃機還包括布置在所述氣缸中的點火裝置，所述點火裝置具有均布置在預燃室中的點火器部分和燃料噴射器，其中預燃室包括多個孔，用于在所述預燃室和所述燃燒室之間提供流體連通。多個孔具有總孔面積，使得總孔面積和發(fā)動機缸徑(a-a)之間的比在0.01mm-0.2mm的范圍內(nèi)。

由于總孔面積尺寸和發(fā)動機缸徑之間的比在0.01mm-0.2mm的范圍內(nèi)，實現(xiàn)了凈熱效率的最大化。這種關(guān)系使得預燃室和噴嘴的可擴展性達到發(fā)動機尺寸的范圍。凈熱效率定義為發(fā)動機的功除以燃料能量，其中發(fā)動機的功是燃燒功和泵送功，并且其中燃料能量是燃料流量乘以燃料熱值。因此，特定的孔面積和發(fā)動機缸徑尺寸的比值實現(xiàn)了凈熱效率的最大化?？紤]到現(xiàn)有技術(shù)出版物，這是意想不到的，而現(xiàn)有技術(shù)出版物指出峰值凈熱效率隨著噴嘴孔面積的減小而最大化。技術(shù)上對于給定的發(fā)動機缸徑尺寸，大的孔面積由于低的噴射速度降低了凈熱效率，而小的孔面積降低了凈熱效率，由于扼流降低了噴射的溫度，從而降低了點火所需的熱效應。預燃室噴嘴中的總孔面積尺寸是每個單獨噴嘴孔的面積之和(對于圓形孔，a＝πr²)。換句話說，發(fā)動機缸直徑是發(fā)動機的缸徑或氣缸的直徑。

根據(jù)特定方面，總孔面積尺寸與發(fā)動機缸徑之間的比在0.016-0.16mm(即從0.05-0.09mm)的范圍內(nèi)。特別優(yōu)選地，總孔面積尺寸和發(fā)動機缸徑之間的比為0.06mm。這些范圍表示在實驗測量中最佳的結(jié)果，其顯示出凈熱效率的最大值。

另一個優(yōu)選的方面涉及孔的數(shù)量在4-8范圍內(nèi)，并且其中孔的直徑在0.7-1.55mm范圍內(nèi)。給定值與具有87.5mm的發(fā)動機缸徑(a-a)的內(nèi)燃機結(jié)合是特別有意義。

有利地，每個孔具有面向預燃室的第一表面區(qū)域和面向燃燒室的第二表面區(qū)域，并且其中第一表面區(qū)域的尺寸和第二表面區(qū)域的尺寸的比率在0.5-2的范圍內(nèi)。改變比率允許改變從孔發(fā)出的射流的形式，即，表面區(qū)域減小導致會聚射流，而表面區(qū)域增加導致發(fā)散射流。

此外，如果預燃室的內(nèi)容積小于燃燒室最小容積的5％，特別是在0.3％-3％范圍內(nèi)則是優(yōu)選的。測量顯示，比該容積更大的預燃室容積導致凈熱效率的降低。

另一個優(yōu)選方的面涉及，這樣的孔布置在預燃室中，使得孔的中心線(c-c)相對于預燃室的中心軸線(b-b)具有50°-60°范圍內(nèi)的角度。進一步優(yōu)選地，將孔布置在多個平行平面中(例如，在第一平面中的第一數(shù)量的孔(例如，在六孔噴嘴中的三個)和在第二平面中的第二數(shù)量的孔(例如三個)在孔中心線和預燃室中心軸線之間的相應角度為50°和60°。這些角度提供了良好的燃燒效率。將角度從50°改變?yōu)?0°已經(jīng)表明允許稀薄極限從1.7λ增加到2.1λ。

優(yōu)選地，燃料噴射器布置在預燃室中，使得燃料噴射的中心線(d-d)相對于預燃室的中心軸線(b-b)具有20°-60°范圍內(nèi)的角度。這允許空氣和燃料在預燃室中良好的混合，即燃料噴霧與經(jīng)由孔進入預燃室的空氣進料相互作用。小于20°的燃料噴射中心線角將導致燃料直接沖擊火花塞，從而阻礙點火。大于60°的燃料噴射中心線角度將導致燃料直接沖擊孔并通過那些孔離開，從而在點燃之前離開預燃室。

根據(jù)有利的方面，點火裝置包括控制單元，該控制單元能夠使燃料噴射器以這樣的方式將燃料噴射脈沖噴射到預燃室中，使得濃燃料混合物存在于預燃室的壁附近，并且濃混合物存在于火花塞電極附近的區(qū)域中。這確保了當由火花塞感應時，在預燃室中發(fā)生點火，并且從火花塞發(fā)出的燃燒火焰前緣被迫在預燃室壁附近行進，同時其朝孔前進，然后通過孔離開。優(yōu)選地，火焰靠近預燃室的壁行進，以避免空氣進料進入預燃室，從而使火焰速度最大化并使噴射速度最大化。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，點火裝置包括控制單元，該控制單元能夠使燃料噴射器能夠以這樣的方式將燃料噴射脈沖噴射到預燃室中，使得在連續(xù)的燃料噴射脈沖之間，至少兩個火花由點火器部分提供。進一步的點火火花允許預燃室中的內(nèi)容物更完全的燃燒，從而在預燃室燃燒期間在預燃室中增加釋放的能量的量并增加噴射速度。

附圖說明

在下文中，將參照附圖更詳細地解釋本發(fā)明。在所有附圖中，相同的附圖標記表示相似的特征。在圖中是：

圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的內(nèi)燃機的垂直剖視圖；

圖2是圖1的點火裝置的垂直剖視圖；

圖3表示凈熱效率相對于總孔面積與發(fā)動機孔直徑比的曲線圖；和

圖4表示凈熱效率相對預燃室容積的曲線圖。

具體實施方式

圖1示出了包括一個汽缸2(例如四個)的內(nèi)燃機1。氣缸2在發(fā)動機缸體21中形成，并且氣缸蓋22布置在氣缸上。具有單獨的主燃料噴射器5的入口221和用于排出燃燒產(chǎn)物的出口222布置在氣缸蓋21中?；钊?被支撐(在曲軸處-未示出)，用于在氣缸2中重復往復運動，以便限定(與氣缸蓋一起)燃燒室21具有在所示示例中為87.5mm的發(fā)動機孔直徑(aa)。

內(nèi)燃機1還包括布置在所述氣缸2中的點火裝置4(用于湍流噴射點火)，所述點火裝置4具有點火器部分42和燃料噴射器43(與主燃料噴射器分開)，它們均面向預燃室41布置。預燃室41在所示示例中包括六個孔44，用于提供從預燃室41內(nèi)部到燃燒室21的流體連通?？?4具有5.70mm²的總孔面積(所有單個孔面積的總面積)，使得總孔面積與發(fā)動機孔直徑(a-a)之間的比為0.065mm。在預燃室44中的總孔面積尺寸是六個孔的數(shù)量乘以單個孔面積5.70mm²。在本示例中發(fā)動機孔直徑中是87.5mm。實現(xiàn)的凈熱效率為42.1％。考慮到現(xiàn)有技術(shù)出版物，該凈熱效率的最大值是意想不到的，因為現(xiàn)有技術(shù)出版物指出凈熱效率隨著噴嘴孔面積的減小而最大化。凈熱效率由發(fā)動機的功除以燃料能量計算，其中發(fā)動機的功是燃燒功和泵送功，并且其中燃料能量是燃料流量乘以燃料熱值。該尺寸提供了足夠小的孔面積以避免低噴射速度，并且該尺寸足夠大以避免阻塞流動，因此降低噴射流的溫度。預燃室中的總孔面積尺寸是孔44的數(shù)量乘以相應面積(對于圓形孔，a＝πr²)。

為了在預燃室41中實現(xiàn)最佳(完全)的點火和隨后的火焰行進，在本示例中點火裝置4包括控制單元(未示出)，所述控制單元能夠控制燃料噴射器43，以便在給定的循環(huán)中將多個燃料噴射脈沖噴射到預燃室41，使得在點火器部分42附近存在濃混合物，并且在預燃室的壁附近存在濃混合物。

在另一個操作模式中，點火裝置4包括控制單元(未示出)，所述控制單元能夠控制燃料噴射器43，使得其以這樣的方式將燃料噴射脈沖噴射到預燃室41中，使得多于一個燃料噴射脈沖注入由點火器部分42提供的連續(xù)火花之間。

在圖2中給出了預燃室設(shè)計更詳細的視圖，其中預燃室41布置在內(nèi)燃機的氣缸蓋22中的燃燒室(主室)的頂部。預燃室41包括多個孔44，其中每個孔44具有面向預燃室41的第一(內(nèi))表面區(qū)域441和面向燃燒室的第二(外)表面區(qū)域442。在所示實例中，第一表面區(qū)域441的尺寸和第二表面區(qū)域442的尺寸的比率為1，這意味著兩個區(qū)域具有相同的尺寸。由于該比率與產(chǎn)生的射流形式相關(guān)，因此在該示例中的射流(比率為1)(理想地)是平行的。

每個孔口44布置在預燃室41中，使得孔的中心線c-c相對于預燃室的中心軸線b-b具有60°的角度(b-b和c-c之間的下角)。燃料噴射器43布置在預燃室41中，并且被設(shè)計成使得燃料噴射的中心線d-d相對于預燃室的中心軸線b-b具有20°的角度(b-b和d-d之間的上角)。

圖3提供了凈熱效率相對于如下表所提供的具體尺寸的示例的總孔比率的測量的曲線圖。

計算包括兩個方程：

現(xiàn)有技術(shù)指出凈熱效率隨著噴嘴孔面積的減小而最大化，因此凈熱效率的最大化是不能被預料的。

圖4是預燃室的內(nèi)部容積相對于凈熱效率的示意圖，其中預燃室容積小于燃燒室最小容積的5％，特別是在0.3％-3％的范圍。最小容積用于布置在上部死點的活塞。對更大的預燃室容積的測量導致凈熱效率的降低。所示的測量值表示凈熱效率相對于最小主室燃燒容積％的預燃室容積，其中曲線1是1500rpm/3.9barlmpeg/l2，曲線2是1500rpm/3.9barlmpeg/l1.9，曲線3是1500rpm/3.9barlmpeg/l1.8，曲線4是4000rpm/7,87barlmpeg/l1.5。