[发明专利]带有喷嘴的火花点火内燃发动机

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种直接喷射火花点火内燃发动机。

【背景技术】

在本发明背景下，“内燃发动机”一词包含火花点火发动机，特别是自然吸气式和增压式火花点火发动机，以及适合以火花点火(SI)模式、均质充气压缩点火(HCCI)模式和可控自动点火(CAI)模式运转的混合动力内燃发动机。

在内燃发动机的发展中，人们持续地作出努力以最小化燃料消耗并减少有害排放。

在火花点火发动机的情况下，燃料消耗尤其成问题。原因在于常规的火花点火发动机的基本运转过程。常规的火花点火发动机以均质燃料-空气混合物工作，通过改变燃料室的填充物调节所需的输出，即通过填充物的量控制。通过调节设在进气道内的节气门，节气门下游的吸气压力可变成较大或较小级别。这样，对于恒定的燃烧室体积，可通过吸气压力调节空气质量(即量)。然而，通过节气门的进气量控制由于在部分负荷范围内的节流损失而具有热力学的缺点。

一种解决对火花点火发动机去节流(dethrottling)问题的方法用于混合燃料过程并且基于采用常规柴油发动机过程的技术特征，其特征在于空气压缩、非均质混合物、同时点火和质量控制，其中通过燃料喷射的量控制负荷。柴油发动机的低燃料消耗等来源于在质量控制中消除了节流。

因此，燃料直接地喷射进汽缸的燃料室内也被看作为用于显著减少火花点火发动机内的燃料消耗的合适方法。在这种情况下，在特定限制内使用质量控制实现内燃发动机的去节流。直接喷射火花点火内燃发动机也是本发明的主题。

通过将燃料直接喷射进燃烧室内，特别是能够实现分层燃烧室充气，其能够充分有利于对火花点火运转过程去节流，因为在分层充气操作的辅助下内燃发动机能够以稀得多的混合物运转，其尤其在部分负荷运转(即当仅喷射少量的燃料时在较低和中等负荷范围下)中具有热力学优点。

分层充气的特征在于非常非均质的燃烧室充气，其特征在于不能为统一的空燃比而是具有稀(λ＞1)混合物部分和富(λ＜1)混合物部分，在点火装置附近出现或期望出现具有相对高燃料浓度的可燃性燃料空气混合物。

只有相对少的时间可用于喷射燃料，在燃烧室内准备混合物(即通过汽化准备燃料并且充分地混合空气和燃料蒸汽)及用于点火准备好的混合物。

因此，直接喷射火花点火过程相较于常规的火花点火过程对混合物形成的改变和偏离更加敏感，尤其是在喷射和点火期间。在处于分层模式的直接喷射火花点火发动机中，由于湍流扰动，非均质的混合物和其循环变异性使得实现燃料-空气混合物的可靠性的和设定点火原则上更加困难。

出于该原因，喷射和点火的空间和时间需要非常精确地协调，特别是在燃烧室内协调喷嘴和点火装置的设置，其因为内燃发动机的汽缸盖内的非常受限的可用空间而仅可能处于有限的范围内。

本质上，用于在直接喷射火花点火发动机内的混合物形成和燃烧的三个方法是能够区别的。

在空气引导(air-guided)燃料方法中，尝试在将空气引入燃烧室内期间通过强制运动影响混合物形成。这样意图首先在全负荷运转下实现进气与喷射的燃料良好的混合，同时意图通过充气的吸入运动或流动避免将燃料直接冲击在燃烧室的内壁上。其次，如果为了达到在部分负荷范围内分层燃烧室充气，引入的空气流意图将喷射的燃料输送进点火装置的邻近处并且意图以确保在适当位置处的可点燃混合物。

空气引导方法适合在部分负荷范围内形成有限程度的分层的燃烧室充气，因为产生的空气流动难以控制并且在很大程度受到发动机转速影响。

在壁面引导(wall-guided)方法中，以分层运转将燃料喷射进燃烧室内，以有目标的方式将喷射流引导至形成燃烧室的壁，优选地进入设在活塞顶部的凹陷内。在这种情况下，意图通过撞击将燃料射流引导至点火装置的附近，在该处其以与吸入空气形成可点燃的燃料-空气混合物。

然而，尽管该方法因为潜在的壁面引导方法的混合物形成原理而适合用于形成分层充气，撞击在活塞凹陷或燃烧室内壁上的燃料喷射导致带有高碳烟排放和可能增加机油稀释的不充分燃烧。

在射流引导(jet-guided)方法中，以有目标的方式在点火装置的方向上喷射燃料，其可通过适当地设置喷射流的方向和适当地协调喷嘴和点火装置的设置来实现，例如通过将点火装置与喷嘴直接相邻设置。

例如WO 2006/048134A1和EP 1319822A1公开了这种装置，在每一份文件中描述了基于射流引导燃烧方法的内燃发动机，点火装置和喷射装置都设置在汽缸盖内与活塞顶部相对的一侧上。