[发明专利]布置成在内燃机气缸内往复运动的活塞

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于控制内燃机中的燃烧过程的装置。本发明涉及如下一种装置，该装置尤其用于：在燃料/气缸气体的混合物被气缸内产生的压缩热量点燃的内燃机中，减少碳烟排放并且也减少一氧化碳和碳氢化合物。

背景技术

碳烟颗粒（或颗粒物）是在燃烧期间、可能形成并随后被氧化为二氧化碳（CO₂）的一种产物。在排气中测量到的碳烟颗粒的量是所形成的碳烟与被氧化的碳烟之间的净差额。该过程非常复杂。富含燃料的燃料/空气混合物在混合不良的情况下、在高温下燃烧会导致大量的碳烟形成。如果能够把所形成的碳烟颗粒与诸如氧原子（O）、氧分子（O₂）、氢氧化物（OH）等的氧化物质在足以实现良好氧化率的高温下放在一起，则大部分碳烟颗粒可以被氧化。在柴油机中，该氧化过程被认为与形成过程处于相同的数量级，这意味着：净碳烟产生量是所形成的碳烟量与被氧化的碳烟量之间的差额。因此，可首先通过减少碳烟的形成并随后通过增加碳烟的氧化来影响碳烟的净排放。对于柴油机来说，一氧化碳排放（CO）和碳氢化合物排放（HC）通常非常低。然而，如果未燃烧的燃料结束（ends up）于较冷区域或停滞区域（stagnation regions）内，则上述百分比可能升高。具有强冷却的区域可位于气缸壁附近。可能出现停滞区域的地方的示例是：两个行进中的焰羽（flame plumes）发生碰撞之处，或一个行进中的焰羽与活塞壁发生碰撞之处。

在具有强的温度依赖性且取决于被加热体积的大小及其过程持续时间的热过程中，由空气中的氮成分形成氮氧化物（NOx）。

燃料直接喷射到气缸内且被气缸内的高温和高压点燃的燃烧过程一般称为柴油机过程。当燃料在气缸内被点燃时，气缸内存在的燃烧气体与燃烧中的燃料发生湍流混合（turbulent mixing），从而形成混合物控制的扩散焰。燃料/气体混合物在气缸内的燃烧导致了热量的产生，所述热量导致气缸内的气体膨胀且因此导致活塞在气缸内移动。取决于多个参数，例如燃料喷射压力、再循环到气缸内的排气的量、燃料喷射时间以及气缸内存在的湍流，可获得不同的效率和发动机排放值。

下面给出现有技术中的、尝试通过控制火焰来降低碳烟排放和NOx排放的设备的一个示例，该设备试图打破碳烟排放和氮氧化物排放之间的、众所周知的“此消彼长关系（trade off）”，这种“此消彼长关系”是柴油机的典型特点且难以被影响。能够减少碳烟排放的大多数措施都会增加氮氧化物的排放。

WO 2009/058055公开了一种具有燃烧室的内燃机，该内燃机包括活塞和具有多个孔口的喷射器，这些孔口被布置成用于喷射喷雾/焰羽，在大部分喷射期间，所述喷雾/焰羽都冲击在活塞的外碗部分上。在所述喷雾/焰羽的冲击区域之间，在与往复活塞运动大致垂直的平面内布置有突出到燃烧室内的第一类突起，该第一类突起具有平滑的形式，以保留火焰中的动能并在火焰与火焰之间的相互作用最小的情况下将周向的火焰行进改变为主要朝着活塞中心轴线的方向。在所述冲击区域中布置有第二类突起，该第二类突起适于在火焰与活塞壁之间的相互作用最小且动能损失最小的情况下、将火焰行进的方向改变为与所述往复活塞运动大致垂直的平面内的周向火焰行进方向。

在最小化上述焰羽内的动能损失方面，所述第一类突起表现良好，但在控制所述焰羽的行进方面，根据该现有技术的第一类突起的形式不是最佳的。

因此，需要实现所述第一类突起（下文仅称为“突起”）的更佳形式。

发明内容

因此，本发明的一个目的是克服现有技术的缺陷并提供包括如下燃烧室布置结构的内燃机，该燃烧室布置结构被设计为用于进一步优化焰羽的行进。这通过如下方式来实现：识别出在突起的顶部处发生流动损失的停滞区域，然后，为该突起赋予使所述停滞区域最小的形状。

本发明的另一个目的是提高对于焰羽主流的控制的稳健性。该稳健性的提高是由于如下位置的敏感度降低所导致的：当所述焰羽朝着燃烧室中心继续行进时，所述焰羽的主流与所述突起在该位置处分离。

本发明的另一目的是促进残留碳烟的进一步的后氧化。对于例如柴油的燃料来说，减少碳烟是非常重要的。本发明进一步有助于减少一氧化碳（CO）排放和碳氢化合物（HC）排放。对于例如DME（二甲醚）的燃料来说，CO和HC的减少变得尤其重要。所述焰羽内的更大量的可用动能能以有用的方式用于增进残余燃料的氧化。以此方式，燃烧过程的持续时间将更短，这使得燃料消耗减少。

本发明的另一目的是提高效率。根据本发明的燃烧室内的所述突起的设计有助于更快的燃烧过程，由此导致效率提高。