CN101451481A - 具有降低排放的特征件组合的压燃式发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有降低排放的特征件组合的压燃式发动机，该发动机具有双弹簧喷油器组合、带有双活塞环的活塞、涡轮增压器、排气再循环系统和空气－空气后冷却器。喷油器具有两个串联的弹簧，以产生两种不同的喷射率和两种阀打开压力。当仅有一个弹簧被压缩时产生低喷射率，而当第二弹簧也被压缩时产生较高的喷射率。发动机壳体内的每个活塞都具有一槽，并且两个活塞环位于该槽中。另外，两个活塞环部分地限定润滑油累积腔，该累积腔更好地密封燃烧空间。

Description

具有降低排放的特征件组合的压燃式发动机

技术领域

本发明一般地涉及压燃式发动机，并且更特别地涉及降低排放的特征件组合。

背景技术

工程师们不断地寻求新的方法来减少来自内燃机的不合乎要求的排放。关于压燃机，在所关心的排放中有NOx、碳氢化合物和颗粒物质。目前减少不合乎要求的排放的策略主要涉及在燃烧时避免产生不合乎要求的排放的努力，其后在排气通过尾气管被排入到空气中前依赖于后处理系统进一步减少不合乎要求的排放。关于前者，已经开始通过压缩比的各种组合、喷射正时、喷射率形状、排气再循环、引燃技术和很多其它技术来进行解决。尽管这此单独的策略每个都在减少至少一种不合乎要求的排放方面可能有用，但同一策略经常可能增加其它排放成分。例如，通过更低温度的燃烧减少NOx的策略可能与更完全燃烧以减少未燃的碳氢化合物或颗粒物质相矛盾。因为需要对燃烧反应更全面地理解以及对多个相互作用的变量的调整的不可预计的性质，所以难以定义在所有不合乎要求的排放种类都处于可接受水平的燃烧策略。

现有技术已知用于提高性能并减少排放的各种特征件。在这些特征件中有应用一个或多个涡轮增压机对进气加压。不需要引用任何特别的参考，也可以知道再循环排气作为附加技术用于改进排放。其它发动机生产商可能应用空气-空气后冷却器来冷却可能与再循环排气混合或不混合的加压的空气。还已知其它单独的技术。例如，Buesher等的美国专利5,467,924教导了一种用于减少喷油器中的囊体积以减少排气排放的策略。在另外的文献中，Nakajima等的美国专利4,448,356给出用于包括由两个串联的弹簧偏压的喷嘴阀元件的分段喷油器的概念。低压和较短的喷射仅压缩一个弹簧以部分地打开喷嘴开口。在更高的速度和负荷下，较高压力下的较长燃油喷射导致喷嘴阀元件进一步向上移动以压缩用于更高喷射率第二弹簧。在另一文献中，Zhu等的美国专利7,044,473给出理论上有助于防止发动机润滑油燃烧以及相应增加排放的双活塞环策略。现有技术已能够帮助减少不合乎要求的排放和/或改进性能的各种部件。然而，工程师们仍然被以下问题所困扰，即部件的组合以产生全面的可接受的性能水平以及相应地全面减少不合乎要求的NOx、碳氢化合物和颗粒物质的方式相互作用。

本发明涉及上文中提出的一种或几种问题。

发明内容

一方面，本发明提供具有壳体的发动机，该壳体带有至少一个配置于其中气缸、进气口和排气口。在每个气缸中设置有一活塞，每个活塞具有外柱状面，该外柱状面带有至少一个槽。该槽内设有上活塞环和下活塞环。所述上活塞环和下活塞环部分地限定润滑油累积腔。设有喷油器以将燃油喷射到每个气缸中。每个喷油器包括一燃油喷嘴出口和一燃油喷嘴元件。该燃油喷嘴元件可移动以打开和关闭燃油喷嘴出口。串联的第一弹簧和第二弹簧将燃油喷嘴元件向关闭位置偏压。该发动机还包括具有涡轮、涡轮入口、压缩机和压缩机出口的涡轮增加器。涡轮入口与排气口流体连接，压缩机出口与进气口流体连接。该发动机还包括排气再循环系统(EGR)，该排气再循环系统具有EGR通道、EGR阀、EGR入口和EGR出口。EGR阀在EGR通道内。EGR入口与排气口流体连接，EGR出口与进气口流体连接。最后，该发动机包括流体连接到进气口的空气-空气后冷却器(ATAAC)。

另一方面，本发明提供了一种发动机的工作方法。所述方法包括通过压缩两个串联弹簧中的第一弹簧向气缸中低速喷射燃油，然后通过还压缩第二弹簧高速喷射燃油的步骤。另外，该方法还包括在位于活塞中的槽内的上活塞环和下活塞环之间的腔中累积油的步骤。在空气-空气后冷却器中冷却新鲜空气和再循环的排气的混和物，然后将其供给到每个气缸。通过涡轮增压器的压缩机增压新鲜空气和再循环的排气中的至少一个。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的发动机示意图；

图2是根据本发明一个方面的图1的发动机的喷油器的示意图；

图3是图2的喷油器的燃油喷嘴的放大的截面图；

图4是根据本发明另一方面的图1的发动机的上活塞环和下活塞环的局部放大截面图；以及

图5是PM和NOx排放物的关系图。

具体实施方式

参考图1，其示出发动机10。在一个实施例中，壳体11具有配置于其中的气缸12。在每个气缸内设有往复运动的活塞13。每个活塞13中的槽14包括位于该槽中的上活塞环15和下活塞环16。设有喷油器17以向气缸12内喷射燃油。每个喷油器17都可以包括溢出阀(回油阀)18以控制喷射正时。进气口32使空气进入气缸12，排气口33将排气移出气缸12。空气-空气后冷却器(ATAAC)20流体连接到进气口32以在空气进入气缸12前冷却该空气。ATAAC20可由不锈钢或其它耐腐蚀材料构成。涡轮增压器21流体连接到排气口33。排气进入涡轮增压器入口22并且转动涡轮增压器的涡轮，该涡轮使压缩机23转动。压缩机出口24流体连接到进气口32，并且压缩机23压缩进气。另外，使用排气再循环(EGR)系统25以调节与进气混合的排气的浓度。EGR进气口27流体连接到排气口33。EGR通道34将EGR入口22与EGR出口28连接。EGR通道内的EGR阀26控制通过EGR出口28的排气量。ATAAC20、压缩机23和EGR出口28全部流体连接到进气口32。

这些部件可以以任意合适的顺序布置；然而，图1所示实施例中的顺序示出：进气与排气混合，然后，混合物进入压缩机，通过ATAAC20，冷却的增压混合物进入发动机10的进气口32。相似地，涡轮增压器21和EGR入口22可以是任何合适的顺序；然而，示出的实施例允许排气通过涡轮增压器21，然后通过低压EGR系统25。也可在排气口33流体连接还原催化转化器29和颗粒过滤器30。电子控制器31电子地连接至EGR阀26和溢出阀18以分别控制流经EGR通道的排气量并且控制喷射正时。

参考图2，喷油器17包括喷油器体40，该喷油器体40带有位于喷油器体内的喷嘴阀元件41。凸轮36的转动致动喷油器活塞37，以便以传统方式将燃油从燃油室38移动至燃油供给通道47或经由溢出阀18移动至排放口39。燃油供给通道47将燃油带到燃油喷嘴出口48。燃油喷嘴元件包括两个分离的部分：由升程间隙46分开的下燃油喷嘴元件41a和上燃油喷嘴元件41b。第一弹簧50位于第一固定弹簧座44和第一可动弹簧座42之间。该第一弹簧偏压下燃油喷嘴元件41a以关闭燃油喷嘴出口48。第二弹簧51位于第二固定弹簧座45和第二可动弹簧座43之间。第二弹簧51与第一弹簧串联。第二弹簧将上燃油喷嘴元件41b向下燃油喷嘴元件41a偏压。当第一弹簧50被压缩时，燃油喷嘴出口48处于部分打开的位置，当升程间隙46关闭并且第二弹簧51也被压缩时，燃油喷嘴出口48处于完全打开的位置。因此第一弹簧具有限定低的阀打开压力的较小预载荷，而第二弹簧的较大预载荷提供更高的阀打开压力。

参考图3，其示出喷油器17的燃油喷嘴出口部分的放大视图。燃油喷嘴出口48示出为处于关闭位置，在此处喷嘴阀元件41与燃油喷嘴座53接触，其中燃油喷嘴座是喷油器体40的一部分。在喷嘴阀元件41与喷油器体40之间的空间形成囊49。喷油器口52与囊49和气缸12(图1)流体连接。一个实施例可以包括典型射束形状的六个喷油器口。每个喷油器口52都可具有大约0.25mm的直径，其中射束形状角大约为153°。约为0.8mm3的相应囊体积具有大约1.0mm的直径和1.0mm的长度。用语“大约”是指当数值近似到有效数字的数值时，它们是相等的。例如，0.75是大约0.8。另一实施例可形成为使得每个喷油器口52都具有大约0.23mm的直径，其中囊体积约为0.4mm³，囊的直径约为0.8mm并且长度约为0.8mm。减小喷油器口的直径可改进给定燃油压力下的燃油雾化，但是喷油器口直径的减小却减少了总的喷油器口面积并且因此减小了喷射率。随着喷油器口直径的减小，需要更多的喷油器口来保持总的喷油器口面积。一般地，优选适当小的囊体积。燃油经常在喷射后保持在囊中，并且可能不燃烧，直到下一次喷射。当囊49过大时，未燃烧的燃油可在低压下离开囊进入气缸并且与排气一起被排出而导致排放物增多。

参考图4，其示出位于活塞13的槽14中的上活塞环15和下活塞环16的横截面视图。润滑油累积腔60部分地由上活塞环15和下活塞环16限定。壳体11或气缸套完成对润滑油累积腔60的区域的限定。上活塞环15可具有外横截面厚度61和内横截面厚度62。同样地，下活塞环16可具有外横截面厚度63和内横截面厚度64。上活塞环15和下活塞环16中的至少一个具有截头圆锥形表面。在所示的实施例中，环15和16具有两个锥角不同的截头圆锥形表面。另外，下活塞环16的外横截面厚度63可大于内横截面厚度64。上活塞环15的内横截面厚度62可大于外横截面厚度61。上活塞环15的平均横截面厚度可大于下活塞环16。在一些应用中，上活塞环15和下活塞环16可构造为或涂覆为具有高的耐磨损性和耐腐蚀性。例如，可以应用相对于可以是钢材的基体材料具有更高的耐磨损性和耐腐蚀性的如含铬的保护涂层。

工业适用性

本发明可应用于压燃式发动机。更特别地，本发明可应用于降低来自于这种发动机的不合乎要求的排放物的组件组合。

一般地参考附图，本发明的压燃式发动机10的工作包括连续的循环，并且每个循环包括一系列步骤。首先，气缸12中的活塞13在进气行程中向下移动，空气被从进气口32吸入气缸。进气口关闭，然后活塞13在压缩行程期间上升。当活塞13处于在上止点附近的需要的发动机转角时，通过由来自电子控制器31的指令电子地关闭的溢出阀18将燃油从喷油器17喷入气缸。通过首先将加压的燃油传送至燃油供给通道47中来喷射燃油。一旦燃油压力大到足以压缩第一弹簧50并且向上移动下喷嘴元件41a，燃油被以低喷射率喷射入气缸。随着燃油压力增加，下喷嘴元件进一步向上运动，并关闭升程间隙46。燃油压力将进一步增大，直至燃油压力大到足以也压缩第二弹簧51并且关闭升程间隙46。上、下喷嘴元件41a、41b一起向上运动导致较高的第二喷射率。因为通过座53的流动面积增加，所以所导致的第二喷射率大于第一喷射率。除了喷油器控制喷射率，由电子控制器电子地控制的溢出阀18也可在一定程度上独立于发动机曲柄转角以选择的正时分别打开和关闭以停止或开始喷射。

一旦燃油被喷射入气缸，发生空气燃油混合物的燃烧并且为做功行程将活塞13向下推动。排气口32打开并且活塞13再次升起以便为排气行程将排气排出排气口。随着活塞13上下移动，油被累积在上活塞环15和下活塞环16之间的油累积腔60中。上活塞环15、下活塞环16和油累积腔60可阻止燃烧空气逸出气缸，并且阻止润滑油进入气缸。这些效果的前者可改进全面的燃烧并且避免产生未燃烧的碳氢化合物，后者则可通过避免润滑油的燃烧来减少排放物。

排气通过涡轮增压器入口22进入涡轮增压器21，在该入口处排气转动涡轮。涡轮增压器的涡轮则转动压缩机23。压缩机通过在进气进入气缸13之前压缩该进气来增加进气压力。然后排气通过在其中排气的一部分被再循环的EGR系统25，进入EGR入口27，通过EGR通道34，从EGR出口28排出，并且与进气混合。可由电子控制器31电子地控制以控制通过EGR通道的排气量的EGR阀26由此调节进气混合物中的排气部分。排气然后通过还原催化转化器29和颗粒过滤器30以进一步减少不合乎要求的排放物并且在颗粒物质被排放到大气之前捕捉该颗粒物质。

本发明提供了优于先前的压燃式发动机的多种优势。参考图5，PM和NOx一般地是反比关系。随着变得更倾向于燃烧，NOx增加而PM减少。因此，压燃式发动机的其它部件需要被改进以同时降低PM和NOx。图5中的从右向左的每一条线代表对发动机的一个单独的附加改进。图示表明前述所有特征的增加能够具有PM和NOx都显著降低的组合结果。

第一排放物改进特征件是带有第一弹簧50和第二弹簧51的喷油器17，所述弹簧产生两种不同速率的喷射。在第一喷射率低于第二喷射率的情况下，排气中的NOx和PM的量可都减少。另外，在怠速和低负荷时的小量喷射可更易于控制。另外，喷油器17的双弹簧结构固有地产生前端速率形状(斜面或鞋形)来减少在高负荷和速度时的排放物。第二特征件是上活塞环15和下活塞环16的包含件。这两个活塞环与润滑油累积腔60可改进相对于润滑油密封燃烧空气的能力，这从而通过促进更完全的燃烧来减少排气污染物。另外，还有降低排气中的PM、碳氢化合物和NOx的量的其它特征件，例如EGR系统25、ATAAC20、涡轮增压器21、还原催化转化器29和颗粒过滤器30。相对于任何单独的改进独自能够做到的，这些改进的组合在更大程度上减少了PM和NOx的排放。

本说明仅用于示例目的，并且不应当被解释为以任何方式限制本发明的范围。因此，本领域技术人员将意识到，在不背离本发明的完整和直接的范围和精神的情况下可对当前公开的实施例做出各种变型。例如，连接到排气口33的部件的顺序，如涡轮增压器21、EGR25、还原催化转化器29和颗粒过滤器30，可以安排为包括不应用任何部件的任何配置。相似地，连接到进气口32的部件，如ATAAC20、压缩机23、EGR出口28可被安排为包括不应用任何部件的任何配置。再例如，槽、上活塞环和下活塞环的几何形状可改变。本领域技术人员将认识到，上活塞环和下活塞环之间形成油累积腔的空间可以由其它几何形状实现。从对附图和附加的权利说明的考查中将看出本发明的其它方面、特征和优势。

Claims (16)

1.一种发动机，包括：

壳体，该壳体带有至少一个配置于壳体中的气缸、进气口和排气口；

定位在每个气缸中的活塞，每个活塞具有一外柱状面，该外柱状面带有至少一个槽；

位于所述槽中的上活塞环和下活塞环，其中上活塞环和下活塞环部分地限定润滑油累积腔；

用于将燃油喷射到每个气缸中的喷油器，每个喷油器包括一燃油喷嘴出口、一燃油喷嘴元件以及串联的第一弹簧和第二弹簧，其中该燃油喷嘴元件可移动以打开和关闭燃油喷嘴出口，所述第一弹簧和第二弹簧用以将燃油喷嘴元件向关闭位置偏压；

涡轮增压器，其具有涡轮、涡轮入口、压缩机和压缩机出口，涡轮入口与排气口流体连接，压缩机出口与进气口流体连接；

排气再循环系统(EGR)，该排气再循环系统具有EGR通道、EGR阀、EGR入口和EGR出口，其中EGR阀在EGR通道内，EGR入口与排气口流体连接，EGR出口与进气口流体连接；

流体连接到进气口的空气-空气后冷却器(ATAAC)。

2.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述喷油器包括一溢出阀和一与该溢出阀电子通信的电子控制器。

3.根据权利要求2所述的发动机，其特征在于，该发动机包括流体连接到排气口的颗粒过滤器和还原催化转化器。

4.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述燃油喷嘴元件包括：

下燃油喷嘴元件和上燃油喷嘴元件；

其中在下燃油喷嘴元件和上燃油喷嘴元件之间的空间限定燃油喷嘴元件间隙；

其中，当第一弹簧被压缩时，燃油喷嘴出口处于部分打开的位置，当间隙闭合并且第二弹簧也被压缩时，燃油喷嘴出口处于完全打开的位置。

5.根据权利要求4所述的发动机，其特征在于，该发动机包括：

包围喷嘴阀元件的喷油器体；

其中，喷油器体和喷嘴阀出口限定一囊，该囊包括一半球部分和一柱状部分，该半球部分的半径大约等于该柱状部分的半径。

6.根据权利要求5所述的发动机，其特征在于，囊的长度大约等于半球部分的直径。

7.根据权利要求6所述的发动机，其特征在于，该发动机包括：在燃油喷嘴出口上的6个喷油器口。

8.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，上活塞环和下活塞环中的至少一个具有至少一个截头圆锥形表面。

9.根据权利要求8所述的发动机，其特征在于，所述至少一个截头圆锥形表面具有至少两个带有不同锥角的截头圆锥形表面。

10.根据权利要求9所述的发动机，其特征在于，下活塞环的外横截面厚度大于内横截面厚度，上活塞环的外横截面厚度小于内横截面厚度，上活塞环的平均横截面厚度大于下活塞环。

11.根据权利要求10所述的发动机，其特征在于，上活塞环和下活塞环包括基体材料和涂层材料，并且涂层材料具有比基体材料更好的耐磨损性和耐腐蚀性。

12.根据权利要求11所述的发动机，其特征在于，上活塞环和下活塞环具有含铬的涂层。

13.发动机的工作方法，包括以下步骤：

通过压缩两个串联弹簧中的第一弹簧向气缸中低速喷射燃油，然后通过还压缩第二弹簧高速喷射燃油；

在上活塞环和下活塞环之间的腔中累积油，所述上活塞环和下活塞环位于活塞中的槽内；

通过以涡轮增压器的涡轮转动压缩机来增加进气压力；

将排气从排气口再循环至进气口；

调节进气混合物中的排气部分；

在进气混合物进入气缸之前冷却所述进气混合物。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，包括用溢出阀控制喷射正时的步骤。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，包括在排气通道中捕捉颗粒物质以及使排气通过还原催化转化器的步骤。

16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，喷射燃油的步骤包括当第一弹簧被压缩时部分地打开燃油喷嘴出口，以及当第二弹簧被压缩时完全地打开燃油喷嘴出口。

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