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CN109563765B - 操作内燃机的方法以及内燃机 - Google Patents

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CN109563765B CN201780050006.1A CN201780050006A CN109563765B CN 109563765 B CN109563765 B CN 109563765B CN 201780050006 A CN201780050006 A CN 201780050006A CN 109563765 B CN109563765 B CN 109563765B
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Abstract

本发明涉及一种操作内燃机(1)的方法，所述内燃机具有至少一个气缸(2)以及活塞(8)，其中所述活塞(8)具有呈环形环周延伸的、相对于呈环形环周延伸的活塞冠(11)沿轴向下陷地设置在所述活塞(8)中的活塞梯级(10)，所述活塞梯级通过呈环形环周延伸的射流分配轮廓(16)而与相对于所述活塞梯级(10)沿轴向下陷地设置在所述活塞(8)中的活塞凹坑(12)衔接，借助喷射元件(3)同时将数个喷射射流(22)呈星形地喷入所述气缸(2)中的燃烧室(6)，所述喷射射流(22)在所述射流分配轮廓(16)处分别被划分成燃料的第一部分量(33)、燃料的第二部分量(34)和燃料的第三部分量(35)，所述第一部分量(33)和所述第二部分量(34)形成第一燃烧锋和第二燃烧锋，相邻喷射射流(22)的第三部分量(35)形成第三燃烧锋(36)，其中，在将所述燃料喷入所述燃烧室(6)中时，在应用于货运车的情况下，所述燃料在100bar的喷射压力下并且每缸工作容积1升的情况下以超过每60秒1000立方厘米的液压流量(HD)通过所述喷射元件(3)，在应用于乘用车的情况下，所述燃料在100bar的喷射压力下并且每缸工作容积1升的情况下以超过每60秒1900立方厘米的液压流量通过所述喷射元件。

Description

操作内燃机的方法以及内燃机
技术领域
本发明涉及一种操作内燃机的方法以及一种内燃机。
背景技术
可以从作为已知技术的DE 10 2011 119 215 A1和DE 10 2006 020 642 A1中获得下述类型的操作内燃机的方法以及被构建为用于实施该方法的内燃机。内燃机具有燃料直接喷射系统和自动点火系统，因而构建为直接喷射和自动点火式内燃机。其中，内燃机具有至少一个气缸，其燃烧室侧向上由气缸壁限定，轴向上一方面由气缸头限定，轴向上另一方面由以可做平移运动的方式容置在气缸中的活塞限定。气缸壁例如定义气缸的纵向中心轴。内燃机还包括被分配给气缸的喷射元件，该喷射元件又称喷射器或喷射嘴。其中，喷射元件可与燃烧室同轴布置，或者说可与纵向中心轴至少大体上同轴地布置。特别地，喷射元件可以至少部分地，特别是至少大部分地或完全地布置在气缸头中。
活塞具有呈环形环周延伸的、相对于呈环形环周延伸的活塞冠沿轴向下陷地设置在活塞中的活塞梯级，该活塞梯级通过呈环形环周延伸的射流分配轮廓而与相对于活塞梯级沿轴向下陷地设置在活塞中的活塞凹坑衔接。喷射元件被设计成能够同时将数个喷射射流呈星形地喷入燃烧室以实现燃烧过程。因此在方法范围内，当内燃机以自动点火模式工作时，借助喷射元件同时将数个喷射射流呈星形地喷入燃烧室以实现燃烧过程，其中各喷射射流例如可至少大体上呈锥形。上述方法是一种将各喷射射流在射流分配轮廓处分别划分成燃料的第一部分量、燃料的第二部分量和燃料的第三部分量的燃烧方法(Verbrennungsverfahren)或燃烧法(Brennverfahren)。换言之，喷射射流包含燃料，这部分燃料借助喷射射流被直接喷入燃烧室。因此，部分量又被称作燃料部分量。
第一部分量至少大体上进入活塞凹坑。第二部分量通过活塞梯级至少大体上进入活塞冠与气缸头之间的区域。第三部分量从相应的喷射射流出发从两侧沿着活塞的周向以相反方向顺着活塞梯级传播并且在活塞梯级内部彼此相撞。此外，第三部分量还沿径向向内偏转。喷射射流到达射流分配轮廓而形成第三部分量并导引第三部分量进入活塞梯级。第一部分量和第二部分量形成第一燃烧锋(Verbrennungsfront)和第二燃烧锋。由于第三部分量离开活塞梯级而形成第三燃烧锋，第三燃烧锋大体上沿径向传播到沿周向形成于两个相邻喷射射流之间的空隙中。这种燃烧方法又可称为“三锋燃烧法(3-Fronten-Brennverfahren)”或TFC(Triple Front Combustion，三锋燃烧)，因为针对每个喷射射流均分别实质上有三个燃烧锋或火焰锋在燃烧室中在空间上传播。
由于燃烧锋有效使用了燃烧室中的可用空间，因此，上述燃烧方法对燃烧室中的可供使用的新鲜气体或新鲜气体与废气的混合物加以高度利用，这尤其能大幅减少燃烧过程的碳烟形成。此外，通过相对两个第一燃烧锋延时燃烧的第三燃烧锋使燃烧室温度下降，从而使得氮氧化物形成(NOx形成)不上升。
为了形成第三燃烧锋，相邻喷射射流的第三部分量在活塞梯级中以较大脉冲彼此相遇。第三部分量的脉冲为第三部分量的质量与第三部分量的速度的乘积。如果第三部分量的脉冲足够大，第三部分量相遇时就会偏转进入燃烧室。其中，共同偏转的第三部分量可形成第三燃烧锋，该第三燃烧锋在相应的喷射射流之间大体上朝纵向中心轴方向定向。借助第三燃烧锋有利地在燃烧室中产生湍流，使得对回输到燃烧室中的废气的耐受性上升，这样就能借助燃烧室中提高了的AGR分量进一步减少NOx排放。
发明内容
本发明的目的是改进前述类型的方法与内燃机，以便能实现效率上特别有利的运行。
这个目的通过一种具有下述特征的方法和一种具有下述特征的内燃机而达成。包含有本发明合理的进一步方案的有利技术方案也提供在下文中。具体而言，本发明涉及一种具有燃料直接喷射系统和自动点火系统的内燃机的操作方法及被构建为用于实施该方法的用于汽车的内燃机，其中：所述内燃机具有至少一个气缸，所述气缸的燃烧室侧向上由气缸壁限定，轴向上一方面由气缸头限定，轴向上另一方面由以可做平移运动的方式容置在所述气缸中的活塞限定；所述活塞具有呈环形环周延伸的、相对于呈环形环周延伸的活塞冠沿轴向下陷地设置在所述活塞中的活塞梯级，所述活塞梯级通过呈环形环周延伸的射流分配轮廓而与相对于所述活塞梯级沿轴向下陷地设置在所述活塞中的活塞凹坑衔接；所述气缸被分配了喷射元件；以自动点火模式工作时，借助所述喷射元件同时将数个喷射射流呈星形地喷入所述燃烧室以实现燃烧过程；所述喷射射流在所述射流分配轮廓处分别被划分成燃料的第一部分量、燃料的第二部分量和燃料的第三部分量；所述第一部分量进入所述活塞凹坑，所述第二部分量通过所述活塞梯级进入所述活塞冠与所述气缸头之间的区域，所述第三部分量从相应的所述喷射射流出发从两侧沿周向以相反方向顺着所述活塞梯级传播并且在两个相邻的喷射射流之间在所述活塞梯级内部彼此相撞并且沿径向向内偏转；所述第一部分量和所述第二部分量形成第一燃烧锋和第二燃烧锋，共同向内偏转的所述第三部分量形成沿径向向内进入所述喷射射流之间的空隙中的第三燃烧锋。
为了改进如上所述类型的方法，以便能实现内燃机在效率上特别有利的运行，本发明提出：在将所述燃料喷入所述燃烧室中时，在应用于货运车的情况下，优选呈液态的所述燃料在100bar的喷射压力下并且每缸工作容积1升的情况下以超过每60秒1000cm3(立方厘米)的液压流量(HD)通过所述喷射元件，在应用于乘用车的情况下，所述燃料在100bar的喷射压力下并且每缸工作容积1升的情况下以超过每60秒1900cm3的液压流量通过所述喷射元件。本发明基于一种会形成三个燃烧锋的三锋燃烧法。从例如又称喷射器或喷射嘴的喷射元件的喷射口出发的喷射射流打中射流分配轮廓或活塞梯级并且发生偏转，使得又称火焰锋的燃烧锋进行传播，其中第三燃烧锋沿径向向内形成在喷射射流之间的空隙中，并且将存在于此处的燃烧用空气用于燃烧。借此可保持特别低的碳烟排放。此外，内燃机的燃料消耗可以保持在特别小的范围内。
本发明在此基于以下认识：通过提高压缩比并缩短燃烧持续时间，可以改善具有燃料直接喷射系统和自动点火系统(也就是构建为直接喷射和自动点火式内燃机)的内燃机的效率。然而，可用的燃烧空间随着压缩比的提高而变得越来越小，这使得提供给火焰的空间变小，射流或火焰锋更快地到达燃烧室壁(气缸头、气缸壁和活塞)，并且由于此处温度较低而形成碳烟，从而增加碳烟排放。通过提高喷射元件的液压流量可以缩短燃烧持续时间。提高喷射元件的液压流量的结果是每单位时间的喷射量增加。借助目前已知的内燃机操作方法，这样一个每单位时间更大的燃料喷射量从某个值开始就无法再完全燃烧，且会导致碳烟排放增加。液压流量的提高可以通过喷射元件的更大的喷射口或更大的喷射口截面而实现。以往的认识是，应用于货运车时，在100bar的喷射压力下并且每缸工作容积1升的情况下，最高为每60秒1000cm3的液压流量不会导致碳烟排放增加，应用于乘用车时，在100bar的喷射压力下并且每缸工作容积1升的情况下，最高为每60秒1900cm3的液压流量不会导致碳烟排放增加。然而，借助所述三锋燃烧法可以在应用于货运车的内燃机中，将以往在100bar的喷射压力下并且每缸工作容积1升的情况下为每60秒1000cm3的液压流量极限向更高的值推移，并且在应用于乘用车的内燃机中，将以往在100bar的喷射压力下并且每缸工作容积1升的情况下为每60秒1900cm3的液压流量极限向更高的值推移，而不会增加碳烟排放。通过所述三锋燃烧法可以更好地利用存在于燃烧室中的燃烧用空气，进而可实现喷射元件的特别高的液压流量。此外，借此还能实现效率上特别有利的运行。一个具体发现是：与传统内燃机相比，压缩比的提高能使效率提升约1.3％，燃烧持续时间的缩短能使效率提升约0.6％，而不会在NOx排放不变的情况下非期望地增加碳烟排放。
在此对应用于货运车的内燃机和应用于乘用车的内燃机加以区分。应用于货运车的内燃机的喷射元件的液压流量与应用于乘用车的内燃机的喷射元件的液压流量之间的基本区别很显著。关于各种汽车类型的认证和废气法规对喷射元件的可用的最大液压流量有着特殊影响。一般而言，允许总重为2.80吨且有效载荷超过800kg的汽车被视为货运车。乘用车通常具有最大为2.8吨的允许总重。应用于货运车的内燃机主要采用使得内燃机的催化转化阶段前的废气排放(Rohemission)达到最高为0.8的炭黑值
Figure GDA0002721895890000051
(SZ)的燃烧设计。应用于乘用车的内燃机则主要采用使得内燃机的催化转化阶段前的废气排放达到最高为3.0的炭黑值(SZ)的燃烧设计。炭黑值SZ是一个用来度量与喷射元件的液压流量直接相关联的内燃机碳烟排放的指标。这些差别巨大的炭黑值取决于不同的认证和废气规定，其中诸如要求比功率和起动力矩等客户特定要求起着重要作用。举例而言，应用于货运车的比功率可为每升气缸工作容积35KW，而应用于乘用车的比功率最高可为每升气缸工作容积100KW。显然，更高的比功率可以通过更高的每单位时间喷入燃料量而获得，从而特别是相应地调整喷射元件的液压流量，如此一来，炭黑值(SZ)或碳烟排放在更高的液压流量(HD)下上升。通常在一升工作容积的气缸中的恒定喷射压力(100bar)下，将液压流量(HD)标准化为每单位时间(60秒)的燃料体积(cm3)。
当然，允许总重例如最高达3.5吨的汽车(特别是运输车)也有可能配备原本被设置为用于乘用车的内燃机。在此情况下，原本用于乘用车的内燃机可以在燃烧方面不做特殊修改地应用于货运车，这些车辆的炭黑值(SZ)处于乘用车应用的范围，如此一来，允许总重例如最高达3.5吨且具有原本应用于乘用车的内燃机的汽车可划归为根据本发明的乘用车应用。
另一实施方式的特征在于，所述内燃机以被分配给所述燃烧室的压缩比进行工作，所述压缩比至少为20，特别是至少为20.5。在本发明方法的范围内，燃烧室中所包含的燃烧用空气能够得到特别好的利用，因而与传统内燃机相比，压缩比可提高大约两个单位至20.3左右，特别是提高至20.5，同时能实现喷射元件的特别高的液压流量。借此可在碳烟排放和NOx排放相同的情况下相比传统内燃机显著提升效率。
具体而言，通过所述三锋燃烧法和经优化的涡旋流动，可以实现良好的空气利用以及回输废气、空气与燃料在燃烧室中良好的充分混合，其中通过提高压缩比，可以在碳烟排放无明显增加的情况下进一步优化内燃机的热效率。通过使用具有高液压流量的喷射元件，可以相比传统内燃机大幅缩短燃烧持续时间。如此一来，所述燃烧法或者说在燃烧室中进行的燃烧过程近似于理想的定容循环，从而能进一步提升效率。最终可将内燃机的燃料消耗和CO2排放保持在特别小的范围内。
为了改进如上所述的内燃机，以便能实现特别高的效率，本发明提出：在将所述燃料喷入所述燃烧室中时，在应用于货运车的情况下，所述燃料在100bar喷射压力下并且每缸工作容积1升的情况下以超过每60秒1000cm3的液压流量通过所述喷射元件，在应用于乘用车的情况下，所述燃料在100bar喷射压力下并且每缸工作容积1升的情况下以超过每60秒1900cm3的液压流量通过所述喷射元件。本发明方法的优点和有利技术方案可视为本发明内燃机的优点和有利技术方案，反之亦然。
下面参照附图并借助优选实施例对本发明进一步的优点、特征和技术细节进行说明。在本发明范围内，前述的特征和特征组合以及下文将在附图描述中提及和/或附图中单独示出的特征和特征组合既可以本案所给出的方式进行组合，也可按其他方式组合应用或单独应用。
附图说明
其中：
图1为用于汽车的内燃机的截取式纵剖示意图；
图2为内燃机的活塞的俯视示意图；
图3a-c分别为在内燃机的构建为三锋燃烧法的燃烧方法的不同状态下，活塞的截取式半纵剖示意图；
图4a-c分别为活塞在所述燃烧方法的不同状态下的截取式俯视示意图；
图5为用于将燃料直接喷入内燃机的气缸的喷射元件的截取式纵剖示意图，在该气缸中实施所述燃烧方法；
图6为操作内燃机的方法的说明图，其中在所述方法的范围内实施上述三锋燃烧法；
图7为操作内燃机的方法的另一个说明图；
图8为所述操作内燃机的方法的另一个说明图；及
图9为所述方法的另一个说明图。
具体实施方式
在附图中，相同或功能相同的元件用相同的附图标记标示。
内燃机1特别是又称燃油引擎(Brennkraftmaschine)，可应用于汽车，具体而言，既可用于商业用车又可用于乘用车，根据图1所示，该内燃机包括至少一个气缸2以及每个气缸2所配置的喷射器(图中未详示)的喷射嘴3。喷射嘴3又称喷射元件或喷射器。图1仅示出内燃机1的这样一个气缸2的区域。内燃机1原则上也可具有一个以上的气缸2。气缸2形成在曲轴箱4中，在该曲轴箱上以常规方式设有气缸头5。
在气缸2中，燃烧室6侧向上由气缸壁7限定，轴向上一方面由气缸头5限定，轴向上另一方面由活塞8限定，该活塞以行程可调的方式或者说以可做平移运动的方式布置或容置在气缸2中。圆柱形气缸壁7定义气缸2的纵向中心轴9。在示例中，喷射嘴3与燃烧室6同轴地布置在气缸头5中。
根据图1和图2所示，活塞8被设计为级差式/阶梯活塞。这种级差式/阶梯活塞8具有关于纵向中心轴9呈环形环周延伸的活塞梯级10、关于纵向中心轴9呈环形环周延伸的活塞冠11以及关于纵向中心轴9同轴布置的活塞凹坑12。其中，活塞梯级10相对于活塞冠11沿轴向下陷地形成或设置在活塞8中。活塞凹坑12相对于活塞梯级10沿轴向下陷地形成或设置在活塞8中。活塞梯级10的截面实施为有角度的并且沿轴向具有环周延伸的梯级壁13，该梯级壁通过内凹弯曲的衔接壁14与径向上平的梯级底部15衔接。梯级壁13与平的活塞冠11衔接。梯级底部15与下文中被称为射流分配轮廓16的倒圆边缘区相接，该射流分配轮廓与更低的活塞凹坑12衔接。梯级壁13、衔接壁14、梯级底部15和射流分配轮廓16均被设计成关于纵向中心轴9呈环形(特别是呈圆形)地环周延伸。
活塞8还具有同轴且同心地形成于活塞凹坑12内部的活塞锥体17。活塞锥体17具有锥角18并且朝气缸头5方向渐细。锥顶19相对于活塞冠11下陷地设置在活塞8中。在实施例中，活塞冠11在垂直于纵向中心轴9延伸的平面内延伸。活塞梯级10的主要区域也在垂直于纵向中心轴9的平面内延伸。
在根据图1的实施例中，射流分配轮廓16径向朝内地略微突出于活塞凹坑12的径向外侧的外壁20。因此，活塞凹坑12具有相对于射流分配轮廓16的底切部21。
射流分配轮廓16以呈环形环周延伸的倒圆突出部的形式形成于梯级底部15与活塞凹坑12的外壁20之间。在未设置底切部21的情况下，射流分配轮廓16也可以作为呈环形环周延伸且大体上具有矩形截面的倒圆边缘形成于梯级底部15与活塞凹坑12的外壁20之间。
如图1所示，喷射嘴3被设计成能同时产生数个喷射射流22，这些喷射射流关于纵向中心轴9呈星形地从喷射嘴3大体上沿径向传播到燃烧室6中。重要的是，喷射射流22以渐增的径向距离与纵向中心轴9同轴地传播。喷射射流22沿着倾斜的纵向中心轴23出现，该倾斜的纵向中心轴定义相应的喷射射流22的传播方向。全部喷射射流22整体上具有锥体轮廓，该锥体轮廓具有射流锥角24。各喷射射流22在燃烧室6中分别呈一端较大的棍棒形传播。相应的棍棒轮廓在图1中用附图标记25标示。在接下来的观测中，将简单地用箭头来图示各喷射射流22以及由此产生的其他射流或部分量。显然，喷射射流22以及从喷射射流22中分离出来的各部分量分别代表传播性的燃料蒸气云或者说由燃烧用空气和燃料形成的云，该云至少在其外侧就已经可与燃烧室6的氧气发生反应，从而形成火焰锋或者说燃烧着的燃料-空气混合物。还很明显的是，喷射射流22大体上沿着其纵向中心轴23携带最初在很大程度上呈液态的燃料，并且仅在其边缘上与燃烧室6中的燃烧用空气形成空气-燃料混合物，其中液态燃料在燃烧过程中进一步蒸发并且与燃烧用空气混合。
下面将具体参考图3和图4来说明一种操作内燃机的方法，其中在该方法的范围内，实施一种以自动点火方式，特别是以柴油或类似之物工作的燃烧方法。燃烧方法又被称作燃烧法。为燃烧过程做准备时，在相应的气缸2中以传统方式换气，使得相应的燃烧室6中接下来存在由新鲜空气构成的充气或者由新鲜空气和回输废气构成的充气。此外，为燃烧室6中由新鲜空气构成的充气或者由新鲜空气和回输废气构成的充气施加涡旋26，该涡旋在图4a至图4c中用框式箭头表示。因此，涡旋26或涡旋流动相当于充气围绕纵向中心轴9旋转，也就是沿周向流动。此外，所有流动或者说燃烧室6中的充气的各流动的基本方向矢量均用框式箭头表示。另外，喷入的燃料(也就是喷射射流22和从中分离出来的部分量)用简式箭头表示。这些箭头表示基本方向矢量。
如图1所示，活塞8在压缩冲程中最大程度地接近气缸头5，从而沿轴向在活塞冠11与气缸头5的沿轴向与活塞冠11相对设置的环区27之间产生挤压缝隙28，该挤压缝隙具有沿径向测量的挤压缝隙长度29以及沿轴向测量的挤压缝隙高度30。其中，挤压缝隙长度29大体上等于气缸壁7与梯级壁13之间的径向距离。其中，挤压缝隙高度30等于活塞8处于上止点时环区27与活塞冠11之间的轴向距离。
在上止点区域内，活塞8在朝气缸头5运动时产生已知的挤压缝隙流动31，该挤压缝隙流动在图3a至图3c中用框式箭头表示。挤压缝隙流动31大体上沿径向朝纵向中心轴9方向定向。显然，当活塞8背离气缸头5运动时，不会产生挤压缝隙流动31。然而，基于燃烧室6中的充气或者说燃烧室6中的充气的分量的受挤压缝隙流动31作用的质量惯性，当活塞8向下运动时，在压缩冲程中所形成的挤压缝隙流动31继续存在并且至少在喷射结束前一直起作用。
根据图3a和图4a所示，喷射嘴3为自动点火模式下的一个燃烧过程同时产生数个喷射射流22，这些喷射射流呈星形地传播到燃烧室6中。其中，喷射射流22在射流锥角24方面与活塞8在喷射瞬间的位置相适配，使得喷射射流22偏心地(也就是朝底切部21或者说朝活塞凹坑12的外壁20偏移地)不直接打中射流分配轮廓16，从而位于外壁20与射流分配轮廓16之间的区域内。在图1中，这由喷射射流22开始打中射流分配轮廓16时喷射射流22的纵向中心轴23清楚示出。在此瞬间，涡旋流动26、挤压缝隙流动31和射流流动32存在于燃烧室6中。射流流动32是充气的流动，由于喷射射流22周围的燃烧用空气被带动而产生。射流流动32由喷射射流22与气缸头5之间的框式箭头表示并且具有明确的方向矢量，该方向矢量大体上平行于喷射射流22的纵向中心轴23延伸。涡旋26具有明确的方向矢量，该方向矢量与纵向中心轴9或者说与活塞8正切定向，由其框式箭头表示。挤压缝隙流动31具有明确的方向矢量，该方向矢量横向于纵向中心轴9的方向延伸，由其框式箭头表示。
根据图3b和图4b所示，打中射流分配轮廓16的喷射射流22在进一步的喷射过程中被划分成第一部分量33、第二部分量34和第三部分量35。其中，活塞8进一步远离气缸头5或喷射嘴3，使得喷射射流22在打中射流分配轮廓16时开始朝射流分配轮廓16中部方向或者说朝梯级底部15移动。其中，第一部分量33进入活塞凹坑12。第二部分量34通过活塞梯级10流到活塞冠11上并且朝气缸壁7和气缸头5方向或者说朝气缸头5的环区27方向流动。第三部分量35在活塞梯级10中从喷射射流22的纵向中心轴23出发彼此反向地沿着活塞梯级10流动。第三部分量35在到达梯级壁13时从喷射射流22中分出来而向左向右流动。在图3b至图3c中，第三部分量35的基本方向矢量用小点表示，涡旋26的基本方向矢量用中间有一点的圆圈表示。为清楚起见，在图4b和图4c中未示出第一部分量33。第一部分量33在燃烧室6中形成第一基本火焰锋。第二部分量34在燃烧室6中形成第二基本火焰锋。其中，从喷射射流22分离出来的燃料基本上与燃烧室6中的燃烧用空气混合并且被点燃。
根据图4c所示，在进一步的燃烧过程中，两个在周向上相邻的喷射射流22可以在活塞梯级10内部，其中一个喷射射流22的第三部分量35和相邻喷射射流22的第三部分量35沿周向彼此相撞并且合并成第三燃烧锋36，该第三燃烧锋沿径向背离活塞梯级10的梯级壁13、沿径向向内地传播到沿周向形成于每两个相邻喷射射流22之间的空隙37中。两个相邻喷射射流22的合并起来的第三部分量35在燃烧室6中形成第三基本火焰锋。
如此一来，燃烧室6中总共存在三个在空间上传播的基本火焰锋，因此所述燃烧方法可以逻辑自洽地被称为三锋燃烧法。
为了稳定地形成第三燃烧锋36，重要的是，第三部分量35具有足够的燃料质量以及用于形成足够大的脉冲的高速度。根据本发明，这一点通过对喷射射流22进行再导偏(Nachlenken)以使其偏离背离气缸头5运动的活塞8而得到支持。通过再导偏，被喷射射流22送入燃烧室6的燃料能够继续打中射流分配轮廓16，使得燃料被最佳划分以形成三个部分量33、34、35。根据本发明，涡旋26、挤压缝隙流动31和射流流动32的基本方向矢量形成合成流动38。合成流动38具有至少一个基本方向矢量或基本流动分量，该基本流动分量形成于喷射射流22与气缸头5之间的区域内，在图3b和图3c中由框式箭头38表示。根据图3b和图3c所示，合成流动(框式箭头38)在射流分配轮廓16上游准确打中相应的喷射射流22并且使该喷射射流转向活塞8。如此一来，喷射射流22可以在一定程度上通过被合成流动38再导偏，而在打中射流分配轮廓16方面跟随活塞8的运动，活塞已处于其膨胀冲程并且相应地越来越远离气缸头5。其中，此处所实现的流体动力跟踪或者说将喷射射流22朝活塞8方向导偏，在时间上总是在适当的时候发生于喷射射流22第一次打中射流分配轮廓16之后。
为了说明各种流动26、31和32以及由此形成的合成流动38和图3b和图3c中所示出的基本方向矢量，在图3b中，所有的流动26、31、32和38均用框式箭头表示。为清楚起见，在图3c中仅绘示了作为本发明创新点的合成流动38，在图4c中未绘示任何流动。合成流动38使得喷射射流22被再导偏而跟随正在远离气缸头5或喷射嘴3的活塞8，其实现方式为：喷射射流22借助合成流动38在射流分配轮廓16上游朝活塞8方向偏转或弯曲。为清楚起见，图3b和图3c中分别用射流折点39表示喷射射流22的连续弯曲。
需要强调的是，三锋燃烧法确保了在喷射结束前一直能够为三个燃烧锋连续提供燃料或燃料与燃烧室6中的充气所形成的混合物的燃烧过程。其中，先形成第一燃烧锋和第二燃烧锋，随后形成第三燃烧锋36。喷射射流22以这些连续过程的时间顺序掠过射流分配轮廓16，直至最终喷射射流22朝梯级底部15方向或多或少准确地打中射流分配轮廓16或者说打中梯级底部15。在这个过程中形成合成流动38，该合成流动迫使喷射射流22的纵向中心轴23进一步地进入射流分配轮廓16的区域，以至于喷射射流22的纵向中心轴23无法掠过梯级壁13或者甚至可到达活塞冠11，这使得第二部分量或燃烧锋34保持较小并且不明显地接触气缸壁7，并且为第三部分量35提供足够大的燃料量。
图3a至图3c和图4a至图4c中所说明的喷射射流22打中活塞8以及喷射射流22被划分成三个部分量33、34、35，适用于大的喷射量和相应长度的喷射持续时间，当然与喷射压力和喷射始点有关。举例而言，如果喷射量小于内燃机满负荷运行时的喷射量，则喷射持续时间一般也相应更短。在此可能发生以下情况：如图3b所示，在结束喷射之前，喷射射流22仅部分地掠过射流分配轮廓16。其中，本发明的合成流动38也会对这样的喷射射流22产生作用，哪怕该喷射射流在喷射持续时间结束时朝活塞梯级10偏移地不打中射流分配轮廓16。尽管如此，如图4c所示，仍能形成第三燃烧锋36，因为喷射射流22具有棍棒轮廓25，也就是说，具有棍棒轮廓25的棍棒形混合物云将喷射射流22的纵向中心轴23包围，并且这个混合物云在射流分配轮廓16处被划分成流入活塞凹坑12的第一部分量33以及朝活塞梯级10方向流动的第二部分量34和第三部分量35。
射流分配轮廓16下方的活塞凹坑12在外壁20区域内具有底切部21。通过大体上沿径向形成的底切部21，相应喷射射流22的进入活塞凹坑12的第一部分量33在底切部21区域内偏转，使得第一部分量33横向于纵向中心轴9的方向地离开底切部21。这至少使得第一部分量33大体上平行于活塞锥体17地进行传播。其中，第一部分量33也有可能轻微地脱离活塞锥体17，因为在燃烧室6中可能形成纵向流动40，该纵向流动具有大体平行于纵向中心轴9地指向气缸头5的明确方向矢量并且使第一部分量33转向气缸头5。纵向流动40在图3b和图3c中用框式箭头表示。图3b和图3c中用远离活塞锥体17的箭头表示第一燃烧锋的这种脱离。有利的是，借此可明显减少第一部分量33与活塞锥体17的接触，使得第一部分量33不会由于在活塞锥体17区域内与活塞8接触而失去热量，并且能够与燃烧室6中的充气更好地充分混合，这总体上能进一步改善燃烧效率。
为了实现这里所介绍的三锋燃烧法且同时确保喷射射流22发生在时间上与活塞8的位置相适配的转向，以下被证明是特别有利的：喷射嘴3具有七至十二个，优选十至十二个，特别是十个喷射孔41，图5中例示性地示出其中的一个喷射孔。相应地，喷射嘴3可产生七至十二个或十至十二个，优选正好十个喷射射流22。
喷射嘴3的喷射孔41又称喷射口，并且关于纵向中心轴9被定向成使得例如射流锥角24可处于约140°至约160°的角度范围。但是，152°±1°的射流锥角为优选。
涡旋26合理地在从约0.3延伸至约4.5且优选地从约0.8延伸至2.5的iθ范围(iTheta-Bereich)内运动。这个涡旋因数iθ例如可以借助Tippelmann的整流器涡旋测量方法(Gleichrichter-Drallmessmethode)以已知的方式测定。
其中，进入通道的设置和定向以及进入口的设计是常用的涡旋形成手段。进入阀的阀座同样可被配置为用来形成涡旋。还有在进入通道中设置涡旋阀的已知做法。涡旋形成的可能性已为人熟知，不再进一步地详细讨论。
挤压缝隙28可合理地具有挤压缝隙高度30，该挤压缝隙高度可处于图2中以42标示的活塞直径的约0.3％至约2.5％的范围。挤压缝隙高度30优选处于活塞直径42的0.5％至约1.2％的范围。挤压缝隙长度29合理地处于活塞直径42的6％至约22％的范围，优选处于活塞直径42的约9％至约14％的范围。
根据图5所示，喷射孔41具有孔长43和孔径44。孔长43与孔径44之比处于约2.5至约10.0的范围，优选处于约3.0至约7.0的范围，这个比例被证明是特别有利的。在图5所示的示例中，喷射孔41采用从进入侧45向排出侧46渐细的锥形设计。相应地，孔径44沿着孔长43变化。具体而言，进入侧45上的孔径44(视情况在倒圆部47下游)可以比排出侧46上的孔径44大2％左右至25％左右，优选大5％左右至15％左右。图5中示出的喷射孔41在其进入侧45上具有可例如以液压侵蚀方式形成的倒圆部47。
喷射孔41的纵向中心轴48定义喷射射流22的纵向中心轴23并且与气缸2的纵向中心轴9夹一角度49，该角度是射流锥角24的一半大。这里所介绍的自动点火式燃烧方法被设置用于直接喷射式内燃机。这种燃烧方法优选可在柴油机中实现。这里所介绍的自动点火式燃烧方法原则上也可在直接喷射式的汽油发动机和气体燃料发动机中实现。
为了实现内燃机在效率上特别有利的运行，也就是实现特别高的效率，并且同时能保持特别低的氮氧化物(NOx)排放和碳烟排放，在所述方法的范围内且进而在所述三锋燃烧法的范围内如下设置：在将燃料喷入内燃机的燃烧室6中时，在应用于货运车的情况下，燃料在100bar的喷射压力下并且每缸工作容积1升的情况下以超过每60秒1000cm3(立方厘米)的液压流量(HD)通过喷射元件(喷射嘴3)，在应用于乘用车的情况下，燃料在100bar的喷射压力下并且每缸工作容积1升的情况下以超过每60秒1900cm3(立方厘米)的液压流量(HD)通过喷射元件(喷射嘴)。换言之，以100bar的喷射压力为参考，燃料通过喷射元件的液压流量为每60秒1000cm3以上或1900cm3以上，标准化为每缸一升工作容积。此外，优选如下设置：应用于货运车时，燃烧室6具有至少为20的压缩比，特别是至少为20.5的压缩比，其中例如又称ε的压缩比例如为20.3。应用于乘用车时，压缩比同样可以例如从15.5提高大约1到2个单位至17.5。
在图6示出的图中，横坐标轴50上绘示的是燃烧室6的压缩比。在图6所示的图的纵坐标轴51上绘示的是内燃机1的效率，特别是热效率ηth。图中所绘示的曲线52说明的是热效率与压缩比的关联。从图6中可以看出，通过提高压缩比可以提升效率或热效率。与传统内燃机相比，提升燃烧室6的压缩比是可能的，因为所述三锋燃烧法能使新鲜空气、回输废气(AGR)和燃料良好地充分混合，因而即使以高压缩比工作，其碳烟排放也较低。通过使用所述三锋燃烧法，应用于货运车时，喷射元件的液压流量在100bar的喷射压力下并且每缸工作容积1升的情况下可远高于每60秒1000cm3，应用于乘用车时，喷射元件的液压流量在100bar的喷射压力下并且每缸工作容积1升的情况下可远高于每60秒1900cm3，而不会过度增加氮氧化物排放和碳烟排放。
在图7示出的图中，横坐标轴53上绘示的是存在于燃烧室6中的温度。在图7所示的图的纵坐标轴54上绘示的是废气中所包含的氮氧化物。根据图7中的曲线63可以判断，虽然氮氧化物排放随着温度的升高而增加。然而，通过使用所述三锋燃烧法并结合高压缩比和高液压流量，可以避免燃烧室6中的氮氧化物排放过度增加，这可以从图8中看出来。在图8示出的图中，横坐标轴55上绘示的是时间。在图8所示的图的纵坐标轴56上绘示的是氮氧化物。根据图8中的曲线58可以判断，如果被喷入燃烧室6的燃料能够特别快地转化(也就是燃烧)，就能保持较低的氮氧化物。通过采用所述三锋燃烧法并使用具有高液压流量的喷射元件，被喷入燃烧室6的燃料能够特别快地(也就是在特别短的时间内)转化，因而尽管压缩比高，仍能避免过高的氮氧化物排放和碳烟排放。借此可实现特别高的内燃机效率，但又不会造成过高的氮氧化物排放和碳烟排放。
在图9示出的另一个图中，横坐标轴57上绘示的是曲柄角。图9中的曲线59说明的是传统内燃机的气缸压力变化，其中曲线60说明的是内燃机1的燃烧室6中的气缸压力变化。此外，曲线61说明的是传统内燃机的燃烧过程和前述的燃料转化，其中曲线62说明的是内燃机1的燃烧过程以及被喷入燃烧室6的燃料的转化。从图9中可以看出，通过喷射元件的高液压流量，可以相比传统内燃机大幅缩短燃烧持续时间，使得所述燃烧方法近似于能使喷入燃料尽快燃烧的定容循环。由于燃烧持续时间短，燃烧室6中仅有少许时间来形成氮氧化物，或者说由于燃烧结束得更快，相对较慢的NOx形成被中断。
通过以上所说明的方法可以消除喷射元件只有在不超过一定的液压流量时才能应用于货运车和乘用车的成见。通过所述方法可以使用液压流量(HD)高于以往评估水平的喷射嘴，而更高的液压流量能缩短燃烧持续时间并加快燃烧过程。以往的认识是，由于内燃机的碳烟排放过高，应用于货运车时，液压流量在100bar的喷射压力下并且每缸工作容积1升的情况下必然限于最高每60秒1000cm3，应用于乘用车时，液压流量在100bar的喷射压力下并且每缸工作容积1升的情况下必然限于最高每60秒1900cm3，而所述三锋燃烧法否定了这样的认识。此外，应用于货运车时，可实现至少为20.3且优选至少为20.5的特别高的压缩比，应用于乘用车时，可将压缩比提高大约1到2个单位。借此可实现特别高的热效率。

Claims (6)

1.一种具有燃料直接喷射系统和自动点火系统的内燃机(1)的操作方法，其中：
所述内燃机(1)具有至少一个气缸(2)，所述气缸的燃烧室(6)侧向上由气缸壁(7)限定，轴向上一方面由气缸头(5)限定，轴向上另一方面由以可做平移运动的方式容置在所述气缸(2)中的活塞(8)限定，
所述活塞(8)具有呈环形环周延伸的、相对于呈环形环周延伸的活塞冠(11)沿轴向下陷地设置在所述活塞(8)中的活塞梯级(10)，所述活塞梯级通过呈环形环周延伸的射流分配轮廓(16)而与相对于所述活塞梯级(10)沿轴向下陷地设置在所述活塞(8)中的活塞凹坑(12)衔接，
所述气缸(2)被分配了喷射元件(3)，
以自动点火模式工作时，借助所述喷射元件(3)同时将数个喷射射流(22)呈星形地喷入所述燃烧室(6)以实现燃烧过程，
所述喷射射流(22)在所述射流分配轮廓(16)处分别被划分成燃料的第一部分量(33)、燃料的第二部分量(34)和燃料的第三部分量(35)，
所述第一部分量(33)进入所述活塞凹坑(12)，所述第二部分量(34)通过所述活塞梯级(10)进入所述活塞冠(11)与所述气缸头(5)之间的区域，所述第三部分量(35)从相应的所述喷射射流(22)出发从两侧沿周向以相反方向顺着所述活塞梯级(10)传播并且在两个相邻的喷射射流(22)之间在所述活塞梯级(10)内部彼此相撞并且沿径向向内偏转，
所述第一部分量(33)和所述第二部分量(34)形成第一燃烧锋和第二燃烧锋，共同向内偏转的所述第三部分量(35)形成沿径向向内进入所述喷射射流(22)之间的空隙(37)中的第三燃烧锋(36)，
其特征在于，
在将所述燃料喷入所述燃烧室(6)中时，在应用于货运车的情况下，所述燃料在100bar的喷射压力下并且每缸工作容积1升的情况下以超过每60秒1000立方厘米的液压流量(HD)通过所述喷射元件(3)，在应用于乘用车的情况下，所述燃料在100bar的喷射压力下并且每缸工作容积1升的情况下以超过每60秒1900立方厘米的液压流量通过所述喷射元件。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
将允许总重高达3.5吨的运输车中的原本被设置为用于乘用车的所述内燃机(1)划归为乘用车应用。
3.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
应用于货运车时，所述内燃机(1)以被分配给所述燃烧室(6)的压缩比进行工作，所述压缩比至少为20。
4.根据权利要求3所述的方法，
其特征在于，
所述压缩比至少为20.5。
5.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
应用于乘用车时，所述内燃机(1)以被分配给所述燃烧室(6)的、提高1到2个单位的压缩比进行工作。
6.一种用于汽车的内燃机(1)，其中所述内燃机(1)被构建为用于实施根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中：
所述内燃机(1)具有至少一个气缸(2)，所述气缸的燃烧室(6)侧向上由气缸壁(7)限定，轴向上一方面由气缸头(5)限定，轴向上另一方面由以可做平移运动的方式容置在所述气缸(2)中的活塞(8)限定，
所述活塞(8)具有呈环形环周延伸的、相对于呈环形环周延伸的活塞冠(11)沿轴向下陷地设置在所述活塞(8)中的活塞梯级(10)，所述活塞梯级通过呈环形环周延伸的射流分配轮廓(16)而与相对于所述活塞梯级(10)沿轴向下陷地设置在所述活塞(8)中的活塞凹坑(12)衔接，
所述气缸(2)被分配了喷射元件(3)，
以自动点火模式工作时，借助所述喷射元件(3)同时将数个喷射射流(22)呈星形地喷入所述燃烧室(6)以实现燃烧过程，
所述喷射射流(22)在所述射流分配轮廓(16)处分别被划分成燃料的第一部分量(33)、燃料的第二部分量(34)和燃料的第三部分量(35)，
所述第一部分量(33)进入所述活塞凹坑(12)，所述第二部分量(34)通过所述活塞梯级(10)进入所述活塞冠(11)与所述气缸头(5)之间的区域，所述第三部分量(35)从相应的所述喷射射流(22)出发从两侧沿周向以相反方向顺着所述活塞梯级(10)传播并且在两个相邻的喷射射流(22)之间在所述活塞梯级(10)内部彼此相撞并且沿径向向内偏转，
所述第一部分量(33)和所述第二部分量(34)形成第一燃烧锋和第二燃烧锋，共同向内偏转的所述第三部分量(35)形成沿径向向内进入所述喷射射流(22)之间的空隙(37)中的第三燃烧锋(36)，
其特征在于，
在将所述燃料喷入所述燃烧室(6)中时，在应用于货运车的情况下，所述燃料在100bar的喷射压力下并且每缸工作容积1升的情况下以超过每60秒1000立方厘米的液压流量(HD)通过所述喷射元件(3)，在应用于乘用车的情况下，所述燃料在100bar的喷射压力下并且每缸工作容积1升的情况下以超过每60秒1900立方厘米的液压流量通过所述喷射元件。
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