[发明专利]具有配置为减少颗粒排放物的活塞的内燃机及方法

说明书

技术领域

本公开总体涉及在内燃机运行中产生减少的颗粒物质的方案，并且特别地涉及活塞中的复合燃烧皿的几何特征，对于每bkW·h的内燃机的能量输出，其在1600kPa或更多的BMEP下能够产生0.25克或更少的颗粒物质。

背景技术

在内燃机领域多种运行方案和部件的几何结构是公知的。工程师们数十年来致力于实验以不同方式运行燃料供给、排气、进气和其他发动机系统，以及以不同方式成形和均衡发动机部件以达到不同的目的。这样的实验背后的一个动机包括对减少发动机排气中的某些排放物和优化效率之间的常见竞争利益的平衡。内燃机通常燃烧空气和碳氢化合物燃料。燃料和空气的燃烧产生废气，其包括多种化合物和物质，例如烟灰、粉尘、未燃烧的碳氢化合物、水、二氧化碳和一氧化碳，以及各种有机物和无机物。

近年来，减少颗粒物质排放或“烟雾”的排放，已经在燃烧科学研究中受到特别的关注，且对于这些不良废气组分，各管辖区已经颁布或预期将颁布限制条款。不幸的是，减少颗粒物质排放经常带来效能特性上的损失，例如燃料效率和/或可获得的发动机速度和功率。如以上提到的，这些年来部件形状和发动机运行参数已经以几乎无数种方式发生了变化。一个在燃烧科学中广泛研究和实验的领域涉及尝试以以下方式成形一种活塞燃烧面，使得在没有过度损失效率的情况下减少某些废气排放物，包括颗粒物质排放物。

为了实现该目标而设计的一种活塞包括由活塞燃烧面限定的燃烧皿，活塞在被放置为使用状态时暴露于并限定出发动机燃烧室的一部分。人们认为燃烧皿以及皿的某些几何形状，可以在燃烧过程中影响气体和雾化液体燃料的流动和燃烧特性，使得燃烧产物的组成可以适应不同的目的。许多这样的燃烧皿设计旨在减少氮的氧化物(NOx)和颗粒物质中的一种或两种。一种已知的燃烧皿设计在效率和多种类型的排放物方面均得到优化，其被Easley等共同拥有的美国专利申请序列号13/088659所公开，现在为美国专利No.＿。

还有其他方案在平衡某些排放物的相对含量方面关注较少，更多地关注于减少NOx或减少颗粒物质，而不是两者都减少。这样的方案的益处在于其中对于一种类型的废气组分的管辖要求会相对更加严苛，或其中使用了一些减少或限制某些不良排放物的手段。尽管已有许多活塞燃烧皿的研究和商业设计，以及与废气排放物相关的其他因素，燃烧科学仍未被完全了解。对于燃烧科学中涉及燃烧皿形状和其他几何特征的情况更是如此。众所周知对燃烧皿几何形状的哪怕是较小的修饰都可以对燃烧产物的类型和相对比例产生显著的影响。由于对此缺乏充分的了解，本领域对于如何实现任何特定目的仅提供了相对很少的指引。虽然工程师已经发现了许多不同的变型，他们知道这些变型将在排放物和/或效率方面具有一些影响，但是这些变型的分类、它们的交叉耦合，以及其他因素并不经常得到满意的和可预料的结果。此外，甚至其中发现了适合于一种发动机系统的设计，该设计不能成功地扩展到相对较大的或相对较小的发动机系统，或者适用于发动机运行参数的特定组合之外。研发一种合适的活塞配置，其将在相当严格定义的发动机运行参数的集合内实现一定的目标，这仍然是难以实现的，往往需要多年的研究和发展，其包括全面深入的应用、测试甚至现场服务分析。

发明内容

在一个方面，一种运行内燃机的方法包括通过将缸膛内的活塞向着上止点位置移动，将内燃机的缸膛内的流体压力提高到自动点火压力，所述缸膛具有260mm或更大的膛径，并且所述活塞具有等于或大于膛径的冲程距离。所述方法进一步包括在提高流体压力过程中推进活塞的燃烧面穿过缸膛，燃烧面限定了多个阀套，和皿径为190mm到230mm的复合燃烧皿，并且当流体压力处于或大于自动点火压力时，以大于145°的喷射角将燃料直接喷射入缸膛内。所述方法进一步包括燃烧喷射入的燃料和空气，使得通过1600kPa或更大的BMEP活塞向着气缸内的下止点位置推进，对于每bkW·h的内燃机的能量输出，燃烧产生0.25克或更少的颗粒物质。