CN100470024C - 可变压缩比内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可变压缩比内燃机，其中内燃机的压缩比能改变且使用具有不同燃烧速度的多种燃料。本发明提供了一种对于各种燃料都实现出色的发动机性能的技术。在压缩比能改变且通过多个燃料喷射阀喷射具有不同燃烧速度的多种燃料的可变压缩比内燃机中，根据所用燃料来转换从中读出内燃机目标压缩比的图，从而抑制爆震或其它缺点。

Description

可变压缩比内燃机
技术领域
本发明涉及一种可变压缩比内燃机，其中内燃机的压缩比能改变，且本发明特别涉及一种使用具有不同燃烧速度的多种燃料的可变压缩比内燃机。
背景技术
近年来，为了改进内燃机的燃油里程、动力和其它性能，已经提出了使内燃机压缩比可变的技术。在已经提出的技术中，例如在日本专利申请特开7-26981和2003-206771所披露的技术中，气缸体和曲轴箱以可相对于彼此移动的方式连接起来，并且将凸轮轴设在它们的连接部中以利用凸轮轴的旋转使气缸体和曲轴箱朝着/远离彼此地移动。
另一方面，作为关系到燃料资源耗尽和二氧化碳排放对全球变暖的影响的解决方案，用氢作为燃料的内燃机近年来已经引起注意。鉴于氢有限的利用率，已经研制出了双燃料系统，其中能用氢和汽油两者作为燃料，例如在Ken Yamane，“Hydrogen Vehicle Development byBMW”，Engine Technology，vol.5，No.6，24—29页，2003年12月，Sankaido中披露的。然而，在这种双燃料系统中，内燃机的压缩比是固定的，没有对于用汽油作为燃料和用氢作为燃料这两种情况实现的压缩比的最佳化，因而，有时难以用两种燃料获得足够的发动机性能。在日本专利申请特开63-159642中也披露了相关技术。
发明内容
考虑到上述现有技术而作出本发明。本发明涉及一种可变压缩比内燃机，其中内燃机的压缩比能改变并且使用具有不同燃烧速度的多种燃料，其目标是提供一种对于各个类型的燃料均实现出色的发动机性能的技术。
为了实现上述目标，根据本发明，提供了一种可变压缩比内燃机，其中所述内燃机的压缩比能改变且使用具有不同燃烧速度的多种燃料，其特征在于所述内燃机设有适应燃料的压缩比改变装置，用于根据所用燃料的燃烧速度来改变所述内燃机的压缩比，
其中，所述多种燃料包括氢和特定石油燃料，以及在相同的环境条件和/或相同的运行条件下，所述适应燃料的压缩比改变装置使在使用氢作为燃料的情况下的所述内燃机的压缩比高于在使用所述石油燃料的情况下的所述内燃机的压缩比。
已知在内燃机中出现爆震的可能性依据所用燃料的燃烧速度而变化。这是因为燃烧速度越低，在燃烧到达气缸末端之前在内燃机气缸末端发生燃料自燃的可能性越高。为此，可以设定的压缩比极限值根据所用燃料的燃烧比而改变。具体地说，所用燃料的燃烧比越高，可以将压缩比设定得越高，且能实现的燃烧效率越高。鉴于上述情况，根据本发明，在压缩比能改变且使用具有不同燃烧速度的多种燃料的可变压缩比内燃机中，根据所用燃料的燃烧速度来改变压缩比。
因而，当使用具有不同燃烧速度的多种燃料时，能选择对于每种燃料而言最优的压缩比以便使每种燃料实现更高的燃烧效率。
这里，特定石油燃料是指汽油或轻油。在这种情况下，作为燃料的氢的燃烧速度高于汽油或轻油的燃烧速度。因此，如果在相同的环境条件和/或相同的运行条件下，使得用氢作为燃料时内燃机的压缩比高于使用石油燃料时内燃机的压缩比，则可以对相应的燃料设定最佳的压缩比。因此，对于用氢作为燃料的情况和使用特定石油燃料的情况而言，可以实现高燃烧效率，同时抑制爆震。
在本发明中，当用氢作为燃料并且内燃机的运行条件落入第一特定高负荷范围内时，适应燃料的压缩比改变装置可以将内燃机的压缩比设定为这样的压缩比，即该压缩比不会使内燃机的缸内压力超过极限缸内压力。
已知在用氢作为燃料的情况下，与用特定石油燃料作为燃料的情况相比，燃烧速度更高并且燃烧室内的最大缸内压力也更高。因此，当用氢作为燃料并且内燃机的压缩比较高时，在高负荷运行条件下缸内压力的最大值有时会变得过高，这可能会不利地影响与气缸有关的机械组件的可靠性。
考虑到这一点，在本发明中，当用氢作为燃料并且内燃机的运行条件落入第一特定高负荷范围内时，适应燃料的压缩比改变装置可以将内燃机的压缩比设定为这样的压缩比，即该压缩比不会使内燃机的缸内压力超过极限缸内压力。通过这样的控制，可以避免与气缸有关的机械组件的可靠性变差。
这里，极限缸内压力是内燃机缸内压力的这样一种阈值，即超过该阈值可能会使与气缸有关的机械组件的可靠性受到不利影响。通过试验或设计预先确定极限缸内压力。第一特定高负荷范围是内燃机运行条件的这样一种范围，即在该范围内取决于内燃机的压缩比，内燃机缸内压力的峰值可能超过上述极限缸内压力。该范围也通过试验预先确定。
具体地说，内燃机的运行条件(落入上述第一高负荷范围内)与在该负荷下不会使缸内压力超过极限缸内压力的最大压缩比之间的关系可以制成图，并且可以从该图中读出对应于内燃机运行条件的压缩比的值。因而，可以将内燃机的压缩比改变成这样读出的压缩比。可选地，在内燃机的运行条件落入上述第一高负荷范围内的情况下，可以通过缸内压力传感器检测实际缸内压力，并且可以改变压缩比以使实际缸内压力不会超过极限缸内压力。
在本发明中，当用氢作为燃料并且内燃机的运行条件落入第一特定高负荷范围内时，适应燃料的压缩比改变装置可以将内燃机的压缩比设定为这样的压缩比，即该压缩比不会使内燃机的缸内压力超过特定的极限缸内压力，另外，可以延迟内燃机中的燃料点火时间。
内燃机气缸的缸内压力基本上取决于活塞在气缸中的运动引起的压力，并且燃料燃烧引起的燃烧压力加到该基础压力上。另一方面，与用特定石油燃料作为燃料时相比，当用氢作为燃料时，由于其燃烧速度高，在许多情况下延迟燃料点火时间。具体地说，在许多情况下将燃料点火时间设定在上止点之后。
在燃料点火时间处于上止点之后的情况下，燃料点火时间越晚，活塞运动引起的基础压力变得越低，因而，当用氢作为燃料时，如果延迟燃料点火时间，能在活塞运动引起的基础压力较低的情况下点燃燃料。因此，能降低内燃机缸内压力的最大值。
因而，在本发明中，当用氢作为燃料且内燃机的运行条件落入第一特定高负荷范围内时，通过将内燃机的压缩比设定成不会使内燃机缸内压力超过特定极限缸内压力的压缩比和通过延迟内燃机中的燃料点火时间，能更可靠地保持缸内压力使其低于上述极限缸内压力。
在本发明中，当用氢作为燃料且内燃机的运行条件落入第一特定高负荷范围内时，通过联合地执行减小内燃机压缩比的控制和延迟内燃机中燃料点火时间的控制，能设定不会使内燃机缸内压力超过特定极限缸内压力的较高的目标压缩比。于是，能在用氢作为燃料时实现较高的发动机效率。
在本发明中，内燃机可以进一步设有用于将燃料直接喷射到内燃机气缸中的第一燃料喷射装置和用于将燃料喷射到内燃机进气口中的第二燃料喷射装置，当用氢作为燃料且内燃机的运行条件至少落入第二特定高负荷范围内时，在相同的环境条件和/或相同的运行条件下，可以使在通过第一燃料喷射装置喷射燃料的情况下的内燃机压缩比低于通过第二燃料喷射装置喷射燃料的情况下的内燃机压缩比。
当用氢作为燃料时，喷射燃料的方式包括将燃料直接喷射到气缸中以便提高燃料充入效率从而增加输出功率和将燃料喷射到进气口中以便使氢和氧顺利地混合。在将燃料直接喷射到气缸中的情况下，燃烧时缸内压力的最大值有高于将燃料喷射到进气口的情况下的缸内压力最大值的趋势，这是因为燃料的充入量较大，并且燃料没有扩散到整个气缸而是集中在局部的可能性在前一种情况下较高。
鉴于上述情况，在本发明中，当用氢作为燃料且内燃机的运行条件至少落入第二特定高负荷范围内时，在相同的环境条件和/或相同的运行条件下，可以使在将燃料直接喷射到气缸中的情况下的内燃机压缩比低于将燃料喷射到进气口中的情况下的内燃机压缩比。于是，在将燃料直接喷射到气缸中的情况下，能更可靠地防止缸内压力超过上述极限缸内压力。相反，在将燃料喷射到进气口中的情况下，能使压缩比较高并提高内燃机的效率。
这里，上述第二高负荷范围是内燃机运行条件的这样一种范围，即在该范围内考虑到如果通过上述第一燃料喷射装置喷射燃料，则取决于压缩比，存在最大缸内压力可能变得过高的危险。第二高负荷范围通过试验预先确定。
在本发明中，当用氢作为燃料且内燃机的空燃比落入这样一种第一特定空燃比范围内时，可以将供给到内燃机气缸的空气-燃料混合物变稀并且可以通过适应燃料的压缩比改变装置将内燃机的压缩比变低，从而使NOX排放量小于极限NOX量，其中在第一特定空燃比范围中，内燃机的NOX排放量大于特定极限NOX量并且随着空燃比变浓NOX排放量增加。
已知当用氢作为燃料且内燃机的空燃比较低时，空燃比越稀，燃烧时产生的NOX量变得越小。另外，已知在这种情况下，内燃机的压缩比越低，产生的NOX量变得越小，因而，在本发明中优选地，当用氢作为燃料且内燃机的空燃比落入第一特定空燃比范围内时，使供给到内燃机气缸的空气-燃料混合物变稀并且使内燃机的压缩比变低，其中在第一特定空燃比范围内，内燃机的NOX排放量大于特定极限NOX量且随着空燃比变浓NOX排放量增加。于是，与仅仅将供给到内燃机气缸的空气-燃料混合物变稀的情况相比，能更有效地减少燃烧时产生的NOX量。因而，能更可靠地减少排放。
这里，特定极限NOX量是根据环境污染的观点判断的可允许的从内燃机排出的NOX量的极限。
相似地，在本发明中，当用氢作为燃料且内燃机的空燃比落入这样一种第二特定空燃比范围内时，可以使供给到内燃机气缸的空气-燃料混合物变浓并且可以通过适应燃料的压缩比改变装置使内燃机的压缩比变低，从而使NOX排放量小于极限NOX量，其中在第二特定空燃比范围内，内燃机的NOX排放量大于特定极限NOX量且随着空燃比变浓NOX排放量减小。
已知当用氢作为燃料且内燃机的空燃比较高时，空燃比越浓，燃烧时产生的NOX量变得越小。另外，如上所述，已知内燃机的压缩比越低，产生的NOX量变得越小。因而，在本发明中优选地，当用氢作为燃料且内燃机的空燃比落入第二特定空燃比范围内时，使供给到内燃机气缸的空气-燃料混合物变浓且使内燃机的压缩比变低，其中在第二特定空燃比范围内，内燃机的NOX排放量大于特定极限NOX量且随着空燃比变浓NOX排放量减小。于是，与仅仅将供给到内燃机气缸的空气-燃料混合物变浓的情况相比，能更有效地减少燃烧时产生的NOX量。因而，能更可靠地减少排放。
如上所述，在本发明中，当用氢作为燃料且NOX排放量大于特定极限NOX量时，根据内燃机的空燃比落入的空燃比范围使供给到内燃机气缸的空气-燃料混合物变浓或变稀，并且使内燃机的压缩比变低，从而减少NOX排放量。因而，与仅仅通过使空气-燃料混合物变浓或变稀来减少NOX排放量的情况相比，能减小使供给到内燃机气缸的空气-燃料混合物变浓或变稀的程度。这意味着能扩大使NOX排放量小于极限NOX量的内燃机可允许的空燃比范围。
在本发明中，可以将作为燃料的氢储存在氢罐中并以一定的氢喷射压力将氢喷射到内燃机的气缸或进气口内，且当用氢作为燃料时，适应燃料的压缩比改变装置可以根据氢喷射压力和/或氢罐中的压力改变内燃机的压缩比。
这里，当用氢作为燃料时，将氢储存在氢罐内，并以一定的氢喷射压力将从氢罐供应的燃料喷射到气缸或进气口中。然而，氢喷射压力有时能随着氢罐中剩下的氢量的减小而减小。如果出现所述减小，则发生爆震的可能性可能随着氢罐中剩下的氢量的减小而改变。
鉴于此，在本发明中，可以根据氢喷射压力和/或氢罐中的压力改变内燃机的压缩比，从而防止由于氢喷射压力的改变而引起爆震。
更具体地说，考虑到氢压力越低，氢在气缸中扩散得越艰难并且燃料集中在局部的可能性越高，因而更可能发生爆震。因此，氢喷射压力越低，使压缩比变得越低，从而抑制爆震。这样，在氢罐中的氢量减小的情况下，能防止由于燃料喷射压力改变而引起爆震。
能以任何可能的组合方式应用根据本发明的上述各种用于解决问题的装置。在根据本发明的上述各种用于解决问题的装置中，能应用于仅仅使用氢燃料的内燃机的装置可以被应用于这种内燃机。
附图说明
图1是显示了根据本发明实施例的内燃机的基本结构的分解透视图。
图2是显示了在根据本发明实施例的内燃机中气缸体相对于曲轴箱的运动过程的横截面图。
图3是显示了根据第一实施例的内燃机的详细结构的横截面图。
图4(A)和4(B)是分别显示了在用汽油作为燃料的情况下和在用氢作为燃料的情况下缸内压力改变的曲线图。
图5(A)和5(B)是显示了内燃机运行条件和压缩比之间的关系的例子的曲线图，该关系在第一实施例中分别作为用于汽油燃料的图和用于氢燃料的图的基础。
图6是表示第一高负荷范围和在第一实施例中使用的图的曲线图。
图7是显示根据第二实施例的内燃机的详细结构的横截面图。
图8是表示在用氢作为燃料的情况下，内燃机的空燃比和NOX排放量之间的关系的曲线图。
具体实施方式
下面，将参考附图作为例子详细描述实现本发明的最佳方式。
(第一实施例)
将在下面描述的内燃机1是可变压缩比内燃机，其中通过使具有气缸2的气缸体3相对于曲轴箱4沿着气缸2中心轴线的方向移动位置来改变压缩比，其中活塞与曲轴箱4相关联。
首先，将参考图1描述根据本实施例的可变压缩比内燃机的结构。如图1中所示，气缸体3具有多个形成在其两个下侧上的突出部，每个突出部都具有形成于其中的轴承接收孔5，轴承接收孔5是圆柱形的并且垂直于气缸2的轴向方向和平行于多个气缸2的布置方向而延伸。轴承接收孔5在一侧上被同轴地布置，且轴承接收孔5在气缸体3两侧上的一对轴线彼此平行。
曲轴箱4具有位于上述具有轴承接收孔5的突出部之间的直立壁部。在每个直立壁部的(相对于曲轴箱4)面向外的表面上有半圆柱形的凹入部。还备有通过螺栓6安装到相应的直立壁部的盖7。盖7也具有半圆柱形的凹入部。当将盖7安装到每个直立壁部时，形成圆柱形的凸轮接收孔8。凸轮接收孔8的形状与上述轴承接收孔5相同。
与轴承接收孔5相似，凸轮接收孔8以这样一种方式形成，即当将气缸体3安装到曲轴箱4时，凸轮接收孔8垂直于气缸2的轴向方向且平行于多个气缸2的布置方向而延伸。这多个凸轮接收孔8也形成在气缸体3的两侧上，且一侧上的凸轮接收孔8被同轴地布置。凸轮接收孔8在气缸体3两侧上的一对轴线彼此平行。一侧上的轴承接收孔5和另一侧上的轴承接收孔5之间的距离等于一侧上的凸轮接收孔8和另一侧上的凸轮接收孔8之间的距离。
凸轮轴9分别插入交替布置的两排轴承接收孔5和凸轮接收孔8中。如图1中所示，凸轮轴9包括轴部9a、相对于轴部9a的中心轴线偏心地固定在轴部9a上的凸轮部9b和可旋转地安装在轴部9a上的可移动轴承部9c，每个凸轮部9b都具有理想的圆形凸轮轮廓，每个可移动轴承部9c的外部轮廓都与凸轮部9b相同。凸轮部9b和可移动轴承部9c交替布置。两个凸轮轴9彼此成镜像。在凸轮轴9的一端上形成用于齿轮10的安装部9d(将稍后描述它)。轴部9a的中心轴线和安装部9d的中心彼此不重合，凸轮部9b的中心和安装部9d的中心彼此重合。
可移动轴承部9c也相对于轴部9a偏心，它们偏心的程度与凸轮部9b的偏心程度相同。在每个凸轮轴9中，凸轮部9b沿相同方向偏心。由于可移动轴承部9c的外部轮廓是理想的圆形，并且其直径与凸轮部9b的直径相同，因此能够使多个凸轮部9b的外表面与多个可移动轴承部9c的外表面对齐。
齿轮10安装在每个凸轮轴9的一端上。安装在一对凸轮轴9端部的一对齿轮10与相应的蜗轮11a和11b啮合。蜗轮11a和11b安装在单个马达12的单个输出轴上。蜗轮11a和11b具有螺纹方向彼此相反的螺旋槽。因而，随着电机12转动，两个凸轮轴9通过齿轮10沿彼此相反的方向旋转。电机12固定地安装在气缸体3上且整体地随气缸体3移动。
下面，将详细描述控制具有上述结构的内燃机1的压缩比的方法。图2(a)到2(c)是横截面图，显示了在气缸体3、曲轴箱4和设在它们之间的凸轮轴9之间的关系。在图2(a)到2(c)中，轴部9a的中心轴线由“a”表示，凸轮部9b的中心由“b”表示，可移动轴承部9c的中心由“c”表示。图2(a)显示了一种状态，其中如沿着轴部9a的方向所看到的，所有凸轮部9b和可移动轴承部9c的外圆周相对齐。在这种状态下，两个轴部9a位于轴承接收孔5和凸轮接收孔8内的外侧位置。
当通过驱动电机12使轴部9a从图2(a)中所示的状态沿箭头所指的方向旋转时，实现了图2(b)中所示的状态。因为通过该旋转过程，凸轮部9b相对于轴部9a的偏心方向和可移动轴承部9c相对于轴部9a的偏心方向变得彼此不同，所以气缸体3能相对于曲轴箱4朝着上止点侧移位。当凸轮轴旋转到图2(c)中所示的状态时，位移量变为最大。在该状态下，位移量是凸轮部9b和可移动轴承部9c的偏心量的两倍。凸轮部9b和可移动轴承部9c分别在凸轮接收孔8和轴承接收孔5内部旋转，以使得轴部9a在凸轮接收孔8和轴承接收孔5内部移位。
通过使用上述机构，可以使气缸体3沿着气缸2的轴向方向相对于曲轴箱4移动，由此能够可变地控制压缩比。
下面将描述根据本实施例的内燃机1的细节。图3是表示内燃机1的详细结构的横截面图。在图3中，气缸盖15安装在气缸体3的顶部上。气缸盖15构成了燃烧室的顶壁。在气缸盖15中，设置有火花塞22用于点燃燃烧室中的空气-燃料混合物。在气缸盖15中还形成有进气口16和排气口17。在进气口16和排气口17的开口向燃烧室的部分，分别以这样一种方式设有进气门18和排气门19，即进气门18和排气门19可以往复运动。
在进气门18和排气门19上方分别设有进气门凸轮20和排气门凸轮21，分别用于压下进气门18和排气门19以使它们与曲轴23的旋转同步地打开。在进气口16中设有用于喷射作为燃料的汽油的汽油燃料喷射阀25和用于喷射作为燃料的氢的氢燃料喷射阀26。汽油燃料喷射阀25通过汽油供应管27与汽油箱28连通。储存在汽油箱28中的汽油通过图中未示出的燃料泵进行泵送并且在预定的燃料压力下被供给到汽油燃料喷射阀25。另一方面，氢燃料喷射阀26通过氢供应管29与氢罐30连通。在预定的氢燃料压力下将储存在氢罐30中的氢供给到氢燃料喷射阀26。当氢作为燃料通过氢燃料喷射阀26喷射时，氢燃料压力相当于氢的燃料喷射压力。氢罐30配有压力传感器31，以便可以检测在氢罐30中储存的氢的压力。
将用于控制内燃机的电控单元(ECU)35连接到具有上述结构的内燃机1上。ECU 35是根据内燃机1的运行需求和驾驶员的要求控制内燃机1的运行条件并执行内燃机1压缩比的控制和有关燃料喷射的控制的单元。
EUC 35通过电力布线与曲柄位置传感器(未示出)、加速器位置传感器(未示出)、压力传感器31以及各种其它传感器相连，所述其它传感器与内燃机1的运行条件和压缩比的控制以及燃料喷射的控制有关。这些传感器的输出信号输入到ECU 35。此外，ECU 35通过电力布线与内燃机1中的汽油燃料喷射阀25和氢燃料喷射阀26等等相连，另外通过电力布线与本实施例的用于控制压缩比的电机12相连以便通过ECU35控制电机12。
ECU35配有CPU、ROM和RAM等等元件。在ROM中存储着用于执行内燃机1的各种控制的程序和包含各种数据的图。存储在ECU35的ROM中的程序包括本实施例的用于实现压缩比控制和燃料喷射控制的程序。
如上所述，根据本实施例的内燃机1的构造允许选择地用氢和汽油作为燃料。这里，将在下面参考图4(A)和4(B)描述气缸2内缸内压力的变化在用汽油作为燃料时和在用氢作为燃料时的差别。图4(A)表示在用汽油作为燃料的情况下气缸2内的缸内压力的变化，图4(B)表示在用氢作为燃料的情况下缸内压力的变化。在这些曲线图中，横轴代表曲柄转角，纵轴代表缸内压力。虚线曲线代表在没有发生燃烧的情况下的压力变化，即活塞在气缸2内的移动引起的压力变化。实线曲线代表由燃料燃烧引起的缸内压力的增加。
如将从图4(A)和4(B)中了解到的，与使用汽油的情况相比，在用氢作为燃料的情况下燃烧速度更高，因而，与使用汽油的情况相比，在用氢作为燃料的情况下，由燃烧引起的缸内压力增加的曲线的倾角更陡。在用氢作为燃料的情况下，最大缸内压力或缸内压力的峰值也高于用汽油作为燃料的情况(即，P2>P1)。另外，当用氢作为燃料时，由于缸内压力增加曲线的陡度，所以即使点火时间有延迟，也将出现充分燃烧，因而，将点火时间延迟到上止点之后。
已知内燃机1中的燃烧速度越高，发生爆震的可能性越小。这是因为当燃烧速度高时，燃烧在火花塞22点火之后的早期时间完成，所以在气缸2端部发生自燃的危险低。这意味着在用氢作为燃料的情况下，发生爆震的可能性低于用汽油作为燃料的情况。
鉴于上述事实，在本实施例中，当用氢作为燃料时，将内燃机1的压缩比设定得高于用汽油作为燃料的情况。具体地说，备有包含环境条件和/或运行条件与内燃机1压缩比之间的关系的两个图，其中一个图用于氢燃料，另一个图用于汽油燃料。当使用其中一种燃料时，从相应的图中读出对应于环境条件和/或运行条件的压缩比值并将其设定为压缩比的目标值。
在上述用于氢燃料的图和用于汽油燃料的图中，对于相同环境条件和/或运行条件，使在用于氢燃料的图中的压缩比高于用于汽油燃料的图中的压缩比。预先基于试验制定这些图中含有的数据。图5(A)和5(B)表示在内燃机1的运行条件与目标压缩比之间的关系的例子，在本实施例中，所述关系充当用于汽油燃料的图和用于氢燃料的图的基础。图5(A)表示对于用汽油作为燃料的情况，内燃机的运行条件与目标压缩比之间的关系，图5(B)表示对于用氢作为燃料的情况，内燃机的运行条件与目标压缩比之间的关系。尽管在图5(A)和5(B)所示的例子中，压缩比的值并没有根据环境条件(例如，冷却水温度)发生变化，但是可以引入环境条件作为图的参数。
如上所述，在本实施例中，由于将用氢作为燃料时的压缩比设定得高于用汽油作为燃料时的压缩比，因此对于每种燃料都能够设定最佳压缩比作为目标值，从而使内燃机1的发动机效率对于两种燃料都能得到增强。在本实施例中，实现上述控制的EUC 35构成了适应燃料的压缩比改变装置的一部分。
下面将描述本实施例中的压缩比控制的另一个特征。在图4(A)和4(B)中，在用氢作为燃料的情况下，最大缸内压力P2高于用汽油作为燃料的情况下的最大缸内压力P1，如上所述。因而，当用氢作为燃料时，如果内燃机1处于高负荷运行条件中，则缸内压力有时可能过大地增加从而不利地影响与内燃机1的气缸2相关的机械组件(如活塞、缸膛、进气门18和排气门19)的可靠性。为了避免这种情形，有时必需增强上述机械组件的机械强度或耐用性，这导致组件尺寸的增加和成本的增加。
鉴于上述情况，在本实施例中，当用氢作为燃料时，如果内燃机1的运行条件落入第一高负荷范围内，则减小压缩比以将气缸2的缸内压力降低到不会不利地影响上述机械组件可靠性的水平。具体地说，在内燃机1的运行条件处于第一高负荷范围中的情况下，将上述可从中读出与环境条件和/或运行条件相应的压缩比的图从用于氢燃料的图改变成在高负荷下用于氢燃料的图。
在高负荷下用于氢燃料的图和用于氢燃料的图中，对于相同环境条件和/或运行条件的压缩比，在高负荷下用于氢燃料的图中该压缩比低于用于氢燃料的图中。
上述不会不利地影响与气缸2相关的机械组件的可靠性的缸内压力水平相当于极限缸内压力。上述第一高负荷范围是内燃机1运行条件的这样一种范围，在该范围内考虑到取决于压缩比，存在气缸2的最大缸内压力超过上述极限缸内压力的可能性。通过试验预先确定第一高负荷范围。
图6表示内燃机1运行条件的可能的范围和第一高负荷范围，其中也示出了在相应范围中将被读出的图。如图6中所示，在内燃机1可能的运行条件内的第一高负荷范围中，从在高负荷下用于氢燃料的图中读出压缩比，而在其它范围中，从用于氢燃料的图中读出压缩比。
这样，当用氢作为燃料且内燃机处于高负荷运行条件内时，压缩比设定得较低，因而能防止气缸2的缸内压力变得过高。因而，能抑制对与气缸2相关的机械组件的可靠性的不利影响。
在上述情况下，除了将压缩比设定得较低之外，还可以进一步延迟燃料点火时间。如图4(A)和4(B)中所示，在用氢作为燃料的情况下，在上止点之后的一个时间完成点火。因而，如果进一步延迟点火时间，则由活塞运动引起的缸内压力会减小。因此，即使由氢燃料燃烧引起的缸内压力的增加是相同的，总的来说也能使最大缸内压力变低。
除了选择在高负荷下用于氢燃料的图作为从中读出压缩比的图之外，通过采用上述特征，能更有效地防止气缸2的缸内压力变得过高。因而，能更可靠地抑制对与气缸2相关的机械组件的可靠性的不利影响。
下面将描述本实施例中的压缩比控制的另一个特征。如上所述，作为燃料的氢储存在氢罐30中，并从氢罐30将氢供给到氢燃料喷射阀26，同时通过设在氢供应管29中的调节器(未示出)将其压力控制成预定氢压力。然而，由于在氢罐30中剩下的氢量减小，所以尽管调节器对压力进行调节，但仍会出现氢燃料喷射阀26的氢喷射压力可能减小的危险。
如果出现这种情况，通过氢燃料喷射阀26喷射的燃料有时可能在充分扩散到气缸2中之前就被点燃。于是，更可能发生爆震。鉴于这种情况，在本实施例中，在氢罐30中设有压力传感器31，并根据压力传感器31的输出值改变压缩比。
具体地说，预先备有压缩比修正图，其包含压力传感器31的输出和压缩比修正系数之间的关系，并从压缩比修正图中读出与压力传感器31的输出对应的修正系数。这样，将压缩比的目标值确定为从压缩比修正图读出的修正系数与从用于氢燃料的图或在高负荷下用于氢燃料的图读出的压缩比的乘积。
更具体地说，压力传感器31的输出值越小，因为这时更可能发生爆震，所以使修正系数变得越小以设定较小的压缩比。
以这种方式，能与氢罐30内剩下的氢量无关而合适地控制压缩比，并能有效地防止内燃机1的爆震。虽然在本实施例中，压力传感器31设在氢罐30中，但也可替换地将压力传感器设在氢燃料喷射阀26中以直接检测氢燃料喷射阀26处的氢喷射压力。
虽然在该特征中，通过用修正系数乘从用于氢燃料的图或在高负荷下用于氢燃料的图读出的压缩比数据来改变压缩比，但也可以通过根据压力传感器31的输出改变从中读出压缩比目标值的图，来改变压缩比。
(第二实施例)
下面将描述本发明的第二实施例。在第二实施例中，关于这样一种内燃机1进行压缩比控制的说明，该内燃机1除了配有用于将氢作为燃料喷射到进气口16中的氢燃料喷射阀26之外，还配有用于将氢作为燃料直接喷射到气缸2中的直喷式氢燃料喷射阀33。
图7是表示本发明内燃机1的详细结构的横截面图。在该实施例中，直喷式氢燃料喷射阀33设在内燃机1的燃烧室的顶壁上。直喷式氢燃料喷射阀33与直喷氢供应管34相连。直喷氢供应管34的另一端与氢供应管29相连。在直喷氢供应管34的中间，设有高压调节器32。在将作为燃料的氢直接喷射到气缸2中时，高压调节器32设置为用来喷射具有较高喷射压力的氢。
在该内燃机1中，当通过氢燃料喷射阀26喷射作为燃料的氢时，氢和空气在进气口16中适当地混合，从而实现稳定的燃烧。另一方面，当通过直喷式氢燃料喷射阀33将作为燃料的氢直接喷射到气缸2中时，能提高燃料充入效率，并能改善燃油里程。在本实施例中，根据环境条件如发动机温度和/或运行条件适当地使用这两种燃料喷射方式。在本实施例中，第一燃料喷射装置包括直喷式氢燃料喷射阀33，第二燃料喷射装置包括氢燃料喷射阀26。
这里，在通过直喷式氢燃料喷射阀33喷射燃料的情况下，有时可能发生爆震，特别是在内燃机1的运行条件处于高负荷范围内时，这是因为充入气缸2的燃料量很大，和因为燃料与空气没有像通过氢燃料喷射阀26实现喷射的情况下那样适当地混合。另外，存在气缸2的最大缸内压力可能变得过高的危险。鉴于上述情况，在本实施例中，在内燃机1的运行条件处于第二高负荷范围内且通过直喷式氢燃料喷射阀33将燃料直接喷射到气缸2中的情况下，将压缩比设定得低于通过氢燃料喷射阀26将燃料喷射到进气口16中的情况下的压缩比。
上述第二高负荷范围是内燃机1运行条件的这样一种范围，在该范围内考虑到如果通过直喷式氢燃料喷射阀33将燃料直接喷射到气缸2中，则取决于压缩比，存在可能发生爆震或最大缸内压力可能变得过高的危险。第二高负荷范围通过试验预先确定。
具体地说，备有包含有环境条件和/或运行条件与内燃机1压缩比之间的关系的两个图，一个图用于通过氢燃料喷射阀26喷射燃料的情况(该图在下文中将被称为“用于口喷射的图”)，另一个图用于通过直喷式氢燃料喷射阀33喷射燃料的情况(该图在下文中将被称为“用于直接喷射的图”)。当使用燃料喷射阀中的一个时，从相应的图中读出与环境条件和/或运行条件对应的压缩比的值并将其设定为目标值。
在上述用于口喷射的图和用于直接喷射的图中，使针对相同环境条件和/或运行条件的压缩比在用于直接喷射的图中低于用于口喷射的图中。基于试验预先准备包含在这些图中的数据。
如上所述，在将作为燃料的氢直接喷射到气缸2中的情况下，与将作为燃料的氢喷射到进气口中的情况相比，压缩比被设定得低。从而，能够选择最佳压缩比而与用哪个燃料喷射阀喷射燃料无关，因而能提高内燃机的效率。在上述控制中，在喷射作为燃料的氢时在氢燃料喷射阀26和直喷式氢燃料喷射阀33之间转换以及在从中读出压缩比目标值的图之间的转换可以同时完成，或者其中一种转换可以从属地在另一种转换之后完成。
(第三实施例)
下面描述本发明的第三实施例。在第三实施例中，将描述一种控制，其中当内燃机1用氢作为燃料并且内燃机1的NOX排放量大于极限NOX排放量时，根据当时内燃机1的空燃比将空燃比变稀或变浓，并且将压缩比降低以减少NOX排放量。该内燃机1的详细结构与图3中所示的相同，因此省略其描述。
图8是表示当用氢作为燃料时内燃机1中的空燃比与NOX排放量之间关系的曲线图。如图8所示，当用氢作为燃料时，随着空燃比从稀侧向浓侧改变时，NOX排放量增加并一度达到其峰值。并且随着空燃比进一步向浓侧改变时，NOX排放量降低。
这里，上述极限NOX排放量是从环境污染的观点来说可允许的从内燃机1中排放的NOX量的极限。在图8中所示的空燃比从稀侧向浓侧改变的过程中，将第一空燃比范围定义为在NOX排放量首次超过极限NOX排放量时的空燃比与NOX排放量到达峰值时的空燃比之间的范围。另外，将第二空燃比范围定义为在NOX排放量到达峰值时的空燃比与NOX排放量随着空燃比进一步向浓侧改变而再次变得低于极限NOX排放量时的空燃比之间的空燃比范围。
已知当内燃机的压缩比变低时，如图8中所示，能减少NOX的总排放量。
在本实施例中，当内燃机1中的空燃比落入第一空燃比范围中时，将空燃比变稀并且将压缩比降低以使NOX排放量低于极限NOX排放量。当空燃比落入第二空燃比范围内时，将空燃比变浓并将压缩比降低以使NOX排放量低于极限NOX排放量。
通过上述特征，与仅仅通过将空燃比变浓或变稀来减少NOX的情况相比，能更可靠地减少NOX排放量，这是因为可以期望通过减小压缩比来实现的NOX排放量的额外减少。另外，通过完成另外减小压缩比的控制，能扩大为了使NOX排放量低于极限NOX排放量而使空燃比应该落入的范围。从而，可以放宽对内燃机1的空燃比的限制。
在本实施例中，通过根据内燃机1的空燃比将空燃比变浓或变稀并减小压缩比来减少NOX排放量。然而，在NOX排放量仅仅超过极限NOX排放量一个很小的量的情况下，可以仅仅通过完成减小压缩比的控制来减少NOX排放量。在这种情况下，能通过较简单的控制减少NOX排放量。
尽管上面的实施例描述针对用汽油和氢联合作为两种燃料的情况，但本发明的原理可以应用于其它两种燃料或两种以上燃料的组合。
工业适用性
根据本发明，在内燃机的压缩比能改变并且使用具有不同燃烧速度的多种燃料的可变压缩比内燃机中，能对于两种燃料都实现出色的发动机性能。

Claims (7)

1.一种可变压缩比内燃机，其中所述内燃机的压缩比能改变且使用具有不同燃烧速度的多种燃料，其特征在于所述内燃机设有适应燃料的压缩比改变装置，用于根据所用燃料的燃烧速度来改变所述内燃机的压缩比，
其中，所述多种燃料包括氢和特定石油燃料，以及在相同的环境条件和/或相同的运行条件下，所述适应燃料的压缩比改变装置使在使用氢作为燃料的情况下的所述内燃机的压缩比高于在使用所述石油燃料的情况下的所述内燃机的压缩比。
2.如权利要求1所述的可变压缩比内燃机，其特征在于，当用氢作为燃料并且所述内燃机的运行条件落入第一特定高负荷范围内时，所述适应燃料的压缩比改变装置将所述内燃机的压缩比设定为这样的压缩比，该压缩比不会使所述内燃机的缸内压力超过极限缸内压力。
3.如权利要求1所述的可变压缩比内燃机，其特征在于，当用氢作为燃料并且所述内燃机的运行条件落入第一特定高负荷范围内时，所述适应燃料的压缩比改变装置将所述内燃机的压缩比设定为不会使所述内燃机的缸内压力超过极限缸内压力的压缩比，并所述内燃机的燃料点火时间被延迟。
4.如权利要求1到3中任一项所述的可变压缩比内燃机，其特征在于，所述内燃机还设有用于将燃料直接喷射到所述内燃机的气缸中的第一燃料喷射装置和用于将燃料喷射到所述内燃机的进气口中的第二燃料喷射装置，并且当用氢作为燃料且所述内燃机的运行条件至少落入第二特定高负荷范围内时，在相同的环境条件和/或相同的运行条件下，所述适应燃料的压缩比改变装置将在通过所述第一燃料喷射装置喷射燃料的情况下的所述内燃机的压缩比设定得低于在通过所述第二燃料喷射装置喷射燃料的情况下的所述内燃机的压缩比。
5.如权利要求1到3中任一项所述的可变压缩比内燃机，其特征在于，当用氢作为燃料且供给到所述内燃机的气缸的空气-燃料混合物的空燃比落入这样一种第一特定空燃比范围内时，将供给到所述内燃机的气缸的所述空气-燃料混合物变稀并且通过所述适应燃料的压缩比改变装置将所述内燃机的压缩比变低，从而使所述内燃机的NOX排放量小于特定极限NOX量，其中在该第一特定空燃比范围中，所述内燃机的NOX排放量大于所述特定极限NOX量，并且随着所述空燃比变浓，NOX排放量增加。
6.如权利要求1到3中任一项所述的可变压缩比内燃机，其特征在于，当用氢作为燃料且供给到所述内燃机的气缸的空气-燃料混合物的空燃比落入这样一种第二特定空燃比范围内时，使供给到所述内燃机的气缸的所述空气-燃料混合物变浓并且通过所述适应燃料的压缩比改变装置使所述内燃机的压缩比变低，从而使所述内燃机的NOX排放量小于特定极限NOX量，其中在第二特定空燃比范围内，所述内燃机的NOX排放量大于所述特定极限NOX量，且随着所述空燃比变浓，NOX排放量减小。
7.如权利要求1到3中任一项所述的可变压缩比内燃机，其特征在于，将作为燃料的所述氢储存在氢罐中并以一定的氢喷射压力将其喷射到所述内燃机的气缸或进气口内，且当用氢作为燃料时，所述适应燃料的压缩比改变装置根据所述氢喷射压力和/或所述氢罐中的压力改变所述内燃机的压缩比。
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