CN101375038A - 具有液体喷射的两冲程内燃机 - Google Patents

Abstract

一种根据两冲程原理工作的内燃机，其包括交替的作功冲程和压缩冲程，其中，内燃机包括至少一个气缸(1)、和在所述气缸中进行往复运动的活塞(2)、和由所述气缸(1)和所述活塞(2)限定的燃烧室(3)、和至少一个用于将燃烧空气引入燃烧室(3)中的进气口(13)、和至少一个用于将废气从燃烧室(3)排出的排气口(14)。内燃机包括装置(6，7，8)，用于在一个和相同的压缩冲程之前或过程中将燃料以外的液体喷射到燃烧室(3)中，其中，所述装置(6，7，8)包括用于将所述液体喷射到燃烧室(3)中的阀门以及控制单元(8)，所述控制单元具有设置的软件以开启阀门(6)，从而在一个和相同的压缩冲程之前或过程中，随着废气排出到燃烧室(3)之外的结束，并且在开始将空气引入燃烧室(3)中之前，喷射所述液体。

Description

具有液体喷射的两冲程内燃机

技术领域

本发明涉及一种用于操作内燃机的方法，所述内燃机根据两冲程原理工作，包括交替的作功冲程和压缩冲程，其中，内燃机包括至少一个气缸、和在所述气缸中往复运动的活塞、和由所述气缸和活塞限定的燃烧室、和至少一个用于将燃烧空气引入燃烧室中的进气口、和至少一个用于从燃烧室排出废气的排气口。

本发明还涉及一种根据两冲程原理工作的内燃机，所述原理包括交替的作功冲程和压缩冲程，其中，内燃机包括至少一个气缸、和在所述气缸中往复运动的活塞、和由所述气缸和所述活塞限定的燃烧室、和至少一个用于将燃烧空气引入燃烧室中的进气口、和至少一个用于从燃烧室排出废气的排气口。

背景技术

进气口和/或排气口优选设置有可自由操作的气门，但可替换的，也可以包括一孔口，所述孔口通过运动的活塞被开启和闭合，所述孔口设置在气缸壁中，优选在活塞的下止点的区域中。可自由操作的气门优选由基于计算机的控制系统控制，所述控制系统例如可形成现有的控制系统的一部分，用于控制点燃、以及将燃料、水、水蒸气等喷射到燃烧室中。在所述气缸中，活塞在两个端部位置之间往复运动，分别是上部和下部端部位置。此处，活塞从上端位置到下端位置的运动被定义为作功冲程，并且活塞从下端位置到上端位置的运动被定义为压缩冲程。当内燃机工作时，燃烧随着压缩冲程的末期而开始，并且燃烧气体随着作功冲程的末期而被排空。

废气的排出假设是分别与相对应的一个或多个气门的开启和闭合同步地开始和结束。用相对应的方式，进气口假设是与相对应的一个或多个气门的开启和闭合同步地开始和结束。对于所述液体的引入，做出相同的假设，所述液体的引入可以通过单独的阀门或者单独的喷嘴进行。

HCCI，均质充量压缩点燃，是用于操作内燃机的公知原理。在HCCI和高负荷工作过程中存在问题，因为点燃发生的太早，这是因为温度的过度升高造成的。

另外，在内燃机工作过程中，通常需要获得氮氧化物NOx的最小的排放。

通常，从效率的观点，同样适合的是，与另外可行的燃烧空气的量相比，通过降低燃烧室中的温度和压力，将更大量的燃烧空气引入。

这些不同的要求是已知的，并且形成了本发明的基础。

发明内容

与上述类型的两冲程工作相结合，并且特别是HCCI，本发明的目的是提供燃烧室中温度和压力的相对降低，从而允许将较大量的氧化流体例如空气引入到燃烧室中，和/或从而阻止过早的点燃，并且从而使得能够降低燃烧后废气的NOx的量。

本发明的目的通过上述方法实现，其特征在于，在一个和相同的压缩冲程之前或过程中，随着废气排出到燃烧室外的结束，并且在开始将空气导入燃烧室中之前，燃料以外的流体被喷射到燃烧室中。所述液体是这样的类型，在喷射时刻的过程中，在燃烧室中存在的压力和温度下，其将充分地或者部分地蒸发。为了实现这个结果，液体的量、液体的温度，或者液体的成分，可以被调节。优选的，所述液体的主要部分包括水。本发明限定了一定的顺序，通过该顺序，至少废气的开始排出在新鲜空气的开始引入之前进行。当活塞到达它的下止点时，高压将存在于燃烧室中，并且，在这个阶段，废气将能够通过排气门离开，所述排气门优选设置在缸盖中。结果，或者与其相关，液体被喷射。由于液体被允许蒸发，因此燃烧室中的温度以及因此压力将降低。由于温度的降低，具有给定压力的较大量的新鲜空气可以在随后的步骤中被引入。因此，实现了更有效的气体交换。液体被假设是在压缩冲程过程中被喷射，而不是它的发生非常的挤压的部分的过程中，这是现有技术所精确表明的。然而，本发明中，其中一个从属权利要求限定了这种可能性，然而仅是对这个第一喷射的补充。

剩余燃烧气体中的热量将提供液体的瞬间蒸发和燃烧气体的同时冷却，导致压力降低。从而，更大质量的空气可以被引入。通过调节引入液体的质量，燃烧室中气体的平均温度可以被控制到需要的水平。由于之前解释的原因，这在HCCI过程中是特别有利的。如果例如液体包括水，那么实现了水的蒸发。这种蒸发和随后冷却的优点是降低了在燃烧过程中氮氧化物NOx的形成。蒸气具有与EGR相同的作用，废气再循环，是减少产生NOx的公知方法。通过控制加入的液体的质量，可以控制NOx的产生。当柴油被用作燃料时，NOx和炭烟的产生可以被降低，这是有利的。通过被散发掉的热量，在压缩冲程的靠后部分中蒸发的任何剩余的未蒸发的液体将降低压缩功，从而导致效率提升，并且可以进一步降低NOx的产生。液体的添加，适合地通过喷射喷雾，假设在正在讨论的内燃机中具有为此目的设置的装置，或者与内燃机相连。

本发明的优选实施例包括液体喷射的开始在与废气排出燃烧室的结束距离20度曲柄角度内开始，优选是10度的曲柄角度，并且优选是5度的曲柄角度。

优选的，液体的喷射优选在废气停止排出到燃烧室外的时刻之后开始，优选是立即开始，或者甚至同时开始。本发明的技术效果从而可以达到最佳。

然而，液体的喷射可以在废气仍然排出的时间中开始。特别是在高转速，这是优选的，从而获得最佳的技术效果。在高转速，排气门的闭合与进气门的开启之间的时间段将较短，并且甚至为负，也就是在进气和排气之间将具有重叠，这可以使得需要液体的喷射与废气的排出或者空气的引入或者与二者相重叠。还可以考虑，使得排气门的闭合发生在进气门闭合之后。

根据一个实施例，该方法特征在于，空气开始引入到燃烧室中的同时仍然进行液体的喷射。

优选的是，在结束将空气引入到燃烧室中之前，停止将液体喷射到燃烧室中。在最后，液体向燃烧室中的喷射应当与停止将空气引入燃烧室中同时结束。

燃料向燃烧室中的引入可以与所述液体的喷射同时进行，并且燃料向燃烧室中的引入可以通过与喷射所述液体的阀相同的阀进行。

根据一个实施例，所述液体与酒精一起喷射。优选的，酒精从而将形成将在压缩冲程之后的作功冲程过程中燃烧的燃料的至少一部分。

根据另一个实施例，与空气的引入同时地进行将燃料引入燃烧室中。例如，这是HCCI过程中的情况。还可以，燃料在压缩冲程的靠后的阶段被单独引入。

根据本发明的另一个实施例，在压缩冲程过程中，当停止将空气引入燃烧室中时，进行燃料以外的液体的第二喷射。这种液体可以是与之前喷射液体相同类型的或者另一种类型的，并且同样应当蒸发并且降低燃烧室中的温度和压力，从而降低剩余的压缩功，并且从而提高效率。

与是否是液体的第一或第二喷射无关，后者优选包括水。在液体被引入燃烧室之前，它被加压和加热到这样的程度，即喷雾的至少一部分液滴在进入燃烧室中时自发地炸开。

本发明的目的同样利用上述的一种内燃机实现，其特征在于，它包括一装置，从而，在一个和相同的压缩冲程之前或者过程中，将燃料以外的液体喷射到燃烧室中，并且包括控制单元，其具有软件，该软件设置成从而开启所述阀，从而在一个和相同的压缩冲程之前和过程中，随着停止将废气排出到燃烧室外，并且在开始将空气引入燃烧室中之前，喷射所述液体。

所述装置可包括用于喷射所述燃料的阀，所述阀然后优选是可操作的阀，例如可气动、液压或者电磁操作的阀。另外，所述装置可包括控制单元，其具有软件，所述软件设置成根据所提出的本发明的方法控制所述阀的开启和闭合。

优选的，进气门和排气门是所谓的可操作气门，也就是没有机械连接到曲轴的气门，但是可自由操作，与曲轴位置无关。因此，可操作气门被称为是连接到发动机气缸的燃烧室的阀，在来自基于计算机的、优选是电控系统的信号的基础上，所述气门例如通过加压流体的作用而被开启和闭合。

本发明的另外的特征和优点将在下面的详细说明和附图中阐述。

附图说明

下面通过实例参考附图描述本发明，附图中：

图1是根据本发明的内燃机的一部分的示意图，

图2是本发明方法的实施例的步骤的时序图的表示，和

图3是本发明方法的另外实施例的步骤的时序图的表示。

具体实施方式

图1示意性示出了根据本发明的内燃机的一部分。优选的，内燃机设置成推动车辆，例如小汽车、公共汽车或者卡车。它包括气缸1、设置成在气缸中往复运动的活塞2、由气缸和活塞限定的燃烧室3、进气门4、排气门5和阀或喷嘴6，所述阀或喷嘴6用于喷射燃料以外的液体。还可以构想，喷嘴6除了喷射所述液体，还可以用于喷射至少一部分燃料，例如酒精，例如乙醇。排气系统等可以连接到排气口，排气门5设置在排气口处。

附图中，在两冲程循环的压缩冲程中，活塞2处于运动状态，并且空气，可以与燃料一起，通过开启的进气门3流动到燃烧室中。当活塞2处于它的下止点位置时，排气门4已经恰好开启，但是现在是闭合的。

回路7用于操作气门4、5和喷嘴6的致动器。控制单元8可操作地连接到回路7，从而提供回路7、以及与所述回路相连的气门4、5和喷嘴6的信号控制。回路7可包括电子部件和压力流体回路，优选是气压流体回路。例如，它可以包括未示出的导向阀，所述导向阀由电磁体驱动，用于控制压力流体例如空气流动到未示出的致动器腔，从而操作设置在其中的致动器活塞，通过它，进气门4和排气门5被驱动。

元件9，例如加速踏板(gas pedal)，可操作地连接到控制单元8，从而提供扭矩的调整。传感器10，靠近设置在曲轴11上的分度板12，可操作地连接到控制单元8，并且连续向控制单元8提供有关转速和曲轴位置和/或活塞2在气缸1中的位置。控制单元8决定何时可操作的气门4和5开启或闭合以及何时喷嘴6开启用于喷射所述液体。

在操作两冲程内燃机中，如图2所示，燃烧气体的排空a)、燃料以外的液体的喷射b)、以及空气和燃料的引入c)，根据本发明可以以下面的方式发生：在作功冲程结束时，当活塞2处于它的下止点时，排气门5开启，用于排空燃烧气体，由于其处的压力基本高于连接到所述排气口的排气系统或排气管中的压力，所述燃烧气体作为脉冲将流到燃烧室3外。与所述脉冲相关，燃烧室3中的压力将低于连接到进气口的空气供应通道中的压力。在气体结束流动到燃烧室3外的时刻，燃烧室3中的压力处于它的最小值，并且在优选实施例中，排气门5应当从而闭合，以停止排出，并且之后短暂的时间，进气门4应当开启用于供应空气。一定的时间段优选可以在排气门5的闭合和进气门4的开启之间被允许，如图2的实施例所示。

随着废气排出的结束，喷嘴6被启动用于将液体喷射到燃烧室3中，所述液体优选是水。液体的量、成分和温度应当被适配，从而使得至少液体的主要部分在进入燃烧室3时立即蒸发，优选是在排气门5的闭合和进气门4的开启之间的上述时间段过程中。由于蒸发，与没有液体被喷射的情况相比，在燃烧室3中实现了相对进一步的压力降低。将具有给定压力的相对更大量空气进行供应的前提从而已经产生。同样可选的是启动喷嘴6，同时，排气门仍然开启，也就是在废气的排出和液体的喷射之间具有一定的重叠。自然，这种重叠范围在较高转速时可变得较大，特别是如果相关气门和喷嘴的速度达到了上限，而内燃机的转速被允许进一步增加。

之后，进气门4开启。因为燃烧室3中的压力基本低于用于供应空气的通道中的压力，因此空气将作为脉冲流动到燃烧室3中，并且后者中的压力将增大。当空气向燃烧室3中的流动自动结束时，压力达到它的最大值，并且根据优选实施例，进气门4应当尽可能与这个时刻紧密联系地闭合。同样当进气门4保持开启时，喷射可以继续，并且甚至可以继续直到进气门4闭合。然而，图2示出了这样的实施例，其中，液体的喷射正好在进气门开启用于供应空气之前或者同时结束。应当注意，在增大转速过程中，并且由于上述的原因，之前提到的时间段可以减少，并且甚至停止，并且变得被废气的排出和空气的引入之间的重叠代替，其中，所述液体的喷射可以与所述排出与所述引入相重叠。

另外如图2所示，在压缩冲程的靠后阶段过程中，通过喷射喷嘴6，还可以进行所述液体到燃烧室3中的另外的第二喷射d。这次，目的是为了实现蒸发，并且因此，实现了相对的压力降低(实际中，压力的实际增加的降低)，并且从而，在压缩冲程的剩余部分中实现了减小的压缩功。

在180度曲轴角度的范围内开启排气门5并且开启和闭合进气门4用于气体交换也在本发明的范围内。在当阀门以大约相同的速度独立于转速而工作时的情况中，进行这个气体交换的范围将随着转速增加而增加。优选的，排气门5在下止点之前它的最早90度曲轴角度开启，并在下止点之后最迟90度曲轴角度闭合。在所有情况下，进气门4应当在开启排气门5之后开启，但是可以在排气门闭合之前已经闭合。在下止点和上止点之间具有180度的曲轴角度。

图3示出了根据本发明方法的可替换实施例，其在本发明的范围内，例如上述的范围。此处，排气门在大约-45度曲轴角度开启，其是在活塞2的下止点之前45度，并且在大约0度曲轴角度闭合。进气门4在-10度曲轴角度开启，并且在35度曲轴角度闭合。喷嘴6在-20度曲轴角度开启，其在进气门4的开启之前，并且在10度曲轴角度闭合，其在进气门4仍然开启的时间段内。因此，图3示出了根据本发明可以想到的方法步骤的重叠的多种可能情况中的一种。

同时可以自由操作的气门开启装置是机电、液压、或者气动启动的。气动启动的气门可以达到一定的升程高度，比其它方法的启动更快，所述气动启动的气门用于给定的可移动质量，其不大于对于相关功能所需要的，并且具有低的能耗。利用气动启动的气门，具有所述可活动质量的气门开启到一定升程高度和它的闭合之间经过的时间可以基本短于对于其它所述方法的相对应的一个。由于需要尽可能快的执行气门运动，也即是开启和闭合，同时具有充分的区域用于排空废气并且用于供送空气用于最佳的动态效果，气动启动的气门的使用是本发明的优选实施例。

本发明还涉及一种计算机程序产品，存储在可读的计算机程序介质上，用于在根据本发明的内燃机上实现根据本发明的方法。

本发明不限于恒定的两冲程操作，而是可包括这样的实施例，其中，两冲程操作与四冲程操作交替，或者其中，不具有任何燃烧的冲程代替了普通的作功冲程。因此，本发明假设在操作的一部分中实现，所述操作包括两冲程操作，或者至少在它的一部分中。

应当认为，一个和相同的气缸2可以设置有多个进气门4和多个排气门5，以及多个喷嘴6，用于喷射液体，其中，优选的，排气门和/或进气门设置在缸盖中。因为气门有利地通过压力流体操作并且可自由操作，存在单独控制气门的可能性，并且例如，两个排气门中的一个可以在所述成对气门的另一个气门之前开启，并且在其之前或之后闭合。在这种情况中，废气的排出在第一时刻开始，在第一时刻，任一个排气门被开启，并且它继续到任一个所述排气门的最后闭合。对于进气门和对于喷射喷嘴，如果具有多个的话，这也是相关的。

Claims (20)

1.一种用于操作内燃机的方法，所述内燃机根据两冲程原理工作，所述两冲程原理包括交替的作功冲程和压缩冲程，其中，内燃机包括至少一个气缸(1)、和在所述气缸中进行往复运动的活塞(2)、和由所述气缸(1)和所述活塞(2)限定的燃烧室(3)、和至少一个用于将燃烧空气引入燃烧室(3)中的进气口(13)、和至少一个用于将废气从燃烧室(3)排出的排气口(14)，其特征在于，在一个和相同的压缩冲程之前或过程中，随着废气排出到燃烧室(3)之外的结束，并且在开始将空气引入到燃烧室(3)中之前，燃料以外的液体被喷射到燃烧室(3)中。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，液体的喷射在停止将废气排出到燃烧室(3)外之后立即开始。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，液体的喷射在距离停止将废气排出到燃烧室(3)外20度曲轴角度内开始，优选10度曲轴角度，或者甚至更优选的是5度曲轴角度。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，液体的喷射开始同时仍然进行废气的排出。

5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，开始将空气引入到燃烧室(3)中的同时仍然进行液体的喷射。

6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，将液体喷射到燃烧室(3)中在结束将空气引入到燃烧室(3)中之前结束。

7.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，将液体喷射到燃烧室(3)中与停止将空气引入燃烧室(3)中同时停止。

8.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，在开始引入空气之前喷射到燃烧室(3)中的液体的至少主要部分在开始引入空气之前被蒸发。

9.如权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，在开始引入空气之前已经喷射到燃烧室(3)中的基本所有液体在开始引入空气之前被蒸发。

10.如权利要求1-9中任一项所述的方法，其特征在于，将燃料供应到燃烧室(3)中与所述液体的喷射同时进行。

11.如权利要求1-10中任一项所述的方法，其特征在于，将燃料引入燃烧室(3)中利用与所述液体通过其进行喷射的阀门相同的阀门进行。

12.如权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述液体与酒精一起喷射。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述酒精形成将在压缩冲程之后的作功冲程中燃烧的燃料的至少一部分。

14.如权利要求1-13中任一项所述的方法，其特征在于，燃料与空气的引入同时地被供应到燃烧室(3)中。

15.如权利要求1-14中任一项所述的方法，其特征在于，在停止将空气引入燃烧室(3)中之后，燃料以外的液体的第二喷射在压缩冲程过程中进行。

16.如权利要求1-15中任一项所述的方法，其特征在于，所述液体通常包括水。

17.如权利要求1-16中任一项所述的方法，其特征在于，在被引入到燃烧室中之前，所述液体被加压并且加热到这样的程度，即喷雾的至少一部分液滴在进入燃烧室时自发炸开。

18.一种根据两冲程原理工作的内燃机，所述两冲程原理包括交替的作功冲程和压缩冲程，其中，内燃机包括至少一个气缸(1)、和在所述气缸(1)中进行往复运动的活塞(2)、和由所述气缸(1)和所述活塞(2)限定的燃烧室(3)、和至少一个用于将燃烧空气引入燃烧室(3)中的进气口(13)、和至少一个用于将废气从燃烧室(3)排出的排气口(14)，其特征在于，它包括装置(6，7，8)，用于在一个和相同的压缩冲程之前或过程中将燃料以外的液体喷射到燃烧室(3)中，其中，所述装置(6，7，8)包括用于将所述液体喷射到燃烧室(3)中的阀以及控制单元(8)，所述控制单元具有设置成开启阀(6)的软件，从而在一个和相同的压缩冲程之前或过程中，随着废气排出到燃烧室(3)之外的结束，并且在开始将空气引入燃烧室(3)中之前，喷射所述液体。

19.如权利要求18所述的内燃机，其特征在于，进气口(13)设置有可自由操作的进气门(4)。

20.如权利要求18或19所述的内燃机，其特征在于，排气口设置有可自由操作的排气门(5)。

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