CN102374013B - 使用气体作为燃料的内燃机的运作方法及执行所述方法的内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包含至少一个汽缸(2)及向所述至少一个汽缸(2)供应新鲜空气或新鲜混合物的至少一个进气线路(3)、且使用气体作为燃料的内燃机(1)的运作方法。本发明也涉及一种执行所述方法的内燃机(1)。本发明希望指出一种经采用后所述内燃机(1)在所有工作点都能尽可能有利地运行的方法。采用上述这种方法，从而使这一目标得以实现，其中作为所述内燃机(1)的燃料的所述气体通过进气管喷射装置(5)引入所述至少一个进气线路(3)中，或通过直喷装置(6)引入所述至少一个汽缸(2)中，在中低荷载T时使用所述进气管喷射装置(5)而在高荷载T时使用所述直喷装置(6)，且当荷载Torque超过预定荷载Torque，up即Torque≥Torque，up时，从低荷载时使用的所述进气管喷射装置(5)切换成使用所述直喷装置(6)。

Description

使用气体作为燃料的内燃机的运作方法及执行所述方法的内燃机
技术领域
本发明涉及一种包含至少一个汽缸及向所述至少一个汽缸供应新鲜空气或新鲜混合物的至少一个进气线路、且使用气体作为燃料的内燃机的运作方法。
本发明也涉及一种执行所述方法的内燃机。
背景技术
在本发明的上下文中，用语“内燃机”尤其包括使用外源点火的奥托循环发动机。
由于矿物燃料资源有限，特别是以矿物油作为原材料来获得运作内燃机的燃料的有限可用性，使用替代燃料运作内燃机的做法日益普遍。
采用替代燃料的内燃机的市场份额持续增加。通过立法机构，特别是税收优惠和法律法规调节，加强和推动了这一趋势。
就奥托循环内燃机的情况而言，除了使用汽油作为传统的奥托循环燃料外，同样已在使用其他燃料，例如：液化石油气(LPG：LiquefiedPetroleumGas)，其为丙烷/丁烷混合物(也称Autogas)；或天然气(CNG：CompressedNaturalGas)，其主要成分为甲烷；或氢气(H2)、乙醇或由汽油和乙醇组成的燃料混合物。在本发明的上下文中，使用气体作为内燃机燃料。
由于不同燃料具有不同的物理和化学特性，须将内燃机设为适合于所采用的特定燃料。
此处，对内燃机的工作参数，例如点火时间和喷射时间，的调适是必要的。控制时间、进气压力、冷却水温度、喷射时段、进气量及/或类似参数、或例如压缩比等设计参数可以且通常配置为适合于特定燃料。
对于奥托循环燃料的情况，例如，压缩比的燃料特定应考虑到不同燃料类型具有不同的抗爆震性(由辛烷数RON或MON表示)这一事实。即是说，对于能使使用特定燃料的内燃机顺利地工作的特定压缩比，如果使用了不同燃料，就可能导致爆震或在实际点火时间之前发生自动点火，后者常导致爆震燃烧。为了避免对内燃机造成损伤应避免发生爆震和自动点火，所以在内燃机的配置中应考虑到所用燃料或其抗爆震性。
所用燃料也会影响内燃机燃料供应系统，尤其是作为内燃机中用于引进燃料的辅助单元的喷射系统的物理设计。
此处，基本的不同存在于两种燃料喷射概念之间，具体指进气管喷射和直喷。
在进气管喷射的情况下，火花点火发动机的工作是使用外部混合构成机构提供的均匀燃料-空气混合物，借助于将燃料引入所述至少一个进气线路中进入导入的空气中。通过改变汽缸进气量来设置所需功率，从而，与柴油机相比，奥托循环发动机的工作过程基于进气量调节。
通常由设于进气线路中的节流阀执行荷载控制。通过调整所述节流阀，可将节流阀下游的导入空气的压力降至更大或更小水平。节流阀关闭程度越高，即进气线路的阻塞越大，则通过节流阀的导入空气的压力损失就越大，而节流阀下游、汽缸入口上游的导入空气的压力就越低。对于恒定的燃烧室容积而言，用这种方式就可以通过导入空气的压力设置空气质量，即空气量。这种荷载控制形式已经被证实在部分荷载范围内尤其存在缺陷，因为低荷载需要导入空气的大量节流及大型压降。
要降低所述节流操作损失，即进气交换损失，人们已开发了各种不同概念。
有人提出了一种基于传统柴油发动机过程的技术特征的转移来为奥拓发动机工作过程减节流的解决方案，其特征在于空气压缩、非均匀混合物、自动点火及质量调控，其中通过直喷入至少一个汽缸的燃料质量来控制荷载。导入空气的节流操作原则上被省略。
将燃料直接喷入汽缸的燃烧室被认为是可以显著减少即使是奥拓循环发动机中的耗油量的适当措施。通过减节流操作可提高效率和分层混合物的形成，从而可以在某种程度上利用质量调控。此外，由于利用了直接在燃烧室中蒸发的燃料的蒸发焓，可实现汽缸内部的冷却效果，从而通过增加压缩比实现效率的进一步提升。在均匀直喷的情况下，所述效应也会导致耗油量的降低。此处，和进气管喷射相似，均匀直喷也用均匀燃料/空气混合物操作。
直喷的一项劣势在于燃料喷射、燃烧室内的混合物准备特别是燃料的准备、是否适合蒸发、空气与燃料的彻底混合、以及已备混合物的点火各过程可用的时间相对较短。
因此与传统的奥托循环过程相比，直喷奥托循环过程对于混合物形成，尤其是喷射和点火中的变化及偏差敏感得多。此处，混合物的不均匀性及其循环可变性阻止了燃料/空气混合物的可靠及固定的点火。
从上述陈述可推知，两种喷射概念即进气管喷射和直喷都各有利弊。
和使用汽油作为传统奥托循环燃料的情况一样，在使用气体作替代燃料的某些情况下也有必要权衡并选择应该使用进气管喷射还是直喷。
发明内容
在此背景下，本发明的一个目标是指定一种包含至少一个汽缸及向所述至少一个汽缸供应新鲜空气或新鲜混合物的至少一个进气线路的内燃机的运作方法，在所述方法中，使用气体作为内燃机燃料，并且通过所述方法，使得内燃机在所有工作点都能尽可能有利地运行。
本发明的进一步的子目标是提供一种执行所述这种方法的内燃机。
第一子目标的实现是采用了一种包含至少一个汽缸及向所述至少一个汽缸供应新鲜空气或新鲜混合物的至少一个进气线路的内燃机的运作方法，在所述方法中，作为所述内燃机的燃料的所述气体通过进气管喷射装置引入所述至少一个进气线路中，或通过直喷装置引入所述至少一个汽缸中，在中低荷载T时使用所述进气管喷射装置而在高荷载T时使用所述直喷装置，且当荷载Torque超过预定荷载Torque，up即Torque≥Torque，up时，从低荷载时使用的进气管喷射装置切换成使用直喷装置。
根据本发明的方法利用了两种喷射方法，即同时利用了进气管喷射和直喷，从而有可能在任何一个工作点采用适合于该工作点的喷射方法，或根据当前目标选择并应用更有利的喷射方法。
部分荷载工作时，为了获得有利的耗油量，例如可通过进气管喷射将作为燃料的气体引入进气线路中。对于良好的彻底混合物，即燃料/空气混合物的均匀化，当引入少量燃料即引入气体量少时，进气管喷射较之直喷更有优势。尤其是如果气体以气态形式引入进气线路中，其将获得更多优势。后者将结合优选实施例与其他方法变形一起再次加以描述。
相反，气体直喷入所述至少一个汽缸将有利于增加或获得最大动力.
在实际操作中，喷射方法的改变通常发生在使用进气管喷射与直喷的不同特征图谱中。所述改变尤其涉及到点火时间及/或喷射启动的改变，或喷射时段的调节。
本发明所基于的第一子目标，尤其是指定一种经采用后内燃机(使用气体作为内燃机燃料)在所有工作点都能尽可能有利地运行的方法的这一目标，其通过根据本发明的方法来实现的。
下文将结合附属权利要求说明根据本发明的方法的更多有利变形。
所述方法的实施例是有利的，其中，只有当荷载Torque超过预定荷载Torque，up且高于所述预定荷载Torque，up预定时间段Δtup时才从低荷载时使用的进气管喷射装置切换成使用直喷装置。
当荷载Torque仅暂时超过预定荷载Torque，up而后回落或是在预定荷载Torque，up附近上下波动却不超过足以要求变成使用直喷装置的荷载极限时，在变成使用直喷装置的时候引入所述附加条件是为了可靠地防止工作参数发生太频繁或急速的变化，尤其是变成使用直喷装置。
在此情况下，必须考虑到，直喷方法对混合物形成的变化和偏差反应敏锐。这种方法的敏感性随着荷载的减少而增加，因为在中低荷载时，喷射较小燃料量，从而导致可再生的空气/燃料混合物的供应更为困难。因此，如果是在部分荷载范围内进行燃料的直喷，不点火或点火失败的情况将更为频繁。这些都会导致燃料尚未燃烧就通过排气线路排出汽缸，必须对其进行评估，因为它对污染物的排放极为重要。
所议方法变形中的附加条件可以确保只有当边界条件成立或适合于气体直喷时才切换成直喷，并且保证了充足的混合物形成。
所述方法的实施例是有利的，其中，如果荷载Torque未达到预定荷载Torque，down即Torque≤Torque，down，再次从高荷载时使用的直喷装置切换成使用进气管喷射装置。
对于改进的混合物准备操作，有利的方法是在部分负载下变成使用进气管喷射装置，以此向汽缸提供彻底混合的均匀燃料/空气混合物以及保证混合物的可靠点火。
在此情况下，所述方法的实施例是有利的，其中，只有在荷载Torque未达到预定荷载Torque，down且低于所述预定荷载Torque，down预定时间段Δtdown时才从高荷载时使用的直喷装置切换成使用进气管喷射装置。
在改变喷射方法的时候引入的上述条件是为了防止工作参数发生太频繁或急速的变化。上文已经结合时间段Δtup对其有所述及。采用所议方法，便有可能对荷载Torque暂时未达到预定荷载Torque，down而后增加或是在预定荷载附近上下波动的情形做出正确的反应。
所述方法的实施例是有利的，其中，作为内燃机的燃料的气体为LPG。LPG的优势在于其是现有的，且其在约5或6巴的低压和环境温度下可以液态形式储存，而天然气必须专门冷却以使其液化。
所述方法的实施例也是有利的，其中，作为内燃机的燃料的气体为氢气(H2)。
所述方法的实施例是有利的，其中，作为内燃机的燃料的气体以液态形式通过进气管喷射装置引入所述至少一个进气线路中。
满荷载工作时将液体喷入进气管已被证实不如将液体直喷入汽缸便利，因为蒸发热不直接作用在汽缸中，从而导致汽缸中产生较高气体温度，对爆震行为具有负面作用。
不过一种成本效率相对较高的有利的方法变形是，例如，将满荷载时的液体燃料进气管喷射与部分荷载时的气体燃料进气管喷射相结合。
将引入导入空气中的液态气体蒸发，将蒸发热从导入空气流中抽出。因此降低了供应至汽缸的空气温度、从而也降低汽缸新鲜供气的整体温度。由此，可降低气体/空气混合物中爆震的风险和不期望的自动点火的发生。
此外，汽缸新鲜进气的温度的降低将导致内燃机热载荷的降低，也导致了排放气体中氧化氮(NOx)浓度的降低，换言之，导致了氧化氮排放量的降低。
然而，温度的降低也会增加空气的密度，从而使气体的液态喷射将有助于提升燃烧室中的空气的供应，其中供应至燃烧室的空气质量的增加必须(若适当)通过更强的节流操作进行抵消。
由于上述影响需要在部分荷载范围内加强节流操作，即减压程度必须更强，从而减少导入空气的量，这对于气体被引入进气线路时不采取液态形式而是采取气态形式是有利的。在气态下，引入的气体具有大得多的体积，由此原因设于进气线路中的节流元件可以进一步打开而不致增加通过进气线路导入的空气量。这对于内燃机的期望减节流具有相当大的优势。此外，因为引入气体的蒸发，没有发生导入空气流的冷却，进而由此导致的温度降低都没有了。
因此所述方法的实施例是尤其有利的，其中，作为内燃机的燃料的气体以气态形式通过进气管喷射装置引入至少一个进气线路中。
在燃料以气态喷入进气管的情况下，导入空气的很大一部分被气态燃料所代替即取代，因此与以液态喷入内燃机的情况相比，内燃机可以在部分荷载工作时以减节流大得多的方式工作。
相较而言，满荷载工作时，燃料的气态喷射是不利的，这是因为，由于气体的体积取代导致汽缸的供气受阻，因此体积效率和最大可得动力显著降低。此外，在以气态引入燃料的情况下，与液态喷射的情况不同，没有蒸发热从燃料/空气混合物中被抽出。由于缺少了缸内冷却，故而燃烧室内混合物温度较高。高温导致爆震倾向增加，从而使满荷载时需要取消点火，降低了发动机效率。
因此，满荷载工作时，燃料的液态喷射是有利的，尤其是直喷入汽缸，以期利用最大的缸内冷却效果。
因此，所述方法的实施例是有利的，其中，作为内燃机的燃料的气体以液态形式通过直喷装置引入至少一个汽缸中。
气体直喷入至少一个汽缸与使用进气管喷射相比在最大可得动力方面具有优势。在高荷载时，液态与气态相比，可以更容易地，即使用更低成本，将相对大的燃料量，即气体量，引入至少一个汽缸中。否则引入全部燃料量所需的喷射时段将太长以致不成比例及/或难以接受。
然而，所述方法的实施例也是有利的，其中，作为内燃机的燃料的气体以气态形式通过直喷装置引入至少一个汽缸中。
本发明所基于的第二子目标，尤其是提供一种执行上述这种方法的内燃机的这一目标，其通过一种包含至少一个汽缸及向所述至少一个汽缸供应新鲜空气或新鲜混合物的至少一个进气线路的内燃机得以实现，所述内燃机的特征在于同时设有进气管喷射装置和直喷装置，用于引入作为燃料的气体，进气管喷射装置用以将气体引入至少一个进气线路中而直喷装置用以将气体引入至少一个汽缸中。
上文所述的根据本发明的方法的内容也适用于本发明的内燃机，因此此处可以大体参考上文关于方法的陈述。不同的方法变形需要与之相应的内燃机。
使用进气管喷射内燃机的燃料供应系统的关键组件不仅包括燃料箱、喷嘴和用于送料及产生所需喷射压力的燃料泵，也包括燃料供应线路，其使各组件相互连接，尤其是从燃料箱连接到喷嘴。
直喷内燃机的燃料供应系统也包括-除了实际低压燃料泵外-第二泵，尤其是高压泵。与高压泵用以提供所需的高喷射压力相反，实际燃料泵是作为所谓的预供料泵，用于向高压泵供气。设于预供料泵与高压泵之间的燃料供应线路称为低压线路，而连接于高压泵与喷嘴之间的那部分燃料供应线路则形成为燃料高压线路。
直喷柴油机也常有特殊的喷射系统，尤其是所谓的普通轨道喷射系统，其中通过称为普通轨道的普通燃料高压线路将燃料供应到内燃机的所有汽缸，其中各汽缸进行独立喷射或通过例如压电制动器进行控制。
如果内燃机配备有发动机控制器，则实施例是有利的，其中，发动机控制器的工作方式被配置为使作为燃料的气体作为荷载T通过进气管喷射装置或通过直喷装置引入。
附图说明
以下将以图1为基础详细描述本发明。在图中：
图1是采用外源点火的内燃机的实施例的示意图。
具体实施方式
图1是采用外源点火且使用气体作为燃料的内燃机1的实施例的示意图。
所述内燃机是直列三缸直列式发动机1，其中三个汽缸2沿着汽缸头的纵轴设置，即呈直线设置。
提供有用于排出热燃烧气体的排气线路4，且提供有用于向三个汽缸2提供新鲜空气或新鲜混合物的进气线路3。为了调节荷载，在进气线路3中设置有由发动机控制器7控制及/或调节的节流阀8。
为了将燃料直喷6入汽缸2，即为了形成直喷装置6，每个汽缸2设有单独的喷射器，其中在当前情况下气体作为燃料喷射。所述喷射器由发动机控制器7通过控制线进行驱动，即控制。喷射的燃料量用以设置空气比λ。
内燃机1也设有进气管喷射装置5，利用其可将气体引入汽缸2上游的进气线路3中。
进气管喷射装置5在中低荷载T时使用，而直喷装置6在高荷载T时使用。当荷载Torque超过预定荷载Torque，up时，从低荷载时使用的进气管喷射装置5切换成使用直喷装置6。
参考标号
1内燃机
2汽缸
3进气线路
4排气线路
5进气管喷射装置
6直喷装置
7发动机控制器
8节流阀
LPG液化石油气
CNG压缩天然气
LNG液态天然气
H2氢气
Torque扭矩、荷载
Torque，down预定下荷载
Torque，up预定上荷载
Δtdown预定的未达到Torque，down的最小时间段
Δtup预定的超过Torque，up的最小时间段

Claims (13)

1.一种包含至少一个汽缸(2)及向所述至少一个汽缸(2)供应新鲜空气或新鲜燃料-空气混合物的至少一个进气线路(3)的内燃机(1)的运作方法，在所述方法中，作为所述内燃机(1)的燃料的气体通过进气管喷射装置(5)引入所述至少一个进气线路(3)中，或通过直喷装置(6)以液态形式引入所述至少一个汽缸(2)中，在中低荷载T时使用所述进气管喷射装置(5)而在高荷载T时使用所述直喷装置(6)，且当荷载Torque超过预定荷载Torque,up即Torque≥Torque,up时，从低荷载时使用的所述进气管喷射装置(5)切换成使用所述直喷装置(6)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，只有当荷载Torque超过预定荷载Torque,up且高于所述预定荷载Torque,up预定时间段Δtup时，才从低荷载时使用的所述进气管喷射装置(5)切换成使用所述直喷装置(6)。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，如果荷载Torque未达到预定荷载Torque,down即Torque≤Torque,down，再次从高荷载时使用的所述直喷装置(6)切换成使用所述进气管喷射装置(5)。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，如果荷载Torque未达到预定荷载Torque,down即Torque≤Torque,down，再次从高荷载时使用的所述直喷装置(6)切换成使用所述进气管喷射装置(5)。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中只有在荷载Torque未达到预定荷载Torque,down且保持低于所述预定荷载Torque,down预定时间段Δtdown时，再次从高荷载时使用的所述直喷装置(6)切换成使用所述进气管喷射装置(5)。
6.根据权利要求1到4中任一项所述的方法，其中，作为所述内燃机(1)的燃料的所述气体为液化石油气LPG。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，作为所述内燃机(1)的燃料的所述气体为天然气。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，作为所述内燃机(1)的燃料的所述天然气为压缩天然气CNG、或液化天然气LNG。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，作为所述内燃机(1)的燃料的所述气体为氢气H2。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，作为所述内燃机(1)的燃料的所述气体以液态形式通过进气管喷射装置(5)引入所述至少一个进气线路(3)中。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，作为所述内燃机(1)的燃料的所述气体以气态形式通过进气管喷射装置(5)引入所述至少一个进气线路(3)中。
12.一种执行前述权利要求中任一项所述方法的内燃机(1)，其具有至少一个汽缸(2)及向所述至少一个汽缸(2)供应新鲜空气或新鲜燃料-空气混合物的至少一个进气线路(3)，其中，同时设有进气管喷射装置(5)和直喷装置(6)，用于引入作为燃料的气体，所述进气管喷射装置(5)用以将所述气体引入所述至少一个进气线路(3)中而所述直喷装置(6)用以将所述气体引入所述至少一个汽缸(2)中。
13.根据权利要求12所述的内燃机(1)，其中，所述内燃机(1)具有发动机控制器(7)，所述发动机控制器(7)配置为使作为燃料的所述气体通过进气管喷射装置(5)或通过直喷装置(6)根据荷载T引入。
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