CN103726899A - 能够以液态和气态燃料运行的内燃发动机和运行这种内燃发动机的方法 - Google Patents

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Abstract

本申请描述一种用于发动机的系统，所述系统包括用于以第二运行模式喷射气态燃料到发动机汽缸内的直接喷射喷嘴；用于以第一运行模式喷射液态燃料到发动机进气口的进气道喷嘴；和适合于调整进气门打开和关闭正时的配气机构。优选地直接喷射比如压缩天然气的气态燃料到汽缸内，增加了效率并且允许减少对于安装在进气口内的较少使用的液化气燃料喷射器的高温暴露，从而减少了这些喷射器的焦化。

Description

能够以液态和气态燃料运行的内燃发动机和运行这种内燃发动机的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求提交于2012年10月16日的德国专利申请102012218789.8的优先权，其整个内容为了所有目的通过参考被合并。
技术领域
本公开涉及内燃发动机，其能够在第一运行模式中以液态燃料运行并且在第二运行模式中以气态燃料运行。
背景技术
随着越来越严格的排放和效率规定，有越来越多地朝向在内燃发动机中使用替代燃料的推进。在本公开的背景中，词语“内燃发动机”具体包括火花外施点火奥托发动机。在奥托发动机的情况下，例如，不仅作为传统的奥托发动机燃料的汽油而且，例如液化气（LPG-液化石油气）、丙烷/丁烷（其也被称为液化石油气或者天然气（CNG-压缩天然气））、合成甲烷也被用作燃料。氢气（H2）、乙醇或者包含汽油和乙醇的燃料混合物是替代燃料的其他示例。
在形成本公开主题的内燃发动机的情况下，不仅液态燃料（例如传统的奥托发动机燃料）而且气态燃料（例如天然气）均被用作为运行内燃发动机的燃料，其中，在本公开的背景中，当燃料在环境条件下是气态时词语“气态燃料”被使用。
由于不同的燃料具有不同的物理和化学性质，所以内燃发动机可以针对所使用的燃料被特别地设计。在本文中，会需要调整内燃发动机的运行参数（例如点火点和喷射点）。正时、增压、冷却水温度、喷射持续时间、充气空气量和设计参数（例如压缩比）能够被且频繁地被设计以便使用具体燃料运行。被使用的燃料也影响内燃发动机的燃料供给系统的设计配置，特别地，被用于引入燃料的喷射系统的设计配置。
在此引入两种燃料喷射的概念之间的基本区别，即进气道喷射和直接喷射。在进气道喷射的情况下，奥托发动机以基本上均质的燃料-空气混合物运行，其在如下过程中由燃料外部混合物制备，其中在进气系统的所述至少一个进气管路中，燃料被引入到吸入的充气空气内。通过改变汽缸的填充物来改变载荷，例如，通过奥托发动机的常用方法，即质量控制，通常通过被提供在进气管路内的节气门。通过调整节气门，节气门下游的吸入空气的压力能够被更大或者更小程度地降低。节气门被关闭的程度越大，例如，进气管路被越多地阻塞，则节气门上的吸入空气的压力损失越大并且节气门下游的吸入空气在进入汽缸之前的压力越小。对于恒定的燃烧室容积而言，以这种方法可能通过使用吸入空气的压力来调整空气量，例如质量。由于低载荷需要严格地节流和吸入空气的大压降，所以证明这种载荷控制的方法在部分载荷范围是不利地。这导致大的泵送损失。已经提出各种概念，以便降低这些节流损失，例如这些泵送损失。
直接喷射燃料到至少一个汽缸的燃烧室内被认为是一种合适的措施以便即使在奥托发动机的情况下也使内燃发动机减少节流并且使得燃料消耗显著下降。通过直接喷射的方法，可以实现燃烧室分层进气并且因此在特定限制内实现质量控制。而且，利用直接被引入燃烧室的燃料的汽化焓导致内部汽缸的冷却效应，其通过提高压缩比允许进一步地效率提高。
直接喷射的缺点在于：存在相对少的可利用时间来喷射燃料、在燃烧室中可能通过汽化的混合物制备，即燃料的制备、增压空气与燃料的混合和制备的混合物的点火。因此使用直接喷射的奥托循环过程对于混合物形成的变化和偏差明显比使用进气道喷射的奥托斯循环过程更加敏感，特别是在喷射期间和点火期间。
现有技术包括这样的内燃发动机，其中提供了用于引入气态燃料到进气系统的进气道喷射和用于引入液态燃料到至少一个汽缸的直接喷射。这样的能够通过液态或者气态燃料被交替地操作的用于内燃发动机的喷射概念具有大量的缺点，其将在下面简要探索。
不同种类的燃料具有不同等级的抗爆震性，这些由辛烷值RON和MON指示。奥托发动机的压缩比ε，例如至少一个汽缸的压缩比ε，可以因此被设计成针对具有较低抗爆震性的燃料。通常地，液态燃料是有较低抗爆震性的燃料。允许以气态燃料无障碍运行内燃发动机的相对高的压缩比会在以液态燃料运行的情况下导致爆震。由于爆震或者自燃必须被可靠地避免，所以内燃发动机可以被设计成针对具有较低抗爆震性的燃料。
需要注意到在本文中内燃发动机的效率η或多或少与压缩比ε相关联，例如，效率η在较高的压缩比ε时较大而在较低的压缩比ε时较小。内燃发动机必需具有较低的压缩比ε以匹配有较低抗爆震性的事实具有如下影响，即能够使用气态燃料被理论地得到的效率不能被实现，例如，气态燃料的实际效率潜能未被耗尽。
通过进气道喷射的方法引入气态燃料到内燃发动机的进气系统具有影响，该影响为进气系统中的高压气体在排气和再填充进程中在被引入到至少一个汽缸之前和期间膨胀。在通过排气涡轮增压的方法增压的内燃发动机的情况下，特别地，这具有不利地影响，该影响为涡轮增压器可以做额外的体积功以便再压缩已经在进气系统中膨胀的气体。为了引入相同质量的混合物到汽缸中，因此还需要更高的增压压力。
由于内燃发动机优选地以气态燃料运行或者当、一旦及只要气态燃料可用时就以气态燃料运行，所以第二运行模式是优选的运行模式，并且因此该运行模式要被更加频繁地用于内燃发动机的正常运行中。
这具有如下影响，即为了引入液态燃料而被布置在至少一个汽缸的内燃发动机中的喷射装置（例如喷嘴）在相对长的阶段内不被使用。在没有为了燃料喷射而连续使用喷嘴的情况下，通常被由引入的燃料导致的冷却缺乏会导致面对或邻近燃烧室的喷嘴区域的高温。高温能够导致喷嘴的热过载并且还会导致焦化，甚至在氧气不足时喷射燃烧不完全期间有少量燃料被留在喷射装置上的情况下仍如是。
焦化残留物的沉积形成在喷射装置上。一方面，这些焦化残留物能够以不利地方式改变喷射装置的几何结构并且影响或隐藏喷射射流的形成，因此显著地破坏混合物制备。另一方面，在第一操作模式中喷射的燃料被沉积在多孔的焦化残留物内并且如果氧气不足则其经常不完全燃烧，从而形成炭黑，而这会导致微粒排放物的增加。
此外，焦化残留物会由于燃烧室内传播的压力波或射流的动作所造成的例如机械应力而脱离。以此方式脱离的残留物能够导致排气系统的损坏并且例如能够损害排气系统中所配备的排气后处理系统的工作能力。
由于高温，焦化沉积也可以形成在喷嘴内，并且这些不仅能够影响或者隐藏喷射射流的形成和破坏混合物的制备，并且还能够危害整个喷嘴的功能。
上面所描述的影响和作用具有如下影响，即内燃发动机通常可以在第一液态燃料运行模式下被运行以便抵消对喷嘴的损坏或者由于焦化的问题。这对于尽可能频繁地并且尽可能长地在第二气态燃料运行模式下运行内燃发动机运行是不利的。
发明内容
发明者意识到上面描述的缺点并且如下面所描述公开了一种防止焦化残留物的方法。根据本公开，与现有技术相比，当内燃发动机在第二运行模式时气态燃料被直接喷入汽缸内，而如果内燃发动机正在第一运行模式下运行时，液态燃料通过进气道喷射的方法被引入进气系统。
本公开描述一种用于发动机的系统，其包括：用于在第二运行模式下喷射气态燃料到发动机的汽缸内的直接喷射喷嘴；用于在第一运行模式下喷射液态燃料到发动机的进气道内的进气道喷嘴；和适合于调整进气门的打开和关闭正时的配气机构。优先的直接喷射气态燃料（比如压缩天然气）到汽缸内会增加效率并且允许降低暴露在较少使用的被安装在进气道内的液态气体喷射器的热量，从而降低了这些喷射器的焦化。
当单独或与附图一起被参考时，本说明的以上的优点和其他优点以及特征将在下面的具体实施方式中变得明显。
应理解的是，上面的概述是以简化形式被提供以介绍选择性的概念，其将在具体实施方式中被进一步描述。并不旨在指明要求保护的主题的关键或重要特征，其范围只通过具体实施方式后面的权利要求确定。并且，要求保护的主题不局限于解决在本公开在上面或者任何部分中提到的缺点的实施方式。
附图说明
图1示出内燃发动机的一个示例汽缸的图。
图2示出内燃发动机的第一实施例的图。
图3示出一种在第一和第二运行模式之间选择的方法。
图4A-C示出在不同的载荷或者转矩情况下的气门和喷射正时。
具体实施方式
本公开在下面参照附图被更加详细地描述。根据本公开的示例汽缸在图1被示出，其示出了图2所示的分离的燃料箱和喷射系统的概观。图3具体化了一种方法，通过这种方法图1和图2描述的发动机的运行模式可以被选择。图4示出用于在一旦模式已经被确定，则以第一和第二运行模式运行发动机的方法。
图1描绘内燃发动机10的燃烧室或汽缸的示例实施例。发动机10可以接收来自包括控制器12的控制参数和通过输入装置132来自汽车操作者130的输入。在这个示例中，输入装置132包括加速器踏板和用于产生成比例的踏板位置信号PP的踏板位置传感器134。发动机10的汽缸（在此也被称为“燃烧室”）14可以包括燃烧室壁136，其内带有活塞138。活塞138可以被联接到曲轴140以便活塞的往复运动被转化为曲轴的旋转运动。曲轴140可以经由传动系统被联接到客车的至少一个驱动轮。而且，起动机可以通过飞轮被联接到曲轴140以使能发动机10的起动操作。
汽缸14能够通过一系列进气通道142、144和146接收进气。进气通道146可以与发动机10的除了汽缸14以外的其他汽缸连通。在一些实施例中，进气通道中的一个或者更多个可以包括增压装置，比如涡轮增压器或者机械增压器。例如，图1示出了发动机10，其配置有涡轮增压器，包括布置在进气通道142与144之间的压缩器12和沿着排气通道148布置的排气涡轮176。压缩器174可以至少部分地由排气涡轮176经由轴180驱动，其中增压装置被配置为涡轮增压器。然而，在其他的示例中，比如发动机10具有机械增压器的情况下，排气涡轮176可以选择地被省略，其中压缩器174可以由来自马达或者发动机的机械输入驱动。包括节流板164的节气门20可以被提供在沿着发动机的进气通道以改变提供到发动机汽缸的进气空气的流速和/或压力。例如，节气门20可以被置于如图1所示的压缩器174的下游，或者可替代地可以被提供在压缩器174的上游。
其中提供至少一个增压装置的内燃发动机的实施例是有利的。
特别地，有利的是，其中提供至少一个包括布置在进气系统内的压缩器的排气涡轮增压器的内燃发动机的实施例。相关联的涡轮被布置在排气系统中。
例如，与机械增压器相比，排气涡轮增压器的优点在于不需要有用于在增压器与内燃发动机之间的动力传递的机械联接。然而，机械增压器从内燃发动机汲取驱动其所需的能量并且因此减少提供的动力并且以这种方式对于效率具有不利影响，排气涡轮增压器使用热排气的排气能量。
增压内燃发动机优选地安装有增压空气冷却系统，借助于该系统，压缩的增压空气在进入汽缸之前被冷却。这增加了进入的增压空气的密度。以这种方法，冷却有助于压缩并且有助于增加汽缸的填充。有利的是，安装有旁路管路的增压空气冷却器以便能够当需要时（例如冷起动之后）绕过增压空气冷却器。
增压是提高内燃发动机的功率且同时保持扫气容积不变或对于相同的功率减小容积排量的合适的方法。任何一种情况下，增压导致每单位体积的功率增加并且导致更加有利的功率-质量比。给定的相同的车辆边界条件，则载荷总体能够因此被转向更高的载荷，在这种情况下比燃料消耗更低。
设计涡轮增压系统的基本目的是为了得到所有发动机转速范围内的功率增加。通常，当发动机转矩下降至低于某个水平时，严重的转矩下降被观察到。增压内燃发动机的转矩特性能够通过各种措施被提高，例如，通过提供被并行和/或串行布置的多个增压器、排气涡轮增压器和/或机械增压器。
排气通道148可以接收来自发动机10的除了汽缸14以外的其他汽缸的排气。排气氧传感器128被示出联接至排放控制装置178上游的排气通道148。传感器128可以被从各种合适的传感器中选择以提供对排气空气-燃料比的指示，例如线性氧传感器或者UGEO（通用或宽域排气氧传感器）、双态氧传感器或者EGO（如所示）、HEGO（加热的EGO）、NOx、HC或者CO传感器。排放控制装置178可以是三元催化转化器（TWC）、NOx捕集器、各种其他的排放控制装置或者其组合。
有利的内燃发动机的实施例是，其中至少一个排气后处理系统被提供在排气系统中；例如，氧化催化剂、三元催化剂、存储催化剂、选择性催化剂和/或微粒过滤器。
排气温度可以由一个或者更多个位于排气通道148内的温度传感器（未示出）测量。可替代地，可以根据发动机工况，比如转速、载荷、空气-燃料比（AFR）、点火延迟等，来推断排气温度。而且，排气温度可以由一个或者更多个排气氧传感器128计算。可以理解排气温度可以替代地由在此列出的任何温度估计方法的组合被估计。
发动机10的每个汽缸可以包括一个或者更多个进气门和一个或者更多个排气门。例如，汽缸14被示出包括位于汽缸14的上部区域的至少一个进气提升阀150和至少一个排气提升阀156。在一些实施例中，发动机10的每个汽缸（包括汽缸14）可以包括位于汽缸的上部区域的至少两个进气提升阀和至少两个排气提升阀。
进气门150可以由控制器12通过凸轮致动经由凸轮致动系统151控制。相似地，排气门156可以由控制器12经由凸轮致动系统153控制。凸轮致动系统151和153可以各自包括一个或者更多个凸轮并且可以使用一个或者更多个配气机构，包括凸轮廓线变换系统（CPS）、可变凸轮正时（VCT）、可变气门正时（VVT）和/或可变气门升程（VVL）系统，其可以由控制器12操作以改变气门操作。这样的配气机构可以能够与气门打开正时独立地来改变气门的关闭正时，并且反之亦然。进气门150和排气门156的操作可以由气门位置传感器（未示出）和/或分别由凸轮轴位置传感器155和157的位置被确定。在可替代的实施例中，进气和/或排气门可以由电子气门致动控制。例如，汽缸14可以替代地包括由电子气门致动控制的进气门和由包括CPS和/或VCT系统的凸轮致动控制的排气门。仍然在其他的实施例中，进气和排气门可以由公共气门致动器或者致动系统，或者由可变气门正时致动器或致动系统控制。凸轮正时可以被调整（通过提前或者延迟VCT系统）以便与EGR流相协调地调整发动机稀释，由此降低EGR瞬变并且提高发动机性能。
有利的是，内燃发动机的实施例中，配气机构包括用于至少一个进口的至少一个进气门以及用于致动所述至少一个进气门的气门致动装置，配气机构被实现为以使得能够改变所述至少一个进气门关闭时的时间的方式来是可调的。
一种这样的配气机构是，例如，由BMW制造的VALVETRONIC配气机构，如在Motortechnische Zeitung（发动机技术杂志）2001年卷6第18页中所述。在这种配气机构中，进气门的关闭正时和进气门升程能够被改变。无节气门（dethrottled）和因此的低损耗载荷控制因此成为可能。这里，在进气过程期间流入燃烧室的混合物的质量或增压空气的质量不通过如在常规的奥托发动机中布置在进气区段内的节气门被控制，例如计量，而是通过进气门升程和进气门打开持续时间被测量。
仅进气门的关闭正时能够被改变的仅部分可变的配气机构不仅能够用于使得内燃发动机没有节气门并且能够被用以改变至少一个汽缸的有效压缩比ε并且因此适应对应燃料的压缩比或者其抗爆震性。
在此背景中，有利的是，在内燃发动机的实施例中，配气机构被实现成以如下方式是可调整的，即至少一个进气门的关闭时的时间能够被改变而不改变所述进气门打开时的时间。
汽缸14能够具有压缩比，其为当活塞138在下止点与在上止点的容积比。通常地，该压缩比在9:1到10:1的范围内。然而，在使用不同的燃料的一些示例中，该压缩比可以被增大。例如，当更高的辛烷燃料或者带有更高的汽化潜热焓的燃料被使用时这会发生。如果直接喷射被使用则压缩比也会增加，这是由于其对发动机爆震的影响。
在一些实施例中，发动机10的每个汽缸可以包括用于引发燃烧的火花塞192。在选择的运行模式下，点火系统190能够响应来自控制器12的点火提前信号SA经由火花塞192提供点火火花到燃烧室14。但是，在一些实施例中，火花塞192可以被省略，比如当发动机10可以通过自动点火或者可以是在一些柴油机的情况下通过燃料喷射而引发燃烧。
在一个非限制性示例中，汽缸14被示出，其包括一个燃料喷射器166。燃料喷射器166被示为直接联接到汽缸14以向其内以与从控制器12经由电子驱动器168接收的信号脉冲宽度FPW成比例地直接喷射燃料。以这种方式，燃料喷射器166提供被称为直接喷射（此后也被称为“DI”）的燃料到燃烧汽缸14内。虽然图1示出燃料喷射器166为侧燃料喷射器，不过其也可以位于活塞的顶部，比如接近火花塞192的位置。发动机也可以装有进气道喷射器152。燃料可以从包括燃料箱、燃料泵和燃料轨的高压燃料系统8被输送到燃料喷射器166和进气道喷射器152。燃料系统8可以包括用于液态和气态燃料的分离的燃料箱，如图2所示，其可以单独地供给直接喷射系统166和进气道喷射系统152。可替代地，燃料可以被单级燃料泵以较低的压力输送，在这种情况下直接燃料喷射正时在压缩冲程期间会比在高压燃料系统被使用时更加受限。而且，虽然未示出，燃料箱可以具有提供信号到控制器12的压力换能器。将理解，在可替代的实施例中，喷射器166可以是进气道喷射器，其提供燃料到汽缸14上游的进气道内。
除了燃料箱、喷射器和用于输送燃料且用于产生必要的喷射压力的燃料泵之外，用于带有进气道喷射的发动机的燃料供给系统的主要部件还包括燃料供给管路，其使得各种部件互相联接并且更具体地从燃料箱延伸至喷嘴。
用于直喷式内燃发动机的燃料供给系统不仅具有实际的低压燃料泵而且具有第二燃料泵，即高压燃料泵。虽然高压燃料泵确保了需要的高的喷射压力，但是实际的燃料泵用作“首要泵”以填充高压泵。高压泵需要额外的驱动动力，其必须由内燃发动机提供，从而降低了有效效率。在根据本公开的内燃发动机中，由于液态燃料被注入进气管内，为此上面被称为首要泵的燃料泵是足够的，所以这个高压泵能够被省略。气态燃料通过使用在汽燃料箱中占优势的压力而被直接喷入汽缸内。
如上面所描述，图1示出多汽缸发动机的一个汽缸。同样的，每个汽缸可以相似地包括其自身的一组进气/排气门、燃料喷射器、火花塞等。
虽然未示出，不过将理解发动机可以进一步包括一个或者更多个排气再循环通道，其用于将至少一部分排气从发动机排气输送到发动机进气。同样地，通过再循环一些排气，发动机稀释可以被影响，这可以通过降低发动机爆震、汽缸燃烧峰值温度和压力、节流损失和NOx排放物来提高发动机性能。所述一个或者更多个EGR通道可以包括联接在涡轮增压器压缩器上游的发动机进气与涡轮下游的发动机排气之间的且被配置成提供低压（LP）EGR的LP-EGR通道。所述一个或者更多个EGR通道可以进一步包括被联接在压缩器下游的发动机进气与涡轮上游的发动机排气之间的且被配置成提供高压（HP）EGR的HP-EGR。在一个示例中，在比如不存在由涡轮增压器提供的增压的条件下，HP-RGR流可以被提供，而在比如涡轮增压器增压存在期间和/或当排气温度高于阈值时，LP-EGR流可以被提供。流经LP-EGR通道的LP-EGR流可以经由LP-EGR阀被调整而流经HP-EGR通道的HP-EGR流可以经由HP-EGR阀（未示出）被调整。
控制器12在图1中被示为微型计算机，其包括：微处理器单元102、输入/输出端口104、用于可执行程序和校准值的电子存储媒介（在这个特定的示例中被示为只读存储芯片106）、随机存取存储器108、保活存储器110和数据总线。控制器12可以接收来自联接至发动机10的传感器的各种信号，除了前面讨论的那些信号之外，还包括：来自质量空气流量传感器120的进入的质量空气流量（MAF）的测量；来自与冷却套管114联接的温度传感器116的发动机冷却剂温度（ECT）；来自连接至曲轴140的霍尔效应传感器120（或者其他类型）的表面点火感测信号（PIP）；来自节气门位置传感器的节气门位置（TP）；以及来自传感器124的歧管绝对压力信号（MAP）。发动机转速信号RPM可以由控制器12从PIP信号产生。来自歧管压力传感器的歧管压力信号MAP可以被用于提供在进气歧管内的真空度或者压力的指示。还有其他的传感器可以包括联接到燃料系统的燃料箱的燃料油面传感器和燃料成分传感器。
存储介质只读存储器110能够被编程有计算机可读数据表示的指令，可由处理器106执行该指令用于执行上述方法以及可以预期的但没有具体列出的其它变形。
现在转到图2，一种内燃发动机的实施例被示出，其能够以液态燃料或者以气态燃料被运行。这是三缸直列式发动机，其中三个汽缸14沿着汽缸盖的纵向轴线被布置，例如成一直线。
排气管路148被提供以用于通过排气系统4a排出热的排气，并且进气管路144被提供以用于经由进气系统3供给三个汽缸14增压空气或者新鲜的混合物。在进气管路144内提供节气门80以调整载荷，该节气门80借助于发动机控制器来经受开环或者闭环控制（未示出）。
为了增压的目的，内燃发动机1装备有排气涡轮增压器174，其带有被布置在排气系统4a的排气管路148内的涡轮176和被布置在进气系统3的进气管路144内的排气涡轮增压器7的压缩器176。被供给到内燃发动机10的增压空气在压缩器176内被压缩，为了这个目的，排气的焓被用于涡轮174内。
为了直接引入气态燃料到汽缸14内，例如，为了形成直接喷射系统166，每个汽缸14装备有分层喷射器，其借助于发动机控制器被激活，例如被控制（未示出）。喷入的气体质量被使用来设置空气比例λ。
内燃发动机10进一步装备有进气道喷射系统152以用于引入液态燃料到进气系统3内，借助于此，液态燃料被引入汽缸14上游的进气管路144内。喷射的燃料质量被再次使用来设置空气比例λ。单独的燃料箱5、6被提供以分别存储气态燃料和液态燃料。
根据本公开的发动机可以在第一运行模式以液态燃料运行并且在第二运行模式以气态燃料运行，并且其中所述至少一个汽缸具有至少一个进口，进气管路被连接到进口以经由包括直接喷射系统和进气道喷射系统的进气系统馈送增压空气，其中该直接喷射系统被提供将气态燃料引入到所述至少一个汽缸，并且该进气道喷射系统被提供以引入液态燃料到进气系统内。
根据本公开，与之前的技术相对比，当内燃发动机在第二运行模式时，气态燃料被直接喷入汽缸内，而如果内燃发动机正在第一运行模式，则液态燃料借助于进气道喷射被引入进气系统。
根据本公开的喷射概念同时具有几个优点。一方面，液态燃料的进气道喷射具有如下优点，即为了引入液态燃料必需被提供的喷射装置不再暴露在燃烧室内所存在的高温下。喷射装置的热过载（例如过热）的风险，特别是在内燃发动机的第二运行模式期间不使用冷却以及期间由于缺乏冷却而导致的热风险，将不再存在。通过将喷射装置布置在所述至少一个汽缸的上游的进气系统区域内，可以减轻关于喷射装置焦化的问题。
另一方面，液态燃料在第一运行模式的进气道喷射使得发动机能够尽可能频繁并且尽可能长时间地例如尽可能广泛地在优选的第二运行模式下被运行。内燃发动机能够以气态燃料以不受约束的方式被运行而没有喷射装置过热或焦化的风险。
而且，气态燃料直接喷射到所述至少一个汽缸内具有如下影响，即由于内燃发动机或者汽缸的几何压缩比ε能够针对气态燃料被设计并因此针对有更高抗爆震性的燃料被设计，气态燃料的效率潜能能够被完全利用和开发，并且同时，能够设想并提出使得第一运行模式中的压缩比能够与液态燃料或其抗震性相匹配的措施。
如下面将被结合内燃发动机的优选的实施例所描述的，通过改变几何压缩比和通过调整例如改变有效压缩比，压缩比ε能够被调整，例如被改变。
由于气态燃料被直接喷入所述至少一个汽缸中这一事实，如果例如汽缸的进气侧在气态燃料被引入汽缸之前关闭，则高压气体的膨胀，尤其是膨胀到进气系统内，能够被减弱或者阻止。高压气体在汽缸内膨胀，并且以此方式，其辅助混合物的形成和混合物的制备。在内燃发动机带有排气涡轮增压的情况下，根据现有技术必需由涡轮增压器执行的额外的体积功因此被省去。
通过根据本公开的内燃发动机，本公开的第一部分目标被获得，例如，提供的内燃发动机关于其操作特性被优化，并且借助于该内燃发动机，能够消除现有技术已知的问题和缺点。
现在转到图3，描述了一种选择运行模式的方法。方法300在302开始，其中发动机运行参数被估计和/或被测量。该方法前进至304，其中确定载荷或转矩是否低于阈值。该阈值可以是基于发动机工况，比如空气-燃料比或者发动机转速，以得到特定的载荷或者转矩输出。而且，在汽缸内的有效压缩比可变的实施例中，随着EGR率或者涡轮增压器比率的压缩比可以被考虑以用于针对给定设置或参数来确定阈值载荷或者转矩请求。例如，带有特定参数和转矩阈值的伴随载荷的查询表可以被保存在只读存储器110内。
如果载荷或者转矩请求低于阈值（是），则该方法前进至306，其中发动机在第二运行模式运行并且气态燃料被直接喷入汽缸内（见图4A）。如果载荷或者转矩请求没有低于阈值（否），则该方法前进至308，其中估计适应增加的燃料喷射所需的进气门关闭提前（见图4B）。燃料质量可以随载荷或转矩请求而增加。由于在进气门关闭之后气态燃料被喷射，所以进气门关闭可以被提前以便允许增加喷射持续时间。
在310处，确定进气门关闭提前是否小于预定极限。因为进气门关闭提前以适应对应于增加的载荷或扭矩请求的增加的喷射持续时间，所以存在一点，在该点处进气门关闭不会进一步提前，因为空气进气将会受到不良影响。这点可以是进气门关闭提前的预定极限。此外，燃料喷射可以没有延伸超过压缩冲程内的某时间，这是因为在点火前可能没有产生空气和燃料的适度混合的时间。如果进气门关闭提前小于极限（是），则该方法前进至312，其中通过使用参照图1中的151所描述的配气机构来提前进气门关闭，并且气态燃料在第二运行模式被直接喷入汽缸内。
如果在310，如果进气门关闭没有被提前超过极限（否），则该方法前进至314。在314，在第一运行模式，液态燃料经由进气道喷射被喷射（见图4C，带有可选的附加的气态喷射）。该方法随后返回。
现在转到图4A-C，气门开度和燃料喷射的示意图被示出。在图4A的示例中，载荷或转矩请求低于阈值。低于载荷或者转矩请求阈值的发动机可以在第二运行模式运行。
在图4B中，载荷或者转矩请求超过阈值并且进气门关闭被提前以补偿增加的喷射持续时间。在这种情况下，在第二运行模式下气态燃料直接喷射到汽缸内可以不负面地影响空气进气并且可以仍然落入气态燃料喷射窗口内。
在图4C中，载荷或者转矩请求已经达到一个点，在该点处进气门关闭已经被提前至其极限并且不可以进一步被提前而不负面影响空气进气，并且因此燃烧。在这个点，发动机转换至第一运行模式并且液态燃料在液态燃料喷射窗口期间被喷入发动机的进气道。
由于内燃发动机被优选地以气态燃料运行，或者在当、一旦和只要气态燃料可用时以气态燃料运行，所以第二运行模式是优选的运行模式，并且因此是在内燃发动机正常运行时将被更加频繁地使用的运行模式。
实际上，通常通过针对一方面直接喷射且另一方面进气道喷射来使用不同映射，来影响喷射方法之间的转换。特别地，该转换可以与点火点或者喷射开始点的改变相关联，也与喷射持续时间的调整相关联。
有利的是，在内燃发动机的实施例中所述至少一个汽缸内的压缩比ε能够被改变。
可变压缩比ε允许压缩比ε适应相应的燃料并且因此在一方面，允许内燃发动机以更高的压缩比运行以便能够完全利用气态燃料的效率潜能，且另一方面，允许内燃发动机以较低的压缩比运行以便可靠地防止当使用具有较低抗爆震性的液态燃料时的爆震燃烧。
有利的是，在内燃发动机的实施例中下面的公式被用于所述至少一个汽缸内的压缩比ε，至少在第二运行模式时：10<ε<16。
特别地，有利的是，在内燃发动机的实施例中下面的公式被应用于所述至少一个汽缸内的压缩比ε，至少在第二运行模式时：11<ε<15，优选地12<ε<14。
有利的是，在内燃发动机的实施例中下面的公式被应用于所述至少一个汽缸内的压缩比ε，至少在第二运行模式时：13<ε<16。
关于上面的实施例，需要考虑到，内燃发动机的效率η与压缩比ε相关联，例如，随着压缩比ε变大，效率η同样增大。对于效率η，尽可能高的压缩比ε是有利的。
有利的是，在内燃发动机的实施例中所述至少一个汽缸的几何压缩比ε能够被改变。通过使用可变配气机构改变所述至少一个进气门打开和关闭的时间，所述压缩比可以被改变。在一些实施例中，改变进气门打开持续时间可以包括与进气门打开时间独立地调整进气门关闭时间。
特别当内燃发动机运行时，能够借助于大量不同的概念来改变压缩比ε。
一种得到可变压缩比ε的方法包括使得连接杆实现为两部分式连接杆。在这里，连接杆包括被以铰接的方式联接到活塞的上连接杆和被以铰接的方式联接到曲轴的下连接杆，上连接杆和下连接杆同样地以铰接的方式被互相联接以便以此方式使其能够相对于彼此旋转。通过相对于彼此枢转该两部分式连接杆来改变连接杆的长度。这里，借助于以铰接的方式联接到上连接杆并且被可旋转地安装到曲轴箱内的偏心轴上的连杆来调节压缩比ε。通过转动偏心轴，其导致活塞下止点变化，从而压缩比能够在宽的范围内改变，例如，在εmin≈8且εmax≈15之间。
另一种获得可变压缩比ε的方法包括在偏心套管内支撑曲轴。通过转动偏心套管来改变曲轴相对于汽缸盖的位置，从而导致几何压缩比的改变。
有利的是如下概念，即偏心套管被提供在小的或者大的连接杆销眼内以作为轴承组件的中间元件。偏心套管能够被转动，例如，能够在不同工作位置之间逐步转换，且伴随有在偏心套管不同的工作位置所获得的不同的活塞下止点位置所导致的不同压缩比ε。
同样有利的是，内燃发动机的实施例中所述至少一个汽缸的有效压缩比ε能够被改变。
如联系前面的实施例将变得明显，几何压缩比ε的改变能够是十分棘手并且复杂的并因此也是昂贵的。因此有利的是，不改变几何压缩比而改变有效压缩比，例如，以便适应当前被使用的燃料的抗爆震性。
如已经提到的，这能够通过例如改变至少一个进气门的关闭时间来实现，其中关闭时间的提前或者延迟都能够通过减小有效扫气容积来保证压缩比的减少或者能够被用于减小压缩比。
在进气门侧上具有可变配气机构（借助于此，所述至少一个进气门的关闭时间能够被改变）的内燃发动机的情况下，有利的是，方法变体中所述至少一个进气们的关闭时间被改变以便改变所述至少一个汽缸的有效压缩比ε。
在进气门侧上具有可变配气机构（借助于此，所述至少一个进气门的关闭时间能够被改变）的内燃发动机的情况下，有利的是，方法变体中所述至少一个进气门的关闭时间被改变以便使得内燃发动机无节气门。
在此背景中，有利的是，在所述方法的实施例中所述至少一个进气门的关闭时间被延迟以便减小所述至少一个汽缸的有效压缩比ε和/或使得内燃发动机无节气门。
然而，同样能够有利的是，在所述方法的实施例中所述至少一个进气门的关闭时间被提前以便减少所述至少一个汽缸的有效压缩比ε和/或使得内燃发动机无节气门。
有利的是，方法变体中天然气被用作内燃发动机的气态燃料。
有利的是，在所述方法的实施例中通过使用气态燃料箱内存在的压力借助于直接喷射，被用作内燃发动机气态燃料的气体以气相被引入到所述至少一个汽缸内。
与进气道喷射相对比，如果涡轮增压器只需要压缩用于汽缸的新鲜充气所需的增压空气，并且气态燃料仅在进气已经被关闭之后被喷射或者吹入，则直接喷射气体到所述至少一个汽缸内在最大可用功率方面具有根本的优势。
尽管如此，不过同样有利的是，方法的实施例中借助于直接喷射，用作内燃发动机气态燃料的气体被以液相引入到所述至少一个汽缸内。
在这种情况下，在燃料汽化期间从混合物额外地汲取热量。这对于爆震敏感度并且因此对于要设置的点火点具有有利的影响，由此使其可能增加可用效率。
注意本文包括的示例控制和估计程序可以在各种发动机和/或汽车系统构造中使用。这里公开的控制方法和程序可以被存储作为非瞬态存储器中的可执行指令。本文描述的具体程序可代表任何数目的处理策略中的一个或更多个，诸如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等。因此，阐明的各种动作、操作和/或功能可以所阐明的顺序、并行或者在一些情况下被省略地执行。同样地，处理的顺序不是达到示例实施例中的特征和优点所必须的，只是便于示出和说明。所示动作、操作和/或功能中的一个或更多可以根据所使用具体的策略而重复地执行。并且，所说明的动作、操作和/或功能可图形地表示有待被编入发动机控制系统中的计算机可读存储介质的非瞬态存储器中的代码。
将理解本文公开的构造和程序本质上是示例性的，并且这些特定的实施例不在限制意义上考虑，因为许多变体是可能的。比如上面的技术可以应用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4以及其他发动机类型。本公开的主题包括本文公开的各种系统和配置以及其他特征、功能和/或性质的所有新颖和非显而易见的组合和子组合。
下面的权利要求特别指出了被认为新颖和非显而易见的某些组合和子组合。这些权利要求可涉及“一个”元件或“第一”元件或其等效物。这种权利要求应理解为包括一个或者更多这样的元件的结合，既不要求也不排除两个或者更多这样的元件。公开的特征、功能、元件和/或性能的其他的组合和子组合可通过修改当前权利要求或者在这个或者相关应用的新的权利要求的提出而被保护。这些权利要求，无论比原来的权利要求的范围更宽、更窄、等同或者不同，也被视为包括在现在公开的主题内。

Claims (20)

1.一种内燃发动机，所述内燃发动机包括：
至少一个汽缸；
至少一个进口；
用于以第二运行模式引入气态燃料到所述至少一个汽缸的直接喷射系统；以及
用于以第一运行模式引入液态燃料到进气系统的进气道喷射。
2.根据权利要求1所述的内燃发动机，进一步包括配气机构，所述配气机构包括用于所述至少一个进口的至少一个进气门和用于致动所述至少一个进气门的气门致动装置。
3.根据权利要求2所述的内燃发动机，其中所述配气机构能够调整所述至少一个进气门关闭的时间。
4.根据权利要求2所述的内燃发动机，其中所述配气机构能够调整所述至少一个进气门关闭的时间而不改变所述至少一个进气门打开的时间。
5.根据权利要求1所述的内燃发动机，进一步包括能够被改变的所述至少一个汽缸的压缩比。
6.根据权利要求5所的述内燃发动机，其中通过改变所述至少一个进气门打开和关闭的时间改变所述压缩比。
7.根据权利要求5所述的内燃发动机，其中所述压缩比介于10和16之间。
8.根据权利要求5所述的内燃发动机，其中所述压缩比介于11和15之间。
9.根据权利要求5所述的内燃发动机，其中所述压缩比介于12和14之间。
10.根据权利要求1所述的内燃发动机，进一步包括至少一个排气涡轮增压器。
11.一种运行内燃发动机的方法，该方法包括：
在第二运行模式，在气态燃料被引入所述至少一个汽缸之前，关闭至少一个汽缸的至少一个进口；和
在第一运行模式，在液态燃料被喷入所述至少一个汽缸的进气口内时，保持所述至少一个汽缸的所述至少一个进口打开。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括使用可变配气机构改变进气门打开持续时间。
13.根据权利要求11所述的方法，其中改变进气门打开持续时间包括调整进气门关闭时间。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述至少一个进气门的关闭时间被延迟以减小所述至少一个汽缸的压缩比。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述至少一个进气门的关闭时间被提前以减小所述至少一个汽缸的压缩比。
16.根据权利要求11所述的方法，进一步包括使用天然气作为用于所述内燃发动机的所述气态燃料。
17.一种系统，包括：
直接喷射喷嘴，其用于以第二运行模式喷射气态燃料到发动机汽缸内；
进气道喷射喷嘴，其用于以第一运行模式喷射液态燃料到所述发动机的进气口内；
适合于调整进气门的打开和关闭的正时的配气机构；和
涡轮增压器；和
控制器，其包括根据进气门正时提前何时达到阈值，从所述第二运行模式调整至所述第一运行模式的指令。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述气态燃料包括压缩天然气。
19.根据权利要求17所述的系统，其中所述液态燃料包括液化石油气。
20.根据权利要求17所述的系统，其中所述指令进一步包括只有在载荷或者转矩请求超过预定阈值且进气门关闭提前超过极限气门时，转换至所述第一运行模式的指令。
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