CN1042455C - 内燃机的改进 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种操作内燃机的方法，它将一定量的碳氢化合物燃料和氢气引入发动机的燃烧室中。燃烧室中设有点火装置，而氢气的喷入既相应于燃料的喷射又相应于点火装置的点火来定时，以便在点火装置点火时在点火装置处形成可点燃的混合气。

Description

内燃机的改进
本发明涉及内燃机的燃烧过程，特别是关于对降低排气污染水平和/或改善燃烧稳定性的过程的提高和/或其它燃烧过程的提高。
所有的工业化国家目前都有关于车辆排污水平的规定，特别是对于乘用车辆。权力机关正在制定进一步降低许可的污染标准，从而增加了更进一步控制内燃机燃烧过程的需求。有关排污控制规定采用了一套测试程序，其中从低到中负载时的发动机的工况是一重要的因素，但是，在这些发动机的工作区域内燃烧过程是很难控制的。
在发动机从低到中的工作范围里，燃油的消耗率是这样的，即，在燃烧室充入的空气中的燃料分布最好是自燃分层的，以便在点火装置的附近形成浓混合气从而提供可靠的点燃。分层分布燃料的形成在燃料先于空气进入燃烧室前喷入空气中是很难实现的，特别是在相应于发动机循环的时刻必须将燃烧喷入进气中，以在进气阀关闭前确保所有燃料到达燃烧室中。因而，燃料在进气系统和燃烧室两者中的分散，是在进气阀关闭的前后的一段时间内进行的。
通过在出口上游一个小的距离位置处将燃油喷入进气中来确立分层进气在某种程度上已获得成功。它可让燃料较晚喷射并限制燃料可在进气中扩散的时间。再有，通过直接将燃料喷入燃烧室来得以改善。然而，这又会导致进一步的问题，即燃料必须以接近音速喷射来获得所需的燃烧雾化程度，而且高的速度也会导致燃烧在燃烧室中的大量分散。
人们也曾提出让一种点火增强物质引入燃料/空气中从而帮助燃料初期引燃。氢气是用于将该方法的优选增强物质，但是由于它的高扩散率，均比氧气快十倍，因而大量的氢气会被消耗掉，特别是在其供入燃烧室之前就将燃料和氢气引入进气中时。同样，因实用原因则需要在车辆中产生氢气，而不是主要由预先装有制备的氢气的储存器来供应。因而大量的氢气消耗需要车载氢气发生能力，这既消耗能量又占据车辆的空间且增加重量。
人们同样知道其他特定物质引入发动机燃烧室中的燃料/空气里也可以有助于燃烧过程的安排。再有，应当了解到，这些物质中某些的效果是与该物质在燃料/空气混合气中的位置有关的，诸如在燃烧室壁处、进入燃烧室的燃料入口处、火花塞或类似的点火器处，或者在排气口处。因而，将这些物质在发动机的特殊工况下供入燃烧室的特定部位不仅有助于提高性能，而且减小了所选择的物质的消耗量，从而提高了使用所选择的物质的效用。关于“物质”一词，可被理解成包括特殊元素，两种或更多元素的复合物，或者元素和/或复合物的混合物。
因此，本发明的目的是提供一种操作内燃机的方法，其中燃料/空气进气燃烧的控制被加强，以既有效又经济的方式帮助车辆控制排污和/或改善燃烧稳定性和/或实现其他对燃烧过程的提高。
根据上述目的，本发明提供了一种操作内燃机的方法，包括在发动机的整个工作负载范围内在空气的夹带下将一部分燃料直接喷入发动机的燃烧室中，其特征在于，在发动机工作负载范围至少一个特定部分内，将一部分扩散率高于所述燃料的燃烧控制物质以与所述燃料的喷射相关的定时喷入燃烧室中，使得在燃烧室中的特定位置获得一燃烧控制物质的特定分布。
控制物质的喷射最好也相应于燃料的点火而定时。
控制物质可以是一种点火增强剂，其中特定位置是指燃烧室中邻近点火装置的周围，从而可以增强燃烧室中燃料/空气混合气的可点燃能力。该改善了的可点燃能力在燃料/空气混合气是稀薄和/或分层的，对发动机在低负载下工作非常有利。
在其他情况下也可以在与燃烧室周壁相邻位置喷入控制物质，例如帮助碳氢化合物氧化的氧化剂，或者带有水或氨的敲缸抑制剂，控制物质也可以是一种增高燃料辛烷值以控制敲缸的添加剂。
更准确地说，本发明提供了一个操作内燃机的方法，它包括将相应量的燃料和点火增强物质喷入发动机的燃烧室中，该燃烧室具有位于其中可有选择地操作的点火装置，其特征是所述点火增强物质是相对于燃料喷入的一定时刻直接喷入所述燃烧室的，最好在点火装置工作时在点火装置处形成增强了的可燃混合气。
燃料最好是碳氢燃料，且最好燃料是既可独立地直喷入燃烧室中，又可与点火增强物质一起喷入。同样，燃烧控制物根据发动机的工况，诸如发动机负载和/或速度和/或供给发动机的燃油消耗来计量。燃烧控制物最好只在发动机工作于特定负载和/或速度范围时喷入燃烧室中，诸如在发动机低到中负载范围内。
燃烧控制物最好在气体如空气的夹带下以单独或者与燃料结合的方式喷入燃烧室中。
控制物可以与空气混合的形式喷入燃烧室中。
在一替代方案中，控制物喷入装置可设置成将控制物送入燃料喷射装置的形式，从而使控制物与燃料均由空气夹带在一起喷入燃烧室中。
在另一替代方案中，控制物质喷入装置单独且直接向燃烧室喷射。然而，控制物喷入装置是以相应于燃料喷射装置的动作定时而动作的，并由与燃料喷射装置相同的适当作动机构驱动动作。
控制物质喷入装置需要设置计量装置来计量喷入燃烧喷射装置或燃烧室中控制物的量。这种计量装置可以根据发动机的工况而操作，诸如发动机负载和/或速度和/或相应于向发动机的供油率。该控制物喷入装置最好仅在发动机处于特定负载和/或速度范围时喷射，例如在发动机低到中负载范围内。控制物喷入装置仅在维持发动机工况的相应时刻或循环喷入。
控制物最好是氢气，且喷射装置将氢气喷到燃烧室中的点火装置附近，例如通过一位于缸盖上与点火装置相邻的喷嘴，而且可以与点火装置结合或安装在点火装置在点火装置的电极处，对着氢气流。
在空气由压缩机压入燃料喷射装置的情况下，氢气喷射装置可以将氢气在压缩机的入口或出口一侧供入空气中。在使用了燃烧空气/燃料管路的情况下，将氢气引入高压空气所带来的问题因使用了该装置而被避免。
氢气与燃料向燃烧室的引入可以导致内燃机操作上的一系列优点。这些优点从因氢气的引入并且与之一起进入燃烧室而得以改善的燃料/空气混合气的点火能力上来显现。下面是其中一些优点：
1、空燃比对于进气的点燃能力的影响降低，在点火装置处空燃比高达40∶1或低至5∶1的进气也能被接受。
2、排气中所含的碳氢化合物(HC)与CO被降低。
3、由于混合气的可点燃能力的改善，从而实现了低温工作下对发动机稳定性的改善。
4、不需要选择由点火能力支配的点火正时，并因而使点火提前量设定为量小以获得最佳扭矩(MBT)。该点火设定也有助于减少NOx及改善油耗。
5、氢气的利用也被发现可以对减小污染的废气再循环(EGR)起到重要作用。废气再循环(EGR)方法已在我们的共同在先申请，澳大利亚专利申请NO.PL6639号中公开。
由于本发明能够将氢气直接喷入燃烧室中，这种喷射过程最好独立于燃料的喷射，因而人们发现，只需要很小量的氢气便可实现所需的燃料/空气混合气的点燃能力的改善，甚至是在分层进气发动机中。燃烧过程的显著改善仅需要相应于燃料进气的2％的氢气喷入就可实现。这与现有技术中称在将氢气引入进入燃烧室前的进气中时需要10％或更多的氢气以获得同样的燃烧过程的改善成了鲜明对照。本发明的很低的氢气使用量可以增加将产生足够量氢气的非常经济的装置随车设置的可能性，或许还可用压缩催化剂法。
从本发明对几个控制氢气供入发动机燃烧室的实施例的说明，对照附图将更容易得到理解。应当了解，虽然下述参照附图的描述是特别关于将氢气喷入燃烧室的，但是，同样的通用结构也可以用来将其他燃烧控制物喷入燃烧室中，并且直接将控制物喷到燃烧室中的适当位置。
图中：
图1是带有供氢装置的燃油喷射器喷嘴的侧视剖视图；
图2是表示图1中所述阀茎的扩大部分的几何示意剖视图；
图3是带有一种供氢装置的燃油喷射器喷嘴的侧视剖视图；
图4是带有另一种结构的供氢装置的燃油喷射器喷嘴的侧视剖视图；
图5是带有再一种结构的供氢装置的燃油喷射器喷嘴的侧视剖视图。
现参见图1，带有供氢装置的燃油喷嘴结构包括：一个在其下部末端具有一出口11的中空圆柱体10，以及一安装于阀茎13上的阀体12。阀体12设置成可移动地打开及关闭出口11的形式，以喷射燃料/空气混合气。阀件12打开及关闭出口11的运动通常由现有燃料喷射技术中公知的在ECU控制下的某种激磁线圈实现。
喷嘴体10在其一侧壁上设有通道15与供氢源(图中未示)相连且在喷嘴体10的内壁上以一出气孔16结束。阀茎13具有一直径选择成能确保在体10的孔中滑动密封配合的扩大部分17。扩大部分17为阀茎13提供了支撑，使之位于喷嘴体10的孔的中心，特别是在阀件12处于打开位置时。扩大部分17并不需要在整个周边上均与喷嘴体10的内表面接触，它可以沿喷嘴体10周边的多个位置与之接触以便将阀茎13定位于孔的中心。
然而，扩大部分17在位于出气孔16的区域中是与喷嘴体10的内表面滑动密封配合的，以便对出气孔16的开闭提供控制。因此扩大部分17与喷嘴体10的内表面的接触被设置成当阀体12处于关闭位置时，出气孔16也由于扩大部分17与喷嘴体10的贴合而关闭的形式，这样便防止了氢气通过出气孔16而进入到喷嘴体10的孔中。
再有，扩大部分17是对称的，以便在阀件12运动到开启位置时使出气孔16暴露，从而让通道15中的氢气能够通过槽18流入喷嘴体10的内孔的下部，该槽18位于阀茎13的扩大部分17上。图2中示出了两个槽18，除此之外应当了解，任何适当数量及几何形状的槽18均可使用。因此，当阀件12开启时氢气吹出槽18和接着的出口11。
通过选择适当的扩大部分17与出气孔16及阀件12的尺寸关系可以获得喷嘴的出口11的开闭与出气孔16的开闭的各种正时关系。在优选的方案中，出气孔16的开启时间要比出口11的短。再者，出气孔16的开启最好比相应出口11的开启要滞后。这样，氢气便晚于燃油喷入燃烧室中，并且在点燃燃油/氢气/空气混合气之前仅有很短时间让氢气扩散。
图3是图1的结构的一种变形，其中阀茎13上设有两个扩大部分17和19，每个扩大部分17和19均以相应扩大部分17和19的整个周边与喷嘴体10的孔的内表面相接触。这样，在扩大部分17和19之间便产生了一隔离腔20。在本实施例中，除了喷嘴体10壁上的出气孔16外，还设有一燃油喷流口21，通过通道22与喷口23相连。
因而，在该替代方案中可以看到，氢气是从一分置的喷流口21到喷口23的，该口23位于可将氢气导入设于燃烧室内的火花塞处的适当区域以保证在其附近形成可点燃的混合气。喷入氢气的时刻也同样可滞后，至少同上述燃料向燃烧室喷入的开始时刻相应。
可理解到，通道22和口23也可以设置并将形状确定成一在个宽范围的方向上喷射氢气的形式，这一方向范围取决于燃烧室中所需的氢气或其他燃烧控制物的聚集情况。特别是燃烧控制物可不需要集中于燃烧室的火花塞周围。
在上述两个实施例中，燃料最好穿过一中空结构且在仅位于阀件12上方、扩大部分17的下方的区域内具有一个或多个排出孔25的阀茎13。
另一种结构示于图4中，它描述了一喷嘴，其中氢气通过一通道15和通气管32流到凹槽24中，然后以喷射前最少的燃料、空气和氢气的混合喷入一发动机燃烧室中。
在图5所示的再一种变形方案中，氢气可以通过一分置的通道27和位于一计量装置29中的连带的控制阀28。例如电磁阀供入。该阀控制着氢气供入的时刻及时间。在所示结构中，氢气流过带有在其中形成有燃料供应通道27的针状体到达一与排出孔25成一线的出口33。这样，既通过中空喷嘴体10的内部，又经过阀茎13从而使氢气与空气混合的现象便被防止住了，直到其被喷出时。做为替代方案，氢气可以与燃料分开供入发动机的燃烧室中，其方式类似于上面对图3的说明，或者如对图1的上述说明那样直接通过喷嘴10的孔或通过燃油喷射器喷嘴喷入发动机燃烧室中。
阀28、计量装置29及通道27也可以安置在相对于燃烧室的任一所需位置上，这取决于燃烧室中燃烧控制物所要求的位置。因而，作为一个例子，它可以位于邻近火花塞或者在火花塞体上。
再有，在燃料喷入吸进空气的燃烧室后，空气可以供入如图1和图3所示结构的燃油喷射器喷嘴柱状喷嘴体10的中心孔40中。在这种燃油喷射系统中，氢气可以通过适当的经过编程的ECU操纵的控制阀，诸如电磁阀的控制，在燃油喷射器的下游位置喷入空气中。虽然这一提议会导致氢气在较图1和图3所示实施例更靠前的时刻散布于空气中，但是，空气的量则大大小于氢气喷入空气进气管或其他引入进气时的量。
这并非意味着本发明仅仅限于纯净氢气或混有其他气体的混合气。上述的原理适用于任何可喷射的气体，例如用于改善燃烧稳定性和/或提高燃烧过程的其他指示，诸如用来减小敲缸趋势或降低污染。作为一个例子可提到带有氮气/再循环的废气的混合气，氧气和含氧气的混合物。氢气与其他适当气体的混合物也可使用。
还有一需要明确的是，氢或其他燃烧控制物的供给可以相应于向每一循环每一燃烧室的喷入以量来控制，诸如用由ECU控制的计量装置29，因而，在产生氢气的设备安置在汽车上时，氢气可以根据发动机的工况所需储存并限量供入发动机中，例如在二氧化碳多的加速或冷起的期间。

Claims (30)

1．一种操作内燃机的方法，包括在发动机的整个工作负载范围内在空气的夹带下将一部分燃料直接喷入发动机的燃烧室中，其特征在于，在发动机工作负载范围至少一个特定部分内，将一部分扩散率高于所述燃料的燃烧控制物质以与所述燃料的喷射相关的定时喷入燃烧室中，使得在燃烧室中的特定位置获得一燃烧控制物质的特定分布。
2．如权利要求1所述的操作内燃机的方法，其特征是燃烧控制物在空气的夹带下喷入燃烧室中。
3．如权利要求1所述的操作内燃内的方法，其特征是燃烧控制物与燃料及空气混合喷入燃烧室中。
4．如权利要求1所述的操作内燃机的方法，其特征是所述燃烧控制物仅当发动机工作于特定负载和速度范围时喷入所述燃烧室中。
5．如权利要求1所述的操作内燃机的方法，其特征是所述燃烧控制物在发动机工作于低到中负载范围时喷入所述燃烧室中。
6．如权利要求1-5之任一项所述的操作内燃机的方法，其特征是燃烧控制物向所述燃烧室的喷射在点火前足够的时间进行以便使所述燃烧控制物在点火前到达位于所述燃烧室中的点火器装置附近。
7．如权利要求1至5之一所述操作内燃机的方法，其特征在于所述燃烧控制物直接入喷到点火前位于所述燃烧室中的点火器装置周围的燃烧室里。
8．如权利要求1-5之一所述的操作内燃机的方法，其特征在燃烧控制物为一种点火增强剂。
9．如权利要求8所述的操作内燃机的方法，其特征是点火增强剂是氢气。
10．按权利要求1所述的一种操作内燃机的方法，其特征在于将定量的燃料在空气夹带下直接喷入发动机的燃烧室中，并且将所述燃烧控制物喷入所述空气中以提供一较均匀的空气/燃烧控制物混合气来夹带燃料。
11．如权利要求10所述的操作内燃机的方法，其特征是所述燃烧控制物在发动机工作于特定负载和/或速度范围时喷入空气中。
12．如权利要求11所述的操作内燃机的方法，其特征是所述特定范围是低到中发动机负载或速度范围。
13．如权利要求10所述的操作内燃机的方法，其特征是所述夹带燃料的空气由一压缩机供给且所述燃烧控制物在压缩机处引入空气中。
14．如权利要求13所述的操作内燃机的方法，其特征是燃烧控制物在压缩机出口一侧引入空气中。
15．如权利要求10至14之一所述的操作内燃机的方法，其特征在于所述燃烧控制物是点火增强剂。
16．如权利要求15所述的操作内燃机的方法，其特征在于点火增强剂是氢气。
17．一种将燃料喷入一台内燃机的装置，包括可操作地将单独的定量燃料在空气夹带下直接喷入发动机燃烧室的燃料喷射装置(10；11；12；13)，燃料喷射装置(10；11；12；13)通过一可选择地开启的喷孔(11)与燃烧室相连通；一燃烧控制物喷入装置(15；16)，以与燃料喷射相关的定时将燃烧控制物直接喷入燃烧室中。以在一个特定位置进行一个特定的燃烧控制物的分配。
18．如权利要求17所述的装置，其特征是所述燃烧控制物喷入装置(15；16)在向燃烧室喷射前先将所述控制物喷入燃料喷射装置(11；12；13)中。
19．如权利要求17所述的装置，其特征是所述喷入装置(15；16)以与所述燃烧喷射孔(11)的开启相应的正时关系工作。
20．如权利要求17所述的装置，其特征是所述喷入装置(15；16)和燃料喷射孔(11)由同一动作装置操纵。
21．如权利要求17所述的装置，其特征是所述控制物喷入装置(15；16)相应于发动机在特定负载和/或速度下的操作而喷入控制物。
22．如权利要求17所述的装置，其特征是所述燃烧控制物喷入装置将控制物喷到设置于燃烧室中的点火器装置附近。
23．如权利要求22所述的装置，其特征是所述燃烧控制物喷入装置(15；16)结合或安装在所述点火器装置上。
24．如权利要求17所述的装置，其特征是所述燃料喷射装置(10；11；12；13)包括一个带有轴向开口(20)的本体(10)，该孔可与空气源相连且其一端与燃料喷射孔(11)相连，一个打开及关闭孔的阀门(12)和一个与阀门相连并在轴向开口(20)中延伸的阀茎(13)，阀茎(13)具有一轴向燃料通道，通过其连着与孔(11)相邻的轴向开口(20)，所述阀茎在开口处可轴向移动，打开或关闭孔(11)。
25．如权利要求24所述的装置，其特征是所述控制物喷入装置(15；16)相应于孔(11)的开启有选择地与所述轴向开口(20)连通，以便将燃烧控制物喷入所述开口(20)。
26．如权利要求25所述的装置，其特征是所述控制物喷入装置(15；16)包括另一条位于所述与燃烧室相连的燃料喷射装置(10；11；12；13)本体(10)中的通道(23)，并且该装置(12)相应于孔(11)的打开和关闭有选择地打开和关闭所述的另一通道(23)。
27．如权利要求26所述的装置，其特征是所述另一通道(23)将燃烧控制物喷到燃烧室中所述点火器装置附近。
28．如权利要求17所述的装置，其特征是燃烧控制物是氢气。
29．如权利要求9所述的方法，其特征是氢气在发动机起动和/或加速期间喷入燃烧室中。
30．如权利要求1至5之一所述的方法，其特征是燃烧控制物在发动机起动和/或加速期间喷入燃烧室中。
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