CN105781799A - 燃气发动机的燃气供应和点火装置 - Google Patents

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Abstract

为了在吸气式燃气发动机中实现可靠、良好可控和迅速的扩散燃烧，推荐一种燃烧室喷嘴(12)，在所述燃烧室喷嘴的圆周上分布地设置多个用于热的燃烧气体的火炬通道(52)，所述火炬通道与预燃室(15)相连。

Description

燃气发动机的燃气供应和点火装置
技术领域
本发明涉及一种用于燃气发动机的燃气供应和点火装置，其包括燃烧室喷嘴，多个用于主燃气的喷射通道在所述燃烧室喷嘴的圆周上分布地设置，所述喷射通道与用于主燃气的主燃气供应管路相连，并且此外在燃气供应和点火装置中设置预燃室，点火燃料供应管路通入该预燃室之中，多个用于热的燃烧气体的火炬通道在所述燃烧室喷嘴的圆周上分布地设置并且与预燃室相连.
本发明所述的燃气发动机指的是具有活塞、尤其具有往复运动活塞的内燃机，也就是活塞式发动机.
背景技术
外源点火燃气发动机的已知燃烧方法均基于这样的原理：要么在进气冲程给气缸充气的过程中将可燃混合气供应给工作腔，或者在压缩冲程期间通过喷入燃气在工作腔中形成可燃混合气.然后通过火花点火或者喷入少量自燃性液体燃料的方式点燃可燃混合气.这里当点燃的时候用于燃烧的燃料已经与燃烧用空气混合。可以直接在气缸中点燃，或者通过在预燃室中点燃的方式间接点燃.可通过火花点火方式在预燃室中点燃，这就会引起从预燃室流出到主燃室(气缸)之中的高温气体射流，使得主燃室中的可燃混合气点燃，通常湍流火焰前锋随后穿过可燃混合气.通过主燃室点火和如此实现的压力升高，在做功冲程中通过活塞完成所需的机械有用功.例如DE102014000229A1或者DE19622945A1就公开了具有这种预燃室点火的燃气发动机.DE102013009413A1描述了预燃室的一种特殊实施方式.
这些行之有效并且基本上稳健的燃烧方法都有缺点：在燃空比不利的时候均有缺火或者提前点火倾向，可能会导致高的有害物质排放、很差的效率和/或极端的机械负荷.此类缺火或者提前点火均会威胁燃气发动机的安全可靠运行.快速负荷变化尤其可能会导致燃空比的上述不利变化。因此如果对负荷变化速度的要求很高，燃气发动机的使用就会受到限制。
例如US8,800,529B2公开了一种能克服该缺点的解决方案，该专利描述了一种吸入空气的燃烧方法，在进气冲程中吸入空气，在压缩冲程中压缩空气，并且在活塞快要到达上止点之前，才通过多孔喷嘴喷入主燃气，与压燃式柴油机喷入柴油的过程一样.由于气体具有很高的自燃温度，因此借助预喷将主燃气点燃，在预喷时将少量自燃性液态燃料喷入主燃室之中。然后主燃气的燃烧就会作为沿着主燃气射流表面进行的扩散燃烧。众所周知，使得燃烧所需的氧气经由火焰边缘扩散到火焰之中，就可以进行扩散燃烧，不必预先混合空气和燃料.火焰直接从周围环境“吸入”燃烧所需的氧气.因此朝向焰心给火焰供应的氧气越来越少，燃料在焰心中仅仅部分燃烧.但是由于该燃烧方法仅仅压缩空气，因此没有提前点火的危险.液态燃料在预喷时能非常可靠地自燃，因此可防止缺火.
EP520659A1和EP778410A1公开了用于这种燃烧方法的喷射阀，也称作双燃料阀.将用于喷射燃烧用气态燃料和预喷点火用液态燃料的阀同心布置在喷射阀之中.
该燃烧方法的主要缺点在于必须提供两种燃料，也就是作为主燃气的高压气体和用于预喷的柴油，并且必须设置所需的双燃料储存器和供应装置.
US2,799,255A描述了一种吸入空气的外源点火燃气发动机，所述燃气发动机使用天然气并且根据扩散燃烧法工作。为了让燃气发动机能够在所有负荷范围内安全可靠地点火，同时避免缺火和提前点火，采用了通过流道与气缸室或气缸中的主燃室相连的预燃室.在压缩过程中压缩气缸中的空气，同时将压缩空气送入预燃室之中.在压力下将燃料送入预燃室之中，燃料与压缩空气在预燃室中混合.应适当确定燃料和空气在预燃室中的混合气比例，使得燃料/空气混合气不会自行点火.在压缩行程结束之前，以相应负荷所需的量将气态主燃料送入主燃室之中.然后在压缩行程快要结束之前，利用火花塞将预燃室中的燃料/空气混合气点燃。高温燃烧气体经由流道流入主燃室之中.将气态主燃料的气流对准该气流，从而使得主燃料与压缩空气湍流混合，并且因此点燃主燃料/空气混合气.主燃料/空气混合气以扩散燃烧法的形式沿着火焰前锋燃烧.
US2,799,255A所述燃气发动机的问题在于，所提供的燃烧室设计不利于扩散燃烧.在主燃室中在主燃气气流的界面上进行扩散燃烧时的燃烧，通过喷射连续补充主燃气.由于主燃室的设计，并且因为燃烧气体从预燃室流入，仍然会产生局部受限制的燃烧。这也会导致无法最佳利用可供燃烧使用的氧气.因此仅会发生不可靠、比较缓慢并且部分不完全的燃烧，这又会导致有害物质排放增多和效率下降.
发明内容
为了改善这种情况，按照本发明在主燃室中设置具有喷射通道和火炬通道的燃烧室喷嘴，所述喷射通道和火炬通道在圆周方向上交替地并排设置.因此建议以众所周知并且行之有效的形式，通过布置在中央的多孔喷嘴吹入主燃气，但是在主燃室中使用从预燃室经由燃烧室喷嘴中的火炬通道流出到主燃室中的热燃烧气体作为点火源.按照本发明，热燃烧气体通过在预燃室中产生的并且点燃的空气/燃气混合气燃烧而产生。通过从燃烧室喷嘴流出的热燃烧气体在主燃室中点火，取代了像现有技术所述的传统双燃料喷射器那样喷入主燃室中的自燃性液态燃料.由于将喷射通道和火炬通道布置在燃烧室喷嘴上，一方面可以实现设计非常紧凑的燃气供应和点火装置.另一方面可点燃大量扩散火焰，这些扩散火焰能以最佳效果吸入可供主燃室中的燃烧使用的氧气，从而发生稳定、良好可控和迅速的燃烧.这样就能改善燃烧质量和效率，并且能降低燃气发动机的有害物质排放.本发明所述的燃气供应和点火装置不仅可用于四冲程燃气发动机，而且也可用于二冲程燃气发动机.
通过在圆周方向交替地并排设置的喷射通道和火炬通道，主燃气和热燃烧气体在圆周方向上错开地呈星形流入主燃室之中，从而能够实现可靠点火，并且在主燃室中实现特别好的扩散火焰空间分布。还可以对此进行改善，其方式为将喷射通道和火炬通道进入主燃室的入口区域基本上布置在燃烧室喷嘴的相同轴向位置上.
将喷射通道和火炬通道的入口区域径向对准主燃室，即可使得主燃气和热的燃烧气体尽可能无阻碍地流入主燃室之中，这样可以进一步改善稳定和良好可控的燃烧.
如果将环形预燃室槽布置在燃气供应和点火装置中，所述环形预燃室槽通过预燃室管路与预燃室相连，并且火炬通道通入环形预燃室槽之中，就能实现设计特别紧凑的燃气供应和点火装置.
将受主燃气压力控制的并且关闭或阻断喷射通道的机械式差压控制阀设置在主燃气供应管路和喷射通道之间，一方面可以远离热负荷高的区域布置主燃气阀.另一方面也能实现设计非常紧凑的燃气供应和点火装置，可以将其布置在气门所在的气缸盖区域中.尤其可以减小所产生的主燃气死腔，因此也能减小燃气发动机的有害物质排放，并且可能污染的空间很少.
优选将机械式阀设计成阀挺杆，所述阀挺杆在其一个轴向端部具有第一活塞，并且具有与第一活塞沿轴向隔开距离的第二活塞，所述第一活塞通过阀杆与第二活塞相连，并且在第一和第二活塞之间形成与主燃气供应管路相连的控制腔.因此实现差动活塞，其可以通过作用的压力控制，从而机械式阀可以在几何形状保持不变的情况下用于不同的燃气发动机中.
为了实现简单的结构设计，优选可以在第一活塞上设置一个活塞密封面，该活塞密封面与燃气供应和点火装置中的阀密封面相互作用实现密封，并且将第二活塞布置在燃气供应和点火装置的控制槽中，第二活塞的外周面与控制槽相互作用实现密封.
为了将阀挺杆的运动限制在所需的程度，与燃气供应和点火装置中的止挡相互作用的止动销优选在轴向上邻接第二活塞.这样尤其也能将闭合速度保持很低，因为只需经过对于功能而言所需的行程.
如果在止挡和第二活塞之间围绕止动销设置弹簧，那么弹簧就能支持闭合运动，并且也能确保机械式阀的定义位置.
按照一种有益的实施方式，将第二活塞布置在阀壳体中，在阀壳体中形成阀止挡，该阀止挡与第二活塞的端面相互作用实现密封.这样一方面能够减小机械式阀引起的主燃气泄漏，另一方面可以将机械式阀设计成方便更换的插件.
也可以利用布置在第二活塞的端面和阀壳体之间的阀弹簧支持闭合运动，并且也能确保机械式阀的定义位置.
基于燃气供应和点火装置中的热状况，可以有利的是：将一定数量的密封元件布置在第二活塞的外周面上.密封元件可以适配于热负荷.此外还可通过密封元件有效抑制主燃气过度泄漏.
为了能够排出泄漏的主燃气，可以规定，在控制槽的背向控制腔的并且通过第二活塞封闭的端部中通入泄漏管路.
在一种特别有益的实施方式中，泄漏管路与点火燃料供应管路相连.这样在预燃室中使用泄漏的主燃气，从而提高燃气发动机的效率。如果将必要时仅仅处在不同压力水平的同一种介质用于主燃气和预燃室的点火燃料，则特别有益。除此之外，有利地不需要从燃气发动机引出的泄漏管路.
特别有利的是将主燃气阀和/或预燃室阀设计成电动的、电子控制的阀.这样就能完全相互独立地精确地且主要是迅速地控制主燃气和预燃室的点火燃料的喷射时刻、喷射持续时间以及喷射量.从而一方面能够对主燃气和/或点火燃料的变化特性迅速做出反应，另一方面也可以调整喷射使之适应于不同的负荷状况。这样尤其也能在负荷快速变化的时候保证可靠点火和最佳燃烧.
以下将参考附图1～10对本发明进行详细解释，这些附图均为参考示例，本发明的有益实施方式并不局限于此.
附图说明
附图1本发明所述燃气供应和点火装置的视图，
附图2本发明所述燃气供应和点火装置的剖面，
附图3、4、6、7和9本发明所述燃气供应和点火装置的细节剖面，
附图5本发明所述燃气供应和点火装置的机械式阀的阀挺杆，
附图8燃烧室喷嘴的横断面，以及
附图10本发明所述的燃气供应和点火装置与接头和控制装置.
具体实施方式
附图1所示为燃气发动机1的局部剖面，包括气缸体2和仅仅略为勾画的带有气门4的气缸盖3.将气缸5布置在气缸体2之中，活塞6可在气缸中来回运动.活塞式内燃机的这种基本设计结构和功能早已为人所知，因此这里不予赘述.在气缸盖3中还布置了本发明所述的燃气供应和点火装置10，利用该燃气供应和点火装置将主燃气送入气缸5的主燃室11之中并且利用该燃气供应和点火装置在主燃室11中点火燃烧，以下将对此进行详细说明.
附图2所示为气缸5以及燃气供应和火装置10及其主要部件的放大剖面图.燃气供应和点火装置10如此布置在气缸盖3之中，使得燃气供应和点火装置以燃烧室喷嘴12伸入到主燃室11之中，主燃室基本上通过在气缸5中的位于活塞6和气缸盖3之间的自由空间形成.燃烧室喷嘴12布置在燃气供应和点火装置10的轴向端部上.将燃烧室喷嘴12布置在燃气供应和点火装置10的中段13上，该中段又布置在燃气供应和点火装置10的上段14上.在上段14上也设置了附图10中所示的用于点火燃料、主燃气、控制管路、电力供应等等的接头，以下还将对此进行详细描述。
燃烧室喷嘴12、中段13和上段14的划分当然是任意的.这里所述的燃气供应和点火装置10从生产技术角度来看是一种有利于制造的燃气供应和点火装置10.
在燃气供应和点火装置10中、这里在中段13中设置了预燃室15，该预燃室基本上为中段13中的挖空部分.外源点火装置16通入预燃室15之中，所述外源点火装置例如是火花放电式火花塞、电晕火花塞、等离子体火花塞、激光点火装置等等.
用于预燃室15的点火燃料的点火燃料供应管路17同样也通入预燃室15，预燃室阀18布置在点火燃料供应管路之中，如图3所示，点火燃料供应管路具有另一种断面走向.为此可以将预燃室阀18设计成电动的、电子控制的预燃室阀18，例如用于气态燃料的电磁阀，并且可以将其布置在上段14中.预燃室阀18的喷嘴19在附图所示的实施例中通入点火燃料室20，该点火燃料室过渡到点火燃料供应管路17中.如附图3中的箭头所示，可以通过预燃室阀18将点火燃料经由点火燃料供应管路17送入预燃室15之中.
在上段14中还布置了一个优选是电动的、电子控制的主燃气阀21，其喷嘴22通入主燃气室23(附图2).主燃气室23过渡到主燃气供应管路24中，可以通过主燃气供应管路将主燃气送入燃烧室喷嘴12之中.一般来说，主燃气阀21布置在主燃气供应管路24中，并且控制将主燃气送入主燃室11.
根据所述的有益实施方式，在燃气供应和点火装置10中还布置了一个机械式差压控制阀25，这里部分在中段13中并且部分在燃烧室喷嘴12中.现在将参考附图4～6详细描述机械式阀25。
机械式差压控制阀25由差动活塞形式的阀挺杆30构成.阀挺杆30包括阀挺杆30的轴向端部上的第一活塞31和在轴向与第一活塞31相隔一定距离的第二活塞32.第一活塞31和第二活塞32通过阀杆33相互连接形成阀挺杆30。第一活塞31的直径D1和第二活塞的直径D2均大于阀杆33的直径D3，因此从阀杆33开始在第一活塞31上形成第一表面A1并且在第二活塞32上形成第二活塞表面A2.形成阀挺杆30的第二个轴向端部的止动销34可以在轴向邻接第二活塞32.可以将密封元件35布置在第二活塞32的外周面上.
在燃烧室喷嘴12中设置轴向不贯通的、这里为盲孔形式的阀凹进部分40，其轴向封闭端形成与第一活塞31上的相应活塞密封面36相互作用实现密封的阀密封面41(附图6).为了形成阀，将阀挺杆30的带有第一活塞31的第一轴向端部布置在阀凹进部分40中.在附图所示的实施例中，在第一活塞31的自由端面上设置活塞密封面36，并且通过阀凹进部分40的轴向端部形成阀密封面41.第一活塞31与阀凹进部分40在径向相隔一定距离，从而使得主燃气可以围绕和沿着第一活塞31流动.阀密封面41和活塞密封面36的几何形状无关紧要.
阀凹进部分40的封闭轴向端部通过燃烧室喷嘴12中多个径向定向的贯通喷射通道37与燃烧室喷嘴的外周面47相连，因此在安装情况下也与主燃室11相连，第一活塞31视阀挺杆30的位置而定阻止(附图6上方)或者允许(附图6下方)主燃气流向喷射通道37.喷射通道37优选按有规律的间距分布排列在燃烧室喷嘴12的圆周上.通过径向定向的喷射通道37实现主燃气径向流入主燃室11.必要时喷射通道37也可以具有轻微的切线定向，以便还能实现切向的流入分量。
在中段13中设置轴向不贯通的控制槽42，该控制槽与阀凹进部分40同轴并且与其紧邻.第二轴向端部与阀挺杆30的第二活塞32布置在控制槽42之中.相对于控制槽42密封第二活塞32的外周面，例如利用类似于活塞环的密封环形式的密封元件35进行密封.
阀挺杆30可以在轴向上运动地布置在阀凹进部分40和控制槽42之中.控制槽42的轴向封闭端部构成阀挺杆30的止挡43.必要时也可以将挡环44布置在控制槽42之中，以便能够调整止挡43的位置.在止挡43和第二活塞42的端面55之间将阀弹簧45围绕止动销34布置，阀弹簧将阀挺杆30或第一活塞31的活塞密封面36朝向阀密封面41挤压使之进入定义的位置.
主燃气供应管路24通入控制腔46之中，该控制腔在燃气供应和点火装置10中通过阀凹进部分40和控制槽42在第一活塞31和第二活塞32之间形成.第一活塞31的直径D1小于第二活塞32的直径D2，使得第一活塞表面A1小于第二活塞表面A2.由于主燃气绕流第一活塞31并且因此也作用在第一活塞31的朝向主燃室11的端面的可接近区域(该区域直至活塞密封面36)上，因此第一活塞31视阀挺杆30的几何形状和位置而定就相对于主燃气的压力是部分或者完全地压力平衡的.如果现在通过主燃气阀21和主燃气供应管路24将主燃气带压送入控制腔46，就会因为第二活塞32上较大的活塞表面A2而产生阀作用力，该阀作用力克服阀凹进部分42或弹簧腔38中的作用压力、并且如有弹簧35的话也克服其预紧力迫使阀挺杆30朝向止挡43运动.这样自然也会使得第一活塞31的活塞密封面36抬离阀密封面41(附图6下方)，从而开放喷射通道37，带压的主燃气可以流入主燃室11之中.
当重新闭合主燃气阀21使得控制腔46中的压力迅速下降的时候，弹簧腔38中的压力和/或弹簧35就会重新迫使阀挺杆朝向阀密封面41运动，从而阻止主燃气喷入主燃室11之中.通过电动、电子控制的主燃气阀21不仅能够以很简单的方式控制喷射始点，而且也能例如根据主燃气的当前压力通过喷射终点控制主燃气的喷射量.
由于需要很高的主燃气压力并且主燃室11区域中的温度很高，因此通常无法使用弹性体密封作为第二活塞32中的密封元件35.如果使用类似于活塞环的密封环作为密封元件35，则必然会沿着第二活塞32的外周面出现主燃气泄漏.因此按照一种有益的实施方式所述，泄漏管路39通入在第二活塞32和止挡43之间的控制槽42中形成的弹簧腔38之中.通过该泄漏管路39可以将活塞32和控制槽42之间可能泄漏的主燃气排出.
如果使用同一种介质作为点火燃料和主燃气，例如使用天然气，就能实现一种特别有益的实施方式.为此将泄漏管路39与通向预燃室15的预燃室阀18的点火燃料供应管路相连(附图10).在喷入主燃气的时刻将此时出现的泄漏气体经由泄漏管路39引向预燃室阀18并且在那里消耗，从而不会造成主燃气损失.如果在喷入之后重新闭合主燃气阀21，控制腔46中的压力就会迅速下降.由于泄漏管路39然而与带压的点火燃料供应管路相连，因此在第二活塞32上朝向弹簧腔38的活塞表面A3上就会作用用于预燃室15的点火燃料的压力，从而产生尝试迫使阀挺杆30朝向阀密封面41运动的闭合力。一方面因为作用在弹簧腔38和控制腔46之间的差压而产生的、另一方面通过主燃室11中的压力(该压力也通过喷射通道37作用于第一活塞31的一部分自由端面)引起的反作用力抑制该闭合力.一旦所产生的闭合力大于反作用力，就会使得机械式阀25闭合。如果存在阀弹簧45，那么阀弹簧就会支持闭合力.但也可以将阀弹簧45设计得弱一些，从而实际上仅仅保证阀挺杆30的某个定义位置.但是在该实施方式中也可以完全放弃阀弹簧45，因为可通过预燃室15的点火燃料的压力使得机械式阀25闭合，并且可通过主燃气的压力使其开启。
当然可以使得阀挺杆30和阀弹簧35的几何形状适应于点火燃料和主燃气的压力，以保证机械式差压控制阀25的功能正常.
上述实施方式允许以很紧凑的方式设计机械式阀25，尤其也允许空间隔离主燃气阀21.同样可以将主燃气阀21与燃气供应和点火装置10的在主燃室11附近的受到高热负荷的部件在空间上分离.该实施方式的另一个优点在于，燃气供应和点火装置10中的死区容积基本上局限于喷射通道37，因此可以将其尽可能减小到最低程度，这尤其有利于避免或者减少碳烟形成或未燃烧的废气成分.尤其是也能以很紧凑的方式设计整个燃气供应和点火装置10，从而能够安装于燃气发动机1的水冷缸体之中，这样就能实现长寿命并且可靠的设计.
在燃气供应和点火装置10中，这里是在中段13的朝向燃烧室喷嘴12的端面上，还设置了环形的预燃室槽50，该预燃室槽通过预燃室管路51与预燃室15相连.但是同样可以将预燃室槽50布置在燃烧室喷嘴12之中.在燃烧室喷嘴12中将一定数量的火炬通道52分布排列在燃烧室喷嘴12的圆周上，这些火炬通道一方面与燃烧室喷嘴12的外周面47相连，并且在安装情况下也与主燃室11相连，另一方面如附图7中的剖面图所示通入环形的预燃室槽50之中.火炬通道52通过预燃室槽50和预燃室管路51将预燃室15与主燃室11相连.优选适当设计火炬通道52通入主燃室11的入口区域，从而基本上在径向从火炬通道52流入主燃室11，同样可以设置切向的流入分量.
将火炬通道52优选在相同的轴向位置上各自布置在两个在圆周方向上相邻的喷射通道37之间，但是也可以例如将其各自在轴向布置在喷射通道37上方或下方，在圆周方向也没有偏置量.可想而知，也可以任意组合这些布置方式.优选以尽可能好的方式空间分布喷射通道37和火炬通道52，以便能够在主燃室11中形成大量良好分布的扩散火焰.喷射通道37和火炬通道52特别适宜大致在相同的轴向位置上并且在圆周方向分别交替地并排排列，尤其如附图8中所示.
利用附图9描述机械式阀25的另一种实施方式.主要区别在于：机械式差压控制阀25具有阀壳体53，阀弹簧45和第二活塞32布置在该阀壳体中.在该实施方式中也缺少止动销34.在阀壳体53的背向阀挺杆30的第一个轴向端部上设置了弹簧止挡54，这里是径向台阶形式的止挡，阀弹簧45的一端在轴向紧贴在该止挡上.阀弹簧45的另一端紧贴在第二活塞32的自由端面55上.为此也可以如附图9中所示，在端面55中设置一个凹进部分用于将阀弹簧45定心.阀弹簧45可在机械式阀25的闭合方向重新施加弹簧力朝向阀密封面41压迫阀挺杆30，并且因此也保证阀挺杆30的定义位置.但也可以如上所述放弃阀弹簧45.在阀壳体53中设置一个阀止挡56，这里是径向台阶形式，其形成机械式阀25的止挡43.在该实施方式中也可以将一个挡环44径向紧贴布置在阀止挡56上，以便能够调整止挡43的位置.在这种情况下，挡环44就会形成阀止挡56.该实施方式的关键优点在于，第二活塞32的端面55在机械式阀的开启位置中(附图9中所示)紧贴在阀止挡56上，通过该阀止挡相对于控制腔46中高压下的主燃气实现可靠密封.当通过主燃气供应管路24将高压下的主燃气输入控制腔46中时，该压力作用于第二活塞32的阀表面A2上，并且克服弹簧力和弹簧腔38中的压力使得阀挺杆30抬离阀密封面41，直至第二活塞32的端面55轴向紧贴在阀止挡56上.这样就不会有主燃气泄漏到弹簧腔38之中，从而可以减少主燃气的泄漏。否则密封元件35将重新承担与以上所述一样的密封作用.
阀壳体53也能使得材料(阀止挡冲击引起的动态负荷，热膨胀等等)和加工(表面、涂层、运行特性等等)适应于机械式阀25的要求，而且与燃气供应和点火装置10的具体实施方式无关.
也可以将机械式阀25制作成可以更换的插件，在磨损情况下可以简单更换，因为燃气供应和点火装置10在该实施方式中没有通过机械式阀25引起的磨损.为此可将阀壳体53例如布置在控制槽42中，优选通过压配合方式，以保证充分稳固并且以保证阀壳体53和控制槽42之间有充分的密封作用.
阀壳体53的第二个轴向端部57也可以适当成形，以便形成能够在没有锁定元件的情况下将阀挺杆30固定在阀壳体53中的台肩.例如可通过简单的卷边方式制作台肩.
在燃气供应和点火装置10的一种实施方式中，用于预燃室15的点火燃料和用于主燃气的介质相同，并且具有与点火燃料供应管路相连的泄漏管路39，在另一种实施方式中也可以放弃密封元件35.在机械式阀25闭合的过程中，在控制腔46中具有与主燃室11中的燃烧压力相关的压力.由于必要的直径公差，第二活塞32和控制槽42之间必然会产生很小的间隙.因此在机械式阀25的闭合状态下，可以通过这个很小的间隙在泄漏管路39和主燃气供应管路24之间实现压力平衡.这样就能在喷射开始时刻在机械式阀25中建立定义的、可以重复的状态.该压力平衡保证实现较高的循环稳定性，这与当机械式阀25闭合时在喷入主燃气结束时主燃烧室11中的燃烧压力无关，并且与燃气发动机1的当前负荷无关.
以下将描述本发明所述燃气供应和点火装置10的优选功能.
空气或者废气再循环情况下的空气/废气混合气在进气行程期间流入气缸5之中。在随后的压缩行程中将空气压缩，将压缩空气从气缸5经由火炬通道52、预燃室槽50和预燃室管路51压入预燃室15之中。通过预燃室阀18将所需用量的点火燃料喷入预燃室15之中.喷入的点火燃料在预燃室15中与位于其中的压缩空气混合.作为预燃室15的点火燃料，使用气态燃料，优选使用作为主燃气使用的同一种介质.点火燃料的压力当然必须大于预燃室15中的作用压力.利用预燃室阀18适当计量喷入点火燃料，使得预燃室15中产生的稀薄点火燃料/空气混合气肯定不会发生并非所愿的提前点火.例如可以通过发动机控制系统根据当前的负荷状况和点火燃料特性进行计量.在正确的点火时刻(通常在活塞6的上止点前端)利用外源点火装置16将预燃室15中的点火燃料/空气混合气点燃.因此本发明所述的燃气发动机1是一种外源点火燃气发动机.在有利于最佳燃烧的时段内，与以上所述的一样通过主燃气阀21将主燃气经由喷射通道37喷入主燃室11之中.由于喷射通道37在圆周上分布地设置，使得主燃气在径向上呈星形喷入主燃室11之中，与附图8中通过主燃气射流60勾画的一样.在预燃室15中将点火燃料/空气混合气点燃，热的燃烧气体从火炬通道52中流出.由于火炬通道52分布设置在圆周上，热的燃烧气体呈星形在径向上进入主燃室11之中，如附图8中通过燃烧气体射流61勾画的一样.喷入的纯主燃气射流60在主燃室11中与所述热的燃烧气体射流61接触，从而将主燃室11中的主燃气点燃，并且在主燃室11中形成大量在空间上分布的扩散火焰.扩散火焰迅速吸入可供使用的氧气，从而在主燃室11中实现稳定、良好、快速的燃烧.例如可以根据燃气发动机1的当前负荷，通过主燃气阀21控制喷入主燃气的开始时刻.主要根据当前负荷确定喷入的持续时间，通常也会在预燃室15中点火之后持续喷入一段时间.“预燃室15中的点火”和“将燃气喷入主燃室11之中的主喷的开始时刻和持续时间”可以相互独立地控制，例如被发动机控制系统控制.
也可以通过受控的主燃气阀21使得主燃气的供应量适应于当前的负荷状况和燃气特性并且被精确计量，这例如又通过发动机控制单元ECU实现.这样也能对瞬间负荷变化迅速做出反应.
如上所述，优选利用被预控的设计成差动活塞的机械式差压控制阀25喷入主燃气.第二活塞32的背面(表面A3)在一种优选实施方式中通过泄漏管路39和弹簧腔38与电子预燃室阀18的点火燃料的供应压力连通。主燃气的气压在主燃气阀21开启的短暂时段内作用于差动活塞的活塞表面A1、A2，主燃气的气压应选择成大于预燃室15的点火燃料的压力，使得在所有情况下通过与主燃室11(其通过喷射通道37作用于活塞31)中的作用于第一活塞31的压力作用面的的压缩压力的相互作用来保证机械式阀25的可靠开启.这样仅仅通过调整主燃气和预燃室15的点火燃料的压力，就能保证机械式阀25的功能.
主燃气的压力当然必须大于主燃气喷入时刻的预期压缩压力.在燃烧过程中将主燃气喷入主燃室11之中，因此主燃气的压力当然也必须大于预期的燃烧压力.将主燃气喷入主燃室11之中的持续时间当然也应当最多与燃烧用氧气存在的时间一样长.
由于混合气稀薄并且预燃室15中的作用压力很高，可能需要高功率火花点火，才能注入所需的点火能量和点火电压，例如DE102008006304A1中所述的调制电容点火，或者电晕、等离子体或激光点火，或者类似的点火形式.同样可以例如与WO2013/045288A1中所述的一样，通过监测离子电流来监测预燃室15中的点火.
本发明的另一种特别有益的实施方式是将点火燃料多次喷射到预燃室15之中.首先将一定量的点火燃料喷入预燃室15之中，以此形成适当稀薄的、肯定不会提前点燃的点火燃料/空气混合气.然后在快要点火之前继续喷入点火燃料，使得预燃室15中外源点火装置16周围的混合气适当加浓，使得可利用外源点火装置16、可选地也能以很少的点火能量实现可靠点火.在点火之前附加送入温度比预燃室15中的压缩混合气明显较低的点火燃料，还可以冷却点火燃料/空气混合气，从而减小因为附加喷入点火燃料而引起意外自燃的危险.如果使用例如液化气(例如天然气)作为点火燃料，例如在大约-160℃的超低温液相中对其加压并且在喷射之前将其蒸发，所产生的气体同样温度很低，这种方法可以使得预燃室15中的混合气温度明显降低.
优选但是并非必须使用相同的介质作为主燃气和点火燃料，例如天然气，尤其是液化天然气，预燃室15的点火燃料和主燃室11的主燃气可能仅仅需要不同的压力.
附图10所示为一种可行的总体结构.由发动机控制单元ECU控制燃气发动机1(以箭头表示)。利用发动机控制单元ECU尤其可控制预燃室阀18和主燃气阀21，尤其是根据主燃气和点火燃料的压力p1、p2以及燃气发动机的当前负荷状况(例如燃气发动机1的输出轴上的扭矩和/或转速)控制相应的喷射始点和相应的喷射终点.预燃室阀18通过合适的燃气管道与点火燃料的点火燃料储罐70相连.主燃气阀21通过合适的燃气管道与主燃气的主燃气储存器71相连。如果主燃气和点火燃料的介质相同，则也可以仅仅给两者设置一个储存器.发动机控制单元ECU也可控制外源点火装置16，尤其可选地也可通过点火控制单元72控制点火时刻和/或点火能量.某些情况下也可以通过发动机控制单元ECU调整主燃气和/或点火燃料的压力p1、p2，例如通过图中没有绘出的早已为人所知的压力调节装置。

Claims (16)

1.一种用于燃气发动机(1)的燃气供应和点火装置，其包括燃烧室喷嘴(12)，多个用于主燃气的喷射通道(37)在所述燃烧室喷嘴的圆周上分布地设置，所述喷射通道(37)与用于主燃气的主燃气供应管路(24)相连，并且此外在燃气供应和点火装置(10)中设置预燃室(15)，点火燃料供应管路(17)通入该预燃室之中，多个用于热的燃烧气体的火炬通道(52)在所述燃烧室喷嘴(12)的圆周上分布地设置并且与预燃室(15)相连，其特征在于，喷射通道(37)和火炬通道(52)在圆周方向上交替地并排设置。
2.根据权利要求1所述的燃气供应和点火装置，其特征在于，喷射通道(37)的和火炬通道(52)的入口区域基本上设置在燃烧室喷嘴(12)的相同轴向位置上。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的燃气供应和点火装置，其特征在于，喷射通道(37)的和火炬通道(52)的入口区域是径向定向的。
4.根据权利要求1所述的燃气供应和点火装置，其特征在于，在燃气供应和点火装置(10)中设置环形的预燃室槽(50)，所述预燃室槽通过预燃室管路(51)与预燃室(15)相连，并且火炬通道(52)通入预燃室槽中。
5.根据权利要求1所述的燃气供应和点火装置，其特征在于，在主燃气供应管路(24)和喷射通道(37)之间设置机械式差压控制阀(25)，所述差压控制阀是受主燃气压力控制的并且封闭或阻断喷射通道(37)。
6.根据权利要求5所述的燃气供应和点火装置，其特征在于，机械式阀(25)设计成阀挺杆(30)，所述阀挺杆在一个轴向端部上具有第一活塞(31)并且具有与第一活塞(31)在轴向上隔开距离的第二活塞(32)，所述第一活塞(31)通过阀杆(33)与第二活塞(32)相连，并且在第一活塞(31)上设置活塞密封面(36)，所述活塞密封面与燃气供应和点火装置(10)中的阀密封面(41)相互作用实现密封，并且在第一活塞(31)和第二活塞(32)之间形成与主燃气供应管路(24)相连的控制腔(46)。
7.根据权利要求6所述的燃气供应和点火装置，其特征在于，第二活塞(32)布置在燃气供应和点火装置(10)的控制槽(42)之中，第二活塞(32)的外周面与控制槽(42)相互作用实现密封。
8.根据权利要求7所述的燃气供应和点火装置，其特征在于，在第二活塞(32)上沿轴向邻接止动销(34)，该止动销与燃气供应和点火装置(10)中的止挡(43)相互作用。
9.根据权利要求8所述的燃气供应和点火装置，其特征在于，阀弹簧(45)围绕在止挡(43)和第二活塞(32)之间的止动销(34)布置。
10.根据权利要求6所述的燃气供应和点火装置，其特征在于，第二活塞(32)布置在阀壳体(53)中，在所述阀壳体中形成阀止挡(56)，所述阀止挡与第二活塞(32)的端面(55)相互作用实现密封。
11.根据权利要求10所述的燃气供应和点火装置，其特征在于，阀弹簧(45)布置在第二活塞(32)的端面(55)和阀壳体(53)之间。
12.根据权利要求6所述的燃气供应和点火装置，其特征在于，一定数量的密封元件(35)布置在第二活塞(32)的外周面上。
13.根据权利要求6～12中任一项所述的燃气供应和点火装置，其特征在于，泄漏管路(39)通入控制槽(42)的背向控制腔(46)的并且通过第二活塞(32)封闭的端部中。
14.根据权利要求13所述的燃气供应和点火装置，其特征在于，泄漏管路(39)与点火燃料供应管路相连。
15.根据权利要求1所述的燃气供应和点火装置，其特征在于，主燃气阀(21)布置在主燃气供应管路(24)中，并且预燃室阀(18)布置在点火燃料供应管路(17)中，所述主燃气阀(21)和/或预燃室阀(18)设计成电动的、电子控制的阀。
16.根据权利要求1～15中任一项所述的燃气供应和点火装置的应用，其应用在燃气发动机中，其中，燃烧室喷嘴(12)的轴向端部伸入到燃气发动机(1)的气缸(5)的主燃室(11)中。
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