CN106246413A - 气体喷射组件、气体喷射组件的运行方法及内燃机 - Google Patents

气体喷射组件、气体喷射组件的运行方法及内燃机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种气体喷射组件(100)，一种用于内燃机(8)的运行方法及一种具有气体喷射组件(100)的内燃机(8)，其中，(i)在内燃机(8)的关机启动之后，关断并由此封闭压力调节器(16)，使得不再有气态燃料(20)由气罐(4)到达存储和分配管路(14)中，(ii)在内燃机(8)的关机的启动之后，在压力调节器(16)关断且封闭的情况下使内燃机(8)继续运行一个确定的继续运行时间段，以及(iii)在内燃机(8)继续运行期间使气态燃料(20)由存储和分配管路(14)导入内燃机(8)的燃烧室(6)并在燃烧室中燃烧，使得由此在存储和分配管路(14)中的气态燃料(20)的量和相应的气体压力减小。

Description

气体喷射组件、气体喷射组件的运行方法及内燃机
技术领域
本发明涉及一种气体喷射组件，一种用于气体喷射组件的运行方法以及一种内燃机。本发明尤其涉及一种具有用于将气态燃料喷入内燃机的燃烧室的气体喷射器的气体喷射组件，一种用于具有根据本发明的气体喷射组件的内燃机的运行方法以及一种具有燃烧室和根据本发明的气体喷射组件的内燃机。
背景技术
在内燃机并且尤其在机动车领域中，除了液态燃料之外也使用气态燃料，例如天然气或氢气。在此情况下，将气态燃料在压力下例如在200×105Pa的情况下保存在一个储存容器中。借助一个压力调节器使气态燃料由存储容器压力调节地输送给一个存储和分配管路。使用气体喷射器，用于与存储和分配管路形成流体力学的连接并且以可控的方式通过喷射将燃料导入内燃机的燃烧室中。在燃烧室中将导致喷入的气态燃料被点火。在此情况下，气态燃料的化学能通过热力学转换过程被转换成机械能，以便例如驱动机动车和/或获取电能。
在此，气态燃料、例如压缩天然气(CNG：compressed natural gas)形式的气态燃料的喷射在一个做功周期或一个做功冲程期间进行。虽然通过前置的压力调节器在将储存容器中处于高压下的气体输入到存储和分配管路时使其压力下调，但即使在内燃机关停之后在压力调节器与喷射器阀座之间的输入区域中、例如在存储和分配管路中仍未改变地保持高的喷射压力，该压力可在约20×105Pa的范围中。为了在发动机关停之后使压力调节器与喷射器的阀座之间的存储和分配管路中存在的气体量不能漏出到周围环境中，压力调节器的阀座和喷射器的阀座必需非常密封地实施。这尤其对于喷射器的阀座是有问题的，因为喷射器被设置在燃烧室的区域中并且由此承受高的热交变负荷。为了能保证所需的密封度，这需要专门的、非常费事的并且由此昂贵的措施。
因此所希望的是，提供一种气体喷射组件，一种用于内燃机的运行方法以及一种内燃机，其中，将尽可能减小用于防止内燃机关停之后所不希望的气体由存储和分配管路向周围环境漏出的花费。
发明内容
根据本发明的具有独立权利要求1的特征的气体喷射组件与已知的措施相比较具有其优点，即借助相对简单并且成本有利的方式能尽可能地防止在内燃机关停之后在存储和分配管路中剩余气体的泄漏。这根据本发明通过如下方式实现：设有气体喷射组件，其具有：气体喷射器，用于将气态燃料喷射到内燃机的燃烧室中；与气体喷射器形成流体力学的连接的存储和分配管路，用于接收气态燃料并且使气态燃料输送到气体喷射器；与存储和分配管路形成流体力学的连接的压力调节器，用于压力调节地将气态燃料由气罐输送给存储和分配管路；以及控制单元。所述控制单元被设置用于在内燃机的关机启动之后，关断且封闭压力调节器，使得不再有气态燃料到达存储和分配管路中；在内燃机的关机启动之后，在压力调节器关断且封闭的情况下，允许内燃机继续运行(nachlaufen)一个确定的继续运行时间段，以及，在内燃机继续运行期间使气态燃料由存储和分配管路导入燃烧室并且在内燃机的燃烧室中燃烧，使得由此在存储和分配管路中气态燃料的量和相应的气体压力减小。
通过压力调节器的关断和封闭一方面实现：不再有气态燃料可由气罐流入存储和分配管路，并且由此使存储和分配管路不再以气体压力被加载。另一方面，通过内燃机的继续运行和使气态燃料由存储和分配管路导入燃烧室中并且通过导入的气态燃料在燃烧室中的燃烧实现：使已处在存储和分配管路中的气态燃料的量减小，使得在存储和分配管路中的气体压力随着内燃机的继续运行而下降。因此根据本发明由此实现：在内燃机的继续运行阶段之后，使在存储和分配管路中的压力并且由此使由存储和分配管路作用到气体喷射器上的气体压力下降。气体压力下降的结果是现在不再需要将特别高的花费用于密封气体喷射器以防止内燃机关停情况下气体的漏出，因为相对于来自气罐的高压力的密封可仅由压力调节器来承担。
因此在气体喷射器的构型方面根据本发明在结构上简化的实施方式就足以满足废气及燃料的排放标准。简化的气体喷射器的结构在工作寿命提高的情况下尤其使根据本发明的气体喷射组件的制造成本和运行成本下降。
从属权利要求表示本发明的优选的扩展方案。
在一个优选的实施方式中，控制单元设置用于实现：在内燃机继续运行的情况下在内燃机的吸气阶段并且尤其在内燃机的气缸的吸气冲程期间由存储和分配管路导入气态燃料。由此达到：在内燃机吸气阶段产生的低压借助在燃烧室区域中的相应阀设置被用来抽吸处于存储和分配管路中的剩余气体。由此使继续运行工作简化，因为对于由存储和分配管路喷入剩余气体不必采取特殊的措施。
根据本发明的气体喷射组件的另一优选实施方式，控制单元设置用于实现：维持内燃机的继续运行，直至存储和分配管路中的气体压力达到一个预给定的、尤其最小的压力为止，该压力有利地例如大致相应于气体喷射组件的环境压力。这一方面能对存储和分配管路中相应存在的压力状况作到特别灵活的适配，并且另一方面使相对于周围环境的气体排放得到特别可靠的减少，因为根据该实施方式相对于周围环境压力的压力梯度得到特别强的下降。
在根据本发明的气体喷射组件的另一有利的实施方式中，控制单元设置用于实现：在内燃机工作期间，能通过将气态燃料在内燃机的压缩阶段期间导入燃烧室转换为将气态燃料在内燃机的吸气阶段期间导入燃烧室来实施内燃机的关机的启动。通过该措施可实现：内燃机的常规运行得以利用，以便在有意关闭内燃机时使存储和分配管路中留有的剩余气体量减小。由此例如可使剩余气体仍用于常规的功率产生和输出。由此还使实际的继续运行时间段减少，在该继续运行时间段期间使存储和分配管路中的剩余气体量减少，尤其无需例如通过功率输出进行有效利用。这是一个特别经济的作法，其中使燃料损失和热损失特别小地发生。
在此情况下，特别有利的是，构造有一个可由使用者操纵的转换装置，其中，该转换装置与控制单元功能性地耦合，并且，转换装置与控制单元设置用于通过操纵该转换装置——例如通过车辆驾驶员——导致由在内燃机的压缩阶段期间将气态燃料导入燃烧室到在内燃机的吸气阶段期间将气态燃料导入燃烧室的转换。这使得使用者、例如车辆驾驶员能特别容易地引入内燃机的关机。这里可由使用者操纵的转换装置可构造为按钮、按键或也可构造为点火开关形式的锁装置。也可考虑与用于泊车模式的选择杆或与驻车制动器的耦合件。
本发明还涉及一种用于内燃机的运行方法，所述内燃机设有气体喷射组件。在此，气体喷射组件至少构造有：气体喷射器，用于将气态燃料喷射到内燃机的燃烧室中；与气体喷射器形成流体力学的连接的存储和分配管路，用于接收气态燃料并且将气态燃料输送到气体喷射器；以及与存储和分配管路形成流体力学的连接的压力调节器，用于压力调节地将气态燃料由气罐输送给存储和分配管路。根据本发明的该运行方法至少具有以下步骤：在内燃机的关机启动后，关断并且由此封闭压力调节器，使得不再有气态燃料到达存储和分配管路中；在内燃机的关机启动之后，在压力调节器关断且封闭的情况下，使内燃机继续运行一个确定的继续运行时间段；以及在内燃机继续运行期间使气态燃料由存储和分配管路导入内燃机的燃烧室并在燃烧室中燃烧，使得由此使存储和分配管路中气态燃料的量和相应的气体压力减小。
如根据本发明的气体喷射组件的情况那样，在根据本发明的运行方法中通过压力调节器的关断和封闭实现：不再有气态燃料可由气罐流入存储和分配管路，并且由此使存储和分配管路不再以气体压力加载。内燃机的继续运行，气态燃料由存储和分配管路导入燃烧室中以及导入的气态燃料随后在燃烧室中的燃烧确保了：已处在存储和分配管路中的气态燃料的量减小，使得存储和分配管路中的气体压力随着内燃机的继续运行而下降。因此通过根据本发明的运行方法可实现：在内燃机的继续运行阶段之后，使存储和分配管路中的压力并且由此使存储和分配管路作用在气体喷射器上的气体压力下降。压力下降的结果是现在不再需要将特别高的成本用来密封气体喷射器以防止内燃机关机情况下气体的漏出，因为相对气罐中高压的密封可仅由压力调节器来承担。
通过根据本发明的运行方法的使用对于气体喷射器的构型结构上简化的实施就足以满足废气和气体排放标准。这在工作寿命增高的同时使气体喷射组件的制造成本和工作成本下降。
在该运行方法的一个优选实施方式中，在内燃机继续运行的情况下，在内燃机的吸气阶段并且尤其在内燃机的气缸的吸气冲程期间由存储和分配管路导入气态燃料。由此实现：在内燃机吸气阶段期间产生的低压借助在燃烧室区域中的相应阀设置被用于抽吸处于存储和分配管路中的剩余气体。由此使继续运行工作简化，因为对于由存储和分配管路喷入剩余气体不必采取特殊的措施。
特别有利的是，在该运行方法中维持内燃机的继续运行，直至存储和分配管路中的气体压力达到一个预给定的、尤其最小的压力为止，该压力有利地例如大致相应于气体喷射组件的环境压力。这就能实现对存储和分配管路中相应存在的压力状况特别灵活的适配，并且使相对于周围环境的气体排放特别可靠的减少，因为相对于周围环境压力的压力梯度得到特别强的下降。
在根据本发明的运行方法的另一有利的实施方式中，在内燃机运行期间，在压力调节器关断的情况下，通过将气态燃料在内燃机的压缩阶段期间导入燃烧室中转换为将气态燃料在内燃机的吸气阶段期间导入燃烧室中来实现内燃机的关机的启动。通过该措施可实现：内燃机的常规运行得以利用，以便在有意关闭内燃机时使存储和分配管路中留有的气体剩余量减小。由此可使剩余气体用于常规的功率产生和输出，并且使实际的继续运行时段缩短。
根据本发明的运行方法的另一优选实施方式规定：将内燃机作为混合动力驱动装置的一部分来使用；并且，内燃机的继续运行被用来对混合动力驱动装置的电池充电。由此在内燃机继续运行阶段通过至少部分地将释放的能量有效地转换成电能来对混合动力驱动系统的电池充电而特别有利地降低热损失和燃料损失。
本发明还涉及一种内燃机，其具有燃烧室并且具有根据本发明的气体喷射组件，本发明尤其涉及一种直接喷射式内燃机。这种内燃机的应用是有利的，因为通过所采取的措施可特别简单地保持气体喷射器的结构前提。与气体喷射器的热交变负荷相关的由于存储和分配管路侧增高的气体压力引起的附加负荷得以消除。
附图说明
以下将参照附图详细说明本发明的实施例。相同的或功能等同的或等效的元件分别标以相同的附图标记。
图1：按照方框图的方式示出根据本发明的气体喷射组件的一个实施方式的示意性且简化的示图。
图2A至2D：图解说明根据本发明的内燃机的常规工作的不同阶段的示意性且部分剖切的侧视图。
图3A至3D：图解说明根据本发明的内燃机的继续运行的不同阶段的示意性且部分剖切的侧视图。
具体实施方式
以下将参照附图1至3详细描述根据本发明的气体喷射组件100的一个实施方式。
图1以示意性方框图的形式示出气体喷射组件100的第一实施方式。
多个气体喷射器1流体力学地耦合到一个共同的存储和分配管路14上。每个气体喷射器1在另一方面流体力学地耦合到内燃机8的相应气缸18的燃烧室6上。
喷射器1构造用于使处在存储和分配管路14中的气态燃料20通过直接喷射受控地导入到相应气缸18的燃烧室6中。替代于此，也可设置通过抽吸管道或通过抽吸管路间接地喷入。
每个气缸18一方面构成燃烧室6并且另一方面围绕相应的活塞19，所述活塞在工作中在气缸18内沿其纵轴线周期性往复地运动、使燃烧室6——在图1中向下——限界并且在此——也是周期性地——使燃烧室6扩大到一个最大的延伸尺寸并且缩小到一个最小的延伸尺寸。
内燃机8和尤其气体喷射组件100的工作通过一个控制单元10来控制。为此，喷射器1通过控制线路21与控制单元10连接。
此外。设有控制线路22和测量线路23，这些线路也可相互组合地构造并且通过它们衔接传感器12和13。传感器12和13可涉及压力传感器和/或温度传感器。传感器12和13流体力学地与存储和分配管路14连接，以便求取处在存储和分配管路14中的气态燃料20的气体压力和/或气体温度。
为此，控制单元10可构造用于接收由传感器12和13检测到的测量值并且为内燃机8的控制并且尤其为气体喷射组件100的控制奠定基础。
存储和分配管路14通过一个接头17与一个压力调节器16连接。此外，压力调节器16也流体力学地与一个气罐4连接，该气罐预储存处于高压下的气态燃料20。被填充的气罐4的内部中的压力可高达200×105Pa。
压力调节器16被构造用于使存储和分配管路14在工作中以压力调节的形式被连续地供给气态燃料20。为此，在控制单元10与压力调节器16之间构造有一个控制线路26。通过该控制线路26可使来自气罐4的输入压力下调到存储和分配管路14中的存储压力或喷射压力。并且通过由控制线路26给出相应信号也可闭锁和密封该压力调节器，使得不再有燃料20由气罐4补充供给到存储和分配管路14中。
具有燃烧室6的气缸18被构造在内燃机8的发动机体或机座9中。在图1中所示的气体喷射组件100的直接喷射的实施方式中，喷射器1也被嵌入或置入在机座9中。各个喷射器1在另一侧通过保持夹或保持弹簧2被安置在存储和分配管路14上。
选择性地，通过一个控制线路42还使一个转换装置40与控制单元10连接。使用者例如可通过操纵按键41借助该转换装置使气态燃料20的导入由工作阶段转换到抽吸阶段，以便尤其由此启动内燃机8的关机。
图2A至3D以示意性且部分剖切的侧视图示出构造有根据本发明的气体喷射组件100的内燃机8的常规工作或者说继续运行中的不同工作循环。各个图示例性地示出以4冲程模式工作的单个气缸18。
气缸18以其壳体包围活塞19，使得气缸18借助其壳体和活塞19限定且限界相应的燃烧室6。
气缸18的总是与活塞19相对置的端面构造有两个阀：一个用于输入空气的进入阀或进气阀15-1以及一个用于排出燃烧气体的排出阀或排气阀。在该端面上还设有一个点火机构5，该点火机构也可通过相应线路(未示出)与控制单元10连接。此外，在该端面中嵌入有一个用于将气态燃料20直接喷射到燃烧室6中的气体喷射器1。
在图2A至2D和图3A至3D的两个序列中用数字“1”至“4”指示不同的冲程。在此情况下，这些冲程例如涉及一个四冲程内燃机的典型冲程。
第一冲程“1”是吸气冲程，其中，活塞19背离气缸18的与活塞19相对置的端面运动并且使进入阀暂时打开以输入空气。第二冲程“2”是压缩冲程，其中，活塞19朝向气缸18的与活塞19相对置的端面运动并且这时使燃料-空气混合物压缩。第三冲程“3”是做功冲程，其中，通过操纵点火机构5使燃料-空气混合物点燃，由于膨胀的燃烧气体使活塞19由气缸18的与活塞19相对置的端面向前继续行进并且这时将机械功率输出到一个相应的机械耦合的取用系统。第四冲程“4”是排气冲程，其中，排出阀15-2打开，使得在活塞19向着气缸18的与活塞19相对置的端面返回运动的情况下将燃烧气体排出燃烧室6。
在根据图2A至2D的序列的内燃机8的常规工作中，在根据图2B的压缩冲程“2”时，活塞19向着气缸18的与活塞19相对置的端面运动，其中，同时通过喷射器1将处在存储和分配管路14中的气态燃料20直接喷射到燃烧室中。活塞19沿向上的方向向着气缸18的与活塞19相对置的端面的运动同时引起空气-燃料混合物的压缩。然后在做功冲程“3”中，如上文已经描述地，借助点火机构5进行点火，由此使活塞19重新背离气缸18的与活塞19相对置的端面运动。
图3A至3D的序列在活塞19于气缸18中的机械运动过程上与图2A至2D中所示的序列相同。但这里该序列涉及内燃机8的关机的启动之后的内燃机8的继续运行。
在此情况下，由存储和分配管路14导入气态燃料20不是在第二冲程“2”、即压缩冲程中进行的，而是根据图3A在第一冲程“1”内就进行了，即通过控制单元10协调在喷射器1相应提前操纵的情况下在吸气冲程中1进行。在第一冲程中，燃烧室中的压力非常低，使得即使当由于在压力调节器关断情况下的多次喷射使在存储和分配管路14中的压力降低时总还能够将气体喷射到燃烧室中。
接着进行根据图3B的第二冲程“2”——但这时没有通过喷射器1的直接喷射——并且根据图3C和3D的未改变的第三和第四冲程“3”和“4”。

Claims (11)

1.气体喷射组件(100)，包括：
-气体喷射器(1)，用于将气态燃料(20)喷射到内燃机(8)的燃烧室(6)中，
-与所述气体喷射器(1)形成流体力学的连接的存储和分配管路(14)，用于接收气态燃料(20)并且将气态燃料(20)输送到气体喷射器(1)，
-与所述存储和分配管路(14)形成流体力学的连接的压力调节器(16)，用于压力调节地将气态燃料(20)由气罐(4)输送到所述存储和分配管路(14)，以及
-控制单元(10)，其设置用于在内燃机(8)的关机启动之后：
-关断且封闭所述压力调节器(16)，使得不再有气态燃料(20)到达所述存储和分配管路(14)中，
-在内燃机(8)的关机启动之后，在所述压力调节器(16)关断且封闭的情况下，允许内燃机(8)继续运行一个确定的继续运行时间段，以及-在内燃机(8)继续运行期间，使气态燃料(20)由所述存储和分配管路(14)导入燃烧室(6)并且在内燃机(8)的燃烧室(6)中燃烧，使得由此在所述存储和分配管路(14)中气态燃料(20)的量和相应的气体压力减小。
2.根据权利要求1的气体喷射组件(100)，其特征在于：所述控制单元(10)设置用于实现：在内燃机(8)继续运行的情况下，在内燃机(8)的吸气阶段期间并且尤其在内燃机(8)的气缸(18)的吸气冲程期间使气态燃料(20)由所述存储和分配管路(14)导入。
3.根据以上权利要求中任一项的气体喷射组件(100)，其特征在于：所述控制单元(10)设置用于实现：维持内燃机(8)的继续运行，直至在所述存储和分配管路(14)中的气体压力达到预给定的最小压力为止，所述最小压力尤其大致相应于该气体喷射组件(100)的环境压力。
4.根据以上权利要求中任一项的气体喷射组件(100)，其特征在于：所述控制单元(10)设置用于实现：在内燃机(8)工作期间，能通过将气态燃料(20)在内燃机(8)的压缩阶段期间导入燃烧室(6)转换为将气态燃料(20)在内燃机(8)的吸气阶段期间导入燃烧室(6)来实施内燃机(8)的关机的启动。
5.根据权利要求4的气体喷射组件(100)，还包括：
-能由使用者操纵的转换装置(40)，
-其中，所述转换装置(40)与所述控制单元(10)功能性地耦合，以及
-其中，所述转换装置(40)和所述控制单元(10)设置用于：通过操纵所述转换装置(40)实现由在内燃机(8)的压缩阶段期间将气态燃料(20)导入燃烧室(6)到在内燃机(8)的吸气阶段期间将气态燃料(20)导入燃烧室(6)的转换。
6.用于内燃机(8)的运行方法，所述内燃机具有气体喷射组件(100)，所述气体喷射组件至少构造有：
-气体喷射器(1)，用于将气态燃料(20)喷射到内燃机(8)的燃烧室(6)中，
-与所述气体喷射器(1)形成流体力学的连接的存储和分配管路(14)，用于接收气态燃料(20)并且使气态燃料(20)输送到所述气体喷射器(1)，以及
-与所述存储和分配管路(14)形成流体力学的连接的压力调节器(16)，用于压力调节地将气态燃料(20)由气罐(4)输送给所述存储和分配管路(14)，
其中，该运行方法至少具有以下步骤：
-在内燃机(8)的关机启动之后，关断且由此封闭所述压力调节器(16)，使得不再有气态燃料(20)到达所述存储和分配管路(14)中，
-在内燃机(8)的关机启动之后，在所述压力调节器(16)关断且封闭的情况下，使内燃机(8)继续运行一个确定的继续运行时间段，以及
-在内燃机(8)继续运行期间，使气态燃料(20)由所述存储和分配管路(14)导入内燃机(8)的燃烧室(6)并且在燃烧室中燃烧，使得由此在所述存储和分配管路(14)中气态燃料(20)的量和相应的气体压力减小。
7.根据权利要求6的运行方法，其中，在内燃机(8)继续运行的情况下，在内燃机(8)的吸气阶段期间并且尤其在内燃机(8)的气缸(18)的吸气冲程期间使气态燃料(20)由所述存储和分配管路(14)导入。
8.根据权利要求6或7的运行方法，其中，维持内燃机(8)的继续运行，直至在所述存储和分配管路(14)中的气体压力达到预给定的最小压力为止，所述最小压力尤其大致相应于所述气体喷射组件(100)的环境压力。
9.根据权利要求6至8中任一项的运行方法，其中，在内燃机(8)工作期间，通过将气态燃料(20)在内燃机(8)的压缩阶段期间导入燃烧室(6)转换为将气态燃料(20)在内燃机(8)的吸气阶段期间导入燃烧室(6)来实现内燃机(8)的关机的启动。
10.根据权利要求6至9中任一项的运行方法，
-其中，所述内燃机(8)用作混合动力驱动装置的一部分，以及
-其中，所述内燃机(8)的所述继续运行被用于对混合动力驱动装置的电池充电。
11.内燃机(8)，其具有燃烧室(6)并且具有根据权利要求1至5中任一项的气体喷射组件(100)。
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