CN107076059A - 内燃发动机 - Google Patents

Abstract

一种操作包括气缸和活塞的内燃发动机的方法，所述方法包括将已经经由制冷过程冷凝成其液相的燃料作为液体喷射到所述气缸内，使得在活塞的压缩冲程期间和在燃烧之前使所述燃料汽化成其气相，使得由压缩冲程引起的温度升高受到由燃料进行的热吸收的限制。

Description

内燃发动机

技术领域

本公开涉及一种操作内燃发动机的方法。

背景技术

在使用Otto循环的内燃发动机中，进入空气/燃料混合物在点火之前在绝热条件下被压缩。进入空气/燃料混合物的压缩引起在压缩期间由于能量输入导致的温度的对应增加。增加气缸中的压缩比是已经遵循的用以提高这种发动机的效率的方法。然而，通过增加气缸中的压缩比，气缸中的空气/燃料混合物的温度增加，并且能够导致发动机爆震或在一些情形中预点火，从而对发动机产生破坏性影响。

在这种发动机中，气缸中的次最佳充气条件能够导致次最佳燃烧，这能够导致例如不完全燃烧，从而引起滑动、不良效率或爆震，在极端情况下能够对发动机产生有害影响。

发明内容

本发明的方面和实施例在所附权利要求中阐述。

附图说明

现在将参考附图仅以示例的方式描述本公开的实施例，附图中：

图1示出内燃发动机的示意图；

图2示出图1中所示的内燃发动机的发动机机体的剖视图；

图3示出图1中所示的内燃发动机的发动机机体中的气缸的剖视图；

图4示出图1中所示的内燃发动机的发动机机体的气缸的替代布置的剖视图；

图5示出显示压力和气门/喷射正时相对于活塞位置的时序图；

图6a示出用于与图1中所示的内燃发动机一起使用的贮存器；

图6b示出用于与图1中所示的内燃发动机一起使用的贮存器的替代布置；

图7示出用于将燃料驱动到图1中所示的内燃发动机的发动机机体的气缸中的布置。

具体实施方式

本公开的方面涉及一种内燃发动机100，其被配置成将经由制冷过程冷凝成其液相的燃料以液体形式喷射，使得燃料在压缩冲程期间且在燃烧之前汽化成其气相，使得由压缩冲程引起的温度升高受到由燃料进行的热吸收的限制。

本公开的方面还涉及一种操作内燃发动机的方法，包括将经由制冷过程冷凝成其液相的燃料以液体形式喷射，使得燃料在压缩冲程期间且在燃烧之前汽化成其气相，使得由压缩冲程引起的温度升高受到由燃料进行的热吸收的限制。

例如，燃料的相变限制了由压缩冲程引起的温度升高，例如在燃料汽化时的燃料汽化的潜热。有利地，这可以允许在不遭受发动机爆震或预点火的情况下使用比对于常规Otto循环发动机而言可能的压缩比更高的压缩比。

可以将燃料直接喷射到发动机100的气缸3内，例如气缸3的燃烧室27。因为由压缩引起的空气中的任何温度上升都受到由燃料进行的热吸收的限制，喷射处于液相的燃料意味着，由于气缸3的燃烧室27中的温度保持比常规的Otto循环发动机更冷，因此发动机100将更不可能遭受预点火。

另外，由于在压缩冲程期间燃料在气缸3的燃烧室27中汽化，这导致燃料与空气的更好的混合，例如由于液体燃料的沸腾作用导致气缸3中的高湍流，从而允许发动机100更加稀薄地运行。

在压缩冲程期间燃料的汽化也减少了压缩冲程的压缩功。这是因为燃料限制了由压缩冲程引起的温度升高，并且因此更少的热量损失于气缸3的壁。在常规的Otto循环发动机中，燃料需要被“气化”，以便其处于对于其燃烧和产生功而言有用的形式，因此需要能量并降低发动机效率。然而，在本公开的实施例中，由于燃料在压缩冲程期间已经汽化，因而其已经处于气态形式，且因此有利地消除了在使用之前使燃料气化的需要。

在一些实施例中，控制燃料的流动速率，使得由燃料进行的热吸收与燃料和气缸3中周围空气之间的瞬时温度差相当。

在一些实施例中，燃料在进气冲程之后和/或在压缩冲程期间被喷射入气缸3内。以这种方式，燃料被喷射入气缸内，使得其在至少一个活塞25的压缩冲程期间在气缸3的燃烧室27中汽化。

可以在压力下储存燃料，例如至少1 MPa，例如至少1.6 MPa，和/或在低温下储存燃料，例如低于273开尔文，例如低于150开尔文，例如低至近似111开尔文，使得当燃料被喷射到气缸3内时处于液相。

现在将参考图1至7描述示例实施例。图1图示内燃发动机100。内燃发动机100包括具有四个气缸3的发动机机体1，然而在一些实施例中，发动机机体1可以包括多于或少于四个的气缸3。联接至发动机机体1的是控制系统9。

泵11联接到发动机机体1和贮存器19，并且与贮存器19和发动机机体1流体连通。涡轮增压器13还联接到发动机机体1并且与发动机机体1流体连通。涡轮增压器13联接到进气口15和排气口17并与其流体连通。然而，在一些实施例中，发动机100不包括涡轮增压器13，并且可以代替地包括增压器或可以不包括任何在由发动机机体1进行进气之前对空气进行增压的器件。

控制系统9能够操作成控制泵11、发动机机体1和气缸3、涡轮增压器13、进气口15和排气口17的操作。控制系统可以是电子系统，例如计算机，其包括传感器和反馈回路以连续地监测和控制发动机100的某些方面。

贮存器19是绝热的，包括真空空间，使得其被配置成储存和保持一定量的燃料，所述燃料已经经由制冷过程冷凝成其液相，并且在这种情况下所述燃料是液化天然气LNG，在低温下，例如低于273开尔文，例如低于150开尔文，例如低至近似111开尔文，并且因此燃料可以是致冷剂。在一些实施例中，燃料包括甲烷、氢气（LH2）或乙烷。

泵11能够操作成将燃料从贮存器19泵送到发动机机体1，如下文更详细地并参考图5所描述的。涡轮增压器13能够操作成从来自气缸3的出口7的排出气体中提取能量，以将通过进气口15和通过入口5抽吸的空气喷射到气缸3的燃烧室27内，并且将空气排出气体从气缸3的出口7并通过排气口17排出。

发动机机体1在图2中更详细地示出。发动机机体包括空气入口歧管51和空气出口歧管53。空气入口歧管51与涡轮增压器13和气缸3的进气口5流体连通。空气出口歧管53也与涡轮增压器13和气缸3的空气出口7流体连通。

发动机机体1还包括燃料入口歧管57和燃料喷射系统29。燃料入口歧管57联接到泵11和燃料喷射系统29并与其流体连通。燃料喷射系统29相应地联接到每个气缸3的喷射器21并与其流体连通。燃料喷射系统29可以例如包括低压泵，或者可以包括共轨系统。

每个气缸3均包括空气入口5、空气出口7、喷射器21、点火源23和活塞25。活塞25被能够滑动地接收在气缸3内以封闭气缸3的燃烧室27，并且联接至曲轴55。发动机机体1的四个气缸3的每个活塞25均联接到相同的曲轴55，但是在一些实施例中，不同的活塞25可以联接到不同的曲轴55。入口5和出口7在点火源23的任一侧位于气缸3的顶部中，并且包括能够操作成向气缸3的燃烧室27提供开口的气门。点火源23可以包括例如火花塞、电热塞或等离子体发生器。

活塞25能够操作成压缩气缸3的燃烧室27中的空气。活塞25在气缸3中的运动使联接到活塞25的曲轴55运动。控制系统9能够操作成控制活塞25的运动，以及当入口5打开和关闭、当出口7打开和关闭、当喷射系统29和喷射器21将燃料喷射到燃烧室27内，以及当点火源23被操作成产生点火的正时。喷射系统29通过喷射器21将燃料直接喷射到气缸3的燃烧室27内，并且点火源23能够操作成点燃气缸3的燃烧室27中的燃料。入口5能够操作成允许空气进入燃烧室27内，并且出口7能够操作成从燃烧室27去除废气（排气）。例如，入口5和出口7可以是机械地或电子地操作的气门，且其开启和关闭时间由控制系统9控制。

示例气缸3在图3和图4中更详细地示出。在一个配置中，如图3中所示，喷射器21穿过气缸壁的侧面，使得喷射器能够操作成在横向于活塞23的运动方向的平面中将燃料喷射到气缸3内。有利地，通过气缸3的侧壁以这种方式喷射燃料提供燃料与空气在燃烧室27中的更好的混合，并且还可以在点火/燃烧阶段或作功冲程期间防护喷射器21不受热气体影响。

在另一种配置中，如图4中所示，喷射器21邻近点火源23在入口5和出口7之间穿过气缸壁的顶部。喷射器21的位置的其它配置可以是可能的。

现在将参考图5更详细地描述气缸3、活塞25、入口5、出口7、喷射器21和点火源23的操作。图5示出显示相对于活塞23位置的气缸3的燃烧室27中的压力和气门/喷射正时的时序图。具体地，图5示出对应于Otto循环的内燃发动机1的四个循环。每个循环均能够参考活塞25在气缸3内的位置（上止点（TDC）或下止点（BDC））或参考联接到活塞25的曲轴55的角位置来描述。

当活塞25处于TDC处并且曲轴的角位置处于0度时，循环开始。当曲轴55旋转时，其从TDC向下拉动活塞25，直到其到达BDC并且曲轴旋转180度。这被称为进气冲程。在进气冲程开始时，入口5和出口7两者均打开。当曲轴55已旋转了例如10度和30度之间时，出口7关闭，如图5中的附图标记1所示。例如当出口7已经关闭、在出口7已经关闭之后不久，或者在出口7已经关闭之后一定时间时，喷射器21开始以液相将燃料喷射到燃烧室27内，如图5中的附图标记6所示。

在活塞25已经到达BDC之后，并且随着曲轴55继续旋转，活塞25从BDC向上行进返回TDC并且压缩燃烧室27中的空气和燃料。这被称为压缩冲程。通常，在活塞25到达BDC之后，例如当曲轴55已经旋转190到210度时，入口5关闭例如10和30度之间，如图5中的附图标记2所示。当活塞25例如在到达TDC之前10到30度时，例如当曲轴55已经旋转近似330至350度时，喷射器21通常停止喷射燃料，如图5中的附图标记7所示。

根据发动机和控制系统9的配置，通常发动机被配置成使得点火源23恰好在活塞25到达TDC之前，例如在TDC之前30至10度，例如当曲轴55已经旋转了330和350度之间时，点燃燃烧室27中的燃料。这由图5中的附图标记5示出。

当燃料点火和燃烧时，气缸3的燃烧室27中的压力迅速升高，使得其恰好在活塞25已经到达TDC之后，例如当曲轴55已经旋转近似370至390度时超过TDC近似10至30度，到达峰值压力，如图5中所示。燃烧室27中的压力增加迫使活塞25朝向BDC向下回落。这被称为做功冲程。

当活塞25再次到达BDC时，出气门7打开以使废气和废物脱出燃烧室27。出气门7可以从BDC之前近似10度到30度打开，例如当曲轴55旋转了近似510到530度时，如图5中的附图标记3所示。然后，随着曲轴55继续旋转，活塞25朝向TDC返回向上行进。这被称为排气冲程。恰好在活塞25再次到达TDC之前，入口5打开以允许空气进入燃烧室27。例如，入口5在TDC之前10和30度之间打开，例如当曲轴55已经旋转690和710度之间时，如图5中的附图标记4所示。

控制系统9和燃料喷射系统29被配置成在低压（例如小于10 MPa，例如小于5 MPa，例如小于4.6 MPa，例如小于1.3 MPa）下将燃料直接喷射到气缸3的燃烧室27内。在低压下喷射燃料意味着燃料能够以液相并且以液滴喷雾的形式（而且带有液滴尺寸的大的分布）被直接喷射到燃烧室27内。具有液滴尺寸的大的分布是热力学上有利的，因为其在活塞25的压缩冲程期间散布在燃料汽化成气相的温度和/或时间范围上。

在一些实施例中，控制液滴喷雾的喷射以实现液滴尺寸的一定分布，从而在压缩冲程期间提供稳定的热吸收，以及在气缸3中的空气和液体燃料之间的平稳的热传递。在一些实施例中，这将包括确定将贯穿整个压缩冲程（例如贯穿压缩冲程的一部分或贯穿整个压缩冲程）提供热吸收的液滴尺寸的分布。

燃料的低温和其被喷射的低压的组合意味着即使当发动机的温度高时（例如在其已经运行一段时间之后并且在近似360到380开尔文下），燃料也以液相被喷射到气缸3的燃烧室27内。

在使用Otto循环的常规发动机中，燃料在进气冲程期间被喷射，例如或者使用化油器通过进气口本身喷射，或者在高压（例如在100 MPa的区域中）直接喷射到燃烧室27内，且因此呈气相。换言之，当曲轴55例如在690度和210度之间时喷射燃料。在使用Otto循环的这些常规发动机中，燃料也未被液化，但是在标准室温和压力（288.15开尔文和101.325kPa）下已经是液体，而且由于所涉及的高压和高温（例如200至300 kPa）而以气相被喷射。

如上所述，使用Otto循环的这种常规发动机可以遭受预点火和发动机爆震。然而，以液相将燃料喷射到气缸3内，具体地燃烧室27中，使得其在至少一个活塞25的压缩冲程期间汽化成气相，意味着这些问题更不可能发生，原因在于在压缩冲程期间由压缩引起的燃烧室27中的空气中的任何温度升高均由燃料汽化时由其进行的热吸收所限制。

这种使用Otto循环的常规发动机通常也由于燃料与空气的不均匀混合（分层）导致燃料的不均匀燃烧。相比之下，因为本公开的实施例以液相喷射燃料，因此当在压缩冲程期间通过燃烧室27中的空气的压缩来使燃料汽化时，发生燃料与空气的更好的混合，从而允许发动机更稀薄地运行。

控制系统9和/或喷射系统29具有多个传感器和反馈回路，以确保燃料以液相被喷射到气缸3的燃烧室27内。控制系统9和/或喷射系统29例如可以包括温度传感器和压力传感器以监测气缸3或发动机机体1的环境温度。控制系统9和/或喷射系统29可以包括压力和温度传感器以监测贮存器19的压力和温度。控制系统9和/或喷射系统29还可以包括反馈回路，以调节入口5、出口7、喷射器21和点火源23的正时。

在一些实施例中，控制液体燃料的流动速率，使得由燃料进行的热吸收与燃料和气缸3中的周围空气（例如燃烧室27中的空气）之间的瞬时温度差相当。

在一些实施例中，发动机100不包括泵11。例如，如图6a中所示，在一些实施例中，发动机100包括热源29以加热贮存器19，从而将燃料从贮存器19驱动到发动机机体1。通过加热贮存器19，贮存器19中的压力增加，使得燃料被朝向发动机机体1驱动。热源可以通过感应或传导来提供热（例如从发动机100的废热、例如从废气），或者可以是电阻器、电热塞，或者如果贮存器具有一个真空空间，则可以辐射地穿过该真空空间。在其它实施例中，贮存器19本身可包括如图6b中所示的叶轮泵31。叶轮泵29可以由外部驱动的机械泵驱动。在一些实施例中，使用电驱动式直接驱动系统。

在一些实施例中，热源29与溢流通道33结合使用，如图7中所示。溢流通道33经由入口通道35联接到贮存器19，并且经由出口通道37联接到发动机机体1，所述通道均具有气门，以控制到达/来自溢流通道33的燃料的流动。入口通道35和出口通道37之间是包括热源41的槽（well）39。在燃料被驱出贮存器19时，其经由入口35进入溢流通道33并流入井39内。一旦处于井中，燃料就由热源41加热。热源41可通过感应或传导（例如从来自发动机100的废热，例如从废气）提供热，或热源41可以是电阻器、电热塞或火花塞。提高燃料的一部分的温度增加了溢流通道中的燃料的压力，使得当出口通道37中的气门打开时，其被朝向发动机机体1驱动。

可以借助于共轨喷射来喷射燃料。在一些实施例中，燃料以液体流的形式被喷射到燃烧室内。在一些实施例中，作为进气（例如进入空气入口5或空气入口歧管57内）的一部分来喷射燃料，或使用化油器来喷射燃料。

在一些实施例中，贮存器19被配置成在压力（例如至少1 MPa，例如至少1.6 MPa）下储存燃料。例如，贮存器19可以包括加强壁。例如，可以在低温和压力下储存燃料。

在一些实施例中，控制系统9被配置成使得喷射器21在压缩冲程期间仅将燃料喷射到燃烧室27内。在一些实施例中，控制系统9被配置成使得喷射器21在进气冲程期间仅将燃料喷射到燃烧室27内。

在一些实施例中，出口7在入口5打开之前关闭，例如使得出口7在排气冲程结束时关闭，并且入口5在进气冲程的开始打开。

在一些实施例中，内燃发动机100是双燃料发动机。例如，在一些实施例中，燃料可以与另一种燃料（例如柴油）一起被喷射到燃烧室27内。

在一些实施例中，燃料被喷射到发动机机体1的一些气缸3内，并且不同的燃料被喷射到发动机机体1的其它气缸3内。例如，燃料可以被喷射到发动机机体1的两个气缸3内，并且在发动机机体1的不同的两个气缸3中喷射柴油。

尽管上文已经描述了Otto循环发动机，但是在一些实施例中，可以使用压缩点火发动机或柴油发动机。

在一些示例中，一个或多个存储器元件能够储存用以实现本文所描述的操作的数据和/或程序指令。本公开的实施例提供包括程序指令的有形非暂时性储存介质，其中所述程序指令能够操作呈对处理器编程以执行本文所描述和/或要求保护的方法中的任何一个或多个，和/或提供如本文所描述和/或要求保护的数据处理装置。

本文中概述的方法和装置可以使用可以由诸如逻辑门的组件的固定逻辑或者诸如由处理器执行的软件和/或计算机程序指令的可编程逻辑提供的控制器和/或处理器来实现。其它类型的可编程逻辑包括可编程处理器、可编程数字逻辑（例如，现场可编程门阵列（FPGA）、可擦除可编程只读存储器（EPROM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM））、专用集成电路、ASIC或任何其它种类的数字逻辑、软件、代码、电子指令、闪存、光盘、CD-ROM、DVDROM、磁卡或光卡、其它类型的适于储存电子指令的机器可读介质，或其任何合适的组合。

本公开的实施例提供计算机程序产品和储存指令以对处理器进行编程从而执行本文所描述的方法中的任何一个或多个的计算机可读介质（诸如有形非暂时性介质）。

在本公开的背景中，本领域技术人员将显而易见到本文所描述的装置和方法的其它示例和变型。

Claims (39)

1.一种操作包括气缸和活塞的内燃发动机的方法，所述方法包括将已经经由制冷过程冷凝成其液相的燃料作为液体喷射到所述气缸内，使得在所述活塞的压缩冲程期间且在燃烧之前使所述燃料汽化成其气相，使得由所述压缩冲程引起的温度升高由所述燃料进行的热吸收限制。

2.根据权利要求1所述的方法，包括以液体流动的形式喷射所述燃料。

3.根据权利要求2所述的方法，包括控制所述流动的速率，使得由所述燃料进行的热吸收与所述燃料和所述气缸中的周围空气之间的瞬时温度差相当。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，包括以液滴喷雾的形式喷射所述燃料。

5.根据权利要求4所述的方法，包括控制所述喷雾的喷射以实现液滴尺寸的一定分布，以在所述压缩冲程期间提供稳定的热吸收。

6.根据权利要求5所述的方法，包括确定将贯穿整个所述压缩冲程提供热吸收的液滴尺寸的分布。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，包括在所述活塞的进气冲程之后喷射所述燃料。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，包括在所述压缩冲程期间喷射所述燃料。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，包括将所述燃料装纳在贮存器中，其中将所述燃料喷射到所述气缸内包括加热所述贮存器中的燃料的一部分，以在所述贮存器中产生朝向所述气缸驱动所述燃料的一部分的压力差。

10.根据权利要求1至8中的任一项所述的方法，包括将所述燃料装纳在贮存器中，其中将所述燃料喷射到所述气缸内包括使用泵来将所述燃料的一部分从所述贮存器驱动到所述气缸内。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，包括通过所述气缸的侧壁喷射所述燃料。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，包括通过所述气缸的盖喷射所述燃料。

13.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述燃料是用于所述内燃发动机的唯一燃料源。

14.根据权利要求1至12中的任一项所述的方法，其中，所述燃料是用于所述内燃发动机的主燃料源。

15.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述燃料是液化天然气LNG。

16.根据权利要求15所述的方法，包括在小于4.6 MPa的压力下喷射所述LNG。

17.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述燃料是液态氢LH2。

18.根据权利要求17所述的方法，包括在小于1.3 MPa的压力下喷射所述LH2。

19.一种内燃发动机，包括：

气缸和活塞；

用于以液体形式保持已经经由制冷过程冷凝成其液相的燃料的贮存器；

用于将燃料从所述贮存器喷射到所述气缸内的液体喷射器；以及

控制系统，其被配置为控制以液体形式将所述燃料喷射到所述气缸内，使得所述燃料在所述活塞的压缩冲程期间且在燃烧之前汽化成其气相，使得由所述压缩冲程引起的温度升高受到由所述燃料进行的热吸收的限制。

20.根据权利要求19所述的内燃发动机，其中，所述控制系统被配置成控制所述燃料的喷射，使得所述燃料以液体流动的形式被喷射。

21.根据权利要求20所述的内燃发动机，其中，所述控制系统被配置为控制所述流动的速率，使得由所述燃料进行的热吸收与所述燃料和所述气缸中的周围空气之间的瞬时温度差相当。

22.根据权利要求19至21中的任一项所述的内燃发动机，其中，所述控制系统被配置成控制所述燃料的喷射，使得所述燃料以液滴喷雾的形式被喷射。

23.根据权利要求22所述的内燃发动机，其中，所述控制系统被配置成控制所述喷雾的喷射，以实现液滴尺寸的一定分布，从而贯穿整个所述压缩冲程提供热吸收。

24.根据权利要求23所述的内燃发动机，其中，所述控制系统被配置为确定将在所述压缩冲程期间提供稳定的热吸收的液滴尺寸的分布。

25.根据权利要求19至24中的任一项所述的内燃发动机，其中，所述控制系统被配置成在所述活塞的进气冲程之后喷射所述燃料。

26.根据权利要求19至25所述的内燃发动机，其中，所述控制系统被配置成在所述压缩冲程期间引起所述燃料的喷射。

27.根据权利要求19至26中的任一项所述的内燃发动机，包括加热器，所述加热器被布置成响应于来自所述控制系统的控制信号加热所述贮存器的一部分，以在所述贮存器中产生压力差，从而朝向所述气缸驱动所述燃料的一部分。

28.根据权利要求19至26中的任一项所述的内燃发动机，包括泵，所述泵被布置成响应于来自所述控制系统的控制信号将燃料从所述贮存器驱动到所述气缸内。

29.根据权利要求19至28中的任一项所述的内燃发动机，其中，所述喷射器被布置成通过所述气缸的侧壁将所述燃料喷射到所述气缸内。

30.根据权利要求19至28中的任一项所述的内燃发动机，其中，所述喷射器被布置成通过所述气缸的盖将所述燃料喷射到所述气缸内。

31.根据权利要求19至30中的任一项所述的内燃发动机，其中，所述燃料是用于所述内燃发动机的唯一燃料源。

32.根据权利要求19至30中的任一项所述的内燃发动机，其中，所述燃料是用于所述内燃发动机的主燃料源。

33.根据权利要求19至32中的任一项所述的内燃发动机，其中，所述燃料包括液化天然气LNG。

34.根据权利要求33所述的内燃发动机，其中，所述控制系统和所述喷射器被配置成引起在小于4.6 MPa的压力下喷射所述LNG。

35.根据权利要求19至35中的任一项所述的内燃发动机，其中，所述燃料包括液态氢LH2。

36.根据权利要求35所述的内燃发动机，其中，所述控制系统和所述喷射器被配置成引起在小于1.3 MPa的压力下喷射所述LH2。

37.一种大致如本文参考附图所描述的方法。

38.一种被配置为执行根据权利要求1至18中的任一项所述的方法的控制器。

39.一种大致如本文参考附图所描述的内燃发动机。