CN1085984A - 内燃机中或者涉及内燃机的改进 - Google Patents

Abstract

一种内燃发动机，其每个汽缸连接一个空气源和 一个带有压力燃气的燃料源。在压缩冲程中，全部的 空气进气被抽吸和压缩，这一过程在供料进入且混合 气点燃以便开始随后的作功冲程之前基本完成。燃 料可通过一进给阀和点火器的组件进入汽缸。现有 的汽油和柴油发动机喷油器孔和火花塞孔可被设计 用于装配这种组件。压缩了的气态燃料可以是甲烷 或其他天然燃气。本发明包括固定式和可移动或发 动机，特别是汽车发动机以及操作它们的方法。

Description

本发明涉及一种内燃机，该机利用一种以气体形式贮存的气态燃料作为动力源。在汽车和固定装置的应用中，很多这种发动机已被提出及使用。然而，这种应用中的普遍常识是在气缸进气管的上游以可控制的比例混合两种气态成分的方式制备空气和燃气的进气，这对于燃烧循环的每一个作功冲程来说都是必须的，从某种意义上说是在压力下模拟空气和气化的燃料在一台传统汽油燃料内燃机中的预混合。这样，混合物中的燃气部分取代了相等体积的空气，从而妨碍了发动机产生最大的动力或期望的燃料经济性。同时，由于燃气必须在相当大的压力（标准为250巴）下贮存，以便让添加燃料之间的时间间隔达到最长，因而必须在储罐与进气管之间设置装置以大大减小气体压力，一般约为70巴。

本发明是从对一系列适于使用预压燃气，特别是一种作为燃料的压缩天燃气的潜在优点进行鉴别而得到的。首先，借助高压管线和一个座落在汽缸进气口位置处的可变孔径的阀使气化燃料直接进入到内燃机气缸中。其次，所说的阀设计成可方便地安装在现有汽油发动机的火花塞孔和柴油发动机的喷油嘴孔中，以便于这些种类发动机朝着利用贮存的压缩燃气来工作转换。第三，在进气阀组件中，燃烧循环的作功冲程开始时产生火花并点燃气缸中燃气/空气混合气的装置，在压缩冲程终点空气一旦达到最大压力时，其混合能力是紧随着燃气进气程度的。在压缩天然气作为燃料应用的场合，这种滞后的进气和点燃是因为燃料高辛烷值而必需的，而且点火装置在阀组件内部的结合更加简化了传统液体燃料内燃机的转换，特别是那些不需要点火装置的柴油机。

将来自高压管线的燃气直接喷射进入内燃机气缸的装置已在很多公开出版物中有所描述，其中之一便是专利文件EP-A-0425327号。首先，本发明是在该现有技术基础上发展而来的。因为该文件描述的进气阀大体上不能控制燃料进入到气缸中。若不是所有的那么也是大部分的燃料在其他地方进入，并且该阀的主要功能是控制空气、抑制燃气及类似物质的进入。其次，EP-A-0425327中没有任何在该阀中产生火花的可能装置的揭示，而US-A-4520763的说明书则在某些实施例的描述中确实揭示了火花的产生，但是该文件的揭示仅集中在使用氢作燃料上，而且不包括任何所需的，或者真正优异的仅当空气已被压缩到实质上最小体积时向气缸供给燃料的揭示。US-A-3926169的确揭示了天然气态燃料的应用，例如甲烷，但该文件没有表达在空气压缩冲程期间向气缸供给气态燃料的任何潜在优点，也没有揭示延迟供给燃气直到该冲程终了所带来的全部优点。

由权利要求所限定的本发明的内容将在下面公开的说明书中看到，而且通过结合附图对本发明的具体实施例进行描述。

其中：

图1为装配了本发明所述发动机的汽车的立体简图;

图2为所述发动机中使用的喷射器/点火器的轴向剖示图;

图3是图2所示喷射器/点火器的俯视图;

图4表示了另一种喷射器/点火器，及其连有的转换了的柴油发动机的一部分;

图5表示了使用本发明所述发动机的一台固定式发电设备的外形图。

在图1中，适合于内装标准压力为250巴压缩天燃气的矩形储罐1配置于汽车车身2的后部，例如行李仓地板下面。储罐1借助供给管3和卡口连接件4由一个具有压力的压缩天然气供给源补充压缩天燃气，并且具备包括一个安全放泄阀5的传统安全措施。压缩天燃气，特别是甲烷，具有许多有用的特性，这种特性使得这些压缩天然气特别适于用作内燃机的燃料。甲烷的这种特性之一是具有高的辛烷值（约130），因而带来高的比功率和良好的抗爆性能。另一个特性是其高的起燃温度-约为油气混合气的两倍-该起燃温度确保了其在事故中以及泄漏情况下的安全。甲烷的第三个优点是其很低的污染物排出能力，正如下文所介绍的那样，这对精确的点火时间控制至关重要。

燃气从储罐1经由一个安全切断装置8进入一个高压燃气供给管或称燃气道7，安全切断装置8与一个类似的燃料添加切断装置9相连通，二者均与所述的点火开关10相接。燃气道7经由一手动切断装置11、压力传感器12以及压力调节器13通向所述四个气缸（未示出）的喷射器/点火器14（图1仅示出了1个），喷射器/点火器14安装在发动机16的缸盖15上。虽然图1未示出四个气缸本身，但表示出了四根进气管17和四根排气管18。

一个电子控制组件20将会接受下列模拟电子输入信号：燃气道的燃气压力（由传感器12指示）;燃气道燃气温度（传感器未示出）;与进气管17中蝶形阀相连的节气门位置（由传感器21指示）;曲轴位置（由传感器22指示）：冷却液温度（由位于散热器24处的传感器23指示），以及空气进口压力（由进气管压力传感器25指示）。电子控制组件20预先编好程序以选择基本特性曲线和其他特定特征。上述列举的输入信号值连续修正预先编好了程序的信息，以便通过通路27输送到线圈28和分电器29中的控制组件20的主要输入信号连续地按司机要求的那样使喷射器14的开启与点火的定时和延续相匹配。

实际上，电子控制组件20进一步的输出信号（未示出）响应于燃气道17内燃气压力的减小和车辆高度及外界气压的变化，以及发动机冷却液和燃气温度的变化。通常，电子控制组件20编好程序以喷出实现最低浓度污染程度所需的浓度的混合气，而组件的基准的设定将不断地通过连接到系统中的所有相应传感器而发生变动。

在已描述的安全检测中，不论何时发生燃料加注，燃料管切断装置9均能可靠地工作，以便切断燃气道7的燃气供应。例如，这种切断装置具有一个“故障保险”状态下工作的电磁阀，以便在任何电源中断时自动关闭该阀。

图2～图4详细地揭示了图1中喷射器/点火器（下文简单定义为喷射器）14的两种可能形式。在图2和图3中，喷射器包括一个金属本体31，一个阀件32可在金属本体内滑动，并由筒形电磁线圈33驱动开启、由弹簧43使其关闭。线圈35的筒形电磁线圈33由定位架36定位并绝缘，筒形电磁线圈的电枢由阀元件32的杆茎构成，并由陶瓷套42在合适的区域进行绝缘。弹簧43顶在非导体材料制成的帽盖44中，并且通过固定螺丝45和弹簧47连接到一个高压连接件46上，该连接件46穿过一个非导体制成的柔性帽盖50。连接件依次经由分电器29和线圈28连接到车辆的电源30上。在电子控制组件20的控制下，激励筒形电磁线圈33的所需电脉冲从同一个电源30通过一低压连接件48供到筒形电磁线圈上。

在管接头41处来自燃气道7的高压燃气进入本体31并通过环形通道39流到在阀件32上形成的陶瓷复盖表面34和在本体31上形成的类似表面37之间所限定的阀间隙中。通过提升该阀，也就是说当筒形电磁线圈33导致阀件32相对本体31下降，以使34与37之间的隙缝打开时，燃气通过喷射器喷入发动机气缸56（容纳有一活塞59）的腔体55内，所述的发动机由燃烧气油的发动机演化而来，在原来装设火花塞的螺孔58中柠入了现述本体31（在57处）。

电子控制组件20给发动机编好了程序，以便提升阀元件，从而让高压下的压缩天然气进入，这仅仅发生在活塞处于上面、即在气缸56中的工作循环的压缩冲程时，以及全部空气进气（在原有的进气冲程中通过进气管17吸入的）被收容并且压缩时。电子控制组件在该冲程期间致使阀升起一适当时间，然后，一旦适量燃气喷入后便关闭阀门。在燃气喷射之前，吸入的空气应被压缩以产生尽可能大的压力，以便提高其预燃温度。发动机的输出动力也随该温度的提高而增加。

一旦阀关闭，围绕喷射嘴轴线40空间等角度配置的四个放电电极便与四个座落在本体31下端的相应电极38保持精确距离，用来进行高压放电。此时，由电子控制组件20激发的高压放电点燃腔体55内的燃气空气混合气，并且开始了循环中的作功冲程。设置在阀件32下端的受热器49的特性可选择成用来区别剩余热量的程度的形式，这样便适合于各种不同形式和尺寸的可装设喷射器的内燃机。随着点燃，火焰前峰的推进也由于燃气喷射前的空气高压而趋于加强，这样就以前面所述的方式提高了预热温度。在一典型的往复活塞式内燃机中，通过连杆将每一个活塞连接到曲轴的曲柄上，正如人们所知的那样，曲轴每转180°，压缩冲程出现一次，压缩冲程终了处活塞位于上死点（TDC）。在这样一种发动机中，为保证燃气喷射前所进空气被充分压缩，本发明要求通过限制向压缩冲程部分的喷射来提高，这一限制了的喷射是在上死点之前20°角、最好为10°角。在一种典型的中等功率汽车发动机中，这种相应于曲轴的转动弧度对燃气喷射的限定意味着喷射开始时气缸内压缩空气的压力可以在600～1000磅/吋²的范围内。

在点燃瞬间，气缸内燃气/空气混合气浓度因电子控制组件和筒形电磁线圈命令阀件32开启的延续时间而变化。这种延续时间极短，只有3～17毫秒，可与同时期的赛车燃料喷射系统相比。一直保持到阀件32处的燃气管线中的高压使得这种短的延时成为可能，而简单的结构以及仅有两个位置的阀的控制提高了延时的准确性，即一旦筒形电磁线圈33励磁则完全打开，而一旦筒形电磁线圈33去磁则因弹簧44复位而完全、迅速地关闭。通过电子控制组件20使阀的开启延时按照外界空气温度和压力、缸盖的温度、废气中的含氧量和表示司机要求动力的节气门位置而修正。通过电子控制组件20，点火的精确时间可根据发动机曲轴的位置和发动机的瞬时转数精确确定。在以稀薄混合气工作的状态下，喷射的精确控制有效地防止了爆燃。因此，引发运行数据的客观需要与其说来自于曲轴位置，还不如说来自于任何驱动凸轮轴或其他应受曲轴实际位置变化支配的元件的部分。

由于图2和图3中相应的细节是基本相同的，因而图4揭示的喷射器的零件选择成使之可安装在一种改装的柴油机气缸62（包含活塞63）的缸盖61中凹座60a底部形成的原有喷射器孔60上的形式。该喷射器的本体31不用螺纹与孔60配合固定，而是用螺母64和穿过伸出本体的臂66上形成的65螺栓64a固定连接到缸体结构上，喷射器和气缸结构之间由一个垫圈67密封。此时，燃气阀（34/37）和火花隙（51/38）之间存在较大的轴向缝隙，与柴油机缸盖61的较大深度相匹配，而且喷射器孔60的直径通常比图2和图3所示的火花塞孔直径要小。当燃气阀34/37开启时，穿过该阀的燃气可以继续穿过喷射器孔壁与金属本体31的可拆卸的下部元件69的壁的外表面68之间所形成的外部环形通道以及元件69和阀件32的杆茎下部之间所形成的内部通道进入气缸62。然后，当阀34/37关闭时，电极51和38处于点火的恰当空间位置。

图4的喷射器能够与燃气旋流器60进入气缸62的腔体中。因为螺母64和螺杆64a的紧固确保了喷射嘴相对于气缸62仅有一个可能的定向（相对轴线40度）角度，因而这种准确性是可能的。

图5表示了本发明所述的一台固定式发电设备。来自主供气源76的燃气穿过手动截止阀77进入一记录燃气使用量的计量器78，此后，到达一单向阀79和低压开关80。阀79会防止燃气倒流以保护计量器78和主供气源76，如果主供气源压力降到低于设定压力值时，开关80将使整个装置自动停车。

此时，燃气进入一台压缩机82进行压缩，将压缩的高压燃气输进一小型储罐75中。这有两个目的，一是吸收主管压力中的波动，二是贮存足够的高压燃气在装置不工作一段时间后起动该装置工作。储罐75类似于图1的储罐1，这样确保有一个高压燃气源。来自储罐75的高压燃气经另一手动截止阀83进入一个调节器84，在该调节器中使燃气压力降至燃料管线85的设计压力，该管线85在设计压力状态下将燃气送至喷射器/点火器组件86，并且由此进入发动机87的燃烧室。发动机87驱动具有共同轴29的压缩机82和发动机88运转。

发动机87由一个电子控制组件85控制，它可与图1的组件20相比拟，该电子控制组件接收来自包括有节气门位置指示器96，冷却液温度指示器97和曲轴位置指示器98的信号源的脉冲数据，以提供最有效的燃烧。进到发动机87的燃气在99处过滤和净化，而排气过滤器/净化器用99a表示。发动机转速可由一手动杆100随需要调整，并且由仪表101指示，而一次调整后则由电子控制组件95连续监视和校准。

一个配电板104支承所有的发电机88的电器输出端105，并且有一个包括绝缘体106。同样，安装在板104上的是一个低压起动系统，该系统包括一个由充电器109保持充电的蓄电池108。该蓄电池108在发动机的起动器111的按钮112动作时向该起动器111输送电流。所说的充电器109由一高压电源110供电。发动机87可以由点火开关113手动停车。如果发动机87过热，电子控制组件将减小功率到怠速状态，如果主燃气供应源76处的压力降得过低，电子控制组件设置的程序切断点火。如果传感器116指示系统中的油压（该油压由安装在板104的仪表115指示）失效，该组件也设有程序切断点火。

很明显，由发动机驱动的其他机构可以取代发电机，例如液体泵或者空压机。

Claims (16)

1、一种内燃发动机，包括至少一组活塞和气缸，其特征在于该气缸在工作中连接一个空气源和一个由压力燃气构成的燃料源，该发动机以一个包括一压缩冲程的燃烧循环工作，在该冲程中气缸抽吸空气，并且将空气压缩，在具有压力的气态燃料直接进到气缸之前，压缩冲程基本完成，然后点燃混合气，以便开始随后的作功冲程。

2、按照权利要求1所述的发动机，其特征在于活塞是往复式的。

3、按照权利要求1所述的发动机，其特征在于包括一个电动进气阀，燃料借助该阀进入气缸，并且由电源的起动而导致阀的开启。

4、按照权利要求3所述的发动机，其特征在于所述的阀仅有两个工作状态，即完全打开或完全关闭状态。

5、按照权利要求4所述的发动机，其特征在于一个复位弹簧使所述进气阀处于完全关闭位置，此时不需附加动力。

6、按照权利要求1所述的发动机，其特征在于气态燃料通过一个进气阀和点火器的组件进入气缸。

7、按照权利要求6所述的发动机，其特征在于用于汽油发动机的传统形式的气缸具有一个火花塞孔，所述组件装配到该孔内。

8、按照权利要求6所述的发动机，其特征在于使用柴油的压燃式发动机的传统气缸具有一喷油器孔，所述组件装配到该孔内。

9、按照权利要求1所述的发动机，其特征在于燃料由与该装置分离的用于点燃进气的进口进入气缸。

10、按照上述权利要求之一所述的发动机，其特征在于它采用压缩天燃气作为燃料。

11、一种汽车，包括有按照上述权利要求之一所述的发动机，和用于贮存高压气态燃料的贮存装置。

12、一台固定式发电设备，包括一台气态燃料压缩机，一台按照权利要求1～10之一所述的发动机和一台发电装置，在该设备中，所述的发动机驱动压缩机和发电装置。

13、一种操作一台内燃机的方法，包括至少一组活塞和汽缸组件，并且以一个包括有一压缩冲程，继而是作动冲程的燃烧循环工作，在该方法的过程中，气缸在压缩冲程终了之前抽吸和压缩全部的空气进气，并且将预压缩的气态燃料在压缩冲程基本终了的同时引入汽缸。

14、按照权利要求13所述的方法，其特征是在压缩冲程终了的上死点之前，全部预压缩的气态燃料在曲轴转动终角20°的范围内进入气缸中。

15、按照权利要求13所述的方法，其特征是在压缩冲程终了的上死点之前，全部预压缩的气态燃料在曲轴转动终角10°的范围内进入气缸中。

16、按照权利要求13所述的方法，其特征是当气缸中空气压力基本处于600～1000磅/吋²的范围时，将预压缩的气态燃料引入气缸中。

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