CN1304739C - 双燃料源的柴油机 - Google Patents

Abstract

在柴油机的工作中，在进气冲程期间，使空气和燃料的混合物流入到每个汽缸中，而不是如普通情况下一样只使空气流入。但是，该混合物较稀，因此当该混合物被压缩和加热时它不能点燃。在接近压缩冲程顶部处时把足够多的额外燃料喷射到汽缸中，从而提高燃料量以使该热的混合物点燃。其结果是，绝大多数的空气和燃料在点燃之前被充分混合。

Description

双燃料源的柴油机

技术领域

本发明涉及一种在使柴油机的汽缸内的燃料和空气点燃之前能更好地混合燃料和空气的柴油机以及操纵该柴油机的方法。

背景技术

柴油机在正常情况下借助下面方法来进行工作：在进气冲程期间使空气流入到每个汽缸中，并且在压缩冲程期间把空气压缩到高温。在压缩冲程结束时，燃料被喷射到压缩过的、加热过的空气中，它就立即点燃，从而产生在随后的做功冲程期间所利用的高压。在燃料喷射和做功冲程的早期之间的一个非常短的时间期间，燃料和空气的混合很差。这就产生了燃料的不完全燃烧，因此产生了没有燃烧过的碳氢化合物，从而导致效率减少和污染物增加，这些污染物一定得被除去，否则这些污染物会污染环境。在点火式发动机中，在进气冲程期间，燃料和空气的临界混合物流入到每个汽缸中，或者使空气流A并且喷射燃料；随着在压缩冲程的顶部上产生火花而产生了功率。在两种情况下，在全负荷的适中情况下，空-燃比应该为大约7到18之间，以确保在喷射燃料时或者在产生火花时，使混合物进行燃烧。

在柴油机中，压缩比为大约12∶1到22∶1，而几乎所有的机动车柴油机使用了大约16∶1到18∶1的比率。在火花点火发动机中，压缩比为大约6∶1到12∶1，而绝大多数的用在汽车中的火花点火式发动机的压缩比为大约7.5∶1到8.5∶1。尽管柴油机的压缩比越高那么它的效率就越大，但是没有燃烧的碳氢化合物和形成的污染物增多了，这是柴油机的主要缺点。如果柴油机中没有燃烧的碳氢化合物的量减少了，那么就会明显增大这些发动机的可接受性。

本发明的内容

根据本发明的一个实施例，提供了一种具有高压缩比的发动机，其中，燃料和空气更加完全地被混合，从而具有更好的效率和更小的污染。该发动机的压缩比至少为12∶1，对于柴油机而言这种压缩比是一种典型的压缩比。在进气冲程期间不是只有空气流入到每个汽缸中，而是把很好地雾化过的燃料和空气的亚临界混合物供给到每个汽缸中。亚临界混合物的空-燃比例如大于18∶1，因此当加热到接近压缩冲程结束时的高温时它不能点燃。但是，在压缩冲程接近结束时，燃料被喷射到热的、压缩过的稀空气-燃料混合物中，以产生临界混合物，该临界混合物立即点燃，从而为做功冲程产生了高压气体。

在进气冲程期间加入到每个汽缸中的空气-燃料混合物最好具有多于一半的在每个工作循环中所消耗的燃料。尽管在是柴油机时活塞的每个冲程可以使用几乎相同的总燃料量，但是多数燃料被雾化并且在喷射额外燃料且点燃时与空气能很好地进行混合。在进气冲程期间初始时所加入的燃料基本上完全、干净地被燃烧掉，从而导致更高百分比的燃料被燃烧掉。这就产生了更大的效率，并且降低了没有燃烧的燃料颗粒的排出百分比。

本发明的新颖特征特别地描述在附加的权利要求中。结合附图来阅读的下面描述使得本发明能够被更好地理解。

附图的简短描述

图1是本发明部分发动机的剖视示意图。

图2是图1的空气-燃料混合装置的等角图。

图3是沿着图2的线3-3所截取的局部剖视图。

图4是图1的发动机的示意图，它示成处于进气冲程期间。

图5是压缩冲程期间与图4相类似的视图。

图6是接近压缩冲程顶部的与图5相类似的视图。

图7包括这样的一些曲线图，这些曲线图示出了普通内燃机燃料的空气-燃料混合物的可燃性的极限。

具体实施方式

图1示出了本发明发动机的一部分，该部分包括普通的汽缸12(只示出了大概六个汽缸中的一个)和活塞14，活塞14在该汽缸中上下运动并且通过连杆16连接到曲轴上。该发动机与柴油机相类似，其中进气口20和燃料喷射口22靠近汽缸的顶部。

在典型的柴油机中，在活塞下行的进气冲程期间，空气通过进气口20进入到汽缸中。在本发明中，在向下的进气冲程期间，通过进气口加入被分裂成细小的空气和燃料的混合物。通过混合装置30来得到空气-燃料混合物，该混合装置30包括框架32，该框架32形成有喉部36的通道34。来自燃料箱40的燃料通过泵41和阀42而到达管子90中，该管子90具有孔，该孔通到喉部36的上游处的位置。空气通过通道沿着箭头50的方向进行流动并且与来自管子90的燃料相混合，雾化过的空气-燃料混合物通过阀52和进气口20进入到汽缸中(或者进入到进气管，而该进气管通到汽缸中)。因此，在活塞的进气冲程期间，不是只有空气进入到汽缸中，而是供给燃料和空气的混合物。燃料和空气通过混合装置的喉部36的运动产生了声速运动和使燃料滴进行雾化，从而产生了分布在空气中的、非常细的小滴的“雾”。

图4示出了在活塞14向下运动时的进气冲程期间的发动机工作循环的第一步骤。如上所述，燃料和空气的精细混合物借助混合装置30来形成并且通过进气口20进入到汽缸12中。

图5示出了当进气口的气门52被关闭并且活塞14在压缩冲程期间向上运动时的、发动机工作循环的后期。汽缸上方的空气-燃料混合物60被压缩，并且在这个压缩期间它的温度升高。但是，空气-燃料混合物60没有点燃，因为该混合物较稀，在这种较稀的混合物中，它的空燃比明显大于在压缩冲程期间所得到的温度和压力下点燃这种混合物所需要的大约18∶1的最小空燃比。

图6示出了在活塞14接近汽缸顶部并且燃料喷射系统68把燃料喷射到这些汽缸中时的压缩冲程后期。那时，燃料通过穿过汽缸开口22的燃料喷射器72的喷嘴70喷射到汽缸中，并且喷射到高度压缩的、以60A来表示的空气和燃料的稀混合物中。当所喷射的燃料进入到热的、稀的燃料空气混合物60A中时，它立即被点燃，以点燃该混合物和所喷射的燃料。然后，活塞14在点燃的空气-燃料混合物的极高压力作用下而向下运动，从而产生了做功冲程。做功冲程之后是向上冲程，以通过排气口和排气门排出气体，并且下一个循环的图4所示的进气冲程又开始了。如果发动机刚刚起动并且是冷态，那么汽缸顶部上的电热塞被供电以点燃混合物。

喷射器72在活塞靠近压缩冲程顶部时所喷射的燃料量比在燃料喷射之前只有空气时的相同发动机所喷射的燃料量少得多。而，在图6中通过喷射器72只喷射足够的燃料，因此在60A处的燃料空气混合物中的燃料量加上通过喷射器72所喷射的额外燃料大约等于(或者稍稍少于)在现有技术柴油机中所喷射的燃料量(当在压缩冲程顶部附近喷射所有燃料时)。

尽管用于每个发动机工作循环的燃料量大约与以前的相同，但是当燃料只通过喷射来加入时，图4-6的循环得到了一些提高。一种提高是，通过进气冲程所加入的空气-燃料混合物60使得燃料与空气能够很好地混合，因为混合装置30产生了雾并且混合物或者雾60中的燃料和空气保持接触的时间较长。实际上，大量的燃料蒸发到空气中。在汽缸内进行燃烧时，混合物的流入导致燃料在混合物60中的比例较高，因此燃料产生了更多的功率和更少的污染物(如没有燃烧的碳氢化合物)。图6中通过喷射器72所喷入的额外燃料以与燃料喷射到单一空气中的相同方式进行工作，但是可以进行更好地混合，因为在图6的步骤中，通过喷射器72所喷射的燃料更少。

注意，在通常用于汽车中的非柴油机(在奥托循环或者火花点火式发动机)中，压缩比常常大约为7∶1到9∶1。即使燃料具有较高的辛烷值，但是，更高的压缩比可以导致在火花塞进行点火之前使空气-燃料混合物产生起爆，从而产生了爆燃。可以使用至少大约12∶1的常用柴油压缩比，并且常常是16∶1到18∶1的压缩比，而在压缩期间不会产生早燃，因为在进气冲程期间从混合装置30中所接受到的空气-燃料混合物非常稀薄。

图7是这样的图，它示出了能实现点燃燃料空气混合物的最大和最小混合比。尽管该图用于火花点火发动机，但是柴油机也接近这些混合比，而在柴油机中可以使用更高的压缩比。可以看到，为了实现空气-燃料混合物的点火，因此在全负荷的中间处空-燃比应该小于大约17。本申请提供了一种这样的空-燃比，该空-燃比大于进入到进气20(图4)中的18，从而在被压缩和加热时避免混合物产生早燃。本申请优选的是，空-燃比小于35∶1，因此在每个发动机工作循环中所燃烧的燃料中的至少一半或者更多的燃料通过图4中的进入口20来得到。因此，在每个循环中喷射到汽缸中的燃料量最好小于每个循环中所使用的总燃料量的一半。实际上，本发明最好使空气-燃料混合物通过进气口20加入，最好包括每个循环中所使用的总燃料的75％以上并且最好甚至是更多的燃料。主要原因是，该浊合物不能点燃，直到通过燃料喷射器来喷射额外的燃料为止。燃料喷射器喷射至少大约5％的燃料，从而使空气-燃料混合物从高于临界值可靠地降低到低于临界值。

在标准柴油机中，当需要从发动机中得到更大功率时，在每个工作循环中通过燃料喷射器72(图6)喷射更多的燃料。当所有燃料来自喷射器72时，这个就可以实现。但是，当大部分燃料来自混合装置30时，混合装置30一定得允许流入到汽缸中的燃料和空气的量具有较大的变化。图2和3示出了混合装置30的一些细节，该混合装置可以供给可变量的空气-燃料混合物，同时保持接近不变(或者可控制的)燃料-空气比。该混合装置包括静止的相对侧壁80、82和可移动的壁86，该可移动的壁86可以向着静止的端壁84移动并且可以移离该端壁84。燃料和空气通过其中的通道34形成在这四个壁之间。燃料输送管90具有固定到静止端壁84上的近端92，并且具有未端部分94，该末端部分90延伸通过可移动壁86中的孔96。该管具有槽形孔100，以使燃料流入到通道中。在发动机怠速情况下，可移动壁的近端87位于位置87A上，在那时候，小量的燃料通过孔88来分散。

当可移动壁86移离静止端壁84时，管孔100的打开面积逐渐增大，从而逐渐使更多的燃料流入到通道34中。压力燃料通过固定的导管102而被泵送到管中。没有露出到通道34中的孔100的一些部分借助密封件104来密封。因此，通道34的总横截面可以被增大和被减少以使更多或者更少的空气流入到发动机汽缸中，并且使流入到通道34中的燃料量随着空气量的增大和减少而增大和减少。可移动壁86的运动通过节气门拉杆105来实现，而节气门拉杆105使混合装置杆106进行转动，该混合装置杆106可转动地安装在混合器框架上的轴108上。

如果需要从发动机中得到更大的功率，那么可移动壁86移离壁84，从而同时增大燃料量和空气量。图1所示的通道的横截面没有改变。其结果是，具有喉部36(该喉部产生了音速流动并且使通过管90喷射出的液态燃料相应地进行雾化)的、相同形状的通道从相对端壁84开始在可移动壁86的所有范围空间内进行延伸。在图1中，阀42根据喉部36上方的空气压力来控制燃料流，该空气压力通过线路110来进行探测。还应该注意的是，来自油箱40中的相同燃料通过可控制的燃料泵112，该燃料泵把燃料输送到燃料喷射器72中。在接近每个压缩冲程结束时通过喷射器72的燃料流速借助现有技术的控制方法来进行控制。

本发明的系统容易使现有柴油机得到改进。这个通过下面方法来实现：除了阀42和燃料箱的其它连接之外，还设置了混合装置30，因此不是只有空气通过阀52输送到汽缸的进气口20，而是供给来自装置30的空气-燃料混合物。此外，控制装置120(借助改进现有控制装置来得到)连接到燃料喷射器72中，以减少相等发动机功率需求所喷射的燃料量。注意，在增压发动机中，沿着图1的空气通道50来供给压力空气，该通道50通过混合装置。

因此，本发明提供了一种柴油机的燃料源，其中，在活塞的进气冲程期间，很好地雾化过的空气-燃料混合物被输送到汽缸(多缸发动机中的每一个汽缸)中。当活塞接近它的压缩冲程的顶部(和/或之后)时，额外的燃料量被喷射到汽缸中。在供给雾化过的空气-燃料混合物并且在接近压缩冲程的顶部处喷射燃料时，在进气冲程期间所供给的燃料总量可以大约等于或者稍稍少于以前只通过燃料喷射器在每个循环中所供给的燃料量。通过进气所加入的混合物的空-燃比最好小于35∶1，因此供给到汽缸中的绝大部分的燃料通过前面混合过的空气-燃料混合物来供给，并且只有少数的燃料通过燃料喷射器来供给。优选地，至少75％的在每个循环中所使用的总燃料量通过进气来供给。

尽管在这里描述和图解了本发明的特殊实施例，但是应该知道，本领域普通技术人员容易进行各种改进和变形，因此权利要求应该被解释成覆盖了这些变形和等同物。

Claims (6)

1.一种柴油机，它具有：若干汽缸(12)；若干活塞(14)，在包括其后为压缩冲程和做功冲程的进气冲程的一个循环中，这些活塞中的每一个可以在一个所述汽缸中进行滑动，其中，最大压缩比至少为12∶1，该柴油机包括：

空气-燃料混合装置(30)，在进气冲程期间，该空气-燃料混合装置使亚临界稀的燃料和空气的混合物流入到每个汽缸中，其中所述亚临界稀的混合物具有不足以在所述压缩比下进行点燃的燃料；

燃料喷射系统(68)，在活塞接近其压缩冲程的顶部时或者之后，该燃料喷射系统把额外的燃料喷射到所述汽缸中以使燃料水平提高到临界值，其中，在所述压缩冲程期间所得到的所述压缩比下，使混合物点燃。

2.如权利要求1所述的柴油机，其特征在于，

所述空气-燃料混合装置被构造来供给所述混合物，其中该混合物的空气对燃料比不超过35∶1，所述燃料喷射系统被构造来喷射足够多的燃料，以使空气对燃料比降低到不超过大约17∶1。

3.如权利要求1所述的柴油机，其特征在于，

所述燃料喷射系统被构造来喷射至少大约5％的在每个循环中所使用的燃料。

4.如权利要求1所述的柴油机，其特征在于，

所述最大压缩比为大约16∶1到18∶1；

所述亚临界稀混合物的空气对燃料比至少大约为18但不超过大约35∶1，因此在每个循环中所使用的燃料的多于一半被供给到该混合物中，小于在每个循环中所使用的燃料的一半借助燃料喷射系统(68)来供给。

5.一种操纵柴油机的方法，该柴油机具有：若干汽缸(12)；若干活塞(14)，在包括压缩冲程在内的一个循环中，这些活塞中的每一个可以在一个所述汽缸中进行滑动，其中，最大压缩比至少为12∶1；用于混合燃料和空气的混合装置；及每个汽缸中的至少一个开口(20)，该方法包括：

在每个循环中的每个活塞的进气冲程期间使空气和燃料混合流动进入所述若干汽缸中的每一个中，以产生大于在接近所述最大压缩比时能产生自燃的空气对燃料比的空气对燃料比；

在活塞接近其压缩冲程的顶部时或者之后把额外的燃料喷射到所述若干汽缸中的每一个中，以降低空气-燃料比，从而在点燃之前在这些汽缸内产生的最大压缩量和最大温度下点燃空气和燃料的混合物。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，

使空气和燃料混合流动的所述步骤包括产生大于大约18的空气-燃料比；

喷射燃料的所述步骤包括喷射足够多的燃料以使空气-燃料比降低到小于大约17。

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