專利名稱：用兩種不同抗爆性燃料運行的內(nèi)燃機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用至少兩種具有不同抗爆性的燃料來運行的內(nèi)燃機，它包括至少一個燃料在其中周期性進行燃燒的汽缸以及一個用于在每個周期內(nèi)向汽缸供入經(jīng)過調(diào)節(jié)的燃料量的計量系統(tǒng)。可以向這種按本發(fā)明的內(nèi)燃機供給例如天燃氣或汽油作為燃料。
已知按奧托原理的所謂多種燃料發(fā)動機，它們可以用不同的燃料運行。在這種內(nèi)燃機中，空氣燃料混合物在外源點火前被壓縮。這種壓縮在外源點火前也可能導致自發(fā)點火，這種情況是不希望發(fā)生的。通常不同燃料有不同的抗爆性，換句話說，它與空氣的混合物在其導致自燃前允許不同強度的壓縮。為了最佳利用燃料，值得追求的是將其在外源點火前盡可能強烈地壓縮。但是，一種內(nèi)燃機的幾何壓縮比大多是一個由其結(jié)構(gòu)決定的不可改變的參數(shù)。因此，這樣一種內(nèi)燃機只能針對一種有規(guī)定抗爆性的燃料進行最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計和調(diào)整。若此內(nèi)燃機用另一種抗爆性較低的燃料運行，則可能導致爆震，由此會損壞內(nèi)燃機。
本發(fā)明的目的是創(chuàng)造一種內(nèi)燃機，它可以用兩種不同的抗爆燃料來運行，并在這種情況下不僅達到在用較高抗爆性的燃料運行時高的效率，而且有效避免在用抗爆性較低的燃料運行時爆震。
此目的通過一種具有權(quán)利要求1所述特征的內(nèi)燃機來達到。
按本發(fā)明的這種內(nèi)燃機可以按已知的方式尤其通過其幾何壓縮比針對所涉及的燃料中抗爆性較高的那種燃料運行進行優(yōu)化設(shè)計。在用抗爆性較低的燃料運行時的爆震則采取這樣的措施避免，即，將計量系統(tǒng)設(shè)計為在使用較低抗爆性的燃料時供給一個比在使用較高抗爆性的燃料時小的空氣燃料混合物量，這相當于對于較低抗爆性的燃料減小了有效壓縮比。在汽缸內(nèi)這種較小量的燃料混合物的壓力因而比供給較大量較高抗爆性混合物時的低，因此，可導致燃料自燃的臨界狀態(tài)參數(shù)即使在汽缸的上死點也不會達到。
恰當?shù)刂皇窃诖_實需要抑制爆震時，尤其在內(nèi)燃機高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，才規(guī)定減小抗爆性較低的混合物的量。反之，在低轉(zhuǎn)速時供給的兩種燃料的混合物量可以是相同的。
供給的混合物量的控制恰當?shù)乜梢赃@樣實現(xiàn)，即，令計量系統(tǒng)有至少兩種計量規(guī)范，以及分別借助供給的燃料選擇用于計量空氣燃料混合物的規(guī)范。
計量規(guī)范優(yōu)選地規(guī)定了空氣燃料混合物最大要供給的量與內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系。
恰當?shù)兀瑑?nèi)燃機有一個包括多個開關(guān)位置的閥裝置，其中，閥裝置多個進口中每一個可分別與一個不同燃料的燃料箱連接的進口與內(nèi)燃機的一個輸入管道連接，以及計量系統(tǒng)所使用的計量規(guī)范與閥裝置當前的開關(guān)位置相耦合適配。這就可以在從一種抗爆性燃料轉(zhuǎn)換為較低抗爆性燃料時，在用較低抗爆性燃料燃燒的一開始，便及時地調(diào)整供給汽缸的混合物量，并由此有效地保護內(nèi)燃機。
這種閥裝置可例如由一個按選擇將燃料箱之一與內(nèi)燃機輸入管道連接的換向閥構(gòu)成，或由兩個分別設(shè)在燃料箱之一與輸入管道之間的阻塞元件構(gòu)成。第一種可供選擇的方案尤其建議使用于能通過一公共的也就是尤其用于兩種液體燃料的噴射器將燃料供入輸入管道中的情況。第二種可供選擇的方案允許為不同的燃料使用不同的噴射器，并因而優(yōu)選地建議在采用有不同聚集態(tài)或物態(tài)的燃料時使用。
為了計量供給的混合物量，計量系統(tǒng)恰當?shù)卦谳斎牍艿乐杏幸粋€橫截面可控制的窄通道。這種窄通道優(yōu)選地設(shè)在輸入管道內(nèi)處于一個/多個噴射器上游的位置，在那里只有空氣流過輸入管道。在使用低抗爆燃料時通過減小橫截面可以減少供給的空氣量。計量系統(tǒng)根據(jù)此空氣量調(diào)整噴射器供入的燃料量，從而遵守在燃燒時期望的空氣燃料比。
所述窄通道優(yōu)選是一節(jié)流閥。該節(jié)流閥的流通橫斷面大小傳統(tǒng)上僅僅通過例如借助一油門踏板所產(chǎn)生的控制信號來確定。按照本發(fā)明，該節(jié)流閥的位置則不僅取決于控制信號還附加地取決于所采用的燃料類型。
特別優(yōu)選地計量系統(tǒng)在輸入管道內(nèi)有預(yù)壓縮器或增壓器，它的次級側(cè)壓力在使用低抗爆燃料時可以調(diào)整為比使用較高抗爆性的燃料時低。它優(yōu)選地在輸入管道內(nèi)同樣布置在一個/多個噴射器的上游，所以它只影響供給內(nèi)燃機的新鮮空氣，以及噴射器供入的燃料量由計量系統(tǒng)總是以這樣的方式調(diào)整，即，在燃燒時遵守期望的空氣燃料混合比。
優(yōu)選地，內(nèi)燃機設(shè)計用于用一種液體燃料尤其是汽油以及用一種氣態(tài)燃料尤其是天然氣工作。在這里術(shù)語“氣態(tài)”并不一定表示燃料在汽車燃料箱中所具有的聚集狀態(tài)或物態(tài)，而是指它在燃燒前與空氣混合時的聚集狀態(tài)或物態(tài)。
在這樣一種內(nèi)燃機中，所述閥裝置優(yōu)選地由設(shè)在氣態(tài)燃料箱與內(nèi)燃機燃料輸入管道之間的一個第一截止閥和設(shè)在液體燃料箱與燃料輸入管道之間的一個泵構(gòu)成，該泵在關(guān)閉狀態(tài)起阻隔作用并因而成為第二個截止閥。
有利地，內(nèi)燃機的壓縮比至少為11.5，優(yōu)選地約在12.5至13之間。此壓縮比高于以汽油工作的內(nèi)燃機典型的約10.5的壓縮比值以及良好地適應(yīng)天然氣高的抗爆性。
本發(fā)明的目的還通過具有權(quán)利要求14所述特征的方法達到。
按此方法優(yōu)選地當選擇一種不同于具有最高抗爆性的燃料時，令供給的混合物量小于供給內(nèi)燃機的最大混合物量，以避免在汽缸內(nèi)的混合物達到存在爆震危險的狀態(tài)參數(shù)。
有利地，此方法應(yīng)用在壓縮比至少為11.5優(yōu)選地在約12.5至13之間的內(nèi)燃機中，以燃燒汽油。
下面詳細說明按本發(fā)明的內(nèi)燃機的一種實施方式。附圖中

圖1示意表示具有按本發(fā)明的內(nèi)燃機的汽車；圖2表示在用天然氣運行時按本發(fā)明的內(nèi)燃機特征線；以及圖3表示在用汽油運行時按本發(fā)明的內(nèi)燃機特征線。
借助圖1說明一種奧托發(fā)動機作為按本發(fā)明的內(nèi)燃機實施例，它既可以用天然氣也可以用汽油運行。按本發(fā)明的奧托發(fā)動機有一個典型地包括四個或六個汽缸的內(nèi)燃機體11，它主要針對用天然氣作為燃料運行時進行結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計。因為天然氣的抗爆性與一種ROZ值高達130的汽油的抗爆性相應(yīng)，而標準汽油的ROZ值為95，所以按本發(fā)明的奧托發(fā)動機設(shè)計壓縮比約為13∶1，而不是普通的汽油運行奧托發(fā)動機的壓縮比10.5∶1。這種較大的壓縮比可以通過天然氣比汽油有更高的抗爆性實現(xiàn)，并導致按本發(fā)明的奧托發(fā)動機有更高的熱效率，它比汽油運行的標準奧托發(fā)動機的熱效率高出約5％至7％。
內(nèi)燃機體11安裝在汽車內(nèi)，汽車有兩個燃料箱12、13，一個用于天然氣的主燃料箱12和一個用于汽油的副燃料箱13。用于汽油的副燃料箱13是有必要的，因為目前能灌注天然氣的加油站數(shù)量還比較少，所以可能汽車有時必須用汽油運行，以便在主燃料箱12排空時還能保證到達下一個天然氣加油站。
因此在備用運行時按本發(fā)明的奧托發(fā)動機用汽油代替天然氣運行。但是，在針對按本發(fā)明的奧托發(fā)動機設(shè)計的高壓縮比為約13∶1時，若在汽油運行時給發(fā)動機輸入與在發(fā)動機相同轉(zhuǎn)速下針對用天然氣運行確定的空氣燃料混合物相同的最大量，則汽油將爆震地燃燒并導致發(fā)動機損壞。為避免發(fā)生這種情況，將按本發(fā)明的奧托發(fā)動機的計量系統(tǒng)14設(shè)計成，用于在正常情況下將天然氣從燃料箱12供給發(fā)動機體11以及當燃料箱12排空時將汽油從燃料箱13供給發(fā)動機體11，并且設(shè)計為在計量在每個燃燒周期內(nèi)供給發(fā)動機的混合物量時能考慮到所供給燃料的品種。
此計量系統(tǒng)14包括一個閥裝置、一個節(jié)流閥16和一個電子控制電路17。該閥裝置用于總是只允許一種燃料進入發(fā)動機的輸入管道23。它包括一個截止閥15和一臺汽油泵20，它們分別連接主燃料箱12或副燃料箱13與一個安裝在發(fā)動機的輸入管道23上的噴射器21或22。在輸入管道23內(nèi)，噴射器21、22的上游還設(shè)有節(jié)流閥16。汽油泵20是例如一種活塞式泵的結(jié)構(gòu)形式，當其不工作時它將其處于其中的管道阻塞。因此在用天然氣運行時杜絕與此同時汽油進入輸入管道23內(nèi)或天然氣空氣混合物到達副燃料箱。
電子控制電路17通過第一個信號進口接收一個例如取決于加速踏板18位置的功率期望信號，通過第二個信號進口接收一個設(shè)在發(fā)動機11的軸上的轉(zhuǎn)速傳感器19的信號，以及通過第三個信號進口接收一個指示當前運行中供給何種燃料的信號，也就是說指示截止閥15是否打開或汽油泵20是否接通的信號。取決于在運行時供給何種燃料，控制電路17使用兩種規(guī)定的分別儲存在控制電路的一個電子存儲器內(nèi)的計量規(guī)范之一，以便調(diào)整節(jié)流閥16的位置并因而調(diào)整供給每個汽缸的空氣燃料混合物的量。這些計量規(guī)范根據(jù)發(fā)動機要求的功率或加速踏板18為此所處的位置確定供給的混合物量。此外，至少用于較低抗爆性的燃料的計量規(guī)范含有供給混合物量的一個上限，與具體要求的功率無關(guān)不應(yīng)超過此上限，以避免發(fā)動機11內(nèi)爆震。所述的上限根據(jù)傳感器19檢測的發(fā)動機轉(zhuǎn)速確定。上限可以通過在發(fā)動機原型機上對于多種轉(zhuǎn)速改變機械負載，以及測試出允許供給并與此同時不導致爆震的供給混合物量的上限來求出。其中表明，尤其在高轉(zhuǎn)速時需要將較低抗爆性的混合物最大供給的混合物量，限制為一個比轉(zhuǎn)速相同時較高抗爆性的混合物最大供給的量小的值，而在較低的轉(zhuǎn)速時，最大供給的量或許也可以使用相同的值。
當然，這樣一種供給的混合物量取決于轉(zhuǎn)速的上限，也可以尤其在規(guī)定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)使用于抗爆性較高的燃料。
調(diào)整混合物量，即根據(jù)發(fā)動機負載或其要求的功率將混合物量控制為低于所述的上限，原則上可以按傳統(tǒng)的方式進行，然而在此，所供給的混合物量與所要求的功率之間的關(guān)系，在轉(zhuǎn)速給定時對于兩種燃料可能是不同的。
取代節(jié)流閥16，也可以在輸入管道23內(nèi)設(shè)預(yù)壓縮器或增壓器，它將可調(diào)節(jié)為具有過壓的新鮮空氣供入輸入管道。在這種情況下，在汽缸內(nèi)空氣燃料混合物的有效壓縮，由通過增壓器的預(yù)壓縮與在汽缸內(nèi)的幾何壓縮合成。按與上面針對節(jié)流閥已說明的類似的方式，也可以通過增壓器以根據(jù)所使用的燃料不同的壓縮進行工作，減少在使用較低抗爆性的燃料時供給汽缸的混合物量。
圖2用曲線表示按本發(fā)明的奧托發(fā)動機不同的內(nèi)燃機特征曲線，它們是在試車臺上確定的。在這里，奧托發(fā)動機用天然氣運行。所有的特征線均表示與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的關(guān)系，發(fā)動機轉(zhuǎn)速沿x軸表示為每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)。特征線1表示所測算出的發(fā)動機功率。它在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/min時的10KW開始，一直增加到發(fā)動機轉(zhuǎn)速少量超過6000U/min時的70KW。這一上升曲線單調(diào)增加，在大約4000U/min和60KW時有一個輕微的彎折。
特征線2表示發(fā)動機產(chǎn)生的扭矩M。它在1000U/min以大約98Nm開始，一直上升到少量超過4000U/min時的約137Nm，超過4000U/min后重新下降。
圖3表示用同一臺發(fā)動機當它用汽油作為燃料運行時的相應(yīng)的特征線。與圖2中的特征線相比，一眼就可以看出圖3所示特征線的不大均勻的變化過程。例如，發(fā)動機功率P的特征線4在1000U/min至4000U/min范圍內(nèi)嚴格單調(diào)地從10KW增加到約47KW，當轉(zhuǎn)速超過4000U/min時有一種交替下降和上升的變化過程。在圖示的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，特征線4在少量超過5000U/min時達到其最大值為52KW。此最大值明顯地低于特征線1的最大值70KW。
類似地，特征線5表示發(fā)動機扭矩M。特征線5在1000U/min至4000U/min的范圍內(nèi)從75Nm單調(diào)增長到113Nm。但是它在超過4000U/min后比特征線2更劇烈地下降，大約在4500U/min至5500U/min之間略微上升以及接著突然下降。
直接比較功率特征曲線1與4表明，當轉(zhuǎn)速N至4000U/min時用汽油作燃料達到的功率略小于用天然氣時達到的功率。隨著轉(zhuǎn)速N增加特征線1與4之間的差別增大。當轉(zhuǎn)速N超過4000U/min時，曲線1與4的差值已能明顯的看出，也就是說，在此轉(zhuǎn)速下用汽油運行的發(fā)動機達到的功率低得多。
但是下降的發(fā)動機功率P和較小的發(fā)動機扭矩M一般而言是次要和可以容忍的，因為發(fā)動機用汽油運行只是在備用運行或在應(yīng)急運行時進行。導致較低功率的混合物量的限制可靠地防止了在用較低抗爆性的燃料運行時損壞發(fā)動機的爆震。
附圖標記清單1.功率特征曲線2.扭矩3.空氣比4.功率特征曲線5.扭矩6.空氣比例11.發(fā)動機機體12.主燃料箱13.副燃料箱14.計量系統(tǒng)15.截止閥16.節(jié)流閥17.控制電路18.加速踏板19.轉(zhuǎn)速傳感器
20.泵21.噴射器22.噴射器23.輸入管道
權(quán)利要求
1.一種利用至少兩種具有不同抗爆性的燃料來運行的內(nèi)燃機，其包括至少一個燃料在其中周期性進行燃燒的汽缸以及一個用于在每個周期內(nèi)將借助控制信號調(diào)節(jié)的空氣燃料混合物供入汽缸中的計量系統(tǒng)(14)，其特征為該計量系統(tǒng)(14)設(shè)計為，當使用抗爆性較低的燃料時在控制信號的一個給定值時供給第一種量的空氣燃料混合物，此第一種量小于當使用抗爆性較高的燃料時在控制信號為同樣值的情況下供給的第二種量。
2.按照權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機，其特征為所述計量系統(tǒng)設(shè)計為，僅在內(nèi)燃機規(guī)定的運行條件下才供給較小量的低抗爆性空氣燃料混合物，以及，除此之外總是按相同的量或者供給較高抗爆性的空氣燃料混合物或者供給較低抗爆性的空氣燃料混合物。
3.按照權(quán)利要求2所述的內(nèi)燃機，其特征為所述規(guī)定的運行條件相應(yīng)于內(nèi)燃機的一個高的轉(zhuǎn)速范圍。
4.按照權(quán)利要求1至3中任一項所述的內(nèi)燃機，其特征為所述計量系統(tǒng)有至少兩種計量規(guī)范，以及，分別借助所供給的燃料選擇用于計量相關(guān)空氣燃料混合物的規(guī)范。
5.按照權(quán)利要求4所述的內(nèi)燃機，其特征為每一種計量規(guī)范規(guī)定了空氣燃料混合物最大要供給的量與內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系。
6.按照上述任一項權(quán)利要求所述的內(nèi)燃機，其特征在于一個有多個進口和多種開關(guān)狀態(tài)的閥裝置(15、20)，其中，該閥裝置(15、20)分別有一個進口與所述內(nèi)燃機(11)的一輸入管道(23)相連通，以及，所述計量系統(tǒng)(14)所使用的計量規(guī)范與該閥裝置(15、20)的開關(guān)狀態(tài)相耦合。
7.按照權(quán)利要求6所述的內(nèi)燃機，其特征為所述閥裝置包括多個分別設(shè)在所述進口之一與所述輸入管道(23)之間的阻塞元件(15、20)。
8.按照權(quán)利要求7所述的內(nèi)燃機，其特征為所述阻塞元件之一是一個截止閥(15)以及所述另一阻塞元件是一個泵(20)。
9.按照權(quán)利要求6至8之一所述的內(nèi)燃機，其特征為所述計量系統(tǒng)(14)包括在所述輸入管道中的一個橫截面可控制的窄通道(16)。
10.按照權(quán)利要求9所述的內(nèi)燃機，其特征為所述窄通道(16)是一節(jié)流閥。
11.按照權(quán)利要求6至8之一所述的內(nèi)燃機，其特征為所述計量系統(tǒng)(14)包括在所述輸入管道中的一個增壓器。
12.按照上述任一項權(quán)利要求所述的內(nèi)燃機，其特征為它設(shè)計成用汽油和用天然氣運行。
13.按照上述任一項權(quán)利要求所述的內(nèi)燃機，其特征為它的壓縮比至少為11.5，優(yōu)選地在約12.5至13之間。
14.一種內(nèi)燃機的運行方法，其中，從至少兩種抗爆性不同的燃料中選擇出一種燃料，以及向內(nèi)燃機的一汽缸周期性地供給一種空氣和燃料的混合物的一個根據(jù)控制信號調(diào)節(jié)的量，并在此汽缸內(nèi)進行燃燒，其特征為所供給的空氣燃料混合物的量另外還根據(jù)加入該混合物內(nèi)的燃料類型來調(diào)節(jié)，其中，至少在規(guī)定的運行條件下，當控制信號的值相同時，所供給的有較低抗爆性的燃料量小于有較高抗爆性的燃料量。
15.按照權(quán)利要求14所述的方法，其特征為此方法使用在一個其壓縮比至少為11.5，優(yōu)選地在約12.5至13之間的可按選擇燃燒汽油或天然氣來運行的內(nèi)燃機中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可用至少兩種具有不同抗爆性的燃料來運行的內(nèi)燃機，其包括至少一個燃料在其中周期性進行燃燒的汽缸以及一個用于在每個周期內(nèi)向汽缸供入經(jīng)調(diào)節(jié)的燃料量的計量系統(tǒng)。該計量系統(tǒng)設(shè)計為，當使用抗爆性較低的燃料時，所供給的空氣燃料混合物的量保持低于一個不構(gòu)成爆震危險的極限量。
文檔編號F02D19/06GK1791743SQ200480013880
公開日2006年6月21日 申請日期2004年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月26日
發(fā)明者安德烈亞斯·耀斯, 馬賽厄斯·布朗 申請人:Gm全球科技運作股份有限公司