專利名稱：使用加壓低粘度燃料的內(nèi)燃機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用加壓低粘度燃料的壓燃式內(nèi)燃機領(lǐng)域，所述內(nèi)燃 機包括發(fā)動機動力氣缸，該發(fā)動機動力氣缸帶有與其相關(guān)聯(lián)的氣體流 動路徑，還包括用于開啟發(fā)動機動力氣缸和所述氣體流動路徑之間的
流體連通的氣門系統(tǒng)，以及發(fā)動機管理系統(tǒng)(EMS)。本發(fā)明也涉及 使用加壓低粘度燃料的壓燃式內(nèi)燃機的操作方法。
背景技術(shù)：
非礦物燃料經(jīng)常用作常規(guī)柴油燃料的環(huán)保性替代品。如二甲醚 (DME)的高蒸汽壓燃料與傳統(tǒng)的柴油燃料相比通常具有非常低的粘 度，粘度低至使得即使噴嘴閥的密封表面未被破壞而燃料也能夠泄漏 通過關(guān)閉的該閥。此外，用于這種低粘度燃料的燃料噴射和供給系統(tǒng) 經(jīng)常設(shè)計為使得即使發(fā)動機停機時也在燃料系統(tǒng)的空間內(nèi)保留遠髙于 大氣的燃料壓力。這為即使在發(fā)動機不運行且不存在用于實際噴射的 燃料壓力時燃料也泄漏到發(fā)動機動力氣缸內(nèi)創(chuàng)造了條件。
現(xiàn)有的燃料噴射系統(tǒng)已公開，其中采用了用于防止在停機的發(fā)動 機內(nèi)通過噴射器噴嘴的泄漏的專用裝置，該專用裝置為電控隔離閥或 自動隔離閥的形式。例如，在美國專利No6，189，517中公開了現(xiàn)有技術(shù) 的帶有自動隔離閥的系統(tǒng)。雖然已知的泄漏保護系統(tǒng)一般是有效的， 但它們在使用中仍可能失去其功能性。對此， 一個原因可能是碎屑塊 堵塞在泄漏保護閥的密封表面之間。如果發(fā)生這種堵塞，則大量的燃 料可能向下泄漏到發(fā)動機動力氣缸內(nèi)。在試圖啟動其中發(fā)生了這種泄 漏的發(fā)動機時，所述量的泄漏燃料可能點燃并導致受影響的氣缸內(nèi)的 過壓和超溫，而可能隨后對各種發(fā)動機部件造成損壞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供在啟動其中揮發(fā)性燃料已泄漏到動力氣缸內(nèi) 的發(fā)動機時避免損壞且增加安全性的裝置。
通過根據(jù)權(quán)利要求l的特征實現(xiàn)了上述目的。
本發(fā)明也涉及以增加使用諸如DME的高蒸汽壓燃料的發(fā)動機的安 全性、提高其可靠性并減少其停機時間為目的的發(fā)動機啟動和診斷方 法及系統(tǒng)的改進。也介紹了方便的診斷方法，該方法允許精確測量噴 射器之間的燃料供給均勻性，同時不要求特殊的測試設(shè)備或準備工作 來執(zhí)行這種測量。
通過根據(jù)權(quán)利要求15的特征實現(xiàn)了上述目的。
本發(fā)明的目的是提供用于檢測泄漏的高揮發(fā)性燃料在發(fā)動機動力 氣缸內(nèi)的存在以及用于在檢測到這種泄漏的情況下安全啟動發(fā)動機的 系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的另外的目的是提供其中以最小成本和復雜性實 現(xiàn)必需的功能性的這種系統(tǒng)。本發(fā)明的又一目的是提供用于測量諸如 DME的髙揮發(fā)性燃料在噴射器之間的輸送均勻性的簡單而精確的方法。
本發(fā)明提供了如下優(yōu)點i)增加以諸如DME的高揮發(fā)性燃料為燃 料的發(fā)動機的運行安全性，ii)提高這種發(fā)動機的可靠性，和iii)降低 維護成本。因為能夠在啟動時防止發(fā)動機內(nèi)的不受控的壓力和溫度升 高，增加了發(fā)動機運行的安全性。因為本發(fā)明提供安全啟動發(fā)動機的 裝置，否則該發(fā)動機將不能啟動或可能在啟動時出故障，提高了可靠 性。通過能在運行的發(fā)動機上進行噴射系統(tǒng)的自清潔的事實進一步增 強了可靠性，因為能夠通過燃料的流動來清洗掉導致隔離閥失效的碎 屑并能夠恢復燃料噴射系統(tǒng)的泄漏保護功能。通過利用燃料供給均勻 性診斷功能，該診斷功能允許對燃料供給與其標定值有偏差的噴射器進行檢測而不從發(fā)動機/車輛上移除任何部件，能夠進一步有助于提高 的可靠性以及降低的維護成本。此方法明顯比已知的測量/比較運行中 的發(fā)動機上的排氣口溫度的方法更精確，因為在后一種情況中噴射形 狀不規(guī)則和燃燒影響開始起作用并且歪曲了通過對氣缸之間的排氣溫 度均勻性的分析而提供的情況。


下面將參考附圖以非限制性方式進一步描述本發(fā)明，其中-圖l示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的內(nèi)燃機，
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的內(nèi)燃機，和 圖3示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的內(nèi)燃機。
具體實施例方式
在圖l所示的實施例中，使用加壓低粘度燃料的內(nèi)燃機l裝配有用 于將諸如DME的高揮發(fā)性燃料噴射到發(fā)動機的動力氣缸內(nèi)的燃料系統(tǒng) (未示出)。溫度傳感器2安裝在發(fā)動機的每個單獨的排氣口3內(nèi)，其 中排氣口3表示連接到發(fā)動機的每個單獨的動力氣缸的氣體流動路徑。 傳感器2適于由EMS 4讀取，該EMS 4控制根據(jù)本發(fā)明的燃料噴射系統(tǒng) 和泄漏檢測/啟動系統(tǒng)。該發(fā)動機還裝配有雙速起動系統(tǒng)，該起動系統(tǒng) 包括起動電機5和起動電機控制器6。
泄漏檢測和發(fā)動機安全啟動的優(yōu)選方法包括如下步驟
1. 在接受到來自駕駛員的啟動發(fā)動機的指令時，激活由溫度傳感 器2執(zhí)行的對發(fā)動機排氣口內(nèi)的溫度測量，并將該溫度存儲在EMS存儲 器內(nèi)；
2. 開啟第一發(fā)動機起動(cranking)模式，該第一發(fā)動機起動模式的 特征在于相對慢的起動速度，這防止在發(fā)動機動力氣缸內(nèi)達到足以導 致溫度升高到燃料點燃溫度或燃料點燃溫度以上的高壓力。典型的慢 起動速度能夠在30rpm的量級。優(yōu)選地在此模式期間不開啟燃料噴射；
3. 分析關(guān)于其與起動前測量的值的偏差以及關(guān)于各個溫度傳感器之間的溫度差值的溫度數(shù)據(jù)；
4. 使慢起動模式保持繼續(xù)，直至所測得的溫度差值低于預定值， 在此情況中轉(zhuǎn)移到步驟5，或直至達到最大允許的慢起動持續(xù)時間，在 此情況中關(guān)斷所有項目并向駕駛員匯報故障。典型的最大允許的慢起 動持續(xù)時間能夠在30秒的量級；和
5. 切換到常規(guī)、較高的起動速度，并開啟燃料噴射以使發(fā)動機啟動。
在步驟2期間，發(fā)動機的相對慢的起動仍將提供從進氣口到動力氣
缸和然后通過排氣口出來的空氣流。此流動將帶走可能已泄漏到氣缸 內(nèi)并聚積在此的燃料所釋放的任何燃料蒸汽。氣化燃料的冷卻效果與
燃料的量成比例，且這將由溫度傳感器檢測到。在步驟4期間，如果檢 測到傳感器之間的明顯溫度差異，則該慢起動將使泵送空氣持續(xù)通過 發(fā)動機并通過排氣系統(tǒng)將燃料蒸汽隨泵送空氣帶走。如果此時的泄漏 速度小于燃料蒸汽團從發(fā)動機排出的速度，則泄漏的燃料將最終被從 氣缸移除，并且根據(jù)步驟5，安全的發(fā)動機啟動將變得可能。在步驟4 期間泄漏速度高于燃料從氣缸排出的速度的情況中，將不能實現(xiàn)所測 量溫度的均衡且預設(shè)的時間延遲將控制慢起動的最大持續(xù)時間，除非 駕駛員決定手動終止該啟動嘗試。
相對慢的發(fā)動機起動可能性將也使得能對噴射器供給燃料均勻性 進行診斷。為實現(xiàn)這一點，遵照上述步驟1至4，然后，當已確認在任 何氣缸內(nèi)均無明顯泄漏時開啟燃料噴射。所述燃料的點燃將通過限定 (definition)來防止，且所噴射的燃料的氣化冷卻效果將與所噴射的量 相當，從而允許對燃料噴射的均勻性做出推斷。此推斷可能不太精確， 特別是考慮到燃料噴射的系統(tǒng)在常規(guī)發(fā)動機運行期間與慢起動模式期 間相比的不同運行狀況，但此推斷仍提供檢測到噴射器的相對嚴重的 的性能下降的可能性。
如果發(fā)動機裝配有通過限制經(jīng)過發(fā)動機的空氣流能夠防止氣缸空氣溫度升高到燃料點燃溫度水平的可變氣門驅(qū)動(VVA)系統(tǒng)，則該 可變氣門驅(qū)動系統(tǒng)可用于測量在高于第一起動模式的速度下的燃料輸 送均勻性，以增加燃料噴射系統(tǒng)的有用測試范圍。然而，測量結(jié)果的 精確性將受制于這種VVA系統(tǒng)精確控制其允許經(jīng)過發(fā)動機的空氣量 (一方面限制峰值溫度，另一方面實現(xiàn)將燃料蒸汽攜帶經(jīng)過溫度傳感 器的必需流動)的能力。
在所描述的本發(fā)明的第一實施例中，僅通過由起動電機控制器6施 加給起動電機5的電力的受控降低來設(shè)定第一起動模式。已知發(fā)動機曲 軸的轉(zhuǎn)速趨向于隨旋轉(zhuǎn)角度不均勻，且起動速度越低，則單一旋轉(zhuǎn)內(nèi) 曲軸轉(zhuǎn)速波動越大，特別是在起動電機起動期間。過大的波動可導致 發(fā)動機氣缸之一中的活塞偶然加速到遠高于平均速度的速度，使得在 燃燒室內(nèi)產(chǎn)生相應的高壓和高溫，這將要求供給到起動電機的電力的 進一步降低，且又意味著更大的速度波動。
在圖2所示的本發(fā)明的另一個實施例中，包括了用于控制第一起動 模式下的起動速度的附加裝置，以抵消該不利的傾向并使起動速度波 動均勻。在本實施例中，在第一起動模式期間，EMS4以與曲柄轉(zhuǎn)角相 關(guān)的動作進行發(fā)動機制動。
己知曲軸的轉(zhuǎn)速波動是由發(fā)動機活塞的壓縮和做功沖程導致的， 且每個沖程的狀態(tài)完全由曲軸或凸輪軸的角位置限定。曲軸的角位置 和沖程的狀態(tài)之間的固定關(guān)系用來限定凸輪盤7的形狀，該凸輪盤7能 夠如圖2所示地安裝在離合器殼體8上，該離合器殼體8螺栓連接到發(fā)動 機飛輪9。帶有其位置控制機構(gòu)11的摩擦制動蹄10安裝在變速器殼體12 上，該變速器殼體12螺栓連接到發(fā)動機1。 EMS控制制動蹄朝向凸輪盤
的延伸，使得在第一起動模式期間，當發(fā)動機活塞趨向于在做功沖程 中被加速時在凸輪盤7和蹄10之間產(chǎn)生摩擦力。因此，有效地抑制曲軸
轉(zhuǎn)速波動，且能夠允許較高的平均轉(zhuǎn)速而沒有在動力氣缸內(nèi)達到燃料 點燃溫度的風險。將認識到，上述這種與曲柄轉(zhuǎn)角相關(guān)的發(fā)動機制動的復雜性可以 非常低，因為不存在實現(xiàn)與曲柄轉(zhuǎn)角相關(guān)的制動力施加所需的實時控
制或跟蹤功能。EMS簡單地控制該制動蹄朝向凸輪盤的突出程度并通 過機械裝置來實現(xiàn)與曲柄轉(zhuǎn)角相關(guān)的動作。如果彈性裝置13在適當?shù)?位置且設(shè)計為實現(xiàn)制動蹄10與凸輪盤7的平滑接合，則所述突出控制的 最簡單的形式可以是雙位置控制或開/關(guān)控制。替代地，如果需要對平 均制動力的更好的控制，則EMS能夠容易地適于利用來自發(fā)動機速度 傳感器的反饋而在分級、連續(xù)或甚至實時的基礎(chǔ)上控制所述蹄的突出。
通過在第一起動模式下使用發(fā)動機制動，可以減小發(fā)動機的轉(zhuǎn)速 波動并同時增加其平均轉(zhuǎn)速，這將加速所泄漏的燃料及其蒸汽從系統(tǒng) 的排出，并允許發(fā)動機更早啟動。
可以通過使用替代起動電機控制器6的與曲柄轉(zhuǎn)角相關(guān)的發(fā)動機 制動來實現(xiàn)對根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的進一步簡化。在這種實施例中，該 起動電機在全電力下以常規(guī)方式被激活，且通過施加發(fā)動機制動來實 現(xiàn)慢起動速度。此實施例允許系統(tǒng)成本的降低，因為取消了電力供給 控制器。
當車輛掛上檔且以駐車制動器固定時，與曲柄轉(zhuǎn)角相關(guān)的發(fā)動機 制動的設(shè)計變體能夠基于對車輛變速器的離合器8的接合控制。這種設(shè) 計的原理可以類似于在圖2所示的替代實施例中使用的原理，但凸輪盤 7能夠用于提供位置信息、先導力(pilot force)或?qū)嶋H力(例如，通過機 械或液壓連接)，該實際力用來控制用于離合器接合的機構(gòu)。使用車 輛的離合器、變速器和常規(guī)制動系統(tǒng)而不是使用包括制動蹄10的另外 的發(fā)動機制動系統(tǒng)能夠降低系統(tǒng)的成本和復雜性。
當發(fā)動機裝配有與曲柄轉(zhuǎn)角相關(guān)的發(fā)動機制動時，上述的泄漏檢 測和發(fā)動機安全啟動的方法將另外包括在根據(jù)步驟2開啟第一發(fā)動機起動模式時或之前開啟此制動。
在圖3所示的本發(fā)明的另一個替代實施例中，通過在發(fā)動機仍停機 時開啟氣缸與其排氣口之間的連通來實現(xiàn)預啟動模式。在此實施例中， 通過高揮發(fā)性燃料的自然蒸發(fā)來影響所泄漏的燃料從氣缸的排出。該 蒸發(fā)還能夠降低安裝在排氣口內(nèi)的溫度傳感器周圍的溫度，且該溫度 降低能夠被EMS4獲取，EMS4然后以與以上所述相同的方式確定預啟 動模式的持續(xù)時間。氣缸與其排氣口3的連通能夠由另外的減壓機構(gòu)控 制，該減壓機構(gòu)由促動器14、連桿15和桿16組成，它們能夠根據(jù)來自 EMS的指令提供開啟發(fā)動機排氣門(未示出)的力。當發(fā)動機準備啟 動時，使該機構(gòu)無效且發(fā)動機以常規(guī)方式啟動。
對使用諸如DME的高揮發(fā)性燃料且在發(fā)動機停機時能夠發(fā)生燃料 到動力氣缸內(nèi)的泄漏的發(fā)動機的運行安全性的改進中的另一個方面 是由于一些這種燃料的相對低的點燃溫度，存在當發(fā)動機停機時排 氣系統(tǒng)的元件的溫度能夠高于燃料點燃溫度的可能性。如果在此情形 中試圖啟動發(fā)動機并且在停機的發(fā)動機上已存在燃料泄漏，則在第一 起動模式期間從受影響的動力氣缸排出的燃料及其蒸汽可能點燃并損 壞發(fā)動機。為防止這一點，EMS能夠被編程為不允許發(fā)動機啟動直至 已經(jīng)過一時間段，從而保證燃料可能接觸到的表面的溫度低于點燃溫 度，或能夠?qū)囟葌鞲衅靼惭b在已知的發(fā)動機熱點附近并然后由EMS 基于此測量值來做出讓啟動過程繼續(xù)進行的決定。
本發(fā)明不限于上述實施例，且在如下的權(quán)利要求的范圍內(nèi)可進行 許多修改。這種修改例如可以涉及將凸輪盤7定位在連接到曲軸的其 他發(fā)動機零件或軸上；設(shè)計與所描述的方式不同的用于與曲柄轉(zhuǎn)角相 關(guān)的發(fā)動機制動的機構(gòu)；引入各種時間延遲以保證在燃料噴射被接通 以啟動發(fā)動機之前將燃料蒸汽從排氣系統(tǒng)中移除等。
權(quán)利要求
1.一種使用加壓低粘度燃料的壓燃式內(nèi)燃發(fā)動機(1)，所述發(fā)動機包括發(fā)動機動力氣缸，該發(fā)動機動力氣缸帶有與其相關(guān)聯(lián)的氣體流動路徑(3)，所述發(fā)動機還包括用于開啟所述發(fā)動機動力氣缸和所述氣體流動路徑之間的流體連通的氣門系統(tǒng)，以及發(fā)動機管理系統(tǒng)(EMS)(4)，其特征在于所述發(fā)動機管理系統(tǒng)(4)適于提供預啟動模式，在該預啟動模式中，所述發(fā)動機動力氣缸和所述氣體流動路徑之間的開啟的流體連通以如下方式建立，即防止任何存在于所述發(fā)動機動力氣缸內(nèi)的燃料達到所述燃料的燃料點燃溫度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的內(nèi)燃發(fā)動機，其特征在于用于在所述預 啟動模式下激活所述氣門系統(tǒng)的裝置，所述氣門系統(tǒng)用于開啟所述發(fā) 動機動力氣缸和所述氣體流動路徑(3)之間的所述流體連通。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的內(nèi)燃發(fā)動機，其特征在于用于激活所 述氣門系統(tǒng)的所述裝置包括減壓機構(gòu)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的內(nèi)燃發(fā)動機，其特征在于用于激活 所述氣門系統(tǒng)的所述裝置包括起動電機(5)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的內(nèi)燃發(fā)動機，其特征在于所述起動電 機(5)連接到控制器，所述控制器適合與EMS (4)通信以用于在所 述預啟動模式期間控制所述發(fā)動機(1)的起動速度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的內(nèi)燃發(fā)動機，其特征在于所述控制器 適合響應于來自所述EMS (4)的輸入來控制向所述起動電機的電力供 給。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4至6中的任一項所述的內(nèi)燃發(fā)動機，其特征在于所述EMS (4)適于控制用于在所述預啟動模式期間制動所述發(fā)動機的 裝置。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的內(nèi)燃發(fā)動機，其特征在于用于制動所 述發(fā)動機的所述裝置包括帶有離合器(8)的車輛變速器，以及車輛制 動系統(tǒng)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的內(nèi)燃發(fā)動機，其特征在于用于制動 所述發(fā)動機的所述裝置適于應用與曲柄轉(zhuǎn)角相關(guān)的制動動作。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的內(nèi)燃發(fā)動機，其特征在于凸輪盤(7) 安裝在發(fā)動機軸上，其中所述凸輪盤的凸輪表面的外形限定所述發(fā)動 機制動的制動效果。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的內(nèi)燃發(fā)動機，其特征在于用于制動 所述發(fā)動機的所述裝置包括制動蹄(10)，所述制動蹄(10)適于接 合所述凸輪盤(7)以用于控制起動期間發(fā)動機曲軸的速度波動。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的內(nèi)燃發(fā)動機，其特征在于所述凸輪 盤(7)安裝在所述發(fā)動機曲軸上。
13. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的內(nèi)燃發(fā)動機，其特征在 于所述EMS (4)連接到安裝在所述氣體流動路徑(3)中的傳感器(2),以用于參考所述傳感器的輸出來控制用于在所述預啟動模式期 間激活所述氣門系統(tǒng)的所述裝置。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的內(nèi)燃發(fā)動機，其特征在于所述傳感 器(2)是溫度傳感器。
15. —種使用加壓低粘度燃料的壓燃式內(nèi)燃發(fā)動機(1)的操作方法，所述發(fā)動機包括發(fā)動機動力氣缸，該發(fā)動機動力氣缸帶有與其相關(guān)聯(lián)的氣體流動路徑(3)，所述發(fā)動機還包括用于開啟所述發(fā)動機動 力氣缸和所述氣體流動路徑之間的流體連通的氣門系統(tǒng)，發(fā)動機管理 系統(tǒng)(EMS) (4),以及在每個所述發(fā)動機動力氣缸的所述氣體流動 路徑中的傳感器(2)，所述方法的特征在于如下步驟測量傳感器(2)的輸出并將所測得的數(shù)據(jù)存儲在EMS存儲器內(nèi)； 在預啟動模式下激活所述氣門系統(tǒng)，所述預啟動模式防止達到燃 料點燃溫度；比較在所述預啟動模式期間由所述傳感器(2)提供的新測量數(shù)據(jù) 與所述已存儲的數(shù)據(jù)，并分析關(guān)于各個傳感器(2)的輸出的差值的所 述新測量數(shù)據(jù)；保持所述預啟動模式，直至所測得的差值低于預定值，或直至達 到最大允許持續(xù)時間。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于測量各個傳感器 (2)的輸出的差值以用于估計噴射器之間的燃料輸送均勻性的步驟。
全文摘要
一種使用加壓低粘度燃料的壓燃式內(nèi)燃機(1)，該壓燃式內(nèi)燃機(1)包括發(fā)動機動力氣缸，該發(fā)動機動力氣缸帶有與其相關(guān)聯(lián)的氣體流動路徑(3)，還包括用于開啟該發(fā)動機動力氣缸和該氣體流動路徑之間的流體連通的氣門系統(tǒng)，以及發(fā)動機管理系統(tǒng)(EMS)(4)。該發(fā)動機管理系統(tǒng)(4)適于提供預啟動模式，在該預啟動模式中，發(fā)動機動力氣缸和氣體流動路徑之間的開啟的流體連通以如下方式建立，即防止任何存在于所述發(fā)動機動力氣缸內(nèi)的燃料達到所述燃料的燃料點燃溫度。
文檔編號F02D35/02GK101529069SQ200680056204
公開日2009年9月9日 申請日期2006年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月26日
發(fā)明者塞爾吉·尤達諾夫, 安尼卡·卡爾松 申請人:沃爾沃拉斯特瓦格納公司