本發(fā)明涉及供應(yīng)氣體燃料的內(nèi)燃機(jī)。特別地，本發(fā)明涉及一種供應(yīng)氣體燃料的內(nèi)燃機(jī)，這種類(lèi)型的內(nèi)燃機(jī)包括一個(gè)或更多個(gè)氣缸和在氣缸中于上止點(diǎn)(tdc)和下止點(diǎn)(bdc)之間滑動(dòng)并可操作地連接到曲柄軸的相應(yīng)活塞，該發(fā)動(dòng)機(jī)被配置成在每個(gè)氣缸的每個(gè)操作循環(huán)期間致動(dòng)相繼的進(jìn)氣、壓縮、膨脹和排氣階段，其中，對(duì)于每個(gè)氣缸，發(fā)動(dòng)機(jī)包括：-第一進(jìn)氣導(dǎo)管和第二進(jìn)氣導(dǎo)管，該第一進(jìn)氣導(dǎo)管和第二進(jìn)氣導(dǎo)管通向氣缸，并且兩者都與同一進(jìn)氣歧管連通，以便接收相同壓力的空氣；-第一進(jìn)氣閥和第二進(jìn)氣閥，該第一進(jìn)氣閥和第二進(jìn)氣閥與氣缸相關(guān)聯(lián)，以在氣缸的每個(gè)操作循環(huán)期間控制分別從第一進(jìn)氣導(dǎo)管以及從第二進(jìn)氣導(dǎo)管進(jìn)入氣缸中的進(jìn)氣流動(dòng)；-致動(dòng)裝置，該致動(dòng)裝置用于致動(dòng)所述第一進(jìn)氣閥和所述第二進(jìn)氣閥，以在氣缸的每個(gè)操作循環(huán)期間控制所述第一進(jìn)氣閥和所述第二進(jìn)氣閥的打開(kāi)運(yùn)動(dòng)和相繼的關(guān)閉運(yùn)動(dòng)；-氣體燃料供應(yīng)系統(tǒng)，其包括至少一個(gè)噴射器，該噴射器與每個(gè)氣缸相關(guān)聯(lián)并且被配置和布置成在氣缸的每個(gè)操作循環(huán)期間將氣體燃料直接噴射到相應(yīng)的氣缸中。

背景技術(shù)：

1、在上述類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機(jī)中，存在防止在進(jìn)氣導(dǎo)管中的回火現(xiàn)象和在燃燒室中的爆震和/或提前點(diǎn)火現(xiàn)象的問(wèn)題。

2、解決上述問(wèn)題的已知方法是在進(jìn)氣階段開(kāi)始時(shí)使用不可燃的氣體(新鮮空氣)冷卻殘留在氣缸中的廢氣。以這種方式，燃料混合物被防止處于高溫環(huán)境中。

3、另一種消除回火的方法是將氣體燃料直接噴射(di)到燃燒室中，而不是將氣體燃料噴射到進(jìn)氣導(dǎo)管中，即所謂的端口燃料噴射(pfi)。然而，在超稀薄燃燒的情況下，這對(duì)于增加熱效率是有用的，在pfi的情況下和在di的情況下，可能會(huì)發(fā)生不點(diǎn)火現(xiàn)象，結(jié)果是導(dǎo)致回火。

4、在氣體燃料是氫氣的情況下，還應(yīng)該考慮到氫氣的最小點(diǎn)火能量大約比汽油的最小點(diǎn)火能量小十倍。這一特性加上氫氣在易燃性和高擴(kuò)散性的充分限制下燃燒的趨勢(shì)導(dǎo)致進(jìn)氣導(dǎo)管中回火的風(fēng)險(xiǎn)急劇增加。因此通常對(duì)汽油供燃的發(fā)動(dòng)機(jī)或者天然氣供燃的發(fā)動(dòng)機(jī)有效的對(duì)策在發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)氫氣的情況下可能無(wú)效。

5、此外，氫氣供燃的發(fā)動(dòng)機(jī)需要用超稀薄混合物操作，以防止氮氧化物排放和爆震現(xiàn)象(由于氫氣的低點(diǎn)火能量)。稀薄混合物的燃燒通常較慢，這意味著當(dāng)進(jìn)氣閥打開(kāi)時(shí)，氣缸中可能仍有一定量的空氣和未燃燒的燃料，從而導(dǎo)致回火。此外，對(duì)于在存在超稀薄混合物的情況下工作的發(fā)動(dòng)機(jī)，通常壓縮比增加以促進(jìn)點(diǎn)火和完全燃燒：然而，在燃燒開(kāi)始期間，高壓縮比意味著上止點(diǎn)處的湍流動(dòng)能顯著減少，從而增加了緩慢和不完全燃燒的風(fēng)險(xiǎn)。

6、在文獻(xiàn)us?7,980,220?b2中已經(jīng)提出了解決這個(gè)問(wèn)題的嘗試。在這個(gè)已知的解決方案中，提供了上述類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機(jī)，每個(gè)氣缸具有兩個(gè)進(jìn)氣導(dǎo)管和兩個(gè)相應(yīng)的進(jìn)氣閥。氫氣的噴射僅在兩個(gè)進(jìn)氣導(dǎo)管中的一個(gè)進(jìn)氣導(dǎo)管中進(jìn)行。至少在較高的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和r.p.m.時(shí)，在氣缸的每個(gè)操作循環(huán)期間，控制進(jìn)氣導(dǎo)管(氫氣被噴射到其中)的進(jìn)氣閥相對(duì)于另一個(gè)進(jìn)氣閥延遲打開(kāi)。以這種方式，在只有與噴射器不相關(guān)的進(jìn)氣導(dǎo)管的進(jìn)氣閥打開(kāi)的步驟中，只有新鮮空氣進(jìn)入燃燒室。理論上，由于在進(jìn)氣階段的第一部分中引入的新鮮空氣所進(jìn)行的冷卻，上述解決方案應(yīng)該消除回火的風(fēng)險(xiǎn)。然而，后一種類(lèi)型的解決方案并不完全令人滿(mǎn)意，因?yàn)樯鲜隼鋮s僅在進(jìn)氣階段的第一部分期間進(jìn)行。此外，最初產(chǎn)生的渦流可能導(dǎo)致通過(guò)打開(kāi)第二閥引入的空氣和氫氣的流動(dòng)精確地沖擊熱排放閥，具有回火的風(fēng)險(xiǎn)，即在進(jìn)氣階段期間不期望的燃料點(diǎn)火。

7、文獻(xiàn)us2012/023935?a1描述了一種供應(yīng)液體燃料的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，其中每個(gè)氣缸的兩個(gè)進(jìn)氣導(dǎo)管供應(yīng)具有不同溫度和壓力的空氣流量。

8、發(fā)明目的

9、本發(fā)明的目的是提供一種供應(yīng)氣體燃料的內(nèi)燃機(jī)，其中回火的風(fēng)險(xiǎn)大幅度地降低。

10、另一個(gè)目的是提供一種供應(yīng)氣體燃料、特別是氫氣的內(nèi)燃機(jī)，其中爆震和提前點(diǎn)火(所謂的大爆震現(xiàn)象)的風(fēng)險(xiǎn)也大幅度地降低。

11、特別地，本發(fā)明的目的是提供一種供應(yīng)氣體燃料的內(nèi)燃機(jī)，該氣體燃料將能夠進(jìn)行對(duì)燃燒室中的熱點(diǎn)的有效冷卻，以防止在進(jìn)氣閥或者多個(gè)進(jìn)氣閥的打開(kāi)期間不期望的燃料點(diǎn)火，即防止回火或不規(guī)則點(diǎn)火現(xiàn)象。

12、此外，本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種供應(yīng)氣體燃料的內(nèi)燃機(jī)，在該中，氮氧化物排放將顯著地減少，還提供了以超稀薄混合物(即，空氣/燃料比和化學(xué)計(jì)量比之間的比值高于閾值，例如1.8)進(jìn)行操作的可能性，利用氣缸中湍流動(dòng)能的增加，從而引起空氣/燃料混合物的更好的均勻性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)或更多個(gè)上述目的，本發(fā)明的主題是一種供應(yīng)氣體燃料的內(nèi)燃機(jī)，其類(lèi)型在本說(shuō)明書(shū)的開(kāi)頭指出，其特征還在于：

2、用于致動(dòng)第一進(jìn)氣閥和第二進(jìn)氣閥的致動(dòng)裝置被配置成在氣缸的每個(gè)操作循環(huán)中、至少在給定的發(fā)動(dòng)機(jī)操作條件下，首先僅控制所述第一進(jìn)氣閥的打開(kāi)運(yùn)動(dòng)和相繼的關(guān)閉運(yùn)動(dòng)，同時(shí)第二進(jìn)氣閥保持關(guān)閉，然后僅控制第二進(jìn)氣閥的打開(kāi)運(yùn)動(dòng)和相繼的關(guān)閉運(yùn)動(dòng)，同時(shí)第一進(jìn)氣閥保持關(guān)閉；并且

3、氣體燃料供應(yīng)系統(tǒng)被配置成使得：

4、在每個(gè)氣缸的每個(gè)操作循環(huán)中，當(dāng)?shù)谝贿M(jìn)氣閥打開(kāi)時(shí)，不供應(yīng)氣體燃料，使得在第一進(jìn)氣閥打開(kāi)的情況下引入氣缸中的空氣流引起氣缸的冷卻，從而防止隨后的提前點(diǎn)火或回火現(xiàn)象，而

5、在氣缸的每個(gè)操作循環(huán)中，由于在第一進(jìn)氣閥打開(kāi)期間獲得的冷卻，氣體燃料僅從第一進(jìn)氣閥關(guān)閉之后和第二進(jìn)氣閥打開(kāi)之前的瞬間開(kāi)始被直接供應(yīng)到氣缸中，從而獲得規(guī)則的燃燒，而不存在提前點(diǎn)火現(xiàn)象或回火現(xiàn)象。

6、特別地，例如，如果燃料噴射器相對(duì)于氣缸處于同軸位置，由于強(qiáng)烈的渦流運(yùn)動(dòng)，燃料將保持限制在噴射器的噴嘴近側(cè)，因此降低了引發(fā)不規(guī)則點(diǎn)火的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)槿剂蠈⒉粫?huì)與位于排放閥的區(qū)域中的燃燒室的熱點(diǎn)接觸。第二進(jìn)氣閥的相繼的和延遲的打開(kāi)使得燃料充氣與氣缸中的空氣混合，從而保證防止氮氧化物形成所必需的均勻性。

7、由于上述特征，在第一進(jìn)氣閥打開(kāi)的整個(gè)階段，氣缸僅接收新鮮空氣。在第一進(jìn)氣閥的打開(kāi)期間引入氣缸中的空氣流的渦流運(yùn)動(dòng)對(duì)燃燒室的熱點(diǎn)的冷卻具有顯著的積極作用，從而降低了爆震的趨勢(shì)。爆震風(fēng)險(xiǎn)的降低使得能夠以更高的壓縮比進(jìn)行操作，這在熱效率方面提供了益處。

8、特別地使用處于中心位置的噴射器進(jìn)行的燃料噴射在第一閥關(guān)閉之后發(fā)生，并且該燃料噴射防止燃料到達(dá)燃燒室的熱點(diǎn)，從而防止任何不期望的點(diǎn)火和回火。

9、第一進(jìn)氣閥和第二進(jìn)氣閥的連續(xù)打開(kāi)步驟引起空氣流的渦流和滾流運(yùn)動(dòng)的組合，這除了保證噴射燃料與空氣的完美混合之外，還降低了氣體燃料回流到供應(yīng)導(dǎo)管中的風(fēng)險(xiǎn)，從而相應(yīng)地降低了回火的風(fēng)險(xiǎn)。

10、特別地，在進(jìn)氣階段結(jié)束時(shí)，由于兩個(gè)進(jìn)氣閥以單獨(dú)和連續(xù)的步驟打開(kāi)，可以依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)操作點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)的渦流的運(yùn)動(dòng)對(duì)空氣/燃料混合物的均勻性具有重要的影響，這相應(yīng)地減少了氮氧化物排放，并且減少了燃燒期間的熱損失(相反，由于流動(dòng)與燃燒室的壁接觸，太明顯的渦流會(huì)增加熱損失)。

11、由本技術(shù)人進(jìn)行的研究和實(shí)驗(yàn)表明，發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)氣缸的兩個(gè)進(jìn)氣閥在隨后的時(shí)間打開(kāi)，穿插有燃料噴射，這通常能夠：

12、冷卻燃燒室的熱點(diǎn)，以防止回火和不期望的點(diǎn)火現(xiàn)象；并且

13、調(diào)節(jié)燃燒室內(nèi)部進(jìn)行的宏觀(guān)運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度，即所謂的渦流運(yùn)動(dòng)(圍繞氣缸的軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)的流動(dòng))、滾流運(yùn)動(dòng)(圍繞垂直于氣缸的軸線(xiàn)的軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)的流動(dòng))和交叉滾流運(yùn)動(dòng)(圍繞垂直于氣缸的軸線(xiàn)并且垂直于滾流的軸線(xiàn)的軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)的流動(dòng))，以便有利于充氣的均勻性。上述優(yōu)點(diǎn)源于這樣的事實(shí)，即兩個(gè)進(jìn)氣導(dǎo)管在相對(duì)于氣缸軸線(xiàn)的切線(xiàn)方向上流入到氣缸中。在進(jìn)氣沖程的初始階段，當(dāng)活塞大約在tdc時(shí)開(kāi)始，只有第一進(jìn)氣閥打開(kāi)。通過(guò)第一進(jìn)氣導(dǎo)管引入氣缸的空氣流產(chǎn)生包括除了滾流和交叉滾流分量之外的渦流分量的流體動(dòng)力場(chǎng)。當(dāng)?shù)谝贿M(jìn)氣閥關(guān)閉之后、第二進(jìn)氣閥打開(kāi)時(shí)，產(chǎn)生雙重效果：

14、1)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)場(chǎng)，該運(yùn)動(dòng)場(chǎng)與由第一進(jìn)氣閥的打開(kāi)產(chǎn)生的渦流的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的分量相反，使得預(yù)先存在的渦流在其旋轉(zhuǎn)方向上減弱或者甚至反轉(zhuǎn)。此外，由第一閥的打開(kāi)產(chǎn)生的渦流也轉(zhuǎn)變成滾流和交叉滾流，這有利于噴射燃料與空氣的混合，以在燃燒期間具有均勻的混合物，并且防止形成氮氧化物或者任何不規(guī)則的燃燒。這種現(xiàn)象在較高的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷下是特別理想的，因?yàn)椴灰?guī)則點(diǎn)火的風(fēng)險(xiǎn)較高(燃燒室的壁的溫度較高)，并且因?yàn)橛捎谳^大量的燃料而更難保證混合物的均勻性。

15、2)此外，在關(guān)閉第一進(jìn)氣閥之后僅打開(kāi)第二進(jìn)氣閥會(huì)產(chǎn)生新的湍流量，盡管這種湍流會(huì)消散，但在tdc處導(dǎo)致湍流動(dòng)能的總含量高于進(jìn)氣閥的同時(shí)傳統(tǒng)致動(dòng)的情況。湍流的耗散與湍流本身強(qiáng)度的立方成正比：在進(jìn)氣階段開(kāi)始時(shí)產(chǎn)生大量的湍流導(dǎo)致湍流的顯著耗散。新湍流的延遲產(chǎn)生能夠增加點(diǎn)火角度處的湍流量。理想地，與進(jìn)氣閥的傳統(tǒng)致動(dòng)的情況相比，可以使點(diǎn)火角度處可用的湍流動(dòng)能加倍，這對(duì)于燃燒的更大穩(wěn)定性以及因此對(duì)于增加例如充氣稀釋的可能性具有明顯的益處。特別地，在超稀薄燃燒的情況下，需要更大的湍流。

16、在示例中，在氣缸的每個(gè)操作循環(huán)期間，氣體燃料供應(yīng)系統(tǒng)被配置成在第二進(jìn)氣閥打開(kāi)之前完成氣體燃料的供應(yīng)。在另一個(gè)示例中，在氣缸的每個(gè)操作循環(huán)期間，氣體燃料供應(yīng)系統(tǒng)被配置成在第二進(jìn)氣閥已經(jīng)打開(kāi)之后完成氣體燃料的供應(yīng)。在氣缸的每個(gè)操作循環(huán)期間，氣體燃料的供應(yīng)可以經(jīng)由單次噴射或者經(jīng)由多次噴射來(lái)執(zhí)行。

17、在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)動(dòng)機(jī)包括用于第一進(jìn)氣閥和第二進(jìn)氣閥的可變致動(dòng)的致動(dòng)裝置，該致動(dòng)裝置被配置成在不同的發(fā)動(dòng)機(jī)操作條件下獲得第一操作模式或第二操作模式或第三操作模式，在該第一操作模式，在連續(xù)的時(shí)間內(nèi)，首先僅第一進(jìn)氣閥打開(kāi)，然后僅第二進(jìn)氣閥打開(kāi)，在該第二操作模式，第一進(jìn)氣閥和第二進(jìn)氣閥在彼此相同或相對(duì)接近的曲柄角度下打開(kāi)，并且第一進(jìn)氣閥和第二進(jìn)氣閥在彼此相同或相對(duì)接近的曲柄角度下關(guān)閉，在該第三操作模式，僅第二進(jìn)氣閥打開(kāi)和關(guān)閉。

18、用于對(duì)進(jìn)氣閥進(jìn)行可變致動(dòng)的裝置可以是電子控制的液壓致動(dòng)裝置，或者是具有電磁或電動(dòng)氣動(dòng)致動(dòng)器的裝置，或者是包括致動(dòng)凸輪的裝置，該致動(dòng)凸輪具有可被選擇性地致動(dòng)的不同輪廓。

19、本發(fā)明的又一個(gè)目的是上述發(fā)動(dòng)機(jī)控制方法。

20、本發(fā)明的其他有利特征在所附權(quán)利要求中指出。