專利名稱：二沖程內(nèi)燃機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種二沖程內(nèi)燃機(jī)。更為具體地說，本發(fā)明涉及在這樣一種發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料點(diǎn)火和燃燒的過程。
人們?cè)缫呀?jīng)知道傳統(tǒng)往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)的壓縮沖程需要相當(dāng)大量的能量，這在某種程度上可被認(rèn)作是發(fā)動(dòng)機(jī)性能的寄生損耗。對(duì)于這一點(diǎn)的原因之一是，引入一傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)中的空氣被與之接觸的熱的汽缸頭、汽缸套和活塞加熱。壓縮功通過任何增加溫度的過程而顯著增加。
該壓縮功可通過壓縮一個(gè)單獨(dú)汽缸中的空氣而減小，該汽缸比那些發(fā)生燃燒的汽缸要冷得多。空氣外部壓縮的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它可以通過用熱的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣預(yù)熱該壓縮空氣，從而節(jié)省燃料。這樣的一種布置方式已在US 4,300,486中公開，該文獻(xiàn)說明了一種二沖程或四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，在該發(fā)動(dòng)機(jī)中壓縮空氣被從一個(gè)存儲(chǔ)箱中引入燃燒汽缸中。該空氣通過使用來自發(fā)動(dòng)機(jī)外部的能源的能量進(jìn)行有效的壓縮。
在US 4,476,821中公開了上述思想的發(fā)展形式，該發(fā)展形式具有一個(gè)與發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸機(jī)械連接的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的壓縮機(jī)，以向每個(gè)燃燒汽缸的進(jìn)氣口連續(xù)供給壓縮空氣。
US 4,040,400公開了一種類似的布置方式，其中壓縮是分兩級(jí)進(jìn)行，在這兩級(jí)之間進(jìn)行中間冷卻以提高效率。
此外在WO 94/1278中，上述概念由一級(jí)實(shí)現(xiàn)，在該文獻(xiàn)中公開了一種余熱回收式二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)包括一個(gè)帶有密集水噴射系統(tǒng)的空氣壓縮汽缸，跟隨在其后的是一個(gè)下游水分離器。水的噴射不僅冷卻整個(gè)壓縮過程中的空氣，以便使壓縮功最小，而且可以獲得一種比用傳統(tǒng)往復(fù)式空氣壓縮機(jī)所得到的壓縮比更高的壓縮比。這就減少了所需壓縮級(jí)的數(shù)量。實(shí)際上，通常只需要一個(gè)級(jí)。
在具有外部空氣壓縮和預(yù)熱的所有往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)中，都需要將該熱的、壓縮的空氣與燃料相混合，并在該發(fā)動(dòng)機(jī)的(數(shù)個(gè))燃燒汽缸中點(diǎn)燃該混合氣。根據(jù)燃料的類型，這一點(diǎn)不太容易以一種穩(wěn)定且可靠的方式實(shí)現(xiàn)。特別是，如果該燃料是具有高點(diǎn)火溫度和相對(duì)長的點(diǎn)火延時(shí)的天然氣，則通過預(yù)熱空氣以達(dá)到可靠的自動(dòng)點(diǎn)火和燃燒是非常困難的。當(dāng)然通過使用一種引燃燃料是可以實(shí)現(xiàn)天然氣的點(diǎn)火的，該引燃燃料以實(shí)際空氣的預(yù)熱溫度點(diǎn)火。實(shí)際上，傳統(tǒng)的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)使用了這種方法，但是因外加設(shè)備的成本和引燃燃料的存儲(chǔ)，這種方法存在缺點(diǎn)。同樣重要的是，引燃燃料的應(yīng)用增加了氮氧化物的排放。
點(diǎn)燃天然氣混合氣的另一個(gè)常用方法是，使用火花點(diǎn)火，但這通常只用于天然氣在進(jìn)入汽缸之前已與空氣混合的情況。預(yù)混合空氣和燃料的火花點(diǎn)火在具有近化學(xué)計(jì)量的空燃比的小型發(fā)動(dòng)機(jī)中作用良好，但這在使用稀薄燃燒以達(dá)到低NOx排放的現(xiàn)代大型發(fā)動(dòng)機(jī)中則較難實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，火花的能量需要通過使用小預(yù)燃室中的點(diǎn)火來補(bǔ)充。該預(yù)燃室中的混合氣不是稀薄的，而是近化學(xué)計(jì)量比的，因此可以通過火花的點(diǎn)燃產(chǎn)生燃燒氣體的射流，這些射流具有點(diǎn)燃主混合氣的足夠的能量。除了預(yù)燃室的附加復(fù)雜性之外，火花點(diǎn)火的缺點(diǎn)在于，預(yù)燃室的環(huán)境對(duì)于火花塞是非常不友好的，它們必需定期經(jīng)常更換。
因此本發(fā)明的目的是提供一種在一種二沖程內(nèi)燃機(jī)中點(diǎn)燃沒有預(yù)先混合的燃料的方法，該發(fā)動(dòng)機(jī)具有提供可靠燃燒的外部壓縮空氣、低維護(hù)費(fèi)用的簡單結(jié)構(gòu)和使用大范圍的可燃燃料的能力，這些可燃燃料包括那些難于點(diǎn)燃的燃料，例如天然氣。
根據(jù)本發(fā)明的一種二沖程內(nèi)燃機(jī)包括至少一個(gè)汽缸，該汽缸和或每個(gè)汽缸具有一個(gè)在該汽缸中可往復(fù)運(yùn)動(dòng)且限定一燃燒室的活塞，該燃燒室或每個(gè)燃燒室具有一個(gè)帶一個(gè)用于控制流入該燃燒室的進(jìn)氣閥的壓縮空氣進(jìn)氣口，一個(gè)燃料噴射器，燃料通過該噴射器噴入該燃燒室中，和一個(gè)帶一個(gè)用于控制廢氣流出該燃燒室的排氣閥的排氣口；和用于控制該進(jìn)氣和排氣閥關(guān)于該活塞的運(yùn)動(dòng)的控制裝置，從而使該排氣閥在該活塞到達(dá)上死點(diǎn)之前，并在該進(jìn)氣閥打開之前大體關(guān)閉，這樣一些廢氣便收集在該燃燒室中并在其中壓縮。
上述廢氣由于其性質(zhì)決定已經(jīng)是熱的(通常為500-800℃)了。一旦該排氣閥關(guān)閉，且同時(shí)進(jìn)氣閥也關(guān)閉，活塞繼續(xù)向上死點(diǎn)運(yùn)動(dòng)并在燃燒室中壓縮該廢氣。對(duì)于一個(gè)給定的壓力比來說，壓縮之后的絕對(duì)溫度與壓縮開始時(shí)的絕對(duì)溫度成正比。通過選擇一個(gè)合適的壓力比，該壓縮了的廢氣可以上升到一個(gè)足夠高的溫度，從而它能夠點(diǎn)燃甚至是低點(diǎn)火質(zhì)量的燃料，例如天然氣。
本發(fā)明不需火花點(diǎn)火、預(yù)燃室或引燃燃燒即可實(shí)施。因此，該發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)可保持簡單并且所需的維護(hù)也減少了。
在一個(gè)內(nèi)燃機(jī)中的進(jìn)氣和排氣閥的開啟和關(guān)閉運(yùn)動(dòng)需要精確地控制。這是因?yàn)槿绻粋€(gè)閥落坐得太迅速，則會(huì)發(fā)生明顯的損壞，或者如果接觸太迅速，則會(huì)產(chǎn)生快速磨損。另外，這些閥通常由一個(gè)凸輪操縱，因此必需還要注意凸輪與閥之間的接觸。出于這一原因，一個(gè)排氣或進(jìn)氣閥的升程示出了在升起開始時(shí)為一個(gè)平緩的向上傾斜，以使閥致動(dòng)器無損壞地使閥開始運(yùn)動(dòng)。同樣，在閥關(guān)閉時(shí)設(shè)置了一個(gè)平緩的向下傾斜，從而使閥平穩(wěn)地落坐。這些傾斜可占據(jù)活塞循環(huán)的一個(gè)相當(dāng)大的比例(典型地為曲軸轉(zhuǎn)角的20°)。但是，在這樣的時(shí)間內(nèi)，經(jīng)過該閥元件將有非常小的流動(dòng)。因此，對(duì)所有意圖和目的而言，該閥元件在這一時(shí)間中被關(guān)閉，即使它在物理上看沒有完全落坐，也是如此。因此，為避免疑慮，為了本文獻(xiàn)，該閥不考慮被打開，直到它達(dá)到其最大升程的5％。同樣，一旦該閥已經(jīng)回到上述相同位置，它就考慮關(guān)閉。該定義在整個(gè)說明書中都適應(yīng)于權(quán)利要求書和說明部分等中。因此，所有涉及閥開啟時(shí)間的是指這一時(shí)間，即該閥開啟升程超過5％的那一時(shí)刻。同樣，所有涉及閥關(guān)閉時(shí)間的是指這一時(shí)間點(diǎn)，即該閥關(guān)閉到達(dá)5％位置的那一時(shí)刻。
排氣閥的關(guān)閉、進(jìn)氣閥的打開以及活塞的位置之間的關(guān)系取決于發(fā)動(dòng)機(jī)和燃料的多種特性。這些特性包括當(dāng)活塞到達(dá)上死點(diǎn)時(shí)汽缸中的余隙容積、進(jìn)氣空氣溫度和壓力、所使用的燃料類型、廢氣的溫度、燃料的點(diǎn)火質(zhì)量和廢氣壓縮后的理想溫度。盡管如此，上述控制裝置優(yōu)選這樣構(gòu)成，即，使該排氣閥的關(guān)閉和該進(jìn)氣閥的開啟之間的間隙是在驅(qū)動(dòng)該活塞的標(biāo)定曲軸的曲軸轉(zhuǎn)角的至少10°，優(yōu)選在至少15°，更優(yōu)選地是在至少20°。該排氣閥優(yōu)選在活塞到達(dá)上死點(diǎn)之前驅(qū)動(dòng)該活塞的標(biāo)定曲軸的曲軸轉(zhuǎn)角的至少10°，優(yōu)選在至少15°，更優(yōu)選地是在至少20°關(guān)閉。該控制裝置可以構(gòu)成為基本上是在上死點(diǎn)打開進(jìn)氣閥。然而，該進(jìn)氣閥的開啟優(yōu)選是正好在上死點(diǎn)(例如在3°曲軸轉(zhuǎn)角之前)之前開始。該閥的開啟位置是有利的，因?yàn)榭諝獾淖畛跤咳胪瓿闪艘呀?jīng)部分地被活塞壓縮的廢氣的再壓縮。如果活塞被設(shè)計(jì)成進(jìn)行所有的再壓縮，則汽缸內(nèi)的壓力將超過進(jìn)氣口供給的空氣的壓力并導(dǎo)致通過該閥的回流。較好地允許一些余量來避免這一點(diǎn)。實(shí)際上，該過程的模擬示出了允許空氣完成最終階段的再壓縮也是略微更為有效的。通過引入空氣的再壓縮具有與由活塞進(jìn)行的再壓縮非常相似的效果，一個(gè)主要區(qū)別在于，該引入的空氣與壓縮氣體混合，從而溫度的上升小于無混合所達(dá)到的溫度。如果由引入的空氣代替活塞進(jìn)行太多的再壓縮，則溫度的上升將不足以點(diǎn)燃一定的燃料。
允許引入的空氣完成該再壓縮的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，進(jìn)氣閥在上死點(diǎn)達(dá)到一個(gè)較大的開度。
在發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)于改變的發(fā)動(dòng)機(jī)工況運(yùn)行時(shí)，該控制裝置可被構(gòu)成為便于改變排氣閥的開度，但是可更簡單地得到排氣閥開度的最佳設(shè)置，該開度在運(yùn)行中不進(jìn)行調(diào)節(jié)。
該控制裝置優(yōu)選構(gòu)成為在大體上與壓縮空氣被引入燃燒室的同時(shí)，將燃料噴入燃燒室中。該控制裝置優(yōu)選控制燃料噴射的定時(shí)和燃料流率的曲線。另外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有利的是，該控制裝置在該排氣閥已經(jīng)關(guān)閉和到達(dá)上死點(diǎn)之前將少量燃料噴入該燃燒室中。該少量燃料與高溫壓縮廢氣混合并開始燃燒。該點(diǎn)火過程與傳統(tǒng)的使用引燃燃料點(diǎn)燃低點(diǎn)火質(zhì)量的燃料不同，不僅因?yàn)樵擖c(diǎn)火裝置是不同的，而且因?yàn)樵谶@種情況下在開始燃燒的燃料和主燃料之間沒有區(qū)別。同樣在這種情況下，相同的燃料噴射器既噴射開始燃燒的燃料又噴射主燃料。熱的廢氣包含一些在前一循環(huán)中未消耗的氧。一些另外的氧可從在到達(dá)上死點(diǎn)之前經(jīng)進(jìn)氣閥進(jìn)入汽缸的熱空氣中得到，盡管這一點(diǎn)在該過程中不是必需的。該得到的氧與由廢氣的再壓縮產(chǎn)生的高溫相結(jié)合，以一個(gè)有限的但是可接受的延時(shí)，使預(yù)噴入燃料點(diǎn)燃。
供入燃料室中的壓縮空氣可由一個(gè)壓縮空氣的存儲(chǔ)器供給。然而，優(yōu)選地是該壓縮空氣按需要由一個(gè)壓縮機(jī)產(chǎn)生，該壓縮機(jī)優(yōu)選是一個(gè)由該或每個(gè)活塞、優(yōu)選是通過一個(gè)曲軸驅(qū)動(dòng)的往復(fù)式壓縮機(jī)。
為了實(shí)現(xiàn)最高效率，該壓縮機(jī)是一個(gè)等溫壓縮機(jī)，并且用于加熱該壓縮空氣的裝置設(shè)置在壓縮空氣進(jìn)氣口的上游。該用于加熱的裝置可以是一個(gè)外部加熱器，但是，更為有效的是一個(gè)供給有來自燃燒室的廢氣的換熱器，該廢氣把其熱量傳遞給從該壓縮機(jī)流向該燃燒室的壓縮空氣。
該等溫壓縮機(jī)優(yōu)選為這類壓縮機(jī)，其包括一個(gè)汽缸，在該汽缸中另一個(gè)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)并限定一個(gè)壓縮腔，一個(gè)帶一個(gè)用于控制流入該壓縮腔的進(jìn)氣閥的進(jìn)氣口，一個(gè)帶一個(gè)用于控制流出該壓縮腔的排氣閥的壓縮空氣排氣口，用于在該另一個(gè)活塞的壓縮沖程中向該壓縮腔噴灑液體的裝置，和一個(gè)設(shè)置在該壓縮空氣出氣口的下游的用于將上述液體從壓縮空氣中分離出的分離器。該用于噴灑液體的裝置優(yōu)選如此構(gòu)成，即，在壓縮中使熱量在液滴基本沒有蒸發(fā)的情況下傳遞給易受熱的各液滴，因?yàn)檫@允許壓縮期間空氣的溫度較低。
上述廢氣的壓縮發(fā)生在一個(gè)限定構(gòu)成在汽缸壁和汽缸頭和活塞頂表面之間的燃燒室中。在其最簡單的形式中，即以一個(gè)平頂活塞的形式，最終余隙容積基本上是一個(gè)非常短的圓柱形空間。這樣的空間具有大的表面容積比，而且由廢氣壓縮產(chǎn)生的熱的相當(dāng)大的部分可損失掉。在這樣一個(gè)平的、寬的余隙容積中也很難使燃料與聚集的廢氣混合。因此，優(yōu)選地是，在汽缸頭或活塞頂面上設(shè)一凹腔，當(dāng)活塞接近其沖程的上死點(diǎn)時(shí)，燃料直接噴入該凹腔中。最為方便的是，該凹腔由一個(gè)在活塞上表面中的活塞碗形凹坑構(gòu)成。
在傳統(tǒng)的柴油機(jī)中使用了活塞碗形凹坑以促進(jìn)燃料和空氣的混合從而改善燃料的燃燒。在較大的柴油機(jī)中，該碗形凹坑增加了霧化液體噴束的蒸發(fā)的流動(dòng)長度。在燃燒汽缸中使用空氣壓縮的柴油機(jī)必需在活塞上部為所有這些空氣留有足夠的空間。因此活塞頂和汽缸頭在上死點(diǎn)的收集容積必需大于帶有外部空氣壓縮的發(fā)動(dòng)機(jī)中的容積。這些柴油機(jī)中的活塞碗形凹坑的形狀對(duì)點(diǎn)火過程具有相對(duì)小的效果，但是其對(duì)于點(diǎn)火之后的燃燒過程是重要的。
當(dāng)上述活塞碗形凹坑用于只應(yīng)用于帶有外部空氣壓縮的發(fā)動(dòng)機(jī)的本發(fā)明上時(shí)，其主要目的是便于在沒有使用火花塞、預(yù)燃室或一種單獨(dú)的引燃燃料的情況下，促進(jìn)燃料例如天然氣的點(diǎn)火，而不是燃燒。這一點(diǎn)部分地通過由較小的表面容積比導(dǎo)致的每單位質(zhì)量廢氣的熱損失的減小而達(dá)到，并部分地通過與壓縮階段中從周圍余隙中快速壓出并進(jìn)入上述碗形凹坑中的廢氣的混合的提高而達(dá)到。從實(shí)踐角度講，上死點(diǎn)處的收集容積比大部分柴油機(jī)中的小得多，因?yàn)槔硐氲氖牵c達(dá)到點(diǎn)火的要求一致，應(yīng)盡可能再壓縮最小量的廢氣。實(shí)際上，活塞碗形凹坑的容積是按這種要求確定的。在上死點(diǎn)處包括該活塞碗形凹坑和所有余隙汽缸內(nèi)的收集容積，其大小小于在下死點(diǎn)時(shí)的整個(gè)汽缸容積的3％，并且更優(yōu)選地是小于2％。與之相比，在一個(gè)大型傳統(tǒng)柴油機(jī)中，在上死點(diǎn)時(shí)汽缸內(nèi)的收集容積是在下死點(diǎn)時(shí)的汽缸容積的5％或更多。當(dāng)設(shè)置有一個(gè)活塞碗形凹坑時(shí)，因?yàn)楸匦鑼?duì)收集容積中的氣體進(jìn)行附加壓縮做無用功，因此應(yīng)該進(jìn)行每一種嘗試以減少不由該活塞碗形凹坑占據(jù)的收集容積的量。然而在實(shí)踐中，該碗形凹坑外側(cè)的收集氣體的容積也可以與該碗形凹坑內(nèi)側(cè)的容積具有相同的量級(jí)。
為了避免進(jìn)氣閥和活塞之間的接觸，并且同時(shí)使上死點(diǎn)處的死區(qū)最小，優(yōu)選該進(jìn)氣閥設(shè)置成在不伸入燃燒室的情況下打開。如果該進(jìn)氣閥是一個(gè)提升閥，則這意味著該閥沿離開燃燒室的方向打開。另一方面，由于當(dāng)活塞接近上死點(diǎn)時(shí)排氣閥關(guān)閉，故它可以是一個(gè)傳統(tǒng)的向內(nèi)打開的閥。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一操作一種二沖程內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，該發(fā)動(dòng)機(jī)包括至少一個(gè)汽缸，該汽缸或每個(gè)汽缸具有一個(gè)在該汽缸中可往復(fù)運(yùn)動(dòng)且限定構(gòu)成一燃燒室的活塞，該燃燒室或每個(gè)燃燒室具有一個(gè)帶一個(gè)用于控制空氣流入該燃燒室的進(jìn)氣閥的壓縮空氣進(jìn)氣口，一個(gè)燃料噴射器，和一個(gè)帶一個(gè)用于控制廢氣流出該燃燒室的排氣閥的排氣口；該方法包括重復(fù)下列步驟打開該排氣閥；使該活塞運(yùn)動(dòng)到該燃燒室中以迫使廢氣從該燃燒室中排出；在該活塞到達(dá)上死點(diǎn)之前關(guān)閉該排氣閥，并在該燃燒室中聚集一些廢氣；通過該活塞的進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)壓縮該廢氣；開始打開該進(jìn)氣閥；和一旦該廢氣已被壓縮到一定程度，即該燃燒室中的溫度足夠點(diǎn)燃并使燃料燃燒，從而使該熱的燃?xì)馀蛎涀龉τ谠摶钊蠒r(shí)，將燃料引入該燃燒室中。
該方法可用于任何可燃燒的燃料，但最適用于低點(diǎn)火質(zhì)量的燃料，例如天然氣。
為了起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，首先必需使該或每個(gè)活塞在其汽缸中運(yùn)動(dòng)。然后必需提供某種在無廢氣進(jìn)行壓縮以開始初次點(diǎn)火的情況之前，點(diǎn)燃燃燒室內(nèi)的燃料的替代方法。
如果一種外部動(dòng)力源是可方便得到的，例如在一個(gè)能量生成裝置中，能量可從格柵(grid)電源中得到，則其可被用來起動(dòng)活塞的運(yùn)動(dòng)。另一方面，如果不能獲得這樣一種外部動(dòng)力源，則發(fā)動(dòng)機(jī)必需具有其自己的使活塞運(yùn)動(dòng)的裝置。優(yōu)選地是，該發(fā)動(dòng)機(jī)還包括一個(gè)壓縮空氣存儲(chǔ)器和一個(gè)加熱器，起動(dòng)該發(fā)動(dòng)機(jī)的方法包括加熱來自壓縮空氣存儲(chǔ)器的空氣，將該加熱了的壓縮空氣送入該或每個(gè)壓縮腔中，和在該或每個(gè)壓縮腔中使該加熱了的壓縮空氣膨脹，以便使活塞朝該汽缸下部運(yùn)動(dòng)。
一旦這些活塞運(yùn)動(dòng)，就必需點(diǎn)燃燃料。如上所述在燃燒室中膨脹從而對(duì)活塞做功的熱壓縮空氣，在活塞到達(dá)下死點(diǎn)時(shí)將基本上得到冷卻，原因是在燃料燃燒時(shí)沒有熱量加入。在排氣閥關(guān)閉后，保留在燃燒室中的這部分空氣的隨后壓縮，將在某種程度上把該空氣再次加熱到其初始溫度，但該熱度可能不足以點(diǎn)燃該燃料。為了起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，特別是起動(dòng)用低點(diǎn)火質(zhì)量的燃料，例如天然氣的發(fā)動(dòng)機(jī)，必需確保汽缸中再壓縮之前的低壓空氣與供給入的高壓空氣溫度相似。
因此，該起動(dòng)方法優(yōu)選包括使在汽缸壓力低的時(shí)候，通過上述節(jié)流孔對(duì)進(jìn)入燃燒室中的熱壓縮空氣流進(jìn)行放氣。該節(jié)流孔提供了一種節(jié)流效應(yīng)，該效應(yīng)由于節(jié)流是一個(gè)等熵過程，故將導(dǎo)致溫度在節(jié)流后保持大體不變。即使活塞處于其下行沖程，以致于汽缸容積膨脹時(shí)，該放氣流也不對(duì)活塞顯著做功，因?yàn)樵谡麄€(gè)過程中汽缸中的空氣壓力都保持較低。為了達(dá)到使空氣節(jié)流進(jìn)入汽缸而壓力始終是低的的目的，允許在起動(dòng)中對(duì)熱空氣的噴射定時(shí)進(jìn)行選擇?？梢栽谂艢忾y打開之前進(jìn)氣，在這一階段中進(jìn)氣閥打開和/或在排氣閥關(guān)閉之后立即打開。在起動(dòng)中熱空氣噴射的定時(shí)選擇可受到熱壓縮空氣是否也在汽缸中膨脹的影響。如上所述，熱壓縮空氣的膨脹可被用作在起動(dòng)中使發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的一個(gè)方法。然而，即使其它使發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的方法是可得到的，熱壓縮空氣也被引入汽缸中，并僅為了加熱管道系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)而膨脹。如果熱壓縮空氣在汽缸中因任何原因都膨脹，則沒有必要在該膨脹過程中對(duì)進(jìn)入汽缸中的放氣進(jìn)行節(jié)流，因?yàn)樗鼘⑴c冷的膨脹過的空氣混合。從保存一定量的用于起動(dòng)的熱空氣的角度出發(fā)，在關(guān)閉排氣閥的過程中和在剛剛關(guān)閉之后，接收熱的放氣是最有吸引力的選擇，其為用于起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的方法。
在起動(dòng)中用于點(diǎn)火的熱壓縮空氣可從任何壓縮空氣源供給，但如果熱壓縮空氣也在起動(dòng)中用于起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，則優(yōu)選兩者都從相同的壓縮空氣存儲(chǔ)器和換熱器裝置中供給。
該節(jié)流孔可以由該一個(gè)汽缸頭中的一節(jié)流閥構(gòu)成，或者是由進(jìn)氣閥和該閥座之間的間隙構(gòu)成，如果該進(jìn)氣閥設(shè)置成打開其正常升程的一部分。
在起動(dòng)運(yùn)動(dòng)中，排氣閥正常地打開和關(guān)閉，從而活塞在其接近上死點(diǎn)時(shí)壓縮該已經(jīng)是熱的放氣空氣，因此進(jìn)一步增加其溫度。執(zhí)行該活塞的數(shù)個(gè)沖程，在每一個(gè)沖程中在第一燃料噴入前再壓縮放氣，以便建立該過程并加熱該系統(tǒng)。
一旦發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，該節(jié)流孔便關(guān)閉從而關(guān)閉該放氣流。如果該節(jié)流閥用作該節(jié)流孔，則這是一個(gè)關(guān)閉該閥的簡單方式。如果使用了該進(jìn)氣閥和該閥座之間的間隙，則該間隙通過使該進(jìn)氣閥完全落坐而使該進(jìn)氣閥回到其正常操作而被簡單地關(guān)閉，直到它需要被打開使大量空氣進(jìn)入為止。
該節(jié)流孔可在發(fā)動(dòng)機(jī)開始點(diǎn)火時(shí)立即關(guān)閉。然而，如果該節(jié)流孔被逐漸關(guān)閉，則放氣在被停止前逐漸減小，這可在起動(dòng)和正常運(yùn)動(dòng)之間提供一種較平穩(wěn)地過渡，從而改進(jìn)了起動(dòng)過程的可靠性。
在正常運(yùn)動(dòng)中，燃料的燃燒可在進(jìn)氣閥關(guān)閉以后在每一個(gè)接連的循環(huán)中開始，以試圖達(dá)到與傳統(tǒng)往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)相同的定容燃燒。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，該控制裝置優(yōu)選的是被設(shè)置用于根據(jù)該燃燒室中的燃燒來如此地控制該空氣進(jìn)氣閥，以致于該進(jìn)氣閥在燃燒開始前不關(guān)閉。
這一點(diǎn)與傳統(tǒng)的教導(dǎo)相反，原因是它導(dǎo)致了燃燒室中一定程度的壓力損失。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這一缺點(diǎn)大于由其允許對(duì)燃燒過程的時(shí)間所進(jìn)行的補(bǔ)償。該具有定容燃燒的傳統(tǒng)方式在燃燒室中導(dǎo)致一急劇的壓力上升，這增加了燃燒氣體的溫度并由此增加了NOx的排放。以減小的壓力增加開始的燃燒導(dǎo)致隨之減小的NOx排放。
優(yōu)選地是，該控制裝置是如此構(gòu)成的，從而在正常運(yùn)行狀態(tài)下，燃燒開始與該進(jìn)氣閥關(guān)閉之間的間隙是驅(qū)動(dòng)該活塞的標(biāo)定曲軸的曲軸轉(zhuǎn)角的至少15°，優(yōu)選是至少25°，更優(yōu)選地是至少30°。
該特殊的特征構(gòu)成了本發(fā)明的一個(gè)獨(dú)立方面，其可被廣泛地定義為一種二沖程式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其包括至少一個(gè)汽缸，該汽缸和或每個(gè)汽缸具有一個(gè)在該汽缸中可往復(fù)運(yùn)動(dòng)且限定構(gòu)成一燃燒室的活塞，該燃燒室或每個(gè)燃燒室具有一個(gè)帶一個(gè)用于控制空氣流入該燃燒室的進(jìn)氣閥的壓縮空氣進(jìn)氣口，一個(gè)燃料噴射器，燃料通過該噴射器噴入該燃燒室中，和一個(gè)帶一個(gè)用于控制廢氣流出該燃燒室的排氣閥的排氣口；和用于根據(jù)該燃燒室中的燃燒情況控制該進(jìn)氣閥的控制裝置，以致使該進(jìn)氣閥在燃燒開始之前不關(guān)閉。
為了提高在關(guān)閉進(jìn)氣閥之前開始燃燒所提供的優(yōu)點(diǎn)，該控制裝置是這樣構(gòu)成的，即，在正常運(yùn)行狀態(tài)下，燃燒開始與該進(jìn)氣閥到達(dá)其關(guān)閉位置之間的間隙是驅(qū)動(dòng)該活塞的標(biāo)定曲軸的曲軸轉(zhuǎn)角的至少15°，優(yōu)選是至少25°，更優(yōu)選地是至少30°。
優(yōu)選地是，該控制裝置這樣構(gòu)成，以致于在到達(dá)上死點(diǎn)之前將少量燃料噴入該燃燒室中。
另外，本發(fā)明的該方面可被定義為操作一種二沖程內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，該發(fā)動(dòng)機(jī)包括至少一個(gè)汽缸，該汽缸和或每個(gè)汽缸具有一個(gè)在該汽缸中可往復(fù)運(yùn)動(dòng)且限定構(gòu)成一燃燒室的活塞，該燃燒室或每個(gè)燃燒室具有一個(gè)帶一個(gè)用于控制空氣流入該燃燒室的進(jìn)氣閥的壓縮空氣進(jìn)氣口，一個(gè)燃料噴射器，和一個(gè)帶一個(gè)用于控制廢氣流出該燃燒室的排氣閥的排氣口；該方法包括重復(fù)下列步驟打開該排氣閥；使該活塞運(yùn)動(dòng)到該燃燒室中以迫使廢氣從該燃燒室中排出；關(guān)閉該排氣閥；噴射燃料，開始打開進(jìn)氣閥并開始燃燒；和隨后關(guān)閉該進(jìn)氣閥，但該進(jìn)氣閥在燃燒開始前不關(guān)閉。
在一個(gè)傳統(tǒng)的大型柴油機(jī)中，燃料通常通過一個(gè)中心多孔噴射器噴入燃燒室中，該噴射器具有數(shù)個(gè)圍繞該噴射器圓周對(duì)稱布置的孔。在這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃料通常以一個(gè)向下的角度直接噴入活塞中的一個(gè)碗形凹坑中。但是，燃燒特性的計(jì)算機(jī)研究表明，這類噴嘴布置不適于上述類其中空氣在外部被壓縮和加熱然后與燃料的噴射基本同時(shí)引入汽缸中的發(fā)動(dòng)機(jī)。問題是在到達(dá)上死點(diǎn)之后，從進(jìn)氣閥進(jìn)入的空氣快速地填充由向下運(yùn)動(dòng)的活塞所生成的容積的大部分，并將空氣、燃燒氣體和燃料的混合氣置換到燃燒室外側(cè)。該進(jìn)入的空氣與先存在的氣體及燃料的混合較差，因此燃燒相對(duì)較慢。
為了克服這一問題，優(yōu)選的是，該或每個(gè)進(jìn)氣閥與一個(gè)進(jìn)氣口相關(guān)聯(lián)，該或每個(gè)進(jìn)氣口與一個(gè)假想的容積相關(guān)聯(lián)，該容積由該進(jìn)氣口在活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的方向上的平移面積所形成的包絡(luò)線限定構(gòu)成；該燃料噴射器設(shè)置成向該容積或數(shù)個(gè)容積直接噴射至少50％的燃料，優(yōu)選為至少70％，更優(yōu)選地是100％。
這構(gòu)成了本發(fā)明的一個(gè)獨(dú)立的方面，其可以與本發(fā)明的上述方面結(jié)合或單獨(dú)地使用，且其可被廣泛地定義為一種二沖程內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)包括至少一個(gè)汽缸，該汽缸和或每個(gè)汽缸具有一個(gè)在該汽缸中可往復(fù)運(yùn)動(dòng)且限定構(gòu)成一燃燒室的活塞，該燃燒室或每個(gè)燃燒室具有至少一個(gè)與一個(gè)用于控制空氣流入該燃燒室的進(jìn)氣閥相關(guān)聯(lián)的壓縮空氣進(jìn)氣口，該或每個(gè)進(jìn)氣口與一個(gè)假想的容積相關(guān)聯(lián)，該容積由該進(jìn)氣口在活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的方向上的平移面積所形成的包絡(luò)線限定構(gòu)成；至少一個(gè)用于控制廢氣流出該燃燒室的排氣閥的排氣口；和一個(gè)燃料噴射器，燃料通過該噴射器噴入該燃燒室中，但該燃料噴射器設(shè)置成向該容積或數(shù)個(gè)容積，而不是朝向該或每個(gè)進(jìn)氣閥噴射至少50％、優(yōu)選至少為70％、更為優(yōu)選地是100％的燃料。
另外，本發(fā)明的該方面可被定義為操作一種二沖程內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，該發(fā)動(dòng)機(jī)包括至少一個(gè)汽缸，該汽缸和或每個(gè)汽缸具有一個(gè)在該汽缸中可往復(fù)運(yùn)動(dòng)且限定構(gòu)成一燃燒室的活塞，該燃燒室或每個(gè)燃燒室具有至少一個(gè)帶有一個(gè)用于控制空氣流入該燃燒室的進(jìn)氣閥的壓縮空氣進(jìn)氣口，每個(gè)進(jìn)氣口與一個(gè)假想的容積相關(guān)聯(lián)，該容積由該進(jìn)氣口在活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的方向上的平移面積所形成的包絡(luò)線限定；至少一個(gè)帶有一個(gè)用于控制廢氣流出該燃燒室的排氣閥的排氣口；和一個(gè)將燃料噴入該燃燒室中的燃料噴射器，該方法包括向該容積或數(shù)個(gè)容積，而不是朝向該或每個(gè)進(jìn)氣閥直接噴射至少50％、優(yōu)選至少為70％、更為優(yōu)選地是100％的燃料的步驟。
通過這一布置結(jié)構(gòu)，一些或所有燃料被直接噴入一個(gè)直接位于該或每個(gè)進(jìn)氣口下面由上述容積或數(shù)個(gè)容積限定構(gòu)成的區(qū)域中。該區(qū)域基本上具有一個(gè)或數(shù)個(gè)由上述一個(gè)或數(shù)個(gè)進(jìn)氣閥的開啟而產(chǎn)生的空氣射流。燃料進(jìn)入空氣湍流中，并在其中分散開，然后被該空氣載入燃燒室的各部分。這在很大程度上依賴于進(jìn)入的空氣對(duì)分散燃料的運(yùn)動(dòng)。通過這一方式達(dá)到的燃料和空氣的迅速混合，從NOx的產(chǎn)生的角度講，也是有利的，因?yàn)榭諝夂腿剂显谌紵暗念A(yù)混合，用過量的空氣和氣體釋稀，并緩和了溫度的增加。當(dāng)燃燒在接近恒壓進(jìn)行時(shí)，這是特別有利的。
為了提高使用空氣湍流分散燃料的效果，優(yōu)選的是，燃料以一個(gè)相對(duì)汽缸頭的小噴射角(shallow angle)噴入。優(yōu)選的是，該燃料噴射器相對(duì)該汽缸頭以小于10°且更優(yōu)選的是小于5°的角度噴射燃料。
在各燃燒室具有多于一個(gè)進(jìn)氣口的多數(shù)情況下，這些進(jìn)氣口都布置在汽缸的相同側(cè)，而排氣口都布置在汽缸的另一側(cè)。對(duì)于這些口的幾何位置和汽缸外側(cè)的管道系統(tǒng)而言，這是重要的。在這種情況下，至少80％，優(yōu)選至少為90％的燃料朝包含上述進(jìn)氣口的汽缸一側(cè)噴射。
下面結(jié)合


根據(jù)本發(fā)明獲得的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，附圖所示為圖1是該發(fā)動(dòng)機(jī)各元件的簡要視圖；圖2是表示作為曲軸轉(zhuǎn)角的函數(shù)的汽缸壓力、燃料噴射、進(jìn)氣閥和排氣閥的一組圖表；和圖3是表示各元件的位置的汽缸頭的簡要平面圖。
圖1中所示的發(fā)動(dòng)機(jī)各元件是WO 94/12785的圖4中表示的各元件的示意圖。
該發(fā)動(dòng)機(jī)包括一個(gè)形式為例如三個(gè)各帶一個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞和在一種二沖程循環(huán)中進(jìn)行燃料的內(nèi)燃的汽缸的燃燒器。這三個(gè)汽缸在圖1中只通過一個(gè)單一的汽缸1和往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞2示意性地示出。活塞2的上表面設(shè)有一個(gè)位于燃料噴射器5附近的碗形凹坑2A。這三個(gè)燃燒汽缸的活塞2連接到一個(gè)具有傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的共用曲軸(未示出)上。每個(gè)汽缸具有兩個(gè)壓縮空氣進(jìn)氣閥3、兩個(gè)排氣閥4和一個(gè)燃料噴射器5(指出的是，在圖1中只示出了每種類型的閥中的一個(gè))。
燃燒汽缸1被供給熱壓縮空氣。該壓縮空氣是在一個(gè)等溫壓縮機(jī)6中產(chǎn)生的，該壓縮機(jī)是一個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)式壓縮機(jī)，其中一個(gè)活塞在汽缸中往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行壓縮。該壓縮活塞可與燃燒汽缸1一樣連接到相同的曲軸上。在壓縮過程中，水被噴入等溫壓縮機(jī)6中，以保持該壓縮過程盡可能地接近于等溫。在WO 98/16741中公開了為達(dá)到等溫壓縮的噴嘴的合適的布置。
冷的壓縮空氣和水然后被送入分離器7，在該分離器中大量的水從上述壓縮空氣中分離出來。現(xiàn)在基本上無水的壓縮空氣沿管線8經(jīng)余熱回收器9供給，在該余熱回收器中，該壓縮空氣在進(jìn)入燃燒汽缸1之一中之前接受來自從燃燒汽缸1排出的廢氣的熱量。因此上述發(fā)動(dòng)機(jī)的所有元件，除了活塞碗形凹坑2A外，都在WO 94/12785的圖4中示出了。
本發(fā)明的獨(dú)特特征是燃燒器的各閥的定時(shí)控制，以便實(shí)現(xiàn)有利的點(diǎn)火過程。該些閥的定時(shí)控制是例如用一凸輪軸進(jìn)行的，在該凸輪軸中凸輪凸角具有實(shí)現(xiàn)必要定時(shí)的合適的輪廓。如果這些閥是電磁制動(dòng)的、液壓制動(dòng)的或氣動(dòng)制動(dòng)的，則可用一合適的控制電路實(shí)現(xiàn)相同的效果。
在圖2中示出了汽缸壓力、燃料、進(jìn)氣閥開啟和排氣閥開啟的定時(shí)，下面將基于該

一個(gè)單個(gè)燃燒汽缸的整個(gè)二沖程循環(huán)。對(duì)于數(shù)個(gè)燃燒汽缸而言，它們每一個(gè)都將以合適的相位延時(shí)進(jìn)行相同的過程。
該排氣閥在達(dá)到下死點(diǎn)之前大約20度的曲軸轉(zhuǎn)角開始開啟，從而在到達(dá)下死點(diǎn)時(shí)，其開啟已相當(dāng)大了。同時(shí)該汽缸有一個(gè)快速的減壓或泄壓。一旦汽缸壓力與余熱回收器中的壓力相等，則該減壓停止。在活塞的主要上行沖程的整個(gè)過程中，汽缸壓力與余熱回收器低壓側(cè)的壓力相似，同時(shí)活塞2迫使廢氣經(jīng)排氣閥4從汽缸1中排出。
該排氣閥在活塞的上行沖程中開始關(guān)閉，如圖2D所示，在到達(dá)上死點(diǎn)之前大約25°達(dá)到有效關(guān)閉(即小于5％的升程)，在燃燒汽缸中收集剩余廢氣。即使在到達(dá)該點(diǎn)之前，此處仍有一定的壓力增加，在該點(diǎn)之后，此處仍還有一個(gè)相當(dāng)大的壓力增加，大約是供給入進(jìn)氣口中的空氣壓力的60％。在圖2A中示出該壓力增加。該壓力增加伴隨著相當(dāng)大的溫度增加。正在到達(dá)上死點(diǎn)之前進(jìn)氣閥開始開啟時(shí)，非常迅速地發(fā)生高達(dá)進(jìn)氣壓力的最終壓力增加。該效果也在圖2A中示出。該最終壓力增加也導(dǎo)致所收集的廢氣的溫度的進(jìn)一步增加，這更加有助于點(diǎn)火過程。另一方面，導(dǎo)致該最終再壓縮的進(jìn)氣空氣是更冷的，從而混合平均溫度并未增加很多。此時(shí)，簡短地打開燃料噴射器，以便噴射少量的燃料，如圖2(B)所示，該燃料結(jié)合熱廢氣中的未燃燒的氧，從而在由壓縮廢氣產(chǎn)生的高溫環(huán)境中進(jìn)行點(diǎn)火。
在到達(dá)上死點(diǎn)之前很短的時(shí)間內(nèi)，進(jìn)氣閥3開始開啟以使熱壓縮空氣進(jìn)入燃燒汽缸1，如圖2(C)中實(shí)線所示。與此同時(shí)，燃料噴射器向活塞碗形凹坑2A中噴入大量的燃料，如圖2(B)所示。該燃料噴射過程或者略微在進(jìn)氣閥關(guān)閉之前結(jié)束，如圖2B和圖2C所示，或者它也可以略微在進(jìn)氣閥關(guān)閉之后結(jié)束。這取決于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷、燃燒器膨脹的壓比、發(fā)動(dòng)機(jī)的速度和燃料噴射與燃燒之間的延時(shí)。熱壓縮空氣和大量燃料的混合氣由來自提前噴射的燃料的自點(diǎn)火火焰點(diǎn)燃。在做功沖程中向下驅(qū)動(dòng)活塞2時(shí)，該熱燃燒氣體膨脹并做功。如圖2A所示，在進(jìn)行膨脹時(shí)，在燃燒汽缸1中存在一個(gè)壓降。正好在下死點(diǎn)之前，排氣閥開始開啟，以準(zhǔn)備圖2(B)所示的下一沖程。
下面將說明用于以低點(diǎn)火質(zhì)量的燃料起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的裝置。如果該發(fā)動(dòng)機(jī)能夠通過外部的機(jī)械力或電力驅(qū)動(dòng)，則這可用來驅(qū)動(dòng)上述等溫壓縮器，以便對(duì)燃燒器進(jìn)氣的上游管道系統(tǒng)加壓。如果沒有外部驅(qū)動(dòng)，則該管道系統(tǒng)可使用存儲(chǔ)壓縮空氣10的存儲(chǔ)器加壓，如圖1所示。該壓縮空氣存儲(chǔ)器優(yōu)選位于余熱回收器的上游，是因?yàn)楫?dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，該管道系統(tǒng)在這一點(diǎn)不會(huì)過度受熱。這免去了對(duì)能夠經(jīng)受非常高的溫度的閥進(jìn)行設(shè)計(jì)的需要。
在起動(dòng)時(shí)需要一個(gè)空氣加熱器，這是因?yàn)椴荒軓脑撚酂峄厥掌髦械玫綗崃?。加熱供入該燃燒器中的空氣的傳統(tǒng)的方式是加熱上述位于該余熱回收器和該燃燒器之間的管道系統(tǒng)。該為了起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)所需的熱量輸入，比在正常操作中供入余熱回收器的熱量要少得多，原因是空氣質(zhì)量流是很小的。這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度低，而且因?yàn)楣┤雺嚎s機(jī)的空氣壓力接近于環(huán)境壓力，且在起動(dòng)期間不被渦輪增壓器的工作增壓。如圖1所示，一個(gè)加熱器11圍繞上述管道系統(tǒng)構(gòu)成。該加熱器可以是各種形式的電加熱器中的任何一種，或者它也以是燃?xì)鉅t或燃油爐。
如果發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)期間可由外力驅(qū)動(dòng)，則活塞就在它們各自的汽缸中上下運(yùn)動(dòng)。如果發(fā)動(dòng)機(jī)不受外力驅(qū)動(dòng)，則來自被連接的管道系統(tǒng)所加熱的存儲(chǔ)器中的壓縮空氣在汽缸中膨脹，以便提供能量來運(yùn)動(dòng)活塞。
一旦活塞運(yùn)動(dòng)，它就必需在沒有得到任何壓縮以產(chǎn)生所需高溫的廢氣的情況下點(diǎn)燃燃料。
這通過在關(guān)閉排氣閥的一段時(shí)間內(nèi)提供壓縮空氣的放氣流而實(shí)現(xiàn)。這也可以通過一個(gè)通入燃燒室汽缸1的節(jié)流孔實(shí)現(xiàn)，但在圖1所示的情況中，這可以通過在排氣閥關(guān)閉的最終階段短暫地開啟進(jìn)氣閥3實(shí)現(xiàn)(當(dāng)升程小于最大值的5％時(shí))，如圖2C的虛線所示。由于發(fā)動(dòng)機(jī)速度在起動(dòng)時(shí)比在正常運(yùn)行時(shí)小得多，故已發(fā)現(xiàn)為了接受所需空氣而需的閥的開啟，或者是非常小的，或者只是短暫的出現(xiàn)。如果閥打開得太大或者打開的持續(xù)時(shí)間太長，則可能會(huì)有太多的空氣進(jìn)入。然后，該帶有添加的燃料的空氣，由于活塞的持續(xù)上升，可以隨后被迫回流到進(jìn)氣口中，這是非常不理想的。另一個(gè)缺點(diǎn)是，該可能也以低速運(yùn)行的壓縮機(jī)，將不能提供所需的空氣流。在這一點(diǎn)時(shí)，排氣閥還未最終關(guān)閉，并且因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的速度低且供入進(jìn)氣閥的空氣壓力高，則如果該閥持續(xù)太長的時(shí)間，就會(huì)消耗大量的空氣。因此，圖2C示出了在到達(dá)上死點(diǎn)之間大約20°發(fā)生的短暫進(jìn)氣。
如果燃燒器汽缸具有多于一個(gè)進(jìn)氣閥，則它可以方便地使用一個(gè)閥在起動(dòng)期間進(jìn)行短暫的空氣噴入，而用剩余的一個(gè)或多個(gè)閥在到達(dá)上死點(diǎn)之后提供主空氣流。這免去了一個(gè)閥在起動(dòng)循環(huán)中打開和關(guān)閉兩次的需要。
用于利用低點(diǎn)火質(zhì)量的燃料直接點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的上述過程的另一種形式是向發(fā)動(dòng)機(jī)提供便于起動(dòng)的例如輕柴油燃料的高點(diǎn)火質(zhì)量的燃料。該發(fā)動(dòng)機(jī)將運(yùn)行足夠的時(shí)間以使余熱回收器加熱，然后將它切換到低點(diǎn)火質(zhì)量的燃料。
下面結(jié)合圖1和3說明燃料向燃料室中的噴射。圖3示出了汽缸頭12，在其一側(cè)是一對(duì)壓縮空氣進(jìn)氣口13，每個(gè)進(jìn)氣口與一個(gè)壓縮空氣進(jìn)氣閥3相連，在其另一側(cè)是一對(duì)壓縮空氣排氣口13，每個(gè)排氣口與一個(gè)壓縮空氣排氣閥3相連。燃料噴射器5具有一對(duì)排氣孔15，它們布置得使燃料沿箭頭16的方向朝向壓縮空氣進(jìn)氣口13噴射。如圖1明顯所示，燃料相對(duì)汽缸頭略微向下傾斜噴射。但是，可選擇的是燃料也可平行于汽缸頭噴射。燃料噴射定時(shí)如此確定，以致于當(dāng)空氣通過進(jìn)氣口13進(jìn)入燃燒室中時(shí)燃料進(jìn)行噴射，如圖2所示。
雖然圖1和3示出了所有的燃料通過每個(gè)進(jìn)氣口13的一個(gè)噴射孔15被噴入進(jìn)入汽缸中的空氣射流中，但這并不總是必需的。在一些情況下，例如為了將燃料分散在空氣射流中，或者為了避免燃料直接穿透空氣射流的可能性，它可以優(yōu)選具有較多數(shù)量的噴射孔。最佳布置方式將取決于噴射燃料是氣體還是液體。
如圖1和3所示，燃料噴射器5通常伸入活塞碗形凹坑2A中，該碗形凹坑由此必需圍繞該噴射器設(shè)置。燃料以上述非對(duì)稱方式向進(jìn)氣口3噴射，可被認(rèn)為將導(dǎo)致大量燃料從碗形凹坑2A中漏出，對(duì)該活塞碗形凹坑在實(shí)現(xiàn)難于點(diǎn)燃的燃料的點(diǎn)燃方面的效果產(chǎn)生負(fù)面影響或降低。但情況不總是這樣，因?yàn)辄c(diǎn)火是在活塞2非常接近于汽缸1的上死點(diǎn)且存在于汽缸中的大量的空氣、氣體和燃料被從活塞碗形凹坑2A周圍的窄的間隙中擠出的同時(shí)實(shí)現(xiàn)的。因此，在壓縮過程的這一早期階段，該活塞碗形凹坑將仍具有它所設(shè)計(jì)的功能。
權(quán)利要求
1.一種二沖程式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其包括至少一個(gè)汽缸，該汽缸和或每個(gè)汽缸具有一個(gè)在該汽缸中可往復(fù)運(yùn)動(dòng)且限定構(gòu)成一燃燒室的活塞，該燃燒室或每個(gè)燃燒室具有一個(gè)帶一個(gè)用于控制空氣流入該燃燒室的進(jìn)氣閥的壓縮空氣進(jìn)氣口，一個(gè)燃料噴射器，燃料通過該噴射器噴入該燃燒室中，和一個(gè)帶一個(gè)用于控制廢氣流出該燃燒室的排氣閥的排氣口；和用于控制該進(jìn)氣和排氣閥關(guān)于該活塞的運(yùn)動(dòng)的控制裝置，從而使該排氣閥在該活塞到達(dá)上死點(diǎn)之前和在該進(jìn)氣閥打開之前大體關(guān)閉，這樣，一些廢氣便收集在該燃燒室中并在其中壓縮。
2.按權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于該控制裝置是這樣構(gòu)成的，以致于該排氣閥的關(guān)閉和該進(jìn)氣閥的開啟之間的間隙，是驅(qū)動(dòng)該活塞的標(biāo)定曲軸的曲軸轉(zhuǎn)角的至少10°，優(yōu)選是至少15°，更優(yōu)選地是至少20°。
3.按權(quán)利要求1或2所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于該控制裝置是這樣構(gòu)成的，以致于該排氣閥的關(guān)閉和上死點(diǎn)之間的間隙是驅(qū)動(dòng)該活塞的標(biāo)定曲軸的曲軸轉(zhuǎn)角的至少10°，優(yōu)選是至少15°，更優(yōu)選地是至少20°。
4.按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于該控制裝置構(gòu)成得正好在到達(dá)上死點(diǎn)之前打開該進(jìn)氣閥。
5.按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于該控制裝置構(gòu)成得在與壓縮空氣被引入該燃燒室中大體相同的時(shí)間將燃料噴入該燃燒室中。
6.按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于該控制裝置構(gòu)成得在該排氣閥已經(jīng)關(guān)閉和在到達(dá)上死點(diǎn)之前將少量燃料噴入該燃燒室中。
7.按權(quán)利要求6所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于該少量的燃料與用于主要噴射并通過該燃料噴射器引入的燃料為同一類型。
8.按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其還包括一個(gè)用于將壓縮空氣供入該燃燒室中的壓縮機(jī)。
9.按權(quán)利要求8所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于該壓縮機(jī)是一個(gè)由該活塞或每個(gè)活塞驅(qū)動(dòng)的往復(fù)式壓縮機(jī)。
10.按權(quán)利要求8或9所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于該壓縮機(jī)是一個(gè)等溫壓縮機(jī)并且該發(fā)動(dòng)機(jī)還包括一個(gè)用于加熱該壓縮空氣進(jìn)氣口上游的壓縮空氣的裝置。
11.按權(quán)利要求10所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于該用于加熱的裝置是一個(gè)被送入來自燃燒室的廢氣的換熱器，該廢氣把其熱量傳遞給從該壓縮機(jī)流向該燃燒室的壓縮空氣。
12.按權(quán)利要求10或11所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于該等溫壓縮機(jī)包括一個(gè)汽缸，在該汽缸中另一個(gè)活塞可作往復(fù)運(yùn)動(dòng)并限定構(gòu)成一個(gè)壓縮腔，一個(gè)帶一個(gè)用于控制空氣流入該壓縮腔的進(jìn)氣閥的進(jìn)氣口，一個(gè)帶一個(gè)用于控制壓縮空氣流出該壓縮腔的排氣閥的壓縮空氣排氣口，用于在該另一個(gè)活塞的壓縮沖程中向該壓縮腔噴灑液體的裝置，和一個(gè)設(shè)置在該壓縮空氣出氣口的下游的用于將上述液體從壓縮空氣中分離出的分離器。
13.按權(quán)利要求12所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于該用于噴灑液體的裝置是如此構(gòu)成的，即在壓縮中使熱量在液滴基本沒有蒸發(fā)的情況下傳遞給易受熱的各液滴。
14.按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于在該燃燒室中，在汽缸頭或活塞頂面上設(shè)一槽，當(dāng)活塞接近其沖程的上死點(diǎn)時(shí)，將燃料噴入該槽中。
15.按權(quán)利要求14所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于該槽是一個(gè)在活塞上表面中的活塞碗形凹坑。
16.按權(quán)利要求15所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于在上死點(diǎn)處汽缸中包括該活塞碗形凹坑和所有余隙的收集容積，小于在下死點(diǎn)時(shí)的整個(gè)汽缸容積的3％，并且優(yōu)選是小于2％。
17.按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于當(dāng)該進(jìn)氣閥打開時(shí)，它不伸入汽缸中。
18.按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于設(shè)置一個(gè)節(jié)流孔以使熱壓縮空氣的節(jié)流流動(dòng)進(jìn)入該燃燒室中，并設(shè)置一個(gè)在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)控制通過該節(jié)流孔的壓縮空氣的流動(dòng)的閥。
19.按權(quán)利要求18所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于該節(jié)流孔是汽缸中的一個(gè)單獨(dú)開口。
20.按權(quán)利要求18所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于該節(jié)流孔是在該進(jìn)氣閥部分打開時(shí)該進(jìn)氣閥和該閥座之間的間隙。
21.按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于該控制裝置被設(shè)置用于根據(jù)該燃燒室中的燃燒來控制該進(jìn)氣閥，以致于該進(jìn)氣閥在燃燒開始前不關(guān)閉。
22.按權(quán)利要求21所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于該控制裝置是如此構(gòu)成的，從而在正常運(yùn)行狀態(tài)下，燃燒開始與該進(jìn)氣閥關(guān)閉之間的間隙是驅(qū)動(dòng)該活塞的標(biāo)定曲軸的曲軸轉(zhuǎn)角的至少15°，優(yōu)選是至少25°，更優(yōu)選地是至少30°。
23.按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于該或每個(gè)進(jìn)氣閥與一個(gè)進(jìn)氣口相關(guān)聯(lián)，該或每個(gè)進(jìn)氣口與一個(gè)假想的容積相關(guān)聯(lián)，該容積由該進(jìn)氣口在活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的方向上的平移面積所形成的包絡(luò)線限定構(gòu)成；該燃料噴射器設(shè)置成向該容積或數(shù)個(gè)容積噴射至少50％的燃料，優(yōu)選為至少70％，更優(yōu)選地是100％。
24.按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于該發(fā)動(dòng)機(jī)不是一個(gè)火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)。
25.操作一種二沖程內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，該發(fā)動(dòng)機(jī)包括至少一個(gè)汽缸，該汽缸和或每個(gè)汽缸具有一個(gè)在該汽缸中可往復(fù)運(yùn)動(dòng)且限定構(gòu)成一燃燒室的活塞，該燃燒室或每個(gè)燃燒室具有一個(gè)帶一個(gè)用于控制空氣流入該燃燒室的進(jìn)氣閥的壓縮空氣進(jìn)氣口，一個(gè)燃料噴射器，和一個(gè)帶一個(gè)用于控制廢氣流出該燃燒室的排氣閥的排氣口；該方法包括重復(fù)下列步驟打開該排氣閥；使該活塞運(yùn)動(dòng)到該燃燒室中，以迫使廢氣從該燃燒室中排出；在該活塞到達(dá)上死點(diǎn)之前關(guān)閉該排氣閥，并在該燃燒室中收集一些廢氣；通過該活塞的進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)壓縮該廢氣；開始打開該進(jìn)氣閥；和一旦該壓縮氣體已被壓縮到一定程度，即該燃燒室中的溫度足夠點(diǎn)火且燃燒膨脹該熱的壓縮氣體的燃料從而做功于該活塞時(shí)，將燃料引入該燃燒室中。
26.按權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于該燃料是天然氣。
27.按權(quán)利要求25或26所述的方法，其特征在于該排氣閥在進(jìn)氣閥打開之前在驅(qū)動(dòng)該活塞的標(biāo)定曲軸的曲軸轉(zhuǎn)角的至少10°，優(yōu)選是至少15°，更優(yōu)選地是至少20°關(guān)閉。
28.按權(quán)利要求25至27中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于該排氣閥在活塞到達(dá)上死點(diǎn)之前在驅(qū)動(dòng)該活塞的標(biāo)定曲軸的曲軸轉(zhuǎn)角的至少10°，優(yōu)選是至少15°，更優(yōu)選地是至少20°關(guān)閉。
29.按權(quán)利要求25至28中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于該進(jìn)氣閥正好在到達(dá)上死點(diǎn)之前打開。
30.按權(quán)利要求25至28中任一項(xiàng)所述的方法，另外還包括在與該壓縮空氣被引入燃燒室中基本相同的時(shí)間將燃料噴入該燃燒室中。
31.按權(quán)利要求30所述的方法，另外還包括在該排氣閥已經(jīng)關(guān)閉和在到達(dá)上死點(diǎn)之前將少量燃料噴入該燃燒室中。
32.按權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于該少量的燃料與用于主要噴射并通過該燃料噴射器引入的燃料為同一類型。
33.按權(quán)利要求25至33中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于引入壓縮空氣的步驟是在該進(jìn)氣閥不伸入燃燒室中的情況下進(jìn)行的。
34.按權(quán)利要求25至33中任一項(xiàng)所述的方法，其還包括在關(guān)閉該進(jìn)氣閥之前開始燃燒的步驟。
35.按權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于在正常運(yùn)行狀態(tài)下，燃燒是在該進(jìn)氣閥關(guān)閉之前至少15°，優(yōu)選是至少25°，更優(yōu)選地是至少30°的情況下開始的。
36.起動(dòng)一種根據(jù)權(quán)利要求1的且還包括一個(gè)壓縮空氣存儲(chǔ)器和一個(gè)加熱器的發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，起動(dòng)該發(fā)動(dòng)機(jī)的方法包括加熱來自壓縮空氣存儲(chǔ)器的空氣，將該加熱了的壓縮空氣送入該或每個(gè)燃燒室中，并在該或每個(gè)燃燒室中膨脹該加熱了的壓縮空氣，以便使活塞運(yùn)動(dòng)出該燃燒室的步驟。
37.起動(dòng)一種根據(jù)權(quán)利要求18至20中任一項(xiàng)的發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，起動(dòng)該發(fā)動(dòng)機(jī)的方法包括在汽缸壓力低的時(shí)候通過該節(jié)流孔對(duì)進(jìn)入燃燒室中的熱壓縮空氣流進(jìn)行放氣。
38.起動(dòng)一種根據(jù)權(quán)利要求37的發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，其特征在于該壓縮空氣由一個(gè)加熱器加熱，該加熱器加熱向該燃燒器供給壓縮空氣的管道。
39.按權(quán)利要求38所述的方法，其特征在于該熱的壓縮空氣在關(guān)閉排氣閥的最終階段中被引入該燃燒室中。
40.按權(quán)利要求38所述的方法，其還包括一旦燃料被點(diǎn)燃，就關(guān)閉該節(jié)流孔。
41.按權(quán)利要求39所述的方法，其還包括一旦燃料被點(diǎn)燃，就逐漸關(guān)閉該節(jié)流孔。
42.一種二沖程式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其包括至少一個(gè)汽缸，該汽缸和或每個(gè)汽缸具有一個(gè)在該汽缸中可往復(fù)運(yùn)動(dòng)且限定構(gòu)成一燃燒室的活塞，該燃燒室或每個(gè)燃燒室具有一個(gè)帶一個(gè)用于控制空氣流入該燃燒室的進(jìn)氣閥的壓縮空氣進(jìn)氣口，一個(gè)燃料噴射器，燃料通過該噴射器噴入該燃燒室中，和一個(gè)帶一個(gè)用于控制廢氣流出該燃燒室的排氣閥的排氣口；和用于根據(jù)燃燒室中的燃燒情況控制該進(jìn)氣閥的控制裝置，以致使該進(jìn)氣閥在燃燒開始之前不關(guān)閉。
43.按權(quán)利要求42所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于該控制裝置是這樣構(gòu)成的，以致于在正常運(yùn)行狀態(tài)下，燃燒開始與該進(jìn)氣閥到達(dá)其關(guān)閉位置之間的間隙是在驅(qū)動(dòng)該活塞的標(biāo)定曲軸的曲軸轉(zhuǎn)角的至少15°，優(yōu)選是至少25°，更優(yōu)選地是至少30°。
44.按權(quán)利要求42或43所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于該控制裝置這樣構(gòu)成，以致于在到達(dá)上死點(diǎn)之前將少量燃料噴入該燃燒室中。
45.按權(quán)利要求42至44中任一項(xiàng)所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于該或每個(gè)進(jìn)氣閥與一個(gè)進(jìn)氣口相關(guān)聯(lián)，該或每個(gè)進(jìn)氣口與一個(gè)假想的容積相關(guān)聯(lián)，該容積由該進(jìn)氣口在活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的方向上的平移面積所形成的包絡(luò)線限定構(gòu)成；該燃料噴射器設(shè)置成向該容積或數(shù)個(gè)容積直接噴射至少50％的燃料，優(yōu)選為至少70％，更優(yōu)選地是100％。
46.操作一種二沖程內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，該發(fā)動(dòng)機(jī)包括至少一個(gè)汽缸，該汽缸和或每個(gè)汽缸具有一個(gè)在該汽缸中可往復(fù)運(yùn)動(dòng)且限定構(gòu)成一燃燒室的活塞，該燃燒室或每個(gè)燃燒室具有一個(gè)帶一個(gè)用于控制空氣流入該燃燒室的進(jìn)氣閥的壓縮空氣進(jìn)氣口，一個(gè)燃料噴射器，和一個(gè)帶一個(gè)用于控制廢氣流出該燃燒室的排氣閥的排氣口；該方法包括重復(fù)下列步驟打開該排氣閥；使該活塞運(yùn)動(dòng)到該燃燒室中，以迫使廢氣從該燃燒室中排出；關(guān)閉該排氣閥；噴射燃料，開始打開進(jìn)氣閥并開始燃燒；和隨后關(guān)閉該進(jìn)氣閥，但該進(jìn)氣閥在燃燒開始前不關(guān)閉。
47.按權(quán)利要求46所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于在正常運(yùn)行狀態(tài)下，燃燒在該進(jìn)氣閥關(guān)閉之前至少15°，優(yōu)選是至少25°，更優(yōu)選地是至少30°的情況下開始。
48.按權(quán)利要求46或47所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于在到達(dá)上死點(diǎn)之前噴入少量燃料。
49.一種二沖程內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)包括至少一個(gè)汽缸，該汽缸和或每個(gè)汽缸具有一個(gè)在該汽缸中可往復(fù)運(yùn)動(dòng)且限定構(gòu)成一燃燒室的活塞，該燃燒室或每個(gè)燃燒室具有至少一個(gè)與一個(gè)用于控制空氣流入該燃燒室的進(jìn)氣閥相關(guān)聯(lián)的壓縮空氣進(jìn)氣口，該或每個(gè)進(jìn)氣口與一個(gè)假想的容積相關(guān)聯(lián)，該容積由該進(jìn)氣口在活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的方向上的平移面積所形成的包絡(luò)線限定構(gòu)成；至少一個(gè)用于控制廢氣流出該燃燒室的排氣閥的排氣口；和一個(gè)燃料噴射器，燃料通過該噴射器噴入該燃燒室中，但該燃料噴射器設(shè)置成向該容積或數(shù)個(gè)容積，而不是朝向該或每個(gè)進(jìn)氣閥噴射至少50％的燃料。
50.按權(quán)利要求49所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于該燃料噴射器設(shè)置成向該容積或數(shù)個(gè)容積噴射至少70％，優(yōu)選為100％的燃料。
51.按權(quán)利要求49或50所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于該燃料噴射器設(shè)置成相對(duì)該汽缸頭以小于10°，優(yōu)選是小于5°的角度噴射燃料。
52.按權(quán)利要求49至51中任一項(xiàng)所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于該或每個(gè)燃燒室具有兩個(gè)或多個(gè)壓縮空氣進(jìn)氣口，所有這些進(jìn)氣口都布置在汽缸的相同側(cè)，并且該燃料噴射器設(shè)置成朝汽缸包含上述進(jìn)氣口的一側(cè)噴射至少80％，優(yōu)選是至少90％的燃料。
53.操作一種二沖程內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，該發(fā)動(dòng)機(jī)包括至少一個(gè)汽缸，該汽缸和或每個(gè)汽缸具有一個(gè)在該汽缸中可往復(fù)運(yùn)動(dòng)且限定構(gòu)成一燃燒室的活塞，該燃燒室或每個(gè)燃燒室具有至少一個(gè)帶有一個(gè)用于控制空氣流入該燃燒室的進(jìn)氣閥的壓縮空氣進(jìn)氣口，每個(gè)進(jìn)氣口與一個(gè)假想的容積相關(guān)聯(lián)，該容積由該進(jìn)氣口在活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的方向上的平移面積所形成的包絡(luò)線限定；至少一個(gè)帶有一個(gè)用于控制廢氣流出該燃燒室的排氣閥的排氣口；和一個(gè)將燃料噴入該燃燒室中的燃料噴射器，該方法包括向該容積或數(shù)個(gè)容積，而不是朝向該或每個(gè)進(jìn)氣閥噴射至少50％的燃料的步驟。
54.按權(quán)利要求53所述的方法，其包括向該容積或數(shù)個(gè)容積噴射至少70％的燃料的步驟。
全文摘要
一種二沖程內(nèi)燃機(jī)，其具有一個(gè)壓縮空氣進(jìn)氣口(13)和一個(gè)排氣口(14)，流經(jīng)各氣口的氣流由合適的閥(3、4)控制。燃料通過一個(gè)燃料噴射器(5)噴入。上述閥的開啟的定時(shí)是這樣的，以致使活塞(2)到達(dá)上死點(diǎn)時(shí)進(jìn)氣閥(3)關(guān)閉。排氣閥(4)如此地關(guān)閉，以致使一定的廢氣在燃燒室中被收集并壓縮，從而提高該燃燒室內(nèi)的溫度并因此利于點(diǎn)火。本發(fā)明也考慮了進(jìn)氣閥(3)關(guān)閉之前的初燃。
文檔編號(hào)F01N5/02GK1443273SQ0180983
公開日2003年9月17日 申請(qǐng)日期2001年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月31日
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