专利名称：二冲程内燃机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种二冲程内燃机。更为具体地说，本发明涉及在这样一种发动机中的燃料点火和燃烧的过程。
人们早已经知道传统往复式内燃机的压缩冲程需要相当大量的能量，这在某种程度上可被认作是发动机性能的寄生损耗。对于这一点的原因之一是，引入一传统发动机中的空气被与之接触的热的汽缸头、汽缸套和活塞加热。压缩功通过任何增加温度的过程而显著增加。
该压缩功可通过压缩一个单独汽缸中的空气而减小，该汽缸比那些发生燃烧的汽缸要冷得多。空气外部压缩的另一个优点是，它可以通过用热的发动机废气预热该压缩空气，从而节省燃料。这样的一种布置方式已在US 4,300,486中公开，该文献说明了一种二冲程或四冲程发动机，在该发动机中压缩空气被从一个存储箱中引入燃烧汽缸中。该空气通过使用来自发动机外部的能源的能量进行有效的压缩。
在US 4,476,821中公开了上述思想的发展形式，该发展形式具有一个与发动机的曲轴机械连接的往复运动的压缩机，以向每个燃烧汽缸的进气口连续供给压缩空气。
US 4,040,400公开了一种类似的布置方式，其中压缩是分两级进行，在这两级之间进行中间冷却以提高效率。
此外在WO 94/1278中，上述概念由一级实现，在该文献中公开了一种余热回收式二冲程发动机，该发动机包括一个带有密集水喷射系统的空气压缩汽缸，跟随在其后的是一个下游水分离器。水的喷射不仅冷却整个压缩过程中的空气，以便使压缩功最小，而且可以获得一种比用传统往复式空气压缩机所得到的压缩比更高的压缩比。这就减少了所需压缩级的数量。实际上，通常只需要一个级。
在具有外部空气压缩和预热的所有往复式内燃机中，都需要将该热的、压缩的空气与燃料相混合，并在该发动机的(数个)燃烧汽缸中点燃该混合气。根据燃料的类型，这一点不太容易以一种稳定且可靠的方式实现。特别是，如果该燃料是具有高点火温度和相对长的点火延时的天然气，则通过预热空气以达到可靠的自动点火和燃烧是非常困难的。当然通过使用一种引燃燃料是可以实现天然气的点火的，该引燃燃料以实际空气的预热温度点火。实际上，传统的双燃料发动机和天然气发动机使用了这种方法，但是因外加设备的成本和引燃燃料的存储，这种方法存在缺点。同样重要的是，引燃燃料的应用增加了氮氧化物的排放。
点燃天然气混合气的另一个常用方法是，使用火花点火，但这通常只用于天然气在进入汽缸之前已与空气混合的情况。预混合空气和燃料的火花点火在具有近化学计量的空燃比的小型发动机中作用良好，但这在使用稀薄燃烧以达到低NOx排放的现代大型发动机中则较难实现。在这种情况下，火花的能量需要通过使用小预燃室中的点火来补充。该预燃室中的混合气不是稀薄的，而是近化学计量比的，因此可以通过火花的点燃产生燃烧气体的射流，这些射流具有点燃主混合气的足够的能量。除了预燃室的附加复杂性之外，火花点火的缺点在于，预燃室的环境对于火花塞是非常不友好的，它们必需定期经常更换。
因此本发明的目的是提供一种在一种二冲程内燃机中点燃没有预先混合的燃料的方法，该发动机具有提供可靠燃烧的外部压缩空气、低维护费用的简单结构和使用大范围的可燃燃料的能力，这些可燃燃料包括那些难于点燃的燃料，例如天然气。
根据本发明的一种二冲程内燃机包括至少一个汽缸，该汽缸和或每个汽缸具有一个在该汽缸中可往复运动且限定一燃烧室的活塞，该燃烧室或每个燃烧室具有一个带一个用于控制流入该燃烧室的进气阀的压缩空气进气口，一个燃料喷射器，燃料通过该喷射器喷入该燃烧室中，和一个带一个用于控制废气流出该燃烧室的排气阀的排气口；和用于控制该进气和排气阀关于该活塞的运动的控制装置，从而使该排气阀在该活塞到达上死点之前，并在该进气阀打开之前大体关闭，这样一些废气便收集在该燃烧室中并在其中压缩。
上述废气由于其性质决定已经是热的(通常为500-800℃)了。一旦该排气阀关闭，且同时进气阀也关闭，活塞继续向上死点运动并在燃烧室中压缩该废气。对于一个给定的压力比来说，压缩之后的绝对温度与压缩开始时的绝对温度成正比。通过选择一个合适的压力比，该压缩了的废气可以上升到一个足够高的温度，从而它能够点燃甚至是低点火质量的燃料，例如天然气。
本发明不需火花点火、预燃室或引燃燃烧即可实施。因此，该发动机的结构可保持简单并且所需的维护也减少了。
在一个内燃机中的进气和排气阀的开启和关闭运动需要精确地控制。这是因为如果一个阀落坐得太迅速，则会发生明显的损坏，或者如果接触太迅速，则会产生快速磨损。另外，这些阀通常由一个凸轮操纵，因此必需还要注意凸轮与阀之间的接触。出于这一原因，一个排气或进气阀的升程示出了在升起开始时为一个平缓的向上倾斜，以使阀致动器无损坏地使阀开始运动。同样，在阀关闭时设置了一个平缓的向下倾斜，从而使阀平稳地落坐。这些倾斜可占据活塞循环的一个相当大的比例(典型地为曲轴转角的20°)。但是，在这样的时间内，经过该阀元件将有非常小的流动。因此，对所有意图和目的而言，该阀元件在这一时间中被关闭，即使它在物理上看没有完全落坐，也是如此。因此，为避免疑虑，为了本文献，该阀不考虑被打开，直到它达到其最大升程的5％。同样，一旦该阀已经回到上述相同位置，它就考虑关闭。该定义在整个说明书中都适应于权利要求书和说明部分等中。因此，所有涉及阀开启时间的是指这一时间，即该阀开启升程超过5％的那一时刻。同样，所有涉及阀关闭时间的是指这一时间点，即该阀关闭到达5％位置的那一时刻。
排气阀的关闭、进气阀的打开以及活塞的位置之间的关系取决于发动机和燃料的多种特性。这些特性包括当活塞到达上死点时汽缸中的余隙容积、进气空气温度和压力、所使用的燃料类型、废气的温度、燃料的点火质量和废气压缩后的理想温度。尽管如此，上述控制装置优选这样构成，即，使该排气阀的关闭和该进气阀的开启之间的间隙是在驱动该活塞的标定曲轴的曲轴转角的至少10°，优选在至少15°，更优选地是在至少20°。该排气阀优选在活塞到达上死点之前驱动该活塞的标定曲轴的曲轴转角的至少10°，优选在至少15°，更优选地是在至少20°关闭。该控制装置可以构成为基本上是在上死点打开进气阀。然而，该进气阀的开启优选是正好在上死点(例如在3°曲轴转角之前)之前开始。该阀的开启位置是有利的，因为空气的最初涌入完成了已经部分地被活塞压缩的废气的再压缩。如果活塞被设计成进行所有的再压缩，则汽缸内的压力将超过进气口供给的空气的压力并导致通过该阀的回流。较好地允许一些余量来避免这一点。实际上，该过程的模拟示出了允许空气完成最终阶段的再压缩也是略微更为有效的。通过引入空气的再压缩具有与由活塞进行的再压缩非常相似的效果，一个主要区别在于，该引入的空气与压缩气体混合，从而温度的上升小于无混合所达到的温度。如果由引入的空气代替活塞进行太多的再压缩，则温度的上升将不足以点燃一定的燃料。
允许引入的空气完成该再压缩的另一个优点是，进气阀在上死点达到一个较大的开度。
在发动机响应于改变的发动机工况运行时，该控制装置可被构成为便于改变排气阀的开度，但是可更简单地得到排气阀开度的最佳设置，该开度在运行中不进行调节。
该控制装置优选构成为在大体上与压缩空气被引入燃烧室的同时，将燃料喷入燃烧室中。该控制装置优选控制燃料喷射的定时和燃料流率的曲线。另外，已经发现有利的是，该控制装置在该排气阀已经关闭和到达上死点之前将少量燃料喷入该燃烧室中。该少量燃料与高温压缩废气混合并开始燃烧。该点火过程与传统的使用引燃燃料点燃低点火质量的燃料不同，不仅因为该点火装置是不同的，而且因为在这种情况下在开始燃烧的燃料和主燃料之间没有区别。同样在这种情况下，相同的燃料喷射器既喷射开始燃烧的燃料又喷射主燃料。热的废气包含一些在前一循环中未消耗的氧。一些另外的氧可从在到达上死点之前经进气阀进入汽缸的热空气中得到，尽管这一点在该过程中不是必需的。该得到的氧与由废气的再压缩产生的高温相结合，以一个有限的但是可接受的延时，使预喷入燃料点燃。
供入燃料室中的压缩空气可由一个压缩空气的存储器供给。然而，优选地是该压缩空气按需要由一个压缩机产生，该压缩机优选是一个由该或每个活塞、优选是通过一个曲轴驱动的往复式压缩机。
为了实现最高效率，该压缩机是一个等温压缩机，并且用于加热该压缩空气的装置设置在压缩空气进气口的上游。该用于加热的装置可以是一个外部加热器，但是，更为有效的是一个供给有来自燃烧室的废气的换热器，该废气把其热量传递给从该压缩机流向该燃烧室的压缩空气。
该等温压缩机优选为这类压缩机，其包括一个汽缸，在该汽缸中另一个活塞往复运动并限定一个压缩腔，一个带一个用于控制流入该压缩腔的进气阀的进气口，一个带一个用于控制流出该压缩腔的排气阀的压缩空气排气口，用于在该另一个活塞的压缩冲程中向该压缩腔喷洒液体的装置，和一个设置在该压缩空气出气口的下游的用于将上述液体从压缩空气中分离出的分离器。该用于喷洒液体的装置优选如此构成，即，在压缩中使热量在液滴基本没有蒸发的情况下传递给易受热的各液滴，因为这允许压缩期间空气的温度较低。
上述废气的压缩发生在一个限定构成在汽缸壁和汽缸头和活塞顶表面之间的燃烧室中。在其最简单的形式中，即以一个平顶活塞的形式，最终余隙容积基本上是一个非常短的圆柱形空间。这样的空间具有大的表面容积比，而且由废气压缩产生的热的相当大的部分可损失掉。在这样一个平的、宽的余隙容积中也很难使燃料与聚集的废气混合。因此，优选地是，在汽缸头或活塞顶面上设一凹腔，当活塞接近其冲程的上死点时，燃料直接喷入该凹腔中。最为方便的是，该凹腔由一个在活塞上表面中的活塞碗形凹坑构成。
在传统的柴油机中使用了活塞碗形凹坑以促进燃料和空气的混合从而改善燃料的燃烧。在较大的柴油机中，该碗形凹坑增加了雾化液体喷束的蒸发的流动长度。在燃烧汽缸中使用空气压缩的柴油机必需在活塞上部为所有这些空气留有足够的空间。因此活塞顶和汽缸头在上死点的收集容积必需大于带有外部空气压缩的发动机中的容积。这些柴油机中的活塞碗形凹坑的形状对点火过程具有相对小的效果，但是其对于点火之后的燃烧过程是重要的。
当上述活塞碗形凹坑用于只应用于带有外部空气压缩的发动机的本发明上时，其主要目的是便于在没有使用火花塞、预燃室或一种单独的引燃燃料的情况下，促进燃料例如天然气的点火，而不是燃烧。这一点部分地通过由较小的表面容积比导致的每单位质量废气的热损失的减小而达到，并部分地通过与压缩阶段中从周围余隙中快速压出并进入上述碗形凹坑中的废气的混合的提高而达到。从实践角度讲，上死点处的收集容积比大部分柴油机中的小得多，因为理想的是，与达到点火的要求一致，应尽可能再压缩最小量的废气。实际上，活塞碗形凹坑的容积是按这种要求确定的。在上死点处包括该活塞碗形凹坑和所有余隙汽缸内的收集容积，其大小小于在下死点时的整个汽缸容积的3％，并且更优选地是小于2％。与之相比，在一个大型传统柴油机中，在上死点时汽缸内的收集容积是在下死点时的汽缸容积的5％或更多。当设置有一个活塞碗形凹坑时，因为必需对收集容积中的气体进行附加压缩做无用功，因此应该进行每一种尝试以减少不由该活塞碗形凹坑占据的收集容积的量。然而在实践中，该碗形凹坑外侧的收集气体的容积也可以与该碗形凹坑内侧的容积具有相同的量级。
为了避免进气阀和活塞之间的接触，并且同时使上死点处的死区最小，优选该进气阀设置成在不伸入燃烧室的情况下打开。如果该进气阀是一个提升阀，则这意味着该阀沿离开燃烧室的方向打开。另一方面，由于当活塞接近上死点时排气阀关闭，故它可以是一个传统的向内打开的阀。
根据本发明的第二方面，提供了一操作一种二冲程内燃发动机的方法，该发动机包括至少一个汽缸，该汽缸或每个汽缸具有一个在该汽缸中可往复运动且限定构成一燃烧室的活塞，该燃烧室或每个燃烧室具有一个带一个用于控制空气流入该燃烧室的进气阀的压缩空气进气口，一个燃料喷射器，和一个带一个用于控制废气流出该燃烧室的排气阀的排气口；该方法包括重复下列步骤打开该排气阀；使该活塞运动到该燃烧室中以迫使废气从该燃烧室中排出；在该活塞到达上死点之前关闭该排气阀，并在该燃烧室中聚集一些废气；通过该活塞的进一步运动压缩该废气；开始打开该进气阀；和一旦该废气已被压缩到一定程度，即该燃烧室中的温度足够点燃并使燃料燃烧，从而使该热的燃气膨胀做功于该活塞上时，将燃料引入该燃烧室中。
该方法可用于任何可燃烧的燃料，但最适用于低点火质量的燃料，例如天然气。
为了起动发动机，首先必需使该或每个活塞在其汽缸中运动。然后必需提供某种在无废气进行压缩以开始初次点火的情况之前，点燃燃烧室内的燃料的替代方法。
如果一种外部动力源是可方便得到的，例如在一个能量生成装置中，能量可从格栅(grid)电源中得到，则其可被用来起动活塞的运动。另一方面，如果不能获得这样一种外部动力源，则发动机必需具有其自己的使活塞运动的装置。优选地是，该发动机还包括一个压缩空气存储器和一个加热器，起动该发动机的方法包括加热来自压缩空气存储器的空气，将该加热了的压缩空气送入该或每个压缩腔中，和在该或每个压缩腔中使该加热了的压缩空气膨胀，以便使活塞朝该汽缸下部运动。
一旦这些活塞运动，就必需点燃燃料。如上所述在燃烧室中膨胀从而对活塞做功的热压缩空气，在活塞到达下死点时将基本上得到冷却，原因是在燃料燃烧时没有热量加入。在排气阀关闭后，保留在燃烧室中的这部分空气的随后压缩，将在某种程度上把该空气再次加热到其初始温度，但该热度可能不足以点燃该燃料。为了起动发动机，特别是起动用低点火质量的燃料，例如天然气的发动机，必需确保汽缸中再压缩之前的低压空气与供给入的高压空气温度相似。
因此，该起动方法优选包括使在汽缸压力低的时候，通过上述节流孔对进入燃烧室中的热压缩空气流进行放气。该节流孔提供了一种节流效应，该效应由于节流是一个等熵过程，故将导致温度在节流后保持大体不变。即使活塞处于其下行冲程，以致于汽缸容积膨胀时，该放气流也不对活塞显著做功，因为在整个过程中汽缸中的空气压力都保持较低。为了达到使空气节流进入汽缸而压力始终是低的的目的，允许在起动中对热空气的喷射定时进行选择。可以在排气阀打开之前进气，在这一阶段中进气阀打开和/或在排气阀关闭之后立即打开。在起动中热空气喷射的定时选择可受到热压缩空气是否也在汽缸中膨胀的影响。如上所述，热压缩空气的膨胀可被用作在起动中使发动机旋转的一个方法。然而，即使其它使发动机旋转的方法是可得到的，热压缩空气也被引入汽缸中，并仅为了加热管道系统和发动机而膨胀。如果热压缩空气在汽缸中因任何原因都膨胀，则没有必要在该膨胀过程中对进入汽缸中的放气进行节流，因为它将与冷的膨胀过的空气混合。从保存一定量的用于起动的热空气的角度出发，在关闭排气阀的过程中和在刚刚关闭之后，接收热的放气是最有吸引力的选择，其为用于起动发动机的方法。
在起动中用于点火的热压缩空气可从任何压缩空气源供给，但如果热压缩空气也在起动中用于起动发动机，则优选两者都从相同的压缩空气存储器和换热器装置中供给。
该节流孔可以由该一个汽缸头中的一节流阀构成，或者是由进气阀和该阀座之间的间隙构成，如果该进气阀设置成打开其正常升程的一部分。
在起动运动中，排气阀正常地打开和关闭，从而活塞在其接近上死点时压缩该已经是热的放气空气，因此进一步增加其温度。执行该活塞的数个冲程，在每一个冲程中在第一燃料喷入前再压缩放气，以便建立该过程并加热该系统。
一旦发动机点火，该节流孔便关闭从而关闭该放气流。如果该节流阀用作该节流孔，则这是一个关闭该阀的简单方式。如果使用了该进气阀和该阀座之间的间隙，则该间隙通过使该进气阀完全落坐而使该进气阀回到其正常操作而被简单地关闭，直到它需要被打开使大量空气进入为止。
该节流孔可在发动机开始点火时立即关闭。然而，如果该节流孔被逐渐关闭，则放气在被停止前逐渐减小，这可在起动和正常运动之间提供一种较平稳地过渡，从而改进了起动过程的可靠性。
在正常运动中，燃料的燃烧可在进气阀关闭以后在每一个接连的循环中开始，以试图达到与传统往复式发动机相同的定容燃烧。然而，已经发现，该控制装置优选的是被设置用于根据该燃烧室中的燃烧来如此地控制该空气进气阀，以致于该进气阀在燃烧开始前不关闭。
这一点与传统的教导相反，原因是它导致了燃烧室中一定程度的压力损失。然而，已经发现这一缺点大于由其允许对燃烧过程的时间所进行的补偿。该具有定容燃烧的传统方式在燃烧室中导致一急剧的压力上升，这增加了燃烧气体的温度并由此增加了NOx的排放。以减小的压力增加开始的燃烧导致随之减小的NOx排放。
优选地是，该控制装置是如此构成的，从而在正常运行状态下，燃烧开始与该进气阀关闭之间的间隙是驱动该活塞的标定曲轴的曲轴转角的至少15°，优选是至少25°，更优选地是至少30°。
该特殊的特征构成了本发明的一个独立方面，其可被广泛地定义为一种二冲程式内燃发动机，其包括至少一个汽缸，该汽缸和或每个汽缸具有一个在该汽缸中可往复运动且限定构成一燃烧室的活塞，该燃烧室或每个燃烧室具有一个带一个用于控制空气流入该燃烧室的进气阀的压缩空气进气口，一个燃料喷射器，燃料通过该喷射器喷入该燃烧室中，和一个带一个用于控制废气流出该燃烧室的排气阀的排气口；和用于根据该燃烧室中的燃烧情况控制该进气阀的控制装置，以致使该进气阀在燃烧开始之前不关闭。
为了提高在关闭进气阀之前开始燃烧所提供的优点，该控制装置是这样构成的，即，在正常运行状态下，燃烧开始与该进气阀到达其关闭位置之间的间隙是驱动该活塞的标定曲轴的曲轴转角的至少15°，优选是至少25°，更优选地是至少30°。
优选地是，该控制装置这样构成，以致于在到达上死点之前将少量燃料喷入该燃烧室中。
另外，本发明的该方面可被定义为操作一种二冲程内燃发动机的方法，该发动机包括至少一个汽缸，该汽缸和或每个汽缸具有一个在该汽缸中可往复运动且限定构成一燃烧室的活塞，该燃烧室或每个燃烧室具有一个带一个用于控制空气流入该燃烧室的进气阀的压缩空气进气口，一个燃料喷射器，和一个带一个用于控制废气流出该燃烧室的排气阀的排气口；该方法包括重复下列步骤打开该排气阀；使该活塞运动到该燃烧室中以迫使废气从该燃烧室中排出；关闭该排气阀；喷射燃料，开始打开进气阀并开始燃烧；和随后关闭该进气阀，但该进气阀在燃烧开始前不关闭。
在一个传统的大型柴油机中，燃料通常通过一个中心多孔喷射器喷入燃烧室中，该喷射器具有数个围绕该喷射器圆周对称布置的孔。在这样的发动机中，燃料通常以一个向下的角度直接喷入活塞中的一个碗形凹坑中。但是，燃烧特性的计算机研究表明，这类喷嘴布置不适于上述类其中空气在外部被压缩和加热然后与燃料的喷射基本同时引入汽缸中的发动机。问题是在到达上死点之后，从进气阀进入的空气快速地填充由向下运动的活塞所生成的容积的大部分，并将空气、燃烧气体和燃料的混合气置换到燃烧室外侧。该进入的空气与先存在的气体及燃料的混合较差，因此燃烧相对较慢。
为了克服这一问题，优选的是，该或每个进气阀与一个进气口相关联，该或每个进气口与一个假想的容积相关联，该容积由该进气口在活塞往复运动的方向上的平移面积所形成的包络线限定构成；该燃料喷射器设置成向该容积或数个容积直接喷射至少50％的燃料，优选为至少70％，更优选地是100％。
这构成了本发明的一个独立的方面，其可以与本发明的上述方面结合或单独地使用，且其可被广泛地定义为一种二冲程内燃发动机，该发动机包括至少一个汽缸，该汽缸和或每个汽缸具有一个在该汽缸中可往复运动且限定构成一燃烧室的活塞，该燃烧室或每个燃烧室具有至少一个与一个用于控制空气流入该燃烧室的进气阀相关联的压缩空气进气口，该或每个进气口与一个假想的容积相关联，该容积由该进气口在活塞往复运动的方向上的平移面积所形成的包络线限定构成；至少一个用于控制废气流出该燃烧室的排气阀的排气口；和一个燃料喷射器，燃料通过该喷射器喷入该燃烧室中，但该燃料喷射器设置成向该容积或数个容积，而不是朝向该或每个进气阀喷射至少50％、优选至少为70％、更为优选地是100％的燃料。
另外，本发明的该方面可被定义为操作一种二冲程内燃发动机的方法，该发动机包括至少一个汽缸，该汽缸和或每个汽缸具有一个在该汽缸中可往复运动且限定构成一燃烧室的活塞，该燃烧室或每个燃烧室具有至少一个带有一个用于控制空气流入该燃烧室的进气阀的压缩空气进气口，每个进气口与一个假想的容积相关联，该容积由该进气口在活塞往复运动的方向上的平移面积所形成的包络线限定；至少一个带有一个用于控制废气流出该燃烧室的排气阀的排气口；和一个将燃料喷入该燃烧室中的燃料喷射器，该方法包括向该容积或数个容积，而不是朝向该或每个进气阀直接喷射至少50％、优选至少为70％、更为优选地是100％的燃料的步骤。
通过这一布置结构，一些或所有燃料被直接喷入一个直接位于该或每个进气口下面由上述容积或数个容积限定构成的区域中。该区域基本上具有一个或数个由上述一个或数个进气阀的开启而产生的空气射流。燃料进入空气湍流中，并在其中分散开，然后被该空气载入燃烧室的各部分。这在很大程度上依赖于进入的空气对分散燃料的运动。通过这一方式达到的燃料和空气的迅速混合，从NOx的产生的角度讲，也是有利的，因为空气和燃料在燃烧之前的预混合，用过量的空气和气体释稀，并缓和了温度的增加。当燃烧在接近恒压进行时，这是特别有利的。
为了提高使用空气湍流分散燃料的效果，优选的是，燃料以一个相对汽缸头的小喷射角(shallow angle)喷入。优选的是，该燃料喷射器相对该汽缸头以小于10°且更优选的是小于5°的角度喷射燃料。
在各燃烧室具有多于一个进气口的多数情况下，这些进气口都布置在汽缸的相同侧，而排气口都布置在汽缸的另一侧。对于这些口的几何位置和汽缸外侧的管道系统而言，这是重要的。在这种情况下，至少80％，优选至少为90％的燃料朝包含上述进气口的汽缸一侧喷射。
下面结合
根据本发明获得的发动机结构，附图所示为图1是该发动机各元件的简要视图；图2是表示作为曲轴转角的函数的汽缸压力、燃料喷射、进气阀和排气阀的一组图表；和图3是表示各元件的位置的汽缸头的简要平面图。
图1中所示的发动机各元件是WO 94/12785的图4中表示的各元件的示意图。
该发动机包括一个形式为例如三个各带一个往复运动的活塞和在一种二冲程循环中进行燃料的内燃的汽缸的燃烧器。这三个汽缸在图1中只通过一个单一的汽缸1和往复运动的活塞2示意性地示出。活塞2的上表面设有一个位于燃料喷射器5附近的碗形凹坑2A。这三个燃烧汽缸的活塞2连接到一个具有传统结构的共用曲轴(未示出)上。每个汽缸具有两个压缩空气进气阀3、两个排气阀4和一个燃料喷射器5(指出的是，在图1中只示出了每种类型的阀中的一个)。
燃烧汽缸1被供给热压缩空气。该压缩空气是在一个等温压缩机6中产生的，该压缩机是一个往复运动式压缩机，其中一个活塞在汽缸中往复运动进行压缩。该压缩活塞可与燃烧汽缸1一样连接到相同的曲轴上。在压缩过程中，水被喷入等温压缩机6中，以保持该压缩过程尽可能地接近于等温。在WO 98/16741中公开了为达到等温压缩的喷嘴的合适的布置。
冷的压缩空气和水然后被送入分离器7，在该分离器中大量的水从上述压缩空气中分离出来。现在基本上无水的压缩空气沿管线8经余热回收器9供给，在该余热回收器中，该压缩空气在进入燃烧汽缸1之一中之前接受来自从燃烧汽缸1排出的废气的热量。因此上述发动机的所有元件，除了活塞碗形凹坑2A外，都在WO 94/12785的图4中示出了。
本发明的独特特征是燃烧器的各阀的定时控制，以便实现有利的点火过程。该些阀的定时控制是例如用一凸轮轴进行的，在该凸轮轴中凸轮凸角具有实现必要定时的合适的轮廓。如果这些阀是电磁制动的、液压制动的或气动制动的，则可用一合适的控制电路实现相同的效果。
在图2中示出了汽缸压力、燃料、进气阀开启和排气阀开启的定时，下面将基于该
一个单个燃烧汽缸的整个二冲程循环。对于数个燃烧汽缸而言，它们每一个都将以合适的相位延时进行相同的过程。
该排气阀在达到下死点之前大约20度的曲轴转角开始开启，从而在到达下死点时，其开启已相当大了。同时该汽缸有一个快速的减压或泄压。一旦汽缸压力与余热回收器中的压力相等，则该减压停止。在活塞的主要上行冲程的整个过程中，汽缸压力与余热回收器低压侧的压力相似，同时活塞2迫使废气经排气阀4从汽缸1中排出。
该排气阀在活塞的上行冲程中开始关闭，如图2D所示，在到达上死点之前大约25°达到有效关闭(即小于5％的升程)，在燃烧汽缸中收集剩余废气。即使在到达该点之前，此处仍有一定的压力增加，在该点之后，此处仍还有一个相当大的压力增加，大约是供给入进气口中的空气压力的60％。在图2A中示出该压力增加。该压力增加伴随着相当大的温度增加。正在到达上死点之前进气阀开始开启时，非常迅速地发生高达进气压力的最终压力增加。该效果也在图2A中示出。该最终压力增加也导致所收集的废气的温度的进一步增加，这更加有助于点火过程。另一方面，导致该最终再压缩的进气空气是更冷的，从而混合平均温度并未增加很多。此时，简短地打开燃料喷射器，以便喷射少量的燃料，如图2(B)所示，该燃料结合热废气中的未燃烧的氧，从而在由压缩废气产生的高温环境中进行点火。
在到达上死点之前很短的时间内，进气阀3开始开启以使热压缩空气进入燃烧汽缸1，如图2(C)中实线所示。与此同时，燃料喷射器向活塞碗形凹坑2A中喷入大量的燃料，如图2(B)所示。该燃料喷射过程或者略微在进气阀关闭之前结束，如图2B和图2C所示，或者它也可以略微在进气阀关闭之后结束。这取决于发动机负荷、燃烧器膨胀的压比、发动机的速度和燃料喷射与燃烧之间的延时。热压缩空气和大量燃料的混合气由来自提前喷射的燃料的自点火火焰点燃。在做功冲程中向下驱动活塞2时，该热燃烧气体膨胀并做功。如图2A所示，在进行膨胀时，在燃烧汽缸1中存在一个压降。正好在下死点之前，排气阀开始开启，以准备图2(B)所示的下一冲程。
下面将说明用于以低点火质量的燃料起动发动机的装置。如果该发动机能够通过外部的机械力或电力驱动，则这可用来驱动上述等温压缩器，以便对燃烧器进气的上游管道系统加压。如果没有外部驱动，则该管道系统可使用存储压缩空气10的存储器加压，如图1所示。该压缩空气存储器优选位于余热回收器的上游，是因为当发动机正常运行时，该管道系统在这一点不会过度受热。这免去了对能够经受非常高的温度的阀进行设计的需要。
在起动时需要一个空气加热器，这是因为不能从该余热回收器中得到热量。加热供入该燃烧器中的空气的传统的方式是加热上述位于该余热回收器和该燃烧器之间的管道系统。该为了起动发动机所需的热量输入，比在正常操作中供入余热回收器的热量要少得多，原因是空气质量流是很小的。这是因为发动机的转动速度低，而且因为供入压缩机的空气压力接近于环境压力，且在起动期间不被涡轮增压器的工作增压。如图1所示，一个加热器11围绕上述管道系统构成。该加热器可以是各种形式的电加热器中的任何一种，或者它也以是燃气炉或燃油炉。
如果发动机在起动期间可由外力驱动，则活塞就在它们各自的汽缸中上下运动。如果发动机不受外力驱动，则来自被连接的管道系统所加热的存储器中的压缩空气在汽缸中膨胀，以便提供能量来运动活塞。
一旦活塞运动，它就必需在没有得到任何压缩以产生所需高温的废气的情况下点燃燃料。
这通过在关闭排气阀的一段时间内提供压缩空气的放气流而实现。这也可以通过一个通入燃烧室汽缸1的节流孔实现，但在图1所示的情况中，这可以通过在排气阀关闭的最终阶段短暂地开启进气阀3实现(当升程小于最大值的5％时)，如图2C的虚线所示。由于发动机速度在起动时比在正常运行时小得多，故已发现为了接受所需空气而需的阀的开启，或者是非常小的，或者只是短暂的出现。如果阀打开得太大或者打开的持续时间太长，则可能会有太多的空气进入。然后，该带有添加的燃料的空气，由于活塞的持续上升，可以随后被迫回流到进气口中，这是非常不理想的。另一个缺点是，该可能也以低速运行的压缩机，将不能提供所需的空气流。在这一点时，排气阀还未最终关闭，并且因为发动机的速度低且供入进气阀的空气压力高，则如果该阀持续太长的时间，就会消耗大量的空气。因此，图2C示出了在到达上死点之间大约20°发生的短暂进气。
如果燃烧器汽缸具有多于一个进气阀，则它可以方便地使用一个阀在起动期间进行短暂的空气喷入，而用剩余的一个或多个阀在到达上死点之后提供主空气流。这免去了一个阀在起动循环中打开和关闭两次的需要。
用于利用低点火质量的燃料直接点燃发动机的上述过程的另一种形式是向发动机提供便于起动的例如轻柴油燃料的高点火质量的燃料。该发动机将运行足够的时间以使余热回收器加热，然后将它切换到低点火质量的燃料。
下面结合图1和3说明燃料向燃料室中的喷射。图3示出了汽缸头12，在其一侧是一对压缩空气进气口13，每个进气口与一个压缩空气进气阀3相连，在其另一侧是一对压缩空气排气口13，每个排气口与一个压缩空气排气阀3相连。燃料喷射器5具有一对排气孔15，它们布置得使燃料沿箭头16的方向朝向压缩空气进气口13喷射。如图1明显所示，燃料相对汽缸头略微向下倾斜喷射。但是，可选择的是燃料也可平行于汽缸头喷射。燃料喷射定时如此确定，以致于当空气通过进气口13进入燃烧室中时燃料进行喷射，如图2所示。
虽然图1和3示出了所有的燃料通过每个进气口13的一个喷射孔15被喷入进入汽缸中的空气射流中，但这并不总是必需的。在一些情况下，例如为了将燃料分散在空气射流中，或者为了避免燃料直接穿透空气射流的可能性，它可以优选具有较多数量的喷射孔。最佳布置方式将取决于喷射燃料是气体还是液体。
如图1和3所示，燃料喷射器5通常伸入活塞碗形凹坑2A中，该碗形凹坑由此必需围绕该喷射器设置。燃料以上述非对称方式向进气口3喷射，可被认为将导致大量燃料从碗形凹坑2A中漏出，对该活塞碗形凹坑在实现难于点燃的燃料的点燃方面的效果产生负面影响或降低。但情况不总是这样，因为点火是在活塞2非常接近于汽缸1的上死点且存在于汽缸中的大量的空气、气体和燃料被从活塞碗形凹坑2A周围的窄的间隙中挤出的同时实现的。因此，在压缩过程的这一早期阶段，该活塞碗形凹坑将仍具有它所设计的功能。
权利要求
1.一种二冲程式内燃发动机，其包括至少一个汽缸，该汽缸和或每个汽缸具有一个在该汽缸中可往复运动且限定构成一燃烧室的活塞，该燃烧室或每个燃烧室具有一个带一个用于控制空气流入该燃烧室的进气阀的压缩空气进气口，一个燃料喷射器，燃料通过该喷射器喷入该燃烧室中，和一个带一个用于控制废气流出该燃烧室的排气阀的排气口；和用于控制该进气和排气阀关于该活塞的运动的控制装置，从而使该排气阀在该活塞到达上死点之前和在该进气阀打开之前大体关闭，这样，一些废气便收集在该燃烧室中并在其中压缩。
2.按权利要求1所述的发动机，其特征在于该控制装置是这样构成的，以致于该排气阀的关闭和该进气阀的开启之间的间隙，是驱动该活塞的标定曲轴的曲轴转角的至少10°，优选是至少15°，更优选地是至少20°。
3.按权利要求1或2所述的发动机，其特征在于该控制装置是这样构成的，以致于该排气阀的关闭和上死点之间的间隙是驱动该活塞的标定曲轴的曲轴转角的至少10°，优选是至少15°，更优选地是至少20°。
4.按上述权利要求中任一项所述的发动机，其特征在于该控制装置构成得正好在到达上死点之前打开该进气阀。
5.按上述权利要求中任一项所述的发动机，其特征在于该控制装置构成得在与压缩空气被引入该燃烧室中大体相同的时间将燃料喷入该燃烧室中。
6.按上述权利要求中任一项所述的发动机，其特征在于该控制装置构成得在该排气阀已经关闭和在到达上死点之前将少量燃料喷入该燃烧室中。
7.按权利要求6所述的发动机，其特征在于该少量的燃料与用于主要喷射并通过该燃料喷射器引入的燃料为同一类型。
8.按上述权利要求中任一项所述的发动机，其还包括一个用于将压缩空气供入该燃烧室中的压缩机。
9.按权利要求8所述的发动机，其特征在于该压缩机是一个由该活塞或每个活塞驱动的往复式压缩机。
10.按权利要求8或9所述的发动机，其特征在于该压缩机是一个等温压缩机并且该发动机还包括一个用于加热该压缩空气进气口上游的压缩空气的装置。
11.按权利要求10所述的发动机，其特征在于该用于加热的装置是一个被送入来自燃烧室的废气的换热器，该废气把其热量传递给从该压缩机流向该燃烧室的压缩空气。
12.按权利要求10或11所述的发动机，其特征在于该等温压缩机包括一个汽缸，在该汽缸中另一个活塞可作往复运动并限定构成一个压缩腔，一个带一个用于控制空气流入该压缩腔的进气阀的进气口，一个带一个用于控制压缩空气流出该压缩腔的排气阀的压缩空气排气口，用于在该另一个活塞的压缩冲程中向该压缩腔喷洒液体的装置，和一个设置在该压缩空气出气口的下游的用于将上述液体从压缩空气中分离出的分离器。
13.按权利要求12所述的发动机，其特征在于该用于喷洒液体的装置是如此构成的，即在压缩中使热量在液滴基本没有蒸发的情况下传递给易受热的各液滴。
14.按上述权利要求中任一项所述的发动机，其特征在于在该燃烧室中，在汽缸头或活塞顶面上设一槽，当活塞接近其冲程的上死点时，将燃料喷入该槽中。
15.按权利要求14所述的发动机，其特征在于该槽是一个在活塞上表面中的活塞碗形凹坑。
16.按权利要求15所述的发动机，其特征在于在上死点处汽缸中包括该活塞碗形凹坑和所有余隙的收集容积，小于在下死点时的整个汽缸容积的3％，并且优选是小于2％。
17.按上述权利要求中任一项所述的发动机，其特征在于当该进气阀打开时，它不伸入汽缸中。
18.按上述权利要求中任一项所述的发动机，其特征在于设置一个节流孔以使热压缩空气的节流流动进入该燃烧室中，并设置一个在发动机起动时控制通过该节流孔的压缩空气的流动的阀。
19.按权利要求18所述的发动机，其特征在于该节流孔是汽缸中的一个单独开口。
20.按权利要求18所述的发动机，其特征在于该节流孔是在该进气阀部分打开时该进气阀和该阀座之间的间隙。
21.按上述权利要求中任一项所述的发动机，其特征在于该控制装置被设置用于根据该燃烧室中的燃烧来控制该进气阀，以致于该进气阀在燃烧开始前不关闭。
22.按权利要求21所述的发动机，其特征在于该控制装置是如此构成的，从而在正常运行状态下，燃烧开始与该进气阀关闭之间的间隙是驱动该活塞的标定曲轴的曲轴转角的至少15°，优选是至少25°，更优选地是至少30°。
23.按上述权利要求中任一项所述的发动机，其特征在于该或每个进气阀与一个进气口相关联，该或每个进气口与一个假想的容积相关联，该容积由该进气口在活塞往复运动的方向上的平移面积所形成的包络线限定构成；该燃料喷射器设置成向该容积或数个容积喷射至少50％的燃料，优选为至少70％，更优选地是100％。
24.按上述权利要求中任一项所述的发动机，其特征在于该发动机不是一个火花点火式发动机。
25.操作一种二冲程内燃发动机的方法，该发动机包括至少一个汽缸，该汽缸和或每个汽缸具有一个在该汽缸中可往复运动且限定构成一燃烧室的活塞，该燃烧室或每个燃烧室具有一个带一个用于控制空气流入该燃烧室的进气阀的压缩空气进气口，一个燃料喷射器，和一个带一个用于控制废气流出该燃烧室的排气阀的排气口；该方法包括重复下列步骤打开该排气阀；使该活塞运动到该燃烧室中，以迫使废气从该燃烧室中排出；在该活塞到达上死点之前关闭该排气阀，并在该燃烧室中收集一些废气；通过该活塞的进一步运动压缩该废气；开始打开该进气阀；和一旦该压缩气体已被压缩到一定程度，即该燃烧室中的温度足够点火且燃烧膨胀该热的压缩气体的燃料从而做功于该活塞时，将燃料引入该燃烧室中。
26.按权利要求25所述的方法，其特征在于该燃料是天然气。
27.按权利要求25或26所述的方法，其特征在于该排气阀在进气阀打开之前在驱动该活塞的标定曲轴的曲轴转角的至少10°，优选是至少15°，更优选地是至少20°关闭。
28.按权利要求25至27中任一项所述的方法，其特征在于该排气阀在活塞到达上死点之前在驱动该活塞的标定曲轴的曲轴转角的至少10°，优选是至少15°，更优选地是至少20°关闭。
29.按权利要求25至28中任一项所述的方法，其特征在于该进气阀正好在到达上死点之前打开。
30.按权利要求25至28中任一项所述的方法，另外还包括在与该压缩空气被引入燃烧室中基本相同的时间将燃料喷入该燃烧室中。
31.按权利要求30所述的方法，另外还包括在该排气阀已经关闭和在到达上死点之前将少量燃料喷入该燃烧室中。
32.按权利要求31所述的方法，其特征在于该少量的燃料与用于主要喷射并通过该燃料喷射器引入的燃料为同一类型。
33.按权利要求25至33中任一项所述的方法，其特征在于引入压缩空气的步骤是在该进气阀不伸入燃烧室中的情况下进行的。
34.按权利要求25至33中任一项所述的方法，其还包括在关闭该进气阀之前开始燃烧的步骤。
35.按权利要求34所述的方法，其特征在于在正常运行状态下，燃烧是在该进气阀关闭之前至少15°，优选是至少25°，更优选地是至少30°的情况下开始的。
36.起动一种根据权利要求1的且还包括一个压缩空气存储器和一个加热器的发动机的方法，起动该发动机的方法包括加热来自压缩空气存储器的空气，将该加热了的压缩空气送入该或每个燃烧室中，并在该或每个燃烧室中膨胀该加热了的压缩空气，以便使活塞运动出该燃烧室的步骤。
37.起动一种根据权利要求18至20中任一项的发动机的方法，起动该发动机的方法包括在汽缸压力低的时候通过该节流孔对进入燃烧室中的热压缩空气流进行放气。
38.起动一种根据权利要求37的发动机的方法，其特征在于该压缩空气由一个加热器加热，该加热器加热向该燃烧器供给压缩空气的管道。
39.按权利要求38所述的方法，其特征在于该热的压缩空气在关闭排气阀的最终阶段中被引入该燃烧室中。
40.按权利要求38所述的方法，其还包括一旦燃料被点燃，就关闭该节流孔。
41.按权利要求39所述的方法，其还包括一旦燃料被点燃，就逐渐关闭该节流孔。
42.一种二冲程式内燃发动机，其包括至少一个汽缸，该汽缸和或每个汽缸具有一个在该汽缸中可往复运动且限定构成一燃烧室的活塞，该燃烧室或每个燃烧室具有一个带一个用于控制空气流入该燃烧室的进气阀的压缩空气进气口，一个燃料喷射器，燃料通过该喷射器喷入该燃烧室中，和一个带一个用于控制废气流出该燃烧室的排气阀的排气口；和用于根据燃烧室中的燃烧情况控制该进气阀的控制装置，以致使该进气阀在燃烧开始之前不关闭。
43.按权利要求42所述的发动机，其特征在于该控制装置是这样构成的，以致于在正常运行状态下，燃烧开始与该进气阀到达其关闭位置之间的间隙是在驱动该活塞的标定曲轴的曲轴转角的至少15°，优选是至少25°，更优选地是至少30°。
44.按权利要求42或43所述的发动机，其特征在于该控制装置这样构成，以致于在到达上死点之前将少量燃料喷入该燃烧室中。
45.按权利要求42至44中任一项所述的发动机，其特征在于该或每个进气阀与一个进气口相关联，该或每个进气口与一个假想的容积相关联，该容积由该进气口在活塞往复运动的方向上的平移面积所形成的包络线限定构成；该燃料喷射器设置成向该容积或数个容积直接喷射至少50％的燃料，优选为至少70％，更优选地是100％。
46.操作一种二冲程内燃发动机的方法，该发动机包括至少一个汽缸，该汽缸和或每个汽缸具有一个在该汽缸中可往复运动且限定构成一燃烧室的活塞，该燃烧室或每个燃烧室具有一个带一个用于控制空气流入该燃烧室的进气阀的压缩空气进气口，一个燃料喷射器，和一个带一个用于控制废气流出该燃烧室的排气阀的排气口；该方法包括重复下列步骤打开该排气阀；使该活塞运动到该燃烧室中，以迫使废气从该燃烧室中排出；关闭该排气阀；喷射燃料，开始打开进气阀并开始燃烧；和随后关闭该进气阀，但该进气阀在燃烧开始前不关闭。
47.按权利要求46所述的发动机，其特征在于在正常运行状态下，燃烧在该进气阀关闭之前至少15°，优选是至少25°，更优选地是至少30°的情况下开始。
48.按权利要求46或47所述的发动机，其特征在于在到达上死点之前喷入少量燃料。
49.一种二冲程内燃发动机，该发动机包括至少一个汽缸，该汽缸和或每个汽缸具有一个在该汽缸中可往复运动且限定构成一燃烧室的活塞，该燃烧室或每个燃烧室具有至少一个与一个用于控制空气流入该燃烧室的进气阀相关联的压缩空气进气口，该或每个进气口与一个假想的容积相关联，该容积由该进气口在活塞往复运动的方向上的平移面积所形成的包络线限定构成；至少一个用于控制废气流出该燃烧室的排气阀的排气口；和一个燃料喷射器，燃料通过该喷射器喷入该燃烧室中，但该燃料喷射器设置成向该容积或数个容积，而不是朝向该或每个进气阀喷射至少50％的燃料。
50.按权利要求49所述的发动机，其特征在于该燃料喷射器设置成向该容积或数个容积喷射至少70％，优选为100％的燃料。
51.按权利要求49或50所述的发动机，其特征在于该燃料喷射器设置成相对该汽缸头以小于10°，优选是小于5°的角度喷射燃料。
52.按权利要求49至51中任一项所述的发动机，其特征在于该或每个燃烧室具有两个或多个压缩空气进气口，所有这些进气口都布置在汽缸的相同侧，并且该燃料喷射器设置成朝汽缸包含上述进气口的一侧喷射至少80％，优选是至少90％的燃料。
53.操作一种二冲程内燃发动机的方法，该发动机包括至少一个汽缸，该汽缸和或每个汽缸具有一个在该汽缸中可往复运动且限定构成一燃烧室的活塞，该燃烧室或每个燃烧室具有至少一个带有一个用于控制空气流入该燃烧室的进气阀的压缩空气进气口，每个进气口与一个假想的容积相关联，该容积由该进气口在活塞往复运动的方向上的平移面积所形成的包络线限定；至少一个带有一个用于控制废气流出该燃烧室的排气阀的排气口；和一个将燃料喷入该燃烧室中的燃料喷射器，该方法包括向该容积或数个容积，而不是朝向该或每个进气阀喷射至少50％的燃料的步骤。
54.按权利要求53所述的方法，其包括向该容积或数个容积喷射至少70％的燃料的步骤。
全文摘要
一种二冲程内燃机，其具有一个压缩空气进气口(13)和一个排气口(14)，流经各气口的气流由合适的阀(3、4)控制。燃料通过一个燃料喷射器(5)喷入。上述阀的开启的定时是这样的，以致使活塞(2)到达上死点时进气阀(3)关闭。排气阀(4)如此地关闭，以致使一定的废气在燃烧室中被收集并压缩，从而提高该燃烧室内的温度并因此利于点火。本发明也考虑了进气阀(3)关闭之前的初燃。
文档编号F01N5/02GK1443273SQ0180983
公开日2003年9月17日 申请日期2001年3月30日 优先权日2000年3月31日
发明者M·W·E·科尼, R·里查德斯 申请人:因诺吉公众有限公司