专利名称：用两种不同抗爆性燃料运行的内燃机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用至少两种具有不同抗爆性的燃料来运行的内燃机，它包括至少一个燃料在其中周期性进行燃烧的汽缸以及一个用于在每个周期内向汽缸供入经过调节的燃料量的计量系统。可以向这种按本发明的内燃机供给例如天燃气或汽油作为燃料。
已知按奥托原理的所谓多种燃料发动机，它们可以用不同的燃料运行。在这种内燃机中，空气燃料混合物在外源点火前被压缩。这种压缩在外源点火前也可能导致自发点火，这种情况是不希望发生的。通常不同燃料有不同的抗爆性，换句话说，它与空气的混合物在其导致自燃前允许不同强度的压缩。为了最佳利用燃料，值得追求的是将其在外源点火前尽可能强烈地压缩。但是，一种内燃机的几何压缩比大多是一个由其结构决定的不可改变的参数。因此，这样一种内燃机只能针对一种有规定抗爆性的燃料进行最佳的结构设计和调整。若此内燃机用另一种抗爆性较低的燃料运行，则可能导致爆震，由此会损坏内燃机。
本发明的目的是创造一种内燃机，它可以用两种不同的抗爆燃料来运行，并在这种情况下不仅达到在用较高抗爆性的燃料运行时高的效率，而且有效避免在用抗爆性较低的燃料运行时爆震。
此目的通过一种具有权利要求1所述特征的内燃机来达到。
按本发明的这种内燃机可以按已知的方式尤其通过其几何压缩比针对所涉及的燃料中抗爆性较高的那种燃料运行进行优化设计。在用抗爆性较低的燃料运行时的爆震则采取这样的措施避免，即，将计量系统设计为在使用较低抗爆性的燃料时供给一个比在使用较高抗爆性的燃料时小的空气燃料混合物量，这相当于对于较低抗爆性的燃料减小了有效压缩比。在汽缸内这种较小量的燃料混合物的压力因而比供给较大量较高抗爆性混合物时的低，因此，可导致燃料自燃的临界状态参数即使在汽缸的上死点也不会达到。
恰当地只是在确实需要抑制爆震时，尤其在内燃机高转速范围内，才规定减小抗爆性较低的混合物的量。反之，在低转速时供给的两种燃料的混合物量可以是相同的。
供给的混合物量的控制恰当地可以这样实现，即，令计量系统有至少两种计量规范，以及分别借助供给的燃料选择用于计量空气燃料混合物的规范。
计量规范优选地规定了空气燃料混合物最大要供给的量与内燃机转速的函数关系。
恰当地，内燃机有一个包括多个开关位置的阀装置，其中，阀装置多个进口中每一个可分别与一个不同燃料的燃料箱连接的进口与内燃机的一个输入管道连接，以及计量系统所使用的计量规范与阀装置当前的开关位置相耦合适配。这就可以在从一种抗爆性燃料转换为较低抗爆性燃料时，在用较低抗爆性燃料燃烧的一开始，便及时地调整供给汽缸的混合物量，并由此有效地保护内燃机。
这种阀装置可例如由一个按选择将燃料箱之一与内燃机输入管道连接的换向阀构成，或由两个分别设在燃料箱之一与输入管道之间的阻塞元件构成。第一种可供选择的方案尤其建议使用于能通过一公共的也就是尤其用于两种液体燃料的喷射器将燃料供入输入管道中的情况。第二种可供选择的方案允许为不同的燃料使用不同的喷射器，并因而优选地建议在采用有不同聚集态或物态的燃料时使用。
为了计量供给的混合物量，计量系统恰当地在输入管道中有一个横截面可控制的窄通道。这种窄通道优选地设在输入管道内处于一个/多个喷射器上游的位置，在那里只有空气流过输入管道。在使用低抗爆燃料时通过减小横截面可以减少供给的空气量。计量系统根据此空气量调整喷射器供入的燃料量，从而遵守在燃烧时期望的空气燃料比。
所述窄通道优选是一节流阀。该节流阀的流通横断面大小传统上仅仅通过例如借助一油门踏板所产生的控制信号来确定。按照本发明，该节流阀的位置则不仅取决于控制信号还附加地取决于所采用的燃料类型。
特别优选地计量系统在输入管道内有预压缩器或增压器，它的次级侧压力在使用低抗爆燃料时可以调整为比使用较高抗爆性的燃料时低。它优选地在输入管道内同样布置在一个/多个喷射器的上游，所以它只影响供给内燃机的新鲜空气，以及喷射器供入的燃料量由计量系统总是以这样的方式调整，即，在燃烧时遵守期望的空气燃料混合比。
优选地，内燃机设计用于用一种液体燃料尤其是汽油以及用一种气态燃料尤其是天然气工作。在这里术语“气态”并不一定表示燃料在汽车燃料箱中所具有的聚集状态或物态，而是指它在燃烧前与空气混合时的聚集状态或物态。
在这样一种内燃机中，所述阀装置优选地由设在气态燃料箱与内燃机燃料输入管道之间的一个第一截止阀和设在液体燃料箱与燃料输入管道之间的一个泵构成，该泵在关闭状态起阻隔作用并因而成为第二个截止阀。
有利地，内燃机的压缩比至少为11.5，优选地约在12.5至13之间。此压缩比高于以汽油工作的内燃机典型的约10.5的压缩比值以及良好地适应天然气高的抗爆性。
本发明的目的还通过具有权利要求14所述特征的方法达到。
按此方法优选地当选择一种不同于具有最高抗爆性的燃料时，令供给的混合物量小于供给内燃机的最大混合物量，以避免在汽缸内的混合物达到存在爆震危险的状态参数。
有利地，此方法应用在压缩比至少为11.5优选地在约12.5至13之间的内燃机中，以燃烧汽油。
下面详细说明按本发明的内燃机的一种实施方式。附图中
图1示意表示具有按本发明的内燃机的汽车；图2表示在用天然气运行时按本发明的内燃机特征线；以及图3表示在用汽油运行时按本发明的内燃机特征线。
借助图1说明一种奥托发动机作为按本发明的内燃机实施例，它既可以用天然气也可以用汽油运行。按本发明的奥托发动机有一个典型地包括四个或六个汽缸的内燃机体11，它主要针对用天然气作为燃料运行时进行结构和参数设计。因为天然气的抗爆性与一种ROZ值高达130的汽油的抗爆性相应，而标准汽油的ROZ值为95，所以按本发明的奥托发动机设计压缩比约为13∶1，而不是普通的汽油运行奥托发动机的压缩比10.5∶1。这种较大的压缩比可以通过天然气比汽油有更高的抗爆性实现，并导致按本发明的奥托发动机有更高的热效率，它比汽油运行的标准奥托发动机的热效率高出约5％至7％。
内燃机体11安装在汽车内，汽车有两个燃料箱12、13，一个用于天然气的主燃料箱12和一个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，因为目前能灌注天然气的加油站数量还比较少，所以可能汽车有时必须用汽油运行，以便在主燃料箱12排空时还能保证到达下一个天然气加油站。
因此在备用运行时按本发明的奥托发动机用汽油代替天然气运行。但是，在针对按本发明的奥托发动机设计的高压缩比为约13∶1时，若在汽油运行时给发动机输入与在发动机相同转速下针对用天然气运行确定的空气燃料混合物相同的最大量，则汽油将爆震地燃烧并导致发动机损坏。为避免发生这种情况，将按本发明的奥托发动机的计量系统14设计成，用于在正常情况下将天然气从燃料箱12供给发动机体11以及当燃料箱12排空时将汽油从燃料箱13供给发动机体11，并且设计为在计量在每个燃烧周期内供给发动机的混合物量时能考虑到所供给燃料的品种。
此计量系统14包括一个阀装置、一个节流阀16和一个电子控制电路17。该阀装置用于总是只允许一种燃料进入发动机的输入管道23。它包括一个截止阀15和一台汽油泵20，它们分别连接主燃料箱12或副燃料箱13与一个安装在发动机的输入管道23上的喷射器21或22。在输入管道23内，喷射器21、22的上游还设有节流阀16。汽油泵20是例如一种活塞式泵的结构形式，当其不工作时它将其处于其中的管道阻塞。因此在用天然气运行时杜绝与此同时汽油进入输入管道23内或天然气空气混合物到达副燃料箱。
电子控制电路17通过第一个信号进口接收一个例如取决于加速踏板18位置的功率期望信号，通过第二个信号进口接收一个设在发动机11的轴上的转速传感器19的信号，以及通过第三个信号进口接收一个指示当前运行中供给何种燃料的信号，也就是说指示截止阀15是否打开或汽油泵20是否接通的信号。取决于在运行时供给何种燃料，控制电路17使用两种规定的分别储存在控制电路的一个电子存储器内的计量规范之一，以便调整节流阀16的位置并因而调整供给每个汽缸的空气燃料混合物的量。这些计量规范根据发动机要求的功率或加速踏板18为此所处的位置确定供给的混合物量。此外，至少用于较低抗爆性的燃料的计量规范含有供给混合物量的一个上限，与具体要求的功率无关不应超过此上限，以避免发动机11内爆震。所述的上限根据传感器19检测的发动机转速确定。上限可以通过在发动机原型机上对于多种转速改变机械负载，以及测试出允许供给并与此同时不导致爆震的供给混合物量的上限来求出。其中表明，尤其在高转速时需要将较低抗爆性的混合物最大供给的混合物量，限制为一个比转速相同时较高抗爆性的混合物最大供给的量小的值，而在较低的转速时，最大供给的量或许也可以使用相同的值。
当然，这样一种供给的混合物量取决于转速的上限，也可以尤其在规定的转速范围内使用于抗爆性较高的燃料。
调整混合物量，即根据发动机负载或其要求的功率将混合物量控制为低于所述的上限，原则上可以按传统的方式进行，然而在此，所供给的混合物量与所要求的功率之间的关系，在转速给定时对于两种燃料可能是不同的。
取代节流阀16，也可以在输入管道23内设预压缩器或增压器，它将可调节为具有过压的新鲜空气供入输入管道。在这种情况下，在汽缸内空气燃料混合物的有效压缩，由通过增压器的预压缩与在汽缸内的几何压缩合成。按与上面针对节流阀已说明的类似的方式，也可以通过增压器以根据所使用的燃料不同的压缩进行工作，减少在使用较低抗爆性的燃料时供给汽缸的混合物量。
图2用曲线表示按本发明的奥托发动机不同的内燃机特征曲线，它们是在试车台上确定的。在这里，奥托发动机用天然气运行。所有的特征线均表示与发动机转速的关系，发动机转速沿x轴表示为每分钟的转数。特征线1表示所测算出的发动机功率。它在发动机转速为1000转/min时的10KW开始，一直增加到发动机转速少量超过6000U/min时的70KW。这一上升曲线单调增加，在大约4000U/min和60KW时有一个轻微的弯折。
特征线2表示发动机产生的扭矩M。它在1000U/min以大约98Nm开始，一直上升到少量超过4000U/min时的约137Nm，超过4000U/min后重新下降。
图3表示用同一台发动机当它用汽油作为燃料运行时的相应的特征线。与图2中的特征线相比，一眼就可以看出图3所示特征线的不大均匀的变化过程。例如，发动机功率P的特征线4在1000U/min至4000U/min范围内严格单调地从10KW增加到约47KW，当转速超过4000U/min时有一种交替下降和上升的变化过程。在图示的转速范围内，特征线4在少量超过5000U/min时达到其最大值为52KW。此最大值明显地低于特征线1的最大值70KW。
类似地，特征线5表示发动机扭矩M。特征线5在1000U/min至4000U/min的范围内从75Nm单调增长到113Nm。但是它在超过4000U/min后比特征线2更剧烈地下降，大约在4500U/min至5500U/min之间略微上升以及接着突然下降。
直接比较功率特征曲线1与4表明，当转速N至4000U/min时用汽油作燃料达到的功率略小于用天然气时达到的功率。随着转速N增加特征线1与4之间的差别增大。当转速N超过4000U/min时，曲线1与4的差值已能明显的看出，也就是说，在此转速下用汽油运行的发动机达到的功率低得多。
但是下降的发动机功率P和较小的发动机扭矩M一般而言是次要和可以容忍的，因为发动机用汽油运行只是在备用运行或在应急运行时进行。导致较低功率的混合物量的限制可靠地防止了在用较低抗爆性的燃料运行时损坏发动机的爆震。
附图标记清单1.功率特征曲线2.扭矩3.空气比4.功率特征曲线5.扭矩6.空气比例11.发动机机体12.主燃料箱13.副燃料箱14.计量系统15.截止阀16.节流阀17.控制电路18.加速踏板19.转速传感器
20.泵21.喷射器22.喷射器23.输入管道
权利要求
1.一种利用至少两种具有不同抗爆性的燃料来运行的内燃机，其包括至少一个燃料在其中周期性进行燃烧的汽缸以及一个用于在每个周期内将借助控制信号调节的空气燃料混合物供入汽缸中的计量系统(14)，其特征为该计量系统(14)设计为，当使用抗爆性较低的燃料时在控制信号的一个给定值时供给第一种量的空气燃料混合物，此第一种量小于当使用抗爆性较高的燃料时在控制信号为同样值的情况下供给的第二种量。
2.按照权利要求1所述的内燃机，其特征为所述计量系统设计为，仅在内燃机规定的运行条件下才供给较小量的低抗爆性空气燃料混合物，以及，除此之外总是按相同的量或者供给较高抗爆性的空气燃料混合物或者供给较低抗爆性的空气燃料混合物。
3.按照权利要求2所述的内燃机，其特征为所述规定的运行条件相应于内燃机的一个高的转速范围。
4.按照权利要求1至3中任一项所述的内燃机，其特征为所述计量系统有至少两种计量规范，以及，分别借助所供给的燃料选择用于计量相关空气燃料混合物的规范。
5.按照权利要求4所述的内燃机，其特征为每一种计量规范规定了空气燃料混合物最大要供给的量与内燃机转速的函数关系。
6.按照上述任一项权利要求所述的内燃机，其特征在于一个有多个进口和多种开关状态的阀装置(15、20)，其中，该阀装置(15、20)分别有一个进口与所述内燃机(11)的一输入管道(23)相连通，以及，所述计量系统(14)所使用的计量规范与该阀装置(15、20)的开关状态相耦合。
7.按照权利要求6所述的内燃机，其特征为所述阀装置包括多个分别设在所述进口之一与所述输入管道(23)之间的阻塞元件(15、20)。
8.按照权利要求7所述的内燃机，其特征为所述阻塞元件之一是一个截止阀(15)以及所述另一阻塞元件是一个泵(20)。
9.按照权利要求6至8之一所述的内燃机，其特征为所述计量系统(14)包括在所述输入管道中的一个横截面可控制的窄通道(16)。
10.按照权利要求9所述的内燃机，其特征为所述窄通道(16)是一节流阀。
11.按照权利要求6至8之一所述的内燃机，其特征为所述计量系统(14)包括在所述输入管道中的一个增压器。
12.按照上述任一项权利要求所述的内燃机，其特征为它设计成用汽油和用天然气运行。
13.按照上述任一项权利要求所述的内燃机，其特征为它的压缩比至少为11.5，优选地在约12.5至13之间。
14.一种内燃机的运行方法，其中，从至少两种抗爆性不同的燃料中选择出一种燃料，以及向内燃机的一汽缸周期性地供给一种空气和燃料的混合物的一个根据控制信号调节的量，并在此汽缸内进行燃烧，其特征为所供给的空气燃料混合物的量另外还根据加入该混合物内的燃料类型来调节，其中，至少在规定的运行条件下，当控制信号的值相同时，所供给的有较低抗爆性的燃料量小于有较高抗爆性的燃料量。
15.按照权利要求14所述的方法，其特征为此方法使用在一个其压缩比至少为11.5，优选地在约12.5至13之间的可按选择燃烧汽油或天然气来运行的内燃机中。
全文摘要
本发明涉及一种可用至少两种具有不同抗爆性的燃料来运行的内燃机，其包括至少一个燃料在其中周期性进行燃烧的汽缸以及一个用于在每个周期内向汽缸供入经调节的燃料量的计量系统。该计量系统设计为，当使用抗爆性较低的燃料时，所供给的空气燃料混合物的量保持低于一个不构成爆震危险的极限量。
文档编号F02D19/06GK1791743SQ200480013880
公开日2006年6月21日 申请日期2004年4月23日 优先权日2003年4月26日
发明者安德烈亚斯·耀斯, 马赛厄斯·布朗 申请人:Gm全球科技运作股份有限公司