专利名称：使用加压低粘度燃料的内燃机的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用加压低粘度燃料的压燃式内燃机领域，所述内燃 机包括发动机动力气缸，该发动机动力气缸带有与其相关联的气体流 动路径，还包括用于开启发动机动力气缸和所述气体流动路径之间的
流体连通的气门系统，以及发动机管理系统(EMS)。本发明也涉及 使用加压低粘度燃料的压燃式内燃机的操作方法。
背景技术：
非矿物燃料经常用作常规柴油燃料的环保性替代品。如二甲醚 (DME)的高蒸汽压燃料与传统的柴油燃料相比通常具有非常低的粘 度，粘度低至使得即使喷嘴阀的密封表面未被破坏而燃料也能够泄漏 通过关闭的该阀。此外，用于这种低粘度燃料的燃料喷射和供给系统 经常设计为使得即使发动机停机时也在燃料系统的空间内保留远髙于 大气的燃料压力。这为即使在发动机不运行且不存在用于实际喷射的 燃料压力时燃料也泄漏到发动机动力气缸内创造了条件。
现有的燃料喷射系统已公开，其中采用了用于防止在停机的发动 机内通过喷射器喷嘴的泄漏的专用装置，该专用装置为电控隔离阀或 自动隔离阀的形式。例如，在美国专利No6，189，517中公开了现有技术 的带有自动隔离阀的系统。虽然已知的泄漏保护系统一般是有效的， 但它们在使用中仍可能失去其功能性。对此， 一个原因可能是碎屑块 堵塞在泄漏保护阀的密封表面之间。如果发生这种堵塞，则大量的燃 料可能向下泄漏到发动机动力气缸内。在试图启动其中发生了这种泄 漏的发动机时，所述量的泄漏燃料可能点燃并导致受影响的气缸内的 过压和超温，而可能随后对各种发动机部件造成损坏。
发明内容
本发明的目的是提供在启动其中挥发性燃料已泄漏到动力气缸内 的发动机时避免损坏且增加安全性的装置。
通过根据权利要求l的特征实现了上述目的。
本发明也涉及以增加使用诸如DME的高蒸汽压燃料的发动机的安 全性、提高其可靠性并减少其停机时间为目的的发动机启动和诊断方 法及系统的改进。也介绍了方便的诊断方法，该方法允许精确测量喷 射器之间的燃料供给均匀性，同时不要求特殊的测试设备或准备工作 来执行这种测量。
通过根据权利要求15的特征实现了上述目的。
本发明的目的是提供用于检测泄漏的高挥发性燃料在发动机动力 气缸内的存在以及用于在检测到这种泄漏的情况下安全启动发动机的 系统和方法。本发明的另外的目的是提供其中以最小成本和复杂性实 现必需的功能性的这种系统。本发明的又一目的是提供用于测量诸如 DME的髙挥发性燃料在喷射器之间的输送均匀性的简单而精确的方法。
本发明提供了如下优点i)增加以诸如DME的高挥发性燃料为燃 料的发动机的运行安全性，ii)提高这种发动机的可靠性，和iii)降低 维护成本。因为能够在启动时防止发动机内的不受控的压力和温度升 高，增加了发动机运行的安全性。因为本发明提供安全启动发动机的 装置，否则该发动机将不能启动或可能在启动时出故障，提高了可靠 性。通过能在运行的发动机上进行喷射系统的自清洁的事实进一步增 强了可靠性，因为能够通过燃料的流动来清洗掉导致隔离阀失效的碎 屑并能够恢复燃料喷射系统的泄漏保护功能。通过利用燃料供给均匀 性诊断功能，该诊断功能允许对燃料供给与其标定值有偏差的喷射器进行检测而不从发动机/车辆上移除任何部件，能够进一步有助于提高 的可靠性以及降低的维护成本。此方法明显比已知的测量/比较运行中 的发动机上的排气口温度的方法更精确，因为在后一种情况中喷射形 状不规则和燃烧影响开始起作用并且歪曲了通过对气缸之间的排气温 度均匀性的分析而提供的情况。
下面将参考附图以非限制性方式进一步描述本发明，其中-图l示出根据本发明的第一实施例的内燃机，
图2示出根据本发明的第二实施例的内燃机，和 图3示出根据本发明的第三实施例的内燃机。
具体实施例方式
在图l所示的实施例中，使用加压低粘度燃料的内燃机l装配有用 于将诸如DME的高挥发性燃料喷射到发动机的动力气缸内的燃料系统 (未示出)。温度传感器2安装在发动机的每个单独的排气口3内，其 中排气口3表示连接到发动机的每个单独的动力气缸的气体流动路径。 传感器2适于由EMS 4读取，该EMS 4控制根据本发明的燃料喷射系统 和泄漏检测/启动系统。该发动机还装配有双速起动系统，该起动系统 包括起动电机5和起动电机控制器6。
泄漏检测和发动机安全启动的优选方法包括如下步骤
1. 在接受到来自驾驶员的启动发动机的指令时，激活由温度传感 器2执行的对发动机排气口内的温度测量，并将该温度存储在EMS存储 器内；
2. 开启第一发动机起动(cranking)模式，该第一发动机起动模式的 特征在于相对慢的起动速度，这防止在发动机动力气缸内达到足以导 致温度升高到燃料点燃温度或燃料点燃温度以上的高压力。典型的慢 起动速度能够在30rpm的量级。优选地在此模式期间不开启燃料喷射；
3. 分析关于其与起动前测量的值的偏差以及关于各个温度传感器之间的温度差值的温度数据；
4. 使慢起动模式保持继续，直至所测得的温度差值低于预定值， 在此情况中转移到步骤5，或直至达到最大允许的慢起动持续时间，在 此情况中关断所有项目并向驾驶员汇报故障。典型的最大允许的慢起 动持续时间能够在30秒的量级；和
5. 切换到常规、较高的起动速度，并开启燃料喷射以使发动机启动。
在步骤2期间，发动机的相对慢的起动仍将提供从进气口到动力气
缸和然后通过排气口出来的空气流。此流动将带走可能已泄漏到气缸 内并聚积在此的燃料所释放的任何燃料蒸汽。气化燃料的冷却效果与
燃料的量成比例，且这将由温度传感器检测到。在步骤4期间，如果检 测到传感器之间的明显温度差异，则该慢起动将使泵送空气持续通过 发动机并通过排气系统将燃料蒸汽随泵送空气带走。如果此时的泄漏 速度小于燃料蒸汽团从发动机排出的速度，则泄漏的燃料将最终被从 气缸移除，并且根据步骤5，安全的发动机启动将变得可能。在步骤4 期间泄漏速度高于燃料从气缸排出的速度的情况中，将不能实现所测 量温度的均衡且预设的时间延迟将控制慢起动的最大持续时间，除非 驾驶员决定手动终止该启动尝试。
相对慢的发动机起动可能性将也使得能对喷射器供给燃料均匀性 进行诊断。为实现这一点，遵照上述步骤1至4，然后，当已确认在任 何气缸内均无明显泄漏时开启燃料喷射。所述燃料的点燃将通过限定 (definition)来防止，且所喷射的燃料的气化冷却效果将与所喷射的量 相当，从而允许对燃料喷射的均匀性做出推断。此推断可能不太精确， 特别是考虑到燃料喷射的系统在常规发动机运行期间与慢起动模式期 间相比的不同运行状况，但此推断仍提供检测到喷射器的相对严重的 的性能下降的可能性。
如果发动机装配有通过限制经过发动机的空气流能够防止气缸空气温度升高到燃料点燃温度水平的可变气门驱动(VVA)系统，则该 可变气门驱动系统可用于测量在高于第一起动模式的速度下的燃料输 送均匀性，以增加燃料喷射系统的有用测试范围。然而，测量结果的 精确性将受制于这种VVA系统精确控制其允许经过发动机的空气量 (一方面限制峰值温度，另一方面实现将燃料蒸汽携带经过温度传感 器的必需流动)的能力。
在所描述的本发明的第一实施例中，仅通过由起动电机控制器6施 加给起动电机5的电力的受控降低来设定第一起动模式。已知发动机曲 轴的转速趋向于随旋转角度不均匀，且起动速度越低，则单一旋转内 曲轴转速波动越大，特别是在起动电机起动期间。过大的波动可导致 发动机气缸之一中的活塞偶然加速到远高于平均速度的速度，使得在 燃烧室内产生相应的高压和高温，这将要求供给到起动电机的电力的 进一步降低，且又意味着更大的速度波动。
在图2所示的本发明的另一个实施例中，包括了用于控制第一起动 模式下的起动速度的附加装置，以抵消该不利的倾向并使起动速度波 动均匀。在本实施例中，在第一起动模式期间，EMS4以与曲柄转角相 关的动作进行发动机制动。
己知曲轴的转速波动是由发动机活塞的压縮和做功冲程导致的， 且每个冲程的状态完全由曲轴或凸轮轴的角位置限定。曲轴的角位置 和冲程的状态之间的固定关系用来限定凸轮盘7的形状，该凸轮盘7能 够如图2所示地安装在离合器壳体8上，该离合器壳体8螺栓连接到发动 机飞轮9。带有其位置控制机构11的摩擦制动蹄10安装在变速器壳体12 上，该变速器壳体12螺栓连接到发动机1。 EMS控制制动蹄朝向凸轮盘
的延伸，使得在第一起动模式期间，当发动机活塞趋向于在做功冲程 中被加速时在凸轮盘7和蹄10之间产生摩擦力。因此，有效地抑制曲轴
转速波动，且能够允许较高的平均转速而没有在动力气缸内达到燃料 点燃温度的风险。将认识到，上述这种与曲柄转角相关的发动机制动的复杂性可以 非常低，因为不存在实现与曲柄转角相关的制动力施加所需的实时控
制或跟踪功能。EMS简单地控制该制动蹄朝向凸轮盘的突出程度并通 过机械装置来实现与曲柄转角相关的动作。如果弹性装置13在适当的 位置且设计为实现制动蹄10与凸轮盘7的平滑接合，则所述突出控制的 最简单的形式可以是双位置控制或开/关控制。替代地，如果需要对平 均制动力的更好的控制，则EMS能够容易地适于利用来自发动机速度 传感器的反馈而在分级、连续或甚至实时的基础上控制所述蹄的突出。
通过在第一起动模式下使用发动机制动，可以减小发动机的转速 波动并同时增加其平均转速，这将加速所泄漏的燃料及其蒸汽从系统 的排出，并允许发动机更早启动。
可以通过使用替代起动电机控制器6的与曲柄转角相关的发动机 制动来实现对根据本发明的系统的进一步简化。在这种实施例中，该 起动电机在全电力下以常规方式被激活，且通过施加发动机制动来实 现慢起动速度。此实施例允许系统成本的降低，因为取消了电力供给 控制器。
当车辆挂上档且以驻车制动器固定时，与曲柄转角相关的发动机 制动的设计变体能够基于对车辆变速器的离合器8的接合控制。这种设 计的原理可以类似于在图2所示的替代实施例中使用的原理，但凸轮盘 7能够用于提供位置信息、先导力(pilot force)或实际力(例如，通过机 械或液压连接)，该实际力用来控制用于离合器接合的机构。使用车 辆的离合器、变速器和常规制动系统而不是使用包括制动蹄10的另外 的发动机制动系统能够降低系统的成本和复杂性。
当发动机装配有与曲柄转角相关的发动机制动时，上述的泄漏检 测和发动机安全启动的方法将另外包括在根据步骤2开启第一发动机起动模式时或之前开启此制动。
在图3所示的本发明的另一个替代实施例中，通过在发动机仍停机 时开启气缸与其排气口之间的连通来实现预启动模式。在此实施例中， 通过高挥发性燃料的自然蒸发来影响所泄漏的燃料从气缸的排出。该 蒸发还能够降低安装在排气口内的温度传感器周围的温度，且该温度 降低能够被EMS4获取，EMS4然后以与以上所述相同的方式确定预启 动模式的持续时间。气缸与其排气口3的连通能够由另外的减压机构控 制，该减压机构由促动器14、连杆15和杆16组成，它们能够根据来自 EMS的指令提供开启发动机排气门(未示出)的力。当发动机准备启 动时，使该机构无效且发动机以常规方式启动。
对使用诸如DME的高挥发性燃料且在发动机停机时能够发生燃料 到动力气缸内的泄漏的发动机的运行安全性的改进中的另一个方面 是由于一些这种燃料的相对低的点燃温度，存在当发动机停机时排 气系统的元件的温度能够高于燃料点燃温度的可能性。如果在此情形 中试图启动发动机并且在停机的发动机上已存在燃料泄漏，则在第一 起动模式期间从受影响的动力气缸排出的燃料及其蒸汽可能点燃并损 坏发动机。为防止这一点，EMS能够被编程为不允许发动机启动直至 已经过一时间段，从而保证燃料可能接触到的表面的温度低于点燃温 度，或能够将温度传感器安装在已知的发动机热点附近并然后由EMS 基于此测量值来做出让启动过程继续进行的决定。
本发明不限于上述实施例，且在如下的权利要求的范围内可进行 许多修改。这种修改例如可以涉及将凸轮盘7定位在连接到曲轴的其 他发动机零件或轴上；设计与所描述的方式不同的用于与曲柄转角相 关的发动机制动的机构；引入各种时间延迟以保证在燃料喷射被接通 以启动发动机之前将燃料蒸汽从排气系统中移除等。
权利要求
1.一种使用加压低粘度燃料的压燃式内燃发动机(1)，所述发动机包括发动机动力气缸，该发动机动力气缸带有与其相关联的气体流动路径(3)，所述发动机还包括用于开启所述发动机动力气缸和所述气体流动路径之间的流体连通的气门系统，以及发动机管理系统(EMS)(4)，其特征在于所述发动机管理系统(4)适于提供预启动模式，在该预启动模式中，所述发动机动力气缸和所述气体流动路径之间的开启的流体连通以如下方式建立，即防止任何存在于所述发动机动力气缸内的燃料达到所述燃料的燃料点燃温度。
2. 根据权利要求l所述的内燃发动机，其特征在于用于在所述预 启动模式下激活所述气门系统的装置，所述气门系统用于开启所述发 动机动力气缸和所述气体流动路径(3)之间的所述流体连通。
3. 根据权利要求2所述的内燃发动机，其特征在于用于激活所 述气门系统的所述装置包括减压机构。
4. 根据权利要求2或3所述的内燃发动机，其特征在于用于激活 所述气门系统的所述装置包括起动电机(5)。
5. 根据权利要求4所述的内燃发动机，其特征在于所述起动电 机(5)连接到控制器，所述控制器适合与EMS (4)通信以用于在所 述预启动模式期间控制所述发动机(1)的起动速度。
6. 根据权利要求5所述的内燃发动机，其特征在于所述控制器 适合响应于来自所述EMS (4)的输入来控制向所述起动电机的电力供 给。
7. 根据权利要求4至6中的任一项所述的内燃发动机，其特征在于所述EMS (4)适于控制用于在所述预启动模式期间制动所述发动机的 装置。
8. 根据权利要求7所述的内燃发动机，其特征在于用于制动所 述发动机的所述装置包括带有离合器(8)的车辆变速器，以及车辆制 动系统。
9. 根据权利要求7或8所述的内燃发动机，其特征在于用于制动 所述发动机的所述装置适于应用与曲柄转角相关的制动动作。
10. 根据权利要求9所述的内燃发动机，其特征在于凸轮盘(7) 安装在发动机轴上，其中所述凸轮盘的凸轮表面的外形限定所述发动 机制动的制动效果。
11. 根据权利要求10所述的内燃发动机，其特征在于用于制动 所述发动机的所述装置包括制动蹄(10)，所述制动蹄(10)适于接 合所述凸轮盘(7)以用于控制起动期间发动机曲轴的速度波动。
12. 根据权利要求ll所述的内燃发动机，其特征在于所述凸轮 盘(7)安装在所述发动机曲轴上。
13. 根据前述权利要求中的任一项所述的内燃发动机，其特征在 于所述EMS (4)连接到安装在所述气体流动路径(3)中的传感器(2),以用于参考所述传感器的输出来控制用于在所述预启动模式期 间激活所述气门系统的所述装置。
14. 根据权利要求13所述的内燃发动机，其特征在于所述传感 器(2)是温度传感器。
15. —种使用加压低粘度燃料的压燃式内燃发动机(1)的操作方法，所述发动机包括发动机动力气缸，该发动机动力气缸带有与其相关联的气体流动路径(3)，所述发动机还包括用于开启所述发动机动 力气缸和所述气体流动路径之间的流体连通的气门系统，发动机管理 系统(EMS) (4),以及在每个所述发动机动力气缸的所述气体流动 路径中的传感器(2)，所述方法的特征在于如下步骤测量传感器(2)的输出并将所测得的数据存储在EMS存储器内； 在预启动模式下激活所述气门系统，所述预启动模式防止达到燃 料点燃温度；比较在所述预启动模式期间由所述传感器(2)提供的新测量数据 与所述已存储的数据，并分析关于各个传感器(2)的输出的差值的所 述新测量数据；保持所述预启动模式，直至所测得的差值低于预定值，或直至达 到最大允许持续时间。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于测量各个传感器 (2)的输出的差值以用于估计喷射器之间的燃料输送均匀性的步骤。
全文摘要
一种使用加压低粘度燃料的压燃式内燃机(1)，该压燃式内燃机(1)包括发动机动力气缸，该发动机动力气缸带有与其相关联的气体流动路径(3)，还包括用于开启该发动机动力气缸和该气体流动路径之间的流体连通的气门系统，以及发动机管理系统(EMS)(4)。该发动机管理系统(4)适于提供预启动模式，在该预启动模式中，发动机动力气缸和气体流动路径之间的开启的流体连通以如下方式建立，即防止任何存在于所述发动机动力气缸内的燃料达到所述燃料的燃料点燃温度。
文档编号F02D35/02GK101529069SQ200680056204
公开日2009年9月9日 申请日期2006年10月26日 优先权日2006年10月26日
发明者塞尔吉·尤达诺夫, 安尼卡·卡尔松 申请人:沃尔沃拉斯特瓦格纳公司