往复活塞式内燃机及往复活塞式内燃机的运行方法与流程

本发明涉及往复活塞式内燃机和往复活塞式内燃机的运行方法。

背景技术：

为了满足严格的排气规定，特别是对于柴油发动机，需要不断进行与燃料处理（非常高的注射压力）以及排气后处理（氮氧化物催化剂、尿素喷射、颗粒过滤器）相关的努力，从而使发动机的成本大幅增加。对于现代的直喷式四冲程发动机，其废气当中形成细颗粒，这些细颗粒必须要进行处理。

在JP H10-141060A中公开了一种往复活塞式内燃机，其动力室通过流通阀与辅助室相连。活塞在压缩冲程结束而到达其上止点（TDC）之前，流通阀打开，以便使压缩后的新鲜空气从动力室流入辅助室。燃料气体在辅助室中与压缩后的新鲜空气混合。由于高度压缩而发生自燃，使得火焰从辅助室漏出到动力室，并且，在燃烧或做功冲程期间，由燃料气体和新鲜空气构成的混合物发生完全燃烧。辅助室的容积可以根据该内燃机的负荷进行调整。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种往复活塞式内燃机以及往复活塞式内燃机的运行方法，以便减小为满足废气排放法规所需的工作量，同时能够实现燃料消耗的降低。

本发明与发动机相关的一部分目的可以通过权利要求1的特征来实现。在本发明的内燃机当中，位于辅助室内、由于缺少足够的新鲜空气而未点燃的气体燃料被辅助活塞强制地压出和/或注入到动力室，并且由于其与新鲜空气混合，气体燃料在动力室内以低污染和低壁热损耗的方式进行燃烧。

从属权利要求2至8涉及较佳的实施方案以及本发明内燃机的进一步改进。

根据权利要求2，该内燃机可采用液体燃料来运行，从而不需要高喷射压力。

根据权利要求3，该内燃机可采用气体燃料来运行，例如增压氢气或压缩天然气（CNG）。

通过权利要求4的特征可实现多燃料性能。

根据权利要求5和6的特征，本发明的内燃机可配置为四冲程发动机或二冲程发动机。

根据权利要求7和8，本发明的内燃机可以采用外部点燃式燃料或自燃式燃料来运行。

权利要求9表示了存在于活塞头内的活塞头腔的一个优选的结构。

权利要求10至16涉及实现本发明相关目的的方法。

权利要求10表示了一种运行方法，其中该内燃机采用液体燃料以四冲程方式来运行。

权利要求11表示了根据权利要求10的方法的优选的进一步改进。

权利要求12表示了一种运行方法，其中该内燃机采用气体燃料以四冲程方式来运行。

权利要求13表示了一种运行方法，其中该内燃机采用液体燃料以二冲程方式来运行。

权利要求14表示了根据权利要求13的方法的优选的进一步改进。

权利要求15表示了一种运行方法，其中该内燃机采用气体燃料以二冲程方式来运行。

权利要求16表示了采用气体燃料填充辅助室的优选方法。

附图说明

下文将以示例性的方式，在示意图的辅助下，对本发明进行更为详细地进行。

图1示出了本发明内燃机的示意性剖视图；

图2显示了本发明内燃机的气缸盖的仰视图，以便示例性地阐明阀的相对布置；

图3示出了本发明内燃机的示意性剖面图，该内燃机的活塞相对于图1所示实施例进行了改良。

具体实施方式

根据图1，本发明的内燃机包括至少一个气缸10，在其内部，活塞12可以向上和向下移动，该活塞12通过活塞杆14与曲轴16的曲柄连接。在图示的例子中，活塞12具有活塞头腔18。活塞12限定气缸10内的动力室20的边界。进气歧管22引入至动力室20。进气门26设置在进气歧管22通往动力室20的开口和/或设置在进气口24。排气歧管28从动力室20引出，排气门32设置在排气歧管28通往动力室20的出口和/或设置在排气口30。气门26和32通过由曲轴16以公知的方式驱动的凸轮轴34来驱动。

到目前为止所描述的布置对应于传统的发动机，因此不作进一步说明。

根据本发明，辅助室40例如形成在气缸盖内，该辅助室40通过连接歧管42与动力室20连接。流通阀46设置在连接歧管42通往动力室20的开口和/或设置在连接口44。在辅助室40内，确定辅助室容积的辅助活塞48向上和向下移动，如图所示，辅助活塞48包括轴50。轴50以及辅助活塞48可以由凸轮轴34以类似于流通阀46的方式驱动。凸轮轴34通常设置为平行于曲轴16，它在图中显示为垂直于曲轴延伸仅仅是出于简化的需要。

燃料可以通过例如具有集成的喷射喷嘴的燃料供给阀52以可计量的量喷射到辅助室40内。燃料供给阀52连接至燃料供应单元53和燃料泵，燃料供应单元53具有公知的结构并整​​体表示为53，其具有用于容纳例如汽油或柴油等液体燃料的燃料箱，该燃料泵将增压燃料供应给燃料供给阀52。燃料供给阀52的操作由电子控制单元54进行控制，该电子控制单元54感测所述内燃机所需的工作参数，例如油门踏板的位置、曲轴的旋转位置、曲轴的旋转速度，并且根据存储在其中的控制程序控制该燃料供给阀52。

图2的示意性仰视图示出了进气口24、排气口30和连接口44的相对布置的一个例子。在图示的例子中存在两个进气口24，相应的进气门26在其内工作。此外还存在两个排气口30，相应的排气门32在其内工作。连接口44设置在进气口24和排气口30之间的中央位置，流通阀46在其内工作，连接口44经由形成一个小容积的短的连接歧管42与辅助室40相连。

以上所描述结构的功能如下：

采用液体燃料的四冲程运行过程：

当活塞12从它的上止点（TDC）移动到下止点（BDC），进气门26开启并通过进气歧管22吸入新鲜空气。活塞12随后在进气门26关闭的情况下从下止点移动到上止点以压缩位于其中的新鲜空气。活塞12即将到达其上止点时，流通阀46被打开，位于在辅助室40内的废气（通过燃料供给阀52将燃料添加至其中）被推出和/或注入动力室20，并与其中的压缩后的新鲜空气混合。当活塞12到达其上止点时或者紧接其后，流通阀46被关闭。当采用柴油燃料运行时，位于动力室20内被压缩的新鲜充量自点燃，随后在新鲜充量燃烧的同时，活塞12从它的上止点移动到其下止点。进气门26和排气门32被关闭。当采用汽油运行，被压缩的新鲜充量通过点火装置（例如火花塞）点燃。

在活塞12到达其下止点之前,流通阀46被打开，辅助活塞48开始从它的最小位置移动到其最大位置（所述辅助室40的容积最大）。其结果是，热的燃烧过的废气流出动力室20而进入辅助室40。当活塞12处于其下止点区域和/或排气门32打开时或之前，流通阀46是关闭的，所以，辅助室40内的热废气的压力大体上对应于当流通阀46关闭时动力室20内的压力。燃料供给阀52被打开，从而燃料被引入位于辅助室40内的热废气，引入燃料的量对应于根据内燃机的负载预先确定的量。其结果是，不存在不当燃烧的危险，因为设在辅助室40中的废气是无氧的，或只含有作为残余氧的很少量的氧气，最多会发生少量燃烧和/或氧化反应（例如，存在于辅助室中的燃料量的1~2％）。这个发生在辅助室40内的最小限度的燃烧，促进了混合热处理，并且由于其所产生的湍流，也促进了混合机械处理。此后打开排气门32，活塞12移动到它的上止点，其中，在动力室20内的装载物燃烧所产生的废气通过排气歧管28推出。从而开始新的进气冲程。

上述方法具有以下的优点：流通阀46被关闭时，在燃料供给阀52的上游需要一个略高于辅助室40内的废气压力的压力。在通流阀46关闭的情况下，通过在第一阶段打开燃料供给阀52将液体燃料喷射到辅助室40中，使液体燃料汽化同时与位于辅助室40中的热废气充分混合处理。该处理过程（如果适用）由发生在辅助室40内的最小化的燃烧和/或氧化反应进行促进。因此，辅助室40具有混合物处理腔室的功能。接着，燃料将在下一阶段被进一步处理，在此阶段，流通阀46打开，燃料流入动力室20内的压缩后的新鲜空气中。在流入阶段之后的进一步的处理阶段中，燃料废气混合物与位于动力室20的新鲜空气混合。从而，混合物的形成发生在上述三个阶段。

以这种方式，在不需要较高注射压力的情况下也能够使难以汽化的燃料获得良好的处理，实现燃料的基本均匀和完全燃烧，这一方面确保了内燃机的高效率，另一方面还减少了最终需要对废气进行后处理的需求。

本发明的内燃机可具有一个或多个气缸，可根据所利用的燃料而采取自燃方式或外部点火方式来运行。采用液体和/或气体燃料来运行是可能的。

优选地，连接歧管42的容积相对于辅助室40的容积要尽可能地小，从而通过辅助活塞48向其最低位置移动，使燃料和废气的混合物尽可能完全地推出和/或注射到动力室20。

凸轮轴34对各阀门以及辅助活塞的驱动仅示意性地示出。在凸轮轴的凸轮与阀杆和/或杆50之间，可以布置如摇臂、旋转杠杆等传动件。流通阀46优选地由未示出的弹簧保持在闭合位置​​，当混合物形成室40内存在负压时，该弹簧可靠地使流通阀46保持关闭。可设置由曲轴驱动的用于各阀门和辅助活塞的适合的凸轮轴，必要时，采用相位调整器中间结构。阀门和辅助活塞也可以通过自身的驱动器（例如电子、电磁、液压或气动驱动器）进行驱动。

特别优选的是，通流阀46形成为可由控制单元54自由控制的阀，其中一个或多个孔通过移动由控制单元54控制并且通过电磁方式、压电方式或液压方式驱动的阀元件而暴露。在有利的情况下，可以利用单独的通流阀将废气引入辅助腔以及从辅助室喷射燃料气体。跟随废气进入辅助室40的残余氧的量，可以通过控制流通阀46来影响。

流通阀46和/或连接口44优选地布置为尽可能位于动力室20之上的中间位置。

辅助室40的最大容积（辅助活塞48位于最大位置）例如约为动力室20的最大容积（活塞12位于下止点）的1％。

流通阀46打开以便向混合物形成室40中注入废气（例如，在曲轴旋转大约45°期间），并且大约在排气门32打开的同时关闭流通阀46。流通阀46的开启、辅助活塞48为增加辅助室40的容积而进行的运动、活塞12的运动、排气门32的开启之间彼此相互协调，使得动力室20为了实现注入辅助室40所需要的（动态）压力大于辅助室40内的（动态）压力。

较好地，燃料被尽早引入到辅助室40，使得混合物形成的第一阶段可具有更多的时间。

为了使废气-燃料混合物从辅助室40喷射到动力室20中，流通阀46被打开，例如在曲轴旋转大约40°期间，并且流通阀46在活塞12到达上止点或不久之后关闭。

在前面，针对采用汽油、柴油、液化气、甲醇等液体燃料的内燃机的运行过程进行了说明。

采用气体燃料（例如天然气、氢气、甲烷等）进行运行也是可能的。燃料供应单元53包括用于存储压缩气体燃料和/或可燃气体的压力罐。燃料计量阀52是再具有附属排气口的阀门，并适合用于可控地将压缩气体燃料引入辅助室40。由于在废气的协助下，液体燃料和/或可燃气体在辅助室40内的处理和/或汽化不是必需的，内燃机和/或它的运行通过以下的方面进行优选地调整：

采用气体燃料的四冲程运行过程：

如在前面所述，流通阀46在辅助室40内的气体燃料注入到动力室20之后立即关闭，此时活塞12位于其上止点的范围内，与上述实施方式形成对比，流通阀46保持关闭直到它被再次打开以将气体燃料注入动力室20。在流通阀46刚刚关闭之后，辅助活塞48朝向其最大位置移动以增加辅助室40的容积，并且优选地，当辅助活塞48仍位于其最小位置时，根据内燃机的负荷而开始通过燃料供给阀52引入一定量的气体燃料。因此，优选地使得燃料供给阀52的控制与辅助活塞48的运动相协调，使得辅助室20在其容积增大期间的压力对应于储气罐内以及燃料供给阀52上游的供给压力。燃料供给单元53例如可包括储气罐，其中储存有700巴压力的氢气。当内燃机的负载所需的足够量的气体燃料被引入辅助室40且燃料供给阀52关闭时，辅助室的容积40进一步增大（如果适用的话），直到辅助活塞移动到其最大位置。然后辅助室40内的压力开始下降。在辅助活塞48返回到它的最小位置的过程中，辅助室40内的压力增加，直到流通阀46打开，气体燃料被注入到动力室20中。

当使用气体燃料时，燃料供给阀52优选地布置为，当辅助活塞48位于其最小位置时，燃料气体已经开始引入辅助室40，如果需要的话，在辅助活塞48从其最小位置离开的运动过程中，燃料气体可以继续引入辅助室40。

相比于传统的气体燃料在进气门26的上游与新鲜空气进行混合的方式，或者传统的气体燃料直接喷射至动力室20内的方式，气体燃料在辅助室40内进行中间存储以及气体燃料注入动力室20具备以下的优点：

处于供给压力的气体燃料首先被引入到辅助室40，同时基本上保持它的压力，其中优选地采用具有大的开口截面的气体供给阀。接着，由于辅助活塞48的移动，辅助室40中的气体首先膨胀。在辅助活塞48随后从它的最大位置移动到最小位置的过程中，辅助室40中的压力增加，直到流通阀46（优选地通过控制单元54控制）打开而从辅助室40到动力室20形成正压力差，并且辅助室40中的气体注入动力室20。流通阀46一般在辅助室40的压力下实现打开，该压力小于燃料供给阀52上游的供给压力。以这种方式，可以使用在储液罐中将气体燃料压缩到其贮存压力所需要的至少一部分能量。从而，内燃机的效率得以提高。

前面结合采用液体或气体燃料以四冲程方式运行的内燃机对本发明进行了说明。本发明的内燃机，特别是具有通流阀46和辅助活塞48的辅助室40，也可在二冲程方式的运行过程中使用：

采用液体燃料的二冲程运行方式：

进气门和排气门的控制时间以例如对于二冲程发动机来说公知的方式进行选择，使新鲜气体填充、压缩和排除之间实现良好的折衷。例如，进气门在曲轴的180度至300度之间打开，排气门在曲轴的160度至280度之间打开。压缩的新鲜空气供给到内燃机。如果得不到足够的富含能量的废气，该压缩可以例如通过外部驱动的废气涡轮增压器来实现，或进一步使用其它的外部驱动的增压器。进气门24可以形成为图1和2所示的形式，也可以是以公知方式在气缸壁上形成的狭缝，该狭缝由活塞12在接近其下止点时暴露。此外，排气门优选为平板阀，其中具有流通阀46的连接口44设置为尽可能接近排气口30，使得进入到辅助室40的废气至少基本上不含有新鲜空气或新鲜充量。二冲程运行方式的辅助室40的其余功能和模式对应于四冲程运行方式的相应功能和模式。

在液体燃料运行时，进行以下动力步骤：

在活塞12从下止点之前的最后阶段移动至下止点之后的第一阶段的过程中，增压的新鲜空气在进气门26打开的情况下被引入动力室20，并且以暂时重叠的方式，废气在排气门32打开的情况下从动力室20排出。

例如，在上止点之后的大约90度，流通阀46被打开以便向辅助室40注入废气，并且流通阀46在排气门32即将打开之前被关闭。在关闭流通阀46之后，液体燃料可计量地供给到位于辅助室中的废气中，该液体燃料在辅助室40内汽化。

在活塞12向其上止点运动过程中，进气门26和排气门32关闭，其中所述引入的压缩新鲜空气被进一步压缩。

当活塞12即将到达其上止点或者位于其上止点时（例如，上止点之前的20度至0度），流通阀46打开，从而通过辅助活塞48从其最大位置移动到其最小位置，使得位于辅助室40中的气体燃料/废气混合物被强制性地注入动力室20，并且通过自燃或外部点火的方式进行燃烧。

相较于四冲程运行方式，在二冲程运行方式中，液体燃料在辅助室40内蒸发的持续时间实际上大大缩短了；然而，仍然基本上保留了上述的有益效果。具有辅助室的二冲程运行方式所实现的另一个有益效果在于至少基本上防止了汽化燃料泄漏至废气中。

采用气体燃料的二冲程运行过程：

对于采用气体燃料的运行方式，前面提到的做功步骤以类似的方式进行，区别在于为了使废气流入辅助室40而省略了流通阀46的开启过程，并且在关闭通流阀46之后且辅助活塞48仍位于其最小位置或者辅助活塞48刚刚从其最小位置离开时，气体燃料被立即注入到辅助室40，类似于如上所述采用气体燃料的四冲程方式。

在上述的本发明的所有实施方式中，汽化燃料或气体燃料不到达动力室20的壁是可以实现的，由此燃烧得以改善，壁热损耗（wall heat losses）得以降低。

当设置分别适于相应类型燃料的两个燃料计量阀和随附的燃料供应单元时，本发明的内燃机可以使用液体气体和气体燃料来运行。在采用气体燃料来运行时，只需要在控制单元54上进行软件的改变，例如由氢气改为压缩天然气（CNG），以适应不同的存储压力、燃烧热等。对于活塞头腔18，本发明的内燃机比传统的内燃机具有更大的设计自由度，其中，该腔体在混合处理过程中具有决定性参与作用。优选地，如图3所示，活塞头腔18形成为延伸覆盖活塞头大部分的相对平坦的凹陷。例如，该凹陷的深度大约为活塞直径的10％至20％。例如，该凹陷延伸覆盖活塞12的横截面的70％以上。这样的活塞头腔18的设计，可以避免在压缩冲程结束时在活塞与气缸之间形成压扁流，从而避免在活塞12与气缸之间以不利的方式形成大量的热交换。此外，当膨胀开始时，在燃烧缸的填充的反向流动速度降低，由此实现了效率的改进。

这里需要明确强调的是，在本说明书和/或权利要求中公开的所有特征旨在为原始公开的目的以及限制所要求保护的发明的目的而彼此分别独立地公开。需要明确指出的是，所有数值和指标仅是示例性而不是限制性的。

附图标记列表

10气缸

12活塞

14活塞杆

16曲轴

18活塞头腔

20动力室

22进气歧管

24进气口

26排气门

28排气歧管

30排气口

32排气门

34凸轮轴

40辅助室

42连接歧管

44连接口

46流通阀

48辅助活塞

50轴

52燃料供应阀

53燃油供应单元

54 控制单元