内燃机燃烧室中可燃空气燃料混合物的控制方法

专利名称：内燃机燃烧室中可燃空气燃料混合物的控制方法
内燃机燃烧室中可燃空气 燃料混合物的控制方法
技术领域：
本发明是关于在外部混合构造的可点火的内燃机燃烧室中，控制可燃空气 ——燃料混合物配比的方法。本发明进一步涉及实施这一方法的设备。
燃烧室中可燃烧空气——燃料混合的配比对燃料消耗以及排出煤气中的污 染物含量是决定性重要的。混合构造的精确控制是非常重要的，特别是内燃机朝 贫质运行时。下面燃料计量方法是已知的，且可用于有外部混合构造的内燃机。
燃料计量可采用气缸选择法。每个气缸通过单独的进气管道供给燃料，控 制进气阀的开闭可控制燃料注入值。进气阀只有两个位置"阀全开"和"阀全闭"， 燃料注入值通常是这两种位置转换的函数。只要控制打开的时间期限就可改变注 入的燃料量。如果希望的话，还可控制进气阀打开位置的时间与进气阀固有打开 的时间的比例，其结果可迅速响应燃料量改变的要求，也就是系统工作有高的动 态响应。由于进入气缸的混合物量是活塞运动的函数，而活塞运动由曲轴设计预 先确定，在恒定负荷下燃料量流保持常数，但在燃烧室内部可导致相对不均匀的 混合配比。在贫质运行极限时，在气缸平均有效压力方面会产生特别大的标准方 差和特别高的NOx气体释放。
在其它燃量计量方法中，燃料计量采用对所有气缸集中遥测，相对远离内 在的进气阀。当然在燃料计量位置与进气阀之间存在一缓冲室，借此可达到进入 的空气——燃料混合物有良好的均匀性，但在动态性能方面，由于燃料计量位置 和进气阀之间有长的通路而受到限制，也就是，进入的空气——燃料混合的配比 根据不同的要求来调整有一定的滞后。
本发明的目的是提供一种可能性，对有外部混合构造的可点火的内燃机燃 烧室中可燃空气——燃料混合物的配比能尽可能精确和/或尽可能快的适应变化 的要求。
本发明目的的第1种方案是按权利要求1的方法实现的。 权利要求2至5是确认所发明方法进一步改进的优点。 本发明目标的进一步方案是权利要求6的装置，它进一步通过具有权利要
求4至12的许多特征而被改进。
本发明特别适合于增压燃气发动机，也就是采用压縮新鲜空气和/或新鲜空 气与燃料压縮混合物的发动机。
本发明以示范方式作解释，并借助下面的原理图作进一步详细说明。
在图中
图l是一个有创意的、多气缸、往复式活塞内燃机的原理图。
图2是按

图1的内燃机采用的控制阀的原理截面。
按图l，示范说明的，往复式活塞内燃机包括排成一行的6个气缸4，每个 气缸都有两个进气阀(图中未标出)，气缸由公共的曲轴操作，以及一个图中未 标明的排气阀。
根据图1，左侧的三个气缸4排气导管进入第一燃气涡轮增压器8的燃气 涡轮机中6。根据图l，右侧的三个气缸4排气导管进入第二燃气涡轮增压器12 的燃气涡轮机10中。
第一导管16连通空气滤清器14、经过第一燃料计量器18进入燃气涡轮增 压器8的增压涡轮机20中。增压涡轮机20的输出，经第一集气管22到单独的 进气管24，再经各自的控制阀26到各个气缸的入口；进气阀27通常为盘式阀 和/或作为压力改变阀以已知方式在气缸中工作。
另一导管28连通空气滤清器14通过另一燃料计量器30进入燃气涡轮增压 器12的增压涡轮机22中。增压涡轮机的输出32经另一集气管34、到单独的进 气管36,再经各自进气的控制阀38到在各个气缸4中工作的进气阀39。
燃料计量阀40和42由各个燃料计量器18和30分别控制，供有新鲜空气 (它也流经燃料计量器)的燃料分别由阀40和42控制，其数量取决于空气流的 速率。这样，预定空气——燃料比例的气流分别进入各自的燃量计量器18、 30。 这种燃料计量器通常是已知的，在这里不作解释。测量空气流速率(定量的流速) 并控制各自的燃料计量阀40、 42，这样就测得相应的燃料量。这与预定的空气 流速率和维持空气和燃料质量比例有关。各个燃料计量器18、 30与各自的导管 16、 28—起构成混合形成装置以产生混合气体供给各自的增压涡轮机20、 32， 然后进入各自的集气管22和34。用控制各自增压涡轮机上游的燃料计量器，使 在增压涡轮机内发生的混合非常均匀，同时，另一个优点是，在增压涡轮机内靠 脉冲式的一系列打开各自增压涡轮机下游，上游的进气阀，使均匀的混合物流量 平稳。。
空气一燃料混合物进入气缸4的控制和/或调节通过两个燃料计量器18、30, 加入可变的新鲜空气燃料量来实现，并使，例如，富质混合物出现在集气管22 中，而贫质混合物出现在集气管34中。例如富质混合物的空气对燃料的比例 为理想配比的0.9，而贫质空气——燃料混合物的比例是配比的1.1。富质混合物 至少要与传动所必须的最富混合物一样；贫质空气——燃料比例至少与运行所必 须的最贫混合物一样。 —
气缸内部空气——燃料比例的调节用控制阀26、 38来实现，它分别直接装 在进气阔27、 39的前方，并且确定了一个行程期间进入气缸的空气——燃油混 合物的定量比例总量尤其是总量。如果流入的总量是相同的，则气缸中空气—— 燃料的比例在所描述的例子中为1，如果仅是富质混合物流，则比例为0.9;如 果仅是贫质混合物流，则比例为l.l。
一个电子控制装置44用来控制燃料计量阀40和42以及控制阀26和28; 电子控制装置44包括一微处理器，该微处理器具有已知的程序存储器和数据存 储器。电子控制装置的输入46与供给气缸的空气——燃料混合物的总量及配比 相关的信号传感器相连。由这些产生在输出端48的输出信号操纵燃料计量阀40、 42和控制阀26、 28,其中以气缸选择方式完成控制阀的操纵。
燃料计量阀40、 42以及控制阀26、 38的操纵方式是可控或是可调的，这 通过将从排气传感器48、 50来的供给信号反馈到控制装置44的输入端46的方 法来实现，由排气传感器确定，例如，所排煤气中氧成份。
在解释的例子中，直接邻接燃烧室的通用进气阀，可用纯机械方式由曲轴 通过一凸轮轴，如果希望的话还可以通过相位控制器来操纵。进气阀的打开时间 和行程范围不会随负荷而改变，但如果希望的话，仅随相对于曲轴的相位而移动。
控制阀26、 28的优点是结构上它的打开时间点和关闭时间点，如果希望的 话，还有它的打开行程范围都可自由控制。图2为一个示意的控制阀26和38 相应的剖面。
单个的气缸输入管道24、 36分别连通包括分隔墙70的气缸，分隔墙沿进
气管的纵向截面呈弯曲型。示例中分隔墙70上的4个开式阀座72形成与图示的 进气管轴向垂直。阀组作为整体来标注74，横向延伸通过输入管道和开式阀座， 阀组74，包括轴76和围绕轴76并紧固其上的盘78。图2中阀处于打开位置， 这种排列使最上面的盘以及从上面数第3个盘78从进气流通过进气管看，位于 开式阀座72的下游；其余两个盘78位于相应的开式阀座72的上游。盘78的直 径与开式阀座72接近，所以当轴76与盘78—起按图2移动时阀被关闭，换句 话说，盘位于开式阀座72内。盘78优选采用气动方式。
轴76包括进气管外侧的用于操纵控制阀的圆柱形气缸延伸部分80,装在 延伸部份80内部的线圈82，该线圈82被电磁铁84包容，该电磁铁84置于进 气管上的外罩86内。
轴76的纵向位移由进气管中的衬套88导向。圆柱形延伸部分80的设计使 轴76和/或阀组74的行程移动， 一侧受进气管输出侧的支座限制，而另一侧受 鸷入进气管的外罩86延伸部分的支座限制。
弹簧90推动阔组74到打开位置。
所述的控制阔功能如下
线圈82与控制装置44相连。由弹簧卯力使阀处于常开位置。给线圈82 施加电流后，按图2，阀组将向上移动到一个位置，此时盘78位于开式阀座72 内并关闭开式阀座72。显然，阀在关闭位置，例如当阀的左侧正压力占优势， 正压力作用于最上面及从最上面数的第3个盘，使阀组向下压；而正压力作用于 最下面及从最下面数的第3个盘时，使阀组向上压，因此，作为整体的阔组不受 与压力差无关的力的影响。
所述的阀具有的优点是它以非寻常的快速方式从关闭位置进入打开位置， 反之亦然，所以以最大限度低的电流损耗，实现精确同步控制。
根据优选的示意实施例，轴76与位置轨迹传感器91 一起作用，提供关于 轴76及盘78的精确瞬时位置的信息。控制装置44调节流过线圈82的电流，这 样在每个时间点上使阀体76、 78的实际位置与目标位置相对应。目标位置由控 制装置来编程和预定。其结果，不仅控制阀打开时间点和闭合时间点，而且它的 行程范围都可被自由控制。
当流程气缸的混合物总量由控制阀(件号26和38)的行程控制，且阀的 打开时间点和关闭时间点是相同的，在燃烧室可得到混合物特别均匀的配比。当 流量受到控制阀的发动机阀同步影响时，可使贫质混合物在富质混合物之前的瞬 时流入，达到更高度的分层加料的效果。
所述控制阀在欧洲专利N0 1 236 875B1中公开。它不仅可用于控制数量及 燃烧室中混合物的配比，而且通过使用该专利中描述的部分负载谐振装料法，也 可进一歩减少在部分负载范围内的装料改变的损失。
本发明可通过不同方式来变化。
例如涡轮增压器不是必要的，本发明也可用于自然吸气的发动机。对涡 轮发动机，两个涡轮增压器可由一个公共的燃气涡轮机来提供动力，内燃机排出 的全部煤气都流入该燃气锅轮机。进一步，也可使用外部提供动力的增压器。
控制阀26、 38也不是必需的。流经气缸的混合物总量和配比的控制也可由 进气阀27、 39的相应设计来完成，进气阀直接邻近燃烧室。进一步，也可用节 流阀来代替控制阀，节流阀装在单个的气缸进气管道内，并以合适的方式来打开 该节流阔。并且也不必需采用单个的节流阀，它们都可被导管16和28中的节流 阀来取代。
控制阀也可有不同于上述的结构。例如，它们可以采用旋转盘形阀，其打 开的横截面可由步进电机改变其开始打开、开始关闭以及打开的横截面来调节。
运行期间集气管22和34中的混合物配比可以改变。例如，贫质混合物可 以设定为无限的贫(燃油计量为0),因而有可能在进气的第1阶段期间合适的 设置控制阀的发动机阀同步。此时两进气阀重叠，把气缸燃烧室与单个气缸进气 管连接，以供给纯空气；然后引导混合物通过其它的进气管进入气缸。其结果可 防止在主阀的阀重叠期间，混合物的过流和/或燃料进入排气管道。
总之，本发明为改善工作性能如转矩开发、动力开发、运行效率及排出 煤气的质量，提供了多种可能性。本发明特别适合于使用燃烧气体通过燃料计量 阀40和42供给的燃气发动机。
件号清单 4 气缸
6 燃气涡轮机
8 燃气涡轮增压器
10 燃气涡轮机
12 燃气涡轮增压器
14 空气滤清器
16 导管
18 燃料计量器
20 增压涡轮机
22 集气管
24 单个的气缸进气管
26 控制阀
27 进气阀
28 导管
30 燃料计量器
32 增压涡轮机
34 集气管
36 单个的气缸进气管
38 控制阀
39 进气阔
40 燃料计量阀 42 燃料计量阔 44 电子控制装置 46 输入
48 输出
70 分隔墙
72 开式阔座
74 阀组
76 轴
78 盘
80 延伸部分
82 线圈
84 电磁铁
86 外罩
88 衬套
90 弹簧
91 位置轨迹传感器
权利要求
1、在有外部混合构造的可点火的内燃机燃烧室中，控制可燃空气——燃料混合物配比的方法，使混合物符合预定的配比，其中——至少产生两种包含空气的射流，至少其中之一是空气——燃料混合物；——射流供给到燃烧室；——射流总量的比例被控制，使其总的配比符合预定的配比。
2、 依据权利要求1的方法，其中供给燃烧室的射流总量的控制首先在它进 入燃烧室入口前。
3、 依据权利要求1的方法，其中供给燃烧室的射流总量的控制就在它进入 燃烧室的入口处。
4、 依据权利要求1至3之一的方法， 一种射流是富质空气——燃料混合物， 而另一种射流是贫质空气——燃料混合物；其中富质空气——燃料混合物其燃料 成份高于预定配比的混合物，而贫质空气——燃料混合物其燃料成份低于预定配 比的混合物。
5、 依据权利要求1至3中的任一项方法，其中在某个时间周期内，有一种 射流是无燃料的，且是供给燃烧室唯一的射流，此时，燃烧室至少有一个进气阀 和一个排气阀是同时开启的。
6、 依据权利要求1至5之一的方法，其中混有空气的燃料是可燃的煤气。 7、在有外部混合构造的可点火内燃机燃烧室中，实现控制可燃空气——燃料混合物配比，使混合物有预定配比的设备，包括——第l用以产生富质混合物的混合物产生装置(16、 18、 40);——第2用以产生贫质混合物的混合物产生装置(28、 30、 42);——其中都是向新鲜空气中加入燃料产生供给内燃机的两种混合物，富质混 合物比预定配比的混合物有较高的燃料比例，而贫质混合物比预定配比的混合物 有较低的燃料比例；——第1装置(22、 24)将富质混合物通过第1进气管供给内燃机的燃烧室;——第2装置(34、 36)将贫质混合物通过第2进气管供给内燃机的燃烧室;——第1组阀(26、 27)在第1进气管路上工作，控制供给燃烧室的富质混 合物的总量；——第2组阀(38、 39)在第2进气管路上工作，控制供给燃烧室的贫质 混合物的总量；——控制各组阀的控制装置(44)控制进入燃烧室的富质混合物和贫质混合 物总量的和，使混合物达到预定的配比。
7.
8、 依据权利要求7的设备，其中燃烧室包括多个气缸(4)及两个进气侧的 集气管(22、 34)，其中一个用于供给富质混合物，另一个用于供给贫质混合物， 各个集气管通过单独的进气管(24、 36)与气缸的一个进气管相连。
9、 依据权利要求7或8所述的设备，其中每组阀都包括一个直接邻接燃烧 室的进气阀(27、 39)和一个控制阀(26、 38)，该控制阀与进气阀无关，控制 阀的打开时间和/或它的关闭时间，和/或它打开的横截面都是可控的。
10、 依据权利要求7或8的设备，其中每组阀都包含有直接邻接燃烧室的一 个进气阀(27、 39)，进气阀的打开时间、闭合时间以及打开的横截面是可控的。
11、 依据权利要求9或10的设备，其中供给燃烧室的混合物配比的控制使 可控的各阀(26、 38、 37、 39)有相同的发动机阀同步和不同的阀行程范围。
12、 依据权利要求9或10的设备，其中控制进入燃烧室的混合物配比使可 控的各阀(26, 38; 27, 39)有不等的发动机阀同步。
13、 依据权利要求7至12之一的设备，其中每个混合物产生装置包括一装 在压縮机(20、 32)上游的燃料计量器(30、 40)。
14、 依据权利要求13的设备，其中每个压縮机(20、 32)由一燃气涡轮机 驱动，而燃气涡轮机由内燃机的排出煤气驱动。
全文摘要
在有外部混合构造的可点火的内燃机燃烧室，控制可燃空气—燃料混合物配比的方法中，至少有两种混有空气的射流产生，其中至少有一种是空气—燃料混合物，射流供给燃烧室，其中射流的总量比例被控制，使其总的配比符合预定的配比。
文档编号F02D41/00GK101189421SQ200580049385
公开日2008年5月28日 申请日期2005年4月25日 优先权日2005年3月31日
发明者保罗·尤腾布罗伊克 申请人:诺诺克斯私人有限公司