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CN113574261B - 用于运行内燃机的方法 - Google Patents

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CN113574261B CN202080020802.2A CN202080020802A CN113574261B CN 113574261 B CN113574261 B CN 113574261B CN 202080020802 A CN202080020802 A CN 202080020802A CN 113574261 B CN113574261 B CN 113574261B
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Abstract

本发明尤其涉及一种用于运行内燃机(10)的方法。该方法包括，在活塞(18)到达上止点之前，把先导量的气体燃料优选甲烷供应到预燃室(22)中。该方法包括：使得所述预燃室(22)中的先导量的气体燃料自动点燃；在所述自动点燃之后，把主要量的气体燃料供应到所述预燃室(22)中；并且通过所述预燃室(22)中的由自动点燃的先导量引起的条件，点燃主要量的气体燃料。本发明能实现，使得内燃机完全以甲烷或另一种气态燃料运行，确切地说，通过先导量的压缩自动点燃来运行。

Description

用于运行内燃机的方法
技术领域
本发明涉及一种用于利用气体燃料运行内燃机、优选单燃料内燃机的方法。本发明还涉及一种内燃机和一种带有内燃机的机动车。
背景技术
为了运行气体燃料内燃机，可以采用所谓的HPID方法(高压直接喷射)。在该燃烧方法中，需要甲烷作为气体燃料和柴油作为液体燃料。在此，甲烷和柴油分开地被引入喷射器中。首先在上止点区域中喷入大约3mg至10mg柴油的先导物质。由于柴油的特性(点火温度低)，立即发生燃烧。这样就产生了局部的明显的温度升高。然后在第二步骤中喷入主要量的甲烷。通过先前的温度升高，甲烷也立即发生燃烧。
这种方法的缺点是，仍需要柴油燃料，由于柴油燃料，明显提高了系统的复杂性，并且无法充分发挥二氧化碳减排的潜力。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种替代的和/或改善的用来以气体燃料运行内燃机的技术。
该目的通过实施例的特征得以实现。有利的改进在其他实施例和说明书中给出。
本发明提出一种用于运行内燃机、优选单燃料内燃机的方法。该方法包括，通过使得活塞在主燃烧室中朝向活塞的活塞运动上止点运动，对在内燃机的主燃烧室和预燃室(预燃烧室)中的供应空气予以压缩。该方法包括，在活塞到达上止点之前，把先导量的气体燃料(气态燃料)优选甲烷(天然气)供应到预燃室中。该方法包括，使得预燃室中的先导量的气体燃料自动点燃。该方法包括，在自动点燃之后，把主要量的气体燃料供应到预燃室中，并且通过预燃室中的由自动点燃的先导量引起的条件，点燃主要量的气体燃料。
本发明能实现，使得内燃机完全以甲烷或另一种气态燃料运行，确切地说，通过先导量的压缩自燃来运行。为了点燃气体燃料，无需柴油燃料等，比如在HPDI方法中那样。先导量的自动点燃导致预燃室中的温度升高和压力提高。由此可以点燃随后供应的主要量的气体燃料。主要燃烧本身可以相应于或类似于柴油燃烧方法。
有益地，在时间上在先导量之后且与其间隔开地供应主要量。
在一个实施例中，以大于或等于大约20、21、22或23的压缩比进行压缩。已发现，对于具有预燃室和主燃烧室的给定系统，在压缩比约为23时，可以在预燃室中相对可靠地达到甲烷的点燃温度，确切地说，明显在压缩冲程中活塞达到上止点之前，并且是针对内燃机的全部负载状况。
在另一实施例中，由在大约0.5mg和大约3mg之间、优选在大约0.5mg和大约2mg之间的气体燃料的先导物质得到先导量。已发现，气体燃料的所述最小量可以足够保证先导量的可靠自燃。
在另一实施例中，先导量经过选择，从而在预燃室中产生在大约0.5和大约1.6之间的燃烧空气比。由此可以在预燃室中存在能自动点燃的可燃混合物。
在一个实施方式中，先导量的供应进行大约50μs和大约200μs之间的时长。已发现，这么短的时长就已经能够足以供应小的先导量。短暂的时间窗口能实现特别准确地到达所希望的点燃时间点。
在另一实施方式中，先导量的供应在上止点之前大约40°KW(曲轴角度)与上止点之前大约10°KW之间的范围内进行。已发现，该曲轴角度范围是特别合适的。一方面，可以在先导量与压缩空气之间进行良好的混合。另一方面，在供应主要量之前的时间点进行自燃和随后的放热的反应。因此在供应主要量的时间点，在预燃室中已经存在足以点燃主要量的条件。
在一种设计变型中，主要量的供应在上止点之前大约10°KW与上止点之后大约25°KW之间的范围内进行。于是可以在膨胀冲程中发生近似于或类似于柴油方法的气体燃料燃烧。
在另一设计变型中，先导量的供应和/或主要量的供应以在大约200巴和大约600巴之间的范围内的供应压力进行。由此，即使在最终压缩压力很高时，也能实现可靠地且快速地供应气体燃料，例如通过比较高的压缩比来引起。
有益地，先导量和/或主要量直接供应到、优选吹入到预燃室中。
在一个实施例中，先导量的供应和/或主要量的供应通过压电燃料喷射器来进行。相比于开篇提到的HPDI燃烧方法，通过省去柴油燃料，不存在用于控制传统的电磁喷射器的介质。虽然原则上也可以利用压缩的气体燃料来运行电磁阀促动器，但在这种情况下会产生很大的泄漏和排放量。因此提出，使用压电燃料喷射器。在此，例如可以仅通过压电燃料喷射器的压电元件来控制针运动，并且不会出现气体燃料的排放损失。压电燃料喷射器的另一优点可以是，可以实现最小量的控制。压电燃料喷射器能够实现非常稳定地产生很短的供应时长，例如50μs至200μs，进而也能实现很小的供应量，例如0.5mg至3mg。
在另一实施例中，先导量的供应和/或主要量的供应通过借助电磁铁操纵的燃料喷射器来进行。
在又一实施例中，该方法还包括，根据所供应的空气的增压压力，对先导量进行调整，和/或对先导量的供应时间点进行调整。先导量例如可以经过调整，从而在预燃室中产生在大约0.5和大约1.6之间的燃烧空气比λ。例如在负载大或增压压力高的情况下，可以预调先导量。
在一个实施方式中，预燃室的内侧面具有热绝缘体，其形式优选为热绝缘涂层。热绝缘体可以减小预燃室与气体燃料之间的热传递。
在另一实施方式中，在预燃室中在内燃机的正常运行期间(例如在空载、部分负载和/或满载情况下)进行先导量的气体燃料的自动点燃步骤。有益地，在正常运行中，不使用火花塞或热线引火塞(Gluehkerze)来点燃或辅助点燃先导量。
在一种设计变型中，该方法还包括，在内燃机冷启动时，通过火花塞对预燃室中的先导量进行外部点燃。替代地，该方法例如可以包括，优选在内燃机冷启动时，利用热线引火塞对预燃室进行预热，并且使得在预热的预燃室中的先导量的气体燃料自动点燃。于是，即使在冷启动条件下，也可以确保气体燃料可靠地点燃。
在另一设计变型中，先导量的供应和/或主要量的供应气态地进行，和/或利用同一个燃料喷射器，有益地通过燃料喷射器的相同的管路进行。
在一个实施例中，预燃室具有在大约0.5cm3和大约2cm3之间的范围内的容腔。如此小的容腔可以足够可靠地使得很少的先导量的气体燃料与压缩空气一起自动点燃。
在另一实施例中，预燃室通过多个通孔、优选6至14个分布地布置的通孔与主燃烧室连接。
在另一实施例中，预燃室集成在用于先导量和/或主要量的燃料喷射器中，或者预燃室与用于先导量和/或主要量的燃料喷射器分开地构造。
本发明也涉及一种内燃机，其被设计用于实施如这里公开的方法。
本发明还涉及一种机动车、优选商用车(例如载重车或公交车)，其具有被设计用于实施如这里公开的方法的内燃机。
有益地，内燃机可以具有优选电子的被设计用于实施所述方法的控制单元。
优选地，术语“控制单元”可以指电子机构(例如微处理器和数据处理器)，其可以根据设计来承担控制任务和/或调节任务。尽管这里使用了术语“控制”，借此同样有益地也可以涵盖“闭合控制”或者说“反馈控制”。
也可行的是，如这里公开的方法和装置应用于轿车、大功率发动机、越野车辆、固定式发动机、舰船发动机等。
附图说明
本发明的前述优选实施方式和特征可任意地相互组合。下面参照附图介绍本发明的其它细节和优点。其中：
图1为根据本发明的一个实施例的内燃机的示意图；
图2为示范性的气缸头的剖视图；
图3为针对空载和两个不同的压缩比的曲轴角度-温度曲线图；
图4为针对满载和两个不同的压缩比的曲轴角度-温度曲线图。
具体实施方式
这些图中所示的各实施方式至少部分地一致，因而给类似的或相同的部分标有相同的附图标记，在其阐述时，也参见针对其它实施方式或附图的说明，以避免重复。
图1示出内燃机10。该内燃机10设计成往复活塞内燃机。有益地，内燃机10设计成四冲程内燃机。内燃机10具有一个或多个气缸。为明了起见，在图1中只示出一个气缸。内燃机10特别优选地设计成单燃料内燃机，用于借助甲烷(天然气)作为唯一的燃料来运行。但内燃机10例如也可以用其它气态燃料、例如氢气来运行。
内燃机10可以包含在运载工具例如机动车、有轨车辆或水上交通工具中，用于驱动运载工具。优选地，内燃机10包含在商用车例如载重车辆或公交车辆中，用于驱动商用车。也可行的是，内燃机10应用在固定设备中，例如用于驱动发电机。
内燃机10对于每个气缸都具有至少一个空气输入通道12、至少一个废气排出通道14、主燃烧室16、活塞18、燃料喷射器20、预燃室(预燃烧室)22和气缸头24。
空气输入通道12通入到主燃烧室16中。通过空气输入通道12可以把(增压)空气供应给主燃烧室16。空气输入通道12设置在气缸头24中。气缸头24从上面限定了主燃烧室16。在空气输入通道12的上游，可以设置空气供应系统。根据要求而定，空气供应系统例如可以具有涡轮增压构件组的一个或多个压缩机、增压空气冷却器和/或废气反馈管路。
空气输入通道12的通入主燃烧室16的通入开口可借助空气输入阀26打开和关闭。空气输入阀26优选设计成盘阀。空气输入阀26可以采用任何技术予以操纵，例如借助有益地可变的阀门传动件来操纵。
在燃烧之后，废气经由借助废气排出阀28打开的废气排出通道14离开主燃烧室16。废气排出阀28例如可以设计成盘阀。废气排出通道14设置在气缸头24中。在废气排出通道14的下游，可以设置废气系统。该废气系统例如可以具有涡轮增压构件组的一个或多个废气涡轮机和/或至少一个废气后处理装置。
活塞18可往复运动地设置在气缸中。活塞18通过连杆30与曲轴32连接。活塞18向下限定了主燃烧室16。活塞18可以在其从下止点向上止点运动时压缩主燃烧室16中的空气。燃烧比ε在此可以比较高。燃烧比ε可以例如为23或更大。
燃料喷射器20设计成气体燃料喷射器，优选甲烷喷射器。燃料喷射器20设计成用于引导唯一的燃料的单燃料喷射器。燃料喷射器20经过布置或设计，从而把气体燃料供应到预燃室22中。优选地，燃料喷射器20把气体燃料气态地吹入到预燃室22中。燃料喷射器20有益地相对于主燃烧室16居中地布置。
通过燃料喷射器20的供应有益地以例如在200巴和600巴之间的范围内的高压来进行。燃料喷射器20例如可以与气体燃料共轨流体地连接。气体燃料共轨可以把气体燃料供应给燃料喷射器20。
燃料喷射器20被设计用来把先导量和主量的气体燃料在不同的时间点供应到预燃室22中。燃料喷射器20可以采用任何方式来操纵。为了也能实现供应最少量气体燃料，燃料喷射器20优选是可借助压电元件操纵的压电燃料喷射器。例如，燃料喷射器20的封闭针可以根据燃料喷射器20的压电元件或压电晶体的状态来提升或降低。例如也可行的是，燃料喷射器20可借助电磁体来操纵。有益地，通过电子的控制单元34来控制对燃料喷射器20的操纵。
预燃室22可以集成在燃料喷射器20中，如图1中所示。但也可行的是，预燃室22与燃料喷射器20分开地构造，如图2中所示。燃料喷射器20于是例如可以直接通入到预燃室22中。在预燃室22与燃料喷射器20分开地构造情况下，预燃室可以例如至少部分地通过气缸头24、安置在气缸头24的燃烧室侧的帽部件36(见图2)和/或用于燃料喷射器20的安装套管38(见图2)来形成。在使用帽部件36时，该帽部件例如可以从下面拧入到安装套管38中。
预燃室22例如可以具有球形的、穹顶形的或倒圆的内部容腔。气体燃料可借助燃料喷射器20供应到内部容腔中。内部容腔可以有益地处于0.5cm3和2.5cm3之间的范围内。
预燃室22通过多个通孔与主燃烧室16处于流体连接中。这些通孔有益地围绕预燃室22的圆周对称分布地布置。例如包括六个至十四个通孔。
可行的是，预燃室22的内侧面具有热绝缘体40。热绝缘体40可以有益地设计成内侧面的涂层。热绝缘体40例如可以由陶瓷材料构成。可行的是，热绝缘体40例如蒸镀到内侧面上，通过等离子涂覆被敷设到内侧面上，或者采用喷涂方法被喷涂到内侧面上。热绝缘体40可以防止或者至少减少通过预燃室22的壁来冷却预燃室22中的气体燃料。
在进气冲程中，空气经由空气输入通道12和打开的空气输入阀26供应到主燃烧室16中。活塞18从上止点向下止点运动。在压缩冲程中，以高的压缩比(例如ε≥23)压缩主燃烧室16内的供应空气。在此，空气也在预燃室22中被压缩。活塞18从下止点向上止点运动。在压缩冲程期间，空气由于压缩而被活塞18压入到预燃室22中。在压缩冲程期间，预燃室22中的压力和温度升高。
图3所示为在内燃机10的空载中针对两个不同的压缩比ε预燃室22的示范性的曲轴角度-温度曲线图。曲轴32的曲轴角度在横轴上绘出。预燃室22中的温度在竖轴上绘出。
在压缩比ε＝16时，得到第一温度曲线A(图3中的虚线曲线)。在压缩比ε＝23时，得到第二温度曲线B(图4中的实线曲线)。可见，最终压缩温度随着压缩比的提高而升高。还可看到，在压缩比ε＝23时，在空载中明显在上止点(0°KW)之前达到了甲烷本身的点火温度(约640℃)。也就是在压缩比ε＝23时，在活塞18达到上止点之前，在预燃室22中产生甲烷的自动点燃条件。
图4所示为在内燃机10的满载情况下针对两个不同的压缩比ε预燃室22的示范性的曲轴角度-温度曲线图。曲轴32的曲轴角度也在横轴上绘出。预燃室22中的温度也在竖轴上绘出。
在压缩比ε＝16时，得到第一温度曲线C(图4中的虚线曲线)。在压缩比ε＝23时，得到第二温度曲线D(图4中的实线曲线)。可见，最终压缩温度随着压缩比的提高而升高。还可看到，在压缩比ε＝23时，相比于空载(见图3)，可以更早地达到甲烷的点火温度。
在压缩冲程快结束时，把先导量的气体燃料由燃料喷射器20以高压供应、优选吹入到预燃室22中。该先导量在上止点之前40°KW与上止点之前10°KW之间的范围内被供应。比较早地吹入先导量能实现使得气体燃料和流入的空气在预燃室22中良好地混合。先导量很小。例如，把仅0.5mg至3mg的气体燃料作为先导量吹入到预燃室中。在此，先导量的供应时长很短，例如仅为50μs至200μs。先导量经过选择，使得在预燃室22中例如以燃料空气比λ＝0.6至1.6形成可燃烧的气体燃料-空气-混合物。
由于在预燃室22中产生高温(见图3和4)，气体燃料-空气-混合物自动点燃。在达到气体燃料的点燃温度之后，在预燃室22中发生放热的燃烧反应。预燃室22中的压力和温度升高。热气体从预燃室22经由通孔被压入到主燃烧室16中。
通过燃料喷射器20把主要量的气体燃料供应到预燃室22中。主要量的气体燃料例如在上止点之前10°KW与上止点之后25°KW之间的范围内被供应到预燃室22中。气体燃料可以连续地在大约25°KW的曲轴角度范围上被供应。主要量的气体燃料借助热气体在预燃室22中和周围点燃。在内燃机10的做功冲程或膨胀冲程中，在主燃烧室16内进行与HPDI方法和柴油原理类似的燃烧。
可行的是，在内燃机10的冷启动条件下，引起气体燃料的辅助自动点燃或外部点燃。先导量的自动点燃例如可以通过伸入到预燃室22中的热线引火塞得到辅助。也可以通过伸入到预燃室中的火花塞来引起外部点燃。热线引火塞或火花塞优选仅在内燃机10的冷启动条件下使用。
也可行的是，气体燃料的先导量可根据增压压力在量上予以调整。于是例如在高的增压压力下，相比于低的增压压力情况，可以供应较大的先导量。先导量例如可以经过调整或确定，从而在预燃室22中产生在大约0.5与大约1.6之间的燃烧空气比λ。
本发明并不局限于上述优选的实施例。确切地说，可以有多种同样采用本发明的构思、因而落入保护范围内的改型和变型。本发明特别是也要求保护从属权利要求的主题和特征，而独立于所引用的权利要求。特别地，独立权利要求1的各个特征分别彼此独立地被公开。附加地，从属权利要求的特征也与独立权利要求1的全部特征相独立地被公开。本文中的所有范围说明应理解为以这样一种方式公开：落入相应范围内的所有值均单独公开，例如也作为相应范围的分别优选较窄的外边界。
附图标记清单
10内燃机
12空气输入通道
14废气排出通道
16主燃烧室
18活塞
20燃料喷射器
22预燃室(预燃烧室)
24气缸头
26空气输入阀
28废气排出阀
30连杆
32曲轴
34控制单元
36帽部件
38安装套管
40热绝缘体
A-D温度曲线

Claims (25)

1.一种用于运行内燃机（10）的方法，包括：
通过使得活塞（18）在主燃烧室（16）中朝向所述活塞（18）的活塞运动上止点运动，对在所述内燃机（10）的预燃室（22）和主燃烧室（16）中供应的空气予以压缩；
在所述活塞（18）到达所述上止点之前，把先导量的气体燃料供应到所述预燃室（22）中；
使得所述预燃室（22）中的先导量的气体燃料自动点燃；
在所述自动点燃之后，把主要量的气体燃料供应到所述预燃室（22）中；并且
通过所述预燃室（22）中的由自动点燃的先导量引起的条件来点燃主要量的气体燃料。
2.如权利要求1所述的方法，其中：所述内燃机（10）是单燃料内燃机。
3.如权利要求1所述的方法，其中：以大于或等于20的压缩比进行压缩。
4.如权利要求3所述的方法，其中：所述压缩比大于或等于21。
5.如权利要求3所述的方法，其中：所述压缩比大于或等于22。
6.如权利要求3所述的方法，其中：所述压缩比大于或等于23。
7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其中：由在0.5mg和3mg之间的气体燃料的先导物质得到所述先导量。
8.如权利要求7所述的方法，其中：由在0.5mg和2mg之间的气体燃料的先导物质得到所述先导量。
9.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其中：所述先导量经过选择，从而在所述预燃室中产生在0.5和1.6之间的燃烧空气比。
10.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其中：所述先导量的供应进行50μs和200μs之间的时长。
11.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其中：所述先导量的供应在所述上止点之前40°曲轴角度与所述上止点之前10°曲轴角度之间的范围内进行。
12.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其中：所述主要量的供应在所述上止点之前10°曲轴角度与所述上止点之后25°曲轴角度之间的范围内进行。
13.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其中：所述先导量的供应和/或所述主要量的供应以在200巴和600巴之间的范围内的供应压力进行。
14.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其中：
所述先导量的供应和/或所述主要量的供应通过压电燃料喷射器（20）来进行；或者，
所述先导量的供应和/或所述主要量的供应通过借助电磁铁操纵的燃料喷射器（20）来进行。
15.如权利要求1至6中任一项所述的方法，还包括：根据所供应的空气的增压压力，对所述先导量进行调整和/或对所述先导量的供应时间点进行调整。
16.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其中：所述预燃室（22）的内侧面具有热绝缘体（40）。
17.如权利要求16所述的方法，其中：所述热绝缘体（40）的形式为热绝缘涂层。
18.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其中：
在所述预燃室（22）中在所述内燃机（10）的正常运行期间进行先导量的气体燃料的自动点燃步骤；
该方法还包括：
- 在所述内燃机（10）冷启动时，通过火花塞对所述预燃室（22）中的先导量进行外部点燃；或者，
- 在所述内燃机（10）冷启动时，利用热线引火塞对所述预燃室（22）进行预热，并且使得在预热的所述预燃室（22）中的先导量的气体燃料自动点燃。
19.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其中：
所述先导量的供应和/或所述主要量的供应气态地进行；和/或，
所述先导量的供应和所述主要量的供应利用同一个燃料喷射器（20）进行。
20.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其中：
所述预燃室（22）具有在0.5 cm³和2 cm³之间的范围内的容腔；和/或，
所述预燃室（22）通过多个通孔与所述主燃烧室（16）连接；和/或，
所述预燃室（22）集成在用于所述先导量和/或所述主要量的燃料喷射器（20）中，或者所述预燃室（22）与用于所述先导量和/或所述主要量的燃料喷射器（20）分开地构造。
21.如权利要求20所述的方法，其中：所述多个通孔为6至14个分布的布置的通孔。
22.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其中：所述先导量的气体燃料是甲烷。
23.一种内燃机（10），其中，所述内燃机（10）被设计用于实施根据前述权利要求中任一项所述的方法。
24.一种具有内燃机（10）的机动车，其中，所述内燃机（10）被设计用于实施根据前述权利要求中任一项所述的方法。
25.如权利要求24所述的具有内燃机的机动车，其中：所述机动车为商用车。
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