專利名稱：直接噴射式內(nèi)燃機(jī)及制造和操作該內(nèi)燃機(jī)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直接噴射式內(nèi)燃機(jī)、 一種操作它的方法以及一種 使常規(guī)柴油機(jī)改為以通過兩個(gè)單獨(dú)的燃料噴射閥直接噴射兩種不同燃 料的方式運(yùn)行以便能夠給該發(fā)動(dòng)機(jī)加一種燃料、另一種燃料或者兩種 燃料的組合為燃料的方法。
背景技術(shù)：
所謂的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)采用比奧托循環(huán)(火花點(diǎn)火式)發(fā)動(dòng)機(jī)高得 多的壓縮比。柴油機(jī)是最常見的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)。在柴油機(jī)的正常運(yùn)行 狀況下，在活塞的壓縮行程的末尾或末尾附近由燃料和空氣的混合物 的機(jī)械壓縮產(chǎn)生的熱量自動(dòng)點(diǎn)燃液體柴油。在這種發(fā)動(dòng)機(jī)中，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度低時(shí)，在起動(dòng)條件期間利用電熱塞(g 1 ow p 1 ug )提供點(diǎn)火輔助。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到正常的運(yùn)行狀況時(shí)，通常將電熱塞關(guān)閉。在本說明書中， "電熱塞"被定義為指在發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室內(nèi)用來輔助點(diǎn)燃燃料的任意類型的電力口熱熱表面元件(hot surface element)。體燃料。通過用氣體燃料替代諸如柴油之類的液體燃料，壓燃式發(fā)動(dòng) 機(jī)能夠在諸如氮氧化物(N0x)以及顆粒物質(zhì)(PM)之類的不希望的污 染物排放低得多的情況下運(yùn)行。全世界的政府正引入愈來愈嚴(yán)格的法 規(guī)，旨在通過規(guī)定越來越低的發(fā)動(dòng)機(jī)排放水平來在當(dāng)前和未來減少污染。在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒氣體燃料面臨的問題是雖然氣體燃料與 柴油相比通常是更清潔的燃燒，但是它們通常需要更高的溫度和壓力 來實(shí)現(xiàn)可靠的自燃。 一種方法是保持與常規(guī)的柴油機(jī)中的壓縮比相 同的壓縮比，并且提供一種用于在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)輔助點(diǎn)燃?xì)怏w燃料的 手段，諸如，例如，由可連續(xù)運(yùn)行的電熱塞提供的熱表面或引入到燃 燒室中的引燃燃料。當(dāng)使用引燃燃料時(shí)，引燃燃料是一種比氣體燃料 更易自燃的燃料，在此例子中該氣體燃料被稱為主燃料，這是由于當(dāng)以能量為基礎(chǔ)進(jìn)行測量時(shí)它通常代表被發(fā)動(dòng)機(jī)消耗的燃料的主要部 分。由于引燃燃料更易著火，因此它比主燃料在更低的溫度下自燃， 并且引燃燃料的著火引發(fā)氣體燃料的著火。與使用引燃燃料相關(guān)的難題在于將一種與主燃料不同的燃料加 入到系統(tǒng)，除了需要兩個(gè)單獨(dú)的燃料系統(tǒng)以外，該系統(tǒng)還受到物理約 束的挑戰(zhàn)，例如在燃燒室上方的氣缸蓋的防火板(firedeck)內(nèi)分配 空間以除了容納一個(gè)氣體(主)燃料閥以及一個(gè)常規(guī)的電熱塞以外， 還容納一個(gè)單獨(dú)的引燃燃料閥。由于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的最新趨勢已導(dǎo)致每 氣缸使用更多的進(jìn)氣閥和排氣閥，這一點(diǎn)可能特別困難。代替每氣缸 僅一個(gè)進(jìn)氣閥和一個(gè)排氣閥，當(dāng)前的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)采用總計(jì)至少三個(gè)或 四個(gè)進(jìn)氣閥和排氣岡，從而為安裝在氣缸蓋中的、諸如燃料噴射閥和 電熱塞之類的其他部件留下較少的空間。在使常規(guī)的柴油機(jī)改為以 一種主燃料和一種引燃燃料運(yùn)行時(shí)，優(yōu) 選地采用同樣數(shù)量的相同零件以減少開發(fā)和裝配成本以及保持規(guī)模經(jīng) 濟(jì)。因此，希望避免為容納單獨(dú)的引燃燃料和主燃料噴射閥而設(shè)計(jì)和 制造新的氣缸蓋的需要。 一種解決方案是利用能夠安裝在通常由常規(guī) 的柴油燃料噴射閥占用的相同的孔中并且能夠噴射主燃料和引燃燃料 的單個(gè)燃料噴射閥，例如，如共有的美國專利第5, 996, 558號(hào)、第 6, 073，862號(hào)、第6， 336，598號(hào)、第6, 439， 192號(hào)以及第6， 761， 325號(hào)所教導(dǎo)的。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，所謂的"雙燃料噴射器'，允許單 獨(dú)并獨(dú)立地噴射引燃燃料和主燃料，使得兩種燃料都能夠被直接引入 燃燒室中，同時(shí)該雙燃料噴射器占用通常由常規(guī)的柴油燃料噴射閥占 用的空間。雙燃料噴射器方法允許無實(shí)質(zhì)性改變地使用常規(guī)的氣缸蓋。 該解決方案能夠用于各種發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸，但相比于尺寸較小的發(fā)動(dòng)機(jī)， 其更適于尺寸較大的發(fā)動(dòng)機(jī)，這是因?yàn)樵诔叽巛^大的發(fā)動(dòng)機(jī)中有更多 的空間來容納一個(gè)雙燃料噴射器。但是，仍需要用于以與常規(guī)柴油機(jī)相同的動(dòng)力、性能和效率運(yùn)行 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的其他布置和方法。在本公開內(nèi)容中，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)被 定義為可以燃燒兩種不同燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)，在優(yōu)選的實(shí)施方案中，它可 以燃燒兩種燃料中的一種或者兩種燃料的組合。對于使用被直接噴射 到燃燒室中的引燃燃料的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，需要適合于包括尺寸較小的發(fā)動(dòng)機(jī)在內(nèi)的各種尺寸的發(fā)動(dòng)機(jī)的布置。在氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的例子中， 通過僅噴射引燃量的液體燃料，可以用更清潔的可燃?xì)怏w燃料替代以 滿足大部分的能量要求，從而減少排放。但是，如果在某些條件下能 夠利用不同于引入引燃燃料的方法來輔助點(diǎn)燃?xì)怏w燃料，那么在一些 工作模式下可以進(jìn)一步減少排放。本公開內(nèi)容涉及一種使用如下裝置來解決這些需求的新穎方案該裝置允許單獨(dú)并獨(dú)立地將兩種不同燃 料直接引入到發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室中，而不需要對氣缸蓋進(jìn)行任何實(shí)質(zhì)改 變。本公開內(nèi)容還涉及一種裝置和方法，該裝置和方法允許發(fā)動(dòng)機(jī)響 應(yīng)于實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況而以多種工作模式運(yùn)行，具有單獨(dú)燃燒或一起燃燒 兩種不同燃料的靈活性。發(fā)明內(nèi)容提供了一種內(nèi)燃機(jī)，該內(nèi)燃機(jī)可以僅加第一燃料為燃料，或者加 該第一燃料和第二燃料的組合為燃料，或者僅加第二燃料為燃料。該 發(fā)動(dòng)機(jī)包括下列部件，這些部件相互協(xié)作以在燃燒室中燃燒該第一燃 料和該第二燃料中的至少一種來產(chǎn)生機(jī)械功而不需要電熱塞的輔助點(diǎn)火 一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體，該發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體與在燃燒室內(nèi)可往復(fù)的活塞 以及蓋住與該活塞相對的燃燒室的一端的氣缸蓋一起限定燃燒室；一 個(gè)進(jìn)氣歧管，通過操作進(jìn)氣閥空氣能穿過該進(jìn)氣歧管流入燃燒室；一 個(gè)可操作地連接活塞和曲軸的活塞桿，由此活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)與曲軸的 旋轉(zhuǎn)相聯(lián)系； 一個(gè)第一燃料噴射岡，該第一燃料噴射閥置于氣缸蓋內(nèi)， 可操作來通過一個(gè)第一噴嘴將第一燃料直接噴射到燃燒室中； 一個(gè)不 同于第一燃料噴射閥的第二燃料噴射閥，該第二燃料噴射閥置于氣缸 蓋內(nèi)，可操作來通過一個(gè)第二噴嘴將第二燃料直接噴射到燃燒室中； 一個(gè)與進(jìn)氣歧管相關(guān)的點(diǎn)火輔助裝置，該點(diǎn)火輔助裝置能被啟動(dòng)以改 變該進(jìn)氣歧管內(nèi)的空氣的性質(zhì)來促進(jìn)被直接噴射到燃燒室中的第一或 第二燃料的點(diǎn)燃；以及一個(gè)電子控制器，該電子控制器可編程以響應(yīng) 于所測量的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況控制第一燃料噴射閥、第二燃料噴射閥以 及點(diǎn)火輔助裝置的運(yùn)行。點(diǎn)火輔助裝置的重要特征是不同于常規(guī)的電熱塞或火花塞，它 與進(jìn)氣歧管相關(guān)聯(lián)，而不是與燃燒室相關(guān)聯(lián)。這使得在燃燒室上方的氣缸蓋中可以有更多的空間用于安裝第 一和第二燃料噴射閥，由于該 第一和第二燃料噴射閥互不相同，因此這些燃料噴射閥需要兩個(gè)單獨(dú) 的安裝位置。點(diǎn)火輔助裝置可操作以改變進(jìn)氣歧管內(nèi)的空氣的性質(zhì)來 促進(jìn)被直接噴射到燃燒室中的第一或第二燃料的點(diǎn)燃。例如，點(diǎn)火輔助裝置可操作來提高進(jìn)氣的溫度，或者當(dāng)充氣(intake charge)在燃 燒室內(nèi)被壓縮和加熱時(shí)將一種有助于促進(jìn)燃燒的流體引入到進(jìn)氣中。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，點(diǎn)火輔助裝置是一個(gè)加熱器，該加熱 器當(dāng)被啟動(dòng)時(shí)可操作來加熱進(jìn)氣岐管內(nèi)的空氣，從而被改變的空氣的 性質(zhì)是其溫度。例如，該加熱器可以包括一個(gè)放置在進(jìn)氣歧管內(nèi)的電 阻加熱元件，或者可以包括一個(gè)燃燒器，該燃燒器可以在緊鄰進(jìn)氣歧 管的燃燒器燃燒室中燃燒氣體燃料。如果該加熱器是一個(gè)燃燒器，那 么該燃燒器可以可操作來將熾熱的燃燒產(chǎn)物從燃燒器燃燒室直接排入 進(jìn)氣歧管。在另一個(gè)實(shí)施方案中，點(diǎn)火輔助裝置可以是一個(gè)用于將一 種與第一或第二燃料相比在燃燒室中更易點(diǎn)燃的燃料引入進(jìn)氣歧管的 噴射閥。二曱醚是適于調(diào)節(jié)進(jìn)氣以使充氣準(zhǔn)備好點(diǎn)燃的燃料的一個(gè)例子。點(diǎn)火輔助裝置是加熱器的優(yōu)點(diǎn)在于不必向發(fā)動(dòng)機(jī)提供第三燃料。 由于這個(gè)原因，雖然本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解點(diǎn)火輔助裝置的其他實(shí)施 方案是可能的，但是在以下給出的優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述中以及附 圖中，點(diǎn)火輔助裝置被描述和圖示為一個(gè)加熱器。能量，所以所公開的發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施 方案中， 一種燃料是液體燃料而另一種燃料是氣體燃料，其中該氣體 燃料比該液體燃料燃燒更清潔，并且該液體燃料具有比該氣體燃料低 的自燃溫度。當(dāng)將兩種燃料都引入燃燒室時(shí)，液體燃料可以充當(dāng)引燃 燃料來點(diǎn)燃?xì)怏w燃料。在優(yōu)選的工作模式下，限制液體燃料的量，使 得按能量來說燃料的大部分是更清潔燃燒的氣體燃料。除了與被燃燒 的燃料中大部分是更清潔燃燒的氣體燃料相關(guān)的環(huán)境效益外，也可能 存在經(jīng)濟(jì)效益，這是因?yàn)楫?dāng)按能量計(jì)算燃料成本時(shí)，在許多市場中， 諸如天然氣之類的氣體燃料比諸如柴油之類的常規(guī)液體燃料更便宜。 第一和第二燃料噴射閥可以是適于對將燃料直接噴射到燃燒室中進(jìn)行調(diào)節(jié)的任意類型的閥，只要它們能被制造成具有使得它們能夠被安裝在氣缸蓋中可得到的孔中的尺寸。例如，如果向內(nèi)打開的閥針可 以提供所希望的性能特性，同時(shí)也滿足氣缸蓋中可用于安裝該閥的空 間所施加的尺寸約束，上述燃料噴射閥中的一個(gè)或兩個(gè)可以采用這種 岡。除了該公開的發(fā)動(dòng)機(jī)的兩個(gè)燃料噴射閥，現(xiàn)代的四沖程內(nèi)燃機(jī)通 常還能容納四個(gè)進(jìn)氣閥和排氣閥，在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，如果氣 缸蓋中沒有足夠的可用空間來容納帶向內(nèi)打開的閥針的燃料噴射閥， 上述燃料噴射閥中的至少一個(gè)可以是提升閥。相比于具有向內(nèi)打開的 閥針的閥，提升閥可以被制造得具有更小的外徑，并且如果上述燃料 噴射閥中的一個(gè)被安裝在通常由電熱塞占用的孔內(nèi)，這一點(diǎn)可能是有 利的。當(dāng)上述燃料噴射閥中的一個(gè)是提升閥時(shí)，可能希望將燃料噴束(fuel spray )分散，以便燃料被以煙縷(plume )的形式引入，與充 氣中的氧有更多的接觸界面，而不是被以錐形流幕(conical sheet) 的形式引入。為了將燃料噴束分成煙縷，可以在每個(gè)提升岡的端部上 方設(shè)置油嘴(nozzle tip)，該油嘴包括孔，從而燃料噴射煙縷(spray plume)可以通過提升閥被引入燃燒室。這種油嘴可以拆卸下來并且固 定到氣缸蓋，從而可將提升閥與該油嘴分開地從氣缸蓋拆卸。如果油 嘴被損壞、磨損或者阻塞，可能希望拆下并且清洗或者更換油嘴。在 優(yōu)選的實(shí)施方案中，油嘴可拆卸地固定到氣缸蓋。替代使用帶孔的油 嘴，提升閥還可以包括從提升閥端部突出的柱(post)，由此該柱延 伸到通過提升閥被引入燃燒室的燃料噴束的路徑中，從而將燃料噴束 分散以提供與充氣中的氧氣更多的接觸面。在又一個(gè)實(shí)施方案中，提 升閥可以包括一個(gè)i殳在閥桿和緊鄰閥座的閥體之間的凹槽氣室(fluted plenum)。該凹槽氣室將燃料引入氣室孔，以^便當(dāng)岡門打開 時(shí)，燃料以煙縷的形式流入燃燒室。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，電子控制器可編程來以多種可選的預(yù)定工 作模式中的一種運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)。該多種可選的預(yù)定工作模式中的每一種 確定電子控制器發(fā)送來操作第 一燃料噴射閥、第二燃料噴射閥以及點(diǎn) 火輔助裝置的命令。在一些發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況下，自動(dòng)點(diǎn)燃燃燒室中的 燃料可能不需要運(yùn)行點(diǎn)火輔助裝置。在一些實(shí)施方案中，會(huì)僅在諸如 冷起動(dòng)過程中之類的特殊運(yùn)行狀況下命令點(diǎn)火輔助裝置運(yùn)行。在其他實(shí)施方案中，電子控制器可被編程，以在進(jìn)氣歧管中的空氣溫度低于 預(yù)定值的任何時(shí)候運(yùn)行點(diǎn)火輔助裝置。在另一個(gè)實(shí)施方案中，如果點(diǎn) 火輔助裝置是一個(gè)加熱器，電子控制器還可被編程為參照發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線(engine map)和電子控制器接收到的數(shù)據(jù)輸入確定來自加熱器 的熱量輸入、第一燃料的量、第二燃料的量以及每個(gè)噴射事件的時(shí)間 選擇和持續(xù)時(shí)間，其中數(shù)據(jù)輸入包括測量的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)和操作者的輸入。在點(diǎn)火輔助裝置是加熱器的實(shí)施方案中，在起動(dòng)模式下，電 子控制器可被編程為在發(fā)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)之前打開加熱器以加熱進(jìn)氣歧管 中的空氣；通過第一燃料噴射閥將引燃量的第一燃料噴射到燃燒室中； 以及通過第二燃料噴射閥將主要量的第二燃料噴射到燃燒室中。如果加熱器是一個(gè)電阻加熱器，電子控制器優(yōu)選地被編程為在發(fā) 動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)之前關(guān)閉加熱器，以便在起動(dòng)期間電負(fù)荷不會(huì)過度。對于每個(gè)燃燒循環(huán)，預(yù)定工作模式確定是僅噴射第一燃料還是噴 射第一燃料與第二燃料的組合還是僅噴射第二燃料。預(yù)定工作模式還 確定是否運(yùn)行點(diǎn)火輔助裝置。電子控制器被編程為具有至少兩種工作 模式，其中在可選的預(yù)定工作模式中的至少一種模式下將第一和第二 燃料中的每一種都引入燃燒室中。電子控制器被編程以從中進(jìn)行選擇 的多個(gè)可選的預(yù)定工作模式包括下面的至少兩種工作模式l，其中 運(yùn)行點(diǎn)火輔助裝置并且命令第一燃料噴射閥和第二燃料噴射閥兩者都 打開；工作模式2，其中不運(yùn)行點(diǎn)火輔助裝置并且命令第一燃料噴射 閥和第二燃料噴射閥兩者都打開；工作模式3，其中運(yùn)行點(diǎn)火輔助裝 置，保持第一燃料噴射岡關(guān)閉而命令第二燃料噴射閥打開；工作模式 4,其中不運(yùn)行點(diǎn)火輔助裝置，保持第一燃料噴射閥關(guān)閉而命令第二燃 料噴射岡打開；工作模式5，其中運(yùn)行點(diǎn)火輔助裝置，命令第一燃料 噴射閥打開而保持第二燃料噴射閥關(guān)閉；以及工作模式6，其中不運(yùn) 行點(diǎn)火輔助裝置，命令第一燃料噴射閥打開而保持第二燃料噴射閥關(guān) 閉。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，當(dāng)起動(dòng)內(nèi)燃機(jī)時(shí)，電子控制器可以被 編程以運(yùn)行點(diǎn)火輔助裝置作為預(yù)定起動(dòng)序列的一部分。起動(dòng)后，電子 控制器可被編程為響應(yīng)于所測得的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)和操作者的輸入在 工作模式2和工作模式6之間進(jìn)行選擇。還公開了一種制造包括至少一個(gè)燃燒室的內(nèi)燃機(jī)的方法，該燃燒 室由設(shè)在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體內(nèi)的氣缸孔、在該氣缸孔內(nèi)可往復(fù)的活塞以及 蓋在該氣缸孔的與活塞相對的一端的氣缸蓋限定，其中該氣缸蓋包括 一個(gè)適于容納常規(guī)的柴油燃料噴射閥的第一孔和一個(gè)適于容納電熱塞的第二孔。該方法包括將第一燃料噴射閥安裝在氣缸蓋中的第一和 第二孔之一中；將第二燃料噴射閥安裝在氣缸蓋中的第一和第二孔中 的沒有被第一燃料噴射閥占用的一個(gè)中；將點(diǎn)火輔助裝置安裝在進(jìn)氣 歧管中，空氣在到燃燒室的途中可通過該進(jìn)氣歧管流動(dòng)；以及將電子 控制器編程為以多種工作模式中的一種操作發(fā)動(dòng)機(jī)，其中在至少一種 工作模式下第一燃料和第二燃料可直接噴射到燃燒室中，在另一種工 作模式下僅第一燃料可直接噴射到燃燒室中，并且在所有的工作模式 下電子控制器被編程為響應(yīng)于預(yù)定的運(yùn)行狀況打開點(diǎn)火輔助裝置來幫 助促進(jìn)燃燒室中的燃燒。如果第二燃料在燃燒室內(nèi)可自燃而不需要第一燃料的點(diǎn)火輔助， 制造發(fā)動(dòng)機(jī)的該方法還可以包括將電子控制器編程為檢測第二燃料不 需要第一燃料的輔助即可自燃的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況，以便當(dāng)檢測到這種 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況時(shí)，將電子控制器編程為選擇一種保持第一燃料噴射 閥關(guān)閉而打開第二燃料噴射閥的工作模式。當(dāng)?shù)谝蝗剂鲜遣裼腿剂希?第二燃料是更清潔燃燒的氣體燃料時(shí)，在一些工作模式下該特征使得 發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在不燃燒任何柴油燃料的情況下運(yùn)行，從而減少發(fā)動(dòng)機(jī)排 放。在一個(gè)優(yōu)選的制造方法中，利用多個(gè)用來制造常規(guī)柴油機(jī)的相同零件，諸如發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體、氣缸蓋、活塞以及其他主要部件，制造內(nèi)燃機(jī)。第一燃料是液體燃料，第二燃料是氣體燃料，并且通過采用這種方法，電熱塞被除去或者不被安裝，并且發(fā)動(dòng)機(jī)被制得可作為具有 液體引燃燃料點(diǎn)火輔助的氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行。公開了一種操作內(nèi)燃機(jī)的方法，該內(nèi)燃機(jī)可以僅加第一燃料為燃 料或者加該第一燃料和一第二燃料的組合為燃料。該方法包括通過 預(yù)熱進(jìn)氣歧管內(nèi)的空氣預(yù)先調(diào)節(jié)該空氣，或者通過操作一個(gè)與進(jìn)氣歧 管相關(guān)的點(diǎn)火輔助裝置噴射一種點(diǎn)火輔助流體來促進(jìn)燃燒室內(nèi)的第一 或第二燃料自燃；通過第一燃料噴射閥將第一燃料直接引入燃燒室；通過第二燃料噴射閥將第二燃料直接引入燃燒室；以及選擇多種預(yù)定 工作模式中的一種以確定何時(shí)預(yù)調(diào)節(jié)空氣，何時(shí)引入第一燃料，以及 何時(shí)引入第二燃料，其中響應(yīng)于所測得的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況和操作者的 輸入作出這些確定。在一個(gè)優(yōu)選的方法中，多種工作模式中的一種是用于起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī) 的起動(dòng)模式。在起動(dòng)模式下，該方法還可以包括測量發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度; 如果發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度低于一個(gè)預(yù)定值，在發(fā)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)之前打開點(diǎn)火輔助 裝置以預(yù)調(diào)節(jié)進(jìn)氣歧管內(nèi)的空氣；參照電子控制器接收的數(shù)據(jù)輸入以 及發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線，確定第一燃料的量和第二燃料的量以及開始和結(jié) 束各個(gè)噴射事件的時(shí)間選擇，該數(shù)據(jù)輸入包括測得的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù) 和操作者的輸入；通過第一燃料噴射閥將第一燃料直接引入燃燒室； 以及通過第二燃料噴射閥將第二燃料直接引入燃燒室。在一個(gè)優(yōu)選的 方法中，點(diǎn)火輔助裝置是一個(gè)加熱器，并且在起動(dòng)模式下，該方法還 包括在發(fā)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)之前關(guān)閉加熱器。在優(yōu)選的方法中，在多種可選的預(yù)定工作模式中的至少一種模式 下，第一和第二燃料中的每一種都被引入燃燒室，該多種可選的預(yù)定 工作模式包括下面的至少兩種第一工作模式，其中運(yùn)行點(diǎn)火輔助裝 置并且將第一燃料和第二燃料兩者都直接引入燃燒室；第二工作模式， 其中不運(yùn)行點(diǎn)火輔助裝置并且將第一燃料和第二燃料兩者都直接引入 燃燒室；第三工作模式，其中運(yùn)行點(diǎn)火輔助裝置，保持第一燃料噴射 閥關(guān)閉而將第二燃料直接引入燃燒室；第四工作模式，其中不運(yùn)行點(diǎn) 火輔助裝置，保持第一燃料噴射閥關(guān)閉而將第二燃料直接引入燃燒室； 第五工作模式，其中運(yùn)行點(diǎn)火輔助裝置，將第一燃料直接引入燃燒室 而保持第二燃料噴射閥關(guān)閉；以及第六工作模式，其中不運(yùn)行點(diǎn)火輔 助裝置，將第一燃料直接引入燃燒室而保持第二燃料噴射閥關(guān)閉。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)正運(yùn)行在不運(yùn)行點(diǎn)火輔助裝置的模式下時(shí)，該方法還可 以包括當(dāng)進(jìn)氣歧管內(nèi)的空氣溫度低于一個(gè)預(yù)定的固定值時(shí)改變工作 模式并且運(yùn)行點(diǎn)火輔助裝置。代替預(yù)定的固定值，該方法可以包括 當(dāng)進(jìn)氣歧管內(nèi)的空氣溫度低于一個(gè)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線確定的預(yù)定值 時(shí)改變工作模式并且運(yùn)行點(diǎn)火輔助裝置。即，用于觸發(fā)點(diǎn)火輔助裝置 運(yùn)行的閾值溫度可以依賴于所選擇的工作模式和發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線上的當(dāng)前工作點(diǎn)而不同。如果點(diǎn)火輔助裝置是一個(gè)加熱器，該方法還可以包括通過控制來 自加熱器的熱量輸出來調(diào)節(jié)進(jìn)氣歧管內(nèi)的空氣溫度。例如，如果加熱 器包括一個(gè)置于進(jìn)氣歧管內(nèi)的電阻元件，該方法還可以包括控制傳遞 到電阻元件的電流以控制來自加熱器的熱量輸出。如果加熱器包括一 個(gè)加氣體燃料為燃料的燃燒器，該方法還可以包括調(diào)節(jié)氣體燃料向燃 燒器的流動(dòng)以控制來自加熱器的熱量輸出。如果點(diǎn)火輔助裝置是一個(gè)燃燒器，該方法還可以包括將熾熱的燃 燒產(chǎn)物從燃燒器直接釋放到進(jìn)氣歧管中。在優(yōu)選的方法中，燃料中的一種是選自天然氣、甲烷、乙烷、液化石油氣、較輕的可燃的烴的f;r生物、氫氣以及它們的混合物的氣體 燃料。"氣體"燃料在此被定義為指在內(nèi)燃機(jī)中可燃燒并且在進(jìn)入燃 燒室時(shí)處于氣相的燃料。通常，兩種燃料中的一種具有比另一種低的自燃溫度。如果第一 燃料具有比第二燃料低的自燃溫度，第一燃料可以是選自柴油燃料、 二曱醚、生物柴油、煤油以及它們的混合物的液體燃料。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，第一燃料是一種十六烷值大于或等于40的液體燃料。該方法還可以包括將由燃燒室內(nèi)的燃燒產(chǎn)生的廢氣再循環(huán)回燃燒室。


圖i是發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣歧管和燃燒室的示意圖，示出了置于進(jìn)氣歧 管內(nèi)的加熱器以及單獨(dú)安裝在燃燒室上方的氣缸蓋內(nèi)的第一燃料噴射 閥和第二燃料噴射閥。圖2示出了從燃燒室內(nèi)向上看觀察到的、燃燒室上方的氣缸蓋。圖3是帶凹槽閥桿的燃料噴射閥的橫截面的軸視圖，該凹槽閥桿 提供用于將燃料分成分開的噴射流(spray jet)的通道。圖4是用于提升型燃料噴射閥的油嘴的側(cè)視圖，該提升型燃料噴 射閥具有從油嘴延伸的柱以將燃料噴束分散成煙縷。圖5是用于提升型燃料噴射閥的半球形油嘴的側(cè)視圖，該提升型 燃料噴射閥具有用于將燃料以煙縷的形式引入到燃燒室中的孔。圖6是一個(gè)流程圖，該流程解了用于通過將液體和氣體燃料 直接噴射到帶有一個(gè)用于預(yù)熱進(jìn)氣的加熱器的燃燒室中來起動(dòng)內(nèi)燃機(jī) 的控制策略。圖7至9是流程圖，每個(gè)流程解了用于通過將液體和氣體燃 料直接噴射到帶有一個(gè)用于預(yù)熱進(jìn)氣的加熱器的燃燒室中來選擇內(nèi)燃 機(jī)工作模式的控制策略的一個(gè)不同實(shí)施方案。
具體實(shí)施方式
在圖解所公開的發(fā)動(dòng)機(jī)的有形(physical)實(shí)施方案的各個(gè)圖中， 利用以增量100增加的相似參考數(shù)字指代示出的不同實(shí)施方案中名稱 相同的特征。圖1的示意圖示出了內(nèi)燃機(jī)的部分進(jìn)氣歧管以及燃燒室。所公開 的發(fā)動(dòng)機(jī)可以僅加液體燃料為燃料，或加氣體燃料和液體燃料的組合 為燃料，或僅加氣體燃料為燃料。與常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)相同，發(fā)動(dòng)機(jī)部件相 互協(xié)作以在燃燒室中燃燒燃料來產(chǎn)生機(jī)械功，但是該當(dāng)前公開的發(fā)動(dòng) 機(jī)不需要電熱塞來運(yùn)行。代替電熱塞，點(diǎn)火輔助裝置與進(jìn)氣歧管相關(guān) 聯(lián)，從而可以啟動(dòng)點(diǎn)火輔助裝置來促進(jìn)燃燒室中的、導(dǎo)致被直接噴射 的燃料被點(diǎn)燃的條件。圖1是該被公開的系統(tǒng)的圖解，但是部件不是按比例繪制的。發(fā) 動(dòng)機(jī)氣缸體102、活塞104以及氣缸蓋106共同限定燃燒室108的邊 界。類似于常規(guī)的內(nèi)燃機(jī)，活塞桿(未示出)可操作地連接到活塞104 和曲軸，從而活塞104的往復(fù)運(yùn)動(dòng)與曲軸的旋轉(zhuǎn)相聯(lián)系。通過進(jìn)氣歧 管110和進(jìn)氣閥112將進(jìn)氣導(dǎo)入燃燒室108。在圖1示出的實(shí)施方案中，該點(diǎn)火輔助裝置是加熱器114。加熱 器114運(yùn)行來加熱進(jìn)氣歧管110內(nèi)的空氣。如圖1所示，例如，加熱 器114可以包括置于進(jìn)氣歧管110內(nèi)的、用于與進(jìn)氣直接接觸的電阻 加熱元件116。在另一個(gè)實(shí)施方案(未示出)中，加熱器ll4可以包 括一個(gè)以與發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的氣體燃料相同的氣體燃料作為燃料的燃燒 器。在這種布置中，燃燒器可以包括一個(gè)緊鄰進(jìn)氣歧管110但不在該 進(jìn)氣歧管內(nèi)的燃燒器燃燒室以及用于將熱的燃燒產(chǎn)物釋放到進(jìn)氣歧管 110中的燃燒器排氣口。燃燒器的優(yōu)點(diǎn)是，它在起動(dòng)時(shí)減少了電池的電負(fù)荷。由于多種原因，加熱器114不是如在每個(gè)氣缸中安裝的電熱塞一 樣有效。例如，在加熱器114和燃燒室108之間存在一些熱消散，因 此與加熱電熱塞以在燃燒室108內(nèi)提供一個(gè)燃料可以被導(dǎo)向其的熱表 面來促進(jìn)點(diǎn)火所需的能量相比，將進(jìn)氣歧管110中的空氣加熱到會(huì)促 進(jìn)點(diǎn)火的溫度需要更多的能量。而且，通過加熱進(jìn)氣歧管110內(nèi)的空 氣，熱空氣會(huì)膨脹并且較少的空氣可以被引入燃燒室108。因此，在 常規(guī)的柴油機(jī)中，上述這些是當(dāng)柴油不能自燃時(shí)在起動(dòng)時(shí)使用電熱塞 而不用進(jìn)氣歧管加熱器來輔助點(diǎn)火的部分原因。在該當(dāng)前公開的發(fā)明 中，所有這些缺點(diǎn)仍然是與使用進(jìn)氣歧管加熱器相關(guān)的缺點(diǎn)。但是， 與常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)不同，使用該當(dāng)前公開的發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，這些缺點(diǎn)被該當(dāng)前 公開的發(fā)動(dòng)機(jī)所取得的優(yōu)點(diǎn)抵消了 ，該當(dāng)前公開的發(fā)動(dòng)機(jī)能夠僅燃燒 第一燃料，或者燃燒第一燃料和第二燃料的組合，或者僅燃燒第二燃 料，而不需要電熱塞的點(diǎn)火輔助。去掉電熱塞提供了用于安裝第二燃 料噴射閥的空間，使得在氣缸蓋106中可以為每個(gè)燃燒室安裝兩個(gè)燃 料噴射閥，而不需要一個(gè)專門設(shè)計(jì)的氣缸蓋或者對常規(guī)的氣缸蓋進(jìn)行 大的改變。盡管加熱器114比電熱塞效率低，但是加熱器114僅需在 發(fā)動(dòng)機(jī)處于起動(dòng)工作模式時(shí)或者進(jìn)氣溫度低于預(yù)定值時(shí)使用。通常，度，即可以關(guān)閉加熱器114,因?yàn)槿紵臍堄酂崃恳约吧现裹c(diǎn)附近的 正常缸內(nèi)工作溫度可以熱到足以自動(dòng)點(diǎn)燃兩種被直接噴射的燃料中的至少一種，這又可以導(dǎo)致另一種燃料被點(diǎn)燃。另外，由于加熱器114僅需在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)以及可選地在諸如怠 速或低負(fù)荷條件之類的特定預(yù)定條件下被正常使用，因此被加熱的空 氣的密度低導(dǎo)致空氣質(zhì)量流量減少不是不利因素。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷 工作狀況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)需要較高的空氣質(zhì)量流量，但在這些條件下，燃燒 室中產(chǎn)生的熱量通常足以使得不必預(yù)熱進(jìn)氣。在低負(fù)荷以及怠速的條 件下，由于被燃燒的燃料的量較少，所以燃燒熱可以相對較低，并且 利用該公開的發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠啟動(dòng)加熱器來升高燃燒室中的溫度，以改 善燃燒以及減少排放。因此，該公開的發(fā)動(dòng)機(jī)的性能不受預(yù)熱進(jìn)氣對 進(jìn)入燃燒室的空氣質(zhì)量單位流量的作用的影響。因此，雖然加熱器114可能不是常規(guī)柴油機(jī)中電熱塞的理想替代 物，但對于該當(dāng)前公開的發(fā)動(dòng)機(jī)，它是一個(gè)有利的解決方案，因?yàn)樗?使得兩個(gè)單獨(dú)的燃料噴射閥可以均被安裝在原先被設(shè)計(jì)為僅容納 一個(gè) 燃料噴射閥和一個(gè)電熱塞的氣缸蓋中。該公開的發(fā)動(dòng)機(jī)布置對從一開 始就被作為雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的新型發(fā)動(dòng)機(jī)也是有利的，這是因?yàn)樵?公開的發(fā)動(dòng)機(jī)布置簡化了氣缸蓋的設(shè)計(jì)，否則可能要求該氣缸蓋除了 容納一個(gè)電熱塞或火花塞之外，還容納兩個(gè)燃料噴射閥?？梢酝ㄟ^第一燃料噴射閥122將第一燃料直接噴射到燃燒室108 中?？梢酝ㄟ^第二燃料噴射閥120將第二燃料直接噴射到燃燒室108 中。兩個(gè)燃料噴射閥都被安裝在氣缸蓋106中。如上面在關(guān)于加熱器 114的討論中指出的，通過去掉電熱塞以及用諸如加熱器114之類的 點(diǎn)火輔助裝置代替以通過預(yù)熱進(jìn)氣歧管110中的空氣來在起動(dòng)階段輔 助點(diǎn)火，使得可以安裝與每個(gè)燃燒室相關(guān)聯(lián)的兩個(gè)燃料噴射閥并且使 用為柴油機(jī)設(shè)計(jì)的常規(guī)氣缸蓋。與能夠噴射氣體燃料和液體燃料的單個(gè)雙燃料噴射器相比，具有 兩個(gè)單獨(dú)的燃料噴射閥的優(yōu)點(diǎn)是，燃料供應(yīng)系統(tǒng)可以被完全分離。使 用一個(gè)雙燃料噴射器時(shí)，因?yàn)榇嬖诨顒?dòng)零件以及兩種類型的燃料，所 以需要諸如流體密封之類的動(dòng)密封來保持氣體和液體燃料分開。為了 減少雙燃料噴射閥中的滲漏，希望基本平衡氣體燃料和液體燃料的壓 力。使用該當(dāng)前公開的布置，可以有單獨(dú)的氣體和液體燃料噴射闊， 使得可以基于運(yùn)行要求選擇氣體和液體燃料的壓力。在液體燃料的情 況下，運(yùn)行要求例如可以包括霧化燃料所需的壓力。在氣體燃料的情 況下，運(yùn)行要求例如可以包括以所希望的質(zhì)量單位流量以及燃料噴射 速度引入所希望量的燃料所需的壓力，因?yàn)榭梢钥刂七@一點(diǎn)來促進(jìn)燃 料進(jìn)入燃燒室108以及紊流(turbulence)和在燃燒室中混合。另外，兩個(gè)單獨(dú)的燃料噴射閥的設(shè)計(jì)比分開并獨(dú)立地噴射氣體燃 料和液體燃料的單個(gè)燃料噴射閥的設(shè)計(jì)簡單。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料要求， 通過進(jìn)行較小的改變，或者完全不用進(jìn)行任何改變，即可以利用目前 大規(guī)模生產(chǎn)的燃料噴射閥。因此，制造該當(dāng)前公開的發(fā)動(dòng)機(jī)可以比制 造采用單個(gè)專門設(shè)計(jì)的雙燃料噴射閥的發(fā)動(dòng)機(jī)廉價(jià)。在一個(gè)實(shí)施方案中，第一燃料噴射閥122和第二燃料噴射閥120中的至少一個(gè)是提升閥(也稱作向外打開的4十式閥(outward opening pintle valve))。這種提升閥可以被制成具有適于安裝在通常用來容 納電熱塞的氣缸蓋孔中的尺寸。在圖l的簡化圖解中，雖然未示出排氣系統(tǒng)，但與常規(guī)的發(fā)動(dòng)機(jī) 一樣，通過排氣閥和排氣歧管排放燃燒產(chǎn)物。該公開的發(fā)動(dòng)機(jī)可以利 用 一個(gè)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，例如共有的已公布的2008年11月26日 申請日期2006年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月18日
發(fā)明者D·A·盧, J·V·佩爾 申請人:西港能源有限公司