本發(fā)明涉及供應(yīng)氣體燃料的內(nèi)燃機(jī)。具體地，本發(fā)明涉及一種供應(yīng)氣體燃料的內(nèi)燃機(jī)，該類(lèi)型的內(nèi)燃機(jī)包括一個(gè)或更多個(gè)氣缸和在氣缸中在上止點(diǎn)(tdc)和下止點(diǎn)(bdc)之間滑動(dòng)并可操作地連接到曲柄軸的相應(yīng)活塞，所述發(fā)動(dòng)機(jī)被配置成在每個(gè)氣缸的每個(gè)工作循環(huán)期間致動(dòng)隨后的進(jìn)氣、壓縮、膨脹和排氣階段，其中，對(duì)于每個(gè)氣缸，所述發(fā)動(dòng)機(jī)包括：-第一進(jìn)氣導(dǎo)管和第二進(jìn)氣導(dǎo)管，該第一進(jìn)氣導(dǎo)管和第二進(jìn)氣導(dǎo)管通向氣缸并且兩者都與同一進(jìn)氣歧管連通，以便接收相同壓力的空氣，-第一進(jìn)氣閥和第二進(jìn)氣閥，該第一進(jìn)氣閥和第二進(jìn)氣閥與氣缸相關(guān)聯(lián)，以在氣缸的每個(gè)工作循環(huán)期間分別控制從第一進(jìn)氣導(dǎo)管以及從第二進(jìn)氣導(dǎo)管進(jìn)入氣缸的進(jìn)氣流動(dòng)，-所述第一進(jìn)氣閥的和所述第二進(jìn)氣閥的致動(dòng)裝置，用于在氣缸的每個(gè)工作循環(huán)期間控制所述第一進(jìn)氣閥和所述第二進(jìn)氣閥的打開(kāi)運(yùn)動(dòng)以及隨后的關(guān)閉運(yùn)動(dòng)，以及-氣體燃料供應(yīng)系統(tǒng)，該氣體燃料供應(yīng)系統(tǒng)包括與每個(gè)氣缸相關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)噴射器，用于在氣缸的每個(gè)工作循環(huán)期間將氣體燃料直接噴射到相應(yīng)的氣缸中或者噴射到與相應(yīng)的氣缸相關(guān)聯(lián)的進(jìn)氣導(dǎo)管中。

背景技術(shù)：

1、在上述類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機(jī)中，存在要避免進(jìn)氣導(dǎo)管中的回火現(xiàn)象和燃燒室中的爆震和/或提前點(diǎn)火現(xiàn)象的問(wèn)題。

2、解決這個(gè)問(wèn)題的一種已知方法是在進(jìn)氣沖程開(kāi)始時(shí)使用不可燃的氣體(新鮮空氣)冷卻殘留在氣缸和燃燒室的最熱表面(例如靠近排氣閥的表面)的廢氣。這防止可燃的混合物處于高溫環(huán)境中，高溫環(huán)境可能產(chǎn)生提前點(diǎn)火，和/或防止在由火花塞電極觸發(fā)的燃燒期間，對(duì)應(yīng)于燃燒室的所謂“熱點(diǎn)”形成其它點(diǎn)火點(diǎn)，從而導(dǎo)致不規(guī)則燃燒。

3、此外，如果燃料是氫氣，其特征在于能夠在極其稀薄的混合物中以及在非常有限的空間(比如在氣缸、活塞環(huán)和活塞之間限定的體積)中燃燒，則可能發(fā)生燃燒沒(méi)有完成，并且可能在進(jìn)氣沖程期間觸發(fā)進(jìn)入的混合物的燃燒，以及隨后朝向進(jìn)氣導(dǎo)管的回火：同樣在這種情況下，在將燃料引入進(jìn)氣導(dǎo)管之前，新鮮空氣的高速運(yùn)動(dòng)(特別是渦流運(yùn)動(dòng))可能熄滅這些殘余燃燒。

4、消除回火的另一種方法是當(dāng)進(jìn)氣閥關(guān)閉時(shí)，將氣體燃料直接噴射(或di)到燃燒室中，而不是端口燃料噴射(或pfi)：這種策略可以避免朝向進(jìn)氣歧管回火，但是它可能不足以確保間隙中殘余燃燒的熄滅和排氣閥的冷卻。

5、即使在超稀薄燃燒的情況下，這對(duì)于提高熱效率是有用的，在pfi的情況下和在di的情況下，也可能發(fā)生不點(diǎn)火現(xiàn)象，導(dǎo)致在隨后的空氣和燃料進(jìn)氣沖程期間不希望的回火或點(diǎn)火。

6、如果氣體燃料是氫氣，還應(yīng)該考慮到最小點(diǎn)火能量比汽油低十倍左右。這一特性，加上氫氣在較寬的可燃性范圍內(nèi)燃燒的趨勢(shì)和高擴(kuò)散性，決定了進(jìn)氣導(dǎo)管中回火的風(fēng)險(xiǎn)急劇增加。因此，通常對(duì)汽油或天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)有效的對(duì)策在發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)氫氣的情況下可能無(wú)效。

7、此外，供應(yīng)氫氣的發(fā)動(dòng)機(jī)需要以超稀薄劑量運(yùn)行，以避免氮氧化物排放和爆震現(xiàn)象(由于氫氣的低點(diǎn)火能量)。稀薄混合物的燃燒通常較慢，這意味著當(dāng)進(jìn)氣閥打開(kāi)時(shí)，氣缸中可能仍有一些空氣和未燃燒的燃料，這導(dǎo)致回火。如果發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷或進(jìn)氣節(jié)流的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)，則這種情況更有可能發(fā)生。在這種情況下，進(jìn)氣導(dǎo)管中的壓力低于燃燒室中的壓力，并且部分廢氣和未燃燒的氫氣可能回流到進(jìn)氣導(dǎo)管中。

8、在文獻(xiàn)us?7,980,220?b2中已經(jīng)提出了解決這個(gè)問(wèn)題的嘗試。這種已知的解決方案提供了上述類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機(jī)，每個(gè)氣缸具有兩個(gè)進(jìn)氣導(dǎo)管和兩個(gè)相應(yīng)的進(jìn)氣閥。氫氣的噴射僅在兩個(gè)進(jìn)氣導(dǎo)管中的一個(gè)中進(jìn)行。至少在較高的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和速度下，在氣缸的每個(gè)工作循環(huán)期間，控制噴射氫氣的進(jìn)氣導(dǎo)管的進(jìn)氣閥相對(duì)于另一個(gè)進(jìn)氣閥延遲打開(kāi)。以這種方式，在只有與噴射器不相關(guān)聯(lián)的進(jìn)氣導(dǎo)管的進(jìn)氣閥打開(kāi)的階段，僅新鮮空氣進(jìn)入燃燒室。理論上，由于在進(jìn)氣沖程的第一部分引入新鮮空氣進(jìn)行冷卻，這種解決方案應(yīng)該消除回火的風(fēng)險(xiǎn)。然而，這種類(lèi)型的解決方案并不完全令人滿意，因?yàn)樯鲜隼鋮s僅在進(jìn)氣沖程的較短的第一部分期間獲得：事實(shí)上，一旦第二閥打開(kāi)，則由第二閥引入的氣流抵消渦流運(yùn)動(dòng)和熱點(diǎn)冷卻。

9、文獻(xiàn)us2012/023935?a1和jp?s60?212619a公開(kāi)了供應(yīng)液體燃料的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，其中每個(gè)氣缸具有兩個(gè)進(jìn)氣閥，這兩個(gè)進(jìn)氣閥在發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)工作循環(huán)期間具有不同的打開(kāi)時(shí)間。

10、發(fā)明目的

11、本發(fā)明的目的是提供一種供應(yīng)氣體燃料的內(nèi)燃機(jī)，其中回火的風(fēng)險(xiǎn)大大降低。

12、另一個(gè)目的是提供一種供應(yīng)氣體燃料(特別是氫氣)的內(nèi)燃機(jī)，其中爆震和提前點(diǎn)火(所謂的“大爆震”現(xiàn)象)的風(fēng)險(xiǎn)也大大降低。

13、具體地，本發(fā)明旨在提供一種供應(yīng)氣體燃料的內(nèi)燃機(jī)，該內(nèi)燃機(jī)能夠：

14、·有效冷卻燃燒室中的熱點(diǎn)(以避免爆震和大爆震)；

15、·防止燃料流動(dòng)到進(jìn)氣歧管(以避免回火)。

16、此外，本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種供應(yīng)氣體燃料的內(nèi)燃機(jī)，在該內(nèi)燃機(jī)中，氮氧化物排放顯著減少，還使得可以利用氣缸中湍流動(dòng)能的增加以超稀薄劑量運(yùn)行，從而引起燃料-空氣混合物的更好的均勻性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)或更多個(gè)上述目的，本發(fā)明涉及一種供應(yīng)氣體燃料的內(nèi)燃機(jī)，該內(nèi)燃機(jī)的類(lèi)型在本說(shuō)明書(shū)的開(kāi)頭指出，其特征還在于：

2、-第一進(jìn)氣閥的和第二進(jìn)氣閥的致動(dòng)裝置被配置成在氣缸的每個(gè)工作循環(huán)中，至少在發(fā)動(dòng)機(jī)的某些工作條件下，僅控制所述第一進(jìn)氣閥的第一打開(kāi)運(yùn)動(dòng)和隨后的關(guān)閉運(yùn)動(dòng)，同時(shí)第二進(jìn)氣閥保持關(guān)閉，并且然后僅控制第二進(jìn)氣閥的打開(kāi)運(yùn)動(dòng)和隨后的關(guān)閉運(yùn)動(dòng)，同時(shí)第一進(jìn)氣閥保持關(guān)閉，并且

3、-氣體燃料供應(yīng)系統(tǒng)被配置成使得：

4、-在每個(gè)氣缸的每個(gè)工作循環(huán)中，當(dāng)?shù)谝贿M(jìn)氣閥打開(kāi)時(shí)，不供應(yīng)氣體燃料，

5、-在氣缸的每個(gè)工作循環(huán)中，僅當(dāng)?shù)诙M(jìn)氣閥打開(kāi)時(shí)，氣體燃料被直接供應(yīng)到氣缸中或者供應(yīng)到與氣缸相關(guān)聯(lián)的所述第二進(jìn)氣導(dǎo)管中。

6、由于上述特征，對(duì)于第一進(jìn)氣閥的整個(gè)打開(kāi)階段，氣缸僅接收新鮮空氣。在第一進(jìn)氣閥的打開(kāi)期間引入到氣缸中的空氣流動(dòng)的渦流運(yùn)動(dòng)對(duì)冷卻燃燒室中的熱點(diǎn)具有強(qiáng)烈的積極作用，減少了爆震的趨勢(shì)。爆震風(fēng)險(xiǎn)的降低允許以更高的壓縮比運(yùn)行，這對(duì)于指示的熱效率有積極的益處。同樣強(qiáng)烈的渦流運(yùn)動(dòng)還具有熄滅任何殘留在活塞和氣缸之間的間隙中的氫氣燃燒的意義，從而避免回火和/或提前點(diǎn)火現(xiàn)象。

7、在端口燃料噴射(pfi)的情況下，在第一進(jìn)氣閥關(guān)閉之后由第二進(jìn)氣閥的打開(kāi)產(chǎn)生的高壓力梯度避免了氣體燃料回流到進(jìn)氣歧管中，并降低了回火的風(fēng)險(xiǎn)。

8、相反，在將氣體燃料直接噴射到燃燒室中的情況下，第一進(jìn)氣閥和第二進(jìn)氣閥在后續(xù)階段的打開(kāi)產(chǎn)生了空氣流動(dòng)的渦流運(yùn)動(dòng)和滾流運(yùn)動(dòng)的組合，這降低了氣體燃料在供應(yīng)導(dǎo)管中回流的風(fēng)險(xiǎn)，從而降低了回火的風(fēng)險(xiǎn)。

9、此外，在進(jìn)氣沖程結(jié)束時(shí)，由于兩個(gè)進(jìn)氣閥在單獨(dú)的和隨后的階段中打開(kāi)，可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)調(diào)節(jié)的渦流運(yùn)動(dòng)對(duì)空氣/燃料混合物的均勻性具有顯著的影響，使得氮氧化物排放減少，并且對(duì)燃燒期間的熱損失的減少具有顯著的影響(相反，在燃燒期間，過(guò)高的渦流會(huì)由于流動(dòng)與燃燒室的壁的接觸而增加熱損失)。

10、申請(qǐng)人的研究和經(jīng)驗(yàn)表明，發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)氣缸的兩個(gè)進(jìn)氣閥在隨后的時(shí)間的打開(kāi)通常允許調(diào)節(jié)燃燒室內(nèi)進(jìn)行的宏觀運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度，即所謂的渦流(圍繞氣缸軸線旋轉(zhuǎn)的氣流)、滾流(圍繞垂直于氣缸軸線的軸線旋轉(zhuǎn)的氣流)、交叉滾流(圍繞垂直于氣缸軸線且垂直于滾流的軸線旋轉(zhuǎn)的氣流)運(yùn)動(dòng)，以便在燃料直接噴射到燃燒室的情況下有助于充氣的均勻性，并在氮氧化物排放方面有益。上述優(yōu)點(diǎn)源于這樣的事實(shí)，即兩個(gè)進(jìn)氣導(dǎo)管在相對(duì)于氣缸軸線的切線方向流入氣缸中。在進(jìn)氣沖程的初始階段，當(dāng)活塞大約在tdc時(shí)開(kāi)始，只有第一進(jìn)氣閥打開(kāi)。通過(guò)第一進(jìn)氣導(dǎo)管引入氣缸中的空氣流動(dòng)產(chǎn)生包括高渦流分量以及滾流分量和交叉滾流分量的流體動(dòng)力場(chǎng)。在第一進(jìn)氣閥關(guān)閉之后，這發(fā)生在活塞已經(jīng)完成其進(jìn)氣沖程的2/3之前，第二進(jìn)氣閥打開(kāi)，結(jié)合燃料噴射到進(jìn)氣導(dǎo)管中；這產(chǎn)生了雙重效果：

11、1)產(chǎn)生了流動(dòng)場(chǎng)，該流動(dòng)場(chǎng)與由第一進(jìn)氣閥的打開(kāi)產(chǎn)生的渦流的流動(dòng)場(chǎng)分量對(duì)抗，使得預(yù)先存在的渦流在其旋轉(zhuǎn)方向上減弱或者甚至逆轉(zhuǎn)。這種現(xiàn)象在較高的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷下是特別期望的，事實(shí)上在較高的負(fù)荷下，燃燒室的壁和排氣閥的溫度較高；在低點(diǎn)火能量足以引發(fā)燃燒的混合物存在的情況下，例如在氫氣存在的情況下，也期望高渦流。因此，通過(guò)打開(kāi)第一閥產(chǎn)生的高強(qiáng)度渦流是期望的，因?yàn)樗行У乩鋮s這些熱表面，目的是避免爆震和特大爆震。第二閥的延遲打開(kāi)的目的是減弱先前產(chǎn)生的渦流的強(qiáng)度，以避免燃燒期間過(guò)多的熱交換。事實(shí)上，與具有強(qiáng)烈渦流分量的流動(dòng)場(chǎng)相關(guān)的一個(gè)問(wèn)題在于，渦流對(duì)活塞的位置不太敏感：當(dāng)活塞朝向tdc移動(dòng)時(shí)，滾流運(yùn)動(dòng)被轉(zhuǎn)換成湍流動(dòng)能，渦流和與之相關(guān)的動(dòng)能甚至在tdc之后繼續(xù)存在，并且是燃燒期間通過(guò)燃燒室的壁的更高熱耗散的原因。與期望增加燃燒傳播速率的湍流動(dòng)能不同，與渦流相關(guān)聯(lián)的動(dòng)能因此是不期望的，并且通過(guò)打開(kāi)第二進(jìn)氣閥獲得的渦流的衰減是期望的。此外，當(dāng)活塞接近tdc并支持超稀薄混合物的燃燒時(shí)，尤其是當(dāng)燃料是氫氣時(shí)，將渦流轉(zhuǎn)變成由滾流分量(或交叉滾流，但是在任何情況下都圍繞與氣缸軸線正交的軸線)進(jìn)行的宏觀運(yùn)動(dòng)允許動(dòng)能從渦流轉(zhuǎn)移到滾流，并有可能轉(zhuǎn)換湍流動(dòng)能，這對(duì)于增加燃燒速率是有用的。

12、2)由于在兩個(gè)進(jìn)氣閥都關(guān)閉的角度間隔期間在氣缸中產(chǎn)生的低壓，當(dāng)?shù)诙y打開(kāi)時(shí)，從相應(yīng)的進(jìn)氣導(dǎo)管朝向氣缸產(chǎn)生高的瞬時(shí)流動(dòng)：在該間隔期間，或者甚至在打開(kāi)之前的幾個(gè)瞬間，將燃料噴射到進(jìn)氣歧管中，所有與空氣混合的燃料被吸入到氣缸中，而不具有朝向進(jìn)氣歧管的任何反流的風(fēng)險(xiǎn)。以這種方式，由于進(jìn)入的空氣/燃料混合物相對(duì)于氣缸中存在的氣體的相對(duì)比率較高，避免了燃料朝向進(jìn)氣歧管反流以及隨后回火的風(fēng)險(xiǎn)。此外，由于閥的空氣和燃料混合物的高行進(jìn)速率，也獲得了空氣和燃料之間的極其均勻的混合物，在氮氧化物排放方面有巨大的優(yōu)勢(shì)。

13、在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)動(dòng)機(jī)包括第一進(jìn)氣閥的和第二進(jìn)氣閥的可變致動(dòng)裝置，該可變致動(dòng)裝置被配置成在發(fā)動(dòng)機(jī)的不同工作條件下實(shí)現(xiàn)第一工作模式或第二工作模式或第三工作模式，在第一工作模式，在隨后的時(shí)間，首先僅打開(kāi)第一進(jìn)氣閥，然后僅打開(kāi)第二進(jìn)氣閥，在第二工作模式，第一進(jìn)氣閥和第二進(jìn)氣閥在彼此相同或基本相同的曲柄角度下打開(kāi)，并且第一進(jìn)氣閥和第二進(jìn)氣閥在彼此相同或基本相同的曲柄角度下關(guān)閉，在第三工作模式，僅打開(kāi)和關(guān)閉第二進(jìn)氣閥。

14、進(jìn)氣閥的可變致動(dòng)裝置可以是電氣地控制的液壓致動(dòng)裝置或者具有電磁或電氣動(dòng)的致動(dòng)器的裝置或者包括具有不同輪廓的致動(dòng)凸輪的裝置，所述致動(dòng)凸輪可以被選擇性地激活。

15、本發(fā)明還涉及用于控制上述發(fā)動(dòng)機(jī)的方法。

16、本發(fā)明的其他有利特征在所附權(quán)利要求中指出。