[发明专利]直接喷射式内燃机及制造和操作该内燃机的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种直接喷射式内燃发动机、一种操作它的方法以及 一种使常规柴油机改为以通过两个单独的燃料喷射阀直接喷射两种不 同燃料的方式运行以便能够给该发动机加一种燃料、另一种燃料或者 两种燃料的组合为燃料的方法。

背景技术

所谓的压燃式发动机采用比奥托循环(火花点火式)发动机高得 多的压缩比。柴油机是最常见的压燃式发动机。在柴油机的正常运行 状况下，在活塞的压缩行程的末尾或末尾附近由燃料和空气的混合物 的机械压缩产生的热量自动点燃液体柴油。在这种发动机中，当发动 机温度低时，在起动条件期间利用电热塞(glow plug)提供点火辅助。 当发动机达到正常的运行状况时，通常将电热塞关闭。在本说明书中， “电热塞”被定义为指在发动机的燃烧室内用来辅助点燃燃料的任意 类型的电加热热表面元件(hot surface element)。

最近的发展目的在于在压燃式发动机中燃烧诸如天然气之类的气 体燃料。通过用气体燃料替代诸如柴油之类的液体燃料，压燃式发动 机能够在诸如氮氧化物(NOx)以及颗粒物质(PM)之类的不希望的污 染物排放低得多的情况下运行。全世界的政府正引入愈来愈严格的法 规，旨在通过规定越来越低的发动机排放水平来在当前和未来减少污 染。

在压燃式发动机中燃烧气体燃料面临的问题是：虽然气体燃料与 柴油相比通常是更清洁的燃烧，但是它们通常需要更高的温度和压力 来实现可靠的自燃。一种方法是：保持与常规的柴油机中的压缩比相 同的压缩比，并且提供一种用于在发动机运行时辅助点燃气体燃料的 手段，诸如，例如，由可连续运行的电热塞提供的热表面或引入到燃 烧室中的引燃燃料。当使用引燃燃料时，引燃燃料是一种比气体燃料 更易自燃的燃料，在此例子中该气体燃料被称为主燃料，这是由于当 以能量为基础进行测量时它通常代表被发动机消耗的燃料的主要部 分。由于引燃燃料更易着火，因此它比主燃料在更低的温度下自燃， 并且引燃燃料的着火引发气体燃料的着火。

与使用引燃燃料相关的难题在于：将一种与主燃料不同的燃料加 入到系统，除了需要两个单独的燃料系统以外，该系统还受到物理约 束的挑战，例如在燃烧室上方的气缸盖的防火板(fire deck)内分配 空间以除了容纳一个气体(主)燃料阀以及一个常规的电热塞以外， 还容纳一个单独的引燃燃料阀。由于发动机设计的最新趋势已导致每 气缸使用更多的进气阀和排气阀，这一点可能特别困难。代替每气缸 仅一个进气阀和一个排气阀，当前的发动机设计采用总计至少三个或 四个进气阀和排气阀，从而为安装在气缸盖中的、诸如燃料喷射阀和 电热塞之类的其他部件留下较少的空间。

在使常规的柴油机改为以一种主燃料和一种引燃燃料运行时，优 选地采用同样数量的相同零件以减少开发和装配成本以及保持规模经 济。因此，希望避免为容纳单独的引燃燃料和主燃料喷射阀而设计和 制造新的气缸盖的需要。一种解决方案是利用能够安装在通常由常规 的柴油燃料喷射阀占用的相同的孔中并且能够喷射主燃料和引燃燃料 的单个燃料喷射阀，例如，如共有的美国专利第5,996,558号、第 6,073,862号、第6,336,598号、第6,439,192号以及第6,761,325 号所教导的。在优选的实施方案中，所谓的“双燃料喷射器”允许单 独并独立地喷射引燃燃料和主燃料，使得两种燃料都能够被直接引入 燃烧室中，同时该双燃料喷射器占用通常由常规的柴油燃料喷射阀占 用的空间。双燃料喷射器方法允许无实质性改变地使用常规的气缸盖。 该解决方案能够用于各种发动机尺寸，但相比于尺寸较小的发动机， 其更适于尺寸较大的发动机，这是因为在尺寸较大的发动机中有更多 的空间来容纳一个双燃料喷射器。