具有扩大的气门开度的双燃料发动机

摘要

本发明涉及具有扩大的气门开度的双燃料发动机。公开了一种运行具有燃烧室和与该燃烧室相关联的至少一个气门的双燃料发动机的方法。该方法可包括在双燃料发动机的做功冲程期间使至少一个气门从流动阻塞位置移动到流动通过位置，以及将气态燃料喷射到燃烧室内。该方法还可包括在双燃料发动机的压缩冲程的至少一部分期间在气态燃料的喷射结束之后选择性地将至少一个气门保持在流动阻塞位置与流动通过位置之间，并且在压缩冲程期间释放至少一个气门并允许该至少一个气门移动到流动阻塞位置。该方法还可包括将液态燃料喷射到燃烧室内以点燃气态燃料。

说明书

技术领域

本发明涉及一种双燃料发动机，更具体地涉及一种具有扩大的气门开 度的双燃料发动机。

背景技术

由于不断上升的液态燃料(例如柴油)成本和对排气排放越来越多的 约束，发动机制造商开发了双燃料发动机。一种示例性的双燃料发动机提 供低成本的气态燃料(例如天然气)经发动机气缸的进气口的喷射。气态 燃料与经相同的进气口进入的清洁空气一起被引入并与在每个燃烧循环期 间单独喷射的液态燃料一起被点燃。由于低成本的燃料与液态燃料一起使 用，所以提高了成本效率。此外，气态和液态燃料混合物的燃烧可使受调 控的排放物减少。

通常，双燃料发动机与常规的单燃料发动机相比需要较低的压缩压力 来点燃喷射的燃料。亦即，各气缸内点火之前的压力在双燃料应用中可以 较低。如果压缩压力过高，则点火会过早发生，从而导致较低的效率以及 较高的燃烧室压力和温度。较高的压力和温度会导致发动机损坏和/或降低 发动机的性能。

一种降低发动机气缸内的压缩压力的方式是改变发动机气缸的几何压 缩比(例如，在活塞冲程期间气缸中的最大容积与气缸中的最小容积之比)。 然而，该方案会是昂贵的并且需要大量的修理时间。另一种降低发动机气 缸内的压缩压力的方式是在活塞的压缩冲程期间扩大与发动机的气缸相关 的一个或多个气门的开度。

扩大发动机气门开度的系统的一个示例在2007年2月20日授予 Chang的美国专利No.7,178,491中公开。特别地，’491专利公开了一种具 有配备了发动机气门和气门致动系统的发动机的系统。在压缩冲程期间发 动机气门在阻塞流体流动的关闭位置与允许流体流动的打开位置之间移 动。当在压缩冲程期间曲轴经过上死点(TDC)位置约170°且发动机气 门至少部分地打开时，液压流体被提供给气门致动系统的腔室以操作性地 接合发动机气门并防止发动机气门移动到关闭位置。在曲轴进一步旋转约 30°之后，液压流体从气门致动系统的腔室被释放，并且允许发动机气门 移动到关闭位置。通过扩大发动机气门开度，可降低发动机气缸内的压力， 从而在一些应用中带来提高的发动机性能。

尽管’491专利的系统可适合于一些应用，但它仍可能不是最佳的。例 如，’491专利的发动机气门可能保持打开过长时间。此外，’491专利的发 动机气门可能保持在流动面积过大的位置，从而可能允许过多流体通过发 动机气门。在双燃料应用中，如果发动机气门保持打开过长时间或过多流 体被允许从发动机气门通过，则大量气态燃料会经发动机气门泄漏并过早 排出。在这些状况下，泄漏的气态燃料无助于燃烧过程，从而导致不良的 燃料效率和昂贵的燃料加注损失。

所公开的发动机旨在克服上述问题中的一个或多个问题和/或现有技 术的其它问题。

发明内容

在一方面，本发明涉及一种运行具有燃烧室和与该燃烧室相关的至少 一个气门的双燃料发动机的方法。该方法可包括在双燃料发动机的做功冲 程期间使至少一个气门从流动阻塞位置移动到流动通过位置，以及将气态 燃料喷射到燃烧室内。该方法还可包括在双燃料发动机的压缩冲程的至少 一部分期间在气态燃料的喷射结束之后选择性地将至少一个气门保持在流 动阻塞位置与流动通过位置之间，并且在压缩冲程期间释放至少一个气门 并允许该至少一个气门移动到流动阻塞位置。该方法还可包括在压缩冲程 期间在至少一个气门处于流动阻塞位置之后将液态燃料喷射到燃烧室内以 点燃气态燃料。

在另一方面，本发明涉及一种用于双燃料发动机的气门致动系统。该 气门致动系统可包括可在流动阻塞位置与流动通过位置之间移动的至少一 个气门。该气门致动系统还可包括与至少一个气门操作性地连接的气门致 动器。该气门致动器可构造成在做功冲程期间使至少一个气门从流动阻塞 位置移动到流动通过位置。该气门致动器还可构造成在压缩冲程期间使至 少一个气门朝流动阻塞位置移动，并且在压缩冲程期间在气态燃料的喷射 结束之后选择性地将至少一个气门保持在流动阻塞位置与流动通过位置之 间。该气门致动器还可构造成在压缩冲程期间在液态燃料的喷射开始之前 使至少一个气门移动到流动阻塞位置。

在又一方面，本发明涉及一种发动机。该发动机可包括至少部分限定 出气缸的发动机缸体和可旋转地配置在发动机缸体内的曲轴。该发动机还 可包括与气缸相关的气缸盖、定位成在气缸内往复运动的活塞以及至少部 分地由气缸、气缸盖和活塞限定出的燃烧室。该发动机还可包括构造成将 气态燃料喷射到燃烧室内的气态燃料喷射器和构造成将液态燃料喷射到燃 烧室内的液态燃料喷射器。该发动机还可包括可在流动阻塞位置与流动通 过位置之间移动的至少一个气门、和与该至少一个气门操作性地连接的气 门致动器。该气门致动器可构造成在活塞的做功冲程期间使至少一个气门 从流动阻塞位置移动到流动通过位置。该气门致动器还可构造成在活塞的 压缩冲程期间使至少一个气门朝流动阻塞位置移动，并且在压缩冲程期间 在气态燃料的喷射结束之后选择性地将至少一个气门保持在流动阻塞位置 与流动通过位置之间。该气门致动器还可构造成在压缩冲程期间在液态燃 料的喷射开始之前使至少一个气门移动到流动阻塞位置。

附图说明

图1是配备了示例性公开的气门致动系统的发动机的截面图；

图2是由图1的气门致动系统执行的示例性操作的曲线图；以及

图3是由图1的气门致动系统执行的另一示例性操作的曲线图。

具体实施方式

图1示出了示例性内燃发动机10。发动机10被示出和描述为二冲程 双燃料发动机。发动机10可包括至少部分地限定出多个气缸16(仅示出 一个)的发动机缸体12，每个气缸都具有相关的气缸盖20。气缸衬套18 可配置在各发动机气缸16内，并且气缸盖20可封闭衬套18的一端。活塞 26可以可滑动地配置在各气缸衬套18内。各气缸衬套18、气缸盖20和活 塞26可共同限定出从安装在发动机10上的燃料系统14接收燃料的燃烧室 22。设想到，发动机10可包括任意数量的具有对应的燃烧室22的发动机 气缸16。

在发动机气缸衬套18内，活塞26可构造成在下死点(BDC)或最下 部位置与上死点(TDC)或最上部位置之间往复运动。特别地，动力组件 24可以是包括与杆28枢转连接的活塞26的组件，所述杆又可与曲轴30 枢转连接。发动机10的曲轴30可以可旋转地配置在发动机缸体12内并且 各活塞26通过杆28与曲轴30联接，使得各活塞26在衬套18内的滑动运 动引起曲轴30的旋转。类似地，曲轴30的转动可以引起活塞26的滑动运 动。当曲轴30旋转约180度时，活塞26和连杆28可在BDC与TDC之 间移动通过一个完整的冲程。作为二冲程发动机的发动机10可具有包括做 功/排气/进气冲程(TDC至BDC)和进气/压缩冲程(BDC至TDC)的完 整循环。

在上述做功/排气/进气冲程的最终阶段，空气可经由位于气缸衬套18 的侧壁内的一个或多个换气口(例如，进气口)32被吸入燃烧室22内。 特别地，随着活塞26在衬套18内向下移动，最终将到达这样的位置，即 在该位置进气口32不再被活塞26阻塞而是与燃烧室22流体连通。当进气 口32与燃烧室22流体连通并且进气口32处的空气压力大于燃烧室22内 的压力时，空气将经进气口32进入燃烧室22内。在一些实施例中，气态 燃料(例如，甲烷或天然气)可经由气态燃料喷射器38被引入燃烧室22 内(例如，径向喷射)。气态燃料喷射器38可构造成在进气口32由于活 塞26的移动而开启之后经对应的进气口32将气态燃料径向喷射到燃烧室 22内。

来自气态燃料喷射器38的气态燃料可与空气混合而在燃烧室22内形 成燃料/空气混合物。最终，活塞26将开始向上移动而阻塞进气口32并压 缩空气/燃料混合物。随着燃烧室22内的空气/燃料混合物被压缩，混合物 的温度会上升。在活塞26接近TDC时，液态燃料(例如，柴油或其它基 于石油的液态燃料)可经由液态燃料喷射器36喷射到燃烧室22内。

液态燃料喷射器36可定位在气缸盖20内，并且构造成通过以大致锥 形的流型朝气缸衬套18的内部沿轴向释放燃料来将液态燃料喷射到燃烧 室22的顶部中。液态燃料喷射器36可构造成例如根据当前发动机转速和/ 或负荷循环地喷射固定量的液态燃料。在一个实施例中，发动机10可设置 成仅依靠液态燃料喷射、依靠与气态燃料混合的少量液态燃料或仅依靠气 态燃料喷射来运转。

由液态燃料喷射器36喷射到燃烧室22内的液态燃料可由已经在燃烧 室22内的热的空气/燃料混合物点燃，从而在燃烧室22内使两种类型燃料 燃烧并引起化学能呈温度和压力峰值的形式释放。在做功/排气/进气冲程的 第一阶段期间，燃烧室22内的压力峰值可向下迫压活塞26，由此向曲轴 30赋予机械动力。在该向下行进期间的特定点，位于气缸盖20内的一个 或多个换气口(例如，排气口)34可开启，以允许燃烧室22内的加压排 气离开并且所述循环将重新开始。

排气门46可设置在各排气口34内并且构造成开闭相应的排气口34。 在所公开的实施例中，存在以循环方式与各气缸16相关的两个排气门46。 排气门46可在第一位置(例如，关闭位置，即流动阻塞位置)与第二位置 (例如，打开位置，即流动通过位置)之间移动，在所述第一位置排气门 46阻塞流体经它们各自的排气口34的流动，在所述第二位置排气门46允 许流体通过它们各自的排气口34的流动。

同样如图1所示，气门致动器44可以与发动机10操作性地相关，以 使相关的排气门46相对于曲轴30的旋转和/或活塞26的位置在期望的时 刻在打开位置与关闭位置之间移动或“提升”。在一些实施例中，发动机 10可包括用于各排气门46的一个气门致动器44。在其它实施例中，发动 机10可包括用于各气缸盖20的构造成致动气缸盖20的所有排气门46的 一个气门致动器44。还可以设想的是，如果希望的话，单个气门致动器可 以致动与多个气缸盖20相关的排气门46。气门致动器44均可体现为例如 凸轮/推杆/摇臂装置、螺线管致动器、液压致动器和/或本领域中已知的用 于致动的任意其它装置。应该注意的是，排气门46打开和/或关闭的时间 会对发动机运转有影响(例如，对气缸压力、温度、效率、点火正时等的 影响)，并且在一些实施例中可以可变地控制。

控制器50可与发动机10和气门致动器44通信，并且构造成选择性地 调节排气门46的移动。控制器50可体现为构造成控制发动机10的运转的 一个或多个方面的单个或多个微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、 数字信号处理器(DSP)等。例如，控制器50可进行编程以控制气门致动 器44。控制器50可通过传输诸如控制气门致动器44的电流之类的信号来 控制气门致动器44。传输的信号可引起排气门46的打开、关闭和/或阻塞。 在一些实施例中，控制器50可基于发动机10的当前运转状态(例如，所 使用的燃料类型)和/或从遍及发动机10策略性地定位的一个或多个传感 器60接收的信息来控制气门致动器44。许多商售微处理器可以构造成执 行这些构件的功能。各种已知电路可与这些构件相关，包括供电电路、信 号调制电路、致动器驱动电路(即，驱动螺线管、马达或压电致动器的电 路)和通信电路。

传感器60可构造成监控发动机10的特定运转参数并生成被引导到控 制器50的相应信号。例如，传感器60可体现为进气压力传感器、环境空 气压力传感器或缸内压力传感器。传感器60可配置在发动机10内，例如， 直接位于气缸16内或与气缸16相关的排气通道内。由传感器60生成的信 号可发送至控制器50用于进一步处理。如下文更详细所述，在一些实施例 中，控制器50可使用感测到的压力信息来控制气门致动器44的操作。气 门致动器44、控制器50和传感器60可共同构成气门致动系统。

在一些实施例中，控制器50可构造成从传感器60接收指示缸内压力 的信号，并且然后基于该信号选择性地使气门致动器44扩大排气门46的 开度。例如，如果控制器50确定在压缩冲程期间气缸16内的压力高于临 界压力水平(例如，点燃液态燃料所需的压力)，那么控制器50可使气门 致动器44扩大排气门46的开度。设想在一些实施例中，发动机10的所有 气缸16可以类似的方式操作。然而，在其它实施例中，如果希望的话，所 有气缸16中的一些可扩大与它们相关的排气门46的开度。通过扩大排气 门46的开度并且改变气门致动系统的操作，可提高发动机10的性能。

在另一些实施例中，控制器50可构造成基于发动机10中正在使用的 燃料类型来选择性地使气门致动器44扩大排气门46的开度。例如，在一 个应用中，如果喷射液态燃料和气态燃料两者，则控制器50可使气门致动 器44扩大排气门46的开度。在另一仅喷射液态燃料的应用中，控制器50 可以不使气门致动器44扩大排气门46的开度。在又一应用中，如果仅喷 射气态燃料，则控制器50可使气门致动器44扩大排气门46的开度。基于 正在使用的燃料类型来改变对排气门46的致动可有助于在气缸16内提供 期望的压缩压力，由此防止提前点火。

应该指出的是，在一些实施例中，可省略控制器50和/或传感器60。 在这些实施例中，气门致动器44可体现为例如凸轮/推杆/摇臂装置，并且 凸轮的形状和/或取向可控制对排气门46的致动时间。例如，在一个实施 例中，凸轮的形状可设计成在压缩冲程期间将排气门46保持在位于打开位 置与关闭位置之间的位置以一特定持续时间。

图2和3示出在两种不同操作期间气门致动系统的性能。下面将更详 细地描述这些操作。

工业适用性

所公开的气门致动系统可在任意发动机应用中实施。所公开的气门致 动系统可通过在喷射的液态燃料点燃之前扩大排气门46的开度来降低与 气缸16相关的压缩压力。通过降低与气缸16相关的压缩压力，可防止气 缸16内的气态燃料的提前点火，这可带来提高的发动机性能和效率。现将 参考图2和3描述气门致动系统的操作。

如图2所示，在压缩冲程期间，气门致动系统的第一操作可将排气门 46的开度从常规开度100扩大到第一扩大开度102。扩大的排气门致动的 期间或持续时间可依据曲轴30随时间变化的旋转角度或以对本领域技术 人员来说显而易见的任意其它方式测量。

在第一操作期间，活塞26可在做功冲程期间从TDC移动到BDC，并 且排气门46可朝打开位置移动以允许排气离开燃烧室22。随后，在压缩 冲程期间，活塞26可从BDC移动到TDC，并且排气门46可朝关闭位置 移动以在燃烧室22内形成用于点燃液态燃料的压力。在排气门46关闭期 间，可喷射气态燃料。

在喷射气态燃料之后，排气门可保持在打开位置与关闭位置之间的大 致中间的位置(即，半关闭位置)。在气态燃料的喷射结束之后在曲轴30 旋转约0°与10°之间的时刻，排气门46可被保持在半关闭位置。在一个 实施例中，在气态燃料的喷射结束之后在曲轴30旋转约5°的时刻，排气 门46可被保持在半关闭位置。保持正时也可在液态燃料的喷射开始之前介 于曲轴30旋转约145°与155°之间。在一个实施例中，保持正时可为在 液态燃料的喷射开始之前曲轴30旋转约150°。在保持在半关闭位置之后， 排气门46然后可在液态燃料的喷射开始之前在曲轴30旋转约95°与105 °之间的时刻完全关闭。

在气态燃料喷射之后在曲轴30旋转约0°与10°之间的时刻将排气门 46保持在半关闭位置可充分限制在气态燃料喷射之后气缸16内的压力累 积，以防止提前点火。此外，在液态燃料喷射之前在曲轴30旋转约145° 与155°之间的时刻将排气门46保持在半关闭位置，可允许在液态燃料喷 射之前气缸16内的压力有足够的时间上升到期望压力以点燃喷射的液态 燃料。

参照图2，排气门46可以曲轴30旋转约2°与10°之间的持续时间 被保持在半关闭位置。在一个实施例中，排气门46可以曲轴30的约5° 旋转角度被保持在半关闭位置。此外，当曲轴30的曲轴转角为经过TDC 约210°时，气门致动系统可开始将排气门46保持在半关闭位置。

将排气门46保持在不同于半关闭位置的其它位置会允许气缸16泄压 过少或过多。例如，保持排气门46在较接近打开位置的位置打开会允许过 多空气和/或气态燃料流经排气口34并浪费至排气。浪费的空气和/或气态 燃料会非常昂贵和低效。此外，保持排气门46在较接近关闭位置的位置打 开可能无法充分限制气缸16内的压力累积以防止提前点火。另外，以在曲 轴30旋转约2°与10°之间的范围之外的持续时间保持排气门46打开也 会允许气缸16泄压过少或过多。例如，以不足曲轴30旋转2°的持续时 间将排气门46保持在半关闭位置可能无法充分限制压力累积。以超过曲轴 30旋转10°的持续时间将排气门46保持在半关闭位置会允许过多的空气 和/或气态燃料泄漏至排气。因而，通过以曲轴30旋转约2°与10°之间 的持续时间保持排气门46在半关闭位置打开，气缸16内的压缩压力可达 到期望水平，同时不允许过多气态燃料或空气过早经排气口泄漏。

如图3所示，气门致动系统的第二操作可将排气门46的开度从常规开 度100扩大到第二扩大开度104。在第二操作期间，在将排气门46保持在 半关闭位置之后，排气门46可被保持在半关闭位置与完全关闭位置之间的 大致中间的另一位置(即，3/4关闭位置)。可以在气态燃料的喷射结束之 后在曲轴30旋转约20°与30°之间的时刻将排气门46保持在3/4关闭位 置。在一个实施例中，可以在气态燃料的喷射结束之后在曲轴30旋转约 25°的时刻将排气门46保持在3/4关闭位置。保持正时也可介于在液态燃 料的喷射开始之前曲轴30旋转约125°与135°之间。在一个实施例中， 保持正时可为在液态燃料的喷射开始之前曲轴30旋转约130°。在保持在 3/4关闭位置之后，排气门46然后可在液态燃料的喷射开始之前在曲轴30 旋转约95°与105°之间的时刻完全关闭。

参照图3，排气门46可被保持在3/4关闭位置以曲轴30旋转约2°与 10°之间的持续时间。在一个实施例中，排气门46可以曲轴30的旋转角 度约5°被保持在3/4关闭位置。此外，当曲轴30的曲轴转角为经过TDC 约230°时，气门致动系统可开始将排气门46保持在3/4关闭位置。

通过保持排气门46在另一气门位置打开，这可允许对在压缩冲程期间 气缸16内的压力累积的进一步限制而不显著增加泄漏至排气的气态燃料 量。特别地，经排气口34的流量在第一扩大开度102与第二扩大开度104 之间可保持基本上相同。例如，随着活塞26在压缩冲程期间向上移动，压 力可能上升。随着压力上升，排气门46可移动成越来越靠近关闭位置，这 减小了通过排气口34的流动面积。因而，由于压力随着流动面积减小而上 升，所以通过排气口34的流量可保持基本上相同，从而提高发动机10的 效率和性能。

所公开的气门致动系统可显著限制发动机10的气缸16内的压力累积。 特别地，将排气门46保持在其打开位置和关闭位置之间的大致中间的位置 可提供期望的流动面积，从而允许充分限制压力累积而不将过多气态燃料 和/或空气浪费至排气。此外，以在气态燃料喷射结束之后在曲轴30旋转 约0°与10°之间的时刻保持排气门46打开，可充分限制压力累积以防止 气态燃料的提前点燃，同时仍允许充分的压力和温度累积以点燃随后喷射 的液态燃料。此外，以曲轴30旋转约2°与10°之间的持续时间保持排气 门46打开可允许充分的时间来将压力累积限制为期望水平。另外，在一些 实施例中，所公开的气门致动系统可启动多次气门保持，从而在不牺牲过 多气态燃料和/或空气的情况下进一步限制压力累积。

对本领域技术人员来说显而易见的是，可以对公开的发动机做出各种 改型和变型。根据说明书和对所公开的发动机的实践，其它实施例对本领 域技术人员而言将显而易见。应该认为说明书和示例仅为示范性的，真实 范围通过所附权利要求和它们的等同方案来指明。