[0002] 本申请包括与于2011年8月15日提交的并且于2012年3月29日公开为美国2012/0073541的主题相关的主题。
背景技术
[0003] 本领域一般涉及使用多燃料燃烧以给
压缩点火类型的发动机供电。更具体地，本领域涉及两冲程循环对置活塞发动机，其被装备用于在活塞达到
上止点(TC)之前的压缩冲程期间将气体燃料的主充量喷射到汽缸中，以及将
液体燃料的导引充量喷射到成形的燃料室中以点火主充量。
[0004] 出于性能和成本原因，可有利地将一种以上的燃料结合到高功率
密度发动机的燃烧系统中。例如，可通过使用气体燃料(诸如
天然气(NG))提供主燃料充量以及少量更具活性的液体燃料(诸如柴油)以点火主燃料充量，从而降低
压缩点火发动机的操作成本。
[0005] 在传统压缩点火(CI)发动机中，单个活塞可滑动地设置在汽缸中。活塞在汽缸中的其中活塞顶最靠近
汽缸盖的上止点
位置以及其中所述顶离汽缸盖最远的
下止点(BC)位置之间移动。当活塞在其压缩冲程期间朝向TC移动时，所述活塞压缩被引入汽缸中的空气。空气的压缩使其
温度上升。在活塞靠近其压缩冲程的顶端时，燃料被喷射到加热的空气中。
压缩空气的升高的温度导致燃料的自动点火，由此，燃料自身点火和燃烧，从而释放
能量并在动
力冲程中驱动活塞朝向BC。
[0006] 在被构建用于压缩点火的两冲程循环、对置活塞发动机中，两个活塞可滑动地顶对顶(crown-to-crown)设置在汽缸的孔中，所述汽缸具有靠近每个活塞的BC的进气端口和排气端口。在发动机操作期间，当活塞在它们的TC和BC位置之间，朝向和远离彼此在孔中相对移动时，由所述活塞的移动控制端口。当活塞在压缩冲程期间朝向它们的相应TC位置移动时，由所述活塞压缩被引入汽缸中的空气。发动机通常具有一个或多个液体燃料喷射器，其在靠近活塞顶的TC位置的位置处安装到汽缸。喷射的燃料与压缩的空气混合并且空气/燃料混合物自动点火，从而驱动活塞在朝向它们的BC位置的
做功冲程中远离彼此。
[0007] 共同转让的美国
专利7,270,108描述了两冲程循环对置活塞发动机，其中早期在压缩冲程中的液体燃料主充量的喷射提供了至冲程几乎完成时的更加完整的燃料
蒸发。喷射到靠近活塞的TC的压缩的空气/燃料混合物的燃料的导引充量启动主充量的点火。导引喷射的控制实现主燃料充量的点火的精准正时。
[0008] 期望在压缩冲程期间促进汽缸孔中
增压空气的整体运动的
湍流，以便使空气与燃料混合以便为燃烧做准备。有助于湍流的增压空气运动的成分包括
涡流和挤流。在一些方面中，活塞顶的端面被制作有形状和轮廓，其经设计与这些成分交互以便产生诸如翻滚(tumble)的附加整体运动分量。相关地，燃烧室已经构造为产生复杂的湍流以便增大混合过程的均匀性。例如，参见在US 2011/0271932和WO 2012/158756中描述的燃烧室构造。
[0009] 在对置活塞发动机运行时，每当在发动机操作的每个周期活塞到达靠近汽缸中心时，就形成燃烧室。通常，喷射器或一个以上的喷射器在活塞的TC处或非常靠近活塞的TC处安装到汽缸。结果，当活塞在TC处时，喷射器头紧邻形成于活塞顶之间的燃烧室
定位。为了避免喷射器头和活塞顶之间任何可能的干扰问题，小心的设计计划是必需的。当使用多个喷射器(可能超过两个)时，喷射器位置是关键的，特别是考虑到由燃烧室构造施加的约束。如果不同类型的燃料输送设备被结合到燃料输送系统中，则该问题在被构建用于多燃料燃烧的对置活塞发动机中可能是复杂的。
发明内容
[0010] 一种操作具有汽缸、在汽缸孔中的一对对置活塞以及由活塞控制的间隔开的进气端口和排气端口的多燃料对置活塞压缩点火发动机的方法，其包括将空气引入活塞之间的汽缸中，在压缩冲程中朝向彼此移动活塞，以及通过在汽缸上的进气端口和排气端口之间的第一喷射位置将气体燃料的主充量喷射到汽缸中的活塞之间。响应于活塞的移动，气体燃料的主充量与增压空气混合并通过增压空气压缩。当活塞接近相应上止点位置时，包含气体燃料和增压空气的压缩的混合物的成形的燃烧室在活塞的端面之间形成。通过汽缸上的第二喷射位置将可操作用于点火气体燃料和空气的压缩的混合物的液体燃料的导引充量喷射到燃烧室中。
[0011] 对置活塞压缩点火发动机包括汽缸；一对对置活塞，其可滑动地设置在汽缸中；靠近汽缸的相应端部的间隔开的进气端口和排气端口；至少一个气体燃料喷射器，其通过进气端口和排气端口之间的汽缸中的喷射位置与汽缸孔连通；以及汽缸中的至少一个液体燃料喷射器，其与当活塞靠近上止点位置时形成于汽缸中的成形的燃烧室连通。耦接到至少一个气体燃料喷射器且耦接到至少一个液体燃料喷射器的燃料喷射系统可操作用于当活塞处于底部位置和顶部位置之间时，使得至少一个气体燃料喷射器将气体燃料喷射到汽缸中，以及当活塞靠近上止点位置时，使得至少一个导引燃料喷射器将液体燃料喷射到燃烧室中。
附图说明
[0012] 图1是对置活塞发动机的示意性示图且被适当地标记为“
现有技术”。
[0013] 图2A和图2B为一对对置活塞的等距示图。
[0014] 图3A为被装备用于多燃料操作的对置活塞发动机的汽缸的侧截面图，其示出压缩冲程中BC和TC位置之间的对置活塞。
[0015] 图3B为图3A的汽缸的侧截面图，其示出靠近压缩冲程后期的相应TC位置的对置活塞。
[0016] 图4为图2A的活塞的端视图，其示出在其TC位置处或靠近其TC位置处的端面。
[0017] 图5为被装备用于多燃料操作的对置活塞发动机的燃料喷射系统的方
框图。
[0018] 图6为示出图5的燃料喷射系统的控制的图表。
[0019] 图7A和图7B为示出用于压缩点火的对置活塞发动机的多燃料构造的第一可选
实施例的概念性示意图。
[0020] 图8为示出用于压缩点火的对置活塞发动机的多燃料构造的第二可选实施例的概念性示意图。
[0021] 图9为示出用于压缩点火的对置活塞发动机的多燃料构造的第三可选实施例的概念性示意图。
[0022] 图10A和图10B为示出用于压缩点火的对置活塞发动机的多燃料构造的第四可选实施例的概念性示意图。
[0023] 图11为示出用于压缩点火的对置活塞发动机的多燃料构造的第五可选实施例的概念性示意图。
[0024] 图12为示出用于压缩点火的对置活塞发动机的多燃料构造的第六可选实施例的概念性示意图。
[0025] 图13A和图13B为示出用于压缩点火的对置活塞发动机的多燃料构造的第七可选实施例的概念性示意图。
[0026] 图14A和图14B为示出用于压缩点火的对置活塞发动机的多燃料构造的第八可选实施例的概念性示意图。
[0027] 图15A和图15B为示出用于压缩点火的对置活塞发动机的多燃料构造的第九可选实施例的概念性示意图。
具体实施方式
[0028] 两冲程循环发动机为内燃发动机，其通过
曲轴的单个完整旋转以及连接到曲轴的活塞的两个冲程来完成做功循环。两冲程循环发动机的一个示例为对置活塞发动机，其中两个活塞在汽缸孔中相对地设置以用于相对方向中的往复移动。汽缸具有位于汽缸的相应端部附近的纵向间隔的进气端口和排气端口。对置活塞中的每个控制端口中的一个，当活塞移动到下止点(BC)位置时打开所述端口，并且当活塞从BC朝向上止点(TC)位置移动时关闭所述端口。端口中的一个提供燃烧产物离开孔的通路，另一个端口用于准许增压空气进入孔中；这些端口被分别称为“排气”端口和“进气”端口。
[0029] 图1表示两冲程循环对置活塞发动机49，其具有至少一个具有端口的汽缸50。例如，发动机可具有一个有端口的汽缸、两个有端口的汽缸、三个有端口的汽缸或者四个或更多个有端口的汽缸。每个有端口的汽缸50具有孔52以及纵向间隔的进气端口54和排气端口56，进气端口54和排气端口56在汽缸壁的相应端部中形成或
机械加工。进气端口54和排气端口56中的每个包括一个或多个开口的圆周阵列，其中由实体桥分隔相邻的开口。在一些描述中，每个开口被称作“端口”；然而，该类“端口”的圆周阵列的构造与图1中示出的端口构造没有不同。在所示的示例中，发动机49进一步包括两个曲轴71和72。进气活塞60和排气活塞62可滑动地设置在孔52中，其中它们的端面61和63彼此相对。进气活塞60耦接到曲轴
71，并且排气活塞耦接到曲轴72。
[0030] 图1示出了在相应BC位置处或靠近相应BC位置的活塞。当活塞60和62朝向TC移动时，在活塞的端面61和63之间的孔52中限定燃烧室；在附图中，燃烧室64由虚线之间的区域表示。通过至少一个燃料喷射器
喷嘴79将燃料直接喷射到燃烧室中，所述燃料喷射器喷嘴79定位在通过汽缸50的
侧壁的开口中。燃料与被准许通过进气端口56进入孔中的增压空气混合。当在端面之间压缩空气-燃料混合物时，空气-燃料混合物达到引起燃烧的温度。
[0031] 燃烧室形状
[0032] 期望利用成形的燃烧室构造，其经设计在压缩冲程期间在汽缸孔中的增压空气的整体运动中引入复杂的湍流，以便使空气与燃料混合以便为燃烧作准备。这样，在它们的端面中具有形状和轮廓的活塞与涡流和向内引导的挤流交互以产生附加的整体运动成分，诸如翻滚。例如，参见US 2011/0271932、WO 2012/158756和US 13/843,686中描述的成形的燃烧室构造。在图2A和图2B中示出的一对对置活塞的端面之间形成了被成形用于促进多燃料对置活塞发动机中的湍流整体增压空气运动的代表性燃烧室。
[0033] 在图2A和图2B中，活塞80和90分别包括活塞顶81和91，其中互补的活塞端面结构用于在对置活塞发动机的有端口的汽缸中限定燃烧室构造。顶81具有包括外围82的端面结构，所述外围82围绕从活塞80的内部向外突出的凸出部分83以及在活塞的直径方向中延伸的细长裂缝84。根据图2A，细长裂缝84具有对称线87，其与活塞的端面的直径共线。形成于外围82中的直径上相对的凹口89与对称线87对准，并通向裂缝84的相应端部。根据图2B，顶91具有包括外围92的端面结构，所述外围92围绕限定凹面的碗93，所述凹面朝向活塞90的内部远离外围92弯曲。直径上相对的凹口94在外围92和碗93的外部中形成。
[0034] 现在参考图3A，在有端口的汽缸120内的相应BC位置和TC位置之间示出了包括顶81和91的两个活塞80和90。活塞在汽缸120的孔121中可旋转地取向，以便对准它们互补的端面；也就是说，凹口89与凹口94对准，并且每个凹口对89、94被定位为与通过汽缸120的侧壁打开的喷射器端口192对准。当排出产物通过排气端口156流出汽缸时，增压空气通过进气端口154进入汽缸120。出于清除以及空气/燃料混合的目的，增压空气在通过进气端口时被导致产生涡流。当活塞80和90从BC朝向TC移动时，根据图3A，关闭进气端口154和排气端口156，并且在顶81、91的端面之间逐渐增大地压缩涡流增压空气。参考图2A、图2B和图3B，当活塞80和90移动通过它们的相应TC位置时，相对的凸面/裂缝-凹面部分83、84和93彼此
啮合以在顶81和91的端面之间形成燃烧室100。根据附图，在给定裂缝84的构造的情况下，在活塞80和90的端面之间限定的燃烧室空间相对于包含轴线87的对称平面对称，并且具有细长椭圆形或非常接近细长椭圆形的形状，所述细长椭圆形过渡到在其端部处限定喷射开口的相对的凹口对。
[0035] 参考图3B，当活塞80和90接近TC位置时，压缩的增压空气从外围82和92流动通过在凸面部分83和凹面部分93之间限定的相对的弯曲挤流区域。同时，汽缸120的孔中的压缩空气继续产生涡流。涡流和挤流的交互在燃烧室100的每个端部处产生翻滚。
[0036] 多燃料构造和操作
[0037] 至今描述的压缩点火、对置活塞发动机通过为每个汽缸提供多个燃料喷射器而被装备用于多燃料操作，所述多个燃料喷射器沿汽缸的侧壁通过多个喷射位置实现至少两种类型的燃料的喷射。在一些方面中，多燃料操作包括气体燃料、液体燃料以及可能的其他燃料。在将描述的示例和实施例中，燃料包括天然气(NG)和柴油，但是这仅用于说明且不旨在作为限制。
[0038] 对置导引喷射器的详细实施例
[0039] 图3A、图3B和图4示出被装备用于多燃料操作的压缩点火对置活塞发动机的详细实施例。虽然在这些附图中示出了相对于特定燃烧室形状的燃料喷射器的具体布置和操作，但
申请人意在所述实施例为说明性的并且建立用于可选实施例的更加抽象描述的
基础。在该描述中，术语“主喷射”被限定为足以产生燃烧的量的燃料的喷射，以及术语“导引喷射”被限定为足以点火主喷射量的少量燃料的喷射。在许多实例中，主喷射发生在导引喷射之前。然而，这些为其中可在主喷射开始之前启动导引喷射的情况。术语“主充量”是指通过主喷射喷射的燃料，并且术语“导引充量”是指通过导引喷射喷射的燃料。
[0040] 根据图3A、图3B和图4，示出了两对燃料喷射器。第一对包括用于主喷射的燃料喷射器180，以及第二对包括用于导引喷射的燃料喷射器190。
[0041] 在图3A和图4中示出的一些方面中，主喷射器180被定位为在汽缸120的侧壁中通
过喷射端口182在汽缸孔121的相对径向方向中喷射NG的主充量。根据详细实施例，主喷射的径向方向横穿燃烧室100的对称线87。
[0042] 在同样在图3A和图4中示出的一些方面中，导引喷射器190被定位为在汽缸120的侧壁中通过喷射端口192在汽缸孔121的相对径向方向中喷射柴油燃料的导引充量。根据该详细实施例，燃烧室100相对于汽缸120以及活塞80和90的纵向轴线基本上置于中心。当活塞80和90靠近TC时，每对对准的凹口89、94限定到燃烧室腔100中的相应喷射开口203(在图3B中最好看出)。每个喷射开口203位于燃烧室100的一端或靠近燃烧室100的一端，与其对称线87对准且与喷射端口192对准。通过喷射开口从两个相对的导引喷射器190喷射导引充量，并且在燃烧室100中约束导引燃料羽流(plume)。
[0043] 图5和图6中示出了至今为止描述的压缩点火、对置活塞发动机的多燃料操作。根据图5，如相对于图3A、图3B和图4描述而构造和装备的一个或多个有端口的汽缸120
支撑在发动机组或翼梁200中。发动机装备有燃料喷射系统220，其包括气体燃料供给系统230、液体燃料供给系统240和
发动机控制单元(ECU)250。主喷射器180可操作地连接到气体燃料系统230，并且导引喷射器190可操作地连接到液体燃料系统240。ECU 250被连接以经由发动机
传感器260检测发动机操作参数。ECU 250还被连接以控制喷射器180和190以及燃料系统230和240的操作。
[0044] 图6的图表中示出了用于图5中所示的实施例的通过ECU 250的燃料喷射系统220的控制。根据图6，发动机操作被同步至被称为“最后端口闭合”(LPC)的正时事件，LPC表示进气端口和排气端口两者的关闭以及压缩冲程的开始。发动机循环时间由连接到导致最后端口闭合的活塞的曲轴的旋转度指示；旋转度由该曲轴的旋转
角(CA)指示。当CA前进通过压缩冲程时，活塞的外围(图2A和图2B中的82或92)以及包含喷射轴线的穿过汽缸的
正交平面之间的距离改变(“活塞位置”)。根据图表中描绘的示例，最后端口在CA＝-120°或大约CA＝-120°处关闭，这超过活塞的BC位置大约60°，并且活塞在大约0°处穿过其TC位置。优选地但不是必需的，汽缸的一个或多个主喷射发生在气体燃料喷射窗口中，所述气体燃料喷射窗口在大约80°宽度的最后端口闭合处开始。注意，当活塞穿过它们各自的TC位置时，出现最小燃烧室体积，并且正是在该点处或靠近该点处，导引喷射在该实施例中具有其最大作用。根据图表中描绘的示例，一个或多个导引喷射发生在导引液体燃料窗口中，所述导引液体燃料窗口在最小燃烧室体积之前具有从大约10度到大约2度的曲轴角的周期。
[0045] 可选实施例
[0046] 至今描述的多燃料、压缩点火、对置活塞发动机中潜在的原理可应用于许多变型中，包括下面所描述的那些以及可能其他情况。示出这些可选实施例的附图以图4的方式示意性示出了平面部分，其正交于有端口的汽缸中的对置活塞的共
线轴，所述有端口的汽缸穿过形成于两个对置活塞之间的燃烧室。可如在本文中图2A和图2B中所示地构造两个对置活塞，其一起形成具有特定形状的燃烧室。然而，这不意味着排除一起形成不同形状的燃烧室的其他对置活塞构造。例如，可如WO 2012/158756的图3A-3D中所示、如US 2011/0271932中的图11中所示、如US 13/843,686的图5、图9和图10中所示或如其等价物一样地构造两个对置活塞。在示出可选实施例的附图中，通过限定具有开口端的基本燃烧室形状的一对曲线描画燃烧室构造的轮廓，所述开口端由表示包括活塞外围和汽缸
衬垫的周边结构的圆圈包围。优选地但不是必需的，燃烧室具有带有开口端的大致椭圆体(或等效物)形状。
[0047] 根据图7A和图7B，压缩点火、对置活塞发动机的双燃料构造包括一对径向相对的柴油主喷射器以及与径向相对的导引喷射器
配对的NG主喷射器。假设所有喷射器的喷射端口位于汽缸上的活塞的TC位置处或靠近活塞的TC位置处，则端口放置在圆周阵列中。每对通常沿喷射轴线对准。燃烧室和活塞设计的折衷包括移动柴油主喷射器的轴线，这允许改变燃烧室的宽度(W)。
[0048] 根据图8，压缩点火、对置活塞发动机的双燃料构造包括两个径向相对的柴油主喷射器和两个径向相对的NG主喷射器。期望的是根据发动机操作条件而允许任一燃料对发动机完全激励。该构造还允许压缩冲程中任何时候的喷射，而对燃烧室和活塞几何结构具有较小约束。应当注意的是，当主充量为气体燃料时，柴油主柴油喷射器被操作用于当仅通过天然气运行时提供用于点火NG混合物的手段，以及当仅通过柴油运行时提供全功率能力。也就是说，主柴油喷射器中的任一个或两个可被操作以提供短柴油导引突发或完全主柴油喷射。
[0049] 根据图9，压缩点火、对置活塞发动机的双燃料构造包括两个径向相对的柴油主喷射器和单个双喷嘴喷射器，其允许NG主喷射以及来自单个位置的柴油导引喷射。该构造允许燃烧室宽度中的改变。
[0050] 根据图10A和图10B，压缩点火、对置活塞发动机的双燃料构造包括与径向相对的柴油主/导引喷射器配对的柴油主喷射器，以及NG主喷射器。优选地，柴油主/导引喷射器为双喷嘴设备，其中一个喷嘴的尺寸被设计用于柴油主喷射以及另一个被设计用于柴油导引喷射。在图10A中，燃烧室开口的宽度宽于图10B中的燃烧室开口的宽度。在图10A的构造中，所有的主喷射器可贯穿压缩冲程操作。图10B中的较窄宽度将NG主喷射器的潜在操作时间限制到最小体积之前的某
曲柄角。
[0051] 根据图11，压缩点火、对置活塞发动机的双燃料构造包括两个径向相对的柴油主/导引喷射器以及两个径向相对的NG主喷射器。如在图10B的构造的情况下，燃烧室开口的所有较窄宽度将NG主喷射器的潜在操作时间限制到最小体积之前的某曲柄角。
[0052] 根据图12，压缩点火、对置活塞发动机的双燃料构造包括两个径向相对的柴油主喷射器和两个径向相对的NG主喷射器。应当注意的是，当主充量为气体燃料时，柴油主柴油喷射器经设计当仅通过天然气运行时提供用于点火NG混合物的手段，或者当仅通过柴油运行时提供全功率能力。也就是说，主柴油喷射器经设计提供短突发或者可被控制以提供完全纯粹的柴油喷射。
[0053] 根据图13A和图13B，压缩点火、对置活塞发动机的双燃料构造包括一对径向相对的多功能喷射器。在图13A中，所述构造包括两个径向相对的组合的柴油和NG主(双燃料)喷射器；该构造通过多个喷射器最小化到燃烧室中的侵入。在图13B中，两个喷射器包括第三小喷嘴，以用于柴油燃料的导引喷射以点火天然气混合物。两者的这些构造将允许发动机通过柴油或NG全负载运行；根据应用，专用的较小导引喷射可用以能够实现95％的NG替换限制(5％柴油和95％NG)。在两者的这些构造中，可贯穿压缩冲程喷射NG，从而不对燃烧室和活塞构造造成约束。
[0054] 根据图14A和图14B，压缩点火、对置活塞发动机的双燃料构造包括与径向相对的多功能喷射器配对的柴油主喷射器。在图14A中，柴油主柴油喷射器与组合的柴油和NG主喷射器配对，这降低了成本并简化了构造。在该构造实施例中，通过柴油和NG实现完全发动机负载。出于成本降低或简化的目的，组合的柴油和NG主喷射器仅在燃烧室的一侧上。在图14B的构造中，将第三小喷嘴添加到组合的喷射器，以便提供导引喷射以点火天然气混合物。
[0055] 根据图15A和图15B，压缩点火、对置活塞发动机的双燃料构造包括与径向相对的柴油喷射器配对的NG主喷射器。图15A示出了简单的成本有效构造，其中两个喷射器，即主柴油喷射器和主NG喷射器在燃烧室中彼此相对。该构造允许通过纯柴油燃料混合物或所有天然气混合物的完全负载操作。应当注意的是，当主充量为气体燃料时，柴油主柴油喷射器经设计以当仅通过天然气运行时提供用于点火NG混合物的手段，或者当仅通过柴油运行时提供全功率能力。也就是说，主柴油喷射器经设计提供短突发或者可被控制以提供完全纯粹的柴油喷射。图15B示出了使用主NG喷射器和相对的柴油导引喷射器的两喷射器构造。由于柴油导引将不提供满足完全负载燃料需求所需的流率，因此在该构造中可仅通过NG实现完全负载操作。
[0056] 进一步的替代方案
[0057] 可在相对于汽缸孔的径向或切线方向中喷射NG或柴油燃料的主充量，以及进一步地，可在朝向进气端口和排气端口中的一个的纵向方向中喷射NG或柴油燃料的主充量。可在沿或跨越燃烧室的对称线的方向中喷射柴油燃料的导引充量。
[0058] 本
说明书和所附附图仅用于说明的目的，并且不应被理解为以任何方式限制本公开的宽度。本领域技术人员将理解的是，可在不脱离本公开的完全及合理的范围和精神的情况下对所公开的实施例作出各种
修改。此外，在研究所附附图和所附
权利要求后，所描述的主题的其他方面、特征和优点将变得显然。
