技术领域
[0001] 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
[0002] 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)。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 但是，仍需要用于以与常规柴油机相同的动力、性能和效率运行双燃料发动机的其他布置和方法。在本公开内容中，双燃料发动机被定义为可以燃烧两种不同燃料的发动机，在优选的实施方案中，它可以燃烧两种燃料中的一种或者两种燃料的组合。对于使用被直接喷射到燃烧室中的引燃燃料的双燃料发动机，需要适合于包括尺寸较小的发动机在内的各种尺寸的发动机的布置。在气体燃料发动机的例子中，通过仅喷射引燃量的液体燃料，可以用更清洁的可燃气体燃料替代以满足大部分的能量要求，从而减少排放。但是，如果在某些条件下能够利用不同于引入引燃燃料的方法来辅助点燃气体燃料，那么在一些工作模式下可以进一步减少排放。本公开内容涉及一种使用如下装置来解决这些需求的新颖方案：该装置允许单独并独立地将两种不同燃料直接引入到发动机的燃烧室中，而不需要对气缸盖进行任何实质改变。本公开内容还涉及一种装置和方法，该装置和方法允许发动机响应于实时运行状况而以多种工作模式运行，具有单独燃烧或一起燃烧两种不同燃料的灵活性。
发明内容
[0008] 提供了一种内燃发动机，该内燃发动机可以仅加第一燃料为燃料，或者加该第一燃料和第二燃料的组合为燃料，或者仅加第二燃料为燃料。该发动机包括下列部件，这些部件相互协作以在燃烧室中燃烧该第一燃料和该第二燃料中的至少一种来产生机械功而不需要电热塞的辅助点火：一个发动机
气缸体，该发动机气缸体与在燃烧室内可往复的活塞以及盖住与该活塞相对的燃烧室的一端的气缸盖一起限定燃烧室；一个进气
歧管，通过操作进气阀空气能穿过该
进气歧管流入燃烧室；一个可操作地连接活塞和
曲轴的
活塞杆，由此活塞的往复运动与曲轴的旋转相联系；一个第一燃料喷射阀，该第一燃料喷射阀置于气缸盖内，可操作来通过一个第一
喷嘴将第一燃料直接喷射到燃烧室中；一个不同于第一燃料喷射阀的第二燃料喷射阀，该第二燃料喷射阀置于气缸盖内，可操作来通过一个第二喷嘴将第二燃料直接喷射到燃烧室中；一个与进气歧管相关的点火辅助装置，该点火辅助装置能被启动以改变该进气歧管内的空气的性质来促进被直接喷射到燃烧室中的第一或第二燃料的点燃；以及一个
电子控制器，该电子控制器可编程以响应于所测量的发动机运行状况控制第一燃料喷射阀、第二燃料喷射阀以及点火辅助装置的运行。
[0009] 点火辅助装置的重要特征是：不同于常规的电热塞或
火花塞，它与进气歧管相关联，而不是与燃烧室相关联。这使得在燃烧室上方的气缸盖中可以有更多的空间用于安装第一和第二燃料喷射阀，由于该第一和第二燃料喷射阀互不相同，因此这些燃料喷射阀需要两个单独的安装
位置。点火辅助装置可操作以改变进气歧管内的空气的性质来促进被直接喷射到燃烧室中的第一或第二燃料的点燃。例如，点火辅助装置可操作来提高进气的温度，或者当充气(intake charge)在燃烧室内被压缩和加热时将一种有助于促进燃烧的
流体引入到进气中。
[0010] 在一个优选的实施方案中，点火辅助装置是一个加热器，该加热器当被启动时可操作来加热进气岐管内的空气，从而被改变的空气的性质是其温度。例如，该加热器可以包括一个放置在进气歧管内的
电阻加热元件，或者可以包括一个
燃烧器，该燃烧器可以在紧邻进气歧管的燃烧器燃烧室中燃烧气体燃料。如果该加热器是一个燃烧器，那么该燃烧器可以可操作来将炽热的燃烧产物从燃烧器燃烧室直接排入进气歧管。在另一个实施方案中，点火辅助装置可以是一个用于将一种与第一或第二燃料相比在燃烧室中更易点燃的燃料引入进气歧管的喷射阀。二甲醚是适于调节进气以使充气准备好点燃的燃料的一个例子。点火辅助装置是加热器的优点在于不必向发动机提供第三燃料。由于这个原因，虽然本领域技术人员将理解点火辅助装置的其他实施方案是可能的，但是在以下给出的优选实施方案的详细描述中以及
附图中，点火辅助装置被描述和图示为一个加热器。
[0011] 由于可以使用两种不同燃料来提供满足施于发动机的
载荷所需的能量，所以所公开的发动机是一个双燃料发动机。在一个优选的实施方案中，一种燃料是液体燃料而另一种燃料是气体燃料，其中该气体燃料比该液体燃料燃烧更清洁，并且该液体燃料具有比该气体燃料低的自燃温度。当将两种燃料都引入燃烧室时，液体燃料可以充当引燃燃料来点燃气体燃料。在优选的工作模式下，限制液体燃料的量，使得按能量来说燃料的大部分是更清洁燃烧的气体燃料。除了与被燃烧的燃料中大部分是更清洁燃烧的气体燃料相关的环境效益外，也可能存在经济效益，这是因为当按能量计算燃料成本时，在许多市场中，诸如天然气之类的气体燃料比诸如柴油之类的常规液体燃料更便宜。
[0012] 第一和第二燃料喷射阀可以是适于对将燃料直接喷射到燃烧室中进行调节的任意类型的阀，只要它们能被制造成具有使得它们能够被安装在气缸盖中可得到的孔中的尺寸。例如，如果向内打开的
阀针可以提供所希望的性能特性，同时也满足气缸盖中可用于安装该阀的空间所施加的尺寸约束，上述燃料喷射阀中的一个或两个可以采用这种阀。除了该公开的发动机的两个燃料喷射阀，现代的四冲程内燃发动机通常还能容纳四个进气阀和排气阀，在一个优选的实施方案中，如果气缸盖中没有足够的可用空间来容纳带向内打开的阀针的燃料喷射阀，上述燃料喷射阀中的至少一个可以是
提升阀。相比于具有向内打开的阀针的阀，提升阀可以被制造得具有更小的外径，并且如果上述燃料喷射阀中的一个被安装在通常由电热塞占用的孔内，这一点可能是有利的。
[0013] 当上述燃料喷射阀中的一个是提升阀时，可能希望将燃料喷束(fuel spray)分散，以便燃料被以烟缕(plume)的形式引入，与充气中的氧有更多的
接触界面，而不是被以锥形流幕(conical sheet)的形式引入。为了将燃料喷束分成烟缕，可以在每个提升阀的端部上方设置油嘴(nozzle tip)，该油嘴包括孔，从而燃料喷射烟缕(spray plume)可以通过提升阀被引入燃烧室。这种油嘴可以拆卸下来并且固定到气缸盖，从而可将提升阀与该油嘴分开地从气缸盖拆卸。如果油嘴被损坏、磨损或者阻塞，可能希望拆下并且清洗或者更换油嘴。在优选的实施方案中，油嘴可拆卸地固定到气缸盖。替代使用带孔的油嘴，提升阀还可以包括从提升阀端部突出的柱(post)，由此该柱延伸到通过提升阀被引入燃烧室的燃料喷束的路径中，从而将燃料喷束分散以提供与充气中的氧气更多的接触面。在又一个实施方案中，提升阀可以包括一个设在阀杆和紧邻
阀座的
阀体之间的凹槽气室(fluted plenum)。该凹槽气室将燃料引入气室孔，以便当阀
门打开时，燃料以烟缕的形式流入燃烧室。
[0014] 在优选的实施方案中，电子控制器可编程来以多种可选的预定工作模式中的一种运行发动机。该多种可选的预定工作模式中的每一种确定电子控制器发送来操作第一燃料喷射阀、第二燃料喷射阀以及点火辅助装置的命令。在一些发动机运行状况下，自动点燃燃烧室中的燃料可能不需要运行点火辅助装置。在一些实施方案中，会仅在诸如冷起动过程中之类的特殊运行状况下命令点火辅助装置运行。在其他实施方案中，电子控制器可被编程，以在进气歧管中的空气温度低于预定值的任何时候运行点火辅助装置。在另一个实施方案中，如果点火辅助装置是一个加热器，电子控制器还可被编程为参照发动机特性曲线(engine map)和电子控制器接收到的数据输入确定来自加热器的热量输入、第一燃料的量、第二燃料的量以及每个喷射事件的时间选择和持续时间，其中数据输入包括测量的发动机运行参数和操作者的输入。在点火辅助装置是加热器的实施方案中，在起动模式下，电子控制器可被编程为：在发动发动机之前打开加热器以加热进气歧管中的空气；通过第一燃料喷射阀将引燃量的第一燃料喷射到燃烧室中；以及通过第二燃料喷射阀将主要量的第二燃料喷射到燃烧室中。
[0015] 如果加热器是一个电阻加热器，电子控制器优选地被编程为在发动发动机之前关闭加热器，以便在起动期间电负荷不会过度。
[0016] 对于每个燃烧循环，预定工作模式确定是仅喷射第一燃料还是喷射第一燃料与第二燃料的组合还是仅喷射第二燃料。预定工作模式还确定是否运行点火辅助装置。电子控制器被编程为具有至少两种工作模式，其中在可选的预定工作模式中的至少一种模式下将第一和第二燃料中的每一种都引入燃烧室中。电子控制器被编程以从中进行选择的多个可选的预定工作模式包括下面的至少两种：工作模式1，其中运行点火辅助装置并且命令第一燃料喷射阀和第二燃料喷射阀两者都打开；工作模式2，其中不运行点火辅助装置并且命令第一燃料喷射阀和第二燃料喷射阀两者都打开；工作模式3，其中运行点火辅助装置，保持第一燃料喷射阀关闭而命令第二燃料喷射阀打开；工作模式4，其中不运行点火辅助装置，保持第一燃料喷射阀关闭而命令第二燃料喷射阀打开；工作模式5，其中运行点火辅助装置，命令第一燃料喷射阀打开而保持第二燃料喷射阀关闭；以及工作模式6，其中不运行点火辅助装置，命令第一燃料喷射阀打开而保持第二燃料喷射阀关闭。
[0017] 例如，在一个实施方案中，当起动内燃发动机时，电子控制器可以被编程以运行点火辅助装置作为预定起动序列的一部分。起动后，电子控制器可被编程为响应于所测得的发动机运行参数和操作者的输入在工作模式2和工作模式6之间进行选择。
[0018] 还公开了一种制造包括至少一个燃烧室的内燃发动机的方法，该燃烧室由设在发动机气缸体内的气缸孔、在该气缸孔内可往复的活塞以及盖在该气缸孔的与活塞相对的一端的气缸盖限定，其中该气缸盖包括一个适于容纳常规的柴油燃料喷射阀的第一孔和一个适于容纳电热塞的第二孔。该方法包括：将第一燃料喷射阀安装在气缸盖中的第一和第二孔之一中；将第二燃料喷射阀安装在气缸盖中的第一和第二孔中的没有被第一燃料喷射阀占用的一个中；将点火辅助装置安装在进气歧管中，空气在到燃烧室的途中可通过该进气歧管流动；以及将电子控制器编程为以多种工作模式中的一种操作发动机，其中在至少一种工作模式下第一燃料和第二燃料可直接喷射到燃烧室中，在另一种工作模式下仅第一燃料可直接喷射到燃烧室中，并且在所有的工作模式下电子控制器被编程为响应于预定的运行状况打开点火辅助装置来帮助促进燃烧室中的燃烧。
[0019] 如果第二燃料在燃烧室内可自燃而不需要第一燃料的点火辅助，制造发动机的该方法还可以包括将电子控制器编程为检测第二燃料不需要第一燃料的辅助即可自燃的发动机运行状况，以便当检测到这种发动机运行状况时，将电子控制器编程为选择一种保持第一燃料喷射阀关闭而打开第二燃料喷射阀的工作模式。当第一燃料是柴油燃料，第二燃料是更清洁燃烧的气体燃料时，在一些工作模式下该特征使得发动机能够在不燃烧任何柴油燃料的情况下运行，从而减少发动机排放。
[0020] 在一个优选的制造方法中，利用多个用来制造常规柴油机的相同零件，诸如发动机气缸体、气缸盖、活塞以及其他主要部件，制造内燃发动机。第一燃料是液体燃料，第二燃料是气体燃料，并且通过采用这种方法，电热塞被除去或者不被安装，并且发动机被制得可作为具有液体引燃燃料点火辅助的气体燃料发动机运行。
[0021] 公开了一种操作内燃发动机的方法，该内燃发动机可以仅加第一燃料为燃料或者加该第一燃料和一第二燃料的组合为燃料。该方法包括：通过操作一个与进气歧管相关的点火辅助装置来通过预热该进气歧管内的空气以促进第一或第二燃料在燃烧室内自燃，预调节所述空气；通过第一燃料喷射阀将第一燃料直接引入燃烧室；通过第二燃料喷射阀将第二燃料直接引入燃烧室；以及选择多种预定工作模式中的一种以确定何时预调节空气，何时引入第一燃料，以及何时引入第二燃料，其中响应于所测得的发动机运行状况和操作者的输入作出这些确定。
[0022] 在一个优选的方法中，多种工作模式中的一种是用于起动发动机的起动模式。在起动模式下，该方法还可以包括：测量发动机的温度；如果发动机的温度低于一个预定值，在发动发动机之前打开点火辅助装置以预调节进气歧管内的空气；参照电子控制器接收的数据输入以及发动机特性曲线，确定第一燃料的量和第二燃料的量以及开始和结束各个喷射事件的时间选择，该数据输入包括测得的发动机运行参数和操作者的输入；通过第一燃料喷射阀将第一燃料直接引入燃烧室；以及通过第二燃料喷射阀将第二燃料直接引入燃烧室。在一个优选的方法中，点火辅助装置是一个加热器，并且在起动模式下，该方法还包括在发动发动机之前关闭加热器。
[0023] 在优选的方法中，在多种可选的预定工作模式中的至少一种模式下，第一和第二燃料中的每一种都被引入燃烧室，该多种可选的预定工作模式包括下面的至少两种：第一工作模式，其中运行点火辅助装置并且将第一燃料和第二燃料两者都直接引入燃烧室；第二工作模式，其中不运行点火辅助装置并且将第一燃料和第二燃料两者都直接引入燃烧室；第三工作模式，其中运行点火辅助装置，保持第一燃料喷射阀关闭而将第二燃料直接引入燃烧室；第四工作模式，其中不运行点火辅助装置，保持第一燃料喷射阀关闭而将第二燃料直接引入燃烧室；第五工作模式，其中运行点火辅助装置，将第一燃料直接引入燃烧室而保持第二燃料喷射阀关闭；以及第六工作模式，其中不运行点火辅助装置，将第一燃料直接引入燃烧室而保持第二燃料喷射阀关闭。
[0024] 当发动机正运行在不运行点火辅助装置的模式下时，该方法还可以包括：当进气歧管内的空气温度低于一个预定的固定值时改变工作模式并且运行点火辅助装置。代替预定的固定值，该方法可以包括：当进气歧管内的空气温度低于一个根据发动机特性曲线确定的预定值时改变工作模式并且运行点火辅助装置。即，用于触发点火辅助装置运行的
阈值温度可以依赖于所选择的工作模式和发动机特性曲线上的当前工作点而不同。
[0025] 如果点火辅助装置是一个加热器，该方法还可以包括通过控制来自加热器的热量输出来调节进气歧管内的空气温度。例如，如果加热器包括一个置于进气歧管内的电阻元件，该方法还可以包括控制传递到电阻元件的
电流以控制来自加热器的热量输出。如果加热器包括一个加气体燃料为燃料的燃烧器，该方法还可以包括调节气体燃料向燃烧器的流动以控制来自加热器的热量输出。
[0026] 如果点火辅助装置是一个燃烧器，该方法还可以包括将炽热的燃烧产物从燃烧器直接释放到进气歧管中。
[0027] 在优选的方法中，燃料中的一种是选自天然气、甲烷、乙烷、
液化石油气、较轻的可燃的
烃的衍
生物、氢气以及它们的混合物的气体燃料。“气体”燃料在此被定义为指在内燃发动机中可燃烧并且在进入燃烧室时处于气相的燃料。
[0028] 通常，两种燃料中的一种具有比另一种低的自燃温度。如果第一燃料具有比第二燃料低的自燃温度，第一燃料可以是选自柴油燃料、二甲醚、
生物柴油、
煤油以及它们的混合物的液体燃料。在优选的实施方案中，第一燃料是一种
十六烷值大于或等于40的液体燃料。
[0029] 该方法还可以包括将由燃烧室内的燃烧产生的废气再循环回燃烧室。
附图说明
[0030] 图1是发动机的进气歧管和燃烧室的示意图，示出了置于进气歧管内的加热器以及单独安装在燃烧室上方的气缸盖内的第一燃料喷射阀和第二燃料喷射阀。
[0031] 图2示出了从燃烧室内向上看观察到的、燃烧室上方的气缸盖。
[0032] 图3是带凹槽阀杆的燃料喷射阀的横截面的轴视图，该凹槽阀杆提供用于将燃料分成分开的喷射流(spray jet)的通道。
[0033] 图4是用于提升型燃料喷射阀的油嘴的侧视图，该提升型燃料喷射阀具有从油嘴延伸的柱以将燃料喷束分散成烟缕。
[0034] 图5是用于提升型燃料喷射阀的半球形油嘴的侧视图，该提升型燃料喷射阀具有用于将燃料以烟缕的形式引入到燃烧室中的孔。
[0035] 图6是一个
流程图，该流程图图解了用于通过将液体和气体燃料直接喷射到带有一个用于预热进气的加热器的燃烧室中来起动内燃发动机的控制策略。
[0036] 图7至9是流程图，每个流程图图解了用于通过将液体和气体燃料直接喷射到带有一个用于预热进气的加热器的燃烧室中来选择内燃发动机工作模式的控制策略的一个不同实施方案。
具体实施方式
[0037] 在图解所公开的发动机的有形(physica1)实施方案的各个图中，利用以增量100增加的相似参考数字指代示出的不同实施方案中名称相同的特征。
[0038] 图1的示意图示出了内燃发动机的部分进气歧管以及燃烧室。所公开的发动机可以仅加液体燃料为燃料，或加气体燃料和液体燃料的组合为燃料，或仅加气体燃料为燃料。与常规发动机相同，发动机部件相互协作以在燃烧室中燃烧燃料来产生机械功，但是该当前公开的发动机不需要电热塞来运行。代替电热塞，点火辅助装置与进气歧管相关联，从而可以启动点火辅助装置来促进燃烧室中的、导致被直接喷射的燃料被点燃的条件。
[0039] 图1是该被公开的系统的图解，但是部件不是按比例绘制的。发动机气缸体102、活塞104以及气缸盖106共同限定燃烧室108的边界。类似于常规的内燃发动机，活塞杆(未示出)可操作地连接到活塞104和曲轴，从而活塞104的往复运动与曲轴的旋转相联系。通过进气歧管110和进气阀112将进气导入燃烧室108。
[0040] 在图1示出的实施方案中，该点火辅助装置是加热器114。加热器114运行来加热进气歧管110内的空气。如图1所示，例如，加热器114可以包括置于进气歧管110内的、用于与进气直接接触的电阻加热元件116。在另一个实施方案(未示出)中，加热器114可以包括一个以与发动机燃烧的气体燃料相同的气体燃料作为燃料的燃烧器。在这种布置中，燃烧器可以包括一个紧邻进气歧管110但不在该进气歧管内的燃烧器燃烧室以及用于将热的燃烧产物释放到进气歧管110中的燃烧器排气口。燃烧器的优点是，它在起动时减少了
电池的电负荷。
[0041] 由于多种原因，加热器114不是如在每个气缸中安装的电热塞一样有效。例如，在加热器114和燃烧室108之间存在一些热消散，因此与加热电热塞以在燃烧室108内提供一个燃料可以被导向其的热表面来促进点火所需的能量相比，将进气歧管110中的空气加热到会促进点火的温度需要更多的能量。而且，通过加热进气歧管110内的空气，热空气会膨胀并且较少的空气可以被引入燃烧室108。因此，在常规的柴油机中，上述这些是当柴油不能自燃时在起动时使用电热塞而不用进气歧管加热器来辅助点火的部分原因。在该当前公开的发明中，所有这些缺点仍然是与使用进气歧管加热器相关的缺点。但是，与常规发动机不同，使用该当前公开的发动机时，这些缺点被该当前公开的发动机所取得的优点抵消了，该当前公开的发动机能够仅燃烧第一燃料，或者燃烧第一燃料和第二燃料的组合，或者仅燃烧第二燃料，而不需要电热塞的点火辅助。去掉电热塞提供了用于安装第二燃料喷射阀的空间，使得在气缸盖106中可以为每个燃烧室安装两个燃料喷射阀，而不需要一个专门设计的气缸盖或者对常规的气缸盖进行大的改变。尽管加热器114比电热塞效率低，但是加热器114仅需在发动机处于起动工作模式时或者进气温度低于预定值时使用。通常，一旦发动机处于运行状态并且发动机气缸体被加热到正常的
工作温度，即可以关闭加热器114，因为燃烧的残余热量以及
上止点附近的正常缸内工作温度可以热到足以自动点燃两种被直接喷射的燃料中的至少一种，这又可以导致另一种燃料被点燃。
[0042] 另外，由于加热器114仅需在发动机起动时以及可选地在诸如
怠速或低负荷条件之类的特定预定条件下被正常使用，因此被加热的空气的
密度低导致空气
质量流量减少不是不利因素。当发动机在高负荷工作状况下运转时需要较高的空气质量流量，但在这些条件下，燃烧室中产生的热量通常足以使得不必预热进气。在低负荷以及怠速的条件下，由于被燃烧的燃料的量较少，所以
燃烧热可以相对较低，并且利用该公开的发动机，能够启动加热器来升高燃烧室中的温度，以改善燃烧以及减少排放。因此，该公开的发动机的性能不受预热进气对进入燃烧室的空气质量单位流量的作用的影响。
[0043] 因此，虽然加热器114可能不是常规柴油机中电热塞的理想替代物，但对于该当前公开的发动机，它是一个有利的解决方案，因为它使得两个单独的燃料喷射阀可以均被安装在原先被设计为仅容纳一个燃料喷射阀和一个电热塞的气缸盖中。该公开的发动机布置对从一开始就被作为双燃料发动机设计的新型发动机也是有利的，这是因为该公开的发动机布置简化了气缸盖的设计，否则可能要求该气缸盖除了容纳一个电热塞或火花塞之外，还容纳两个燃料喷射阀。
[0044] 可以通过第一燃料喷射阀122将第一燃料直接喷射到燃烧室108中。可以通过第二燃料喷射阀120将第二燃料直接喷射到燃烧室108中。两个燃料喷射阀都被安装在气缸盖106中。如上面在关于加热器114的讨论中指出的，通过去掉电热塞以及用诸如加热器114之类的点火辅助装置代替以通过预热进气歧管110中的空气来在起动阶段辅助点火，使得可以安装与每个燃烧室相关联的两个燃料喷射阀并且使用为柴油机设计的常规气缸盖。
[0045] 与能够喷射气体燃料和液体燃料的单个双燃料喷射器相比，具有两个单独的燃料喷射阀的优点是，燃料供应系统可以被完全分离。使用一个双燃料喷射器时，因为存在活动零件以及两种类型的燃料，所以需要诸如流体密封之类的动密封来保持气体和液体燃料分开。为了减少双燃料喷射阀中的渗漏，希望基本平衡气体燃料和液体燃料的压力。使用该当前公开的布置，可以有单独的气体和液体燃料喷射阀，使得可以基于运行要求选择气体和液体燃料的压力。在液体燃料的情况下，运行要求例如可以包括雾化燃料所需的压力。在气体燃料的情况下，运行要求例如可以包括以所希望的质量单位流量以及燃料喷射速度引入所希望量的燃料所需的压力，因为可以控制这一点来促进燃料进入燃烧室108以及紊流(turbulence)和在燃烧室中混合。
[0046] 另外，两个单独的燃料喷射阀的设计比分开并独立地喷射气体燃料和液体燃料的单个燃料喷射阀的设计简单。根据发动机的燃料要求，通过进行较小的改变，或者完全不用进行任何改变，即可以利用目前大规模生产的燃料喷射阀。因此，制造该当前公开的发动机可以比制造采用单个专门设计的双燃料喷射阀的发动机廉价。
[0047] 在一个实施方案中，第一燃料喷射阀122和第二燃料喷射阀120中的至少一个是提升阀(也称作向外打开的针式阀(outward opening pintle valve))。这种提升阀可以被制成具有适于安装在通常用来容纳电热塞的气缸盖孔中的尺寸。
[0048] 在图1的简化图解中，虽然未示出排气系统，但与常规的发动机一样，通过排气阀和
排气歧管排放燃烧产物。该公开的发动机可以利用一个废气再循环系统，例如共有的已公布的
专利合作条约申请系列号为PCT/CA03/01466、名称为“Exhaust Gas Recirculation Methods and Apparatus for Reducing NOx Emissions from Internal Combustion Engines(用于减少内燃发动机的NOx排放的废气再循环方法和装置)”的申请所公开的系统。
[0049] 如本领域技术人员所知的，
电子控制单元(ECU)可以被编程以控制发动机的运行。对于该当前公开的发动机，ECU还控制加热器114的启动以及第二燃料喷射阀120和第一燃料喷射阀122的运行。在图1中，绘制从ECU 140到加热器114以及第二燃料喷射阀120以及第一燃料喷射阀122的实线来表示可以响应于从ECU 140传输来的
信号控制它们。ECU 140接收表示发动机运行参数的测量数据，例如，该运行参数可以包括下列项中的一个或多个：
发动机转速、实际的发动机载荷、命令的(commanded)发动机载荷、
增压压力以及油温、周围空气温度、进气歧管110内的空气温度、发动机气缸体的温度、引燃
燃料油轨压力(rail pressure)、气体燃料油轨压力以及燃烧的开始。显示虚线来表示ECU 140可以接收的、可能与该当前公开的发动机的实施方案特别相关的数据输入。从温度
传感器142引出的虚线表示，在图示的实施方案中ECU 140可以接收表示由温度传感器142测量的进气歧管110中的空气温度的数据。同样，从温度传感器144引出的虚线表示ECU 140可以接收表示由传感器144测量的发动机气缸体102的温度的数据。例如，ECU 140可以处理上述温度测量结果中的一个或两个，以确定何时启动加热器114。
[0050] 使用该公开的发动机，ECU 140可以被编程以根据测得的运行参数从至少两种不同的预定工作模式中进行选择。在理解该公开的发动机能够实现以两种不同的燃料运行的情况下——所述两种不同的燃料可以是两种都是液体的或者两种都是气体的或者一种是液体的一种是气体的，以举例的方式，在下面的表1中列出一种发动机的6种工作模式，该发动机燃烧一种液体燃料和一种气体燃料并且将与进气歧管相关的加热器用作点火辅助装置。即，在表1中，“液体燃料”可以用“第一燃料”代替，并且“气体燃料”可以用“第二燃料”代替。
[0051] 表1：工作模式
[0052]模式 加热器 液体燃料 气体燃料
1 开 喷射 喷射
2 关 喷射 喷射
3 开 不喷射 喷射
4 关 不喷射 喷射
5 开 喷射 不喷射
6 关 喷射 不喷射
[0053] 参见表1，例如，以下情况下ECU 140可以选择工作模式1：当发动机温度低时或者当发动机正运行在寒冷的
气候中时，并且当仅仅压缩产生的热量不足以保证液体燃料的自燃时。可以通过分别来自发动机气缸体温度传感器144和进气歧管温度传感器142的数据输入来检测这些状况。当选择工作模式1时，ECU 140命令加热器114预热进气，并且命令第一燃料喷射阀122和第二燃料喷射阀120分别将液体和气体燃料喷射到燃烧室中，其中液体燃料充当引发气体燃料燃烧的引燃燃料。
[0054] 可选择工作模式2，例如，如果ECU 140确定燃烧室108处于始终高于预定值的温度的话，在该温度下不需要预热进气来保证上述燃料中的至少一种(通常，该燃料是具有较低自燃温度的液体燃料)燃烧。ECU 140可以根据来自发动机气缸体温度传感器144的数据输入确定满足该条件的时间。例如，如果当在压缩行程的末尾活塞处于上止点时ECU140确定发动机气缸体温度高于预定的阈值，ECU 140可以命令加热器114关闭。在工作模式2，ECU 140命令第一燃料喷射阀122和第二燃料喷射阀120分别将液体和气体燃料直接喷射到燃烧室中，其中具有较低自燃温度的燃料充当辅助另一种燃料燃烧的引燃燃料。即，在该
实施例中，气体燃料是被计量供给来满足发动机载荷所要求的能量需要的主燃料，而将液体燃料的量限制到仅仅是点燃气体燃料所需的量。
[0055] 可以仅采用工作模式1和2控制该公开的发动机，但是在一些运行状况下，可以有利地利用工作模式3至6，以改善性能、减少排放和/或者提高操作灵活性。工作模式3和4可以仅被用于在没有引燃燃料的点燃辅助的情况下能够自燃的气体燃料，并且这些工作模式允许该公开的发动机仅使用气体燃料运行。工作模式5和6通过允许该公开的发动机仅使用液体燃料运行提供操作灵活性。
[0056] 例如，以下情况下ECU 140可以被编程为选择工作模式3：如果在压缩行程的末尾燃烧室内的温度高于预定温度，使得在来自被预热的进气的点火辅助下，但不需要来自液体引燃燃料的点火辅助，气体燃料会自燃。ECU 140可以根据从发动机气缸体温度传感器144接收的数据确定何时在所希望的点火时间选择处燃烧室温度高于这个预定温度。由于气体燃料一般比液体燃料更清洁燃烧，所以对减少排放而言，这个工作模式是所希望的。在该工作模式下，ECU 140命令加热器114打开，但而不发送启动第一燃料喷射阀122的命令信号使得第一燃料喷射阀保持关闭。ECU 140命令第二燃料喷射阀120打开，以将所希望量的气体燃料喷射到燃烧室中。借助被预热的进气提供的点火辅助，气体燃料自燃。
[0057] ECU 140可以被编程来选择工作模式4，例如，如果ECU 140确定发动机气缸体102在所希望的点火时刻的预期温度(projected temperature)已高于预定温度的话，已知在该预定温度下气体燃料会自燃而不需要液体引燃燃料的点火辅助并且不需要预热进气。气体燃料的自燃温度取决于气体燃料的性质。当选择工作模式4时，ECU 140命令加热器114关闭，并且不向第一燃料喷射阀122发送启动命令使得它保持关闭，而ECU 140向第二燃料喷射阀120发送启动命令使得气体燃料被喷射到燃烧室108中。
[0058] 工作模式5和6都限定了仅喷射液体燃料的工作模式。例如，如果车辆在到达加气站之前用完了气体燃料，或者如果发动机怠速而仅需要非常少量的燃料并且喷射两种不同的燃料是不实际的且气体燃料不会自己自燃。在工作模式5中，加热器打开，而在工作模式6中加热器关闭。在这些模式下，当ECU 140确定必须预热进气来辅助点燃液体燃料时，加热器114打开。
[0059] 在工作模式1、3以及5中，加热器114打开，并且ECU 140可以根据测得的运行参数确定调节加热器以提高还是降低加热器114所提供的加热水平。例如，如果加热器是电阻加热器，可以调节通到加热线圈的电流量来升高或降低进气温度。如果加热器是燃烧器，可以调节流量调节器来控制被送到燃烧器的燃料量以升高或降低进气温度。可以采用一个开环或闭环控制系统来控制进气温度。
[0060] 使用表1中列出的上述工作模式，可以有多种不同的控制策略。图6至9是参照是表1中的工作模式的“工作模式”提供该公开的发动机使得可以进行的几种控制策略的实施例的控制图。如关于表1的情形，这些描述涉及一优选的实施方案，其中点火辅助装置是加热器，并且第一燃料是液体燃料，第二燃料是气体燃料。
[0061] 图6图解了一个起动控制策略。在第一步，ECU确定发动机气缸体温度，并且如果该温度高于预定温度Ti，则ECU开始发动发动机。如果发动机气缸体温度低于Ti，那么ECU命令加热器打开。当进气温度高于预定温度Ts时，如果加热器是电加热器，ECU可以关闭加热器以在发动机被发动时减小电力系统的负载。如果加热器是燃烧器，在发动步骤中可以使它打开。当发动机正被发动时，ECU命令喷射引燃燃料，接着喷射气体燃料。如果没有检测到燃料点燃，那么可以重复该起动过程。一旦检测到燃料点燃，ECU可以着手选择所希望的工作模式。
[0062] 图7示出了用于选择如表1中所述的工作模式1、2、5或6中的一种的控制策略。利用这种控制策略，第一查询是确定发动机气缸体温度是否高于预定温度TA。例如，温度TA可以是与何时在工作行程的开始或者该开始附近燃烧室内的条件确保在所希望的点火时刻液体燃料自燃有关的发动机气缸体温度。如对于所有描述的控制策略，优选地在每个燃烧循环中以相同的定时测量发动机气缸体温度，例如，在发动机循环中的、通过在活塞到达上止点之前按
角度测得的曲轴位置所定义的固定时间测量。根据测得的发动机气缸体温度和其他测得的运行参数，诸如发动机转速、发动机载荷以及进气温度，例如通过参考发动机特性曲线或者通过计算，ECU可以预测在所希望的点火时间燃烧室内的温度。因此预期，当从前一燃烧循环获得的发动机气缸体温度高于TA时，在下个燃烧循环中被直接喷射到燃烧室中的液体燃料在工作行程的开始或者该开始附近在所希望的时刻自燃。如果发动机气缸体温度低于TA，那么ECU打开加热器，或者如果加热器已经打开的话使它保持打开。相反，如果ECU确定发动机气缸体温度高于TA，那么ECU关闭加热器，或者如果加热器已关闭的话使它保持关闭。
[0063] 在确定打开还是关闭加热器之后，下一步是确定气体燃料是否可得到。如果气体燃料可得到，那么ECU命令喷射引燃量的液体燃料，随后喷射气体燃料以提供对于当前发动机载荷所需的能量。如果气体燃料不可得到，ECU命令液体燃料喷射阀喷射足够的液体燃料来提供对于当前的发动机载荷所需的能量，最多可达到通过液体燃料喷射阀可以喷射的最大流率。如果操作者决定关闭发动机，那么关闭加热器并且该过程停止。如果操作者希望继续运行发动机，可以当检测到发动机运行状况发生改变时重复该控制策略，或者在固定数量的发动机循环或者固定时间间隔之后周期性地重复该控制策略，或者可以每个燃烧循环重复用于选择工作模式的控制策略。
[0064] 在图7示出的控制策略中，在每个工作模式下都喷射液体燃料。在工作模式1和2中，液体燃料量被限制到用于点燃辅助的引燃量。在工作模式5和6中，液体燃料代表被喷射进燃烧室中的燃料的全部数量。因此，因为在每个工作模式都有液体燃料被引入燃烧室中，并且液体燃料比气体燃料更易点燃，所以与促进液体燃料自燃的燃烧室条件有关的发动机气缸体温度是预定温度TA，该控制策略利用该预定温度TA来确定是打开还是关闭加热器。
[0065] 图8示出了当在一些条件下气体燃料不需要通
过喷射液体引燃燃料进行的点燃辅助即自燃时可以使用的控制策略。例如，在燃烧余热、通过废气再循环返回到燃烧室的热量以及由进气歧管加热器提供的热量的帮助下，燃烧室中的运行状况可以促进气体燃料的自燃。在其他运行状况下，发动机可以加引燃量的液体燃料和主要量的气体燃料的组合为燃料。在又一些情形下，例如当气体燃料不可得到时，发动机可以仅加液体燃料为燃料。参照图8，如果气体燃料不可得到，ECU考虑发动机气缸体温度以确定是否需要进气加热器来辅助液体燃料点燃。在这种实施方案中，类似于在图7的实施方案中，温度TA与燃料室中的、促进液体燃料自燃的条件相关。如果发动机气缸体温度高于TA，那么ECU选择工作模式6，并且关闭加热器，或者如果加热器已经关闭的话保持其关闭。液体燃料被喷射并且自燃而不需要来自加热器的点燃辅助。如果发动机气缸体温度不高于TA，那么ECU选择工作模式5，并且打开加热器，或者如果加热器已经打开的话保持其打开，以预热进气来辅助液体燃料点燃。
[0066] 如果气体燃料可得到，那么根据图8的控制策略，ECU计算最近“n”个循环的平均发动机气缸体温度，其中n是一个被编程到ECU中的预定数。如果平均发动机气缸体温度高于阈值温度TB，关闭加热器(或者保持其关闭)，在该实施方案中该阈值温度TB是与何时在所希望的点火时间选择燃烧室中的温度是气体燃料的自燃温度相关的发动机气缸体温度。根据图8中图示的策略，如果平均发动机气缸体温度不高于TB并且来自刚刚前一个发动机循环的发动机气缸体温度也不高于TB，则ECU选择工作模式1。如果平均发动机气缸体温度高于TB但来自刚刚前一个发动机循环的发动机气缸体温度不高于TB，则ECU选择工作模式
2。如果平均发动机气缸体温度不高于TB并且来自刚刚前一个发动机循环的发动机气缸体温度高于TB，则ECU选择工作模式3。如果平均发动机气缸体温度和来自刚刚前一个发动机循环的发动机气缸体温度都高于TB，则ECU选择工作模式4。
[0067] 除了多一个附加特征之外，在图9中显示的控制策略与图8中显示的控制策略相同。如果按能量来说燃料的所需量小于预定值ef，那么ECU仅命令液体燃料喷射阀将燃料喷射到燃烧室中。在这些运行状况下，由于所需要的燃料的量小，可能难以喷射引燃量的液体燃料和气体燃料两者，因此在这些条件下根据图9的策略，ECU确定仅喷射液体燃料。
[0068] 现回到对有形实施方案的描述，图2是从燃烧室内部观察到的气缸盖206的视图。示出了两个进气阀212以及两个排气阀250的圆形轮廓。示出了位于中心的第二燃料喷射阀220和安置在附近的第一燃料喷射阀222。通过将第二燃料喷射阀220安装在通常由柴油燃料喷射阀占用的孔中以及将第一燃料喷射阀222安装在通常由电热塞占用的孔中，可以使常规的柴油机改为根据该公开的方法运行。第一燃料喷射阀222可以用来喷射液体燃料，第二燃料喷射阀220可以用来喷射气体燃料。对于常规的柴油机，中心的孔一般具有比用于电热塞的孔大的直径，对于该当前公开的发动机，由于气体燃料的密度比液体燃料的密度小，并且在优选的工作模式中被喷射的大部分燃料是气体燃料，因此在优选的实施方案中将第二燃料喷射阀220安装在具有较大直径的中心孔中，而将第一燃料喷射阀222安装在直径较小的、在常规的柴油机中通常由电热塞占用的孔中。在另一个实施方案中，两个阀的位置可以互换，使得第一燃料喷射阀222可以是常规的柴油燃料喷射阀，该柴油燃料喷射阀被设计为和通常由柴油喷射阀占用的中心孔相适应。
[0069] 例如，用于喷射一些液体引燃燃料的提升阀可以被制造为具有需要的直径以被安装在通常由电热塞填塞的孔中。当发动机正以满负荷运行时，所希望的液体引燃燃料量按能量来说少于被燃烧的总燃料的百分之十，更优选地少于百分之五。当向外打开的阀构件移离阀座时提升阀打开，使得燃料能够被喷射到燃烧室中。简单的提升阀将燃料以锥形流幕的形式分散，但是可能希望分散该燃料喷射流幕(spray sheet)，以在燃料喷束和燃烧室内的空气之间提供更多表面。通过使用具有像图3中显示的提升阀的、带凹槽气室的提升阀，燃料流可以被分成分开的流束。图3是一个带凹槽阀杆的提升阀的轴向截面图。燃料能够在于阀体326和凹槽332之间限定的通道内平行于阀杆330的轴线流动。尽管凹槽332被显示为具有圆形轮廓，但本领域技术人员应理解，其他形状会以基本相同的方式起作用。在另一个实施方案中，也可以通过在阀座附近的阀体中设置凹槽来提供一个凹槽气室，其中凹槽之间的凸起区域充当阀杆的导向装置。
[0070] 在其他实施方案中，在阀座下游的燃料喷射阀的油嘴可以包括将燃料喷束分散成分开的喷射烟缕的特征。参照图4，为了分散燃料喷束并提供更多的燃料/空气界面，可以给提升阀422增加实现这一目的的特征，例如柱428。柱428从阀体426延伸并进入燃料喷束的路径中，从而分散通过阀422被引入燃烧室的燃料喷射流幕。
[0071] 参照图5，提升阀522可以设有半球形油嘴528，该油嘴528包括孔529，以便将燃料以从孔529出射的喷射烟缕的形式引入燃烧室。半球形油嘴528可以一体
化成图5中所示的油嘴，或者可以将带孔的半球形盖固定到气缸盖。如果将半球形盖固定到气缸盖，那么不用拆卸该半球形盖就可拆卸提升阀522。在这种实施方案中，优选地，该半球形盖可拆卸地固定到气缸盖，以便如果其被损坏或阻塞，可以更换。
[0072] 还公开了一种通过改变常规的内燃发动机来制造所公开的发动机的方法，该常规的内燃发动机具有一个带有适于容纳常规的柴油燃料喷射阀的第一孔以及适于容纳常规的电热塞的第二孔的气缸盖。该制造方法包括以下步骤：将第一燃料喷射阀安装在气缸盖中的第一和第二孔之一中；将第二燃料喷射阀安装在所述第一和第二孔中的没有被第一燃料喷射阀占用的另一个孔中；安装一个可操作来加热进气歧管中的空气的加热器，空气在到燃烧室的途中可通过该进气歧管流动；以及，将电子控制器编程为以多种工作模式中的一种模式操作发动机，其中在至少一种工作模式下通过相应的燃料喷射阀将第二燃料和引燃燃料量的第一燃料直接喷射到燃烧室中，在另一种工作模式下仅将第一燃料直接喷射到燃烧室中，并且在所有的工作模式下电子控制器都被编程为响应于预定运行状况打开加热器，以当活塞处于上止点或上止点附近时辅助促进燃烧室中的燃烧。
[0073] 在将气体燃料引入燃烧室的工作模式下，电子控制器可以响应于发动机运行状况确定是否通过以下手段来辅助点燃气体燃料：(a)通过打开加热器来加热进气；和/或(b)通过液体燃料喷射阀引入一些液体燃料，从而液体燃料自燃，进而又点燃气体燃料。
[0074] 对于通常仅将液体燃料用作引燃燃料的实施方案，上述改变的方法还可以包括用更小的液体燃料储罐代替柴油燃料储罐，和/或用更小的燃料
泵代替常规的燃料泵。
[0075] 该公开的发动机提供了操作灵活性，因为它能够仅加液体燃料为燃料，仅加气体燃料为燃料，或者加液体引燃燃料和气体燃料的组合为燃料。但是，由于当仅给发动机加液体燃料为燃料时发动机排放较高，因此在政府法规要求污染物排放必须低于规定水平的地区，液体燃料喷射阀可被设计为限制燃料流量，以致在仅给发动机加液体燃料为燃料时不能实现最大功率。这将使得车辆在正常情况下仅使用液体燃料运行不切实际。但是，如果车辆用完了气体燃料，甚至当液体燃料喷射阀已经限制了流量时，车辆仍可能“蹒跚”到家或者到加气站，或者移动到车辆可以在安全地带停放的安全地方。
[0076] 虽然已经示出和描述了本发明的具体元件、实施方案以及应用，但应理解，本领域技术人员当然可以在不脱离本公开内容的范围的情况下进行改变，特别是根据前述的教导进行改变。
