專利名稱：內燃機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種能夠同時使用多種燃料的內燃機。
背景技術：
在能夠使用多種燃料的內燃機中，已知一種這樣的內燃機，所述內燃機通過混合多種燃料并且燃燒其混合物(多種燃料燃燒)提高熱效率等。例如，日本專利申請公報No. 2003-532828 (JP-A-2003-532828)公開了一種內燃機，在所述內燃機中，通過從設置在入口中的噴射閥(噴嘴)噴射天然氣并且通過從設置在汽缸中(燃燒室中)的噴嘴噴射柴油，實施予頁混充氣壓燃(premixed charge compression ignition)。由于前述內燃機設置有僅一個用于噴射天然氣的噴嘴和僅一個用于噴射柴油的噴嘴，所以有時會無法根據運轉區域來實施發動機的高效運轉。因此，有時會導致燃油經濟下降或者排放物增加。
發明內容
本發明提供了一種能夠比傳統發動機在更寬的運轉區域中高效運轉的內燃機。本發明的一方面涉及一種內燃機。所述內燃機包括第一燃料供應部分，所述第一燃料供應部分設置在燃燒室中或者設置在與燃燒室連通的進氣通路中，并且所述第一燃料供應部分供應第一燃料；第二燃料供應部分，所述第二燃料供應部分設置在燃燒室中并且供應第二燃料，所述第二燃料是能夠壓燃的燃料；和第三燃料供應部分，所述第三燃料供應部分設置在進氣通路中并且供應所述第二燃料。前述內燃機還可以包括控制部分，所述控制部分控制第一燃料供應部分、第二燃料供應部分和第三燃料供應部分，并且所述控制部分能夠在通過使用第二燃料供應部分和第三燃料供應部分中的一個以及第一燃料供應部分將第二燃料和第一燃料供應到燃燒室中的運轉模式和通過使用第二燃料供應部分將第二燃料供應到燃燒室中的運轉模式之間進行切換。在怠速運轉期間，控制部分可以通過使用第二燃料供應部分將第二燃料供應到燃
燒室中。當運轉期間的負荷小于根據運轉條件確定的閾值并且當前的運轉不是怠速運轉時，控制部分可以通過使用第一燃料供應部分和第三燃料供應部分將第一燃料和第二燃料供應到燃燒室中。當運轉期間的負荷大于根據運轉條件確定的閾值時，控制部分可以通過使用第一燃料供應部分和第二燃料供應部分將第一燃料和第二燃料供應到燃燒室中。第一燃料供應部分可以設置在進氣通路中，并且第一燃料供應部分的供給口和第三燃料供應部分的供給口可以布置成使得，從第一燃料供應部分供應的第一燃料和從第三供應部分供應的第二燃料相互交匯并且碰撞。第一燃料供應部分可以設置在進氣通路中，并且可以布置成使得在進氣通路的位于第三燃料供應部分下游的下游部分中，第一燃料與來自第三燃料供應部分的第二燃料碰撞。第一燃料可以是天然氣，第二燃料可以是輕油。根據按照本發明的前述方面的內燃機，與相關技術相比，能夠在更寬的運轉區域中實施高效運轉。
以下將參照附圖描述本發明的示例性實施例的特征、優勢和技術以及工業意義，在所述附圖中，相同的附圖標記表示相同的元件，并且其中圖1是示出了根據本發明的第一實施例的內燃機的整體構造的簡圖；圖2是示出了根據第一實施例的內燃機的構造的細節的簡圖；圖3是示出了運轉條件和噴射切換控制之間的關系的映射圖表；圖4A至圖4C是示出了第一實施例的修改方案的簡圖(2的圖解I)；圖5是示出了第一實施例的另一個修改方案的簡圖(2的圖解2)；圖6是示出了根據本發明的第二實施例的內燃機的整體構造的簡圖；和圖7是示出了根據第二實施例的內燃機的構造的細節的簡圖。
具體實施例方式圖1是示出了根據本發明的第一實施例的內燃機的整體構造的簡圖。內燃機100是能夠燃燒作為主要燃料的CNG (壓縮天然氣)和作為輔助燃料的輕油的混合物的雙燃料內燃機，并且所述內燃機100具有例如直列四缸布置的發動機本體10。缸內輕油噴嘴24設置在發動機本體10的每一個燃燒室12中。經由高壓泵33和共軌34將輕油燃料從輕油燃料箱32供應到缸內輕油噴嘴24。與對應的燃燒室12連通的進氣口 42中的每一個均設置有進氣口輕油噴嘴26和進氣口壓縮天然氣噴嘴28。經由輕油燃料輸送管35將輕油燃料從輕油燃料箱32供應到進氣口輕油噴嘴26。經由調節器38和壓縮天然氣輸送管39將壓縮天然氣燃料從壓縮天然氣燃料箱37供應到進氣口壓縮天然氣噴嘴28。發動機本體10的進氣通路40從下游側以進氣口 42、用于調節流量的節流閥44、中間冷卻器46、渦輪增壓器48以及空氣過濾器49的順序設置有進氣口 42、用于調節流量的節流閥44、中間冷卻器46、渦輪增壓器48以及空氣過濾器49。發動機本體10的排氣通路50從上游側以排氣口 52、渦輪增壓器48和啟動轉換器54的順序設置有排氣口 52、渦輪增壓器48和啟動轉換器54，所述啟動轉換器54容納有用于廢氣控制的催化劑。此外，內燃機100裝配有作為控制部分的ECU (發動機控制單元)。發動機控制單元60根據傳感器等(未示出)的表示節流閥44的開度、發動機轉速等的輸出獲得關于內燃機100的運轉條件(例如，內燃機的運轉負荷和發動機轉速)的信息。此外，根據所獲得的運轉條件，發動機控制單元60對缸內輕油噴嘴24、進氣口輕油噴嘴26和進氣口壓縮天然氣噴嘴28進行燃料噴射控制。
圖2是示出了燃燒室12和其附近區域的構造的細節的簡圖。每個燃燒室12均由汽缸14、活塞15和汽缸蓋16所限定。缸內輕油噴嘴24設置在燃燒室12上方。每個燃燒室12的進氣側均通過進氣閥17與進氣口 42中的對應的一個連通。每個進氣口 42的上游部分42a構成用于所有燃燒室12的空間。每個進氣口 42的下游部分42b是設置用于形成在發動機本體10中的燃燒室12中的對應的一個的通路。每個燃燒室12的排氣側均經由排氣閥18與排氣口 52中的對應的一個連通。進氣口輕油噴嘴26和進氣口壓縮天然氣噴嘴28設置在進氣口 42的上游部分42a中。每個進氣口輕油噴嘴26將輕油燃料噴射到進氣口 42的上游部分42a中。每個進氣口壓縮天然氣噴嘴28通過金屬管27將壓縮天然氣燃料噴射到進氣口 42中的對應的一個的下游部分42b中。在充分壓縮時點燃的輕油當在燃燒室12中被壓縮時燃燒。另一方面，壓縮天然氣在壓縮狀態下不會點燃。因此，事先形成壓縮天然氣燃料和輕油燃料的混合物，然后輕油燃料作為點燃物燃燒(這種燃燒稱為多燃料燃燒)。可以根據內燃機100的運轉條件確定(或選擇)使用兩種燃料中的哪一種。在下文中，將對此進行詳細描述。圖3是示出了內燃機100的運轉條件與噴射切換控制之間的關系的映射圖表。映射圖表的水平軸線示出了發動機轉速，映射圖表的豎直軸線示出了發動機運轉期間發生的負荷。在映射圖表下方左側區域中示出的怠速運轉期間，燃燒的燃料量較少，使得如果實施壓縮天然氣和輕油的多燃料燃燒，則燃燒的輕油的絕對量將變得不足，從而導致不穩定的燃燒(點燃)。因此，在怠速運轉期間，優選的是僅使用輕油來運轉發動機。在這種情況下，發動機控制單元60通過使用缸內輕油噴嘴24將輕油供應到燃燒室12中，而不會執行從進氣口輕油噴嘴26或進氣口壓縮天然氣噴嘴28來供應燃料。當運轉期間的發動機負荷處于輕度負荷范圍至中度負荷范圍中時，發動機控制單元60通過使用進氣口壓縮天然氣噴嘴28和進氣口輕油噴嘴26將壓縮天然氣和輕油供應到燃燒室12中。在這期間，發動機控制單元60不會執行從缸內輕油噴嘴24供應燃料。通過經由進氣口 42供應輕油，均勻地形成包含壓縮天然氣、輕油和空氣的預先混合物，以便均勻地分散用作點火源的輕油。因此，在壓縮時多點點火變得更易于發生，以便提高燃燒效率。此外，能夠實施均質充氣壓燃(HCCI,Homogeneous Charge Compression Ignition)燃燒，這種均質充氣壓燃燃燒在高負荷運轉時難以發生。如圖2所示，在這個實施例中，噴射壓縮天然氣燃料，以便所述壓縮天然氣燃料在進氣口 42的下游部分42b中與經由進氣口的上游部分42a供應的輕油碰撞。因此，作為氣體燃料的壓縮天然氣的氣體流加速作為液體燃料的輕油的霧化。因此，提高了預先混合物的均勻性，使得能夠進一步提高燃燒效率。當運轉期間的發動機負荷處于中度負荷至高負荷的范圍中時，發動機控制單元60通過使用進氣口壓縮天然氣噴嘴28和缸內輕油噴嘴24將壓縮天然氣和輕油供應到燃燒室12中。在此期間，發動機控制單元60不執行從進氣口輕油噴嘴26供應燃料。通過將輕油直接供應到燃燒室12中，預混合物在燃燒室12內分層(集中到特定區域)。因此，通過將點火時機控制在上止點(TDC)附近并且與輕度負荷至中度負荷狀態期間的點火時機相比延遲點火時機，能夠提高燃燒效率。在壓縮天然氣和輕油均用作燃料的情況下，能夠如上所述根據發動機負荷在使用進氣口輕油噴嘴26的運轉模式和使用缸內輕油噴嘴24的運轉模式之間實施切換。在發動機負荷小于預定閾值的情況下(即，處于輕度負荷至中度負荷范圍中)選擇前一種運轉模式，而在發動機負荷大于預定值的情況中(即，處于中度負荷至高負荷的范圍中)選擇后一種運轉模式。以上提及的閾值能夠根據發動機的運轉條件適當地設置(例如，能夠通過使用如圖3所示的映射圖表規定)。順便提及，如果壓縮天然氣的量不足以用于多燃料燃燒(如果燃料已經耗盡)，則發動機控制單元60像在怠速期間那樣通過使用缸內輕油噴嘴24僅使用輕油來運轉發動機。因此，根據按照第一實施例的內燃機100，發動機控制單元60經由缸內輕油噴嘴24、進氣口輕油噴嘴26和進氣口壓縮天然氣噴嘴28實施燃料噴射的切換控制(運轉模式切換)，使得與相關技術相比，能夠在更寬的運轉區域中使發動機高效運轉。盡管在第一實施例中，進氣口輕油噴嘴26和進氣口壓縮天然氣噴嘴28設置在進氣口的上游部分42a中，但是這些噴嘴可以設置在內燃機100的進氣系統中的任意位置處。圖4A至圖4C是示出了修改方案的簡圖，在所述修改方案中，安裝噴嘴的位置發生改變。結合圖4A至圖4C，假設簡圖中示出的噴嘴22表示進氣口輕油噴嘴26或進氣口壓縮天然氣噴嘴28。在圖4A中，噴嘴22設置在節流閥44的下游。在圖4B中，噴嘴22設置在節流閥44的上游。在圖4C中，噴嘴22設置在渦輪增壓器48的壓縮機的上游側。噴嘴22的安裝位置按照圖4A、圖4B和圖4C的順序向上游側移動。隨著噴嘴22的安裝位置向上游側移動，空氣和燃油的混合被加速，并且預混合物變得更加均勻，使得相應提高了燃燒效率。然而，如果噴嘴22的安裝位置移動到上游側，則對燃油噴射時機的變化或者燃油噴射量的變化的響應性下降。優選的是，通過考慮以上提及的平衡適當地確定噴嘴22在內燃機100的進氣系統中的安裝位置。圖5是示出了修改方案的簡圖(2的圖解2)，在所述修改方案中，噴嘴的安裝位置發生變化。在這個修改方案中，盡管如在第一實施例中那樣進氣口輕油噴嘴26和進氣口壓縮天然氣噴嘴28均設置在進氣口的上游部分42a中，但是與第一實施例不同的是，金屬管27沒有連接到進氣口壓縮天然氣噴嘴28。此外，進氣口輕油噴嘴26和進氣口壓縮天然氣噴嘴28的噴射口定位成使得從進氣口壓縮天然氣噴嘴28噴射的壓縮天然氣燃料以交會角度與從進氣口輕油噴嘴26噴射的輕油燃料碰撞。根據這個構造，由于作為氣體燃料的壓縮天然氣與作為液體燃料的輕油的碰撞，加速了輕油的霧化并且提高了預混合物的均勻性，使得能夠提高燃燒效率。本發明的第二實施例是用于供應壓縮天然氣的噴嘴設置在燃燒室中的示例。圖6是示出了根據第二實施例的內燃機的整體構造的簡圖。每個燃燒室12均設置有缸內輕油噴嘴24和缸內壓縮天然氣噴嘴29。經由壓縮天然氣調節器38將壓縮天然氣燃料從壓縮天然氣燃料箱37供應到缸內壓縮天然氣噴嘴29。第二實施例的其它構造與第一實施例(圖1)的那些構造基本相同，并且省略對這些相同構造的詳細描述。圖7是示出了根據第二實施例的內燃機的構造細節的簡圖。缸內輕油噴嘴24和缸內壓縮天然氣噴嘴29設置在燃燒室12上方。在每個燃燒室12中，兩個噴嘴的噴射口以使得壓縮天然氣和輕油從燃燒室12的頂板朝向形成在活塞15上的凹腔19噴射的布置方式相互毗鄰。進氣口 42沒有壓縮天然氣噴嘴。第二實施例的其它構造與第一實施例(圖2)的那些構造基本相同，并且省略對這些相同構造的詳細描述。在第二實施例中，與在第一實施例一樣，發動機控制單元60根據發動機的運轉條件實施燃料噴射切換控制。具體地，在怠速運轉期間和在壓縮天然氣燃料不足期間，僅經由缸內輕油噴嘴24供應輕油。在輕度發動機負荷狀態至中度發動機負荷狀態期間，經由進氣口輕油噴嘴26和缸內壓縮天然氣噴嘴29供應輕油和壓縮天然氣。在中度發動機負荷狀態至發動機高負荷狀態期間，經由缸內輕油噴嘴24和缸內壓縮天然氣噴嘴29供應輕油和壓縮天然氣。因此，與相關技術相比，能夠在更寬的運轉區域中實施發動機的高效運轉。盡管第一和第二實施例將壓縮天然氣用作第一燃料并且將輕油用作第二燃料，但是在本發明中也可以使用除了這兩種燃料之外的燃料。第一燃料是用作主要燃料的燃料。第二燃料是用作用于燃燒第一燃料的點燃物并且能夠壓縮點火的燃料。優選的是，第二燃料的壓燃性能比第一燃料高(十六烷值更高)。第一實施例將進氣口壓縮天然氣噴嘴28用作第一燃料供應部分，所述第一燃料供應部分供應作為第一燃料的壓縮天然氣，而第二實施例將缸內壓縮天然氣噴嘴29用作同樣的第一燃料供應部分。此外，在第一和第二實施例中，缸內輕油噴嘴24和進氣口輕油噴嘴26分別用作供應作為第二燃料的輕油的第二燃料供應部分和第三燃料供應部分。能夠滿足需要的是，第一燃料供應部分設置在燃燒室12中或者設置在與燃燒室12連通的進氣通路40中。此外，能夠滿足需要的是，第二燃料供應部分設置在燃燒室12中并且所述第三燃料供應部分設置在進入通路中。在第一燃料供應部分如在第一實施例中那樣設置在進氣通路40中的情況下，更容易加速第一燃料、第二燃料和空氣的混合，由此形成均勻的空氣/燃料混合物。此外，如圖2和圖5中所示，能夠使第一燃料與第二燃料碰撞，以便加速第二燃料的霧化。結果，能夠加速燃燒，并且能夠減少有害物質(諸如碳氫化合物(HC)、一氧化碳(CO)等)的產生。與此同時，在第一燃料供應部分如第二實施例中那樣設置在燃燒室12中的情況下，易于使燃燒燃燒室12中的第一燃料分層，而不會分散燃料。結果，能夠減少在燃燒室12中的孔側處冒火焰(flame out)的第一燃料的量，使得能夠減少未燃燒的碳氫化合物等的量。優選的是通過考慮兩種布置方案的優點適當地確定是將第一燃料供應部分設置在燃燒室12中還是設置在進氣通路40中。盡管已經參照認為是優選的實施例詳細描述了本發明，但是本發明并不局限于那些具體實施例中的任何一個，而是能夠在不悖離本發明的在用于申請專利的隨附權利要求中描述的精神的前提下，以多種方式對本發明進行修改或改變。
權利要求
1.一種內燃機，所述內燃機包括: 第一燃料供應部分，所述第一燃料供應部分設置在燃燒室中或者設置在與所述燃燒室連通的進氣通路中，并且供應第一燃料； 第二燃料供應部分，所述第二燃料供應部分設置在所述燃燒室中并且供應第二燃料，所述第二燃料是能夠壓縮點火的燃料；和 第三燃料供應部分，所述第三燃料供應部分設置在所述進氣通路中并且供應所述第二燃料。
2.根據權利要求1所述的內燃機，所述內燃機還包括: 控制部分，所述控制部分控制所述第一燃料供應部分、所述第二燃料供應部分和所述第三燃料供應部分，其中 所述控制部分能夠在以下運轉模式之間進行切換: 通過使用所述第二燃料供應部分和所述第三燃料供應部分中的一個以及所述第一燃料供應部分將所述第二燃料和所述第一燃料供應到所述燃燒室中的運轉模式；和 通過使用所述第二燃料供應部分將所述第二燃料供應到所述燃燒室中的運轉模式。
3.根據權利要求2所述的內燃機，其中 在怠速運轉期間，所述控制部分通過使用所述第二燃料供應部分將所述第二燃料供應到所述燃燒室中。
4.根據權利要求2或3所 述的內燃機，其中 當運轉期間的負荷小于根據運轉條件確定的閾值并且當前的運轉不是怠速運轉時，所述控制部分通過使用所述第一燃料供應部分和所述第三燃料供應部分將所述第一燃料和所述第二燃料供應到所述燃燒室中。
5.根據權利要求2或3所述的內燃機，其中 當運轉期間的負荷大于根據運轉條件確定的閾值時，所述控制部分通過使用所述第一燃料供應部分和所述第二燃料供應部分將所述第一燃料和所述第二燃料供應到所述燃燒室中。
6.根據權利要求1至5中任意一項所述的內燃機，其中 所述第一燃料供應部分設置在所述進氣通路中；并且 所述第一燃料供應部分的供給口和所述第三燃料供應部分的供給口布置成使得，從所述第一燃料供應部分供應的所述第一燃料和從所述第三燃料供應部分供應的所述第二燃料相互交會并且碰撞。
7.根據權利要求1至5中任意一項所述的內燃機，其中 所述第一燃料供應部分設置在所述進氣通路中，并且所述第一燃料供應部分布置成使得，在進氣通路的位于所述第三燃料供應部分的下游處的下游部分中，所述第一燃料與來自所述第三燃料供應部分的所述第二燃料碰撞。
8.根據權利要求1至7中任意一項所述的內燃機，其中 所述第一燃料是天然氣，所述第二燃料是輕油。
全文摘要
一種內燃機(100)包括第一燃料供應部分(28)，所述第一燃料供應部分設置在燃燒室(12)中或者設置在與燃燒室(12)連通的進氣通路(40)中，并且供應第一燃料；第二燃料供應部分(24)，所述第二燃料供應部分設置在燃燒室(12)中并且供應是能夠壓燃的燃料的第二燃料；和第三燃料供應部分(26)，所述第三燃料供應部分設置在進氣通路(40)中并且供應第二燃料。
文檔編號F02D19/08GK103080509SQ201180042211
公開日2013年5月1日 申請日期2011年9月1日 優先權日2010年9月3日
發明者增渕匡彥 申請人:豐田自動車株式會社