氣體噴射組件、氣體噴射組件的運行方法及內燃機與流程

本發明涉及一種氣體噴射組件，一種用于氣體噴射組件的運行方法以及一種內燃機。本發明尤其涉及一種具有用于將氣態燃料噴入內燃機的燃燒室的氣體噴射器的氣體噴射組件，一種用于具有根據本發明的氣體噴射組件的內燃機的運行方法以及一種具有燃燒室和根據本發明的氣體噴射組件的內燃機。

背景技術：

在內燃機并且尤其在機動車領域中，除了液態燃料之外也使用氣態燃料，例如天然氣或氫氣。在此情況下，將氣態燃料在壓力下例如在200×10⁵Pa的情況下保存在一個儲存容器中。借助一個壓力調節器使氣態燃料由存儲容器壓力調節地輸送給一個存儲和分配管路。使用氣體噴射器，用于與存儲和分配管路形成流體力學的連接并且以可控的方式通過噴射將燃料導入內燃機的燃燒室中。在燃燒室中將導致噴入的氣態燃料被點火。在此情況下，氣態燃料的化學能通過熱力學轉換過程被轉換成機械能，以便例如驅動機動車和/或獲取電能。

在此，氣態燃料、例如壓縮天然氣(CNG：compressed natural gas)形式的氣態燃料的噴射在一個做功周期或一個做功沖程期間進行。雖然通過前置的壓力調節器在將儲存容器中處于高壓下的氣體輸入到存儲和分配管路時使其壓力下調，但即使在內燃機關停之后在壓力調節器與噴射器閥座之間的輸入區域中、例如在存儲和分配管路中仍未改變地保持高的噴射壓力，該壓力可在約20×10⁵Pa的范圍中。為了在發動機關停之后使壓力調節器與噴射器的閥座之間的存儲和分配管路中存在的氣體量不能漏出到周圍環境中，壓力調節器的閥座和噴射器的閥座必需非常密封地實施。這尤其對于噴射器的閥座是有問題的，因為噴射器被設置在燃燒室的區域中并且由此承受高的熱交變負荷。為了能保證所需的密封度，這需要專門的、非常費事的并且由此昂貴的措施。

因此所希望的是，提供一種氣體噴射組件，一種用于內燃機的運行方法以及一種內燃機，其中，將盡可能減小用于防止內燃機關停之后所不希望的氣體由存儲和分配管路向周圍環境漏出的花費。

技術實現要素：

根據本發明的具有獨立權利要求1的特征的氣體噴射組件與已知的措施相比較具有其優點，即借助相對簡單并且成本有利的方式能盡可能地防止在內燃機關停之后在存儲和分配管路中剩余氣體的泄漏。這根據本發明通過如下方式實現：設有氣體噴射組件，其具有：氣體噴射器，用于將氣態燃料噴射到內燃機的燃燒室中；與氣體噴射器形成流體力學的連接的存儲和分配管路，用于接收氣態燃料并且使氣態燃料輸送到氣體噴射器；與存儲和分配管路形成流體力學的連接的壓力調節器，用于壓力調節地將氣態燃料由氣罐輸送給存儲和分配管路；以及控制單元。所述控制單元被設置用于在內燃機的關機啟動之后，關斷且封閉壓力調節器，使得不再有氣態燃料到達存儲和分配管路中；在內燃機的關機啟動之后，在壓力調節器關斷且封閉的情況下，允許內燃機繼續運行(nachlaufen)一個確定的繼續運行時間段，以及，在內燃機繼續運行期間使氣態燃料由存儲和分配管路導入燃燒室并且在內燃機的燃燒室中燃燒，使得由此在存儲和分配管路中氣態燃料的量和相應的氣體壓力減小。

通過壓力調節器的關斷和封閉一方面實現：不再有氣態燃料可由氣罐流入存儲和分配管路，并且由此使存儲和分配管路不再以氣體壓力被加載。另一方面，通過內燃機的繼續運行和使氣態燃料由存儲和分配管路導入燃燒室中并且通過導入的氣態燃料在燃燒室中的燃燒實現：使已處在存儲和分配管路中的氣態燃料的量減小，使得在存儲和分配管路中的氣體壓力隨著內燃機的繼續運行而下降。因此根據本發明由此實現：在內燃機的繼續運行階段之后，使在存儲和分配管路中的壓力并且由此使由存儲和分配管路作用到氣體噴射器上的氣體壓力下降。氣體壓力下降的結果是現在不再需要將特別高的花費用于密封氣體噴射器以防止內燃機關停情況下氣體的漏出，因為相對于來自氣罐的高壓力的密封可僅由壓力調節器來承擔。

因此在氣體噴射器的構型方面根據本發明在結構上簡化的實施方式就足以滿足廢氣及燃料的排放標準。簡化的氣體噴射器的結構在工作壽命提高的情況下尤其使根據本發明的氣體噴射組件的制造成本和運行成本下降。

從屬權利要求表示本發明的優選的擴展方案。

在一個優選的實施方式中，控制單元設置用于實現：在內燃機繼續運行的情況下在內燃機的吸氣階段并且尤其在內燃機的氣缸的吸氣沖程期間由存儲和分配管路導入氣態燃料。由此達到：在內燃機吸氣階段產生的低壓借助在燃燒室區域中的相應閥設置被用來抽吸處于存儲和分配管路中的剩余氣體。由此使繼續運行工作簡化，因為對于由存儲和分配管路噴入剩余氣體不必采取特殊的措施。

根據本發明的氣體噴射組件的另一優選實施方式，控制單元設置用于實現：維持內燃機的繼續運行，直至存儲和分配管路中的氣體壓力達到一個預給定的、尤其最小的壓力為止，該壓力有利地例如大致相應于氣體噴射組件的環境壓力。這一方面能對存儲和分配管路中相應存在的壓力狀況作到特別靈活的適配，并且另一方面使相對于周圍環境的氣體排放得到特別可靠的減少，因為根據該實施方式相對于周圍環境壓力的壓力梯度得到特別強的下降。

在根據本發明的氣體噴射組件的另一有利的實施方式中，控制單元設置用于實現：在內燃機工作期間，能通過將氣態燃料在內燃機的壓縮階段期間導入燃燒室轉換為將氣態燃料在內燃機的吸氣階段期間導入燃燒室來實施內燃機的關機的啟動。通過該措施可實現：內燃機的常規運行得以利用，以便在有意關閉內燃機時使存儲和分配管路中留有的剩余氣體量減小。由此例如可使剩余氣體仍用于常規的功率產生和輸出。由此還使實際的繼續運行時間段減少，在該繼續運行時間段期間使存儲和分配管路中的剩余氣體量減少，尤其無需例如通過功率輸出進行有效利用。這是一個特別經濟的作法，其中使燃料損失和熱損失特別小地發生。

在此情況下，特別有利的是，構造有一個可由使用者操縱的轉換裝置，其中，該轉換裝置與控制單元功能性地耦合，并且，轉換裝置與控制單元設置用于通過操縱該轉換裝置——例如通過車輛駕駛員——導致由在內燃機的壓縮階段期間將氣態燃料導入燃燒室到在內燃機的吸氣階段期間將氣態燃料導入燃燒室的轉換。這使得使用者、例如車輛駕駛員能特別容易地引入內燃機的關機。這里可由使用者操縱的轉換裝置可構造為按鈕、按鍵或也可構造為點火開關形式的鎖裝置。也可考慮與用于泊車模式的選擇桿或與駐車制動器的耦合件。

本發明還涉及一種用于內燃機的運行方法，所述內燃機設有氣體噴射組件。在此，氣體噴射組件至少構造有：氣體噴射器，用于將氣態燃料噴射到內燃機的燃燒室中；與氣體噴射器形成流體力學的連接的存儲和分配管路，用于接收氣態燃料并且將氣態燃料輸送到氣體噴射器；以及與存儲和分配管路形成流體力學的連接的壓力調節器，用于壓力調節地將氣態燃料由氣罐輸送給存儲和分配管路。根據本發明的該運行方法至少具有以下步驟：在內燃機的關機啟動后，關斷并且由此封閉壓力調節器，使得不再有氣態燃料到達存儲和分配管路中；在內燃機的關機啟動之后，在壓力調節器關斷且封閉的情況下，使內燃機繼續運行一個確定的繼續運行時間段；以及在內燃機繼續運行期間使氣態燃料由存儲和分配管路導入內燃機的燃燒室并在燃燒室中燃燒，使得由此使存儲和分配管路中氣態燃料的量和相應的氣體壓力減小。

如根據本發明的氣體噴射組件的情況那樣，在根據本發明的運行方法中通過壓力調節器的關斷和封閉實現：不再有氣態燃料可由氣罐流入存儲和分配管路，并且由此使存儲和分配管路不再以氣體壓力加載。內燃機的繼續運行，氣態燃料由存儲和分配管路導入燃燒室中以及導入的氣態燃料隨后在燃燒室中的燃燒確保了：已處在存儲和分配管路中的氣態燃料的量減小，使得存儲和分配管路中的氣體壓力隨著內燃機的繼續運行而下降。因此通過根據本發明的運行方法可實現：在內燃機的繼續運行階段之后，使存儲和分配管路中的壓力并且由此使存儲和分配管路作用在氣體噴射器上的氣體壓力下降。壓力下降的結果是現在不再需要將特別高的成本用來密封氣體噴射器以防止內燃機關機情況下氣體的漏出，因為相對氣罐中高壓的密封可僅由壓力調節器來承擔。

通過根據本發明的運行方法的使用對于氣體噴射器的構型結構上簡化的實施就足以滿足廢氣和氣體排放標準。這在工作壽命增高的同時使氣體噴射組件的制造成本和工作成本下降。

在該運行方法的一個優選實施方式中，在內燃機繼續運行的情況下，在內燃機的吸氣階段并且尤其在內燃機的氣缸的吸氣沖程期間由存儲和分配管路導入氣態燃料。由此實現：在內燃機吸氣階段期間產生的低壓借助在燃燒室區域中的相應閥設置被用于抽吸處于存儲和分配管路中的剩余氣體。由此使繼續運行工作簡化，因為對于由存儲和分配管路噴入剩余氣體不必采取特殊的措施。

特別有利的是，在該運行方法中維持內燃機的繼續運行，直至存儲和分配管路中的氣體壓力達到一個預給定的、尤其最小的壓力為止，該壓力有利地例如大致相應于氣體噴射組件的環境壓力。這就能實現對存儲和分配管路中相應存在的壓力狀況特別靈活的適配，并且使相對于周圍環境的氣體排放特別可靠的減少，因為相對于周圍環境壓力的壓力梯度得到特別強的下降。

在根據本發明的運行方法的另一有利的實施方式中，在內燃機運行期間，在壓力調節器關斷的情況下，通過將氣態燃料在內燃機的壓縮階段期間導入燃燒室中轉換為將氣態燃料在內燃機的吸氣階段期間導入燃燒室中來實現內燃機的關機的啟動。通過該措施可實現：內燃機的常規運行得以利用，以便在有意關閉內燃機時使存儲和分配管路中留有的氣體剩余量減小。由此可使剩余氣體用于常規的功率產生和輸出，并且使實際的繼續運行時段縮短。

根據本發明的運行方法的另一優選實施方式規定：將內燃機作為混合動力驅動裝置的一部分來使用；并且，內燃機的繼續運行被用來對混合動力驅動裝置的電池充電。由此在內燃機繼續運行階段通過至少部分地將釋放的能量有效地轉換成電能來對混合動力驅動系統的電池充電而特別有利地降低熱損失和燃料損失。

本發明還涉及一種內燃機，其具有燃燒室并且具有根據本發明的氣體噴射組件，本發明尤其涉及一種直接噴射式內燃機。這種內燃機的應用是有利的，因為通過所采取的措施可特別簡單地保持氣體噴射器的結構前提。與氣體噴射器的熱交變負荷相關的由于存儲和分配管路側增高的氣體壓力引起的附加負荷得以消除。

附圖說明

以下將參照附圖詳細說明本發明的實施例。相同的或功能等同的或等效的元件分別標以相同的附圖標記。

圖1：按照方框圖的方式示出根據本發明的氣體噴射組件的一個實施方式的示意性且簡化的示圖。

圖2A至2D：圖解說明根據本發明的內燃機的常規工作的不同階段的示意性且部分剖切的側視圖。

圖3A至3D：圖解說明根據本發明的內燃機的繼續運行的不同階段的示意性且部分剖切的側視圖。

具體實施方式

以下將參照附圖1至3詳細描述根據本發明的氣體噴射組件100的一個實施方式。

圖1以示意性方框圖的形式示出氣體噴射組件100的第一實施方式。

多個氣體噴射器1流體力學地耦合到一個共同的存儲和分配管路14上。每個氣體噴射器1在另一方面流體力學地耦合到內燃機8的相應氣缸18的燃燒室6上。

噴射器1構造用于使處在存儲和分配管路14中的氣態燃料20通過直接噴射受控地導入到相應氣缸18的燃燒室6中。替代于此，也可設置通過抽吸管道或通過抽吸管路間接地噴入。

每個氣缸18一方面構成燃燒室6并且另一方面圍繞相應的活塞19，所述活塞在工作中在氣缸18內沿其縱軸線周期性往復地運動、使燃燒室6——在圖1中向下——限界并且在此——也是周期性地——使燃燒室6擴大到一個最大的延伸尺寸并且縮小到一個最小的延伸尺寸。

內燃機8和尤其氣體噴射組件100的工作通過一個控制單元10來控制。為此，噴射器1通過控制線路21與控制單元10連接。

此外。設有控制線路22和測量線路23，這些線路也可相互組合地構造并且通過它們銜接傳感器12和13。傳感器12和13可涉及壓力傳感器和/或溫度傳感器。傳感器12和13流體力學地與存儲和分配管路14連接，以便求取處在存儲和分配管路14中的氣態燃料20的氣體壓力和/或氣體溫度。

為此，控制單元10可構造用于接收由傳感器12和13檢測到的測量值并且為內燃機8的控制并且尤其為氣體噴射組件100的控制奠定基礎。

存儲和分配管路14通過一個接頭17與一個壓力調節器16連接。此外，壓力調節器16也流體力學地與一個氣罐4連接，該氣罐預儲存處于高壓下的氣態燃料20。被填充的氣罐4的內部中的壓力可高達200×10⁵Pa。

壓力調節器16被構造用于使存儲和分配管路14在工作中以壓力調節的形式被連續地供給氣態燃料20。為此，在控制單元10與壓力調節器16之間構造有一個控制線路26。通過該控制線路26可使來自氣罐4的輸入壓力下調到存儲和分配管路14中的存儲壓力或噴射壓力。并且通過由控制線路26給出相應信號也可閉鎖和密封該壓力調節器，使得不再有燃料20由氣罐4補充供給到存儲和分配管路14中。

具有燃燒室6的氣缸18被構造在內燃機8的發動機體或機座9中。在圖1中所示的氣體噴射組件100的直接噴射的實施方式中，噴射器1也被嵌入或置入在機座9中。各個噴射器1在另一側通過保持夾或保持彈簧2被安置在存儲和分配管路14上。

選擇性地，通過一個控制線路42還使一個轉換裝置40與控制單元10連接。使用者例如可通過操縱按鍵41借助該轉換裝置使氣態燃料20的導入由工作階段轉換到抽吸階段，以便尤其由此啟動內燃機8的關機。

圖2A至3D以示意性且部分剖切的側視圖示出構造有根據本發明的氣體噴射組件100的內燃機8的常規工作或者說繼續運行中的不同工作循環。各個圖示例性地示出以4沖程模式工作的單個氣缸18。

氣缸18以其殼體包圍活塞19，使得氣缸18借助其殼體和活塞19限定且限界相應的燃燒室6。

氣缸18的總是與活塞19相對置的端面構造有兩個閥：一個用于輸入空氣的進入閥或進氣閥15-1以及一個用于排出燃燒氣體的排出閥或排氣閥。在該端面上還設有一個點火機構5，該點火機構也可通過相應線路(未示出)與控制單元10連接。此外，在該端面中嵌入有一個用于將氣態燃料20直接噴射到燃燒室6中的氣體噴射器1。

在圖2A至2D和圖3A至3D的兩個序列中用數字“1”至“4”指示不同的沖程。在此情況下，這些沖程例如涉及一個四沖程內燃機的典型沖程。

第一沖程“1”是吸氣沖程，其中，活塞19背離氣缸18的與活塞19相對置的端面運動并且使進入閥暫時打開以輸入空氣。第二沖程“2”是壓縮沖程，其中，活塞19朝向氣缸18的與活塞19相對置的端面運動并且這時使燃料-空氣混合物壓縮。第三沖程“3”是做功沖程，其中，通過操縱點火機構5使燃料-空氣混合物點燃，由于膨脹的燃燒氣體使活塞19由氣缸18的與活塞19相對置的端面向前繼續行進并且這時將機械功率輸出到一個相應的機械耦合的取用系統。第四沖程“4”是排氣沖程，其中，排出閥15-2打開，使得在活塞19向著氣缸18的與活塞19相對置的端面返回運動的情況下將燃燒氣體排出燃燒室6。

在根據圖2A至2D的序列的內燃機8的常規工作中，在根據圖2B的壓縮沖程“2”時，活塞19向著氣缸18的與活塞19相對置的端面運動，其中，同時通過噴射器1將處在存儲和分配管路14中的氣態燃料20直接噴射到燃燒室中。活塞19沿向上的方向向著氣缸18的與活塞19相對置的端面的運動同時引起空氣-燃料混合物的壓縮。然后在做功沖程“3”中，如上文已經描述地，借助點火機構5進行點火，由此使活塞19重新背離氣缸18的與活塞19相對置的端面運動。

圖3A至3D的序列在活塞19于氣缸18中的機械運動過程上與圖2A至2D中所示的序列相同。但這里該序列涉及內燃機8的關機的啟動之后的內燃機8的繼續運行。

在此情況下，由存儲和分配管路14導入氣態燃料20不是在第二沖程“2”、即壓縮沖程中進行的，而是根據圖3A在第一沖程“1”內就進行了，即通過控制單元10協調在噴射器1相應提前操縱的情況下在吸氣沖程中1進行。在第一沖程中，燃燒室中的壓力非常低，使得即使當由于在壓力調節器關斷情況下的多次噴射使在存儲和分配管路14中的壓力降低時總還能夠將氣體噴射到燃燒室中。

接著進行根據圖3B的第二沖程“2”——但這時沒有通過噴射器1的直接噴射——并且根據圖3C和3D的未改變的第三和第四沖程“3”和“4”。