CN105822460A - 燃气发动机的燃气供应和点火装置 - Google Patents

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Abstract

用于燃气发动机(1)的燃气供应和点火装置，所述燃气发动机具有燃烧室喷嘴(12)，在所述燃烧室喷嘴中设有一定数量用于主燃气的喷射通道(37)，并且喷射通道(37)与用于主燃气且其中设置有主燃气阀(21)的主燃气供应管(24)连接，并且在燃烧室喷嘴(12)中还设置有一定数量用于热的燃烧气体的火焰通道(52)，并且火焰通道(52)与燃气供应和点火装置(10)中的预燃室(15)连接，点火燃料供应管(17)通入到预燃室(15)中，并且在点火燃料供应管(17)中设置有预燃室阀(18)，为了能够完全相互独立地精确且尤其是迅速控制主燃气和用于预燃室的点火燃料的喷射时刻、喷射持续时间以及喷射量，不仅主燃气阀(21)而且预燃室阀(18)构造为电气操纵的、电子控制的阀。

Description

燃气发动机的燃气供应和点火装置
技术领域
本发明涉及一种用于燃气发动机的燃气供应和点火装置，所述燃气发动机具有燃烧室喷嘴，在所述燃烧室喷嘴中设置一定数量用于主燃气的喷射通道，并且喷射通道与用于主燃气的主燃气供应管连接，在燃烧室喷嘴中设置一定数量用于热的燃烧气体的火焰通道，并且火焰通道与燃气供应和点火装置中的预燃室连接，点火燃料供应管通入到预燃室中，并且在点火燃料供应管中设置有预燃室阀，所述预燃室阀被构造为电气操纵的、电子控制的阀.此外，本发明还涉及一种用于运行燃气发动机的方法，在所述方法中，在压缩冲程期间在燃气发动机的气缸中压缩空气或者空气/废气混合物，并且将压缩的空气压入到预燃室中，将点火燃料送入到预燃室中以用于形成空气/点火燃料混合物，在压缩冲程结束之前将主燃气送入到气缸的主燃室中，并且将预燃室中的空气/点火燃料混合物点燃，由此热的燃烧气体从预燃室流入到主燃室中，并且在那里将喷入的主燃气点燃.
按照本发明的意义，所述燃气发动机指的是具有活塞、尤其是具有往复运动活塞的内燃机、亦即活塞式发动机。
背景技术
外源点火燃气发动机的已知燃烧方法均基于如下原理：要么在进气冲程中填充气缸期间将可燃混合物供应给工作腔，要么在压缩冲程期间通过喷入燃气在工作腔中形成可燃混合物.然后通过火花点火或者喷入少量自燃性液体燃料的方式点燃可燃混合物.这里当点燃的时候，用于燃烧的燃料已经与燃烧用空气混合.可以直接在气缸中点燃，或者通过在预燃室中点燃的方式间接点燃.可通过火花点火方式在预燃室中点燃，这就会引起从预燃室排出到主燃室(气缸)中的热气体射流，所述热气体射流使主燃室中的可燃混合物点燃，通常湍流火焰前锋随后穿过可燃混合物.通过主燃室中点火和如此实现的压力升高，在作功冲程中借助活塞完成所需的机械有用功.这些非常行之有效并且基本上稳健的燃烧方法都有缺点：在燃空比不利的时候均有断火或者提前点火倾向，其可能会导致太高的有害物质排放、差的效率和/或者极端的机械负荷.此类断火或者提前点火均会威胁燃气发动机的安全且可靠运行.快速负荷变化尤其可能会导致燃空比的上述不利变化.由此在对负荷变化速度的要求高时，燃气发动机的使用就会受到限制。
例如US8,800,529B2中公开了一种能克服该缺点的解决方案，其中描述了一种吸入空气的燃烧方法，在进气冲程中吸入空气，在压缩冲程中压缩空气，并且在活塞快要到达上止点之前，才通过多孔喷嘴喷入主燃气，与压燃式柴油机喷入柴油的过程类似.由于气体具有很高的自燃温度，因此借助所谓的控制喷射将主燃气点燃，在控制喷射时将少量自燃性液态燃料喷入到主燃室中.然后，主燃气的燃烧就会作为沿着主燃气射流表面进行的扩散燃烧进行.已知地，使得燃烧所需的氧气经由火焰边缘扩散到火焰中，就可以进行扩散燃烧，而不必预先混合空气和燃料.火焰直接从紧邻的环境“吸入”氧气来燃烧.因此，朝向焰心给火焰供应的氧气越来越少，并且燃料在焰心中仅仅部分燃烧.但是由于该燃烧方法仅仅压缩空气，因此没有提前点火的危险.通过液态燃料在控制喷射时能非常可靠地自燃而防止断火.
从EP520659A1和EP778410A1已知一种用于这种燃烧方法的喷射阀，也称作双燃料阀.在喷射阀中同心地设置有用于喷射燃烧周气态燃料和控制喷射来点火用的液态燃料的各阀.
该燃烧方法的主要缺点在于必须提供两种燃料，也就是作为主燃气的高压气体和用于控制喷射的柴油，并且设置为此所需的双燃料储存器和供给装置.
US2,799,255A描述了一种吸入空气的外源点火的燃气发动机，所述燃气发动机使用天然气并且根据扩散燃烧法工作.为了让燃气发动机能够在所有负荷范围内安全且可靠地点火，其中避免断火和提前点火，设有通过流动通道与气缸室或气缸中的主燃室连接的预燃室.在压缩期间压缩气缸中的空气，同时将压缩空气送入到预燃室中.在压力下将燃料送入到预燃室中，燃料与压缩空气在预燃室中混合.应这样确定在预燃室中燃料和空气的混合比例，使得燃料/空气混合物不会自行点火。在压缩冲程结束之前，以相应负荷所需的量将气态主燃料送入到主燃室中。然后在压缩冲程快要结束之前，借助火花塞将预燃室中的燃料/空气混合物点燃.热的燃烧气体经由流动通道流入到主燃室中.将气态主燃料流对准该气流，从而使得主燃料与压缩空气湍流混合，并且由此点燃主燃料/空气混合物。主燃料/空气混合物以扩散燃烧法的形式沿着火焰前锋燃烧.
在US2,799,255A中借助凸轮驱动机构以机械强制控制方式来控制将燃料送入到预燃室中以及将主燃料送入到主燃室中.再次，凸轮轴操纵曲柄，所述曲柄作用于燃料阀和主燃料阀的阀挺杆，其中，阀挺杆也通过曲柄强制同步.以此确定燃料或主燃料的供应量，所产生的燃料/空气混合物和主燃料/空气混合物同样如此.但是无法可靠防止由于压缩发热引起的自燃.同样无法杜绝由于预燃室中过于稀薄的混合物引起的断火.如果供应质量变化的燃料或者主燃料，则尤其可能是问题的，例如天然气的天然燃料完全可能有这种情况.在US2,799,255A中改善这种情况的方式仅仅是改变燃料和/或者主燃料的压力来实现所需的匹配.由于压力调节的固有惯性，在负荷快速变化期间可能无法以足够快的速度来跟踪喷射，因此尤其在负荷快速变化时不能保证可靠点火.
DE102014000229A1也描述了一种利用扩散燃烧方法的燃气发动机.但是在其中只能通过针阀元件间接控制主燃室中燃烧用的主燃料量，控制阀在针阀元件的低压侧上操纵所述针阀元件.因此更难控制主燃气的喷射量和主燃室中的燃烧.
发明内容
为了解决现有技术的问题，按照本发明，一方面规定，在主燃气供应管中设置主燃气阀，所述主燃气阀构造为电气操纵的、电子控制的阀，并且除了预燃室阀之外也将主燃气阀构造为电气操纵的、电子控制的阀。这一方面能实现，完全相互独立地精确而且尤其是也迅速地控制主燃气和用于预燃室的点火燃料的喷射时刻、喷射持续时间以及喷射量。以此，一方面能够对主燃气和/或者点火燃料的变化特性迅速作出反应，而另一方面以此也可以将喷射匹配于不同的负荷状况.这尤其也能实现在负荷迅速变化时保证可靠点火和优化燃烧。本发明所述的燃气供应和点火装置不仅可用于四冲程燃气发动机，而且也可用于二冲程燃气发动机.
但通过使用电气操纵的、电子控制的阀也可以实现一种特别有利的点火方法.再次，可在点燃预燃室中的空气/点火燃料混合物之前，再次将点火燃料送入到预燃室中，以便加浓(auffetten)预燃室中的空气/点火燃料混合物.通过所述多重喷射，利用第一次喷射在预燃室中产生非常稀薄的、肯定不会自行点燃的空气/点火燃料混合物。在希望的点火的时刻才通过第二次喷射加浓空气/点火燃料混合物并且进行外源点火。除此之外，通过第二次喷射也降低预燃室中空气/点火燃料混合物的温度，从而可进一步减小不希望的提前点火的危险.以此能尽可能防止提前点火和断火.
另一方面按照本发明，在主燃气供应管和喷射通道之间设置机械式差压操纵阀，该差压操纵阀受到主燃气压力控制并且可封闭或阻断喷射通道.因此，一方面能够达到将主燃气阀可以局部地设置在远离热负荷高的区域中.另一方面也能实现非常紧凑地构造燃气供应和点火装置，所述燃气供应和点火装置可以设置在阀所设在的气缸盖区域中.也因此可以减小所产生的主燃气死区，由此也能减小燃气发动机的有害物质排放，并且可能污染的空间很少。
如果在燃烧室喷嘴的周边上分布多个用于热的燃烧气体的火焰通道，这些火焰通道与预燃室连接，则一方面能够实现燃气供应和点火装置非常紧凑的构造形式，另一方面由此点燃大量扩散火焰，这些扩散火焰能优化地吸入可供主燃室中的燃烧使用的氧气，从而发生稳定的、良好引导的且迅速的燃烧.由此能改善燃烧质量和效率，并且能降低燃气发动机的有害物质排放.
特别有利的是，喷射通道和火焰通道沿周向方向交替并排设置.以此产生主燃气和热的燃烧气体可沿周向方向错开地呈星形流入到主燃室中，由此能够实现可靠点火和在主燃室中实现特别良好的扩散火焰空间分布.还可以通过如下方式进行改善，即，将喷射通道和火焰通道进入到主燃室的入口区域基本上设置在燃烧室喷嘴的相同轴向位置上.
通过将喷射通道和火焰通道的入口区域径向对准主燃室，实现主燃气和热的燃烧气体尽可能无阻碍地流入到主燃室中，这样可以进一步改善稳定且良好可控的燃烧。
如果将环形预燃室槽设置在燃气供应和点火装置中，所述环形预燃室槽通过预燃室管道与预燃室连接，并且火焰通道通入到所述环形预燃室槽中，就能实现特别紧凑地实施燃气供应和点火装置。
优选将机械式阀构造为阀挺杆，所述阀挺杆在一个轴向端部上具有第一柱塞，并且具有与第一柱塞轴向间隔开的第二柱塞，其中，所述第一柱塞通过杆与第二柱塞连接，并且在第一和第二柱塞之间形成与主燃气供应管道连接的控制腔.以此实现通过作用压力控制的差动柱塞.从而可以在几何形态保持不变的情况下将机械式阀用于不同的燃气发动机中.
为此为了实现简单的结构上的实施方式，优选可以在第一柱塞上设置柱塞密封面，该柱塞密封面与燃气供应和点火装置中的阀密封面密封地配合作用，并且第二柱塞设置在燃气供应和点火装置的控制凹部中，其中，第二柱塞的周面与控制凹部密封地配合作用.
为了可以将阀挺杆的运动限制在所需的程度，与燃气供应和点火装置中的止挡配合作用的止动销优选轴向邻接第二柱塞.以此尤其也能将闭合速度保持得低，因为为此只需经过功能所必需的行程.
如果围绕止动销在止挡和第二柱塞之间设置弹簧，那么弹簧就能支持闭合运动，并且也能实现机械式阀的定义位置.
按照一种有利的实施方案，第二柱塞设置在阀壳体中，在阀壳体中构成有阀止挡，所述阀止挡与第二柱塞的端面密封地配合作用。由此一方面可以减小由于机械式阀的主燃气泄漏，并且另一方面可以将机械式阀构造为可简单更换的插件.
又可以利用设置在第二柱塞的端面和阀壳体之间的阀弹簧支持闭合运动，并且也能实现机械式阀的定义位置.
基于燃气供应和点火装置中的热情况，有利地可以是，将一定数量的密封元件设置在第二柱塞的周面上.密封元件可以匹配于热负荷.此外还可通过密封元件有效抑制主燃气过度泄漏.
为了能够导出泄漏的主燃气，可以规定，在控制凹部的背离控制腔并且通过第二柱塞封闭的端部中通入泄漏管.
在一种特别有利的实施方案中，可以规定，泄漏管与点火燃料供应管连接.以此在预燃室中使用可能泄漏的主燃气，这提高燃气发动机的效率。在此完全特别有利是是，将必要时仅仅处在不同压力水平的同一种介质用于主燃气和预燃室用的点火燃料.除此之外，在此有利地不需要从燃气发动机导出的泄漏管.
附图说明
以下将参考图1至10对本发明进行详细解释，这些附图示例性、示意性且非限制性地示出本发明的有利的实施方案.图中：
图1示出按照本发明的燃气供应和点火装置的视图，
图2示出按照本发明的燃气供应和点火装置的剖视图，
图3、4、6、7和9示出按照本发明的燃气供应和点火装置的细节的剖视图，
图5示出按照本发明的燃气供应和点火装置的机械式阀的阀挺杆，
图8示出燃烧室喷嘴的横截面，以及
图10示出按照本发明的燃气供应和点火装置与接头和控制装置.
具体实施方式
图1示出燃气发动机1的局部，所述燃气发动机包括气缸体2和仅示意的气缸盖3与阀4.气缸5设置在气缸体2中，活塞6可在气缸中往复运动。活塞式内燃机的这种基本设计结构和功能早已为人所知，因此这里不予赘述.在气缸盖3中还设置有按照本发明的燃气供应和点火装置10，主燃气利用所述燃气供应和点火装置供应到气缸5的主燃室11中，并且利用所述燃气供应和点火装置在主燃室11中点火燃烧，以下将对此进行详细说明.
图2示出气缸5以及燃气供应和火装置10及其主要部件的放大剖视图.燃气供应和点火装置10这样设置在气缸盖3中，使得所述燃气供应和点火装置以燃烧室喷嘴12伸入到主燃室11中，基本上通过气缸5中在活塞6和气缸盖3之间的自由空间形成所述主燃室.燃烧室喷嘴12设置在燃气供应和点火装置10的轴向端部上.将燃烧室喷嘴12设置在燃气供应和点火装置10的中段13上，该中段又设置在燃气供应和点火装置10的上段14上.在上段14上也设置了图10中所示用于点火燃料、主燃气、控制管路、电力供应等等的接头，以下还将对此进行更详细描述.
燃烧室喷嘴12、中段13和上段14的划分当然是任意的.这里所述的燃气供应和点火装置10从生产技术角度来看是一种能有利制造的燃气供应和点火装置10.
在燃气供应和点火装置10中、这里在中段13中设置了预燃室15，该预燃室基本上成型为中段13中的凹部.外源点火装置16通入到预燃室15中，所述外源点火装置例如为火花放电式火花塞、电晕火花塞、等离子体火花塞、激光点火装置等等.
用于预燃室15的点火燃料用的点火燃料供应管17同样也通入到预燃室15中，如示出另一种剖切走向的图3中所示，预燃室阀18设置在所述预燃室中.为此预燃室阀18可以构造为电气操纵的、电子控制的预燃室阀18，例如用于气态点火燃料的电磁阀，并且可以将其设置在上段14中.预燃室阀18的喷嘴19在所示的实施例中通入到点火燃料室20中，该点火燃料室过渡到点火燃料供应管17中.如图3中的箭头所示，可以通过预燃室阀18将点火燃料经由点火燃料供应管17送入预燃室15中.
在上段14中还设置有一个优选电气操纵的、电子控制的主燃气阀21，其喷嘴22通入到主燃气室23中(图2).主燃气室23过渡到主燃气供应管24中，可以通过主燃气供应管将主燃气送入到燃烧室喷嘴12中.一般来说，主燃气阀21设置在主燃气供应管24中，并且控制将主燃气供应到主燃室11中.
根据所述的有利实施方式，在燃气供应和点火装置10中还设置了一个机械式压差操纵阀25，这里部分在中段13中并且部分在燃烧室喷嘴12中.现在将参考图4至6详细描述机械式阀25.
机械式压差操纵阀25由差动柱塞形式的阀挺杆30构成.阀挺杆30包括阀挺杆30的轴向端部上的第一柱塞31和沿轴向方向与第一柱塞31间隔开的第二柱塞32.第一柱塞31和第二柱塞32通过杆33相互连接以构成阀挺杆30.第一柱塞31的直径D1和第二柱塞的直径D2均大于杆33的直径D3，从而从杆33开始在第一柱塞31上形成第一柱塞表面A1并且在第二柱塞32上形成第二柱塞表面A2。构成阀挺杆30的第二轴向端部的止动销34可以沿轴向邻接于第二柱塞32.可以将密封元件35设置在第二柱塞32的外周面上.
在燃烧室喷嘴12中设置轴向不贯通的、这里为盲孔形式的阀凹部40，其轴向封闭的端部构成与第一柱塞31上的所属的柱塞密封面36密封地配合作用的阀密封面41(图6).为了构成阀，阀挺杆30以其第一轴向端部以第一柱塞31设置在阀凹部40中.在所示的实施例中，在第一柱塞31的自由端面上设置有柱塞密封面36，并且通过阀凹部40的轴向端部构成阀密封面41.在此，第一柱塞31与阀凹部40径向间隔开，从而使得主燃烧气体可以围绕和沿着第一柱塞31流动。阀密封面41和柱塞密封面36的几何形状不重要。
阀凹部40的封闭轴向端部通过燃烧室喷嘴12中的多个径向定向的贯通的喷射通道37与燃烧室喷嘴的外周面47连接，因此在安装情况下也与主燃室11连接，其中，第一柱塞31根据阀挺杆30的位置而阻止(图6上方)或者释放(图6下方)主燃气流至喷射通道37.在此，喷射通道37优选间隔开有规律的间距分布在燃烧室喷嘴12的周边上.通过喷射通道37的径向定向实现主燃气径向流至主燃室11中.
必要时，喷射通道37也可以具有轻微的切线定向，以便附加地实现切向的流入分量。
在中段13中设置有轴向的不贯通的控制凹部42，该控制凹部与阀凹部40同轴并且与其紧邻地设置.第二轴向端部与阀挺杆30的第二柱塞32设置在控制凹部42中.相对于控制凹部42密封第二柱塞32的周面，例如借助于类似于内燃机活塞的活塞环的密封环形式的密封元件35进行密封.
阀挺杆30可沿轴向方向运动地设置在阀凹部40和控制凹部42中。控制凹部42的轴向的封闭端部构成用于阀挺杆30的止挡43.必要时也可以将挡环44设置在控制凹部42中，以便能够调整止挡43的位置.在止挡43和第二柱塞32的端面55之间，阀弹簧45围绕止动销34地设置，阀弹簧将阀挺杆30或第一柱塞31的柱塞密封面36朝向阀密封面41压靠到定义的位置中.
主燃气供应管24通入到控制腔46中，所述控制腔在燃气供应和点火装置10中通过阀凹部40和控制凹部42构成在第一柱塞31和第二柱塞32之间.第一柱塞31的直径D1小于第二柱塞32的直径D2，从而第一柱塞表面A1小于第二柱塞表面A2。在主燃气围绕第一柱塞31流动并且因此也存在于第一柱塞31的朝向主燃室11的端面的进入区域(直至柱塞密封面36的区域)之后，根据阀挺杆30的几何形状和位置，第一柱塞31鉴于主燃气的压力而部分或者完全地进行压力平衡.如果现在通过主燃气阀21和主燃气供应管24将主燃气在压力下供应到控制腔46中，就由于第二柱塞32上较大的柱塞表面A2而产生阀作用力，该阀作用力克服阀凹部42或弹簧腔38中的作用的压力、并且如有弹簧35的话也克服弹簧的预紧力而使阀挺杆30压靠向止挡43.这样自然也会使得第一柱塞31的柱塞密封面36抬离阀密封面41(图6下方)，从而释放喷射通道37，处于压力下的主燃气可以流入到主燃室11中。
当重新闭合主燃气阀21、由此控制腔46中的压力迅速下降时，弹簧腔38中的压力和/或者弹簧35就重新使阀挺杆压靠向阀密封面41，由此阻止主燃气喷入到主燃室11中.通过电气操纵的、电子控制的主燃气阀21不仅能够以很简单的方式控制喷射的开始，而且也能例如根据主燃气的当前压力通过喷射的结束来控制主燃气的喷射量。
由于主燃气的必需的高压力并且主燃室11区域中的高温度，因此通常无法使用弹性体密封件作为第二柱塞32中的密封元件35。如果使用类似于活塞环的密封环作为密封元件35，则必然沿着第二柱塞32的周面发生主燃气泄漏.因此在一种有利的实施方案中，泄漏管39通入到弹簧腔38中，所述弹簧腔构成在控制凹部42中在第二柱塞32和止挡43之间.通过该泄漏管39可以将柱塞32和控制凹部42之间可能泄漏的主燃气导出.
如果使用同一种介质、例如天然气作为点火燃料和主燃气，就能实现一种特别有利的实施方案.为此将泄漏管39与通向预燃室15的预燃室阀18的点火燃料供应管连接(在图10中表示).在注入主燃气的时刻，在此出现的泄漏气体经由泄漏管39引向预燃室阀18并且在那里消耗，从而不会发生主燃气损失.如果在注入之后重新闭合主燃气阀21，控制腔46中的压力就迅速下降。但是在泄漏管39与处于压力下的点火燃料供应管连接之后，在第二柱塞32上朝向弹簧腔38的柱塞表面A3上存在用于预燃室15的点火燃料的压力，由此产生尝试使阀挺杆30压靠向阀密封面41的闭合力.一方面因为作用在弹簧腔38和控制腔46之间的差压而产生的、另一方面通过主燃室11中的压力(该压力也通过喷射通道37作用于第一柱塞31的一部分自由端面)引起的反作用力可抵抗该闭合力.一旦所产生的闭合力大于反作用力，就使得机械式阀25闭合.如果存在阀弹簧45，那么阀弹簧就会支持闭合力.但也可以将阀弹簧45设计得这样弱，使得实际上仅保证阀挺杆30的定义位置。但是在该实施方案中也可以完全放弃阀弹簧45，因为通过用于预燃室15的点火燃料的压力使得机械式阀25闭合，并且通过主燃气的压力使其开启.
当然可以使得阀挺杆30和阀弹簧35的几何形状匹配于点火燃料和主燃气的压力，以保证机械式压差操纵阀25的功能正常。
上述实施方式允许以很紧凑地实施机械式阀25，并且尤其是也允许空间上与主燃气阀21分开.以此同样可以将主燃气阀21在空间上与燃气供应和点火装置10在主燃室11附近的高热负荷部件分开。该实施方式的另一个优点可看出在于，燃气供应和点火装置10中的死区容积基本上局限于喷射通道37，并且因此可以将其尽可能减小到最低，这尤其有利于避免或者减少碳烟形成或未燃烧的废气成分。也由此能以很紧凑地实施整个的燃气供应和点火装置10，这能实现安装于燃气发动机1的水冷缸体中，由此能实现长寿命并且可靠的实施.
在燃气供应和点火装置10中，这里是在中段13的朝向燃烧室喷嘴12的端面上，还设置了环形的预燃室槽50，该预燃室槽通过预燃室管道51与预燃室15连接.但是同样可以将预燃室槽50设置在燃烧室喷嘴12中。在燃烧室喷嘴12中，一定数量的火焰通道52分布在燃烧室喷嘴12的周边上地设置，这些火焰通道一方面与燃烧室喷嘴12的外周面47连接，并且在安装情况下也与主燃室11连接，并且另一方面如图7中的剖视图所示通入到环形的预燃室槽50中.火焰通道52通过预燃室槽50和预燃室管道51将预燃室15与主燃室11连接.在此优选这样实施火焰通道52通入主燃室11的入口区域，使得基本上从火焰通道52径向地流入到主燃室11中，其中，同样又可以设置切向的流入分量。
优选地，在相同的轴向位置上，火焰通道52分别设置在两个沿周向方向相邻的喷射通道37之间，但是例如也可以在没有沿周向方向的位错的情况下分别设置在喷射通道37上方或下方。可想到的是，也任意组合这些布置结构.有利的是喷射通道37和火焰通道52的尽可能好的空间分布，以便能够在主燃室11中构成大量良好分布的扩散火焰.特别有利地，喷射通道37和火焰通道52优选大致在相同的轴向位置上并且沿周向方向分别交替相邻地设置，尤其如图8中所示.
利用图9又描述机械式阀25的一种备选的实施方式.主要区别在于：机械式压差操纵阀25具有阀壳体53，阀弹簧45和第二柱塞32设置在该阀壳体中.在该实施方式中也缺少止动销34.在阀壳体53的背离阀挺杆30的第一轴向端部上设置有弹簧止挡54，这里是径向台阶形式的弹簧止挡，阀弹簧45以一端轴向贴靠在该弹簧止挡上。阀弹簧45以另一端贴靠在第二柱塞32的自由端面55上.为此也可以如图9中所示，在用于将阀弹簧45定心的端面55中也设置一个凹进部分.阀弹簧45沿机械式阀25的闭合方向因此又施加弹簧力，所述弹簧力将阀挺杆30压靠向阀密封面41，并且因此也保证阀挺杆30的定义位置.但也可以如上所述放弃阀弹簧45。在阀壳体53中设置一个阀止挡56，这里是径向台阶形式，所述径向台阶构成机械式阀25的止挡43。在该实施方式中也可以将一个挡环44径向贴靠设置在阀止挡56上，以便能够调整止挡43的位置。在这种情况下，挡环44将构成阀止挡56.该实施方案的关键优点可看出在于，第二柱塞32以其端面55在机械式阀25的开启位置中(图9中所示)贴靠在阀止挡56上，通过该阀止挡相对于控制腔46中处于高压下的主燃气实现可靠密封.当通过主燃气供应管24在控制腔46中的高压下供应主燃气时，该压力作用于第二柱塞32的阀表面A2上，并且克服弹簧力和作用在弹簧腔38中的压力使阀挺杆30抬离阀密封面41，直至第二柱塞32的端面55轴向贴靠在阀止挡56上.这样就不会再有主燃气泄漏到弹簧腔38中，以此可以减少主燃气的泄漏。否则密封元件35将重新承担与以上所述那样的密封功能.
阀壳体53也能实现使材料(由于止挡上的法冲击的动态负荷、热膨胀等等和加工(表面、涂层、运行特性等等)匹配于机械式阀25的要求，亦即与燃气供应和点火装置10的具体实施方式无关.
因此也可以将机械式阀25制作成可更换的插件，在磨损情况下可以简单更换所述插件，因为燃气供应和点火装置10在该实施方式中没有通过机械式阀25引起的磨损.为此例如将阀壳体53例如设置在控制凹部42中，优选通过压配合方式来设置，以保证充分稳固，并且保证阀壳体53和控制凹部42之间有充分的密封功能.
阀壳体53的第二轴向端部57也可以适当变型，以便构成在没有锁定元件的情况下将阀挺杆30保持在阀壳体53中的台肩.例如可简单地通过卷边方式制造台肩.
在燃气供应和点火装置10的一种实施方式中，用于预燃室15的点火燃料和用于主燃气的介质相同，并且具有与点火燃料供应管连接的泄漏管39，在另一种实施方案中也可以放弃密封元件35.在机械式阀25闭合期间，控制腔46中包括与主燃室11中的燃烧压力有关的压力.由于直径公差不可避免，第二柱塞32和控制凹部42之间必然会产生小的间隙.因此在机械式阀25的闭合状态下，可以通过这个小的间隙在泄漏管39和主燃气供应管24之间实现压力平衡.这样就能在喷射开始时刻在机械式阀25中建立所定义的、可以重复的状态.该压力平衡因此保证更高的循环的稳定性，而与当机械式阀25闭合时注入主燃气结束时主燃烧室11中的燃烧压力无关，并且与燃气发动机1的当前负荷无关.
以下将描述按照本发明的燃气供应和点火装置10的优选功能。
空气或者(在废气再循环情况下等效地)空气/废气混合物在进气冲程期间流入到气缸5中.在随后的压缩冲程中将空气压缩，将压缩空气从气缸5经由火焰通道52、预燃室槽50和预燃室管道51压入到预燃室15中.通过预燃室阀18将所希望量的点火燃料喷入到预燃室15中.喷入的点火燃料在预燃室15中与位于其中的压缩空气混合.使用气态燃料作为用于预燃室15的点火燃料，优选使用作为主燃气使用的同一种介质.点火燃料的压力在此当然必须大于预燃室15中的作用压力.借助预燃室阀18这样计量地喷入点火燃料，使得预燃室15中产生的稀薄点火燃料/空气混合物肯定不会发生非所愿的提前点火。例如可以通过发动机控制***根据当前的负荷状况和点火燃料特性进行计量.在正确的点火时刻(通常在柱塞6的上止点之前)利用外源点火装置16将预燃室15中的点火燃料/空气混合物点燃.因此按照本发明的燃气发动机1是一种外源点火的燃气发动机.在有利于优化燃烧的时段内，与以上所述通过主燃气阀21将主燃气经由喷射通道37注入到主燃室11中.由于喷射通道37分布设置在周边上，主燃气沿径向方向呈星形注入到主燃室11中，如图8中通过主燃气射流60所表示的那样.在预燃室15中将点火燃料/空气混合物点燃，热的燃烧气体从火焰通道52中流出。由于火焰通道52在周边上分布地设置，热的燃烧气体呈星形地沿径向方向进入到主燃室11中，如图8中通过燃烧气体射流61所表示的那样。所注入的纯的主燃气射流60在主燃室11中与热的燃烧气体射流61接触，从而将主燃室11中的主燃气点燃，并且在主燃室11中构成大量空间分布的扩散火焰。扩散火焰迅速吸入可供使用的氧气，由此在主燃室11中实现稳定、良好且快速的燃烧.例如可以根据燃气发动机1的当前负荷，通过主燃气阀21控制注入主燃气的开始。首先根据当前负荷确定注入持续时间，所述注入通常也会在预燃室15中点火之后持续一段时间.预燃室15中的点火、将燃气注入到主燃室11中的主喷射开始和持续时间可以相互独立例如受发动机控制***控制.
也可以通过受控的主燃气阀21将主燃气的供应量匹配于当前的负荷状况和燃气特性，然后例如又通过发动机控制单元ECU进行准确计量。这样也能对迅速的负荷变化快速作出反应.
如上所述，优选借助构造为差动柱塞的预控的机械式压差操纵阀25来注入主燃气.第二柱塞32的背面(表面A3)在一种优选实施方案中通过泄漏管39和弹簧腔38与电子预燃室阀18的点火燃料的供应压力连通.主燃气的气压在主燃气阀21开启的短暂时段内作用于差动柱塞的柱塞表面A1、A2，其中，主燃气的气压选择为这样大于用于预燃室15的点火燃料的压力，从而在与作用于第一柱塞31的压力作用面的主燃室11中(通过喷射通道37作用于柱塞31)的压缩压力配合作用的所有情况下保证机械式阀25可靠开启.这样仅仅通过调整主燃气和预燃室15的点火燃料的压力，就能保证机械式阀25的功能.
主燃气的压力当然必须大于主燃气注入时刻的预期压缩压力.在燃烧期间将主燃气注入到主燃室11中，因此主燃气的压力当然也必须大于预期的燃烧压力。将主燃气注入到主燃室11中的持续时间当然也应当最多与燃烧用氧气存在的时间一样长。
由于混合物稀薄并且预燃室15中的作用压力很高，可能需要高功率火花点火，才能引入所需的点火能量和点火电压，例如DE102008006304A1中所述的调制电容点火，或者电晕、等离子体或激光点火，或者类似的点火形式.同样可以例如与WO2013/045288A1中所描述的那样，通过监测离子电流来监测预燃室15中的点火.
本发明的另一种特别有利的实施方式是将点火燃料多次喷射到预燃室15中。在此，首先将一定量的点火燃料喷入到预燃室15中，以此形成这样稀薄的、肯定不会提前点燃的点火燃料/空气混合物。然后在快要点火之前继续喷入点火燃料，其使得预燃室15中外源点火装置16紧邻周围中的混合物这样加浓，使得可利用外源点火装置16、必要时也能以少的点火能量实现可靠点火.在点火之前附加地供应温度比预燃室15中的压缩混合物明显更低的点火燃料，附加地冷却点火燃料/空气混合物，从而减小因为附加喷入点火燃料而引起不希望的自燃的危险.如果使用例如液化气(例如天然气)作为点火燃料，例如在大约-160℃的超低温液相中对其加压并且在喷射之前使其蒸发，所产生的气体同样温度很低，这种方法中可以引起预燃室15中的混合物温度明显降低.
优选地但是并非必需地，使用相同的介质作为主燃气和点火燃料、例如天然气、尤其是液化天然气，对于用于预燃室15的点火燃料和用于主燃室11的主燃气可能仅仅需要不同的压力。
图10所示为一种可能的总体结构.由发动机控制单元ECU控制燃气发动机1(以箭头表示).利用发动机控制单元ECU尤其是控制预燃室阀18和主燃气阀21，尤其是根据主燃气和点火燃料的压力p1、p2以及燃气发动机的当前负荷状况(例如燃气发动机1的输出轴上的扭矩和/或者转速)控制相应的喷射开始和相应的喷射结束.预燃室阀18通过合适的燃气管道与用于点火燃料的点火燃料存储器70连接.主燃气阀21通过合适的燃气管道与用于主燃气的主燃气存储器71连接.如果主燃气和点火燃料的介质相同，则也可以仅仅给两者设置一个存储器.发动机控制单元ECU也可控制外源点火装置16，尤其必要时也可通过点火控制单元72控制点火时刻和/或者点火能量.或许也可以通过发动机控制单元ECU调整主燃气和/或者点火燃料的压力p1、p2，例如通过图中没有示出的早已为人所知的压力调节装置来调整。

Claims (17)

1.用于燃气发动机(1)的燃气供应和点火装置，所述燃气发动机具有燃烧室喷嘴(12)，在所述燃烧室喷嘴中设有一定数量用于主燃气的喷射通道(37)，并且喷射通道(37)与用于主燃气的主燃气供应管(24)连接，并且在燃烧室喷嘴(12)中还设有一定数量用于热的燃烧气体的火焰通道(52)，并且火焰通道(52)与燃气供应和点火装置(10)中的预燃室(15)连接，其中，点火燃料供应管(17)通入到预燃室(15)中，并且在点火燃料供应管(17)中设置有预燃室阀(18)，其中，所述预燃室阀(18)构造为电气操纵的、电子控制的阀，其特征在于，在主燃气供应管(24)中设置有主燃气阀(21)，所述主燃气阀构造为电气操纵的、电子控制的阀，并且在具有其中设置的主燃气阀(21)的主燃气供应管(24)和喷射通道(37)之间设置有机械式压差操纵阀(25)，所述机械式压差操纵阀受到主燃气的压力控制，并且封闭或阻断喷射通道(37)。
2.根据权利要求1所述的燃气供应和点火装置，其特征在于，在燃烧室喷嘴(12)的周边上分布地设置多个用于热的燃烧气体的火焰通道(52)，所述火焰通道与预燃室(15)连接。
3.根据权利要求1或2所述的燃气供应和点火装置，其特征在于，喷射通道(37)和火焰通道(52)沿周向方向交替并排设置。
4.根据权利要求2或3所述的燃气供应和点火装置，其特征在于，喷射通道(37)和火焰通道(52)的入口区域基本上设置在燃烧室喷嘴(12)的相同轴向位置上。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的燃气供应和点火装置，其特征在于，喷射通道(37)和火焰通道(52)的入口区域沿径向定向。
6.根据权利要求1所述的燃气供应和点火装置，其特征在于，在燃气供应和点火装置(10)中设置有环形的预燃室槽(50)，所述预燃室槽通过预燃室管道(51)与预燃室(15)连接，并且火焰通道(52)通入到所述预燃室槽中。
7.根据权利要求1所述的燃气供应和点火装置，其特征在于，机械式阀(25)构造为阀挺杆(30)，所述阀挺杆在一个轴向端部上具有第一柱塞(31)并且具有与第一柱塞(31)轴向间隔开的第二柱塞(32)，其中，所述第一柱塞(31)通过杆(33)与第二柱塞(32)连接，并且在第一柱塞(31)上设有柱塞密封面(36)，所述柱塞密封面与燃气供应和点火装置(10)中的阀密封面(41)密封地配合作用，并且在第一柱塞(31)和第二柱塞(32)之间构成有与主燃气供应管(24)连接的控制腔(46)。
8.根据权利要求7所述的燃气供应和点火装置，其特征在于，第二柱塞(32)设置在燃气供应和点火装置(10)的控制凹部(42)中，其中，第二柱塞(32)的周面与控制凹部(42)密封地配合作用。
9.根据权利要求8所述的燃气供应和点火装置，其特征在于，止动销(34)轴向邻接于第二柱塞(32)，所述止动销与燃气供应和点火装置(10)中的止挡(43)配合作用。
10.根据权利要求9所述的燃气供应和点火装置，其特征在于，围绕止动销(34)在止挡(43)和第二柱塞(32)之间设置有阀弹簧(45)。
11.根据权利要求7所述的燃气供应和点火装置，其特征在于，第二柱塞(32)设置在阀壳体(53)中，在所述阀壳体中构成有阀止挡(56)，所述阀止挡与第二柱塞(32)的端面(55)密封地配合作用。
12.根据权利要求11所述的燃气供应和点火装置，其特征在于，在第二柱塞(32)的端面(55)和阀壳体(53)之间设置有阀弹簧(45)。
13.根据权利要求7所述的燃气供应和点火装置，其特征在于，在第二柱塞(32)的周面上设置有一定数量的密封元件(35)。
14.根据权利要求7至13中任一项所述的燃气供应和点火装置，其特征在于，在控制凹部(42)的背离控制腔(46)并且通过第二柱塞(32)封闭的端部通入泄漏管(39)。
15.根据权利要求14所述的燃气供应和点火装置，其特征在于，泄漏管(39)与点火燃料供应管连接。
16.按照权利要求1至15中任一项所述的燃气供应和点火装置在燃气发动机中的应用，燃烧室喷嘴(12)的轴向端部伸入到燃气发动机(1)的气缸(5)的主燃室(11)中。
17.用于运行燃气发动机的方法，在所述方法中，在压缩冲程期间在燃气发动机(1)的气缸(5)中压缩空气或者空气/废气混合物，并且将压缩的空气压入到预燃室(15)中，将点火燃料供应到预燃室(15)中以形成空气/点火燃料混合物，在压缩冲程结束之前将主燃气供应到气缸(5)的主燃室(11)中，并且将预燃室(15)中的空气/点火燃料混合物点燃，由此热的燃烧气体从预燃室(15)流入到主燃室(11)中，并且在那里将注入的主燃气点燃，其特征在于，在点燃预燃室(15)中的空气/点火燃料混合物之前再次将点火燃料送入到预燃室(15)中，以便加浓预燃室(15)中的空气/点火燃料混合物。
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