CN108180088B - 用于通过可燃气体运行的内燃机的计量单元 - Google Patents

用于通过可燃气体运行的内燃机的计量单元 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于燃气发动机的计量单元(40)，所述计量单元在入口侧与燃气罐相连，并且在出口侧与燃气发动机的进气通道(12)中的混合气形成设备(70)相连。计量单元(40)具有气压调节器(42)和燃气计量阀(60)，通过所述燃气计量阀调节输入混合气形成设备(70)中的气体量。通过前置的气压调节器能够明显减小燃气计量阀(60)的调节范围，由此能够更简单并且更精确地计量燃气。本发明还涉及一种内燃机(10)，所述内燃机通过可燃气体运行并且在内燃机的进气通道(12)上布置有这种计量单元(40)，本发明还涉及一种用于在这种计量单元(40)中进行压力调节的方法。

Description

用于通过可燃气体运行的内燃机的计量单元
技术领域
本发明涉及一种用于通过可燃气体运行的内燃机的计量单元、一种具有这种计量单元的内燃机以及一种用于在计量单元中进行压力调节的方法。
背景技术
由现有技术已知这样的内燃机，它们通过可燃气体、例如液化天然气(LPG-Liquified Natural Gas)或者以压力储存的天然气(CNG-Compressed Natural Gas)运行。尤其对于以压力储存的天然气(CNG)的挑战是将气体输送到内燃机的燃烧室中。因为气体相较于(在一定程度上不可压缩的)液体具有明显更高的可压缩性，所以这种气体不能通过传统的燃料泵喷入内燃机的燃烧室中。尽管直接将可燃气体吹入内燃机的燃烧室中(类似于液态燃料的直接喷入)是可行的，然而这要求燃气罐中具有至少20bar的相对较高的压力水平，由此只能不完全地清空燃气罐并且因此显著降低了机动车的续驶里程。
燃气发动机中用于气压调节和燃气计量的较高耗费和较高成本导致需要相对复杂的***以使燃气供应与内燃机的动态运行适配。为了能够在使用由现有技术已知的气体吹入阀时基于其较小的流动横截面实现内燃机的满载，在这种气体设备中需要约8bar的流动压力或供管压力。这导致必须有相对较大的气体量保留在燃气罐中，以便能够确保所述压力水平。由此限制了具有这种气体设备的机动车的续驶里程。所需的预压力越小，机动车的燃气罐就能更大程度地放空，这提高了机动车的续驶里程。
由EP 0 863 300 B1已知一种用于为内燃机供应气态燃料的设备，其中，设有用于气态燃料的馈送***，其中，针对内燃机的每个缸设有各自的喷入阀，用于将气态燃料置入缸的相应进气通道中，其中，每个喷入阀由计量阀和调节阀组成，其中，调节阀具有控制室，所述控制室在节气门的流体上游连接在内燃机的进气歧管上。然而，这种设备相对耗费和昂贵。此外，用于混合燃气和新鲜空气的混合段相对较短，因此不能在所有的运行状态下确保用于低排放燃烧的最佳混合气制备。
由EP 2 615 278 A2已知一种具有气体混合器的计量装置和用于控制混合气形成的方法。在此，一个或多个气体罐通过共同的管路与混合室相连，其中，在共同的管路中设置压力调节器，以便调节朝向混合室的燃气输入压力。
此外由现有技术已知一种气体设备，其中在供给管道中通过多级调节器调节气体压力并且随即经过量调节器或者节气门输入内燃机的进气通道中。
已知的解决方案或者不适用于在轿车和货车中的内燃机中常见的高动态运行，或者非常耗费并且因此设置用于静止的燃气发动机。因为在内燃机中，尤其是增压进气的内燃机中，所需的燃气量和新鲜空气量在空转运行和满载运行之间相差高达一百倍，所以需要通过压力调节器进行极为准确的调节，因此在EP 2 615 278 A中建议的计量装置中，较小的偏差可能导致调节出现显著的波动以及不准确性，进而导致可感知的舒适度损失和内燃机的排放变差，尤其是在空转运行中(所谓的空转颠簸)。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，建议一种计量单元，其能够克服由现有技术已知的缺点并且在高动态运行中也能够相对成本低廉地实现对可燃气体的非常正确的计量。
该技术问题按本发明通过一种用于以可燃气体运行的内燃机的计量单元解决，其中，所述计量单元在入口侧至少间接地与燃气供应装置相连，并且其中，计量单元在出口侧能够与用于制备输入内燃机的混合气的混合气形成设备相连，其中，计量单元具有气压调节器和燃气计量阀，其中，所述燃气计量阀是可调的，优选是可电动调节的。通过前置于燃气计量阀的气压调节器可以明显减小燃气计量阀的调节范围，由此能够更简单和更准确地对燃气进行计量。在没有前置的气压调节器的情况下，燃气计量阀通过恒定的压力加载，其中，燃气计量阀必须覆盖作为动态范围的整个发动机需求范围，也就是既覆盖空转运行中的最小量能力也覆盖满载情况。在此，具有最大气体需求与最小气体需求的时间点之间的所需燃气量之比可以高达100:1。通过根据进气通道中的新鲜空气的流动速度和/或压力使运行压力适配，可以将燃料计量阀的动态范围减小至10:1的比例。在此，通过压力调节器优选将气体压力调节为进气通道中的压力的恒定的多倍。气压调节器优选具有加热可能性，尤其通过加热电阻或者内燃机的冷却水循环上的接口，以便可靠地排除由于气体的膨胀制冷(焦耳汤姆孙效应)引起调节器结冰造成的功能干扰。
通过在本发明说明书中描述的特征可以实现计量单元的有利的改进和扩展设计。
在本发明的优选设计方案中规定，所述气压调节器具有初压力调节器和沿可燃气体通过计量单元的流动方向连接在初压力调节器之后的主压力调节器。通过初压力调节器可以进一步改善主压力调节器的调节准确性，因为在主压力调节器上的压力不再是(高压)燃气供应装置的压力，而是已经通过初压力调节器明显降低的压力。在此，初压力调节器既可以设计为一级也可以设计为多级的。在此合理的是根据压降设置一级或者多级的压力降低，因为在通过膨胀产生强烈的压力降低时，从气体吸收相对较多的能量，这可能导致相应的阀结冰。在此，初压力调节器可以设计为能加热的，以避免结冰的风险。
在此特别优选的是，在初压力调节器与主压力调节器之间布置有限压阀或者安全阀。通过限压阀可以降低热学产生的过压。由此可以防止在发动机重新启动时混合气过浓，所述混合气过浓可能导致难以启动，其中不再能确保内燃机可靠地启动。
在本发明的其它优选设计方案中规定，借助附加力、尤其借助弹簧加载所述气压调节器。通过压力加载，气压调节器可以针对在正常外界条件下的空气压力范围和(基本上包括平原和丘陵地带的)高度范围在没有附加的调节技术的情况下协调适配。在此指的是“折中调节”，其成本低廉，但限制了在极端环境条件下例如高原中的使用。
按照计量单元的一种备选的有利实施形式规定，所述气压调节器与负压源相连，尤其是与真空罐相连。通过真空罐可以保护气压调节器免受干扰量“环境空气的空气压力”的影响并且因此基本上与环境压力无关地运行。作为对真空罐的备选，也可以例如与限压阀共同作用地使用制动力放大器的负压泵，从而气动式地进行主动压力控制。
按照本发明的另一备选实施形式规定，所述气压调节器具有补偿元件，通过所述补偿元件主动地排除作用在气压调节器上的干扰量。作为对干扰量“环境的空气压力”的被动补偿的备选，也可以对干扰量进行主动补偿，其中，通过补偿元件至少部分地补偿干扰量。
在此优选的是，补偿元件包括负压罐。通过具有可变负压的负压罐能够以简单的方式方法在环境空气的空气压力中对压差进行补偿，由此可以通过气压调节器更好地调节压力。附加地，计量阀的量扩展降低，由此实现更好的计量精度。这可以用于优化内燃机的燃烧并且由此降低排放。
在此特别优选的是，所述补偿元件包括用于补偿作用在压力调节器上的干扰量的电执行器。通过电执行器能够以简单的方式对干扰量进行主动补偿。在此，作为电执行器设置简单并且成本低廉的构件，如电磁铁或者扭矩发动机，它们产生所需的补偿力或者矫正力。
按照本发明的另一有利的扩展设计规定，所述燃气计量阀设计为比例阀，所述比例阀具有能持续调节的阀横截面。在此，燃气计量阀设计用于连续地提供所需的气体质量流，以便实现将来自燃气供应装置的可燃气体简单并且准确地计量加入混合气形成设备中。在另一改进设计中规定了闭合件的位置反馈，由此可以实现更精确的燃气量预控制。
在此特别优选的是，所述燃气计量阀具有截止功能。通过截止功能可以避免尤其在内燃机停机时可燃气体不期望地流出。
备选地有利规定，在燃气计量阀之前或者之后连接有截止设备，尤其是截止阀。通过在燃气计量阀的上游或者下游的附加截止阀，同样可以防止可燃气体不受控地流出。在此优选在气压调节器下游和燃气计量单元上游设置截止阀，以便能够在燃气计量单元之前就中断可燃气体的流入。
在本发明的一种优选实施形式中规定，所述燃气计量阀设计为补偿压力的阀。通过补偿压力的阀只需要较小的力来打开和关闭阀门，由此一方面实现了较高的计量精度，并且另一方面实现了较高的调节力度。
按照计量单元的另一有利的扩展设计规定，所述计量单元具有压力传感器和/或温度传感器。通过压力传感器和/或温度传感器一方面实现了计量单元的功能监测，另一方面能够根据燃气计量阀上游的气体的压力和温度对通过燃气计量阀计量加入的气体量进行(进一步的)补偿。
在本发明的一种优选实施形式中规定，至少主压力调节器、温度传感器、低压传感器、第三截止阀和燃气计量阀作为组件设计具有共同的壳体。由此形成了紧凑的组件，其能够降低和成本低廉地装配。附加地可以在组件中集成计量单元的其它部件，尤其是过滤器和/或一个或多个初压力调节器。
按照本发明建议一种内燃机，其具有进气通道、至少一个燃烧室、优选至少三个燃烧室以及排气通道，其中，在进气通道中布置有混合气形成设备，并且其中，通过按照本发明的计量单元为混合气形成设备供应来自气体源的可燃气体。
按照本发明还建议一种用于在通过可燃气体运行的内燃机的按照本发明的计量单元中进行压力调节的方法，所述方法包括以下步骤：
-根据在内燃机的进气通道中确定的压力通过气压调节器调节燃气压力，
-以通过气压调节器调节形成的压力加载燃气计量阀，
-通过燃气计量阀将期望的气体量计量加入混合气形成设备中。
通过这种方法能够特别准确地调节可燃气体的压力，由此可以提高燃气计量阀的计量精度。由此可以在内燃机的燃烧室中实现特别清洁并且低排放的燃烧。此外，可以在具有气态燃料的机动车中提高续驶里程，因为燃气罐被进一步清空并且可以降低压力水平。
在所述方法的一种优选实施形式中规定，将燃气压力调节为混合气形成设备中当时压力的多倍。在此，所述多倍通过基本上恒定的因数k产生，所述因数在2至50之间，优选在2至10之间。
在本申请中提到的本发明的不同实施形式只要没有在单独情况下另作说明均可以有利地相互组合。在此，相同的构件或者具有相同功能的构件通过相同的附图标记表示。
附图说明
以下根据附图在实施例中阐述本发明。在附图中：
图1示出通过可燃气体运行的内燃机的示意性结构，其中借助按照本发明的计量单元进行燃气供应；
图2示出按照本发明的计量单元的一个实施例的原理图；并且
图3示出按照本发明的计量单元的另一实施例。
具体实施方式
图1示出内燃机10，其具有进气通道12、排气通道14以及多个燃烧室16，在所述燃烧室中可以燃烧气态燃料以驱动内燃机10。所述内燃机10可以具有涡轮增压器74，其中，涡轮增压器74的涡轮机78按照已知的方式布置在内燃机10的排气通道14中并且驱动内燃机10的进气通道12中的涡轮增压器74的压缩机76，以便压缩进气通道12中的新鲜空气并且由此改善燃烧室16的填充。此外，在进气通道12中在压缩机76下游布置有混合气形成设备70，在所述混合气形成设备中，来自进气通道12的新鲜空气与来自燃气供应装置20的可燃气体混合并且由此制备成用于内燃机10的可燃混合气。此外，可以设置废气再循环装置18，其将排气通道14与进气通道12相连并且由此将气态燃料的被燃烧或者部分燃烧的燃料组成部分回引至进气通道12中。在此，废气再循环装置18优选通入混合气形成设备70中，以便尽可能好地将来自燃气供应装置20的可燃气体与新鲜空气混合并且由此当在内燃机10的燃烧室16中燃烧时利用废气再循环对排放物形成的已知优点。
为了给混合气形成设备70提供燃气，设置计量单元40，其由燃气供应装置20供应可燃气体。在此，计量单元40包括燃料计量阀60，沿可燃气体通过计量单元40的流动方向在燃料计量阀之前连接有气压调节器42。燃气供应装置20例如具有燃气罐22，其通过燃气管路34与计量单元40相连。在燃气管路34中，在气体的流动方向上设有第一截止阀30，在第一截止阀下游设有过滤器36，并且再在下游设有第二截止阀32。备选地，过滤器36也可以布置在燃气计量阀60下游和混合气形成设备70上游。过滤器优选附加地具有液滴分离器，以便将在燃气管路34中冷凝的水蒸汽和/或压缩机油从可燃气体中分离出。
在图2中示出用于通过可燃气体运行的内燃机10的燃气供应装置20的计量单元40的另一实施例。计量单元40如之前的实施例那样具有气压调节器42和燃料计量阀60。气压调节器42包括初压力调节器44和主压力调节器52，其中，在初压力调节器44与主压力调节器52之间布置有安全阀50，尤其是限压阀50。气压调节器42与补偿元件66相连，所述补偿元件优选具有电执行器68。在主压力调节器52下游并且在燃料计量阀60上游，在计量单元40之中或之上设置有温度传感器54和低压传感器56，用于在气压调节器42下游检测压力和温度。在燃气计量阀60的下游设有第三截止阀58，通过所述第三截止阀可以将燃气供应装置与混合气形成设备70流体地分隔开。温度传感器54和低压传感器56的测量数据被传输至内燃机10的控制设备并且由此可以用于对气体量进行预控制。
初压力调节器44可以设计为一级或者多级的，初压力调节器44优选如图2所示设计为两级，其具有第一初压力调节器46和第二初压力调节器48。燃气供应装置20包括至少一个燃气罐24、26，优选第一燃气罐24和第二燃气罐26，尤其是第一和第二燃气瓶，特别优选是六个燃气瓶，计量单元40由它们馈送可燃气体，优选是在压力下储存的天然气(CNG-压缩天然气)。燃气罐24、26分别具有第一截止阀30，通过所述第一截止阀可以防止气体从相应的燃气罐24、26中流出。两个燃气罐24、26整合在共同的燃气管路34中，其中，所述共同的燃气管路34具有过滤器36，所述过滤器具有颗粒分离器和液滴分离器，以便从可燃气体中去除污物和冷凝的水蒸气。在过滤器36的下游并且在气压调节器42的上游布置有另一截止阀32和气压传感器38，通过所述气压传感器能够测量燃气供应装置的入口压力，所述入口压力基本上相当于与计量单元相连的燃气罐24、26中的压力。截止阀32备选地也可以集成在气压调节器42中。
在混合气形成设备70上布置有另一压力传感器72，通过所述另一压力传感器可以测量混合气形成设备70中的压力，尤其是进气通道12的进气道中的压力。计量单元40的气压调节器42和燃气计量阀60优选布置在共同的壳体中，备选地也可以分隔开地布置在不同的壳体中。气压调节器42优选具有加热可能性，尤其是加热电阻或者借助内燃机10的冷却水进行加热，以避免在可燃气体膨胀时由于膨胀制冷导致结冰产生的功能干扰。
在内燃机10的运行中，为混合气形成设备70馈送来自燃气供应装置20的可燃气体。为此，可燃气体在高压下储存在燃气罐24、26中。通过初压力调节器44将气体压力从例如100bar的较高压力pH降低为初压力调节器44下游的小于10bar的第一压力p1。在此，可燃气体通过膨胀冷却。通过主压力调节器52和燃气计量阀60使可燃气体进一步膨胀至混合气形成设备70中的压力。
结合可变的、但与进气通道中的压力pS耦连的处于燃气计量阀60之前的可燃气体压力(p1＞1.85＊pN)，可燃气体的流过的质量流密度是气体压力、气体温度、气体组成和燃气计量阀60的阀几何形状的函数。其在此基本上与燃气计量阀60下游的气体压力无关。
在由现有技术已知的计量阀中，燃气输入管路中的燃气压力是恒定的。在此，燃气计量阀60必须覆盖作为动态范围的内燃机10的整个需求范围。在增压进气的内燃机中，最小质量流与最大质量流之比在此可达1:100。这对在燃气计量阀60中的调节提出了非常高的要求并且这是非常耗费和昂贵的。如果可燃气体通过按照本发明的计量单元40进行调节，则所述比例减小的倍数为在燃气计量阀60之前的最小燃气压力与最大燃气压力之比例的倒数。对于增压进气的内燃机10而言，该最小燃气压力与最大燃气压力之比例处于0.3:2.5＝0.12的范围内。由此使调节范围简化或者减小了约因数10，简化或者减小至比例1:6至1:12。通过所述分配，对于燃气计量阀6的要求降低，其中，尤其是更粗略的构件公差和/或简单的执行器是可行的，这显著降低了成本。燃气计量阀60优选设计为比例阀或者快速通断的数字阀。
在图3中示出按照本发明的计量单元40的另一实施例。在基本上与图2所述相同的结构中，以下只阐述不同之处。取代一个或多个燃气罐24、26，在图3所示的实施例中的燃气供应装置20具有固定的燃气接口28。此外，取代主动的补偿元件66，气压调节器42具有负压源62，例如真空泵或者制动力放大器的负压通道，或者真空罐64，以便使气压调节器与环境压力中的压力波动脱耦并且至少部分地排除所述干扰量。
本发明涉及一种用于燃气发动机10的计量单元40，所述计量单元在入口侧与燃气供应装置20、尤其是燃气罐22相连，并且在出口侧与燃气发动机10的进气通道12中的混合气形成设备70相连。计量单元40具有气压调节器42和燃气计量阀60，通过所述燃气计量阀调节输入混合气形成设备70中的气体量。通过前置的气压调节器42能够明显减小燃气计量阀60的调节范围，由此能够更简单并且更精确地计量燃气。
本发明还涉及一种内燃机10，所述内燃机通过可燃气体运行并且在内燃机的进气通道12上布置有这种计量单元40，本发明还涉及一种用于在这种计量单元40中进行压力调节的方法。
附图标记清单
10 内燃机
12 进气通道
14 排气通道
16 燃烧室
18 废气再循环装置
20 燃气供应装置
22 燃气罐
24 第一燃气罐
26 第二燃气罐
28 燃气接口
30 第一截止阀
32 第二截止阀
34 燃气管路
36 过滤器
38 燃气压力传感器
40 计量单元
42 气压调节器
44 初压力调节器
46 第一初压力调节器
48 第二初压力调节器
50 限压阀/安全阀
52 主压力调节器
54 温度传感器
56 低压传感器
58 第三截止阀
60 燃气计量阀
62 负压源
64 真空罐
66 补偿元件
68 电促动器
70 混合气形成设备
72 压力传感器
74 涡轮增压器
76 压缩机
78 涡轮机
80 废气循环阀
pH 高压
p1 初压力调节器与燃料计量阀之间的压力
pN 燃料计量阀之后的低压
pS 进气管中的压力

Claims (12)

1.一种用于通过可燃气体运行的内燃机(10)的计量单元(40)，其中，所述计量单元(40)在入口侧至少间接地与燃气供应装置(20)相连，并且其中，计量单元(40)在出口侧能够与用于制备内燃机(10)的燃料的混合气形成设备(70)相连，其中，计量单元(40)具有气压调节器(42)和可调的燃气计量阀(60)，其中，所述气压调节器(42)具有初压力调节器(44)和沿可燃气体通过计量单元(40)的流动方向连接在初压力调节器(44)之后的主压力调节器(52)，其中，在初压力调节器(44)与主压力调节器(52)之间布置有限压阀(50)，并且借助附加力加载所述气压调节器(42)，其特征在于，所述气压调节器(42)具有补偿元件(66)，通过所述补偿元件(66)主动地排除作用在气压调节器(42)上的干扰量，其中，所述补偿元件(66)包括电执行器(68)。
2.根据权利要求1所述的计量单元(40)，其特征在于，所述附加力借助弹簧施加。
3.根据权利要求1所述的计量单元(40)，其特征在于，所述补偿元件(66)包括负压罐。
4.根据权利要求1所述的计量单元(40)，其特征在于，所述燃气计量阀(60)设计为比例阀，所述比例阀具有能持续调节的阀横截面。
5.根据权利要求4所述的计量单元(40)，其特征在于，所述燃气计量阀(60)具有截止功能。
6.根据权利要求4所述的计量单元(40)，其特征在于，在燃气计量阀(60)之前或者之后连接有截止设备。
7.根据权利要求6所述的计量单元(40)，其特征在于，所述截止设备是截止阀(58)。
8.根据权利要求4至7之一所述的计量单元(40)，其特征在于，所述燃气计量阀(60)设计为补偿压力的阀。
9.根据权利要求1或2所述的计量单元(40)，其特征在于，所述计量单元(40)具有压力传感器(56)和/或温度传感器(54)。
10.一种内燃机(10)，具有进气通道(12)、至少一个燃烧室(16)以及排气通道(14)，其中，在进气通道(12)中布置有混合气形成设备(70)，并且其中，通过根据权利要求1至9之一所述的计量单元(40)为混合气形成设备(70)供应来自燃气供应装置(20)的可燃气体。
11.一种用于在通过可燃气体运行的内燃机(10)的根据权利要求1至9之一所述的计量单元(40)中进行压力调节的方法，包括以下步骤：
-根据在内燃机(10)的进气通道(12)中确定的压力通过气压调节器(42)调节燃气压力，
-以通过气压调节器(42)调节形成的压力加载燃气计量阀(60)，
-通过燃气计量阀(60)将可燃气体的气体量计量加入混合气形成设备(70)中。
12.根据权利要求11所述的用于在计量单元(40)中进行压力调节的方法，其特征在于，将燃气压力调节为混合气形成设备(70)中当时压力的多倍。
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