内燃发动机的制作方法

本发明涉及一种适合使用氢基燃料的内燃发动机。

背景技术：

1、二氧化碳排放导致全球变暖已受到越来越多的关注，作为最小化这种排放的方式，计划立法来禁止或限制使用化石燃料的内燃动力车辆和机器。因此，许多行业正寻求为车辆和机器提供动力的替代手段，以减少或消除使用化石燃料，诸如汽油(石油)或柴油。

2、对于轻型车辆，例如客车，使用来自可再生能源的电力充电的电池似乎是最受欢迎的方法。与汽油和柴油的传统燃料补给时间相比，轻型车辆的占空比会较少地受到电池降低的能量密度的影响并且可以适应更长的充电时间。此外，具有合理范围所需的电池的质量不会明显地限制这些车辆承载人员及其所有物所需负载的能力。

3、但是，重型车辆可能会以有限的停机时间运行一个完整的工作日或连续轮班地运行，并且可能需要在很远的距离上承载重型负载，诸如长途运输/货运卡车，或者执行工作操作，诸如建筑或农业机械。对于这些使用情况，电池的低能量密度、成本和充电时间意味着它们代表吸引力较小的选择，因为它们所需的质量可能会限制卡车情况下的可用负载，并且在所有情况下成本和充电时间可能使得它们的使用不经济且不切实际。

4、已经提出将氢基燃料作为这些问题的解决方案，因为其可以以可再生方式生产，具有比锂离子电池更大的能量密度，并且可以如汽油和柴油那样快速地进行燃料补给。通常，建议将燃料电池作为一种在车辆上将氢“清洁地”转换为电力的手段。该电力被用于给牵引用电动机提供电力和/或驱动液压泵，其反过来又给诸如挖掘机、材料处理机等的工作机的工作臂提供动力。但是燃料电池当前是昂贵且脆弱的(fragile)，因此其实施面临着实际挑战。

5、在内燃发动机中使用氢作为燃料也是已知的。这是有吸引力的，因为对于内燃发动机而言已经存在供应链和维护专业性，尽管需要对它们进行改造以使用氢。

6、在用于重型机械的传统柴油内燃发动机中使用氢作为燃料会出现困难。首先，氢燃料需要使用用于点燃氢的火花塞，这是柴油发动机不具备的。进一步地，柴油发动机被配置为通过压缩点火以高效率和低排放的优化方式将柴油燃料和空气进行混合。汽油内燃发动机却包括火花塞，并且以火花点火的优化方式混合燃料和空气。但是，汽油发动机不具有操作重型机器所需的特性，诸如低转速(rpm)下的高扭矩输出。除此之外，现有的重型应用的发动机制造商还希望能够以最小的改造来延续其现有的发动机设计以实现氢燃料的有效燃烧。

7、本发明试图克服或者至少减轻上述问题。但是，这并不是说它受限于这些情况，而是更一般地寻求提供一种适合使用氢基燃料的内燃发动机，不管其预期应用如何。

技术实现思路

1、本教导的第一方面提供一种使用氢燃料的内燃发动机，该发动机具有至少一个缸体组件，各缸体组件包括：燃烧腔室，包括缸体、缸头和往复活塞组件；在缸头内的两个入口端口，该入口端口能通过相应的入口阀选择性地关闭；在缸头内的至少一个出口端口，该至少一个出口端口能通过相应的出口阀选择性地关闭；至少一个火花塞，安装到缸头；以及活塞组件，包括活塞和曲轴；还包括穿过入口端口其中之一的中心和相应的至少一个出口端口的中心的线；其中该线被布置为相对于曲轴的旋转轴线成非零角度；其中该线相对于曲轴的旋转轴线成非直角角度；而且进一步地，其中缸头通过六个紧固件、诸如六个螺栓固定到(用于)限定缸体的发动机机体。

2、该线以这种非零角度、非直角角度布置，允许入口绕过(routed around)其它发动机部件布设(route)。该角度还用于产生“涡流”(空气-燃料混合物通过燃烧腔室围绕发动机的活塞的轴线旋转)。这个涡流提供更好的混合，其导致更均匀和更有效的燃烧。六个螺栓头用于重型柴油发动机，并且这种压缩点火式发动机使用围绕竖直轴线(verticalaxis)产生“涡流”运动以便混合燃料和空气的入口端口，其提供更有效和更清洁的压缩点火。通过将重型发动机与涡流混合相结合，可以通过氢火花点火有效地运行，同时提供建筑和农业机械以及重型卡车中的重型应用所需的扭矩特性。

3、各缸体组件还可以包括入口流道，其分叉为第一区段和第二区段，这两个区段分别被连接到不同的入口端口。

4、在这个布置中，入口可以布设在缸头周围的其它部件(特别是六个螺栓)周围。这个布置还允许采用其它特征来促进涡流和翻滚。

5、缸头可以是基本上平坦的并且基本上正交于活塞的轴线。

6、在这个布置中，通过使进入缸体的入口相对于缸体的纵向轴线具有更陡的角度来产生更好的翻滚。

7、入口流道的第一区段和第二区段中的至少一者可以以相对于横向于缸体的轴线的平面以大于32°的角度进入相应的入口端口。该角度可以在32°至36°的范围内，并且优选为36°。

8、在这个布置中，入口具有足够的角度以产生“翻滚”(空气-燃料混合物通过燃烧腔室围绕发动机的曲轴的水平轴线旋转)。甚至与一定程度的涡流相结合，这种翻滚提供了更好的混合，从而导致更均匀和更有效的燃烧。

9、入口流道的第一区段和第二区段可以具有不相等的长度。

10、这个布置还确保均匀和线性的空气流，以增强燃料-空气混合。

11、该线与曲轴的旋转轴线之间的角度可以在45°至55°的范围内，并且优选为50°。

12、这个角度范围提供了氢和空气的合适混合，同时还允许多个部件(特别地，燃料喷射器)与所需的冷却液流道等一起被封装。

13、至少一个阀可以在关闭时位于相应端口中，处于从缸头的内表面的凹入位置处。

14、这个布置产生了更好的气体流入/流出，而且减少了阀端口周围的污染(soiling，弄脏)，从而导致更有效和更清洁的燃烧循环。

15、至少一个入口端口可以具有比至少一个出口端口的直径更大的直径。

16、这个布置产生了更好的气体流入/流出，并且减少了阀端口周围的污染，从而导致更有效和更清洁的燃烧循环。

17、各缸体组件还可以包括燃料喷射器，其被布置为通过缸头在喷射点处喷射氢燃料。燃料喷射器可以被布置为使得喷射点位于入口端口其中之一和至少一个出口端口其中之一的中间，而且可选地，进一步被布置为入口端口其中之一的中心的径向外侧。

18、可选地，喷射器可以位于缸头的周边附近。

19、燃料喷射器可以被布置为使得燃料喷射器的纵向轴线相对于第一竖直平面成3°到8°的范围内的角度，且相对于与第一竖直平面正交的第二竖直平面成11°到21°的范围内的角度，优选地，相对于这些平面分别成3°和16°的角度。

20、这些角度提供了使燃料适当地对准进入空气，同时允许将喷射器封装到冷却液流道和缸头螺栓的周围。

21、燃料喷射器可以被布置为使得喷射点位于两个入口端口的中间。

22、各缸体组件还可以包括入口流道，其中燃料喷射器的本体被布置在缸头与入口流道的下壁之间。

23、这个布置允许实现在缸头周围的部件的更优布设，以及更佳的燃料喷射以进行更好地混合。

24、缸头可以包括两个出口端口，并且火花塞位于入口端口和出口端口中间的区域内，可选地，火花塞基本上位于缸体的中心处，可选地，火花塞是m14火花塞。

25、中心位置优化了燃烧，并且使用m14火花塞增强了火花塞的耐用性。

26、燃料喷射器可以被布置为使得喷射点位于入口端口和出口端口中间的区域中，可选地，喷射点位于缸体的中心附近。

27、缸头还可以包括两个出口端口，且各入口端口可以具有中心，而且各出口端口具有中心，并且(两个)出口端口的中心以相对于各入口端口的中心非对称的方式布置。

28、这个布置提供更大的空间以便在缸体的中心、在入口端口和出口端口的中间处容置火花塞和喷射器两者。

29、各缸体组件还可以包括至少一个摇臂，该摇臂或各摇臂围绕摇臂轴旋转，各摇臂接收来自推杆的驱动并且驱动地连接到至少一个入口阀或至少一个出口阀，以打开和关闭各入口阀或各出口阀。各燃烧腔室可以具有入口摇臂和出口摇臂，入口摇臂围绕入口摇臂轴线旋转，且出口摇臂围绕出口摇臂轴线旋转，入口摇臂轴线和出口(摇)臂轴线是不同的轴线。入口摇臂轴线和外摇臂轴线(outer rocker arm axis，出口摇臂轴线)可以是平行的。入口摇臂轴线和外摇臂轴线可以是同轴的。入口摇臂轴线和外摇臂轴线可以与凸轮轴不平行。

30、在这个布置中，正确地组建摇臂是提供紧凑且有效的阀机构组件的关键。

31、内燃发动机还可以包括至少两个缸体，而且各缸体组件的缸头可以由单件材料形成。

32、内燃发动机还可以包括阀机构，该阀机构包括布置在发动机机体中的凸轮轴、以及布置为打开和关闭入口阀和出口阀的一系列推杆和摇杆。

33、还提供一种操作上述内燃发动机的方法，该方法包括如下步骤：(a)通过打开入口端口和移动活塞将空气抽吸进内燃发动机的缸体以便扩大燃烧腔室容积；(b)关闭至少一个入口端口；(c)经由燃料喷射器将燃料喷射进燃烧腔室容积以在燃烧腔室容积内形成空气-燃料混合物；(d)通过移动活塞压缩该空气-燃料混合物以减少燃烧腔室容积；(e)操作火花塞以点燃空气-燃料混合物，从而通过对活塞施力来扩大燃烧腔室容积；以及(f)以重复的方式重复步骤(b)至(e)；其中燃料是氢气。

34、同样地，提供一种使用氢基燃料的方法用于各种应用，其将产生较低排放的内燃发动机。

35、应理解，本发明的多个方面和多个实施例可以以任何方式被组合，以便利用其协同效应。