專利名稱：高壓下將氣態(tài)燃料噴入內(nèi)燃機(jī)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直接將氣態(tài)燃料噴入內(nèi)燃機(jī)燃燒室以促進(jìn)氣態(tài)燃料燃燒的方法。
背景技術(shù)：
由于氣態(tài)燃料易于應(yīng)用、成本低廉以及具有降低排放的潛力，所以氣態(tài)燃料很久以來一直都是內(nèi)燃機(jī)中液態(tài)燃料的有前途的替代品。天然氣是這種氣態(tài)燃料的一個(gè)實(shí)例。其他實(shí)例包括氫氣、甲烷、乙烷、丙烷、LPG、丁烷和這些氣態(tài)燃料的混合物，還有包括氫氣、二氧化碳和甲烷其中一種或多種的氣態(tài)燃料混合物，其中每種都可以合成生產(chǎn)。
尤其，因?yàn)椴裼腿剂先紵a(chǎn)生較高濃度的污染物并且通常比很多氣態(tài)燃料更昂貴，所以用氣態(tài)燃料取代柴油提供了減少排放和降低運(yùn)行成本的潛力。然而，目前遇到了挑戰(zhàn)，即如何在使用氣態(tài)燃料取代柴油的同時(shí)維持柴油機(jī)的性能包括柴油機(jī)的效率。
在柴油機(jī)中使用氣態(tài)燃料時(shí)維持其性能的一種方法是當(dāng)活塞位于上止點(diǎn)時(shí)直接將燃料噴入燃燒室，導(dǎo)致燃料在擴(kuò)散燃燒模式下燃燒或燃料和空氣部分混合的層流燃燒模式下燃燒。
任何直噴機(jī)都可從確保燃料完全、有效燃燒的技術(shù)中獲益。低效燃燒會(huì)導(dǎo)致較高排放和降低的發(fā)動(dòng)機(jī)性能。擴(kuò)散模式下的燃燒通常發(fā)生在由燃料噴射限定的燃料/空氣界面。即，燃料在燃燒前只有有限的機(jī)會(huì)與進(jìn)氣空氣工質(zhì)混合。因此，增加燃料暴露于空氣工質(zhì)的表面面積有助于促進(jìn)燃燒，因?yàn)樽龉_程早期允許更多的燃料燃燒。柴油機(jī)通過霧化柴油并將混合氣引進(jìn)燃燒室從而嘗試增加空氣和燃料之間的表面積以促進(jìn)混合和燃燒。對(duì)氣態(tài)燃料而言，是否霧化沒有什么關(guān)系，然而混合對(duì)促進(jìn)燃燒是重要的。柴油機(jī)的混合主要通過燃料噴射以及燃燒室?guī)缀螛?gòu)成與吸入燃燒室的進(jìn)氣工質(zhì)相互作用形成的環(huán)境產(chǎn)生。這種混合是重要的，同樣重要的是促進(jìn)氣態(tài)燃料直噴機(jī)中的混合。然而，申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)，與柴油不同，氣態(tài)燃料自身的性能有助于促進(jìn)混合，進(jìn)而促進(jìn)燃燒。
燃料質(zhì)量和工質(zhì)特性的變化通常會(huì)影響燃燒，也會(huì)促進(jìn)燃燒。對(duì)于很多氣態(tài)燃料，諸如天然氣，燃料質(zhì)量變化相當(dāng)大?，F(xiàn)有技術(shù)中補(bǔ)償?shù)偷燃?jí)燃料(低熱值)的一種方法趨向于對(duì)直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)鼓勵(lì)較長的噴射持續(xù)時(shí)間，并且這項(xiàng)技術(shù)同樣也適于氣態(tài)燃料。不過，長的噴射持續(xù)時(shí)間會(huì)不利地影響發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。同樣的技術(shù)可應(yīng)用于高廢氣再循環(huán)(EGR)的發(fā)動(dòng)機(jī)中，從而導(dǎo)致同樣的缺點(diǎn)。
一種通常控制氣態(tài)燃料混合的方法和促進(jìn)燃燒以調(diào)整燃料特性(低質(zhì)量燃料)、進(jìn)氣工質(zhì)特性(EGR程度)的方法是利用氣態(tài)燃料的可壓縮性。氣態(tài)燃料的可壓縮性可用來通過增強(qiáng)混合進(jìn)而增強(qiáng)燃燒。作為額外的好處，人們發(fā)現(xiàn)氣態(tài)燃料的可壓縮性還可延長氣態(tài)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的功率范圍。雖然以前已經(jīng)使用了增壓氣態(tài)燃料——通常將氣態(tài)燃料推入燃燒室(由此利用了氣態(tài)燃料的可壓縮性)，現(xiàn)有技術(shù)教導(dǎo)了可利用氣態(tài)燃料的可壓縮性以促進(jìn)燃燒，而沒有教導(dǎo)利用一定范圍的壓力。通過實(shí)例，參見Miyake M.等人的著作“The development of high output，highly efficient gas burning diesel engines”(高輸出、高效率氣體燃燒柴油機(jī)的發(fā)展)，CIMAC，1983。通常，由于在全載荷下將氣體推入燃燒室的需要，所以已經(jīng)推動(dòng)了噴射壓力(因此推動(dòng)了氣態(tài)燃料的可壓縮性)參見美國專利5,771,857，第4欄，第39行。
美國專利6,708,905指出了有限環(huán)境下氣態(tài)燃料可壓縮性的益處。其公開內(nèi)容提供了一種噴嘴設(shè)計(jì)，該噴嘴利用低壓下氣態(tài)燃料的可壓縮性，在噴嘴出口將超音速氣體燃料輸入燃燒室，從而促進(jìn)燃燒室內(nèi)氣態(tài)燃料的激波擾動(dòng)。所公開的噴嘴設(shè)計(jì)提供了在較低壓力下這種燃料流動(dòng)。這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是，燃燒室內(nèi)尋求的超音速流通常取決于氣缸壓力，該壓力在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)特性圖(map)中是變化的。噴射器設(shè)計(jì)僅可在發(fā)動(dòng)機(jī)特性圖中的離散范圍內(nèi)利用超音速流的激波擾動(dòng)。
類似的，Tice J.K.，等人在燃?xì)鈾C(jī)械會(huì)議(2003年10月，鹽湖城)的“FieldTest and Development of a Low-Cost Mechanically Actuated，Enhanced MixingSystem for Emissions Reduction”(使排放減小的低成本機(jī)械致動(dòng)、加強(qiáng)混合系統(tǒng)的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)與發(fā)展)中，討論了通過低壓噴嘴設(shè)計(jì)釋放超音速氣態(tài)燃料氣流，類似于美國專利6,708,905中所討論的內(nèi)容。然而如上所述，這種噴射器只有有限的應(yīng)用。而且，該出版物沒有教導(dǎo)氣態(tài)燃料的高壓噴射，這種情況是不希望出現(xiàn)的，因?yàn)楸炯夹g(shù)面向?yàn)榛鸹c(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)形成燃料和空氣均勻混合的方法。沒有討論利用柴油/壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中的效率的高壓直噴氣態(tài)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的合適方法。
本公開內(nèi)容提供了一種引進(jìn)氣態(tài)燃料的方法，該方法利用氣態(tài)燃料的高壓直噴和可壓縮性以在發(fā)動(dòng)機(jī)特性圖的范圍內(nèi)促進(jìn)燃燒，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的功率并且補(bǔ)償氣態(tài)燃料直噴式內(nèi)燃機(jī)中的低燃料質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為氣態(tài)燃料直噴內(nèi)燃機(jī)提供改進(jìn)的燃燒、更大的燃料質(zhì)量流量和燃?xì)鈩?dòng)量。通過利用氣態(tài)燃料的可壓縮性，本公開內(nèi)容提供了一種通過加強(qiáng)燃料的混合利用高壓直噴來改善燃燒、由此通過確保更完全燃燒進(jìn)一步減少排放的方法。同樣，通過利用氣態(tài)燃料的可壓縮性，燃料質(zhì)量流量和燃料動(dòng)量增加將導(dǎo)致燃料更充分地混合，并且當(dāng)燃燒室內(nèi)燃燒額外的燃料時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中向活塞輸出更大功率。
尤其，本公開內(nèi)容教導(dǎo)了在作為噴射壓力與氣缸壓力的壓力比下將氣態(tài)燃料噴入內(nèi)燃機(jī)燃燒室，該壓力比超過臨界壓力比，當(dāng)超過臨界壓比時(shí)，燃?xì)饬髟趪娮斐隹谔幈欢氯?燃?xì)馑俣葹槁曀?并且燃?xì)饬麟x開噴射器后氣流噴射速度變成超音速(即，未完全膨脹(under-expanded)燃?xì)鈬娚?。超音速燃?xì)馑俣葘?dǎo)致燃燒室內(nèi)激波擾動(dòng)和混合，這樣可促進(jìn)燃料的燃燒。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例包括將氣態(tài)燃料引入直噴內(nèi)燃機(jī)的方法。該方法包括，在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)過程中，選擇噴射壓力，用于將所述氣態(tài)燃料噴入在所述發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的工質(zhì)壓力下的工質(zhì)中，此噴射壓力產(chǎn)生氣態(tài)燃料噴出噴嘴的噴射速度。在整個(gè)噴射期間，該噴射速度超過工質(zhì)壓力下工質(zhì)中氣態(tài)燃料的音速。在接近或位于循環(huán)中壓縮沖程完成時(shí)的噴射曲柄角處，在噴射期間，氣態(tài)燃料在噴射壓力下被直噴入工質(zhì)。
在此外的實(shí)施例中，噴射壓力優(yōu)選地致使噴射速度低于最大滲透速度，燃?xì)庠谠摑B透速度下滲透進(jìn)燃燒室將導(dǎo)致氣態(tài)燃料與氣缸和活塞其中至少之一發(fā)生干涉，它們各自部分地限定了燃燒室。該方法可以在氣態(tài)燃料包括天然氣、進(jìn)氣工質(zhì)包括空氣的情況下實(shí)行。在本方法的其他實(shí)施例中，噴射期間的噴射壓力和工質(zhì)壓力的比值超過臨界壓比。在優(yōu)選實(shí)例中，燃料是天然氣，進(jìn)氣工質(zhì)是空氣和/或壓力比大于2。
在本方法另外的實(shí)施例中，燃料可包括氫氣，進(jìn)氣工質(zhì)包括空氣，在優(yōu)選實(shí)例中，還包括從天然氣、氫氣、甲烷和柴油中選擇至少其中之一的第二燃料，和/或與氣態(tài)燃料一樣。
在本方法的優(yōu)選實(shí)施例中，在整個(gè)噴射期間，噴射壓力是變化的。氣態(tài)燃料被引入直噴內(nèi)燃機(jī)。該方法包括，在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)過程中，選擇噴射壓力，用于將噴射氣態(tài)燃料噴入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)工質(zhì)，此噴射壓力產(chǎn)生氣態(tài)燃料離開噴嘴的噴射速度，氣態(tài)燃料降速穿過(reduce through)工質(zhì)內(nèi)的至少一道音速屏障。在接近或位于發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中壓縮沖程完成時(shí)的噴射曲柄角處，噴射期間氣態(tài)燃料在噴射壓力下直噴進(jìn)工質(zhì)。
在整個(gè)噴射期間，噴射壓力優(yōu)選為變化的而且可在氣態(tài)燃料包括天然氣、進(jìn)氣工質(zhì)包括空氣的情況下實(shí)現(xiàn)。
本文公開了第三種方法。該方法包括，在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)過程中，在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣過程中，將工質(zhì)引進(jìn)燃燒室，并且在循環(huán)的壓縮過程中，在燃燒室內(nèi)將工質(zhì)壓縮為工質(zhì)壓力。在接近或位于循環(huán)中壓縮過程完成時(shí)的噴射曲柄角處，在噴射期間，氣態(tài)燃料在噴射壓力下被直噴入工質(zhì)。在整個(gè)噴射期間，噴射壓力與工質(zhì)壓力的比值超過臨界壓比。臨界壓比在下述情況下確定，即工質(zhì)中氣態(tài)燃料的速度超過工質(zhì)壓力下的音速。直噴的氣態(tài)燃料在燃燒室內(nèi)被點(diǎn)燃。
該方法還包括根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)載荷、轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣工質(zhì)壓力或進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣工質(zhì)溫度、壓縮比和進(jìn)氣流中的至少一個(gè)確定工質(zhì)壓力。在所有的發(fā)動(dòng)機(jī)工況中，工質(zhì)中氣態(tài)燃料的速度優(yōu)選地超過音速。在優(yōu)選實(shí)例中，臨界壓比大于2。在另一實(shí)例中，燃料在非預(yù)混燃燒模式下燃燒。


圖1示出氣態(tài)燃料直噴式內(nèi)燃機(jī)循環(huán)中燃燒室在不同點(diǎn)處的5個(gè)橫截面視圖。圖1a示出發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中的進(jìn)氣沖程。圖1b示出發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中的壓縮沖程。圖1c示出發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中的壓縮沖程接近完成時(shí)燃料噴射入燃燒室。圖1d示出發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中做功沖程的燃料燃燒。圖1e示出發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中的排氣沖程。
圖2是在燃料壓力與氣缸壓力的壓力比下穿過噴嘴的氣態(tài)燃料的質(zhì)量流量的曲線圖。
圖3是離開噴嘴的不同距離下燃料壓力與氣缸壓力的壓力比的曲線。
圖4是不同燃料噴射壓力的燃料壓力與氣缸壓力的壓力比下的燃?xì)赓|(zhì)量流量的曲線圖。
圖5是表示亞音速燃?xì)馑俣群统羲偃細(xì)馑俣鹊那窍碌臒後尫怕实那€圖。
具體實(shí)施例方式
在本方法中，用于氣態(tài)燃料直噴內(nèi)燃機(jī)中的氣態(tài)燃料的選定噴射壓力超過臨界壓力，在臨界壓力下，燃料噴出噴嘴之后的速度超過了燃燒室內(nèi)工質(zhì)的音速。隨著燃?xì)鈬娚鋲毫υ黾?，噴嘴?nèi)燃料密度增加并且燃流保持被堵塞，同時(shí)在噴嘴出口處保持音速。然而，出了噴嘴后，隨著燃?xì)鈴膰娮扉_口膨脹形成燃燒室內(nèi)的進(jìn)氣工質(zhì)，燃?xì)膺_(dá)到超音速。
參考圖1，圖中示出了一種典型的氣態(tài)燃料直噴機(jī)循環(huán)中各進(jìn)程的橫截面剖視圖。圖1a提供了在方向12上通過進(jìn)氣管14引入燃燒室10的進(jìn)氣工質(zhì)。同時(shí)，在進(jìn)氣沖程，活塞16在方向17上運(yùn)動(dòng)，遠(yuǎn)離噴嘴18，該噴嘴位于點(diǎn)火板(fire deck)中并與燃燒室10流體流通。同時(shí)示出的是排氣管20。圖1b說明發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮沖程中活塞16在方向22上運(yùn)動(dòng)以將燃燒室內(nèi)的工質(zhì)壓縮為預(yù)燃燒氣缸壓力。參考圖1c，當(dāng)活塞位于或接近上止點(diǎn)時(shí)，燃料24可被引入到燃燒室10。燃料24在燃?xì)鈬娚鋲毫g下從噴射器被引進(jìn)到燃燒室10。為了該公開的目的，位于或接近上止點(diǎn)的燃料的噴射通常處于上止點(diǎn)任何一側(cè)30度的曲柄角內(nèi)。
參考圖1d，緊跟著燃料24的引進(jìn)，燃料燃燒，從而推動(dòng)活塞16在方向25運(yùn)動(dòng)，如燃燒產(chǎn)物26所示。氣態(tài)燃料可以自動(dòng)點(diǎn)燃或通過點(diǎn)火源(未顯示)點(diǎn)燃。這種點(diǎn)火源包括火花，比氣態(tài)燃料更易于自動(dòng)點(diǎn)火的引導(dǎo)(pilot)燃料(液態(tài)火花點(diǎn)火)，和位于燃燒室10內(nèi)的熱面。氣態(tài)燃料的自燃通常需要高壓比或高進(jìn)氣歧管內(nèi)溫度，因?yàn)楹芏鄽怏w燃料的自燃溫度較高。
最后，參考圖1e，發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)以排氣沖程結(jié)束，其中，通過活塞16在方向28上的運(yùn)動(dòng)，燃燒產(chǎn)物26在方向30上從燃燒室被排進(jìn)排氣管20。
參考圖2，通常，在直線100和曲線102的交點(diǎn)處識(shí)別出燃?xì)鈮罕鹊倪吔?，在該邊界以上，氣態(tài)燃料由燃?xì)獾呐蛎浲苿?dòng)從噴嘴以超音速穿過一個(gè)或多個(gè)由噴嘴出口附近的噴射中產(chǎn)生的激波，并伴隨有降速穿過(slowingthrough)激波的額外擾動(dòng)。這是公知的激波擾動(dòng)。超音速或流量相對(duì)于燃燒室流場中的當(dāng)?shù)芈曀龠M(jìn)行測量。在直線100右邊、沿著曲線102的范圍中，一旦燃?xì)鈴膰娮灬尫?，將?dǎo)致超音速流動(dòng)，當(dāng)比值Rgc滿足Rgc＞Rc1時(shí)，給定氣缸壓力Pcyl，這里Rgc＝Pg/Pcyl＞Rc，其中燃?xì)鈮毫g提供燃?xì)鈴乃鰢娮靽姵鰜頃r(shí)的超音速。Rc是由圖2中直線100定義的臨界壓比(超過它時(shí)，氣流將在噴嘴出口堵塞)，對(duì)于給定的燃?xì)饷芏群瓦M(jìn)氣工質(zhì)密度，超過臨界壓比，超音速流產(chǎn)生在燃?xì)怆x開噴嘴的出口處的燃燒室內(nèi)。超音速流是基于噴射的當(dāng)?shù)芈曀贉y定的。
當(dāng)壓比高于Rc時(shí)，燃?xì)獾某隹趬毫h(yuǎn)超過Pcyl，并且在噴嘴外發(fā)生噴射的殘余膨脹。因此，燃?xì)鉂舛鹊妮S向衰減表現(xiàn)得好像它是由比目前噴嘴外徑更大的源頭產(chǎn)生的(參考Birch等人，“The Structure and Concentration Decayof High Pressure Jests of Natural Gas”(天然氣高壓噴射的結(jié)構(gòu)和濃度衰減)，燃燒科學(xué)和技術(shù)，卷36，pp.249-261，1984)。這樣，通過在氣體噴出處增加壓力以使得氣體以超音速離開噴嘴，有效地提供了一種在發(fā)動(dòng)機(jī)工況范圍內(nèi)擴(kuò)大噴嘴直徑的方法。
參考圖3，示出了具有壁面201的噴嘴200。噴嘴200和燃燒室之間的邊界由直線202提供，燃?xì)鈬娚溥吔?04超過該直線示出。在本主題方法的優(yōu)選實(shí)施例的這一實(shí)例中，Pg保持常數(shù)。在該噴嘴橫截面視圖下方，圖中縱坐標(biāo)為1/Rgc，橫坐標(biāo)為與直線202相距的距離，該圖示出在燃料噴射過程中的Rgc的倒數(shù)，在常數(shù)燃?xì)鈮毫g下，曲線206為亞臨界Rgc，曲線208為臨界Rgc，此時(shí)Rgc＝Rc，曲線210、212為超臨界Rgc。還設(shè)置了燃料中點(diǎn)214。
參考圖4，示出了相對(duì)于Rgc的離開噴射器18的燃?xì)赓|(zhì)量流量。對(duì)于不同的噴射壓力，提供有四條曲線。曲線250、252、254和256分別代表大于前述噴射壓力的噴射壓力Pg，其趨勢如直線258所示。工作曲線260示出了對(duì)于給定Pcyl的在增加燃?xì)鈮毫Φ那闆r下對(duì)燃?xì)赓|(zhì)量流量的影響，Rc由曲線262示出。
參考圖5，示出了不同曲柄角下的熱釋放率(HRR)。曲線300提供了氣態(tài)燃料剛離開噴嘴時(shí)、在導(dǎo)致燃?xì)鉃橐羲倩騺喴羲俚膲毫ο?、氣態(tài)燃料被噴進(jìn)燃燒室所得到的HRR。曲線302提供了氣態(tài)燃料剛離開噴嘴時(shí)、在導(dǎo)致燃?xì)鉃槌羲俚膲毫ο?、氣態(tài)燃料被噴進(jìn)燃燒室所得到的HRR。曲線300代表Rgc小于或等于Rc時(shí)所得的HRR。曲線302代表Rgc大于Rc時(shí)所得的HRR。
事實(shí)上，參考圖4，當(dāng)工作曲線260在不同壓比曲線上移動(dòng)時(shí)，超過Rc的Rgc示出Pg增加時(shí)所增加的燃?xì)赓|(zhì)量流量和動(dòng)量。因此，額外的燃料能量可在給定循環(huán)中被送進(jìn)燃燒室，并且對(duì)于給定曲線具有對(duì)應(yīng)于超過Rc的Rgc的燃?xì)鈬娚鋲毫⒁娗€250至256。如上所述，當(dāng)氣態(tài)燃料的質(zhì)量較差時(shí)這是重要的，因?yàn)樵摲椒ㄍㄟ^燃料穿過噴嘴選出并堵塞時(shí)進(jìn)一步壓縮燃料，從而通過增加燃料密度使得能量密度增加。
而且，參考圖3，由于以曲線204為邊界的噴入氣體噴射24(見圖1)的噴射動(dòng)量的增加，在噴射中降速穿過一道或多道激波，所以對(duì)應(yīng)于過量氣體壓力的大于Rc的Rgc被考慮用來促進(jìn)混合。
優(yōu)選地，在發(fā)動(dòng)機(jī)的高載荷下保持關(guān)系式Rgc＞Rc。這里，由噴射動(dòng)量的增加造成的質(zhì)量流量和混合的增加是重要的，否則就會(huì)遇到在燃燒率和燃料質(zhì)量流量率上的限制導(dǎo)致的能量限制。假設(shè)額外燃料允許高效地燃燒，那么增加燃料質(zhì)量流量率為額外功率提供了潛力。額外的混合和動(dòng)量有助于燃燒。因此，雖然在氣缸壓力沒有處于給定循環(huán)的峰值壓力的情況下、當(dāng)氣體壓力導(dǎo)致超音速流動(dòng)時(shí)已實(shí)現(xiàn)超音速流的益處，但是所教導(dǎo)的全部優(yōu)點(diǎn)還沒有實(shí)現(xiàn)。在發(fā)動(dòng)機(jī)所有工況下壓比超過Rc會(huì)導(dǎo)致快速高效的燃燒，同時(shí)在需要時(shí)將額外的能量輸送給發(fā)動(dòng)機(jī)。
借助實(shí)例，典型的高達(dá)30MPa的Pg與15MPa的Pcyl(Rgc大于2)一般將提供超音速流進(jìn)入天然氣燃料直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃機(jī)所必須的壓力。大多數(shù)燃燒室和發(fā)動(dòng)機(jī)工況下的Pg在大多數(shù)情況下將超過10MPa。
參考圖5，可見在噴射壓力導(dǎo)致燃?xì)庖猿羲匐x開噴嘴時(shí)的HRR會(huì)導(dǎo)致燃燒室內(nèi)較快的熱釋放，這表示在燃燒室內(nèi)有待燃燒的理想量的燃料被更好地混合和更快地燃燒。這有助于確保能量更好地傳遞至活塞，在一些情況下，將導(dǎo)致更完全燃燒，并伴隨有相關(guān)的較少的排放，諸如CO和碳?xì)浠衔铩?br> 能夠控制所需要的Pg的噴射器是重要的。然而，不需要在噴射器本身中處理超音燃?xì)馑俣?，因?yàn)闅饬鲿?huì)在音速堵塞，直到離開噴嘴。噴射器內(nèi)增加的壓力導(dǎo)致噴射器中氣態(tài)燃料的壓縮或密度的增加。
應(yīng)該考慮發(fā)動(dòng)機(jī)幾何特征來決定Rgc的優(yōu)選范圍。即，超過給定Rgc，這里Rgc＝Rmax，由于過度滲透(over-penetration)造成的燃?xì)馀c燃燒室壁面的干涉會(huì)不利地影響燃燒質(zhì)量。這也是噴射角的函數(shù)。再次參考燃燒室的幾何特征，噴射角將有助于決定Pg的上限，該上限將導(dǎo)致可能不利地影響到燃燒效率的燃?xì)夂腿紵冶诿娴母缮骖愋?。通常，Rmax隨著燃燒室?guī)缀翁卣骱腿剂蠂娚浣嵌兓?。?yōu)選地，在燃料噴射期間，Rgc應(yīng)該接近Rmax，同時(shí)，燃?xì)鈬娚鋲毫?yīng)避免造成燃?xì)馀c氣缸壁或峰值氣缸壓力的任一側(cè)上的活塞發(fā)生干涉。實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)的一種方法是利用速率修正技術(shù)(rate shapingtechniques)在循環(huán)中控制噴射壓力，使得其跟隨燃燒室壓力，由此以接近Rmax的超音速流引進(jìn)燃料，并導(dǎo)致相對(duì)恒定的Rgc。
一般地，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器將考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的載荷要求(舉例來說，推進(jìn)壓力或節(jié)流閥位置或踏板位置)，由此通過實(shí)時(shí)計(jì)算Pcyl、測量Pcyl或表示Pcyl的信號(hào)、或者在發(fā)動(dòng)機(jī)校準(zhǔn)過程中提供給控制器的基于特性圖的方法確定Pcyl。隨后，由所確定的Pcyl決定Pg。無論如何，在實(shí)踐本公開的主題內(nèi)容時(shí)，Pg將導(dǎo)致Rgc滿足Rc＜Rgc＜Rmax。
對(duì)于給定的適合噴射燃料所用的噴嘴尺寸的載荷范圍和速度條件，Pg可被控制為恒定壓力。即，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，為Pg選擇的壓力應(yīng)確保在低載荷和/或高速度下的適當(dāng)流量，從而使得噴射時(shí)間根據(jù)噴射器設(shè)計(jì)不會(huì)變得過短。本公開內(nèi)容的一個(gè)目的是教導(dǎo)當(dāng)全載荷條件下Pcyl取最大值時(shí)，超音速流可流過噴嘴和接近噴嘴。
關(guān)系式Rc＜Rgc＜Rmax優(yōu)選地應(yīng)該在整個(gè)噴射期間被滿足，該關(guān)系式考慮發(fā)動(dòng)機(jī)特性圖上發(fā)動(dòng)機(jī)最高載荷時(shí)達(dá)到峰值氣缸壓力的點(diǎn)。在發(fā)動(dòng)機(jī)特性圖的這一點(diǎn)上，改善的混合和增加的燃料質(zhì)量流量是重要的，由于燃燒能量由質(zhì)量流量和混合來補(bǔ)充，這有助于加速熱量釋放從而高效地推動(dòng)活塞。
為了本公開的目的，膨脹不足的燃料噴射指代在噴嘴出口處具有音速的氣態(tài)燃料噴射，其在離開噴嘴和接近噴嘴后加速到超音速，最后穿過一道或多道激波而慢下來，并產(chǎn)生進(jìn)一步擾動(dòng)并與周圍流體產(chǎn)生相關(guān)的混合。
本公開的主題內(nèi)容是針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)，其中燃料在接近壓縮沖程的結(jié)束或做功沖程的開始時(shí)在高壓下(超過10MPa)噴射。所得的燃料噴射一旦點(diǎn)燃，其特征是非預(yù)混燃燒模式，該模式包括擴(kuò)散燃燒模式和層流燃燒模式。同樣，對(duì)于很多氣態(tài)燃料而言，在沒有為壓縮點(diǎn)火提供發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比的情況下，點(diǎn)火源是重要的。這種點(diǎn)火源的實(shí)例包括引導(dǎo)燃料點(diǎn)火(液態(tài)火花)或熱表面點(diǎn)火。為了該公開的目的，壓縮沖程結(jié)束或接近上止點(diǎn)時(shí)的噴射包括在壓縮沖程或做功沖程中上止點(diǎn)曲柄角30度內(nèi)的噴射。
在采用EGR并且進(jìn)氣工質(zhì)包括一些預(yù)混燃料的情況下，本公開的主題內(nèi)容是可操作的。同樣的原理將導(dǎo)致上述采用超音速氣態(tài)燃料氣流情況下教導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)。
為了本公開的目的，氣態(tài)燃料包括但不局限于天然氣、氫氣、甲烷、乙烷、丙烷、LPG和丁烷及這些氣態(tài)燃料的混合物。
為了本公開的目的，本主題的公開可應(yīng)用于二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)和旋轉(zhuǎn)循環(huán)式發(fā)動(dòng)機(jī)。因此，參考上述四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的不同階段，即進(jìn)氣、壓縮、做功和排氣沖程包括二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)和旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中相應(yīng)階段，即這種發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣、壓縮、做功和排氣過程。
雖然本發(fā)明的詳細(xì)元素，實(shí)施例和應(yīng)用都已經(jīng)示出和描述，但是當(dāng)然可理解本發(fā)明不局限于此，因?yàn)楸绢I(lǐng)域技術(shù)人員可在不脫離本公開的范圍內(nèi)，尤其是根據(jù)前述教導(dǎo)，進(jìn)行改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種將氣態(tài)燃料引入高壓直噴內(nèi)燃機(jī)的方法，所述方法包括，在所述發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)過程中，a.選擇噴射壓力，從而將所述氣態(tài)燃料噴入在所述發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的工質(zhì)壓力下的工質(zhì)中，所述噴射壓力導(dǎo)致未完全膨脹的氣態(tài)燃料噴射超過和接近所述噴射器的噴嘴，所述燃料噴射在噴射速度下膨脹超過和接近所述噴嘴，在整個(gè)所述噴射期間，所設(shè)噴射速度超過在所述工質(zhì)壓力下、在所述工質(zhì)中的所述氣態(tài)燃料的音速，b.在接近或位于所述循環(huán)的所述壓縮沖程完成時(shí)的噴射曲柄角處，在所述噴射期間、在所述噴射壓力下直接將所述氣態(tài)燃料噴入所述工質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述噴射壓力導(dǎo)致所述噴射速度低于最大滲透速度，在該最大滲透速度下，燃?xì)鉂B透進(jìn)燃燒室將導(dǎo)致氣態(tài)燃料與氣缸和活塞其中至少之一發(fā)生干涉，它們各自部分地限定了所述燃燒室。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述氣態(tài)燃料包括天然氣，所述進(jìn)氣工質(zhì)包括空氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述噴射期間所述噴射壓力和所述工質(zhì)壓力的比值超過臨界壓比。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述燃料是天然氣，所述進(jìn)氣工質(zhì)是空氣。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述壓比大于2。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述燃料包括氫氣，所述進(jìn)氣工質(zhì)包括空氣。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述進(jìn)氣工質(zhì)包括第二燃料。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述第二燃料從天然氣、氫氣、甲烷和柴油中的至少一個(gè)選擇出來。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述第二燃料與所述氣態(tài)燃料相同。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述噴射壓力在整個(gè)所述噴射期間是變化的。
12.一種將氣態(tài)燃料引入直噴式內(nèi)燃機(jī)的方法，所述方法包括，在所述發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)過程中，a.選擇噴射壓力，從而將所述氣態(tài)燃料噴入所述發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中的工質(zhì)，所述噴射壓力導(dǎo)致未完全膨脹的燃料噴射在超過和接近所述噴射器噴嘴時(shí)加速到超音速噴射速度，所述噴射降速穿過所述工質(zhì)中的至少一道激波，b.在接近或位于所述循環(huán)的所述壓縮沖程完成時(shí)的噴射曲柄角處，在所述噴射期間、在所述噴射壓力下直接將所述氣態(tài)燃料噴入所述工質(zhì)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述噴射壓力在整個(gè)所述噴射期間是變化的。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述噴射壓力超過10MPa。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述氣態(tài)燃料包括天然氣，所述進(jìn)氣工質(zhì)包括空氣。
16.一種操作直噴氣態(tài)燃料內(nèi)燃機(jī)的方法，所述發(fā)動(dòng)機(jī)限定有所述燃燒室，所述方法包括，在所述發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)過程中a.在所述循環(huán)的進(jìn)氣過程中將工質(zhì)引入燃燒室，b.在所述循環(huán)的壓縮過程中將所述燃燒室內(nèi)的所述工質(zhì)壓縮到工質(zhì)壓力，c.在接近所述循環(huán)的上止點(diǎn)或者接近所述壓縮過程完成的噴射曲柄角處，在所述噴射期間、在噴射壓力下直接將氣態(tài)燃料噴入所述工質(zhì)，在整個(gè)所述噴射期間，所述噴射壓力與所述工質(zhì)壓力的比值超過臨界比值，在所述噴射壓力導(dǎo)致未完全膨脹的燃料噴射加速至在所述工質(zhì)內(nèi)超過音速的情況下，確定所述臨界比值，d.在所述燃燒室內(nèi)點(diǎn)燃所述直噴氣態(tài)燃料。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，還包括根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)載荷、轉(zhuǎn)速、節(jié)流閥位置、進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣工質(zhì)溫度、壓縮比和進(jìn)氣氣流中的至少一個(gè)確定所述工質(zhì)壓力，其中所述工質(zhì)壓力用于確定所述噴射壓力。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)特性圖中，在接近噴射所述燃料的噴射器的位置處，所述工質(zhì)中所述燃料噴射的速度超過音速。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述臨界比值大于2。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述噴射壓力超過10MPa。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述直噴氣態(tài)燃料在非預(yù)混燃燒模式下燃燒。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述直噴氣態(tài)燃料在層流燃燒模式下燃燒。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述直噴氣態(tài)燃料在擴(kuò)散燃燒模式下燃燒。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種直接將氣態(tài)燃料噴入內(nèi)燃機(jī)燃燒室的方法。利用氣態(tài)燃料的可壓縮性向燃燒室提供燃料，燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)所有工況下進(jìn)行噴射，并且其壓力導(dǎo)致燃料離開噴油嘴時(shí)噴射速度超過燃燒室環(huán)境決定的當(dāng)?shù)芈曀?。所得到的燃料噴射速度?dǎo)致燃料穿過燃燒室內(nèi)的激波，它們又進(jìn)一步通過在燃燒室內(nèi)促進(jìn)擾動(dòng)以及燃料與進(jìn)氣工質(zhì)的混合從而改善燃料的燃燒，其中燃料在非預(yù)混燃燒模式下燃燒。
文檔編號(hào)F02M21/02GK1871424SQ200480031162
公開日2006年11月29日 申請(qǐng)日期2004年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月30日
發(fā)明者桑迪普·芒什 申請(qǐng)人:韋斯特波特研究公司