用于以氣體為燃料的內(nèi)燃機(jī)的燃燒系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】用于以氣體為燃料的內(nèi)燃機(jī)的燃燒系統(tǒng) 發(fā)明領(lǐng)域
[0001 ]本申請(qǐng)涉及在內(nèi)燃機(jī)的燃燒室中直接引入并且混合氣體燃料的技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]汽車制造商和燃料系統(tǒng)整合者連續(xù)促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)來改善性能和排放。燃料噴射 系統(tǒng)的革新引起一些重大發(fā)展，例如燃料計(jì)量、噴油正時(shí)和燃料噴射壓力的發(fā)展。燃料噴射 系統(tǒng)中的這些發(fā)展優(yōu)化了燃燒控制，如點(diǎn)火正時(shí)、燃燒相位和熱釋放率，從而促成更高的效 率和更少的排放。更多注意力正被朝發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的其他方面引導(dǎo)以進(jìn)一步改善發(fā)動(dòng)機(jī)性 能?；钊氲脑O(shè)計(jì)已受到極大的關(guān)注，由于其直接涉及燃燒性能，所以會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)效率和 排放兩者。
[0003]在以柴油為燃料的壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)中使用所稱的凹腔活塞碗并且在進(jìn)氣中采用 渦旋是眾所周知的。Cummins公司在20世紀(jì)90年代后期開發(fā)了一種用于以柴油為燃料的發(fā) 動(dòng)機(jī)的此類凹腔活塞碗。申請(qǐng)人開發(fā)了用于采用此活塞碗的Cummins 1' ISX柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的 天然氣裝料系統(tǒng)。如在以柴油為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)中一樣，以天然氣為燃料的ISX發(fā)動(dòng)機(jī)采用渦 旋來改善燃料與進(jìn)氣的混合，這提高了燃燒性能。
[0004] 現(xiàn)代液體燃料噴射壓力可高達(dá)1000 MPa并且典型的共軌柴油燃料噴射壓力可約為 250MPa。低溫氣體燃料系統(tǒng)通過栗送低溫液體來加壓氣體。將氣體燃料加壓到高達(dá)這些液 體燃料噴射壓力的壓力的硬件耐用性和成本具有挑戰(zhàn)性。在這些液體燃料噴射壓力下，機(jī) 械部件如配件和軟管具有不同類別并且非常昂貴。對(duì)于氣體燃料來說，具有與現(xiàn)代液體燃 料系統(tǒng)相同的噴射壓力并不是經(jīng)濟(jì)上可行的。由于這個(gè)原因，氣體燃料噴射壓力比液體燃 料所采用的壓力低得多，并且氣體燃料正常在足以主要在噴射的時(shí)候在燃料壓力和氣缸內(nèi) 壓力之間實(shí)現(xiàn)所希望的差值壓力的壓力下噴射，從而實(shí)現(xiàn)有待在所希望的時(shí)間段內(nèi)引入的 所希望的燃料量。液體與氣體燃料之間的噴射壓力中可能存在數(shù)量級(jí)差。在此公開中，氣體 燃料被定義為在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下處于氣態(tài)的任何燃料。此類氣體燃料的示例包括丁烷、 乙烷、氫氣、甲烷、丙烷、天然氣以及這些燃料的混合物等等。
[0005] 氣缸內(nèi)液體燃料的霧化和全面混合隨著噴射壓力增加而改善。由于現(xiàn)在所采用的 高噴射壓力，氣缸中的進(jìn)氣的渦旋的使用并不要求來實(shí)現(xiàn)所希望的混合等級(jí)。由于這個(gè)原 因，正待采用所謂的靜態(tài)燃燒室，這種燃燒室最小化并且優(yōu)選地消除了進(jìn)氣的渦旋。這對(duì)于 提高發(fā)動(dòng)機(jī)總效率具有益處，由于進(jìn)氣中更少的壓縮熱被傳輸至氣缸壁并且替代地被轉(zhuǎn)換 成用來在做功沖程期間向下驅(qū)動(dòng)活塞的機(jī)械能。這也是更有效率的，因?yàn)樵谶M(jìn)氣流系統(tǒng)中 限制更少，有時(shí)稱為"更好的呼吸"。也就是說，當(dāng)進(jìn)氣的動(dòng)能（渦旋)被降低時(shí)，能量從進(jìn)氣 到氣缸壁的對(duì)流傳遞被減少。
[0006] 對(duì)于被設(shè)計(jì)來與靜態(tài)燃燒室和高噴射壓力協(xié)作的以液體為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)，已知來 采用例如如圖1中所示的活塞碗形狀，其在本文中稱為"奧米伽"活塞碗。在許多應(yīng)用中，燃 燒室中所要求的燃料-空氣混合等級(jí)作為高噴射壓力的結(jié)果而達(dá)到。這允許采用簡(jiǎn)化的活 塞碗形狀，如奧米伽活塞碗。與凹腔式活塞碗(其出于各種原因而具有特殊的功能)相比，奧 米伽活塞碗制造起來相對(duì)便宜。
[0007] 液體燃料射流在燃燒室內(nèi)表現(xiàn)不同，并且具有與氣體燃料射流相比不同的氣缸內(nèi) 生命周期。隨著液體燃料射流從燃料噴射噴嘴穿透燃燒室，圍繞射流的外表面的液體燃料 攜帶空氣并且由于壓縮熱而霧化。高噴射壓力利用高噴射速率和沖力來撞擊射流。大沖力 造成圍繞射流的外表面的大量湍流，所述湍流增強(qiáng)空氣的攜帶。由于高沖力，射流進(jìn)入燃燒 室中的穿透距離是大的，這允許液體燃料與燃燒室內(nèi)的大量空氣混合。液體燃料射流的噴 霧形狀類似圓錐形。
[0008] 氣體燃料射流一旦進(jìn)入燃燒室就迅速擴(kuò)張，這是由于其為氣體以及氣體燃料壓力 與氣缸內(nèi)壓力之間的相對(duì)較低的差。其結(jié)果是，大羽流立刻鄰近噴射噴嘴形成。取決于氣體 燃料射流噴射角，可能的是羽流的頂部可與氣缸蓋相互作用，所述氣缸蓋整體而言充當(dāng)降 低氣體燃料射流的沖力并且來向上朝氣缸蓋牽引羽流。由于氣體和液體燃料的相對(duì)密度， 氣體燃料射流與液體燃料射流相比具有小得多的沖力。其結(jié)果是，氣體燃料射流進(jìn)入燃燒 室中的穿透距離小于液體燃料射流進(jìn)入燃燒室中的穿透距離。在質(zhì)量相等的基礎(chǔ)上，氣體 燃料射流與液體燃料射流相比與燃燒室內(nèi)的更少的空氣相互作用。為了增強(qiáng)氣體燃料與燃 燒室內(nèi)的空氣的混合，通常采用例如渦旋等技術(shù)，然而如前所指，其由于壓縮熱通過進(jìn)氣的 對(duì)流流失到氣缸壁中而降低了效率。
[0009] 于2008年10月21日公布的屬于Poola等人（以下參照Poola)的美國(guó)專利號(hào)7,438， 039公開了一種大缸徑、中速柴油機(jī)，所述柴油機(jī)具有凹型銳角活塞頂碗。凹形銳角頂碗提 供在活塞頂中以改善性能和排放特性。大缸徑被限定為180mm與600mm之間的直徑范圍內(nèi)的 一個(gè)直徑。Poola指出，隨著柴油機(jī)孔徑減小，例如在具有小于180mm的孔徑的發(fā)動(dòng)機(jī)中，增 加空氣渦流量被用來實(shí)現(xiàn)更快的燃料-空氣混合率。
[0010] 于2008年10月7日公布的屬于Glenn等人（以下參照Glenn)的美國(guó)專利號(hào)7，431， 012公開了一種具有凹腔活塞碗的柴油燃燒系統(tǒng)。孔徑大約是250mm，其適于用在大型發(fā)動(dòng) 機(jī)如機(jī)車中。燃料切向撞擊活塞碗層的中部部分，從而允許對(duì)燃燒進(jìn)行的淬火、降低峰值反 應(yīng)溫度、并且接著減少氮氧化物(NOx)的形成。
[0011] Poo I a或GI enn并未討論與引入、混合和燃燒內(nèi)燃機(jī)中的氣體燃料相關(guān)的困難。現(xiàn) 有技術(shù)水平缺乏直接引入并且混合內(nèi)燃機(jī)的燃燒室中的氣體燃料的技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012 ] -種用于燃燒內(nèi)燃機(jī)的燃燒室中的氣體燃料的改進(jìn)的方法包括:將進(jìn)氣引入具有 0至0.5范圍內(nèi)的渦流數(shù)的燃燒室中；將氣體燃料射流直接引入燃燒室中；點(diǎn)燃?xì)怏w燃料;將 氣體燃料射流分叉成至少第一燃料羽流和第二燃料羽流;朝鄰近氣缸蓋的第一混合區(qū)重新 引導(dǎo)第一燃料羽流;并且朝鄰近活塞碗的第二混合區(qū)重新引導(dǎo)第二燃料羽流。在優(yōu)選實(shí)施 方案中，氣體燃料射流在高負(fù)荷條件下引入時(shí)分叉并且朝第一和第二混合區(qū)重新引導(dǎo)，并 且在輕負(fù)荷條件下所述方法還包括引入氣體燃料射流并且朝第二混合區(qū)引導(dǎo)氣體燃料射 流。氣體燃料可選自包含沼氣、丁烷、乙烷、氫氣、甲烷、丙烷、天然氣以及這些燃料的混合物 的列表。氣體燃料射流的噴射角包括矯正角，所述矯正角用來補(bǔ)償氣體燃料射流與燃燒室 的防火甲板之間的邊界層流的流體動(dòng)力效應(yīng)，使得氣體燃料射流在預(yù)定公差范圍內(nèi)撞擊分 叉特征。矯正角的作用是設(shè)計(jì)具有比將由具有相同幾何形狀和設(shè)計(jì)的液體裝料發(fā)動(dòng)機(jī)中的 液體燃料噴射器使用的更大噴射角。
[0013] 在優(yōu)選實(shí)施方案中，所述方法包括將引燃燃料射流直接引入燃燒室中，由此引燃 燃料射流壓縮點(diǎn)火從而點(diǎn)燃?xì)怏w燃料。引燃燃料引入燃燒室中的正時(shí)可在氣體燃料引入之 前。引燃燃料噴射角小于氣體燃料噴射角，因?yàn)檫吔鐚恿鞯牧黧w動(dòng)力效應(yīng)在引燃燃料(其通 常是液體燃料如柴油)上具有較小的影響。在某些操作條件下，內(nèi)燃機(jī)將僅利用引燃燃料來 裝料。在這些條件下，所述方法還包括:將引燃燃料射流直接引入燃燒室中；將引燃燃料射 流分叉成至少第一引燃燃料羽流和第二引燃燃料羽流;朝第一混合區(qū)重新引導(dǎo)第一引燃燃 料羽流;朝第二混合區(qū)重新引導(dǎo)第二燃料羽流;并且壓縮點(diǎn)火第一和第二引燃燃料羽流。
[0014] 在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，強(qiáng)制點(diǎn)火源點(diǎn)燃?xì)怏w燃料，而不是采用引燃燃料。氣體