專(zhuān)利名稱(chēng)：具有氣體燃料噴射的內(nèi)燃機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種設(shè)備和方法，用于操作包括燃料噴嘴的氣體燃料內(nèi)燃機(jī)，該燃料噴嘴具有設(shè)置在燃燒室內(nèi)用于直接向燃燒室內(nèi)噴射氣體燃料的噴嘴。同樣設(shè)置在燃燒室內(nèi)的點(diǎn)火裝置，緊密地安裝在燃料噴嘴附近。點(diǎn)火裝置包括圍繞點(diǎn)火器的熱表面提供遮蔽空間的套筒。
背景技術(shù)：
液體燃料內(nèi)燃機(jī)已經(jīng)用于產(chǎn)生動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)機(jī)械超過(guò)一個(gè)世紀(jì)。從開(kāi)始以來(lái)，內(nèi)燃機(jī)已經(jīng)經(jīng)歷了大量改進(jìn)，從而變得更加有效、更加有力和/或污染更小。為了幫助這些改進(jìn)，燃料的性質(zhì)和質(zhì)量也在改進(jìn)，且諸如甲醇和其它醇基燃料的替代燃料也已經(jīng)被視作有助于降低有害排放。然而，以能量為基礎(chǔ)測(cè)量的等效，與這些液體燃料相比，等量的諸如甲烷、氫、天然氣的可燃?xì)怏w燃料、以及該些燃料的混合物可以燃燒而產(chǎn)生相等的功率同時(shí)產(chǎn)生較少的顆粒物和溫室氣體形式的有害排放。
然而，在傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)中以該些氣體燃料替代液體燃料的問(wèn)題在于該些氣體燃料通常無(wú)法如液體燃料一樣易于點(diǎn)燃。在氣體燃料替代液體燃料時(shí)還導(dǎo)致了多種其它的不同。例如，燃燒方案可以不同從而解決與氣體燃料相關(guān)的更長(zhǎng)的點(diǎn)火延遲、或者可能需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)向發(fā)動(dòng)機(jī)中噴射氣體燃料。另外，燃料供給系統(tǒng)和將燃料引進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)中的方式通常要求處理氣體燃料專(zhuān)用的裝備。另外，選定的燃燒方案可能要求燃料室不同的幾何形狀。因此，在沒(méi)有明顯改動(dòng)的情況下適用于液體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)可能不適用于氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，這可能影響商業(yè)生命力。
目前用于商用汽車(chē)的氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)使用包括均勻混合物形成、火花點(diǎn)火、以及節(jié)流閥控制在內(nèi)的奧托循環(huán)工作，而這些發(fā)動(dòng)機(jī)主要從修改狄塞爾循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)衍生來(lái)，因?yàn)樯虡I(yè)用車(chē)輛所需的功率和扭矩。例如，從狄塞爾循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)而來(lái)的混合物形成過(guò)程，以及火花點(diǎn)火的使用，這是需要對(duì)應(yīng)調(diào)整進(jìn)氣系統(tǒng)和氣缸蓋的方面。調(diào)整的燃燒過(guò)程還使凹陷到活塞中的改進(jìn)的燃燒室成為必需。發(fā)動(dòng)機(jī)制造商通常努力保持需要為氣體燃料工作而調(diào)整的發(fā)動(dòng)機(jī)部件的數(shù)量盡可能的低。這是試圖限制額外的制造成本用來(lái)使發(fā)動(dòng)機(jī)適用氣體燃料，若可以，同時(shí)保持傳統(tǒng)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的使用者對(duì)于其商用汽車(chē)已經(jīng)習(xí)慣的耐用性和長(zhǎng)工作壽命。
對(duì)于氣體燃料內(nèi)燃機(jī)，主要的燃燒過(guò)程之一是結(jié)合三元催化器以理想配比燃料空氣混合物運(yùn)轉(zhuǎn)。商用汽車(chē)中對(duì)于氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的最初需求是基于對(duì)于低排放特性的期望，而效率和燃料消耗特性處于次要考慮。氣體燃料的混合通常通過(guò)設(shè)置在進(jìn)氣系統(tǒng)中心的氣體燃料混合器進(jìn)行，而氣體燃料供給由電子控制。更新的氣體燃料系統(tǒng)已轉(zhuǎn)變?yōu)樵诿總€(gè)氣缸的進(jìn)氣閥的前面多點(diǎn)噴射，從而改善燃料的相等分布并在非固定式發(fā)動(dòng)機(jī)工作期間保持理想配比混合物成分。為了保持化學(xué)計(jì)量(？＝1)燃料空氣混合物，可以采用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中熟知的“閉環(huán)”空氣/燃料比例控制。壓縮比通常限制為11∶1至11.5∶1的值從而確保足夠的防止爆震的安全余量。
可以通過(guò)非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)以化學(xué)計(jì)量控制實(shí)現(xiàn)的性能至少比自然吸氣的液體燃料狄塞爾循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)低5％，這是因?yàn)闅怏w燃料加入進(jìn)氣管而導(dǎo)致由發(fā)動(dòng)機(jī)吸入的空氣體積減少造成的?？紤]到與奧托發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的更高的熱負(fù)荷，與目前的增壓液體燃料狄塞爾循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，氣體燃料的奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的功率要少15％。這種功率損失已經(jīng)考慮了使用高達(dá)15％的EGR比例的廢氣再循環(huán)可以降低熱負(fù)荷。完全補(bǔ)償奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)較低性能的唯一方式是增加排氣量。
化學(xué)計(jì)量控制氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料經(jīng)濟(jì)性的特征在于，在固定13模式測(cè)試下能量消耗比液體燃料狄塞爾循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)高15至20％。在低負(fù)荷下頻繁工作時(shí)，如同通常對(duì)于在城市中工作的公共汽車(chē)，已發(fā)現(xiàn)節(jié)流控制相應(yīng)增加了40％以上的燃料消耗。
關(guān)于化學(xué)計(jì)量控制氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和燃料經(jīng)濟(jì)性的缺點(diǎn)，與目前的液體燃料狄塞爾循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，可以通過(guò)采用稀混合發(fā)動(dòng)機(jī)概念而明顯降低。混合物的形成通常在渦輪增壓器的下游的中心位于進(jìn)氣系統(tǒng)的電控燃料空氣混合器中進(jìn)行。對(duì)于11∶1至11.5∶1的壓縮比，稀混合發(fā)動(dòng)機(jī)通常具有與化學(xué)計(jì)量控制發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)似的燃燒室的幾何形狀。由于較少的天然氣燃料空氣混合物導(dǎo)致燃燒率的強(qiáng)烈下降，必須進(jìn)行諸如擠氣流動(dòng)的適當(dāng)調(diào)整來(lái)抵消具有更高的碳?xì)浠衔锱欧诺难娱L(zhǎng)的燃燒過(guò)程。通過(guò)目前的稀混合發(fā)動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)的空氣比例對(duì)于較高的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，而由此燃燒率更高而言不高于λ＝1.5。在低發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的情況下，燃燒溫度更低，且由此將處理稀混合燃料的能力限制于1.1至1.3的λ值。
由于稀混合發(fā)動(dòng)機(jī)部件上的熱應(yīng)力比化學(xué)計(jì)量控制氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)低，可以明顯增大進(jìn)氣壓力，使得與增壓空氣冷卻相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)達(dá)到14bar的有效平均壓強(qiáng)。扭矩范圍很大程度上與大量的可以商業(yè)購(gòu)買(mǎi)的液體燃料狄塞爾循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)相應(yīng)。然而，與歐3型液體燃料狄塞爾循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)的功率水平相比，稀混合發(fā)動(dòng)機(jī)仍會(huì)受到明顯功率不足的困擾。
特別是在較低的局部負(fù)荷范圍下，由于在更稀混合的情況下操作目前的稀混合發(fā)動(dòng)機(jī)的能力受到限制為1.2至1.4的λ值，由于天然氣的慢燃燒速度，這些發(fā)動(dòng)機(jī)還要求節(jié)流控制。因此，ECE R49排放檢測(cè)確定的燃料消耗速度，取決于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，比可比的液體燃料狄塞爾循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)高15％以上。例如，在城市公交車(chē)的日常工作中，這導(dǎo)致了燃料消耗值要高30％，因?yàn)榇蟛糠值墓ぷ鲿r(shí)間是發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速或低負(fù)荷條件下工作。
目的在于滿(mǎn)足將于2005年生效的新歐4排放標(biāo)準(zhǔn)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的稀混合概念的特征在于進(jìn)一步發(fā)展了現(xiàn)有稀混合發(fā)動(dòng)機(jī)概念，目的在于擴(kuò)寬稀混合工作限制并能夠降低NOx排放值低于3.5g/kWh的限制。
為此，改進(jìn)了燃燒過(guò)程，其特征在于更加強(qiáng)烈的氣缸充氣運(yùn)動(dòng)，從而補(bǔ)償在接近全負(fù)荷的工作點(diǎn)處達(dá)到1.6的相對(duì)空氣/燃料比的非常稀混合物燃燒速度的強(qiáng)烈降低。這種類(lèi)型的稀混合發(fā)動(dòng)機(jī)具有在稀混合物下運(yùn)行的能力提高的燃燒過(guò)程，且還配備有廢氣渦輪增壓和增壓空氣冷卻。依賴(lài)此設(shè)計(jì)，壓縮比在11.7∶1與13∶1之間。這種設(shè)計(jì)在ECE R49排放測(cè)試中應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)1.5g/kWh與2g/kWh之間的NOx值，假定催化器上游碳?xì)浠衔镏导s2.9g/kWh。
由于更高的壓縮比和全負(fù)荷下的稀混合物，最大發(fā)動(dòng)機(jī)效率可以增加達(dá)到40％的值。結(jié)果，在ECE R49測(cè)試循環(huán)中，燃料消耗值應(yīng)僅比未來(lái)的設(shè)計(jì)用于歐4排放標(biāo)準(zhǔn)的液體燃料狄塞爾循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)高5％至15％。依賴(lài)渦輪增壓器的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)的平均壓強(qiáng)可以達(dá)到14bar至18bar的最大有效平均壓強(qiáng)。
除了均勻稀混合過(guò)程領(lǐng)域的發(fā)展以外，目前已致力于直接向非節(jié)流發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室噴射高壓氣體燃料的過(guò)程。這種發(fā)動(dòng)機(jī)可以采用與液體燃料狄塞爾循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)所采用的類(lèi)似的壓縮比，因?yàn)楸鸩辉偈菃?wèn)題。例如，對(duì)于這種類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機(jī)，可以采用16∶1至18∶1的壓縮比。這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于利用氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)的低排放水平可以與通常僅與液體燃料狄塞爾循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的明顯更高的效率水平相結(jié)合。
美國(guó)專(zhuān)利No.5,329,908公開(kāi)了用于氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮天然氣噴射系統(tǒng)。燃料噴嘴工作使得在噴射過(guò)程期間，氣體燃料如煙云一般通過(guò)在噴射過(guò)程期間形成的環(huán)形排放開(kāi)口擴(kuò)散到燃燒室凹陷內(nèi)。在此過(guò)程中，部分煙霧與點(diǎn)火塞接觸，且燃燒室內(nèi)的燃料空氣混合物在點(diǎn)火塞處點(diǎn)燃。所介紹的實(shí)施例中之一是用了常壓氣體供給，而傳統(tǒng)的電熱塞用作點(diǎn)火塞。燃料供應(yīng)單元介紹為確保氣體燃料可以以足夠高從而在活塞在上死點(diǎn)附近時(shí)將燃料引入燃燒室的壓強(qiáng)提供給燃料噴射閥。這種發(fā)動(dòng)機(jī)在高效模式下工作，該模式實(shí)現(xiàn)了與液體燃料狄塞爾循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)似的效率。然而，與用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)似的傳統(tǒng)電熱塞設(shè)計(jì)用于僅在啟動(dòng)時(shí)提供點(diǎn)火幫助，因?yàn)橐坏┎裼桶l(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)在其中表現(xiàn)出的正常壓強(qiáng)和溫度下柴油燃料易于自動(dòng)點(diǎn)燃。對(duì)于無(wú)法如柴油般輕易自動(dòng)點(diǎn)燃的類(lèi)似天然氣的氣體燃料，利用所公開(kāi)的裝置，會(huì)需要點(diǎn)火塞為啟動(dòng)燃燒持續(xù)提供點(diǎn)火幫助。僅設(shè)計(jì)用于在啟動(dòng)期間簡(jiǎn)短使用的傳統(tǒng)電熱塞的持續(xù)工作會(huì)導(dǎo)致過(guò)早失效。實(shí)驗(yàn)顯示，電熱塞工作壽命的長(zhǎng)度通常隨著工作溫度升高而降低，且無(wú)法依賴(lài)傳統(tǒng)的電熱塞提供氣體燃料內(nèi)燃機(jī)使用者期望要求的耐久性。
美國(guó)專(zhuān)利No.4,721,081教導(dǎo)了一種具有阻熱涂層和點(diǎn)火催化劑的電熱塞罩，稱(chēng)其延長(zhǎng)了用于點(diǎn)燃無(wú)法自動(dòng)點(diǎn)火的燃料的電熱塞的壽命。在4,721,081專(zhuān)利提供的背景技術(shù)介紹中，提出已知設(shè)置沿電熱塞的長(zhǎng)度在圓周方向上圍繞電熱塞的金屬或陶瓷的保護(hù)性管罩。另外，還已知通過(guò)以難熔金屬氧化物涂覆電熱塞來(lái)保護(hù)氮化硅電熱塞并為電熱塞提供燃燒催化劑，使得可以降低電熱塞的溫度。通過(guò)4,721,081專(zhuān)利增加的改進(jìn)包括具有沿著燃料噴射器的方向暴露電熱塞的不透明開(kāi)放端部同時(shí)沿進(jìn)氣閥的方向設(shè)置固體實(shí)體阻擋的罩。4,721,081專(zhuān)利還公開(kāi)了利用諸如起熱阻作用的金屬氧化物的陶瓷難熔材料涂覆罩的內(nèi)外部，使得該罩降低電熱塞上進(jìn)氣口的冷卻效果并且還降低了電熱塞維持保持良好燃燒適合的表面溫度所需的電功率。根據(jù)4,721,081專(zhuān)利，為進(jìn)一步降低所需的電熱塞溫度和延長(zhǎng)電熱塞的壽命，可以在涂層中加入燃燒催化劑。
存在對(duì)于可以滿(mǎn)足等效液體燃料狄塞爾循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、效率、穩(wěn)定性和耐久性同時(shí)產(chǎn)生更低的諸如顆粒物和氮氧化物的有害排放量的氣體燃料內(nèi)燃機(jī)的需要。這種發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)在改善空氣質(zhì)量，特別是在目前密集使用液體燃料狄塞爾循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)并可以輕易獲得諸如天然氣的氣體燃料的人口高密度區(qū)中，扮演主要角色。

發(fā)明內(nèi)容
提供一種方法和設(shè)備，用于將氣體燃料噴射入非節(jié)流高壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室。例如，在壓縮比為16∶1至18∶1之間的發(fā)動(dòng)機(jī)中，氣體燃料可以在200至300bar之間的高壓下朝向壓縮沖程的末端噴射。這導(dǎo)致了非均勻燃料空氣混合物的形成，類(lèi)似于在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中所見(jiàn)。采用高速氣體燃料噴射閥將氣體燃料噴射進(jìn)入燃燒室。燃燒室通過(guò)氣缸、在所述氣缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞、以及覆蓋所述氣缸一端的氣缸蓋限定。燃燒室一部分可以通過(guò)形成在活塞頭(活塞面對(duì)燃燒室的端面)中的活塞碗或凹陷進(jìn)一步限制。使用本方法和以基本與等效的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相同的壓縮比工作，通過(guò)成形燃燒室使得其主要對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中所見(jiàn)的燃燒室的幾何形狀，可以減少天然氣工作所需的調(diào)整和降低制造成本。
由于諸如天然氣的氣體燃料在內(nèi)燃機(jī)中穩(wěn)定自點(diǎn)火的能力不足，燃料空氣混合物的點(diǎn)燃通過(guò)以下方法確保，包括通過(guò)從設(shè)置在所述燃燒室內(nèi)的燃料噴射閥將多股燃料噴霧釋放進(jìn)所述燃燒室引導(dǎo)氣體燃料進(jìn)入所述燃燒室；引導(dǎo)所述燃料噴霧中稱(chēng)做點(diǎn)火燃料噴霧的一股到圍繞點(diǎn)火器的套管表面上的氣霧撞擊點(diǎn)，使得在所述點(diǎn)火噴霧離開(kāi)其對(duì)應(yīng)的燃料噴射口時(shí)，所述氣體燃料的主要部分朝向所述氣霧撞擊點(diǎn)流動(dòng)，由此來(lái)自所述點(diǎn)火燃料噴霧的所述氣體燃料的一些流經(jīng)設(shè)置在所述套管中的進(jìn)氣口并與設(shè)置在所述點(diǎn)火器的可加熱部件熱表面與所述套管之間的隔離間隔中的空氣混合，從而形成所述點(diǎn)火器附近的可燃燃料空氣混合物，其中所述可加熱部件具有設(shè)置在所述進(jìn)氣口中線(xiàn)3毫米內(nèi)的尖端；通過(guò)加熱所述點(diǎn)火器的表面至引起所述可燃燃料空氣混合物點(diǎn)火的溫度點(diǎn)燃所述可燃燃料空氣混合物；以及限制所述燃燒室與所述隔離間隔之間的流體流量，并保持所述可燃燃料空氣混合物的主要部分在所述隔離間隔內(nèi)，直至其燃燒增加所述隔離間隔內(nèi)的壓強(qiáng)到通過(guò)至少一個(gè)排氣孔將燃燒的燃料空氣混合物從其中推出并與圍繞所述燃料噴射閥的區(qū)域內(nèi)的所述燃燒室中的所述多股燃料噴霧相接觸的大小。
因?yàn)樵摲椒óa(chǎn)生了被推進(jìn)穿過(guò)燃燒室的燃燒燃料空氣混合物以在其中點(diǎn)燃燃料，無(wú)需控制λ來(lái)確?；就耆紵?，因?yàn)橄嗽谌鄙倏扇嘉锏臍鈭F(tuán)中熄火。與早前的節(jié)流進(jìn)氣的氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)不同，利用本方法，氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)可以在與傳統(tǒng)的液體燃料柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相同的方式下工作而無(wú)需節(jié)流。因此，利用本發(fā)明，發(fā)動(dòng)機(jī)可以以1.4(高負(fù)荷條件)與6(怠速)之間的λ工作。
在優(yōu)選方法中，點(diǎn)火燃料噴霧沿著距垂直于在氣霧撞擊點(diǎn)處與套管相切的平面的軸小于或等于25度之間的噴霧方向取向，更加優(yōu)選地點(diǎn)火噴霧的噴霧方向基本垂直于在氣霧撞擊點(diǎn)處與套管相切的平面。
該方法的優(yōu)選實(shí)施例還包括當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷或怠速下工作時(shí)在第一質(zhì)量流速下噴射氣體燃料進(jìn)入燃燒室，以及在發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷下工作時(shí)在第二質(zhì)量流速下噴射氣體燃料進(jìn)入燃燒室，其中第二質(zhì)量流速高于第一質(zhì)量流速。
為了進(jìn)一步的改善燃燒的穩(wěn)定性和發(fā)動(dòng)機(jī)效率，該方法還可以包括控制質(zhì)量流速，使得對(duì)于期望的工作條件，期望量的氣體燃料可以噴射進(jìn)入燃燒室，噴射過(guò)程的時(shí)間比在噴射過(guò)程開(kāi)始時(shí)與導(dǎo)向點(diǎn)火器的氣體燃料的點(diǎn)火相關(guān)的點(diǎn)火延遲要長(zhǎng)。按此方式，可以控制噴射過(guò)程的持續(xù)時(shí)間，使得在燃料噴射閥附近提供可燃燃料空氣混合物，在那里其可以通過(guò)從隔離間隔推進(jìn)的燃燒的燃料空氣混合物點(diǎn)燃，即使是在低負(fù)荷和怠速條件期間。噴射正時(shí)和噴射過(guò)程的持續(xù)時(shí)間優(yōu)選作為測(cè)得的發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件的函數(shù)和通過(guò)參照電子發(fā)動(dòng)機(jī)脈譜圖來(lái)控制。
該方法還可包括控制燃料噴射閥從而控制在噴射過(guò)程期間引入的氣體燃料的質(zhì)量流速。此方法包括參照電子發(fā)動(dòng)機(jī)脈譜圖并確定將在噴射過(guò)程中引入的氣體燃料的總量用于檢測(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷；在噴射過(guò)程的第一階段期間，選擇將引起可燃混合物形成在隔離間隔內(nèi)的第一質(zhì)量流速；以及在噴射過(guò)程的第二階段期間，選擇將增加在第一階段期間引入的氣體燃料的第二質(zhì)量流速?gòu)亩谔峁﹪娚溥^(guò)程期間的氣體燃料總量。
在優(yōu)選實(shí)施例中，第一階段在第二階段之前至少2毫秒開(kāi)始。若發(fā)動(dòng)機(jī)以更長(zhǎng)的點(diǎn)火延遲工作，第一階段可以進(jìn)一步在第二階段之前開(kāi)始，例如，在一定的預(yù)定工作條件下，諸如在燃燒室比正常的工作溫度低時(shí)啟動(dòng)，或者若點(diǎn)火器的溫度設(shè)置為更低的溫度。
第二階段可以在壓縮沖程期間的上死點(diǎn)前的約34至5曲柄角度之間開(kāi)始。諸如要噴射的期望總量的燃料或控制燃燒溫度的參數(shù)可以確定用于開(kāi)始第二階段的正時(shí)。
在優(yōu)選實(shí)施例中，在第二階段期間引入的氣體燃料在第二階段期間點(diǎn)燃。即，第二階段的點(diǎn)火在第二階段完成前發(fā)生。
另一優(yōu)選實(shí)施例包括在單個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)期間在多次噴射過(guò)程中將氣體燃料引入燃燒室。例如，可以采用第一噴射過(guò)程將第一量的氣體燃料引入燃燒室中從而通過(guò)點(diǎn)火器點(diǎn)燃，接著至少一個(gè)其它的噴射過(guò)程引入第二量的氣體燃料。第一和第二量的燃料一同提供了等于通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)控制器參照發(fā)動(dòng)機(jī)脈譜圖確定的期望量的燃料的總質(zhì)量。第一量的燃料通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)控制器確定為足以確保點(diǎn)燃第二量的燃料的質(zhì)量。第一噴射過(guò)程的正時(shí)優(yōu)選通過(guò)期望的點(diǎn)火正時(shí)來(lái)控制，而第二噴射過(guò)程的正時(shí)可以通過(guò)將導(dǎo)致期望的燃燒特性的正時(shí)來(lái)控制。
在此方法的示例中，在作為滿(mǎn)負(fù)荷下所需燃料量的5％至10％的點(diǎn)火燃料量通過(guò)第一噴射過(guò)程引入燃燒室。采用第二噴射過(guò)程將主要量的燃料噴射進(jìn)入燃燒室，從而補(bǔ)充點(diǎn)火量的燃料提供滿(mǎn)足要求的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷所需的燃料量，如通過(guò)參照發(fā)動(dòng)機(jī)脈譜圖利用發(fā)動(dòng)機(jī)控制器確定。在此示例中，可以定時(shí)兩個(gè)獨(dú)立的燃料噴射過(guò)程從而提供更加強(qiáng)烈且由此更加穩(wěn)定的燃料空氣混合物的點(diǎn)火而不增加點(diǎn)火器的表面溫度，這是更低一氧化碳和未燃燒燃料排放的必要條件。另外，因?yàn)橐恍┤剂显诘谝粐娚溥^(guò)程中引入，這導(dǎo)致了在燃燒開(kāi)始時(shí)更小的可點(diǎn)燃混合物體積，其導(dǎo)致更低的熱釋放速度和由此產(chǎn)生的更小的燃燒噪聲。
在對(duì)于一個(gè)燃燒循環(huán)使用兩個(gè)噴射過(guò)程的，發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試顯示在第一噴射過(guò)程具有約0.2至0.5毫秒之間的持續(xù)時(shí)間時(shí)可以實(shí)現(xiàn)良好的結(jié)果。第二噴射過(guò)程可以在壓縮沖程期間在上死點(diǎn)前約34至5度之間開(kāi)始。第二噴射過(guò)程優(yōu)選在第一噴射過(guò)程結(jié)束后小于或等于1毫秒且大于0.2毫秒開(kāi)始，使得通過(guò)第一噴射過(guò)程引入的燃料的燃燒可以點(diǎn)燃通過(guò)第二噴射過(guò)程引入的燃料。
本方法還可以包括將主要量的氣體燃料分在多個(gè)獨(dú)立的燃料噴射過(guò)程中，而噴射過(guò)程的數(shù)量?jī)H受燃料噴射閥活動(dòng)能力的限制。利用此方法，可以控制燃燒室內(nèi)燃料空氣混合物的空間和時(shí)間的分布，其會(huì)特別有利于整個(gè)燃燒過(guò)程以及表面點(diǎn)火過(guò)程。優(yōu)選地，特別是在燃燒過(guò)程的開(kāi)始，從點(diǎn)火裝置涌出的燃燒燃料空氣混合物迅速推進(jìn)到燃燒室內(nèi)。在燃料噴射過(guò)程的后進(jìn)程期間，噴射出的燃料的體積和質(zhì)量增加，在穩(wěn)定的燃燒條件下，使得可以實(shí)現(xiàn)總?cè)紵龝r(shí)間的縮短，這有利于獲得高熱效率。
于采用多個(gè)噴射過(guò)程相關(guān)的本方法的此方面可以與控制質(zhì)量流速和噴射過(guò)程持續(xù)時(shí)間相結(jié)合用于燃燒過(guò)程的附加控制。
在優(yōu)選實(shí)施例中，點(diǎn)火器電加熱而具有足夠熱以點(diǎn)燃在點(diǎn)火器可加熱元件附近形成的可燃燃料空氣混合物的表面溫度?？梢越Y(jié)合到本發(fā)明中的另一特征包括依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作條件控制傳輸至點(diǎn)火器的電加熱能量。即，該方法還可以包括控制點(diǎn)火器的溫度作為測(cè)得的發(fā)動(dòng)機(jī)的工作參數(shù)的函數(shù)。例如，在檢測(cè)到高負(fù)荷條件時(shí)，更高的燃燒室溫度可以為點(diǎn)火器提供熱量從而降低電加熱能量的要求。在此條件下降低的傳輸給點(diǎn)火器的電加熱能量可以導(dǎo)致點(diǎn)火器壽命的明顯增大。
另一方面，在較高的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和較低的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷下，具有相關(guān)的較低的燃燒室溫度，點(diǎn)火器經(jīng)歷更大的熱損失，其可以通過(guò)增加給于點(diǎn)火器的電能而補(bǔ)償。若該條件未補(bǔ)償，則會(huì)導(dǎo)致失火或更長(zhǎng)的點(diǎn)火延遲，此外還有更低的效率和更高的未燃燒燃料排放。
還可以在點(diǎn)火器和/或套管的至少一部分上設(shè)置燃燒催化劑涂層，使得點(diǎn)火器溫度可以降低從而增加點(diǎn)火器的壽命和降低加熱點(diǎn)火器所需的功率。燃燒催化劑涂層可以設(shè)置在套管上或在點(diǎn)火器本身上。
為了實(shí)踐所公開(kāi)的方法，可以用可燃?xì)怏w燃料作為燃料的內(nèi)燃機(jī)在此公開(kāi)。此內(nèi)燃機(jī)包括至少一個(gè)燃燒室，由氣缸、在所述氣缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞、以及覆蓋所述氣缸端部的氣缸蓋限定；
點(diǎn)火裝置，其一端在所述燃燒室內(nèi)，所述點(diǎn)火裝置包括一點(diǎn)火器，該點(diǎn)火器包括提供熱表面的可加熱部件和圍繞所述點(diǎn)火器的套管，所述套管限定所述點(diǎn)火器與所述套管之間的隔離間隔，其中所述可加熱部件從安裝在所述氣缸蓋中的支架延伸進(jìn)入所述隔離間隔中；燃料噴射閥，設(shè)置在所述燃燒室內(nèi)，所述燃料噴射閥可以操作從而利用每一股都是從多個(gè)燃料噴射口中之一釋放出來(lái)的多股燃料噴霧將所述可燃?xì)怏w燃料引入所述燃燒室中，其中所述多個(gè)燃料噴射口中的至少一個(gè)取向?yàn)閷⒎Q(chēng)作點(diǎn)火燃料噴霧的燃料噴霧導(dǎo)向所述套管表面上的氣霧撞擊點(diǎn)；至少一個(gè)進(jìn)氣口，靠近所述氣霧撞擊點(diǎn)通過(guò)所述套管設(shè)置，連接所述隔離間隔到所述燃燒室，由此在所述點(diǎn)火燃料噴霧撞擊所述氣霧撞擊點(diǎn)時(shí)，容納在所述點(diǎn)火燃料噴霧中的所述可燃?xì)怏w燃料的一部分通過(guò)所述進(jìn)氣口并進(jìn)入所述隔離間隔；至少一個(gè)排氣口，通過(guò)所述套管設(shè)置，其中所述排氣口取向?yàn)閺乃龈綦x間隔朝向所述燃料噴射閥附近的所述多個(gè)燃料噴霧引導(dǎo)點(diǎn)燃的燃料空氣混合物；以及其中所述可加熱部件具有位于所述進(jìn)氣口中線(xiàn)3毫米內(nèi)的尖端，且所述套管限制所述隔離間隔與所述燃燒室之間的氣流，使得所述隔離間隔內(nèi)的所述可燃?xì)怏w燃料的燃燒在其中產(chǎn)生比燃燒室內(nèi)壓強(qiáng)更高的壓強(qiáng)，從而所述壓強(qiáng)足夠高以推進(jìn)所述燃燒的燃料空氣混合物進(jìn)入所述燃燒室并與所述多個(gè)燃料噴霧接觸。
在優(yōu)選實(shí)施例中，可加熱部件的尖端位于進(jìn)氣口中線(xiàn)1毫米內(nèi)或與其對(duì)齊。
在優(yōu)選實(shí)施例中，點(diǎn)火燃料噴霧取向?yàn)槭沟迷邳c(diǎn)火燃料噴霧離開(kāi)其對(duì)應(yīng)的燃料噴射口時(shí)，點(diǎn)火燃料噴霧的主要部分沿著取向?yàn)榫啻怪庇谠跉忪F撞擊點(diǎn)與套管相切的平面的軸小于或等于25度的噴霧方向流動(dòng)。為了此處所述的目的，在發(fā)動(dòng)起工作期間，當(dāng)每個(gè)噴射過(guò)程使一定量的燃料從點(diǎn)火噴霧進(jìn)入隔離間隔時(shí)，點(diǎn)火燃料噴霧“主要部分”沿著取向?yàn)榫啻怪庇谠跉忪F撞擊點(diǎn)與套管相切的平面的軸小于或等于25度的噴霧方向流動(dòng)，該一定量的燃料足夠形成可燃混合物，該可燃混合物可以點(diǎn)燃從而將燃燒的燃料空氣混合物推進(jìn)燃燒室，在燃燒室，在圍繞燃料噴射閥的區(qū)域內(nèi)點(diǎn)燃可燃混合物。
更加優(yōu)選地，點(diǎn)火燃料噴霧的噴霧方向沿著基本垂直于在氣霧撞擊點(diǎn)與套管相切的平面的方向引導(dǎo)燃料噴霧的主要部分。因?yàn)殡S著其遠(yuǎn)離燃料噴嘴，燃料從點(diǎn)火燃料噴霧中線(xiàn)散出，點(diǎn)火燃料噴霧的中線(xiàn)會(huì)沿著不垂直于在氣霧撞擊點(diǎn)處與套管向切的平面的方向，而點(diǎn)火噴霧內(nèi)燃料的主要部分在其到達(dá)氣霧撞擊點(diǎn)附近時(shí)仍會(huì)基本垂直于該平面。然而，最優(yōu)選的設(shè)置是點(diǎn)火燃料噴霧的中心軸基本垂直于在氣霧撞擊點(diǎn)處與套管向切的平面的方向。
對(duì)于圓柱形狀，對(duì)于圓柱上給定的點(diǎn)在所有的方向中僅有一個(gè)相切的平面?？梢圆捎脠A柱形以外的其它形狀用于氣霧撞擊點(diǎn)處的套管，而點(diǎn)火燃料噴霧相對(duì)于與表面相切的平面的方向取向也可以應(yīng)用于其它的套管形狀。對(duì)于不具有切面的套管形狀，等效的方式在于對(duì)于點(diǎn)火燃料噴霧采用一取向?qū)е逻M(jìn)入隔離間隔的燃料的動(dòng)量和速度降低由此在其中形成可燃混合物。
在優(yōu)選實(shí)施例中，燃料噴霧閥具有縱軸平行于氣缸縱軸的伸長(zhǎng)體。在優(yōu)選設(shè)置中，點(diǎn)火裝置在燃燒室內(nèi)的端部朝向燃料噴射閥成一定角度，由此點(diǎn)火裝置具有與燃料噴射閥的縱軸成銳角的縱軸。
在一個(gè)實(shí)施例中，取向多個(gè)燃料噴射口中的每一個(gè)從而引導(dǎo)多股燃料噴霧以從氣缸蓋測(cè)得的第一噴射角進(jìn)入燃燒室，除了與點(diǎn)火燃料噴霧相關(guān)的燃料噴射口，其取向?yàn)橐龑?dǎo)燃料噴霧以與第一噴射角不同的第二噴射角進(jìn)入燃燒室。第二噴射角通過(guò)相對(duì)于燃料噴射口對(duì)準(zhǔn)在氣霧撞擊點(diǎn)處與套管相切的平面來(lái)確定，而第一噴射角通過(guò)用于將氣體燃料引入燃燒室的期望分布圖案來(lái)確定。
在另一實(shí)施例中，通過(guò)取向?yàn)橐詮臍飧咨w測(cè)得的與點(diǎn)火燃料噴霧不同的噴射角引導(dǎo)至少一股燃料噴霧的多個(gè)燃料噴射口中之一將多股燃料噴霧中的至少一股引入燃燒室。多股燃料噴霧的噴射角優(yōu)選從氣缸蓋起測(cè)量在10至25度之間。在某些實(shí)施例中，多股燃料噴霧的噴射角可以比點(diǎn)火燃料噴霧的噴射角更小。
在優(yōu)選實(shí)施例中，發(fā)動(dòng)機(jī)可以以達(dá)到25∶1的壓縮比工作，且更加優(yōu)選在13∶1至25∶1之間。可以采用具有可變壓縮比的發(fā)動(dòng)機(jī)從而根據(jù)諸如發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的工作參數(shù)在例如13∶1至25∶1之間改變壓縮比。即，在低負(fù)荷下，可以采用更高的壓縮比來(lái)增加壓縮沖程末端氣缸內(nèi)的溫度，從而改善燃耗過(guò)程和降低從發(fā)動(dòng)機(jī)排出的未燃燒的碳?xì)浠衔锏牧?。在更高的?fù)荷下，可以采用降低的壓縮比來(lái)允許降低的峰值氣缸壓強(qiáng)和降低燃燒噪聲。利用該方法，可以提供發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。
燃料噴射閥的燃料噴射口的尺寸通過(guò)實(shí)施滿(mǎn)負(fù)荷工作所需的集合流量截面開(kāi)口面積來(lái)確定。結(jié)果，為了在更低的負(fù)荷下在工作期間為了穩(wěn)定的點(diǎn)火實(shí)現(xiàn)期望時(shí)間的燃料噴霧過(guò)程，需要在噴射過(guò)程期間可以操作而在零與最大質(zhì)量流速之間調(diào)整質(zhì)量流速的燃料噴射閥。因此，優(yōu)選的燃料噴射閥包括可以受控從而控制閥門(mén)針移動(dòng)，結(jié)果是控制通過(guò)燃料噴射口的質(zhì)量流速的致動(dòng)器。例如，采用壓電或磁致伸縮致動(dòng)器的噴射閥適用于此目的。測(cè)試顯示，通過(guò)在噴射過(guò)程期間改變閥門(mén)針的沖程調(diào)整主要燃料量的噴射時(shí)間特性可以提供控制燃燒過(guò)程特性的方式。
可以采用用于高速工作燃料噴射閥的已知致動(dòng)器，諸如液壓、電磁、壓電、以及磁致伸縮的致動(dòng)器。對(duì)于液壓激勵(lì)的燃料噴射閥，可以使用電磁、壓電、或者磁致伸縮致動(dòng)器來(lái)操作控制液壓流體進(jìn)出燃料噴射閥的流量的液壓閥。
電控制器優(yōu)選使用電子脈譜圖控制來(lái)控制燃料噴射閥的致動(dòng)，用于燃料計(jì)量、調(diào)整噴射開(kāi)始的正時(shí)、以及在噴射過(guò)程期間控制質(zhì)量流速。
點(diǎn)火燃料噴霧優(yōu)選具有約3至8毫米之間的自由程。自由程是瞄準(zhǔn)點(diǎn)火裝置的燃料噴射口與點(diǎn)火燃料噴霧到達(dá)點(diǎn)火裝置處的氣霧撞擊點(diǎn)之間的距離。優(yōu)選的自由程對(duì)應(yīng)于活塞碗直徑的5％至10％之間，此范圍內(nèi)較低的百分比一般與較大的活塞碗直徑對(duì)應(yīng)，而此范圍內(nèi)較高的百分比一般與較小的活塞碗直徑對(duì)應(yīng)。在優(yōu)選實(shí)施例中，氣體燃料噴射壓強(qiáng)保持在200至300bar之間的固定壓強(qiáng)下。
進(jìn)氣口可以是多個(gè)進(jìn)氣口中之一，而每個(gè)進(jìn)氣口位于氣霧撞擊點(diǎn)附近，使得來(lái)自撞擊到點(diǎn)火裝置的點(diǎn)火燃料噴霧的可燃?xì)怏w燃料中的至少一些流經(jīng)多個(gè)進(jìn)氣口并進(jìn)入隔離間隔。在優(yōu)選實(shí)施例中，氣霧撞擊點(diǎn)距離每個(gè)進(jìn)氣口的中心相等。在有兩個(gè)進(jìn)氣口時(shí)，氣霧撞擊點(diǎn)可以是在兩個(gè)進(jìn)氣口每個(gè)的中心之間繪出的直線(xiàn)的中點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試顯示，利用兩個(gè)進(jìn)氣口中心之間約3毫米的間隔可以實(shí)現(xiàn)良好的結(jié)果。
排氣口可以是多個(gè)排氣口中之一。每個(gè)排氣口距離氣霧撞擊點(diǎn)比進(jìn)氣口與氣霧撞擊點(diǎn)之間的間隔更遠(yuǎn)。優(yōu)選地，多個(gè)排氣口中每一個(gè)的尺寸通過(guò)在滿(mǎn)負(fù)荷工作條件期間允許期望流量通過(guò)多個(gè)排氣口所需的結(jié)合流量面積來(lái)確定。在優(yōu)選實(shí)施例中，進(jìn)氣和排氣口的結(jié)合開(kāi)口面積在0.75與5.0平方毫米之間。
在優(yōu)選實(shí)施例中，套管可以配備有兩至十個(gè)燃料通過(guò)開(kāi)口，且更加優(yōu)選地具有四至六個(gè)開(kāi)口。開(kāi)口的數(shù)量作為活塞直徑、燃燒室直徑、最大曲軸速度、以及一般工作條件的函數(shù)來(lái)選擇。
在優(yōu)選實(shí)施例中，進(jìn)氣口通過(guò)套管的側(cè)面設(shè)置，而排氣口通過(guò)套管的拱形端面設(shè)置，且其功能性通過(guò)其各自距離點(diǎn)火燃料噴霧瞄準(zhǔn)的氣霧撞擊點(diǎn)的間隔來(lái)確定。
套管優(yōu)選具有封閉端，該端具有作為燃燒室與隔離間隔之間流體連通的僅有方式的進(jìn)氣口和排氣口。
在優(yōu)選實(shí)施例中，有兩個(gè)進(jìn)氣口和兩個(gè)排氣口，且每個(gè)開(kāi)口為圓形，且具有不小于0.5毫米并且不大于1.2毫米的直徑。
點(diǎn)火裝置的效率依賴(lài)于設(shè)計(jì)用于彼此制衡的多種功能的套管。一方面，套管功能在于將點(diǎn)火器從完全暴露于燃燒室中燃料空氣混合物的脈動(dòng)流和引入燃燒室中的進(jìn)氣及氣體燃料的冷卻效果屏蔽開(kāi)。為此，套管優(yōu)選具有封閉的端部且圍繞點(diǎn)火器，從而限制點(diǎn)火器周?chē)綦x間隔與燃燒室之間的流量。另一方面，對(duì)于點(diǎn)火裝置的功能，在燃燒室與隔離間隔之間需要一些流體連通，使得足夠量的氣體燃料可以進(jìn)入隔離間隔從而形成可以通過(guò)與點(diǎn)火器的熱表面接觸而點(diǎn)燃的可燃燃料空氣混合物。為此，套管具有允許燃燒室與隔離間隔之間流體連通的至少一個(gè)進(jìn)氣口。進(jìn)氣口的尺寸和位置選擇為使得點(diǎn)火燃料噴霧通過(guò)進(jìn)氣口進(jìn)入隔離間隔的部分提供需要在隔離間隔和燃燒室內(nèi)開(kāi)始燃燒的基本所有燃料。因此，點(diǎn)火裝置能夠點(diǎn)燃形成在隔離間隔內(nèi)的可燃燃料空氣混合物并且設(shè)計(jì)用于推進(jìn)燃燒的燃料空氣混合物進(jìn)入燃燒室。通過(guò)套管攝制的排氣孔允許燃燒的燃料空氣混合物離開(kāi)隔離間隔。因?yàn)樗_(kāi)的設(shè)置允許所需量的氣體燃料通過(guò)進(jìn)氣口流入隔離間隔，排氣口可以確定尺寸和取向單獨(dú)地用于朝向燃燒室內(nèi)的預(yù)定空間引導(dǎo)燃燒的燃料空氣混合物，從而點(diǎn)燃剩余的氣體燃料。通過(guò)進(jìn)氣和排氣口提供的總開(kāi)口面積比通過(guò)在先已知的開(kāi)孔或開(kāi)放端部的罩要小得多。所公開(kāi)的套管的另一優(yōu)點(diǎn)在于燃燒室與隔離間隔之間的流體流量為流體進(jìn)入或離開(kāi)隔離間隔而限制。即，一旦可燃燃料空氣混合物形成在隔離間隔內(nèi)，且通過(guò)接觸點(diǎn)火器的熱表面而點(diǎn)燃，可以在隔離間隔內(nèi)形成壓強(qiáng)。具有開(kāi)放端或高度穿孔的套管的在先已知的罩不限制回到燃燒室的流量至相同的程度。相信，本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于其允許形成更高的壓強(qiáng)，這有助于通過(guò)排氣口推進(jìn)燃燒的燃料空氣混合物。
在優(yōu)選實(shí)施例中，點(diǎn)火裝置的排氣口取向?yàn)橐龑?dǎo)燃燒的燃料空氣混合物朝向提供有富燃料的可燃混合物的多股燃料噴霧。
如上所述，點(diǎn)火燃料噴霧為多股燃料噴霧的至少一股，而為瞄準(zhǔn)點(diǎn)火裝置的燃料噴霧取向?yàn)樵谄溆嗟娜紵覂?nèi)均勻地分布?xì)怏w燃料從而與進(jìn)氣混合并形成可燃混合物。在優(yōu)選實(shí)施例中，根據(jù)諸如燃燒室的直徑、作為最大曲軸速度、以及一般工作條件的函數(shù)所需的燃料空氣混合物形成的漩渦擴(kuò)大的參數(shù)，可以采用四至十二個(gè)之間的燃料噴射口用于燃料噴射閥的噴嘴。例如，更多的噴射口一般優(yōu)選用于更大的燃燒室。
實(shí)驗(yàn)顯示，結(jié)合了具有短自由程點(diǎn)火噴霧的點(diǎn)火裝置、以及通常自點(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)(柴油發(fā)動(dòng)機(jī))的高壓縮比的所公開(kāi)的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)使得可以可靠地、可依賴(lài)地和低排放工作的內(nèi)燃機(jī)成為可能。另外，與已知的構(gòu)造相比，可以采用包括設(shè)置在點(diǎn)火器周?chē)鷱亩峁┛拷c(diǎn)火器的隔離間隔的套管的點(diǎn)火裝置以明顯降低供給點(diǎn)火器的熱功率。
點(diǎn)火器優(yōu)選電加熱，諸如，舉例來(lái)說(shuō)，電熱塞。然而，電熱塞應(yīng)設(shè)計(jì)用于與本發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的工作條件下的連續(xù)工作。點(diǎn)火器和/或套管可以包括陶瓷表面。另外，燃燒催化劑可以沉積在點(diǎn)火器或套管的至少一部分上，從而降低穩(wěn)定燃燒所需的工作溫度。
在優(yōu)選設(shè)置中，氣體燃料噴嘴沿著燃燒室凹陷的中心對(duì)準(zhǔn)。此中心設(shè)置導(dǎo)致燃燒室凹陷中均勻分布的氣體燃料噴射，且導(dǎo)致與進(jìn)氣中的空氣完全混合。另外，氣體燃料噴嘴的中心設(shè)置使得可以設(shè)計(jì)氣缸蓋為三閥或四閥氣缸蓋。
在優(yōu)選實(shí)施例中，為滿(mǎn)負(fù)荷所需的燃料量的5％至10％的點(diǎn)火量的燃料在第一噴射過(guò)程中引入燃燒室。采用第二噴射過(guò)程將主要量的燃料噴射到燃燒室內(nèi)從而補(bǔ)充點(diǎn)火量的燃料來(lái)提供滿(mǎn)足所要求的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷所需的燃料量，通過(guò)參照發(fā)動(dòng)機(jī)脈譜圖利用發(fā)動(dòng)機(jī)控制器確定。這允許第一噴射過(guò)程的定時(shí)通過(guò)期望的點(diǎn)火定時(shí)來(lái)控制，而第二噴射過(guò)程的定時(shí)可以通過(guò)改善燃燒特性的定時(shí)來(lái)控制。例如，可以定時(shí)兩個(gè)獨(dú)立的燃料噴射過(guò)程，從而提供更加強(qiáng)烈且由此而更加穩(wěn)定的燃料空氣混合物的點(diǎn)火，而不增加點(diǎn)火器的表面溫度，即降低一氧化碳和未燃燒燃料排放的先決條件。另外，因?yàn)槟承┤剂显诘谝粐娚溥^(guò)程中引入，這導(dǎo)致了在燃燒開(kāi)始時(shí)更小的可點(diǎn)燃混合物體積，這導(dǎo)致了更低的熱釋放速度和由此更小的燃燒噪聲。
為精確控制噴射過(guò)程和確保內(nèi)燃機(jī)的各氣缸遵從相同的燃燒過(guò)程，發(fā)動(dòng)機(jī)還可以包括能夠檢測(cè)噴射時(shí)間的傳感器和/或電控制器。優(yōu)選的方法可以采用通過(guò)監(jiān)測(cè)一個(gè)或所有閥門(mén)針的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)控制閥門(mén)針的行程實(shí)現(xiàn)的可變質(zhì)量流速，無(wú)論工作點(diǎn)如何。
由于可以利用所公開(kāi)的點(diǎn)火裝置實(shí)現(xiàn)的燃料空氣混合物的高度點(diǎn)火可靠性，使用稱(chēng)為廢氣再循環(huán)(“EGR”)的技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣特別適用于再循環(huán)可控的量到發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)中。因此，在優(yōu)選實(shí)施例中，發(fā)動(dòng)機(jī)還包括用于將從燃燒室排出的部分廢氣引導(dǎo)進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)的EGR系統(tǒng)。依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作條件，再循環(huán)的廢氣可以在引入進(jìn)氣系統(tǒng)前冷卻或未冷卻。利用所公開(kāi)的方法，可以采用達(dá)到70％的廢氣再循環(huán)率以降低氮氧化合物排放。


在附圖的介紹中可以發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的其它優(yōu)勢(shì)實(shí)施例，附圖更詳細(xì)地示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
圖1示出了設(shè)置在燃燒室內(nèi)的氣體燃料噴嘴和點(diǎn)火裝置的側(cè)視圖；圖2示出了圖1的點(diǎn)火裝置與點(diǎn)火器安裝于其中的套管或支架的下部的細(xì)部圖；圖3示出了圖1的點(diǎn)火裝置的另一實(shí)施例的細(xì)部圖，其示出切開(kāi)一半的點(diǎn)火裝置從而展示套筒內(nèi)點(diǎn)火器的位置；圖4示出了活塞移開(kāi)時(shí)從燃燒室底部觀察氣缸蓋的平面圖，其示出了燃料噴射閥相對(duì)于點(diǎn)火裝置的位置；圖5為圖4所示的截面線(xiàn)所指的局部截面圖，圖5的局部截面示出了表示用于引導(dǎo)點(diǎn)火燃料噴霧朝向點(diǎn)火裝置進(jìn)入到燃燒室內(nèi)的優(yōu)選噴射角的燃料噴霧輪廓；圖5A為來(lái)自圖5截面圖細(xì)節(jié)的放大圖，示出了燃料噴射閥的噴嘴與點(diǎn)火裝置的物理關(guān)系；
圖6為表現(xiàn)用于控制燃料噴射閥的行動(dòng)從而控制用于在單個(gè)噴射過(guò)程中向燃燒室內(nèi)引入氣體燃料的質(zhì)量流速的優(yōu)選指令脈沖的視圖；圖7為表現(xiàn)用于控制燃料噴射閥的行動(dòng)從而控制用于在兩個(gè)獨(dú)立的噴射過(guò)程中向燃燒室內(nèi)引入氣體燃料的質(zhì)量流速的另一優(yōu)選指令脈沖的視圖；以及圖8示出了燃料和與氣體燃料噴射閥相關(guān)的液壓系統(tǒng)、以及用于這些系統(tǒng)的控制器的整體示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1為示出燃燒室的優(yōu)選實(shí)施例的氣體燃料內(nèi)燃機(jī)的局部截面圖，該燃燒室由氣缸10、在氣缸10內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞12、以及覆蓋氣缸10頂端的氣缸蓋14。燃料噴射閥20和點(diǎn)火裝置30安裝在氣缸蓋14中，其各自的尖端延伸到燃燒室內(nèi)。這種內(nèi)燃機(jī)可以是具有各種期望數(shù)量的氣缸和排量的直列或V型設(shè)計(jì)。
活塞12優(yōu)選地基本與等效的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中采用的活塞相同，且通常包括凹室13。所示凹室13的簡(jiǎn)單形狀是用于說(shuō)明目的，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解可以采用其它的形狀。例如，更小的發(fā)動(dòng)機(jī)可以使用具有尖的凹入燃燒室從而促進(jìn)湍流用于改善混合。燃燒室內(nèi)燃料空氣混合物的迅速形成還可以通過(guò)在燃料噴射過(guò)程期間在氣缸充氣內(nèi)的湍流和渦流來(lái)支持。
燃料噴射閥20的尖端包括具有多個(gè)通過(guò)其直接向燃耗室內(nèi)引入氣體燃料的燃料噴射口的氣體燃料噴嘴。至少一個(gè)燃料噴射口對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)火裝置30上的氣霧撞擊點(diǎn)。在所示實(shí)施例中，燃料噴射閥20與燃燒室凹陷13的中線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)，且優(yōu)選包括4至12個(gè)之間的燃料噴射口，而來(lái)自該些噴射口的燃料噴霧22在圖1中由虛線(xiàn)示出。燃料噴射口中之一直接瞄準(zhǔn)點(diǎn)火裝置30上氣霧撞擊點(diǎn)處的燃料噴霧22a。
參照?qǐng)D2，點(diǎn)火裝置30包括點(diǎn)火器32和套管34，套管34設(shè)置在點(diǎn)火器32周?chē)鷱亩邳c(diǎn)火器32與套管34的內(nèi)表面之間提供隔離間隔。在所示實(shí)施例中，隔離間隔包括點(diǎn)火器32與套管34內(nèi)壁之間的環(huán)形間隔和點(diǎn)火器32的自由端與套管34拱形封閉端之間的空間。與方形或平坦的端部相比，拱形端更加優(yōu)選地，因?yàn)楣靶翁峁┝烁叩慕Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)減少了點(diǎn)火裝置30突入燃燒室中的程度。附圖標(biāo)記33在圖2中表示隔離間隔。氣霧撞擊點(diǎn)是套管34外表面上接近至少一個(gè)通過(guò)套管34的進(jìn)氣口36的點(diǎn)。進(jìn)氣口36和排氣口38允許隔離間隔33與燃燒室之間的流體連通。在圖2所示的實(shí)施例中，有兩個(gè)進(jìn)氣口36。進(jìn)氣口36的開(kāi)口面積和相對(duì)于氣霧撞擊點(diǎn)的位置設(shè)計(jì)為允許足夠點(diǎn)火并引起燃燒室內(nèi)基本所有的氣體燃料點(diǎn)燃的量的氣體燃料進(jìn)入隔離間隔33。實(shí)驗(yàn)顯示，所示每個(gè)直徑在0.8至1.2毫米之間的兩個(gè)進(jìn)氣口36的設(shè)置會(huì)是有效的。嘗試了對(duì)兩個(gè)進(jìn)氣口和兩個(gè)排氣口的每一個(gè)使用0.55毫米的實(shí)驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以工作但點(diǎn)火裝置效率更低。期望可以通過(guò)增加開(kāi)口數(shù)量來(lái)改善更小的孔的效力。計(jì)算流體動(dòng)力分析可用于進(jìn)一步研究進(jìn)氣口的尺寸、位置和數(shù)量。目前理解，進(jìn)氣口36的尺寸過(guò)小無(wú)法允許足夠量的燃料進(jìn)入隔離間隔33，而進(jìn)氣口的尺寸過(guò)大或?qū)е赂綦x間隔33與燃燒室之間過(guò)大的流量，這會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)火器32的過(guò)分冷卻和減小在隔離間隔33內(nèi)建立的壓力，導(dǎo)致推進(jìn)到燃燒室內(nèi)的燃燒燃料空氣混合物更慢或滲透范圍更小。
圖3示出了點(diǎn)火裝置30的另一優(yōu)選實(shí)施例，其中排氣口38’位于套管34’的拱形端中。將排氣口38’設(shè)置在拱形端中的優(yōu)點(diǎn)在于點(diǎn)火裝置30的長(zhǎng)度可以比排氣口如圖2的實(shí)施例一般位于圓筒側(cè)壁的情況下更短。
依據(jù)點(diǎn)火裝置30突入到燃燒室中多遠(yuǎn)，利用諸如采用尖的某些活塞頭設(shè)計(jì)，可以在活塞頭中與點(diǎn)火裝置30相對(duì)地形成微凹，從而防止在發(fā)動(dòng)起工作期間它們之間的接觸。
圖3還示出了套管34’內(nèi)點(diǎn)火器32’的優(yōu)選位置。點(diǎn)火器32’的端部?jī)?yōu)選位于進(jìn)氣口36’的中線(xiàn)的3毫米內(nèi)，對(duì)于更加優(yōu)選的實(shí)施例，點(diǎn)火器32’的端部位于進(jìn)氣口36’的中線(xiàn)的1毫米內(nèi)或與進(jìn)氣口36’的中線(xiàn)平齊，如圖3所示。
圖4為如同去除活塞的情況下從燃燒室內(nèi)觀察氣缸蓋的平面圖。在此實(shí)施例中，與圖1至3中的類(lèi)似零件對(duì)應(yīng)的零件以增加100的附圖標(biāo)記表示。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，未示出進(jìn)氣和排氣閥，但利用在氣缸蓋面積的中心區(qū)域中定位噴射閥120和點(diǎn)火裝置130，可以接受兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)閥的設(shè)計(jì)。
燃料噴射閥120包括具有燃料噴射口124的噴嘴121。燃料噴射口124A取向的引導(dǎo)點(diǎn)火燃料噴霧朝向點(diǎn)火裝置130，點(diǎn)火裝置130朝向噴嘴121傾斜。依據(jù)燃燒室的尺寸，氣缸蓋114中點(diǎn)火裝置130的位置選擇為使得通過(guò)燃料噴射口124A引入的燃料噴霧具有3毫米與8毫米之間或燃燒室凹陷直徑的5％至10％的自由噴霧長(zhǎng)度。引入發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料的量依賴(lài)于諸如負(fù)荷、以及負(fù)荷是靜態(tài)或動(dòng)態(tài)(即，變化)的工作條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在期望的條件下，燃料噴射口與氣霧撞擊點(diǎn)之間的上述間隔導(dǎo)致了足夠量的氣體燃料進(jìn)入隔離間隔33從而形成與點(diǎn)火器接觸的可染燃料空氣混合物?！白銐蛄康臍怏w燃料”此處定義為導(dǎo)致在隔離間隔內(nèi)能夠點(diǎn)燃的可燃混合物的形成從而產(chǎn)生可以存在于隔離間隔內(nèi)并點(diǎn)燃圍繞燃料噴射閥嘴121的區(qū)域內(nèi)的可燃燃料空氣混合物的燃燒燃料空氣混合物的量。參照?qǐng)D5，陰影區(qū)域110為圍繞朝向其引導(dǎo)燃燒可燃燃料空氣混合物的燃料噴射閥嘴121的區(qū)域。即，排氣口138’取向?yàn)槭沟脧母綦x間隔33推進(jìn)的燃燒可燃燃料空氣混合物點(diǎn)燃區(qū)域110中的燃料。
圖5是圖4中的截面線(xiàn)5示出的截面的局部截面圖，圖5A是靠近燃料噴射閥噴嘴121和點(diǎn)火裝置130的區(qū)域的放大視圖。燃料噴射閥噴嘴121和點(diǎn)火裝置130安裝在氣缸蓋114中并從其突出。點(diǎn)火器132示出設(shè)置在點(diǎn)火裝置的套管134內(nèi)。
軸122示出了燃料噴霧通過(guò)燃料噴射口124引入燃燒室的方向，通過(guò)示例的方式示出，用于描述燃燒室?guī)缀涡螤畹膬?yōu)選噴射角。本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知，按照此方式引入燃燒室中的氣體燃料從軸122分散，隨著燃料從噴嘴122進(jìn)一步行進(jìn)而更加分散。軸122僅用于示出燃料噴霧的中心軸的噴射角。優(yōu)選取向燃料噴射口124從而提供10至25度之間的噴射角，該角度選擇用于提供燃燒室內(nèi)均勻的氣體燃料分布，選定的噴射角依賴(lài)于發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室?guī)缀涡螤睢Ｔ趦?yōu)選實(shí)施例中，選定的噴射角選擇為優(yōu)化燃料噴霧長(zhǎng)度，同時(shí)使燃料噴霧對(duì)準(zhǔn)燃燒室內(nèi)的湍流區(qū)域。為改善燃料分布，優(yōu)選更長(zhǎng)的燃料噴霧長(zhǎng)度。
在所示實(shí)施例中，如圖5A所示，與其它的燃料噴霧相比，通過(guò)燃料噴射口124A引入的點(diǎn)火燃料噴霧122A的噴射角具有不同的噴射角，燃料噴射口124A與燃料噴射口124相比位于噴嘴121之下。點(diǎn)火燃料噴霧122A的噴射角通過(guò)取向點(diǎn)火燃料噴霧122A的方向使得點(diǎn)火燃料噴霧122A朝向套管表面上的氣霧撞擊點(diǎn)引導(dǎo)所需的角度來(lái)確定，使得點(diǎn)火燃料噴霧的主要部分沿著距垂直于在氣霧撞擊點(diǎn)處與套管相切的平面的軸小于或等于25度的噴霧方向流動(dòng)。
為了將氣體燃料直接引入燃燒室頂部死中心的附近，氣體燃料在高壓下供給給燃料噴射閥120。例如，氣體燃料可以在200至300bar之間的壓強(qiáng)下供給，其導(dǎo)致了氣體燃料在高速下噴射入燃燒室。氣體燃料的點(diǎn)火通過(guò)降低與點(diǎn)火器接觸的燃料的速度來(lái)改善。在氣體燃料導(dǎo)向套管134使得在燃料撞擊在表面上時(shí)燃料沿著垂直于套管134表面的方向流動(dòng)時(shí)，由燃料撞擊套管表面引起的動(dòng)量變化最大化，由此也最大化了燃料速度的降低。因此，在最優(yōu)選的實(shí)施例中，點(diǎn)火燃料噴霧取向?yàn)槭沟萌剂系闹饕糠盅刂怪庇谠跉忪F撞擊點(diǎn)處與套管相切的平面的方向流動(dòng)(如圖5A所示)。然而，在某些情況下，由發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室?guī)缀涡螤罨驓飧咨w的設(shè)計(jì)強(qiáng)加的限制會(huì)對(duì)點(diǎn)火燃料噴霧指定更少的優(yōu)選取向，且實(shí)驗(yàn)顯示點(diǎn)火燃料噴霧方向距垂直對(duì)準(zhǔn)小于或等于25度的取向也會(huì)產(chǎn)生可行的實(shí)施例，盡管不是那么優(yōu)選。
參照?qǐng)D5A，示出了燃料噴射閥120的噴嘴121與點(diǎn)火裝置130之間設(shè)置的放大側(cè)視圖。可以認(rèn)為，隨著其朝向撞擊點(diǎn)行進(jìn)，點(diǎn)火燃料噴霧122A帶走一些空氣，但其還與在發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的進(jìn)氣和壓縮沖程期間流入隔離間隔的空氣混合。還可以認(rèn)為，朝向撞擊點(diǎn)引導(dǎo)燃料噴霧122A而非直接對(duì)準(zhǔn)進(jìn)氣口136’導(dǎo)致了混合的改善和冷卻效果的降低。
在可燃燃料空氣混合物形成在隔離間隔33內(nèi)時(shí)，其接觸點(diǎn)火器的熱表面，并點(diǎn)燃。隔離間隔33內(nèi)的壓強(qiáng)由于隔離間隔33與燃燒室之間的受限流量和燃燒而迅速提高。此提高的壓強(qiáng)推動(dòng)燃燒的燃料空氣混合物通過(guò)至少一個(gè)排氣口138’進(jìn)入燃燒室。在所示實(shí)施例中，在圖2、3和5A中分別有兩個(gè)排氣口38、38’和138’，其中圖5A中僅示出了一半的套管。
將排氣口從進(jìn)氣口隔開(kāi)使得排氣口可以取向從而將燃燒的燃料空氣混合物瞄準(zhǔn)燃燒室的區(qū)域110，用于有效的燃燒噴射過(guò)程中形成的可燃燃料空氣混合物。排氣口比進(jìn)氣口更加遠(yuǎn)離氣霧撞擊點(diǎn)。在優(yōu)選的工作條件下，噴射過(guò)程在燃燒的燃料空氣混合物從隔離間隔33涌出的同時(shí)持續(xù)，可以認(rèn)為，排氣口與氣霧撞擊點(diǎn)之間的間隔降低了由點(diǎn)火裝置30涌出的燃燒的燃料空氣混合物與導(dǎo)向點(diǎn)火裝置30上氣霧撞擊點(diǎn)的點(diǎn)火燃料噴霧之間的干擾。降低這種干擾可以有助于產(chǎn)生非常短的點(diǎn)火滯后，非常短的點(diǎn)火滯后對(duì)于內(nèi)燃機(jī)的工作特性有正面影響。與液體燃料相比，噴射氣體燃料會(huì)需要更長(zhǎng)時(shí)間的燃料噴射過(guò)程持續(xù)。因此，進(jìn)氣和排氣口相對(duì)于氣霧撞擊點(diǎn)的排列很重要，因?yàn)橛捎邳c(diǎn)火燃料噴霧不會(huì)受通過(guò)排氣口推進(jìn)的燃燒的燃料空氣混合物的擴(kuò)散的明顯干擾，燃料噴射閥20可以在燃燒開(kāi)始后繼續(xù)噴射氣體燃料進(jìn)入燃燒室。更長(zhǎng)時(shí)間的燃料噴射過(guò)程持續(xù)在某些優(yōu)選實(shí)施例中會(huì)是有利的，因?yàn)檫@樣燃燒的燃料空氣混合物可以瞄準(zhǔn)圍繞燃料噴射閥噴嘴121的區(qū)域110處，燃料噴霧同時(shí)噴射入燃燒室處。在該些實(shí)施例中，在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中采用單次燃料噴射過(guò)程時(shí)，點(diǎn)火滯后可以比相應(yīng)的噴射過(guò)程的持續(xù)時(shí)間短。
將排氣口從氣霧撞擊點(diǎn)隔開(kāi)更遠(yuǎn)的另一原因在于這種設(shè)置確保了大多數(shù)燃料通過(guò)進(jìn)氣口進(jìn)入隔離間隔33，允許一些來(lái)自隔離間隔33內(nèi)的空氣通過(guò)排氣口轉(zhuǎn)移回到燃燒室內(nèi)，由此便于氣體燃料在噴射過(guò)程的開(kāi)始通過(guò)進(jìn)氣口進(jìn)入隔離間隔33。因此，有多個(gè)與所公開(kāi)的具有至少一個(gè)進(jìn)氣口和至少一個(gè)排氣口的設(shè)置相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，而這些開(kāi)口的功能由其距離氣霧撞擊點(diǎn)的相對(duì)間隔來(lái)確定。如所示實(shí)施例所示，排氣口位于進(jìn)氣口下。在所示實(shí)施例中，氣霧撞擊點(diǎn)優(yōu)選距進(jìn)氣口等距，且可以在它們之間的中點(diǎn)或沿點(diǎn)火裝置30中心軸距進(jìn)氣口比距排氣口更近的另一位置。
氣體燃料噴射閥可以是液壓致動(dòng)閥，液壓有電磁液壓閥控制。為實(shí)施預(yù)噴射并將主噴射分為幾個(gè)噴射步驟或“脈沖”，可以使用通過(guò)壓電致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的液壓開(kāi)關(guān)閥，由于這樣的閥具有足夠高的開(kāi)關(guān)頻率。測(cè)試顯示，通過(guò)壓電致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的液壓致動(dòng)閥與氣體燃料閥的液壓工作相結(jié)合滿(mǎn)足了開(kāi)關(guān)頻率和控制噴射的開(kāi)始和持續(xù)時(shí)間的精確性的要求。
在另一實(shí)施例中，可以采用應(yīng)用直接由電磁致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的針的氣體燃料噴射閥。這種噴射閥的一個(gè)示例在美國(guó)專(zhuān)利No.6,298,829中公開(kāi)。在該噴射閥中，無(wú)需液壓致動(dòng)流體，且電磁致動(dòng)器電樞的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了針相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，從而開(kāi)關(guān)燃料噴射閥。具有該電磁致動(dòng)器的燃料噴射閥可以為允許短脈沖寬度的噴射過(guò)程和在單個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中多于一次噴射過(guò)程提供必要的速度。
在又一優(yōu)選實(shí)施例中，燃料噴射閥可以通過(guò)為移動(dòng)閥門(mén)部件提供移動(dòng)力從而開(kāi)關(guān)燃料噴射閥的壓電或磁致伸縮致動(dòng)器“直接”促動(dòng)。這種致動(dòng)器可以以更短的燃料噴射脈沖寬度工作，且可以適用于設(shè)計(jì)用于在采用更高曲軸速度的情況下工作的發(fā)動(dòng)機(jī)中。使用直接激勵(lì)噴射閥的另一優(yōu)點(diǎn)在于增加了提供在單個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)期間有多個(gè)噴射脈沖的必要速度，壓電和磁致伸縮致動(dòng)器也可以受控從而確保表示在噴射脈沖期間由致動(dòng)器引起的位移的程度可以受控從而調(diào)整在燃料噴射脈沖期間通過(guò)燃料噴射閥的質(zhì)量流速的“速度修整”。
圖6和7繪出了用于對(duì)于一個(gè)燃燒循環(huán)控制直接激勵(lì)燃料噴射閥從而將燃料引入燃燒室的指令脈沖振幅的曲線(xiàn)圖，其中獨(dú)立的指令脈沖用于每個(gè)燃燒循環(huán)。
標(biāo)注在這些曲線(xiàn)圖縱軸的振幅表示用于不同類(lèi)型致動(dòng)器的不同單元。例如，對(duì)于磁致伸縮致動(dòng)器，振幅表示導(dǎo)向線(xiàn)圈從而產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流。在另一示例中，對(duì)于壓電致動(dòng)器，振幅表示施加于壓電元件的電壓。閥門(mén)針的移動(dòng)一般與指令脈沖的振幅相關(guān)，指令的振幅越大，引入的燃料越多。
參照?qǐng)D6，在優(yōu)選的方法中，S與M之間的時(shí)間約為2ms。在噴射過(guò)程的開(kāi)始引入較小量的燃料的目的在于僅引入點(diǎn)燃燃燒所需的量的燃料，使得足夠量的燃料通過(guò)點(diǎn)火裝置點(diǎn)燃，從而產(chǎn)生回導(dǎo)入燃燒室的燃燒可燃混合物，從而在圍繞燃料噴嘴121的區(qū)域110內(nèi)點(diǎn)燃可燃燃料混合物。因?yàn)闅怏w燃料可以具有比傳統(tǒng)的自動(dòng)點(diǎn)火液體燃料更長(zhǎng)的點(diǎn)火延遲，修整用于將氣體燃料引入燃燒室的質(zhì)量流速比對(duì)于液體燃料更加重要。因?yàn)辄c(diǎn)火延遲，點(diǎn)火燃料噴霧的引入燃燒室比期望噴射主燃料脈沖要早得多。因此，在時(shí)間S處的噴射過(guò)程的開(kāi)始與時(shí)間M處的主燃料脈沖的開(kāi)始之間采用更小的振幅，從而避免過(guò)量的燃料太早引入燃燒室。時(shí)間M的定時(shí)通常在上死點(diǎn)之前5至34度之間，依據(jù)期望的熱釋放，燃料噴射過(guò)程的持續(xù)時(shí)間可以在上死點(diǎn)后連續(xù)。
在圖7所示的方法中，第一噴射過(guò)程在時(shí)間S開(kāi)始，接著是在時(shí)間M開(kāi)始的第二噴射過(guò)程。在此實(shí)施例中，在約0.2至約0.5微秒之間的第一噴射過(guò)程的噴射持續(xù)時(shí)間已經(jīng)滿(mǎn)足了時(shí)間S與時(shí)間M之間在0.25于1微秒之間的時(shí)間。另外，時(shí)間M可以在上死點(diǎn)前5與34曲柄角度之間發(fā)生，而時(shí)間S可以在時(shí)間M前6與13曲柄角度之間。
點(diǎn)火裝置30可以采用具有陶瓷表面的點(diǎn)火器，因?yàn)樘沾刹牧峡梢灾圃鞛榫哂悬c(diǎn)火裝置將工作的苛刻條件所需的耐久性。為進(jìn)一步改善點(diǎn)火裝置30的穩(wěn)定性，屏蔽套34也可以為陶瓷材料。催化劑涂層也可以設(shè)置在套管34上，包括鉑和/或鈀，從而加速點(diǎn)火過(guò)程，用于改善燃燒的穩(wěn)定性。這種催化劑涂層的使用對(duì)于更小的發(fā)動(dòng)機(jī)特別有利，因?yàn)槿紵业某叽缤ǔＶ付烁◇w積的隔離間隔，導(dǎo)致更小體積的燃料在熱表面上點(diǎn)燃，在該發(fā)動(dòng)機(jī)中，沒(méi)有催化劑涂層的點(diǎn)火裝置可以導(dǎo)致更慢的燃燒和對(duì)應(yīng)的更高的碳?xì)浠衔锖鸵谎趸嫉呐欧拧?br> 氣體燃料直接導(dǎo)入燃燒室的內(nèi)燃機(jī)的工作方法在氣體燃料噴射法20上游需要穩(wěn)定的高燃料壓強(qiáng)。若發(fā)動(dòng)機(jī)用于車(chē)輛，必須提供車(chē)上高壓燃料供給系統(tǒng)。圖8示出了這種燃料系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例，其具有用于供給氣體燃料和用于提供用來(lái)操作氣體燃料噴射閥220的液壓流體的裝置。氣體燃料噴射閥220通過(guò)作用在活塞222上的液壓流體壓強(qiáng)工作?；钊?22與閥針224相關(guān)，由此活塞222的移動(dòng)導(dǎo)致了閥針224的對(duì)應(yīng)移動(dòng)。
在多氣缸內(nèi)燃機(jī)中，為每個(gè)燃燒室設(shè)置氣體燃料噴射閥，而公共的液壓供給線(xiàn)240為每個(gè)燃料噴射閥提供液壓流體。液壓泵242優(yōu)選產(chǎn)生250至300bar的壓強(qiáng)，液壓流體供給線(xiàn)240內(nèi)的壓力通過(guò)壓力控制閥244控制，且蓄壓器246被充滿(mǎn)從而保持液壓壓強(qiáng)，即使在發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)關(guān)閉后。
對(duì)于燃料，繼續(xù)圖8所示的多氣缸發(fā)動(dòng)機(jī)，氣體燃料噴射閥220通過(guò)為每個(gè)氣體燃料噴射閥供給燃料的公共燃料供給線(xiàn)250供給有200至300bar的氣體燃料壓強(qiáng)。氣體燃料存儲(chǔ)在燃料存儲(chǔ)罐252中，并在對(duì)應(yīng)于其中剩余氣體燃料的壓強(qiáng)下供給給燃料供給系統(tǒng)。在燃料存儲(chǔ)罐252中充滿(mǎn)最大容量時(shí)，傳輸給燃料供給系統(tǒng)的燃料的壓強(qiáng)將會(huì)較高，而在罐空的時(shí)候，燃料存儲(chǔ)罐252內(nèi)的壓強(qiáng)降低。若氣體燃料存儲(chǔ)罐252完全充滿(mǎn)，例如，在200至300bar之間的壓強(qiáng)，則控制器260從壓強(qiáng)傳感器262處確定這一點(diǎn)，且控制器260在控制壓縮機(jī)254和壓強(qiáng)控制裝置256時(shí)考慮發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)從而將所需量的氣體燃料在期望的壓強(qiáng)下供給至噴射閥。隨著更多的氣體燃料排出，壓強(qiáng)相應(yīng)的降低，這可以由壓強(qiáng)傳感器262檢測(cè)，而控制器260在控制壓縮機(jī)254和壓強(qiáng)控制裝置256時(shí)考慮這些。
控制器260還可以編程和連線(xiàn)從而通過(guò)控制液壓泵242和壓強(qiáng)控制閥244控制液壓系統(tǒng)中的液壓流體壓強(qiáng)、以及燃料噴射閥220和多氣缸發(fā)動(dòng)機(jī)中其它燃料噴射閥的活動(dòng)。在所示實(shí)施例中，控制器260通過(guò)開(kāi)關(guān)液壓流體排出管連線(xiàn)至控制電磁閥228。在控制器260打開(kāi)控制電磁閥228時(shí)，液壓流體從噴射閥220內(nèi)的彈簧室227排出，而控制室226(彈簧室227上)中液壓流體的壓強(qiáng)作用推動(dòng)活塞222向下，由此閥針224也向下移動(dòng)，從而打開(kāi)燃料噴射閥220并將燃料噴射入燃燒室內(nèi)。所示的燃料噴射閥具有外開(kāi)針，本領(lǐng)域技術(shù)人員將可理解內(nèi)開(kāi)針也是適用的，且在任何一種情況下，燃料噴射閥的噴嘴優(yōu)選設(shè)置有用于引導(dǎo)燃料噴霧進(jìn)入燃燒室并瞄準(zhǔn)燃料噴霧中之一朝向點(diǎn)火裝置上的氣霧撞擊點(diǎn)的部件。
圖8的燃料系統(tǒng)還可以采用直接激勵(lì)燃料噴射閥，除去取代液壓流體系統(tǒng)，控制器260將向燃料噴射閥直發(fā)送控制信號(hào)，從而通過(guò)控制導(dǎo)向致動(dòng)器的電流或電壓而引起促動(dòng)。
雖然已經(jīng)示出和介紹了本發(fā)明的特定部件和實(shí)施例，可以理解，顯然本發(fā)明不限于此，因?yàn)楸绢I(lǐng)域技術(shù)人員可以在不脫離本發(fā)明范圍的情況下進(jìn)行修改，特別是在前面的教導(dǎo)下。通過(guò)示例的方式，包括低溫存儲(chǔ)罐、燃料泵、蒸發(fā)器、以及相關(guān)壓強(qiáng)控制裝置的氣體燃料供給系統(tǒng)可以取代圖8所示的壓縮氣體燃料供給系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種以可燃?xì)怏w燃料作為燃料的內(nèi)燃機(jī)，所述發(fā)動(dòng)機(jī)包括至少一個(gè)燃燒室，由氣缸、在所述氣缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞、以及覆蓋所述氣缸端部的氣缸蓋限定；點(diǎn)火裝置，其一端在所述燃燒室內(nèi)，所述點(diǎn)火裝置包括點(diǎn)火器，該點(diǎn)火器包括提供熱表面的可加熱部件和圍繞所述點(diǎn)火器的套管，所述套管限定所述點(diǎn)火器與所述套管之間的隔離間隔，其中所述可加熱部件從安裝在所述氣缸蓋中的支架延伸進(jìn)入所述隔離間隔中；燃料噴射閥，設(shè)置在所述燃燒室內(nèi)，所述燃料噴射閥可以操作從而利用每一股都是從多個(gè)燃料噴射口中之一釋放出來(lái)的多股燃料噴霧將所述可燃?xì)怏w燃料引入所述燃燒室中，其中所述多個(gè)燃料噴射口中的至少一個(gè)取向?yàn)閷⒎Q(chēng)作點(diǎn)火燃料噴霧的燃料噴霧導(dǎo)向所述套管表面上的氣霧撞擊點(diǎn)；至少一個(gè)進(jìn)氣口，靠近所述氣霧撞擊點(diǎn)通過(guò)所述套管設(shè)置，連接所述隔離間隔到所述燃燒室，由此在所述點(diǎn)火燃料噴霧撞擊所述氣霧撞擊點(diǎn)時(shí)，容納在所述點(diǎn)火燃料噴霧中的所述可燃?xì)怏w燃料的一部分通過(guò)所述進(jìn)氣口并進(jìn)入所述隔離間隔；至少一個(gè)排氣口，通過(guò)所述套管設(shè)置，其中所述排氣口取向?yàn)閺乃龈綦x間隔并朝向所述燃料噴射閥附近的所述多個(gè)燃料噴霧引導(dǎo)點(diǎn)燃的燃料空氣混合物；以及其中所述可加熱部件具有位于所述進(jìn)氣口中線(xiàn)3毫米內(nèi)的尖端，且所述套管限制所述隔離間隔與所述燃燒室之間的氣流，使得所述隔離間隔內(nèi)的所述可燃?xì)怏w燃料的燃燒在其中產(chǎn)生比燃燒室內(nèi)壓強(qiáng)更高的壓強(qiáng)，并且所述壓強(qiáng)足夠高以推進(jìn)所述燃燒的燃料空氣混合物進(jìn)入所述燃燒室并與所述多個(gè)燃料噴霧接觸。
2.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述可加熱部件具有位于所述進(jìn)氣口中線(xiàn)1毫米內(nèi)的尖端。
3.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述可加熱部件具有與所述進(jìn)氣口中線(xiàn)齊平的尖端。
4.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述多個(gè)燃料噴射口取向?yàn)槭沟迷谒鳇c(diǎn)火燃料噴霧離開(kāi)其對(duì)應(yīng)的燃料噴射口時(shí)，所述點(diǎn)火燃料噴霧的主要部分沿著取向?yàn)榫啻怪庇谠谒鰵忪F撞擊點(diǎn)與所述套管相切的平面的軸小于或等于25度的噴霧方向流動(dòng)。
5.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述多個(gè)燃料噴射口取向?yàn)槭沟迷谒鳇c(diǎn)火燃料噴霧離開(kāi)其對(duì)應(yīng)的燃料噴射口時(shí)，所述點(diǎn)火燃料噴霧的主要部分沿著基本垂直于在所述氣霧撞擊點(diǎn)與所述套管相切的平面的方向噴霧。
6.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述多個(gè)燃料噴射口取向?yàn)槭沟迷谒鳇c(diǎn)火燃料噴霧離開(kāi)其對(duì)應(yīng)的燃料噴射口時(shí)，所述點(diǎn)火燃料噴霧具有基本垂直于在所述氣霧撞擊點(diǎn)與所述套管相切的平面的中心軸。
7.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)，其中燃料噴射閥具有平行于所述氣缸縱軸的縱軸，且所述點(diǎn)火裝置的設(shè)置在所述燃燒室內(nèi)的所述端部朝向所述燃料噴射閥成一定角度，由此所述點(diǎn)火裝置具有于所述燃料噴射閥的所述縱軸成銳角的縱軸。
8.如權(quán)利要求4所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述多個(gè)燃料噴射口的每一個(gè)取向?yàn)橐龑?dǎo)所述多股燃料噴霧在由所述氣缸蓋起測(cè)量的第一噴射角下進(jìn)入所述燃燒室，除了與所述點(diǎn)火燃料噴霧相關(guān)的燃料噴射口，其取向?yàn)橐龑?dǎo)所述點(diǎn)火燃料噴霧在與所述第一噴射角不同的第二噴射角下進(jìn)入所述燃燒室，其中所述第二噴射角通過(guò)將在所述氣霧撞擊點(diǎn)與所述套管相切的所述平面相對(duì)于所述燃料噴射口對(duì)齊來(lái)預(yù)先確定，且所述第一噴射角通過(guò)用于引導(dǎo)所述氣體燃料進(jìn)入所述燃燒室的期望分布圖案來(lái)預(yù)先確定。
9.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述多股燃料噴霧中的至少一股通過(guò)所述多個(gè)燃料噴射口中取向?yàn)橐詮乃鰵飧咨w起測(cè)量與所述點(diǎn)火燃料噴霧不同的噴射角引導(dǎo)所述至少一股燃料噴霧的一個(gè)引入到所述燃燒室內(nèi)。
10.如權(quán)利要求9所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述多股燃料噴霧每股具有從所述氣缸蓋起測(cè)量在10至25度之間的噴射角。
11.如權(quán)利要求9所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述多股燃料噴霧中的所述至少一股具有比所述點(diǎn)火燃料噴霧小的噴射角。
12.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述發(fā)動(dòng)機(jī)可在達(dá)到25∶1的壓縮比下工作。
13.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述發(fā)動(dòng)機(jī)可在13∶1至25∶1之間的壓縮比下工作。
14.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述發(fā)動(dòng)機(jī)可在可變的壓縮比下工作。
15.如權(quán)利要求14所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述發(fā)動(dòng)機(jī)可在13∶1至25∶1之間的壓縮比下工作。
16.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述進(jìn)氣口通過(guò)所述套管的側(cè)表面設(shè)置，且所述排氣口通過(guò)所述套管的圓拱形端面設(shè)置。
17.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述套管具有帶僅用于所述燃燒室與所述隔離間隔之間流體連通的所述進(jìn)氣口和所述排氣口的封閉端。
18.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述進(jìn)氣口為通過(guò)所述套管設(shè)置的多個(gè)進(jìn)氣口且每個(gè)進(jìn)氣口位于所述氣霧撞擊點(diǎn)附近，使得所述可燃?xì)怏w燃料容納在所述點(diǎn)火燃料噴霧內(nèi)的部分通過(guò)所述多個(gè)進(jìn)氣口進(jìn)入所述隔離間隔。
19.如權(quán)利要求18所述的內(nèi)燃機(jī)，其中存在兩個(gè)進(jìn)氣口。
20.如權(quán)利要求19所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述氣霧撞擊點(diǎn)與所述兩個(gè)進(jìn)氣口的每一個(gè)的中心距離相等。
21.如權(quán)利要求19所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述兩個(gè)進(jìn)氣口的中心彼此以約3毫米的距離隔開(kāi)。
22.如權(quán)利要求19所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述氣霧撞擊點(diǎn)處于在所述兩個(gè)進(jìn)氣口中每一個(gè)中心之間繪出的直線(xiàn)的中點(diǎn)。
23.如權(quán)利要求22所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述排氣口為通過(guò)所述套管設(shè)置的兩個(gè)排氣口中之一。
24.如權(quán)利要求23所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述進(jìn)氣口和所述排氣口的每一個(gè)為圓形，且具有不小于0.5毫米且不大于1.2毫米的直徑。
25.如權(quán)利要求19所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述兩個(gè)進(jìn)氣口距離所述點(diǎn)火裝置的所述端部相同距離。
26.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述排氣口為通過(guò)所述套管設(shè)置的多個(gè)排氣口中之一。
27.如權(quán)利要求26所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述多個(gè)排氣口每一個(gè)的尺寸通過(guò)在滿(mǎn)負(fù)荷工作條件下允許期望的流量通過(guò)所述多個(gè)排氣口所需的結(jié)合開(kāi)口面積來(lái)確定。
28.如權(quán)利要求27所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述進(jìn)氣口和排氣口的結(jié)合開(kāi)口面積在約0.75至5.0平方毫米之間。
29.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述點(diǎn)火器為電加熱的。
30.如權(quán)利要求29所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述點(diǎn)火器為電熱塞。
31.如權(quán)利要求29所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述點(diǎn)火器的至少一部分具有陶瓷表面。
32.如權(quán)利要求29所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述點(diǎn)火器的至少一部分涂有催化劑。
33.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述套管的至少一部分由陶瓷材料制成。
34.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述套管涂有催化涂層從而促進(jìn)包括所述可燃?xì)怏w燃料和空氣的反應(yīng)從而將反應(yīng)產(chǎn)物引入所述隔離間隔以在較低表面溫度下促進(jìn)點(diǎn)火。
35.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述活塞還包括進(jìn)一步限定所述燃燒室的幾何形狀的凹陷。
36.如權(quán)利要求35所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述燃料噴射閥安裝在所述氣缸內(nèi)并與所述凹陷的中心對(duì)準(zhǔn)。
37.如權(quán)利要求36所述的內(nèi)燃機(jī)，其中與所述點(diǎn)火燃料噴霧相關(guān)的所述燃料噴射口到所撞擊點(diǎn)之間的距離為所述凹陷直徑的5％至10％。
38.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述燃料噴射閥安裝在所述氣缸蓋中。
39.如權(quán)利要求38所述的內(nèi)燃機(jī)，其中與所述點(diǎn)火燃料噴霧相關(guān)的所述燃料噴射口到所述撞擊點(diǎn)之間的距離在3毫米至8毫米之間。
40.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述燃料噴射閥可以工作從而在單個(gè)燃燒循環(huán)中提供多個(gè)獨(dú)立的噴射過(guò)程。
41.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述燃料噴射口中每一個(gè)的尺寸通過(guò)在滿(mǎn)負(fù)荷工作條件期間允許期望的流量通過(guò)所述燃料噴射口所需的集合開(kāi)口面積確定。
42.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述燃料噴射閥可以工作從而在噴射過(guò)程期間在零與最大質(zhì)量流速之間調(diào)整質(zhì)量流速。
43.如權(quán)利要求42所述的內(nèi)燃機(jī)，其中通過(guò)所述燃料噴射閥的質(zhì)量流速通過(guò)控制所述燃料噴射閥內(nèi)針的運(yùn)動(dòng)來(lái)控制。
44.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)，還包括用于將從所述燃燒室排出的廢氣的一部分導(dǎo)入進(jìn)氣系統(tǒng)的廢氣循環(huán)系統(tǒng)。
45.如權(quán)利要求44所述的內(nèi)燃機(jī)，其中根據(jù)測(cè)得的發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件，所述廢氣的一部分在導(dǎo)入所述進(jìn)氣系統(tǒng)前冷卻。
46.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述燃料噴射閥包括四至十二個(gè)燃料噴射口。
47.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述燃料噴射閥電磁和液壓驅(qū)動(dòng)地開(kāi)關(guān)。
48.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述燃料噴射閥使用具有壓電致動(dòng)器的液壓閥液壓驅(qū)動(dòng)。
49.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述燃料噴射閥電控制，且通過(guò)電磁致動(dòng)器直接驅(qū)動(dòng)。
50.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述燃料噴射閥電控制，且通過(guò)壓電或磁致伸縮致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。
51.一種操作包括由氣缸、在所述氣缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞、以及覆蓋所述氣缸端部的氣缸蓋限定的至少一個(gè)燃燒室的氣體燃料內(nèi)燃機(jī)的方法，所述方法包括通過(guò)從設(shè)置在所述燃燒室內(nèi)的燃料噴射閥將多股燃料噴霧釋放進(jìn)所述燃燒室引導(dǎo)氣體燃料進(jìn)入所述燃燒室；引導(dǎo)所述燃料噴霧中稱(chēng)做點(diǎn)火燃料噴霧的一股到圍繞點(diǎn)火器的套管表面上的氣霧撞擊點(diǎn)，使得在所述點(diǎn)火噴霧離開(kāi)其對(duì)應(yīng)的燃料噴射口時(shí)，所述氣體燃料的主要部分朝向所述氣霧撞擊點(diǎn)流動(dòng)，由此來(lái)自所述點(diǎn)火燃料噴霧的所述氣體燃料的一些流經(jīng)設(shè)置在所述套管中的進(jìn)氣口并與設(shè)置在所述點(diǎn)火器的可加熱部件熱表面與所述套管之間的隔離間隔中的空氣混合，從而形成所述點(diǎn)火器附近的可燃燃料空氣混合物，其中所述可加熱部件具有設(shè)置在所述進(jìn)氣口中線(xiàn)3毫米內(nèi)的尖端；通過(guò)加熱所述點(diǎn)火器的表面至引起所述可燃燃料空氣混合物點(diǎn)火的溫度點(diǎn)燃所述可燃燃料空氣混合物；以及限制所述燃燒室與所述隔離間隔之間的流體流量，并保持所述可燃燃料空氣混合物的主要部分在所述隔離間隔內(nèi)，直至其燃燒增加所述隔離間隔內(nèi)的壓強(qiáng)到通過(guò)至少一個(gè)排氣孔將燃燒的燃料空氣混合物從其中推出并與圍繞所述燃料噴射閥的區(qū)域內(nèi)的所述燃燒室中的所述多股燃料噴霧相接觸的大小。
52.如權(quán)利要求51所述的方法，其中所述點(diǎn)火燃料噴霧沿著距垂直于在所述氣霧撞擊點(diǎn)處與所述套管相切的平面的軸小于或等于25度之間的噴霧方向取向。
53.如權(quán)利要求52所述的方法，其中所述噴霧方向基本垂直于在所述氣霧撞擊點(diǎn)處與所述套管的所述表面相切的所述平面。
54.如權(quán)利要求51所述的方法，還包括所述排氣口從所述氣霧撞擊點(diǎn)隔開(kāi)比所述進(jìn)氣口與所述氣霧撞擊點(diǎn)之間距離更大的距離。
55.如權(quán)利要求54所述的方法，其中所述排氣口與所述氣霧撞擊點(diǎn)之間的所述距離提供了間隔，使得來(lái)自在所述氣霧撞擊點(diǎn)處引導(dǎo)的所述燃料噴霧的干擾不會(huì)阻止所述燃燒的可燃燃料空氣混合物推進(jìn)與圍繞所述燃料噴射閥的所述區(qū)域中的所述多股燃料噴霧相接觸。
56.如權(quán)利要求51所述的方法，還包括當(dāng)所述發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷或怠速下工作時(shí)在第一質(zhì)量流速下噴射所述氣體燃料進(jìn)入所述燃燒室，以及在所述發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷下工作時(shí)在第二質(zhì)量流速下噴射所述氣體燃料進(jìn)入所述燃燒室，其中所述第二質(zhì)量流速高于所述第一質(zhì)量流速。
57.如權(quán)利要求51所述的方法，還包括控制質(zhì)量流速以噴射期望量的所述氣體燃料進(jìn)入所述燃燒室，使得噴射過(guò)程的時(shí)間比在所述噴射過(guò)程開(kāi)始時(shí)與導(dǎo)向所述點(diǎn)火裝置的所述氣體燃料的點(diǎn)火相關(guān)的點(diǎn)火延遲要長(zhǎng)。
58.如權(quán)利要求51所述的方法，還包括控制噴射正時(shí)和噴射過(guò)程的持續(xù)時(shí)間作為測(cè)得的發(fā)動(dòng)起工作條件的函數(shù)，并稱(chēng)做電子發(fā)動(dòng)機(jī)脈譜圖。
59.如權(quán)利要求58所述的方法，還包括控制所述燃料噴射閥從而控制在噴射過(guò)程期間引入的所述氣體燃料的質(zhì)量流速，所述方法包括參照所述電子發(fā)動(dòng)機(jī)脈譜圖并確定將在噴射過(guò)程中引入的所述氣體燃料的總量用于檢測(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷；在所述噴射過(guò)程的第一階段期間，選擇將引起所述可燃混合物形成在所述隔離間隔內(nèi)的第一質(zhì)量流速；以及在所述噴射過(guò)程的第二階段期間，選擇將增加在所述第一階段期間引入的氣體燃料的第二質(zhì)量流速?gòu)亩谒鰢娚溥^(guò)程期間提供所述氣體燃料的總量。
60.如權(quán)利要求59所述的方法，其中所述第一階段在所述第二階段之前至少2毫秒開(kāi)始。
61.如權(quán)利要求59所述的方法，其中所述第二階段在壓縮沖程期間的上死點(diǎn)前的約34至5曲柄角度之間開(kāi)始。
62.如權(quán)利要求59所述的方法，其中在所述第二階段期間引入的所述氣體燃料在所述第二階段期間點(diǎn)燃。
63.如權(quán)利要求51所述的方法，還包括在單個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)期間在多次噴射過(guò)程中將所述氣體燃料引入所述燃燒室。
64.如權(quán)利要求63所述的方法，其中采用第一噴射過(guò)程將第一量的所述氣體燃料引入所述燃燒室中從而通過(guò)所述點(diǎn)火裝置點(diǎn)燃，接著至少一個(gè)其它的噴射過(guò)程引入第二量的所述氣體燃料，其中所述第一和第二量的燃料一同提供了等于通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)控制器參照發(fā)動(dòng)機(jī)脈譜圖確定的量的燃料的總量，且所述第一量的燃料通過(guò)所述發(fā)動(dòng)機(jī)控制器確定為足以確保點(diǎn)燃所述第二量的燃料的質(zhì)量。
65.如權(quán)利要求64所述的方法，其中在所述發(fā)動(dòng)機(jī)在滿(mǎn)負(fù)荷下工作時(shí)，所述氣體燃料的所述第一量不大于所述燃料總量質(zhì)量的10％。
66.如權(quán)利要求64所述的方法，其中在所述發(fā)動(dòng)機(jī)在滿(mǎn)負(fù)荷下工作時(shí)，所述氣體燃料的所述第一量為所述燃料總量質(zhì)量的5％至10％之間。
67.如權(quán)利要求64所述的方法，其中所述第二噴射過(guò)程在壓縮沖程期間的上死點(diǎn)前的約34至5曲柄角度之間開(kāi)始。
68.如權(quán)利要求64所述的方法，其中所述第一噴射過(guò)程具有至少0.2毫秒的持續(xù)時(shí)間。
69.如權(quán)利要求68所述的方法，其中所述第一噴射過(guò)程具有小于或等于0.5毫秒的持續(xù)時(shí)間。
70.如權(quán)利要求64所述的方法，其中所述第二噴射過(guò)程在所述第一噴射過(guò)程結(jié)束后小于或等于1毫秒時(shí)開(kāi)始。
71.如權(quán)利要求70所述的方法，其中所述第二噴射過(guò)程在所述第一噴射過(guò)程結(jié)束后大于0.2毫秒時(shí)開(kāi)始。
72.如權(quán)利要求64所述的方法，其中所述第二量的所述氣體燃料分在多個(gè)燃料噴射過(guò)程之間。
73.如權(quán)利要求51所述的方法，還包括電加熱所述點(diǎn)火器從而具有足夠熱以點(diǎn)燃所述可燃燃料空氣混合物的表面溫度。
74.如權(quán)利要求73所述的方法，還包括控制所述點(diǎn)火器的溫度作為測(cè)得的所述發(fā)動(dòng)機(jī)的工作參數(shù)的函數(shù)。
75.如權(quán)利要求51所述的方法，還包括用燃燒催化劑涂覆所述點(diǎn)火器的至少一部分。
76.如權(quán)利要求51所述的方法，還包括用燃燒催化劑涂覆所述套管的至少一部分。
77.如權(quán)利要求51所述的方法，其中所述進(jìn)氣口為多個(gè)進(jìn)氣口中之一。
78.如權(quán)利要求77所述的方法，其中所述多個(gè)進(jìn)氣口的每一個(gè)與所述氣霧撞擊點(diǎn)距離相等。
79.如權(quán)利要求51所述的方法，其中所述排氣口為多個(gè)排氣口中之一。
80.如權(quán)利要求79所述的方法，所述排氣口的尺寸通過(guò)在所述發(fā)動(dòng)機(jī)在滿(mǎn)負(fù)荷下工作時(shí)容納期望流量通過(guò)所述排氣口所需的集合開(kāi)口面積確定。
81.如權(quán)利要求51所述的方法，其中至少所述點(diǎn)火器的一部分包括陶瓷表面。
82.如權(quán)利要求51所述的方法，還包括將所述燃料噴射閥對(duì)準(zhǔn)所述燃燒室的中心軸。
83.如權(quán)利要求51所述的方法，還引導(dǎo)從所述發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣的一部分進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)。
84.如權(quán)利要求83所述的方法，還包括根據(jù)測(cè)得的工作條件控制引導(dǎo)進(jìn)入所述進(jìn)氣系統(tǒng)的所述廢氣部分的量。
85.如權(quán)利要求84所述的方法，還包括根據(jù)測(cè)得的工作條件冷卻引導(dǎo)進(jìn)入所述進(jìn)氣系統(tǒng)的所述廢氣部分。
86.如權(quán)利要求85所述的方法，還包括根據(jù)測(cè)得的工作條件控制所述廢氣部分的量。
87.如權(quán)利要求51所述的方法，其中朝向所述氣霧撞擊點(diǎn)引導(dǎo)的所述燃料噴霧從所述燃料噴射閥向所述氣霧撞擊點(diǎn)行進(jìn)3毫米與8毫米之間的距離。
88.如權(quán)利要求51所述的方法，還包括操作所述發(fā)動(dòng)機(jī)而不節(jié)流進(jìn)氣和1.4至6之間的λ。
全文摘要
在內(nèi)燃機(jī)中，點(diǎn)火裝置(30)緊靠燃料噴嘴(20)設(shè)置在燃燒室(13)內(nèi)。點(diǎn)火裝置(30)包括在熱表面點(diǎn)火器(32)周?chē)O(shè)置隔離間隔(33)的套管(34)。套管(34)限制隔離間隔(33)與燃燒室(13)之間的流動(dòng)。噴嘴(20)包括取向引導(dǎo)至少一股燃料噴霧(22)到套管表面(34)上的燃料噴射口。套管(34)包括空氣和燃料通過(guò)其進(jìn)入隔離間隔從而在其中形成可燃混合物的進(jìn)氣口。熱表面點(diǎn)火器(32)包括靠近進(jìn)氣口(36)中線(xiàn)的尖端。可燃混合物在隔離間隔(33)內(nèi)點(diǎn)燃，且燃燒火焰通過(guò)排氣口推進(jìn)并與從燃料噴嘴(20)涌出的燃料噴霧接觸。還公開(kāi)了操作該發(fā)動(dòng)機(jī)的方法。
文檔編號(hào)F02B23/06GK1806105SQ200480016915
公開(kāi)日2006年7月19日 申請(qǐng)日期2004年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月16日
發(fā)明者烏爾里克·希爾格, 伯恩德·巴塔尼克, 凱文·K·奧弗斯比, 伊恩·H·洛克利, 約翰·G·克勞福德, 肯尼思·R·C·曼, 理查德·溫 申請(qǐng)人:韋斯特波特研究公司