大多數(shù)現(xiàn)代發(fā)動機(jī)是直噴式發(fā)動機(jī)，以致發(fā)動機(jī)的每個燃燒缸都包括配置成將燃料直接噴射到燃燒室中的專用燃料噴射器。盡管直噴式發(fā)動機(jī)表現(xiàn)出發(fā)動機(jī)技術(shù)相對于以往的設(shè)計(例如，汽化器)在提高發(fā)動機(jī)效率和減少排放物方面有所改進(jìn)，但是直噴式發(fā)動機(jī)可能會產(chǎn)生相對較高水平的某些不希望的排放物。

背景技術(shù)：

發(fā)動機(jī)排放物可能包括由富燃料和貧氧燃料混合物的燃燒產(chǎn)生的碳煙。包括擴(kuò)散火焰的富燃料部分產(chǎn)生的微小碳顆粒的碳煙通常產(chǎn)生于發(fā)動機(jī)的燃燒室中，該發(fā)動機(jī)可在中到高負(fù)荷下運(yùn)行。碳煙危害環(huán)境，是美國國家環(huán)境保護(hù)局(EPA)限制的一種排放物，并且是第二大氣候強(qiáng)迫物質(zhì)(二氧化碳是最主要的)。目前，通過排氣系統(tǒng)中的又大又昂貴的顆粒過濾器將碳煙從柴油發(fā)動機(jī)的廢氣中去除。還可能必須利用其他燃燒后處理，例如NOx選擇性催化還原、NOx捕集、氧化催化劑等。必須維護(hù)這些后處理系統(tǒng)，從而能夠持續(xù)且有效地減少碳煙/顆粒及其他不期望的排放物，并因此在初始設(shè)備成本及后續(xù)維護(hù)方面為燃燒系統(tǒng)增加了額外的成本。

燃燒技術(shù)的焦點(diǎn)是在較稀混合物中燃燒燃料，因為這樣的混合物趨向于產(chǎn)生較少的碳煙、NOx和潛在的其他限制的排放物，例如碳?xì)浠衔?HC)和一氧化碳(CO)。一種這樣的燃燒策略為抬舉火焰稀燃(LLFC)。LLFC是不產(chǎn)生碳煙的燃燒策略，因為在大致小于或等于2的當(dāng)量比下發(fā)生燃燒。當(dāng)量比是燃料與氧化劑的實際比率除以燃料與氧化劑的化學(xué)計量比。LLFC可以通過在燃燒室中增強(qiáng)燃料與原料氣(即，具有或不具有額外的氣相化合物的空氣)的局部混合來實現(xiàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

以下是本文要詳細(xì)描述的主題的簡要概述。本發(fā)明內(nèi)容不旨在限制權(quán)利要求的范圍。

本文描述了設(shè)計為相對于在常規(guī)燃燒室構(gòu)造/布置中發(fā)生的混合而提高燃燒室內(nèi)部的局部混合速率的多種技術(shù)。提高的混合速率用于形成包括燃料和原料氣的一種或多種局部預(yù)混合混合物，其特征在于較低的峰值燃料與原料氣比，目的是在點(diǎn)燃局部預(yù)混合混合物及隨后的燃燒過程中能夠在燃燒室中最少的產(chǎn)生或不產(chǎn)生碳煙。為了能夠混合燃料和原料氣以產(chǎn)生具有較低的峰值燃料與原料氣比的局部預(yù)混合混合物，可以將燃料射流引導(dǎo)為穿過導(dǎo)管的孔(例如，沿著管體、中空圓柱體)，其中燃料的通過使得原料氣被吸入孔中，從而在孔內(nèi)產(chǎn)生湍流，產(chǎn)生燃料和吸入的原料氣的增強(qiáng)的混合。燃燒室內(nèi)的原料氣可以包括具有或不具有額外的氣相化合物的空氣。

局部預(yù)混合混合物的燃燒可以發(fā)生在燃燒室內(nèi)，其中燃料可以是任何合適的可燃或易燃液體或蒸汽。例如，可根據(jù)多個表面來形成燃燒室，該多個表面包括缸孔的壁(例如，形成在發(fā)動機(jī)缸體中)、缸蓋的火焰板表面以及在缸孔內(nèi)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動的活塞的活塞頂。燃料噴射器可安裝在缸蓋中，其中燃料通過燃料噴射器的頭端中的至少一個開口噴射到燃燒室中。對于燃料噴射器頭端中的每個開口，導(dǎo)管可以與其校準(zhǔn)，以使得由燃料噴射器噴射的燃料能夠穿過導(dǎo)管的孔。流過孔的高速燃料射流局部產(chǎn)生的低壓導(dǎo)致原料氣被吸入到導(dǎo)管的孔中。由于管體壁和燃料射流中心線之間較大的速度梯度而產(chǎn)生的強(qiáng)烈湍流，這種原料氣與燃料迅速混合，導(dǎo)致形成離開導(dǎo)管的、具有較低的峰值燃料與原料氣比的局部預(yù)混合混合物，以在燃燒室中經(jīng)歷后續(xù)的點(diǎn)火和燃燒。

在一實施方式中，導(dǎo)管可以具有沿其長度形成的多個洞或狹槽，以在燃料沿著孔通過的過程中能夠進(jìn)一步將原料氣吸入導(dǎo)管的孔中。

在另一實施方式中，導(dǎo)管可以由管體形成，其中管體的壁彼此平行(例如，中空圓柱體)，因此導(dǎo)管的第一端處的孔(例如，入口)的直徑與導(dǎo)管的第二端處的孔(例如，出口)的直徑相同。在另一實施方式中，管體的壁可以不平行，以使得管體的第一端處的孔的直徑不同于管體的第二端處的孔的直徑。

導(dǎo)管可以由適于在燃燒室中應(yīng)用的任何材料形成，例如含金屬材料(例如鋼、因科鎳合金(INCONEL)、哈斯特合金(HASTELLOY)，...)、含陶瓷材料等。

在另一實施方式中，導(dǎo)管可在將燃料噴射器插入燃燒室之前就附接到燃料噴射器，其中包括燃料噴射器和導(dǎo)管的組件定位成形成燃燒室的一部分。在另一實施方式中，燃料噴射器可以位于燃燒室中，并且導(dǎo)管隨后附接到燃料噴射器。

在發(fā)動機(jī)的運(yùn)行期間，導(dǎo)管的孔內(nèi)部的溫度可以小于燃燒室內(nèi)的環(huán)境溫度，使得混合物的點(diǎn)火延遲增加，并且在自點(diǎn)火之前的燃料和原料氣的混合與將燃料直接噴射到燃燒室中相比得到了進(jìn)一步的改進(jìn)。

上述發(fā)明內(nèi)容只是簡單概述，以便提供對本文所討論的系統(tǒng)和/或方法的一些方面的基本理解。該概述不是本文所討論的系統(tǒng)和/或方法的廣泛概括。其并非旨在確定關(guān)鍵/主要元件或劃定這樣的系統(tǒng)和/或方法的范圍。其唯一的目的是以簡化的形式呈現(xiàn)一些概念作為稍后呈現(xiàn)的更詳細(xì)描述的前序。

附圖說明

圖1為示例性燃燒室裝置的截面圖。

圖2為示出了形成示例性燃燒室裝置的火焰板、閥、燃料噴射器和導(dǎo)管的示意圖。

圖3為包括燃料噴射器和導(dǎo)管布置的示例性燃燒室裝置的特寫圖。

圖4為具有圓柱形構(gòu)造的導(dǎo)管的示意圖。

圖5A為具有非平行側(cè)面的導(dǎo)管的示意圖。

圖5B為具有沙漏輪廓的導(dǎo)管的示意圖。

圖5C為具有漏斗形輪廓的導(dǎo)管的示意圖。

圖6A-6C示出了包括沿著其長度的多個洞的導(dǎo)管。

圖7A和7B為示出了位于燃燒室中的燃料噴射器和導(dǎo)管組件的示意圖。

圖8A和8B示出了包括三個導(dǎo)管和螺紋附接部分的示例性布置。

圖8C為附接到燃料噴射器組件的導(dǎo)管組件的示意圖。

圖9A和9B示出了利用導(dǎo)管來引導(dǎo)形成燃料噴射器的頭端中的開口。

圖10為示出了用于產(chǎn)生具有較低的峰值燃料與原料氣比的局部預(yù)混合混合物以用于在燃燒室中點(diǎn)燃的示例性方法的流程圖。

圖11為示出了用于將包括燃料噴射器和至少一個導(dǎo)管的組件定位在燃燒室中的示例性方法的流程圖。

圖12為示出了用于將燃料噴射器處的至少一個導(dǎo)管定位在燃燒室中的示例性方法的流程圖。

圖13為示出了利用導(dǎo)管來引導(dǎo)形成頭端中的開口的示例性方法的流程圖。

具體實施方式

本文提出了多種技術(shù)，涉及利用一個或多個導(dǎo)管來在燃燒之前產(chǎn)生具有較低的峰值燃料與原料氣比的局部預(yù)混合的燃料與原料氣混合物，主要目的是最小化和/或消除碳煙(或其他不期望的顆粒/排放物)的產(chǎn)生。相同的附圖標(biāo)記用于指示貫穿技術(shù)的相同元件。在下面的描述中，出于解釋的目的闡述了許多具體細(xì)節(jié)，以提供對一個或多個方面的透徹理解。然而，可以顯而易見的是，這些方面可以在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實施。在其他情況下，以框圖形式示出了公知的結(jié)構(gòu)和設(shè)備，以幫助描述一個或多個方面。

此外，術(shù)語“或”旨在表示包含性的“或”而不是排他性的“或”。也就是說，除非另有說明或者從上下文清楚可見，否則短語“X采用A或B”旨在表示任意自然的包含性置換。也就是說，通過以下任何情況來滿足短語“X采用A或B”：X采用A；X采用B；或X采用A和B兩者。此外，除非另有說明或從上下文清楚可見針對單數(shù)形式，否則本申請和所附權(quán)利要求中使用的冠詞“一”通常應(yīng)被解釋為表示“一個或多個”。另外，如本文所使用的，術(shù)語“示例性”旨在表示用作某事物的說明或舉例，并不旨在表示偏好。

圖1、圖2和圖3示出了用于導(dǎo)管式燃料噴射系統(tǒng)的示例性構(gòu)造。圖1為貫通燃燒室組件100的截面圖，其中該截面圖是沿圖2的X-X線截取的。圖2示出了構(gòu)造200，其為燃燒室組件100在圖1的方向Y上的平面圖。圖3示出了構(gòu)造300，其為圖1和圖2中所示的燃料噴射組件的放大圖。

圖1-圖3共同示出了組合為形成燃燒室105的多個常用部件。在一實施方式中，燃燒室105具有大體上圓柱形的形狀，其限定在發(fā)動機(jī)(未全部示出)的曲軸箱或發(fā)動機(jī)缸體115內(nèi)形成的(例如，加工的)缸孔110內(nèi)。燃燒室105在一端(第一端)由缸蓋125的火焰板表面120進(jìn)一步限定，而在另一端(第二端)由可在缸孔110內(nèi)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動的活塞135的活塞頂130限定。燃料噴射器140安裝在缸蓋125中。噴射器140具有頭端145，其穿過火焰板表面120突入到燃燒室105中，使得其可以直接將燃料噴射到燃燒室105中。噴射器頭端145可包括多個開口146(孔口)，燃料通過該開口噴射到燃燒室105中。每個開口146都可具有特定形狀，例如圓形開口，此外，每個開口146都可具有特定開口直徑D3。

此外，燃燒室105中具有位于其中的一個或多個導(dǎo)管150，其可用于經(jīng)由噴射器140的開口146(下文進(jìn)一步描述)引導(dǎo)噴射在燃燒室105中的燃料。根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的常規(guī)操作，進(jìn)口閥160用于使原料氣能夠進(jìn)入燃燒室105中，排氣閥165用于根據(jù)燃燒室中發(fā)生的燃燒過程使燃燒室105中形成的任意燃燒產(chǎn)物(例如，氣體，碳煙等)能夠排出。燃燒室105內(nèi)的原料氣可包括具有或不具有額外的氣相化合物的空氣。

圖2示出了可結(jié)合到燃燒室105中的多個入口閥160和多個排氣閥165。并且，如圖2所示，一個或多個導(dǎo)管150可圍繞頭端145布置，其中，根據(jù)圖4的構(gòu)造400，導(dǎo)管150可以是管體或中空圓柱體，其包括具有外徑D1的外壁152，及貫穿導(dǎo)管150的長度的內(nèi)孔153，其中內(nèi)孔153具有直徑D2。如圖4所示，導(dǎo)管150可以形成為圓柱形，以使得外壁152的內(nèi)表面154與外壁152的外表面155平行，因此導(dǎo)管150的第一端處的第一開口157與導(dǎo)管150的第二端處的第二開口158具有相同的直徑，例如，第一開口157(例如，入口)的直徑＝D2＝第二開口158(例如，出口)的直徑。導(dǎo)管150的第一端可定位為最靠近(接近、鄰近、鄰接)開口146，而導(dǎo)管150的第二端相對于導(dǎo)管150的第一端的位置定位為遠(yuǎn)離開口146。在一實施方式中，如本文進(jìn)一步描述的那樣，外壁152的厚度可以沿著導(dǎo)管150的長度變化，使得當(dāng)外壁152的外表面155為圓柱形時，內(nèi)表面154可以漸縮和/或具有圓錐形狀。在另一實施方式中，導(dǎo)管150的長度L可以為任何想要的長度。例如，導(dǎo)管150的長度L可為開口146的標(biāo)稱直徑D3的約30倍至約300倍之間，例如約30×D3至約300×D3。

轉(zhuǎn)到圖3，如前所述，頭端145可以包括多個開口146，以使燃料180能夠穿過其中(例如，燃料噴射)。通過初始體積的燃料180流動穿過噴射器140，隨著初始燃料180穿過各個開口146，可以根據(jù)位于頭端145的開口146的數(shù)量和尺寸形成多股燃料射流185。被噴射的燃料185的噴射方向可以根據(jù)圖3所示的中心線來描述。因此，導(dǎo)管150可以與燃料射流185的中心線同校準(zhǔn)(例如，同軸)，使得燃料射流185從開口146離開并且穿過導(dǎo)管150的孔153。根據(jù)圖3和圖4，導(dǎo)管150的第一(近)端部157可以定位成接近相應(yīng)的開口146，其中第一端部157可以定位成使得在導(dǎo)管150的第一端部和開口146之間出現(xiàn)間隙G。導(dǎo)管150的第二(遠(yuǎn))端部158可定位于燃燒室105中，使得導(dǎo)管150從頭端145伸出并進(jìn)入燃燒室105中。

如前所述，在燃料和原料氣的富油混合物經(jīng)歷燃燒的情況下可能產(chǎn)生碳煙，這是不期望的。因此，期望具有當(dāng)量比大致小于或等于2的燃料/原料氣混合物。隨著各股燃料射流185行進(jìn)穿過各個導(dǎo)管150的孔153時，在導(dǎo)管150內(nèi)部產(chǎn)生壓力差，使得燃燒室105中的原料氣也被吸入導(dǎo)管150中。由于導(dǎo)管孔153(在此處，流體速度為零)和燃料射流185的中心線(在此處，流體速度大)之間的高速度梯度產(chǎn)生的強(qiáng)烈湍流，原料氣與燃料185迅速混合。湍流條件可以提高燃料射流185和被吸入的原料氣之間的混合速率，其中燃料185和原料氣在孔153中的混合程度可大于會在燃料射流185被簡單地噴入填充了原料氣的燃燒室105而不穿過導(dǎo)管的常規(guī)構(gòu)造中產(chǎn)生的混合程度。對于常規(guī)構(gòu)造，與根據(jù)構(gòu)造100的通過使燃料射流185穿過導(dǎo)管150所實現(xiàn)的相比，燃料射流185與原料氣混合會經(jīng)受較少量的湍流。

根據(jù)圖3，在燃料射流185的區(qū)域186處，燃料射流185包括大體積的富燃料混合物，而在燃料射流185的區(qū)域187處，燃料射流185經(jīng)受與吸入的原料氣的混合，產(chǎn)生在區(qū)域187處的、與在區(qū)域186處的富燃料混合物相比局部更加預(yù)混合的混合物。因此，根據(jù)圖1-4中所示的構(gòu)造100，燃料185和原料氣之間在導(dǎo)管150中發(fā)生高度混合，產(chǎn)生具有較低的峰值燃料與原料氣比的局部預(yù)混合的燃料/原料氣混合物，其在點(diǎn)燃和燃燒混合物時(例如，通過活塞135的運(yùn)動引起的壓縮加熱)導(dǎo)致產(chǎn)生的碳煙比常規(guī)布置所達(dá)到的量更少。在區(qū)域187處的“足夠貧”的混合物的當(dāng)量比可在0和2之間，而在區(qū)域186處的“過于富”的混合物為當(dāng)量比大于2的混合物。

在一實施方式中，導(dǎo)管150的孔153的直徑D2可大于導(dǎo)管150的第一端157鄰近的相應(yīng)開口146的直徑D3。例如，D2可比D3大出約5倍、D2可比D3大出約50倍，D2可具有比D3大出任何數(shù)量級的直徑，例如，在比D3大出約5倍到比D3大出50倍等的范圍內(nèi)選擇的數(shù)量級。

如圖3所示，導(dǎo)管150可相對于火焰板表面120校準(zhǔn)，在導(dǎo)管150和火焰板表面120之間具有θ°的校準(zhǔn)度。θ可以是任意期望值，其范圍從0°(例如，導(dǎo)管150被校準(zhǔn)為平行于火焰板表面120形成的平面P-P)到任意期望值，其中導(dǎo)管150的校準(zhǔn)可與燃料射流185的行進(jìn)中心線校準(zhǔn)。在燃料射流185在被校準(zhǔn)為基本上平行于火焰板表面120、平面P-P的方向上離開燃料噴射器140的相應(yīng)開口146的一實施方式中，也可將導(dǎo)管150校準(zhǔn)為基本上平行于平面P-P。對于導(dǎo)管150的校準(zhǔn)的考慮是防止與活塞135的往復(fù)運(yùn)動、進(jìn)氣閥160和排氣閥165發(fā)生干擾，例如，應(yīng)當(dāng)將導(dǎo)管150校準(zhǔn)為使其不與活塞頂130、進(jìn)氣閥160和排氣閥165進(jìn)行接觸。

盡管圖4示出了導(dǎo)管150具有壁152的外表面155平行于內(nèi)表面154(例如，孔153自始至終具有恒定直徑D2)的圓柱形形狀，導(dǎo)管150也可以形成有任何期望的截面。例如，在構(gòu)造500中，如圖5A所示，導(dǎo)管510可以形成為具有漸縮的外壁515，使得在導(dǎo)管500的第一端處的第一開口520(例如，入口)的直徑D4不同于在導(dǎo)管510的第二端處的第二開口530(例如，出口)的直徑D5。構(gòu)造500可以被認(rèn)為是正圓錐體的中空截頭體。在另一構(gòu)造550中，如圖5B所示，導(dǎo)管560可形成為具有“沙漏”輪廓的外壁565，其中中心部分可具有比導(dǎo)管560的分別的第一端和第二端的直徑D7(第一開口)和D8(第二開口)更窄小的直徑D6。應(yīng)當(dāng)理解，第一開口的直徑D7可與第二開口的直徑D8具有相同直徑，或D7＞D8，或D7＜D8。另外，盡管為了簡化說明圖5A-C中所示的導(dǎo)管壁輪廓包括直線，但是應(yīng)當(dāng)理解這些壁輪廓也可以由分段彎曲的線產(chǎn)生。在另一構(gòu)造570中，如圖5C所示，導(dǎo)管580可形成為具有“漏斗形”輪廓的外壁585，其中中心部分具有的直徑D9與導(dǎo)管580的第一端的第一開口處的直徑D10相同，而直徑D9小于導(dǎo)管580的第二端處的第二開口的直徑D11。可替代地，導(dǎo)管580可相對于開口146轉(zhuǎn)向，使得直徑為D11的開口可定位于開口146處，從而在從直徑為D10的開口射出之前限制燃料185的通過。雖然本文中沒有描述，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，根據(jù)本文提供的一個或多個實施方式，可以利用其他導(dǎo)管輪廓。

此外，如圖6A-C所示，導(dǎo)管的管狀壁可具有形成在其中的至少一個洞(穿孔，孔眼，開口，孔隙，狹槽)，以使得原料氣能夠在燃料穿過導(dǎo)管通過期間進(jìn)入導(dǎo)管。根據(jù)圖6A的構(gòu)造600，示出了導(dǎo)管610，其中導(dǎo)管610已制造有多個洞H₁-H_n，其形成在導(dǎo)管610的一側(cè)并延伸穿過壁620且進(jìn)入內(nèi)孔630，其中n為正整數(shù)。應(yīng)當(dāng)理解，盡管圖6A示出了在導(dǎo)管610的壁620中形成了五個孔H₁-H_n，但是也可以利用任意數(shù)量的孔和相應(yīng)的布置來實現(xiàn)原料氣的吸入以及原料氣與穿過導(dǎo)管610的燃料的隨后混合?？譎₁-H_n可以利用任何合適的制造技術(shù)形成，例如常規(guī)鉆孔、激光鉆孔、電火花加工(EDM)等。

圖6B的構(gòu)造601為導(dǎo)管610的截面圖，其示出了燃料射流685在噴射器頭端145處從開口146噴出，并且穿過導(dǎo)管610的孔630。燃料射流685最初包括富燃料區(qū)域687。然而，隨著原料氣被吸入孔630中，燃料685和原料氣發(fā)生混合(如前所述)，使得區(qū)域688包括具有較低的峰值燃料與原料氣比的局部預(yù)混合混合物，其中在隨后的燃燒過程中，“足夠貧”的混合物經(jīng)過燃燒，產(chǎn)生最少碳煙或不產(chǎn)生碳煙。如圖所示，對于構(gòu)造601，導(dǎo)管610的第一端611和頭端145之間沒有分離(例如，沒有間隙G)；導(dǎo)管610的第一端611抵接開口146。對于構(gòu)造601，當(dāng)由于導(dǎo)管610的第一端611和頭端145之間缺少間隙而阻止了原料氣進(jìn)入孔630時，將洞H₁-H_n結(jié)合到導(dǎo)管610中能夠使原料氣通過洞H₁-H_n吸入到孔630中，從而能夠形成局部預(yù)混合射流685。盡管導(dǎo)管610被示出為與頭端145垂直校準(zhǔn)(例如，平行于)，但導(dǎo)管610可相對于頭端145(及開口146)以任何角度定位，以使得燃料射流685能夠流過導(dǎo)管630。

圖6C示出了替代構(gòu)造602，其中導(dǎo)管610的第一端611定位為接近頭端145和開口146，其中間隙G將導(dǎo)管610的第一端611與頭端145分開。間隙G能進(jìn)一步使原料氣吸入到導(dǎo)管610中，以補(bǔ)充通過洞H₁-H_n吸入到孔630中的原料氣。

根據(jù)本文的多種實施方式，多個導(dǎo)管可定位為接近噴射器頭端145，由此可將多個導(dǎo)管附接到噴射器頭端145，并且可將噴射器頭端145和導(dǎo)管組件定位于缸蓋125/火焰板表面120中，以形成燃燒室。例如，根據(jù)圖7A和7B中所示的構(gòu)造700，可將導(dǎo)管150附接到可在支撐塊720中與噴射器140結(jié)合在一起的套筒710(護(hù)罩)或類似結(jié)構(gòu)。缸蓋125可包括開口730，根據(jù)圖7B，其中相對于火焰板表面120(例如，平面P-P)定位支撐塊720、噴射器140、套筒710和導(dǎo)管150，從而能夠定位噴射器140和導(dǎo)管150，以形成燃燒室105，其中可相對于噴射器140的相應(yīng)的開口146定位相應(yīng)的導(dǎo)管150，從而使燃料射流(例如燃料射流185)能夠穿過孔153。

在另一實施方式中，噴射器頭端可以已經(jīng)定位于火焰板處，并且導(dǎo)管可以隨后附接到噴射器頭端。如圖8A和8B的構(gòu)造800所示，定位環(huán)810具有附接到其上的多個導(dǎo)管150。定位環(huán)810可包括用于附接定位環(huán)810的裝置，例如，定位環(huán)810的內(nèi)表面815可以具有螺紋，其中導(dǎo)管150各自通過連接器817附接。如圖8C的構(gòu)造850所示，定位環(huán)810和導(dǎo)管150可與噴射器140組合組裝。套筒820或類似結(jié)構(gòu)具有并入其中的噴射器140，還可包括與定位環(huán)810的附接機(jī)構(gòu)匹配的附接裝置，例如，套筒820可以包括螺紋端825，定位環(huán)810可以擰到該螺紋端825上，其中可相對于注射器140的相應(yīng)開口146定位相應(yīng)的導(dǎo)管150，從而使燃料射流(例如，燃料射流185)能夠穿過孔153。

應(yīng)當(dāng)理解，圍繞噴射器頭端145布置的導(dǎo)管150的數(shù)量可以是任意期望數(shù)量N(例如，與頭端145中的開口146的數(shù)量一致)，其中N是正整數(shù)。因此，雖然圖2示出了包括六個導(dǎo)管150的配置200，但是圖8A和8B示出了包括三個導(dǎo)管150的構(gòu)造800，相對于噴射器頭端145處的三個開口146定位這三個導(dǎo)管150。

一方面，為了使燃料和原料氣在導(dǎo)管孔中的混合最大化，可有利的使來自燃料噴射器中的開口的燃料的排放方向與孔的中心線精確地共同校準(zhǔn)。為了實現(xiàn)這種精確的共同校準(zhǔn)，可以利用孔來幫助形成開口。在圖9A和9B中示出了這種方法。如圖9A所示，導(dǎo)管150被定位為(例如，如參考圖7A、7B、8A、8B、8C所述的那樣)，使得導(dǎo)管150的第一端157抵接(例如，沒有間隙G)噴射器頭端145。導(dǎo)管150相對于火焰板表面120的平面P-P以及期望的行進(jìn)中心線被校準(zhǔn)為期望的角度θ°，燃料射流(例如，燃料185、685)將沿著該行進(jìn)中心線行進(jìn)。

通過根據(jù)需要定位的導(dǎo)管150，可以在頭端145處形成開口146。在一實施方式中，開口146可以通過電火花加工(EDM)形成，然而，應(yīng)當(dāng)理解的是可以利用任何合適的制造技術(shù)來形成開口146。如圖所示，導(dǎo)管150可用于使得EDM操作能夠以期望的角度執(zhí)行，例如，導(dǎo)管150可用于以一定角度引導(dǎo)工件(例如，EDM電極)引導(dǎo)一定角度，從而能夠形成具有一定校準(zhǔn)度的開口146，從而使燃料射流能夠在行進(jìn)中心線的方向上流動。應(yīng)當(dāng)理解，盡管圖9A和9B示出了導(dǎo)管150抵接噴射器頭端145，此外沿導(dǎo)管150的長度沒有開口，但還可以使用其他布置(例如，圖1-8C中所示的多種構(gòu)造中的任一種)。例如，可將導(dǎo)管150的第一端157定位成接近噴射器頭端145，例如，在它們之間具有間隙G。在另一示例中，導(dǎo)管150可包括沿其長度的一個或多個洞(例如，洞H₁-H_n)。在另一示例中，可根據(jù)構(gòu)造700或850中的任一個將導(dǎo)管150附接為接近噴射器頭端145。

導(dǎo)管150可由適于在燃燒室中應(yīng)用的任何材料形成，例如含金屬材料(如鋼、INCONEL、HASTELLOY等)、含陶瓷材料等。

應(yīng)當(dāng)理解，本文提出的多種實施方式均適用于任何類型的燃料和氧化劑(例如氧氣)，其中這樣的燃料可以包括柴油、噴氣燃料、汽油、原油或精煉石油、石油餾出物、烴(正鏈、直鏈、或環(huán)烷烴、芳烴)、含氧化合物(例如醇類、酯類、醚類、酮類)、壓縮天然氣、液化石油氣、生物燃料、生物柴油、生物乙醇、合成燃料、氫氣、氨氣等，或它們的混合物。

此外，已經(jīng)參照壓縮點(diǎn)火發(fā)動機(jī)(例如，柴油發(fā)動機(jī))對本文提出的多種實施方式進(jìn)行了描述，然而，實施方式可應(yīng)用于任何燃燒技術(shù)，例如直噴式發(fā)動機(jī)、其他壓縮點(diǎn)火發(fā)動機(jī)、火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)、燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)、工業(yè)鍋爐、任何燃燒驅(qū)動系統(tǒng)等。

此外，除了減少碳煙的產(chǎn)生之外，本文提出的多種實施方式還可以減少其他不期望的燃燒產(chǎn)物的排放。例如，通過利用充足的貧燃料的混合物(例如，在射流185的區(qū)域187處)，可以降低一氧化氮(NO)和/或包含氮和氧的其他化合物的產(chǎn)生。此外，如果燃燒過程中在導(dǎo)管的孔(例如，導(dǎo)管150的孔153)的出口處產(chǎn)生恰當(dāng)?shù)幕旌衔铮瑒t可以降低未燃燒的碳?xì)浠衔?HC)和一氧化碳(CO)的排放。

圖10-13示出了涉及形成具有較低的峰值燃料與原料氣比的局部預(yù)混合混合物以最小化地產(chǎn)生在燃燒過程中形成的碳煙和其他不期望的排放物的示例性方法。雖然該方法被示出和描述為一系列按順序執(zhí)行的動作，但是應(yīng)當(dāng)理解和意識到該方法不受順序的次序限制。例如，一些動作可以按照與本文所描述的順序不同的順序發(fā)生。此外，一個動作可以與另一個動作同時發(fā)生。此外，在某些情況下，可能不需要所有動作來實現(xiàn)本文所描述的方法。

圖10示出了用于在燃燒之前提高燃料的混合的方法1000。在1010處，將導(dǎo)管定位和/或校準(zhǔn)為接近燃料噴射器的頭端中的孔眼。導(dǎo)管可以是中空管體，其具有由外壁形成的內(nèi)孔。如前所述，通過引導(dǎo)燃料穿過導(dǎo)管的內(nèi)孔，將原料氣引入到導(dǎo)管中同時發(fā)生湍流混合，導(dǎo)致產(chǎn)生離開導(dǎo)管的、具有較低的峰值燃料與原料氣比的局部預(yù)混合混合物。進(jìn)一步如上所述，可以在外壁中形成多個洞，以便于從燃燒室進(jìn)一步吸入更多的原料氣，從而便于形成具有較低的峰值燃料與原料氣比的局部預(yù)混合混合物。

在1020處，燃料可以通過燃料噴射器噴射，其中燃料穿過孔眼并進(jìn)入到導(dǎo)管的孔中。燃料穿過導(dǎo)管導(dǎo)致燃料與吸入到孔中的原料氣混合，以使混合水平能夠形成所需要的、具有較低的峰值燃料與原料氣比的局部預(yù)混合混合物。

在1030處，離開導(dǎo)管的、具有較低的峰值燃料與原料氣比的局部預(yù)混合混合物可以根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的操作進(jìn)行點(diǎn)燃。與在常規(guī)內(nèi)燃機(jī)或裝置中使用的“過于富”的混合物的燃燒形成的大量不期望的排放物相比，局部預(yù)混合的混合物的點(diǎn)燃導(dǎo)致微量形成或不形成碳煙。

圖11示出了用于將至少一個導(dǎo)管定位于燃料噴射器處以結(jié)合到燃燒室中的方法1100。在1110處，可將至少一個導(dǎo)管定位于燃料噴射器的頭端處的開口附近。在一實施方式中，燃料噴射器可以放置在套筒中以形成組件，使得燃料噴射器的頭端從套筒的第一端突出。至少一個導(dǎo)管可以附接到套筒的第一端，使得校準(zhǔn)該至少一個導(dǎo)管，從而當(dāng)燃料射流穿過燃料噴射器中的相應(yīng)開口時，燃料射流穿過導(dǎo)管中的孔。至少一個導(dǎo)管可以通過任何合適的技術(shù)(例如焊接，機(jī)械附接等)附接到第一套管體的端部。

在1120處，可將包括燃料噴射器、套筒和至少一個導(dǎo)管的組件放置在缸蓋的開口中，從而能夠根據(jù)需要相對于進(jìn)一步形成燃燒室的一部分的缸蓋的火焰板表面的平面P-P對燃料噴射器的頭端和至少一個導(dǎo)管進(jìn)行定位。

圖12示出了用于將至少一個導(dǎo)管定位于并入燃燒室中的燃料噴射器上的方法1200。在1210處，可將燃料噴射器放置在缸蓋的開口中，從而能夠根據(jù)需要相對于缸蓋的火焰板表面的平面P-P對燃料噴射器的頭端進(jìn)行定位。缸蓋與活塞頂和缸孔的壁結(jié)合形成燃燒室。在1220處，可將至少一個導(dǎo)管附接到燃料噴射器的頭端或接近燃料噴射器的頭端，從而可相對于從燃料噴射器的頭端的每個開口噴射的燃料的關(guān)于每個校準(zhǔn)的導(dǎo)管的行進(jìn)方向來定位和/或校準(zhǔn)該至少一個導(dǎo)管。

圖13示出了用于利用導(dǎo)管來引導(dǎo)形成燃料噴射器頭端中的開口的方法1300。在1310處，導(dǎo)管位于燃料噴射器的頭端處，其中，導(dǎo)管可以被定位成抵接頭端，或者定位成在導(dǎo)管的第一(近)端之間具有間隙G?？筛鶕?jù)將燃料從燃料噴射器噴射到燃燒室中的方向校準(zhǔn)導(dǎo)管，例如，相對于燃燒室的火焰板表面的平面P-P以θ°的角度校準(zhǔn)導(dǎo)管。

在1320處，可以在燃料噴射器的頭端中形成開口。如前所述，導(dǎo)管可用于引導(dǎo)開口的形成。例如，如果開口通過EDM形成，則導(dǎo)管的孔可用于將EDM電極引導(dǎo)到燃料噴射器的頭端上將形成開口的點(diǎn)。隨后可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EDM工序形成開口。因此，開口形成在期望的位置，例如，相對于形成導(dǎo)管孔的輪廓的圓的中心放置在中央。此外，例如，開口的壁可被校準(zhǔn)為平行于中心線以使得沿著導(dǎo)管的孔噴射的燃料射流能夠位于孔內(nèi)的中央，從而使燃料與從燃燒室吸入的原料氣之間的混合最大化。

進(jìn)行關(guān)于測量碳煙熾光的實驗，其表明了當(dāng)使用導(dǎo)管將燃料噴射到燃燒室中時是否實現(xiàn)LLFC。在實驗中，實現(xiàn)了LLFC，例如，不形成碳煙的化學(xué)反應(yīng)在整個燃燒事件中持續(xù)。利用OH*化學(xué)發(fā)光來測量火焰的抬舉長度(例如，燃料噴射器開口(孔眼)和自點(diǎn)火區(qū)之間的軸向距離)。OH*是在發(fā)動機(jī)內(nèi)部發(fā)生高溫化學(xué)反應(yīng)時產(chǎn)生的，并且其最上游位置表示從噴射器到燃料開始燃燒處的軸向距離，例如，抬舉長度。

表1中示出了實驗過程中的條件。

表1：燃燒室的操作條件

對表現(xiàn)出高碳煙熾光信號飽和度的基線自由傳播射流(“自由射流”)的火焰進(jìn)行觀察，表明在導(dǎo)管沒有放置到位的情況下產(chǎn)生了大量的碳煙。接下來，對導(dǎo)管射流的燃燒進(jìn)行研究。對多種導(dǎo)管直徑和導(dǎo)管長度進(jìn)行測試，包括約3mm、約5mm和約7mm的導(dǎo)管內(nèi)徑，以及約7mm、約14mm和約21mm的導(dǎo)管長度。

隨后使用與以上針對自由射流所述的相同的成像條件和類似的操作條件進(jìn)行這種導(dǎo)管射流實驗，其中3mm內(nèi)徑×14mm長的平頭鋼導(dǎo)管被定位為在下游距離噴射器約2mm(例如，間隙G＝約2mm)。煤煙熾光信號表現(xiàn)出幾乎不飽和，這表明產(chǎn)生了最少的碳煙(如果有的話)。在基線實驗中，當(dāng)導(dǎo)管后火焰軸向移動跨過燃燒室時，導(dǎo)管后火焰沒有像自由射流火焰一樣廣泛擴(kuò)散。導(dǎo)管引起的混合的組合(如前所述)、并且進(jìn)一步根據(jù)導(dǎo)管的熱傳遞產(chǎn)生以中心線為中心的燃燒火焰。導(dǎo)管在低于燃燒室中的環(huán)境條件(例如，950K)的溫度下運(yùn)行，因此，導(dǎo)管允許噴射的燃料在比會在自由射流火焰中經(jīng)歷的更低的溫度環(huán)境中行進(jìn)(例如，在導(dǎo)管的孔內(nèi))。

在燃料流過導(dǎo)管的過程中產(chǎn)生的湍流度通過確定針對導(dǎo)管的孔內(nèi)條件的雷諾數(shù)(Re)來計算。根據(jù)方程式1(Eqn.1)：

其中ρ是環(huán)境密度，V是速度，L是導(dǎo)管直徑，并且μ是動態(tài)黏度。速度V根據(jù)方程式2(Eqn.2)計算：

其中P_inj為燃料噴射壓力，P_amb為環(huán)境壓力，并且ρ_f為燃料的密度。運(yùn)行條件在Eqn.1和Eqn.2中的應(yīng)用產(chǎn)生的雷諾數(shù)至少為1×10⁴，表明在導(dǎo)管內(nèi)存在湍流條件。

如前所述，例如，由于通過噴射的高速度的燃料射流185在導(dǎo)管入口附近創(chuàng)建的局部低壓，燃料射流185穿過導(dǎo)管150的湍流使得燃料射流185與從導(dǎo)管150的外部吸入的原料氣混合(例如，通過間隙G和/或孔H₁-H_n)。在導(dǎo)管150內(nèi)建立的湍流混合速率可以被認(rèn)為是導(dǎo)管內(nèi)的速度梯度的函數(shù)，其將與在給定軸向位置處的中心線流體速度除以在給定軸向位置處的導(dǎo)管直徑大致成比例。

以上已經(jīng)描述的內(nèi)容包括一個或多個實施方式的示例。當(dāng)然，不可能為了描述上述方面而對上述結(jié)構(gòu)或方法的每個可想到的變型和替換進(jìn)行描述，但是本領(lǐng)域一般技術(shù)人員可以認(rèn)識到，對各個方面的許多進(jìn)一步的變型和置換是可能的。因此，所描述的方面旨在包括落入所附權(quán)利要求的主旨和范圍內(nèi)的所有這樣的改變、變型和變換。此外，就術(shù)語“包括”在說明書或權(quán)利要求書中的使用而言，與術(shù)語“包含”在權(quán)利要求中作為“包含”被用做過渡詞時被解釋的一樣，該術(shù)語意指包含性的。