用于內(nèi)燃機(jī)的富集空氣的氣態(tài)燃料直接噴射的制作方法【
技術(shù)領(lǐng)域：
】[0001]本申請(qǐng)涉及一種使氣態(tài)燃料的供應(yīng)在引入至內(nèi)燃機(jī)的燃燒室內(nèi)之前富集含氧氣體(gascomprisingoxygen)的技術(shù)?！?br>背景技術(shù)：
】[0002]為滿足最嚴(yán)格的規(guī)定的排放水平，在當(dāng)前的直接噴射天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)中是需要后處理系統(tǒng)的。由于發(fā)動(dòng)機(jī)操作范圍內(nèi)的燃燒過(guò)程的性質(zhì)，微粒物質(zhì)(PM)、氮氧化物(NOx)、未燃燒的碳?xì)浠衔?UHC)的排放水平在規(guī)定的水平之上，除非采用了后處理系統(tǒng)。這些后處理系統(tǒng)可以包括微粒過(guò)濾器、氧化催化劑和還原催化劑。優(yōu)選地，通過(guò)改善發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)燃燒過(guò)程來(lái)減少對(duì)這些后處理系統(tǒng)的依賴，以滿足排放規(guī)定并且理想地消除對(duì)后處理系統(tǒng)的需求。[0003]通過(guò)增進(jìn)燃料和含氧氣體(諸如空氣)之間的混合來(lái)提高缸內(nèi)燃燒的“質(zhì)量”的各種技術(shù)，在業(yè)內(nèi)已被研宄和采用。如在本文中使用的，術(shù)語(yǔ)“空氣”可與短語(yǔ)“含氧氣體”互換使用。應(yīng)當(dāng)理解，“含氧氣體”在其最寬泛的意義上講，可以是不同于空氣的或除空氣之外還有的氣體。廣泛采用的混合技術(shù)包括使用較高的噴射壓力、優(yōu)化增壓空氣(chargeair)運(yùn)動(dòng)(諸如旋轉(zhuǎn)和翻滾)、優(yōu)化噴射器噴嘴幾何結(jié)構(gòu)和燃燒室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)、以及為燃料噴射使用多脈沖。[0004]增加燃料噴射壓力是用于提高柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料-空氣混合的最有效的方法中的一種。然而，其在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用有一些嚴(yán)重的障礙。首先，具有較高壓力評(píng)級(jí)的氣態(tài)燃料系統(tǒng)需要專門的設(shè)計(jì)和材料，這在顯著地增加燃料系統(tǒng)成本的同時(shí)減小了部件的可靠性或壽命。其次，適合于高負(fù)荷條件的較高噴射壓力可能不適合于較低負(fù)荷條件(關(guān)于調(diào)節(jié)比(turndownrat1)的問(wèn)題)，并且因此這對(duì)噴射器/燃料系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)生了更大的壓力來(lái)覆蓋用于不同負(fù)荷條件的寬范圍的操作壓力。最后，氣態(tài)燃料的混合過(guò)程略微不同于液體燃料的混合過(guò)程。具體而言，氣態(tài)燃料不具有將空氣夾帶(entrain)至燃料射流的中心的霧化相。結(jié)果，在噴霧破碎和霧化過(guò)程期間較高噴射壓力對(duì)提高燃料/空氣混合的影響沒(méi)有施加至氣態(tài)燃料射流。[0005]通過(guò)增壓空氣運(yùn)動(dòng)提高混合對(duì)于某些發(fā)動(dòng)機(jī)型式是有效的，但對(duì)于其他發(fā)動(dòng)機(jī)型式卻并不有效。由于一旦發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)被固定，就幾乎不能施加控制以改變?cè)鰤嚎諝膺\(yùn)動(dòng)，所以在不同的發(fā)動(dòng)機(jī)操作點(diǎn)處最優(yōu)化是不可行的。作為一個(gè)額外的缺點(diǎn)，由于增壓空氣運(yùn)動(dòng)主要影響增壓部的主體運(yùn)動(dòng)(bulkmot1n)，其對(duì)于局部混合的有效性是有限的。[0006]類似于增壓空氣運(yùn)動(dòng)，噴射噴嘴和燃燒室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)對(duì)不同操作條件下的燃燒過(guò)程具有不同的影響。雖然在某些發(fā)動(dòng)機(jī)操作點(diǎn)處可以獲得最優(yōu)化，但是對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)圖(enginemap)的全局最優(yōu)化是困難的。[0007]已經(jīng)證明了多個(gè)噴射脈沖在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中對(duì)于PM減少是有效的。然而，它的應(yīng)用受限于噴射器(控制器和驅(qū)動(dòng)器)的響應(yīng)時(shí)間、總噴射持續(xù)時(shí)間以及噴射器動(dòng)力學(xué)。它對(duì)于以氣態(tài)燃料供燃的發(fā)動(dòng)機(jī)的有效性還沒(méi)有被證明。[0008]上面的技術(shù)都沒(méi)能完全解決的一個(gè)重要問(wèn)題是發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)行為。在一個(gè)瞬時(shí)狀態(tài)中，發(fā)動(dòng)機(jī)可以在一段短的持續(xù)時(shí)間內(nèi)從低負(fù)荷操作轉(zhuǎn)變成高負(fù)荷操作。在每個(gè)循環(huán)所噴射的燃料的量迅速地增加，以提供與增加的負(fù)荷的要求相匹配的增加的扭矩。在瞬時(shí)期間，空氣處理系統(tǒng)通常滯后于燃料系統(tǒng)。結(jié)果，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)受暫時(shí)的氧化劑“匱乏”，或者用技術(shù)術(shù)語(yǔ)說(shuō)，當(dāng)量比的增加導(dǎo)致排氣中的PM和一氧化碳(CO)的水平升高。[0009]空氣輔助的液體燃料噴射技術(shù)是已知的。在噴射事件期間采用加壓的空氣作為用于噴射液體燃料的高壓源?？諝獾膲毫ο薅▏娚鋲毫Γ⑶铱諝夤?yīng)不能被關(guān)停，因?yàn)榭諝夤?yīng)對(duì)于燃料噴射是必要的。在一個(gè)燃料噴射器內(nèi)將液體燃料與壓縮的空氣混合，因?yàn)樵趪娚淦鞯母嫌翁幓旌弦后w燃料和空氣是不實(shí)際。在噴射之前，液體燃料和空氣不形成同質(zhì)(homogenous)混合物。在空氣輔助的噴射中，空氣被用作驅(qū)動(dòng)者，以將液體燃料驅(qū)動(dòng)至汽缸內(nèi)并且?guī)椭鷮⒃撊剂响F化。在噴射之前，實(shí)際上沒(méi)有空氣和液體燃料之間的“混合”。[0010]現(xiàn)有技術(shù)正缺乏如下技術(shù):所述技術(shù)用于在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)圖中且在瞬時(shí)條件期間提高以氣態(tài)燃料供燃的直接噴射內(nèi)燃機(jī)的燃燒質(zhì)量來(lái)降低排放水平，由此減小且理想地消除對(duì)后處理系統(tǒng)的依賴性。本發(fā)明的方法和裝置提供一種用于提高以氣態(tài)燃料供燃的直接噴射內(nèi)燃機(jī)中的燃燒過(guò)程的質(zhì)量的技術(shù)?！?br/>發(fā)明內(nèi)容】[0011]公開(kāi)了一種用于將氣態(tài)燃料引入至內(nèi)燃機(jī)的燃燒室內(nèi)的改進(jìn)的方法，該方法包括:形成氣態(tài)燃料和含氧氣體的不燃混合物(non-1gnitablemixture)，所述不燃混合物具有適合于在至少壓縮沖程期間將該不燃混合物直接引入至燃燒室內(nèi)的壓力；以及，將該不燃混合物直接引入至燃燒室內(nèi)。所述不燃混合物包括的混合物質(zhì)量比小于氣態(tài)燃料在含氧氣體中的易燃性上限(upperflammabiIitylimit,UFL)處的質(zhì)量比。當(dāng)所述氣態(tài)燃料包括甲烷且含氧氣體是空氣時(shí)，混合物質(zhì)量比(含氧氣體的質(zhì)量:氣態(tài)燃料的質(zhì)量)可以在O:1和8.8:1之間，更優(yōu)選地，所述混合物質(zhì)量比在O:1至2:1之間，并且最優(yōu)選地，所述混合物質(zhì)量比在0.25:1至1:1之間。所述不燃混合物在燃燒室中形成射流，所述射流在所述射流內(nèi)和周圍具有受控的當(dāng)量比?？梢噪S著發(fā)動(dòng)機(jī)操作條件的變化來(lái)調(diào)整該不燃混合物中的氣態(tài)燃料與含氧氣體之間的混合物質(zhì)量比。含氧氣體可以是空氣。所述氣態(tài)燃料可以是天然氣、乙烷、甲烷、丙烷、生物氣、填埋氣、二甲醚、氫氣及它們的混合物中的至少一種。[0012]該方法還包括:隨著發(fā)動(dòng)機(jī)操作條件的變化對(duì)氣態(tài)燃料加壓；壓縮含氧氣體；以及將加壓的氣態(tài)燃料與壓縮的含氧氣體混合。含氧氣體在其被壓縮之后可以被儲(chǔ)存在一個(gè)收集器或管路中。當(dāng)混合時(shí)，含氧氣體的壓力可以小于氣態(tài)燃料的壓力，或當(dāng)混合時(shí)含氧氣體的壓力在一個(gè)預(yù)定容差范圍內(nèi)等于氣態(tài)燃料的壓力，或者當(dāng)混合時(shí)含氧氣體的壓力大于氣態(tài)燃料的壓力。所述混合可以在一個(gè)燃料噴射器的內(nèi)部發(fā)生或者可以在燃料噴射器的上游發(fā)生?？梢噪S著發(fā)動(dòng)機(jī)操作條件的變化來(lái)調(diào)節(jié)和調(diào)整氣態(tài)燃料與含氧氣體之間的偏壓。在瞬時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)操作條件期間，所述偏壓也可以被調(diào)整。該方法還包括當(dāng)混合時(shí)隨著一個(gè)控制閥兩端的壓差的變化來(lái)計(jì)量進(jìn)入不燃混合物中的含氧氣體。[0013]壓縮含氧氣體包括以下中的至少一項(xiàng):采用內(nèi)燃機(jī)的廢氣中的能量；采用通過(guò)內(nèi)燃機(jī)推進(jìn)的車輛的動(dòng)量中可用的能量；采用內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力輸出；采用內(nèi)燃機(jī)中的汽缸的壓縮沖程；采用液壓驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)；以及采用電壓縮機(jī)。對(duì)于含氧氣體可以存在多于一級(jí)的壓縮，并且含氧氣體可以在這些級(jí)之間被冷卻。[0014]氣態(tài)燃料壓力在混合之前可以與不燃混合物的壓力在一個(gè)預(yù)定容差范圍內(nèi)相等，并且含氧氣體的壓力在混合之前可以小于該不燃混合物的壓力?；旌峡梢园?將含氧氣體引入至一個(gè)混合-壓縮裝置內(nèi)；在含氧氣體之后將氣態(tài)燃料引入至所述混合-壓縮裝置內(nèi)；以及，壓縮該不燃混合物。[0015]一種用于將氣態(tài)燃料引入至內(nèi)燃機(jī)的燃燒室的改進(jìn)的裝置，該裝置包括:一個(gè)氣態(tài)燃料的供應(yīng)部；一個(gè)含氧氣體的供應(yīng)部；一個(gè)用于形成氣態(tài)燃料和含氧氣體之間的不燃混合物的混合物形成裝置；以及，一個(gè)用于將該不燃混合物直接引入至燃燒室中的增壓部(charge)內(nèi)的噴射閥。所述混合物形成裝置可以包括:一個(gè)混合裝置，所述混合裝置用于將從含氧氣體供應(yīng)部接收的含氧氣體與從氣態(tài)燃料供應(yīng)部接收的氣態(tài)燃料混合；以及，一個(gè)壓縮裝置，所述壓縮裝置用于壓縮所述不燃混合物。[0016]替代地，所述混合物形成裝置包括:一個(gè)壓縮裝置，所述壓縮裝置用于壓縮從含氧氣體供應(yīng)部接收的含氧氣體；一個(gè)泵送裝置，所述泵送裝置用于泵送從氣態(tài)燃料供應(yīng)部接收的氣態(tài)燃料；以及，一個(gè)混合裝置，所述混合裝置用于將從所述壓縮裝置接收的含氧氣體與從所述泵送裝置接收的氣態(tài)燃料混合。混合裝置上游的壓力調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)氣態(tài)燃料和含氧氣體之間的偏壓。所述混合裝置和所述噴射閥可以被集成在一個(gè)燃料噴射器中。所述壓縮裝置可以包括:第一壓縮機(jī)，所述第一壓縮機(jī)用于給含氧氣體加壓；以及，第一儲(chǔ)存器，所述第一儲(chǔ)存器用于儲(chǔ)存從所述第一壓縮機(jī)接收的含氧氣體。所述第一壓縮機(jī)可以通過(guò)來(lái)自所述內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力輸出驅(qū)動(dòng)；可以通過(guò)由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力的電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)；可以通過(guò)由內(nèi)燃機(jī)的廢氣驅(qū)動(dòng)的渦輪驅(qū)動(dòng)。當(dāng)含氧氣體是空氣時(shí)，所述第一壓縮機(jī)可以包括內(nèi)燃機(jī)的一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)器，由此通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)器壓縮的空氣的至少一部分被儲(chǔ)存在所述第一儲(chǔ)存器內(nèi)。所述裝置還可以包括:第二壓縮機(jī)，所述第二壓縮機(jī)用于壓縮來(lái)自所述第一儲(chǔ)存器的含氧氣體；以及，第二儲(chǔ)存器，所述第二儲(chǔ)存器用于儲(chǔ)存從所述第二壓縮機(jī)接收的含氧氣體?？梢酝ㄟ^(guò)由所述發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力的另一個(gè)電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)所述第二壓縮機(jī)；或者可以通過(guò)內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力輸出驅(qū)動(dòng)所述第二壓縮機(jī)。[0017]所述第一壓縮機(jī)可以包括用作第一級(jí)壓縮的內(nèi)燃機(jī)的汽缸和活塞。在此實(shí)施方案中，所述裝置還包括:一個(gè)電子控制器；在所述汽缸和所述第一儲(chǔ)存器之間的一個(gè)止回閥，所述止回閥能操作以在壓縮沖程期間遞送通過(guò)汽缸中的活塞壓縮的空氣的一部分；以及在所述第二儲(chǔ)存器與所述混合裝置之間的一個(gè)控制閥，所述控制閥與所述電子控制器能操作地連接；由此所述電子控制器指令所述控制閥計(jì)量到所述混合裝置內(nèi)的預(yù)定量的含氧氣體。第一壓力傳感器提供表示所述控制閥的上游的含氧氣體壓力的第一壓力信號(hào)；以及，第二壓力傳感器提供表示所述控制閥的下游的含氧氣體壓力的第二壓力信號(hào)。所述電子控制器接收所述第一壓力信號(hào)和第二壓力信號(hào)，并且隨著所述第一壓力信號(hào)和第二壓力信號(hào)以及所述混合裝置的上游的氣態(tài)燃料壓力的變化來(lái)指令所述控制閥?？梢酝ㄟ^(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)圖中的一個(gè)條目和第三壓力傳感器兩者之一來(lái)確定氣態(tài)燃料壓力?！靖綀D說(shuō)明】[0018]圖1是根據(jù)第一實(shí)施方案的用于內(nèi)燃機(jī)的、用于使氣態(tài)燃料富集含氧氣體的直接噴射裝置的示意圖。[0019]圖2是根據(jù)第一實(shí)施方案的圖1的直接噴射裝置的混合和噴射裝置的示意圖。[0020]圖3是根據(jù)第二實(shí)施方案的圖1的直接噴射裝置的混合和噴射裝置的示意圖。[0021]圖4是根據(jù)第二實(shí)施方案的用于內(nèi)燃機(jī)的、用于使氣態(tài)燃料富集含氧氣體的直接噴射裝置的示意圖。[0022]圖5是根據(jù)第三實(shí)施方案的用于內(nèi)燃機(jī)的、用于使氣態(tài)燃料富集含氧氣體的直接噴射裝置的示意圖。[0023]圖6是根據(jù)第四實(shí)施方案的用于內(nèi)燃機(jī)的、用于使氣態(tài)燃料富集含氧氣體的直接噴射裝置的示意圖。[0024]圖7是根據(jù)第一實(shí)施方案的圖1和圖2的直接噴射裝置的壓縮裝置的示意圖。[0025]圖8是根據(jù)第二實(shí)施方案的圖1和圖2的直接噴射裝置的壓縮裝置的示意圖。[0026]圖9是根據(jù)第三實(shí)施方案的圖1和圖2的直接噴射裝置的壓縮裝置的示意圖。[0027]圖10是根據(jù)第五實(shí)施方案的用于內(nèi)燃機(jī)的、用于使氣態(tài)燃料富集含氧氣體的直接噴射裝置的示意圖。[0028]圖11是根據(jù)第六實(shí)施方案的用于內(nèi)燃機(jī)的、用于使氣態(tài)燃料富集含氧氣體的直接噴射裝置的示意圖。[0029]圖12a是在進(jìn)氣沖程期間，當(dāng)含氧氣體被引入用于圖11的直接噴射裝置的泵時(shí)，示出的用于將氣態(tài)燃料與含氧氣體混合的泵的示意圖。[0030]圖12b是在壓縮沖程期間，當(dāng)含氧氣體不再被引入且氣態(tài)燃料被引入時(shí)，示出的圖12a的泵的示意圖。[0031]圖12c是圖12b中的壓縮沖當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3 4 5