用于操作气体燃料直接注入式内燃发动机的方法和系统与流程

本发明涉及一种用于操作气体燃料内燃发动机的方法，其中，以高于300巴的压力将气体燃料直接注入燃烧室。

背景技术：

气体燃料内燃发动机在汽车行业中以作为柴油燃料发动机的可能替代而著名。用气体燃料替换柴油燃料提供了减少排放的可能性，因为柴油燃料燃烧产生较高浓度的污染物。本文一般将气体燃料定义为在标准压力和温度条件下为气相的燃料。本文将“标准压力和温度”定义为1巴(14.5psi)的绝对压力和0摄氏度(32华氏度)。天然气是可燃气体的混合物，其确切成分根据来源而不同，但其通常主要是甲烷。其他气体燃料包括乙烷、丙烷和其他易燃气体烃类衍生物、氢以及它们的混合物。与常规液体燃料相比，公开的气体燃料通常燃烧更洁净，可以由可再生来源生产，并且通常是容易得到的。例如，天然气是如今可用的最充足的烃类燃料之一。

然而，用气体燃料替代柴油燃料，同时保持柴油燃料发动机的包括柴油发动机的功率和效率的性能，并且同时进一步减少发动机排放，这是一个挑战。

对于一种类型的内燃发动机，气体燃料被直接注入内燃发动机的燃烧室中，当活塞接近上死点时，引起燃料以扩散燃烧模式或以分层模式燃烧，并且在这种直接注入式发动机中，可以通过少量的引燃燃料(例如，使燃料完全且有效燃烧的柴油燃料)点燃气体燃料。在本申请人之前的专利例如若干美国专利(US7463967、US8028676、US8469009和US8555852)中已经描述了这种双燃料发动机。

由于气体燃料是可压缩的流体，因此相比于液体燃料，压缩气体燃料并提高气体燃料的压力需要更多的能量。因此在过去，确定最大气体燃料注入压力的主要因素之一是使用在全负荷下迫使气体进入燃烧室所需的最小压力。较低的气体燃料注入压力通常是理想的，因为采用较高的注入压力会增加发动机系统上的附加负荷。由于已经转换为双燃料操作的常规柴油燃料发动机在约200巴的压缩冲程期间具有最大的汽缸压力，因此高于约200巴的气体燃料注入压力(例如，高达约300巴(30MPa或4,350psi)的注入压力)足以克服汽缸压力，同时能量足以使燃烧室内的气体燃料分散并注入理想量的燃料以达到有效燃烧，如申请人的美国专利8,095,294中所述的。该专利认识到汽缸压力的变化会影响燃料注入器的阀针打开和关闭的速度，从而可响注入到燃烧室中的燃料的量，并且该专利通过校正燃料注入器保持打开的时间量(“脉冲宽度”)从而调节加燃料量而解决了该问题。并未研究在较高压力下注入气体燃料。

共有的美国专利号7,162,995描述了一种将气体燃料注入到高压直接注入式内燃发动机的方法，该方法包括选择造成超过并靠近注入器喷嘴处的欠膨胀气体燃料的注入压力，并且该专利提到，以超过30MPa(300巴)的注入压力将气体燃料注入燃烧室，该注入压力具有随注入压力和汽缸压力而变化并大于气流被阻塞时超过的比率的压力比。这样的压力比提供超音速流入天然气燃料直接注入式发动机的燃烧室所需的压力，同时避免干扰汽缸壁和活塞。如该专利所述，在大多数情况下，注入压力将超过10MPa(100巴)，并且注入压力将被选择为使得其避免气体喷流干扰汽缸壁或活塞。

虽然气体燃料通常比常规柴油发动机燃烧得更洁净，通过对发动机排出的气体进行后处理可以进一步改善气体燃料发动机的尾气排放，以减少微粒物质、烃类和NOx的水平。但这样的后处理系统可能较复杂，而且会增加整体发动机系统的成本。

虽然现有技术中的一些已经提到以高于300巴的注入压力将气体燃料注入到内燃发动机的燃烧室中，但并没有已知的现有技术进一步研究在这样的高压下发动机的性能和效率，以确定允许更好的发动机性能和效率且同时改善发动机排放的注入压力的优选范围以及注入压力和峰值汽缸压力之间的压力比的优选范围。

因此，仍然有必要研究这些发动机参数，以便进一步降低气体燃料发动机的排放水平以及降低后处理系统的复杂性和成本且同时保持或优选地改善发动机效率和性能。

技术实现要素：

公开了一种用于操作气体燃料直接注入式内燃发动机的方法。该方法包括以高于300巴的注入压力将气体燃料直接注入到燃烧室中，其中，注入压力和峰值汽缸压力之间的比率在1.6:1至3:1之间。在优选实施例中，注入压力和峰值汽缸压力之间的比率在2.5:1至2.8:1之间。已经证明，对于一些发动机来说，当注入压力高于300巴且小于约540巴且优选地小于440巴时，实现了发动机效率和减少微粒物质排放的最大效益。

这里将注入压力定义为在注入器的充气室中的气体燃料的压力。在行业里已知注入器的充气室是位于注入器的底部区域中的燃料腔，在阀座上方围绕针阀。如申请人的美国专利号7,527,048和7,090,145或加拿大专利号2780864中所述的，通过燃料入口从共轨向燃料腔供应燃料。在这些设计中，注入器的充气室中的气体燃料的压力(且因此注入压力)基本上与气轨压力相同。在其他注入器设计中，以较低压力将燃料从共轨供应至注入器，并且通过位于注入器主体中的增强器将燃料的压力增加至注入到燃烧室中的理想压力。在这些设计中，注入压力(注入器的充气室中的压力)通常高于气轨压力。

对于配备有废气再循环系统的发动机，该方法还包括：检测通过操作发动机所产生的NOx排放，并增加再循环至发动机进气口的废气量，从而将NOx排放维持在最大预定水平以下。

可以根据燃料输送参数确定气体燃料注入压力，所述燃料输送参数定义为随气体燃料通过注入器喷嘴的预定静态流速和预定的每汽缸发动机功率而变化。在本公开内容中，燃料输送参数优选地在0.45至0.6的范围内。

在本方法中，注入压力以及注入到燃烧室中的气体燃料的喷流的方向确定为使得喷流冲击在燃烧室内的活塞的至少一个表面上。当气体燃料喷流被注入到燃烧室中时，气体燃料喷流的方向取决于例如注入角度和注入器喷嘴在燃烧室中的定位。

气体燃料直接注入式内燃发动机包括：燃烧室；用于将一定量的气体燃料直接注入到燃烧室中的气体燃料注入器；用于将一定量的空气引入到燃烧室中的进气系统；以及废气系统，该废气系统包括与燃烧室连通的废气管线。内燃发动机还包括控制器，该控制器编程为将气体燃料的注入压力控制为高于300巴并具有确定为随气体燃料的注入压力与峰值汽缸压力之间的压力比变化的值(的压力)，其中，压力比在1.6:1至3:1之间。发动机还包括帮助点燃气体燃料的点燃辅助(assist)装置。在一些实施例中，发动机包括用于将一定量的引燃燃料直接引入燃烧室中的引燃燃料注入器，其中，引燃燃料辅助气体燃料的点燃，或者可以通过双燃料注入器注入引燃燃料，所述双燃料注入器能将气体燃料和引燃燃料直接注入到燃烧室中。在其他实施例中，可以替代引燃燃料或者与引燃燃料结合地使用其他熟知的点燃辅助装置，诸如，热表面(例如，电热塞)、火花塞和催化元件。

在优选实施例中，气体燃料的注入压力与峰值汽缸压力之间的压力比在2.5:1至2.8:1之间。对于一些发动机来说，当注入压力高于300巴且小于约540巴且优选地小于440巴时，实现发动机效率和减少微粒物质排放的最大效益。

气体燃料注入器具有带孔的喷嘴，气体燃料通过所述孔注入到燃烧室中，并且孔的直径根据燃料输送参数计算，该燃料输送参数随气体燃料注入压力和预定的每汽缸发动机功率而变化。在优选实施例中，燃料输送参数具有在0.45至0.6的范围内的值。

附图说明

附图示出了设备和本方法的实验结果的具体优选实施例，但不得视为以任何方式限制本发明的精神或范围。

图1是可用于实践本公开方法的直接注入式气体燃料内燃发动机系统的示意图；

图2是包括废气后处理子系统和废气再循环回路的直接注入式气体燃料内燃发动机系统的示意图；

图3A、图3B和图3C示出了图表，这些图表分别示出了在以不同注入压力操作本公开内容的气体燃料内燃系统时记录的滤纸烟度数(filter smoke number)、峰值汽缸压力以及涡轮入口温度的值，这些值相对于在28.5MPa的注入压力下为15升测试发动机所记录的这些参数的相应参考值示出；

图4示出了图表，该图表示出了当以不同注入压力操作气体燃料直接注入式发动机时记录的发动机功率值和热效率值，其中，热效率值相对于基线(baseline，基数)发动机操作条件示出；

图5A至图5D示出了图表，这些图表示出NOx、峰值热释放率、声响强度以及汽缸压力上升的峰值速率的测得值，这些值在以不同注入压力操作该气体燃料内燃发动机时记录，并且这些值相对于28MPa的注入压力所记录的它们的参考值示出；

图6示出了增加气体燃料注入压力并调节废气再循环水平以控制NOx排放且同时优化制动比油耗(brake specific fuel comsumption)值的方法的步骤；

图7示出了图表，该图表示出了不同注入压力下的本公开内容的气体燃料内燃发动机的估计热效率，其随滤纸烟度数(FSN)而变化，其中，这些参数相对于基线发动机操作条件示出；

图8示出了图表，该图表示出了本文公开的气体燃料内燃发动机在汽缸功率值不同、注入压力不同以及注入器喷嘴设计不同的情况下的燃料输送参数的值；以及

图9A至图9D示出了图表，这些图表示出了当以不同压力比且在不同发动机操作模式下操作本公开内容的气体燃料发动机时相对于基线发动机操作条件的相应值的滤纸烟度数、发动机热效率、声响强度和峰值热释放率的记录值。

具体实施方式

参考图1，内燃发动机系统100示出了直接注入式气体燃料发动机的说明性实施例。在该示例中，系统将气体燃料作为液化气存储在气体存储罐111中，并通过燃料注入阀141将气体燃料直接注入到燃烧室中。在该实施例中，比主气体燃料更容易点燃的引燃燃料通过燃料注入阀141注入，以辅助气体燃料的点燃。在其他实施例(未示出)中，可以替代引燃燃料或者与引燃燃料结合使用其他熟知的点燃辅助装置，诸如，热表面(例如，电热塞)、火花塞和催化元件。气体燃料存储的方式对本公开方法并不重要，气体燃料可以作为压缩气体存储在压力容器中，或者对于固定应用，燃料可以从管线输送并压缩至所需的压力。在所示附图中，燃料存储为液化天然气(LNG)，被压缩至理想压力，然后汽化以便以气体形式输送至燃料注入器。

内燃发动机系统100通常包括气体燃料输送子系统110、引燃燃料输送子系统120、燃料注入子系统140以及控制器150。下文将更详细地描述这些子系统的每个。

气体燃料输送子系统110包括存储罐111、泵112、气体燃料供应管线113、汽化器114、积聚器(accumulator)容器115、气体燃料轨116、气体燃料轨压力传感器117以及调压阀118。对于用于为车辆提供动力的发动机，车辆上携带燃料的空间可能有限，所以理想的是以低温下的液化形式存储气体燃料，因为这会增加燃料的能量密度，减少存储体积。示出了泵112带有置于存储罐111的低温空间内侧的吸入口，泵112的工作室也可以嵌入在低温空间中，驱动轴从其上延伸出并连接至置于低温空间外侧的驱动单元，或者泵112的工作室可以完全位于存储罐111外部，由隔热管将泵连接至存储罐。在一些实施例中，增压压缩机119(在图1中用虚线示出的轮廓)可以设置在气体燃料管线上，以进一步提高气体燃料输送至燃料注入器的压力。本公开方法还可以对以气态形式存储的气体燃料起作用，例如，作为压缩天然气(CNG)存储在额定压力容器中的气体燃料。

引燃燃料输送子系统120包括存储罐121、计量阀122、泵123、引燃燃料轨124、止回阀125、引燃轨压力传感器126和引燃燃料管线127。在所示实施例中，计量阀122通过控制输送至泵123的引燃燃料的量来控制引燃燃料轨124中的引燃燃料压力。引燃燃料管线127在调压阀118的控制室处终止，从而操作调压阀118中的阀构件，以随引燃燃料轨124中的引燃燃料压力的变化控制气体燃料轨116中的燃料压力。通过这种布置，通过引燃燃料压力控制气体燃料压力。本方法还可以用在包括用于分开控制引燃燃料轨压力和气体燃料轨压力的其他布置或者随气体燃料压力的变化控制引燃燃料压力的布置的系统中。

在优选实施例中，多缸发动机采用图1所示的发动机系统，其中气体燃料供应轨116将燃料输送至多个燃料注入阀，但为了简化设备的说明，仅示出了一个燃料注入阀和一个燃烧室。

燃料注入阀141将燃料直接注入到由汽缸143、活塞144和汽缸盖(head)148限定的燃烧室142中。进气阀145在进气冲程期间打开，以允许将进气引入到燃烧室142。在其他情况中进气阀145关闭。进气可以只包括空气，或者如果发动机配备有如图2中进一步所示的废气再循环系统，则进气可以包括空气和再循环废气。在进气冲程期间，排气阀146保持关闭。

如图1数据通信虚线所示，控制器150与多个部件通信，以从传感器接收测得的发动机参数，例如，气体燃料轨压力和引燃燃料轨压力，并向发动机部件(例如，燃料注入阀141、泵112和泵123)的致动器发送信号。控制器150可以是发动机控制器本身，或者其可以是与由改装为将气体燃料作为主要燃料操作之前的发动机使用的常规柴油发动机控制器交互的独立控制器。虽然有直接测量汽缸压力的仪器，但这种仪器较为昂贵，更适合于研究目的，并且认为其对于大规模的商业用途来说不够经济、实用以及可靠。因此，通常通过从与汽缸压力相关的参数(诸如，进气歧管压力和温度、排放歧管压力、发动机转速和注入开始时间)的间接测量结果重建来粗略估计注入事件期间的汽缸压力。在本公开内容中，示出了随着注入压力而变化以及随着注入压力和汽缸压力之间的比率而变化的试验结果，注入压力在本文定义为注入器的充气腔中燃料的压力。

当控制器150与常规柴油机控制器交互时，控制器150可以从柴油机控制器接收输入数据，所述数据诸如位，注入开始时间、加燃料量，以及表示与指示发动机操作状态的参数(诸如，发动机转速)相关联的数值的其他输入数据。

图1所示的发动机系统还可以包括额外的设备，诸如用于进一步控制车辆排放的废气后处理系统。这种后处理系统在图2中示出，图2示出了包括废气后处理子系统和废气再循环回路的直接注入式气体燃料内燃发动机系统的示意图。内燃发动机系统200通常包括发动机230、气体燃料输送子系统210、柴油燃料输送子系统220和控制器250。发动机系统还包括进气管线231和废气管线232。从发动机沿方向233排出的废气中的一些沿方向235被引导通过废气再循环回路234，并通过阀236进入进气管线231，在进气管线中，废气与流过进气管线231的进气混合。新鲜进气和再循环的废气的混合物沿箭头237所示的方向被输送至发动机230的进气口。从发动机230排出的未经过再循环的废气沿箭头238所示的方向流过涡轮增压器239的涡轮，并到达与废气后处理子系统260连接的管线240上，废气在该管线处通过废气管266释放至大气中。涡轮增压器239优选地具有本领域技术人员已知的可变几何结构(geometry)。

在所示实施例中，废气后处理子系统260包括选择性催化还原(SCR)转换器261、尿素注入系统262、微粒过滤器263(称为“DPF”)和柴油燃料注入器264。DPF 263可以包括用于对废气中的碳氢化合物和一氧化碳进行氧化的柴油氧化催化装置。

图2所示的这种废气后处理系统可能较为昂贵，并且增加发动机系统的总体成本。因此，理想的是减少发动机排放(特别是微粒物质排放)，以优选地省去后处理系统或用成本较低的替代物代替。可以在发动机废气中放置NOx传感器265和267以及微粒物质传感器268，分别用于检测发动机的NOx以及微粒物质排放。

已发现对于诸如图1和图2所示的发动机系统来说，通过将注入压力增加至30MPa(300巴)以上可以实现FSN(滤纸烟度数)的最高达90％的显著减少。滤纸烟度数(FSN)被视为与发动机微粒物质排放直接相关的指标。这些结果在图3A中示出，该图示出了滤纸烟度数(FSN)与参考滤纸烟度数(FSN_参考)之间的比率的下降趋势。如图3A所示，注入压力超过30MPa(300巴)时，尤其是注入压力在30MPa和约45MPa之间时，滤纸烟度数相比于参考滤纸烟度数减小。对于以1500RPM的转速和2400N.m的转矩操作的常规15升直接注入式气体燃料发动机已获得所示结果。在图3A中，FSN表示发动机以不同注入压力操作时测得的滤纸烟度数，FSN_参考表示在约28.5MPa(285巴)的注入压力下受试发动机的基础加燃料情况的滤纸烟度数。

如图3A所示，以高于300巴的注入压力对样本发动机进行的试验显示出与现有技术中(例如在美国专利号8,091,536中)描述的结果不同的结果，该美国专利通过操作以最高达3:1的不同压力比加入氢气和甲烷的混合物作为燃料的内燃发动机获得结果，其中燃烧时间不同，并且压力最高达300巴。引用的现有技术中以800RPM的发动机转速和低负荷进行的试验得出了以下结论：相比于加有相同气体燃料混合物作为燃料但注入压力较低的发动机，较高的注入压力导致微粒物质的水平略微增加。

如图3B和图3C进一步所示，还观察到，相比于28.5MPa(285巴)的参考注入压力时的峰值汽缸压力(PCP)和涡轮入口温度(Turb.Inlet T.)，这些参数的相应值在增加的注入压力下降低。对同一15升试验发动机且在相同的发动机操作条件(1500RPM的发动机转速和2400N.m的转矩)下证实了这一点。如图3B所示，不同注入压力下的峰值汽缸压力(PCP)与28.5MPa的注入压力下的峰值汽缸压力的参考值(PCP_参考)之间的比率显示出下降趋势，注入压力在300巴与440巴之间时差异较显著。对于测得的涡轮入口温度(Turbo.Inlet T.)与28MPa的注入压力时测得的涡轮入口温度的参考值(Turbo.Inlet T._参考)之间的比率，观察到了类似的下降趋势，如图3C所示。由于峰值汽缸压力是限制燃烧室中燃烧的推进的参数，而涡轮入口温度是限制发动机循环中燃烧可以延迟多晚的参数，因此图3B和图3C所示的结果显示出允许以高于300巴的注入压力操作的直接注入式气体燃料发动机的更为灵活的燃烧分阶段策略的积极效果。本文所示结果将涡轮入口温度考虑在内，因为受试发动机系统还包括下述涡轮增压器，该涡轮增压器包括安装在废气系统中的涡轮，以使用废气中的焓(enthalpy，热含量)来驱动用于增加进气压力的压缩机，但在不使用涡轮增压器的其他系统中，图3C所示的数据对应离开发动机的排放歧管的废气的温度。

如上所述进行的试验的结果还表明，通过将注入压力增加至45MPa(450巴)以上，更具体地增加至44MPa(440巴)以上，在减小FSN、降低的峰值汽缸压力以及降低的涡轮入口温度方面的效益逐渐减小。由于存在与逐渐增加的注入压力相关联的附加损失，实验数据表明气体燃料注入压力的理想范围存在上限。

在受试发动机中，对于本公开内容所示的所有试验结果，注入器不包括增强器，因此注入压力基本上与气轨压力相同。可以理解，本文所讨论的相同试验结果和注入压力以及压力比的优选值将适用于使用包括增强器的注入器的发动机。

提高气体燃料注入压力对峰值汽缸压力以及涡轮入口温度或废气温度的积极影响允许更为灵活的燃烧分阶段策略，这允许推进和/或延迟燃烧时间，同时增加燃料注入量，这意味着发动机可以产生较多功率。较高的注入压力会提高燃料注入速率和燃烧速率，这使得对于给定功率来说效率较高，包括最大功率下的效率增加。注入压力增加对发动机的热效率和发动机功率的影响在图4中示出，该图示出了对于最高额定功率为356kW的15升发动机，在三种不同注入压力下热效率相对于基线热效率随发动机功率的变化，发动机转速为1750RPM，固定EGR速率为约12％。基线热效率是以1500RPM的转速和2400N.m的转矩操作的常规15升直接注入式气体燃料发动机的热效率。该数据还表明，将气体燃料注入压力增加至约500巴没有显示出显著优于以约400巴的注入压力操作发动机的益处，再次表明气体燃料的理想注入压力范围存在上限和下限。

在对以1500RPM的发动机转速和2400N.m的转矩操作的15升气体燃料直接注入式内燃发动机(其中空气供应、EGR和燃料流速固定)进行的试验中，观察到在超过约440巴的注入压力下，NOx排放、峰值热释放率和声响强度也趋向于增加得超过申请人可接受的水平，如图5A、图5B和图5C所示。图5A示出了测得NOx排放相对于参考NOx排放值，图5B示出了峰值热释放率(HRR)相对于峰值热释放率参考值，而图5C示出了估计声响强度相对于声响强度的估计参考值。声响强度是指示燃烧噪声级的参数，且随燃烧室中的压力振荡而变化。对以1500RPM的发动机转速和2400N.m的转矩操作并且具有固定的空气供应速率、EGR速率和燃料流速的15升气体燃料直接注入式发动机进行了所有试验。记录了以约28MPa(280巴)的注入压力操作的发动机的NOx排放、峰值热释放率和估计声响强度的参考值。

虽然在将注入速率增加至300巴以上时可以预计到热释放率和声响强度的增加，但还发现汽缸压力上升的峰值速率(dP/dCA)(其为增大的发动机磨损的可能性的常用测度)在气轨压力高于280巴时并未增加，直到气轨压力达到约48MPa(480巴)才增加。图5D示出了示出汽缸压力上升的峰值速率(dP/dCA)与汽缸压力上升的峰值速率参考值(dP/dCA)_参考之间的比率的值的图表。这些结果与前述结果相结盟，教示了对于主题发动机，气体燃料注入压力的优选范围在300巴至约440巴之间。

由于结果显示出当以高于300巴的注入压力操作发动机时NOx排放增加，因此，操作发动机的方法包括用于降低这种排放的步骤。对于采用如图2所示废气再循环回路的发动机，将NOx排放维持在可接受水平以内的方法是提高废气再循环水平，并调节涡轮增压器239的操作以维持适当的气流。如图6所示，在方法的第一步骤中，气体燃料注入压力增加至预定水平，以减少微粒物质排放，在下一步骤中，废气再循环水平提高，以控制NOx排放。然后调节涡轮增压器操作，以维持适当的气流。在又一步骤中，调节气体燃料注入时间，以优化制动比油耗(BSFC)，并且调节废气再循环(EGR)量，以将NOx排放维持在预定极限以内。可以通过例如图2所示的NOx传感器265和267检测NOx排放。重复调节至发动机的气流的步骤、调节气体燃料注入时间的步骤以及调节废气再循环量的步骤，以维持预定水平的NOx排放，同时优化制动比油耗和发动机热效率。

该方法被应用于以1500RPM的转速以及2400N.m的转矩操作的发动机，并且注入时间从对应于峰值汽缸压力(PCP)极限的最提前时间到最推迟时间变化，同时将排气温度保持在690℃以下。实验数据表明可将废气再循环提高至将NOx排放维持在1.2g/kWh的水平。关于当用提高的EGR速率操作时发动机效率和微粒物质排放的结果在图7中示出，该图示出了不同注入压力下热效率与滤纸烟度数(FSN)之间的关系，其中，热效率和滤纸烟度数均相对于基线发动机条件下的热效率和FSN的相应值示出，更具体地是相对于对以1500RPM的转速和2400N.m的转矩操作的常规15升直接注入式气体燃料发动机记录的热效率和FSN的值。结果证明，将气体燃料注入压力增加至34MPa(340巴)以上改善了微粒物质排放(FSN)和发动机效率，还表明对于这种发动机操作条件，以高于44MPa(440巴)的注入压力操作的效益是有限的。在其他发动机操作模式下已经观察到了类似的结果。

对于不使用废气再循环的发动机，可以使用其他方法控制由于以较高注入压力操作而造成的NOx排放增加，例如通过不同燃烧分阶段策略，诸如更接近压缩冲程结束时延迟燃烧的技术，或者通过改变排气处理装置的操作。

已知的是气体燃料(例如天然气)的密度随着压力增加，因此为了在相同的时间量内输送相同量的燃料，较高压力的发动机系统将需要通过注入阀的体积流速较低。这使得相比于以较低注入压力(最高达300巴)注入燃料的更常规的喷嘴来说，气体燃料喷嘴具有直径缩小的孔。具有相比于常规喷嘴直径缩小的孔是一个优点，因为其使得注入燃烧室的气体燃料的喷流的表面容积比(surface to volume ratio)更高，这促进了更好的气体燃料/空气混合。

为了提供对发动机选择适当的喷嘴直径的指南，创建了如公式(1)所示的无量纲参数，燃料输送参数(FDP)：

(1)燃料输送参数＝气体燃料注入压力*静态气流/每汽缸发动机功率，

其中，静态气流是通过注入器喷嘴的静态流速，其是根据在15psi的空气供应压力、60摄氏度以及零背压的情况下通过喷嘴的气流而限定的制造参数，而每汽缸发动机功率是额定发动机功率除以点火汽缸的数目。

对市场上可得到的气体燃料直接注入式发动机进行了试验，这些发动机的相应功率额定值为300-356kW和457kW，设置有普通喷嘴(“基础”)，以及替选地设置有低流量喷嘴(LF)或高流量喷嘴(HF)，更具体地，对于低流量喷嘴的情况，设置有相比于常规注入器喷嘴孔直径缩小约30％的喷嘴，相应地对于高流量喷嘴的情况，设置有相比于常规注入器喷嘴孔直径增加约15％的喷嘴。结果在图8中示出，该图示出了随汽缸功率变化的燃料输送参数。发现对于具有普通大小的喷嘴孔的发动机，当发动机以29MPa(290巴)的注入压力操作时，FDP在0.45至0.6的范围内，并且发现对于采用低流量喷嘴的发动机，当以最高达50MPa(500巴)的注入压力操作时，FDP保持在相同的数值范围内，从而以较高压力将相同量的燃料注入燃烧室，这避免了极端的燃烧率和噪声较大的发动机操作。

根据上述发现结果，确定了用于确定注入器喷嘴孔几何尺寸(geometry)的方法。该方法的第一步骤是确定每个发动机汽缸的功率要求和峰值汽缸压力。然后根据峰值汽缸压力计算理想的气体燃料注入压力，使得注入压力和峰值汽缸压力之间的比率维持在例如2.5:1至2.8:1之间，如下文进一步解释。然后可以根据0.45至0.6范围内的理想燃料输送参数确定注入器静态气流，并且可以根据确定的注入器静态气流确定喷嘴孔直径。

如上所述，发现高于300巴的注入压力会产生较低的微粒物质排放以及较高的发动机功率和效率，并且发现300巴至440巴范围内的注入压力产生最大的效益。发现这些关于注入压力的结果受峰值汽缸压力额定值的影响，峰值汽缸压力额定值根据发动机型号而变。还发现对于所有发动机类型和型号，在高于300巴的气体燃料注入压力下，气体燃料注入压力和峰值汽缸内压力之间的压力比是影响燃料引入燃烧室并在燃烧室内混合的速率的因素。

对气体燃料直接注入式内燃发动机进行的试验表明，通过以对应于1.6:1至3.0:1之间的压力比的注入压力操作发动机可以实现发动机效率和减少排放的大部分效益。在图9A至图9D中示出了对以1490RPM的转速、使用相比于常规喷嘴孔而言孔直径缩小约30％的喷嘴、在不同负荷(50％负荷、75％负荷和100％负荷)下操作的发动机进行的试验结果，这些图分别示出了随压力比PR(注入压力和峰值汽缸压力之间的比率)变化的滤纸烟度数(FSN)、制动热效率(BTE)、声响强度和峰值热释放率(HRR)。FSN、BTE、声响强度和HRR的值相对于对基线发动机操作条件(285巴的注入压力、1500RPM的发动机转速和2400N.m的发动机负荷)记录的这些参数的相应值示出。对具有普通大小的注入器喷嘴孔的发动机进行了类似的试验，并且发现了类似的结果。这些结果表明，对于PR值超过3:1时在排放减少或发动机效率方面均没有进一步的效益，并且FSN减少、制动热效率方面的大部分效益在压力比为1.6:1至3:1之间且优选地在2.5:1至2.8:1之间时达到。如图9C和图9D所示，较低的PR值(诸如在2.5:1至2.8:1之间的PR值)导致降低声响强度以及峰值热释放率方面的增加，这些对于发动机噪音和持久性是有益的。对于高于3.5:1的PR值，一些操作模式显示出发动机效率方面的损失。对于一些气体燃料内燃发动机，3:1的PR值通常对应于约540巴的注入压力，因此对于这些发动机，通过以低于约540巴的注入压力操作发动机将实现此处所述的大部分效益。对于其他发动机类型，可以利用高于540巴的注入压力达到上文所示的优选压力比范围。

根据上述教示，开发了对指定发动机类型和型号在任何发动机条件下选择气体燃料注入压力的方法。在该条件下将气体燃料注入压力和峰值汽缸压力之间的压力比选择在优选范围内，例如2.5:1至2.8:1之间，并根据确定的峰值汽缸压力计算理想的气体燃料注入压力。将计算得出的气体燃料注入压力与根据按照公式(1)的、0.45至0.6之间的燃料输送参数计算得出的气体燃料注入压力的数值范围进行比较，并调节气体燃料注入压力的值，使得其落在最低燃料输送参数时的注入压力与最高燃料输送参数时的注入压力之间的数值范围内。

在对以高于300巴的注入压力操作的气体燃料直接注入式内燃发动机进行的所有试验中，发现如果气体燃料喷流冲击汽缸活塞的话，可以获得较好的混合和较大的效率。这与例如美国专利号7,162,995中描述的现有技术不同，在该美国专利中，发动机以大于2:1的压力比操作，但其中气体注入压力避免了气体喷流干扰汽缸活塞。本方法中气体燃料喷流在汽缸活塞上的穿透(penetration，渗透)和冲击随气体喷流的动量和汽缸装填密度变化。即使在使用具有较小直径的喷嘴注入孔时，较高的注入压力也会增加气体喷流穿透，气体喷流穿透还取决于气体燃料喷流的方向、活塞和燃烧室的设计(例如，碗特征、碗直径)以及注入时间。当气体燃料喷流被注入到燃烧室中时，气体燃料喷流的方向取决于例如注入角度和注入器喷嘴在燃烧室中的定位。为了达到允许喷流干扰汽缸活塞的表面的喷流穿透，在当前的注入策略中，所有这些因素均考虑在内。这在较高压力下更为重要，在较高压力下，燃烧室中的装料与注入的气体燃料之间的良好混合更为受限，而这可能造成较差的空气利用，并且可能造成燃料燃烧延迟或不完全燃烧。

虽然已示出并描述了主题方法和设备的具体元件、实施例和应用，但要理解的是，本发明并不限于此，因为在不偏离本公开内容的范围的情况下，特别是根据前述教示，本领域技术人员可以进行修改。