用于以气体为燃料的内燃机的燃烧系统的制作方法
【专利说明】用于以气体为燃料的内燃机的燃烧系统 发明领域
[0001 ]本申请涉及在内燃机的燃烧室中直接引入并且混合气体燃料的技术。
【背景技术】
[0002]汽车制造商和燃料系统整合者连续促进发动机设计来改善性能和排放。燃料喷射 系统的革新引起一些重大发展，例如燃料计量、喷油正时和燃料喷射压力的发展。燃料喷射 系统中的这些发展优化了燃烧控制，如点火正时、燃烧相位和热释放率，从而促成更高的效 率和更少的排放。更多注意力正被朝发动机设计的其他方面引导以进一步改善发动机性 能。活塞碗的设计已受到极大的关注，由于其直接涉及燃烧性能，所以会影响发动机效率和 排放两者。
[0003]在以柴油为燃料的压缩点火发动机中使用所称的凹腔活塞碗并且在进气中采用 涡旋是众所周知的。Cummins公司在20世纪90年代后期开发了一种用于以柴油为燃料的发 动机的此类凹腔活塞碗。申请人开发了用于采用此活塞碗的Cummins 1' ISX柴油发动机的 天然气装料系统。如在以柴油为燃料的发动机中一样，以天然气为燃料的ISX发动机采用涡 旋来改善燃料与进气的混合，这提高了燃烧性能。
[0004] 现代液体燃料喷射压力可高达1000 MPa并且典型的共轨柴油燃料喷射压力可约为 250MPa。低温气体燃料系统通过栗送低温液体来加压气体。将气体燃料加压到高达这些液 体燃料喷射压力的压力的硬件耐用性和成本具有挑战性。在这些液体燃料喷射压力下，机 械部件如配件和软管具有不同类别并且非常昂贵。对于气体燃料来说，具有与现代液体燃 料系统相同的喷射压力并不是经济上可行的。由于这个原因，气体燃料喷射压力比液体燃 料所采用的压力低得多，并且气体燃料正常在足以主要在喷射的时候在燃料压力和气缸内 压力之间实现所希望的差值压力的压力下喷射，从而实现有待在所希望的时间段内引入的 所希望的燃料量。液体与气体燃料之间的喷射压力中可能存在数量级差。在此公开中，气体 燃料被定义为在标准温度和压力下处于气态的任何燃料。此类气体燃料的示例包括丁烷、 乙烷、氢气、甲烷、丙烷、天然气以及这些燃料的混合物等等。
[0005] 气缸内液体燃料的雾化和全面混合随着喷射压力增加而改善。由于现在所采用的 高喷射压力，气缸中的进气的涡旋的使用并不要求来实现所希望的混合等级。由于这个原 因，正待采用所谓的静态燃烧室，这种燃烧室最小化并且优选地消除了进气的涡旋。这对于 提高发动机总效率具有益处，由于进气中更少的压缩热被传输至气缸壁并且替代地被转换 成用来在做功冲程期间向下驱动活塞的机械能。这也是更有效率的，因为在进气流系统中 限制更少，有时称为"更好的呼吸"。也就是说，当进气的动能（涡旋)被降低时，能量从进气 到气缸壁的对流传递被减少。
[0006] 对于被设计来与静态燃烧室和高喷射压力协作的以液体为燃料的发动机，已知来 采用例如如图1中所示的活塞碗形状，其在本文中称为"奥米伽"活塞碗。在许多应用中，燃 烧室中所要求的燃料-空气混合等级作为高喷射压力的结果而达到。这允许采用简化的活 塞碗形状，如奥米伽活塞碗。与凹腔式活塞碗(其出于各种原因而具有特殊的功能)相比，奥 米伽活塞碗制造起来相对便宜。
[0007] 液体燃料射流在燃烧室内表现不同，并且具有与气体燃料射流相比不同的气缸内 生命周期。随着液体燃料射流从燃料喷射喷嘴穿透燃烧室，围绕射流的外表面的液体燃料 携带空气并且由于压缩热而雾化。高喷射压力利用高喷射速率和冲力来撞击射流。大冲力 造成围绕射流的外表面的大量湍流，所述湍流增强空气的携带。由于高冲力，射流进入燃烧 室中的穿透距离是大的，这允许液体燃料与燃烧室内的大量空气混合。液体燃料射流的喷 雾形状类似圆锥形。
[0008] 气体燃料射流一旦进入燃烧室就迅速扩张，这是由于其为气体以及气体燃料压力 与气缸内压力之间的相对较低的差。其结果是，大羽流立刻邻近喷射喷嘴形成。取决于气体 燃料射流喷射角，可能的是羽流的顶部可与气缸盖相互作用，所述气缸盖整体而言充当降 低气体燃料射流的冲力并且来向上朝气缸盖牵引羽流。由于气体和液体燃料的相对密度， 气体燃料射流与液体燃料射流相比具有小得多的冲力。其结果是，气体燃料射流进入燃烧 室中的穿透距离小于液体燃料射流进入燃烧室中的穿透距离。在质量相等的基础上，气体 燃料射流与液体燃料射流相比与燃烧室内的更少的空气相互作用。为了增强气体燃料与燃 烧室内的空气的混合，通常采用例如涡旋等技术，然而如前所指，其由于压缩热通过进气的 对流流失到气缸壁中而降低了效率。
[0009] 于2008年10月21日公布的属于Poola等人（以下参照Poola)的美国专利号7,438， 039公开了一种大缸径、中速柴油机，所述柴油机具有凹型锐角活塞顶碗。凹形锐角顶碗提 供在活塞顶中以改善性能和排放特性。大缸径被限定为180mm与600mm之间的直径范围内的 一个直径。Poola指出，随着柴油机孔径减小，例如在具有小于180mm的孔径的发动机中，增 加空气涡流量被用来实现更快的燃料-空气混合率。
[0010] 于2008年10月7日公布的属于Glenn等人（以下参照Glenn)的美国专利号7，431， 012公开了一种具有凹腔活塞碗的柴油燃烧系统。孔径大约是250mm，其适于用在大型发动 机如机车中。燃料切向撞击活塞碗层的中部部分，从而允许对燃烧进行的淬火、降低峰值反 应温度、并且接着减少氮氧化物(NOx)的形成。
[0011] Poo I a或GI enn并未讨论与引入、混合和燃烧内燃机中的气体燃料相关的困难。现 有技术水平缺乏直接引入并且混合内燃机的燃烧室中的气体燃料的技术。
【发明内容】
[0012 ] -种用于燃烧内燃机的燃烧室中的气体燃料的改进的方法包括:将进气引入具有 0至0.5范围内的涡流数的燃烧室中；将气体燃料射流直接引入燃烧室中；点燃气体燃料;将 气体燃料射流分叉成至少第一燃料羽流和第二燃料羽流;朝邻近气缸盖的第一混合区重新 引导第一燃料羽流;并且朝邻近活塞碗的第二混合区重新引导第二燃料羽流。在优选实施 方案中，气体燃料射流在高负荷条件下引入时分叉并且朝第一和第二混合区重新引导，并 且在轻负荷条件下所述方法还包括引入气体燃料射流并且朝第二混合区引导气体燃料射 流。气体燃料可选自包含沼气、丁烷、乙烷、氢气、甲烷、丙烷、天然气以及这些燃料的混合物 的列表。气体燃料射流的喷射角包括矫正角，所述矫正角用来补偿气体燃料射流与燃烧室 的防火甲板之间的边界层流的流体动力效应，使得气体燃料射流在预定公差范围内撞击分 叉特征。矫正角的作用是设计具有比将由具有相同几何形状和设计的液体装料发动机中的 液体燃料喷射器使用的更大喷射角。
[0013] 在优选实施方案中，所述方法包括将引燃燃料射流直接引入燃烧室中，由此引燃 燃料射流压缩点火从而点燃气体燃料。引燃燃料引入燃烧室中的正时可在气体燃料引入之 前。引燃燃料喷射角小于气体燃料喷射角，因为边界层流的流体动力效应在引燃燃料(其通 常是液体燃料如柴油)上具有较小的影响。在某些操作条件下，内燃机将仅利用引燃燃料来 装料。在这些条件下，所述方法还包括:将引燃燃料射流直接引入燃烧室中；将引燃燃料射 流分叉成至少第一引燃燃料羽流和第二引燃燃料羽流;朝第一混合区重新引导第一引燃燃 料羽流;朝第二混合区重新引导第二燃料羽流;并且压缩点火第一和第二引燃燃料羽流。
[0014] 在另一个优选实施方案中，强制点火源点燃气体燃料，而不是采用引燃燃料。气体