专利名称：将可燃气体以液态形式喷射至柴油发动机中的系统和方法
技术领域：
本发明涉及柴油燃料发动机，特别是涉及一种用于将可燃气体以液态形式喷射至柴油燃料发动机中、以用于在柴油燃料发动机中燃烧的系统和方法。相对于传统的柴油燃料发动机，本发明已经从根本上有所发展，并且下文中将参照本申请进行描述。但是，应当注意，本发明不局限于此特定的使用领域，而且还可以应用于例如生物柴油燃料发动机中。
背景技术：
多年来，柴油燃料发动机已经广泛地使用在大量的应用中，例如使用在运输、重型机械或者发电应用中，并且在农业、采矿、建筑以及货运和客运领域中构成很多设备的重要组成部分。众所周知，可以将可燃气体添加至柴油燃料发动机的进气中。可燃气体与常规的进气的混合增强了汽缸内的燃烧条件，从而增加了柴油燃烧过程的效率。通常在现有技术中，可燃气体源，例如液化石油气(LPG)连接于柴油燃料发动机的空气入口，并且以一定的预定速率通过电磁阀装置进行喷射。可燃气体被吸入到发动机的进气流中并且在文氏管中混合。文氏管的抽吸由歧管真空或者压力差来提供。不幸的是，发动机性能劣化中的简单因素大幅地降低了可燃气体喷射以及发动机燃烧的效率。因此，喷射的可燃气体的水平不会成比例地降低，并且这不利地开始降低任何输送效率的增益，并且，由于诸如空气滤清器之类的发动机部件的劣化，会使发动机低效率地运行，造成如下情况，即:发动机效率在可燃气体喷射的情况下比没有可燃气体喷射的情况下要低。一些人已经认识到这些问题并且试图解决这些问题。在一个解决方案中，提供一种将低浓度的可燃气体喷射至柴油燃料发动机的进气中的方法和系统。此方法有利地大幅增加了柴油的燃烧效率，由此提供了发动机功率的提升。此方法也大幅地降低了排放，特别是颗粒物的排放。伴随着在燃烧效率方面的如此大幅的提升，此系统的使用具有限制，特别是在自然吸气柴油发动机中，即发动机不能吸入足够的空气以高效地燃烧增加的柴油。此限制是与运行上述方法和系统的发动机相比构造成相对低效率地燃烧柴油的发动机的制造和设计的结果。在涡轮增压发动机的情况下，应当理解，涡轮增压以及进气的体积仅仅可以在没有损坏涡轮增压器的风险的情况下增加。换言之，此系统和方法的使用可以造成柴油发动机用尽空气或者吸入不足的空气以燃烧更多的燃料，从而提供系统的所有益处。发明起源本发明的起源是希望提供一种将可燃气体喷射至柴油燃料发动机中、以用于在柴油燃料发动机中与柴油燃烧的改进的方法和系统，或者提供一种有用的替代方案。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种将可燃气体以液态形式喷射至柴油燃料发动机中、以用于在柴油燃料发动机中与柴油燃料燃烧的方法，此方法包括将可燃气体以液态形式喷射至发动机中以用于在发动机中与柴油燃料燃烧的步骤，从而保持在燃烧之前发动机的一个或多个汽缸中的可燃气体浓度为可燃气体的体积占进气体积的0.2%至0.6%。根据本发明的另一方面，提供一种用于将可燃气体以液态形式喷射至柴油燃料发动机中、以用于在柴油燃料发动机中与柴油燃料燃烧的系统，此系统包括:具有出口和入口的可燃气体喷射装置，出口布置成与发动机流体连通，入口布置成与液态可燃气体源流体连通；以及可燃气体喷射装置控制器，可燃气体喷射装置控制器构造成接收指示发动机性能参数的输入并且构造成控制可燃气体以液态形式从可燃气体喷射装置出口喷射的速率，使得在燃烧之前可燃气体以可燃气体的体积占进气体积的0.2%至0.6%之间的量处于发动机的一个或多个汽缸中。能够看到，有利地提供了一种将可燃气体以液态形式喷射至柴油发动机中的方法和系统，所述方法和系统改进了柴油燃料在发动机中的燃烧，从而降低了柴油发动机的排放并且增强了柴油发动机的动力。将可燃气体以液态形式喷射的方法和系统有利地提供了喷射后的压力降低，这允许更多的空气在汽缸中与燃料混合，并且允许了同样的发动机构型燃烧更多的燃料。
现在参照附图通过仅为示例的方式对本发明的优选实施方式进行描述，在附图中:图1是根据本发明的第一优选实施方式的用于将可燃气体以液态形式喷射至柴油燃料发动机中、以用于在柴油燃料发动机中与柴油燃料燃烧的系统的框图；图2是根据本发明的第二优选实施方式的用于将可燃气体以液态形式喷射至柴油燃料发动机的汽缸中、以用于在汽缸中与柴油燃料燃烧的系统的框图；以及图3是根据本发明的另一优选实施方式的用于将可燃气体以液态形式喷射至柴油燃料发动机的发动机歧管或者进气流中、以用于在柴油燃料发动机的发动机歧管或者进气流中与柴油燃料燃烧的系统的框图。
具体实施例方式参照附图，通常，应当理解，相似的附图标记被用来标记相似的部件。在图1中，示出了系统1，其用于将可燃气体以液态形式喷射至柴油燃料发动机中，以用于在柴油燃料发动机中与柴油燃料燃烧。未示出柴油燃料发动机。系统I包括具有出口 3的可燃气体喷射装置2，出口 3布置成与柴油燃料发动机(未示出)流体连通，从而喷射可燃气体用于在发动机中燃烧。喷射装置2包括入口 4，入口 4与液态可燃气体源5流体连通，可燃气体流量控制器6布置在入口 4与液态可燃气体源5之间。隔离阀7布置在液态可燃气体源5与流量控制器6之间。可燃气体喷射装置控制器8包括出口 9，出口 9与流量控制器6的信号输入端10通信。由流量控制器6的输入端10接收的信号控制液态可燃气体从液态可燃气体源5经过喷射装置2和出口 4进入发动机的流量。控制器8包括与传感器12通信的输入端11，传感器12构造成向控制器8提供指示发动机性能参数的输入。控制器8构造成从传感器12接收指示发动机性能参数的数据并且通过流量控制器6控制液态可燃气体通过喷射装置2的喷射速率。控制器8构造成操作流量控制器6以允许来自喷射装置出口 3的液态形式的液态可燃气体的预定流量，使得在燃烧之前可燃气体以可燃气体的体积占进气体积的
0.2%至0.6%之间的量处于发动机(未不出)的一个或多个汽缸中。更优选地，在燃烧之前在发动机汽缸中的一个或多个中的可燃气体浓度是大约0.35%。收发装置13或者通信接口布置成与控制器8通信以允许控制器8与远程装置之间的通信。以液态形式喷射至发动机中的可燃气体最优选地是LPG(液化石油气)或者天然气。但是，应当理解，可燃气体可以是任何优选的可燃气体，其包括但不限于氢气、乙烷、甲烷、丙烷、丁烷、己烷、庚烷、戊烷、乙炔、一氧化碳、氨或者其中一个或多个的组合。由控制器8从传感器12接收的输入可以指示任何优选的发动机性能参数，例如在燃烧之前与进气流混合的或者喷射至发动机汽缸中的可燃气体的所测量的百分比、来自柴油发动机的交流发电机或者其它发动机电源的电压输出的发动机每分钟转数(RPM)、发动机歧管绝对压力、涡轮增压发动机中的涡轮增压压力、节流阀位置，排气温度、一氧化二氮气体排放浓度、或者发动机倍率计。应当理解，在使用中，系统I将可燃气体从喷射装置出口 3喷射至柴油燃料发动机中以用于在柴油燃料发动机中与柴油燃料燃烧，使得可燃气体以液态形式被喷射。此系统有利地提供了液态气体喷射周围的环境中令人惊讶地大幅的压力降低，因为在喷射时液体蒸发并因此降低了温度。液态可燃气体与来自柴油发动机进气流(未示出)的空气混合，从而提供在0.2%至0.6%之间的可燃气体浓度。只要液态可燃气体的喷射在喷射后降低了压力，那么额外的空气就可以供给至发动机中，用于在发动机中相对高效地与柴油燃料燃烧。现在参照图2，示出了根据第二优选实施方式的用于将可燃气体以液态形式喷射至柴油燃料发动机(未示出)的发动机歧管或者进气流(未示出)中、以用于在发动机歧管或者进气流中与柴油燃料燃烧的系统I的示意性框图。在本实施方式中，喷射装置2的出口 3与发动机(未示出)的进气流或者歧管流体连通。图1的实施方式中的传感器12由一对传感器12a和12b所替代。传感器12a通过发动机交流发电机传感器(未示出)测量发动机转速或RPM。传感器12b是歧管绝对压力传感器。传感器12b有时称为歧管绝对压力/节气门位置传感器(MAP/TP传感器)，并且歧管压力值的变化表示发动机负载的变化。应当理解，来自RPM传感器12a和MAP/TP传感器12b的输入都经历从表示最小发动机RPM或者怠速和零负载的零值到表示最大发动机RPM和最大负载的最大值的范围。切断开关14与控制器8通信，使得当撤消对发动机的供电或者节流阀移至怠速位置时，控制器8自动地关断通过流量控制器6的流动，因为柴油不在燃烧。在此实施方式中，可燃气体喷射至发动机进气歧管中并且在歧管中混合，然后依次喷射至发动机的每个汽缸中。一旦可燃气体已经进入汽缸，在汽缸中与柴油燃料燃烧之前，进气流中的可燃气体的浓度(按可燃气体的体积计)优选地是0.35%，但是可以是约0.2%至0.6%的范围内的任一数值。如图2中所示，系统I通过接收分别指示发动机RPM和歧管压力的输入12a和12b进行操作。可燃气体以液态形式喷射至发动机汽缸入口阀上游的气流中和发动机进气中，以允许空气和喷射的可燃气体进行混合。测量混合在发动机进气的气流中的可燃气体的百分比可以包括抽取出一部分混合的可燃气体和进气流以及用可燃气体传感器直接对其进行取样。在其它实施方式中，可以通过燃烧抽取的气流并且用延时热线式传感器测量产物来测量可燃气体/进气混合物。当然，如果需要，可以使用任何优选的直接或者间接的可燃气体浓度传感器。可燃气体切断开关14可以设置成当加速踏板/节流阀移至休息位置或者原始位置时切断可燃气体喷射。当然，当发动机点火系统关闭或者断开连接时，系统I不能使用。应当理解，优选实施方式提供可以通过单一发动机RPM值的测量而“自动调节”的系统1，从而如下文所述地那样保持在燃烧之前汽缸中的进气流中的可燃气体浓度为大约0.35%。已知的是，对于具有预定的容积值容量的发动机尺寸，测量的RPM越大，则发动机以每秒越多的循环运转，并且发动机消耗空气的越多，由此，保持大约0.35%的可燃气体百分比所需的气体的量将相应地提高。下列特征方程用于控制以液态形式进入发动机I的可燃气体的喷射速率:发动机容量(升)XRPMX歧管气压(磅/平方英寸)X进气中可燃气体的百分比=可燃气体喷射速率(升/分钟)。注意，发动机的RPM值通过测量交流发电机分接电压(tap)来确定。气压由MAP/TP传感器提供，常规气压接近14.7psi。已知的是，在燃烧之前汽缸中的进气中的可燃气体的百分比最优选地为大约0.35%。据此，对于已知的发动机容量，能够测量RPM和歧管压力值，并且能够确定发动机每分钟将使用多少升的空气。然后此数值乘以0.35%的优选可燃气体浓度，该浓度提供所需的每分钟可燃气体喷射速率。然后需要知道的唯一参数是发动机容量，并且能够在怠速(或者任一其它优选值)下测量发动机RPM和歧管气压，由此来校正系统I。尽管未图示，但用于确定可燃气体喷射速率的上述公式最优选地被修改成在等式的左手侧包括与进气流的测量温度成比例的项，以允许液态气体和进气流的热膨胀。同样地，应当理解，可以设置任何其它优选的传感器输入，可燃气体喷射速率取决于这些输入。根据需要，这些传感器包括氧传感器和/或热敏电阻。此外，应当理解，系统I可以基于前述公式或者作为优选的某一其它公式或者查询表或者数据表、或者实际上根据需要基于任何其它优选方式来确定可燃气体喷射速率。同样的，歧管绝对压力传感器可以由排气温度传感器、节流阀位置传感器或者一氧化二氮气体排放传感器所代替，或者在非自然吸气柴油发动机的情况下由涡轮增压器压力传感器所代替。应当理解，系统I可以基于预定发动机RPM值下(可以是怠速时)产生的单一可燃气体喷射速率而“自动调节”。现在参照图3，示出了用于将可燃气体以液态形式喷射至柴油燃料发动机中、以用于在柴油燃料发动机中与柴油燃料燃烧的系统的另一优选实施方式。系统I的此实施方式类似于图2的系统的实施方式，不同之处在于喷射装置2支持多个喷射器16，每个喷射器16构造成布置在柴油发动机汽缸上或者柴油发动机汽缸中，从而在燃烧之前将可燃气体以液态形式直接喷射至汽缸中。图3的系统示出了具有八个喷射器，八缸柴油发动机的每个汽缸具有一个喷射器。可燃气体以液态形式进入汽缸中有利地产生压差，压差降低了汽缸中的压力，从而允许在与柴油燃料燃烧之前有更多的空气处于汽缸中。有利地，柴油不仅在添加了
0.35%的可燃气体的条件下高效地燃烧，而且由于由此产生的压力降，与液态形式的可燃气体同时地或者在液态形式的可燃气体之后，额外的空气和燃料可以喷射至汽缸中。在此实施方式中，液态可燃气体最优选地以与汽缸点火一致的顺序依次地直接喷射至汽缸中。这有利地允许液态可燃气体以可控的方式直接地进行喷射并且与每个汽缸的点火时间同步。应当理解，在整个说明书中，可燃气体以液态形式喷射意指当可燃气体喷射至进气流/歧管中或者直接喷射至汽缸中时，可燃气体是液态的形式。这样可燃气体相对快速地蒸发以在喷射时有利地减小进气流/歧管或者汽缸中的压力。在此实施方式中，液态可燃气体最优选地以与汽缸点火一致的顺序依次地直接喷射至汽缸中。这有利地允许液态可燃气体以可控的方式直接地进行喷射并且与每个汽缸的点火时间同步。上文仅描述了本发明的优选实施方式，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行对本领域的普通技术人员来说显而易见的改型。如在文中使用的术语“包括”(及其语法变化形式)在“包括”或者“具有”的包含性含义上使用，而不在“仅由......构成”的排他性含义上使用。
权利要求
1.一种将可燃气体以液态形式喷射至柴油燃料发动机中、以用于在所述柴油燃料发动机中与柴油燃料燃烧的方法，所述方法包括将所述可燃气体以液态形式喷射至所述发动机中以用于在所述发动机中与所述柴油燃料燃烧的步骤，从而保持在燃烧之前所述发动机的一个或多个汽缸中的可燃气体浓度为所述可燃气体的体积占进气体积的0.2%至0.6%。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤:测量喷射至所述发动机中的所述可燃气体的所述浓度或者测量另一效率量度，并且响应于所述测量的可燃气体浓度或者响应于所述测量的另一效率量度而改变将所述可燃气体喷射至所述发动机中的速率。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述可燃气体以液态形式喷射至所述发动机中的所述步骤还包括将所述可燃气体以液态形式在一个或多个发动机汽缸的上游喷射至所述发动机的进气流或歧管中，或者将所述可燃气体以液态形式直接喷射至一个或多个所述汽缸中。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，在燃烧之前所述发动机的一个或多个汽缸中的所述可燃气体浓度保持在进气体积的0.25%至0.55%之间。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，在燃烧之前所述发动机的一个或多个汽缸中的所述可燃气体浓度保持在进气体积的0.3%至0.4%之间。
6.根据权利要 求2所述的方法，其中，测量喷射至所述发动机中的可燃气体的所述浓度的所述步骤还包括:抽取所述发动机的所述进气流的一部分，使所述可燃气体与所述抽取的进气的混合物燃烧，以及使用延时热线式传感器测量所述混合物。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述液态可燃气体是LPG或液化石油气、天然气、氢气、乙烷、甲烷、丙烷、丁烷、己烷、庚烷、戊烷、乙炔、一氧化碳、氨或者其它可燃气体、或者其中两个或更多个的组合。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，喷射所述液态可燃气体的所述步骤包括测量在发动机怠速(最小REVSmin)时所述发动机的每分钟发动机转数(REVSeunent)以确定基准喷射速率，以及以所述基准速率加上与所述发动机的每分钟转数(REVS-)成比例的预定速率来喷射所述液态可燃气体(GASiIU_eet)。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括测量在发动机怠速时所述发动机歧管的气压以及与所述测量的气压成比例地改变所述可燃气体(GASinjert)的所述喷射速率的步骤。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，通过所述柴油燃料发动机的交流发电机或其它发动机信号源的电压输出来测量所述发动机的所述每分钟发动机转数。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，通过歧管绝对压力(MAP)传感器、涡轮增压器压力传感器、节流阀位置传感器、排气温度传感器、一氧化二氮气体排放传感器或者两个或更多个所述传感器的组合的相应测量值或者通过将所述发动机与倍率计附接来测量所述发动机歧管的所述气压。
12.一种用于将可燃气体以液态形式喷射至柴油燃料发动机中、以用于在所述柴油燃料发动机中与柴油燃料燃烧的系统，所述系统包括: 具有出口和入口的可燃气体喷射装置，所述出口布置成与所述发动机流体连通，所述入口布置成与液态可燃气体源流体连通； 可燃气体喷射装置控制器，所述可燃气体喷射装置控制器构造成接收指示发动机性能参数的输入并且构造成控制所述可燃气体以液态形式从所述可燃气体喷射装置出口喷射的速率，使得在燃烧之前所述可燃气体以所述可燃气体的体积占进气体积的0.2%至。0.6%之间的量处于所述发动机的一个或多个汽缸中。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述发动机性能参数包括:在燃烧之前在所述发动机汽缸中混合到所述进气流中的可燃气体的百分比；所述发动机的每分钟发动机转数；所述柴油燃料发动机的所述交流发电机或其它发动机信号源的电压输出；发动机歧管绝对压力；涡轮增压器压力；节流阀位置；排气温度；一氧化二氮气体排放浓度；以及发动机倍率计。
14.根据权利要求12所述的系统，其中，所述可燃气体喷射装置出口构造成将所述液态可燃气体在一个或多个发动机汽缸上游喷射至所述发动机的进气流或者歧管中，或者构造成将所述可燃气体直接喷射至一个或多个所述汽缸中。
15.根据权利要求12所述的系统，其中，所述可燃气体是LPG(液化石油气)、天然气、氢气、乙烷、甲烷、丙烷、丁烷、己烷、庚烷、戊烷、乙炔、一氧化碳、氨或者其它可燃气体、或者其中一个或多个的组合。
16.根据权利要求12所述的系统，所述系统执行根据权利要求1所述的方法的步骤。
17.改造成执行根据权利要求1所述的方法的柴油燃料发动机，或者具有根据权利要求12所述的系统的柴油燃料发 动机。
全文摘要
本发明公开了一种将燃料引入柴油发动机中、以用于在发动机内燃烧的方法。可燃气体以液态形式喷射至发动机中，用于在发动机中与柴油燃料燃烧，从而保持由液体得到的可燃气体浓度为可燃气体的体积占进气体积的0.2％至0.6％的范围内。适当的气体包括LPO或者液化石油气、天然气、氢气、乙烷、甲烷、丙烷、丁烷、己烷、庚烷、戊烷、乙炔、一氧化碳、氨或者其它可燃气体、或者其中两个或者更多个的组合。
文档编号F02M25/00GK103168157SQ201080068681
公开日2013年6月19日 申请日期2010年6月23日 优先权日2009年6月23日
发明者基思·默里·伦贝尔, 德里克·罗伯特·沃特金斯 申请人:基思·默里·伦贝尔, 安东尼·詹姆斯·霍利