专利名称：多区段气态燃料高效率发动机的制作方法
技术领域：
本公开涉及多区段气态燃料内燃发动机。
背景技术：
用于交通工具的不同内燃发动机可以燃烧气体燃料用于代替或结合传统的液体燃料，比如汽油。气态燃料可以包括例如氢气、天然气、丙烷和更轻的可燃碳氢化合物衍生气体。相对于传统的液态燃料喷射，气态燃料可以提供不同优点，燃料喷射比如减少氮氧化物排放、颗粒物质和碳氢化合物，以及利用矿物燃料以外的燃料为交通工具提供动力的能力。气态燃料通常储存在一个或多于一个加压的容器里，这样就出现使用传统液态燃料所没有遇到的不同挑战。燃料的成本和储藏二者都随着燃料消耗成比例的受到影响。虽然标准的氢气发动机是已知的最有效的汽车发动机之一，但是相对于燃料储藏和成本的缺点依然是普遍适销的障碍。同样地，燃料效率依然是汽车OEM尝试引入低成本氢气和其他气态燃料产品的首要考虑的问题。本公开认识到燃料的浓度和分布应该被认真考虑以便保持氮氧化物排放、对所述发动机汽缸壁的传热和所述发动机的总效率之间的平衡。
发明内容
具有能燃烧气态燃料的汽缸的发动机包括每个汽缸至少一个火花塞/单火花塞汽缸；具有至少一个喷嘴组的延伸到每个汽缸的气态燃料喷射器，该喷嘴组包含多个喷嘴，其被固定用于引导气态燃料仅朝向关联火花塞的火花隙；和控制系统，其操纵每个火花塞和每个喷射器从而直接向所述汽缸输送气态燃料并启动燃烧。控制能够使用气态燃料的发动机的方法包括穿过位于中心的喷射器直接向每个汽缸喷射气态燃料，该喷射器具有多个喷嘴组，每个喷嘴组与至少两个火花塞中的一个关联，该火花塞被定位成比喷射器距汽缸壁更近，每个喷嘴组引导气态燃料朝向关联的火花隙。在一个实施例中，能燃烧气态燃料的发动机包括发动机机体，该机体有多个汽缸和至少一个汽缸盖，该汽缸盖有位于中心的喷射器孔、相对于所述喷射器孔的径向外侧火花塞孔、两个进气阀孔和两个排气阀孔，用于每个关联的汽缸。所述发动机包括与每个汽缸关联的第一和第二火花塞并分别关联第一和第二火花隙；用于每个汽缸的气态燃料喷射器穿过关联的喷射器孔延伸进所述汽缸，所述喷射器包括第一喷嘴组，其被固定用于引导气态燃料到第一火花隙，和第二喷嘴组，其被固定用于引导气态燃料到第二火花隙。控制器与喷射器和火花塞通信，其生成喷射信号以便随着喷射结束正时和点火正时信号向各个汽缸喷射气态燃料，从而响应当前发动机工况点火气态燃料。在一个实施例中，喷射结束(EOI)正时的范围在上止点前(BTDC)约15到85度之间。不同实施例可以包括喷射器，其具有第一和第二喷嘴组，每个喷嘴组包括三个喷嘴。每个喷嘴组喷射燃料跨越径向范围在约5和78度之间，并且轴向范围在约17和62度之间，这样为燃烧造成多个半不同(sem1-distinct)的区段,其关联每个汽缸的每个火花塞。在另一个实施例中，具有能够燃烧气态燃料的汽缸的发动机，其包括每个汽缸至少一个火花塞；气态燃料喷射器，其延伸进每个汽缸并具有至少一个喷嘴组，该喷嘴组包含多个喷嘴，其被定位用于引导气态燃料仅朝向关联火花塞的火花隙；和控制系统，其操纵每个火花塞和每个喷射器以便输送气态燃料直接到所述汽缸并启动燃烧。在另一个实施例中，所述气态燃料包括氢气，所述每个汽缸至少一个火花塞包括每个汽缸两个火花塞，并且每个喷嘴组包括三个喷嘴。在另一个实施例中，第一喷嘴组与第二喷嘴组分开约150径向度。在另一个实施例中，每个喷嘴组包括三个喷嘴，其被设置用于在约5和78度之间的径向范围内喷射气态燃料。在另一个实施例中，每个喷嘴组包括三个喷嘴，其被安排用于相对于汽缸顶部在约17和62度之间的范围内喷射气态燃料。在另一个实施例中，所述发动机进一步包括汽缸盖，该汽缸盖对于每个汽缸有两个进气阀孔和两个排气阀孔，其中每个汽缸所述至少一个火花塞和喷射器被定位在汽缸盖内沿汽缸共同轴在进气和排气阀孔间延伸。在另一个实施例中，气态燃料基本上由氢气组成，其中所述发动机包括每个汽缸两个火花塞，并且其中每个喷嘴组喷射气态氢气到燃烧区内，该燃烧区对应于火花塞中的一个的火花隙。在另一个实施例中，每个气态燃料喷射器都是安装在相应的汽缸内的中心。在另一个实施例中，每个火花塞被安装穿过进气阀和排气阀的中轴线邻接汽缸壁外侧的阀门轴。在另一个实施例中，能够燃烧气态燃料的发动机包括具有多个汽缸的发动机机体；具有位于中心的喷射器孔的至少一个汽缸盖，相对于所述的喷射器孔的径向外侧火花塞孔，两个进气阀孔和两个排气阀孔用于每个关联的汽缸；与每个汽缸关联的第一和第二火花塞，并分别关联第一和第二火花隙；每个汽缸的气态燃料喷射器穿过关联的喷射器孔延伸到所述汽缸内，所述喷射器包括第一喷嘴组，其被定位用于引导气态燃料到第一火花隙，并且第二喷嘴组被定位用于引导气态燃料到第二火花隙；和与喷射器和火花塞通信的控制器，其生成喷射信号以便喷射气态燃料到各个汽缸，并生成点火正时信号以便点火气态燃料。在另一个实施例中，第一和第二喷嘴组每个包括三个喷嘴，每个喷嘴组喷射燃料跨越在约5和78度之间的径向范围和在约17和62度之间的轴向范围。根据本公开的不同实施例提供相关的优点。例如，根据本公开实施例，对燃料浓度和分布的控制公开(disclosure)排放、向所述发动机汽缸壁的传热和所述发动机的总效率之间的平衡。而根据本公开的策略能够实现有限范围的设计特性，经验上的证据证明，每个汽缸使用两个火花塞结合具有相应三个喷嘴的喷嘴组的喷射器产生用于燃烧的多个半不同(sem1-distinct)的区段，可以为氢气燃料发动机增加达到5%的制动热效率。而使用单个火花塞和双多喷嘴组，每个喷嘴组有三个喷嘴的实施例，提高了总效率，使用双火花塞提供更好的燃烧稳定性，并且促进更灵活的喷射正时，这有助于额外的效率增益。另外，不同实施例显示在发动机运行范围内燃烧率提高10-90%，而燃烧时间减少10-15曲轴角度。
上述优点和与本公开实施例相关的其他优点和特征，在以下详细描述中结合附图将会变得明白清楚。
图1示出根据本公开的实施例的能够使用气态燃料运行的发动机的方框图；图2示出汽缸盖底视图，该图示出根据本公开的不同实施例的能够使用气态燃料运行的发动机的定位用于四阀门汽缸的喷射器和火花塞，双火花塞实施例；图3A-3C示出根据本公开的不同实施例的用于气态燃料发动机的具有两个喷嘴组的气态燃料喷射器；图4A-4F示出气态燃料分布入燃烧的半不同区段/半不同的燃烧区段，其由具有喷嘴的喷射器所产生，喷嘴根据本公开的不同实施例被布置；图5示出根据本公开的不同实施例的气态燃料发动机每个汽缸单火花塞实施例的燃料消耗和NOx生成的减少；图6和7比较根据本公开的不同实施例的气态燃料发动机每个汽缸单火花塞和每个汽缸双火花塞执行的燃烧效率和稳定性；图8示出根据本公开的不同实施例的气态燃料发动机每个汽缸双火花塞实施例的燃料消耗和NOx生成的减少；并且图9示出根据本公开的不同实施例的控制气态燃料发动机的系统或方法的操作。
具体实施例方式按照要求，本公开的详细实施例在此公开；然而，要明白的是所述公开的实施例仅是本发明的示范，本发明可以具体体现在各种各样的并且可选择的形式中。其图没有必要按比例；一些部件/特征可以放大或缩小以便表明特定组件的细节。因此，本公开所公开的具体的结构和功能细节不能理解为限制性的，而只是作为有代表性的依据用于教导本领域的技术人员多样化的采用本发明。正如本领域的普通技术人员所明白的那样，所述实施例的不同部件/特征，其根据任一图所示出和描绘，可以与一个或多于一个其他图中所示出的部件组合，从而产生本公开的实施例，其是没有明确示出或描述的。示出的部件组合为典型的应用提供代表性的实施例。但是，特定的应用或实施需要与本公开的教导相一致的部件的不同组合和修改。图1示出，通常在10，一个汽缸的示范性实施例，所述汽缸在能够使用气态燃料运行的多汽缸发动机的发动机机体110内，其具有连接到所述汽缸的进气和排气通道；和凸轮轴的示范性实施例，所述凸轮轴具有可变的正时机制用于控制所述汽缸的阀门。应该清楚的是发动机10的配置仅是示范性的，并且本公开所描述的系统和方法可适用于任何其他合适的发动机。此外，发动机可以通过至少一个位于汽缸内的火花塞(图2和4所示最佳)被火花点火，其正时可随着此处更详细描述的工况而改变。继续图1，发动机10由包括电子发动机控制器12的控制系统控制。发动机10的燃烧室或汽缸14被示出包括燃烧室壁16，有活塞18定位其中并连接到曲轴20。燃烧室14被示出分别通过至少一个进气阀门26和至少一个排气阀门28的选择性开口与进气歧管22和排气歧管24连通。气态燃料喷射器30被耦合到燃烧室14，并且通常位于汽缸盖120内相应孔的中心，用于与通过常规电子驱动器68从控制器12接收的燃料脉冲宽度(fpw)信号成比例地直接将喷射燃料输入其中。燃料由气态燃料系统(图中没有示出)输送到燃料喷射器30，该气态燃料系统可包括如燃料箱、一个或多于一个燃料泵和燃料导轨。正如根据图2更详细描述的，在一个实施例中，与每个汽缸关联的第一和第二火花塞，具有关联的第一和第二火花隙，被定位成比喷射器30距所述汽缸壁更近。喷射器30包括关联每个火花塞/隙的喷嘴组，并且以凭经验决定的角度/距离定位，从而引导燃料冲进与每个火花塞/隙关联的半不同的区段，以便燃烧。进气歧管22被示出连通节气门体32，其包含节流板34。在这个具体示例中，节流板34被耦合到电动机36，以便节流板34的位置被控制器12通过电动机36所控制。在可选择的实施例中(没有示出)，节气门体32和节流板34被省略。排气传感器38被示出耦合到后处理装置40上游的排气歧管24。后处理装置40可以包括任何合适的装置类型以便减少发动机10的排放。例如但不限于，三元和四元催化转化器、微粒过滤器、稀NOx捕集器等。正如本公开根据图5和8更详细描述的，根据本公开的不同实施例，使用具有喷嘴组的气态燃料喷射器，该喷嘴组与半不同燃烧区段关联用于每个火花塞/隙结合燃料喷射和点火正时，可以在大多数的发动机运行范围内导致较低的NOx排放。控制器12在图1中被示为常规的微型计算机，其包括微处理器单元(CPU)60、输入/输出端口(I/o) 62、用于可执行程序和校正值的电子储存介质(在这个具体示例中显示为只读存储芯片(ROM) 64)、随机存取存储器(RAM) 66、保活存储器(KAM) 69和常规数据总线。控制器12被示出从耦合到发动机10的传感器接收不同信号，除了那些前文所述的信号以夕卜，还包括来自耦合到节气门体32的质量空气流量传感器70的感应质量空气流量(MAF)的测量；来自耦合到冷却套74的温度传感器72的发动机冷却剂温度(ECT);来自耦合到曲轴20的霍尔效应传感器76的表面点火感测信号(PIP);来自节气门位置传感器78的节气门位置(TP);和来自传感器71的歧管绝对压力(MAP)。发动机10可以被配置有可变的进气阀和排气阀正时能力。例如，发动机10可以包括由控制器12控制的电机致动阀。可选的，正如图1的代表性实施例中所示，发动机10可以包括机械改变进气和/或排气阀正时的机制，例如通过调整凸轮轴的正时。在所描写的实施例中，发动机10的凸轮轴90被示出连通摇臂52和54以便致动进气阀26和排气阀28。凸轮轴90直接耦合外壳56。外壳56形成齿轮并具有多个轮齿58。外壳56液压式耦合内驱动构件(未示出)，其反过来通过正时链条(没有显示)直接链接到曲轴20。因此，外壳56和凸轮轴90以大体上等于内驱动构件的速度旋转。内驱动构件以与曲轴20恒定的速度比旋转。但是，通过操纵液压耦合器，这将在以后描述，凸轮轴90对于曲轴20的相对位置可以通过控制推进室100和延迟室102的液压而改变。例如，通过允许高压液压液体进入推进室100，同时允许液体流出延迟室102，凸轮轴90和曲轴20的相对关系是推进的。因此，进气阀26和排气阀28在相对于曲轴20比标准更早的时间打开和关闭。类似地，通过允许高压液压液体进入延迟室102，同时允许液体流出推进室100，凸轮轴90和曲轴20的相对关系是延迟的。因此，进气阀26和排气阀28在相对于曲轴40比标准更迟的时间打开和关闭。耦合到外壳56和凸轮轴90的轮齿58通过凸轮正时传感器104提供可变凸轮轴正时(VCT)信号到控制器12允许测量相对凸轮位置。在所描述的实施例中，四个轮齿(标记为58-1、58-2、58-3和58_4)被提供用于测量凸轮正时并且间隔相等(例如，相互间隔90度)，而间隔不同的轮齿58-5可以用于汽缸识别。另外，控制器12发送控制信号到常规电磁阀(没有显示)以便控制液压液体的流动，或者流进推进室100、或者流进延迟室、或者两者都不流进。应该明白，图1仅示出多汽缸发动机中的一个汽缸，并且每个汽缸都有其自己的一组进气/排气阀、火花塞(一个或多个)、燃料喷射器等。还应明白，所描写的发动机10被示为举例目的，并且本公开所描述的系统和方法可以实施或应用于任何其他合适的发动机，该发动机具有任何合适组件和/或组件布置，可以使用气态燃料，如氢气、压缩天然气(CNG)、丙烷等。例如，进气阀26和排气阀28可以电机致动，并且凸轮轴90(和不同关联配件)可以省略。同样地，分开的凸轮轴可以用于控制进气阀26和排气阀28的打开。在每个阀门由分开的凸轮轴所操纵的地方，每个凸轮轴可以包括可变正时机制，比如图1中示出的凸轮轴90，以允许排气阀正时通过可变凸轮正时系统独立于进气阀正时改变，且反之亦然。在操作中，空气穿过进气口 22被引导进入汽缸14并与气态燃料混合。控制器12操纵喷射器30穿过位于中心的喷射器30把气态燃料直接喷射每个汽缸14，该喷射器包括多个喷嘴组(图3A-3C所示最佳)，每组连接至少两个火花塞(图2)中的一个，其被定位成比喷射器30更靠近汽缸壁16，并引导所述气态燃料朝向汽缸14内关联的火花隙。控制器12使用关联的控制系统传感器和致动器以便操纵每个火花塞和每个喷射器30从而输送气态燃料直接到汽缸14，并使用响应当前发动机和周围工况确定的燃料喷射和点火正时启动燃烧。在一个实施例中，控制器12在发动机的整个操作范围内控制喷射器30以便喷射基本上由氢气组成的气态燃料，从而提供喷射结束(Ε0Ι )，其范围仅是上止点后(ATDC)约15-85度(deg)。根据本公开的不同实施例，能够使用气态燃料工作的多汽缸发动机，可以通过所显示的自然吸气发动机实 施，或者可以包括不同类型的增压。例如，发动机10可以包括排气涡轮增压器、机械增压器或类似装置。不同类型的涡轮增压器或者机械增压器可单独使用或结合使用。例如，可变几何涡轮增压器(VGT)可以用于所述涡轮机和/或压缩机的几何形状在发动机运行期间可以改变处。可替换地或另外地，可变喷嘴涡轮增压器(VNT)可以使用可变喷嘴，其放置在排气管道内所述涡轮机上游和/或下游以便通过所述涡轮机改变气体的有效膨胀。类似地，双涡轮增压器布置和/或连续的涡轮增压器布置可以用于一些应用和实施。正如本领域的普通技术人员所明白的，根据本公开的实施例，控制气态燃料喷射和点火的所述系统和方法通常独立于具体类型的进气系统，并且可以适应用于各种不同的发动机技术。现在参考图2，其示出汽缸盖的底视图，该汽缸盖的底视图示出根据本发明的不同实施例的定位用于每个汽缸四阀门/四阀门汽缸的喷射器和火花塞，能够使用气态燃料运行的发动机的双火花塞实施例。汽缸盖120包括每个汽缸的进气端口和排气端口，其分别连通第一和第二进气阀54-1和54-2以及第一和第二排气阀52-1和52_2的开口。第一火花塞210包括第一火花隙212并且第二火花塞220包括第二火花隙222。火花塞210、220延伸穿过在汽缸盖120内相应的孔进入燃烧室或者汽缸14并且通常定位于紧邻或者毗连汽缸壁16。例如，在一个实施例中，由汽缸壁16限定的汽缸孔的直径约89_，其具有火花塞电极用于间隔71mm的火花塞210、220。在另一个实施例中，火花塞210、220被定位更接近喷射器30，但是比喷射器孔230 (和关联的喷射器，当安装了时)更靠近汽缸壁16。在一个实施例中，火花塞210、220沿具有位于中心的喷射器孔230的共同的汽缸横轴240对齐。如图所示，横向或者径向汽缸轴240在进气阀54-1、54-2 (和关联的进气阀开口)和排气阀52-1、52-2(和关联的排气阀开口)之间延伸。同样地，火花塞210、220被定位在汽缸盖120内的进气和排气端口之间，其分别关联进气阀54-1、54-2和52-1、52-2，并毗连汽缸壁16。图3A-3C示出根据本公开的不同实施例的气态燃料喷射器。与各种常规的或者传统的喷射器相比，常规的或者传统的喷射器具有喷嘴通常均匀的分布在喷嘴头的周围并且关于喷射器轴对称定位的喷嘴模式，根据本公开的不同实施例的气态燃料喷射器包括若干喷嘴组，每个该喷嘴组被布置用于引导气态燃料仅朝向相应的火花隙。图3A是喷射器30的侧视图，图3B是喷射器30的端视图，图3C是图3B的喷射器端头300的部分剖面图。如图3A-3C中所示，喷射器30包括至少一个喷嘴，当安装在喷射器孔230 (图2)内时其关联相应的火花塞/隙。在示出的实施例中，喷射器端头300包括第一喷嘴组310，其包括三个喷嘴312、314和316，和第二喷嘴组320，其包括三个喷嘴322、324和326。第一喷嘴组310引导气态燃料仅朝向第一火花塞/隙210/212 (图2)并且第二喷嘴组320引导气态燃料仅朝向第二火花塞/隙220/222，以便形成用于燃烧的半不同的区段，这关于图4A-4F更详细的不出和描述。在一个实施例中，喷嘴组310、320每个包括三(3)个喷嘴，该喷嘴基于计算机建模和经验数据定位，从而为定向填充燃料喷射器30的设计提供要求的燃料喷雾。喷嘴组310包括中心喷嘴316，其与每个邻接喷嘴312、314以约14度的径向角340分开，从而提供燃料喷射直接到相应的火花塞/隙，该火花塞/隙跨越相对于喷射器中心轴约28径向度。类似地，喷嘴组320包括中心喷嘴322，其与邻接喷嘴324、326以约14度的径向角分开，从而提供燃料喷射直接到相应的火花塞/隙，该火花塞/隙跨越相对于喷射器中心轴约28径向度。同样地，在本实施例中，喷嘴组310以约150径向度与喷嘴组320分开从而生成多个半不同的区段，其关联每个火花塞以便燃烧。当然，定向填充的径向跨度或者角度可以根据具体应用和执行而变化。一种模型/原型的经验和计算机建模数据建议在约5和约78度之间的跨度范围为基本上由氢气组成的发动机燃料提供了在燃料消耗和NOx排放之间的可接受的平衡。图3C中喷射器端头300的部分剖面图示出喷嘴312、314、316和322、324、326相对于喷射器轴、或者相对于所述汽缸顶的定位。在一个实施例中，喷嘴312、314、234和326形成约70度轴向角350，而喷嘴322和316形成约45度轴向角(没有具体示出)。当然，余角可以从汽缸顶盖或者汽缸顶部测量。与径向跨度相似，轴向跨度可以根据具体应用和执行而变化。但是，一种模型的经验和计算机建模数据建议相对于汽缸顶部在约17度和约62度之间的跨度(或者相对于喷射器轴在约28度和约73度之间)为基本上由氢气组成的发动机燃料提供了在燃料消耗和NOx排放之间的可接受的平衡。图4A-4F示出预期的或者预计的气态燃料分布入半不同燃烧区段/燃烧的半不同区段，其由具有喷嘴的喷射器产生，该喷嘴根据本公开的不同实施例而布置。图4A和4C分别提供在随着活塞18在压缩冲程向上移动和在动力冲程开始向下移动的燃烧周期围绕上止点的第一和第二周期的活塞侧视图。图4B和4D为第一和第二周期提供相应的活塞前视图。由图4A和4B表示的第一周期对应于在燃料喷射期间并紧接着燃料喷射的预计燃料位置，而由图4C和4D表示的第二周期对应于在点火期间的预计燃料位置。如图4A所示，气态燃料经过第一和第二喷嘴组瞄向所述火花隙和汽缸壁16而形成喷射410和412。汽缸壁16指引所述燃料喷射410、412到活塞18，活塞18反射燃料进入燃烧室14的中心。图4B的侧视图示出由每个喷嘴组形成的相对窄的燃料喷射，而每个喷嘴组引导燃料仅朝向紧邻汽缸壁16的相应的火花隙。图4C和4D示出刚好在点火前和点火期间燃料在高燃烧区416和低燃烧区418良好地混合。低燃烧区418用作隔离层用于减少热量传送到汽缸壁16并且提高总效率同时减少NOx的形成。火花塞可以定位在汽缸14内，以便火花隙位于低燃烧区内且刚好在高燃烧区的外部，从而更好的操纵燃烧率和关联的NOx的形成，这在图7中有更详细的示出和描述。图4E提供了活塞的侧视图，并且图4F提供用于最优化燃烧的气态燃料流动定向目标的底视图(汽缸内)。如图4E所示，第一和第二喷嘴组产生相应喷射410和412，其跨越相对于汽缸顶部14在约17度和约62度之间的角度450。如图4F所示，喷射器30包括第一和第二喷嘴组，从而生成相应第一和第二燃料喷射410、412，对于每个喷嘴组，其跨越约5度和约78度之间的径向角460。图5示出对于根据本公开的不同实施例的气态燃料发动机每个汽缸单火花塞的实施例，燃料消耗和NOx生成的减少。图5中的数据是为以基本由氢气组成的气态燃料能够运行的发动机生成的。该图示出燃料消耗和NOx作为在发动机转速为3000rpm和当量比(phi)为O. 4时喷射正时的函数。图5中的数据比较定向喷射器和传统喷射器设计的性能，该定向喷射器具有两个喷嘴组，每个喷 嘴组有三个喷嘴和每个汽缸单火花塞/单火花塞汽缸，该传统喷射器设计具有5个喷嘴，这5个喷嘴在每个汽缸单火花塞Il单火花塞汽缸和每个汽缸双火花塞/双火花塞汽缸的两个实施例中通常都围绕喷射器周围均匀间隔。线510和512分别表示对于5喷嘴的喷射器和每个汽缸双火花塞的实施例的NOx和瞬时燃料消耗(ISFC)。线514和516分别表示对于定向喷射器(2个喷嘴组每个具有3个喷嘴)和每个汽缸单火花塞的实施例的NOx和瞬时燃料消耗(ISFC)。如图5所示，每个汽缸单火花塞的定向喷射器(线514、516)优于传统的每个汽缸单火花塞或每个汽缸双火花塞配置的喷射器设计。图6和7比较根据本公开不同实施例的气态燃料发动机的每个汽缸单火花塞和每个汽缸双火花塞实施的燃烧效率和稳定性。图6示出与由线620表示的每个汽缸双火花塞实施例相比，由线610表示的每个汽缸单火花塞的实施例的作为瞬时歧管有效压力(MEP)的函数的喷射结束(Ε0Ι)。图7示出由线720表示的每个汽缸双火花塞实施和由线710表示的每个汽缸单火花塞实施的作为MEP的函数的燃烧时间(或速率)。如图6和7大致所示，在由线620表示的每个汽缸双火花塞实施中喷射正时更加灵活，其燃烧稳定性范围增加了 20-30曲轴度，这促进了更有效的喷射正时。类似地，在整个运行范围，燃烧速率提高了 10-90%，而燃烧时间减少了 10-15曲轴度。图8示出根据本公开的不同实施例，对于气态燃料发动机每个汽缸双火花塞和定向喷射器实施例的燃料消耗和NOx生成的减少。图8的代表数据比较传统的5喷嘴喷射器和定向喷射器的燃料消耗和NOx生成，其中5喷嘴喷射器具有通常绕喷射器周围均匀隔开的喷嘴，而定向喷射器具有两个喷嘴组，每个喷嘴组有三个喷嘴，其中对于每个汽缸单火花塞和每个汽缸双火花塞的实施，喷嘴组由约150径向度分开。图8提供了喷射正时曲线，其示出在发动机转速为3000rpm和当量比(phi)为O. 4时，作为在上止点后(ATDC)曲轴度测量的喷射结束(EOI)的函数的燃料消耗(ISFC)和NOx生成。线810和812分别表示对于5喷嘴双火花塞实施的NOx生成和燃料消耗。线814和816分别表示根据本公开的实施例，对于定向喷射器和每个汽缸双火花塞实施的NOx生成和燃料消耗。线818和820分别表示对于定向喷射器和每个汽缸单火花塞实施的NOx生成和燃料消耗。线822和824分别表示对于5喷嘴喷射器、每个汽缸单火花塞实施的NOx生成和燃料消耗。如图8所示，由线814和816表示的具有喷嘴组的在每个汽缸双火花塞实施中引导气态燃料朝向相应火花隙的定向喷射器的协同作用，其特别对于在ATDC约55度和ATDC约70度之间的喷射正时,改进(减少)燃料消耗和NOx生成。在计划(projected to)全系统运行时，本燃烧系统产生具有计划/设计的达到48%的制动热效率(BTE)的非常有效的汽车发动机，其比发展中的当前系统改进了 5%。当然，实际可得到的BTE可以根据多种多样的发动机、交通工具和周围工况而变化。图9示出根据本公开的不同实施例，对于控制使用气态燃料工作的发动机的系统运行或方法。值得注意的是，如上所述，示出和描述的所述控制和评估程序可与不同发动机配置一起使用。此处所述具体程序可以表示任意数目的处理策略中的一个或多于一个，如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等等。类似地，示出的各种步骤或者功能可以按照示出的顺序执行，并行地执行，或者有时省略。同样地，处理顺序没有必要要求实现此处描述的示例实施例的所述特征和优点，但被提供用于使示出和描述更容易。所述示出步骤和功能的一个或多于一个根据使用的特别策略可以重复执行。此外，所述的步骤可以用图表表示在控制器12里的被编程到计算机可读的储存介质的代码。图9中的方块910表示当前发动机(和/或交通工具)和周围工况的监测。工况可以包括不同温度、驾驶员要求、发动机和交通工具速度、负载等，这些由相应的传感器确定或者由一个或多于一个控制器(如控制器12)计算或推断。然后响应由方块920表示的当前工况确定喷射和点火正时。喷射和点火正时可以通过使用相应的计算和/或经由一个或多于一个运行参数访问的控制发动机参数图来确定，例如发动机转速和负载。方块930表示位于中心的喷射器直接向每个汽缸喷射气态燃料，位于中心的喷射器具有多个喷嘴组朝向各个或者相应的火花隙以便形成如前所述的半不同的燃烧区段。然后控制器12生成由方块940表不的信号以便启动燃烧。正如关于图1-9所示出和描述的，根据本公开的不同实施例提供了关联的优点，比如控制燃料浓度和分布从而保持发动机排放、向所述发动机汽缸壁的传热和发动机的总效率之间的平衡。经验的证据已经证明使用每个汽缸双火花塞结合具有每个喷嘴组三个喷嘴的相应喷嘴组以产生多个半不同的燃烧区段的喷射器，可以为氢气燃料发动机增加高达5%的制动热效率。但是，根据本公开的策略可以在设计特征有限的范围内实现。而使用单火花塞和每个喷嘴组具有三个喷嘴的双多喷嘴组的实施例改进了总效率；使用双火花塞提供了更好的燃烧稳定性和促进了更灵活的喷射正时，这有助于额外效率增益。另外，不同实施例展示了在整个发动机运行范围燃烧比率提高10-90%而燃烧时间减少了 10-15曲轴度。以上所述虽然是示范性的实施例，但这并不意味着这些实施例描述了本发明的所有可能的形式。更精确地，本说明书使用的语言是描述性的而不是限制性的，并且应该明白的是在不脱离本发明的精神和范围的条件下可以做出不同变化。另外，不同执行实施例的部件可以结合从而形成本发明的进一步实施例。
权利要求
1.一种用于控制能够使用气态燃料运行的发动机的方法，其包括通过位于中心的喷射器向每个汽缸直接喷射气态燃料，该喷射器具有多个喷嘴组，每个喷嘴组关联至少两个火花塞中的一个，所述火花塞定位成相对于喷射器更靠近汽缸壁，每个喷嘴组引导所述气态燃料朝向关联的火花塞隙。
2.根据权利要求1所述的方法，其中每个所述喷嘴组包括三个喷嘴。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述气态燃料包括氢气，每个汽缸包括两个火花塞，所述多个喷嘴组包括两个喷嘴组，并且所述喷嘴组被分开约150径向度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中喷射包括通过所述喷嘴组相对于所述汽缸顶部以在约17度和约62度之间的角度喷射气态氢气。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述喷射包括通过所述喷嘴组针对每个喷嘴组以在约5和约78度之间的径向角喷射气态氢气。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述发动机的每个汽缸均包括具有进气端口和排气端口的汽缸盖，并且其中所述火花塞被定位在所述汽缸盖内在所述进气端口和所述排气端口之间邻近汽缸壁。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述发动机的每个汽缸均包括具有两个进气阀孔和两个排气阀孔的汽缸盖，并且其中所述火花塞和喷射器沿在所述进气阀孔和所述排气阀孔之间延伸的汽缸公共轴线被定位在所述汽缸盖内。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述发动机的整体运行范围包括喷射气态燃料从而提供仅在上止点后(ATDC)的约15度和约85度之间的喷射结束。
9.一种具有能够燃烧气态燃料的汽缸的发动机，其包括 每个汽缸至少一个火花塞； 气态燃料喷射器，其延伸到每个汽缸并且具有至少一个含有多个喷嘴的喷嘴组，这些喷嘴被定位成引导气态燃料仅朝向关联火花塞的火花隙；和 控制系统，其操纵每个火花塞和每个喷射器以便直接输送气态燃料到汽缸并启动燃烧。
10.根据权利要求9所述的发动机，其中所述控制系统控制喷射以便在喷射结束范围在上止点后(ATDC)的约15-85度之间的情况下喷射气态氢气。
全文摘要
一种具有燃烧气态燃料的汽缸的发动机包括每个汽缸至少一个火花塞；延伸到每个汽缸的气态燃料喷射器，该喷射器具有至少一个包含多个喷嘴的喷嘴组，这些喷嘴经定位用于引导气态燃料仅朝向关联火花塞的火花隙；和控制系统，其操纵每个火花塞和每个喷射器以便直接输送气态燃料到汽缸并启动燃烧。一种控制能够使用气态燃料运行的发动机的方法，其包括通过位于中心的喷射器直接向每个汽缸喷射气态燃料，该喷射器具有多个喷嘴组，每个喷嘴组关联至少两个火花塞中的一个，该火花塞定位成相对于喷射器更靠近汽缸壁，每个喷嘴组引导气态燃料朝向关联的火花隙。
文档编号F02M61/18GK103032189SQ201210374688
公开日2013年4月10日 申请日期2012年9月27日 优先权日2011年9月29日
发明者B·A·波耶, M·A·约金斯 申请人:福特环球技术公司