用于内燃机中的燃料喷射和燃料点燃的装置和方法与流程

本申请涉及在内燃机中喷射和点燃燃料，具体地涉及喷射和点燃具有高自燃温度的燃料，该燃料包括诸如天然气和氢气之类的气体燃料，并且更具体地涉及采用将燃料直接喷射到燃烧室中的内燃机。

背景技术：

1、对于采用具有过高的自燃温度而无法在柴油机的压缩冲程温度结束时持续点燃的燃料的内燃机，点火是关键问题；该燃料诸如是包括天然气和氢气的气体燃料，以及包括甲醇和丙醇的一些液体燃料。因此，以这些燃料作为燃料的发动机需要强制点火源，诸如引燃柴油、电热塞或火花塞，以实现可靠的点火。使用柴油燃料作为引燃燃料增加了燃料系统的复杂性，该燃料系统处理两种燃料。另一方面，虽然电热塞或火花塞具有实现单燃料操作的潜力，但在常规的轴对称燃烧室配置中，单个的电热塞或火花塞无法同时点燃所有燃料射流，这导致不可靠的发动机操作、高的未燃烧碳氢化合物排放和低的效率。

2、现有技术缺乏用于在直接喷射式内燃机中点燃具有高自燃温度的燃料的技术。本发明的装置和方法提供了用于改进这种燃料在直接喷射式内燃机中的点火的技术。

技术实现思路

1、用于在内燃机中喷射和点燃燃料的改进装置包括喷嘴，喷嘴具有孔和在末端端部处的终端。孔包括纵向轴线和环形阀座。针状件在孔内往复运动并且与环形阀座结合形成喷射阀，其中在关闭位置，针状件抵接环形阀座，并且在打开位置，针状件与环形阀座间隔开。保持器沿喷嘴的纵向轴线从喷嘴的终端轴向地突出，由此环形混合空间在保持器与喷嘴的终端之间延伸。存在固定到喷嘴的、包括强制点火源的点火器，强制点火源在环形混合空间的一部分内形成点火区。喷嘴包括以下(1)和(2)中的一个：(1)引燃孔和第一主要孔，引燃孔和第一主要孔在喷嘴中、在增压室与喷嘴的外部之间延伸，第一主要孔具有绕过保持器的第一主要孔纵向轴线；来自引燃孔的引燃燃料射流被保留并且被重新导向，使得在环形混合空间内形成可点燃的燃料-空气混合物；和(2)第二主要孔，第二主要孔在喷嘴中、具有绕过保持器的第二主要纵向轴线，使得来自第二主要孔的主要燃料射流被保持器刮擦，并且被刮擦的燃料被保留并且被重新导向，从而在环形混合空间内形成可点燃的燃料-空气混合物。点火器被致动以点燃可点燃的燃料-空气混合物。

2、在具有至少一个喷嘴引燃孔的示例性实施例中，孔纵向轴线与引燃孔纵向轴线之间的引燃孔喷射角(θ)优选地在0度至45度之间。喷嘴主要孔具有在孔纵向轴线与第一主要孔纵向轴线之间的第一主要孔喷射角(β)，第一主要孔喷射角(β)在50度至85度之间。引燃孔的横截面流动面积优选地在主要孔的横截面流动面积的5％至15％的范围之间。流动通过引燃孔的一部分燃料膨胀并且冲击环形保持表面，使得在混合空间内将燃料流从基本上竖向的方向重新导向到相对于喷嘴孔纵向轴线600的径向方向和周向方向。在一些实施例中，在引燃孔喷射角θ接近0度或为0度的情况下，保持器相对于喷嘴的孔纵向轴线600具有接近90度且包括90度的倾斜角(λ)。弧形形状的环形保持表面的、与引燃孔纵向轴线相交的部分的切线可以正交于引燃孔纵向轴线。

3、在其他示例性实施例中，喷嘴不具有一个或多个单独的引燃孔，而是具有以下主要孔，该主要孔具有喷嘴孔纵向轴线与第二主要孔纵向轴线之间的、优选地在15度至75度之间主要孔喷射角(ω)。主要燃料射流中的0.1％至10％之间的燃料被保持器刮擦并且在环形混合空间内混合。

4、保持器的上环形保持表面向内倾斜并且可以相对于喷嘴的孔纵向轴线600具有45度至90度的倾斜角(λ)，以便将可点燃的燃料-空气混合物保持在环形混合空间内。保持器的上环形保持表面可以是弧形形状的，形成碗，以便将可点燃的燃料-空气混合物保持在环形混合空间内。

5、柱构件将保持器连接到喷嘴终端，并且柱构件可以关于孔纵向轴线轴对称。喷嘴、柱构件和保持器可以是一体式部件，在这种情况下，具有引燃孔的实施例可以通过穿过保持器钻孔或镗孔来形成引燃孔。强制点火源可以包括被加热的表面，或包括电极，从而在点火器与保持器之间和/或在点火器与喷嘴之间形成火花间隙。集成式点火器可以是长形构件，集成式点火器具有在第一末端端部处的强制点火源和在第二末端端部处的电极。点火器的电极可以在喷嘴中电连接到电导体，由此点火信号通过电导体被传送到强制点火源。

6、在一些应用中，有益的是，在喷嘴的下部分中设置槽，用于支撑点火器。为了将点火器固定到喷嘴，靠近点火器的第二末端端部的螺纹可以由第二孔中的对应的螺纹接收，第二孔形成在喷嘴的上部分中。点火器还可以包括绝缘部分，该绝缘部分位于第一末端端部处的强制点火源与第二末端端部处的电极之间。在装置被安装在发动机中的情况下，点火器和喷嘴的下部分延伸到发动机的燃烧室中，该下部分包括点火器的绝缘部分的至少一部分在内，而喷嘴的上部分可以基本上位于发动机的气缸盖中的孔内。

7、对于一些应用，喷射阀被致动到打开位置以在引燃喷射事件中喷射燃料，优选地，在压缩冲程期间、在上止点之前、在90度至160度曲柄角之间喷射阀被致动；并且喷射阀被致动到打开位置以在主要喷射事件中喷射燃料，优选地，在压缩冲程期间、在上止点之前、在110度至180度曲柄角之间喷射阀被致动。喷射阀可以被致动为以在标称200巴至800巴之间的喷射压力喷射燃料。具有高于350摄氏度的自燃温度的燃料和/或诸如氢气、甲烷、丙烷、天然气、氨气或混合物之类的气体燃料，对于本文中公开的装置和技术是特别有益的。具有高自燃温度和低沸点的液体燃料，诸如甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或混合物，也受益于本文中描述的装置和技术，其中在喷射时发生充分雾化，并且更优选地发生汽化，以允许与气缸内的空气的良好混合。

技术特征：

1.一种用于在内燃机(260)中喷射和点燃燃料的装置，所述装置包括：

2.根据权利要求1所述的用于喷射和点燃燃料的装置，其中，所述引燃孔(580)具有在所述孔纵向轴线(600)与所述引燃孔纵向轴线(610)之间的引燃孔喷射角(θ)，所述引燃孔喷射角(θ)在0度至45度之间；并且所述第一主要孔(590)具有在所述孔纵向轴线(600)与所述第一主要孔纵向轴线(610)之间的第一主要孔喷射角(β)，所述第一主要孔喷射角(β)在50度至85度之间。

3.根据权利要求2所述的用于喷射和点燃燃料的装置，所述装置还包括多个第一主要孔，每个第一主要孔分别具有主要孔纵向轴线，并且所述多个第一主要孔各自被布置成，使得所述孔纵向轴线(600)与所述第一主要孔纵向轴线(610)之间的所述第一主要孔喷射角(β)在50度至85度之间。

4.根据权利要求1所述的用于喷射和点燃燃料的装置，其中，所述第二主要孔(890)具有在所述孔纵向轴线(600)与所述第二主要孔纵向轴线(820)之间的第二主要孔喷射角(ω)，所述第二主要孔喷射角(ω)在15度至75度之间。

5.根据权利要求4所述的用于喷射和点燃燃料的装置，所述装置还包括多个第二主要孔，每个第二主要孔分别具有第二主要孔纵向轴线，并且所述多个第二主要孔各自被布置成，使得孔纵向轴线(600)与第二主要孔纵向轴线(820)之间的所述第二主要孔喷射角(ω)在15度至75度的范围内。

6.根据权利要求1、4或5中任一项所述的用于喷射和点燃燃料的装置，其中，所述主要燃料射流中的至少0.1％的燃料被所述保持器刮擦并且在所述环形混合空间(660)内混合。

7.根据权利要求1、4或5中任一项所述的用于喷射和点燃燃料的装置，其中，所述主要燃料射流中的0.1％至10％之间的燃料被所述保持器刮擦并且在所述环形混合空间(660)内混合。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的用于喷射和点燃燃料的装置，其中，所述保持器(630、830)的上环形保持表面(635)向内倾斜，所述上环形保持表面(635)相对于所述喷嘴(510、810)的所述孔纵向轴线600具有45度至90度的倾斜角(λ)，以便将所述可点燃的燃料-空气混合物保留在所述环形混合空间(660)内。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的用于喷射和点燃燃料的装置，其中，所述保持器(630、830)的上环形保持表面(635)是弧形形状的，形成碗，以便将所述可点燃的燃料-空气混合物保持在所述环形混合空间(660)内。

10.根据权利要求2所述的用于喷射和点燃燃料的装置，其中，所述引燃孔(580)的横截面流动面积优选地在所述主要孔(590)的横截面流动面积的5％至15％的范围之间。

11.根据权利要求2或3所述的用于喷射和点燃燃料的装置，其中，在所述引燃孔喷射角θ接近0度或为0度的情况下，所述保持器(630)的上环形保持表面(635)相对于所述喷嘴(510)的所述孔纵向轴线600具有接近90度且包括90度的倾斜角(λ)。

12.根据权利要求2或3所述的用于喷射和点燃燃料的装置，其中，所述保持器(630)的上环形保持表面(635)是弧形形状的，其中所述弧形形状的环形保持表面的、与所述引燃孔纵向轴线(610)相交的部分的切线正交于所述引燃孔纵向轴线(610)。

13.根据权利要求2或3所述的用于喷射和点燃燃料的装置，其中，流动通过所述引燃孔(580)的一部分燃料膨胀并且冲击环形保持表面(635)，使得在混合空间660内将燃料流从基本上竖向方向重新导向到相对于纵向轴线600的径向方向和周向方向。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的用于喷射和点燃燃料的装置，所述装置还包括柱构件(650)，所述柱构件(650)将所述保持器(630、830)连接到所述终端(640、840)。

15.根据权利要求14所述的用于喷射和点燃燃料的装置，其中，将所述保持器(630、830)连接到所述终端(640、840)的所述柱构件(650)关于孔纵向轴线(600)轴对称。

16.根据权利要求14或15所述的用于喷射和点燃燃料的装置，其中，所述喷嘴(510、810)、所述柱构件(650)和所述保持器(630、830)是一体式部件。

17.根据权利要求16所述的用于喷射和点燃燃料的装置，其中，所述引燃孔(580)通过穿过保持器630钻孔或镗孔来形成。

18.根据权利要求1至17中任一项所述的用于喷射和点燃燃料的装置，其中，所述强制点火源包括被加热的表面。

19.根据权利要求1至17中任一项所述的用于喷射和点燃燃料的装置，其中，所述强制点火源包括电极，从而在所述点火器(530)与所述保持器(630、830)之间和/或在所述点火器与所述喷嘴(510、810)之间形成火花间隙(680)。

20.根据权利要求1至17中任一项所述的用于喷射和点燃燃料的装置，其中，所述点火器(530)是长形构件，所述点火器(530)具有在第一末端端部处的所述强制点火源(535)和在第二末端端部处的电极(545)，所述点火器(530)的所述电极(545)在所述喷嘴(510、810)中电连接到电导体(539)，由此点火信号通过所述电导体(539)被传送到所述强制点火源(535)。

21.根据权利要求20所述的用于喷射和点燃燃料的装置，所述装置还包括槽(513)，所述槽(513)形成在所述喷嘴(510、810)的下部分(511)中，用于支撑所述点火器(530)。

22.根据权利要求20或21所述的用于喷射和点燃燃料的装置，所述装置还包括靠近所述点火器的所述第二末端端部的螺纹，所述螺纹由第二孔(514)中的对应的螺纹(517)接收，由此将所述点火器固定到所述喷嘴(510、810)，所述第二孔(514)形成在所述喷嘴(510、810)的上部分(512)中。

23.根据权利要求20至22中任一项所述的用于喷射和点燃燃料的装置，其中，所述点火器(530)包括绝缘部分(537)，所述绝缘部分(537)位于所述第一末端端部处的所述强制点火源与所述第二末端端部处的所述电极(545)之间。

24.根据权利要求23所述的用于喷射和点燃燃料的装置，其中，在所述装置被安装在发动机中的情况下，所述点火器和所述喷嘴(510、810)的下部分(519)延伸到所述发动机的燃烧室中，其中所述下部分(519)包括所述点火器的所述绝缘部分的至少一部分在内。

25.根据权利要求1至24中任一项所述的用于喷射和点燃燃料的装置，其中，在所述装置被安装在发动机中的情况下，所述喷嘴(510、810)的上部分(512)基本上位于所述发动机的气缸盖中的孔内。

26.根据权利要求1至25中任一项所述的用于喷射和点燃燃料的装置，其中，在所述装置被安装在发动机中的情况下，围绕所述喷嘴(510、810)的外环形表面(521)和所述发动机的气缸盖的孔的壁形成了燃烧密封。

27.根据权利要求1至26中任一项所述的用于喷射和点燃燃料的装置，其中，在压缩冲程期间，在上止点之前，在90度到160度曲柄角之间，所述喷射阀(550)被致动到打开位置以在引燃喷射事件中喷射燃料。

28.根据权利要求1至27中任一项所述的用于喷射和点燃燃料的装置，其中，在压缩冲程期间，在上止点之前，在110度到180度曲柄角之间，所述喷射阀(550)被致动到打开位置以在主要喷射事件中喷射燃料。

29.根据权利要求1至28中任一项所述的用于喷射和点燃燃料的装置，其中，所述喷射阀(550)被致动为以高于200巴的喷射压力喷射燃料。

30.根据权利要求1至29中任一项所述的用于喷射和点燃燃料的装置，其中，所述喷射阀(550)被致动为以在200巴至800巴之间的喷射压力喷射燃料。

31.根据权利要求1至30中任一项所述的用于喷射和点燃燃料的装置，其中，所述燃料具有高于350摄氏度的自燃温度。

32.根据权利要求1至31中任一项所述的用于喷射和点燃燃料的装置，其中，所述燃料为气体燃料。

33.根据权利要求1至32中任一项所述的用于喷射和点燃燃料的装置，其中，所述燃料为氢气、甲烷、丙烷、天然气、氨气或其混合物。

34.根据权利要求1至31中任一项所述的用于喷射和点燃燃料的装置，其中，所述燃料为甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或其混合物。

技术总结
用于在内燃机中喷射和点燃燃料的改进装置包括喷嘴，喷嘴具有孔和末端端部处的终端。孔包括纵向轴线和环形阀座。针状件在孔内往复运动并且与环形阀座结合形成喷射阀，其中在关闭位置，针状件抵接环形阀座，并且在打开位置，针状件与环形阀座间隔开。保持器从喷嘴的终端沿其纵向轴线轴向突出，由此环形混合空间在保持器与喷嘴的终端之间延伸。存在固定到喷嘴的、包括强制点火源的点火器，强制点火源在环形混合空间的一部分内形成点火区。喷嘴装置包括那些具有引燃孔和主要孔的喷嘴装置，引燃孔和主要孔在喷嘴中、在增压室与喷嘴外部之间延伸，其中主要孔纵向轴线绕过保持器，并且来自引燃孔的引燃燃料射流被保留并重新导向，使得在环形混合空间内形成可点燃的燃料‑空气混合物。喷嘴装置还包括具有多个主要孔且没有单独引燃孔的喷嘴，其中主要纵向轴线绕过保持器，使得主要燃料射流被保持器刮擦，并且被刮擦的燃料被保留并重新导向，使得在环形混合空间内形成可点燃的燃料‑空气混合物。点火器被致动以点燃可点燃的燃料‑空气混合物。

技术研发人员：黄建
受保护的技术使用者：西港燃料系统加拿大公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17