CN101506509B - 发动机中液体和气体燃料的同时喷射 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于喷射气体和液体燃料到发动机内的方法和相应的燃料喷射器。该方法包括输送液体燃料到所述燃料喷射器、输送加压的气体燃料到燃料喷射器内、将液体燃料夹带到位于喷射器内腔中的气体燃料中和喷射气体燃料和被雾化的液体燃料到燃烧室内。液体燃料可以被通过针并被从针分配到喷射器喷嘴的内腔中，在此，在喷射事件中液体燃料被夹带到气体燃料中。液体/气体的质量比通过针的移动、液压阻力或电学阀被控制，以使液体燃料主体在气体喷射的初始部分期间被喷射。喷射器可以被用于天然气或与很多液体燃料例如柴油、生物柴油和DME结合的任意种气体燃料掺合物的后期循环直接喷射。

Description

发动机中液体和气体燃料的同时喷射
技术领域
本发明总体上涉及燃料喷射，且特别涉及用于将液体和气体燃料直接喷射到发动机燃烧室内的方法和装置。
背景技术
《The Modern Diesel Engine》(Geoffrey Smith，Ed.，Ilife and SonsLtd，London，1942)一书中介绍了直到约1942以前的最先进的实践的和实验的柴油机技术。Ricardo Comet、Lanova空气室和Acro空气室系统利用通过小通道被连接到主燃烧室上的小侧室。当活塞向下运动时，被贮存在侧室内的高压气体通过通道冲到主室内，制造可以被用于射流雾化和混和的高速喷射。19世纪30年代，Cummins Engine Co.公司生产了一种在活塞内具有空气室的发动机，其产生被直接针对燃料喷射器的空气喷射，被认为是改进了到燃烧燃料的空气供给。
2003年5月授权的美国专利No.6,564,770 B1(Geoffrey Cathcart，转让给Orbital Engine Company)公开了“Method of Injection of a Fuel-Gas Mixture to an Engine(将燃料-气体混合物喷射到发动机内的方法)”。此专利被直接针对于同时喷射空气和液体燃料(典型地，汽油)到直接喷射火花点火发动机内。通过喷射带有燃料的空气，可以预防会导致高排放的过浓区域。本发明的核心是使用与空气喷射相结合的多次喷射事件，以在点火前得到所需的燃料-空气混合物。被讨论的实施例涉及火花点火发动机。此专利教导了汽缸气体的收集(与使用压缩空气源相反)，以在后面用于雾化燃料。
于2002年8月6日授予Yang(转让给Ford Global Technologies)的名称为“Dual Fuel Compression Ignition Engine”的美国专利No.6,427,660 B1公开了低压(15-45巴)天然气和柴油共射的应用，典型地在上死点之前喷射，以分层的、大部分预混燃烧的模式操作。根据载荷分流喷射也是可能的。喷射器引入了混合室，柴油被通过第一阀喷射入该室内，并停留在室内直到气体燃料阀打开，气体燃料雾化柴油，全部混合物被喷射到燃烧室内。气体燃料处于适当低的压力下，这个事实排除了后期循环气体燃料喷射的可能性(某些发动机内的峰值汽缸压力可以达到100巴)。很高的气体燃料压力(＞250巴)可以是保持具有排气再循环(EGR)的高效率和低排放的关键部分。
于1991年11月授予给Hill等人(起初转让给University of BritishColumbia)的名称为“Intensifier-injector for Gaseous Fuel for PositiveDisplacement Engines”的美国专利No.5,067,467公开了一种在预燃室内使用天然气连续雾化柴油而不控制液体先导和气体燃料的相对定时的思想(也就是说，文中没有教导控制液体/气体燃料的质量比的方法，也没有教导有关计量液体燃料的任何信息或有关喷射定相的任何信息)。被公开的装置使用了提升阀喷射器，且该方法被称作“气吹”雾化。
于2003年7月29日被授予Beck等人(Clean Air Partners Inc.)的名称为“″Gas-Fueled，Compression Ignition Engine with MaximizedPilot Ignition Intensity”的美国专利No.6,598,584 B2涉及预混天然气/空气(通常被称为烟下沉)的先导点火，其基本概念是非常陈旧的-所有主要发动机公司都已经尝试了这种类型的变体。在此专利中公开的主要创新点是喷射先导持续较点火延迟或“混合时间”更短的时间的概念。可能这会导致更广泛的预混加载和较低排放的点火。专利详细介绍了特殊喷射器几何形状的重要性(用于针-座密封件的干涉角度)。
于2000年6月13日授予Touchette等人(Westport Research)的名称为“Gaseous and Liquid Fuel Injector”的美国专利No.6,073,862包括现有技术的详细回顾，包括Miyake等人在1987年的著作，Miyake等人介绍了具有通过分离的孔喷射先导和高压气体燃料的两个同心针的单喷射器。
于1983年11月22日授予Wood(转让给Southwest Research)的名称为“Fuel Injection System for Diesel Engines”的美国专利No.4,414,229公开了一种用于液体燃料的双燃料致动器。与在此申请回顾的其它共喷射器一样，在第二燃料的压力升高针之前柴油燃料(先导)被引入喷射器的内腔中。首先喷射先导的概念被关于有效点火进行了讨论。本发明不能为气体燃料的主喷射工作，因为针是通过增加替代燃料的压力被致动的。因为气体燃料是可压缩的，所以通过气体燃料压力的变化燃料喷射器不能被足够快速地致动。而且，本发明将在替代燃料(AF)之下制造柴油燃料(DF)的“加载”，当针被升高时，替代燃料基本上被连续地全部喷射(首先DF)。看来在喷射的开始部分期间没有办法限制DF/AF的质量比。
于1988年5月10日授予Kelgard的名称为“Dual Fuel Mobil EngineSystem”的美国专利No.4,742,801公开了一种用于在柴油机内燃烧气体燃料或液化石油气(例如，丙烷，LPG)的系统，同时先导柴油机对柴油和气体燃料使用分离的喷射器。
授予Paul等人的美国专利No.6,484,699教导了一种用于从喷射两种燃料或一种燃料的混合物中，当第二燃料缺乏时，自动转换的“通用燃料喷射器”。例如，如果第二燃料是气体燃料，则液体燃料被通过一个连接引入而气体燃料被通过一个不同的连接器引入。虽然’699专利公开了一种液体燃料分配器，但它没有教导有关计量液体燃料的内容或有关喷射定相的内容。
于2005年10月24日授予Date等人的美国申请2006/0086825公开了一种共射气体和液体燃料的燃料喷射器。液体燃料帮助燃烧，并在滑动界面和针末端碰撞座的地方润滑针。该申请没有提供怎样在喷射期间得到所希望的(或甚至可行的)液体燃料对气体燃料的质量比的指导。
发明内容
本发明涉及能够在内燃机内喷射点火推进液体燃料(在后文中简称“液体”)和高压气体燃料(在后文简称“气体”)的燃料喷射器。本发明特别涉及一种在其中液体和气体被通过相同的喷射孔喷射到燃烧室内的喷射器。
本发明还涉及一种利用压力下的可燃性气体与可控量的液体点火燃料相结合以操作内燃机的方法和装置，其中，可控量的液体被流动到燃烧室内的气体携带进入燃烧室并被雾化。液体可以包含添加剂以降低废气排放(例如水、乙醇和生物柴油)，而气体可以是能够在燃烧室内被燃烧的碳氢化合物和氢的任意掺合物，例如，天然气、合成气、生物合成气和它们的混合物。如在被引用的实例中所发现的，气体也可以包括非反应性气体。
液体开始喷射可以稍微延迟于气体开始喷射，以控制雾化和排放。喷射器能够在喷射的起始部分期间输送至少某一最低值的液体/气体质量比。在喷射的中期和后期期间不需要喷射液体。如果初始的液体/气体的质量比太高，则液体雾化可能不完全，导致过多的废气排放。如果在每个燃烧循环内使用多次喷射，则初次喷射应具有最高的液体/气体的质量比。在喷射的初始部分控制液体/气体的质量比是下面所介绍的方法和装置的重要目的，这在现有技术中没有教导过。
本发明的喷射器将液体引入喷射器本体内的加速气体流中，以将液体夹带到气体中，当混合物被喷射到燃烧室内时雾化液体。
单致动器实施例
通过控制孔和被调节的液体/气体的压力差，液体燃料可以被计量入喷射器内，其中，液体/气体的压力差可以被构造成发动机转速的函数。在某些实施例中，液体燃料流量被针的移动进一步限制，针除执行控制燃料到发动机燃烧室内喷射的主要功能外可以打开或关闭液体流动通道。
双致动器实施例
利用主针内的第二可移动针、外部控制阀(例如电磁、压电)或在很多柴油机上发现的那种类型的外部分配泵，液体燃料可以以可控的次数被计量入喷射器中。
因此，此处提供了一种将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的方法，该方法包括：
输送气体燃料到燃料喷射器；
输送液体燃料到所述燃料喷射器；
通过致动阀构件而将气体和液体燃料喷射到燃烧室内，其中，液体燃料被夹带到位于喷射器内腔中的气体燃料中，而气体燃料和液体燃料的混合物被喷射到燃烧室内，在此，膨胀的气体燃料雾化液体燃料；和
在喷射步骤中控制液体和气体燃料的质量比，以使得液体燃料的主体靠近喷射步骤的开始而不是喷射步骤的结束被喷射。
另一方面，此处提供了一种用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的燃料喷射器，该燃料喷射器包括：
燃料喷射器本体；
阀构件，其被布置于设在燃料喷射器本体内的空腔内，且可在阀构件的密封表面被压在座上时的关闭位置和阀构件被从座升高时的打开位置之间移动；
喷嘴腔，其由阀构件和燃料喷射器本体之间的环形空间限定，且当阀构件处于打开位置时与燃烧室流体连通；
与喷嘴腔流体连通的汽油燃料供给管线，通过其汽油燃料被输送到喷嘴腔内；
设置于阀构件内的内部通道，液体燃料被从液体燃料供给管线输送到其里面；和
与燃料喷射器操作性关联的计量装置，用于控制液体燃料从内部通道到喷嘴腔内的分配，这样，在喷射事件中液体燃料被夹带到流经喷嘴腔的气体燃料中，并因此液体燃料的主体更靠近喷射事件的开始而不是喷射事件的结束时被喷射。
在浏览了下面与附属图示结合的本发明的特殊实施例的介绍后，本发明的其它发面和特征对本领域内的技术人员来说就很明显了。
附图说明
附图示意出了本发明的实施例。
图1是根据本发明的实施例的包括针上的肩部和接触密封件以及三通控制阀的喷射器的剖面图。
图2a是根据本发明的另一实施例的具有一个开/关控制阀的喷射器的剖面图。
图2b是根据图2的实施例的示出了替代结构的喷射器的剖面图。
图3是利用针内的活塞计量被喷射的液体量的喷射器的剖面图。
图4是液体和气体流动通道、电阻和电容的示意性图示。
图5是根据图4的示意性图示的喷射器的剖面图。
图6是本发明的实施例的喷射器末端的剖面图，其利用Touchette等人(美国专利No.6,073,862)所教导的2个针的动作，但进行了修改以通过相同的孔喷射液体和气体。
图7是示出了根据双喷射策略液体和气体燃料喷射的相对定时作为时间的函数的图示。
图8是示出了根据另一实施例的包括具有外向升高阀针的提升型喷射器的喷射器剖面图。
具体实施方式
单制动器装置
(第一实施例)
参考图1，根据本发明第一实施例的燃料喷射器被示出了。喷射器可以被置于内燃机汽缸盖内的开口内。
燃料喷射器包括喷射器本体10，其在第一端16具有喷射孔或口14。喷射器本体10包括由腔壁24形成的中心空腔18，且包括在中心空腔内可滑动的针20。在中心空腔18的下部分，针20形成下部内腔22，其用作增压室或小的蓄压室，被呈环状设置于针20和腔壁24之间。下部内腔在喷射器的第一端16包括锥形端部25，其中，当针20被从座34上升高时，喷射孔14允许内燃机的燃烧室(图中未示出)与下部内腔的锥形端部25流体连通。下部内腔还与气体进口27连通，其可操作地从燃料压缩机、共轨或其它传统方式中供给一定量的气体燃料到下部内腔中。在中心空腔18的上部分28，针20与腔壁24可滑动地和可密封地连通。
针20包括具有外壁21的大致圆柱形本体，且包括中心液体通道30，在本实施例中，其被示出为形成于针20内的孔。针的下端被成形以提供密封表面，其可以被按压在下部内腔的锥形端部25上，以当针被命令到关闭位置时密封下部内腔22。密封部(或“座”)的位置被示出在34处。针包括许多从通道30径向延伸至座34上方的下部内腔22的出口孔39。
针20的上端包括垂直于针20轴线的大致平端表面。上部内腔40被形成于喷射器本体内针上方。上部内腔包括被布置且被定向以将针20朝向座34(“关闭位置”)推出上部内腔40的弹簧44。上部内腔还包括进口46以供给上部内腔液压流体和出口48以将液压流体释放出上部内腔。如图1的实施例中所示出的，液压流体可以是液体点火推进燃料。为方便起见，喷射器针和喷射器本体都可以被构造为几个零件。
包括液体供给管线62、活塞64和致动器66的控制阀60被提供了，用于控制液体到喷射器内的流量。在图1的实施例中，控制阀60是三通阀。
在各次喷射之间，控制阀60处于“关闭”位置，其将上部内腔40连接到高压液体供给管线62上。弹簧44和上部内腔40内的液体压力使针20保持在关闭位置，从燃烧室密封下部内腔22和通道30。因为控制阀60被“关闭”，液体不能从液体供给管线62流到通道30，所以液体被阻止流经出口孔39。
在命令喷射开始时(CSOI)，此命令可以被从发动机管理计算机上接收到，通过机械地或其它已知的方式，控制阀60的致动器66升高阀活塞64，将上部内腔40从液体供给管线62上断开连接，并将用于针20的通道30的液体进孔52连接到高压液体供给管线上。当针20被以由液体出口48处的孔72确定的速度从座34上升高时，液体就经过通道30流入出口孔39。从出口48，液体可以返回液体储罐(图中未示出)。当针20被从座34上升高时，气体流动被启动并开始流经气体进口27进入下部内腔22，并流出喷射器的孔14，夹带并雾化液体以制造混合的燃料喷射加载。被喷射的液体的量由在针20完全升高和上座56接触表面58之前有多少液体流经中部内腔57而限制，因此阻挡了更多液体的供给。
在喷射结束时，控制阀60返回到关闭位置，这是与阀活塞64何时再次连接上部内腔40与高压液体供给管线62并阻挡到液体进口52的液流相关联的位置。上部内腔40内压力的重新建立使得针20向下移动。当针20向下朝向座34移动时，上座56不再阻挡液体流到针通道，但液体的流动又被阀活塞64阻挡。因此，在喷射实例开始时液体/气体的质量比很大，而在喷射实例中期和结束时很小。
驱动液体的压力差出现了，因为：
a)液体供给管线62(或轨)处于比气体供给管线27的轨压PG略高的压力PL；和
b)针末端附近的高气速产生更低压力(在文丘里管中就是这样)。
依靠喷射孔14的设置和流到通道30的液体流量的调节，液体不会聚集在喷射器通道内，以使气体流经喷射器，但被持续雾化。类似地，从通道30的出口孔39也可以被设置以增强本发明的操作性，也就是说，为了改进操作，它们应该与接触线或密封部34相邻并位于其直接上游。普遍认为，如果液体被以足够高的速度喷射入气流中，它将几乎被立即实现且不在下部内腔22内淤积。液体的过渡淤积不是我们希望的，因为它可以降低控制液体喷射定时的能力。被淤积的液体可能导致不良雾化，特别是在气体喷射结束附近。
(第二实施例)
图2示出了燃料喷射器的第二实施例，其中，与第一实施例的元件相同的元件被标记有相同的附图标记。类似于第一实施例，在图2中示出的第二实施例的中部内腔57被限定在针肩部56和接触密封部58之间。然而，第二实施例使用简单的开关控制阀70而不是被第一实施例使用的三通控制阀60。在第二实施例中，燃料喷射器在液体供给管线62和控制阀70之间还被提供有供给孔79。
图2的燃料喷射器的操作可以通过考虑5个位置处的压力和3个位置处的流体阻力来理解，
PD-排出口48的压力，其在多数情况下是大气压力；(P～0)
PL-液体供给管线62的供给压力；
PG-气体燃料进口27的气体轨压，其可以是几百巴；
Pup-上部内腔40内的压力；
Pmid-喷射器中部内腔57内的压力。
这些小孔造成的流体阻力是动态的，且跨越这些孔的压降随瞬变流量的变化以非常复杂的方式变化。然而，为了介绍所公开的喷射器的功能，它们可以被视为在流量和压力之间假定为线性关系的简单阻力。这些阻力是：
RD-跨越排出孔72的阻力；
RS-跨越供给孔79的阻力；和
RP-液体喷射通道30和出口孔39的净阻力。
当针20被落座且控制阀70打开时，上部内腔40和中部内腔57被从液体供给管线62流动的液体加压。
Pup＝Pmid＝RD/(RD+RS)PL
这些阻力应该被选择以使Pmid～PG，这样，就没有大的液流进入气体通道。孔79和内腔57之间的额外的止回阀(图中未示出)可以在Pmid＜PG的时候防止气体倒流，在针20的底部，出口孔39被部分堵塞，但没有紧密密封。
当控制阀70关闭时，Pup以通过RD设置的速度接近PD，因此减小了作用在针20上的向下的关闭作用力。Pmid～PL，但由于这个被减小的关闭作用力针20开始升高，且当肩部56升高以接合接触密封部58时，这就限制了液体流经内腔57。当针20开始从座34升高时，液体被与气体一起被通过孔14喷射。
当针20升到最大升程的位置时，液流被接合接触密封部58的肩部56关闭，即使压力仍保持高于PG。
在喷射指令结束时，控制阀70打开，Pup和Pmid返回PG附近。当针20向下移动时因为压差非常小，所以非常少的液体被喷射。
图2b示出了第二实施例的优选结构，其中，各个部件被以更接近预期的真实结构的方式设置。图2是与图1相比非常有用的第二实施例的更示意性图示，并且更清楚地示出了开关控制阀70的元件。在图2b的结构中，在被用于控制液体供给管线62和液体出口48的致动器66的控制下，开关控制阀70被集成入具有活塞64的喷射器顶部。图2b还示出了肩部56和密封表面58的替代结构。针20上的肩部56和密封表面58不需要如图2中所示意性示出地被制成斜面。方形的密封表面也是可能的，并且有经验的技术人员应了解另外的结构也可以被使用。
(第三实施例)
现在参考图3，本发明的另一实施例被示出了。根据本实施例，针20包括延伸至针上端的被放大的中心通道140。中心通道140包含活塞142，优选具有大体液体密封型的滑动密封件。在此情况下，本技术领域内的技术人员应了解词语“大体”是指活塞142和通道140被制作成配制配合或带有密封件，以将所有泄漏减少至不影响如此处所介绍的装置的操作的量。活塞142一直与喷射盖144接触虽然它并没有被紧固在盖144上。盖144和活塞142之间的接触是由于力的平衡导致的。喷射器包括被从供给管线62供给液体的上部内腔146。设置于上部内腔146和供给管线62之间的孔148抑制了液体到上部内腔146内的流动。通过止回阀152液体也被供给到与针20上的环形凹槽50流体连通的喷射器侧壁上的液体进口52内。通过径向通道53凹槽50被连接到中心通道140上。
如同其它被公开的实施例一样，气体燃料被从气体供给通道27供给到被提供于喷射器的喷嘴的下部内腔22内。
当控制阀70打开时，上部内腔146内的压力下降，针20从座34上升高。针20的通道140内的液体被迫通过针20底部附近的液体出口孔39，进入流经下部内腔22的气体燃料中，并通过喷嘴孔流出。当针20升高时，这会在优选的时刻提供大部分的液流。止回阀152保证了液体喷射量与针20的行程成比例。如果现在控制阀70被关闭，上部内腔146压力升高，在弹簧144的帮助下迫使针20向下移动。当通道140内的压力下降到液体供给压力以下时，止回阀152允许液体重新填满针通道140。
针的升高和降低速度主要由供给和排出孔148和154的大小确定，在使用过程中这些孔的大小能够分别进行调节，例如，通过用不同尺寸的另一种孔替换一种尺寸的孔。在操作过程中，62处的液体供给压力可以相应于操作环境进行调节。排出150处的压力也可以在操作过程中进行调节。针20的行程可以通过盖144的位置和/或通过在上部内腔146内添加或移除垫片进行调节。
(一般流动方式介绍和另外的单致动器实施例)
在图1-3中示出的实施例中，喷射器的针被液压操作。如前面所指出的，用于此致动的液压流体可以是如前面所示的液体点火燃料，或者可替代地它可以是另外的液压流体。在包括液压操作的喷射器的实施例中，改变液体压力可以被采用于控制整个喷射阶段中被喷射的液体和气体的比例。然而，这不适合于压力、直动电磁或直动针致动方法。
现在参考图4，在喷射器系统另一实施例中的液体燃料和气体燃料流动通道的示意性流程图被示出了，其中，喷射器的致动可以是任意已知的方法。如其它实施例中一样，本实施例提供了在喷射事件过程中用于控制液体/气体的质量流量比的元件。
图4的喷射器系统可以操作如下：
1.喷射器针位于下面(关闭)，基本没有气流，所以座内压与气体轨压相同，也就是，PS＝PG。随着PL＞PG，液体流入喷射器，因为阻力RL2的存在，所以液体主体进入第一贮存器V1。V1在一个完整的循环内(通常为720度的曲柄转角)积聚了所需要的总液体量。同时，贮存器V2保持主要充满气体(参考下面的步骤3)，这样，控制液体喷射相对于气体喷射延迟。如果V2和RL2很小，则液体可以更靠近针座积聚，且可以在第一气体被喷射之前或同时被喷射。
2.当针升高(打开)时，通过RG的流动被建立，所以现在PS＜PG。液体将被气体(压力PG)强制排出V1，通过V2，到达压力PS的混合点。请注意，如果V2被充满气体，就会在针升高和液体喷射之间存在延迟。
3.在V1被清除液体燃料(一些液体燃料可能粘附在V1壁上，不会损害操作)之后，RL1只允许非常少量的液流继续。
在讨论更多的特殊实施例之前，应注释一些总体上的操作特征。
1.随着发动机RPM的增加，可能必须增加液体燃料压差(PL-PG)，因为可用于在V1中积聚液体燃料的时间减少了。这可以通过很多不同的电学或机械方法实现。例如，通常液体泵流量与发动机转速成比例，这样，适当大小和适当布置的流动阻力可以根据需要制造额外的压差。
2.在每个循环内进行分流或多次喷射是可能的。第一喷射会具有更大量的液体燃料，因为，由于RL1所提供的约束的存在，多次喷射之间的短暂时间不允许很多液体被恢复在V1内。
3.根据液体燃料通道的结构，阻力RL2和RG可以被构造成针升程的函数。这提供了用于设计优化的一个额外参数和用于在操作过程中改变喷射参数的额外方法。
现在参考图5，本实施例是体现图4的流程示意图所示出的特征的实体示意图的实例。本实施例可以使用任意的针致动方法(如盒子80通常示出的)，例如，其它喷射器的液压方法、机械方法、或包括压电、磁致伸缩或电磁致动器的直接致动方法。在本实施例中，图4的示意图中的RL1是设置于液体供给管线62上的可拆除的、可替换的孔79，而RL2和V1被建立在液体通道30和39上。请注意，RL1可以被设置于喷射器外面、喷射器本体10内或中空针20内。RG与气体通道是集成在一起的，从供给管线27一直到下部内腔22，下部内腔22是由被设置于喷射器本体10和针20之间的中心空腔18的一部分限定的。下部内腔22是图4中的V2。因为液体被引入到针座34附近的气体中，所以压力PS(在前面的示意图中)是针升程的强函数。当针20从座24升高且气体流经孔14时，在允许气体进入通道30的上通道37和下通道39之间具有压力差，迫使液体通过通道39。当针对特殊发动机的要求设计喷射器时，为了实现需要的流动特征、液体计量和操作目的，我们可以通过选择通道30和下部内腔22的尺寸调节贮存器V1和V2的大小、通过选择流体通道和孔的直径调节流动阻力，和在液体被引入的地方调节沿针的位置。
本实施例的关键是供给管线62上的液体压力被控制在管线27的气体压力之上，这样，进入通道30的液流被阻尼件79调节(该阻尼件可以被设置于喷射器本体或针内)。本实施例的另一重要方面是一旦气流被建立，上通道37和下通道39之间的压力差就会驱动气体进入中心通道30，在喷射事件的初期部分期间将液体驱逐出针和进入气流中。
双致动器装置
喷射事件中液体和气体质量比的更好控制可以通过使用2个致动器实现。
参考图6，本发明的另一实施例被示出了。借助于被授予Touchette等人且被Westport Power Inc.公司拥有的美国专利No.6,073,862中教导的现有技术对针的动作进行控制，其公开的内容在此处被以引入方式并入。在图6中被作为实例的完整的喷射器与′862专利中的那个根本不同，但是，因为其末端被设计用于产生在上面的说明中被介绍的共喷射。图6仅示出了具有延伸到中心空腔18内的双针组件的喷射器本体10的下部分。液体针110和主针20可以被相互独立地升高或降低。被加压的液体被从供给通道62供给，通过主针20上的环形凹槽50，进入液体针110和主针20之间的环形空腔114。液体供给压力PL高于气压PG，其被从气体供给通道27供给到下部内腔22内，这样，通过升高液体针110可控的持续时间和次数，任意量的液体可以被通过通道39喷射到下部内腔22内。当针20被从座34上升高时，液体被抽吸到内腔22内并进入气体中，然后，气体和液体的混合物被提供孔14喷射入燃烧室内，同时液体被膨胀的气体雾化。
在另一实施例中，通过在很多小型柴油机上发现的那种类型的机械式分配泵，液流可以被控制。这些泵被设计用于在可变的定时内提供被计量的液体燃料量，同时，具有到每个喷射器上的分离的线路。在本实施例中，气体喷射通过直接制动器控制，而液体喷射通过分离的液体泵控制。喷射器可以与图4中的相同，除止回阀被插入液体供给管线内以防止当液体燃料分配泵的压力降至气体轨压之下时液体倒流之外。
操作
现在参考图7，液体和气体喷射的相对定时被示出为时间的函数。在优选实施例的本实例中，液体的主体的喷射发生在气体按质量的前50％被喷射的期间内。如图7中的双喷射脉冲所示出的，多次喷射策略可以被使用，其中，针打开和关闭一次以上。这对降低高载荷下的排放和噪音是很有益处的。在此操作中，几乎所有的液体燃料都在第一喷射事件中被喷射。在单一的喷射脉冲内操作也是可能的。如果第一喷射脉冲的脉冲宽度被延长一段更长的持续时间，以喷射更多的气体到燃烧室内，那么用此被公开的方法和喷射器液体燃料遵循与图7中示出的分布相同或相似的分布是我们所希望的和可能的，其液体燃料的主体在燃料喷射脉冲的开始附近被喷射。也就是说，虽然气体质量喷射速率分布的形状可以变化，以适应不同发动机载荷和操作环境下的不同供燃要求，但是，液体质量喷射速率分布的形状可以与靠近喷射事件开始时所喷射的液体主体的形状保持大体相同。对于某些发动机，虽然可能希望对不同的操作环境调节液体的质量流量率，但对于所有的实施例，仍优选液体燃料的主体在喷射事件开始附近被喷射。
本方法的核心是以适合的方式定相液体和气体喷射。用此被公开的方法，初始喷射被浓缩于液体以促进快速点火，但在喷射事件的后期仅有少量液体被喷射或不喷射液体，因为后期被喷射的液体燃料可以导致较高的排放，所以这是我们希望的。如果在整个喷射事件中，常量的液体/气体的质量比被提供，则由于喷射事件开始时的点火要求，按质量，液体的总体要求会比需要的更高-大大降低了被供给液体和气体燃料的发动机的效用，增加被燃烧的气体燃料的量以减少从压缩点火发动机的排放就是这样的目的。
少量的液体可以恰好在第一气体离开喷射器之前被喷射，但液体的这个相对前进应该足够小，以使气体能够在燃烧室内超过液体喷雾，促进雾化。
通常地，被喷射液体的总质量可以达到被喷射气体总质量的约50％，而气体和柴油的真实质量比取决于载荷和液体与气体燃料的点火性能。在发动机的整个操作范围期间，使用其中一个被公开的方法和装置的发动机可以正常工作，同时液体燃料的质量百分比较被喷射的总燃料的33％还低很多。通常地，当只需要非常少量的燃料时，例如，当发动机空转或处于低载荷情况下时，液体燃料的质量百分比处于正常操作范围的较高端，因为一般只需要最少量的液体燃料帮助气体燃料点火。
利用本发明，气体和柴油共喷射的特殊(不同)定相对于多数非预混燃烧来说可以被使用于使排放量最少。喷射的相对定相在上面已经进行了讨论。
被示意出的燃料喷射器的优选实施例使用了具有多孔喷嘴末端的内向升高针，通过多孔喷嘴末端，气体和液体燃料可以被同时喷射到燃烧室内。这些优选实施例可以输送适当的燃料分配到燃烧室内，这对于减少排放和改善发动机性能和燃烧效率是非常重要的。但是，此被公开的方法也可以被与具有外向升高阀针的提升阀类型的喷射器一起使用。用于计量液体燃料和控制分配液体燃料定时的此被公开的方法可以被适于如图8中所示出的提升阀型的喷射器。在图8中，与图5的第三实施例的那些元件相同的元件被标记有相同的附图标记。在此实例中，提升阀阀构件120包括被适于密封在座134上的锥形头部136。如在前面的实施例中一样，液体燃料通道130被通过阀构件提供，以使液体燃料可以被夹带到内腔122内的气体燃料中，内腔122由阀体110和阀构件120之间的空腔118限定。多个出口孔139从阀构件内的通道130径向延伸至下部内腔122内针座134上方。
在优选实施例中，本发明的液体燃料是与气体相比具有较低自动点火温度的液体燃料，例如，包括但不仅限于柴油、合成柴油、DME(甲醚)、生物柴油、直接燃烧植物油和任意这些的水乳胶。液体可以被用于发起点火压缩发动机燃烧室内的燃烧。本发明的各种实施例允许夹带液体燃料到喷射器内的气体燃料中，以帮助液体燃料在喷射进入发动机燃烧室内时雾化。液体燃料的这种气吹式雾化可以有助于使用相对未经提炼的液体燃料，例如直接燃烧植物油。
气体燃料可以包括但不仅限于天然气、合成气、生物合成气、氢气和它们的掺合物。气体燃料可以具有高于液体燃料的自动点火温度，且可以包括燃烧被液体燃料发起之后燃烧室内的大多数燃烧反应，。
很多喷射器的变体可以被使用，例如：
1.喷射器被致动的方式(液压、机械、压电、电磁等)
2.所使用的致动器的数目(通常为1或2)
3.提供高压液体燃料的方法(共轨泵、分配泵、机械单元喷射泵)
4.控制气体和液体燃料的相对喷射定时的方法(2个致动器实施例中的直接电控；基于具有已知时间常数的流动贮存器和阻力的液压方法；由阀针的位置控制的液体流量)。
下面提供了在实践本发明和/或本发明可以被应用于或被应用的场合中可用到的特征和/或优势的列表：
1.单一的用于气体燃料掺合物和液体燃料共喷射的喷射器。
2.单一的致动器(目前在燃料注射器内使用的电磁、压电或其它类型)使得针升高并控制气体和液体的喷射。
3.喷射器滑动密封件可以被制成为允许泄漏的并且使用正常的加工误差或比正常加工误差更低的加工误差被构造，因为a)液体和气体压力可以被几乎平衡和b)如果存在泄漏，少量的液体可以积聚在喷射器的气体通道/空腔内，这些泄漏液体不会威胁到喷射器的操作性，因为在每个循环内气体被喷射时气体都排空这些空间。
4.喷射器内只需要单一的气密性接触密封件。这个密封件被液体燃料不断地润滑，且密封在仅200-400巴的最大压力值上(与现代柴油喷射器的1000巴相比)。
5.气体和液体的相对供给压力控制喷射器内的泄漏率和被喷射的液体燃料的量。这提供了一种，可能相应于不同的操作模式，协调喷射器性能或排放的简单方法。
6.液体可以包括基于水的乳状物。通过同时喷射(与通过分离的喷嘴孔的被隔离的液体和气体喷射相反)，水可以与气体燃料混合，这对降低排放是很有益处的。
7.液体雾化是由高气流导致的，且不受液体通道尺寸控制。这简化了喷射器的制造。
8.喷射器孔比传统柴油喷射器的孔更大，因此更易于加工和清洗。
9.结构上，喷射器的末端类似于传统的柴油喷射器，但经受低压，因此应力被减小了。与分离地喷射液体和气体的喷射器相比，几何形状更简单，且结构设计可以更易于制造。
虽然本发明的特殊实施例已经被介绍和示意出了，但这些实施例应仅被视为本发明的实例性介绍，且当被根据附属权利要求解释时不应被视作限制本发明。

Claims (38)

1.一种用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的方法，该方法包括：
输送气体燃料到燃料喷射器；
输送液体燃料到所述燃料喷射器；
通过致动阀构件而将气体和液体燃料喷射到燃烧室中，其中，液体燃料被夹带到位于喷射器内腔中的气体燃料中，且气体燃料和液体燃料的混合物被喷射到燃烧室内，在此，膨胀的气体燃料雾化液体燃料；和
在喷射步骤中控制液体和气体燃料的质量比，以使得液体燃料的主体靠近喷射步骤的开始而不是喷射步骤的结束被喷射。
2.根据权利要求1所述的用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的方法，还包括在不执行喷射步骤时，将液体燃料的主体保持在燃料喷射器内，与气体燃料分离开。
3.根据权利要求1所述的用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的方法，其中，在喷射步骤中，液体燃料的主体被夹带到气体燃料中。
4.根据权利要求1所述的用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的方法，还包括在喷射步骤中停止输送液体燃料到所述燃料喷射器，以帮助在喷射步骤中控制液体和气体燃料的质量比。
5.根据权利要求1所述的用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的方法，还包括在喷射步骤中计量被夹带到气体燃料中的液体燃料。
6.根据权利要求1所述的用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的方法，其中，输送液体燃料的步骤包括将其输送到设在阀构件内的通道中。
7.根据权利要求1所述的用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的方法，其中，输送气体燃料的步骤包括将其输送到喷射器内腔中由燃料喷射器的阀构件和喷嘴本体之间的空间限定的喷嘴腔内。
8.根据权利要求7所述的用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的方法，其中，液体燃料被输送到设在阀构件内的通道中，且被从通道分配到喷嘴腔内的气体燃料中。
9.根据权利要求8所述的用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的方法，其中，液体燃料被从通道通过用于将通道和喷嘴腔流体连通的孔分配到气体燃料中。
10.根据权利要求9所述的用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的方法，还包括利用活塞从通道转移液体燃料。
11.根据权利要求9所述的用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的方法，还包括利用气体燃料从通道转移液体燃料。
12.根据权利要求8所述的用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的方法，还包括在将液体燃料输送到通道内之前计量液体燃料。
13.根据权利要求12所述的用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的方法，其中，通过移动阀构件来打开和关闭通道和液体燃料供给管线之间的连通，以实现计量步骤。
14.根据权利要求12所述的用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的方法，其中，通过操作用于调节液体燃料流量的控制阀，以实现计量步骤。
15.根据权利要求12所述的用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的方法，其中，利用被制成为具有限制液体燃料流量的尺寸的孔实现计量步骤。
16.根据权利要求8所述的用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的方法，还包括在将液体燃料从通道输送到喷嘴腔内之前计量液体燃料。
17.根据权利要求16所述的用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的方法，其中，阀构件是主阀针，计量步骤是通过操作被设置于主阀针内的第二阀针而实现的，其中，第二阀针适于被操作以控制液体燃料从通道到喷嘴腔的分配，且主阀针适于被操作以控制燃料喷射器的打开和关闭，以喷射气体和液体燃料到燃烧室内。
18.根据权利要求1所述的用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的方法，其中，喷射步骤包括在喷射气体和液体燃料的混合物到燃烧室内之前初次喷射气体燃料到燃烧室，并且仍然是在靠近喷射步骤的开始而不是结束时喷射液体燃料的主体。
19.根据权利要求1所述的用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的方法，还包括通过设在燃料喷射器的喷嘴内的孔喷射气体燃料和液体燃料的混合物到燃烧室内。
20.根据权利要求1所述的用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的方法，其中，在喷射步骤中被夹带的液体燃料的量不大于喷射步骤中被喷射的气体燃料质量的50％。
21.根据权利要求1所述的用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的方法，还包括在喷射步骤中气体燃料质量的初始50％被喷射的期间内，喷射液体燃料的主体。
22.根据权利要求1所述的用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的方法，还包括在输送液体燃料到燃料喷射器之前将液体燃料与水混合。
23.根据权利要求1所述的用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的方法，还包括维持燃料喷射器内维持的液体燃料和气体燃料的压力大约相等。
24.根据权利要求23所述的用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的方法，还包括使燃料喷射器内的液体燃料压力具有略高于气体燃料压力的压差，以防止气体燃料泄漏到液体燃料中，同时保持低压差以减少泄漏到气体燃料中的液体燃料的量。
25.根据权利要求1所述的用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的方法，还包括在一个燃烧循环内重复喷射步骤一次以上，液体燃料的主体在初次喷射步骤中被喷到燃烧室内。
26.根据权利要求25所述的用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的方法，还包括计量液体燃料，以使液体燃料仅在初次喷射步骤中被喷射。
27.一种用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的燃料喷射器，该燃料喷射器包括：
燃料喷射器本体；
阀构件，其被布置于设在燃料喷射器本体内的空腔内，且适于在阀构件的密封表面被压在座上时的关闭位置和阀构件被从座升高时的打开位置之间移动；
喷嘴腔，其由阀构件和燃料喷射器本体之间的环形空间限定，且当阀构件处于打开位置时与燃烧室流体连通；
与喷嘴腔流体连通的气体燃料供给管线，气体燃料适于通过所述气体燃料供给管线被输送到喷嘴腔内；
设置于阀构件内的内部通道，液体燃料适于被从液体燃料供给管线输送到所述内部通道内；和
与燃料喷射器操作性关联的计量装置，用于控制液体燃料从内部通道到喷嘴腔内的分配，从而在喷射事件中使得液体燃料被夹带到流经喷嘴腔的气体燃料中，且使液体燃料的主体更靠近喷射事件的开始而不是结束被喷射。
28.根据权利要求27所述的用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的燃料喷射器，其中，计量装置包括位于内部通道和喷嘴腔之间的孔。
29.根据权利要求27所述的用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的燃料喷射器，其中，计量装置包括适于被操作以调节流入内部通道的液体燃料流量的控制阀。
30.根据权利要求27所述的用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的燃料喷射器，其中，液体燃料被从液体燃料供给管线通过连接通道输送到内部通道中，当阀构件从关闭位置移动到打开位置时所述连接通道被堵塞。
31.根据权利要求27所述的用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的燃料喷射器，其中，计量装置包括位于液体供给管线和内部通道之间的孔。
32.根据权利要求27所述的用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的燃料喷射器，其中，计量装置包括适于在内部通道内操作以从其转移液体燃料的活塞。
33.根据权利要求32所述的用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的燃料喷射器，其中，被活塞转移的液体燃料的量是阀构件线性移动的函数。
34.根据权利要求32所述的用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的燃料喷射器，其中，活塞相对于燃料喷射器本体是静止的，且阀构件相对于活塞可移动。
35.根据权利要求27所述的用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的燃料喷射器，还包括至少两个将内部通道连接到喷嘴腔的孔，其中一个孔与另一个孔纵向隔开，位于下面的孔更靠近座，在喷射事件中，流经下面的孔的气体燃料的速度产生从内部通道抽吸液体的文丘里效应，且当液体燃料被从内部通道抽吸时，气体燃料适于被通过上面的孔抽吸到内部通道内，以从内部通道排空液体。
36.根据权利要求35所述的用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的燃料喷射器，其中，喷嘴腔被成形为包括位于下面的孔附近的限流流道，以增加流经下面的孔的气体燃料的速度并增强文丘里效应。
37.根据权利要求27所述的用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的燃料喷射器，其中，计量装置包括布置于阀构件内的针阀，针阀适于独立于阀构件操作，以从内部通道分配液体燃料到喷嘴腔。
38.根据权利要求27所述的用于将液体燃料和气体燃料同时直接地喷射到内燃机的燃烧室内的燃料喷射器，其中，阀构件是阀针，其适于被缩回到燃料喷射器本体内，以打开燃料喷射器并通过设置于喷嘴末端中的孔喷射气体和液体燃料到燃烧室内。
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