CN104220713B - 用于点燃直接喷射式内燃机内的气体燃料的装置和方法 - Google Patents

用于点燃直接喷射式内燃机内的气体燃料的装置和方法 Download PDF

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Abstract

一种用于点燃被直接引入到内燃机的燃烧室内的气体燃料的装置和方法，包括步骤：加热燃料喷射器喷嘴附近的空间；在第一阶段喷射事件期间将气体燃料引燃量引入该燃烧室内；控制该引燃量在该空间内的驻留使得该引燃量的温度升高至该气体燃料的自动点燃温度，由此发生点燃；在第一阶段喷射事件之后的第二阶段喷射事件期间引入气体燃料的主要量；以及使用来自该引燃量的燃烧的热量点燃该主要量。

Description

用于点燃直接喷射式内燃机内的气体燃料的装置和方法
技术领域
公开了一种用于引入和点燃柴油-循环内燃机内的气体燃料的装置和方法。该气体燃料被直接喷射到发动机的燃烧室内，其中加热表面有助于点燃。
背景技术
将天燃气直接喷射到燃烧室内的发动机已在卡车运输业中取得有限的商业成功。由于柴油-循环发动机的高热效率(其热效率在任何内燃机中是最高的)，因此柴油-循环发动机被用在该行业中。与汽油发动机的10:1的典型的压缩比相比，由高压缩比导致的热效率可以在15:1到22:1的范围内。已发现当在压缩冲程末期喷射天然气并将其点燃时，产生的能量与这些发动机燃烧柴油燃料时相当，但具有更低的总体排放。另外考虑到天然气的成本比柴油低，在卡车运运输业中采用天然气已经看到稳定而有限的增长。
主要成分为甲烷的天燃气具有比柴油燃料高得多的自动点燃温度。如本发明中所使用的，自动点燃温度是物质在没有外界点燃源(诸如，火焰或火花)的情况下将自发点燃的最低温度。例如，在正常大气压下，通常柴油燃料的自动点燃温度约为210℃，而天然气的自动点燃温度约为540℃，这取决于燃料质量。由于自动点燃温度的差别，对于先前提到的压缩比范围，天然气不会由与柴油燃料相同的压缩热量可靠地点燃。因此，需要点燃源来点燃柴油-循环发动机内的天然气，其中在压缩冲程末期直接喷射天然气。
柴油燃料可以被用作用于天然气的点燃源。喷射到燃烧室内的少量柴油燃料由于产生火焰(该火焰随后点燃天然气)的压缩热而自动点燃。基于能量当量，引燃喷射中采用的柴油燃料的量的范围优选地在所消耗的总燃料的5％和10％之间。尽管此解决方案有效并被广泛地用在重载货车运输业中，但增加了发动机的现在需要支持两种燃料系统的成本和复杂性，这降低了总体燃料系统的可靠性。需要两个用于燃料的储存容器以及相关联的管道输送和泵送设施以将这些燃料递送至发动机上的燃料喷射系统，该发动机现在必须包括两个燃料喷射器或一个更复杂的双燃料喷射器用于每个气缸。市场上与柴油燃料相关联的操作成本是相当高的，诸如重载货车运输业，这些增加的系统成本多于通过燃料成本节省所抵消的。
电热塞(glow plug)是用于直接喷射式发动机内的天然气的另一个点燃源。它们是指状的金属件，在它们的尖端中具有加热元件。当电流经过该加热元件时，由于其电阻，在该尖端处的表面发热并开始发出可见光谱内的光，因此采用术语“电热”塞。在该尖端充分加热后，天然气被直接喷射在该表面上并在该表面上燃烧。通常，燃料喷射器具有若干孔口，在喷射事件期间，在所述孔口处天然气喷流涌现。因为该电热塞被定位成距喷油嘴某段距离，所以在冲击时这些气体喷流中的仅一个被该电热塞点燃。其余气体喷流通过与该点燃的气体喷流相互作用而被点燃。当其它气体喷流通过撞击汽缸壁转而朝向该点燃的喷流时此相互作用可以发生。以此方式难以控制热释放率。因此，由于不充分的混合，产生的火焰不能充分传播以燃烧全部的燃料。这样的系统具有高未燃烧碳氢化合物(UHC)排放并具有高循环至循环变化性的缺点，这使其难以满足越来越严格的排放规定。电热塞具有若干故障模式，其通常与来自工作温度和不一致燃烧的影响有关。例如，从发动机电池递送到电热塞的过多的电能引起过度加热，该过度加热导致升高的温度超过该电热塞能够提供的温度。驱动回路故障可以导致此能量过载状况。欠佳的燃料喷射时机(即过早或过晚喷射燃料)导致欠佳的燃烧性能，其引起碳沉积物堆积在该电热塞表面上。当燃料供给中的污染物未被适当地过滤并进入燃烧室内时，电热塞的常见污垢会出现。因为堆积物妨碍了递送到燃料的热量，所以碳沉积和污垢堆积现象使燃烧性能进一步恶化。这些故障模式可以在贡献更大排放水平的故障之前影响电热塞性能。电热塞在非常高的温度下(例如，在1350℃下)工作，由于热疲劳，这通常会减少工作寿命。
用于点燃柴油循环发动机内的气体燃料的常规技术的缺陷限制了市场上对使用这些燃料代替柴油的采用。本申请提供了一种用于点燃柴油循环内燃机内的天然气的新的且改进的装置和方法。
发明内容
一种用于点燃被直接引入到内燃机的燃烧室内的气体燃料的改进的方法包含步骤：加热燃料喷射器喷嘴附近的空间；在第一阶段喷射事件期间在燃烧室内引入气体燃料的引燃量；控制该引燃量在该空间内的驻留，使得该引燃量的温度升高至该气体燃料的自动点燃温度，由此点燃发生；在该第一阶段喷射事件之后的第二阶段喷射事件期间引入气体燃料主要量；以及，使用来自该引燃量的燃烧的热量点燃该主要量。在一个优选实施方案中，通过多个引燃喷射通道引入该引燃量并且形成多个引燃喷流，由此每个引燃喷流中的气体燃料自动点燃。该气体燃料可以是天然气、甲烷、丙烷、乙烷、生物气、垃圾填埋气、氢气以及这些燃料的混合物中的一种。该方法进一步包含步骤：将来自加热源的热量吸收到热量吸收剂材料中；以及将从该热量吸收剂材料的表面吸收的热量转移到该空间。该加热源可以是加热线圈、感应加热器、燃烧加热和压缩加热中的至少一个。该气体燃料的引燃量能够在冲击该表面之前或之后达到自动点燃温度。第二阶段喷射事件可发生在该气体燃料的引燃量点燃之前或之后。该引燃量可以在引入到燃烧室内的总气体燃料的2％到20％的范围内，且更优选地它在引入的总气体燃料的2％到10％的范围内，且最优选地它在引入的总气体燃料的2％到8％的范围内。通过选择引燃喷射通道的尺寸能够控制该引燃量在该空间内的驻留，其中通过该引燃喷射通道将该引燃量引入到该燃烧室内形成引燃喷流，使得该引燃喷流夹带充足的空气以阻滞其在该空间内的行进。还可以通过控制喷射流速率来控制驻留，使得该引燃喷流夹带充足的空气以阻滞其在该空间内的行进。可以通过预先确定引燃喷射通道的横截面面积来控制该喷射流动速率，通过该引燃喷射通道引入该引燃量。还可以通过使该引燃量冲击转向构件来控制驻留，由此增加该引燃量在该空间内的驻留。可在第一阶段喷射事件与第二阶段喷射事件之间停止气体燃料到燃烧室内的引入，或在第一阶段喷射事件与第二阶段喷射事件之间连续地引入气体燃料。该方法可以进一步包括步骤：在第一阶段喷射事件之前引入气体燃料的第二引燃量；用一个外部点燃源(诸如火花)点燃该第二引燃量，由此该第二引燃量的燃烧加热该空间。该第二阶段喷射事件可发生在该第一阶段喷射事件之前，而非发生在之后。这允许主要燃料在点燃之前预混合。可将气体燃料的主要量引入到燃烧室进气阀上游的进气歧管内，而不是将其直接引入到该燃烧室内。可以将该气体燃料与第二燃料共同喷射，从而提高该气体燃料的可点燃性。在一个优选实施方案中，可将该第二燃料与该气体燃料分开引入到燃烧室内，而在另一个优选实施方案中，该第二燃料与该气体燃料形成混合物，使得该混合物被引入到该燃烧室内。
一种用于点燃内燃机的燃烧室内的气体燃料的改进的装置包括：燃料喷射器，用于将气体燃料直接引入到该燃烧室内，该燃料喷射器包括引燃喷射通道和主要喷射通道；加热源，用于加热该燃料喷射器附近的空间；以及控制器，与该燃料喷射器可操作地连接且被配置以在第一阶段喷射事件中致动该燃料喷射器以通过该引燃喷射通道将气体燃料的引燃量引入到该空间内，由此该引燃量自动点燃；以及在第二阶段喷射事件中致动该燃料喷射器以通过该主要喷射通道将燃料气体的主要量引入，由此由于来自引燃量的燃烧的热量使该主要量点燃，该第二阶段喷射事件发生于该第一阶段喷射事件之后；选择该引燃喷射通道的尺寸以控制该引燃量在该空间内的驻留，使得该引燃量自动点燃。在一个优选实施方案中，该燃料喷射器包括多个引燃喷射通道，使得该引燃量在该空间中形成多个引燃喷流，每个引燃喷流中的气体燃料自动点燃。该气体燃料可以是天然气、甲烷、丙烷、乙烷、生物气、垃圾填埋气、氢气以及这些燃料的混合物中的一种。该引燃喷射通道包括垂直于从其中通过的燃料流的引燃横截面面积，而该主要喷射通道包括垂直于从其中通过的燃料流的主要横截面面积，该主要横截面面积与该引燃横截面面积之比在4到49的范围内，且更优选地，该比值在9到49的范围内，且最优选地，该比值在11.5到49的范围内。该燃料喷射器可包括第一阀和第二阀。在第一阶段喷射事件期间，该第一阀打开，而该第二阀关闭。在第二阶段喷射事件期间，该第一阀和该第二阀均打开。在一个优选实施方案中，该第一阀和该第二阀被偏置在关闭位置中。在第一阶段喷射事件期间，该第二阀虽然是关闭的但可能泄露任一量的气体燃料，但这不会防止该引燃量点燃。这简化了该第二阀的设计并降低其制造成本。在一个优选实施方案中，该燃料喷射器包括阀主体和在该阀主体内往复运动的阀针组件。该阀主体包括第一内表面和第二内表面，而该阀针组件包括第一外表面和第二外表面。该第一阀形成在该第一内表面和该第一外表面之间。该第二阀形成在该第二内表面和该第二外表面之间。该引燃喷射通道延伸自该第一阀的下游侧，而该主要喷射通道延伸自该第一阀下游的第二阀的一侧。该燃料喷射器还包括致动器，并且控制器还被配置以在第一阶段喷射事件中致动该制动器以提升该阀针组件，使得气体燃料通过该第一阀流至该引燃喷射通道。该控制器还被配置以在第二阶段喷射事件中致动该制动器以提升该阀针组件，使得气体燃料通过该第一阀流至该引燃喷射通道，并通过该第二阀流至该主要喷射通道。在一个实施方案中，该阀针组件包括具有第一外表面和第二外表面的阀针。在另一个实施方案中，该阀针组件包括第一阀针和第二阀针。该第一阀针是圆柱形中空的，并被设置为在阀主体内往复运动，而该第二阀针被设置为在该第一阀针内往复运动。该第一阀针包括第一外表面，该第二阀针包括第二外表面。该第一阀针还包括第一环形表面，而该第二阀针还包括第二环形表面，使得当该第二阀被关闭时，在该第一环形表面和第二环型表面之间存在间隙。当该第二阀被打开时，该第一环形表面闭合该间隙，并提升该第二环形表面。该加热源可包括加热线圈，且该控制器进一步被配置以致动该加热线圈进行加热。该加热源可包含感应加热器，且该控制器进一步被配置以致动该感应加热器进行加热。该装置可进一步包括点火机构，该点火机构与该控制器可操作地连接以用于点燃气体燃料，且该控制器进一步被配置以致动该点火机构。在另一个优选实施方案中，该控制器进一步被配置以在第一阶段喷射事件之前致动该燃料喷射器以通过该引燃喷射通道引入气体燃料的第二引燃量；以及致动该点火机构以用火花点燃该气体燃料的第二引燃量；使得该加热源包括来自该气体燃料的第二引燃量的燃烧的热量。该第二引燃量的引入形成第二引燃喷流，且该装置进一步包括可操作以使第二引燃喷流的流动转向的转向构件，使得增加该第二引燃喷流在该空间内的驻留和混合并降低该第二引燃喷流的空气流动速度，从而为火花点燃创建改进的条件。该转向构件还可被用来在第一阶段喷射事件期间使引入的引燃喷流转向以增加并改进驻留。在又一个实施方案中，该第二阶段喷射事件可发生于该第一阶段喷射事件之前，而非之后，使得在气体燃料引燃量之前引入气体燃料主要量。这允许该主要燃料在点燃前预混合。该装置可进一步包括第二燃料喷射器，用于将第二燃料直接引入到燃烧室内，且该控制器进一步被配置以致动该第二燃料喷射器。该第二燃料可以是氢和柴油中的至少一种。该装置可进一步包括热量吸收剂材料，用于吸收来自加热源的热并用于将该热量转移至该空间。
一种用于点燃内燃机的燃烧室内的气体燃料的改进的装置，包括：第一燃料喷射器，用于将气体燃料直接引入到燃烧室内，该第一燃料喷射器包括引燃喷射通道；进气阀，在该燃烧室上游；第二燃料喷射器，用于在该进气阀上游引入气体燃料；加热源，在该燃料喷射器附近；以及，控制器，该控制器与该第一燃料喷射器和该第二燃料喷射器可操作地连接并且被配置以致动该第二燃料喷射器以引入气体燃料的主要量，由此该主要量在该燃烧室内形成预混的混合物；以及以致动该第一燃料喷射器以通过该引燃喷射通道将气体燃料的引燃量引入到该空间内，由此该引燃量自动点燃，且来自该引燃量的燃烧的热量点燃该主要量；选择该引燃喷射通道的尺寸以控制该引燃量在该空间内的驻留，使得该引燃量自动点燃。该装置可进一步包括热量吸收剂材料，用于吸收来自加热源的热量并且用于将该热量转移至该空间。
一种点燃被直接引入到内燃机燃烧室内的气体燃料改进的方法包括形成燃烧室内的用于点燃气体燃料的主要量的均匀点燃环境，包括：
加热燃料喷射器喷油嘴周围的空间；以及以下中的一个：
1)在第一阶段喷射事件期间，通过在预定的公差范围内围绕燃料喷射器喷嘴相等地间隔的多个引燃喷流将气体燃料的引燃量喷射到燃烧室内；以及
通过控制所述引燃喷流在该空间内的驻留使得所述引燃喷流的温度升高至该气体燃料的自动点燃温度来点燃该引燃量，由此每个引燃喷流独立地点燃；以及
2)在第一阶段喷射事件期间，通过至少一个引燃喷流将该引燃量喷射到燃烧室内；
转向和保持该至少一个引燃喷流使得该引燃量包封围绕该燃料喷射器喷嘴的表面；以及
通过来自该空间的热量和点火机构中的一个点燃该引燃量；以及
在第二阶段喷射事件期间，将该主要量引入到均匀点燃环境中；以及，通过来自该引燃量的燃烧的热量点燃该主要量。
一种用于直接引入和点燃内燃机的燃烧室中的气体燃料的改进的燃料喷射装置，包括：燃料喷射器，其包括一个喷嘴和多个主要喷射通道，所述多个主要喷射通道围绕该喷嘴，用于喷射气体燃料的主要量，该燃料喷射器适于通过引入和点燃气体燃料的引燃量来形成用于点燃主要量的均匀点燃环境，包括：
围绕该燃料喷射器的喷嘴环形地延伸的加热表面，以及以下中的一个：
1)喷嘴中的多个引燃喷射通道，用于以多个引燃喷流的方式喷射该引燃量，该引燃喷射通道在预定的公差范围内围绕该喷嘴相等地间隔，该引燃喷射通道的尺寸被设定成使得该引燃喷流的驻留被控制在该加热表面附近，由此每个引燃喷流达到自动点燃温度并独立于其它引燃喷流点燃；以及
2)该喷嘴中的至少一个引燃喷射通道，用于喷射该引燃量并形成至少一个引燃喷流，转向和保持构件围绕该加热表面环形地延伸，由此该至少一个引燃喷流冲击该转向和保持构件，使得该气体燃料的引燃量包封围绕该喷嘴的加热表面，以及一个用于该引燃量的点燃源；
以及一个控制器，被编程以在第一阶段喷射事件中致动该燃料喷射器以将该气体燃料的引燃量引入到燃烧室内；以及在第二阶段喷射事件中致动该燃料喷射器以引入该气体燃料的主要量，由此该主要量由于来自该引燃量的燃烧的热量点燃。该点燃源可包括点火机构，该点火机构与该控制器可操作地连接以用于点燃气体燃料，由此该控制器被进一步编程以致动该点火机构。替代地，该点燃源可包括来自该加热表面的热量，该热量将该引燃量的温度提高至其自动点燃温度。
一种用于直接引入和点燃内燃机的燃烧室中的气体燃料的改进的燃料喷射装置，包括：进气阀，用于将进气(charge)引入到该燃烧室内；第一燃料喷射器，用于在该进气阀的上游喷射气体燃料的主要量；第二燃料喷射器，适于通过直接引入和点燃气体燃料的引燃量来形成燃烧室内用于点燃该主要量的均匀点燃环境，包括：
围绕该第二燃料喷射器的喷嘴环形地延伸的加热表面，以及以下中的一个：
1)喷嘴中的多个引燃喷射通道，用于以多个引燃喷流的方式喷射该引燃量，该引燃喷射通道在预定的公差范围内围绕该喷嘴相等地间隔，该引燃喷射通道的尺寸被设定成使得该引燃喷流的驻留被控制在该加热表面附近，由此每个引燃喷流达到自动点燃温度并独立于其它引燃喷流点燃；以及
2)该喷嘴中的至少一个引燃喷射通道，用于喷射该引燃量并形成至少一个引燃喷流，转向和保持构件围绕该加热表面环形地延伸，由此该至少一个引燃喷流冲击该转向和保持构件，使得该气体燃料的引燃量包封围绕该喷嘴的加热表面，以及一个用于该引燃量的点燃源。
该点燃源可包括点火机构，该点火机构与该控制器可操作地连接以用于点燃气体燃料，由此该控制器被进一步编程以致动该点火机构。
附图说明
附图例示了本发明的具体的优选实施方案，但不应被认为以任何方式限制本发明特征和范围。
图1是根据第一个实施方案的内燃机中的燃料喷射器和点燃源的部分示意图。
图2a、2b和2c分别示出处于关闭位置、第一打开位置和第二打开位置的图1的燃料喷射器的部分示意图。
图3a是示出在内燃机压缩冲程开始期间处于关闭位置的图1的燃料喷射器的部分示意图。
图3b是在压缩冲程期间比图3a的视图更晚的示出处于第一打开位置的图1的燃料喷射器的部分示意图。
图3c是在压缩冲程期间比图3b的视图更晚的示出处于第一打开位置的图1的燃料喷射器的部分示意图。
图3d是在压缩冲程期间比图3c的视图更晚的示出处于关闭位置的图1的燃料喷射器的部分示意图。
图3e是在压缩冲程期间比图3d的视图更晚的示出处于第二打开位置的图1的燃料喷射器的部分示意图。
图3f是在压缩冲程期间比图3e的视图更晚的示出处于第二打开位置的图1的燃料喷射器的部分示意图。
图4是图1的燃料喷射器的部分示意图，例示了从引燃喷射孔口涌现的气体燃料的引燃喷流的表面面积和体积。
图5是图1的燃料喷射器的部分示意图，例示了从主要喷射孔口涌现的气体燃料的主要喷流的表面面积和体积。
图6是根据第二个实施方案的燃料喷射器和点燃源的部分示意图。
图7是根据第三个实施方案的燃料喷射器和点燃源的部分示意图。
图8分别是用于图7的燃料喷射器和点燃源的喷射器致动波形和加热元件致动波形的图表。
图9a、9b和9c根据第四个实施方案的分别示出处于关闭位置、第一打开位置和第二打开位置的点燃源和燃料喷射器的部分示意图。
图10a、10b和10c是根据第五个实施方案的示出处于关闭位置、第一打开位置和第二打开位置的燃料喷射器的部分示意图。
图11a是在内燃机的压缩冲程开始期间的示出处于关闭位置的图10a的燃料喷射器的部分示意图。
图11b是在压缩冲程期间比图11a的视图更晚的示出处于第一打开位置的图10b的燃料喷射器的部分示意图。
图11c是在压缩冲程期间比图11b的视图更晚的示出处于第一打开位置的图10b的燃料喷射器的部分示意图。
图11d是在压缩冲程期间比图11c的视图更晚的示出处于关闭位置的图10a的燃料喷射器的部分示意图。
图11e是在压缩冲程期间比图11d的视图更晚的示出处于第二打开位置的图10c的燃料喷射器的部分示意图。
图11f是在压缩冲程期间比图11e的视图更晚的示出处于第二打开位置的图10c的燃料喷射器的部分示意图。
图12是图1内燃机中的用于在喷射之前加热气体燃料的系统的部分示意图。
图13是对于采用多种点燃策略的内燃机的三种计算流动动力学(CFD)模型的模拟点燃结果的表格。标注“发动机工作条件”的纵列指定在模拟期间发动机的工作模式。标注“情况”的纵列指该结果中具体的行以达到区分的目的。标注“模型”的纵列指定了所采用的CFD模型。标注“加热表面温度”的纵列指定了加热表面510的温度或火花辅助点燃的时机。标注“引燃流动速率”的纵列指定了气体燃料通过用于气体燃料的引燃喷射的相应燃料喷射器的流动速度。标注“引燃1-SOI”的纵列指定了第一引燃喷射事件的喷射时机的开始。标注“引燃1量”的纵列指定了在第一引燃喷射事件期间喷射的气体燃料量。标注“引燃2-SOI”的纵列指定了第二引燃喷射事件的喷射时机的开始。标注“引燃2量”的纵列指定了在第二引燃喷射事件期间喷射的气体燃料量。标注“点燃”的纵列指定了是否点燃在主要喷射事件期间喷射的气体燃料主要量。
图14a是例示了HPDI发动机内的点燃过程的CFD模拟结果的模拟图表，其中第二燃料(诸如，柴油)点燃气体燃料(诸如天然气)。
图14b是例示了根据图1实施方案的加热表面点燃过程的CFD模拟结果的模拟图表。
图14c是例示了根据图7实施方案的火花辅助点燃过程的CFD模拟结果的模拟图表。
图15a是例示了图13的情况1、2和3的点燃过程和在低负载下工作的发动机HPDI点燃过程的总指示具体燃料消耗(GISFC)的模拟结果图表。
图15b是示出图13的情况1、2和3的点燃过程和在低负载下工作的发动机HPDI点燃过程的NOx排放水平的模拟结果图表。
图15c是示出图13的情况1、2和3的点燃过程和在低负载下工作的发动机HPDI点燃过程的CO排放水平的模拟结果图表。
图15d是示出图13的情况1、2和3的点燃过程和在低负载下工作的发动机HPDI点燃过程的CH4排放水平的模拟结果图表。
图15e是示出图13的情况1、2和3的点燃过程和在低负载下工作的发动机HPDI点燃过程的颗粒物排放水平的模拟结果图表。
图16a是示出图13的情况4、6、7、8和9的点燃过程和在高负载下工作的发动机HPDI点燃过程的总指示具体燃料消耗(GISFC)的模拟结果图表。
图16b是示出图13的情况4、6、7、8和9的点燃过程和在高负载下工作的发动机HPDI点燃过程的NOx排放水平的模拟结果图表。
图16c是示出图13的情况4、6、7、8和9的点燃过程和在高负载下工作的发动机HPDI点燃过程的CO排放水平的模拟结果图表。
图16d是示出图13的情况4、6、7、8和9的点燃过程和在高负载下工作的发动机HPDI点燃过程的CH4排放水平的模拟结果图表。
图16e是示出图13的情况4、6、7、8和9的点燃过程和在高负载下工作的发动机HPDI点燃过程的颗粒物排放水平的模拟结果图表。
图17a是根据第一个实施方案的图1的燃烧室的平面图。
图17b是图17a的细节830的平面图，例示了引燃燃料通过引燃喷流的引入。
图17c是在时间上比图17b更进一步的图17a的细节830的平面图，例示了每个引燃喷流周围的燃烧区域。
图17d是在时间上比图17c更进一步的图17a的细节830的平面图，例示了通过主要喷流引入主要燃料。
图17e是在时间上比图17d更进一步的图17a的燃烧室的平面图，例示了每个主要喷流周围的燃烧区域。
图18a是根据第二个实施方式的图17a的细节830的平面图，进一步例示了一个转向和保持构件和一个引燃喷流。
图18b是在时间上比图18a的视图更进一步的平面图，例示了冲击转向和保持构件的引燃喷流。
图18c是在时间上比图18b的视图更进一步的平面图，例示了形成燃料喷射器喷嘴周围的引燃羽(pilot plum)的引燃喷流。
图18d是在时间上比图18c的视图更进一步的平面图，例示了包封燃料喷射器喷嘴周围的加热表面的引燃羽。
图18e是在时间上比图18d的视图更进一步的平面图，例示了包封加热表面的引燃羽内的燃烧区域。
具体实施方式
参照图1的示意图，示出了用于燃烧内燃机内的气体燃料的装置100，现将描述其实施该过程的方式。该气体燃料在本实施方案中是天然气，而在其他优选实施方案中可以是甲烷、丙烷、乙烷、生物气、垃圾填埋气、氢气和这些燃料的混合物。装置100包括发动机110、燃料喷射器120、点燃源130和电子控制器140。仅示出了显示一个发动机气缸的燃烧室的发动机110的横截面，但本领域技术人员应理解发动机包括其他部件并通常是多个气缸。发动机110可以用于车辆，也可以被应用在船舶、机车、矿井拖运、发电或固定应用中。通过在活塞170的进气冲程期间可以打开的进气阀190控制空气从进气歧管180到燃烧室150内的流动。燃料喷射器120接收来自供应导管200的气体燃料并将该气体燃料直接引入到燃烧室150内，燃烧室150通常由设置在气缸体160中的孔、气缸盖和活塞170限定，活塞170在该孔内可上下移动。在本例示性实施例中，在点燃源130的帮助下点燃燃烧室150内燃料-空气混合物。通过在活塞170排气冲程期间打开的排气阀220将燃烧产物从燃烧室150排至排气歧管210内。控制器140可配置和可编程以选择性地命令分别控制气体燃料向燃烧室150内喷射的燃料喷射器120内的阀构件的打开和关闭的时机。类似地，控制器140命令点燃源130以选择性地帮助气体在燃烧室150内的点燃。在本实施例中，控制器140是电子控制器，诸如包括处理器和存储器的计算机，该存储器包括永久性存储器(诸如闪存FLASH或只读存储器EEPROM)和暂时存储器(诸如静态随机存储器SRAM或动态随机存储器DRAM)，以用于存储并执行程序。在另一个优选实施方案中，控制器140是发动机110的发动机控制单元(ECU)。可响应于从输入到电子控制器140中的测量参数确定的发动机工作条件来预先确定燃料喷射和点燃时机，并由箭头230表示这样的参数的输入。
现参照图2a，示出了燃料喷射器120和点燃源130的第一个例示性实施方案的部分横截面视图。燃料喷射器120包括圆柱形中空阀主体300，也称为喷嘴，其与圆柱形阀针310同心。阀主体300与阀针310配合形成两个环形阀320和330，它们围绕主体300的内表面和针310的外表面延伸。阀针310在如图2a中所示的关闭位置，如图2b中所示的阀320打开且阀330关闭的第一打开位置，以及如图2c中所示的阀320和330均打开的第二打开位置之间往复运动。致动器(未示出)通过采用常规致动元件致动阀针310以在关闭位置以及第一打开位置和第二打开位置之间移动。例如，该致动器可以是采用磁致伸缩、电致伸缩或压电元件的螺线管型致动器或应变型致动器。另外，该致动器可以直接或间接作用在阀针310上。阀320包括阀针310上的锥形肩部340，肩部340形成与阀主体300上的锥形肩部350的相互匹配配合。燃料通道420在阀主体300的内表面400和阀针310的外表面410之间纵向延伸到在一端处的阀320内，而在另一端处与气体燃料供应连接(未示出)。燃料通道430在阀320的与通道420相反的一侧开始并在主体300和针310之间延伸至在阀330处的台阶360。台阶360在阀主体300的内表面370和内表面380之间延伸并将阀320与阀330分开，以允许在阀330可以打开之前打开阀320。阀330包括内表面380，内表面380形成与阀针310上的外表面390的匹配配合。燃料通道440在主体300的表面450和针310的表面455之间从阀330延伸至主体300的内表面的底部。引燃喷射通道460穿过主体300的外表面从通道430延伸至引燃喷射孔口470。主要喷射通道480穿过主体300的外表面从通道440延伸至主要喷射孔口490。图中仅示出了一个这样的引燃喷射通道460和主要喷射通道480，但是熟悉此技术的人员应该理解，优选地存在另一些在主体300的内表面和外表面之间延伸的这样的通道。例如，在优选实施方案中，存在至少6个引燃喷射通道460，并且优选地存在8至12个之间的引燃喷射通道。主要喷射通道480的数目可以等于引燃喷射通道460的数目，然而这不是必需的。
点燃源130包括围绕阀主体300环形延伸的加热元件500和热量吸收剂层505。加热元件500是加热源，并且在本实施方案中，元件500包括加热线圈，由于该加热线圈的电阻，当电流通过时，其将电能转化为热能。在其他实施方案中，元件500可以是感应加热器。点燃源130可包括Kathanal线。层505包括热量吸收剂材料，诸如陶瓷材料，且用于吸收来自加热元件500的热量并通过对流、传导和/或辐射将热量通过加热表面510转移至燃烧室150内的燃料喷射器120周围的空间。层505和表面510进一步用于提供围绕喷射器120喷嘴的更均匀的温度梯度。发动机110中存在加热表面510和附近空间的其他热能源。由空气压缩和气体燃料的引燃喷射的燃烧产生的热量提升室150内的空气温度。根据层505和表面510的温度，压缩和燃烧热量均可以被吸收或被转移至表面510。加热表面510通过使气体燃料的温度朝向其自动点燃温度提高以帮助来自引燃喷射通道460以及来自主要喷射通道480的气体燃料的点燃，如将在下文更详细描述的。
参照图2和3，现将描述发动机110内的燃料喷射器120和点燃源130的工作。如图3a中所例示的，当活塞170的压缩冲程开始时，阀320和330均关闭并防止来自通道420的燃料流经引燃喷射通道460和主要喷射通道480。随着活塞170继续进入压缩冲程，优选地在上止点(BTDC)之前的50°到0°BTDC的范围内发生第一阶段喷射事件，如将下文更详细解释的。如图3b和3c中所示出的，电子控制器140命令致动器将针310提升至第一打开位置，其中阀320打开而阀330大体上是关闭的。来自通道420的气体燃料通过阀320流入到通道430和460内，且然后通过孔口470进入燃烧室150，孔口470形成在加热表面510附近的空间内流动的引燃喷流520。如本文中使用的引燃燃料指通过通道460喷射的且形成引燃喷流520的气体燃料。控制引燃喷流520的体积流动速率使得喷流520在加热表面510附近的渗透距离和驻留允许喷流520中的至少一部分燃料达到其自动点燃温度，尽管这不是必需的，但当喷流520冲击表面510时或之后这可以发生。驻留是指引燃燃料停留在加热表面510附近的空间内使得在引燃燃料变得太稀薄而不能成功点燃之前可以足够的速率提升其温度以实现自动点燃发生的时间。表面510附近的温度梯度相对于喷流520的轨迹和速度优选地足以在燃料冲击表面510之前将其点燃，使得燃烧不受堆积在表面510上的过多的碳沉积物的不利影响。表面510能够达到将充分减少燃烧产物和污染物粘附到该表面的温度，在此情况下，在冲击之时或之后点燃均不会降低点燃性能。喷流520自动点燃时的燃料-空气混合物当量比是足够高(非过于稀薄)的，以允许引燃火焰传播，使得来自引燃喷射的燃料的燃烧行进。
引燃喷流520的体积流动速率允许喷流520围绕表面510的充分驻留，使得它达到其自动点燃温度。对于典型燃料喷射压力，已确定的是，当通道460的横截面太大时，喷流520不具有在表面510下方的充分的驻留来达到其自动点燃温度。如图4中所示出的，当引燃喷流520从孔口470涌现时，其具有由沿垂直于燃料流动的线A-A′截取的通道460的横截面面积大体上确定的表面积SAP和体积Vp。该横截面面积被确定，根据该横截面面积，表面积SAP与体积Vp的瞬时比引起通过喷流520的充分的空气夹带，以阻滞其在表面510附近的前进，使得在燃料-空气混合物变得过于稀薄之前其加热至自动点燃温度。通常，随着表面积SAP增大，喷流520夹带更多的空气，这趋向于减慢喷流520的前进，且随着体积Vp增大，喷流520的动量增大，这趋向于维持喷流520的正向前进。因此，必须选择通道460的横截面面积以平衡空气夹杂与喷流520的动量，以对于在表面510下方的给定的温度梯度和对于给定的燃料喷射压自动点燃燃料。当被恰当地平衡时，喷流520在自动点燃点处的加热表面510附近达到适当的当量比。在一个优选实施方案中，通道460的横截面是圆形的，例如，当通过钻一个圆形孔来形成通道460时。在此情况下，根据下面的方程式1，当喷流520首先从孔口470涌现时，外表面面积SAP与通道460的直径dp与喷流520向室150内的渗透距离lp的乘积成正比例，且根据下面的方程式2，体积Vp与直径dp的平方和渗透距离lp的乘积成正比例。方程式3中示出表面积SAP与体积Vp之比。
SAP∝π*dP*lP 方程式1
方程式2
方程式3
如由方程式3可以看出直径dp越小，SAP对Vp的比越大。熟悉本技术的人员应当理解，由于喷流520的分散和混合，喷流520渗透到室150越深，上述关系变得越不精确，然而一般原理维持有效。
气体燃料通过主要喷射通道480的流动受到阀330的限制，当喷射器120处于第一打开位置时阀330是关闭的。当阀330关闭时有可能允许一些燃料通过阀330泄漏并随后进入主要喷射通道480，而没有显著降低本实施方案的燃烧性能。如图2a中可见的，足以提供表面380和390之间的紧密匹配配合代替这些表面之间的密封接合。这降低了阀330的复杂性，这相应地降低了本装置的生产成本。可容许的泄漏量取决于发动机10的总体设计，但主要需求是来自通道460的引燃燃料的自动点燃。控制泄漏的另一个激发因素涉及未燃烧的碳氢化合物(UHC)排放。已经示出的是，如果在第一阶段喷射事件时可以限制气体燃料通过主要喷射通道480的流动，则可以显著降低UHC排放。这降低了用于形成具有非常低的当量比的大量燃料-空气混合物的可能性，而很低的当量比常常导致较高UHC排放。如图3d中所例示的，在完成第一阶段喷射事件之后，电子控制器140命令致动器关闭针310，使得阀320和330均关闭，且来自通道420的燃料不再流入通道460中。关闭阀320和330允许引燃喷流520在喷射另一些气体燃料之前被加热。当阀320关闭时，针310上的锥形肩部340形成与主体300上的锥形肩部350的密封接合，使得非常少的且优选地没有燃料泄漏。
在处于图3d的关闭位置一预定时间之后，电子控制器140在第二阶段喷射事件期间命令致动器将针310从该关闭位置提升至图3e中所例示的第二打开位置，其中阀320和330均打开。气体燃料流经引燃喷射通道460和主要喷射通道480并分别流出孔口470和490。主要喷流530由离开孔口490的气体燃料形成。本文中使用的主要燃料指通过形成主要喷流530的通道480喷射的气体燃料。主要喷流530的体积流动速率取决于燃料喷射压力和通道480的尺寸。因此，通道480的尺寸被设定成满足发动机110在满负载工作条件下的最大体积流动速率要求。由于通道480的尺寸，对于所有工作条件，主要喷流530在表面510附近具有短的驻留。如图5中所示出的，喷流530的表面积SAM不足以夹带足够的空气以减慢喷流530的体积VM的动量，并且在不存在引燃燃料燃烧的情况下，防止主要燃料达到其自动点燃温度。与引燃喷流520对比，喷流520的表面面积SAP与体积Vp之比大于喷流530的表面面积SAM与体积VM之比。主要喷流530比引燃喷流520渗入到燃烧室150内更远并达到良好的混合。如图3f中所例示的，在第一阶段喷射事件期间引入的引燃燃料的燃烧促使主要燃料的点燃。优选地在第二阶段喷射事件之前引燃燃料自动点燃，因为主要燃料引入到燃烧室150内冷却引燃燃料和加热表面510，且在此情况下将需要来自加热元件500的甚至更多的热能以将引燃燃料加热至其自动点燃温度。这会对部件施加更大的应力，导致缩短的工作寿命。
在其他实施方案中，有可能在第一阶段喷射事件之后从如在图3c中看到的第一打开位置直接行进到如在图3e中看到的第二打开位置，而没有返回到如图在3d中看到的关闭位置的中间步骤。当燃料喷射压力低时这是有利的，因为其允许通过通道480将气体燃料引入到燃烧室150内的更多的时间和在燃烧前主要燃料混合的更多的时间，所以能够降低体积和质量流动速率。在此情况下，在第二阶段喷射事件期间，电子控制器140命令致动器以将针310从第一打开位置(图3c)进一步提升至第二打开位置(图3e)，使得阀320和330均打开。在某些发动机工作条件(诸如空转)下，因为引入的引燃燃料量在发动机控制参数图中的这一部分是充足的，所以它仅能够执行引燃喷流。
返回到第一阶段喷射事件的时机，这与第二阶段喷射事件的时机有关。如果过早喷射并点燃喷流520内的引燃燃料，则来自引燃燃料的燃烧的热量会消散，使得它不能够点燃主要燃料。如果过早喷射喷流520内的引燃燃料，并接着靠近第二阶段喷射事件点燃该引燃燃料，则它可能变得过于稀薄，在此情况下引燃火焰将不会传播且主要燃料的点燃将会失败。第一阶段喷射事件和引燃燃料点燃的时机应该是使得在点燃发生时该引燃燃料不太浓稠(高当量)，以防止烟尘形成(在点燃之前引燃燃料确实需要稀薄一些)。随着第一阶段喷射事件发生稍后进入压缩冲程，需要更高的空气温度以在较短的时间段内加热该引燃燃料，以使得自动点燃在喷射主要燃料之前发生。第一阶段喷射事件的时机取决于第二阶段喷射事件的时机和加热表面510上的温度。主要要求是引燃燃料点燃，从而该引燃燃料的燃烧帮助主要燃料的点燃。
在设定引燃喷射通道460的尺寸方面的另一个考虑是通过通道460递送的气体燃料的质量不应大于递送的总气体燃料质量的约20％。引入到燃烧室150内的引燃燃料量在引入的总气体燃料的2％到20％的范围内，且优选地在2％到10％的范围内，且更优选地它在2％到8％的范围内。优选地，消耗的引燃燃料量为引入的总气体燃料的5％，且主要燃料与引入的引燃燃料的比优选地为19。已发现当主要喷射通道480的横截面面积与引燃喷射通道460的横截面面积之比在4到49的范围内(且更优选地，它在9到49的范围内，且最优选地它在11.5到49的范围内)时，满足对喷流520和530的质量流动要求和空气夹杂要求。当引燃喷射通道460是在确定引燃燃料的质量流动速率的阀320下游的限制几何结构时，而主要喷射通道480是在确定主要燃料的质量流动速率的阀330下游的的限制几何结构时，这些横截面面积比是适用的。在其他实施方案中，引燃喷射通道460的数量可以不等于主要喷射通道480的数目。在此情况下，引入的引燃燃料总量占引入的总气体燃料的百分数与上述相同，且通道480的总横截面面积与通道460的总横截面面积之比在上述范围之内。
现参照图6的示意图，示出了与先前实施方案类似的第二个实施方案，且相同部分具有相同的参考数字并且如果有的话不再详细描述。点燃源130包括转向和保持构件540，转向和保持构件540围绕点燃源130的外周边在孔口470的任一侧上部分地延伸。当阀主体300包括多个引燃喷射孔口470时，则每个这样的孔口470具有各自的转向和保持构件540。在引燃燃料通过通道460喷射期间，引燃喷流520冲击转向构件540，转向构件540围绕阀主体300的周边向两个方向转移燃料流，以通过将引燃燃料保持在加热的表面510附近来增加停留时间。冲击引起喷流520中的扰动，这改善引燃燃料的混合并避免其变得过于稀薄。因为通过构件540增加了驻留时间，所以引燃燃料具有更多时间以加热至其自动点燃温度，且因此可以减少加热元件500上的负载，这延长了点燃源130的工作寿命。另外，由于增加的停留时间，因此对于给定的喷射压力可以采用较少数量的具有对应的较高体积和质量流动速率的较大横截面面积的引燃喷射通道460。因为这些较大的通道更易于制造，所以这提供可制造优势。
现参照图7的示意图，示出了与先前实施方案类似的第三个实施方案，且相同部分具有相同的参考数字并且如果有的话不再详细描述。点火机构545通过火花点火点燃气体燃料并且包括点火环550和源电极560。点火环550是地电极并围绕阀主体300的周界延伸，并且通过柱570固定到点燃源。源电极560沿着环550的路径间隔，且源电极560是电能源，环550是电能至地的返回路径，以为了得到当电极560与环550之间存在足够的电压差时出现的火花。在一个优选实施方案中，在围绕阀主体300的各个成对的引燃喷流孔口470之间存在至少一个电极，对于阀主体300，图7中仅示出了一个这样的通道，尽管这不是必需的。在通过通道460的喷射引燃燃料期间，示出引燃喷流520冲击转向构件540，转向构件540围绕阀主体300的周边向两个方向转移所述流，以通过将引燃燃料保持在加热的表面510附近来增加停留时间。在其他实施方案中，能够在不使用转向和保持构件540的情况下采用点火机构。根据发动机工作条件，可以由于来自表面510的热量或由于点火机构545点燃引燃燃料。当火花点燃时，表面510通过将引入的引燃燃料加热至小于自动点燃温度的温度来提高该引燃燃料的可点燃性。在电子控制器140的控制下，点火机构545在喷射之后的预定量的时间点燃引燃燃料。通过在不同的发动机工作条件下采用不同的点燃方法能够延长点燃源130的工作寿命，也就是说由于加热表面510的自动点燃和火花点燃。为了减少电极560和点火环550的电蚀，可在低汽缸内压力的条件下采用火花点燃，诸如在轻负载或在压缩冲程早期阶段。可以通过加热表面510保持来自循环早期喷射的引燃燃料的燃烧和活塞的压缩的热量，以帮助循环晚期喷射的引燃燃料的点燃。在此工作模式下，加热元件500可以在降低的电力水平或如果可以通过表面510保持足够的热量来点燃循环晚期引燃燃料喷射则不需要加热元件500。在循环早期喷射的引燃燃料燃烧之后可降低激励加热元件500的电流，使得增加加热元件500的工作寿命。现参照图8，例示了三个阶段的气体燃料喷射的时间图解。致动波形580控制燃料喷射器120，激励波形590控制加热元件500。第一引燃脉冲582致动通过点火机构545火花点燃的气体燃料的第一引燃喷射。给予气体燃料的第一引燃喷射足够的时间以与空气混合并达到用于鲁棒火花点燃的相对低的空气流动速度。转向构件540帮助降低喷流520的空气流动速度。由气体燃料的第一引燃喷射导致的燃烧热量提高燃烧室150内的空气和加热表面510的温度。在压缩冲程晚期，第二引燃脉冲584致动如先前所描述的由于来自早期由第一引燃脉冲582喷射的引燃燃料的燃烧的热量以及来自加热元件500的热量(如有必要)而自动点燃的气体燃料的第二引燃喷流。主要脉冲586致动气体燃料的主要喷射，该主要喷射由引燃燃料因第二引燃脉冲584而燃烧的热量被点燃。在主要脉冲586之后，当存在经过加热元件500的激励电流时，在下降沿598处将该激励电流关闭。
在本发明的其他实施方案中，可在通过通道460喷射引燃燃料之前，通过通道480喷射主要燃料。这增加了主要燃料的混合时间，使得主要燃料以预混合燃烧模式燃烧，这导致具有减少的排放的改善的燃烧。与引燃喷射有关的主要喷射的时机使得主要燃料能够彻底地预混合并且引燃燃料能够通过表面510而被充分加热以自动点燃。如果采用点火机构545，则能够减少加热元件500上的负载。在另一些实施方案中，可通过端口燃料喷射器喷射主要燃料。在此实施方案中，燃料喷射器120不需要主要喷射通道480和环形阀330，从而被相应地简化。通过该端口燃料喷射器喷射的主要燃料以预混合燃烧模式燃烧。
现参照图9a、b和c的示意图，示出了与先前的实施方案类似的第四个实施方案，且相同部分具有相同的参考数字并且如果有的话不再详细描述。在此实施例中，燃料喷射器120是向外开口喷射器，这在气体燃料的燃料喷射压力低时是有利的。在图9a中，喷射器120处于关闭位置，其中阀320和330均关闭，在图9b中，处于第一打开位置，其中阀320打开而阀330关闭，在图9c中，处于第二打开位置，其中阀320和330均打开。阀330是枢轴型阀，该枢轴型阀形成在针310的末端处的阀关闭构件600与主体300之间的环形主要喷射通道480。从通道480涌现的主要燃料喷流是圆锥面形式的。当该圆锥面不稳定时，它需要通风以平衡该面之上与之下的压力。上文关于图6所讨论的转向构件540在本实施方案中也是有利的，由于低燃料喷射压力允许火花点燃将适合于的引燃燃料的充分混合。引入的总引燃燃料相对于引入的总气体燃料的百分数遵从先前所讨论的关系。
现参照图10a、10b和10c的示意图，示出了与先前的实施方案类似的第五个实施方案，且相同部分具有相同的参考数字并且如果有的话不再详细描述。燃料喷射器120包括与主要针312同心的引燃针311，二者在阀主体300内沿着纵轴往复运动。阀320包括在引燃针311上的锥形肩部340，肩部340形成与主体300上的锥形肩部350的匹配配合。当肩部340完全位于肩部350上时，阀320被密封成具有非常小的泄漏，优选地无泄漏。阀330包括在主要针312上的锥形肩部341，肩部341形成与主体300的锥形肩部351的匹配配合。类似于在先前的实施方案中所讨论的相应的阀，不要求阀330被密封，但其可以被密封。采用可以类似于在先前的实施方案中所讨论的类型的致动器(未示出)以影响对引燃针311和主要针312的提升，如下文将通过另外参照图11a到11f详细描述的。在图10a中例示了喷射器120的关闭位置，其中阀320和阀330均关闭。在图10b中例示了第一打开位置，其中阀320打开而阀330关闭。在图10c中例示了第二打开位置，其中阀320和阀330均打开。如图11a中所示出的，在关闭位置中，来自致动器(未示出)的弹簧力保持引燃针311定位且阀320关闭，并阻塞燃料进入燃烧室150。在关闭位置期间，固定弹簧605保持主要针312定位且阀330关闭。如图11b和11c中所示出的，在第一阶段喷射事件期间，电子控制器140命令致动器将引燃针311提升至第一打开位置，使得阀320打开且气体流经通道460。引燃环形表面620和主要环形表面630之间的间隙610防止引燃针311与主要针312接触，并且阀330由于固定弹簧而维持关闭，从而大体上没有燃料流经通道480。在第一打开位置中，阀330比先前的实施方案中的相应的阀具有更少的泄漏。如图11d中所示出的，控制器140可以命令致动器来降低引燃针311并关闭阀320，使得在进行到主要燃料喷射之前如果有要求引燃燃料具有更多时间混合和加热。在第二阶段喷射事件期间，电子控制器140命令致动器提升引燃针311，使得它关闭环形表面620和630之间的间隙610，并将该提升力转移至主要针312，然后主要针312克服固定弹簧605的偏置而打开。如图11e和11f中所例示的，现在随着阀320和330均打开，燃料流经通道460和480。
上述实施方案不需要采用第二类型的燃料作为引燃燃料，且由于两种燃料不需要被递送至燃烧室，因此在设计和成本方面更简单。存在强大的可能性以达到比常规引燃燃料和电热塞系统都更低的排放和更好的性能。另外，例示的实施方案允许使用相同的喷射系统进行完全使用柴油运行的能力。例如，可以采用引燃通道460以喷射高达100％的柴油并且由于引燃孔的小尺寸因此仍可以充分良好雾化柴油。
在又一个实施方案中，可以存在其他燃料的共同喷射以提高气体燃料的可点燃性。例如，当气体燃料包括甲烷时，可以存在氢气或柴油燃料的共同喷射，其中所得的混合物将具有减小的点燃延迟和因此提高的可点燃性。这也允许加热元件500上的减少的负载。已示出的是，甲烷和氢的特定混合物导致约100℃的加热表面510的降低的温度。尽管共同喷射提高可点燃性，但它们不是根据先前所讨论的实施方案的气体燃料的点燃所要求的。可通过第二燃料喷射器进行其他燃料的共同喷射，第二燃料喷射器可将其他燃料直接喷射到燃烧室150内或喷射到进气阀190上游的进气空气歧管180内，或可将气体燃料与其他燃料预混合，并如先前所描述的可以通过燃料喷射器120喷射所得的混合物。当其他燃料为柴油时，则可通过该第二燃料喷射器将柴油燃料直接引入到燃烧室150内。当其他燃料为氢气时，可通过该第二燃料喷射器将氢气直接喷射到燃烧室150内或喷射到进气阀190上游，或将氢气与气体燃料预混合并通过喷射器120引入，或将氢气与气体燃料分开储存并通过控制器140根据发动机工作条件以预定的比例与该气体燃料混合。
可以通过在引燃燃料进入燃烧室内之前将其加热来提高引燃燃料的引燃的鲁棒性来获得对上述实施方案的另一些改进。这减少了对加热元件500的负载要求。也就是说，如果引燃燃料在喷射开始时具有较高的温度，则元件500和表面510并不必须工作同样多来提高引燃燃料的温度以使点燃发生。这延长了加热元件500和表面510的工作寿命，这曾是单一燃料直接喷射技术的关键挑战。类似地，如果引燃燃料可以被裂化成使得该燃料具有更容易点燃的化学物质，例如乙炔，则将改进点燃并进一步降低对元件500的负载要求。参照图12，来自发动机110的废热可以被用于加热气体燃料和裂化气体燃料。来自发动机冷却液700、排气歧管210中的排气气体710和EGR730中的排气气体720的废热可以被用来通过热量交换器780加热和裂化供应导管200内的气体燃料。温度传感器740提供温度信号至电子控制器140，使得电子控制器可以选择性地致动控制阀750、760和770。可以控制气体燃料的温度以加热气体燃料和裂化气体燃料。当裂化气体燃料时，热交换器780提供降低的氧气含量环境，优选地无氧，使得该气体燃料不会由于裂化所需要的温度而点燃。热量交换器780还可包括电子加热器，可通过控制器140致动该电子加热器并且该电子加热器允许独立于废热加热气体燃料。这在发动机启动期间且尤其是在寒冷环境中是有利的。
回到第一个实施方案(图2-5)，图17a到17e例示了该实施方案的平面图。首先参照图17a，燃烧室150(部分地由汽缸壁145限定)由线800划分成第一半球810和第二半球820。加热表面510围绕喷嘴300环形延伸。尽管第一个实施方案公开了如图2中例示的喷射器120，但是可采用图2、9和10中的任意一个喷射器。如先前所讨论的，在第一阶段喷射事件中，致动喷射器120以将引燃喷流520引入到如在图17b中所看到的燃烧室150的两个半球810和820内。存在例示的6个引燃喷流520，但在其他实施方案中，存在至少两个引燃喷流520，且至少一个引燃喷流被喷射到每一个半球810和820内。优选地，引燃喷流520在预定的公差范围内围绕喷嘴300成角度地相等地间隔，如图17c所示，使得引燃燃料的燃烧为主要燃料创建了燃烧室150内的均匀点燃环境。当仅存在两个引燃喷流520时，由其燃烧创建的点燃环境的均匀性被提高得更多，所述喷流围绕轴495有角度地间隔开。优选地，这两个引燃喷流520如此间隔使得当被点燃时每个喷流在各自的半球810和820内创建均匀点燃环境。均匀点燃环境指横跨燃烧室150和半球810和820的在一个公差范围内均匀的温度梯度，以及当引燃燃料点燃时形成的热燃烧副产物(热气体)在一个公差范围内的均匀分布。该燃烧室温度和燃烧副产物均支持主要燃料的点燃。采用用于点燃气体引燃燃料的电热塞的内燃机不会为主要燃料创建均匀点燃环境。首先，当燃料被点燃时由于燃烧发生在燃烧室的一个扇区中(该电热塞被安装在该扇区中而不是其他地方)，因此存在横跨燃烧室的显著的温度梯度。其次，燃烧副产物集中在电热塞所位于的扇区内，且因此减少了对燃烧室内其他区域内的主要燃料点燃的支持。电热塞工作的结果是喷射得距电热塞最远的主要燃料过于稀薄，这增加了未燃烧碳氢化合物的排放。
回到图17c，引燃燃料由于自动点燃而点燃以及燃烧区域围绕每个引燃喷流520形成。参照图17d，致动喷射器120用于第二喷射事件且将主要喷流530局部地引入到引燃喷流520。尽管为每个引燃喷流520示出了一个主要喷流530，引燃喷流与主要喷流的一对一映射(one to one mapping)是非必须的。由于由引燃燃料的燃烧和燃烧区域850围绕每个主要喷流形成创建的均匀点燃环境，如图17e所示，每个主要喷流530被独立地点燃。由于该均匀点燃环境，显著降低了主要喷流530变得过于稀薄的可能性，且优选地防止了该可能性。注意到，在电热塞工作中，存在引燃燃料和主要燃料燃烧的级联效应。例如，在电热塞工作中，当主要喷流被引入到燃烧室时，被引导得最靠近电热塞的主要喷流首先点燃，并且由该主要喷流创建的燃烧区域(包括温度梯度和热燃烧气体)点燃邻近的主要喷流，并以级联的形式以此类推。这导致由于延迟点燃造成的距电热塞最远的主要喷流过于稀薄和当它们点燃时随后未燃烧碳氢化合物的增加。
回到第二个实施方案(图6)，图18a到18e例示了当只有一个引燃喷流520时的实施方案工作的平面图。首先参照图18a，转向和保持构件540围绕加热表面510和喷嘴300环形延伸。在图18b中，引燃喷流520撞击构件540，并且由于其速度引燃喷流围绕喷嘴300被重新定向，创建引燃羽880，该引燃羽大体上在整个加热表面510上迅速膨胀，如图18c和18d中所例示的。在其他实施方案中，可存在形成羽880的多个引燃喷流520，优选地在一个预定的公差范围内围绕轴495相等地间隔。如图7中所例示的，可以是由于来自加热表面510的热量或由于图7中例示的点火机构545产生的火花而自动点燃的点燃事件点燃羽880中的引燃燃料，使得围绕喷嘴300和燃烧室150创建均匀点燃环境以用于主要喷流530的后续点燃(未示出)。如在第一个实施方案中，每个主要喷流530独立于其他主要喷流点燃(一个主要喷流不会点燃另一个主要喷流)。点燃时机和引入的引燃燃料量防止引燃燃料在点燃前的过于稀薄。当引燃燃料由于加热表面510而自动点燃时，创建多个燃烧区域890。当火花点燃引燃燃料时，则在创建很快点燃整个羽880的火焰前沿的每个火花附近创建燃烧区域。
创建第一计算流动动力学(CFD)模型以执行模拟来测试引燃喷射通道460对于气体燃料的引燃是否是必需的。在表1中给出了测试第一CFD模型的发动机配置和条件。选择的发动机为具有低涡流、无EGR的13L HD发动机。两个负载条件选自：a)低负载1200RPM和b)高负载1500RPM。对于两种情况，EGR设置为零，并且通过引燃喷射通道喷射的气体燃料的量在5-10mg/冲程之间变化，并且喷射初始(SOI)设置为30°BTDC。对于火花助燃的情况，如图7的实施方案中所例示的，在火花点燃时，通过将非常小的体积(1mm3)的燃料-空气混合物加热至2000K来模拟火花点燃。
变量 值
IMEP目标[bar] 23
RPM 1200,1500
压缩比 15.7
IMT[K] 320
表1
创建了另外两个具有用于引入引燃燃料的不同配置的CFD模型，以与第一CFD模型(代表先前所讨论的实施方案)进行比较。在第二CFD模型中，通过主要喷射通道480执行引燃燃料的喷射，并在加热表面510附近引导引燃燃料的喷射。在第三CFD模型中，采用两个引燃喷射通道来模拟电热塞工作的效果，这两个燃料喷流中仅一个通过电热塞而被点燃，而另一个燃料喷流通过与该一个燃料喷流的相互作用而被点燃。第二CFD模型和第三CFD模型采用与第三CFD模型的引燃喷射脉冲相同的引燃喷射脉冲。图13中例示了测试结果。采用了两个引燃燃料流动速率，如图13中的标注“引燃流动速率”的纵列中详细说明的。该引燃燃料流动速率不仅取决于喷射压力和通道460的尺寸，还取决于阀针310的提升形态。可通过提供短脉冲部分地提升针310，使得峰值引燃燃料流动速率将低于当该针被充分提升时的流动速率。较低的引燃燃料流动速率(LPFR)对于点燃和UHC排放是有利的，因为其增加了驻留时间并减少了在点燃前变得过于稀薄的燃料的量。如最后一纵列中示出的，对于第二CFD模型和第三CFD模型没有发生点燃。如在第二CFD模型中，由于通过主要喷射通道的气体燃料喷射使得加热表面附近的燃料-空气混合物与第一CFD模型相比具有明显更短的停留时间。因此，混合物到附近表面温度升高至足以使点燃发生时变得过于稀薄。火焰不能传播，并且因后续主要燃料喷射的来自主要燃料喷射通道的燃料-空气混合物的点燃不能进行。对于第一CFD模型，在加热表面510的温度为1600K且第一阶段喷射事件发生在30°BTDC的高负载条件下也未能发生点燃。这些测试证实了引燃喷射通道460对于点燃主要燃料是必需的预期。
图13中制成表的结果示出在所测试的条件下用低至1600K的加热表面温度能够实现点燃。然而，当在喷射压力相对较高且加热表面510温度为1600K的情况下以高负载工作时，有必要具有两级引燃喷射(一个在50°BTDC，另一个在30°BTDC)以建立引燃火焰，因为单一引燃燃料喷射在30°BTDC未能点燃主要气体喷射。应当注意的是，采用多个火花的模拟显示从引燃喷射开始的短点燃延迟时间和更鲁棒的引燃火焰核心。
现参照图14a到14c，示出了高负载条件的点燃过程的比较。图14a例示了高压直接喷射(HPDI)的点燃过程，其中通过引燃柴油燃料的喷射来点燃气体燃料的喷射。图14b例示了图2的实施方案的点燃过程。图14c例示了图7的实施方案的点燃过程。图14b和14c的点燃过程均采用上述第一CFD模型。
在图15a到15e中例示了当以低负载工作时图3中的模拟结果的总指示具体燃料消耗(GISFC)和排放，而在图16a到16e中例示了当以高负载工作时的模拟结果。在每个图表中，标注“HPDI”的条是指针对HPDI CFD模型的HPDI点燃策略的模拟结果。以图13中的情况编号标注剩余条。回顾图15a到15e和16a到16e，指示出与第一CFD模型的实施方案相比，HPDI具有稍微更好的燃料经济性。然而，应当注意的是，该模拟是针对固定的主要气体SOI而被实施的。由于更缓慢的点燃过程，在给定的SOI下与HPDI相比，第一CFD模型的主要气体喷射燃烧时机的开始通常更晚。用先进(advanced)主要气体SOI时机可以将第一CFD模型的效率提高到匹配HPDI NOx水平的程度。由于燃烧时机被调节，第一CFD模型的模拟结果的热效率能够与HPDI的热效率相当。
来自电热塞点燃的天然气直接喷射式发动机的常规碳氢化合物(甲烷)排放高于HPDI发动机。在目前的研究中，已发现甲烷排放对引燃流动速率和引燃喷射与主要气体喷射之间的延迟特别敏感。对UCH4分布的分析示出在引燃脉冲期间喷射的燃料中的相当一部分在点燃延迟时间期间被稀释超过了火焰传播的极限。提高引燃流动速率和延长引燃与主要喷射之间的延迟时间增加了截留于这些过于稀薄的混合物囊内的燃料。因此它们促进高UCH4排放。通常，对于直接喷射式天然气发动机，过度预混合和局部过于稀薄是高CH4排放的主要原因。如果能够保持低引燃流动速率以最小化过于渗透和过于稀薄的影响，则能够将UCH4减少至与如图16d中示出的HPDI的水平相当。
虽然已示出并描述了本发明的特定元件、实施方案和应用，但是应当理解，本发明不局限于此，因为在不脱离本公开内容的范围的前提下，尤其是鉴于前述教导，本领域技术人员能够做出修改。

Claims (42)

1.一种点燃被直接引入到内燃机的燃烧室内的气体燃料的方法,包括以下步骤：
加热燃料喷射器喷嘴周围的空间；
将气体燃料的引燃量引入到所述燃烧室内；
点燃气体燃料的所述引燃量；
将气体燃料的主要量引入到所述燃烧室内；
使用来自气体燃料的所述引燃量的燃烧的热量以点燃气体燃料的所述主要量；以及
通过将燃料喷射器喷嘴中的主要喷射通道的主要横截面面积和所述燃料喷射器喷嘴中的引燃喷射通道的引燃横截面面积之间的比设置在4到49的范围内，来在气体燃料的所述主要量和气体燃料的所述引燃量之间控制气体燃料流入所述燃烧室内。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述气体燃料是天然气。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述气体燃料选自包括甲烷、丙烷、乙烷、生物气、垃圾填埋气、氢气和这些燃料的混合物的组。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括吸收所述燃料喷射器喷嘴周围的热量，以帮助所述引燃量和所述主要量的燃烧。
5.根据权利要求1所述的方法，其中通过以下中的一个点燃所述引燃量：
加热围绕所述燃料喷射器喷嘴的空间，其中所述引燃量自动点燃；以及
火花点燃所述引燃量。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述引燃量在引入的总气体燃料的2％到20％的范围内。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述引燃量在引入的总气体燃料的2％到10％的范围内。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述引燃量在引入的总气体燃料的2％到8％的范围内。
9.根据权利要求1所述的方法，其中在引入所述主要量之前，在第一阶段喷射事件期间引入所述引燃量。
10.根据权利要求9所述的方法，其中在所述引燃量点燃之后，在第二阶段喷射事件期间引入所述主要量。
11.根据权利要求9所述的方法，还包括：
在所述第一阶段喷射事件之前引入所述气体燃料的第二引燃量；以及
用外部点燃源点燃所述第二引燃量，由此所述第二引燃量的燃烧加热所述燃烧室。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述外部点燃源是火花。
13.根据权利要求1所述的方法，还包括使从所述引燃喷射通道散发到所述燃烧室内的引燃燃料喷流冲击转向和保持构件，其中所述引燃量绕所述燃料喷射器喷嘴被转向。
14.根据权利要求1所述的方法，还包括共同喷射第二燃料，使得所述气体燃料的可点燃性被提高。
15.根据权利要求14所述的方法，其中与所述气体燃料分开地将所述第二燃料引入到所述燃烧室内。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述第二燃料与所述气体燃料形成混合物，且所述混合物被引入到所述燃烧室内。
17.根据权利要求1所述的方法，其中所述比在9到49的范围内。
18.根据权利要求1所述的方法，其中所述比在11.5到49的范围内。
19.一种点燃被直接引入到内燃机的燃烧室内的气体燃料的方法，包括步骤：
加热燃料喷射器喷嘴周围的空间；
将气体燃料的主要量引入到所述燃烧室内；
将气体燃料的引燃量引入到所述燃烧室内；
点燃气体燃料的所述引燃量；
使用来自气体燃料的所述引燃量的燃烧的热量点燃气体燃料的所述主要量；以及
通过将第一燃料喷射器喷嘴中的主要喷射通道的主要横截面面积和第二燃料喷射器喷嘴中的引燃喷射通道的引燃横截面面积之间的比设置在4到49的范围内，来在气体燃料的所述主要量和气体燃料的所述引燃量之间控制气体燃料流入所述燃烧室内。
20.根据权利要求19所述的方法，其中将所述主要量引入到在所述燃烧室的进气阀上游的进气歧管内。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述比在9到49的范围内。
22.根据权利要求19所述的方法，其中所述比在11.5到49的范围内。
23.一种用于点燃内燃机的燃烧室内的气体燃料的装置，包括：
燃料喷射器，用于将气体燃料直接引入到所述燃烧室内；
所述燃料喷射器包括具有引燃喷射通道和主要喷射通道的喷嘴，所述引燃喷射通道包括垂直于从其中流动通过的气体燃料的引燃横截面面积，且所述主要喷射通道包括垂直于从其中流动通过的气体燃料的主要横截面面积，所述主要横截面面积与所述引燃横截面面积的比在4到49的范围内；
点燃源，包括围绕所述燃料喷射器的所述喷嘴环形地延伸的加热表面；
控制器，与所述燃料喷射器和所述点燃源可操作地连接且被配置以：
致动所述燃料喷射器以通过形成引燃喷流的所述引燃喷射通道引入气体燃料的引燃量；
致动所述点燃源以点燃所述引燃喷流；以及
致动所述燃料喷射器以通过形成主要喷流的所述主要喷射通道引入气体燃料的主要量，其中所述主要喷流通过来自所述引燃喷流的燃烧的热量点燃。
24.根据权利要求23所述的装置，其中所述气体燃料是天然气。
25.根据权利要求23所述的装置，其中所述气体燃料选自包括甲烷、丙烷、乙烷、生物气、垃圾填埋气、氢气和这些燃料的混合物的组。
26.根据权利要求23所述的装置，其中所述比在9到49的范围内。
27.根据权利要求23所述的装置，其中所述比在11.5到49的范围内。
28.根据权利要求23所述的装置，其中所述点燃源包括点火机构。
29.根据权利要求23所述的装置，其中所述点燃源包括加热线圈。
30.根据权利要求23所述的装置，其中所述点燃源包括感应加热器。
31.根据权利要求23所述的装置，其中在第一阶段喷射事件期间引入所述引燃量且在第二阶段喷射事件期间引入所述主要量，且所述控制器还被配置以：
致动所述燃料喷射器以在所述第一阶段喷射事件之前通过所述引燃喷射通道引入气体燃料的第二引燃量；以及
致动点火机构以火花点燃所述气体燃料的所述第二引燃量；
其中来自所述第二引燃量的燃烧的热量帮助点燃所述引燃量。
32.根据权利要求23所述的装置，还包括转向和保持构件，其可操作以绕所述燃料喷射器使所述引燃喷流的流动转向。
33.根据权利要求23所述的装置，还包括第二燃料喷射器，用于将第二燃料直接引入到所述燃烧室内，所述控制器还被配置以致动所述第二燃料喷射器。
34.根据权利要求33所述的装置，其中所述第二燃料选自包括氢气和柴油的组。
35.根据权利要求23所述的装置，还包括热量吸收剂层，其围绕所述燃料喷射器环形地延伸。
36.一种用于点燃内燃机的燃烧室内的气体燃料的装置，包括：
第一燃料喷射器，用于将所述气体燃料直接引入到所述燃烧室内，所述第一燃料喷射器包括引燃喷射通道，所述引燃喷射通道包括垂直于从其中流动通过的引燃横截面面积；
进气阀，在所述燃烧室的上游；
第二燃料喷射器，用于在所述进气阀的上游引入所述气体燃料且包括主要喷射通道，所述主要喷射通道包括垂直于从其中流动通过的气体燃料的主要横截面面积，所述主要横截面面积与所述引燃横截面面积的比在4到49的范围内；
点燃源，包括围绕所述第一燃料喷射器的喷嘴环形地延伸的加热表面；
控制器，与所述第一燃料喷射器和第二燃料喷射器可操作地连接且被配置以：
致动所述第二燃料喷射器以引入所述气体燃料的主要量，由此所述主要量在所述燃烧室内形成预混合物；以及
致动所述第一燃料喷射器以通过所述引燃喷射通道引入所述气体燃料的引燃量。
37.根据权利要求36所述的装置，其中所述比在9到49的范围内。
38.根据权利要求36所述的装置，其中所述比在11.5到49的范围内。
39.根据权利要求36所述的装置，其中所述点燃源包括点火机构。
40.根据权利要求36所述的装置，其中所述点燃源包括加热线圈。
41.根据权利要求36所述的装置，其中所述点燃源包括感应加热器。
42.根据权利要求36所述的装置，还包括热量吸收剂层，其围绕所述第一燃料喷射器环状地延伸。
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