CN104995393A - 用于内燃机的富集空气的气态燃料直接喷射 - Google Patents

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Abstract

一种用于将气态燃料引入至内燃机的燃烧室内的方法，该方法包括：在预定容差范围内以预限定的混合物质量比形成气态燃料和含氧气体的不燃混合物，所述不燃混合物具有适合于在至少压缩冲程期间将该不燃混合物引入至燃烧室内的压力；以及将该不燃混合物直接引入至燃烧室内。

Description

用于内燃机的富集空气的气态燃料直接喷射
技术领域
本申请涉及一种使气态燃料的供应在引入至内燃机的燃烧室内之前富集含氧气体(gas comprising oxygen)的技术。
背景技术
为满足最严格的规定的排放水平，在当前的直接喷射天然气发动机中是需要后处理系统的。由于发动机操作范围内的燃烧过程的性质，微粒物质(PM)、氮氧化物(NOx)、未燃烧的碳氢化合物(UHC)的排放水平在规定的水平之上，除非采用了后处理系统。这些后处理系统可以包括微粒过滤器、氧化催化剂和还原催化剂。优选地，通过改善发动机的缸内燃烧过程来减少对这些后处理系统的依赖，以满足排放规定并且理想地消除对后处理系统的需求。
通过增进燃料和含氧气体(诸如空气)之间的混合来提高缸内燃烧的“质量”的各种技术，在业内已被研究和采用。如在本文中使用的，术语“空气”可与短语“含氧气体”互换使用。应当理解，“含氧气体”在其最宽泛的意义上讲，可以是不同于空气的或除空气之外还有的气体。广泛采用的混合技术包括使用较高的喷射压力、优化增压空气(charge air)运动(诸如旋转和翻滚)、优化喷射器喷嘴几何结构和燃烧室几何结构、以及为燃料喷射使用多脉冲。
增加燃料喷射压力是用于提高柴油发动机的燃料-空气混合的最有效的方法中的一种。然而，其在天然气发动机中的应用有一些严重的障碍。首先，具有较高压力评级的气态燃料系统需要专门的设计和材料，这在显著地增加燃料系统成本的同时减小了部件的可靠性或寿命。其次，适合于高负荷条件的较高喷射压力可能不适合于较低负荷条件(关于调节比(turn down ratio)的问题)，并且因此这对喷射器/燃料系统设计产生了更大的压力来覆盖用于不同负荷条件的宽范围的操作压力。最后，气态燃料的混合过程略微不同于液体燃料的混合过程。具体而言，气态燃料不具有将空气夹带(entrain)至燃料射流的中心的雾化相。结果，在喷雾破碎和雾化过程期间较高喷射压力对提高燃料/空气混合的影响没有施加至气态燃料射流。
通过增压空气运动提高混合对于某些发动机型式是有效的，但对于其他发动机型式却并不有效。由于一旦发动机设计被固定，就几乎不能施加控制以改变增压空气运动，所以在不同的发动机操作点处最优化是不可行的。作为一个额外的缺点，由于增压空气运动主要影响增压部的主体运动(bulk motion)，其对于局部混合的有效性是有限的。
类似于增压空气运动，喷射喷嘴和燃烧室几何结构对不同操作条件下的燃烧过程具有不同的影响。虽然在某些发动机操作点处可以获得最优化，但是对于发动机图(engine map)的全局最优化是困难的。
已经证明了多个喷射脉冲在柴油发动机中对于PM减少是有效的。然而，它的应用受限于喷射器(控制器和驱动器)的响应时间、总喷射持续时间以及喷射器动力学。它对于以气态燃料供燃的发动机的有效性还没有被证明。
上面的技术都没能完全解决的一个重要问题是发动机的瞬时行为。在一个瞬时状态中，发动机可以在一段短的持续时间内从低负荷操作转变成高负荷操作。在每个循环所喷射的燃料的量迅速地增加，以提供与增加的负荷的要求相匹配的增加的扭矩。在瞬时期间，空气处理系统通常滞后于燃料系统。结果，发动机经受暂时的氧化剂“匮乏”，或者用技术术语说，当量比的增加导致排气中的PM和一氧化碳(CO)的水平升高。
空气辅助的液体燃料喷射技术是已知的。在喷射事件期间采用加压的空气作为用于喷射液体燃料的高压源。空气的压力限定喷射压力，并且空气供应不能被关停，因为空气供应对于燃料喷射是必要的。在一个燃料喷射器内将液体燃料与压缩的空气混合，因为在喷射器的更上游处混合液体燃料和空气是不实际。在喷射之前，液体燃料和空气不形成同质(homogenous)混合物。在空气辅助的喷射中，空气被用作驱动者，以将液体燃料驱动至汽缸内并且帮助将该燃料雾化。在喷射之前，实际上没有空气和液体燃料之间的“混合”。
现有技术正缺乏如下技术：所述技术用于在整个发动机图中且在瞬时条件期间提高以气态燃料供燃的直接喷射内燃机的燃烧质量来降低排放水平，由此减小且理想地消除对后处理系统的依赖性。本发明的方法和装置提供一种用于提高以气态燃料供燃的直接喷射内燃机中的燃烧过程的质量的技术。
发明内容
公开了一种用于将气态燃料引入至内燃机的燃烧室内的改进的方法，该方法包括：形成气态燃料和含氧气体的不燃混合物(non-ignitable mixture)，所述不燃混合物具有适合于在至少压缩冲程期间将该不燃混合物直接引入至燃烧室内的压力；以及，将该不燃混合物直接引入至燃烧室内。所述不燃混合物包括的混合物质量比小于气态燃料在含氧气体中的易燃性上限(upper flammability limit，UFL)处的质量比。当所述气态燃料包括甲烷且含氧气体是空气时，混合物质量比(含氧气体的质量：气态燃料的质量)可以在0:1和8.8:1之间，更优选地，所述混合物质量比在0:1至2:1之间，并且最优选地，所述混合物质量比在0.25:1至1:1之间。所述不燃混合物在燃烧室中形成射流，所述射流在所述射流内和周围具有受控的当量比。可以随着发动机操作条件的变化来调整该不燃混合物中的气态燃料与含氧气体之间的混合物质量比。含氧气体可以是空气。所述气态燃料可以是天然气、乙烷、甲烷、丙烷、生物气、填埋气、二甲醚、氢气及它们的混合物中的至少一种。
该方法还包括：随着发动机操作条件的变化对气态燃料加压；压缩含氧气体；以及将加压的气态燃料与压缩的含氧气体混合。含氧气体在其被压缩之后可以被储存在一个收集器或管路中。当混合时，含氧气体的压力可以小于气态燃料的压力，或当混合时含氧气体的压力在一个预定容差范围内等于气态燃料的压力，或者当混合时含氧气体的压力大于气态燃料的压力。所述混合可以在一个燃料喷射器的内部发生或者可以在燃料喷射器的上游发生。可以随着发动机操作条件的变化来调节和调整气态燃料与含氧气体之间的偏压。在瞬时发动机操作条件期间，所述偏压也可以被调整。该方法还包括当混合时随着一个控制阀两端的压差的变化来计量进入不燃混合物中的含氧气体。
压缩含氧气体包括以下中的至少一项：采用内燃机的废气中的能量；采用通过内燃机推进的车辆的动量中可用的能量；采用内燃机的动力输出；采用内燃机中的汽缸的压缩冲程；采用液压驱动压缩机；以及采用电压缩机。对于含氧气体可以存在多于一级的压缩，并且含氧气体可以在这些级之间被冷却。
气态燃料压力在混合之前可以与不燃混合物的压力在一个预定容差范围内相等，并且含氧气体的压力在混合之前可以小于该不燃混合物的压力。混合可以包括：将含氧气体引入至一个混合-压缩装置内；在含氧气体之后将气态燃料引入至所述混合-压缩装置内；以及，压缩该不燃混合物。
一种用于将气态燃料引入至内燃机的燃烧室的改进的装置，该装置包括：一个气态燃料的供应部；一个含氧气体的供应部；一个用于形成气态燃料和含氧气体之间的不燃混合物的混合物形成装置；以及，一个用于将该不燃混合物直接引入至燃烧室中的增压部(charge)内的喷射阀。所述混合物形成装置可以包括：一个混合装置，所述混合装置用于将从含氧气体供应部接收的含氧气体与从气态燃料供应部接收的气态燃料混合；以及，一个压缩装置，所述压缩装置用于压缩所述不燃混合物。
替代地，所述混合物形成装置包括：一个压缩装置，所述压缩装置用于压缩从含氧气体供应部接收的含氧气体；一个泵送装置，所述泵送装置用于泵送从气态燃料供应部接收的气态燃料；以及，一个混合装置，所述混合装置用于将从所述压缩装置接收的含氧气体与从所述泵送装置接收的气态燃料混合。混合装置上游的压力调节器调节气态燃料和含氧气体之间的偏压。所述混合装置和所述喷射阀可以被集成在一个燃料喷射器中。所述压缩装置可以包括：第一压缩机，所述第一压缩机用于给含氧气体加压；以及，第一储存器，所述第一储存器用于储存从所述第一压缩机接收的含氧气体。所述第一压缩机可以通过来自所述内燃机的动力输出驱动；可以通过由内燃机驱动的发电机提供动力的电动马达驱动；可以通过由内燃机的废气驱动的涡轮驱动。当含氧气体是空气时，所述第一压缩机可以包括内燃机的一个发动机制动器，由此通过发动机制动器压缩的空气的至少一部分被储存在所述第一储存器内。所述装置还可以包括：第二压缩机，所述第二压缩机用于压缩来自所述第一储存器的含氧气体；以及，第二储存器，所述第二储存器用于储存从所述第二压缩机接收的含氧气体。可以通过由所述发电机提供动力的另一个电动马达驱动所述第二压缩机；或者可以通过内燃机的动力输出驱动所述第二压缩机。
所述第一压缩机可以包括用作第一级压缩的内燃机的汽缸和活塞。在此实施方案中，所述装置还包括：一个电子控制器；在所述汽缸和所述第一储存器之间的一个止回阀，所述止回阀能操作以在压缩冲程期间递送通过汽缸中的活塞压缩的空气的一部分；以及在所述第二储存器与所述混合装置之间的一个控制阀，所述控制阀与所述电子控制器能操作地连接；由此所述电子控制器指令所述控制阀计量到所述混合装置内的预定量的含氧气体。第一压力传感器提供表示所述控制阀的上游的含氧气体压力的第一压力信号；以及，第二压力传感器提供表示所述控制阀的下游的含氧气体压力的第二压力信号。所述电子控制器接收所述第一压力信号和第二压力信号，并且随着所述第一压力信号和第二压力信号以及所述混合装置的上游的气态燃料压力的变化来指令所述控制阀。可以通过发动机图中的一个条目和第三压力传感器两者之一来确定气态燃料压力。
附图说明
图1是根据第一实施方案的用于内燃机的、用于使气态燃料富集含氧气体的直接喷射装置的示意图。
图2是根据第一实施方案的图1的直接喷射装置的混合和喷射装置的示意图。
图3是根据第二实施方案的图1的直接喷射装置的混合和喷射装置的示意图。
图4是根据第二实施方案的用于内燃机的、用于使气态燃料富集含氧气体的直接喷射装置的示意图。
图5是根据第三实施方案的用于内燃机的、用于使气态燃料富集含氧气体的直接喷射装置的示意图。
图6是根据第四实施方案的用于内燃机的、用于使气态燃料富集含氧气体的直接喷射装置的示意图。
图7是根据第一实施方案的图1和图2的直接喷射装置的压缩装置的示意图。
图8是根据第二实施方案的图1和图2的直接喷射装置的压缩装置的示意图。
图9是根据第三实施方案的图1和图2的直接喷射装置的压缩装置的示意图。
图10是根据第五实施方案的用于内燃机的、用于使气态燃料富集含氧气体的直接喷射装置的示意图。
图11是根据第六实施方案的用于内燃机的、用于使气态燃料富集含氧气体的直接喷射装置的示意图。
图12a是在进气冲程期间，当含氧气体被引入用于图11的直接喷射装置的泵时，示出的用于将气态燃料与含氧气体混合的泵的示意图。
图12b是在压缩冲程期间，当含氧气体不再被引入且气态燃料被引入时，示出的图12a的泵的示意图。
图12c是图12b中的压缩冲程稍后一些，当气态燃料和含氧气体的不燃混合物被压缩且被递送到泵的外面时，示出的图12a的泵的示意图。
图13是根据第七实施方案的用于内燃机的、用于使气态燃料富集含氧气体的直接喷射装置的示意图。
图14是用于生成机械能的装置的示意图，所述机械能可以被采用以驱动压缩机从而向空气或气态-燃料/空气混合物加压。
图15是用于提高空气加压效率的压缩装置的示意图。
图16是根据第八实施方案的用于内燃机的、用于使气态燃料富集含氧气体的直接喷射装置的示意图。
图17是根据第九实施方案的用于内燃机的、用于使气态燃料富集含氧气体的直接喷射装置的示意图。
图18是计算流体动力学研究的结果的图形视图，例示了基线高压直接喷射(HPDI)发动机(基线)的微粒物质排放、具有提前正时的HPDI发动机(BWAT)的微粒物质排放、负引燃分离(negative pilotseparation)发动机配置(NPsep)的微粒物质排放、被配置成50％(以质量计)空气富集的具有正常喷射孔尺寸的HPDI发动机(50％空气NH)的微粒物质排放、以及被配置成50％(以质量计)空气富集的具有较大喷射孔尺寸的HPDI发动机(50％空气LH)的微粒物质排放。
图19是计算流体动力学研究的结果的图形视图，例示了基线高压直接喷射(HPDI)发动机(基线)的指示燃料消耗率(indicated specificfuel consumption)、具有提前正时的HPDI发动机(BWAT)的指示燃料消耗率、负引燃分离发动机配置(NPsep)的指示燃料消耗率、被配置成50％(以质量计)空气富集的具有正常喷射孔尺寸的HPDI发动机(50％空气NH)的指示燃料消耗率、以及被配置成50％(以质量计)空气富集的具有较大喷射孔尺寸的HPDI发动机(50％空气LH)的指示燃料消耗率。
图20是来自包括根据图1的装备的、其内采用三个测试案例的实验(其中空气-气态燃料质量比百分比在0％(无空气)、50％(以质量计，三分之一的空气与三分之二的气态燃料混合)和100％(以质量计，二分之一的空气与二分之一的气态燃料混合)之间变化)的测试结果的图形视图，例示了测试案例中的每个的一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)以及未燃烧的碳氢化合物(CH4)的排放水平。
图21是来自图20的实验的测试结果的图形视图，例示了测试案例中的每个的通过三种不同技术(PM TEOM，PM DustTrak和过滤器)测量的微粒物质排放。
图22是来自图20的实验的测试结果的图形视图，例示了测试案例中的每个的总指示燃料消耗率。
图23是根据第十实施方案的用于内燃机的、用于使气态燃料富集含氧气体的直接喷射装置的示意图。
具体实施方式
本文中的实施方案公开了形成含氧气体(诸如空气)与气态燃料的不燃混合物，并且将该不燃混合物直接引入到内燃机的一个或多个燃烧室内，或者在引入到燃烧室内之前引入到预燃室(pre-chamber)内。与当仅气态燃料被引入燃烧室时比较，当该不燃混合物被引入燃烧室时，燃烧效率增大且排放减小。不燃混合物中的含氧气体与气态燃料之间的质量比小于易燃性上限质量比。当含氧气体是空气且气态燃料是甲烷时，在标准温度和压力条件下，质量比(含氧气体的质量：气态燃料的质量)在0:1(0％)和8.8:1(880％)的范围内。8.8:1的质量比相应于一种可燃混合物，在该可燃混合物中，空气的质量是可燃混合物的总质量的89.8％且甲烷的质量是总质量的10.2％(89.8/10.2≈8.8)。在此申请的上下文中，标准温度和压力是20摄氏度(℃)和1个大气压。更优选地，所述质量比在0:1(0％)至2:1(200％)的范围内，并且最优选地，所述质量比在0.25:1(25％)至1:1(100％)的范围内。这些范围对于天然气(其最大的成分是甲烷)而言是类似的，并且根据天然气中的个体成分的浓度而变化。对于用其他含氧气体和/或其他气态燃料形成的不燃混合物，质量比的范围将根据各自的易燃性上限而变化。一般地，因为各种原因，优选的最大质量比小于不燃混合物的最大容许质量比(在UFL处的质量比)。优选的最大质量比依照一个安全系数小于UFL处的质量比。不燃混合物的优选的最大质量比是这样的质量比：在该质量比处，对于任何更大的质量比，在燃烧效率方面的提高被为实现所述更大的质量比所需要的将额外量的含氧气体压缩所需要做的功抵消。不燃混合物的优选的最大质量比是这样的质量比：在该质量比处，对于任何更大的质量比，喷射不燃混合物到燃烧室内的持续时间使放热的持续时间延长，足以引起在热效率方面的过度减小。
参考图1，示出了根据第一实施方案的用于包括燃烧室80的内燃机的直接喷射装置10。直接喷射装置10将气态燃料和含氧气体(诸如空气)混合，并且将不燃混合物直接引入至燃烧室80。如本文中使用的，气态燃料被定义为在标准温度和压力下处于气相的任何燃料。装置10包括空气供应部20和气态燃料供应部30。供应部20和30这二者提供各自的流体的低压供应。混合物形成装置15以预定容差范围内的预限定的混合物质量比形成气态燃料和空气的不燃混合物。预限定的混合物质量比可以被限定为当量比，可以随着发动机操作条件的变化来调整。压缩装置40将空气的压力增大至适合于混合的压力，且压缩装置50将气态燃料的压力增大至适合于混合的压力。装置40和50均可以包括收集器以储存各自的加压流体，或者这样的流体可以被各自储存在管路42和52中。混合和喷射装置74将来自管路42的空气和来自管路52的气态燃料混合，并且将不燃混合物直接引入到燃烧室80内。在一个优选的实施方案中，不燃混合物在进气阀关闭之后被引入到燃烧室80中的增压部内。管路42中的空气的压力可以小于管路52中的气态燃料的压力，在一个预定范围内等于管路52中的气态燃料的压力，或大于管路52中的气态燃料的压力，并且管路中的空气和气态燃料之间的上述相对压力取决于装置74中的混合的方式。可以采用任何常规混合技术，如熟悉此技术的技术人员所已知的。装置74可以调节管路42中的空气与管路52中的气态燃料之间的偏压，使得当混合时获得预限定的当量比。在装置74中可以采用一个收集器，用于储存气态燃料/空气混合物。
参考图2，在一个实施方案中，装置74包括混合装置60和喷射阀70。可以根据已知技术通过装置60调节管路62中的气态燃料/空气混合物的压力。喷射阀70将管路62中的不燃混合物引入到燃烧室80内，该喷射阀在该燃烧室处形成具有预限定的当量比的射流。
参考图3，装置74的另一个实施方案包括部件76，诸如燃料喷射器，其集成了混合装置60和喷射阀70。来自管路52的加压的气态燃料和来自管路42的压缩的空气在混合装置74中混合。每循环被喷射到燃烧室80内的空气的量可以通过混合装置60内部的专用致动器和阀来控制，这允许在气态燃料和空气之间的混合比率方面的增大的精确度。
现在参考图4，示出了根据类似于图1的实施方案的第二实施方案的、用于内燃机的直接喷射装置10，并且关于此第二实施方案和所有随后描述的实施方案，相同的部件具有相同的参考数字，并且即使有说明也可能不进行详细说明。气态燃料供应部30包括储存在汽缸(未示出)内或适合的容器内的压缩的天然气。来自供应部30的气态燃料在混合和喷射装置74内与来自压缩装置40的加压的空气混合。此实施方案对于与图1的第一实施方案相比需要更低压力的气态燃料/空气混合物的系统是有益的。
参照图5，示出了根据第三实施方案的用于内燃机的直接喷射装置10。混合物形成装置15包括压缩机44，所述压缩机44用于将空气从供应部20中的一个低压压缩至等于或高于管路52中的气态燃料压力的压力。低压空气供应部20可以是来自例如进气歧管或者来自其他源的空气。压缩的空气被储存在高压储存器46内，该高压储存器46可以是管路和/或器皿(诸如，收集器)。气态燃料装置34包括供应部30和压缩装置50，该压缩装置50采用常规部件来递送加压的气态燃料，并且这样的部件的选择根据应用需要而变化，如熟悉此技术的技术人员可知的。气态燃料以液体状态或气体状态被储存在装置34中，并且替代地，装置34可以从住宅的或商业的气体管线接收气体。泵送装置(未示出)给装置34中的气态燃料加压。在本实施方案中，储存器46中的空气的压力高于管路52中的气态燃料的压力。压力调节器48控制来自储存器46的高压空气与来自装置34的气态燃料之间的偏压。所述偏压控制被夹带至混合器64中的气态燃料中的空气的量。在内燃机的操作期间，通过调节器48设定的偏压可以随着发动机操作条件的变化来连续地调整。通过调整所述偏压，可以改变被引入到气态燃料流中的空气的量，导致对于发动机的不同操作条件具有不同比率的气态燃料/空气混合物。
现在参考图6，示出了根据第四实施方案的用于内燃机的直接喷射装置10。将来自供应部20的空气和来自供应部30的气态燃料在混合装置90内混合，使得管路92中的不燃混合物具有预限定的当量比。混合装置90可以调节管路22中的空气与管路32中的气态燃料之间的偏压，使得当混合时实现预限定的当量比。压缩装置100增大管路92中的不燃混合物的压力并且调节管路102中的不燃混合物的压力。喷射阀70将管路102中的不燃混合物直接引入到燃烧室80内。
在所有的实施方案中，将气态燃料/空气不燃混合物引入到燃烧室80内存在若干优点。喷射气态燃料/空气不燃混合物导致增强的湍流程度和持续时间，因为对于所喷射的给定量的气态燃料，所喷射的气体(气态燃料和空气)的总量增大。来自气体射流(包括气态燃料的空气)的增大的总动能显著增加燃烧室的湍流程度。与增压空气中的动能不同，射流中的湍流动能更集中于关键的混合和燃烧区域，并且因此对增大燃烧率更有效。在给定的当量比下，喷射气态燃料/空气不燃混合物导致较低的混合物温度。在喷射之前最初的气态燃料/空气不燃混合物中的空气具有的温度低于在喷射期间燃烧室内的空气的温度。结果，对于给定的当量比，混合物温度降低。因此，火焰温度也降低。这样的降低有利于减少氮氧化物和PM前驱物(precursor)的形成。该效果在高当量比区域内更明显，因为高当量比区域对PM形成的效力更突出。喷射气态燃料/空气不燃混合物导致在高当量比区域内的气态燃料/空气不燃混合物的较短停留时间。通过混合器64被混合在燃料流中的空气减小射流的核心中的整体当量比。再加上增强的湍流程度，气态燃料/空气不燃混合物在高烟灰形成区域内(也就是气态燃料/空气当量比高于3的区域)的停留时间显著地减少。在此区域内停留时间的减少限制烟灰前驱物(诸如，乙炔和苯)的形成，导致较低PM形成率。喷射气态燃料/空气不燃混合物允许针对在从低负荷到高负荷的瞬时操作期间提高瞬时响应来校准发动机。在此瞬时操作期间，高压空气和混合器64之间的压力偏差可以被迅速地调整，以增大被夹带至气态燃料中的空气的量。这可以部分地或完全地抵消由于发动机的空气处理系统中的滞后引起的增大的当量比的影响。喷射气态燃料/空气不燃混合物导致较好的喷射器稳定性，因为对于其中所喷射的气态燃料的量非常小的模式，喷射器会显示出糟糕的稳定性以及从各次喷射之间(shot-to-shot)的较大的变化。借助于空气夹带，由于增大的总质量，可以增大喷射持续时间。
现在参考图7，示出了根据第一实施方案的直接喷射装置10中的压缩装置40的示意图。图7的实施方案例示将空气从低压加压至管路42中可用的高压的技术。将空气压缩至高喷射压力具有的一个问题是相对高的能量消耗。因为空气是一种可压缩流体，所以将空气从大气压(低压)压缩至高压需要与压缩液体燃料(诸如，柴油)相比显著较高的能量。压缩装置40采用来自排气歧管120的排气中可用的能量来帮助压缩空气。排气驱动涡轮130驱动压缩机140压缩来自发动机110的进气歧管的进气空气，可以通过中间压力储存器160捕获所述进气空气的一部分。中间压力储存器160中的空气可以通过压缩机170被进一步压缩，且被储存在高压储存器46内。可以通过马达180或替代地通过发动机110的动力输出190驱动压缩机170。动力输出190包括来自发动机110的直接机械驱动。当发动机110推进一个车辆时，在车辆通过发动机110制动时，车辆的动量可以被转换，以驱动发电机200来产生电力，电动马达180采用所述电力来驱动压缩机170。发电机200可以直接驱动马达180，或者可以将所生成的电力储存到电池210中，然后将从该电池210给马达供电。在其他情况下，压缩机140和170可能以效率低且产生糟糕的排放的模式操作。这样的模式转变可以被布置以提高整体效率且减少给定的发动机驱动循环内的排放。
现在参考图8，示出了根据第二实施方案的直接喷射装置10中的压缩装置40的示意图。压缩装置40采用通过发动机110推进的车辆的动量中可用的能量来帮助压缩空气。可以采用来自该车辆的动量的能量，以借助于发动机制动器220将空气压缩至一个制动盒(未示出)内。可以通过管路230由中间压力储存器160捕获被储存在或待被储存在所述制动盒内的空气的一部分。
现在参考图9，示出了根据第三实施方案的直接喷射装置10中的压缩装置40的示意图。马达240驱动压缩机250，该压缩机250将来自发动机110的进气歧管(未示出)的空气从接近大气压压缩至储存器160中的中间压力。
可以根据应用需要，将图7、图8和图9的实施方案中公开的将空气从接近大气压加压至储存器46中的高压的技术结合在其他实施方案中。排气中可用的能量以及车辆的动量中可用的能量可以被采用，以帮助将空气压缩至储存器46中的高压并且然后在喷射期间返回至发动机110来给系统提供正功(positive work)。在其他的情况下，压缩机140、170和250可能以效率低且产生糟糕的排放的模式操作。这样的模式转变可以被布置以提高整体效率且减少给定的发动机驱动循环内的排放。储存器46中的空气在其被引入至混合和喷射装置74之前可以通过与LNG热交换或通过其他形式的冷却而被冷却。
参考图10，示出了根据第五实施方案的直接喷射装置10。将空气从大气压压缩至高喷射压力需要相对高的能量消耗。为了减小此能量消耗，装置10采用内燃机的活塞260和汽缸270作为第一级压缩机来压缩空气。在其他实施方案中，可以采用任何发动机汽缸或多个汽缸来帮助压缩空气。用于空气压缩的能量消耗是空气压力比率的函数，并且因此将空气从压缩结束时的压力压缩至高喷射压力与将空气从大气压压缩至高喷射压力相比耗费显著较少的能量。随着活塞260压缩汽缸270内的空气，单向止回阀280打开，这是由于该阀两端的压差允许压缩的空气的一部分逃逸至中间压力储存器160(在本实施方案中也被称为缓冲罐(surge tank))内。来自缓冲罐160的空气被压缩机170进一步压缩，然后被储存在高压储存器46内。当气态燃料装置34采用液化天然气(LNG)时，在空气和LNG之间可以采用一个热交换器，以在压缩机级之间提供将空气冷却至环境温度之下，这增大了压缩机效率。在其他实施方案中，可以采用一个增压空气冷却器来冷却压缩机级之间的空气。控制阀300通过管路320接收高压空气，并且当由控制信号350致动时计量到混合器64内的空气，所述空气在该混合器64处与来自装置34的气态燃料混合。压力传感器330和340向电子控制器360提供表示各自管路中的空气压力的空气压力信号。控制器360随着信号330和340之间的压差与气态燃料压力的变化来生成控制信号350，所述气态燃料压力是从发动机图确定的或者从装置34中的气态燃料压力传感器(未示出)测量的。
现在参考图11，示出了根据第六实施方案的直接喷射装置10。气态燃料装置34储存低温燃料，诸如储存罐400中的液化天然气(LNG)。低温泵410泵送液化燃料通过汽化器420，所述液化燃料在汽化器420中经历状态变化为气体，并且低温泵410随着发动机的操作条件的变化对管路460中的气态燃料加压。来自储存器160的中间压力空气通过管路450被递送至泵440，在泵440处，根据如下文将要更详细地讨论的局部压力混合方法，所述中间压力空气与管路460中的气态燃料混合并且用管路460中的气态燃料增强。气态燃料/空气不燃混合物通过管路470被递送至收集器480。如熟悉本领域技术的技术人员理解的，收集器480可以包括一个器皿或适当尺寸的管路。压力调节器490随着发动机操作条件的变化来调整气态燃料/空气不燃混合物的压力并且将经压力调节的混合物供应至喷射阀70，该喷射阀70将该不燃混合物引入至内燃机中的燃烧室80。
参考图12a、图12b和图12c，现在讨论泵440的局部压力混合方法。泵440是一个往复式活塞泵，其包括汽缸500、活塞510和活塞杆520以及如熟悉本领域技术的技术人员理解的其他常规部件。泵440起混合-压缩装置的作用。在如图12a中例示的进气冲程期间，空气通过单向止回阀530被引入至泵440中，同时关闭阀540阻塞气态燃料的流动。仅仅举例而言，对于300巴以质量计的50/50气态燃料/空气混合物，空气需要的局部压力是约106巴，或者粗略地，是最终混合物压力的三分之一，同时气态燃料的压力是约300巴。在图12b中例示的压缩冲程期间，单向止回阀530关闭并且电磁阀540通过一个来自控制器(未示出)的控制信号打开，使得燃料被引入至泵440内与空气混合。在局部压力混合方法的其他实施方案中，可能的是，在进气冲程期间，在预定量的空气被引入之后，气态燃料通过阀540被引入至泵440，使得通过引入气态燃料，止回阀530关闭。继续参考图12c中的压缩冲程，不燃混合物然后被进一步压缩至约300巴的递送压力，并且通过单向止回阀550输出至管路470内。可以通过控制电磁阀540的打开时间和持续时间且通过控制管路450中的空气压力来调整气态燃料与空气的比例。在被引入至泵440之前管路450中需要的空气压力是最终递送压力的约三分之一。由于在一个预定容差范围内，将气态燃料加压至最终递送压力(300巴)需要相对低的能量消耗，此减小的空气压力是可能的，这是因为气态燃料通过泵送液化气体的泵410被加压，并且泵送液体比泵送气体更有效率。
现在参考图13，示出了根据在混合空气和气态燃料的技术方面不同于图11的实施方案的第七实施方案的直接喷射装置10。来自供应部20的低压空气和来自储存器160的中间压力空气两者之一通过压缩机44被加压并且被储存在收集器480中。在可以是常规混合器的混合器64中使得来自汽化器420的气态燃料富集来自收集器480的空气。
参考图14，例示一种用于生成可以用于驱动泵或压缩机的机械能的技术。低温泵410对LNG过加压使得管路411中的压力高于汽化器420的下游的消费者需要的压力。储存在加压的LNG中的额外能量可以通过路由经由膨胀机415汽化的LNG生成有用功，使得压力降至膨胀机415的下游的消费者需要的水平。加压的气态燃料随着穿过膨胀机415而将轴417转动，可以采用所述轴来驱动压缩机或泵以压缩空气或气态燃料/空气混合物。因为LNG是非可压缩液体，它可以被相对有效率地加压，并且当驱动压缩机和泵的其他更有效率的方法不可用时，这可以使本技术取得优势。
参照图15，例示了一种用于增大空气加压效率的技术，包括装置600。多级压缩装置610接受低压的空气并且采用两级或多级的压缩以将空气加压至中间压力。可以采用先前实施方案中讨论的从低压到中间压力的空气加压的任何技术，以及其他已知技术。来自装置610的空气被储存在位于低温罐620内部的收集器160内。在优选的实施方案中，低温罐620被制成储存液化气态燃料，诸如液化天然气(LNG)或液化石油气(LPG)，在其他实施方案中，罐620可以储存任何低温流体。通过将收集器160放置在罐620内，从压缩装置610接收的加压的空气的温度降低并且所述加压的空气的密度相应地增大。优选地，收集器160中的空气的温度被降低为接近于或者处于罐620内的低温温度。收集器160内的加压的且冷却的空气通过压缩级630被进一步压缩至高压。由于收集器160中的空气的增大的密度，压缩装置630压缩来自收集器160的空气比压缩直接从多级压缩装置610接收的相等质量的空气耗费较少的能量。在优选的实施方案中，压缩装置630是最后级压缩，使得来自该装置的空气随后与下游的气态燃料混合而未进一步压缩。在优选的实施方案中，压缩装置630包括一个低温泵，所述低温泵可操作以加压一种低温流体，诸如液化气态燃料、空气或二者的组合。低温泵包括用于低温流体的一个或多个进气端口，所述进气端口可以在罐620的外部或内部。当来自压缩装置630的加压的流体包括液化气态燃料和空气的混合物时，不燃混合物可以被递送至热交换器用于汽化。
参照图16，示出了根据第八实施方案的用于内燃机110的直接喷射装置10。在此实施方案中描述了用于控制气态燃料与空气之间的混合物比率的技术，以及用于使能和禁用空气富集的技术和空气压缩系统。通过涡轮720驱动的压缩机710接收来自发动机110的进气管的空气并且提供第一级压缩。压缩装置730接收来自压缩机710的空气的一部分并且采用至少一个另一个压缩级以将空气加压至储存在收集器46(其可以包括一个器皿或适当尺寸的管路)中的高压。在优选的实施方案中，装置730采用另外三个压缩级。装置730可以采用先前实施方案中讨论的用于加压空气的技术中的任一者。控制器740控制阀750和阀760，以计量从收集器46到混合和喷射装置74中的空气以及从装置34到混合和喷射装置74中的气态燃料，在该混合和喷射装置中一种气态燃料/空气不燃混合物形成并且然后被直接引入至燃烧室80内。来自传感器770的压力信号和来自传感器780的温度信号被控制器740接收并且被采用以确定收集器46中的空气的密度。控制器740通过一个控制信号致动阀750，以调整和调节进入到混合和喷射装置74内的空气的质量流率，使得可以控制气态燃料和空气之间的混合物比率。一个示例性控制信号是包括可设定的频率和可调整的占空比的脉宽调制(PWM)信号。控制器740随着收集器46中的空气密度和发动机操作条件的变化来调整PWM信号的占空比，以调整和调节通过阀750的空气的质量流率。在优选的实施方案中，在发动机110的正常操作期间，控制器740指令阀760持续地打开。在另一个实施方案中，控制器740可以通过用第二PWM信号致动阀760来调整和调节通过阀760的气态燃料的质量流率。在发动机110的排气路径中采用后处理装置790以减少不期望的排放。λ传感器800和λ传感器810向控制器740提供表示后处理装置790的上游的氧气浓度的信号以及表示后处理装置790的下游的氧气浓度的信号，这允许控制器确定后处理装置的排放减少性能。可以基于后处理装置790的性能来调整装置74中所形成的气态燃料/空气不燃混合物的混合物比率，以影响后处理装置上游的发动机110的排气路径中的排放。可以通过控制器740打开旁通阀820，以将来自压缩机710的空气直接引导至收集器46。可以通过控制器740关闭切断阀830，以控制将空气和废气引入至收集器46中。随着发动操作条件的变化，废气被路由通过EGR阀840和EGR冷却器850。如熟悉此技术的技术人员已知的，在以气态燃料供燃的内燃机中采用的其他常规部件未被示出，但是根据个体应用需要被采用。
可以通过直接喷射装置10中的控制器740选择性地使能和禁用气态燃料富集有空气。当排放减少改进仅在发动机操作图(扭矩vs发动机速度)的特定区域期间或当发动机在图上的操作点之间过渡时的瞬时条件期间需要时，这特别有益。在瞬时操作条件期间，作为燃料流增大但是伴随着涡轮增压器延迟引起的增压空气流的增加延迟的结果，微粒物质排放尤其增加。通过当被需要时选择性地使能气态燃料的空气富集，可以减小装置10的部件中的一些的尺寸、重量和成本，并且可以通过减少压缩空气消耗的能量以及针对“总是开着的”空气富集系统的相关联的寄生损失来增大发动机效率，从而提高燃料经济性。例如，如果收集器46和压缩装置730仅针对发动机图的一部分和/或在瞬时条件期间提供压缩的空气，则可以减小它们的尺寸和容量。控制器740指令阀750被关闭以禁用空气富集，并且指令压缩装置730和阀830相应地使能或禁用空气的压缩。可以通过测量空气流速或一个替代值(诸如，增压压力(boost pressure))，并且将其与发动机图中的当前发动机操作条件(发动机速度和油门位置)的期望的空气流速(或替代值)比较，来检测瞬时发动机操作条件。对于仅瞬时空气富集操作期间改善的排放减少，收集器46中的空气的压力应当接近喷射压力，并且优选地在气态燃料压力之上。
现在参考图17，示出了根据第九实施方案的用于内燃机110的直接喷射装置10，该第九实施方案类似于图16的先前实施方案并且当仅针对瞬时发动机操作条件或针对发动机图的某些区域中的操作采用气态燃料的空气富集时是有优势的。当发动机110仅消耗气态燃料时，控制器740指令阀880打开且阀870关闭，并且当发动机消耗气态燃料/空气不燃混合物时，控制器指令阀880关闭且阀870打开，所述气态燃料和所述气态燃料/空气不燃混合物均通过喷射阀70被引入至燃烧室80。收集器860储存气态燃料/空气不燃混合物，使得在瞬时发动机操作条件期间，气态燃料/空气不燃混合物立即可用于通过阀70喷射。如熟悉该技术的技术人员理解的，收集器860可以是在混合装置60与阀870之间的一个器皿或者适当尺寸的管路。管路890的体积和管路900的体积被保持很小，使得具有容差范围内的预定当量比的气态燃料/空气不燃混合物可以在阀870被打开且阀880被关闭之后尽可能快地被喷射至燃烧室80内。当阀870被关闭时，控制器740指令压缩装置730、混合装置60和阀750、阀760以及阀830使得收集器860被充满气态燃料/空气不燃混合物一直到一个预定压力。一个与收集器860相关联的压力传感器(未示出)向控制器740提供一个表示收集器860中的压力的信号。当阀870被打开时，控制器740指令装置10的部件使得气态燃料/空气不燃混合物可用于发动机110中的燃烧。
现在参考图23，示出了根据结合图10和图11的实施方案的一些特征的第十实施方案的直接喷射装置10。在汽缸270中通过活塞260压缩的空气被泄放出汽缸，且通过止回阀280和热交换器281(被采用以冷却压缩的汽缸空气)，并且被储存在中间压力储存器160中。在替代的实施方案中，汽缸270除了包括空气之外，还可以包括诸如来自内部和/或外部废气再循环装置的废气。止回阀280防止空气回流到汽缸270内。来自中间压力储存器160的空气与来自气态燃料供应部30的加压的气态燃料在泵440中混合，在该泵440中混合物被进一步加压且通过收集器480被递送至喷射阀70，所述收集器480在一个优选实施方案中是以燃料轨(fuel rail)的形式。代替在喷射器处计量燃料，可以在泵440的进气冲程中实现燃料计量，所述进气冲程可以显著地比喷射器喷射持续时间长。这对于实现低负荷条件下更精确的燃料量控制尤其重要。在替代的实施方案中，泵440可以用压缩机代替，所述压缩机仅将空气压缩至一个等于或大于气态燃料压力的压力，使得可以在燃料轨480中实现混合。在此替代实施方案中，来自供应部30的气态燃料直接连通至燃料轨480。
本文中描述的富集空气的气态燃料实施方案递送氧气，且在最需要氧气的位置处提高混合比率。这些实施方案不需要高于当前燃料系统的压力的燃料喷射，因此系统修改的需要相对小。这些实施方案减少瞬时状态期间的氧气匮乏问题，这是一个通过其他技术未被解决的问题。这些实施方案包括增加系统效率的用于回收、储存以及采用废弃能量来增加空气压力的技术。可以在燃料喷射器的上游或者在燃料喷射器的内部形成空气和气态燃料的同质不燃混合物。与空气辅助的液体燃料喷射不同，在喷射事件期间不需要加压的空气来驱动气态燃料。当气态燃料的富集被关停时，发动机仍可以操作。在图11的实施方案中，可以以比喷射压力低得多的压力供应空气。空气更改了气态燃料射流的核心的热条件(thermal condition)和反应性(reactivity)。这从根本上不同于空气辅助的液体燃料喷射，在所述空气辅助的液体燃料喷射中，空气被主要用作一种驱动气体以向液体燃料供应动量从而帮助雾化。由于此原因，富集空气的气态燃料直接喷射需要的空气的量可以显著地少于空气辅助的液体燃料喷射需要的空气的量。相比于空气辅助的液体燃料喷射，对于富集空气的气态燃料直接喷射，针对空气质量流中的变化的容忍度显著地更高，并且可以以在0％和100％之间的空气和气态燃料之间的质量比实现性能提高。
本文中的实施方案可以用于稳态操作、瞬时操作以及用于稳态和瞬时操作这二者。在任何类型的操作中，可以基于发动机操作条件选择性地使能和禁用气态燃料富集有空气，使得可以以减少的且优选地最小化的、用于压缩空气所需要的能量来满足排放目标。可以采用阀，使得可以选择性地使能和禁用空气(例如，从进气歧管或者从发动机汽缸)的泄放。当为瞬时操作优化时，采用的部件(压缩机、泵、膨胀机、收集器、混合器)的尺寸在尺寸上减小，这提供较低成本的且较小占用面积(footprint)的解决方案。储存加压的空气和气态燃料/空气不燃混合物的收集器的尺寸在尺寸上减小，使得空气的压力和气态燃料/空气不燃混合物的压力可以随着瞬时发动机操作条件的变化而增大或减小，其中与具有较大收集器的实施方案相比，时间延迟减小。虽然在优选实施方案中消除了后处理系统，但是在其他实施方案中还可能结合本文中教导的技术采用后处理系统。在这些实施方案中，优选地，后处理系统的用于减排容量、尺寸和成本中的至少一项被减小。在一个这样的优选实施方案中，本文教导的技术中的任一项采用有一个被动式后处理系统。
计算流体动力学(CFD)研究已经示出了，可以通过向燃料流添加50％空气(以质量计)来实现PM的显著减少和燃料经济性的提高。参考图18和图19，该研究在基线高压直接喷射(HPDI)发动机(基线)、具有提前正时的HPDI发动机(BWAT)、负引燃分离发动机配置(NPsep)、被配置成50％(以质量计)空气富集的具有正常喷射孔尺寸的HPDI发动机(50％空气NH)、以及被配置成50％(以质量计)空气富集的具有较大喷射孔尺寸的HPDI发动机(50％空气LH)之间比较了PM和指示燃料消耗率(ISFC)。负引燃分离是一种在柴油引燃燃料之前喷射气态燃料使得增加预混合且减少PM排放的技术。在“50％空气LH”测试案例中，喷嘴中的喷射孔直径被放大，使得总喷射持续时间保持与基线测试案例的总喷射持续时间相同。该研究的结果表明，在“50％空气LH”测试案例的高负荷条件下通过空气夹带可以实现在PM方面的大于80％的减少，同时减少ISFC。相比于基线情况，富集空气的射流的质量分布更迅速地转移至稀薄侧(lean side)，这导致显著减小的PM。充氧的燃料(富集空气的燃料)的一个额外益处是，作为减小的射流当量比的结果，火焰被变宽。由于减小的射流当量比，充氧的燃料导致变宽的火焰。这帮助减少未燃烧的甲烷(UCH4)排放，因为具有变宽的火焰，未燃烧的甲烷不太可能逃出隔热的火焰温度(AFT)曲线进入稀薄骤冷区(leanquench zone)。AFT曲线是理论上无热传递的火焰温度。对于给定的气态燃料和氧化剂，AFT随着当量比变化。
进行了一个实验来验证CFD仿真结果，且量化当将气态燃料/空气不燃混合物直接引入至燃烧室内时的排放和其他益处。构造了根据图1的装备，在一个100立方厘米的混合器和水压致动的气态燃料喷射器之间采用一个15微米的过滤器。在混合之前，空气被压缩至300巴且气态燃料被压缩至250巴，并且结果得到的混合物压力是约250巴。在内安装有喷射器的发动机被配置成以1500rpm操作，其中16巴的总指示平均有效压力、0.66的当量比、20％的废气再循环(EGR)百分比、0.3千米/小时的柴油流速、8.25千米/小时的气态燃料-空气混合物流速以及喷射正时和点火正时被控制，使得完整的放热曲线在上死点(topdead center)(在动力冲程中)之后约10°处达到其50％值(CA50)。采用三种测试案例，其中空气/气体燃料质量比百分比在0％(无空气)、50％(以质量计，三分之一的空气与三分之二的气态燃料混合)和100％(以质量计，二分之一的空气与二分之一的气态燃料混合)之间变化。具有0％质量比的测试案例是基线，其他测试案例与其进行比较。图20例示测试案例中的每个的通过参考数字800(0％空气/气态燃料质量比)、810(50％)和820(100％)指示的一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)以及未燃烧的碳氢化合物(UCH4)的排放水平。图21例示通过三种不同技术(PM TEOM、PM DustTrak和过滤器)测量的微粒物质排放。图22例示总指示燃料消耗率。这些图形例示当空气/气态燃料不燃混合物被喷射至燃烧室内时在排放方面的显著提高。在将100％空气/气态燃料质量比百分比测试案例与基线比较时，存在UCH4排放方面超过50％的减少，在CO排放方面超过70％的减少以及在PM排放方面超过92％的减少，同时NOx排放保持可比性且GISFC被示出轻微改善。测试结果还指示，空气和气态燃料之间的混合物比率不需要被严格控制，从而减小系统的复杂性和成本，因为通过50％和100％测试案例均获得CO、UCH4和PM排放中的显著减小。这些结果强调当将空气和气态燃料的不燃混合物直接引入至燃烧室内时获得的显著益处。
虽然已经示出和描述了本发明的具体元件、实施方案和应用，但是应当理解，本发明并不限于此，因为本领域技术人员在不偏离本公开内容的范围的情况下尤其是根据前述教导，可以做出修改。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于将气态燃料引入至内燃机的燃烧室内的方法，所述方法包括：
形成所述气态燃料和含氧气体的不燃混合物，所述不燃混合物具有适合于在至少压缩冲程期间将所述不燃混合物直接引入至所述燃烧室内的压力；以及
将所述不燃混合物直接喷射至所述燃烧室内。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述不燃混合物包括的混合物质量比(含氧气体的质量：气态燃料的质量)小于所述气态燃料在所述含氧气体中的易燃性上限处的质量比。
3.根据权利要求1所述的方法，其中当所述气态燃料包括甲烷时，所述不燃混合物包括在0：1和8.8：1之间的混合物质量比(含氧气体的质量：气态燃料的质量)。
4.根据权利要求1所述的方法，其中当所述气态燃料包括甲烷时，所述不燃混合物包括在0：1和2：1之间的混合物质量比(含氧气体的质量：气态燃料的质量)。
5.根据权利要求1所述的方法，其中当所述气态燃料包括甲烷时，所述不燃混合物包括在0.25：1和1：1之间的混合物质量比(含氧气体的质量：气态燃料的质量)。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括：随着发动机操作条件的变化来调整所述不燃混合物中的所述含氧气体与所述气态燃料之间的混合物质量比。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括：
随着发动机操作条件的变化对所述气态燃料加压；
压缩所述含氧气体；以及
将所述气态燃料与所述含氧气体混合。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括在所述压缩之后储存所述含氧气体。
9.根据权利要求7所述的方法，其中当混合时，所述含氧气体的压力小于所述气态燃料的压力。
10.根据权利要求7所述的方法，其中当混合时，所述含氧气体的压力在一个预定容差范围内等于所述气态燃料的压力。
11.根据权利要求7所述的方法，其中当混合时，所述含氧气体的压力大于所述气态燃料的压力。
12.根据权利要求7所述的方法，其中所述混合在一个燃料喷射器的内部发生。
13.根据权利要求7所述的方法，其中所述混合在一个燃料喷射器的上游发生。
14.根据权利要求7所述的方法，还包括调节所述气态燃料与所述含氧气体之间的偏压。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括随着发动机操作条件的变化来调整所述偏压。
16.根据权利要求14所述的方法，还包括在瞬时发动机操作条件期间调整所述偏压。
17.根据权利要求7所述的方法，还包括：当混合时，随着一个控制阀两端的压差的变化来计量进入所述不燃混合物中的所述含氧气体。
18.根据权利要求7所述的方法，其中所述压缩包括以下中的至少一项：
采用所述内燃机的废气中的能量来压缩所述含氧气体；
采用通过所述内燃机推进的车辆的动量中可用的能量来压缩所述含氧气体；
采用所述内燃机的动力输出来压缩所述含氧气体；
采用所述内燃机中的汽缸的压缩冲程来压缩所述含氧气体；
采用液压驱动压缩机；以及
采用电压缩机。
19.根据权利要求7所述的方法，其中压缩所述含氧气体可以包括至少两级的压缩，第一级压缩和第二级压缩。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括：在压缩级之间冷却所述含氧气体。
21.根据权利要求7所述的方法，其中气态燃料压力在所述混合之前与所述不燃混合物的压力在一个预定容差范围内相等，并且所述含氧气体的压力在所述混合之前小于所述不燃混合物的所述压力。
22.根据权利要求21所述的方法，其中在一个预定容差范围内，所述含氧气体的所述压力是所述不燃混合物的所述压力的三分之一。
23.根据权利要求7所述的方法，其中所述混合包括：
将所述含氧气体引入至一个混合-压缩装置内；
在所述含氧气体之后将所述气态燃料引入至所述混合-压缩装置内；以及
压缩所述不燃混合物。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括：
泵送处于液化状态的所述气态燃料；以及
将所述气态燃料从液化状态汽化成气体状态，由此所述泵送对处于所述气体状态的所述气态燃料加压。
25.根据权利要求1所述的方法，其中所述含氧气体是空气。
26.根据权利要求1所述的方法，其中所述气态燃料是天然气、乙烷、甲烷、丙烷、生物气、填埋气、二甲醚、氢气及它们的混合物中的至少一种。
27.根据权利要求1所述的方法，还包括：
将空气加压至第一压力；
将处于所述第一压力的空气冷却；以及
将冷却的空气加压至第二压力。
28.根据权利要求27所述的方法，其中冷却的步骤包括使处于所述第一压力的空气循环通过一个热交换器，所述热交换器用于将热传递至低温流体。
29.根据权利要求27所述的方法，其中冷却的步骤包括将处于所述第一压力的空气储存在位于低温罐内的收集器中。
30.根据权利要求1所述的方法，还包括通过调整一个控制信号的占空比而控制进入到混合装置内的空气的质量流率，来调整所述含氧气体和所述气态燃料之间的混合物质量比，所述控制信号被采用以打开和关闭位于所述混合装置的上游的被空气通过的一个阀。
31.根据权利要求1所述的方法，还包括随着发动机操作条件的变化选择性地将所述不燃混合物引入至所述燃烧室内，其中在瞬时发动机操作条件和发动机操作图的选定区域的至少一个期间引入所述不燃混合物。
32.根据权利要求1所述的方法，还包括在将所述不燃混合物选择性地引入所述燃烧室内之前储存所述不燃混合物。
33.根据权利要求1所述的方法，其中所述不燃混合物随着发动机操作条件的变化而被选择性地形成且被喷射至所述燃烧室内。
34.一种用于将气态燃料引入至内燃机的燃烧室的装置，所述装置包括：
一个所述气态燃料的供应部；
一个含氧气体的供应部；
一个混合物形成装置，用于形成所述含氧气体和所述气态燃料之间的不燃混合物；以及
一个喷射阀，用于将所述不燃混合物直接引入至所述燃烧室中。
35.根据权利要求34所述的装置，其中所述不燃混合物包括的混合物质量比(含氧气体的质量：气态燃料的质量)小于所述气态燃料在所述含氧气体中的易燃性上限处的质量比。
36.根据权利要求34所述的装置，其中当所述气态燃料包括甲烷时，所述不燃混合物包括在0：1和8.8：1之间的混合物质量比(含氧气体的质量：气态燃料的质量)。
37.根据权利要求34所述的装置，其中当所述气态燃料包括甲烷时，所述不燃混合物包括在0：1和2：1之间的混合物质量比(含氧气体的质量：气态燃料的质量)。
38.根据权利要求34所述的装置，其中当所述气态燃料包括甲烷时，所述不燃混合物包括在0.25：1和1：1之间的混合物质量比(含氧气体的质量：气态燃料的质量)。
39.根据权利要求34所述的装置，其中所述混合物形成装置包括：
一个混合装置，用于将从所述含氧气体供应部接收的所述含氧气体与从所述气态燃料供应部接收的所述气态燃料混合；以及
一个压缩装置，用于压缩所述不燃混合物。
40.根据权利要求34所述的装置，其中所述混合物形成装置包括：
一个压缩装置，用于压缩从所述含氧气体供应部接收的所述含氧气体；
一个泵送装置，用于泵送从所述气态燃料供应部接收的所述气态燃料；以及
一个混合装置，用于将从所述压缩装置接收的所述含氧气体与从所述泵送装置接收的所述气态燃料混合。
41.根据权利要求40所述的装置，还包括所述混合装置的上游的一个压力调节器，用于调节所述气态燃料和所述含氧气体之间的偏压。
42.根据权利要求40所述的装置，还包括一个燃料喷射器，所述燃料喷射器包括所述混合装置和所述喷射阀。
43.根据权利要求40所述的装置，还包括：
一个阀，在所述压缩装置和所述混合装置之间；以及
一个控制器，被操作性地编程以生成用于指令所述阀打开和关闭的信号，使得经过所述阀的所述含氧气体的质量流率被控制；
由此通过控制经过所述阀的所述含氧气体的所述质量流率来控制所述含氧气体和所述气态燃料之间的混合物质量比。
44.根据权利要求40所述的装置，还包括：
一个收集器，用于储存从所述混合物形成装置接收的所述不燃混合物；
一个阀，在所述收集器和所述喷射阀之间；
以及
一个控制器，与所述阀操作性地连接，并且被编程成随着发动机操作条件的变化来打开所述阀，以允许所述不燃混合物经过所述阀至所述喷射阀。
45.根据权利要求40所述的装置，其中所述压缩装置包括：
第一压缩机，用于给所述含氧气体加压；以及
第一储存器，用于储存从所述第一压缩机接收的所述含氧气体。
46.根据权利要求45所述的装置，还包括来自所述内燃机的动力输出，用于驱动所述第一压缩机。
47.根据权利要求45所述的装置，还包括：
一个发电机，由所述内燃机驱动；以及
一个电动马达，用于驱动所述第一压缩机且由所述发电机提供的电力供电。
48.根据权利要求45所述的装置，还包括一个涡轮，所述涡轮由所述内燃机的废气驱动，由此所述涡轮驱动所述第一压缩机。
49.根据权利要求45所述的装置，其中所述含氧气体是空气且所述第一压缩机包括所述内燃机的发动机制动器，由此通过所述发动机制动器压缩的空气的至少一部分被储存在所述第一储存器内。
50.根据权利要求45所述的装置，还包括：
第二压缩机，用于压缩来自所述第一储存器的所述含氧气体；以及
第二储存器，用于储存从所述第二压缩机接收的所述含氧气体。
51.根据权利要求45所述的装置，还包括：
一个发电机，由所述内燃机驱动；以及
一个电动马达，用于驱动所述第二压缩机且由所述发电机提供的电力供电。
52.根据权利要求50所述的装置，还包括：来自所述内燃机的动力输出，用于驱动所述第二压缩机。
53.根据权利要求50所述的装置，其中所述第一压缩机包括所述内燃机的汽缸和活塞，所述装置还包括：
一个电子控制器；
一个止回阀，在所述汽缸和所述第一储存器之间，所述止回阀能操作以在压缩冲程期间递送通过所述汽缸中的所述活塞压缩的空气的一部分；以及
一个控制阀，在所述第二储存器与所述混合装置之间，所述控制阀与所述电子控制器能操作地连接；
由此所述电子控制器指令所述控制阀计量到所述混合装置内的预定量的所述含氧气体。
54.根据权利要求53所述的装置，还包括：
第一压力传感器，用于提供表示所述控制阀的上游的含氧气体压力的第一压力信号；以及
第二压力传感器，用于提供表示所述控制阀的下游的含氧气体压力的第二压力信号；
由此所述电子控制器接收所述第一压力信号和第二压力信号，并且随着所述第一压力信号和第二压力信号以及所述混合装置的上游的气态燃料压力的变化来指令所述控制阀。
55.根据权利要求53所述的装置，其中通过发动机图中的一个条目和第三压力传感器两者之一来确定所述气态燃料压力。
56.根据权利要求34所述的装置，其中所述含氧气体是空气。
57.根据权利要求34所述的装置，其中所述气态燃料是天然气、乙烷、甲烷、丙烷、生物气、填埋气、二甲醚、氢气及它们的混合物中的至少一种。
58.根据权利要求34所述的装置，其中所述混合物形成装置包括：
第一压缩装置，用于将从所述含氧气体供应部接收的所述含氧气体压缩至第一压力；
一个收集器，用于储存位于低温罐内部的处于所述第一压力的所述含氧气体；以及
第二压缩装置，用于将从所述收集器接收的所述含氧气体压缩至第二压力；
由此由于从所述收集器到所述低温罐的热泄漏，从所述第一压缩装置接收的所述含氧气体的温度在所述收集器中降低，从而改进将所述含氧气体压缩至所述第二压力的效率。

Claims (58)

1.一种用于将气态燃料引入至内燃机的燃烧室内的方法，所述方法包括：
形成所述气态燃料和含氧气体的不燃混合物，所述不燃混合物具有适合于在至少压缩冲程期间将所述不燃混合物直接引入至所述燃烧室内的压力；以及
将所述不燃混合物直接喷射至所述燃烧室内。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述不燃混合物包括的混合物质量比(含氧气体的质量：气态燃料的质量)小于所述气态燃料在所述含氧气体中的易燃性上限处的质量比。
3.根据权利要求1所述的方法，其中当所述气态燃料包括甲烷时，所述不燃混合物包括在0：1和8.8：1之间的混合物质量比(含氧气体的质量：气态燃料的质量)。
4.根据权利要求1所述的方法，其中当所述气态燃料包括甲烷时，所述不燃混合物包括在0：1和2：1之间的混合物质量比(含氧气体的质量：气态燃料的质量)。
5.根据权利要求1所述的方法，其中当所述气态燃料包括甲烷时，所述不燃混合物包括在0.25：1和1：1之间的混合物质量比(含氧气体的质量：气态燃料的质量)。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括：随着发动机操作条件的变化来调整所述不燃混合物中的所述含氧气体与所述气态燃料之间的混合物质量比。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括：
随着发动机操作条件的变化对所述气态燃料加压；
压缩所述含氧气体；以及
将所述气态燃料与所述含氧气体混合。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括在所述压缩之后储存所述含氧气体。
9.根据权利要求7所述的方法，其中当混合时，所述含氧气体的压力小于所述气态燃料的压力。
10.根据权利要求7所述的方法，其中当混合时，所述含氧气体的压力在一个预定容差范围内等于所述气态燃料的压力。
11.根据权利要求7所述的方法，其中当混合时，所述含氧气体的压力大于所述气态燃料的压力。
12.根据权利要求7所述的方法，其中所述混合在一个燃料喷射器的内部发生。
13.根据权利要求7所述的方法，其中所述混合在一个燃料喷射器的上游发生。
14.根据权利要求7所述的方法，还包括调节所述气态燃料与所述含氧气体之间的偏压。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括随着发动机操作条件的变化来调整所述偏压。
16.根据权利要求14所述的方法，还包括在瞬时发动机操作条件期间调整所述偏压。
17.根据权利要求7所述的方法，还包括：当混合时，随着一个控制阀两端的压差的变化来计量进入所述不燃混合物中的所述含氧气体。
18.根据权利要求7所述的方法，其中所述压缩包括以下中的至少一项：
采用所述内燃机的废气中的能量来压缩所述含氧气体；
采用通过所述内燃机推进的车辆的动量中可用的能量来压缩所述含氧气体；
采用所述内燃机的动力输出来压缩所述含氧气体；
采用所述内燃机中的汽缸的压缩冲程来压缩所述含氧气体；
采用液压驱动压缩机；以及
采用电压缩机。
19.根据权利要求7所述的方法，其中压缩所述含氧气体可以包括至少两级的压缩，第一级压缩和第二级压缩。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括：在压缩级之间冷却所述含氧气体。
21.根据权利要求7所述的方法，其中气态燃料压力在所述混合之前与所述不燃混合物的压力在一个预定容差范围内相等，并且所述含氧气体的压力在所述混合之前小于所述不燃混合物的所述压力。
22.根据权利要求21所述的方法，其中在一个预定容差范围内，所述含氧气体的所述压力是所述不燃混合物的所述压力的三分之一。
23.根据权利要求7所述的方法，其中所述混合包括：
将所述含氧气体引入至一个混合-压缩装置内；
在所述含氧气体之后将所述气态燃料引入至所述混合-压缩装置内；以及
压缩所述不燃混合物。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括：
泵送处于液化状态的所述气态燃料；以及
将所述气态燃料从液化状态汽化成气体状态，由此所述泵送对处于所述气体状态的所述气态燃料加压。
25.根据权利要求1所述的方法，其中所述含氧气体是空气。
26.根据权利要求1所述的方法，其中所述气态燃料是天然气、乙烷、甲烷、丙烷、生物气、填埋气、二甲醚、氢气及它们的混合物中的至少一种。
27.根据权利要求1所述的方法，还包括：
将空气加压至第一压力；
将处于所述第一压力的空气冷却；以及
将冷却的空气加压至第二压力。
28.根据权利要求27所述的方法，其中冷却的步骤包括使处于所述第一压力的空气循环通过一个热交换器，所述热交换器用于将热传递至低温流体。
29.根据权利要求27所述的方法，其中冷却的步骤包括将处于所述第一压力的空气储存在位于低温罐内的收集器中。
30.根据权利要求1所述的方法，还包括通过调整一个控制信号的占空比而控制进入到混合装置内的空气的质量流率，来调整所述含氧气体和所述气态燃料之间的混合物质量比，所述控制信号被采用以打开和关闭位于所述混合装置的上游的被空气通过的一个阀。
31.根据权利要求1所述的方法，还包括随着发动机操作条件的变化选择性地将所述不燃混合物引入至所述燃烧室内，其中在瞬时发动机操作条件和发动机操作图的选定区域的至少一个期间引入所述不燃混合物。
32.根据权利要求1所述的方法，还包括在将所述不燃混合物选择性地引入所述燃烧室内之前储存所述不燃混合物。
33.根据权利要求1所述的方法，其中所述不燃混合物随着发动机操作条件的变化而被选择性地形成且被喷射至所述燃烧室内。
34.一种用于将气态燃料引入至内燃机的燃烧室的装置，所述装置包括：
一个所述气态燃料的供应部；
一个含氧气体的供应部；
一个混合物形成装置，用于形成所述含氧气体和所述气态燃料之间的不燃混合物；以及
一个喷射阀，用于将所述不燃混合物直接引入至所述燃烧室中。
35.根据权利要求34所述的装置，其中所述不燃混合物包括的混合物质量比(含氧气体的质量：气态燃料的质量)小于所述气态燃料在所述含氧气体中的易燃性上限处的质量比。
36.根据权利要求34所述的方法，其中当所述气态燃料包括甲烷时，所述不燃混合物包括在0：1和8.8：1之间的混合物质量比(含氧气体的质量：气态燃料的质量)。
37.根据权利要求34所述的方法，其中当所述气态燃料包括甲烷时，所述不燃混合物包括在0：1和2：1之间的混合物质量比(含氧气体的质量：气态燃料的质量)。
38.根据权利要求34所述的方法，其中当所述气态燃料包括甲烷时，所述不燃混合物包括在0.25：1和1：1之间的混合物质量比(含氧气体的质量：气态燃料的质量)。
39.根据权利要求34所述的装置，其中所述混合物形成装置包括：
一个混合装置，用于将从所述含氧气体供应部接收的所述含氧气体与从所述气态燃料供应部接收的所述气态燃料混合；以及
一个压缩装置，用于压缩所述不燃混合物。
40.根据权利要求34所述的装置，其中所述混合物形成装置包括：
一个压缩装置，用于压缩从所述含氧气体供应部接收的所述含氧气体；
一个泵送装置，用于泵送从所述气态燃料供应部接收的所述气态燃料；以及
一个混合装置，用于将从所述压缩装置接收的所述含氧气体与从所述泵送装置接收的所述气态燃料混合。
41.根据权利要求40所述的装置，还包括所述混合装置的上游的一个压力调节器，用于调节所述气态燃料和所述含氧气体之间的偏压。
42.根据权利要求40所述的装置，还包括一个燃料喷射器，所述燃料喷射器包括所述混合装置和所述喷射阀。
43.根据权利要求40所述的装置，还包括：
一个阀，在所述压缩装置和所述混合装置之间；以及
一个控制器，被操作性地编程以生成用于指令所述阀打开和关闭的信号，使得经过所述阀的所述含氧气体的质量流率被控制；
由此通过控制经过所述阀的所述含氧气体的所述质量流率来控制所述含氧气体和所述气态燃料之间的混合物质量比。
44.根据权利要求40所述的装置，还包括：
一个收集器，用于储存从所述混合物形成装置接收的所述不燃混合物；
一个阀，在所述收集器和所述喷射阀之间；
以及
一个控制器，与所述阀操作性地连接，并且被编程成随着发动机操作条件的变化来打开所述阀，以允许所述不燃混合物经过所述阀至所述喷射阀。
45.根据权利要求40所述的装置，其中所述压缩装置包括：
第一压缩机，用于给所述含氧气体加压；以及
第一储存器，用于储存从所述第一压缩机接收的所述含氧气体。
46.根据权利要求45所述的装置，还包括来自所述内燃机的动力输出，用于驱动所述第一压缩机。
47.根据权利要求45所述的装置，还包括：
一个发电机，由所述内燃机驱动；以及
一个电动马达，用于驱动所述第一压缩机且由所述发电机提供的电力供电。
48.根据权利要求45所述的装置，还包括一个涡轮，所述涡轮由所述内燃机的废气驱动，由此所述涡轮驱动所述第一压缩机。
49.根据权利要求45所述的装置，其中所述含氧气体是空气且所述第一压缩机包括所述内燃机的发动机制动器，由此通过所述发动机制动器压缩的空气的至少一部分被储存在所述第一储存器内。
50.根据权利要求45所述的装置，还包括：
第二压缩机，用于压缩来自所述第一储存器的所述含氧气体；以及
第二储存器，用于储存从所述第二压缩机接收的所述含氧气体。
51.根据权利要求45所述的装置，还包括：
一个发电机，由所述内燃机驱动；以及
一个电动马达，用于驱动所述第二压缩机且由所述发电机提供的电力供电。
52.根据权利要求50所述的装置，还包括：来自所述内燃机的动力输出，用于驱动所述第二压缩机。
53.根据权利要求50所述的装置，其中所述第一压缩机包括所述内燃机的汽缸和活塞，所述装置还包括：
一个电子控制器；
一个止回阀，在所述汽缸和所述第一储存器之间，所述止回阀能操作以在压缩冲程期间递送通过所述汽缸中的所述活塞压缩的空气的一部分；以及
一个控制阀，在所述第二储存器与所述混合装置之间，所述控制阀与所述电子控制器能操作地连接；
由此所述电子控制器指令所述控制阀计量到所述混合装置内的预定量的所述含氧气体。
54.根据权利要求53所述的装置，还包括：
第一压力传感器，用于提供表示所述控制阀的上游的含氧气体压力的第一压力信号；以及
第二压力传感器，用于提供表示所述控制阀的下游的含氧气体压力的第二压力信号；
由此所述电子控制器接收所述第一压力信号和第二压力信号，并且随着所述第一压力信号和第二压力信号以及所述混合装置的上游的气态燃料压力的变化来指令所述控制阀。
55.根据权利要求53所述的装置，其中通过发动机图中的一个条目和第三压力传感器两者之一来确定所述气态燃料压力。
56.根据权利要求34所述的装置，其中所述含氧气体是空气。
57.根据权利要求34所述的装置，其中所述气态燃料是天然气、乙烷、甲烷、丙烷、生物气、填埋气、二甲醚、氢气及它们的混合物中的至少一种。
58.根据权利要求34所述的装置，其中所述混合物形成装置包括：
第一压缩装置，用于将从所述含氧气体供应部接收的所述含氧气体压缩至第一压力；
一个收集器，用于储存位于低温罐内部的处于所述第一压力的所述含氧气体；以及
第二压缩装置，用于将从所述收集器接收的所述含氧气体压缩至第二压力；
由此由于从所述收集器到所述低温罐的热泄漏，从所述第一压缩装置接收的所述含氧气体的温度在所述收集器中降低，从而改进将所述含氧气体压缩至所述第二压力的效率。
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