CN105518274A - 用于以气体为燃料的内燃机的燃烧系统 - Google Patents

用于以气体为燃料的内燃机的燃烧系统 Download PDF

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Abstract

气体燃料喷射压力通常小于液体燃料喷射压力，从而造成减小的气体燃料射流冲力和混合。一种用于内燃机的燃烧系统包括进气口和进气门、气缸和活塞，它们协作来提供静态燃烧室。所述活塞包括凹腔式活塞碗，所述凹腔式活塞碗包括外边缘以及起始于所述外边缘的隆起物。燃料喷射器被配置来将气体燃料直接引入所述燃烧室中，并且点火源被提供用于点燃所述气体燃料。控制器致动所述燃料喷射器，使得气体燃料射流被朝隆起物引导并且一旦撞击所述隆起物就分叉，从而形成第一和第二燃料羽流。所述第一燃料羽流被朝邻近气缸盖的第一混合区重新引导，并且所述第二燃料羽流被朝邻近所述活塞碗的第二混合区重新引导。

Description

用于以气体为燃料的内燃机的燃烧系统
发明领域
本申请涉及在内燃机的燃烧室中直接引入并且混合气体燃料的技术。
背景技术
汽车制造商和燃料系统整合者连续促进发动机设计来改善性能和排放。燃料喷射系统的革新引起一些重大发展，例如燃料计量、喷油正时和燃料喷射压力的发展。燃料喷射系统中的这些发展优化了燃烧控制，如点火正时、燃烧相位和热释放率，从而促成更高的效率和更少的排放。更多注意力正被朝发动机设计的其他方面引导以进一步改善发动机性能。活塞碗的设计已受到极大的关注，由于其直接涉及燃烧性能，所以会影响发动机效率和排放两者。
在以柴油为燃料的压缩点火发动机中使用所称的凹腔活塞碗并且在进气中采用涡旋是众所周知的。Cummins公司在20世纪90年代后期开发了一种用于以柴油为燃料的发动机的此类凹腔活塞碗。申请人开发了用于采用此活塞碗的ISX柴油发动机的天然气装料系统。如在以柴油为燃料的发动机中一样，以天然气为燃料的ISX发动机采用涡旋来改善燃料与进气的混合，这提高了燃烧性能。
现代液体燃料喷射压力可高达1000MPa并且典型的共轨柴油燃料喷射压力可约为250MPa。低温气体燃料系统通过泵送低温液体来加压气体。将气体燃料加压到高达这些液体燃料喷射压力的压力的硬件耐用性和成本具有挑战性。在这些液体燃料喷射压力下，机械部件如配件和软管具有不同类别并且非常昂贵。对于气体燃料来说，具有与现代液体燃料系统相同的喷射压力并不是经济上可行的。由于这个原因，气体燃料喷射压力比液体燃料所采用的压力低得多，并且气体燃料正常在足以主要在喷射的时候在燃料压力和气缸内压力之间实现所希望的差值压力的压力下喷射，从而实现有待在所希望的时间段内引入的所希望的燃料量。液体与气体燃料之间的喷射压力中可能存在数量级差。在此公开中，气体燃料被定义为在标准温度和压力下处于气态的任何燃料。此类气体燃料的示例包括丁烷、乙烷、氢气、甲烷、丙烷、天然气以及这些燃料的混合物等等。
气缸内液体燃料的雾化和全面混合随着喷射压力增加而改善。由于现在所采用的高喷射压力，气缸中的进气的涡旋的使用并不要求来实现所希望的混合等级。由于这个原因，正待采用所谓的静态燃烧室，这种燃烧室最小化并且优选地消除了进气的涡旋。这对于提高发动机总效率具有益处，由于进气中更少的压缩热被传输至气缸壁并且替代地被转换成用来在做功冲程期间向下驱动活塞的机械能。这也是更有效率的，因为在进气流系统中限制更少，有时称为“更好的呼吸”。也就是说，当进气的动能(涡旋)被降低时，能量从进气到气缸壁的对流传递被减少。
对于被设计来与静态燃烧室和高喷射压力协作的以液体为燃料的发动机，已知来采用例如如图1中所示的活塞碗形状，其在本文中称为“奥米伽”活塞碗。在许多应用中，燃烧室中所要求的燃料-空气混合等级作为高喷射压力的结果而达到。这允许采用简化的活塞碗形状，如奥米伽活塞碗。与凹腔式活塞碗(其出于各种原因而具有特殊的功能)相比，奥米伽活塞碗制造起来相对便宜。
液体燃料射流在燃烧室内表现不同，并且具有与气体燃料射流相比不同的气缸内生命周期。随着液体燃料射流从燃料喷射喷嘴穿透燃烧室，围绕射流的外表面的液体燃料携带空气并且由于压缩热而雾化。高喷射压力利用高喷射速率和冲力来撞击射流。大冲力造成围绕射流的外表面的大量湍流，所述湍流增强空气的携带。由于高冲力，射流进入燃烧室中的穿透距离是大的，这允许液体燃料与燃烧室内的大量空气混合。液体燃料射流的喷雾形状类似圆锥形。
气体燃料射流一旦进入燃烧室就迅速扩张，这是由于其为气体以及气体燃料压力与气缸内压力之间的相对较低的差。其结果是，大羽流立刻邻近喷射喷嘴形成。取决于气体燃料射流喷射角，可能的是羽流的顶部可与气缸盖相互作用，所述气缸盖整体而言充当降低气体燃料射流的冲力并且来向上朝气缸盖牵引羽流。由于气体和液体燃料的相对密度，气体燃料射流与液体燃料射流相比具有小得多的冲力。其结果是，气体燃料射流进入燃烧室中的穿透距离小于液体燃料射流进入燃烧室中的穿透距离。在质量相等的基础上，气体燃料射流与液体燃料射流相比与燃烧室内的更少的空气相互作用。为了增强气体燃料与燃烧室内的空气的混合，通常采用例如涡旋等技术，然而如前所指，其由于压缩热通过进气的对流流失到气缸壁中而降低了效率。
于2008年10月21日公布的属于Poola等人(以下参照Poola)的美国专利号7,438,039公开了一种大缸径、中速柴油机，所述柴油机具有凹型锐角活塞顶碗。凹形锐角顶碗提供在活塞顶中以改善性能和排放特性。大缸径被限定为180mm与600mm之间的直径范围内的一个直径。Poola指出，随着柴油机孔径减小，例如在具有小于180mm的孔径的发动机中，增加空气涡流量被用来实现更快的燃料-空气混合率。
于2008年10月7日公布的属于Glenn等人(以下参照Glenn)的美国专利号7,431,012公开了一种具有凹腔活塞碗的柴油燃烧系统。孔径大约是250mm，其适于用在大型发动机如机车中。燃料切向撞击活塞碗层的中部部分，从而允许对燃烧进行的淬火、降低峰值反应温度、并且接着减少氮氧化物(NOx)的形成。
Poola或Glenn并未讨论与引入、混合和燃烧内燃机中的气体燃料相关的困难。现有技术水平缺乏直接引入并且混合内燃机的燃烧室中的气体燃料的技术。
发明内容
一种用于燃烧内燃机的燃烧室中的气体燃料的改进的方法包括：将进气引入具有0至0.5范围内的涡流数的燃烧室中；将气体燃料射流直接引入燃烧室中；点燃气体燃料；将气体燃料射流分叉成至少第一燃料羽流和第二燃料羽流；朝邻近气缸盖的第一混合区重新引导第一燃料羽流；并且朝邻近活塞碗的第二混合区重新引导第二燃料羽流。在优选实施方案中，气体燃料射流在高负荷条件下引入时分叉并且朝第一和第二混合区重新引导，并且在轻负荷条件下所述方法还包括引入气体燃料射流并且朝第二混合区引导气体燃料射流。气体燃料可选自包含沼气、丁烷、乙烷、氢气、甲烷、丙烷、天然气以及这些燃料的混合物的列表。气体燃料射流的喷射角包括矫正角，所述矫正角用来补偿气体燃料射流与燃烧室的防火甲板之间的边界层流的流体动力效应，使得气体燃料射流在预定公差范围内撞击分叉特征。矫正角的作用是设计具有比将由具有相同几何形状和设计的液体装料发动机中的液体燃料喷射器使用的更大喷射角。
在优选实施方案中，所述方法包括将引燃燃料射流直接引入燃烧室中，由此引燃燃料射流压缩点火从而点燃气体燃料。引燃燃料引入燃烧室中的正时可在气体燃料引入之前。引燃燃料喷射角小于气体燃料喷射角，因为边界层流的流体动力效应在引燃燃料(其通常是液体燃料如柴油)上具有较小的影响。在某些操作条件下，内燃机将仅利用引燃燃料来装料。在这些条件下，所述方法还包括：将引燃燃料射流直接引入燃烧室中；将引燃燃料射流分叉成至少第一引燃燃料羽流和第二引燃燃料羽流；朝第一混合区重新引导第一引燃燃料羽流；朝第二混合区重新引导第二燃料羽流；并且压缩点火第一和第二引燃燃料羽流。
在另一个优选实施方案中，强制点火源点燃气体燃料，而不是采用引燃燃料。气体燃料射流当参考曲柄角度所测量的活塞位置是在压缩冲程期间的上止点之前的15°与做功冲程期间的上止点之后15°的范围之间时分叉。当多个气体燃料喷射在单发动机循环中执行时(也就是说在单压缩和/或做功冲程期间)，气体燃料射流可当活塞是在压缩冲程期间的上止点之前的30°与做功冲程期间的上止点之后30°的范围之间时分叉。多个喷射在高装料条件期间是有利的，其中执行第一喷射使得其被主要朝第一混合区引导，并且执行第二喷射(在第一喷射后)使得其被主要朝第二混合区引导。第一和第二喷射的正时可被调整来根据发动机工况控制第一和第二混合区内的当量比。
用于内燃机的改进的燃烧系统包括静态燃烧室。燃烧室部分由气缸壁和气缸盖限定。在气缸壁内往复的活塞还限定燃烧室并且包括凹腔活塞碗。凹腔活塞碗包括外边缘以及起始于所述外边缘的隆起物。进气门允许进气从进气口到燃烧室的选择性连通。进气口、进气门和活塞协作来静态地将进气引入具有0至0.5范围内涡流数的燃烧室中。一种燃料喷射器被配置来将气体燃料直接引入所述燃烧室中，并且点火源被提供用于点燃所述气体燃料。控制器操作性地与燃料喷射器连接并且被编程来致动燃料喷射器来将气体燃料引入燃烧室中。起始于所述燃料喷射器的气体燃料射流点燃并且被朝隆起物引导并且一旦撞击所述隆起物就分叉，从而形成至少第一燃料羽流和第二燃料羽流。第一燃料羽流被朝邻近气缸盖的第一混合区重新引导，并且第二燃料羽流被朝邻近活塞碗的第二混合区重新引导。在优选实施方案中，气体燃料射流在高负荷条件下引入时分叉并且被朝所述第一和第二混合区重新引导，并且控制器进一步被编程来在轻负荷条件下引入气体燃料射流，使得气体燃料射流通过隆起物被朝第二混合区引导以减少过度稀化混合气。
燃料喷射器被配置来在喷射角下引入气体燃料射流，所述喷射角包括矫正角，所述矫正角用来补偿气体燃料射流与燃烧室的防火甲板之间的边界层流的流体动力效应，使得气体燃料射流在预定公差范围内撞击分叉特征。燃料喷射器可以是被配置来引入气体燃料和引燃燃料的同心针燃料喷射器。再优选实施方案中，引燃燃料的喷射正时的开始早于气体燃料的喷射正时的开始，并且气体燃料射流喷射角大于引燃燃料射流喷射角。
控制器还可被编程来当(1)气体燃料压降低于预定值和(2)气体燃料液滴的数量低于预定值中的至少一个时仅将引燃燃料引入燃烧室中，使得内燃机仅利用引燃燃料来装料。起始于燃料喷射器的引燃燃料射流一旦撞击隆起物就形成至少第一引燃燃料羽流和第二引燃燃料羽流。第一引燃燃料羽流被朝第一混合区重新引导并且第二引燃燃料羽流被朝第二混合区重新引导。
在另一个优选实施方案中，可存在分开的燃料喷射器：用于气体燃料的第一燃料喷射器以及被配置来将引燃燃料引入燃烧室中的第二燃料喷射器。起始于第二燃料喷射器的引燃燃料射流一旦撞击隆起物就形成至少第一引燃燃料羽流和第二引燃燃料羽流。第一引燃燃料羽流被朝第一混合区重新引导并且第二引燃燃料羽流被朝第二混合区重新引导。
代替使用引燃燃料，点火源可以是强制点火源。强制点火源可以是火花点火器、微波点火设备以及激光点火器中的一个。燃烧室的孔径并不限于特定范围。用在轻型、中型和重型负荷应用以及高马力应用中的孔径可与本文所教导的技术一起采用。不管怎样，在优选实施方案中，孔径小于180mm。
附图说明
图1是现有技术奥米伽活塞碗的截面示意图。
图2是根据一个实施方案的发动机的简化截面示意图。
图3是图2的发动机的简化截面示意图，所述简化截面示意图示出气体燃料射流的分叉。为了简化说明，仅示出一个燃料射流。
图4是图2的发动机的简化截面示意图，所述简化截面示意图示出引燃燃料射流的分叉。出于说明的目的，仅示出一个燃料射流。
图5是图2的发动机的简化截面示意图，所述简化截面示意图示出气体燃料射流的喷射角与分叉特征在成第一曲柄角的活塞碗中的平均角度位置。
图6是图5的发动机的简化截面示意图，所述简化截面示意图示出当活塞成第二曲柄角时分叉特征的平均角度位置。
图7是图5的发动机的简化截面示意图，所述简化截面示意图示出当活塞成第三曲柄角时分叉特征的平均角度位置。
图8是图2的发动机的简化截面示意图，所述简化截面示意图示出固定活塞位置以及等于分叉特征角的表示分叉特征的平均角度位置的气体燃料射流喷射角，使得气体燃料射流由于边界层流的流体动力效应而不会撞击分叉特征的平均角度位置。
图9是图8的发动机的简化截面示意图，所述简化截面示意图示出固定活塞位置和相同分叉特征角，以及包括对边界层流的流体动力效应的矫正的已矫正气体燃料射流喷射角，使得气体燃料射流撞击分叉特征。
所示示意图并未按比例绘制，并且一些部件在图中可绘制地更大或更突出以更好地说明所公开的设备的特征。
具体实施方式
参照图2，示出了气体燃料内燃机10，所述气体燃料内燃机10呈简化形式以促进对本技术的理解。在此实施方案中，发动机10被示出为具有一个气缸，并且在其他实施方案中，可能有超过一个气缸。燃烧室20由气缸壁30、气缸盖40以及在气缸内往复的活塞50形成。气缸壁30形成孔，所述孔可以是适于内燃机的任何大小(直径)。例如，在小型发动机应用中，孔径通常小于100mm，在中型和重型发动机应用中，孔径可从100mm到180mm变动，并且在高马力动力发动机应用中，孔径大于180mm。总体上，随着孔径增加，发动机最大转速减小，主要由于伴随其质量和速度中的增加的活塞冲力的增加在发动机部件上施加增加的压力，如本技术中的技术人员所已知。活塞50包括其拱顶中的凹腔式活塞碗60，其将在以下更详细讨论。空气操纵系统包括进气口70和进气门80，所述空气操纵系统被配置成与气缸30、气缸盖40和活塞50协作来使得燃烧室20保持静态。如本文所使用的，静态燃烧室指其中存在向其中进气的可忽略不计的涡旋的燃烧室，并且优选地无涡旋，并且被限定成具有0至0.5范围内的涡旋数。空气操纵系统还包括排气口90和排气门100，并且如熟悉本领域的技术人员所已知的，图中并未示出空气操纵系统中其他常见的部件。在上止点(TDC)位置处，在活塞顶50与防火甲板45之间存在小间隙。在具有一些实施方案的此位置处，阀80和100可与活塞50中的凹陷部分(未示出)对准，使得阀可在不与活塞干扰的打开位置下。
燃料喷射器110被示出为安装在气缸盖40中并且将气体燃料直接引入燃烧室20中。尽管喷射器110被示出为居中安装，可能的是喷射器可偏离气缸的纵轴线安装，或者在其他实施方案中是安装在气缸壁30中而不是气缸盖40中。也就是说，燃料喷射器的此具体位置对所公开的设备是不必要的，并且安装位置可由发动机的具体体系结构和可用空间来确定。在优选实施方案中，喷射器110还将引燃燃料如柴油引入燃烧室20中，所述引燃燃料由于在活塞50的压缩冲程期间创造的温度和压力是可压缩点燃的。引燃燃料充当高能点火源用来点燃气体燃料。在示例实施方案中，燃料喷射器110是可将引燃燃料与气体燃料分开并单独引入的同心针燃料喷射器。在替代性安排中，燃料喷射器110可包括具有并排气体燃料和引燃燃料喷射组件的一个主体。在其他实施方案中，可采用从燃料喷射器110分开的其他燃料喷射器来引入引燃燃料。控制器120操作性地与喷射器110连接来致动喷射器将气体和引燃燃料引入燃烧室20中。喷射器110可致动来将引燃燃料与气体燃料单独并分开引入，并且引燃燃料和气体燃料的喷射正时基于发动机工况来确定并且可或不可重叠。在其他实施方案中，气体燃料可由强制点火源来点燃，如火花塞、微波点火设备和激光点火器。
现参照图3，活塞碗60包括隆起物130，所述隆起物130起始于外边缘65并且与倒角表面140和侧凹部分150共同形成，其中所有围绕活塞50的纵轴线55以环形方式延伸。隆起物130是分叉特征并且操作来将燃料射流160分叉成两个或更多个更小的射流或羽流，并且用来朝其中燃料可与燃烧室20中的进气混合的混合区引导这些羽流。在优选实施方案中，燃料射流160被分叉成两个羽流。在发动机10的压缩和/或做功冲程期间，控制器120致动喷射器110来将燃料引入燃烧室20中，从而形成起始于喷射器的喷嘴115中的孔口(未示出)的气体燃料射流160。尽管出于说明的目的仅示出一个射流，但熟悉本技术的技术人员将理解，优选地存在起始于喷嘴115的更多燃料射流，使得整个燃烧室得以利用。示例性喷射开始的正时是这样使得随着活塞50在压缩冲程期间接近TDC，射流160撞击在隆起物130上并且分叉而形成羽流170和羽流180。由于活塞50的往复性本质，随着活塞接近TDC，它开始减速直到瞬间在TDC处完全停住，在这之后它开始在朝下止点(BDC)的相反方向上加速。对于围绕TDC的一系列曲柄角来说，活塞速率是相对缓慢的，从而在TDC前后提供一系列喷射开始正时，使得燃料射流160可撞击隆起物130使得分叉成两个或更多个羽流。参照图5、图6和图7，燃料射流160在针对活塞50的任何曲柄角位置的固定喷射角度α下喷射。隆起物130的平均角度位置取决于活塞50的曲柄角位置而改变，并且随着活塞更靠近TDC前进(如渐进地从图5至图6到图7处的TDC位置所示)，平均角β表示隆起物130的平均角度位置)减小使得β1>β2>β3。对于表示活塞50在图5与图7之间的移动的曲轴转角度数的范围，燃料射流160分叉成羽流170和180，如图3中所见。在优选实施方案中，对于单一脉冲喷射来说，燃料射流160的引入被正时，使得射流可在压缩冲程期间的上止点之前15°与做功冲程期间的上止点之后15°之间撞击隆起物130，并且当采用分叉喷射时，范围可在压缩冲程中的TDC之前30°与做功冲程中的TDC之后30°之间。由于气体燃料随着它们排出喷嘴115的膨胀本质，曲轴转角度数的此范围相比于液体燃料射流是增加的，并且液体燃料射流与气体燃料射流之间的对比分别由图3中的燃料射流160与图4中的燃料射流161说明性地表示。在此曲柄角范围外，燃料射流160不足以分叉并且羽流170和180不足以朝混合区175和185重新引导，如可在图3中看出，如以下将更详细解释。
现参照图8和图9，燃料射流160随着其穿透燃烧室20由于射流与防火甲板之间的边界层流的流体动力效应而朝防火甲板45推动。要求对喷射角进行矫正来补偿此结果，使得射流在隆起物130上的预期位置处撞击。在图8中，为了解释边界效应的目的而将活塞50示出在固定位置下，其中喷射角α1等于隆起物130的平均角β2。随着燃料射流160到达隆起物130，它由于射流与防火甲板之间的边界效应已朝防火甲板45推动，使得它不撞击隆起物的平均位置。在图9中，活塞50被示出在相同的固定位置下，并且燃料射流160的喷射角已增大到α2，使得随着燃料射流到达隆起物130，它在预期位置处撞击。喷射角中的矫正角αc(图中未明确示出)等于α2与α1之间的差，如以下方程1中所示。与液体燃料射流(所述液体燃料射流与气体燃料射流相比利用大得多的喷射压力来引入，并且随着它们穿透燃烧室而雾化使得边界层流的流体动力效应对液体燃料射流的轨迹具有极小的影响)相比，不补偿流体动力效应气体燃料射流将会转离预期路线并且错过预期目标。
αc＝α2-α1方程1
参照图3，射流160的冲力迫使羽流170进入倒角表面140中，从而使其朝防火甲板45和混合区175偏转。其结果是，羽流170在与气缸壁30相互作用之前与防火甲板45相互作用。羽流180被引导远离隆起物130进入并且围绕侧凹部分150并且往回朝喷射器110和混合区185。以此方式，已知羽流180重新进入燃烧室20。隆起物130通过远离气缸壁30朝两个或更多个混合区引导燃料160帮助燃烧室20中的气体燃料的混合，其中气体燃料可与进气中的空气混合。此技术在与液体燃料喷射压力相比相对低的气体燃料的燃料喷射压力特性下尤其重要。在其中气体燃料喷射压力在最小值下的这些发动机工况下，例如在利用各种气体燃料喷射压力的发动机应用中，隆起物130在增加气体燃料和空气的混合方面起到甚至更决定性的作用。气体燃料射流具有比液体燃料射流更小的冲力并且要求特征如活塞碗60中的隆起物130来帮助倒转气体燃料射流和/或将它们朝混合区引导。在此实施方案中，混合区175和185中的气体燃料由于引燃燃料的燃烧而被点燃。在其他实施方案中，气体燃料可以各种不同的方式来点燃，包括通过强制点火源点燃，例如像火花塞、微波点火设备、加热表面和激光点火器。
参照图4，燃料射流161可类似地被朝隆起物130引导，在这种情况下它分叉成朝混合区175引导的羽流171以及朝混合区185引导的羽流181。对混合引燃燃料的需要没有对气体燃料的混合的需要重要，因为所引入的引燃燃料的相对数量比气体燃料小的多。可能的是引燃燃料在其到达隆起物130之前消耗掉，这取决于所采用的压缩比、发动机工况和所引入的引燃燃料的数量和类型。然而，在一些情况下，被引入的引燃燃料的相对数量可增加，如当可获得的气体燃料的数量降低到低于预定限制时、或者当发动机仅在引燃燃料下工作时。例如，在采用柴油作为引燃燃料的发动机中，存在叫做“以柴油工作”(ROD)的操作模式，其中发动机仅消耗引燃燃料。在至少这些情形下，当所引入的引燃燃料的量高于预定数量时，有利的是通过隆起物130的方式分叉引燃燃料射流161来增加引燃燃料与燃烧室20中的进气中的空气的混合，从而改善燃烧。
在低装料条件下，可能存在燃烧室20中的燃料的过度稀化的问题，从而造成降低的燃烧特性。在此类条件下，可调整引入燃料射流160的正时，由此当燃料射流通过喷射角α喷射时，所述燃料射流每次当射流主要在隆起物130下方撞击时喷射，使得燃料被主要朝混合区185(碗区)引导。因此，凭借此方法，在这些条件下存在燃料射流160的更少的分叉并且优选地不存在分叉以防止过度稀化。凭借所述方法的此实施方案，当从低装料条件切换到更高装料条件时，引入燃料射流160的正时被调整成当燃料射流的撞击居于隆起物130中心的正时，因此燃料被引导到混合区175和185两者。
虽然已经示出并描述了本发明的特定元件、实施方案和应用，但应理解，本发明并不限于所述的特定元件、实施方案和应用，因为在不脱离本公开的范围、尤其是依据前述教导的情况下，本领域的技术人员可以进行修改。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于燃烧内燃机的燃烧室中的气体燃料的方法，所述方法包括：
将进气引入具有0至0.5范围内的涡流数的所述燃烧室中；
将气体燃料射流直接引入所述燃烧室中；
点燃所述气体燃料；
当在高负荷条件下时：
将所述气体燃料射流分叉成至少第一燃料羽流和第二燃料羽流；
朝邻近气缸盖的第一混合区重新引导所述第一燃料羽流；以及
朝邻近活塞碗的第二混合区重新引导所述第二燃料羽流
当在轻负荷条件下时：
朝所述第二混合区引导所述气体燃料。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述气体燃料射流的喷射角包括矫正角，所述矫正角用来补偿所述气体燃料射流与所述燃烧室的防火甲板之间的边界层流的流体动力效应，使得所述气体燃料射流在预定公差范围内撞击分叉特征。
3.如权利要求1所述的方法，其还包括将引燃燃料射流直接引入所述燃烧室中，由此所述引燃燃料射流压缩点火从而点燃所述气体燃料。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述引燃燃料射流在所述气体燃料射流之前被引入。
5.如权利要求3所述的方法，其中引燃燃料喷射角小于气体燃料喷射角。
6.如权利要求1所述的方法，其还包括操作模式，所述操作模式包括：
仅通过引燃燃料给所述内燃机装料；
将引燃燃料射流直接引入所述燃烧室中；
将所述引燃燃料射流分叉成至少第一引燃燃料羽流和第二引燃燃料羽流；
朝所述第一混合区重新引导所述第一引燃燃料羽流；
朝所述第二混合区重新引导所述第二燃料羽流；以及
压缩点燃所述第一和第二引燃燃料羽流。
7.如权利要求1所述的方法，其中强制点火源点燃所述气体燃料。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述燃烧室包括小于180mm的孔径。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述气体燃料射流在所述活塞处于压缩冲程期间的上止点之前15°与做功冲程期间的上止点之后15°范围之间时分叉。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述气体燃料射流在所述活塞处于压缩冲程期间的上止点之前30°与做功冲程期间的上止点之后30°范围之间时分叉。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述气体燃料选自包含沼气、丁烷、乙烷、氢气、甲烷、丙烷、天然气以及这些燃料的混合物的列表。
12.如权利要求1所述的方法，其还包括在高装料条件下执行以下各项：
执行第一气体燃料喷射，使得气体燃料被主要朝所述第一混合区引导；以及
执行第二气体燃料喷射，使得气体燃料被主要朝所述第二混合区引导。
13.一种用于内燃机的燃烧系统，其包括：
燃烧室，所述燃烧室部分由气缸壁和气缸盖限定；
活塞，其进一步限定所述燃烧室并且包括在所述气缸壁内往复的凹腔活塞碗，所述凹腔活塞碗包括外边缘以及起始于所述外边缘的隆起物；
进气口；
进气门，所述进气门允许从所述进气口到所述燃烧室的进气的选择性连通，所述进气口、所述进气门和所述活塞协作来静态地将所述进气引入具有0至0.5范围内的涡流数的所述燃烧室中；
燃料喷射器，所述燃料喷射器被配置来将气体燃料直接引入所述燃烧室中；
用于点燃所述气体燃料的点火源；以及
控制器，所述控制器操作性地与所述燃料喷射器连接并且被编程来致动所述燃料喷射器来将所述气体燃料引入所述燃烧室中；
其中当在高负荷条件下时，所述控制器被调整使得起始于所述燃料喷射器的气体燃料射流点燃并且被朝所述隆起物引导并且一旦撞击所述隆起物就分叉，从而形成至少第一燃料羽流和第二燃料羽流，所述第一燃料羽流朝邻近所述气缸盖的第一混合区重新引导并且所述第二燃料羽流朝邻近所述活塞碗的第二混合区重新引导；
其中当在轻负荷条件下时，所述控制器被调整使得起始于所述燃料喷射器的所述气体燃料射流通过所述隆起物被朝所述第二混合区引导。
14.如权利要求13所述的燃烧系统，其中所述燃料喷射器被配置来在喷射角下引入所述气体燃料射流，所述喷射角包括矫正角，所述矫正角用来补偿所述气体燃料射流与所述燃烧室的防火甲板之间的边界层流的流体动力效应，使得所述气体燃料射流在预定公差范围内撞击分叉特征。
15.如权利要求13所述的燃烧系统，其中所述气体燃料射流在所述活塞处于压缩冲程期间的上止点之前15°与做功冲程期间的上止点之后15°的范围之间时分叉。
16.如权利要求13所述的燃烧系统，其中所述气体燃料射流在所述活塞处于压缩冲程期间的上止点之前30°与做功冲程期间的上止点之后30°的范围之间时分叉。
17.如权利要求13所述的燃烧系统，其中所述燃料喷射器是被配置来引入所述气体燃料和引燃燃料的同心针燃料喷射器。
18.如权利要求17所述的燃烧系统，其中所述引燃燃料的喷射正时的开始早于所述气体燃料的喷射正时的开始。
19.如权利要求17所述的燃烧系统，其中气体燃料射流喷射角大于引燃燃料射流喷射角。
20.如权利要求17所述的燃烧系统，所述控制器还被编程来当(1)所述气体燃料压降低于预定值以及(2)气体燃料液滴的数量低于预定值中的至少一个时仅将所述引燃燃料引入所述燃烧室中，使得所述内燃机仅利用所述引燃燃料来装料，并且其中起始于所述燃料喷射器的引燃燃料射流一旦撞击所述隆起物就分叉，从而形成至少第一引燃燃料羽流和第二引燃燃料羽流，所述第一引燃燃料羽流被朝所述第一混合区重新引导并且所述第二引燃燃料羽流被朝所述第二混合区重新引导。
21.如权利要求13所述的燃烧系统，其还包括被配置来将引燃燃料引入所述燃烧室中的第二燃料喷射器。
22.如权利要求21所述的燃烧系统，起始于所述第二燃料喷射器的引燃燃料射流一旦撞击所述隆起物就分叉，从而形成至少第一引燃燃料羽流和第二引燃燃料羽流，所述第一引燃燃料羽流被朝所述第一混合区重新引导并且所述第二引燃燃料羽流被朝所述第二混合区重新引导。
23.如权利要求13所述的燃烧系统，其中所述点火源是强制点火源。
24.如权利要求23所述的燃烧系统，其中所述强制点火源是火花点火器、微波点火设备以及激光点火器中的一个。
25.如权利要求13所述的燃烧系统，其中所述燃烧室包括小于180mm的孔径。
26.如权利要求13所述的燃烧系统，其中所述气体燃料选自包含沼气、丁烷、乙烷、氢气、甲烷、丙烷、天然气以及这些燃料的混合物的列表。
27.如权利要求13所述的燃烧系统，其中在高装料条件期间，所述控制器还被编程来：
执行第一气体燃料喷射，使得气体燃料被主要朝所述第一混合区引导；并且
执行第二气体燃料喷射，使得气体燃料被主要朝所述第二混合区引导。

Claims (29)

1.一种用于燃烧内燃机的燃烧室中的气体燃料的方法，所述方法包括：
将进气引入具有0至0.5范围内的涡流数的所述燃烧室中；
将气体燃料射流直接引入所述燃烧室中；
点燃所述气体燃料；
将所述气体燃料射流分叉成至少第一燃料羽流和第二燃料羽流；
朝邻近气缸盖的第一混合区重新引导所述第一燃料羽流；以及
朝邻近活塞碗的第二混合区重新引导所述第二燃料羽流。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述气体燃料射流的喷射角包括矫正角，所述矫正角用来补偿所述气体燃料射流与所述燃烧室的防火甲板之间的边界层流的流体动力效应，使得所述气体燃料射流在预定公差范围内撞击分叉特征。
3.如权利要求1所述的方法，其还包括将引燃燃料射流直接引入所述燃烧室中，由此所述引燃燃料射流压缩点火从而点燃所述气体燃料。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述引燃燃料射流在所述气体燃料射流之前被引入。
5.如权利要求3所述的方法，其中引燃燃料喷射角小于气体燃料喷射角。
6.如权利要求1所述的方法，其还包括操作模式，所述操作模式包括：
仅通过引燃燃料给所述内燃机装料；
将引燃燃料射流直接引入所述燃烧室中；
将所述引燃燃料射流分叉成至少第一引燃燃料羽流和第二引燃燃料羽流；
朝所述第一混合区重新引导所述第一引燃燃料羽流；
朝所述第二混合区重新引导所述第二燃料羽流；以及
压缩点燃所述第一和第二引燃燃料羽流。
7.如权利要求1所述的方法，其中强制点火源点燃所述气体燃料。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述燃烧室包括小于180mm的孔径。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述气体燃料射流在所述活塞处于压缩冲程期间的上止点之前15°与做功冲程期间的上止点之后15°范围之间时分叉。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述气体燃料射流在所述活塞处于压缩冲程期间的上止点之前30°与做功冲程期间的上止点之后30°范围之间时分叉。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述气体燃料射流在高负荷条件下引入时分叉并且被朝所述第一和第二混合区重新引导，所述方法还包括
在轻负荷条件下引入所述气体燃料射流；以及
朝所述第二混合区引导所述气体燃料。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述气体燃料选自包含沼气、丁烷、乙烷、氢气、甲烷、丙烷、天然气以及这些燃料的混合物的列表。
13.如权利要求1所述的方法，其还包括在高装料条件下执行以下各项：
执行第一气体燃料喷射，使得气体燃料被主要朝所述第一混合区引导；以及
执行第二气体燃料喷射，使得气体燃料被主要朝所述第二混合区引导。
14.一种用于内燃机的燃烧系统，其包括：
燃烧室，所述燃烧室部分由气缸壁和气缸盖限定；
活塞，其进一步限定所述燃烧室并且包括在所述气缸壁内往复的凹腔活塞碗，所述凹腔活塞碗包括外边缘以及起始于所述外边缘的隆起物；
进气口；
进气门，所述进气门允许从所述进气口到所述燃烧室的进气的选择性连通，所述进气口、所述进气门和所述活塞协作来静态地将所述进气引入具有0至0.5范围内的涡流数的所述燃烧室中；
燃料喷射器，所述燃料喷射器被配置来将气体燃料直接引入所述燃烧室中；
用于点燃所述气体燃料的点火源；以及
控制器，所述控制器操作性地与所述燃料喷射器连接并且被编程来致动所述燃料喷射器来将所述气体燃料引入所述燃烧室中；
其中起始于所述燃料喷射器的气体燃料射流点燃并且被朝所述隆起物引导并且一旦撞击所述隆起物就分叉，从而形成至少第一燃料羽流和第二燃料羽流，所述第一燃料羽流朝邻近所述气缸盖的第一混合区重新引导并且所述第二燃料羽流朝邻近所述活塞碗的第二混合区重新引导。
15.如权利要求14所述的燃烧系统，其中所述燃料喷射器被配置来在喷射角下引入所述气体燃料射流，所述喷射角包括矫正角，所述矫正角用来补偿所述气体燃料射流与所述燃烧室的防火甲板之间的边界层流的流体动力效应，使得所述气体燃料射流在预定公差范围内撞击分叉特征。
16.如权利要求14所述的燃烧系统，其中所述气体燃料射流在高负荷条件下引入时分叉并且被朝所述第一和第二混合区重新引导，所述控制器还被编程来在轻负荷条件下引入所述气体燃料射流，使得所述气体燃料射流通过所述隆起物被朝所述第二混合区引导。
17.如权利要求14所述的燃烧系统，其中所述气体燃料射流在所述活塞处于压缩冲程期间的上止点之前15°与做功冲程期间的上止点之后15°的范围之间时分叉。
18.如权利要求14所述的燃烧系统，其中所述气体燃料射流在所述活塞处于压缩冲程期间的上止点之前30°与做功冲程期间的上止点之后30°的范围之间时分叉。
19.如权利要求14所述的燃烧系统，其中所述燃料喷射器是被配置来引入所述气体燃料和引燃燃料的同心针燃料喷射器。
20.如权利要求19所述的燃烧系统，其中所述引燃燃料的喷射正时的开始早于所述气体燃料的喷射正时的开始。
21.如权利要求19所述的燃烧系统，其中气体燃料射流喷射角大于引燃燃料射流喷射角。
22.如权利要求19所述的燃烧系统，所述控制器还被编程来当(1)所述气体燃料压降低于预定值以及(2)气体燃料液滴的数量低于预定值中的至少一个时仅将所述引燃燃料引入所述燃烧室中，使得所述内燃机仅利用所述引燃燃料来装料，并且其中起始于所述燃料喷射器的引燃燃料射流一旦撞击所述隆起物就分叉，从而形成至少第一引燃燃料羽流和第二引燃燃料羽流，所述第一引燃燃料羽流被朝所述第一混合区重新引导并且所述第二引燃燃料羽流被朝所述第二混合区重新引导。
23.如权利要求14所述的燃烧系统，其还包括被配置来将引燃燃料引入所述燃烧室中的第二燃料喷射器。
24.如权利要求23所述的燃烧系统，起始于所述第二燃料喷射器的引燃燃料射流一旦撞击所述隆起物就分叉，从而形成至少第一引燃燃料羽流和第二引燃燃料羽流，所述第一引燃燃料羽流被朝所述第一混合区重新引导并且所述第二引燃燃料羽流被朝所述第二混合区重新引导。
25.如权利要求14所述的燃烧系统，其中所述点火源是强制点火源。
26.如权利要求25所述的燃烧系统，其中所述强制点火源是火花点火器、微波点火设备以及激光点火器中的一个。
27.如权利要求14所述的燃烧系统，其中所述燃烧室包括小于180mm的孔径。
28.如权利要求14所述的燃烧系统，其中所述气体燃料选自包含沼气、丁烷、乙烷、氢气、甲烷、丙烷、天然气以及这些燃料的混合物的列表。
29.如权利要求14所述的燃烧系统，其中在高装料条件期间，所述控制器还被编程来：
执行第一气体燃料喷射，使得气体燃料被主要朝所述第一混合区引导；并且
执行第二气体燃料喷射，使得气体燃料被主要朝所述第二混合区引导。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109931179A (zh) * 2017-11-20 2019-06-25 曼卡车和巴士股份公司 特别是用于hpdi柴油燃气内燃机的活塞
CN110869592A (zh) * 2017-07-11 2020-03-06 五十铃自动车株式会社 直喷式内燃机的燃烧室构造

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3012522B1 (fr) * 2013-10-25 2018-08-24 IFP Energies Nouvelles Moteur a combustion a injection directe de combustible a allumage par compression et procede d'injection de combustible pour un tel moteur.
FR3016926B1 (fr) * 2014-01-29 2018-12-07 IFP Energies Nouvelles Moteur a combustion a injection directe de combustible et plus particulierement moteur a allumage par compression avec faible taux de compression
FR3017421B1 (fr) * 2014-02-10 2018-03-16 IFP Energies Nouvelles Moteur a combustion interne a injection de deux nappes de combustible a debit differencie et procede d'injection de combustible pour un tel moteur.
CN103835803B (zh) * 2014-02-24 2016-02-24 大连理工大学 柴油机碰撞分流燃烧室
FR3018552B1 (fr) * 2014-03-14 2019-07-05 IFP Energies Nouvelles Moteur a combustion a injection directe de combustible a allumage par compression comprenant des moyens de refroidissement du piston.
US9611806B2 (en) 2014-11-18 2017-04-04 Caterpillar Inc. Engine piston
CN104963763A (zh) * 2015-06-03 2015-10-07 罗显平 电子控制燃气螺管转子汽车发动机
DE102015012541A1 (de) 2015-09-24 2016-04-14 Daimler Ag Kolben für einen Gasmotor sowie Gasmotor mit einem solchen Kolben
GB2547265B (en) * 2016-02-12 2020-03-04 Perkins Engines Co Ltd Piston bowl for an internal combustion engine
JP6485489B2 (ja) * 2017-05-23 2019-03-20 マツダ株式会社 エンジンの制御装置及びエンジンの制御方法
DE102017005478B3 (de) * 2017-06-08 2018-09-27 L'orange Gmbh Kraftstoffinjektor
JP7047785B2 (ja) * 2019-01-18 2022-04-05 マツダ株式会社 圧縮着火エンジン
DE102020001638A1 (de) * 2020-03-12 2021-09-16 Man Truck & Bus Se Hubkolben-Brennkraftmaschine
JP2021181765A (ja) * 2020-05-19 2021-11-25 株式会社小松製作所 ディーゼルエンジン用のピストン及びディーゼルエンジン
JP7213929B1 (ja) * 2021-09-21 2023-01-27 ヤンマーホールディングス株式会社 エンジンシステム及び気体燃料燃焼方法
WO2023110125A1 (en) * 2021-12-17 2023-06-22 Volvo Truck Corporation An internal combustion engine system
CN114810328A (zh) * 2022-05-20 2022-07-29 潍柴动力股份有限公司 一种燃烧室及气体发动机

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020078918A1 (en) * 2000-12-26 2002-06-27 Richard Ancimer Method and apparatus for gaseous fuel introduction and controlling combustion in an internal combustion engine
CN1401053A (zh) * 2000-02-11 2003-03-05 韦斯特波特研究公司 用于将双燃料喷射到内燃机中的方法和装置
CN1717537A (zh) * 2002-10-02 2006-01-04 韦斯特波特研究公司 直接喷射式燃烧室的几何结构
US20070023005A1 (en) * 2003-10-09 2007-02-01 Franz Chmela Method for operating an internal combustion engine
US20090025675A1 (en) * 2006-02-08 2009-01-29 Hino Motors, Ltd. Combustion chamber structure for direct injection diesel engine
WO2013116941A1 (en) * 2012-02-07 2013-08-15 Westport Power Inc. Apparatus and method for igniting a gaseous fuel in a direct injection internal combustion engine

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4742801A (en) * 1987-08-13 1988-05-10 Erik Kelgard Dual fuel mobil engine system
US4883032A (en) * 1989-01-23 1989-11-28 Ford Motor Company In-cylinder control of particulates and nitric oxide for diesel engine
US5775288A (en) * 1995-08-17 1998-07-07 Yamaha Hatsudoki Kabushiki Kaisha Combustion chamber
US6427660B1 (en) * 2000-07-20 2002-08-06 Ford Global Technologies, Inc. Dual fuel compression ignition engine
EP1330599B1 (de) * 2000-10-22 2005-08-03 Westport Germany GmbH Brennkraftmaschine mit einblasung von gasförmigem kraftstoff
US6439192B1 (en) * 2000-10-24 2002-08-27 Westport Research Inc. Gaseous and liquid fuel injection valve with concentric needles
CA2406297A1 (en) 2002-10-02 2004-04-02 Westport Research Inc. Glow ring ignition assist for internal combusion engine
US7438039B2 (en) 2004-02-06 2008-10-21 Electro-Motive Diesel, Inc. Large-bore, medium-speed diesel engine having piston crown bowl with acute re-entrant angle
CA2524146C (en) * 2005-11-18 2008-05-13 Westport Research Inc. Direct injection internal combustion engine and method of making and operating same
WO2008000095A1 (en) * 2006-06-29 2008-01-03 The University Of British Columbia Concurrent injection of liquid and gaseous fuels in an engine
US7431012B1 (en) 2007-10-01 2008-10-07 General Electric Company Diesel combustion system with re-entrant piston bowl
US8671908B2 (en) * 2009-07-31 2014-03-18 Ford Global Technologies, Llc Glow plug placement in a diesel engine
US8776760B2 (en) * 2009-10-13 2014-07-15 Southwest Research Institute Combustion chamber for fuel injected engines
US8459229B2 (en) 2010-04-20 2013-06-11 Southwest Research Institute Piston bowl with spray jet targets
DE102011017479A1 (de) 2011-04-19 2012-10-25 Daimler Ag Brennkraftmaschine
CA2743043C (en) * 2011-06-14 2012-09-18 Westport Power Inc. Dual fuel injection valve
US8944027B2 (en) * 2011-06-21 2015-02-03 Caterpillar Inc. Dual fuel injection compression ignition engine and method of operating same
KR101262577B1 (ko) * 2011-07-18 2013-05-08 현대자동차주식회사 디젤엔진 피스톤
DE102011119215B4 (de) * 2011-11-23 2021-07-22 Daimler Ag Verbrennungsverfahren und Brennkraftmaschine

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1401053A (zh) * 2000-02-11 2003-03-05 韦斯特波特研究公司 用于将双燃料喷射到内燃机中的方法和装置
US20020078918A1 (en) * 2000-12-26 2002-06-27 Richard Ancimer Method and apparatus for gaseous fuel introduction and controlling combustion in an internal combustion engine
CN1717537A (zh) * 2002-10-02 2006-01-04 韦斯特波特研究公司 直接喷射式燃烧室的几何结构
US20070023005A1 (en) * 2003-10-09 2007-02-01 Franz Chmela Method for operating an internal combustion engine
US20090025675A1 (en) * 2006-02-08 2009-01-29 Hino Motors, Ltd. Combustion chamber structure for direct injection diesel engine
WO2013116941A1 (en) * 2012-02-07 2013-08-15 Westport Power Inc. Apparatus and method for igniting a gaseous fuel in a direct injection internal combustion engine

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110869592A (zh) * 2017-07-11 2020-03-06 五十铃自动车株式会社 直喷式内燃机的燃烧室构造
CN109931179A (zh) * 2017-11-20 2019-06-25 曼卡车和巴士股份公司 特别是用于hpdi柴油燃气内燃机的活塞
CN109931179B (zh) * 2017-11-20 2023-01-03 曼卡车和巴士股份公司 特别是用于hpdi柴油燃气内燃机的活塞

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US9938888B2 (en) 2018-04-10

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