CN108463628A - 导管式燃料喷射 - Google Patents

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Abstract

本文提出的多种技术涉及增强燃烧室内的混合，以形成包括燃料和原料气的一种或多种局部预混合混合物，使得能够在局部预混合混合物的点火和随后的燃烧期间能够产生最少量的或不产生碳烟及其他不期望的排放物。为了实现燃料和原料气的充分混合，可引导燃料射流穿过导管的管孔，从而使原料被吸入管孔中，进而产生湍流以混合燃料和吸入的原料气。导管可定位为接近燃料喷射器的梢端中的开口。本文提出的多种技术可用于多种燃烧系统，例如压缩点火(CI)往复式发动机、火花点火(SI)往复式发动机、燃气涡轮(GT)发动机、燃烧器和锅炉、井口/精炼厂火炬系统等。

Description

导管式燃料喷射
相关申请
本申请要求于2016年11月20日提交的标题为“导管式燃料喷射(DUCTED FUELINJECTION)”的美国专利申请第15/363,966号的优先权，而上述美国专利申请第15/363,966号要求于2016年1月13日提交的标题为“导管式燃料喷射应用(DUCTED FUEL INJECTIONAPPLICATIONS)”的美国临时专利申请第62/278,184号的优先权。本申请还是2015年7月1日提交的标题为“导管式燃料喷射(DUCTED FUEL INJECTION)”的美国专利申请第14/789,782号的部分继续申请，而该部分继续申请要求于2014年10月1日提交的标题为“导管式燃料喷射(DUCTED FUEL INJECTION)”美国临时专利申请第62/058,613号的优先权。这些申请的全部内容通过参引并入本文。
政府权益声明
本发明是根据Sandia Corporation和美国能源部之间的DE-AC04-94AL85000号合同开发的。美国政府对本发明享有一定的权利。
背景技术
很多现代发动机被设计为使得发动机的每个燃烧缸均包括构造成将燃料直接喷射到燃烧室中的专用燃料喷射器。尽管这样的“直喷式”发动机代表发动机技术较以往设计(例如汽化器)在提高发动机效率和减少排放物方面的改进，但是直喷式发动机可能会产生相对较高水平的某些不期望的排放物。
发动机排放物可能包括由富燃料和贫氧燃料的混合物的燃烧产生的碳烟。碳烟包括由扩散火焰的富燃区产生的微小碳颗粒，而扩散火焰的富燃区通常产生于可在中到高负荷下运行的发动机的燃烧室中。碳烟危害环境，是由美国国家环境保护局(EPA)管控的一种排放物，并且是第二重要的气候强迫物质(二氧化碳是最重要的)。目前，通过排气系统中的较大且较昂贵的颗粒过滤器将碳烟从柴油发动机的废气中去除。还可能必须利用其他燃烧后处理，例如NOx选择性催化还原系统、NOx捕集器、氧化催化剂等。必须对这些后处理系统进行维护，从而能够持续且有效地减少碳烟/颗粒及其他不期望的排放物，并因此在初始设备成本及后续维护方面为燃烧系统增加了额外的成本。
燃烧技术的焦点是使燃料在较稀薄的混合物中燃烧，因为这样的混合物趋向于产生更少的碳烟、NOx和潜在的其他被管控的排放物、如碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)。一种这样的燃烧策略为抬举火焰稀燃(leaner lifted-flame combustion)(LLFC)。LLFC是不产生碳烟的燃烧策略，因为燃烧在大致小于或等于2的当量比下发生。当量比是燃料与氧化剂质量的实际比率除以燃料与氧化剂质量的化学计量比。LLFC可以通过增强燃烧室中燃料与原料气(即具有或不具有额外的气相化合物的空气)的局部混合来实现。
发明内容
以下是本文要更详细地描述的主题的简要概述。本发明内容部分并非旨在限制权利要求的范围。
本文描述了设计为相对于在常规燃烧室构型/布置中发生的混合而提高燃烧室内部的局部混合速率的多种技术。提高的混合速率用于形成包括燃料和原料气的一种或多种局部预混合混合物，使得在局部预混合混合物的点火及随后的燃烧期间，所形成的混合物在燃烧室中产生最少量的碳烟和/或其它不期望的排放物、或者不产生碳烟和/或其它不期望的排放物。为了使燃料和原料气的混合能够产生具有这种改进的燃料-原料气分配比的局部预混合混合物，可以将燃料射流引导为使得其穿过导管的管孔(例如沿着管体、中空圆柱体)，其中燃料的通过使得原料气被吸入管孔中，从而在管孔内产生湍流，进而增强燃料和吸入的原料气的混合。燃烧室内的原料气可以包括具有或不具有额外的气相化合物的空气。
局部预混合混合物的燃烧可以发生在燃烧室内，其中燃料可以是任何合适的可燃的或易燃的液体或蒸汽。例如，燃烧室可由包括缸孔的壁(例如形成在发动机缸体中的缸孔)、气缸盖的火焰板表面以及在缸孔内进行往复运动的活塞的活塞顶的多个表面形成。燃料喷射器可安装在气缸盖中，其中燃料经由燃料喷射器的梢端中的至少一个开口喷射到燃烧室中。对于燃料喷射器梢端中的每个开口而言，导管可以与其校准为，使得由燃料喷射器喷射的燃料能够穿过导管的管孔。由于流经管孔的高速燃料射流在局部产生的低压导致原料气被吸入到导管的管孔中。由于由管体壁和燃料射流中心线之间的较大的速度梯度产生的强烈湍流，这种原料气与燃料迅速混合，导致形成离开导管的、具有一定的燃料-原料气分配比的局部预混合混合物，该局部预混合混合物在燃烧室中的后续的点火和燃烧期间形成最少量的碳烟和/或其它不期望的排放物、或者不形成碳烟和/或其它不期望的排放物。
在一实施方式中，导管可以沿其长度形成有多个孔或狭槽，以进一步使得能够在燃料沿管孔通过期间将原料气吸入导管的管孔中。
在另一实施方式中，导管可以由管体形成，其中管体的壁彼此平行(例如、为中空圆柱体)，因此导管的第一端部处的管孔(例如入口)的直径与导管的第二端部处的管孔(例如出口)的直径相同。在另一实施方式中，管体的壁可以不平行，以使得导管的第一端部处的管孔的直径不同于导管的第二端部处的管孔的直径。
导管可以由适于在燃烧室中应用的任何材料形成，例如诸如钢、因科镍合金(INCONEL)、哈斯特合金(HASTELLOY)等的含金属材料、含陶瓷材料等。
在另一实施方式中，导管可在将燃料喷射器插入燃烧室之前就附接到燃料喷射器，使得包括燃料喷射器和导管的组件定位成形成燃烧室的一部分。在另一实施方式中，燃料喷射器可以位于燃烧室中，并且导管随后附接到燃料喷射器或气缸盖。
在发动机的运行期间，导管的管孔内侧的温度可以小于燃烧室内的环境温度，使得混合物的点火延迟时间增加，并且燃料和原料气在自动点火之前的混合与将燃料直接喷射到燃烧室中相比得到了进一步的改进。
本文提出的多种实施方式可用于多种燃烧系统，例如压缩点火(CI)往复式发动机、火花点火(SI)往复式发动机、燃气涡轮(GT)发动机、燃烧器和锅炉、井口/精炼厂火炬系统等。
上述发明内容提供了简单概述，以便提供对本文所讨论的系统和/或方法的一些方面的基本理解。该发明内容部分并非是本文所讨论的系统和/或方法的全面概括。其并非旨在确定关键/主要元件或界定这样的系统和/或方法的范围。其唯一的目的是以简化的形式呈现一些概念作为稍后呈现的更详细的描述的前序。
附图说明
图1为示例性燃烧室设备的截面图。
图2为示出了形成示例性燃烧室设备的火焰板、气门、燃料喷射器和导管的示意图。
图3为包括燃料喷射器和导管布置的示例性燃烧室装置的特写图。
图4为具有圆筒形构型的导管的示意图。
图5A为具有非平行侧面的导管的示意图。
图5B为具有沙漏状轮廓的导管的示意图。
图5C为具有漏斗形轮廓的导管的示意图。
图6A至图6C示出了包括沿着其长度的多个孔的导管。
图7A和图7B为示出了位于燃烧室中的由燃料喷射器和导管组成的组件的示意图。
图8A和图8B示出了包括三个导管和螺纹附接部分的示例性布置。
图8C为附接到燃料喷射器组件的导管组件的示意图。
图8D为附接到火焰板的导管组件的示意图，所述附接有助于导管组件关于燃料喷射器组件的定位。
图9A和图9B示出了利用导管来引导形成燃料喷射器的梢端中的开口。
图10为示出了用于产生具有一定燃料-原料气分配比的局部预混合混合物的示例性方法的流程图，该局部预混合混合物在燃烧室中形成最少量的碳烟和/或其它不期望的排放物、或者不形成碳烟和/或其它不期望的排放物。
图11为示出了用于将包括燃料喷射器和至少一个导管的组件定位在燃烧室中的示例性方法的流程图。
图12为示出了用于将至少一个导管定位在燃烧室中的燃料喷射器处的示例性方法的流程图。
图13为示出了利用导管来引导梢端中开口的形成的示例性方法的流程图。
图14为示出了在示例性燃烧室设备中的导管式燃料构型中点燃燃料/原料气混合物的示意图。
图15为示出了在示例性燃烧室设备中由位于导管的排放端部上的催化材料点燃燃料/原料气混合物的示意图。
图16为示出了在示例性燃烧室设备中由位于环状体上的催化材料点燃燃料/原料气混合物的示意图。
图17为示出了在示例性燃烧室设备中由被催化材料覆盖的多个杆点燃燃料/原料气混合物的示意图。
图18为示出了在示例性燃烧室设备中点燃燃料/原料气混合物的电热塞的示意图。
图19为示出了在示例性燃烧室设备中点燃燃料/原料气混合物的激光束的示意图。
图20为示出了用于利用点火辅助部件点燃燃料/原料气混合物的示例性方法的流程图。
具体实施方式
本文提出了多种技术，涉及利用一个或多个导管来产生局部预混合的燃料与原料气的混合物，该混合物在燃烧期间形成最少量的碳烟和/或其它不期望的排放物，或者不形成碳烟和/或其它不期望的排放物。相似的附图标记用于指代所有技术中相似的元件。在下面的描述中，出于解释的目的阐述了许多具体细节，以提供对一个或多个方面的透彻理解。然而，可以显而易见的是，这些方面可以在没有这些具体细节的情况下实施。在其他情况下，以框图形式示出了公知的结构和装置，以便于描述一个或多个方面。
此外，术语“或”旨在表示包含性的“或”而不是排他性的“或”。也就是说，除非另有说明或者通过上下文可以明确，否则短语“X采用A或B”旨在表示任意自然的包含性置换。也就是说，以下任何情况都满足短语“X采用A或B”：X采用A；X采用B；或者X采用A和B两者。此外，除非另有说明或通过上下文可以明确地被理解为单数形式，否则本申请和所附权利要求中使用的冠词“一”或“一个”通常应被解释为表示“一个或多个”。另外，在本文中使用时，术语“示例性”旨在表示用作某事物的说明或举例，并不旨在表示优选方案。
本文提出的多个实施方式可用于多种燃烧系统，例如压缩点火(CI)往复式发动机、火花点火(SI)往复式发动机、燃气涡轮(GT)发动机、燃烧器和锅炉、井口/精炼厂火炬系统(wellhead/refinery flaring)等。
图1、图2和图3示出了用于导管式燃料喷射系统的示例性构型。图1为燃烧室组件100的横截面图，其中该截面图是沿图2的X-X线截取的。图2示出了构型200，其为燃烧室组件100在图1的Y方向上的平面图。图3示出了构型300，其为图1和图2中所示的燃料喷射组件的放大图。
图1至图3共同示出了组合为形成燃烧室105的多个常用部件。在一实施方式中，燃烧室105具有限定在缸孔110内的大体上圆筒形的形状，缸孔110形成(例如机加工而成)在发动机(未全部示出)的曲轴箱或发动机缸体115内。燃烧室105进一步地在一端(第一端部)由气缸盖125的火焰板表面120限定，而在另一端(第二端部)由可在缸孔110内进行往复运动的活塞135的活塞顶130限定。燃料喷射器140安装在气缸盖125中。喷射器140具有梢端145，梢端145穿过火焰板表面120突入到燃烧室105中，使得其可以将燃料直接喷射到燃烧室105中。喷射器梢端145可包括多个开口146(孔口)，燃料穿过该开口被喷射到燃烧室105中。每个开口146均可具有特定形状、例如圆形开口，此外，每个开口146均可具有特定开口直径D3。
此外，燃烧室105具有位于其中的一个或多个导管150，可以利用导管150来引导经由喷射器140的开口146(下文进一步描述)喷射到燃烧室105中的燃料。根据内燃机的常规操作，进气门160用于使原料气能够进入燃烧室105中，排气门165用于使根据燃烧室中发生的燃烧过程而形成于燃烧室105中的任意燃烧产物(例如气体、碳烟等)能够排出。燃烧室105内的原料气可包括具有或不具有额外的气相化合物的空气。
图2示出了可结合到燃烧室105中的多个进气门160和多个排气门165。并且，如图2所示，一个或多个导管150可围绕梢端145布置，其中，根据图4的构型400，导管150可以是管体或中空圆柱体，其包括具有外径D1的外壁152及穿过导管150的长度的内管孔153，其中内管孔153具有直径D2。如图4所示，导管150可以形成为圆筒形，以使得外壁152的内表面154与外壁152的外表面155平行，因此导管150的第一端部处的第一开口157与导管150的第二端部处的第二开口158具有相同的直径，例如第一开口157(例如入口)的直径＝D2＝第二开口158(例如出口)的直径。导管150的第一端部可定位为最靠近(接近、邻近、邻接)开口146，而导管150的第二端部定位为相对于导管150的第一端部的位置远离开口146。在一实施方式中，如本文进一步描述的那样，外壁152的厚度可以沿着导管150的长度而变化，使得尽管外壁152的外表面155为圆筒形，但内表面154可以渐缩并且/或者呈圆锥形状。在另一实施方式中，导管150的长度L可以为任意期望的长度。例如，导管150的长度L可以介于开口146的标称直径D3的约30倍至约300倍之间，例如、约30×D3至约300×D3。
转到图3，如前所述，梢端145可以包括多个开口146，以使燃料180能够穿过其中(例如燃料喷射)。随着初始燃料180穿过各个开口146，根据位于梢端145处的开口146的数量和大小、可以由流经喷射器140的初始体积的燃料180形成多股燃料射流185。喷射的燃料185的喷射方向可以根据图3所示的中心线来描述。因此，导管150可以与燃料射流185的中心线相互对准(例如同轴)，使得燃料射流185从开口146离开并且穿过导管150的管孔153。根据图3和图4，导管150的第一(近端)端部157可以定位成接近相应的开口146，其中第一端部157可以定位成使得在导管150的第一端部和开口146之间出现间隙G。导管150的第二(远端)端部158可定位于燃烧室105中，使得导管150自梢端145延伸并进入燃烧室105中。
如前所述，在燃料和原料气的富燃混合物经历燃烧的情况下可能产生碳烟，这是不期望的。因此，期望燃料/原料气混合物的当量比大致小于或等于2。随着各股燃料射流185行进穿过各个导管150的管孔153，在导管150内部产生压力差，使得燃烧室105中的原料气也被吸入导管150中。由于导管管孔153(在此处，流体速度为零)和燃料射流185的中心线(在此处，流体速度较大)之间的较高速度梯度产生的强烈湍流，原料气与燃料185迅速混合。湍流条件可以提高燃料射流185和被吸入的原料气之间的混合的速率，其中燃料185和原料气在管孔153中的混合的程度可大于在常规构型中将会发生的混合程度，其中，在常规构型中，燃料射流185被直接地喷入填充有原料气的燃烧室105而不穿过导管构型。对于常规构型而言，与根据构型100的通过使燃料射流185穿过导管150所实现的相比，燃料射流185会经受较少量的导致与原料气发生混合的湍流。
根据图3，在燃料射流185的区域186处，燃料射流185包括较大体积的富燃混合物，而在燃料射流185的区域187处，燃料射流185与吸入的原料气进行混合，从而与区域186处的富燃混合物相比、在区域187处产生局部更多的预混合混合物。因此，根据图1至图4中所示的构型100，燃料185和原料气之间在导管150中发生高度混合，产生具有燃料与原料气比例分布的局部预混合的燃料/原料气混合物，这在点燃和燃烧混合物时(例如通过活塞135的运动引起的压缩加热)导致产生的碳烟和/或其它不期望的排放物比常规布置所达到的量更少。区域187处的“足够稀薄”的混合物的当量比可介于0和2之间，而区域186处的“过浓”的混合物为当量比大于2的混合物。
在一个实施方式中，导管150的管孔153的直径D2可大于与导管150的第一端部157接近的相应开口146的直径D3。例如D2可以为D3的约2倍大、D2可以为D3的约50倍大，D2的直径可以比D3高任意数量级，例如在为D3约2倍大直至为D350倍大的值的范围内选择的数量级等。
如图3所示，导管150可相对于火焰板表面120校准，并且以使得导管150和火焰板表面120之间呈θ°的方式校准。θ可以是任意期望值，其范围从0°(例如导管150被校准为平行于由火焰板表面120形成的平面P-P)到任意期望值，其中导管150的校准可根据燃料射流185的行进中心线校准。在燃料射流185在被校准为沿基本上平行于火焰板表面120、平面P-P的方向离开燃料喷射器140的相应开口146的实施方式中，导管150也可以校准为基本上平行于平面P-P。对于导管150的校准的考虑因素是防止干扰活塞135的往复运动、进气门160和排气门165，例如应当将导管150校准为使其不与活塞顶130、进气门160和排气门165进行接触。
尽管图4示出为导管150呈壁152的外表面155平行于内表面154(例如管孔153自始至终具有恒定直径D2)的圆筒形的形式，但是导管150也可以形成为具有任何期望的截面。例如在构型500中，如图5A所示，导管510可以形成为具有渐缩的外壁515，使得导管500的第一端部处的第一开口520(例如入口)的直径D4不同于导管510的第二端部处的第二开口530(例如出口)的直径D5。构型500可以被认为是正圆锥体的中空平截头体。在另一构型550中，如图5B所示，导管560可形成为具有呈“沙漏”状轮廓的外壁565，其中中央部分可具有比导管560的第一端部的直径D7(第一开口)和第二端部的直径D8(第二开口)更窄小的直径D6。应当理解，第一开口的直径D7可与第二开口的直径D8为相同的直径，或D7＞D8，或D7＜D8。另外，尽管为了简化说明，图5A至图5C中所示的导管壁轮廓包含直线，但是应当理解这些壁轮廓也可以由分段的曲线形成。在另一构型570中，如图5C所示，导管580可形成为具有呈“漏斗形”的轮廓的外壁585，其中中央部分的直径D9与导管580的第一端部的第一开口处的直径D10相同，而直径D9小于导管580的第二端部处的第二开口的直径D11。可替代地，导管580可相对于开口146而调转方向，使得具有直径D11的开口可定位于开口146处，从而在从直径为D10的开口射出之前燃料185的通过被限制。虽然本文中没有描述，但是应当理解的是，根据本文提供的一个或多个实施方式，可以利用其他导管轮廓。
此外，如图6A至图6C所示，导管的管状壁可具有形成在其中的至少一个孔(穿孔、孔隙、开口、孔口、狭槽)，以使得原料气能够在燃料经导管通过期间进入导管。根据图6A的构型600，示出了导管610，其中导管610已制造有多个孔H1-Hn，该多个孔形成在导管610的一侧并延伸穿过壁620且进入内管孔630，其中n为正整数。应当理解，尽管图6A示出了形成于导管610的壁620中的五个孔H1-Hn，但是可以利用任意数量的孔和相应的布置来实现原料气的吸入以及随后的原料气与穿过导管610的燃料的混合。孔H1-Hn可以利用任何合适的制造技术形成，例如常规钻孔、激光钻孔、电火花加工(EDM)等。
图6B的构型601为导管610的截面图，其示出了燃料射流685从喷射器梢端145处的开口146中喷射出来，并且穿过导管610的管孔630。燃料射流685最初包括富燃料区域687。然而，随着原料气被吸入管孔630中，燃料685和原料气发生混合(如前所述)，使得区域688包括具有一定的燃料-原料气分配比的局部预混合混合物，其中，在随后的燃烧期间，“足够稀薄”的混合物进行燃烧，而产生最少量的碳烟和/或其它不期望的排放物、或者不产生碳烟和/或其它不期望的排放物。如图所示，对于构型601，导管610的第一端部611和梢端145之间并无分离(例如没有间隙G)；导管610的第一端部611抵接开口146。对于构型601，当因导管610的第一端部611和梢端145之间缺少间隙而阻止原料气进入管孔630中时，将孔H1-Hn结合到导管610中能够使原料气经孔H1-Hn而被吸入到管孔630中，从而能够形成局部预混合的射流685。尽管导管610被示出为与梢端145垂直地校准(例如平行于)，但导管610可相对于梢端145(及开口146)以任何角度定位成使得燃料射流685能够流经导管630。
图6C示出了替代构型602，其中导管610的第一端部611定位为接近梢端145和开口146，该构型具有将导管610的第一端部611与梢端145分离开的间隙G。间隙G使得更多的原料气被吸入导管610中，以补充通过孔H1-Hn被吸入到管孔630中的原料气。
根据本文的各实施方式，多个导管可定位为接近喷射器梢端145，由此可将多个导管附接到喷射器梢端145，并且可将由喷射器梢端145和导管形成的组件定位于气缸盖125/火焰板表面120中以形成燃烧室。例如根据图7A和图7B中所示的构型700，可将导管150附接到可与喷射器140一起结合至支撑块720中的套筒710(护罩)或类似结构。气缸盖125可包括开口730，其中，根据图7B，支撑块720、喷射器140、套筒710和导管150相对于火焰板表面120(例如平面P-P)设置成使得喷射器140和导管150定位成能够形成燃烧室105，其中可相对于喷射器140的相应的开口146定位相应的导管150，从而使燃料射流(例如燃料射流185)能够穿过管孔153。
在另一实施方式中，喷射器梢端可以已经定位于火焰板处，并且导管可以随后附接到喷射器梢端。如图8A和8B的构型800所示，定位环810具有附接到其上的多个导管150。定位环810可包括用于附接定位环810的装置，例如定位环810的内表面815可以具有螺纹，使得导管150分别通过连接器817而附接。如图8C的构型850所示，定位环810和导管150可与喷射器140组装。其中结合有喷射器140的套筒820或类似结构还可包括与定位环810的附接机构匹配的附接装置。例如套筒820可以包括螺纹端825，定位环810可以旋接到该螺纹端825上，其中，相应的导管150可相对于注射器140的相应开口146而定位，从而使燃料射流(例如燃料射流185)能够穿过管孔153。
应当理解，围绕喷射器梢端145布置的导管150的数量可以是任意期望的数量N(例如与梢端145中的开口146的数量一致)，其中N是正整数。因此，虽然图2示出的构型200包括六个导管150，但是图8A和图8B示出的构型800包括相对于喷射器梢端145处的三个开口146而定位的三个导管150。
在另一实施方式中，导管可以或者直接地或者经由定位环或其他用于附接的机构附接到火焰板。如图8D的构型860所示，定位环870具有附接到其上的多个导管150。定位环870可以包括用于附接定位环870的装置；例如定位环870的外表面可以具有螺纹，使得导管150分别通过连接器817而附接。具有螺纹的外表面可以附接到延伸(例如在位置875处)到火焰板表面120内的螺纹，以有助于相应的导管150相对于喷射器140的梢端145中的相应开口146的定位。应当理解的是，可以使用将导管150附接到火焰板的其他方法。在一示例中，导管150可以例如通过使用螺钉而各自附接到火焰板120。在另一示例中，定位环180可以例如通过焊接件在位置875处附接到火焰板120。
一方面，为了使燃料和原料气在导管管孔中的混合最大化，可有利的是，使燃料从燃料喷射器的开口中排放出来的方向与管孔的中心线精确地相互对准。为了实现这种精确的相互对准，可以利用管孔来帮助形成开口。在图9A和图9B中示出了这种方法。如图9A所示，导管150定位成(例如如参照图7A、图7B、图8A、图8B、图8C所描述的那样)使得导管150的第一端部157抵接(例如不存在间隙G)喷射器梢端145。导管150以使得火焰板表面120的平面P-P与期望的行进中心线呈期望的角度θ°而校准，其中，燃料射流(例如燃料185、685)将沿着该期望的行进中心线行进。
在导管150根据需要定位的情况下，可以在梢端145处形成开口146。在一实施方式中，开口146可以通过电火花加工(EDM)而形成，然而，应当理解的是可以利用任何合适的制造技术来形成开口146。如图所示，可以利用导管150以使得能够以期望的角度执行EDM操作，例如可以利用导管150来以一定角度引导刀具件(例如EDM电极)，从而能够形成对准成使燃料射流能够沿行进中心线的方向流动的开口146。应当理解，尽管图9A和图9B示出了导管150抵接喷射器梢端145，此外沿导管150的长度没有开口，但还可以使用其他布置(例如图1至图8C中所示的多个种构型中的任意一种)。例如可将导管150的第一端部157定位成接近喷射器梢端145，例如使得在它们之间存在间隙G。在另一示例中，导管150沿其长度可包括一个或多个孔(例如孔H1-Hn)。在另一示例中，可根据构型700或850中的任一者将导管150附接为接近喷射器梢端145。
导管150可由适于应用于燃烧室中的任何材料形成，例如诸如钢、INCONEL、HASTELLOY等的含金属材料、含陶瓷材料等。
应当理解，本文提出的多种实施方式均适用于任何类型的燃料和氧化剂(例如氧气)，其中这样的燃料可以包括柴油、喷气燃料、汽油、原油或精炼石油、石油馏出物、烃(直链烃、支链烃、或环烷烃、芳烃)、含氧化合物(例如醇类、酯类、醚类、酮类)、压缩天然气、液化石油气、生物燃料、生物柴油、生物乙醇、合成燃料、氢气、氨气等，或它们的混合物。
此外，已经参照压缩点火发动机(例如柴油发动机)对本文提出的多种实施方式进行了描述，然而，这些实施方式可应用于任何燃烧技术，例如直喷式发动机、其他压缩点火发动机、火花点火发动机、燃气涡轮发动机、工业锅炉、任何燃烧驱动系统等。
此外，除了减少碳烟的产生之外，本文提出的多种实施方式还可以减少其他不期望的燃烧产物的排放。例如，如果在燃烧期间在导管的管孔(例如导管150的管孔153)的出口处或其下游处准备好具有正确的燃料-原料气分配比的局部预混合混合物，则可以减少一氧化氮(NO)、包含氮和氧的其它化合物、未燃烧的碳氢化合物(HC)和/或一氧化碳(CO)的排放。
图10至图13以及图20示出了涉及形成具有一定的燃料-原料气分配比的局部预混合混合物以最大限度地减少在燃烧过程中形成的碳烟生成物和/或其他不期望的排放物的示例性方法。虽然该方法被示出和描述为一系列按顺序执行的动作，但是应当理解和意识到该方法不受顺序序列的限制。例如一些动作可以按照与本文所描述的顺序不同的顺序进行。此外，一个动作可以与另一个动作同时进行。此外，在某些情况下，可能不需要所有动作来实现本文所描述的方法。
图10示出了用于在燃烧之前提高燃料的混合的方法1000。在1010处，将导管定位和/或校准为接近燃料喷射器的梢端中的孔口。导管可以是中空管体，其具有由外壁形成的内管孔。如前所述，通过引导燃料穿过导管的内管孔，原料气被吸入到导管中同时发生湍流混合，以产生离开导管的局部预混合混合物，该局部预混合混合物在燃烧期间形成最少量的碳烟和/或不期望的排放物、或者不形成碳烟和/或不期望的排放物。如上文进一步所述，可以在外壁中形成数个孔，以有助于从燃烧室吸入更多的原料气，从而有助于形成具有改进的燃料-原料气分配比的局部预混合混合物。
在1020处，燃料可以通过燃料喷射器喷射，其中燃料穿过孔口并进入到导管的管孔中。燃料穿过导管导致燃料与被吸入到管孔中的原料气混合，以使混合水平能够形成所需要的、具有改进的燃料-原料气分配比的局部预混合混合物。
在1030处，离开导管的、具有改进的燃料-原料气分配比的局部预混合混合物可以根据内燃机的操作而点火。与由常规内燃机或燃烧装置中所使用的“过浓”的混合物的燃烧形成的更大量的不期望的排放物相比，局部预混合的混合物的点燃导致形成微量的碳烟或不形成碳烟。
图11示出了用于将至少一个导管定位于燃料喷射器处以结合到燃烧室中的方法1100。在1110处，可将至少一个导管定位成接近燃料喷射器的梢端处的开口。在一实施方式中，燃料喷射器可以放置在套筒中以形成组件，使得燃料喷射器的梢端从套筒的第一端部突出。上述至少一个导管可以附接到套筒的第一端部，使得该至少一个导管校准成使得当燃料射流穿过燃料喷射器中的相应开口时燃料射流穿过导管中的管孔。该至少一个导管可以通过任何合适的技术(例如焊接、机械附接等)附接到第一套管体的端部。
在1120处，可将包括燃料喷射器、套筒和至少一个导管的组件放置在气缸盖的开口中，从而使得能够根据需要相对于气缸盖的火焰板表面的平面P-P将燃料喷射器的梢端和该至少一个导管定位成进一步形成燃烧室的一部分。
图12示出了用于将至少一个导管定位于并入燃烧室中的燃料喷射器上的方法1200。在1210处，可将燃料喷射器放置在气缸盖的开口中，从而使得能够根据需要相对于气缸盖的火焰板表面的平面P-P对燃料喷射器的梢端进行定位。气缸盖、结合活塞顶和缸孔的壁、形成燃烧室。
在1220处，可将至少一个导管附接到燃料喷射器的梢端或使至少一个导管接近燃料喷射器的梢端，从而可相对于从燃料喷射器的梢端的每个开口喷射的燃料的关于每个校准的导管的行进方向来定位和/或校准该至少一个导管。
图13示出了用于利用导管来引导燃料喷射器梢端中开口的形成的方法1300。在1310处，导管位于燃料喷射器的梢端处，其中，导管可以被定位成抵接梢端，或者定位成在导管的第一(近端)端部与梢端之间具有间隙G。导管可根据燃料待从燃料喷射器中喷出进入到燃烧室中所沿的方向而校准，例如导管以相对于燃烧室的火焰板表面的平面P-P呈θ°的角度而校准。
在1320处，可以在燃料喷射器的梢端中形成开口。如前所述，导管可用于引导开口的形成。例如，如果开口待通过EDM而形成，则导管的管孔可用于将EDM电极引导到燃料喷射器的梢端上的待形成有开口的点。随后可以根据标准EDM工序形成开口。因此，开口形成在期望的位置处，例如相对于形成导管的管孔的轮廓的圆的中心而置于中央。此外，开口的壁可以例如被校准为平行于中心线以使得沿着导管的管孔喷射的燃料射流能够在该管孔内居中地定位，从而使燃料与从燃烧室吸入的原料气之间的混合最大化。
进行关于测量碳烟炽光的实验，碳烟炽光表示当使用导管来将燃料喷射到燃烧室中时是否实现了LLFC。在实验中，LLFC得以实现，例如不形成碳烟的化学反应在整个燃烧事件中得以持续。利用OH*化学发光来测量火焰的抬举长度(例如燃料喷射器开口(孔口)和自动点火区域之间的轴向距离)。OH*是在发动机内部发生高温化学反应时产生的，并且其最上游位置表示从喷射器到燃料开始燃烧处的轴向距离，例如抬举长度。
表1中示出了实验期间的条件。
表1：燃烧室的工作条件
对表现出高碳烟炽光信号饱和度的基准的自由传播射流(“自由射流”)火焰进行观察，从而表明在导管未放置就位的情况下产生了大量的碳烟。接下来，对用导管输送的射流的燃烧进行研究。对多种导管直径和导管长度进行测试，包括约3mm、约5mm和约7mm的导管内径，以及约7mm、约14mm和约21mm的导管长度。
随后使用与以上针对自由射流所述的相同的成像条件和类似的工作条件进行这种用导管输送的射流实验，其中3mm内径×14mm长的非渐缩的钢导管被定位在喷射器下游约2mm(例如间隙G＝约2mm)处。碳烟炽光信号表现出几乎不饱和，这表明产生了最少的碳烟(如果有的话)。当使用导管后的火焰轴向移动跨过燃烧室时，使用导管后的火焰展开得并不像基准实验中的自由射流火焰那样宽。燃烧火焰绕中心线居中，这是由于由导管引起的混合(如前所述)与进一步地导管的热传递产生的效果相结合而导致的。导管在低于燃烧室中的环境条件(例如950K)的温度下运行，因此，导管使得喷射的燃料能够在比自由射流火焰中将会经历的情况更低的温度环境中(例如在导管的管孔内)行进。
在燃料流经导管期间产生的湍流度通过确定针对导管的管孔内的条件而言的雷诺数(Re)来计算。根据方程式1：
其中ρ是周围介质密度，V是速度，L是导管直径，并且μ是动态黏度。速度V根据方程式2计算：
其中pinj为燃料喷射压力，pamb为环境压力，并且ρf为燃料的密度。将工作条件应用于方程式1和方程式2中，所产生的雷诺数为至少1×104，从而表明在导管内存在湍流状态。
如前所述，例如由于通过喷射的高速度的燃料射流185在导管入口附近创建的局部低压，燃料射流185经导管150的湍流使得燃料射流185与从导管150的外部(例如通过间隙G和/或孔H1-Hn)被吸入的原料气混合。在导管150内产生的湍流混合速率可以被认为是导管内的速度梯度的函数，其将与给定轴向位置处的中心线流体速度除以给定轴向位置处的导管直径大致成比例。
本文提出的多种实施方式可用于多种燃烧装置应用中，其中燃烧装置可以包括压缩点火(CI)往复式发动机、火花点火(SI)往复式发动机、燃气涡轮(GT)发动机、燃烧器和锅炉、井口/精炼厂火炬系统等。
图14示出了将燃料与原料气的混合物点燃的示意图1400。如图14所示，燃料喷射器1410与导管1420沿轴线1415轴向地对准，其中燃料1430与原料气CG混合以形成燃料/原料气混合物1440。导管1420的第一端部(近端端部)1450定位成接近燃料喷射器1410，并且导管1420的第二端部(远端端部)1460远离燃料喷射器1410地定位。随后将燃料/原料气混合物1440从远端端部1460排放到燃烧室中(根据本文给出的多种实施方式)。燃料/原料气混合物在位置1470处进行点火以形成火焰1480，其中位置1470的定位取决于诸如导管所在的燃烧室的构型、燃料类型、所使用的点火技术(例如基于电热塞、火花塞、压缩的点火)等因素，其中位置1470与导管1420的远端端部1460相距距离D12。如前所述，导管1420在燃料1430的射流周围的放置可用于在点火之前提高和优化燃料/氧化剂混合的程度，从而产生更少的排放物、更高的燃烧效率和改进的火焰稳定性。在一方面中，燃料/原料气混合物1440的点火可能发生在比使用导管式燃料喷射技术的特定发动机的运行所需的时刻更晚的时刻。在一示例性实施方式中，延迟点火可能导致发动机中的有害的运行效果，例如与不采用导管式燃料喷射技术的发动机相比而言的增加的噪音。火焰保持器1475可以用作图14中示出的系统的一部分。
如前所述，本文提出的多种实施方式可以用于CI往复式发动机，其中导管(例如导管150、1420)可被定位/校准成使得在点火时实现当量比<2的燃料-原料气混合物，以防止碳烟的形成。此外，对于燃料/原料气混合比<1的导管构型，还可以减少氮氧化物(NOx)的排放物，并且达到使导管(例如导管150、1420)防止燃料射流(例如燃料射流185、1430)的侧面发生过度混合的程度，也可以减少HC和CO排放物。更少的碳烟、HC和CO排放物对应于更高的燃烧效率。如前所述(例如根据图2)，可以在燃烧室内设置一个或多个燃料导管以提高CI发动机性能并减少对昂贵的废气再处理系统的需求。多种实施方式可以应用于由诸如一种或多种液体燃料、一种或多种气体燃料或液体燃料和气体燃料二者提供燃料的所有尺寸等级的CI发动机。
对于SI往复式发动机，在示例性构型中，导管(例如导管150、1420)可以设置成使得直接喷射的燃料射流(例如燃料射流185、1430)首先穿过导管，并且随后在下游处的燃料点火器上方通过，使得正在点火的燃料/原料气混合物的当量比<2，以防止碳烟的形成。如果导管能够构造为使得正在点火的燃料/原料气混合物的当量比<1，则还可以减少NOX排放物，并且达到使导管防止燃料射流的侧面发生过度混合的程度，同样将减少HC和CO排放物。更少的碳烟、HC和CO排放物对应于更高的燃烧效率，并且被动地或主动地调整导管构型以使点火器处产生较窄范围的最佳当量比可以减小燃烧循环的可变性。可以在燃烧室内设置一个或多个导管以提高SI发动机性能并减少对昂贵的废气再处理系统的需求。这种构型可以应用于由诸如一种或多种液体燃料、一种或多种气体燃料或液体燃料和气体燃料二者提供燃料的所有尺寸等级的SI发动机。
对于GT往复式发动机，在示例性构型中，导管(例如导管150、1420)可以设置成使得直接喷射的燃料射流(例如燃料射流185、1430)首先穿过导管，并且随后在下游(例如1475)处的点火器和/或火焰保持器上方通过，使得正在点火的燃料/原料气混合物的当量比<1，以防止碳烟的形成、减少NOx排放物以及防止导致HC和CO排放物的过度混合。更少的碳烟、HC和CO排放物对应于更高的燃烧效率，并且被动地或主动地调整导管构型可以用于增强火焰稳定性。可以在燃烧室内设置一个或多个导管以提高GT发动机性能并减少废气排放物。这种构型可以应用于由诸如一种或多种液体燃料、一种或多种气体燃料或液体燃料和气体燃料二者提供燃料的所有尺寸等级的移动式和固定式GT发动机。
对于燃烧器和/或锅炉的应用，在示例性构型中，导管(例如导管150、1420)可以设置成使得直接喷射的燃料射流(例如燃料射流185、1430)首先穿过导管，并且随后在下游(例如1475)处的点火器和/或火焰保持器上方通过，使得正在点火的燃料/空气混合物具有所需的当量比。被动地或主动地调整导管构型可以用于提高性能和火焰稳定性。窄化学计量范围内的富燃混合物可用于将辐射传热最大化而不产生过量的碳烟排放物，而贫燃混合物可用于消除碳烟的形成、减少NOx排放物，并且达到使导管防止燃料射流的两侧发生过度混合的程度，同样可以减少HC和CO排放物。更少的碳烟、HC和CO排放物对应于更高的燃烧效率。可以在燃烧器系统内设置一个或多个导管以提高性能并减少对昂贵的废气再处理系统的需求。这种构型可以应用于由诸如一种或多种液体燃料、一种或多种气体燃料或液体燃料和气体燃料二者提供燃料的所有尺寸等级的工业燃烧器和锅炉。
导管式点火部件可以形成下述燃烧装置的一部分，该燃烧装置用于构造为使可燃气体和其他材料在气体火炬操作(例如井口气体火炬、精炼厂气体火炬)中燃烧的设备中。对于井口/精炼厂火炬系统应用，在示例性构型中，导管(例如导管150、1420)可以放置成使得直接喷射的火炬气射流(例如燃料射流185、1430)首先穿过导管，并且随后在下游(例如1475)处的点火器和/或火焰保持器上方通过，使得正在点火的燃料/空气混合物的当量比<1，以防止碳烟的形成、减少NOx排放物并且防止导致HC和CO排放物的过度混合。被动地或主动地调整导管构型可以用于增强火焰稳定性。这种构型可以应用于所有尺寸的火炬系统操作。
如本文所述，导管式燃料喷射(DFI)可以有效地增强直接喷射的燃料射流中的点火之前的燃料/原料气预混合的程度。在一实施方式中，可以将催化材料施加到导管的一个或多个表面(例如内表面)上以及/或者可附接到导管和/或定位于导管的上游或下游的另一特征(例如环或杆)上。催化材料可以构造为缩短在导管内和导管下游形成的部分预混合混合物的点火延迟，以减少在初始预混合自动点火事件期间释放的热量，从而降低其中使用导管的CI发动机(或其它燃烧装置)产生的噪音。对于一些应用和/或工作条件，导管的端部(例如在开口158处)附近处的混合物可能需要点火辅助以获得最佳的燃烧系统性能。举例来说，在没有点火辅助的情况下如果给定条件下的循环可变性太大或者如果自动点火延迟过长，则可能发生这种情况。可与DFI相结合以提高性能的可能的点火辅助技术包括催化材料、热表面(例如电热塞)、火花、等离子体(热等离子体或非平衡等离子体)、激光点火等。
在一实施方式中，点火辅助部件可以包括用于催化点火辅助的材料，其中催化点火辅助可以是直接的实施方法，特别是在具有多个导管的情况下更是如此。催化点火辅助可以是促进完整的、被动的解决方案的催化材料，例如催化点火辅助不需要对燃烧系统进行除安装催化部件本身之外的修改。这些非必要的修改可以包括电气系统、电缆布线和/或窗口，并且这些修改被附加到点火辅助装置本身(例如电热塞、火花塞、等离子体发生器或激光器)。包含催化材料的部件可以放置在多个导管的端部附近，而在燃烧系统内应用多个热表面点火辅助装置、火花点火辅助装置、等离子体点火辅助装置或激光点火辅助装置可能本身非常复杂并且/或者昂贵。
在一实施方式中，一层催化材料(催化材料的涂覆层)可以施加于导管的一个或多个表面(例如导管的内径表面)。图15的构型1500示出了示例性的构型，其中该层催化材料1510已施加于导管1520(例如，其类似于导管1420)。在一实施方式中，该层催化材料1510施加于导管1520的下游(远端)端部1525。催化材料1510可以包括以纯净的形式的、或保留在粘合剂或其他基质中的任何合适的材料，例如铂系金属、点火促进材料。催化材料1510可以在制造期间结合到导管1520中，或者其可以在制造之后、例如通过等离子喷涂沉积、作为涂层(washcoat)等施加于导管1520。燃料/原料气混合物1440与催化材料1510的相互作用可以用于缩短燃料/原料气混合物1440的点火延迟，这是由于催化材料1510引起导致燃料/原料气混合物1440的点火比在未使用催化点火辅助的系统中更早发生的化学反应，例如如图15所示，其中借助于催化点火辅助的点火发生在区域1530处(与导管1520的远端端部1525相距距离D13)，随后产生火焰1540，而无催化点火辅助的系统中的点火在位置1470处(与导管1520的远端端部1525相距距离D12)发生(其被延迟)，并且产生火焰1480，如虚线所示。催化涂覆层1510还可以帮助防止在任何已涂覆的部件上和/或已涂覆的部件内形成含碳沉积物，因为催化涂覆层1510可以帮助烧掉这些沉积物。
图16的构型1600示出了使用催化点火辅助的系统的另一实施方式，其中，环状体1610--其上形成有一层催化材料1615--放置成使得环状体1610的径向对称轴线与导管1620的轴线共线，如线1630所示。在一实施方式中，该层催化材料1615的层可以位于内表面(例如内同心表面、形成环状体1610的内环的表面)上，使得当燃料/原料气混合物1440穿过内环时，催化材料1615促进燃料/原料气混合物1440内的反应。如图16所示，环状体1610可以放置在与导管1620的下游端1625相距距离D14处，其中，由于点火通过位于环状体1610上的催化材料层1615而被促进，所以燃料/原料气混合物1440的点火发生在区域1530处，区域1530比无催化点火辅助的系统的点火发生的位置1470更靠近导管1620，如由距离D15和D12的差异所示，D15<D12。环状体1610可以由诸如钢、INCONEL、HASTELLOY等的含金属材料、含陶瓷材料等制成。
图17的构型1700示出了使用催化点火辅助的系统的另一实施方式，其中，一个或多个杆1710a-n--其上形成有一层催化材料--放置在导管1720上，例如杆1710a-n位于导管1720的下游端部(远端端部)1725(从而自该处突出)。杆1710a-n分别通过第一近端端部1712a-n附接到导管1720的下游端部1725，并且每个杆1710a-n的第二远端端部1714a-n远离导管1720的下游端部1725而定位。燃料/原料气混合物1440与杆1710a-n的催化材料的相互作用引起燃料/原料气混合物1440的点火。以与图15和图16中所描绘的点火类似的方式，点火区域1530位于与导管1720的下游端部1725相距距离D16处，其中距离D16小于距发生非催化辅助式的点火的点火区域1470的距离D12。
另一种形式的点火辅助是热表面点火辅助。在一实施方式中，一个或多个热表面点火辅助装置(例如电热塞)可以位于燃烧室(例如燃烧室105)中以促进借助于DFI构型的点火，由此缩短点火延迟并且/或者降低发动机循环运行中发生的燃烧变动的程度等。图18示出了构型1800，其中电热塞1810位于导管1820的下游，例如位于导管1820的下游端部1825处。如图所示，电热塞1810的加热梢端1830位于燃料/原料气混合物1440的流动路径中，使得电热塞1810的主轴线PA与导管1820的轴线1630相交，其中热的电热塞端部1830用作钝头体以稳定火焰1540。以与图15至图17所描绘的点火类似的方式，点火区域1530发生于与导管1820的下游端部1825相距距离D17处，其中距离D17小于距发生非催化辅助式的点火的点火区域1470的距离D12。电热塞1810和相关联的控制电子设备可以为成品CI发动机中用以辅助发动机冷启动的任何类型的电子设备，或者可以进一步结合设计强化以改进DFI应用中的电热塞的性能。
在另一个实施方式中，一个或多个火花塞可以安装在燃烧系统内以促进DFI构型中的点火(例如火花点火辅助)。在该实施方式中，火花塞可以以类似于电热塞1810的方式放置，其中火花塞的火花塞间隙相对于从导管发出的预混合气体的下游流中的导管出口设置为，使得预混合气体穿过火花间隙并且可以通过在火花间隙处发生的一个或多个适当定时的火花放电来点火。火花塞间隙可以位于与图18所示的电热塞1810的加热梢端1830相似的位置处，由此有助于在与导管1820的下游端部1825相距距离D17处点燃燃料/原料气混合物1440，其中D17<D12。火花塞和相关联的控制电子设备可以为成品SI发动机中使用的任何类型的电子设备，或者可以进一步结合设计强化以改进DFI应用中的火花塞的性能。
在另一实施方式中，一个或多个等离子炬可以安装在燃烧系统内以促进DFI构型中的点火(例如等离子体点火辅助)，其中等离子炬的第一端部发射等离子体射流。在该实施方式中，等离子炬可以以类似于电热塞1810的方式放置，其中等离子炬的第一端部相对于在燃料/原料气混合物1440的下游流中的导管1820的下游端部1825定位成，使得燃料/原料气混合物1440穿过等离子体射流并且通过一个或多个适当定时的等离子体射流排放物点燃。等离子炬的第一端部可以位于与电热塞1810的加热梢端1830相同的位置处，由此有助于在与导管1820的下游端部1825相距距离D17处点燃燃料/原料气混合物1440。等离子体射流可以是任何合适的技术，例如热等离子体或非平衡等离子体。
在另一实施方式中，聚焦激光束可以安装在燃烧系统中以促进DFI构型中的点火(例如激光点火辅助)。图19示出了利用聚焦激光束来点燃燃料/原料气混合物的构型1900。激光器1910可以位于窗口1912后面，其中窗口1912位于燃烧室的侧壁115或气缸盖125中。激光器1910可以构造为发射具有足够能量的聚焦脉冲激光束1915(例如会聚的激光束)以在激光器的焦点1918(也称作中段)处产生火花，从而产生能够促进燃料/原料气混合物1440的点火的离子和自由基。如图19所示，脉冲激光束1915将在其位于导管1820的轴线1630附近且位于导管1820的下游端部1825的稍向下游处的中段1918处产生火花。一个或多个激光脉冲1915将相对于燃料喷射事件定时，从而促进点火。激光束1915的焦点1918可以构造成产生在与电热塞1810的加热梢端1830类似的位置处，由此有助于在与导管1820的下游端部1825相距距离D18处点燃燃料/原料气混合物1440。激光束1915可以为任何合适的技术，例如激光二极管、掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器。定时控制部件1950可以用于控制燃料喷射器驱动器1960的操作，并且可以进一步构造为控制激光器1910的操作，使得脉冲激光束1915可以被控制为与燃料喷射器驱动器1960同步操作以根据需要而有助于燃料/原料气混合物1440的点火，例如使点火发生在位置1530处。应当理解，虽然图18中未示出，但是可以利用定时部件来控制燃料流量和点火辅助部件的操作，以有助于借助相应的点火辅助部件(例如电热塞1810、火花塞等)在期望位置处点燃相应的燃料/原料气混合物。
导管1520的催化材料层1510/下游端部1525、环状体1610和位于其上的催化材料、杆1710a-n的相应的远端端部1714a-n、电热塞1810的加热梢端1830、激光束1918的焦点等的各自的位置、例如位置D13、D14、D15、D16、D17和D18、可以构造为有助于实现相应的点火区域1530的所需位置。这些距离通常将落在导管150在其下游端部158处的直径D2的十分之一至五倍的范围内。
图20示出了用于在燃料/原料气混合物已经从位于燃烧室中的导管排出之后点燃燃料/原料气混合物的方法2000。在2010处，点火辅助部件关于导管的排放端部定位，其中该导管位于燃料射流开口附近并且对准燃料射流开口。如前所述，燃料被引导穿过燃料射流开口，并与导管中的原料气混合，于是燃料/原料气混合物从导管的排放端部排出。点火辅助部件可以包括用以有助于从导管的排放端部排出的燃料/原料气混合物的点火的任何合适的装置、材料等，如电热塞、火花塞、配备有用以产生聚焦激光束的光学器件的激光器等。此外，由催化材料形成的部件或者具有位于其上的催化材料层的部件可以关于燃料/原料气混合物自导管的排放来定位，其中通过催化材料而易于实现的燃料/原料气混合物的反应促进燃料/原料气混合物的点火。该部件可以与导管分离(例如包括催化材料的环状体)，或者可以将一层催化材料施加至导管。
在2020处，可以控制点火辅助部件的操作，以在燃料/原料气混合物从导管的排出端部排出时易于实现燃料/原料气混合物的点火。例如，当点火辅助部件是配备有用于产生聚焦激光束的光学器件的激光器时，可以控制激光器使其作为脉冲激光器运行，从而根据下述时序方案发射能量脉冲串，其中，燃料/原料气混合物以该时序方案从导管排出。在另一实施方式中，当点火辅助部件是等离子体炬时，可以控制操作使得等离子体炬顺序地发射与从导管排出的燃料/原料气混合物的时序同步的等离子体脉冲串。在另一实施方式中，当点火辅助部件是电热塞时，可以控制电热塞使得电热塞持续地发热并且在燃料/原料气混合物从导管排出时将其点燃。在另一实施方式中，点火辅助部件可以由催化材料形成，该催化材料有助于燃料/原料气混合物内的反应以促进其点火。如前所述，可以将催化材料结合到导管中(例如作为材料层或通过杆附接到导管上)，或者催化材料可以位于与导管分离地定位的部件上、例如环状体上，其中燃料/原料气混合物从导管排出并穿过环状体的中心孔，并且中心孔具有位于其中的催化材料。
以上已经描述的内容包括一个或多个实施方式的示例。当然，不可能为了描述上述方面而对上述结构或方法的每个可想到的变型和替代方案进行描述，但是本领域普通技术人员可以认识到，各个方面的许多其它的变型和置换是可能的。因此，所描述的方面旨在包括落入所附权利要求的主旨和范围内的所有这样的替代方案、变型和改型。此外，当在详细的说明或权利要求书中使用术语“包括”时，该术语以与术语“包含”类似的方式意指包含性的，如“包含”在权利要求中被用做过渡词时进行解释的那样。

Claims (20)

1.一种燃烧系统，包括：
燃料喷射器，所述燃料喷射器包括第一开口，其中，燃料被喷射穿过所述第一开口进入燃烧室中；以及
由中空管体形成的导管，其中所述导管校准为使得离开所述燃料喷射器的所述第一开口的燃料被喷射穿过所述中空管体并进入所述燃烧室中。
2.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中，所述燃烧系统为压缩点火往复式发动机。
3.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中，所述燃烧系统为火花点火往复式发动机。
4.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中，所述燃烧系统为燃气涡轮发动机。
5.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中，所述燃烧系统被包括在燃烧器设备中。
6.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中，所述燃烧系统被包括在锅炉设备中。
7.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中，所述燃烧系统被包括在构造为使可燃气体在气体火炬操作中燃烧的设备中。
8.一种用于在燃烧室中使燃料与原料气混合的方法，包括：
喷射燃料穿过燃料喷射器中的开口，所述开口位于所述燃烧室中；以及
使所喷射的燃料与所述原料气在导管中混合，其中所述导管包括中空管体并且校准为使得所喷射的燃料行进穿过所述中空管体，所述燃料穿过所述中空管体在所述中空管体内引起燃料/原料气混合物的湍流流动、并且使得存在于所述燃烧室中的原料气被吸入所述中空管体中，由此使所喷射的燃料与所述原料气混合。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述燃烧室形成压缩点火往复式发动机的一部分。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述燃烧室形成火花点火往复式发动机的一部分。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述燃烧室形成燃气涡轮发动机的一部分。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述燃烧室被包括在燃烧器设备中。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，所述燃烧室被包括在锅炉设备中。
14.根据权利要求8所述的方法，其中，所述燃烧室被包括在构造为使可燃气体在气体火炬操作中燃烧的设备中。
15.一种燃料喷射系统，包括：
燃料喷射器，所述燃料喷射器包括第一开口和第二开口，其中第一燃料射流被喷射穿过所述第一开口进入燃烧室中，并且第二燃料射流被喷射穿过所述第二开口进入所述燃烧室中；
第一导管，所述第一导管由第一中空管体形成，其中所述第一导管校准为使得离开所述第一开口的所述第一燃料射流被喷射穿过所述第一中空管体并进入所述燃烧室中；以及
第二导管，所述第二导管由第二中空管体形成，其中所述第二导管校准为使得离开所述第二开口的所述第二燃料射流被喷射穿过所述第二中空管体并进入所述燃烧室中。
16.根据权利要求15所述的燃料喷射系统，其中，所述燃料喷射系统位于压缩点火往复式发动机中。
17.根据权利要求15所述的燃料喷射系统，其中，所述燃料喷射系统位于火花点火往复式发动机中。
18.根据权利要求15所述的燃料喷射系统，其中，所述燃料喷射系统位于燃气涡轮发动机中。
19.根据权利要求15所述的燃料喷射系统，其中，所述燃料喷射系统被包括在燃烧器设备中。
20.根据权利要求15所述的燃料喷射系统，其中，所述燃料喷射系统被包括在构造为使可燃气体在气体火炬操作中燃烧的设备中。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111502881A (zh) * 2018-12-26 2020-08-07 丰田自动车株式会社 内燃机

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017164964A1 (en) * 2016-03-22 2017-09-28 Sandia Corporation Ducted fuel injection with ignition assist

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59120715A (ja) * 1982-12-27 1984-07-12 Hino Motors Ltd バリアブルエジエクタ
US4974559A (en) * 1987-02-19 1990-12-04 Hi-Tech International Laboratory Company, Limited Combustion system and combustion apparatus for internal combustion engine
US5294056A (en) * 1991-09-12 1994-03-15 Robert Bosch Gmbh Fuel-gas mixture injector with a downstream mixing conduit
US20090255998A1 (en) * 2008-04-10 2009-10-15 Sudhakar Das Fuel injection tip
CN103184962A (zh) * 2013-03-04 2013-07-03 同济大学 一种多孔喷油器燃油分离与收集装置及其使用方法

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2497374A (en) * 1944-11-25 1950-02-14 Rouy Auguste Louis Mar Antoine Catalyzing combustion chamber for diesel engines
US3787168A (en) * 1972-08-23 1974-01-22 Trw Inc Burner assembly for providing reduced emission of air pollutant
PL95190B1 (zh) * 1973-11-09 1977-09-30 Politechnika Krakowska
GB1552419A (en) * 1975-08-20 1979-09-12 Plessey Co Ltd Fuel injection system
JPH04109070A (ja) * 1990-08-27 1992-04-10 Shinnenshiyou Syst Kenkyusho:Kk 直接噴射式ディーゼル機関の燃料噴射装置
FR2674317B1 (fr) * 1991-03-20 1993-05-28 Snecma Chambre de combustion de turbomachine comportant un reglage du debit de comburant.
US5388985A (en) * 1992-12-22 1995-02-14 Cedarapids, Inc. Burner assembly with fuel pre-mix and combustion temperature controls
US5498153A (en) * 1994-07-25 1996-03-12 Jones; Wendyle Gas flare
US5573396A (en) * 1994-11-03 1996-11-12 Astec Industries, Inc. Low emissions burner
US6948929B2 (en) * 2000-10-02 2005-09-27 Ebara Corporation Combustion type waste gas treatment system
US6736376B1 (en) * 2002-03-19 2004-05-18 Delisle Gilles L. Anti-detonation fuel delivery system
US7402039B1 (en) * 2003-03-17 2008-07-22 Mcelroy James G High velocity pressure combustion system
US7051956B2 (en) * 2003-03-20 2006-05-30 Sandia Naitonal Laboratories Ejector device for direct injection fuel jet
US8142169B2 (en) * 2009-01-06 2012-03-27 General Electric Company Variable geometry ejector
US8967129B2 (en) * 2011-01-26 2015-03-03 Caterpillar Inc. Ducted combustion chamber for direct injection engines and method

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59120715A (ja) * 1982-12-27 1984-07-12 Hino Motors Ltd バリアブルエジエクタ
US4974559A (en) * 1987-02-19 1990-12-04 Hi-Tech International Laboratory Company, Limited Combustion system and combustion apparatus for internal combustion engine
US5294056A (en) * 1991-09-12 1994-03-15 Robert Bosch Gmbh Fuel-gas mixture injector with a downstream mixing conduit
US20090255998A1 (en) * 2008-04-10 2009-10-15 Sudhakar Das Fuel injection tip
CN103184962A (zh) * 2013-03-04 2013-07-03 同济大学 一种多孔喷油器燃油分离与收集装置及其使用方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111502881A (zh) * 2018-12-26 2020-08-07 丰田自动车株式会社 内燃机
CN111502881B (zh) * 2018-12-26 2022-04-26 丰田自动车株式会社 内燃机

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