CN118159719A - 用于氢气的燃烧方法及燃料喷射系统 - Google Patents

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Abstract

一种在发动机缸体中燃烧氢气以启动扩散燃烧过程的方法，该发动机缸体具有缸体活塞(18)，该缸体活塞借助于曲轴而在下止点(BDC)与上止点(TDC)之间被驱动以执行压缩冲程；该方法包括：在压缩冲程期间将氢气的先导喷射输送到燃烧室(20)中，使得氢气的先导喷射与空气预混合，并且在发动机缸体火花塞(24)附近形成能点燃的空气/氢气混合物；利用火花塞(24)产生火花，以点燃能点燃的空气/氢气混合物，从而生成导致了燃料燃烧和一次气体云(27)的一次燃烧事件；以及将氢气的主喷射直接输送到一次气体的燃烧云中，使得氢气的主喷射在压缩冲程中点燃，以输送二次燃烧事件。

Description

用于氢气的燃烧方法及燃料喷射系统
技术领域
本发明通常涉及一种氢气的燃烧方法以及一种用于将氢气喷射到发动机中以用于燃烧目的的燃料系统。本发明还涉及一种用于喷射氢气的燃料喷射系统。
背景技术
生态转型规定了大幅减少大气中的二氧化碳排放，并且因此，用可再生能源取代碳基化石燃料的压力越来越大。在汽车工业中，替代使用化石燃料的传统内燃机的替代发电方式已出现了。虽然电动电池解决方案作为内燃机技术的可行性替代方案已经获得了相当大的发展势头，但是其确实有局限性，尤其是在考虑重型或越野车辆时，在当前技术水平下，电池的尺寸和重量是不切实际的。
一种替代方案是使用传统的内燃机技术，但是旨在用生态生产的氢气取代现有的碳基化石燃料。广泛的研究已经表明了这种解决方案的可行性，并且已经成功开发了中压氢气喷射系统。一旦缸体入口阀关闭，该中压系统就将氢气喷射到缸体中，并且继续喷射，直到缸体压力达到由喷射压力限定的压力极限。这种压力极限限制了喷射窗口，并且规定了由火花塞启动的“预混合”类型的燃烧策略。因此，该燃烧策略类似于汽油型(奥托循环)直接喷射系统中使用的燃烧策略。
在传统的柴油发动机中，将燃料喷射到燃烧室中由多个阶段构成，以便经由“先导喷射”启动燃烧，而主喷射事件则使“扩散燃烧”过程发展。之前已提出使用双燃料方法，即柴油“先导喷射”优先于中压下的氢气喷射。然而，这仍然会导致二氧化碳排放，并且降低氢气燃烧过程的效益，并且可能去除至关重要的“零排放车辆”分类。
正是在这种背景下，设计了本发明。
发明内容
在这种背景下，本发明提供了一种在发动机缸体中燃烧氢气以启动扩散燃烧过程的方法，该发动机缸体具有缸体活塞，该缸体活塞借助于曲轴而在下止点(BDC)与上止点(TDC)之间被驱动，以执行压缩冲程；所述方法包括：在所述压缩冲程期间，将氢气的先导喷射输送到所述燃烧室中，使得氢气的所述先导喷射与空气预混合，并且在发动机缸体火花塞附近形成能点燃的空气/氢气混合物；用火花塞产生火花，以点燃能点燃的空气/氢气混合物，从而生成一次燃烧事件，该一次燃烧事件导致燃料燃烧和一次气体云；以及将氢气的主喷射直接输送到一次气体的燃烧云中，使得氢气的所述主喷射在所述压缩冲程中点燃，以输送二次扩散燃烧事件。
除了氢气之外，燃烧过程不使用其他燃料(即，该方法涉及一种单燃料喷射系统)。
用于所述先导喷射和所述主喷射的氢气都被加压到超过50巴的水平。通常，用于待喷射的氢气的压力范围在50和300巴之间，这取决于发动机速度/负载要求。在某些情况下，氢气的压力可以高达500巴。
通过在高喷射压力下喷射氢气，所述主喷射在减少泵送和热损失方面提供了效率优势。通过启动由所述火花塞启动的“扩散燃烧”事件，可以实现进一步的效率增长。关键在于将足够数量和均匀性的氢燃料引至火花塞，以允许形成合适的火焰核。
在一些实施方式中，氢气的所述先导喷射可以在空气和氢气的化学计量混合物强度的5％和30％之间，这导致所述燃烧室中的所有空气燃烧。
该方法可以包括：在所述缸体活塞(18)处于TDC之前，以60度和10度之间的曲轴角度(有时，称为曲轴角度)喷射氢气的所述先导喷射。
在一些实施方式中，对于氢气的所述先导喷射和所述主喷射，氢射流的锥角可以小于或等于90度(即射流相对聚焦)。
通常，所述一次燃烧事件的高达90％的燃料燃烧可以发生在10°的曲轴角度范围上。
该方法可以包括：在喷射氢气的所述主喷射所处的曲轴角度之前，以至少10°的曲轴角度产生火花。
该方法可以包括：在所述一次燃烧事件的90％的燃料燃烧已经发生之后，以不大于10°的曲轴角度生成用于所述主喷射的火花。
通常，所述燃烧室可以包括预燃室，该方法包括：在所述预燃室内产生火花，以将所述先导喷射的能点燃空气/氢气混合物点燃。
在一个示例中，所述预燃室可以是被动预燃室，该方法包括：由于燃料从主喷射器到燃烧室中的所述先导喷射而启动燃烧，并且当所述缸体活塞在BDC和TDC之间移动时，将空气压缩在所述预燃室内。
该方法可以包括：依次将由所述预燃室内的氢气的所述先导喷射生成的空气/氢气混合物点燃，然后将所述燃烧室内的氢气的所述主喷射点燃。
在一个示例中，所述预燃室可以是包括第二预燃室喷射器的主动预燃室，该方法包括：用所述第二预燃室喷射器将氢气的所述先导喷射直接喷射到所述预燃室中。
该方法可以包括：在低于50巴的压力下，用所述第二预燃室喷射器喷射氢气的所述先导喷射。
该方法可以包括：在与来自所述第二预燃室喷射器的氢气的所述先导喷射不同的压力范围下从所述主喷射器喷射氢气的所述主喷射。
根据本发明的另一个方面，提供了一种单燃料氢燃料喷射系统，该单燃料氢燃料喷射系统包括：缸体和缸体活塞，该缸体活塞在所述缸体内能够借助曲轴在下止点(BDC)与上止点(TDC)之间运动，以执行压缩冲程；燃烧室，所述燃烧室由所述缸体和缸体活塞限定；燃料喷射器，所述燃料喷射器用于将氢气的先导喷射和氢气的主喷射喷射到所述燃烧室中，氢气的所述先导喷射能够与空气混合，以形成一次能点燃空气/氢气混合物，该混合物导致燃料燃烧和一次气体云；并且氢气的所述主喷射可被喷射到所述一次气体云中，以生成扩散燃烧事件，并且火花塞居中地安装在所述缸体的顶部处，其中，所述火花塞被配置成生成用于点燃所述燃烧室的中心区域内的所述一次能点燃空气/氢气混合物的火花。
所述缸体活塞可以在所述缸体活塞的面向所述缸体顶部的上表面中限定凹入式活塞碗。
所述燃料喷射系统可以包括安装在所述缸体活塞的外周边缘处的二次火花塞。例如，所述二次火花塞可以安装在形成所述燃烧室的一部分的被动预燃室中(该被动预燃室可以位于所述外周边缘处)。
根据本发明的另一个方面，提供了一种单燃料氢燃料喷射系统，该单燃料氢燃料喷射系统包括：缸体和缸体活塞，该缸体活塞在所述缸体内能够借助曲轴在下止点(BDC)与上止点(TDC)之间运动，以执行压缩冲程；燃烧室，所述燃烧室由所述缸体和缸体活塞限定；一次燃料喷射器，该一次燃料喷射器用于将氢气的先导喷射喷射到形成所述燃烧室的一部分的预燃室中，氢气的所述先导喷射可与空气混合以形成能点燃的一次空气/氢气混合物；以及火花塞，该火花塞安装在所述预燃室内，其中，所述火花塞被配置成生成用于将所述预燃室内的所述一次能点燃空气/氢气混合物点燃的火花，这导致燃料燃烧和一次气体云穿过所述预燃室的壁而进入到所述燃烧室中；以及第二喷射器，该第二喷射器用于将氢气的主喷射喷射到所述燃烧室内的一次气体云中。
在上述方面中，通常，所述缸体活塞的表面可以与所述缸体的顶部一起限定位于所述活塞碗径向外侧的挤压区域，并且其中，该表面设置有至少一个凹部，以将氢气的所述先导喷射和主喷射引导到所述活塞碗中。
应将理解，本发明的任何方面的优选和/或可选特征也可以单独地或以适当的组合结合在本发明的任意其他方面中。
附图说明
为了更好地理解本发明，现将仅通过示例的方式参照以下附图，其中：
图1是氢气燃料系统中的燃烧缸体的示意图；
图2是图1中的燃烧缸体的示意图，其中，该燃烧缸体带有喷射器和火花塞布置，以用于启动喷射到缸体中的氢气的燃烧；
图3是用于在图1的燃烧缸体中使用的喷射器的示意图；
图4是用于在图1和图2中的燃烧缸体中燃烧氢气的方法的时间线示意图；和
图5至图7是图2中的燃烧室的示意图，但与图2中所示的喷射器和火花塞布置不同。
具体实施方式
本发明涉及一种用于将氢气输送到发动机缸体的单燃料氢燃料系统。本发明解决了中压氢燃料喷射系统的低热效率问题，因为其能够将更高压的氢气喷射到燃烧室中。这在本发明中通过使用喷射和点火策略来实现氢气的“扩散型”燃烧而得以进一步增强。
参照图1，如传统的内燃机装置中所示，燃烧缸体10位于缸体盖(未示出)内，并且包括至少一个进气阀12和至少一个排气阀14(示出每种中的一者)。喷射器16居中地位于缸体10的顶部上，在进气阀12与排气阀14之间，并且被布置成接收来自氢气源(未示出)的加压氢气供应。在发动机控制单元(ECU)的控制下，喷射器16被布置成根据喷射时间表而将氢气喷射到发动机缸体10中，该喷射时间表将在下面进一步详细描述。喷射器具有纵向中心轴线A-A。
缸体活塞(图1中未示出)可借助包括轴驱动凸轮的凸轮驱动装置(未示出)并通过在下止点(BDC)位置与上止点(TDC)位置之间的活塞循环在发动机缸体10内运动。缸体活塞在活塞循环内的位置是指参照相对于在0°CA处出现的TDC的曲轴角度(CA)。在活塞循环中提及缸体活塞的位置时，应使用的惯例是，当提及BDC与TDC之间的曲轴角度(CA)时使用减号(-)，而当提及BDC与TDC之间曲轴角度(CA)时使用加号(+)。例如，提到-10°CA应指TDC之前10°的凸轮角度，而提到+10°CA应指TDC之后10°的曲轴角度。
图2示出了缸体活塞18在缸体内的位置。缸体活塞18具有与喷射器轴线A-A理想对准的纵向轴线B-B。缸体活塞18的上端与缸体的壁及顶部一起限定燃烧空间20，而喷射器16将喷射的氢气喷雾或射流22输送到该燃烧空间20中。与喷射器16相邻，火花塞24位于缸体顶部的大致中心位置，并且被布置成产生火花，以点燃燃烧空间20内的所喷射的氢气射流22。缸体活塞18的上端成形为包括供将氢气喷射到其中的碗24。碗26在图2中示出，其是一种常见于柴油发动机的凹入式碗。凹入式碗26包括朝向活塞的中心轴线B-B向内倾斜的侧面。在柴油发动机中，活塞碗26的凹入式特性用于优化空气-燃料混合以及随后的燃烧。在本发明中，凹入式碗可能是优选的，但是由于与柴油燃料射流相比，氢气射流的穿透能力降低，因此可以使用其他活塞碗的几何形状。
缸体被配置成用于涡流空气充气运动，并且压缩比通常(尽管不是唯一的)在16:1和22:1之间。压缩比被限定为缸体活塞的扫掠体积与燃烧室在其最小体积(TDC)之间的比率。
图3中更详细地示出了喷射器16。喷射器16包括喷射嘴30，该喷射嘴可通过电磁致动器(未示出)操作，以在关闭的非喷射状态与打开的喷射状态之间运动。喷射器16具有以相对高的喷射压力将氢气输送到燃烧缸体的能力。
喷射嘴34包括向内开口的阀针36，该阀针可在设置在喷射嘴主体40中的孔38内移动。喷射嘴主体40限定阀座42，并且当阀针36在致动器的力的作用下在孔38内向内移动并且远离阀座42时，输送到喷射器16的氢气能够流过阀座42，以输送到燃烧空间20。
喷射嘴34在喷嘴主体的末端区域中设置有多个开口46(示出了其中的四个)。各种孔配置可以以相同或不同的角度来输送喷射的喷雾，并且通向各种孔的入口可以被设置在相对于纵向轴线A-A的相同或不同的垂直平面上。通常，喷嘴34可以设置有2至8个用于喷射氢气喷雾的孔。
在使用中，当阀针36通电时，其在致动器的影响下在喷嘴孔38内向内移动。致动器被用于操作伺服阀，该伺服阀控制作用在阀针36上的力，从而控制阀针的运动。当阀针36移动时，阀座42被打开，并且被输送到喷射嘴30的氢气能够流过阀座42并且进入到燃烧空间20中。这是喷射器16的喷射或打开状态。如果致动器断电，则阀针36在弹簧32的力的作用下返回，以坐靠阀座42，使得氢气的输送停止。这是喷射器16的非喷射或关闭状态。
在其他实施方式中，喷射器可以是直接作用的喷射器。致动的其他形式也是已知的，其包括压电致动器。
一旦将氢气喷射到燃烧空间20中，将氢气可靠地点燃成扩散火焰所需的要素是：(i)由喷射嘴(图2中标识为22)产生的射流形状；(ii)供将氢气喷射到其中的燃烧室20的形状；(iii)燃烧室20内的充气运动；(iv)喷射正时；以及(v)所喷射的氢气量。在本发明中，燃烧方法意味着“预混合”燃烧氢火焰与“扩散”火焰相结合，并且其中，两种燃烧类型根据发动机转速/负载条件无缝连续地融合。
在扩散燃烧过程中，燃料和用于燃料(空气)的氧化剂通过分子和湍流扩散而在燃烧空间20的反应区中聚集在一起。在本发明中，扩散火焰是由气体燃料射流(例如，氢气)和静止或流动的空气流在反应区中聚集在一起引起的。为了实现扩散火焰(扩散燃烧)，气体燃料必须在相对较高的压力下喷射。相反，在预混合燃烧过程中，气体燃料和空气在传递火花(火焰)以点燃混合物之前被混合在一起。在本发明中，喷射方法涉及：首先，喷射一次(引燃)量的气体燃料，并且在用火花塞点燃预混合物之前形成气体燃料和空气的预混合物，然后，将二次(主)喷射喷射到来自预混合燃烧的燃烧气体云中，随后该预混合燃烧快速燃烧，从而以扩散型方式开始燃烧。
为了达到所需的燃烧效果，氢气的喷射顺序如下：
(i)当缸体活塞18从BDC移动到TDC时，在压缩冲程期间输送一次量的氢气(这被称为先导喷射)；
(ii)先导喷射与燃烧空间20的中心区域27中的空气预混合，并且在位于燃烧空间20的中心区域27中的火花塞24附近形成能点燃的混合物；
(iii)用来自火花塞24的火花点燃预混合的空气/燃料组合；
(iv)预混合的空气/燃料组合燃烧，以产生气体的燃烧云(如图3中的项目28所示)；
(v)将二次或主要量的氢气直接喷射到该燃烧的气体云28中，使得二次喷射非常快速且可靠地点燃(这被称为主要喷射)；和
(vi)因此，燃烧事件的剩余部分以“扩散”方式进行控制。
重要的是平衡先导喷射中的燃料量，以便避免这种燃料的任何自燃风险，但另一方面，确保喷射了足够的燃料，从而可靠地点燃主扩散喷射事件。氢气在先导喷射中的量通常为燃烧室中所有空气的化学计量混合物强度的5％至30％(优选地为5％至20％，更优选地为5％至15％)。化学计量混合物是在没有多余空气的情况下燃烧所有燃料时空气与能点燃燃料的理想比例。因此，如果化学计量混合物是15份空气与1份燃料的质量比，则氢气的先导喷射通常在1份燃料中的5％与30％之间。
先导喷射相对于主喷射的正时也很重要。引燃燃料的任何喷射正时都必须足够早，以确保有足够的时间在火花塞24的火花事件附近及其正时的时刻形成能点燃的混合物，该火花事件被输送到燃烧空间20的中心区域27。如果先导喷射的正时太早，则这可能导致过度混合。在过度混合的情况下，氢气可能过于稀薄而无法有效燃烧。如果先导喷射的正时太早，那么异常燃烧的风险也会增加。
用于先导喷射和主喷射事件的时间表的示例在图4中示出。通常，氢气的先导喷射在-60°和-10°CA之间、更优选在-50°和-25°CA之间输送。然后在约-25°CA和-10°CA之间出现混合窗口(空气与燃料的先导喷射的混合)。火花塞事件发生在-10°CA左右，这导致了持续到TDC左右(在0°CA)的预混合火焰。当缸体活塞18在TDC与BDC之间运动时，氢气的主喷射随后在大约TDC与30°CA之间输送。例如，通常，将选择主喷射正时事件，以实现+10°CA左右的燃烧中心，并且遵守最大缸体压力限制。
选择来自火花塞24的火花事件正时，使得引燃燃料在主喷射事件开始时被大部分燃烧(通常为80％至90％)。例如，如果引燃燃料总燃烧量的90％(通常称为质量分数燃烧量(MFB)的90％)的引燃燃烧持续时间发生在10°CA的窗口上，则火花必须在主喷射开始之前至少10°CA发生，但在引燃燃料已达到引燃燃料燃烧量的90％之后不超过10°CA。引燃燃料的燃烧持续时间预计在5°CA至20°CA的窗口内，并且优选地在5°CA至10°CA的窗口内。需要注意，如果扩散燃烧事件发生得太快，这将导致燃烧噪声。
主喷射事件控制扩散火焰。燃料的主喷射量可以从轻负载时的零(仅先导喷射可能是足够的)变化到高负载条件下大于总喷射燃料量的80％。主氢气喷射构成了引入到燃烧室中的大部分能量。为了达到典型的发动机功率目标，用于主喷射事件的喷射喷雾22的形状需要导致快速且有效的空气-燃料混合。
燃烧方法的另一个方面是挤压的效果。当空气/燃料混合物被截留在发动机缸体10的顶部与缸体活塞18的外部区域之间(称为挤压区域)时，挤压发生在活塞碗26的上表面的区域中。对于本文所述的涡流应用，可能需要一些活塞引起的挤压，以增强用于先导喷射的空气/燃料混合。
与使用凹入式活塞碗相反，缸体活塞18的其他配置也是可能的，其包括凹入式屋顶/翻滚式配置。上述燃烧参数(例如，引燃量和主喷射量以及相对正时)可以针对其他活塞配置而得以保持，其中，空气/燃料混合在燃烧室的凹入顶部内与缸体活塞上的平坦上表面结合进行。
先导喷射的混合目标旨在不使空气和气体燃料过度混合。由于先导喷射是在活塞循环的早期形成的(其中，缸体压力相对较低)，因此，这通常会导致高穿透性和高充气均匀性。通常，在先导喷射中仅喷射了喷射的氢气总量的约10％，因此，如果在整个燃烧室中平滑地且均匀地混合氢气，则存在氢气过稀、具有非常低的火焰温度的风险。在这种情况下，先导喷射不会燃烧。相反，有必要对混合物进行分层，使得大部分氢气的先导喷射被喷射在燃烧室20内的一个一般位置(理想地位于中心位置)。然后，用于先导喷射的该中心位置可以可靠地燃烧，并且将可靠地将主喷射事件点燃成扩散火焰。
然而，如图4中所示，可以通过多次小型“引燃”喷射来缓解过度混合的潜在问题。多次先导喷射对针座42处的氢气的流动具有节流作用，从而降低喷射的有效压力，并且因此减少引燃氢射流的穿透。
另一种选择是旨在选择相对较窄(例如小于90°)的射流锥角，因为这将允许氢气的先导射流到达并进入活塞碗，即使在活塞不是很接近TDC位置时。喷射的氢气在压缩冲程中保持在碗中，但所随着活塞继续移动，将移动到碗26的底部，因此在这种情况下，火花必须充分延伸到碗26的底部中，以达到能点燃的混合物。
替代地，喷射器16可以在火花塞24的稍上游、在空气进气阀和火花塞24之间输送氢气射流。非常晚的喷射(例如，在点火之前10°CA至20°CA之间)相结合，可以使点燃稳定。
再次参照图3，可以看出，喷射器16与安装在中心的火花塞24一起居中地安装。这是用于喷射器16和火花塞24的最佳布置。然而，在一些发动机实施方式中，只有有限的空间可用于容纳喷射器16和火花塞24中的一者，该空间靠近缸体的中心，在缸体轴线B-B上或非常靠近缸体轴线B-B。对于预混合燃烧过程，火花塞优先位于中心位置，但对于扩散燃烧过程，喷射器必须优先，在这两种情况下都要将火焰的位置集中在燃烧室内。然而，理想情况下，火花塞24位于靠近喷射器16的位置，如图3中所示，两者都位于缸体活塞18上的碗26的边界之上及边界内，并且理想情况下居中安装在轴线B-B邻近区域内。
火花塞24的其它布置也是可能的。例如，如果火花塞24由于封装限制而不能安装在活塞碗26的直接邻近区域中，则可以仅使用外围安装的火花塞24a。
如果仅使用火花塞24a的外围安装构造，则用于先导喷射事件的氢气必须被引导到由火花塞24b输送的火花事件的区域中，而不是将氢气集中地引导到燃烧空间20的中心区域27中。这可以通过在火花塞24a的方向上的特定射流22来实现，或者通过调节的喷雾锥角(取决于火花塞24a在周边安装的范围)或者通过调节喷射器16的喷嘴孔布置来重定向射流。然而，射流会受到任何活塞引起的挤压的影响，特别是当缸体活塞18接近TDC时，喷射非常晚的情况下。另一方面，如果提前喷射，那么氢气很可能会消散，火花区中的可燃混合物也不太可能出现。这种情况可以通过增加先导喷射中喷射的燃料来克服，以确保点火和足够量的高温气体都保持在活塞碗26中用于随后的主扩散喷射事件。
如图6中所示，另一种选择是将火花塞24b安装在预燃室50中、位于缸体10上方。被动预燃室50是穿孔室(在主燃烧室间隙容积的0.5％和2％之间)，其中燃烧由于来自主喷射器16的燃料的先导喷射而开始，并且当缸体活塞18在活塞循环中从BDC运动到TDC时，空气在预燃室50中被压缩。进入预燃室50的火花点燃预燃室50中的压缩空气/燃料混合物，并且当燃烧的燃料和空气膨胀时，预燃室壁的壁中的一个或多个孔(总体表示为54)将燃烧的气体引导到主燃烧空间20中，其然后点燃来自主喷射的喷射燃料，以产生发动机的动力冲程。因此，预燃室50中的火花被配置为依次点燃预燃室50内的初始空气/氢气混合物，然后点燃燃烧室20内的主要能点燃空气/氢气的混合物。
选择预燃室50中的适当孔几何形状，允许将火焰从火花塞和预燃室的周边位置引导到活塞碗26中的更优化的位置，在那里，其可以最容易地点燃主扩散喷射事件。
参照图7，在其他实施方式中，可以使用主动预燃室(与被动预燃室50具有相同的位置)，其中第二喷射器56(预燃室喷射器)被布置为将非常少量的氢气直接喷射到预燃室50中。当氢气在预燃室50中的先导喷射与压缩下的空气混合时，空气/燃料混合物燃烧，产生的火焰射流穿过预燃室壁中的孔并且进入到主燃烧空间20中，以在主喷射由喷射器16输送时点燃主喷射。第二喷射器56不必支持扩散燃烧过程，因此不限于在与主喷射器16相同的氢气压力范围下工作。第二喷射器56也可以在低于50巴并且优选地在30和50巴之间的压力下操作。
在主动预燃室实施方式中，预燃室50中的第二喷射器56既可以供应燃烧预燃室中的燃料所需的氢气，又也可以供应部分或全部的比例(通常为化学计量燃料量的5％至15％)，以在主燃烧室中形成引燃混合物。使用预燃室50形成这种预混云的优点在于，预燃室孔的几何形状的选择可以与主喷射器16的喷嘴几何形状分开。因此，可以优化预燃室孔的几何形状，以形成具有适当分层水平的预混云，而不会影响主扩散火焰燃烧特性。
在替代配置(未示出)中，缸体活塞18在其上表面中的挤压区域中设置有至少一个凹坑或凹部，这有助于将氢气重新引导到火花区域中，并且还将火焰从火花重新引导到活塞碗26中。其还允许在压缩冲程后期从喷射器向火花塞喷射。
在附图中，相似的部件用相似的参照数字表示，即使它们没有参照特定附图进行明确描述。
应当理解，在不脱离所附权利要求的范围的情况下设想了本发明的进一步实施方式。

Claims (19)

1.一种启动燃烧室(20)中的氢气的扩散燃烧过程的方法，发动机缸体具有缸体活塞(18)，所述缸体活塞在下止点(BDC)与上止点(TDC)之间由曲轴驱动以执行压缩冲程；该方法包括：
-在所述压缩冲程的第一阶段期间，将氢气的先导喷射输送到所述燃烧室中，使得氢气的所述先导喷射与空气预混合，并且在发动机缸体火花塞(24、24a)附近形成能点燃的空气/氢气混合物；
-利用所述发动机缸体火花塞(24、24a)产生火花，以点燃所述能点燃的空气/氢气混合物，从而生成预混合的一次燃烧事件，所述一次燃烧事件导致燃料燃烧以及由此产生的一次气体云(27)；和
-在所述压缩冲程的第二阶段，将氢气的主喷射(22)直接输送到所产生的一次气体云(27)中，使得氢气的所述主喷射在所述压缩冲程中点燃，以输送二次燃烧事件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，氢气的所述先导喷射是空气和氢气的化学计量混合物强度的5％到30％之间，该化学计量混合物强度导致所述燃烧室中的所有空气燃烧。
3.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法包括：在所述缸体活塞(18)处于TDC之前，在60度至10度之间的曲轴角度下喷射氢气的所述先导喷射。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，对于氢气的所述先导喷射和所述主喷射，所述氢气射流的锥角小于或等于90度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述一次燃烧事件的高达90％的燃料燃烧发生在10°的曲轴角度范围内。
6.根据权利要求5所述的方法，所述方法包括：在喷射氢气的所述主喷射时的曲轴角度之前，以至少10°的曲轴角度产生火花。
7.根据权利要求5或6所述的方法，所述方法包括：在所述一次燃烧事件的90％的燃料燃烧已经发生之后，在不大于10°的曲轴角度下产生用于所述主喷射的火花。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述燃烧室包括预燃室(50)，所述方法包括：在所述预燃室(50)内产生火花，以点燃所述先导喷射的能点燃的空气/氢气混合物。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述预燃室(50)是被动预燃室(50)，所述方法包括：由于燃料的从主喷射器(16)到所述燃烧室(20)中的所述先导喷射而启动燃烧，并且当所述缸体活塞(18)在BDC与TDC之间运动时，将空气在所述预燃室内压缩。
10.根据权利要求9所述的方法，所述方法包括：依次地，点燃所述预燃室(50)内的由氢气的所述先导喷射产生的所述空气/氢气混合物，然后，点燃所述燃烧室(20)内的氢气的所述主喷射。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述预燃室(50)是包括第二预燃室喷射器(56)的主动预燃室，所述方法包括：利用所述第二预燃室喷射器(56)将氢气的所述先导喷射直接喷射到所述预燃室(50)中。
12.根据权利要求11所述的方法，所述方法包括：利用所述第二预燃室喷射器(56)以低于50巴的压力来喷射氢气的所述先导喷射。
13.根据权利要求11或12所述的方法，所述方法包括：在与来自所述第二预燃室喷射器(56)的氢气的所述先导喷射不同的压力范围下，从所述主喷射器(16)喷射氢气的所述主喷射。
14.一种单燃料氢燃料喷射系统，所述单燃料氢燃料喷射系统包括：
-缸体和缸体活塞(18)，所述缸体活塞能够借助于曲轴在所述缸体内在下止点(BDC)和上止点(TDC)之间运动，以执行压缩冲程；
-燃烧室，所述燃烧室由所述缸体和缸体活塞限定；
-燃料喷射器，所述燃料喷射器用于将氢气的先导喷射和氢气的主喷射喷射到所述燃烧室中，氢气的所述先导喷射能与空气混合，以形成一次能点燃的空气/氢气混合物，该混合物导致燃料燃烧和一次气体云；并且氢气的所述主喷射能被喷射到所述一次气体云中，以生成扩散燃烧事件，并且火花塞居中地安装在所述缸体的顶部处，其中，所述火花塞被配置成产生火花，用于点燃所述燃烧室的中心区域内的所述一次能点燃空气/氢气混合物。
15.根据权利要求14所述的单燃料氢燃料喷射系统，其中，在所述缸体活塞的面向所述缸体的顶部的上表面中，所述缸体活塞限定了凹入式活塞碗。
16.根据权利要求14或15所述的单燃料氢燃料喷射系统，所述单燃料氢燃料喷射系统包括安装在所述缸体活塞的外周边缘处的二次火花塞(24a)。
17.根据权利要求15或16所述的单燃料氢燃料喷射系统，所述单燃料氢燃料喷射系统包括安装在形成了所述燃烧室的一部分的被动预燃室(50)中的二次火花塞(24b)。
18.一种单燃料氢燃料喷射系统，所述单燃料氢燃料喷射系统包括：
-缸体和缸体活塞(18)，所述缸体活塞能够借助于曲轴在所述缸体内在下止点(BDC)与上止点(TDC)之间运动，以执行压缩冲程；
-燃烧室(20)，所述燃烧室由所述缸体和缸体活塞(18)限定；
-一次燃料喷射器(56)，所述一次燃料喷射器用于将氢气的先导喷射喷射到形成所述燃烧室(20)的一部分的预燃室(50)中，氢气的所述先导喷射能与空气混合，以形成一次能点燃空气/氢气混合物；和
-火花塞(24b)，所述火花塞安装在所述预燃室(50)内，其中，所述火花塞被配置成产生火花，用于点燃所述预燃室(50)内的所述一次能点燃空气/氢气混合物，这导致燃料燃烧和一次气体云穿过所述预燃室(50)的壁而进入到所述燃烧室(20)中；
-以及第二喷射器(16)，所述第二喷射器用于将氢气的主喷射喷射到所述燃烧室(20)内的所述一次气体云中。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的单燃料氢燃料喷射系统，其中，所述缸体活塞(18)的表面与所述缸体的顶部一起限定了位于所述活塞碗径向外侧的挤压区域，并且其中，所述表面设置有至少一个凹部，以将氢气的所述先导喷射和所述主喷射引导到所述活塞碗中。
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