用于将引燃燃料喷射到内燃发动机中的装置及方法与流程

本技术涉及用于将引燃燃料喷射到内燃发动机中的装置及方法，并且更具体地，涉及用于喷射引燃燃料以点燃气体燃料的装置及方法。

背景技术：

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2、以下对本发明的背景的讨论仅旨在有助于对本发明的理解。应当理解，这种讨论不是承认或认可所提及的任何材料在本发明的优先权日在任何管辖范围内是公开的、已知的或者是本领域技术人员的公知常识的一部分。

3、高压气体燃料直接喷射gfdi是将气体燃料引入内燃发动机的燃烧室中的技术。在该技术中，气体燃料在接近压缩冲程的后半部分被直接地喷射到燃烧室中。因此，气体燃料的喷射压力需要大于喷射时燃烧室中的压力(也称为缸内压力)。在gfdi发动机中的喷射压力通常是120bar或更高。在gfdi发动机中采用的示例性气体燃料，诸如甲烷或天然气，与柴油燃料相比具有相对更低的十六烷值，并且示例性气体燃料在传统内燃发动机中的压缩冲程的后半部分中普遍存在的压力和温度环境中不能自动点燃。因此，可以采用诸如柴油燃料的引燃燃料作为点燃源来点燃气体燃料。引燃燃料可以在压缩冲程的后期被喷射到压力和温度环境中，这使得引燃燃料自动点燃并燃烧，从而由此建立了适合于点燃气体燃料的另一压力和温度环境。气体燃料可以在引燃燃料之前和/或之后喷射。在本文中使用的术语“和/或”的意思是“一个或另一个或两个都”。

4、柴油燃料替代系数是表示在将柴油发动机与引燃点燃的气体燃料内燃发动机进行比较时被气体燃料替代的柴油燃料的量按能量含量表示的参数。在气体燃料为天然气的情况下，通常gfdi内燃发动机的柴油燃料替代系数约为95％。天然气主要是甲烷，其中在标准温度和标准压力下，以单位体积计，甲烷占70％或更多。然而，不同类型的气体燃料具有不同的特性，并且惯用的柴油燃料替代系数可能不适用于各种气体燃料。

5、现有技术缺乏用于将引燃燃料喷射到内燃发动机中的技术，并且更具体地，缺乏用于喷射引燃燃料以点燃气体燃料的技术。本装置及方法提供了用于将引燃燃料喷射到内燃发动机中的技术。

技术实现思路

1、用于将引燃燃料喷射到内燃发动机中的改进装置及方法，包括各种稳态技术、瞬态技术和其他技术，以减少引燃燃料的喷射量和/或引燃燃料的碳含量。稳态技术包括：减少引燃孔的数量；减小引燃孔的直径；增加引燃孔的长度；减小通过引燃喷射阀的流动面积，例如通过减小引燃喷射阀中的引燃针状件的冲程长度或者阀座的阀座直径；增加引燃孔的内表面的粗糙度；采用向内渐缩(向外渐扩)的引燃孔；以及采用与圆形形状相比降低了引燃孔的排出的系数的横截面形状。瞬态技术包括：降低引燃燃料压力；改善引燃致动机构的瞬态响应；以及在喷射期间采用引燃针状件的部分提升以减小通过引燃喷射阀的流动面积。其他技术包括：采用孔口或匹配配合件，以允许期望流率的引燃燃料进入气体燃料增压室中，使得气体燃料/引燃燃料混合物形成，并且该气体燃料/引燃燃料混合物可以被喷射通过单个喷射阀；通过使用除了柴油以外的具有更低的碳含量的引燃燃料，或者通过将引燃燃料(例如，柴油燃料)与诸如惰性流体或氨气之类的非碳流体混合，来降低引燃燃料的碳含量；使用单独的且不同的燃料喷射器来喷射引燃燃料和气体燃料；采用级联喷射策略；以及根据不同的发动机速度和发动机负载条件采用上面技术的各种组合，使得发动机例如在50％的满负载下维持了良好的气体燃料的点燃稳定性。

2、一个总体方面包括操作气体燃料直接喷射式柴油循环内燃发动机的方法，该方法将一定量的气体燃料直接地引入发动机的燃烧室中，其中，气体燃料在标准温度和标准压力下可以包括按体积计至少60％的氢气；将一定量的引燃燃料直接地引入发动机的燃烧室中，使得对于至少一种发动机操作条件，该一定量的引燃燃料相对于引入的总燃料的引燃能量比小于3％；以及点燃引燃燃料，其中引燃燃料的燃烧触发气体燃料的点燃。

3、方法可以包括以下特征中一个或多个。在方法中，对于至少一种发动机操作条件，气体燃料以能量计(on?an?energy?basis)是引入的总燃料的至少97％。方法可以包括对于至少一种发动机操作条件，在将引燃燃料引入燃烧室中时，维持引燃燃料轨道压力与缸内压力的比为至少2.0:1。对于至少一种发动机操作条件，该一定量的引燃燃料相对于引入的总燃料的引燃能量比是2.09％或更小。对于至少一种发动机操作条件，该一定量的引燃燃料相对于引入的总燃料的引燃能量比是1.04％或更小。对于至少一种发动机操作条件，该一定量的引燃燃料相对于引入的总燃料的引燃能量比是0.26％至2.09％之间，并且更优选地，对于至少一种发动机操作条件，该一定量的引燃燃料相对于引入的总燃料的引燃能量比是总燃料的0.26％至1.04％之间。发动机为满负载操作条件到低负载操作条件维持了良好的气体燃料的点燃稳定性，其中用于比较的示例性操作点是在满负载的50％的中间负载点处。在发动机操作图上，引燃燃料以能量计平均在由发动机消耗的燃料的0.26％至3％之间，并且更优选地，引燃燃料以能量计平均在由发动机消耗的燃料的0.26％至2.09％之间。气体燃料在标准温度和标准压力下可以包括按体积计大于60％的氢气。气体燃料在标准温度和标准压力下可以包括按体积计60％至100％之间的氢气。气体燃料在标准温度和标准压力下可以包括按体积计70％至100％之间的氢气。气体燃料在标准温度和标准压力下可以包括按体积计80％至100％之间的氢气。气体燃料在标准温度和标准压力下可以包括按体积计90％至100％之间的氢气。气体燃料在标准温度和标准压力下可以按体积计基本上包括氢气。任何前述示例的方法可以包括在压缩冲程期间喷射所有燃料；和/或通过在压缩冲程期间在缸内压力小于峰值缸内压力时较早地喷射引燃燃料来以提前的喷射正时喷射引燃燃料。任何前述示例的方法还可以包括在开始喷射气体燃料之前约1毫秒，将引燃燃料直接喷射到燃烧室中。

4、另一总体方面包括用于将引燃燃料喷射到内燃发动机的燃烧室中的装置，该内燃发动机在燃烧室中燃烧引燃燃料和主气体燃料。装置包括燃料喷射器，该燃料喷射器包括引燃喷射阀，该引燃喷射阀具有引燃针状件和引燃阀座；并且该燃料喷射器具有多个引燃孔，该多个引燃孔用于将引燃燃料从引燃喷射阀流体地连通到燃烧室，使得喷射的引燃燃料的量以能量计小于总燃料量的2.09％，以便在发动机循环期间稳定点燃喷射的主气体燃料，该总燃料量限定为引燃燃料的量和主气体燃料的量的和。喷射的引燃燃料的量以能量计可以在总燃料量的0.26％至2.09％的范围内，并且在其他示例中，喷射的引燃燃料的量以能量计可以在总燃料量的0.26％至1.04％的范围内。

5、另一总体方面包括用于将引燃燃料喷射到内燃发动机的燃烧室中的方法。方法还包括将一定量的主气体燃料引入发动机的燃烧室中。方法还包括将一定量的引燃燃料直接地引入发动机的燃烧室中，该引燃燃料比主气体燃料更容易点燃。方法还包括点燃引燃燃料，其中引燃燃料的燃烧触发气体燃料的点燃。方法还包括其中引燃燃料的量为总燃料量的2.09％或更小，总燃料量是以能量计每个发动机循环喷射的引燃燃料的量和主气体燃料的量的和。附加的示例性方法可以包括以下特征中的一个或多个。在方法中，引燃燃料的量在总燃料量的0.26％至2.09％的范围内。引燃燃料的量在总燃料量的0.26％至1.04％的范围内。主气体燃料在标准温度和标准压力下可以包括按体积计大于60％的氢气；并且在一些示例中，优选地，主气体燃料在标准温度和标准压力下可以包括按体积计大于70％的氢气；并且在其他示例中，更优选地，主气体燃料在标准温度和标准压力下可以包括按体积计大于80％的氢气。在又其他示例中，主气体燃料在标准温度和标准压力下可以包括按体积计大于90％的氢气。方法可以包括在压缩冲程期间喷射所有燃料。方法可以包括：设置数量少于另一燃料喷射器中的引燃孔的数量的引燃孔；该另一燃料喷射器包括第二引燃喷射阀和多个第二引燃孔，该第二引燃喷射阀具有第二引燃针状件和第二引燃阀座，多个第二引燃孔用于将引燃燃料从第二引燃喷射阀流体地连通到燃烧室中；并且另一燃料喷射器当在50％的满负载下测量时喷射与以能量计大于3％的引燃能量比相关联的引燃量以维持气体燃料的良好的点燃稳定性。方法可以包括设置多个引燃孔，该多个引燃孔各自的直径小于另一燃料喷射器中的引燃孔的直径，该另一燃料喷射器当在50％的满负载下测量时喷射与以能量计大于3％的引燃能量比相关联的引燃量以维持气体燃料的良好的点燃稳定性。方法可以包括将引燃冲程长度设置成小于另一燃料喷射器中的第二引燃喷射阀的引燃冲程长度，其中，另一燃料喷射器当在50％的满负载下测量时喷射与以能量计大于3％的引燃能量比相关联的引燃量以维持气体燃料的良好的点燃稳定性。方法可以包括设置引燃阀座直径，该引燃阀座直径定大小为小于另一燃料喷射器中第二引燃喷射阀的第二引燃阀座直径，该另一燃料喷射器当在50％的满负载下测量时喷射与以能量计大于3％的引燃能量比相关联的引燃量以维持气体燃料的良好的点燃稳定性。方法可以包括将多个引燃孔的内表面的粗糙度设置成大于另一燃料喷射器中的第二引燃喷射阀的多个第二引燃孔的内表面的粗糙度，该另一燃料喷射器当在50％的满负载下测量时喷射与以能量计大于3％的引燃能量比相关联的引燃量以维持气体燃料的良好的点燃稳定性。方法可以包括将燃料喷射器的多个引燃孔中的每一个设置成具有向内渐缩的轮廓。方法可以包括将多个引燃孔中的每一个设置成其横截面轮廓具有与另一燃料喷射器中的多个第二引燃孔的第二横截面轮廓的排出系数相比降低的排出系数。方法可以包括在发动机负载和发动机速度条件下，以与在相同的发动机负载和发动机速度条件下采用另一燃料喷射器的喷射压力相比更低的喷射压力喷射引燃燃料。方法可以包括将引燃针状件致动到在落座位置和全开位置之间的部分提升位置。方法可以包括将引燃燃料设置成具有比另一引燃燃料的碳含量更低的碳含量。方法可以包括将引燃燃料与惰性流体混合；和/或将引燃燃料与氨气混合。示例中的另一燃料喷射器可以是在内燃发动机中采用的双燃料喷射器，该内燃发动机在标准驱动循环中以大致5％的平均引燃能量比来操作，该标准驱动循环可以是发动机测试单元可验证的驱动循环，包括瞬态循环数据和/或可以模拟典型的真实世界的驱动条件，诸如boras-landvetter-boras驱动循环和/或hamburg-kessel驱动循环。

6、本发明不限于上述发明概述，并且还包括在本文中示例性实施例的书面描述中的实施例中公开的另外的特征。公开的装置、系统和方法的特征和优点通过以下描述将是变得显而易见。申请人提供了本说明，包括具体实施例的附图和示例，以给出装置、系统和方法的广泛代表。对于本领域技术人员来说，根据本说明以及通过装置、系统和方法的实践，本技术的各种变化和修改将变得显而易见。