[发明专利]直接喷射气体燃料发动机以及控制燃料喷射压力的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种发动机，其中气体燃料通过直接喷射到燃烧室中而被引入，还涉及一种用于这种发动机的响应预定运转条件而控制气体燃料喷射压力的运转方法。

背景技术

所谓的压缩点火发动机采用比奥托(Otto)循环(火花点火)发动机高得多的压缩比。与火花点火发动机相比，压缩点火发动机的诸如直接喷射、更高压缩比以及非节流进气系统的特点使得燃料燃烧效率更高、性能更好、并且在能量方面燃料消耗更低。最常见的压缩点火发动机是柴油机。但是，在许多国家，为了将来遵守已颁布的政府规章标准，要求柴油机生产商对现今正在销售的发动机进行改进，以便降低诸如NO_x和颗粒物质的发动机燃烧产物的排放。预计这些改进需要附加设备和更复杂的电子发动机控制器，以便实施诸如废气再循环、新燃烧策略、以及后处理等技术。与现今的发动机相比，这些技术中的一些可能会降低效率，并且除了将来的运转和投资成本两者之外，可能需要使用含硫低的燃料，这种燃料的生产更昂贵。

通过改造传统的柴油机，可以将诸如天然气、纯甲烷、乙烷、液化石油气、更轻的可燃碳氢衍生物、氢气、以及这些燃料的混合物的气体燃料用作柴油燃料的替代物。此处，气体燃料通常被定义为在大气压力以及零摄氏度下呈气态的燃料。尽管诸如柴油的液态燃料可在非常高的压力下被喷射以便使燃料雾化，但是气体燃料可以在较低的压力下被喷射到发动机的燃烧室内，原因是不需要额外的能量来使燃料雾化。

用气体燃料来替代柴油燃料的优点是，可以选择比柴油燃料燃烧得更清洁的气体燃料，从而可以在不需要更多的发动机排放减少技术的情况下保持现今所期望的柴油机特性，即高效率和高转矩。

气体燃料的另一优点是，作为能源，这种燃料在世界范围内分布得更为广泛，并且与已证实的石油储量相比，已证实的天然气储量大得多。在世界范围的许多市场中，与柴油相比，基于能当量，天然气更便宜。

气体燃料还可以来自于可再生资源，诸如来自于垃圾堆和污水处理厂的排放气体。氢气可以通过由诸如风力和水电站坝的可再生资源所产生的电力来生产。

但是，需要对传统柴油机进行一些改造，以使得气体燃料替代柴油燃料。在柴油机中，燃料和气体混合物的机械压缩所产生的热量自动点燃在活塞压缩冲程结束时或将近结束时供应的液态柴油燃料。在同样的条件下，诸如天然气的气体燃料将不会可靠地自动点燃。因此，在不重新设计发动机以提供自动点燃气体燃料所必需的条件的情况下，为了使气体燃料在传统发动机中以相同的压缩比燃烧，需要一些附加装置来辅助气体燃料的点火，诸如由电热塞(glow plug)提供的热表面，或者用来引入引燃燃料的燃料喷射阀。引燃燃料可以是少量的柴油燃料，因此引燃燃料的自动点火触发气体燃料的点火。

将气体燃料直接喷射到内燃机的燃烧室内的其中一个问题是，从一个喷射动作到下一个喷射动作所喷射的燃料量会有一些变化。这是因为在气体燃料发动机中存在会影响被喷射的燃料量的多个变量。这些变量中的一些不是传统柴油燃料发动机的因素，或者即使是的话，也是不同程度的因素。例如，气缸内压力可能随着循环而稍有变化，并且由于希望保持气体燃料喷射压力低于传统柴油燃料喷射压力，所以气缸内压力的变化对燃料质量流率会有较大影响。而且，由于气体燃料的质量密度较低，所以用于气体燃料喷射阀的阀针比柴油燃料喷射阀将具有更大的端表面积，从而气缸内压力对气体燃料喷射阀的针的运动会具有较大影响。燃料温度的变化也会影响气体燃料的质量密度，从而引入了这样的变量，该变量会导致从一个喷射动作到下一个喷射动作所引入的燃料量变化。图1是燃料实际输送量的标准偏差相对于气体燃料喷射阀的喷射动作持续时间的曲线。此处，喷射动作持续时间也称为“脉宽”。该曲线示出了所喷射的燃料量的变化通常随着脉宽的减小而增大，并且一旦脉宽降低到某一点之下则变化急剧上升。该曲线中未示出坐标轴的实际数值，这些实际数值并不重要，原因是这些实际数值可能随不同的发动机系统和阀设计而不同。但是，这种影响是显著的，并且认为也是普遍的。所喷射的燃料量的变化会导致低效率，并且如果严重的话，这种变化会导致不稳定燃烧。因此，对于气体燃料发动机，需要一种减少所喷射的燃料量变化的运转方法。

气体燃料发动机所遇到的另一个问题是，由于气体燃料具有较低的质量密度，所以，如果喷射压力保持不变，则在高负载条件下可能需要延长脉宽以喷射所期望量的燃料。在高负载条件下，对于气体燃料，如果脉宽过长，则可能降低发动机效率。