[发明专利]双燃料喷射阀

说明书

技术领域

本发明涉及一种双燃料喷射阀，其具有多个同心针以将两种不同的燃料分开喷射进内燃机的燃烧室。

背景技术

由于天燃气的易得性、低成本和减少颗粒物排放的潜力，使得天然气作为内燃机的燃料逐渐得到接受。天然气只是具有这样的益处的气体燃料的一个实施例，所述气体燃料能够在内燃机中替代柴油、同时实现与以柴油为燃料的发动机类似的性能、并且具有更低的颗粒物和/或氮氧化物（NOx）排放量。本领域技术人员将会理解，虽然本公开内容涉及天然气作为燃料的发动机，但其他适合的气体燃料如氢、丙烷、乙烷、丁烷、甲烷以及它们的混合物也可作柴油的替代品以实现类似的益处。

用天然气给内燃机供应燃料的早期方法，在天然气引入发动机气缸之前将其与吸入的空气混合（该过程称为“熏蒸”）。因为天然气具有比柴油更高的自燃温度，在这些发动机中，向燃烧室的上止点附近直接喷射引燃量的柴油燃料，以触发天然气的点火。然而，将天然气和空气以此方式预混合，限制了可以用天然气代替的柴油的量和/或限制了可以安全地使用的压缩比，因为熏蒸过多的天然气会导致发动机爆震，发动机爆震是会损伤发动机的燃料的过早爆燃。熏蒸发动机的另一个缺点是，在低负荷的发动机运行条件下，天然气和空气的预混合的均匀混合物会变得太稀薄以至于不能燃烧。因而，通过熏蒸引入天然气的发动机在功率、性能和效率上未能与同等尺寸的柴油发动机相媲美。

最近，已开发出一种改良型的双燃料内燃机，在本文中称为“高压直喷（HPDI）”气体燃料发动机。在本文中，“直喷”被定义为意味着通过与燃烧室直接相连通的喷嘴孔口将全部燃料直接喷射进燃烧室内。也就是说，在一个HPDI气体燃料发动机中，没有燃料被喷入进气歧管或进气端口。此种类型的发动机的一种方法是采用引燃量的柴油燃料来触发气体燃料的点火，但主要区别在于气体燃料是直接喷射进入燃烧室的，因此它是在更近似于常规柴油发动机的燃烧模式下燃烧的，在这种模式下，在压缩冲程末期或在作功冲程早期当活塞接近上止点时燃料被直接喷射进燃烧室中。因此，利用HPDI气体燃料发动机，可被喷射入的气体燃料的量并不是受爆震限制的，因为通过在发动机周期后期喷射燃料，没有过早爆燃的风险。另外，在低负荷运行条件下，由于燃料不被预先混合，而是在扩散燃烧模式下燃烧，所以HPDI气体燃料发动机在这些运行条件下不会遇到熏蒸发动机所遇到的同样的难题。不同于熏蒸发动机，引燃点火的HPDI气体燃料发动机已被证明实现了与现有技术柴油发动机基本相同的燃烧效率、功率和扭矩输出，同时平均使用的天然气达到在能量基础上消耗的总燃料的至少约95%。与引燃点火HPDI气体燃料发动机的操作原理有关的难题在于，必须提供用于将气体燃料和引燃燃料直接喷射进燃烧室中的装置。现代的内燃机通常可具有两个入口阀和两个排出阀，而这些阀占据了燃烧室上方的汽缸盖之内的大量空间。因此，在汽缸盖中找到足够的用于安装第二燃料喷射器的空间就成问题了。一种解决方案是设计在一个机体内提供两个分立的喷射器的一种双燃料喷射器。遵循此方法，申请人开发出了具有多个同心阀的许多不同设计，其中在中间定位一个较小的引燃燃料喷射阀，而引燃燃料阀的主体用作气体燃料喷射阀的阀针，所述气体燃料喷射阀被同心地布置在引燃燃料喷射阀周围的环形空间中。在共有的美国专利6,073,862、6,336,598、6,761,325和7,124,959中公开了这些设计的实施例。

针对采用同心的气体和液体燃料的喷射阀的引燃燃料点火的HPDI发动机观察到的一个问题是，在发动机速度和氮氧化物排放方面可能存在周期性的变化。当负载小的时候，这些变化的幅度可能会特别地大。这些可变的条件可能会导致不规则的发动机运行。先前已知的同心的气体喷射阀和液体喷射阀已具有内针阀，所述内针阀围绕其纵向轴线自由转动。此设计的优势包括简化，这导致更容易且更低成本的制造。同样，人们认为最好让内部引燃燃料阀体自由转动以更好地适应于多缸发动机中每个汽缸的不同的特性，且认为难于为每个汽缸优选出一个固定交错角。试验表明，不稳定的发动机速度会影响燃烧质量的变化，燃烧质量的变化被认为是由交错角的变化引起的，尤其是当气体燃料孔口和引燃燃料孔口的数量相等时。交错角被定义为，当沿喷射阀的纵向轴线的方向观察时，在气体燃料射流的轴线和与该气体燃料射流相邻的引燃燃料喷雾的轴线之间的角度，观察时的视图通常被表示成燃烧室的俯视图或仰视图（也即在图6和图9中所示的视图，随后将会说明）。共有的美国专利6,439,192教导了一种通过使用一个喷射阀来减少上述变化的解决方案，所述喷射阀具有不等数量的引燃燃料孔口和气体燃料孔口。