[发明专利]气体燃料发动机内的稀释剂或次级燃料的直接喷射

说明书

本申请公开了气体燃料发动机内的稀释剂或次级燃料的直接喷射。发动机系统包括第一气体燃料源，其耦接至一个或多个发动机汽缸，其中第一气体燃料位于该第一气体燃料源中，以及具有转化催化剂位于其中的排气再循环系统即EGR系统，该转化催化剂将天然气转化成具有较宽AFR操作范围的气体。因此，发动机可以在AFR下操作，即该AFR可以在仅天然气燃烧期间可以获得的AFR外，从而允许较冷的发动机操作。

背景技术

已研制出可替代燃料以缓解常规燃料的价格上涨并用于降低排气排放。例如，已经认识到天然气是有吸引力的可替代燃料。对于汽车应用，天然气可以被压缩并且作为气体在高压下被存储在汽缸中。不同发动机系统可以使用CNG燃料，其利用适合于CNG燃料的特定物理和化学性质的不同发动机技术和喷射技术。例如，单燃料发动机系统可以被配置成用CNG操作，而多燃料发动机系统可以被配置成用CNG以及一种或多种其他燃料(诸如汽油或汽油混合物液体燃料)操作。发动机控制系统基于发动机工况可以在不同操作模式下操作此种多燃料系统。

然而，CNG发动机，尤其是已转换成用CNG运行的发动机可能遇到多种操作问题。与汽油和其他传统燃料相比，CNG具有微小可燃性和狭窄富极限。因此，当以高负荷运行CNG发动机时，在完全燃烧吸入至燃烧汽缸的燃料或空气之前，到达发动机的温度极限。由于不完全燃烧燃烧汽缸中的容纳物，发动机爆震的可能性增大。此外，CNG的燃烧产生了少于等效汽油发动机的烟尘。这降低了发动机气门的自然润滑，从而可能导致气门衰退和退化。

在峰值操作下，富运行汽油发动机可以操作高达40％富，以减轻过热。相比之下，NG发动机在峰值状况下操作约10％富。因此，发明人研制出降低天然气发动机中的空气-燃料比(AFR)的方法，以便提供在汽油发动机内所呈现的一些气门保护。

为了对抗过热问题，通过节流阀调节气流或贫运行，可以限制空气充气，但这些解决方案可以限制发动机的最大输出功率。比功率可以通过增加发动机尺寸而增加，但这并非对所有的平台或转换都是可能的。将水或其它控制流体喷射至燃烧室可以降低温度和预防发动机爆震，但还可以降低燃料混合物的可燃性。

CNG发动机因多种原因还经历了增加的气门磨损。天然气具有比汽油更高的比热，因此在较高的温度下燃烧。天然气还具有比汽油发动机明显要小的烃浓度。因此，发明人研制出增加天然气发动机中的可操作AFR富度的方法，以便提供一些在汽油发动机内所呈现的气门保护。

发明内容

本文发明人已认识到，通过将具有较高AFR富操作限制的一些次级燃料量喷射至燃烧室或气体燃料源，可以至少部分地解决上述问题，发动机可操作的AFR可以增加。因为在蒸发过程中吸收了热量，所以添加的液体燃料还引入较高的潜冷(latent cooling)。液体燃料还可以充当稀释剂，以在燃烧过程中降低火焰温度。更富的AFR还允许在贫燃烧天然气发动机中不可用的更为提前的点火正时，与此同时具有较低的热生成，从而有利于降低发动机爆震倾向。另外，使用具有较高烃浓度的次级燃料源允许增加碳烟产生，所述碳烟既充当气门润滑剂、微型焊接，还充当了热障，因此减轻了气门衰退。使用蒸汽转化，CNG可以被转化以在一些实施例中提供如CO和H2的次级燃料。

本发明人还认识到，例如通过用于涡轮增压发动机的方法可以至少部分地解决上述问题，其包括：在高负载状况期间，响应于升高的发动机温度，在进气道喷射第一数量的第一气体燃料后，在第一正时直接喷射第二数量的第二液体或气体燃料，该第一正时是期望空燃比(AFR)的函数。以此方式，主要由第一气体燃料加燃料的发动机的发动机功率可以被最大化，同时控制最大燃烧温度和最大燃烧压力以及缓解发动机爆震。