[发明专利]导管式燃料喷射

说明书

技术领域

大多数现代发动机是直喷式发动机，以致发动机的每个燃烧缸都包括配置成将燃料直接喷射到燃烧室中的专用燃料喷射器。尽管直喷式发动机表现出发动机技术相对于以往的设计(例如，汽化器)在提高发动机效率和减少排放物方面有所改进，但是直喷式发动机可能会产生相对较高水平的某些不希望的排放物。

背景技术

发动机排放物可能包括由富燃料和贫氧燃料混合物的燃烧产生的碳烟。包括扩散火焰的富燃料部分产生的微小碳颗粒的碳烟通常产生于发动机的燃烧室中，该发动机可在中到高负荷下运行。碳烟危害环境，是美国国家环境保护局(EPA)限制的一种排放物，并且是第二大气候强迫物质(二氧化碳是最主要的)。目前，通过排气系统中的又大又昂贵的颗粒过滤器将碳烟从柴油发动机的废气中去除。还可能必须利用其他燃烧后处理，例如NOx选择性催化还原、NOx捕集、氧化催化剂等。必须维护这些后处理系统，从而能够持续且有效地减少碳烟/颗粒及其他不期望的排放物，并因此在初始设备成本及后续维护方面为燃烧系统增加了额外的成本。

燃烧技术的焦点是在较稀混合物中燃烧燃料，因为这样的混合物趋向于产生较少的碳烟、NOx和潜在的其他限制的排放物，例如碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)。一种这样的燃烧策略为抬举火焰稀燃(LLFC)。LLFC是不产生碳烟的燃烧策略，因为在大致小于或等于2的当量比下发生燃烧。当量比是燃料与氧化剂的实际比率除以燃料与氧化剂的化学计量比。LLFC可以通过在燃烧室中增强燃料与原料气(即，具有或不具有额外的气相化合物的空气)的局部混合来实现。

发明内容

以下是本文要详细描述的主题的简要概述。本发明内容不旨在限制权利要求的范围。

本文描述了设计为相对于在常规燃烧室构造/布置中发生的混合而提高燃烧室内部的局部混合速率的多种技术。提高的混合速率用于形成包括燃料和原料气的一种或多种局部预混合混合物，其特征在于较低的峰值燃料与原料气比，目的是在点燃局部预混合混合物及随后的燃烧过程中能够在燃烧室中最少的产生或不产生碳烟。为了能够混合燃料和原料气以产生具有较低的峰值燃料与原料气比的局部预混合混合物，可以将燃料射流引导为穿过导管的孔(例如，沿着管体、中空圆柱体)，其中燃料的通过使得原料气被吸入孔中，从而在孔内产生湍流，产生燃料和吸入的原料气的增强的混合。燃烧室内的原料气可以包括具有或不具有额外的气相化合物的空气。

局部预混合混合物的燃烧可以发生在燃烧室内，其中燃料可以是任何合适的可燃或易燃液体或蒸汽。例如，可根据多个表面来形成燃烧室，该多个表面包括缸孔的壁(例如，形成在发动机缸体中)、缸盖的火焰板表面以及在缸孔内进行往复运动的活塞的活塞顶。燃料喷射器可安装在缸盖中，其中燃料通过燃料喷射器的头端中的至少一个开口喷射到燃烧室中。对于燃料喷射器头端中的每个开口，导管可以与其校准，以使得由燃料喷射器喷射的燃料能够穿过导管的孔。流过孔的高速燃料射流局部产生的低压导致原料气被吸入到导管的孔中。由于管体壁和燃料射流中心线之间较大的速度梯度而产生的强烈湍流，这种原料气与燃料迅速混合，导致形成离开导管的、具有较低的峰值燃料与原料气比的局部预混合混合物，以在燃烧室中经历后续的点火和燃烧。

在一实施方式中，导管可以具有沿其长度形成的多个洞或狭槽，以在燃料沿着孔通过的过程中能够进一步将原料气吸入导管的孔中。

在另一实施方式中，导管可以由管体形成，其中管体的壁彼此平行(例如，中空圆柱体)，因此导管的第一端处的孔(例如，入口)的直径与导管的第二端处的孔(例如，出口)的直径相同。在另一实施方式中，管体的壁可以不平行，以使得管体的第一端处的孔的直径不同于管体的第二端处的孔的直径。

导管可以由适于在燃烧室中应用的任何材料形成，例如含金属材料(例如钢、因科镍合金(INCONEL)、哈斯特合金(HASTELLOY)，...)、含陶瓷材料等。

在另一实施方式中，导管可在将燃料喷射器插入燃烧室之前就附接到燃料喷射器，其中包括燃料喷射器和导管的组件定位成形成燃烧室的一部分。在另一实施方式中，燃料喷射器可以位于燃烧室中，并且导管随后附接到燃料喷射器。

在发动机的运行期间，导管的孔内部的温度可以小于燃烧室内的环境温度，使得混合物的点火延迟增加，并且在自点火之前的燃料和原料气的混合与将燃料直接喷射到燃烧室中相比得到了进一步的改进。