[发明专利]气体燃料直接注入式内燃发动机

说明书

公开了一种气体燃料直接注入式内燃发动机，包括：燃烧室；气体燃料注入器，其具有带孔的喷嘴，用于以一注入压力将一定量的气体燃料直接注入到燃烧室中，孔的直径根据气体燃料的注入压力和预定的每汽缸发动机功率而确定大小；进气系统，用于将一定量的空气引入到燃烧室中；废气系统，包括与燃烧室连通的废气管线；以及控制器，被编程为将气体燃料的注入压力控制为高于300巴并具有确定为随注入压力与峰值汽缸压力之间的比率而变化的数值的压力，其中，比率在1.6:1至3:1之间；其中，孔的直径根据燃料输送参数计算，燃料输送参数是通过将气体燃料的注入压力乘以预定静态流速除以预定的每汽缸发动机功率而确定的无量纲参数。

本申请是申请日为2015年3月19日、申请号为201580025728.2、名称为“用于操作气体燃料直接注入式内燃发动机的方法和系统”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种气体燃料内燃发动机，其中，以高于300巴的压力将气体燃料直接注入燃烧室。

背景技术

气体燃料内燃发动机在汽车行业中以作为柴油燃料发动机的可能替代而著名。用气体燃料替换柴油燃料提供了减少排放的可能性，因为柴油燃料燃烧产生较高浓度的污染物。本文一般将气体燃料定义为在标准压力和温度条件下为气相的燃料。本文将“标准压力和温度”定义为1巴(14.5psi)的绝对压力和0摄氏度(32华氏度)。天然气是可燃气体的混合物，其确切成分根据来源而不同，但其通常主要是甲烷。其他气体燃料包括乙烷、丙烷和其他易燃气体烃类衍生物、氢以及它们的混合物。与常规液体燃料相比，公开的气体燃料通常燃烧更洁净，可以由可再生来源生产，并且通常是容易得到的。例如，天然气是如今可用的最充足的烃类燃料之一。

然而，用气体燃料替代柴油燃料，同时保持柴油燃料发动机的包括柴油发动机的功率和效率的性能，并且同时进一步减少发动机排放，这是一个挑战。

对于一种类型的内燃发动机，气体燃料被直接注入内燃发动机的燃烧室中，当活塞接近上死点时，引起燃料以扩散燃烧模式或以分层模式燃烧，并且在这种直接注入式发动机中，可以通过少量的引燃燃料(例如，使燃料完全且有效燃烧的柴油燃料)点燃气体燃料。在本申请人之前的专利例如若干美国专利(US7463967、US8028676、US8469009和US8555852)中已经描述了这种双燃料发动机。

由于气体燃料是可压缩的流体，因此相比于液体燃料，压缩气体燃料并提高气体燃料的压力需要更多的能量。因此在过去，确定最大气体燃料注入压力的主要因素之一是使用在全负荷下迫使气体进入燃烧室所需的最小压力。较低的气体燃料注入压力通常是理想的，因为采用较高的注入压力会增加发动机系统上的附加负荷。由于已经转换为双燃料操作的常规柴油燃料发动机在约200巴的压缩冲程期间具有最大的汽缸压力，因此高于约200巴的气体燃料注入压力(例如，高达约300巴(30MPa或4,350psi)的注入压力)足以克服汽缸压力，同时能量足以使燃烧室内的气体燃料分散并注入理想量的燃料以达到有效燃烧，如申请人的美国专利8,095,294中所述的。该专利认识到汽缸压力的变化会影响燃料注入器的阀针打开和关闭的速度，从而可响注入到燃烧室中的燃料的量，并且该专利通过校正燃料注入器保持打开的时间量(“脉冲宽度”)从而调节加燃料量而解决了该问题。并未研究在较高压力下注入气体燃料。

共有的美国专利号7,162,995描述了一种将气体燃料注入到高压直接注入式内燃发动机的方法，该方法包括选择造成超过并靠近注入器喷嘴处的欠膨胀气体燃料的注入压力，并且该专利提到，以超过30MPa(300巴)的注入压力将气体燃料注入燃烧室，该注入压力具有随注入压力和汽缸压力而变化并大于气流被阻塞时超过的比率的压力比。这样的压力比提供超音速流入天然气燃料直接注入式发动机的燃烧室所需的压力，同时避免干扰汽缸壁和活塞。如该专利所述，在大多数情况下，注入压力将超过10MPa(100巴)，并且注入压力将被选择为使得其避免气体喷流干扰汽缸壁或活塞。