用于操作气体燃料直接注入式内燃发动机的方法和系统技术方案

公开了一种通过直接将气体燃料注入燃烧室来操作气体燃料内燃发动机的方法，其中，气体燃料以高于300巴的注入压力注入，气体燃料注入压力与峰值汽缸压力之间的压力比在1.6:1至3:1之间，优选地在2.5:1至2.8:1之间。注入压力选择在300巴至540巴之间，优选地在300巴至440巴之间。可以根据压力比的优选范围选择注入压力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于操作气体燃料内燃发动机的方法，其中，以高于300巴的压力将气体燃料直接注入燃烧室。
技术介绍
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。虽然气体燃料通常比常规柴油发动机燃烧得更洁净，通过对发动机排出的气体进行后处理可以进一步改善气体燃料发动机的尾气排放，以减少微粒物质、烃类和NOx的水平。但这样的后处理系统可能较复杂，而且会增加整体发动机系统的成本。虽然现有技术中的一些已经提到以高于300巴的注入压力将气体燃料注入到内燃发动机的燃烧室中，但并没有已知的现有技术进一步研究在这样的高压下发动机的性能和效率，以确定允许更好的发动机性能和效率且同时改善发动机排放的注入压力的优选范围以及注入压力和峰值汽缸压力之间的压力比的优选范围。因此，仍然有必要研究这些发动机参数，以便进一步降低气体燃料发动机的排放水平以及降低后处理系统的复杂性和成本且同时保持或优选地改善发动机效率和性能。
技术实现思路
公开了一种用于操作气体燃料直接注入式内燃发动机的方法。该方法包括以高于300巴的注入压力将气体燃料直接注入到燃烧室中，其中，注入压力和峰值汽缸压力之间的比率在1.6:1至3:1之间。在优选实施例中，注入压力和峰值汽缸压力之间的比率在2.5:1至2.8:1之间。已经证明，对于一些发动机来说，当注入压力高于300巴且小于约540巴且优选地小于440巴时，实现了发动机效率和减少微粒物质排放的最大效益。这里将注入压力定义为在注入器的充气室中的气体燃料的压力。在行业里已知注入器的充气室是位于注入器的底部区域中的燃料腔，在阀座上方围绕针阀。如申请人的美国专利号7,527,048和7,090,145或加拿大专利号2780864中所述的，通过燃料入口从共轨向燃料腔供应燃料。在这些设计中，注入器的充气室中的气体燃料的压力(且因此注入压力)基本上与气轨压力相同。在其他注入器设计中，以较低压力将燃料从共轨供应至注入器，并且通过位于注入器主体中的增强器将燃料的压力增加至注入到燃烧室中的理想压力。在这些设计中，注入压力(注入器的充气室中的压力)通常高于气轨压力。对于配备有废气再循环系统的发动机，该方法还包括：检测通过操作发动机所产生的NOx排放，并增加再循环至发动机进气口的废气量，从而将NOx排放维持在最大预定水平以下。可以根据燃料输送参数确定气体燃料注入压力，所述燃料输送参数定义为随气体燃料通过注入器喷嘴的预定静态流速和预定的每汽缸发动机功率而变化。在本公开内容中，燃料输送参数优选地在0.45至0.6的范围内。在本方法中，注入压力以及注入到燃烧室中的气体燃料的喷流的方向确定为使得喷流冲击在燃烧室内的活塞的至少一个表面上。当气体燃料喷流被注入到燃烧室中时，气体燃料喷流的方向取决于例如注入角度和注入器喷嘴在燃烧室中的定位。气体燃料直接注入式内燃发动机包括：燃烧室；用于将一定量的气体燃料直接注入到燃烧室中的气体燃料注入器；用于将一定量的空气引入到燃烧室中的进气系统；以及废气系统，该废气系统包括与燃烧室连通的废气管线。内燃发动机还包括控制器，该控制器编程为将气体燃料的注入压力控制为高于300巴并具有确定为随气体燃料的注入压力与峰值汽缸压力之间的压力比变化的值(的压力)，其中，压力比在1.6:1至3:1之间。发动机还包括帮助点燃气体燃料的点燃辅助(assist)装置。在一些实施例中，发动机包括用于将一定量的引燃燃料直接引入燃烧室中的引燃燃料注入器，其中，引燃燃料辅助气体燃料的点燃，或者可以通过双燃料注入器注入引燃燃料，所述双燃料注入器能将气体燃料和引燃燃料直接注入到燃烧室中。在其他实施例中，可以替代引燃燃料或者与引燃燃料结合地使用其他熟知的点燃辅助装置，诸如，热表面(例如，电热塞)、火花塞和催化元件。在优选实施例中，气体燃料的注入压力与峰值汽缸压力之间的压力比在2.5:1至2.8:1之间。对于一些发动机来说，当注入压力高于300巴且小于约540巴且优选地小于440巴时，实现发动机效率和减少微粒物质排放的最大效益。气体燃料注入器具有带孔的喷嘴，气体燃料通过所述孔注入到燃烧室中，并且孔的直径根据燃料输送参数计算，该燃料输送参数随气体燃料注入压力和预定的每汽缸发动机功率而变化。在优选实施例中，燃料输送参数具有在0.45至0.6的范围内的值。附图说明附图示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种操作气体燃料直接注入式内燃发动机的方法，所述方法包括：以高于300巴的注入压力将所述气体燃料直接注入燃烧室，其中，所述注入压力与峰值汽缸压力之间的比率在1.6:1至3:1之间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.21 CA 2,847,6301.一种操作气体燃料直接注入式内燃发动机的方法，所述方法包括：以高于300巴的注入压力将所述气体燃料直接注入燃烧室，其中，所述注入压力与峰值汽缸压力之间的比率在1.6:1至3:1之间。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述比率在2.5:1至2.8:1之间。3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述注入压力小于540巴。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述注入压力小于440巴。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：检测由于操作所述发动机而产生的NOx排放，并增加再循环至发动机进气口的废气量，由此，将所述NOx排放维持在最大预定水平以下。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，根据燃料输送参数确定所述注入压力，所述燃料输送参数随所述气体燃料通过注入器喷嘴的预定静态流速和预定的每汽缸发动机功率而变化。7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述燃料输送参数具有在0.45至0.6范围内的数值。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，注入到所述燃烧室中的所述气体燃料的所述注入压力和/或喷流的方向确定为...

【专利技术属性】
技术研发人员：戈登·P·麦塔格·考恩，肯尼斯·R·曼，黄建，桑迪普·蒙什，
申请(专利权)人：西港能源有限公司，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA