技术领域
[0001] 本
申请涉及用于气体燃料内燃发动机中的预混混合气(premixed charge)的点火设备和方法。
背景技术
[0002] 已知以化学计量
空燃比运行的
液体燃料内燃发动机使用
火花塞来点燃
燃烧室中的预混混合气。当这些发动机以气体燃料作为燃料时，有利的是采用引燃燃料来点燃气体燃料而不是采用火花塞来点燃气体燃料，因为通常的气体燃料具有比液体燃料更高的活化能并且需要更高的用以点火的
温度。在已知的系统中，引燃燃料被直接喷射并被压燃，引燃燃料的燃烧用作为气体燃料的高能点火源。引燃燃料通常被用于使用全局贫油的空气-燃料混合物运行的迪塞尔循环气体燃料发动机中。在化学计量比发动机中，与全局贫油的迪塞尔循环发动机中的引燃燃料周围的当量比相比，直接喷射的引燃燃料周围的局部空燃当量比(λ)更低(富燃)。在化学计量比发动机中，引燃燃料颗粒(也就是，来自柴油燃料的各种成分的分子)与
氧化剂颗粒(诸如氧分子)发生反应的可能性降低。在较低的
载荷条件下，如果节流降低了燃烧室中
氧化剂的摩尔数，在点燃引燃燃料时可能会遇到困难，原因为引燃燃料周围的局部空燃当量比与更高的载荷条件相比降低，并且使引燃燃料和氧化剂颗粒发生反应的可能性甚至进一步降低。此外，在较低的载荷条件下，压缩之后的缸内温度与更高载荷情况下相比较低，这降低了预混混合气的
反应性和可燃性。这个问题在低温条件下加剧，在低温条件下，与燃烧室中的颗粒相关联的
动能减少，并且各种颗粒因动
力学运动而发生碰撞和发生反应的可能性受到阻碍。
[0003] 对于不使用引燃燃料来点火的发动机而言，同样存在在低载荷或低温条件下点燃气体燃料内燃发动机中的预混混合气的同样问题。例如，当采用用于产生火花、热表面、激光、
微波或等离子的点火装置时，在使用常规的化学计量比气体燃料发动机的情况下，点火装置附近的局部条件可能导致不稳定的点火和不良的燃烧。
[0004]
现有技术状态缺乏用于在化学计量比气体燃料发动机中、特别是在低载荷以及低温运行条件下、点燃预混混合气的设备和技术。本设备以及方法提供了用于改进预混合的、化学计量比气体燃料内燃发动机中的气体燃料的可燃性的技术。
发明内容
[0005] 一种用于点燃气体燃料内燃发动机中的预混混合气的改进型点火设备包括点火装置，所述点火装置与所述内燃发动机的燃烧室相关联。所述点火设备具有稀释喷射器和加浓喷射器中至少一者，所述稀释喷射器用于引入稀释剂，所述稀释剂使所述点火装置周围形成分层混合气，所述加浓喷射器用于引入气体燃料，所述气体燃料使所述点火装置周围形成分层混合气。
电子控制器与所述稀释喷射器和所述加浓喷射器中所述至少一者以及所述点火装置可操作地连接，并且所述电子控制器被编程为以下至少一者：当所述点火装置使所述点火装置周围的局部空燃当量比降低至低于预定
阈值时，致动所述稀释喷射器以引入所述稀释剂；以及当发动机载荷和发动机速度低于预定阈值发动机载荷和速度范围时以及当所述点火装置不影响所述点火装置周围的所述局部空燃当量比时，致动所述加浓喷射器以引入所述气体燃料进而降低所述局部空燃当量比。所述气体燃料可以是氢、甲烷、
天然气、丙烷以及这些燃料的混合物中的至少一者。
[0006] 所述点火装置可以是例如引燃燃料喷射器、火花点火装置、微波点火装置、
激光点火装置、等离子点火装置、高频点火装置和电晕点火装置。所述引燃燃料喷射器构造为将引燃燃料直接引入所述燃烧室内。所述稀释剂可包括氧化剂和非反应性物质中的至少一者，并且在示例性
实施例中，所述稀释剂是空气。所述稀释剂使所述点火装置周围的所述局部空燃当量比增大。所述稀释喷射器可构造为将所述稀释剂直接引入所述燃烧室内，并且所述稀释喷射器可以是稀释剂和引燃燃料喷射器的一部分。
[0007] 所述电子控制器可进一步编程为致动所述加浓喷射器以喷射在所述燃烧室中燃烧的全部所述气体燃料。可替代地或附加地，所述电子控制器可进一步编程为致动所述加浓喷射器以喷射所述气体燃料的至少一部分以形成所述预混混合气。所述加浓喷射器构造为将所述气体燃料直接引入所述燃烧室内，并且所述加浓喷射器可以是加浓和稀释喷射器的一部分。
[0008] 一种用于点燃气体燃料内燃发动机中的预混混合气的改进的点火设备包括点火装置，所述点火装置与所述内燃发动机的燃烧室相关联。所述点火设备具有稀释喷射器和加浓喷射器中至少一者，所述稀释喷射器用于引入稀释剂，所述稀释剂使所述点火装置周围形成分层混合气，所述加浓喷射器用于引入气体燃料，所述气体燃料使所述点火装置周围形成分层混合气。电子控制器与所述稀释喷射器和所述加浓喷射器中所述至少一者以及所述点火装置可操作地连接，并且所述电子控制器被编程为在所述燃烧室中的温度在所述点火装置被致动的情况下低于预定阈值时进行致动所述稀释喷射器以及致动所述加浓喷射器中的至少一者。所述稀释喷射器在所述点火装置使所述点火装置周围的局部空燃当量比降低至低于预定阈值时被致动；并且，所述加浓喷射器在所述点火装置不影响所述点火装置周围的所述局部空燃当量比时被致动。
[0009] 一种用于点燃气体燃料内燃发动机中的预混混合气的改进的方法包括监控发动机载荷和发动机速度。在发动机载荷和发动机速度低于预定阈值发动机载荷和速度范围情况下，当点火装置使所述点火装置周围的所述局部空燃当量比降低至低于预定阈值时稀释所述点火装置附近的所述预混混合气；以及当所述点火装置周围的所述局部空燃当量比保持大体为化学计量比时加浓所述点火装置附近的所述预混混合气以使所述局部空燃当量比降低。
[0010] 所述方法可进一步包括其它步骤，包括(但不限于)监控所述燃烧室中的温度以及当所述燃烧室中的所述温度低于预定值时执行稀释和加浓的所述步骤。附加地，所述方法可包括当所述发动机载荷和发动机速度低于所述预定阈值发动机载荷和速度范围时使所述燃烧室中的全部所述气体燃料以扩散燃烧模式燃烧。可以实现：所述预混混合气在所述点火装置周围同时被稀释以及加浓以提高所述预混混合气的所述可燃性。
附图说明
[0011] 图1是根据第一实施例的用于预混合气体燃料内燃发动机的点火设备的示意图。
[0012] 图2是根据第二实施例的用于预混合气体燃料内燃发动机的点火设备的示意图。
[0013] 图3是根据第三实施例的用于预混合气体燃料内燃发动机的点火设备的示意图。
[0014] 图4是根据第四实施例的用于预混合气体燃料内燃发动机的点火设备的示意图。
[0015] 图5是点燃气体燃料内燃发动机中的预混混合气的方法的
流程图。
具体实施方式
[0016] 参照图1，示出了根据用于点燃燃烧室20中的预混混合气的根据第一实施例的用于内燃发动机10的点火设备。预混混合气是空气和气体燃料的混合物。气体燃料在本文中被限定为是在标准的温度和压力下呈气体状态的燃料，标准的温度和压力在本申请的背景下分别被限定为二十摄氏度(℃)和一个
大气压力(atm)。气体燃料的示例包括沼气、
丁烷、乙烷、氢气、
垃圾填埋气、甲烷、天然气、丙烷和这些燃料的混合物。本示例中的燃烧室20由
气缸体30、气缸盖40和
活塞50限定。在图1中示出为仅一个这样的气缸，然而本领域普通技术人员将会知晓，发动机10通常包括两个或更多个气缸，并且本文公开的技术适用于具有一个或多个气缸的任何预混合气体燃料发动机。端口喷射器60将气体燃料引到进气
门80的上游，在所示的实施例中引到进气端口70内，而在其它实施例中气体燃料可被进一步地引到上游诸如引到进气
歧管(未示出)或进气通道(未示出)内。在其它实施例中，端口喷射器60可以是混合器。端口喷射器在
进气冲程期间和/或在进气门关闭之前的压缩冲程中引入气体燃料。引燃燃料喷射器90在进气门80关闭后的压缩冲程后期将引燃燃料直接引入燃烧室20中。引燃燃料因燃烧室20中的压力和温度环境而点燃，并且引燃燃料的燃烧用作燃烧室中的预混混合气的高能点火源。在这方面，引燃喷射器90用作点火装置。从
能量的
角度计算，由喷射器90引入燃烧室20的引燃燃料的量在被引入燃烧室中的总燃料能量的百分之一(1)至百分之四十(40)的范围内，并且优选地在百分之一(1)至百分之二十(20)的范围内，并且最优选地在百分之一(1)至百分之十(10)的范围内。预混混合气和引燃燃料是燃烧室
20中具有化学计量的全局空燃当量比的空气-燃料混合物。来自引燃燃料和预混混合气的燃烧的废气产物通过排气门100、排气口110以及(通常)通过后处理系统(未示出)从燃烧室
20中排出以将排放
水平维持在预定限度内。
[0017] 稀释喷射器120将稀释剂直接引入燃烧室内，并且在所示的实施例中构造为穿过缸体30的侧面安装的喷射器，稀释剂使引燃喷射器90周围形成分层混合气(stratified charge)130。稀释剂是气态
流体，并且可包括一种或多种诸如氧气的氧化剂、一种或多种诸如二氧化
碳或氮气的非反应性物质、或二者的混合物如空气。当引燃燃料位于与分层混合气130相同的
位置时，引燃燃料的可燃性提高。当点火装置90周围的局部空燃当量比在引燃燃料被引入燃烧室中的情况下降至低于预定值时，稀释喷射器120被致动以在发动机载荷和速度低于预定发动机载荷和速度范围时引入形成分层混合气130的稀释剂。当发动机载荷和速度低于预定发动机载荷和速度范围时，燃烧室20中的温度在点火事件期间降低，并且在没有稀释喷射器120的情况下，引燃燃料的可燃性因此而降低。优选地，引燃燃料喷射的时机和稀释剂喷射的时机使得引燃燃料射流和稀释剂射流以足够的动能碰撞以加强混合并且提高用于点火的引燃燃料颗粒的反应性。当稀释剂包含氧时，由于分层混合气130增加了引燃喷射器90周围的局部空燃当量比，引燃燃料与氧发生反应的可能性增加。当稀释剂包括非反应性物质时，稀释剂颗粒的动能在碰撞期间被传递给引燃燃料颗粒，这增加了引燃燃料颗粒与氧颗粒发生反应的可能性(也就是说，这改善了混合和反应性)。当稀释剂为非反应性的时候，则不通过稀释喷射器120调整全局当量比。当稀释剂包括氧化剂时，则全局空燃当量比减小。然而，由于被引入的引燃燃料的量与气体燃料相比通常更少，所以全局空燃当量比并不显著地改变并且总体上保持基本为化学计量比。空气处理设备如节气门150可被用于调整进入燃烧室20的空气的量以保持全局当量比在化学计量比值的预定范围内。
[0018] 电子控制器140与喷射器60、90和120可操作地连接以控制气体燃料、引燃燃料和稀释剂的相应的喷射。在本文的实施例中，电子控制器140包括处理器和
存储器，存储器包括如FLASH、EEPROM和
硬盘之类的一个或多个永久性存储器以及如SRAM和DRAM之类的用于存储和执行程序的临时存储器。在其它实施例中，电子控制器140可包括专用集成
电路(ASIC)、
电子电路、执行一个或多个
软件或
固件程序的处理器(共享的、专用的或成组的)和存储器、组合
逻辑电路和/或提供本文所述功能的其它适合的部件。
[0019] 现参照图2，示出了点火设备的第二实施例，其包括内燃发动机12，其中，与前面或所有其它实施例相似的部件具有相似的附图标记并且如果可能的话可能不对其进行详细的说明。发动机12也是以全局
化学计量空燃比运行的预混合气体燃料发动机。燃烧室22包括在
汽缸盖42中的单坡房顶160，并且在汽缸盖42中布置有稀释喷射器122和引燃燃料喷射器60。单坡房顶160增大燃烧室的位于汽缸盖42中的部分，并且因此增加汽缸盖中用于布置燃料喷射器的可用表面面积。
[0020] 现参照图3，示出了点火设备的第三实施例，其包括内燃发动机13。发动机13也是以全局化学计量空燃比运行的预混合气体燃料发动机。引燃和稀释喷射器170将引燃燃料喷射器(或喷射
阀)和稀释喷射器(或喷射阀)结合到共同的喷射器体部内。喷射器170可单独地且彼此独立地引入引燃燃料和稀释剂。喷射器170可以是同心针式喷射器，类似于2002年1月8日授予Touchette等人的共有的美国
专利No.6,336,593中公开的同心针式喷射器，或者喷射器170可以是并排式喷射器，其中，两个喷射阀并排地布置于共同的喷射器体部中。可替代地，引燃燃料喷射器和稀释喷射器可被
包装在共同喷射器体部中。
[0021] 现参照图4，示出了点火设备的第四实施例，其包括内燃发动机14。发动机14也是以全局化学计量空燃比运行的预混合气体燃料发动机。采用点火装置180来点燃燃烧室20中的预混混合气而不是如在前述实施例中那样采用引燃燃料。点火装置180可以是热表面点火装置、火花点火装置(例如火花塞)、微波点火装置、激光点火装置、等离子点火装置、高频点火装置、电晕点火装置中的一者，但也可以采用在燃料的点燃之前不影响局部空燃当量比的其它点火装置。热表面点火装置并不是优选的，因为在预混合式发动机中点火时机可能不是充分可预测的。加浓喷射器190引入在燃烧室20中的点火装置180周围形成分层混合气134的气体燃料，这提高了燃烧室中预混混合气的可燃性。当发动机14的载荷和/或速度降低时，节气门150被致动以降低进入燃烧室20内的空气的
质量流率并且由气体燃料喷射器60引入的燃料的量也降低以保持化学计量混合物配比。在低于预定发动机载荷和速度范围的某一点处，其中该点与预定的节流水平有关，预混混合气的点火会产生问题。在低于预定发动机载荷和速度范围的情况下加浓喷射器190被致动以引入气体燃料，该气体燃料使点火装置180周围形成气体燃料的分层混合气134，进而降低局部空燃当量比以提高点火装置周围的可燃性进而增加火焰核心形成的可能性，使得预混混合气的燃烧可以开始。可替代地，在低于预定发动机载荷和速度范围的情况下，气体燃料可仅通过加浓喷射器190而不通过气体燃料喷射器60引入，使得在燃烧室20中仅存在气体燃料的分层混合气134(不存在预混混合气)，并且气体燃料以扩散燃烧模式而不是预混合燃烧模式燃烧。在其它实施例中，除了在压缩冲程后期引入气体燃料以形成分层混合气134以外，加浓喷射器190可被用于引入气体燃料(在进气冲程期间以及压缩冲程初期)以在燃烧室20中形成预混混合气。在这样的实施例中，不需要气体燃料喷射器60。在又一实施例中，发动机14可以以全局贫油空燃当量比运行，其中节气门150可以不存在。在这样的实施例中，当发动机载荷和速度降低时，达到燃烧室20中的空气-燃料混合物太稀薄而不能燃烧的稀薄极限。加浓喷射器190可被致动以降低点火装置180周围的局部空燃当量比，并且可以调整气体燃料喷射器的致动以保持全局空燃当量比，使得发动机的稀薄极限可被提高。热表面点火装置可被用在燃烧室20中仅采用分层空气-燃料混合气的那些实施例中，并且这样的发动机可以或者以全局贫油空燃当量比或者以化学计量空燃当量比运行。在其它实施例中，加浓喷射器190可以是能够分别且独立地将气体燃料和稀释剂引入燃烧室20中的加浓和稀释喷射器，类似于图3中的喷射器170。稀释剂和气体燃料可在低于预定阈值发动机载荷和速度范围的情况下引入以提高点火装置180周围的可燃性。
[0022] 现参照图5，现在对在发动机10、12、13和14中点燃预混混合气的方法进行说明。在步骤200中对发动机载荷和发动机速度进行监控，并且在步骤210中将发动机载荷和发动机速度与预定阈值发动机载荷和速度范围进行比较。在步骤220中，当发动机载荷和发动机速度低于预定阈值发动机载荷和速度范围时，取决于点火装置的类型，稀释喷射器和加浓喷射器中至少一者被致动。预定阈值发动机载荷和速度范围至少是
环境温度的函数，因为预混混合气的反应性是其温度的函数，该温度与空气的温度直接相关。稀释喷射器引入稀释剂，该稀释剂使引燃燃料点火装置周围形成分层混合气。加浓喷射器引入气体燃料，该气体燃料在点火装置周围以调整局部空燃当量比以提高可燃性的方式形成分层混合气。通常在内燃发动机中采用仅一个点火装置，并且取决于点火装置的性质，或者引入稀释剂或者引入气体燃料(从而使点火装置周围形成相应的分层混合气)以提高预混混合气的可燃性。
[0023] 尽管已经示出并说明了本发明的特定元件、实施例和应用，但应当理解的是，本发明不限于此，因为本领域技术人员可以在不偏离本公开内容的范围的情况下做出
修改，特别是鉴于前述教示而做出修改。
