專利名稱：多區(qū)段氣態(tài)燃料高效率發(fā)動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及多區(qū)段氣態(tài)燃料內(nèi)燃發(fā)動機。
背景技術(shù)：
用于交通工具的不同內(nèi)燃發(fā)動機可以燃燒氣體燃料用于代替或結(jié)合傳統(tǒng)的液體燃料，比如汽油。氣態(tài)燃料可以包括例如氫氣、天然氣、丙烷和更輕的可燃碳氫化合物衍生氣體。相對于傳統(tǒng)的液態(tài)燃料噴射，氣態(tài)燃料可以提供不同優(yōu)點，燃料噴射比如減少氮氧化物排放、顆粒物質(zhì)和碳氫化合物，以及利用礦物燃料以外的燃料為交通工具提供動力的能力。氣態(tài)燃料通常儲存在一個或多于一個加壓的容器里，這樣就出現(xiàn)使用傳統(tǒng)液態(tài)燃料所沒有遇到的不同挑戰(zhàn)。燃料的成本和儲藏二者都隨著燃料消耗成比例的受到影響。雖然標準的氫氣發(fā)動機是已知的最有效的汽車發(fā)動機之一，但是相對于燃料儲藏和成本的缺點依然是普遍適銷的障礙。同樣地，燃料效率依然是汽車OEM嘗試引入低成本氫氣和其他氣態(tài)燃料產(chǎn)品的首要考慮的問題。本公開認識到燃料的濃度和分布應(yīng)該被認真考慮以便保持氮氧化物排放、對所述發(fā)動機汽缸壁的傳熱和所述發(fā)動機的總效率之間的平衡。

發(fā)明內(nèi)容
具有能燃燒氣態(tài)燃料的汽缸的發(fā)動機包括每個汽缸至少一個火花塞/單火花塞汽缸；具有至少一個噴嘴組的延伸到每個汽缸的氣態(tài)燃料噴射器，該噴嘴組包含多個噴嘴，其被固定用于引導氣態(tài)燃料僅朝向關(guān)聯(lián)火花塞的火花隙；和控制系統(tǒng)，其操縱每個火花塞和每個噴射器從而直接向所述汽缸輸送氣態(tài)燃料并啟動燃燒?？刂颇軌蚴褂脷鈶B(tài)燃料的發(fā)動機的方法包括穿過位于中心的噴射器直接向每個汽缸噴射氣態(tài)燃料，該噴射器具有多個噴嘴組，每個噴嘴組與至少兩個火花塞中的一個關(guān)聯(lián)，該火花塞被定位成比噴射器距汽缸壁更近，每個噴嘴組引導氣態(tài)燃料朝向關(guān)聯(lián)的火花隙。在一個實施例中，能燃燒氣態(tài)燃料的發(fā)動機包括發(fā)動機機體，該機體有多個汽缸和至少一個汽缸蓋，該汽缸蓋有位于中心的噴射器孔、相對于所述噴射器孔的徑向外側(cè)火花塞孔、兩個進氣閥孔和兩個排氣閥孔，用于每個關(guān)聯(lián)的汽缸。所述發(fā)動機包括與每個汽缸關(guān)聯(lián)的第一和第二火花塞并分別關(guān)聯(lián)第一和第二火花隙；用于每個汽缸的氣態(tài)燃料噴射器穿過關(guān)聯(lián)的噴射器孔延伸進所述汽缸，所述噴射器包括第一噴嘴組，其被固定用于引導氣態(tài)燃料到第一火花隙，和第二噴嘴組，其被固定用于引導氣態(tài)燃料到第二火花隙?？刂破髋c噴射器和火花塞通信，其生成噴射信號以便隨著噴射結(jié)束正時和點火正時信號向各個汽缸噴射氣態(tài)燃料，從而響應(yīng)當前發(fā)動機工況點火氣態(tài)燃料。在一個實施例中，噴射結(jié)束(EOI)正時的范圍在上止點前(BTDC)約15到85度之間。不同實施例可以包括噴射器，其具有第一和第二噴嘴組，每個噴嘴組包括三個噴嘴。每個噴嘴組噴射燃料跨越徑向范圍在約5和78度之間，并且軸向范圍在約17和62度之間，這樣為燃燒造成多個半不同(sem1-distinct)的區(qū)段,其關(guān)聯(lián)每個汽缸的每個火花塞。在另一個實施例中，具有能夠燃燒氣態(tài)燃料的汽缸的發(fā)動機，其包括每個汽缸至少一個火花塞；氣態(tài)燃料噴射器，其延伸進每個汽缸并具有至少一個噴嘴組，該噴嘴組包含多個噴嘴，其被定位用于引導氣態(tài)燃料僅朝向關(guān)聯(lián)火花塞的火花隙；和控制系統(tǒng)，其操縱每個火花塞和每個噴射器以便輸送氣態(tài)燃料直接到所述汽缸并啟動燃燒。在另一個實施例中，所述氣態(tài)燃料包括氫氣，所述每個汽缸至少一個火花塞包括每個汽缸兩個火花塞，并且每個噴嘴組包括三個噴嘴。在另一個實施例中，第一噴嘴組與第二噴嘴組分開約150徑向度。在另一個實施例中，每個噴嘴組包括三個噴嘴，其被設(shè)置用于在約5和78度之間的徑向范圍內(nèi)噴射氣態(tài)燃料。在另一個實施例中，每個噴嘴組包括三個噴嘴，其被安排用于相對于汽缸頂部在約17和62度之間的范圍內(nèi)噴射氣態(tài)燃料。在另一個實施例中，所述發(fā)動機進一步包括汽缸蓋，該汽缸蓋對于每個汽缸有兩個進氣閥孔和兩個排氣閥孔，其中每個汽缸所述至少一個火花塞和噴射器被定位在汽缸蓋內(nèi)沿汽缸共同軸在進氣和排氣閥孔間延伸。在另一個實施例中，氣態(tài)燃料基本上由氫氣組成，其中所述發(fā)動機包括每個汽缸兩個火花塞，并且其中每個噴嘴組噴射氣態(tài)氫氣到燃燒區(qū)內(nèi)，該燃燒區(qū)對應(yīng)于火花塞中的一個的火花隙。在另一個實施例中，每個氣態(tài)燃料噴射器都是安裝在相應(yīng)的汽缸內(nèi)的中心。在另一個實施例中，每個火花塞被安裝穿過進氣閥和排氣閥的中軸線鄰接汽缸壁外側(cè)的閥門軸。在另一個實施例中，能夠燃燒氣態(tài)燃料的發(fā)動機包括具有多個汽缸的發(fā)動機機體；具有位于中心的噴射器孔的至少一個汽缸蓋，相對于所述的噴射器孔的徑向外側(cè)火花塞孔，兩個進氣閥孔和兩個排氣閥孔用于每個關(guān)聯(lián)的汽缸；與每個汽缸關(guān)聯(lián)的第一和第二火花塞，并分別關(guān)聯(lián)第一和第二火花隙；每個汽缸的氣態(tài)燃料噴射器穿過關(guān)聯(lián)的噴射器孔延伸到所述汽缸內(nèi)，所述噴射器包括第一噴嘴組，其被定位用于引導氣態(tài)燃料到第一火花隙，并且第二噴嘴組被定位用于引導氣態(tài)燃料到第二火花隙；和與噴射器和火花塞通信的控制器，其生成噴射信號以便噴射氣態(tài)燃料到各個汽缸，并生成點火正時信號以便點火氣態(tài)燃料。在另一個實施例中，第一和第二噴嘴組每個包括三個噴嘴，每個噴嘴組噴射燃料跨越在約5和78度之間的徑向范圍和在約17和62度之間的軸向范圍。根據(jù)本公開的不同實施例提供相關(guān)的優(yōu)點。例如，根據(jù)本公開實施例，對燃料濃度和分布的控制公開(disclosure)排放、向所述發(fā)動機汽缸壁的傳熱和所述發(fā)動機的總效率之間的平衡。而根據(jù)本公開的策略能夠?qū)崿F(xiàn)有限范圍的設(shè)計特性，經(jīng)驗上的證據(jù)證明，每個汽缸使用兩個火花塞結(jié)合具有相應(yīng)三個噴嘴的噴嘴組的噴射器產(chǎn)生用于燃燒的多個半不同(sem1-distinct)的區(qū)段，可以為氫氣燃料發(fā)動機增加達到5%的制動熱效率。而使用單個火花塞和雙多噴嘴組，每個噴嘴組有三個噴嘴的實施例，提高了總效率，使用雙火花塞提供更好的燃燒穩(wěn)定性，并且促進更靈活的噴射正時，這有助于額外的效率增益。另外，不同實施例顯示在發(fā)動機運行范圍內(nèi)燃燒率提高10-90%，而燃燒時間減少10-15曲軸角度。
上述優(yōu)點和與本公開實施例相關(guān)的其他優(yōu)點和特征，在以下詳細描述中結(jié)合附圖將會變得明白清楚。


圖1示出根據(jù)本公開的實施例的能夠使用氣態(tài)燃料運行的發(fā)動機的方框圖；圖2示出汽缸蓋底視圖，該圖示出根據(jù)本公開的不同實施例的能夠使用氣態(tài)燃料運行的發(fā)動機的定位用于四閥門汽缸的噴射器和火花塞，雙火花塞實施例；圖3A-3C示出根據(jù)本公開的不同實施例的用于氣態(tài)燃料發(fā)動機的具有兩個噴嘴組的氣態(tài)燃料噴射器；圖4A-4F示出氣態(tài)燃料分布入燃燒的半不同區(qū)段/半不同的燃燒區(qū)段，其由具有噴嘴的噴射器所產(chǎn)生，噴嘴根據(jù)本公開的不同實施例被布置；圖5示出根據(jù)本公開的不同實施例的氣態(tài)燃料發(fā)動機每個汽缸單火花塞實施例的燃料消耗和NOx生成的減少；圖6和7比較根據(jù)本公開的不同實施例的氣態(tài)燃料發(fā)動機每個汽缸單火花塞和每個汽缸雙火花塞執(zhí)行的燃燒效率和穩(wěn)定性；圖8示出根據(jù)本公開的不同實施例的氣態(tài)燃料發(fā)動機每個汽缸雙火花塞實施例的燃料消耗和NOx生成的減少；并且圖9示出根據(jù)本公開的不同實施例的控制氣態(tài)燃料發(fā)動機的系統(tǒng)或方法的操作。
具體實施例方式按照要求，本公開的詳細實施例在此公開；然而，要明白的是所述公開的實施例僅是本發(fā)明的示范，本發(fā)明可以具體體現(xiàn)在各種各樣的并且可選擇的形式中。其圖沒有必要按比例；一些部件/特征可以放大或縮小以便表明特定組件的細節(jié)。因此，本公開所公開的具體的結(jié)構(gòu)和功能細節(jié)不能理解為限制性的，而只是作為有代表性的依據(jù)用于教導本領(lǐng)域的技術(shù)人員多樣化的采用本發(fā)明。正如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所明白的那樣，所述實施例的不同部件/特征，其根據(jù)任一圖所示出和描繪，可以與一個或多于一個其他圖中所示出的部件組合，從而產(chǎn)生本公開的實施例，其是沒有明確示出或描述的。示出的部件組合為典型的應(yīng)用提供代表性的實施例。但是，特定的應(yīng)用或?qū)嵤┬枰c本公開的教導相一致的部件的不同組合和修改。圖1示出，通常在10，一個汽缸的示范性實施例，所述汽缸在能夠使用氣態(tài)燃料運行的多汽缸發(fā)動機的發(fā)動機機體110內(nèi)，其具有連接到所述汽缸的進氣和排氣通道；和凸輪軸的示范性實施例，所述凸輪軸具有可變的正時機制用于控制所述汽缸的閥門。應(yīng)該清楚的是發(fā)動機10的配置僅是示范性的，并且本公開所描述的系統(tǒng)和方法可適用于任何其他合適的發(fā)動機。此外，發(fā)動機可以通過至少一個位于汽缸內(nèi)的火花塞(圖2和4所示最佳)被火花點火，其正時可隨著此處更詳細描述的工況而改變。繼續(xù)圖1，發(fā)動機10由包括電子發(fā)動機控制器12的控制系統(tǒng)控制。發(fā)動機10的燃燒室或汽缸14被示出包括燃燒室壁16，有活塞18定位其中并連接到曲軸20。燃燒室14被示出分別通過至少一個進氣閥門26和至少一個排氣閥門28的選擇性開口與進氣歧管22和排氣歧管24連通。氣態(tài)燃料噴射器30被耦合到燃燒室14，并且通常位于汽缸蓋120內(nèi)相應(yīng)孔的中心，用于與通過常規(guī)電子驅(qū)動器68從控制器12接收的燃料脈沖寬度(fpw)信號成比例地直接將噴射燃料輸入其中。燃料由氣態(tài)燃料系統(tǒng)(圖中沒有示出)輸送到燃料噴射器30，該氣態(tài)燃料系統(tǒng)可包括如燃料箱、一個或多于一個燃料泵和燃料導軌。正如根據(jù)圖2更詳細描述的，在一個實施例中，與每個汽缸關(guān)聯(lián)的第一和第二火花塞，具有關(guān)聯(lián)的第一和第二火花隙，被定位成比噴射器30距所述汽缸壁更近。噴射器30包括關(guān)聯(lián)每個火花塞/隙的噴嘴組，并且以憑經(jīng)驗決定的角度/距離定位，從而引導燃料沖進與每個火花塞/隙關(guān)聯(lián)的半不同的區(qū)段，以便燃燒。進氣歧管22被示出連通節(jié)氣門體32，其包含節(jié)流板34。在這個具體示例中，節(jié)流板34被耦合到電動機36，以便節(jié)流板34的位置被控制器12通過電動機36所控制。在可選擇的實施例中(沒有示出)，節(jié)氣門體32和節(jié)流板34被省略。排氣傳感器38被示出耦合到后處理裝置40上游的排氣歧管24。后處理裝置40可以包括任何合適的裝置類型以便減少發(fā)動機10的排放。例如但不限于，三元和四元催化轉(zhuǎn)化器、微粒過濾器、稀NOx捕集器等。正如本公開根據(jù)圖5和8更詳細描述的，根據(jù)本公開的不同實施例，使用具有噴嘴組的氣態(tài)燃料噴射器，該噴嘴組與半不同燃燒區(qū)段關(guān)聯(lián)用于每個火花塞/隙結(jié)合燃料噴射和點火正時，可以在大多數(shù)的發(fā)動機運行范圍內(nèi)導致較低的NOx排放?？刂破?2在圖1中被示為常規(guī)的微型計算機，其包括微處理器單元(CPU)60、輸入/輸出端口(I/o) 62、用于可執(zhí)行程序和校正值的電子儲存介質(zhì)(在這個具體示例中顯示為只讀存儲芯片(ROM) 64)、隨機存取存儲器(RAM) 66、?；畲鎯ζ?KAM) 69和常規(guī)數(shù)據(jù)總線?？刂破?2被示出從耦合到發(fā)動機10的傳感器接收不同信號，除了那些前文所述的信號以夕卜，還包括來自耦合到節(jié)氣門體32的質(zhì)量空氣流量傳感器70的感應(yīng)質(zhì)量空氣流量(MAF)的測量；來自耦合到冷卻套74的溫度傳感器72的發(fā)動機冷卻劑溫度(ECT);來自耦合到曲軸20的霍爾效應(yīng)傳感器76的表面點火感測信號(PIP);來自節(jié)氣門位置傳感器78的節(jié)氣門位置(TP);和來自傳感器71的歧管絕對壓力(MAP)。發(fā)動機10可以被配置有可變的進氣閥和排氣閥正時能力。例如，發(fā)動機10可以包括由控制器12控制的電機致動閥?？蛇x的，正如圖1的代表性實施例中所示，發(fā)動機10可以包括機械改變進氣和/或排氣閥正時的機制，例如通過調(diào)整凸輪軸的正時。在所描寫的實施例中，發(fā)動機10的凸輪軸90被示出連通搖臂52和54以便致動進氣閥26和排氣閥28。凸輪軸90直接耦合外殼56。外殼56形成齒輪并具有多個輪齒58。外殼56液壓式耦合內(nèi)驅(qū)動構(gòu)件(未示出)，其反過來通過正時鏈條(沒有顯示)直接鏈接到曲軸20。因此，外殼56和凸輪軸90以大體上等于內(nèi)驅(qū)動構(gòu)件的速度旋轉(zhuǎn)。內(nèi)驅(qū)動構(gòu)件以與曲軸20恒定的速度比旋轉(zhuǎn)。但是，通過操縱液壓耦合器，這將在以后描述，凸輪軸90對于曲軸20的相對位置可以通過控制推進室100和延遲室102的液壓而改變。例如，通過允許高壓液壓液體進入推進室100，同時允許液體流出延遲室102，凸輪軸90和曲軸20的相對關(guān)系是推進的。因此，進氣閥26和排氣閥28在相對于曲軸20比標準更早的時間打開和關(guān)閉。類似地，通過允許高壓液壓液體進入延遲室102，同時允許液體流出推進室100，凸輪軸90和曲軸20的相對關(guān)系是延遲的。因此，進氣閥26和排氣閥28在相對于曲軸40比標準更遲的時間打開和關(guān)閉。耦合到外殼56和凸輪軸90的輪齒58通過凸輪正時傳感器104提供可變凸輪軸正時(VCT)信號到控制器12允許測量相對凸輪位置。在所描述的實施例中，四個輪齒(標記為58-1、58-2、58-3和58_4)被提供用于測量凸輪正時并且間隔相等(例如，相互間隔90度)，而間隔不同的輪齒58-5可以用于汽缸識別。另外，控制器12發(fā)送控制信號到常規(guī)電磁閥(沒有顯示)以便控制液壓液體的流動，或者流進推進室100、或者流進延遲室、或者兩者都不流進。應(yīng)該明白，圖1僅示出多汽缸發(fā)動機中的一個汽缸，并且每個汽缸都有其自己的一組進氣/排氣閥、火花塞(一個或多個)、燃料噴射器等。還應(yīng)明白，所描寫的發(fā)動機10被示為舉例目的，并且本公開所描述的系統(tǒng)和方法可以實施或應(yīng)用于任何其他合適的發(fā)動機，該發(fā)動機具有任何合適組件和/或組件布置，可以使用氣態(tài)燃料，如氫氣、壓縮天然氣(CNG)、丙烷等。例如，進氣閥26和排氣閥28可以電機致動，并且凸輪軸90(和不同關(guān)聯(lián)配件)可以省略。同樣地，分開的凸輪軸可以用于控制進氣閥26和排氣閥28的打開。在每個閥門由分開的凸輪軸所操縱的地方，每個凸輪軸可以包括可變正時機制，比如圖1中示出的凸輪軸90，以允許排氣閥正時通過可變凸輪正時系統(tǒng)獨立于進氣閥正時改變，且反之亦然。在操作中，空氣穿過進氣口 22被引導進入汽缸14并與氣態(tài)燃料混合?？刂破?2操縱噴射器30穿過位于中心的噴射器30把氣態(tài)燃料直接噴射每個汽缸14，該噴射器包括多個噴嘴組(圖3A-3C所示最佳)，每組連接至少兩個火花塞(圖2)中的一個，其被定位成比噴射器30更靠近汽缸壁16，并引導所述氣態(tài)燃料朝向汽缸14內(nèi)關(guān)聯(lián)的火花隙?？刂破?2使用關(guān)聯(lián)的控制系統(tǒng)傳感器和致動器以便操縱每個火花塞和每個噴射器30從而輸送氣態(tài)燃料直接到汽缸14，并使用響應(yīng)當前發(fā)動機和周圍工況確定的燃料噴射和點火正時啟動燃燒。在一個實施例中，控制器12在發(fā)動機的整個操作范圍內(nèi)控制噴射器30以便噴射基本上由氫氣組成的氣態(tài)燃料，從而提供噴射結(jié)束(Ε0Ι )，其范圍僅是上止點后(ATDC)約15-85度(deg)。根據(jù)本公開的不同實施例，能夠使用氣態(tài)燃料工作的多汽缸發(fā)動機，可以通過所顯示的自然吸氣發(fā)動機實 施，或者可以包括不同類型的增壓。例如，發(fā)動機10可以包括排氣渦輪增壓器、機械增壓器或類似裝置。不同類型的渦輪增壓器或者機械增壓器可單獨使用或結(jié)合使用。例如，可變幾何渦輪增壓器(VGT)可以用于所述渦輪機和/或壓縮機的幾何形狀在發(fā)動機運行期間可以改變處?？商鎿Q地或另外地，可變噴嘴渦輪增壓器(VNT)可以使用可變噴嘴，其放置在排氣管道內(nèi)所述渦輪機上游和/或下游以便通過所述渦輪機改變氣體的有效膨脹。類似地，雙渦輪增壓器布置和/或連續(xù)的渦輪增壓器布置可以用于一些應(yīng)用和實施。正如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所明白的，根據(jù)本公開的實施例，控制氣態(tài)燃料噴射和點火的所述系統(tǒng)和方法通常獨立于具體類型的進氣系統(tǒng)，并且可以適應(yīng)用于各種不同的發(fā)動機技術(shù)?，F(xiàn)在參考圖2，其示出汽缸蓋的底視圖，該汽缸蓋的底視圖示出根據(jù)本發(fā)明的不同實施例的定位用于每個汽缸四閥門/四閥門汽缸的噴射器和火花塞，能夠使用氣態(tài)燃料運行的發(fā)動機的雙火花塞實施例。汽缸蓋120包括每個汽缸的進氣端口和排氣端口，其分別連通第一和第二進氣閥54-1和54-2以及第一和第二排氣閥52-1和52_2的開口。第一火花塞210包括第一火花隙212并且第二火花塞220包括第二火花隙222?；鸹ㄈ?10、220延伸穿過在汽缸蓋120內(nèi)相應(yīng)的孔進入燃燒室或者汽缸14并且通常定位于緊鄰或者毗連汽缸壁16。例如，在一個實施例中，由汽缸壁16限定的汽缸孔的直徑約89_，其具有火花塞電極用于間隔71mm的火花塞210、220。在另一個實施例中，火花塞210、220被定位更接近噴射器30，但是比噴射器孔230 (和關(guān)聯(lián)的噴射器，當安裝了時)更靠近汽缸壁16。在一個實施例中，火花塞210、220沿具有位于中心的噴射器孔230的共同的汽缸橫軸240對齊。如圖所示，橫向或者徑向汽缸軸240在進氣閥54-1、54-2 (和關(guān)聯(lián)的進氣閥開口)和排氣閥52-1、52-2(和關(guān)聯(lián)的排氣閥開口)之間延伸。同樣地，火花塞210、220被定位在汽缸蓋120內(nèi)的進氣和排氣端口之間，其分別關(guān)聯(lián)進氣閥54-1、54-2和52-1、52-2，并毗連汽缸壁16。圖3A-3C示出根據(jù)本公開的不同實施例的氣態(tài)燃料噴射器。與各種常規(guī)的或者傳統(tǒng)的噴射器相比，常規(guī)的或者傳統(tǒng)的噴射器具有噴嘴通常均勻的分布在噴嘴頭的周圍并且關(guān)于噴射器軸對稱定位的噴嘴模式，根據(jù)本公開的不同實施例的氣態(tài)燃料噴射器包括若干噴嘴組，每個該噴嘴組被布置用于引導氣態(tài)燃料僅朝向相應(yīng)的火花隙。圖3A是噴射器30的側(cè)視圖，圖3B是噴射器30的端視圖，圖3C是圖3B的噴射器端頭300的部分剖面圖。如圖3A-3C中所示，噴射器30包括至少一個噴嘴，當安裝在噴射器孔230 (圖2)內(nèi)時其關(guān)聯(lián)相應(yīng)的火花塞/隙。在示出的實施例中，噴射器端頭300包括第一噴嘴組310，其包括三個噴嘴312、314和316，和第二噴嘴組320，其包括三個噴嘴322、324和326。第一噴嘴組310引導氣態(tài)燃料僅朝向第一火花塞/隙210/212 (圖2)并且第二噴嘴組320引導氣態(tài)燃料僅朝向第二火花塞/隙220/222，以便形成用于燃燒的半不同的區(qū)段，這關(guān)于圖4A-4F更詳細的不出和描述。在一個實施例中，噴嘴組310、320每個包括三(3)個噴嘴，該噴嘴基于計算機建模和經(jīng)驗數(shù)據(jù)定位，從而為定向填充燃料噴射器30的設(shè)計提供要求的燃料噴霧。噴嘴組310包括中心噴嘴316，其與每個鄰接噴嘴312、314以約14度的徑向角340分開，從而提供燃料噴射直接到相應(yīng)的火花塞/隙，該火花塞/隙跨越相對于噴射器中心軸約28徑向度。類似地，噴嘴組320包括中心噴嘴322，其與鄰接噴嘴324、326以約14度的徑向角分開，從而提供燃料噴射直接到相應(yīng)的火花塞/隙，該火花塞/隙跨越相對于噴射器中心軸約28徑向度。同樣地，在本實施例中，噴嘴組310以約150徑向度與噴嘴組320分開從而生成多個半不同的區(qū)段，其關(guān)聯(lián)每個火花塞以便燃燒。當然，定向填充的徑向跨度或者角度可以根據(jù)具體應(yīng)用和執(zhí)行而變化。一種模型/原型的經(jīng)驗和計算機建模數(shù)據(jù)建議在約5和約78度之間的跨度范圍為基本上由氫氣組成的發(fā)動機燃料提供了在燃料消耗和NOx排放之間的可接受的平衡。圖3C中噴射器端頭300的部分剖面圖示出噴嘴312、314、316和322、324、326相對于噴射器軸、或者相對于所述汽缸頂?shù)亩ㄎ?。在一個實施例中，噴嘴312、314、234和326形成約70度軸向角350，而噴嘴322和316形成約45度軸向角(沒有具體示出)。當然，余角可以從汽缸頂蓋或者汽缸頂部測量。與徑向跨度相似，軸向跨度可以根據(jù)具體應(yīng)用和執(zhí)行而變化。但是，一種模型的經(jīng)驗和計算機建模數(shù)據(jù)建議相對于汽缸頂部在約17度和約62度之間的跨度(或者相對于噴射器軸在約28度和約73度之間)為基本上由氫氣組成的發(fā)動機燃料提供了在燃料消耗和NOx排放之間的可接受的平衡。圖4A-4F示出預期的或者預計的氣態(tài)燃料分布入半不同燃燒區(qū)段/燃燒的半不同區(qū)段，其由具有噴嘴的噴射器產(chǎn)生，該噴嘴根據(jù)本公開的不同實施例而布置。圖4A和4C分別提供在隨著活塞18在壓縮沖程向上移動和在動力沖程開始向下移動的燃燒周期圍繞上止點的第一和第二周期的活塞側(cè)視圖。圖4B和4D為第一和第二周期提供相應(yīng)的活塞前視圖。由圖4A和4B表示的第一周期對應(yīng)于在燃料噴射期間并緊接著燃料噴射的預計燃料位置，而由圖4C和4D表示的第二周期對應(yīng)于在點火期間的預計燃料位置。如圖4A所示，氣態(tài)燃料經(jīng)過第一和第二噴嘴組瞄向所述火花隙和汽缸壁16而形成噴射410和412。汽缸壁16指引所述燃料噴射410、412到活塞18，活塞18反射燃料進入燃燒室14的中心。圖4B的側(cè)視圖示出由每個噴嘴組形成的相對窄的燃料噴射，而每個噴嘴組引導燃料僅朝向緊鄰汽缸壁16的相應(yīng)的火花隙。圖4C和4D示出剛好在點火前和點火期間燃料在高燃燒區(qū)416和低燃燒區(qū)418良好地混合。低燃燒區(qū)418用作隔離層用于減少熱量傳送到汽缸壁16并且提高總效率同時減少NOx的形成?；鸹ㄈ梢远ㄎ辉谄?4內(nèi)，以便火花隙位于低燃燒區(qū)內(nèi)且剛好在高燃燒區(qū)的外部，從而更好的操縱燃燒率和關(guān)聯(lián)的NOx的形成，這在圖7中有更詳細的示出和描述。圖4E提供了活塞的側(cè)視圖，并且圖4F提供用于最優(yōu)化燃燒的氣態(tài)燃料流動定向目標的底視圖(汽缸內(nèi))。如圖4E所示，第一和第二噴嘴組產(chǎn)生相應(yīng)噴射410和412，其跨越相對于汽缸頂部14在約17度和約62度之間的角度450。如圖4F所示，噴射器30包括第一和第二噴嘴組，從而生成相應(yīng)第一和第二燃料噴射410、412，對于每個噴嘴組，其跨越約5度和約78度之間的徑向角460。圖5示出對于根據(jù)本公開的不同實施例的氣態(tài)燃料發(fā)動機每個汽缸單火花塞的實施例，燃料消耗和NOx生成的減少。圖5中的數(shù)據(jù)是為以基本由氫氣組成的氣態(tài)燃料能夠運行的發(fā)動機生成的。該圖示出燃料消耗和NOx作為在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為3000rpm和當量比(phi)為O. 4時噴射正時的函數(shù)。圖5中的數(shù)據(jù)比較定向噴射器和傳統(tǒng)噴射器設(shè)計的性能，該定向噴射器具有兩個噴嘴組，每個噴 嘴組有三個噴嘴和每個汽缸單火花塞/單火花塞汽缸，該傳統(tǒng)噴射器設(shè)計具有5個噴嘴，這5個噴嘴在每個汽缸單火花塞Il單火花塞汽缸和每個汽缸雙火花塞/雙火花塞汽缸的兩個實施例中通常都圍繞噴射器周圍均勻間隔。線510和512分別表示對于5噴嘴的噴射器和每個汽缸雙火花塞的實施例的NOx和瞬時燃料消耗(ISFC)。線514和516分別表示對于定向噴射器(2個噴嘴組每個具有3個噴嘴)和每個汽缸單火花塞的實施例的NOx和瞬時燃料消耗(ISFC)。如圖5所示，每個汽缸單火花塞的定向噴射器(線514、516)優(yōu)于傳統(tǒng)的每個汽缸單火花塞或每個汽缸雙火花塞配置的噴射器設(shè)計。圖6和7比較根據(jù)本公開不同實施例的氣態(tài)燃料發(fā)動機的每個汽缸單火花塞和每個汽缸雙火花塞實施的燃燒效率和穩(wěn)定性。圖6示出與由線620表示的每個汽缸雙火花塞實施例相比，由線610表示的每個汽缸單火花塞的實施例的作為瞬時歧管有效壓力(MEP)的函數(shù)的噴射結(jié)束(Ε0Ι)。圖7示出由線720表示的每個汽缸雙火花塞實施和由線710表示的每個汽缸單火花塞實施的作為MEP的函數(shù)的燃燒時間(或速率)。如圖6和7大致所示，在由線620表示的每個汽缸雙火花塞實施中噴射正時更加靈活，其燃燒穩(wěn)定性范圍增加了 20-30曲軸度，這促進了更有效的噴射正時。類似地，在整個運行范圍，燃燒速率提高了 10-90%，而燃燒時間減少了 10-15曲軸度。圖8示出根據(jù)本公開的不同實施例，對于氣態(tài)燃料發(fā)動機每個汽缸雙火花塞和定向噴射器實施例的燃料消耗和NOx生成的減少。圖8的代表數(shù)據(jù)比較傳統(tǒng)的5噴嘴噴射器和定向噴射器的燃料消耗和NOx生成，其中5噴嘴噴射器具有通常繞噴射器周圍均勻隔開的噴嘴，而定向噴射器具有兩個噴嘴組，每個噴嘴組有三個噴嘴，其中對于每個汽缸單火花塞和每個汽缸雙火花塞的實施，噴嘴組由約150徑向度分開。圖8提供了噴射正時曲線，其示出在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為3000rpm和當量比(phi)為O. 4時，作為在上止點后(ATDC)曲軸度測量的噴射結(jié)束(EOI)的函數(shù)的燃料消耗(ISFC)和NOx生成。線810和812分別表示對于5噴嘴雙火花塞實施的NOx生成和燃料消耗。線814和816分別表示根據(jù)本公開的實施例，對于定向噴射器和每個汽缸雙火花塞實施的NOx生成和燃料消耗。線818和820分別表示對于定向噴射器和每個汽缸單火花塞實施的NOx生成和燃料消耗。線822和824分別表示對于5噴嘴噴射器、每個汽缸單火花塞實施的NOx生成和燃料消耗。如圖8所示，由線814和816表示的具有噴嘴組的在每個汽缸雙火花塞實施中引導氣態(tài)燃料朝向相應(yīng)火花隙的定向噴射器的協(xié)同作用，其特別對于在ATDC約55度和ATDC約70度之間的噴射正時,改進(減少)燃料消耗和NOx生成。在計劃(projected to)全系統(tǒng)運行時，本燃燒系統(tǒng)產(chǎn)生具有計劃/設(shè)計的達到48%的制動熱效率(BTE)的非常有效的汽車發(fā)動機，其比發(fā)展中的當前系統(tǒng)改進了 5%。當然，實際可得到的BTE可以根據(jù)多種多樣的發(fā)動機、交通工具和周圍工況而變化。圖9示出根據(jù)本公開的不同實施例，對于控制使用氣態(tài)燃料工作的發(fā)動機的系統(tǒng)運行或方法。值得注意的是，如上所述，示出和描述的所述控制和評估程序可與不同發(fā)動機配置一起使用。此處所述具體程序可以表示任意數(shù)目的處理策略中的一個或多于一個，如事件驅(qū)動、中斷驅(qū)動、多任務(wù)、多線程等等。類似地，示出的各種步驟或者功能可以按照示出的順序執(zhí)行，并行地執(zhí)行，或者有時省略。同樣地，處理順序沒有必要要求實現(xiàn)此處描述的示例實施例的所述特征和優(yōu)點，但被提供用于使示出和描述更容易。所述示出步驟和功能的一個或多于一個根據(jù)使用的特別策略可以重復執(zhí)行。此外，所述的步驟可以用圖表表示在控制器12里的被編程到計算機可讀的儲存介質(zhì)的代碼。圖9中的方塊910表示當前發(fā)動機(和/或交通工具)和周圍工況的監(jiān)測。工況可以包括不同溫度、駕駛員要求、發(fā)動機和交通工具速度、負載等，這些由相應(yīng)的傳感器確定或者由一個或多于一個控制器(如控制器12)計算或推斷。然后響應(yīng)由方塊920表示的當前工況確定噴射和點火正時。噴射和點火正時可以通過使用相應(yīng)的計算和/或經(jīng)由一個或多于一個運行參數(shù)訪問的控制發(fā)動機參數(shù)圖來確定，例如發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負載。方塊930表示位于中心的噴射器直接向每個汽缸噴射氣態(tài)燃料，位于中心的噴射器具有多個噴嘴組朝向各個或者相應(yīng)的火花隙以便形成如前所述的半不同的燃燒區(qū)段。然后控制器12生成由方塊940表不的信號以便啟動燃燒。正如關(guān)于圖1-9所示出和描述的，根據(jù)本公開的不同實施例提供了關(guān)聯(lián)的優(yōu)點，比如控制燃料濃度和分布從而保持發(fā)動機排放、向所述發(fā)動機汽缸壁的傳熱和發(fā)動機的總效率之間的平衡。經(jīng)驗的證據(jù)已經(jīng)證明使用每個汽缸雙火花塞結(jié)合具有每個噴嘴組三個噴嘴的相應(yīng)噴嘴組以產(chǎn)生多個半不同的燃燒區(qū)段的噴射器，可以為氫氣燃料發(fā)動機增加高達5%的制動熱效率。但是，根據(jù)本公開的策略可以在設(shè)計特征有限的范圍內(nèi)實現(xiàn)。而使用單火花塞和每個噴嘴組具有三個噴嘴的雙多噴嘴組的實施例改進了總效率；使用雙火花塞提供了更好的燃燒穩(wěn)定性和促進了更靈活的噴射正時，這有助于額外效率增益。另外，不同實施例展示了在整個發(fā)動機運行范圍燃燒比率提高10-90%而燃燒時間減少了 10-15曲軸度。以上所述雖然是示范性的實施例，但這并不意味著這些實施例描述了本發(fā)明的所有可能的形式。更精確地，本說明書使用的語言是描述性的而不是限制性的，并且應(yīng)該明白的是在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的條件下可以做出不同變化。另外，不同執(zhí)行實施例的部件可以結(jié)合從而形成本發(fā)明的進一步實施例。
權(quán)利要求
1.一種用于控制能夠使用氣態(tài)燃料運行的發(fā)動機的方法，其包括通過位于中心的噴射器向每個汽缸直接噴射氣態(tài)燃料，該噴射器具有多個噴嘴組，每個噴嘴組關(guān)聯(lián)至少兩個火花塞中的一個，所述火花塞定位成相對于噴射器更靠近汽缸壁，每個噴嘴組引導所述氣態(tài)燃料朝向關(guān)聯(lián)的火花塞隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中每個所述噴嘴組包括三個噴嘴。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述氣態(tài)燃料包括氫氣，每個汽缸包括兩個火花塞，所述多個噴嘴組包括兩個噴嘴組，并且所述噴嘴組被分開約150徑向度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中噴射包括通過所述噴嘴組相對于所述汽缸頂部以在約17度和約62度之間的角度噴射氣態(tài)氫氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述噴射包括通過所述噴嘴組針對每個噴嘴組以在約5和約78度之間的徑向角噴射氣態(tài)氫氣。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述發(fā)動機的每個汽缸均包括具有進氣端口和排氣端口的汽缸蓋，并且其中所述火花塞被定位在所述汽缸蓋內(nèi)在所述進氣端口和所述排氣端口之間鄰近汽缸壁。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述發(fā)動機的每個汽缸均包括具有兩個進氣閥孔和兩個排氣閥孔的汽缸蓋，并且其中所述火花塞和噴射器沿在所述進氣閥孔和所述排氣閥孔之間延伸的汽缸公共軸線被定位在所述汽缸蓋內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述發(fā)動機的整體運行范圍包括噴射氣態(tài)燃料從而提供僅在上止點后(ATDC)的約15度和約85度之間的噴射結(jié)束。
9.一種具有能夠燃燒氣態(tài)燃料的汽缸的發(fā)動機，其包括 每個汽缸至少一個火花塞； 氣態(tài)燃料噴射器，其延伸到每個汽缸并且具有至少一個含有多個噴嘴的噴嘴組，這些噴嘴被定位成引導氣態(tài)燃料僅朝向關(guān)聯(lián)火花塞的火花隙；和 控制系統(tǒng)，其操縱每個火花塞和每個噴射器以便直接輸送氣態(tài)燃料到汽缸并啟動燃燒。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)動機，其中所述控制系統(tǒng)控制噴射以便在噴射結(jié)束范圍在上止點后(ATDC)的約15-85度之間的情況下噴射氣態(tài)氫氣。
全文摘要
一種具有燃燒氣態(tài)燃料的汽缸的發(fā)動機包括每個汽缸至少一個火花塞；延伸到每個汽缸的氣態(tài)燃料噴射器，該噴射器具有至少一個包含多個噴嘴的噴嘴組，這些噴嘴經(jīng)定位用于引導氣態(tài)燃料僅朝向關(guān)聯(lián)火花塞的火花隙；和控制系統(tǒng)，其操縱每個火花塞和每個噴射器以便直接輸送氣態(tài)燃料到汽缸并啟動燃燒。一種控制能夠使用氣態(tài)燃料運行的發(fā)動機的方法，其包括通過位于中心的噴射器直接向每個汽缸噴射氣態(tài)燃料，該噴射器具有多個噴嘴組，每個噴嘴組關(guān)聯(lián)至少兩個火花塞中的一個，該火花塞定位成相對于噴射器更靠近汽缸壁，每個噴嘴組引導氣態(tài)燃料朝向關(guān)聯(lián)的火花隙。
文檔編號F02M61/18GK103032189SQ201210374688
公開日2013年4月10日 申請日期2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月29日
發(fā)明者B·A·波耶, M·A·約金斯 申請人:福特環(huán)球技術(shù)公司