气体共轨燃料系统及使用该系统的高压缩比发动的制造方法
【专利摘要】本发明涉及气体共轨燃料系统及使用该系统的高压缩比发动机。一种气体燃料发动机将与高压缩比发动机关联的效率与供给天然气燃料的吸引力相结合。各发动机气缸具有关联的燃料喷射器，该燃料喷射器定位成用于直接喷射并被供应有来自高压共轨的气体燃料。单独的点火预燃室也被供应有天然气并且包括点火装置。使用通过点燃预燃室中的气体燃料和空气的混合物而生成的热气体来点燃更大量的从燃料喷射器喷射到发动机气缸中的气体燃料。发动机具有大于14:1的压缩比。
【专利说明】气体共轨燃料系统及使用该系统的高压缩比发动机
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及气体燃料发动机，更具体地涉及利用与气体燃料直接喷射相结合的独立的点火预燃室的高压缩比气体燃料发动机。
【背景技术】
[0002]近来已经受到关注的一类发动机是双燃料发动机，其利用少量的压燃液体柴油燃料的预喷射量以进而点燃更大量的通过直接喷射被供应到发动机气缸的气体燃料。这样的发动机寻求将与压燃式发动机关联的效率与气体燃料的吸引力相结合。尽管这些类型的发动机展示出了好的前景，但是伴随它们而来的是大量与向独立的发动机气缸供应两种分开的燃料关联的新问题。这些问题包括但不限于，控制问题、封装问题以及许多取决于选定的具体硬件和使用的策略的其它问题。用于这类发动机的燃料系统的一个例子在共有美国专利申请公开文献US2012/0187218中示出。
[0003]本发明涉及上述问题中的一个或多个。
【发明内容】
[0004]—个方面中，发动机包括限定出多个气缸的发动机壳体。多个活塞分别定位在所述气缸中的一个内并且能在下止点位置和上止点位置之间移动，所述下止点位置和所述上止点位置限定出大于14:1的压缩比。多个燃料喷射器分别定位成用于向所述气缸中的一个内的直接喷射。多个点火预燃室设置在所述发动机壳体内，并且各点火预燃室分别流体地连接至所述气缸中的一个。多个点火装置分别定位在所述点火预燃室中的一个内。多条气体燃料供应通路设置在所述发动机壳体内，并且各气体燃料供应通路分别在一个端部处通到所述点火预燃室中的一个。气体燃料共轨流体地连接至所述燃料喷射器中的每一个。
[0005]在另一方面中，一种用于运行发动机的方法包括使气体燃料从所述气体燃料供应通道中的相应的一条移动到所述点火预燃室中的一条。通过使所述活塞中的一个从所述下止点位置移动到所述上止点位置以至少14:1的压缩比在所述气缸内压缩空气。利用所述点火装置中的一个在所述点火预燃室内点燃空气和气体燃料的混合物。将气体燃料从所述燃料喷射器中的一个直接喷射到所述气缸内。响应于所述的喷射步骤使气体燃料从所述气体燃料共轨朝向所述燃料喷射器中的一个移动。利用响应于所述的混合物点燃步骤而被从所述点火预燃室推到所述气缸内的热气体来点燃被喷射的气体燃料。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]图1是根据本发明的发动机的示意图；
[0007]图2是图1的发动机的部分截面示意图；
[0008]图3是根据本发明另一方面的发动机的一部分的截面示意图；和
[0009]图4是根据本发明又一方面的发动机的一部分的截面示意图。【具体实施方式】
[0010]首先参见图1和图2，发动机10包括限定出多个气缸12的发动机壳体11。多个活塞13中的每一个各自定位在气缸12中的一个内。活塞13能在下止点位置和上止点位置之间移动，所述下止点位置和所述上止点位置限定出大于14:1的压缩比。本领域技术人员将理解这个压缩比大致与所谓的压燃式发动机有关，所述压燃式发动机通常以本领域已知的方式燃烧液体柴油燃料。然而，本发明的发动机仅燃烧气体燃料，其不是压燃式的，这与出于点火目的而使用柴油燃料的柴油燃料发动机或者双燃料发动机中的情况不同。相反，本发明的发动机10包括多个设置在壳体11中的点火预燃室14，其中各点火预燃室各自流体地连接至气缸12中的一个。多个点火装置30中的每一个各自定位在点火预燃室14中的一个内。多条气体燃料供应通路31设置在发动机壳体11中，其中各气体燃料供应通路各自在一个端部32处通到点火预燃室14中的一个。尽管非必要，各气体燃料供应通路31的另一端部33可以流体地连接至低压气体燃料共轨40。发动机10还包括多个燃料喷射器20，每个喷射器定位成用于向气缸12中的一个内的直接喷射。高压气体燃料共轨25流体地连接至每一个燃料喷射器20。高压气体燃料共轨25和低压气体燃料共轨40两者都可以含有加压天然气。在一个具体实施例中，可以将高压气体燃料共轨25保持在大约35MPa的压力下，并且可以将低压气体燃料共轨40保持在低得多的压力下，例如可以是1.5MPa。取决于具体的应用，两条共轨25和40中的压力可以明显不同于上述的示例性压力而不脱离本发明。另外，气体燃料供应通路31可以连接至除了共轨之外的气体燃料源而不脱离本发明。
[0011 ] 电控进口阀41可以设置在气体燃料供应通路31中的每一条内，用以控制被供应到独立的点火预燃室14的气体燃料的正时和量。点火装置30可以包括火花点火器、预热塞/电热塞(glow plug)、激光点火器，或者任何其它用于点燃在独立的预燃室14中的气体燃料和空气的混合物的适合的点火装置。电子控制器15可以与燃料喷射器20、点火装置30和进口阀41中的每一者进行控制通信。尽管非必要，气体燃料共轨25可以通过管(quill)26流体地连接至独立的燃料喷射器20。通过将燃料喷射器20的喷嘴出口 27定位在独立的气缸12内，有助于将来自独立的燃料喷射器20的气体燃料直接喷射到独立的气缸12中。尽管非必要，气体燃料供应通路31和低压气体燃料共轨40可以具有足够的容积，以在高压气体燃料供应系统中发生故障从而阻止以任何理由使用燃料喷射器20的情况下允许发动机10以所谓的跛行模式运转。然而，在正常运转期间，操作者可以预期到用于给发动机10提供动力的燃料的大部分由独立的燃料喷射器20供应，其中充料(charge)由从点火预燃室14喷出的热气体点燃。通过在由电子控制器15控制的正时处激励一个独立的点火装置30来实现在点火预燃室14中点燃气体燃料和空气的混合物。
[0012]现在参见图3，根据本发明另一实施例的发动机110与图1和图2中的发动机类似，除了点火预燃室114定位在独立的燃料喷射器120的内部而不是如图1和图2的实施例中示出的那样定位在燃料喷射器的外部。此外，这个实施例的不同之处还在于燃料喷射器120的喷嘴出口 127和点火预燃室114两者都被供应有来自高压气体燃料共轨125的气体燃料。发动机110与前述实施例的相似之处在于包括限定出多个气缸112 (仅示出一个)的发动机壳体111。在每一个气缸112中活塞113在下止点位置和上止点位置之间往复运动，用以限定出大于14:1的压缩比。燃料喷射器120中的每一个被各自定位成用于向气缸112中的一个内的直接喷射。点火预燃室114设置在独立的燃料喷射器120中，所述燃料喷射器本身设置在发动机壳体111中。各点火预燃室114也流体地连接至发动机气缸112中的一个。在这个实施例中，点火装置130可以包括火花点火器135，该火花点火器具有位于与一突出部(tang) 143相距一火花间隙距离144处的电极142，所述电极和突出部都在点火预燃室114中。突出部143可以电连接至低电阻绝缘地线145，以避免不需要的在燃料喷射器120中其它地方的电磁性。气体燃料供应通路131也设置在发动机壳体111中，并且各气体燃料供应通路具有通入到点火预燃室114中的一个端部132和流体地连接至气体燃料共轨125的另一端部133。电控进口阀141可以设置在气体燃料供应通路131中的任何适合的位置。通过针阀构件165的移动而有助于喷嘴出口 127的打开和闭合，所述针阀构件可以由电控的针控制阀160以本领域已知方式直接或间接地控制。
[0013]现在参见图4，其示出根据本发明的发动机210的又一实施例。这个实施例与前述实施例的区别在于包括在燃料喷射器220自身内而不是如在图1-3的实施例中那样位于系统中的其它地方的进口阀241。这个实施例与图3中的实施例的相似之处在于气体燃料供应通路231流体地连接至气体燃料共轨225，而不是如在图1和图2的实施例中那样流体地连接至单独的低压轨。这个实施例与前述实施例的区别还在于气体燃料供应通路231整个地位于燃料喷射器220中。发动机110包括和前述实施例一样限定出多个气缸212 (仅示出一个)的发动机壳体211。活塞213定位在各气缸212内并且能在下止点位置和上止点位置之间移动以限定出大于14:1的压缩比。燃料喷射器220定位成用于向气缸212中的直接喷射。点火预燃室214设置在各燃料喷射器220内，燃料喷射器本身设置在发动机壳体211内。如在前述实施例中那样，点火预燃室214流体地连接至气缸212。点火装置230定位在点火预燃室214中。尤其，在这个实施例中，点火装置230是包括与一突出部243隔开一火花间隙244的电极242的火花点火器235。突出部243暴露在燃料喷射器220的外表面222上。突出部243电连接至低电阻绝缘地线245，这可以帮助避免不需要的在燃料喷射器220中的其它地方的电磁性。这个实施例还示出了燃料喷射器220的末端221的外部表面222，该外部表面部分地限定出预燃室214。如在典型的共轨燃料喷射器中那样，气体燃料共轨225通过喷嘴供应通路226流体地连接至喷嘴室228。气体燃料供应通路231具有通入到点火预燃室214中的一个端部232和通入到喷嘴室228中的另一端部233。可以通过电致动器251以本领域的已知方式来控制进口阀241的打开和闭合，以将气体燃料供应至点火预燃室214。这个实施例与前述实施例的相似之处在于燃料喷射器220包括具有针阀构件265的直接控制式针阀，该针阀构件包括暴露至针控制室272中的流体压力的闭合气动表面273。电致动器261可以控制控制阀260的打开和闭合，用以经由控制通路270以本领域的已知方式将针控制室272流体地连接至低压排放口(未示出)以及断开与该低压排放口的连接。针控制室272可以经由孔口 271以对用于燃料喷射器的直接控制式针阀领域中的技术人员而言熟知的方式来始终流体地连接至气体燃料共轨225。图3和图4的实施例可能需要一些末端热特征(tip thermal features),诸如末端冷却和/或在末端221上的热涂层。
[0014]工业实用性
[0015]本发明总体而言可应用于气体燃料发动机。本发明具体而言可应用于这样的气体燃料发动机，即，其寻求将与压燃式发动机关联的效率与使用气体燃料作为发动机的唯一燃料源的吸引力相结合。此外，本发明能具体地应用于开发扩散火焰燃烧、柴油循环性能以及天然气燃料效能，并且在不需要额外燃料或者不遭遇实现高效点火的通常挑战的情况下就可以这么做。此外，通过正确地制定供应至点火预燃室的气体燃料的量，发动机10、110、210还可以被进一步影响用以通过将足够的气体燃料供应至点火预燃室而具有跛行能力，以在燃料系统的高压燃料喷射器侧故障的情况下以某一减小动力水平给发动机提供动力。
[0016]运转时，进口阀41、141、241可以在发动机进气门闭合时打开，以将少量的气体燃料提供到点火预燃室14、114、214内。在进口阀41、141、214闭合以后，气体燃料随着活塞
13、113、213在压缩行程内向上移动而与新鲜空气混合。点火预燃室14、114、214中的混合物可能刚好在高压气体燃料开始从独立的燃料喷射器20、120、220喷射之前由点火装置30、130、230点火。少量气体/空气混合物的燃烧使热气体迅速膨胀并将热气体推到独立的气缸12、112、212的主燃烧室中。这些热气体可以容易地将随后从燃料喷射器20、120、220喷射到主燃烧室中的高压气体喷射卷流(plumes)点燃，从而提供和柴油一样的扩散燃烧和热量释放。本发明的发动机还可以避免天然气燃料排放问题，因为任何蒸发的液化天然气或者泄漏的高压气体都可以被捕获到并且被输送至用于将气体燃料供应至点火预燃室14、114,214的低压气体系统。
[0017]关于图1-4的所有发动机重申，用于运行发动机10、110、210的方法包括使气体燃料从气体燃料供应通路31、131、231中的相应的一条移动到点火预燃室14、114、214中的一个内。通过使活塞13、113、213中的一个从下止点位置移动到上止点位置，在气缸12、112、212中以至少14:1的压缩比来压缩空气。使用点火装置30、130、230中的相应的一个来点燃点火预燃室14、114、214内的空气和气体燃料的混合物。气体燃料从燃料喷射器20、120、220直接喷射到发动机气缸12、112、212中。气体燃料响应于气体燃料喷射步骤而自气体燃料共轨25、125、225朝向燃料喷射器20、120、220移动。所喷射的气体燃料利用响应于混合物点燃步骤而自点火预燃室14、114、214被推到气缸12、112、212中的热气体点火。
[0018]尽管气体燃料可以在压缩行程早期被供应至点火预燃室14、114、214用以促进与空气的彻底混合，但是如果使用预热塞作为点火装置30、130、230的话则可以使用替代策略。尤其，如果使用预热塞，则气体燃料可以仅被供应至位于上止点附近的点火预燃室，使得点火正时仅由进口阀41的打开来控制而不是由火花的形成(在使用火花点火器135、235的情况中)来控制。尤其，在使用预热塞的情况中，当活塞13中的一个相比下止点更靠近上止点时，气体燃料可以移动到相应的点火预燃室14中，如果采用不同的点火装置也可以使用这种燃料供给策略，以间接控制允许气体燃料和空气的混合物在相应的点火预燃室14中被点燃之前变成何种程度的均质。在大多数情况下，喷射气体燃料的步骤可以在混合物点火步骤之后执行。在图3和图4的实施例中，混合物点火步骤包括利用火花点火器引发火花。然而，本发明还想到通过激活预热塞或激光点火器或本领域已知的某一其它适合的点火装置来完成混合物点火步骤。
[0019]在图1的实施例的情况中，可以预期电控制器15将气体燃料共轨25保持在高压下并且将低压轨40保持在低压下。通过使气体燃料从低压轨40移动到气体燃料供应通路31中的一个的所述另一端部33中而使气体燃料移动到点火预燃室14中。
[0020]在图3和图4的实施例中，气体燃料移动到点火预燃室114、214中包括使气体燃料从气体燃料共轨125、225朝向相应的气体燃料供应通道131、231的所述另一端部133、233移动。另外关于图3和图4的实施例，气体燃料移动到相应的点火预燃室114、214包括使气体燃料在独立的燃料喷射器120、220中移动。最后，关于图3和图4的实施例，点燃点火预燃室114、214中的气体燃料和空气的混合物的混合物点燃步骤在燃料喷射器120、220内执行。
[0021]应理解的是，以上描述意在仅用于解释性目的，而不希望以任何方式限制本发明的范围。因此，本领域技术人员将理解，可以通过对附图、说明书和所附权利要求书的研究来获得本发明的其它方面。
【权利要求】
1.一种发动机，包括: 限定出多个气缸的发动机壳体； 多个活塞，各活塞分别定位在所述气缸中的一个内并且能在下止点位置和上止点位置之间移动，所述下止点位置和所述上止点位置限定出大于14:1的压缩比； 多个燃料喷射器，各燃料喷射器分别定位成用于向所述气缸中的一个内的直接喷射； 多个设置在所述发动机壳体内的点火预燃室，各点火预燃室分别流体地连接至所述气缸中的一个； 多个点火装置，各点火装置分别定位在所述点火预燃室中的一个内； 多条设置在所述发动机壳体内的气体燃料供应通路，各气体燃料供应通路分别在一个端部处通到所述点火预燃室中的一个； 流体地连接至所述燃料喷射器中的每一个的气体燃料共轨。
2.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述气体燃料共轨是高压气体燃料共轨；以及 低压气体燃料共轨流体地连接至所述气体燃料供应通路中的每一条的另一端部。
3.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述点火装置是火花点火器。
4.根据权利要求3所述的发动机，其特征在于，所述火花点火器中的每一个包括电极，该电极与一突出部隔开一火花间隙；并且 所述突出部暴露在所述燃料喷射器的外表面上。
5.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述点火装置是预热塞。
6.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述点火装置是激光点火器。
7.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述气体燃料供应通路中的每一条的另一端部流体地连接至所述气体燃料共轨。
8.根据权利要求7所述的发动机，其特征在于，所述气体燃料供应通路中的每一条整个地位于所述燃料喷射器中的一个内。
9.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述点火预燃室中的每一个设置在所述燃料喷射器中的一个内。
10.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述燃料喷射器中的每一个包括具有外部表面的末端，所述外部表面部分地限定出所述点火预燃室中的一个。
11.一种用于运行发动机的方法，所述发动机包括:限定出多个气缸的发动机壳体；多个活塞，各活塞分别定位在所述气缸中的一个内并且能在下止点位置和上止点位置之间移动，所述下止点位置和所述上止点位置限定出大于14:1的压缩比；多个燃料喷射器，各燃料喷射器分别定位成用于向所述气缸中的一个内的直接喷射；多个设置在所述发动机壳体内的点火预燃室，各点火预燃室分别流体地连接至所述气缸中的一个；多个点火装置，各点火装置分别定位在所述点火预燃室中的一个内；多条设置在所述发动机壳体内的气体燃料供应通路，各气体燃料供应通路分别在一个端部处通到所述点火预燃室中的一个；流体地连接至所述燃料喷射器中的每一个的气体燃料共轨；所述方法包括以下步骤: 使气体燃料从所述气体燃料供应通道中的相应的一条移动到所述点火预燃室中的一个内； 通过使所述活塞中的一个从所述下止点位置移动到所述上止点位置以至少14:1的压缩比在所述气缸中的一个内压缩空气； 利用所述点火装置中的一个在所述点火预燃室中的所述一个内点燃空气和气体燃料的混合物； 将气体燃料从所述燃料喷射器中的一个直接喷射到所述气缸中的一个内； 响应于所述的喷射步骤使气体燃料从所述气体燃料共轨朝向所述燃料喷射器中的所述一个移动；以及 利用响应于所述的混合物点燃步骤而被从所述点火预燃室中的所述一个推到所述气缸中的所述一个内的热气体来点燃所喷射的气体燃料。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，该方法包括保持所述气体燃料共轨处于高压下的步骤， 保持一低压轨处于低压下； 使气体燃料移动到所述点火预燃室中的一个内的步骤包括使气体燃料从所述低压轨移动到所述气体燃料供应通路中的所述一条的另一端部。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述的混合物点燃步骤包括使用火花点火器引发火花。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述的喷射步骤在所述的混合物点燃步骤之后执行。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述的混合物点燃步骤包括激活预热塞。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，使气体燃料移动到所述点火预燃室中的一个内的步骤在所述活塞中的所述一个相比于所述下止点位置更靠近所述上止点位置时执行。
17.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述的混合物点燃步骤包括激活激光点火器。
18.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，使气体燃料移动到所述点火预燃室中的一个内的步骤包括使气体燃料从所述气体燃料共轨朝向所述气体燃料供应通道中的所述一条的另一端部移动。
19.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，使气体燃料移动到所述点火预燃室中的一个内的步骤包括使气体燃料移动到所述燃料喷射器中的所述一个内。
20.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述的混合物点燃步骤在所述燃料喷射器中的所述一个内执行。
【文档编号】F02M21/02GK103925119SQ201410012257
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年1月10日 优先权日:2013年1月11日
【发明者】D·R·科尔德伦, C·A·布朗, M·L·威利 申请人:卡特彼勒公司