CN106164439B - 喷射燃料到在单燃料或多燃料模式中运行的内燃机的燃烧室中的方法 - Google Patents

喷射燃料到在单燃料或多燃料模式中运行的内燃机的燃烧室中的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于压缩点火内燃机的燃料喷射方法，所述内燃机在单燃料或多燃料模式中运行且包括至少一个具有活塞(16)的汽缸(10)，该活塞包括布置在凹型碗状腔体(48)的中心的凸缘(50)，以及沿着不同流线角(A1、A2)的至少两个燃料流(36、38)投射液体燃料(燃料1)的喷射装置(30)，以及用于易燃燃料的进气装置(24、26、28)。该方法包括在单燃料模式中，喷射液体燃料(燃料1)到燃烧室的下区(Z1)和/或上区(Z2)中，且在多燃料模式中，在所述室中提供易燃燃料与另一燃料(燃料2)的混合，并喷射液体燃料(燃料1)到燃烧室的下区(Z1)或两个区(Z1、Z2)中。

Description

喷射燃料到在单燃料或多燃料模式中运行的内燃机的燃烧室 中的方法
技术领域
本发明涉及一种用于喷射燃料到内燃机(特别是压缩点火引擎)的燃烧室中的方法。
本发明尤其涉及一种用于在航空或公路行业中或在诸如发电机组等固定设备的领域中使用的引擎的燃料喷射方法。该类型的引擎通常包括至少一个汽缸、设置有布置在凹型碗状腔体中的凸缘并以往复直线运动在该汽缸中滑动的活塞、用于氧化剂的进气装置、燃烧气体排气装置、燃烧室以及用于喷射燃料到燃烧室中的喷射装置。
如普遍承认的那样，在引擎设计时，涉及燃烧室的性能、污染物排放以及机械强度的要求越来越高，而用于满足它们的装置恰恰相反。
实际上，性能增加通常导致排放增加并导致较高的机械应力。
这些缺点需要克服以便保证在引擎的整个操作范围内有限的排放和令人满意的机械强度，特别是在非常高的负荷处。特别是对于排放，使用出现在燃烧室中的所有氧化剂是非常重要的。
实际上，燃料仍被限制在碗中且其不可与特别是挤气面积(即，在通过汽缸壁和与活塞相对的汽缸盖的面限定的燃烧室的上部中的体积中)中所含的氧化剂混合。
这涉及在燃烧室中创建高丰富性面积，在燃烧该燃料混合物时生成高产量的烟灰、氧化碳(CO)和未燃的碳氢化合物(HC)的缺点。
背景技术
为了克服这些缺点，且如申请人提交的法国专利申请号13/60,427中更好地描述，使用了内燃机，该内燃机包括燃料喷射装置，其带有具有至少两个平面角的喷射，以及包括碗的活塞，所述碗设置有带有两个燃烧区体积和大幅改善燃烧质量的内琳气动力学的凸缘。
相比常规引擎，这允许使用较大数量的氧化剂，且允许在燃烧室的较大表面面积上分布热负荷。
申请人的目的在于通过更进一步改善燃烧来克服上述缺点。
实际上，不断致力于全球温室气体和污染物(特别是微粒)排放减少导致考虑增加用于为燃烧引擎供以动力的替代燃料(诸如天然气或生物燃料)的使用。
因此，有必要使燃烧***适于这种类型的燃料以便启动其优化使用，因为这些替代燃料的特性基本上不同于常规燃料的特性。特别地，这些替代燃料的燃烧率低于更常规燃料的燃烧率，这引起生成诸如未燃的碳氢化合物的污染物排放的太低且不彻底的燃烧。
因此，有必要设置装置，其旨在使燃烧完善以使得其尽可能彻底。一个选择在于使用在两种模式中进行了的已知的燃烧，这两种模式为称为使用单一燃料的单燃料模式的模式和称为允许不同性质的几种燃料相关联的多燃料模式的模式。
通常，用于在单燃料模式中运行的燃料为液体形式的燃料(在下文的描述中称为燃料1)，诸如柴油燃料，但是可以使用任何其它类型的液体燃料，诸如乙醇或生物燃料。对于在多燃料模式中运行，气态的另一燃料，诸如CNG(压缩天然气)、LPG(液化石油气)、生物气或具有充分的挥发特性以在燃烧启动之前彻底蒸发的任何其它液体燃料，与液体燃料(燃料1)相关联。
因此，两种燃烧模式出现在相同的引擎循环中，通过柴油燃料的自燃的常规燃烧和通过由柴油燃料的引燃自燃启动的火焰锋的传播的更多的惰性气体/气体混合物的燃烧。在后一种模式中，少量的柴油燃料因此用于启动气体燃料混合物的燃烧。
申请人已通过启用用于以高引擎负荷和/或速度处的操作的其使用，同时更进一步减少排放来特别研发这两种模式燃烧。
此外，这些燃烧模式也允许减少燃料消耗，以在瞬时阶段(例如，冷运行或加速)中获得更好的引擎工况，同时维持用于一些污染物(一氧化碳、未燃的碳氢化合物)的可接受的排放水平。
发明内容
本发明因此涉及一种用于压缩点火内燃机的燃料喷射方法，该内燃机在单燃料或多燃料模式中运行并包括至少一个汽缸、在该汽缸中滑动的活塞、包括两个混合区Z1、Z2并由活塞的上面在一侧上限定的燃烧室，所述活塞包括在汽缸盖的方向上延伸并布置在凹型碗状腔体的中心的凸缘，以及携带燃料喷射装置、用于氧化剂的进气装置和燃烧气体排气装置的汽缸盖，所述燃料喷射装置在带有不同平面角的至少两个燃料喷射平面中投射液体燃料，所述两个喷射平面为用于区Z1的下平面和用于区Z2的上平面，其特点在于该方法包括在单燃料模式中，喷射液体燃料到燃烧室的下区Z1和/或上区Z2中，且在多燃料模式中，在所述室中提供氧化剂与另一燃料的混合并喷射液体燃料到燃烧室的下区Z1中或两个区Z1、Z2中。
该方法可以方法包括喷射带有允许压缩点火引擎的操作的物理化学特性的液体燃料，诸如柴油燃料、乙醇或生物燃料。
该方法可以包括通过进气装置的管将气体燃料供给到燃烧室中以得到氧化剂/燃料混合物。
该方法可以包括喷射CNG(压缩天然气)、LPG(液化石油气)或生物气形式的气体燃料。
该方法可以包括喷射具有允许在燃烧启动之前蒸发以便得到氧化剂/燃料混合物的挥发特性的液体燃料到燃烧室中。
该方法可以包括喷射汽油。
该方法可以包括对于单燃料模式，通过两个平面喷射相同质量的液体燃料到出现在燃烧室的两个区中的氧化剂中。
该方法可以包括对于单燃料模式，通过两个喷射平面喷射不同质量的液体燃料到出现在每个区中的氧化剂中。
该方法可以包括对于多燃料模式，通过下喷射平面喷射液体燃料到出现在燃烧室的下区中的氧化剂/燃料混合物中。
该方法可以包括对于多燃料模式，通过两个喷射平面喷射液体燃料到出现在燃烧室的两个区中的氧化剂/燃料混合物中。
该方法可以包括通过两个喷射平面喷射不同质量的液体燃料到出现在每个区中的氧化剂/燃料混合物中。
该方法可以包括通过两个喷射平面喷射相同质量的液体燃料到出现在每个区中的氧化剂/燃料混合物中。
该方法可以包括使用用于管理喷射装置的装置作为引擎运行参数的函数，特别是该引擎的负荷和速度。
附图说明
参考附图，阅读在下文通过非限制性实例给出的描述，本发明的其它特征和优点将变得清楚，其中：
－图1是示出使用根据本发明的方法的内燃机的局部视图的视图。
－图2至图6示出根据图1所示引擎的操作的实例。
具体实施方式
参考图1，如图中通过非限制性实例所示，带有直接和可能间接燃料喷射的压缩点火内燃机包括至少一个汽缸10、关闭上部中的汽缸的汽缸盖12，直接液体燃料(燃料1)喷射装置14，气体或液体燃料(燃料2)喷射装置，以及轴XX’在汽缸中以往复直线运动滑动的活塞16。
在图1的非限制性实例中，为燃料(燃料2)提供了由汽缸盖携带的间接气体燃料喷射装置15。
液体燃料(燃料1)应理解为这样的燃料，诸如柴油燃料、乙醇、生物燃料或带有物理化学特性的任何其它燃料，该物理化学特性允许包括用于该燃料的直接喷射***的压缩点火类型的引擎的操作。
燃料(燃料2)可以为气体燃料，诸如CNG(压缩天然气)、LPG(液化石油气)、生物气或具有充分的挥发特性以在燃烧启动之前彻底蒸发的任何其它燃料(例如，汽油类型的燃料)，所述气体燃料与燃料1类型的该液体燃料相关联。
该引擎还包括带有至少一个排气管20的燃烧气体排气装置18，，所述排气管20的开口可以通过诸如例如排气阀22等任何装置控制，以及用于氧化剂的带有至少一个进气管26的进气装置24，所述进气管26的开口可以通过诸如例如进气阀28等任何装置控制。
进气装置可以被设计为准许带有预定的空气动力水平(旋流比/滚流比)的氧化剂进入。进气装置因此可以具有具体的进气管几何结构。
在所述实例中，氧化剂为环境压力处的空气，或增压空气或空气(增压的或未增压的)和重新进入燃烧室的再循环废气的混合物。
直接喷射装置包括用于燃料(燃料1)的至少一个液体燃料喷射器30，优选沿活塞的轴XX’布置，其喷嘴32包括多个孔口，燃料通过所述孔口在引擎的燃烧室34的方向上喷射并投射。
投射的燃料是从这些喷射装置形成至少两个燃料喷射平面，在该实例中为燃料喷射40和42的两个平面36和38，其在这里具有与活塞16的轴合并的一般轴，同时上下轴向安置。
更精确地说，在以下的描述中更接近活塞16的平面36被称为下平面，而更远离该活塞的平面38被称为上平面。
如图1可见，这两个平面形成彼此不同的平面角A1和A2。平面角应理解为是由源自喷射器的圆锥体形成的顶角，其假想的***壁穿过燃料喷射40或42的所有轴C1或C2。
有利地，下平面的平面角A1至多等于130°，优选在105°和130°之间的范围内，而上平面的平面角A2至多等于180°，优选在155°和180°之间的范围内。
当然，燃料(燃料1)喷射装置不沿轴XX’布置是可行的，但在这种情况下来自燃料喷射器的燃料喷射平面的一般轴至少基本平行于该轴XX’。
类似地，每个平面由专门针对燃烧室的不同的区的不同的喷射器(单平面喷射器)携带是可行的。
对于图1中所示的非限制性实例，用于燃料(燃料2)的燃料喷射装置为间接喷射装置15并包括至少一个燃料喷射器44，其布置在进气管26上以便喷射燃料到该管中以使得燃料与其内循环的氧化剂混合。
在液体形式的带有高挥发特性的燃料(燃料2)的情况下，喷射装置为布置在汽缸盖上的直接喷射装置，从而允许燃料喷射到燃烧室中以便在燃烧启动之前完全蒸发并提供与氧化剂最佳混合。
燃烧室34通过与活塞相对的汽缸盖12的内面、汽缸10的圆形内壁和活塞16的上面46限定。
活塞的该上面包括凹型碗状腔体48，其轴在这里与汽缸的轴合并，其凹度朝汽缸盖引导且其容纳基本布置在碗的中心的凸缘50，所述碗朝汽缸盖12上升，同时优选与来自喷射器30的燃料平面的轴共轴。
当然，碗的轴不与汽缸的轴共轴是可行的，但主要的是布局，根据该布局，燃料喷射平面的轴，凸缘的轴和碗的轴优选合并。
截头大体形状的凸缘50包括优选圆形的顶部52，其被延伸，同时通过下至碗的底部56的基本直线运动的斜侧面54远离轴XX’朝活塞16外对称地移动。
在图1的实例中，该碗的底部为圆形的，其中称为内圆表面的凹圆表面58连接到斜侧面54的底部，且被称为外圆表面的另一凹圆表面60通过其一端连接到内圆表面的下端且通过另一端连接到这里基本垂直的侧壁62。
两个圆表面58和60因此限定环形体积的下部，这里为基本上圆柱形截面64的圆环面。
仍远离轴XX’移动的侧壁62通过被称为凹入面的凸圆表面66延伸，导致斜面68链接到连接到基本平面的表面70的凹喷射面69。该平面通过外凸面72延续，所述外凸面导致平面74延伸直至汽缸壁附近。
燃烧室34因此包括两个不同的区Z1和Z2，其中通过喷射器30喷射到氧化剂(空气、增压的或未增压的，或空气和再循环燃烧气体的混合物)中和/或喷射到燃料混合物(氧化剂和燃料2混合物)中的燃料(燃料1)的混合，以及因此形成的燃料混合物的燃烧发生，如下所述。
通过凸缘48、碗底部处的圆环面64、壁62和凸圆表面66限定的区Z1形成与轴C1的燃料喷射的下平面36关联的燃烧室的下区。通过斜面68、凹表面69、基本平面的表面70、凸表面72、平面74、汽缸及汽缸盖12的***内壁限定的区Z2形成与轴C2的燃料喷射的上平面38关联的该室的上区。
燃烧室因此在与燃料(燃料1)的喷射关联且根据操作模式和引擎负荷燃烧是否涉及的若干区(这里为两个区)中分离。
因此，这种操作模式允许在非常高负荷处的常规模式中获得带有好的效率和低烟灰、CO和HC排放的快速且彻底的燃烧。
此外，活塞和汽缸盖之间的热流分布通过区Z2相对于常规活塞的增加的体积显著地优化。
燃料喷射和活塞的面之间的相互作用能够增加该活塞的冷却，从而减少其更进一步经受的热应力。
燃料1喷射器也允许不同喷射的燃料质量，不同喷射持续时间和平面之间的时间的引入以便提供氧化剂和/或位于下区以及上区中的燃料混合物(氧化剂/燃料2混合物)的最佳利用。
本发明因此允许喷射燃料到两个区中或到一个或另一个区中，且因此提供与氧化剂混合以实现出现在室中的燃料混合物的燃烧。
这也允许引擎使用出现在燃烧室中的均质或准均质形式的氧化剂/燃料2混合物80在多燃料模式中(这里为在双燃料模式中)运行，并在两个区或这些区的一个中启动混合物的燃烧。
图2示出了带有用于低负荷或部分负荷的均质燃烧的单一燃料上的引擎的操作模式。
在压缩阶段期间，液体燃料因此仅使用下平面36的燃料喷射40在活塞16的上死点附近喷射到燃烧室34的下区(区Z1)中以用于与在引擎进气阶段期间准许进入其中的氧化剂混合。
这些后期燃料喷射因此有利地允许使与凸缘50的顶部52和斜面54相切的流动方向终止于底部56、壁62和凹入面66的下部。这允许驱动出现在喷射器下面的室的中心的氧化剂且因此促进室的下区Z1中的混合。
图3示出对应于喷射到活塞的表面68、70和72上支承的燃烧室的上区72中以用于与出现在该区中的氧化剂混合的燃料喷射的另一单燃料模式。
显著地，该操作模式的目的在于仅使用接近该类型的引擎通常装备的电热塞的上平面38的燃料喷射42改进引擎起动。
实际上，因为喷射平面角的范围导致驱动这些喷射远离电热塞，现有技术的引擎的一个缺点涉及冷起动。此外，该平面角范围引起汽缸壁的明显的润湿，这对起动不利。这两种限制利用涉及更加打开的平面角的该操作模式克服。
图4示出了高负荷处的引擎的单燃料运行模式。
对于这些高负荷，燃料喷射到燃烧室34的下区Z1和上区Z2中。
更精确地说，下平面36的燃料喷射40被引导朝向区Z1，而上平面38的燃料喷射42送到区Z2。
在这些配置中，通过下平面36的喷射喷射较大质量的燃料到室34的下区Z1中且通过上平面38喷射较小质量到上区Z2中是可行的，喷射之间可能有相位滞后。
最后，也可以考虑喷射相同质量的燃料到两个区Z1和Z2中。
这两个平面中的质量分布的选择需要根据区Z1和Z2的体积以及所选的引擎运行模式来进行。
液体燃料因此根据喷射时其体积最佳地分布在燃烧室的下区和上区中。通过该分布，可以控制每个区中的局部丰富性且因此可以限制污染物(诸如NOx、CO、HC和烟灰)的产生。
图5和图6中所示的实例示出各种多燃料(这里为双燃料)配置，其用于更进一步限制排放。
因此，在引擎进气阶段期间，控制进气阀28的打开且燃料2喷射器44可操作以用于将燃料供给到进气管中。
贯穿进气阶段，氧化剂/燃料2混合物80几乎填满整个燃料室34直至接近活塞的下死点的活塞，一个控制进气阀的关闭的活塞。
在引擎压缩阶段，该活塞接近其上死点且控制喷射器30以便喷射液体燃料(燃料1)到下区Z1中或两个区Z1和Z2中，其中氧化剂/燃料2混合物80的燃烧通过喷射的燃料1类型的燃料的自燃启动。
更精确地说，如图5所示，液体燃料(燃料1)到区Z1的氧化剂/燃料2混合物80中的喷射仅使用下平面36的燃料喷射40实行以启动出现在该区Z1中的燃料混合物的燃烧。其后，该燃烧火焰锋传播到区Z1的剩余部分，然后传播到Z2。显著地，在带有低负荷和低速度的引擎运行模式中实现该喷射。
如图6所示，对于引擎的中间负荷点，大量的液体燃料通过下平面36喷射到区Z1中且另一质量的液体燃料通过上平面38喷射到区Z2中，该第二质量小于喷射到区Z1中的质量(喷射之间可能有非零相位滞后)。
对于较高负荷，喷射到区Z1和Z2中的相同质量的液体燃料的氧化剂/燃料2混合物中通过平面36和38实现(可能有非零相位滞后)。
最后，例如在引擎起动阶段期间，大质量的液体燃料(燃料1)到氧化剂/燃料2混合物中的喷射通过区Z2中的平面38实现，而较小质量的液体燃料的喷射通过区Z1中的平面36实现(可能有非零相位滞后)。
使用液体燃料喷射到带有不同平面角的多个平面的两个区中允许使自燃点增多且因此延伸用来启动氧化剂/气体燃料混合物的燃烧的初始火焰面。
这允许燃烧在两个区中同时启动，同时促进并加速氧化剂/气体燃料混合物的燃烧，该燃烧因此更快且更彻底，同时限制污染物的生成。
因此，本发明允许不同的操作模式仅与燃烧室的下区Z1一起使用，或通过使两个区相关联与整个燃烧室一起使用。从一种模式切换到另一模式可以连续的方式通过喷射正时的管理和各种燃烧区中喷射的质量的管理来进行。
更精确地说，该管理通过用于根据引擎负荷管理用于各种燃料的喷射装置的装置由包括根据所述引擎的速度和负荷绘制的引擎操作图的计算器控制，从而允许控制流速和燃料2/燃料1类型燃料的各自的比例、燃料(燃料1和/或燃料2)的喷射的持续时间和时间以及点火角。
此外，通过改变喷射正时以及通过各种燃料喷射平面喷射的量优化氧化剂/燃料2混合物中的传播火焰燃烧的启动是可行的，且因此克服可以用作燃料2类型燃料的替代燃料的较低燃烧率是可行的。
因此，至于具有两个不同的平面角的至少两个燃料喷射平面，燃烧启动和燃烧分布在整个燃烧室中，同时优化氧化剂/燃料2混合物的燃烧。

Claims (14)

1.一种用于压缩点火内燃机的燃料喷射方法，所述压缩点火内燃机在单燃料或多燃料模式中运行并包括至少一个汽缸(10)、在所述汽缸中滑动的活塞(16)、包括上区和下区(Z1、Z2)并由所述活塞的上面(46)在一侧上限定的燃烧室(34)，所述活塞包括在汽缸盖的方向上延伸并布置在凹型碗状腔体(48)的中心的凸缘(50)，以及携带燃料喷射装置(30)、用于氧化剂的进气装置(24、26、28)和燃烧气体排气装置(18、20、22)的汽缸盖(12)，所述燃料喷射装置在带有不同平面角(A1、A2)的至少两个燃料喷射平面(36、38)中投射液体燃料，所述两个喷射平面为用于下区(Z1)的下平面(36)和用于上区(Z2)的上平面(38)，其特征在于，所述方法包括在单燃料模式中，喷射液体燃料到所述燃烧室的下区(Z1)和/或上区(Z2)，且在多燃料模式中，在所述室中提供氧化剂与另一燃料的混合并喷射液体燃料到所述燃烧室的下区(Z1)中或所述上区和所述下区二者中，其中，在所述单燃料模式和所述多燃料模式中，液体燃料被喷射到至少所述下区(Z1)中，以及其中，在多燃料模式中，所述另一燃料是包括压缩天然气(CNG)、液化石油气(LPG)、生物气中的一种的气态燃料，并且在多燃料模式过程中，由所述液体燃料的自燃来点燃所述气态燃料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括喷射带有允许所述压缩点火内燃机的操作的物理化学特性的液体燃料。
3.如权利要求1或2中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括通过进气装置(24)的管(26)将气体燃料供给到所述燃烧室中以得到氧化剂/燃料混合物。
4.如权利要求1或2中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括喷射具有允许在燃烧启动之前蒸发以便得到氧化剂/燃料混合物(80)的挥发特性的液体燃料到所述燃烧室中。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法包括喷射汽油。
6.如权利要求1或2中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括对于所述单燃料模式，通过所述两个平面(36、38)喷射相同质量的液体燃料到出现在所述燃烧室的所述上区和所述下区中的所述氧化剂中。
7.如权利要求1或2中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括对于所述单燃料模式，通过所述两个喷射平面(36、38)喷射不同质量的液体燃料到出现在所述上区和所述下区中的每个中的所述氧化剂中。
8.如权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括对于所述多燃料模式，通过下喷射平面(36)喷射液体燃料到出现在燃烧室(34)的下区(Z1)中的氧化剂/燃料混合物(80)中。
9.如权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括对于所述多燃料模式，通过所述两个喷射平面(36、38)喷射液体燃料到出现在燃烧室(34)的所述上区和所述下区中的氧化剂/燃料混合物(80)中。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法包括通过所述两个喷射平面(36、38)喷射不同质量的液体燃料到出现在所述上区和所述下区中的每个中的氧化剂/燃料混合物(80)中。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法包括通过所述两个喷射平面(36、38)喷射相同质量的液体燃料到出现在所述上区和所述下区中的每个中的氧化剂/燃料混合物(80)中。
12.如权利要求1-2中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括使用用于管理所述喷射装置的装置作为所述压缩点火内燃机的运行参数的函数。
13.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述液体燃料是柴油燃料、乙醇或生物燃料。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述压缩点火内燃机的运行参数是所述压缩点火内燃机的负荷和速度。
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