[发明专利]用于点燃直接喷射式内燃机内的气体燃料的装置和方法

说明书

技术领域

公开了一种用于引入和点燃柴油-循环内燃机内的气体燃料的装置和方法。该气体燃料被直接喷射到发动机的燃烧室内，其中加热表面有助于点燃。

背景技术

将天燃气直接喷射到燃烧室内的发动机已在卡车运输业中取得有限的商业成功。由于柴油-循环发动机的高热效率(其热效率在任何内燃机中是最高的)，因此柴油-循环发动机被用在该行业中。与汽油发动机的10:1的典型的压缩比相比，由高压缩比导致的热效率可以在15:1到22:1的范围内。已发现当在压缩冲程末期喷射天然气并将其点燃时，产生的能量与这些发动机燃烧柴油燃料时相当，但具有更低的总体排放。另外考虑到天然气的成本比柴油低，在卡车运运输业中采用天然气已经看到稳定而有限的增长。

主要成分为甲烷的天燃气具有比柴油燃料高得多的自动点燃温度。如本发明中所使用的，自动点燃温度是物质在没有外界点燃源(诸如，火焰或火花)的情况下将自发点燃的最低温度。例如，在正常大气压下，通常柴油燃料的自动点燃温度约为210℃，而天然气的自动点燃温度约为540℃，这取决于燃料质量。由于自动点燃温度的差别，对于先前提到的压缩比范围，天然气不会由与柴油燃料相同的压缩热量可靠地点燃。因此，需要点燃源来点燃柴油-循环发动机内的天然气，其中在压缩冲程末期直接喷射天然气。

柴油燃料可以被用作用于天然气的点燃源。喷射到燃烧室内的少量柴油燃料由于产生火焰(该火焰随后点燃天然气)的压缩热而自动点燃。基于能量当量，引燃喷射中采用的柴油燃料的量的范围优选地在所消耗的总燃料的5％和10％之间。尽管此解决方案有效并被广泛地用在重载货车运输业中，但增加了发动机的现在需要支持两种燃料系统的成本和复杂性，这降低了总体燃料系统的可靠性。需要两个用于燃料的储存容器以及相关联的管道输送和泵送设施以将这些燃料递送至发动机上的燃料喷射系统，该发动机现在必须包括两个燃料喷射器或一个更复杂的双燃料喷射器用于每个气缸。市场上与柴油燃料相关联的操作成本是相当高的，诸如重载货车运输业，这些增加的系统成本多于通过燃料成本节省所抵消的。

电热塞(glow plug)是用于直接喷射式发动机内的天然气的另一个点燃源。它们是指状的金属件，在它们的尖端中具有加热元件。当电流经过该加热元件时，由于其电阻，在该尖端处的表面发热并开始发出可见光谱内的光，因此采用术语“电热”塞。在该尖端充分加热后，天然气被直接喷射在该表面上并在该表面上燃烧。通常，燃料喷射器具有若干孔口，在喷射事件期间，在所述孔口处天然气喷流涌现。因为该电热塞被定位成距喷油嘴某段距离，所以在冲击时这些气体喷流中的仅一个被该电热塞点燃。其余气体喷流通过与该点燃的气体喷流相互作用而被点燃。当其它气体喷流通过撞击汽缸壁转而朝向该点燃的喷流时此相互作用可以发生。以此方式难以控制热释放率。因此，由于不充分的混合，产生的火焰不能充分传播以燃烧全部的燃料。这样的系统具有高未燃烧碳氢化合物(UHC)排放并具有高循环至循环变化性的缺点，这使其难以满足越来越严格的排放规定。电热塞具有若干故障模式，其通常与来自工作温度和不一致燃烧的影响有关。例如，从发动机电池递送到电热塞的过多的电能引起过度加热，该过度加热导致升高的温度超过该电热塞能够提供的温度。驱动回路故障可以导致此能量过载状况。欠佳的燃料喷射时机(即过早或过晚喷射燃料)导致欠佳的燃烧性能，其引起碳沉积物堆积在该电热塞表面上。当燃料供给中的污染物未被适当地过滤并进入燃烧室内时，电热塞的常见污垢会出现。因为堆积物妨碍了递送到燃料的热量，所以碳沉积和污垢堆积现象使燃烧性能进一步恶化。这些故障模式可以在贡献更大排放水平的故障之前影响电热塞性能。电热塞在非常高的温度下(例如，在1350℃下)工作，由于热疲劳，这通常会减少工作寿命。

用于点燃柴油循环发动机内的气体燃料的常规技术的缺陷限制了市场上对使用这些燃料代替柴油的采用。本申请提供了一种用于点燃柴油循环内燃机内的天然气的新的且改进的装置和方法。

发明内容