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具有气体燃料喷射的内燃机

具有气体燃料喷射的内燃机

在内燃机中,点火装置(30)紧靠燃料喷嘴(20)设置在燃烧室(13)内。点火装置(30)包括在热表面点火器(32)周围设置隔离间隔(33)的套管(34)。套管(34)限制隔离间隔(33)与燃烧室(13)之间的流动。喷嘴(20)包括取向引导至少一股燃料喷雾(22)到套管表面(34)上的燃料喷射口。套管(34)包括空气和燃料通过其进入隔离间隔从而在其中形成可燃混合物的进气口。热表面点火器(32)包括靠近进气口(36)中线的尖端。可燃混合物在隔离间隔(33)内点燃,且燃烧火焰通过排气口推进并与从燃料喷嘴(20)涌出的燃料喷雾接触。还公开了操作该发动机的方法。

燃料喷射阀120包括具有燃料喷射口124的喷嘴121。燃料喷射口124A取向为引导点火燃料喷雾朝向点火装置130,点火装置130朝向喷嘴121倾斜。依据燃烧室的尺寸,气缸盖114中点火装置130的位置选择为使得通过燃料喷射口124A引入的燃料喷雾具有3毫米与8毫米之间或燃烧室凹陷直径的5%至10%的自由喷雾长度。引入发动机的燃料的量依赖于诸如负荷、以及负荷是静态或动态(即,变化)的工作条件。实验结果显示,在期望的条件下,燃料喷射口与气雾撞击点之间的上述间隔导致了足够量的气体燃料进入隔离间隔33从而形成与点火器接触的可染燃料空气混合物。“足够量的气体燃料”此处定义为能够在隔离间隔内形成可燃混合物的燃料量,该混合物可点燃从而产生燃烧的燃料空气混合物,其能够排出隔离间隔并点燃围绕燃料喷射阀嘴121的区域内的可燃燃料空气混合物。参照图5,阴影区域110为围绕朝向其引导燃烧可燃燃料空气混合物的燃料喷射阀嘴121的区域。即,排气口138’取向为使得从隔离间隔33’推进的燃烧可燃燃料空气混合物可点燃区域110中的燃料。

然而,在传统的内燃机中以该些气体燃料替代液体燃料的问题在于该些气体燃料通常无法如液体燃料一样易于点燃。在气体燃料替代液体燃料时还导致了多种其它的不同。例如,燃烧方案可以不同从而解决与气体燃料相关的更长的点火延迟、或者可能需要更长的时间来向发动机中喷射气体燃料。另外,燃料供给系统和将燃料引进发动机中的方式通常要求处理气体燃料专用的装备。另外,选定的燃烧方案可能要求燃料室不同的几何形状。因此,在没有明显改动的情况下适用于液体燃料发动机的设计可能不适用于气体燃料发动机,这可能影响商业生命力。

参照图5A,示出了燃料喷射阀120的喷嘴121与点火装置130之间设置的放大侧视图。可以认为,随着其朝向撞击点行进,点火燃料喷雾122A带走一些空气,但其还与在发动机活塞的进气和压缩冲程期间流入隔离间隔33’的空气混合。还可以认为,朝向撞击点引导燃料喷雾122A而非直接对准进气口136’导致了混合的改善和冷却效果的降低。

点火装置30’可以采用具有陶瓷表面的点火器,因为陶瓷材料可以制造为具有点火装置将工作的苛刻条件所需的耐久性。为进一步改善点火装置30’的稳定性,屏蔽套34’也可以为陶瓷材料。催化剂涂层也可以设置在套管34’上,包括铂和/或钯,从而加速点火过程,用于改善燃烧的稳定性。这种催化剂涂层的使用对于更小的发动机特别有利,因为燃烧室的尺寸通常指定了更小体积的隔离间隔,导致更小体积的燃料在热表面上点燃,在该发动机中,没有催化剂涂层的点火装置可以导致更慢的燃烧和对应的更高的碳氢化合物和一氧化碳的排放。

电控制器优选使用电子脉谱图控制来控制燃料喷射阀的致动,用于燃料计量、调整喷射开始的正时、以及在喷射过程期间控制质量流速。

由于更高的压缩比和全负荷下的稀混合物,最大发动机效率可以增加达到40%的值。结果,在ECE R49测试循环中,燃料消耗值应仅比未来的设计用于欧4排放标准的液体燃料狄塞尔循环发动机高5%至15%。依赖涡轮增压器的设计,可以实现的平均压强可以达到14bar至18bar的最大有效平均压强。

气体燃料喷射阀可以是液压致动阀,液压有电磁液压阀控制。为实施预喷射并将主喷射分为几个喷射步骤或“脉冲”,可以使用通过压电致动器驱动的液压开关阀,由于这样的阀具有足够高的开关频率。测试显示,通过压电致动器驱动的液压致动阀与气体燃料阀的液压工作相结合满足了开关频率和控制喷射的开始和持续时间的精确性的要求。

活塞12优选地基本与等效的柴油发动机中采用的活塞相同,且通常包括凹室13。所示凹室13的简单形状是用于说明目的,但本领域技术人员将理解可以采用其它的形状。例如,更小的发动机可以使用具有尖的凹入燃烧室从而促进湍流用于改善混合。燃烧室内燃料空气混合物的迅速形成还可以通过在燃料喷射过程期间在气缸充气内的湍流和涡流来支持。

该方法得到被推过点燃燃料的燃烧室的燃烧燃料空气混合物,因此由于消除了在贫油气体中熄火的问题,所以无需控制λ来确保基本完全燃烧。与早前的节流进气的气体燃料发动机不同,利用本方法,气体燃料发动机可以在与传统的液体燃料柴油发动机相同的方式下工作而无需节流。因此,利用本发明,发动机可以以1.4(高负荷条件)与6(怠速)之间的λ工作。

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