用于供给有气体燃料的内燃发动机的燃烧装置
阅读说明：本技术 用于供给有气体燃料的内燃发动机的燃烧装置 (Combustion device for an internal combustion engine supplied with gaseous fuel ) 是由 P·C·米尔沃德 W·D·坦尼 R·C·S·比兹利 于 2014-03-10 设计创作，主要内容包括：提供一种用于供给有气体燃料的内燃发动机的燃烧装置。已知与具有相同排量的奥托循环发动机相比,狄塞尔循环发动机具有更大功率、转矩和效率。当燃料是气体燃料(例如天然气)时,通常需要引燃燃料(例如柴油)来协助气体燃料狄塞尔循环发动机中的点火。减小狄塞尔循环发动机与气体燃料奥托循环发动机之间的功率、转矩和效率差将是有利的。用于气体燃料内燃发动机的燃烧装置包括由气缸孔、缸盖和在气缸孔内往复的活塞界定的燃烧室。气缸孔的直径是至少90mm且所述直径与活塞的冲程长度之比是至多0.95。存在至少一个进气通道以用于将进气输送到燃烧室,且至少一个进气阀被构造在缸盖中并且与进气通道协作以在燃烧室中产生支配性滚流运动。(A combustion apparatus for an internal combustion engine supplied with a gaseous fuel is provided. Diesel cycle engines are known to have greater power, torque and efficiency than otto cycle engines having the same displacement. When the fuel is a gaseous fuel (e.g., natural gas), a pilot fuel (e.g., diesel) is typically required to assist ignition in a gaseous-fueled diesel cycle engine. It would be advantageous to reduce the power, torque and efficiency differences between diesel cycle engines and gaseous-fuelled otto cycle engines. A combustion apparatus for a gaseous-fuelled internal combustion engine comprises a combustion chamber defined by a cylinder bore, a cylinder head, and a piston reciprocating within the cylinder bore. The diameter of the cylinder bore is at least 90mm and the ratio of said diameter to the stroke length of the piston is at most 0.95. There is at least one intake passage for delivering intake air to the combustion chamber, and at least one intake valve is configured in the cylinder head and cooperates with the intake passage to produce a dominant tumble motion in the combustion chamber.)
本申请是申请日为2014年03月10日、申请号为201410085812.0、名称为“内燃发动机的气体燃料燃烧装置”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本申请涉及气体燃料内燃发动机的燃烧装置。
背景技术
进气流对气体燃料内燃发动机的性能具有较大影响。空气和可能存在的排放气体与气体燃料的混合影响燃烧室内的燃烧质量。在进气冲程期间以及随后在压缩冲程期间燃烧室内的进气运动决定气体燃料的混合水平和质量。在发动机图谱的一些部分中，可能期望均质的空气-燃料进气；在发动机图谱的其它部分中，点火器件附近的分层燃料进气改进了发动机性能；且在发动机图谱的另外其它部分中，局部富足且全局稀薄的空气-燃料混合物产生更好的性能。高湍流的产生是用于稳定点火过程以及用于快速传播火焰前缘(火焰速度)的重要因素，尤其是在稀薄燃烧的情况中。已知用于在气缸内建立进气运动的两种技术是滚流运动(tumble motion)和涡流运动(swirl motion)。滚流运动和涡流运动的特征可以被表征为用来量化气缸内的旋转运动和角位移的无维参数，其分别已知为滚流比和涡流比。这些值都通过气缸内空气运动的有效角速度除以发动机速度来计算。
已知对于在点火器件周围利用燃料分层的直接喷射轻型汽油发动机使用滚流运动。在滚流运动(其还被称为竖直涡流或圆筒涡流)中，气缸中的进气旋转轴线与气缸轴线正交。在本申请的上下中，轻型发动机是一种气缸孔小于90毫米(mm)的发动机。燃料分层是延长火花点火发动机中稀薄燃烧极限且因此增加了燃料经济效益的有效技术，且与前述轻型汽油发动机相比减少了排放物。滚流运动可以用来甚至相对较迟地在压缩冲程中在建立高水平的近壁流速，这可促进由撞击燃料喷雾而形成的燃料壁膜的蒸发。
1996年9月10日颁布的Ganoung的美国专利第5,553,580号公开了一种用于汽油发动机的高挤气区圆筒分层燃烧室，其用来减小轻型发动机的比油耗。两个进气阀与被构造成滚流孔的各自进气通道流体连通。通过将汽油引入这些进气通道中的一个使得分层圆筒涡流形成在不对称定位的火花塞附近而在气缸中建立圆筒-分层进气。圆筒涡流不会提高燃烧率，而是在火花塞点火时促进气缸中空气-燃料进气的分层。大的挤气区通过在燃烧期间增强湍流强度而提供快速燃烧率。
已知对于狄塞尔(diesel)循环(压缩点火)重型发动机使用涡流运动。在涡流运动中，气缸中的进气旋转轴线是气缸轴线。在本申请的上下文中，重型发动机是一种气缸孔大于120毫米(mm)的发动机。已经表明涡流运动减少来自发动机的颗粒物质(PM)排放。压缩点火发动机倾向于利用较高喷射压力，其对于液体燃料而言改进了液滴破裂，且对于液体和气体燃料两者而言，较高喷射压力改进了喷雾中的空气/燃料混合并且增大了燃烧室中的湍流强度。这是重要的，尤其是在燃烧系统必须处理低(较低)空气-燃料比的条件而不产生高PM排放的瞬变条件期间。当利用涡流运动时，可在一些瞬变条件下——甚至是在使用高喷射压力时——减小PM产物的影响。将设计用于涡流运动的发动机转变成滚流运动需要进气通道的不同定向，且这需要不同的缸盖。对于中型发动机和较大发动机而言，需要新缸盖阻碍了对这种技术的进行实验，因为柴油发动机已经被认为是最有效的内燃发动机。
发动机设计的目的是缩小气缸的排量而大致不损失性能(马力和转矩)。随着燃料成本和街道堵塞增加，驾车人员需要的是提供与大型车辆相同的整体性能但具改进的燃料经济效益的更紧凑的车辆。在许多管辖区中，由汽油和柴油燃料发动机所主导的汽车市场区隔中代用气体燃料日益找到新应用。在轻型应用中，气孔喷射的天然气发动机在配件市场区隔中具长久历史，且这些车辆的更新近的OEM版本被引入。在重型应用中，高压直接喷射(HPDI)发动机系统匹配柴油燃料发动机的性能且与气孔喷射的天然气发动机相比具有改进的燃料经济效益。
需要具有比得上较大发动机的性能但具有改进的燃料经济效益的气体燃料发动机，尤其是需要至少被设计用于中型服务设施的发动机。
发明内容
一种用于气体燃料内燃发动机的改进型燃烧装置包括由气缸孔、缸盖和在所述气缸孔内往复的活塞界定的燃烧室。气缸孔的直径是至少90mm且所述直径与所述活塞的冲程长度之比是至多0.95。存在至少一个进气通道，用于将进气输送到所述燃烧室，且至少一个进气阀被构造在所述缸盖中并且与所述进气通道协作以在所述燃烧室中产生支配性滚流运动。
在优选实施方案中，所述比是至少0.75和/或所述直径小于或等于120mm。气缸孔的气缸工作容积优选地介于0.8升与2.5升范围之间。喷射阀可被构造成从所述至少一个进气阀上游引入气体燃料。或者，所述喷射阀可被布置在所述燃烧室中来向所述燃烧室中直接引入气体燃料。点火器件可被布置在所述燃烧室中以协助气体燃料和进气的点火。在优选的实施方案中，点火器件是火花塞。优选地，滚流运动包括介于2与5范围之间的平均滚流比。内燃发动机具有每分钟2700转的最大发动机速度。每个进气阀包括阀部件和阀座。阀座包括介于25°与35°之间的阀座角。在优选的实施方案中，阀座角大致是30°。阀座角与进气道角之差介于-5°与5°范围之间。内燃发动机的压缩比是至少11:1，且在优选的实施方案中是至多15:1。一个进气歧管包括：第一分配室，其与内燃发动机的进气口流体连通；第二分配室，其与至少一个进气通道流体连通；和扩散器，其流体地连接第一分配室和第二分配室。燃烧装置可包括EGR阀，其用于选择性地供应排放气体到进气歧管。在优选的实施方案中，排放气体在被输送到进气歧管之前被冷却。节气门可用于可变地供应空气到进气歧管。在优选的实施方案中，节气门接收命令使理想配比的气体燃料-空气混合物保持在预定公差内。
在优选的实施方案中，至少一个进气通道是第一进气通道和第二进气通道，且至少一个进气阀是第一进气阀和第二进气阀。燃烧装置还包括分流器，其与喷射阀流体连通来接收气体燃料并且与第一进气通道和第二进气通道流体连通来输送从喷射阀接收的气体燃料。分流器包括具有孔的主体和一对导管。孔与喷射阀流体连通，且每个导管与孔并且与第一进气通道和第二进气通道中的各自一个流体连通。
内燃发动机包括发动机气缸体和进气歧管，且至少一个进气通道是第一进气通道和第二进气通道。在另一优选的实施方案中，燃烧装置还包括配置在气缸孔周围用于将缸盖固定到发动机气缸体的六个螺栓。第一进气通道和第二进气通道从进气歧管沿着螺栓中的一个的各自侧朝燃烧室延伸。
一种用于分离来自燃料喷射阀的气体燃料流的新型气体燃料分流器包括：包括孔的主体部分，孔与燃料喷射阀流体连通；和第一导管和第二导管，其与孔流体连通。气体燃料流分别在第一导管和第二导管中被分成第一流和第二流。在优选的实施方案中，燃料喷射阀是燃料喷射器的一部分，且孔被构造成接收燃料喷射器的喷嘴。在其他优选的实施方案中，第一导管和第二导管大致与孔的纵轴正交，和/或主体以及第一导管和第二导管是整体式组件。
一种用于气体燃料内燃发动机的改进型进气歧管包括：第一分配室，其与内燃发动机的进气口流体连通；第二分配室，其与内燃发动机的每个燃烧室的至少一个进气通道流体连通；和扩散器，其流体地连接第一分配室和第二分配室。第一分配室可包括位于中间的入口，且第一分配室的外轮廓可朝向入口的两侧上的扩散器渐缩。扩散器包括沟槽，所述沟槽与第一分配室相比包括减小的流通面积。在优选的实施方案中，第二分配室与每个燃烧室的两个进气通道流体连通。
一种用于气体燃料内燃发动机的进气道和阀座的改进型配置，其包括介于-5°与+5°范围之间的进气道底角与阀座角之差。阀座角介于25°与35°范围之间，且在优选的实施方案中，阀座角大致是30°。当与阀座关联的阀部件处于打开位置时，进气道中的流基本偏向阀部件的顶侧。
一种改进型气体燃料内燃发动机包括：缸盖；发动机气缸体，其包括气缸孔；和与气缸孔关联的活塞。活塞、气缸孔和缸盖界定燃烧室。第一组六个螺栓被配置在气缸孔周围以用于将缸盖固定到发动机气缸体，且优选地呈六边形图案。第一进气通道和第二进气通道从进气歧管沿着所述螺栓中的一个的各自侧朝燃烧室延伸。在优选的实施方案中，存在第二气缸孔和配置在第二气缸孔周围的第二组六个螺栓。一对螺栓对第一组螺栓和第二组螺栓是共用的。
附图说明
图1是根据第一实施方案的包括气体燃料燃烧装置的内燃发动机的部分截面平面图。
图2是图1的内燃发动机的示意平面图。
图3是图1的内燃发动机的进气歧管、排气歧管、多个气缸以及各自进气通道和排气通道的立体图。
图4是图3的进气歧管的正视图。
图5是将一个喷射阀与两个进气通道流体地连接的气体燃料分流器的立体图。
图6是图5的分流器的部分截面图。
图7是沿着图2中的线7-7截取的截面图。
图8是沿着图2中的线8-8截取的截面图。
图9是图8的分解图，示出进气阀完全打开。
图10是跨过图9的进气道的横平面观察燃烧室所截取的截面图。
图11是包括17.5:1的压缩比的沃尔沃D8K350狄塞尔压缩点火发动机、包括12:1的压缩比的图1的内燃发动机、以及CWI ISL-G火花点火天然气发动机的转矩曲线的图表，其中前两种发动机的排量都是7.7公升，且CWI ISL-G火花点火天然气发动机的排量是8.9公升。
图12是根据第二实施方案的包括气体燃料燃烧装置的内燃发动机的示意图。
具体实施方式
参考附图且首先参考图1和图2，根据第一实施方案示出包括气体燃料燃烧装置15的发动机10。进气歧管100包括第一分配室110和第二分配室120(也已知为高压室)，第一分配室110和第二分配室120通过扩散器130相互流体地连接。第一分配室110与节气门140流体连通而从发动机10的进气口接收空气进气，且当发动机10利用排放气体再循环时，EGR阀150可操作以允许排放气体进入进气流中。一对进气通道20沿着一个缸盖螺栓5的各自侧延伸且使第二分配室120流体地连接每个气缸90的各自进气阀40。每个进气通道20包括与第二分配室120连接的进气渠道22和缸盖240中的进气道24(图8中最佳看到)。虽然在图示的实施方案中示出了六个气缸，但在其它实施方案中可以存在一个或多个气缸。就中型或较大发动机而言典型的是缸盖螺栓5呈六边形图案配置在每个气缸90周围使得在相邻气缸之间共享其中两个螺栓。在图示的实施方案中，排气通道30从排气阀50延伸并且并入通向排气歧管160的统一排气通道中，但在不脱离所公开的发明的精神的情况下可能有其它构造。每个排气通道包括排气渠道32和缸盖240中的排气孔34(图8中最佳看到)。
进气歧管100被设计有通过使流量从第一分配室110经由扩散器130进入第二分配室120而改进到每个气缸90的空气(和EGR)进气分配的均等化的特征。第一分配室110的外轮廓115朝位于中间的入口105的任一侧上的扩散器130延伸来改进在进入第二分配室120之前沿着第一分配室110的进气的压力平衡。扩散器130呈沿着第一分配室110和第二分配室120延伸的沟槽形式。由于跨过扩散器130的减小的流通面积，进气流受限制，造成流撞击在第一分配室110的壁上，在第一分配室中产生湍流和总压力增大并且沿着第一分配室产生压力平衡。第一分配室110中的所得湍流改进了空气-EGR混合。
现参考图5和图6，分流器80通过导管85将各自气体燃料喷射器170(图5至图8中示出)与各自进气通道20流体地连接，容许一个燃料喷射器将气体燃料同时引入每个各自气缸90的所述对的进气通道中。分流器包括主体82，其包括其中插入有燃料喷射器170的喷嘴的孔。孔还用作从燃料喷射器170接收的气体燃料的高压室和积聚器，所述气体燃料撞击在孔端并且积累压力，从而经由导管85排出到各自进气通道20中。在优选的实施方案中，导管85大致与主体82的孔的纵轴正交。在图示的实施方案中，分流器80是整体式组件，但在其它实施方案中，分流器80可以是组件总成且在这些实施方案中可以是额外组件，例如密封件。气体燃料喷射器170与气体燃料源(未示出)流体地连接且在接到命令时将气体燃料引入到分流器80中，使得气体燃料-空气混合物经由关联的进气阀40流到气缸90中。在本公开内容中，提及了气体燃料-空气混合物，所述气体燃料-空气混合物应被理解为也指代气体燃料-空气-EGR混合物，取决于发动机10的操作条件和需求。气体燃料源在适用于气孔喷射的压力下供应气体燃料。在优选的实施方案中，气体燃料源将气体燃料存储为压缩天然气并且利用压力调节器来将存储压力减小到预定气孔喷射压力。气体燃料是在标准温度和压力(其在本申请的上下文中是20摄氏度(℃)和1大气压(atm))下呈气态的任何燃料。示例性气体燃料是天然气。
每个气缸90包括用于使其中的气体燃料-空气混合物点火的机构。在图示的实施方案中，这个机构由点火器件60提供。在优选的实施方案中，强制点火器件是火花塞(如图7中所示)。再次参考图1，在图示的实施方案中，用于使进气加压的增压装置180是包括涡轮182和压缩器184的涡轮增压器。压缩器184的出口与发动机10的进气口流体地连接。在替代实施方案中，增压装置180可包括连续的涡轮增压器，或可以呈增压器的形式，或是涡轮增压器和增压器的组合。排气歧管160包括EGR气孔155，其与EGR阀150流体连通。在另一实施方案中，排气歧管和EGR装置可与申请人共同拥有的美国专利申请第61/870,203号中公开的装置相似，所述美国专利申请以引用方式并入本文中。
现在参考图8和图9，每个气缸90包括由发动机气缸体220中的各自气缸孔210、各自活塞230和缸盖240界定的各自燃烧室200。参考图9，每个进气阀40包括各自阀部件42和各自阀座26，所述阀座围绕进气道24的开口环状地延伸，进气经由进气道24的开口流动到燃烧室200中。每个阀部件42背侧上的环形表面44互相接合阀座26以在各自进气阀40关闭时将燃烧室200与各自进气通道20流体地密封。阀座角α界定为道开口平面25与阀座之间的角。在优选的实施方案中，阀座角α在20度(°)到35°的范围内，且优选的是30°。这个阀座角范围增强了滚流运动(如将在下文更详细地阐释的)，且减少了阀座磨损从而提高了耐用性。为了用燃烧室200促进滚流运动，缸盖240包括在气缸孔210上方的单斜面顶板280，且活塞碗270大致是凹形。单斜面顶板280的倾斜度类似于活塞碗270的曲率使得当活塞230处于上止点(TDC)时，燃烧室230形状大致对称。
发动机10是中型发动机。在本公开内容的上下文中，气缸孔210的直径针对中型发动机被界定在90mm至120mm范围内。在替代实施方案中，例如针对重型发动机且甚至是更大发动机(例如机车、矿石运输车和船舶应用中使用的发动机)而言，气缸孔210的直径可大于120mm。在优选的实施方案中，已经确定气缸孔210的直径与活塞230的冲程长度之间的比(缸径冲程比)在0.75至0.95范围中，其提供了功率密度上的显著增大，同时不牺牲效率。事实上，已经通过减少从燃烧气体到气缸孔210的传热从而增加到发动机10曲轴的能量传递而提高效率。各自气缸孔210中每个活塞230的气缸工作容积是在0.8升至2.5升的范围中。不同于使用滚流运动的轻型发动机，发动机10在全部操作模式中的最大发动机速度是每分钟2700转(rpm)。
对于每个气缸90，所述对的进气通道20、各自进气阀40和燃烧室200协作以在燃烧室中建立空气-燃料混合物的滚流运动。在优选的实施方案中，平均滚流比至少是2。在另一优选的实施方案中，平均滚流比是在2至5的范围内。如图9所示，对于图示的实施方案，当阀部件42处于最大提升时，沿着进气道底290的流(空气、EGR、气体燃料)被严重偏向阀部件42的顶侧46，使得在燃烧室200中产生逆时针的滚流运动。在阀部件42的底侧48下方的任何流在燃烧室200中产生顺时针的滚流运动，其与由顶侧48上方的流所建立的逆时针的滚流运动相反运作。为了减小燃烧室200中顺时针方向上的滚流运动，当处于落座位置时，进气道24的进气道底290与阀部件42的底侧48有意地间隔开，使得当处于打开位置时，流基本行进到阀部件42的顶侧46上。进气道24的进气道角θ——被界定为进气道底290与气缸横平面35之间的角——等于预定公差范围内的阀座角α，以在空气进入燃烧室200时减少且优选地最小化流动方向上的不一致和突然改变，从而改进了进气道质量。在优选的实施方案中，进气道角θ与阀座角α之差小于+/-5°。流动方向上的改变产生压降，所述压降在流路中充当路障。参考图10，示出沿着进气道的横平面且观察燃烧室200所截取的进气道24的截面图，其中阀部件42完全打开。这个图示出流强烈偏置在阀部件42的顶侧46上，用于在燃烧室200内产生滚流运动。阀气孔24的截面轮廓大致是具圆角的正方形。进气道角θ、阀座角α和进气道24的形状相互支持来增强燃烧室200中气体燃料-空气混合物的滚流运动。
与涡流空气运动燃烧室和静燃烧室相比，气体燃料-空气混合物的湍流动能随着压缩燃烧室200内部的所得滚流运动而增加，从而改进湍流动能的分解形成。混合物的湍流火焰速度增大，湍流混合物内的局部层流火焰前缘也一样。由于增大的火焰速度，爆燃极限也增大，且因此可通过利用较高压缩比来改进效率。优选的是介于11比1(11:1)与15比1(15:1)的压缩比。用冷却的EGR以较高EGR比来操作发动机10降低了爆燃的可能性，并且增大了工作气体的比热比，从而改进了奥托(Otto)效率。高于大约15:1的压缩比呈现了收益递减，其中压缩时的热损失大于通过膨胀所返回的热量。压缩点火发动机利用大于15:1的压缩比来改进冷启动性能，且这对于火花点火发动机而言是不需要的。与压缩点火发动机性相比，具有较小压缩比的情况下，活塞和轴承尺寸可减小，其因此减小了摩擦，导致效率改进。
图示的实施方案的发动机由天然气供燃料而在测试间中以12:1的压缩比操作，且针对一范围的发动机速度记录转矩数据。图11的图表示出了与具有相同排量(7.7公升)但具有17.5:1的压缩比的沃尔沃D8K350狄塞尔压缩点火发动机以及具有8.9公升排量的CWIISL-G火花点火天然气发动机的转矩曲线对照的记录数据。意外地发现本实施方案的发动机胜过具有相当大排量的另一个火花点火天然气发动机(ISL-G)。通常，本领域技术人员会预期具有较高压缩比的柴油发动机产生较高性能和效率。如曲线所示，图示的实施方案的发动机的转矩在测试的发动机速度的范围内胜过较大压缩比的柴油发动机。沃尔沃D8K350狄塞尔压缩点火发动机(下文称柴油发动机)在稀薄燃烧模式下操作，然而发动机10以理想配比的空气-燃料比下或接近理想配比的空气-燃料比来操作。与发动机10比较，柴油发动机的操作不同在于：柴油发动机必须用过量空气运行来避免烟雾。接着与增压装置180比较，柴油发动机的涡轮增压器必须显著较大以为了与理想配比的发动机10相同的功率和转矩而输送所需的过量空气，理想配比发动机10为了所述功率和转矩而输送(大致)正好足够的空气。结果，与柴油发动机比较，增压装置180可利用小得多的涡轮增压器，其接着可更快速地升高来产生发动机10所需的较少量(相对于柴油发动机而言)的增压。在全部操作模式中，发动机10的发动机速度保持低于2700rpm。通过以减小的发动机速度来操作，能通过降低摩擦引起的能量损失来改进燃料经济效益。增压装置180通过增大进气歧管100中的压力从而增加了每次点火情况时燃烧室200内燃烧可用的氧气而补偿较慢的发动机速度。
现参考图12，根据类似于第一实施方案的第二实施方案示出包括气体燃料燃烧装置21的发动机11，其中相同部分具有相同参考数字且将不予以详细描述。直接喷射器65将气体燃料直接引入到燃烧室200中，使得不需要分流器80。直接喷射器65可被构造在各自气缸90的中心或可朝进气阀40偏移。或者，直接喷射器65可由构造在气缸孔210的壁中的喷射器(未示出)来代替。
使用本文公开的技术，气体燃料内燃发动机可比具相同排量的压缩点火柴油发动机更好地运作。与前述内燃发动机比较，这容许在不牺牲功率和转矩的情况下气体燃料内燃发动机在排量方面被缩小。在一些情况中，气缸数目可减少，其造成发动机尺寸的更大程度减小以及燃料经济效益增大。
虽然已经示出和描述了本发明的特定元件、实施方案和应用，但将理解，本发明不限制这些特定元件、实施方案和应用，因为本领域技术人员可在不脱离本公开的范畴的情况下，尤其根据前述教示进行修改。
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