用于燃料燃烧的方法和系统与流程

1.本发明总体上涉及内燃发动机，并且更具体地涉及用于与内燃发动机一起使用的预燃腔室的方法和系统。

背景技术：

2.内燃发动机通常燃烧液体燃料，包括柴油燃料或汽油。除这些常见的燃料类型之外，一些内燃发动机经配置用于与可替代燃料一起使用，其燃烧产生的温室气体和/或碳烟量相对较少。例如，这些可替代燃料兼容的发动机可以经配置用于燃烧乙醇量相对较高(例如，85％或更多)的燃料。可替代燃料兼容的发动机也可以经配置用于燃烧甲醇。虽然可替代燃料提供了优点，但包括乙醇和/或甲醇在内的可替代燃料的燃烧也带来了挑战。例如，这些燃料的蒸发相对较慢，使得难以均匀点火。另外，与柴油燃料相比，这些燃料可以具有较低的能量密度，从而需要喷射较高质量的燃料，以产生特定量的功率。例如，需要喷射更大量的燃料会进一步影响通过进一步减慢蒸发而产生均匀燃烧的能力。
3.在授予maynard等人的gb 2077351(’351专利)中描述了具有用于燃料的超声雾化装置的示例性柴油发动机。’351专利中所述的装置包括具有超声喷射器的预燃部分。超声喷射器能够将燃料喷射到球形预燃腔室中，最终将燃料通过该球形预燃腔室供应至发动机气缸。尽管’351专利的预燃腔室和超声装置可以用于预燃柴油燃料，但在燃烧低温室气体燃料时其不能达到相同的结果。
4.本发明的方法和系统可以解决上述一个或多个问题和/或本领域中的其他问题。然而，本发明的保护范围由权利要求限定，而不是由解决任何具体问题的能力限定。

技术实现要素：

5.在一方面，用于内燃发动机的燃料喷射器组件可以包括近端部分、远端部分以及至少延伸至远端部分的燃料喷射器，该燃料喷射器包括燃料开口。燃料喷射器组件还可以包括在近端部分和远端部分之间形成的腔室、从腔室延伸至远端部分的火焰通道，以及配置为提供喷射至腔室中的液体燃料的雾化的雾化器。
6.在另一方面，燃烧系统可以包括用于存储液体燃料的燃料存储装置、包括燃烧腔室的内燃发动机，以及配置为将燃料的第一部分直接喷射至燃烧腔室中的燃料喷射器。燃烧系统还可以包括雾化器，其配置为接收燃料的第二部分，并且将燃料的第二部分喷射至燃烧腔室上游的预燃腔室中。
7.在又一方面，燃烧燃料的方法可以包括将液体形式的燃料供应至雾化器，将供应至雾化器的燃料喷射至预燃腔室中并且使供应至雾化器的燃料雾化。燃烧燃料的方法还可以包括将燃料喷射至燃烧腔室中，点燃预燃腔室中的雾化燃料，以及用点燃的雾化燃料点燃喷射至燃烧腔室中的燃料。
附图说明
8.并入本说明书并且构成本说明书一部分的附图示出了各种示例性实施方案，并且与描述一起用于解释所公开的实施方案的原理。
9.图1是根据本发明的各方面的燃料燃烧系统的部分示意横截面图。
10.图2是根据本发明的各方面的示出用于燃烧燃料的示例性方法的流程图。
具体实施方式
11.前面的一般性描述和下面的详细描述都仅仅是示例性和说明性的，并不对权利要求的特征进行限制。如本文所用，术语“包括(comprises、comprising)”、“具有”、“包含”或其其他变化旨在覆盖非排他性的包含，使得包括一系列元素的过程、方法、物品或设备不仅包括那些元素，还包括其他未明确列出的或这种过程、方法、物品或设备所固有的元素。此外，在本发明中，例如“大约”、“基本上”、“总体上”和“近似”等相关术语用于表示所述值在
±
10％范围内的可能变化。
12.图1示出了根据本发明的一方面的示例性燃料燃烧系统10。燃料燃烧系统10可以包括燃料供应系统12和内燃发动机14。燃料供应系统12可以包括一个或多个用于存储和供应低温室气体燃料(本文也称为低ghg燃料)的装置，以及用于将该燃料提供给内燃发动机14的燃料喷射器组件28。如本文所用，“低温室气体燃料”包括除汽油或柴油燃料之外的能够以液体形式供应至燃料喷射器的燃料。特别地，低温室气体燃料可以包括醇(例如，甲醇、乙醇、丁醇、丙醇和/或其他醇类，包括包含至少80％醇的共混物，例如包含约85％甲醇或约85％乙醇的燃料)、植物油燃料，生物柴油、二甲醚、氧亚甲基二甲醚、氨或其组合。
13.内燃发动机14可以包括发动机气缸体20和气缸盖22。发动机气缸体20可以限定多个气缸，活塞18设置在气缸中。如下所述，这些气缸可以各自形成具有盖22的相应燃烧腔室16，以燃烧用燃料供应系统12的直接喷射器32喷射的燃料。虽然在图1中示出了一个气缸和燃烧腔室16，但是内燃发动机14可以包括形成为一行或多行的多个气缸(例如，4、6、8、10或12个气缸)。内燃发动机14的每个气缸可以与一个或多个进气阀24流体连通，该一个或多个进气阀配置为将一定量的干净的进气空气(例如无燃料的空气)提供给相应燃烧腔室16。发动机14的气缸还可以与一个或多个排气阀26流体连通，排气阀26可以操作以允许燃烧产物离开相应燃烧腔室16。
14.在图1所示的示例性配置中，燃料供应系统12包括燃料存储装置50、燃料供应管线52以及燃料喷射器组件28，燃料喷射器组件28包括直接燃料喷射器32、点火器34以及雾化器36，直接燃料喷射器32可以是电子控制的喷射器或机械致动的电子控制的组合式喷射器，点火器34例如配置为产生用于点燃燃料的火花的火花塞、电热塞或等离子点火系统。燃料存储装置50可以包括一个或多个燃料存储罐(例如，发电系统、机器、车辆等的罐)，其配置为存储低ghg燃料。燃料供应管线52可以包括一个或多个燃料通道、阀、泵、压力调节器等，以可控地将适当压力的液体燃料提供给燃料喷射器组件28的部件。例如，燃料供应管线52可以配置为经由共轨和高压泵将高压液体燃料供应至燃料喷射器组件28的直接燃料喷射器32和燃料喷射器组件28的雾化器36。在直接喷射器32是机械致动(例如，机械致动的电子控制的组合式喷射器)的配置中，燃料可以以相对较低的压力递送至喷射器32。
15.燃料喷射器组件28可以促进燃料在燃烧腔室16外部的燃烧，例如在预燃腔室(本
文也称为腔室)内燃烧。特别地，燃料喷射器组件28可以包括与点火器34和雾化器36临近并且流体连通的预燃腔室35。燃料喷射器组件28可以由壳体30形成，壳体30将直接喷射器32、点火器34和雾化器36固定在一起作为单个整体结构。例如，直接喷射器32、点火器34和雾化器36可以与壳体30一起作为组合安装和/或从盖22上拆下。燃料喷射器组件28可以任何期望的方式安装在盖22内，例如经由压配合、螺纹连接等。如图1所示，燃料喷射器组件28可以固定在盖22内，使得组件28延伸穿过盖22内形成的单个孔。当燃料喷射器组件28直接安装至盖22时，燃料喷射器组件28可以配置为将燃料直接喷射至相应燃烧腔室16中，而无需将燃料供应至进气阀24上游的进气通道。因此，系统12可以没有端口燃料喷射器。
16.直接喷射器32可以是电子控制的燃料喷射器，其包括近端和具有一个或多个直接喷射器燃料开口40的远端。在图1所示的示例性配置中，直接喷射器开口40可以定位在发动机盖22的远侧，以便在燃烧腔室16内供应高压燃料。直接喷射器燃料开口40可以经引导以在期望的正时朝向活塞18的顶表面供应低ghg燃料的喷射流。直接喷射器32可以固定在从燃料喷射器组件28的近端延伸至喷射器组件28的远端的中心纵向孔内。虽然图1示出了直接安装在壳体30内的直接喷射器32，但是直接喷射器32和/或壳体30可以包括衬垫、插入件、涂层或其他结构，该其他结构配置为保护喷射器32免受热影响，尤其是在由腔室35围绕的喷射器32的区域中。直接喷射器32可以包括致动器，该致动器可以响应于由电子控制单元(未示出)发出的命令而移动。如下所述，该电子控制单元或单独的电子控制单元也可以配置为控制例如雾化器36的致动。该电子控制单元可以进一步配置为控制低ghg燃料经由燃料供应管线52的供应。
17.燃料喷射器组件28可以进一步包括延伸穿过壳体30的近端以临近喷射器32固定雾化器36的孔。雾化器36可以配置为将燃料喷射至壳体30的内部，例如腔室35。在至少一方面，雾化器36可以是雾化燃料喷射器，其包括远端的一个或多个雾化器孔口或开口39以及雾化元件38。雾化器36可以是例如超声雾化器、静电雾化器或超音速雾化器。
18.在第一示例性配置中，雾化器36可以是超声装置，其中雾化元件38是超声换能器，例如压电换能器或磁致伸缩换能器。雾化元件38可以连接至能量源，例如供应电能以使雾化元件38高频振动的ac能量源。在可替代的配置中，雾化器36可以是静电装置。当雾化器36形成为静电装置时，雾化元件38可以包括雾化器36内的高压电极或引线，其连接至电能源。该高压引线可以使得能够施加电场，以促进用雾化器36喷射至腔室35中的燃料的分解。在另一示例性配置中，雾化器36可以是超音速装置。当经配置用于燃料的超音速喷射时，雾化器开口39可以以大于声速的速度喷射燃料。例如，用雾化器36的雾化器开口39喷射的燃料可以以足够的压力供应至这些开口39，使得燃料以高于声音速度的速度离开雾化器开口39。
19.预燃腔室35可以具有合适的形状，用于接收来自雾化器36的燃料，并且用于促进该燃料在燃烧腔室16上游的位置处的燃烧。例如，腔室35可以具有围绕燃料喷射器组件28的纵向轴线的近似环形或曲面的形状。如图1所示，燃料喷射器组件28的壳体30本身可以在燃料喷射器组件28的近端和远端之间限定预燃腔室35。可替代地，腔室35可以由壳体30内固定的插入件形成。
20.预燃腔室35的近端可以包括开口，点火器34的远端延伸穿过该开口。该远端可以包括电极，其配置为产生火花。腔室35的近端可以进一步包括开口，雾化器36的远端延伸穿
过该开口，从而允许雾化器开口39在腔室35内喷射燃料。腔室35的远端可以连接至一个或多个火焰路径或通道42。火焰通道42可以在壳体30内形成，以便从腔室35的远端或底板延伸至燃料喷射器组件28的远端。如图1所示，火焰通道42可以在壳体30内形成，以便以面向燃烧腔室16的倾斜成角度的火焰开口44终止。虽然在图1中示出了两个火焰通道42和两个火焰开口44，但是应当理解，燃料喷射器组件28可以包括沿着燃料喷射器组件28的远端的圆周间隔开的一个、三个、四个、六个、八个或更多个火焰通道42和火焰开口44。
21.工业实用性
22.燃料燃烧系统10所公开的各方面可以用于配置为燃烧燃料的各种内燃发动机，包括用于燃烧除汽油和柴油燃料之外的燃料的内燃发动机。例如，燃料燃烧系统10可以用于燃烧低ghg燃料，例如甲醇。系统10可以包括在发电系统、机器(例如，推土机、挖掘机、装载机、铺管机、分级机等)、车辆或采用内燃发动机的其他装置中。系统10可以包括形成多个燃烧腔室16的多个气缸。这些气缸中的每一个可以包括相应燃料喷射器组件28，多个燃料喷射器组件28配置为从单个燃料存储装置50或多个燃料存储装置50中接收燃料。
23.在系统10的操作期间，存储在一个或多个燃料存储装置50中的燃料可以高压泵送至定位在发动机盖22内的多个燃料喷射器组件28。供应至特定组件28的燃料的第一部分可以供应至喷射器32，用于直接喷射至燃烧腔室16中，而用于同一组件28的燃料的第二部分可以供应至雾化器36，用于雾化并且喷射至燃料喷射器组件28的内部中，特别是喷射至预燃腔室35的内部中。雾化器36可以是电子控制的，使得雾化器36配置为独立于直接喷射器32喷射燃料。点火器34也可以是电子控制的，以便以受控的方式点燃腔室35内的燃料。为了促进燃料在燃烧腔室16内的燃烧，一个或多个进气阀24和一个或多个排气阀26可以打开和关闭，以便将新鲜的进气空气(例如，基本上没有燃料的空气)分别提供给燃烧腔室16，并且允许燃烧产物离开燃烧腔室16。
24.图2是示出燃烧燃料的示例性方法200的流程图。特别地，方法200可以用于燃烧以液体形式供应至一个或多个燃料喷射器组件28的低ghg燃料。方法200可以在发动机14运行时执行，以便发电(经由驱动发电机)、产生用于操作机器的功率、提供用于车辆运动的能量等。
25.方法200的第一步骤202可以包括将燃料喷射至燃料喷射器组件28内形成的腔室中，例如预燃腔室35。燃料(例如低ghg燃料)可以作为高压流供应至雾化器36的入口。由雾化器36接收的燃料可以穿过雾化器36的一个或多个内部通道到达雾化器开口39，通过该开口喷射燃料，同时进行超声雾化、静电雾化或超音速雾化，以产生容易在腔室35内蒸发的多个细液滴。在超声雾化的示例中，超声换能器(例如，雾化元件38)可以用响应于来自电子控制单元的命令而施加的ac电流来激活。可以将该ac电流供应至压电换能器或磁致伸缩换能器，以便使换能器高频振动，从而产生机械力以促进经由雾化器开口39喷射的燃料的雾化。在雾化器36静电雾化经由雾化器开口39喷射的燃料的配置中，可以用雾化元件38(例如，燃料喷射器组件28内固定的高压引线)产生电场。该电场可以例如通过降低表面张力以及通过施加除离开雾化器开口39的燃料所遇到的空气动力剪力之外的静电力来增加经由雾化器开口39喷射的燃料颗粒的分解。在雾化器36经配置用于燃料的超音速喷射的配置中，雾化器开口39的尺寸可以设置为当将高压燃料供应至雾化器36时使燃料以超音速离开。超音速配置的雾化器36可以省略单独的雾化元件38，并且可以使燃料以大于声速的速度离开雾
化器开口39，从而促进喷射至腔室35中的燃料的雾化。
26.步骤204可以包括将燃料喷射至内燃发动机14的燃烧腔室16中。特别地，步骤204可以包括在燃料存储装置50中存储低ghg，并且将该燃料从燃料存储装置50供应至燃料喷射器组件28。燃料可以高压泵送至电子控制的直接燃料喷射器32。然而，在至少一些配置中，燃料可以以相对较低的压力泵送至机械致动的(例如，凸轮致动的)电子控制的组合式喷射器32。响应于由电子控制单元产生的命令信号，直接喷射器32可以经由一个或多个喷射器开口40将燃料喷射至发动机气缸体20的内部形成的燃烧腔室16中(例如，朝向活塞18的顶表面)。用直接喷射器32经由开口40喷射的燃料可以绕过腔室35，并且还可以绕过发动机14的空气进气部分。因此，经由直接喷射器32喷射的燃料可以与经由一个或多个进气阀24进入相应燃烧腔室16的进气空气分开地供应至发动机14。
27.步骤206可以包括点燃在步骤202期间喷射至预燃腔室35中的燃料。响应于来自电子控制单元的命令，腔室35内的雾化燃料可以由点火器34点燃。可以包括火花塞、电热塞或等离子点火装置的点火器34可以产生火花或以其他方式放电能量，以点燃腔室35内的雾化燃料。如图1所示，为了促进腔室35内的雾化燃料的这种点火，点火器34可以包括在腔室35内延伸的远端。另外，点火器34的激活可以基于燃料在离开雾化器开口39后在腔室35内充分雾化所需的时间量来控制。
28.步骤208可以包括点燃经由直接喷射器32喷射至燃烧腔室16中的燃料。燃烧腔室16内的燃料的点火可以由步骤206中雾化燃料的点火产生的火焰引发。当如关于步骤206所述的点燃腔室35内的雾化燃料时，产生的火焰可以进入并且通过一个或多个火焰通道42，到达燃料喷射器组件28的远端处形成的相应火焰开口44。这些火焰开口44可以朝向相应燃烧腔室16的内部。因此，用一个或多个直接喷射器燃料开口40喷射的燃料的燃烧可以由在从燃料喷射器组件28的火焰开口44离开之后蔓延的火焰引发。火焰开口44可以经定位，以便以适当均匀的方式引发燃烧，使得火焰在燃烧腔室16内蔓延，以促进用一个或多个直接喷射器燃料开口40喷射的燃料的完全燃烧。
29.虽然已经用示例性顺序描述了步骤202、204、206和208，但是应当理解，可以以不同的顺序执行这些步骤中的一个或多个。此外，这些步骤中的一个或多个可以同时和/或在重叠的时间段执行。
30.所公开的燃料燃烧系统和方法可以允许燃料在预燃腔室35内受控燃烧，从而能够产生容易点燃喷射至发动机气缸内部的大部分燃料的热火焰喷射流。雾化装置的使用还可以促进大量燃料的喷射，提高功率输出，并且促进低ghg燃料的直接喷射。例如，与用于具有相同排量的发动机的柴油燃料喷射器相比，可以采用具有较大喷射器孔口的燃料喷射器，同时避免与燃料不完全燃烧相关的问题。喷射的低ghg燃料(例如液体甲醇)的增加的雾化还可以防止延迟的和/或剧烈的燃烧和池火。另外，所公开的系统和方法可以使低ghg燃料(例如甲醇)能够燃烧，而无需供应第二种类型的燃料。特别地，燃料燃烧系统10可以配置为燃烧燃料，而无需用柴油燃料产生引燃火焰。燃料燃烧系统10还可以能够省略延伸至发动机燃烧腔室的火花塞。
31.对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明范围的情况下，可以对所公开的方法和系统进行各种修改和变化。通过考虑本文所公开的系统的说明书和实践，该方法和系统的其他实施方案对于本领域技术人员将是显而易见的。说明书和实施例仅是示例
性的，本发明的真正范围由所附权利要求及其等同内容限定。

技术特征：

1.一种用于内燃发动机的燃料喷射器组件，所述燃料喷射器组件包括：近端部分；远端部分；燃料喷射器，其至少延伸至所述远端部分，所述燃料喷射器包括燃料开口；腔室，其在所述近端部分和所述远端部分之间形成；火焰通道，其从所述腔室延伸至所述远端部分；以及雾化器，其配置为提供喷射至所述腔室中的液体燃料的雾化。2.如权利要求1所述的燃料喷射器组件，其中所述雾化器是静电装置、超音速装置或超声装置。3.如权利要求2所述的燃料喷射器组件，其中所述雾化器是包括磁致伸缩元件或压电元件的超声装置。4.如前述权利要求中任一项所述的燃料喷射器组件，其中所述雾化器包括面向所述腔室内部的燃料孔口。5.如权利要求4所述的燃料喷射器组件，进一步包括燃料点火装置，其配置为在用所述雾化器的所述燃料孔口喷射所述燃料之后点燃所述腔室内的燃料。6.如前述权利要求中任一项所述的燃料喷射器组件，其中所述燃料喷射器固定在所述燃料喷射器组件的壳体内。7.如权利要求6所述的燃料喷射器组件，其中所述腔室围绕所述燃料喷射器。8.一种燃烧燃料的方法，包括：将液体形式的燃料供应至雾化器；将供应至所述雾化器的所述燃料喷射至预燃腔室中，并且使供应至所述雾化器的所述燃料雾化；将燃料喷射至燃烧腔室中；点燃所述预燃腔室中的所述雾化燃料；以及用所述点燃的雾化燃料点燃喷射至所述燃烧腔室中的所述燃料。9.如权利要求8所述的方法，其中使所述燃料雾化包括用静电装置、超音速装置或超声装置将所述燃料分散为多个液滴。10.如权利要求8或权利要求9所述的方法，其中用固定至燃料喷射器组件的燃料喷射器将所述燃料喷射至所述燃烧腔室中，所述雾化器固定至所述燃料喷射器组件，并且所述预燃腔室在所述燃料喷射器组件内形成。

技术总结

一种用于内燃发动机的燃料喷射器组件，其包括近端部分、远端部分以及至少延伸至远端部分的燃料喷射器，该燃料喷射器包括燃料开口。燃料喷射器组件还包括在近端部分和远端部分之间形成的腔室、从腔室延伸至远端部分的火焰通道，以及配置为提供喷射至腔室中的液体燃料的雾化的雾化器。的雾化的雾化器。的雾化的雾化器。

技术研发人员：

R

受保护的技术使用者：

卡特彼勒公司

技术研发日：

2022.08.24

技术公布日：

2023/3/2