[发明专利]气体燃料发动机中稀释剂或二次燃料的直接喷射

说明书

本发明涉及气体燃料发动机中稀释剂或二次燃料的直接喷射。一种用于操作发动机的方法，其包括在气缸循环中端口喷射第一数量的第一气体燃料和在所述气缸循环中直接喷射作为期望空燃比(AFR)函数的第二数量的二次喷射物，期望AFR基于发动机气缸气门的温度。期望AFR可以是只在天然气燃烧过程中可用的AFR范围之外，因此允许较冷的发动机操作。

技术领域

替代燃料已被开发来减轻常规燃料价格上涨且用于减少废气排放。例如，天然气已被公认为具有吸引力的替代燃料。对于汽车应用，天然气可在高压下被压缩和存储作为气缸中的气体。各种发动机系统可与天然气使用，利用适于CNG燃料的具体物理和化学性质的各种发动机技术和喷射技术。例如，单燃料发动机系统可经配置与CNG操作，同时多燃料系统可经配置与CNG和一种或多种其他燃料如汽油或汽油混合物液体燃料操作。发动机控制系统可基于发动机操作条件在各种操作模式下操作此类多燃料系统。

背景技术

然而，CNG发动机，特别是已经被转换以CNG运行的发动机会遇到很多操作问题。与汽油和其他传统燃料相比，CNG具有临界可燃性和窄的浓混合气极限。因此，当在高负荷下运行CNG发动机时，在完全燃烧进入燃烧气缸的燃料或空气之前可达到该发动机的温度极限。由于不完全燃烧燃烧气缸的内含物，发动机爆震的可能性增大。另外，CNG的燃烧产生的烟灰比同等汽油发动机燃烧产生的烟灰少。这减少了发动机气门的天然润滑，潜在地导致气门衰退和劣化。

在峰值操作下，富运行的汽油发动机可富操作高达40％，以减轻过热。相比之下，NG发动机在峰值条件下富操作约10％。因此，本发明人开发了一种方法来降低天然气发动机中空燃比(AFR)，以便提供汽油发动机中存在的一些气门保护。

为了对付过热问题，通过节流气流或贫运行可限制进气，但这些解决方案会限制发动机的最大功率输出。具体功率可通过增加发动机大小增加，但是这对于所有平台或转换可能是不可能的。喷射水或其他控制流体到燃烧室中可降低温度并防止发动机爆震，但会进一步降低燃料混合物的可燃性。

由于诸多原因，CNG发动机也遇到气门磨损增加。天然气具有比汽油更高的比热且因此在较高温度下燃烧。天然气也具有显著比汽油发动机更小的碳氢化合物浓度。因此，本发明人开发了一种方法来增加天然气发动机中操作的AFR丰富度，以便提供汽油发动机中存在的一些气门保护。

发明内容

本文发明人已经认识到上述问题可以至少部分通过喷射具有较高AFR富操作极限的二次燃料量到燃烧室或气体燃料源中解决，其中发动机可操作的AFR可增加。添加的液体燃料也引入较高的潜冷却，因为热能量在蒸发过程中被吸收。液体燃料也可作为稀释剂，以在燃烧过程中降低火焰温度。更富的AFR也允许在稀燃天然气发动机中不可用的更先进火花正时，其结合较低热发生，也帮助降低发动机爆震倾向。另外，使用具有较高碳氢化合物浓度的二次燃料源允许作为气门润滑剂、微型焊接和热障的烟灰产生的增加，从而消减气门衰退。在一些实施例中，使用蒸汽重整，CNG可被重整以提供二次燃料，如CO和H₂。

本发明人进一步认识到，上述问题可例如至少部分地通过一种用于涡轮增压发动机的方法解决，该方法包括：在高载荷条件下，响应升高的发动机温度，在端口喷射第一数量的第一气体燃料之后，在第一正时处直接喷射第二数量的第二液体或气体燃料，其中第二数量的第二液体或气体燃料是期望(desired)空燃比(AFR)的函数。以这种方式，可最大化主要由第一气体燃料供给燃料的用于发动机的发动机功率，同时控制最大燃烧温度和最大燃烧压力并减轻发动机爆震。