气体燃料高速喷入内燃机的方法及装置 本发明涉及内燃机，具体地说，它涉及一种关于将气体燃料以大约1个马赫数的速度喷入正在流向内燃机进气道的空气流内，从而促进气体燃料和空气混合和分层的方法及装置。
近年来，无论是压缩点火式内燃机还是火花点火式内燃机，都有使用气体燃料作为其燃料来源的要求，而且这种要求日渐增加。象丙烷、天燃气等气体燃料在许多方面比柴油及其它压缩点火式燃料和汽油及其它火花点火式燃料优越得多，因为气体燃料总的来说价格便宜，可提供相同或较大的功率，或较远的行程，废气排放特低。特别是这最后一项优点使气体燃料更具有吸引力。近年来已经颁布或即将颁布的世界性法规都倾向于禁止许多内燃机使用柴油和其它传统燃料。
气体燃料的一个弱点是可压缩和相对的低密度，很难与正在流入内燃机进气道的空气流混合。先前的技术系统曾试图通过一种多孔喷射来增强混合，这种多孔喷射采用通过在进气点周围分布的多个喷孔将气体燃料以通常的大气压力喷入进气管上游某点地导入装置。其主要理论是用这种方式在许多不同圆周上的各个位置供给燃气，从而增强气体的混合。但这种多孔喷射系统只能解决部分问题，因为所需要的喷孔数目的增加必然会使进入空气流的燃气流速度降低，相对低密度的燃气由于缺乏足够的惯性而无法穿入空气流的深层，因此将沿着进气管的管壁进入气缸，而不能与进入气缸内的空气充分混合。
该问题随着压缩天然气(CNG)喷射器的出现而得到部分解决，这种喷射器以相对高的压力(大约8巴)将燃气喷入喷嘴网格，从而以比混合式系统高的速度将燃气射入空气流中。但是，当用于每一进气点具有多个节流喷嘴的多点喷射系统时，该系统显然不能形成高速喷射，并且由于燃气进入空气流的速度仍然太低而不能充分混合。
传统的气体燃料供给系统存在的另一个问题是几乎没有分层。当一个空/燃混合区域被一个基本纯净的空气层包围时，气缸中则出现分层燃料进气。分层进气喷射是十分理想的，因为如果进气部分的空燃比为了燃烧而被优化时，那么实际内燃机的任何工作状态的燃烧均可优化。没有这样的分层就得不到最佳的空燃比。例如：在一个非节气式内燃机中，如果不考虑内燃机负载，内燃机在每一燃烧循环内吸入缸体内的空气量是相同的。在怠速和轻负载条件下，较少量的燃料与空气混合。因为没有分层，故气缸内的混合气非常稀薄，从而导致燃烧不充分，未燃烧或部分燃烧的燃料将被排出。该问题只有通过分层燃料喷射来解决，即在气缸内形成一个既不稠密也不稀薄并被一个纯空气层包围的空气燃料混合的小区域。
在传统的供气系统中要形成一个局部的具有最佳空燃比的进气是很困难的或是不可能的，因为流向内燃机的燃气是连续的而非脉冲式的。即在喷射气体燃料时，燃气流不能随意通断，原因是燃气的低质量流速要求长期恒定的流动，以便获得气缸内所需要的燃烧。相应地，气缸内的整个进气包括燃料和空气，这两者不能以最佳空燃比状态混合。这个问题可通过利用节气门解决。也就是通过增加与节气压降有关的效率损失来解决。
采用跳跃点火对于λ控制，本发明也适用于传统的空燃比控制。采用跳跃点火对λ控制在美国第5,553,575号专利中有详述。
每一进气点具有多个节流喷嘴的多点喷射系统的另一个问题是生产和安装工艺比较复杂，价格比较高，原因是所需要的喷孔和管道数目较多。
鉴于上述存在的缺点，本发明的第一目的是提出一种在内燃机气缸内使一种气体燃料与空气进气均匀混合的简单和经济的改进方法。
本发明的第二目的是提出一种在产生一个由纯空气进气包围的局部空气燃料均匀混合进气的高层状整体混合进气的同时满足第一目的方法。
本发明的第三目的是提供一种改进的内燃机气体燃烧喷射系统，所述系统可以使在内燃机气缸里的气体燃料与空气均匀混合，以及能满足本发明的第一目的，使制造、安装和操作比较简单，经济的。
为实现上述第一目的，本发明第一方面所提出的方法包括：打开进气道将供燃烧的空气流吸入气缸，同时将气体燃料以大于0.3马赫数的速度，最好以0.5到1.0马赫数的速度，喷入供燃烧的空气流内；其喷射步骤包括：
1.由气体燃料喷射器的节流孔将气体燃料喷入空气导管内，气体燃料喷射器节流孔的有效流通面积为CdA1；
2.由供气导管的喷孔将气体燃料喷入供燃烧的空气流中，该喷孔的有效流通面积为CdA2，CdA2是CdA1的2-5倍。
为实现本发明的第二目的，本发明包括通过控制第一时期所发生的吸气步骤和第二时期所发生的喷射步骤，所述第二时期必须比第一时期短并被第一时期全部包含。
为实现本发明的第三目的，本发明内燃机包括一个带进气道的气缸，一个可选择和交替打开、关闭进气道的进气门，一个与进气道相通的进气管和一个气体燃料喷射系统；所述气体燃料喷射系统具有一个带计量孔，其有效流通面积为CdA1的气体喷射器和一个进口与气体燃料喷射器计量孔相连通、喷孔与内燃机进气道相连通的供气导管，所述供气导管将气体燃料由计量孔输送到进气道的单个导管中，导管喷孔的有效面积为CdA2，该面积不得大于CdA1的7倍，最好是CdA1的2-5倍。
为了能够获得分层的燃料喷射，所提出的方法是在第一时期打开进气门；另外一个方法是在第二时期使喷射器喷射气体燃料脉冲，第二时期应比第一阶段短并被第一时期全部包含。
实际简单的安装结构包括：1)安装在内燃机上，在进气道与进气管之间的转接环；2)安装在转接环上的喷射器支承块；供气导管由在转节环及喷射器支承块内形成的相应通道组成。
本发明的上述及其它目的、特性和优点在下面的详细说明及附图中将会体现。但是需要明确的是，对本发明具体实施方案的具体描述及举例，只是为了说明而不仅局限于此。因此在不脱离本发明精神的前提下，在本发明范围内可以有许多改变或改进，本发明将包括所有这些改进。
附图简要说明
图1是采用本发明高马赫数喷射系统的内燃机俯视图。
图2是图1所示内燃机的部分剖面图。
图3是图1和图2所示内燃机的气体燃料喷射器、进气管和气缸进气道的剖面图。
图4是内燃机在轻负载和重负载工作条件下，进气门开放时期与喷射器节流孔开放时期的时间比较图。
图5表示气体燃料喷射时间随内燃机负载变化而变化的情况。
本发明的具体实施方案如附图所示，在所有附图中，相同的标号代表相同的零件。
根据本发明，可以为内燃机提供一种气体燃料喷射系统。这种系统通过以相对高的速度，最好在0.5到1.0马赫数之间，将气体燃料喷入正在流向气缸内的空气流中，从而保证气体燃料与空气均匀混合。高马赫数喷射可以以一种极其简单且十分有效的方法来实现，该方法为：1)与在进气管进气系统上游单点具有多个喷孔的结构相反，每个进气道仅使用一个或很少几个导管和喷口；2)设置喷射器计量孔CdA1和导管喷口CdA2的相对有效流通面积，并使CdA2是CdA1的2倍到5倍；3)将燃气供给压力设置为大于空气进气管绝对压力的四倍。这种系统不仅比在进气管上游单点具有许多喷孔的供气系统简单、便宜，而且可以提供非常均匀的混合和脉冲喷射，这样可以向燃烧室提供分层燃料进气。
本发明高马赫数喷射系统不仅可以用于压缩点火式内燃机，而且可以用于火花点火内燃机；不仅可以用于节气式内燃机，而且也可以用于节气式内燃机。图10所示是一种压缩点火式非节式内燃机，该内燃机具有多个气缸口，每个气缸都有一个缸盖14，如图2所示。
同样如图2所示，活塞16可以在气缸12中滑动，在气缸头14和活塞16之间为燃烧室18。活塞16同样以一种常规的方式和曲轴20相连接。常规的进、排气门22和24，位于气缸头14上相应的进、排气道26和28的尾端，它们由一个标准凸轮30来驱动，从而控制所供给的空/燃混合气进入燃烧室18以及燃烧产品从燃烧室18中排出，这些气体分别通过进气管34和排气管35供给内燃机和从内燃机内排出。然而，与众多内燃机不同的是在通常装节气门的位置上没有节气门失去了节气作用，因此将其称为非节气型内燃机10。因为图示的内燃机10是一种压燃式而不是火花点火式，因此需要一种引燃燃油喷射系统用于点燃气体燃料。该系统包括几个电控引燃燃料喷射器32。每个引燃燃料喷射器32可以是电子控制的或机械控制的。这个燃料喷射器最好采用一种增压蓄压式电液燃料喷射器，其在重新发布的美国第33,270(贝克270)号专利中有详述。
再参见图1和图2，柴油燃料或其它可压燃液体燃料从常用的油箱42经由一个公用供给管路或共轨44到达喷油器32。在管路44上有一个滤清器46，一个油泵48，一个高压液压溢流阀50和一个压力调节器50。一个公用的回油管52，从喷油器32回到油箱42。
喷油器32的工作由一个计算机或电子控制单元(ECU)56控制，原理如图2所示。ECU56从图2中用一个方框表示的传感器系统接受信号，并且将输出信号传送给引燃燃料喷射器32以及下面描述的气体燃料喷射器36。关于电控燃油喷射器对引燃燃油喷射正时和引燃燃油喷射量的电子控制原理在美国的第5,450,829号专利(贝克829专利)中有详述。
通过多个喷射器36将气体燃料供给内燃机10，每一个气缸12用一个喷射器供气，下面将描述这些喷射器的结构，工作原理及供气方式。
参照图2和图3，将详述其中一个喷射器36以及它与一个内燃机的联结，其它五个的情形与之完全相同。尽管我们介绍的每一个气缸12仅有一个喷射器36，但是如果需要，只要下面将要详述的有效流动面积CdA1和CdA2以及马赫数遵循设计规范，一个气缸或一个进气道同样可以安装两个或更多的喷射器。
参照图2和图3，喷射器36是一个电子控制式喷射器，即由ECU56电子驱动的电控脉宽调制式压缩天然气(CNG)喷射器。该喷射器36：1)有一个进口60，天然气从压缩存贮箱40和供气管38到达该进口；2)在进口60的外侧有一个出口或计量孔62，并与下面详述的导管相连接。喷射器36通过一个安装块64和转接环66安装在内燃机12上。
转接环66和气缸头14相联接以便气缸头12的进气道26有一个延伸部分26’。每一个气缸12可用一个分立的转接环66。但最好将所有的转接环做在一个平板上，这个平板可以：1)延伸内燃机10的长度；2)平板上具有与进气道26相同直径的6个孔；3)位于进气管34和内燃机缸盖l4之间；4)用相同的螺栓68和70将转接环66与进气管34一起联接到内燃机缸盖上。在转接环66和发动机缸盖14以及在进气管34和转接环66之间垫上合适的密封座72和74。
喷射器支承块64安装在转接环或转接板66的上部，并从转接环66向外延伸，如图3所示，共有6个分离的支承块64，每个CNG喷射器36有一个，但是最好用一个多孔板64，板上有一些横截面积较大的孔76，每个孔应密封并与相应的喷射器喷射孔相连。天然气供气管路以共轨的形式从多孔板块64中穿过。
在CNG喷射器36的计量孔62和气缸进气道26之间有一个供气导管。在示图的具体方案中，供气导道管是由通过支承块64和转接环64而形成的通道78构成的，这样便具有：1)与计量孔60相连接的进口80；2)通向由转接环66所形成的进气道延伸部分26的喷口82，通道78各处的直径最好是一均匀的。但是，即使通道78是锥形的或是有节流，它的喷孔82的横截面不得大于通道78的其余部分的最大横截面积。只要导管喷口82的总面积与了孔62的总面积之比在下面规定的范围内，也可以采用两个通道。
在这一点上应当注意的是：由通道口78组成的供气导管提供的从CNG喷射器36到进气道26的连接，与在进气管上游某点圆周上需要安装许多供气管道的单点喷射系统相比要简单和廉价得多。
喷射器36将如天然气或丙烷这样的压缩燃气，以进气道静压两倍的相对高的压力，通过计量孔62供给通道78。已经发现采用喷射压力和小面积节流孔，通过简单的设定供气导管喷口82的有效流通面积CdA2和以音速流动的喷射器计量孔的有效流通面积CdA1的相对值使气体燃料以非常高的速度喷入进气道26从而获得优良的空气流贯透和合理的、均匀的空气/燃料混合。本发明者已经发现，气体速度在0.3马赫数(在吸气行程中空气流从进气管进入进气道时的典型峰值速度)以上时，最好介于0.5到1马赫数之间，可以产生最佳的空气流贯穿和合理均匀的混合。在CNG工作压力为8巴时，只要使喷孔82有效流通面积CdA2小于计量孔62有效流通面积CdA1的7倍，便可获得期望的高马赫数喷射和合理的空气贯穿，最好是介于CdA1面积的2至5倍之间。在该具体方案中，计量孔62的有效面积最好是3.18mm2，喷孔的有效面积最好是6.36cm2到15.9mm2。
通过工作实例更容易理解获得高马赫数喷射的方法，应用可压缩绝热流动原理，通过小孔的气体流速可由下列方程得到：
V＝1000Q/ρCdA，m/sec 方程1
式中：
Q：气体流量，mg/msec
ρ：流动点气体密度，mg/ml
CdA：流动点有效流动面积mm2
Cd：流量系数
A：横截面积mm2
现式：ρ＝0.667(Ps)(Tr/Ts)，mg/ml，在1巴，20℃时 方程2
式中：
Ps：流动点静压，巴
Tt：流动点动温或总温 °K
Ts：流动点静温°K
因此
V＝(1000Q)/(0.667(Ps)(Tt/Ts)(A).m/sec 方程3
若有必要，Tt/Ts的相互关系可由下列方程算出：
Tt/Ts＝(Ps/Pt)((γ-1)/γ) 方程4
其中：Pt＝Ps+流动点处动压或总压
为便于讨论，在本发明中最有可能被使用的天然气或丙烷与纯甲烷很接近，纯甲烷的γ值为1.31，因此，方程4变为：
Tt/Ts＝(ps/Pr)0.237 方程5
音速Vs可由下列方程计算出：
Vs＝(γgγt)0.5，m/sec 方程6
＝446(Ts/293)0.5，m/sec
因此
马赫数，MA＝V/Vs 方程7
把方程1-7应用到进气管绝对压力MAP为2巴：流量Q为4.93mg/msec，计量孔有效面积CdA1为3.18mm2的系统时，在不同系统参数下，内燃机不同部位的马赫数见表1。
在表1中：
位置1＝燃气供气管38；
位置2＝燃气计量孔62；
位置3A-3D＝燃气导管喷孔82，为了说明在Tt＝20℃时增加喷孔面积对进入进气道26的气体马赫数的影响，在例a-d中，CdA2/CdA1之比从2.0逐步增大到9.9。
表1说明了只要CdA2/CdA1之比小于5，最好介与2和5之间，并且燃气供给压力至少是进气管绝对压力的4倍便可获得0.5到1.0的马赫数。
高马赫数对系统工作的影响将在下面中详述。
现在参见图1-5，图示的双燃料压燃式内燃机10工作原理如下：
首先，参见图4中的曲线90，在活塞16吸气冲程期间，即在排气门24关闭后、活塞10开始向下运行时，凸轮轴30在T1时刻将进气门22打开，从而经过进气道20和进气管34将一个空气流84(图1和图3)吸入气缸18中。在T6时刻进气门22关闭，终止进气，此时气缸18内完全充满了空气。
ECU56控制CNG喷射器36在进气门22打开时刻T1晚些时候开始将天然气或类似燃气喷入进气道26内，这样一缕气体燃料以大约0.5至1.0的马赫数高速喷入空气流84中。
在吸气冲程期间，在室温(493°K)的条件下，从进气管34流入进气道26的空气流的峰值速度大约是100M/SEC，大约是0.3马赫数。研究发现，当燃气以高于两倍峰值速度、或高于大约0.5马赫数的速度从喷孔82喷入空气流时，空气流的贯穿和混合将有显著改善。另一方面，在最好的混合式系统中，喷孔处的总压力通常仅比进气管的绝对压力高大约5％，这样喷孔处的马赫数小于0.3。
表1 参 数 位置 1 2 3a 3b 3c 3d Pt，bar 9.5 9.5 4.74 2.49 2.30 2.08 Ps，bar 9.5 4.81 2.43 2.0 2.0 2.0 Tt，°K 293 293 293 293 293 293 Ts，°K 293 246 249 276 277 287 CdA1，mm2 3.18 3.18 3.18 3.18 3.18 CdA2，mm2 6.36 12.7 15.9 31.6 CdA2/CdA1 2.0 4.0 5.0 9.9 Ps，mg/ml 6.34 3.77 1.88 1.39 1.38 1.35 V，m/s 0 411 411 280 223 116 Vs，m/s 446 411 411 435 435 442 M 0 1.0 1.0 0.64 0.51 0.26
在ECU56控制下，从喷射器32直接将少量的引燃燃油喷到燃烧室18内，引燃燃料的喷射正时及吸射量取决于内燃机的主要工作状态，这些在贝克的829号专利中有详细讲述。
从图6可以看到高马赫数喷射对内燃机性能的有利影响，图中曲线98绘出了马赫数与气缸间排气温度(ΔT)的变化关系。如果空气和燃料混合均匀，内燃机运行良好，就不会存在此温度变化。然而，曲线98上的P4点表明，在CDA2/CDA1之比为9，喷孔处的马赫为0.29的CumminsL10型多点喷射系统试验期间(见上表1)。发现排气温差达50℃。当同一内燃机用CdA2/CdA1之比小于或等于5，以高于0.5马赫数的速度将气体燃料喷入进气道的高马赫数喷射系统注入燃料时，排气温差要低得多，平均小于20℃。曲线98上的P1-P3点分别对应1.0，0.64和0.51马赫数，如前面的表1所示，这一温差的减小强有力地证明：高马赫数喷射的优点的确存在。
值得注意的是上述的结果同样也验证了图4中的“时窗”效应。在CumminsL10和其它所谓“均分口”吸气冲程期间，控制喷射脉冲宽度和频率以保证喷射的有利影响在美国专利5477830中有详细论述，此专利于1995年12月26日发布。本早期专利在此将整个文献做为参考文献。
EUC喷射器36和发明高马赫喷射系统的应用可以实现气体燃料的脉冲喷射和相应的分层。每个脉冲的气体燃料喷射时期与将空气进气吸入气缸18的完整时期的百分比随内燃机负载一般成线性比例变化，如图5中的曲线96所示。先参见图4中的曲线92，当内燃机在轻负载时，与进气门开放时期间T1-T6相比，天然气喷射期T3-T4相对较短并被T1-T6完全包含。这样的喷射将形成一个相对大得多的纯空气进气89包围一个相对较小的空/燃气均匀混合的进气的形式。另一方面，如果内燃机10为重负载，需要较多的气体燃料，CNG喷射器36需要开启较长时期，如图4中的曲线94所示。然而，由于空气/燃料混合气吸入时期仍然被纯空气吸入时期T1-T2和T-T6所包围，因而仍可产生分层进气。只不过是空/燃混合进气比图2所示的进气要大得多。
因此可以看出，本发明提供了一种相当简单又十分有效的装置，这种装置可以：1)当燃料与空气被吸入燃烧室时，空气和燃料可以完全混合。2)在很短时间内，将整个燃气进气喷入燃烧室18内，从而获得一个完整的高度的分层。
只要不偏离本发明的精神，本发明可以有许多更改和改进。这些更改的范围将从后面的权利要求中得到体现。