燃料进气道喷射机构、喷射方法以及内燃机

技术领域

本发明涉及燃烧领域，具体涉及燃料进气道喷射机构、喷射方法以及内燃机。

背景技术

近年来，甲醇、氨等绿色燃料开始逐渐应用于内燃机，例如柴油发动机，实现双燃料模式运行。作为一种周期较短、成本较低的技术路线，对于柴油-绿色燃料的双燃料发动机，一般采用气道喷射的方式在原柴油机的基础上应用上述绿色燃料。然而，对于采用柴油机基础进气道喷射绿色燃料的技术路线，受到爆震、失火等异常燃烧的限制，采用这种方式时发动机的运行区域较小，绿色燃料的替代率难以提升；另外，由于绿色燃料的理化性质与柴油差别较大，因此对于相关零部件的可靠性也需要进一步改善。

发明内容

鉴于背景技术中存在的问题，本申请的目的在于提供一种燃料进气道喷射机构、喷射方法以及内燃机，在原有柴油机结构串联进气道的基础上，采用对绿色燃料的进气道喷射，并且在不同状态下调整绿色燃料在长短进气道喷射的位置，不仅可以根据工况需要调整绿色燃料进入缸内的位置以优化内燃机气缸内的混合气分布，减少异常燃烧，增加发动机运行区域、提高绿色燃料替代率，实现非常规排放物和碳排放的进一步降低，同时也可以提高内燃机运行的可靠性。

第一方面，本申请提供一种燃料进气道喷射结构，包括缸盖，所述缸盖提供气道，所述气道至少包括第一进气道与第二进气道，所述第二进气道的长度大于所述第一进气道；燃料喷射器，安装于所述缸盖，所述燃料喷射器的喷射方向朝向所述气道；其中，所述燃料喷射器的喷射方向可变，所述燃料进气道喷射结构具有第一状态或第二状态，在所述第一状态，该燃料喷射器的喷射方向朝向所述第一进气道，在所述第二状态，所述燃料喷射器的喷射方向朝向第二进气道。

以上介绍的喷射结构的技术方案中，通过在原有柴油机结构进气道的基础上，采用对绿色燃料的进气道喷射，并且在不同状态下调整绿色燃料在长短进气道喷射的位置，以提升绿色燃料的替代率，降低排放，并且可靠性较好。

在一些实施例中，所述喷射结构还包括：执行机构；所述燃料喷射器通过转动副安装于所述缸盖；所述执行机构与所述燃料喷射器连接，以驱动所述燃料喷射器相对于所述缸盖转动，使得所述燃料喷射器对应所述第一状态、所述第二状态之间切换喷射方向。

在一些实施例中，所述缸盖具有安装孔，所述喷射器的喷射口穿过所述安装孔，所述喷射器的身部具有第一弧段，卡套的径向内壁具有与所述第一弧段匹配的第二弧段，卡套的径向外壁与所述安装孔的内壁匹配地安装连接。

在一些实施例中，所述安装孔具有阶梯孔结构，所述卡套在轴向一端抵接于所述阶梯孔结构的台阶，所述卡套在轴向另一端抵接于压紧法兰。

在一些实施例中，所述执行机构包括第一滑动件以及驱动件、所述燃料喷射器的头部具有第二滑动件，所述第一滑动件、第二滑动件的其中之一提供滑动体、其中另一提供滑动轨道；在所述驱动件的驱动下，所述第一滑动件与配合的第二滑动件相对滑动，所述驱动件的驱动的相对滑动的方向为第一方向，所述第一方向与所述喷射器的喷射方向具有夹角，所述第二滑动件在第一方向的位置变化带动所述燃料喷射器通过转动副相对于所述缸盖转动，使得所述燃料喷射器对应所述第一状态、所述第二状态之间切换喷射方向。

在一些实施例中，所述缸盖为柴油机缸盖。

在一些实施例中，所述燃料喷射器被配置为喷射甲醇燃料和/或氨燃料。

第二方面，本申请提供一种内燃机，包括第一方面所述的喷射结构以及至少一个气缸，所述喷射结构位于所述气缸的顶部，每个气缸对应至少对应一组所述的第一进气道与第二进气道；空气以及燃料通过所述喷射结构进入所述气缸。

在一些实施例中，所述内燃机为柴油以及清洁燃料的双燃料内燃机，所述清洁燃料能够通过所述喷射结构喷射至第一进气道或者第二进气道，从而进入所述气缸。

第三方面，本申请提供一种燃料进气道喷射方法，采用如权利要求-任意一项所述的喷射结构，所述喷射方法包括：当内燃机处于第一工况，所述喷射结构为所述第一状态，该燃料喷射器的喷射方向朝向所述第一进气道；当内燃机处于第二工况，所述喷射结构为所述第二状态，所述燃料喷射器的喷射方向朝向第二进气道。

以上实施例介绍的内燃机、以及燃料进气道喷射方法，由于采用第一方面介绍的进气道喷射结构，可以降低排放并且可靠性较好。

附图说明

本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施方式的描述而变得更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，需要注意的是，这些附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制，其中：

图1为一实施例的燃料进气道喷射结构的结构示意图；

图2为一实施例的燃料进气道喷射方法的流程示意图。

附图标记：

100-燃料进气道喷射结构；

1-缸盖，10-气道，11-第一进气道，12-第二进气道，13-进气口，14-安装凸台，15-安装孔，151-台阶，16-密封件；

2-燃料喷射器，20-转动副，21-喷射口，22-身部，221-第一弧段，24-头部，241-第二滑动件，25-轴线；

3-执行机构，31-第一滑动件，32-驱动件；

4-卡套，42-第二弧段；

5-压紧法兰；

200-控制单元。

具体实施方式

现在将详细地参考本发明的各个实施方案，这些实施方案的实例被显示在附图中并描述如下。尽管本发明将与示例性实施方案相结合进行描述，但是应当意识到，本说明书并非旨在将本发明限制为那些示例性实施方案。相反，本发明旨在不但覆盖这些示例性实施方案，而且覆盖可以被包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种选择形式、修改形式、等效形式及其它实施方案。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一些实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一些实施例的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

本申请中使用了流程图用来说明根据本申请的实施方式的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或下面操作不一定按照顺序来精确地执行。也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

虽然本申请实施例公开的燃料进气道喷射机构、喷射方法以及内燃机的以柴油机为基础，其缸内直喷的燃料为柴油、绿色燃料为甲醇燃料，以实现甲醇燃料替代柴油的替代率的提升。但可以理解到，也可以适用于其它类似的采用绿色燃料的内燃机的情况。

现有的柴油-绿色燃料的双燃料发动机的技术路线中，作为一种周期较短、成本较低的技术路线，对于柴油-绿色燃料的双燃料发动机，一般采用气道喷射的方式在原柴油机的基础上应用上述绿色燃料，但采用这种技术路线，受到爆震、失火等异常燃烧的限制，采用这种方式时发动机的运行区域较小，绿色燃料的替代率难以提升。发明人发现，异常燃烧的发生与发动机工况及绿色燃料混合气在缸内的分布情况相关。对于进气涡流较弱的大缸径柴油机，绿色燃料进入缸内的位置基本决定了其混合气在缸内的分布，因此可以根据工况需要调整绿色燃料进入缸内的位置以优化发动机气缸内的混合气分布，减少异常燃烧，增加发动机运行区域、提高绿色燃料替代率。

另外，由于绿色燃料的理化性质与柴油差别较大，对于相关零部件的可靠性也需要进一步改善，例如对于甲醇燃料作为绿色燃料时，发明人发现，于其挥发性好、气化潜热高，温度较低时难以蒸发。在较低负荷气道内空气温度及壁面温度较低时，若甲醇附着于气道上则不易蒸发，在气流作用下会导致液态甲醇进入缸内并附着于缸套，破坏缸套润滑油膜，导致缸套磨损。

基于以上发现，发明人提出了一种燃料进气道喷射机构、喷射方法以及内燃机，在原有柴油机结构进气道的基础上，采用对绿色燃料的进气道喷射，并且在不同状态下调整绿色燃料在长短进气道喷射的位置，不仅可以根据工况需要调整绿色燃料进入缸内的位置以优化内燃机气缸内的混合气分布，减少异常燃烧，增加发动机运行区域、提高绿色燃料替代率，实现非常规排放物和碳排放的进一步降低，同时也可以提高内燃机运行的可靠性。

如图1所示的，在一些实施例中，燃料进气道喷射结构100包括缸盖1、燃料喷射器2。

缸盖1提供进气道的结构与现有的柴油机的缸盖结构类似，即缸盖1可以是柴油机的缸盖，提供气道10，例如可以是串联气道，串联气道至少包括串联的第一进气道11与第二进气道12，第二进气道12的长度大于第一进气道11。因此第一进气道11也可以被称为短气道，而第二进气道12被称为长气道。具体结构可以是如图1所示的，缸盖1提供进气口13，从进气口13延伸后分叉形成两个出气口，形成第一进气道11与第二进气道12。可以理解到，图中所示的该港1的进气道的数量不限于两个，一个气缸也可以对应除了第一进气道11与第二进气道12之外更多的进气道，均不以此为限制。

燃料喷射器2，安装于缸盖1，燃料喷射器2的喷射方向朝向气道10。燃料喷射器2的喷射方向，此处以燃料喷射器2的轴线25为例，但不以此为限制，可以理解到，燃料喷射器2喷射的燃料，一般可以等效为以喷射方向为中心线分布的锥形喷雾。燃料喷射器2喷射的是绿色燃料，绿色燃料的种类例如可以是甲醇燃料和/或氨燃料，但不以此为限制。

继续参考图1所示的，燃料喷射器2的喷射方向可变，使得燃料进气道喷射结构100具有第一状态或第二状态。

在第一状态，该燃料喷射器2的喷射方向朝向第一进气道11，即此时燃料喷射器2被设定为朝第一进气道11的壁面喷射，而不朝着第二进气道12喷射。在第二状态，燃料喷射器2的喷射方向朝向第二进气道12，如图1中虚线的轴线25所示的位置，即此时燃料喷射器2被设定为朝着第二进气道12的壁面喷射，而不朝着第一进气道11喷射。可以理解到，以上介绍的喷射结构100具有第一状态，燃料喷射器2的喷射方向朝向第一进气道11的壁面喷射，而不朝着第二进气道12喷射，第二状态燃料喷射器2被设定为朝着第二进气道12的壁面喷射，而不朝着第一进气道11喷射是为了说明两个较为极端的状态，在实际上，燃料进气道喷射结构100还可以具有中间状态，即某一朝向时一部分燃料进入长气道(第二气道12)、另一部分燃料进入短气道(第一气道11)，可以对于喷入长气道、短气道的比例的调节对应不同工况的需求，而极端的情况，即一部分或者另一部分的比例为零，那么即是以上介绍的第一状态、第二状态。

继续参考图1所示的，在一些实施例中，实现燃料喷射器2的状态切换的具体结构可以是，燃料进气道喷射结构100还包括执行机构3；燃料喷射器2通过转动副20安装于缸盖1；执行机构3与燃料喷射器2连接，以驱动燃料喷射器2相对于缸盖1转动，使得燃料喷射器2对应第一状态、第二状态之间切换喷射方向，如图1实线的轴线25与虚线的轴线25所示的位置。

继续参考图1所示的，在一些实施例中，燃料喷射器2通过转动副20安装于缸盖1的结构可以是，缸盖1的进气口13上部设置有安装凸台14，安装凸台14提供安装孔15，喷射器2的喷射口21穿过安装孔15，喷射器2的身部22具有第一弧段221，卡套4的径向内壁具有与第一弧段221匹配的第二弧段42，卡套4的径向外壁与安装孔15的内壁匹配地安装连接。另外，继续参考图1所示的，卡套4的径向外壁与安装孔15的内壁匹配地连接，以及卡套4的径向内壁具有与第一弧段221匹配的第二弧段42之间的连接，连接结构均设置有密封件16，例如O型密封圈，以保证喷射结构的密封性。

身部22的具体结构可以是如图1所示的，喷射器2的身部22具有部分球体的结构，提供该第一弧段221。可以理解到，第一弧段221是从身部22径向向外突出的凸弧，以提供足够的转动空间，使得燃料喷射器2转动以切换喷射结构的第一状态与第二状态。

优选地，继续参考图1所示的，安装孔15具有阶梯孔结构，卡套4在轴向一端抵接于阶梯孔结构的台阶151，卡套4在轴向另一端抵接于压紧法兰5。如此可以使得卡套4在安装孔14内部被稳定地安装固定，从而使得燃料喷射器2的安装位置稳定，从而被精确地在第一状态、第二状态之间切换调整。

继续参考图1，在一些实施例中，执行机构3的具体结构可以是，执行机构3包括第一滑动件31以及驱动件32、燃料喷射器2的头部24具有第二滑动件241，第一滑动件31、第二滑动件241的其中之一提供滑动体、其中另一提供滑动轨道；在驱动件32的驱动下，第一滑动件32与配合的第二滑动件241相对滑动，驱动件32的驱动的相对滑动的方向为第一方向，第一方向与喷射器2的喷射方向具有夹角，第二滑动件241在第一方向的位置变化带动燃料喷射器2通过转动副20相对于缸盖1转动，使得燃料喷射器2对应第一状态、第二状态之间切换喷射方向。

例如图1所示的，燃料喷射器2的头部24(也可以被称为顶部)具有燃料进口，头部24的侧部设置有滑槽，滑槽内设置有滑块。即头部24的滑槽为第二滑动件241，执行机构3设置于缸盖1的上部，执行机构的滑块为第一滑动件31。驱动件32则为推杆，推杆与滑块连接。如图1可知，通过推杆伸出长度的变化，燃料喷射器2的轴线25转动(在虚线的轴线25与实线的轴线25之间转动)，使得燃料喷射器2对应第一状态、第二状态之间切换喷射方向。

采用以上实施例介绍的燃料进气道喷射结构100，在原有柴油机结构进气道的基础上，采用对绿色燃料的进气道喷射，并且在不同状态下调整绿色燃料在长短进气道喷射的位置，其有益效果包括但不限于：首先，由于采用与原有柴油机类似的进气道结构对绿色燃料的进气道喷射的技术路线，无需对进气道结构本身的进气结构进行改动，其具有该技术路线的研发周期较短、成本较低的优点；进一步地，在此基础上，可以提高部件的可靠性，尤其是可以减少气缸的缸套磨损。其原理在于，在较低负荷气道内空气温度及壁面温度较低时，若甲醇附着于气道上则不易蒸发，在气流作用下会导致液态甲醇进入缸内并附着于缸套，破坏缸套润滑油膜，导致缸套磨损，因此较低负荷时，将甲醇喷射至较短的第一进气道11避免甲醇附着气道壁面；在较高负荷时，气道壁面温度较高，此时甲醇喷射至较长的第二进气道12，甲醇附着气道壁面反而可以促进甲醇蒸发从而减少液态甲醇进入气缸，减少缸套磨损。另外，还可以根据工况需要调整甲醇燃料进入缸内的位置以优化内燃机气缸内的混合气分布，减少异常燃烧，增加发动机运行区域、提高绿色燃料替代率，实现非常规排放物和碳排放的进一步降低。

本发明的另一方面还提供了一种内燃机，请参考图1所示的，内燃机可以是以上介绍的柴油以及清洁燃料的双燃料内燃机。内燃机包括以上实施例介绍的喷射结构100以及至少一个气缸，喷射结构100位于气缸的顶部，每个气缸对应至少对应一组的第一进气道11与第二进气道12；空气以及燃料通过所述喷射结构100进入所述气缸。可以理解到，内燃机通常可以有多个气缸，图1中仅是以单个气缸对应的喷射结构100为例。承上所介绍的，清洁燃料。例如甲醇燃料，能够通过喷射结构100喷射至第一进气道11或者第二进气道12，从而进入气缸。

具体的喷射结构100从第一状态与第二状态的切换可以是，参考图1所示的，当内燃机处于某种工况需要甲醇燃料由长气道即第二气道12进入发动机气缸时，由发动机的控制单元200发出指令使执行器控制驱动件32，例如使得推杆伸长，从而使得对应在滑块向上运动，带动燃料喷射器进行逆时针旋转，燃料喷射口朝向第二气道12，则燃料喷入第二气道12。当内燃机处于某工况需要燃料由短气道即第一气道11进入发动机气缸时，由发动机的控制单元200发出指令使执行器控制推杆缩短，滑块向下移动，带动燃料喷射器进行顺时针旋转，燃料喷射口朝向第一气道11，则燃料喷入第一气道11。另外，通过此种方式调节推杆的伸出长度，还可以使燃料喷射器2处于某一朝向时一部分燃料进入长气道(第二气道12)、另一部分燃料进入短气道(第一气道11)，以满足发动机各种工况需求。

控制单元200包括存储器以及与存储器相连接的处理器，其中处理器在执行存储在存储器上的计算机程序时实现如上任意一种实施例所描述的喷射结构状态切换的步骤，具体请详见上文的描述，在此不再赘述。例如柴油、甲醇的喷射量、喷射压力和喷射脉宽将基于转速传感器、爆震传感器等信号数据控制单元闭环控制，以判断此时内燃机处于第一工况或第二工况，从而对应指令喷射结构处于第一状态或第二状态。

需要注意的是，上述的存储器和处理器并不局限于特定的某一个存储器或处理器。在一些情况下，存储器和处理器都可以具有分布式的结构，例如，可以包括分别位于内燃机端和后台云端的存储器和处理器，由内燃机端和后台云端共同实现上述的组织燃烧的方法。更进一步的，在采用分布式结构的实施例中，各个步骤可以根据实际情况调整具体的执行终端，各个步骤在特定终端实现的具体方案不应限制本发明的保护范围。

承上所介绍的，参考图2，本申请还提供一种燃料进气道喷射方法，采用以上实施例介绍的喷射结构100，该喷射方法包括：

当内燃机处于第一工况，喷射结构100为第一状态，该燃料喷射器2的喷射方向朝向第一进气道11；

当内燃机处于第二工况，喷射结构100为第二状态，燃料喷射器2的喷射方向朝向第二进气道12。

综上，以上实施例介绍的燃料进气道喷射机构、喷射方法以及内燃机的有益效果包括但不限于，在原有柴油机结构进气道的基础上，采用对绿色燃料的进气道喷射，并且在不同状态下调整绿色燃料在长短进气道喷射的位置，不仅可以根据工况需要调整绿色燃料进入缸内的位置以优化内燃机气缸内的混合气分布，减少异常燃烧，增加发动机运行区域、提高绿色燃料替代率，实现非常规排放物和碳排放的进一步降低，同时也可以提高内燃机运行的可靠性。

本发明虽然以较佳实施方式公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。