用于操作氣體燃料直接注入式內燃發動機的方法和系統與流程

本發明涉及一種用于操作氣體燃料內燃發動機的方法，其中，以高于300巴的壓力將氣體燃料直接注入燃燒室。

背景技術：

氣體燃料內燃發動機在汽車行業中以作為柴油燃料發動機的可能替代而著名。用氣體燃料替換柴油燃料提供了減少排放的可能性，因為柴油燃料燃燒產生較高濃度的污染物。本文一般將氣體燃料定義為在標準壓力和溫度條件下為氣相的燃料。本文將“標準壓力和溫度”定義為1巴(14.5psi)的絕對壓力和0攝氏度(32華氏度)。天然氣是可燃氣體的混合物，其確切成分根據來源而不同，但其通常主要是甲烷。其他氣體燃料包括乙烷、丙烷和其他易燃氣體烴類衍生物、氫以及它們的混合物。與常規液體燃料相比，公開的氣體燃料通常燃燒更潔凈，可以由可再生來源生產，并且通常是容易得到的。例如，天然氣是如今可用的最充足的烴類燃料之一。

然而，用氣體燃料替代柴油燃料，同時保持柴油燃料發動機的包括柴油發動機的功率和效率的性能，并且同時進一步減少發動機排放，這是一個挑戰。

對于一種類型的內燃發動機，氣體燃料被直接注入內燃發動機的燃燒室中，當活塞接近上死點時，引起燃料以擴散燃燒模式或以分層模式燃燒，并且在這種直接注入式發動機中，可以通過少量的引燃燃料(例如，使燃料完全且有效燃燒的柴油燃料)點燃氣體燃料。在本申請人之前的專利例如若干美國專利(US7463967、US8028676、US8469009和US8555852)中已經描述了這種雙燃料發動機。

由于氣體燃料是可壓縮的流體，因此相比于液體燃料，壓縮氣體燃料并提高氣體燃料的壓力需要更多的能量。因此在過去，確定最大氣體燃料注入壓力的主要因素之一是使用在全負荷下迫使氣體進入燃燒室所需的最小壓力。較低的氣體燃料注入壓力通常是理想的，因為采用較高的注入壓力會增加發動機系統上的附加負荷。由于已經轉換為雙燃料操作的常規柴油燃料發動機在約200巴的壓縮沖程期間具有最大的汽缸壓力，因此高于約200巴的氣體燃料注入壓力(例如，高達約300巴(30MPa或4,350psi)的注入壓力)足以克服汽缸壓力，同時能量足以使燃燒室內的氣體燃料分散并注入理想量的燃料以達到有效燃燒，如申請人的美國專利8,095,294中所述的。該專利認識到汽缸壓力的變化會影響燃料注入器的閥針打開和關閉的速度，從而可響注入到燃燒室中的燃料的量，并且該專利通過校正燃料注入器保持打開的時間量(“脈沖寬度”)從而調節加燃料量而解決了該問題。并未研究在較高壓力下注入氣體燃料。

共有的美國專利號7,162,995描述了一種將氣體燃料注入到高壓直接注入式內燃發動機的方法，該方法包括選擇造成超過并靠近注入器噴嘴處的欠膨脹氣體燃料的注入壓力，并且該專利提到，以超過30MPa(300巴)的注入壓力將氣體燃料注入燃燒室，該注入壓力具有隨注入壓力和汽缸壓力而變化并大于氣流被阻塞時超過的比率的壓力比。這樣的壓力比提供超音速流入天然氣燃料直接注入式發動機的燃燒室所需的壓力，同時避免干擾汽缸壁和活塞。如該專利所述，在大多數情況下，注入壓力將超過10MPa(100巴)，并且注入壓力將被選擇為使得其避免氣體噴流干擾汽缸壁或活塞。

雖然氣體燃料通常比常規柴油發動機燃燒得更潔凈，通過對發動機排出的氣體進行后處理可以進一步改善氣體燃料發動機的尾氣排放，以減少微粒物質、烴類和NOx的水平。但這樣的后處理系統可能較復雜，而且會增加整體發動機系統的成本。

雖然現有技術中的一些已經提到以高于300巴的注入壓力將氣體燃料注入到內燃發動機的燃燒室中，但并沒有已知的現有技術進一步研究在這樣的高壓下發動機的性能和效率，以確定允許更好的發動機性能和效率且同時改善發動機排放的注入壓力的優選范圍以及注入壓力和峰值汽缸壓力之間的壓力比的優選范圍。

因此，仍然有必要研究這些發動機參數，以便進一步降低氣體燃料發動機的排放水平以及降低后處理系統的復雜性和成本且同時保持或優選地改善發動機效率和性能。

技術實現要素：

公開了一種用于操作氣體燃料直接注入式內燃發動機的方法。該方法包括以高于300巴的注入壓力將氣體燃料直接注入到燃燒室中，其中，注入壓力和峰值汽缸壓力之間的比率在1.6:1至3:1之間。在優選實施例中，注入壓力和峰值汽缸壓力之間的比率在2.5:1至2.8:1之間。已經證明，對于一些發動機來說，當注入壓力高于300巴且小于約540巴且優選地小于440巴時，實現了發動機效率和減少微粒物質排放的最大效益。

這里將注入壓力定義為在注入器的充氣室中的氣體燃料的壓力。在行業里已知注入器的充氣室是位于注入器的底部區域中的燃料腔，在閥座上方圍繞針閥。如申請人的美國專利號7,527,048和7,090,145或加拿大專利號2780864中所述的，通過燃料入口從共軌向燃料腔供應燃料。在這些設計中，注入器的充氣室中的氣體燃料的壓力(且因此注入壓力)基本上與氣軌壓力相同。在其他注入器設計中，以較低壓力將燃料從共軌供應至注入器，并且通過位于注入器主體中的增強器將燃料的壓力增加至注入到燃燒室中的理想壓力。在這些設計中，注入壓力(注入器的充氣室中的壓力)通常高于氣軌壓力。

對于配備有廢氣再循環系統的發動機，該方法還包括：檢測通過操作發動機所產生的NOx排放，并增加再循環至發動機進氣口的廢氣量，從而將NOx排放維持在最大預定水平以下。

可以根據燃料輸送參數確定氣體燃料注入壓力，所述燃料輸送參數定義為隨氣體燃料通過注入器噴嘴的預定靜態流速和預定的每汽缸發動機功率而變化。在本公開內容中，燃料輸送參數優選地在0.45至0.6的范圍內。

在本方法中，注入壓力以及注入到燃燒室中的氣體燃料的噴流的方向確定為使得噴流沖擊在燃燒室內的活塞的至少一個表面上。當氣體燃料噴流被注入到燃燒室中時，氣體燃料噴流的方向取決于例如注入角度和注入器噴嘴在燃燒室中的定位。

氣體燃料直接注入式內燃發動機包括：燃燒室；用于將一定量的氣體燃料直接注入到燃燒室中的氣體燃料注入器；用于將一定量的空氣引入到燃燒室中的進氣系統；以及廢氣系統，該廢氣系統包括與燃燒室連通的廢氣管線。內燃發動機還包括控制器，該控制器編程為將氣體燃料的注入壓力控制為高于300巴并具有確定為隨氣體燃料的注入壓力與峰值汽缸壓力之間的壓力比變化的值(的壓力)，其中，壓力比在1.6:1至3:1之間。發動機還包括幫助點燃氣體燃料的點燃輔助(assist)裝置。在一些實施例中，發動機包括用于將一定量的引燃燃料直接引入燃燒室中的引燃燃料注入器，其中，引燃燃料輔助氣體燃料的點燃，或者可以通過雙燃料注入器注入引燃燃料，所述雙燃料注入器能將氣體燃料和引燃燃料直接注入到燃燒室中。在其他實施例中，可以替代引燃燃料或者與引燃燃料結合地使用其他熟知的點燃輔助裝置，諸如，熱表面(例如，電熱塞)、火花塞和催化元件。

在優選實施例中，氣體燃料的注入壓力與峰值汽缸壓力之間的壓力比在2.5:1至2.8:1之間。對于一些發動機來說，當注入壓力高于300巴且小于約540巴且優選地小于440巴時，實現發動機效率和減少微粒物質排放的最大效益。

氣體燃料注入器具有帶孔的噴嘴，氣體燃料通過所述孔注入到燃燒室中，并且孔的直徑根據燃料輸送參數計算，該燃料輸送參數隨氣體燃料注入壓力和預定的每汽缸發動機功率而變化。在優選實施例中，燃料輸送參數具有在0.45至0.6的范圍內的值。

附圖說明

附圖示出了設備和本方法的實驗結果的具體優選實施例，但不得視為以任何方式限制本發明的精神或范圍。

圖1是可用于實踐本公開方法的直接注入式氣體燃料內燃發動機系統的示意圖；

圖2是包括廢氣后處理子系統和廢氣再循環回路的直接注入式氣體燃料內燃發動機系統的示意圖；

圖3A、圖3B和圖3C示出了圖表，這些圖表分別示出了在以不同注入壓力操作本公開內容的氣體燃料內燃系統時記錄的濾紙煙度數(filter smoke number)、峰值汽缸壓力以及渦輪入口溫度的值，這些值相對于在28.5MPa的注入壓力下為15升測試發動機所記錄的這些參數的相應參考值示出；

圖4示出了圖表，該圖表示出了當以不同注入壓力操作氣體燃料直接注入式發動機時記錄的發動機功率值和熱效率值，其中，熱效率值相對于基線(baseline，基數)發動機操作條件示出；

圖5A至圖5D示出了圖表，這些圖表示出NOx、峰值熱釋放率、聲響強度以及汽缸壓力上升的峰值速率的測得值，這些值在以不同注入壓力操作該氣體燃料內燃發動機時記錄，并且這些值相對于28MPa的注入壓力所記錄的它們的參考值示出；

圖6示出了增加氣體燃料注入壓力并調節廢氣再循環水平以控制NOx排放且同時優化制動比油耗(brake specific fuel comsumption)值的方法的步驟；

圖7示出了圖表，該圖表示出了不同注入壓力下的本公開內容的氣體燃料內燃發動機的估計熱效率，其隨濾紙煙度數(FSN)而變化，其中，這些參數相對于基線發動機操作條件示出；

圖8示出了圖表，該圖表示出了本文公開的氣體燃料內燃發動機在汽缸功率值不同、注入壓力不同以及注入器噴嘴設計不同的情況下的燃料輸送參數的值；以及

圖9A至圖9D示出了圖表，這些圖表示出了當以不同壓力比且在不同發動機操作模式下操作本公開內容的氣體燃料發動機時相對于基線發動機操作條件的相應值的濾紙煙度數、發動機熱效率、聲響強度和峰值熱釋放率的記錄值。

具體實施方式

參考圖1，內燃發動機系統100示出了直接注入式氣體燃料發動機的說明性實施例。在該示例中，系統將氣體燃料作為液化氣存儲在氣體存儲罐111中，并通過燃料注入閥141將氣體燃料直接注入到燃燒室中。在該實施例中，比主氣體燃料更容易點燃的引燃燃料通過燃料注入閥141注入，以輔助氣體燃料的點燃。在其他實施例(未示出)中，可以替代引燃燃料或者與引燃燃料結合使用其他熟知的點燃輔助裝置，諸如，熱表面(例如，電熱塞)、火花塞和催化元件。氣體燃料存儲的方式對本公開方法并不重要，氣體燃料可以作為壓縮氣體存儲在壓力容器中，或者對于固定應用，燃料可以從管線輸送并壓縮至所需的壓力。在所示附圖中，燃料存儲為液化天然氣(LNG)，被壓縮至理想壓力，然后汽化以便以氣體形式輸送至燃料注入器。

內燃發動機系統100通常包括氣體燃料輸送子系統110、引燃燃料輸送子系統120、燃料注入子系統140以及控制器150。下文將更詳細地描述這些子系統的每個。

氣體燃料輸送子系統110包括存儲罐111、泵112、氣體燃料供應管線113、汽化器114、積聚器(accumulator)容器115、氣體燃料軌116、氣體燃料軌壓力傳感器117以及調壓閥118。對于用于為車輛提供動力的發動機，車輛上攜帶燃料的空間可能有限，所以理想的是以低溫下的液化形式存儲氣體燃料，因為這會增加燃料的能量密度，減少存儲體積。示出了泵112帶有置于存儲罐111的低溫空間內側的吸入口，泵112的工作室也可以嵌入在低溫空間中，驅動軸從其上延伸出并連接至置于低溫空間外側的驅動單元，或者泵112的工作室可以完全位于存儲罐111外部，由隔熱管將泵連接至存儲罐。在一些實施例中，增壓壓縮機119(在圖1中用虛線示出的輪廓)可以設置在氣體燃料管線上，以進一步提高氣體燃料輸送至燃料注入器的壓力。本公開方法還可以對以氣態形式存儲的氣體燃料起作用，例如，作為壓縮天然氣(CNG)存儲在額定壓力容器中的氣體燃料。

引燃燃料輸送子系統120包括存儲罐121、計量閥122、泵123、引燃燃料軌124、止回閥125、引燃軌壓力傳感器126和引燃燃料管線127。在所示實施例中，計量閥122通過控制輸送至泵123的引燃燃料的量來控制引燃燃料軌124中的引燃燃料壓力。引燃燃料管線127在調壓閥118的控制室處終止，從而操作調壓閥118中的閥構件，以隨引燃燃料軌124中的引燃燃料壓力的變化控制氣體燃料軌116中的燃料壓力。通過這種布置，通過引燃燃料壓力控制氣體燃料壓力。本方法還可以用在包括用于分開控制引燃燃料軌壓力和氣體燃料軌壓力的其他布置或者隨氣體燃料壓力的變化控制引燃燃料壓力的布置的系統中。

在優選實施例中，多缸發動機采用圖1所示的發動機系統，其中氣體燃料供應軌116將燃料輸送至多個燃料注入閥，但為了簡化設備的說明，僅示出了一個燃料注入閥和一個燃燒室。

燃料注入閥141將燃料直接注入到由汽缸143、活塞144和汽缸蓋(head)148限定的燃燒室142中。進氣閥145在進氣沖程期間打開，以允許將進氣引入到燃燒室142。在其他情況中進氣閥145關閉。進氣可以只包括空氣，或者如果發動機配備有如圖2中進一步所示的廢氣再循環系統，則進氣可以包括空氣和再循環廢氣。在進氣沖程期間，排氣閥146保持關閉。

如圖1數據通信虛線所示，控制器150與多個部件通信，以從傳感器接收測得的發動機參數，例如，氣體燃料軌壓力和引燃燃料軌壓力，并向發動機部件(例如，燃料注入閥141、泵112和泵123)的致動器發送信號。控制器150可以是發動機控制器本身，或者其可以是與由改裝為將氣體燃料作為主要燃料操作之前的發動機使用的常規柴油發動機控制器交互的獨立控制器。雖然有直接測量汽缸壓力的儀器，但這種儀器較為昂貴，更適合于研究目的，并且認為其對于大規模的商業用途來說不夠經濟、實用以及可靠。因此，通常通過從與汽缸壓力相關的參數(諸如，進氣歧管壓力和溫度、排放歧管壓力、發動機轉速和注入開始時間)的間接測量結果重建來粗略估計注入事件期間的汽缸壓力。在本公開內容中，示出了隨著注入壓力而變化以及隨著注入壓力和汽缸壓力之間的比率而變化的試驗結果，注入壓力在本文定義為注入器的充氣腔中燃料的壓力。

當控制器150與常規柴油機控制器交互時，控制器150可以從柴油機控制器接收輸入數據，所述數據諸如位，注入開始時間、加燃料量，以及表示與指示發動機操作狀態的參數(諸如，發動機轉速)相關聯的數值的其他輸入數據。

圖1所示的發動機系統還可以包括額外的設備，諸如用于進一步控制車輛排放的廢氣后處理系統。這種后處理系統在圖2中示出，圖2示出了包括廢氣后處理子系統和廢氣再循環回路的直接注入式氣體燃料內燃發動機系統的示意圖。內燃發動機系統200通常包括發動機230、氣體燃料輸送子系統210、柴油燃料輸送子系統220和控制器250。發動機系統還包括進氣管線231和廢氣管線232。從發動機沿方向233排出的廢氣中的一些沿方向235被引導通過廢氣再循環回路234，并通過閥236進入進氣管線231，在進氣管線中，廢氣與流過進氣管線231的進氣混合。新鮮進氣和再循環的廢氣的混合物沿箭頭237所示的方向被輸送至發動機230的進氣口。從發動機230排出的未經過再循環的廢氣沿箭頭238所示的方向流過渦輪增壓器239的渦輪，并到達與廢氣后處理子系統260連接的管線240上，廢氣在該管線處通過廢氣管266釋放至大氣中。渦輪增壓器239優選地具有本領域技術人員已知的可變幾何結構(geometry)。

在所示實施例中，廢氣后處理子系統260包括選擇性催化還原(SCR)轉換器261、尿素注入系統262、微粒過濾器263(稱為“DPF”)和柴油燃料注入器264。DPF 263可以包括用于對廢氣中的碳氫化合物和一氧化碳進行氧化的柴油氧化催化裝置。

圖2所示的這種廢氣后處理系統可能較為昂貴，并且增加發動機系統的總體成本。因此，理想的是減少發動機排放(特別是微粒物質排放)，以優選地省去后處理系統或用成本較低的替代物代替。可以在發動機廢氣中放置NOx傳感器265和267以及微粒物質傳感器268，分別用于檢測發動機的NOx以及微粒物質排放。

已發現對于諸如圖1和圖2所示的發動機系統來說，通過將注入壓力增加至30MPa(300巴)以上可以實現FSN(濾紙煙度數)的最高達90％的顯著減少。濾紙煙度數(FSN)被視為與發動機微粒物質排放直接相關的指標。這些結果在圖3A中示出，該圖示出了濾紙煙度數(FSN)與參考濾紙煙度數(FSN_參考)之間的比率的下降趨勢。如圖3A所示，注入壓力超過30MPa(300巴)時，尤其是注入壓力在30MPa和約45MPa之間時，濾紙煙度數相比于參考濾紙煙度數減小。對于以1500RPM的轉速和2400N.m的轉矩操作的常規15升直接注入式氣體燃料發動機已獲得所示結果。在圖3A中，FSN表示發動機以不同注入壓力操作時測得的濾紙煙度數，FSN_參考表示在約28.5MPa(285巴)的注入壓力下受試發動機的基礎加燃料情況的濾紙煙度數。

如圖3A所示，以高于300巴的注入壓力對樣本發動機進行的試驗顯示出與現有技術中(例如在美國專利號8,091,536中)描述的結果不同的結果，該美國專利通過操作以最高達3:1的不同壓力比加入氫氣和甲烷的混合物作為燃料的內燃發動機獲得結果，其中燃燒時間不同，并且壓力最高達300巴。引用的現有技術中以800RPM的發動機轉速和低負荷進行的試驗得出了以下結論：相比于加有相同氣體燃料混合物作為燃料但注入壓力較低的發動機，較高的注入壓力導致微粒物質的水平略微增加。

如圖3B和圖3C進一步所示，還觀察到，相比于28.5MPa(285巴)的參考注入壓力時的峰值汽缸壓力(PCP)和渦輪入口溫度(Turb.Inlet T.)，這些參數的相應值在增加的注入壓力下降低。對同一15升試驗發動機且在相同的發動機操作條件(1500RPM的發動機轉速和2400N.m的轉矩)下證實了這一點。如圖3B所示，不同注入壓力下的峰值汽缸壓力(PCP)與28.5MPa的注入壓力下的峰值汽缸壓力的參考值(PCP_參考)之間的比率顯示出下降趨勢，注入壓力在300巴與440巴之間時差異較顯著。對于測得的渦輪入口溫度(Turbo.Inlet T.)與28MPa的注入壓力時測得的渦輪入口溫度的參考值(Turbo.Inlet T._參考)之間的比率，觀察到了類似的下降趨勢，如圖3C所示。由于峰值汽缸壓力是限制燃燒室中燃燒的推進的參數，而渦輪入口溫度是限制發動機循環中燃燒可以延遲多晚的參數，因此圖3B和圖3C所示的結果顯示出允許以高于300巴的注入壓力操作的直接注入式氣體燃料發動機的更為靈活的燃燒分階段策略的積極效果。本文所示結果將渦輪入口溫度考慮在內，因為受試發動機系統還包括下述渦輪增壓器，該渦輪增壓器包括安裝在廢氣系統中的渦輪，以使用廢氣中的焓(enthalpy，熱含量)來驅動用于增加進氣壓力的壓縮機，但在不使用渦輪增壓器的其他系統中，圖3C所示的數據對應離開發動機的排放歧管的廢氣的溫度。

如上所述進行的試驗的結果還表明，通過將注入壓力增加至45MPa(450巴)以上，更具體地增加至44MPa(440巴)以上，在減小FSN、降低的峰值汽缸壓力以及降低的渦輪入口溫度方面的效益逐漸減小。由于存在與逐漸增加的注入壓力相關聯的附加損失，實驗數據表明氣體燃料注入壓力的理想范圍存在上限。

在受試發動機中，對于本公開內容所示的所有試驗結果，注入器不包括增強器，因此注入壓力基本上與氣軌壓力相同。可以理解，本文所討論的相同試驗結果和注入壓力以及壓力比的優選值將適用于使用包括增強器的注入器的發動機。

提高氣體燃料注入壓力對峰值汽缸壓力以及渦輪入口溫度或廢氣溫度的積極影響允許更為靈活的燃燒分階段策略，這允許推進和/或延遲燃燒時間，同時增加燃料注入量，這意味著發動機可以產生較多功率。較高的注入壓力會提高燃料注入速率和燃燒速率，這使得對于給定功率來說效率較高，包括最大功率下的效率增加。注入壓力增加對發動機的熱效率和發動機功率的影響在圖4中示出，該圖示出了對于最高額定功率為356kW的15升發動機，在三種不同注入壓力下熱效率相對于基線熱效率隨發動機功率的變化，發動機轉速為1750RPM，固定EGR速率為約12％。基線熱效率是以1500RPM的轉速和2400N.m的轉矩操作的常規15升直接注入式氣體燃料發動機的熱效率。該數據還表明，將氣體燃料注入壓力增加至約500巴沒有顯示出顯著優于以約400巴的注入壓力操作發動機的益處，再次表明氣體燃料的理想注入壓力范圍存在上限和下限。

在對以1500RPM的發動機轉速和2400N.m的轉矩操作的15升氣體燃料直接注入式內燃發動機(其中空氣供應、EGR和燃料流速固定)進行的試驗中，觀察到在超過約440巴的注入壓力下，NOx排放、峰值熱釋放率和聲響強度也趨向于增加得超過申請人可接受的水平，如圖5A、圖5B和圖5C所示。圖5A示出了測得NOx排放相對于參考NOx排放值，圖5B示出了峰值熱釋放率(HRR)相對于峰值熱釋放率參考值，而圖5C示出了估計聲響強度相對于聲響強度的估計參考值。聲響強度是指示燃燒噪聲級的參數，且隨燃燒室中的壓力振蕩而變化。對以1500RPM的發動機轉速和2400N.m的轉矩操作并且具有固定的空氣供應速率、EGR速率和燃料流速的15升氣體燃料直接注入式發動機進行了所有試驗。記錄了以約28MPa(280巴)的注入壓力操作的發動機的NOx排放、峰值熱釋放率和估計聲響強度的參考值。

雖然在將注入速率增加至300巴以上時可以預計到熱釋放率和聲響強度的增加，但還發現汽缸壓力上升的峰值速率(dP/dCA)(其為增大的發動機磨損的可能性的常用測度)在氣軌壓力高于280巴時并未增加，直到氣軌壓力達到約48MPa(480巴)才增加。圖5D示出了示出汽缸壓力上升的峰值速率(dP/dCA)與汽缸壓力上升的峰值速率參考值(dP/dCA)_參考之間的比率的值的圖表。這些結果與前述結果相結盟，教示了對于主題發動機，氣體燃料注入壓力的優選范圍在300巴至約440巴之間。

由于結果顯示出當以高于300巴的注入壓力操作發動機時NOx排放增加，因此，操作發動機的方法包括用于降低這種排放的步驟。對于采用如圖2所示廢氣再循環回路的發動機，將NOx排放維持在可接受水平以內的方法是提高廢氣再循環水平，并調節渦輪增壓器239的操作以維持適當的氣流。如圖6所示，在方法的第一步驟中，氣體燃料注入壓力增加至預定水平，以減少微粒物質排放，在下一步驟中，廢氣再循環水平提高，以控制NOx排放。然后調節渦輪增壓器操作，以維持適當的氣流。在又一步驟中，調節氣體燃料注入時間，以優化制動比油耗(BSFC)，并且調節廢氣再循環(EGR)量，以將NOx排放維持在預定極限以內。可以通過例如圖2所示的NOx傳感器265和267檢測NOx排放。重復調節至發動機的氣流的步驟、調節氣體燃料注入時間的步驟以及調節廢氣再循環量的步驟，以維持預定水平的NOx排放，同時優化制動比油耗和發動機熱效率。

該方法被應用于以1500RPM的轉速以及2400N.m的轉矩操作的發動機，并且注入時間從對應于峰值汽缸壓力(PCP)極限的最提前時間到最推遲時間變化，同時將排氣溫度保持在690℃以下。實驗數據表明可將廢氣再循環提高至將NOx排放維持在1.2g/kWh的水平。關于當用提高的EGR速率操作時發動機效率和微粒物質排放的結果在圖7中示出，該圖示出了不同注入壓力下熱效率與濾紙煙度數(FSN)之間的關系，其中，熱效率和濾紙煙度數均相對于基線發動機條件下的熱效率和FSN的相應值示出，更具體地是相對于對以1500RPM的轉速和2400N.m的轉矩操作的常規15升直接注入式氣體燃料發動機記錄的熱效率和FSN的值。結果證明，將氣體燃料注入壓力增加至34MPa(340巴)以上改善了微粒物質排放(FSN)和發動機效率，還表明對于這種發動機操作條件，以高于44MPa(440巴)的注入壓力操作的效益是有限的。在其他發動機操作模式下已經觀察到了類似的結果。

對于不使用廢氣再循環的發動機，可以使用其他方法控制由于以較高注入壓力操作而造成的NOx排放增加，例如通過不同燃燒分階段策略，諸如更接近壓縮沖程結束時延遲燃燒的技術，或者通過改變排氣處理裝置的操作。

已知的是氣體燃料(例如天然氣)的密度隨著壓力增加，因此為了在相同的時間量內輸送相同量的燃料，較高壓力的發動機系統將需要通過注入閥的體積流速較低。這使得相比于以較低注入壓力(最高達300巴)注入燃料的更常規的噴嘴來說，氣體燃料噴嘴具有直徑縮小的孔。具有相比于常規噴嘴直徑縮小的孔是一個優點，因為其使得注入燃燒室的氣體燃料的噴流的表面容積比(surface to volume ratio)更高，這促進了更好的氣體燃料/空氣混合。

為了提供對發動機選擇適當的噴嘴直徑的指南，創建了如公式(1)所示的無量綱參數，燃料輸送參數(FDP)：

(1)燃料輸送參數＝氣體燃料注入壓力*靜態氣流/每汽缸發動機功率，

其中，靜態氣流是通過注入器噴嘴的靜態流速，其是根據在15psi的空氣供應壓力、60攝氏度以及零背壓的情況下通過噴嘴的氣流而限定的制造參數，而每汽缸發動機功率是額定發動機功率除以點火汽缸的數目。

對市場上可得到的氣體燃料直接注入式發動機進行了試驗，這些發動機的相應功率額定值為300-356kW和457kW，設置有普通噴嘴(“基礎”)，以及替選地設置有低流量噴嘴(LF)或高流量噴嘴(HF)，更具體地，對于低流量噴嘴的情況，設置有相比于常規注入器噴嘴孔直徑縮小約30％的噴嘴，相應地對于高流量噴嘴的情況，設置有相比于常規注入器噴嘴孔直徑增加約15％的噴嘴。結果在圖8中示出，該圖示出了隨汽缸功率變化的燃料輸送參數。發現對于具有普通大小的噴嘴孔的發動機，當發動機以29MPa(290巴)的注入壓力操作時，FDP在0.45至0.6的范圍內，并且發現對于采用低流量噴嘴的發動機，當以最高達50MPa(500巴)的注入壓力操作時，FDP保持在相同的數值范圍內，從而以較高壓力將相同量的燃料注入燃燒室，這避免了極端的燃燒率和噪聲較大的發動機操作。

根據上述發現結果，確定了用于確定注入器噴嘴孔幾何尺寸(geometry)的方法。該方法的第一步驟是確定每個發動機汽缸的功率要求和峰值汽缸壓力。然后根據峰值汽缸壓力計算理想的氣體燃料注入壓力，使得注入壓力和峰值汽缸壓力之間的比率維持在例如2.5:1至2.8:1之間，如下文進一步解釋。然后可以根據0.45至0.6范圍內的理想燃料輸送參數確定注入器靜態氣流，并且可以根據確定的注入器靜態氣流確定噴嘴孔直徑。

如上所述，發現高于300巴的注入壓力會產生較低的微粒物質排放以及較高的發動機功率和效率，并且發現300巴至440巴范圍內的注入壓力產生最大的效益。發現這些關于注入壓力的結果受峰值汽缸壓力額定值的影響，峰值汽缸壓力額定值根據發動機型號而變。還發現對于所有發動機類型和型號，在高于300巴的氣體燃料注入壓力下，氣體燃料注入壓力和峰值汽缸內壓力之間的壓力比是影響燃料引入燃燒室并在燃燒室內混合的速率的因素。

對氣體燃料直接注入式內燃發動機進行的試驗表明，通過以對應于1.6:1至3.0:1之間的壓力比的注入壓力操作發動機可以實現發動機效率和減少排放的大部分效益。在圖9A至圖9D中示出了對以1490RPM的轉速、使用相比于常規噴嘴孔而言孔直徑縮小約30％的噴嘴、在不同負荷(50％負荷、75％負荷和100％負荷)下操作的發動機進行的試驗結果，這些圖分別示出了隨壓力比PR(注入壓力和峰值汽缸壓力之間的比率)變化的濾紙煙度數(FSN)、制動熱效率(BTE)、聲響強度和峰值熱釋放率(HRR)。FSN、BTE、聲響強度和HRR的值相對于對基線發動機操作條件(285巴的注入壓力、1500RPM的發動機轉速和2400N.m的發動機負荷)記錄的這些參數的相應值示出。對具有普通大小的注入器噴嘴孔的發動機進行了類似的試驗，并且發現了類似的結果。這些結果表明，對于PR值超過3:1時在排放減少或發動機效率方面均沒有進一步的效益，并且FSN減少、制動熱效率方面的大部分效益在壓力比為1.6:1至3:1之間且優選地在2.5:1至2.8:1之間時達到。如圖9C和圖9D所示，較低的PR值(諸如在2.5:1至2.8:1之間的PR值)導致降低聲響強度以及峰值熱釋放率方面的增加，這些對于發動機噪音和持久性是有益的。對于高于3.5:1的PR值，一些操作模式顯示出發動機效率方面的損失。對于一些氣體燃料內燃發動機，3:1的PR值通常對應于約540巴的注入壓力，因此對于這些發動機，通過以低于約540巴的注入壓力操作發動機將實現此處所述的大部分效益。對于其他發動機類型，可以利用高于540巴的注入壓力達到上文所示的優選壓力比范圍。

根據上述教示，開發了對指定發動機類型和型號在任何發動機條件下選擇氣體燃料注入壓力的方法。在該條件下將氣體燃料注入壓力和峰值汽缸壓力之間的壓力比選擇在優選范圍內，例如2.5:1至2.8:1之間，并根據確定的峰值汽缸壓力計算理想的氣體燃料注入壓力。將計算得出的氣體燃料注入壓力與根據按照公式(1)的、0.45至0.6之間的燃料輸送參數計算得出的氣體燃料注入壓力的數值范圍進行比較，并調節氣體燃料注入壓力的值，使得其落在最低燃料輸送參數時的注入壓力與最高燃料輸送參數時的注入壓力之間的數值范圍內。

在對以高于300巴的注入壓力操作的氣體燃料直接注入式內燃發動機進行的所有試驗中，發現如果氣體燃料噴流沖擊汽缸活塞的話，可以獲得較好的混合和較大的效率。這與例如美國專利號7,162,995中描述的現有技術不同，在該美國專利中，發動機以大于2:1的壓力比操作，但其中氣體注入壓力避免了氣體噴流干擾汽缸活塞。本方法中氣體燃料噴流在汽缸活塞上的穿透(penetration，滲透)和沖擊隨氣體噴流的動量和汽缸裝填密度變化。即使在使用具有較小直徑的噴嘴注入孔時，較高的注入壓力也會增加氣體噴流穿透，氣體噴流穿透還取決于氣體燃料噴流的方向、活塞和燃燒室的設計(例如，碗特征、碗直徑)以及注入時間。當氣體燃料噴流被注入到燃燒室中時，氣體燃料噴流的方向取決于例如注入角度和注入器噴嘴在燃燒室中的定位。為了達到允許噴流干擾汽缸活塞的表面的噴流穿透，在當前的注入策略中，所有這些因素均考慮在內。這在較高壓力下更為重要，在較高壓力下，燃燒室中的裝料與注入的氣體燃料之間的良好混合更為受限，而這可能造成較差的空氣利用，并且可能造成燃料燃燒延遲或不完全燃燒。

雖然已示出并描述了主題方法和設備的具體元件、實施例和應用，但要理解的是，本發明并不限于此，因為在不偏離本公開內容的范圍的情況下，特別是根據前述教示，本領域技術人員可以進行修改。