内燃发动机系统的制作方法

本公开涉及一种用于车辆的内燃发动机系统。本公开适用于车辆，特别是重型车辆，诸如，例如卡车。然而，尽管本公开将主要关于卡车进行描述，但是内燃发动机系统也可以适用于通过内燃发动机推进的其他类型的车辆。特别地，本公开可以应用于重型车辆，诸如卡车、公共汽车和施工设备，但是也可以应用于轿车和其他轻型车辆等。此外，内燃发动机通常是氢内燃发动机。

背景技术：

1、多年来，对内燃发动机的需求一直在稳步增长。举例来说，在为重型车辆设计内燃发动机(ice)系统时，减少排气、提高发动机效率、降低燃料消耗和降低发动机噪声水平是变得更加重要的一些标准。至少由于这些原因，ice系统的部件持续被开发以满足市场的各种需求。特别地，ice系统可能通常需要根据现行的和预期的未来环境法规两者(诸如与最大允许排气污染量有关的限制)来开发。这些环境法规特别相关于重型车辆，诸如卡车。

2、一种可能潜在地满足现行的和未来的环境法规的ice系统是氢ice系统，其中氢与氧燃烧产生水蒸气作为主要排放产物。在这种氢ice系统中，氢燃料以气态形式供应至燃烧气缸，随后与压缩空气混合，以便在执行和完成燃烧反应时在燃烧气缸中提供适当的氢与空气混合物。

3、期望改进用于燃烧气态燃料的ice系统(诸如可使用氢气操作的ice系统)的操作。另外，还期望进一步改进对用于重型车辆的氢活塞ice系统的燃烧过程的控制。

技术实现思路

1、本公开的目的在于提供一种燃料气体内燃发动机系统的改进操作，其中可进一步改善气态燃料与压缩空气的混合，从而提供更高效的ice系统。该目的至少部分地通过根据权利要求1的系统来实现。该目的也至少部分地通过其他独立权利要求来实现。从属权利要求涉及有利的实施方案。

2、根据本公开的第一方面，提供了一种内燃发动机(ice)系统。所述ice系统包括：内燃发动机，其用于燃烧气态燃料并具有至少部分地由气缸界定的燃烧室；往复活塞，其可在气缸内在下止点bdc和上止点tdc之间移动。所述往复活塞具有活塞顶端，所述活塞顶端包括用于形成燃烧室的一部分的活塞碗。所述活塞碗包括多个间隔开的突起，所述多个间隔开的突起围绕中心轴线周向分布在活塞碗的底部部段上，所述间隔开的突起中的每一者沿径向方向朝向中心轴线延伸大部分。所述ice系统还包括可控燃料喷射器，所述可控燃料喷射器被布置为将气态燃料喷射到燃烧室中并朝向活塞碗喷射。另外，所述ice系统包括控制器，所述控制器被配置为控制可控燃料喷射器以在气态燃料点火事件之前发生的燃料喷射期期间朝向活塞碗的底部部段喷射至少一股气态燃料射流。

3、通过具有上述活塞碗的所提出的ice系统，可以通过将燃料射流主要向上(即沿着活塞行进到达tdc的方向)重新引导来引导燃料射流，和/或分离燃料射流，从而在ice的燃烧室中点燃混合燃料之前改善气态燃料和氧气的混合。

4、通过提供与所提出的活塞组合的可控燃料喷射器，可以在气态燃料ice系统中利用某些活塞碗设计，从而在点火事件之前改善混合。

5、本公开基于这样的见解：提供可靠的氢内燃发动机系统所面临的许多挑战之一是燃料喷射与燃烧室内燃料和压缩空气混合之间的相互作用。通过所提出的ice系统，可以在ice的燃烧室中氢燃料燃烧之前改善燃料的混合。因此，所提出的ice系统促进了喷射器配置、环境条件和燃烧之间的相互作用。

6、虽然本公开可以用于包括活塞的任何类型的燃料气体ice系统，但是本公开对氢内燃系统特别有用。因此，根据至少一个实施方案，所述ice系统是氢ice系统。另外，氢可以在内燃发动机中以广范围的燃料-空气混合物燃烧。虽然氢ice系统在某些条件期间可以操作以产生低排放，但nox排放量可至少部分地取决于空气/燃料比、发动机几何压缩比以及发动机转速和点火正时。应注意的是，再循环排气(egr)的量也会影响nox排放。另外，与例如传统的汽油发动机相比，氢ice系统中的空气/燃料的燃烧可能对发动机部件的强度和大小提出更高要求。因此，与汽油ice系统相比，氢燃烧的现行燃烧条件是不同的。

7、特别地，所提出的ice系统适用于火花点火式内燃发动机，其利用氢直接喷射以便在低排放的情况下实现高的发动机功率输出和效率。在ice系统中使用氢作为清洁替代燃料的许多优势中的一者是其零碳含量。这意味着碳基排放(主要是co、co2、hc和烟灰)可以被消除，从而留下nox作为唯一有害的燃烧副产物。

8、通过使用具有带有间隔开的突起的活塞碗的活塞，可以利用突起在点火事件之前来改善氢气和压缩空气的混合。这里的混合通常可指在氢气喷射期期间以及随后的压缩冲程期间氢气与滞留的气缸气体的混合。滞留的气缸气体可能包含压缩空气，也可能包含egr气体。

9、活塞碗上设有间隔开的突起(有时称为波状部)，以便在射流-壁相互作用事件期间引导主流。由此，间隔开的突起被布置为在喷射期期间和压缩冲程期间实现更有利的混合过程。此外，间隔开的突起可干扰近壁流，并从而产生局部湍流，所述局部湍流可存在于主流中，直到发生火花事件。

10、在一个示例性实施方案中，间隔开的突起可周向均匀分布在底部部段上。这种间隔开的突起布置可能对于ice系统特别有益，在内燃发动机系统中，燃料喷射器喷射出许多气态燃料射流，并控制这些射流围绕周向方向均匀分布。

11、在一个示例性实施方案中，间隔开的突起可周向非均匀分布在底部部段上。间隔开的突起的非均匀分布可用于补偿燃烧系统布局中的任何非对称性，例如喷射器和火花塞位置之间的非对称性、缸内流场等。

12、通常，间隔开的突起中的每一者可沿轴向方向在底部部段和活塞顶端的上表面之间延伸。

13、活塞碗可至少部分地由周向侧部段和中间部段限定。周向侧部段可从底部部段沿轴向方向延伸。

14、此外，间隔开的突起中的每一者可沿径向方向从周向侧部段延伸到至少中间部段。

15、举例来说，间隔开的突起中的每一者从周向侧部段沿径向方向延伸到至少中间部段，周向侧部段在底部部段和活塞顶端的上表面之间沿轴向方向延伸。

16、根据至少一个实施方案，间隔开的突起中的每一者可沿径向方向从周向侧部段延伸至底部部段的中心顶点。举例来说，间隔开的突起中的每一者可沿径向方向从周向侧部段延伸至底部部段的中心轴线。

17、根据至少一个实施方案，底部部段的中心顶点没有任何间隔开的突起。在该实施方案中，流可以首先由突起朝向活塞碗的中心和大致光滑的顶点部分引导。在光滑的顶点上，流可以以较小的损失通过，并从而保持突起在与流接触之前瞬间产生的流动方向。

18、间隔开的突起中的每一者仅可在底部部段的中心顶点上方沿径向方向延伸。通常，间隔开的突起因此围绕周向方向径向地设置在中心顶点的外侧。由此，活塞碗表面较大范围地被间隔开的突起覆盖，因此进一步促进局部湍流的产生。

19、可控燃料喷射器可以由控制器控制，以将至少一股气态燃料射流朝向一个或多个间隔开的突起喷射，由此一个或多个间隔开的突起能够将射流分成侧涡。由此，当射流开始与壁相互作用(碰撞)时，可以减少流动损失。具有指向射流的突起，所述突起充当分流器，所述分流器允许射流以比没有这种突起时更有效的方式沿着壁扩散。

20、可控燃料喷射器可以由控制器控制，以朝向位于相邻间隔开的突起之间的区域喷射多股气态燃料射流，由此相邻间隔开的突起能够在两个相邻射流之间产生射流-射流相互作用。由此，突起可以在射流-射流事件期间产生较少的流动损失。

21、控制器可以被配置为控制可控燃料喷射器，以在压缩冲程期间往复活塞从bdc移动到tdc时的燃料喷射期期间朝向活塞碗的底部部段喷射至少一股气态燃料射流。

22、控制器可以被配置为控制可控燃料喷射器，以在压缩冲程期间在往复活塞从bdc行进至与tdc之前90度曲柄角度cad对应的活塞位置时喷射至少一股气态燃料射流。

23、当活塞处于进气冲程期间bdc之前的活塞位置、压缩冲程期间bdc处的活塞位置和bdc之后的活塞位置中的任一位置处时，可以由可控燃料喷射器启动燃料喷射期。

24、控制器可以被配置为响应于控制信号来控制燃料喷射器。控制器可以被配置为响应于控制信号来控制燃料气体喷射装置，所述控制信号包含指示氢系统压力、每个发动机循环的喷射次数、每次喷射的开始正时、每次喷射的持续时间、喷射之间的间隔时间的数据。

25、内燃发动机还可以包括点火源，所述点火源包括用于点燃气态燃料的火花塞。

26、可控燃料喷射器可以在由点火源点燃燃料之前终止燃料喷射期。

27、燃料喷射器可以由控制器控制，以便以欠膨胀射流的形式喷射至少一股气态燃料射流。

28、根据一个实施方案，ice以四冲程配置操作。在其他实施方案中，ice以二冲程配置操作。在其他实施方案中，ice以八冲程配置操作。

29、可控燃料喷射器可以由控制器控制，以在压缩冲程期间喷射多股气态燃料射流。

30、可控燃料喷射器可以包括喷嘴装置，所述喷嘴装置被配置为由从流体管道输送到燃料喷射器的气态燃料形成至少一股气态燃料射流。

31、喷嘴装置可以包括布置在喷嘴装置的端部处的盖装置。盖装置可以包括至少一个孔口，用于将至少一股气态燃料射流朝向活塞碗引导。举例来说，孔口是基本上圆形的孔口，用于将至少一股气态燃料射流朝向活塞碗引导。

32、可控燃料喷射器可以是可控制的，以便以给定的喷射压力将气态燃料喷射到燃烧室中。优选地，可控燃料喷射器可以是可控制的，以便以低喷射压力将气态燃料喷射到燃烧室中。

33、更优选地，可控燃料喷射器可以是可控制的，以便以不超过60巴的低喷射压力将气态燃料喷射到燃烧室中。因此，可控燃料喷射器可以由控制器控制，以便以不高于约60巴的低喷射压力将气态燃料喷射到燃烧室中。60巴的该最大喷射压力通常与所谓低压直喷ice系统的条件对应。因此，根据一个示例性实施方案，内燃发动机可以是低压直喷燃料气体ice。

34、然而，对于其他ice系统，气态燃料可以更高的喷射压力喷射。举例来说，可控燃料喷射器可以是可控制的以便以约100巴的喷射压力将气态燃料喷射到燃烧室中。在其他应用中，可控燃料喷射器可以是可控制的以便以约350巴的喷射压力将气态燃料喷射到燃烧室中。在又一些其他应用中，可控燃料喷射器可以是可控制的以便以约500巴的喷射压力将气态燃料喷射到燃烧室中。因此，可控燃料喷射器可以是可控制的以便以不超过500巴的喷射压力将气态燃料喷射到燃烧室中。

35、可控燃料喷射器可以由控制器控制，以便以高达约1600 m/s的速度将气态燃料喷射到燃烧室中。在一个示例性实施方案中，可控燃料喷射器可由控制器控制，以便以约1600m/s的速度将气态燃料喷射到燃烧室中。

36、燃料通常可以是氢。氢可以储存在燃料箱中。氢可以气态形式或部分地以液态形式储存。氢通常以气态形式供应至燃料喷射器。

37、根据本公开的至少第二方面，所述目的通过根据权利要求24所述的车辆来实现。所述车辆包括根据本公开的第一方面的内燃发动机系统。

38、本公开的该第二方面的效果和特征在很大程度上类似于上面结合本公开的第一方面描述的那些效果和特征。关于本公开的第一方面提及的实施方案在很大程度上与本公开的第二方面兼容。

39、根据本发明的第三方面，提供了一种用于控制内燃发动机(ice)系统的方法，所述ice系统包括：内燃发动机，其用于燃烧气态燃料并具有至少部分地由气缸界定的燃烧室；往复活塞，其可在气缸内在下止点bdc和上止点tdc之间移动，所述往复活塞具有活塞顶端，所述活塞顶端包括用于形成燃烧室的一部分的活塞碗，所述活塞碗还包括多个间隔开的突起，所述多个间隔开的突起围绕中心轴线周向分布在活塞碗的底部部段上，所述间隔开的突起中的每一者沿径向方向朝向中心轴线延伸大部分；以及可控燃料喷射器，其被布置为将气态燃料喷射到燃烧室中并朝向活塞碗喷射。所述方法包括控制燃料喷射器以在气态燃料的点火事件之前发生的燃料喷射期期间朝向活塞碗的底部部段喷射至少一股气态燃料射流。

40、本公开的第三方面的效果和特征在很大程度上类似于上面结合本公开的第一方面描述的那些效果和特征。关于本公开的第一方面和第二方面提及的实施方案在很大程度上与本公开的第三方面兼容。

41、可选地，所述方法可以包括监测活塞在气缸中的位置。此外，所述方法可以包括在控制点火源以点燃燃烧室内的供应的氢气之前终止一股或多股气态燃料射流的喷射。

42、根据示例性实施方案的方法可以以若干不同方式执行。根据一个示例性实施方案，所述方法的步骤由控制器在车辆的ice系统的使用期间执行。根据一个示例性实施方案，所述方法的步骤按顺序执行。然而，所述方法的至少一些步骤可以并行执行。

43、本公开的进一步优点和有利特征在以下描述和从属权利要求中公开。还将容易理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以组合不同特征以创建不同于以下描述的实施方案。

44、本文使用的术语仅用于描述特定示例的目的，并且不旨在限制本公开。除非上下文另有明确指示，否则本文所用的单数形式“一个”、“一种”和“所述”旨在也包括复数形式。还应理解，当在本文中使用时，术语“包括”和/或“包含”指明存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或者添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。

45、除非另有定义，否则本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。还应当理解，除非本文有明确定义，否则本文中所使用的术语应当被解释为含义与它们在本说明书和相关领域的上下文中的含义一致，而不应以理想化或过于形式化的意义来解释。