喷嘴盖、燃料气体喷射和氢内燃发动机的制作方法

本公开涉及一种用于可在氢内燃发动机中操作的燃料喷射喷嘴的喷嘴盖。本公开还涉及对应的燃料气体喷射装置、氢内燃发动机和车辆。虽然本公开将关于卡车形式的车辆进行描述，但是本公开还可以有效地结合到其他交通工具类型中，诸如例如公共汽车和施工设备，以及用于船舶应用、发电机组应用和轿车。

背景技术：

1、用于氢内燃发动机的燃料气体喷射装置通常可以在临界条件下操作，在所述临界条件下，氢气流变成音速的甚或局部超音速的。这种类型的燃料流动的一个问题是难以维持从喷射器喷嘴射出的射流的初始方向。

2、用于将氢气喷射到燃烧室中的一种常用的氢喷嘴是所谓的针阀喷嘴。在这种类型的喷嘴中，针阀表面的上部部分的角度是可以确定射流的流出方向的设计参数。为了进一步控制射流的流出方向，可以将针阀与喷嘴盖组合。喷嘴盖通常可以包括一个或多个孔，并且所述孔的配置通常可以用于确定流出射流的方向。

3、氢喷嘴的一个特殊问题是喷嘴盖孔出口面积需要大于可利用诸如柴油燃料的液体流体进行操作的内燃发动机的传统喷嘴。这意味着喷嘴盖侧和底侧的主要部分是开孔。因此，设计孔以在需要的方向上引导射流可能是困难的，特别是在音速甚或局部超音速氢气流下。此外，这可能导致盖容积中的干扰涡流。这种干扰涡流可能会将部分气流沿不利的方向重新引导。此外，盖容积因而可能包含残余的含氢气体，所述残余的含氢气体可能在不利的时刻自燃。

4、因此，对于用于内燃发动机系统(特别是对于以诸如氢的燃料气体介质进行操作的内燃发动机系统)的喷嘴中的燃料气体流的引导存在改进的空间。

技术实现思路

1、本公开的目的在于提供一种用于内燃发动机的燃料气体喷射装置的改进的喷嘴盖，其中可以以有效的方式控制通过喷射装置的燃料气体流以便以一股或多股气体射流的形式离开喷嘴盖。根据本公开的第一方面，所述目的通过根据权利要求1所述的喷嘴盖来实现。所述目的还通过其他独立权利要求来实现。从属权利要求涉及本公开的有利实施方案。

2、根据本公开的第一方面，提供了一种用于内燃发动机的燃料气体喷射装置的喷嘴盖。所述喷嘴盖包括：主体部分，所述主体部分限定用于容纳可移动气门装置的一部分的内部容积；入口，所述入口用于接收气体燃料；至少一个出口，所述至少一个出口被布置在喷嘴盖的轴向端部分处。所述至少一个出口被配置为允许将燃料的一股或多股气体射流排放到内燃发动机的燃烧室内。

3、此外，喷嘴盖的轴向端部分包括径向突起，所述径向突起从喷嘴盖的内侧朝向轴向中心轴线延伸并且进一步由轴向延伸的侧区段在周向方向上界定，所述径向突起具有内表面区域，用于减少喷嘴盖内部的燃料气体流的横流并且朝向至少一个出口引导燃料气体流。

4、本公开基于以下见解：提供可靠的氢内燃发动机系统所面临的众多挑战之一是缺乏高效的燃料气体喷射硬件系统。举例来说，希望提供从喷射装置的出口流出的燃料气体射流的更动态的方向。所提出的喷嘴盖有助于改进对一个或多个气体燃料射流的流出燃料流的控制。通过改进对喷射的控制，还可以共同设计ice系统的其他部件，如活塞和点火源装置。所提出的喷嘴盖还可以有助于燃料气体流过喷射器和喷嘴盖，从而增强ice系统(诸如，以氢进行操作的ice系统)内的燃料气体的燃烧过程。

5、通过布置径向突起，所述径向突起具有内表面区域以用于减少喷嘴盖内部的燃料气体流的横流并朝向至少一个出口引导燃料气体流，可以在燃料在ice的燃烧室中燃烧之前改进对从喷射器流出的燃料气体流的控制。因此，所提出的喷嘴盖有助于喷射器配置、环境条件和燃烧之间的相互作用。因此，通过改进对从喷嘴盖流出的流量的控制，改进了燃料和空气的混合，这通常发生在压缩冲程期间。随着混合的改进，点火和燃烧事件也随之改进。

6、具体来说，所提出的喷嘴盖适用于火花点火式内燃发动机，其利用氢气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。这意味着以碳为基础的排放，主要是co、co2和烟尘。

7、因此，通过提供本文提出的喷嘴盖，氢气流被朝向喷嘴盖出口引导，使得可以有效地执行氢气到氢内燃发动机中的喷射。

8、至少一个出口可以若干不同的形状和几何形状提供，并且通常还可以涵盖具有单个孔的出口区域和具有多个相同大小或不同大小的孔的出口区域。下面描述许多可设想的出口的示例。

9、在一个实施方案中，至少一个出口的周向延伸部至少部分地由径向突起界定。换句话说，至少一个出口的总周向延伸部小于360度。一个优点是气门座上的360度流动与盖出口处的360度流动相结合，这可能有助于形成具有低流动损失(压降)的更对称的解决方案。

10、在一个实施方案中，至少一个出口包括多个周向间隔开的出口区域。优点在于进入燃烧室的流量可以分成多个单独流量，从而可以改进对进入燃烧室的氢气流的控制。具有两个或更多个出口区域的喷嘴盖对于某些ice系统和活塞设计可能特别有用。

11、喷嘴盖还可以包括在周向方向上分布的多个径向突起，以至少部分地限定多个周向间隔开的出口区域。

12、径向突起的数目可以是两个，并且周向间隔开的出口区域的数目可以是两个。此外，两个径向突起可以基本上彼此相对布置。举例来说，两个径向突起可以基本上彼此径向相对布置。然而，应当容易地理解，至少一个出口可以包括多个出口区域，诸如三个或更多个出口区域。类似地，至少一个出口可以包括多个径向突起，或由多个径向突起限定，诸如三个或更多个径向突起。

13、内表面区域通常可以被配置为用作分流器元件。内表面区域可以包括凸表面。凸表面提供用于朝向出口(退出口)引导燃料气体流。凸表面可以从喷嘴盖的轴向端部分在朝向入口的方向上轴向地延伸。凸表面可以由凸起部分提供。内表面区域可以在轴向延伸的侧面区域之间在周向方向上延伸。

14、喷嘴盖的内侧还可以包括轴向地布置在径向突起上方的中间表面区域。中间表面区域可以具有周向内导流部分，用于引导喷嘴盖内部的燃料气体流。

15、可布置在喷嘴盖的入口中的进气门可以例如是本领域已知的针阀，但也可以设想其他类型的气门。

16、喷嘴盖的出口将氢气流引导到氢内燃发动机的燃烧室或朝向其引导。

17、喷嘴盖可以是燃料气体喷射装置的外部部分。喷嘴盖可以被配置为附接至燃料气体喷射装置的喷射器主体。此外，喷嘴盖可以是燃料气体喷射装置的下游部分。

18、根据本公开的第二方面，提供了一种用于允许至少一股燃料气体射流进入内燃发动机的燃烧室中的燃料气体喷射装置。燃料气体喷射装置包括根据第一方面和/或根据与第一方面相关的每个实施方案和特征的喷嘴盖。燃料气体喷射装置还包括至少部分地由喷嘴盖容纳的进气门装置。进气门装置可在关闭位置与打开位置之间移动，在关闭位置，进气门装置的一部分被布置为与气门座邻接以防止燃料气体进入喷嘴盖的入口，在打开位置，允许燃料气体流在喷嘴盖的入口与至少一个出口之间流动。“进气门装置的一部分被布置为与气门座邻接”这一措辞通常应解释为进气门装置的一部分与气门座物理接触(表面对表面接触)，使得防止氢气进入燃烧室。

19、本公开的第二方面的效果和特征在很大程度上类似于上面结合第一方面描述的那些效果和特征。根据非限制性示例，燃料喷射装置可以适当用于增加约60巴的氢气流压力。因此，燃料喷射装置可以用于所谓的中压氢气实施方式中。燃料喷射装置也可以用于其他氢气实施方式，诸如低中压氢气实施方式(低于60巴)中。燃料喷射装置也可以用于高压氢气实施方式中。

20、喷嘴盖与喷嘴盖中的气门装置的组合提供对流出射流的特别改进的控制。

21、气门装置可以包括轴向延伸的导流部分，所述导流部分包括面向喷嘴盖的内侧的包络面。包络面包括朝向喷嘴盖的内侧径向突出的气门突起。

22、喷嘴盖的周向内导流部分可以包括朝向导流部分的包络面径向突出的突起。喷嘴突起可以轴向地布置在气门突起与喷嘴盖的至少一个出口之间。

23、喷嘴盖的气门突起和周向内导流部分可以在径向方向上至少部分地重叠。以此方式，氢气流被迫以更令人满意的方式遵循进气门装置的导流部分。更详细地，由于气门突起和喷嘴突起在径向方向上重叠，因此阻止氢气流在纯轴向方向上从气门座流入燃烧室。优点在于当氢气流的任何直接竖直通道被阻断时，改进对氢气流的控制。此外，径向重叠的气门突起和喷嘴突起可以有利地与较小的喷嘴出口面积相结合，从而可以增加氢气的喷射压力。

24、气门突起可以围绕包络面周向地延伸。由此，更进一步确保氢气的直接竖直通道被阻断。

25、当进气门装置处于打开位置时，气门突起和周向内导流部分的突起可被布置为彼此相距一定轴向距离。由此，保证当进气门装置打开时，气门突起和喷嘴突起不会互相干扰并且阻碍氢气的流动。

26、当进气门装置处于关闭位置时，气门突起可被布置在距喷嘴盖的入口一定轴向距离处。

27、进气门装置可以包括气门部分和轴向延伸的头部分，所述头部分具有布置在气门部分处的上端和背对气门部分的下端，其中气门部分可以包括当进气门装置处于关闭位置时被布置为与气门座邻接的表面。

28、因此，头部分可以有利地作为常规气门部分的附加部分提供。优点在于简化进气门装置的制造。

29、气门部分和头部分可以彼此一体地形成。

30、轴向延伸的导流部分可以形成头部分的一部分。

31、头部分可以包括在气门突起与下端之间的锥形表面。优点在于可以根据需要控制氢气进入燃烧室的方向。

32、头部分的直径可以沿着锥形表面在从气门突起到下端的方向上增加。在这种头部分配置中，氢气流在进入燃烧室时径向地发散，即在燃烧室中径向向外引导氢气流。优点在于从燃料喷射装置进入燃烧室的氢气流因此可以保持其初始方向并降低氢燃料喷射崩溃的风险。也更容易将活塞碗的形状与明确定义的流动型态相匹配。通过更均匀的流动，氢燃料能够到达距离喷嘴出口更远的地方，这有利于氢气和空气的混合过程。

33、头部分的直径可以沿着锥形表面在从气门突起到下端的方向上减小。在这种配置中，氢气流另一方面在进入燃烧室时径向地会聚，即在燃烧室中径向向内引导氢气流。活塞碗形状的会聚氢气流适于在径向中心接收氢气流。与上面描述的发散流类似，会聚流促进此处均匀布置的不同流动方向，从而降低了氢燃料射流崩溃的风险。

34、当气门装置处于打开位置时，气门装置的一部分可被布置为与至少一个径向突起呈径向面对面定向。通过提供与至少一个径向突起紧密接近的气门装置，将氢气流引导到至少部分地由至少一个径向突起形成的出口。通过气门与径向突起之间的径向面对面定向，在其间提供空隙或间隙。通常，气门与径向突起的表面不应彼此接触。

35、燃料气体喷射装置可以是氢燃料气体喷射装置。

36、燃料气体喷射装置可以包括被配置为控制燃料气体喷射装置的操作的控制单元。

37、燃料气体喷射装置可由控制单元控制，以便以15巴至60巴之间的低喷射压力将燃料喷射到燃烧室中。优选地，燃料气体喷射装置可由控制单元控制，以便以15巴至30巴之间的低喷射压力将燃料喷射到燃烧室中。

38、控制单元可以被配置为响应于包含数据的控制信号来控制燃料气体喷射装置，所述数据指示氢系统压力、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。

39、根据本公开的第三方面，提供了一种包括根据第一方面的喷嘴盖和/或根据第二方面的燃料气体喷射装置的氢内燃发动机。

40、根据本公开的第四方面，提供了一种包括根据第二方面的燃料气体喷射装置和/或根据第三方面的氢内燃发动机的车辆。第三方面和第四方面的效果和特征在很大程度上类似于上面关于第一方面和第二方面描述的那些效果和特征。

41、本公开的进一步优点和有利特征在具体实施方式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。

42、本文使用的术语仅用于描述特定示例的目的，而不旨在限制本公开。除非上下文清楚说明，否则本文所用的单数形式“一个”、“一种”和“所述”包括其复数形式。还应理解，当在本文中使用时，术语“包括”(“comprises”、“comprising”、“includes”和/或“including”)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。如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用，以区分一个部件与另一个部件，并不旨在表示各个部件的位置或重要性。

43、除非另有定义，否则本文中所使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本公开所属领域的一般技术人员所通常理解的含义相同的含义。还应理解，本文所使用的术语应被解释为具有与本说明书和相关领域的上下文中的含义一致的含义，且不会以理想化或过度正式的方式解释，除非本文明确定义为如此。