用于控制多模式发动机中的预混燃烧的方法和设备的制作方法
【专利摘要】一种为内燃发动机加燃料的方法，该方法包括以双燃料模式操作内燃发动机，在该双燃料模式下，发动机以由新鲜空气、再循环排气、作为主燃料的气体燃料以及作为辅助燃料早期喷入的液体燃料组成的预混充量为燃料，该预混充量通过后期喷入的引燃燃料点燃以提供低温燃烧。该方法还包括调节流向发动机的EGR和/或新鲜空气流以将缸内峰值温度维持在期望范围内，优选地在1500K与2000K之间。EGR优选地被控制为获得期望的缸内O2摩尔分数，并且新鲜空气流优选地被控制为获得期望的新鲜空气拉姆达值。
【专利说明】用于控制多模式发动机中的预混燃烧的方法和设备
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2011年8月9日提交的美国临时申请序列N0.61/521，414的权益，所述申请的内容通过参引全部结合到本文中。
【技术领域】
[0003]本发明总体涉及能够以多种加燃料模式操作的多模式发动机，并且，更为具体地，本发明涉及用于通过控制缸内O2浓度和新鲜空气拉姆达值(λ )从而实现低温燃烧来使排放最小化的方法和设备。
【背景技术】
[0004]例如柴油机压缩点火和汽油机火花点火的传统内燃发动机理念需要在各种排放物之间权衡，这些排放物包括氮氧化物(Ν0Χ)、颗粒物(碳烟)、一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)。这些排放物严格意义上必须与保持发动机效率和燃料经济性相平衡。
[0005]均质充量压缩点火(HCCI)已经发展为至少部分地克服对于这些权衡的需求。HCCI为这样一种内燃形式，其中，雾化成细小颗粒的燃料与氧化剂的充分混合的充量压燃燃烧。氧化剂通常为空气，所以术语“空气”和“氧化剂”在本文中可以相互替换地使用。与传统的压缩点火(Cl)式发动机相比，HCCI的特征在于比传统上Cl式发动机中的情形早很多地在压缩冲程中引入燃料，使得在自燃之前燃料能够与空气彻底地混合。当压缩使混合物达到其自燃温度时，在整个气缸内同时发生着火。
[0006]充量可以通过非常稀、与EGR混合、或结合这两种情况而进行稀释。由于充量非常稀，因此可以实现非常低的燃烧温度，并且减少NOx排放物。由于预混充量稀，或者至多为化学计量混合物，因此颗粒排放物也非常少。
[0007]HCCI或其变型——例如预混充量压缩点火(PCCI)——可以用于能够以多种加燃料的模式操作的“多模式”发动机中，这是由于它们例如根据主导发动机速度和负荷情况而以不同的燃料或燃料组合为动力。例如，在引燃模式中，发动机可以主要以气体燃料一例如天然气或丙烧——作为燃料，气体燃料通过相对小量的或“引燃”充量的液体燃料被点燃，液体燃料通常为柴油燃料或发动机润滑油。已证实2%的柴油量(按照能量)足以引燃天然气发动机操作。这种发动机中的燃烧为传统柴油机压缩点火与汽油机火花点火的混合，其中，柴油燃料通过压缩温度自燃。在PCCI引燃模式的发动机中，在进气冲程过程中通常让充量的气体燃料并且通常是空气进入，而在上止点前(BTDC)在大约60°至70°让柴油燃料进入。如果燃烧在均质或非常低的分层燃烧条件下发生，则可以在双燃料发动机中同时实现低的NOx和低的碳烟排放物。在这种发动机中的初始放热率主要受到燃料特性、喷射前气缸中的条件以及它们与引燃燃料喷雾的相互作用的影响。理想地，燃烧(自燃)应当仅在柴油喷射事件结束时开始以避免浓的或化学计量的空气-燃料气陷。期望的点火延迟可以通过引入EGR来实现以便充分地分开柴油喷射的结束(EOI)和燃烧的开始(S0C)。
[0008]然而，通过EGR的引入，缸内O2含量减小，并且燃烧效率不如柴油压缩的燃烧效率那样高，从而导致CO和HC排放物的增加。
[0009]天然气引燃式发动机中的大部分HC排放物在所形成的未燃燃料中，主要是气体燃料(最典型地为天然气)中。这些排放物的可能来源是:
[0010]?通过排气逸出的气缸裂缝中的未燃燃料。在稀空燃比条件下，被捕集在裂缝中的燃料的量相对低；
[0011]?靠近温度较低的气缸壁的火焰前锋的淬熄，这发生在每一个发动机循环中。这种淬熄在稀燃料条件下更显著；以及
[0012].在气缸完全地或部分地失火的事件中燃料-空气混合物的大量淬熄。在该情形中，所有或至少很大一部分燃料-空气混合物可能未能经历燃烧。
[0013]燃烧可用的充量温度和时间是影响膨胀冲程中的HC氧化的关键参数。一般而言，在可用的空气充量温度较高和可用的燃烧时间较长的情况下HC排放物较低。促进低温燃烧并同时控制燃烧速率的一种方式是通过所谓的“引火辅助HCCI”。引火辅助HCCI发动机的特征在于PCCI或其他HCCI发动机，其中，能够自燃的另一液体燃料的小充量柴油燃料在压缩循环的后期被喷入，优选地，在上止点(TDC)、靠近上止点、或者甚至在上止点之后被喷入。在该模式中加燃料的发动机中的预混充量至少部分地包括空气、作为主燃料的天然气、以及作为辅助燃料的早期喷入的柴油或另一液体燃料组成。和在许多其他的多模式HCCI发动机中一样，EGR用于防止早期喷入的柴油燃料自燃，并用于稀释预混燃料-空气充量，以用于低燃烧温度和慢放热率。在该加燃料模式中，在点火开始前，早期喷入的液体燃料完全地气化并与空气(包括任何的EGR)和气体燃料混合。该液体燃料量补偿被再循环的EGR中的水蒸汽和CO2吸收的能量。该早期的液体燃料的量可以为EGR分数、O2摩尔分数和/或新鲜空气拉姆达值的函数。预混充量中液体燃料与气体燃料的比控制燃烧持续时间。放热率为O2摩尔分数和新鲜空气拉姆达值的函数。
[0014]后期喷入的液体燃料充量的喷射——通常发生在上止点(TDC)或靠近上止点——控制气缸内点火定时。该充量通过压缩温度自燃。其喷射定时和喷射量控制预混充量的燃烧的开始，其中，预混充量的气化的液体燃料部分由于相对低的自燃温度而首先开始燃烧。一旦预混充量的气化的液体燃料部分点燃，其为预混充量的气体燃料部分提供更多的点火源。实际上，气化的液体燃料部分用作均匀地点燃充量中的气体燃料的数千极小的火花塞。
[0015]由于燃烧相位和持续时间可以通过控制定时和预混充量中的早期喷入的柴油燃料与气体燃料的量的比而控制，并且，由于总的充量中的早期喷入的燃料的百分比和燃烧相位部分地依赖于EGR，因此低温燃烧可以通过控制喷射定时和气缸中燃料与气体——包括EGR——的混合而实现。因此，期望的是控制系统输入以提供仍然足够热以维持燃烧效率和低HC排放的低温燃烧。
[0016]因此需要提供一种多模式发动机，该多模式发动机促进对多模式内燃发动机中低温燃烧的定时和持续时间的控制。还需要这样一种发动机，该发动机构造成促进一定的操作负荷范围内的低温燃烧。`
[0017]还需要提供一种控制对内燃发动机的输入以促进低温燃烧的方法。
【发明内容】
[0018]根据本发明的优选方面，一种为内燃发动机加燃料的方法，所述方法包括:以双燃料模式或其他多模式操作内燃发动机，在上述模式下，发动机以预混燃料-空气充量为燃料，预混燃料-空气充量通过喷入的引燃燃料点燃，以提供低温燃烧。该加燃料方法还包括控制EGR流量和新鲜空气流量以将缸内峰值温度维持在期望范围内，优选地介于1500K与2000K之间的范围内。优选地，EGR被控制成获得期望的缸内氧气浓度，该期望的缸内氧气浓度例如以期望的O2摩尔分数来反映，并且，控制空气流以获得期望的新鲜空气拉姆达值。新鲜空气流优选地通过控制涡轮废气门、涡轮空气旁路(TAB)阀和节气门阀中的至少一者的操作而被控制。
[0019]还公开了一种实施至少大致如在此描述的方法的系统。
[0020]对于本领域技术人员而言，通过【具体实施方式】以及附图，本发明的这些和其他的目的、优点和特征将变得清楚。然而，应当理解，【具体实施方式】和附图虽然指出了本发明的优选实施方式，但是其是以说明性而非限制性的方式给出。可以在不背离本发明的精神的前提下在本发明的范围内做出许多改变和修改，并且本发明包括所述的这些改型。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]附图中示出了本发明的优选的示例性实施方式，其中，相同的附图标记通篇表示相同的部件，并且其中:
[0022]图1示意性地示出根据本发明的优选实施方式进行构造和控制的双燃料发动机；
[0023]图2为图1的发动机的气缸及相关发动机部件的局部示意性剖面侧视图；
[0024]图3示意性地示出根据本发明的优选实施方式进行构造和控制的空气进气控制系统；
[0025]图4为图1和2的发动机及其附随的控制器和传感器的示意性控制图；
[0026]图5A和5B为示出O2变化对各种排放物的影响的图；
[0027]图6A-6D为示出在不同发动机负荷下EGR-增压与新鲜空气拉姆达值和O2的相互作用的图解；
[0028]图7A-7D为示出在不同发动机负荷下EGR-增压与缸内过氧比和O2的相互作用的图解；
[0029]图8为示出优选的计算机实施技术的流程图，用于使用图3的进气控制系统基于目标氧含量和新鲜空气拉姆达值促进实现多模式发动机中的低温燃烧；以及
[0030]图9A和9B为示出O2变化对各种排放物的影响的图。
【具体实施方式】
[0031]本文中描述的低温燃烧控制概念可以应用于期望维持发动机效率而同时减少有害排放物的各种多模式发动机中。因此，虽然现在将结合涡轮增压式、EGR、单点、预混充量燃料供给的双燃料发动机描述本发明的优选实施方式，但其也可用于三模式和其他多模式的发动机并且还可用于多点发动机。例如，其可以在以发动机专门地用例如柴油燃料之类的第一液体燃料为燃料的第一模式和以例如天然气之类的预混充量气体通过例如早期喷入的柴油之类的第二液体燃料点燃的第二模式下操作的单点或多点的多燃料发动机上加燃料。在优选实施方式中，发动机以引火辅助PCCI模式加燃料，该引火辅助PCCI模式的特征在于较早地让由空气、EGR、天然气、和柴油燃料或其他液体燃料组成的主充量进入，随后较晚地喷入少量的液体引燃燃料。
[0032]图1-2中示出的示例性发动机10为压缩点火式内燃发动机，其具有盖有气缸盖14(图2)的多个气缸12。在该实施方式中示出六个气缸U1-U615如图2中还示出的，活塞16可滑动地设置在每一个气缸的缸径中以在气缸盖14与活塞16之间限定燃烧室18。活塞16还以传统方式连接至曲轴32。进气门22和排气门24设置在气缸盖14中的相应通道26和28的端部处并通过由曲轴32转动的标准凸轮轴30致动，以便控制到燃烧室18的空气/燃料混合物的供给和燃烧产物从燃烧室18的排出。气体分别经由进气歧管34和排气歧管36供给至发动机10和从发动机10中排出(图3)。
[0033]发动机10还在OEM过程或改装(转换)过程中被配装有气体燃料供给系统。该系统包括气体燃料源38，例如压缩天然气(CNG)燃料箱。还可以使用其他的源，例如液化天然气(LNG)。气体燃料可以经由任何合适的机构从源38供给至气缸U1-U615例如，可以为每一个气缸设置一个或多个分开的电致动外部喷射器。这种类型的喷射器例如在名为“用于气体燃料到内燃发动机中的高马赫数喷射的方法和设备”(Method and Apparatus for theHigh Mach Injection of a Gaseous Fuel into an Internal Combustion Engine)的美国专利N0.5，673，673中被公开，所述专利的主题通过参引结合到本文中。在示出的气体燃料供给系统为缺乏专门的用于每一个气缸的喷射器的单点喷射系统的实施方式中，气体燃料经由燃料计量设备40和空气/燃气混合器42供给中进气歧管34，燃料计量设备40和空气/燃气混合器42也形成气体燃料供给系统的一部分。燃料计量设备40可以为能够以气体燃料控制器70 (在下文中描述)所要求的次数和数量供给气体燃料的任何合适的电子控制致动器。一种合适的燃料计量设备为可从产品型号为N0.619625的Clean Air Power气体喷射器获得的气体喷射器。空气/燃气混合器42可以为任何适合的混合器，例如在名为“气体燃料夹带设备和方法”(Gaseous Fuel Entrainment Device and Method)的美国专利N0.5，408，978中公开的混合器，所述专利的主题通过参引结合到本文中。为了简便起见，省略了断流阀和用于控制气体向计量设备40的流动的其他装备，所有这些是本领域技术人员已知的。
[0034]液体燃料可以经由能够以要求的次数和数量将燃料输送至各个气缸的任何一种系统供给至气缸U1-U615例如，燃料供给系统可以为泵/喷嘴供给系统或者是经由共轨供给系统，如例如在名为“具有电子控制点火油喷射的燃气机”(Gas Engine withElectronically Controlled Ignition Oil Injection)的美国专利 N0.5，887，566 中所描述的，所述专利的主题通过参引结合到本文中。示出的发动机10采用具有多个电子控制的液体燃料喷射器50的泵/喷嘴供给系统。每一个喷射器可以包括任何的电子控制喷射器。参照图1和2，每一个喷射器50经由供给线路54从箱52被供给柴油燃料或类似的燃料。在供给线路54中设置有过滤器56、泵58、高压安全阀60和压力调节器62。回流线路64还从喷射器50通到箱52。
[0035]现在还参照图3，用于发动机10的空气进气控制系统100可以包括:(I)排气再循；和/或(2)涡轮增压器110，其充装允许进入进气歧管34的空气。涡轮增压器110如果存在的话包括涡轮112和压缩机114并且通过排气驱动以通过传统方式使空气增压。
[0036]EGR子系统具有EGR计量阀102，EGR计量阀102设置在从排气歧管36通往通到进气歧管34中的进气通道126的EGR回流线路104中。阀102具有连接至EGR回流线路104的下游部分106的出口。EGR冷却器108设置在在EGR线路104中或者位于EGR阀102的上游或者位于EGR阀102的下游。不流动通过EGR阀的排气途中流经或绕道涡轮112流向排气通道116。排气通道116中的排气在排到大气中之前通过一个或多个催化器和一个或多个过滤器(所有这些装置的组合在图3中以118指示)进行处理。
[0037]仍然参照图3，吸入空气进入进气通道120，在进气通道120中，吸入空气在于涡轮增压器的压缩机114中被增压之前在过滤器122中进行过滤。压缩机114的出口可以联接至高压增压空气冷却器124的进口。高压增压空气冷却器124的出口通到位于EGR阀出口线路106的下游的进气通道126中。
[0038]采取措施以通过控制流向进气歧管34的新鲜空气流量而控制新鲜空气拉姆达值。在优选实施方式中，该控制可以通过控制涡轮增压器110的增压和/或通过使用进气节气门阀134而对流向进气歧管34的新鲜空气进行节流而实现。涡轮增压器增压可以通过控制涡轮空气旁路阀或TAB阀130而进行调节，该涡轮空气旁路阀或TAB阀130使增压空气流回到涡轮增压器110的压缩机进口，和/或者涡轮增压器增压可以通过控制涡轮增压器的排气侧上的废气门132而进行调节。空气流可以通过节气门阀134的操作被节流，该节气门阀134通到EGR阀出口下游的进气入口通道126中。
[0039]参照图4，可以以机械或电子的方式控制发动机控制系统12。示出的发动机控制系统12以电子方式被控制。如图4中所示，发动机操作通过气体燃料控制器70和液体燃料控制器72控制。控制器70和72优选地通过CAN链路或其他的宽带通信链路74彼此连接，在下文中将更详细地说明其原因。控制器70和72接收来自加速器踏板位置传感器76、发动机位置传感器78、进气歧管压力传感器80、进气歧管温度传感器82的数据。(在图4中示出的若干传感器也表示在图3中)。对本发明公开的控制技术的特别关注点在于如图3中所示设置在涡轮增压器子系统上游的进气通道中的空气质量流量(MAF)传感器84，以及如图3中所示设置在进气歧管34中或靠近进气歧管34设置的进气O2传感器86。在进气歧管中或附近使用O2传感器86提供对预混充量中的O2摩尔分数的直接测量，即，对源于新鲜空气和再循环排气二者的氧气含量的直接测量。因此不需要测量或估计EGR流量或EGR分数，因而消除了对EGR质量流量传感器或其他用于测量或估计EGR流量的机构的需要。在替代性方案中，可以消除进气O2传感器86，并且可以从测量或确定的EGR分数或EGR质量流率和测量或估计的O2排气浓度来计算预混充量中的O2摩尔分数。
[0040]也可以设置其他的传感器，例如EGR温度传感器、环境压力传感器、环境温度传感器、湿度传感器，和/或车辆速度传感器。这些传感器在图4中共同地表示为“其他传感器”88并且通过适当的信号线连接至气体燃料控制器70。仅当发动机在仅柴油模式中操作时需要的再其他的传感器以92表示并且连接至液体燃料控制器72。这些传感器中的一个或多个可替代地可以连接至气体燃料传感器70，在该情形中，包含在该传感器中的信息将简单地以未经修改的形式经由CAN链路74转至液体燃料控制器72。气体燃料控制器70还连接至气体计量设备40，并连接至其他受控装备，例如由附图标记90表示的高压和/或低压气体断流阀。如果发动机为给每一个气缸指定有单独的气体燃料喷射器的多点发动机，则代替控制计量设备40，将由气体燃料控制器70控制那些喷射器。液体燃料控制器72连接至每一个喷射器50。它还可以控制由附图标记94表示的发动机的其他部件。
[0041]气体燃料控制器70可操作成以主从关系控制液体燃料控制器72以便使液体燃料控制器72将燃料喷射器50控制成以在主导速度和负荷状况下实现期望效果的定时和数量将引燃燃料喷射到气缸U1-U6中。该控制不需要有从液体燃料控制器72到气体燃料控制器70的反馈。替代地，其可通过拦截在OEM发动机中会被送往液体燃料控制器72的信号并修改那些信号以实现用于多燃料操作的引燃燃料喷射，而不是用于仅柴油操作的仅柴油喷射。可替代地，从液体燃料控制器72外传的信息在被传输至柴油喷射器之前可被气体燃料控制器70拦截并修改。然而，在液体燃料控制器72和气体燃料控制器70通过CAN链路或其他宽带通信链路74彼此连接的优选实施方式中，在控制器70和72之间发生更复杂的通信。在美国专利N0.6，694，242中描述了使用宽带通信链路来促进多模式发动机的操作，所述专利的内容通过参引结合到本文中。控制器70和72中的一者或两者还可以通过CAN链路链接至附加的控制器，例如链接至控制车辆操作的其他方面的车辆控制器。
[0042]优选地，EGR和新鲜空气拉姆达值被控制成将缸内峰值温度维持在1500K至2000K之间并将局部拉姆达值一即在气缸内的任一给定位置处的拉姆达值一维持在1.0以上。已发现，通过将EGR维持在45%和50%之间以及通过将局部拉姆达值保持在1.3和1.6之间，可以将最大火焰温度维持在该范围内。这些结果通过图5A中所见的曲线502-528图解地证实，这些曲线图示出如在表1中确定的不同拉姆达值的缸内温度的峰值对EGR:
[0043]表1:拉姆达值相关曲线
[0044]
【权利要求】
1.一种为内燃发动机加燃料的方法，所述方法包括: (A)以用气体燃料、新鲜空气、再循环排气和液体燃料的预混充量为所述内燃发动机加燃料的模式操作所述内燃发动机；以及 (B)控制流向所述发动机的EGR的流量和新鲜空气的流量中的至少一者，以便将缸内峰值温度维持在期望范围内。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述期望范围在1500K与2000K之间。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制步骤包括: i.控制流向每一个发动机气缸的EGR的流量，以获得期望的缸内O2摩尔分数，以及 ii.控制流向每一个发动机气缸的新鲜空气的流量，以获得期望的新鲜空气拉姆达值。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述期望的新鲜空气拉姆达值在1.2与1.3之间。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述期望的缸内O2摩尔分数在13%与14%之间。
6.根据权利要求3所述的方法，还包括基于来自所述内燃发动机的进气歧管中的O2传感器的测量数据，确定当前缸内O2摩尔分数。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所确定的缸内O2摩尔分数取决于发动机速度和总燃料中的至少一者。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，控制新鲜空气的流量的所述步骤包括控制涡轮废气门、涡轮空气旁路和进气节气门中的至少一者。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，控制新鲜空气的流量的所述步骤包括以级联顺序控制废气门阀、涡轮空气旁路阀和节气门阀中的两者或更多者的结合，在所述级联顺序中，每一个后续的设备仅仅在前一设备被调节至最大的可获得程度并且需要附加的空气流调节时才受到控制。
10.根据权利要求3所述的方法，其中，通过使用来自空气质量流量传感器的数据来确定主导新鲜空气拉姆达值。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，根据以下公式计算当前新鲜空气拉姆达值:
12.—种为内燃发动机加燃料的方法，所述方法包括: (A)以用气体燃料、新鲜空气、再循环排气和液体燃料的预混充量为所述内燃发动机加燃料的模式操作所述内燃发动机；(B)控制流向每一个发动机气缸的EGR的流量，以获得期望的缸内O2摩尔分数；以及 (C)控制流向每一个气缸的新鲜空气的流量，以获得期望的新鲜空气拉姆达值。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述控制步骤将缸内峰值温度维持在1500K与2000K之间。
14.一种控制内燃发动机内的燃烧温度以将缸内峰值温度维持在1500K与2000K之间的方法，所述内燃发动机以由新鲜空气、再循环排气、以及作为主燃料的气体燃料和作为辅助燃料的早期喷入的柴油组成的预混充量为燃料，所述方法包括:对于每一个气缸: (A)基于发动机速度和总燃料确定期望的缸内O2摩尔分数； (B)确定当前缸内O2摩尔分数； (C)将所述当前缸内O2修改为匹配所述期望的缸内O2，所述修改步骤包括调节流向相关气缸的EGR的流量； (D)基于发动机速度和总燃料确定期望的新鲜空气拉姆达值； (E)确定当前新鲜空气拉姆达值；以及 (F)调节流向所述气缸的空气流以将所述当前新鲜空气拉姆达值修改为匹配所述期望的新鲜空气拉姆达值。
15.—种内燃发动机，所述发动机包括: (A)多个气缸； (B)气体燃料输送系统，所述气体燃料输送系统将选定体积的气体燃料输送至所述气缸； (C)液体燃料输送系统，所述液体燃料输送系统将选定体积的液体燃料输送至所述气缸； (D)进气控制系统，所述进气控制系统控制流向所述气缸的新鲜空气和EGR的流量；以及 (E)至少一个控制器，所述至少一个控制器联接至所述气体燃料输送系统、所述液体燃料输送系统、以及所述空气进气控制系统，所述至少一个控制器控制流向所述发动机的EGR流量和新鲜空气流量中的至少一者，以将缸内峰值温度维持在期望范围内。
16.根据权利要求15所述的内燃发动机，其中，所述期望范围在1500K与2000K之间。
17.根据权利要求15所述的内燃发动机，其中，所述控制器: 1.控制流向每一个发动机气缸的EGR流量，以获得期望的缸内O2摩尔分数，以及 ?.控制流向每一个气缸的新鲜空气流量，以获得期望的新鲜空气拉姆达值。
18.根据权利要求15所述的内燃发动机，其中，所述进气控制系统包括涡轮废气门、涡轮空气旁路和进气节气门中的至少一者。
【文档编号】F02D19/08GK103717859SQ201280038290
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年7月30日 优先权日:2011年8月9日
【发明者】黄海清 申请人:净化空气动力公司