跳转点火燃料喷射系统和方法
【技术领域】
[0001]本公开内容涉及跳转点火(skip-fire)发动机技术。更具体地，本公开内容涉及用于用两种不同燃料供给燃料的发动机的跳转点火燃料喷射发动机技术。
【背景技术】
[0002]许多相关技术的发动机系统利用跳转点火方案或燃料供给方案。这样的相关技术的跳转点火方案包括多种跳转点火样式(pattern)和多种燃料供给策略，但是它们未提供用于增大柴油替代因子(DSF)的解决方案，就是说，它们未提供用于减少被消耗的柴油燃料的量并且用另一种燃料代替柴油来提供所期望量的总能量以满足所需求的发动机负载的解决方案。因为柴油燃料容易可得，且其点燃性能是众所周知的，所以柴油燃料已知被用作一种用于触发较不容易被点燃的其他燃料(诸如，天然气或其他气态燃料)的燃烧的引燃燃料。然而，那些熟悉用一种主燃料和一种辅助点燃主燃料的引燃燃料供给燃料的发动机的人员将理解，其他物质(诸如，二甲醚或煤油)可以被替代作为引燃燃料。因此，此公开内容中对“柴油”和“DSF”的引用将被理解为引用任何可以被用作引燃燃料来触发一种不同燃料的燃烧的燃料，该不同燃料被用作主燃料，该主燃料平均构成由发动机所消耗的燃料的大部分。在此【背景技术】部分中如下讨论涉及跳转点火方案的若干参考文献。
[0003]例如，美国专利N0.5，553，575涉及一种“气体燃料供给的无节气门(unthrottled)内燃机”，该内燃机具有一个过量空气比率(λ )，该过量空气比率通过将最佳比值的燃烧室点火(OFF)自动且连续地选择作为发动机操作参数的函数而被优化。通过合适地控制废气再循环(EGR)、点燃正时(timing)和/或涡轮空气旁路(TAB)执行进一步的λ调整。更具体地，‘575专利公开了一种可以用端口喷射的天然气供给燃料的双燃料系统和一种点燃辅助系统，该点燃辅助系统可以包括一个火花塞或一个燃料喷射器用于将引燃量的柴油燃料直接引入到燃烧室内。端口喷射的天然气被喷射到位于发动机进气阀的上游的进气端口内，以使得在发动机的进气和压缩冲程期间天然气与进气空气混合。如果在压缩冲程期间天然气和空气的混合物过早地爆燃，此过早爆燃通常被称为“发动机爆震”且这可以导致对发动机的显著损坏。为了降低发动机爆震的风险，发动机(诸如，此发动机)通常减小了压缩比率和/或减小了天然气的量且增大了由发动机消耗的柴油燃料的量。与在压缩冲程后期燃料被直接喷射到燃烧室内以形成分层注入的常规柴油发动机比较，端口喷射的燃料具有更多时间与空气混合，以形成更均匀的混合物。‘575专利还公开的是，对于端口喷射的天然气，特别重要的是，将λ维持在一个窄范围内用于均匀混合物的有效燃烧，且避免不点火和过多地产生Ν0Χ。因此，‘575专利针对一种用于控制λ的方法而并非针对一种减少所消耗的柴油燃料的量的方法。
[0004]如同‘575专利一样，美国专利N0.5，477，830也涉及一种内燃机，其中将天然气喷射到位于燃烧室进气阀的上游的进气系统内。然而，‘830专利具体地针对使用一个共享进气端口用于一对气缸的发动机，用于将天然气精确地分配到每个气缸内的电子燃料喷射系统。燃料喷射脉冲的持续时间和正时以及其他喷射策略(诸如，跳转点火操作)被控制并且被使能，但是如同‘575专利一样，因为‘830专利也针对一种双燃料发动机，教导将天然气熏蒸以形成均匀混合物且控制空气燃料混合物(λ)，目标不是增大DSF。对于将主燃料喷射到进气系统内并且将第二燃料(诸如，柴油燃料)直接喷射到燃烧室内的任何发动机，有时DSF被减小(未被增大)。例如，当端口喷射的燃料被限制以防止发动机爆震时，在这些条件下，必须增大所喷射的柴油燃料的量以满足被命令的发动机负载和速度状态所需要的能量的总量。对于发动机(诸如，‘575专利和‘830专利中所公开的那些发动机)，在一些正常操作状态下，对于递送到发动机的燃料包括介于50%到100%的柴油燃料是常见的。
[0005]跳转点火技术被一些常规的汽油或柴油单一燃料供给的发动机利用，但是对于仅用一种燃料供给燃料的发动机，DSF是不适用的。相反，使用与不同燃料喷射策略结合的跳转点火技术的多种其他目的被用于内燃机的一般领域中，例如，以减少烟排放物，以增大升压，以及以调整空气与燃料的比率。在此【背景技术】部分的以下段落中讨论了一些代表性跳转点火技术。
[0006]美国专利N0.5，826，563涉及一种以跳转点火模式操作的高马力机车柴油发动机，其中该发动机包括多个单独可控制的燃料喷射式气缸。系统感测该发动机以低马力模式操作且具有低燃料需求。选定用于点火气缸的样式被布置成使得在预选定数目的曲轴旋转内该发动机的所有气缸被点火。该系统还感测发动机的空气燃料比率，并且调整被点火的气缸的样式以便将排气排放物维持在预选定的水平以下。此外，被点火的气缸的样式可以被调整以维持发动机操作温度，且被调整作为发动机速度的函数。因此，‘563专利涉及出于调整空气与燃料比率并且调整用于减少机车柴油系统中的烟排放物的总燃料极限值的目的的跳转点火。
[0007]美国专利N0.6，405, 705和部分继续美国专利N0.6，823，835 二者都涉及一种具有多个单独可控制的燃料喷射式气缸的柴油发动机，该柴油发动机以跳转点火模式操作，以在低功率操作期间减少烟排放物。系统感测某些被识别的发动机操作参数；且当这些参数超过预定阈值达一段预定时间时，则实施跳转点火。一经实施跳转点火，就通过一个固定角度重新设置该发动机正时角；且将一个乘法因子包括在速度环路积分器中，以确保一经启动跳转点火，适当的燃料体积值就立即被喷射到每个气缸内。然而，‘705专利涉及与调整空气与燃料比率和调整用于减少机车发动机系统内的烟排放物的总燃料极限值结合的跳转点火，且‘835专利涉及从跳过的气缸添加燃料至燃料供给的气缸内以用于调整空气与燃料比率，以便维持性能参数。
[0008]美国专利N0.6，408, 625涉及一种电功率生成系统，该电功率生成系统包括由四冲程循环内燃机驱动的备用电功率生成器。该内燃机包括:压缩机，沿着进气通路以将加压空气递送到气缸；以及，涡轮机，沿着排气通路以当被从气缸排出的排气驱动时为压缩机提供动力。通过增大由压缩机提供的升压，该内燃机准备好接受生成器负载。升压中的此增大是通过以所选定的样式跳转点火气缸从而使用于气缸的点燃正时迟滞实现的，或者是通过使用这些技术的组合实现的。因此，‘625专利涉及一种用于增大升压的跳转点火技术。
[0009]美国专利N0.8，136，497涉及一种用于改进发动机的起动的方法，该发动机可以被重复停止和起动以提高燃料经济性。在一个实施方案中，该方法涉及在发动机空转时使用跳转点火以减少燃料消耗并且防止发动机速度超出(overshoot)期望的空转速度。公开了另一个实施方案，其中跳转点火被用于扭矩控制。
[0010]公开号为N0.2011/0253113的美国专利申请涉及一种被配置有废气再循环(EGR)系统的发动机，该EGR系统包括来自被连接到进气系统的一个或多个气缸的排气歧管，这样的汽缸被称作供体汽缸(donor cylinder)。废气从这些供体气缸被再循环到进气部。对于也使用跳转点火的发动机，2011/0253113公开文献涉及用于操作具有一个或多个供体气缸以及一个或多个非供体气缸的内燃机的多种方法和系统。因此，根据发动机操作状态，2011/0253113公开文献针对当跳转点火被命令时用于选择是否跳过供体气缸或非供体气缸的方法。例如，在EGR冷却器加热模式期间，所述系统以足以增大使EGR冷却器回热(regenerate)的排气温度的气缸负载操作至少一个供体气缸，且以低燃料模式或无燃料模式操作至少一个非供体气缸。
[0011]美国专利N0.8，131，447涉及用于提高内燃机的燃料效率的多种方法和布置，包括选择性地跳转燃烧事件以使得其他工作循环可以以更好的热力学效率操作。控制器被用来基于发动机的当前操作状况和状态动态地确定提供发动机扭矩所需要的室点火。可以以帮助减少发动机的不期望的振动的方式实时地或近乎实时地排序室点火。
[0012]虽然这些背景实施例可能涉及与多种技术问题相关联的跳转点火技术，但是它们未能公开一种将两种不同燃料直接喷射到燃烧室内的发动机，或任何用于增大一种替代另一种燃料的燃料的量的方法。更具体地，当采用柴油燃料作为引燃燃料时，这些背景实施例中都未公开在直接喷射压燃式发动机系统中增大DSF和减少整体柴油引燃燃料消耗。
【发明内容】
[0013]本公开内容总体涉及这样一种系统和方法，相比于上文【背景技术】部分中所引用的系统和方法，该系统和方法提供了许多有益特征和优点，包括显著减少使用引燃燃料来触发充当主燃料的不同燃料的点燃的发动机(特别地，压燃式发动机系统)的整体引燃燃料消耗。本发明的系统和方法还涉及一种增大引燃燃料代替因子(在本文中被称作DSF)的跳转点火燃料喷射策略。与将燃料喷射到进气端口内或进气阀上游其他地方的发动机相比，对于经由预燃室或直接地将燃料喷射到燃烧室内的发动机(如本公开内容中的)，必须以较高压力喷射燃料，以克服在压缩冲程期间增大的气缸内压力。
[0014]在此公开内容中，高压直接喷射(HPDI)发动机系统表示在压缩冲程期间或在接近动力冲程开始时将至少一些主燃料和引燃燃料引入到燃烧室内的发动机系统(此喷射正时在本文中被称作“后循环(late cycle)喷射正时”)。在HPDI发动机系统中，用于将燃料喷射到燃烧室内的正时是基于所期望的点燃燃料的正时确定的，其中燃料以有层次的燃烧模式而不是以预混合燃烧模式燃烧。当燃料被直接喷射到燃烧室内时，通常在用于启动喷射的正时和用于启动点燃的正时之间存在时间延迟(在本文中被称作“点燃延迟”)。因此，在HPDI发动机系统内，燃料在期望的时间点燃，从而防止过早爆燃，可以基于用