用于运行压燃式内燃机的方法以及该压燃式内燃机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有权利要求1前序部分所述特征的用于运行压燃式内燃机的方法，并且涉及一种具有权利要求19前序部分所述特征的压燃式内燃机.
【背景技术】
[0002]在设计内燃机的时候，减少各种类型的排放(如氮氧化物NOx、未燃烧的碳氢化合物HC、一氧化碳⑶)与减少固体颗粒(英语particulate matter，PM)排放存在目标冲突。一种很有前景的高效率低排放燃烧方法是所谓的HCCI方案(英语Homogenous ChargeCompress1n Ignit1n/均质充量压燃).在压缩冲程靠近上死点的时候通过温度上升点燃高度稀薄的(即稀燃混合和/或有很高的废气再循环率)均质燃料空气混合气.强烈稀薄的燃料空气混合气能实现氮氧化物(NOx)排放值极小的燃烧.
[0003]可以综合运用各种措施使得燃料空气混合气在燃烧室中自燃，例如高几何压缩比ε以及通过合适的措施对充量进行预热(例如预热增压空气或者废气再循环AGR).按照HCCI燃烧方法，由于燃料空气混合气在靠近上死点的时候或多或少同时在整个燃烧室内点燃，因此燃烧过程极其迅速.
[0004]在柴油发动机中可以通过喷射时刻很容易控制或调节点火时刻。HCCI内燃机点火时刻控制或调节的要求非常高.
[0005]现有技术已公开的是通过喷入少量第二种燃料的方式将稀燃均质的燃料空气混合气点燃，第二种燃料具有比第一种燃料更高的自燃倾向。在选择第二种燃料的喷射时刻的时候可以考虑内燃机的当前工况.可以随着内燃机的负荷增大调整第二种燃料的量.
[0006]该方案就是众所周知的双燃料燃烧。如果为了减少排放将第二种燃料部分预先混合后提前喷入，则将该方法称作Dual-Fuel-PCCI或者RCCI燃烧.如果以适当方式喷入第二种燃料使得两种燃料混合，则将该燃烧方法称作Dual-Fuel-HCC1.
[0007]将具有不同自燃特性的两种燃料相结合能够更好控制燃烧过程。在没有具有不同自燃特性的第二种燃料的情况下，可以通过废气再循环率(再循环废气的含量)调整点火时刻.然而改变废气再循环率并不是迅速有效的措施，而是一种延迟反应.
[0008]根据文献可知，所有已知的PCC1、HCC1、RCCI和双燃料燃烧方法均有很高的HC和CO排放.
[0009]US 6，659，071阐述了一种可以根据PCCI方法工作的内燃机，其中的混合装置可产生第一种燃料与吸入空气的混合气，阐述了一种能够将第二种燃料直接喷入燃烧室中的燃料喷射装置，并且阐述了一种控制系统，该控制系统能够适当调节喷射第二种燃料，从而可在压缩充量引起自燃之前发生“control inject1n”，也就是控制喷射。按照US 6,659,071所述，主燃料是天然气，第二种燃料是柴油.
[0010]WO 98/07973公开了一种用来调节PCCI内燃机的方法，其中通过测量内燃机工况来调节燃烧进度，工况是燃烧进度的直观表现.控制/调节燃料空气混合气的温度、压力、当量比和/或自燃特性，以准确控制燃烧始点.
[0011]此外还描述了调节燃烧始点和速度，使得实际上整个燃烧事件在一定的曲轴转角范围内发生，尤其在上死点前端20°直至上死点后端35°之间发生.
[0012]其原因在于:PCCI内燃机中的点火始点和燃烧速度取决于温度条件、压缩比和燃料的自燃特性，例如辛烷或甲烷值，或者缸内增压空气的活化能和成分(氧含量、废气再循环率AGR、湿度、当量比等等)。
[0013]US 6,463,907阐述了一种HCCI内燃机和使得该内燃机工作的方法，以加入第二种燃料(优选柴油)的方式将燃烧的重心位置调整到一个优选的曲轴转角上。所期望的燃烧延迟与主燃料的燃烧持续时间无关，可通过废气再循环率结合空燃比确定主燃料的燃烧持续时间.通过加入第二种燃料的方式，现在可以在很宽的内燃机转速范围内使得发生燃烧的曲轴转角范围保持不变。由于天然气在点火之后的燃烧速度较小，因此使用较小的废气再循环率和较高的增压压力.通过空燃比或者增压压力调节所述HCCI内燃机的功率和转速。
[0014]通过外部废气再循环率确定点火时间的方法同样早已为人所知.当废气再循环率较高的时候，燃烧速度就会由于氧含量减少而滞后.
[0015]US 6，463，907所述的Dual-Fuel-HCCI内燃机的控制策略是:在压缩阶段之前或者在压缩阶段提前通过喷入高十六烷值燃料(通常是柴油)来确定自燃时刻.高十六烷值燃料的供应量取决于内燃机的功率和转速，并且可以适当选择，从而可将点火时刻调整到某个合适的曲轴转角.燃烧持续时间与此无关地通过废气再循环率进行调节。
[0016]总而言之，按照现有技术所述，可通过很高的废气再循环率、冷却再循环废气以及很高的几何压缩比来确定稀燃均质燃油空气混合气的自燃条件。
[0017]现有技术所公开的方案均无法将排放以及机械应力保持在一定的阈值以下。
【发明内容】
[0018]本发明的任务在于使得排放和机械应力可控。
[0019]采用权利要求1所述的方法以及权利要求19所述的压燃式发动机，即可解决这一任务。相关从属权利要求中所阐述的均为有益实施方式.
[0020]即使在以下讨论中仅仅谈及第二种燃料的一个喷射事件，仍然要理解为可以有第二种燃料的两个或更多的喷射事件。如果有一个以上的燃烧事件，则可以针对一个、多个或者所有燃烧事件采取以下措施。
[0021 ]关于气体的百分值均为体积百分比.
[0022]第一种燃料可以是天然气或者天然气与二氧化碳的混合气，且二氧化碳和甲烷的量大于80%。
[0023]第二种燃料可以是十六烷值为30?70、适宜为40?60的燃料，例如柴油燃料。
[0024]可以观察由燃烧引起的所述至少一个气缸的排放和/或所述至少一个气缸的机械应力，如果当排放和/或机械应力高于规定阈值，则针对所述至少一个气缸改变
[0025]-第二种燃料的喷射量和/或喷射时刻，和/或
[0026]-气缸充量的温度
[0027]使得排放和/或机械应力低于各自的预定阈值，从而能够让内燃机在各钟不同的环境条件下明显更好地运行。内燃机工作的环境条件例如有环境温度、湿度、高度.
[0028]关于内燃机中必定存在的机械应力，可以通过现有的方法更好地补偿各缸之间涉及各单个燃料喷射器、压缩比、换气、积炭等等的偏差。当燃料质量有变化时，本发明的方案也能补偿这些变化.
[0029]测量所述至少一个气缸中的燃烧事件的特征信号，就能观察由燃烧引起的所述至少一个气缸的排放和/或所述至少一个气缸的机械应力.
[0030]不需要直接测量排放，而是可以使用燃烧特征取而代之.[0031 ] 可以通过不同的途径予以实现:
[0032]例如可以规定，所述至少一个气缸中的燃烧事件的特征信号的测量步骤可以包括确定燃烧事件中的特征时间位置和/或确定燃烧的持续时间.燃烧的这种特征时间位置可以例如是燃烧的重心位置。
[0033]通常通过测量缸压就可获得重心位置和燃烧持续时间。当然也有其它可选的方法，如离子流测量或者光学方法。
[0034]燃烧的持续时间(也称作燃烧持续时间)是一个燃烧周期中燃烧进程的衡量尺度，表达为一定曲轴转角期间的已燃质量分数(英语mass fract1n burned during acertain crank angle).例如燃烧持续时间为15°曲轴转角的Δ θο-1()%表示充量的10%在曲轴旋转15°的过程中燃烧。
[0035]燃烧的重心位置表示半数新鲜充量已燃烧的状态，也称作MFB50值，也就是50%的已燃质量分数.
[0036]在关于内燃机的教科书中也可以找到这些概念，尤其可参阅HeywoocUJohnB.，Internal Combust1n Engine Fundamentals，New York?McGraw-Hi11?1988.
[0037]如果机械应力过大，则可以规定，则改变第二种燃料喷射量的步骤可以包括减少第二种燃料的量.
[0038]通过减少第二种燃料的量可使得燃烧延迟，从而降低峰值压力(英语peakfiringpressure)，因此就会减小作用于内燃机的机械应力.
[0039]如果机械应力过大，则可以规定，改变气缸充量温度的步骤也可以包括降低气缸充量的温度。
[0040]这例如通过降低第一种燃料和空气的进气温度就能实现。
[0041]作为替代或补充方案，如果内燃机配备了能够针对所述至少一个气缸分别改变进气门操纵时间和/或排气门操纵时间和/或气门升程曲线的可变气门机构，那么就可以规定，通过可变气门机构实施改变气缸充量温度的步骤，优选通过提前闭合排气门以使得提高气缸充量的温度，或者优选通过滞后闭合排气门以使得降低气缸充量的温度。
[0042]除了操纵时间之外，在可变气门机构的情况下也可以控制气门升程曲线.气门升程曲线根据曲轴转角描述气门相对于闭合状态的位置.
[0043]改变气门升程曲线，就能以非常有益的方式调整剩余的废气量.如果让排气门在进气阶段重新开启或者保持打开，则废气就会流回到气缸之中，从而提高气缸充量的温度.
[0044]在另一个示例中，当进气门在排气冲程期间也开启的时候，废气可以流入进气系统之中，从而可在进气道中提高充量温度，因此当进气门然后在正常进气过程中开启的时候，就可以提高充量温度。
[0045]此外还可以利用可变气门机构实现改变气缸充量温度的步骤，方式是使得已经闭合的排气门在活塞的进气冲程期间重新开启并由此提高气缸充量的温度。[0046 ]这特别有利于针对各单个气缸控制气缸中的充量温度。还有利于按照循环周期改变气门操纵时间，就是说控制响应十分迅速.
[0047]作为另一种替代方案，还可以利用可变气门机构实现改变气缸充量温度的步骤，方式是使得已经闭合的进气门在排气冲程期间重新开启并由此提高气缸充量的温度.
[0048]通过改变气门操纵时间改变缸内的剩余废气量，从而改变