专利名称：控制温度的内燃机的制作方法
技术领域：
本发明涉及减少从内燃机内排放NOx和PM。应用领域主要是用于机动车的内燃机内，但本发明也可用于其它利用化学燃料的燃烧的能量转换“发动机”中，(包括发电厂)。
背景技术：
机动车辆的日益使用，大大地增加了大气的污染物质(诸如，氮的氧化物和颗粒物质)，并且产生显著减少这种排出物的需求。
现有技术的汽油发动机一般用充气节流道和进油道的燃料喷射来进行操作，以提供一燃料和充入的空气的混合物引入燃烧室内。在此使用的术语“充气”意指空气或者空气和再循环的废气的混合物。充气节流用来控制发动机的力(或扭矩)输出和导致效率显著下降，特别是在较低负荷时。端口燃料喷射用来提供良好的控制和所需燃料与充入空气的混合。在压缩过程中，根据燃料和充气的特性以一确定的压缩比，预混合的燃料和充入空气将自动点火，压缩比对应于燃料和充入空气混合物的自动点火温度。现有技术的汽油发动机一般地限于9∶1和10∶1之间的压缩比，以避免失去控制的自动点火。点火过程通过火花塞的火花点燃，这样，在活塞死点TDC(一般在TDC之后，介于TDC和20度曲柄角之间)上或附近开始快速的燃烧，并且，燃烧从作为一“火焰前缘”的点火位置起进行传播行进通过燃烧混合物。在较高的压缩比和某些运行条件下，燃料和充入空气混合物以一不可控制的方式自动点火，并显示出不可接受的“爆震”。在较高的压缩比下不能安全地操作显著地减小了发动机的潜在效率。
一些汽油发动机使用带有或没有充气节流的直接燃料喷射(燃料直接地喷射到燃烧室内)。一般来说，这些发动机通过分层燃烧以较低的负荷运行。燃料以少许或没有充气节流方式在相对迟的压缩冲程中注入。只要分层混合物在燃料的可燃性极限内，则火花点燃会发生的燃烧。为达到燃料和充入空气的良好混合，由于稍晚的注入允许比预混合的操作花费较少的时间，所以，这样的燃烧的特征在于，有较高的未燃燃料和微粒排出物。此外，局部温度较高，以及形成NO并成为废气排出物的一部分。在较高的负荷下，开始燃料注入出现较早，以允许更多的时间用于燃料和充入空气混合。由于，实际上它们在高负荷下变成预混合的发动机，因而，较早的燃料注入将汽油压缩比限制到与预混合的发动机相比拟的水平。预混合的汽油发动机还经历高的燃烧温度，并产生大量的NO排出物。
现有技术的柴油机在所有负荷上运行，具有晚的直接燃料注入和少量或没有充气节流。柴油机还以比现有技术汽油发动机高的压缩比(一般在15比1和20比1之间)运行，因为它们利用柴油燃料的自动点火特性。当柴油燃料在TDC处或附近注入到压缩的充入空气中时，其将在所有要求的操作条件下自动点火。由于这些操作特征，柴油机显示高效率。如先前对汽油的稍晚直接注入所述那样，柴油机的主要问题是未燃的燃料、颗粒和NOx排出物。通过添加一可靠的点火源(例如，一火花塞或电热塞)，汽油可用于现有技术的柴油机，但仍具有同样的排放问题。
发明内容
因此，本发明的一目的是提供发动机既能有效地操作又非常低水平地排放NOx本发明的另一个目的是提供一发动机操作的方法，其中，压缩温度和峰值燃烧温度控制在发动机的转速和负荷范围内。
因此，本发明提供一内燃机的操作的方法，其包括吸入周围空气通过至少一个压缩机，以提供一加压的充入空气，并将加压的充气引入内燃机内。该方法还包括将燃料引入内燃机内，以便在一接近目标值的燃烧温度下在与充气的混合物内燃烧，产生一废气。检测包含需要的扭矩在内的发动机操作条件，并且，增压的变化正比于检测到的要求的扭矩变化，以保持燃烧温度接近目标值，该值在2100°K以下。
在一较佳的实施例中，该方法还包括使第一部分充入空气通过一热交换器，第二部分的充入空气旁路热交换器。可检测旁路管道以及热交换器下游的充气温度，旁路热交换器的第二部分的量由旁路管道内的一控制阀的操作进行控制，以将探测到的入口温度达到一根据探测到的发动机运行条件确定的目标温度。
一部分废气可循环以与充入空气和燃料混合。在该情况下，检测混合物内的氧气浓度，并调节EGR的量，以使检测到的氧气浓度达到一用于探测到的发动机运行条件确定的目标氧气浓度。响应于充气入口的探测到的温度和探测到的增压压力来控制燃料供给。
燃料可在压缩机的下游或上游引入到充入空气内，以使燃料包含在充气内。
因而，本发明在一内燃机内提供带有少量或没有充气节流的高压缩比(例如，在压缩冲程中一般大于15比1)操作，和高效率的狄塞尔循环发动机的特性一样，但通过一独特的、新颖的操作方法，没有现有技术发动机的排放问题。
燃料燃烧过程中污染物NO的形成率一般可以如下的简化形式表达NO形成率＝C1[N2]C2[O2]C3expC4T(I)其中C1，C2，C3和C4(Cx)是常数，[N2]是氮的浓度，[O2]是氧气的浓度，exp是一常数，以及T是混合物的绝对温度。
由于温度在以上公式(I)内是一指数，可预料对于给定的氮气和氧气的浓度，NO形成率随温度成指数地增长。该关系被广泛地认可，并且在
图1内图解地示出对于典型的发动机运行条件的该关系。发动机燃烧时间一般为1到5毫秒内。可清楚地看到，如果发动机燃烧温度可保持在约2000绝对温度(K)以下，则NO的形成率将最小。使燃烧温度保持在该水平以下以及仍旧具有足以快地完成用于实际发动机转速的燃烧的愿望是众所周知的。一由Patrick F.Flynn和来自CumminsEngine Company的其他人所著的新近的汽车工程师学会的技术论文(#2000-01-1177)反映现有技术的已知发动机操作方法的见解，其目的在于控制燃烧温度以减少NO的形成。该论文推断对于汽油和其它火花点火发动机，“最小可能的峰值燃烧温度为2100K”以及“NOx数量显示为一0.5g/bhp-hr的限值”，而且，对于柴油发动机，“最低可能的峰值燃烧温度应该大约为2300K”以及“1.0g/bhp-hr的NOx排放水平”。
本发明提供一新的发动机操作方法，其得到在2100K以下温度下的稳定并且有效的燃烧。采用汽油、柴油和其它燃料的NOx排放的结果一致地小于0.2g/bhp-hr，大大地低于现有技术发动机的结果。
再参照NO形成率的方程式I，对一特定的发动机运行条件(例如，充气增压水平)，氧气浓度必须充足以与可用燃料完全地反应。氮气浓度在充入空气内自然地较高，因此，一旦氧气浓度减到最小并优化运行条件，则温度是一可用来控制以限制NO形成的变量。控制局部温度也很关键，因为，温度在2000K以上，就会快速地形成NO。
在通过本发明的方法控制燃烧的峰值温度中，有两个要素最为重要。第一，必须在压缩的一开始就控制充入空气或者充入空气和燃料混合物(如果燃料预先混合)的温度T1。一般来说，目标是将T1最小化，因为压缩过程是一T1(绝对温度)的倍乘器。对于一理想气体，最终的压缩温度T2是压缩比、CR、假设的绝热压缩的函数，即，T2＝T1f(CR)(其中，f(CR)是CR的函数)。例如，对于一16的压缩比，T1的倍乘数约为3。因此，如果T1是300°绝对温度(27°摄氏度)，则T2应为900K。然而，如果T1是400°绝对温度(127°摄氏度)，则T2应为1200K。
第二，对于一给定量待燃烧的燃料，假定是绝热燃烧，最终的燃烧温度T3可计算如下T3＝T2+Hc/Cv(其中，Hc＝从燃料的燃烧中释放的热量，以及Cv是充入空气和燃料混合物总的热容量，即，混合物质量乘以比热)。由于对于一给定量的燃烧燃料，Hc是固定的，可用来控制T3的变量只是Cv。如果Cv大，则T3将较小。燃烧的燃料量又是所需扭矩的函数(成正比例)。
本发明将T3控制到2000绝对温度(见图1)以最大程度地减小NO形成。因此，对于一常量T2，Hc/Cv必须保持不变。为了保持Hc/Cv不变，必须在燃烧的燃料量(发动机负荷)增加时增加Cv。由于Cv表示为以下的形式Cv＝cvM(其中，cv是充入空气和燃料混合物的比热，以及M是充入空气和燃料混合物的质量)，当燃烧的燃料量增加时M必须增加，以及当燃烧的燃料量减少时，M必须减少。这在本发明中可通过控制在进口系统内的充入空气的增压气压力来实现，即，控制充入空气的密度。质量M与充入空气的压力成比例。
另一个需要考虑和说明的重要因素是，一实际的发动机不是绝热的。如果充入空气的温度当其进入吸气系统时为T0，并低于吸入系统诸部分的温度，则热量将从吸气系统流入充入空气，以使其温度升高。再者，当充入空气通过吸气阀引入发动机气缸内时，其将暴露在气缸头、活塞顶部和气缸壁的热表面前，所述表面刚在先前的膨胀冲程和排气冲程(对四冲程发动机)过程中暴露于燃烧过程和热的(例如，燃烧结束时的2000°K)燃烧气体。因此，在吸气冲程和较早部分的压缩冲程过程中，热量将流入充入空气。为了在压缩温度升高之前控制(通常最小化)充入空气的温度升高，本发明操作的方法主要利用增压压力的控制。当增压压力控制充入空气的质量时(或者如果存在燃料，则是充入空气/燃料混合物，两者在此都称为“充入质量”或简单称之为“充入”)，对于一给定的从系统表面流入充入质量的热能，由于温度的升高正比于充入的质量，所以，其直接地控制充入质量的温度升高，如关系式所示T1＝T0+Hw/Cv，其中，Hw是来自系统表面的热能。通过如上所述的增加充入质量，Cv增加以减小T1。
本发明第一和第二实施例的操作方法在于控制T2以确保自动点火和足够快速地燃烧，以在运行速度上和实际发动机的负荷上有效且有作用(一般地，燃烧的90％在1到5毫秒内完成)，并控制T3以确保NO形成最少。将T3控制到本发明的水平还能提高发动机的效率，因为在膨胀过程中，低于现有技术的T3水平减小从燃烧气体中的热量损失。通过系统壁流到发动机“冷却剂”的热(能)，如果保留在燃烧气体内，则在膨胀过程中其用来维持较高的系统压力，对于燃烧一给定量的燃料因此吸取更多的有用功。T3越低，燃烧气体和系统表面之间的温差ΔT也越低，并且流到冷却剂热能越少。
附图的简要说明图1是NO排放水平对发动机燃烧温度(绝对温度)的曲线图；图2是一按照本发明的方法操作的发动机动力传动系统的示意图；以及图3是一可在本发明的方法中使用的发动机冷却系统的示意图。
具体实施例方式
第一实施例图2示出一本发明的第一实施例，一控制温度的内燃机22用特殊燃料运行，该燃料的特征在于，其具有相对低的辛烷和相对高的十六烷(即，类似于传统的柴油机燃料，一具有相对低的自动点火温度的燃料)。在第一实施例(和所有的实施例)中，最终的燃烧温度(T3)控制在约2000oK或低于2000oK左右，以使NOx形成为最小。T3的控制通过以下方法进行控制(1)控制增压压力，(2)控制最终压缩温度(T2)，每一种控制将在下面作更详细的解释。第一实施例以传统地用于柴油机的一压缩比运行，即，在16∶1到20∶1左右的范围内。燃料一喷射即发生自动点火。因此，自动点火的位置通过控制燃料喷射时间来予以控制，较佳地，从约20oBTDC到接近TDC，以便从就在TDC之后到TDC之后的接近15o，产生峰值气缸压力。
为了能够使用一用于高效率的高压缩比(例如，大于15)，发动机依赖于通过直接气缸燃料喷射器23提供的主燃料供应。吸入空气在端口13进入，并且其流动由可选择的阀12进行节流。废气在端口13与进入空气混合形成充入空气混合物。废气的路线是从端口16处的排气管，通过废气冷却器17，用可选择的冷凝物返回到排气管道18，通过可选择的废气流量控制阀14到达端口13。初级的废气再循环(EGR)控制阀12’刚好定位在排气管内端口16的下游。通过限定流动通过阀门12’，可控制流向端口13的废气流率。
本发明的方法可使用地图，它的建立是通过一特定发动机以前述的方式运行以实现一目标NO排放水平，并储存在控制器16内，以便规定最佳的增压水平和充入空气温度(连同导致的要求的充入空气质量流率)、最佳的吸入充入空气和/排出氧气浓度，以及用于发动机规定运行的每一转速和力(扭矩)所要求的燃料消耗率，以使燃烧温度保持在低于2100oK的目标水平，例如2000oK。
控制增压压力充入空气流动通过并由压缩机19进行压缩。压缩机19可为单级压缩机或并联或串联的两个或更多个压缩机，且主要地由废气膨胀器马达27驱动，以提供一控制的增压压力水平到进入集管21。增压压力水平由增压充入空气压力传感器31确定。控制器26发送适当的信号到膨胀器马达27来控制增压。可使用一可选择的电气或液压马达28，其由控制器26控制来提供快速的增压水平变化，以帮助废气膨胀器马达27提供快速扭矩响应，由于扭矩取决于增压水平，而控制增压水平来用于如前所述的控制温度的燃烧。因此，在瞬时过程中和马达27独自地不能供给足够的增压压力的任何运行条件过程中，控制器26发送适当的信号到马达28以控制增压水平。
充入空气温度的控制压缩的充入空气流动通过热交换器20到进入集合管21。热交换器20包括一旁路管道60和一旁路控制阀门61，且控制器26调节控制阀门61来控制充入空气温度(T1)。充入空气温度T1由温度传感器30确定以便输入到控制器26。热交换器20当做一“冷却器”运行以冷却充入空气(该实施例中的正常模式)，或当有必要控制充入空气温度达到一要求的水平时加热充入空气。热交换器20内使用的热交换媒介可为周围环境空气、发动机冷却剂、废气等。
此外，按照本发明，T1也可通过控制暴露在充入质量的表面温度来控制，因为热能流的发生按照以下关系式Hw＝(Ts-T0)W，其中Ts是暴露的表面的温度(当然其随着位置和时间变化)，T0是充入质量在暴露表面的温度，以及W是一总的传热系数。Ts的控制可通过控制发动机冷却剂温度Tc和冷却剂流率F实现。F直接地控制从冷却剂到“表面”(假定一小且固定的温差横跨系统壁)的传热系数。因此，Ts按照如下关系变化Ts＝BTcF，其中，B是一常数。通过调节暴露在周围环境空气流的冷却表面面积，和/或通过控制周围环境空气流动通过冷却剂热交换器，通常地，通过变化“散热器”风扇的速度，Tc可由控制冷却剂热交换器(一般地称之为散热器)内的外部冷却的程度来进行控制，而F可通过一在发动机冷却剂供给或排出管道内的电气控制阀门进行控制。Tc控制到一冷却剂供给目标温度，其由一作为发动机转速和负荷的函数的查找地图提供。F也控制到由一作为发动机转速和负荷的函数的查找地图提供的目标水平。图3示出用于发动机22的冷却系统。流入或流出发动机22的发动机冷却剂流率F由冷却剂泵80控制。通过变化风扇82的速度，发动机冷却剂温度Tc在散热器81的出口处控制。
O2浓度的控制可选择的端口燃料喷射器53可结合直接燃料喷射器23使用，以将微粒形成减到最小化和快速地调节燃料注入水平。可选择的氧气传感器25’可用来直接地确定充入空气内氧气浓度，其作为一控制信号，比依赖于根据废气氧气传感器25来计算(或“期望的”)氧气吸入水平的做法要来得快。氧气浓度信号用来控制EGR，即阀门12’。或者，充入空气氧气浓度可通过废气氧气浓度、燃料喷射量、以及充入空气增压水平和温度确定。可选择的充入空气质量流传感器29还可用来提供更快且更精确的发动机控制，即，控制确定发动机扭矩输出的发动机燃料供给率，以及可用作为一间接的传感器来确定(即，计算)进入充入空气氧气浓度。充入空气以一传统的方式通过传统的阀门(未示出)进入燃烧室(未示出)，以及废气通过传统的阀门(未示出)离开燃烧室并通过排气集合管24离开发动机22。捕集排气颗粒的氧化剂54移除任何颗粒排放物，以及催化剂51氧化残余的燃料和一氧化碳。发动机转速通过速度传感器32提供给控制器26。扭矩指令水平通过油门踏板传感器33提供给控制器26。
对于类似传统的柴油机燃料的一低自动点火温度燃料，废气再循环(EGR)主要地用来分散燃烧热释放(即，确保燃料分子均匀地与充入空气混合以获取氧气分子，这样，通过充入空气质量均匀地散播燃烧热释放)。由于EGR的热容量与空气相似，其使用这种燃料主要避免局部温度在NO形成阈值之上(例如，2000oK)。这样，必须控制吸入的充入空气氧气浓度(考虑增压水平和入口充入空气温度，即，质量充入空气流率)，以确保燃料分子分散遍及充入空气质量来获取用于燃烧的氧气分子。操作阀门12’来控制EGR响应于这些探测到的氧气浓度。
然而，允许一些过量的氧气用于一给定的燃料水平，将使由于不良燃烧形成的颗粒减到最少。对于一特定的运行条件，也将形成一特定的排出氧气浓度。例如，对于一目标小于0.2克/制动马力的发动机，NOx排出物、进入充入空气氧气的浓度值小于百分之12到14，以及排出氧气浓度小于6％的，其适用的燃料类似于传统柴油机燃料。对于一给定的燃料，在充入空气内存在有一氧气浓度水平(例如，传统柴油机燃料大约是12％)，当使用可供的氧气质量来将氧气浓度减少到一规定的目标水平时(例如，传统柴油机燃料大约是6％)，其对应于足够的充入空气质量来约束(通过吸收热能)与燃烧释放热相关的温度上升，其对应于NO形成阈值之下的一峰值燃烧温度。对该实例，大约50％的充入空气氧气质量用于燃烧反应中。由于这种约束，增加扭矩输出(即，燃烧更多的燃料)的唯一方法就是如前所述增加充入空气质量。
因此，为了所有的燃料分子在非常短的可用时间(例如，一般地小于5毫秒)内“寻找”足够的氧气分子，发动机燃烧系统(燃烧室、充入空气运动和燃料喷射器)必须最佳地构造。在系统温度仍高于燃料的快速自动点火温度的同时，燃料和氧气分子必须“结合一起”以形成良好的燃烧。幸而，该实施例的大多数燃料的快速自动点火温度(例如，低于1000oK)大大地低于NO形成的温度阈值(即，2000oK)。自动点火快速地出现在控制的操作温度，但燃烧率由燃料分子与充入空气和获取的氧气分子混合的比率确定。
对于一开路操作，控制器26从油门踏板传感器33读取扭矩指令以及从速度传感器32读取实际发动机转速。对于一增加扭矩的指令，控制器26指令压缩马达27和压缩机马达28(如有需要)，来将增压水平提高到新的目标值，该目标取自与在测量的发动机转速下的指令的扭矩相关的储存的地图。控制器26从储存的地图指令热交换器20旁路控制阀门61位置以瞄准对于发动机操作条件的要求的进入的充入空气温度。控制器26指令EGR阀门12’从储存的地图到一适于实现要求的进口充入空气和排出氧气浓度的位置。控制器26从传感器31读取实际增压水平，以及从传感器30读取实际进口充入空气温度，并从储存的地图指令合适的燃料比率。
对于更精确的发动机控制，可使用闭路控制回路。排出氧气浓度可从传感器25读取，可选择地，入口充入空气氧气浓度从传感器25’读取，同时，对于实际的操作点(从储存的地图)，控制器26将实际氧气浓度与要求的水平作比较，并且指令EGR阀门调整，以实现目标氧气浓度。来自传感器31的实际增压水平可由控制器26与来自储存地图的要求的水平比较，并且马达27和28作合适的调整以实现目标增压水平。以相同的方法，来自传感器30的实际入口充入空气温度可由控制器26与来自储存地图的要求的温度比较，冷却器20旁路控制阀门61作合适的调整以实现目标充入空气温度。燃料流率也可根据实际的读取值调整，以实现目标燃料比率。
第二实施例再参考图2，现将描述本发明的一第二实施例。在该第二实施例中，一控制温度的内燃机22以狄塞尔式的效率用特殊燃料运行，该燃料的特征在于，其具有相对高的辛烷和相对低的十六烷(即，类似于传统的汽油燃料，一具有相对高的自动点火温度的燃料)。尽管以传统的汽油燃料运行，但是不像传统的汽油发动机，该实施例使用一高压缩比(一般在12至19.5∶1的范围内，较佳地，至少14∶1，以及更佳地至少16∶1)。该实施例的特征还在于在自动点火之前进行燃料和充入空气混合(一般地，在压缩TDC之前，在最后30度曲柄角之前进行混合)，其目的在于均匀燃烧，即，利用燃料和充入空气的一预混合充入。
该第二实施例和其它实施例一样，使用一独特的控制配置，其中，通过以下方法控制T3以使NOx最小化(1)控制增压压力，和(2)控制T2。该第二实施例，和上面所述的第一实施例一样，用不同于第一实施例的自动点火进行操作，不同之处在于，燃烧事件的位置(即，自动点火的时间)不是通过燃料注入的时间来控制，而是通过控制(除增压压力和T2之外)入口充入空气氧气浓度来个别地控制每一个气缸的峰值气缸压力。该第二实施例与第一实施例的不同之处还在于其具有对氧气浓度和T2更精确的控制。
充入空气氧气浓度的控制因为燃料和充入空气在点火之前预混合的特性，没有必要如第一实施例一样，使用EGR来减小入口充入空气氧气浓度，以分散全部混合物燃烧的热释放，因为燃料和充入空气已经良好地混合。然而，EGR用在该实施例(稍后将更详细地讨论)来控制充入空气氧气的浓度以帮助启动自动点火，以及控制峰值燃烧气缸压力的位置在一最适宜的范围内(从就在TDC之后到接近在TDC之后的15度曲柄角)。控制T3(峰值燃烧温度)来限制NO形成在其它方面和前面所述的一样。
由于控制燃烧温度T3(固有地包括如前所述的最终压缩温度T2的控制)，本发明第二实施例的操作方法还提供有控制的均匀充入压缩点火(HCCT)。本发明的该均匀的充入压缩点火发动机提供高效率(高压缩比和膨胀比以及如前所述的少量或没有充入空气节流)、低NOx排放(通过如前所述的控制燃烧温度)和低颗粒排放(主要地由于在自动点火和燃烧之前提供一均匀的燃料和充入空气混合物的能力)。
参照图2，采用本发明操作方法，类似传统汽油的燃料可在一高压缩比(例如，在相对低的增压水平上大于14，一般地在2巴压力之下，甚至在相对适度的增压水平上大于19，一般地在3巴压力之下)、一速度和负荷的宽范围上运行，以在即使依赖通过端口燃料喷射器53的主要的燃料供给的时候，也可达到“狄塞尔式”的效率。按照该第二实施例的操作与第一实施例描述的相同，例外的差异本文另有描述。当使用较高的压缩比时(例如大于18)，可选择的直接燃料喷射器23可用于一某种高功率模式，但同样地增加微粒排放，并且，较大地依赖于捕集氧化剂54使这些喷射器的使用不引人注意。热交换器20比在第一实施例中更适合在充入空气加热模式内运行(如前所述)，来自废气的热量补充更适合低压缩比发动机结构的轻负荷。
T2的控制第二实施例的运行方法区别于第一实施例还可在于如刚刚所讨论的，需要更精确地控制T2(最终压缩温度)和充入空气氧气浓度，来确保自动点火和控制峰值燃烧气缸压力(或燃烧气缸压力升高的比率或峰值燃烧气缸压力的水平)的位置。自动点火的启动和快速燃烧一般描述如下燃烧启动和燃烧率＝C5[HC]C6[O2]C7expc8T其中，Cx是常量，[HC]是燃料的浓度，[O2]是氧气的浓度，exp是一常量，以及T是混合物的绝对温度。
像前面描述的NO形成反应一样，燃料燃烧启动和反应速率受最终压缩温度T2强烈影响。在该情形下，控制启动和燃烧率也受氧气浓度强烈影响，由于在一给定的发动机负荷水平，燃料浓度是固定的。例如，发动机地图如前所述在控制器26内建立和储存，对于一以轻负荷运行的低压缩比配置的实施例(例如，14)可选择使用一较低的T2连同一较高的氧气浓度使系统成本最小。在较高的压缩比(例如，18)和高负荷下，控制自动点火的启动和峰值气缸燃烧压力的位置需要努力最大程度减小T2的地图，由于减小氧气浓度将需要一较高成本下的较高的增压水平。
闭合回路运行的描述和前面对第一实施例所作的描述一样，也适用于该第二实施例，但一重要的改进是用传感器23’(探测与燃烧相关的气缸压力)替换直接燃料喷射器23(图2)。传感器23’与传统的曲柄角位置传感器34结合使用，来确定发生自动点火或较佳的峰值气缸燃烧压力的曲柄角位置。传感器23’可以是直接气缸压力传感器或可通过间接的方式确定气缸压力，例如，爆振传感器或负荷传感器。传感器23’对控制器26提供输入，以建立一闭合回路信号来调整确定所述位置的前述诸参数中的一个参数，以达到由控制器26确定的来自储存的地图的最佳位置。
因此，在第二实施例中，燃烧事件的位置(即，峰值气缸压力的位置)由最终压缩充入空气温度T2和流入到入口集合管内的充入空气氧气浓度确定。对发动机的一给定的负荷和转速，控制器26从一储存在存储器内的地图确定用于燃烧事件位置的最佳的曲柄角，并将T2和/或氧气浓度调整到根据一储存在存储器内的地图确定的水平。控制器26以上述第一实施例所述的方式(即，通过阀门14和12’的操作以及控制增压水平)控制流入入口集合管内的充入空气的氧气浓度。可变化地或附加地，通过调整围绕热交换器20的旁路管道60内的旁路控制阀门61，控制器26可通过控制T1来控制T2。通过对控制器26输入一代表实际的、探测到的燃烧事件的曲柄角位置的信号，来自传感器23’的信号能用于闭合回路控制燃烧事件的位置。对所述的信号作出响应，控制器26调整T2和/或充入空气内的氧气浓度，以便借助于T1(和T2)的调整和/或借助于前述的充入空气内氧气浓度的调整，使发生峰值燃烧压力的实际的曲柄角位置与应该发生峰值燃烧气缸压力的曲柄角位置的目标值一致。
如同第一实施例中那样，也可通过以上述的方法控制接触充入空气的发动机表面温度来控制T1。
当然，T2也由T3确定，第二实施例可如第一实施例所述与T3的控制相组合。
该实施例也可用在轻负荷(例如，小于最大负荷的30％)下控制的自动点火进行操作，和氧气浓度控制到用于较高负荷的化学计量，以允许三向、NO还原催化剂51的效用。该发动机配置将需要较大地注意到T1以便控制T2，但允许的减小的增压水平(但较高的T3和NO形成)和排出NO的催化还原，这将减小发动机的成本。
第三实施例本发明的一第三实施例还提供狄塞尔式效率，但在一发动机内，其使用一预混合的非常高辛烷(发现辛烷值＞90或更多，较佳地＞100)的燃料(诸如，甲醇或乙醇和某些汽油)并带有火花或类似的控制点火装置。本发明的操作方法用来控制压缩温度T2和充入空气内的氧气浓度来避免自动点火，因此，允许点火源在一最适宜的时间点燃充入空气和燃料混合物，在一高压缩发动机内实现高效率。压缩比较佳地为15∶1到20∶1，更佳地为19∶1或更大。在这种发动机的情形中，所有的发动机特征参照图2如上所述，例外的是物项23变成火花塞23”。如在前面描述的实施例中所述，通过控制T1和增压压力来控制T2。
第三实施例中的火花定时较佳地是约30oBTDC到接近TDC，以便从刚好TDC之后到TDC后15o左右产生峰值气缸压力。
同第一和第二实施例一样，该第三实施例个别地对每一个气缸将峰值气缸压力的位置控制在从就在TDC后到TDC后15度附近的范围内。
对本技术领域内的那些熟练人士来说其它的实施例是显而易见的，例如，以就在自动点火之前的水平的控制的T2来进行操作，并利用一控制的点火源(例如，火花塞或电热塞)来启动燃烧，以及利用控制的自动点火和辅助点火的联合运行策略(图2的直接燃料喷射器23将用点火源替换)。
本发明可在不离开其精神或本质特征的情况下以其它的特定形式实施。因此，本发明的实施例在所有方面应被认为是示意性的没有限制性，本发明的范围由附后的权利要求书指明，而不是由以上的描述予以表明，因此，本发明旨在涵盖落入权利要求书等价物的含义和范围内的所有的变化。
权利要求
1.一运行一内燃机的方法，其包括吸入环境空气通过至少一个压缩机，以在一增压压力下提供一充入空气，并将充入空气引入内燃机内；将燃料引入内燃机内，用于在一接近目标值的燃烧温度下与充入空气混合燃烧，并产生一废气；探测包含要求的扭矩在内的发动机操作条件；以及变化与探测到的要求扭矩中的变化成正比例的增压压力，以保持燃烧温度接近目标燃烧温度，所述目标燃烧温度在2100°K以下。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括使一第一部分的充入空气通过一热交换器用于热交换，以及使一第二部分的充入空气旁路通过一围绕所述热交换器的旁路管道；探测旁路管道和热交换器下游的充入空气的入口温度；通过操作旁路管道内的控制阀门控制旁路热交换器的所述第二部分的量，以使探测到的入口温度接近一目标充入空气温度。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括再循环一部分废气，以与所述充入空气和燃料混合；确定混合物内的氧气浓度；以及调节再循环的废气部分，以使确定的氧气浓度达到一确定用于发动机操作条件的目标氧气浓度。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括检测该增压压力；响应于探测到的充入空气入口温度和探测到的增压压力，控制引入内燃机内的燃料比率。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括再循环一部分废气，以与所述充入空气和燃料混合；检测混合物内的氧气浓度；以及调节再循环的废气部分，以使检测到的氧气浓度达到一确定用于发动机操作条件的目标氧气浓度。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括检测该增压压力；响应于探测到的充入空气入口温度和探测到的增压压力，控制引入内燃机内的燃料比率。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃料引入到在至少一个压缩机的上游或下游的环境空气内，这样，燃料包含在充入空气内。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以一流率F和一与接触发动机表面的充入空气保持热交换的关系，循环发动机冷却剂；以及响应于发动机转速和负荷中的改变来控制流率F。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括循环发动机冷却剂通过一散热器；以及响应于发动机转速和负荷中的改变，控制通过散热器的发动机冷却剂的冷却。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以一与接触发动机表面的充入空气保持热交换的关系、并通过散热器循环发动机冷却剂；以及响应于发动机转速和负荷中的改变，控制通过散热器的发动机冷却剂的冷却。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，燃料是柴油燃料，其中，自动点火发生在当燃料引入内燃机的一气缸内时。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，内燃机以一至少12∶1的压缩比运行，其中，燃料是汽油，且其还包括再循环一部分废气，以与充入空气和燃料混合；确定峰值气缸压力；确定混合物内氧气浓度；以及调节再循环的废气部分，以在燃烧循环内一预定的位置产生自动点火和峰值气缸压力。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述燃烧循环内的预定位置是在从刚好TDC之后到TDC之后接近15度的范围内。
14.如权利要求3所述的方法，其特征在于，压缩比是15∶1到20∶1，其中，燃料具有一90或更大的辛烷值，其中，燃烧事件的位置由发火定时控制，以及其中，通过控制增压压力、充入空气内的氧气浓度和充入空气温度来防止自动点火。
15.一运行一内燃机的方法，其包括吸入环境空气通过至少一个压缩机，以在一增压压力下提供一充入空气，并将增压的充入空气引入内燃机内；将燃料引入内燃机内，以便与充入空气混合燃烧，并产生一废气；检测要求的扭矩；以及变化与探测到的要求扭矩中的变化成正比例的增压压力，以保持一近似常量的比Hc/CvM，其中，Hc是燃烧热量，Cv是充入空气混合物的特定的热容量，以及M是充入空气的质量。
16.一运行一内燃机的方法，包括吸入环境空气以提供一充入空气，并将充入空气引入内燃机内；将燃料引入内燃机内，以便在燃烧温度接近一目标燃烧温度时与充入空气混合燃烧，并产生一废气；使一第一部分充入空气通过一热交换器用于热交换，使一第二部分充入空气旁路通过一围绕所述热交换器的旁路管道；检测在旁路管道和热交换器下游的充入空气的入口温度；确定混合物内的氧气浓度；检测包含要求扭矩、曲柄角和燃烧压力在内的发动机运行条件；以及确定一在检测到的要求扭矩的用于峰值燃烧压力的目标曲柄角；通过操作一在旁路管道内的控制阀门以调整检测到的入口温度和/或调节再循环废气的部分，控制旁路热交换器的所述第二部分的量，使检测到的曲柄角与目标曲柄角一致。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括压缩充入空气以在增压压力下提供充入空气；检测增压压力；以及响应于检测到的充入空气入口温度和检测到的增压压力，控制引入到内燃机内的燃料比率。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括使一第一部分充入空气通过一热交换器用于热交换，使一第二部分充入空气旁路通过一围绕所述热交换器的旁路管道；检测在旁路管道和热交换器下游的充入空气的入口温度；通过操作旁路管道内的控制阀门，控制旁路热交换器的所述第二部分的量，以使检测到的入口温度接近一目标充入空气温度。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括以一与接触发动机表面的充入空气保持热交换的关系、并通过散热器循环发动机冷却剂；以及响应于发动机转速和负荷中的改变，控制通过散热器的发动机冷却剂的冷却。
20.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括再循环一部分废气，以与所述充入空气和燃料混合。
21.一运行一内燃机的方法，其包括将汽油燃料和充入空气引入内燃机，在一接近一目标燃烧温度的燃烧温度下以一至少为12∶1的压缩比燃烧，并产生废气；再循环一部分废气，以与充入空气和燃料混合；确定峰值气缸压力；确定混合物内的氧气浓度以及调节再循环的废气部分，以在燃烧循环内的一预定位置产生自动点火和峰值气缸压力。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，还包括使一第一部分充入空气通过一热交换器用于热交换，使一第二部分充入空气旁路通过一围绕所述热交换器的旁路管道；检测在旁路管道和热交换器下游的充入空气的入口温度；通过操作旁路管道内的控制阀门，控制旁路热交换器的所述第二部分的量，以使检测到的入口温度接近一目标充入空气温度。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，还包括以一与接触发动机表面的充入空气保持热交换的关系、并通过散热器循环发动机冷却剂；以及控制通过散热器的发动机冷却剂的冷却，以帮助调节自动点火和峰值气缸压力在所述预定位置内。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述燃烧循环内的预定位置是在从刚好TDC之后到TDC之后接近15度的范围内。
25.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述燃烧循环内的预定位置是在从刚好TDC之后到TDC之后接近15度的范围内。
26.一运行一内燃机的方法，其包括将一具有一至少为90的辛烷值的燃料和充入空气引入内燃机，以便在预定使NOx形成为最小的目标燃烧温度下，以一15∶1到20∶1的压缩比在混合物内燃烧，并产生废气；再循环一部分废气，以与充入空气和燃料混合；确定峰值气缸压力；确定混合物内的氧气浓度；在一预定的时间用从一火花设备中来的火花点燃混合物，以及调节再循环的废气部分，以调节最终压缩温度，并避免自动点火。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，还包括使一第一部分充入空气通过一热交换器用于热交换，使一第二部分充入空气旁路通过一围绕所述热交换器的旁路管道；检测在旁路管道和热交换器下游的充入空气的入口温度；通过操作旁路管道内的控制阀门，控制旁路热交换器的所述第二部分的量，以使检测到的入口温度接近一目标充入空气温度。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，还包括以一与接触发动机表面的充入空气保持热交换的关系、并通过散热器循环发动机冷却剂；以及控制发动机冷却剂的冷却，以帮助控制最终压缩温度。
全文摘要
一运行一内燃机(22)的方法，其中，吸入的环境空气通过至少一个压缩机(19)增压到一较高压力，然后引入到内燃机(22)内。燃料也引入内燃机(22)内，以提供在一接近目标值的燃烧温度下、与充入空气的混合物的燃烧。可检测出包含要求扭矩在内的各种发动机运行参数，例如，踏下油门踏板(33)，并且以正比于检测到的要求扭矩中的变化的方式来变化增压压力，以保持燃烧温度接近目标值，即，低于2100°K。
文档编号F01N13/02GK1675456SQ03818920
公开日2005年9月28日 申请日期2003年3月19日 优先权日2002年8月8日
发明者查尔斯L·小格雷 申请人:美国环境保护署