压燃式内燃机及其操作方法

专利名称：压燃式内燃机及其操作方法
技术领域：
本发明涉及具有双燃料喷射系统的压燃式内燃机及其操作方法，从而扩大了压燃式发动机能够在预混装料压燃(PCCI)模式下操作而不会产生过量的氮氧化物、烟灰和噪声的负载范围。
背景技术：
内燃机通常可分成两类之一，即火花点火式和压燃式发动机。火花点火式发动机通常通过将空气和燃料的化学计量混合物引入发动机的气缸中而操作。活塞随后压缩该混合物，并且火花塞将按预定曲轴角度点燃燃料和空气混合物，从而产生穿过燃烧室传播的火焰前锋。由燃烧的燃料产生的热量的快速增加引起压力增加，这样就在气缸中向下推动活塞。通过使用火花塞对燃烧事件精确定时是火花点火式发动机的一个优点。然而，火花点火式发动机可能有些低效，因为为了避免火花爆燃，发动机的压缩比被保持于低于最佳的水平。火花爆燃发生于燃料和空气混合物独立地点燃火花塞时，并且可能引起发动机损坏。因此，火花点火式发动机通常具有介于8和11之间的压缩比。
另一方面，压燃式发动机以通常位于15-22范围内的较高压缩比操作。这种高压缩比提高了压燃式发动机的机械效率。压燃式发动机通过将未节流的空气引入气缸中而操作，从而通过降低泵送损失而增加效率超过节流火花点火式发动机的效率。在传统型压燃式发动机中，当燃烧室内的截留空气具有足够的温度来点燃燃料时，点火定时通过在接近压缩冲程末尾处将柴油喷入气缸中而控制。燃烧过程的放热引起气缸内压力增加，而这于是就按照与火花点火式发动机相同的方式向下推动活塞。
压燃式发动机尽管具有高效率，但是可能产生比火花点火式发动机更大的排放量。主要的两种排放成分为微粒或“烟灰”和氮的氧化物或NOx。烟灰形成于燃烧室内的局部富集化学计量区域。这些过度富集区域的出现是因为由于在点火时缺乏对燃料和空气进行充分的预混而引起的燃料和空气装料的不均匀性。氮氧化物的形成是燃烧化学的作用。压燃式发动机由于其局部化学计量燃烧，所以在高温下燃烧燃料和空气混合物，从而造成排气流中的高NOx排放量。膨胀过程发生得如此迅速以致化学反应被冻结因而NOx数量不能达到化学平衡，从而导致高发送机输出NOx排放。传统上，对于NOx的处理为转换器系统，例如以稀化学计量空气和燃料比操作的发动机所用的选择性催化剂还原方法Selective Catalyst Reduction(SCR)。SCR系统将尿素或氨喷入排气流中以便将NOx转变成氮和水。发动机设计者还可设法通过降低压缩比而降低压燃式发动机中的燃烧温度。这样可以减少NOx形成并且还可能导致效率较低以及难以在低温下起动。
近来对燃料效率的兴趣以及美国联邦政府规定的排放要求重新致力于开发高效率、低排放的压燃式发动机和操作模式。此类技术的实例为预混装料压燃(PCCI)和均匀装料压燃(HCCI)燃烧模式。PCCI燃烧模式包括带有高速冷却的废气再循环(EGR)和早期喷射启动(SOI)定时。高速EGR和早期SOI结合就导致了燃烧启动(SOC)之前的长点火延迟周期。在PCCI燃烧期间，点火延迟周期超过燃料喷射周期，导致了在SOC处的预混燃烧事件。燃料和空气混合物的预混性质与高速EGR一起减少了促进烟灰形成的局部富集高温区域的形成。高速EGR起装料稀释剂的作用，其将燃烧温度抑制于导致大量NOx形成的温度之下。
PCCI燃烧模式在低发动机速度和低负载下有效，这是喷射的燃料量很低并且预混可用的时间很长。随着发动机负载增加，快速预混燃烧过程中放出的热量就变得太大因而产生过大的燃烧噪声。即使在点火延迟周期期间燃料和空气有足够的预混，这也会发生。过量的燃烧噪声引起用户不快；因此，PCCI燃烧具有低发动机负载限制。
对于给定的噪声限制，HCCI燃烧能够以比PCCI更高的发动机负载操作，因为在燃烧期间，几乎均匀的燃料和空气装料将会导致燃烧室内更低的局部温度。由于柴油固有的低挥发性，其难以形成均匀的燃料和空气混合物。为了尝试这种混合物，必须使用早期的直接燃料喷射。常规型柴油喷射器具有较宽的喷射器喷嘴，并且HCCI燃烧所需的早期喷射定时可能对气缸壁造成相当大的燃料冲击。对气缸壁的燃料冲击阻止形成均匀的燃料和空气混合物并且可能造成润滑油的燃料稀释。为了校正这些情况，需要具有不同喷射型式的燃料喷射器和用于符合喷射型式的活塞筒。这通常是一项成本昂贵的工作，其需要大量的试验和开发工作来完善。
对于压燃式发动机中的均匀燃料和空气混合物，可能发生提前点火。柴油的高十六烷值代表了点燃燃料和空气混合物的相对容易性。这种提前点火可能引起噪声、不良性能和极端情况中的发动机损坏。因此，为了为HCCI发动机正确地定相SOC，需要降低压缩比。压缩比的降低将会导致效率下降。为了保持可接受的冷启动性能，必须保持高压缩比。因此，在HCCI发动机中通常采用可变压缩比发动机系统。

发明内容
相应地，本发明提供了压燃式内燃机所用的双燃料喷射系统，其能够利用高预混燃料A和空气混合物与均匀燃料B和空气混合物在较宽负载范围上按PCCI模式操作而不会提前启动燃烧。本发明还提供了压燃式发动机的操作策略，其具有高效率和低排放量。
本发明使用双燃料喷射系统，其中在一个实施例中，汽油被喷射入PCCI型发动机的进入空气流或直接喷射入其气缸中以便防止提前SOC的发生。均匀的燃料和空气混合物可通过以稀化学计量比例将汽油喷射入发动机的进气口或进气通道中而形成。均匀的汽油和空气混合物还可通过在进气冲程期间或压缩冲程早期将汽油直接喷射入发动机的气缸中而产生。由于稀化学计量燃料和空气比以及汽油的较高辛烷值，这种混合物能防止提前燃烧。辛烷值越高，燃料发生自燃可能性就越低。在接近压缩冲程的上止点(TDC)处，可以使用PCCI型直接柴油喷射事件来启动SOC。在柴油的放热事件之后，均匀的汽油和空气混合物将会点火并以足够低的速率燃烧以便抑制过量燃烧噪声的形成，但是又足够快以便保持高效率。这种双燃料喷射结构将会容许在比单燃料PCCI系统高的多的负载下使用低排放量预混型燃烧。这种系统避免了单燃料HCCI发动机所带有的局限性，例如需要可变压缩比系统、对气缸壁的燃料冲击以及润滑油的燃料稀释。
本发明可避免使用专用的、价格昂贵的柴油系统改型。本发明的第二燃料系统价格比较便宜并且为本发明所属领域内的普通技术人员已知的高度发达的系统。
本发明还提供了操作压燃式发动机的方法，其具有高效率和低排放量。优选操作策略为对于低于燃烧噪声限制的发动机负载而言，使用利用柴油的直接喷射和高速的迅速冷却EGR的PCCI燃烧。对于高于噪声限制的发动机负载而言，所提出的操作方法为汽油和空气混合物的HCCI燃烧以及柴油的PCCI燃烧。汽油通过端口燃料喷射或直接喷射方式来喷射，而燃烧定时由柴油在接近压缩冲程的TDC处的PCCI燃烧来控制。对于最高负载，这时要保持发动机的功率密度，系统将会回复至常规型柴油燃烧模式。每种操作模式的过渡点的特征在于发动机控制单元中包含的速度和负载映射图。这些过渡点将会随发动机结构而改变。发动机负载可由输送至气缸的燃料量来确定，其由发动机控制单元控制。本发明所属领域的普通技术人员可知道用于确定发动机负载的其它装置，例如气缸内压力传感器。发动机速度可由曲轴位置传感器或通过本发明所属普通技术人员已知的其它装置确定。
前述的内燃机和操作方法只是本发明的一个实施例，并且本发明可具有多个实施例，例如第二燃料喷射器使用不同燃料和不同定位。本发明容许压燃式内燃机在更大负载条件下以高效率PCCI模式操作，从而产生受控的SOC和放热率、降低的NOx和烟灰排放量、以及减少的燃料噪声。
相应地，本发明为具有双燃料喷射能力的压燃式内燃机，其可用于纯柴油燃烧模式或预混装料压燃模式，其具有容纳着至少一个气缸的气缸箱体、可在气缸内操作的活塞组件、限定了固定到气缸箱体上的进入口和排出口的气缸头、由气缸头和和活塞组件形成的燃烧室以及进气口。本发明的内燃机具有用于将测定数量的燃料A直接喷射入发动机的气缸中的主燃料喷射器，和用于将测定数量的燃料B输送至同一气缸的第二燃料喷射器。与气缸头的排出口连通的排气歧管提供了废气从气缸送至车辆排气系统的管道。排气歧管将具有小龙头，以容许废气通过由控制单元控制的EGR系统再循环入进气流中。这种控制单元还可控制主燃料喷射器和第二燃料喷射器的喷射正时以便输送相应的测定数量的燃料A和燃料B。
本发明提供了操作提出权利要求的具有双燃料喷射能力的压燃式内燃机的方法。在低发动机负载下，控制单元将会命令EGR系统向进入气流提供高速冷却的再循环废气。同时，控制单元将命令主燃料喷射器在压缩冲程的足够早阶段喷射测定数量的燃料A以便在启动燃烧时为气缸提供预混燃料和空气装料。在中等发动机负载下，控制单元将命令第二燃料喷射器在活塞的进气冲程早期或压缩冲程早期通过第二燃料喷射器喷射测定数量的燃料B以便在启动燃烧时为气缸提供预混燃料和空气装料，第二燃料喷射器位于进入气流内或者替代地位于气缸头内以便直接将燃料B喷射入气缸中。这种加燃料策略将会容许在气缸内形成稀化学计量均匀燃料B和空气混合物。随后，当活塞组件接近压缩冲程的上止点时，控制单元将命令主燃料喷射器将测定数量的燃料A直接喷射至气缸中。在高发动机负载下，在接近压缩冲程末尾时，控制单元将命令主燃料喷射器以纯柴油燃烧模式将测定数量的燃料A喷射至气缸中。
燃料A和燃料B可为相同燃料或不同燃料。在本发明的优选实施例中，燃料A为柴油而燃料B为汽油。第二燃料喷射器可位于进气口、气缸头的进入口中、或者位于气缸头内以便将燃料B直接喷射至气缸中。
通过阅读结合附图对用于实现本发明的最佳模式的以下详细描述，将很容易清楚了解本发明的以上特征和优点及其它特征和优点。


图1为单气缸压燃式内燃机的剖视侧视图，示出了位于压燃式发动机的进气流内的第二燃料喷射器的替代位置(位于进气口内或者替代地位于气缸头的进入口内)和用于将燃料直接喷射至燃烧室中的位于气缸头内的替代位置；以及图2为图1的发动机的各种发动机速度和发动机负载区域的图形表示及相应的操作模式。
具体实施例方式
参看图1，该图示出了一种改进型压燃式内燃机10，其能够在大得多的发动机负载条件范围内以预混装料压燃模式操作而不会产生过量的噪声、烟灰排放量和NOx排放量。这种扩大的范围通过使用双燃料喷射策略而得到促进。压燃式内燃机10的特征在于气缸衬套12，气缸衬套12由气缸箱体14封闭并且限定了往复式地容放着活塞16的气缸孔13。活塞16连接于连接杆18的一个末端上。当活塞16接近压缩冲程的TDC时，活塞16中的筒形成了带有气缸头22的燃烧室20。
在活塞16的进气冲程期间，测定数量的燃料B将会从第二燃料喷射器24流入由气缸头22限定进入口26中。第二燃料喷射器24可容放于如第二燃料喷射器24’示例示出的进气口通道25内。测定数量的燃料B从喷嘴28中的第二燃料喷射器24流出。这种燃料喷射由控制单元30通过电连接32精确控制。废气再循环(EGR)喷射口34也位于进气通道25内。于是，空气、燃料B和EGR(如果需要)这三种成分被经过打开的进气阀36引入气缸孔13中。由于燃料B的高挥发性以及第二燃料喷射器24的良好雾化质量，所以燃料B和空气混合物几乎均匀。在活塞16的进气冲程期间引入气缸孔13中的燃料B的量为稀化学计量以避免自燃的可能性。
在活塞16的进气冲程完成时，压缩冲程开始。这时，活塞16将开始在气缸孔13中向上运动。活塞16的这种向上运动将会压缩截留的空气、燃料B和EGR(如果需要)的混合物。同时，控制单元13将会通过电连接40命令主燃料喷射器38将测定数量的燃料A直接喷射于燃烧室20上。主燃料喷射器38在活塞16的压缩冲程中的足够早的阶段喷射测定数量的燃料A以便容许与空气、燃料B和EGR(如果需要)混合物充分预混。燃料A的这种(PCCI)型直接喷射可用于启动SOC。在燃料A燃烧事件的放热事件之后，均匀的燃料B和空气混合物将会点火并且以足够低的速率燃烧以便抑制过量燃烧噪声的形成，但是又足够快以便保持高效率。由于混合物的稀化学计量性质以及燃料B的较高辛烷值，所以燃料B和空气混合物能避免自燃。辛烷值越高，燃料发生自燃可能性就越低。这种双燃料喷射结构容许在比单燃料PCCI发动机高的多的发动机负载下使用低排放量PCCI燃烧模式。
在燃烧室20内的燃烧事件完成时，在所谓的膨胀冲程中，快速膨胀的气体向下推动活塞16。当活塞16在膨胀冲程末尾反向运动并开始在气缸孔13内向上运动时，排气冲程开始。燃烧产物，即废气被活塞16从气缸孔13经过打开的排气阀42推向排出口44，该排出口44由气缸头22内的通路限定。燃烧产物然后进入由排气歧管46限定的排气歧管通道45，以便在车辆排气系统(未示出)作用下排至大气。然而，部分废气可能进入通常位于排气歧管46内的EGR通路48。EGR速率由控制单元30经带有EGR阀52的电连接50控制。
图1示出了本发明的另一个实施例。作为通过第二燃料喷射器24或24’将燃料B喷射入进气流中的替代方案，可通过第二燃料喷射器24”将燃料B直接喷射入气缸孔13中。第二燃料喷射器24”由控制单元30通过电连接32”控制以便将测定数量的燃料B输送入气缸孔13中。喷射可在活塞16的进气冲程期间或在压缩冲程早期进行。燃料B应当喷射足够长的事件以便容许形成均匀的燃料B和空气混合物。
为清楚起见，图1示出了单气缸发动机。然而本发明所属领域的普通技术人员将会认识到，本发明也可应用于多气缸压燃式发动机。
图2中以图形示出了压燃式内燃机10的优选操作方法。当在低发动机负载区域70中操作时，压燃式发动机10仅以预混装料压燃燃烧模式操作。在这期间，控制单元30将会命令将高速冷却的EGR气体通过EGR口34引入进气流。控制单元30还将禁止第二燃料喷射器24操作。EGR和空气混合物随后将会进入气缸孔13并且在压缩冲程期间在活塞16在气缸孔13中向上运动时受到压缩。在压缩冲程期间，控制单元30将命令主燃料喷射器38将测定数量的燃料A直接输送入气缸孔13。这种喷射事件的定时必须容许燃料A在开始燃烧之前有足够的时间与EGR和空气混合物预混。燃烧的预混性质与高EGR率一起防止了容易形成烟灰排放无的高温局部富集区域的形成。高EGR率将会把峰值气体温度抑制至低于将会形成大量NOx的水平。
随着发动机负载增加，快速预混燃烧过程中放出的热量就变得太大因而产生过大的燃烧噪声。控制单元30将命令发动机在第二操作区域80中操作。在这个第二操作区域80中，发动机将会使用作为本发明的主题的双燃料喷射策略操作。测定数量的燃料B被第二燃料喷射器24或24’喷射入进气流中，或者被第二燃料喷射器24”直接喷射入气缸孔13中。燃料B的数量按照稀化学计量的燃料和空气混合物比喷射。由于燃料B的较高的辛烷值和稀燃料和空气比，所以形成了能避免自燃的几乎均匀的燃料和空气混合物。当活塞16接近其上止点时，主燃料喷射器38将以PCCI型喷射模式喷射测定数量的燃料A以便在适当的时间启动SOC。当燃料A的燃烧的放热事件完成时，均匀的燃料B和空气混合物将随后燃烧。燃料B和空气混合物将会以足够低的速率燃烧以便不会产生过量燃烧噪声，但是又不会太慢以免损失燃料效率。根据发动机10的要求，在第二操作区域80期间可通过控制单元30而控制EGR阀52的打开和关闭。
第三操作区域90的特征在于高发动机负载，这里需要最大的功率和转矩。控制单元30将禁用第二燃料喷射器24并且容许发动机10以纯常规型柴油燃烧模式操作。在这种模式下，在压缩冲程后时，主燃料喷射器38将会喷射测定数量的燃料A以便启动SOC。
对于特定的发动机，操作区域70、80、90将通过试验确定。不同的发动机类型具有各种各样的操作特征，当选择操作区域70、80、90的断点时必须考虑到这点。
优选实施例将包括作为燃料B的汽油。汽油具有较高辛烷值因此能防止自燃。汽油的高挥发性提供了高度均匀的燃料B和空气装料。优选的燃料A为柴油。柴油和汽油对于用户来说都容易获得因此优选使用，但是本发明所属领域的普通技术人员将会注意到，燃料A和燃料B可以象优选实施例中那样为不同燃料，或者可以为相同燃料。燃料A和燃料B可为任意类型的液体形式的可燃燃料如汽油、柴油、甲醇、乙醇等等，或气体形式的可燃燃料如天然气、丙烷、氢等等，而不会偏离如权利要求的精神。
尽管以上对实现本发明的最佳模式进行了详细描述，但本发明所属领域的普通技术人员将会认识到在所附权利要求范围内的用于实践本发明的各种替代设计和实施例。
权利要求
1.一种具有双燃料喷射能力的压燃式内燃机，其可操作用于纯柴油燃烧模式或预混装料压燃模式，包括容纳着至少一个气缸的气缸箱体；可在所述气缸内操作的活塞组件；气缸头，限定了进入口，固定到所述气缸箱体上并且在所述活塞接近压缩冲程的上止点时与所述活塞形成燃烧室；进气口，用于在所述活塞的进气冲程期间容许空气进入所述气缸；主燃料喷射器，操作用于将测定数量的燃料A直接喷射于所述气缸中；第二燃料喷射器，操作用于将测定数量的燃料B输送至所述气缸；排气歧管，用于在所述活塞组件的排气冲程期间排出燃烧过程的产物；废气再循环系统，操作用于将一定数量的再循环废气提供至所述气缸中；以及对发动机负载做出响应的控制模块，用于选择性地控制所述主燃料喷射器和所述第二燃料喷射器以便将测定数量的所述燃料A和/或燃料B输送至所述气缸中并且控制所述废气再循环系统。
2.根据权利要求1所述的内燃机，其中所述燃料A和所述燃料B为相同类型的燃料。
3.根据权利要求1所述的内燃机，其中所述燃料A和所述燃料B不同。
4.根据权利要求1所述的内燃机，其中所述燃料A为柴油而所述燃料B为汽油。
5.根据权利要求1所述的内燃机，其中所述第二燃料喷射器位于进气口内。
6.根据权利要求1所述的内燃机，其中所述第二燃料喷射器位于所述气缸头的所述进入口内。
7.根据权利要求1所述的内燃机，其中所述第二燃料喷射器位于所述气缸头内以便将所述燃料B直接喷射入所述气缸内。
8.一种操作具有双燃料喷射能力的压燃式内燃机的方法，包括在低发动机负载下，命令高速冷却的再循环废气进入所述发动机的气缸，同时命令主燃料喷射器在接近活塞的压缩冲程的TDC处喷射测定数量的燃料A以便在启动燃烧时提供预混燃料和空气装料；在中等发动机负载下，命令第二燃料喷射器在所述活塞的进气冲程早期或替代地在压缩冲程早期喷射测定数量的燃料B以便在所述气缸内形成稀的化学计量均匀燃料B和空气混合物，并且随后，当所述活塞接近压缩冲程的上止点时，命令所述主燃料喷射器将测定数量的所述燃料A直接喷射至所述气缸中；以及在高发动机负载下，在接近活塞的压缩冲程末尾时，命令所述主燃料喷射器以常规柴油燃烧模式将测定数量的所述燃料A喷射至所述气缸中。
9.根据权利要求8所述的操作压燃式内燃机的方法，其中所述燃料A和所述燃料B为相同类型的燃料。
10.根据权利要求8所述的操作压燃式内燃机的方法，其中所述燃料A和所述燃料B不同。
11.根据权利要求8所述的操作压燃式内燃机的方法，其中所述燃料A为柴油而所述燃料B为汽油。
12.根据权利要求8所述的操作压燃式内燃机的方法，其中所述第二燃料喷射器位于所述发动机的进气口内。
13.根据权利要求8所述的操作压燃式内燃机的方法，其中所述第二燃料喷射器位于所述气缸头的所述进入口内。
14.根据权利要求8所述的操作压燃式内燃机的方法，其中所述第二燃料喷射器位于所述气缸头内以便将所述燃料B直接喷射入所述气缸内。
15.一种可操作用于纯柴油燃烧模式或预混装料压燃模式的压燃式内燃机，包括容纳着至少一个气缸的气缸箱体；可在所述气缸内操作的活塞组件；气缸头，具有进入口和排出口，固定到所述气缸箱体上并且在所述活塞接近压缩冲程的上止点时与所述活塞形成燃烧室；进气口，用于在所述活塞的进气冲程期间容许空气进入所述气缸；主燃料喷射器，操作用于将测定数量的柴油直接喷射于所述气缸中；位于所述进气口内的第二燃料喷射器，操作用于将测定数量的汽油输送至所述气缸；排气系统，用于在所述活塞组件的排气冲程期间排出燃烧过程的燃烧产物；废气再循环系统，操作用于将一定数量的再循环废气提供至所述气缸中；以及控制模块，能够了解发动机负载，并且独立地控制所述主燃料喷射器和所述第二燃料喷射器以便将测定数量的所述柴油和所述汽油输送至所述气缸中并且控制所述废气再循环系统。
全文摘要
本发明为压燃式内燃机和操作方法，其通过以下方式扩大了安静操作预混装料压燃(PCCI)发动机的负载限制，即以稀化学计量的比率将第二燃料B喷射进入进气流或直接喷射入气缸中以便形成均匀燃料B和空气混合物。在接近压缩冲程的上止点处，使用PCCI型直接喷射燃料A事件来在适当的时间启动燃料A和B两者的燃烧。在低负载下，燃烧模式的特征在于具有高EGR率的PCCI型。在中等负载下，燃烧模式为燃料B的均匀燃烧加上燃料A的PCCI燃烧。在最高负载下，发动机将会回复至燃料A的常规型柴油燃烧模式以便保持功率密度。
文档编号F02B1/12GK1821561SQ20061000906
公开日2006年8月23日 申请日期2006年2月17日 优先权日2005年2月17日
发明者D·D·维克曼, C·-A·赫尔加特 申请人:通用汽车公司