具有专用EGR汽缸的汽油压缩点火GCI发动机的制作方法

本申请要求于2015年12月21日提交的、序列号为62/270,473的美国临时申请的权益，其全部公开内容在此通过引用而全部并入本文。

技术领域

本申请总体涉及具有专用废气再循环(“EGR”)汽缸的内燃机，且更具体地，涉及汽油压缩点火发动机，该汽油压缩点火发动机具有专用于提供废气的一个或多个汽缸，用于再循环到内燃机的进气歧管。

背景技术：

柴油发动机通常被认为具有巨大的扭矩，并且给人深刻印象的燃料经济性，然而，提供给这些发动机的柴油燃料具有数个缺点。柴油燃料通常数倍贵于诸如汽油和乙醇基燃料这样的替代燃料。此外，虽然柴油燃料在体积上比汽油包括大约15％的更大势能，然而柴油燃料的固有特性也提出管理污染物形成和控制的独特挑战。通常，用于发动机操作的柴油燃料的进一步喷射、氧化以及随后的燃烧要求使用昂贵的发动机部件，诸如高压燃料泵、微粒过滤器、以及包含复杂高压燃料喷射器的尿素喷射(urea-injection)系统。如果提供进一步的优势，关于，例如在低发动机载荷操作状况期间喷射到一个或多个汽缸内的汽油的受控点火，作为对柴油发动机的替代，汽油压缩点火发动机可提供柴油类似的性能。将一个或多个汽缸作为专用EGR汽缸而操作的发动机享有极大简化的控制以及压力管理，更少的硬件装置，以及其他优点。另外，如果研发一种系统以利用这个机会，则具有至少一个专用EGR汽缸的汽油压缩点火发动机，提供对在进气歧管处的气体温度和燃烧的更大控制的机会。因此，在这个领域需要进一步的技术发展。

技术实现要素：

在本发明的一个实施例中，提供了一种方法，该方法包括如下步骤：调节如下各项中的至少一个以产生包括一定量氢气的废气：提供给第一汽缸的空气与燃料的比例，以及发动机的第一汽缸点火火花特征；并将废气从第一汽缸提供给发动机的第二汽缸，其中，包括氢气的废气响应于压缩事件而点燃第一燃料类型。

在本发明的另一实施例中，提供了一种装置，该装置包括：发动机，该发动机具有至少第一汽缸和第二汽缸，第一汽缸为专用EGR汽缸，第一汽缸使用火花点火、送入燃料预燃室点火、激光点火、电晕放电点火、或等离子体点火中的至少一个，第一汽缸被配置成提供废气；而第二汽缸是使用压缩点火的非专用EGR汽缸。

在本发明的另一实施例中，提供了一种装置，该装置包括：发动机，该发动机具有至少第一汽缸和第二汽缸；第一发动机是使用火花点火的专用EGR发动机，而第二汽缸是使用压缩点火的汽油压缩点火汽缸；第一汽缸被配置成响应于火花点火的发生而燃烧空气和燃料混合物，并提供包括一定量氢气的废气；废气再循环(EGR)回路，其被配置成将给废气从第一汽缸提供给第二汽缸；且其中，包括氢气的废气响应于压缩活动而点燃一燃料类型。

附图说明

本发明的上述和其他特征以及得到它们的方法，通过结合附图参考下面的对本发明实施例的说明而将更加明显，且将更好地理解本发明自身，其中：

图1为根据本发明一个实施例的具有专用废气再循环的示例汽油压缩点火发动机系统的结构图。

图2为描述操作图1的发动机系统的示例方法的流程图。

具体实施方式

这里公开的实施例不意在穷举或将本发明限定于下面详细说明中公开的精确方式。相反，选择并描述这些实施例，这样本领域技术人员可利用它们的教导。

现在参考图1，示出发动机系统100的框图，其包括根据本发明的一个实施例的、具有一个或多个专用废气再循环汽缸的汽油压缩点火发动机。下面的说明仅是示例性的原理，且不在任何方面限制本发明、其应用、或使用。当在这里使用时，词组A、B或C中的至少一个应理解成，意指逻辑(A或B或C)，使用非排他逻辑OR。应当理解，一个方法中的步骤在不改变本发明的原理的情况下，可以以不同的顺序执行。当在这里使用时，术语控制器、确定器、或翻译器指专用集成电路(“ASIC”)、电子电路、处理器(共用、专用、或组)以及执行一个或多个软件或固件程序的存储器、组合逻辑电路、和/或提供所描述的功能的其他合适的部件。

如在图1的示例实施例中所示的，发动机系统100通常包括：汽油压缩点火发动机102(下面称“发动机102”)、废气歧管104、以及进气歧管106。系统100进一步包括：控制器122、后处理设备118、发动机排气装置120、以及空气处理系统108，该空气处理系统108包括废气再循环冷却器110、增压空气冷却器(charge air cooler)111、混合装置112、进气节流阀114、以及涡轮增压器116。在一些实施例中，发动机102可以是成行汽缸发动机或V结构汽缸发动机。如下面更详细描述的，不管发动机102是否包括成行汽缸发动机或V汽缸结构，发动机102的一个或多个汽缸可以为专用废气再循环汽缸(下面称“专用EGR”)。在图1的示例实施例中，发动机102包括成行6汽缸内燃机，具有两个专用EGR汽缸和四个汽油压缩点火(下面称“GCI”)汽缸。本发明进一步包括如下实施例，其中，6汽缸成行或V结构发动机可以具有一个或多个专用EGR汽缸或3个或更少专用EGR汽缸。相似的，在这样的实施例中，剩余的非专用EGR汽缸可以为GCI发动机。此外，在一些实施例中，发动机102可以为4汽缸发动机或8汽缸发动机。更进一步，发动机102可包括少于6个汽缸，或替代地，发动机102可包括6个或更多个汽缸。

当在这里使用时，术语“专用EGR”应当宽泛解读。任意EGR装置，其中，在至少某些发动机操作条件下，某些汽缸的废气排放的一些或全部被再循环到发动机进气歧管106的，为专用EGR汽缸。在图1的示例实施例中，系统100包括汽缸3以及汽缸4作为两个火花点火专用EGR汽缸。如图1所示，EGR气体124再循环，并在进气歧管106上游的一位置与进气126(之前部分废气128)结合或混合。EGR气体124可在混合器112处或通过任意其他布置与进气126结合。在一个实施例中，EGR气体124直接回到进气歧管106。在另一实施例中，EGR气体124可与经由压缩器116下游而进气歧管106上游的高压流体流道流向混合器112的压缩且冷却的空气结合。在这个实施例中，高压空气可由增压空气冷却器111冷却。在一些实施例中，系统100可不包括压缩器或任意其他类型的增压产生装置。在图1的实施例中，系统100在EGR回路中可包括EGR冷却器110和进气节流阀114，其中进气节流阀114选择性地节流或调节自混合器112退出的混合EGR和进气的流速。在替代实施例中，再循环EGR气体经由旁通阀，或者专用EGR回路中的EGR冷却器110或在EGR/过滤新鲜空气回路中的增压空气冷却器111，而可在周围路由。在又另外的实施例中，进气节流阀114可就紧邻定位在增压空气冷却器111的上游。

在一些实施例中，系统100可使用空气处理系统构架，该空气处理系统构架包括单个或多个涡轮增压器，例如，废气门涡轮、可变喷嘴涡轮、纯电子涡轮、或可变几何结构涡轮(“VGT”)。在一个实施例中，系统100可利用单个或多个增压器代替单个或多个涡轮增压器。在一个实施例中，系统100可包括：至少一个涡轮增压器以及至少一个增压器或至少一个第一类型的涡轮(例如VGT)以及至少一个第二类型的涡轮增压器(例如纯电子)。另外，在一些实施例中，系统100可利用空气处理构架，该空气处理构架进一步包括一个或多个进气和/或排气节流阀。相似地，空气处理构架可进一步包括：一个或多个EGR冷却器110以及一个或多个增压空气冷却器111。在一些实施例中，可变阀启动(“VVA”)系统可在专用EGR和/或GCI汽缸上使用。如本领域通常所知，通过使可变阀事件能够定时、持久和/或提升，VVA技术可用于增加发动机102的气阀机构(valve train)的柔性。示例VVA技术包括阀定时控制(VTC)、可变阀提升(VVL)以及无凸轮气阀机构。

在本发明的多个实施例中，专用EGR汽缸可利用下列点火系统的任意组合：火花点火、送入燃料预燃室点火(fuel-fed pre-chamber)、被动预燃室点火(passive pre-chamber ignition)、激光点火、电晕放电点火、或等离子体点火。在一个实施例中，系统100的示例GCI汽缸被配置成，在压缩通过示例燃料喷射装置递送给汽缸的燃料源(例如汽油、乙醇燃料、酒精基燃料)时点火。在这个实施例中，一个或多个专用EGR汽缸可被配置成，包括：示例火花辅助设备(例如，电热塞(glow-plug))，或其他示例性加热装置(诸如进气加热器(电子或燃料燃烧器)或火花塞)，该其他示例性加热装置被配置成帮助内燃机点火和燃烧。在另一实施例中，一个或多个GCI汽缸或非专用EGR汽缸可被配置成包括：示例火花辅助设备(例如，电热塞)，或被配置成帮助内燃机点火和燃烧过程的其他示例加热装置(例如进气加热器(电子或燃料燃烧器)或火花塞)。在本发明更另一实施例中，可变能量点火系统可用于一个或多个GCI汽缸。被配置成和火花点火系统一起使用的示例可变能量点火系统可包括：由Altronic LLC生产的CPU-XL可变火花点火系统。由发动机102内的可变火花点火系统提供的功能在下面更详细地讨论。

在一些实施例中，控制器122形成处理子系统的一部分，该子系统包括一个或多个计算装置，所述一个或多个计算装置具有存储、处理、以及通讯硬件。控制器122可以为单个装置或分布式装置，且该控制器的功能可由硬件或作为在非暂时计算机可读存储介质上的计算机指令来实施。控制器122通常包括逻辑/处理器以及存储器。在一个实施例中，控制器122的逻辑/处理器为微处理器，该微处理器包括一个或多个控制算法或逻辑，控制算法或逻辑通常可操作以控制和管理发动机102和包括系统100的多个上述子系统的整体操作。在一个实施例中，处理器可包括：一个或多个微处理器、微控制器、数字信号处理器(“DSP”)、其组合、和/或本领域技术人员已知的可被配置成处理一个或多个数据和/或参数信号以提供一个或多个控制信号的这种其他装置。

在一些实施例中，控制器122可包括：一个或多个翻译器，例如一个或多个界面装置，其构造成接收并翻译数据信号；以及一个或多个确定器，例如，上述处理器，其功能性执行控制器的操作。这里包括翻译器以及确定器的描述强调了，控制器122的某些方面的结构性独立，并示出一分组操作以及控制器的责任。执行类似整体操作的其他分组可被理解为落在本发明的范围内。翻译器以及确定器可在硬件中和/或作为在非暂时计算机可读存储介质上的计算机指令而执行，并可跨多个硬件或基于计算机的部件上部署。功能地执行控制器的操作的示例及非限定执行元件包括：提供这里确定的任意数值的传感器；向这里确定的值提供作为先导器的任意值的传感器；和/或网络硬件，包括通讯芯片、振荡晶体、通信线路、电缆、双绞线配线、共轴配线、屏蔽配线、发送器、接收器、和/或收发器、逻辑电路、硬接线逻辑电路、根据规格构造的处于特定非暂时状态的可重构逻辑线路、任意致动器(包括至少电子、液压、或气压致动器的)、螺线管、运算放大器、模拟控制元件(弹簧、过滤器、积分器、加法器、除法器、增益元件)、和/或数字控制元件。

控制器122可包括一定数量的输入和输出，用于和联接到发动机102的多个传感器和系统连接。在一个实施例中，控制器122可以是已知的控制单元，其通常被本领域技术人员称为电子或发动机控制模块(“ECM”)，电子或发动机控制单元(“ECU”)或类似，或可替代地是能够如这里描述地操作的控制电路。在一个实施例中，上述存储器包括随机存取存储器(“RAM”)、动态随机存取存储器(“DRAM”)、和/或只读存储器(“ROM”)或其等同物，其存储数据以及可被处理器执行的程序并允许控制器122与上述部件通讯以促使系统100执行这里描述的功能。在一个实施例中，存储器的一个或多个区可包括：非易失的存储区，其构造成在存储器处于断电状态时保持数据。这里描述的一些操作包括：翻译和/或确定一个或多个参数或数据结构的操作。当在这里使用时，翻译或确定包括：以本领域已知的任意方式接收数值，包括至少从数据链路或网络通讯接收值，接收表示值的电子信号(例如电压、频率、电流、或脉冲宽度调整(“PWM”信号))，接收表示值的计算机产生的参数，从位于非暂时计算机可读存储介质上的存储器位置读取数值，通过如下方式来接收值作为运行参数：本领域已知的任意方式；和/或通过接收如下值，通过该值可计算所翻译的参数；和/或通过参照被翻译成参数值的缺省值。

如上面简略提到的，在一些实施例中，发动机102的一个或多个汽缸包括用于加燃料的直接喷射器。当在这里使用时，直接喷射器包括任意燃料喷射装置，其将燃料直接喷射进汽缸容积内，并能够在进气阀以及排气阀关闭时将燃料传送进汽缸容积内。该直接喷射器可被配置成，在汽缸的顶部喷射燃料。在一些实施例中，该直接喷射器可被配置成，将燃料喷射进预燃烧室，尽管在一些实施例中，发动机102的一个或多个汽缸不包括预燃烧室。在一个实施例中，每一专用EGR汽缸包括一个或多个直接喷射器。直接喷射器可以是用于专用EGR汽缸的主要或仅加燃料装置，或可替代地，直接喷射器可以是用于专用EGR汽缸的辅助或次要的加燃料装置。

如本领域通常所知，发动机102燃烧空气燃料混合物，以便为交通工具产生驱动扭矩。如上面指明的，本发明通常允许压缩点火(GCI汽缸)以及火花点火(专用EGR汽缸)两者。本发明因此提供了一种独特的发动机构架，其使用专用EGR汽缸帮助汽油压缩发动机的性能/便利性。如下面更详细地描述，被配置成向一个或多个示例GCI汽缸提供期望量的EGR组分的内燃机，帮助减轻和/或克服在小于额定发动机载荷时，与GCI发动机的性能相关的挑战。GCI发动机具有潜力以提供能与传统柴油发动机具有可比性的性能、扭矩输出和燃料经济特性。此外，修改已有的GCI技术，GCI发动机甚至可在某些汽车市场上替代柴油发动机销售。因此，本发明提供了一种方法和装置，其包括如下发动机构架，该构架帮助在GCI发动机的低载荷燃烧期间达到期望的性能参数。

再次参考图1的示例实施例，发动机系统100通常提供以下功能。在本发明的一些实施例中，系统100可被配置成，向一个或多个GCI汽缸提供受控的氧气可用性。在一个实施例中，系统100可被配置成，调节一个或多个专用EGR汽缸的缸内空气燃料比例(“AFR”)。专用EGR汽缸的缸内AFR(lambda)可在“富”(例如lambda＜1)和“贫”(lambda＞1)燃烧条件之间变化。缸内AFR是要求的控制机制，因为GCI汽缸内的燃料燃烧特性主要取决于氧气可用性。因此，系统100可被配置成，向一个或多个示例GCI汽缸提供期望量的EGR组分。在一个实施例中，该GCI汽缸一贯地通过使用贫AFR操作，即lambda＞1。在一些实施例中，控制器122可以向示例燃料供应系统和空气处理系统108提供一个或多个控制信号，以调节AFR并获得期望的空气和燃料混合物，以产生期望的EGR组分。

在GCI发动机内可用的扭矩输出主要根据空气/氧气可利用性，然而，其他因素的存在，例如，所提供的空气燃料混合物内的氢气含量会影响GCI汽缸内的燃烧过程。相应地，通过调节专用EGR汽缸的缸内AFR，本发明向GCI汽缸提供了控制氢气可利用性。如上面指明的，一个或多个专用EGR汽缸的缸内AFR的控制是要求的控制机制，因为可利用额外的氢气可利用性来提高GCI汽缸的燃烧“爆震”极限。在一个实施例中，发动机102在专用汽缸3和4中可接收明显“富”的AFR。该明显富的AFR将增加提供给专用GCI汽缸的氢气量。GCI汽缸内的增加的氢气量作为燃烧催化剂起作用，并将在发动机系统100和发动机102在低载荷发动机条件下操作时，充分减轻GCI汽缸内内燃机“爆震”的发生。如本领域已知，提供给汽缸的燃料应当在与发动机的操作循环合拍的连波(even wave)中燃烧。然而，当燃料不合适地或过早地被点燃时，其可引起爆炸，该爆炸会干涉发动机的操作循环，并甚至会损害内燃机部件。另外，这些过早的爆炸是诸如发动机102这样的示例发动机内“乒”或“爆震”噪音的来源。因此，GCI汽缸内氢气的存在充分减轻过早爆炸，并提供受控的火焰传播。在一个实施例中，控制器122可包括一个或多个算法，当算法被处理器执行时，引起控制器122提供控制信号，以修改或影响EGR气体情况(profile)。

在一些实施例中，系统100可包括：直接燃料喷射器，其被配置成提供富专用EGR汽缸操作环境以及喷射条件，其为燃烧提供有利的条件(例如产生H2或CO的高富操作)。在一些额外的或替代的实施例中，关于控制器122，可提供控制信号，控制信号引起迟缓的燃料喷射时机、分层的喷射时机、预定富加燃料量、和/或预定喷射时机(和/或加燃料量)，这些被确定以产生H2、未燃烧HC、以及CO中的一个的期望的量。在这些实施例中，上述可变火花系统可在系统100内使用，以便调节例如在一个或多个专用EGR汽缸内产生的火花的幅度、持续时间、时机、大小和/或能量。相应地，在一些实施例中，该可变的火花系统允许专用EGR火花情况优化，其进一步允许影响EGR气体组分的特性，该组分与进气126混合，并由一个或多个GCI汽缸经由进气歧管106接收。

由专用EGR汽缸提供的混合物成分，以及产生的热量可全部且立即地提供给发动机进气歧管106，用在一个或多个GCI汽缸内。本发明因此提供了影响在低载荷、低温和/或低压缩情景下操作的汽油压缩点火发动机内的燃烧活性，在该低载荷、低温和/或低压缩情景情形下，例如高辛烷燃料的点火和燃烧难以控制。如本领域技术人员所知，难以匹配辛烷水平与发动机压缩比，以得到对所有发动机温度和压缩范围均有效的压缩点火特性。例如，具有较高辛烷含量的燃料通常要求更高的发动机温度以及压缩操作条件。相反，具有较低辛烷含量的燃料通常要求较低的发动机温度以及压缩操作条件。因此，由此可见，低压缩发动机内的高辛烷燃料将必然要求额外的因素，以影响示例低压力/低温GCI汽缸内的燃料的反应性。相应地，本发明允许例如预定量的氢气的受控引入，以支持例如在GCI发动机低压缩操作状态期间高辛烷燃料的点火。

本发明通过调节专用EGR汽缸内的燃料喷射时机，进一步为GCI汽缸提供了可利用的未燃烧燃料的改良。燃料喷射时机的调整是要求的控制机制，因为任意未燃烧燃料的性质将影响GCI汽缸内的燃烧。另外，GCI汽缸内的燃料喷射时机也可调整，例如，基于：1)存在于GCI汽缸内的氧气量，2)提供给GCI汽缸的EGR气体内存在的氢气量，和/或3)来自专用EGR汽缸的EGR气体内提供的未燃烧燃料特性。在本发明的一些实施例中，可变阀启动(VVA)系统可用在专用EGR汽缸上，以调节(减小)提供给GCI汽缸的EGR气体的量。VVA的使用允许EGR在低于专用EGR汽缸的固定比例的水平下划分。在更另一实施例中，一个或多个旁通阀可和EGR冷却器110以及增压空气冷却器111一起使用，以影响GCI汽缸内的氧气可利用性、气压以及温度。

图2示出根据本发明的实施例的操作汽油压缩点火发动机系统100的示例方法200的流程图。在一些实施例中，方法200可在示例发动机100内实施和/或执行。这样，方法200的描述可参考发动机系统100的之前提到的部件和子系统。方法200由判定块202开始，通过调节如下各项至少一个：提供给第一汽缸的空气一燃料比例，或发动机第一汽缸的点火火花特征。在图2的公开的实施例中，第一汽缸可以是专用EGR汽缸。在块204，通过提供至少具有第一燃料百分比的第一空气和燃料混合物，以及提供具有第二燃料百分比的第二空气和燃料混合物，方法200调节第一示例空气和燃料混合物的空气与燃料的比例。在一个实施例中，燃料的第二百分比大于燃料的第一百分比。在另一实施例中，空气和燃料混合物通过增加第二百分比的燃料而被调整，以促使空气与燃料的比例从贫空气和燃料混合物转换到富空气和燃料比例。在块206，方法200包括产生包括一定量氢气的废气。在一个实施例中，氢气的量是预定的。然后方法200进行到块208，并将废气从第一专用EGR汽缸中提供给发动机的第二汽缸。在一个实施例中，第二汽缸具有第一气压，而当第一气压低于阈值时，该包括氢气的废气响应于压缩事件的发生而引起第一燃料类型的点火或点燃第一燃料类型。在图2公开的实施例中，第二汽缸是汽油压缩点火汽缸。

在上述说明书中，已经描述了本发明的特定实施例。然而，本领域技术人员将可意识到，在不脱离由所附的权利要求阐述的本发明的范围的情况下，可作出多种改进和改变。相应地，说明书和附图应被视为示例性的而非限定性的。益处、优点、解决问题的方案，以及可引起任意益处、优点的任意元件，或将发生的或变得更明确的方案，不被理解为任意或所有权利要求的关键的、要求的或必要的特征或元件。本发明仅由所附权利要求限定，该权利要求包括在本发明未决过程中作出的任意改正，以及如公开的那些权利要求的所有等同物。这里没有权利要求元件被理解为在35U.S.C112(f)的规定下，除非该元件使用术语“意味着”来明确陈述。