專利名稱：控制溫度的內(nèi)燃機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及減少從內(nèi)燃機內(nèi)排放NOx和PM。應(yīng)用領(lǐng)域主要是用于機動車的內(nèi)燃機內(nèi)，但本發(fā)明也可用于其它利用化學(xué)燃料的燃燒的能量轉(zhuǎn)換“發(fā)動機”中，(包括發(fā)電廠)。
背景技術(shù)：
機動車輛的日益使用，大大地增加了大氣的污染物質(zhì)(諸如，氮的氧化物和顆粒物質(zhì))，并且產(chǎn)生顯著減少這種排出物的需求。
現(xiàn)有技術(shù)的汽油發(fā)動機一般用充氣節(jié)流道和進(jìn)油道的燃料噴射來進(jìn)行操作，以提供一燃料和充入的空氣的混合物引入燃燒室內(nèi)。在此使用的術(shù)語“充氣”意指空氣或者空氣和再循環(huán)的廢氣的混合物。充氣節(jié)流用來控制發(fā)動機的力(或扭矩)輸出和導(dǎo)致效率顯著下降，特別是在較低負(fù)荷時。端口燃料噴射用來提供良好的控制和所需燃料與充入空氣的混合。在壓縮過程中，根據(jù)燃料和充氣的特性以一確定的壓縮比，預(yù)混合的燃料和充入空氣將自動點火，壓縮比對應(yīng)于燃料和充入空氣混合物的自動點火溫度?，F(xiàn)有技術(shù)的汽油發(fā)動機一般地限于9∶1和10∶1之間的壓縮比，以避免失去控制的自動點火。點火過程通過火花塞的火花點燃，這樣，在活塞死點TDC(一般在TDC之后，介于TDC和20度曲柄角之間)上或附近開始快速的燃燒，并且，燃燒從作為一“火焰前緣”的點火位置起進(jìn)行傳播行進(jìn)通過燃燒混合物。在較高的壓縮比和某些運行條件下，燃料和充入空氣混合物以一不可控制的方式自動點火，并顯示出不可接受的“爆震”。在較高的壓縮比下不能安全地操作顯著地減小了發(fā)動機的潛在效率。
一些汽油發(fā)動機使用帶有或沒有充氣節(jié)流的直接燃料噴射(燃料直接地噴射到燃燒室內(nèi))。一般來說，這些發(fā)動機通過分層燃燒以較低的負(fù)荷運行。燃料以少許或沒有充氣節(jié)流方式在相對遲的壓縮沖程中注入。只要分層混合物在燃料的可燃性極限內(nèi)，則火花點燃會發(fā)生的燃燒。為達(dá)到燃料和充入空氣的良好混合，由于稍晚的注入允許比預(yù)混合的操作花費較少的時間，所以，這樣的燃燒的特征在于，有較高的未燃燃料和微粒排出物。此外，局部溫度較高，以及形成NO并成為廢氣排出物的一部分。在較高的負(fù)荷下，開始燃料注入出現(xiàn)較早，以允許更多的時間用于燃料和充入空氣混合。由于，實際上它們在高負(fù)荷下變成預(yù)混合的發(fā)動機，因而，較早的燃料注入將汽油壓縮比限制到與預(yù)混合的發(fā)動機相比擬的水平。預(yù)混合的汽油發(fā)動機還經(jīng)歷高的燃燒溫度，并產(chǎn)生大量的NO排出物。
現(xiàn)有技術(shù)的柴油機在所有負(fù)荷上運行，具有晚的直接燃料注入和少量或沒有充氣節(jié)流。柴油機還以比現(xiàn)有技術(shù)汽油發(fā)動機高的壓縮比(一般在15比1和20比1之間)運行，因為它們利用柴油燃料的自動點火特性。當(dāng)柴油燃料在TDC處或附近注入到壓縮的充入空氣中時，其將在所有要求的操作條件下自動點火。由于這些操作特征，柴油機顯示高效率。如先前對汽油的稍晚直接注入所述那樣，柴油機的主要問題是未燃的燃料、顆粒和NOx排出物。通過添加一可靠的點火源(例如，一火花塞或電熱塞)，汽油可用于現(xiàn)有技術(shù)的柴油機，但仍具有同樣的排放問題。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一目的是提供發(fā)動機既能有效地操作又非常低水平地排放NOx本發(fā)明的另一個目的是提供一發(fā)動機操作的方法，其中，壓縮溫度和峰值燃燒溫度控制在發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍內(nèi)。
因此，本發(fā)明提供一內(nèi)燃機的操作的方法，其包括吸入周圍空氣通過至少一個壓縮機，以提供一加壓的充入空氣，并將加壓的充氣引入內(nèi)燃機內(nèi)。該方法還包括將燃料引入內(nèi)燃機內(nèi)，以便在一接近目標(biāo)值的燃燒溫度下在與充氣的混合物內(nèi)燃燒，產(chǎn)生一廢氣。檢測包含需要的扭矩在內(nèi)的發(fā)動機操作條件，并且，增壓的變化正比于檢測到的要求的扭矩變化，以保持燃燒溫度接近目標(biāo)值，該值在2100°K以下。
在一較佳的實施例中，該方法還包括使第一部分充入空氣通過一熱交換器，第二部分的充入空氣旁路熱交換器?？蓹z測旁路管道以及熱交換器下游的充氣溫度，旁路熱交換器的第二部分的量由旁路管道內(nèi)的一控制閥的操作進(jìn)行控制，以將探測到的入口溫度達(dá)到一根據(jù)探測到的發(fā)動機運行條件確定的目標(biāo)溫度。
一部分廢氣可循環(huán)以與充入空氣和燃料混合。在該情況下，檢測混合物內(nèi)的氧氣濃度，并調(diào)節(jié)EGR的量，以使檢測到的氧氣濃度達(dá)到一用于探測到的發(fā)動機運行條件確定的目標(biāo)氧氣濃度。響應(yīng)于充氣入口的探測到的溫度和探測到的增壓壓力來控制燃料供給。
燃料可在壓縮機的下游或上游引入到充入空氣內(nèi)，以使燃料包含在充氣內(nèi)。
因而，本發(fā)明在一內(nèi)燃機內(nèi)提供帶有少量或沒有充氣節(jié)流的高壓縮比(例如，在壓縮沖程中一般大于15比1)操作，和高效率的狄塞爾循環(huán)發(fā)動機的特性一樣，但通過一獨特的、新穎的操作方法，沒有現(xiàn)有技術(shù)發(fā)動機的排放問題。
燃料燃燒過程中污染物NO的形成率一般可以如下的簡化形式表達(dá)NO形成率＝C1[N2]C2[O2]C3expC4T(I)其中C1，C2，C3和C4(Cx)是常數(shù)，[N2]是氮的濃度，[O2]是氧氣的濃度，exp是一常數(shù)，以及T是混合物的絕對溫度。
由于溫度在以上公式(I)內(nèi)是一指數(shù)，可預(yù)料對于給定的氮氣和氧氣的濃度，NO形成率隨溫度成指數(shù)地增長。該關(guān)系被廣泛地認(rèn)可，并且在

圖1內(nèi)圖解地示出對于典型的發(fā)動機運行條件的該關(guān)系。發(fā)動機燃燒時間一般為1到5毫秒內(nèi)。可清楚地看到，如果發(fā)動機燃燒溫度可保持在約2000絕對溫度(K)以下，則NO的形成率將最小。使燃燒溫度保持在該水平以下以及仍舊具有足以快地完成用于實際發(fā)動機轉(zhuǎn)速的燃燒的愿望是眾所周知的。一由Patrick F.Flynn和來自CumminsEngine Company的其他人所著的新近的汽車工程師學(xué)會的技術(shù)論文(#2000-01-1177)反映現(xiàn)有技術(shù)的已知發(fā)動機操作方法的見解，其目的在于控制燃燒溫度以減少NO的形成。該論文推斷對于汽油和其它火花點火發(fā)動機，“最小可能的峰值燃燒溫度為2100K”以及“NOx數(shù)量顯示為一0.5g/bhp-hr的限值”，而且，對于柴油發(fā)動機，“最低可能的峰值燃燒溫度應(yīng)該大約為2300K”以及“1.0g/bhp-hr的NOx排放水平”。
本發(fā)明提供一新的發(fā)動機操作方法，其得到在2100K以下溫度下的穩(wěn)定并且有效的燃燒。采用汽油、柴油和其它燃料的NOx排放的結(jié)果一致地小于0.2g/bhp-hr，大大地低于現(xiàn)有技術(shù)發(fā)動機的結(jié)果。
再參照NO形成率的方程式I，對一特定的發(fā)動機運行條件(例如，充氣增壓水平)，氧氣濃度必須充足以與可用燃料完全地反應(yīng)。氮氣濃度在充入空氣內(nèi)自然地較高，因此，一旦氧氣濃度減到最小并優(yōu)化運行條件，則溫度是一可用來控制以限制NO形成的變量?？刂凭植繙囟纫埠荜P(guān)鍵，因為，溫度在2000K以上，就會快速地形成NO。
在通過本發(fā)明的方法控制燃燒的峰值溫度中，有兩個要素最為重要。第一，必須在壓縮的一開始就控制充入空氣或者充入空氣和燃料混合物(如果燃料預(yù)先混合)的溫度T1。一般來說，目標(biāo)是將T1最小化，因為壓縮過程是一T1(絕對溫度)的倍乘器。對于一理想氣體，最終的壓縮溫度T2是壓縮比、CR、假設(shè)的絕熱壓縮的函數(shù)，即，T2＝T1f(CR)(其中，f(CR)是CR的函數(shù))。例如，對于一16的壓縮比，T1的倍乘數(shù)約為3。因此，如果T1是300°絕對溫度(27°攝氏度)，則T2應(yīng)為900K。然而，如果T1是400°絕對溫度(127°攝氏度)，則T2應(yīng)為1200K。
第二，對于一給定量待燃燒的燃料，假定是絕熱燃燒，最終的燃燒溫度T3可計算如下T3＝T2+Hc/Cv(其中，Hc＝從燃料的燃燒中釋放的熱量，以及Cv是充入空氣和燃料混合物總的熱容量，即，混合物質(zhì)量乘以比熱)。由于對于一給定量的燃燒燃料，Hc是固定的，可用來控制T3的變量只是Cv。如果Cv大，則T3將較小。燃燒的燃料量又是所需扭矩的函數(shù)(成正比例)。
本發(fā)明將T3控制到2000絕對溫度(見圖1)以最大程度地減小NO形成。因此，對于一常量T2，Hc/Cv必須保持不變。為了保持Hc/Cv不變，必須在燃燒的燃料量(發(fā)動機負(fù)荷)增加時增加Cv。由于Cv表示為以下的形式Cv＝cvM(其中，cv是充入空氣和燃料混合物的比熱，以及M是充入空氣和燃料混合物的質(zhì)量)，當(dāng)燃燒的燃料量增加時M必須增加，以及當(dāng)燃燒的燃料量減少時，M必須減少。這在本發(fā)明中可通過控制在進(jìn)口系統(tǒng)內(nèi)的充入空氣的增壓氣壓力來實現(xiàn)，即，控制充入空氣的密度。質(zhì)量M與充入空氣的壓力成比例。
另一個需要考慮和說明的重要因素是，一實際的發(fā)動機不是絕熱的。如果充入空氣的溫度當(dāng)其進(jìn)入吸氣系統(tǒng)時為T0，并低于吸入系統(tǒng)諸部分的溫度，則熱量將從吸氣系統(tǒng)流入充入空氣，以使其溫度升高。再者，當(dāng)充入空氣通過吸氣閥引入發(fā)動機氣缸內(nèi)時，其將暴露在氣缸頭、活塞頂部和氣缸壁的熱表面前，所述表面剛在先前的膨脹沖程和排氣沖程(對四沖程發(fā)動機)過程中暴露于燃燒過程和熱的(例如，燃燒結(jié)束時的2000°K)燃燒氣體。因此，在吸氣沖程和較早部分的壓縮沖程過程中，熱量將流入充入空氣。為了在壓縮溫度升高之前控制(通常最小化)充入空氣的溫度升高，本發(fā)明操作的方法主要利用增壓壓力的控制。當(dāng)增壓壓力控制充入空氣的質(zhì)量時(或者如果存在燃料，則是充入空氣/燃料混合物，兩者在此都稱為“充入質(zhì)量”或簡單稱之為“充入”)，對于一給定的從系統(tǒng)表面流入充入質(zhì)量的熱能，由于溫度的升高正比于充入的質(zhì)量，所以，其直接地控制充入質(zhì)量的溫度升高，如關(guān)系式所示T1＝T0+Hw/Cv，其中，Hw是來自系統(tǒng)表面的熱能。通過如上所述的增加充入質(zhì)量，Cv增加以減小T1。
本發(fā)明第一和第二實施例的操作方法在于控制T2以確保自動點火和足夠快速地燃燒，以在運行速度上和實際發(fā)動機的負(fù)荷上有效且有作用(一般地，燃燒的90％在1到5毫秒內(nèi)完成)，并控制T3以確保NO形成最少。將T3控制到本發(fā)明的水平還能提高發(fā)動機的效率，因為在膨脹過程中，低于現(xiàn)有技術(shù)的T3水平減小從燃燒氣體中的熱量損失。通過系統(tǒng)壁流到發(fā)動機“冷卻劑”的熱(能)，如果保留在燃燒氣體內(nèi)，則在膨脹過程中其用來維持較高的系統(tǒng)壓力，對于燃燒一給定量的燃料因此吸取更多的有用功。T3越低，燃燒氣體和系統(tǒng)表面之間的溫差ΔT也越低，并且流到冷卻劑熱能越少。
附圖的簡要說明圖1是NO排放水平對發(fā)動機燃燒溫度(絕對溫度)的曲線圖；圖2是一按照本發(fā)明的方法操作的發(fā)動機動力傳動系統(tǒng)的示意圖；以及圖3是一可在本發(fā)明的方法中使用的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式
第一實施例圖2示出一本發(fā)明的第一實施例，一控制溫度的內(nèi)燃機22用特殊燃料運行，該燃料的特征在于，其具有相對低的辛烷和相對高的十六烷(即，類似于傳統(tǒng)的柴油機燃料，一具有相對低的自動點火溫度的燃料)。在第一實施例(和所有的實施例)中，最終的燃燒溫度(T3)控制在約2000oK或低于2000oK左右，以使NOx形成為最小。T3的控制通過以下方法進(jìn)行控制(1)控制增壓壓力，(2)控制最終壓縮溫度(T2)，每一種控制將在下面作更詳細(xì)的解釋。第一實施例以傳統(tǒng)地用于柴油機的一壓縮比運行，即，在16∶1到20∶1左右的范圍內(nèi)。燃料一噴射即發(fā)生自動點火。因此，自動點火的位置通過控制燃料噴射時間來予以控制，較佳地，從約20oBTDC到接近TDC，以便從就在TDC之后到TDC之后的接近15o，產(chǎn)生峰值氣缸壓力。
為了能夠使用一用于高效率的高壓縮比(例如，大于15)，發(fā)動機依賴于通過直接氣缸燃料噴射器23提供的主燃料供應(yīng)。吸入空氣在端口13進(jìn)入，并且其流動由可選擇的閥12進(jìn)行節(jié)流。廢氣在端口13與進(jìn)入空氣混合形成充入空氣混合物。廢氣的路線是從端口16處的排氣管，通過廢氣冷卻器17，用可選擇的冷凝物返回到排氣管道18，通過可選擇的廢氣流量控制閥14到達(dá)端口13。初級的廢氣再循環(huán)(EGR)控制閥12’剛好定位在排氣管內(nèi)端口16的下游。通過限定流動通過閥門12’，可控制流向端口13的廢氣流率。
本發(fā)明的方法可使用地圖，它的建立是通過一特定發(fā)動機以前述的方式運行以實現(xiàn)一目標(biāo)NO排放水平，并儲存在控制器16內(nèi)，以便規(guī)定最佳的增壓水平和充入空氣溫度(連同導(dǎo)致的要求的充入空氣質(zhì)量流率)、最佳的吸入充入空氣和/排出氧氣濃度，以及用于發(fā)動機規(guī)定運行的每一轉(zhuǎn)速和力(扭矩)所要求的燃料消耗率，以使燃燒溫度保持在低于2100oK的目標(biāo)水平，例如2000oK。
控制增壓壓力充入空氣流動通過并由壓縮機19進(jìn)行壓縮。壓縮機19可為單級壓縮機或并聯(lián)或串聯(lián)的兩個或更多個壓縮機，且主要地由廢氣膨脹器馬達(dá)27驅(qū)動，以提供一控制的增壓壓力水平到進(jìn)入集管21。增壓壓力水平由增壓充入空氣壓力傳感器31確定。控制器26發(fā)送適當(dāng)?shù)男盘柕脚蛎浧黢R達(dá)27來控制增壓?？墒褂靡豢蛇x擇的電氣或液壓馬達(dá)28，其由控制器26控制來提供快速的增壓水平變化，以幫助廢氣膨脹器馬達(dá)27提供快速扭矩響應(yīng)，由于扭矩取決于增壓水平，而控制增壓水平來用于如前所述的控制溫度的燃燒。因此，在瞬時過程中和馬達(dá)27獨自地不能供給足夠的增壓壓力的任何運行條件過程中，控制器26發(fā)送適當(dāng)?shù)男盘柕今R達(dá)28以控制增壓水平。
充入空氣溫度的控制壓縮的充入空氣流動通過熱交換器20到進(jìn)入集合管21。熱交換器20包括一旁路管道60和一旁路控制閥門61，且控制器26調(diào)節(jié)控制閥門61來控制充入空氣溫度(T1)。充入空氣溫度T1由溫度傳感器30確定以便輸入到控制器26。熱交換器20當(dāng)做一“冷卻器”運行以冷卻充入空氣(該實施例中的正常模式)，或當(dāng)有必要控制充入空氣溫度達(dá)到一要求的水平時加熱充入空氣。熱交換器20內(nèi)使用的熱交換媒介可為周圍環(huán)境空氣、發(fā)動機冷卻劑、廢氣等。
此外，按照本發(fā)明，T1也可通過控制暴露在充入質(zhì)量的表面溫度來控制，因為熱能流的發(fā)生按照以下關(guān)系式Hw＝(Ts-T0)W，其中Ts是暴露的表面的溫度(當(dāng)然其隨著位置和時間變化)，T0是充入質(zhì)量在暴露表面的溫度，以及W是一總的傳熱系數(shù)。Ts的控制可通過控制發(fā)動機冷卻劑溫度Tc和冷卻劑流率F實現(xiàn)。F直接地控制從冷卻劑到“表面”(假定一小且固定的溫差橫跨系統(tǒng)壁)的傳熱系數(shù)。因此，Ts按照如下關(guān)系變化Ts＝BTcF，其中，B是一常數(shù)。通過調(diào)節(jié)暴露在周圍環(huán)境空氣流的冷卻表面面積，和/或通過控制周圍環(huán)境空氣流動通過冷卻劑熱交換器，通常地，通過變化“散熱器”風(fēng)扇的速度，Tc可由控制冷卻劑熱交換器(一般地稱之為散熱器)內(nèi)的外部冷卻的程度來進(jìn)行控制，而F可通過一在發(fā)動機冷卻劑供給或排出管道內(nèi)的電氣控制閥門進(jìn)行控制。Tc控制到一冷卻劑供給目標(biāo)溫度，其由一作為發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的函數(shù)的查找地圖提供。F也控制到由一作為發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的函數(shù)的查找地圖提供的目標(biāo)水平。圖3示出用于發(fā)動機22的冷卻系統(tǒng)。流入或流出發(fā)動機22的發(fā)動機冷卻劑流率F由冷卻劑泵80控制。通過變化風(fēng)扇82的速度，發(fā)動機冷卻劑溫度Tc在散熱器81的出口處控制。
O2濃度的控制可選擇的端口燃料噴射器53可結(jié)合直接燃料噴射器23使用，以將微粒形成減到最小化和快速地調(diào)節(jié)燃料注入水平?？蛇x擇的氧氣傳感器25’可用來直接地確定充入空氣內(nèi)氧氣濃度，其作為一控制信號，比依賴于根據(jù)廢氣氧氣傳感器25來計算(或“期望的”)氧氣吸入水平的做法要來得快。氧氣濃度信號用來控制EGR，即閥門12’。或者，充入空氣氧氣濃度可通過廢氣氧氣濃度、燃料噴射量、以及充入空氣增壓水平和溫度確定。可選擇的充入空氣質(zhì)量流傳感器29還可用來提供更快且更精確的發(fā)動機控制，即，控制確定發(fā)動機扭矩輸出的發(fā)動機燃料供給率，以及可用作為一間接的傳感器來確定(即，計算)進(jìn)入充入空氣氧氣濃度。充入空氣以一傳統(tǒng)的方式通過傳統(tǒng)的閥門(未示出)進(jìn)入燃燒室(未示出)，以及廢氣通過傳統(tǒng)的閥門(未示出)離開燃燒室并通過排氣集合管24離開發(fā)動機22。捕集排氣顆粒的氧化劑54移除任何顆粒排放物，以及催化劑51氧化殘余的燃料和一氧化碳。發(fā)動機轉(zhuǎn)速通過速度傳感器32提供給控制器26。扭矩指令水平通過油門踏板傳感器33提供給控制器26。
對于類似傳統(tǒng)的柴油機燃料的一低自動點火溫度燃料，廢氣再循環(huán)(EGR)主要地用來分散燃燒熱釋放(即，確保燃料分子均勻地與充入空氣混合以獲取氧氣分子，這樣，通過充入空氣質(zhì)量均勻地散播燃燒熱釋放)。由于EGR的熱容量與空氣相似，其使用這種燃料主要避免局部溫度在NO形成閾值之上(例如，2000oK)。這樣，必須控制吸入的充入空氣氧氣濃度(考慮增壓水平和入口充入空氣溫度，即，質(zhì)量充入空氣流率)，以確保燃料分子分散遍及充入空氣質(zhì)量來獲取用于燃燒的氧氣分子。操作閥門12’來控制EGR響應(yīng)于這些探測到的氧氣濃度。
然而，允許一些過量的氧氣用于一給定的燃料水平，將使由于不良燃燒形成的顆粒減到最少。對于一特定的運行條件，也將形成一特定的排出氧氣濃度。例如，對于一目標(biāo)小于0.2克/制動馬力的發(fā)動機，NOx排出物、進(jìn)入充入空氣氧氣的濃度值小于百分之12到14，以及排出氧氣濃度小于6％的，其適用的燃料類似于傳統(tǒng)柴油機燃料。對于一給定的燃料，在充入空氣內(nèi)存在有一氧氣濃度水平(例如，傳統(tǒng)柴油機燃料大約是12％)，當(dāng)使用可供的氧氣質(zhì)量來將氧氣濃度減少到一規(guī)定的目標(biāo)水平時(例如，傳統(tǒng)柴油機燃料大約是6％)，其對應(yīng)于足夠的充入空氣質(zhì)量來約束(通過吸收熱能)與燃燒釋放熱相關(guān)的溫度上升，其對應(yīng)于NO形成閾值之下的一峰值燃燒溫度。對該實例，大約50％的充入空氣氧氣質(zhì)量用于燃燒反應(yīng)中。由于這種約束，增加扭矩輸出(即，燃燒更多的燃料)的唯一方法就是如前所述增加充入空氣質(zhì)量。
因此，為了所有的燃料分子在非常短的可用時間(例如，一般地小于5毫秒)內(nèi)“尋找”足夠的氧氣分子，發(fā)動機燃燒系統(tǒng)(燃燒室、充入空氣運動和燃料噴射器)必須最佳地構(gòu)造。在系統(tǒng)溫度仍高于燃料的快速自動點火溫度的同時，燃料和氧氣分子必須“結(jié)合一起”以形成良好的燃燒。幸而，該實施例的大多數(shù)燃料的快速自動點火溫度(例如，低于1000oK)大大地低于NO形成的溫度閾值(即，2000oK)。自動點火快速地出現(xiàn)在控制的操作溫度，但燃燒率由燃料分子與充入空氣和獲取的氧氣分子混合的比率確定。
對于一開路操作，控制器26從油門踏板傳感器33讀取扭矩指令以及從速度傳感器32讀取實際發(fā)動機轉(zhuǎn)速。對于一增加扭矩的指令，控制器26指令壓縮馬達(dá)27和壓縮機馬達(dá)28(如有需要)，來將增壓水平提高到新的目標(biāo)值，該目標(biāo)取自與在測量的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下的指令的扭矩相關(guān)的儲存的地圖?？刂破?6從儲存的地圖指令熱交換器20旁路控制閥門61位置以瞄準(zhǔn)對于發(fā)動機操作條件的要求的進(jìn)入的充入空氣溫度?？刂破?6指令EGR閥門12’從儲存的地圖到一適于實現(xiàn)要求的進(jìn)口充入空氣和排出氧氣濃度的位置?？刂破?6從傳感器31讀取實際增壓水平，以及從傳感器30讀取實際進(jìn)口充入空氣溫度，并從儲存的地圖指令合適的燃料比率。
對于更精確的發(fā)動機控制，可使用閉路控制回路。排出氧氣濃度可從傳感器25讀取，可選擇地，入口充入空氣氧氣濃度從傳感器25’讀取，同時，對于實際的操作點(從儲存的地圖)，控制器26將實際氧氣濃度與要求的水平作比較，并且指令EGR閥門調(diào)整，以實現(xiàn)目標(biāo)氧氣濃度。來自傳感器31的實際增壓水平可由控制器26與來自儲存地圖的要求的水平比較，并且馬達(dá)27和28作合適的調(diào)整以實現(xiàn)目標(biāo)增壓水平。以相同的方法，來自傳感器30的實際入口充入空氣溫度可由控制器26與來自儲存地圖的要求的溫度比較，冷卻器20旁路控制閥門61作合適的調(diào)整以實現(xiàn)目標(biāo)充入空氣溫度。燃料流率也可根據(jù)實際的讀取值調(diào)整，以實現(xiàn)目標(biāo)燃料比率。
第二實施例再參考圖2，現(xiàn)將描述本發(fā)明的一第二實施例。在該第二實施例中，一控制溫度的內(nèi)燃機22以狄塞爾式的效率用特殊燃料運行，該燃料的特征在于，其具有相對高的辛烷和相對低的十六烷(即，類似于傳統(tǒng)的汽油燃料，一具有相對高的自動點火溫度的燃料)。盡管以傳統(tǒng)的汽油燃料運行，但是不像傳統(tǒng)的汽油發(fā)動機，該實施例使用一高壓縮比(一般在12至19.5∶1的范圍內(nèi)，較佳地，至少14∶1，以及更佳地至少16∶1)。該實施例的特征還在于在自動點火之前進(jìn)行燃料和充入空氣混合(一般地，在壓縮TDC之前，在最后30度曲柄角之前進(jìn)行混合)，其目的在于均勻燃燒，即，利用燃料和充入空氣的一預(yù)混合充入。
該第二實施例和其它實施例一樣，使用一獨特的控制配置，其中，通過以下方法控制T3以使NOx最小化(1)控制增壓壓力，和(2)控制T2。該第二實施例，和上面所述的第一實施例一樣，用不同于第一實施例的自動點火進(jìn)行操作，不同之處在于，燃燒事件的位置(即，自動點火的時間)不是通過燃料注入的時間來控制，而是通過控制(除增壓壓力和T2之外)入口充入空氣氧氣濃度來個別地控制每一個氣缸的峰值氣缸壓力。該第二實施例與第一實施例的不同之處還在于其具有對氧氣濃度和T2更精確的控制。
充入空氣氧氣濃度的控制因為燃料和充入空氣在點火之前預(yù)混合的特性，沒有必要如第一實施例一樣，使用EGR來減小入口充入空氣氧氣濃度，以分散全部混合物燃燒的熱釋放，因為燃料和充入空氣已經(jīng)良好地混合。然而，EGR用在該實施例(稍后將更詳細(xì)地討論)來控制充入空氣氧氣的濃度以幫助啟動自動點火，以及控制峰值燃燒氣缸壓力的位置在一最適宜的范圍內(nèi)(從就在TDC之后到接近在TDC之后的15度曲柄角)?？刂芓3(峰值燃燒溫度)來限制NO形成在其它方面和前面所述的一樣。
由于控制燃燒溫度T3(固有地包括如前所述的最終壓縮溫度T2的控制)，本發(fā)明第二實施例的操作方法還提供有控制的均勻充入壓縮點火(HCCT)。本發(fā)明的該均勻的充入壓縮點火發(fā)動機提供高效率(高壓縮比和膨脹比以及如前所述的少量或沒有充入空氣節(jié)流)、低NOx排放(通過如前所述的控制燃燒溫度)和低顆粒排放(主要地由于在自動點火和燃燒之前提供一均勻的燃料和充入空氣混合物的能力)。
參照圖2，采用本發(fā)明操作方法，類似傳統(tǒng)汽油的燃料可在一高壓縮比(例如，在相對低的增壓水平上大于14，一般地在2巴壓力之下，甚至在相對適度的增壓水平上大于19，一般地在3巴壓力之下)、一速度和負(fù)荷的寬范圍上運行，以在即使依賴通過端口燃料噴射器53的主要的燃料供給的時候，也可達(dá)到“狄塞爾式”的效率。按照該第二實施例的操作與第一實施例描述的相同，例外的差異本文另有描述。當(dāng)使用較高的壓縮比時(例如大于18)，可選擇的直接燃料噴射器23可用于一某種高功率模式，但同樣地增加微粒排放，并且，較大地依賴于捕集氧化劑54使這些噴射器的使用不引人注意。熱交換器20比在第一實施例中更適合在充入空氣加熱模式內(nèi)運行(如前所述)，來自廢氣的熱量補充更適合低壓縮比發(fā)動機結(jié)構(gòu)的輕負(fù)荷。
T2的控制第二實施例的運行方法區(qū)別于第一實施例還可在于如剛剛所討論的，需要更精確地控制T2(最終壓縮溫度)和充入空氣氧氣濃度，來確保自動點火和控制峰值燃燒氣缸壓力(或燃燒氣缸壓力升高的比率或峰值燃燒氣缸壓力的水平)的位置。自動點火的啟動和快速燃燒一般描述如下燃燒啟動和燃燒率＝C5[HC]C6[O2]C7expc8T其中，Cx是常量，[HC]是燃料的濃度，[O2]是氧氣的濃度，exp是一常量，以及T是混合物的絕對溫度。
像前面描述的NO形成反應(yīng)一樣，燃料燃燒啟動和反應(yīng)速率受最終壓縮溫度T2強烈影響。在該情形下，控制啟動和燃燒率也受氧氣濃度強烈影響，由于在一給定的發(fā)動機負(fù)荷水平，燃料濃度是固定的。例如，發(fā)動機地圖如前所述在控制器26內(nèi)建立和儲存，對于一以輕負(fù)荷運行的低壓縮比配置的實施例(例如，14)可選擇使用一較低的T2連同一較高的氧氣濃度使系統(tǒng)成本最小。在較高的壓縮比(例如，18)和高負(fù)荷下，控制自動點火的啟動和峰值氣缸燃燒壓力的位置需要努力最大程度減小T2的地圖，由于減小氧氣濃度將需要一較高成本下的較高的增壓水平。
閉合回路運行的描述和前面對第一實施例所作的描述一樣，也適用于該第二實施例，但一重要的改進(jìn)是用傳感器23’(探測與燃燒相關(guān)的氣缸壓力)替換直接燃料噴射器23(圖2)。傳感器23’與傳統(tǒng)的曲柄角位置傳感器34結(jié)合使用，來確定發(fā)生自動點火或較佳的峰值氣缸燃燒壓力的曲柄角位置。傳感器23’可以是直接氣缸壓力傳感器或可通過間接的方式確定氣缸壓力，例如，爆振傳感器或負(fù)荷傳感器。傳感器23’對控制器26提供輸入，以建立一閉合回路信號來調(diào)整確定所述位置的前述諸參數(shù)中的一個參數(shù)，以達(dá)到由控制器26確定的來自儲存的地圖的最佳位置。
因此，在第二實施例中，燃燒事件的位置(即，峰值氣缸壓力的位置)由最終壓縮充入空氣溫度T2和流入到入口集合管內(nèi)的充入空氣氧氣濃度確定。對發(fā)動機的一給定的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速，控制器26從一儲存在存儲器內(nèi)的地圖確定用于燃燒事件位置的最佳的曲柄角，并將T2和/或氧氣濃度調(diào)整到根據(jù)一儲存在存儲器內(nèi)的地圖確定的水平?？刂破?6以上述第一實施例所述的方式(即，通過閥門14和12’的操作以及控制增壓水平)控制流入入口集合管內(nèi)的充入空氣的氧氣濃度?？勺兓鼗蚋郊拥?，通過調(diào)整圍繞熱交換器20的旁路管道60內(nèi)的旁路控制閥門61，控制器26可通過控制T1來控制T2。通過對控制器26輸入一代表實際的、探測到的燃燒事件的曲柄角位置的信號，來自傳感器23’的信號能用于閉合回路控制燃燒事件的位置。對所述的信號作出響應(yīng)，控制器26調(diào)整T2和/或充入空氣內(nèi)的氧氣濃度，以便借助于T1(和T2)的調(diào)整和/或借助于前述的充入空氣內(nèi)氧氣濃度的調(diào)整，使發(fā)生峰值燃燒壓力的實際的曲柄角位置與應(yīng)該發(fā)生峰值燃燒氣缸壓力的曲柄角位置的目標(biāo)值一致。
如同第一實施例中那樣，也可通過以上述的方法控制接觸充入空氣的發(fā)動機表面溫度來控制T1。
當(dāng)然，T2也由T3確定，第二實施例可如第一實施例所述與T3的控制相組合。
該實施例也可用在輕負(fù)荷(例如，小于最大負(fù)荷的30％)下控制的自動點火進(jìn)行操作，和氧氣濃度控制到用于較高負(fù)荷的化學(xué)計量，以允許三向、NO還原催化劑51的效用。該發(fā)動機配置將需要較大地注意到T1以便控制T2，但允許的減小的增壓水平(但較高的T3和NO形成)和排出NO的催化還原，這將減小發(fā)動機的成本。
第三實施例本發(fā)明的一第三實施例還提供狄塞爾式效率，但在一發(fā)動機內(nèi)，其使用一預(yù)混合的非常高辛烷(發(fā)現(xiàn)辛烷值＞90或更多，較佳地＞100)的燃料(諸如，甲醇或乙醇和某些汽油)并帶有火花或類似的控制點火裝置。本發(fā)明的操作方法用來控制壓縮溫度T2和充入空氣內(nèi)的氧氣濃度來避免自動點火，因此，允許點火源在一最適宜的時間點燃充入空氣和燃料混合物，在一高壓縮發(fā)動機內(nèi)實現(xiàn)高效率。壓縮比較佳地為15∶1到20∶1，更佳地為19∶1或更大。在這種發(fā)動機的情形中，所有的發(fā)動機特征參照圖2如上所述，例外的是物項23變成火花塞23”。如在前面描述的實施例中所述，通過控制T1和增壓壓力來控制T2。
第三實施例中的火花定時較佳地是約30oBTDC到接近TDC，以便從剛好TDC之后到TDC后15o左右產(chǎn)生峰值氣缸壓力。
同第一和第二實施例一樣，該第三實施例個別地對每一個氣缸將峰值氣缸壓力的位置控制在從就在TDC后到TDC后15度附近的范圍內(nèi)。
對本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的那些熟練人士來說其它的實施例是顯而易見的，例如，以就在自動點火之前的水平的控制的T2來進(jìn)行操作，并利用一控制的點火源(例如，火花塞或電熱塞)來啟動燃燒，以及利用控制的自動點火和輔助點火的聯(lián)合運行策略(圖2的直接燃料噴射器23將用點火源替換)。
本發(fā)明可在不離開其精神或本質(zhì)特征的情況下以其它的特定形式實施。因此，本發(fā)明的實施例在所有方面應(yīng)被認(rèn)為是示意性的沒有限制性，本發(fā)明的范圍由附后的權(quán)利要求書指明，而不是由以上的描述予以表明，因此，本發(fā)明旨在涵蓋落入權(quán)利要求書等價物的含義和范圍內(nèi)的所有的變化。
權(quán)利要求
1.一運行一內(nèi)燃機的方法，其包括吸入環(huán)境空氣通過至少一個壓縮機，以在一增壓壓力下提供一充入空氣，并將充入空氣引入內(nèi)燃機內(nèi)；將燃料引入內(nèi)燃機內(nèi)，用于在一接近目標(biāo)值的燃燒溫度下與充入空氣混合燃燒，并產(chǎn)生一廢氣；探測包含要求的扭矩在內(nèi)的發(fā)動機操作條件；以及變化與探測到的要求扭矩中的變化成正比例的增壓壓力，以保持燃燒溫度接近目標(biāo)燃燒溫度，所述目標(biāo)燃燒溫度在2100°K以下。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括使一第一部分的充入空氣通過一熱交換器用于熱交換，以及使一第二部分的充入空氣旁路通過一圍繞所述熱交換器的旁路管道；探測旁路管道和熱交換器下游的充入空氣的入口溫度；通過操作旁路管道內(nèi)的控制閥門控制旁路熱交換器的所述第二部分的量，以使探測到的入口溫度接近一目標(biāo)充入空氣溫度。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，還包括再循環(huán)一部分廢氣，以與所述充入空氣和燃料混合；確定混合物內(nèi)的氧氣濃度；以及調(diào)節(jié)再循環(huán)的廢氣部分，以使確定的氧氣濃度達(dá)到一確定用于發(fā)動機操作條件的目標(biāo)氧氣濃度。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，還包括檢測該增壓壓力；響應(yīng)于探測到的充入空氣入口溫度和探測到的增壓壓力，控制引入內(nèi)燃機內(nèi)的燃料比率。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括再循環(huán)一部分廢氣，以與所述充入空氣和燃料混合；檢測混合物內(nèi)的氧氣濃度；以及調(diào)節(jié)再循環(huán)的廢氣部分，以使檢測到的氧氣濃度達(dá)到一確定用于發(fā)動機操作條件的目標(biāo)氧氣濃度。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括檢測該增壓壓力；響應(yīng)于探測到的充入空氣入口溫度和探測到的增壓壓力，控制引入內(nèi)燃機內(nèi)的燃料比率。
7.如權(quán)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個壓縮機的上游或下游的環(huán)境空氣內(nèi)，這樣，燃料包含在充入空氣內(nèi)。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括以一流率F和一與接觸發(fā)動機表面的充入空氣保持熱交換的關(guān)系，循環(huán)發(fā)動機冷卻劑；以及響應(yīng)于發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負(fù)荷中的改變來控制流率F。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，還包括循環(huán)發(fā)動機冷卻劑通過一散熱器；以及響應(yīng)于發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負(fù)荷中的改變，控制通過散熱器的發(fā)動機冷卻劑的冷卻。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括以一與接觸發(fā)動機表面的充入空氣保持熱交換的關(guān)系、并通過散熱器循環(huán)發(fā)動機冷卻劑；以及響應(yīng)于發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負(fù)荷中的改變，控制通過散熱器的發(fā)動機冷卻劑的冷卻。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，燃料是柴油燃料，其中，自動點火發(fā)生在當(dāng)燃料引入內(nèi)燃機的一氣缸內(nèi)時。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，內(nèi)燃機以一至少12∶1的壓縮比運行，其中，燃料是汽油，且其還包括再循環(huán)一部分廢氣，以與充入空氣和燃料混合；確定峰值氣缸壓力；確定混合物內(nèi)氧氣濃度；以及調(diào)節(jié)再循環(huán)的廢氣部分，以在燃燒循環(huán)內(nèi)一預(yù)定的位置產(chǎn)生自動點火和峰值氣缸壓力。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述燃燒循環(huán)內(nèi)的預(yù)定位置是在從剛好TDC之后到TDC之后接近15度的范圍內(nèi)。
14.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，壓縮比是15∶1到20∶1，其中，燃料具有一90或更大的辛烷值，其中，燃燒事件的位置由發(fā)火定時控制，以及其中，通過控制增壓壓力、充入空氣內(nèi)的氧氣濃度和充入空氣溫度來防止自動點火。
15.一運行一內(nèi)燃機的方法，其包括吸入環(huán)境空氣通過至少一個壓縮機，以在一增壓壓力下提供一充入空氣，并將增壓的充入空氣引入內(nèi)燃機內(nèi)；將燃料引入內(nèi)燃機內(nèi)，以便與充入空氣混合燃燒，并產(chǎn)生一廢氣；檢測要求的扭矩；以及變化與探測到的要求扭矩中的變化成正比例的增壓壓力，以保持一近似常量的比Hc/CvM，其中，Hc是燃燒熱量，Cv是充入空氣混合物的特定的熱容量，以及M是充入空氣的質(zhì)量。
16.一運行一內(nèi)燃機的方法，包括吸入環(huán)境空氣以提供一充入空氣，并將充入空氣引入內(nèi)燃機內(nèi)；將燃料引入內(nèi)燃機內(nèi)，以便在燃燒溫度接近一目標(biāo)燃燒溫度時與充入空氣混合燃燒，并產(chǎn)生一廢氣；使一第一部分充入空氣通過一熱交換器用于熱交換，使一第二部分充入空氣旁路通過一圍繞所述熱交換器的旁路管道；檢測在旁路管道和熱交換器下游的充入空氣的入口溫度；確定混合物內(nèi)的氧氣濃度；檢測包含要求扭矩、曲柄角和燃燒壓力在內(nèi)的發(fā)動機運行條件；以及確定一在檢測到的要求扭矩的用于峰值燃燒壓力的目標(biāo)曲柄角；通過操作一在旁路管道內(nèi)的控制閥門以調(diào)整檢測到的入口溫度和/或調(diào)節(jié)再循環(huán)廢氣的部分，控制旁路熱交換器的所述第二部分的量，使檢測到的曲柄角與目標(biāo)曲柄角一致。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，還包括壓縮充入空氣以在增壓壓力下提供充入空氣；檢測增壓壓力；以及響應(yīng)于檢測到的充入空氣入口溫度和檢測到的增壓壓力，控制引入到內(nèi)燃機內(nèi)的燃料比率。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，還包括使一第一部分充入空氣通過一熱交換器用于熱交換，使一第二部分充入空氣旁路通過一圍繞所述熱交換器的旁路管道；檢測在旁路管道和熱交換器下游的充入空氣的入口溫度；通過操作旁路管道內(nèi)的控制閥門，控制旁路熱交換器的所述第二部分的量，以使檢測到的入口溫度接近一目標(biāo)充入空氣溫度。
19.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，還包括以一與接觸發(fā)動機表面的充入空氣保持熱交換的關(guān)系、并通過散熱器循環(huán)發(fā)動機冷卻劑；以及響應(yīng)于發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負(fù)荷中的改變，控制通過散熱器的發(fā)動機冷卻劑的冷卻。
20.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，還包括再循環(huán)一部分廢氣，以與所述充入空氣和燃料混合。
21.一運行一內(nèi)燃機的方法，其包括將汽油燃料和充入空氣引入內(nèi)燃機，在一接近一目標(biāo)燃燒溫度的燃燒溫度下以一至少為12∶1的壓縮比燃燒，并產(chǎn)生廢氣；再循環(huán)一部分廢氣，以與充入空氣和燃料混合；確定峰值氣缸壓力；確定混合物內(nèi)的氧氣濃度以及調(diào)節(jié)再循環(huán)的廢氣部分，以在燃燒循環(huán)內(nèi)的一預(yù)定位置產(chǎn)生自動點火和峰值氣缸壓力。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，還包括使一第一部分充入空氣通過一熱交換器用于熱交換，使一第二部分充入空氣旁路通過一圍繞所述熱交換器的旁路管道；檢測在旁路管道和熱交換器下游的充入空氣的入口溫度；通過操作旁路管道內(nèi)的控制閥門，控制旁路熱交換器的所述第二部分的量，以使檢測到的入口溫度接近一目標(biāo)充入空氣溫度。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，還包括以一與接觸發(fā)動機表面的充入空氣保持熱交換的關(guān)系、并通過散熱器循環(huán)發(fā)動機冷卻劑；以及控制通過散熱器的發(fā)動機冷卻劑的冷卻，以幫助調(diào)節(jié)自動點火和峰值氣缸壓力在所述預(yù)定位置內(nèi)。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，所述燃燒循環(huán)內(nèi)的預(yù)定位置是在從剛好TDC之后到TDC之后接近15度的范圍內(nèi)。
25.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述燃燒循環(huán)內(nèi)的預(yù)定位置是在從剛好TDC之后到TDC之后接近15度的范圍內(nèi)。
26.一運行一內(nèi)燃機的方法，其包括將一具有一至少為90的辛烷值的燃料和充入空氣引入內(nèi)燃機，以便在預(yù)定使NOx形成為最小的目標(biāo)燃燒溫度下，以一15∶1到20∶1的壓縮比在混合物內(nèi)燃燒，并產(chǎn)生廢氣；再循環(huán)一部分廢氣，以與充入空氣和燃料混合；確定峰值氣缸壓力；確定混合物內(nèi)的氧氣濃度；在一預(yù)定的時間用從一火花設(shè)備中來的火花點燃混合物，以及調(diào)節(jié)再循環(huán)的廢氣部分，以調(diào)節(jié)最終壓縮溫度，并避免自動點火。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，還包括使一第一部分充入空氣通過一熱交換器用于熱交換，使一第二部分充入空氣旁路通過一圍繞所述熱交換器的旁路管道；檢測在旁路管道和熱交換器下游的充入空氣的入口溫度；通過操作旁路管道內(nèi)的控制閥門，控制旁路熱交換器的所述第二部分的量，以使檢測到的入口溫度接近一目標(biāo)充入空氣溫度。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，還包括以一與接觸發(fā)動機表面的充入空氣保持熱交換的關(guān)系、并通過散熱器循環(huán)發(fā)動機冷卻劑；以及控制發(fā)動機冷卻劑的冷卻，以幫助控制最終壓縮溫度。
全文摘要
一運行一內(nèi)燃機(22)的方法，其中，吸入的環(huán)境空氣通過至少一個壓縮機(19)增壓到一較高壓力，然后引入到內(nèi)燃機(22)內(nèi)。燃料也引入內(nèi)燃機(22)內(nèi)，以提供在一接近目標(biāo)值的燃燒溫度下、與充入空氣的混合物的燃燒?？蓹z測出包含要求扭矩在內(nèi)的各種發(fā)動機運行參數(shù)，例如，踏下油門踏板(33)，并且以正比于檢測到的要求扭矩中的變化的方式來變化增壓壓力，以保持燃燒溫度接近目標(biāo)值，即，低于2100°K。
文檔編號F01N13/02GK1675456SQ03818920
公開日2005年9月28日 申請日期2003年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月8日
發(fā)明者查爾斯L·小格雷 申請人:美國環(huán)境保護(hù)署