專利名稱：氣態(tài)燃料化學(xué)計(jì)量的壓燃式內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣態(tài)燃料化學(xué)計(jì)量的壓燃式內(nèi)燃發(fā)動機(jī)，并且尤其涉及使用引燃點(diǎn)火運(yùn)行的發(fā)動機(jī)。
背景技術(shù)：
已經(jīng)使用內(nèi)燃發(fā)動機(jī)來產(chǎn)生動力和驅(qū)動機(jī)器達(dá)一個多世紀(jì)。從一開始，內(nèi)燃發(fā)動機(jī)就已經(jīng)經(jīng)歷了許多改進(jìn)以變得更有效、更強(qiáng)有力和/或更少污染。已經(jīng)連同許多可替代的燃料選擇考慮了對發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)方面的各種修改。在本公開中，氣態(tài)燃料為在大氣壓力及溫度下處于氣相的燃料，以及為能夠在所公開的類型的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)中燃燒的氣體，所述氣態(tài)燃料的示例為甲烷、乙烷、丙烷和其它輕質(zhì)可燃性烴的衍生物以及氫和天然氣及這些燃料的其它混合物。特別地，天然氣一相對于常規(guī)柴油燃料更清潔地燃燒及遍及世界各地的豐富地且更廣地分布——作為諸如汽油和柴油之類的較為傳統(tǒng)的燃料的替代品受到了加倍重視。即，諸如價格、可獲及性、能源安全以及環(huán)境關(guān)注之類的因素正引導(dǎo)更多的燃料使用者來考慮替代性的燃料選擇。天然氣用作車輛的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)燃料已有五十多年。歷史上，驅(qū)動車輛的天然氣受到自然地熏蒸，意味著天然氣被引入到進(jìn)氣歧管中，使得燃料與進(jìn)氣的混合物通過敞開的進(jìn)氣門供給到氣缸中。對于這種發(fā)動機(jī)，由于氣態(tài)-燃料/空氣混合物與柴油、汽油燃料之類的液體燃料不同，通常更難以通過壓燃來點(diǎn)燃，因此用于點(diǎn)燃?xì)鈶B(tài)-燃料/空氣混合物的最常用的方法為使用火花點(diǎn)火。通常，已被商業(yè)化的火花點(diǎn)火式氣態(tài)燃料發(fā)動機(jī)有兩種類型，即，所謂的稀薄燃燒發(fā)動機(jī)以及以化學(xué)計(jì)量(stoichiometric)模式運(yùn)行的發(fā)動機(jī)，稀薄燃燒發(fā)動機(jī)將過量的氧氣輸送至燃燒室，而在化學(xué)計(jì)量模式中，氣態(tài)燃料/空氣混合物被控制為使得在燃燒期間，基本上所有的燃料與基本上所有的游離氧相結(jié)合。S卩，在理想的化學(xué)計(jì)量的燃料/空氣混合物的情況下，僅存在足以燃燒基本上所有可用燃料的氧氣。稀薄燃燒發(fā)動機(jī)與化學(xué)計(jì)量發(fā)動機(jī)各自具有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。例如，稀薄燃燒發(fā)動機(jī)通常允許更高的壓縮比并結(jié)合有更低的節(jié)流損失，這能夠提供更高的效率及更低的燃料消耗。稀薄燃燒發(fā)動機(jī)的不足之處在于離開燃燒室的廢氣中的過量氧氣的存在使得稀薄燃燒發(fā)動機(jī)與現(xiàn)代三元催化后處理子系統(tǒng)不兼容，這意味著需要更昂貴的后處理子系統(tǒng)來降低NOx水平。與稀薄燃燒發(fā)動機(jī)相比，化學(xué)計(jì)量發(fā)動機(jī)通常具有更低的壓縮比，這通常導(dǎo)致更低的效率和/或更低的動力輸出，但燃燒產(chǎn)物與現(xiàn)代三元催化后處理子系統(tǒng)兼容，因而這有助于化學(xué)計(jì)量發(fā)動機(jī)滿足近來的排放標(biāo)準(zhǔn)，而無需稀薄燃燒發(fā)動機(jī)所需要的更復(fù)雜及更昂貴的后處理子系統(tǒng)。例如，申請者的相關(guān)公司，Cummins Westport Inc.(康明斯-西港股份有限公司)最近提供了一種使用廢氣再循環(huán)及火花點(diǎn)火、以化學(xué)計(jì)量模式運(yùn)行的先進(jìn)的天然氣發(fā)動機(jī)，具有這種組合的特征的發(fā)動機(jī)在本文中被稱為SESI發(fā)動機(jī)。與早期發(fā)動機(jī)相比，所述SESI發(fā)動機(jī)使用相對高比率的經(jīng)冷卻的廢氣再循環(huán)(EGR)以減少過量空氣并因此減少燃燒期間NOx的產(chǎn)物，同時也減小燃燒爆震的可能性。
用于天然氣發(fā)動機(jī)的另一方式為非化學(xué)計(jì)量的并涉及使用壓燃而非火花點(diǎn)火來點(diǎn)燃燃料/空氣混合物(柴油機(jī)原理)。使用了比在火花點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)中所使用的壓縮比更高的壓縮比，因而允許更大的動力和更高的效率。然而，如之前指出的，由氣態(tài)燃料與空氣組成的充氣難以在不使用諸如較容易點(diǎn)燃引燃燃料——比如為少量的柴油燃料——的點(diǎn)火、電熱塞或其它熱表面之類的點(diǎn)火輔助裝置的情況下僅通過壓縮而點(diǎn)燃。在使用引燃燃料時，通常將引燃燃料直接地噴射到發(fā)動機(jī)氣缸的燃燒室中以初始點(diǎn)燃主要的氣態(tài)燃料。引燃燃料在燃燒室中與空氣混合，因燃燒室內(nèi)的壓力條件/溫度條件而點(diǎn)燃，并進(jìn)而點(diǎn)燃?xì)鈶B(tài)燃料。所需的引燃燃料的量可以非常小，例如，為存在的總?cè)剂系慕?%。這種引燃操作有時被稱為“微引燃”(micropilot)，并且該術(shù)語在本文中被定義為表示該意思。使用壓燃方式以及主要以熏蒸氣態(tài)燃料運(yùn)行的發(fā)動機(jī)通常被稱為“雙燃料”發(fā)動機(jī)并且在本文中如是指稱。雙燃料發(fā)動機(jī)能夠出于點(diǎn)燃的目的而將柴油引燃燃料直接地噴射到燃燒室中并且能夠使用EGR。然而，該方式因不使用節(jié)流器而使用了過量的空氣并因此為非化學(xué)計(jì)量的，并且如同稀薄燃燒發(fā)動機(jī)，雙燃料發(fā)動機(jī)需要更復(fù)雜的且更昂貴的排放處理以處理排放物。雙燃料發(fā)動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于其允許對現(xiàn)有柴油發(fā)動機(jī)的相對容易的改造。此外，只要證明是可取的或必要的，其允許僅使用柴油(100%引燃燃料)。通常，通過在噴射活動期間在用于燃料噴射的定時、燃料噴射的量以及燃料噴射速率方面的更精確控制，可以使發(fā)動機(jī)更有效、更有動力、更少污染。如果氣態(tài)燃料在高壓下被直接地嗔射到氣缸中，其中開始嗔射的定時在接近活塞的壓縮沖程結(jié)束時啟始，則在氣態(tài)燃料發(fā)動機(jī)中能夠獲得更高的效率和更好地排放。該方式降低燃燒爆震的可能性并且允許氣態(tài)燃料發(fā)動機(jī)以與常規(guī)的柴油發(fā)動機(jī)相同的壓縮比操作。然而，這需要更復(fù)雜的以及更昂貴的燃料供給子系統(tǒng)，該燃料供給子系統(tǒng)能夠在至少200bar的噴射壓力下輸送主要?dú)鈶B(tài)燃料和弓I燃燃料二者。例如，在共同擁有的美國專利N0.6，073，862，N0.6, 439, 192，N0.6，761，325 中公開了在這種噴射壓力下使用將氣態(tài)燃料直接地噴射到發(fā)動機(jī)氣缸的燃燒室中的先進(jìn)的發(fā)動機(jī)。在這些專利中以及在本文中，這些發(fā)動機(jī)被稱為高壓直噴式發(fā)動機(jī)或“HPDI發(fā)動機(jī)”。盡管這些發(fā)動機(jī)與其它氣態(tài)燃料發(fā)動機(jī)在動力、效率及對于柴油的主要?dú)鈶B(tài)燃料的高可能性替代率方面相比提供了優(yōu)點(diǎn)，但這種發(fā)動機(jī)以稀薄模式運(yùn)行，如常規(guī)柴油發(fā)動機(jī)那樣使用過量的空氣(非化學(xué)計(jì)量)。因此，為符合許多司法管轄區(qū)中的現(xiàn)行排放需求，與化學(xué)計(jì)量發(fā)動機(jī)相比，HPDI發(fā)動機(jī)通常需要更復(fù)雜且昂貴的用于廢氣處理的后處理子系統(tǒng)。HPDI的變型使用電火塞或其它熱表面點(diǎn)火裝置而不是引燃燃料來點(diǎn)燃?xì)鈶B(tài)燃料。例如在共同擁有的美國專利N0.6，845，746，N0.7，077，115，N0.7，281，514中公開了使用這種方式的發(fā)動機(jī)。在所公開的優(yōu)選實(shí)施方式中，氣態(tài)燃料被直接地噴射到燃燒室中，且開始噴射的定時處于壓縮循環(huán)中的較晚時的接近上止點(diǎn)或處于上止點(diǎn)處并且以與使用引燃燃料的HPDI發(fā)動機(jī)大約相同的噴射壓力噴射。主要燃料不為天然氣的多個其它發(fā)動機(jī)實(shí)施方式在本領(lǐng)域中已被設(shè)想出并且公開。例如，the Southwest Research Institute (西南研究所，SWR1)在美國專利N0.6，679，224中公開了使用EGR的一種柴油發(fā)動機(jī)，該柴油發(fā)動機(jī)適于暫時性地工作在化學(xué)計(jì)量條件下，并且尤其提供了一種方法，該方法用于再生稀NOx捕集器而無需將未燃盡的燃料引入發(fā)動機(jī)的排氣流中或者無需用于操作發(fā)動機(jī)或后處理裝置的額外的物質(zhì)。該主要燃料為柴油，并且其教示了使用諸如蒸餾過的柴油、汽油、天然氣、液化石油氣(LPG)或氫之類的第二燃料，該第二燃料被暫時地噴射到進(jìn)氣歧管中，以在其被引入到燃燒室中之前與空氣預(yù)混合。在美國專利N0.7，389，752中，SWRI也教示了一種發(fā)動機(jī)實(shí)施方式，其中，汽油為優(yōu)選的主要燃料并且潤滑油為微引燃燃料。能夠使用高水平的ERG(例如25-60%)。SffRI的這些公開中均未對使用氣態(tài)燃料作為主要燃料進(jìn)行教示，也未對以與常規(guī)液體燃料發(fā)動機(jī)的方式不同的方式操作發(fā)動機(jī)以利用氣態(tài)燃料的不同特性的方法作出調(diào)整，所述氣態(tài)燃料的不同特性諸如，例如，這種氣態(tài)燃料的燃燒產(chǎn)生更少的也被稱為煙灰的顆粒物質(zhì)，這能夠允許使用更高水平的EGR而不具有再循環(huán)大量煙灰的后果，并且允許通常更高的可燃性極限以及更長的點(diǎn)火延遲，這能夠幫助減小燃燒爆震的危險。盡管內(nèi)燃發(fā)動機(jī)已經(jīng)歷持續(xù)的改進(jìn)長達(dá)一個多世紀(jì)，但內(nèi)燃發(fā)動機(jī)中的燃燒過程仍是復(fù)雜的，并且甚至現(xiàn)在仍未被完全理解。存在仍未被試過的以及未通過計(jì)算機(jī)建模和/或?qū)嶒?yàn)測試來觀察過的特征的許多變量和組合，之前未試過的組合的作用不能被準(zhǔn)確地預(yù)測。如以上討論的，關(guān)于氣態(tài)燃料發(fā)動機(jī)，已存在使用了火花點(diǎn)火、引燃、熱表面點(diǎn)火的方式，并且已存在稀薄燃燒發(fā)動機(jī)、化學(xué)計(jì)量發(fā)動機(jī)，以及已存在使用預(yù)混合燃料-空氣混合物并直接將分層的燃料-空氣混合物噴射的進(jìn)氣口噴射的熏蒸的發(fā)動機(jī)，并且已存在使用三元催化劑的發(fā)動機(jī)以及使用諸如需要添加比如尿素的還原劑的選擇性催化還原之類的相對更復(fù)雜的后處理子系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)。通常，對于發(fā)動機(jī)技術(shù)的關(guān)注需要防止不可接受的燃燒爆震，所述燃燒爆震隨著氣缸內(nèi)溫度變得更高和/或具有更高的壓縮比和/或低辛烷值的燃料等而可能變得更成問題。在本領(lǐng)域多種技術(shù)已被建議來控制或減小燃燒爆震。例如美國專利N0.7，028，644公開了在火花點(diǎn)火的、具有高壓縮比的汽油發(fā)動機(jī)中添加氫以避免燃燒爆震并允許更高水平的冷卻的EGR。美國專利N0.7，290，522和N0.7，461，628公開了通過添加氫或變化量的噴射乙醇來分別防止燃燒爆震的兩種模式的發(fā)動機(jī)。已經(jīng)在提高發(fā)動機(jī)性能以及提供可替代的燃料使用方面做過許多工作。在已知的氣態(tài)-燃料發(fā)動機(jī)技術(shù)中，已示出了產(chǎn)生最高的性能及效率的HPDI，這使得HPDI對于某些應(yīng)用而言成為優(yōu)選的選擇。然而，對于無需如此高的性能的更少需求的應(yīng)用而言，存在對于更簡單以及更低價的發(fā)動機(jī)的需求。本技術(shù)解決了這種需求以及其它需求。

發(fā)明內(nèi)容
本技術(shù)涉及借助于引燃運(yùn)行的氣態(tài)燃料化學(xué)計(jì)量的壓燃式內(nèi)燃發(fā)動機(jī)。根據(jù)本方法，主要燃料為氣態(tài)燃料，其中引燃燃料為在壓燃發(fā)動機(jī)中建立的一般條件下更易于自動點(diǎn)火的燃料。燃料總量為引燃燃料的量結(jié)合氣態(tài)燃料的量。平均而言，基于能量，作為主要燃料的氣態(tài)燃料代表了由發(fā)動機(jī)消耗的燃料的大多數(shù)，并且取決于運(yùn)行條件，主要燃料能夠達(dá)到輸送至燃燒室的總體燃料的至少90%。該方法總體上包括基于期望的發(fā)動機(jī)負(fù)載確定引入到燃燒室中的主要原料的以質(zhì)量計(jì)的量，將由引燃燃料提供的能量考慮在內(nèi)以便不引起過裝料。同樣基于期望的發(fā)動機(jī)負(fù)載和/或其它發(fā)動機(jī)操作條件，該辦法還包括確定通過廢氣再循環(huán)子系統(tǒng)被冷卻的和重新循環(huán)回燃燒室中的廢氣的以質(zhì)量計(jì)的量。于是，通過已知的燃料的總量、同樣已知的需被重新循環(huán)的廢氣的量，來自進(jìn)氣歧管的一定量的空氣被輸送入燃燒室中，其中，空氣的量使用空氣/燃料比控制裝置來控制，并且，預(yù)定量的空氣與總量的燃料相匹配以在正常運(yùn)行條件期間在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生基本的化學(xué)計(jì)量條件。通過引燃燃料噴射器將引燃燃料直接地噴射到燃燒室中，使得用于噴射引燃燃料的定時在壓縮循環(huán)中較晚，將用于引燃燃料的點(diǎn)火延遲考慮在內(nèi)，并且開始燃燒的定時處于或靠近上止點(diǎn)時發(fā)生。本辦法使用燃料和廢氣的以質(zhì)量計(jì)的量的確定，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地理解，確定以質(zhì)量計(jì)的上述量的等同方法可以基于體積和壓力或其它與質(zhì)量相關(guān)聯(lián)的參數(shù)的測量值。在引燃燃料噴射器位于其噴嘴能夠?qū)⒁既剂现苯拥貒娚涞饺紵抑械奈恢锰帟r，主要燃料噴射器可以為具有在低壓下用于將氣態(tài)主要燃料引入到進(jìn)氣歧管中或可替代地直接地噴射到燃燒室中的噴嘴的一個噴射器，或所述設(shè)備可以包括多個主要燃料噴射器，每個主要燃料噴射器與相應(yīng)的進(jìn)氣口或燃燒室相關(guān)聯(lián)。在氣態(tài)燃料被直接地噴射到燃燒室中時，氣態(tài)燃料噴射的定時優(yōu)選地被控制成在壓縮沖程的開始期間發(fā)生，例如，氣態(tài)燃料噴射被控制成上止點(diǎn)之前80度與上止點(diǎn)之前180度的曲柄角之間開始。同樣，氣態(tài)燃料噴射能夠被控制成在進(jìn)氣沖程期間開始。在本方法中，空氣/燃料比控制裝置可以包括節(jié)流器、不同的可變氣門致動策略、噴射到進(jìn)氣歧管中的天然氣的脈沖寬度調(diào)制，在廢氣再循環(huán)系統(tǒng)中控制EGR閥或其組合。通過“脈沖寬度”，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解氣態(tài)燃料噴射活動的持續(xù)時間。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解某些可變氣門致動(“VVA”)策略包括僅改變進(jìn)氣門打開和/或關(guān)閉的定時，而其它 致動策略可以僅包括改變進(jìn)氣門升程，并且還有一些其它的策略可以允許改變進(jìn)氣門的定時和升程二者。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，由于主要燃料與進(jìn)氣預(yù)混合，并且發(fā)動機(jī)的壓縮比被保持為足夠高以獲得引燃燃料的可靠地壓燃，本發(fā)動機(jī)和用于操作本發(fā)動機(jī)的方法優(yōu)選地使用設(shè)計(jì)成防止燃燒爆震的策略。為控制燃燒爆震，該方法可以包括選自由下述構(gòu)成的組的一個或多個步驟:選擇低于常規(guī)柴油發(fā)動機(jī)但高于常規(guī)SESI發(fā)動機(jī)的發(fā)動機(jī)壓縮比的發(fā)動機(jī)壓縮比，通過改變每個氣缸的用于打開和關(guān)閉進(jìn)氣門的定時而動態(tài)地控制壓縮比，增加進(jìn)氣的冷卻使得充氣混合物在其進(jìn)入燃燒室時低于60°C ;增加再循環(huán)的經(jīng)冷卻的廢氣的量；增加再循環(huán)的廢氣的冷卻；以及管理環(huán)竄漏及曲柄箱強(qiáng)制通風(fēng)以便使其小于到達(dá)發(fā)動機(jī)的總流量的約2%。發(fā)動機(jī)優(yōu)選地以小于14:1的壓縮比運(yùn)行。本發(fā)動機(jī)及用于操作本發(fā)動機(jī)的方法能夠同樣使用策略來在發(fā)動機(jī)在預(yù)定的低負(fù)載以下運(yùn)行時，通過下述方法來控制泵送損失，所述方法為控制進(jìn)氣門打開和關(guān)閉的定時和/或進(jìn)氣門升程，停用發(fā)動機(jī)燃燒室中的至少一個燃燒室使得空氣、氣態(tài)燃料以及引燃燃料被引入到減少數(shù)量的發(fā)動機(jī)燃燒室中，或打開發(fā)動機(jī)的排氣系統(tǒng)中的旁通閥使得廢氣中的至少一些旁通過安裝在連接到所述發(fā)動機(jī)的排氣管線上的渦輪增壓器。一個涉及進(jìn)氣門提早關(guān)閉(“EIVC”)的優(yōu)選的VVA策略包括在與發(fā)動機(jī)燃燒室相關(guān)聯(lián)的活塞處于或靠近進(jìn)氣沖程的上止點(diǎn)(“TDC”)時打開進(jìn)氣門，并且在活塞到達(dá)進(jìn)氣沖程的下止點(diǎn)(“BDC”)之前并且優(yōu)選地在活塞到達(dá)進(jìn)氣沖程的下止點(diǎn)之前20度的曲柄角處時關(guān)閉進(jìn)氣I 。另一涉及進(jìn)氣門延遲關(guān)閉(“LIVC”)的優(yōu)選的VVA策略包括在與發(fā)動機(jī)燃燒室相關(guān)聯(lián)的活塞處于或靠近進(jìn)氣沖程的上止點(diǎn)時打開進(jìn)氣門，并且在活塞的壓縮沖程期間在活塞處于活塞的進(jìn)氣沖程的下止點(diǎn)之后大于20度的曲柄角處時關(guān)閉進(jìn)氣門。優(yōu)選地，進(jìn)氣門在活塞到達(dá)進(jìn)氣沖程的下止點(diǎn)之后120度的曲柄角之前被關(guān)閉。本發(fā)動機(jī)總體上包括燃燒室；用于將氣態(tài)主要燃料引入到進(jìn)氣歧管或進(jìn)氣口或直接地引入到燃燒室中的氣態(tài)主要燃料噴射器；用于將引燃燃料噴射到燃燒室中的引燃燃料噴射器；廢氣再循環(huán)子系統(tǒng)；用于控制燃燒混合物的空氣/燃料比的裝置；以及發(fā)動機(jī)控制器，該發(fā)動機(jī)控制器被編程為對氣態(tài)主要燃料噴射器、引燃燃料噴射器、廢氣再循環(huán)子系統(tǒng)和空氣/燃料比控制裝置進(jìn)行控制使得在發(fā)動機(jī)的正常運(yùn)行期間空氣/燃料比基本上為化學(xué)計(jì)量的。氣態(tài)主要燃料噴射器優(yōu)選地位于進(jìn)氣歧管中或進(jìn)氣口中，并且對于具有多個氣缸的發(fā)動機(jī)而言，理想的是可以使用多個主要燃料噴射器，并使每個噴射器與各自的進(jìn)氣口相關(guān)聯(lián)。作為進(jìn)氣口噴射該方法是已知的。在另一實(shí)施方式中，氣態(tài)主要燃料可以被直接地引入到每個氣缸中，使得與在活塞更接近上止點(diǎn)時將燃料在壓縮沖程的較晚時引入的較為常規(guī)的直接噴射方法相比，燃料的引入被定時成在進(jìn)氣沖程期間或在壓縮沖程的較早時，從而燃料在相對低的壓力下仍被噴射。用于對將空氣和/或再循環(huán)廢氣到燃燒室中的引入進(jìn)行控制的裝置包括節(jié)流裝置、進(jìn)氣門、排氣門和EGR閥。發(fā)動機(jī)包括控制器，控制器編程為控制用于在發(fā)動機(jī)正常運(yùn)行期間對將空氣和/或再循環(huán)的廢氣到所述燃燒室中的引入進(jìn)行控制以獲得化學(xué)計(jì)量的氧/燃料比的裝置。控制器被編程為控制進(jìn)氣門的打開和關(guān)閉和/或進(jìn)氣門升程以獲得化學(xué)計(jì)量的氧/燃料比。在一個優(yōu)選的實(shí)施方式中，發(fā)動機(jī)控制器被編程為控制進(jìn)氣門使得該進(jìn)氣門在與燃燒室相關(guān)聯(lián)的活塞處于或靠近活塞的進(jìn)氣沖程的上止點(diǎn)處時打開并且該進(jìn)氣門在活塞的進(jìn)氣沖程期間關(guān)閉。優(yōu)選地，控制器控制進(jìn)氣門使得其在與燃燒室相關(guān)聯(lián)的活塞處于活塞的進(jìn)氣沖程的下止點(diǎn)之前20度的曲柄角之前關(guān)閉。在另一優(yōu)選的實(shí)施方式中，發(fā)動機(jī)控制器被編程為控制進(jìn)氣門使得其在與燃燒室相關(guān)聯(lián)的活塞處于或接近活塞的進(jìn)氣沖程的上止點(diǎn)時打開，并且該進(jìn)氣門在與燃燒室相關(guān)聯(lián)的活塞在活塞的壓縮沖程期間處于活塞的進(jìn)氣沖程的下止點(diǎn)之后大于20度的曲柄角處時關(guān)閉。優(yōu)選地，控制器被編程為對進(jìn)氣門進(jìn)行控制使得其在與燃燒室相關(guān)聯(lián)的活塞處于活塞的進(jìn)氣沖程的下止點(diǎn)之后120度的曲柄角之前關(guān)閉。在本發(fā)動機(jī)的一個實(shí)施方式中，連接到發(fā)動機(jī)的排氣管線包括渦輪增壓器和用于旁通過該渦輪增壓器的旁通閥并且發(fā)動機(jī)控制器控制該旁通閥以在發(fā)動機(jī)以低負(fù)載運(yùn)行時完全地或部分地打開該旁通閥。這具有降低發(fā)動機(jī)的有效運(yùn)行所需的泵送功的效果。發(fā)動機(jī)控制器也被編程為停用發(fā)動機(jī)的氣缸中的至少一個氣缸使得空氣、氣態(tài)燃料以及引燃燃料被引入到減少數(shù)量的氣缸中，以在發(fā)動機(jī)以低負(fù)載運(yùn)行時通過燃燒產(chǎn)生動力。這也減少了發(fā)動機(jī)的有效運(yùn)行所需的總體上的泵送功。本結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于內(nèi)燃發(fā)動機(jī)可以包括低價的三元催化劑排放處理子系統(tǒng)。用于控制燃燒混合物的空氣/燃料比的裝置可以包括節(jié)流器、不同的可變氣門致動策略或氣態(tài)燃料噴射器的脈寬調(diào)制(PWM)。本化學(xué)計(jì)量的壓燃式內(nèi)燃發(fā)動機(jī)和該運(yùn)行策略已被發(fā)現(xiàn)特別適用于以天然氣為氣態(tài)主要燃料并且以柴油為引燃燃料的運(yùn)行。


圖1為配備有三元催化劑排放處理子系統(tǒng)并具有將氣態(tài)燃料噴射到進(jìn)氣歧管中的噴射器的、節(jié)流的、化學(xué)計(jì)量的壓燃式內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的示意圖。圖2示出使用了進(jìn)氣門提早關(guān)閉或進(jìn)氣門延遲關(guān)閉的用于不同氣門致動策略的進(jìn)氣門升程和進(jìn)氣門打開持續(xù)時間。圖3為配備了三元催化劑排放處理子系統(tǒng)并具有將氣態(tài)燃料直接地噴射到燃燒室中的噴射器的、節(jié)流的、化學(xué)計(jì)量的壓燃式內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的示意圖。圖4a、圖4b以及圖4c分別示出了對于在計(jì)算的發(fā)動機(jī)示例中的示例性SESI及本發(fā)動機(jī)，指示平均有效壓力(IMEP)、爆震指數(shù)及熱效率與開始燃燒定時的結(jié)果的關(guān)系曲線。圖5示出對于施加至中等負(fù)載的氣態(tài)燃料內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的不同進(jìn)氣門關(guān)閉定時，指示比燃料消耗(ISFC)與制動平均有效壓力(BMEP)的關(guān)系曲線。圖6示出對于中等負(fù)載的氣態(tài)燃料內(nèi)燃發(fā)動機(jī)在壓縮沖程期間在使用不同的進(jìn)氣門關(guān)閉定時的情況下模型化的缸內(nèi)溫度。圖7示出對于使用節(jié)流、渦輪增壓器旁通和/或可變氣門致動策略的不同發(fā)動機(jī)運(yùn)行模式的模型化的凈比燃料消耗率。
具體實(shí)施例方式出于突出重點(diǎn)及簡潔的目的，對實(shí)施方式的常規(guī)的以及對那些熟悉氣態(tài)燃料發(fā)動機(jī)技術(shù)的人而言已知的某些方面不再做詳細(xì)描述。在現(xiàn)有技術(shù)中，某些術(shù)語已被用在不同的上下文中及不同的出版物中以具有不同的意義。因此，在本公開的上下文中以及在本方法和設(shè)備的描述中，以下術(shù)語被定義如下:“化學(xué)計(jì)量”指的是與氧化劑和燃料混合物有關(guān)的情形，其中，氧化劑的總量與存在的燃料的總量相平衡，使得在被燃燒時二者都將基本上完全地被消耗。從數(shù)字上而言，總氧化劑/總?cè)剂媳葍?yōu)選地為1±0.1，并且更優(yōu)選地為1±0.05?！罢！卑l(fā)動機(jī)運(yùn)行指的是對于發(fā)動機(jī)而言在以穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行時運(yùn)行的多個常規(guī)模式(例如，空載、輕載、滿載)。大多數(shù)時間里，發(fā)動機(jī)被期望運(yùn)行在這些模式中的一種模式中。然而，這并不包括諸如與維護(hù)、診斷、瞬態(tài)工況等之類相關(guān)的特殊情形。關(guān)于燃料噴射的“低壓”指的是低于約50bar的壓力。圖1示出了發(fā)動機(jī)系統(tǒng)I的示意圖，其包括氣態(tài)燃料化學(xué)計(jì)量的壓燃式內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的一個實(shí)施方式的示例。在該示例中，化學(xué)計(jì)量能夠部分地通過使用節(jié)流器20以控制進(jìn)氣的量并且部分地通過使用EGR閥15以控制被再循環(huán)的廢氣的量而進(jìn)行控制。發(fā)動機(jī)系統(tǒng)I還配備有用于對通過排氣門6離開燃燒室4的發(fā)動機(jī)廢氣進(jìn)行處理的三元催化劑21。實(shí)際的發(fā)動機(jī)通常包括多個氣缸和多個燃燒室，但是出于說明的目的，在圖1中不出的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)僅包括由氣缸2和往復(fù)式活塞3限定的燃燒室4。進(jìn)氣門5和排氣門6分別允許空氣/燃料混合物進(jìn)入燃燒室4中以及允許燃燒廢氣從燃燒室4離開。發(fā)動機(jī)系統(tǒng)I還設(shè)有進(jìn)氣歧管7和排氣歧管8，所述進(jìn)氣歧管7和排氣歧管8分別流體連接到進(jìn)氣門5和排氣門6。
在發(fā)動機(jī)系統(tǒng)I中使用的主要燃料為氣態(tài)燃料，所述氣態(tài)燃料從主要燃料供給器9供給，并通過位于進(jìn)氣門5附近的主要燃料噴射器11引入到進(jìn)氣歧管7中。由于進(jìn)氣歧管7的部分通常被描述為進(jìn)氣口，因而示出的實(shí)施方式有時被描述為進(jìn)氣口噴射。在將處于該位置的氣態(tài)燃料引入時，能夠使用相對低的噴射壓力，例如約I至15bar (度量)。由于對于諸如天然氣之類的氣態(tài)燃料而言進(jìn)氣口噴射是已熟知的，因此，主要燃料供給器9可以是為向進(jìn)氣口噴射器供給存儲為壓縮天然氣或者液化天然氣的燃料而開發(fā)的適當(dāng)?shù)娜剂瞎┙o子系統(tǒng)。僅靠壓縮通常不是一種用于點(diǎn)燃空氣/氣態(tài)燃料混合物的可靠的方式。如之前相對于已知的方式討論過的，用于輔助點(diǎn)燃空氣/氣態(tài)燃料混合物的策略是理想的。然而對于進(jìn)氣口噴射的氣態(tài)燃料，該點(diǎn)火輔助通常通過火花塞來實(shí)現(xiàn)，本結(jié)構(gòu)使用諸如柴油之類的適當(dāng)?shù)囊既剂?，所述引燃燃料?jīng)由小的共軌從引燃燃料供給器10供給并由引燃燃料噴射器12直接地引入到燃燒室4中。相對高的噴射壓力——例如200至2000bar——被用于使液體柴油燃料霧化和分散并克服由于壓縮沖程而在燃燒室4中存在的、與在進(jìn)氣歧管7中的壓力相比相對較高的壓力。發(fā)動機(jī)系統(tǒng)I還包括在本文中示意性地由EGR回路14和可控制的ERG閥15表示的廢氣再循環(huán)(EGR)子系統(tǒng)。如在圖1中所示，準(zhǔn)許進(jìn)入進(jìn)氣歧管7的周圍空氣的量通過節(jié)流器20來調(diào)節(jié)。電子可編程發(fā)動機(jī)控制器16接收來自傳感器(未示出)的信號并控制各種發(fā)動機(jī)部件，所述傳感器檢測諸如燃料存儲箱中的燃料液位、溫度、壓力以及單獨(dú)地或聯(lián)合地指示某些發(fā)動機(jī)狀況之類的某些發(fā)動機(jī)運(yùn)行參數(shù)，示出了所述各種發(fā)動機(jī)部件中的一些部件，例如主要燃料噴射器11、引燃燃料噴射器12、EGR閥15、進(jìn)氣門5、排氣門6和節(jié)流器20。在圖1中，虛線代表將傳感器信號發(fā)送到控制器16的信號線以及將來自控制器16的控制信號發(fā)送到所連接的發(fā)動機(jī)部件的信號線。通常認(rèn)為，發(fā)動機(jī)控制器16可以用于檢測其它的發(fā)動機(jī)運(yùn)行參數(shù)并且控制除在文中描述的那些部件以外的部件。在正常運(yùn)行中，發(fā)動機(jī)控制器16響應(yīng)于由操作者確定的可變的發(fā)動機(jī)負(fù)載來控制發(fā)動機(jī)部件?？刂破?6基于所指令的負(fù)載確定期望的化學(xué)計(jì)量的燃燒混合物并且相應(yīng)地增加或減少氣態(tài)主要燃料的噴射量。另外，控制器16調(diào)節(jié)節(jié)流器20、進(jìn)氣門5和EGR閥15以允許期望的量的空氣和稀釋的廢氣分別進(jìn)入進(jìn)氣歧管7中。之后，在壓縮階段期間，控制器16對引燃燃料噴射器進(jìn)行操作以便獲得噴射的引燃燃料的期望的量、速率和定時。在正常運(yùn)行期間，發(fā)動機(jī)控制器16被編程為維持化學(xué)計(jì)量的空氣/燃料比并且如果控制器16檢測到空氣/燃料比已從化學(xué)計(jì)量偏離，則控制器16對所連接的發(fā)動機(jī)部件進(jìn)行控制以恢復(fù)化學(xué)計(jì)量的氧化劑/燃料比。如本文中所描述的，控制器16可以具有其能夠控制的多個部件以便調(diào)節(jié)氧化劑/燃料比，并且控制器16被編程為根據(jù)所檢測到的發(fā)動機(jī)參數(shù)和所確定的發(fā)動機(jī)狀況來調(diào)整這些部件中一個或多個部件。通過維持化學(xué)計(jì)量的空氣/燃料比，發(fā)動機(jī)廢氣基本上不含氧并因此一種相對簡單并低價的常規(guī)三元催化劑子系統(tǒng)21被用作排放物處理子系統(tǒng)。然而，在不脫離本技術(shù)的情況下，發(fā)動機(jī)I在短期內(nèi)——諸如在冷啟動期間、在廢氣處理裝置的再生期間、在以廢氣催化劑溫度保護(hù)模式下運(yùn)行時、或者僅柴油模式下(例如，在天然氣不可及時)——能夠以非化學(xué)計(jì)量模式操作。取代節(jié)流器20或者除了使用節(jié)流器20以外，用于控制空氣/燃料混合物的可替代的實(shí)施方式使用不同的可變氣門致動策略以控制通過進(jìn)氣門5引入到燃燒室中的充氣的量。在示出的實(shí)施方式中，進(jìn)氣門5和排氣門6的打開和關(guān)閉通過控制器16來控制。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，可變氣門致動策略使得能夠控制進(jìn)氣門的定時和升程二者。這種可變氣門致動裝置包括被電子地控制的電磁閥。可變氣門致動策略已將額外的變量引入到發(fā)動機(jī)運(yùn)行中，并具有預(yù)想不到的效果。例如，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)那種僅使用與常規(guī)進(jìn)氣門的打開定時相比提前或延遲該進(jìn)氣門打開的定時而不對進(jìn)氣門保持打開的時長進(jìn)行控制的策略并不具有有益的效果。這種定時策略增加了將必要量的空氣輸送到燃燒室所需的泵送功或者導(dǎo)致燃料消耗方面的凈增加，如在在延遲進(jìn)氣門打開的定時時所觀察到的，或者其可以干擾活塞沖程，并且可以將相對高水平的剩余物引入到廢氣流中，如在提前進(jìn)氣門打開的定時時所觀察到的。發(fā)現(xiàn)如以下進(jìn)一步描述的，在將進(jìn)氣門打開的定時維持于在活塞進(jìn)氣沖程之前的約TDC (上止點(diǎn))處并且提前或延遲進(jìn)氣門關(guān)閉的定時對于總體的發(fā)動機(jī)效率而言更有益處。圖2說明了對于不同的進(jìn)氣門致動策略而言在“上止點(diǎn)點(diǎn)火之后”(ATDCf)的曲柄角角度中測量到的進(jìn)氣門沖程和進(jìn)氣門打開持續(xù)時間。曲柄角在TDCf處為零，該TDCf指示在氣缸體積在活塞的壓縮沖程與動力沖程之間被最小化時的點(diǎn)。在圖2中，360° ATDCf的曲柄角指示上止點(diǎn)(TDC)，上止點(diǎn)(TDC)為在活塞進(jìn)氣沖程開始處的最小氣缸體積的點(diǎn)，而540° ATDCf的曲柄角指示下止點(diǎn)(BDC)，下止點(diǎn)(BDC)為在活塞進(jìn)氣沖程結(jié)束處的最大氣缸體積的點(diǎn)。不具有可變氣門致動的常規(guī)發(fā)動機(jī)通常具有如由標(biāo)記號100指示的氣門升程型線，其中進(jìn)氣門在TDC處打開并且在BDC處或靠近BDC處關(guān)閉。使用可變氣門致動策略的第一 VVA實(shí)施方式由進(jìn)氣門升程型線200指示，并包括在與常規(guī)策略的約相同的時間打開進(jìn)氣門，更具體地，在進(jìn)氣沖程之前的約上止點(diǎn)(TDC)處、在360° ATDCf的曲柄角處打開進(jìn)氣門并且對于相同的發(fā)動機(jī)而言與由進(jìn)氣門升程型線100指示的常規(guī)策略相比，提早地關(guān)閉進(jìn)氣門。即，在該第一實(shí)施方式中，進(jìn)氣門在活塞的進(jìn)氣沖程期間在活塞已移動到BDC位置之前被關(guān)閉。該策略優(yōu)選地涉及減小進(jìn)氣門升程。通過進(jìn)氣門升程型線200示出的進(jìn)氣門提早關(guān)閉包括在進(jìn)氣沖程結(jié)束之前(BDC之前)至少20°的曲柄角處關(guān)閉進(jìn)氣門。優(yōu)選地，通過型線200示出的進(jìn)氣門提早關(guān)閉包括在打開進(jìn)氣門后將其保持成打開20度至180度的曲柄角。由進(jìn)氣門升程型線300指示的第二 VVA實(shí)施方式包括在與由進(jìn)氣門升程型線100指示的常規(guī)策略約相同的時間打開進(jìn)氣門，更具體地，在進(jìn)氣沖程之前的約TDC處、在360° ATDCf的曲柄角處打開進(jìn)氣門，并且在壓縮沖程期間較晚地關(guān)閉進(jìn)氣門，更具體地，在大于560° ATDCf的曲柄角處、在進(jìn)氣沖程結(jié)束之后(在BDC之后)20度的曲柄角處關(guān)閉進(jìn)氣門。進(jìn)氣門延遲關(guān)閉包括在進(jìn)氣沖程結(jié)束之后(在BDC之后)約20至120度的曲柄角處關(guān)閉進(jìn)氣門。在該第二 VVA實(shí)施方式中，在進(jìn)氣門打開的部分持續(xù)時間或全部持續(xù)時間內(nèi)，最大進(jìn)氣門升程可小于由進(jìn)氣門升程型線100指示的常規(guī)策略中所使用的最大進(jìn)氣門升程。發(fā)明者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果已表明通過以上描述的進(jìn)氣門提早關(guān)閉和進(jìn)氣門延遲關(guān)閉策略能夠?qū)崿F(xiàn)在低負(fù)載及高負(fù)載兩種情況下的更好的燃料消耗及排放物減少。在高負(fù)載下的發(fā)動機(jī)運(yùn)行期間，不僅進(jìn)氣門提早關(guān)閉而且進(jìn)氣門延遲關(guān)閉都具有減小有效發(fā)動機(jī)壓縮比的效果，使得具有在壓縮結(jié)束時減小缸內(nèi)溫度的總體效果。通過進(jìn)氣門提早關(guān)閉或進(jìn)氣門延遲關(guān)閉，觀察到能夠減小在高負(fù)載下的發(fā)動機(jī)爆震的危險而無需不得不改變發(fā)動機(jī)的幾何壓縮比。即，本方法允許發(fā)動機(jī)以比常規(guī)的SESI發(fā)動機(jī)更高的幾何壓縮比運(yùn)行，同時以更低的有效壓縮比運(yùn)行，這具有在壓縮結(jié)束時減小缸內(nèi)溫度并防止爆震的總體效果。與燃用稀燃料混合物的發(fā)動機(jī)相比，這對于更易于產(chǎn)生發(fā)動機(jī)爆震的燃用化學(xué)計(jì)量燃料的發(fā)動機(jī)而言尤為有益。由于燃燒室內(nèi)部的壓縮過程基本上在進(jìn)氣過程結(jié)束時開始，因此有效壓縮比被限定為在通過進(jìn)氣門的進(jìn)氣流停止時燃燒室的體積與壓縮沖程結(jié)束時燃燒室的體積之間的比率。對于進(jìn)氣門提早關(guān)閉及進(jìn)氣門延遲關(guān)閉兩種情況而言，如在常規(guī)的進(jìn)氣門升程型線中的情況一樣，在通過進(jìn)氣門的進(jìn)氣流停止的時候燃燒室的體積均小于在活塞到達(dá)下止點(diǎn)(在壓縮沖程之前)時燃燒室的體積，并且因此對于進(jìn)氣門提早關(guān)閉和進(jìn)氣門延遲關(guān)閉的有效壓縮比均小于常規(guī)有效壓縮比。這導(dǎo)致降低了燃燒期間在壓縮沖程結(jié)束時的缸內(nèi)溫度以及尾氣溫度，從而減小了爆震的可能性。為維持用于發(fā)動機(jī)的化學(xué)計(jì)量運(yùn)行所需的動力，在以上所描述的氣門致動策略期間引入到燃燒室中的充氣量必須維持為相對恒定的以維持給定的動力輸出。這可以通過對被限定為在進(jìn)氣歧管中的壓力的增壓壓力進(jìn)行控制來實(shí)現(xiàn)。由于有效壓縮比被減小，為滿足給定負(fù)載所需的增壓壓力增大。在處于高負(fù)載時，以上氣門致動策略通常不需要使用節(jié)流調(diào)節(jié)，在處于低負(fù)載時，節(jié)流調(diào)節(jié)優(yōu)選與改變進(jìn)氣門關(guān)閉的定時一起使用以調(diào)節(jié)引入到燃燒室中的空氣的量，尤其在短的進(jìn)氣門打開持續(xù)時間的期間內(nèi)。進(jìn)氣門響應(yīng)時間通常比節(jié)流器響應(yīng)時間更慢，因此通常在低負(fù)載時僅通過使用僅以上描述的氣門致動技術(shù)更難以控制引入到燃燒室中的空氣量。用于在減少泵送損失的同時保持在低負(fù)載時所需的噴射到燃燒室內(nèi)的充氣量的另一技術(shù)為停用一些發(fā)動機(jī)氣缸使得發(fā)動機(jī)以減少數(shù)量的氣缸運(yùn)行。氣缸停用涉及增加引入到每個點(diǎn)火氣缸的燃燒室中的充氣量；這導(dǎo)致在進(jìn)氣沖程期間點(diǎn)火氣缸的更高的缸內(nèi)壓力以及因此減少的泵送功。發(fā)動機(jī)系統(tǒng)通常包括渦輪增壓器，在該渦輪增壓器中，安裝在排氣系統(tǒng)中的渦輪使用廢氣中的焓以驅(qū)動進(jìn)氣系統(tǒng)中的壓縮機(jī)，這增大了進(jìn)氣壓力。對于這種系統(tǒng)而言，用于在減少由系統(tǒng)在低負(fù)載時所作的泵送功的同時維持引入到燃燒室中所需的充氣量的另一技術(shù)為打開旁通閥(稱為“廢氣門”)使得一些或所有的廢氣在離開發(fā)動機(jī)之后旁通過渦輪增壓器。在旁通過渦輪增壓器時，在排氣管線中產(chǎn)生更少的背壓，并因此需要更少的將廢氣推出燃燒室的泵送功。同樣，在一些或所有廢氣流旁通過渦輪增壓器時，供給到發(fā)動機(jī)的空氣的壓力保持為更低并且進(jìn)氣能夠被輸送到發(fā)動機(jī)而無需節(jié)流。在圖3中示出的另一替代性實(shí)施方式中，低壓主要燃料噴射器IlA能夠被定位成使得噴嘴位于燃燒室4內(nèi)，使得主要燃料噴射器閥本體安裝在氣缸中或安裝在氣缸蓋中以將氣態(tài)燃料引導(dǎo)到燃燒室中而不是使進(jìn)氣通過進(jìn)氣門5。為了避免與將氣態(tài)燃料提升至更高的噴射壓力相關(guān)聯(lián)的增加的復(fù)雜性，根據(jù)本方法，氣態(tài)燃料的噴射優(yōu)選地在壓縮沖程期間的早期完成。這種辦法可以在使用可變氣門致動策略和裝置的實(shí)施方式中更為有利，由于這樣的話，引入燃燒室4中的氧化劑的量被更獨(dú)立于燃料的量進(jìn)行控制。在圖3中圖示的實(shí)施方式具有許多與圖1中展示的實(shí)施方式的部件相同的部件并且這些相同的部件已被標(biāo)識有相同的附圖標(biāo)記。這些部件已經(jīng)相對于圖3中圖示的實(shí)施方式進(jìn)行了描述，并且因此其目的和功能在此不再贅述。與以上描述的可變進(jìn)氣門致動策略類似的可變進(jìn)氣門致動策略能夠應(yīng)用到用于氣態(tài)燃料被直接地噴射到燃燒室中的發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣門，并且在該實(shí)施方式中，進(jìn)氣門的關(guān)閉優(yōu)選定時成先于氣態(tài)燃料噴射。即，與在圖2中由附圖標(biāo)記200所指示的進(jìn)氣門型線相似的進(jìn)氣門型線可以是優(yōu)選實(shí)施方式的示例，因?yàn)檫@將有助于氣態(tài)燃料的提早噴射。又一可替代的實(shí)施方式能夠使用噴射到進(jìn)氣歧管中的天然氣脈沖寬度調(diào)制。脈沖寬度調(diào)制為普通的、價低的并且穩(wěn)健的方式，以便以精確且可控的方式將燃料可靠地輸送到進(jìn)氣歧管。本方法和設(shè)備提供了元件的獨(dú)特組合。盡管每個單獨(dú)元件自身可具有期望的益處，但在與其他元件相組合時，由于一個元件中的改變可能影響另一元件，因而這種益處是不確定的或會受到限制。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，本方法和設(shè)備產(chǎn)生不同于已知?dú)鈶B(tài)燃料發(fā)動機(jī)的性能特征。例如，與SESI氣態(tài)燃料發(fā)動機(jī)相比，柴油引燃燃料的壓燃能夠以更高的壓縮比及增大的EGR水平運(yùn)行。這進(jìn)而導(dǎo)致降低的燃料消耗(多達(dá)5%)、更高的BMEP比率以及與在SESI發(fā)動機(jī)(主要由于燃燒爆震限制)中現(xiàn)行可能的效率相比更高的效率。同樣，相對于SESI發(fā)動機(jī)，期望天然氣質(zhì)量變化的提高的穩(wěn)健性(由于來自引燃燃料的燃燒的點(diǎn)燃能量為高于火花點(diǎn)燃能量的數(shù)個量級并且存在多個用于點(diǎn)火的位置，因此促進(jìn)了更快的且更均勻的燃燒，其進(jìn)而被認(rèn)為導(dǎo)致了增加的ERG耐受度以及減小的爆震性)。與SESI發(fā)動機(jī)相比，認(rèn)為由于噴射器的使用壽命通常為火花塞的數(shù)倍，因此引燃部件的耐久性應(yīng)增加。至于排放物，由于化學(xué)計(jì)量的空氣/燃料比在正常運(yùn)行期間由允許使用常規(guī)三元催化劑排放物處理子系統(tǒng)的本方法和設(shè)備來維持，因此性能可以與SESI發(fā)動機(jī)的性能相同，可能的例外為由于使用少量的引燃燃料而產(chǎn)生的顆粒狀排放物。與以稀燃模式運(yùn)行的雙燃料天然氣發(fā)動機(jī)不同(S卩，在燃料混合物中具有相當(dāng)多的過量的氧氣)，本方法和設(shè)備無需更復(fù)雜且昂貴的排放物處理子系統(tǒng)來滿足現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)。通常的雙燃料排放物處理子系統(tǒng)使用氧化作用催化劑(氧化催化劑)，選擇性的催化還原(SCR)，以及柴油顆粒過濾器(DPF)。因此，由本方法和設(shè)備教示的元件的獨(dú)特組合提供了超過雙燃料發(fā)動機(jī)的在這方面的益處。在現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)動機(jī)選擇中，HPDI氣態(tài)-燃料發(fā)動機(jī)提供了優(yōu)越的性能，例如，如經(jīng)測量在效率和BMEP方面的優(yōu)越的性能。然而，這些發(fā)動機(jī)需要高壓氣態(tài)燃料輸送子系統(tǒng)以使得能夠在壓縮沖程中的較晚時將氣態(tài)燃料直接地噴射到燃燒室中，并且這通常需要增壓泵以及具有定位于燃燒室內(nèi)部的噴嘴的氣態(tài)燃料噴射器。在燃燒室內(nèi)尋找空間以定位用于氣態(tài)燃料噴射器和引燃燃料噴射器的噴嘴，在小的發(fā)動機(jī)、尤其是在氣缸蓋中的許多空間已被兩個進(jìn)氣門和兩個排氣門占據(jù)的現(xiàn)代發(fā)動機(jī)中可謂一項(xiàng)挑戰(zhàn)。此外，與常規(guī)柴油機(jī)相似，HPDI氣態(tài)燃料發(fā)動機(jī)以分層燃燒過程進(jìn)行操作，因此，HPDI氣態(tài)燃料發(fā)動機(jī)通常需要更復(fù)雜且更昂貴的排放物處理子系統(tǒng)，其通常包括與SCR和DPF相結(jié)合的氧化催化劑。這里，再次地，由本方法和設(shè)備所教示的元件的不同結(jié)合產(chǎn)生了不同的結(jié)果，該結(jié)果提供了能夠更容易地在較小的發(fā)動機(jī)中實(shí)施、同時仍提供有競爭力的性能的更簡單且可能更低價的替代物。 進(jìn)一步關(guān)于所描述過的，表I通過對其某些屬性和/或特征進(jìn)行比較，說明了目前的本方法和設(shè)備與上述已知的發(fā)動機(jī)和操作該發(fā)動機(jī)的方法相比二者之間的一些關(guān)鍵差異。
表I
權(quán)利要求
1.一種用于操作氣態(tài)燃料化學(xué)計(jì)量的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的方法，包括: a)根據(jù)檢測到的發(fā)動機(jī)運(yùn)行條件，確定引燃燃料的以質(zhì)量計(jì)的量； b)根據(jù)檢測到的發(fā)動機(jī)負(fù)載并基于期望的總能量減去與所述量的引燃燃料相關(guān)聯(lián)的能量，確定引入到燃燒室中的氣態(tài)燃料的以質(zhì)量計(jì)的量； c)根據(jù)至少一個所述發(fā)動機(jī)負(fù)載和/或另一發(fā)動機(jī)運(yùn)行條件確定從發(fā)動機(jī)排放系統(tǒng)到進(jìn)氣系統(tǒng)的廢氣再循環(huán)的以質(zhì)量計(jì)的量； e)根據(jù)引燃燃料的所述量、氣態(tài)燃料的所述量以及廢氣再循環(huán)的所述量確定用于化學(xué)計(jì)量燃燒所需的空氣的量； f)控制廢氣再循環(huán)系統(tǒng)以將所述量的再循環(huán)廢氣的一部分引導(dǎo)通過冷卻器并且然后引導(dǎo)到所述進(jìn)氣系統(tǒng)； g)控制引燃燃料噴射器以將所述量的引燃燃料直接地噴射到所述燃燒室中； h)控制氣態(tài)燃料噴射器以將所述量的氣態(tài)燃料噴射到所述燃燒室中，在所述燃燒室中，所述氣態(tài)燃料與 所述空氣和所述再循環(huán)廢氣形成大致均質(zhì)的混合物； i)控制所述進(jìn)氣系統(tǒng)以將所述量的空氣引入到所述燃燒室中；以及 j)通過對包括所述引燃燃料、所述氣態(tài)燃料、所述進(jìn)氣以及所述再循環(huán)廢氣的充氣進(jìn)行壓縮來點(diǎn)燃所述引燃燃料，由此，所述引燃燃料的燃燒觸發(fā)所述氣態(tài)燃料的點(diǎn)燃和化學(xué)計(jì)量燃燒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，通過所述氣態(tài)燃料噴射器將所述量的氣態(tài)燃料噴射到所述發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣歧管中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，通過所述氣態(tài)燃料噴射器將所述量的氣態(tài)燃料噴射到與所述燃燒室相關(guān)聯(lián)的進(jìn)氣口中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，將所述量的氣態(tài)燃料從所述氣態(tài)燃料噴射器直接地噴射到所述燃燒室中。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述氣態(tài)燃料的噴射壓力低于50bar。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，用于氣態(tài)燃料開始噴射的定時為介于上止點(diǎn)之前80度的曲柄角與上止點(diǎn)之前180度的曲柄角之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，用于氣態(tài)燃料開始噴射的定時為在進(jìn)氣沖程期間。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，控制所述進(jìn)氣系統(tǒng)包括對節(jié)流器進(jìn)行操作以增加或減少根據(jù)用于所述化學(xué)計(jì)量燃燒所需而確定的引入到所述燃燒室中的空氣的所述量。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，控制所述廢氣再循環(huán)系統(tǒng)包括對EGR閥進(jìn)行操作以增加或減少根據(jù)至少一個所述發(fā)動機(jī)負(fù)載和/或另一發(fā)動機(jī)運(yùn)行條件所確定的廢氣再循環(huán)的所述量，所述EGR閥為所述廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的一部分。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，控制所述氣態(tài)燃料噴射器還包括對到所述燃燒室中的氣態(tài)燃料噴射的脈沖寬度調(diào)制。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，控制所述進(jìn)氣系統(tǒng)包括改變用于打開和/或關(guān)閉進(jìn)氣門的定時，以增加或減少根據(jù)用于化學(xué)計(jì)量燃燒所需而確定的空氣的所述量，和/或?qū)⑺鋈紵覂?nèi)的有效壓縮比改變成根據(jù)發(fā)動機(jī)運(yùn)行條件所預(yù)定的壓縮比。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括改變進(jìn)氣門升程以增加或減少根據(jù)用于化學(xué)計(jì)量燃燒所需而確定的空氣的所述量，和/或?qū)⑺鋈紵覂?nèi)的有效壓縮比改變成根據(jù)發(fā)動機(jī)的運(yùn)行條件所預(yù)定的壓縮比。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括通過使用下述手段中的一種手段來減少發(fā)動機(jī)爆震的發(fā)生: 通過控制用于進(jìn)氣門打開和關(guān)閉的定時和/或進(jìn)氣門升程來降低所述燃燒室內(nèi)的有效壓縮比， 降低進(jìn)氣溫度， 增加廢氣再循環(huán)的所述量，或者 進(jìn)一步降低廢氣的經(jīng)再循環(huán)的所述部分的溫度。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述發(fā)動機(jī)在預(yù)定的低負(fù)載以下運(yùn)行時，通過使用下述手段中的一種手段來減少泵送損失: 改變進(jìn)氣門打開和關(guān)閉的定時和/或改變進(jìn)氣門升程， 在具有多個燃燒室的發(fā)動機(jī)中，停用所述多個燃燒室中的至少一個燃燒室，或者 打開位于所述發(fā)動機(jī)的排氣系統(tǒng)中的旁通閥，由此，從所述燃燒室流動通過排氣管線的至少一些廢氣旁通過安裝在所述排氣管線上的渦輪增壓器。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在與所述燃燒室相關(guān)聯(lián)的活塞處于或靠近進(jìn)氣沖程的上止點(diǎn)時打開進(jìn)氣門，并且在所述活塞到達(dá)下止點(diǎn)之前關(guān)閉所述進(jìn)氣門。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括在所述活塞到達(dá)下止點(diǎn)之前20度的曲柄角處之前關(guān)閉所述進(jìn)氣門。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在與所述燃燒室相關(guān)聯(lián)的活塞處于或靠近進(jìn)氣沖程的上止點(diǎn)時打開進(jìn)氣門，并且在所述活塞處于下止點(diǎn)之后大于20度的曲柄角處時關(guān)閉所述進(jìn)氣門。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括在所述活塞到達(dá)下止點(diǎn)之后120度的曲柄角之前關(guān)閉所述進(jìn)氣門。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述發(fā)動機(jī)以達(dá)到14:1的壓縮比運(yùn)行。
20.一種氣態(tài)燃料化學(xué)計(jì)量的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)，包括: 燃燒室， 氣態(tài)燃料噴射器，所述氣態(tài)燃料噴射器用于將一定量的氣態(tài)燃料引入到所述燃燒室中， 引燃燃料噴射器，所述引燃燃料噴射器用于將一定量的引燃燃料直接地引入到所述燃燒室中， 進(jìn)氣系統(tǒng)，所述進(jìn)氣系統(tǒng)包括用于將一定量的空氣引入到所述燃燒室中的進(jìn)氣歧管， 排氣系統(tǒng)，所述排氣系統(tǒng)包括與所述燃燒室連通的排氣管線， 廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，所述廢氣再循環(huán)系統(tǒng)用于將來自所述排氣系統(tǒng)的一定量的廢氣再循環(huán)到所述進(jìn)氣系統(tǒng)，所述廢氣再循環(huán)系統(tǒng)包括用于將再循環(huán)的廢氣輸送到所述進(jìn)氣系統(tǒng)之前對所述再循環(huán)的廢氣進(jìn)行冷卻的冷卻器，以及 發(fā)動機(jī)控制器，所述發(fā)動機(jī)控制器被編程為對所述氣態(tài)燃料噴射器、所述引燃燃料噴射器、所述進(jìn)氣系統(tǒng)和所述廢氣再循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行控制以在所述發(fā)動機(jī)正常運(yùn)行期間提供化學(xué)計(jì)量的氧/燃料比，由此，所述引燃燃料通過對包括所述引燃燃料、所述氣態(tài)燃料、所述進(jìn)氣和所述再循環(huán)廢氣的充氣進(jìn)行壓縮而點(diǎn)燃，并且所述引燃燃料的燃燒觸發(fā)所述氣態(tài)燃料的點(diǎn)燃和化學(xué)計(jì)量燃燒。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的發(fā)動機(jī)，其中，所述氣態(tài)燃料噴射器具有噴嘴，所述噴嘴定位成將所述氣態(tài)燃料噴射到所述進(jìn)氣歧管中。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的發(fā)動機(jī)，其中，所述燃燒室具有進(jìn)氣口，所述氣態(tài)燃料噴射器具有噴嘴，所述噴嘴定位成將所述氣態(tài)燃料噴射到所述進(jìn)氣口中。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的發(fā)動機(jī)，其中，所述氣態(tài)燃料噴射器具有噴嘴，所述噴嘴定位在所述燃燒室內(nèi)部，由此，所述氣態(tài)燃料能夠直接地噴射到所述燃燒室中。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的發(fā)動機(jī)，其中，所述進(jìn)氣系統(tǒng)還包括節(jié)流器。
25.根據(jù)權(quán)利要求20所述的發(fā)動機(jī)，其中，所述控制器被編程為通過改變用于所述進(jìn)氣門的打開和關(guān)閉的定時和/或進(jìn)氣門升程來控制進(jìn)氣門，以影響引入到所述燃燒室中的空氣的所述量，從而提供所述化學(xué)計(jì)量燃燒。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的發(fā)動機(jī)，其中，所述控制器被編程為控制所述進(jìn)氣門使得所述進(jìn)氣門在與所述燃燒室相關(guān)聯(lián)的活塞處于或靠近進(jìn)氣沖程的上止點(diǎn)時打開，并且使得所述進(jìn)氣門在所述活塞到達(dá)下止點(diǎn)之前關(guān)閉。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的發(fā)動機(jī)，其中，所述控制器被編程為控制所述進(jìn)氣門使得所述進(jìn)氣門在所述活塞到達(dá)下止點(diǎn)之前20度的曲柄角之前關(guān)閉。
28.根據(jù)權(quán)利要求25所述的發(fā)動機(jī)，其中，所述控制器被編程為控制所述進(jìn)氣門使得所述進(jìn)氣門在與所述燃燒室相關(guān)聯(lián)的活塞處于或靠近進(jìn)氣沖程的上止點(diǎn)時打開，并且使得所述進(jìn)氣門在所述活塞到達(dá)下止點(diǎn)之后大于20度的曲柄角處時關(guān)閉。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的發(fā)動機(jī)，其中，所述控制器被編程為控制所述進(jìn)氣門使得所述進(jìn)氣門在下止點(diǎn)之后120度的曲柄角之前關(guān)閉。
30.根據(jù)權(quán)利要求20所述的發(fā)動機(jī)，其中，所述廢氣再循環(huán)系統(tǒng)包括EGR閥，并且其中，所述控制器能夠編程為控制所述EGR閥，以與在使用火花塞點(diǎn)火的常規(guī)發(fā)動機(jī)中再循環(huán)的廢氣的量相比增加再循環(huán)廢氣的所述量。
31.根據(jù)權(quán)利要求20所述的發(fā)動機(jī)，其中，連接到所述燃燒室的所述排氣管線包括渦輪增壓器和用于旁通過所述渦輪增壓器的旁通閥，其中，所述控制器控制所述旁通閥使得在所述發(fā)動機(jī)在預(yù)定的低負(fù)載以下運(yùn)行時，廢氣完全地或部分地旁通過所述渦輪增壓器。
32.根據(jù)權(quán)利要求20所述的發(fā)動機(jī)，其中，所述發(fā)動機(jī)包括多個燃燒室，所述控制器被編程為在所述發(fā)動機(jī)在預(yù)定的低負(fù)載以下運(yùn)行時停用所述多個燃燒室中的至少一個燃燒室。
33.根據(jù)權(quán)利要求20所述的發(fā)動機(jī)，還包括三元催化劑排放處理系統(tǒng)。
34.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機(jī)，其中，所述氣態(tài)燃料為天然氣、沼氣、生物甲烷及其混合物中的一者。
35.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機(jī)，其中，所述引燃燃料為柴油。
全文摘要
在一種氣態(tài)燃料化學(xué)計(jì)量的壓燃式內(nèi)燃發(fā)動機(jī)中，引燃燃料被直接地噴射到燃燒室中，以幫助啟動多點(diǎn)點(diǎn)火。本發(fā)動機(jī)提供了性能改進(jìn)以近似于高壓直噴式發(fā)動機(jī)的性能，但由于氣態(tài)燃料被以相對低的壓力引入到進(jìn)氣子系統(tǒng)中，并且由于化學(xué)計(jì)量燃燒，在離開燃燒室的燃燒產(chǎn)物中的低氧氣含量允許使用三元催化劑以代替通常與常規(guī)壓燃式發(fā)動機(jī)相關(guān)聯(lián)的需要添加還原劑的后處理結(jié)構(gòu)，因而本發(fā)明具有更低的復(fù)雜性。
文檔編號F02M21/02GK103154474SQ201180049257
公開日2013年6月12日 申請日期2011年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月16日
發(fā)明者桑迪普·孟希, 艾倫·B·韋爾奇, 戈登·P·麥克塔格特-考恩 申請人:西港能源有限公司