專利名稱：帶最佳燃燒控制的預(yù)混合可燃混合氣壓燃發(fā)動機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明整體涉及一種壓燃發(fā)動機(jī)，該發(fā)動機(jī)利用自燃在內(nèi)部燃燒預(yù)混合的燃油和空氣的可燃混合氣以獲得降低的排放，同時維持理想的燃油經(jīng)濟(jì)性。
背景技術(shù)：
內(nèi)燃機(jī)作為人類的主要動力源已經(jīng)超過75年了。再夸大其重要性或在探索其完美中所花費(fèi)的工程努力也不會言過其實(shí)。內(nèi)燃機(jī)設(shè)計技術(shù)如此地成熟并被很好地理解，以至于大部分所謂“新”發(fā)動機(jī)設(shè)計僅僅是由大量已知替代方案中的選擇所組成的設(shè)計。例如，可通過犧牲發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性來容易地獲得改進(jìn)的輸出扭矩曲線。排放降低或改進(jìn)的可靠性也可通過成本的增加來獲得。還可獲得其它目標(biāo)，如增加的動力和減少的尺寸及/或重量，但通常以犧牲燃油經(jīng)濟(jì)性和低成本為代價。
在保持或改進(jìn)燃油經(jīng)濟(jì)性的同時必須響應(yīng)政府要求的排放降低標(biāo)準(zhǔn)，這顯著增加了對現(xiàn)代設(shè)計者的挑戰(zhàn)。由于發(fā)動機(jī)設(shè)計的成熟性質(zhì)，從當(dāng)前商業(yè)上可用的基本發(fā)動機(jī)設(shè)計的進(jìn)一步革新中獲得改進(jìn)的發(fā)動機(jī)性能和排放降低是極其困難的。對這種革新的需要從未更強(qiáng)烈過，因為美國政府和其它國家對未來要求的一系列排放標(biāo)準(zhǔn)在不斷提高。滿足這些標(biāo)準(zhǔn)的嘗試包括一些探尋全新發(fā)動機(jī)設(shè)計的設(shè)計者。
傳統(tǒng)上，有兩種主要形式的往復(fù)運(yùn)動活塞或轉(zhuǎn)子內(nèi)燃機(jī)柴油發(fā)動機(jī)和火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)。盡管這些發(fā)動機(jī)形式具有相似的構(gòu)造和機(jī)械工作方式，但每種發(fā)動機(jī)形式具有相互差別巨大的獨(dú)特運(yùn)行特性。柴油發(fā)動機(jī)和火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)利用簡單的，而且獨(dú)特的裝置有效地控制燃燒的開始(SOC)。柴油發(fā)動機(jī)通過燃油噴射正時控制SOC。在火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)中，SOC是由點(diǎn)火正時控制的。因此，在柴油發(fā)動機(jī)和火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)中存在重大差別。火花點(diǎn)火天然氣或汽油發(fā)動機(jī)優(yōu)于柴油發(fā)動機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是獲得極低NOx和顆粒排放水平的能力。柴油發(fā)動機(jī)優(yōu)于預(yù)混合可燃混合氣火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)(如轎車汽油發(fā)動機(jī)和稀燃天然氣發(fā)動機(jī))的優(yōu)點(diǎn)是較高的熱效率。柴油發(fā)動機(jī)效率較高的一個關(guān)鍵原因是能夠使用比預(yù)混合可燃混合氣火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)高的壓縮比(預(yù)混合可燃混合氣火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)的壓縮比必須保持較低以避免爆震)。柴油發(fā)動機(jī)效率較高的第二個關(guān)鍵原因在于不需要節(jié)氣門就能夠控制柴油發(fā)動機(jī)的動力輸出。對柴油發(fā)動機(jī)在部分負(fù)荷時，沒有節(jié)氣門消除了預(yù)混合可燃混合氣火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)的節(jié)流損失并導(dǎo)致顯著提高的效率。然而，通常的柴油發(fā)動機(jī)不能獲得預(yù)混合可燃混合氣火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)能獲得的非常低的NOx和顆粒排放水平。由于柴油燃燒的混合控制的性質(zhì)，大部分柴油處于高燃油過量等值比，眾所周知，這會導(dǎo)致顆粒排放。另一方面，預(yù)混合可燃混合氣火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)具有幾乎均勻的空氣燃油混合物，該混合物趨向于或者稀薄或者接近理想配比，導(dǎo)致非常低的顆粒排放。第二個考慮方面是，柴油發(fā)動機(jī)中混合控制的燃燒在燃油和空氣處于接近理想配比的等值比時發(fā)生，這會導(dǎo)致高溫。而高溫又引起高NOx排放。另一方面，稀燃預(yù)混合可燃混合氣火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)以非常稀薄的等值比燃燒其燃油，其結(jié)果是明顯較低的溫度，導(dǎo)致了非常低的NOx排放。另一方面，由于理想配比燃燒導(dǎo)致的高火焰溫度，理想配比的預(yù)混合可燃混合氣火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)具有高NOx排放。然而，實(shí)際上的無氧排氣允許使用三元催化劑把NOx排放降低到非常低的水平。
最近，某些發(fā)動機(jī)設(shè)計者將其研究方向轉(zhuǎn)向另一種形式的發(fā)動機(jī)，該發(fā)動機(jī)利用預(yù)混合可燃混合氣壓燃(PCCI)或均勻可燃混合氣壓燃(HCCI)，以下共同稱作PCCI。根據(jù)PCCI原理運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動機(jī)靠相對較好預(yù)混合的燃油/空氣混合物的自燃起燃。重要的是，燃油和空氣在發(fā)生點(diǎn)火的很早以前在進(jìn)氣口或氣缸中混合?；旌衔锓秶筛鶕?jù)希望的燃燒特性變化。某些發(fā)動機(jī)被設(shè)計成和/或操作成保證燃油和空氣被混合成均勻，或接近均勻的狀態(tài)。而且，發(fā)動機(jī)可被特殊設(shè)計成和/或操作成產(chǎn)生具有小層化程度的不太均勻可燃混合氣。在這兩種情況下，混合物在發(fā)生點(diǎn)火前處于預(yù)混合狀態(tài)并被壓縮直到混合物自燃。重要的是，PCCI燃燒的特征在于1)絕大多數(shù)燃油與空氣充分地預(yù)混合以在點(diǎn)火前的整個進(jìn)氣過程和整個燃燒過程中形成可燃混合物；2)通過壓燃起燃。與柴油發(fā)動機(jī)不同，PCCI發(fā)動機(jī)中供油正時，如噴射正時，不嚴(yán)重影響點(diǎn)火正時。PCCI發(fā)動機(jī)中早供油會導(dǎo)致很好混合的、并且更近于均勻的預(yù)混合可燃混合氣，從而減少了排放，不同于柴油機(jī)的層化可燃混合氣燃燒，其會產(chǎn)生較高的排放。有利的是，PCCI燃燒的特征在于，大多數(shù)混合物明顯比理想配比稀薄，以有利地減少排放，不同于典型的柴油發(fā)動機(jī)循環(huán)，其中大部分，或全部混合物在燃燒過程中處于燃油過量狀態(tài)。
根據(jù)PCCI燃燒原理運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動機(jī)具有提供良好的柴油發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，同時產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于目前火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)或柴油發(fā)動機(jī)的NOx和顆粒排放水平的潛能。例如，授予Wood的美國專利No.4,768,481公開了一種方法和發(fā)動機(jī)，其試圖利用自燃的均勻的燃油和空氣的混合物。據(jù)稱通過向空氣-燃油混合物中添加排氣產(chǎn)物可獲得受控的燃燒速度。燃燒室與發(fā)動機(jī)氣缸連接，燃油氣通過單向閥向燃燒室供應(yīng)。預(yù)熱塞位于燃燒室和氣缸間。進(jìn)入燃燒室的混合物由預(yù)熱塞和燃燒室的熱壁加熱。由于壓縮產(chǎn)生的溫度增加和壓力增加混合物被點(diǎn)燃。Wood專利特別針對兩沖程發(fā)動機(jī)，但通常來說該技術(shù)可適用于四-沖程發(fā)動機(jī)。然而，該文獻(xiàn)未討論當(dāng)負(fù)荷和周圍條件變化時，如何控制廢氣再循環(huán)和預(yù)熱塞以使燃燒的開始最佳并維持最佳的燃燒開始和持續(xù)時間。沒有附加控制，該發(fā)動機(jī)的實(shí)用實(shí)施例不太可能能夠有效控制和維持PCCI燃燒。
授予Sato等人的美國專利No.5,535,716公開了一種壓燃形式發(fā)動機(jī)，通過在進(jìn)氣沖程和壓縮沖程早期為隨后的壓縮沖程的自燃燃燒向燃燒室導(dǎo)入蒸發(fā)的燃油/空氣混合物，該發(fā)動機(jī)顯著減少NOx排放。該發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的NOx排放量約為柴油發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的排放量的三十分之一。這些原理也闡明在1996年2月26日的Aoyama,T．等人的SAE技術(shù)論文No.960081“對預(yù)混合可燃混合氣壓燃汽油發(fā)動機(jī)的實(shí)驗研究”中。然而，這些文獻(xiàn)沒有討論對燃燒開始正時和燃燒速度的控制。而且，在這些文獻(xiàn)中公開的發(fā)動機(jī)只利用壓縮產(chǎn)生的熱點(diǎn)燃可燃混合氣，而不利用任何預(yù)熱。而且，這些文獻(xiàn)沒有提出維持穩(wěn)定燃燒所必須的控制或操作控制的方式。而且，這些參考只公開了汽油的使用。
授予Yanagihara等人的美國專利No.5,467,757公開了一種直接噴射壓燃形式發(fā)動機(jī)，其中在進(jìn)氣沖程或壓縮沖程中，在壓縮沖程上止點(diǎn)前60度之前，燃油被噴射到燃燒室中，以使產(chǎn)生的黑煙和NOx量減少到大體為零。這些優(yōu)點(diǎn)是這樣獲得的，即通過相對傳統(tǒng)燃燒過程使用的平均微粒尺寸顯著增大噴射燃油平均微粒尺寸以防止噴射后噴射的燃油的早期蒸發(fā)，和通過使噴射正時顯著早于傳統(tǒng)噴射正時以保證噴射的燃油在燃燒室中均勻混合。然而，該文獻(xiàn)沒有提出一種主動控制燃燒歷程的方法，如燃燒開始正時和/或燃燒持續(xù)時間。
研究者使用各種其它名稱來指PCCI燃燒。例如，Onishi，等人(SAE技術(shù)論文No,790501,1979年2月26日-三月2日)稱之為“ATAC”，其表示“Active Thermo-Atmosphere Combustion主動熱氣燃燒”。Noguchi，等人(SAE技術(shù)論文No.790840,1979年9月10-13日)稱之為“TS”，其表示“Toyota-Soken豐田Soken”,Najt，等人(SAE論文No.830264,1983年)稱之為“CIHC”，其表示“compression-ignited homogeneous charge壓燃均勻可燃混合氣”。
Onishi，等人研究兩沖程發(fā)動機(jī)。他們發(fā)現(xiàn)，在兩沖程發(fā)動機(jī)處于低負(fù)荷情況下，可使PCCI燃燒(ATAC)發(fā)生在很大的速度范圍中。燃燒穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機(jī)，并且燃油經(jīng)濟(jì)性和排放得到顯著改善。拍攝的燃燒條紋照片結(jié)果與在其燃燒研究中獲得的結(jié)果非常相似。他們發(fā)現(xiàn)在燃燒室的許多點(diǎn)上起燃。然而，這些許多點(diǎn)的燃燒開始間具有小的時間差。而且發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)火花點(diǎn)火火焰?zhèn)鞑ハ啾?，燃燒反?yīng)需要相對長的時間。為獲得PCCI燃燒，他們發(fā)現(xiàn)下面的條件是重要的。從循環(huán)到循環(huán)向氣缸供應(yīng)的混合物量和空氣/燃油比必須一致。換氣“方向性”和速度必須具有周期的規(guī)律性以保證在氣缸中剩余的殘余氣體的正確環(huán)境。燃燒室壁的溫度必須適當(dāng)。換氣通道進(jìn)口必須位于曲軸箱底部。而且發(fā)現(xiàn)在非常低的負(fù)荷時，由于可燃混合氣溫度太低，PCCI不成功。在非常高負(fù)荷時，由于殘余氣體量大少，PCCI不成功。在這些區(qū)域之間，PCCI燃燒是成功的。
Noguchi也在兩沖程發(fā)動機(jī)中獲得了PCCI燃燒。觀察到了非常穩(wěn)定的燃燒，其碳?xì)浠衔?HC)排放低，燃油消耗得到改善。在每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)為800與3200間并且空氣/燃油比處于11與22間時可實(shí)現(xiàn)PCCI模式運(yùn)轉(zhuǎn)。怠速條件下，可獲得最高為0.5的換氣比。他們注意到，可在比傳統(tǒng)柴油燃燒所需要的低的溫度和壓力起燃。燃燒行為不同于傳統(tǒng)火花點(diǎn)火燃燒。點(diǎn)火發(fā)生在燃燒室中心周圍的多個點(diǎn)上，并且火焰向所有方向快速傳播。燃燒持續(xù)時間比傳統(tǒng)燃燒短。證明了點(diǎn)火核心不是從沉淀在燃燒室壁上的雜質(zhì)產(chǎn)生的(通常被認(rèn)為是傳統(tǒng)汽油發(fā)動機(jī)中的“連續(xù)燃燒”現(xiàn)象的原因)。為獲得對燃燒的較好理解，他們建立了檢測燃燒室中原子團(tuán)的實(shí)驗裝置。發(fā)現(xiàn)原子團(tuán)顯示較高的發(fā)光強(qiáng)度峰值，其消失的時間早于傳統(tǒng)火花點(diǎn)火燃燒。在傳統(tǒng)火花點(diǎn)火燃燒情況下，在幾乎同一曲軸角可觀察到全部原子團(tuán)，如OH、CH、C2、H和CHO、HO2,O。然而在PCCI燃燒中，首先探測到的是CHO、HO2和O原子團(tuán)，然后是HC、C2和H原子團(tuán)，最后是OH原子團(tuán)。
Najt等人能夠在四沖程發(fā)動機(jī)中獲得PCCI燃燒。他們利用了具有有罩進(jìn)氣閥的CFR單缸發(fā)動機(jī)。試驗了幾個壓縮比，并且發(fā)現(xiàn)，盡管較高壓縮比允許在較低的可燃混合氣溫度下發(fā)生燃燒，但其也導(dǎo)致過快的放熱速度。7.5∶1的壓縮比是符合要求的，但10∶1的壓縮比卻不符合要求。進(jìn)氣溫度范圍為480°K到800°K。其平均能量釋放率顯著高于Onishi和Noguchi測得的值。
1996年的，Ishibashi,Y．等人的標(biāo)題為“通過使用有活性的原子團(tuán)燃燒改進(jìn)兩沖程發(fā)動機(jī)廢氣排放”SAE論文No.960742，因公開了另一種兩沖程發(fā)動機(jī)燃燒研究而著名。
盡管Onishi等人、Noguchi等人、Najt等人和Ishibashi,Y．等人在理解PCCI燃燒方面取得了明顯的進(jìn)步，但這些文獻(xiàn)未建議一種具有控制系統(tǒng)的實(shí)用PCCI發(fā)動機(jī)，該控制系統(tǒng)能夠通過控制燃燒開始的時間、燃燒持續(xù)時間、燃燒速度和/或燃燒結(jié)束來維持具有低排放的穩(wěn)定、高效PCCI燃燒。特別是，這些文獻(xiàn)沒有建議一種發(fā)動機(jī)和能夠有效控制燃燒開始的控制系統(tǒng)。而且，這些文獻(xiàn)沒有建議一種能夠主動增強(qiáng)發(fā)動機(jī)穩(wěn)定性并獲得多氣缸發(fā)動機(jī)氣缸間燃燒平衡的系統(tǒng)。
1989年9月25日的Thring,R的標(biāo)題為“均勻-可燃混合氣壓燃(HCCI)發(fā)動機(jī)”的SAE技術(shù)論文No.892068，研究了四沖程發(fā)動機(jī)的PCCI運(yùn)轉(zhuǎn)。該論文發(fā)現(xiàn)，PCCI需要高廢氣再循環(huán)(EGR)率和高進(jìn)氣溫度。其表明，PCCI燃燒產(chǎn)生的燃油經(jīng)濟(jì)性結(jié)果可與直接噴射柴油發(fā)動機(jī)相比，在有利的條件下，即．5等值比和23％EGR率時，PCCI燃燒產(chǎn)生非常低的循環(huán)不規(guī)則性。該研究還做出結(jié)論，在PCCI被實(shí)用化之前，必須在不需要向進(jìn)氣管道供應(yīng)大量熱能的情況下使發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在PCCI模式。該論文建議了兩種可能性利用燃燒室的被加熱的表面和利用不帶中冷的多級渦輪增壓。然而，盡管該論文建議進(jìn)一步研究EGR和進(jìn)氣溫度對燃燒開始正時的影響，該論文未公開用于有效地獲得對燃燒開始和持續(xù)時間進(jìn)行主動控制的系統(tǒng)。
授予Inventor的美國專利No.5,476,072公開了另一個PCCI發(fā)動機(jī)的實(shí)例，其包括一種氣缸蓋設(shè)計，該設(shè)計防止PCCI發(fā)動機(jī)固有地傾向造成的過度應(yīng)力和結(jié)構(gòu)損壞。特別是，氣缸蓋包括一個可移動儲能活塞，該活塞運(yùn)動以限制峰值氣缸壓力和溫度。然而，對活塞運(yùn)動的控制僅僅是被動的，從而該發(fā)動機(jī)不太可能有效地穩(wěn)定燃燒。而且，該文獻(xiàn)沒有建議對快速燃燒發(fā)生正時的控制，也沒有建議如何實(shí)現(xiàn)這種控制。
1951年10月標(biāo)題為“操作指南-LOHMANN自行車馬達(dá)”的出版物公開了一種基于PCCI燃燒原理運(yùn)轉(zhuǎn)的兩沖程發(fā)動機(jī)。壓縮比可根據(jù)外部溫度、燃油、速度和負(fù)荷連續(xù)調(diào)整。然而，該發(fā)動機(jī)需要操作者手動控制壓縮比。因此，該發(fā)動機(jī)不能提供有效的主動燃燒控制以在全部運(yùn)轉(zhuǎn)條件下保證低排放高效燃燒。而且，沒有自動的溫度、等值比和/或自燃特性控制，單獨(dú)手動調(diào)整壓縮比不會在全部運(yùn)轉(zhuǎn)條件下產(chǎn)生穩(wěn)定的、最佳的燃燒。
傳統(tǒng)的“雙燃料”發(fā)動機(jī)使用氣體燃料和柴油工作。然而，傳統(tǒng)雙燃料發(fā)動機(jī)利用柴油燃料噴射正時控制從進(jìn)氣管道得到的燃油/空氣混合物的SOC。為獲得該結(jié)果，雙燃料發(fā)動機(jī)在約上止點(diǎn)處噴射柴油燃料。此外，雙燃料發(fā)動機(jī)噴射的柴油燃料量足以保證燃燒室中的氣體燃料點(diǎn)火并且實(shí)際上完全燃燒。結(jié)果是，雙燃料發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的排放與大多數(shù)傳統(tǒng)柴油和天然氣發(fā)動機(jī)相似。特別是，在處于高負(fù)荷的使用柴油和天然氣的已知雙燃料發(fā)動機(jī)中，只需要少量柴油進(jìn)行點(diǎn)火，并且產(chǎn)生的排放與火花點(diǎn)火天然氣發(fā)動機(jī)相似。在其它條件下，當(dāng)噴射大量柴油燃料時，產(chǎn)生的排放與傳統(tǒng)柴油發(fā)動機(jī)相似。
從而，需要一種基于PCCI原理運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動機(jī)，其包括一個燃燒控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中有效控制燃燒開始的正時或燃燒的位置，以及燃燒的速度或持續(xù)時間。
發(fā)明綜述本發(fā)明的總目的是通過提供一種實(shí)用的PCCI發(fā)動機(jī)和用于有效并高效地操作該P(yáng)CCI發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)來克服先前技術(shù)的缺點(diǎn)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種PCCI發(fā)動機(jī)和控制方案，該方案在使效率最大的同時，以最佳地使排放，特別是一氧化二氮和顆粒排放，最小的方式控制發(fā)動機(jī)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種PCCI發(fā)動機(jī)和控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)用于最佳控制連續(xù)燃燒沖程的燃燒歷程以有效地控制燃燒沖程。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種PCCI發(fā)動機(jī)和控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)以這樣的方式有效地控制PCCI燃燒，即在使燃燒噪聲最小的同時，獲得可接受的氣缸壓力。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種PCCI發(fā)動機(jī)和控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)起作用以在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，通過檢測表示燃燒歷程的發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)來主動控制未來燃燒沖程的燃燒歷程。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種PCCI發(fā)動機(jī)和控制系統(tǒng)，在發(fā)動機(jī)的壓縮和膨脹沖程中，該控制系統(tǒng)有效地控制各種發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)控制變量以控制燃燒沖程開始的時間。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種PCCI發(fā)動機(jī)和控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)循環(huán)中有效地保證燃燒發(fā)生在適當(dāng)?shù)那S轉(zhuǎn)角，從而保證穩(wěn)定的燃燒、低排放、可接受的壓力水平和最佳效率。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種PCCI發(fā)動機(jī)和控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)有效地控制溫度、壓力、等值比和/或空氣/燃油混合物自燃特性以精確控制燃燒開始的正時。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種PCCI發(fā)動機(jī)和控制系統(tǒng)，在獲得可接受的氣缸壓力和理想的制動平均有效壓力同時，該控制系統(tǒng)有效地獲得連續(xù)穩(wěn)定的PCCI燃燒。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種PCCI發(fā)動機(jī)和控制系統(tǒng)，在使排放最小和效率最大的同時，該控制系統(tǒng)有效地控制燃燒的開始和燃燒速度，以保證基本上全部燃燒過程發(fā)生在最佳曲軸轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，即從上止點(diǎn)前20度到上止點(diǎn)后35度。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種易于啟動的PCCI發(fā)動機(jī)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種多氣缸PCCI發(fā)動機(jī)和控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)有效地使氣缸燃燒沖程中的變化最小。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種多氣缸PCCI發(fā)動機(jī)和控制系統(tǒng)，在受到發(fā)動機(jī)負(fù)荷和周圍條件變化影的響時，該控制系統(tǒng)有效地控制燃燒的開始以獲得穩(wěn)定、低排放、高效的燃燒。
本發(fā)明的另一個目的是為PCCI發(fā)動機(jī)提供一種控制系統(tǒng)，其有效地探測或檢測燃燒的開始以提供反饋控制，然后控制發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)條件以使燃燒的開始最佳。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種PCCI發(fā)動機(jī)和控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)有效地使未燃燒的碳?xì)浠衔锖鸵谎趸寂欧抛钚　?br> 上述目的和其它目的的獲得是通過提供一種預(yù)混合可燃混合氣壓燃內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)的，該內(nèi)燃機(jī)包括一發(fā)動機(jī)體，一形成在發(fā)動機(jī)體中的燃燒室，和用于控制未來燃燒沖程的燃燒歷程以減少排放并使效率最佳的燃燒歷程控制系統(tǒng)。該燃燒歷程控制系統(tǒng)至少包括用于改變?nèi)加秃涂諝饣旌衔锏臏囟鹊臏囟瓤刂葡到y(tǒng)、用于改變混合物的壓力的壓力控制系統(tǒng)、用于改變混合物的等值比的等值比控制系統(tǒng)和用于改變混合物的自燃性質(zhì)的混合物自燃性質(zhì)控制系統(tǒng)中的一個。發(fā)動機(jī)還包括一個運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)探測裝置，該裝置用于探測表示燃燒歷程的發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)并產(chǎn)生表示發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)信號，發(fā)動機(jī)還包括一個處理器，該處理器用于接收發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)信號、根據(jù)發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)信號確定燃燒歷程值、并根據(jù)燃燒歷程值產(chǎn)生一個或多個控制信號。該一個或多個信號被用來至少控制溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、等值比控制系統(tǒng)和混合物自燃性質(zhì)控制系統(tǒng)中的一個，以可變地控制未來燃燒沖程的燃燒歷程。
發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)探測裝置可包括一個用于檢測燃燒開始并產(chǎn)生燃燒開始信號的燃燒開始傳感器。而且，燃燒歷程值可根據(jù)燃燒開始信號確定。發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)探測裝置可以是氣缸壓力傳感器。
附圖簡要描述

圖1a所示為本發(fā)明的一個實(shí)施例的示意圖，其表示了圖1b的發(fā)動機(jī)的單個氣缸和相關(guān)控制系統(tǒng)；圖1b所示為本發(fā)明的多氣缸發(fā)動機(jī)的示意圖；圖2所示為一個曲線圖，其表明對于本發(fā)明的PCCI發(fā)動機(jī)，氣缸壓力和放熱速度為曲軸轉(zhuǎn)角的函數(shù)；圖3所示為一個曲線圖，其表明對于幾種不同發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件，視在放熱速度為曲軸轉(zhuǎn)角函數(shù)；圖4a所示為一個曲線圖，其表明對于給定的一組運(yùn)轉(zhuǎn)條件，爆震強(qiáng)度為時間的函數(shù)；圖4b所示為一個曲線圖，其表明總示出平均有效壓力(GIMEP)為時間的函數(shù)；
圖4c所示為一個曲線圖，其表明對于圖4a和4b的同樣條件，峰值壓力為時間的函數(shù)；圖5所示為一個曲線圖，其表明視在放熱速度為曲軸轉(zhuǎn)角的函數(shù)，并用圖說明了當(dāng)燃燒或放熱位置或正時延遲時，放熱速度持續(xù)時間增加；圖6所示為一個曲線圖，其表明氣缸壓力為曲軸轉(zhuǎn)角的函數(shù)，并用圖說明了當(dāng)放熱速度延遲時，峰值氣缸壓力減少；圖7a所示為一個曲線圖，其表明對于兩種不同發(fā)動機(jī)速度情況，GIMEP為進(jìn)氣歧管溫度的函數(shù)；圖7b所示為一個曲線圖，其表明對于兩種不同發(fā)動機(jī)速度情況，GIMEP變化系數(shù)為進(jìn)氣歧管溫度的函數(shù)；圖7c所示為一個曲線圖，其表明對于兩種不同發(fā)動機(jī)速度，峰值氣缸壓力為進(jìn)氣歧管溫度的函數(shù)；圖7d所示為一個曲線圖，其表明對于兩種不同發(fā)動機(jī)速度，燃燒開始為進(jìn)氣歧管溫度的函數(shù)；圖7e所示為一個曲線圖，其表明對于兩種不同發(fā)動機(jī)速度，用曲軸轉(zhuǎn)角度數(shù)表示的放熱持續(xù)時間為進(jìn)氣歧管溫度的函數(shù)；圖7f所示為一個曲線圖，其表明對于兩種不同發(fā)動機(jī)速度，用時間表示的放熱持續(xù)時間為進(jìn)氣歧管溫度的函數(shù)；圖7g所示為一個曲線圖，其表明對于兩種不同發(fā)動機(jī)速度，總示出熱效率為進(jìn)氣歧管溫度的函數(shù)；圖7h所示為一個曲線圖，其表明對于兩種不同發(fā)動機(jī)速度，燃料比碳?xì)浠衔餅檫M(jìn)氣歧管溫度的函數(shù)；圖7i所示為一個曲線圖，其表明對于兩種不同發(fā)動機(jī)速度，燃料比一氧化碳為進(jìn)氣歧管溫度的函數(shù)；圖7j所示為一個曲線圖，其表明對于兩種不同發(fā)動機(jī)速度，燃料比一氧化二氮排放為進(jìn)氣歧管溫度的函數(shù)；圖7k所示為一個曲線圖，其表明對于兩種不同發(fā)動機(jī)速度，噪聲為進(jìn)氣歧管溫度的函數(shù)；圖8所示為一個曲線圖，其表明對于三種不同進(jìn)氣歧管溫度，放熱速度為曲軸轉(zhuǎn)角的函數(shù)；圖9所示為一個曲線圖，其表明燃燒開始和燃燒持續(xù)時間為壁溫度的函數(shù)；圖10所示為一個曲線圖，其表明對于給定的時間段，燃燒的開始和結(jié)束為曲軸轉(zhuǎn)角的函數(shù)，圖中還表示了同一時間段的GIMEP，其中預(yù)熱塞是循環(huán)的。
圖11所示為一個曲線圖，其表明對于圖10的預(yù)熱塞瞬時狀態(tài)，視在放熱速度是曲軸轉(zhuǎn)角的函數(shù)；圖12公開了一種本發(fā)明末端氣缸補(bǔ)償系統(tǒng)的實(shí)施例，其用于提供氣缸-氣缸的溫度控制；圖13所示為用于提供氣缸-氣缸溫度控制的末端氣缸補(bǔ)償裝置的第二實(shí)施例的示意圖；圖14所示為一個曲線圖，其表示了改變進(jìn)氣閥和排氣閥的開啟和關(guān)閉沖程對上止點(diǎn)(TDC)溫度的影響；圖15所示為一個曲線圖，其表示了改變進(jìn)氣閥和排氣閥的開啟和關(guān)閉沖程，和可變壓縮比，對上止點(diǎn)殘余物質(zhì)量百分比和溫度的影響；圖16所示為一個曲線圖，其表明對于不同排氣閥氣門間隙設(shè)置，氣缸壓力和放熱為曲軸轉(zhuǎn)角的函數(shù)；圖17所示為一個曲線圖，其表示了改變廢氣再循環(huán)(EGR)對相對曲軸轉(zhuǎn)角的放熱速度位置的影響，以及EGR的變化對放熱速度大小的影響；圖18所示為一個曲線圖，其表示了改變EGR率對燃燒開始的正時的影響；圖19所示為本發(fā)明的改進(jìn)的發(fā)動機(jī)的示意圖，該發(fā)動機(jī)具有一個在PCCI狀態(tài)下運(yùn)行的氣缸以使EGR的利用最佳；圖20所示為一個曲線圖，其表示了改變壓縮比對上止點(diǎn)溫度的影響；圖21所示為一個曲線圖，其表明燃燒開始是進(jìn)氣歧管溫度的函數(shù)，并表示了改變壓縮比對燃燒開始和進(jìn)氣歧管溫度的影響；圖22a所示為本發(fā)明的PCCI發(fā)動機(jī)的一個氣缸的部分橫截面視圖，其包括一個壓縮比變化裝置的實(shí)施例；圖22b所示為本發(fā)明的PCCI發(fā)動機(jī)的一個氣缸的部分橫截面視圖，其表示了壓縮比變化裝置的第二實(shí)施例；圖22c所示為該P(yáng)CCI發(fā)動機(jī)一個氣缸的部分橫截面視圖，其表示了壓縮比變化裝置的第三實(shí)施例；圖22d所示為該P(yáng)CCI發(fā)動機(jī)單個氣缸的部分橫截面視圖，其表示了本發(fā)明的壓縮比變化裝置的第四實(shí)施例；圖23所示為本發(fā)明對置活塞式PCCI發(fā)動機(jī)的示意圖，該發(fā)動機(jī)包括一個用于改變壓縮比的可變相位改變機(jī)械裝置；圖24所示為在圖23可變相位改變機(jī)械裝置中使用的差速機(jī)構(gòu)的側(cè)視圖；圖25所示為一個曲線圖，其表明在對置活塞式發(fā)動機(jī)中，例如，在用圖解說明各種壓縮比裝置的圖23的發(fā)動機(jī)中，壓縮比是兩個活塞的相位差的函數(shù)；圖26所示為一個曲線圖，其表明在對置活塞式PCCI發(fā)動機(jī)中，氣缸容積是參考活塞曲軸轉(zhuǎn)角的函數(shù)，其還表明壓縮比隨活塞相位差變大而減少；圖27所示為一個曲線圖，其表示了改變進(jìn)氣閥和排氣閥的開啟和關(guān)閉沖程及改變壓縮比對基線氣流速度的百分比和TDC溫度的影響；圖28所示為一個曲線圖，其表示了進(jìn)氣閥和排氣閥開啟和關(guān)閉沖程的變化及改變壓縮比對柴油當(dāng)量制動馬力比油耗和TDC溫度的影響；圖29所示為一個曲線圖，其表示了進(jìn)氣閥和排氣閥開啟和關(guān)閉沖程的變化及壓縮比變化對峰值氣缸壓力和TDC溫度的影響；圖30所示為一個曲線圖，其表示了噴水對進(jìn)氣歧管溫度和上止點(diǎn)溫度的影響；圖31a所示為一個曲線圖，其表明以曲軸轉(zhuǎn)角角度表示的燃燒持續(xù)時間是進(jìn)氣歧管壓力(IMP)的函數(shù)；圖31b所示為一個曲線圖，其表明以時間表示的燃燒持續(xù)時間是IMP的函數(shù)；圖31c所示為一個曲線圖，其表示了IMP的變化對放熱速度的大小和正時或位置的影響；圖31d所示為一個曲線圖，其表明燃燒開始正時和曲軸轉(zhuǎn)角角度是IMP的函數(shù)；圖31e所示為一個曲線圖，其表明燃料比碳?xì)浠衔锸荌MP的函數(shù)；圖31f所示為一個曲線圖，其表明GIMEP是IMP的函數(shù)圖31g所示為一個曲線圖，其表明總示出熱效率是IMP的函數(shù)；圖31h所示為一個曲線圖，其表明燃料比一氧化碳是IMP的函數(shù)；圖31i所示為一個曲線圖，其表明燃料比一氧化二氮是IMP的函數(shù)；圖31j所示為一個曲線圖，其表明GIMEP的變化系數(shù)是IMP的函數(shù)；圖31k所示為一個曲線圖，其表明峰值氣缸壓力是IMP的函數(shù)；圖31l所示為一個曲線圖，其表明噪聲是IMP的函數(shù)；圖31m所示為一個曲線圖，其表示了增加IMP對峰值氣缸壓力和GIMEP的影響；圖32所示為一個曲線圖，其表示了各種微量核素對燃燒的開始和溫度的影響；圖33所示為一個曲線圖，其表示了附加氧氣量對燃燒開始提前的影響；圖34所示為一個曲線圖，其表示了改變該P(yáng)CCI發(fā)動機(jī)中使用的燃料類型對燃燒開始的影響，其中溫度的增加表明燃燒開始；圖35所示為一個曲線圖，其表明視在放熱持續(xù)時間是等值比的函數(shù)；圖36所示為一個曲線圖，其表明以曲軸轉(zhuǎn)角角度表示的燃燒開始是等值比的函數(shù)；圖37所示為一個曲線圖，其表示了等值比變化對燃燒開始的影響，其中溫度的增加表明燃燒開始；圖38所示為一個曲線圖，其表示了等值比變化對放熱速度大小、正時或位置的影響；圖39所示為一個曲線圖，其表示了等值比對壓縮機(jī)壓力比和壓縮機(jī)出口溫度的影響；圖40所示為一個曲線圖，其表示了改變壓縮比對制動馬力比油耗的影響；圖41所示為一個曲線圖，其表示了兩種不同尺寸渦輪機(jī)外殼的峰值平均有效壓力和GIMEP中的差別；圖42所示為一個曲線圖，其表示了兩種不同尺寸渦輪機(jī)外殼的柴油當(dāng)量BSFC和BMEP；
圖43所示為一個曲線圖，其表示了兩種不同尺寸渦輪機(jī)外殼的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子速度和進(jìn)氣歧管壓力；圖44所示為與典型壓燃柴油發(fā)動機(jī)相比，使用各種燃料的PCCI燃燒的燃料比一氧化二氮排放；圖45所示為一個曲線圖，其表明排放是發(fā)動機(jī)速度的函數(shù)；圖46所示為一個曲線圖，其表明排放是下止點(diǎn)溫度的函數(shù)；圖47所示為一個曲線圖，其表明燃料比一氧化碳是燃燒火焰溫度界限的函數(shù)；圖48a-50b所示為本發(fā)明的PCCI發(fā)動機(jī)的單個氣缸的部分橫截面視圖，其表示了包括各種使縫隙最小的特征的替代實(shí)施例；圖51所示為一個曲線圖，其表示了各種百分比的柴油引燃噴射對放熱速度位置和形狀的影響。
發(fā)明詳細(xì)描述本發(fā)明針對一種改進(jìn)的預(yù)混合可燃混合氣壓燃(PCCI)發(fā)動機(jī)和控制方案，該控制方案用于以這樣一種方式控制發(fā)動機(jī)，即在使效率最大的同時，最佳地使排放最小。為此目的，PCCI指任何發(fā)動機(jī)或燃燒過程，其中1)在點(diǎn)火前的整個進(jìn)氣過程中和整個燃燒過程中，絕大多數(shù)燃料與空氣充分預(yù)混合以形成可燃混合物；2)通過壓燃起燃。PCCI還指燃料和空氣在點(diǎn)火的很早以前預(yù)混合的任何發(fā)動機(jī)或燃燒過程。因此，PCCI發(fā)動機(jī)中燃料噴射正時不影響燃料/空氣混合物的點(diǎn)火正時。而且，應(yīng)該理解為，PCCI意味著包括均勻可燃混合氣壓燃(HCCI)發(fā)動機(jī)和過程，其中混合物在燃燒開始時處于均勻，或幾乎均勻狀態(tài)。在本發(fā)明中，燃油/空氣混合物徹底混合以形成非常稀薄的均勻混合物，或以一種方式混合以形成具有理想的空氣/燃油層化的不太均勻混合物，以保證相對均勻的低火焰溫度，其會導(dǎo)致極低的一氧化二氮(NOx)排放。應(yīng)該明白，某些發(fā)動機(jī)可在PCCI狀態(tài)下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，而由于設(shè)計或疏忽，其它發(fā)動機(jī)可能僅能在PCCI狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)有限的一段運(yùn)轉(zhuǎn)時間。
申請人認(rèn)識到，制造商業(yè)可行的PCCI發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵在于以這樣一種方式控制隨后或未來燃燒沖程的燃燒歷程，即產(chǎn)生極低的NOx排放，同時結(jié)合非常好的整體效率、燃燒噪聲控制和結(jié)合可接受的氣缸壓力。燃燒歷程可包括燃燒開始的時間(燃燒正時)、燃燒速度(放熱速度)、燃燒持續(xù)時間和/或燃燒結(jié)束。申請人確定，燃燒歷程，特別是燃燒正時對包括載荷和周圍條件變化的大量因素敏感，并隨之改變。本發(fā)明的發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)起作用以在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中控制未來燃燒沖程的燃燒歷程，從而保證維持理想的燃燒和發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。在優(yōu)選實(shí)施例中，該發(fā)動機(jī)和控制系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)的壓縮和膨脹沖程中控制燃燒正時。
圖1a和1b圖解說明了本發(fā)明的PCCI發(fā)動機(jī)和控制系統(tǒng)，其通常表示為10。圖1a所示為圖1b中所示的多氣缸往復(fù)運(yùn)動活塞式發(fā)動機(jī)的單個發(fā)動機(jī)氣缸12。當(dāng)然，本發(fā)明的PCCI控制系統(tǒng)可用來控制僅具有單個氣缸或具有任何數(shù)量氣缸的發(fā)動機(jī)中的PCCI燃燒，例如，四、六、八或十二氣缸的內(nèi)燃機(jī)。此外，盡管主要通過參考四沖程發(fā)動機(jī)討論了該P(yáng)CCI控制系統(tǒng)，但該控制系統(tǒng)可應(yīng)用于兩沖程發(fā)動機(jī)。而且，本發(fā)明的PCCI系統(tǒng)可適用于任何具有壓縮、燃燒和膨脹沖程的內(nèi)燃機(jī)，包括轉(zhuǎn)子式發(fā)動機(jī)和自由活塞發(fā)動機(jī)。
如圖1a所示，活塞14可往復(fù)運(yùn)動地安裝在氣缸中以形成燃燒室13?；钊讶紵龥_程產(chǎn)生的力傳遞給傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。參見圖1b，包括進(jìn)氣歧管15的進(jìn)氣系統(tǒng)23向與每個氣缸12相關(guān)的各自進(jìn)氣口26供應(yīng)進(jìn)氣，或空氣/燃油混合物。同樣，包括排氣歧管17的排氣系統(tǒng)27控制從排氣口31排出的氣流。一個或多個進(jìn)氣門，如進(jìn)氣門19和一個或多個排氣門，如排氣門21通過傳統(tǒng)氣門控制系統(tǒng)，或可變氣門正時系統(tǒng)在開啟和關(guān)閉位置間運(yùn)動，以分別控制進(jìn)入氣缸的進(jìn)氣或空氣/燃油混合物和從氣缸排出的廢氣。
PCCI系統(tǒng)10包括一個燃燒傳感器16，其被用于探測表明燃燒歷程的發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)并產(chǎn)生相應(yīng)的信號18。在優(yōu)選實(shí)施例中，傳感器16是這樣允許有效的燃燒控制能力的，即通過探測壓縮和/或膨脹沖程中直接涉及或指示燃燒沖程開始的時刻，即最好是燃燒的開始(SOC)的發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)或參數(shù)。例如，可以為任何或全部發(fā)動機(jī)氣缸提供氣缸壓力傳感器，用于逐循環(huán)地檢測SOC。在這種情況下，傳感器16還可提供其它發(fā)動機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)，如燃燒速度、燃燒持續(xù)時間、燃燒沖程或放熱位置以及燃燒結(jié)束數(shù)據(jù)，可使用這些數(shù)據(jù)中任何一個來代替燃燒開始數(shù)據(jù)?？墒褂萌魏翁綔y燃燒開始的傳統(tǒng)裝置，例如，通過檢測氣缸壓力的非?？斓脑黾??？墒褂闷渌问降膫鞲衅?，包括氣缸蓋、襯套或活塞中的加速器、離子探測器、光學(xué)診斷法、應(yīng)變儀和/或熱電偶。而且，可使用扭矩或RPM傳感器探測與每個燃燒沖程相關(guān)的發(fā)動機(jī)扭矩或RPM變化。作為另外一種選擇，或作為附加，可使用排放傳感器檢測與燃燒結(jié)束具有已知關(guān)系的排放。
傳感器16向電控單元20(ECU)提供反饋控制。ECU20收到信號18，處理該信號，并通過例如把實(shí)際燃燒歷程值與例如從檢查表中獲得的理想燃燒歷程值比較來確定實(shí)際燃燒歷程值，即燃燒開始值。然后ECU20產(chǎn)生多個輸出信號，以22表示，用于可變地控制該系統(tǒng)的相應(yīng)組件，從而在優(yōu)選實(shí)施例中保證SOC和燃燒結(jié)束發(fā)生在壓縮沖程中的上止點(diǎn)前(BTDC)20度和活塞做功沖程中的上止點(diǎn)后35度間，借此在使發(fā)動機(jī)效率最大的同時，使NOx排放最小。最有利的是在ECU20包含的軟件中實(shí)施PCCI燃燒控制方案，ECU20包括一個中央處理單元，如微控制器、微處理器或其它合適的微計算單元。
如這里所述，PCCI系統(tǒng)10可包括使燃燒沖程最佳的各種組件。可使用各種控制組件中的任何一個或組件的任何組合獲得該系統(tǒng)的目的，即低一氧化二氮(NOx)排放、高效率等。特別是如圖1b所示，可沿進(jìn)氣歧管15前段的進(jìn)氣系統(tǒng)23提供一個壓縮機(jī)，用于改變增壓進(jìn)氣壓力。壓縮機(jī)24可由任何傳統(tǒng)裝置驅(qū)動，如廢氣驅(qū)動渦輪25。可用傳統(tǒng)方式提供一個包括廢氣門43的旁通回路33?？稍趬嚎s機(jī)24的前段提供第二壓縮機(jī)或增壓器58。增壓器58由發(fā)動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)機(jī)械驅(qū)動。還可在壓縮機(jī)24后段提供一個增壓空氣冷卻器28。而且，還可在，例如，如圖1b所示的冷卻器28后面，或作為另外一種選擇，在壓縮機(jī)24的前段提供一個進(jìn)氣加熱器30(如燃燒器、熱交換器或電加熱器)。而且，可在與每個氣缸12相關(guān)的進(jìn)氣口26中提供單獨(dú)的加熱器29，以為每個氣缸提供較快的進(jìn)氣歧管溫度控制，從而增強(qiáng)單獨(dú)的氣缸燃燒控制和氣缸間燃燒平衡。壓縮機(jī)24、冷卻器28和加熱器30各自包括控制裝置，控制裝置用于改變特定組件對進(jìn)氣或混合物的壓力/溫度的影響。例如，可利用旁通閥或廢氣門43調(diào)整由相關(guān)排氣系統(tǒng)供應(yīng)的廢氣量，旁通閥或廢氣門與排氣管道31、渦輪25相連，借此隨意改變進(jìn)氣壓力。同樣地，可在為冷卻器28提供的冷卻流體流動管道上提供一個控制閥，以允許對冷卻器28的冷卻作用進(jìn)行任意控制。同樣，可利用各種形式的可變控制以改變加熱器30的加熱效果。ECU20的輸出信號被提供給各種控制裝置以控制壓縮機(jī)24、冷卻器28和加熱器30，從而在循環(huán)逐循環(huán)的基礎(chǔ)上可變地控制進(jìn)氣或混合物的壓力和溫度。
此外，PCCI系統(tǒng)10可包括多個燃油供給32和34，用于向進(jìn)氣氣流供應(yīng)具有不同自燃性質(zhì)的燃油(如，不同的辛烷或甲烷值，或活化能級)。利用燃油控制閥39和41分別控制每個燃油供應(yīng)32、34的供應(yīng)量。例如，如圖1b所示，可沿冷卻器28和空氣加熱器30間的進(jìn)氣管道供應(yīng)燃油。當(dāng)然，可在沿發(fā)動機(jī)進(jìn)氣的各種位置上引入燃油，如冷卻器的前段，例如壓縮機(jī)的前段。作為另外一種選擇，如圖1a所示，燃油可例如通過一個噴射器35，噴射到與每個氣缸相關(guān)的各自進(jìn)氣管道26中。
重要的是該P(yáng)CCI系統(tǒng)10還包括一個用于改變壓縮比的可變壓縮比裝置38，借此有利地按需要提前或推遲燃燒沖程。例如，各種壓縮比裝置38可以是控制機(jī)械裝置形式的，該控制機(jī)械裝置用于改變?nèi)紵倚螤罨蚧钊叨?，借此改變有效的壓縮比。如下面所更完整描述的，該有效壓縮比可通過改變進(jìn)氣閥19的關(guān)閉正時來改變。可通過使用任何傳統(tǒng)可變閥門正時驅(qū)動器系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣閥和排氣閥的開啟和關(guān)閉正時的變化，該驅(qū)動器系統(tǒng)能夠從接收從ECU20發(fā)出的信號，并根據(jù)下面闡明的原理有效地改變閥門的開啟和/或關(guān)閉。
此外，可使用用于向氣缸內(nèi)噴射氣體或液體，如空氣、氮?dú)?、二氧化碳、廢氣、水等的噴射器40實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)稀釋噴射，以改變氣缸內(nèi)的溫度和溫度分配，從而控制燃燒沖程。同樣，可使用例如噴射器42把稀釋劑噴射到進(jìn)氣管道中。
本PCCI系統(tǒng)還可包括一個用于直接向燃燒室噴射燃油37如柴油燃料的燃油噴射器36。或者在壓縮沖程早期，最好是如下所述約在BTDC180度和60度間，或者在壓縮沖程后期接近TDC時，噴射燃油37。
通過在壓縮沖程早期噴射燃油37，其與從進(jìn)氣管道獲得的燃油/空氣混合物的混合比柴油發(fā)動機(jī)的情況更完全，從而保證更可取的燃燒過程，特別是燃油將以較稀薄的等值比燃燒，這會導(dǎo)致非常低的NOx排放?？赏ㄟ^控制噴射的燃油37的量來改變從進(jìn)氣管道獲得的燃油/空氣混合物的燃燒開始或起燃(SOC)。例如，可通過增加燃油37的量獲得較早的燃燒沖程，但可通過減少噴射的燃油37的量推遲燃燒沖程正時。
通過在壓縮沖程后期噴射燃油37，即在接近TDC時，可使用傳統(tǒng)的柴油噴射系統(tǒng)。該方法可與在進(jìn)氣歧管中導(dǎo)入一種或多種附加形式燃油結(jié)合以獲得PCCI模式運(yùn)轉(zhuǎn)。特別是，噴射到進(jìn)氣歧管中的燃油將具有較高的空氣過量比?？諝膺^量比是發(fā)動機(jī)實(shí)際空氣-燃油比除以理想配比狀態(tài)的空氣-燃油比。對于非常稀薄的空氣過量比，沿火焰前端的燃燒是不可能的。然而，自燃是可能的，從而允許在典型火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)中太稀薄以至不能燃燒的混合物燃燒。申請人確定，PCCI燃燒不是從單個地方開始和傳播的。正相反，結(jié)果表明，燃燒包括分布在整個燃燒室內(nèi)的多個點(diǎn)火位置。
對于高效、低排放的PCCI燃燒，重要的是，使燃燒發(fā)生在發(fā)動機(jī)循環(huán)中的適當(dāng)?shù)那S轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)。如果燃燒開始得太早，氣缸壓力將過高并影響效率。如果燃燒開始得太遲，將燃燒不完全，導(dǎo)致差的HC排放、差的效率、高一氧化碳(CO)排放和差的穩(wěn)定性。申請人確定，PCCI發(fā)動機(jī)SCO正時和燃燒速度，從而燃燒持續(xù)時間主要取決于溫度歷程；壓力歷程；燃油自燃性質(zhì)，如辛烷/甲烷值或活化能，以及截留的氣缸可燃混合氣氣體組成(氧氣含量、EGR、濕度、等值比等)。本發(fā)明提出了一種結(jié)構(gòu)的方法，該方法以這樣一種方式影響這些變量，即可通過下面所更完整描述的特征的各種組合控制燃燒的開始和/或燃燒速度(放熱速度)。
控制/改變用于控制燃燒的開始和燃燒速度的各種控制特征以保證整個發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的最佳燃燒，從而獲得低NOx排放和高效率。這些控制特征的應(yīng)用將使燃燒發(fā)生在相對發(fā)動機(jī)活塞上止點(diǎn)的有利曲軸轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)。特別是，申請人認(rèn)識到，基本上全部燃燒沖程應(yīng)發(fā)生在BTDC20度曲軸轉(zhuǎn)角和ATDC35度曲軸轉(zhuǎn)角間。而且，燃燒最好在BTDC20度曲軸轉(zhuǎn)角和ATDC10度曲軸轉(zhuǎn)角間起燃，理想的是在約BTDC10度曲軸轉(zhuǎn)角和ATDC5度曲軸轉(zhuǎn)角之間。此外，燃燒沖程持續(xù)時間通常對應(yīng)5-30度曲軸轉(zhuǎn)角范圍的曲軸轉(zhuǎn)角。然而，最好控制下列一個或多個控制特征以將燃燒持續(xù)時間延長到約30-40度，以獲得可取的峰值氣缸壓力和減少的噪聲。這樣，對一個或多個下列特征的控制將有效地控制燃燒的開始和/或燃燒速度，使得基本上全部燃燒沖程發(fā)生在BTDC20度曲軸轉(zhuǎn)角和ATDC35度曲軸轉(zhuǎn)角間。當(dāng)然，也可能有這樣一些情況，即燃燒開始發(fā)生在上述曲軸轉(zhuǎn)角范圍外并且/或者PCCI發(fā)動機(jī)燃燒持續(xù)時間發(fā)生在較寬的曲軸轉(zhuǎn)角范圍，或者可能超過上述界限。
申請人指出，當(dāng)大多數(shù)放熱發(fā)生在TDC后時，可獲得穩(wěn)定的高效PCCI燃燒。例如如圖2所示，放熱質(zhì)心可位于5°ATDC。申請人確定，在低負(fù)荷和稀薄條件下，如圖3所示，放熱持續(xù)時間可在約21.5-25曲軸轉(zhuǎn)角度數(shù)范圍內(nèi)。
如圖4a、4b和4c所示，申請人確定，隨著發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)到接近其不起動極限，SOC和燃燒結(jié)束(EOC)逐漸推遲，并且放熱持續(xù)時間延長。當(dāng)SOC推遲到TDC以后時，總示出平均有效壓力(GIMEP)通過一個最大值。其間，在GIMEP保持為可接受的同時，爆震強(qiáng)度和峰值氣缸壓力(PCP)基本上降低到接近不起動極限。如圖5所示，隨著不起動極限的接近，峰值放熱速度也減少，并且放熱持續(xù)時間增加。其間，如圖6所示，峰值氣缸壓力隨放熱速度減慢而減少。很清楚，如果不提供這里所述的適當(dāng)控制，發(fā)動機(jī)不能維持這種反應(yīng)過程。申請人確定，當(dāng)SOC發(fā)生在TDC后幾度時出現(xiàn)最佳運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)。無疑，為PCCI燃燒改進(jìn)PCP-GIMEP的折衷選擇需要SOC位于TDC之后。結(jié)果是，很清楚，需要各種主動控制以將SOC和燃燒持續(xù)時間分別維持在希望的位置和希望的長度，從而獲得有效、高效的PCCI燃燒。
單氣缸發(fā)動機(jī)連續(xù)燃燒沖程間和多氣缸發(fā)動機(jī)氣缸間的SOC變化是由PCCI燃燒對導(dǎo)致特定燃燒沖程的壓力和溫度歷程的敏感性所產(chǎn)生的。壓縮比、截留的殘余物量、壁溫度等的非常小的變化對壓力和溫度歷程有顯著影響。該P(yáng)CCI發(fā)動機(jī)和操作該發(fā)動機(jī)的方法包括控制變量/特征，這些變量/特征能夠補(bǔ)償和控制這些變化以獲得最佳PCCI燃燒。
通常，可用于有效控制燃燒的開始和燃燒速度以保證基本上全部燃燒過程發(fā)生在最佳曲軸轉(zhuǎn)角界限內(nèi)，即BTDC20度到ATDC35度，同時使排放最小并使效率最大的控制變量可分成四種控制溫度控制；壓力控制；混合物自燃性質(zhì)控制；及等值比控制。
溫度控制缸內(nèi)空氣/燃油混合物的溫度(缸內(nèi)溫度)在確定燃燒開始中起重要作用?？赏ㄟ^改變某些關(guān)鍵控制特征，如壓縮比(CR)、進(jìn)氣歧管溫度(IMT)、廢氣再循環(huán)(EGR)、殘余物質(zhì)量百分比(RMF)、熱傳導(dǎo)和溫度層化來改變缸內(nèi)溫度以控制燃燒開始。
申請人確定，進(jìn)氣歧管溫度(IMT)對丙烷-燃料的PCCI燃燒具有顯著影響。在申請人的兩個研究過程中，保持發(fā)動機(jī)速度、等值比()和進(jìn)氣歧管壓力(IMP)恒定，同時IMT掃過實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)范圍。最低IMT由不穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)限制，最高IMT由最大允許峰值氣缸壓力(PCP)限制。第一和第二研究的條件分別包括發(fā)動機(jī)速度=1200rmp和2000rmp；等值比=.30和.24；IMP=3.3bar和4.1bar。如圖7a和7b所示，增加IMT導(dǎo)致增加的GIMEP和減少的GIMEP變化系數(shù)(CoV)。而且，如圖7c所示，增加IMT增加PCP，同時提前SOC并減少燃燒持續(xù)時間(圖7d-7f)。增加IMT還增加總示出熱效率(圖7g)和估計的噪聲(圖7k)。對于排放，增加IMT減少FSHC排放(7h)，減少燃油比一氧化碳(FSCO)排放(圖7I)，但沒有觀察到對FSNOx的影響(圖7j)。
總而言之，申請人確定，IMT的小變化對丙烷-燃料PCCI燃燒的很多方面具有很大影響。通過改變進(jìn)氣溫度，可以提前或推遲燃燒沖程。增加進(jìn)氣溫度將提前燃燒的開始；減少進(jìn)氣溫度將推遲燃燒的開始，如圖8中圖形所示。該溫度控制可通過使用熱交換器或燃燒器實(shí)現(xiàn)。例如，可沿進(jìn)氣歧管放置一個可燃混合氣氣體冷卻器。與冷卻器結(jié)合的燃燒器或加熱器能提供特殊的進(jìn)氣溫度控制。燃燒器的排出產(chǎn)物可直接與進(jìn)氣混合，燃燒器可利用進(jìn)氣直接作為其空氣供給，或者燃燒器產(chǎn)生的熱可通過熱交換器加到進(jìn)氣中。熱交換器可利用發(fā)動機(jī)冷卻劑或廢氣中的廢熱加熱進(jìn)氣。而且，可通過利用可燃混合氣冷卻器旁路實(shí)現(xiàn)對IMT的快速控制?？墒褂靡粋€回?zé)崞?與Stirling發(fā)動機(jī)中使用的相似)回收并把熱通過熱交換器傳導(dǎo)到進(jìn)氣，借此控制進(jìn)氣溫度。此外，可通過向歧管噴射不同相的燃油，如液體或氣體，來改變IMT。液體燃油蒸發(fā)需要的熱的變化會減少IMT。當(dāng)然，不同形式的燃油對IMT有不同的影響。
申請人還確定了殘余物和進(jìn)氣溫度、增壓和燃燒室及氣道壁熱傳導(dǎo)在整個進(jìn)氣和壓縮過程中如何影響缸內(nèi)按體積計算的平均溫度，及在TDC時對空間溫度分配的影響。特別是，對于靠空氣和丙烷混合物運(yùn)行的發(fā)動機(jī)，申請人比較了進(jìn)氣和壓縮沖程。發(fā)明從確定，在SOC時的溫度還部分決定于現(xiàn)有熱能對進(jìn)氣可燃混合氣的再熱。對于該申請，再熱定義為T(平均缸內(nèi)@進(jìn)氣閥關(guān)閉(IVC))-T(平均進(jìn)氣歧管)，也就是進(jìn)氣歧管溫度，即指定在氣道進(jìn)口的溫度和在IVC的缸內(nèi)按體積計算的平均溫度間的差值。申請人確定，再熱在氣道開始并在缸內(nèi)繼續(xù)。此外，56％的再熱是由于壁熱傳導(dǎo)，44％是由于對被檢測狀態(tài)的混合及增壓。很清楚，熱傳在確定再熱中是非常重要的。
下面是說明壁溫度對缸內(nèi)熱傳導(dǎo)重要性的一個研究。在比較點(diǎn)火和不點(diǎn)火氣缸時注意到，不點(diǎn)火氣缸的再熱是點(diǎn)火氣缸的63％(27 vs47K)。與點(diǎn)火氣缸相比，不點(diǎn)火氣缸較低的壁溫度是其缸內(nèi)溫度低的主要原因。與IVC時高出16K溫度相比，點(diǎn)火氣缸具有比不點(diǎn)火氣缸高出46K的TDC缸內(nèi)溫度。如果對于每個情況的比較是絕熱進(jìn)行的，當(dāng)給定最初的16K差值時，TDC時溫度差值將會是～35K。因此，從IVC到TDC的～11K(46K-35K)的溫度降低是由于較冷的不點(diǎn)火壁溫度。有趣的是，盡管對于大多數(shù)進(jìn)氣和壓縮沖程壁加熱缸內(nèi)氣體，但接近TDC壓縮的氣體的較快熱傳導(dǎo)速度可導(dǎo)致比沒有熱傳導(dǎo)更冷的缸內(nèi)成分。而且，當(dāng)把帶壁熱傳導(dǎo)的正常點(diǎn)火氣缸與帶絕熱壁的點(diǎn)火氣缸相比時，質(zhì)量單位流量由于熱傳導(dǎo)而減少了7.5，這主要是由于密度效應(yīng)。
參見圖9，對于壁溫度對SOC的影響，即活塞溫度、缸蓋溫度和襯套溫度對SOC的影響，申請人確定，當(dāng)壁溫度增加時，SOC變得更加提前。該增加的表面溫度導(dǎo)致向燃燒室較低的熱傳導(dǎo)，從而提前了燃燒。申請人指出，隨著壁溫度從255到933K變化并且所有其它參數(shù)保持恒定，(IMT=342K，再熱=43K,φ=0.24)，混合物在壁溫度低于400K時不會點(diǎn)火。隨著較大百分比的燃油燃燒，從約400K到550K燃燒的持續(xù)時間增加。超過550K燃油全部燃燒，并且燃燒持續(xù)時間隨增加的溫度減少。缸內(nèi)表面溫度的變化可通過改變發(fā)動機(jī)冷卻劑和/或潤滑油對氣缸/活塞組件的冷卻作用獲得。盡管可能很難利用氣缸壁溫度作為有效控制SOC的手段，但氣缸壁溫度是控制SOC時所考慮的參數(shù)之一，特別是對于起動和過渡工況。申請人指出，存在一個運(yùn)轉(zhuǎn)條件區(qū)域，其中具有兩個可靠的解決方案一個是不帶燃燒和冷壁，一個是帶燃燒和熱壁。而且，改變?nèi)紵业谋砻娣e對體積的比值可改變熱傳導(dǎo)，從而可用于控制燃燒。
通過把帶壁熱傳導(dǎo)的正常點(diǎn)火氣缸與帶絕熱壁的點(diǎn)火氣缸相比，可以看出，壁熱傳導(dǎo)對TDC時的空間溫度分配起主要作用?？臻g溫度分配定義為在特定曲軸角度溫度在整個區(qū)域內(nèi)變化的方式，無論是在氣道還是在氣缸中。通過改變缸內(nèi)溫度分配，確實(shí)可以影響燃燒的開始和/或整體燃燒速度。改變缸內(nèi)溫度分配的一種方法是使用分叉式進(jìn)氣道，該進(jìn)氣道是這樣布置的，即使進(jìn)入的空氣/燃油混合物比其余進(jìn)入的混合物熱一些或冷一些。另一個方法是在氣缸中引入熱點(diǎn)或使用預(yù)熱塞44(圖1a)。而且，缸內(nèi)溫度分配可通過改變?nèi)紵冶跍囟?如氣缸襯套、活塞和/或發(fā)動機(jī)缸蓋的溫度)來控制，可通過改變，例如，發(fā)動機(jī)冷卻劑的溫度、發(fā)動機(jī)油溫或燃燒室壁冷卻速度來改變?nèi)紵冶跍囟?。如圖1b所示，發(fā)動機(jī)冷卻劑的溫度可通過控制通過位于發(fā)動機(jī)冷卻劑回路47中的冷卻劑熱交換器46的流量來改變，該流量控制是通過使用旁通閥50改變通過旁通回路48的流量來實(shí)現(xiàn)的。確定的是，對于點(diǎn)火和不點(diǎn)火氣缸，壁熱傳導(dǎo)對空間溫度分配具有相似的影響。同樣，申請人還確定了在整個進(jìn)氣和壓縮過程中，殘余溫度和壁熱傳導(dǎo)是如何影響缸內(nèi)溫度分配的。該測定過程包括三個對空氣和丙烷混合物的進(jìn)氣和壓縮沖程的研究。這些研究表明，在大多數(shù)進(jìn)氣和壓縮過程中，熱殘余物是空間溫度變化的主要來源。然而，接近TDC壓縮時，當(dāng)壁處于燃燒室內(nèi)設(shè)定的溫度變化時，殘余歷程的重要性比熱傳導(dǎo)小。因此，申請人相信，為促進(jìn)使用更多可用燃油的燃燒沖程，燃油可以這樣一種方式引入，即在SOC時，燃油和空氣在溫度場足以維持燃燒的區(qū)域處于適當(dāng)比例。溫度場不足以維持燃燒的兩個區(qū)域是在縫隙和相鄰的冷卻的表面中。因此希望使燃油遠(yuǎn)離縫隙和冷卻的表面。很清楚，向缸內(nèi)混合物的熱傳導(dǎo)增加了缸內(nèi)混合物的溫度，從而提前了SOC。申請人指出，可使用一個預(yù)熱塞有效地把SOC控制在小的角度內(nèi)。如圖10所示，一旦關(guān)掉預(yù)熱塞，SOC和EOC會稍稍推遲。而且，由于較少的燃油被燃燒掉，GIMEP顯著減少。被燃燒的燃油量的減少還導(dǎo)致放熱速度的減少，如圖11所示。在循環(huán)#1和#100之間，預(yù)熱塞被關(guān)閉并保持關(guān)閉直到循環(huán)#300和循環(huán)#400間的某一時刻，此時預(yù)熱塞被重新打開。大概最重要的是，當(dāng)預(yù)熱塞被關(guān)掉時，快速燃燒的開始顯著推遲而且持續(xù)時間沒有增加，這與放熱速度的減少結(jié)合導(dǎo)致了累計放熱減少。因此，可利用預(yù)熱塞44(圖1b)強(qiáng)制地把燃燒控制在限定的程度內(nèi)。
在任何實(shí)際的往復(fù)運(yùn)動發(fā)動機(jī)中，壓縮過程中熱會從燃燒室損失掉。熱損失取決于很多因素，但主要取決于發(fā)動機(jī)速度和氣缸內(nèi)外的溫度差。壓縮過程的熱傳導(dǎo)成為柴油發(fā)動機(jī)在寒冷周圍環(huán)境起動時的一個問題，因為在燃燒室壁表面溫度低的氣缸中難以起燃和維持燃燒。通常，位于每排氣缸端部的氣缸溫度最低，最不容易點(diǎn)火。在這種情況下，由于與較冷氣缸壁的過度熱交換，常常會發(fā)生端部氣缸中可燃混合氣不能燃燒的現(xiàn)象。然而，對于柴油發(fā)動機(jī)，一旦全部氣缸熱起來，燃燒相當(dāng)一致并且更獨(dú)立于燃燒室表面溫度。
對于PCCI，燃燒過程是通過獲得確定的壓力和溫度“歷程”開始的。這樣，如上所述，PCCI燃燒過程嚴(yán)重依賴于燃燒室表面溫度并且對之敏感。該P(yáng)CCI發(fā)動機(jī)可包括一個用于獲得理想的端部氣缸燃燒室表面溫度的端部氣缸補(bǔ)償裝置，以保證較好的氣缸至-氣缸的溫度控制，借此增加穩(wěn)定燃燒和非常低NOx排放的可能性。端部氣缸補(bǔ)償裝置可包括一個系統(tǒng)，用于減少特定氣缸的有效冷卻，如減少活塞冷卻噴嘴流量；提高冷卻劑溫度；或減少冷卻劑流速。特別是，參見圖12，端部氣缸補(bǔ)償裝置可包括一個油流量控制系統(tǒng)70，該系統(tǒng)包括一個位于支路流動管道74中的油流量控制閥72，支路流動管道74把冷卻油從油泵78運(yùn)送到活塞冷卻噴嘴76。這樣，可控制控制閥72以改變流向活塞組件的冷卻油流量，以改變活塞溫度并從而有利地影響缸內(nèi)溫度。作為另外一種選擇，可使用節(jié)流代替閥72，或把與端部氣缸相關(guān)的噴嘴76設(shè)計成具有比其它噴嘴小的有效流通面積，以永久地減少流向這些活塞冷卻噴嘴的流量。此外，如圖1a所示，如果提供了多于一個的噴嘴76，可通過控制與每個噴嘴相關(guān)的各自控制閥來改變工作的噴嘴數(shù)目。
參見圖13，端部氣缸補(bǔ)償裝置可包括一個發(fā)動機(jī)冷卻劑流量控制系統(tǒng)80，系統(tǒng)80包括一個冷卻劑泵81和位于支路管道84中的冷卻劑流量控制閥或節(jié)流82，支路管道84通向發(fā)動機(jī)88的端部氣缸86。操作閥82以減少從散熱器90輸出的冷的冷卻劑流量。并且，利用位于熱冷卻劑回流通道94中的控制閥92控制繞過散熱器90并被直接送往端部氣缸的較高溫度冷卻劑流量。這些系統(tǒng)全都起作用以控制流向端部氣缸的冷卻劑流量，以補(bǔ)償端部氣缸被周圍環(huán)境過冷卻的實(shí)際情況，使得對每個端部氣缸的整體冷卻等于對每個其它氣缸的冷卻?？衫眠@些系統(tǒng)幫助缸內(nèi)預(yù)熱以改善發(fā)動機(jī)穩(wěn)定性，提供對氣缸燃燒和氣缸-至-氣缸平衡的加強(qiáng)控制。
作為另外一種選擇，或附加地，端部氣缸補(bǔ)償裝置可包括一種端部氣缸，該氣缸具有名義上大于其它氣缸的有效壓縮比以抵銷額外熱損失。該壓縮比可設(shè)計在端部氣缸中，使得端部氣缸壓縮溫度與中間氣缸相等。因為對于起動和預(yù)熱操作端部氣缸燃燒室表面溫度都將提高，所以從性能觀點(diǎn)看，這種方法是有利的。作為另外一種選擇，這種壓縮比差可通過凸輪軸閥瓣定相實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，端部氣缸將具有在下止點(diǎn)(BDC)附近關(guān)閉的進(jìn)氣閥，使得有效壓縮比(CR)約等于幾何CR。于是中間氣缸將具有推遲的IVC，其會產(chǎn)生比端部氣缸低的名義有效CR。改變壓縮比對PCCI燃燒的影響將在下面更完整地討論。
就預(yù)混合可燃混合氣、壓燃(PCCI)發(fā)動機(jī)技術(shù)來說，最大的挑戰(zhàn)之一在于放熱曲線的布置。標(biāo)準(zhǔn)柴油發(fā)動機(jī)或火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)的燃燒開始是用噴射正時或點(diǎn)火正時控制的。對于PCCI發(fā)動機(jī)，燃燒開始是由缸內(nèi)溫度和壓力支配的。對于PCCI發(fā)動機(jī)，當(dāng)接近靠近TDC(或在TDC之后)的SOC正時時，對小的幾何變化和/或溫度、壓力等的運(yùn)轉(zhuǎn)變化的敏感性顯著增加。在為PCCI發(fā)動機(jī)尋求延遲的放熱曲線(以使峰值氣缸壓力最小并改進(jìn)效率)時，不點(diǎn)火或部分燃燒的危險顯著增加。這是因為由于可燃混合氣膨脹，氣缸溫度在上止點(diǎn)后下降。如果在TDC前未發(fā)生自燃，遠(yuǎn)在上止點(diǎn)之后自燃將不可能發(fā)生。如果一個氣缸開始不點(diǎn)火，這個問題會更加嚴(yán)重。不點(diǎn)火氣缸冷卻下來，從而更可能繼續(xù)不點(diǎn)火。
在多-氣缸發(fā)動機(jī)中，在壓縮比、壁溫度、再熱和殘余物質(zhì)量百分比方面氣缸間不可避免地存在差異。這種差異使得很難以理想的延遲的燃燒正時操作PCCI發(fā)動機(jī)，同時維持沒有個別氣缸(偶然變得稍冷的氣缸)開始不點(diǎn)火的最佳燃燒。
如圖14所示的分析結(jié)果所建議的，申請人確定，操縱閥沖程可對TDC時溫度有顯著影響，從而是控制燃燒開始的有效工具。特別是，參見表Ⅰ，改變閥沖程具有以下作用


如圖15所示，在確定從一個燃燒沖程到下一個沖程殘留在，或可供應(yīng)給燃燒室的燃燒產(chǎn)物量，即殘余物質(zhì)量百分比(RMF)中，排氣閥關(guān)閉(EVC)起到重要作用。殘余物溫度高于進(jìn)入的可燃混合氣溫度，從而為下一個燃燒沖程加熱可燃混合氣。這樣，可利用排氣閥關(guān)閉正時調(diào)整缸內(nèi)溫度，從而控制SOC。為“加熱”一個冷氣缸(即開始不點(diǎn)火的氣缸)，可通過早一些的排氣閥關(guān)閉沖程增加個別氣缸中的殘余物質(zhì)量百分比。熱殘余物將增加進(jìn)入的可燃混合氣的再熱并趨向于使燃燒的開始提前，從而，例如，恢復(fù)一個不點(diǎn)火的氣缸。如圖15所示，提前EVC在氣缸中截留熱殘余物，而推遲EVC允許熱廢氣向氣缸回爆(在這種情況下，排氣歧管壓力(EMP)＞IMP)?；€EVC是這兩個影響的最佳值截留最小量的殘余物并導(dǎo)致最低的TDC溫度。同樣，提前IVO允許氣缸中的某些熱殘余物向進(jìn)氣管道回爆，也是因為EMP＞IMP，引起TDC溫度升高。下面更完整描述的通過，例如，提前IVC來降低壓縮比也會增加氣缸中的殘余物，但只是在較小的程度上。還可利用對排氣閥的關(guān)閉正時的調(diào)整有效補(bǔ)償氣缸間的小的幾何和運(yùn)轉(zhuǎn)變化，以允許氣缸-至-氣缸地“調(diào)整”發(fā)動機(jī)。可利用任何其它用于有效增加或減少RMF的裝置來分別提前或推遲SOC。
在一個多氣缸PCCI發(fā)動機(jī)上成功地試驗了實(shí)現(xiàn)這種策略的一個方法。這個技術(shù)涉及到增加排氣閥間隙設(shè)定。打開該間隙有效地早關(guān)閉排氣閥，并根據(jù)需要提前燃燒的開始。申請人確定，把排氣閥沖程減少10度導(dǎo)致稍高的表面溫度和提高22度的進(jìn)氣溫度。由于22度IMT巨變對燃燒的巨大影響(圖7c-7f)，這種方法將表明利用閥間隙調(diào)整調(diào)整多氣缸發(fā)動機(jī)的可能性。如圖16所示，通過增加間隙縮短排氣閥開啟的持續(xù)時間的確提前了燃燒。最終，可通過任何可調(diào)整靜態(tài)排氣閥關(guān)閉的裝置來被動控制氣缸-至-氣缸的變化。如果與某些分析測量法結(jié)合，也可對其進(jìn)行主動控制。如果所有氣缸都存在控制，那么也可用這種技術(shù)來影響發(fā)動機(jī)內(nèi)燃燒的總開始。
另一種通過控制殘余物質(zhì)量百分比(RMF)來控制缸內(nèi)溫度的方法是壓縮與進(jìn)入的可燃混合氣分開的室內(nèi)的從前面循環(huán)留下的一團(tuán)殘余氣體。截留的殘余物與新鮮可燃混合氣的比例可通過這種室的尺寸操縱。如果全部TDC容積都在這種室內(nèi)，熱廢氣的質(zhì)量可大到(1/2)(1/CR)，從而≈室質(zhì)量的1/30。必須控制這種室的結(jié)構(gòu)使得至少一部分熱氣在壓縮過程后繼續(xù)存在，沒有與進(jìn)入的可燃混合氣完全混合。如果截留的廢氣在壓縮過程中非常早地混合，就不會達(dá)到啟動快速反應(yīng)所需的高溫。流入和流出這種室的流動正時可幫助控制氣缸內(nèi)開始快速能量釋放的正時。附加的局部熱輸入源可能能夠提供這種快速反應(yīng)開始。這可能是一個加熱的預(yù)熱塞或一團(tuán)熱隔離物質(zhì)。
殘余質(zhì)量百分比還對排氣歧管背壓(EMP)敏感。通過相對IMP增加EMP，可增加殘余質(zhì)量百分比，從而增加可燃混合氣溫度，這反過來會使燃燒提前。申請人確定，提高EMP的確具有提前SOC的預(yù)期結(jié)果。然而，申請人還指出，對于四循環(huán)發(fā)動機(jī)，當(dāng)在EMP中有3bar的增加時SCO僅提前約4°。申請人確定，當(dāng)其它方面保持恒定時，溫度的增加與EMP的增加接近線性關(guān)系。對于EMP中1bar的增加，TDC時的溫度增加約10K。因此，考慮到實(shí)際EMP范圍，控制EMP在控制四循環(huán)發(fā)動機(jī)的SOC方面似乎是一個相對弱的手段。而且，當(dāng)在4循環(huán)發(fā)動機(jī)中利用EMP增加TDC溫度時，將要付出非常重大的BSFC損失。與利用排氣閥關(guān)閉或可變壓縮比相比，BSFC將非常高。盡管增加EMP的作用與提前EVC的作用相同，即在缸內(nèi)截留更多的熱殘余質(zhì)量，但BSFC將高得多，這是因為當(dāng)EMP增加后，活塞必須在整個排氣沖程中克服該壓力做工。如果發(fā)動機(jī)具有渦輪機(jī)，那么試圖利用EMP控制SOC將會使問題更復(fù)雜。然而，對于兩循環(huán)發(fā)動機(jī)，利用廢氣節(jié)流可能仍是可行的。
控制進(jìn)氣溫度的另一個重要方法是通過使用熱廢氣再循環(huán)(EGR)。如圖1b所示，可利用高壓EGR回路54把熱廢氣從渦輪25的前段導(dǎo)入到進(jìn)氣系統(tǒng)23。EGR回路54包括一個用于控制廢氣再循環(huán)的高壓EGR控制閥60?？衫靡粋€低壓EGR回路62和控制閥64把低壓EGR流從渦輪25前段導(dǎo)入到進(jìn)氣系統(tǒng)23。申請人指出，當(dāng)從壓縮機(jī)24的前段導(dǎo)入時(假定添加EGR的作用沒有被附加的可燃混合氣冷卻抵消)，EGR在提高進(jìn)氣歧管溫度中特別有效。廢氣再循環(huán)(EGR)在PCCI發(fā)動機(jī)中有更多的應(yīng)用，因為這種發(fā)動機(jī)的廢氣將含有較小的顆粒，從而廢氣可被再循環(huán)到理想的前段位置(渦輪增壓器的壓縮機(jī)的進(jìn)氣管道)。壓縮機(jī)的進(jìn)氣管道是最好的位置，因為壓力差幾乎是一直有利的。新鮮的進(jìn)氣和熱EGR混合物將被壓縮機(jī)壓縮，借此提供加熱和混合。通過在壓縮機(jī)前段導(dǎo)入EGR和增加壓縮機(jī)進(jìn)口溫度，其結(jié)果是比在壓縮機(jī)后導(dǎo)入EGR高得多的壓縮機(jī)出口溫度。在通常的柴油機(jī)中，向壓縮機(jī)進(jìn)口導(dǎo)入EGR是非常困難的，因為發(fā)動機(jī)廢氣中的顆粒會將壓縮機(jī)“粘住”。然而在PCCI發(fā)動機(jī)中，幾乎沒有顆粒的廢氣可被導(dǎo)入到壓縮機(jī)前段，而不會有重大問題。而且，如圖18所示，申請人確定，與用于導(dǎo)入廢氣產(chǎn)物的技術(shù)無關(guān)，如EGR、RMP等，在通過添加廢氣產(chǎn)物的同時通過，例如，噴射冷卻稀釋劑，如空氣和/或水，來保持可燃混合氣溫度，都可使燃燒速度降低，從而增加了燃燒持續(xù)時間，推遲了燃燒并減少了放熱量。
參見圖19，所示為改進(jìn)的發(fā)動機(jī)100，通過使多個氣缸中一定數(shù)量的氣缸運(yùn)轉(zhuǎn)在PCCI模式，同時使氣缸中的其余氣缸運(yùn)轉(zhuǎn)在柴油機(jī)模式，該發(fā)動機(jī)受益于PCCI發(fā)動機(jī)和本發(fā)明的控制系統(tǒng)。特別是，例如，在一個六氣缸發(fā)動機(jī)中五個氣缸102可運(yùn)轉(zhuǎn)在柴油機(jī)模式，同時一個氣缸104運(yùn)轉(zhuǎn)在PCCI模式。該發(fā)動機(jī)還包括一個EGR系統(tǒng)106，該系統(tǒng)僅與PCCI氣缸104相關(guān)，并同與柴油機(jī)氣缸102相關(guān)的排氣系統(tǒng)108分開。PCCI氣缸104中活塞的壓力被用于強(qiáng)迫廢氣進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)。EGR系統(tǒng)106包括一個利用，例如，發(fā)動機(jī)冷卻劑的EGR冷卻器110，該冷卻器在向壓縮機(jī)105入口端再循環(huán)氣體之前冷卻PCCI廢氣。當(dāng)然，廢氣可被輸送到僅為柴油機(jī)氣缸102供應(yīng)的進(jìn)氣歧管112。在柴油發(fā)動機(jī)中使用EGR所面臨的一個共知問題是柴油發(fā)動機(jī)廢氣中存在的過量顆粒和NOx。改進(jìn)的發(fā)動機(jī)100允許柴油發(fā)動機(jī)受益于EGR，同時基本上避免了與嚴(yán)重的顆粒柴油機(jī)排放相關(guān)的缺點(diǎn)，從而提供了不太復(fù)雜的和不太昂貴的系統(tǒng)。例如，如上所述，從氣缸104的PCCI EGR循環(huán)可被更容易地導(dǎo)入到壓縮機(jī)前段而不會堵塞壓縮機(jī)。而且，PCCI EGR的低NOx排放減少了硝酸的形成，從而減少了發(fā)動機(jī)的腐蝕。申請人指出，圖19的發(fā)動機(jī)在僅可忽略不計地增加制動比燃燒消耗的同時，降低了制動比NOx排放。
用于改變TDC時溫度從而改變SOC的最有效的控制特征之一是氣缸壓縮比(CR)的可變控制。通過改變有效或幾何壓縮比，可控制溫度和壓力歷程。增加壓縮比提前燃燒沖程。減少壓縮比使之延遲。對于某些目的，壓縮比的范圍可以是從24∶1(以促進(jìn)冷起動)到12∶1(以允許控制燃燒的開始和限制峰值燃燒壓力)。在其它因素中，壓縮比范圍取決于使用的燃料形式(特別是其自燃性質(zhì))，例如，天然氣或丙烷。申請人確定了壓縮比對PCCI燃燒的影響。例如，參見圖20，申請人指出，改變壓縮比在改變缸內(nèi)溫度并從而改變SOC中是一種重要手段。如圖21所示，申請人指出，壓縮比變化顯著影響相對TDC的SOC位置。
可通過改變幾何壓縮比來改變壓縮比，即利用控制機(jī)械裝置改變?nèi)紵业奈锢沓叽?形狀。本發(fā)明包括一個壓縮比改變裝置38，該裝置用于在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中改變?nèi)紵业膸缀位蛴行莘e，以獲得希望的SOC。壓縮比改變裝置可以是一個機(jī)械裝置，該機(jī)械裝置通過改變?nèi)紵业膸缀稳莘e引起TDC附近的可燃混合氣的壓縮加熱。如圖22a-22d所示，壓縮比變化裝置可包括一個可移動的輔助活塞或柱塞，其可在曲軸轉(zhuǎn)角接近TDC時移動以伸入到燃燒室中，以減少燃燒室容積，從而增加壓縮比和充分加熱可燃混合氣，以允許起燃。柱塞的關(guān)鍵作用是在接近TDC時取代某些可燃混合氣。因此，除了柱塞達(dá)到影響余隙容積的程度外，燃燒室中柱塞的形狀和位置對其作用不是關(guān)鍵的。
柱塞的尺寸是根據(jù)希望的壓縮比控制范圍確定的，可通過下例估計每氣缸的掃氣量=1,000cc=1l.
TDC余隙容積=100cc壓縮比=(1000cc+100cc)/100.0cc=11.0如果柱塞體積=30cc，那么當(dāng)柱塞完全伸出時的有效壓縮比=(1000cc+100cc)/(100.0cc-30cc)=15.7。
對于給定的一組條件，改變的壓縮比應(yīng)允許足夠大的溫度和壓力升高，以為在沒有柱塞時不會點(diǎn)火的燃油/空氣混合物引起壓燃。當(dāng)然，在發(fā)動機(jī)的設(shè)計階段很容易改變發(fā)動機(jī)的壓縮比和柱塞尺寸。而且，不同的燃油和進(jìn)氣溫度需要不同的柱塞尺寸和壓縮比。
如圖22a所示，柱塞150可位于氣缸蓋154的孔152內(nèi)并由凸輪156操縱，凸輪156的轉(zhuǎn)動與發(fā)動機(jī)活塞158的運(yùn)動成預(yù)定定時關(guān)系?；乜s彈簧160使柱塞向凸輪156偏動以增加燃燒室162的尺寸。這種特定布置是有利的，因為當(dāng)柱塞回縮時，由凸輪驅(qū)動的柱塞150可把功返送回凸輪軸。而且，只要柱塞150一直到膨脹沖程后期或膨脹沖程之后才回縮，柱塞150在可燃混合氣上作的某些功可被發(fā)動機(jī)活塞吸取。
作為另外一種選擇，參見圖22b，柱塞170可由加壓的供應(yīng)液體液力操縱，如燃油，液體通過連接在例如高壓燃油噴射泵或共軌噴射系統(tǒng)上的液力管路172輸送到室174。22c展示了另一種液力驅(qū)動的實(shí)施例，其中柱塞180由彈簧182輔助以允許能量被貯藏在該彈簧中，彈簧182位于在柱塞180一端附近形成的室184中。在該系統(tǒng)中，一保持裝置，如液力的、電磁的或機(jī)械的，(未示出)使柱塞保持在伸出的位置。當(dāng)活塞接近TDC時，液壓流供應(yīng)系統(tǒng)186強(qiáng)迫柱塞180向下運(yùn)動(此時保持系統(tǒng)不再固定柱塞)。該向下的運(yùn)動在很大程度上是由彈簧182輔助的。燃燒后，柱塞180往回向上運(yùn)動，重新壓縮彈簧182，從而使能量返回彈簧。為使該能量取出過程最佳，以閥188控制的速度泄放液壓室184。
圖22d展示了另一種實(shí)施例，其中把柱塞192向伸出位置偏置的彈簧190有足夠的力量以在燃燒前克服燃燒室內(nèi)的氣壓。接近TDC時，連接室196的泄放閥194打開，彈簧190把柱塞推向在燃燒室內(nèi)的伸出位置，引起可燃混合氣起燃和燃燒室162內(nèi)的壓力升高。其結(jié)果是，柱塞192被克服彈簧190向上推回。如果需要，高壓供給200向室196供應(yīng)液壓流以保證柱塞192向上運(yùn)動，回到回縮位置。如果氣壓足以把柱塞向上移回到回縮位置，可利用包括單向閥204的低壓液壓填充供給202填充柱塞192下面的室196。
還可通過提供一種對置活塞發(fā)動機(jī)設(shè)計來改變壓縮比，這種設(shè)計具有可變相位移動以允許在運(yùn)動過程中，通過改變兩個曲軸間的轉(zhuǎn)動相位來改變壓縮比。對置活塞發(fā)動機(jī)可以是美國專利No.4,010,611中所公開的形式的，或者是具有如在美國專利No.4,955,328中公開的可變定相的互聯(lián)氣缸形式的，這兩個參考的全部內(nèi)容都包含在參考中。作為另外一種選擇，參見圖23，可利用相位移動裝置210改變壓縮比，裝置210包括一個傳統(tǒng)的差速器組件211，差速器組件211連接在與各自活塞218、220相關(guān)的曲軸214、216之一的輸入軸部分212和同一曲軸214的輸出軸部分222之間，以允許曲軸的部分可被彼此相對地旋轉(zhuǎn)移動。曲軸214和216通過傳統(tǒng)齒輪組件233連接，以將動力傳遞到驅(qū)動軸225。如圖24所示，差速器211包括一個安裝在輸出軸部分212一端的齒圈224，從齒圈224伸出的臂226和安裝在軸部分212、222相對端上的齒輪組件227。包括行星小齒輪230的轉(zhuǎn)子裝置228可操作地連接到齒圈224上，以當(dāng)需要曲軸間定相的變化時轉(zhuǎn)動齒圈。只要齒圈224保持靜止，軸部分212、222就保持同相。當(dāng)齒圈224由轉(zhuǎn)動的行星小齒輪230轉(zhuǎn)動時，臂226轉(zhuǎn)動，在軸部分212、222間產(chǎn)生相位變化。因此，轉(zhuǎn)子裝置228將被用于調(diào)整輸入軸相對輸出軸的定相，從而調(diào)整兩個曲軸的定相和壓縮比。此外，可利用每氣缸兩個曲軸來消除單曲軸設(shè)計中曲軸造成的固有側(cè)向推力。應(yīng)該注意到最大可能壓縮比對定相過程中的CR的靈敏度的影響?？赡苡欣氖蔷哂幸环N幾何結(jié)構(gòu)，其中在“零”定相時活塞相互干涉。當(dāng)然，這種機(jī)構(gòu)將一直以非零定相運(yùn)轉(zhuǎn)。
申請人確定了對置活塞發(fā)動機(jī)的定相變化如何改變壓縮比。該工作包括三個研究，如圖25所示。第一，當(dāng)兩個活塞同相時，即兩個活塞同時到達(dá)TDC，壓縮比為25∶1。第二，當(dāng)兩個活塞同相時，在TDC它們將會合并剛好接觸。如果假定沒有余隙容積，對于平頂活塞在活塞間將沒有容積，壓縮比將變得無窮大。第三種情況假定負(fù)的干涉，因此當(dāng)相位差達(dá)到到某種程度時活塞將會接觸。對于這種情況，重疊約為沖程的10％，使活塞在相位差為46°時接觸。當(dāng)然，發(fā)動機(jī)幾何尺寸(內(nèi)徑、沖程、連桿長度)也會影響對定相的CR；在該研究中這些值保持恒定。
這些結(jié)果表明，利用帶可變定相的對置活塞布置可在非常大的范圍上改變壓縮比。而且，壓縮比隨定相的變化斜度取決于在0°定相TDC時活塞間的間隙或負(fù)間隙。這樣，在實(shí)際應(yīng)用中，有利的是，在覆蓋希望的壓縮比范圍所需的定相范圍和定相需要被控制的精確度間找到一個平衡，即應(yīng)使圖25的曲線斜度最佳。這樣，理想的是，曲線斜度足夠陡，使得可在有限的定相量內(nèi)獲得希望的壓縮比范圍，但不要陡到定相需要太精確的程度。
參見圖26，很清楚，當(dāng)活塞的相位差變得越來越大時，壓縮比減小。而且還很清楚，對于小于約120°的定相角，在相對曲軸轉(zhuǎn)角曲線的氣缸容積曲線形狀上只有非常小的變化。結(jié)果是，可利用定相的變化大范圍控制壓縮比，而不會對相對曲軸轉(zhuǎn)角的氣缸容積產(chǎn)生任何影響。帶可變定相的對置活塞系統(tǒng)無疑提供了獲得大范圍壓縮比值的理想的適應(yīng)性。
可用可變閥正時改變有效壓縮比。特別是，如表Ⅰ所示，進(jìn)氣閥關(guān)閉的提前降低有效CR，而IVC的顯著延遲也減少有效CR。然而，與改變幾何壓縮比(假定燃油流動速度保持恒定)，改變閥沖程可對發(fā)動機(jī)換氣具有非常大的影響，從而會影響空氣/燃油比。在IVC被改變時發(fā)生隨TDC溫度的最陡的氣流變化。當(dāng)IVC變得早一些時，TDC溫度降低，但氣流被嚴(yán)重節(jié)流，可能不利地改變等值比。在這種情況下，可利用伴隨較早IVC的增壓的提高保持恒定的空氣流速。對于EVC也一樣，當(dāng)EVC改變時，氣缸中截留的殘余物量被改變，從而影響了換氣。IVC線的斜度大體上是EVC和IVO的兩倍，但改變幾何壓縮比對氣流沒有影響。為在不影響氣流的情況下改變TDC溫度，可變幾何壓縮比顯然是控制特征中最有效的。
參見圖28，改變閥沖程或壓縮比中的任何一個都對BSFC有一定的影響。為獲得最佳BSFC，如果需要較高的溫度，增加壓縮比將是比改變排氣閥關(guān)閉更好的選擇。如果提前EVC以增加TDC時的溫度，將要付出非常大的BSFC損失。如果需要較低的溫度，提前IVC是最好的方法，但因改變幾何壓縮比產(chǎn)生僅僅稍高一些溫度，其也可是一種選擇。
申請人確定，與預(yù)想的一樣，改變有效壓縮比對峰值氣缸壓力具有很大的影響，如圖29所示。IVC具有與VRC一樣的幾乎理想的曲線，肯定了改變IVC確實(shí)影響有效壓縮比。因為在這種情況下放熱在ATDC5°時開始，氣缸壓力曲線似乎是“雙峰”的第一個尖峰在TDC時和由壓縮引起的；第二個尖峰在TDC后和由燃燒引起的。VRC和IVC線的兩個斜度的形狀是由發(fā)生在燃燒峰值(CR＜18)或壓縮峰值(CR＞18)的絕對峰值氣缸壓力引起的。為了在不會不利地影響峰值氣缸壓力的同時從基線增加TDC時的溫度，改變EVC或IVO將是最好的策略。然而，該策略可能導(dǎo)致BSFC的不利增加并且還可能改變發(fā)動機(jī)換氣。
申請人還確定，對于低進(jìn)氣溫度的燃燒需要非常高的壓縮比。例如，發(fā)現(xiàn)在0、20和40°F的進(jìn)氣溫度時，如果相應(yīng)壓縮比分別低于35、33和30，則沒有燃燒發(fā)生。在預(yù)熱后的條件下，理想的壓縮比約為15，這意味著需要約20的壓縮比變化以補(bǔ)償這些條件。由于在這些條件下所需要的非常高的壓縮比，峰值氣缸壓力也很高，在某些情況下會超過200bar。結(jié)果是，與僅僅使用可變壓縮比相比，進(jìn)氣加熱器和/或其它冷環(huán)境起動方法可能是更實(shí)用的。而且，維持較低的壓縮比將允許在達(dá)到峰值氣缸壓力極限前獲得較高的GIMEP。
另一個控制溫度的方法是把水導(dǎo)入到進(jìn)氣歧管或直接導(dǎo)入到氣缸。申請人指出，當(dāng)進(jìn)氣中的氮?dú)馔耆凰〈螅捎诜纸?，水將可能?dǎo)致較低的火焰溫度(低于205K)。而且，在申請人的研究中，點(diǎn)火延遲稍稍增加(增加0.04msec)，峰值反應(yīng)速度下降約50％。當(dāng)水加入到進(jìn)氣歧管時，例如水熏，化學(xué)效果是稍稍推遲SOC，盡管很小。然而，由于液體汽化為氣體，向進(jìn)氣歧管噴射的液態(tài)水有效地冷卻了進(jìn)氣歧管。結(jié)果是，IMT和TDC溫度顯著降低，如圖30所示。水噴射對TDC時溫度的影響主要是由于IMT的減少，不是由于比熱的比值變化。對IMT的影響應(yīng)看作上限。
應(yīng)該注意到，申請人指出，在不對活塞14產(chǎn)生不利的熱影響的情況下可維持PCCI燃燒(圖1a)。盡管PCCI燃燒可產(chǎn)生比火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)中所經(jīng)歷的安全水平高10-20倍的爆震強(qiáng)度水平，但鋁和鋼活塞不會達(dá)到的過度的溫度水平。在申請人的優(yōu)選實(shí)施例中，PCCI燃燒中自燃產(chǎn)生的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)中所經(jīng)歷的溫度，因為在申請人的優(yōu)選實(shí)施例中，PCCI燃燒是運(yùn)轉(zhuǎn)在這種稀薄條件下。
壓力控制還可通過控制燃燒室壓力來控制SOC。控制缸內(nèi)壓力的一個方法是利用壓縮比變化裝置改變?nèi)紵覂?nèi)的壓力。盡管改變壓縮比最終改變了可燃混合氣的壓力和溫度，但壓力是被直接改變的。壓縮比的增加趨向于增加TDC時的壓力，壓縮比的減少將減少TDC時的壓力。申請人指出，增加缸內(nèi)壓力提前燃燒的開始，減少缸內(nèi)壓力推遲SOC?？墒褂蒙厦骊P(guān)于溫度控制所述的任何壓縮比改變裝置。
控制缸內(nèi)壓力的另一個方法是改變進(jìn)氣歧管壓力，或增壓壓力(IMP)。SOC正時被證明是壓力的函數(shù)。申請人確定了改變IMP對燃燒和發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的影響。對于一個發(fā)動機(jī)研究，發(fā)動機(jī)條件是1200RPM,355.7K＜IMT＜357.4,0.256＜Φ＜0.263。IMP被改變。增加IMP的同時維持這些條件需要增加空氣流量和燃油流量。圖31a和31b表明，隨著IMP在曲軸轉(zhuǎn)角域和時間域增加，放熱持續(xù)時間減少。圖31d表明，當(dāng)IMP增加時，SOC發(fā)生得較早。圖31c表示了從另一個研究獲得的結(jié)果，其清楚地表明，增加增壓壓力顯著提前放熱沖程。圖31e表明，F(xiàn)SHC排放隨IMP增加而減少，表示更完全的燃燒。圖31f表明，GIMEP隨IMP的增加而增加，主要是由于完全燃燒的增加，并在較小程度上是由于更多的燃油。圖31g表明，總示出熱效率隨IMP的增加而增加，部分是由于更完全的燃燒。圖31h表明，F(xiàn)SCO排放隨IMP的增加而減少，顯然是由于更完全的燃燒。圖31i表明，F(xiàn)SNOx排放沒有受到IMP的顯著影響。圖31j表明，GIMEP的變化系數(shù)(COV)隨IMP增加而減少。圖31k表明，PCP隨IMP增加而增加。圖31l表明，隨著IMP增加，GIMEP的較小增量引起PCP的較大升高。這種效果都是因為隨IMP增加而發(fā)生的較早SOC。
一項研究改變了燃燒沖程的BDC壓力。該研究是使用下述條件完成的，即14.5∶1的壓縮比、1200rmp的發(fā)動機(jī)速度、389K的BDC壓縮溫度、.3285的等值比，并且沒有熱傳導(dǎo)。使用的燃料是丙烷，在所有其它參數(shù)保持恒定的同時改變BDC壓力。該研究清楚地揭示了，隨著BDC溫度的增加，SOC變得早一些。此外，對于小于1.75bar的BDC壓力，釋放了少于10％的燃料能量，而對于大于P=1.75bar的BDC壓力，實(shí)際上全部燃料能量都被釋放了。這表明，燃燒對壓力變化高度敏感。在非常低的壓力下，只有非常少的燃料燃燒，導(dǎo)致了高FSHC排放。因為在這些低壓下沒有燃料燃燒，所以沒有一氧化碳產(chǎn)生。隨著壓力增加(同時保持IMT恒定)，較高百分比的燃料燃燒，這會導(dǎo)致降低的一氧化碳產(chǎn)生和較低的FSHC。超過某一臨界值，所有燃料都完全燃燒，導(dǎo)致非常低的FSHC和FSCO排放。而且，非常小的BDC壓力變化導(dǎo)致非常大的峰值循環(huán)溫度(PCP)變化。模擬試驗的結(jié)果表明，在低峰值循環(huán)壓力時(PCP)燃料不燃燒。從而，壓力在各向同性的壓縮時達(dá)到最大值。隨著壓力增加，較高百分比的燃料能量被釋放，使氣缸壓力升高到超過該各向同性的壓縮壓力。隨著壓力進(jìn)一步提高，全部燃料能量被釋放，并且由于各向同性作用壓力的進(jìn)一步升高提高了PCP。
很清楚，改變IMP可以是控制SOC和燃燒持續(xù)時間的一個有效方法。增加IMP趨向于提前SOC，同時減少放熱持續(xù)時間。同樣，減少IMP趨向于推遲SOC，同時增加放熱持續(xù)時間。在通常的應(yīng)用中，對于恒定扭矩情況，燃料流動速度實(shí)際上保持恒定，將提高增壓壓力以提前燃燒的開始或減少增壓以推遲燃燒的開始。例如，可利用一個空氣壓縮機(jī)、渦輪增壓機(jī)、如由發(fā)動機(jī)動力輸出器驅(qū)動的增壓器或電動壓縮機(jī)。對于給定的動力水平，從而對于給定的燃料流動速度，通常存在一個首選的進(jìn)氣壓力和溫度。在非常低的載荷時，可取的是用節(jié)氣門53(圖1a)控制進(jìn)氣歧管壓力，控制方法與在目前火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)產(chǎn)品上控制進(jìn)氣壓力的方法相同。如下所述，當(dāng)在火花點(diǎn)火模式下操作多模式PCCI發(fā)動機(jī)時也要用到節(jié)氣門35。當(dāng)然，作為另外一種選擇，節(jié)氣門也可位于進(jìn)氣系統(tǒng)的其它位置上，如進(jìn)氣歧管中。
空氣/燃油混合物自燃性質(zhì)控制燃燒的開始和持續(xù)時間的另一個策略是改變空氣/燃油混合物的自燃性質(zhì)。可通過利用，例如，噴射器42向進(jìn)氣系統(tǒng)中的，例如最好是在氣道中，或直接利用，例如，噴射器40向氣缸中的空氣或空氣/燃油混合物噴射氣體，例如空氣、氧氣、氮?dú)狻⒊粞?、二氧化碳、廢氣等來控制空氣/燃油混合物的自燃性質(zhì)，從而提供對燃燒的開始和燃燒速度的控制。
申請人檢驗了向空氣/燃油混合物中添加活性組分對燃燒過程的影響。完成了一個研究，該研究使用0.3的等值比，389K的BDC溫度，3bar的BDC壓力，并利用丙烷作為燃料。壓縮比為14.5，發(fā)動機(jī)速度為1800RPM。使用的發(fā)動機(jī)幾何尺寸適用于Cummins C系列發(fā)動機(jī)。對于所有狀況，氮?dú)狻⒀鯕夂腿剂厦芏榷急３趾愣?，分別為0.771,0.216,0.0123。對于所有狀況添加的活性組分的摩爾份數(shù)為0.000411。檢驗的活性組分為H2,H2O2,OH,CO,O,HO2,H，和O3。圖32表示了對曲軸轉(zhuǎn)角的溫度。盡管CO和H2提前SOC的量小于0.5曲軸轉(zhuǎn)角角度，其它組分顯著提前了SOC，其中O3(臭氧)引起的SOC變化最大。因此，小濃度的最常見原子團(tuán)將引起顯著的SOC變化。
這樣，申請人確定，添加非常少量的臭氧可大量提前SOC。申請人還指出，事實(shí)上全部臭氧都將被燃燒過程消耗掉，SOC變化將隨添加臭氧量的增加而變小。特別是，圖33展示了附加的臭氧對提前SOC的影響。溫度的增加表示燃燒沖程的開始。
由于附加的臭氧對SOC所具有的顯著影響，可用幾種方式利用臭氧以有利地控制PCCI發(fā)動機(jī)中的燃燒。首先，通過向進(jìn)氣管道添加不同量的O3，一個，幾個或所有氣缸能夠調(diào)整它們的SOC。第二，向進(jìn)氣中添加O3可用作PCCI發(fā)動機(jī)和柴油發(fā)動機(jī)的冷起動輔助手段。第三，向發(fā)動機(jī)廢氣中添加O3將允許催化劑早一些點(diǎn)火，這樣可能在配備催化器的火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)、柴油發(fā)動機(jī)和PCCI發(fā)動機(jī)上顯著減少冷起動排放。O3可通過簡單的電-化學(xué)反應(yīng)“在車上”制造。臭氧發(fā)生器是商業(yè)上可得到的。而且，可通過向進(jìn)氣添加O3來減少柴油發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火延遲。這將減少預(yù)混合燃燒百分比，于是降低了NOx排放并減少了噪聲。
申請人指出，提高氧氣濃度會提前SOC。然而，申請人確定，從百分之20.7到百分之21.6的加濃氧氣使SOC提前的量少于一個曲軸轉(zhuǎn)角角度，從百分之20.7到23.7的加濃氧氣使SOC提前的量少于1.5個曲軸轉(zhuǎn)角角度。因此，通過改變進(jìn)氣的氧氣濃度可將燃燒控制在限定的角度內(nèi)。這可通過向進(jìn)氣添加氧氣(或富氧氣體混合物)或從進(jìn)氣中有選擇地除去氮?dú)?例如利用一個薄膜)來實(shí)現(xiàn)。申請人還指出，把進(jìn)氣中N的百分比從百分之78.6增加到百分之80.6所導(dǎo)致的SOC在1800rpm時的延遲量少于2曲軸轉(zhuǎn)角角度。還注意到，新鮮可燃混合氣中相同百分比的N2增加使FSNOx從.144降低到.048克NOx每公斤燃油。
改變氧氣對燃燒過程的影響的另一個方法是用EGR稀釋混合物。在一個研究中，從排氣歧管到壓縮機(jī)進(jìn)口連接了一個發(fā)動機(jī)EGR系統(tǒng)。因為EGR是在后冷卻器前段混合的，并且在該研究中，后冷卻器出口溫度是被控制并保持固定的，所以EGR不會顯著影響SOC時的溫度。在該研究中，燃油速度和進(jìn)氣歧管溫度是保持恒定的。隨著EGR率增加，排氣歧管壓力降低，這反過來減少了該渦輪增壓的發(fā)動機(jī)的氣流。燃油速度保持恒定，所以新鮮等值比增加。雖然等值比增加，但SOC隨EGR率的增加而延遲，主要可能是由于EGR的稀釋作用。和預(yù)想的一樣，SOC隨EGR率的增加而延遲。然而，隨著EGR率的增加，CO和HC排放也增加。而且，隨著EGR率的增加，氣缸間SOC的范圍也增加。在一個類似的研究中，通過調(diào)整IMT使SOC保持恒定。隨著EGR率的增加，排氣歧管壓力降低，其反過來減少了氣流。燃油速度保持恒定，從而引起等值比增加。此外，隨著EGR率從約7％增加到13％EGR,SOC的氣缸到氣缸變化中出現(xiàn)了一個急劇升高。最終，盡管等值比增加，還是需要較高的IMT以在EGR率增加時維持恒定的SOC。這個要求歸因于增加的EGR對進(jìn)氣的稀釋作用。
改變空氣/燃油混合物的自燃性質(zhì)以控制SOC和燃燒持續(xù)時間的另一個技術(shù)是通過，例如，提供具有不同辛烷、甲烷或十六烷數(shù)的兩種或多種燃油以改變可燃混合氣的辛烷、甲烷或十六烷數(shù)。燃油供應(yīng)可在燃油間選擇地轉(zhuǎn)換，或者可使燃油混合。這項技術(shù)使推遲或提前燃燒沖程成為可能。例如，可控制地把趨向于易自燃的燃油(較低辛烷或甲烷數(shù)，或較高十六烷數(shù))與趨向于不易自燃的燃油(或者高溫時才點(diǎn)火的燃油和低溫時不可用的燃油)混合，使得能夠通過改變?nèi)紵龥_程中燃燒室中存在的燃油比值來控制點(diǎn)火正時和燃燒速度。如圖34所示，丙烷、辛烷和庚烷對SOC具有顯著不同的影響?？赏ㄟ^利用能夠改變?nèi)加妥匀夹再|(zhì)以提前或推遲燃燒開始的燃油添加劑取得相同的效果，如一定量的丙烷、乙烷，或其它碳?xì)浠衔?，如發(fā)動機(jī)潤滑油。當(dāng)然，可利用能夠改變?nèi)加偷男镣?甲烷值或燃油活化能的任何方法以提前/推遲燃燒。申請人確定，燃燒的開始對辛烷數(shù)非常敏感。這個影響與進(jìn)氣歧管溫度無關(guān)。而且，在一個研究中，對于辛烷數(shù)從80增加到100，燃燒開始被推遲了約7°。
獲得對多氣缸PCCI發(fā)動機(jī)中單個氣缸燃燒的動態(tài)控制對獲得改善的燃燒是關(guān)鍵的。因為上述氣體/液體中的很多種，如燃油、臭氧、油、水等，現(xiàn)在被證明能夠顯著影響SOC和/或燃燒速度，所以這些添加劑可用于平衡根據(jù)PCCI原理運(yùn)行的多氣缸發(fā)動機(jī)中氣缸間的燃燒。例如，通過把液體或氣體稀釋劑，如活性較小的燃料、水、未冷卻的或冷卻的廢氣產(chǎn)物、空氣和/或氮?dú)饣蛘邍娚涞竭M(jìn)氣中或者直接噴射到氣缸內(nèi)的可燃混合氣中，可使SOC延遲。而且，通過向可燃混合氣中噴射，例如，活性較大的燃料、臭氧、油和/或氧氣，可使SOC提前。圖1b展示了一種用于平衡多氣缸發(fā)動機(jī)的氣缸間燃燒的系統(tǒng)。在每氣缸兩種供應(yīng)形式的發(fā)動機(jī)上，該系統(tǒng)使用進(jìn)氣進(jìn)氣口燃料噴射-供給32噴射液態(tài)燃料，供給34噴射氣態(tài)燃料。盡管顯示的供給32和34是向用于向進(jìn)氣口輸送的單個管道供應(yīng)，但這些供給可包括在不同位置與進(jìn)氣口相連的分開的輸送管道。液態(tài)燃料將通過液態(tài)燃料的蒸發(fā)熱降低進(jìn)氣溫度。可通過改變液態(tài)燃料相對氣態(tài)燃料的量來控制TDC壓縮時的溫度，從而控制SOC。而且，如果液體在進(jìn)氣口或壓縮過程中蒸發(fā)也應(yīng)該沒有關(guān)系。氣態(tài)或液態(tài)燃料可以是不同狀態(tài)的相同燃料，如丙烷，或不同燃料，如氣態(tài)天然氣和液態(tài)汽油，如美國聯(lián)邦試驗汽油。重要的是，進(jìn)氣口噴射系統(tǒng)在氣缸間應(yīng)具有良好的分隔，并且可能需要順序噴射(與進(jìn)氣沖程同步的噴射)。在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，向要“熄滅”的氣缸供應(yīng)較多的氣態(tài)燃料，向“過熱”的氣缸供應(yīng)較多的液態(tài)燃料。可利用這種方法獲得約20度的溫度差。供給中的一個可以是潤滑油或臭氧，另一個供給可以是具有高抗點(diǎn)火性的燃料，如高辛烷數(shù)，以允許通過改變向混合物添加的油或臭氧量來有效控制SOC。而且，通過利用發(fā)動機(jī)的潤滑油供給，或利用運(yùn)轉(zhuǎn)過程中由發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的臭氧，可以避免使用附加的燃油/添加劑供給。
等值比申請人指出的可有效用于控制SOC和燃燒持續(xù)時間或放熱率的另一個控制變量是燃油/空氣混合物的等值比φ。等值比等于燃油/空氣比除以理想配比的燃油/空氣比(如果＜1，燃油不足；如果＞1，燃油過量)。在PCCI發(fā)動機(jī)中燃燒需要被減慢，因為快速燃燒導(dǎo)致高噪聲、降低的效率和高峰值的氣缸壓力。如果在點(diǎn)火點(diǎn)或接近點(diǎn)火點(diǎn)時可在整個空氣/燃油的可燃混合氣中獲得不同的溫度和/或等值比，最終的燃燒速度可能被降低，從而有利地延長了燃燒持續(xù)時間?？赏ㄟ^向氣缸增加燃油流量但不相應(yīng)地增加進(jìn)氣流量，或減少進(jìn)氣流量來增加等值比。可通過減少向氣缸供給的燃油流量但不相應(yīng)地減少空氣流量，或增加空氣流量來減少等值比。向氣缸輸送的燃油量的變化可通過以已知方式控制燃油控制閥39、41和/或燃油噴射器35、36來改變?？赏ㄟ^，例如，可變地控制壓縮機(jī)24以改變增壓壓力來獲得空氣流速的改變。
為測試等值比的下限，申請人進(jìn)行了發(fā)動機(jī)研究，以確定是否可用極稀薄的混合物獲得可接受的PCCI燃燒。結(jié)果表明，在極稀薄的.05等值比可獲得非常穩(wěn)定的燃燒，同時獲得約30度的放熱持續(xù)時間。而且，如圖35和36所示，結(jié)果表明，隨等值比增加，即空氣/燃油混合物變得更濃，燃燒的開始提前，并且示出放熱持續(xù)時間減少。申請人清楚地指出，如圖37所示，氣缸溫度升高的地方表示放熱沖程。而且，參見圖38，隨著等值比減少，即空氣/燃油混合物變得更稀薄，示出放熱持續(xù)時間變得更長。而且，申請人指出，對于四沖程發(fā)動機(jī)，峰值氣缸壓力和GIMEP隨等值比變得更濃而增加。對于兩沖程發(fā)動機(jī)，申請人確定，隨等值比增加，GIMEP增加。
還進(jìn)行了研究以調(diào)查等值比是否影響PCCI燃燒中所燃燒的燃油量。結(jié)果表明，隨等值比變得更濃，以釋放的示出熱表示的燃油能的百分比首先增加，然后穩(wěn)定在80％附近。由于熱傳遞，該數(shù)值永遠(yuǎn)不可能達(dá)到100％。對于排放，隨等值比變得更濃，燃油比碳?xì)浠衔锱欧艤p少。此外，隨等值比變得更濃，平均噪聲水平增加，GIMEP增加。隨等值比變得更濃，爆震強(qiáng)度增加。隨等值比變得更濃，如GIMEP的變化系數(shù)(COV)所測得的，循環(huán)到循環(huán)的燃燒變化通常減少。事實(shí)上，對于該研究的條件，GIMEP的COV保持低于燃燒穩(wěn)定性極限(在這種情況下定義為5％)，其中超過該極限的COV表示不可接受的穩(wěn)定性。
進(jìn)行了研究以確定等值比變化對PCCI燃燒中熱效率的影響。進(jìn)行等值比研究的同時對下列參數(shù)進(jìn)行了匹配速度，IMT,IMP，發(fā)動機(jī)油溫，和發(fā)動機(jī)水溫。通過保持空氣流量恒定并增加向發(fā)動機(jī)供應(yīng)的燃油流量來增加等值比。隨燃油流量增加和等值比變得更濃，總示出熱效率首先增加，最后穩(wěn)定下來。因為更多的燃油被燃燒掉，發(fā)動機(jī)功輸入隨燃油流量的增加而增加。在較稀薄的等值比時，大量的燃油未被燃燒掉。在較濃的等值比時，如上所述，燃燒掉的燃油的百分比穩(wěn)定下來，由于發(fā)動機(jī)輸入的增加被附加的燃油輸入抵消，所以總示出熱效率穩(wěn)定下來。
此外，進(jìn)行了發(fā)動機(jī)循環(huán)從壓縮沖程下止點(diǎn)運(yùn)行到膨脹沖程BDC的發(fā)動機(jī)研究。進(jìn)行的研究使用14.5∶1的壓縮比，1200RPM的發(fā)動機(jī)速度，389K的BDC壓縮溫度，4.31bar的BDC壓力，無熱傳導(dǎo)。使用的燃料是丙烷。所有其它參數(shù)保持恒定的同時改變等值比。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)戎当冉档降陀?.15時，釋放的能量的百分比慢慢地逐漸減少。該數(shù)據(jù)表明，對于給定的溫度和壓力，對于將要完全燃燒的混合物的等值比存在一個下限。而且，還表明，F(xiàn)SCO排放在等值比低于0.15時非常高。該數(shù)據(jù)表明，對于該溫度和壓力，在這些低等值比時只有少量燃油完全燃燒。此外，隨著等值比從0.05變化到0.4,FSHC稍稍減少。這樣，大部分燃油發(fā)生反應(yīng)，與等值比無關(guān)。還表明，隨等值比增加，SOC發(fā)生得早一些。該研究表明，峰值氣缸溫度隨等值比增加而逐漸增加，表示出增加的可釋放能量量。峰值氣缸壓力隨等值比增加而逐漸增加表示出增加的可釋放能量量。當(dāng)?shù)戎当却笥诨虻扔?.18時，實(shí)際上所有可利用的燃油能量都被釋放了，導(dǎo)致了PCP中隨等值比增加的幾乎線性的增加。
申請人確定，如果IMP和IMT低到足以防止超過峰值氣缸壓力極限，可能在非常濃的等值比，如.5，維持PCCI燃燒，盡管不一定是可取的。以在這樣濃的等值比下維持低氣缸壓力所需的低增壓和IMT水平起動發(fā)動機(jī)將是困難的。非常提前的放熱、大聲的爆震和燃燒粗暴使得在這種條件下的運(yùn)行是不可取的。用于推遲SOC的較低CR可能改進(jìn)這些方面。
而且，通過改變可燃混合氣層化水平，可改變溫度和等值比分配以允許對燃燒速度和/或燃燒的開始進(jìn)行控制。輔助燃燒室概念可以是一種用于獲得理想的層化，從而能夠?qū)θ紵拈_始進(jìn)行較好控制的裝置。例如，可利用在具有直接噴射(IDI)的小型發(fā)動機(jī)或使用天然氣燃料的大型火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)上使用的傳統(tǒng)輔助燃燒室設(shè)計。
為了在對最佳PCCI燃燒理想的稀薄條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，必須向進(jìn)氣歧管提供大量氣流。渦輪增壓器可為多氣缸PCCI發(fā)動機(jī)提供所需的氣流。申請人的最初目標(biāo)是達(dá)到0.40或更稀薄的等值比。參見圖39，申請人指出，在比0.29更稀薄的等值比下運(yùn)轉(zhuǎn)將違反可用的渦輪增壓器壓縮機(jī)的壓力比極限。申請人確定，在稀薄等值比時，渦輪壓力比非常高。結(jié)果是，排氣歧管壓力非常高，這會引起很大的BSFC損失。由于PCCI燃燒產(chǎn)生的相對冷的廢氣溫度，需要非常小的渦輪機(jī)匣，這會導(dǎo)致高排氣歧管壓力。
申請人確定，可取的是在比最初目標(biāo)稍稀薄的條件下運(yùn)轉(zhuǎn)。在小于.4的等值比時，使用較小的渦輪機(jī)匣以減少壓縮機(jī)壓力比和排氣歧管壓力比，但要付出高BSFC損失，如圖40所示。圖41和42展示的是使用較小渦輪機(jī)匣和高BSFC的較高PMEP損失。而且，使用較小渦輪機(jī)匣時，轉(zhuǎn)子速度要高得多，事實(shí)上，接近轉(zhuǎn)子的速度極限，如圖43所示(轉(zhuǎn)子速度極限120-125k rmp范圍)。申請人發(fā)現(xiàn)，由于高背壓和達(dá)到轉(zhuǎn)子速度極限所產(chǎn)生的損失，對于使用的渦輪機(jī)匣的尺寸存在一個下限。
為避免高背壓和限制氣流的轉(zhuǎn)子速度所產(chǎn)生的這個問題，一個可能的解決方法是使用與渦輪增壓器一起的機(jī)械驅(qū)動的增壓器。該增壓器位于壓縮機(jī)前段，使渦輪機(jī)承受較少的用于產(chǎn)生增壓的負(fù)荷。對于增壓器吸收的軸功會產(chǎn)生某些BSFC損失；然而，該BSFC損失少于使用小渦輪機(jī)所產(chǎn)生的非常高的損失。因為增壓器是從軸獲得機(jī)械驅(qū)動的，獲得希望的氣流應(yīng)該沒有問題。這樣渦輪機(jī)的尺寸可以大一些，應(yīng)該不會接近速度極限，并且應(yīng)該不會具有極高的背壓。
申請人還確定了發(fā)動機(jī)速度對SOC的影響。自燃的時間取決于溫度和壓力歷程。通過改變發(fā)動機(jī)速度，這些歷程被改變。可能通過減少發(fā)動機(jī)速度提前燃燒沖程，通過增加發(fā)動機(jī)速度推遲燃燒沖程。特別是，從1000到1750的75％的發(fā)動機(jī)速度的增加導(dǎo)致1.5％的燃燒開始壓力的增加和2.8％的燃燒開始溫度的增加。此外，75％的發(fā)動機(jī)速度的增加使放熱率持續(xù)時間減少了0.81ms(僅23％的減少)，其對應(yīng)1.7曲軸轉(zhuǎn)角角度(僅8％的增加)的放熱持續(xù)時間的增加。由于發(fā)動機(jī)速度對SOC和放熱的這種極小的影響，以及在很多實(shí)際發(fā)動機(jī)應(yīng)用中不能有效地改變發(fā)動機(jī)速度，所以發(fā)動機(jī)速度沒有被作為有效的燃燒控制變量。然而，可利用發(fā)動機(jī)速度提供對燃燒的某些控制的一個例子是在發(fā)動機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)或交流發(fā)電機(jī)的應(yīng)用中。
如上所述，前面的控制變化被用于控制SOC和燃燒持續(xù)時間以獲得最佳PCCI燃燒。高效、最佳燃燒的一個關(guān)鍵結(jié)果是降低的排放。申請人指出，PCCI發(fā)動機(jī)可達(dá)到的NOx排放水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于申請人使用柴油和天然氣發(fā)動機(jī)所曾經(jīng)表現(xiàn)出的任何其它NOx排放水平，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于如圖44中所示的未來排放標(biāo)準(zhǔn)。與柴油燃料和汽油相比，使用丙烷作為燃料會產(chǎn)生最低的NOx排放。
申請人還確定了控制變量和其它因素對PCCI發(fā)動機(jī)的排放的影響。發(fā)動機(jī)速度對NOx排放量具有很小的影響。盡管75％的發(fā)動機(jī)速度增加約使FS NOx擴(kuò)大三倍，但產(chǎn)生的NOx排放水平仍然極低。而且，隨著等值比變得更濃，燃料比NOx通常增加，但仍保持在極低的水平。參見圖45，申請人確定，發(fā)動機(jī)速度似乎更顯著地影響FSCO和FSHC排放。如圖所示，低于某一臨界速度時，實(shí)際上全部燃料都燃燒了，F(xiàn)SCH低，F(xiàn)SCO低。剛剛超過臨界速度時，燃料部分燃燒，導(dǎo)致較高的FSCO排放。隨著發(fā)動機(jī)速度繼續(xù)增加，燃燒的燃料百分比繼續(xù)下降，導(dǎo)致較低的FSCO排放。這些排放還隨BDC時溫度的變化而變化。參見圖46，在非常低的溫度時，非常少的燃料燃燒，導(dǎo)致高FSHC排放。因為在這些低的溫度下沒有燃料燃燒，所以沒有一氧化碳產(chǎn)生。隨著溫度增加，較高百分比的燃料燃燒，導(dǎo)致了增加的一氧化碳產(chǎn)生和較低的FSHC。最終，超過某一臨界溫度時，全部燃料完全燃燒，導(dǎo)致極低的FSHC和FSCO排放。事實(shí)上，如圖47所示，申請人指出，燃燒火焰溫度端部超過1600K的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)都具有可接受的CO排放。還指出了，高溫和羥基(OH)對理想的CO氧化是關(guān)鍵的。重要的是，隨著等值比變得更濃，燃料比CO減少，同時廢氣中二氧化碳的濃度增加。在一個研究中，所有等值比＜0.2時取的點(diǎn)所具有的CO排放超過了EPA CO極限值。
隨著等值比變得更濃，燃料比HC減少。很清楚，因為減少未燃燒的碳?xì)浠衔飳CCI發(fā)動機(jī)的商業(yè)可行性是必需的，所以未燃燒的碳?xì)浠衔?UHC)對PCCI發(fā)動機(jī)是一個重要的考慮方面。申請人確定，UHC和CO形成在位于構(gòu)成燃燒室的組件中的小縫隙里，即活塞和襯套間的頂活塞環(huán)上面。氣缸蓋和氣缸襯套間；安裝在氣缸蓋上的組件周圍。這些縫隙防止縫隙中的大量混合物達(dá)到燃燒HC和氧化CO所必需的足夠高的溫度。例如，申請人指出，不同縫隙體積的同樣活塞具有不同的UHC水平。該P(yáng)CCI發(fā)動機(jī)可包括使UHC最小的幾種設(shè)計之一。該縫隙最小設(shè)計導(dǎo)致小縫隙體積；使燃料遠(yuǎn)離任何現(xiàn)存的縫隙；或使縫隙體積適當(dāng)?shù)厝紵?。圖48a和48b中所示的設(shè)計最容易應(yīng)用在裝有氣門的二沖程循環(huán)發(fā)動機(jī)。參見圖48a，在一個實(shí)施例中，發(fā)動機(jī)具有整體的氣缸蓋和襯套組合300，但也可使用雙件式系統(tǒng)。在頂活塞環(huán)302的正上方(在TDC時)，增加內(nèi)徑304以消除活塞308的頂面306周圍的縫隙。因其是一個沒有氣門、墊圈等的整體，所以氣缸蓋內(nèi)沒有縫隙。
參見圖48b，縫隙最小設(shè)計的第二種實(shí)施例可同樣包括一個整體式氣缸蓋和襯套310。然而，在該實(shí)施例中，活塞312具有一個形成頂面的逐漸減小的部分314以擴(kuò)大頂面和襯套間的縫隙體積316?，F(xiàn)在縫隙體積316大到不再使該處的燃燒熄滅，從而允許該體積內(nèi)的燃料燃燒，導(dǎo)致了減少的UHC。圖49展示了另一個實(shí)施例，該實(shí)施例包括一個在發(fā)動機(jī)氣缸蓋322中形成的杯或室320。燃油噴射器324定位為能夠在壓縮沖程早期直接向杯320內(nèi)噴射燃油。因為空氣被壓入杯320，燃油不會從杯中跑出。壓燃發(fā)生后，產(chǎn)物可從杯320和主氣缸328間的較大通道或狹口326通過。由于進(jìn)入杯中的空氣的渦流作用，燃油被很好地混合。由于杯內(nèi)沒有縫隙并且由于直到燃燒完成后燃油才會從杯中離開，所以UHC極低?？扇菀椎赜媒^熱涂料覆蓋杯以減少熱損失。
圖50a和50b展示了四沖程發(fā)動機(jī)用的杯設(shè)計。排氣和進(jìn)氣閥布置在氣缸蓋334內(nèi)的杯332周圍。杯332可如圖50a所示，直接位于燃燒室336上方，或如圖50b所示，偏移開以為閥330提供更大的空間。另一個可能性是在杯內(nèi)包括一個小輔助閥以允許產(chǎn)物更有效地從杯中排出。該閥可在主排氣閥開啟后開啟，這樣杯內(nèi)的輔助排氣閥不用克服高壓開啟。在這種情況下，輔助排氣閥可以是電動操作的。可利用該閥開啟和關(guān)閉的正時改變殘余物質(zhì)量百分比，這將允許使用該輔助閥控制SOC。而且，如上所述，可利用對置活塞發(fā)動機(jī)通過減少一個氣缸蓋和相關(guān)的縫隙來大量減少縫隙體積。
現(xiàn)在參見圖1a，公開了用于減少排放的本發(fā)明的另一個實(shí)施例。特別是，該實(shí)施例通過加熱氣缸襯套49的上部以引起縫隙中可燃混合氣的氧化來控制UHC和CO。在襯套的上面部分中結(jié)合了一個加熱器51。該加熱器可以是能夠有效產(chǎn)熱的任何形式的加熱器，如電阻加熱器。當(dāng)活塞接近TDC時，該加熱器加熱頂活塞環(huán)上面的縫隙中的氣體。加熱使氣體濃度變低，導(dǎo)致只有較小量的可燃混合氣留在縫隙中。由于加熱，離開縫隙的可燃混合氣溫度較高，這樣增加了可燃混合氣發(fā)生反應(yīng)的趨勢并形成CO2，而不是CO和UHC。
而且，可利用預(yù)熱塞加熱燃燒氣體，以通過使較大部分的縫隙體積能夠被燃燒來減少排放。申請人確定，預(yù)熱塞對SOC僅具有輕微的影響。因為當(dāng)預(yù)熱塞打開時SOC僅稍稍改變，所以顯然不是預(yù)熱塞起燃的。更可能的是，當(dāng)位于隔板中的預(yù)熱塞打開時，其逐漸加熱縫隙體積中的氣體。該溫度的增加足以加速快速燃燒的開始，并且與預(yù)熱塞沒打開時所燃燒掉的燃油相比燃燒掉更多的燃油，導(dǎo)致了GIMEP的微小增加。
如圖1a和1b所示，該發(fā)動機(jī)還可作為一個多模式發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，其根據(jù)轉(zhuǎn)動條件或特定用途的要求改變運(yùn)轉(zhuǎn)模式。例如，發(fā)動機(jī)可靠柴油運(yùn)行，僅作為傳統(tǒng)的柴油機(jī)、作為在壓縮沖程中柴油比傳統(tǒng)柴油發(fā)動機(jī)噴射得早的改進(jìn)的柴油發(fā)動機(jī)、作為使用火花塞56(圖1a)的火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)或作為PCCI發(fā)動機(jī)。這種火花點(diǎn)火/壓燃DI(直接噴射)可變壓縮比型式的發(fā)動機(jī)結(jié)合了低排放、高功率密度和易于起動。
根據(jù)當(dāng)前的運(yùn)轉(zhuǎn)條件/發(fā)動機(jī)的需要，該發(fā)動機(jī)以下列不同模式運(yùn)轉(zhuǎn)。
1)中等壓縮比(～10∶1)，早噴射(燃油在進(jìn)氣沖程或壓縮沖程的非常早的時期噴射)，接近均勻a)總體稀薄的混合物，火花點(diǎn)火-允許低NOx，高制動平均有效壓力(BMEP)運(yùn)轉(zhuǎn)，以及中等BMEP運(yùn)轉(zhuǎn)。
b)理想配比的混合物，火花點(diǎn)火-允許高NOx高BMEP瞬時運(yùn)轉(zhuǎn)，以及帶三元催化劑的低NOx運(yùn)轉(zhuǎn)。
2)高壓縮比(～15∶1)，早噴射，接近均勻，非常稀薄(φ＜0.5)，壓燃-允許非常低的NOx，中等BMEP和低BMEP運(yùn)轉(zhuǎn)。
3)高壓縮比(～15∶1)，遲噴射，層化的可燃混合氣a)火花點(diǎn)火-允許中等NOx，中等BMEP的暢流運(yùn)轉(zhuǎn)，和低BMEP運(yùn)轉(zhuǎn)。
b)壓燃-允許中等NOx，中等和低BMEP的暢流運(yùn)轉(zhuǎn)。
4)低壓縮比(～8∶1)，早噴射，接近均勻，火花點(diǎn)火a)稀薄燃燒-允許非常高的BMEP運(yùn)轉(zhuǎn)。
b)理想配比的-允許非常高的BMEP運(yùn)轉(zhuǎn)。
5)中等壓縮比(～10∶1)，遲噴射，層化的可燃混合氣，火花點(diǎn)火-允許中等NOx，中等和低BMEP，和高BMEP運(yùn)轉(zhuǎn)。
6)非常高的壓縮比(～20∶1)，稀薄燃燒，早噴射，接近均勻，壓燃-允許發(fā)動機(jī)在PCCI模式起動。
這里的關(guān)鍵是充分利用可變壓縮比。可在較低壓縮比用火花點(diǎn)火使發(fā)動機(jī)起動，然后轉(zhuǎn)換到高壓縮比、稀薄PCCI燃燒以獲得低NOx。對于不太嚴(yán)峻(例如不太冷)的條件，可直接以高壓縮比PCCI操作起動發(fā)動機(jī)。在低負(fù)荷和中等負(fù)荷時，因為調(diào)整壓縮比以使燃燒的開始保持在最佳曲軸轉(zhuǎn)角附近，所以發(fā)動機(jī)可以PCCI模式運(yùn)轉(zhuǎn)。對于高負(fù)荷要求，空氣/燃油比可以加濃，壓縮比降低，發(fā)動機(jī)可用火花點(diǎn)火。為了處理突然的瞬變過程，發(fā)動機(jī)可能進(jìn)入遲噴射模式之一，在這種模式中可能獲得較濃的空氣/燃油比但不損壞發(fā)動機(jī)。
在多模式發(fā)動機(jī)中，ECU20(圖1)以一種控制策略運(yùn)行，用于控制發(fā)動機(jī)的各種控制特征以在不同模式間有效轉(zhuǎn)換或運(yùn)轉(zhuǎn)在不同模式，以實(shí)現(xiàn)各種目的。例如，多模式發(fā)動機(jī)在PCCI模式獲得低NOx排放，同時通過提供高壓縮比或火花點(diǎn)火提高穩(wěn)定性。此外，通過轉(zhuǎn)換到較低壓縮比的火花點(diǎn)火模式，發(fā)動機(jī)在BMEP時可獲得高氣缸壓力。通過快速調(diào)整壓縮比，多模式發(fā)動機(jī)還允許轉(zhuǎn)換到遲噴射后發(fā)生穩(wěn)定的燃燒，這會導(dǎo)致層化的可燃混合氣。而且，可通過利用具有極好熱效率的高壓縮、PCCI燃燒和不需要節(jié)流的層化的可燃混合氣操作有效地控制燃油消耗。該操作還通過從PCCI進(jìn)入遲噴射、層化的可燃混合氣以突然加濃混合物來改善瞬時響應(yīng)。通過有效地運(yùn)轉(zhuǎn)在稀薄PCCI或?qū)踊目扇蓟旌蠚饣虻蛪嚎s比、稀薄燃燒或理想配比的狀態(tài)，該多模式發(fā)動機(jī)還可有效地使爆震，從而爆震損壞減為最小。當(dāng)然，在PCCI運(yùn)轉(zhuǎn)中，發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)以通過改變，例如，如上所述，溫度和/或等值比和/或壓力和/或空氣燃油混合物的自燃性質(zhì)來有效控制燃燒的開始。該發(fā)動機(jī)可使用多種燃料運(yùn)行，如汽油或柴油燃料。
另一個運(yùn)轉(zhuǎn)模式是雙噴射模式，其中使用早噴射是用于為PCCI操作產(chǎn)生稀薄的可燃混合氣。然后第二個遲噴射添加少量層化的燃料，燃料可以是火花點(diǎn)火或壓燃的，以幫助點(diǎn)燃剩余的燃料。這種模式與柴油引導(dǎo)操作相似，但僅應(yīng)用于不同操作模式間的轉(zhuǎn)換過程中或發(fā)動機(jī)起動過程中。申請人研究了柴油引導(dǎo)操作對排放的影響。圖51所示為向使用丙烷的PCCI發(fā)動機(jī)噴入的三種不同柴油引導(dǎo)噴射量的相對曲軸轉(zhuǎn)角的標(biāo)準(zhǔn)化放熱率的比較。.1％的微-引導(dǎo)噴射產(chǎn)生良好的放熱布局，沒有可測得的FNOSx的增加。估計提供燃料能量的3.6％的柴油引導(dǎo)量產(chǎn)生具有大體上與前面情況相似的形狀的放熱曲線。盡管較低的IMT和恒定的等值比，與.1％情況相比SOC稍微更加提前。而且，F(xiàn)SNOx排放在.1％情況中從零增加到3.9g/kg。最后的曲線表示的是～18％的燃料能量來源于柴油引導(dǎo)的情況的放熱。放熱率曲線的形狀與帶有預(yù)混合燃燒峰值和擴(kuò)散燃燒區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)柴油機(jī)放熱率曲線相同。而且，F(xiàn)SNOx(15.3g/kg)和FSHC(478g/kg)顯然比具有較小柴油引導(dǎo)的情況高一些。
對于柴油引導(dǎo)噴射，隨著從引導(dǎo)獲得的燃料能量百分比的增加，盡管IMT的降低和恒定的等值比，燃燒的開始(SOC)仍變得更提前。該較早的SOC是由比丙烷更早的柴油燃料自燃引起的。隨著引導(dǎo)的百分比的增加，壓縮沖程中引導(dǎo)釋放的熱量增加，導(dǎo)致了循環(huán)初期較高的溫度。較高的溫度增加了與丙烷有關(guān)的反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速度，導(dǎo)致較早的丙烷自燃。因此，當(dāng)使用非常少的柴油引導(dǎo)或微引導(dǎo)時，最好是少于總?cè)剂夏芰康?％，可獲得極低的NOx水平和良好的放熱布局。
申請人還研究了對與PCCI燃燒相關(guān)的噪聲的控制。PCCI燃燒產(chǎn)生的噪聲的水平與爆震強(qiáng)度有關(guān)。這樣，當(dāng)爆震強(qiáng)度降低時，噪聲也降低。如圖4a、4c和6所示，例如，通過推遲SOC來降低氣缸壓力顯著減少了爆震強(qiáng)度，從而降低了噪聲。在保持高效、低排放PCCI燃燒和理想的動力輸出所必須的要求氣缸壓力同時，該發(fā)動機(jī)和控制系統(tǒng)通過避免過度的峰值氣缸壓力來允許連續(xù)的PCCI燃燒。
本發(fā)明的控制系統(tǒng)操作以積極并可變地控制混合物的溫度、壓力、自燃性質(zhì)和等值比，以保證燃燒沖程發(fā)生在20曲軸轉(zhuǎn)角角度BTDC和35曲軸轉(zhuǎn)角角度ATDC之間?？刂葡到y(tǒng)通過利用燃燒傳感器16，例如壓力傳感器來實(shí)現(xiàn)這項功能，該燃燒傳感器16對每個循環(huán)都發(fā)出信號，報告燃燒的開始或放熱沖程的位置。而且，從傳感器16接收信號的EVU20確定SOC是否發(fā)生在預(yù)定的曲軸轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，并確定燃燒的持續(xù)時間是否在預(yù)定的理想的曲軸轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)。ECU確定最佳SOC的一個傳統(tǒng)方法是使用檢查表。如果SOC和/或燃燒的持續(xù)時間在預(yù)定曲軸轉(zhuǎn)角范圍外，ECU20確定要調(diào)整的適當(dāng)?shù)目刂谱兞炕蚨鄠€變量、產(chǎn)生適當(dāng)?shù)男盘?2并將其發(fā)送到選定的控制裝置或多個裝置，例如如上所述的空氣冷卻器、加熱器30、預(yù)熱塞44、燃油控制閥39、41，可變壓縮比裝置38等?？刂谱兞渴歉鶕?jù)這樣的要求變化的，即把PCCI燃燒開始的正時最好維持在20曲軸轉(zhuǎn)角角度BTDC和10曲軸轉(zhuǎn)角角度ATDC之間，并把燃燒的持續(xù)時間維持在5030曲軸轉(zhuǎn)角角度范圍內(nèi)。
申請人確定，為在冷的發(fā)動機(jī)中起燃并在起動后維持PCCI燃燒，必須積極地影響氣缸中的條件，例如溫度和/或壓力。例如，可利用加熱器30和/或預(yù)熱塞44提高進(jìn)氣的溫度，和/或利用氣缸壁加熱器51和/或發(fā)動機(jī)冷卻劑/潤滑油加熱器加熱氣缸內(nèi)壁。而且，可利用各種可變壓縮比裝置38提高缸內(nèi)壓力和溫度。用于提高起動性能的另一個有效控制特征是利用噴射器42向進(jìn)氣供給添加少量臭氧，或利用噴射器40向氣缸內(nèi)添加少量臭氧。作為另外一種選擇，或作為附加，燃料供給之一可具有高自燃性質(zhì)，例如，低辛烷數(shù)。而且，在發(fā)動機(jī)起動過程中，發(fā)動機(jī)可運(yùn)轉(zhuǎn)在非-PCCI模式，例如，作為一種火花點(diǎn)火、雙燃料或柴油發(fā)動機(jī)。根據(jù)上面對每個控制特征所討論的原理改變這些控制之一或控制的組合以使PCCI燃燒發(fā)生。當(dāng)發(fā)動機(jī)起動時，在整個發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中，ECU將通過從傳感器16收到的燃燒數(shù)據(jù)，例如壓力信號，監(jiān)視燃燒的開始和燃燒的持續(xù)時間。
一旦發(fā)動機(jī)熱起來后，由于PCCI燃燒對溫度和壓力歷程的敏感性，SOC和燃燒的持續(xù)時間將會變化。影響溫度和壓力歷程的大量因素中的小變化，例如燃燒室壁溫度，IMT，等值比，IMP等，會在SCO和燃燒的持續(xù)時間中產(chǎn)生顯著的變化。在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，本發(fā)明的控制系統(tǒng)將利用上面討論的各種控制裝置，以將SOC和燃燒的持續(xù)時間維持在理想的范圍內(nèi)的方式來改變控制變量中的一個或多個，即溫度，壓力，空氣/燃油混合物的自燃性質(zhì)和/或等值比。例如，申請人指出，如圖8所示，通過把IMT從184°增加到195°F可把SOC從5°ATDC提前到0.5°BTDC。申請人還指出，增加CR提高缸內(nèi)溫度，可用于提前SOC。例如，圖21所示為，當(dāng)?shù)戎当葹?.35并且IMT為380K時，把CR從14∶1增加到22∶1使SOC從2°ATDC提前到13°BTDC。此外，申請人指出，提高可燃混合氣溫度和增加RMF也可用于提前SOC。當(dāng)通過把排氣閥間隙從0.025″調(diào)整到0.046″來增加RMF時，SOC從6.4°ATDC提前到1.7°BTDC，如圖16所示。向可燃混合氣的熱傳導(dǎo)，無論是從主動加熱元件或熱表面，如燃燒室壁，都被證明能夠提前SOC。申請人還指出，當(dāng)預(yù)熱塞安裝在燃燒室中時，預(yù)熱塞被關(guān)掉后，SOC從0.6°ATDC推遲到1.5°ATDC，如圖11所示。申請人確定，如圖9所示，燃燒室壁溫度從400K升高到933K可使SOC從7°ATDC提前到14°BTDC。
對于壓力控制，增加IMP適用于提前SOC。例如，圖31c所示為，在單缸發(fā)動機(jī)上把IMP從52psia增加到57psia可使SOC從3.7°ATDC提前到1.5°BTDC。任何影響氣缸壓力的方法，如上面所展示的改變壓縮比或改變閥正時，都可用于控制SOC。
對于等值比，申請人確定，如圖38所示，通過增加向發(fā)動機(jī)的燃油流量把等值比從0.30增加到0.33可使SOC從5.5°ATDC提前到2.0°BTDC。而且，通過添加活性原子團(tuán)或甚至稀釋劑來改變空氣/燃油混合物的自燃性質(zhì)可影響SOC。申請人指出，對于圖33中所示的情況，把添加到可燃混合氣中的臭氧量從0增加到36g/kg可具有使SOC從1°ATDC提前到12.5°BTDC的效果。在把柴油燃料應(yīng)用于引導(dǎo)噴射以在空氣-丙烷混合物中開始SOC的一個研究中，使用的引導(dǎo)的量影響SOC。例如，當(dāng)引導(dǎo)量從約總?cè)剂夏芰康?.1％增加到18％時，SOC從2°ATDC提前到10°BTDC。在一個研究中，在用后冷卻器使IMT保持恒定的同時，利用EGR作為稀釋劑以推遲SOC。如圖17所示，當(dāng)EGR率從2.9％增加到8.0％時，SOC從1.2°ATDC推遲到4.2°ATDC。申請人指出，例如，通過增加辛烷數(shù)來增加空氣/燃油混合物的抗點(diǎn)火性可用于推遲SOC。而且，申請人指出，當(dāng)辛烷數(shù)從80增加到100時，對于IMT加上再熱等于311K的情況，SOC從14°BTDC推遲到7°BTDC。
當(dāng)然，如果必要，這些控制變量中的任何一個都可按與上面例子相反的方向調(diào)整以獲得對SOC的相反的影響。例如，不是增加IMT以提前SOC，而是可以降低IMT以推遲SOC。而且，可根據(jù)需要增加或減少這種變化的程度以維持理想的SOC。
申請人指出，可通過改變不同的參數(shù)來影響燃燒或放熱的持續(xù)時間。當(dāng)SOC延遲時，放熱持續(xù)時間增加。例如，圖8所示為，當(dāng)通過把IMT從195度F減少到184度F來使SOC延遲時，持續(xù)時間從約6度增加到約24度。同樣，增加等值比減少放熱持續(xù)時間。申請人還相信，增加可燃混合氣的溫度度數(shù)和等值比層化會增加放熱的持續(xù)時間。然而，由于難以測量溫度度數(shù)或等值比層化，需要更多的工作來量化層化的水平。
當(dāng)然，由于SOC和持續(xù)時間之間的關(guān)系，任何推遲SOC的策略應(yīng)該也增加持續(xù)時間?？刂频戎当鹊耐瑫r通過使SOC和燃燒的持續(xù)時間維持在理想的范圍內(nèi)以保證稀薄燃燒條件，控制系統(tǒng)使NOx排放最小。而且，如圖48a-50b所示，通過使氣缸中縫隙最小從而使未燃燒氣體最少，該發(fā)動機(jī)設(shè)計還減少了UHC和CO排放。
在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，如上所述，平衡圖1b的發(fā)動機(jī)的氣缸間的燃燒過程可通過改變用于控制SOC的控制變量中的任何一個來實(shí)現(xiàn)。ECU20比較傳感器16提供的每個氣缸的SOC和燃燒的持續(xù)時間數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)表明一個或多個氣缸的SOC和/或燃燒的持續(xù)時間發(fā)生在預(yù)定的曲軸轉(zhuǎn)角范圍外時，ECU將確定對給定運(yùn)轉(zhuǎn)條件的最有效的適當(dāng)?shù)目刂谱兞炕蚨鄠€變量，并產(chǎn)生一個用于控制該控制變量的控制信號，使SOC和/或燃燒的持續(xù)時間調(diào)整以回落到理想的范圍內(nèi)。申請人確定，可通過控制等值比、向混合物添加臭氧、控制與每個氣缸進(jìn)氣口相關(guān)的單獨(dú)的加熱器、利用裝置38或可變閥正時改變壓縮比、通過引導(dǎo)噴射或進(jìn)氣口燃油噴射添加油、進(jìn)氣口水噴射和/或任何上述用于改變EGR或RMF的方法來最好地獲得氣缸平衡。這些或其它燃燒控制形式中的任何一個都可單獨(dú)使用，或多種組合，以增強(qiáng)燃燒平衡控制。例如，可通過提供可變閥正時和/或燃燒室表面溫度冷卻，例如發(fā)動機(jī)冷卻劑，或活塞冷卻噴嘴控制來增加上述多燃料/添加劑系統(tǒng)提供的燃料控制。而且，可利用一個或多個預(yù)熱塞44(圖1a)作為一種實(shí)現(xiàn)至少部分控制氣缸間燃燒平衡的價廉的、容易的方法。還可能控制每個氣缸的EGR率以平衡燃燒質(zhì)量。
工業(yè)實(shí)用性該P(yáng)CCI發(fā)動機(jī)和控制系統(tǒng)可應(yīng)用于任何固定的和非固定的發(fā)電裝置，包括任何汽車、工業(yè)、海洋或軍事應(yīng)用。在任何希望獲得低排放的發(fā)電應(yīng)用中該P(yáng)CCI發(fā)動機(jī)和控制系統(tǒng)是特別有利的。
權(quán)利要求
1．一種預(yù)混合可燃混合氣壓燃內(nèi)燃機(jī)，包括一發(fā)動機(jī)體；一形成在發(fā)動機(jī)體中的燃燒室；用于控制未來燃燒沖程的燃燒歷程以減少排放并使效率最佳的燃燒歷程控制裝置，所述燃燒歷程控制裝置至少包括用于改變?nèi)加秃涂諝獾幕旌衔锏臏囟鹊臏囟瓤刂蒲b置、用于改變混合物的壓力的壓力控制裝置、用于改變混合物的等值比的等值比控制裝置和用于改變混合物自燃性質(zhì)的混合物自燃性質(zhì)控制裝置中的一個；發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)檢測裝置，該裝置用于檢測表示燃燒歷程的發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)并產(chǎn)生表示所述發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)信號；處理裝置，該裝置用于接收所述發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)信號，根據(jù)所述發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)信號確定燃燒歷程值，根據(jù)所述燃燒歷程值產(chǎn)生一個或多個控制信號，所述一個或多個控制信號被用來至少控制所述溫度控制裝置、所述壓力控制裝置、所述等值比控制裝置和所述混合物自燃性質(zhì)控制裝置中的一個，以可變地控制未來燃燒沖程的燃燒歷程。
2．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的發(fā)動機(jī)，其特征在于，所述發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)檢測裝置包括一個用于感知燃燒的開始并產(chǎn)生燃燒開始信號的燃燒開始傳感器，所述燃燒歷程值是根據(jù)所述燃燒開始信號確定的。
3．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的發(fā)動機(jī)，其特征在于，所述發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)檢測裝置是一個氣缸壓力傳感器。
4．根據(jù)權(quán)利要求2中所述的發(fā)動機(jī)，其特征在于，所述燃燒開始傳感器一個氣缸壓力傳感器。
全文摘要
一種預(yù)混合可燃混合氣壓燃發(fā)動機(jī),和一控制系統(tǒng)(10),其通過壓燃有效地起燃并保持穩(wěn)定燃燒,同時獲得極低的一氧化二氮排放、良好的整體效率和可接受的燃燒噪聲及氣缸壓力。該發(fā)動機(jī)和控制系統(tǒng)(10)通過控制某些控制變量的操作有效地控制燃燒歷程,即燃燒開始的時間、燃燒速度、燃燒持續(xù)時間和/或燃燒結(jié)束,控制變量提供溫度控制、壓力控制、混合物自燃性質(zhì)和等值比的控制。燃燒控制系統(tǒng)(10)提供燃燒沖程的主動反饋控制,并包括一個傳感器(16),該傳感器用于檢測表示燃燒歷程的發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài),如燃燒的開始,并產(chǎn)生相關(guān)的發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信號(18)。
文檔編號F02D41/02GK1233313SQ97198776
公開日1999年10月27日 申請日期1997年8月22日 優(yōu)先權(quán)日1996年8月23日
發(fā)明者P·F·弗林, G·L·亨特, A·O·祖爾羅耶, O·C·阿金耶米, R·P·杜雷特, G·A·莫爾, J·M·穆德, G·G·蒙特安, J·A·瓦格納, J·F·賴特 申請人:卡明斯發(fā)動機(jī)公司