CN100404809C - 具有低充入空气氧浓度水平和高燃料喷射压力的低排放柴油机内燃烧系统及方法 - Google Patents

具有低充入空气氧浓度水平和高燃料喷射压力的低排放柴油机内燃烧系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种商业上可以实施的柴油机内的燃烧系统，该系统无需采用NOx后续处理，就可以满足环境可以接受的NOx排放水平(即，在发动机速度和负荷的布局图中，0.2g/bhp-hr或更低)，并且，同时保持发动机排出的PM排放比较接近(例如，烟尘水平等于或低于3BSN)环境可以接受的PM的后续处理后的水平。本发明通过在独特的参数的组合内运转，达到这些结果。这些参数包括：(1)对于实质上所有的发动机操作状态(但并不需要在没有负荷或低负载状态下)充入空气的氧浓度低于16%，优选地在10%和15%之间，更优选地在11.5%到14%之间，最优选地在12%到13.5之间，(2)在绝对数发动机的速度和负荷下，燃料喷射的压力等于或超过1800bar，优选地，超过2100bar，更优选地，超过2300bar，最优选地，超过2500bar，以及(3)对于中等和高负荷，充入空气的质量/燃料质量的比例，在25∶1到45∶1之间。进而，该系统优选地在连续的稍贫的化学配比的情况下运转，提供刚好足够的过量的氧，以便促进完全燃烧，并在运转的平衡点处，保持足够的排出的氧浓度，用于连续的进行捕集器的再生。

Description

具有低充入空气氧浓度水平和高燃料喷射压力的低排放柴油机内燃烧系统及方法
相关申请的交叉参考
本申请是2002年8月8日提出的、现正在审理当中的美国专利申请U.S.Patent No.10/214,229的部分延续，该申请的全部内容，作为参考，在这里加以引用。
技术领域
本发明涉及用于减少在传统的柴油内燃机中产生的有害排放物的燃烧控制过程。
背景技术
在机动车辆中连续地使用柴油发动机，会大大地增加如氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)等有害的污染物质在大气中的存在。传统的柴油发动机以明显地超过可接受的环境水平排放NOx和/或PM。然而，由于它们的燃料效率，对于很多用途来说，柴油发动机仍然优于汽油发动机。因此，降低柴油发动机的NOx和PM的排放的尝试已经持续了很多年。
由于后面将要讨论的原因，现有技术还没有成功地开发出一种能够将NOx和PM两种发动机的排放水平同时保持在环境可以接受的水平以下的、稳固的柴油机内的燃烧系统(即，提供一种在商业上可以接受的在各种不同的速度和负荷的范围内的响应性和功率输出)。对于本发明的目的而言，将环境可以接受的柴油机NOx的排放水平定义为对于发动机所做的每千瓦-小时的功为0.27克或更低，将环境可以接受的柴油机PM排放水平定义为通过排气后处理可以有效地降低到对于发动机所做的每千瓦-小时的功为0.013克或者更低。
试图将NOx和PM两者的柴油发动机排放水平同时保持在环境可以接受的水平的挑战，是一个尽管全世界的政府和工业界广泛和共同的努力，还长期从未解决的环境和工业问题。
由于利用现有技术对于柴油机未能解决同时令人满意地降低发动机排出的NOx和PM的问题，柴油机工业已经转而主要开发NOx和PM的后续处理(即，在发动机之后，但是在排放气体被释放到大气中之前)，以便满足目前的和即将来临的国际PM和NOx的环境规则。但是，目前在柴油机工业中的人士认为这种后续处理系统是昂贵的，还存在着效率和耐久性问题，并且引起与尺寸(“包装”)相关的问题。作为一个例子，对于NOx捕集器的当前的挑战是，在具有不同负载循环的车辆上，将NOx的排放总是保持在所要求的水平以下，而NOx吸收器的效率和耐久性有可能被诸如高温或者由于柴油燃料中的硫含量引起的硫酸盐吸附和脱硫等因素所破坏。作为第二个例子，为了将PM的水平有效地保持在环境能够接受的排放水平，PM过滤捕集器取决于发动机排出的PM排放而不能过高。另外，PM过滤捕集器必需以该捕集器被迫捕捉和保持的发动机排出的PM所决定的这种更新的频率，进行再生(即，例如通过燃烧被捕集在该处的颗粒物来进行清洗)。
特别是，因为上面提到的与NOx后续处理的费用和性能有关的所认识到的问题，需要开发一种替代的，即，在商业上可以接受的柴油机内燃烧系统，这种系统可以满足环境上可以接受的NOx排放水平(即，对于发动机所做的每千瓦-小时的功为0.27克或更低)，而无需使用NOx后续处理，从而，可以避免伴随着使用NOx后续处理所产生的这种可以感觉得到的额外的成本、性能、耐久性和包装等问题。
另外，由于上面提到的与再生PM捕集器的不方便和费用相关的所认识到的问题，其中，所述PM捕集器的再生的频率取决于发动机排出的PM排放超过环境可以接受的水平(即，超过对于发动机所做的每千瓦-小时的功为0.013克)的量，所以，也希望同时至少保持发动机排出的PM排放对于PM捕集器而言足够低，以便PM捕集器能够有效地并且高成本效率地将PM排放保持在环境可以接受的水平。对于本申请的目的而言，并且为了便于测量，将最大等于或低于3BSN(Bosch Smoke Number：波许烟度值)的发动机排出(即，在后续处理之前)的烟尘含量水平，优选地，具有1.5BSN以下的平均烟尘含量水平，看作是对于将PM排放有效并重复地保持在环境可接受的水平之内的PM后续处理而言可以接受的PM发动机排出的排气水平的指示。
本发明的目的是，通过提供一种商业上可以接受的柴油机内燃系统，改进前面所述的问题，所述系统无需采用NOx后续处理，就可以满足环境可以接受的NOx的排放水平(即，在发动机的速度和负荷的整个分布范围内为，对于发动机所做的每千瓦-小时的功为0.27克或更低)，同时将发动机排出的PM排放保持得足够低，以便允许进行可靠的并且高成本效率的后续处理，以到达环境可以接受的水平。在这种情况下，该燃烧系统达到一种可以确信在此之前在商业上可实施的耐久的柴油机内燃烧系统中从来没有得到的NOx和PM排放同时处于低水平的结合。
在现有技术中，已经开发出的用于降低来自柴油发动机中的NOx和PM的排放的很多技术中的两种技术是：(1)利用废气再循环(EGR)降低燃烧温度，并减少NOx的形成，以及(2)利用高燃料喷射压力，以便提高缸内混合作用并减少PM的形成。尽管工业上意识到由于在柴油发动机中在中等程度上使用每一种技术时对于排放物的有益之处，但是，还远没有发现任何超过中等程度的使用水平的商业上的成功。例如，用于在柴油发动机中降低NOx的形成的EGR，一般都停留在EGR/周围空气比低于25％的情况，特别是对于中等和高的负荷条件而言。类似地，燃料喷射压力一般停留在等于或低于1800bar，其线燃料喷射器压力的顶端在2000bar(29,080psi)到30,000psi(2063bar)的范围内达到最大值，这取决于所使用的度量标准。下面，将依次描述为了减少NOx和PM的形成，对于增加EGR的使用和燃料喷射压力造成这些限制的原因。
现有技术对于增大EGR速度以减少NOx的形成的限制
通过使用EGR使得柴油发动机中的NOx减少，主要是由于局部燃烧作用，即，在分子水平上的燃烧作用。具体地说，EGR起着降低气缸内充入空气氧浓度水平的稀释剂的作用，从而抑制局部单元的热量在燃烧中的增加(例如，通过相对于氧分子而言增加在燃烧混合物中的非氧分子的存在，从而缓和在燃烧混合物中的燃料、氧和稀释分子之间的动力学速率和放热相互作用)。这种由于低的充入空气的氧浓度水平引起的局部单元的放热阻尼效应，限制局部的热传播，否则将会在燃烧中产生小块区域，在所述区域局部的峰值燃烧温度超过NOx形成的水平，导致NOx的形成。从而，较低的充入空气的氧浓度水平，帮助在燃烧中避免局部的热的形成NOx的小块区域，因此，导致总的NOx排放的降低。
上面所述的使用EGR减少在柴油发动机中的NOx形成的机理，在现有技术中是有争论的，并且广泛地被误解。尽管现有技术公认中等程度EGR会减少NOx在柴油发动机中的形成，但是绝大多数工业专家错误地将通过采用EGR引起的NOx的减少，归因于通过使用EGR的体效应-就是说，归因于充入气体的总的热容量的增加，这种热容量的增加限制了燃烧中的整体温度的增高，因此，从理论上减少了总的NOx的形成。这种对于柴油发动机通过使用EGR获得的减少NOx的主要的有益之处的错误理解的结果，使得现有技术未能充分地开发出的更积极地和直接地控制充入空气的氧浓度水平的概念，作为减少柴油发动机的NOx的排放的手段。而是，由于上面所述的错误理解，在使用降低NOx形成的EGR时，典型地作为“EGR百分率”进行控制和量化，而不是通过所获得的最终的充入空气的氧浓度水平进行控制和量化(然而，作为EGR系统估算氧浓度水平的一个例子，参见NiShida的美国专利No.4,727,849)。这表明，在现有技术中，对于NOx形成的更重要因素是充入空气的氧浓度水平而不是在燃烧系统中使用的EGR百分率，普遍缺乏理解。例如，见Hideyuki Tsunemoto等人的“The Role of Oxygen in Intake and Exhaust on NO Emission，Smoke and BMEP of a Diesel Engine with EGR System(进气和排气中的氧对于带有EGR系统的柴油发动机的NO排放、烟尘和BMEP的作用)，SAE Technical Papar 800030”(1980)(通过表明对于柴油发动机而言，借助EGR减少NOx更直接地和所获得的充入空气的氧浓度水平相关，而不是与通过使用EGR获得的诸如增大气缸内的充气的热容量等其它因素相关，反驳一些错误的认知)。
因为利用EGR减少NOx的形成，通常以“EGR百分率”的形式进行控制和量度，没有积极地控制或者确定所引起的充入空气的氧浓度水平，所以，在现有技术中所采用的充入空气的氧浓度水平的确定，需要某些推测。如前面所述，在柴油发动机中EGR的使用一般停留在小于25％的比率，特别是对于中等和更高的负荷状态。这使得氧浓度一般至少在16-17％以上，尽管一定EGR使用水平稀释所产生的充入空气氧浓度的范围取决于在EGR中的排出的氧浓度水平，然而所述氧浓度水平可以依赖于发动机的运行系数变化1(1比率为25％的EGR将会产生不低于约16-17％的充入空气的氧浓度水平(假定排出的氧浓度不低于1-2％，周围空气中的氧浓度稍低于21％)。见Hideyuki Tsunemoto等人的“The Role ofOxygen in Intake and Exhaust on NO Emission，Smoke and BMEP of a Diesel Enginewith EGR System(进气和排气中的氧对于带有EGR系统的柴油发动机的NO排放、烟尘和BMEP的作用)，SAE Technical Papar 800030”，图3，4(1980))。对于在低温预混合燃烧(即，非传统柴油机内的燃烧)连同调节燃料喷射时间(例如，参见Kimura的美国专利申请2002/0011240)的实验尝试，对于这一规律存在着一个例外，在这种情况下，虽然不是在中等到高的发动机速度或负荷(例如，参见Kimura，图3)，但可以利用于高的EGR比率和刚刚低于16％的氧浓度水平。
尽管有上面所述的错误的理解，但是，仍然应当重复指出，在现有技术中已知将EGR水平增大到传统的水平以上(这将导致较低的充入空气的氧浓度水平)将会提供一些附加的降低NOx的有益之处。例如，参见Jason Mark and Candace Morey，Diesel Passenger Vehiclesand the Environment(柴油机客运车辆与环境)，Union of ConcernedScientists(1999)，13-14。但是，尽管有这种认识，使用EGR来减少NOx的形成，已经受到涉及所谓的NOx-PM折衷的现有技术的严重限制。如熟悉被本领域的人员公知和理解的，NOx-PM的折衷指的是这样一个事实，即，在燃烧过程中所发生的减少NOx的形成(例如通过增加EGR的使用)的变化，一般会导致增加PM的形成，反之亦然。例如，见Borland的美国专利No.6,055,810(在图2和3中表示NOx-PM的折衷，并且讨论了作为公知的强制限制的EGR的使用可以接受的烟尘形成水平)。在现有技术中，为了利用高水平的EGR以便进一步降低传统的柴油发动机中的NOx的排放，NOx-PM的折衷变成不可逾越的障碍。
部分地由于NOx-PM的折衷，各种柴油机内的燃烧专家断定，来自于柴油机内的燃烧的NOx排放和PM排放，从物理上不能同时将两者控制(发动机排出的，未经后续处理)到环境可以接受的水平，EGR水平在25％以上，在柴油发动机中，除了轻负载或没有负载的状态下，必然会导致不可接受的很差的发动机性能和高的颗粒物的排放水平。例如，有一组专家发现，在EGR水平在25％以上，在比较轻的负荷或者较高的、甚至是在据说最佳的发动机状态下，导致低的发动机效率和“过高的微粒水平，CO和未燃烧的碳氢化合物”达到“对于柴油发动机不能容忍的水平”。Patrick F.Flynn等，MinimumEngine Flame Temperature Impacts on Diesel and Spark-IgnitionEngine NOx Production(最小火焰温度对柴油发动机和点火式发动机的NOx的产生的影响)，SAE Technical Paper 2000-01-1177，于97-98。这些专家推论出，在正常的负荷下，在大约25％左右的EGR，EGR降低NOx的产生的效益到达极限，因为，在这种EGR比率，燃烧温度已经低于对于在柴油机内的燃烧中所要保持的允许的燃烧所要求的“最低火焰温度”，从而导致不良燃烧和高的微粒水平。因此，EGR水平超过这个量，从逻辑上会将燃烧温度降低到最低火焰温度，防止在柴油发动机中的合理的燃烧。同上2。
(在各种EGR水平和柴油发动机的运转状态测量充入空气中和排出的气体中的氧浓度)
(2按照对于可以接受的传统柴油机内的燃烧的最低可接受充入空气的氧浓度水平，在正常的负荷下，理论上的25％的最大EGR比率，将会导致不低于大约16-17％的充入空气的氧浓度水平(见前面的脚注1)。在现有技术中对于传统的柴油机内的燃烧的推测出来的16-17％的最小氧浓度数值，在各种低氧可燃性的研究中得到某些支持。这些研究发现，低于16-17％的氧浓度，明显地妨碍保持燃烧的能力，并且，在标准的温度和压力下，在氧浓度水平低到12-13％左右时，碳氢化合物燃料变成完全惰性的。见Kotliar的美国专利No.6,401,487；并参见Samuel V.Zinn的Inerted FuelTank Oxygen Concentration Requirements(惰性化的燃料箱的氧浓度的必要条件)，FAA Report No.FAA-71-42，图6(1971))
作为例如Flynn报告等研究的结果，并且由于现有技术无法避免的NOx-PM折衷的影响，以及在利用高EGR比率的传统柴油机内的燃烧中的不能容忍的不良燃烧，在现有技术中，对于柴油机内燃系统，EGR的使用被封顶，高水平的EGR(以及对应的低充入空气氧浓度)，除非在轻的负荷或者在没有负荷的状态下，不能成功地用于商用柴油发动机中。另外，高水平的EGR也被工业上看作是造成需要对排放气体温度进行冷却的因素，在使用时将要求额外的成本和包装空间(因为，代替更优选的低压EGR环路，使用高压EGR环路，其中，低压EGR环路允许排放气体的自然冷却)。由于这些原因，如Kimberley的美国专利No.4,485,794阐明的那样，“通常的目的总是将使用的EGR的总量降低到最少，以便将微粒的排放降低到最少”。
现有技术对于增大燃料喷射压力以便降低PM排放的限制
在现有技术中，已知，利用“高”的燃料喷射压力，在直喷式发动机中，是一种增加混合效果的方法，从而获得某些降低排放的有益之处。例如，下面的文献中的每一个都讨论了在柴油发动机中，使用“高”燃料喷射压力以便减少积炭的形成：
Godfrey Greeves等人的Advanced Two-Actuator EUI andEmission Reduction for Heavy Duty Engines(用于重型发动机的先进的双驱动器EUI以及减少排放)，SAE Technical Paper 2003-01-0698。该文献揭示了在一定的柴油发动机速度和负荷下，通过将喷嘴开口的燃料喷射压力从300-325bar增加到1100bar，增加空气/燃料混合比开降低烟尘的形成。
Gerhard Stumpp等的Common Rail-an Attractive FuelIniection System for Passenger Car DI Diesel Engine(高压储油筒式喷射系统-一种有吸引力的用于轿车DI柴油发动机的燃料喷射系统)，SAE Technical Paper 960870(1996)。该文献揭示了采用达到1400bar的燃料喷射压力，以便降低柴油发动机中的PM排放。
Hill的美国专利No.5,315,973，一般地讨论了使用“高”燃料喷射压力，以便降低柴油机的排放。
Union of Concerned Scientists的1999报告揭示了采用高燃料喷射压力，通过增加空气-燃料混合，降低柴油发动机中的微粒的排放，虽然以同时会潜在地增加NOx的形成为代价。
Perr的美国专利No.4,721,247讨论了采用较高的燃料喷射压力，以便增加柴油发动机中的燃烧过程的效率，并且降低PM的排放。
M.A.Ganser，Common Rail Injectors for 2000bar and beyond(用于2000bar及其以上的高压储液筒式喷油器)，SAE Technical Paper2000-01-0706。该文献揭示了为了促进寻求在柴油发动机中更好的燃烧和更清洁的发动机排放，希望获得2000bar或更高(即，在本技术领域中目前的状态以上)的燃料喷射压力。
Wickman等的Methods and Results from the Development of a2600bar Diesel Fuel Injection System(开发2600bar柴油机燃料喷射系统的方法和结果)，SAE Technical Paper 2000-01-0947。该文献推测通过提供一个“导致较快的燃料空气混合的较高的喷射动量，这将导致较短的放热持续时间和较高的峰值气缸压力”，较高的燃料喷射压力可以减少PM的形成。
在现有技术中还知道，从低的燃料喷射压力增加到传统的“高”的燃料喷射压力，通过减少利用中等的EGR形成的PM的增大，会增大燃烧系统容忍使用EGR的能力。例如，参见Gerhard Stumpp等的Common Rail-an Attractive Fuel Injection System for PassengerCar DI Diesel Engine(高压储油筒式喷射系统-一种有吸引力的用于轿车DI柴油发动机的燃料喷射系统)，SAE Technical Paper 960870，188和图10(1996)；Godfrey Greeves，Advanced Two-Actuator EUIand Emission Reduction for Heavy Duty Engines(用于重型发动机的先进的双驱动器EUI和排放的降低)，SAE Technical Paper2003-01-0698，于9，11。
尽管知道高的燃料喷射压力可以导致降低柴油机排放中的烟尘的形成(通过与因为更剧烈的燃烧引起的相应的NOx的形成的增加进行折衷)，但是，燃料喷射技术迄今为止还不能提供商业上可以获得的利用喷射压力约为30,000psi(2,063bar)以上的燃料喷射器。而是认为1800bar及其以下的燃料喷射压力就“足够高”，足以达到所需的混合效益和降低排放的目的。例如，Hill的美国专利U.S.PatentNo.5,315,973和Union of Concerned Scientists提出的1999报告，把高于1000atm(1000bar)称作“高”燃料喷射压力，Union of ConcernedScientists提出的1999报告，讨论了将燃料喷射压力增加到1500至2000bar，但是不进一步增高，以便通过与NOx的某些可能的折衷，能够进一步减少微粒的排放。现有技术的“高压燃料喷射器”典型的状态提供1350bar至1800bar，这在工业上被认为是足够的。例如，Greeves的论文(SAE 2003-01-0698，2)指出，目前的燃料喷射器“对于重型柴油机的应用，已经提供了...具有良好的耐久性的高的喷射压力”。高性能的商业上可以获得的燃料喷射器，以大约2050bar(稍小于30,000psi)的喷射压力供应燃料。据申请人所知，只有实验性的燃料喷射器，利用高于这一水平的燃料喷射压力。
有很多明显的原因，在商用柴油机燃烧的应用中，不能利用超高(对于本申请而言，定义为30000psi(2063bar)以上的压力)燃料喷射压力。这些原因包括：泄漏问题，成本，耐久性，不希望有的发动机效率的损失，NOx形成的不希望的增加，以及对于超高燃料喷射压力在燃烧中导致持续的减少烟尘的形成的能力方面的令人沮丧的结果和预测。这些因素的组合，导致一种不利的成本/效益平衡，对开发这种燃料喷射系统预先给予不利的影响。对于开发超高压燃料喷射技术的这些阻碍因素中的一些，在现有技术的上述参考文献中进行过说明，如下面所讨论的那样：
对于超高压燃料喷射系统的成本/效益平衡的成本方面：增大的泄漏问题，效率损失，成本，以及耐久性方向的问题
超高燃料喷射压力的使用，必然要求处理以下相关的问题，即，增大泄漏的潜在可能性，由于泄漏和必需保持更高的压力引起的发动机效率的损失，开发这种系统的过程中增大的成本，以及由于试图利用这种高燃料喷射压力可能导致的破裂和磨损等。
例如，Ganser的论文(SAE Technical Paper 2000-01-0706)是一个很好的例子，该例子表明，关于2000bar以上的燃料喷射压力的潜在的效益的乐观的现有技术的论述，如何被不可否认的没有能力处理诸如在2000bar和更高的压力水平会发生的泄漏等问题的论述所弱化。Ganser的论文说明，以特定的相关性，在1500bar以上的压力下，燃料喷射器的泄漏是恶化发动机效率的功率耗损，并且，“压力越高，功率耗损越大，并且同时，更难以将部件密封或者减少泄漏”。同上，12页。由于随着燃料喷射压力的提高，泄漏会增大，所以，Ganser宣称“在2000bar的[最高]系统压力下的泄漏甚至没有测量，因为它实在太大了”。同上，14页。
类似地，Perr的美国专利U.S.Patent No.4,721,247透露，压力在30,000psi以上的燃料喷射器，会发生显著的泄漏和耐久性问题。对于超高压燃料喷射系统的成本/效益平衡的效益方面：关于
Figure C20048003081600171
燃料喷射压力在不明显增加NOx形成的情况下降低烟尘的形成的能力的令人沮丧的结果和预测
在1800bar左右的高喷射压力的状态以上，现有技术并未看到增大燃料喷射压力的任何明显益处。
上面讨论过的Flynn的论文(SAE Technical Paper 2000-01-1177)是一个很好的例子，该例子对于在现有技术中能够进行快速的柴油机内的燃烧并且在具有低的NOx排放水平的同时具有可以控制的烟尘水平的燃烧改进措施(例如，采用更高的燃料喷射压力)，给出了令人沮丧的预测。确实，Flynn的论文认为，对于柴油机内的燃烧来说，发现，最低火焰温度和NOx形成水平“由化学原理所驱动；因此，对于快速燃烧存着一个限度，这个限度不能通过系统的结构，组成或者流体动力学的改变加以克服”。Flynn，SAE 2000-01-1177，89-90。因此，按照Flynn的预测，超高压燃料喷射器将不会有益处，因为这种超高压燃料喷射器在传统的柴油发动机中，不能像在本申请人在本申请的母申请(即，2002年8月8日提出的Patent ApplicationNo.10/241,229)Controlled Temperature Combustion(受控温度燃烧)的燃烧方法中所完成的那样，在NOx的形成水平低于对于发动机所做的每千瓦-小时的功约为1.3-2.0克的同时，进行快速燃烧或者达到可以接受的效率。
尽管Flynn等人后来承认，他们关于柴油机最低火焰温度的结论，与火花点火式发动机相比“更不确定”，从而“应当理解为只是近似的，因为这里牵涉到很多简化”(Flynn，96，99)，但是，Flynn的预测仍然是现有技术不再推动开发带有超高燃料喷射压力的燃料喷射系统的一个例子。它进一步表示，在现有技术中坚定地相信，在高EGR水平、低充入空气的氧浓度水平、以及/或者在低温燃烧努力中采用的低的峰值燃烧温度，不能获得可以接受的柴油机内的燃烧。
由于上述原因，惟一已知的对超高燃料喷射压力的PM减少作用的实验，并没有连同高的EGR水平、低充入空气的氧浓度水平、和/或低的峰值燃烧温度一起尝试超高燃料喷射压力。下面给出两个例子，
作为一个例子，上面所述的Wickman的现有技术(SAE TechnicalPaper 2000-01-0974)试验了超高峰值压力(2600bar)燃料喷射器对NOx和PM的柴油机排放的作用。没有连同高的EGR水平、低充入空气的氧浓度水平、和/或低的峰值燃烧温度一起，对这种喷射器进行试验。从而，Wickman喷射器充其量只不过产生了一种混合的结果，常常导致比利用传统的燃料喷射系统获得的更高的PM和/或NOx水平。这一令人失望的结果，也部分地来源于燃料喷射器的设计，该燃料喷射器是凸轮驱动的，并且依赖于高的发动机速度和负荷。换句话说，除非在高速和高负荷时，Wickman喷射器不能产生超高燃料喷射压力，从而，除非在这些特定的速度和负荷下，一般不会产生改进的排放结果。
作为第二个例子，Perr的美国专利No.4,721,247揭示了一种燃料喷射压力可以达到35,000psi(约2407bar)的燃料喷射器。但是，上述Perr的美国专利4,721,247号未介绍利用该发明获得的任何减少排放的益处，也没有讨论这种喷射器与高EGR水平、低充入空气的氧浓度水平和/或低峰值燃烧温度的可能的应用。另外，和Wickman喷射器一样，Perr的美国专利4,721,247的喷射系统，只有在非常高的发动机速度(5,000rpm)时，才能达到其高的喷射压力，在中等或低的发动机速度，不能提供高的喷射压力。因此，Perr的美国专利4,721,247的燃料喷射系统，在整个发动机运转分布内，对于明显的减少PM的形成不会起到很大的作用。
最后，不管是Wickman喷射器，还是Perr的美国专利4,721,247的喷射器，似乎并未作为产品加以开发，这大概放映了传统的工业界(以及燃料喷射设计者)的意见，获得上述技术水平状态以上的燃料喷射压力，并不能提供额外的显著的降低排放的益处，根据成本/效益分析，并没有证明生产这种装置的额外的花费是正确的。
发明内容
本发明提供一种商业上可以接受的柴油机内的燃烧系统，该燃烧系统无需采用NOx后续处理，就可以满足环境可以接受的NOx水平(即，在发动机的整个速度和负荷的分布内，对于发动机所做的每千瓦-小时的功为0.27克)，并且，同时将发动机排出的PM排放保持在比较接近于环境可以接受的后续处理之后的水平(即，烟尘水平在3BSN或其以下，优选地，在1.5BSN以下)。
为了获得它所产生的独特的排放结果，申请人的柴油机内燃系统通常在独特的参数的组合内操作。限定系统的可以接受的操作区域的这些参数大致如下所述：(1)吸取到气缸内的充入空气的氧浓度应当停留在16％以下，优选在10％至15％之间，更优选在11.5％至14％之间，最优选地在12％至13.5％之间，通过利用高EGR水平可以到达上述数值，(2)尽管令人满意的(但是，并不是太理想的)排放性能也可以在稍低的喷射压力(例如，在1800bar以上)时得到，在绝大多数发动机速度和负荷的情况下，燃料喷射压力优选至少应当为30,000psi(2063bar)，更优选地在2300bar以上，最优选地约为2500bar或更高，以及(3)充入空气质量/燃料质量的比率，对于中等和高的负荷，应当保持在25∶1和45∶1之间，以便降低整体燃烧温度，为良好的燃烧提供足够的氧。另外，通过结合使用传统的用于PM后续处理的微粒捕集器，发动机也可以优选地以连续的贫燃操作下进行运转(因此可以在整个操作范围内具有过剩的氧)，以便在某种程度上进一步减少PM的形成，并且在操作过程中保持用于捕集器连续再生的平衡点。
附图说明
图1是本发明的燃烧系统的优选实施例的示意图；
图2是本发明的空气处理控制方法的优选实施例的流程图；
图3是对于本发明的低排放柴油机内的燃烧的燃料喷射压力与吸入的充入空气的氧浓度之间的关系的表示图，所述燃烧能够到达环境可以接受的NOx水平，同时达到可以控制的低PM形成和良好的发动机效率；
图4是供本发明使用的优选的燃料喷射器的侧视剖视图；
图5A是对于典型的传统柴油发动机的NOx排放结果的图示；
图5B是对于典型的传统柴油发动机的效率的结果的图示；
图6A是对于柴油发动机的NOx排放结果的图示，其中，所述柴油发动机在结构上与进行图5A和5B的测定时的结构相当，其不同之处在于，变为可以借助本发明的方法进行操作，该图表示，发动机排出的NOx产物的水平，在整个发动机操作的分布内处于环境可以接受的水平；
图6B是对于柴油发动机的发动机效率结果的图示，其中，所述柴油发动机在结构上与进行图5A和5B的测定时的结构相当，其不同之处在于，变为使之可以借助本发明的方法进行操作，该图表示，发动机的效率等于或者优于在传统的柴油发动机的条件下获得的发动机效率。
具体实施方式
如上所述，本申请是本申请人的Controlled TemperatureCombustion(受控温度燃烧)专利申请的部分延续。其中，该母申请指出，申请人在柴油机燃烧中成功地利用并保持低充入空气的氧浓度水平(低到12％左右)，以便减少局部峰值燃烧温度，从而减少柴油机内的NOx的形成。从而，申请人可以在全部发动机速度和负荷下，始终如一地获得对于发动机所做的每千瓦-小时的功低于0.27克的发动机排出的NOx排放水平。但是，所述母申请并没有充分地提出与这种可控温度燃烧系统相结合，以便将PM和烟尘降低到可以控制的水平、并改进发动机效率的方法。
本发明实质上在所有的发动机速度和负荷下持续使用显著低于现有技术的充入空气的氧浓度水平(即，16％以下)3，(3为了将NOx保持在环境可以接受的水平，这种低氧浓度水平在没有负荷的状态下，以及在低负荷状态下都不是必须的。)优选将充入空气的氧浓度保持在10％至15％之间，更优选保持在11.5％至14％之间，最优选保持在12％至13.5％之间。但是，本发明提供另外的手段，以便显著地减少烟尘水平，并保持发动机效率，同时将NOx的排放保持在低水平。本发明部分地通过采用从前在现有技术中没有用过的极高的燃料喷射压力，使得本发明的低的充入空气氧浓度对于良好的发动机效率而言是可以容忍的，从而完成这些任务。
从而，作为上面所述的内容的结果，并且如上所述，申请人的柴油机内的燃烧系统，通常以独特的燃烧参数进行操作。这些参数包括：(1)入口氧浓度低于16％，优选在10％至15％之间，更优选在11.5％至14％之间，最优选在12％至13.55之间，(2)在绝大多数发动机速度和负荷下，燃料喷射压力等于或超过1800bar，优选超过2100bar，更优选超过2300bar，最优选大约在2500bar或更高，以及(3)对于中等和高负荷，充入空气的质量/燃料质量的比率在25∶1和45∶1之间。进而，该系统优选在稍稍贫的化学配比的情况下连续运转，提供足够的过量的氧，以便促进完全燃烧，并保持排出的氧浓度足以在操作中的平衡点处持续进行捕集器的再生。
下面，依次对这些参数的每一个进行描述。
参数1：充入空气的氧浓度
在本发明中，优选地，借助EGR降低入口氧浓度。保持入口氧浓度在16％以下，优选在10％至15％之间，更优选在11.5％至14％之间，最优选在12％至13.5％之间，一般要求EGR比率在40％以上。本发明的优选实施例实际上经常在EGR比率显著高于50％的情况下运转。
一般而言，借助帮助改善在浓度高、稀释的氧环境中使用的氧的范围的更高燃料喷射压力，使用的燃料喷射压力越高，可以在不显著增加PM的形成的情况下，使吸入的充入空气的氧浓度越低(见图3)4。(4由于同样的原因，如果需要的话，更大的燃料喷射压力也可以允许使用较低的排出气体氧浓度，允许较低的增压水平。)因而，已经发现，较高的燃料喷射压力和其它燃烧系统的最佳化，可以降低可以接受的氧浓度的下限，从而，提供一能够获得可以接受的排放能力的较大的范围。例如，目前，在充入空气的氧浓度接近10％或更高的情况下，能够获得可以接受的发动机的性能。尽管通过进一步的燃料喷射压力增加和/或燃烧过程的最佳化，当充入空气的氧浓度甚至低于10％时也可能获得可以接受的燃烧，但是，在燃烧中，可能并不需要令进入的充入空气的氧浓度低于10％。
另一方面，当然，为了进行完全燃烧，对于被燃烧的燃料的量，必须具有足够的总氧量。事实上，如前面所述，本发明的优选实施例，只要有足够的过量的氧，最好是在贫化学配比的情况下运转，以便尽管在并非完美的混合和燃烧的条件下，也能够接近燃料的完全燃烧。这进一步使得在排出的气体中保留足够量的氧，如果需要的话，能够允许微粒捕集器的再生。在一个优选的实施例中，如果将排出的气体中的氧浓度持续地保持在恰好足够提供连续的捕集器的再生(例如，在约2％到约6％之间)的水平，可以将排放的降低最好地优化，为了捕集器的再生，无需周期性地贫的偏移(lean excursion)。
另外，由于本发明中用于充入空气的较低的氧浓度，为了完全燃烧供应足够的总的克分子的氧量，对于给定的所需功率，常常牵涉到采用比传统的增压水平足够高的增压水平。换句话说，为了使对应于给定的发动机所需的功率的燃料的量完全燃烧，以便在气缸中存在有足够的总的氧量，必须使用更大量的低氧浓度的充入空气。这种额外的增压，还导致比传统的柴油机内的燃烧系统所要求的更高的充入空气的浓度，特别是在较高的负荷时。例如，较高的负荷要求较高的总的氧的质量，从而，和降低充入空气的氧浓度水平一起，要求更高的增压。
将进入的氧浓度保持在希望的临界范围内是很重要的。如果进入的氧浓度对于燃料的量来说太低，将会发生不完全的燃烧，并且造成不希望有的PM的形成的增加。另一方面，如果进入的氧浓度太高，由于与局部放热未被充分抑制的燃烧混合物中的过量的氧的区域相一致的局部高温区域的促进，将会发生局部的NOx的形成。因此，尽管为了成功地实现本发明并不特别要求一个单一的方法和策略，但是，具有一种有效的控制空气的方法和策略以便在所有常规的操作状态下将进入的充入空气的氧浓度保持在这种所希望的范围内(以便限制局部发热，但是仍然足以保持和完成燃烧)，对于达到利用本发明获得的低排放水平的结果而言，是非常重要的。
现将描述对于能够将进入的充入空气的氧浓度保持在这种所希望的范围内的燃烧系统的优选实施例。
本发明的用于控制燃烧系统的优选实施例
可以快速控制吸入气缸内的充入空气的氧浓度的燃烧系统的实施例，示于图1。
参照图1，表示内燃柴油发动机，发动机1通过直接气缸燃料喷射器2、2′、2″等接受燃料。周围空气由口3处进入。排出气体与周围空气在口4处混合，从而形成充入空气的混合气体。排出气体从排气管5起，在口6处通过排气冷却器7到达口4。EGR控制阀8在排气管5内位于紧靠口6的下游处。通过限制通过阀8的气流，控制通过口6的气流的速度。所结合的周围空气和再循环的排出气体(总起来说“充入空气”)流过压缩机9，并被该压缩机压缩。压缩机9可以是单级压缩机，或者两个或者更多个压缩机串联或者并联，主要由排出气体膨胀器(涡轮)马达10(该马达可以是单级涡轮或者两个或多个涡轮串联和并联)驱动，以便向进气歧管11提供受控的增压压力。控制器(CPU)12向膨胀器马达10发送适当的信号以便控制增压。可以使用一个可供选择的电动马达或液压马达13，并且被控制器12控制，以便提供快速的增压水平的变化，用于帮助膨胀器马达10提供快速的转矩响应。或者，可以利用增压器(包含在压缩机9的表示内)以便提供更会的转矩响应以及附加的增压能力。从而，在马达10本身不能单独地提供足够的和快速的增压压力的瞬时状态和任何操作状态下，控制器12向马达13和/或增压器9发出适当的信号，以便控制增压水平。
被压缩的充入空气，可以选择性地(并且优选地)通过冷却器21流向进气歧管11，以便在需要时将充入空气冷却到规定的水平。
可以利用位于再循环排出气体和周围空气的组合的进气管线的下游的可供选择的氧气传感器14，以便直接确定在充入空气内的氧浓度。另外，或者可供选择地，可以采用排出的氧的传感器15。可以由排出的氧浓度与EGR比率，或者其它手段，确定充入空气的氧浓度。也可以用熟悉本领域的人员所公知的方法，由其它检测出的参数(不一定表示出来)计算或者确定充入空气的氧浓度。
充入空气通过传统的阀(未示出)以传统的方式，进入燃烧室(未示出)，排出气体通过传统的阀(未示出)离开燃烧室，并通过排气歧管17离开发动机1。排气后续处理装置18可以包括用于除去任何微粒排放的微粒捕集器氧化剂，以及用于氧化残留燃料和一氧化碳的催化剂。由速度传感器19向控制器12提供发动机的速度。利用加速踏板传感器20向控制器12提供转矩指令水平。
尽管在本发明中不要求用于EGR、增压的控制和燃料调节的单一的特定的方法来满足上面描述的所需的参数，但是，用于简化本发明的控制以便满足所需的排放结果的目前的“最好的方式”，表示在图2中。其它方法，特别是用于在快速的瞬态过程中改进排放控制的方法，是单独的通常归属于本申请的部分的继续(“Method for LowEmission，Controlled Temperature Combustion in Engines WhichUtilize Late Direct Cylinder Inj ection of Fuel”(“在采用迟后直接气缸喷射的发动机中，用于低排放，受控温度燃烧的方法”))，该伴生的部分继续申请，通过参考，在这里加以引用。
参照图2，操作控制从步骤60开始，其中，驾驶员对于发动机的功率变化的要求由踏板传感器20感测并传送给控制12。在步骤61，控制器12利用所建立起来并存储在该处的分布图，确定给出驾驶员所要求的功率的所需的燃烧负荷。在步骤62，控制器12接着确定为了给出所需的负荷和发动机的速度(由发动机速度传感器19监控)的燃烧所需的燃料的量，以便满足驾驶员的功率要求，如也从在控制器12中建立并存储的分布图中所提取的那样。在步骤63，可以通过可供选择的氧传感器14，或者通过从其它发动机操作状态的计算，向控制器12提供空气/EGR混合物(即，充入空气)的氧浓度。
在步骤64，控制器12由存储在该控制器中的分布图，对于由步骤62(或者由步骤61中确定的所需的负荷)确定的给定的燃料量和在步骤63中确定的当前的空气/EGR氧浓度，确定对于燃烧所需的增压调节。确定对于燃烧所需的增压水平，以便(i)提供足够的充入空气的质量，以获得所需的充入空气/燃料质量的比率，(ii)对于给定的燃料量，提供用于完全燃烧的足够的氧克分子的量，以及(iii)优选地提供过剩的氧的量，该过剩的氧的量将会改进燃烧，并且产生允许选用的PM捕集器18的再生的目标排出氧浓度，但是，这种排出的氧浓度则不会造成NOx的形成的任何增加。如将会在本技术领域中理解的，可以根据这些准则，无需过多的实验，对于给定的燃料量或者所需的负荷，可以机械地确定特定的增压水平，并且在控制器12中编程。
在优选的燃烧系统中，对于氧浓度的闭合环路的控制，在燃烧之后，在步骤65中发生，可以在步骤66中检测或者确定排出的氧浓度，在步骤67中进行EGR比率的调节，以便将该系统调整和控制到目标所希望的进入的氧浓度值或者范围。例如，可以从传感器15读出排出的氧浓度，以及/或者可以由传感器14读出进入的充入空气的氧浓度，利用控制器12将真实的或者计算出来的(即，确定的)充入空气的氧浓度与对于真正的操作点(根据存储的分布图)所需的水平进行比较，然后，指示EGR阀8进行调节，以便达到目标氧浓度。
另外，通过由控制器12对被入口压力传感器16检测到的真实增压水平与来自于存储的分布图的所需的水平进行比较，并且将马达10和13(或者增压器)调节到适合于达到目标增压水平，也可以在闭合环路的基础上控制增压调节。
在本发明中，通过努力将为了在本发明的参数内进行操作所必须做的氧的校正降低到最低限度，氧浓度的控制可以被进一步改善，给出改善的瞬态响应时间。例如，本发明的对于控制的优选的方法可以另外包括将发动机排出气体中的氧浓度相对地保持恒定。所选择的特定的值并不是很关键的，其数值可以是3％，或者5％，或者7％。通过将所使用的燃料的量与气缸内为了产生所希望的排出的氧浓度能够得到的氧相匹配，可以将排出的氧浓度保持相对的恒定。借助在排出气体中的氧浓度的相对恒定(例如5％)，并且通过周围空气的氧浓度也相对的恒定(即，接近21％)，对于实质上所有的发动机速度和负荷，可以将充入空气的氧浓度固定在临界的氧浓度的范围(例如，优选的水平，如12.5％)内，通过在对于所希望的进入氧浓度所对应的给定值处保持EGR比率(即，这里，对于给定的排出的氧浓度值5％，大约为53％的EGR)，可以简单地获得该浓度。
之所以希望将排出的氧浓度和进入的充入空气的氧浓度保持在可以接受的相对的常数，是为了使系统的瞬时的空气处理响应(从而，要求改变气缸内的完全燃烧所需要的总的氧量)可以一般只通过调节所供应的空气的质量(即增压响应)来进行(be paced)，而不是要求同时确定和/或调节氧浓度水平的较慢的步骤，以便能够满足发动机的需求。主要由增压压力调整的瞬时响应，使得发动机系统相对于受控的氧浓度水平的响应时间，与传统的柴油发动机响应时间处于同一个基础上。
参数2：非常高的燃料喷射压力
上面讨论了妨碍现有技术开发商业上可以接受的能够达到非常高的燃料喷射压力的燃料喷射系统的障碍。本发明本身并针对在解决开发超高压力燃料喷射系统的技术障碍。本发明代之以通过增加由于采用这种压力水平可以获得的益处，来改变超高压燃料喷射系统的成本/效益平衡。特别是，能够同时获得发动机排出的低的PM和NOx的柴油机排放水平，并且具有良好的发动机效率，形成一个巨大的优点。从而，本发明并不局限于任何特定的燃料喷射系统，只要该系统提供这里所要求的燃料喷射压力即可。
特别是，申请人发现，对于象寻求采用低于16％的充入空气氧浓度水平的本发明那样的柴油机内的燃烧系统，非常高的燃料喷射压力明显地帮助降低在这些EGR水平上形成的PM的量。这可能是因为由于EGR的特别高水平导致的氧非常稀释的充入空气混合的结果，从而，为了获得基本上完全燃烧和低的PM排放，将要求明显的更大的混合作用(促进在可以获得的氧分子之间的更快的接触和相互作用)。已经发现，对于在申请人的燃烧系统中常常发现的稀的和浓
Figure C20048003081600271
入空气的混合物中降低PM的形成而言，超高燃料喷射压力提供显著超过传统的“高压”燃料喷射器的优点。
根据上述过程，申请人还特别发现，如果将本发明的低充入空气的氧浓度水平保持得足够低(最优选约为12-13.5％)，在本发明中采用的超高燃料喷射压力不会导致NOx形成的任何相应的跳跃。这能够非常有利地缓解柴油机内燃烧的NOx-PM折衷。从而，对于各种发动机速度和负荷，在这些氧浓度水平，在2300、2400和超过2500bar(包括3000bar和更高)的压力水平上，申请人成功地制造并试验了新颖的燃料喷射系统，在NOx的形成很少的同时，显著降低PM。这种现象或许可以解释为同时(i)提供足够的氧和快速的混合作用，以便保持快速的燃烧(从而，可以推测为将局部的温度和每单位的放热保持在为了快速发生化学反应以便进行燃烧所需要的最低的化学反应的基本水平之上)，(ii)通过减少在单位质量内的氧的相对的可利用性，限制充入空气的单位质量的放热，使得在该单位质量内的燃烧温度不超过显著形成NOx的阈值(约2000K)。
如上面讨论过的那样，本发明已经在大约2000bar或更高的燃料喷射压力下达到了成功的操作。申请人预期，通过进一步的改进，并且无需过分的实验，成功的操作可以一直下降到1800bar的喷射压力，但是，可以接受的最好的和最广泛的区域，将会继续在非常高的燃料喷射压力下获得。图3描绘了在增加的燃料喷射压力与相应地增加对于低排放柴油机内的燃烧能够允许的氧浓度的范围之间的关系。在非常高的燃料喷射压力下可以接受的氧浓度的范围，提供了一种允许增大可能瞬时发生的氧浓度变化的耐受性所需的余地。
通过使用液压增压的高压储油筒式燃料喷射系统，申请人已经达到了这些燃料喷射压力，所述高压储油筒式燃料喷射系统被设计成可以在任何发动机速度和负荷下，提供这种高的燃料喷射压力。
图4所示的燃料喷射器是能够实现本发明的燃料喷射要求的燃料喷射器的一个(优选)实施例。该优选实施例，利用更高的喷射压力，作为一个传统的高压储油筒式燃料喷射系统进行操作。该系统利用在喷射器体内的液压流体增压效应，允许将喷射压力控制到3,000bar或者更高，并且，该系统可以被控制器12操作。
参照图4，优选的喷射系统包括增压器主体30和盖形螺母35，以便制成可以被设计成符合任何发动机气缸盖要求的喷射器外壳。将增压器主体30钻孔，以便装配电子控制阀31，该电子控制阀可以用不同的方式配置在喷射器内，并且可以将其制成满足不同的发动机的应用的尺寸。电子控制阀31容纳有快速响应滑阀，以便能够提供高压流体，并排出低压流体。该喷射系统优选地利用低压供应燃料(例如，3-4bar)，以及较高压力(例如，200bar)的液压供应系统。较高压力的液压流体通过液压流体通路36供应，并且经由液压返回口52返回。滑阀32可以是三通阀也可以是双通阀，或者提供上述功能的其它型式的阀。
同时还将增压器主体30钻孔，以便容纳柱塞49、活塞48和复位弹簧46。喷射增压器组件30中的弹簧46、柱塞49和活塞48，将蓄积燃料室45内燃料加压到所需的压力，直到3,000bar及其以上。增压器主体30包括燃料返回口33，处于低压(例如，3-4bar)的燃料供应口53，以及大气压力液压通路和排放口(未示出)。在增压器主体30的下部，是高压(例如，高达3,000bar或更高)蓄积燃料室45。高压燃料通路44能够将高压燃料室45与喷射器喷嘴41之间连通。将高压燃料限制在燃料室45、燃料通路44和喷嘴41内，在发动机燃料系统中提供一个很高的安全系数。从喷嘴41的针阀泄漏的燃料，与燃料返回口33连通。
滑阀32优选地是三通、两位阀。第一位置(打开)将流体供应源(由口51)连接到液压流液压流体通路36上，第二位置(关闭)将液压流体通路36连接到液压返回52上。在打开位置，滑阀32允许液压流体从液压供应口51流入液压室50，从而，使活塞48和柱塞49组件(增压器组件)向下移动，将被捕获在蓄积室45内的燃料加压。由液压指示并且流入液压室50内的燃料室内的燃料压力，与发动机的速度和负荷无关，总是可以将其保持在最佳的水平。这使得能够完全控制燃料喷射的峰值喷射压力、持续时间和喷射的燃料的量。因此，可以将滑阀32的作用和控制器12(图1)结合起来，以便控制喷射压力，喷射时间，以及燃料的输送量，而不存在液压滞后的缺点。
当滑阀32处于关闭位置时，在液压室50内的活塞38上方的液压流体返回到低压液压槽(未示出)，柱塞49和活塞48组件被复位弹簧46向上移动，然后，燃料蓄积室45通过止回阀组件55被重新装满，准备下一个压力循环。系统中的液压泄漏物，通过液压排出口47被排出。
参数3：在中等和高负荷时的空气质量/燃料质量之比
该参数与将燃烧中的峰值体温度和局部温度保持低温有关，以便减少NOx的形成。充入空气质量/燃料质量之比影响燃烧中的体热容量，从而减少在燃烧中的体温度的升高。该参数代替温度，用充入空气质量/燃料质量之比表示，以便提供一个容易测量的并且可操作参数，该参数确保整体燃烧温度和局部燃烧温度停留在NOx明显的形成阈值以下。如在通过参考在这里加以结合的Controlled TemperatureCombustion(受控温度燃烧)的专利申请(美国申请No.10/241,229)的母申请中讨论过的，一种优选的通过调节充入空气燃料混合气来降低并控制峰值燃烧温度的策略，是通过控制进气系统中的增压压力，来操纵充入空气的浓度。
应当指出，对于没有负荷和轻的负荷的情况，只要总是利用过剩的氧，为了到达可以接受的NOx和PM排放，没有必要将质量比保持在25∶1到45∶1之间。
图6A和6B表示在柴油发动机利用本发明的方法运转的情况下，与图5A和5B所示的现有技术相比，所得到的一些效益。例如，如图6A所示，对于实际上的所有发动机速度和负荷状态，在本发明的情况下，NOx的排放，比相当的传统的柴油发动机产生的NOx(如图5A所示)低很多倍。而且，如图6B所示，这种NOx的排放的极大的减少，是在仍然保持发动机的效率等于或大于现有技术的发动机的效率(如图5B所示)的情况下达到的。从而，在这种耐用的商业上可以实施的柴油发动机中，本发明可以达到上述排放水平。
由前面所述可以理解，尽管这里描述了本发明的特定实施例，但是，可以进行各种改型，而不会偏离本发明的主旨和范围。因此，这里所提出的实施例，应当被认为是说明性的而不是限制性，本发明的范围，只由所附的权利要求书加以限定。

Claims (50)

1.一种操作内燃柴油发动机的方法，包括：
将空气和再循环的排出气体的混合物吸入到内燃柴油发动机的燃烧室内，其中，所述空气和再循环的排出气体的混合物的氧浓度低于16％；
以超过1800bar的燃料喷射压力，将燃料喷射到所述燃烧室内；以及
将所述燃料与所述空气和再循环的排出气体的混合物在所述燃烧室内燃烧，从而，产生有用功和新的量的排出气体，所述新的量的气体包含有氮氧化物(NOx)，所述氮氧化物的水平为对于发动机所做的每千瓦-小时的功小于1.34克。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空气和再循环的排出气体的混合物的氧浓度在15％以下。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空气和再循环的排出气体的混合物的氧浓度在14％以下。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对于中等和高负荷而言，所述空气和再循环的排出气体的混合物的氧浓度保持在10％和15％之间。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对于中等和高负荷而言，所述空气和再循环的排出气体的混合物的氧浓度保持在11.5％和14％之间。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对于中等和高负荷而言，所述空气和再循环的排出气体的混合物的氧浓度保持在12％和13.5％之间。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，从一个循环到另一个循环，将所述空气和再循环的排出气体的混合物的氧浓度保持相对恒定。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，从一个循环到另一个循环，将EGR比率和排出气体的氧浓度保持相对恒定。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在中等或高负荷时，空气和再循环排出气体的混合物包括大于40％的EGR水平。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在中等或高负荷时，空气和再循环排出气体的混合物包括大于50％的EGR水平。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，以符合或超过2100bar的燃料喷射压力，将所述燃料喷射到所述燃烧室内。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，以符合或超过2300bar的燃料喷射压力，将所述燃料喷射到所述燃烧室内。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，以符合或超过2500bar的燃料喷射压力，将所述燃料喷射到所述燃烧室内。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，以符合或超过3000bar的燃料喷射压力，将所述燃料喷射到所述燃烧室内。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述新的量的排出气体包含有氮氧化物(NOx)，所述氮氧化物的水平为对于发动机所做的每千瓦-小时的功小于0.67克。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述新的量的排出气体包含有氮氧化物(NOx)，所述氮氧化物的水平为对于发动机所做的每千瓦-小时的功小于0.27克。
17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氮氧化物(NOx)的水平保持在相对于发动机在所有发动机速度和负荷下所做的每千瓦-小时的功等于或小于0.27克。
18.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在后续处理之前或者未进行后续处理的情况下，所述新的量的排出气体具有等于或者低于波许烟度值为3的烟尘含量。
19.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在后续处理之前或者未进行后续处理的情况下，所述新的量的排出气体具有等于或者低于平均波许烟度值为1.5的烟尘含量。
20.如权利要求17所述的方法，其特征在于，在所有发动机速度和负荷的情况下，在后续处理之前或者未进行后续处理的情况下，所述新的量的排出气体也具有等于或者低于波许烟度值为3的烟尘含量。
21.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所有的通常的发动机速度和负荷的情况下，所述有用功以大于30％的热效率产生。
22.如权利要求1所述的方法，进一步包括提供足够的吸入系统压力，以便对于所述燃料的燃烧确保足够的氧。
23.如权利要求1所述的方法，进一步包括在吸入燃烧室之前，将空气和/或再循环的排出气体压缩，以便对于发动机在中等或高负荷下的运转而言，使得空气和再循环排出气体的混合物的质量与喷射的燃料的质量之间的比例，在25∶1到45∶1之间。
24.如权利要求1所述的方法，进一步包括：将一定量的空气和再循环的排出气体的混合物吸入到燃烧室内，所述空气和再循环的排出气体的混合物的量大于与喷射到燃烧室内的燃料的化学配比所需的量，从而，在燃烧室内提供足够的过量的氧，以帮助完全燃烧，并产生对于微粒捕集器的再生具有足够的氧浓度的排出产物。
25.如权利要求24所述的方法，进一步包括：向燃烧室连续地提供预定量的过量氧，以便在发动机的运转过程中，在平衡点处保持对于微粒捕集器的连续再生而言足够的排气氧浓度水平。
26.一种内燃发动机系统，包括：
一个或多个气缸，每个气缸提供一个燃烧室；
一个或多个燃料喷射器，所述燃料喷射器能够以超过1800bar的燃料喷射压力向每个所述的燃烧室内喷射燃料；
进气管线；
用于排出气体再循环的装置；
在所述进气管线中将再循环的排出气体与周围空气混合起来的装置；
EGR控制阀，操作该EGR控制阀，以便将混合起来的再循环排出气体和周围空气的氧浓度控制在16％以下；
一个或多个压缩机，用于将所述再循环的排出气体和/或周围空气在它们进入所述一个或多个燃烧室之前加压；以及
控制器，将该控制器编程，使其与吸入到燃烧室内的所述再循环的排出气体和/或周围空气的加压程度相关地控制喷射的燃料的量，以便将排出气体中的氮氧化物(NOx)的水平保持在等于或者小于每千瓦-小时1.34克。
27.如权利要求26所述的内燃发动机系统，其特征在于，操作EGR控制阀，以便将混合的再循环的排出气体和周围空气的氧浓度控制在15％以下。
28.如权利要求26所述的内燃发动机系统，其特征在于，操作EGR控制阀，以便将混合的再循环的排出气体和周围空气的氧浓度控制在14％以下。
29.如权利要求26所述的内燃发动机系统，其特征在于，操作EGR控制阀，以便将混合的再循环的排出气体和周围空气的氧浓度控制在12％和13.5％之间。
30.如权利要求26所述的内燃发动机系统，其特征在于，操作EGR控制阀，以便将混合的再循环的排出气体和周围空气的氧浓度控制在预定的相对恒定的值。
31.如权利要求26所述的内燃发动机系统，其特征在于，与发动机的速度或负荷无关，所述燃料喷射器能够以符合或超过2100bar的燃料喷射压力，将燃料喷射到所述燃烧室内。
32.如权利要求26所述的内燃发动机系统，其特征在于，与发动机的速度或负荷无关，所述燃料喷射器能够以符合或超过2300bar的燃料喷射压力，将燃料喷射到所述燃烧室内。
33.如权利要求26所述的内燃发动机系统，其特征在于，与发动机的速度或负荷无关，所述燃料喷射器能够以符合或超过2500bar的燃料喷射压力，将燃料喷射到所述燃烧室内。
34.如权利要求26所述的内燃发动机系统，其特征在于，所述燃料喷射器能够以等于或超过3000bar的燃料喷射压力，将燃料喷射到所述燃烧室内。
35.如权利要求26所述的内燃发动机系统，其特征在于，在所有的发动机速度和负荷下，将排出气体中的氮氧化物(NOx)的水平保持在对于由发动机所做的每千瓦-小时的功等于或者低于0.67克。
36.如权利要求26所述的内燃发动机系统，其特征在于，在所有的发动机速度和负荷下，将排出气体中的氮氧化物(NOx)的水平保持在对于由发动机所做的每千瓦-小时的功等于或者低于0.27克。
37.如权利要求26所述的内燃发动机系统，其特征在于，在后续处理之前或者不进行后续处理的情况下，将排出气体中的烟尘含量水平保持在波许烟度值为3或以下。
38.如权利要求26所述的内燃发动机系统，其特征在于，在后续处理之前或者不进行后续处理的情况下，将排出气体中的烟尘含量水平保持在平均波许烟度值为1.5或以下。
39.如权利要求36所述的内燃发动机系统，其特征在于，在所有的发动机速度和负荷下，在后续处理之前或者不进行后续处理的情况下，将排出气体中的烟尘含量水平也保持在波许烟度值为3或者以下。
40.如权利要求26所述的内燃发动机系统，其特征在于，在所有通常的发动机的速度和负荷下，以大于30％的热效率产生有用功。
41.如权利要求26所述的内燃发动机系统，其特征在于，将控制器编程，以确保燃烧室接收到用于微粒捕集器的再生而言足够量的过剩的氧。
42.如权利要求41所述的内燃发动机系统，其特征在于，燃烧室提供有预定量的过剩的氧，以便在发动机的运转过程中，在平衡点处，保持对于将微粒捕集器连续再生而言足够的排出气体氧浓度水平。
43.如权利要求26所述的内燃发动机系统，其特征在于，对于发动机在中等或高负荷下的运转而言，燃烧室内空气和再循环排出气体的混合物的质量与喷射燃料的质量之间的比例，在25∶1和45∶1之间。
44.如权利要求26所述的内燃发动机系统，其特征在于，吸入到燃烧室内的空气和再循环排出气体的混合物的量，大于用于和喷射到燃烧室内的燃料的化学配比所需要的量，从而，在提供足够的过量的氧以帮助基本上完全燃烧，并产生对于微粒捕集器再生而言具有足够的氧浓度的排出产物。
45.如权利要求26所述的内燃发动机系统，进一步包括用于排出气体再循环的低压EGR环路。
46.一种降低在内燃柴油发动机中的氮氧化物(NOx)的形成的方法，包括：对于中等和高的负荷，将用于在所述柴油发动机中燃烧的空气的氧浓度控制在10％和15％之间，并且，以这样的压力将燃料喷射入发动机的气缸，即，所述压力足以使得对于发动机所做的每千瓦-小时的功，发动机的排气中的氮氧化物小于1.3克。
47.如权利要求46所述的方法，进一步包括：对于中等和高的负荷，将用于燃烧的空气的氧浓度控制在11.5％到14％之间。
48.如权利要求46所述的方法，进一步包括：对于中等和高的负荷，将用于燃烧的空气的氧浓度控制在12％到13.5％之间。
49.如权利要求46所述的方法，其特征在于，部分地通过将再循环排出气体的氧浓度保持在预定的相对恒定的值，将用于燃烧的空气的氧浓度控制在一个预定的相对恒定的值。
50.如权利要求46所述的方法，进一步包括，将所述发动机的排出气体中的氮氧化物(NOx)保持在对于由所述发动机所做的每千瓦-小时的功而言等于或者低于0.27克。
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