CN102575606A - 在车辆中启动和保持均质充气压燃的方法 - Google Patents

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Abstract

一种燃烧设备(10)的操作方法，该燃烧设备(10)具有发动机(12)和空气处理单元(14)，该方法包括：在所述空气处理单元(14)中将进气分离成富氧空气和富氮空气；将所述富氧空气输送给所述发动机(12)且启动均质充气压燃燃烧；然后减少输送到所述发动机(12)的所述富氧空气的量并维持均质充气压燃燃烧。

Description

在车辆中启动和保持均质充气压燃的方法
技术领域
本发明涉及一种操作燃烧设备的方法，具体地，涉及一种均质充气压燃(HCCI)燃烧(又可称为可控自燃(CAI))的启动和保持方法。本发明还涉及一种燃烧设备。
背景技术
矿物燃料使用量的增加存在大量的环境问题，因而在试图寻求燃料效率和发动机性能最优化的同时正致力于减少例如内燃机的有害排放。在汽车工业中，正在研发寻求通过减少环境毒素(如未燃烧的碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化物等)的百分比含量来改善车辆排放的废气质量。例如，催化剂材料和发动机操纵系统的发展试图寻求降低这种排放。然而，减少内燃机排放量的努力常常会降低发动机的性能，结果导致成本显著增加。
常用的两种主要类型的发动机是：火花点火式发动机和压燃式发动机。
通常与汽油燃料相关的火花点火式发动机通过下述方式来起作用：将空气和燃料的混合物引入到内燃机气缸内，并经由通常由火花塞提供的火花点燃混合物。燃烧将会从火花点火点(着火点)通过内燃机气缸扩散，导致燃烧温度在燃烧过程中不断增加，结果导致峰值燃烧温度。在火花点火式发动机中，在发动机的进气口内设置节气门，该节气门起到调节进入到内燃机气缸的充入物的密度从而调节其充入量得作用。
如上所述，由燃烧导致的典型排放物包括氮氧化物，未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳。在大多数情况下，通过适当的催化剂来处理这些排放物，上述催化剂将氮氧化物还原为氮和氧，将氧化的未燃烧的碳氢化合物转化为水和二氧化碳，以及将一氧化碳转化为二氧化碳。三效催化剂可用于该目的。出于提高燃料效率方面的考虑，优选以稀燃料/空气比来进行操作。然而，由于稀燃料/空气比会存在多余的氧，其会降低催化剂处理氮氧化物的效果，导致超过法定限制的排放物。因此，公知地，火花点火式发动机工作在近似化学计量的燃料/空气比下，以减少氧含量，允许有效利用相关催化剂。
通常与柴油相关的压燃式发动机通过下述方式起作用：将空气引入到内燃机气缸内，通过活塞来压缩空气以便导致温度升高，然后将燃料(燃油)喷射到燃烧室内，其中通过高温引起燃料燃烧。燃烧将会从最初的燃料着火点通过内燃机气缸扩散，导致燃烧温度在燃烧过程中不断增加，结果导致峰值燃烧温度。压燃式发动机通常通过调节被喷射到气缸内的燃料体积进行控制。因此，这种类型的控制难以改变燃料/空气比来满足在燃油效率、排放等方面的要求。
在火花点火式和压燃式发动机中，诸如氮氧化物，碳氢化合物和一氧化碳之类的排放物通常利用合适的催化剂进行控制。然而，据了解，氮氧化物是最难以从废气中去除的。如上所述，在火花点火式发动机中的解决方案是使用近似化学计量的燃烧和三效催化剂。然而，该选择不适用于通常利用稀燃(即贫燃，lean combustion)的压燃式发动机。一种方法是使用氧化催化剂来降低碳氢化合物和一氧化碳的水平，之后利用公知为稀一氧化氮收集器(trap)的第二催化系统。然而，这种方法往往是昂贵的且难以在发动机使用的整个范围内可靠地操作。
用于降低火花点火式和压燃式发动机中氮氧化物的另一种方法是用冷却的惰性再循环废气(公知为废气再循环(EGR))稀释进入到气缸内的新鲜充入物。再循环废气主要由氮气、水蒸气和二氧化碳组成，因此不能参与新鲜充入物的燃烧，取而代之起到在燃烧过程中吸收热量、减小气缸峰值温度从而减少氮氧化物形成速率的作用。然而，再循环废气的引入减小了用于每次充注的有效功率，这会影响发动机整体性能。
第三种已知的发动机类型是均质充气压燃(HCCI)式发动机，在该种发动机中，燃料和空气提前混合，如同在火花点火式发动机中那样，以便形成引入到内燃机气缸内的均质充入物。然而，燃烧不是由火花点燃的，而是取而代之通过在压缩冲程(由气缸内的活塞实现)开始时控制充入物温度、压力和组分来点燃，这样在压缩冲程结束时，充注物达到足够高的温度以便自动点燃，就像在压燃式发动机中那样。在适当条件下，气缸内的多个位置处几乎同时开始燃烧，而不是从一个点源启动，从而能够在相对较低的峰值燃烧温度下完全燃烧。此外，上述的火花和压缩式点火通过火焰燃烧来起作用，在火焰燃烧中产生火焰，火焰从着火点扩散通过燃烧室，导致燃烧后压力累积，从而导致温度上升。然而，HCCI(均质充气压燃)燃烧通过无焰燃烧起作用，因此没有压力增加或温度峰值。从而，较低的峰值温度使得氮氧化物形成速率较低。
然而，均质充气压燃(HCCI)式发动机很难控制，尤其是很难控制均质充气压燃操作的启动以及进而保持该操作，同时还要满足可接受的燃油效率和废气排放。
本申请人在WO 2007/034168已提出了一种进气系统，其中将进气分离成富氧空气流和富氮空气流，其中富氧空气流被输送给HCCI发动机。
JP 2007-285281披露了一种包括空气分离器的内燃机，该空气分离器将进气分离成富氧空气流和富氮空气流。在正常发动机条件下，富氮空气流被输送给发动机以便促进燃烧，而富氧空气流被输送给尾气催化剂系统以助于排气产物氧化。当发动机加速时，富氧空气流被暂时转换为与富氮空气流一起供给到发动机。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种燃烧设备的操作方法，所述燃烧设备具有发动机和空气处理单元，该方法包括：
在所述空气处理单元中将进气分离成富氧空气和富氮空气；
将所述富氧空气输送给所述发动机且启动均质充气压燃燃烧；以及然后
减少输送给所述发动机的所述富氧空气的量，并维持均质充气压燃燃烧。
所述空气处理单元可以配置成产生含有部分比例氧气的富氮空气。所述富氮空气可以含有比周围空气更大比例的氮气和更小比例的氧气。所述空气处理单元可以配置成产生含有部分比例氮气的富氧空气。富氧空气可含有比周围空气更大比例的氧气和更小比例的氮气。所述空气处理单元可配置成产生具有所需比例的氧气和氮气的富氧空气和富氮空气。所述空气处理单元可配置成产生氧气纯度在30％至100％之间的富氧空气，例如氧气纯度在50％至95％之间，氧气纯度在70至95％之间，氧气纯度在90％至95％之间等。
按照根据第一方面的方法来控制所述燃烧设备可允许发动机的均质充气压燃(HCCI)(公知地也可称为可控自燃(CAI))操作的启动，一旦发动机操作启动就保持该发动机操作。在无法获得理论的约束指导的情形下，本申请人考虑到燃烧室中的氧气含量增加能够使得空气和燃料混合物的活跃性增强，促进燃烧启动。
在HCCI操作启动之后减少富氧空气的量的步骤有利于允许峰值燃烧温度受到限制。
富氮空气可与富氧空气同时输送到所述发动机。在启动HCCI燃烧的步骤的过程中，可将富氮空气供应给所述发动机。当HCCI燃烧启动过程中减少富氧空气的量时，可将富氮空气供应给所述发动机。在该阶段减少富氧空气的量以及将富氮空气输送给发动机能够通过惰性氮气的吸热作用而允许峰值温度降低，从而有助于保持HCCI操作，同时最大限度地减少氮氧化物的形成。
所述发动机可配置成燃烧任何合适的燃料，诸如矿物燃料、氢气、生物燃料、固体燃料等。所述发动机可以至少部分地限定为燃料电池。
所述方法可包括仅通过HCCI燃烧操作所述发动机。
所述方法可包括在启动HCCI燃烧步骤之前先至少将所述富氮空气输送到所述发动机并通过压缩点火或火花点火燃烧来操作所述发动机的步骤。
在进行压缩点火或火花点火燃烧的过程中，利用至少富氮空气先操作发动机可允许发动机预热和保持足够的操作温度。当需要进行HCCI操作时，例如当发动机温度达到临界值时，增加输送到所述发动机的富氧空气的量以便协助促进HCCI操作。当先使用火花点火燃烧时，可以通过至少部分程度地停用与发动机相关的火花装置(例如火花塞)来启动HCCI操作。本申请人考虑到氧气增加使得燃烧速度加速，从而能够从诸如火花或压缩点火的火焰燃烧转变成HCCI燃烧。
由于能够发挥吸热作用的氮气的惰性性质，利用富氮空气可有助于防止过高的峰值燃烧温度。峰值燃烧温度的降低可有助于减少氮氧化物的形成，这可允许对废气的下游处理最少化以减少氮氧化物。因此，使用富氮空气可消除或显著减少以近似化学计量的燃料/空气比下进行操作的要求(如在常规的火花点火式发动机中进行操作的要求)，其允许利用更稀的燃料/空气比，并提供燃油经济性方面的优势。
所述方法可包括先仅将富氮空气输送给所述发动机，这样被输送的富氧空气的量为零。可选择地，在启动HCCI燃烧之前，也可以先将部分比例的富氧空气输送给所述发动机，这允许发动机更快预热。此外，该部分比例的富氧空气能够允许废气(排气)温度上升更快。这使得废气处理设备(诸如催化剂设备)升温更快，以达到有效的操作条件。将富氧空气输送给发动机和启动HCCI燃烧的步骤可包括增加输送到所述发动机的富氧空气的量的步骤。当被输送到发动机的富氧空气的量增加以协助促进HCCI操作时，可以完全或部分地减少富氮空气的量。可选择地，也可以增加富氮空气的量。
在进行压缩点火和火花点火的操作过程中，将富氧空气输送给发动机会允许发动机的更稀燃操作，从而提高燃油效率。本申请人已发现富氧空气的供应能够使得在氧气增幅不到10％(典型地约为9％)的情形下功率密度增加高达40％。使用富氧空气可允许燃料更完全燃烧，以及可以最大限度地减少所引入的空气量，从而减少生成的废气量。可将适量的富氮空气和富氧空气混合，以提供被输送给发动机的所需的空气组分。所述燃烧设备可包括传感器装置，该传感器装置配置成指示氧和氮的含量，以允许进行适当的混合，从而产生所需的组分。
当满足特定的发动机工况时可启动HCCI操作。例如，在特定的发动机温度范围、输出功率范围等内可启动且保持HCCI操作。这种配置能够允许在压缩点火或火花点火与HCCI之间进行切换，以提供最佳的运行条件，诸如最佳的燃油效率、最小排放等。在一种配置中，可在低发动机功率到高发动机功率范围内启动HCCI操作，并在空转和预热工况下启动压缩点火或火花点火。在发动机高功率输出的过程中可以启动压缩点火或火花点火。
所述方法可包括加热空气，例如加热供应给所述发动机的富氧空气或富氮空气以获得所需的空气条件的步骤。该方法可包括在HCCI操作的过程中在将富氮空气输送给发动机之前将富氮空气加热的步骤。可以选择性地加入供应给发动机的空气，以便允许一定程度的温度控制。这样布置可有利地有助于允许对被输送给发动机的空气性能进行控制，这在促进和保持HCCI燃烧中是一个重要的因素。
在一个实施方式中，供应给发动机的空气可通过来自于发动机废气的废热来加热。备选的或另外的，空气可通过下述任何一个或其组合来加热，例如：来自发动机冷却系统的废热、来自车辆乘员空调控制系统的废热、电动或机械操作式的换热器所产生的热量、来自于感应加热器的热量、来自于独立燃烧设备内燃烧的热量、以及化学反应所产生的热量。
所述燃烧设备可包括冷却装置，该冷却装置配置成冷却向所述发动机输送的至少部分比例的空气。在发动机压缩点火或火花点火的操作过程中，可利用这种冷却装置，这可有助于限制峰值燃烧温度，例如以减少氮氧化物的形成。
所述冷却装置可以与空气加热装置(例如基于废气热量的加热装置)结合使用，以允许准确地调节空气温度。例如，所述方法可包括将输送给所述发动机的部分比例的空气加热、将输送给所述发动机的部分比例的空气冷却、以及进而将经过加热和冷却的空气以合适的比例混合，以获得所需的空气温度。
所述冷却装置可包括下述的任何一个或其组合，例如：风冷装置、水冷装置、风扇装置、制冷剂装置、注水冷却等。
所述方法可包括将燃烧废气再循环到所述发动机的步骤。该废气再循环可用于帮助控制峰值燃烧温度，其原因在于主要是惰性的废气将吸收发动机内的热量并且不参与发动机内的燃烧。
再循环的废气可基本直接再循环回到发动机，这样废气可有助于将供应给发动机的空气的温度升高。在发动机的HCCI操作过程中可利用该配置，以协助产生用于保持或启动HCCI燃烧的优选空气温度条件。
在再循环废气输送给发动机之前可将再循环废气进行冷却。在发动机的压缩点火或火花点火的操作过程中可使用该配置。
废气可从发动机排气口进行再循环。可选择地，废气可被捕获且保持在发动机的燃烧室内，这公知为内部废气再循环。废气通过例如控制系统可根据需要存储于容器内以及进行再循环。废气可从一个单独的燃烧设备进行再循环。
所述方法可包括将所述富氧空气输送给催化剂装置的步骤，该催化剂装置设置成处理来自于所述发动机的排气产物。该装置可提供足够的氧气来允许诸如碳氢化合物和一氧化碳之类的排气产物在催化剂装置内进行适当的氧化。在将富氮空气供应给发动机的情况下这是有利的，否则其将不能提供足够的氧气来进行适于排气产物进行必要的催化氧化的燃烧。
所述方法可包括将所述富氧空气供应给催化剂装置，同时将所述富氮空气供应给所述发动机的步骤。该方法可包括在发动机的压缩点火或火花点火的操作过程中将富氧空气供应给催化剂装置的步骤。在发动机均质充气压燃的操作过程中可将富氧空气供应给所述催化剂配置。
所述方法可包括将富氧空气输送给催化剂装置，然后将至少部分比例的所述富氧空气转换为输送给所述发动机以协助启动HCCI操作的步骤。该方法可包括在素数发动机内启动HCCI燃烧之后将供应给所述发动机的至少部分比例的富氧空气重新转换为输送给所述催化剂配置的进一步步骤。
所述方法可包括压缩供应给所述发动机的空气步骤。所述燃烧设备可包括压缩机装置，该压缩机装置配置成压缩输送给所述发动机的空气。所述压缩机装置可包括机械增压器或涡轮增压器等。该装置可迫使空气引入到发动机内。这可有助于提高发动机的功率。该装置还可有助于升高空气的温度。其对于HCCI发动机操作而言是有利的。
所述方法可包括使得部分体积的空气绕过所述压缩机装置的步骤。这可有助于对供应给发动机的空气性能提供更精确的控制。
所述燃烧设备可包括压缩比例如在6∶1到28∶1范围内的发动机。
所述燃烧设备可包括可变压缩比发动机。在发动机内提供可变压缩比能够允许通过更精确地控制燃烧条件来对HCCI操作提供支持并有助于维持该HCCI操作
所述燃烧设备的发动机可包括可变气门正时装置。该可变气门正时装置可有助于允许控制发动机内的压缩比，这可帮助启动和维持HCCI燃烧。所述可变气门正时装置还可有助于控制内部废气再循环。
所述空气处理单元可包括配置成用于将氮气和氧气分离的分离介质。所述分离介质可包括分子过滤器装置。所述分离介质可包括至少一层膜。所述分离介质可包括分子筛材料。所述分离介质可包括多个纳米管。
所述空气处理单元可包括压缩机，该压缩机配置成压缩进气以使该进气输送通过所述分离介质。所述压缩机可由发动机操作。例如，所述压缩机可包括机械增压器或涡轮增压器等。所述压缩机可由诸如外部电机、发动机等外部驱动源来驱动。
所述空气处理单元可包括空气冷却器。该配置可允许进气被冷却到优选的温度范围以便最有效地分离氮气和氧气。在使用压缩机的实施方式中由于在压缩机内被压缩的空气温度会升高，因此这是有利的。
所述空气处理单元可包括空气过滤器。
所述空气处理单元可包括空气干燥器。该装置可以结合诸如分子筛材料的任何分离介质设置，该分离介质在空气中的水分含量减少时能够有利地提高效率。所述空气干燥器可包括吸干机。所述空气干燥器可至少部分由所述空气处理单元的一部分来提供，或至少部分设置在所述空气处理单元的一部分内，或至少部分由所述空气处理单元的一部分来限定。例如，所述空气干燥器可至少部分由包含诸如分子筛材料的分离介质的罐来提供，或至少部分设置在该罐内，或至少部分由该罐来限定。
所述空气处理单元可包括配置成用于存储经过处理的空气的储存装置。所述空气处理单元可包括适于容纳富氧空气和富氮空气的至少一种的至少一个缓冲罐。所述空气处理单元可包括分子筛材料，该分子筛材料配置成通过吸附而存储空气组分。所述存储装置可允许在发动机的峰值需求期间供应足够的空气。所述存储装置可包括诸如分子筛材料的分离介质。
所述空气处理单元可包括：
包括多个腔室的罐，每个所述腔室包括分子筛材料；
进气口，该进气口配置成将待处理的空气输送给所述罐；
其中，所述罐与进气口能够相对运动，以便使得多个包括分子筛材料的所述腔室与所述进气口顺次对准。
所述分子筛材料可适于从进气中吸收氮气和氧气中的一种。以这种方式被吸附的成分可保留在分子筛材料内，其余一种或多种成分通过该分子筛材料，随后从所述罐释放，并被输送以便使用。
在使用时，与所述进气口对准的至少一个腔室内的分子筛材料将从进气吸收氮气或氧气，而与所述进气口未对准的至少一个腔室将释放出所吸收的成分，以准备随后的吸收循环。因此，将分子筛腔室与进气口依次对准可实现连续地循环操作，其中至少一个分子筛腔室吸收选定的成分，并且至少另一个分子筛腔室释放所吸收的选定成分。这可允许进气的快速和基本连续处理，以便提供富氧空气和富氮空气。
所述分子筛材料可配置成在对相关腔室加压时吸收选定的成分。这可通过对待处理的进气进行加压来实现。所述分子筛材料可配置成在相关腔室的压力降低时释放所吸收的选定成分。
所述罐可配置成能够旋转以使得包括分子筛材料的所述腔室与所述进气口顺次对准。
所述燃烧设备可设置于车辆内，其中所述空气处理单元的至少一些部件安装在车辆的部件上。在一种布置中，所述空气处理单元的至少一些部件安装在与用于容纳发动机的舱相关的汽车部件上。所述空气处理单元的至少一些部件可安装在车辆发动机舱的诸如车辆罩盖之类的封闭部件上。
所述空气分离介质可安装在车辆部件上。氧气和/或氮气缓冲罐可安装在车辆部件上。
根据本发明的第二方面，提供一种燃烧设备，包括：
发动机；
空气处理单元，该空气处理单元适于将进气分离成富氮空气和富氧空气，以选择性地将该富氮空气和富氧空气输送到所述发动机；
其中所述燃烧设备能够在第一配置和第二配置之间进行配置，其中：
在所述第一配置中，所述富氧空气被输送到所述发动机并启动均质充气压燃燃烧；以及
在所述第二配置中，减少输送到所述发动机的富氧空气的量并保持均质充气压燃燃烧。
根据本发明的第三方面，提供一种燃烧设备，包括：
发动机；
空气处理单元，该空气处理单元配置成将进气分离成富氮空气和富氧空气；以及
控制装置，该控制装置配置成将所述富氧空气输送给所述发动机并启动均质充气压燃燃烧，然后减少输送到所述发动机的富氧空气的量并保持均质充气压燃燃烧。
应该理解的是，上述第二和第三方面限定的所述燃烧设备可用于实施根据本发明第一方面的方法，因此与第一方面限定的燃烧设备相关的特征和元件可应用于第二和第三方面。
根据本发明的第四方面，提供一种车辆，该车辆包括根据第二或第三方面的燃烧设备。
根据本发明的第五方面，提供一种燃烧设备的操作方法，所述燃烧设备具有发动机和空气处理单元，该方法包括：
在所述空气处理单元内将进气分离成富氧空气和富氮空气；
先至少将所述富氮空气输送给所述发动机，并通过压缩点火或火花点火燃烧来操作所述发动机；
增加输送给所述发动机的富氧空气的量并启动均质充气压燃燃烧；以及然后
减少输送给所述发动机的富氧空气的量并保持均质充气压燃燃烧。
根据第五方面的本发明可允许对输送给发动机的空气组分进行非常精确地控制，以便控制输送到发动机的已分离的富氮空气和富氧空气的相对比例，以例如在发动机输出范围内协助促进和保持HCCI操作。
根据本发明的第六方面，提供一种燃烧设备，包括：
发动机；
空气处理单元，该空气处理单元适于将进气分离成富氮空气和富氧空气，以选择性地将该富氮空气和富氧空气输送到发动机；
其中燃烧设备能够第一配置、第二配置和第三配置之间进行配置，其中：
在所述第一配置中，至少将所述富氮空气输送给所述发动机并通过压缩点火或火花点火燃烧来操作所述发动机；
在所述第二配置中，增加输送给所述发动机的富氧空气的量并启动均质充气压燃燃烧；以及
在所述第三配置中，减少输送给所述发动机的富氧空气的量并保持均质充气压燃燃烧。
根据本发明的第七方面，提供一种燃烧设备，包括：
发动机；
空气处理单元，该空气处理单元配置成将进气分离成富氧空气和富氮空气；以及
控制装置，该控制装置配置成先至少将所述富氮空气输送给所述发动机，并通过压缩点火或火花点火燃烧来操作所述发动机，随后增加输送给所述发动机的富氧空气的量并启动均质充气压燃燃烧，进而减少输送给所述发动机的富氧空气的量并保持均质充气压燃燃烧。
根据本发明的第八方面，提供一种气体处理单元，包括：
包括多个腔室的罐，每个所述腔室包括分子筛材料，其中所述分子筛材料适于从正在进行处理的气体中吸收选定的组分；
进气口，该进气口配置成将待处理的气体输送到所述罐；
其中所述罐与所述进气口能够相对运动，以便使得多个包括分子筛材料的所述腔室与所述进气口顺次对准。
所述分子筛材料可适于从正在进行处理的气体中吸收气体组分。
在一个实施方式中，所述分子筛材料可适于从空气中吸收氮气或氧气。以这种方式被吸收的气体成分可保留在分子筛材料内，其余一种或多种成分通过该分子筛材料，随后从罐释放，并被输送以便使用。
在使用时，在与所述进气口对准的至少一个腔室内的分子筛材料将从被处理的进气中吸收气体成分，而与进气口未对准的至少一个腔室将释放出所吸收的气体成分，以准备随后的吸收循环。因此，将分子筛腔室与进气口依次对准可实现连续的循环操作，其中至少一个分子筛腔室吸收选定的气体成分，并且至少一个其它分子筛腔室释放所吸收的选定成分。这可允许进气的快速和基本连续地处理。
所述分子筛材料可配置成在对相关腔室加压时吸收选定的成分。这可通过对待处理的进气进行加压来实现。所述分子筛材料可配置成在相关腔室的压力降低时释放所吸收的选定成分。
所述罐可配置成能够旋转以便将所述分子筛腔室与所述进气口依次对准。
根据本发明的第九方面，提供一种车辆，包括：
发动机舱；
安装在所述发动机舱内的发动机；以及
空气处理单元，该空气处理单元包括分离介质，该分离介质配置成将进气分离成富氧空气和富氮空气，以选择性地将所述富氧空气和富氮空气输送到所述发动机，其中所述分离介质安装在所述发动机舱的一部分上。
在一个实施方式中，所述分离介质安装在所述发动机舱的封闭部件上，例如安装在罩盖上。
根据本发明的第十方面，提供一种燃烧设备的操作方法，所述燃烧设备具有发动机和空气处理单元，该方法包括：
在所述空气处理单元内将进气分离成富氧空气和富氮空气；
将所述富氧空气输送给所述发动机并且启动均质充气压燃燃烧；以及
在发动机内启动均质充气压燃燃烧之后将供给到所述发动机的至少部分比例的富氧空气转换为供给到废气催化剂装置。
该方法可包括在启动HCCI燃烧步骤之前先至少将富氮空气输送给所述发动机并通过压缩点火或火花点火燃烧来操作所述发动机的步骤。
该方法可包括在启动HCCI燃烧步骤之前将富氧空气输送给废气催化剂装置，然后将输送给所述催化剂配置的部分比例的富氧空气转换为输送到所述发动机从而启动HCCI燃烧。
附图说明
现在参照附图仅通过实例例对本发明的这些和其他方面进行描述，其中：
图1是根据本发明实施方式的燃烧设备的示意图；
图2是根据本发明实施方式的空气处理单元的示意图；
图3是根据本发明可选选实施方式的空气处理单元的示意图；
图4是根据本发明另一可选实施方式的空气处理单元的示意图；
图5和图6示出根据本发明实施方式的空气处理单元的部件的安装布置结构。
具体实施方式
首先参照图1，其中示出了根据本发明实施方式的燃烧设备的示意图，该燃烧设备主要由附图标记10指示。燃烧设备10包括内燃机12(下文也泛称为“发动机12”)，在该情形下所述内燃机12是四缸内燃机，且如下文更详细描述的那样配置成在火花点火和均质充气压燃(HCCI)操作模式之间进行切换。该设备还包括空气处理单元14，该空气处理单元14适于将经由空气过滤器16和输入管18接收的环境空气分离成富氧空气和富氮空气。富氧空气从空气处理单元14经由输出管20输送，富氮空气从空气处理单元14经由输出管22输送。
该设备10还包括与发动机12的进气歧管28连通的发动机进气管26和与发动机12的排气歧管32连通的发动机排气(废气)管30。富氧空气管20和富氮空气管22均与发动机进气管26连通，这样富氧空气和富氮空气可以根据需要供应给发动机12。富氧空气管20包括适于控制与发动机进气管26连通的阀34。类似的，富氮空气管22包括适于控制与发动机进气管26连通的阀36。阀36可起到节气门的功能，以控制发动机的功率。
增压器38设置于发动机的进气管26上且配置成将进气加压以便迫使空气引入到发动机12内，如本领域内公知的那样。设置一个旁通阀40，以选择地允许从增压器38旁边经过，即形成增压器38的可选择的旁路。
空气冷却器42与进气管26相连，在使用时其适于在进气被输送给内燃机12之前冷却进气。设置空气冷却器旁通阀44，该空气冷却器旁通阀44配置成在使用时选择性地使得至少部分比例的进气转换为通过空气冷却器42。因此，空气冷却器旁通阀44的选择性控制可允许对被输送给发动机12的空气的温度进行精确控制。
在排气管30上设置有催化剂组件46以处理来自发动机12的废气。催化剂组件46可配置成氧化未燃烧的碳氢化合物、一氧化碳等。催化剂46可以公知方式进行配置。
该设备10还包括换热器48，该换热器48配置成适于在流动通过排气管30的废气与自空气分离器22输送的流经管22的富氮空气之间进行热交换。设置换热器旁通阀50，该换热器旁通阀50配置成在使用时选择性地将来自管22的富氮空气转换为通过换热器48。因此，选择性地控制旁通阀50可允许在富氮空气经由进气管26朝向发动机12输送之前对富氮空气的温度进行精确控制。
第一废气再循环(EGR)管52在排气管30和发动机进气管26之间延伸，且适于允许发动机12的废气经由进气管26再循环回到发动机12。第一EGR管52包括配置成用于冷却再循环废气的气体冷却器54。阀56设置成允许废气选择性地连通通过第一EGR管52。
第二EGR管58在排气管30和发动机进气管26之间延伸，且在该情形下，第二EGR管58不包括气体冷却器，这样如果需要热废气可输送到进气管26。阀60设置成允许废气选择性地连通通过第二EGR管58。
该设备10还包括富氧空气副管62，该富氧空气副管在催化剂组件46上游的位置在富氧空气输出管20和排气管30之间延伸。副管62包括阀64，以允许富氧空气选择性地流体连通到排气管30。
燃烧设备10可控制为以不同的操作模式并在发动机整个功率输出范围内工作。可利用控制器24来控制燃烧设备，以便在不同的操作模式等之间进行重新配置。控制器24与设备10的各个部件(例如发动机、阀等)进行通信，例如经由有线连接线路66进行通信。
为了本说明书清楚和简要的目的，将以五个不同的操作模式来描述燃烧设备，这应该使得本发明的各个特征和各方面变得清楚。五个不同的模式是：空转和低功率火花点火操作；低功率HCCI操作；中等功率HCCI操作；高功率HCCI操作；和中高功率的火花点火操作。然而，应该理解的是，所述燃烧设备可以多种不同的操作模式进行操作，且本发明不应受到下面所提供实例的限制。例如，内燃机在例如全部内燃机工况下可仅以HCCI模式操作。
空转和低功率火花点火操作
在这种可包含1000RPM范围内的发动机转速的模式下，进气分离成富氧空气和富氮空气。富氮空气管22上的阀36打开以允许富氮空气流动到发动机12，该发动机12以传统方式通过火花点火来操作。空气冷却器旁通阀44设置成使得富氮空气转换为绕过空气冷却器42。此外，富氮空气可允许经由阀40来绕过增压器38，但是部分比例的空气可被驱动通过增压器38。
富氧空气输送管20上的阀34是关闭的，而副管62上的阀64打开，以允许富氧空气被输送到排气管30和催化剂46，从而提供增加的氧气以使得诸如碳氢化合物和一氧化碳等排气产物有效氧化。这是特别有利的，其原因在于由于燃烧使用富氮空气，因此发动机的废气可以包括非常低的氧气量。
这种操作模式允许发动机初始加热，并有助于保持适宜的发动机温度，同时尽力确保了废气排放处在适当的范围内。
低功率HCCI操作
本领域内公知地，HCCI操作难以启动和维持，且其高度依赖于建立用以实现自动点火的正确条件。本发明允许对发动机12及相关条件进行精确控制，允许更容易地启动和维持HCCI操作，如下所述。
一旦需要进行HCCI操作，则关闭副管62上的阀64，而富氧空气管20上的阀34打开，以便允许来自于空气处理单元14的富氧空气经由进气管26输送到发动机12。燃烧室中的氧气含量的增加使得空气和燃料混合物的活跃性增加，从而促进HCCI燃烧的启动。此外，氧气含量增加可加快燃烧速度，使得能够从火焰燃烧转变为无焰燃烧。
旁通阀50配置成将富氮空气转换为通过废气换热器48，以使得富氮空气在经由输入管26被输送到发动机之前进行加热。此外，打开第二EGR管58上的阀60，以便允许热废气经由进气管26输送到发动机。因此，以这种方式配置设备10以允许进入的空气和气体获得所需的温度，这有助于HCCI燃烧的气动。为了获得对输送到发动机的进气温度的更精确的控制，空气冷却器旁通阀44可选择性地受到控制，以便根据需要提供一定程度的空气冷却。
此外，氮气的持续供应以及废气的再循环允许更容易控制发动机12内的峰值燃烧温度。
发动机12最终可重新配置成终止任何火花装置(诸如火花塞)的操作，并启动HCCI燃烧操作。
在这种操作模式下，发动机可在1500到2000RPM的范围内工作。
中等功率的HCCI操作
一旦启动HCCI操作并且发动机功率增加(例如大约在2500RPM的范围)，则阀34关闭以及阀64打开，以便将富氧空气重新转换为远离发动机12且回到排气管30。因此，这可减少供应给发动机12的氧气量，以便帮助减少峰值燃烧温度并有助于维持HCCI操作。此外，富氧空气将有助于催化剂46的工作。
在这种操作模式下，加热的富氮空气和热废气供应给发动机12，同时可以选择使用空气冷却器42。
高功率HCCI操作
一旦内燃机功率增加，例如内燃机转速在3000至3500RPM的范围内，则可关闭增压器旁通阀40，这样所有进气在增压器38内进行压缩，以便提供足够的空气来引入到内燃机12内。
应当注意的是，内燃机12包括可变压缩比装置和可变气门正时装置，该可变压缩比装置和可变气门正时装置可用来帮助启动和维持HCCI操作。
中高功率火花点火操作
在需要时可以将内燃机返回到通过火花点火来操作，例如，当内燃机转速提高到3500至4000RPM的范围时。这有利于允许足够的内燃机输出功率和/或满足相应的燃油经济性和废气排放水平。
在这种模式下，换热器旁通阀50关闭，这样富氮空气不会受到废气的加热。此外，第二EGR管58内的阀60关闭，以防止热废气输送到内燃机12，同时第一EGR管54上的阀56打开以便将冷却的再循环废气输送到发动机12。此外，空气冷却器旁通阀44配置成将所有的进气转换为通过空气冷却器42。这些配置确保进气温度降到最低，以协助控制峰值燃烧温度，从而显著减少排放，尤其是减少氮氧化物的形成速率。
应该理解的是，内燃机的上述操作模式仅仅是示例性的。例如，内燃机可通过HCCI燃烧操作，而无需最初的火花点火燃烧。此外，火花点火操作模式可由压缩点火操作模式替代。
现在参照附图的图2，其中示出了图1的空气处理单元14的实施方式。在该实施方式中，空气处理单元主要通过附图标记14a标示。
空气处理单元14a利用设置于罐102，104内的分子筛(即沸石分子筛)材料100而起到将氮气和氧气分离的作用。当在一定压力下时，分子筛材料100从进气中吸附氮气同时允许氧气通过该分子筛材料，当与环境空气相通时，分子筛材料100释放氮气。因此，罐102，104通过转换阀106循环加压和排气，罐102，104的上述操作过程优选地反相进行以便提供相对连续的排气供应。具体来说，如图2所示，当罐104加压以便产生从处理单元14a经由管20输送的氧气流时，罐102放气以便释放氮气，该氮气从空气处理单元14a经由管22输送。为了协助罐102的排气，一些氧气可经由管和孔108输送到罐102。
在图2所示的实施方式中，空气处理单元14a包括氧气缓冲罐110和氮气缓冲罐112，以协助通过管20及22来提供基本一致的气流。
空气处理单元14a还包括为增压器114形式的压缩机和空气冷却器116。此外，设置有凝聚式过滤器118以去除水滴、油滴等，并且设置有吸干机120以从空气去除剩余的水分，从而协助确保分子筛材料100的分离效率。
空气旁路管122自空气过滤器16延伸以便允许未处理的空气与经由管22输送的富氮空气混合。这可协助确保在富氮空气中具有适当比例的氮气和氧气，以便适合发动机12的操作。
在图3中示出图1所示空气处理单元的另一实施方式，其中空气处理单元通常由附图标记14b标示。在该实施方式中，进气被引导通过空气过滤器16、通过压缩机130进行压缩并由空气冷却器132冷却，然后输送到分离模块134。分离模块134包括一个或多个膜装置136，该一个或多个膜装置136起到分离氧气和氮气的作用，产生经由管20输送的富氧流，以及经由管22输送的富氮流。
现在参照图4，其中示出通常由附图标记140标示的空气分离器，该空气分离器140配置成用于从进气中分离氧气和氮气。空气分离器140包括能够绕中心轴线144旋转的罐142，其中所述罐包括周向布置的包含有分子筛材料的多个腔室146。进气口148配置成将待处理的空气输送给罐142，输出管150设置成输送来自罐142的富氧空气。在使用中，所述罐旋转以使得所述分子筛腔室146中的一个腔室与管148对准，从而接收通过管148输送的进气，其中氮气由分子筛吸附，氧气被允许通过分子筛且通过管150输送出去。一旦处于对准状态的腔室内的分子筛趋于饱和，罐142旋转以使得进气管148对准不同的分子筛腔室148，同时允许先前对准的分子筛腔室放气，从而释放所吸附的氮气。因此，空气分离器142允许分子筛腔室快速操作以形成氧氮空气流和富氧空气流的更稳定的输出。
现在参照图5，其中示出了车辆的罩盖组件160。罩盖组件160可设置成用于关闭(例如选择性关闭)车辆内的隔舱，例如发动机舱。罩盖组件160包括可由板材形成的罩盖162和配置成固定到罩盖162上的插入板164。插入板164结合有所述空气处理单元的一个或多个部件，该空气处理单元配置成用于处理汽车(例如汽车内燃机)所使用的空气。在所示的实施方式中，插入板164包括配置成将进气分离成富氧空气流和富氮空气流的分子筛材料。
附图的图6示出车辆166，该车辆166包括发动机舱罩盖168，图中该发动机舱罩盖168显示为处于打开状态，该发动机舱罩盖168支撑空气处理单元的多个部件，包括分子筛分离器170和缓冲罐172。空气处理单元的其它部件可位于车辆166的内燃机舱174内。
应该理解，在此所述的实施方式仅仅是示例性的，在不脱离本发明范围的情况下可以对本发明进行各种改变。例如，空气处理单元可设有本领域技术人员所选用的任何合适的适于从空气中分离氧气和氮气的设备。此外，图4所示的空气分离器140不仅限于用于处理空气，旋转罐的构思可用于处理气体、液体等的任何其它混合物。

Claims (31)

1.一种燃烧设备的操作方法，所述燃烧设备具有发动机和空气处理单元，该操作方法包括：
在所述空气处理单元中将进气分离成富氧空气和富氮空气；
将所述富氧空气输送给所述发动机且启动均质充气压燃燃烧；以及然后
减少输送给所述发动机的所述富氧空气的量，并维持均质充气压燃燃烧。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述富氧空气中的氧气纯度在30％至100％之间。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在启动均质充气压燃燃烧步骤的过程中将所述富氮空气供应给所述发动机。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，在均质充气压燃燃烧启动之后当减少所述富氧空气的量时，将所述富氮空气供应给所述发动机。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，包括在启动均质充气压燃燃烧步骤之前先至少将所述富氮空气输送到所述发动机，并通过压缩点火或火花点火燃烧来操作所述发动机。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，将所述富氧空气输送到所述发动机并启动均质充气压燃燃烧包括增加输送到所述发动机的富氧空气的量。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，当满足预定的发动机工况时启动均质充气压燃操作。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，包括根据发动机工况在压缩点火或火花点火与均质充气压燃之间进行切换。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在低发动机功率至高发动机功率范围内启动均质充气压燃操作，而在空转和预热工况过程中以及在发动机高功率输出过程中启动压缩点火或火花点火。
10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，包括加热供应给所述发动机的空气以获得所需的空气条件。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，空气通过下述至少一种进行加热：来自于发动机废气的废热、来自于发动机冷却系统的废热、来自车辆乘员空调控制系统的废热、电动或机械驱动式换热器所产生的热量、来自于感应加热器的热量、来自于独立燃烧设备内燃烧的热量、以及化学反应所产生的热量。
12.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述燃烧设备包括冷却装置，该冷却装置配置成冷却向所述发动机输送的至少部分比例的空气。
13.根据上述权利要求中任一项所述的方法，包括使得燃烧废气再循环到所述发动机。
14.根据上述权利要求中任一项所述的方法，包括将所述富氧空气输送给催化剂装置，该催化剂装置设置成处理来自于所述发动机的排气产物。
15.根据上述权利要求中任一项所述的方法，包括将所述富氧空气供应给催化剂装置，同时将所述富氮空气供应给所述发动机。
16.根据上述权利要求中任一项所述的方法，包括将所述富氧空气输送给催化剂装置，然后将至少部分比例的所述富氧空气转换为输送给所述发动机以协助启动均质充气压燃操作。
17.根据权利要求16所述的方法，包括在所述发动机内启动均质充气压燃燃烧之后将供应给所述发动机的至少部分比例的富氧空气重新转换为输送给所述催化剂装置。
18.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述燃烧设备包括可变压缩比发动机。
19.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述发动机包括可变气门正时装置。
20.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述空气处理单元包括配置成用于将氮气和氧气分离的分离介质。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述分离介质包括分子过滤器装置。
22.根据权利要求20或21所述的方法，其中，所述分离介质包括膜、分子筛材料和多个纳米管中的至少一种。
23.根据权利要求20、21或22所述的方法，其中，所述空气处理单元包括压缩机，该压缩机配置成压缩进气以将该进气输送通过所述分离介质。
24.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述空气处理单元包括空气冷却器。
25.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述空气处理单元包括空气干燥器。
26.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述空气处理单元包括配置成用于存储经过处理的空气的储存装置。
27.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述空气处理单元包括：
包括多个腔室的罐，每个所述腔室包括分子筛材料；
进气口，该进气口配置成将待处理的空气输送给所述罐；
其中所述罐与所述进气口能够相对运动，以便使得多个包括分子筛材料的所述腔室与所述进气口顺次对准。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述罐能够旋转以使得包括分子筛材料的所述腔室与所述进气口顺次对准。
29.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述燃烧设备设置于车辆内，其中所述空气处理单元的至少一些部件安装在车辆发动机舱的封闭部件上。
30.一种燃烧设备，该燃烧设备包括：
发动机；
空气处理单元，该空气处理单元适于将进气分离成富氮空气和富氧空气，以选择性地将该富氮空气和富氧空气输送到所述发动机；
其中所述燃烧设备能够在第一配置和第二配置之间进行配置，其中
在所述第一配置中，所述富氧空气被输送到所述发动机并启动均质充气压燃燃烧；以及
在所述第二配置中，减少输送到所述发动机的富氧空气的量并保持均质充气压燃燃烧。
31.一种燃烧设备，该燃烧设备包括：
发动机；
空气处理单元，该空气处理单元配置成将进气分离成富氮空气和富氧空气；以及
控制装置，该控制装置配置成将富氧空气输送给所述发动机并启动均质充气压燃燃烧，然后减少输送到所述发动机的富氧空气的量并保持均质充气压燃燃烧。
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