CN107407166A - 减少以气体燃料作为燃料的稀薄燃烧发动机中的未燃烧碳氢化合物的排放 - Google Patents

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Abstract

减少气体燃料发动机的特别是在低发动机负荷条件下的未燃烧碳氢化合物的排放以满足苛刻的排放法规目标是一种挑战。一种用于减少以气体燃料作为燃料的稀薄燃烧内燃机中的未燃烧碳氢化合物的排放的方法，包括根据发动机工作条件，通过在进气冲程期间使用于关闭进气阀的正时提前并更早地关闭进气阀，或在压缩冲程期间使用于关闭进气阀的正时延迟并更晚地关闭进气阀，来调节用于关闭进气阀的正时。内燃机的容积效率降低，并且未燃烧碳氢化合物的排放维持在预定水平以下。

Description

减少以气体燃料作为燃料的稀薄燃烧发动机中的未燃烧碳氢 化合物的排放
技术领域
本申请涉及一种减少以气体燃料作为燃料的稀薄燃烧内燃机中的未燃烧碳氢化合物的排放的技术。
背景技术
以气体燃料作为燃料的稀薄燃烧发动机因未燃烧碳氢化合物的排放而受到损失，特别是在当量比和气缸温度太低而无法完全氧化燃料时的低发动机负荷下。由于甲烷(温室气体)在稀薄燃烧发动机的典型排气温度下不能在氧化催化剂中被氧化，所以甲烷排放尤其成问题。本文中稀薄燃烧发动机被定义为在至少大多数发动机工作条件下并且通常在全部范围的发动机工作条件下以小于1.0的当量比运行的发动机。稀薄燃烧发动机的示例包括：主要使用天然气燃烧并采用引燃燃料诸如柴油点燃主要燃料的高压直喷(HPDI)发动机、采用其他点火装置(诸如热表面、热元件或火花塞)的非预混合发动机以及采用引燃燃料或点火装置诸如火花塞作为点火机构的稀薄燃烧熏蒸发动机。
稀薄燃烧发动机通过改变加燃料量来控制发动机负荷，而不必改变空气系统，因此，当量比(EQR)可以在发动机工作条件的范围内变化。这不同于在大多数发动机工作条件下维持当量比为一(1)的化学计量发动机。在化学计量发动机中，针对每个命令的发动机负荷调节空气系统和加燃料量二者。例如，可以通过节流阀来调节空气系统，并且在空气质量流量变化时，同时调节加燃料量以达到所需的负荷。需要仔细地控制，以确保燃料-空气当量比不偏离化学计量的理想情况。对于稀薄燃烧发动机，任一发动机负荷/发动机速度组合下的校准当量比是竞争性需求(诸如燃烧性能与排放)之间的平衡，维持了发动机瞬态运行状态期间平稳的过渡(“图平滑度(map smoothness)”)，并避免了压缩机喘振。这通常导致在低于发动机全负荷的25％的负荷下使用低当量比(小于0.4)，而在这些情况下，甲烷排放相对较高。
当气体燃料与空气过度混合时，可能会发生未燃烧碳氢化合物的排放，导致燃烧室某些区域中的局部当量比过低。在这些区域中，气体燃料和空气混合物接近或低于可燃性下限，并且过于稀薄而无法燃烧。未燃烧的碳氢化合物的其他来源包括火焰过快地冷却并因此熄灭的裂缝和淬火区域，或者在从未与氧化剂适当混合的反应的富集区域中，因此从未完全燃烧。通过升高燃烧室中的温度，稀薄区域中可以反应的燃料量增加；这使得未燃烧气体的排放较少。因此，大多数以前用于控制未燃烧排放量的技术都专注于升高缸内温度。导致缸内温度降低的技术通常被认为会使稀薄燃烧发动机的未燃烧碳氢化合物排放更糟。
以前减少未燃烧碳氢化合物排放的尝试包括燃烧室混合技术，该技术降低形成局部当量比接近或低于可燃性下限的区域的可能性。利用歧管或进气口(port)燃料喷射，燃料将在燃烧前大部分预混合，但燃烧速率可以通过气口和燃烧室设计显著提高，以增加湍流。利用直接(后期循环)燃料喷射，主要的湍流源将是喷射动量(jet injectionmomentum)。因此，负荷(以及喷射正时(timing))可以显著影响燃烧速率。通常，利用延迟喷射，即使当量比低到提供大量的氧气时，也可能难以在低负荷下实现令人满意的混合和燃烧。
目前的技术缺少用于减少以气体燃料作为燃料的稀薄燃烧发动机中未燃烧碳氢化合物的排放的技术。本方法和装置提供了一种用于改善以气体燃料为燃料的稀薄燃烧内燃机中未燃烧碳氢化合物的排放的技术。
发明内容
一种用于减少以气体燃料作为燃料的稀薄燃烧内燃机中的未燃烧碳氢化合物的排放的改进方法，包括根据发动机工作条件，通过在进气冲程期间使用于关闭进气阀的正时提前并更早地关闭进气阀或在压缩冲程期间使用于关闭进气阀的正时延迟并更晚地关闭进气阀，来调节用于关闭进气阀的正时。内燃机的容积效率降低，并且未燃烧碳氢化合物的排放维持在预定水平以下。发动机工作条件包括发动机负荷和RPM。
在示例性实施方案中，当发动机负荷小于发动机全负荷条件的50％时，调节用于关闭进气阀的正时。用于关闭进气阀的正时可以提前20到90的曲柄角度之间，用于关闭进气阀的正时可以延迟20到90的曲柄角度之间。气体燃料可以是生物气、生物燃料、氢气、丁烷、乙烷、丙烷、甲烷、天然气和这些气体燃料的组合中的一种。在发动机工作条件的范围内，当量比可以维持在0.4至0.95之间。
在另一个示例性实施方案中，与用于关闭进气阀的正时没有被调节时的相比，可在发动机负荷从较高负荷转变为较低负荷状态时维持更高的升压和/或涡轮转速。
在另一个示例性实施方案中，该方法还可以包括：根据发动机工作条件，在排气冲程期间使用于关闭排气阀的正时提前，从而将排气截留在内燃机的燃烧室中；以及在进气冲程期间使用于打开进气阀的正时延迟。用于关闭排气阀的正时可以提前最高达40的曲柄角度，用于打开进气阀的正时可以延迟最高达40的曲柄角度。优选地，当燃烧室压力接近、等于或小于进气歧管压力时，进气阀打开。
一种用于减少以气体燃料作为燃料的稀薄燃烧内燃机中的未燃烧碳氢化合物的排放的改进装置，包括燃烧室和与燃烧室流体连通的进气口。具有选择性地允许进气口与燃烧室之间的流体连通的进气阀。第一可变阀致动系统与进气阀可操作地连接。电子控制器与第一可变阀致动系统可操作地连接，并且被编程为根据发动机工作条件，通过在进气冲程期间使用于关闭进气阀的正时提前并更早地关闭进气阀，或在压缩冲程期间使用于关闭进气阀的正时延迟并更晚地关闭进气阀，来调节用于关闭进气阀的正时。内燃机的容积效率降低，并且未燃烧碳氢化合物的排放维持在预定水平以下。气体燃料可以利用直接燃料喷射器直接引入燃烧室中，和/或可以利用气口喷射器(port injector)或用于引入气体燃料的其他常规设备引入进气阀的上游。
在示例性实施方案中，该装置还包括与燃烧室流体连通的排气口和选择性地允许燃烧室与排气口之间的流体连通的排气阀。还具有与排气阀可操作地连接的第二可变阀致动系统。电子控制器还被编程为在排气冲程期间使用于关闭排气阀的正时提前，从而将排气截留在燃烧室中；以及在进气冲程期间使用于打开进气阀的正时延迟。
附图说明
图1是根据用于减少稀薄燃烧发动机中的未燃烧碳氢化合物的排放的技术的一个实施方案的内燃机的局部示意图，该内燃机包括用于将气体燃料引入发动机的燃烧室内的直接燃料喷射器和/或气口燃料喷射器。
图2是描绘了图1内燃机的进气阀的纵轴上始于关闭位置的进气阀升程与横轴上所测曲柄角度的图。呈现了相对于参考曲线的示出进气阀早关闭(EIVC)和进气阀晚关闭(LIVC)的升程曲线。
图3是描绘了图2参考升程曲线的纵轴上始于关闭位置的进气阀升程与横轴上所测曲柄角度以及两条进气阀早关闭升程曲线的图，其中，进气冲程期间进气阀在参考升程曲线之前分别关闭20CA°和40CA°。
图4是描绘了图3的参考升程曲线和进气阀早关闭升程曲线的纵轴上当量比与横轴上进气歧管压力的图。
图5是描绘了图3的参考升程曲线和进气阀早关闭升程曲线的纵轴上未燃烧甲烷(CH4)排放与横轴上进气歧管压力的图。
图6是描绘了图3的参考升程曲线和进气阀早关闭升程曲线的纵轴上未燃烧甲烷排放与比横轴上当量比的图。
图7是被称为压缩机性能图的图，描绘了纵轴上增压比与横轴上通过压缩机的空气质量流量。
图8是描绘了图1内燃机的排气阀的纵轴上始于关闭位置的排气阀升程与横轴上所测曲柄角度的图表。呈现了相对于参考曲线的示出排气阀早关闭(EEVC)的升程曲线。
图9是描绘了图1内燃机的进气阀的纵轴上始于关闭位置的进气阀升程与横轴上所测曲柄角度的图。呈现了相对于参考曲线的示出进气阀晚打开(LIVO)的升程曲线。
图10是描绘了图1内燃机的排气阀和进气阀的纵轴上始于关闭位置的阀升程与横轴上所测曲柄角度的图。呈现了示出排气阀早关闭(EIVC)的排气升程曲线和示出进气阀晚打开(LIVO)和进气阀早关闭(EIVC)的进气升程曲线。
具体实施方式
图1示出了如本文所教导的可以根据所公开的技术的实施方案来操作以减少未燃烧碳氢化合物的排放的发动机装置。发动机10包括燃烧室20，在本实施例中，该燃烧室由气缸体30、气缸盖40和活塞50限定。虽然在图1中仅示出了一个这样的气缸，但如技术界的技术人员所知，发动机10通常包括两个或多个气缸，并且本文所公开的技术适用于具有一个或多个气缸的任何稀薄燃烧发动机。气口燃料喷射器60将气体燃料引向进气阀80上游的进气口70，使得当进气阀打开时，包含空气和气体燃料的装料(charge)被吸入燃烧室20中。直接燃料喷射器65将气体燃料直接引入燃烧室20中。为了方便描述本文教导的技术，图1中示出了喷射器60和65，以表示燃料可以被直接喷射或引入进气阀80的上游。在其他实施方案中，可以采用气口喷射器60或直接喷射器65。进气阀80由可变阀致动(VVA)系统85打开和关闭，以将进气装料从进气口70传入燃烧室20。排气阀90由VVA系统95打开和关闭，以从燃烧室20通过排气口75排出废气。VVA系统85和95可以分别改变阀80和90的用于打开和/或关闭的正时和/或升程量。相对于阀80和90的关闭位置测量升程量，在该关闭位置，这些阀分别阻断从进气口70和排气口75与燃烧室20的流体连通。电子控制器15与喷射器60和65可操作地连接，以控制气体燃料的喷射，和与可变阀致动系统85和95可操作地连接，以分别控制阀80和90的打开和关闭。发动机10还包括点燃气体燃料的点火源(未示出)。点火源可以是引燃燃料、热表面或热元件的燃烧，或者是点火设备，如火花塞或激光点火器。
在本文的实施方案中，电子控制器15包括处理器和存储器，用于存储和执行程序，存储器包括一个或多个永久存储器，如FLASH、EEPROM和硬盘以及临时存储器，如SRAM和DRAM。在其他实施方案中，电子控制器15可以包括专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享、专用或群处理器)和存储器、组合逻辑电路和/或提供本文所述功能的其他合适部件。
过量的进气量(intake charge mass)被认定为总体当量比低的主要原因，导致气体燃料局部过度稀薄和未燃烧碳氢化合物的排放增加。进行了一项研究，以测试通过调节进气阀正时改变当量比对未燃烧碳氢化合物的排放的影响。进气阀晚关闭(LIVC)和进气阀早关闭(EIVC)二者均被纳入考虑。LIVC和EIVC通过改变进气阀关闭正时来调节发动机10的有效压缩比和容积效率。压缩冲程期间在与常规进气阀关闭的正时相比延迟的正时时，LIVC使进气阀80在下死点(BDC)位置之后保持打开，并且关闭进气阀，从而降低有效压缩比。进气冲程期间在与常规进气阀关闭的正时相比提前的正时时，EIVC在BDC位置之前关闭进气阀80，从而降低有效压缩比。在图2中，相对于进气阀80在进气与压缩冲程之间在BDC内或周围关闭的进气阀参考升程曲线100(本文中也称为参考曲线)，示出了LIVC和EIVC。进气阀升程曲线110示出了LIVC，而进气阀升程曲线120示出了EIVC。虽然进气阀升程曲线120被示出为与升程曲线100和110相比，升程量减小，但这不是必须的，并且在其他实施方案中，所有的升程曲线100、110和120可以具有相同或不同的最大升程量。由于在进气阀关闭时燃烧室20不处于或接近最大体积，LIVC和EIVC都限制了进入发动机的空气的量。
在研究中，可变阀致动系统85被构造成在BDC之前将进气阀80关闭各种曲柄角度(CA°)量。参考图3，进气阀升程曲线101和102示出了在参考曲线100期间在进气阀被关闭的正时之前VVA系统85分别将进气阀关闭二十(20)和四十(40)CA°的情况。针对进气口70中的进气压力将当量比和未燃烧碳氢化合物的排放制成表，并且分别在图4和图5中用图示出了这些制表结果。在这些图中，EIVC00、EIVC20和EIVC 40分别表示曲线100、101和102的制表结果。参考图4可以看出，对于固定的进气压力，与参考曲线相比，通过使进气阀关闭提前可以获得较高的当量比(即，较浓的气体燃料和空气的混合物)，并且进气阀80关闭得越早，当量比越高。参考图5可以看出，对于固定的进气压力，与参考曲线相比，通过使进气阀关闭提前还可以获得较低的未燃烧碳氢化合物的排放(排气中甲烷较少)，并且进气阀80关闭得越早，甲烷排放减少得越多。在研究期间采用的气体燃料是天然气，即主要成分为甲烷的各种气体燃料的混合物。在研究期间，测量的未燃烧碳氢化合物的排放被称为未燃烧甲烷的排放(CH4是甲烷的化学缩写)。作为排放降低的一个示例，与参考曲线相比，EVIC40曲线的甲烷排放下降了70％以上。图6描绘了未燃烧甲烷的排放(CH4)与当量比，并且示出了甲烷排放与当量比之间具有很强的关系。已知在使用参考曲线时，通过使当量比维持在预定范围内(即，防止气体燃料和空气混合物过度稀薄)，可以减少未燃烧碳氢化合物的排放。然而，以前认为在使用LIVC或EIVC阀正时而导致的压缩结束时的燃烧室温度降低将抵消使EQR维持在预定范围内的未燃烧碳氢化合物的优点。这种较低的压缩结束温度是压缩冲程有效地以比常规阀正时时更小的体积(volume)开始的直接结果。该体积有多小取决于进气阀正时，并且得到有效压缩比，该有效压缩比被定义为进气阀80关闭时(在排气阀90已经关闭的情况下)室20中的体积除以压缩冲程结束时室20中的最小体积。令人惊喜的是，实验数据显示，较低的容积效率和有效压缩比似乎并没有在甲烷氧化方面从根本上改变燃烧特性。
在发动机10包括涡轮增压器的其他实施方案中，可以改善瞬态发动机性能，并且可以减少未燃烧碳氢化合物的排放。通常，由于在不使用可变阀致动的涡轮增压发动机中的发动机负荷减小，所以通过降低增压压力(即进气歧管压力)只能将当量比维持在预定范围内，使得由燃烧室20吸入的空气的质量也降低。对于相同的进气阀正时和增压压力，随着燃料量减少，当量比降低，导致未燃烧碳氢化合物的排放增加。如本文公开的研究中所揭示的，通过使进气阀80关闭提前或延迟到参考曲线100可以使增压压力保持恒定，同时维持期望的当量比。有效地，如图4所示，通过使用EIVC正时，对于给定的进气压力，可以保持较高的当量比。以这种方式，涡轮增压器可以保持“旋转(spun-up)”，使得当发动机10上的负荷增加时涡轮延迟减小(瞬态响应改善)。图7示出了涡轮增压器系统的压缩机(未示出)的压缩机性能图。压缩机的正常工作区域在由喘振轮廓线200和阻塞轮廓线210限定的边界内。在该边界内，压缩机沿着多个压缩机速度线运行，其中四条这样的压缩机速度线221、222、223和224在图7中示出。压缩机转速从速度线221增加到速度线224。沿着速度线223的工作点230是压缩机在高负荷状态期间的示例性工作点。当发动机10在没有可变阀致动的情况下转变为较低的负荷状态时，压缩机沿着速度线221向工作点240转换，使得进入燃烧室20的空气的质量流量减小，以将当量比维持在预定的余量内。当可变阀致动可用并且进气阀可以早关闭(EIVC)或晚关闭(LIVC)时，压缩机可以替代地在工作点230与250之间转换，使得进入燃烧室20的空气的质量流量不变，但是压缩机现在沿着速度线222以高速和增压压力运行。当发动机10转换回工作点230时，与工作点240相比，从工作点250转换时涡轮延迟更少(瞬态响应更好)减少。
通过在排气冲程结束时结合EIVC或LIVC技术将一部分排气截留在燃烧室20内减少未燃烧碳氢化合物的排放，可以改善低负荷发动机性能，并且同时可以减少未燃烧碳氢化合物的排放。通过在所有排气从燃烧室排空之前提前关闭排气阀90，可以将排气截留在燃烧室20中。这被称为排气阀早关闭(EEVC)。图8示出了排气阀参考升程曲线104和与参考升程曲线相比排气阀90的关闭正时已被提前的排气阀早关闭升程曲线105。当排气阀在排气升程期间提早关闭时，活塞继续向上死点(TDC)行进，从而压缩排气。为了防止加压排气流回到进气口70中，进气阀80在进气冲程中延后打开，此时燃烧室20内的压力接近或低于进气口的压力。这被称为进气阀晚打开(LIVO)。图9示出了进气阀参考升程曲线100和与参考升程曲线相比打开进气阀80的正时已被延迟的进气阀晚打开升程曲线106。图10示出了排气阀早关闭升程曲线105和与图9中示出的参考升程曲线100相比打开进气阀的正时已被延迟并且关闭进气阀的正时已被提前的进气阀升程曲线107。通过将热排气截留在燃烧室20中，与没有排气被截留的情况相比，在随后的进气和压缩冲程期间，燃烧室的温度升高。升高的温度改善了低负荷条件期间的点火性能。通过采用进气阀早或晚关闭，可以提高当量比，并且可以降低未燃烧碳氢化合物的排放。
虽然已经示出和描述了本发明的特定元件、实施方案和应用，但是要理解的是，本发明并不限于此，因为本领域技术人员可以在不偏离本公开内容的范围的情况下特别是根据上述教导而进行修改。

Claims (19)

1.一种用于减少以气体燃料作为燃料的稀薄燃烧内燃机中的未燃烧碳氢化合物的排放的方法，包括根据发动机工作条件通过下述之一来调节用于关闭进气阀的正时：
在进气冲程期间使用于关闭所述进气阀的正时提前并更早地关闭所述进气阀；以及
在压缩冲程期间使用于关闭所述进气阀的正时延迟并更晚地关闭所述进气阀，
其中，所述内燃机的容积效率降低，并且未燃烧碳氢化合物的排放维持在预定水平以下。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述发动机工作条件包括发动机负荷。
3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括以下中的至少一个：
当发动机负荷小于发动机全负荷条件的50％时，调节用于关闭所述进气阀的正时；
将用于关闭所述进气阀的正时提前20到90的曲柄角度之间；以及
将用于关闭所述进气阀的正时延迟20到90的曲柄角度之间。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，还包括与所述用于关闭进气阀的正时没有被调节时相比，在所述发动机负荷从较高负荷转变为较低负荷状态时维持更高的升压。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的方法，还包括与所述用于关闭进气阀的正时没有被调节时相比，在所述发动机负荷从较高负荷转变为较低负荷状态时维持更高的涡轮转速。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，根据发动机工作条件，所述方法还包括：
在排气冲程期间使用于关闭排气阀的正时提前，从而将排气截留在所述内燃机的燃烧室中；以及
在所述进气冲程期间使用于打开所述进气阀的正时延迟。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括以下中的至少一个：
将用于关闭所述排气阀的正时提前最高达40的曲柄角度；
将用于打开所述进气阀的正时延迟最高达40的曲柄角度；以及
当燃烧室压力等于或小于进气歧管压力时，打开所述进气阀。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述气体燃料是生物气、生物燃料、氢气、丁烷、乙烷、丙烷、甲烷、天然气和这些气体燃料的组合中的一种。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在发动机工作条件的范围内，当量比维持在0.4至0.95之间。
10.一种用于减少以气体燃料为燃料的稀薄燃烧内燃机中的未燃烧碳氢化合物的排放的装置，包括：
燃烧室；
与所述燃烧室流体连通的进气口；
选择性地允许所述进气口与所述燃烧室之间的流体连通的进气阀；
与所述进气阀可操作地连接的第一可变阀致动系统；以及
电子控制器，所述电子控制器与所述第一可变阀致动系统可操作地连接，并且被编程为根据发动机工作条件通过下述之一来调节用于关闭所述进气阀的正时：
在进气冲程期间使用于关闭所述进气阀的正时提前并更早地关闭所述进气阀；以及
在压缩冲程期间使用于关闭所述进气阀的正时延迟并更晚地关闭所述进气阀；
其中，所述内燃机的容积效率降低，并且未燃烧碳氢化合物的排放维持在预定水平以下。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述发动机工作条件包括发动机负荷。
12.根据权利要求10或11所述的装置，其中，所述电子控制器还被编程为进行以下中的至少一个：
当发动机负荷小于发动机全负荷条件的50％时，调节用于关闭所述进气阀的正时；
将用于关闭所述进气阀的正时提前20到90的曲柄角度之间；以及
将用于关闭所述进气阀的正时延迟20到90的曲柄角度之间。
13.根据权利要求10、11或12所述的装置，其中，所述电子控制器还被编程为与所述用于关闭进气阀的正时没有被调节时相比，在所述发动机负荷从较高负荷转变为较低负荷状态时维持更高的升压。
14.根据权利要求10、11、12或13所述的装置，其中，所述电子控制器还被编程为与所述用于关闭进气阀的正时没有被调节时相比，在所述发动机负荷从较高负荷转变为较低负荷状态时维持更高的涡轮转速。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的装置，还包括：
与所述燃烧室流体连通的排气口；
选择性地允许所述燃烧室与所述排气口之间的流体连通的排气阀；以及
与所述排气阀可操作地连接的第二可变阀致动系统；
其中，所述电子控制器还被编程为：
在排气冲程期间使用于关闭所述排气阀的正时提前，从而将排气截留在所述燃烧室中；以及
在所述进气冲程期间使用于打开所述进气阀的正时延迟。
16.根据权利要求10至15中任一项所述的装置，其中，所述电子控制器还被编程为进行以下中的至少一个：
将用于关闭所述排气阀的正时提前最高达40的曲柄角度；
将用于打开所述进气阀的正时延迟最高达40的曲柄角度；以及
当燃烧室压力等于或小于进气歧管压力时，打开所述进气阀。
17.根据权利要求10至16中任一项所述的装置，其中，所述气体燃料是生物气、生物燃料、氢气、丁烷、乙烷、丙烷、甲烷、天然气和这些气体燃料的组合中的一种。
18.根据权利要求10至17中任一项所述的装置，其中，在发动机工作条件的范围内，当量比维持在0.4至1.0之间。
19.根据权利要求10至18中任一项所述的装置，还包括燃料喷射器，用于将气体燃料直接引入所述燃烧室中。
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