CN108779701A - 内燃发动机 - Google Patents

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Abstract

一种操作WO2005/052335和WO2007/0830366中所描述的分层充气Merritt发动机的方法，从而实现新益处，例如完全与NOx排放法规相容、控制峰值压力、增大功率密度和较高燃料经济性，全部通过预编程汽油燃料直喷过程的定时来实现。

Description

内燃发动机
技术领域
本发明涉及内燃发动机，但更具体地说，涉及控制其操作以降低或最小化污染气体的输出。
背景技术
例如从国际公开案WO 2005/0523355和WO/2007/080366中了解本发明人所发明的可归类为分层充气发动机的各种内燃发动机。如今在文献中将那些发动机称作Merritt发动机。
Merritt发动机的主要构造特性在于对单独的燃烧室的使用，所述燃烧室与汽缸间隔开以避免在汽缸中高于活塞的区域中燃烧燃料。Merritt发动机与奥托(Otto)发动机一样使用火花点火以及使用汽油或其它挥发性液态烃作为燃料。其操作可基于四冲程或二冲程发动机循环。
此类单独燃烧室的使用允许Merritt发动机对空气/燃料混合物分层，从而在不对进气口进行节流的情况下实现可靠的火花点火。与奥托汽油发动机等节流发动机相比较，这一点结合由燃烧室中的涡流运动引起的快速燃烧以及来自燃烧气体的较低辐射热损会促进部分负载下的更高热效率。在无节流地操作时，Merritt发动机在部分负载下使用比完全燃烧所需的更多的空气，且因此在其废气中存在自由氧。Merritt发动机适合用于汽车和摩托车应用，且因此其需要符合法定废气排放限制，而国与国之间的法定废气排放限制可能不同。
本发明提供两种操作Merritt类发动机的新方法，所述方法可单独或组合使用。当组合时，本发明方法能使废气中基本上无氧气，从而能够使用催化转换器从废气中清除不合规定量的氮氧化物，所述氮氧化物将简称为NOx。由于NOx仅在较高指示平均有效压力(IMEP)值下才出现在Merritt发动机的废气中，因此仅在此类操作情况下优选将两种方法部署在一起，且优选将所述方法设计为在发动机操作时应用或停用。从燃烧室清除过多氧气可通过所述两个方法中的一个来实现，其对发动机进气口进行部分节流，但优选地，这布置成仅在较高指示平均有效压力(IMEP)值下发生。第二个问题需要从震动余隙清除自由氧。震动余隙是在压缩冲程结束时汽缸中在活塞上方剩余的容积，即使是在降到最低时，其也因高的气体密度而含有可观量的氧气，百分之十是个现实示例。由于Merritt发动机具有单独的燃烧室，因此这种氧气通常不能用于燃烧目的。Merritt发动机依赖于位于单独燃烧室中的GDI(汽油直喷器)燃料喷射器，且其燃料喷雾锥朝向所述燃烧室的远端远离汽缸排放。
本发明的此方面通过另一发动机操作方法来提供对震动余隙氧气清除问题的有效解决，所述方法着眼于修改的燃料喷射过程。此方法在单独使用时除了降低或清除NOx之外还可向Merritt发动机提供其它优势。
发明内容
本发明力图提供一种修改的内燃发动机、修改的操作内燃发动机的方法以及装配有此类发动机的机动车辆。
因此，本发明提供一种内燃发动机，包括：
汽缸；
汽缸盖，用以在一端闭合所述汽缸；
活塞，位于所述汽缸中以在其中进行往复移动；
所述汽缸中的不可避免震动余隙容积，在所述活塞到达压缩冲程末端时位于所述活塞上方；
空气入口装置，与所述汽缸连通以使空气进入所述发动机中；
排气装置，与所述汽缸连通；
燃烧室，在所述汽缸盖内，具有相对于所述汽缸的近端和远端，所述室与所述汽缸间隔开，但在其近端处与所述汽缸连通；
传输孔口，在所述燃烧室的近端处与所述汽缸和所述燃烧室连通，定位成在所述活塞的压缩冲程期间利用切向速度分量将空气射流递送到所述燃烧室中；
促进所述燃烧室内产生的旋转空气运动的轴向速度分量的装置；
燃料喷射装置，在所述燃烧室的近端处与所述燃烧室连通，布置成朝向所述室的远端以及空气射流中递送液体燃料喷雾；
至少一个点火装置，处于所述燃烧室的所述远端的区域中；
控制器，用以至少控制燃料喷射过程、点火过程和进气过程；
其中，所述发动机的主要操作方法可通过以下方式启用：在燃烧室中的点火装置点燃其中的燃料之后，控制器使受控量的燃料从单独燃烧室中的燃料喷射器出口分流到活塞上方的汽缸容积中，且可继续，直到活塞开始其膨胀冲程之后为止；和/或控制器启用发动机的辅助操作方法，包括部分限制发动机的进气以在发动机内部的燃料燃烧之后最小化或避免燃烧室和震动余隙中的自由氧。
优选的是，燃烧室配置成在空气递送到其中时引发或增强旋转的空气流。燃烧室可用作涡流管。举例来说，燃烧室可为圆柱形、圆锥形或部分圆锥形形状。
空气入口装置还可包含位于入口阀上游的节流阀以使所述辅助操作方法生效。
点火装置通常包括火花塞。
排气装置还可包含位于排气阀下游的能够清除氮氧化物的催化转换器。
术语余隙容积意指燃烧室内的容积加上震动余隙容积的总和。
术语TDC(上止点)描述活塞在其压缩冲程结束时的位置。
术语BDC(下止点)描述活塞在其膨胀冲程结束时的位置。
术语容积排量描述汽缸中TDC与BDC活塞位置之间所含的容积。
术语NOx意指通常含于废气中的氮氧化物气体。
术语IMEP描述汽缸中产生的指示平均有效压力，且指示发动机的负载和转矩输出。
术语峰值压力描述在发动机循环期间实现的最大汽缸压力。
术语恒容燃烧描述极快速的燃料燃烧过程，其中整个燃烧过程在靠近TDC的几个曲柄角度内发生。
术语热效率描述在相同次数的发动机循环期间工作能量输出与热能输入之间的比率。
术语分层描述燃料/空气混合物制备过程，其特意避免在燃烧室中形成均匀混合物，而是产生分区的混合物形成，其中含有相对更多燃料的富集区位于火花塞附近以实现火花点火，且含有较少燃料或甚至完全没有燃料的薄弱区出现在燃烧室中的别处，与火花塞间隔开。火花点燃富集区中的混合物，且火焰产生的能量足以点燃薄弱区中的燃料。Merritt发动机产生极有效的分层系统，其允许Merritt发动机在无需使用催化转换器时完全无节流地操作。
为了能在其所有方面说明本发明，使所属领域的技术人员更容易地了解和轻松实现本发明，本文现将仅仅借助于非限制性实例参考所附的三个示意图来描述实施例，所述示意图并未按比例绘制，且仅出于说明性目的而呈现，其中：
图1是贯穿Merritt类内燃发动机汽缸和汽缸盖布置的部分的截面图，其中节流阀完全打开(未节流)，
图2是类似于图1的视图，说明节流阀部分闭合的辅助操作方法，以及
图3是类似于图1的视图，其中活塞开始远离TDC而行进且因此说明操作发动机的主要和辅助方法。
附图说明
图1还用于解释发动机组件。所示发动机需要配备有示出的节流阀，还有图中未示出的催化转换器。这两项仅在某些条件下需要用来清除NOx污染物，但对于可作为未修改的带有全开节流阀的Merritt发动机操作而不利用根据本发明的新方法的发动机操作来说并非是必不可少的。图1示出在未利用根据本发明的新操作方法时的发动机。示出当汽缸(2)在其最大IMEP的大约25％下以大约60比一的总体空气/燃料比操作时，活塞(1)处于汽缸中压缩冲程中部。
在IMEP的此较低端值中，发动机不会产生许多NOx废气排放，且可因此在允许的NOx排放限制内无节流地操作以作为未修改Merritt发动机递送高的热效率。示出节流阀(10)全开。示出燃料喷射器(8)朝向燃烧室远端处的火花塞(9)递送液体燃料锥束。传输孔口(7)示出进入燃烧室(5)的流线型空气形成激烈的涡流型旋转空气运动，且示出螺旋坡道(6)赋予朝向火花塞的旋转气体一个轴向分量，可被描述为螺旋旋转的一种运动。示出节流阀(10)下游的在压缩冲程期间处于闭合位置的一个呼吸阀(4)，其为空气入口装置。催化转换器将位于根据全部三个图的发动机的排气管中，但并未示出，因为优先示出入口管(3)而非排气口以说明节流阀(10)的可变位置。
图2也示出如图1那样的在压缩冲程期间的活塞，但示出节流阀(10)处于部分闭合位置，且发动机在其最大IMEP的大约80％下以增大的加燃料速率操作，此时在燃烧期间产生的NOx气体量超出允许的排放限制。在图3中，示出不久之后的图2的发动机，此时活塞已在其膨胀冲程期间开始移动。
应了解，Merritt发动机的分层充气燃烧系统使发动机能够在存在任何量的过多空气的情况下完全燃烧燃烧室内的任何量的燃料。
具体实施方式
图1中所示的发动机可在从空转时的大约120:1变化到所示的值60:1的空气燃料比范围内无节流地操作。相比于完全燃烧所需，120:1的比率表示八倍之多的空气，且60:1表示四倍之多的空气。选择图1来说明60:1的空气燃料比，为说明起见，假设此空气燃料比为IMEP阈值，其不会在废气中产生超出排放法规可容许的量的足够多的NOx。
每单位时间从汽缸传输到燃烧室中的空气量在压缩冲程期间增大。以大约恒定的速率递送由喷射器(6)喷射到出自传输孔口(7)的空气射流中的燃料量。因此，所得空气燃料混合物将在压缩冲程周期中在开始时富集且在结束时稀薄。赋予混合物的涡流运动在朝向火花塞(9)方向上通过螺旋坡道(6)偏置，因此早期富集混合物被迫围绕塞旋转。随着涡流变得更强烈，其将混合物涂刮在室(5)周边周围且将所述混合物离心力压缩成薄的紧密层。氧气分子和燃料由此变得更接近，且点火之后的火焰传播极快。
图1中所示的发动机示出Merritt发动机如何工作，但未解释根据本发明的两个新的操作方法中的任一个。
根据本发明的发动机操作借助于图2中的实例进行解释。示出活塞在产生最大值80％的IMEP值的加燃料速率下处于中间压缩冲程。在此IMEP下，假设废气将含有将需要使用催化转换器的NOx气体量。控制器将需要从废气中消除所有自由氧以使催化转换器能够起作用。控制器编程成通过辨识出递送总循环燃料量产生此IMEP来辨识出这在此IMEP值下发生。
为了大体上减小且甚至消除废气中的自由氧，控制器需要使用根据本发明的两个操作方法且同时应用所述两个操作方法。
部分节流操作方法
图2中示出此方法。在IMEP范围的较高端值下，控制器编程成将节流阀移动到预定的部分闭合位置以略微减少进入发动机的空气量。进气的减少将减少可用氧气的量以匹配递送用于在燃烧室内燃烧的燃料量，从而确保室中的所有或基本上所有氧气通过燃烧耗尽。需要指出的是，节流阀在Merritt发动机的IMEP升高时闭合，这恰与常规奥托发动机中的节流阀所需的操作相反。
胜于将节流阀直接扣入其部分闭合位置，控制器可慢慢地开始在对应于略微低于80％的IMEP的加燃料量下将其闭合，此时NOx排放仍低于法定限制，由此允许其在需要动作时达到正确位置。当汽车驾驶者增大IMEP需求到高于80％时，节流阀改变方向，直到其在最大IMEP下达到全开位置，此时输入的燃料耗尽所有或基本上所有可用氧气。
流行的拉姆达传感器等氧传感器可监测废气中氧气的存在，且提供反馈给控制器以便实现节流阀位置的精调。
从废气清除所有自由氧以实现催化转换器的使用的需要无法通过部分节流单独实现，需要同时应用本发明的另一方法。
延长燃料喷射周期(主要)操作方法
当活塞在压缩冲程结束时到达TDC时，必须在其冠部与汽缸盖之间保持小的余隙容积以避免损坏性接触。此容积通常称作震动余隙容积。Merritt发动机的设计尝试最小化震动余隙容积以便使燃烧室的容积最大化，因为所有燃料都递送用于在所述室内燃烧。需要另一方法来从震动余隙清除氧气。这另一方法在图3中示出。
由于燃料喷射器(8)在高压力下将燃料递送到燃烧室内部，且在相反方向上递送燃料到传输孔口(7)，因此看起来不可能在不安装向下指入传输孔口的第二燃料喷射器的情况下将燃料递送到震动余隙容积。在较早Merritt发动机发明中出于增大功率密度的目的曾提出此类第二喷射器。可在专利公开案WO 2007/080366的图8中查看。根据本发明的主要方法提供此问题的容易得多的解决方案，其不要求每个汽缸一个第二燃料喷射器。
为了操作此方法，控制器修改燃料递送的定时，同时控制每个发动机循环所需的总燃料量。通常在Merritt发动机中，燃料在压缩冲程期间喷射以便在燃烧室中形成分层充气，且喷射在压缩冲程结束之前和在火花点火发生之前停止。根据本发明的操作方法需要延长燃料喷射，直到火花点火事件之后或直到膨胀冲程开始之后或优选地在这两个事件之后为止。通过称作GDI的汽油直喷系统使顶着点火后压力喷射燃料的能力成为可能。延长的喷射周期可以是延长的不间断第一喷射周期的延续，或其可在时间允许的情况下在燃料喷射器的两个或更多个不同致动中实现。
此操作方法使燃料能够从燃烧室(8)中的燃料喷射器的出口位置传输到汽缸(2)中以便耗尽震动余隙容积内陷留的氧气。通过夹带一些燃料到浓稠气体中来实行所述传输，所述浓稠气体在膨胀冲程开始时或在火花点火发生之后开始流向汽缸且在这两个事件发生之后始终流向汽缸。在点火之后，此类浓稠气体极热，有可能仍在燃烧。图3示出膨胀气体流入汽缸中，穿过传输孔口(7)且流入汽缸(2)。燃烧的热气体将夹带燃料、将其汽化且使其远离燃烧室(5)而分流到汽缸(2)中。所述燃料将最有可能还点燃以利用震动余隙氧气燃烧，因为此方法的应用将在IMEP的较高端值下发生。在延长的喷射周期期间递送和分流的额外量的燃料足以用完陷留在汽缸内的震动余隙中的所有自由氧，以便符合无氧废气目标。如果在延长的喷射周期期间递送的燃料的点火失败，第二点火装置可用于在混合物进入汽缸时拦截混合物。第二点火装置并未在图中示出，但其可以是可连续通电的电热塞。
此操作方法有效地允许发动机控制器操作两个燃烧事件：燃烧室内部的第一燃烧事件和汽缸内部的第二燃烧事件。
根据本发明的两个新方法，即延长燃料喷射和部分节流，需要在IMEP的较高端值下一起使用以便实现对催化转换器的使用以从废气中清除NOx。然而，延长燃料喷射方法在单独使用时还可提供增强发动机性能的四个其它操作能力。
另外的操作能力
这些可通过发动机控制器在发动机操作时应用。所述能力中的一些在其它内燃发动机中不常见。
1.其允许发动机控制器限制在高IMEP操作下产生的峰值压力；
2.其允许发动机控制器在以最大IMEP操作时通过提供燃料以利用陷留在震动余隙中的氧气而燃烧来增大最大功率密度。
3.其允许发动机控制器在需要额外热用于汽车内部的座舱加热时选择增大废气中舍弃的此类热量；
4.其允许发动机在不强制NOx限制的国家舍弃节流的部分使用，同时保留上文所列的前三个另外的能力，或通过限制受汽车驾驶人控制的最大IMEP，其允许汽车无需使用催化转换器，同时在以降低的功率密度为代价的情况下受益于最大热效率和最小废气污染。
第一能力
燃烧室中的涡流管型气体移动迫使燃料和空气分子通过离心力抵靠其周边压缩得更靠近在一起。因此，与柴油发动机和甚至奥托发动机燃烧速度相比，Merritt发动机中的燃烧过程极快。在中等发动机速度下，Merritt发动机的操作可几乎基于恒容空气循环，所述恒容空气循环在平常使用中提供无节流汽车发动机的最高热效率。然而，在较高IMEP范围和较低发动机速度下，极快速的燃烧可能导致汽缸中过量的峰值压力，这甚至可能损坏活塞。根据本发明的延长燃料喷射方法实现延迟的燃料递送以在活塞从TDC移开以暴露增大的汽缸容积之后在汽缸内部燃烧，由此减小峰值循环压力。在较低发动机速度下，可优选根据此方法方面连续快速操作燃料喷射器两次以在汽缸内引发两个此类燃烧事件，或者可通过控制器减小每单位时间的燃料喷射速率以实现横跨TDC的一个长的喷射事件。
第二能力
当通过控制器在高IMEP操作下运用延长燃料喷射时，极有可能在不需要激活第二点火装置的情况下通过逸入汽缸中的极热气体发生延迟燃料递送的点火。而且在这些条件下，还将有可能在一些国家中需要NOx控制，因此第一能力也将变得具有操作性，从而启用节流阀。当单独使用时，甚至当发动机为涡轮增压时，所述方法方面可允许发动机消耗所有可用的氧气以供燃烧，由此最大化功率输出。
第三能力
可理解，特意增大排入发动机废气中的热能将降低发动机的热效率。然而，Merritt发动机等具有极高热效率的发动机有时不能够产生足够的废热以在寒冷天气提供座舱加热。可通过特意在膨胀冲程期间燃烧燃料来增大废弃的热量。Merritt发动机中的分层实现利用燃烧室内部过多空气燃烧燃料，由此从所述室中移出燃料以在膨胀冲程期间在汽缸内燃烧有可能增大与废气一起排出的热量。在延迟燃料递送的点火可能需要第二点火装置的辅助的低到中等范围的IMEP值下，可能需要第三能力。此类装置可能需要位于汽缸盖上的传输孔口出口孔附近。电热塞是合适的此类第二点火装置，因为其可连续地通电而无需在火花点火之前或在膨胀冲程开始之前对递送于燃烧室内部的燃料提前点火。或者，传输孔口自身可例如通过一层陶瓷热隔离以维持高温，所述陶瓷甚至可利用一点铂催化剂溅镀以在必要时辅助第二点火事件。
第四能力
当在中等IMEP下操作且包含起动和空转时，Merritt发动机排出极少量的NOx，可低于废气排放的法定限制。可在此类IMEP范围下操作时停止使用根据本发明的两个操作方法，因此发动机可接着恢复以用作具有极高热效率和低NOx排放能力的未修改和无节流稀燃Merritt类发动机。本发明允许发动机控制器通过监测每发动机循环递送的燃料量来辨识何时使用一个或两个操作方法，且在不中断发动机操作的情况下根据编程用于自动使用和停用的计划而起作用。
所述选择可通过汽车驾驶者扳动开关完成，或通过汽车制造商完成，汽车制造商可特意降低发动机输出IMEP以确保NOx和二氧化碳的低排放，即使以减小车辆性能为代价。

Claims (23)

1.一种操作内燃发动机的方法，包括：
至少一个汽缸(2)；
汽缸盖，用以在一端闭合所述汽缸；
活塞，位于所述汽缸中以在其中进行往复移动(1)；
所述汽缸(2)中的不可避免震动余隙容积，在所述活塞(1)到达其压缩冲程末端时位于所述活塞上方；
空气入口装置，与所述汽缸连通(3、10)；
排气装置，与所述汽缸连通；
燃烧室，在所述汽缸盖内，具有相对于所述汽缸的近端和远端，所述室与所述汽缸间隔开，但在其近端处与所述汽缸连通；
传输孔口(7)，在所述燃烧室的近端处与所述汽缸(2)和所述燃烧室(5)连通，定位成在所述活塞(1)的所述压缩冲程期间利用切向速度分量将空气射流递送到所述燃烧室中；
朝向所述远端的促进所述燃烧室内的旋转空气运动的轴向速度分量的装置(6)；
燃料喷射装置(8)，在所述燃烧室近端处与所述燃烧室连通，布置成朝向所述燃烧室的所述远端以及所述空气射流中递送液体燃料喷雾；
至少一个点火装置，处于所述燃烧室的所述远端的区域中；以及
控制器，用以控制燃料喷射过程、点火过程和进气过程；
其中所述方法包括在所述点火装置(9)点燃所述燃烧室中的燃料之后和/或在所述活塞(1)开始其膨胀冲程之后，控制从所述燃料喷射器(8)出口到所述汽缸(2)内部所述活塞上方的容积中的燃料递送。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述燃烧室配置成在空气递送到其中时引发或增强旋转的空气流。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述燃烧室充当涡流管。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述燃烧室为圆柱形、圆锥形或部分圆锥形。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，连同辅助方法一起同时应用包括控制所述空气入口装置的部分限制。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述发动机控制器能够在所述压缩冲程期间和在所述膨胀冲程的早期部分期间喷射燃料，通过使从所述燃烧室(5)流向所述汽缸(2)的气体膨胀而实现将燃料传输到所述震动余隙容积中。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述汽缸(2)中的传输孔口(7)的出口区域中提供第二点火装置，例如电热塞。
8.根据权利要求5到7中任一项所述的方法，其中所述空气入口装置(3)包含可从全开操作到部分闭合的节流阀(10)。
9.根据权利要求5到8中任一项所述的方法，其中当确定循环燃料量在发动机废气中造成不可接受的氮氧化物量以及需要使用催化转换器时应用两个方法。
10.根据权利要求6到9中任一项所述的方法，其中在确定所述循环燃料量在点火之后造成过量峰值汽缸压力时应用所述方法。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，在需要增大废气中的废热量时应用。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述传输孔口(7)的表面选自以下中的一个或多个：由不良热导率材料制成，由陶瓷等隔热材料覆盖，或由铂等催化材料覆盖。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述燃料喷射器(8)受控以在一个发动机循环期间在多于一个脉冲中递送燃料，例如在两个脉冲或三个脉冲中，且其中一个或两个此类脉冲递送到所述汽缸区域中。
14.一种如权利要求1所定义的发动机，具有适于根据任一前述权利要求实现其操作的控制器。
15.根据权利要求14中所述的发动机，其中所述控制器能够选择或取消选择此类操作的任一或两个方法。
16.根据权利要求15中所述的发动机，其中基于每发动机循环递送的燃料量且在不中断发动机操作的情况下实现所述选择。
17.一种机动车辆，装配有根据权利要求14到16中任一项所述的发动机。
18.根据权利要求17所述的机动车辆，装配有废气催化转换器。
19.一种大体上如在此描述的根据权利要求1到13中任一项所述的操作发动机的方法。
20.一种大体上如在此说明的根据权利要求1到13中任一项所述的操作发动机的方法。
21.一种大体上如在此描述的根据权利要求14到16中任一项所述的发动机。
22.一种大体上如在此说明的根据权利要求中14到16任一项所述的发动机。
23.一种大体上如在此描述的根据权利要求17或18中所述的机动车辆。
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