CN1101518C - 组合循环发动机 - Google Patents

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Abstract

一种使排气中NOx排放物减少到最少程度的内燃机工作方法，包括对作为低负荷或高负荷的车辆发动机负荷进行检测。当检测低负荷时，提供稀薄燃烧状态的未节流空气和一定量燃料与在压缩冲程临近上止点时喷射的混合。当检测高负荷时，已节流空气和由检测到的排气中含氧量控制的一定量燃料与比在低负荷时喷射早得多的时刻，最好在进气冲程中以大致的理想化合的空燃比喷射的燃料相混合。

Description

组合循环发动机
发明背景
发明领域
本发明涉及一种可大大减少NOx和其它有害排放物并同时保持高能效的内燃机工作的新方法；这种新方法可应用于所有内燃机。
现有技术
汽车使用量的增加大大增加了大气污染。减少有害排放物特别是NOx的排放量并同时保持或提高能效尤为困难。
两种最广泛使用的活塞式发动机分别是根据奥托循环和狄塞尔循环工作。奥托循环发动机大多用于客车和轻型货车，而狄塞尔循环发动机则大多用于重型货车、机车和其它大型发动机应用场合。
奥托循环发动机具有排气污染物很低的某些特性。奥托循环发动机是一种火花点火并具有一活塞涨圈的均匀的燃料/空气吸入式发动机。该发动机以一空气节流方式工作以改变发动机产生的功率，同时将燃料/空气混合物保持在对于特定燃料的可燃性限度之内。在轻负荷和中等负荷时，均匀燃烧可提供平稳的运行和低排放的特性，但空气节流降低了效率。在较大负荷时，发动机通过排气再循环并对理想化合的突燃比的控制而改善发动机的排放，并有可能使排气通过一种进一步氧化未燃燃料并减少已形成的氧化氮的三元催化剂。
柴油机的特点是压缩比较高、燃料直接喷射和没有空气节流。其燃烧是不均匀的，并且在轻负荷和中等负荷时未燃燃料的排放物可能成为一个问题。然而，由于发动机未经节流的特性，与其高压缩比相结合，发动机在轻负荷和中等负荷时工作效率较高。然而，在较高负荷时，燃烧处于高温状态并形成大量氧化氮。如果不能使发动机以具有理想化合的空燃比工作，也就无法采用传统的排气NOx还原催化剂。
本发明概况
因此，本发明的一个目的在于使内燃机工作过程中的NOx排放物减少到最少程度。
本发明的另一个目的是在实现以上目的的同时保持或提高能效。
为实现上述目的，本发明提供一种能使奥托循环发动机和狄塞尔循环发动机同时实现最佳特性的组合循环。该组合循环发动机在以低负荷和中等负荷工作时很象具有NOx排放物形成少和热效率高特点的传统的狄塞尔循环的直喷式发动机，而在高负荷时该发动机转换到闭环的理想化合的空燃比工作状态，在此工作状态传统的NOx还原催化剂(可通过排气再循环)保证NOx低排放。
在按照本发明的内燃机工作时，车辆负荷被连续监控并被看作低负荷或者高负荷。根据检测到的低负荷状态在进气冲程中第一部分未节流的空气被导入活塞气缸的燃烧室中，并在压缩冲程的上止点附近开始喷射第一部分燃料，以形成一稀薄燃烧混合物，其中第一部分空气超过具有理想化合的数量。该稀薄燃烧混合物是以一种传统方式点燃。根据检测到的高负荷状态，在进气冲程中第二部分空气被导入燃烧室，并且，在压缩冲程中第二部分燃料开始喷射相对于上死点大大早于第一部分燃料的喷射开始时刻，对第二部分的空气和燃料加以控制，以提供一种理想化合的燃烧混合物，这种燃烧混合物同样是以传统方式被点燃。
因此，当发动机的负荷增加时，燃料喷射定时是从通常的轻负荷不均匀燃烧的延迟喷射转变为均匀燃烧所必需的提早喷射。燃料的这种提早喷射是采用直接喷射，并可提早在发动机的进气冲程中出现。从而，在进气冲程和压缩冲程中出现良好的混合，而在该第二种工作方式(即具有理想化合的空燃比的均匀燃烧)工作中，在点火时则出现均匀的燃烧，在另一实施例中，也可通过进气岐管喷射或汽化作用增加燃料以补充或代替直接燃料喷射。
在高负荷时闭环的理想化合的空燃比工作是通过高的排气再循环和/或空气节流来实现的。为实现闭环的理想化合的空燃比工作，必需通过一闭环反馈系统对空气、燃料或排气再循环进行调节。该较佳方法是为空气节流开环设定值而通过传统节流体或节流口的燃料喷射用闭环燃料调节进行补充。在任何情况下，在较高功率、较高负荷状态时下以这种方式以具有理想化合的空燃比工作保证了均匀燃烧，而这反过来又提供了高的功率输出，高的效率和低的NOx排放。
从对轻负荷工作最有利的直喷的不均匀燃烧向为较高负荷所必需的均匀的具有理想化合的空燃比闭环工作的转换可根据最佳测试确定，以在满足低NOx排放要求的同时保证高的燃料经济性，并可将根据发动机尺寸和燃烧室的几何形状而作某些变化。负荷可以任何传统方式加以检测，包括对用于具有理想化合的空燃比的高负荷工作所需的节流开度或空气质流量进行检测。虽然最佳转换点可随着发动机尺寸、燃烧室的几何形状和NOx排放的目标水平而变化，但它通常可被设定在大约三分之一的最大负荷，例如在30-35％最大负荷范围内的一点处。
可采用一以传统方式安装和定位的传统的O2传感器来控制高负荷工作时的喷射的燃料量。相应于节流位置对低负荷工作时喷射的燃料量进行控制。
本发明的方法可采用我们的共同待批的第08/432,423号美国专利申请有利地加以实施，其揭示内容援引于此供参考。在采用该新型的发动机设计时，通过将燃料直接喷入内含有例如30-50％空气充量(剩余的空气量在挤压室中或在活塞或活塞头上的外环室中)的主燃烧室内，而在低负荷和中负荷时获得组合循环工作。通过将新鲜空气充量机械地分成两个区域，这种内燃室在轻负荷工作过程中可提供良好的燃烧和低的碳氢化合物排放，而这对于直喷式发动机是一个典型问题。虽然采用这种新型的发动机设计可预期获得轻负荷时低的碳氢化合物排放，通过采用其它燃烧室包括传统的单碗形或“开式”燃烧室也可实现组合循环工作。
确信本发明可适用于：(1)很多种的燃烧室几何形状，包括一种活塞顶内的单碗形燃烧室与活塞顶内的扁平燃烧室，(2)各种燃料点燃技术，包括电热塞点燃和自动点燃燃料或采用燃料添加剂，(3)适用于采用具有理想化合的空燃比介质的各种选择方案进行的低负荷工作以及高负荷工作的燃料直接喷射，包括仅采用直接喷射系统，仅采用与进入的空气充量一起导入的燃料，以及直接喷射和由空气导入的燃料的各种组合的提早喷射，以及(4)任何能以均匀的燃烧特性工作的燃料，包括如柴油、汽油、各种酒精那样的燃料、以及气体燃料。
附图简单说明
图1为活塞/气缸组件的局部的轴向剖视图，图中示出适用于本发明的发动机的第一实施例，并示出活塞处于其上止点位置。
图2为图1所示活塞的俯视图。
图2a为示出一变型的图1所示活塞一部分的俯视图。
图3为一活塞/气缸组件的局部轴向剖视图，示出适用于本发明的发动机的第二实施例，并示出活塞处在其下止点位置。
图4为用于按本发明控制了动机工作的燃料喷射系统的方框图。
图5为表示两种工作方式的曲线图，其中横坐标表示最大发动机负荷的百分比，纵坐标表示可提供O2的质量与具有理想化合的空燃比燃烧所需O2的质量之比。
较佳实施例描述
现参见图1，其中示出一发动机气缸1和一配置在气缸1中如图所示处于其上止点位置的活塞2。气缸1的上部是在气缸盖3中形成，该气缸盖3支承一燃料喷射装置4和一火花塞5，该燃料喷射装置和火花塞在所示实施例中靠近气缸轴线6并在其相对两上侧相对其倾斜。构成气缸1的上端的气缸盖3的内表面3a基本上是平的，仅在喷射装置4和火花塞5的入口区域有一微凹部。为简化起见，进气门和排气门均未示出。
燃烧室7系由活塞1的上表面和隔离气缸1的气缸盖3的内表面3a形成。在活塞的上侧布置一环形脊8，它将燃烧室7再分成内部分燃烧室7.1和外部分燃烧室7.2。该内部分燃烧室7.1是处在喷射装置4和火花塞5的有效范围内。该环形脊8设有多个穿孔，它们所由设在脊8中的向上开口的径向槽9构成，通过它们即使活塞2如图2所示位于其上止点位置，两个部分燃烧室7.1和7.2也可相互连通。外部部分燃烧室7.2被靠近并沿活塞2的外上周边布置的外脊10围绕。
在图1所示的实施例中，部分燃烧室7.1和7.2与环形脊8和外脊10系一起在一镶嵌件11中形成，该镶嵌件是由其导热性小于活塞材料导热性的材料制成，故在进气和排气冲程中，在燃料喷射时与燃料直接接触的燃烧室区域保持高温。镶嵌件11被容置在一设于活塞2的头部(上表面)上的凹入部2a中。
然而，将部分燃烧室7.1和7.2直接设置在活塞体上是可行的。在这种情况时，最好是至少在部分燃烧室的区域对活塞上表面提供陶瓷涂层，例如可通过离子喷镀工艺进行涂覆。
如图2所示，环形脊8与气缸和活塞轴线6同轴线，故部分燃烧室7.1为圆形而部分燃烧室7.2为圆环状。在喷射装置4和火花塞5相对于气缸轴线6的一种替代的几何配置中，部分燃烧室7.1被移向火花塞5。而在相对于气缸轴线6偏移的这样一种情况下，环形脊8可以具有这样一种形状，它与完全环形的形状不同，并可与在燃烧室中的流动特性特别是从内部分燃烧室向外部分燃烧室转换时的火焰边界的走向相配合。
在图2所示的实施例中，将内部分燃烧室7.1与外部分燃烧室7.2连通的穿通脊孔9是相对于喷射装置4和火花塞5中心对称地布置(图1)，并具有一星形的径向朝向，以保证火焰前锋从内部分燃烧室7.1进入外部分燃烧室7.2具有一均匀的通道，因而在外部部分燃烧室7.2中也产生均匀的燃烧进程。在图2a所示的变型中，设置在环形脊8中的穿孔9a不是成径向的；而是每个穿孔9a的通道轴线a相对于横越脊8的径线d成一角度α并向各穿孔9a的轴线a延伸。
图3示出一适用于本发明的往复活塞式发动机的另一实施例。安装在发动机缸盖20中的是一直接喷射燃料的喷嘴22和一点火源，在该实施例中为电热塞23。如前所述，燃料在轻负荷时直接喷入一单燃烧室24(位于活塞25内)并通过电热塞23点火。燃烧室24中的气体可以完全是空气或空气与再循环排气的混合物，它们是在未经专门的流动限制即未经节流的情况下被引入。
图4示出用于对一种具有例如前述的燃烧室结构的往复活塞式发动机的气缸进行发动机控制(燃料喷射控制系统)的方框图。该控制系统主要包括一发动机控制装置12，发动机温度、发动机每分钟转速和排气中的氧气含量作为工作参数分别通过输入装置13、14和15输入控制装置。通过与气体踏板连接的传感器16，由一驱动装置将所需负荷传向控制装置12。高负荷工作与低负荷工作之间的转换被设定在最大发动机负荷的30-35％范围内的一个数值，如由节流位置例如通过传感器16检测到的加速踏板的位置表示。通常，向高负荷工作的转换可在1.3-1.8之间的一个λ值，其中λ定义为充气中的氧气与提供具有理想燃烧的氧气量的质量比。当达到该值时，发动机控制装置12即指示一尽快与良好的工作性能(平稳行驶)一致的转换。
在图4所示的实例中，发动机E装有一用于将燃料直接喷入燃烧室的喷射装置4和火花塞5，如图1所示。相应地，将一来自发动机控制装置12的调节信号加到喷射装置4的喷射阀上。以这种方式可对喷射的持续时间进行控制，从而控制喷射量，该喷射量是作为由传感器16传给发动机控制装置12的负荷信号的函数。并相应于来自传感器16的信号对喷射定时进行控制，这在后面将要具体说明。
除喷射装置4以外，发动机E还具有一喷射装置17，该喷射装置17通往发动机E的活塞/气缸单元的进气管道18内并可通过发动机控制装置12加以控制。在进气管道18内有一个可通过发动机控制装置12在一预定范围内加以控制的蝶阀19。
借助于上述的发动机控制，一结构如图1或图3所示的发动机即使以酒精为燃料也能在整个负荷范围工作而排污最小。当然，本发明也可适用于其它更常用的内燃机燃料。
高负荷燃料喷射系通过燃料喷射器4，最好是在压缩冲程中上止点(TDC)前至少40°，较佳为TDC前至少90°，而最佳在进气冲程中开始喷射。这种提早的高负荷燃料喷射可获得更完全的燃料汽化和充气冷却并形成均匀或接近均匀的燃料/空气混合物。虽然图1示出燃料喷射器4是位于气缸盖上，但也可使燃料喷入进气岐管以获得更充分的混合和更均匀的燃烧。低负荷燃料喷射是在TDC前20°或更小提前角时开始。
在低负荷时将空气基本上未经节流导入，并将一定量的燃料(“第一部分”)导入以提到一种稀薄燃烧混合物，其中空气量大致上超过一具有理想化合的空燃比。在形成高负荷燃烧混合物时，空气量和燃料量均被控制以得到一种基本理想化合的空燃比的燃烧混合物。
图5为表示两种组合循环工作方式的曲线图。低负荷方式出现在未节流、稀薄燃烧的“轻”负荷时。高负荷方式出现在“较高”负荷时，其特点是以理想化合的空燃比燃烧。以区域30表示的部分负荷范围的特征是其中发动机以稀薄方式无节流工作，即λ＞1。发动机控制系统设计成随着转换区域31中的负荷增加λ值减小，直至达到1。当进一步增大发动机负荷时，喷射开始，并将喷射持续时间调节成在整个高负荷范围32内维持具有理想化合的空燃比，(即λ＝1)，直至达到全负荷极限值。
本发明可在不违背其精神和基本特点的情况下以其它形式实施。因此，前述的这些实施例在所有方面均应被认为是说明性的而并非是限定性的，本发明的范围由所附权利要求而非由前而的说明限定，因而落入权利要求方案的等同物的含义范围内的所有变化均应包含在本发明的保护范围中。

Claims (16)

1.一种使排气中的NOx排放量减少到最少程度的内燃机的工作方法，所述内燃机的一个燃烧室与多个活塞气缸中的每一个相连接，所述方法包括：
当低负荷或高负荷时对车用发动机进行负荷检测；
相应于检测到的低负荷，在进气冲程中将第一部分空气导入燃烧室，并在压缩冲程中临近上止点时，开始喷射第一部分燃料，以形成一第一部分稀薄燃烧混合物，其中空气的第一部分数量超过理想的化合空燃比；
点燃所述的稀薄燃烧混合物；
相应于检测到的高负荷，在进气冲程中将第二部分空气导入燃烧室，并且，在压缩冲程中开始喷射第二部分燃料相对于上止点大大早于第一部分燃料喷射开始时刻，对所述第二部分的空气和燃料加以控制，以提供一具有理想化合空燃比的第二部分燃料混合物；以及
点燃所述具有理想化合空燃比的燃烧混合物。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一部分空气是未经节流的。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一部分空气的数量是具有理想的化合空燃比数量的1.5-10倍。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第二部分燃料至少在上止点前40°时开始喷射。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一部分燃料是在上止点前20°或更小提前角时开始喷射。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一部分燃料是在上止点前20°或更小提前角时开始喷射。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二部分燃料至少在上止点前40°时开始喷射。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一部分燃料是在上止点前20°或更小提前角时开始喷射。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二部分燃料至少在上止点前90°时开始喷射。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二部分燃料是在进气冲程中喷射。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，将一个小于发动机最大负荷的30-35％范围内值的被检测到的负荷作为一低负荷，而将一大于所述值的检测到的负荷作为一高负荷。
12.如权利要求5所述的方法，其特征在于，将一个小于发动机最大负荷的30-35％范围内的值的检测到的负荷作为一低负荷，而将一大于所述值的检测到的负荷作为一高负荷。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括在高负荷过程中对排气中的氧气成分进行传感和对所述第二燃料量进行控制，相应于所传感到的氧气成分，将所述第二燃烧混合物维持在基本理想化合的空燃比处。
14.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括检测在高负荷时排气中的氧气含量和根据检测到的含氧量控制所述第二部分燃料量，以使所述第二部分燃烧混合物维持在基本理想化合的空燃比处。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在高负荷时检测排气中的含量和根据检测到的含氧量控制所述第二部分燃料量，将所述第二燃烧混合物维持在基本理想化合的空燃比处。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括检测节流位置和根据节流位置控制所述第一部分的燃料量。
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