CN1236205C - 用于将双燃料喷射到内燃机中的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

两种不同的燃料喷射到内燃机的燃烧室内。主要燃料由比主要燃料更易于自燃的引燃燃料点火。根据本方法,监控发动机负载状况,并将负载状况组限定为低负载状况和高负载状况。对于每组负载状况限定不同的工作模式。在低负载状况下,主要燃料和空气的均质混合物过于稀薄而不能确保稳定燃烧;于是,主要燃料紧随着引燃燃料的喷射而以高压喷射。在高负载状况下,燃料以三个阶段喷射,在第一阶段,主要燃料在其引入燃烧室之前与吸入空气混合,或者主要燃料在吸气冲程或在压缩冲程早期喷射。

Description

用于将双燃料喷射到内燃机中的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于将双燃料喷射到内燃机的燃烧室中的技术,更具体地说,本发明涉及适用于轿车、卡车、公共汽车、机车、船舶和其他形式的交通工具的内燃机以及与能量产生和工业应用相关的发动机中的双燃料喷射技术。

背景技术

柴油发动机向天然气转变的工作已经在一段时间内成为内燃机工业的目标。天然气是一种清洁的燃烧燃料(相对于柴油),这意味着当发动机用天然气燃料取代柴油燃料时,发动机可以以氮氧化物(NOx)和颗粒物质(PM)的排放水平降低的条件下工作。

用于将柴油发动机转化为天然气的工作的一种公知方法被称为双燃料工作。典型地是,双燃料发动机将天然气与吸入空气混合,之后将空气/天然气混合物引入发动机气缸中(现有技术中公知为烟熏(fumigation)的过程)。由此,在吸气冲程中均匀的空气/天然气混合物引入活塞气缸中。在压缩冲程中,均质混合物的压力和温度上升。在接近压缩冲程结束时,少量的引燃柴油被用于点燃空气/天然气混合物。采用均质的空气和天然气混合物的优点在于燃料对空气的比(F/A比)可以得以控制,以便以稀薄均质方式燃烧,并与相当的柴油燃料发动机相比,实现较低的NOx排放和较少的颗粒物质。

然而,这种双燃料方法具有两项主要缺点。第一项主要缺点是在高负载发动机工作条件下遇到,此时压缩冲程过中活塞气缸内的升高的温度和压力使得空气/天然气混合物易于爆震。爆震是一种不受控制的燃烧过程,其导致热非常高速地释放,这会造成燃烧室内的压力快速波动,或造成本身大到足以损坏活塞和相关的发动机部件的压力。用于降低爆震风险的少数措施包括降低发动机的压缩比或限制功率和扭矩输出,但是这些措施导致发动机循环效率的相应降低(即,不能从每个活塞行程获得尽可能多的功率)。第二项主要缺点在于在低负载发动机工况下,燃料和空气的混合物变得过于稀薄,以至于不能通过火焰传播来支持稳定的燃烧,并导致不完全燃烧或缺火。可以节流吸入空气流,以将F/A比维持在可燃性极限之上,但这会不利地影响发动机的效率。

最近,在现有技术中已经公知了一种不同类型的双燃料燃烧发动机,在此称之为“高压直喷”(HPDI)气体发动机。类似于上述的传统双燃料方法,HPDI气体发动机燃烧大量的气态燃料,通过降低NOx和颗粒物质的排放水平来改善柴油燃料发动机。另外,HPDI气体发动机已经证明达到了与现有技术状态的柴油燃料发动机相同的燃烧效率、功率和扭矩输出。作为HPDI气体发动机基础的工作原理为在接近压缩冲程结束时两种燃料在压力下喷射到燃烧室内。根据一种方法,少量的引燃燃料(一般为柴油)紧随着更大量的气态燃料喷射到气缸中。引燃燃料在压缩冲程结束时气缸内的压力和温度下容易点火,而引燃燃料的燃烧触发气态燃料的燃烧,否则,气态燃料可能难于点燃。公知的HPDI气体发动机不使燃料和空气预混合,结果,他们以扩散燃烧模式燃烧,而不是预混合燃烧模式。在扩散燃烧模式中,认为大量的燃烧是在近当量反应区的位置内发生,在此温度及其导致的NOx形成相对高(与稀燃预混合燃烧所造成的温度及其导致的NOx形成相比)。

发明内容

提出了一种改进方法,用于将燃料引入工作中的内燃机的燃烧室内。该发动机包括至少一个设置在气缸内的活塞。引入燃烧室内的燃料包括主要燃料和引燃燃料,引燃燃料比主要燃料更易于自燃。该方法包括:(a)检测一组关于发动机的负载状况;(b)当探测到第一预定组负载状况时采用低负载工作模式,第一预定组负载状况对应于当理想的主要燃料对空气的比小于主要燃料和吸入进气的均质混合物的标定的预混合燃烧稳定性极限时存在的负载状况,并且当探测到第二预定组负载状况时采用高负载工作模式,其中在以曲轴每分钟转数(RPM)的形式测量的可操纵的给定发动机转速下,第二组负载状况对应于大于与第一预定组负载状况相应的发动机负载的发动机负载;(c)在低负载工作模式中,当气缸加压时、且活塞处于或靠近上止点时将引燃燃料和主要燃料引入燃烧室内;以及(d)在高负载工作模式中,将引燃燃料和主要燃料以三个相继的阶段引入燃烧室内,由此在吸气冲程和压缩冲程至少一个的过程中主要燃料的第一部分在第一阶段引入,引燃燃料在压缩冲程过中在第二阶段引入,以便当活塞处于或靠近上止点时引燃燃料点火,而主要燃料的第二部分在第三阶段引入。

在优选方法中,低负载工作模式还包括在压缩冲程过中以定时的方式将引燃燃料引入,使得引燃燃料在活塞处于或靠近上止点时点火,而主要燃料在引燃燃料之后依次引入。

当主要燃料的至少一部分在引燃燃料之后依次引入(晚喷射)时,根据本发明的优选方法,主要燃料的晚喷射部分在引燃燃料引入后曲轴旋转零和九十度之内引入。

当主要燃料的至少一部分在引燃燃料之前引入(早喷射)时,在优选的方法中,早喷射的主要燃料的引入在第二阶段引燃燃料引入开始之前完成。一般,理想的是将早喷射主要燃料较早地引入,而不是较晚引入,这是因为这将给早喷射的主要燃料更大的机会,以与吸入空气混合而形成均质混合物。于是,在优选方法中,第一阶段早喷射主要燃料的引入在吸气冲程过中发生。在替换性方法中,第一阶段早喷射主要燃料的引入是接近在压缩冲程开始活塞处于或靠近下止点时发生。

在高负载工作模式下,第二阶段引燃燃料的引入是在压缩冲程过中活塞处于或靠近上止点时发生的。类似于低负载工作模式,理想的是将引燃燃料在压缩冲程内引入,并且引燃燃料定时为在活塞处于或靠近上止点时引燃燃料点火。

在本方法的一个实施例中,当选择高负载工作模式时,第二阶段引燃燃料的引入在第三阶段主要燃料引入开始时持续进行,从而在第二和第三阶段中存在一个重叠。另外,第二和第三阶段可以同时开始,且第三阶段在持续时间上较长。然而,在优选方法中,第二和第三阶段的开始是顺次的,并间隔至少曲轴转动五度。

优选方法可以还包括:(e)当探测到第三预定组负载状况时,采用中度负载工作模式,其中,在任何给定发动机转速下,第三预定组负载状况对应于比对应于第一预定组负载状况的发动机负载大的发动机负载,而在相同转速下,比对应于第二预定组负载状况的发动机负载小的发动机负载;其中,中度负载工作模式包括将主要燃料和引燃燃料顺次引入燃烧室内,由此主要燃料在引燃燃料之前引入燃烧室内,引燃燃料在压缩冲程过中引入,而引燃燃料的引入定时为引燃燃料在活塞处于或靠近上止点时点火。

当采用中度负载工作模式时,早喷射的主要燃料以主要燃料相当大的量在燃烧之前在气缸内与空气混合的方式引入,优选地是,主要燃料和空气成为均质混合物。为了为主要燃料和空气混合提供更多的时间和机会,在优选方法中,主要燃料在吸气冲程过中引入燃烧室内,以这种方式,主要燃料和空气在吸气冲程的剩余期间和压缩冲程的整个持续期间内混合。

中度负载工作模式和高负载工作模式之间的边界优选地通过标定的爆震极限来限定。

当采用高负载工作模式时,在第三阶段引入的主要燃料量可以根据探测到的负载状况组控制。例如,当探测到的负载条件组表明发动机负载增大时,第三阶段内引入的主要燃料量可增大。为了降低NOx和颗粒物质的排放,当需要更多燃料以满足所需的发动机负载时,一般优选地是增加组要燃料量,而不是增加引燃燃料量。

在优选方法中,在第一阶段引入的主要燃料量根据探测到的负载状况组可变化,发动机优选地具有标定的爆震极限,而引入的主要燃料量优选地在第一阶段得以控制,以提供稀燃预混合燃烧,并维持主要燃料对空气的比小于爆震极限。

爆震极限值可以根据发动机的工况(如发动机转速、进气歧管进气压力或温度)加以改变,而当发动机工况改变时,需要调节在第一阶段引入的主要燃料量,以防止爆震。在主要燃料成分变化时爆震极限也会改变。例如,天然气的成分和质量可以可能在世界不同部分有所不同,或即使在世界上相同部分,他们也有所不同。当燃料的成分和质量变化时,会存在一系列根据燃料成分和质量的标定值。然后在第一阶段引入的主要燃料量可以根据现有主要燃料的成分和质量所确定的标定值来调节。

在另一实施例中,为了简化燃料喷射控制,当选择高负载工作模式时,在第一阶段内引入的主要燃料量可以保持恒定。在这个实施例中,为了防止爆震,选择固定量的主要燃料,该固定量值在所有发动机工况下提供小于标定爆震极限的第一阶段主要燃料对空气的比,并针对大范围的主要燃料的可预期的成分和质量。即,在这个实施例中,可以存在主要燃料对空气的比远小于爆震极限的负载状况。

在优选方法中,探测关于发动机的负载状况组包括测量发动机的转速和发动机节气门位置。当确定燃料需求和喷射正时时也可以可选地监控和考虑额外的参数。例如,该方法可以进一步包括以下中的一个或多个:(1)测量发动机进气歧管进气温度;(2)测量发动机冷却液温度;(3)测量进气歧管进气压力;(4)测量进入燃烧室的空气流速;以及(5)探测气缸内的爆震。

在该方法的一个实施例中,主要燃料早期喷射是通过采用烟熏实现的,以在引入燃烧室之前主要燃料与吸入空气预混合。这个方法需要与用于将主要燃料引入吸入空气气流中的外部导管相关联的附加的燃料喷射器。例如,这种燃料喷射器可以位于进气气门上游的吸入空气歧管内。烟熏可以用于在中度负载工作模式下或在高负载工作模式的第一阶段内引入主要燃料。

该方法可以进一步包括根据探测到的关于发动机的负载状况组限定预定的主要燃料与引燃燃料的比(Fg/Fp),并根据预定的Fg/Fp比将主要燃料和引燃燃料量引入燃烧室内。对于不同组负载状况,Fg/Fp比例如可以凭经验确定。一旦确定了主要燃料Fg的理想量,在高负载工作模式下,第一阶段内引入的主要燃料量(Ffg)被限定以防止燃料对空气的比(Ffg/A)超过标定的爆震极限。

优选地采用控制系统,以根据探测到的负载状况组控制将主要燃料和引燃燃料引入燃烧室内的正时。

在优选方法中,主要燃料是气态的,且优选地是从气态碳氢化合物和氢气构成的组中选取。例如,气态碳氢化合物可以是天然气、液化石油气、或气态燃料的混合物。引燃燃料可以是液体,并优选地从液态碳氢化合物,如例如是柴油和二甲基醚(DME)和液态燃料的混合物构成的组中选取。

采用所公开的方法的发动机可以给车辆,如例如是轿车、卡车、船舶或潜艇提供能量。然而,发动机也可以用作固定电厂的一部分,例如,提供机械能量或发电。

将燃料引入工作中的内燃机的气缸中的优选方法可以进一步包括在不可能高效燃烧燃料和空气混合物时,在预定的特殊工况下以特定工作模式工作。例如,特定工况可以包括发动机启动和发动机怠速工况。在特定工作模式下,主要燃料在引燃燃料引入后依次引入燃烧室内,在一个实施例中,特定工作模式与低负载工作模式相同。

优选方法可以进一步包括当采用高负载工作模式时将进气歧管进气温度增大到周围温度之上。例如,可以利用废气再循环来增加进气歧管进气的温度。进气歧管进气温度升高到周围温度之上具有利于与吸入空气预混合的燃料的燃烧。于是,该方法可以进一步包括当采用中度负载工作模式时将进气歧管进气温度升高到周围温度之上。

在本方法的另外实施例中,第一预定组的负载状况对应于理想的主要燃料对空气比小于主要燃料和吸入空气的均质混合物的标定可燃性极限时存在的负载条件。由于与可燃性极限相关的燃料对空气的比大于或等于预混合燃烧稳定性极限,因此在很宽的负载状况范围内采用低负载工作模式。

一种改进装置将燃料引入工作中的内燃机的燃烧室内,该内燃机具有至少一个带活塞的气缸。燃料包括主要燃料和引燃燃料。引燃燃料比主要燃料更易于自燃。该装置进一步包括:(a)用于从内燃机收集工作数据的测量装置,测量装置包括用于测量发动机转速的转速计和用于确定节气门位置的传感器;(b)接收工作数据并处理该数据以计算一组负载状况的电控单元,该电控单元包括存储器,存储器用于存储负载状况的控制组和针对负载状况控制组的预定工作模式,电控单元将负载状况的计算组与负载状况的控制组加以匹配,以选择出一个预定的工作模式;(c)由电控电源控制的主要燃料喷射器,以便以电控单元根据预定的工作模式和该组负载状况确定的量并多次将主要燃料引入燃烧室内;以及(d)由电控单元控制的引燃燃料喷射器,以便以电控单元根据预定的工作模式和该组负载状况确定的量并多次将引燃燃料引入燃烧室内;其中,预定工作模式包括低负载工作模式和高负载工作模式。在低负载工作模式中,引燃燃料和主要燃料在气缸加压时引入燃烧室内。高负载工作模式包括燃料三个阶段顺次引入燃烧室内,由此,主要燃料的第一部分在第一阶段引入,引燃燃料在第二阶段引入,而主要燃料的第二部分在第三阶段引入。第一阶段优选地时间上与第二和第三阶段隔离,以便第一阶段在第二和第三阶段开始之前完成。

在该装置的优选实施例中,可以采用双燃料喷射器,该喷射器将主要燃料喷射器和引燃燃料喷射器整合到单独一个装置中。双燃料喷射器可以彼此独立地喷射主要燃料和引燃燃料中任一种。

在该装置的替换性实施例中,该装置还包括辅助喷射器,用于将主要燃料的至少一部分引入空气引入系统中。辅助喷射器可以位于空气引入系统的任何位置处。在这个替换性实施例中,当主要燃料对空气的比高于预混合燃烧稳定性极限(下面限定)时,主要燃料可以通过辅助喷射器引入。主要燃料通过辅助喷射器引入的部分在引入燃烧室之前具有与吸入空气混合的机会。这种替换性实施例的另一优点在于主要燃料可以以低压通过辅助喷射器引入,由此通过减少需要以高压直接引入燃烧室内的燃料量来增大效率。当发动机包括多个活塞时,可以采用多个辅助喷射器。

测量装置可以包括下面中的一个或多个:用于测量发动机吸入空气温度的探头;用于测量发动机冷却液温度的探头;用于测量吸入空气增压压力的装置;用于测量燃烧室内空气流量的流量计;以及用于探测燃烧室内过早爆炸的传感器装置。

在该装置包括用于探测过早爆炸的传感器装置的情况下,当探测到过早爆炸时,电控单元可以采取措施,如减少第一阶段内引入的主要燃料量,以防止再次发生。

本发明还提供一种操纵内燃机的方法,其中所述方法将主要燃料和比所述主要燃料更易自燃的引燃燃料喷射到燃烧室内,所述方法包括:(a)探测一组发动机工作状况和理想发动机负载;(b)基于能量计算满足理想负载所需的总燃料;(c)基于所述所需的总燃料选择预定的引燃燃料量;(d)基于能量将所需的主要燃料量计算为等于所述所需的总燃料减去所述预定的引燃燃料量的量值;(e)由所述组发动机工作状况确定空气流量;(f)基于所需的主要燃料量和所述确定的空气流量计算主要燃料对空气的比;(g)确定是否存在发动机启动和怠速状况;(h)如果所述发动机启动和怠速工作状况存在,则选择特定工作模式,由此,当选择所述特定工作模式时,主要燃料和引燃燃料正时被设定为喷射引燃燃料以开始燃烧,并在喷射所述引燃燃料后喷射所述主要燃料;(i)如果不存在发动机启动和怠速工作状况,所述方法包括:如果所述主要燃料对空气的比小于预定的预混合燃烧稳定性极限(C),则选择低负载工作模式,由此当选择所述低负载工作模式时,主要燃料喷射正时和引燃燃料喷射正时设定成喷射引燃燃料以开始燃烧,而所述主要燃料在喷射所述引燃燃料之后喷射;以及如果所述主要燃料对空气的比大于C,则选择高负载工作模式,由此当选择高负载工作模式时,所述主要燃料以两个阶段喷射,且所述主要燃料的第一部分在喷射所述引燃燃料之前喷射,喷射所述引燃燃料以开始燃烧,而主要燃料的第二部分在喷射所述引燃燃料之后喷射。

这种双燃料喷射方法和装置的其他优点将在联系详细描述考虑附图时得以理解。

附图说明

图1示出负载状况如何用于限定多个工作模式的两条说明性曲线。在图1a中,水平轴代表发动机转速,垂直轴代表负载状况,而线C代表预混合燃烧稳定性极限,该极限分隔两种不同的工作模式,线M代表发动机最大负载极限。在图1b中,垂直轴代表燃料对空气的比。由于燃料对空气的比一般和发动机负载相关,因此燃料对空气的比被用在图1b的垂直轴上,以表明诸如燃料对空气的比的参数可以用作发动机负载的标志,以确定理想的工作模式。线C和K将负载状况分为三个不同的工作模式。线C也表示预混合燃烧稳定性极限,而线K代表爆震极限。线M也代表发动机最大负载极限;图2是发动机燃烧室的局部横截面图,其示出了在低负载状况下,当活塞处于或接近上止点时引燃燃料和主要燃料二者喷射到燃烧室中;包括图3a和3b的图3描绘了发动机燃烧室的局部横截面图,示出在高负载状况下燃料向燃烧室内依次喷射,图3a描绘了主要燃料的一部分在吸气冲程过中喷入燃烧室内,而图3b描绘了接近压缩冲程结束,当活塞处于或靠近上止点时引燃燃料和主要燃料的剩余部分的喷射;包括图4a和图4b的图4描绘了发动机燃烧室的局部横截面图,示出了在中度负载状况下燃料向燃烧室内的依次喷射,图4a描绘了在吸气冲程过中主要燃料喷射到燃烧室内,而图4b描绘了压缩冲程过中当活塞处于或靠近上止点时引燃燃料的喷射;图5是描绘了用于将主要燃料和吸入空气混合的另一结构的燃烧室的局部横截面图,在这种结构中,取代主要燃料和吸入空气在燃烧室内混合,他们在燃烧室外预混合(即,在引入燃烧室内之前);图6是控制逻辑图,它给出了可以由电控单元采用来实现所公开的方法的一种控制逻辑的示例,在该方法的这个实施例中,确定了与发动机负载相关的燃料对空气的比,并将其用于选择理想的工作模式。

具体实施方式

本方法中,燃料被喷射到具有至少一个往复活塞和与活塞相关联的曲轴的内燃机的燃烧室内。该方法涉及两种燃料,一种为引燃燃料,这种燃料比第二燃料更易于自燃。第二燃料优选地为气态燃料,例如,天然气、其他气态碳氢化合物、或氢气。引燃燃料可以为液态碳氢化合物燃料或各种液态燃料的混合物,但是在优选实施例中,引燃燃料为传统的柴油或二甲基醚。

根据本方法,发动机的负载状况被监控,并限定特定组的状态,以构成采用不同工作模式时的条件。例如,与高负载工作模式相比,在低负载工作模式下燃料吸入工作中的发动机燃烧室内可以加以不同地控制。

本方法考虑至少两种工作模式。图1a为发动机负载相对于发动机转速的曲线。可以测量发动机转速,例如通过以每分钟转数(RPM)测量曲轴旋转速度。在垂直轴上测量的发动机负载与燃料对空气的比相关。图1a用曲线说明了由线C分开的两个区域,线C是通过发动机的燃料空气比的“预混合燃烧稳定性极限”来确定的。预混合燃烧稳定性极限被定义为活塞气缸内的气态燃料量不支持各种燃烧模式下的稳定预混合燃烧时燃料对空气的比(F/A)。例如,预混合燃烧模式可以是通过火焰传播或通过均质进气压燃(HCCI)。HCCI在此定义为一种燃烧模式,由此预混合燃料的燃烧在多个点处基本同时遍及燃烧室发生,并基本上没有火焰传播。HCCI被认为主要由化学动力学控制,且燃烧室内侧的湍流对这种模式的燃烧没有显著影响。因此,预混合燃烧稳定性极限与上述定义的可燃性极限不同,其中,可燃性极限被定义为活塞气缸内的气态燃料量不支持燃烧的传播模式时的F/A。于是,当燃料混合物过于稀薄不能支持燃烧的传播模式时而进行燃烧的其他模式的情况下,与预混合燃烧稳定性极限相关的负载或F/A低于与可燃性极限相关的负载或F/A。即,通过利用预混合燃烧稳定性极限作为低负载工作区域L的上限,这个区域的范围与可燃性极限被用作区域L的上限情况相比被减小,利用预混合燃烧稳定性极限作为低负载工作区域L的上限的优点为高负载工作区域H(或图1b中的中度负载工作区域I)的范围增大。

在优选实施例中,具有三种工作模式,他们对应于预定的低、中和高负载状态。这三个区域以曲线绘于图1b中。水平轴还是表示以每分钟圈数(RPM)测量的发动机转速(即曲轴转数),而在这种情况下,垂直轴指示燃料对空气的比,它是与发动机负载相关的参数。对于固定的发动机转速,燃料对空气的比随着发动机负载增大,区域L表示低负载区域,区域I表示中度负载状况的区域,而区域H表示对应于高负载状况的区域。

图1(图1a和1b)中所示的曲线仅示出了对应于不同工作模式的预定区域的一般形状,与此相关的本领域技术人员将理解到RPM以及负载或燃料对空气的比的实际数值将取决于特定发动机结构的单独特性(例如,缸孔的尺寸、冲程长度、压缩比、燃烧室的形状、或燃料的类型)。即,不同结构的发动机可能具有不同的各工作模式之间的区域边界。对于供给以特定燃料的特定发动机的边界线的数值和形状可以凭经验或理论上确定。

参照图1a,当发动机负载需要低于预混合燃烧稳定极限(即,线C)的燃料对空气的比时,这一般对应于一组负载条件,在该条件下,采用低负载工作模式。

图2示出采用低负载工作模式时将燃料引入燃烧室10内的优选方法。进气气门11和排气气门12关闭,而活塞13处于活塞气缸14内上止点处或其附近。此时,工作冲程由引燃燃料16通过喷射器15引入而开始,由于在引燃燃料16引入和实际点火和燃烧之间存在“点火延迟”,引燃燃料16优选地恰好在活塞13到达上止点之前引入,例如,引燃燃料16可以在上止点之前十五度与上止点之后二十度(通过曲轴转动角度测量)之间引入。这个范围内实际正时可以在考虑到诸如发动机转速的所测量到的工作参数的情况下加以设定。例如,随着发动机转速增大,引燃燃料16可以在发动机循环的早期引入到燃烧室10内,以便在点火延迟后的燃烧基本上与活塞13处于或靠近上止点时重合。

主要燃料17优选地随后引入燃烧室10内,即,在引燃燃料16引入后。然而,如图2所示,引燃燃料16和主要燃料17也可以同时引入,例如,通过同时开始引燃燃料和主要燃料的引入,或通过将燃料引入重叠(即,首先引入引燃燃料16,但是在引燃燃料16仍在喷射时引入主要燃料17)。是否存在重叠例如取决于发动机转速和/或满足发动机负载所需的燃料量。例如,随着发动机转速和燃料量的增大,可能会存在更大的重叠。

根据优选方法,当采用低负载工作模式时,主要燃料17并不完全与吸入空气混合,从而主要燃料17以扩散模式燃烧。在低负载工作模式下,较少的混合是理想的,以便提高可燃性,这是由于总的燃料对空气比低于预混合稳定性极限。于是,在这种模式下,主要燃料17更集中,并且可在引燃燃料燃烧的喷射器附近点火。与将气态燃料和吸入空气一同引入的传统方法不同,不需要约束吸入燃烧室内的空气量来确保燃料的可燃性。于是,当采用所公开的低负载工作模式时,不存在限制通过进气口的流量而造成的寄生压力损失。

与传统的直接喷射发动机类似,吸入空气的压缩使其温度升高,从而在压缩冲程结束时,燃烧室10内的压力和温度足以在引燃燃料16引入后(即,在点火延迟之后)点燃引燃燃料16。引燃燃料16的点燃确保主要燃料17的点燃。在低负载工作模式下引燃燃料16和主要燃料17的引入量根据所计算出的总的燃料需求量来调节,而后者是由特定转速下所探测的发动机工作的负载状况而确定。

图3示出当采用高负载工作模式时将燃料引入燃烧室10内的优选方法。高负载工作模式以三个阶段将燃料引入燃烧室10中。在第一阶段,如图3a所示,活塞13在吸气冲程过中远离喷射器15移动。吸入空气通过开启的进气气门11吸入气缸14中。在第一阶段中,主要燃料17a也引入气缸14中,在此,它与吸入空气混合。在另外实施例中(未示出),第一阶段主要燃料引入可以正时为活塞13处于下止点或在压缩冲程中当活塞13向喷射器15移动且进气气门11关闭时发生。然而,延迟第一阶段主要燃料引入会减少主要燃料17a与吸入空气混合的可能性。于是,如果第一阶段被正时为在压缩冲程过中发生,那么优选地是在压缩冲程早期阶段内、活塞13靠近下止点时发生。

限制在第一阶段过程中引入的燃料量,以降低爆震的可能性。在不造成爆震情况下可维持的最大的燃料对空气比被称为发动机爆震极限。通过限制第一阶段过程中引入的燃料量从而使燃料对空气比小与爆震极限,不需要减小压缩比,且可以维持发动机循环的效率。

第二阶段引燃燃料的引入优选地在压缩冲程过中活塞13靠近上止点时发生,如图3b所示。考虑到与低负载工作模式下引燃燃料引入相类似的参数。即,对诸如发动机转速的参数加以考虑,以便设定引燃燃料喷射的正时,从而允许点火延迟。优选地是,点火与活塞13处于或靠近上止点的时刻大致重合。在作功冲程开始时,发动机循环早期喷入的第一阶段主要燃料17a与吸入空气混合,而形成基本上均质的燃料-空气混合物18。当引燃燃料16在燃烧室10内自燃时,引燃燃料16的燃烧确保了燃料-空气混合物18的燃烧。由于燃料-空气混合物18基本上是均质的并较稀薄,燃料和空气混合物18的燃烧产生如下的优点,即,至少一部分燃烧是“稀燃均质燃烧”(即,导致NOx和颗粒物质排放的减少)。

由于在第一阶段内引入的主要燃料量被限制为防止爆震,然而,如果在高负载状态下需要更多燃料来满足发动机负载需求,额外的主要燃料17b量在第三阶段引入。

与低负载工作模式类似,引燃燃料16和第三阶段主要燃料17b可以同时喷射或以重叠模式喷射。然而,在优选方法中,第三阶段在第二阶段引燃燃料引入之后并间隔至少曲轴旋转五度而随后发生。在图3b中,活塞13由燃烧室10内的燃料的燃烧推动而远离喷射器15移动。第三阶段优选地不晚于作功冲程的早期发生,这是由于在作功冲程早期引入额外的燃料比其在晚期加入的效果更大。第三阶段主要燃料的引入优选地在连接到活塞13上的曲轴旋转超过引燃燃料16引入点大于九十度之前完成。

由于主要燃料17b在压缩冲程结束时或在作功冲程过中引入,其没有机会与燃烧室10内的空气完全混合。于是,第三阶段主要燃料17b基本上以燃烧的扩散模式燃烧。由于第一阶段引入的燃料量收到发动机爆震极限的限制,在高负载条件下,发动机功率输出通过调节第三阶段引入的主要燃料17b的量予以控制。

当主要燃料为诸如天然气或氢气的燃料,且引燃燃料为柴油时,在第三阶段引入主要燃料的额外充量增大了主要燃料的比例,主要燃料被用来满足高负载状况下的发动机需求。在高负载工作模式的优选实施例中,以能量计,引燃燃料16的量呈现出总燃料量的1~15%,且主要燃料17a和17b提供均衡。

于是,所公开的在高负载状况下将主要燃料和引燃燃料以三个阶段引入的方法减少了爆震的可能性,通过利用稀薄的预混合燃烧模式和燃烧的扩散模式二者提供高效的工作。利用预混合燃烧稳定性极限作为高负载工作的下限(见图1a)或中度负载工作的下限(见图1b)的优点在于与可燃性极限作为这个下限相比、它允许发动机受益于更多的稀燃均质燃烧(并降低排放)。与传统操纵方法相比,这个方法也在降低NOx和颗粒物质排放的同时维持较高的发动机功率输出。

对于某些发动机,在低和高工作模式之外限定中度工作模式也可能是理想的。例如,中度工作模式可以在负载状况处于图1b所示的区域I之内时选取。在优选实施例中,区域I和区域L之间的线由预混合燃烧稳定性极限(C)限定,而区域I和区域H之间的线由爆震极限(K)定义。

图4示出采用中度负载工作模式时将燃料引入燃烧室10内的方法。中度负载工作模式以两个阶段将燃料引入燃烧室10内,在这种模式下,燃料对空气比高于预混合燃烧稳定性极限,而低于爆震极限,因此所有主要燃料17a可以在第一阶段引入燃烧室10内,如图4a所示。在这种工作模式下,引入燃烧室10内的主要燃料17a的量可以响应发动机负载而加以调节。

在图4a中,在吸气冲程过中,活塞13远离喷射器15移动。吸入空气通过开启的进气气门11吸入气缸14内,主要燃料17a早期引入气缸14中使得所有主要燃料17a在吸气冲程剩余阶段和整个压缩冲程内与吸入空气混合。在另外的方法中,与高负载工作模式的第一阶段类似,主要燃料的引入可以正时为在压缩冲程过中活塞13向喷射器15移动且进气气门11关闭时发生(未示出)。然而,如上所述,延迟第一阶段主要燃料的引入会减小主要燃料17a与吸入空气混合的机会。于是,如果第一阶段被正时为在压缩冲程过中发生,对其优选地是它在压缩冲程早期,活塞13靠近下止点时发生。

如图4b所示,第二阶段在压缩冲程过中发生,正时为引燃燃料16在点火延迟后、基本上在作功冲程早期活塞13处于或靠近上止点时点火。当活塞13到达上止点时,在作功冲程开始时,第一阶段主要燃料17a已经与吸入空气混合而形成基本上均质的燃料-空气混合物18。当引燃燃料16在燃烧室10内自燃时,引燃燃料16和燃料-空气混合物18开始燃烧。在中度负载工作模式下,由于主要燃料与空气混合成混合物18,这提供了“稀燃均质燃烧”的全部益处(即,降低NOx和颗粒物质的排放)。

图5示出采用中度或高负载工作模式时在吸气冲程过中将主要燃料117引入气缸114内的变动结构。取代于气态主要燃料117和空气120在气缸114内混合,辅助的喷射器125将主要燃料117引入空气引入系统中,从而主要燃料117在被吸入燃烧室110之前与空气120混合。图5示出了例如主要燃料117被引入空气引入通道119(即,空气吸入歧管)。然而,本领域技术人员可以理解到辅助喷射器125也可以位于空气引入系统的更上游。这种预混合被公知为“烟熏”。然后,燃料-空气混合物在吸气冲程过中引入燃烧室110内。混合物的引入可以通过任何公知的装置,例如进气气门111加以控制。混合物的压缩、引燃燃料喷射相位、燃烧和通过喷射器115进行的随后额外主要燃料(如果有的话)的引入,如上面参照图3b或4b所示出和解释的,取决于它是否为高负载或中度负载状况。

对于包括多个活塞的发动机,可以采用多个辅助喷射器,或者辅助喷射器125处于空气引入系统的更上游处,从而为所有活塞服务。

在优选实施例中,主要燃料对引燃燃料的比例和将燃料引入发动机燃烧室内的正时由电控单元(ECU)确定。图6是描绘了一种控制逻辑的控制逻辑图,这种ECU可以被编程以遵循这个控制逻辑。

参照图6,测量子系统201可以用于收集与目前工作状态相关的数据,在优选实施例中,测量子系统201收集与节气门位置和发动机转速相关的数据。测量子系统201可以可选地提供额外的数据,如进气歧管进气温度、发动机冷却液温度、进气歧管进气压力、空气流量、以及表示发生爆震的信息。

例如,ECU优选地接收指示测量到的节气门位置的数据,并基于能量,利用这个数据计算满足目前发动机负载所需的燃料总量(Ft)。然后,ECU确定理想的引燃燃料量(Fp),这可以例如从已经对于该发动机标定的查询表获得。然后可以轻易地计算出主要燃料量(Fg)(即,Fg=Ft-Fp)。

同时,ECU也可以接收来自测量子系统201的、表示目前空气流量(A)的数据,或ECU可以用来计算A的数据。在Fg和A已知的情况下,ECU可以计算主要燃料对空气的比(即,Fg/A)。

在优选实施例中,测量子系统201也可以向ECU发送表示目前发动机转速的数据。于是,在Fg/A和发动机转速已知的情况下,ECU可以例如通过参照存储了与图1所示相类似的信息的查询表确定理想的工作模式。在优选实施例中,如果Fg/A小于预混合燃烧稳定性极限(C),选择低负载工作模式,如果Fg/A大于爆震极限(K),选择高负载工作模式,而如果Fg/A大于C且小于K,那么选择中度工作模式。ECU也可以确定是否存在特定工作状态,如,例如发动机启动或怠速。可以针对相应的特定工作状态选择特定的工作模式。

在选择理想工作模式后,设定用于将燃料引入燃烧室内的正时。如上所述,主要燃料和引燃燃料的正时和顺序取决于所选择的工作模式。另外,工作模式内特定的正时也可以受到发动机转速和要喷射的燃料量的支配。于是,在ECU确定理想的工作模式后,设定主要燃料和引燃燃料引入正时。最后,主要燃料和引燃燃料在适当设定的时刻喷射到燃烧室内。

在测量子系统探测发生爆震的实施例中,ECU可以重新标定其存储器内的储存值,以重新标定对应爆震极限K的值,从而防止爆震再次发生。即,如果在高负载工作模式下探测到爆震,ECU可以本身重新标定,从而减少第一阶段引入的主要燃料量Ffg。如果在中度负载工作模式下探测到爆震,ECU可以通过本身重新标定成下次遇到相同负载条件时选择高负载工作模式来防止爆震的在此发生。

ECU也可以重新标定预混合燃烧稳定性极限和爆震极限,以补偿进气歧管压力和温度的变化。另外,可以监控和调节进气歧管温度和压力,以便维持预定工作状态的值大致恒定。

如在此所使用的,术语“节气门”和“节气门位置”已经在一般意义上用于传示发动机的负载需求。典型的是,这种负载需求由用户设定,并可以是脚踏板位移(在车辆发动机情况下)或预定的负载需求(在固定能量产生发动机的情况下)。一般地,存在用户可以设定负载需求的很多方式,而术语节气门(如在本申请中所使用的)应在普通意义上理解。

虽然本说明书旨在四冲程发动机,但本领域技术人员将理解到这种双燃料喷射方法也可以应用于其他类型发动机上,如两冲程内燃机上。虽然在此图示和描述了本发明特定的元件、实施例和应用,当然应理解的是由于本领域技术人员在不背离本公开的范围前提下,尤其是借助于前面的教导可以作出各种改进,因此,本发明不限于此。

Claims (51)

1.一种将燃料引入工作中的内燃机的燃烧室内的方法,内燃机具有至少一个带活塞的气缸,其中,所述燃料包括主要燃料和比所述主要燃料更易自燃的引燃燃料,所述方法包括:(a)检测一组关于所述发动机的负载状况;(b)当探测到第一预定组负载状况时采用低负载工作模式,所述第一预定组负载状况对应于当理想的主要燃料对空气的比小于主要燃料和吸入空气的均质混合物的标定的预混合燃烧稳定性极限时存在的负载状况,并且当探测到第二预定组负载状况时采用高负载工作模式,其中在以曲轴每分钟转数(RPM)的形式测量的可操纵的发动机转速下,所述第二组负载状况对应于大于与所述第一预定组负载状况相应的发动机负载的发动机负载;(c)在所述低负载工作模式中,当所述气缸加压、且活塞处于或靠近上止点时将所述引燃燃料和所述主要燃料引入燃烧室内;(d)在所述高负载工作模式中,将所述引燃燃料和所述主要燃料以三个相继阶段引入所述燃烧室内,由此在吸气冲程或压缩冲程过中所述主要燃料的第一部分在第一阶段引入,所述引燃燃料在所述压缩冲程过中在第二阶段引入,以便当活塞处于或靠近上止点时引燃燃料点火,而所述主要燃料的第二部分在第三阶段引入。
2.如权利要求1所述的方法,其中,所述低负载工作模式还包括在所述压缩冲程中,以定时方式将所述引燃燃料引入,以便所述引燃燃料在所述活塞处于或靠近上止点时点火,且所述主要燃料在所述引燃燃料之后依次引入。
3.如权利要求2所述的方法,其中,至少所述主要燃料的一部分在所述引燃燃料之后依次引入,所述至少一部分的所述主要燃料在所述引燃燃料引入后曲轴旋转零和九十度之内引入。
4.如权利要求1所述的方法,其中,所述第一阶段主要燃料的引入在所述第二阶段引燃燃料引入已经开始之前完成。
5.如权利要求1所述的方法,其中,所述第一阶段主要燃料在所述吸气冲程中引入。
6.如权利要求1所述的方法,其中,所述第一阶段主要燃料在所述活塞处于或靠近下止点时引入。
7.如权利要求1所述的方法,其中,所述第二阶段引燃燃料在接近所述压缩冲程结束、所述活塞处于或靠近上止点时引入。
8.如权利要求1所述的方法,其中,所述第二阶段引燃燃料的引入在所述第三阶段主要燃料引入开始之前完成。
9.如权利要求1所述的方法,其中,所述第三阶段主要燃料在所述第二阶段引燃燃料引入完成之后曲轴旋转至少约五度时引入。
10.如权利要求1所述的方法,还包括:(e)当探测到第三预定组负载状况时,采用中度负载工作模式,其中,在可操纵的发动机转速下,所述第三预定组负载状况对应于比对应于比第一预定组负载状况的发动机负载大的发动机负载,且所述第三组预定组负载状况对应于比第二预定组负载状况的发动机负载小的发动机负载;其中,所述中度负载工作模式包括将所述主要燃料和所述引燃燃料顺次引入所述燃烧室内,由此所述主要燃料在所述引燃燃料之前引入所述燃烧室内,而所述引燃燃料的引入在所述活塞处于或靠近上止点时发生,而主要燃料的引入定时为所述引燃燃料在活塞大体处于或靠近上止点时点火。
11.如权利要求10所述的方法,其中,当采用所述中度负载工作模式时,所述主要燃料以燃烧之前主要量的主要燃料在所述气缸内与空气混合的方式引入。
12.如权利要求10所述的方法,其中,当采用所述中度负载工作模式时,所述主要燃料在吸气冲程过中引入所述燃烧室内。
13.如权利要求10所述的方法,其中,所述中度负载工作模式和高负载工作模式之间的边界由标定的爆震极限限定。
14.如权利要求1所述的方法,其中,在所述第三阶段内引入的所述主要燃料量可变化,并取决于所述探测到的该组负载状况,从而当所述探测到的该组负载状况表示发动机负载增大时,在所述第三阶段内引入的所述主要燃料量增加。
15.如权利要求14所述的方法,其中,在所述第一阶段内引入的所述主要燃料量可变化,并取决于所述探测到的该组负载状况和标定的爆震极限,从而在所述第一阶段引入的主要燃料量保持主要燃料对空气的比小于所述爆震极限。
16.如权利要求14所述的方法,其中,在所述第一阶段内引入的所述主要燃料量大致恒定,并提供小于标定的爆震极限的主要燃料对空气的比。
17.如权利要求1所述的方法,其中,探测关于所述发动机的所述组负载状况包括测量发动机转速和发动机节气门位置。
18.如权利要求1所述的方法,其中,探测关于所述发动机的所述组负载状况包括测量发动机进气歧管进气温度和/或发动机冷却液温度。
19.如权利要求1所述的方法,其中,探测关于所述发动机的所述组负载状况包括测量进气歧管进气压力。
20.如权利要求1所述的方法,其中,探测关于所述发动机的所述组负载状况包括测量进入所述燃烧室的空气流量。
21.如权利要求1所述的方法,其中,探测关于所述发动机的所述组负载状况包括检测所述气缸内的爆震。
22.如权利要求1所述的方法,其中,所述第一阶段主要燃料在引入所述燃烧室之前与吸入空气预混合。
23.如权利要求10所述的方法,其中,在所述中度负载工作模式中,所述主要燃料在引入所述燃烧室内之前与吸入空气混合。
24.如权利要求1所述的方法,还包括根据探测到的关于所述发动机的该组负载状况限定预定主要燃料对引燃燃料的比(Fg/Fp),并根据所述预定Fg/Fp比将主要燃料和引燃燃料量引入所述燃烧室内。
25.如权利要求24所述的方法,其中,在所述高负载工作模式中,所述第一阶段内引入的主要燃料量(Ffg)被限制为防止燃料对空气的比(Ffg/A)超过标定的爆震极限。
26.如权利要求1所述的方法,还包括采用控制系统,以便根据所述探测到的该组负载状况,控制将所述主要燃料和引燃燃料引入燃烧室内的正时。
27.如权利要求1所述的方法,其中,所述主要燃料是气态的。
28.如权利要求27所述的方法,其中,所述主要燃料是从气态氢气和气态碳氢化合物构成的组中选取的。
29.如权利要求28所述的方法,其中,所述气态碳氢化合物包括天然气和液化石油气。
30.如权利要求1所述的方法,其中,所述引燃燃料是液体。
31.如权利要求30所述的方法,其中,所述引燃燃料是液态碳氢化合物。
32.如权利要求31所述的方法,其中,所述液态碳氢化合物是从柴油和二甲基醚构成的组中选取的。
33.如权利要求1所述的方法,其中,所述发动机给车辆提供动力,或所述发动机为固定发电厂的能量发生部件。
34.如权利要求1所述的方法,还包括在发动机启动和怠速状况下,以所述低负载工作模式工作。
35.如权利要求1所述的方法,还包括当采用所述高负载工作模式时,将进气歧管进气温度增大到周围温度之上。
36.如权利要求35所述的方法,还包括利用废气循环,以便增大进气温度。
37.如权利要求10所述的方法,还包括当采用所述中度工作模式时,将进气歧管进气温度升高到周围温度之上。
38.如权利要求1所述的方法,其中,所述第一预定组负载状况对应于当理想的所述主要燃料对空气的比小于所述主要燃料和吸入空气的均质混合物的标定的可燃性极限时所存在的负载状况。
39.一种操纵内燃机的方法,其中所述方法将主要燃料和比所述主要燃料更易自燃的引燃燃料喷射到燃烧室内,所述方法包括:(a)探测一组发动机工作状况和理想发动机负载;(b)基于能量计算满足理想负载所需的总燃料;(c)基于所述所需的总燃料选择预定的引燃燃料量;(d)基于能量将所需的主要燃料量计算为等于所述所需的总燃料减去所述预定的引燃燃料量的量值;(e)由所述组发动机工作状况确定空气流量;(f)基于所需的主要燃料量和所述确定的空气流量计算主要燃料对空气的比;(g)确定是否存在发动机启动和怠速状况;(h)如果所述发动机启动和怠速工作状况存在,则选择特定工作模式,由此,当选择所述特定工作模式时,主要燃料和引燃燃料正时被设定为喷射引燃燃料以开始燃烧,并在喷射所述引燃燃料后喷射所述主要燃料;(i)如果不存在发动机启动和怠速工作状况,所述方法包括:如果所述主要燃料对空气的比小于预定的预混合燃烧稳定性极限(C),则选择低负载工作模式,由此当选择所述低负载工作模式时,主要燃料喷射正时和引燃燃料喷射正时设定成喷射引燃燃料以开始燃烧,而所述主要燃料在喷射所述引燃燃料之后喷射;以及如果所述主要燃料对空气的比大于C,则选择高负载工作模式,由此当选择高负载工作模式时,所述主要燃料以两个阶段喷射,且所述主要燃料的第一部分在喷射所述引燃燃料之前喷射,喷射所述引燃燃料以开始燃烧,而主要燃料的第二部分在喷射所述引燃燃料之后喷射。
40.如权利要求39所述的方法,还包括当所述主要燃料对空气的比大于C且小于标定的爆震极限时选择中度工作模式,由此,当选择所述中度工作模式时,所述主要燃料在喷射所述引燃燃料之前喷射,而喷射所述引燃燃料以开始燃烧。
41.一种用于将燃料引入工作中的内燃机燃烧室内的装置,该内燃机具有至少一个带有与其相关联的活塞的气缸,所述燃料包括主要燃料和比主要燃料更易于自燃的引燃燃料,所述装置包括:(a)用于从所述内燃机收集工作数据的测量装置,其中所述测量装置包括用于测量发动机转速的转速计和用于确定节气门位置的传感器;(b)接收所述工作数据并处理所述数据以计算一组负载状况的电控单元,所述电控单元包括存储器,存储器用于存储负载状况的控制组和针对所述负载状况控制组的预定工作模式,所述电控单元将所述计算的负载状况组与所述负载状况控制组加以匹配,以选择所述预定工作模式之一;(c)由所述电控电源控制的主要燃料喷射器,以便以所述电控单元根据所述预定工作模式和所述组负载状况确定的量并多次将所述主要燃料引入所述燃烧室内;以及(d)由所述电控单元控制的引燃燃料喷射器,以便以所述电控单元根据所述预定工作模式和所述组负载状况确定的量并多次将引燃燃料引入所述燃烧室内;其中,所述预定工作模式包括低负载工作模式和高负载工作模式,在低负载工作模式中,所述引燃燃料和所述主要燃料在所述气缸加压时引入所述燃烧室内;而高负载工作模式包括燃料三个阶段顺次引入所述燃烧室内,由此,所述主要燃料的第一部分在第一阶段引入,所述引燃燃料在第二阶段引入,而所述主要燃料的第二部分在第三阶段引入。
42.如权利要求41所述的装置,其中,所述测量装置还包括用于测量发动机吸入空气温度的探头。
43.如权利要求41所述的装置,其中,所述测量装置还包括用于测量发动机冷却液温度的探头。
44.如权利要求41所述的装置,其中,所述测量装置还包括用于测量吸入空气增压压力的装置。
45.如权利要求41所述的装置,其中,所述测量装置还包括用于测量进入所述燃烧室的空气流量的流量计。
46.如权利要求41所述的装置,其中,所述测量装置还包括用于探测所述燃烧室之内的先期爆炸的装置。
47.如权利要求46所述的装置,其中,当探测到先期爆炸时,所述电控单元可以减小所述第一阶段内引入的所述主要燃料的量。
48.如权利要求41所述的装置,其中,所述主要燃料喷射器和所述引燃燃料喷射器集成到双燃料喷射器中,该双燃料喷射器将所述主要燃料和所述引燃燃料中每一种彼此独立地喷射。
49.如权利要求41所述的装置,还包括与空气引入系统相关联的辅助喷射器,用于将主要燃料喷射到空气引入通道内,以便主要燃料在被引入所述燃烧室之前与吸入空气混合。
50.如权利要求49所述的装置,其中,所述空气引入通道为空气引入歧管。
51.如权利要求49所述的装置,其中,所述发动机包括多个活塞和多个辅助喷射器。
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