壓燃式發(fā)動的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種可在低溫燃燒模式下運行的壓燃式發(fā)動機，該發(fā)動機包括：多個汽缸，每個汽缸均形成有燃燒室，該發(fā)動機用于輸送空氣和燃料并在每個燃燒室內(nèi)混合空氣和燃料，該混合處于或接近化學(xué)計量的混合；控制裝置，包括用于感測發(fā)動機負(fù)載的傳感器；包括氧氣的氣體源，連接至控制裝置，其中，響應(yīng)于感測到的向高發(fā)動機負(fù)載的過渡，控制裝置用于在向每個燃燒室增加燃料之前或同時向每個燃燒室供應(yīng)氣體。
【專利說明】壓燃式發(fā)動機
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及壓燃式發(fā)動機。特別地但非唯一地，本發(fā)明涉及用于車輛且可在高負(fù)載下運行的均質(zhì)混合氣壓燃式(HCCI)發(fā)動機。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，由于具有非常高的壓縮比，柴油機或壓燃式發(fā)動機是用于將燃料能量轉(zhuǎn)化成有用功的熱效率最高的發(fā)動機。具體地，當(dāng)處于低功率且發(fā)動機怠速時，柴油機比汽油機高效得多。與諸如汽油機的火花點火發(fā)動機不同，柴油機采用壓縮熱量來啟動點火以燃燒燃燒室內(nèi)的燃料。
[0003]HCCI發(fā)動機已嘗試進(jìn)一步提高效率。能量釋放分布在燃燒室的整個容積內(nèi)，而不是局限在火焰內(nèi)。在局部上，化學(xué)反應(yīng)慢，這是因為溫度低，但是因為能量釋放分布在整個燃燒室體積內(nèi)，因此整體熱釋放速率能夠匹配或超過由火焰引起的能量釋放所獲得的熱釋放速率。
[0004]眾所周知，低溫燃燒(LTC)可減少排放物并提高效率。對于排放物，當(dāng)使用空氣與燃料的化學(xué)計量混合氣時，NOx低且不會生成顆粒物。對于效率，通過在燃燒室內(nèi)保持較低的溫度，可增加單位體積膨脹的輸出功。
[0005]然而，至今為止，仍存在一些技術(shù)問題。汽缸內(nèi)條件的控制一直存在挑戰(zhàn)，但該問題已經(jīng)在一定程度上得以解決。另一問題是過渡到較負(fù)載并在高負(fù)載下達(dá)到性能。LTC的目標(biāo)是通過自動點火來獲得體積能量釋放。為減緩壓力上升速率，所使用的空氣燃料比接近化學(xué)計量混合氣的配比。為達(dá)到較負(fù)載，必須將更多燃料引入汽缸。然而，當(dāng)使用化學(xué)計量混合時，添加燃料明顯增加了排放物，而對增加發(fā)動機輸出影響不大。而對于汽車應(yīng)用，發(fā)動機輸出的增加會急劇發(fā)生，諸如在幾十毫秒內(nèi)發(fā)生。
[0006]此外，降低空氣燃料比(通過添加燃料)會引起甚至更高的峰值壓力和熱釋放速率。另外，HCCI發(fā)動機所使用的很多控制策略需要對混合氣進(jìn)行預(yù)熱。這降低了密度并因此降低了燃燒室中的空氣/燃料混合氣的質(zhì)量，如此會降低功率。
[0007]提升功率的兩種已知方式為采用具有不同自動點火特性的燃料，及對混合氣熱分層以便壓縮混合氣中的不同點具有不同溫度并因此在不同時間燃燒，這會降低熱釋放速率。然而，這些策略不夠靈活或難以控制，或者會降低采用均質(zhì)混合氣所獲得的優(yōu)勢。
[0008]期望提供一種可在高負(fù)載下運行的壓燃式發(fā)動機。期望提供一種能夠從低負(fù)載快速且高效地過渡到高負(fù)載的壓燃式發(fā)動機。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]根據(jù)本發(fā)明的第一方面提供了一種可在低溫燃燒模式下運行的壓燃式發(fā)動機，該發(fā)動機包括:
[0010]多個汽缸,每個汽缸均形成有燃燒室，其中，該發(fā)動機用于輸送空氣和燃料并在每個燃燒室內(nèi)混合空氣和燃料，這種混合處于或接近化學(xué)計量的混合；[0011]控制裝置，包括用于感測發(fā)動機負(fù)載的傳感器；
[0012]包括氧氣的氣體源，連接至控制裝置，其中，響應(yīng)于傳感器感測到的向高發(fā)動機負(fù)載的過渡，控制裝置用于在向每個燃燒室增加燃料之前或同時向每個燃燒室供應(yīng)氣體。
[0013]該發(fā)動機可適于采用化學(xué)計量的空氣燃料比運行。
[0014]該控制裝置可適于在燃料增加之前或同時向每個燃燒室供應(yīng)氣體，使得能夠大致維持化學(xué)計量的空氣燃料比。
[0015]該氣體可為氧氣。可選地，該氣體可為空氣。
[0016]氣體源可包括用于產(chǎn)生氧氣的重整裝置。
[0017]該發(fā)動機可包括流體連接至每個汽缸來向每個燃燒室輸送空氣的進(jìn)氣歧管。該控制裝置可用于向進(jìn)氣歧管輸送氣體。
[0018]該發(fā)動機可包括向進(jìn)氣歧管供應(yīng)氣體的氣體噴射器。該氣體噴射器可為低壓氣體噴射器。
[0019]該控制裝置可包括發(fā)動機控制單元。該控制裝置可用于控制輸送至每個燃燒室的燃料量。
[0020]該發(fā)動機可包括流體連接至每個汽缸以向每個燃燒室輸送燃料的燃料輸送系統(tǒng)。
[0021]該發(fā)動機可包括用于使發(fā)動機排氣的一部分再循環(huán)至每個燃燒室的排氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)。
[0022]該控制裝置可用于隨著向每個燃燒室供應(yīng)氣體而使排氣再循環(huán)至每個燃燒室，直到達(dá)到預(yù)定空氣燃料比。該控制裝置可用于隨后降低或中斷向每個燃燒室的氣體供應(yīng)。
[0023]一種車輛，包括根據(jù)本發(fā)明的第一方面的發(fā)動機。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的第二方面提供了一種以低溫燃燒模式運行壓燃式發(fā)動機的方法，該方法包括:
[0025]向發(fā)動機的汽缸輸送空氣和燃料，其中，每個汽缸均形成有燃燒室；
[0026]在每個燃燒室內(nèi)混合空氣和燃料，其中，所輸送的空氣和燃料的量產(chǎn)生處于或接近化學(xué)計量混合的混合物；
[0027]感測發(fā)動機負(fù)載；
[0028]響應(yīng)于感測到的向高發(fā)動機負(fù)載的過渡，向每個燃燒室供應(yīng)包括氧氣的氣體；以及
[0029]增加向每個燃燒室的燃料供應(yīng)。
[0030]該方法可包括以大致化學(xué)計量的空氣燃料比運行發(fā)動機。該方法可包括向每個燃燒室供應(yīng)氣體，使得能夠大致維持該化學(xué)計量的空氣燃料比。
[0031]該方法可包括通過流體連接至每個汽缸的進(jìn)氣歧管向每個燃燒室輸送空氣。該方法可包括向進(jìn)氣歧管供應(yīng)氣體。
[0032]該方法可包括以低壓向進(jìn)氣歧管噴射氣體。
[0033]該方法可包括使排氣循環(huán)至每個燃燒室。該方法可包括隨著向每個燃燒室供應(yīng)氣體而使排氣再循環(huán)至每個燃燒室，直到達(dá)到預(yù)定空氣燃料比。該預(yù)定空氣燃料比可大致為化學(xué)計量的空氣燃料比。該方法可包括隨后減少或中斷向每個燃燒室供應(yīng)氣體。
【專利附圖】

【附圖說明】[0034]現(xiàn)參照附圖僅通過實例描述本發(fā)明的實施例，其中:
[0035]圖1為示出低溫傳統(tǒng)燃燒模式下的空氣燃料比和溫度并指出高排放區(qū)域的已知曲線圖；
[0036]圖2是根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動機的示意圖。
【具體實施方式】
[0037]圖1是壓燃式發(fā)動機中空氣燃料比隨火焰溫度變化的曲線圖。該曲線圖示出了區(qū)域100和區(qū)域102，處于低溫模式且處于低至中等負(fù)載的發(fā)動機通常在區(qū)域100中運行，以高負(fù)載運行的傳統(tǒng)柴油機通常在區(qū)域102中運行。同時還在曲線圖中示出了兩個獨立的高排放分區(qū):區(qū)域110，涉及較高空氣燃料比和產(chǎn)生高水平NOx的溫度；和區(qū)域112，涉及低空氣燃料比和產(chǎn)生高水平顆粒物的中溫。
[0038]通常，對于輕型商用車發(fā)動機，低負(fù)載可達(dá)3巴BMEP (Brake Mean EffectivePressure,制動平均有效壓力)，而高負(fù)載可為大于該負(fù)載的負(fù)載。然而，這些值基于發(fā)動機和條件。期望使用所描述的方法從I巴BMEP提升至3巴BMEP，或從4巴BMEP提升至更高負(fù)載。
[0039]對于處于低溫模式并以低至中等負(fù)載運行的發(fā)動機，溫度通常低于2，000° K，并因此通常可避免兩個高排放區(qū)域。除性能外，這是更傾向于采用低溫燃燒的主因。
[0040]另一方面，傳統(tǒng)壓燃式發(fā)動機傾向于在低至中等負(fù)載下由于較高溫度而產(chǎn)生較高水平的NOx和/或顆粒物。僅在較高負(fù)載下(涉及較高溫度和降低空氣燃料比的高燃料供應(yīng))才能避免高排放區(qū)域。然而，應(yīng)當(dāng)注意，以高負(fù)載運行的傳統(tǒng)壓燃式發(fā)動機(通過在圖1的右下角區(qū)域運行)能夠產(chǎn)生可接受的低水平排放。
[0041]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動機10。發(fā)動機10為能夠以低溫燃燒模式運行的壓燃式發(fā)動機。
[0042]發(fā)動機10包括多個汽缸12 (圖2中僅示出兩個)，這些汽缸中的每一個均形成有燃燒室14。燃料輸送系統(tǒng)包括燃料箱20，且燃料泵22流體連接至每個汽缸12用于向每個燃燒室14輸送燃料。同時，進(jìn)氣歧管30流體連接至每個汽缸,用于向每個燃燒室14輸送空氣。發(fā)動機10用于輸送空氣和燃料并在每個燃燒室14內(nèi)混合空氣和燃料，以獲得處于或接近化學(xué)計量混合的混合物。
[0043]發(fā)動機10還包括具有發(fā)動機控制單元40的控制裝置。發(fā)動機控制單元40連接至燃料輸送系統(tǒng)并選擇性控制燃料泵22來控制輸送至每個燃燒室的燃料量?？刂蒲b置還包括用于感測發(fā)動機負(fù)載的傳感器42。當(dāng)感測到較高發(fā)動機負(fù)載時，發(fā)動機控制單元單元40能夠控制燃料泵22來增加輸送至每個燃燒室的燃料。
[0044]配置有產(chǎn)生氧氣的重整設(shè)備50。氧氣被輸送至儲存容器52，在此以低壓進(jìn)行儲存。儲存容器52通過閥門54連接至進(jìn)氣歧管30。發(fā)動機控制單元40控制閥門54，用于選擇性允許氧氣流至進(jìn)氣歧管30并因此流至汽缸12的燃燒室14。
[0045]當(dāng)傳感器42感測到從低發(fā)動機負(fù)載向高發(fā)動機負(fù)載的過渡時，發(fā)動機控制單元單元40增加向汽缸12的燃料輸送。幾乎與此同時(可能在此之前或之后)，發(fā)動機控制單元40還開啟閥門54，這允許氧氣經(jīng)由進(jìn)氣歧管30流入汽缸12。
[0046]輸送至汽缸12的氧氣量與輸送至汽缸12的燃料的增加成比例。通過這種方式，可大致維持化學(xué)計量的空氣燃料比。這避免了排放物的大量產(chǎn)生并提高了發(fā)動機效率。當(dāng)負(fù)載太高以致無法達(dá)到低溫燃燒時，還需要以“傳統(tǒng)”燃燒模式運行。
[0047]發(fā)動機10包括排氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)60,該系統(tǒng)用于使發(fā)動機排氣的一部分再循環(huán)回到每個燃燒室14。EGR系統(tǒng)60還通過發(fā)動機控制單元40進(jìn)行控制。
[0048]如果發(fā)動機10維持在高負(fù)載，則發(fā)動機控制單元40能夠通過逐漸關(guān)閉閥門54來減少氧氣的供應(yīng)并增加輸送至汽缸12的再循環(huán)排氣，直到獲得期望的預(yù)定空氣燃料比。如果該發(fā)動機為渦輪式發(fā)動機，則還需調(diào)整增壓來實現(xiàn)期望的進(jìn)氣增壓。
[0049]盡管上面已對本發(fā)明的具體實施例進(jìn)行了描述，但應(yīng)當(dāng)理解，偏離所述實施例的實施例仍落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種可在低溫燃燒模式下運行的壓燃式發(fā)動機，所述發(fā)動機包括: 多個汽缸，每個均形成有燃燒室，其中，所述發(fā)動機用于輸送空氣和燃料并在所述燃燒室內(nèi)混合空氣和燃料，所述混合處于或接近化學(xué)計量的混合； 控制裝置，包括用于感測發(fā)動機負(fù)載的傳感器； 包括氧氣的氣體源，連接至所述控制裝置， 其中，響應(yīng)于所述傳感器感測到的向高發(fā)動機負(fù)載的過渡，所述控制裝置用于在向每個燃燒室增加燃料之前或同時向每個燃燒室供應(yīng)氣體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機，其中，所述發(fā)動機適于采用化學(xué)計量的空氣燃料比運行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的發(fā)動機，其中，所述控制裝置適于在燃料增加之前或同時向所述每個燃燒室供應(yīng)所述氣體以大致維持所述化學(xué)計量的空氣燃料比。
4.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的發(fā)動機，其中，所述氣體為氧氣。
5.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的發(fā)動機，其中，所述氣體源包括用于產(chǎn)生氧氣的重整裝置。
6.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的發(fā)動機，其中，所述發(fā)動機包括流體連接至每個汽缸來向所述每個燃燒室輸送空氣的進(jìn)氣歧管，并且所述控制裝置用于向所述進(jìn)氣歧管供應(yīng)所述氣體。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的發(fā)動機，其中，所述發(fā)動機包括向所述進(jìn)氣歧管供應(yīng)所述氣體的氣體噴射器。
8.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的發(fā)動機，其中，所述控制裝置包括發(fā)動機控制單元。
9.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的發(fā)動機，其中，所述控制裝置用于控制輸送至每個燃燒室的燃料量。
10.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的發(fā)動機，其中，所述發(fā)動機包括流體連接至每個汽缸以向每個燃燒室輸送燃料的燃料輸送系統(tǒng)。
11.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的發(fā)動機，其中，所述發(fā)動機包括用于使發(fā)動機排氣的一部分再循環(huán)至每個燃燒室的排氣再循環(huán)系統(tǒng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的發(fā)動機，其中，所述控制裝置用于隨著向每個燃燒室供應(yīng)氣體而使排氣再循環(huán)至每個燃燒室，直到達(dá)到預(yù)定空氣燃料比。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的發(fā)動機，其中，所述控制裝置用于隨后減少或中斷向每個燃燒室的氣體供應(yīng)。
14.一種車輛，包括前述任一項權(quán)利要求所述的發(fā)動機。
15.—種以低溫燃燒模式運行壓燃式發(fā)動機的方法,所述方法包括: 向所述發(fā)動機的汽缸輸送空氣和燃料，其中，每個汽缸均形成有燃燒室； 在每個燃燒室內(nèi)混合空氣和燃料，其中，所輸送的空氣和燃料的量產(chǎn)生處于或接近化學(xué)計量混合的混合物； 感測發(fā)動機負(fù)載； 響應(yīng)于感測到的向高發(fā)動機負(fù)載的過渡，向每個燃燒室供應(yīng)包括氧氣的氣體；以及 增加向每個燃燒室的燃料供應(yīng)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，包括以大致化學(xué)計量的空氣燃料比運行所述發(fā)動機。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，包括向每個燃燒室供應(yīng)所述氣體以大致維持所述化學(xué)計量的空氣燃料比。
18.根據(jù)權(quán)利要求15至17中任一項所述的方法，包括通過流體連接至每個汽缸的進(jìn)氣歧管向每個燃燒室輸送空氣并向所述進(jìn)氣歧管供應(yīng)所述氣體。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，包括以低壓向所述進(jìn)氣歧管噴射所述氣體。
20.根據(jù)權(quán)利要求15至19中任一項所述的方法，包括使排氣再循環(huán)至每個燃燒室，且隨著向每個燃燒室供應(yīng)所述氣體，使排氣再循環(huán)至每個燃燒室直到達(dá)到預(yù)定空氣燃料比。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述預(yù)定空氣燃料比大致為化學(xué)計量的空氣燃料比。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法， 包括隨后減少或中斷向每個燃燒室供應(yīng)所述氣體。
【文檔編號】F02D41/00GK104005867SQ201410062450
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年2月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月26日
【發(fā)明者】伊恩·格雷厄姆·佩格, 安迪·戴維·斯卡瑞斯布雷克 申請人:福特環(huán)球技術(shù)公司