[发明专利]涡轮增压式内燃机及其运行方法

说明书

技术领域

本发明一般地涉及涡轮增压式内燃机及其运行方法。更具体地，本发明涉及在表征涡轮增压器的增压压力的值满足预定指标的情况下以不同的模式运行这种发动机的方法。

背景技术

内燃机以及发动机操作方法的复杂性持续增加，几乎每天都会公布在设计和操作中的创新。近年来很多设计变革背后的一个驱动力是日益严格的排放要求。一种改进排放质量的常规方法涉及在发动机下游对燃烧产物的处理。换句话说，经由用于除去或减少不合乎要求的成分的多种化学和/或物理方法来处理由发动机产生的排气。其它发动机研发者更关注燃烧过程自身。已发现对燃料喷射的量、频率、定时甚至是喷射样式种类的控制都对发动机排放的具有不同的作用。工程师们特别关心的是日益严格的涉及对通称为“NOx”的各种氮氧化物的排放限制的政府要求。

已经发现，在内燃机气缸中在点火前使燃料与空气预先混合会有助于降低发动机排气中的NOx水平。特别地，现有技术中已知一种“均匀充气”点火的方法。在压燃式发动机中，这种方法广泛地称作“HCCI”。在均匀充气模式中，可在发动机循环过程中在气缸条件会触发压燃的点之前将燃料喷射到压燃式发动机的气缸中。这与更惯常的方法不同，该方法中在发动机的循环过程中在上止点附近或在其它情况下在会产生压燃的点才喷射燃料。换句话说，在HCCI模式中，不是燃料在离开燃料喷射器的端部时进行大致连续地燃烧，而是燃料可在自燃条件之前喷射，因此，随着活塞在气缸中向上行进，燃料与空气具有较多的时间混合。

均匀充气运行通常对内燃机的外界和内部的各种运行状况较为敏感。例如，环境温度和压力以及在发动机循环中自燃条件的正时，会影响发动机在均匀充气模式中顺利工作的能力。这种发动机通常连接有涡轮增压器，这为发动机的顺利的、可预测的工作带来了各种其它的困难。

特别地，因为HCCI操作较为高效地将燃料能量转换为机械能，所以对于给定的供燃烧的燃料量，在HCCI操作过程中涡轮增压器的增压压力会较低。在给定的气缸中，(HCCI操作)相对于常规操作将较多的燃烧能量转换为活塞运动的机械能。因此，以热和气压的形式传递到排气系统的能量较少，结果涡轮增压器的速度小于可从常规操作得到的速度。在发动机以HCCI模式向其有效功率范围的较低部分-例如低负荷或怠速-工作的情况下，这种现象特别明显。

虽然HCCI操作的提高的效率具有多种优点，但在HCCI模式中所喷射的燃料通常较均匀地点燃，在很多情况下产生比具有相同燃料量的常规点燃高的峰值(peak)气缸压力和气缸压力尖峰脉冲(spike)。当功率要求以及相应的所喷射的燃料量增加时，发动机会达到一点，在该点处HCCI产生的作用于发动机上的物理应力有损坏发动机硬件的危险。

在这种情况下，通常通过在高空燃比下工作或通过向燃烧混合物中添加稀释剂-例如排气-来实现对气缸压力升高率以及峰值气缸压力的控制。然而，在很多情况下都发现这些方法在控制由HCCI操作引起的气缸压力方面效率较低。

授予zur Loye等人的美国专利No.6,561,157公开了一种具有多个工作模式的涡轮增压型内燃机。虽然zur Loye的系统能够切换模式以满足各种发动机工作要求及条件，但该系统利用要求较复杂的硬件和电子控制器双燃料系统(dual-fuel system)。

本发明针对前述的问题或缺点中的一个或多个。

发明内容

一方面，本发明提供了一种运行(操作)内燃机的方法，该内燃机包括至少一个气缸，所述气缸具有至少部分地设置在其中的燃料喷射器。该方法包括以下步骤：以第一模式运行发动机，该第一模式包括在给定的发动机循环中，在形成自燃条件(状况)的时刻之前，将燃料混合物(fuelcharge)喷射到所述至少一个气缸中；以及确定表征与发动机相联的涡轮增压器的增压压力的值。该方法还包括以下步骤：在所确定的值满足预定指标的情况下，选择性地以第二模式运行发动机，该第二模式包括在至少一个随后的发动机循环中在形成自燃条件的时刻之后将燃料混合物喷射到所述至少一个气缸中。