[发明专利]通过燃料反应性分层的发动机燃烧控制

说明书

关于联邦资助研究的声明

本发明在由以下机构授予的美国政府支持下进行：

美国能源部（DOE）批准号：DE-FC26-06NT42628

美国能源部（DOE）批准号：DE-AC04-94AL85000

美国政府对本发明有一定权利。

技术领域

本文件涉及大体上与压缩点火（柴油）发动机有关的发明，并且更为具体地涉及用于柴油发动机的燃烧优化方法。

背景技术

柴油（压燃）发动机属于可用的最高能量效率的发动机，具有极好的每耗油量高功率输出。不幸的是，柴油发动机同时属于“最脏”的可用发动机，常见的柴油发动机（在本文件准备时期）倾向于高产氮氧化物（通常表示为NOx），这将导致例如烟雾和酸雨的不良影响、以及微粒物（通常简称“炭烟”），有时可见为在柴油车辆从停止开始加速时由柴油车辆排出的黑烟。

由于这些排放物对坏境的影响，美国及许多其他国家已对柴油发动机在车辆中的使用强制实施严格的排放规定，并且已研发了许多试图降低柴油机排放的科技。作为一个例子，NOx一般与高温发动机条件相关联，因此可以通过使用诸如废气再循环(EGR)的措施降低NOx。在EGR中，发动机进气被相对惰性的废气稀释（通常在冷却该废气后），由此降低该燃烧室中的氧气并降低最大燃烧温度。作为另一个例子，炭烟通常与不完全燃烧相联系，因此可通过提高燃烧温度，或通过提供更多氧气以促进炭烟微粒氧化而降低炭烟。不幸的是，降低发动机中NOx产生的措施趋向于增加炭烟产生，并且降低发动机中炭烟产生的措施趋向于增加NOx产生。这种效应通常被称为“炭烟-NOx权衡”。

NOx和炭烟也可在离开发动机后被处理（例如，在废气流中），但这样的“后处理”方法的安装和维护通常昂贵。举例说明，废气流可由催化剂和/或注入尿素或其它还原剂/反应剂来处理以降低NOx排放。替代地或附加地，燃料可定期地注入废气流并在废气流中点燃，以燃烧尽“微粒收集器”中收集的炭烟。这些方法需要可观的花销和复杂性，并且就微粒收集器而言，它们倾向于降低车辆的燃料效率。

其它技术更根本地关注如何使由燃烧过程产生的NOx和炭烟都降低，并且由此获得更清洁的“发动机排出”排放（即，在废气后处理或类似措施之前，直接从发动机排出的排放）。这些方法包括修改正时，速率，和/或燃料喷射充量的形状，修改燃烧室的形状，和/或修改其它因素，以试图实现所有燃料的完全燃烧（并因此降低炭烟），与此同时控制燃烧温度（由此控制NOx）。这些技术中的许多提供排放改善，但很难实现和控制，特别是覆盖常见柴油车辆发动机必须运行的速度和负荷的全部范围。此外，这些技术中的许多仍然要求例如废气后处理的措施以达到排放目标，导致上述的成本及燃料效率的问题。

由于遵守排放规定同时提供消费者追求的燃料效率、成本及性能的困难，许多汽车公司已简单地将它们的关注点从柴油发动机上移到使用汽油发动机上。汽油发动机不幸具有较低的能量效率，并且它们的排放也堪忧。（对于对内燃机了解有限的读者，汽油发动机和柴油发动机之间的主要不同在于燃烧引发的方式。汽油发动机——也常被称作火花点火或“SI”发动机——提供相对富燃料的空气和燃料的混合物进入发动机汽缸，然后火花点燃该混合物以从汽缸向外驱动活塞来产生功。在柴油发动机中——也称作压缩点火发动机——当活塞压缩发动机汽缸中的空气时，燃料被引入发动机汽缸，然后燃料在被压缩的高压/高温条件下点燃以从汽缸向外驱动活塞来产生功）。

由于当前的对于燃料/能源供应，以及发动机排放对环境影响的考虑，对于提供柴油机效率（或更好）而同时满足或超过当前排放标准的发动机是非常需要的。

发明内容

由本文件的结尾提出的权利要求所限定的本发明涉及至少部分缓解上述问题的发动机和发动机燃烧方法。通过审阅下面的本发明的简要概述，可以得到本发明的优选形式的一些特征的基本理解，更多的细节将在本文件中其它地方提供。为了帮助读者理解，下面的评述参照附图（附图在接着本文件的发明内容部分之后的“附图说明”中简要叙述）。