[发明专利]用于控制多模式发动机中的预混燃烧的方法和设备

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年8月9日提交的美国临时申请序列No.61/521,414的权益，所述申请的内容通过参引全部结合到本文中。

技术领域

本发明总体涉及能够以多种加燃料模式操作的多模式发动机，并且，更为具体地，本发明涉及用于通过控制缸内O₂浓度和新鲜空气拉姆达值（λ）从而实现低温燃烧来使排放最小化的方法和设备。

背景技术

例如柴油机压缩点火和汽油机火花点火的传统内燃发动机理念需要在各种排放物之间权衡，这些排放物包括氮氧化物（NO_X）、颗粒物（碳烟）、一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）。这些排放物严格意义上必须与保持发动机效率和燃料经济性相平衡。

均质充量压缩点火（HCCI）已经发展为至少部分地克服对于这些权衡的需求。HCCI为这样一种内燃形式，其中，雾化成细小颗粒的燃料与氧化剂的充分混合的充量压燃燃烧。氧化剂通常为空气，所以术语“空气”和“氧化剂”在本文中可以相互替换地使用。与传统的压缩点火（CI）式发动机相比，HCCI的特征在于比传统上CI式发动机中的情形早很多地在压缩冲程中引入燃料，使得在自燃之前燃料能够与空气彻底地混合。当压缩使混合物达到其自燃温度时，在整个气缸内同时发生着火。

充量可以通过非常稀、与EGR混合、或结合这两种情况而进行稀释。由于充量非常稀，因此可以实现非常低的燃烧温度，并且减少NO_X排放物。由于预混充量稀，或者至多为化学计量混合物，因此颗粒排放物也非常少。

HCCI或其变型——例如预混充量压缩点火（PCCI）——可以用于能够以多种加燃料的模式操作的“多模式”发动机中，这是由于它们例如根据主导发动机速度和负荷情况而以不同的燃料或燃料组合为动力。例如，在引燃模式中，发动机可以主要以气体燃料——例如天然气或丙烷——作为燃料，气体燃料通过相对小量的或“引燃”充量的液体燃料被点燃，液体燃料通常为柴油燃料或发动机润滑油。已证实2%的柴油量（按照能量）足以引燃天然气发动机操作。这种发动机中的燃烧为传统柴油机压缩点火与汽油机火花点火的混合，其中，柴油燃料通过压缩温度自燃。在PCCI引燃模式的发动机中，在进气冲程过程中通常让充量的气体燃料并且通常是空气进入，而在上止点前（BTDC）在大约60°至70°让柴油燃料进入。如果燃烧在均质或非常低的分层燃烧条件下发生，则可以在双燃料发动机中同时实现低的NO_X和低的碳烟排放物。在这种发动机中的初始放热率主要受到燃料特性、喷射前气缸中的条件以及它们与引燃燃料喷雾的相互作用的影响。理想地，燃烧（自燃）应当仅在柴油喷射事件结束时开始以避免浓的或化学计量的空气-燃料气陷。期望的点火延迟可以通过引入EGR来实现以便充分地分开柴油喷射的结束（EOI）和燃烧的开始（SOC）。

然而，通过EGR的引入，缸内O₂含量减小，并且燃烧效率不如柴油压缩的燃烧效率那样高，从而导致CO和HC排放物的增加。

天然气引燃式发动机中的大部分HC排放物在所形成的未燃燃料中，主要是气体燃料（最典型地为天然气）中。这些排放物的可能来源是：

·通过排气逸出的气缸裂缝中的未燃燃料。在稀空燃比条件下，被捕集在裂缝中的燃料的量相对低；

·靠近温度较低的气缸壁的火焰前锋的淬熄，这发生在每一个发动机循环中。这种淬熄在稀燃料条件下更显著；以及

·在气缸完全地或部分地失火的事件中燃料-空气混合物的大量淬熄。在该情形中，所有或至少很大一部分燃料-空气混合物可能未能经历燃烧。