[发明专利]用于控制具有混合燃烧模式的发动机的燃烧的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及用于控制发动机的燃烧的方法和装置，更具体而言，涉及用于控制发动机的燃烧以便改进发动机中可能产生的不稳定点火和爆震的方法和装置，对于低负载和高负载行驶区对发动机应用了柴油-汽油混合燃烧模式和汽油混合燃烧模式。

背景技术

现在，广泛使用两种类型的车辆发动机；一种是火花点火(SI)式汽油发动机而另一种是压缩点火(CI)式柴油发动机。

SI式发动机可以分为间接喷射式和汽油直接喷射(GDI)式；间接喷射式将燃料喷射进节流阀门体或进气歧管并在进气冲程中吸入燃料和空气；而汽油直接喷射式将燃料直接喷射进燃烧室燃烧，以改进发动机性能以及燃料比并且减少废气。

作为间接喷射式发动机的实例，端口燃料喷射(PFI)式发动机采用了预混合燃烧，其中，包括喷射入进气歧管的进气端口的燃料以及空气的可燃混合物被引入燃烧室并且以均匀混合物的形态被火花塞点火并燃烧。

GDI发动机将汽油燃料直接喷射入与CI柴油发动机中的燃烧室相似的燃烧室从而能够进行稀薄燃烧，相较于间接喷射式发动机，从发动机性能、燃料比和废气的角度考虑，稀薄燃烧是有利的。

一般而言，SI汽油发动机要提升压缩比(CR)是有限制的，因为CR越高爆震可能出现的风险越高，而且SI汽油发动机还具有劣于CI发动机的热效率和燃料比的热效率和燃料比。

为了满足正逐渐更严格的针对CO₂的限制以及消费者的需求，需要提升发动机的CR，但是也需要能在CR提升的情况下防止爆震产生的技术。

在高CR汽油发动机中，在应用了废气再循环(EGR)装置以抑制爆震时，爆震被抑制而且泵送损失减小，但是现有火花塞不能获得良好的点火，或者现有火花塞会使NO_X增加。

同时，柴油发动机的燃烧属性是要采用利用了柴油燃料的自燃属性的压缩点火，并且柴油发动机的燃烧属性使用高压缩比以使空气处于燃烧室高压和高温的状态中，这样柴油发动机就具有了优于汽油发动机的热效率和燃料比。

最近几年，随着世界各地报道了诸如全球变暖的异常气候变化，环境法规(尤其是在汽车工业内)影响了许多国家，特别是发达国家。

为了符合环境法规，正在进行用于压缩点火发动机的许多研究和开发，其原因在于诸如这样的益处：少量的未燃烧碳氢化合物(UHC)以及CO₂。然而，CI发动机排放大量由不均匀空气燃料混合物引起的NO_X和颗粒物(PM)，并且需要昂贵的后处理装置(例如用于减少NO_X和PM的柴油颗粒过滤器(DPF)和DeNO_x)以符合法规。

为了克服上述缺点，已进行专注于均质充量压缩点火(HCCI)的开发的研究，均质充量压缩点火使得燃烧室中的混合物均匀以消除燃料集中的区域，而已知燃料集中的区域是PM产生区域，并且大量减少热量。

相较于汽油发动机，HCCI通过压缩点火和稀薄燃烧而有利于提升燃料比，而且相较于柴油发动机，HCCI通过预混合燃烧而有利于减少PM/NO_X。

然而，HCCI的缺点在于，难以控制点火和燃烧以及剩余压力上升、燃烧噪音和低输出，而且已知HCCI具有解决窄行驶区域(narrow driving region)的问题(被限制到仅使用发动机的低速度和低负载行驶区域)。

所以，正在进行这样的研究，即同时燃烧柴油和汽油的混合燃烧以避免现有HCCI的问题。

作为柴油-汽油混合物燃烧的实例，存在一种燃烧均质燃料的方法，以便抑制由预混合引起的爆震，并且通过延长点火延迟期、通过在进气冲程期间将汽油与高辛烷值预先混合以在燃烧室内形成均质混合物以及通过在压缩冲程期间将柴油和用于压缩点火的高十六烷值直接喷射入燃烧室以压缩点火以控制点火正时在TDC附近。

相较于现有HCCI，该柴油-汽油混合物燃烧使得，即使是在高EGR条件下也能够进行汽油的安全点火；而且使得体燃烧而不是点燃烧成为可能，以相对于现有汽油发动机改进燃烧效率和燃料比，这是因为自燃柴油充当了用于汽油燃烧的点火源。

另外，采用柴油-汽油混合物燃烧的发动机相较于现有柴油发动机减少了废气产物，而且让使得价格上升的昂贵的后处理设备也可以省略。

然而，既然在柴油-汽油混合物燃烧发动机中混合物燃烧仅仅在可以出现柴油压缩点火的条件下是可能的，所以柴油-汽油混合物燃烧发动机必须在低于柴油发动机压缩比但是高于汽油发动机压缩比的压缩比下驱动，而且其汽缸的压缩比等于或高于确保柴油压缩点火的边界条件。