CN1460149A - 用于内燃机中气态燃料的引入及控制燃烧的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于将气态燃料以两个单独的阶段引入工作的内燃机活塞气缸中的方法和装置，包括监控一组发动机参数；从该组发动机参数中确定发动机负载和发动机转速；在第一阶段，在燃烧之前将气态燃料的第一部分引入所述气缸中，在此，气态燃料的第一部分形成包括气态燃料和吸入空气的基本均质的混合物；以及在第一阶段后依次发生的第二阶段将气态燃料的第二部分引入气缸中。气态燃料量响应于发动机负载和发动机转速中至少一个可变化。第一和第二阶段的开始和持续时间也响应于发动机负载和发动机转速中至少一个可变化。

Description

用于内燃机中气态燃料的引入 及控制燃烧的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于将气态燃料引入内燃机的气缸中的方法和装置，更具体地说，本发明涉及气态燃料两阶段喷射到发动机的气缸中以控制以两阶段引入的气态燃料的燃烧模式的方法和装置。
背景技术
内燃机工业处于通过降低有害发动机排放来减少对环境的污染的不断增大的压力下，对于这种压力的一种响应导致对压缩点火(CI)发动机(也公知为柴油机)采用天然气来取代柴油。与柴油相比，天然气是相对清洁的燃烧燃料，并且用天然气取代柴油可以减少氮氧化物(NOx)和颗粒物质(PM)的排放。用于以天然气取代柴油的一种公知技术为所谓的双燃料工作。在这种方法中，在将空气/天然气混合物引入发动机气缸之前，天然气与吸入的空气混合，(在现有技术中公知为烟熏(fumigation)的过程)。然后混合物在吸气冲程中被引入活塞气缸中。在压缩冲程中，混合物的压力和温度升高，在接近压缩冲程结束时，双燃料发动机喷射少量的引燃柴油，以点燃空气和天然气的混合物。燃烧是通过柴油的自动点火而触发的，并且认为在这些条件下发生蔓延燃烧模式。采用空气和天然气预先混合进气的一项优点在于空燃比可以较稀薄。通过烟熏，有可能实现稀燃工作的优点，该优点包括较低的NOx排放、较低的PM、以及潜在的更高的循环效率。
然而，公知的双燃料方法具有至少两个缺点，在高负载发动机工况下，会遇到一个缺点，其时压缩冲程中活塞气缸中的上高的温度和压力使得空气/天然气混合物易于爆震。爆震是预先混合的燃料/空气进气不受控制地自动燃烧。爆震导致会损坏发动机的燃料能量的高速率释放。减小爆震风险的措施包括降低活塞行程的压缩比，或限制功率和扭矩输出。然而，这些措施导致发动机循环效率的相应的降低(即，不能从每个活塞行程获得尽可能多的功率)。
公知的双燃料方法的另一个缺点在于在低负载发动机工况下，燃料和空气的混合物变得过于稀薄，以至于不能支持稳定的预混合燃烧，并导致不完全燃烧和缺火。可以节流吸入空气流，以保持可以维持与混合燃烧的混合物，但是节流会不利地影响发动机的效率。
发明内容
一种将气态燃料引入正在工作的内燃机的气缸中的方法，该内燃机具有气缸内设置的活塞，该方法包括以下步骤：(a)检测一组发动机参数；(b)从这组发动机参数中确定发动机负载和发动机转速；(c)在第一阶段，在燃烧之前将第一气态燃料引入气缸中，在此，第一气态燃料形成包括第一气态燃料和吸入空气的基本均质的混合物；以及
(d)在第一阶段后依次发生的第二阶段，将第二气态燃料引入气缸中；
其中，第一和第二气态燃料量响应发动机负载和发动机转速之一加以控制，并且第一和第二阶段至少一个阶段的开始和持续时间中至少之一响应发动机负载和发动机转速中至少一个可变化，第二阶段优选地在活塞处于上止点或其附近时开始。
在优选方法中，在相同的发动机循环内，第一气态燃料按照预混合燃烧模式燃烧，而第二气态燃料基本上按照扩散燃烧模式燃烧，为了提高效率并减少排放，预混合燃烧模式优选地为均质进气压缩点火模式。
发动机可以为二冲程发动机，但优选地是四冲程发动机，以减少空气/燃料混合物的扫气损失。
初始为第一阶段以使第一气态燃料具有与吸入空气混合的时间，形成均质的进气。例如，在第一阶段在吸气冲程开始时，第一气态燃料可以直接引入发动机气缸中，或直接引入进气口中，以便第一气态燃料与吸入空气一起进入气缸中。当第一气态燃料在吸气冲程引入时，对于第一阶段优选地是在这个冲程早期开始，例如在活塞处于上止点或其附近处的吸气冲程刚刚开始时，以赋予第一气态燃料更多时间与吸入空气混合。在另一优选方法中，第一气态燃料在被引入气缸中之前预先与吸入空气混合。例如，第一气态燃料可以在涡轮增压器或增压器的上游与吸入空气混合。
该组发动机参数优选地包括发动机转速、发动机节气门位置、进气歧管温度、进气歧管压力、废气再循环流速和温度、进入气缸的空气流、压缩比、进气和排气气门正时和气缸内爆震存在与否中之一。发动机转速可以直接测量，并例如作为用于控制第一和第二阶段正时的参数。一般上，随着发动机速度提高，正时会提前。发动机节气门位置是发动机负载的指示，它可以用于控制第一和第二气态燃料量。其他参数可以作为缸内状况的指示器加以检测，缸内状况优选地被控制成有助于第一阶段燃料在HCCI燃烧模式下燃烧。
第二阶段正时和燃料量可以***纵成影响随后发动机循环中的缸内状况。例如，第二阶段气态燃料量、第二阶段开始和/或第二阶段持续时间中至少一个可以响应该组发动机参数中至少一个参数值的变化而变化，以保持有利于第一气态燃料HCCI燃烧的缸内状况。第二阶段开始和/或持续时间和/或燃料量的控制优选地用作控制缸内状况的附加手段，其可以与如控制EGR流率或吸入空气/燃料当量比的传统的控制手段配合。电控单元优选地参照查询表控制第二阶段的开始、持续时间和第二气态燃料量，以针对给定的发动机负载和转速条件确定多个控制设定。
第二气态燃料优选地采用为在第一气态燃料量受爆震限制时，补充第一气态燃料。这使得发动机以更高负载条件工作。于是，第二气态燃料量可变，并且当发动机负载增大时，该量增加。
对于涡轮增压发动机，由于废气驱动涡轮增压器，进气歧管压力受废气压力和温度影响。因此，进气歧管的压力至少局部可以通过控制(a)第二气态燃料量和(b)第二气态燃料引入气缸中的时刻之一来加以控制，这是由于这些变量可以控制，以改变废气压力和温度。例如，当探测到爆震时，如果进气歧管压力在不增大第一气态燃料流速的情况下增加，那么第一阶段进气将更稀薄，并不易于导致爆震。于是，第二阶段的开始、持续时间和燃料量可以操纵成增大进气歧管压力，以在探测到爆震的随后的发动机循环中减小吸入进气当量比。
对于涡轮增压和/或利用能够废气再循环的发动机，废气温度对进气歧管温度具有影响。于是，通过控制以下中至少一个可以影响随后发动机循环中的进气歧管温度：
(a)第二气态燃料量；以及
(b)第二气态燃料引入气缸中的时刻。
进气歧管温度对爆震和HCCI燃烧具有显著的影响。例如，当探测到爆震时，爆震的对策为降低进气歧管温度。第二阶段开始、持续时间和燃料量可以例如与诸如中冷器和后冷器的传统的温度装置一起用于控制进气歧管温度。
在优选的方法中，第二阶段包括多个燃料喷射脉冲。多个喷射脉冲或整形的喷射脉冲进一步增加了灵活性。例如，对于一个脉冲的开始和/或持续时间和/或燃料量可以响应发动机负载加以控制，而另一脉冲的开始和/或持续时间和/或燃料量可以控制成影响随后的发动机循环中的进气歧管温度和/或压力。也就是说，第二气态燃料在第一喷射脉冲中引入的部分可以响应发动机负载的增加而增加。此外，第二喷射脉冲内的开始和/或持续时间和/或燃料量可以被控制以影响进气歧管温度和进气歧管压力中至少一个，由此，第二喷射脉冲正时提前，以减小进气歧管温度和/或压力，且/或燃料量减小，以降低进气歧管温度和/或压力。在探测到爆震时，优选地降低进气歧管温度。
对于不同喷射脉冲的开始和/或持续时间和/或燃料量可以独立控制，并且第一和第二喷射脉冲中至少一个响应于发动机负载和速度中至少一个加以控制。优选地是，在第二阶段引入的燃料总量可以由发动机负载确定，但是电控单元(ECU)可以参照查询表，以将这个燃料总量在多个喷射脉冲之间分配，且ECU考虑对应于喷射脉冲正时的燃料转化效率。
该方法可以进一步包括将引燃燃料引入气缸中，以便当活塞处于压缩冲程的上止点或其附近时点火。为了减少NOx排放，引燃燃料喷射正时和引燃燃料量被控制成在引燃燃料点火之前形成基本上稀薄的分层化进气。为了形成基本上稀薄的分层化进气，引燃燃料优选地在活塞处于上止点之前120和20曲轴角度之间时引入气缸中。气态燃料和引燃燃料引入气缸中的正时和量优选地加以电控。
除了探测到爆震时可以采取的其他措施之外，引燃燃料量和正时也可以在探测到爆震时加以改变，引燃燃料正时响应探测到的爆震是否提前或延迟取决于多个变量，但是ECU优选地通过查找查询表来确定适当的动作。这些变量中的一些包括例如目前引燃燃料喷射开始、燃料喷射持续时间、发动机转速、以及目前的进气歧管温度和压力。
优选的引燃燃料包括柴油和二甲基醚。第一和第二气态燃料可以为不同的燃料，但优选地是相同的气态燃料。然而，用于各阶段之一的气态燃料可以与引燃燃料预先混合，以便引燃燃料和气态燃料一同引入。第一气态燃料和第二气态燃料优选地从天然气、液化石油气、沼气、甲烷(1andfill gas)和氢气构成的组中选取。
取代采用引燃燃料，发动机也可以配备有火花塞或炽热塞，以便触发气态燃料的燃烧。
在将燃料引入具有设置在气缸中的活塞的工作的内燃机的气缸中的优选方法中，燃料包括主要燃料和在比主要燃料强的程度上可自动点火的引燃燃料。该方法包括将燃料以三个阶段引入气缸中，由此：
(a)主要燃料的第一部分在第一主要燃料阶段引入，并且定时成第一部分具有足够的时间与吸入空气混合，从而第一部分以预混合燃烧模式燃烧；
(b)引燃燃料在引燃燃料阶段引入，以便在活塞处于上止点或其附近时引燃燃料自动点火；以及
(c)主要燃料的第二部分在第二主要燃料阶段引入，以便第二部分在扩散燃烧模式下燃烧。
其中，主要燃料的第一部分的量被控制成在压缩冲程中使得主要燃料对空气的比小于标定的爆震极限。
在这个优选方法中，第二部分可以在多个喷射脉冲内引入，且多个喷射脉冲中的第一个定时为用引燃燃料点火，以利于主要燃料第一部分的点火。即，主要燃料的第二部分中的一部分可以点燃，以利于主要燃料第一部分的燃烧。
主要燃料的第一部分优选地通过辅助喷射阀引入气缸上游的空气引入通道中。
引燃阶段优选地在压缩冲程中开始。更具体地说，引燃阶段优选地在活塞处于上止点之前120到20曲轴角度之间时开始，从而引燃燃料在燃烧之前具有时间形成基本上稀薄的分层化进气。
第二主要燃料阶段优选地在活塞处于压缩冲程的上止点或其附近时开始。
提供了一种用于将燃料引入工作的内燃机的气缸中的装置，该内燃机具有至少一个其中设置活塞的气缸。燃料包括主要燃料和可自然程度强于主要燃料的引燃燃料，该装置包括：
(a)用于采集发动机工作数据的测量装置，测量装置包括用于测量发动机转速的转速表和用于确定节气门位置的传感器；
(b)电控单元，该单元接收工作数据并处理这些数据，以计算一组负载状况，电控单元包括用于存储负载状况的控制组和用于负载状况的控制组的预定工作模式的存储器，电控单元将所计算的负载状况组与负载状况控制组相匹配，以选择多个预定工作模式中的一个；
(c)由电控单元控制的主燃料喷射阀，以根据预定工作模式和该组负载状况以电控单元所确定的量多次将主要燃料引入气缸中；以及
(d)由电控单元控制的引燃燃料喷射阀，以根据预定工作模式和该组负载状况以电控单元所确定的量多次将引燃燃料引入气缸中；
其中，预定工作模式包括三个阶段将燃料引入气缸中，由此主要燃料的第一部分在第一阶段引入，引燃燃料在第二阶段引入，而主要燃料的第二部分在第三阶段引入。
主要燃料喷射阀和引燃燃料喷射阀优选地集成到双燃料喷射阀中，该喷射阀可***纵成彼此独立地喷射主要燃料和引燃燃料中每一种。双燃料喷射阀的优点在于对只有单独一个燃料喷射器的传统柴油机只需要作很少的改进。
该装置还可以包括一个与用于将主要燃料引入空气引入通道中的空气引入***相关联的辅助喷射阀。通过利用辅助喷射阀，主要燃料可以在引入气缸之前与空气混合。空气引入通道例如可以是空气引入歧管，并优选地为涡轮增压器或增压器的上游。当辅助喷射阀位于发动机进气口，且发动机包括多个气缸时，辅助喷射法对于每个气缸设置。
本双燃料喷射技术的进一步优点将在结合详细描述考虑附图时得以明白。
附图说明
包括图1a和1b的图1描绘了发动机气缸的局部横截面图，示出了没有引燃燃料情况下将燃料依次喷射到气缸中，图1a描绘了在进气冲程中被喷射到气缸中的主要燃料的一部分，而图1b描绘了在接近工作冲程开始时喷射的主要燃料的剩余部分；
包括图2a、2b和2c的图2描绘了发动机气缸的局部横截面图，示出了在具有引燃燃料情况下将燃料依次喷射到气缸中，图2a描绘了在进气冲程中喷射到气缸中的主要燃料的一部分，图2b描绘了在在压缩冲程中引燃燃料的喷射，而图2c描绘了在接近压缩冲程的上止点时喷射的主要燃料的剩余部分；
图3是气缸的局部横截面图，示出了用于主要燃料与空气混合的另一种结构，在这种结构中，取代在气缸中混合主要燃料和空气，他们在气缸外部(即，在引入气缸之前)预先混合；
图4和5是控制逻辑图，提供了为实现所公开的方法可以采用的电控单元的一个逻辑示例；
包括图6a和6b的图6描绘了与HCCI模式和扩散模式燃烧过程相关联的热释放率曲线，图6a描绘了对于无引燃燃料情况下稀燃(HCCI模式)和扩散模式燃烧的热释放率曲线，而图6b描绘了对于引燃燃料情况下引燃烟流、稀燃(HCCI或火焰传播模式)以及扩散模式燃烧的热释放率曲线。
具体实施方式
在优选方法中，燃料被喷入四冲程内燃机的气缸中，该内燃机具有至少一个往复运动的活塞和与活塞相连的曲轴。在本公开物中，参照上止点(TDC)之前或之后的曲轴角度描述了气缸内的活塞位置。当活塞到达向上冲程的末端并将要开始向下冲程时(即，活塞最靠近缸盖的点)，活塞处于TDC。
该方法涉及主要燃料，主要燃料优选地为气态燃料，例如是天然气、丙烷、沼气、甲烷、或氢气。该方法还可以包括利用点火源控制主要气体的燃烧正时。点火源例如可以是比主要燃料更易于自燃的引燃燃料、热的表面点火源，如炽热塞、火花塞或其他公知的点火装置。当采用引燃燃料时，优选的燃料为传统的柴油或二甲基醚。
图1示出了将燃料以两个单独阶段引入气缸110中的优选方法。在图1的实施例中，燃料在气缸110中自燃，且第一阶段中引入的燃料基本上以预混合稀燃燃烧模式燃烧而第二阶段中引入的燃料基本上以扩散燃烧模式燃烧。
在第一阶段中，如图1a所示，活塞113在进气冲程中远离喷射阀115移动，吸入空气通过开放的进气气门111进入气缸110中。排气气门112关闭。在第一阶段，主要燃料117a也引入气缸110中，在该处它与吸入空气混合。在另一实施例中(未示出)，第一阶段主要燃料引入可以定时为当活塞113处于下止点时或在压缩冲程中当活塞113向喷射阀115移动，且进气气门111关闭时发生。然而，延迟第一阶段主要燃料引入就减小了主要燃料117a与吸入空气混合的机会。于是，如果第一阶段被定时成在压缩冲程中发生，对于它优选地是在压缩冲程早期阶段内，当活塞113在下止点附近时发生。
在第一阶段引入的主要燃料的量被限制为减少爆震的可能性。由于在第一阶段引入的主要燃料量被限制为非常稀薄的条件(即，当量比在0.10和0.50之间)，预期燃烧会经由一个HCCI燃烧模式快速进行。在压缩冲程上止点附近的预混合进气的点火导致较高的热效能。对于预混合燃烧的开始和速率的控制是通过控制进气歧管温度、进气歧管压力、EGR率、EGR温度、残留气体截留百分率(trapping fraction)和压缩比中至少一项予以实现的。在优选方法中，这些参数中大部分或全部被控制，以经由HCCI燃烧模式控制预混合进气的自燃正时。由于预混合燃料和空气在非常稀薄条件下燃烧，因此NOx的形成率很小。
由于第一阶段内引入的主要燃料的量被限制成防止爆震，额外量的主要燃料在第二阶段过程中引入，以满足发动机负载需求。优选地是，主要燃料的第二阶段喷射在上止点附近发生，如图1b所示。在图1b中，活塞113被气缸110内燃料燃烧所推动而远离喷射阀115移动。进气气门111和排气气门112在随后的压缩和工作冲程中都关闭。优选地是，第二阶段在压缩冲程晚期或在工作冲程的早期阶段内发生，这是由于在工作冲程晚期引入额外燃料与在较早时加入相比，不太利于发动机功率输出。第二阶段主要燃料引入优选地在连接到活塞113上的曲轴超过工作冲程开始时活塞113位于TDC时的点旋转大于50度之前完成。
由于第二阶段主要燃料117b在压缩冲程结束附近或在工作冲程早期过程中引入，因此在点火之前，它没有机会与气缸110中的空气完全混合。因此，第二阶段主要燃料117b基本上以扩散燃烧模式燃烧。由于第一阶段主要燃料117a的量受到发动机爆震界限的限制，通过调节第二阶段中引入的主要燃料117b的量来将发动机功率输出控制在高负载工况下。
在采用EGR和/或涡轮增压的发动机中，引入第二阶段主要燃料117b的量和/或正时可得以控制，以影响随后发动机循环中的进气歧管温度和进气歧管压力。在优选方法中，第二阶段主要燃料117b的量主要通过发动机负载确定，这是由于第二阶段燃料量补偿由爆震限制所导致的第一阶段燃料不足。然而，第二阶段的正时可以操纵成有利于控制进气歧管的温度和进气歧管的压力。例如，通过延迟主要燃料117b的引入或增大第二阶段主要燃料量，废气温度和压力基本上增大。较高的废气温度和压力可以用于增加涡轮增压器输出，从而增大进气歧管压力。可以采用中冷器来对赋予进气歧管温度的进一步控制。如果发动机利用ERG，废气温度也可以直接影响进气歧管温度。在优选方法中，电控单元用于控制第二阶段主要燃料引入的燃料量和正时。电控单元接收关于发动机负载和发动机转速(或电控单元通过其可以计算出发动机负载和发动机转速的发动机参数)的信息。电控单元利用这些信息，通过参照查找查询表，基于发动机负载和转速来确定燃料量和正时，其中查询表包含基于发动机负载和速度对于给定发动机工况的燃料量和正时的标定值。
当探测到爆震时，一项防止进一步爆震的选择为减少第一阶段引入的主要燃料量，并增大第二阶段引入的燃料量。然而，用于防止爆震的另一项选择为控制第二阶段的正时。例如，可以延迟第二阶段正时，以通过提高涡轮增压器的输出来增大进气歧管压力。可以通过采用中冷器和/或后冷器来抵消较高温度的废气。以这种方式增大进气歧管压力导致更多的空气引入气缸中，由此形成防止爆震的更稀薄的均质进气。另外，可以提前第二阶段正时，以降低废气温度，并从而冷却进气歧管温度。中冷器和/或后冷器也可以与提前第二阶段的正时结合使用。第二阶段正时是否提前或延迟可以取决于探测到爆震时第二阶段的当前正时。这种操纵第二阶段正时的技术也可以与重新分配第一和第二阶段引入的燃料量结合使用。
电控单元也可以重新标定查询表，以防止在相同的工况下再发生爆震。
在一个实施例中，主要燃料117b在多个喷射脉冲内引入。例如，在第一喷射脉冲内引入的燃料可以用于满足负载需要，而第二喷射脉冲内引入的燃料可以用于控制废气温度和压力，后者又有利于控制随后发动机循环中的进气歧管温度和/或进气歧管压力。
图2示出将主要燃料以两个单独阶段引入气缸210中的另一优选方法，该方法包括将引燃燃料引入，以触发主要燃料的燃烧。与图1的实施例类似，在图2的实施例中，在第一阶段引入的主要燃料与吸入空气混合，并基本上在均质的稀燃燃烧模式下燃烧，而在第二阶段引入的主要燃料基本上在扩散燃烧模式下燃烧。
图2a示出在进气冲程中，当进气气门211开启而排气气门212关闭时，第一阶段主要燃料217a通过喷射阀215引入气缸210中。在图2a中，活塞213处于下止点或远离喷射阀215移动，将第一阶段主要燃料217a引入的方法与先前描述的实施例的引入第一阶段主要燃料117a的方法类似，并且将第一阶段燃料引入的所有其他方法都可以应用于这个实施例。
图2b描绘了在压缩冲程中当活塞213向喷射阀215移动时，引入引燃燃料218。进气气门211和排气气门212都关闭。引燃燃料218的量和引燃燃料的喷射正时被设定成在气缸210内形成引燃燃料、主要燃料和空气的预混合的分层化进气。在优选方法中，分层化的进气相对于引燃烟流中的引燃燃料和主要燃料的量总体上是稀薄的。优选地是，分层化的进气的点火大约与活塞213到达压缩冲程上止点的时刻同时。当引燃燃料烟流点火时，引燃燃料218和截留在引燃烟流中的主要燃料都燃烧。由于引燃烟流整体上为稀薄的，在引燃烟流中可以实现稀燃对于NOx形成率的益处。
在另一实施例中，引燃燃料可以在活塞213接近TDC时喷入气缸210中，在这个实施例中，引燃燃料基本上以扩散燃烧模式燃烧，这导致较高的NOx形成率。于是，优选地是如图2b所示将引燃燃料在压缩冲程早期喷射，以便在气缸210内形成分层化的引燃烟流。然而，引燃燃料218不必要过早地喷射，因为这将导致过稀薄的分层化进气，这种进气不会从一个循环到下一个循环以可重复的方式自燃。引燃燃料优选地是在TDC之前120到20曲轴角度之间引入气缸210中。最佳的引燃燃料喷射正时可以随着发动机转速和负载状况而变化。如果探测到爆震，也可以调节引燃燃料量和正时。
如图2c所示，主要燃料217b的第二阶段喷射在活塞213靠近上止点时发生，类似于图1b所示的第一实施例。由于主要燃料217b在压缩冲程结束时，或在工作冲程早期引入，它没有机会与气缸210内的空气完全混合。于是，第二阶段主要燃料217b基本上以扩散燃烧模式燃烧。由于大部分引燃烟流中的燃料和一部分预混合进气在第二阶段主要燃料引入时燃烧，喷入的主要燃料217b与空气和大部分燃烧产物混合。由于较低的氧气潜在量，因此潜在地降低了NOx形成率。
由于第一阶段燃料217a的量受发动机爆震极限的限制，通过调节第二阶段主要燃料217b的量，发动机功率输出被控制在高负载状况之下。
与图1中的实施例相同，可以控制第二阶段正时和第二阶段燃料217b的量，以影响随后的发动机循环中的进气歧管温度和进气歧管压力。第二阶段燃料217b可以以多个喷射脉冲喷射，当采用引燃燃料时，一部分第二阶段燃料217b可以喷射到气缸210中，以便它与引燃燃料218一同燃烧，从而利于均质进气的点火。类似于图1所示的方法，可以操纵第二阶段正时和量，以影响进气歧管温度和压力，从而防止爆震，或有利于助长HCCI燃烧的条件。
除了第一实施例中所讨论的控制参数外，可以使用引燃燃料流速和喷射正时，以在将NOx和PM水平保持尽可能地的同时维持高循环效率并同时防止出现爆震方面优化发动机的工作。即，引燃燃料的使用给出了对预混合进气燃烧开始的附加控制。该控制是通过引燃烟流外侧的预混合进气的压缩热量，借助于引燃烟流内的燃烧的进气的膨胀而实现的(燃烧和未燃烧进气的密度比约为4)。这种膨胀压缩引燃烟流外侧的未燃烧的预混合进气。这种压缩造成未燃烧的预混合进气的温度增加，导致自燃(类似于火花点燃发动机中导致尾气(end gas)点火的压缩效应)。
引燃燃料量和预混合燃料/空气当量比共同决定温度升高量。早期喷射的引燃燃料在充满预混合的燃料和空气的气缸中形成大致稀薄的分层化烟流。引燃燃料烟流的扩展取决于引燃燃料喷射正时和引燃燃料量，以及缸内状况。优选地是由引燃烟流燃烧所导致的压缩和温度上升造成预混合燃料和空气以HCCI燃烧模式燃烧。另外，有可能有引燃烟流燃烧造成的温度上升又导致通过稀薄预混合进气传播的火焰(然而，由于预混合的进气的当量比被预期为过低而不能维持火焰传播，因此预计没有通过预混合进气传播的火焰)。在各种情况下，对预混合的进气燃烧的突然开始的控制可以通过燃烧分层化的引燃燃料烟流予以控制。可以在任何情况下实现稀燃燃烧在减少NOx形成率方面的益处。
相对于烟熏燃烧，由于分层的引燃烟流较浓(考虑到主要燃料和引燃燃料二者)，存在引燃烟流中形成更多NOx的代价。当主要燃料为气态燃料，如天然气或氢气，而引燃燃料为柴油时，主要燃料第二阶段的引入增大了用于满足发动机在高负载状态下的需求的主要燃料的比例。主要燃料比例的增大减少了柴油消耗量，由此降低了NOx排放。在优选实施例中，基于能量，引燃燃料218的量一般呈现出平均小于燃料总量的10％，且主要燃料217a和217b提供均衡。在特定的工况下，引燃燃料218的量可以高于或低于总燃料量的10％。
图3示出在进气冲程中将第一阶段主要燃料317a引入气缸310中的其他结构。在图3中，进气气门311开启，而排气气门312关闭。活塞313远离喷射阀315移动，并且将吸入空气和第一阶段主要燃料的混合物吸入气缸310中。胜于在气缸314内开始混合气态主要燃料317a和空气320，辅助喷射阀325将主要燃料317a引入空气引入***中，从而主要燃料在被引入气缸310之前与在引入通道320内的空气混合。引入通道320例如可以为进气歧管，或在进气***更上游的进气通道。本领域技术人员将理解到辅助喷射阀325例如可以位于涡轮增压器上游，以便在喷射点的气压较低，并且空气和燃料在引入气缸310之前具有更多的时间混合到一起。
在引入气缸310之前燃料和空气的预混合给混合物更多的时间，以便在燃烧之前变得均质。进气气门311控制燃料和空气的预混合进气的引入。在仅采用一种燃料的发动机中，第二阶段燃料通过喷射阀315引入，如图1b所示，在采用引燃燃料的发动机中，喷射阀315优选地为双燃料喷射阀，它象喷射阀215一样工作，如图2b和2c所示，以引入引燃燃料和第二阶段主要燃料。
对于包括多个活塞的发动机，可以采用多个辅助喷射阀，或辅助喷射阀325位于空气引入***的更上游处，以为所有活塞服务。
图4示出控制逻辑图，该图表明了测量子***401如何用于采集与目前工况相关的数据。在优选实施例中，测量子***401采集与节气门位置、发动机转速和其他工作参数相关的数据，并将这些数据传送到电控单元(ECU)。ECU不需要分离的独立部件或单元，但可以与其他部件(如发动机工作数据测量装置)集成。测量子***401可以可选地提供附加的数据，如进气歧管温度、进气歧管压力、吸入气流、外部EGR流率、外部EGR温度、排气和进气气门正时、压缩比和指示发生爆燃的信息。
ECU优选地接收来自测量子***401的数据并记录或利用这些数据计算：
(a)目前发动机转速；
(b)目前空气流量(A)；
(c)目前外部EGR流率和温度(TEGR)；
(d)目前进气歧管进气温度(IMT)；
(e)目前截留的残留燃气百分比(这可以从排气和进气气门正时中算出)；
(f)目前的压缩比(CR)；以及
(g)目前的进气歧管压力(IMP)。
在步骤402，ECU例如通过参照存储所需信息的查询表确定理想控制参数。例如，对于给定的速度和负载条件，查询表包含关于最佳进气歧管温度、进气歧管压力、压缩比、截留的残余气体百分比、进气和排气气门正时、EGR流率、EGR温度、早期喷射的主要燃料量、以及在第二阶段喷射主要燃料的正时和量值的信息。可以采取适当的测量来达到最佳值。例如，如果EGR流率过低，那么增大EGR流率。
在本实施例中，可以选取进气歧管温度、进气歧管压力、压缩比、截留的残留气体、进气和排气气门正时、EGR流率、EGR温度、以及在第一和第二阶段喷射的主要燃料量的最佳值，以便在将NOx和PM水平保持尽可能低的同时维持高循环效率、并同时防止爆震发生方面发动机工作最佳。对应于这种最佳条件的热释放率曲线在图6a中示出。在这个图中，热释放率对应于曲轴相对于TDC的角度绘出。主要燃料在工作冲程开始附近、在为TDC或TDC附近的曲轴角度X处点火。预混合进气快速燃烧，一般在上止点后第一个10～20曲轴角度之内，并在曲轴角度Y达到峰值。在稀薄的预混合进气燃烧过程中产生非常少的NOx。如上所述，预混合进气燃烧突然发生的正时通过进气歧管温度、早期喷射的主要燃料量、进气歧管压力、外部EGR率、截留的残留气体、以及在两个阶段内喷射的主要燃料正时和量值中之一加以控制。预混合进气的燃料/空气比受爆震和压力限制(即，如果燃料/空气比过浓，会发生爆震，或者会超过最大缸内压力极限)。主要燃料喷射的第二阶段定时为靠近压缩冲程的TDC发生。在第二阶段内引入的一部分主要燃料也在上止点附近燃烧，这有助于热释放，并在曲轴角度Y处形成峰值。在第二阶段喷入的燃料基本上在扩散模式燃烧下燃烧。为了维持较高的循环效率，在第二阶段中主要燃料的喷射大致在曲轴角Z处完成，其在压缩冲程TDC之后30～59曲轴角之间。
ECU也可以接收来自测量子***401的表示是否发生爆震的数据。如果在步骤403，ECU探测到爆震，那么在步骤404采取适当的控制措施，以调节参数来防止进一步爆震。例如，减少早期喷射的主要燃料量，且相应地增大在接近上止点时第二阶段内喷射的主要燃料量。另外，或在变动的措施中，鉴于查询表中提供的预定的修正动作，ECU例如可以选择进行以下工作中的一项或多项：
(a)减少压缩比；
(b)延迟关闭进气气门；以及
(c)减少外部EGR流率。
为了防止进一步发生爆震，在步骤405，ECU可以重新标定其存储器内的其存储值，以便重新标定对于爆震限制的值。
在步骤406，在考虑步骤402中确定的查询表值以及步骤404中作出的任何调整之后，ECU最终设定发动机工作参数。这些参数优选地包括以下参数中的一个或多个：
(a)第一阶段气态燃料流量；
(b)第一阶段气态燃料正时；
(c)进气歧管温度；
(d)进气歧管压力；
(e)进气气门正时；
(f)排气气门正时；
(g)外部EGR流率和/或截留的残留气体；
(h)压缩比；
(i)第二阶段气态燃料量；以及
(j)第二阶段气态燃料正时。
图5是类似于图4的图的控制逻辑图，除了图5表示了一种采用引燃燃料以触发气态主要燃料的燃烧的发动机。于是，由测量子***501测量的一些参数不同于由图4的测量子***401测量的参数。例如，子***501测量引燃燃料流量，但是不需要测量进气歧管温度或EGR温度，这是由于对于控制气态燃料的自燃，不需要监控这些参数。步骤502到506基本上与如上所述的图4中相对应的步骤402到406相同。
所公开的将主要燃料以两个单独的阶段引入的方法降低了爆震的可能性，通过利用稀燃(HCCI)和扩散燃烧模式二者提供了有效地工作，并且与传统工作方法相比，在减少NOx排放的同时维持了较高的发动机输出。
对应于图5的方法的热释放率曲线的示例在图6b中示出。在这个图中，热释放率相对于相对TDC的曲轴角度绘出。引燃烟流燃烧在曲轴角度A开始，该位置接近TDC(优选地是在TDC之前或之后20度之内)。引燃烟流继续燃烧直到曲轴角度B位置，在该点处，预混合的进气开始快速燃烧。基本上所有的预混合进气在上止点之后第一个10～20曲轴角度之内燃烧，如相对高的热释放率所表明的，热释放率在TDC之后在曲轴角度C最大。在稀薄的预混合进气燃烧过程中，产生非常少的NOx。如上所述，预混合进气燃烧突然发生的正时由以下参数中至少一个，并有可能是多个来控制，这些参数为：进气歧管温度、早期喷射的主要燃料量、进气歧管压力、外部EGR率、截留的残余气体、以及在三个阶段内喷射的主要燃料和引燃燃料的正时和量值。预混合进气的燃料/空气比受爆震和压力限制(即，如果燃料/空气比过浓，会发生爆震，或可能超过最大缸内压力极限)。主要燃料喷射的第二阶段定时为在压缩冲程的上止点附近发生。在第二阶段中引入的主要燃料的一部分也在TDC附近燃烧，这有助于在曲轴角度C的热释放率。然而，在这个阶段内喷射的燃料基本上以扩散燃烧模式燃烧，这有助于曲线在曲轴角度C和D之间的部分。优选地是，在第二阶段内的主要燃料的喷射在压缩冲程的TDC之后30度曲轴角度之前完成，以维持较高的循环效率。
参照图6b，ECU也可以接收来自测量子***501的数据，该数据表示是否发生了爆震。如果探测到爆震，那么ECU采取适当的控制措施，如步骤503到506所示的那样。
因此，所公开的将主要燃料以两个单独阶段引入的方法降低了爆震的可能性，通过利用都存在于相同发动机循环中的分层化进气(引燃烟流)、稀燃和扩散燃烧模式提供了有效的工作，并与传统工作方法相比在减少NOx排放的同时维持了较高的发动机输出。
如在此所使用的，术语节气门或节气门位置已经在一般意义上用于表示发动机的负载需求。典型的是，这种负载需求由用户设定，并可以是脚踏板位移(在车辆发动机情况下)或预定的负载需求(在能量产生发动机的情况下)。一般地，存在用户可以设定负载需求的很多方式，而术语节气门(如在本申请中所使用的)应在普通意义上理解。
虽然公开文本参照四冲程发动机公开了本方法和装置的优选实施例，但本领域技术人员将理解到相同的方法可以应用于两冲程发动机上。类似地，虽然附图没有示出配备有炽热塞或火花塞以辅助燃料点火的发动机，配备有这种装置的发动机以及他们相应的结构对本领域技术人员来说是公知的。
如本领域技术人员根据前面公开所理解到的，在不背离本发明的精髓或范围前提下，本发明实践中很多变化和修改都是有可能的。于是，本发明的范围应根据所附权利要求书限定的实质加以理解。

Claims (54)

1.一种将气态燃料引入工作的内燃机的气缸中的方法，所述发动机具有设置在所述气缸内的活塞，所述方法包括：
(a)监控一组发动机参数；
(b)从所述组发动机参数中确定发动机负载和发动机转速；
(c)在第一阶段，在燃烧之前将第一气态燃料引入所述气缸中，在此，所述第一气态燃料形成包括所述第一气态燃料和吸入空气的基本均质的混合物；以及
(d)在所述第一阶段后依次发生的第二阶段，将第二气态燃料引入所述气缸中；
其中，第一和第二气态燃料量可以响应发动机负载和发动机转速中至少一个控制，并且所述第一和第二阶段中至少一个阶段的开始和持续时间中至少之一响应发动机负载和发动机转速中至少一个可变化。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二阶段在所述活塞处于或靠近上止点时开始。
3.如权利要求2所述的方法，其中，在相同的发动机循环内，所述第一气态燃料根据预混合燃烧模式燃烧，而所述第二气态燃料基本上根据扩散燃烧模式燃烧。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述预混合燃烧模式为均质进气压缩点火模式。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述发动机为四冲程发动机。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一阶段在吸气冲程中开始。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一阶段在所述活塞处于或靠近吸气冲程的上止点时开始。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一气态燃料在引入所述气缸内之前与吸入空气预混合。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述第一气态燃料在涡轮增压器或增压器上游与吸入空气预混合。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述组发动机参数包括发动机转速、发动机节气门位置、进气歧管温度、进气歧管压力、废气循环流速和温度、所述气缸内的气流、压缩比、进气和排气气门正时、以及所述气缸内是否存在爆震中至少一个。
11.如权利要求10所述的方法，还包括响应于所述组发动机参数中至少一个参数值的变化改变第二气态燃料量或第二阶段正时中至少一个。
12.如权利要求11所述的方法，其中，电控单元控制所述第二气态燃料的正时和量。
13.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二气态燃料量可变，并且在所述发动机负载增大时所述量增大。
14.如权利要求13所述的方法，还包括涡轮增压所述发动机，并通过控制(a)所述第二气态燃料量、以及(b)所述第二气态燃料引入所述气缸中的正时中的至少一个来至少部分控制进气歧管压力。
15.如权利要求14所述的方法，还包括在探测到爆震时，增大进气歧管压力，以减少吸入的进气当量比。
16.如权利要求13所述的方法，还包括涡轮增压以及将发动机废气再循环到进气歧管中至少一个，并通过控制(a)所述第二气态燃料量、以及(b)所述第二气态燃料引入所述气缸中的正时中的至少一个来影响进气歧管温度。
17.如权利要求16所述的方法，还包括当探测到爆震时降低进气歧管温度。
18.如权利要求13所述的方法，其中，所述第二阶段包括多个燃料喷射脉冲。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述第二阶段由第一喷射脉冲和第二喷射脉冲构成，而所述第二气态燃料在所述第一和第二喷射脉冲之间分配。
20.如权利要求18所述的方法，其中，所述第二气态燃料的总量响应于发动机负载需求确定，同时电控单元参照查询表，以在所述多个燃料喷射脉冲之间分配所述第二气态燃料，所述电控单元计算对应于所述多个喷射脉冲的正时的燃料转化效率。
21.如权利要求19所述的方法，其中，所述第一和第二喷射脉冲中至少一个的正时响应于发动机负载和发动机转速中至少一个来控制。
22.如权利要求19所述的方法，其中，所述第二气态燃料的第一部分量通过所述第一喷射脉冲引入，而所述第二气态燃料的第二部分量通过所述第二喷射脉冲引入，而所述第一部分量和所述第二部分量响应于发动机负载和发动机转速中至少一个独立地控制。
23.如权利要求22所述的方法，其中，所述第一部分量响应于发动机负载的增大而增加。
24.如权利要求22所述的方法，其中，控制第二喷射脉冲正时和所述第二部分量中至少一个，以影响进气歧管温度和进气歧管压力中至少一个，由此正时提前，以降低进气歧管温度和/或压力，且/或减少燃料量以降低进气歧管温度和/或压力。
25.如权利要求24所述的方法，还包括探测到爆震时降低进气歧管温度。
26.如权利要求24所述的方法，还包括当探测到爆震时增大进气歧管压力。
27.如权利要求1所述的方法，还包括将引燃燃料引入气缸中，以便在活塞处于或接近压缩冲程的上止点时引燃燃料点火。
28.如权利要求27所述的方法，还包括确定引入的正时以及所述引燃燃料的量，以在所述引燃燃料点火之前形成基本上稀薄分层化的进气。
29.如权利要求28所述的方法，其中，所述引燃燃料在所述活塞处于上止点之前120和20曲轴角度之间时引入所述气缸中。
30.如权利要求27所述的方法，还包括电控气态燃料和引燃燃料引入所述气缸内的正时和量值。
31.如权利要求30所述的方法，还包括当探测到爆震时改变引燃燃料量和正时中至少一个。
32.如权利要求27所述的方法，其中，所述引燃燃料是从柴油和二甲基醚构成的组中选取的。
33.如权利要求27所述的方法，其中，所述引燃燃料与所述第一或第二气态燃料之一混合，并与气态燃料一起引入所述气缸中。
34.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一和第二气态燃料为相同的气态燃料。
35.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一气态燃料和所述第二气态燃料是从由天然气、液化石油气、沼气、甲烷和氢气构成的组中选取的。
36.如权利要求1所述的方法，还包括利用炽热塞或火花塞点燃所述气态燃料。
37.一种将燃料引入工作的内燃机气缸中的方法，该内燃机具有设置在所述气缸内的活塞，所述燃料包括主要燃料和引燃燃料，引燃燃料可自燃程度大于所述主要燃料，所述方法包括将燃料以三个阶段引入所述气缸中，由此：
(a)所述主要燃料的第一部分在第一主要燃料阶段引入，并且定时成第一部分具有足够的时间与吸入空气混合，从而第一部分以预混合燃烧模式燃烧；
(b)所述引燃燃料在引燃阶段引入，以便在活塞处于上止点或其附近时引燃燃料自动点火；以及
(c)所述主要燃料的第二部分在第二主要燃料阶段引入，以便第二部分在扩散燃烧模式下燃烧；
其中，所述主要燃料的第一部分的量被控制成在压缩冲程中使得主要燃料对空气的比小于标定的爆震极限。
38.如权利要求37所述的方法，其中，所述第二部分在多个喷射脉冲内引入。
39.如权利要求38所述的方法，其中，所述多个喷射脉冲的第一个在所述引燃阶段开始之前开始。
40.如权利要求37所述的方法，其中，所述第二部分至少一部分的燃烧触发所述第一部份燃烧。
41.如权利要求37所述的方法，其中，所述第一阶段在吸气冲程中发生。
42.如权利要求37所述的方法，其中，所述主要燃料的第一部分通过辅助喷射阀引入所述气缸上游的空气引入通道中。
43.如权利要求37所述的方法，其中，所述引燃阶段在压缩冲程中开始。
44.如权利要求43所述的方法，其中，所述引燃阶段在所述活塞处于上止点之前120和20曲轴角度之间时开始。
45.如权利要求37所述的方法，其中，所述第二主要燃料阶段在所述活塞处于或靠近压缩冲程的上止点时开始。
46.一种用于将燃料引入工作的内燃机气缸中的装置，该内燃机具有至少一个其中设置有活塞的气缸，所述燃料包括主要燃料和引燃燃料，引燃燃料可自燃程度大于所述主要燃料，所述装置包括：
(a)用于从所述发动机采集工作数据的测量装置，所述测量装置包括用于测量发动机转速的转速表和用于确定节气门位置的传感器；
(b)电控单元，该单元接收工作数据并处理所述数据，以计算一组负载状况，所述电控单元包括用于存储负载状况的控制组和用于所述负载状况控制组的预定工作模式的存储器，电控单元将所计算的负载状况组与负载状况控制组相匹配，以选择多个预定工作模式中的一个；
(c)由所述电控单元控制的主燃料喷射阀，以根据所述预定工作模式和所述组负载状况以所述电控单元所确定的量多次将所述主要燃料引入所述气缸中；以及
(d)由所述电控单元控制的引燃燃料喷射阀，以根据所述预定工作模式和所述组负载状况以所述电控单元所确定的量多次将所述引燃燃料引入所述气缸中；
其中，所述预定工作模式包括三个阶段将燃料引入气缸中，由此所述主要燃料的第一部分在第一阶段引入，所述引燃燃料在第二阶段引入，而所述主要燃料的第三部分在第三阶段引入。
47.如权利要求46所述的装置，其中，所述主要燃料喷射阀和所述引燃燃料喷射阀集成到一个双燃料喷射阀中，双燃料喷射阀可操纵成将所述主要燃料和所述引燃燃料中的每一种彼此独立地喷射。
48.如权利要求46所述的装置，还包括与空气引入***相关联的辅助喷射阀，用于将所述主要燃料引入所述空气引入通道中，以便所述主要燃料在被引入所述气缸中之前与吸入空气相混合。
49.如权利要求48所述的装置，其中，所述空气引入通道为空气引入歧管。
50.如权利要求48所述的装置，其中，所述发动机包括多个气缸，而辅助喷射法用于所述气缸中的每一个。
51.一种用于将燃料引入工作的内燃机气缸中的装置，该内燃机具有至少一个其中设置有活塞的气缸，所述装置包括：
(a)用于从所述发动机采集工作数据的测量装置，所述测量装置包括用于测量发动机转速的转速表、用于确定节气门位置的传感器，和用于确定进气歧管内温度的传感器；
(b)电控单元，该单元接收所述工作数据并处理所述数据，以计算一组负载状况，所述电控单元包括用于存储负载状况的控制组和用于所述负载状况控制组的预定工作模式的存储器，电控单元将所计算的负载状况组与负载状况控制组相匹配，以选择多个预定工作模式中的一个；
(c)用于控制所述进气歧管内温度的装置，由此所述装置被用来使所述进气歧管内的温度与所述电控单元参照所述测量的工作数据和所述负载状况的计算组而确定的温度相一致；
(d)由所述电控单元控制的气态燃料喷射阀，从而在气缸进气和排气气门关闭时，根据所述预定工作模式以所述电控单元所确定的量多次将所述气态燃料的一部分引入所述气缸中；以及
(e)由所述电控单元控制的辅助气态燃料喷射阀，以将所述气态燃料的一部分引入吸入空气通道中，从而当所述进气气门开启时将空气和气态燃料的混合物提供到所述气缸中，且混合物具有所述电控单元基于所述预定工作模式所确定的燃料空气比；
其中，对于给定的所计算的负载状况，所述预定工作模式确定气态燃料引入所述气缸中的正时和量，由此，气态燃料和空气的混合进气通过所述进气气门引入，从而在所述气缸内以预混合燃烧模式燃烧，而气态燃料通过所述气态燃料喷射阀引入，以在所述气缸内基本上以扩散燃烧模式燃烧。
52.如权利要求51所述的装置，其中，所述用于控制所述进气歧管内的温度的装置包括将排气歧管连接到所述进气歧管上的流体通道，和用于控制流过所述流体通道的废气量的控制阀。
53.如权利要求52所述的装置，还包括与所述流体通道相关联的热交换器，以控制从其流过的所述废气的温度。
54.如权利要求51所述的装置，还包括加压所述吸入空气的涡轮增压器和中冷器及后冷器中的至少一个。
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