專(zhuān)利名稱(chēng)：具有低充入空氣氧濃度水平和高燃料噴射壓力的低排放柴油機(jī)內(nèi)燃燒系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于減少在傳統(tǒng)的柴油內(nèi)燃機(jī)中產(chǎn)生的有害排放物的燃燒控制過(guò)程。
背景技術(shù)：
在機(jī)動(dòng)車(chē)輛中連續(xù)地使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，會(huì)大大地增加如氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM)等有害的污染物質(zhì)在大氣中的存在。傳統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)以明顯地超過(guò)可接受的環(huán)境水平排放NOx和/或PM。然而，由于它們的燃料效率，對(duì)于很多用途來(lái)說(shuō)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)仍然優(yōu)于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。因此，降低柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx和PM的排放的嘗試已經(jīng)持續(xù)了很多年。
由于后面將要討論的原因，現(xiàn)有技術(shù)還沒(méi)有成功地開(kāi)發(fā)出一種能夠?qū)Ox和PM兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的排放水平同時(shí)保持在環(huán)境可以接受的水平以下的、穩(wěn)固的柴油機(jī)內(nèi)的燃燒系統(tǒng)(即，提供一種在商業(yè)上可以接受的在各種不同的速度和負(fù)荷的范圍內(nèi)的響應(yīng)性和馬力)。對(duì)于本發(fā)明的目的而言，將環(huán)境可以接受的柴油機(jī)NOx的排放水平定義為0.2g/bhp-hr或更低，將環(huán)境可以接受的柴油機(jī)PM排放水平定義為通過(guò)排氣后處理可以有效地降低到0.01g/bhp-hr或者更低。
試圖將NOx和PM兩者的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放水平同時(shí)保持在環(huán)境可以接受的水平的挑戰(zhàn)，是一個(gè)盡管全世界的政府和工業(yè)界廣泛和共同的努力，還長(zhǎng)期從未解決的環(huán)境和工業(yè)問(wèn)題。
由于利用現(xiàn)有技術(shù)對(duì)于柴油機(jī)未能解決同時(shí)令人滿意地降低發(fā)動(dòng)機(jī)排出的NOx和PM的問(wèn)題，柴油機(jī)工業(yè)已經(jīng)轉(zhuǎn)而主要開(kāi)發(fā)NOx和PM的后續(xù)處理(即，在發(fā)動(dòng)機(jī)之后，但是在排放氣體被釋放到大氣中之前)，以便滿足目前的和即將來(lái)臨的國(guó)際PM和NOx的環(huán)境規(guī)則。但是，目前在柴油機(jī)工業(yè)中的人士認(rèn)為這種后續(xù)處理系統(tǒng)是昂貴的，還存在著效率和耐久性問(wèn)題，并且引起與尺寸(“包裝”)相關(guān)的問(wèn)題。作為一個(gè)例子，對(duì)于NOx捕集器的當(dāng)前的挑戰(zhàn)是，在具有不同負(fù)載循環(huán)的車(chē)輛上，將NOx的排放總是保持在所要求的水平以下，而NOx吸收器的效率和耐久性有可能被諸如高溫或者由于柴油燃料中的硫含量引起的硫酸鹽吸附和脫硫等因素所破壞。作為第二個(gè)例子，為了將PM的水平有效地保持在環(huán)境能夠接受的排放水平，PM過(guò)濾捕集器取決于發(fā)動(dòng)機(jī)排出的PM排放而不能過(guò)高。另外，PM過(guò)濾捕集器必需以該捕集器被迫捕捉和保持的發(fā)動(dòng)機(jī)排出的PM所決定的這種更新的頻率，進(jìn)行再生(即，例如通過(guò)燃燒被捕集在該處的顆粒物來(lái)進(jìn)行清洗)。
特別是，因?yàn)樯厦嫣岬降呐cNOx后續(xù)處理的費(fèi)用和性能有關(guān)的所認(rèn)識(shí)到的問(wèn)題，需要開(kāi)發(fā)一種替代的，即，在商業(yè)上可以接受的柴油機(jī)內(nèi)燃燒系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以滿足環(huán)境上可以接受的NOx排放水平(即，0.2g/bhp-hr或更低)，而無(wú)需使用NOx后續(xù)處理，從而，可以避免伴隨著使用NOx后續(xù)處理所產(chǎn)生的這種可以感覺(jué)得到的額外的成本、性能、耐久性和包裝等問(wèn)題。
另外，由于上面提到的與再生PM捕集器的不方便和費(fèi)用相關(guān)的所認(rèn)識(shí)到的問(wèn)題，其中，所述PM捕集器的再生的頻率取決于發(fā)動(dòng)機(jī)排出的PM排放超過(guò)環(huán)境可以接受的水平(即，超過(guò)0.01g/bhp-hr)的量，所以，也希望同時(shí)至少保持發(fā)動(dòng)機(jī)排出的PM排放對(duì)于PM捕集器而言足夠低，以便PM捕集器能夠有效地并且高成本效率地將PM排放保持在環(huán)境可以接受的水平。對(duì)于本申請(qǐng)的目的而言，并且為了便于測(cè)量，將最大等于或低于3BSN(Bosch Smoke Number波許煙度值)的發(fā)動(dòng)機(jī)排出(即，在后續(xù)處理之前)的煙塵含量水平，優(yōu)選地，具有1.5BSN以下的平均煙塵含量水平，看作是對(duì)于將PM排放有效并重復(fù)地保持在環(huán)境可接受的水平之內(nèi)的PM后續(xù)處理而言可以接受的PM發(fā)動(dòng)機(jī)排出的排氣水平的指示。
本發(fā)明的目的是，通過(guò)提供一種商業(yè)上可以接受的柴油機(jī)內(nèi)燃系統(tǒng)，改進(jìn)前面所述的問(wèn)題，所述系統(tǒng)無(wú)需采用NOx后續(xù)處理，就可以滿足環(huán)境可以接受的NOx的排放水平(即，在發(fā)動(dòng)機(jī)的速度和負(fù)荷的整個(gè)分布范圍內(nèi)為0.2g/bhp-hr或更低)或者更低)，同時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)排出的PM排放保持得足夠低，以便允許進(jìn)行可靠的并且高成本效率的后續(xù)處理，以到達(dá)環(huán)境可以接受的水平。在這種情況下，該燃燒系統(tǒng)達(dá)到一種可以確信在此之前在商業(yè)上可實(shí)施的耐久的柴油機(jī)內(nèi)燃燒系統(tǒng)中從來(lái)沒(méi)有得到的NOx和PM排放同時(shí)處于低水平的結(jié)合。
在現(xiàn)有技術(shù)中，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出的用于降低來(lái)自柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的NOx和PM的排放的很多技術(shù)中的兩種技術(shù)是(1)利用廢氣再循環(huán)(EGR)降低燃燒溫度，并減少NOx的形成，以及(2)利用高燃料噴射壓力，以便提高缸內(nèi)混合作用并減少PM的形成。盡管工業(yè)上意識(shí)到由于在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中在中等程度上使用每一種技術(shù)時(shí)對(duì)于排放物的有益之處，但是，還遠(yuǎn)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何超過(guò)中等程度的使用水平的商業(yè)上的成功。例如，用于在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中降低NOx的形成的EGR，一般都停留在EGR/周?chē)諝獗鹊陀?5％的情況，特別是對(duì)于中等和高的負(fù)荷條件而言。類(lèi)似地，燃料噴射壓力一般停留在等于或低于1800bar，其線燃料噴射器壓力的頂端在2000bar(29,080psi)到30,000psi(2063bar)的范圍內(nèi)達(dá)到最大值，這取決于所使用的度量標(biāo)準(zhǔn)。下面，將依次描述為了減少NOx和PM的形成，對(duì)于增加EGR的使用和燃料噴射壓力造成這些限制的原因。
現(xiàn)有技術(shù)對(duì)于增大EGR速度以減少NOx的形成的限制通過(guò)使用EGR使得柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的NOx減少，主要是由于局部燃燒作用，即，在分子水平上的燃燒作用。具體地說(shuō)，EGR起著降低氣缸內(nèi)充入空氣氧濃度水平的稀釋劑的作用，從而抑制局部單元的熱量在燃燒中的增加(例如，通過(guò)相對(duì)于氧分子而言增加在燃燒混合物中的非氧分子的存在，從而緩和在燃燒混合物中的燃料、氧和稀釋分子之間的動(dòng)力學(xué)速率和放熱相互作用)。這種由于低的充入空氣的氧濃度水平引起的局部單元的放熱阻尼效應(yīng)，限制局部的熱傳播，否則將會(huì)在燃燒中產(chǎn)生小塊區(qū)域，在所述區(qū)域局部的峰值燃燒溫度超過(guò)NOx形成的水平，導(dǎo)致NOx的形成。從而，較低的充入空氣的氧濃度水平，幫助在燃燒中避免局部的熱的形成NOx的小塊區(qū)域，因此，導(dǎo)致總的NOx排放的降低。
上面所述的使用EGR減少在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的NOx形成的機(jī)理，在現(xiàn)有技術(shù)中是有爭(zhēng)論的，并且廣泛地被誤解。盡管現(xiàn)有技術(shù)公認(rèn)中等程度EGR會(huì)減少NOx在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的形成，但是絕大多數(shù)工業(yè)專(zhuān)家錯(cuò)誤地將通過(guò)采用EGR引起的NOx的減少，歸因于通過(guò)使用EGR的體效應(yīng)-就是說(shuō)，歸因于充入氣體的總的熱容量的增加，這種熱容量的增加限制了燃燒中的整體溫度的增高，因此，從理論上減少了總的NOx的形成。這種對(duì)于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)使用EGR獲得的減少NOx的主要的有益之處的錯(cuò)誤理解的結(jié)果，使得現(xiàn)有技術(shù)未能充分地開(kāi)發(fā)出的更積極地和直接地控制充入空氣的氧濃度水平的概念，作為減少柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx的排放的手段。而是，由于上面所述的錯(cuò)誤理解，在使用降低NOx形成的EGR時(shí)，典型地作為“EGR百分率”進(jìn)行控制和量化，而不是通過(guò)所獲得的最終的充入空氣的氧濃度水平進(jìn)行控制和量化(然而，作為EGR系統(tǒng)估算氧濃度水平的一個(gè)例子，參見(jiàn)NiShida的美國(guó)專(zhuān)利No.4,727,849)。這表明，在現(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)于NOx形成的更重要因素是充入空氣的氧濃度水平而不是在燃燒系統(tǒng)中使用的EGR百分率，普遍缺乏理解。例如，見(jiàn)Hideyuki Tsunemoto等人的“The Role of Oxygen in Intake and Exhaust on NO Emission，Smoke and BMEP of a Diesel Engine with EGR System(進(jìn)氣和排氣中的氧對(duì)于帶有EGR系統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的NO排放、煙塵和BMEP的作用)，SAE Technical Papar 800030”(1980)(通過(guò)表明對(duì)于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)而言，借助EGR減少NOx更直接地和所獲得的充入空氣的氧濃度水平相關(guān)，而不是與通過(guò)使用EGR獲得的諸如增大氣缸內(nèi)的充氣的熱容量等其它因素相關(guān)，反駁一些錯(cuò)誤的認(rèn)知)。
因?yàn)槔肊GR減少NOx的形成，通常以“EGR百分率”的形式進(jìn)行控制和量度，沒(méi)有積極地控制或者確定所引起的充入空氣的氧濃度水平，所以，在現(xiàn)有技術(shù)中所采用的充入空氣的氧濃度水平的確定，需要某些推測(cè)。如前面所述，在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中EGR的使用一般停留在小于25％的比率，特別是對(duì)于中等和更高的負(fù)荷狀態(tài)。這使得氧濃度一般至少在16-17％以上，盡管一定EGR使用水平稀釋所產(chǎn)生的充入空氣氧濃度的范圍取決于在EGR中的排出的氧濃度水平，然而所述氧濃度水平可以依賴于發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行系數(shù)變化1(1比率為25％的EGR將會(huì)產(chǎn)生不低于約16-17％的充入空氣的氧濃度水平(假定排出的氧濃度不低于1-2％，周?chē)諝庵械难鯘舛壬缘陀?1％)。見(jiàn)Hideyuki Tsunemoto等人的“The Role ofOxygen in Intake and Exhaust on NO Emission，Smoke and BMEP of a Diesel Enginewith EGR System(進(jìn)氣和排氣中的氧對(duì)于帶有EGR系統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的NO排放、煙塵和BMEP的作用)，SAE Technical Papar 800030”，圖3，4(1980))。對(duì)于在低溫預(yù)混合燃燒(即，非傳統(tǒng)柴油機(jī)內(nèi)的燃燒)連同調(diào)節(jié)燃料噴射時(shí)間(例如，參見(jiàn)Kimura的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)2002/0011240)的實(shí)驗(yàn)嘗試，對(duì)于這一規(guī)律存在著一個(gè)例外，在這種情況下，雖然不是在中等到高的發(fā)動(dòng)機(jī)速度或負(fù)荷(例如，參見(jiàn)Kimura，圖3)，但可以利用更高的EGR比率和剛剛低于16％的氧濃度水平。
盡管有上面所述的錯(cuò)誤的理解，但是，仍然應(yīng)當(dāng)重復(fù)指出，在現(xiàn)有技術(shù)中已知將EGR水平增大到傳統(tǒng)的水平以上(這將導(dǎo)致較低的充入空氣的氧濃度水平)將會(huì)提供一些附加的降低NOx的有益之處。例如，參見(jiàn)Jason Mark and Candace Morey，Diesel Passenger Vehiclesand the Environment(柴油機(jī)客運(yùn)車(chē)輛與環(huán)境)，Union of ConcernedScientists(1999)，13-14。但是，盡管有這種認(rèn)識(shí)，使用EGR來(lái)減少NOx的形成，已經(jīng)受到涉及所謂的NOx-PM折衷的現(xiàn)有技術(shù)的嚴(yán)重限制。如熟悉被本領(lǐng)域的人員公知和理解的，NOx-PM的折衷指的是這樣一個(gè)事實(shí)，即，在燃燒過(guò)程中所發(fā)生的減少NOx的形成(例如通過(guò)增加EGR的使用)的變化，一般會(huì)導(dǎo)致增加PM的形成，反之亦然。例如，見(jiàn)Borland的美國(guó)專(zhuān)利No.6,055,810(在圖2和3中表示NOx-PM的折衷，并且討論了作為公知的強(qiáng)制限制的EGR的使用可以接受的煙塵形成水平)。在現(xiàn)有技術(shù)中，為了利用高水平的EGR以便進(jìn)一步降低傳統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的NOx的排放，NOx-PM的折衷變成不可逾越的障礙。
部分地由于NOx-PM的折衷，各種柴油機(jī)內(nèi)的燃燒專(zhuān)家斷定，來(lái)自于柴油機(jī)內(nèi)的燃燒的NOx排放和PM排放，從物理上不能同時(shí)將兩者控制(發(fā)動(dòng)機(jī)排出的，未經(jīng)后續(xù)處理)到環(huán)境可以接受的水平，EGR水平在25％以上，在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，除了輕負(fù)載或沒(méi)有負(fù)載的狀態(tài)下，必然會(huì)導(dǎo)致不可接受的很差的發(fā)動(dòng)機(jī)性能和高的顆粒物的排放水平。例如，有一組專(zhuān)家發(fā)現(xiàn)，在EGR水平在25％以上，在比較輕的負(fù)荷或者較高的、甚至是在據(jù)說(shuō)最佳的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)下，導(dǎo)致低的發(fā)動(dòng)機(jī)效率和“過(guò)高的微粒水平，CO和未燃燒的碳?xì)浠衔铩边_(dá)到“對(duì)于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)不能容忍的水平”。Patrick F.Flynn等，MinimumEngine Flame Temperature Impacts on Diesel and Spark-IgnitionEngine NOx Production(最小火焰溫度對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx的產(chǎn)生的影響)，SAE Technical Paper 2000-01-1177，于97-98。這些專(zhuān)家推論出，在正常的負(fù)荷下，在大約25％左右的EGR，EGR降低NOx的產(chǎn)生的效益到達(dá)極限，因?yàn)椋谶@種EGR比率，燃燒溫度已經(jīng)低于對(duì)于在柴油機(jī)內(nèi)的燃燒中所要保持的允許的燃燒所要求的“最低火焰溫度”，從而導(dǎo)致不良燃燒和高的微粒水平。因此，EGR水平超過(guò)這個(gè)量，從邏輯上會(huì)將燃燒溫度降低到最低火焰溫度，防止在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的合理的燃燒。同上2。
(在各種EGR水平和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)測(cè)量充入空氣中和排出的氣體中的氧濃度)(2按照對(duì)于可以接受的傳統(tǒng)柴油機(jī)內(nèi)的燃燒的最低可接受充入空氣的氧濃度水平，在正常的負(fù)荷下，理論上的25％的最大EGR比率，將會(huì)導(dǎo)致不低于大約16-17％的充入空氣的氧濃度水平(見(jiàn)前面的腳注1)。在現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)于傳統(tǒng)的柴油機(jī)內(nèi)的燃燒的推測(cè)出來(lái)的16-17％的最小氧濃度數(shù)值，在各種低氧可燃性的研究中得到某些支持。這些研究發(fā)現(xiàn)，低于16-17％的氧濃度，明顯地妨礙保持燃燒的能力，并且，在標(biāo)準(zhǔn)的溫度和壓力下，在氧濃度水平低到12-13％左右時(shí)，碳?xì)浠衔锶剂献兂赏耆栊缘?。?jiàn)Kotliar的美國(guó)專(zhuān)利No.6,401,487；并參見(jiàn)Samuel V.Zinn的Inerted FuelTank Oxygen Concentration Requirements(惰性化的燃料箱的氧濃度的必要條件)，F(xiàn)AA Report No.FAA-71-42，圖6(1971))作為例如Flynn報(bào)告等研究的結(jié)果，并且由于現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法避免的NOx-PM折衷的影響，以及在利用高EGR比率的傳統(tǒng)柴油機(jī)內(nèi)的燃燒中的不能容忍的不良燃燒，在現(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)于柴油機(jī)內(nèi)燃系統(tǒng)，EGR的使用被封頂，高水平的EGR(以及對(duì)應(yīng)的低充入空氣氧濃度)，除非在輕的負(fù)荷或者在沒(méi)有負(fù)荷的狀態(tài)下，不能成功地用于商用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中。另外，高水平的EGR也被工業(yè)上看作是造成需要對(duì)排放氣體溫度進(jìn)行冷卻的因素，在使用時(shí)將要求額外的成本和包裝空間(因?yàn)椋娓鼉?yōu)選的低壓EGR環(huán)路，使用高壓EGR環(huán)路，其中，低壓EGR環(huán)路允許排放氣體的自然冷卻)。由于這些原因，如Kimberley的美國(guó)專(zhuān)利No.4,485,794闡明的那樣，“通常的目的總是將使用的EGR的總量降低到最少，以便將微粒的排放降低到最少”。
現(xiàn)有技術(shù)對(duì)于增大燃料噴射壓力以便降低PM排放的限制在現(xiàn)有技術(shù)中，已知，利用“高”的燃料噴射壓力，在直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)中，是一種增加混合效果的方法，從而獲得某些降低排放的有益之處。例如，下面的文獻(xiàn)中的每一個(gè)都討論了在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，使用“高”燃料噴射壓力以便減少積炭的形成Godfrey Greeves等人的Advanced Two-Actuator EUI andEmission Reduction for Heavy Duty Engines(用于重型發(fā)動(dòng)機(jī)的先進(jìn)的雙驅(qū)動(dòng)器EUI以及減少排放)，SAE Technical Paper 2003-01-0698。該文獻(xiàn)揭示了在一定的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)速度和負(fù)荷下，通過(guò)將噴嘴開(kāi)口的燃料噴射壓力從300-325bar增加到1100bar，增加空氣/燃料混合比并降低煙塵的形成。
Gerhard Stumpp等的Common Rail-an Attractive FuelInjection System for Passenger Car DI Diesel Engine(高壓儲(chǔ)油筒式噴射系統(tǒng)-一種有吸引力的用于轎車(chē)DI柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料噴射系統(tǒng))，SAE Technical Paper 960870(1996)。該文獻(xiàn)揭示了采用達(dá)到1400bar的燃料噴射壓力，以便降低柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的PM排放。
Hill的美國(guó)專(zhuān)利No.5,315,973，一般地討論了使用“高”燃料噴射壓力，以便降低柴油機(jī)的排放。
Union of Concerned Scientists的1999報(bào)告揭示了采用高燃料噴射壓力，通過(guò)增加空氣-燃料混合，降低柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的微粒的排放，雖然以同時(shí)會(huì)潛在地增加NOx的形成為代價(jià)。
Perr的美國(guó)專(zhuān)利No.4,721,247討論了采用較高的燃料噴射壓力，以便增加柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒過(guò)程的效率，并且降低PM的排放。
M.A.Ganser，Common Rail Injectors for 2000 bar and beyond(用于2000bar及其以上的高壓儲(chǔ)液筒式噴油器)，SAE Technical Paper2000-01-0706。該文獻(xiàn)揭示了為了促進(jìn)尋求在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中更好的燃燒和更清潔的發(fā)動(dòng)機(jī)排放，希望獲得2000bar或更高(即，在本技術(shù)領(lǐng)域中目前的狀態(tài)以上)的燃料噴射壓力。
Wickman等的Methods and Results from the Development of a2600bar Diesel Fuel Injection System(開(kāi)發(fā)2600bar柴油機(jī)燃料噴射系統(tǒng)的方法和結(jié)果)，SAE Technical Paper 2000-01-0947。該文獻(xiàn)推測(cè)通過(guò)提供一個(gè)“導(dǎo)致較快的燃料空氣混合的較高的噴射動(dòng)量，這將導(dǎo)致較短的放熱持續(xù)時(shí)間和較高的峰值氣缸壓力”，較高的燃料噴射壓力可以減少PM的形成。
在現(xiàn)有技術(shù)中還知道，從低的燃料噴射壓力增加到傳統(tǒng)的“高”的燃料噴射壓力，通過(guò)減少利用中等的EGR形成的PM的增大，會(huì)增大燃燒系統(tǒng)容忍使用EGR的能力。例如，參見(jiàn)Gerhard Stumpp等的Common Rail-an Attractive Fuel Injection System for PassengerCar DI Diesel Engine(高壓儲(chǔ)油筒式噴射系統(tǒng)-一種有吸引力的用于轎車(chē)DI柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料噴射系統(tǒng))，SAE Technical Paper 960870，188和圖10(1996)；Godfrey Greeves，Advanced Two-Actuator EUIand Emission Reduction for Heavy Duty Engines(用于重型發(fā)動(dòng)機(jī)的先進(jìn)的雙驅(qū)動(dòng)器EUI和排放的降低)，SAE Technical Paper2003-01-0698，于9，11。
盡管知道高的燃料噴射壓力可以導(dǎo)致降低柴油機(jī)排放中的煙塵的形成(通過(guò)與因?yàn)楦鼊×业娜紵鸬南鄳?yīng)的NOx的形成的增加進(jìn)行折衷)，但是，燃料噴射技術(shù)迄今為止還不能提供商業(yè)上可以獲得的利用噴射壓力約為30,000psi(2,063bar)以上的燃料噴射器。而是認(rèn)為1800bar及其以下的燃料噴射壓力就“足夠高”，足以達(dá)到所需的混合效益和降低排放的目的。例如，Hill的美國(guó)專(zhuān)利U.S.PatentNo.5,315,973和Union of Concerned Scientists提出的1999報(bào)告，把高于1000atm(1000bar)稱(chēng)作“高”燃料噴射壓力，Union of ConcernedScientists提出的1999報(bào)告，討論了將燃料噴射壓力增加到1500至2000bar，但是不進(jìn)一步增高，以便通過(guò)與NOx的某些可能的折衷，能夠進(jìn)一步減少微粒的排放。現(xiàn)有技術(shù)的“高壓燃料噴射器”典型的狀態(tài)提供1350bar至1800bar，這在工業(yè)上被認(rèn)為是足夠的。例如，Greeves的論文(SAE 2003-01-0698，2)指出，目前的燃料噴射器“對(duì)于重型柴油機(jī)的應(yīng)用，已經(jīng)提供了...具有良好的耐久性的高的噴射壓力”。高性能的商業(yè)上可以獲得的燃料噴射器，以大約2050bar(稍小于30,000psi)的噴射壓力供應(yīng)燃料。據(jù)申請(qǐng)人所知，只有實(shí)驗(yàn)性的燃料噴射器，利用高于這一水平的燃料噴射壓力。
有很多明顯的原因，在商用柴油機(jī)燃燒的應(yīng)用中，不能利用超高(對(duì)于本申請(qǐng)而言，定義為30000psi(2063bar)以上的壓力)燃料噴射壓力。這些原因包括泄漏問(wèn)題，成本，耐久性，不希望有的發(fā)動(dòng)機(jī)效率的損失，NOx形成的不希望的增加，以及對(duì)于超高燃料噴射壓力在燃燒中導(dǎo)致持續(xù)的減少煙塵的形成的能力方面的令人沮喪的結(jié)果和預(yù)測(cè)。這些因素的組合，導(dǎo)致一種不利的成本/效益平衡，對(duì)開(kāi)發(fā)這種燃料噴射系統(tǒng)預(yù)先給予不利的影響。對(duì)于開(kāi)發(fā)超高壓燃料噴射技術(shù)的這些阻礙因素中的一些，在現(xiàn)有技術(shù)的上述參考文獻(xiàn)中進(jìn)行過(guò)說(shuō)明，如下面所討論的那樣對(duì)于超高壓燃料噴射系統(tǒng)的成本/效益平衡的成本方面增大的泄漏問(wèn)題，效率損失，成本，以及耐久性方向的問(wèn)題超高燃料噴射壓力的使用，必然要求處理以下相關(guān)的問(wèn)題，即，增大泄漏的潛在可能性，由于泄漏和必需保持更高的壓力引起的發(fā)動(dòng)機(jī)效率的損失，開(kāi)發(fā)這種系統(tǒng)的過(guò)程中增大的成本，以及由于試圖利用這種高燃料噴射壓力可能導(dǎo)致的破裂和磨損等。
例如，Ganser的論文(SAE Technical Paper 2000-01-0706)是一個(gè)很好的例子，該例子表明，關(guān)于2000bar以上的燃料噴射壓力的潛在的效益的樂(lè)觀的現(xiàn)有技術(shù)的論述，如何被不可否認(rèn)的沒(méi)有能力處理諸如在2000bar和更高的壓力水平會(huì)發(fā)生的泄漏等問(wèn)題的論述所弱化。Ganser的論文說(shuō)明，以特定的相關(guān)性，在1500bar以上的壓力下，燃料噴射器的泄漏是惡化發(fā)動(dòng)機(jī)效率的功率耗損，并且，“壓力越高，功率耗損越大，并且同時(shí)，更難以將部件密封或者減少泄漏”。同上，12頁(yè)。由于隨著燃料噴射壓力的提高，泄漏會(huì)增大，所以，Ganser宣稱(chēng)“在2000bar的[最高]系統(tǒng)壓力下的泄漏甚至沒(méi)有測(cè)量，因?yàn)樗鼘?shí)在太大了”。同上，14頁(yè)。
類(lèi)似地，Perr的美國(guó)專(zhuān)利U.S.Patent No.4,721,247透露，壓力在30,000psi以上的燃料噴射器，會(huì)發(fā)生顯著的泄漏和耐久性問(wèn)題。
對(duì)于超高壓燃料噴射系統(tǒng)的成本/效益平衡的效益方面關(guān)于超高燃料噴射壓力在不明顯增加NOx形成的情況下降低煙塵的形成的能力的令人沮喪的結(jié)果和預(yù)測(cè)在1800bar左右的高噴射壓力的狀態(tài)以上，現(xiàn)有技術(shù)并未看到增大燃料噴射壓力的任何明顯益處。
上面討論過(guò)的Flynn的論文(SAE Technical Paper 2000-01-1177)是一個(gè)很好的例子，該例子對(duì)于在現(xiàn)有技術(shù)中能夠進(jìn)行快速的柴油機(jī)內(nèi)的燃燒并且在具有低的NOx排放水平的同時(shí)具有可以控制的煙塵水平的燃燒改進(jìn)措施(例如，采用更高的燃料噴射壓力)，給出了令人沮喪的預(yù)測(cè)。確實(shí)，F(xiàn)lynn的論文認(rèn)為，對(duì)于柴油機(jī)內(nèi)的燃燒來(lái)說(shuō)，發(fā)現(xiàn)，最低火焰溫度和NOx形成水平“由化學(xué)原理所驅(qū)動(dòng)；因此，對(duì)于快速燃燒存著一個(gè)限度，這個(gè)限度不能通過(guò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，組成或者流體動(dòng)力學(xué)的改變加以克服”。Flynn，SAE 2000-01-1177，89-90。因此，按照Flynn的預(yù)測(cè)，超高壓燃料噴射器將不會(huì)有益處，因?yàn)檫@種超高壓燃料噴射器在傳統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，不能像在本申請(qǐng)人在本申請(qǐng)的母申請(qǐng)(即，2002年8月8日提出的Patent ApplicationNo.10/241,229)Controlled Temperature Combustion(受控溫度燃燒)的燃燒方法中所完成的那樣，在NOx的形成水平低于約1.0-1.5g/bhp-hr的同時(shí)，進(jìn)行快速燃燒或者達(dá)到可以接受的效率。
盡管Flynn等人后來(lái)承認(rèn)，他們關(guān)于柴油機(jī)最低火焰溫度的結(jié)論，與火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)相比“更不確定”，從而“應(yīng)當(dāng)理解為只是近似的，因?yàn)檫@里牽涉到很多簡(jiǎn)化”(Flynn，96，99)，但是，F(xiàn)lynn的預(yù)測(cè)仍然是現(xiàn)有技術(shù)不再推動(dòng)開(kāi)發(fā)帶有超高燃料噴射壓力的燃料噴射系統(tǒng)的一個(gè)例子。它進(jìn)一步表示，在現(xiàn)有技術(shù)中堅(jiān)定地相信，在高EGR水平、低充入空氣的氧濃度水平、以及/或者在低溫燃燒努力中采用的低的峰值燃燒溫度，不能獲得可以接受的柴油機(jī)內(nèi)的燃燒。
由于上述原因，惟一已知的對(duì)超高燃料噴射壓力的PM減少作用的實(shí)驗(yàn)，并沒(méi)有連同高的EGR水平、低充入空氣的氧濃度水平、和/或低的峰值燃燒溫度一起嘗試超高燃料噴射壓力。下面給出兩個(gè)例子。
作為一個(gè)例子，上面所述的Wickman的現(xiàn)有技術(shù)(SAE TechnicalPaper 2000-01-0974)試驗(yàn)了超高峰值壓力(2600bar)燃料噴射器對(duì)NOx和PM的柴油機(jī)排放的作用。沒(méi)有連同高的EGR水平、低充入空氣的氧濃度水平、和/或低的峰值燃燒溫度一起，對(duì)這種噴射器進(jìn)行試驗(yàn)。從而，Wickman噴射器充其量只不過(guò)產(chǎn)生了一種混合的結(jié)果，常常導(dǎo)致比利用傳統(tǒng)的燃料噴射系統(tǒng)獲得的更高的PM和/或NOx水平。這一令人失望的結(jié)果，也部分地來(lái)源于燃料噴射器的設(shè)計(jì)，該燃料噴射器是凸輪驅(qū)動(dòng)的，并且依賴于高的發(fā)動(dòng)機(jī)速度和負(fù)荷。換句話說(shuō)，除非在高速和高負(fù)荷時(shí)，Wickman噴射器不能產(chǎn)生超高燃料噴射壓力，從而，除非在這些特定的速度和負(fù)荷下，一般不會(huì)產(chǎn)生改進(jìn)的排放結(jié)果。
作為第二個(gè)例子，Perr的美國(guó)專(zhuān)利No.4,721,247揭示了一種燃料噴射壓力可以達(dá)到35,000psi(約2407bar)的燃料噴射器。但是，上述Perr的美國(guó)專(zhuān)利4,721,247號(hào)未介紹利用該發(fā)明獲得的任何減少排放的益處，也沒(méi)有討論這種噴射器與高EGR水平、低充入空氣的氧濃度水平和/或低峰值燃燒溫度的可能的應(yīng)用。另外，和wickman噴射器一樣，Perr的美國(guó)專(zhuān)利4,721,247的噴射系統(tǒng)，只有在非常高的發(fā)動(dòng)機(jī)速度(5,000rpm)時(shí)，才能達(dá)到其高的噴射壓力，在中等或低的發(fā)動(dòng)機(jī)速度，不能提供高的噴射壓力。因此，Perr的美國(guó)專(zhuān)利4,721,247的燃料噴射系統(tǒng)，在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)分布內(nèi)，對(duì)于明顯的減少PM的形成不會(huì)起到很大的作用。
最后，不管是Wickman噴射器，還是Perr的美國(guó)專(zhuān)利4,721,247的噴射器，似乎并未作為產(chǎn)品加以開(kāi)發(fā)，這大概放映了傳統(tǒng)的工業(yè)界(以及燃料噴射設(shè)計(jì)者)的意見(jiàn)，獲得上述技術(shù)水平狀態(tài)以上的燃料噴射壓力，并不能提供額外的顯著的降低排放的益處，根據(jù)成本/效益分析，并沒(méi)有證明生產(chǎn)這種裝置的額外的花費(fèi)是正確的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種商業(yè)上可以接受的柴油機(jī)內(nèi)的燃燒系統(tǒng)，該燃燒系統(tǒng)無(wú)需采用NOx后續(xù)處理，就可以滿足環(huán)境可以接受的NOx水平(即，在發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)速度和負(fù)荷的分布內(nèi)，0.2g/bhp-hr)，并且，同時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)排出的PM排放保持在比較接近于環(huán)境可以接受的后續(xù)處理之后的水平(即，煙塵水平在3BSN或其以下，優(yōu)選地，在1.5BSN以下)。
為了獲得它所產(chǎn)生的獨(dú)特的排放結(jié)果，申請(qǐng)人的柴油機(jī)內(nèi)燃系統(tǒng)通常在獨(dú)特的參數(shù)的組合內(nèi)操作。限定系統(tǒng)的可以接受的操作區(qū)域的這些參數(shù)大致如下所述(1)吸取到氣缸內(nèi)的充入空氣的氧濃度應(yīng)當(dāng)停留在16％以下，優(yōu)選在10％至15％之間，更優(yōu)選在11.5％至14％之間，最優(yōu)選地在12％至13.5％之間，通過(guò)利用高EGR水平可以到達(dá)上述數(shù)值，(2)盡管令人滿意的(但是，并不是太理想的)排放性能也可以在稍低的噴射壓力(例如，在1800bar以上)時(shí)得到，在絕大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)速度和負(fù)荷的情況下，燃料噴射壓力優(yōu)選至少應(yīng)當(dāng)為30,000psi(2063bar)，更優(yōu)選地在2300bar以上，最優(yōu)選地約為2500bar或更高，以及(3)充入空氣質(zhì)量/燃料質(zhì)量的比率，對(duì)于中等和高的負(fù)荷，應(yīng)當(dāng)保持在25∶1和45∶1之間，以便降低整體燃燒溫度，為良好的燃燒提供足夠的氧。另外，通過(guò)結(jié)合使用傳統(tǒng)的用于PM后續(xù)處理的微粒捕集器，發(fā)動(dòng)機(jī)也可以優(yōu)選地以連續(xù)的貧燃操作下進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)(因此可以在整個(gè)操作范圍內(nèi)具有過(guò)剩的氧)，以便在某種程度上進(jìn)一步減少PM的形成，并且在操作過(guò)程中保持用于捕集器連續(xù)再生的平衡點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明的燃燒系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施例的示意圖；圖2是本發(fā)明的空氣處理控制方法的優(yōu)選實(shí)施例的流程圖；圖3是對(duì)于本發(fā)明的低排放柴油機(jī)內(nèi)的燃燒的燃料噴射壓力與吸入的充入空氣的氧濃度之間的關(guān)系的表示圖，所述燃燒能夠到達(dá)環(huán)境可以接受的NOx水平，同時(shí)達(dá)到可以控制的低PM形成和良好的發(fā)動(dòng)機(jī)效率；圖4是供本發(fā)明使用的優(yōu)選的燃料噴射器的側(cè)視剖視圖；圖5A是對(duì)于典型的傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放結(jié)果的圖示；圖5B是對(duì)于典型的傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的效率的結(jié)果的圖示；圖6A是對(duì)于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放結(jié)果的圖示，其中，所述柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上與進(jìn)行圖5A和5B的測(cè)定時(shí)的結(jié)構(gòu)相當(dāng)，其不同之處在于，變?yōu)榭梢越柚景l(fā)明的方法進(jìn)行操作，該圖表示，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的NOx產(chǎn)物的水平，在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)操作的分布內(nèi)處于環(huán)境可以接受的水平；圖6B是對(duì)于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)效率結(jié)果的圖示，其中，所述柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上與進(jìn)行圖5A和5B的測(cè)定時(shí)的結(jié)構(gòu)相當(dāng)，其不同之處在于，變?yōu)槭怪梢越柚景l(fā)明的方法進(jìn)行操作，該圖表示，發(fā)動(dòng)機(jī)的效率等于或者優(yōu)于在傳統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的條件下獲得的發(fā)動(dòng)機(jī)效率。
具體實(shí)施例方式
如上所述，本申請(qǐng)是本申請(qǐng)人的Controlled TemperatureCombustion(受控溫度燃燒)專(zhuān)利申請(qǐng)的部分延續(xù)。其中，該母申請(qǐng)指出，申請(qǐng)人在柴油機(jī)燃燒中成功地利用并保持低充入空氣的氧濃度水平(低到12％左右)，以便減少局部峰值燃燒溫度，從而減少柴油機(jī)內(nèi)的NOx的形成。從而，申請(qǐng)人可以在全部發(fā)動(dòng)機(jī)速度和負(fù)荷下，始終如一地獲得低于0.2g/bhp-hr的發(fā)動(dòng)機(jī)排出的NOx排放水平。但是，所述母申請(qǐng)并沒(méi)有充分地提出與這種可控溫度燃燒系統(tǒng)相結(jié)合，以便將PM和煙塵降低到可以控制的水平、并改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)效率的方法。
本發(fā)明實(shí)質(zhì)上在所有的發(fā)動(dòng)機(jī)速度和負(fù)荷下持續(xù)使用顯著低于現(xiàn)有技術(shù)的充入空氣的氧濃度水平(即，16％以下)3，(3為了將NOx保持在環(huán)境可以接受的水平，這種低氧濃度水平在沒(méi)有負(fù)荷的狀態(tài)下，以及在低負(fù)荷狀態(tài)下都不是必須的。)優(yōu)選將充入空氣的氧濃度保持在10％至15％之間，更優(yōu)選保持在11.5％至14％之間，最優(yōu)選保持在12％至13.5％之間。但是，本發(fā)明提供另外的手段，以便顯著地減少煙塵水平，并保持發(fā)動(dòng)機(jī)效率，同時(shí)將NOx的排放保持在低水平。本發(fā)明部分地通過(guò)采用從前在現(xiàn)有技術(shù)中沒(méi)有用過(guò)的極高的燃料噴射壓力，使得本發(fā)明的低的充入空氣氧濃度對(duì)于良好的發(fā)動(dòng)機(jī)效率而言是可以容忍的，從而完成這些任務(wù)。
從而，作為上面所述的內(nèi)容的結(jié)果，并且如上所述，申請(qǐng)人的柴油機(jī)內(nèi)的燃燒系統(tǒng)，通常以獨(dú)特的燃燒參數(shù)進(jìn)行操作。這些參數(shù)包括(1)入口氧濃度低于16％，優(yōu)選在10％至15％之間，更優(yōu)選在11.5％至14％之間，最優(yōu)選在12％至13.55之間，(2)在絕大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)速度和負(fù)荷下，燃料噴射壓力等于或超過(guò)1800bar，優(yōu)選超過(guò)2100bar，更優(yōu)選超過(guò)2300bar，最優(yōu)選大約在2500bar或更高，以及(3)對(duì)于中等和高負(fù)荷，充入空氣的質(zhì)量/燃料質(zhì)量的比率在25∶1和45∶1之間。進(jìn)而，該系統(tǒng)優(yōu)選在稍稍貧的化學(xué)配比的情況下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，提供足夠的過(guò)量的氧，以便促進(jìn)完全燃燒，并保持排出的氧濃度足以在操作中的平衡點(diǎn)處持續(xù)進(jìn)行捕集器的再生。
下面，依次對(duì)這些參數(shù)的每一個(gè)進(jìn)行描述。
參數(shù)1充入空氣的氧濃度在本發(fā)明中，優(yōu)選地，借助EGR降低入口氧濃度。保持入口氧濃度在16％以下，優(yōu)選在10％至15％之間，更優(yōu)選在11.5％至14％之間，最優(yōu)選在12％至13.5％之間，一般要求EGR比率在40％以上。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例實(shí)際上經(jīng)常在EGR比率顯著高于50％的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)。
一般而言，借助幫助改善在濃度高、稀釋的氧環(huán)境中使用的氧的范圍的更高燃料噴射壓力，使用的燃料噴射壓力越高，可以在不顯著增加PM的形成的情況下，使吸入的充入空氣的氧濃度越低(見(jiàn)圖3)4。(4由于同樣的原因，如果需要的話，更大的燃料噴射壓力也可以允許使用較低的排出氣體氧濃度，允許較低的增壓水平。)因而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，較高的燃料噴射壓力和其它燃燒系統(tǒng)的最佳化，可以降低可以接受的氧濃度的下限，從而，提供一能夠獲得可以接受的排放能力的較大的范圍。例如，目前，在充入空氣的氧濃度接近10％或更高的情況下，能夠獲得可以接受的發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。盡管通過(guò)進(jìn)一步的燃料噴射壓力增加和/或燃燒過(guò)程的最佳化，當(dāng)充入空氣的氧濃度甚至低于10％時(shí)也可能獲得可以接受的燃燒，但是，在燃燒中，可能并不需要令進(jìn)入的充入空氣的氧濃度低于10％。
另一方面，當(dāng)然，為了進(jìn)行完全燃燒，對(duì)于被燃燒的燃料的量，必須具有足夠的總氧量。事實(shí)上，如前面所述，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，只要有足夠的過(guò)量的氧，最好是在貧化學(xué)配比的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)，以便盡管在并非完美的混合和燃燒的條件下，也能夠接近燃料的完全燃燒。這進(jìn)一步使得在排出的氣體中保留足夠量的氧，如果需要的話，能夠允許微粒捕集器的再生。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，如果將排出的氣體中的氧濃度持續(xù)地保持在恰好足夠提供連續(xù)的捕集器的再生(例如，在約2％到約6％之間)的水平，可以將排放的降低最好地優(yōu)化，為了捕集器的再生，無(wú)需周期性地貧的偏移(lean excursion)。
另外，由于本發(fā)明中用于充入空氣的較低的氧濃度，為了完全燃燒供應(yīng)足夠的總的克分子的氧量，對(duì)于給定的所需功率，常常牽涉到采用比傳統(tǒng)的增壓水平足夠高的增壓水平。換句話說(shuō)，為了使對(duì)應(yīng)于給定的發(fā)動(dòng)機(jī)所需的功率的燃料的量完全燃燒，以便在氣缸中存在有足夠的總的氧量，必須使用更大量的低氧濃度的充入空氣。這種額外的增壓，還導(dǎo)致比傳統(tǒng)的柴油機(jī)內(nèi)的燃燒系統(tǒng)所要求的更高的充入空氣的濃度，特別是在較高的負(fù)荷時(shí)。例如，較高的負(fù)荷要求較高的總的氧的質(zhì)量，從而，和降低充入空氣的氧濃度水平一起，要求更高的增壓。
將進(jìn)入的氧濃度保持在希望的臨界范圍內(nèi)是很重要的。如果進(jìn)入的氧濃度對(duì)于燃料的量來(lái)說(shuō)太低，將會(huì)發(fā)生不完全的燃燒，并且造成不希望有的PM的形成的增加。另一方面，如果進(jìn)入的氧濃度太高，由于與局部放熱未被充分抑制的燃燒混合物中的過(guò)量的氧的區(qū)域相一致的局部高溫區(qū)域的促進(jìn)，將會(huì)發(fā)生局部的NOx的形成。因此，盡管為了成功地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明并不特別要求一個(gè)單一的方法和策略，但是，具有一種有效的控制空氣的方法和策略以便在所有常規(guī)的操作狀態(tài)下將進(jìn)入的充入空氣的氧濃度保持在這種所希望的范圍內(nèi)(以便限制局部發(fā)熱，但是仍然足以保持和完成燃燒)，對(duì)于達(dá)到利用本發(fā)明獲得的低排放水平的結(jié)果而言，是非常重要的。
現(xiàn)將描述對(duì)于能夠?qū)⑦M(jìn)入的充入空氣的氧濃度保持在這種所希望的范圍內(nèi)的燃燒系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施例。
本發(fā)明的用于控制燃燒系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施例可以快速控制吸入氣缸內(nèi)的充入空氣的氧濃度的燃燒系統(tǒng)的實(shí)施例，示于圖1。
參照?qǐng)D1，表示內(nèi)燃柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)1通過(guò)直接氣缸燃料噴射器2、2′、2″等接受燃料。周?chē)諝庥煽?處進(jìn)入。排出氣體與周?chē)諝庠诳?處混合，從而形成充入空氣的混合氣體。排出氣體從排氣管5起，在口6處通過(guò)排氣冷卻器7到達(dá)口4。EGR控制閥8在排氣管5內(nèi)位于緊靠口6的下游處。通過(guò)限制通過(guò)閥8的氣流，控制通過(guò)口6的氣流的速度。所結(jié)合的周?chē)諝夂驮傺h(huán)的排出氣體(總起來(lái)說(shuō)“充入空氣”)流過(guò)壓縮機(jī)9，并被該壓縮機(jī)壓縮。壓縮機(jī)9可以是單級(jí)壓縮機(jī)，或者兩個(gè)或者更多個(gè)壓縮機(jī)串聯(lián)或者并聯(lián)，主要由排出氣體膨脹器(渦輪)馬達(dá)10(該馬達(dá)可以是單級(jí)渦輪或者兩個(gè)或多個(gè)渦輪串聯(lián)和并聯(lián))驅(qū)動(dòng)，以便向進(jìn)氣歧管11提供受控的增壓壓力?？刂破?CPU)12向膨脹器馬達(dá)10發(fā)送適當(dāng)?shù)男盘?hào)以便控制增壓?？梢允褂靡粋€(gè)可供選擇的電動(dòng)馬達(dá)或液壓馬達(dá)13，并且被控制器12控制，以便提供快速的增壓水平的變化，用于幫助膨脹器馬達(dá)10提供快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)?；蛘?，可以利用增壓器(包含在壓縮機(jī)9的表示內(nèi))以便提供更會(huì)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)以及附加的增壓能力。從而，在馬達(dá)10本身不能單獨(dú)地提供足夠的和快速的增壓壓力的瞬時(shí)狀態(tài)和任何操作狀態(tài)下，控制器12向馬達(dá)13和/或增壓器9發(fā)出適當(dāng)?shù)男盘?hào)，以便控制增壓水平。
被壓縮的充入空氣，可以選擇性地(并且優(yōu)選地)通過(guò)冷卻器21流向進(jìn)氣歧管11，以便在需要時(shí)將充入空氣冷卻到規(guī)定的水平。
可以利用位于再循環(huán)排出氣體和周?chē)諝獾慕M合的進(jìn)氣管線的下游的可供選擇的氧氣傳感器14，以便直接確定在充入空氣內(nèi)的氧濃度。另外，或者可供選擇地，可以采用排出的氧的傳感器15。可以由排出的氧濃度與EGR比率，或者其它手段，確定充入空氣的氧濃度。也可以用熟悉本領(lǐng)域的人員所公知的方法，由其它檢測(cè)出的參數(shù)(不一定表示出來(lái))計(jì)算或者確定充入空氣的氧濃度。
充入空氣通過(guò)傳統(tǒng)的閥(未示出)以傳統(tǒng)的方式，進(jìn)入燃燒室(未示出)，排出氣體通過(guò)傳統(tǒng)的閥(未示出)離開(kāi)燃燒室，并通過(guò)排氣歧管17離開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)1。排氣后續(xù)處理裝置18可以包括用于除去任何微粒排放的微粒捕集器氧化劑，以及用于氧化殘留燃料和一氧化碳的催化劑。由速度傳感器19向控制器12提供發(fā)動(dòng)機(jī)的速度。利用加速踏板傳感器20向控制器12提供轉(zhuǎn)矩指令水平。
盡管在本發(fā)明中不要求用于EGR、增壓的控制和燃料調(diào)節(jié)的單一的特定的方法來(lái)滿足上面描述的所需的參數(shù)，但是，用于簡(jiǎn)化本發(fā)明的控制以便滿足所需的排放結(jié)果的目前的“最好的方式”，表示在圖2中。其它方法，特別是用于在快速的瞬態(tài)過(guò)程中改進(jìn)排放控制的方法，是單獨(dú)的通常歸屬于本申請(qǐng)的部分的繼續(xù)(“Method for LowEmission.Controlled Temperature Combustion in Engines WhichUtilize Late Direct Cylinder Iniection of Fuel”(“在采用遲后直接氣缸噴射的發(fā)動(dòng)機(jī)中，用于低排放，受控溫度燃燒的方法”))，該伴生的部分繼續(xù)申請(qǐng)，通過(guò)參考，在這里加以引用。
參照?qǐng)D2，操作控制從步驟60開(kāi)始，其中，駕駛員對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的功率變化的要求由踏板傳感器20感測(cè)并傳送給控制12。在步驟61，控制器12利用所建立起來(lái)并存儲(chǔ)在該處的分布圖，確定給出駕駛員所要求的功率的所需的燃燒負(fù)荷。在步驟62，控制器12接著確定為了給出所需的負(fù)荷和發(fā)動(dòng)機(jī)的速度(由發(fā)動(dòng)機(jī)速度傳感器19監(jiān)控)的燃燒所需的燃料的量，以便滿足駕駛員的功率要求，如也從在控制器12中建立并存儲(chǔ)的分布圖中所提取的那樣。在步驟63，可以通過(guò)可供選擇的氧傳感器14，或者通過(guò)從其它發(fā)動(dòng)機(jī)操作狀態(tài)的計(jì)算，向控制器12提供空氣/EGR混合物(即，充入空氣)的氧濃度。
在步驟64，控制器12由存儲(chǔ)在該控制器中的分布圖，對(duì)于由步驟62(或者由步驟61中確定的所需的負(fù)荷)確定的給定的燃料量和在步驟63中確定的當(dāng)前的空氣/EGR氧濃度，確定對(duì)于燃燒所需的增壓調(diào)節(jié)。確定對(duì)于燃燒所需的增壓水平，以便(i)提供足夠的充入空氣的質(zhì)量，以獲得所需的充入空氣/燃料質(zhì)量的比率，(ii)對(duì)于給定的燃料量，提供用于完全燃燒的足夠的氧克分子的量，以及(iii)優(yōu)選地提供過(guò)剩的氧的量，該過(guò)剩的氧的量將會(huì)改進(jìn)燃燒，并且產(chǎn)生允許選用的PM捕集器18的再生的目標(biāo)排出氧濃度，但是，這種排出的氧濃度則不會(huì)造成NOx的形成的任何增加。如將會(huì)在本技術(shù)領(lǐng)域中理解的，可以根據(jù)這些準(zhǔn)則，無(wú)需過(guò)多的實(shí)驗(yàn)，對(duì)于給定的燃料量或者所需的負(fù)荷，可以機(jī)械地確定特定的增壓水平，并且在控制器12中編程。
在優(yōu)選的燃燒系統(tǒng)中，對(duì)于氧濃度的閉合環(huán)路的控制，在燃燒之后，在步驟65中發(fā)生，可以在步驟66中檢測(cè)或者確定排出的氧濃度，在步驟67中進(jìn)行EGR比率的調(diào)節(jié)，以便將該系統(tǒng)調(diào)整和控制到目標(biāo)所希望的進(jìn)入的氧濃度值或者范圍。例如，可以從傳感器15讀出排出的氧濃度，以及/或者可以由傳感器14讀出進(jìn)入的充入空氣的氧濃度，利用控制器12將真實(shí)的或者計(jì)算出來(lái)的(即，確定的)充入空氣的氧濃度與對(duì)于真正的操作點(diǎn)(根據(jù)存儲(chǔ)的分布圖)所需的水平進(jìn)行比較，然后，指示EGR閥8進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便達(dá)到目標(biāo)氧濃度。
另外，通過(guò)由控制器12對(duì)被入口壓力傳感器16檢測(cè)到的真實(shí)增壓水平與來(lái)自于存儲(chǔ)的分布圖的所需的水平進(jìn)行比較，并且將馬達(dá)10和13(或者增壓器)調(diào)節(jié)到適合于達(dá)到目標(biāo)增壓水平，也可以在閉合環(huán)路的基礎(chǔ)上控制增壓調(diào)節(jié)。
在本發(fā)明中，通過(guò)努力將為了在本發(fā)明的參數(shù)內(nèi)進(jìn)行操作所必須做的氧的校正降低到最低限度，氧濃度的控制可以被進(jìn)一步改善，給出改善的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間。例如，本發(fā)明的對(duì)于控制的優(yōu)選的方法可以另外包括將發(fā)動(dòng)機(jī)排出氣體中的氧濃度相對(duì)地保持恒定。所選擇的特定的值并不是很關(guān)鍵的，其數(shù)值可以是3％，或者5％，或者7％。通過(guò)將所使用的燃料的量與氣缸內(nèi)為了產(chǎn)生所希望的排出的氧濃度能夠得到的氧相匹配，可以將排出的氧濃度保持相對(duì)的恒定。借助在排出氣體中的氧濃度的相對(duì)恒定(例如5％)，并且通過(guò)周?chē)諝獾难鯘舛纫蚕鄬?duì)的恒定(即，接近21％)，對(duì)于實(shí)質(zhì)上所有的發(fā)動(dòng)機(jī)速度和負(fù)荷，可以將充入空氣的氧濃度固定在臨界的氧濃度的范圍(例如，優(yōu)選的水平，如12.5％)內(nèi)，通過(guò)在對(duì)于所希望的進(jìn)入氧濃度所對(duì)應(yīng)的給定值處保持EGR比率(即，這里，對(duì)于給定的排出的氧濃度值5％，大約為53％的EGR)，可以簡(jiǎn)單地獲得該濃度。
之所以希望將排出的氧濃度和進(jìn)入的充入空氣的氧濃度保持在可以接受的相對(duì)的常數(shù)，是為了使系統(tǒng)的瞬時(shí)的空氣處理響應(yīng)(從而，要求改變氣缸內(nèi)的完全燃燒所需要的總的氧量)可以一般只通過(guò)調(diào)節(jié)所供應(yīng)的空氣的質(zhì)量(即增壓響應(yīng))來(lái)進(jìn)行(be paced)，而不是要求同時(shí)確定和/或調(diào)節(jié)氧濃度水平的較慢的步驟，以便能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的需求。主要由增壓壓力調(diào)整的瞬時(shí)響應(yīng)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)相對(duì)于受控的氧濃度水平的響應(yīng)時(shí)間，與傳統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)時(shí)間處于同一個(gè)基礎(chǔ)上。
參數(shù)2非常高的燃料噴射壓力上面討論了妨礙現(xiàn)有技術(shù)開(kāi)發(fā)商業(yè)上可以接受的能夠達(dá)到非常高的燃料噴射壓力的燃料噴射系統(tǒng)的障礙。本發(fā)明本身并針對(duì)在解決開(kāi)發(fā)超高壓力燃料噴射系統(tǒng)的技術(shù)障礙。本發(fā)明代之以通過(guò)增加由于采用這種壓力水平可以獲得的益處，來(lái)改變超高壓燃料噴射系統(tǒng)的成本/效益平衡。特別是，能夠同時(shí)獲得發(fā)動(dòng)機(jī)排出的低的PM和NOx的柴油機(jī)排放水平，并且具有良好的發(fā)動(dòng)機(jī)效率，形成一個(gè)巨大的優(yōu)點(diǎn)。從而，本發(fā)明并不局限于任何特定的燃料噴射系統(tǒng)，只要該系統(tǒng)提供這里所要求的燃料噴射壓力即可。
特別是，申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)，對(duì)于象尋求采用低于16％的充入空氣氧濃度水平的本發(fā)明那樣的柴油機(jī)內(nèi)的燃燒系統(tǒng)，非常高的燃料噴射壓力明顯地幫助降低在這些EGR水平上形成的PM的量。這可能是因?yàn)橛捎贓GR的特別高水平導(dǎo)致的氧非常稀釋的充入空氣混合的結(jié)果，從而，為了獲得基本上完全燃燒和低的PM排放，將要求明顯的更大的混合作用(促進(jìn)在可以獲得的氧分子之間的更快的接觸和相互作用)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于在申請(qǐng)人的燃燒系統(tǒng)中常常發(fā)現(xiàn)的稀的和濃的充入空氣的混合物中降低PM的形成而言，超高燃料噴射壓力提供顯著超過(guò)傳統(tǒng)的“高壓”燃料噴射器的優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)上述過(guò)程，申請(qǐng)人還特別發(fā)現(xiàn)，如果將本發(fā)明的低充入空氣的氧濃度水平保持得足夠低(最優(yōu)選約為12-13.5％)，在本發(fā)明中采用的超高燃料噴射壓力不會(huì)導(dǎo)致NOx形成的任何相應(yīng)的跳躍。這能夠非常有利地緩解柴油機(jī)內(nèi)燃燒的NOx-PM折衷。從而，對(duì)于各種發(fā)動(dòng)機(jī)速度和負(fù)荷，在這些氧濃度水平，在2300、2400和超過(guò)2500bar(包括3000bar和更高)的壓力水平上，申請(qǐng)人成功地制造并試驗(yàn)了新穎的燃料噴射系統(tǒng)，在NOx的形成很少的同時(shí)，顯著降低PM。這種現(xiàn)象或許可以解釋為同時(shí)(i)提供足夠的氧和快速的混合作用，以便保持快速的燃燒(從而，可以推測(cè)為將局部的溫度和每單位的放熱保持在為了快速發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以便進(jìn)行燃燒所需要的最低的化學(xué)反應(yīng)的基本水平之上)，(ii)通過(guò)減少在單位質(zhì)量?jī)?nèi)的氧的相對(duì)的可利用性，限制充入空氣的單位質(zhì)量的放熱，使得在該單位質(zhì)量?jī)?nèi)的燃燒溫度不超過(guò)顯著形成NOx的閾值(約2000K)。
如上面討論過(guò)的那樣，本發(fā)明已經(jīng)在大約2000bar或更高的燃料噴射壓力下達(dá)到了成功的操作。申請(qǐng)人預(yù)期，通過(guò)進(jìn)一步的改進(jìn)，并且無(wú)需過(guò)分的實(shí)驗(yàn)，成功的操作可以一直下降到1800bar的噴射壓力，但是，可以接受的最好的和最廣泛的區(qū)域，將會(huì)繼續(xù)在非常高的燃料噴射壓力下獲得。圖3描繪了在增加的燃料噴射壓力與相應(yīng)地增加對(duì)于低排放柴油機(jī)內(nèi)的燃燒能夠允許的氧濃度的范圍之間的關(guān)系。在非常高的燃料噴射壓力下可以接受的氧濃度的范圍，提供了一種允許增大可能瞬時(shí)發(fā)生的氧濃度變化的耐受性所需的余地。
通過(guò)使用液壓增壓的高壓儲(chǔ)油筒式燃料噴射系統(tǒng)，申請(qǐng)人已經(jīng)達(dá)到了這些燃料噴射壓力，所述高壓儲(chǔ)油筒式燃料噴射系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成可以在任何發(fā)動(dòng)機(jī)速度和負(fù)荷下，提供這種高的燃料噴射壓力。
圖4所示的燃料噴射器是能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的燃料噴射要求的燃料噴射器的一個(gè)(優(yōu)選)實(shí)施例。該優(yōu)選實(shí)施例，利用更高的噴射壓力，作為一個(gè)傳統(tǒng)的高壓儲(chǔ)油筒式燃料噴射系統(tǒng)進(jìn)行操作。該系統(tǒng)利用在噴射器體內(nèi)的液壓流體增壓效應(yīng)，允許將噴射壓力控制到3,000bar或者更高，并且，該系統(tǒng)可以被控制器12操作。
參照?qǐng)D4，優(yōu)選的噴射系統(tǒng)包括增壓器主體30和蓋形螺母35，以便制成可以被設(shè)計(jì)成符合任何發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋要求的噴射器外殼。將增壓器主體30鉆孔，以便裝配電子控制閥31，該電子控制閥可以用不同的方式配置在噴射器內(nèi)，并且可以將其制成滿足不同的發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用的尺寸。電子控制閥31容納有快速響應(yīng)滑閥，以便能夠提供高壓流體，并排出低壓流體。該噴射系統(tǒng)優(yōu)選地利用低壓供應(yīng)燃料(例如，3-4bar)，以及較高壓力(例如，200bar)的液壓供應(yīng)系統(tǒng)。較高壓力的液壓流體通過(guò)液壓流體通路36供應(yīng)，并且經(jīng)由液壓返回口52返回?；y32可以是三通閥也可以是雙通閥，或者提供上述功能的其它型式的閥。
同時(shí)還將增壓器主體30鉆孔，以便容納柱塞49、活塞48和復(fù)位彈簧46。噴射增壓器組件30中的彈簧46、柱塞49和活塞48，將蓄積燃料室45內(nèi)燃料加壓到所需的壓力，直到3,000bar及其以上。增壓器主體30包括燃料返回口33，處于低壓(例如，3-4bar)的燃料供應(yīng)口53，以及大氣壓力液壓通路和排放口(未示出)。在增壓器主體30的下部，是高壓(例如，高達(dá)3,000bar或更高)蓄積燃料室45。高壓燃料通路44能夠?qū)⒏邏喝剂鲜?5與噴射器噴嘴41之間連通。將高壓燃料限制在燃料室45、燃料通路44和噴嘴41內(nèi)，在發(fā)動(dòng)機(jī)燃料系統(tǒng)中提供一個(gè)很高的安全系數(shù)。從噴嘴41的針閥泄漏的燃料，與燃料返回口33連通。
滑閥32優(yōu)選地是三通、兩位閥。第一位置(打開(kāi))將流體供應(yīng)源(由口51)連接到液壓流液壓流體通路36上，第二位置(關(guān)閉)將液壓流體通路36連接到液壓返回口52上。在打開(kāi)位置，滑閥32允許液壓流體從液壓供應(yīng)口51流入液壓室50，從而，使活塞48和柱塞49組件(增壓器組件)向下移動(dòng)，將被捕獲在蓄積室45內(nèi)的燃料加壓。由液壓指示并且流入液壓室50內(nèi)的燃料室內(nèi)的燃料壓力，與發(fā)動(dòng)機(jī)的速度和負(fù)荷無(wú)關(guān)，總是可以將其保持在最佳的水平。這使得能夠完全控制燃料噴射的峰值噴射壓力、持續(xù)時(shí)間和噴射的燃料的量。因此，可以將滑閥32的作用和控制器12(圖1)結(jié)合起來(lái)，以便控制噴射壓力，噴射時(shí)間，以及燃料的輸送量，而不存在液壓滯后的缺點(diǎn)。
當(dāng)滑閥32處于關(guān)閉位置時(shí)，在液壓室50內(nèi)的活塞38上方的液壓流體返回到低壓液壓槽(未示出)，柱塞49和活塞48組件被復(fù)位彈簧46向上移動(dòng)，然后，燃料蓄積室45通過(guò)止回閥組件55被重新裝滿，準(zhǔn)備下一個(gè)壓力循環(huán)。系統(tǒng)中的液壓泄漏物，通過(guò)液壓排出口47被排出。
參數(shù)3在中等和高負(fù)荷時(shí)的空氣質(zhì)量/燃料質(zhì)量之比該參數(shù)與將燃燒中的峰值體溫度和局部溫度保持低溫有關(guān)，以便減少NOx的形成。充入空氣質(zhì)量/燃料質(zhì)量之比影響燃燒中的體熱容量，從而減少在燃燒中的體溫度的升高。該參數(shù)代替溫度，用充入空氣質(zhì)量/燃料質(zhì)量之比表示，以便提供一個(gè)容易測(cè)量的并且可操作參數(shù)，該參數(shù)確保整體燃燒溫度和局部燃燒溫度停留在NOx明顯的形成閾值以下。如在通過(guò)參考在這里加以結(jié)合的Controlled TemperatureCombustion(受控溫度燃燒)的專(zhuān)利申請(qǐng)(美國(guó)申請(qǐng)No.10/241,229)的母申請(qǐng)中討論過(guò)的，一種優(yōu)選的通過(guò)調(diào)節(jié)充入空氣燃料混合氣來(lái)降低并控制峰值燃燒溫度的策略，是通過(guò)控制進(jìn)氣系統(tǒng)中的增壓壓力，來(lái)操縱充入空氣的濃度。
應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于沒(méi)有負(fù)荷和輕的負(fù)荷的情況，只要總是利用過(guò)剩的氧，為了到達(dá)可以接受的NOx和PM排放，沒(méi)有必要將質(zhì)量比保持在25∶1到45∶1之間。
圖6A和6B表示在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)利用本發(fā)明的方法運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，與圖5A和5B所示的現(xiàn)有技術(shù)相比，所得到的一些效益。例如，如圖6A所示，對(duì)于實(shí)際上的所有發(fā)動(dòng)機(jī)速度和負(fù)荷狀態(tài)，在本發(fā)明的情況下，NOx的排放，比相當(dāng)?shù)膫鹘y(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的NOx(如圖5A所示)低很多倍。而且，如圖6B所示，這種NOx的排放的極大的減少，是在仍然保持發(fā)動(dòng)機(jī)的效率等于或大于現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)的效率(如圖5B所示)的情況下達(dá)到的。從而，在這種耐用的商業(yè)上可以實(shí)施的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，本發(fā)明可以達(dá)到上述排放水平。
由前面所述可以理解，盡管這里描述了本發(fā)明的特定實(shí)施例，但是，可以進(jìn)行各種改型，而不會(huì)偏離本發(fā)明的主旨和范圍。因此，這里所提出的實(shí)施例，應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是說(shuō)明性的而不是限制性，本發(fā)明的范圍，只由所附的權(quán)利要求書(shū)加以限定。
權(quán)利要求
1.一種操作內(nèi)燃柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，包括將空氣和再循環(huán)的排出氣體的混合物吸入到內(nèi)燃柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室內(nèi)，其中，所述空氣和再循環(huán)的排出氣體的混合物的氧濃度低于16％；以超過(guò)1800bar的燃料噴射壓力，將燃料噴射到所述燃燒室內(nèi)；以及將所述燃料與所述空氣和再循環(huán)的排出氣體的混合物在所述燃燒室內(nèi)燃燒，從而，產(chǎn)生有用功和新的量的排出氣體，所述新的量的氣體包含有氮氧化物(NOx)，所述氮氧化物的水平為對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)所做的每馬力-小時(shí)的功小于1.0克。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述空氣和再循環(huán)的排出氣體的混合物的氧濃度在15％以下。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述空氣和再循環(huán)的排出氣體的混合物的氧濃度在14％以下。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，對(duì)于中等和高負(fù)荷而言，所述空氣和再循環(huán)的排出氣體的混合物的氧濃度保持在10％和15％之間。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，對(duì)于中等和高負(fù)荷而言，所述空氣和再循環(huán)的排出氣體的混合物的氧濃度保持在11.5％和14％之間。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，對(duì)于中等和高負(fù)荷而言，所述空氣和再循環(huán)的排出氣體的混合物的氧濃度保持在12％和13.5％之間。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，從一個(gè)循環(huán)到另一個(gè)循環(huán)，將所述空氣和再循環(huán)的排出氣體的混合物的氧濃度保持相對(duì)恒定。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，從一個(gè)循環(huán)到另一個(gè)循環(huán)，將EGR比率和排出氣體的氧濃度保持相對(duì)恒定。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在中等或高負(fù)荷時(shí)，空氣和再循環(huán)排出氣體的混合物包括大于40％的EGR水平。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在中等或高負(fù)荷時(shí)，空氣和再循環(huán)排出氣體的混合物包括大于50％的EGR水平。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，以符合或超過(guò)2100bar的燃料噴射壓力，將所述燃料噴射到所述燃燒室內(nèi)。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，以符合或超過(guò)2300bar的燃料噴射壓力，將所述燃料噴射到所述燃燒室內(nèi)。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，以符合或超過(guò)2500bar的燃料噴射壓力，將所述燃料噴射到所述燃燒室內(nèi)。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，以符合或超過(guò)3000bar的燃料噴射壓力，將所述燃料噴射到所述燃燒室內(nèi)。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述新的量的排出氣體包含有氮氧化物(NOx)，所述氮氧化物的水平為對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)所做的每馬力-小時(shí)的功小于0.5克。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述新的量的排出氣體包含有氮氧化物(NOx)，所述氮氧化物的水平為對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)所做的每馬力-小時(shí)的功小于0.2克。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述氮氧化物(NOx)的水平保持在相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)基本上在所有發(fā)動(dòng)機(jī)速度和負(fù)荷下所做的每馬力-小時(shí)的功等于或小于0.2克。
18.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在后續(xù)處理之前或者未進(jìn)行后續(xù)處理的情況下，所述新的量的排出氣體具有等于或者低于Bosch Smoke Number(波許煙度值)為3的煙塵含量。
19.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在后續(xù)處理之前或者未進(jìn)行后續(xù)處理的情況下，所述新的量的排出氣體具有等于或者低于平均Bosch Smoke Number(波許煙度值)為1.5的煙塵含量。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，在基本上所有發(fā)動(dòng)機(jī)速度和負(fù)荷的情況下，在后續(xù)處理之前或者未進(jìn)行后續(xù)處理的情況下，所述新的量的排出氣體也具有等于或者低于Bosch SmokeNumber(波許煙度值)為3的煙塵含量。
21.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在基本上所有的通常的發(fā)動(dòng)機(jī)速度和負(fù)荷的情況下，所述有用功以大于30％的熱效率產(chǎn)生。
22.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括提供足夠的吸入系統(tǒng)壓力，以便對(duì)于所述燃料的燃燒確保足夠的氧。
23.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在吸入燃燒室之前，將空氣和/或再循環(huán)的排出氣體壓縮，以便對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)在中等或高負(fù)荷下的運(yùn)轉(zhuǎn)而言，使得空氣和再循環(huán)排出氣體的混合物的質(zhì)量與噴射的燃料的質(zhì)量之間的比例，在25∶1到45∶1之間。
24.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括將一定量的空氣和再循環(huán)的排出氣體的混合物吸入到燃燒室內(nèi)，所述空氣和再循環(huán)的排出氣體的混合物的量大于與噴射到燃燒室內(nèi)的燃料的化學(xué)配比所需的量，從而，在燃燒室內(nèi)提供足夠的過(guò)量的氧，以幫助基本上完全燃燒，并產(chǎn)生對(duì)于微粒捕集器的再生具有足夠的氧濃度的排出產(chǎn)物。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，進(jìn)一步包括向燃燒室連續(xù)地提供預(yù)定量的過(guò)量氧，以便在發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，在平衡點(diǎn)處保持對(duì)于微粒捕集器的連續(xù)再生而言足夠的排氣氧濃度水平。
26.一種內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，包括一個(gè)或多個(gè)氣缸，每個(gè)氣缸提供一個(gè)燃燒室；一個(gè)或多個(gè)燃料噴射器，所述燃料噴射器能夠以超過(guò)1800bar的燃料噴射壓力向每個(gè)所述的燃燒室內(nèi)噴射燃料；進(jìn)氣管線；用于排出氣體再循環(huán)的裝置；在所述進(jìn)氣管線中將再循環(huán)的排出氣體與周?chē)諝饣旌掀饋?lái)的裝置；EGR控制閥，操作該EGR控制閥，以便將混合起來(lái)的再循環(huán)排出氣體和周?chē)諝獾难鯘舛瓤刂圃?6％以下；一個(gè)或多個(gè)壓縮機(jī)，用于將所述再循環(huán)的排出氣體和/或周?chē)諝庠谒鼈冞M(jìn)入所述一個(gè)或多個(gè)燃燒室之前加壓；以及控制器，將該控制器編程，使其與吸入到燃燒室內(nèi)的所述再循環(huán)的排出氣體和/或周?chē)諝獾募訅撼潭认嚓P(guān)地控制噴射的燃料的量，以便將排出氣體中的氮氧化物(NOx)的水平保持在等于或者小于每馬力-小時(shí)1.0克。
27.如權(quán)利要求26所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，操作EGR控制閥，以便將混合的再循環(huán)的排出氣體和周?chē)諝獾难鯘舛瓤刂圃?5％以下。
28.如權(quán)利要求26所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，操作EGR控制閥，以便將混合的再循環(huán)的排出氣體和周?chē)諝獾难鯘舛瓤刂圃?4％以下。
29.如權(quán)利要求26所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，操作EGR控制閥，以便將混合的再循環(huán)的排出氣體和周?chē)諝獾难鯘舛瓤刂圃?2％和13.5％之間。
30.如權(quán)利要求26所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，操作EGR控制閥，以便將混合的再循環(huán)的排出氣體和周?chē)諝獾难鯘舛瓤刂圃陬A(yù)定的相對(duì)恒定的值。
31.如權(quán)利要求26所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，與發(fā)動(dòng)機(jī)的速度或負(fù)荷無(wú)關(guān)，所述燃料噴射器能夠以符合或超過(guò)2100bar的燃料噴射壓力，將燃料噴射到所述燃燒室內(nèi)。
32.如權(quán)利要求26所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，與發(fā)動(dòng)機(jī)的速度或負(fù)荷無(wú)關(guān)，所述燃料噴射器能夠以符合或超過(guò)2300bar的燃料噴射壓力，將燃料噴射到所述燃燒室內(nèi)。
33.如權(quán)利要求26所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，與發(fā)動(dòng)機(jī)的速度或負(fù)荷無(wú)關(guān)，所述燃料噴射器能夠以符合或超過(guò)2500bar的燃料噴射壓力，將燃料噴射到所述燃燒室內(nèi)。
34.如權(quán)利要求26所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料噴射器能夠以等于或超過(guò)3000bar的燃料噴射壓力，將燃料噴射到所述燃燒室內(nèi)。
35.如權(quán)利要求26所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，在基本上所有的發(fā)動(dòng)機(jī)速度和負(fù)荷下，將排出氣體中的氮氧化物(NOx)的水平保持在對(duì)于由發(fā)動(dòng)機(jī)所做的每馬力-小時(shí)的功等于或者低于0.5克。
36.如權(quán)利要求26所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，在基本上所有的發(fā)動(dòng)機(jī)速度和負(fù)荷下，將排出氣體中的氮氧化物(NOx)的水平保持在對(duì)于由發(fā)動(dòng)機(jī)所做的每馬力-小時(shí)的功等于或者低于0.2克。
37.如權(quán)利要求26所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，在后續(xù)處理之前或者不進(jìn)行后續(xù)處理的情況下，將排出氣體中的煙塵含量水平保持在Bosch Smoke Number(波許煙度值)為3或以下。
38.如權(quán)利要求26所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，在后續(xù)處理之前或者不進(jìn)行后續(xù)處理的情況下，將排出氣體中的煙塵含量水平保持在平均Bosch Smoke Number(波許煙度值)為1.5或以下。
39.如權(quán)利要求36所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，在基本上所有的發(fā)動(dòng)機(jī)速度和負(fù)荷下，在后續(xù)處理之前或者不進(jìn)行后續(xù)處理的情況下，將排出氣體中的煙塵含量水平也保持在Bosch SmokeNumber(波許煙度值)為3或者以下。
40.如權(quán)利要求26所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，在基本上所有通常的發(fā)動(dòng)機(jī)的速度和負(fù)荷下，以大于30％的熱效率產(chǎn)生有用功。
41.如權(quán)利要求26所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，將控制器編程，以確保燃燒室接收到用于微粒捕集器的再生而言足夠量的過(guò)剩的氧。
42.如權(quán)利要求41所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，燃燒室提供有預(yù)定量的過(guò)剩的氧，以便在發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，在平衡點(diǎn)處，保持對(duì)于將微粒捕集器連續(xù)再生而言足夠的排出氣體氧濃度水平。
43.如權(quán)利要求26所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)在中等或高負(fù)荷下的運(yùn)轉(zhuǎn)而言，燃燒室內(nèi)空氣和再循環(huán)排出氣體的混合物的質(zhì)量與噴射燃料的質(zhì)量之間的比例，在25∶1和45∶1之間。
44.如權(quán)利要求26所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，吸入到燃燒室內(nèi)的空氣和再循環(huán)排出氣體的混合物的量，大于用于和噴射到燃燒室內(nèi)的燃料的化學(xué)配比所需要的量，從而，在提供足夠的過(guò)量的氧以幫助基本上完全燃燒，并產(chǎn)生對(duì)于微粒捕集器再生而言具有足夠的氧濃度的排出產(chǎn)物。
45.如權(quán)利要求26所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)一步包括用于排出氣體再循環(huán)的低壓EGR環(huán)路。
46.一種降低在內(nèi)燃柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的氮氧化物(NOx)的形成的方法，包括對(duì)于中等和高的負(fù)荷，將用于燃燒的空氣的氧濃度控制在10％和15％之間。
47.如權(quán)利要求46所述的方法，進(jìn)一步包括對(duì)于中等和高的負(fù)荷，將用于燃燒的空氣的氧濃度控制在11.5％到14％之間。
48.如權(quán)利要求46所述的方法，進(jìn)一步包括對(duì)于中等和高的負(fù)荷，將用于燃燒的空氣的氧濃度控制在12％到13.5％之間。
49.如權(quán)利要求46所述的方法，其特征在于，部分地通過(guò)將再循環(huán)排出氣體的氧濃度保持在預(yù)定的相對(duì)恒定的值，將用于燃燒的空氣的氧濃度控制在一個(gè)預(yù)定的相對(duì)恒定的值。
50.如權(quán)利要求46所述的方法，進(jìn)一步包括，將所述發(fā)動(dòng)機(jī)的排出氣體中的氮氧化物(NOx)保持在對(duì)于由所述發(fā)動(dòng)機(jī)所做的每馬力-小時(shí)的功而言等于或者低于0.2克。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種商業(yè)上可以實(shí)施的柴油機(jī)內(nèi)的燃燒系統(tǒng)，該系統(tǒng)無(wú)需采用NOx后續(xù)處理，就可以滿足環(huán)境可以接受的NOx排放水平(即，在發(fā)動(dòng)機(jī)速度和負(fù)荷的布局圖中，0.2g/bhp－h(huán)r或更低)，并且，同時(shí)保持發(fā)動(dòng)機(jī)排出的PM排放比較接近(例如，煙塵水平等于或第一3BSN)環(huán)境可以接受的PM的后續(xù)處理后的水平。本發(fā)明通過(guò)在獨(dú)特的參數(shù)的組合內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到這些結(jié)果。這些參數(shù)包括(1)對(duì)于實(shí)質(zhì)上所有的發(fā)動(dòng)機(jī)操作狀態(tài)(但并不需要在沒(méi)有負(fù)荷或低返回狀態(tài)下)充入空氣的氧濃度低于16％，優(yōu)選地在10％和15％之間，更優(yōu)選地在11.5％到14％之間，最優(yōu)選地在12％到13.5之間，(2)在絕對(duì)數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)的速度和負(fù)荷下，燃料噴射的壓力等于或超過(guò)1800vbar，優(yōu)選地，超過(guò)2100bar，更優(yōu)選地，超過(guò)2300bar，最優(yōu)選地，超過(guò)2500bar，以及(3)對(duì)于中等和高負(fù)荷，充入空氣的質(zhì)量/燃料質(zhì)量的比例，在25∶1到45∶1之間。進(jìn)而，該系統(tǒng)優(yōu)選地在連續(xù)的稍貧的化學(xué)配比的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)，提供剛好足夠的過(guò)量的氧，以便促進(jìn)完全燃燒，并在運(yùn)轉(zhuǎn)的平衡點(diǎn)處，保持足夠的排出的氧濃度，用于連續(xù)的進(jìn)行捕集器的再生。
文檔編號(hào)F02D43/00GK1871412SQ200480030816
公開(kāi)日2006年11月29日 申請(qǐng)日期2004年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月19日
發(fā)明者小查爾斯·L·格雷, 戴維·J·豪根, 卡爾·H·赫爾曼 申請(qǐng)人:美國(guó)環(huán)境保護(hù)署