專利名稱：氣態(tài)燃料化學計量的壓燃式內燃發(fā)動機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及氣態(tài)燃料化學計量的壓燃式內燃發(fā)動機，并且尤其涉及使用引燃點火運行的發(fā)動機。
背景技術：
已經(jīng)使用內燃發(fā)動機來產(chǎn)生動力和驅動機器達一個多世紀。從一開始，內燃發(fā)動機就已經(jīng)經(jīng)歷了許多改進以變得更有效、更強有力和/或更少污染。已經(jīng)連同許多可替代的燃料選擇考慮了對發(fā)動機設計方面的各種修改。在本公開中，氣態(tài)燃料為在大氣壓力及溫度下處于氣相的燃料，以及為能夠在所公開的類型的內燃發(fā)動機中燃燒的氣體，所述氣態(tài)燃料的示例為甲烷、乙烷、丙烷和其它輕質可燃性烴的衍生物以及氫和天然氣及這些燃料的其它混合物。特別地，天然氣一相對于常規(guī)柴油燃料更清潔地燃燒及遍及世界各地的豐富地且更廣地分布——作為諸如汽油和柴油之類的較為傳統(tǒng)的燃料的替代品受到了加倍重視。即，諸如價格、可獲及性、能源安全以及環(huán)境關注之類的因素正引導更多的燃料使用者來考慮替代性的燃料選擇。天然氣用作車輛的內燃發(fā)動機燃料已有五十多年。歷史上，驅動車輛的天然氣受到自然地熏蒸，意味著天然氣被引入到進氣歧管中，使得燃料與進氣的混合物通過敞開的進氣門供給到氣缸中。對于這種發(fā)動機，由于氣態(tài)-燃料/空氣混合物與柴油、汽油燃料之類的液體燃料不同，通常更難以通過壓燃來點燃，因此用于點燃氣態(tài)-燃料/空氣混合物的最常用的方法為使用火花點火。通常，已被商業(yè)化的火花點火式氣態(tài)燃料發(fā)動機有兩種類型，即，所謂的稀薄燃燒發(fā)動機以及以化學計量(stoichiometric)模式運行的發(fā)動機，稀薄燃燒發(fā)動機將過量的氧氣輸送至燃燒室，而在化學計量模式中，氣態(tài)燃料/空氣混合物被控制為使得在燃燒期間，基本上所有的燃料與基本上所有的游離氧相結合。S卩，在理想的化學計量的燃料/空氣混合物的情況下，僅存在足以燃燒基本上所有可用燃料的氧氣。稀薄燃燒發(fā)動機與化學計量發(fā)動機各自具有其優(yōu)點和缺點。例如，稀薄燃燒發(fā)動機通常允許更高的壓縮比并結合有更低的節(jié)流損失，這能夠提供更高的效率及更低的燃料消耗。稀薄燃燒發(fā)動機的不足之處在于離開燃燒室的廢氣中的過量氧氣的存在使得稀薄燃燒發(fā)動機與現(xiàn)代三元催化后處理子系統(tǒng)不兼容，這意味著需要更昂貴的后處理子系統(tǒng)來降低NOx水平。與稀薄燃燒發(fā)動機相比，化學計量發(fā)動機通常具有更低的壓縮比，這通常導致更低的效率和/或更低的動力輸出，但燃燒產(chǎn)物與現(xiàn)代三元催化后處理子系統(tǒng)兼容，因而這有助于化學計量發(fā)動機滿足近來的排放標準，而無需稀薄燃燒發(fā)動機所需要的更復雜及更昂貴的后處理子系統(tǒng)。例如，申請者的相關公司，Cummins Westport Inc.(康明斯-西港股份有限公司)最近提供了一種使用廢氣再循環(huán)及火花點火、以化學計量模式運行的先進的天然氣發(fā)動機，具有這種組合的特征的發(fā)動機在本文中被稱為SESI發(fā)動機。與早期發(fā)動機相比，所述SESI發(fā)動機使用相對高比率的經(jīng)冷卻的廢氣再循環(huán)(EGR)以減少過量空氣并因此減少燃燒期間NOx的產(chǎn)物，同時也減小燃燒爆震的可能性。
用于天然氣發(fā)動機的另一方式為非化學計量的并涉及使用壓燃而非火花點火來點燃燃料/空氣混合物(柴油機原理)。使用了比在火花點火式發(fā)動機中所使用的壓縮比更高的壓縮比，因而允許更大的動力和更高的效率。然而，如之前指出的，由氣態(tài)燃料與空氣組成的充氣難以在不使用諸如較容易點燃引燃燃料——比如為少量的柴油燃料——的點火、電熱塞或其它熱表面之類的點火輔助裝置的情況下僅通過壓縮而點燃。在使用引燃燃料時，通常將引燃燃料直接地噴射到發(fā)動機氣缸的燃燒室中以初始點燃主要的氣態(tài)燃料。引燃燃料在燃燒室中與空氣混合，因燃燒室內的壓力條件/溫度條件而點燃，并進而點燃氣態(tài)燃料。所需的引燃燃料的量可以非常小，例如，為存在的總燃料的近似1%。這種引燃操作有時被稱為“微引燃”(micropilot)，并且該術語在本文中被定義為表示該意思。使用壓燃方式以及主要以熏蒸氣態(tài)燃料運行的發(fā)動機通常被稱為“雙燃料”發(fā)動機并且在本文中如是指稱。雙燃料發(fā)動機能夠出于點燃的目的而將柴油引燃燃料直接地噴射到燃燒室中并且能夠使用EGR。然而，該方式因不使用節(jié)流器而使用了過量的空氣并因此為非化學計量的，并且如同稀薄燃燒發(fā)動機，雙燃料發(fā)動機需要更復雜的且更昂貴的排放處理以處理排放物。雙燃料發(fā)動機的優(yōu)點在于其允許對現(xiàn)有柴油發(fā)動機的相對容易的改造。此外，只要證明是可取的或必要的，其允許僅使用柴油(100%引燃燃料)。通常，通過在噴射活動期間在用于燃料噴射的定時、燃料噴射的量以及燃料噴射速率方面的更精確控制，可以使發(fā)動機更有效、更有動力、更少污染。如果氣態(tài)燃料在高壓下被直接地嗔射到氣缸中，其中開始嗔射的定時在接近活塞的壓縮沖程結束時啟始，則在氣態(tài)燃料發(fā)動機中能夠獲得更高的效率和更好地排放。該方式降低燃燒爆震的可能性并且允許氣態(tài)燃料發(fā)動機以與常規(guī)的柴油發(fā)動機相同的壓縮比操作。然而，這需要更復雜的以及更昂貴的燃料供給子系統(tǒng)，該燃料供給子系統(tǒng)能夠在至少200bar的噴射壓力下輸送主要氣態(tài)燃料和弓I燃燃料二者。例如，在共同擁有的美國專利N0.6，073，862，N0.6, 439, 192，N0.6，761，325 中公開了在這種噴射壓力下使用將氣態(tài)燃料直接地噴射到發(fā)動機氣缸的燃燒室中的先進的發(fā)動機。在這些專利中以及在本文中，這些發(fā)動機被稱為高壓直噴式發(fā)動機或“HPDI發(fā)動機”。盡管這些發(fā)動機與其它氣態(tài)燃料發(fā)動機在動力、效率及對于柴油的主要氣態(tài)燃料的高可能性替代率方面相比提供了優(yōu)點，但這種發(fā)動機以稀薄模式運行，如常規(guī)柴油發(fā)動機那樣使用過量的空氣(非化學計量)。因此，為符合許多司法管轄區(qū)中的現(xiàn)行排放需求，與化學計量發(fā)動機相比，HPDI發(fā)動機通常需要更復雜且昂貴的用于廢氣處理的后處理子系統(tǒng)。HPDI的變型使用電火塞或其它熱表面點火裝置而不是引燃燃料來點燃氣態(tài)燃料。例如在共同擁有的美國專利N0.6，845，746，N0.7，077，115，N0.7，281，514中公開了使用這種方式的發(fā)動機。在所公開的優(yōu)選實施方式中，氣態(tài)燃料被直接地噴射到燃燒室中，且開始噴射的定時處于壓縮循環(huán)中的較晚時的接近上止點或處于上止點處并且以與使用引燃燃料的HPDI發(fā)動機大約相同的噴射壓力噴射。主要燃料不為天然氣的多個其它發(fā)動機實施方式在本領域中已被設想出并且公開。例如，the Southwest Research Institute (西南研究所，SWR1)在美國專利N0.6，679，224中公開了使用EGR的一種柴油發(fā)動機，該柴油發(fā)動機適于暫時性地工作在化學計量條件下，并且尤其提供了一種方法，該方法用于再生稀NOx捕集器而無需將未燃盡的燃料引入發(fā)動機的排氣流中或者無需用于操作發(fā)動機或后處理裝置的額外的物質。該主要燃料為柴油，并且其教示了使用諸如蒸餾過的柴油、汽油、天然氣、液化石油氣(LPG)或氫之類的第二燃料，該第二燃料被暫時地噴射到進氣歧管中，以在其被引入到燃燒室中之前與空氣預混合。在美國專利N0.7，389，752中，SWRI也教示了一種發(fā)動機實施方式，其中，汽油為優(yōu)選的主要燃料并且潤滑油為微引燃燃料。能夠使用高水平的ERG(例如25-60%)。SffRI的這些公開中均未對使用氣態(tài)燃料作為主要燃料進行教示，也未對以與常規(guī)液體燃料發(fā)動機的方式不同的方式操作發(fā)動機以利用氣態(tài)燃料的不同特性的方法作出調整，所述氣態(tài)燃料的不同特性諸如，例如，這種氣態(tài)燃料的燃燒產(chǎn)生更少的也被稱為煙灰的顆粒物質，這能夠允許使用更高水平的EGR而不具有再循環(huán)大量煙灰的后果，并且允許通常更高的可燃性極限以及更長的點火延遲，這能夠幫助減小燃燒爆震的危險。盡管內燃發(fā)動機已經(jīng)歷持續(xù)的改進長達一個多世紀，但內燃發(fā)動機中的燃燒過程仍是復雜的，并且甚至現(xiàn)在仍未被完全理解。存在仍未被試過的以及未通過計算機建模和/或實驗測試來觀察過的特征的許多變量和組合，之前未試過的組合的作用不能被準確地預測。如以上討論的，關于氣態(tài)燃料發(fā)動機，已存在使用了火花點火、引燃、熱表面點火的方式，并且已存在稀薄燃燒發(fā)動機、化學計量發(fā)動機，以及已存在使用預混合燃料-空氣混合物并直接將分層的燃料-空氣混合物噴射的進氣口噴射的熏蒸的發(fā)動機，并且已存在使用三元催化劑的發(fā)動機以及使用諸如需要添加比如尿素的還原劑的選擇性催化還原之類的相對更復雜的后處理子系統(tǒng)的發(fā)動機。通常，對于發(fā)動機技術的關注需要防止不可接受的燃燒爆震，所述燃燒爆震隨著氣缸內溫度變得更高和/或具有更高的壓縮比和/或低辛烷值的燃料等而可能變得更成問題。在本領域多種技術已被建議來控制或減小燃燒爆震。例如美國專利N0.7，028，644公開了在火花點火的、具有高壓縮比的汽油發(fā)動機中添加氫以避免燃燒爆震并允許更高水平的冷卻的EGR。美國專利N0.7，290，522和N0.7，461，628公開了通過添加氫或變化量的噴射乙醇來分別防止燃燒爆震的兩種模式的發(fā)動機。已經(jīng)在提高發(fā)動機性能以及提供可替代的燃料使用方面做過許多工作。在已知的氣態(tài)-燃料發(fā)動機技術中，已示出了產(chǎn)生最高的性能及效率的HPDI，這使得HPDI對于某些應用而言成為優(yōu)選的選擇。然而，對于無需如此高的性能的更少需求的應用而言，存在對于更簡單以及更低價的發(fā)動機的需求。本技術解決了這種需求以及其它需求。

發(fā)明內容
本技術涉及借助于引燃運行的氣態(tài)燃料化學計量的壓燃式內燃發(fā)動機。根據(jù)本方法，主要燃料為氣態(tài)燃料，其中引燃燃料為在壓燃發(fā)動機中建立的一般條件下更易于自動點火的燃料。燃料總量為引燃燃料的量結合氣態(tài)燃料的量。平均而言，基于能量，作為主要燃料的氣態(tài)燃料代表了由發(fā)動機消耗的燃料的大多數(shù)，并且取決于運行條件，主要燃料能夠達到輸送至燃燒室的總體燃料的至少90%。該方法總體上包括基于期望的發(fā)動機負載確定引入到燃燒室中的主要原料的以質量計的量，將由引燃燃料提供的能量考慮在內以便不引起過裝料。同樣基于期望的發(fā)動機負載和/或其它發(fā)動機操作條件，該辦法還包括確定通過廢氣再循環(huán)子系統(tǒng)被冷卻的和重新循環(huán)回燃燒室中的廢氣的以質量計的量。于是，通過已知的燃料的總量、同樣已知的需被重新循環(huán)的廢氣的量，來自進氣歧管的一定量的空氣被輸送入燃燒室中，其中，空氣的量使用空氣/燃料比控制裝置來控制，并且，預定量的空氣與總量的燃料相匹配以在正常運行條件期間在燃燒室內產(chǎn)生基本的化學計量條件。通過引燃燃料噴射器將引燃燃料直接地噴射到燃燒室中，使得用于噴射引燃燃料的定時在壓縮循環(huán)中較晚，將用于引燃燃料的點火延遲考慮在內，并且開始燃燒的定時處于或靠近上止點時發(fā)生。本辦法使用燃料和廢氣的以質量計的量的確定，并且本領域技術人員將容易地理解，確定以質量計的上述量的等同方法可以基于體積和壓力或其它與質量相關聯(lián)的參數(shù)的測量值。在引燃燃料噴射器位于其噴嘴能夠將引燃燃料直接地噴射到燃燒室中的位置處時，主要燃料噴射器可以為具有在低壓下用于將氣態(tài)主要燃料引入到進氣歧管中或可替代地直接地噴射到燃燒室中的噴嘴的一個噴射器，或所述設備可以包括多個主要燃料噴射器，每個主要燃料噴射器與相應的進氣口或燃燒室相關聯(lián)。在氣態(tài)燃料被直接地噴射到燃燒室中時，氣態(tài)燃料噴射的定時優(yōu)選地被控制成在壓縮沖程的開始期間發(fā)生，例如，氣態(tài)燃料噴射被控制成上止點之前80度與上止點之前180度的曲柄角之間開始。同樣，氣態(tài)燃料噴射能夠被控制成在進氣沖程期間開始。在本方法中，空氣/燃料比控制裝置可以包括節(jié)流器、不同的可變氣門致動策略、噴射到進氣歧管中的天然氣的脈沖寬度調制，在廢氣再循環(huán)系統(tǒng)中控制EGR閥或其組合。通過“脈沖寬度”，本領域技術人員將理解氣態(tài)燃料噴射活動的持續(xù)時間。本領域技術人員將會理解某些可變氣門致動(“VVA”)策略包括僅改變進氣門打開和/或關閉的定時，而其它 致動策略可以僅包括改變進氣門升程，并且還有一些其它的策略可以允許改變進氣門的定時和升程二者。在優(yōu)選的實施方式中，由于主要燃料與進氣預混合，并且發(fā)動機的壓縮比被保持為足夠高以獲得引燃燃料的可靠地壓燃，本發(fā)動機和用于操作本發(fā)動機的方法優(yōu)選地使用設計成防止燃燒爆震的策略。為控制燃燒爆震，該方法可以包括選自由下述構成的組的一個或多個步驟:選擇低于常規(guī)柴油發(fā)動機但高于常規(guī)SESI發(fā)動機的發(fā)動機壓縮比的發(fā)動機壓縮比，通過改變每個氣缸的用于打開和關閉進氣門的定時而動態(tài)地控制壓縮比，增加進氣的冷卻使得充氣混合物在其進入燃燒室時低于60°C ;增加再循環(huán)的經(jīng)冷卻的廢氣的量；增加再循環(huán)的廢氣的冷卻；以及管理環(huán)竄漏及曲柄箱強制通風以便使其小于到達發(fā)動機的總流量的約2%。發(fā)動機優(yōu)選地以小于14:1的壓縮比運行。本發(fā)動機及用于操作本發(fā)動機的方法能夠同樣使用策略來在發(fā)動機在預定的低負載以下運行時，通過下述方法來控制泵送損失，所述方法為控制進氣門打開和關閉的定時和/或進氣門升程，停用發(fā)動機燃燒室中的至少一個燃燒室使得空氣、氣態(tài)燃料以及引燃燃料被引入到減少數(shù)量的發(fā)動機燃燒室中，或打開發(fā)動機的排氣系統(tǒng)中的旁通閥使得廢氣中的至少一些旁通過安裝在連接到所述發(fā)動機的排氣管線上的渦輪增壓器。一個涉及進氣門提早關閉(“EIVC”)的優(yōu)選的VVA策略包括在與發(fā)動機燃燒室相關聯(lián)的活塞處于或靠近進氣沖程的上止點(“TDC”)時打開進氣門，并且在活塞到達進氣沖程的下止點(“BDC”)之前并且優(yōu)選地在活塞到達進氣沖程的下止點之前20度的曲柄角處時關閉進氣I 。另一涉及進氣門延遲關閉(“LIVC”)的優(yōu)選的VVA策略包括在與發(fā)動機燃燒室相關聯(lián)的活塞處于或靠近進氣沖程的上止點時打開進氣門，并且在活塞的壓縮沖程期間在活塞處于活塞的進氣沖程的下止點之后大于20度的曲柄角處時關閉進氣門。優(yōu)選地，進氣門在活塞到達進氣沖程的下止點之后120度的曲柄角之前被關閉。本發(fā)動機總體上包括燃燒室；用于將氣態(tài)主要燃料引入到進氣歧管或進氣口或直接地引入到燃燒室中的氣態(tài)主要燃料噴射器；用于將引燃燃料噴射到燃燒室中的引燃燃料噴射器；廢氣再循環(huán)子系統(tǒng)；用于控制燃燒混合物的空氣/燃料比的裝置；以及發(fā)動機控制器，該發(fā)動機控制器被編程為對氣態(tài)主要燃料噴射器、引燃燃料噴射器、廢氣再循環(huán)子系統(tǒng)和空氣/燃料比控制裝置進行控制使得在發(fā)動機的正常運行期間空氣/燃料比基本上為化學計量的。氣態(tài)主要燃料噴射器優(yōu)選地位于進氣歧管中或進氣口中，并且對于具有多個氣缸的發(fā)動機而言，理想的是可以使用多個主要燃料噴射器，并使每個噴射器與各自的進氣口相關聯(lián)。作為進氣口噴射該方法是已知的。在另一實施方式中，氣態(tài)主要燃料可以被直接地引入到每個氣缸中，使得與在活塞更接近上止點時將燃料在壓縮沖程的較晚時引入的較為常規(guī)的直接噴射方法相比，燃料的引入被定時成在進氣沖程期間或在壓縮沖程的較早時，從而燃料在相對低的壓力下仍被噴射。用于對將空氣和/或再循環(huán)廢氣到燃燒室中的引入進行控制的裝置包括節(jié)流裝置、進氣門、排氣門和EGR閥。發(fā)動機包括控制器，控制器編程為控制用于在發(fā)動機正常運行期間對將空氣和/或再循環(huán)的廢氣到所述燃燒室中的引入進行控制以獲得化學計量的氧/燃料比的裝置?？刂破鞅痪幊虨榭刂七M氣門的打開和關閉和/或進氣門升程以獲得化學計量的氧/燃料比。在一個優(yōu)選的實施方式中，發(fā)動機控制器被編程為控制進氣門使得該進氣門在與燃燒室相關聯(lián)的活塞處于或靠近活塞的進氣沖程的上止點處時打開并且該進氣門在活塞的進氣沖程期間關閉。優(yōu)選地，控制器控制進氣門使得其在與燃燒室相關聯(lián)的活塞處于活塞的進氣沖程的下止點之前20度的曲柄角之前關閉。在另一優(yōu)選的實施方式中，發(fā)動機控制器被編程為控制進氣門使得其在與燃燒室相關聯(lián)的活塞處于或接近活塞的進氣沖程的上止點時打開，并且該進氣門在與燃燒室相關聯(lián)的活塞在活塞的壓縮沖程期間處于活塞的進氣沖程的下止點之后大于20度的曲柄角處時關閉。優(yōu)選地，控制器被編程為對進氣門進行控制使得其在與燃燒室相關聯(lián)的活塞處于活塞的進氣沖程的下止點之后120度的曲柄角之前關閉。在本發(fā)動機的一個實施方式中，連接到發(fā)動機的排氣管線包括渦輪增壓器和用于旁通過該渦輪增壓器的旁通閥并且發(fā)動機控制器控制該旁通閥以在發(fā)動機以低負載運行時完全地或部分地打開該旁通閥。這具有降低發(fā)動機的有效運行所需的泵送功的效果。發(fā)動機控制器也被編程為停用發(fā)動機的氣缸中的至少一個氣缸使得空氣、氣態(tài)燃料以及引燃燃料被引入到減少數(shù)量的氣缸中，以在發(fā)動機以低負載運行時通過燃燒產(chǎn)生動力。這也減少了發(fā)動機的有效運行所需的總體上的泵送功。本結構的優(yōu)點在于內燃發(fā)動機可以包括低價的三元催化劑排放處理子系統(tǒng)。用于控制燃燒混合物的空氣/燃料比的裝置可以包括節(jié)流器、不同的可變氣門致動策略或氣態(tài)燃料噴射器的脈寬調制(PWM)。本化學計量的壓燃式內燃發(fā)動機和該運行策略已被發(fā)現(xiàn)特別適用于以天然氣為氣態(tài)主要燃料并且以柴油為引燃燃料的運行。


圖1為配備有三元催化劑排放處理子系統(tǒng)并具有將氣態(tài)燃料噴射到進氣歧管中的噴射器的、節(jié)流的、化學計量的壓燃式內燃發(fā)動機的示意圖。圖2示出使用了進氣門提早關閉或進氣門延遲關閉的用于不同氣門致動策略的進氣門升程和進氣門打開持續(xù)時間。圖3為配備了三元催化劑排放處理子系統(tǒng)并具有將氣態(tài)燃料直接地噴射到燃燒室中的噴射器的、節(jié)流的、化學計量的壓燃式內燃發(fā)動機的示意圖。圖4a、圖4b以及圖4c分別示出了對于在計算的發(fā)動機示例中的示例性SESI及本發(fā)動機，指示平均有效壓力(IMEP)、爆震指數(shù)及熱效率與開始燃燒定時的結果的關系曲線。圖5示出對于施加至中等負載的氣態(tài)燃料內燃發(fā)動機的不同進氣門關閉定時，指示比燃料消耗(ISFC)與制動平均有效壓力(BMEP)的關系曲線。圖6示出對于中等負載的氣態(tài)燃料內燃發(fā)動機在壓縮沖程期間在使用不同的進氣門關閉定時的情況下模型化的缸內溫度。圖7示出對于使用節(jié)流、渦輪增壓器旁通和/或可變氣門致動策略的不同發(fā)動機運行模式的模型化的凈比燃料消耗率。
具體實施例方式出于突出重點及簡潔的目的，對實施方式的常規(guī)的以及對那些熟悉氣態(tài)燃料發(fā)動機技術的人而言已知的某些方面不再做詳細描述。在現(xiàn)有技術中，某些術語已被用在不同的上下文中及不同的出版物中以具有不同的意義。因此，在本公開的上下文中以及在本方法和設備的描述中，以下術語被定義如下:“化學計量”指的是與氧化劑和燃料混合物有關的情形，其中，氧化劑的總量與存在的燃料的總量相平衡，使得在被燃燒時二者都將基本上完全地被消耗。從數(shù)字上而言，總氧化劑/總燃料比優(yōu)選地為1±0.1，并且更優(yōu)選地為1±0.05。“正?！卑l(fā)動機運行指的是對于發(fā)動機而言在以穩(wěn)定狀態(tài)運行時運行的多個常規(guī)模式(例如，空載、輕載、滿載)。大多數(shù)時間里，發(fā)動機被期望運行在這些模式中的一種模式中。然而，這并不包括諸如與維護、診斷、瞬態(tài)工況等之類相關的特殊情形。關于燃料噴射的“低壓”指的是低于約50bar的壓力。圖1示出了發(fā)動機系統(tǒng)I的示意圖，其包括氣態(tài)燃料化學計量的壓燃式內燃發(fā)動機的一個實施方式的示例。在該示例中，化學計量能夠部分地通過使用節(jié)流器20以控制進氣的量并且部分地通過使用EGR閥15以控制被再循環(huán)的廢氣的量而進行控制。發(fā)動機系統(tǒng)I還配備有用于對通過排氣門6離開燃燒室4的發(fā)動機廢氣進行處理的三元催化劑21。實際的發(fā)動機通常包括多個氣缸和多個燃燒室，但是出于說明的目的，在圖1中不出的內燃發(fā)動機僅包括由氣缸2和往復式活塞3限定的燃燒室4。進氣門5和排氣門6分別允許空氣/燃料混合物進入燃燒室4中以及允許燃燒廢氣從燃燒室4離開。發(fā)動機系統(tǒng)I還設有進氣歧管7和排氣歧管8，所述進氣歧管7和排氣歧管8分別流體連接到進氣門5和排氣門6。
在發(fā)動機系統(tǒng)I中使用的主要燃料為氣態(tài)燃料，所述氣態(tài)燃料從主要燃料供給器9供給，并通過位于進氣門5附近的主要燃料噴射器11引入到進氣歧管7中。由于進氣歧管7的部分通常被描述為進氣口，因而示出的實施方式有時被描述為進氣口噴射。在將處于該位置的氣態(tài)燃料引入時，能夠使用相對低的噴射壓力，例如約I至15bar (度量)。由于對于諸如天然氣之類的氣態(tài)燃料而言進氣口噴射是已熟知的，因此，主要燃料供給器9可以是為向進氣口噴射器供給存儲為壓縮天然氣或者液化天然氣的燃料而開發(fā)的適當?shù)娜剂瞎┙o子系統(tǒng)。僅靠壓縮通常不是一種用于點燃空氣/氣態(tài)燃料混合物的可靠的方式。如之前相對于已知的方式討論過的，用于輔助點燃空氣/氣態(tài)燃料混合物的策略是理想的。然而對于進氣口噴射的氣態(tài)燃料，該點火輔助通常通過火花塞來實現(xiàn)，本結構使用諸如柴油之類的適當?shù)囊既剂?，所述引燃燃料?jīng)由小的共軌從引燃燃料供給器10供給并由引燃燃料噴射器12直接地引入到燃燒室4中。相對高的噴射壓力——例如200至2000bar——被用于使液體柴油燃料霧化和分散并克服由于壓縮沖程而在燃燒室4中存在的、與在進氣歧管7中的壓力相比相對較高的壓力。發(fā)動機系統(tǒng)I還包括在本文中示意性地由EGR回路14和可控制的ERG閥15表示的廢氣再循環(huán)(EGR)子系統(tǒng)。如在圖1中所示，準許進入進氣歧管7的周圍空氣的量通過節(jié)流器20來調節(jié)。電子可編程發(fā)動機控制器16接收來自傳感器(未示出)的信號并控制各種發(fā)動機部件，所述傳感器檢測諸如燃料存儲箱中的燃料液位、溫度、壓力以及單獨地或聯(lián)合地指示某些發(fā)動機狀況之類的某些發(fā)動機運行參數(shù)，示出了所述各種發(fā)動機部件中的一些部件，例如主要燃料噴射器11、引燃燃料噴射器12、EGR閥15、進氣門5、排氣門6和節(jié)流器20。在圖1中，虛線代表將傳感器信號發(fā)送到控制器16的信號線以及將來自控制器16的控制信號發(fā)送到所連接的發(fā)動機部件的信號線。通常認為，發(fā)動機控制器16可以用于檢測其它的發(fā)動機運行參數(shù)并且控制除在文中描述的那些部件以外的部件。在正常運行中，發(fā)動機控制器16響應于由操作者確定的可變的發(fā)動機負載來控制發(fā)動機部件?？刂破?6基于所指令的負載確定期望的化學計量的燃燒混合物并且相應地增加或減少氣態(tài)主要燃料的噴射量。另外，控制器16調節(jié)節(jié)流器20、進氣門5和EGR閥15以允許期望的量的空氣和稀釋的廢氣分別進入進氣歧管7中。之后，在壓縮階段期間，控制器16對引燃燃料噴射器進行操作以便獲得噴射的引燃燃料的期望的量、速率和定時。在正常運行期間，發(fā)動機控制器16被編程為維持化學計量的空氣/燃料比并且如果控制器16檢測到空氣/燃料比已從化學計量偏離，則控制器16對所連接的發(fā)動機部件進行控制以恢復化學計量的氧化劑/燃料比。如本文中所描述的，控制器16可以具有其能夠控制的多個部件以便調節(jié)氧化劑/燃料比，并且控制器16被編程為根據(jù)所檢測到的發(fā)動機參數(shù)和所確定的發(fā)動機狀況來調整這些部件中一個或多個部件。通過維持化學計量的空氣/燃料比，發(fā)動機廢氣基本上不含氧并因此一種相對簡單并低價的常規(guī)三元催化劑子系統(tǒng)21被用作排放物處理子系統(tǒng)。然而，在不脫離本技術的情況下，發(fā)動機I在短期內——諸如在冷啟動期間、在廢氣處理裝置的再生期間、在以廢氣催化劑溫度保護模式下運行時、或者僅柴油模式下(例如，在天然氣不可及時)——能夠以非化學計量模式操作。取代節(jié)流器20或者除了使用節(jié)流器20以外，用于控制空氣/燃料混合物的可替代的實施方式使用不同的可變氣門致動策略以控制通過進氣門5引入到燃燒室中的充氣的量。在示出的實施方式中，進氣門5和排氣門6的打開和關閉通過控制器16來控制。在優(yōu)選的實施方式中，可變氣門致動策略使得能夠控制進氣門的定時和升程二者。這種可變氣門致動裝置包括被電子地控制的電磁閥?？勺儦忾T致動策略已將額外的變量引入到發(fā)動機運行中，并具有預想不到的效果。例如，根據(jù)實驗結果發(fā)現(xiàn)那種僅使用與常規(guī)進氣門的打開定時相比提前或延遲該進氣門打開的定時而不對進氣門保持打開的時長進行控制的策略并不具有有益的效果。這種定時策略增加了將必要量的空氣輸送到燃燒室所需的泵送功或者導致燃料消耗方面的凈增加，如在在延遲進氣門打開的定時時所觀察到的，或者其可以干擾活塞沖程，并且可以將相對高水平的剩余物引入到廢氣流中，如在提前進氣門打開的定時時所觀察到的。發(fā)現(xiàn)如以下進一步描述的，在將進氣門打開的定時維持于在活塞進氣沖程之前的約TDC (上止點)處并且提前或延遲進氣門關閉的定時對于總體的發(fā)動機效率而言更有益處。圖2說明了對于不同的進氣門致動策略而言在“上止點點火之后”(ATDCf)的曲柄角角度中測量到的進氣門沖程和進氣門打開持續(xù)時間。曲柄角在TDCf處為零，該TDCf指示在氣缸體積在活塞的壓縮沖程與動力沖程之間被最小化時的點。在圖2中，360° ATDCf的曲柄角指示上止點(TDC)，上止點(TDC)為在活塞進氣沖程開始處的最小氣缸體積的點，而540° ATDCf的曲柄角指示下止點(BDC)，下止點(BDC)為在活塞進氣沖程結束處的最大氣缸體積的點。不具有可變氣門致動的常規(guī)發(fā)動機通常具有如由標記號100指示的氣門升程型線，其中進氣門在TDC處打開并且在BDC處或靠近BDC處關閉。使用可變氣門致動策略的第一 VVA實施方式由進氣門升程型線200指示，并包括在與常規(guī)策略的約相同的時間打開進氣門，更具體地，在進氣沖程之前的約上止點(TDC)處、在360° ATDCf的曲柄角處打開進氣門并且對于相同的發(fā)動機而言與由進氣門升程型線100指示的常規(guī)策略相比，提早地關閉進氣門。即，在該第一實施方式中，進氣門在活塞的進氣沖程期間在活塞已移動到BDC位置之前被關閉。該策略優(yōu)選地涉及減小進氣門升程。通過進氣門升程型線200示出的進氣門提早關閉包括在進氣沖程結束之前(BDC之前)至少20°的曲柄角處關閉進氣門。優(yōu)選地，通過型線200示出的進氣門提早關閉包括在打開進氣門后將其保持成打開20度至180度的曲柄角。由進氣門升程型線300指示的第二 VVA實施方式包括在與由進氣門升程型線100指示的常規(guī)策略約相同的時間打開進氣門，更具體地，在進氣沖程之前的約TDC處、在360° ATDCf的曲柄角處打開進氣門，并且在壓縮沖程期間較晚地關閉進氣門，更具體地，在大于560° ATDCf的曲柄角處、在進氣沖程結束之后(在BDC之后)20度的曲柄角處關閉進氣門。進氣門延遲關閉包括在進氣沖程結束之后(在BDC之后)約20至120度的曲柄角處關閉進氣門。在該第二 VVA實施方式中，在進氣門打開的部分持續(xù)時間或全部持續(xù)時間內，最大進氣門升程可小于由進氣門升程型線100指示的常規(guī)策略中所使用的最大進氣門升程。發(fā)明者的實驗結果已表明通過以上描述的進氣門提早關閉和進氣門延遲關閉策略能夠實現(xiàn)在低負載及高負載兩種情況下的更好的燃料消耗及排放物減少。在高負載下的發(fā)動機運行期間，不僅進氣門提早關閉而且進氣門延遲關閉都具有減小有效發(fā)動機壓縮比的效果，使得具有在壓縮結束時減小缸內溫度的總體效果。通過進氣門提早關閉或進氣門延遲關閉，觀察到能夠減小在高負載下的發(fā)動機爆震的危險而無需不得不改變發(fā)動機的幾何壓縮比。即，本方法允許發(fā)動機以比常規(guī)的SESI發(fā)動機更高的幾何壓縮比運行，同時以更低的有效壓縮比運行，這具有在壓縮結束時減小缸內溫度并防止爆震的總體效果。與燃用稀燃料混合物的發(fā)動機相比，這對于更易于產(chǎn)生發(fā)動機爆震的燃用化學計量燃料的發(fā)動機而言尤為有益。由于燃燒室內部的壓縮過程基本上在進氣過程結束時開始，因此有效壓縮比被限定為在通過進氣門的進氣流停止時燃燒室的體積與壓縮沖程結束時燃燒室的體積之間的比率。對于進氣門提早關閉及進氣門延遲關閉兩種情況而言，如在常規(guī)的進氣門升程型線中的情況一樣，在通過進氣門的進氣流停止的時候燃燒室的體積均小于在活塞到達下止點(在壓縮沖程之前)時燃燒室的體積，并且因此對于進氣門提早關閉和進氣門延遲關閉的有效壓縮比均小于常規(guī)有效壓縮比。這導致降低了燃燒期間在壓縮沖程結束時的缸內溫度以及尾氣溫度，從而減小了爆震的可能性。為維持用于發(fā)動機的化學計量運行所需的動力，在以上所描述的氣門致動策略期間引入到燃燒室中的充氣量必須維持為相對恒定的以維持給定的動力輸出。這可以通過對被限定為在進氣歧管中的壓力的增壓壓力進行控制來實現(xiàn)。由于有效壓縮比被減小，為滿足給定負載所需的增壓壓力增大。在處于高負載時，以上氣門致動策略通常不需要使用節(jié)流調節(jié)，在處于低負載時，節(jié)流調節(jié)優(yōu)選與改變進氣門關閉的定時一起使用以調節(jié)引入到燃燒室中的空氣的量，尤其在短的進氣門打開持續(xù)時間的期間內。進氣門響應時間通常比節(jié)流器響應時間更慢，因此通常在低負載時僅通過使用僅以上描述的氣門致動技術更難以控制引入到燃燒室中的空氣量。用于在減少泵送損失的同時保持在低負載時所需的噴射到燃燒室內的充氣量的另一技術為停用一些發(fā)動機氣缸使得發(fā)動機以減少數(shù)量的氣缸運行。氣缸停用涉及增加引入到每個點火氣缸的燃燒室中的充氣量；這導致在進氣沖程期間點火氣缸的更高的缸內壓力以及因此減少的泵送功。發(fā)動機系統(tǒng)通常包括渦輪增壓器，在該渦輪增壓器中，安裝在排氣系統(tǒng)中的渦輪使用廢氣中的焓以驅動進氣系統(tǒng)中的壓縮機，這增大了進氣壓力。對于這種系統(tǒng)而言，用于在減少由系統(tǒng)在低負載時所作的泵送功的同時維持引入到燃燒室中所需的充氣量的另一技術為打開旁通閥(稱為“廢氣門”)使得一些或所有的廢氣在離開發(fā)動機之后旁通過渦輪增壓器。在旁通過渦輪增壓器時，在排氣管線中產(chǎn)生更少的背壓，并因此需要更少的將廢氣推出燃燒室的泵送功。同樣，在一些或所有廢氣流旁通過渦輪增壓器時，供給到發(fā)動機的空氣的壓力保持為更低并且進氣能夠被輸送到發(fā)動機而無需節(jié)流。在圖3中示出的另一替代性實施方式中，低壓主要燃料噴射器IlA能夠被定位成使得噴嘴位于燃燒室4內，使得主要燃料噴射器閥本體安裝在氣缸中或安裝在氣缸蓋中以將氣態(tài)燃料引導到燃燒室中而不是使進氣通過進氣門5。為了避免與將氣態(tài)燃料提升至更高的噴射壓力相關聯(lián)的增加的復雜性，根據(jù)本方法，氣態(tài)燃料的噴射優(yōu)選地在壓縮沖程期間的早期完成。這種辦法可以在使用可變氣門致動策略和裝置的實施方式中更為有利，由于這樣的話，引入燃燒室4中的氧化劑的量被更獨立于燃料的量進行控制。在圖3中圖示的實施方式具有許多與圖1中展示的實施方式的部件相同的部件并且這些相同的部件已被標識有相同的附圖標記。這些部件已經(jīng)相對于圖3中圖示的實施方式進行了描述，并且因此其目的和功能在此不再贅述。與以上描述的可變進氣門致動策略類似的可變進氣門致動策略能夠應用到用于氣態(tài)燃料被直接地噴射到燃燒室中的發(fā)動機的進氣門，并且在該實施方式中，進氣門的關閉優(yōu)選定時成先于氣態(tài)燃料噴射。即，與在圖2中由附圖標記200所指示的進氣門型線相似的進氣門型線可以是優(yōu)選實施方式的示例，因為這將有助于氣態(tài)燃料的提早噴射。又一可替代的實施方式能夠使用噴射到進氣歧管中的天然氣脈沖寬度調制。脈沖寬度調制為普通的、價低的并且穩(wěn)健的方式，以便以精確且可控的方式將燃料可靠地輸送到進氣歧管。本方法和設備提供了元件的獨特組合。盡管每個單獨元件自身可具有期望的益處，但在與其他元件相組合時，由于一個元件中的改變可能影響另一元件，因而這種益處是不確定的或會受到限制。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，本方法和設備產(chǎn)生不同于已知氣態(tài)燃料發(fā)動機的性能特征。例如，與SESI氣態(tài)燃料發(fā)動機相比，柴油引燃燃料的壓燃能夠以更高的壓縮比及增大的EGR水平運行。這進而導致降低的燃料消耗(多達5%)、更高的BMEP比率以及與在SESI發(fā)動機(主要由于燃燒爆震限制)中現(xiàn)行可能的效率相比更高的效率。同樣，相對于SESI發(fā)動機，期望天然氣質量變化的提高的穩(wěn)健性(由于來自引燃燃料的燃燒的點燃能量為高于火花點燃能量的數(shù)個量級并且存在多個用于點火的位置，因此促進了更快的且更均勻的燃燒，其進而被認為導致了增加的ERG耐受度以及減小的爆震性)。與SESI發(fā)動機相比，認為由于噴射器的使用壽命通常為火花塞的數(shù)倍，因此引燃部件的耐久性應增加。至于排放物，由于化學計量的空氣/燃料比在正常運行期間由允許使用常規(guī)三元催化劑排放物處理子系統(tǒng)的本方法和設備來維持，因此性能可以與SESI發(fā)動機的性能相同，可能的例外為由于使用少量的引燃燃料而產(chǎn)生的顆粒狀排放物。與以稀燃模式運行的雙燃料天然氣發(fā)動機不同(S卩，在燃料混合物中具有相當多的過量的氧氣)，本方法和設備無需更復雜且昂貴的排放物處理子系統(tǒng)來滿足現(xiàn)行排放標準。通常的雙燃料排放物處理子系統(tǒng)使用氧化作用催化劑(氧化催化劑)，選擇性的催化還原(SCR)，以及柴油顆粒過濾器(DPF)。因此，由本方法和設備教示的元件的獨特組合提供了超過雙燃料發(fā)動機的在這方面的益處。在現(xiàn)有技術的發(fā)動機選擇中，HPDI氣態(tài)-燃料發(fā)動機提供了優(yōu)越的性能，例如，如經(jīng)測量在效率和BMEP方面的優(yōu)越的性能。然而，這些發(fā)動機需要高壓氣態(tài)燃料輸送子系統(tǒng)以使得能夠在壓縮沖程中的較晚時將氣態(tài)燃料直接地噴射到燃燒室中，并且這通常需要增壓泵以及具有定位于燃燒室內部的噴嘴的氣態(tài)燃料噴射器。在燃燒室內尋找空間以定位用于氣態(tài)燃料噴射器和引燃燃料噴射器的噴嘴，在小的發(fā)動機、尤其是在氣缸蓋中的許多空間已被兩個進氣門和兩個排氣門占據(jù)的現(xiàn)代發(fā)動機中可謂一項挑戰(zhàn)。此外，與常規(guī)柴油機相似，HPDI氣態(tài)燃料發(fā)動機以分層燃燒過程進行操作，因此，HPDI氣態(tài)燃料發(fā)動機通常需要更復雜且更昂貴的排放物處理子系統(tǒng)，其通常包括與SCR和DPF相結合的氧化催化劑。這里，再次地，由本方法和設備所教示的元件的不同結合產(chǎn)生了不同的結果，該結果提供了能夠更容易地在較小的發(fā)動機中實施、同時仍提供有競爭力的性能的更簡單且可能更低價的替代物。 進一步關于所描述過的，表I通過對其某些屬性和/或特征進行比較，說明了目前的本方法和設備與上述已知的發(fā)動機和操作該發(fā)動機的方法相比二者之間的一些關鍵差異。
表I
權利要求
1.一種用于操作氣態(tài)燃料化學計量的內燃發(fā)動機的方法，包括: a)根據(jù)檢測到的發(fā)動機運行條件，確定引燃燃料的以質量計的量； b)根據(jù)檢測到的發(fā)動機負載并基于期望的總能量減去與所述量的引燃燃料相關聯(lián)的能量，確定引入到燃燒室中的氣態(tài)燃料的以質量計的量； c)根據(jù)至少一個所述發(fā)動機負載和/或另一發(fā)動機運行條件確定從發(fā)動機排放系統(tǒng)到進氣系統(tǒng)的廢氣再循環(huán)的以質量計的量； e)根據(jù)引燃燃料的所述量、氣態(tài)燃料的所述量以及廢氣再循環(huán)的所述量確定用于化學計量燃燒所需的空氣的量； f)控制廢氣再循環(huán)系統(tǒng)以將所述量的再循環(huán)廢氣的一部分引導通過冷卻器并且然后引導到所述進氣系統(tǒng)； g)控制引燃燃料噴射器以將所述量的引燃燃料直接地噴射到所述燃燒室中； h)控制氣態(tài)燃料噴射器以將所述量的氣態(tài)燃料噴射到所述燃燒室中，在所述燃燒室中，所述氣態(tài)燃料與 所述空氣和所述再循環(huán)廢氣形成大致均質的混合物； i)控制所述進氣系統(tǒng)以將所述量的空氣引入到所述燃燒室中；以及 j)通過對包括所述引燃燃料、所述氣態(tài)燃料、所述進氣以及所述再循環(huán)廢氣的充氣進行壓縮來點燃所述引燃燃料，由此，所述引燃燃料的燃燒觸發(fā)所述氣態(tài)燃料的點燃和化學計量燃燒。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，通過所述氣態(tài)燃料噴射器將所述量的氣態(tài)燃料噴射到所述發(fā)動機的進氣歧管中。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，通過所述氣態(tài)燃料噴射器將所述量的氣態(tài)燃料噴射到與所述燃燒室相關聯(lián)的進氣口中。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，將所述量的氣態(tài)燃料從所述氣態(tài)燃料噴射器直接地噴射到所述燃燒室中。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中，所述氣態(tài)燃料的噴射壓力低于50bar。
6.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中，用于氣態(tài)燃料開始噴射的定時為介于上止點之前80度的曲柄角與上止點之前180度的曲柄角之間。
7.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中，用于氣態(tài)燃料開始噴射的定時為在進氣沖程期間。
8.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，控制所述進氣系統(tǒng)包括對節(jié)流器進行操作以增加或減少根據(jù)用于所述化學計量燃燒所需而確定的引入到所述燃燒室中的空氣的所述量。
9.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，控制所述廢氣再循環(huán)系統(tǒng)包括對EGR閥進行操作以增加或減少根據(jù)至少一個所述發(fā)動機負載和/或另一發(fā)動機運行條件所確定的廢氣再循環(huán)的所述量，所述EGR閥為所述廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的一部分。
10.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，控制所述氣態(tài)燃料噴射器還包括對到所述燃燒室中的氣態(tài)燃料噴射的脈沖寬度調制。
11.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，控制所述進氣系統(tǒng)包括改變用于打開和/或關閉進氣門的定時，以增加或減少根據(jù)用于化學計量燃燒所需而確定的空氣的所述量，和/或將所述燃燒室內的有效壓縮比改變成根據(jù)發(fā)動機運行條件所預定的壓縮比。
12.根據(jù)權利要求1所述的方法，還包括改變進氣門升程以增加或減少根據(jù)用于化學計量燃燒所需而確定的空氣的所述量，和/或將所述燃燒室內的有效壓縮比改變成根據(jù)發(fā)動機的運行條件所預定的壓縮比。
13.根據(jù)權利要求1所述的方法，還包括通過使用下述手段中的一種手段來減少發(fā)動機爆震的發(fā)生: 通過控制用于進氣門打開和關閉的定時和/或進氣門升程來降低所述燃燒室內的有效壓縮比， 降低進氣溫度， 增加廢氣再循環(huán)的所述量，或者 進一步降低廢氣的經(jīng)再循環(huán)的所述部分的溫度。
14.根據(jù)權利要求1所述的方法，還包括在所述發(fā)動機在預定的低負載以下運行時，通過使用下述手段中的一種手段來減少泵送損失: 改變進氣門打開和關閉的定時和/或改變進氣門升程， 在具有多個燃燒室的發(fā)動機中，停用所述多個燃燒室中的至少一個燃燒室，或者 打開位于所述發(fā)動機的排氣系統(tǒng)中的旁通閥，由此，從所述燃燒室流動通過排氣管線的至少一些廢氣旁通過安裝在所述排氣管線上的渦輪增壓器。
15.根據(jù)權利要求1所述的方法，還包括在與所述燃燒室相關聯(lián)的活塞處于或靠近進氣沖程的上止點時打開進氣門，并且在所述活塞到達下止點之前關閉所述進氣門。
16.根據(jù)權利要求15所述的方法，還包括在所述活塞到達下止點之前20度的曲柄角處之前關閉所述進氣門。
17.根據(jù)權利要求1所述的方法，還包括在與所述燃燒室相關聯(lián)的活塞處于或靠近進氣沖程的上止點時打開進氣門，并且在所述活塞處于下止點之后大于20度的曲柄角處時關閉所述進氣門。
18.根據(jù)權利要求17所述的方法，還包括在所述活塞到達下止點之后120度的曲柄角之前關閉所述進氣門。
19.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述發(fā)動機以達到14:1的壓縮比運行。
20.一種氣態(tài)燃料化學計量的內燃發(fā)動機，包括: 燃燒室， 氣態(tài)燃料噴射器，所述氣態(tài)燃料噴射器用于將一定量的氣態(tài)燃料引入到所述燃燒室中， 引燃燃料噴射器，所述引燃燃料噴射器用于將一定量的引燃燃料直接地引入到所述燃燒室中， 進氣系統(tǒng)，所述進氣系統(tǒng)包括用于將一定量的空氣引入到所述燃燒室中的進氣歧管， 排氣系統(tǒng)，所述排氣系統(tǒng)包括與所述燃燒室連通的排氣管線， 廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，所述廢氣再循環(huán)系統(tǒng)用于將來自所述排氣系統(tǒng)的一定量的廢氣再循環(huán)到所述進氣系統(tǒng)，所述廢氣再循環(huán)系統(tǒng)包括用于將再循環(huán)的廢氣輸送到所述進氣系統(tǒng)之前對所述再循環(huán)的廢氣進行冷卻的冷卻器，以及 發(fā)動機控制器，所述發(fā)動機控制器被編程為對所述氣態(tài)燃料噴射器、所述引燃燃料噴射器、所述進氣系統(tǒng)和所述廢氣再循環(huán)系統(tǒng)進行控制以在所述發(fā)動機正常運行期間提供化學計量的氧/燃料比，由此，所述引燃燃料通過對包括所述引燃燃料、所述氣態(tài)燃料、所述進氣和所述再循環(huán)廢氣的充氣進行壓縮而點燃，并且所述引燃燃料的燃燒觸發(fā)所述氣態(tài)燃料的點燃和化學計量燃燒。
21.根據(jù)權利要求20所述的發(fā)動機，其中，所述氣態(tài)燃料噴射器具有噴嘴，所述噴嘴定位成將所述氣態(tài)燃料噴射到所述進氣歧管中。
22.根據(jù)權利要求20所述的發(fā)動機，其中，所述燃燒室具有進氣口，所述氣態(tài)燃料噴射器具有噴嘴，所述噴嘴定位成將所述氣態(tài)燃料噴射到所述進氣口中。
23.根據(jù)權利要求20所述的發(fā)動機，其中，所述氣態(tài)燃料噴射器具有噴嘴，所述噴嘴定位在所述燃燒室內部，由此，所述氣態(tài)燃料能夠直接地噴射到所述燃燒室中。
24.根據(jù)權利要求20所述的發(fā)動機，其中，所述進氣系統(tǒng)還包括節(jié)流器。
25.根據(jù)權利要求20所述的發(fā)動機，其中，所述控制器被編程為通過改變用于所述進氣門的打開和關閉的定時和/或進氣門升程來控制進氣門，以影響引入到所述燃燒室中的空氣的所述量，從而提供所述化學計量燃燒。
26.根據(jù)權利要求25所述的發(fā)動機，其中，所述控制器被編程為控制所述進氣門使得所述進氣門在與所述燃燒室相關聯(lián)的活塞處于或靠近進氣沖程的上止點時打開，并且使得所述進氣門在所述活塞到達下止點之前關閉。
27.根據(jù)權利要求26所述的發(fā)動機，其中，所述控制器被編程為控制所述進氣門使得所述進氣門在所述活塞到達下止點之前20度的曲柄角之前關閉。
28.根據(jù)權利要求25所述的發(fā)動機，其中，所述控制器被編程為控制所述進氣門使得所述進氣門在與所述燃燒室相關聯(lián)的活塞處于或靠近進氣沖程的上止點時打開，并且使得所述進氣門在所述活塞到達下止點之后大于20度的曲柄角處時關閉。
29.根據(jù)權利要求28所述的發(fā)動機，其中，所述控制器被編程為控制所述進氣門使得所述進氣門在下止點之后120度的曲柄角之前關閉。
30.根據(jù)權利要求20所述的發(fā)動機，其中，所述廢氣再循環(huán)系統(tǒng)包括EGR閥，并且其中，所述控制器能夠編程為控制所述EGR閥，以與在使用火花塞點火的常規(guī)發(fā)動機中再循環(huán)的廢氣的量相比增加再循環(huán)廢氣的所述量。
31.根據(jù)權利要求20所述的發(fā)動機，其中，連接到所述燃燒室的所述排氣管線包括渦輪增壓器和用于旁通過所述渦輪增壓器的旁通閥，其中，所述控制器控制所述旁通閥使得在所述發(fā)動機在預定的低負載以下運行時，廢氣完全地或部分地旁通過所述渦輪增壓器。
32.根據(jù)權利要求20所述的發(fā)動機，其中，所述發(fā)動機包括多個燃燒室，所述控制器被編程為在所述發(fā)動機在預定的低負載以下運行時停用所述多個燃燒室中的至少一個燃燒室。
33.根據(jù)權利要求20所述的發(fā)動機，還包括三元催化劑排放處理系統(tǒng)。
34.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)動機，其中，所述氣態(tài)燃料為天然氣、沼氣、生物甲烷及其混合物中的一者。
35.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)動機，其中，所述引燃燃料為柴油。
全文摘要
在一種氣態(tài)燃料化學計量的壓燃式內燃發(fā)動機中，引燃燃料被直接地噴射到燃燒室中，以幫助啟動多點點火。本發(fā)動機提供了性能改進以近似于高壓直噴式發(fā)動機的性能，但由于氣態(tài)燃料被以相對低的壓力引入到進氣子系統(tǒng)中，并且由于化學計量燃燒，在離開燃燒室的燃燒產(chǎn)物中的低氧氣含量允許使用三元催化劑以代替通常與常規(guī)壓燃式發(fā)動機相關聯(lián)的需要添加還原劑的后處理結構，因而本發(fā)明具有更低的復雜性。
文檔編號F02M21/02GK103154474SQ201180049257
公開日2013年6月12日 申請日期2011年8月12日 優(yōu)先權日2010年8月16日
發(fā)明者桑迪普·孟希, 艾倫·B·韋爾奇, 戈登·P·麥克塔格特-考恩 申請人:西港能源有限公司