用于運行壓燃式內(nèi)燃機的方法以及該壓燃式內(nèi)燃機的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有權利要求1前序部分所述特征的用于運行壓燃式內(nèi)燃機的方法，并且涉及一種具有權利要求19前序部分所述特征的壓燃式內(nèi)燃機.
【背景技術】
[0002]在設計內(nèi)燃機的時候，減少各種類型的排放(如氮氧化物NOx、未燃燒的碳氫化合物HC、一氧化碳⑶)與減少固體顆粒(英語particulate matter，PM)排放存在目標沖突。一種很有前景的高效率低排放燃燒方法是所謂的HCCI方案(英語Homogenous ChargeCompress1n Ignit1n/均質(zhì)充量壓燃).在壓縮沖程靠近上死點的時候通過溫度上升點燃高度稀薄的(即稀燃混合和/或有很高的廢氣再循環(huán)率)均質(zhì)燃料空氣混合氣.強烈稀薄的燃料空氣混合氣能實現(xiàn)氮氧化物(NOx)排放值極小的燃燒.
[0003]可以綜合運用各種措施使得燃料空氣混合氣在燃燒室中自燃，例如高幾何壓縮比ε以及通過合適的措施對充量進行預熱(例如預熱增壓空氣或者廢氣再循環(huán)AGR).按照HCCI燃燒方法，由于燃料空氣混合氣在靠近上死點的時候或多或少同時在整個燃燒室內(nèi)點燃，因此燃燒過程極其迅速.
[0004]在柴油發(fā)動機中可以通過噴射時刻很容易控制或調(diào)節(jié)點火時刻。HCCI內(nèi)燃機點火時刻控制或調(diào)節(jié)的要求非常高.
[0005]現(xiàn)有技術已公開的是通過噴入少量第二種燃料的方式將稀燃均質(zhì)的燃料空氣混合氣點燃，第二種燃料具有比第一種燃料更高的自燃傾向。在選擇第二種燃料的噴射時刻的時候可以考慮內(nèi)燃機的當前工況.可以隨著內(nèi)燃機的負荷增大調(diào)整第二種燃料的量.
[0006]該方案就是眾所周知的雙燃料燃燒。如果為了減少排放將第二種燃料部分預先混合后提前噴入，則將該方法稱作Dual-Fuel-PCCI或者RCCI燃燒.如果以適當方式噴入第二種燃料使得兩種燃料混合，則將該燃燒方法稱作Dual-Fuel-HCC1.
[0007]將具有不同自燃特性的兩種燃料相結合能夠更好控制燃燒過程。在沒有具有不同自燃特性的第二種燃料的情況下，可以通過廢氣再循環(huán)率(再循環(huán)廢氣的含量)調(diào)整點火時刻.然而改變廢氣再循環(huán)率并不是迅速有效的措施，而是一種延遲反應.
[0008]根據(jù)文獻可知，所有已知的PCC1、HCC1、RCCI和雙燃料燃燒方法均有很高的HC和CO排放.
[0009]US 6，659，071闡述了一種可以根據(jù)PCCI方法工作的內(nèi)燃機，其中的混合裝置可產(chǎn)生第一種燃料與吸入空氣的混合氣，闡述了一種能夠將第二種燃料直接噴入燃燒室中的燃料噴射裝置，并且闡述了一種控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)能夠適當調(diào)節(jié)噴射第二種燃料，從而可在壓縮充量引起自燃之前發(fā)生“control inject1n”，也就是控制噴射。按照US 6,659,071所述，主燃料是天然氣，第二種燃料是柴油.
[0010]WO 98/07973公開了一種用來調(diào)節(jié)PCCI內(nèi)燃機的方法，其中通過測量內(nèi)燃機工況來調(diào)節(jié)燃燒進度，工況是燃燒進度的直觀表現(xiàn).控制/調(diào)節(jié)燃料空氣混合氣的溫度、壓力、當量比和/或自燃特性，以準確控制燃燒始點.
[0011]此外還描述了調(diào)節(jié)燃燒始點和速度，使得實際上整個燃燒事件在一定的曲軸轉角范圍內(nèi)發(fā)生，尤其在上死點前端20°直至上死點后端35°之間發(fā)生.
[0012]其原因在于:PCCI內(nèi)燃機中的點火始點和燃燒速度取決于溫度條件、壓縮比和燃料的自燃特性，例如辛烷或甲烷值，或者缸內(nèi)增壓空氣的活化能和成分(氧含量、廢氣再循環(huán)率AGR、濕度、當量比等等)。
[0013]US 6,463,907闡述了一種HCCI內(nèi)燃機和使得該內(nèi)燃機工作的方法，以加入第二種燃料(優(yōu)選柴油)的方式將燃燒的重心位置調(diào)整到一個優(yōu)選的曲軸轉角上。所期望的燃燒延遲與主燃料的燃燒持續(xù)時間無關，可通過廢氣再循環(huán)率結合空燃比確定主燃料的燃燒持續(xù)時間.通過加入第二種燃料的方式，現(xiàn)在可以在很寬的內(nèi)燃機轉速范圍內(nèi)使得發(fā)生燃燒的曲軸轉角范圍保持不變。由于天然氣在點火之后的燃燒速度較小，因此使用較小的廢氣再循環(huán)率和較高的增壓壓力.通過空燃比或者增壓壓力調(diào)節(jié)所述HCCI內(nèi)燃機的功率和轉速。
[0014]通過外部廢氣再循環(huán)率確定點火時間的方法同樣早已為人所知.當廢氣再循環(huán)率較高的時候，燃燒速度就會由于氧含量減少而滯后.
[0015]US 6，463，907所述的Dual-Fuel-HCCI內(nèi)燃機的控制策略是:在壓縮階段之前或者在壓縮階段提前通過噴入高十六烷值燃料(通常是柴油)來確定自燃時刻.高十六烷值燃料的供應量取決于內(nèi)燃機的功率和轉速，并且可以適當選擇，從而可將點火時刻調(diào)整到某個合適的曲軸轉角.燃燒持續(xù)時間與此無關地通過廢氣再循環(huán)率進行調(diào)節(jié)。
[0016]總而言之，按照現(xiàn)有技術所述，可通過很高的廢氣再循環(huán)率、冷卻再循環(huán)廢氣以及很高的幾何壓縮比來確定稀燃均質(zhì)燃油空氣混合氣的自燃條件。
[0017]現(xiàn)有技術所公開的方案均無法將排放以及機械應力保持在一定的閾值以下。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]本發(fā)明的任務在于使得排放和機械應力可控。
[0019]采用權利要求1所述的方法以及權利要求19所述的壓燃式發(fā)動機，即可解決這一任務。相關從屬權利要求中所闡述的均為有益實施方式.
[0020]即使在以下討論中僅僅談及第二種燃料的一個噴射事件，仍然要理解為可以有第二種燃料的兩個或更多的噴射事件。如果有一個以上的燃燒事件，則可以針對一個、多個或者所有燃燒事件采取以下措施。
[0021 ]關于氣體的百分值均為體積百分比.
[0022]第一種燃料可以是天然氣或者天然氣與二氧化碳的混合氣，且二氧化碳和甲烷的量大于80%。
[0023]第二種燃料可以是十六烷值為30?70、適宜為40?60的燃料，例如柴油燃料。
[0024]可以觀察由燃燒引起的所述至少一個氣缸的排放和/或所述至少一個氣缸的機械應力，如果當排放和/或機械應力高于規(guī)定閾值，則針對所述至少一個氣缸改變
[0025]-第二種燃料的噴射量和/或噴射時刻，和/或
[0026]-氣缸充量的溫度
[0027]使得排放和/或機械應力低于各自的預定閾值，從而能夠讓內(nèi)燃機在各鐘不同的環(huán)境條件下明顯更好地運行。內(nèi)燃機工作的環(huán)境條件例如有環(huán)境溫度、濕度、高度.
[0028]關于內(nèi)燃機中必定存在的機械應力，可以通過現(xiàn)有的方法更好地補償各缸之間涉及各單個燃料噴射器、壓縮比、換氣、積炭等等的偏差。當燃料質(zhì)量有變化時，本發(fā)明的方案也能補償這些變化.
[0029]測量所述至少一個氣缸中的燃燒事件的特征信號，就能觀察由燃燒引起的所述至少一個氣缸的排放和/或所述至少一個氣缸的機械應力.
[0030]不需要直接測量排放，而是可以使用燃燒特征取而代之.[0031 ] 可以通過不同的途徑予以實現(xiàn):
[0032]例如可以規(guī)定，所述至少一個氣缸中的燃燒事件的特征信號的測量步驟可以包括確定燃燒事件中的特征時間位置和/或確定燃燒的持續(xù)時間.燃燒的這種特征時間位置可以例如是燃燒的重心位置。
[0033]通常通過測量缸壓就可獲得重心位置和燃燒持續(xù)時間。當然也有其它可選的方法，如離子流測量或者光學方法。
[0034]燃燒的持續(xù)時間(也稱作燃燒持續(xù)時間)是一個燃燒周期中燃燒進程的衡量尺度，表達為一定曲軸轉角期間的已燃質(zhì)量分數(shù)(英語mass fract1n burned during acertain crank angle).例如燃燒持續(xù)時間為15°曲軸轉角的Δ θο-1()%表示充量的10%在曲軸旋轉15°的過程中燃燒。
[0035]燃燒的重心位置表示半數(shù)新鮮充量已燃燒的狀態(tài)，也稱作MFB50值，也就是50%的已燃質(zhì)量分數(shù).
[0036]在關于內(nèi)燃機的教科書中也可以找到這些概念，尤其可參閱HeywoocUJohnB.，Internal Combust1n Engine Fundamentals，New York?McGraw-Hi11?1988.
[0037]如果機械應力過大，則可以規(guī)定，則改變第二種燃料噴射量的步驟可以包括減少第二種燃料的量.
[0038]通過減少第二種燃料的量可使得燃燒延遲，從而降低峰值壓力(英語peakfiringpressure)，因此就會減小作用于內(nèi)燃機的機械應力.
[0039]如果機械應力過大，則可以規(guī)定，改變氣缸充量溫度的步驟也可以包括降低氣缸充量的溫度。
[0040]這例如通過降低第一種燃料和空氣的進氣溫度就能實現(xiàn)。
[0041]作為替代或補充方案，如果內(nèi)燃機配備了能夠針對所述至少一個氣缸分別改變進氣門操縱時間和/或排氣門操縱時間和/或氣門升程曲線的可變氣門機構，那么就可以規(guī)定，通過可變氣門機構實施改變氣缸充量溫度的步驟，優(yōu)選通過提前閉合排氣門以使得提高氣缸充量的溫度，或者優(yōu)選通過滯后閉合排氣門以使得降低氣缸充量的溫度。
[0042]除了操縱時間之外，在可變氣門機構的情況下也可以控制氣門升程曲線.氣門升程曲線根據(jù)曲軸轉角描述氣門相對于閉合狀態(tài)的位置.
[0043]改變氣門升程曲線，就能以非常有益的方式調(diào)整剩余的廢氣量.如果讓排氣門在進氣階段重新開啟或者保持打開，則廢氣就會流回到氣缸之中，從而提高氣缸充量的溫度.
[0044]在另一個示例中，當進氣門在排氣沖程期間也開啟的時候，廢氣可以流入進氣系統(tǒng)之中，從而可在進氣道中提高充量溫度，因此當進氣門然后在正常進氣過程中開啟的時候，就可以提高充量溫度。
[0045]此外還可以利用可變氣門機構實現(xiàn)改變氣缸充量溫度的步驟，方式是使得已經(jīng)閉合的排氣門在活塞的進氣沖程期間重新開啟并由此提高氣缸充量的溫度。[0046 ]這特別有利于針對各單個氣缸控制氣缸中的充量溫度。還有利于按照循環(huán)周期改變氣門操縱時間，就是說控制響應十分迅速.
[0047]作為另一種替代方案，還可以利用可變氣門機構實現(xiàn)改變氣缸充量溫度的步驟，方式是使得已經(jīng)閉合的進氣門在排氣沖程期間重新開啟并由此提高氣缸充量的溫度.
[0048]通過改變氣門操縱時間改變缸內(nèi)的剩余廢氣量，從而改變