專利名稱：組合循環發動機的制作方法
背景技術：
發明領域本發明涉及一種可大大減少NOx和其它有害排放物并同時保持高能效的內燃機工作的新方法；這種新方法可應用于所有內燃機。
現有技術汽車使用量的增加大大增加了大氣污染。減少有害排放物特別是NOx的排放量并同時保持或提高能效尤為困難。
兩種最廣泛使用的活塞式發動機分別是根據奧托循環和狄塞爾循環工作。奧托循環發動機大多用于客車和輕型貨車，而狄塞爾循環發動機則大多用于重型貨車、機車和其它大型發動機應用場合。
奧托循環發動機具有排氣污染物很低的某些特性。奧托循環發動機是一種火花點火并具有一活塞漲圈的均勻的燃料/空氣吸入式發動機。該發動機以一空氣節流方式工作以改變發動機產生的功率，同時將燃料/空氣混合物保持在對于特定燃料的可燃性限度之內。在輕負荷和中等負荷時，均勻燃燒可提供平穩的運行和低排放的特性，但空氣節流降低了效率。在較大負荷時，發動機通過排氣再循環并對理想化合的突燃比的控制而改善發動機的排放，并有可能使排氣通過一種進一步氧化未燃燃料并減少已形成的氧化氮的三元催化劑。
柴油機的特點是壓縮比較高、燃料直接噴射和沒有空氣節流。其燃燒是不均勻的，并且在輕負荷和中等負荷時未燃燃料的排放物可能成為一個問題。然而，由于發動機未經節流的特性，與其高壓縮比相結合，發動機在輕負荷和中等負荷時工作效率較高。然而，在較高負荷時，燃燒處于高溫狀態并形成大量氧化氮。如果不能使發動機以具有理想化合的空燃比工作，也就無法采用傳統的排氣NOx還原催化劑。
本發明概況因此，本發明的一個目的在于使內燃機工作過程中的NOx排放物減少到最少程度。
本發明的另一個目的是在實現以上目的的同時保持或提高能效。
為實現上述目的，本發明提供一種能使奧托循環發動機和狄塞爾循環發動機同時實現最佳特性的組合循環。該組合循環發動機在以低負荷和中等負荷工作時很象具有NOx排放物形成少和熱效率高特點的傳統的狄塞爾循環的直噴式發動機，而在高負荷時該發動機轉換到閉環的理想化合的空燃比工作狀態，在此工作狀態傳統的NOx還原催化劑(可通過排氣再循環)保證NOx低排放。
在按照本發明的內燃機工作時，車輛負荷被連續監控并被看作低負荷或者高負荷。根據檢測到的低負荷狀態在進氣沖程中第一部分未節流的空氣被導入活塞氣缸的燃燒室中，并在壓縮沖程的上止點附近開始噴射第一部分燃料，以形成一稀薄燃燒混合物，其中第一部分空氣基本上超過具有理想化合的數量。該稀薄燃燒混合物是以一種傳統方式點燃。根據檢測到的高負荷狀態，在進氣沖程中第二部分空氣被導入燃燒室，并且，相對于上死點第二部分燃料開始噴射要明顯早于第一部分燃料的開始噴射。在高負荷時對第二部分的空氣和燃料加以控制，以提供一種基本上理想化合的燃燒混合物，這種燃燒混合物同樣是以傳統方式被點燃。
因此，當發動機的負荷增加時，燃料噴射定時是從通常的輕負荷不均勻燃燒的延遲噴射轉變為均勻燃燒所必需的提早噴射。燃料的這種提早噴射是采用直接噴射，并可提早在發動機的進氣沖程中出現。從而，在進氣沖程和壓縮沖程中出現良好的混合，而在該第二種工作方式(即具有理想化合的空燃比的均勻燃燒)工作中，在點火時則出現均勻的燃燒，在另一實施例中，也可通過進氣岐管噴射或汽化作用增加燃料以補充或代替直接燃料噴射。
在高負荷時閉環的理想化合的空燃比工作是通過高的排氣再循環和/或空氣節流來實現的。為實現閉環的理想化合的空燃比工作，必需通過一閉環反饋系統對空氣、燃料或排氣再循環進行調節。該較佳方法是為空氣節流開環設定值而通過傳統節流體或節流口的燃料噴射用閉環燃料調節進行補充。在任何情況下，在較高功率、較高負荷狀態時下以這種方式基本以具有理想化合的空燃比工作保證了均勻燃燒，而這反過來又提供了高的功率輸出，高的效率和低的NOx排放。
從對輕負荷工作最有利的直噴的不均勻燃燒向為較高負荷所必需的均勻的具有理想化合的空燃比閉環工作的轉換可根據最佳測試確定，以在滿足低NOx排放要求的同時保證高的燃料經濟性，并可將根據發動機尺寸和燃燒室的幾何形狀而作某些變化。負荷可以任何傳統方式加以檢測，包括對用于具有理想化合的空燃比的高負荷工作所需的節流開度或空氣質流量進行檢測。雖然最佳轉換點可隨著發動機尺寸、燃燒室的幾何形狀和NOx排放的目標水平而變化，但它通常可被設定在大約三分之一的最大負荷，例如在30-35％最大負荷范圍內的一點處。
可采用一以傳統方式安裝和定位的傳統的O2傳感器來控制高負荷工作時的噴射的燃料量。相應于節流位置對低負荷工作時噴射的燃料量進行控制。
本發明的方法可采用我們的共同待批的第08/432,423號美國專利申請有利地加以實施，其揭示內容援引于此供參考。在采用該新型的發動機設計時，通過將燃料直接噴入內含有例如30-50％空氣充量(剩余的空氣量在擠壓室中或在活塞或活塞頭上的外環室中)的主燃燒室內，而在低負荷和中負荷時獲得組合循環工作。通過將新鮮空氣充量機械地分成兩個區域，這種內燃室在輕負荷工作過程中可提供良好的燃燒和低的碳氫化合物排放，而這對于直噴式發動機是一個典型問題。雖然采用這種新型的發動機設計可預期獲得輕負荷時低的碳氫化合物排放，通過采用其它燃燒室包括傳統的單碗形或“開式”燃燒室也可實現組合循環工作。
確信本發明可適用于(1)很多種的燃燒室幾何形狀，包括一種活塞頂內的單碗形燃燒室與活塞頂內的扁平燃燒室，(2)各種燃料點燃技術，包括電熱塞點燃和自動點燃燃料或采用燃料添加劑，(3)適用于采用具有理想化合的空燃比介質的各種選擇方案進行的低負荷工作以及高負荷工作的燃料直接噴射，包括僅采用直接噴射系統，僅采用與進入的空氣充量一起導入的燃料，以及直接噴射和由空氣導入的燃料的各種組合的提早噴射，以及(4)任何能以均勻的燃燒特性工作的燃料，包括如柴油、汽油、各種酒精那樣的燃料、以及氣體燃料。
附圖簡單說明
圖1為活塞/氣缸組件的局部的軸向剖視圖，圖中示出適用于本發明的發動機的第一實施例，并示出活塞處于其上止點位置。
圖2為圖1所示活塞的俯視圖。
圖2a為示出一變型的圖1所示活塞一部分的俯視圖。
圖3為一活塞/氣缸組件的局部軸向剖視圖，示出適用于本發明的發動機的第二實施例，并示出活塞處在其下止點位置。
圖4為用于按本發明控制了動機工作的燃料噴射系統的方框圖。
圖5為表示兩種工作方式的曲線圖，其中橫坐標表示最大發動機負荷的百分比，縱坐標表示可提供O2的質量與具有理想化合的空燃比燃燒所需O2的質量之比。
較佳實施例描述現參見圖1，其中示出一發動機氣缸1和一配置在氣缸1中如圖所示處于其上止點位置的活塞2。氣缸1的上部是在氣缸蓋3中形成，該氣缸蓋3支承一燃料噴射裝置4和一火花塞5，該燃料噴射裝置和火花塞在所示實施例中靠近氣缸軸線6并在其相對兩上側相對其傾斜。構成氣缸1的上端的氣缸蓋3的內表面3a基本上是平的，僅在噴射裝置4和火花塞5的入口區域有一微凹部。為簡化起見，進氣門和排氣門均未示出。
燃燒室7系由活塞1的上表面和隔離氣缸1的氣缸蓋3的內表面3a形成。在活塞的上側布置一環形脊8，它將燃燒室7再分成內部分燃燒室7.1和外部分燃燒室7.2。該內部分燃燒室7.1是處在噴射裝置4和火花塞5的有效范圍內。該環形脊8設有多個穿孔，它們所由設在脊8中的向上開口的徑向槽9構成，通過它們即使活塞2如圖2所示位于其上止點位置，兩個部分燃燒室7.1和7.2也可相互連通。外部部分燃燒室7.2被靠近并沿活塞2的外上周邊布置的外脊10圍繞。
在圖1所示的實施例中，部分燃燒室7.1和7.2與環形脊8和外脊10系一起在一鑲嵌件11中形成，該鑲嵌件是由其導熱性小于活塞材料導熱性的材料制成，故在進氣和排氣沖程中，在燃料噴射時與燃料直接接觸的燃燒室區域保持高溫。鑲嵌件11被容置在一設于活塞2的頭部(上表面)上的凹入部2a中。
然而，將部分燃燒室7.1和7.2直接設置在活塞體上是可行的。在這種情況時，最好是至少在部分燃燒室的區域對活塞上表面提供陶瓷涂層，例如可通過離子噴鍍工藝進行涂覆。
如圖2所示，環形脊8與氣缸和活塞軸線6同軸線，故部分燃燒室7.1為圓形而部分燃燒室7.2為圓環狀。在噴射裝置4和火花塞5相對于氣缸軸線6的一種替代的幾何配置中，部分燃燒室7.1被移向火花塞5。而在相對于氣缸軸線6偏移的這樣一種情況下，環形脊8可以具有這樣一種形狀，它與完全環形的形狀不同，并可與在燃燒室中的流動特性特別是從內部分燃燒室向外部分燃燒室轉換時的火焰邊界的走向相配合。
在圖2所示的實施例中，將內部分燃燒室7.1與外部分燃燒室7.2連通的穿通脊孔9是相對于噴射裝置4和火花塞5中心對稱地布置(圖1)，并具有一星形的徑向朝向，以保證火焰前鋒從內部分燃燒室7.1進入外部分燃燒室7.2具有一均勻的通道，因而在外部部分燃燒室7.2中也產生均勻的燃燒進程。在圖2a所示的變型中，設置在環形脊8中的穿孔9a不是成徑向的；而是每個穿孔9a的通道軸線a相對于橫越脊8的徑線d成一角度α并向各穿孔9a的軸線a延伸。
圖3示出一適用于本發明的往復活塞式發動機的另一實施例。安裝在發動機缸蓋20中的是一直接噴射燃料的噴嘴22和一點火源，在該實施例中為電熱塞23。如前所述，燃料在輕負荷時直接噴入一單燃燒室24(位于活塞25內)并通過電熱塞23點火。燃燒室24中的氣體可以完全是空氣或空氣與再循環排氣的混合物，它們是在未經專門的流動限制即未經節流的情況下被引入。
圖4示出用于對一種具有例如前述的燃燒室結構的往復活塞式發動機的氣缸進行發動機控制(燃料噴射控制系統)的方框圖。該控制系統主要包括一發動機控制裝置12，發動機溫度、發動機每分鐘轉速和排氣中的氧氣含量作為工作參數分別通過輸入裝置13、14和15輸入控制裝置。通過與氣體踏板連接的傳感器16，由一驅動裝置將所需負荷傳向控制裝置12。高負荷工作與低負荷工作之間的轉換被設定在最大發動機負荷的30-35％范圍內的一個數值，如由節流位置例如通過傳感器16檢測到的加速踏板的位置表示。通常，向高負荷工作的轉換可在1.3-1.8之間的一個λ值，其中λ定義為充氣中的氧氣與提供具有理想燃燒的氧氣量的質量比。當達到該值時，發動機控制裝置12即指示一盡快與良好的工作性能(平穩行駛)一致的轉換。
在圖4所示的實例中，發動機E裝有一用于將燃料直接噴入燃燒室的噴射裝置4和火花塞5，如圖1所示。相應地，將一來自發動機控制裝置12的調節信號加到噴射裝置4的噴射閥上。以這種方式可對噴射的持續時間進行控制，從而控制噴射量，該噴射量是作為由傳感器16傳給發動機控制裝置12的負荷信號的函數。并相應于來自傳感器16的信號對噴射定時進行控制，這在后面將要具體說明。
除噴射裝置4以外，發動機E還具有一噴射裝置17，該噴射裝置17通往發動機E的活塞/氣缸單元的進氣管道18內并可通過發動機控制裝置12加以控制。在進氣管道18內有一個可通過發動機控制裝置12在一預定范圍內加以控制的蝶閥19。
借助于上述的發動機控制，一結構如圖1或圖3所示的發動機即使以酒精為燃料也能在整個負荷范圍工作而排污最小。當然，本發明也可適用于其它更常用的內燃機燃料。
高負荷燃料噴射系通過燃料噴射器4，最好是在壓縮沖程中上止點(TDC)前至少40°，較佳為TDC前至少90°，而最佳在進氣沖程中開始噴射。這種提早的高負荷燃料噴射可獲得更完全的燃料汽化和充氣冷卻并形成均勻或接近均勻的燃料/空氣混合物。雖然圖1示出燃料噴射器4是位于氣缸蓋上，但也可使燃料噴入進氣岐管以獲得更充分的混合和更均勻的燃燒。低負荷燃料噴射是在TDC前20°或更小提前角時開始。
在低負荷時將空氣基本上未經節流導入，并將一定量的燃料(“第一部分”)導入以提到一種稀薄燃燒混合物，其中空氣量大致上超過一具有理想化合的空燃比。在形成高負荷燃燒混合物時，空氣量和燃料量均被控制以得到一種基本理想化合的空燃比的燃燒混合物。
圖5為表示兩種組合循環工作方式的曲線圖。低負荷方式出現在未節流、稀薄燃燒的“輕”負荷時。高負荷方式出現在“較高”負荷時，其特點是以理想化合的空燃比燃燒。以區域30表示的部分負荷范圍的特征是其中發動機以稀薄方式無節流工作，即λ＞1。發動機控制系統設計成隨著轉換區域31中的負荷增加λ值減小，直至達到1。當進一步增大發動機負荷時，噴射開始，并將噴射持續時間調節成在整個高負荷范圍32內維持具有理想化合的空燃比，(即λ＝1)，直至達到全負荷極限值。
本發明可在不違背其精神和基本特點的情況下以其它形式實施。因此，前述的這些實施例在所有方面均應被認為是說明性的而并非是限定性的，本發明的范圍由所附權利要求而非由前而的說明限定，因而落入權利要求方案的等同物的含義范圍內的所有變化均應包含在本發明的保護范圍中。
權利要求
1.一種使排氣中的NOx排放的減少到最少程度的內燃機的工作方法，所述內燃機的一個燃燒室與多個活塞氣缸中的每一個相連接，所述方法包括當低負荷或高負荷時對車用發動機進行負荷檢測；相應于檢測到的低負荷，在進氣沖程中將第一部分空氣導入燃燒室，并在壓縮沖程中臨近上止點時，開始噴射第一部分燃料，以形成一第一部分稀薄燃燒混合物，其中空氣的第一部分數量基本上超過理想的化合空燃比；點燃所述的稀薄燃燒混合物；相應于檢測到的高負荷，在進氣沖程中將第二部分空氣導入燃燒室并比第一部分燃料噴射開始時刻顯著提早地相對于壓縮沖程中上止點開始噴射第二部分燃料，對所述第二部分的空氣和燃料加以控制，以提供一第二部分基本理想的化合空燃比的第二燃料混合物；以及點燃所述基本具有理想的化合空燃比的燃燒混合物。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一部分空氣是未經節流的。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一部分空氣的數量是具有理想的化合空燃比數量的1.5-10倍。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述第二部分燃料至少在上止點前40°時開始噴射。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一部分燃料是在上止點前20°或更小提前角時開始噴射。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一部分燃料是在上止點前20°或更小提前角時開始噴射。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二部分燃料至少在上止點前40°時開始噴射。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一部分燃料是在上止點前20°或更小提前角時開始噴射。
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二部分燃料至少在上止點前90°時開始噴射。
10.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二部分燃料是在進氣沖程中噴射。
11.如權利要求10所述的方法，其特征在于，將一個小于發動機最大負荷的30-35％范圍內值的被檢測到的負荷作為一低負荷，而將一大于所述值的檢測到的負荷作為一高負荷。
12.如權利要求5所述的方法，其特征在于，將一個小于發動機最大負荷的30-35％范圍內的值的檢測到的負荷作為一低負荷，而將一大于所述值的檢測到的負荷作為一高負荷。
13.如權利要求12所述的方法，其特征在于，還包括在高負荷過程中對排氣中的氧氣成分進行傳感和對所述第二燃料量進行控制，相應于所傳感到的氧氣成分，將所述第二燃燒混合物維持在基本理想化合的空燃比處。
14.如權利要求5所述的方法，其特征在于，還包括檢測在高負荷時排氣中的氧氣含量和根據檢測到的含氧量控制所述第二部分燃料量，以使所述第二部分燃燒混合物維持在基本理想化合的空燃比處。
15.如權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括在高負荷時檢測排氣中的含量和根據檢測到的含氧量控制所述第二部分燃料量，將所述第二燃燒混合物維持在基本理想化合的空燃比處。
16.如權利要求15所述的方法，其特征在于，還包括檢測節流位置和根據節流位置控制所述第一部分的燃料量。
全文摘要
一種使排氣中NO
文檔編號F02B23/10GK1199446SQ96197545
公開日1998年11月18日 申請日期1996年9月27日 優先權日1995年10月11日
發明者查爾斯L·小格雷, 卡爾H·赫爾曼 申請人:美國環境保護署