用于運行內(nèi)燃機的方法和內(nèi)燃機的制作方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有權(quán)利要求1的前序部分所述特征的用于運行內(nèi)燃機的方法，以及涉及一種具有權(quán)利要求10的前序部分所述特征的內(nèi)燃機。
【背景技術(shù)】
[0002]在設計內(nèi)燃機時，在降低不同種類的排放，如碳氧化合物(N0X)、未燃燒的碳氫化合物(HC)、一氧化碳時和降低顆粒排放(英語:particulate matter,PM)時存在目標沖突。一種前景很好的用于以高效率和低排放燃燒的方法是所謂的HCCI方案，即均質(zhì)充量壓縮點燃(Homogenous Charge Compress1n Ignit1n)。這里高度稀釋(就是說稀薄和/或以高的廢氣導出速率混合)和均勻的燃料-空氣混合物通過在壓縮行程期間溫度升高在上死點附近點燃。強烈稀釋的燃料-空氣混合物允許以極低的氮氧化物(N0X)值燃燒。
[0003]燃料-空氣混合物在燃燒室內(nèi)的自點燃通過各種不同措施的組合實現(xiàn)，如例如高的幾何壓縮比ε和通過適當?shù)拇胧Τ淞康念A熱(例如對充量空氣的預熱或廢氣再循環(huán)AGR)。
[0004]由于在HCCI燃燒法中，燃料-空氣混合物在一定程度上在上死點附近在整個燃燒室內(nèi)同時點燃，燃燒過程進行得非?？?。
[0005]在柴油發(fā)動機中，點火時刻可以容易地通過噴射時刻控制或調(diào)節(jié)。對點火時刻的控制或調(diào)節(jié)在HCCI內(nèi)燃機中要求非常高的。
[0006]由現(xiàn)有技術(shù)已知，通過噴射少量的第二燃料來點燃稀薄的且均勻的燃料-空氣混合物，所述第二燃料與第一燃料相比具有更高的自燃傾向。在選擇所述第二燃料的噴射時刻時，可以考慮內(nèi)燃機的當前運行狀態(tài)。隨著內(nèi)燃機的負荷部段提高，對第二燃料的量進行適配。
[0007]這種設計方案作為雙燃料燃燒已知。如果第二燃料提早或者為了降低排放而部分預混合地噴入，則所述方法稱為雙燃料PCCI或RCCI燃燒。如果第二燃料以使兩種燃料均勻混合的方式噴射，則這種燃燒方法稱為雙燃料HCCI。
[0008]兩種具有不同自燃特性的燃料的組合允許明顯更好地控制燃燒過程。在沒有這種具有不同自燃特性的第二燃料的情況下，點火時刻可以通過廢氣再循環(huán)率來調(diào)整，所述廢氣再循環(huán)率是再循環(huán)的廢氣的比例。當然，廢氣再循環(huán)率的變化不是具有快速效應的措施，而是表現(xiàn)出延遲的反應。
[0009]如由文獻資料充分已知的是，所有已知的PCC1、HCCI和RCCI以及雙燃料燃燒法都會導致高的HC和C0排放。
[0010]US 6，659，071示出一種內(nèi)燃機，所述內(nèi)燃機可以按PCCI法運行，其中，混合裝置產(chǎn)生第一燃料與吸入空氣的混合物，還示出一種燃料噴射裝置，所述燃料噴射裝置可以直接向燃燒室中噴射第二燃料，并且示出一種控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)以這樣的方式和形式調(diào)節(jié)第二燃料的噴射，使得在自點火之前通過壓縮充量至少實現(xiàn)了 “控制噴射”，即有控制的噴射。根據(jù)US 6，659，071可以設定，主燃料是天然氣，第二燃料是柴油。
[0011]由WO 98/07973已知一種用于調(diào)節(jié)PCCI內(nèi)燃機的方法，其中，對燃燒進程的調(diào)節(jié)通過測量指示燃燒進程的內(nèi)燃機的運行狀態(tài)來進行。為了精確地控制燃燒的起始，控制/調(diào)節(jié)燃料-空氣混合物的溫度、壓力、當量比例和/或自燃特性。
[0012]此外還記載了，這樣來調(diào)節(jié)燃燒的起始和速度，8卩，實際上整個燃燒過程在確定的曲軸角界限內(nèi)進行，特別是在上死點之前20°到上死點之后35°之間進行。
[0013]其原因在于，點火起始和燃燒速度在PCCI內(nèi)燃機中取決于燃料溫度條件、壓力條件和自燃特性，例如辛烷值或甲烷值或活化能，以及氣缸中充量的組成(氧氣含量、廢氣再循環(huán)率、AGR、濕度、當量比等)。
[0014]US 6，463，907示出一種HCCI內(nèi)燃機和用于運行這種內(nèi)燃機的方法，其中，通過添加第二燃料、優(yōu)選是柴油而將燃燒的重心調(diào)整到優(yōu)選的曲軸角。在燃燒時，希望的延遲這里與主燃料的燃燒持續(xù)時間無關(guān)，所述燃燒持續(xù)時間又通過AGR率與燃料-空氣比相結(jié)合限定。通過添加第二燃料，發(fā)生燃燒的曲軸角范圍現(xiàn)在可以在較寬的內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速范圍上保持恒定。由于天然氣在點火后較低的燃燒速度，使用了較低的廢氣再循環(huán)率和高的充量壓力。實際的HCCI內(nèi)燃機的功率和轉(zhuǎn)速通過燃料-空氣比或充量壓力來調(diào)節(jié)。
[0015]同樣已知的是，通過外部的AGR率來確定的點火時間的方式。在再循環(huán)廢氣率較高時，由于氧氣含量降低，燃燒速度會降低。
[0016]根據(jù)US 6，463，907用于雙燃料HCCI內(nèi)燃機的控制策略是這樣的，自點火的時刻通過具有高十六烷值的燃料、通常是柴油提前或在壓縮階段較早的噴射來確定。所供應的具有高十六烷值的燃料量取決于內(nèi)燃機的功率和轉(zhuǎn)速，并且這樣來選擇，即，將點火時刻調(diào)整到合適的曲軸角。與此無關(guān)地通過AGR率調(diào)節(jié)燃燒持續(xù)時間。
[0017]總而言之，稀薄均勻的燃料-空氣混合物的自點火條件根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)通過高AGR率、再循環(huán)廢氣的冷卻和高的幾何壓縮比來確定。
[0018]根據(jù)按現(xiàn)有技術(shù)的解決方案的缺點在于，由于高的幾何壓縮比ε，溫度非?？焖俚纳咴邳c火后由于在燃燒室內(nèi)的膨脹伴隨著快速冷卻。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019]因此，本發(fā)明的目的是，提供一種方法和一種內(nèi)燃機，所述方法或所述內(nèi)燃機能夠?qū)崿F(xiàn)對燃燒過程更好的控制。
[0020]所述目的通過根據(jù)權(quán)利要求1的方法和通過根據(jù)權(quán)利要求10的內(nèi)燃機來實現(xiàn)。優(yōu)選的實施形式在從屬權(quán)利要求中給出。
[0021]氣缸充量由第一燃料、第二燃料、空氣和可能還有前面進行的燃燒循環(huán)殘留的氣體以及可能還有通過外部的廢氣再循環(huán)供應的氣體組成。
[0022]在每個自點火內(nèi)燃機的設計中，都存在一系列的邊界條件，例如機械負荷和功率要求的極值，這些邊界條件確定內(nèi)燃機的參數(shù)，如幾何壓縮比ε。
[0023]本發(fā)明基于這樣出人意料的認知，S卩，通過改變氣缸充量的溫度或第二燃料的量或通過改變這兩個措施的組合可以控制/調(diào)節(jié)燃燒的持續(xù)時間，使得未處理排放非常低并且同時內(nèi)燃機的效率非常高。
[0024]燃料-空氣混合物的入口溫度可以通過操作充量冷卻器和/或改變廢氣再循環(huán)率來影響。
[0025]在排放方面利用根據(jù)本發(fā)明的方法實現(xiàn)了:
[0026]Ν0Χ排放非常低，因為可以采用非常高的空燃比λ (非常稀薄的混合物)，這例如在點燃式內(nèi)燃機中是不可能的。同樣重要的是，第一和第二燃料都與空氣或氣缸充量預混入口 ο
[0027]-—氧化碳(C0)和未燃燒的碳氫化合物(HC)的排放非常低，因為燃燒非?？觳⑶以谏纤傈c附近結(jié)束，并且還因為氣缸充量的溫度高。
[0028]-碳黑排放低，因為第一和第二燃料都與空氣或氣缸充量預混合。
[0029]如上所述，內(nèi)燃機的效率出人意料地高，并且同時還降低了所有有害排放，具體而言是Ν0Χ、碳黑、一氧化碳(C0)和HC的排放。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的解決方案總是僅允許實現(xiàn)其中幾個效果。例如HCCI燃燒允許降低Ν0Χ和碳黑排放，但會伴隨出現(xiàn)較高的HC和C0排放。
[0030]本發(fā)明的優(yōu)點可能是由于這樣的事實，與用于非常稀薄的混合物的已知現(xiàn)有技術(shù)相比，燃燒持續(xù)時間明顯更短。這種組合目前為止現(xiàn)有技術(shù)不能實現(xiàn)。
[0031]已知的是，快速燃燒與稀薄混合物相結(jié)合得到高的效率。
[0032]如已經(jīng)確定的那樣，本發(fā)明提供了通過氣缸充量的溫度影響燃燒持續(xù)時間的可能性。通過在壓縮行程期間但在燃燒開始之前的一個時刻供應第二燃料，第二燃料不均勻地存在于第一燃料與空氣的可燃的混合物中。換而言之，在氣缸中存在這樣的區(qū)域，在所述區(qū)域處第二燃料的濃度和/或溫度高于氣缸中的其他位置。這種不均勻性確定壓縮行程中自燃的起始點。通過選擇較高的氣缸充量溫度，可以縮短燃燒持續(xù)時間并由此減少所形成的未燃燒的碳氫化合物和C0，并且可以實現(xiàn)較高的內(nèi)燃機效率。由此本發(fā)明將低排放與高效率統(tǒng)一起來。
[0033]應該指出的是，由于所添加的第二燃料量較少，第二燃料的溫度的影響較小，而第二燃料的化學能具有主要的影響。
[0034]下面使用術(shù)語“燃燒的持續(xù)時間”和(燃燒的)“重心”。燃燒的持續(xù)時間也稱為燃燒持續(xù)時間，是在一個燃燒循環(huán)中燃燒持續(xù)的尺度并且表達為在確定的曲軸角之內(nèi)燃燒的質(zhì)量比例。因此例如15°曲軸角的燃燒持續(xù)時間△ 9。1(]%例如是指，在15°的曲軸回轉(zhuǎn)之內(nèi)燃燒了 10%的充量質(zhì)量。
[0035]燃燒的重心(英語:combust1n center of gravity)表示新充量燃燒一半的狀態(tài)。這也作為MFB 50已知，即質(zhì)量的50%已燃燒(英語:mass fract1n burned)。對于這些術(shù)語可以參考關(guān)于內(nèi)燃機的教科書，特別是參見Heywood, John B.，Internal Combust1nEngine Fundamentals，紐約，McGraw-Hill，1988。
[0036]燃燒重心影響內(nèi)燃機的效率和所產(chǎn)生的排放量。
[0037]特別優(yōu)選的是這樣的實施例，其中，燃燒重心，即一半的能量被釋放以用于燃燒的狀態(tài)調(diào)整到上死點之后5°至7°。為了確定燃燒重心，可以采用點火壓力(英語:peakfiring pressure)的曲軸角。
[0038]在另一個優(yōu)選的實施例中設定，給內(nèi)燃機的至少一個氣缸供應至少兩種具有不同自燃特性的燃料。
[0039]對于氣體，百分比數(shù)據(jù)涉及體積百分比。
[0040]第一燃料可以是天然氣或天然氣與0)2的這樣的混合物，其中的0)2和CH4總量大于 80%o
[0041]第二燃料可以是十六烷值在30至70，優(yōu)選在40至60之間的燃料。例如是柴油燃料。
[0042]根據(jù)另一個優(yōu)選的實施例可以設定，與具有較小的自燃傾向(通常包含較高的辛烷/甲烷值)的燃料相比，所述至少兩種燃料中具有較高自燃傾向的燃料(即通常帶來較高的十六烷值)在較晚的時刻供應給內(nèi)燃機的所述至少一個氣缸。
[0043]影響燃燒重心的兩個因素，即第二燃料的噴射時刻和第二燃料的量應這樣選擇，使得實現(xiàn)內(nèi)燃機希望的效率并將排放量和機械負荷保持在可接受的范圍內(nèi)。這可以通過較早的重心，例如在上死點之后0-15°的曲軸角來實現(xiàn)。
[0044]首先限定一個較寬的參數(shù)組。第一燃料是天然氣，第二燃料是柴油。以下是一個例子:
[0045]-第二燃料的噴射時刻為上死點(點火0T，英語:firingtop dead center)之前180。至40。的曲軸角
[0046]-第二燃料起自燃源(英語:autoignit1n source)的作用
[0047]-具有過量空氣和AGR的混合物，空燃比λ大于1.6，而AGR在0%至40%的范圍，這里AGR是內(nèi)部的或外部的，并且可以是冷卻或未冷卻的
[0048]-第二燃料相對于能量含量的量在0.1至15% (對于滿負荷；在部分負荷運行時提高第二燃料的