专利名称：用于燃烧控制的均质压燃起动的方法
技术领域：
本发明涉及一种内燃机，并且特别涉及均质压燃(HCCI)发动机。
背景技术：
内燃机排放控制标准越来越严格。需要加以控制的排放类型一般至少被大致分成四种未燃尽的碳氢化合物、一氧化碳、颗粒物以及氮氧化物(NOx)。
未燃尽的碳氢化合物和一氧化碳易成为烃类燃料非充分燃烧的产物。燃料中的每个碳原子需要两个氧原子以便与之相结合进行充分燃烧。如果每个碳原子找到与之相结合的两个氧原子，则形成二氧化碳。剩余的每个氢原子与两个氧原子相结合以形成水。
在另一方面，如果仅有一个氧原子可用于结合碳原子，则形成一氧化碳。如果没有氧气可用，则碳氢化合物不能燃烧。因此，未燃尽的碳氢化合物和一氧化碳量的降低依赖于在燃烧期间提供足够的氧气以便将碳原子完全氧化。
压燃式发动机一般利用高于化学计量比的过量空气工作以保证具有用于燃烧的足够的氧气供应量。颗粒物也易于由接近化学计量比的反应所产生，因此高于化学计量比的过量的可用氧气也能够减少那些颗粒物。
氮气是空气的主要成分。在常温常压下氮气是惰性的。然而，在高温高压下氮气将变得具有活性。因此，伴随高温的热量可为氮气用作催化剂。高温通常与充分燃烧有关，因为燃烧是放热的。因此与充分燃烧有关的高温可引起氮气与氧气反应并且形成氮氧化物。
控制氮氧化物生成的一种方式是限制在燃烧期间达到的燃烧室温度。由于伴随高的燃烧温度的热量为氮气用作催化剂，降低燃烧室峰值温度可降低氮气活性。因为降低峰值温度减轻了生成氮氧化物所需的一个条件，结果可以降低所生成的氮氧化物的量。
在传统的压燃式发动机中，一般将燃料喷射到燃烧室的中心处。在进入的空气已经被充分压缩到能够引燃燃料之后将燃料注入，并且因此燃料几乎立即开始燃烧。因为燃料几乎立即地开始燃烧，燃料几乎没有时间使其均匀地遍布燃烧室。因为在燃烧时燃料没有被均匀分布，而是集中在一起，在小空间内具有大量的燃料用于进行燃烧。因为大量燃烧可用于进行燃烧，燃烧将持续较长的时间，并且易于形成高的燃烧温度。
在另一方面，利用HCCI发动机，在压缩冲程期间注入燃料，同时进入的空气被压缩。一旦进气被充分压缩到能够将其温度提高到燃料的引燃温度时，燃料开始进行燃烧。因此燃料具有一定的时间以在燃烧开始之前遍布于整个燃烧室的空间内。而且，在压缩期间进气的涡旋和翻转能够在燃烧开始之前促进燃料的分布。
因为在燃烧开始之前燃料具有一定的时间以遍布于整个燃烧室的空间内，可同时的在整个燃烧室空间内将燃料引燃。与利用传统压燃的情形相比，这例如可使得燃烧过程更少地依赖于用以燃烧燃料的火焰锋的传播。
因此燃烧率可以更高，因为没有发生与等待火焰峰在整个燃烧室中蔓延相关的迟滞。这可允许使用更加稀薄的空气和燃料的混合物。这还可允许峰值温度被降低，由此降低氮氧化物的形成，因为与相对为局部化的燃烧相比，燃料在更少的时间内充分燃烧。
因为在HCCI发动机中一旦进气被充分压缩到能够将其温度提高到燃料的引燃温度时，燃料便开始进行燃烧，燃烧始点可依不同循环而稍有改变。因此与在传统压燃式发动机中的燃烧始点相比，在HCCI发动机中的燃烧始点相对较难控制。燃烧始点的可变性可表现为粗爆(roughness)或者预引爆，也称为“爆震”。期望能够更加精确地控制HCCI发动机中的燃烧始点。
发明内容
在本发明的第一方面，提供一种内燃缸组件，具有在其一端处具有燃烧室的气缸；以可滑动的方式设置在该气缸中的活塞，该活塞具有靠近燃烧室的顶部死点位置和远离燃烧室的底部死点位置；经由进入阀以可连通方式连接到燃烧室的进入路径，当进入阀被基本打开并且活塞从顶部死点位置向底部死点位置移动时，该进入路径向燃烧室提供工作流体；经由Suder阀以可连通方式连接到燃烧室的预燃烧室，当Suder阀被基本打开时燃烧室向预燃烧室输送工作流体的一部分，其中该Suder阀与进入阀基本同时地打开，在进气冲程中当活塞从顶部死点位置向底部死点位置移动时Suder阀保持为基本打开，并且在压缩冲程中当活塞向顶部死点位置返回时Suder阀基本关闭。
在本发明的第二方面，提供一种内燃机中的燃烧控制方法，包括将预燃烧室与燃烧室连通、通过燃烧室中的进入路径将工作流体吸入气缸中、利用进入阀关闭进入路径、在燃烧室和预燃烧室中压缩该工作流体、当工作流体被压缩时将引燃量的燃料添加到工作流体、在压缩结束之前将预燃烧室从燃烧室断开连通、在燃烧室中进一步压缩工作流体，并且利用由压缩工作流体而产生的热量引燃燃料。
在本发明的第三方面，提供一种内燃机中的燃烧控制系统，包括用于将预燃烧室与燃烧室连通的装置、用于经由燃烧室中的进入路径将工作流体吸入气缸中的装置、用于利用进入阀关闭进入路径的装置、用于在燃烧室和预燃烧室中压缩该工作流体的装置、用于当工作流体被压缩时将引燃量的燃料添加到工作流体的装置、用于在压缩结束之前将预燃烧室从燃烧室断开连通的装置、用于在燃烧室中进一步压缩工作流体的装置，以及用于利用由压缩工作流体而产生的热量引燃燃料的装置。
图1是通过根据本发明第一和第三实施例的内燃缸组件的截面；图2是通过图1所示实施例的截面；图3是用于Suder阀的各种致动器的简图；图4是用于本发明实施例的各种Suder阀的简图；图5是根据本发明实施例的内燃机的Suder阀升程与曲柄转角的关系曲线图；图6是根据本发明实施例的内燃机的气缸温度与曲柄转角的关系曲线图；图7是根据本发明实施例的内燃机的气缸压力与气缸容积的关系曲线图；图8是根据本发明实施例的内燃机的气缸压力与曲柄转角的关系曲线图；图9是通过根据本发明第二实施例的内燃缸组件的截面；图10是通过图9所示实施例的截面；图11示出用于本发明实施例的发动机；图12是通过根据本发明第四实施例的内燃缸组件的截面；图13是通过图12所示实施例的截面；以及图14示出用于本发明实施例的声功率分布。
具体实施例方式
因为在HCCI发动机中一旦进气达到燃料的引燃温度，燃料便开始进行燃烧，燃烧始点将尤其依赖于进气的初始温度和压力、发动机的压缩率、活塞速度以及围绕燃烧室的材料的热传递特性。
初始压力可以是静压力例如大气压力，以及例如由吸入的空气进入气缸的动量所产生的动压力。进气的初始温度和静压力可以随着天气以及发动机工作时所处的高度而改变。
动压力也可随着发动机的容积效率而变化。容积效率则可随着发动机转速并且也随着增压器或涡轮增压器的速度而变化。例如滞后的涡轮增压器将形成较低的初始缸内压力。
活塞速度也可影响发动机的容积效率。活塞速度随着在空闲线和红线或发动机限速之间的发动机速度而变化。较高的活塞速度可向进入的进给空气传递更高的动量，从而导致更好的气缸填充和更高的缸内压力。
围绕燃烧室的材料的热传递特性可随着通过材料的温差例如燃烧室和发动机冷却液之间的温差而改变。因此燃烧始点将随着发动机的工作条件而变化。
在这些参数中，只有压缩率是恒定的。进气的初始温度和压力、活塞速度以及围绕燃烧室的材料的热传递特性均随着发动机的工作条件而变化。期望发动机的压缩率是可变的，以便补偿其它参数的变动。
虽然在此描述的本发明实施例参考HCCI发动机进行描述，本发明的概念也可应用于其它的引燃类型，例如传统的压燃式发动机或者火花点火、热球点火或电热塞引燃的发动机。而且，虽然本发明的实施例参考四冲程发动机进行描述，本发明的概念也可应用于二冲程发动机。
在图1和2中示出根据本发明第一实施例的内燃机气缸组件100。气缸组件100包括在其一端106处具有燃烧室104的气缸102以及以可滑动的方式设置在该气缸102中的活塞108。该活塞108具有靠近燃烧室104的顶部死点位置110和远离燃烧室104的底部死点位置112。
进入路径114经由进入阀118以可连通方式连接到燃烧室104。当进入阀118被基本打开并且活塞108从顶部死点位置110向底部死点位置112移动时，该进入路径114向燃烧室104提供工作流体116。工作流体116例如可以是空气如氮气、氧气、二氧化碳、水蒸气以及微量元素、例如氩气的混合物。
气缸102的压缩率(CR)可被定义为当活塞108处于底部死点位置112时气缸102的容积(V1)与当活塞108处于顶部死点位置110时气缸102的容积(V2)之比。在一个实施例中，V1可以是V2大小的20倍，因此CR为20∶1。因为活塞108在顶部死点位置110处靠近燃烧室104，燃烧室104的容积基本为V2。
预燃烧室120可经由Suder阀122以可连通方式连接到燃烧室104。当Suder阀122被基本打开时燃烧室104可向预燃烧室120输送工作流体116的一部分。在多个实施例中，Suder阀122可以由致动器例如凸轮凸角、液压致动器、压电电动机、音圈或者螺线管致动，如图3所示。在多个实施例中，Suder阀122可以是闸门阀、回转阀、套阀或提升阀，如图4所示。
因为当Suder阀122被基本打开时燃烧室104与预燃烧室120连通，所以当Suder阀122被基本打开时预燃烧室120和燃烧室104的容积是相加的。如果当活塞108处于底部死点位置112以及当其处于顶部死点位置110时Suder阀122是打开的，CR将低于当活塞108处于底部死点位置112时Suder阀122打开而当活塞108处于顶部死点位置110时Suder阀122关闭的情形。因此Suder阀122可用于改变发动机的CR。
而且，因为工作流体116在其被压缩之后所达到的温度与其压缩量有关，通过提高或者降低CR，可以提高或者降低该温度。因此，如果在压缩冲程中当Suder阀122保持打开时工作流体116的温度保持低于燃料的引燃温度，但是在压缩冲程中当Suder阀122关闭时该温度上升得高于该引燃温度，则可以通过在压缩冲程中关闭该Suder阀122而控制燃烧的始点。
在一个实施例中，在压缩冲程期间，当Suder阀122保持打开时，与当Suder阀122被关闭的情形相比，在顶部死点位置110处被充分压缩的工作流体的温度要低25％。由于当活塞108处于顶部死点位置110时工作流体116的温度与CR大致成比例，通过将CR降低25％，工作流体116的温度可被降低25％。
如果例如气缸102是12升发动机的六个气缸中的一个，则气缸102的容积V1将是2升。如果发动机的CR为20，则容积V2将为2升的二十分之一，或者0.1升。通过向容积V2增加额外的0.03升容积，CR可被降低25％，即达到15，因为2升/(0.1升+0.03升)＝15。因为反之亦然，在压缩冲程期间通过关闭Suder阀122并且封闭预燃烧室120，工作流体116的温度可被提高25％。因此如果在压缩冲程期间通过关闭Suder阀122而将工作流体116的温度提高25％，能够足以将该温度提高到高于燃料的引燃温度，则可利用Suder阀122控制燃烧始点。
在一个实施例中，如图5所示，Suder阀122与进入阀118基本同时地打开，在进气冲程中，当活塞108从顶部死点位置110向底部死点位置112移动时Suder阀122保持为基本打开，并且在压缩冲程中，当活塞108向顶部死点位置110返回时Suder阀122基本关闭。在一个实施例中，在压缩冲程中，Suder阀122基本在顶部死点位置110之前大约110度的曲轴转角和顶部死点位置110之前50度曲轴转角角度之间关闭。
在该实施例中，如图6和8所示，当活塞108处于顶部死点位置110时或者之后，气缸温度和压力可达到峰值。而且，如图7所示，缸内压力作为容积的函数可以更高。
在一个实施例中，燃烧室104的容积130或者V2可为0.1升，而预燃烧室120的容积128可为0.03升。在另一个实施例中，容积128可以是容积130的大约三分之一。这些仅为示例性的实施例，并且这两个容积的实际大小可以根据发动机特性而改变。
如果预燃烧室120的容积128为0.03升，容积128可被结合在含有燃烧室104的气缸盖中。在一个实施例中，预燃烧室120可以在气缸盖138外部中央形成，如图1和2所示。
Suder阀122可以在燃烧室104和预燃烧室120之间结合在气缸盖138中的通道140内。通道140可以是被除心形成的或者被加工出的。在一个实施例中，通道140是带颊板的(cheeked)并且成形为减少当工作流体116流经通道140时的泵送损失。
在第二实施例中，预燃烧室220可以结合在如同回转阀的旋转轴202中，如图9和10所示。旋转轴202能够以凸轮轴的方式，以曲轴转速的一半在气缸盖138中的轴承内旋转。因此预燃烧室220可被成形为在各个压缩冲程的大多数时间内面向燃烧室104，但是在活塞108即将到达顶部死点位置110之前将其阻断。通过改变旋转轴202相对于曲轴或者凸轮轴的相位可以改变所述阻断发生的时间。
气缸组件100还可包括设置在气缸102的气缸盖中以使得燃料126进入燃烧室104的燃料喷射器124，如图1和2所示。在一个实施例中，燃料喷射器124基本在活塞108在压缩冲程中返回到顶部死点位置之前注入引燃量的燃料126。因为引燃量的燃料126基本在活塞108返回到顶部死点位置之前被注入，在剩余的压缩冲程中，燃料126能够将其自身基本均匀地分布在整个燃烧室104中。
在第三实施例中，气缸组件100还包括示于图1和2中的传感器132，用于监测从燃烧室104发出的声功率分布142。在一个实施例中，传感器132是压电元件例如加速计。在另一个实施例中，传感器132是爆震传感器。
声功率分布142可类似于气缸102中的压力，例如通过一定频谱的一系列压力，或者压力差例如压力升高。在多个可选实施例中，声功率分布142可以是声压或声功率、加速度、或位移幅度例如通过一系列振动频率的振幅的分布，如图14A所示。
在一个实施例中，如图14B所示，对于传感器132的一个位置，确定可基本表征自燃或预引爆的声功率分布144。声功率分布144可类似于气缸142中的预定压力，例如一系列预定的压力或者已知基本与自燃的发生有关的压力升高。
然后在压缩期间在传感器132的位置处从燃烧室104发出或者辐射出的声功率分布142可与声功率分布144相比较。如果在活塞108基本到达顶部死点位置110之前声功率分布142基本匹配声功率分布144，则可能已经过早开始自燃。
在一个实施例中，如果过早开始自燃，则可延迟关闭Suder阀122的时刻以便推迟自燃的发生。在另一个实施例中，可以提前关闭Suder阀122的时刻，直至声功率分布142基本匹配声功率分布144，这表明自燃发生，并且然后将自燃稍微延迟。
传感器132可以直接监测声功率分布142，或者借助例如气缸盖螺栓应变或靠近燃烧室104的振动信号进行监测。在一个实施例中，传感器132关于预引爆表现出基本恒定的响应。在该实施例中，预定压力可以是与已知响应相匹配的响应。
在第四实施例中，Suder阀322可以是在预燃烧室320中行进的滑阀或者短管阀，如图12和13所示。Suder阀322可与进入阀318基本同时地打开。在进气冲程中，当活塞108从顶部死点位置110向底部死点位置112移动时Suder阀322可保持为基本打开。在压缩冲程中当活塞108向顶部死点位置110返回时Suder阀322基本关闭。
在关闭之后，Suder阀322可以进一步滑动到预燃烧室320中而不是仅仅坐落在其阀座上，由此压缩预燃烧室320中的工作流体316和燃料326。因此，预燃烧室320中的压力和温度可升高。一旦预燃烧室320中的温度达到燃料326的自燃触发温度，则预燃烧室320中的燃料326可以自燃。
燃料326的燃烧可使得预燃烧室320中的压力进一步升高，并且又将Suder阀322推回到预燃烧室320之外，从而打开Suder阀322。一旦预燃烧室320被暴露于主燃烧室，则主燃烧室中的匀质的空气-燃料混合物也开始燃烧。
在发动机动力冲程结束之后，Suder阀322可在发动机排气冲程中比较缓慢地滑回到预燃烧室320中以便清空预燃烧室320中的所有废气。然后在下一进气或压缩冲程中Suder阀322再次打开以使得新鲜的空气-燃料混合物再次流入预燃烧室320中。
在第五实施例中，一种内燃机中的燃烧控制方法包括将预燃烧室120与燃烧室104连通、通过燃烧室104中的进入路径将工作流体116吸入气缸102中、利用进入阀118关闭进入路径、在燃烧室104和预燃烧室120中压缩该工作流体116、当工作流体116被压缩时将引燃量的燃料126添加到工作流体116、在压缩结束之前将预燃烧室120与燃烧室104断开连通、在燃烧室104中进一步压缩工作流体116，并且利用由压缩工作流体116而产生的热量引燃燃料126。
在第六实施例中，内燃机中的燃烧控制方法还包括在燃烧室104中监测压力134，并且如果压力134高于预定压力，则推迟将预燃烧室120从燃烧室104断开的时刻。
在图10中示出根据第六实施例的内燃机1000。在图10中可将多个缸组件100相结合以形成发动机1000。在该实施例中，将六个缸组件100相结合以形成发动机1000。在可选实施例中，将四个缸组件100相结合以形成发动机1000。在进一步的可选实施例中，将八个缸组件100相结合以形成发动机1000。
在不背离本发明精神的前提下，各种数目的缸组件100可以例如以串联的、V形的、放射形的、相对的或者平面形的构形进行布置。在多个实施例中，本发明可用于例如卡车、拖拉机、固定应用、海洋应用、农业设备、挖土设备、机车或包括轻于空气的航空器的飞行器。
虽然本发明已经在上面详细描述，但是本发明并不限定于所述的特定实施例。显然，在不背离本发明概念的前提下，本领域技术人员可对在这里所描述的具体实施例做出各种使用和改进以及修改。
权利要求
1.一种内燃缸组件，包括在其一端处具有燃烧室的气缸；以可滑动的方式设置在所述气缸中的活塞，所述活塞具有基本靠近所述燃烧室的顶部死点位置和基本远离所述燃烧室的底部死点位置；经由进入阀以可连通方式连接到所述燃烧室的进入路径，当所述进入阀被基本打开并且所述活塞从所述顶部死点位置向所述底部死点位置移动时，所述进入路径向所述燃烧室提供工作流体；经由Suder阀以可连通方式连接到所述燃烧室的预燃烧室，当所述Suder阀被基本打开时所述燃烧室向所述预燃烧室输送所述工作流体的一部分；其中，所述Suder阀与所述进入阀基本同时地打开，在进气冲程中当所述活塞从所述顶部死点位置向所述底部死点位置移动时所述Suder阀保持为基本打开，并且在压缩冲程中当所述活塞向所述顶部死点位置返回时所述Suder阀基本关闭。
2.根据权利要求1所述的内燃缸组件，还包括设置在所述气缸盖中以使得所述燃料进入所述燃烧室的燃料喷射器，所述燃料喷射器基本在所述活塞在所述压缩冲程中返回到所述顶部死点位置之前注入引燃量的燃料。
3.根据权利要求1所述的内燃缸组件，其特征在于，在所述压缩冲程中所述Suder阀基本在所述顶部死点位置之前大约110度的曲轴转角和所述顶部死点位置之前50度的角度之间关闭。
4.根据权利要求1所述的内燃缸组件，其特征在于，所述Suder阀从由下面的阀所构成的组中选择闸门阀，回转阀，滑阀，短管阀，套阀，和提升阀。
5.根据权利要求1所述的内燃缸组件，其特征在于，所述Suder阀由致动器进行致动，该致动器从由下面的致动器所构成的组中选择凸轮凸角，液压致动器，压电电动机，音圈，和螺线管。
6.根据权利要求1所述的内燃缸组件，其特征在于，当所述活塞处于所述顶部死点位置时，所述预燃烧室的容积大约是所述燃烧室容积的三分之一。
7.根据权利要求1所述的内燃缸组件，还包括用于监测所述燃烧室中的压力的传感器；并且其中如果所述压力高于预定压力则推迟关闭所述Suder阀。
8.根据权利要求7所述的内燃缸组件，其特征在于，所述预定压力指示出燃料开始燃烧。
9.根据权利要求1所述的内燃缸组件，其特征在于，在压缩冲程中基本在当所述活塞向所述顶部死点位置返回而所述Suder阀关闭之后，在所述预燃烧室中的所述工作流体被基本压缩。
10.根据权利要求9所述的内燃缸组件，其特征在于，在压缩冲程中基本在当所述活塞向所述顶部死点位置返回而所述Suder阀关闭之后，所述预燃烧室中的所述工作流体中的燃料自燃。
11.一种内燃机中的燃烧控制方法，包括将预燃烧室与燃烧室连通；通过所述燃烧室中的进入路径将工作流体吸入气缸中；利用进入阀关闭所述进入路径；在所述燃烧室和所述预燃烧室中压缩所述工作流体；当所述工作流体被压缩时将引燃量的燃料添加到所述工作流体；在所述压缩结束之前将所述预燃烧室从所述燃烧室断开连通；在所述燃烧室中进一步压缩所述工作流体；并且利用由压缩所述工作流体而产生的热量引燃所述燃料。
12.根据权利要求11的内燃机中的燃烧控制方法，还包括监测所述燃烧室中的压力；并且如果所述压力高于预定压力，则推迟将所述预燃烧室从所述燃烧室断开。
13.根据权利要求11的内燃机中的燃烧控制方法，还包括在所述预燃烧室中进一步压缩所述工作流体。
14.根据权利要求13的内燃机中的燃烧控制方法，还包括在所述预燃烧室中引燃所述工作流体中的燃料。
15.一种内燃机中的燃烧控制系统，包括用于将预燃烧室与燃烧室连通的装置；用于经由所述燃烧室中的进入路径将工作流体吸入气缸中的装置；用于利用进入阀关闭所述进入路径的装置；用于在所述燃烧室和所述预燃烧室中压缩所述工作流体的装置；用于当所述工作流体被压缩时将引燃量的燃料添加到所述工作流体的装置；用于在所述压缩结束之前将所述预燃烧室从所述燃烧室断开的装置；用于在所述燃烧室中进一步压缩所述工作流体的装置；以及用于利用由压缩所述工作流体而产生的热量引燃所述燃料的装置。
16.根据权利要求15的内燃机中的燃烧控制系统，还包括用于监测所述燃烧室中的压力的装置；以及如果所述压力高于预定压力，用于推迟将所述预燃烧室从所述燃烧室断开的装置。
17.根据权利要求15的内燃机中的燃烧控制系统，还包括用于在所述预燃烧室中进一步压缩所述工作流体的装置。
全文摘要
一种内燃缸组件包括具有燃烧室的气缸和活塞。当活塞从顶部死点位置向底部死点位置移动时进入阀向燃烧室提供工作流体。预燃烧室经由Suder阀以可连通方式连接到燃烧室并且当Suder阀基本打开时向预燃烧室输送工作流体的一部分。Suder阀与进入阀基本同时地打开，在进气冲程中当活塞从顶部死点位置向底部死点位置移动时保持为基本打开，并且在压缩冲程中基本当活塞向顶部死点位置返回时关闭。
文档编号F02B19/18GK1890463SQ200480035828
公开日2007年1月3日 申请日期2004年12月3日 优先权日2003年12月4日
发明者蒂莫西·A·祖德尔, 史蒂文·斯图尔特·特雷维茨, 本杰明·C·沙德, 太春 申请人:马克卡车公司