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以富燃低溫燃燒模式作為固體氧化物燃料電池動(dòng)力車輛的車載重整器來操作內(nèi)燃機(jī)的系...的制作方法

文檔序號(hào):5177075閱讀:240來源:國(guó)知局
專利名稱:以富燃低溫燃燒模式作為固體氧化物燃料電池動(dòng)力車輛的車載重整器來操作內(nèi)燃機(jī)的系 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的操作系統(tǒng)和方法,尤其涉及將該系統(tǒng)和方法應(yīng)用到固體 氧化物燃料電池動(dòng)力車輛。
背景技術(shù)
現(xiàn)代的柴油內(nèi)燃機(jī)以燃油(燃料)直噴壓燃方式工作。這些發(fā)動(dòng)機(jī)通常具有非常 低的未燃碳?xì)浠衔?HC)和一氧化碳(CO)排放。另一方面,氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM) 排放對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和控制工程師來說仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。應(yīng)對(duì)NOx和PM排放的難題在 于減少NOx的努力通常會(huì)增加PM排放,反之亦然。這兩種尾氣成分之間的關(guān)系已經(jīng)被廣泛 研究并且在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)制造業(yè)中被稱為Ν0χ/ΡΜ權(quán)衡。盡管NOx和PM排放之間的權(quán)衡已被廣泛承認(rèn),但至少?gòu)亩兰o(jì)九十年代起已知 道有一種被稱為低溫燃燒模式的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)外來模式,柴油發(fā)動(dòng)機(jī)能通過該模式在產(chǎn)生很 少或產(chǎn)生感覺不到的NOx或顆粒物的排放下運(yùn)轉(zhuǎn)。低溫燃燒模式超出煙氣極限。從傳統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)模式起,提高尾氣再循環(huán)率(EGR)根據(jù) 平常的關(guān)系造成NOx排放的減少和顆粒物排放的增加。隨著EGR率被進(jìn)一步提高,達(dá)到了 這樣一個(gè)點(diǎn),在該點(diǎn),發(fā)動(dòng)機(jī)排放過量的煙氣。煙氣極限在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都被認(rèn)為是對(duì)柴油發(fā) 動(dòng)機(jī)的工作范圍的實(shí)際限制。但是,如授予Msaki等人的美國(guó)專利US5890360所述,已經(jīng) 表明了如果尾氣再循環(huán)率仍被進(jìn)一步提高,則不再產(chǎn)生煙氣。到達(dá)了這樣一個(gè)點(diǎn),在該點(diǎn), 發(fā)動(dòng)機(jī)不排放煙氣并且NOx和PM排放很低。在超過煙氣極限的狀況中運(yùn)轉(zhuǎn)就是低溫燃燒 (LTC)模式運(yùn)轉(zhuǎn)的意思。術(shù)語(yǔ)“低溫燃燒模式”反映了認(rèn)識(shí)到低NOx和PM排放是發(fā)生燃燒時(shí)的低溫的結(jié)果。 高尾氣再循環(huán)率提供在燃燒室內(nèi)的高比例的不活潑氣體(相對(duì)于可燃?xì)怏w)例如隊(duì)、0)2和 H2O0高比例的不活潑氣體限制了在整個(gè)燃燒過程中出現(xiàn)的峰值氣體溫度。低溫燃燒模式 將峰值溫度限制到大約1800K或更低,而在傳統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中,燃燒峰值溫度一般要高 幾百度。眾所周知的是,較低的燃燒溫度減少NOx的產(chǎn)生,但是,由低溫燃燒模式實(shí)現(xiàn)的炭 煙形成的減少是較難以理解的。炭煙形成是一個(gè)牽涉到許多步驟和大量化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜的 化學(xué)過程。初期的反應(yīng)牽涉到柴油分裂成許多較小的分子。在后續(xù)的反應(yīng)中,這些較小的 分子再結(jié)合,最終形成很大的炭煙構(gòu)成分子。對(duì)在低溫燃燒模式中產(chǎn)生低炭煙的解釋是該 炭煙形成過程沒有從較小分子的形成再進(jìn)一步地進(jìn)行,該較小分子的形成被認(rèn)為是炭煙前 兆。雖然低溫燃燒模式在同時(shí)提供NOx和PM低排放方面值得贊揚(yáng),但LTC受到一些限
5制,包括發(fā)動(dòng)機(jī)低效率和未燃碳?xì)浠衔?HC)和CO的高排放。參見SAE 2001-01-0655中 的圖4 (示出了剎車專用油耗和HC和CO排放隨著發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)入“無(wú)煙”富燃狀態(tài)而快速 增加)和第3頁(yè)的最后三句(說明剎車專用油耗(BSFC)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入富燃狀態(tài)而增加 至“嚴(yán)重”的程度);US5890360中的圖2 (示出了扭矩隨著EGR率增大而降低),圖10 (示出 了對(duì)于給定燃料量,扭矩步進(jìn)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)從LTC模式(區(qū)域I)過渡至傳統(tǒng)模式(區(qū)域II) 而增大)和第11欄的第64行至第12欄的第4行(說明傳統(tǒng)模式比LTC模式更高效并且 需要更少燃油)。當(dāng)過渡至LTC模式時(shí),由尾氣中的未燃的碳?xì)浠衔锖虲O(未用燃油)和升高的 尾氣溫度(表明燃油已經(jīng)被用于產(chǎn)生熱能,而不是機(jī)械能)反映出低燃油效率。參見SAE 2001-01-0655中的第4頁(yè)第1欄和附錄A第4頁(yè)(LTC將尾氣溫度升高到200°C -250范 圍);授予Ohki等人的美國(guó)專利US7246485中的第8欄(切換至貧燃LTC模式產(chǎn)生了在尾 氣后處理裝置中燃燒的碳?xì)浠衔?,加熱了那些裝置)。除了低燃油效率,LTC還具有窄的工作包絡(luò)線。參見SAE 2001-01-0655中第4頁(yè) 第1欄(解釋了大量的EGR將可操作范圍局限在怠速和低負(fù)荷);US5890360中第9欄第 24-28行(說明LTC只能在低負(fù)荷下),圖7 (顯示了區(qū)域I和區(qū)域II,在該區(qū)域I中可以執(zhí) 行LTC,在區(qū)域II中采用傳統(tǒng)燃燒),并且第2欄第38-44行(說明LTC燃燒不會(huì)一直發(fā)生 并且需要確定何時(shí)執(zhí)行LTC);授予Ito等人的美國(guó)專利US6763799,第1欄第36-45行(表 述需要正常燃燒來提供驅(qū)動(dòng)能力,除了在怠速和低負(fù)荷下)。難以穩(wěn)定保持低溫燃燒。參見 US6763799 中第 1 欄第 51-62 行。因?yàn)樯鲜龅母鞣N不利之處,已經(jīng)建議LTC作為一個(gè)只用于特殊情況例如低功率和 怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的選擇。參見US5890360。如果需要很低的功率或不需要功率,則低燃油效率不 是大問題。而且,低功率狀況允許在現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)現(xiàn)LTC所需的高EGR率。授予&isaki等人的美國(guó)專利US6131388和US7246485提出LTC模式,用于通過利 用尾氣升溫和通過尾氣中的殘余碳?xì)浠衔锏娜紵诘拓?fù)荷和怠速狀況下加熱尾氣后處 理裝置。雖然柴油尾氣溫度可能達(dá)到500°C,在怠速時(shí),該溫度降低到100°C -150°C范圍。 LTC升高尾氣溫度到150°C -250°C范圍。由LTC運(yùn)轉(zhuǎn)提供的未燃的碳?xì)浠衔锖虲O可以在 尾氣后處理裝置中被燃燒,該尾氣后處理裝置具有氧化催化器以進(jìn)一步升高溫度。按照LTC模式,富燃發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)也是可行的。US6131388描述了作為用于加熱尾 氣后處理裝置的過程一部分的富燃發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。該過程牽涉到富燃LTC發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的短暫 期。在這些富燃期內(nèi)由發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的碳?xì)浠衔锉粫簳r(shí)存儲(chǔ)在具有碳?xì)浠衔锎鎯?chǔ)能力的 尾氣后處理裝置中。在富燃運(yùn)轉(zhuǎn)的短暫期之后,發(fā)動(dòng)機(jī)貧燃運(yùn)行。在貧燃發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可 得到的氧氣允許所存儲(chǔ)的碳?xì)浠衔锶紵?,這在尾氣管路中產(chǎn)生大量的熱。通過在富燃LTC 運(yùn)轉(zhuǎn)和傳統(tǒng)貧燃發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)之間變換,尾氣后處理裝置可被保持在350°C -550°C范圍。參 見 US6131388。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種以低溫燃燒模式操作內(nèi)燃機(jī)的獨(dú)特方法。本發(fā)明包括根據(jù)該獨(dú)特 方法操作的發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力發(fā)生系統(tǒng)。根據(jù)該方法,發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室按照包括進(jìn)氣沖程、壓縮 沖程、做功沖程和排氣沖程的循環(huán)來工作。該燃燒室在進(jìn)氣沖程中接收空氣充量。該燃燒室在燃燒開始前也接收燃油充量。燃油充量足以使燃燒室內(nèi)的油氣比富含至少1.05的當(dāng)量 比。燃油和空氣被允許在燃燒前混合。在上死點(diǎn)之前至少20度曲軸轉(zhuǎn)角,將燃料供應(yīng)給燃 燒室。燃油和空氣充量被調(diào)整,從而混合物因壓縮沖程所產(chǎn)生的熱和壓力而自行著火。所 述量被進(jìn)一步調(diào)整,從而燃燒在低于出現(xiàn)大量炭煙產(chǎn)生的溫度下發(fā)生。該方法提供富燃低 溫燃燒模式運(yùn)轉(zhuǎn),這有幾種應(yīng)用。按照該方法運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生具有相對(duì)高的溫度、有很少或沒有氧氣和具有高化 學(xué)能的尾氣。尾氣中的NOx和顆粒物少。在燃燒過程中存在的過多燃料在此過程中被重整, 將化學(xué)能置于簡(jiǎn)單使用的形式。本發(fā)明的方法允許低溫富燃燃燒,其利用比現(xiàn)有技術(shù)中的低溫燃燒模式方法更少 的EGR。該方法也允許富燃低溫燃燒模式尾氣的產(chǎn)生,該尾氣的溫度高于可利用現(xiàn)有技術(shù)的 方法能獲得的溫度。尾氣溫度通常為250°C或更高,有可能高出許多。在一個(gè)實(shí)施例中,為了獲得適當(dāng)?shù)娜加秃涂諝獬淞恳詫?shí)現(xiàn)本方法,進(jìn)氣門在進(jìn)氣 沖程結(jié)束前被關(guān)閉。進(jìn)氣門提前關(guān)閉減少了進(jìn)入燃燒室的空氣充量并且導(dǎo)致在進(jìn)氣沖程終 點(diǎn)時(shí)在燃燒室內(nèi)存在亞大氣壓。較小的空氣充量導(dǎo)致壓縮沖程產(chǎn)生更少的熱和更低的壓 力。在另一個(gè)實(shí)施例中,為了提高尾氣溫度,排氣門在做功沖程結(jié)束前被打開。排氣門 提前打開造成有利于給尾氣賦予更多熱能的機(jī)械能產(chǎn)生的減少。本發(fā)明的另一個(gè)方面是包括按照上述方法工作的內(nèi)燃機(jī)和固體氧化物燃料電池 的動(dòng)力發(fā)生系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣被供應(yīng)給燃料電池的燃料側(cè),可選地在使尾氣經(jīng)過燃料重整 器之后。發(fā)動(dòng)機(jī)提供燃料給燃料電池并保持或有助于保持燃料電池處于工作溫度。尾氣中 的熱能也可以被用于維持燃料重整器溫度和重整燃料。在一個(gè)實(shí)施例中,待重整的補(bǔ)充燃 料通過發(fā)動(dòng)機(jī)或是在燃燒過程后段或是在排氣沖程中被供給尾氣。在另一個(gè)實(shí)施例中,補(bǔ) 充燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)的下游被噴入尾氣管路。在包括內(nèi)燃機(jī)和燃料電池的動(dòng)力發(fā)生系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中,發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)保持 在狹窄的扭矩-速度范圍內(nèi)。扭矩由發(fā)動(dòng)機(jī)并也由電動(dòng)機(jī)提供,電動(dòng)機(jī)的供電來自燃料電 池。當(dāng)扭矩需求增大時(shí),額外扭矩以電動(dòng)方式提供,從而發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)不必改變??蛇x 地,為維持增加的電力輸出,可提高將補(bǔ)充燃油供給尾氣的速率。同樣,當(dāng)扭矩需求降低時(shí), 耗電量減小,同時(shí)允許發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)保持相對(duì)不變。如果發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械動(dòng)力輸出超出當(dāng)前 需求,則多余量可通過將電動(dòng)機(jī)用作發(fā)電機(jī)被轉(zhuǎn)換為電能。多余電力可存儲(chǔ)在蓄電系統(tǒng)中。 如果由發(fā)動(dòng)機(jī)提供的機(jī)械動(dòng)力和由將發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的燃料電池提供 的電力的總和產(chǎn)生超出蓄電系統(tǒng)的存儲(chǔ)能力的多余能量,則發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)選完全關(guān)停而不是在 并非優(yōu)選的扭矩-速度點(diǎn)下運(yùn)轉(zhuǎn)。此方法提供穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)、快速響應(yīng)、高效且產(chǎn)生特別潔凈的 尾氣的動(dòng)力發(fā)生系統(tǒng)。本發(fā)明的另一個(gè)方面是一種包括發(fā)動(dòng)機(jī)和尾氣后處理系統(tǒng)的動(dòng)力發(fā)生系統(tǒng)。通 常,發(fā)動(dòng)機(jī)貧燃運(yùn)轉(zhuǎn)并且尾氣后處理系統(tǒng)利用NOx吸收催化器從尾氣中除去N0X。為了再生 NOx吸收催化器,發(fā)動(dòng)機(jī)可以按照富燃低溫燃燒模式運(yùn)轉(zhuǎn)。這對(duì)在低負(fù)荷或怠速狀況下的 NOx吸收催化器的脫硫是非常有用的。富燃低溫燃燒模式運(yùn)轉(zhuǎn),可選地與尾氣管路燃料重整 器相配合,適用于連續(xù)保持NOx吸收催化器處于脫硫所需的富燃高溫狀況。發(fā)明內(nèi)容的主要目的是為了以簡(jiǎn)化方式體現(xiàn)發(fā)明人的某些設(shè)想,以幫助理解以下更具體的說明。該發(fā)明內(nèi)容不能全面地說明可被視作“發(fā)明”的發(fā)明人的每一個(gè)設(shè)想或發(fā) 明人的每個(gè)設(shè)想的全部組合。發(fā)明人的其它設(shè)想將通過以下的具體描述連同附圖被傳達(dá)給 本領(lǐng)域的技術(shù)人員。本文披露的具體細(xì)節(jié)可以被歸納、縮窄和以各種方式組合,發(fā)明人期望 作為其發(fā)明加以保護(hù)的最終描述內(nèi)容供后續(xù)權(quán)利要求書所用。


圖1是燃燒氣體溫度的曲線圖,示出了在富燃的預(yù)混油氣比狀況下,增加預(yù)噴燃 油量可降溫至足以引發(fā)低溫燃燒模式。圖2是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的示意圖。圖3是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)圖,示出了油氣比和EGR率對(duì)自行著火時(shí)刻的影響。圖4是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)圖,示出了油氣比和EGR率對(duì)富燃狀況中的尾氣溫度的影響。圖5是曲線圖,表示減少進(jìn)氣充量對(duì)燃燒程度的影響。圖6示出了增大油氣比如何增大尾氣的化學(xué)能含量。圖7示出了增大油氣比如何影響到尾氣的化學(xué)成分。圖8是本發(fā)明方法的流程圖。圖9是表示本發(fā)明的示例性動(dòng)力發(fā)生系統(tǒng)的主要組成部件的視圖。圖10是本發(fā)明的示例性動(dòng)力發(fā)生系統(tǒng)的示意圖。圖11是本發(fā)明方法的有限狀態(tài)機(jī)圖。圖12是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面的示例性動(dòng)力發(fā)生系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式圖1是曲線圖50,表示在富燃狀況中增加預(yù)混燃油量如何能引發(fā)只有10% EGR的 低溫燃燒。用于曲線圖50的數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生,其假定正庚烷為燃油,壓縮比為16。 在比較例51中,預(yù)混燃料提供1. 0的油氣比,氣體溫度經(jīng)過燃燒過程達(dá)到2500K。此溫度太 高并且比較例無(wú)法獲得低溫燃燒模式。在示范例52中,油氣比為1.8。氣體溫度峰值低于 2000K,表明該燃燒溫度已經(jīng)降低到足以能引起低溫燃燒模式的溫度的相當(dāng)程度。圖2提供了可針對(duì)本發(fā)明的低溫燃燒模式來設(shè)計(jì)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)300的燃燒室200 的示意圖。燃燒室200配備有活塞202、進(jìn)氣門204、排氣門206和噴油器208。柴油發(fā)動(dòng) 機(jī)300通過一系列沖程來操作燃燒室200,這一系列沖程至少包括進(jìn)氣沖程、壓縮沖程、做 功沖程和排氣沖程。根據(jù)本發(fā)明,在開始燃燒之前建立富燃油氣比。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)300,這可通過預(yù)噴來 實(shí)現(xiàn),預(yù)噴是在曲軸角到達(dá)上死點(diǎn)(TDC)前大約20°曲軸轉(zhuǎn)角進(jìn)行的將燃油噴入燃燒室 200的噴射??梢杂脟娪推?08完成預(yù)噴。預(yù)噴所提供的燃油有時(shí)間在燃燒之前與容積210 內(nèi)的空氣或任何EGR氣體預(yù)混合。而在現(xiàn)有技術(shù)中,低溫燃燒模式通過給發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸供應(yīng)大量不活潑氣體尤其是 EGR氣體且優(yōu)選是被冷卻的EGR氣體來實(shí)現(xiàn),在本發(fā)明中,低溫燃燒模式無(wú)需大量不活潑氣 體而通過將燃燒限制到完全在油氣比富燃狀況中的成分來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)預(yù)噴導(dǎo)致在燃燒前在整 個(gè)容積210中形成富燃油氣混合物時(shí),燃燒溫度可以通過吸熱反應(yīng)被降低,該吸熱反應(yīng)重 整了因未充分供氧而未完全燃燒的燃油部分。多余燃油的加熱和氣化產(chǎn)生了降低峰值燃燒溫度的額外散熱作用。在燃燒開始前在整個(gè)空氣充量中建立富燃狀況,以預(yù)防出現(xiàn)燃燒溫 度不受這些機(jī)理限制的低油氣比狀況。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中,燃燒通過壓縮被啟動(dòng)。預(yù)混的燃油和空氣因?yàn)閴嚎s 所產(chǎn)生的熱和壓力而自動(dòng)著火。燃燒基本是均質(zhì)的,著火一般發(fā)生在該容積210范圍內(nèi)的 多處地方。整個(gè)預(yù)混油氣充量幾乎在相同時(shí)間燃燒。與此相比,在傳統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn) 中,燃燒是分層的,這意味著燃燒沿著焰鋒出現(xiàn),在焰鋒處,噴入的燃油與已變熱和加壓的 空氣匯合。在焰鋒處的油氣比一般截然不同于容積210的總體油氣比。曲線圖50表示將油氣當(dāng)量比從1. 0增大至1. 8遲滯了燃燒啟動(dòng)。如果自行著火 被延遲的時(shí)間遠(yuǎn)大于在曲線圖50中針對(duì)情況52所示的時(shí)間,則自行著火將根本不會(huì)發(fā)生。 圖1所用的眾多參數(shù)提供了油氣比的窄范圍,在該范圍內(nèi)將存在自行著火,而此時(shí)燃燒具 有各種各樣的低溫燃燒模式。該范圍可以通過減小空氣充量被擴(kuò)展,以下將對(duì)此做出說明。圖3和圖4提供了利用產(chǎn)生圖1的相同模型而生成的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)圖。圖3表示, 著火遲后期隨油氣比而增大,并且在此將出現(xiàn)自行著火的最高氣比取決于EGR量。在此將 出現(xiàn)自行著火的最高油氣當(dāng)量比約為2.0,這只能在EGR率被限制為大約15%或更低時(shí)實(shí) 現(xiàn)。圖4表示尾氣溫度將處于從約700K到約950K的范圍內(nèi)。不是所有的將出現(xiàn)自行著火的狀況都是低溫燃燒模式狀況。對(duì)于圖1的狀況,用 于低溫燃燒模式的最低油氣當(dāng)量比接近1.8。如果油氣比太低,則將存在不足以保持燃燒溫 度低于發(fā)生炭煙形成的溫度水平的吸熱反應(yīng)。如果油氣比太高,則著火遲后期太長(zhǎng),自行著 火將不會(huì)發(fā)生。應(yīng)該注意,低溫燃燒模式隨著油氣比增大需要漸小的燃燒溫度極限。換句話說,當(dāng) 采用較高油氣比時(shí),炭煙形成可能出現(xiàn)在稍低些的溫度。降低燃燒壓力提高了溫度極限。該 溫度極限通常在從1700K到約2000K的范圍,取決于以上因素以及燃油類型。最低預(yù)混油氣當(dāng)量比為1. 05或更高。此時(shí)發(fā)生自行著火且燃燒處于低溫燃燒模 式狀況的油氣比的確切范圍取決于用于容積210的壓縮比和影響缸內(nèi)氣體將因壓縮而升 溫達(dá)到的溫度的其它因素。該范圍也取決于進(jìn)氣溫度、充入燃燒室200的空氣量和在氣缸 充量中的尾氣比例。當(dāng)容積210內(nèi)的燃油和氧氣之比為用于燃燒的化學(xué)當(dāng)量的時(shí),達(dá)到了 1.0的油氣 當(dāng)量比。碳?xì)浠衔锶剂系幕瘜W(xué)當(dāng)量是會(huì)消耗掉所有可用氧且同時(shí)被全部轉(zhuǎn)化為完全燃燒 產(chǎn)物H2O和(X)2的量。增加噴油量以提供雙倍的燃油化學(xué)當(dāng)量將產(chǎn)生2. 0的油氣當(dāng)量比。獲得低溫燃燒所需要的最低油氣比可以通過降低缸內(nèi)氣體因壓縮被升溫的程度 來減小。將發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)成提供相對(duì)低的壓縮比將降低缸內(nèi)氣體通過壓縮沖程而升溫達(dá)到的 溫度。降低溫度和壓力增加了著火遲后期。提高油氣比也增加了著火遲后期(在富燃狀況 中)。因此,降低在TDC的溫度和壓力既減小最低油氣比(因促進(jìn)LTC),也減小最高油氣比 (因抑制自行著火)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,缸內(nèi)氣體通過壓縮沖程而升高達(dá)到的溫度和壓力通過 進(jìn)氣門提前關(guān)閉被降低。進(jìn)氣門提前關(guān)閉通常包括在燃燒室容積210處于小于其最大容積 的90%時(shí)且優(yōu)選在容積210處于其最大容積的大約84%時(shí)關(guān)閉進(jìn)氣門204。就缸內(nèi)壓力而 言,進(jìn)氣門提前關(guān)閉造成燃燒室容積210內(nèi)的壓力隨著活塞202接近下死點(diǎn)(BDC)而下降 到亞大氣壓。壓力下降到低于0.9巴。壓力優(yōu)選下降到大約0.8巴。
進(jìn)氣門提前關(guān)閉減少了將在進(jìn)氣沖程中被吸入容積210中的氣體量。相同的效果 可能以其它方式來獲得,例如對(duì)空氣進(jìn)氣節(jié)流。進(jìn)氣門提前關(guān)閉的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)并 精確控制具有可變氣門操縱機(jī)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)利用未針對(duì)本發(fā)明而設(shè)計(jì)的或被設(shè)計(jì)成適用 于起到支持高壓縮比的不同運(yùn)轉(zhuǎn)模式的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)來實(shí)施本發(fā)明時(shí),進(jìn)氣門提前關(guān)閉可能 是很有用的。進(jìn)氣門提前關(guān)閉使得發(fā)動(dòng)機(jī)有些像其具有較小的壓縮比時(shí)那樣運(yùn)轉(zhuǎn)。它縮小了在 環(huán)境狀況下的進(jìn)氣體積和在壓縮沖程終點(diǎn)的進(jìn)氣體積之間的比例。此外,為降低由壓縮沖 程實(shí)現(xiàn)的溫度和壓力,進(jìn)氣門提前關(guān)閉減小了在燃燒過程中在燃燒室200內(nèi)的氧氣濃度。 當(dāng)然,進(jìn)氣門204不應(yīng)該太早關(guān)閉。如果由壓縮產(chǎn)生的溫度和壓力增加是不充分的,則將不 會(huì)發(fā)生自行著火,無(wú)論預(yù)混油氣比是多少。減少燃燒室200所吸入的氣體量具有在燃燒過程中降低反應(yīng)速率的作用。圖5的 曲線圖60以貧燃燃燒為例示出了該現(xiàn)象。曲線圖60示出了減少進(jìn)氣壓力增加了在尾氣中 的不完全燃燒產(chǎn)物的存在。不完全燃燒產(chǎn)物由CO濃度曲線61和HC濃度曲線62表示。此 外,如尾氣溫度曲線63所示,較小的進(jìn)氣壓力降低了發(fā)動(dòng)機(jī)300的熱效率。在傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng) 機(jī)應(yīng)用中,不完全燃燒產(chǎn)物的增加和發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的降低將會(huì)是不利的,但是在下述的本 發(fā)明應(yīng)用和實(shí)施例中,這些是期望的結(jié)果。預(yù)噴給容積210提供1. 05或更高的油氣當(dāng)量比。圖6示出了提高油氣比是如何 提高尾氣中的化學(xué)能含量的。圖7表示多余量的燃油通過在發(fā)動(dòng)機(jī)300內(nèi)的燃燒被基本上 重整,產(chǎn)生了高比例的H2和CO。重整之后,可更容易使用燃油中的化學(xué)能。如上所述,如果預(yù)噴使油氣比太高,則不會(huì)發(fā)生自行著火,但一旦燃燒已經(jīng)開始, 則升高的溫度允許油氣比進(jìn)一步增大。因而,本發(fā)明提供了通過在正進(jìn)行燃燒時(shí)噴射額外 燃油到容積210中來增大油氣比的可選項(xiàng)。被噴入燃燒室200的額外燃油將被有效重整。必須限制預(yù)混油氣比以避免炭煙形成以及避免過長(zhǎng)的著火遲后期。圖6和圖7表 示,對(duì)于示例性狀況,如果油氣當(dāng)量比被設(shè)定為高于大約2. 0,則將會(huì)出現(xiàn)炭煙產(chǎn)生。炭煙生 成極限是非常近似的實(shí)際上可能是3. 0的油氣當(dāng)量比。如果期望提供比可用預(yù)混燃油更 高的化學(xué)能量含量,則可以如上所述地在燃燒過程中或者在更后來的在缸內(nèi)氣體已經(jīng)冷卻 到燃燒溫度以下后的膨脹沖程中噴油來增加該含量。當(dāng)缸溫降低時(shí),可允許較高的燃油量, 而沒有炭煙形成。對(duì)于經(jīng)轉(zhuǎn)換而按照本發(fā)明來工作的傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī),優(yōu)選的進(jìn)氣門提前關(guān)閉提供 一個(gè)富燃油氣比范圍,在該富燃油氣比范圍下,可以在很少利用或不利用EGR的情況下獲 得根據(jù)本發(fā)明的自行著火和低溫富燃燃燒。采用本文所述的指導(dǎo),本發(fā)明可以在利用普通 柴油的多種發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)施,盡管可能需要某些試驗(yàn)來找出適用于特定發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)的調(diào) 節(jié)值。在這樣的試驗(yàn)中變化的典型參數(shù)是預(yù)混油氣比和進(jìn)氣門提前關(guān)閉時(shí)刻。圖8提供了按照發(fā)明人所設(shè)想的低溫富燃模式運(yùn)轉(zhuǎn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)300的示例性方法 100的流程圖。方法100的第一步驟102是啟動(dòng)燃燒室200的進(jìn)氣沖程。該進(jìn)氣沖程包括 拉動(dòng)活塞202以使燃燒室200內(nèi)的容積210擴(kuò)張。進(jìn)氣門204為了進(jìn)氣沖程被打開。空氣 (可選地混有尾氣)在進(jìn)氣沖程中通過進(jìn)氣道212被吸入燃燒室容積210。排氣門206通常在整個(gè)進(jìn)氣沖程內(nèi)保持關(guān)閉。在進(jìn)氣沖程的部分中打開排氣門 206將從尾氣歧管中將尾氣吸入燃燒室200,并且這種打開是實(shí)現(xiàn)尾氣再循環(huán)的方法。尾氣歧管中的尾氣處于高溫,在使用這種EGR時(shí),通過傳統(tǒng)方法難以實(shí)現(xiàn)低溫燃燒。在低EGR率 情況下,低溫燃燒還是可行的,盡管有高的EGR氣體溫度。高溫EGR氣體對(duì)于氣化預(yù)噴燃油 和產(chǎn)生油氣混合物是有用的。下一個(gè)步驟106是提前關(guān)閉進(jìn)氣門204。在傳統(tǒng)的柴油循環(huán)中,進(jìn)氣門204保持打 開,直到活塞202達(dá)到其最遠(yuǎn)點(diǎn)(下死點(diǎn)),在該最遠(yuǎn)點(diǎn),容積210處于最大。提前關(guān)閉意味 著進(jìn)氣門204在進(jìn)氣沖程尚在進(jìn)行且容積210正在增大時(shí)關(guān)閉。進(jìn)氣門提前關(guān)閉對(duì)于實(shí)現(xiàn)低溫燃燒是違反直覺的。進(jìn)氣門提前關(guān)閉減少了將被吸 入容積210中的不活潑氣體的量。通常,增加容積210中的不活潑氣體的量被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn) 低溫燃燒的關(guān)鍵。不活潑氣體不僅稀釋氧氣,而且在燃燒時(shí)產(chǎn)生散熱作用。但事實(shí)表明,包 括減少氧氣濃度、減小絕熱溫升連同預(yù)噴在內(nèi)的上述優(yōu)點(diǎn)允許低溫燃燒在活潑氣體量減少 的情況下實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)氣門提前關(guān)閉106后,方法100繼續(xù)執(zhí)行完成進(jìn)氣沖程106和執(zhí)行壓縮沖程 108。壓縮沖程108包括將活塞202推入氣缸216中以減小容積210。進(jìn)氣門204和排氣門 206在壓縮沖程108中被關(guān)閉。滯留在容積210內(nèi)的氣體通過壓縮沖程108被壓縮。容積 210內(nèi)的壓力增大,滯留氣體的溫度升高。方法100還包括步驟110,該步驟提供將燃油預(yù)噴到燃燒室200中。優(yōu)選的是,利 用噴油器208直接噴射入容積210中。所噴射的燃油在在燃燒室200的當(dāng)前柴油循環(huán)中的 燃燒開始之前與容積210內(nèi)的空氣混合。預(yù)噴110可以在壓縮沖程108過程中在活塞202 處于與TDC之前至少20°曲軸轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的位置上的任何時(shí)刻進(jìn)行。預(yù)噴110也可在壓縮沖 程108之前在進(jìn)氣沖程中進(jìn)行。提前進(jìn)行預(yù)噴110改善了預(yù)噴燃油與缸內(nèi)空氣的混合。該預(yù)噴優(yōu)選以提前到足以使燃油與吸入空氣混合從而提供有效均質(zhì)的混合氣的 方式進(jìn)行。預(yù)噴燃油優(yōu)選在燃燒室200中在著火之前被氣化。在預(yù)噴110過程中,容積210 內(nèi)的熱和氧氣濃度不足以發(fā)生壓縮著火。如果被有效混合,則預(yù)噴燃油將通過與放熱燃燒 成比例地提高吸熱重整反應(yīng)的程度以及通過提供額外的熱質(zhì)來限制燃燒火焰溫度。因?yàn)檫@ 是最終目標(biāo),除了將燃油預(yù)噴到原先已充入的空氣,用于形成當(dāng)量油氣混合物的方法是用 于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的替代方式。預(yù)噴的優(yōu)點(diǎn)在于它只需要對(duì)傳統(tǒng)柴油機(jī)做簡(jiǎn)單改動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)300通過壓燃來工作并且沒有提供用于點(diǎn)火燃燒的火花塞。在典型的柴油 發(fā)動(dòng)機(jī)中,燃燒通過當(dāng)在容積210內(nèi)被活塞202壓縮的空氣已經(jīng)產(chǎn)生足夠的氧氣濃度和足 夠多的熱時(shí)將柴油噴入燃燒室容積210中來啟動(dòng)。當(dāng)燃油遇到熱的含氧氣體時(shí),燃燒在噴 入的燃油和空氣正混合的區(qū)域內(nèi)不均勻地發(fā)生。這是分層燃燒。在此例子中,在容積210內(nèi)的氣體已達(dá)到自行著火所需要的溫度和壓力之前,給 容積210供應(yīng)多余的燃油。燃燒在達(dá)到自行著火溫度和壓力之后馬上開始。油氣混合物在 此升高溫度和壓力下需要一定時(shí)間來發(fā)生著火。該時(shí)間是進(jìn)行主要燃燒化學(xué)反應(yīng)所需的。 在該時(shí)期(其時(shí)長(zhǎng)被稱為著火遲后期)之后,反應(yīng)物的濃度足以產(chǎn)生高燃燒速度。著火的 標(biāo)志就是溫度快速升高。如果容積210內(nèi)的溫度和壓力因容器210在著火前有時(shí)間擴(kuò)張而 降低太多,則著火可能無(wú)法發(fā)生,盡管曾短暫達(dá)到過所需要的溫度和壓力。自行著火所需要的溫度和壓力通過壓縮該容積210來產(chǎn)生。活塞202運(yùn)動(dòng)和截留 在燃燒室200內(nèi)的燃油和空氣的初始溫度和成分決定了著火時(shí)刻。本發(fā)明中,噴油無(wú)法被 用于控制著火時(shí)刻,因?yàn)樘砑痈嗳加椭唤o已是富燃的油氣混合物提供較高的油氣比,在富燃狀況下,該較高的油氣比與較貧燃的油氣比相比較不可燃。做功沖程112在壓縮沖程108結(jié)束時(shí)開始。在做功沖程開始時(shí),曲軸轉(zhuǎn)角處于TDC。 進(jìn)氣門204和排氣門206在做功沖程開始時(shí)被關(guān)閉??蛇x的是,補(bǔ)充燃油可以在步驟114在做功沖程112中被噴入容積210。在做功沖 程中早期提供該燃油噴射能提高補(bǔ)充燃油的重整度,但是,補(bǔ)充噴油不應(yīng)該太早進(jìn)行以至 干擾了自行著火。如以前所解釋地,由任何補(bǔ)充燃油噴射114引起的油氣比增大沒有促進(jìn) 著火,卻可能干擾著火。盡管如此,補(bǔ)充燃油噴射114可以在做功沖程中非常早地開始,可 能甚至比做功沖程開始還要早一些。噴入的燃油沒有瞬時(shí)混勻到整個(gè)容積210中。自行著 火可以在容積210的任何位置發(fā)生并且預(yù)期發(fā)生在多個(gè)位置上。補(bǔ)充燃油噴射114可以像 期待那樣早地開始,只要其開始時(shí)已足夠晚到容積210的某些部分在足夠長(zhǎng)的時(shí)段內(nèi)保持 基本不受補(bǔ)充燃油噴射114的影響以便發(fā)生自行著火。因?yàn)橛蛇M(jìn)氣沖程和預(yù)噴110提供的油氣充量是富燃的,所以在容積210內(nèi)的任何 位置的最高燃燒溫度基本上受到初始充量成分的限制。如果補(bǔ)充燃油噴射114影響到在任 何位置上的峰值溫度,則唯一的作用將會(huì)是通過在燃燒時(shí)增加混合物的富燃度來降低峰值 溫度。峰值溫度優(yōu)選處于1600K至2000K的范圍,最優(yōu)選地為大約1700K。在最典型的情況 下,初始充量的燃燒在進(jìn)行任何補(bǔ)充燃油噴射114的時(shí)候?qū)嵸|(zhì)上是完全的。溫度將已經(jīng)在 降低,并且補(bǔ)充燃油將只起到通過吸熱化學(xué)反應(yīng)和物理方式吸熱的作用。將在燃燒時(shí)出現(xiàn)的峰值溫度近似于在絕熱壓縮到TDC點(diǎn)之后出現(xiàn)的假定初始油 氣充量條件的絕熱火焰溫度。絕熱火焰溫度將受到預(yù)噴油量、燃燒室200的壓縮比、經(jīng)管道 212被吸入的氣體的溫度、量和成分連同在排氣沖程122后留在容器210中的尾氣的成分和 溫度的影響??梢赃M(jìn)行對(duì)峰值溫度估值的修正以考慮到缸內(nèi)氣體和缸壁之間的熱傳遞。燃燒溫度是不易測(cè)量的。而且,在典型的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中,燃燒將會(huì)在一定溫度范圍 在容積210內(nèi)在單個(gè)活塞循環(huán)中發(fā)生。因此,本發(fā)明的富燃低溫燃燒模式不是以燃燒溫度 量為特點(diǎn)。而是本發(fā)明的富燃低溫燃燒模式通過富燃油氣成分被充入容積210中并被允許 在燃燒前混合、混合物因壓縮而自行著火以及燃燒過程尾氣的NOx和炭煙都很低來表征。估 計(jì)燃燒溫度將會(huì)有助于確定任何給定的發(fā)動(dòng)機(jī)/燃油組合獲得本發(fā)明的富燃LTC模式的條 件,但是將可能需要某些試驗(yàn)來確定任何給定發(fā)動(dòng)機(jī)-燃油組合的所需設(shè)定條件。而在現(xiàn)有技術(shù)中,低溫燃燒在未冷卻EGR時(shí)需要至少70%的EGR率和在冷卻EGR 時(shí)需要至少陽(yáng)%的EGR率,而本發(fā)明在25 %或更低的、10 %或更低的冷卻EGR率或未冷卻 EGR率下實(shí)現(xiàn)低溫燃燒,甚至沒有EGR地實(shí)現(xiàn)低溫燃燒。這意味著,被構(gòu)造成未針對(duì)EGR或 未針對(duì)足夠高的EGR率或不設(shè)有EGR冷卻的發(fā)動(dòng)機(jī)可以被調(diào)整以按照本發(fā)明的低溫燃燒模 式來運(yùn)轉(zhuǎn)。減少對(duì)EGR的依賴作為實(shí)現(xiàn)具有高尾氣溫度的低溫燃燒的條件是重要的。如果采 用高的EGR率,則提高尾氣溫度的措施將使低溫燃燒模式難以或無(wú)法實(shí)現(xiàn)。在現(xiàn)有技術(shù)中, 通過冷卻來降低EGR氣體溫度以使實(shí)現(xiàn)低溫燃燒模式所需要的EGR量從70%減少到55%。 利用現(xiàn)有技術(shù)的方法,提高尾氣溫度將會(huì)增加所需的EGR率,這將快速達(dá)到一個(gè)無(wú)法滿足 的要求。減小EGR需求量減小了 EGR氣體溫度對(duì)燃燒溫度的影響并且使得提高尾氣溫度的 措施與低溫燃燒模式運(yùn)轉(zhuǎn)相容。步驟118是打開排氣門206。通常,這直到在步驟120的做功沖程的大致完成之前不會(huì)發(fā)生。盡管如此,在一個(gè)實(shí)施例中,排氣門206被提前打開,提前意味著明顯在做功沖 程結(jié)束之前。排氣門206提前打開提高了尾氣溫度,這可能在以下的應(yīng)用中是有用的。圖 1表示氣缸溫度如何在做功(膨脹)沖程中降低。尾氣溫度在排氣門206大約在BDC處被 打開時(shí)是最低的。如果排氣門被提前打開,則尾氣溫度將大致升高,因?yàn)楦诇卦贐DC之前比較高。在做功沖程中,在容積210中的膨脹氣體對(duì)活塞202做功。當(dāng)排氣門206被提前 打開時(shí),本應(yīng)被用于對(duì)活塞202做功的能量作為替代被轉(zhuǎn)換成熱能。排氣門206打開越早, 越多潛在的做功能量被轉(zhuǎn)換為熱。因而,排氣門206的打開時(shí)刻可用于將尾氣溫度控制在 與燃燒過程有關(guān)的極限內(nèi)。而現(xiàn)有技術(shù)的低溫燃燒模式提供了在從425至52 范圍內(nèi)的尾氣溫度。本發(fā)明 所提供的尾氣溫度一般是700K或更高。由本低溫燃燒模式提供的較高的尾氣溫度在以下 描述的應(yīng)用中是有利的。在較高溫度下產(chǎn)生尾氣的同時(shí),低溫燃燒模式可以被長(zhǎng)時(shí)間保持 下去。在做功沖程120完成后,執(zhí)行排氣沖程122。對(duì)于排氣沖程,排氣門206是打開的。 進(jìn)氣門204通常在排氣沖程中是關(guān)閉的。可選地,進(jìn)氣門204可以在排氣沖程122的部分階 段中被打開,以提供尾氣給管道212。這是另一種尾氣再循環(huán)方式,這被稱為內(nèi)部EGR。同 樣地,因?yàn)槲矚馔ǔL幱诤芨邷囟?,所以如果期望低溫燃燒,則這種尾氣再循環(huán)方式不會(huì)被 用在現(xiàn)有技術(shù)中。如在授予HU的美國(guó)專利US6932063中所述,可以給管道212配備這樣的容積,在 該容積中容納和冷卻直接由容積210提供的內(nèi)部EGR氣體。該容積的大小被設(shè)定成能容納 期望的EGR氣體量并且配置用于與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑或外界空氣進(jìn)行換熱。在發(fā)動(dòng)機(jī)300被配 置成切換至低溫燃燒模式操作和切換離開低溫燃燒模式運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),內(nèi)部EGR是非常有用的。 內(nèi)部EGR允許EGR率比在只使用傳統(tǒng)的或外部的EGR時(shí)更快速地被改變??焖偾袚Q避免了 發(fā)生在傳統(tǒng)燃燒模式狀況和低溫燃燒模式狀況之間的不期望有的工況。雖然冷的EGR氣體 可能有利于獲得低溫燃燒模式,但其在本發(fā)明中的效果比在現(xiàn)有技術(shù)中的效果差,因?yàn)楸?發(fā)明需要少許多的EGR氣體比例。冷的EGR氣體將增加著火遲后期并且在某些情況下是不 期望出現(xiàn)的。在排氣沖程122終點(diǎn),柴油循環(huán)可以又以步驟102開始重復(fù)進(jìn)行。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)300 通常包括多個(gè)燃燒室200。方法100可以在一個(gè)或多個(gè)這些燃燒室中周期性重復(fù)。在優(yōu)選 實(shí)施例中,方法100針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)300的所有的所述多個(gè)燃燒室200進(jìn)行,由此,燃燒室200 所產(chǎn)生的尾氣的成分和溫度是來自發(fā)動(dòng)機(jī)300的全部尾氣的代表。當(dāng)然,還是可以只根據(jù) 方法100操作發(fā)動(dòng)機(jī)300中的一部分氣缸。本發(fā)明不局限于操縱進(jìn)氣門204和排氣門206的任何特定方式。氣門啟閉的時(shí)刻 可以根據(jù)關(guān)于凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)的固定機(jī)械關(guān)系來控制。但在優(yōu)選實(shí)施例中,進(jìn)氣門204和排氣 門206通過可變氣門操縱機(jī)構(gòu)來控制??勺儦忾T操縱機(jī)構(gòu)允許動(dòng)態(tài)控制燃燒模式、低溫燃 燒條件和尾氣溫度。發(fā)動(dòng)機(jī)300可構(gòu)建成按照方法100工作?;蛘?,方法100可通過對(duì)具有可變氣門 操縱機(jī)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)300的發(fā)動(dòng)機(jī)控制器(ECU)的適當(dāng)編程來實(shí)現(xiàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)300具有ECU,其 被編程以按照低溫燃燒模式例如示例性方法100的低溫操作模式操作燃燒室200。編程程序可以總是以低溫燃燒模式或者只在選擇了低溫燃燒模式的時(shí)間操作燃燒室200。在任一 情況下,E⑶包括用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的低溫燃燒模式方法例如示例性方法100的步驟的 指令。發(fā)動(dòng)機(jī)300優(yōu)選是壓燃柴油發(fā)動(dòng)機(jī),盡管可以利用原先設(shè)計(jì)用于汽油和火花塞點(diǎn) 火的發(fā)動(dòng)機(jī)來實(shí)施本發(fā)明。通常,火花塞點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)不像柴油發(fā)動(dòng)機(jī)那樣耐用并且在由 壓燃工作產(chǎn)生的壓力下將很快磨損。盡管如此,設(shè)計(jì)用于火花塞點(diǎn)火的發(fā)動(dòng)機(jī)可以被改進(jìn) 以按照本發(fā)明來工作。作為預(yù)噴燃油來描述的燃油可以在被充入氣缸之前與空氣預(yù)混合。 本發(fā)明的富燃低溫燃燒模式不要求直接噴油到發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中。發(fā)動(dòng)機(jī)300的基本應(yīng)用是在例如如圖9和圖10所示的動(dòng)力發(fā)生系統(tǒng)301中。動(dòng) 力發(fā)生系統(tǒng)301包括發(fā)動(dòng)機(jī)300和固體氧化物燃料電池312。發(fā)動(dòng)機(jī)300的尾氣被引導(dǎo)向 燃料電池312的燃料側(cè)??蛇x地,燃油重整器320配置在尾氣管路310中,用于在尾氣從發(fā) 動(dòng)機(jī)300流向燃料電池312時(shí)處理尾氣。其所有的燃燒室200均按照方法100工作的發(fā)動(dòng)機(jī)300給軸316提供機(jī)械動(dòng)力, 同時(shí)也提供化學(xué)能高的灼熱尾氣?;瘜W(xué)能被燃料電池312用來產(chǎn)生電能。尾氣熱幫助保持 燃料電池312處于工作溫度。當(dāng)包含可選用的燃油重整器320時(shí),尾氣熱保持燃油重整器 320的溫度并且能支持在該裝置中的吸熱重整反應(yīng)。燃油重整器320可以進(jìn)一步重整來自發(fā)動(dòng)機(jī)300的部分燃燒產(chǎn)物。如果燃油重整 器320被供以二次空氣,則燃油重整器320可提供附加熱來驅(qū)動(dòng)重整反應(yīng)并維持燃料電池 312處于工作溫度。燃油重整器320(如果有)的主要功能是重整還未在發(fā)動(dòng)機(jī)300內(nèi)接受 重整的補(bǔ)充燃油。這樣的補(bǔ)充燃油可能已經(jīng)在做功沖程后段或在排氣沖程過程中被噴入發(fā) 動(dòng)機(jī)300,或者可以已經(jīng)利用噴油器322在發(fā)動(dòng)機(jī)下游被噴入尾氣中。優(yōu)選的是,發(fā)動(dòng)機(jī)尾 氣提供了足以支持補(bǔ)充燃油重整的熱。還要注意的是,燃油重整可以在燃料電池312內(nèi)執(zhí) 行,而不在單獨(dú)的燃油重整器320中進(jìn)行。固體氧化物燃料電池312提供來自發(fā)動(dòng)機(jī)300和燃油重整器320的包括重整產(chǎn)物 在內(nèi)的不完全燃燒產(chǎn)物的基本轉(zhuǎn)換。因?yàn)橛砂l(fā)動(dòng)機(jī)300產(chǎn)生的其它主要污染物通過利用低 溫燃燒模式而大部分得以避免,所以燃料電池312可以通過有效除去不完全燃燒產(chǎn)物來基 本凈化尾氣。如果需要,可以設(shè)置帶有二次空氣源的凈化氧化催化器,用于除去尚未被燃料 電池312轉(zhuǎn)化的任何不完全燃燒產(chǎn)物。由燃料電池312產(chǎn)生的電力可被用于適當(dāng)目的。通常,由燃料電池312產(chǎn)生的電 能的量將在數(shù)量級(jí)上與發(fā)動(dòng)機(jī)300的機(jī)械能輸出量相似或更高。在優(yōu)選實(shí)施例中,設(shè)有電 動(dòng)機(jī)314,由此可以將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并可被用來驅(qū)動(dòng)軸316。還優(yōu)選的是,動(dòng)力發(fā)生系 統(tǒng)301包括用于儲(chǔ)存多余電能的能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)318。優(yōu)選的是,電動(dòng)機(jī)314可以逆轉(zhuǎn)運(yùn)行, 以便在由發(fā)動(dòng)機(jī)300產(chǎn)生的機(jī)械能的全部或部分不需要被用于驅(qū)動(dòng)軸316的期間內(nèi)利用機(jī) 械能來產(chǎn)生電力。軸316和電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)314于是也可以被用于再生制動(dòng)。該燃料電池312將C0、H2和其它有機(jī)化合物氧化成水和CO2,同時(shí)產(chǎn)生相當(dāng)?shù)碾娏?量。相當(dāng)?shù)碾娏α渴强膳c發(fā)動(dòng)機(jī)300輸出相當(dāng)?shù)牧?。燃料電?12優(yōu)選相當(dāng)多地降低尾氣 中的CO和未燃燒的有機(jī)化合物的濃度。優(yōu)選的是,燃料電池312除去尾氣中至少大約50% 的⑶,更優(yōu)選的是至少大約80%,還更優(yōu)選的是至少約90%。本文所用的術(shù)語(yǔ)“燃料電池” 包括含有許多獨(dú)立的并聯(lián)或串聯(lián)的燃料電池的裝置。該燃料電池可以具有任何合適的結(jié)
14構(gòu)。合適的結(jié)構(gòu)例如包括管形結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)。通常,固體氧化物燃料電池的特征是其電解質(zhì)。可以使用任何適當(dāng)?shù)碾娊赓|(zhì)。電解 質(zhì)的例子包括穩(wěn)定的鋯,例如IO3穩(wěn)定的&02;基于二氧化鈰的氧化物、氯化物和氟化物, 例如釓摻雜的( ;氧化鋁電解質(zhì),例如氯化物、氟化物或鈉摻雜的氧化鋁;鑭電解質(zhì),例如 鍶摻雜的亞錳酸鑭和鎵酸鑭;摻雜的鉍氧化物,例如鉍釩鈷氧化物。陽(yáng)極和陰極可以是任何合適類型的。合適的電極具有與電解質(zhì)材料的低熱失配。 陰極是導(dǎo)電的,與氧氣反應(yīng)生成氧離子,并且允許離子游向電解質(zhì)或離開電解質(zhì)。取決于該 電解質(zhì),合適的陰極材料可以是多孔的亞錳酸鑭鍶、鐵酸鑭鍶或者鐵酸鑭鍶鈷。陽(yáng)極也是導(dǎo) 電的并且允許離子通過。合適的陽(yáng)極材料可以是鎳。示例性陽(yáng)極材料和陰極材料通常與電 解質(zhì)材料混合,因?yàn)檫@通常產(chǎn)生更好的性能。優(yōu)選的燃料電池是中溫固體氧化物燃料電池(ITSOFC)。中溫固體氧化物燃料電池 是在約250°C至約600°C范圍內(nèi)工作的燃料電池,更優(yōu)選的是可在400°C至550°C范圍內(nèi)的 溫度下工作的燃料電池。在一個(gè)溫度下工作是指該燃料電池可以在該溫度下至少在由CO 產(chǎn)生能量方面能相當(dāng)有效地工作相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。ITSOFC的例子包括質(zhì)子傳導(dǎo)的鈣鈦礦如 BaZrO3^ BaCeO3和SrCe03。這種燃料電池的典型工作范圍是從約400°C至約700°C。ITSOFC的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它沒有把尾氣加熱到像具有較高工作溫度的固體氧化物燃 料電池(SOFC)那樣高的程度。在帶燃料電池的現(xiàn)有技術(shù)的車輛中,來自SOFC尾氣的廢熱 可以部分由發(fā)動(dòng)機(jī)通過EGR或加熱發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑來回收。在本發(fā)明中,這樣的熱回收通常 不實(shí)際或無(wú)效。因此,ITSOFC的選擇導(dǎo)致當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)300以低溫燃燒模式運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的燃油經(jīng)濟(jì) 性的顯著改善。自行著火要求小心控制影響著火點(diǎn)的多種因素。本發(fā)明的富燃低溫燃燒模式的要 求條件限制了發(fā)動(dòng)機(jī)300可以運(yùn)轉(zhuǎn)的扭矩-速度范圍。因?yàn)檫@些緣故,優(yōu)選發(fā)動(dòng)機(jī)300被 限制到在狹窄的扭矩-速度范圍內(nèi)工作。面對(duì)變化的動(dòng)力需求,發(fā)動(dòng)機(jī)300可通過以下多 種做法中的至少一種被保持在狹窄的扭矩-速度范圍提高來自發(fā)動(dòng)機(jī)300的扭矩或撤去 多余扭矩來改變電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)314施加在軸316上的載荷,改變供給燃油重整器320的 多余燃油量和進(jìn)而燃料電池312的電力輸出,改變能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)318的存儲(chǔ)率或取用率,在 有多余動(dòng)力和能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)318已充滿時(shí)關(guān)停發(fā)動(dòng)機(jī)300。例如,動(dòng)力發(fā)生系統(tǒng)301可以被控制以給車輛提供動(dòng)力,同時(shí)限制發(fā)動(dòng)機(jī)300在特 定的扭矩-速度點(diǎn)或關(guān)停狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。圖11提供了有限狀態(tài)機(jī)曲線30,其表示該控制系 統(tǒng)。該運(yùn)轉(zhuǎn)以發(fā)動(dòng)機(jī)處于關(guān)停狀態(tài)31開始。在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)停狀態(tài)31,發(fā)動(dòng)機(jī)300和燃料電池 都不接收燃油或不產(chǎn)生動(dòng)力。通過向能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)318提取來滿足動(dòng)力需求。如果需要扭 矩來驅(qū)動(dòng)車輛,則扭矩由電動(dòng)機(jī)314提供。如果滿足了兩個(gè)條件中任一個(gè)條件,則動(dòng)力發(fā)生系統(tǒng)301脫離發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)停狀態(tài) 31。這些條件之一是在存儲(chǔ)能量被耗到或低于目標(biāo)水平時(shí)的動(dòng)力需求。此條件的一個(gè)替代 條件是在不考慮是否有當(dāng)前動(dòng)力需求的情況下簡(jiǎn)單檢查存儲(chǔ)能量是否耗盡。可造成從發(fā)動(dòng) 機(jī)關(guān)停狀態(tài)31過渡至發(fā)動(dòng)機(jī)接通狀態(tài)32的另一條件是不可能通過只向存儲(chǔ)的能量提取來 滿足的動(dòng)力需求。例如存在可由電動(dòng)機(jī)314產(chǎn)生的最大扭矩。如果駕駛員要求更高的扭矩, 則這無(wú)法在不起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)300的情況下產(chǎn)生,因此發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩加上電動(dòng)機(jī)314的輸出。同 樣,存在可從能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)318中獲取的最大電流。如果需要更多的電力,則發(fā)動(dòng)機(jī)300被啟動(dòng),從而可以由燃料電池和電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)314以及能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)318提供電力。在發(fā)動(dòng)機(jī)接通狀態(tài)32,發(fā)動(dòng)機(jī)300和燃料電池312都在產(chǎn)生動(dòng)力。發(fā)動(dòng)機(jī)300在 狹窄的扭矩-速度范圍內(nèi)以相對(duì)恒定的供油速率運(yùn)轉(zhuǎn),從而它提供基本恒定大小的扭矩。 同樣,發(fā)動(dòng)機(jī)300產(chǎn)生穩(wěn)定的重整燃油流以供燃料電池312使用。在此例子中沒有補(bǔ)充燃 油噴射到尾氣管路中,因此燃料電池312也只有一個(gè)產(chǎn)生能量的速率。電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)314 可被用于改變電力和機(jī)械動(dòng)力之間的比例,但動(dòng)力發(fā)生系統(tǒng)的總動(dòng)力輸出在工作狀態(tài)32 中是固定不變的。如果總的動(dòng)力需求超過發(fā)動(dòng)機(jī)300和燃料電池312的輸出,則補(bǔ)充動(dòng)力 可以由能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)318在規(guī)定時(shí)間內(nèi)提供補(bǔ)充動(dòng)力。如果總的動(dòng)力需求小于發(fā)動(dòng)機(jī)300 和燃料電池312的輸出,多余能量被存儲(chǔ)在能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)318中。如果當(dāng)能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)318 達(dá)到其容量時(shí)還在產(chǎn)生多余能量,則動(dòng)力發(fā)生系統(tǒng)300轉(zhuǎn)變至發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)停狀態(tài)31。在一個(gè)替代實(shí)施例中,工作狀態(tài)32包括提供補(bǔ)充燃油給該燃料電池312,例如通 過在做功沖程或者排氣沖程中噴射燃油到尾氣管路310中或者通過噴射補(bǔ)充燃油到容積 210中。補(bǔ)充噴油的速率可以是固定不變的。在一個(gè)實(shí)施例中,沒有補(bǔ)充噴油。另一個(gè)實(shí)施 例中存在與尾氣溫度匹配的燃油噴射速率,由此一來,在尾氣中存在剛好足夠的能量來重 整補(bǔ)充燃油,同時(shí)維持燃油重整器320和燃料電池312處于工作溫度。燃油重整器320和燃料電池312—般可以在補(bǔ)充噴油率的范圍內(nèi)針對(duì)給定的尾氣 流速和溫度工作。在一個(gè)替代實(shí)施例中,采用該范圍并且該補(bǔ)充噴油率在動(dòng)力需求增大時(shí) 被提高。這可以由添加至圖10的有限狀態(tài)曲線30的第三狀態(tài)表示。而狀態(tài)32是發(fā)動(dòng)機(jī) 接通且具有可為0的預(yù)定不變的補(bǔ)充燃油噴射率的狀態(tài),第三狀態(tài)是發(fā)動(dòng)機(jī)接通且具有相 對(duì)高的燃油噴射率的狀態(tài)。從狀態(tài)32過渡至第三狀態(tài)是在動(dòng)力需求超過由發(fā)動(dòng)機(jī)300和 燃料電池312在狀態(tài)32所提供的輸出時(shí)進(jìn)行的。當(dāng)動(dòng)力需求減小時(shí),該系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)變回到 狀態(tài)32。如果設(shè)置二次空氣源來使氧氣可用于在燃油重整器320中的燃燒,補(bǔ)充燃油率的 潛在范圍可以被增大。對(duì)曲線30的運(yùn)轉(zhuǎn)計(jì)劃的另一個(gè)潛在改進(jìn)依賴于以下設(shè)想,可以針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)300識(shí) 別幾個(gè)穩(wěn)定可靠的富燃低溫燃燒模式運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)(“甜區(qū)”)。這些不同運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)中的每一個(gè) 的特征將會(huì)是運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)的特定組合發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速rpm,通過預(yù)噴獲得的油氣比,進(jìn)氣門時(shí)刻 和EGR率,或者特定扭矩-速度點(diǎn)。如上所述地允許動(dòng)力需求的小變化,未擾亂發(fā)動(dòng)機(jī)300 的運(yùn)轉(zhuǎn)。在每個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)中,發(fā)動(dòng)機(jī)300被控制以保持發(fā)動(dòng)機(jī)處于目標(biāo)狀態(tài),這與控制發(fā)動(dòng) 機(jī)以迎合當(dāng)前扭矩、速度或動(dòng)力需求不同??墒?,對(duì)電力或機(jī)械動(dòng)力的需求的大變化可以通 過突然使發(fā)動(dòng)機(jī)300從一個(gè)富燃低溫燃燒模式運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)變至另一個(gè)富燃低溫燃燒模式 運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的階段變化來滿足。有許多可供選擇的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)簡(jiǎn)化了對(duì)不同動(dòng)力需求的滿足。在以上這些例子中,燃料電池312 —直未被投入使用,直到發(fā)動(dòng)機(jī)300也被接通。 在一個(gè)替代實(shí)施方式中,當(dāng)燃油重整器320被預(yù)熱時(shí),燃料電池312可以在發(fā)動(dòng)機(jī)300關(guān)停 的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)300可以作為泵運(yùn)轉(zhuǎn),提供空氣以與燃油反應(yīng)。用于此替代實(shí)施方 式的另一個(gè)可實(shí)現(xiàn)的選擇是用于尾氣管路310的二次空氣源。二次空氣源可以例如是設(shè)計(jì) 用于給尾氣管路310供應(yīng)空氣的空氣泵或文丘里管。將燃油重整器320設(shè)計(jì)成獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)300地運(yùn)轉(zhuǎn)是有用的,但是產(chǎn)生其它的設(shè) 計(jì)要求并失去該系統(tǒng)的某些優(yōu)點(diǎn),在該系統(tǒng)中依賴發(fā)動(dòng)機(jī)300來提供熱能給燃油重整器 320和燃料電池312。燃油重整器320和燃料電池312需要熱。通過以富燃低溫燃燒模式運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)300來產(chǎn)生該熱提供了同時(shí)有效清潔地產(chǎn)生機(jī)械動(dòng)力的機(jī)會(huì)。來自發(fā)動(dòng)機(jī)300 的本來的廢熱變成尾氣系統(tǒng)裝置所需要的熱源。本來會(huì)變?yōu)槲廴疚?不完全燃燒產(chǎn)物)的 物質(zhì)變?yōu)槿剂?。于是,在以富燃低溫燃燒模式運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)300和由燃料電池312和可能有 的燃油重整器320處理尾氣之間存在協(xié)同配合。另一個(gè)協(xié)同配合問題是以富燃低溫燃燒模式運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)300有助于運(yùn)轉(zhuǎn)尾氣管 路的燃油重整器320。在尾氣管路的燃油重整器320的功能是在產(chǎn)生重整產(chǎn)物(燃油重整 產(chǎn)物)以供下游裝置使用時(shí)從尾氣中除去氧的情況下,事實(shí)證明在產(chǎn)生期望量的重整產(chǎn)物 的同時(shí)保持燃油重整器320的溫度是很難的。在現(xiàn)有技術(shù)中,應(yīng)對(duì)手段例如使供給燃油重 整器320的燃油脈沖化通常對(duì)阻止燃油重整器320過熱是必需的。脈沖化提供了允許燃油 重整器320冷卻的時(shí)間段。這些冷卻時(shí)間段也是燃油重整器320不能用于執(zhí)行其既定功能 的時(shí)間。本發(fā)明允許尾氣管路的燃油重整器320的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。本發(fā)明可以免除燃油重整器 320的從尾氣中除去多余氧氣的責(zé)任。通過按照本發(fā)明運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)300提供基本無(wú)氧的尾 氣消除了過熱尾氣管路裝置中燃燒的可能性。在發(fā)動(dòng)機(jī)300按照富燃低溫燃燒模式的工作和燃油重整器320在發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣流中 工作之間的協(xié)調(diào)配合作用在圖12所示的動(dòng)力發(fā)生系統(tǒng)401中也是有用的。在動(dòng)力發(fā)生系 統(tǒng)401中,燃油重整器320不用于燃料電池312。相反,燃油重整器320提供用于再生貧燃 NOx阱402 (或者被稱為L(zhǎng)NT、NOx吸收催化器或者NOx阱催化器)的重整產(chǎn)物.對(duì)于系統(tǒng)401,發(fā)動(dòng)機(jī)300通常按照產(chǎn)生NOx的傳統(tǒng)貧燃模式工作。貧燃NOx阱 402在貧燃期間內(nèi)收集NOx并且必須定期地再生以除去所收留的N0X。貧燃NOx阱402也集 聚SOx并且必須被再生較長(zhǎng)但不太頻繁的時(shí)間段以除去累積的S0X。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)300怠速運(yùn)轉(zhuǎn)或低功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),這些再生是非常困難的。在低功率和怠 速時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)300產(chǎn)生具有高含氧量的低溫尾氣。必須提供大量燃油給尾氣以除氧。除氧 產(chǎn)生了大量熱。理想的是,利用吸熱氣流重整反應(yīng)來吸收該熱。作為一個(gè)實(shí)際問題,難以平 衡吸熱和放熱反應(yīng)的速率。而且,高供油速率可以提供可被有效使用的更多還原產(chǎn)物。這 對(duì)脫硫來說尤其是一個(gè)問題。脫硫條件必須被保持一段延長(zhǎng)時(shí)間并且脫硫只緩慢消耗還原 產(chǎn)物。燃油重整器320的熱力學(xué)自行運(yùn)轉(zhuǎn)(放熱燃燒平衡吸熱蒸氣重整)將產(chǎn)生比能被有 效使用多許多的還原產(chǎn)物。燃燒多余的還原產(chǎn)物產(chǎn)生其它的熱處置問題。實(shí)際上,當(dāng)尾氣氧氣濃度高時(shí),在發(fā)動(dòng)機(jī)300貧燃運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)再生LNT 402牽涉到在尾 氣管路310中的大量放熱反應(yīng)。該熱始終是損壞燃油重整器320和/或LNT 402的威脅。 在允許燃油重整器320和LNT 402在脈沖之間冷卻的同時(shí)以脈沖方式執(zhí)行脫硫的解決方案 不太理想。在脈沖之間,尾氣變得貧燃,來自尾氣的氧氣被存儲(chǔ)在LNT 402中。該氧氣必須 在隨后的富燃階段中被燃盡。溫度控制是困難的并且以脈沖方式執(zhí)行脫硫延長(zhǎng)了脫硫所需 要的時(shí)間和脫硫所需要的耗油量。在系統(tǒng)401中,當(dāng)要求LNT 402再生時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)300被切換至以富燃低溫燃燒模式 運(yùn)轉(zhuǎn)。這可以針對(duì)所有再生進(jìn)行,或者可選擇地只針對(duì)某種再生進(jìn)行。例如,富燃低溫燃燒 模式可以被用于當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)300處于低功率狀態(tài)或怠速狀態(tài)時(shí)所要求的再生。作為替代或補(bǔ) 充,富燃低溫燃燒模式可以只被用于脫硫。在富燃低溫燃燒模式中,發(fā)動(dòng)機(jī)300在可以進(jìn)行 低溫燃燒模式運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生重整產(chǎn)物并潛在消除對(duì)燃油重整器320的需要。即使當(dāng)富燃低溫模式不是產(chǎn)生重整產(chǎn)物的主要手段,但它是燃油重整器320的有效補(bǔ)充。當(dāng)燃油重整器320低于其熄燈溫度時(shí),可采用富燃低溫燃燒模式,該熄燈溫度是燃 油重整器320由此開始有效催化燃燒并因此能通過在燃油重整器320上游被噴入尾氣的燃 油被加熱的溫度。在此例子中,富燃低溫燃燒模式至少加熱燃油重整器到熄燈溫度。優(yōu)選的燃油重整器320在氧化反應(yīng)和氣流重整反應(yīng)中均依靠柴油來工作。蒸汽重 整需要至少約500°C,該溫度總體高于尾氣溫度。因此,燃油重整器320必須在貧燃條件下 被大體加熱到至少約500°C,隨后它能被用來產(chǎn)生重整產(chǎn)物以再生LNT 402。富燃低溫燃燒 模式可被一路用來加熱重整器到氣流重整溫度。燃油重整器是在沒有充分燃燒燃油的情況下將較重的燃油轉(zhuǎn)變?yōu)檩^輕的化合物 的裝置。適用于燃油重整器320的氧化催化劑包括貴金屬,例如在大表面面積的氧化物載 體例如摻雜有La的鋁上的Pt和Pd。優(yōu)選的重整催化劑是Rh,最優(yōu)選的是在摻雜有La的 ZrO2的載體上。與設(shè)計(jì)用來在低于450°C的溫度執(zhí)行其主要功能的氧化催化器或三元催化 器相比,重整器優(yōu)選是小尺寸的。燃油重整器320通常在從約500°C至約800°C范圍的溫度 工作。優(yōu)選的整體載體是金屬膜單件體。典型的重整器在大約250°C的溫度熄燈,盡管本發(fā) 明允許具有更高的熄燈溫度例如300°C或更高的重整器。LNT是一個(gè)在貧燃狀況下吸收NOx并在富燃狀況下釋放出所吸收的NOxW裝置。LNT 通常包含在不活潑載體上相互緊密接觸的NOx吸收劑和貴金屬催化劑。NOx吸收劑的例子 包括堿土金屬如Mg、Ca、Sr和Ba或者堿金屬如K或Cs的某些氧化物、碳酸鹽和氫氧化物。 這些物質(zhì)可逆地與NOx反應(yīng)而形成收留NOx的化合物。貴金屬一般包括Pt、Pd和1 中的至 少一種。載體一般是單件體,盡管可以采用其它載體結(jié)構(gòu)。單件體式載體一般是陶瓷,盡管 其它材料例如金屬和SiC也適用于LNT載體??梢宰鳛橹辽賰蓚€(gè)單獨(dú)塊來提供LNT 402。LNT 402時(shí)不時(shí)地在富燃階段中被再生以除去集聚的NOx(脫氮)。脫氮通常牽涉 到加熱燃油重整器320到工作溫度和隨后利用燃油重整器320來產(chǎn)生重整產(chǎn)物。重整產(chǎn)物 減少了 LNT 402所吸收的N0X??刂破鞲鶕?jù)與包含LNT 402在內(nèi)的尾氣處理系統(tǒng)或其部分的狀態(tài)和/或性能相關(guān) 的標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)劃LNT 402的脫氮。用于規(guī)劃LNT脫氮的標(biāo)準(zhǔn)可能基于LNT負(fù)荷。LNT負(fù)荷的 特點(diǎn)可能是所累積的NOx量、剩余NOx存儲(chǔ)能力、飽和度百分比或這類其它參數(shù)。已經(jīng)提出 了用于估算NOx負(fù)荷和/或剩余NOx存儲(chǔ)能力的許多方法。這些方法通常牽涉到將NOx存 儲(chǔ)率估值積分并將該結(jié)果和NOx存儲(chǔ)估計(jì)能力進(jìn)行比較。LNT 402還必須時(shí)不時(shí)地被再生,以除去集聚的硫化合物(脫硫)。脫硫牽涉到加 熱燃油重整器320至工作溫度、加熱LNT 402至脫硫溫度和給被加熱的LNT 402提供富燃 環(huán)境。脫硫溫度可以變化,但一般在約500°C至約800°C范圍內(nèi),最佳溫度一般在約650°C至 約750°C范圍內(nèi)。如果低于最低溫度,則脫硫非常緩慢。如果高于最高溫度,則LNT 402可 能受損。本發(fā)明的優(yōu)選系統(tǒng)被構(gòu)造成不帶用于控制尾氣向燃油重整器320流動(dòng)的閥門或 節(jié)流器。尾氣管路閥門具有高的故障率并且使得滿足尾氣后處理系統(tǒng)可靠耐用的要求難以 實(shí)現(xiàn)。富燃低溫燃燒模式有利于以這樣的速率接受發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的燃油重整器的工作,該速 率不受控制或沒有針對(duì)燃油重整器320的要求來控制。由以下權(quán)利要求書限定的發(fā)明已經(jīng)就某些設(shè)想、組成部件和特征而言被示出和/ 或說明。盡管在此已經(jīng)關(guān)于幾個(gè)設(shè)想或例子中的僅一個(gè)或廣義和狹義地描述了特定的組成
18部件或特征,但在其廣義或狹義設(shè)想中的這些組成部件或特征可以與其廣義或狹義設(shè)想中 的至少一個(gè)其它組成部件或特征組合,其中,這樣的組合將會(huì)被本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)為是符 合邏輯的。工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明有效用于以低排放制造和操作動(dòng)力發(fā)生系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種具有燃燒室O00)的發(fā)動(dòng)機(jī)(300),包括燃燒室000),其運(yùn)轉(zhuǎn)以使由該燃燒室(200)包圍的容積(210)交替擴(kuò)張和收縮; 用于該燃燒室(200)的進(jìn)氣門004),該進(jìn)氣門被控制以在該容積(210)正擴(kuò)張時(shí)給該 燃燒室(200)容積(210)供應(yīng)空氣充量;噴油器O08),其被控制以將燃油預(yù)噴入該燃燒室(200)容積(210)從而與該空氣充量 混合,預(yù)噴量給混合物提供富燃油氣比,預(yù)噴時(shí)刻被控制以在混合物開始燃燒之前在該燃 燒室O00)內(nèi)產(chǎn)生富燃混合物;受控制的空氣充量和預(yù)噴量是這樣的,即,富燃油氣混合物將因?yàn)樵撊莘eO10)收縮 而造成的壓縮而在該燃燒室O00)內(nèi)自行著火,所述量還被如此調(diào)整,即,混合物將在這樣 的溫度燃燒,該溫度保持低于將會(huì)產(chǎn)生大量炭煙的溫度,該燃燒室O00)由此起到產(chǎn)生富 燃且基本上不含NOx和炭煙的尾氣的作用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)(300),其中,該進(jìn)氣門(204)被控制以便在該容積 (210)已經(jīng)完全擴(kuò)張之前通過關(guān)閉該進(jìn)氣門(204)來限制空氣充量,該進(jìn)氣門(204)被控制 以便在導(dǎo)致在完全擴(kuò)張時(shí)該容積O10)內(nèi)處于亞大氣壓的時(shí)刻關(guān)閉,該亞大氣壓是0.9大 氣壓或更低。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)(300),其中,還包括用于該燃燒室O00)的排氣門 006),該排氣門被控制以在燃燒室(200)容積(210)擴(kuò)張結(jié)束之前一個(gè)足夠早的時(shí)刻打 開,從而導(dǎo)致排氣溫度比允許在排氣門(206)打開之前結(jié)束擴(kuò)張的情況高。
4.一種動(dòng)力發(fā)生系統(tǒng)(301),包括 根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)動(dòng)機(jī)(300);固體氧化物燃料電池(312),它具有空氣側(cè)和燃料側(cè)并配置用于在其燃料側(cè)接收發(fā)動(dòng) 機(jī)(300)尾氣并且在利用化學(xué)能產(chǎn)生電力的情況下起到顯著減小尾氣化學(xué)能含量的作用。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的動(dòng)力發(fā)生系統(tǒng)(301),其中,該燃料電池(312)是中溫固體氧 化物燃料電池(312),該燃燒室(200)的作用是在該燃料電池(312)工作的溫度產(chǎn)生富燃尾氣。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的動(dòng)力發(fā)生系統(tǒng)(301),其中,還包括燃油重整器(320),配置用于在該燃燒室(200)和該固體氧化物燃料電池(31 之間處理尾氣;該燃燒室O00)的作用是在高于250°C的且高于該燃油重整器(320)的熄燈溫度的溫 度產(chǎn)生富燃尾氣。
7.一種動(dòng)力發(fā)生系統(tǒng)(401),包括 根據(jù)權(quán)利要求1的壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)(300);貧燃NOx阱002),配置用于處理來自發(fā)動(dòng)機(jī)(300)的尾氣,該貧燃NOx阱(402)是在 貧燃狀況下吸收和存儲(chǔ)NOx并在富燃狀況下釋放并降低所吸收的NOx的裝置;控制器,它被編程以在完成該貧燃NOx阱002)的脫硫時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)(300)從富燃低溫 燃燒模式切換到貧燃模式。
8.一種按照低溫燃燒模式操作燃燒室O00)的方法,包括按照包含進(jìn)氣沖程、壓縮沖程、做功沖程和排氣沖程的循環(huán)操作該燃燒室(200); 在進(jìn)氣沖程中給該燃燒室(200)供應(yīng)空氣充量;給該燃燒室(200)供應(yīng)燃油充量以便與該空氣充量混合,從而得到至少1. 05的油氣當(dāng) 量比,在該壓縮沖程中在該循環(huán)到達(dá)在上死點(diǎn)之前20°曲軸轉(zhuǎn)角的時(shí)刻使該燃油和空氣充 量已存在于該燃燒室O00)中;按照這樣的量和狀況供應(yīng)燃油和空氣充量,即混合物因?yàn)橛蓧嚎s沖程產(chǎn)生的熱和壓力 而自行著火;燃油和空氣充量和燃燒的其它條件被進(jìn)一步檢驗(yàn)以限制最終燃燒溫度低到足以使燃 燒不產(chǎn)生大量炭煙。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法,其中,空氣充量通過在進(jìn)氣沖程結(jié)束之前關(guān)閉進(jìn)氣門 (204)來限制,該關(guān)閉提前到足以導(dǎo)致在進(jìn)氣沖程終點(diǎn)在燃燒室O00)內(nèi)存在亞大氣壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法,其中,該發(fā)動(dòng)機(jī)(300)是壓燃柴油發(fā)動(dòng)機(jī)(300),它具 有可變氣門機(jī)構(gòu)并且燃料是柴油。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法,其中,該發(fā)動(dòng)機(jī)(300)被設(shè)計(jì)用來按照包括柴油直噴 和分層燃燒的傳統(tǒng)柴油循環(huán)方式工作。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法,其中,該燃燒室O00)的工作產(chǎn)生具有高于250°C溫 度的尾氣;該燃燒室(200)在無(wú)尾氣循環(huán)或具有25%或更低的尾氣再循環(huán)率的情況下工 作。
13.一種操作動(dòng)力發(fā)生系統(tǒng)的方法,該動(dòng)力發(fā)生系統(tǒng)包括內(nèi)燃機(jī)(300)和具有空氣側(cè) 和燃料側(cè)的固體氧化物燃料電池(312),包括根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法操作該發(fā)動(dòng)機(jī) (300)的多個(gè)燃燒室Q00);供應(yīng)該發(fā)動(dòng)機(jī)(300)尾氣給該固體氧化物燃料電池(31 的燃 料側(cè)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法,其中,還包括添加額外燃油到尾氣中并且在燃油重 整器(320)中重整尾氣中的燃油,隨后將尾氣和經(jīng)過重整的燃油送往該燃料電池(312)的 燃料側(cè)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法,其中,在該燃油重整器(320)中重整燃油所需的能量 完全由該發(fā)動(dòng)機(jī)(300)尾氣中的熱得到。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法,其中,還包括通過改變排氣門(206)的打開時(shí)刻來調(diào)整尾氣溫度。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法,其中,還包括如此穩(wěn)定該發(fā)動(dòng)機(jī)(300)的工作,通過 在保持發(fā)動(dòng)機(jī)(300)的機(jī)械動(dòng)力輸出相對(duì)穩(wěn)定的同時(shí)從電動(dòng)機(jī)(314)中取用可變的機(jī)械動(dòng) 力來響應(yīng)對(duì)機(jī)械動(dòng)力的變動(dòng)的需求。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法,其中,穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)(300)的工作還包括當(dāng)該發(fā)動(dòng)機(jī) (300)正產(chǎn)生超過需求的機(jī)械動(dòng)力時(shí)逆轉(zhuǎn)運(yùn)行該電動(dòng)機(jī)(314)以由該發(fā)動(dòng)機(jī)(300)所產(chǎn)生 的機(jī)械動(dòng)力發(fā)電。
19.一種操作動(dòng)力發(fā)生系統(tǒng)(402)的方法,該動(dòng)力發(fā)生系統(tǒng)包括直噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)(300) 和尾氣后處理系統(tǒng),該方法包括按照傳統(tǒng)的柴油循環(huán)方式操作該發(fā)動(dòng)機(jī)(300);通過切換該發(fā)動(dòng)機(jī)(300)的至少其中一個(gè)燃燒室O00)的操作模式到根據(jù)權(quán)利要求8 的方法的富燃低溫燃燒模式來再生該尾氣后處理系統(tǒng)中的裝置。
20.一種操作動(dòng)力發(fā)生系統(tǒng)(40 的方法,包括直噴柴油內(nèi)燃機(jī)(300)和具有尾氣管路燃油重整器(320)的尾氣后處理系統(tǒng),該方法包括 按照傳統(tǒng)的柴油循環(huán)方式操作該發(fā)動(dòng)機(jī)(300);通過根據(jù)權(quán)利要求8的方法按照富燃低溫燃燒模式操作發(fā)動(dòng)機(jī)(300)來加熱該重整器 (320)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種按照低溫燃燒模式操作內(nèi)燃機(jī)(300)的獨(dú)特方法。發(fā)動(dòng)機(jī)(300)燃燒室(200)在達(dá)到燃燒條件之前被供以燃油充量和空氣充量。燃油充量足以提供至少1.05的油氣當(dāng)量比。燃油和空氣被允許在燃燒前混合。燃油在上死點(diǎn)之前至少20度曲軸轉(zhuǎn)角處被供給燃燒室(200)。燃油和空氣充量被如此調(diào)整,混合物因由壓縮沖程所產(chǎn)生的熱和壓力而自動(dòng)著火。所述量被進(jìn)一步調(diào)整,從而燃燒發(fā)生在低于產(chǎn)生大量炭煙的溫度的溫度。在一個(gè)實(shí)施例中,進(jìn)氣門(204)提前關(guān)閉被用來限制空氣充量。該方法提供有多種用途的富燃低溫燃燒模式。
文檔編號(hào)F02G5/00GK102076948SQ200980125529
公開日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2009年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月30日
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