[0002] 本
发明在由以下机构授予的美国政府支持下进行：
[0003] 美国
能源部（DOE）批准号：DE-FC26-06NT42628
[0004] 美国能源部（DOE）批准号：DE-AC04-94AL85000
[0005] 美国政府对本发明有一定权利。
技术领域
[0006] 本文件涉及大体上与
压缩点火（柴油）发动机有关的发明，并且更为具体地涉及用于
柴油发动机的燃烧优化方法。
背景技术
[0007] 柴油（压燃）发动机属于可用的最高
能量效率的发动机，具有极好的每耗油量高功率输出。不幸的是，柴油发动机同时属于“最脏”的可用发动机，常见的柴油发动机（在本文件准备时期）倾向于高产氮
氧化物（通常表示为NOx），这将导致例如烟雾和酸雨的不良影响、以及微粒物（通常简称“炭烟”），有时可见为在柴油车辆从停止开始
加速时由柴油车辆排出的黑烟。
[0008] 由于这些排放物对坏境的影响，美国及许多其他国家已对柴油发动机在车辆中的使用强制实施严格的排放规定，并且已研发了许多试图降低柴油机排放的科技。作为一个例子，NOx一般与高温发动机条件相关联，因此可以通过使用诸如废气再循环(EGR)的措施降低NOx。在EGR中，发动机进气被相对惰性的废气稀释（通常在冷却该废气后），由此降低该
燃烧室中的氧气并降低最大燃烧
温度。作为另一个例子，炭烟通常与不完全燃烧相联系，因此可通过提高燃烧温度，或通过提供更多氧气以促进炭烟微粒氧化而降低炭烟。不幸的是，降低发动机中NOx产生的措施趋向于增加炭烟产生，并且降低发动机中炭烟产生的措施趋向于增加NOx产生。这种效应通常被称为“炭烟-NOx权衡”。
[0009] NOx和炭烟也可在离开发动机后被处理（例如，在废气流中），但这样的“后处理”方法的安装和维护通常昂贵。举例说明，废气流可由催化剂和/或注入尿素或其它还原剂/反应剂来处理以降低NOx排放。替代地或附加地，燃料可定期地注入废气流并在废气流中点燃，以燃烧尽“微粒收集器”中收集的炭烟。这些方法需要可观的花销和复杂性，并且就微粒收集器而言，它们倾向于降低车辆的燃料效率。
[0010] 其它技术更根本地关注如何使由燃烧过程产生的NOx和炭烟都降低，并且由此获得更清洁的“发动机排出”排放（即，在废气后处理或类似措施之前，直接从发动机排出的排放）。这些方法包括
修改正时，速率，和/或燃料喷射充量的形状，修改燃烧室的形状，和/或修改其它因素，以试图实现所有燃料的完全燃烧（并因此降低炭烟），与此同时控制燃烧温度（由此控制NOx）。这些技术中的许多提供排放改善，但很难实现和控制，特别是
覆盖常见柴油车辆发动机必须运行的速度和负荷的全部范围。此外，这些技术中的许多仍然要求例如废气后处理的措施以达到排放目标，导致上述的成本及燃料效率的问题。
[0011] 由于遵守排放规定同时提供消费者追求的燃料效率、成本及性能的困难，许多
汽车公司已简单地将它们的关注点从柴油发动机上移到使用
汽油发动机上。
汽油发动机不幸具有较低的能量效率，并且它们的排放也堪忧。（对于对
内燃机了解有限的读者，汽油发动机和柴油发动机之间的主要不同在于燃烧引发的方式。汽油发动机——也常被称作火花点火或“SI”发动机——提供相对富燃料的空气和燃料的混合物进入发动机汽缸，然后火花点燃该混合物以从汽缸向外驱动
活塞来产生功。在柴油发动机中——也称作
压缩点火发动机——当活塞压缩发动机汽缸中的空气时，燃料被引入发动机汽缸，然后燃料在被压缩的高压/高温条件下点燃以从汽缸向外驱动活塞来产生功）。
[0012] 由于当前的对于燃料/能源供应，以及发动机排放对环境影响的考虑，对于提供柴油机效率（或更好）而同时满足或超过当前排放标准的发动机是非常需要的。
发明内容
[0013] 由本文件的结尾提出的
权利要求所限定的本发明涉及至少
部分缓解上述问题的发动机和发动机燃烧方法。通过审阅下面的本发明的简要概述，可以得到本发明的优选形式的一些特征的基本理解，更多的细节将在本文件中其它地方提供。为了帮助读者理解，下面的评述参照
附图（附图在接着本文件的发明内容部分之后的“附图说明”中简要叙述）。
[0014] 在柴油（压燃）发动机中，具有第一反应性的初始燃料供送——该术语“反应性”一般与
十六烷值相对应，但将在本文件的其它地方进行更加具体的讨论——在进气和/或
压缩行程期间被供给到燃烧室，优选足够早以使该初始燃料供送与燃烧室中的空气在压缩行程的主要部分期间高度预混合。此后不同反应性的一个或多个后续燃料供送被如此供给到燃烧室，以致在燃烧室内导致分层分布的燃料反应性，具有较高和较低燃料反应性的不同的区域。更具体讲，后面的不同反应性供送是定时的并且另外设计用来分布该不同反应性供送——其将优选被引入高度预混合的空气和第一反应性燃料的“基质”——以这样的方式以致在燃烧室内的反应性梯度（1）提供所需的燃烧起始时间和速率（导致产生对活塞的优越的功输入的受控放热的时间/速率），同时（2）阻止快速的压
力升高和高温（这会促使NOx产生并降低燃料经济性），并且同时（3）完全燃烧燃烧室内所有（或几乎所有）燃料以降低未燃的
碳氢化合物。燃烧倾向于在一个或多个最高反应性的区域内开始（这些区域通过引入较高反应性材料而产生），并且从这些区域通过体积能量释放和/或火焰传播而扩散，直到来自所有供送的所有燃料都消耗尽。因此，燃烧室内反应性分布的定制能允许对于燃烧过程的性质的定制。较高的反应性的层/级倾向于导致较低的燃烧速率。相反，较低的反应性层/级（在整个燃烧室中具有较高的均匀性的反应性）倾向于导致较高的燃烧速率，因为燃烧室内的各个
位置具有近似相等的首先点燃的机会，并且那些没有首先点燃的位置将很快被它们的邻居点燃。
[0015] 不同的燃料供送，带有着它们不同的反应性，可以是从分别的常规储罐中被供给到发动机的常规燃料，例如，来自一个储罐的柴油燃料（具有较高的反应性），和来自另一个储罐的汽油（具有较低的反应性）。替代地或附加地，来自单一储罐的燃料可通过加入合适的反应性改性剂使它的反应性在较高和较低
水平之间改变。作为举例，初始较低反应性供送可仅包含汽油或柴油燃料，而后续较高反应性燃料供送可包含具有小量的二叔丁基过氧化物（DTBP），2-乙基已基
硝酸，或其他十六烷值增进剂的汽油或柴油燃料。此性质的安排很有用，因为许多反应性改性剂仅需要非常稀释的量，因此用于容纳反应性改性剂的较小储罐可与传统燃料储罐装置一起设置在车辆中。还可以设置计量装置，它在适当时将所需量的反应性改性剂混入燃料管线（或进入与低反应性燃料管线分开的高反应性燃料管线）。为了说明，一具有装有DTBP的附加的1-2夸脱储罐的传统柴油车辆仅要求大约每3000-6000英里再填充一次，这大略是更换机油的推荐
频率，因此反应性改性剂储罐可在更换汽车的油时被再充满。
[0016] 为了更详细地回顾反应性分层，初始第一反应性燃料供送在充分地早于
上止点（TDC）被供给到该燃烧室中，以便初始燃料供送在后续喷射进行之前在燃烧室内至少部分地预混合（均匀分散）。通过（优选是低压）直接喷射进入汽缸，和/或通过燃烧室的进气口提供初始供送，如通
过喷射或以其它方式引入供送进入进气
歧管，和/或进入从此处延伸的进气滑管，可将初始供送引入燃烧室。后续燃料供送优选地通过在下死点（BDC或TDC前180度）和TDC前10度之间直接喷射被供给到燃烧室中。更优选地，两个或更多个后续燃料供送在此
曲柄角度范围内在不同时间点供给到燃烧室。图1A-1D示意地示出了使用初始低反应性供送和多重后续高反应性供送的示例性优选方案。最初，图1A描绘了BDC附近的燃烧室，此时进气口关闭，并且在第一低反应性燃料供送被引入（例如，通过进气口）之后。所示的低反应性燃料在此时在燃烧室内高度预混合，如同更期望的那样，尽管这样的预混合程度不一定需要在此时完成，而可能在稍后达到（一般不晚于压缩冲程的一半处，即至多在TDC之前90度）。
[0017] 在近似压缩冲程的前半段过程中，然后第一后续高反应性燃料供送被供给到燃烧室，优选在进气口关闭的时间和大约TDC前40度之间。更具体地说，对于由带有中心碗的活塞面部分地界定的典型燃烧室，如同图1A-1D所示，第一后续燃料供送优选地在这样的时间（并以这样的压力）被引入以致第一后续燃料供送的至少主要部分指向位于或靠近活塞面外半径的外侧（挤气）区域。更具体地说，第一后续燃料供送指向位于活塞面的半径的外三分之一外侧的区域。这由图1B例示出，所示为在TDC前近似60度处的燃烧室，并且通过喷射器朝着挤气区域引导喷射。然而，在所有的情形中，喷射优选在避免或最小化在燃烧室表面上的供送冲击的压力下提供，因为这样的冲击倾向于提高炭烟的产生。
[0018] 然后第二后续高反应性燃料供送在第一后续燃料供送之后被提供到燃烧室。图1C描绘了在TDC前近似30度处进行的这样的喷射，至少喷射的主要部分指向与活塞面的外半径向内间隔的内侧（碗）区域。更具体地说，第二后续燃料供送的至少主要部分优选地向位于活塞面的半径的外四分之一内侧的区域喷射（即，向由镗孔半径的内侧75%限定出的区域喷射）。与此同时，第一后续燃料供送开始从挤气区域扩散，并且与来自初始燃料供送的低反应性燃料混合，以在或靠近挤气区域处形成中度反应性的区域。
[0019] 然后图1D图示了在TDC前近似15度处的图1B中的燃烧室，燃烧室中的燃料具有从碗中的较高反应性区域到在燃烧室外直径处和在碗的
冠部的较低反应性区域变化的反应性梯度。燃烧可大约在此时开始，在较高反应性区域开始，然后随着时间过去传播至较低反应性区域。
[0020] 如果图1A-1D的供送的反应性颠倒，即，如果一个或多个初始的较高反应性供送随后伴有一个或多个后续的较低反应性供送，则基本上相同的燃烧机理会发生：点燃在较高反应性区域开始并传播至较低反应性区域。燃烧的开始和持续时间可通过燃料供送的正时和量进行控制，所述燃料供送的正时和量影响达到的分层程度。对于最优的功输出，所希望的是燃料供送供给到燃烧室以在上死点（TDC）或在上死点（TDC）之后，更优选地在TDC和20度ATDC（TDC之后）之间，并且最为优选的是在5度和15度ATDC之间，达到峰值汽缸压力。在类似的方面，CA50（即，总燃料
质量的50%已燃烧）优选发生在约0至10度ATDC之间。将燃料供送以压力升高速率不大于10巴每曲柄转角度数的方式提供也是有用的，因为较大的压力升高可产生不想要的噪声和更快的发动机磨损，而且也会助长更高的温度（并且因此由于
传热损失而增加燃料消耗，以及NOx的产生）。
[0021] 由于在燃烧过程中的增加的控制，使用上述方法易于导致相比传统柴油发动机低很多的最高燃烧温度——降低多达40%。这阻碍了NOx的形成，并且附带地提高了发动机效率，因为通
过热传递从发动机的能量损失变少了。此外，燃料供送的反应性、量和正时可修改以最优化燃烧，使得在膨胀行程的结束剩余的未燃尽的燃料（并因此损失到废气）更少，由此也提高了发动机效率，并且也产生更少的炭烟。
[0022] 本发明的一个用柴油和汽油燃料运行的实验形式已产生了被认为是目前所知的最具燃料效率的内燃机并且能够满足2010年的政府炭烟排放限制、NOx排放限制和燃料消耗限制，而不需要废气后处理。关于排放，发动机可容易地达到EPA（美国环保署）标准（按照2010年1月1日在联邦政府法规的美国法典的Title40, part 1065所定义），包括对于重载过渡的联邦测试程序（FTP）的EPA的排放标准（例如，NOx排放小于1.0g/kW-hr和炭烟排放小于0.1g/kW-hr）。如果实行例如废气后处理的措施，排放可能进一步减低。将指示热效率看作燃料效率的度量（指示热效率是转换为发动机输出功率的燃料量的度量，与通过热传递、排气或其它变量损失掉的相反），发动机展示出高达53%的净热效率，和约56%的总热效率。（净热效率考虑整个发动机循环中的功输出，而总热效率只考虑膨胀和压缩冲程，两者之间通常相差约3%。）相比之下，在准备本文件时，平均传统柴油发动机的热效率约为42%，并且平均汽油发动机的热效率约为25-30%。因此，本发明可有利地使燃料消耗有效降低约20%，同时符合美国排放标准（至少对于2010年的标准）而不需要繁重且昂贵的发动机改型和/或用于降低炭烟和/或NOx的后处理系统。所关心的是注意到，虽然本发明使用压缩点火（即柴油机工作原理）运行，但是使用更多汽油多于柴油的燃料达到了不寻常的效率：汽油占燃料总质量的约75%-90%的燃料被提供给发动机（在高负荷），在低负荷中汽油的百分比下降至约50%。因此，柴油发动机使用主要是非柴油的燃料达到了提高的性能。总之期望最常见的实施本发明的发动机将使用比高反应性燃料更高比例的低反应性燃料。
[0023] 本发明的更多优势、特征和目的将结合相关附图从本文件的剩余部分中变得明显。
附图说明
[0024] 图1A-1D示意地图示当它的活塞从处于或靠近下死点（图1A）的位置移动至处于或靠近上死点（图1D）的位置时柴油（压缩点火）发动机的燃烧室的截面区域，示出了举例说明本发明的发动机燃烧方法，其中图1中第一低反应性燃料供送已经至少基本均匀地在燃烧室内散布，在图1B中第一后续高反应性燃料供送被喷射到燃烧室中，并且在图1C中第二后续高反应性燃料供送被喷射到燃烧室中。
[0025] 图2-4示出本发明的一个示例形式的示例性运行参数和运行结果，在5.5巴平均指示有效压力（IMEP），2300RPM，初始汽油燃料供送，和单个后续柴油燃料供送（整体燃料是按体积80%汽油和20%柴油燃料）下运行，没有EGR，其中：
[0026] 图2所示为未燃烧尽的碳氢化合物（HC）和
一氧化碳（CO）排放物相对于各曲柄角度，在各曲柄角度处为后续柴油燃料供送设定喷射起始（SOI），以及为这些喷射设定喷射深度设定（即喷射压力）；
[0027] 图3所示为对于后续柴油燃料供送的喷射起始（SOI）在图2的各曲柄角度处达到的净指示燃料消耗率（ISFC）；
[0028] 图4示意地描绘了对于后续柴油燃料供送的喷射起始（SOI）的图2的两个曲柄角度的汽油和柴油燃料之间的分层。
具体实施方式
[0029] 在进一步描述本发明之前，首先需要更详细地讨论“反应性”的概念。在本文件的上下文中，术语“反应性”一般与物质的十六烷值相对应，和/或与物质的
辛烷值的逆相对应。十六烷值衡量燃料（或其它物质）在柴油机运行条件下，即在高压高温下，开始自燃（自发燃烧）的速度。在柴油发动机中，具有较高反应性（即较高十六烷值）的燃料将比具有较低反应性的燃料更快点燃。与此相反，辛烷值——通常用于汽油发动机燃料而非柴油燃料的衡量——是物质抗自燃的衡量。一般来讲，柴油燃料具有高反应性（高十六烷值/低辛烷值），而汽油具有低反应性（低十六烷值/高辛烷值）。
[0030] 如上所述，本发明配置和安排较低及较高反应性燃料供送的时间以控制放热的起始和速率（燃烧的起始和持续时间）以达到更高的功输出。在设计具有更高燃料效率和更低排放的目前大多数柴油发动机中，燃烧在压缩冲程过程中开始，迅速逐步上升（由于燃烧几乎遍布整个燃烧室同时发生）以在上死点（TDC）附近达到顶峰并在其后减少。这导致膨胀的燃烧气体在压缩过程中对抗活塞做功产生负功，以及由于快速的压力升高产生的较高的发动机噪音，和提高的燃料消耗。在此，一个目标是在燃烧室内提供一种分层的燃料反应性分布——即提供具有较高和较低燃料反应性的不同的区域——这具有导致更好的功输出的点燃时间和燃烧速率，最好点燃稍稍先于（或尽可能短的后于）TDC开始，然后在受控制的速率下燃烧以在活塞在汽缸中向外移动过远之前提供高的功输出。
[0031] 不同的发动机速度/负荷条件将要求不同燃烧正时/持续时间。对于不同速度/负荷条件，最大燃烧放热的正时（和由此的对活塞的最大功输出）可——通过合适地定时不同反应性供送并合适地配比不同反应性供送的量——被计划成合适的时间——通常处于或紧随上死点，由此达到希望的热放出的起始时间和持续时间。一般来讲，热放出的时间由高反应性供送产生的高反应性区域的可燃性控制，而持续时间由较高和较低反应性燃料的比例以及它们在燃烧室内的分布控制（较高的分层导致较慢的热放出）。如果热放出发生的太晚，较高反应性材料的比例可相对于较低反应性材料被增加。如果热放出发生的太早，可以使用相反的方法。随着速度/负荷条件的改变，可由自动控制系统/计算机通过收集发动机
传感器测量值和参考有来源于实验结果或模拟的存储值的查阅表；通过从公式，或从联机的用计算机处理的发动机模拟得出值；和/或通过其它方法，恰当地设定这些供送的正时，数量、净总值、和高与低反应性含量的比（以及例如喷射压力等等的参数）。神经网络或其它专家/学习系统也可用于学习得知对于特定的速度、负荷和其它条件的最优值，并且在合适时应用这些值。
[0032] 图2-4图示在威斯康辛-麦迪逊大学发动机研究中心由轻负荷通用汽车柴油发动机获得的示例结果。使用初始低反应性（汽油）燃料供送和单个后续高反应性（柴油燃料）燃料供送的燃料混合和喷射策略起初通过使用计算机化的发动机模型建立，该计算机化的发动机模型模拟正在讨论中的发动机的性能。“基因”
算法，其力图为发动机性能
定位最优化变量（更具体地说，力图达到定相的完全燃烧以提供最大功输出），被执行以提供所建议的燃料供送量、喷射正时和压力。然后这些建议的参数在发动机上实施并被微调。图2和3然后展示出喷射起始（SOI）正时对碳氢化合物（HC）和一氧化碳（CO）排放（这些是不完全燃烧的度量）的影响，和喷射结束时的喷射深度（表达为孔径的分数）。有趣的是，HC和ISFC的峰值，以及CO的（大致的）稳定值，发生在近似40度BTDC（TDC之前）的SOI处。对于该讨论中的发动机——其燃烧室的粗略形状如图1——这对应着孔径63%的喷射梢深度，接近活塞中的碗的边缘。在晚于40度BTDC的喷射正时，燃烧在循环中发生得太早——CA50（50%的热放出）发生在TDC之前——导致增加的燃料消耗和NOx排放（尽管高温有助于HC的氧化）。然而，随着喷射正时被提前超过40度BTDC，随着发动机进入新的燃烧状态，观察到HC，CO，和ISFC的剧烈降低，在新的燃烧状态中，高反应性区域和低反应性区域之间的分层产生时机更佳的燃烧（当所喷射的喷射梢深度大于约70%的孔径时达到，由此在燃烧室的约外三分之一中产生自燃高反应性区域）。图4提供了进一步的细节，所示为（计算的）汽油和柴油燃料分布，其中高反应性燃料供送在40和60度BTDC被喷射。对于测试使用的运行条件，计算显示了完全燃烧仅在局部燃料混合物具有低于约90%汽油时被达到。在40度BTDC的SOI处，柴油燃料不穿透进入燃烧室的外侧区域，因此导致了在碗的边缘上方的最高反应性区域，点燃将在该区域开始（并由于点燃位置更为中心，因此似乎更快扩散至燃烧室的剩余部分）。然而，当喷射正时提前至60度BTDC，反应性更高的燃料进入燃烧室的外侧区域以在此形成点燃点，导致产生更佳的HC，CO和ISFC的燃烧正时和持续时间。进一步的调查显示，大于40度BTDC的非常提前的喷射正时——即至少第一高反应性供送的喷射在异常早的时间——通常将产生优越的结果。
[0033] 着重强调的是，上述讨论的本发明的形式仅仅是示例性的，并且本发明可在许多方面被修改。作为一个例子，低和高反应性燃料供送不限于使用汽油和柴油，或使用带有反应性改性添加剂的汽油或柴油，而且广泛而多样的其它燃料（加或不加添加剂）也可以代替使用。作为一个例子，
乙醇是具有低反应性－甚至比汽油更低（即，比汽油有更低的十六烷值和更高的辛烷值）－的燃料（或添加剂），并且它可以被用于与柴油燃料或汽油的高反应性燃料供送一起使用的低反应性燃料供送。而且，任何这些燃料可被用作任何其它燃料的反应性改性添加剂（例如，柴油燃料可被加入到汽油，乙醇，或汽油/乙醇混合物以提高其反应性）。
[0034] 燃料的反应性也可通过不是添加添加剂的其它方法被改变，比如通过改变燃料的组成，和/或通过将燃料分离成较低和较高反应性成分，通过沿着车辆的燃料管线使用用于裂化、加热、蒸馏和/或催化作用的车载装置。尺寸、重量和价格因素自然会影响使用这些车载装置的实际性。一个简洁的并且相对划算的选择是沿着燃料管线使用等离子反应器，例如授予Denes等人的美国
专利7,510,632中所述的。反应性也可通过使用EGR（废气再循环）或类似方式有效地改变，因为再循环的废气可阻碍燃烧。
[0035] 在另一个示例的改型中，本发明不限于使用仅两个或三个燃料供送，例如四个或更多供送可被使用。此外，本发明不限于使用仅两种等级的反应性；为作说明，三个或更多个燃料供送中的每一个可具有与其它供送不同的反应性。此外，燃料不需要以液体形式，而且可以使用气体燃料（例如甲烷/
天然气）。此外，本发明中使用的反应性分层策略不需要在发动机中从循环到循环使用，例如，发动机可在传统柴油运行和如上所述的修改的运行之间切换。
[0036] 如上所述，本发明也可与EGR（废气再循环），以及废气后处理和其它燃烧控制及排放降低策略兼容。这些策略甚至可能进一步降低排放，并且因为由本发明产生的排放与现有系统中的排放相比有所降低，用以实施所述策略的设备可能具有更长的工作寿命，和/或可能修改为
费用更小。
[0037] 总而言之，本发明不意图限制在本发明的上述优选形式，而是意在仅被下述权利要求所限制。因此，本发明包含所有照字面意思或等价地落入这些权利要求的范围内的不同形式。
