以富燃低温燃烧模式作为固体氧化物燃料电池动力车辆的车载重整器来操作内燃机的系统和方法
阅读：870发布：2022-10-13
专利汇可以提供以富燃低温燃烧模式作为固体氧化物燃料电池动力车辆的车载重整器来操作内燃机的系统和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供一种按照低温燃烧模式操作 内燃机 (300)的独特方法。 发动机 (300) 燃烧室 (200)在达到燃烧条件之前被供以燃油充量和空气充量。燃油充量足以提供至少1.05的油气当量比。燃油和空气被允许在燃烧前混合。燃油在上死点之前至少20度 曲轴 转 角 处被供给燃烧室(200)。燃油和空气充量被如此调整，混合物因由压缩冲程所产生的热和压 力 而自动着火。所述量被进一步调整，从而燃烧发生在低于产生大量炭烟的 温度 的温度。在一个 实施例 中，进气 门 (204)提前关闭被用来限制空气充量。该方法提供有多种用途的富燃低温燃烧模式。，下面是以富燃低温燃烧模式作为固体氧化物燃料电池动力车辆的车载重整器来操作内燃机的系统和方法专利的具体信息内容。
1.一种动力发生系统(301)，其包括：发动机(300)，和固体氧化物燃料电池(312)，该固体氧化物燃料电池(312)具有空气侧和燃料侧并配置用于在其燃料侧接收发动机(300)尾气并且在利用化学能产生电力的情况下起到显著减小尾气化学能含量的作用；
该发动机(300)包括：
燃烧室(200)，其运转以使由该燃烧室(200)包围的容积(210)交替扩张和收缩；
用于该燃烧室(200)的进气门(204)，该进气门被控制以在该容积(210)正扩张时给该燃烧室(200)容积(210)供应空气充量；
喷油器(208)，其被控制以将燃油预喷入该燃烧室(200)容积(210)从而与该空气充量混合，预喷量给混合物提供富燃油气比，预喷时刻被控制以在混合物开始燃烧之前在该燃烧室(200)内产生富燃混合物；
受控制的空气充量和预喷量是这样的，即，富燃油气混合物将因为该容积(210)收缩而造成的压缩而在该燃烧室(200)内自行着火，所述受控制的空气充量和预喷量还被如此调整，即，混合物将在这样的温度燃烧，该温度保持低于将会产生大量炭烟的温度，该燃烧室(200)由此起到产生富燃且基本上不含NOx和炭烟的尾气的作用。
2.根据权利要求1所述的动力发生系统(301)，其中，该进气门(204)被控制以便在该容积(210)已经完全扩张之前通过关闭该进气门(204)来限制空气充量，该进气门(204)被控制以便在导致在完全扩张时该容积(210)内处于亚大气压的时刻关闭，该亚大气压是
0.9大气压或更低。
3.根据权利要求1所述的动力发生系统(301)，其中，还包括用于该燃烧室(200)的排气门(206)，该排气门被控制以在燃烧室(200)容积(210)扩张结束之前一个足够早的时刻打开，从而导致排气温度比允许在排气门(206)打开之前结束扩张的情况高。
4.根据权利要求1所述的动力发生系统(301)，其中，该燃料电池(312)是中温固体氧化物燃料电池(312)，该燃烧室(200)的作用是在该燃料电池(312)工作的温度产生富燃尾气。
5.根据权利要求1所述的动力发生系统(301)，其中，还包括：
燃油重整器(320)，配置用于在该燃烧室(200)和该固体氧化物燃料电池(312)之间处理尾气；
该燃烧室(200)的作用是在高于250℃的且高于该燃油重整器(320)的熄灯温度的温度产生富燃尾气。
6.一种操作动力发生系统的方法，该动力发生系统包括内燃机(300)和具有空气侧和燃料侧的固体氧化物燃料电池(312)，包括：
根据一种按照低温燃烧模式操作燃烧室(200)的方法操作该内燃机(300)的多个燃烧室(200)；
供应该内燃机(300)尾气给该固体氧化物燃料电池(312)的燃料侧；
其中，该按照低温燃烧模式操作燃烧室(200)的方法，包括：
按照包含进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程的循环操作该燃烧室(200)；
在进气冲程中给该燃烧室(200)供应空气充量；
给该燃烧室(200)供应燃油充量以便与该空气充量混合，从而得到至少1.05的油气当量比，在该压缩冲程中在该循环到达在上死点之前20°曲轴转角的时刻使该燃油和空气充量已存在于该燃烧室(200)中；
按照这样的量和状况供应燃油和空气充量，即混合物因为由压缩冲程产生的热和压力而自行着火；
燃油和空气充量和燃烧的其它条件被进一步检验以限制最终燃烧温度低到足以使燃烧不产生大量炭烟。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，空气充量通过在进气冲程结束之前关闭进气门(204)来限制，该关闭提前到足以导致在进气冲程终点在燃烧室(200)内存在亚大气压。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，该内燃机(300)是压燃柴油发动机(300)，它具有可变气门机构并且燃料是柴油。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，该内燃机(300)被设计用来按照包括柴油直喷和分层燃烧的传统柴油循环方式工作。
10.根据权利要求6所述的方法，其中，该燃烧室(200)的工作产生具有高于250℃温度的尾气；该燃烧室(200)在无尾气循环或具有25%或更低的尾气再循环率的情况下工作。
11.根据权利要求6所述的方法，其中，还包括添加额外燃油到尾气中并且在燃油重整器(320)中重整尾气中的燃油，随后将尾气和经过重整的燃油送往该燃料电池(312)的燃料侧。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，在该燃油重整器(320)中重整燃油所需的能量完全由该内燃机(300)尾气中的热得到。
13.根据权利要求6所述的方法，其中，还包括通过改变排气门(206)的打开时刻来调整尾气温度。
14.根据权利要求6所述的方法，其中，还包括如此稳定该内燃机(300)的工作，通过在保持内燃机(300)的机械动力输出相对稳定的同时从电动机(314)中取用可变的机械动力来响应对机械动力的变动的需求。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，稳定内燃机(300)的工作还包括当该内燃机(300)正产生超过需求的机械动力时逆转运行该电动机(314)以由该内燃机(300)所产生的机械动力发电。
16.一种操作动力发生系统(402)的方法，该动力发生系统包括直喷柴油发动机(300)和尾气后处理系统，该方法包括：
按照传统的柴油循环方式操作该发动机(300)；
通过切换该发动机(300)的至少其中一个燃烧室(200)的操作模式到按照一种低温燃烧模式操作燃烧室(200)的方法的富燃低温燃烧模式来再生该尾气后处理系统中的装置，其中，该按照低温燃烧模式操作燃烧室(200)的方法，包括：
按照包含进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程的循环操作该燃烧室(200)；
在进气冲程中给该燃烧室(200)供应空气充量；
给该燃烧室(200)供应燃油充量以便与该空气充量混合，从而得到至少1.05的油气当量比，在该压缩冲程中在该循环到达在上死点之前20°曲轴转角的时刻使该燃油和空气充量已存在于该燃烧室(200)中；
按照这样的量和状况供应燃油和空气充量，即混合物因为由压缩冲程产生的热和压力而自行着火；
燃油和空气充量和燃烧的其它条件被进一步检验以限制最终燃烧温度低到足以使燃烧不产生大量炭烟。
17.一种操作动力发生系统(402)的方法，包括直喷柴油内燃机(300)和具有尾气管路燃油重整器(320)的尾气后处理系统，该方法包括：
按照传统的柴油循环方式操作该内燃机(300)；
通过按照一种低温燃烧模式操作燃烧室(200)的方法按照富燃低温燃烧模式操作内燃机(300)来加热该重整器(320)；
其中，该按照低温燃烧模式操作燃烧室(200)的方法，包括：
按照包含进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程的循环操作该燃烧室(200)；
在进气冲程中给该燃烧室(200)供应空气充量；
给该燃烧室(200)供应燃油充量以便与该空气充量混合，从而得到至少1.05的油气当量比，在该压缩冲程中在该循环到达在上死点之前20°曲轴转角的时刻使该燃油和空气充量已存在于该燃烧室(200)中；
按照这样的量和状况供应燃油和空气充量，即混合物因为由压缩冲程产生的热和压力而自行着火；
燃油和空气充量和燃烧的其它条件被进一步检验以限制最终燃烧温度低到足以使燃烧不产生大量炭烟。
以富燃低温燃烧模式作为固体氧化物燃料电池动力车辆的
[0001] 优先权
技术领域
背景技术
[0004] 现代的柴油内燃机以燃油(燃料)直喷压燃方式工作。这些发动机通常具有非常低的未燃碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)排放。另一方面，氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)排放对柴油发动机燃烧和控制工程师来说仍然是一项挑战。应对NOx和PM排放的难题在于减少NOx的努力通常会增加PM排放，反之亦然。这两种尾气成分之间的关系已经被广泛研究并且在柴油发动机设计制造业中被称为NOx/PM权衡。
[0005] 尽管NOx和PM排放之间的权衡已被广泛承认，但至少从二十世纪九十年代起已知道有一种被称为低温燃烧模式的发动机运转外来模式，柴油发动机能通过该模式在产生很少或产生感觉不到的NOx或颗粒物的排放下运转。
[0006] 低温燃烧模式超出烟气极限。从传统运转模式起，提高尾气再循环率(EGR)根据平常的关系造成NOx排放的减少和颗粒物排放的增加。随着EGR率被进一步提高，达到了这样一个点，在该点，发动机排放过量的烟气。烟气极限在很长时间内都被认为是对柴油发动机的工作范围的实际限制。但是，如授予Sasaki等人的美国专利US5890360所述，已经表明了如果尾气再循环率仍被进一步提高，则不再产生烟气。到达了这样一个点，在该点，发动机不排放烟气并且NOx和PM排放很低。在超过烟气极限的状况中运转就是低温燃烧(LTC)模式运转的意思。
[0007] 术语“低温燃烧模式”反映了认识到低NOx和PM排放是发生燃烧时的低温的结果。高尾气再循环率提供在燃烧室内的高比例的不活泼气体(相对于可燃气体)例如N2、CO2和H2O。高比例的不活泼气体限制了在整个燃烧过程中出现的峰值气体温度。低温燃烧模式将峰值温度限制到大约1800K或更低，而在传统的柴油发动机中，燃烧峰值温度一般要高几百度。
[0008] 众所周知的是，较低的燃烧温度减少NOx的产生，但是，由低温燃烧模式实现的炭烟形成的减少是较难以理解的。炭烟形成是一个牵涉到许多步骤和大量化学反应的复杂的化学过程。初期的反应牵涉到柴油分裂成许多较小的分子。在后续的反应中，这些较小的分子再结合，最终形成很大的炭烟构成分子。对在低温燃烧模式中产生低炭烟的解释是该炭烟形成过程没有从较小分子的形成再进一步地进行，该较小分子的形成被认为是炭烟前兆。
[0009] 虽然低温燃烧模式在同时提供NOx和PM低排放方面值得赞扬，但LTC受到一些限制，包括发动机低效率和未燃碳氢化合物(HC)和CO的高排放。参见SAE 2001-01-0655中的图4(示出了刹车专用油耗和HC和CO排放随着发动机运转进入“无烟”富燃状态而快速增加)和第3页的最后三句(说明刹车专用油耗(BSFC)随着发动机进入富燃状态而增加至“严重”的程度)；US5890360中的图2(示出了扭矩随着EGR率增大而降低)，图10(示出了对于给定燃料量，扭矩步进随着发动机从LTC模式(区域I)过渡至传统模式(区域II)而增大)和第11栏的第64行至第12栏的第4行(说明传统模式比LTC模式更高效并且需要更少燃油)。
[0010] 当过渡至LTC模式时，由尾气中的未燃的碳氢化合物和CO(未用燃油)和升高的尾气温度(表明燃油已经被用于产生热能，而不是机械能)反映出低燃油效率。参见SAE2001-01-0655中的第4页第1栏和附录A第4页(LTC将尾气温度升高到200℃-250范围)；授予Ohki等人的美国专利US7246485中的第8栏(切换至贫燃LTC模式产生了在尾气后处理装置中燃烧的碳氢化合物，加热了那些装置)。
[0011] 除了低燃油效率，LTC还具有窄的工作包络线。参见SAE 2001-01-0655中第4页第1栏(解释了大量的EGR将可操作范围局限在怠速和低负荷)；US5890360中第9栏第24-28行(说明LTC只能在低负荷下)，图7(显示了区域I和区域II，在该区域I中可以执行LTC，在区域II中采用传统燃烧)，并且第2栏第38-44行(说明LTC燃烧不会一直发生并且需要确定何时执行LTC)；授予Ito等人的美国专利US6763799，第1栏第36-45行(表述需要正常燃烧来提供驱动能力，除了在怠速和低负荷下)。难以稳定保持低温燃烧。参见US6763799中第1栏第51-62行。
[0012] 因为上述的各种不利之处，已经建议LTC作为一个只用于特殊情况例如低功率和怠速运转时的选择。参见US5890360。如果需要很低的功率或不需要功率，则低燃油效率不是大问题。而且，低功率状况允许在现有技术中实现LTC所需的高EGR率。
[0013] 授予Sasaki等人的美国专利US6131388和US7246485提出LTC模式，用于通过利用尾气升温和通过尾气中的残余碳氢化合物的燃烧在低负荷和怠速状况下加热尾气后处理装置。虽然柴油尾气温度可能达到500℃，在怠速时，该温度降低到100℃-150℃范围。LTC升高尾气温度到150℃-250℃范围。由LTC运转提供的未燃的碳氢化合物和CO可以在尾气后处理装置中被燃烧，该尾气后处理装置具有氧化催化器以进一步升高温度。
[0014] 按照LTC模式，富燃发动机运转也是可行的。US6131388描述了作为用于加热尾气后处理装置的过程一部分的富燃发动机运转。该过程牵涉到富燃LTC发动机运转的短暂期。在这些富燃期内由发动机产生的碳氢化合物被暂时存储在具有碳氢化合物存储能力的尾气后处理装置中。在富燃运转的短暂期之后，发动机贫燃运行。在贫燃发动机运转时可得到的氧气允许所存储的碳氢化合物燃烧，这在尾气管路中产生大量的热。通过在富燃LTC运转和传统贫燃发动机运转之间变换，尾气后处理装置可被保持在350℃-550℃范围。参见US6131388。
发明内容
[0015] 本发明提供一种以低温燃烧模式操作内燃机的独特方法。本发明包括根据该独特方法操作的发动机和动力发生系统。根据该方法，发动机的燃烧室按照包括进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程的循环来工作。该燃烧室在进气冲程中接收空气充量。该燃烧室在燃烧开始前也接收燃油充量。燃油充量足以使燃烧室内的油气比富含至少1.05的当量比。燃油和空气被允许在燃烧前混合。在上死点之前至少20度曲轴转角，将燃料供应给燃烧室。燃油和空气充量被调整，从而混合物因压缩冲程所产生的热和压力而自行着火。所述量被进一步调整，从而燃烧在低于出现大量炭烟产生的温度下发生。该方法提供富燃低温燃烧模式运转，这有几种应用。
[0016] 按照该方法运转的发动机产生具有相对高的温度、有很少或没有氧气和具有高化学能的尾气。尾气中的NOx和颗粒物少。在燃烧过程中存在的过多燃料在此过程中被重整，将化学能置于简单使用的形式。
[0017] 本发明的方法允许低温富燃燃烧，其利用比现有技术中的低温燃烧模式方法更少的EGR。该方法也允许富燃低温燃烧模式尾气的产生，该尾气的温度高于可利用现有技术的方法能获得的温度。尾气温度通常为250℃或更高，有可能高出许多。
[0018] 在一个实施例中，为了获得适当的燃油和空气充量以实现本方法，进气门在进气冲程结束前被关闭。进气门提前关闭减少了进入燃烧室的空气充量并且导致在进气冲程终点时在燃烧室内存在亚大气压。较小的空气充量导致压缩冲程产生更少的热和更低的压力。
[0019] 在另一个实施例中，为了提高尾气温度，排气门在做功冲程结束前被打开。排气门提前打开造成有利于给尾气赋予更多热能的机械能产生的减少。
[0020] 本发明的另一个方面是包括按照上述方法工作的内燃机和固体氧化物燃料电池的动力发生系统。发动机尾气被供应给燃料电池的燃料侧，可选地在使尾气经过燃料重整器之后。发动机提供燃料给燃料电池并保持或有助于保持燃料电池处于工作温度。尾气中的热能也可以被用于维持燃料重整器温度和重整燃料。在一个实施例中，待重整的补充燃料通过发动机或是在燃烧过程后段或是在排气冲程中被供给尾气。在另一个实施例中，补充燃料在发动机的下游被喷入尾气管路。
[0021] 在包括内燃机和燃料电池的动力发生系统的一个优选实施例中，发动机运转保持在狭窄的扭矩-速度范围内。扭矩由发动机并也由电动机提供，电动机的供电来自燃料电池。当扭矩需求增大时，额外扭矩以电动方式提供，从而发动机的工作点不必改变。可选地，为维持增加的电力输出，可提高将补充燃油供给尾气的速率。同样，当扭矩需求降低时，耗电量减小，同时允许发动机工作点保持相对不变。如果发动机的机械动力输出超出当前需求，则多余量可通过将电动机用作发电机被转换为电能。多余电力可存储在蓄电系统中。如果由发动机提供的机械动力和由将发动机尾气中的化学能转换为电能的燃料电池提供的电力的总和产生超出蓄电系统的存储能力的多余能量，则发动机优选完全关停而不是在并非优选的扭矩-速度点下运转。此方法提供稳定运转、快速响应、高效且产生特别洁净的尾气的动力发生系统。
[0022] 本发明的另一个方面是一种包括发动机和尾气后处理系统的动力发生系统。通常，发动机贫燃运转并且尾气后处理系统利用NOx吸收催化器从尾气中除去NOx。为了再生NOx吸收催化器，发动机可以按照富燃低温燃烧模式运转。这对在低负荷或怠速状况下的NOx吸收催化器的脱硫是非常有用的。富燃低温燃烧模式运转，可选地与尾气管路燃料重整器相配合，适用于连续保持NOx吸收催化器处于脱硫所需的富燃高温状况。
[0023] 发明内容的主要目的是为了以简化方式体现发明人的某些设想，以帮助理解以下更具体的说明。该发明内容不能全面地说明可被视作“发明”的发明人的每一个设想或发明人的每个设想的全部组合。发明人的其它设想将通过以下的具体描述连同附图被传达给本领域的技术人员。本文披露的具体细节可以被归纳、缩窄和以各种方式组合，发明人期望作为其发明加以保护的最终描述内容供后续权利要求书所用。
附图说明
[0024] 图1是燃烧气体温度的曲线图，示出了在富燃的预混油气比状况下，增加预喷燃油量可降温至足以引发低温燃烧模式。
[0026] 图3是发动机运转图，示出了油气比和EGR率对自行着火时刻的影响。
[0027] 图4是发动机运转图，示出了油气比和EGR率对富燃状况中的尾气温度的影响。
[0028] 图5是曲线图，表示减少进气充量对燃烧程度的影响。
[0029] 图6示出了增大油气比如何增大尾气的化学能含量。
[0030] 图7示出了增大油气比如何影响到尾气的化学成分。
[0031] 图8是本发明方法的流程图。
[0032] 图9是表示本发明的示例性动力发生系统的主要组成部件的视图。
[0033] 图10是本发明的示例性动力发生系统的示意图。
[0034] 图11是本发明方法的有限状态机图。
[0035] 图12是根据本发明另一个方面的示例性动力发生系统的示意图。
具体实施方式
[0036] 图1是曲线图50，表示在富燃状况中增加预混燃油量如何能引发只有10％EGR的低温燃烧。用于曲线图50的数据通过计算机模拟产生，其假定正庚烷为燃油，压缩比为16。在比较例51中，预混燃料提供1.0的油气比，气体温度经过燃烧过程达到2500K。此温度太高并且比较例无法获得低温燃烧模式。在示范例52中，油气比为1.8。气体温度峰值低于
2000K，表明该燃烧温度已经降低到足以能引起低温燃烧模式的温度的相当程度。
2000K，表明该燃烧温度已经降低到足以能引起低温燃烧模式的温度的相当程度。
[0037] 图2提供了可针对本发明的低温燃烧模式来设计的柴油发动机300的燃烧室200的示意图。燃烧室200配备有活塞202、进气门204、排气门206和喷油器208。柴油发动机300通过一系列冲程来操作燃烧室200，这一系列冲程至少包括进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。
[0038] 根据本发明，在开始燃烧之前建立富燃油气比。对于发动机300，这可通过预喷来实现，预喷是在曲轴角到达上死点(TDC)前大约20°曲轴转角进行的将燃油喷入燃烧室200的喷射。可以用喷油器208完成预喷。预喷所提供的燃油有时间在燃烧之前与容积210内的空气或任何EGR气体预混合。
[0039] 而在现有技术中，低温燃烧模式通过给发动机气缸供应大量不活泼气体尤其是EGR气体且优选是被冷却的EGR气体来实现，在本发明中，低温燃烧模式无需大量不活泼气体而通过将燃烧限制到完全在油气比富燃状况中的成分来实现。当预喷导致在燃烧前在整个容积210中形成富燃油气混合物时，燃烧温度可以通过吸热反应被降低，该吸热反应重整了因未充分供氧而未完全燃烧的燃油部分。多余燃油的加热和气化产生了降低峰值燃烧温度的额外散热作用。在燃烧开始前在整个空气充量中建立富燃状况，以预防出现燃烧温度不受这些机理限制的低油气比状况。
[0040] 在本发明的优选实施方式中，燃烧通过压缩被启动。预混的燃油和空气因为压缩所产生的热和压力而自动着火。燃烧基本是均质的，着火一般发生在该容积210范围内的多处地方。整个预混油气充量几乎在相同时间燃烧。与此相比，在传统的柴油发动机运转中，燃烧是分层的，这意味着燃烧沿着焰锋出现，在焰锋处，喷入的燃油与已变热和加压的空气汇合。在焰锋处的油气比一般截然不同于容积210的总体油气比。
[0041] 曲线图50表示将油气当量比从1.0增大至1.8迟滞了燃烧启动。如果自行着火被延迟的时间远大于在曲线图50中针对情况52所示的时间，则自行着火将根本不会发生。图1所用的众多参数提供了油气比的窄范围，在该范围内将存在自行着火，而此时燃烧具有各种各样的低温燃烧模式。该范围可以通过减小空气充量被扩展，以下将对此做出说明。
[0042] 图3和图4提供了利用产生图1的相同模型而生成的发动机运转图。图3表示，着火迟后期随油气比而增大，并且在此将出现自行着火的最高气比取决于EGR量。在此将出现自行着火的最高油气当量比约为2.0，这只能在EGR率被限制为大约15％或更低时实现。图4表示尾气温度将处于从约700K到约950K的范围内。
[0043] 不是所有的将出现自行着火的状况都是低温燃烧模式状况。对于图1的状况，用于低温燃烧模式的最低油气当量比接近1.8。如果油气比太低，则将存在不足以保持燃烧温度低于发生炭烟形成的温度水平的吸热反应。如果油气比太高，则着火迟后期太长，自行着火将不会发生。
[0044] 应该注意，低温燃烧模式随着油气比增大需要渐小的燃烧温度极限。换句话说，当采用较高油气比时，炭烟形成可能出现在稍低些的温度。降低燃烧压力提高了温度极限。该温度极限通常在从1700K到约2000K的范围，取决于以上因素以及燃油类型。
[0045] 最低预混油气当量比为1.05或更高。此时发生自行着火且燃烧处于低温燃烧模式状况的油气比的确切范围取决于用于容积210的压缩比和影响缸内气体将因压缩而升温达到的温度的其它因素。该范围也取决于进气温度、充入燃烧室200的空气量和在气缸充量中的尾气比例。
[0046] 当容积210内的燃油和氧气之比为用于燃烧的化学当量的时，达到了1.0的油气当量比。碳氢化合物燃料的化学当量是会消耗掉所有可用氧且同时被全部转化为完全燃烧产物H2O和CO2的量。增加喷油量以提供双倍的燃油化学当量将产生2.0的油气当量比。
[0047] 获得低温燃烧所需要的最低油气比可以通过降低缸内气体因压缩被升温的程度来减小。将发动机设计成提供相对低的压缩比将降低缸内气体通过压缩冲程而升温达到的温度。降低温度和压力增加了着火迟后期。提高油气比也增加了着火迟后期(在富燃状况中)。因此，降低在TDC的温度和压力既减小最低油气比(因促进LTC)，也减小最高油气比(因抑制自行着火)。
[0048] 在本发明的一个实施例中，缸内气体通过压缩冲程而升高达到的温度和压力通过进气门提前关闭被降低。进气门提前关闭通常包括在燃烧室容积210处于小于其最大容积的90％时且优选在容积210处于其最大容积的大约84％时关闭进气门204。就缸内压力而言，进气门提前关闭造成燃烧室容积210内的压力随着活塞202接近下死点(BDC)而下降到亚大气压。压力下降到低于0.9巴。压力优选下降到大约0.8巴。
[0049] 进气门提前关闭减少了将在进气冲程中被吸入容积210中的气体量。相同的效果可能以其它方式来获得，例如对空气进气节流。进气门提前关闭的一个优点是容易实现并精确控制具有可变气门操纵机构的发动机。当利用未针对本发明而设计的或被设计成适用于起到支持高压缩比的不同运转模式的柴油发动机来实施本发明时，进气门提前关闭可能是很有用的。
[0050] 进气门提前关闭使得发动机有些像其具有较小的压缩比时那样运转。它缩小了在环境状况下的进气体积和在压缩冲程终点的进气体积之间的比例。此外，为降低由压缩冲程实现的温度和压力，进气门提前关闭减小了在燃烧过程中在燃烧室200内的氧气浓度。当然，进气门204不应该太早关闭。如果由压缩产生的温度和压力增加是不充分的，则将不会发生自行着火，无论预混油气比是多少。
[0051] 减少燃烧室200所吸入的气体量具有在燃烧过程中降低反应速率的作用。图5的曲线图60以贫燃燃烧为例示出了该现象。曲线图60示出了减少进气压力增加了在尾气中的不完全燃烧产物的存在。不完全燃烧产物由CO浓度曲线61和HC浓度曲线62表示。此外，如尾气温度曲线63所示，较小的进气压力降低了发动机300的热效率。在传统的发动机应用中，不完全燃烧产物的增加和发动机热效率的降低将会是不利的，但是在下述的本发明应用和实施例中，这些是期望的结果。
[0052] 预喷给容积210提供1.05或更高的油气当量比。图6示出了提高油气比是如何提高尾气中的化学能含量的。图7表示多余量的燃油通过在发动机300内的燃烧被基本上重整，产生了高比例的H2和CO。重整之后，可更容易使用燃油中的化学能。
[0053] 如上所述，如果预喷使油气比太高，则不会发生自行着火，但一旦燃烧已经开始，则升高的温度允许油气比进一步增大。因而，本发明提供了通过在正进行燃烧时喷射额外燃油到容积210中来增大油气比的可选项。被喷入燃烧室200的额外燃油将被有效重整。
[0054] 必须限制预混油气比以避免炭烟形成以及避免过长的着火迟后期。图6和图7表示，对于示例性状况，如果油气当量比被设定为高于大约2.0，则将会出现炭烟产生。炭烟生成极限是非常近似的：实际上可能是3.0的油气当量比。如果期望提供比可用预混燃油更高的化学能量含量，则可以如上所述地在燃烧过程中或者在更后来的在缸内气体已经冷却到燃烧温度以下后的膨胀冲程中喷油来增加该含量。当缸温降低时，可允许较高的燃油量，而没有炭烟形成。
[0055] 对于经转换而按照本发明来工作的传统柴油发动机，优选的进气门提前关闭提供一个富燃油气比范围，在该富燃油气比范围下，可以在很少利用或不利用EGR的情况下获得根据本发明的自行着火和低温富燃燃烧。采用本文所述的指导，本发明可以在利用普通柴油的多种发动机上实施，尽管可能需要某些试验来找出适用于特定发动机燃油系统的调节值。在这样的试验中变化的典型参数是预混油气比和进气门提前关闭时刻。
[0056] 图8提供了按照发明人所设想的低温富燃模式运转柴油发动机300的示例性方法100的流程图。方法100的第一步骤102是启动燃烧室200的进气冲程。该进气冲程包括拉动活塞202以使燃烧室200内的容积210扩张。进气门204为了进气冲程被打开。空气(可选地混有尾气)在进气冲程中通过进气道212被吸入燃烧室容积210。
[0057] 排气门206通常在整个进气冲程内保持关闭。在进气冲程的部分中打开排气门206将从尾气歧管中将尾气吸入燃烧室200，并且这种打开是实现尾气再循环的方法。尾气歧管中的尾气处于高温，在使用这种EGR时，通过传统方法难以实现低温燃烧。在低EGR率情况下，低温燃烧还是可行的，尽管有高的EGR气体温度。高温EGR气体对于气化预喷燃油和产生油气混合物是有用的。
[0058] 下一个步骤106是提前关闭进气门204。在传统的柴油循环中，进气门204保持打开，直到活塞202达到其最远点(下死点)，在该最远点，容积210处于最大。提前关闭意味着进气门204在进气冲程尚在进行且容积210正在增大时关闭。
[0059] 进气门提前关闭对于实现低温燃烧是违反直觉的。进气门提前关闭减少了将被吸入容积210中的不活泼气体的量。通常，增加容积210中的不活泼气体的量被认为是实现低温燃烧的关键。不活泼气体不仅稀释氧气，而且在燃烧时产生散热作用。但事实表明，包括减少氧气浓度、减小绝热温升连同预喷在内的上述优点允许低温燃烧在活泼气体量减少的情况下实现。
[0060] 在进气门提前关闭106后，方法100继续执行完成进气冲程106和执行压缩冲程108。压缩冲程108包括将活塞202推入气缸216中以减小容积210。进气门204和排气门
206在压缩冲程108中被关闭。滞留在容积210内的气体通过压缩冲程108被压缩。容积
210内的压力增大，滞留气体的温度升高。
206在压缩冲程108中被关闭。滞留在容积210内的气体通过压缩冲程108被压缩。容积
210内的压力增大，滞留气体的温度升高。
[0061] 方法100还包括步骤110，该步骤提供将燃油预喷到燃烧室200中。优选的是，利用喷油器208直接喷射入容积210中。所喷射的燃油在在燃烧室200的当前柴油循环中的燃烧开始之前与容积210内的空气混合。预喷110可以在压缩冲程108过程中在活塞202处于与TDC之前至少20°曲轴转角对应的位置上的任何时刻进行。预喷110也可在压缩冲程108之前在进气冲程中进行。提前进行预喷110改善了预喷燃油与缸内空气的混合。
[0062] 该预喷优选以提前到足以使燃油与吸入空气混合从而提供有效均质的混合气的方式进行。预喷燃油优选在燃烧室200中在着火之前被气化。在预喷110过程中，容积210内的热和氧气浓度不足以发生压缩着火。如果被有效混合，则预喷燃油将通过与放热燃烧成比例地提高吸热重整反应的程度以及通过提供额外的热质来限制燃烧火焰温度。因为这是最终目标，除了将燃油预喷到原先已充入的空气，用于形成当量油气混合物的方法是用于实现本发明的替代方式。预喷的优点在于它只需要对传统柴油机做简单改动。
[0063] 发动机300通过压燃来工作并且没有提供用于点火燃烧的火花塞。在典型的柴油发动机中，燃烧通过当在容积210内被活塞202压缩的空气已经产生足够的氧气浓度和足够多的热时将柴油喷入燃烧室容积210中来启动。当燃油遇到热的含氧气体时，燃烧在喷入的燃油和空气正混合的区域内不均匀地发生。这是分层燃烧。
[0064] 在此例子中，在容积210内的气体已达到自行着火所需要的温度和压力之前，给容积210供应多余的燃油。燃烧在达到自行着火温度和压力之后马上开始。油气混合物在此升高温度和压力下需要一定时间来发生着火。该时间是进行主要燃烧化学反应所需的。在该时期(其时长被称为着火迟后期)之后，反应物的浓度足以产生高燃烧速度。着火的标志就是温度快速升高。如果容积210内的温度和压力因容器210在着火前有时间扩张而降低太多，则着火可能无法发生，尽管曾短暂达到过所需要的温度和压力。
[0065] 自行着火所需要的温度和压力通过压缩该容积210来产生。活塞202运动和截留在燃烧室200内的燃油和空气的初始温度和成分决定了着火时刻。本发明中，喷油无法被用于控制着火时刻，因为添加更多燃油只给已是富燃的油气混合物提供较高的油气比，在富燃状况下，该较高的油气比与较贫燃的油气比相比较不可燃。
[0066] 做功冲程112在压缩冲程108结束时开始。在做功冲程开始时，曲轴转角处于TDC。进气门204和排气门206在做功冲程开始时被关闭。
[0067] 可选的是，补充燃油可以在步骤114在做功冲程112中被喷入容积210。在做功冲程中早期提供该燃油喷射能提高补充燃油的重整度，但是，补充喷油不应该太早进行以至干扰了自行着火。如以前所解释地，由任何补充燃油喷射114引起的油气比增大没有促进着火，却可能干扰着火。尽管如此，补充燃油喷射114可以在做功冲程中非常早地开始，可能甚至比做功冲程开始还要早一些。喷入的燃油没有瞬时混匀到整个容积210中。自行着火可以在容积210的任何位置发生并且预期发生在多个位置上。补充燃油喷射114可以像期待那样早地开始，只要其开始时已足够晚到容积210的某些部分在足够长的时段内保持基本不受补充燃油喷射114的影响以便发生自行着火。
[0068] 因为由进气冲程和预喷110提供的油气充量是富燃的，所以在容积210内的任何位置的最高燃烧温度基本上受到初始充量成分的限制。如果补充燃油喷射114影响到在任何位置上的峰值温度，则唯一的作用将会是通过在燃烧时增加混合物的富燃度来降低峰值温度。峰值温度优选处于1600K至2000K的范围，最优选地为大约1700K。在最典型的情况下，初始充量的燃烧在进行任何补充燃油喷射114的时候实质上是完全的。温度将已经在降低，并且补充燃油将只起到通过吸热化学反应和物理方式吸热的作用。
[0069] 将在燃烧时出现的峰值温度近似于在绝热压缩到TDC点之后出现的假定初始油气充量条件的绝热火焰温度。绝热火焰温度将受到预喷油量、燃烧室200的压缩比、经管道212被吸入的气体的温度、量和成分连同在排气冲程122后留在容器210中的尾气的成分和温度的影响。可以进行对峰值温度估值的修正以考虑到缸内气体和缸壁之间的热传递。
[0070] 燃烧温度是不易测量的。而且，在典型的发动机运转中，燃烧将会在一定温度范围在容积210内在单个活塞循环中发生。因此，本发明的富燃低温燃烧模式不是以燃烧温度量为特点。而是本发明的富燃低温燃烧模式通过富燃油气成分被充入容积210中并被允许在燃烧前混合、混合物因压缩而自行着火以及燃烧过程尾气的NOx和炭烟都很低来表征。估计燃烧温度将会有助于确定任何给定的发动机/燃油组合获得本发明的富燃LTC模式的条件，但是将可能需要某些试验来确定任何给定发动机-燃油组合的所需设定条件。
[0071] 而在现有技术中，低温燃烧在未冷却EGR时需要至少70％的EGR率和在冷却EGR时需要至少55％的EGR率，而本发明在25％或更低的、10％或更低的冷却EGR率或未冷却EGR率下实现低温燃烧，甚至没有EGR地实现低温燃烧。这意味着，被构造成未针对EGR或未针对足够高的EGR率或不设有EGR冷却的发动机可以被调整以按照本发明的低温燃烧模式来运转。
[0072] 减少对EGR的依赖作为实现具有高尾气温度的低温燃烧的条件是重要的。如果采用高的EGR率，则提高尾气温度的措施将使低温燃烧模式难以或无法实现。在现有技术中，通过冷却来降低EGR气体温度以使实现低温燃烧模式所需要的EGR量从70％减少到55％。利用现有技术的方法，提高尾气温度将会增加所需的EGR率，这将快速达到一个无法满足的要求。减小EGR需求量减小了EGR气体温度对燃烧温度的影响并且使得提高尾气温度的措施与低温燃烧模式运转相容。
[0073] 步骤118是打开排气门206。通常，这直到在步骤120的做功冲程的大致完成之前不会发生。尽管如此，在一个实施例中，排气门206被提前打开，提前意味着明显在做功冲程结束之前。排气门206提前打开提高了尾气温度，这可能在以下的应用中是有用的。图1表示气缸温度如何在做功(膨胀)冲程中降低。尾气温度在排气门206大约在BDC处被打开时是最低的。如果排气门被提前打开，则尾气温度将大致升高，因为缸温在BDC之前比较高。
[0074] 在做功冲程中，在容积210中的膨胀气体对活塞202做功。当排气门206被提前打开时，本应被用于对活塞202做功的能量作为替代被转换成热能。排气门206打开越早，越多潜在的做功能量被转换为热。因而，排气门206的打开时刻可用于将尾气温度控制在与燃烧过程有关的极限内。
[0075] 而现有技术的低温燃烧模式提供了在从425至525K范围内的尾气温度。本发明所提供的尾气温度一般是700K或更高。由本低温燃烧模式提供的较高的尾气温度在以下描述的应用中是有利的。在较高温度下产生尾气的同时，低温燃烧模式可以被长时间保持下去。
[0076] 在做功冲程120完成后，执行排气冲程122。对于排气冲程，排气门206是打开的。进气门204通常在排气冲程中是关闭的。可选地，进气门204可以在排气冲程122的部分阶段中被打开，以提供尾气给管道212。这是另一种尾气再循环方式，这被称为内部EGR。同样地，因为尾气通常处于很高温度，所以如果期望低温燃烧，则这种尾气再循环方式不会被用在现有技术中。
[0077] 如在授予HU的美国专利US6932063中所述，可以给管道212配备这样的容积，在该容积中容纳和冷却直接由容积210提供的内部EGR气体。该容积的大小被设定成能容纳期望的EGR气体量并且配置用于与发动机冷却剂或外界空气进行换热。在发动机300被配置成切换至低温燃烧模式操作和切换离开低温燃烧模式运转时，内部EGR是非常有用的。内部EGR允许EGR率比在只使用传统的或外部的EGR时更快速地被改变。快速切换避免了发生在传统燃烧模式状况和低温燃烧模式状况之间的不期望有的工况。虽然冷的EGR气体可能有利于获得低温燃烧模式，但其在本发明中的效果比在现有技术中的效果差，因为本发明需要少许多的EGR气体比例。冷的EGR气体将增加着火迟后期并且在某些情况下是不期望出现的。
[0078] 在排气冲程122终点，柴油循环可以又以步骤102开始重复进行。柴油发动机300通常包括多个燃烧室200。方法100可以在一个或多个这些燃烧室中周期性重复。在优选实施例中，方法100针对发动机300的所有的所述多个燃烧室200进行，由此，燃烧室200所产生的尾气的成分和温度是来自发动机300的全部尾气的代表。当然，还是可以只根据方法100操作发动机300中的一部分气缸。
[0079] 本发明不局限于操纵进气门204和排气门206的任何特定方式。气门启闭的时刻可以根据关于凸轮轴转动的固定机械关系来控制。但在优选实施例中，进气门204和排气门206通过可变气门操纵机构来控制。可变气门操纵机构允许动态控制燃烧模式、低温燃烧条件和尾气温度。
[0080] 发动机300可构建成按照方法100工作。或者，方法100可通过对具有可变气门操纵机构的发动机300的发动机控制器(ECU)的适当编程来实现。发动机300具有ECU，其被编程以按照低温燃烧模式例如示例性方法100的低温操作模式操作燃烧室200。编程程序可以总是以低温燃烧模式或者只在选择了低温燃烧模式的时间操作燃烧室200。在任一情况下，ECU包括用于执行根据本发明的低温燃烧模式方法例如示例性方法100的步骤的指令。
[0081] 发动机300优选是压燃柴油发动机，尽管可以利用原先设计用于汽油和火花塞点火的发动机来实施本发明。通常，火花塞点火式发动机不像柴油发动机那样耐用并且在由压燃工作产生的压力下将很快磨损。尽管如此，设计用于火花塞点火的发动机可以被改进以按照本发明来工作。作为预喷燃油来描述的燃油可以在被充入气缸之前与空气预混合。本发明的富燃低温燃烧模式不要求直接喷油到发动机气缸中。
[0082] 发动机300的基本应用是在例如如图9和图10所示的动力发生系统301中。动力发生系统301包括发动机300和固体氧化物燃料电池312。发动机300的尾气被引导向燃料电池312的燃料侧。可选地，燃油重整器320配置在尾气管路310中，用于在尾气从发动机300流向燃料电池312时处理尾气。
[0083] 其所有的燃烧室200均按照方法100工作的发动机300给轴316提供机械动力，同时也提供化学能高的灼热尾气。化学能被燃料电池312用来产生电能。尾气热帮助保持燃料电池312处于工作温度。当包含可选用的燃油重整器320时，尾气热保持燃油重整器320的温度并且能支持在该装置中的吸热重整反应。
[0084] 燃油重整器320可以进一步重整来自发动机300的部分燃烧产物。如果燃油重整器320被供以二次空气，则燃油重整器320可提供附加热来驱动重整反应并维持燃料电池312处于工作温度。燃油重整器320(如果有)的主要功能是重整还未在发动机300内接受重整的补充燃油。这样的补充燃油可能已经在做功冲程后段或在排气冲程过程中被喷入发动机300，或者可以已经利用喷油器322在发动机下游被喷入尾气中。优选的是，发动机尾气提供了足以支持补充燃油重整的热。还要注意的是，燃油重整可以在燃料电池312内执行，而不在单独的燃油重整器320中进行。
[0085] 固体氧化物燃料电池312提供来自发动机300和燃油重整器320的包括重整产物在内的不完全燃烧产物的基本转换。因为由发动机300产生的其它主要污染物通过利用低温燃烧模式而大部分得以避免，所以燃料电池312可以通过有效除去不完全燃烧产物来基本净化尾气。如果需要，可以设置带有二次空气源的净化氧化催化器，用于除去尚未被燃料电池312转化的任何不完全燃烧产物。
[0086] 由燃料电池312产生的电力可被用于适当目的。通常，由燃料电池312产生的电能的量将在数量级上与发动机300的机械能输出量相似或更高。在优选实施例中，设有电动机314，由此可以将电能转化为机械能并可被用来驱动轴316。还优选的是，动力发生系统301包括用于储存多余电能的能量储存系统318。优选的是，电动机314可以逆转运行，以便在由发动机300产生的机械能的全部或部分不需要被用于驱动轴316的期间内利用机械能来产生电力。轴316和电动机/发电机314于是也可以被用于再生制动。
[0087] 该燃料电池312将CO、H2和其它有机化合物氧化成水和CO2，同时产生相当的电力量。相当的电力量是可与发动机300输出相当的量。燃料电池312优选相当多地降低尾气中的CO和未燃烧的有机化合物的浓度。优选的是，燃料电池312除去尾气中至少大约50％的CO，更优选的是至少大约80％，还更优选的是至少约90％。本文所用的术语“燃料电池”包括含有许多独立的并联或串联的燃料电池的装置。该燃料电池可以具有任何合适的结构。合适的结构例如包括管形结构和平面结构。
[0088] 通常，固体氧化物燃料电池的特征是其电解质。可以使用任何适当的电解质。电解质的例子包括稳定的锆，例如Y2O3稳定的ZrO2；基于二氧化铈的氧化物、氯化物和氟化物，例如钆掺杂的CeO2；氧化铝电解质，例如氯化物、氟化物或钠掺杂的氧化铝；镧电解质，例如锶掺杂的亚锰酸镧和镓酸镧；掺杂的铋氧化物，例如铋钒钴氧化物。
[0089] 阳极和阴极可以是任何合适类型的。合适的电极具有与电解质材料的低热失配。阴极是导电的，与氧气反应生成氧离子，并且允许离子游向电解质或离开电解质。取决于该电解质，合适的阴极材料可以是多孔的亚锰酸镧锶、铁酸镧锶或者铁酸镧锶钴。阳极也是导电的并且允许离子通过。合适的阳极材料可以是镍。示例性阳极材料和阴极材料通常与电解质材料混合，因为这通常产生更好的性能。
[0090] 优选的燃料电池是中温固体氧化物燃料电池(ITSOFC)。中温固体氧化物燃料电池是在约250℃至约600℃范围内工作的燃料电池，更优选的是可在400℃至550℃范围内的温度下工作的燃料电池。在一个温度下工作是指该燃料电池可以在该温度下至少在由CO产生能量方面能相当有效地工作相当长的时间。ITSOFC的例子包括质子传导的钙钛矿如BaZrO3、BaCeO3和SrCeO3。这种燃料电池的典型工作范围是从约400℃至约700℃。
[0091] ITSOFC的一个优点是它没有把尾气加热到像具有较高工作温度的固体氧化物燃料电池(SOFC)那样高的程度。在带燃料电池的现有技术的车辆中，来自SOFC尾气的废热可以部分由发动机通过EGR或加热发动机冷却剂来回收。在本发明中，这样的热回收通常不实际或无效。因此，ITSOFC的选择导致当发动机300以低温燃烧模式运转时的燃油经济性的显著改善。
[0092] 自行着火要求小心控制影响着火点的多种因素。本发明的富燃低温燃烧模式的要求条件限制了发动机300可以运转的扭矩-速度范围。因为这些缘故，优选发动机300被限制到在狭窄的扭矩-速度范围内工作。面对变化的动力需求，发动机300可通过以下多种做法中的至少一种被保持在狭窄的扭矩-速度范围：提高来自发动机300的扭矩或撤去多余扭矩来改变电动机/发电机314施加在轴316上的载荷，改变供给燃油重整器320的多余燃油量和进而燃料电池312的电力输出，改变能量储存系统318的存储率或取用率，在有多余动力和能量储存系统318已充满时关停发动机300。
[0093] 例如，动力发生系统301可以被控制以给车辆提供动力，同时限制发动机300在特定的扭矩-速度点或关停状态下运转。图11提供了有限状态机曲线30，其表示该控制系统。该运转以发动机处于关停状态31开始。在发动机关停状态31，发动机300和燃料电池都不接收燃油或不产生动力。通过向能量储存系统318提取来满足动力需求。如果需要扭矩来驱动车辆，则扭矩由电动机314提供。
[0094] 如果满足了两个条件中任一个条件，则动力发生系统301脱离发动机关停状态31。这些条件之一是在存储能量被耗到或低于目标水平时的动力需求。此条件的一个替代条件是在不考虑是否有当前动力需求的情况下简单检查存储能量是否耗尽。可造成从发动机关停状态31过渡至发动机接通状态32的另一条件是不可能通过只向存储的能量提取来满足的动力需求。例如存在可由电动机314产生的最大扭矩。如果驾驶员要求更高的扭矩，则这无法在不起动发动机300的情况下产生，因此发动机扭矩加上电动机314的输出。同样，存在可从能量储存系统318中获取的最大电流。如果需要更多的电力，则发动机300被启动，从而可以由燃料电池和电动机/发电机314以及能量储存系统318提供电力。
[0095] 在发动机接通状态32，发动机300和燃料电池312都在产生动力。发动机300在狭窄的扭矩-速度范围内以相对恒定的供油速率运转，从而它提供基本恒定大小的扭矩。同样，发动机300产生稳定的重整燃油流以供燃料电池312使用。在此例子中没有补充燃油喷射到尾气管路中，因此燃料电池312也只有一个产生能量的速率。电动机/发电机314可被用于改变电力和机械动力之间的比例，但动力发生系统的总动力输出在工作状态32中是固定不变的。如果总的动力需求超过发动机300和燃料电池312的输出，则补充动力可以由能量储存系统318在规定时间内提供补充动力。如果总的动力需求小于发动机300和燃料电池312的输出，多余能量被存储在能量储存系统318中。如果当能量储存系统318达到其容量时还在产生多余能量，则动力发生系统300转变至发动机关停状态31。
[0096] 在一个替代实施例中，工作状态32包括提供补充燃油给该燃料电池312，例如通过在做功冲程或者排气冲程中喷射燃油到尾气管路310中或者通过喷射补充燃油到容积210中。补充喷油的速率可以是固定不变的。在一个实施例中，没有补充喷油。另一个实施例中存在与尾气温度匹配的燃油喷射速率，由此一来，在尾气中存在刚好足够的能量来重整补充燃油，同时维持燃油重整器320和燃料电池312处于工作温度。
[0097] 燃油重整器320和燃料电池312一般可以在补充喷油率的范围内针对给定的尾气流速和温度工作。在一个替代实施例中，采用该范围并且该补充喷油率在动力需求增大时被提高。这可以由添加至图10的有限状态曲线30的第三状态表示。而状态32是发动机接通且具有可为0的预定不变的补充燃油喷射率的状态，第三状态是发动机接通且具有相对高的燃油喷射率的状态。从状态32过渡至第三状态是在动力需求超过由发动机300和燃料电池312在状态32所提供的输出时进行的。当动力需求减小时，该系统可以转变回到状态32。如果设置二次空气源来使氧气可用于在燃油重整器320中的燃烧，补充燃油率的潜在范围可以被增大。
[0098] 对曲线30的运转计划的另一个潜在改进依赖于以下设想，可以针对发动机300识别几个稳定可靠的富燃低温燃烧模式运转状态(“甜区”)。这些不同运转状态中的每一个的特征将会是运转参数的特定组合：发动机转速rpm，通过预喷获得的油气比，进气门时刻和EGR率，或者特定扭矩-速度点。如上所述地允许动力需求的小变化，未扰乱发动机300的运转。在每个运转状态中，发动机300被控制以保持发动机处于目标状态，这与控制发动机以迎合当前扭矩、速度或动力需求不同。可是，对电力或机械动力的需求的大变化可以通过突然使发动机300从一个富燃低温燃烧模式运转状态转变至另一个富燃低温燃烧模式运转状态的阶段变化来满足。有许多可供选择的运转状态简化了对不同动力需求的满足。
[0099] 在以上这些例子中，燃料电池312一直未被投入使用，直到发动机300也被接通。在一个替代实施方式中，当燃油重整器320被预热时，燃料电池312可以在发动机300关停的情况下运转。发动机300可以作为泵运转，提供空气以与燃油反应。用于此替代实施方式的另一个可实现的选择是用于尾气管路310的二次空气源。二次空气源可以例如是设计用于给尾气管路310供应空气的空气泵或文丘里管。
[0100] 将燃油重整器320设计成独立于发动机300地运转是有用的，但是产生其它的设计要求并失去该系统的某些优点，在该系统中依赖发动机300来提供热能给燃油重整器320和燃料电池312。燃油重整器320和燃料电池312需要热。通过以富燃低温燃烧模式运转发动机300来产生该热提供了同时有效清洁地产生机械动力的机会。来自发动机300的本来的废热变成尾气系统装置所需要的热源。本来会变为污染物(不完全燃烧产物)的物质变为燃料。于是，在以富燃低温燃烧模式运转发动机300和由燃料电池312和可能有的燃油重整器320处理尾气之间存在协同配合。
[0101] 另一个协同配合问题是以富燃低温燃烧模式运转发动机300有助于运转尾气管路的燃油重整器320。在尾气管路的燃油重整器320的功能是在产生重整产物(燃油重整产物)以供下游装置使用时从尾气中除去氧的情况下，事实证明在产生期望量的重整产物的同时保持燃油重整器320的温度是很难的。在现有技术中，应对手段例如使供给燃油重整器320的燃油脉冲化通常对阻止燃油重整器320过热是必需的。脉冲化提供了允许燃油重整器320冷却的时间段。这些冷却时间段也是燃油重整器320不能用于执行其既定功能的时间。本发明允许尾气管路的燃油重整器320的连续运转。本发明可以免除燃油重整器320的从尾气中除去多余氧气的责任。通过按照本发明运转发动机300提供基本无氧的尾气消除了过热尾气管路装置中燃烧的可能性。
[0102] 在发动机300按照富燃低温燃烧模式的工作和燃油重整器320在发动机尾气流中工作之间的协调配合作用在图12所示的动力发生系统401中也是有用的。在动力发生系统401中，燃油重整器320不用于燃料电池312。相反，燃油重整器320提供用于再生贫燃NOx阱402(或者被称为LNT、NOx吸收催化器或者NOx阱催化器)的重整产物.[0103] 对于系统401，发动机300通常按照产生NOx的传统贫燃模式工作。贫燃NOx阱402在贫燃期间内收集NOx并且必须定期地再生以除去所收留的NOx。贫燃NOx阱402也集聚SOx并且必须被再生较长但不太频繁的时间段以除去累积的SOx。
[0104] 当发动机300怠速运转或低功率运转时，这些再生是非常困难的。在低功率和怠速时，发动机300产生具有高含氧量的低温尾气。必须提供大量燃油给尾气以除氧。除氧产生了大量热。理想的是，利用吸热气流重整反应来吸收该热。作为一个实际问题，难以平衡吸热和放热反应的速率。而且，高供油速率可以提供可被有效使用的更多还原产物。这对脱硫来说尤其是一个问题。脱硫条件必须被保持一段延长时间并且脱硫只缓慢消耗还原产物。燃油重整器320的热力学自行运转(放热燃烧平衡吸热蒸气重整)将产生比能被有效使用多许多的还原产物。燃烧多余的还原产物产生其它的热处置问题。
[0105] 实际上，当尾气氧气浓度高时，在发动机300贫燃运转时再生LNT 402牵涉到在尾气管路310中的大量放热反应。该热始终是损坏燃油重整器320和/或LNT 402的威胁。在允许燃油重整器320和LNT 402在脉冲之间冷却的同时以脉冲方式执行脱硫的解决方案不太理想。在脉冲之间，尾气变得贫燃，来自尾气的氧气被存储在LNT 402中。该氧气必须在随后的富燃阶段中被燃尽。温度控制是困难的并且以脉冲方式执行脱硫延长了脱硫所需要的时间和脱硫所需要的耗油量。
[0106] 在系统401中，当要求LNT 402再生时，发动机300被切换至以富燃低温燃烧模式运转。这可以针对所有再生进行，或者可选择地只针对某种再生进行。例如，富燃低温燃烧模式可以被用于当发动机300处于低功率状态或怠速状态时所要求的再生。作为替代或补充，富燃低温燃烧模式可以只被用于脱硫。在富燃低温燃烧模式中，发动机300在可以进行低温燃烧模式运转时产生重整产物并潜在消除对燃油重整器320的需要。
[0107] 即使当富燃低温模式不是产生重整产物的主要手段，但它是燃油重整器320的有效补充。当燃油重整器320低于其熄灯温度时，可采用富燃低温燃烧模式，该熄灯温度是燃油重整器320由此开始有效催化燃烧并因此能通过在燃油重整器320上游被喷入尾气的燃油被加热的温度。在此例子中，富燃低温燃烧模式至少加热燃油重整器到熄灯温度。
[0108] 优选的燃油重整器320在氧化反应和气流重整反应中均依靠柴油来工作。蒸汽重整需要至少约500℃，该温度总体高于尾气温度。因此，燃油重整器320必须在贫燃条件下被大体加热到至少约500℃，随后它能被用来产生重整产物以再生LNT 402。富燃低温燃烧模式可被一路用来加热重整器到气流重整温度。
[0109] 燃油重整器是在没有充分燃烧燃油的情况下将较重的燃油转变为较轻的化合物的装置。适用于燃油重整器320的氧化催化剂包括贵金属，例如在大表面面积的氧化物载体例如掺杂有La的铝上的Pt和Pd。优选的重整催化剂是Rh，最优选的是在掺杂有La的ZrO2的载体上。与设计用来在低于450℃的温度执行其主要功能的氧化催化器或三元催化器相比，重整器优选是小尺寸的。燃油重整器320通常在从约500℃至约800℃范围的温度工作。优选的整体载体是金属膜单件体。典型的重整器在大约250℃的温度熄灯，尽管本发明允许具有更高的熄灯温度例如300℃或更高的重整器。
[0110] LNT是一个在贫燃状况下吸收NOx并在富燃状况下释放出所吸收的NOx的装置。LNT通常包含在不活泼载体上相互紧密接触的NOx吸收剂和贵金属催化剂。NOx吸收剂的例子包括碱土金属如Mg、Ca、Sr和Ba或者碱金属如K或Cs的某些氧化物、碳酸盐和氢氧化物。这些物质可逆地与NOx反应而形成收留NOx的化合物。贵金属一般包括Pt、Pd和Rh中的至少一种。载体一般是单件体，尽管可以采用其它载体结构。单件体式载体一般是陶瓷，尽管其它材料例如金属和SiC也适用于LNT载体。可以作为至少两个单独块来提供LNT 402。
[0111] LNT 402时不时地在富燃阶段中被再生以除去集聚的NOx(脱氮)。脱氮通常牵涉到加热燃油重整器320到工作温度和随后利用燃油重整器320来产生重整产物。重整产物减少了LNT 402所吸收的NOx。
[0112] 控制器根据与包含LNT 402在内的尾气处理系统或其部分的状态和/或性能相关的标准来规划LNT 402的脱氮。用于规划LNT脱氮的标准可能基于LNT负荷。LNT负荷的特点可能是所累积的NOx量、剩余NOx存储能力、饱和度百分比或这类其它参数。已经提出了用于估算NOx负荷和/或剩余NOx存储能力的许多方法。这些方法通常牵涉到将NOx存储率估值积分并将该结果和NOx存储估计能力进行比较。
[0113] LNT 402还必须时不时地被再生，以除去集聚的硫化合物(脱硫)。脱硫牵涉到加热燃油重整器320至工作温度、加热LNT 402至脱硫温度和给被加热的LNT 402提供富燃环境。脱硫温度可以变化，但一般在约500℃至约800℃范围内，最佳温度一般在约650℃至约750℃范围内。如果低于最低温度，则脱硫非常缓慢。如果高于最高温度，则LNT 402可能受损。
[0114] 本发明的优选系统被构造成不带用于控制尾气向燃油重整器320流动的阀门或节流器。尾气管路阀门具有高的故障率并且使得满足尾气后处理系统可靠耐用的要求难以实现。富燃低温燃烧模式有利于以这样的速率接受发动机尾气的燃油重整器的工作，该速率不受控制或没有针对燃油重整器320的要求来控制。
[0115] 由以下权利要求书限定的发明已经就某些设想、组成部件和特征而言被示出和/或说明。尽管在此已经关于几个设想或例子中的仅一个或广义和狭义地描述了特定的组成部件或特征，但在其广义或狭义设想中的这些组成部件或特征可以与其广义或狭义设想中的至少一个其它组成部件或特征组合，其中，这样的组合将会被本领域技术人员认为是符合逻辑的。
[0116] 工业实用性：
[0117] 本发明有效用于以低排放制造和操作动力发生系统。
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