[发明专利]用于HCCI操作的自动点火内燃发动机及操作所述类型内燃发动机的方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年2月5日提交的德国专利No.102016201770.5的优先权。上述申请的全部内容通过引用此将其全文并入本文用于所有目的。

技术领域

本说明书大体上涉及自动点火内燃发动机的系统和方法，该内燃发动机具有排气再循环装置，将增压空气供应到内燃发动机的进气系统，以及排放排气的排气排放系统，其中内燃发动机至少可以在第一操作模式中通过空间点火方法(HCCI模式)操作。

背景技术

自动点火内燃发动机被用作机动车驱动单元。在本公开的上下文中，表达“内燃发动机”包括利用自然点火的燃烧过程的柴油发动机，以及含有自动点火内燃发动机和电机的混合动力驱动，所述电机能够以驱动的形式连接到内燃发动机并从内燃发动机接收动力或者，或作为可切换的辅助驱动，额外地输出动力。

因为作为原材料生产燃料的矿物油的有限可得性以及温室效应导致的全球变暖增加，在内燃发动机的不断中不断寻求燃料消耗最小化。此外，从根本上寻求污染物排放的降低，以符合污染物排放的未来极限值。因此，燃料消耗优化的燃烧方法在内燃发动机研发工作的最前线。

由于相对较差的效率，特别是奥托循环发动机，燃料消耗是一个问题。这样的原因在于传统奥托循环发动机操作过程的原理。常规柴油发动机方法受到，特别是因为燃烧过程导致的高温而存在的高氮氧化物排放、以及由于非均质燃料-空气混合物导致的高碳烟排放的不利影响。

为了减少内燃发动机排放，两个从根本上不同方案之间能够加以区别。

第一种减少排放的方案包括在燃烧期间形成的排气及包含在其中的污染物的后处理。为了减少污染物排放，内燃发动机可以装备有各种排气后处理系统。

在第二种方案中，寻求影响燃烧过程，使得在燃料燃烧期间期初就产生(如，形成)尽可能最少的污染物。例如，由于，氮氧化物形成是在过多空气和高温期间发生，具有相对较低燃烧温度的燃烧方法对于减少氮氧化物排放是有利的。低燃烧温度可以，例如，通过增加点火延迟和/或降低燃烧速度而实现。两种都能够通过将燃烧气体混入汽缸新鲜充气和/或通过增加汽缸新鲜充气中的排气组分而实现。结果，排气再循环(EGR)被认为是用于降低燃烧温度的适当措施。由于ERG速度增加，氮氧化物排放能够大大降低。此处，氮氧化物排放物还有碳烟排放减少。

出于所述原因，研发并测试了逐渐增多的新燃烧方法。所述类型燃烧方法的示例为均质充气压缩点火(homogeneous charge compression ignition，HCCI)方法，也被称为空间点火方法或者受控的自动点火(CAI)方法，且其基于供应到汽缸的燃料的受控自动点火。此处，燃料通常利用过量空气(例如，超化学计量的)燃烧。由于低燃烧温度，在HCCI模式中操作的内燃发动机呈现出相对较低的氮氧化物排放，且同样地低或者基本上不存在碳烟排放。此外，由于相对较低的燃烧温度和内燃发动机中相关的相对低的温度差异，热损失比常規操作的内燃发动机要低。这导致了更高的热效率。

HCCI方法和使用所述方法用于燃烧燃料的内燃发动机在US6，390，054B1中描述，其中所使用的内燃发动机是应用点火的奥托循环发动机。

然而，本发明的发明者认识到了这种系统的潜在问题。作为一个示例，HCCI方法不能用在内燃发动机的所有操作点上，使得上述优势能够在发动机特性图(负荷与发动机速度的关系)的小区域中使用。例如，HCCI方法能够在相对高负荷和相对高发动机速度的情况下的有限程度中使用。随着不断增加的负荷，由于不断下降的空气比率，自动点火在提前方向上变化，(如，燃料空气混合物在压缩阶段较早时间时点燃)，其中转化率和/或燃烧速度同样增加。由于过早的点火时间(其是不一致的)，并且特别地由于相对快的燃烧速度，内燃发动机的运行变得更加不规则且不顺。此外，由于远在上止点很早之前就释放的燃烧的热量，热效率降低。由于发动机速度增加，用于准备燃料-空气混合的可用时间，特别是实现均质化的时间，被缩短，使得在高发动机速度下，产生充分地均质化的燃料空气混合物是不可能的。此外，假设成功的自动点火-燃烧的焦点在延迟方向上转变，使得燃烧过程的热效率受损。这也是为什么内燃发动机不能单独使用HCCI方法操作的原因，因为内燃发动机可以在HCCI方法失效的时候的操作点处操作，使用其他燃烧方法。