用于柴油发动机架构中的高辛烷值燃料的冷起动制造技术

本文公开的实施例总体上涉及操作内燃(IC)发动机的系统和方法，并且更具体地涉及当周围环境比发动机的正常操作温度明显低时起动压缩点火(CI)发动机(即，“冷起动”)的系统和方法。在一些实施例中，CI发动机可以包括点火辅助装置。在一些实施例中，一种在冷起动期间操作CI发动机的方法可以包括：打开进气门以将一体积的空气吸入燃烧室中；使活塞以介于约15和约25之间的压缩比从燃烧室中的下止点位置运动到上止点；喷射一体积的燃料，所述燃料具有小于约30的十六烷值；关闭进气门；以及，使所述体积的燃料基本全部燃烧。述体积的燃料基本全部燃烧。述体积的燃料基本全部燃烧。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于柴油发动机架构中的高辛烷值燃料的冷起动
[0001]相关申请的交叉参考
[0002]本申请要求享有于2019年5月15日提交的题为“Cold
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Start for High
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Octane Fuels in a Diesel Engine Architecture”的美国临时申请No.62/848,087的优先权和权益，其全部公开内容由此通过引用整体并入本文。

技术介绍

[0003]柴油发动机，也称为混合控制压缩点火(MCCI或CI)发动机，是能源领域的重要组成部分，其与在传统汽油车辆中使用的火花点火式(SI)发动机相比具有若干优点。柴油发动机的CI设计带来了高效率和良好的扭矩/功率密度，而设计的稳健性使这些发动机能够具有显著的可靠性和较低的维护性，这些发动机在道路应用中通常可以行驶超过100万英里。因此，柴油发动机是在远距离、短停机时间的情形下的最佳选择。然而，柴油发动机并非没有缺点。除了比传统SI发动机具有更高的初始成本以外，由于MCCI操作的热需求，尤其在具有低十六烷值燃料的情况下，柴油发动机在寒冷气候下是难以起动的。

技术实现思路

[0004]本文公开的实施例总体上涉及操作内燃(IC)发动机的系统和方法，并且更具体地涉及当周围环境比发动机的正常操作温度明显低时起动压缩点火(CI)发动机(即，“冷起动”)的系统和方法。在一些实施例中，可以在冷起动期间使用诸如电热塞、火花塞或等离子点火装置之类的辅助装置，直到发动机达到发生自燃的温度为止。在一些实施例中，CI发动机包括具有内表面的发动机气缸、缸盖表面、布置成且配置为在发动机气缸中运动的活塞、进气门、排气门和点火辅助装置。在一些实施例中，发动机气缸的内表面、活塞、缸盖表面、进气门和排气门可以限定燃烧室。在一些实施例中，活塞和缸盖表面可以限定燃烧室的碗状区域。在一些实施例中，点火辅助装置可以被定位在燃烧室的碗状区域中。在一些实施例中，一种操作CI发动机的方法可以包括打开进气门以将一体积的空气吸入燃烧室中。在一些实施例中，在该体积的空气穿过进气门的时刻，该体积的空气可以具有小于约150℃的质量平均温度。该操作CI发动机的方法还可以包括使活塞以介于约15和约25之间的压缩比从燃烧室中的下止点(BDC)位置运动到上止点(TDC)位置，以介于0和360度之间的发动机曲柄角喷射一体积的燃料。在一些实施例中，燃料可以具有小于约30的十六烷值。所述体积的燃料和所述体积的空气可以形成空气燃料混合物。该操作CI发动机的方法还可以包括关闭进气门以及使所述体积的燃料基本全部燃烧。在一些实施例中，所述体积的燃料的至少约50％可以在即将点火之前与所述体积的空气预混合。
附图说明
[0005]图1是根据实施例的压缩点火架构的示意图。
[0006]图2是根据实施例的将电热塞或火花塞放置在燃烧室中的示意图。
[0007]图3是根据实施例的将电热塞或火花塞放置在燃烧室中的示意图。
[0008]图4是根据实施例的将电热塞或火花塞放置在燃烧室中的示意图。
[0009]图5是示出根据实施例的从SACI到HCCI以及从HCCI到MCCI的转变的图表。
[0010]图6是示出根据实施例的气门正时对从SACI到HCCI以及从HCCI到MCCI的转变的影响的图表。
具体实施方式
[0011]化学燃料(石油、醇类、生物柴油等)对于重型道路运输而言仍然重要。它们的高能量密度对于需要长途跋涉和快速加油的用户来说较为重要。结果，对化学燃料柴油发动机的需求将持续数十年。然而，柴油燃料价格在过去三十年中已经大幅上涨，并且柴油燃料是温室气体排放的重要贡献者。此外，对于二氧化氮和一氧化氮(统称为NO
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)以及烟尘的排放标准变得越来越严格。
[0012]在过去二十年中，使用诸如甲醇、乙醇、二甲醚(DME)和天然气之类的更清洁的低碳替代燃料在美国的能源领域一向变得越来越普遍。从2000年到2018年，美国的乙醇产量从每年16亿加仑增加到161亿加仑，增长了十倍。在同一时期内，美国的天然气产量已增加了约30％，并且甲醇产量也已出现了显著增加。虽然石油基燃料仍占美国交通运输部门能源需求的85％至90％，但是替代燃料(例如，甲醇、乙醇、生物柴油)和天然气的市场份额预计将在未来几十年持续增长。这些替代燃料是有吸引力的，其不但作为补充石油工业储备的手段以满足能源需求，而且作为减少与交通运输部门相关的温室气体、烟尘和NO
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排放的一种方式。含有大约80wt％至85wt％的乙醇的燃料每英里释放的二氧化碳少于由传统石油基燃料每英里释放的二氧化碳的40％。当与传统石油基燃料相比时，其它替代燃料在温室气体排放方面也有类似的减少。此外，当使用这些替代燃料时，可以显著地减少一氧化碳、挥发性有机化合物(VOC)和NO
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的排放。
[0013]在CI架构中使用诸如甲醇和乙醇之类的清洁低碳替代燃料是满足能源需求和减少有害排放的重要创新步骤，然而，这些燃料具有低十六烷值特性，这意味着它们与长链碳氢化合物(即，在一条链中有六个或更多个碳分子)相比需要更高的温度才能实现自燃。十六烷值是CI发动机中的燃料点火倾向的指标，并且也是发生自燃的温度阈值。由于自燃温度较高，这些燃料类型在低温下比传统柴油甚至更难以点燃。
[0014]本文公开的实施例总体上涉及操作内燃(IC)发动机的系统和方法，并且更具体地涉及当周围环境比发动机的正常操作温度明显低时起动IC发动机(即，“冷起动”)的系统和方法。换句话说，当发动机缸体由于环境低温而非常冷时，起动发动机比起动最近(通常在90分钟到2小时之间)已经运行的发动机更困难。冷起动更困难有多个原因，包括：(1)热量的缺乏使燃料的点火更困难，(2)较低的温度导致发动机机油变得更粘稠，使发动机机油的循环更困难，以及(3)空气燃料比受较冷空气的影响，这继而影响混合物的可燃性。
[0015]在车辆中最常使用两种类型的发动机：最常用于汽油发动机的火花点火(SI)式发动机以及最常用于柴油发动机的压缩点火(CI)式发动机。在标准四冲程SI发动机架构中，燃料(例如，汽油)中的化学能由于燃料在燃烧室内的点火而转化为机械能。燃烧室的外部边界由发动机气缸、配置为在气缸内运动的活塞、缸盖表面、进气门(或多个进气门)和排气门(或多个排气门)界定。在操作期间，活塞在转动曲轴的同时完成四个独立的冲程。首先，在进气或吸气冲程期间，活塞从燃烧室的顶部处的位置(即，上止点(TDC))运动到燃烧室的
底部处的位置(即，下止点(BDC))。术语“止点”指示在曲轴围绕燃烧室下方的中心轴线旋转时曲轴相对于横向运动的相对位置。在进气冲程期间，进气门打开，并且气体通过进气门吸入。气体可以是空气燃料混合物或可以仅是空气，在这种情况下，燃料被直接注入燃烧室中以用于混合。然后，在第二冲程之前，进气门关闭，在燃烧室内创造密封环境。第二冲程是压缩冲程，其中活塞从下止点运动回到上止点。在该冲程中，活塞压缩空气燃料混合物，以便为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种操作压缩点火发动机的方法，所述压缩点火发动机包括具有内表面的发动机气缸、缸盖表面、布置成且配置为在所述发动机气缸中运动的活塞、进气门、排气门和点火辅助装置，所述发动机气缸的所述内表面、所述活塞、所述缸盖表面、所述进气门和所述排气门限定燃烧室，所述活塞和所述缸盖表面限定所述燃烧室的碗状区域，所述方法包括以下步骤：打开所述进气门以将一体积的空气吸入所述燃烧室中，在所述体积的空气穿过所述进气门的时刻，所述体积的空气具有小于约150℃的质量平均温度；使所述活塞以介于约15和约25之间的压缩比从所述燃烧室中的下止点(BDC)位置运动到上止点(TDC)位置；以介于0和360度之间的发动机曲柄角喷射一体积的燃料，所述燃料具有小于约30的十六烷值，所述体积的燃料和所述体积的空气形成空气燃料混合物；关闭所述进气门；以及使所述体积的燃料基本全部燃烧。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述点火辅助装置包括电热塞、火花塞和/或等离子点火装置。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料是第一燃料，所述方法还包括：将第二燃料喷射到所述燃烧室中，所述第二燃料具有大于约30的十六烷值。4.根据权利要求1所述的方法，其中，在第一发动机循环期间以第一发动机曲柄角关闭所述进气门，所述方法还包括：在第二发动机循环期间以第二发动机曲柄角关闭所述进气门，所述第二发动机曲柄角比所述第一发动机曲柄角早了超过40度的发动机曲柄角或晚了超过40度的发动机曲柄角，所述第二发动机循环比所述第一发动机循环更晚地发生。5.根据权利要求4所述的方法，还包括：调整所述排气门的关闭，使得所述进气门和所述排气门的气门正时是关于TDC不对称的。6.根据权利要求5所述的方法，还包括：操作所述压缩点火发动机一段时间，使得所述空气燃料混合物在330度的发动机曲柄角处具有大于约400℃的质量平均温度。7.根据权利要求6所述的方法，其中，在第一发动机循环期间以第一发动机曲柄角关闭所述排气门，所述方法还包括：在第二发动机循环期间以第二发动机曲柄角关闭所述排气门，所述第二发动机曲柄角比所述第一发动机曲柄角早了超过40度的发动机曲柄角或晚了超过40度的发动机曲柄角，所述第二发动机循环比所述第一发动机循环更晚地发生。8.根据权利要求7所述的方法，还包括：操作所述内燃机一段时间，使得所述空气燃料混合物在330度的发动机曲柄角处具有大于约500℃的质量平均温度。9.根据权利要求8所述的方法，还包括：以介于175度和255度之间的发动机曲柄角关闭所述进气门。10.根据权利要求1所述的方法，还包括：
将排气的一部分从所述排气门经由所述进气门再循环到所述燃烧室。11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述点火辅助装置位于所述燃烧室中。12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述点火辅助装置位于所述燃烧室的所述碗状区域中。13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述压缩点火发动机还包括涡轮增压器、机械增压器和/或涡轮复合装置。14.根据权利要求13所述的方法，还包括：在将所述体积的空气吸入所述燃烧室中之前，使所述体积的空气穿过所述涡轮增压器、所述机械增压器和/或所述涡轮复合装置。15.根据权利要求14所述的方法，其中，以至少约1000巴的喷射压力喷射所述体积的燃料。16.根据权利要求13所述的方法，还包括：限制排气的体积的至少一部分离开所述燃烧室。17.根据权利要求1所述的方法，还包括：操作所述内燃机一段时间，使得所述空气燃料混合物在330度的发动机曲柄角处具有大于约500℃的质量平均温度。18.根据权利要求17所述的方法，还包括：以介于175度和255度之间的发动机曲柄角关闭所述进气门。19.一种在冷起动期间操作压缩点火发动机的方法，所述压缩点火发动机包括具有内表面的发动机气缸、缸盖表面、布置成且配置为在所述发动机气缸中运动的活塞、进气门、排气门和点火辅助装置，所述发动机气缸的所述内表面、所述活塞、所述缸盖表面、所述进气门和所述排气门限定燃烧室，所述压缩点火发动机还包括涡轮增压器、机械增压器和/或涡轮复合装置，所述方法包括以下步骤：使一体积的空气穿过所述涡轮增压器、所述机械增压器和/或所述涡轮复合装置；打开所述进气门以将所述体积的空气吸入所述燃烧室中；使所述活塞以介于约15和约25之间的压缩比从所述燃烧室中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：清焰发动机公司，
类型：发明
国别省市：