[发明专利]在旋转柴油发动机中的燃料反应性分层

说明书

技术领域

本文献涉及对旋转发动机(例如，汪克尔旋转发动机(Wankel rotary engine))的效率的改进，并且更具体地涉及使用燃料反应性分层(即，在发动机燃烧腔室内的燃料反应性的空间变化)的旋转发动机的效率改进。

背景技术

由于汽车公司和其它公司力求改进发动机效率并且降低发动机排放，故关注已经集中于旋转发动机，即内燃机，其中转子(旋转活塞)在壳体内旋转，一个或多个燃烧腔室在转子与壳体之间形成以在转子旋转时围绕着壳体行进。或许，最熟知类型的旋转发动机是汪克尔发动机，其中略微三角形的转子在具有略微椭圆形的内部的壳体内偏心地旋转(即，使得其旋转轴线不与其几何轴线重合)。(但是其它类型的转子和壳体构造也是可能的，例如，在具有四叶式内部的壳体内的大体上正方形转子；例如，见授予Wankel等人的美国专利2,988,065)旋转发动机是受关注的，因为它们相比于具有类似输出的往复活塞发动机相对紧凑且重量轻，使得旋转发动机对于在混合动力车辆(与其它能源(通常是电池)相组合来使用内燃机以提供其原动力的车辆)中使用有吸引人的可能性。尤其，旋转发动机将看起来有期望在电池供能的电动车辆中使用，以在其电池开始要用尽时延伸其行程。然而，旋转发动机具有已经妨碍其广泛采用的燃料效率和污染排放缺陷：来自燃烧腔室的相对较大表面面积的高的热损失，以及来自发动机腔室之间不良密封的压力损失引起了妨碍发动机输出；并且由燃烧腔室的伸长形状引起的问题，如火焰熄灭(即，不良燃烧扩散)和延长的发动机持续时间，趋于导致高的烟尘排放(未燃烧或部分燃烧的烃类的排放)，也引起其它的效率障碍。

实现更高的发动机效率的关注已经导致尝试改进柴油(压缩点火)发动机。(对于内燃机熟悉度有限的读者，汽油发动机和柴油发动机之间的主要差异是燃烧启动的方式。通常也被称为火花点火或SI发动机的汽油发动机将空气和燃料的相对富燃料的混合物提供到发动机汽缸中，然后火花点火该混合物以从汽缸向外驱动活塞来产生功。在也被称为压缩点火发动机的柴油发动机中，燃料在活塞压缩其中的空气时被引入到发动机汽缸中，然后燃料在压缩的高压/高温状态下点火以向汽缸向外驱动活塞来产生功)。柴油发动机趋于比汽油发动机更有效，提供每单位燃料消耗的极大的功率输出，但是它们令人遗憾地趋于具有高的污染排放，特别是烟尘和氮氧化物(通常表示为NOx)的排放。烟尘大体上与不完全燃烧相关联，并且因此可通过提升燃烧温度来减少，或者通过提供更多的氧来促进烟尘颗粒的氧化来减少。趋于引起诸如酸雨的不利效应的NOx大体上与高温发动机状态相关联，并且因此可通过使用诸如排气再循环(EGR)的手段来减少，其中发动机吸入空气以相对惰性的排气(大体上后冷却排气)进行稀释，从而减少了燃烧腔室中的氧气并且降低了最大燃烧温度。令人遗憾地，减少发动机中烟尘产生的手段趋于增加NOx的产生，并且减少发动机中NOx产生的手段趋于增加烟尘的产生，导致了通常被称为烟尘-NOx权衡的情况。NOx和烟尘还可在它们离开发动机(例如，在排气流中)之后处置，但此后处理方法趋于对于安装和维护是昂贵的。作为举例，排气流可以用催化剂和/或尿素或其它还原/反应剂进行处理，以减少NOx排放，并且/或者可将燃料定期注入排气流中并点火，以烧尽收集在颗粒集中区域中的烟尘(其趋于妨碍燃料效率)。由于这些方式需要相当大的复杂性，故使用柴油发动机作为行程延伸器的混合动力车辆趋于昂贵。

发明内容

由在本文献结束处阐明的权利要求所限定的本发明针对至少部分地减轻前述问题的发动机和发动机燃烧方法。尤其，本发明涵盖具有高效率和低排放的旋转柴油(压缩点火)发动机。尽管旋转柴油发动机已经存在很久，但它们至今为止趋于经受旋转发动机和柴油发动机两者的前述缺点，同时从这些技术的组合中获得了很少优点或者没有优点。因此，旋转柴油发动机被较大地局限于特定的应用，例如在某些飞行器发动机中。然而，本发明允许具有这种高效率和低排放的旋转柴油发动机，汽车和其它的普通使用现在是可行的，特别是结合混合动力车辆使用。