專利名稱：發動機及其操作方法
技術領域：
本發明涉及操作發動機的方法，更特別地，涉及使發動機產生功 率循環的方法。
背景技術：
許多發動機在燃燒室內燃燒燃料來驅動活塞。在許多情況下，發 動機在燃燒室內燃燒燃料，作為功率循環的一部分，其包括將空氣從
進氣系統導入燃燒室；在燃燒室內燃燒燃料與空氣的混合物產生燃燒 氣體來驅動活塞；將燃燒氣體從燃燒室排入排氣系統。在某些情況下， 發動機包括外部排氣再循環系統，用于將燃燒氣體從排氣系統導入進 氣系統并返回燃燒室。但遺憾的是，在某些情況下，這種外部排氣再 循環系統無法將燃燒氣體輸入進氣系統。例如，在某些情況下，增壓 器會使進氣系統中的壓力高于排氣系統中的壓力，從而阻止將燃燒氣 體通過外部排氣再循環系統進入進氣系統。
公開的Seitz等人的美國專利申請No. 2005/0076890 Al ( "890 申請")給出了一種內部燃燒氣體再循環的方法。890申請公開了在發 動機的做功沖程到達上止點后，發動機排氣閥打開大致160度。890 申請還公開了發動機的做功沖程開始之后執行進氣閥的預沖程，其中 發動機的進氣閥打開在180和210度之間。890申請公開了在某些受 到限制的情形中，在進氣閥預沖程過程中在與進氣閥相關的燃燒室和 發動機的進氣系統之間存在著正壓力差。如890申請所公開的，該正 壓力差在進氣閥的預沖程期間驅動燃燒氣體從燃燒室進入到發動機 的進氣系統。
雖然8 9 0申請的方法包括在排氣沖程期間通過打開進氣閥將燃燒 氣體從燃燒室引入進氣系統，但存在一些缺點。例如，至少在一些應用和/或情形中，執行890申請的方法需要在將進氣系統中的氣體加 熱到不希望的高溫與將不希望的少量燃燒氣體輸送到進氣系統中之 間進行折衷。打開進氣閥以將大量的燃燒氣體送入進氣系統中可提供 一些優點。但是，將大量燃燒氣體引入進氣系統中會使進氣系統中的 空氣被加熱到不希望的高溫。反之，限制燃燒氣體進入到進氣系統中 的量以防止進氣系統中的空氣被不希望地加熱可能會產生一些缺點， 例如引起發動機在一些情形中產生不希望的大量氮氧化物(N0x)。
發明內容
本發明公開的發動機和方法能夠解決上述的一個或多個問題。 公開的 一種實施方式涉及一種纟喿作發動才幾的方法。該發動機可包 括具有燃燒室的殼體，布置在燃燒室附近的活塞，連接到活塞的曲軸， 與燃燒室相關聯的進氣閥，和與燃燒室相關聯的排氣閥。該方法可包 括在活塞的做功沖程開始之后打開進氣閥，并在活塞隨后的排氣沖程 結束之前關閉進氣閥。另外，該方法可包括在活塞的部分進氣沖程中 打開排氣閥和在進氣沖程開始之后曲軸旋轉至少大約30度時關閉排 氣閥。
另一種實施方式涉及一種操作發動機的方法。該發動機可包括具 有燃燒室的殼體，布置在燃燒室附近的活塞，連接到活塞的曲軸，與 燃燒室相關聯的進氣閥，與燃燒室相關聯的排氣閥。該方法還可包括 在活塞的至少部分進氣沖程中打開排氣閥，包括在至少部分進氣沖程 中基本保持排氣閥的開啟，和在進氣沖程結束之前關閉排氣閥。
再一種實施方式涉及一種發動機。該發動機包括具有燃燒室的殼 體。該發動機還可包括布置在燃燒室附近的活塞，和連接到活塞的曲 軸。另外，該發動機可包括發動機控制裝置，該發動機控制裝置包括 與燃燒室相關聯的排氣閥。該發動機控制裝置還可操作地使活塞的進 氣沖程跟隨在排氣沖程之后。另外，該發動機控制裝置可操作地在活 塞的排氣沖程開始之后減小排氣閥的開度，然后在活塞的隨后的進氣 沖程開始之后關閉排氣閥之前增大排氣岡的開度。另一種實施方式涉及一種操作發動機的方法，該發動機包括具有 燃燒室的殼體，布置在燃燒室附近的活塞，和連接到活塞的曲軸。該 方法還包括至少在 一 些情形中提供從發動機的進氣系統至"燃燒室的 至少大約5%的內部燃燒氣體再循環。該方法還可包括至少在一些情
形中提供從發動機的排氣系統到燃燒室的至少大約5 %的內部燃燒氣
體再循環。
再一種實施方式涉及一種操作發動機的方法，該發動機可包括具 有燃燒室的殼體，布置在燃燒室附近的活塞，和連接到活塞的曲軸。 該方法可包括提供從發動機的進氣系統到燃燒室的與發動機轉速和 負荷相關的量的內部燃燒氣體再循環。另外，該方法可包括提供從發 動機的排氣系統到燃燒室的與發動機轉速和負荷相關的量的內部燃 燒氣體再循環。
另一種實施方式涉及一種操作發動機的方法，該發動機可包括具 有燃燒室的殼體，布置在燃燒室附近的活塞，和連接到活塞的曲軸。
該方法可包括在活塞的做功沖程結束之前曲軸旋轉大約15度和做功 沖程結束時之間打開與燃燒室相關聯的進氣閥。該方法還可包括在活 塞隨后的排氣沖程結束之前關閉進氣閥。
再一種實施方式涉及一種操作發動機的方法，該發動機可包括具 有燃燒室的殼體，布置在燃燒室附近的活塞，和連接到活塞的曲軸。 該方法可包括提供從發動機的進氣系統到燃燒室的內部燃燒氣體再 循環，包括在活塞的做功沖程開始后打開與燃燒室相關聯的進氣閥， 以及在活塞隨后的排氣沖程結束之前關閉進氣閥。另外，該方法可包 括至少在 一 些情形中提供從發動機的排氣系統到燃燒室的至少大約5 %的內部燃燒氣體再循環。
再一種實施方式涉及一種操作發動機的方法，該發動機可包括具 有燃燒室的殼體，布置在燃燒室附近的活塞，和連接到活塞的曲軸。 該方法還包括提供從發動機的進氣系統到燃燒室的第 一 數量的內部 燃燒氣體再循環。該方法還包括提供從發動機的排氣系統到燃燒室的 第二數量的內部燃燒氣體再循環，該第二數量至少是第 一數量的大約50% 。
圖l是根據本發明的一種實施方式的示意圖； 圖2A是示出了發動機的活塞在一定時期內的運動的圖表； 圖2B是示出了與圖2A中顯示的同一時期內控制發動機的進氣閥 的方法的圖表；
圖2C是示出了與圖2A中顯示的同一時期內控制發動機的排氣閥 的第一方法的圖表；
圖2D是圖2C中的一部分的放大圖3A是示出了與圖2A中顯示的同一時期內的發動機的活塞運動 的圖表；
圖3B是示出了圖2B中所示的控制進氣閥的同一方法的圖表； 圖3C是示出了與圖2A和3A中顯示的同一時期內控制發動機的 排氣閥的第二方法的圖表；
圖3D是圖3C中的一部分的放大圖4是用于在發動機的四個燃燒室中進行做功循環的 一 種可能方 法的圖表；
圖5是示出了在一組操作條件下在與圖2A中顯示的同一時期內 發動機的不同部分中的壓力變化圖表；和
圖6是示出了在另一組操作條件下在與圖2A中顯示的同一時期 內發動機的不同部分中的壓力變化圖表。
具體實施例方式
圖1所示為根據本發明的發動機10。發動機IO可包括殼體12, 活塞14、 15、 16、 17,功率傳輸系統22,進排氣系統24和發動機控 制裝置26。
殼體12可具有燃燒室1、 2、 3、 4，通道36、 37、 38、 39，進氣 通^各44、 45、 46、 47和排氣通i 各52、 53、 54、 55。通道36 - 39可乂人燃燒室1 _ 4延伸。通道36-39例如可以是氣缸。進氣通路44 - 47分 別從燃燒室1-4伸出到殼體12的外表面上。類似的，排氣通路52 -55分別從燃燒室l-4伸出到殼體12的外表面上。如圖l所示，殼 體12可設置成由多個組件緊固在一起。替代地，殼體12也可是單件 結構。
活塞14、 15、 16、 17可分別布置成靠近燃燒室1、 2、 3、 4并位 于通道36、 37、 38、 39內。各個通道36、 37、 38、 39的側表面對設 置在通道中的活塞14、 15、 16、 17進行引導，使得活塞14、 15、 16、 17能夠沿著平行于通道36、 37、 38、 39的側表面的方向66或67滑 動。
功率傳輸系統22可設置成在活塞14 - 17與其他部件之間傳輸功 率。功率傳輸系統22可包括曲軸60和將活塞14、 15、 16、 17連接 到曲軸60的連桿62、 63、 64、 65。
發動機10的總體結構不限于如圖1中所示。例如，發動機10可 省略燃燒室1-4中的一個或多個，通道36 - 39中的一個或多個和活 塞14-17中的一個或多個；或者發動機IO可包括其他燃燒室，通道 和活塞。另外，盡管圖1所示的燃燒室1 - 4和通道36 - 39布置成直 列式結構，但是發動機10可具有布置成任何其他結構的燃燒室和通 道，包括但不限于V形結構，水平對置結構和徑向結構。
進排氣系統24可包括進氣系統70和排氣系統72。進氣系統70 用于將空氣和/或其他流體輸送到燃燒室1 - 4。進氣系統70可包括進 氣通路44 - 47,與進氣通路44 - 47流體相連的進氣歧管74,以及渦 輪增壓器78的壓縮機單元76。進氣系統70還可包括分別與燃燒室1、 2、 3、 4相關聯的進氣閥80、 81、 82、 83。進氣閥80 - 83可以是任 何類型的閥，可操作地用來控制流體在燃燒室1-4與進氣系統70之 間的流動。在一些實施方式中，進氣閥80 - 83可以是提升閥。
排氣系統72可用來將燃燒氣體從燃燒室1-4內引出。排氣系統 72可具有排氣通路52 - 55,與排氣通路52 - 55流體相連的排氣歧管 88，以及渦輪增壓器78的渦輪單元90。排氣系統72還可包括分別與燃燒室1、 2、 3、 4相關聯的排氣閥92、 93、 94、 95。排氣閥92-95 可以是任何類型的閥，可操作地用來控制流體在燃燒室1-4與排氣 系統72之間的流動。在一些實施方式中，排氣閥92 - 95可以是提升閥。
進排氣系統24還可包括用于控制進氣閥80 - 83和排氣閥92 - 95 的閥控制系統100。閥控制系統100可以是能夠按照下面所述方式對 進氣閥80 - 83和排氣閥92 - 95可操作地進行控制的任何的部件的系 統。在進氣閥80 - 83和排氣閥92 - 95均為提升閥的實施方式中，閥 控制系統100可包括各種類型的致動器，以控制進氣閥80 - 83和排 氣閥92 - 95的位置。在一些實施方式中，閥控制系統100可包括^/L 械致動系統，用于以曲軸60旋轉的函數的方式控制進氣閥80 - 83和 排氣閥92 - 95。例如，閥控制系統100可包括以可驅動方式連接到曲 軸60的凸輪軸102，和將凸^r軸102連接到進氣閥80 - 83和排氣閥 92 - 95的氣閥機構104。另外，在一些實施方式中，閥控制系統IOO 可用來部分或全部電控進氣閥80 - 83和排氣閥92 - 95。
進排氣系統24的結構不限于如圖1所示。例如，進排氣系統24 可省略圖1中示出的許多組件和/或包括各種附加組件，包括但不限 于節流閥、濾清器、熱交換器、附加閥及附加渦輪增壓器、其他類型 的增壓器、消聲器和尾氣處理裝置。另外，閥控制系統100可包括其 他結構的機械致動器，以^更以活塞14 - 17及曲軸60運動的函數的方 式控制進氣閥80 - 83和排氣閥92 - 95。另外，在一些實施方式中， 閥控制系統100可包括為部分或完全獨立于曲軸60的轉動而控制進 氣閥80 - 83和排氣閥92 - 95的設置。例如，閥控制系統100可包括 用來調節運行期間曲軸60和凸輪軸102以及氣閥才幾構104的元件之 間關系的設置。另外，除了凸輪軸102和氣閥機構104之外或作為他 們的替代，閥控制系統100可包括其他用于致動進氣閥80 - 83和排 氣閥92 - 95的致動器，例如液壓致動器、氣動致動器、電動致動器 或磁力致動器。
發動機控制裝置26可包括進氣閥80 - 83,排氣閥92 - 95,閥控制系統IOO和燃料計量系統106。燃料計量系統106可包括燃料計量 裝置108、 109、 110、 111和控制器116。燃料計量裝置108 - 111可 連接到燃料供給系統(未示出)。燃料計量裝置108-111可以是任何 類型的能夠可操作地計量供給燃燒室1-4的燃料的裝置。例如，燃 料計量裝置108-111可以是燃料噴射器。如圖1所示，在一些實施 方式中，各個燃料計量裝置108、 109、 110、 lll可伸進燃燒室l、 2、 3、 4的一個中，從而可將燃料直接排放到燃燒室1、 2、 3、 4中。
控制器116可以是信息處理器，其根據來自多個源的信息可操作 地控制發動機10的一個或多個部件。控制器116可包括一個或多個 處理器(未示出)和一個或多個存儲裝置(未示出)。控制器116可 操作地連接到燃料計量裝置108-111,使得控制器116可以控制燃料 計量裝置108 - 111對供給到燃燒室1 - 4的燃料進行計量。根據來自 可操作地連接到控制器116的多個元件的信息，控制器116可用來控 制燃料計量裝置108-111。例如，根據來自位置/速度傳感器118的 指示曲軸60的位置和/或速度的信號，控制器116可控制燃料計量裝 置108-111。另外，控制器116可根據來自駕駛員界面120的輸入、 例如指示發動機10的期望工作速度和/或功率輸出的輸入來控制燃料 計量裝置108 - 111。
發動機控制裝置26不限于圖1所示的結構。例如，燃料計量裝 置108-111可被定位成將燃料輸送入進氣系統70，而不是直接進入 燃燒室1-4。另外，在一些實施方式中，發動機控制裝置26可省略 燃料計量裝置108- 111中的一個或多個和/或包括附加的燃料計量裝 置。另外，在一些實施方式中， 一個或多個燃料計量裝置108-111 可以是任何類型的裝置，而不是燃料噴射器，例如是化油器。另外， 在一些實施方式中，發動機控制裝置26可包括火花點火系統。另外， 代替控制器116，發動機控制裝置26可包括多種其他形式的控制裝 置，例如硬連線電路、液壓控制裝置、氣動控制裝置、和/或機械控 制裝置。工業實用性
發動機10可用在需要功率執行一個或多個任務的場合。發動機
控制裝置26可操作地使發動機10通過在各個燃燒室1 - 4中進行一 系列功率循環來產生功率。燃燒室1-4內的各個功率循環可包括 引入空氣和燃料；燃燒油料和空氣以產生驅動鄰近的活塞14-17的 燃燒氣體；和排放來自燃燒室1-4內的至少部分燃燒氣體。
圖2A- 2D顯示了由發動機控制裝置26執行以便在燃燒室1內產 生功率循環的方法的一種實施方式。圖2A顯示了活塞14在曲軸60 的四次旋轉中是如何在通道36內運動的。圖2B和2C顯示了閥控制 系統100在圖2A所示的時間段內如何分別控制進氣閥80和排氣閥 92。圖2D提供了圖2C中的部分的放大圖，顯示了排氣閥92在曲軸 60的360°和900。位置之間的才喿作。
第一功率循環121可包括活塞14的進氣沖程122,活塞14的壓 縮沖程124，活塞14的做功沖程126，和活塞14的排氣沖程128。第 二功率循環152可包括另一個進氣沖程154,另一個壓縮沖程156, 另一個做功沖程158,和另一個排氣沖程160。在活塞14的進氣沖程 122過程中，發動機控制裝置26可使進氣閥80在活塞14的沿著方向 66的至少一部分沖程過程中打開(圖2A和2B)。在活塞14的壓縮沖 程124過程中，發動機控制裝置26可使進氣閥80和排氣閥92在活 塞14沿著方向67的隨后的至少一部分沖程過程中都被關閉(圖2A 至2C)。
在壓縮沖程124結束和/或做功沖程126開始過程中，發動機控 制裝置26可引起燃燒室1內的油料燃燒，從而產生燃燒氣體，該燃 燒氣體在沿著方向66行進通過做功沖程126時驅動活塞14。在一些 實施方式中，燃料計量裝置108可在壓縮沖程124結束時和/或做功 沖程126開始時將燃料引入燃燒室1內。根據發動機10的結構，發 動機控制裝置26可依靠壓燃來燃燒燃料，或發動機控制裝置26可利 用火花點火來燃燒燃料。
在做功沖程126之后，發動機控制裝置26以排氣沖程128結束做功沖程121,并以進氣沖程154開始做功沖程152。在排氣沖程128 過程中，發動機控制裝置26可使排氣閥92在做功沖程126后在活塞 14的沿著方向67的至少一部分沖程期間打開(圖2A和2C)。在進氣 沖程154過程中，發動機控制裝置26可使進氣閥80在排氣沖程128 之后在活塞14的沿著方向66的至少一部分沖程期間打開。然后發動 機控制裝置26可執行壓縮沖程156,做功沖程158和排氣沖程160， 其方式與發動機控制裝置26執行壓縮沖程124，做功沖程126和排氣 沖程128的方式基本一致。
如圖2C和2E所示，發動機控制裝置26可使排氣閥92在進氣沖 程154期間打開一時間段138。在一些實施方式中，發動機控制裝置 26通過在排氣沖程128結束之后保持排氣閥92打開而來實現這一點。 發動機控制裝置26可在進氣沖程154開始之后曲軸旋轉至少大約30 度時關閉排氣閥92。在一些實施方式中，發動機控制裝置26可在進 氣沖程154結束之后曲軸旋轉至少大約40度時關閉排氣閥92。另外， 在一些實施方式中，發動機控制裝置26可在排氣沖程128結束并且 進氣沖程15 4開始之后曲軸旋轉大約5 0度與大約9 0度之間時關閉排 氣閥92。在一些實施方式中，發動機控制裝置26可在排氣沖程128 結束并且進氣沖程154開始之后曲軸旋轉大約60度與大約80度之間 時關閉排氣閥92。另外，發動機控制裝置26可在至少一部分進氣沖 程154期間基本上穩定排氣閥92的開度。發動機控制裝置26可例如 將排氣閥92的開度保持在一定的量142,該量142大于排氣閥92在 排氣沖程128期間峰值開度144的大約5%。在一些實施方式中，量 142可大于峰值開度144的大約8%。另外，在一些實施方式中，量 142可小于峰值開度144的大約20%。此外，在一些實施方式中，發 動機控制裝置26可在進氣沖程154過程中保持排氣閥92的開度小于 峰值開度144的大約20%。
如圖2B所示，在功率循環121過程中，發動機控制裝置26還可 打開進氣閥80 —時間段146,該時間段146在做功沖程126過程中開 始并且在排氣沖程128過程中結束。在一些實施方式中，發動機控制裝置26可在做功沖程126結束之前在曲軸旋轉小于大約30度時打開 進氣閥80。另外，在一些實施方式中，發動機控制裝置26可在做功 沖程126結束之前曲軸旋轉大約15度和做功沖程126結束之間時打 開進氣閥80。另外，在一些實施方式中，發動機控制裝置26在排氣 沖程128開始之后曲軸旋轉大約50度和大約80度之間關閉進氣閥 80。在一些實施方式中，在排氣沖程128開始之后曲軸旋轉至少大約 65度時關閉進氣閥80。另外，發動機控制裝置26可將進氣閥80打 開到峰值148，該峰值148位于進氣閥80在進氣沖程122過程中的峰 值開度150的大約5%和大約20%之間。
圖3A至3D顯示了發動機控制裝置26執行燃燒室1內功率循環 的方法的另一實施方式。除了發動機控制裝置26控制排氣閥92的不 同，圖3A至3D的方法與圖2A至2D中的方法相同。如圖2A至2D中 顯示的實施方式，發動機控制裝置26可使排氣閥92打開一時間段138. 另外，如圖3C和3E所示，在排氣沖程128開始之后，發動機控制裝 置26可減小排氣閥92的開度，然后在進氣沖程154開始之后和排氣 閥92關閉之前增大排氣閥92的開度。發動機控制裝置26在增大排 氣岡92的開度之前降低排氣閥92開度的量可根據實施方式和/或情 況而變化。通常，發動機控制裝置26可減小排氣閥92的開度，減小 的程度至少足以防止活塞14在排氣沖程128過程中沿著方向67行進 時與排氣閥92發生碰撞。發動機控制裝置26可在排氣沖程128開始 之后曲軸旋轉在大約160度與大約200度之間從減小排氣閥92的開 度轉換到增大排氣閥92的開度。在從減小排氣閥92的開度轉換到增 大排氣閥92的開度和關閉排氣閥92之間，發動機控制裝置26可使 排氣閥92的開度最大達到量166,該量166在排氣沖程128過程中大 約在排氣閥92的峰值開度144的大約5%到大約20°/。之間。
發動機控制裝置26可在進氣沖程154開始之后曲軸旋轉至少大 約30度時關閉排氣閥92。在一些實施方式中，發動機控制裝置可延 遲關閉排氣閥92，直到進氣沖程154開始之后曲軸旋轉至少大約40 度。另外，在一些實施方式中，發動機控制裝置26可在進氣沖程154開始之后曲軸旋轉大約在50度到大約90度之間時關閉排氣閥92。另 外，在一些實施方式中，該范圍可縮小為進氣沖程154開始之后曲軸 旋轉大約在60度到大約80度之間，或甚至更小的范圍，這有賴于具 體的應用。
采取上述結合圖2A-2D和3A-3D討論的方式控制進氣閥80和 排氣閥92可提供內部燃燒氣體再循環。在時間段138內保持排氣閥 92打開，這可通過允許燃燒氣體在時間段138內從排氣通路52流入 到燃燒室1來提供從排氣系統72到燃燒室1的內部燃燒氣體再循環。 另外，在時間段146內打開進氣閥80可提供從進氣系統70到燃燒室 1的內部燃燒氣體再循環。在時間段146中，在進氣閥80打開的條件 下，燃燒氣體可從燃燒室1流入到進氣通路44。該燃燒氣體和/或在 類似功率循環過程中從其它燃燒室2 - 4排放到進氣系統70內的燃燒 氣體可在進氣沖程154期間從進氣通路44流入到燃燒室1內。
多種因素都會影響內部燃燒氣體發生氣體再循環的情況。在進氣 沖程154過程中從排氣通路52流入到燃燒室1的燃燒氣體的量取決 于在進氣沖程154過程中發動機控制裝置26保持排氣閥92的開度的 時間長短和保持程度。類似地，時間段146的定時和持續時間，以及 進氣閥80在時間段146內開度的程度會影響到在時間段146內流入 進氣通路44的燃燒氣體的量，并且從而影響到在進氣沖程154過程 中燃燒氣體流入燃燒室1的量。另外，在功率循環121的某些階段， 燃燒室1、進氣通路44和排氣通路52內的壓力會影響進氣沖程154 過程中燃燒氣體流入燃燒室1的量。燃燒室1中的功率循環121的事 件會影響到這些壓力。另外，燃燒室2-4中功率循環的事件會影響 到進氣通路44和排氣通路52內的壓力。
相對于燃燒室1中的功率循環，發動機控制裝置26可使燃燒室2 -4內的功率循環以多種方式和多種時間進行。在一些實施方式中， 發動機控制裝置26可使每個燃燒室2-4內的每個功率循環基本相同 于發動機控制裝置26使燃燒室1內進行功率循環121、 152的方式。 另夕卜，發動機控制裝置26可以圖4中顯示的方式錯開燃燒室1-4中的功率循環。利用所示的錯開的功率循環方式， 一個活塞14-17的 每個做功沖程可與活塞H- 17中另一個的排氣沖程基本同時地發生。
圖5顯示了發動機控制裝置26使用閨2A-2D中的控制策略或圖 3A-3D中的控制策略并結合圖4中的控制策略在低速和低負荷情況 下操作發動機10時，在功率循環121、 152過程中燃燒室1、進氣通 路44和排氣通路52內的壓力是如何變化的。發動機10的各個排氣 沖程可引起排氣通路52內的壓力上升。當發動機10在低負荷工作時， 各個排氣沖程可使排氣通路52內的壓力增大一個相對較小的量，因 為釋放到排氣歧管88內的燃燒氣體的能量相對較低。另外，當發動 機在低速下工作時，排氣通路52內的壓力在各個排氣沖程進行到略 微超過一半時達到峰值。例如，與功率循環121的做功沖程126基本 同時發生的排氣沖程可引起排氣通路52內在該排氣沖程和做功沖程 126進行到略微超過一半時的壓力峰值162。類似地，功率循環121 中的排氣沖程128可引起排氣通路52內在該排氣沖程128進行到略 微超過一半時的壓力峰值164。
作為如圖4所示條件的結果，當發動機10在低速和低負荷情況 下工作時，上述閥控制方法可提供相對小的內部燃燒氣體再循環。在 這些情況下，當進氣沖程154過程中排氣閥92打開時，燃燒室1內 的壓力在大部分時間段138內保持接近或高于排氣通路52內的氣體 壓力。結果，很少的燃燒氣體從排氣通路52返回到燃燒室1內。另 外，燃燒室l和排氣通路52內的壓力在進氣閥80打開時在大部分時 間段146內保持接近或低于進氣通路44內的氣體壓力。因此，在時 間段146內，相對很少的燃燒氣體從燃燒室1流入到進氣通路44內， 從而導致在進氣沖程154過程中，相對很少的燃燒氣體從進氣通路44 流入到燃燒室1內。
圖6示出了發動機控制裝置26使用圖2A-2D中的控制策略或圖 3A-3D中的控制策略并結合圖4中的控制策略在較高速和大負荷情 況下操作發動機10時，在功率循環121、 152過程中燃燒室1、進氣 通路44和排氣通路52內的壓力是如何變化的。特別的是，圖6示出了當發動機IO在其額定轉速和負荷下工作的那些參數。當發動機10
在較高速和大負荷情況下工作時，燃燒室1、進氣通路44和排氣通路 52內的壓力波動與發動機IO在低速和低負荷情況下工作的形式大致 相同。但是，發動機10在各個功率循環過程中燃燒相對大量的燃料 以滿足較大的負荷，各個排氣沖程會在排氣通路52內產生非常大的 壓力上升。
另外，當發動機10以較高轉速工作時，響應于排氣沖程，排氣 通路52內的壓力達到峰值點時曲軸60和活塞14 - 17會運動的更遠。 結果，排氣通路52內的壓力峰值會相對于功率循環121的不同沖程 而晚些出現。例如，排氣沖程基本上與做功沖程126同時發生會使做 功沖程126結束和排氣沖程128開始時出現壓力峰值162。類似的， 排氣沖程128會引起排氣沖程128結束和進氣沖程154開始時出現壓 力峰值164。
在圖6所示的條件下，發動機控制裝置26可提供相對大量的內 部燃燒氣體再循環。當發動機10在較高轉速和功率下運行時，在進 氣沖程154過程中排氣閥92打開時在時間段138內，排氣通路52中
的壓力可超過燃燒室1內的氣體壓力一個相當大的量。結果，在時間 段138內，大量的燃燒氣體可從排氣通路52流入燃燒室1。特別地， 在圖6所示的條件下，發動機控制裝置26可提供從排氣系統72到燃 燒室1的在大約5%和大約15%之間的內部燃燒氣體再循環。換句話 說，發動機控制裝置26可使在功率循環121過程中產生的燃燒氣體 量的大約5%到大約15%之間的燃燒氣體量在進氣沖程154過程中從 排氣通路52流入燃燒室1。在一些實施方式中，當發動機10在額定 轉速和負荷下工作時，發動機控制裝置26可提供從排氣系統72的少 于大約10%的內部燃燒氣體再循環。
另外，在時間段146內，當進氣閥80打開時，燃燒室l內的壓 力和排氣通路52內的壓力比進氣通路44內的壓力大很多。因此，在 時間段146中，大量燃燒氣體可從燃燒室1流入到進氣通路44內。 隨后，在進氣沖程154過程中，大量燃燒氣體從進氣通路44流入到燃燒室1內。因此，在圖6所示條件下，發動機控制裝置26可提供 從進氣系統70到燃燒室1的大約5%到大約15%之間的內部燃燒氣 體再循環。換句話說，發動機控制裝置26可使相當于在功率循環121 過程中產生的燃燒氣體量的大約5 %到大約15 %之間的燃燒氣體量在 進氣沖程15 4過程中從進氣通路4 4流入燃燒室1。在一些實施方式中， 當發動機IO在額定轉速和負荷下運行時，發動機控制裝置26可將來 自進氣系統70的內部燃燒氣體再循環的量限制成少于內部燃燒氣體 再循環的量的10%。
因此，當發動機10在額定負荷和轉速下工作時，發動機控制裝 置26可引起相當于來自進氣系統70的內部燃燒氣體再循環量的大約 一半到大約兩倍之間的來自排氣系統72的內燃燒氣體再循環量。在 一些實施方式中，當發動機10在額定負荷和轉速下工作時，發動機 控制裝置26可引起與來自進氣系統70的內部燃燒氣體再循環量更非 常接近的來自排氣系統72的內部燃燒氣體再循環量。例如，當發動 機IO在額定負荷和速度下工作時，發動機控制裝置26可引起相當于 來自進氣系統70的內部燃燒氣體再循環量的大約125 %至大約175 % 之間的來自排氣系統72的內部燃燒氣體再循環量。另外，在一些實 施方式中當發動機10在額定負荷和轉速下工作時，發動機控制裝置 26可將來自進氣系統70和排氣系統72的合計的內部燃燒氣體再循環 量限制為內部燃燒氣體再循環量的大約15%。
圖5和圖6還從側面證實了一種總的關系隨著發動機轉速和負 荷的增加，在時間段138和146中排氣通路52和進氣通路44之間的 壓力差可能增加。結果，可利用上述閥控制方法確保來自進氣系統70 的內部燃燒氣體再循環量和來自排氣系統72的內部燃燒氣體再循環 量與發動機轉速和負荷相關。在做功沖程126結束之前打開進氣閥 80,即使是輕微打開，就會較大地影響到這個結果，這是因為在做功 沖程126結束時排氣通路52和進氣通路44之間的壓力差與發動機轉
速和負荷密切相關。
發動機控制裝置2 6操作發動機10的方法不限于圖示和上述討論的例子。在一些實施方式中，在功率循環121、 152過程中，發動機 控制裝置26可另外多次地打開和關閉進氣閥80和/或打開和關閉排 氣閥92。例如，不是在排氣沖程128中打開排氣閥92并保持排氣閥 92打開進入進氣沖程154,發動機控制裝置26可在排氣沖程128打 開和關閉排氣閥92—次，然后在進氣沖程154再打開排氣閥92—次。 另外，在發動機控制裝置26能夠至少部分獨立于曲軸60而控制閥80 -83、 92 - 95的實施方式中，發動機控制裝置26可以不同于前次功 率循環中的方式在任何 一 個功率循環中控制閥8 0 - 8 3 、 9 2 - 9 5 。另外， 發動機控制裝置26可使功率循環省略上面討論的一個或多個沖程或 是包括附加的沖程，例如一個或多個附加的壓縮沖程和/或一個或多 個附加的做功沖程。另外，發動機控制裝置26可使燃燒室1 _ 4中的 功率循環的順序和/或間隔與圖4中的不同。而且，在一些實施方式 中，發動機10可只包括燃燒室1 - 3,并且發動機控制裝置26可執行 圖3A-3D中的方法同時以適當的方式錯開具有三個燃燒室的發動機 的燃燒室1-3之間的功率循環。
這里公開的實施方式可提供許多性能上的優點。使來自進氣系統 70的內部燃燒氣體再循環量和來自排氣系統72的內部燃燒氣體再循 環量類似可允許相對高的燃燒氣體再循環總量，而不會使來自進氣系 統70或排氣系統72的不期望的大量燃燒氣體再循環。使來自進氣系 統70的內部燃燒氣體再循環量保持相對較小有助于將供給到燃燒室 1的進氣保持在期望的低溫。從排氣系統72循環相對小量的內部燃燒 氣體可保持燃燒氣體從排氣通路52流入燃燒室1的速度相對較低， 從而允許進氣相對不受干擾地流入燃燒室1。
另外，公開的實施方式可確保在較大范圍的發動機轉速和負荷內 的良好的節流響應和較低的氮氧化物排放。增加轉速和負荷會增加燃 燒室1-4內的壓力及溫度，這會增加氮氧化物的排放。再循環增加 的燃燒氣體量會抑制這種趨勢。另外，隨著轉速和負荷的增加，再循 環燃燒氣體會使節流響應受損。反之，隨著轉速和負荷降低，氮氧化 物排放量趨于減少，再循環燃燒氣體會更多地損害節流響應。通過以與發動機的轉速和負荷相關的速率再循環燃燒氣體，公開的實施方式 可隨著發動機轉速和負荷的變化保持良好的節流響應和較低的氮氧
化物排放。在做功沖程126結束之前打開進氣岡80，即使是輕微打開， 就會較大地影響到這個結果，這是因為如上所述，這在很大程度上影 響燃燒氣體的再循環量與發動機轉速和負荷之間的密切相關。
另外，在至少一部分進氣沖程154過程中保持排氣閥92的開度 可提供一些性能上的優點。通過這樣做，發動機控制裝置26可提供 相對大的時間和空間窗，用于在進氣沖程154過程中使燃燒氣體從排 氣通路52進入燃燒室1，同時在進氣沖程154過程中保持排氣閥92 的峰值開度相對較小。在進氣沖程154過程中保持排氣閥92的峰值 開度相對較小更加有助于防止燃燒氣體以不希望的高速從排氣通路 52進入燃燒室1和防止干擾氣體從進氣通路44流入燃燒室1。
另外，在排氣沖程128開始之后降低并然后增加排氣閥92的開 度還可提供許多性能上的優點。減小排氣閥92的開度可確保在排氣 沖程128過程中活塞14和閥92不會發生碰撞，而隨后的增大排氣閥 92的開度會使相對大量的燃燒氣體從排氣通路52流入燃燒室1內。 另外，在排氣沖程128進行過程中減小排氣閥92的開度可防止在排 氣沖程128過程中排氣離開燃燒室1,這趨向于在進氣沖程154過程 中增加燃燒室1內的燃燒氣體的量。
可以理解的是，對本領域技術人員來說，在不背離本發明的范圍 的條件下可對發動才幾和方法進行各種修改和改變。對本領域技術人員 來說，在考慮說明書和這里所公開的發動機和方法的實踐之后，其他 發動機和方法的實施方式也是可以想到的。這里的說明和例子僅為示 例性的，本發明的真正保護范圍由后附的權利要求并按照等同原則加 以確定。
權利要求
1、一種操作發動機(10)的方法，該發動機包括具有燃燒室(1)的殼體(12)，布置在所述燃燒室附近的活塞(14)，連接到所述活塞的曲軸(60)，與所述燃燒室相關聯的進氣閥(80)，和與所述燃燒室相關聯的排氣閥(92)，該方法包括在所述活塞的做功沖程(126)開始之后打開所述進氣閥；在所述活塞隨后的排氣沖程(128)結束之前關閉所述進氣閥；在所述活塞的部分進氣沖程(154)中打開所述排氣閥；和在所述進氣沖程開始之后所述曲軸旋轉至少大約30度時關閉所述排氣閥。
2、 如權利要求1所述的方法，其中，在部分進氣沖程中打開所 述排氣閥包括在至少部分進氣沖程中基本上保持所述排氣閥的開度。
3、 如權利要求1所述的方法，其中，在部分進氣沖程中打開所 述排氣閥包括排氣閥在排氣沖程期間的峰值開度U44)的大約5%到大約20%之 間的量。
4、 如權利要求1所述的方法，其中，在部分進氣沖程中打開所述排氣閥在排氣沖程過程中的峰值開度(144)的大約20%。
5、 如權利要求1所述的方法，其中，在進氣沖程開始之后所述 曲軸旋轉至少大約40度時關閉排氣閥包括在進氣沖程開始之后所述 曲軸旋轉小于大約90度時關閉所述排氣閥。
6、 如權利要求1所述的方法，其中，在做功沖程開始之后打開 所述進氣閥包括在做功沖程結束之前所述曲軸旋轉小于大約30度時 打開所述進氣閥。
7、 一種用于操作發動機(10)的方法，該發動機包括具有燃燒 室(1)的殼體(12)，布置在所述燃燒室附近的活塞(14),和連 接到所述活塞的曲軸(60)，該方法包括至少在一些情形中提供來自所述發動機的進氣系統(70)到所述 燃燒室的內部燃燒氣體再循環的至少大約5%;和至少在一些情形中提供來自所述發動機的排氣系統(72)到所述 燃燒室的內部燃燒氣體再循環的至少大約5%。
8、 如權利要求7所述的方法，其中，提供來自所述進氣系統到 所述燃燒室的內部燃燒氣體再循環的至少大約5%包括在所述活塞的 做功沖程(126)結束之前所述曲軸旋轉小于大約30度時打開與所述 燃燒室相關聯的進氣閥(80),和在所述活塞隨后的排氣沖程(128) 開始之后所述曲軸旋轉小于大約80度時關閉所述進氣閥。
9、 如權利要求7所述的方法，其中，提供來自所述進氣系統到 所述燃燒室的內部燃燒氣體再循環的至少大約5%包括提供來自所述 進氣系統到所述燃燒室的內部燃燒氣體再循環的小于大約15%。
10、 如權利要求7所述的方法，其中，提供來自所述排氣系統到 所述燃燒室的內部燃燒氣體再循環的至少大約5%包括提供來自所述 排氣系統到所述燃燒室的內部燃燒氣體再循環的小于大約15%。
全文摘要
本發明提供了一種用于操作發動機(10)的方法。該發動機包括具有燃燒室(1)的殼體(12)，布置在燃燒室附近的活塞(14)，連接到活塞的曲軸(60)，與燃燒室相關聯的進氣閥(80)，和與燃燒室相關聯的排氣閥(92)。該方法還包括在活塞的做功沖程(126)開始之后打開進氣閥，和在排氣沖程(128)結束時關閉進氣閥。另外，該方法包括在活塞的部分進氣沖程(154)中打開排氣閥，和在進氣沖程開始之后曲軸旋轉至少大約30度時關閉排氣閥。
文檔編號F02D13/02GK101529067SQ200780038568
公開日2009年9月9日 申請日期2007年8月31日 優先權日2006年9月13日
發明者A·奧利弗, M·斯托特, M·雷蒙德, N·理查茲, W·蔡 申請人:珀金斯發動機有限公司