專利名稱：低排放高性能發(fā)動(dòng)機(jī)、多汽缸發(fā)動(dòng)機(jī)及操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域，如柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和被設(shè)計(jì)為使用替 代燃料工作的發(fā)動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù)：
本發(fā)明適用于各種類型的發(fā)動(dòng)機(jī)，包括柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和使用 替代燃料工作的發(fā)動(dòng)機(jī)。但是，出于本申請(qǐng)中公開(kāi)的特點(diǎn)的目的，將首先說(shuō) 明關(guān)于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)選實(shí)施方式，然后說(shuō)明其它類型發(fā)動(dòng)機(jī)的適用性。因 此，在此將說(shuō)明關(guān)于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的背景技術(shù)，需要理解的是， 一般來(lái)說(shuō)，在 此說(shuō)明的許多柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的特征可以用各種方式轉(zhuǎn)換為其它類型的發(fā)動(dòng)機(jī) 的特征。
眾所周知，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的污染物主要包括氮氧化物(NOx)和未燃 燒的碳?xì)浠衔?。此外，氮氧化物在特定溫度以上形成，而不?huì)在氮氧化物 形成溫度限以下形成。該溫度限顯著高于柴油空氣混合物的燃燒溫度，但是， 在傳統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃燒室內(nèi)的局部溫度通常會(huì)因?yàn)楦鞣N原因超過(guò)氮氧 化物形成溫度限。另一方面，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣中含有未燃燒的碳?xì)浠衔?通常有兩個(gè)主要原因，即第一，在有機(jī)會(huì)燃燒或至少完全燃燒之前，部分噴 射燃料流在相對(duì)冷卻的表面發(fā)生碰撞，第二，燃料局部噴射至燃燒室中氧氣不足的區(qū)域，該區(qū)域中具有的氧氣不足以局部地使所有噴射燃料燃燒。由于 該第二個(gè)原因，燃料沒(méi)有足夠的氧氣而不能燃燒，這顯然有利于導(dǎo)致第一個(gè) 原因。
優(yōu)選地，在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，通過(guò)預(yù)噴射少量燃料使燃燒開(kāi)始(隨后立刻 開(kāi)始主噴射燃料)，該燃燒始于汽缸內(nèi)的活塞的上止點(diǎn)或附近。當(dāng)活塞位于 其能達(dá)到的最上方位置或附近時(shí)，噴射流不應(yīng)向下噴射在活塞的頂部，因?yàn)?這會(huì)致使柴油廢氣中含有大量碳?xì)浠衔?如前所述)，也可能會(huì)損壞發(fā)動(dòng) 機(jī)。但是，隨著活塞遠(yuǎn)離上止點(diǎn)移動(dòng)，燃燒室內(nèi)的容納物膨脹，并使容納物 的中心以約為活塞移動(dòng)速率的一半向下移動(dòng)。因此，對(duì)于活塞的上止點(diǎn)位置 的連續(xù)燃料噴射僅將燃料噴射在燃燒室中的頂層空氣中。這造成很多不良影 響。在這個(gè)有限的體積內(nèi)的燃料集中很容易導(dǎo)致局部溫度超出氮氧化物形成 溫度限。此外，燃燒室中該有限的區(qū)域內(nèi)的氧氣可能耗盡(盡管下方的氧氣 充足)，導(dǎo)致燃料的不充分燃燒并導(dǎo)致廢氣中含有大量碳?xì)浠衔铩，F(xiàn)有技 術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)和操作方法中，對(duì)這些影響唯一可行的控制是根據(jù)燃料噴射到燃 燒室容量的部分的體積和含氧量來(lái)限制噴射總量，從而在燃燒循環(huán)中限制了 產(chǎn)生的機(jī)械能。
在一種現(xiàn)有技術(shù)中，在多個(gè)方向上使用了噴射器和噴嘴，使初始噴射更 呈放射狀，以便當(dāng)活塞位于上止點(diǎn)或附近時(shí)，更利于適當(dāng)?shù)膰娚洌⒕哂袡C(jī) 械閥，該機(jī)械閥開(kāi)關(guān)噴射流使其流向更朝活塞突出的噴射孔，使得噴射的燃 料可以更好地跟隨可用于燃燒的大部分剩余氧氣。這種噴射器具有很大的優(yōu) 點(diǎn)，例如在恒定載荷下發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。但是，問(wèn)題是控制是機(jī)械的并具 有預(yù)置限制，這些問(wèn)題限制了卡車和類似發(fā)動(dòng)機(jī)(發(fā)動(dòng)機(jī)在相對(duì)寬的發(fā)動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)和非常寬的功率輸出范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn))的靈活性。


圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的四沖程模式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的操作；
圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的六沖程模式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的操作；
圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的兩沖程模式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的操作；
圖4是本發(fā)明的一種實(shí)施方式的六缸發(fā)動(dòng)機(jī)的示意圖5是含有本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)頭部的示意圖6是含有本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)頭部的一部分的部分截面圖7顯示了開(kāi)關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)的兩缸的實(shí)施例的示意圖，該圖右側(cè)的汽缸用于
壓縮，左側(cè)的汽缸用做燃燒或動(dòng)力缸；
圖8通過(guò)溫度與活塞位置的關(guān)系曲線顯示了發(fā)動(dòng)機(jī)的兩沖程方式的操
作，曲線上，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)操作過(guò)程中的多個(gè)過(guò)程階段標(biāo)記了多個(gè)點(diǎn)； 圖9是圖7的燃燒缸內(nèi)的汽缸頭部的截面示意圖； 圖IO顯示了根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)操作的另一種模式； 圖11顯示了可以使用在本發(fā)明的實(shí)施方式中的控制系統(tǒng)； 圖12是顯示發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)產(chǎn)生煙黑和NOx的狀態(tài)；
圖13是顯示本發(fā)明的一種實(shí)施方式的實(shí)際操作過(guò)程與標(biāo)準(zhǔn)柴油機(jī)循環(huán) 對(duì)比的曲線；
圖14顯示了用于本發(fā)明的實(shí)施方式的控制系統(tǒng)的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 60/793,350，至少在燃料的主噴射的一些階 段內(nèi)，燃料和空氣都被噴射到燃燒室中。優(yōu)選地，將空氣噴射到燃料噴射器 尖端周圍的區(qū)域，使得在主噴射時(shí)(即使在活塞遠(yuǎn)離噴射器并因此使剩余的 原先可用的空氣的中心也遠(yuǎn)離噴射器時(shí))提供新鮮的富氧空氣。這可以在主 噴射過(guò)程中使得燃料更充分燃燒，還允許在同樣或更大的機(jī)軸角度范圍內(nèi)噴 射和燃燒更多的燃料，從而增大燃燒循環(huán)的能量輸出。此外，通過(guò)對(duì)空氣、特別是預(yù)噴射和主噴射時(shí)的燃料噴射的嚴(yán)格控制，可以將燃燒溫度控制在氮 氧化物形成溫度限以下。
實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的的一個(gè)便捷方式是檢測(cè)燃燒室內(nèi)的壓力，因?yàn)閴毫κ侨紵?室內(nèi)的溫度的有益指示。在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式中，在壓縮沖程中進(jìn) 行預(yù)噴射(優(yōu)選在燃燒室內(nèi)的空氣達(dá)到燃點(diǎn)之前)，以允許預(yù)噴射的燃料和 空氣在燃燒前充分混合?？刂朴糜陬A(yù)噴射的燃料的量，使得點(diǎn)火后燃燒溫度 不會(huì)升高到超出氮氧化物形成溫度限。這以示例的方式顯示在圖1中，圖l 顯示了四沖程循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)的操作過(guò)程。從圖1中可以看到，點(diǎn)火基本
上發(fā)生在活塞的上止點(diǎn)(T)。在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，這不僅通過(guò)控制噴 射量來(lái)實(shí)現(xiàn)，還通過(guò)使用可控的發(fā)動(dòng)機(jī)閥起動(dòng)系統(tǒng)，特別是液壓閥起動(dòng)系統(tǒng)， 例如美國(guó)專利No. 6，739，293公開(kāi)的液壓閥起動(dòng)系統(tǒng)，該專利公開(kāi)的內(nèi)容作為 參考結(jié)合于此，通過(guò)控制如進(jìn)氣閥關(guān)閉的機(jī)軸角度這類的參數(shù)，從而有效地 控制實(shí)現(xiàn)的壓縮比和點(diǎn)火發(fā)生時(shí)的機(jī)軸角度。此外，在一種優(yōu)選的實(shí)施方式 中，如前所述，在汽缸內(nèi)使用壓力傳感器，這允許在循環(huán)和循環(huán)之間調(diào)整對(duì) 進(jìn)氣閥和預(yù)噴射的量的控制，以得到在上止點(diǎn)位置T的點(diǎn)火并實(shí)現(xiàn)所需的溫 度上升，從而隨后達(dá)到不超過(guò)氮氧化物形成溫度限的溫度。如圖1所示，燃 燒室內(nèi)的溫度達(dá)到峰值后，隨著預(yù)噴射燃料的消耗和活塞遠(yuǎn)離上止點(diǎn)位置移 動(dòng)，該溫度開(kāi)始下降，燃燒室內(nèi)的溫度如圖l所示(以及燃燒室內(nèi)的壓力) 開(kāi)始下降。但是溫度仍然高于點(diǎn)火溫度，可以進(jìn)行燃料的主噴射，并在主噴 射期間的至少一部分時(shí)段內(nèi)同時(shí)進(jìn)行空氣噴射，優(yōu)選將空氣噴射在燃料噴射 的尖端區(qū)域。其中，在空氣和燃料噴射過(guò)程中，雖然圖l顯示為溫度平穩(wěn)， 但實(shí)際上，燃料噴射可以包括多次少量噴射并控制空氣噴射的時(shí)間、持續(xù)時(shí) 間和量，以在隨后的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下得到最佳性能，因此圖1所示的平穩(wěn) 狀態(tài)可以不是非常平坦，但大致上被嚴(yán)格限制在點(diǎn)火溫度和氮氧化物形成溫 度限之間的范圍內(nèi)。應(yīng)該注意的是，雖然本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式使用液壓發(fā)動(dòng)機(jī)閥起動(dòng)，也 可以同樣使用其它方式的可控發(fā)動(dòng)機(jī)閥起動(dòng)，如電磁、壓電等。與機(jī)械發(fā)動(dòng) 機(jī)閥的實(shí)際控制相比，盡管通過(guò)至少對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)閥定時(shí)的更好控制可以達(dá)到最 好的性能，但是本發(fā)明還可使用機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)閥起動(dòng)系統(tǒng)。
由于在活塞的動(dòng)力沖程過(guò)程中，空氣和燃料的噴射占據(jù)主噴射的至少一 部分，可以在更大的機(jī)軸角度范圍內(nèi)噴射更大量的燃料，而不會(huì)在廢氣中形 成氮氧化物或多余的碳?xì)浠衔?，從而為?dòng)力沖程提供更大的機(jī)械能。圖1
顯然顯示了兩個(gè)完整的循環(huán)，顯示了壓縮沖程中的預(yù)噴射INJ、膨脹或動(dòng)力 沖程EXP、排氣沖程EXH和隨后的進(jìn)氣沖程及該進(jìn)氣沖程單獨(dú)的預(yù)噴射INJ 的示意圖。
擁有控制發(fā)動(dòng)機(jī)閥運(yùn)轉(zhuǎn)的能力，就可以改變發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)模式。例如， 參照?qǐng)D2，可見(jiàn)六沖程運(yùn)轉(zhuǎn)模式，這也可以是圖1所示的同一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)。在 此，從圖左側(cè)開(kāi)始，開(kāi)始?jí)嚎s和預(yù)噴射沖程，其中，活塞位于下止點(diǎn)(B)， 動(dòng)力或膨脹沖程EXPAN與圖1中顯示的膨脹沖程EXP基本一樣。但是，在 該膨脹沖程的底部或附近，汽缸的一個(gè)或多個(gè)進(jìn)氣閥暫時(shí)打開(kāi)以控制同一燃 燒室的再壓縮RECOMP過(guò)程達(dá)到的壓力和溫度。這一控制是用來(lái)控制燃燒 室中的未燃燒的碳?xì)浠衔镌谏现裹c(diǎn)T或附近的再點(diǎn)火。由第一燃燒沖程導(dǎo) 致的未燃燒的碳?xì)浠衔锏牧靠梢酝ㄟ^(guò)最初在該沖程的主噴射過(guò)程中噴射 的燃料的量來(lái)控制，當(dāng)然優(yōu)選地控制為使得再燃燒循環(huán)所達(dá)到的峰值溫度也 不超過(guò)氮氧化物形成溫度限。但是，注意到比起將從第一燃燒循環(huán)中產(chǎn)生的 廢氣排放到大氣中，由于該再燃燒循環(huán)，來(lái)自于第一燃燒循環(huán)的廢氣中的大 量未燃燒的碳?xì)浠衔锬軌蚋菀妆唤邮?。這可以允許在主燃燒循環(huán)中更寬 的機(jī)軸角度范圍內(nèi)噴射更多的燃料，從而在膨脹循環(huán)過(guò)程中提供更大的機(jī)械 能輸出的同時(shí)，仍然能實(shí)現(xiàn)低排放氮氧化物和未燃燒的碳?xì)浠衔铩?br> 可以注意到，在一種優(yōu)選實(shí)施方式中，對(duì)再燃燒循環(huán)過(guò)程中的點(diǎn)火的控制是通過(guò)暫時(shí)地使進(jìn)氣閥打開(kāi)以進(jìn)氣來(lái)實(shí)現(xiàn)的，同樣地，可以在循環(huán)和循環(huán) 之間根據(jù)前一循環(huán)的結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。顯然，雖然要以高一些的排出量為代價(jià)， 但也可以用暫時(shí)打開(kāi)排氣閥來(lái)代替?；谶@一目的而打開(kāi)進(jìn)氣閥可以在某種 程度上減少進(jìn)入的空氣中的氧氣含量，但不足以限制預(yù)噴射燃料的燃燒，而 且在燃料主噴射過(guò)程中噴射的富氧空氣能夠很容易地彌補(bǔ)燃燒室內(nèi)其余部 分的氧氣含量的任何微小減小。最終，如圖2所示，該再燃燒循環(huán)后，在機(jī) 軸角度的下一次旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，發(fā)生傳統(tǒng)的排氣和進(jìn)氣過(guò)程，然后重復(fù)進(jìn)行六 沖程循環(huán)，除非發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換為不同的運(yùn)轉(zhuǎn)模式。
通過(guò)對(duì)所述閥的定時(shí)控制，如圖3所示，同一發(fā)動(dòng)機(jī)可以在兩沖程模式
下運(yùn)行。由于比四沖程模式的動(dòng)力沖程數(shù)量增加了一倍，這通常是高動(dòng)力模
式。在該模式下，當(dāng)活塞位于下止點(diǎn)BDC附近時(shí)發(fā)生排氣，同時(shí)空氣從相 對(duì)低壓源噴射，特別是在壓縮沖程的初始部分過(guò)程中進(jìn)行該空氣噴射。如圖 l和圖2所示的模式，會(huì)發(fā)生燃料的預(yù)噴射，預(yù)噴射的量和為壓縮提供的空 氣的量的選擇使得在活塞上止點(diǎn)TDC位置或附近再次點(diǎn)火，并限制預(yù)噴射 燃料燃燒溫度上升，使該溫度不超過(guò)氮氧化物形成溫度限。同樣地，與前一 運(yùn)轉(zhuǎn)模式一樣，在膨脹沖程的主噴射部分過(guò)程中，以可控的方式噴射燃料和 空氣得以在為基本上完全燃燒而向噴射的燃料提供充足的氧氣的同時(shí)，使溫 度保持在點(diǎn)火溫度和氮氧化物形成溫度限之間。在每個(gè)機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中都重 復(fù)該循環(huán)，以實(shí)現(xiàn)基本上傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)兩循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)。
現(xiàn)在參照?qǐng)D4，可以看到本發(fā)明的通?？赡艿倪\(yùn)行過(guò)程示意圖。在該運(yùn) 行過(guò)程中，顯示了六缸發(fā)動(dòng)機(jī)，中間的兩個(gè)缸用于壓縮COMP，發(fā)動(dòng)機(jī)兩端 的兩個(gè)缸用作燃燒缸COMB。源自燃燒缸的廢氣EX被排放到大氣ATM之 前，先驅(qū)動(dòng)渦輪增壓器TURBO。本實(shí)施方式中的渦輪增壓器可以使吸入的 空氣INT增加至大約4巴的壓力，并將該渦輪增壓的空氣提供給全部六個(gè)缸 的進(jìn)氣閥。為了起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，并且在需要或最好起動(dòng)渦輪增壓器的任何時(shí)候，
15可以通過(guò)由控制閥控制的液壓發(fā)動(dòng)機(jī)提供液壓輔助，該控制閥連接于處于壓
力Ps作用下的液壓流體源。在兩個(gè)壓縮缸COMP的情況下，通常每個(gè)汽缸 可以具有兩個(gè)進(jìn)氣閥和兩個(gè)排氣閥并都用作輸入閥，每個(gè)壓縮汽缸COMP 都具有止回閥，用于在大約200巴的壓力下將所述壓縮缸COMP的壓縮空 氣排放至儲(chǔ)氣罐。該壓力顯然可以通過(guò)控制使壓縮缸COMP的進(jìn)氣閥關(guān)閉 的機(jī)軸角度來(lái)控制，這也控制了輸送至所述儲(chǔ)氣罐的高壓空氣的體積。其中， 需要注意的是，不論燃燒缸COMB以兩沖程循環(huán)、四沖程循環(huán)、六沖程循 環(huán)或其它模式運(yùn)轉(zhuǎn)，壓縮缸COMP始終以兩沖程循環(huán)壓縮模式運(yùn)轉(zhuǎn)。儲(chǔ)氣 罐中的空氣通過(guò)閥被噴射至每個(gè)燃燒室COMB內(nèi)，在優(yōu)選的實(shí)施方式中， 該閥還通過(guò)電子控制器來(lái)進(jìn)行液壓控制(并定時(shí)、制定尺寸等)，以將所需 量的空氣在一定時(shí)間內(nèi)噴射至所述燃燒室內(nèi)。其中，噴射空氣時(shí)，儲(chǔ)氣罐內(nèi) 的氣壓顯然高于燃燒室內(nèi)的氣壓，但在優(yōu)選的實(shí)施方式中，這很容易通過(guò)在 燃燒室內(nèi)實(shí)際檢測(cè)壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)，這是對(duì)壓力也是對(duì)燃燒室內(nèi)的溫度的指示的 檢測(cè)。需要注意的是，雖然圖4示意地顯示了用于從儲(chǔ)氣罐噴射空氣的單獨(dú) 的閥，但可以使用多個(gè)閥。優(yōu)選地，儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓力可以通過(guò)控制壓縮缸 COMP上的進(jìn)氣閥來(lái)控制，以在空氣噴射過(guò)程中提供大于燃燒室COMB的 壓力，但壓力不必過(guò)高，以免浪費(fèi)不必要的能量。其中，儲(chǔ)氣罐內(nèi)可達(dá)到的 最大壓力可以由設(shè)計(jì)決定，該設(shè)計(jì)是通過(guò)用于壓縮缸COMP的壓縮比來(lái)選 擇，發(fā)動(dòng)機(jī)頭部設(shè)計(jì)的壓縮比可能與壓縮缸COMP的壓縮比不同并特別地 大于壓縮缸COMP的壓縮比。儲(chǔ)氣罐內(nèi)的實(shí)際壓力(以及輸送至該儲(chǔ)氣罐 內(nèi)的空氣體積)很容易通過(guò)控制壓縮缸上的進(jìn)氣閥來(lái)控制。
需要注意的是，通常，由于儲(chǔ)氣罐內(nèi)的空氣幾乎是絕熱壓縮，該空氣溫 度很高，雖然通常不會(huì)有太多能量損失，但通常要在熱量損失之前噴射高壓 空氣。可選擇地，儲(chǔ)氣罐可以非常大并提供高壓空氣的重要容器，以在至少 短時(shí)內(nèi)助推發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力和輸出。作為另一種選擇，儲(chǔ)氣罐可以包括相對(duì)小的第一儲(chǔ)氣罐和非常大的第二儲(chǔ)氣罐，該第二儲(chǔ)氣罐在類似于使用發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng) 的過(guò)程中填充高壓空氣，致使對(duì)燃油消耗產(chǎn)生額外的改進(jìn)，并因此降低了 C02排放。
現(xiàn)在參照?qǐng)D5和圖6，可以看到觀察包括本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)的頭部的一部 分的示意圖和穿過(guò)該頭部的部分截面示意圖。如圖5所示，圖右側(cè)的汽缸為 壓縮缸，其中，全部四個(gè)閥都用作進(jìn)氣閥INT，由于與低壓進(jìn)氣相比，高壓 出氣的壓力高得多且體積小得多，所以止回閥較進(jìn)氣閥小得多。位于圖中心 的汽缸顯示為具有兩個(gè)進(jìn)氣閥INT和兩個(gè)排氣閥EXH并在該汽缸的中心設(shè) 置有燃料噴射器。在該燃料噴射器上方顯示為閥，該閥控制從儲(chǔ)氣罐向高壓 空氣通道輸入的用于均勻混合的高壓空氣的入口 。這些通道也顯示在圖6中，
其中，高壓閥控制來(lái)自于儲(chǔ)氣罐的高壓空氣的噴射，在本實(shí)施方式中，將高 壓空氣噴射在發(fā)動(dòng)機(jī)閥周圍的區(qū)域內(nèi)。顯然，雖然圖5和圖6顯示了用于在 膨脹沖程過(guò)程中使噴射到燃燒室內(nèi)的空氣分散的歧管的實(shí)施例，但是，這種 歧管可以采用多種形式，例如，可以通過(guò)在燃料噴射器的外緣周圍噴射空氣、 改變噴射的空氣通過(guò)的孔的角度、使噴射的空氣都沿同一方向或不同方向 等。
在此，對(duì)本發(fā)明的說(shuō)明是關(guān)于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的，但是本發(fā)明也適用于如汽 油發(fā)動(dòng)機(jī)和可替代燃料發(fā)動(dòng)機(jī)(如生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和類似發(fā)動(dòng)機(jī))等其它類 型的發(fā)動(dòng)機(jī)。用于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，可以使用汽化或預(yù)噴射而在上止點(diǎn) 或附近提供可火花點(diǎn)火的混合物，并如同柴油發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，在動(dòng)力沖程的部 分過(guò)程中噴射附加燃料和空氣?？蛇x擇地，不論使用什么燃料都可以使用單 純的壓縮點(diǎn)火，并使用從預(yù)噴射得到的稀混合物，用以限制達(dá)到的最高溫度 不超過(guò)氮氧化物形成溫度限，或發(fā)出"砰"聲，還用以使噴射到燃燒室內(nèi)的 附加燃料一接觸到在主噴射過(guò)程中噴射的空氣就幾乎立刻被點(diǎn)燃。此外，另 外一種可選擇的情況是，可以使用火花點(diǎn)火來(lái)起動(dòng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，該起動(dòng)使用普通循環(huán)或本發(fā)明的循環(huán)，然后在起動(dòng)之后和/或發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱一定程度以后轉(zhuǎn) 換成壓縮點(diǎn)火。
在前述公開(kāi)的內(nèi)容中，需要注意的是，在壓縮點(diǎn)火模式下使用汽油時(shí)， 與所用汽油的辛烷值無(wú)關(guān)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制會(huì)自動(dòng)調(diào)整以達(dá)到上止點(diǎn)或附近。
根據(jù)美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 60/819,062公開(kāi)的內(nèi)容，比起現(xiàn)有技術(shù)所公 開(kāi)的內(nèi)容，多汽缸壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)及其操作方法具有很多優(yōu)點(diǎn)。在一種實(shí)施 方式中，使用發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)汽缸來(lái)達(dá)到空氣壓縮的目的，發(fā)動(dòng)機(jī)的另一個(gè)汽 缸用作燃燒或動(dòng)力缸。例如，在六缸或八缸發(fā)動(dòng)機(jī)中，半數(shù)的汽缸可以用作 壓縮缸，另外半數(shù)的汽缸用作燃燒或動(dòng)力缸，但是這種一對(duì)一的比例只是實(shí) 施例，而不是對(duì)本發(fā)明的限制。
現(xiàn)在特別地參照?qǐng)D7，可以看到根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的多汽缸發(fā) 動(dòng)機(jī)的兩個(gè)汽缸的示意圖。該圖示意地顯示了用于發(fā)動(dòng)機(jī)的兩個(gè)汽缸的閥的 實(shí)施例，圖中右邊的汽缸20用于壓縮，左邊的汽缸22用作燃燒或動(dòng)力缸。 假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)包括電子可控閥如進(jìn)氣閥和排氣閥以及電子可控燃料噴射器，從 而通過(guò)適當(dāng)?shù)碾娮涌刂葡到y(tǒng)使得所述閥定時(shí)和噴射定時(shí)可以電子控制。 一種 適當(dāng)?shù)陌l(fā)動(dòng)機(jī)閥控制系統(tǒng)為如美國(guó)專利No. 6,739293所公幵的電子可控液壓 發(fā)動(dòng)機(jī)閥控制系統(tǒng)，該專利公開(kāi)的內(nèi)容已作為參考結(jié)合于此。適當(dāng)?shù)娜剂蠂?射器可以是美國(guó)專利No. 5,460,329公開(kāi)的類型，該專利公開(kāi)的內(nèi)容也作為參 考結(jié)合于此。
如圖7所示，進(jìn)氣歧管INTAKE連接于壓縮缸20上的3個(gè)進(jìn)氣閥IN， 并連接于圖的左手邊的燃燒缸22上的單獨(dú)的進(jìn)氣閥IN。雖然進(jìn)氣歧管可以 處于高壓(例如通過(guò)增壓器)，但在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，進(jìn)氣歧管INTAKE 內(nèi)的壓力可以僅為大氣壓，或由于安裝有發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的動(dòng)態(tài) 壓力而稍微高于大氣壓。類似地，優(yōu)選實(shí)施方式中的排氣歧管EX盡可能地 接近大氣壓，雖然不是優(yōu)選的方式，但本發(fā)明可以與排氣驅(qū)動(dòng)的增壓器一起使用。
除了進(jìn)氣歧管INTAKE和排氣歧管EX以外，還設(shè)置有低壓氣軌(airrail) ARL和高壓氣軌ARH。低壓氣軌ARd尤選地連接于具有很大存儲(chǔ)容量的存儲(chǔ) 罐24。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，高壓氣軌ARH具有內(nèi)容積，但沒(méi)有與其連接 的單獨(dú)的存儲(chǔ)罐。但是，可選擇地，可以使用高壓空氣存儲(chǔ)罐，其上可以帶 有或不帶有可控閥以將該高壓空氣存儲(chǔ)罐連接至高壓氣軌ARH。
在壓縮缸20的進(jìn)氣沖程過(guò)程中，進(jìn)氣閥IN通常打開(kāi)，在之后的壓縮沖 程中，壓縮空氣通過(guò)打開(kāi)閥ARl以將壓縮空氣連通至低壓氣軌AR^及與該 低壓氣軌ARl連接的存儲(chǔ)罐24而排放，或?qū)嚎s空氣通過(guò)高壓空氣排放閥 ARH排放至高壓氣軌ARH。最有效的運(yùn)轉(zhuǎn)方式為，通過(guò)壓力傳感器26檢測(cè) 壓縮缸20內(nèi)的壓力，根據(jù)該壓力來(lái)調(diào)整打開(kāi)通向低壓氣軌ARt的排氣閥還 是打開(kāi)通向高壓氣軌ARH的高壓排氣閥ARH。其中，未顯示出測(cè)量低壓氣 軌ARt和高壓氣軌ARH的壓力的壓力傳感器，設(shè)置該壓力傳感器部分地是 出于整體發(fā)動(dòng)機(jī)控制的目的，此外，還為了適當(dāng)?shù)厥箟嚎s缸20內(nèi)的各排氣 閥定時(shí)打開(kāi)，以避免壓縮缸20和與各排氣閥打開(kāi)相對(duì)應(yīng)的氣軌之間的大壓 力差導(dǎo)致的能量損失(不論是正壓力差還是負(fù)壓力差)。其中，還應(yīng)該注意 的是，雖然由于壓縮缸20的尺寸，壓縮空氣的量具有最大體積，該體積典 型地但不是必須與動(dòng)力缸22的尺寸相同，在進(jìn)氣沖程過(guò)程中，在活塞達(dá)到 下止點(diǎn)之前關(guān)閉進(jìn)氣閥(或者可選擇地，在活塞超過(guò)下止點(diǎn)之后關(guān)閉進(jìn)氣閥) 可以減小壓縮空氣的量，從而使得留在壓縮缸20內(nèi)用于壓縮的空氣的量減 少。通過(guò)在進(jìn)氣沖程中不打開(kāi)進(jìn)氣閥IN和/或不打開(kāi)連接于兩個(gè)加壓氣軌中 的任一個(gè)的任一排氣閥，輸送到任一氣軌的壓縮空氣的量可以降低到零。此 外，還應(yīng)注意的是，壓縮缸20的壓縮比可以與燃燒缸的壓縮比相同或不同， 如果需要，還可以高于燃燒缸的壓縮比。
因此，通過(guò)控制壓縮缸20的進(jìn)氣閥IN和排氣閥ARl和ARh并使用氣
19壓軌中的空氣，低壓氣軌ARL和與其連接的存儲(chǔ)罐24以及高壓氣軌ARH中 的壓力可以得到很好的控制。在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，低壓氣軌ARL的壓 力通常約為15巴，最低約為10巴，最高約為20巴。另一方面，高壓氣軌 ARH中的壓力優(yōu)選為更高，在一種實(shí)施方式中，在大約140巴和200巴范圍內(nèi)。
燃燒缸22包括連接于進(jìn)氣歧管INTAKE的進(jìn)氣閥IN和連接于排氣歧管 EX的兩個(gè)排氣閥EX。該燃燒缸還包括燃料噴射器INJ，典型地，該噴射器 大約位于燃燒缸的中心。因此，燃燒缸22可以作為傳統(tǒng)的四沖程壓縮點(diǎn)火 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，該四沖程壓縮點(diǎn)火包括進(jìn)氣、壓縮、燃燒和排氣沖程。但是， 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，即使在傳統(tǒng)的四沖程模式下也可以通過(guò)在噴射用于 燃燒的燃料的同時(shí)從高壓氣軌ARH噴射空氣，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，如實(shí) 施方式所示，既可以通過(guò)小型高壓空氣噴射閥ARH2，或通過(guò)稍大一些的高 壓空氣噴射閥ARH1，或通過(guò)這兩種閥噴射空氣。如下面更具體的顯示，噴 射這種高壓空氣時(shí)，優(yōu)選噴射在燃料噴射器INJ的尖端的周圍，這種空氣噴 射具有很多優(yōu)點(diǎn)。第一，高壓空氣的噴射在從燃料噴射器噴射的燃料流的緊 鄰處產(chǎn)生紊流，使燃料和空氣更好地混合并避免了能夠產(chǎn)生NOx的局部熱 點(diǎn)。此外，典型的燃料噴射器采用基本上呈放射狀部件將燃料流噴射到燃燒 室內(nèi)，以避免(或最低限度地)噴射的燃料碰撞到活塞上，這種碰撞會(huì)損壞 活塞并致使由該碰撞引起的不完全燃燒導(dǎo)致高排放。但是，因此，隨著活塞 遠(yuǎn)離上止點(diǎn)移動(dòng)，燃燒所需的空氣也遠(yuǎn)離上止點(diǎn)移動(dòng)，使得后續(xù)的噴射趨于 集中在此時(shí)為燃燒室容積的上部，從而不能利用其下方更多的富氧空氣。如 上述說(shuō)明的那樣噴射高壓空氣，噴射器尖端的空氣被富氧空氣補(bǔ)充(否則將 會(huì)耗盡)，即使在較現(xiàn)有技術(shù)更長(zhǎng)的噴射過(guò)程中也能允許更多的完全燃燒。 其中，在優(yōu)選的實(shí)施方式中，燃燒室還使用壓力傳感器28，該壓力傳感器 28不僅檢測(cè)壓力，還有效地間接檢測(cè)燃燒室的溫度。因此，可以控制燃料噴射器INJ以控制/限制燃料噴射率，以限制燃燒室的壓力并從而限制燃燒室的
溫度，使該溫度低于形成NOx的溫度。其中，需要注意的是，由于燃料噴射
過(guò)程中的高壓空氣噴射，較現(xiàn)有技術(shù)中而言，由于在噴射的燃料附近補(bǔ)充富 氧空氣(即使活塞己經(jīng)從上止點(diǎn)位置向下移動(dòng)相當(dāng)長(zhǎng)的距離)，該燃料噴射 過(guò)程可能占據(jù)更大的機(jī)軸角度范圍。當(dāng)然，結(jié)合主噴射可以使用引燃噴射， 主噴射本身就可以是連續(xù)或脈沖噴射，如所需那樣并根據(jù)噴射系統(tǒng)的能力將
燃燒室的溫度限制在形成NOx的溫度以下。類似地，根據(jù)需要并根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī) 的運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境而做的故意的改變，在任何預(yù)噴射過(guò)程中可以使用或不使用高壓 空氣噴射，且該高壓空氣噴射可以與燃料的主噴射同時(shí)或不同時(shí)進(jìn)行。
現(xiàn)在參照?qǐng)D8，可以看到本發(fā)明的另一方面。根據(jù)該方面，根據(jù)本發(fā)明 的發(fā)動(dòng)機(jī)(如圖7所示的發(fā)動(dòng)機(jī))可以作為兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行操作，從而可 以向同一發(fā)動(dòng)機(jī)RPM提供如同圖7的兩個(gè)汽缸在傳統(tǒng)的四沖程循環(huán)下操作 所能得到的動(dòng)力沖程。圖8通過(guò)溫度與活塞位置的關(guān)系曲線顯示了發(fā)動(dòng)機(jī)的 兩沖程方式的運(yùn)轉(zhuǎn)，曲線上，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的多個(gè)過(guò)程階段標(biāo)記了 多個(gè)點(diǎn)。圖中顯示了燃燒缸22中的活塞從下止點(diǎn)B至上止點(diǎn)T并回到下止 點(diǎn)B的情況，這之后即重復(fù)所示循環(huán)，或者可選擇地，尤其是在低動(dòng)力輸出 狀態(tài)下，在活塞下一次從下止點(diǎn)B至上止點(diǎn)T并回到下止點(diǎn)B的移動(dòng)過(guò)程 中可以進(jìn)行可選擇的再燃燒循環(huán)，如圖8朝右側(cè)所示。從圖8曲線的左側(cè)的 下止點(diǎn)B開(kāi)始，活塞朝向上止點(diǎn)位置T移動(dòng)過(guò)程的大部分時(shí)間內(nèi)，排氣閥打 開(kāi)(EVO)。然后，在適當(dāng)?shù)臋C(jī)軸角度(可以由基于發(fā)動(dòng)機(jī)的工作情況和環(huán) 境情況的控制系統(tǒng)決定，并部分地基于前一循環(huán)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)而對(duì)循環(huán)進(jìn)行調(diào) 整)，排氣閥在點(diǎn)2處關(guān)閉(EVC)，并且在該點(diǎn)上(或在這之后不久)，低 壓氣軌ARL中的空氣連通至閥ARl (圖7)并連通至燃燒缸，并發(fā)生了少量 燃料的引燃噴射(點(diǎn)3)，該引燃噴射和空氣噴射在點(diǎn)4終止。然后，在剛剛 達(dá)到點(diǎn)火溫度之前或之后的某點(diǎn)處，可以向燃燒缸內(nèi)噴射更多的燃料和高壓空氣并隨后終止該噴射，雖然溫度(壓力)在點(diǎn)7達(dá)到了最高之后隨著活塞 向下移動(dòng)而下降，但還可以噴射高壓空氣和燃料以保持燃燒，因此，在很大
的機(jī)軸角度內(nèi)，燃燒室的溫度和壓力都處于NO,形成溫度以下，這之后在點(diǎn) 8處，在動(dòng)力沖程的余下過(guò)程中停止噴射燃料和空氣，排氣閥在下止點(diǎn)附近 (點(diǎn)9)打開(kāi)以重復(fù)上述循環(huán)，或者進(jìn)行低動(dòng)力運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)關(guān)閉燃燒室內(nèi)的 所有閥來(lái)進(jìn)行燃燒室裝入料(charge)的再燃燒循環(huán)，或者可選擇地，通過(guò) 控制一個(gè)或多個(gè)排氣閥EX、進(jìn)氣閥IN和/或連通一個(gè)氣軌的閥以控制壓力 和體積，從而控制再燃燒裝入料的溫度，使得再燃燒的點(diǎn)火發(fā)生在上止點(diǎn)或 附近。
上述對(duì)于本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)用于兩沖程的運(yùn)轉(zhuǎn)的說(shuō)明顯然僅僅是舉例，引 燃噴射可以不帶有高壓空氣噴射，或者實(shí)際上根本不使用引燃噴射。類似地， 可以在壓縮沖程的晚些時(shí)候進(jìn)行引燃噴射，并在引燃噴射點(diǎn)火后進(jìn)行主噴射 和高壓空氣噴射，這可以在可控方式(脈沖或其它方式)下進(jìn)行以將燃燒室 內(nèi)的最高溫度限制在NOx形成溫度以下，可以在相當(dāng)大的機(jī)軸角度內(nèi)保持燃 燒室內(nèi)的高壓和高溫以用于高效動(dòng)力沖程。
現(xiàn)在參照?qǐng)D9，可以看到燃燒缸22 (圖7)內(nèi)的汽缸頭部的截面。圖中 所示為發(fā)動(dòng)機(jī)閥，如圖7中的排氣閥EX或進(jìn)氣閥IN中的一個(gè)。未顯示連 接于低壓氣軌ARL的進(jìn)氣閥ARl (圖7中有顯示)，但是該閥可以是例如圖 9所示的發(fā)動(dòng)機(jī)閥這樣的傳統(tǒng)的提升閥，典型地，由于低壓氣軌中的高密度、 高壓空氣(相對(duì)于大氣)，該閥更小。但是，圖9所示的是比典型的更小的 提升閥30，該提升閥打開(kāi)時(shí)連通高壓氣軌ARh和岐管區(qū)域32，該歧管區(qū)域 32繼而通過(guò)穿過(guò)環(huán)形區(qū)域34排放高壓空氣而將該高壓空氣分散在燃料噴射 器INJ的尖端周圍。在典型的應(yīng)用中，高壓氣軌內(nèi)的空氣將以高于燃燒缸內(nèi) 氣壓的可控氣壓噴射到燃燒缸內(nèi)，以在噴射過(guò)程中穿過(guò)燃料噴射器噴射的噴 射流而產(chǎn)生空氣流，但這種壓力差不會(huì)太高而浪費(fèi)太多能量。因此，這種方式的空氣噴射避免了燃燒室內(nèi)出現(xiàn)熱點(diǎn)、使噴射的燃料和空氣更好地混合并 為在汽缸的一部分內(nèi)的燃燒過(guò)程消耗的空氣補(bǔ)充富氧空氣以潛在地允許將 更多的燃料噴射到該部分內(nèi)并燃燒，從而潛在地增加了每次動(dòng)力沖程的動(dòng)力 輸出。
由圖10可以看到根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)的另一種運(yùn)轉(zhuǎn)模式。所示的該模 式為關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)的兩沖程運(yùn)轉(zhuǎn)，但是如前述的運(yùn)轉(zhuǎn)模式一樣，根據(jù)需要或根 據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況而選擇，能夠延及四循環(huán)沖程或更多循環(huán)沖程運(yùn)轉(zhuǎn)。該運(yùn)
轉(zhuǎn)模式的原理是，動(dòng)力沖程之后，在活塞的下止點(diǎn)BDC或附近，排氣閥EXH 在活塞朝向活塞的上止點(diǎn)TDC位置移動(dòng)過(guò)程的大部分時(shí)間內(nèi)為打開(kāi)狀態(tài)， 這之后排氣閥關(guān)閉。隨后在壓縮的初期進(jìn)行燃料噴射，并一直持續(xù)到開(kāi)始噴 射充足的燃料。在燃料噴射后期(或完成燃料噴射以后)，在活塞到達(dá)上止 點(diǎn)TDC位置周圍或?qū)⒁竭_(dá)之前開(kāi)始從高于氣軌ARH噴射高壓空氣，使得 點(diǎn)火發(fā)生在上止點(diǎn)TDC位置附近并隨著高壓空氣的持續(xù)噴射而持續(xù)燃燒， 直到達(dá)到超過(guò)上止點(diǎn)位置的很大的機(jī)軸角度。在隨后完成的燃燒之后，開(kāi)始 正常膨脹直到活塞位于活塞的下止點(diǎn)BDC位置或附近，在該位置，定時(shí)使 排氣閥打開(kāi)以重復(fù)上述循環(huán)。可選擇地，可以用低壓氣軌ARL進(jìn)行初始的空 氣噴射，隨后用高壓氣軌ARH進(jìn)行空氣噴射，這些噴射氣壓可以通過(guò)定時(shí)的 閥可控，以提供最高效的噴射氣壓。
該在后說(shuō)明的運(yùn)轉(zhuǎn)模式的優(yōu)點(diǎn)如下。由于在燃燒開(kāi)始前將燃料噴射至來(lái) 自于前一動(dòng)力沖程的高溫排放氣體中，所噴射的燃料會(huì)被該高溫排放氣體汽 化(轉(zhuǎn)化為氣態(tài))，相比較排放氣體內(nèi)的有限的氧氣來(lái)說(shuō)，該汽化提供了燃 料豐富的環(huán)境。因此，有限的可用氧氣限制了這種混合物的壓縮點(diǎn)火的溫度， 并顯然是自動(dòng)地使該溫度保持在可能形成NOx的溫度以下。典型地但不是必 須地，在壓縮點(diǎn)火之前開(kāi)始噴射高壓空氣會(huì)增加燃燒，并因此使壓縮點(diǎn)火后 的溫度升高，但是可以定時(shí)噴射空氣并控制空氣的量以將燃燒溫度仍然限制在NOx形成溫度以下。其中，可以注意到，隨著高壓噴射持續(xù)進(jìn)行，燃燒也
繼續(xù)進(jìn)行，直到燃料耗盡，但經(jīng)過(guò)控制的燃料一空氣混合物可以避免局部熱
點(diǎn)，否則該熱點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致形成NOx。作為對(duì)比，在傳統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃料 液滴被噴射到富氧空氣中，使得局部熱點(diǎn)升高并產(chǎn)生NOx，但是在該運(yùn)轉(zhuǎn)模 式下，燃料液滴被汽化(轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài))，且該蒸汽與剩余的排放氣體充分混 合，并特別地與初始噴射的高壓空氣混合，因此，在整個(gè)燃燒室內(nèi)，可以將 燃料一空氣比例限制在不低于使溫度超過(guò)產(chǎn)生NOx的溫度的比例。顯然，對(duì) 燃料噴射的定時(shí)和定量，以及對(duì)高壓空氣噴射的定時(shí)和定量可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī) 的運(yùn)轉(zhuǎn)情況和環(huán)境情況而調(diào)整，以在適當(dāng)?shù)卣{(diào)整為最小排放量的同時(shí)保持所 需動(dòng)力。此外，如前所述，以兩沖程循環(huán)模式運(yùn)轉(zhuǎn)將增加燃燒缸的動(dòng)力輸出， 以彌補(bǔ)使用另一汽缸對(duì)高壓氣軌ARH加壓。此外，可以以這樣的方式向燃燒 缸噴射高壓空氣，即促進(jìn)混合并清理汽缸壁上未燃燒的燃料蒸汽和空氣以促 進(jìn)完全燃燒。
應(yīng)該注意的是，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)可以在所述的各種運(yùn)轉(zhuǎn)模式的混合 模式下運(yùn)轉(zhuǎn)。例如，雖然大部分的燃料噴射可以先于所述壓縮點(diǎn)火，但根據(jù) 需要可以在動(dòng)力沖程過(guò)程中噴射附加燃料。其中，需要注意的是，由于對(duì)壓 縮缸的進(jìn)氣閥和排氣閥、燃燒缸的排氣閥、空氣噴射閥和燃料噴射器的定時(shí) 控制能力，不論是一次噴射還是多次噴射，空氣噴射和燃料噴射的時(shí)間和噴 射量是完全可控的，并根據(jù)需要可調(diào)節(jié)(特別是響應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況和環(huán) 境情況)。包括有如圖7所示的燃燒缸的進(jìn)氣閥還可以允許在上述發(fā)動(dòng)機(jī)的 可能的運(yùn)轉(zhuǎn)模式下具有更大的靈活性。顯然，圖7所示的壓力傳感器28允 許基于前一循環(huán)的優(yōu)化運(yùn)轉(zhuǎn)的任何偏離而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行循環(huán)之間的 優(yōu)化。
本發(fā)明已經(jīng)公開(kāi)了關(guān)于壓縮點(diǎn)火中燃料噴射的內(nèi)容，在優(yōu)選的實(shí)施方式 中燃料為柴油燃料，但也可以根據(jù)需要使用石油基或非石油基燃料。此外，
24對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶鎿Q，還可以使用氣體燃料和以液 體形式存放的氣體燃料(如液態(tài)天然氣、丙烷、丁烷和氫等)。這些燃料或 這些燃料的任意混合物都可以單獨(dú)使用，或與少量的一種或多種適當(dāng)?shù)奶砑?劑結(jié)合使用，以達(dá)到在所需的燃燒室溫度引燃?jí)嚎s點(diǎn)火的目的。此外，使用 柴油燃料和任何其它燃料的本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)可以如圖11所示那樣由控制系 統(tǒng)方便地控制。如該圖所示，發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)閥、空氣控制閥和噴射器可以 由控制器控制，特別地該控制器為基于微處理器的控制器，在該控制器內(nèi)的 只讀存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)的程序的控制下起控制作用，并響應(yīng)于根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情
況、環(huán)境情況和氣軌壓力的動(dòng)力設(shè)置以及基于査詢表格中記錄的預(yù)定信息而 決定用于發(fā)動(dòng)機(jī)閥、空氣控制閥和噴射器的運(yùn)轉(zhuǎn)的額定參數(shù)。本發(fā)明的系統(tǒng)
中的這種控制器應(yīng)該尤其響應(yīng)于壓縮缸20、燃燒缸22和低壓氣軌ARl、高 壓氣軌ARH內(nèi)的壓力傳感器，以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)呈現(xiàn)最佳性能，特別是在發(fā) 動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)的特定循環(huán)過(guò)程中運(yùn)行，基于前一循環(huán)過(guò)程的運(yùn)轉(zhuǎn)而調(diào)節(jié)，以基 本上形成一個(gè)或多個(gè)封閉循環(huán)從而保證在適當(dāng)?shù)臋C(jī)軸角度發(fā)生點(diǎn)火，從而使 溫度不會(huì)超過(guò)燃燒室的溫度，等等。此外，顯然可以包括其它運(yùn)轉(zhuǎn)模式，如 壓縮制動(dòng)、在使用發(fā)動(dòng)機(jī)或壓縮制動(dòng)或僅僅在低動(dòng)力起動(dòng)時(shí)存儲(chǔ)附加的高壓 空氣、在高沖程模式(如六循環(huán)和八循環(huán))下運(yùn)轉(zhuǎn)、跨循環(huán)(skip cycle)運(yùn) 轉(zhuǎn)等。其中，為了利用多余的動(dòng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)可以基于先前存儲(chǔ)的高壓空氣利 用高壓空氣噴射而運(yùn)轉(zhuǎn)，省去了動(dòng)力消耗所需的、為噴射而提供高壓空氣的 時(shí)間，同時(shí)使用了由高壓空氣噴射得到的多余動(dòng)力。這具有比其它能量存儲(chǔ) 技術(shù)如電池存儲(chǔ)優(yōu)越的特點(diǎn)，因?yàn)椴挥棉D(zhuǎn)換成電能并再轉(zhuǎn)換回來(lái)而造成多余 的消耗和復(fù)雜性。這甚至比從某些其它壓縮機(jī)存儲(chǔ)高壓空氣并轉(zhuǎn)換回渦輪機(jī) 或其它氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)形式的機(jī)械能更具有優(yōu)勢(shì)，這主要是由于避免了這些多余 部件。本發(fā)明還在改進(jìn)燃燒和避免產(chǎn)生NOx方面具有很大優(yōu)勢(shì)，這比起形成 NOx后試圖將NOx作為排放物排出要更有實(shí)用性并更經(jīng)濟(jì)?，F(xiàn)在參照?qǐng)D12，可以看到產(chǎn)生煙黑和NOx的情況的圖表。該圖表非常 有助于顯示本發(fā)明的各種原理和特點(diǎn)。X軸為開(kāi)爾文溫度，Y軸為等效比 (equivalence mtio)。等效比為燃料與氧化劑的比例除以燃料與氧化劑的化 學(xué)計(jì)量比。因此，等效比為2 (如圖表中重點(diǎn)標(biāo)出的)表示能夠燃燒的燃料 的量是現(xiàn)有的氧氣量的兩倍。典型地，在現(xiàn)有技術(shù)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，宏觀尺 度下的等效比小于l，也就是說(shuō)，為汽缸內(nèi)的氧氣總量而噴射的燃料總量通 常小于化學(xué)計(jì)量比。但是，汽缸內(nèi)的各種實(shí)際情況會(huì)導(dǎo)致局部的燃料一空氣 比大于化學(xué)計(jì)量比，這可以導(dǎo)致相對(duì)高的局部等效比而產(chǎn)生煙黑，如圖表所 示。這種情況包括現(xiàn)有技術(shù)中存在的事實(shí)，燃料是通過(guò)固定的噴射噴嘴噴射 到汽缸中的，使得燃料在燃燒室內(nèi)非常局部的區(qū)域內(nèi)高度集中。這種情況顯 然只能隨著噴嘴被部分地阻塞等等而更加惡化。如前所述，在現(xiàn)有技術(shù)中， 燃料噴射開(kāi)始于活塞位于活塞運(yùn)動(dòng)的上止點(diǎn)或附近，導(dǎo)致需要一定的放射狀 噴射方向，但是，隨著噴射過(guò)程的繼續(xù)，燃燒室內(nèi)的容積的中心向下移動(dòng)， 使得燃燒室內(nèi)的大部分氧氣向下遠(yuǎn)離繼續(xù)進(jìn)行的燃料噴射。
再參照?qǐng)D12，圍繞上方黑色區(qū)域的線表示將會(huì)形成的煙黑的含量，而圍 繞右下方的線表示以百萬(wàn)分之一計(jì)量的形成的NOx的量。從左上方起始的曲 線表示燃燒室內(nèi)的氧氣含量，范圍從右手邊曲線的21%的氧氣至左手邊曲線 的5%的氧氣?？梢钥闯觯偃缈梢钥刂迫紵覂?nèi)的最高溫度(以及局部溫 度)和等效比(以及局部等效比)，基本上不會(huì)產(chǎn)生煙黑，也不會(huì)產(chǎn)生NOx。 顯然，如果能夠在整個(gè)燃燒室中達(dá)到等效比為2并具有相對(duì)低的氧氣含量， 煙黑和NOx就都不會(huì)產(chǎn)生了，但是廢氣中會(huì)含有相當(dāng)多的未燃燒碳?xì)浠衔?(燃料)，同樣不能令人滿意。
現(xiàn)在參照?qǐng)D13，可以看到本發(fā)明的一種實(shí)施方式的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程與標(biāo)準(zhǔn) 柴油機(jī)循環(huán)對(duì)比的曲線。這些曲線顯示了從多汽缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò) 程中提取的數(shù)據(jù)，其中，第三汽缸裝配有壓力傳感器并在傳統(tǒng)的柴油機(jī)循環(huán)下運(yùn)轉(zhuǎn)(作為參照基線)，第二汽缸也裝配有壓力傳感器，但在根據(jù)本發(fā)明 的一種實(shí)施方式的可選擇的循環(huán)下運(yùn)轉(zhuǎn)。其中，圖中，相對(duì)于上止點(diǎn)的機(jī)軸
角度從-140°變化至+140° ，應(yīng)該注意的是，基線運(yùn)轉(zhuǎn)(也就是汽缸3傳統(tǒng) 的柴油機(jī)循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn))是傳統(tǒng)的四循環(huán)柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，該運(yùn)轉(zhuǎn)包括進(jìn)氣沖程、壓 縮沖程、動(dòng)力沖程和排氣沖程?？蛇x擇的循環(huán)為兩循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，主要包括壓縮 沖程和動(dòng)力沖程，從而有效地使汽缸的動(dòng)力沖程數(shù)增加一倍。
噴射的空氣由單獨(dú)的壓縮空氣源提供，但是，如前所述，充分使用的所 需壓力的空氣通常通過(guò)被用作壓縮缸的多汽缸發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)或多個(gè)汽缸來(lái) 提供。其中，該壓縮缸通常作為兩循環(huán)汽缸運(yùn)轉(zhuǎn)(壓縮和進(jìn)氣)，但是可以 因需要為空氣加壓而跨循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，這種汽缸可以具有比燃燒缸更高的 壓縮比，以盡可能多地排出所需壓力的壓縮空氣并最大程度地減少在進(jìn)氣沖 程過(guò)程中可能再膨脹的壓縮空氣的量。
無(wú)論如何，再參照?qǐng)D13，可以注意到，在基線四循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)中，完成排氣 循環(huán)和進(jìn)氣循環(huán)后繼續(xù)壓縮。大約在上止點(diǎn)處，噴射階段開(kāi)始，并快速升至 峰值壓力，隨后，壓力隨著活塞從上止點(diǎn)向下移動(dòng)而緩緩降低?？梢宰⒁獾?， 高的汽缸壓力以及混合不充分和液滴狀的燃料會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生煙黑的高的汽缸 溫度和高的局部等效比，并導(dǎo)致產(chǎn)生NOx的高溫燃燒和局部的低等效比。
在本發(fā)明的這種實(shí)施方式的可選擇的循環(huán)中，排氣閥在下止點(diǎn)附近打 開(kāi)，以在汽缸內(nèi)留住預(yù)定量的排放氣體。顯然，該排放氣體會(huì)被未燃燒的燃 料消耗，由于下面將要說(shuō)明的循環(huán)，該排放氣體不含NOx和煙黑。當(dāng)排氣閥 關(guān)閉時(shí)，以圖13所示的循環(huán)方式進(jìn)行壓縮，直到離上止點(diǎn)大約-20°為止， 在該機(jī)軸角度位置將燃料噴射到汽缸內(nèi)的排放氣體中。在該實(shí)施例中，噴射 的燃料的量為用于該循環(huán)的全部用量(如前所述，也可以噴射少于全部用量 的燃料，并在上止點(diǎn)之后噴射其余的量)。燃料被噴射到包含有前一循環(huán)的 剩余的廢氣的裝入料內(nèi)，并因此噴射到溫度很高的排放氣體中，該溫度處于點(diǎn)火溫度以下。但是，該溫度足以使燃料汽化，也就是將燃料轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)以 更好地混合并最終避免出現(xiàn)局部熱點(diǎn)和高等效比區(qū)域，否則，在傳統(tǒng)的柴油 機(jī)循環(huán)中，當(dāng)燃料噴射到上止點(diǎn)附近時(shí)會(huì)出現(xiàn)局部熱點(diǎn)和高等效比區(qū)域。
噴射燃料并在一定時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)變成氣態(tài)之后，將空氣噴射到汽缸內(nèi)(仍然 在到達(dá)上止點(diǎn)之前)，這在圖13中標(biāo)識(shí)為空氣階段1。嚴(yán)格控制噴射的空氣 的量(以及被留在燃燒室內(nèi)的前一循環(huán)的排放氣體的量)以使點(diǎn)火基本上發(fā) 生在上止點(diǎn)?？梢酝ㄟ^(guò)在壓縮循環(huán)過(guò)程中噴射空氣的量來(lái)限制峰值壓力和峰 值溫度，從而使當(dāng)前的氧氣含量約為新鮮空氣的氧氣含量的一半，以使燃燒 沿著10%氧氣曲線的實(shí)線部分進(jìn)行。該部分處于點(diǎn)火溫度以上，但遠(yuǎn)離煙黑
產(chǎn)生等效比并處于形成NOx所需的溫度以下。顯然，由于燃料已經(jīng)轉(zhuǎn)化成氣
態(tài)并在點(diǎn)火之前與可用的氧氣充分混合，因此這種在其填充空間內(nèi)的燃燒相
對(duì)均勻。在上止點(diǎn)之后，當(dāng)燃燒室內(nèi)的壓力和溫度開(kāi)始下降時(shí)，空氣階段2 開(kāi)始，其中，直接將高壓空氣噴射到燃燒室內(nèi)，在等效比有效地降低到l以 下的情況下維持燃燒，允許燃料和空氣裝入料完全燃燒而不產(chǎn)生煙黑或 NOx。因此，可以實(shí)現(xiàn)兩循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)而不會(huì)在燃燒過(guò)程中出現(xiàn)局部燃料液滴， 也不會(huì)使燃燒過(guò)程中的溫度過(guò)高，從而提供了發(fā)動(dòng)機(jī)的無(wú)污染運(yùn)轉(zhuǎn)。
如前所述，在壓縮沖程中，當(dāng)燃料噴射到熱的剩余排放氣體中時(shí)，燃料 在點(diǎn)燃之前轉(zhuǎn)化成氣態(tài)。但是，完全可以使用任何可燃液體(大氣壓力情況 下)燃料，該發(fā)動(dòng)機(jī)也可以"完全燃燒"以媲美燃燒天然氣的發(fā)動(dòng)機(jī)。其中， 本發(fā)明不僅限于使用液體燃料，如前所述，還可以使用天然氣、丙垸等氣體 燃料。雖然這些燃料已經(jīng)具有完全燃燒的美名，在根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)中使 用這些燃料會(huì)產(chǎn)生更多優(yōu)點(diǎn)，如由于高壓縮比(以實(shí)現(xiàn)壓縮點(diǎn)火)而實(shí)現(xiàn)的 更高的效率、燃燒濃度更低的混合物的能力以及根據(jù)需要而在同一發(fā)動(dòng)機(jī)中 使用其它燃料的能力。
在任一實(shí)施方式中，都可以根據(jù)點(diǎn)火時(shí)間和/或發(fā)動(dòng)機(jī)的其它性能參數(shù)對(duì)各運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)進(jìn)行循環(huán)間修正。雖然控制機(jī)械閥不是問(wèn)題，但因?yàn)閷?duì)閥的起 動(dòng)和定時(shí)的相對(duì)無(wú)約束的靈活性，優(yōu)選將本發(fā)明用于無(wú)凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)
(camless engine)(作為參考結(jié)合于此的美國(guó)專利No. 6.739.293中公開(kāi)了一 個(gè)實(shí)施例)。具有這種靈活性，燃燒缸可以以一種類型的發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)起動(dòng)(如 四沖程柴油機(jī)循環(huán))，并隨后轉(zhuǎn)換為本文所述的兩循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)(在該兩種循環(huán) 中可以跨循環(huán)或不跨循環(huán))。發(fā)動(dòng)機(jī)也可以以用于冷起動(dòng)的"起動(dòng)"燃料
(starting foel)起動(dòng)，隨后轉(zhuǎn)換為使用常規(guī)"運(yùn)轉(zhuǎn)"燃料(running foel)，這 種轉(zhuǎn)換可以根據(jù)成本、環(huán)境情況或甚至是發(fā)動(dòng)機(jī)載荷要求或其它情況而自發(fā) 地由發(fā)動(dòng)機(jī)隨時(shí)進(jìn)行。此外，燃料的性質(zhì)可以改變，環(huán)境情況也會(huì)改變，因 此發(fā)動(dòng)機(jī)控制在循環(huán)之間調(diào)整以適應(yīng)這些改變。例如，可以使用汽油(即使 用在起動(dòng)時(shí)的火花點(diǎn)火，或用于類似圖13所示的循環(huán)中)并不斷控制發(fā)動(dòng) 機(jī)以使其適應(yīng)使用汽油的任何時(shí)候的特定辛垸值。
由圖14可見(jiàn)一種控制系統(tǒng)的實(shí)施例。所示控制器通過(guò)使用各種查詢表 以響應(yīng)于輸入，從而設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)模式并控制燃料噴射器、燃燒缸闊和 壓縮缸閥，其中，輸入包括壓縮缸壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況(溫度、速度、機(jī) 軸角度、動(dòng)力設(shè)定等)和氣軌壓力?？蛇x擇地，可以由發(fā)動(dòng)機(jī)操作人員手動(dòng) 設(shè)定運(yùn)轉(zhuǎn)模式。顯然，這種控制器只是舉例，還可以使用各種控制器結(jié)構(gòu)。 一種優(yōu)選的運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)為，在下止點(diǎn)或附近打開(kāi)排氣闊并持續(xù)足夠長(zhǎng)的時(shí) 間后關(guān)閉該排氣閥，以在燃燒缸內(nèi)留住所需量的排放氣體，用于下面要說(shuō)明 的循環(huán)的其它階段。排氣閥關(guān)閉后，可以開(kāi)始向留在燃燒缸內(nèi)的相對(duì)高溫的 排放氣體中噴射燃料，其中噴射出該循環(huán)所用的所有燃料。優(yōu)選地，排氣閥 關(guān)閉后馬上開(kāi)始噴射，并在壓縮沖程結(jié)束前和點(diǎn)火之前完成噴射，以在達(dá)到 上止點(diǎn)之前為使噴射的燃料沸騰而轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)提供時(shí)間。在將要到達(dá)上止點(diǎn) 時(shí)，將空氣噴射到燃燒室缸內(nèi)，優(yōu)選地在到達(dá)上止點(diǎn)之前5。至15°范圍內(nèi)
(更優(yōu)選地在到達(dá)上止點(diǎn)之前約10° )噴射空氣，并優(yōu)選在上止點(diǎn)或附近發(fā)生壓縮點(diǎn)火之前噴射。該空氣噴射可以看作是一種引燃噴射，噴射的量為該
循環(huán)過(guò)程所需的空氣總量的5%至15%，更優(yōu)選地，噴射出該循環(huán)過(guò)程所需 的空氣總量的10%。噴射的空氣的量主要由發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力設(shè)置決定，被留住 的排放氣體的量至少足夠使噴射的燃料汽化，控制在壓縮沖程中噴射的空氣 的量以實(shí)現(xiàn)很好的點(diǎn)火，但限制在上止點(diǎn)或附近點(diǎn)火的燃燒缸內(nèi)的壓力并繼 而限制燃燒缸內(nèi)的溫度，使該溫度處于形成NOx所需的溫度以下。然后，在 上止點(diǎn)之后，當(dāng)燃燒缸內(nèi)的壓力開(kāi)始顯著降低時(shí)，如上止點(diǎn)之后大約IO。至 25° (更優(yōu)選地在上止點(diǎn)之后約20。)，開(kāi)始噴射該循環(huán)所需的其余的空氣。 可以以適當(dāng)?shù)拿}沖或平穩(wěn)方式進(jìn)行該空氣噴射(可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定)， 以維持燃燒而在上止點(diǎn)之后在很大的機(jī)軸角度范圍內(nèi)(例如，從20°至45 ° )基本上保持燃燒缸的壓力和溫度，然后停止噴射空氣，該動(dòng)力沖程完成， 為重復(fù)進(jìn)行所述循環(huán)(或其它循環(huán)，如跨循環(huán))而做好準(zhǔn)備。
在上述循環(huán)中，關(guān)閉排氣閥以后，被封閉留住的排放氣體的溫度要遠(yuǎn)遠(yuǎn) 低于點(diǎn)火溫度，但要足夠高以使噴射的燃料迅速汽化?？刂票涣糇〉呐欧艢?體的量和壓縮沖程過(guò)程中噴射的空氣的量，以在上止點(diǎn)或附近實(shí)現(xiàn)壓縮點(diǎn) 火，優(yōu)選地，為了嚴(yán)格控制壓縮缸的運(yùn)轉(zhuǎn)而在循環(huán)之間進(jìn)行調(diào)整。顯然，壓 縮沖程中噴射的空氣的量?jī)H是化學(xué)計(jì)量比的相對(duì)小的百分比，但在整個(gè)循環(huán) 中噴射的空氣的總量等于或優(yōu)選大于化學(xué)計(jì)量比，以保證燃料的完全燃燒。 其中，可以注意到在前一循環(huán)中噴射的空氣總量具有超出化學(xué)計(jì)量比的多余 部分，被留在下一循環(huán)中的排放氣體含有剩余的氧氣。但該多余的空氣不能 太多而在壓縮點(diǎn)火時(shí)引起過(guò)高的壓力和溫度，應(yīng)該將其限制為在壓縮沖程中 不再需要噴射空氣并不再需要多于一個(gè)壓縮空氣的壓力的噴射。因?yàn)樾枰?高壓下噴射所有空氣，雖然這不是優(yōu)選的運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)，但仍在本發(fā)明的包含范 圍內(nèi)。
在前面對(duì)本發(fā)明的各種實(shí)施方式的描述和附帶的權(quán)利要求中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)"閥"為廣義概念，除非文中明確指出，否則應(yīng)認(rèn)為包括多于一 個(gè)閥。此外，在前面對(duì)本發(fā)明的各種實(shí)施方式的描述和附帶的權(quán)利要求中， 除非文中明確指出，否則措詞"在……或附近"包括"在……的兩側(cè)或該兩 側(cè)附近"。因此，例如，在上止點(diǎn)或附近發(fā)生的事件通常表示該事件發(fā)生在 上止點(diǎn)的兩側(cè)或該兩側(cè)附近。
雖然出于說(shuō)明的目的而在文中公開(kāi)和描述了本發(fā)明的一些優(yōu)選的實(shí)施 方式，但并不是出于限制的目的，本領(lǐng)域的技術(shù)人員需要明確的是，在不脫 離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以做出各種形式和細(xì)節(jié)的改動(dòng)。
權(quán)利要求
1. 一種操作活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，該方法包括對(duì)于至少一個(gè)汽缸控制至少一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)閥，從而在壓縮沖程中，當(dāng)活塞到達(dá)上止點(diǎn)或位于上止點(diǎn)附近時(shí)，所述汽缸內(nèi)的燃料通過(guò)壓縮點(diǎn)火而被點(diǎn)燃；在所述壓縮沖程中向所述發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)噴射燃料；并且在所述壓縮沖程結(jié)束后向所述汽缸內(nèi)噴射空氣。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括使用同一發(fā)動(dòng)機(jī)的至少一個(gè)其他汽缸來(lái)壓縮空氣以向所述汽缸內(nèi)噴射空氣。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在所述壓縮沖程中向發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)噴射燃料包括引燃噴射，并且其中，在所述壓縮沖程結(jié)束時(shí)，當(dāng)所述活塞 到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)或之后，向所述汽缸內(nèi)噴射附加燃料。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括在所述壓縮沖程中向所 述汽缸內(nèi)噴射空氣。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，所述方法還包括在所述壓縮沖程中向所 述汽缸內(nèi)噴射空氣，先從低壓空氣源噴射，然后從高壓空氣源噴射。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，對(duì)至少一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)閥的控制包括 在所述壓縮沖程中控制至少一個(gè)排氣閥，以在所述汽缸內(nèi)留住排放氣體以進(jìn) 行壓縮。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，所述方法還包括在所述壓縮沖程中向所 述汽缸內(nèi)噴射空氣。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在所述壓縮沖程中向所述汽缸內(nèi) 噴射的燃料包括在所述壓縮沖程和后續(xù)的動(dòng)力沖程中噴射的所有燃料，通過(guò) 限制初始點(diǎn)火時(shí)所述汽缸內(nèi)的氧氣的量來(lái)可控地限制點(diǎn)火后達(dá)到的溫度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，通過(guò)在所述壓縮沖程中向所述汽 缸內(nèi)噴射可控量的空氣來(lái)控制所述汽缸內(nèi)的氧氣的量。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，通過(guò)控制至少一個(gè)進(jìn)氣閥的打 開(kāi)來(lái)控制所述汽缸內(nèi)的氧氣的量。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，控制至少一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)閥包括控 制至少一個(gè)排氣閥。
12. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述壓縮沖程后進(jìn)行所述動(dòng)力 沖程，之后繼續(xù)壓縮和動(dòng)力沖程，從而將所述汽缸作為兩循環(huán)汽缸進(jìn)行操作。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，通過(guò)在所述壓縮沖程中向所述 汽缸內(nèi)噴射可控量的空氣來(lái)控制所述汽缸內(nèi)的氧氣的量。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述汽缸內(nèi)的氧氣的量至少部 分地通過(guò)控制至少一個(gè)進(jìn)氣閥的打開(kāi)來(lái)控制。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，控制至少一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)閥，使得 當(dāng)所述活塞在壓縮沖程中到達(dá)上止點(diǎn)或位于上止點(diǎn)附近時(shí)點(diǎn)燃燃料，該控制 還包括在所述控制中根據(jù)前一循環(huán)中的狀況而進(jìn)行的循環(huán)與循環(huán)之間的調(diào)
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述方法還包括檢測(cè)汽缸壓力， 以作為所述汽缸內(nèi)的溫度的指示。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述發(fā)動(dòng)機(jī)為無(wú)凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述方法還包括檢測(cè)汽缸壓力， 以作為點(diǎn)火的指示。
19. 一種操作多汽缸活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，該方法包括對(duì)于無(wú)凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的至少第一汽缸使所述第一汽缸作為空氣壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)并通過(guò)控制所述第一汽缸的至少一個(gè)進(jìn)氣閥來(lái)控制壓縮空氣的量和壓縮的壓力；對(duì)于無(wú)凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的至少第二汽缸，該第二汽缸至少具有壓縮沖程和動(dòng)力沖程；控制所述第二汽缸的至少一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)閥，以使當(dāng)所述活塞到達(dá)壓縮 沖程的上止點(diǎn)或位于上止點(diǎn)附近時(shí)，通過(guò)壓縮點(diǎn)火來(lái)點(diǎn)燃所述汽缸內(nèi)的燃 料；在所述壓縮沖程中向所述第二汽缸內(nèi)噴射燃料；并且 在所述壓縮沖程結(jié)束后向所述汽缸內(nèi)噴射壓縮空氣。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，來(lái)自于所述第一汽缸的壓縮空 氣被直接連通到所述第二汽缸。
21. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，在所述第一汽缸和所述第二汽 缸之間連接有壓縮空氣存儲(chǔ)罐。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述壓縮空氣存儲(chǔ)罐能夠可控 地與所述第一汽缸和所述第二汽缸連通或不連通。
23. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，在所述壓縮沖程中向所述第二 汽缸內(nèi)噴射燃料包括引燃噴射，并且其中，在所述壓縮沖程結(jié)束時(shí)，當(dāng)所述 活塞到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)或之后，向所述第二汽缸內(nèi)噴射附加燃料。
24. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述方法還包括在所述壓縮沖 程中向所述第二汽缸內(nèi)噴射空氣。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中，所述第一汽缸提供低壓空氣和 高壓空氣，在所述壓縮沖程中向所述第二汽缸內(nèi)噴射空氣包括首先噴射所述 低壓空氣和隨后噴射所述高壓空氣。
26. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，對(duì)所述第二汽缸的至少一個(gè)發(fā) 動(dòng)機(jī)閥的控制包括在所述第二汽缸的壓縮沖程中，控制所述第二汽缸的至 少一個(gè)排氣閥，以在所述汽缸內(nèi)留住排放氣體以進(jìn)行壓縮。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中，所述方法還包括在所述壓縮沖 程中向所述第二汽缸內(nèi)噴射空氣。
28. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，在所述第二汽缸的壓縮沖程中 向所述第二汽缸內(nèi)噴射的燃料包括在所述第二汽缸的壓縮沖程和后續(xù)的動(dòng) 力沖程中噴射的所有燃料，通過(guò)限制初始點(diǎn)火時(shí)所述汽缸內(nèi)的氧氣的量來(lái)可 控地限制點(diǎn)火后達(dá)到的溫度。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中，通過(guò)在所述第二汽缸的壓縮沖 程中向所述第二汽缸內(nèi)噴射可控量的空氣來(lái)控制所述第二汽缸內(nèi)的氧氣的
30. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中，通過(guò)控制所述第二汽缸的至少 一個(gè)進(jìn)氣閥的打開(kāi)來(lái)控制所述第二汽缸內(nèi)的氧氣的量。
31. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中，控制所述第二汽缸的至少一個(gè) 發(fā)動(dòng)機(jī)閥包括控制所述第二汽缸的至少一個(gè)排氣閥。
32. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中，所述壓縮沖程后進(jìn)行所述動(dòng)力 沖程，之后繼續(xù)壓縮和動(dòng)力沖程，從而將所述第二汽缸作為兩循環(huán)汽缸進(jìn)行 操作。
33. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中，通過(guò)在所述第二汽缸的壓縮沖 程中向所述第二汽缸內(nèi)噴射可控量的空氣來(lái)控制所述第二汽缸內(nèi)的氧氣的
34. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中，所述第二汽缸內(nèi)的氧氣的量至 少部分地通過(guò)控制所述第二汽缸內(nèi)的至少一個(gè)進(jìn)氣閥的打開(kāi)來(lái)控制。
35. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中，控制所述第二汽缸內(nèi)的至少一 個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)閥，使得當(dāng)所述活塞在所述第二汽缸的壓縮沖程中到達(dá)上止點(diǎn)或位 于上止點(diǎn)附近時(shí)點(diǎn)燃燃料，該控制還包括在所述控制中根據(jù)前一循環(huán)中的狀 況而進(jìn)行的循環(huán)與循環(huán)之間的調(diào)整。
36. 根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中，調(diào)整所述控制包括調(diào)整所述控 制以適應(yīng)不同的燃料和燃料的變化。
37. 根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中，所述方法還包括用所述第二汽 缸內(nèi)的壓力作為所述汽缸內(nèi)的溫度的指示。
38. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，在所述第二汽缸中，在壓縮沖 程后進(jìn)行動(dòng)力沖程，之后是排氣沖程和進(jìn)氣沖程，從而將所述第二汽缸作為 四循環(huán)汽缸進(jìn)行操作。
39. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，在所述第二汽缸中，繼第一壓 縮沖程之后的第一動(dòng)力沖程之后，進(jìn)行第二壓縮沖程和第二動(dòng)力沖程，通過(guò) 在所述第一動(dòng)力沖程和所述第二壓縮沖程之間控制所述第二汽缸中的至少 一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)閥來(lái)控制由所述第二壓縮沖程而導(dǎo)致的所述第二汽缸內(nèi)的溫度， 以在所述第二壓縮沖程后使得所述汽缸內(nèi)的剩余碳?xì)浠衔镌谏现裹c(diǎn)或上 止點(diǎn)附近點(diǎn)燃。
40. 根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中，由所述第二壓縮沖程而導(dǎo)致的 所述第二汽缸內(nèi)的溫度通過(guò)控制所述第二汽缸中的至少一個(gè)進(jìn)氣閥來(lái)控制。
41. 根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中，由所述第二壓縮沖程而導(dǎo)致的 所述第二汽缸內(nèi)的溫度通過(guò)控制所述第二汽缸中的至少一個(gè)排氣閥來(lái)控制。
42. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，所述方法還包括檢測(cè)汽缸壓力，以作 為點(diǎn)火的指示。
43. —種操作活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，該方法包括在動(dòng)力沖程結(jié)束時(shí)或接近結(jié)束時(shí)，打開(kāi)燃燒缸的排氣閥并隨后關(guān)閉，以在所述燃燒缸內(nèi)留住預(yù)定量的排放氣體；在所述排氣閥關(guān)閉后，在之后的壓縮沖程中向燃燒室內(nèi)噴射燃料； 當(dāng)活塞接近上止點(diǎn)時(shí)并在壓縮點(diǎn)火之前，向所述燃燒缸內(nèi)噴射空氣； 控制被留在所述燃燒缸內(nèi)的排放氣體的量和當(dāng)所述活塞接近上止點(diǎn)時(shí)噴射的空氣的量，以在上止點(diǎn)或上止點(diǎn)附近實(shí)現(xiàn)壓縮點(diǎn)火，并使所述燃燒缸內(nèi)的溫度達(dá)不到NOx形成溫度；以及在點(diǎn)火之后且在所述活塞超過(guò)上止點(diǎn)之后，向所述燃燒缸內(nèi)噴射空氣，以在溫度達(dá)不到NOx形成溫度且不噴射更多燃料的情況下維持燃燒。
44. 根據(jù)權(quán)利要求43所述的方法，其中，在所述活塞接近上止點(diǎn)時(shí)向所 述燃燒缸內(nèi)噴射空氣包括在燃料噴射結(jié)束后向所述燃燒缸內(nèi)噴射空氣。
45. 根據(jù)權(quán)利要求43所述的方法，其中，在所述活塞接近上止點(diǎn)時(shí)向所 述燃燒缸內(nèi)噴射的空氣的量包括噴射的空氣總量的5%至15%。
46. 根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中，所述噴射的空氣總量包括大于 用于完全燃燒所述噴射的燃料所需的化學(xué)計(jì)量量。
47. 根據(jù)權(quán)利要求43所述的方法，其中，所述活塞發(fā)動(dòng)機(jī)為多汽缸發(fā)動(dòng) 機(jī)，并使用至少一個(gè)汽缸來(lái)提供壓縮空氣。
48. —種操作活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，該方法包括在動(dòng)力沖程結(jié)束時(shí)或接近結(jié)束時(shí)，打開(kāi)燃燒缸的排氣閥并隨后關(guān)閉，以 在所述燃燒缸內(nèi)留住預(yù)定量的排放氣體；在所述排氣閥關(guān)閉后，在之后的壓縮沖程中向燃燒室內(nèi)噴射燃料； 在點(diǎn)火之后且在所述活塞超過(guò)上止點(diǎn)之后，向所述燃燒缸內(nèi)噴射空氣，以在所述動(dòng)力沖程中溫度達(dá)不到NOx形成溫度且不噴射更多燃料的情況下維持燃燒；被留在所述燃燒缸內(nèi)的排放氣體的量和在點(diǎn)火之后且在所述活塞超過(guò) 上止點(diǎn)之后向所述燃燒缸內(nèi)噴射的空氣的量以可控的量超出化學(xué)計(jì)量比，以 提供所述被留住的排放氣體內(nèi)的剩余氧氣，從而在下一壓縮沖程的上止點(diǎn)或 上止點(diǎn)附近實(shí)現(xiàn)壓縮點(diǎn)火，并使所述燃燒缸內(nèi)的溫度達(dá)不到NOx形成溫度。
49.根據(jù)權(quán)利要求48所述的方法，其中，所述活塞發(fā)動(dòng)機(jī)為多汽缸發(fā)動(dòng) 機(jī)，并使用至少一個(gè)汽缸來(lái)提供壓縮空氣。
全文摘要
低排放高性能發(fā)動(dòng)機(jī)、多汽缸發(fā)動(dòng)機(jī)、以及基于已經(jīng)含有至少一些燃料和空氣的燃燒室裝入料的壓縮點(diǎn)火的操作方法。在到達(dá)上止點(diǎn)以后，向所述燃燒室內(nèi)噴射空氣，以維持燃燒，直到耗盡所有燃料。公開(kāi)了各種操作模式。
文檔編號(hào)F02M25/00GK101427019SQ200780014051
公開(kāi)日2009年5月6日 申請(qǐng)日期2007年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月20日
發(fā)明者O·E·斯德曼 申請(qǐng)人:斯德曼數(shù)字系統(tǒng)公司