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利用多变量 发动机操作控制增强效率及污染物的控制

阅读：1002发布：2020-07-05

专利汇可以提供利用多变量发动机操作控制增强效率及污染物的控制专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且基于一个或多个内燃发动机的监控操作参数，一组提供发动机燃烧腔内的燃烧稳定性、优化的燃料效率和例如氮氧化物、一氧化碳、和未燃烧的碳氢化合物的污染物的最小产量所必需的发动机工况可被确定。为响应发动机负载和发动机速度的变化，新的发动机工况可动态地被实施，以维持燃烧混合气和发动机燃烧腔内受约束的自燃极限、污染物产生率和燃料效率的考虑。相关的物品、系统以及方法在此被描述。，下面是利用多变量发动机操作控制增强效率及污染物的控制专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种方法，包括：
第一次增加物理节流阀的位置控制从进气口进入内燃发动机的燃烧腔的空气流量，以响应来自发动机操作人员要求发动机输出功率以满足加于发动机的负载的第一次负载控制输入；
在第一次增加期间，向所述燃烧腔提供定量的稀释剂，所述稀释剂的量根据当前发动机的负载、当前发动机燃烧腔速度、当前发动机的制动效率以及当前汽油废气排放量而计算；
达到节流阀全开位置，即所述物理节流阀允许最大可能的气流流量输入所述燃烧腔时，结束所述第一次增加；且
第二次增加一定量的燃料被输入所述燃烧腔中，当为了满足加于所述发动机的负载所需的所述发动机功率输出超过所述物理节流阀在所述节流阀全开位置时所能获得的最大的发动机功率时，，所述第二次增加的燃料量不会进一步超过当所述节流阀全开位置时被输入至所述燃烧腔的最大可能的空气流量。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括：在所述第一次增加和所述第二次增加中的至少一个，自始至终对压缩率进行第一动态变化，所述第一动态变化至少部分保持稳定的所述燃烧混合气在自自燃极限内，避免所述燃烧混合气在所述燃烧腔中自燃，并且为所述当前发动机负载与所述当前发动机速度的任意特定组合提供最大的燃料效率。
3.如权利要求1和2中任一项所述的方法，其中所述提供包括对一个或多个的阀门中的至少一个运行模式进行第二动态变化，以增加所述稀释剂的流动以获得所述稀释剂的最大数量和最大所述物理节流阀的位置，以增加进气口空气进入所述燃烧腔的流量，所述第二动态变化至少部分保持在自燃极限内的一稳定燃烧混合气，以避免所述燃烧混合气在所述燃烧腔中自燃，并且为所述当前发动机负载与所述当前发动机速度的任意特定组合提供最大的燃料效率。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述运行模式的变化包括对阀正时、阀升程和至少一排气阀门和进气阀门的阀门开启时间的变化中的至少一个。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述第一次增加和所述第二次增加包括对在所述燃烧腔中的空气-燃料比率进行第三动态变化，以实现最大的燃料效率，或最少的碳氢化合物的排放，或最小的一氧化碳的排放，或最小氮氧化合物的排放中的至少一项，并且至少部分保持在自燃极限内的一稳定燃烧混合气，并且为了所述当前发动机负载与所述当前发动机速度的任意特定组合避免所述燃烧混合气在所述燃烧腔中自燃。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述第一次增加和所述第二次增加可包括第四动态变化，对来自一个或多个点火源的点火能量的输送点火正时，来自一个或多个所述点火源的所述点火能量的输送持续时间，一个或多个输送所述点火能量的所述点火源的数量，一个或多个所述点火源的数量的位置中的至少一个进行变化，所述点火源输送所述点火能量直到至少部分保持在自燃极限内的一稳定燃烧混合气，以避免所述燃烧混合气在所述燃烧腔中自燃，并且为当前发动机负载与当前发动机速度的任意特定组合提供最大的燃料效率。
7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，进一步包括：确定稀释剂的最大量，所述确定包括在所述当前发动机负载与所述当前发动机速度下，计算至少被所述燃烧混合气的自燃极限和最小NOx产物所约束的函数。
8.如权利要求2至7中任一项所述的方法，其中所述自燃极限被所述燃烧腔中净平均指示有效压力(NIMEP)的变异系数(COV)，0-10％的曲轴旋转表观放热角，净平均指示有效压力(NIMEP)的最低正规化数值(LNV)，以及转矩变异系数中的至少一项所确定。
9.如权利要求2至7中任一项所述的方法，其中所述自燃极限被至少下列一项所确定：
所述NIMEP的所述COV小于约8％，所述0-10％表观放热角小于约40°的曲轴旋转，所述NIMEP的所述LNV大于约75％，且所述转矩变异系数小于约5％。
10.如权利要求1至9中任一项所述的方法，进一步包括使所述物理节流阀的位置和所述第一负载输入之间非线性相关。
11.如权利要求1至10中任一项所述的方法，其中所述整体最大发动机输出功率在最大功率空气-燃料比率时实现，所述空气燃料比率包括化学计量比和浓于化学计量比的比率中的一项。
12.如权利要求1至11中任一项所述的方法，其中所述稀释剂包括空气、冷却的再循环废气、和未冷却的再循环废气中的至少一个。
13.如权利要求1至12中任一项所述的方法，进一步包括：所述第二次增加在一达到整体最大发动机功率输出或者一种或多种NOX、碳氢化合物以及一氧化碳的最大允许排放限制量时停止。
14.如权利要求1至13中任一项所述的方法，进一步包括利用燃料输送系统输送燃料至所述燃烧腔，所述输送系统包括至少一种燃料喷射系统和可改变及控制输送的空气-燃料比率独立于受物理节流阀控制的进气口的空气流量的化油器。
15.一种内燃发动机，包括：
燃烧腔；
进气口；
控制流经进气口进入燃烧腔的空气流量的物理节流阀；及
主控制系统，主控制系统执行的操作包括：
第一次增加物理节流阀的位置，以响应第一次负载控制输入，该输入来自发动机操作人员要求发动机输出功率以满足某一加于发动机的负载，以控制从进气口进入内燃发动机的燃烧腔的空气流量；
在第一次增加期间，向所述燃烧腔提供定量的稀释剂，所述稀释剂的量根据当前发动机的负载、当前发动机燃烧腔速度、当前发动机的制动效率以及当前汽油废气排放量而计算；
达到节流阀全开位置，即所述物理节流阀允许最大可能的气流流量输入所述燃烧腔时，结束所述第一次增加；且
第二次增加一定量的燃料被输入所述燃烧腔中，当为了满足加于所述发动机的负载所需的所述发动机功率输出超过所述物理节流阀在所述节流阀全开位置时所能获得的最大的发动机功率时，所述第二次增加不会进一步超过当所述节流阀全开位置时被输入至燃烧腔的最大可能的空气流量。
16.如权利要求15所述的内燃发动机，其中所述操作进一步包括：在所述第一次增加和所述第二次增加中的至少一个，自始至终对压缩率进行第一动态变化，所述第一动态变化至少部分保持稳定的所述燃烧混合气在自燃极限内，避免所述燃烧混合气在所述燃烧腔中自燃，并且为所述当前发动机负载与所述当前发动机速度的任意特别组合提供最大的燃料效率。
17.如权利要求15和16中任一项所述的内燃发动机，其中所述提供包括对一个或多个的阀门的至少一个运行模式进行第二动态变化，以增加所述稀释剂的流动以获得所述稀释剂的最大数量和最大所述物理节流阀的位置，以增加进气口空气进入所述燃烧腔的流量，所述第二动态变化至少部分保持在自燃极限内的一稳定燃烧混合气，以避免所述燃烧混合气在所述燃烧腔中自燃，并且为所述当前发动机负载与所述当前发动机速度的任意特定组合提供最大的燃料效率。
18.如权利要求17所述的内燃发动机，其中所述运行模式的变化包括对阀正时、阀升程和至少一排气阀门和进气阀门的阀门开启时间的变化中的至少一个。
19.如权利要求15至18中任一项所述的内燃发动机，其中所述第一次增加和所述第二次增加包括对在所述燃烧腔中的空气-燃料比率进行第三动态变化，以实现最大的燃料效率，或最少的碳氢化合物的排放，或最小的一氧化碳的排放，或最小氮氧化合物的排放中的至少一项，并且至少部分保持在自燃极限内的一稳定燃烧混合气自燃极限内，并且为了所述当前发动机负载与所述当前发动机速度的任意特定组合避免所述燃烧混合气在所述燃烧腔中自燃。
20.如权利要求15至19中任一项所述的内燃发动机，其中所述第一次增加和所述第二次增加可包括第四动态变化，对来自一个或多个点火源的点火能量的输送点火正时，来自一个或多个所述点火源的所述点火能量的输送持续时间，一个或多个输送所述点火能量的所述点火源的数量，一个或多个所述点火源的数量的位置中的至少一个进行变化，所述点火源输送所述点火能量直到至少部分保持在自燃极限内的一稳定燃烧混合气，以避免所述燃烧混合气在所述燃烧腔中自燃，并且为当前发动机负载与当前发动机速度的任意特定组合提供最大的燃料效率。
21.如权利要求15至20中任一项所述的内燃发动机，进一步包括：确定稀释剂的最大量，所述确定包括在所述当前发动机负载与所述当前发动机速度下，计算至少被所述燃烧混合气的自燃极限和最小NOx产物所约束的函数。
22.如权利要求16至21中任一项所述的内燃发动机，其中所述自燃极限被至少一项所述燃烧腔中净平均指示有效压力(NIMEP)的变异系数(COV)，0-10％的曲轴旋转表观放热角，净平均指示有效压力(NIMEP)的最低正规化数值(LNV)，以及转矩变异系数所确定。
23.如权利要求16至21中任一项所述的内燃发动机，其中所述自燃极限被至少下列一项所确定：所述NIMEP的所述COV小于约8％，所述0-10％表观放热角小于大约40°的曲轴旋转，所述NIMEP的所述LNV大于约75％，且所述转矩变异系数小于约5％。
24.如权利要求15至23中任一项所述的内燃发动机，进一步包括使所述物理节流阀的位置和所述第一负载输入之间非线性相关。
25.如权利要求15至24中任一项所述的内燃发动机，其中所述整体最大发动机输出功率在最大功率空气-燃料比率时实现，所述空气燃料比率包括化学计量比和浓于化学计量比的比率中的一项。
26.如权利要求15至25中任一项所述的内燃发动机，其中所述稀释剂包括空气、冷却的再循环废气、和未冷却的再循环废气中的至少一个。
27.如权利要求15至26中任一项所述的内燃发动机，进一步包括：所述第二次增加在一达到整体最大发动机功率输出或者一种或多种NOX、碳氢化合物以及一氧化碳的最大允许排放限制量时停止。
28.如权利要求15至27中任一项所述的内燃发动机，进一步包括利用燃料输送系统输送燃料至所述燃烧腔，所述输送系统包括至少一种燃料喷射系统和可改变及控制输送的空气-燃料比率独立于受物理节流阀控制的进气口的空气流量的化油器。
29.一种存储指令的非暂态计算机程序产品，当被一个或多个数据处理器执行时，会产生权利要求1-15的所述方法。

说明书全文

利用多变量发动机操作控制增强效率及污染物的控制

[0001] 相关申请

[0002] 此申请根据美国35U.S.C.§119(e)和根据巴黎公约美国之外的国家要求美国临时申请案No.61/501,594和61/501,654的优先权，各自名称为：“利用发动机的多变量控制增强效率与氮氧化物控制”和“高效率内燃发动机”，两者都于2011年6月27日递交。此申请也与共同未决、共有的美国专利申请号no.7559298名为“内燃发动机”，与美国专利申请号No.7,098,581名为“火花塞”的，与国际专利申请号No.PCT/US2011/027775名为“多模式高效内燃发动机”，与共同未决、共有的美国专利申请号No.12/720,457名为“过压缩发动机”，与共同未决、共有的国际专利申请号No.PCT/US2011/055457名为“具有可变压缩比的单活塞套筒阀”，与共同未决、共有的国际专利申请号No.PCT/US2011/05502名为“燃烧混合气与发动机负载变量的控制”，与共同未决、共有的国际专利申请号No.PCT/US2011/055486名为“对置活塞发动机和其他内燃发动机的可变压缩比率系统及制造和使用方法”。本申请参考引用并入了上述每一个申请的全部内容。

技术领域

[0003] 本文描述的主题涉及内燃发动机，尤其涉及动态控制，利用一个或多个发动机运行参数，可能包括但不限于压缩率、阀门正时、点火正时、点火能量、燃烧混合物浓度和废气循环的变化，以增强效率的内燃发动机。

背景技术

[0004] 内燃发动机通常用于为机动车辆以及其他应用提供动力，这些应用包括割草机和其他农业以及园艺设备、发电机、泵马达、船只、飞机以及类似的设备。对于机动车的典型的驾驶周期而言，大部分的燃料消耗发生在车辆的内燃发动机的低负载和空载运行中。类似地，内燃发动机的其他使用的特点是更频繁地在功率输出的使用，而较少用于提供开放的节流阀条件。然而，由于机械摩擦，热量传递，油门调节以及其他消极地影响性能的因素，火花点火的内燃发动机固有地在高负载时具有更高的效率，在低负载时效率更低。

[0005] 在一些例子中，可以通过增加发动机的压缩率来改善发动机低负载效率。压缩率衡量点火前燃烧混合气被压缩的程度，它被定义为发动机燃烧腔的扩张体积除以发动机燃烧腔的压缩体积。例如，压缩率，CR，可一般定义为：

[0006]

[0007] 在等式1中，b是气缸的内径，s是活塞冲程，Vc是气缸内的间隙体积，包括压缩冲程末端的空间的最小体积，即活塞到达上止点位置(TDC)。高的压缩率由于有更高的热效率，可使发动机从给定燃烧混合气的量中获取更多的机械功率。采用更高的压缩率，可用更少的燃料获得相同的燃烧温度，同时产出更长的扩张周期，创造出更多的机械功率且降低了排气的温度。

[0008] 对于固定的活塞冲程和气缸，通过减少间隙体积可增加压缩率以及通过增加间隙体积可减少压缩率，例如改变气缸的内部几何结构。一种方法的例子是对传统发动机的构造进行气缸的内部几何结构的改变，以提供可变压缩率的操作，这些操作包括可移动的汽缸盖、滑阀式发动机构造等已在国际申请PCT/US2011/055457被描述的内容。传统的发动机可选择地包括曲轴和气缸缸体，曲轴和气缸缸体可相对横移以改变活塞到与发动机机体固定连接的汽缸盖的最接近点。对于对置活塞发动机，其他的可变压缩率的选择包括一个(或可选择地两个)在对置活塞影响下旋转的曲轴的横移，改变一个或两个对置活塞的相位使得两个活塞不能同时到达它们各自的上止点位置等等。一些拥有一个或多个有关可变燃烧率能力特征的对置活塞发动机的例子在U.S.7,559,298和国际申请PCT/US2011/055486中被描述，这些例子是非限制性的。

[0009] 在标准奥托循环发动机中的高压缩率通常会使得活塞在动力冲程中执行更长的扩张，与同样发动机中低压缩率相比可做更多的功。采用辛烷值为87的汽油驱动的机动车的压缩率通常范围约是8.5∶1至10∶1。发动机能达到的最大压缩比可通过自燃加以限制(例如，燃烧发生在火花塞点火引起的火焰前缘到达之前)以及可听见的以及潜在的危害结果。自燃可由当混合物暴露在高温下充分长的一段时间后，燃料分解为更易燃的分子碎体所引起。暴露在高温下可引起这些碎体在正常的燃烧包络之外的不受控制的爆炸。

[0010] 由于该快速的能量释放会产生发动机爆震，爆震形成的压力在燃烧腔内波动会对操作人员而言既是破坏性的也是有害的。爆震是由自燃这一更普遍的问题所引起的特殊后果。在本说明书中，自燃指的是点火自发地发生的例子，或是在火花事件之前，或是在火花事件之后，并且不受最佳发动机操作的控制或与最佳发动机操作的预定方式不一致。在此使用的自燃不必引起爆震，但是更一般适用于点火的发生而不是发生在燃烧腔内中的预期的时间或地点。发明内容

[0011] 在一方面，内燃发动机包括燃烧腔、进气口、控制从进气口进入燃烧腔的空气流量的物理节流阀和主控器。主控器可以执行的操作包括，但不限于第一次增加物理节流阀的位置，以响应第一次负载控制输入，该输入来自发动机操作人员要求发动机输出功率以满足某一加于发动机的负载，以控制从进气口进入燃烧腔的空气流量；在第一次增加期间，向燃烧腔提供定量的稀释剂，稀释剂的量根据当前发动机的负载、当前发动机速度、当前发动机的制动效率以及当前汽油废气排放量计算；一但达到节流阀全开的位置即物理节流阀允许最大可能的气流流量输入燃烧腔时，结束第一次增加；第二次增加一定量的燃料被输入进燃烧腔中，当为了满足加于发动机的负载所需的发动机的功率输出超过物理节流阀在节流阀全开位置所能获得的最大的发动机功率时，第二次的增加不会进一步超过当节流阀全开时被输入进燃烧腔的最大可能的空气流量。

[0012] 在一相关联的方面，一种方法包括：第一次增加物理节流阀的位置，以响应来自发动机操作人员要求发动机输出功率以满足加于发动机的负载的第一次负载控制输入，以控制从进气口进入内燃发动机的燃烧腔的空气流量；在第一次增加期间，向燃烧腔提供定量的稀释剂，稀释剂的量根据当前发动机的负载、当前发动机燃烧腔速度、当前发动机的制动效率以及当前汽油废气排放量计算；一但达到节流阀全开的位置即物理节流阀允许最大可能的气流流量输入燃烧腔时，结束第一次增加；第二次增加一定量的燃料被输入至燃烧腔中，当为了满足加于发动机的负载所需的发动机的功率输出超过物理节流阀在节流阀全开位置所能获得的最大的发动机功率时，第二次的增长不会进一步超过当节流阀全开时被输入进燃烧腔的最大可能的空气流量。

[0013] 在一些变化中，任何或者所有下列特征可选地被包括在任何可行的组合中。

[0014] 至少在第一次增加和第二次增加中，压缩率可以是自始至终第一动态变化的，第一动态变化在自燃极限内至少部分保持稳定的燃烧混合气在自燃极限内，避免燃烧混合气在燃烧腔中自燃，并且为当前发动机负载与当前发动机速度的任意特别组合提供最大的燃料效率。

[0015] 该提供可选择地包括第二动态变化，即一个或多个的阀门的至少一个运行模式以增长稀释剂的流动以获得稀释剂的最大流量以及获得物理节流阀的位置以增加进气口空气进入燃烧腔的流量。第二动态变化在自燃极限内至少部分保持稳定的燃烧混合气在自燃极限内，避免燃烧混合气在燃烧腔中自燃，并且为当前发动机负载与当前发动机速度的任意特别组合提供最大的燃料效率。运行模式的变化可选择包括至少一种阀正时、阀升程和至少一种废气再循环阀门和进气口阀门的阀门开度时间的变化。

[0016] 第一次增加和第二次增加可选择地包括第三动态变化，即变化在燃烧腔中空气-燃料比率以达到至少一项最大的燃料效率，或最少的碳氢化合物的排放，或最小的一氧化碳的排放，或最小氮氧化合物的排放，并且至少部分保持稳定的燃烧混合气在自燃极限内，并且为了当前发动机负载与当前发动机速度的任意特别组合而避免燃烧混合气在燃烧腔中自燃。

[0017] 第一次增加和第二次增加可选择地包括第四动态变化，即至少一个为来自一个或多个点火源的点火能量的传送的点火正时，一段来自一个或多个点火源的点火能量的传送持续时间，一个或多个输送点火能量的点火源的数量，一个或多个点火源的数量的位置，该点火源输送点火能量直到至少部分保持稳定的燃烧混合气在自燃极限内，避免燃烧混合气在燃烧腔中自燃，并且为当前发动机负载与当前发动机速度的任意特别组合提供最大的燃料效率。

[0018] 稀释剂的最大量可被确定，且该确定可选择的包括在当前发动机负载与当前发动机速度下，计算至少被燃烧混合气的自燃极限和最小NOx产物所限制的函数。

[0019] 自燃极限可选择的被定义为燃烧腔中净平均指示有效压力(NIMEP)的至少一个变异系数(COV)，0-10％的曲轴旋转表观放热角，净平均指示有效压力(NIMEP)的最低正规化数值(LNV)，以及转矩变异系数。可选择地，自燃极限可选择地被定义为至少一个NIMEP的COV小于约8％，0-10％表观放热角小于约40°的曲轴旋转，NIMEP的LNV大于约75％，且转矩变异系数小于约5％。

[0020] 可选择地可使物理节流阀的位置和第一负载输入之间非线性相关，整体最大发动机输出功率可选择地在最大功率空气-燃料比率时达到，该空气燃料比率包括一项当量比和比当量比更浓的比。稀释剂可选择地包括至少一种空气与再循环的废气。稀释剂可选择地包括冷却或非冷却的再循环的废气。第二次增加可选择地在一达到整体最大发动机功率输出或者一种或多种NOX、碳氢化合物以及一氧化碳的最大允许排放限制量时停止。燃料可选择地利用燃料输送系统输送至燃烧腔。该输送系统包括至少一种燃料喷射系统和可以改变及控制输送的空气-燃料比率独立于受物理节流阀控制的进气口的空气流量的化油器。

[0021] 本文描述的主题的一个或多个变形的细节在所附的附图和描述中给出。本文所描述的本主题的其他特征和优势从描述、附图和权利要求中更明显得出。

附图说明

[0022] 所附的附图，被并入并组成说明书的一部分，显示了本文公开的主题的某些方面，并且与说明书一起有助于解释与所公开的实施例相关的某些原理。在附图中：

[0023] 图1是显示在举例的机动车上举例的驾驶循环的总燃料消耗的部分与发动机速度、发动机负载(也涉及输出功率)的关系的图。

[0024] 图2是显示有一个或多个特征与当前发明主题实施例一致的对置活塞发动机的截面图。

[0025] 图3是显示结合提升阀且有一个或多个特征与当前发明主题实施例一致的发动机的截面图。

[0026] 图4是显示结合冷却的提升阀且有一个或多个特征与当前发明主题实施例一致的发动机的截面图。

[0027] 图5是说明有一个或多个特征与当前发明主题实施例一致的方法的流程图。

[0028] 图6是显示可与内燃发动机结合的与当前发明主题实施例一致的控制系统的框图。

[0029] 当适用时，相似的附图标记表示相似的结构、特征和元件。具体实施例

[0030] 图1显示图表100说明了采用美国环境保护署的联邦城市驾驶循环测试程序，根据发动机速度和制动平均有效压力(BMEP)，1500公斤汽车、1.9升排量发动机消耗的总燃料的部分。如图表100所示，驾驶循环的大部分的燃料消耗发生在两个区域：位于第一范围102处于空转或近似空转条件102和位于第二范围104处于0.5至3巴的BMEP之间和处于
1000和2800RPM的发动机速度之间。

[0031] 与当前主题实施例一致，一个发动机可在轻发动机负载时采用稀薄燃料燃烧以实现效率优点，特别是关于描绘出更接近真实驾车条件中发动机的高效率运行模式。例如，发动机在轻发动机负载时可运行在更高的节流阀条件下，这样可以降低泵送损失并提高效率。但是，这种方法限制给定排量时的峰值功率输出，当功率要求增长时，节流阀可被开的更大。最终，发动机可在节流阀全开时运行在燃料非常稀的条件下。在当前主题的一些实施例中，这种运行状态在负载范围处于大约0至6巴BMEP之间可以有用。为了使功率升至大约9至10巴BMEP的峰值功率，可增加燃烧混合气的浓度。但是，由于运用高压缩比率以维持稳定在第一运行模式下的稀运行条件下的稳定燃烧，当逐渐提升燃烧混合气浓度时，火花点火正时为避免自燃(如爆震)而延迟，这样会潜在地损害发动机。

[0032] 除了高压缩比率，还有各种各样的因素可以影响内燃发动机中较特别的爆震和较为通常的自燃的发生。一般而言，低辛烷值的燃料可以比高辛烷值的燃料更低的温度自发点燃。发动机中热的内壁和活塞的温度也倾向于促进燃烧混合气的加热，因此增加燃料自燃的倾向，局部热点也会如此，例如在排气阀四周，这样会引起混合燃烧物的局部加热以及引起热点周围的自燃。燃料-空气混合气的快速燃烧速率，例如由于高紊流会促进燃料良好的混合和快速燃烧，可以降低自发点火的可能性。但是高进口流场紊流也会促进进口燃烧混合气中温度的上升，这样会增加自发点火的可能性。增加燃料在混合物中的量以使其达到可增加能量释放并因此增加尾气的压力和温度的点，这样可以影响爆震的倾向。提前打火正时也可增加压力和温度，因此在某些条件下有助于自燃的倾向。

[0033] 在现代发动机设计中的第二个关注点是燃烧产生的污染大气的副产物。传统内燃发动机通常运行在温度大幅高于使得氮气(N2)和氧气(O2)自发反应形成氮氧化物如一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)的必要温度，它们被共同称作氮氧化物(NOx)。这些化合物本身是刺激物并且是形成烟雾的主要成分及形成对流臭氧层的前驱物。氮氧化物(NOx)可作为强大的温室气体一氧化二氮的前驱物。正因为如此，发动机氮氧化物的排放现在被严格控制。其他在内燃发动机中形成的污染物包括未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳，这两者都来自燃料的不完全燃烧。

[0034] 在很多传统的发动机中，可将废气通过催化剂使得燃烧形成的氮氧化物通过还原反应分解成氮气和水或二氧化碳，以此减少氮氧化物的排放。在通常的火花点火发动机中，例如在一种模式中三元催化剂被用作催化残余碳氢化合物和一氧化碳(CO)氧化成水(H2O)和二氧化碳(CO2)，在另一种模式中，催化将氮氧化物转换成氮气(N2)和水的还原反应。这种方法可以非常有效，但是需要发动机运行在一个非常狭窄、近似于化学计量比的燃烧混合气的空气-燃料比率上。微浓(燃料过量)的燃烧混合气在废气中产生碳氢化合物和一氧化碳，接着在微稀(氧气过量)中留下过量的氧气使得将未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳氧化成水和二氧化碳。可选择地，在较稀运行的发动机如柴油机中，可将添加剂加入废气中以提供为还原氮氧化物的过量氢自由基。添加剂可以包括过量燃料、氨气(NH3)或者类似物。

[0035] 控制氮氧化物排放的技术通常会使发动机变得复杂或增加发动机成本，或者两者皆有。并且通常需要发动机运行在不是它所能达到的最有效率的模式。相应地，当前主题实施例提供了使内燃发动机运行在峰值运行温度低于氮气和氧气自发反应形成氮氧化物的温度的运行模式。基于发动机运行数据改变一个或多个控制变量，一个或多个运行模式也可以提供增强的发动机运行效率。当发动机的运行模式与当前主题实施例一致时，可调整成促进一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物的可接受的排放量，当存在过量的氧气，可使用二元催化剂将一氧化碳和碳氢化合物转化成二氧化碳和水，以此阻止(或大幅减少)氮氧化物的产生速率并达到污染物控制的标准。这种催化剂并不限于使用在理想空气-燃料比率或接近该比率。如此，与当前主题实施例一致的发动机具有可以实现在稀燃烧环境运行下的优点。在一些例子中，在稀燃烧模式下过量氧气的存在可以促进燃烧腔中的燃料更完全地转换成二氧化碳。

[0036] 一些现有的发动机，例如在美国专利7,559,298号中描述的对置活塞发动机，可以在非常稀运行环境下工作，例如空气-燃料比率近似于化学计量比的1.4倍至1.8倍(例如：λ～1.4至1.8)。在一些例子中燃烧腔温度被维持低于氮氧化物开始形成的转变温度。这种方法产生的排放量可以使得一辆小型机动车符合氮氧化物每公里行驶排放标准的数量。这种排放量对于更大型的机动车通常显得不够低，更大型的机动车需要更大功率以符合氮氧化物每公里行驶排放标准。对这些重型的机动车，废气循环可与一个或多个当前主题实施例一致来增加稀释剂而不需要增加氧气。

[0037] 作为一个整体概述，当前主题实施例包括内燃发动机，以及制造和操作这种发动机的方法，以在发动机燃烧腔中控制一个或多个燃烧混合气的空气-燃料比率的能力为特征，燃烧腔中的可变压缩比率，来自一个或多个点火源输送点火能量至燃烧混合气的正时，对一个或多个提供空气和/或燃料进入燃烧腔和/或将废气排出燃烧腔的阀门的可变操作正时，一定数量的利用一个或多个空气和相对的惰性稀释剂(例如循环废气)的燃烧混合气的稀释剂，一定数量的给予燃烧混合气的紊流动能，将来自一个或多个点火源的点火能量输送至燃烧混合气的空间布局，或其类似物。一个或多个上述指出的特征可被组合使用以允许发动机在稀燃烧混合气状态中运行得有效率并且可靠，这种稀燃烧混合气状态充分限制燃烧温度而不需对氮氧化物进行燃烧后处理，这样可大幅节省对污染控制系统的设计，这至少是因为可利用双向催化剂完成对一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物的处理。

[0038] 先前可用的运行在稀释燃烧混合气状态的发动机一般在对该稀释燃烧混合气的持续点火上遇到困难。如在此所用，词组“稀释”是指添加稀释剂(例如：除了燃料外的一种气体)至燃烧腔使得燃烧混合气被压缩时的充气密度比没有稀释剂时低。在较低功率水平时，传统方法进一步的困难涉及通过节流阀或阀门事件对滞留物进行必需的减少，使得在来自点火源的点火能量输送中和在压缩冲程的末端中的充气密度减少。结果是低充气密度持续点火将更加困难，例如由于在火花塞周围区域缺乏足够的燃料分子或其他点火源以克服附近不燃烧的混合物的冷却效应。不燃烧混合可足够冷却火焰以至熄灭。传统的解决这种不稳定的方法是增加更多的燃料，采用局部分层充气模式或者整体模式。但是增加更多的燃料会使得高度燃料的地区达到形成氮氧化物的温度。

[0039] 与当前主题实施例一致的一种内燃发动机，可在很广的发动机负载和速度范围内提供改善的燃料效率，并且较少排放氮氧化物和其他污染物，因此为机动车辆的典型驾驶周期增加效率并且减少排放。内燃发动机的其他使用，包括但不限于农业以及园艺设备、发电机、泵马达、船只、飞机以及类似的设备，同样可以在广泛的发动机负载范围内从提供的改进中获得好处。一个或多个这些好处或其他可选择的好处可通过一种方法获得，这种方法涉及监测一个或多个内燃发动机的运行参数，并根据监测到的运行参数决定一组为提供发动机燃烧容积内的稳定燃烧、最优的燃料效率以及产生最少量的氮氧化物的所必需的发动机工况。这一系列的操作条件可以包括一个或多个在燃烧点火容积内的点火正时，燃烧点火容积内的提供的点火能量，燃烧点火容积内燃烧混合气经历的压缩比率，燃烧容积内的输送的空气-燃料比率，燃烧容积内加至燃烧混合气的循环废气的数量，压缩比率以及阀门正时。这一系列新的发动机工况可以动态的实施，例如在第一次发动机循环中第一组工况过渡至第二次发动机循环中新的工况。一种与当前主题一致实施例一致的内燃发动机的例子可包括接收上文讨论过的监测数据的控制设备，并且该设备决定一组提供所需效果的所需的发动机工况。

[0040] 在当前主题的实施例中，四冲程、火花点火、对置活塞发动机可包括往复套筒阀门以控制一个或多个与燃烧腔联络的进气口和排气口。这种发动机可选择地包括可变压缩比率(VCR)和可变阀门正时(VVT)。可根据一个或多个因素，包括燃烧混合气的空气-燃料比率，来利用VCR降低压缩比率以防止在高发动机负载时发生自燃和爆震。VVT可被用作减少泵送损失，例如通过调整一个或多个升程(例如：开度的大小)，正时，以及内燃发动机中一个或多个阀门的操作持续时间。当前主题实施例的其他实施例可包括其中一个或多个活塞运行在非对置式布局下的发动机的构造。这种发动机，三个非限制、仅为说明的例子在图2、图3、图4中展示，可包括一个或多个提升阀和/或者一个或多个套筒阀以控制一个或多个与燃烧腔联系的进气口和出气口。

[0041] 图2展示了至少部分内燃发动机200的横截面图。内燃发动机200有对置活塞的几何构造，能够实施当前主题的特征。该发动机和其类似发动机的进一步细节在美国专利第7,559,298号和国际专利申请PCT/US2010/046095中描述。如图2所示，进气口201将空气单独或作为燃烧混合气的部分传输至由发动机机体206确定的气缸204。如图2所示，发动机机体206可包括安装至中心连接件214的左铸件210和右铸件212，中心连接件可呈环形。中心连接件214也可包括一个或多个可插入火花塞的火花塞套筒216。发动机200被构造成左活塞220和右活塞222沿着气缸204的中心线C在往复于气缸204内。左活塞220连接至左连杆224，左连杆依次连着左曲轴226。右活塞222连接至右连杆230，右连杆依次连着右曲轴232。左活塞220往复于气缸204，并且可沿着气缸壁234左右滑动。右活塞222也往复于气缸204，并且可沿着气缸壁234左右滑动。

[0042] 图2显示了活塞的构造，两个活塞以对置的方式放置在气缸204中，使得燃烧腔上止点(TDC)主要由活塞220、222和汽缸壁234确定。与当前主题一个或多个特征一致的其他发动机设计中，汽缸壁、一端的活塞、在另一端的气缸盖可确定燃烧腔。发动机200中的活塞220、222的直径可比传统的活塞直径小，而且不需要汽缸盖。省去汽缸盖和采用更小的活塞直径可在燃烧腔中提供低的表面面积/容积比率，如本文其他处所描述，可以限制来自燃烧腔中的热量输送损失。那些本来损失的热量反过来可以在活塞220、222的动力冲程中有助于它们做功(例如：使得动力冲程更接近理想的绝热状态)。在一些实施例中，发动机200的对置放置活塞的优点在于，通过低的表面面积/容积比率，热量逸出所需的燃烧腔表面积被降至最小。结果是相较于其他发动机的构造，高速或高紊流燃烧混合气输送的热量对发动机200的影响更小。在一些实施例中，由于比其他发动机设计的活塞的直径更小，活塞220、222可包括低导热率的材料(可选择地但不限于生铁和类似物)。使用低导热率材料可使更多燃烧事件中产生的热量保持在气体中，因此可被用于做功。

[0043] 图2同样说明了第一冷却路径定义件236连接至左铸件210和第二冷却路径定义件238连接至右铸件212。一个或多个套筒阀阀体240、242可相对各自的冷却路径定义件236、238左右滑动(各自从图2可见)。如图2所示，第一套筒阀阀体240连接至左铸件
210和第二套筒阀阀体242连接至右铸件212。第一套筒阀阀体240可连接进进口201起作用且第二套筒阀阀体242连接废气出口244。

[0044] 在图2中，左活塞220和右活塞222被放置在气缸204中，当他们到达上止点时(TDC)，燃烧容积处于最小，在这个例子中燃烧腔容积由汽缸壁236、左活塞220和右活塞222的活塞头所确定。如本文其他处所描述，与当前主题实施例一致的发动机可被构造成点火正时发生在最小燃烧容积(在上止点之前、正时、之后)之前、正时或之后。

[0045] 在传统的发动机中，除了增加燃烧腔的表面积，汽缸盖覆盖了进气和排气提升阀。这些阀门常常确定在燃烧腔中的局部热点，在传统发动机中可达到的温度高达摄氏650度。如上所述，局部热点可以是导致发动机爆震的重要组成因素。传统进气和初期阀门也可在图2所示的发动机200的省略，取而代之的是第一阀门阀体240覆盖的进气口201，由第二阀门阀体242覆盖的出气口244。第一套筒阀202往复开关进气口201。第二套筒阀242往复开关出气口244。进气口阀、出气口阀和套筒阀的进一步细节在上面并入的美国专利第
7,559,298号和美国专利公开号第2011/0041799A1中被揭示，但是相关的是进气阀和出气阀被构造成避免确定燃烧腔中的局部热点。它们保持几乎被接近TDC的活塞头隐藏，并且维持在通常低于第二目标温度摄氏400度，例如利用一个或多个本文详细讨论的方法。这些相对较低的温度可以减少输送给燃烧混合气的热量，因此增加了爆震边际且使更高的压缩比率成为可能。

[0046] 此外，当减少通过汽缸壁234的热量输送值得要时，为了减少或消除在燃烧中尾气自燃的事件(例如：气体的最后一部分燃烧)，保持进气、燃料、和空气-燃料接触到的汽缸壁234和其他内表面在一个足够低的温度也同样重要。发动机可通过将冷却剂循环于第一和/或套筒阀202、242以转移热量达到此目的。该冷却系统的进一步细节在上面插述美国专利第7,559,298号中揭示，但是一般而言，冷却液体可通过套筒部分202、242的外表面周围的凹槽泵入。热量可从套筒部分202,204至冷媒对流传热，并被冷媒从系统中消除。

[0047] 图2中所示的发动机200只是结合一个或多个与当前主题实施例一致的有益特点的对置式发动机的例子。非共线轴横移的对置活塞(例如：“弯曲”的对置活塞发动机)可包括一个或多个在本文中描述的特征。此外，如上所述，与一个或多个当前主题实施例一致的特点也可被应用于非对置活塞发动机而产生有益效果(例如：活塞往复于气缸中的发动机，该气缸在一端被汽缸盖或其他不会从燃烧混合气的扩张获得有用功的结构关闭。

[0048] 图3显示了至少一部分发动机300的例子，发动机300拥有控制进气口302和排气口304的提升阀，提升阀位于或邻近发动机的汽缸盖306，该发动机在它自己的气缸204有一个或多个活塞的每一个。图3所示进气口302内的流动被第一提升阀组件控制，提升阀组件包括进气阀头310、进气阀杆312和进气阀座314，排气口304内的流动被第二提升阀组件控制，提升阀组件各自包括进气阀头316、进气阀杆320和进气阀座322。，围绕气缸204的气缸体324和在第一和第二提升阀附近汽缸盖306可包括冷却剂流动通道326，冷却剂例如水、水中防冻的解决方案、油或者类似物可通过冷却剂流动通道被输送至对流消除在气缸204中燃烧腔燃烧产生的热量。如图3显示的构造，在汽缸盖306中显示了单个火花塞330。点火源330(例如：一个或多个火花塞、等离子体源、激光、预燃室或者类似物)的其他位置也在当前主题范围内。也可使用不止一个点火源330。每一个阀门组件可包括密封活塞杆332，连接至一个或多个凸轮以激活阀门(例如：打开)的摇臂或阀门升程臂334，推动阀门至倚靠阀座314或322的关闭位置。弹簧座圈340维持住弹簧336。

[0049] 一个或多个阀头310和316、阀杆312和320、以及阀座314和322以及阀门组件的其他构件可包括一个或多个高导热率材料，以促进这些阀门构件吸收的热能的热传导，例如从燃烧的燃烧混合气至气缸体324和/或者汽缸盖306，以及从该处至冷却剂流动通道326中的冷却剂。可被用于阀门组件的高导热率的材料包括但不限于铍铜合金、铝合金和类似物。在气缸204中的燃烧容积中，在进气口302的开口附近可包括护罩或其他紊流诱导元件340。该护罩或其他端流诱导元件340可强制液流穿过进气口320至燃烧容积内，以引起能够提升燃烧容积内燃烧混合气的紊流的滚流运动的方式转移至燃烧容积内。

[0050] 图4显示了发动机400的另一个例子，这个例子有相对上文所述可选择的阀门构造，但是与当前主题提出的一个或多个优点相一致。此外或可选择地图3显示的一个或多个的特征，一个或多个阀门组件可包括一些特点，这些特点可允许油或其他冷却剂液体(例如：水、解决水的防冻手段等)流经阀门杆312或320至接近阀门头310或316并退回从而将阀门组件从燃烧的燃烧混合气中接收的过量热能对流传热出去。如图4所示，每一个阀门杆312或320可包括引导冷却剂至阀门头310和316附近的轴向冷却剂输入通道402。冷却剂随后可流经冷却剂输入通道402呈环形或平行的冷却剂输出通道404以从阀门杆回流。上凸轮的指状随动件为了摇臂334而有一叉端的这一可选择的构造可以达到相似的效果。

[0051] 在当前主题的一些实施例中，稀运行可与可变压缩率组合使用且可选择地与增强的点火能量的应用(在下文中将更详细解释)的使用以在高度稀燃烧混合气状态下达到可靠的燃烧稳定程度。可变压缩比率的方法可被应用于当功率密度增加而压缩比率降低时。在非常轻的负载时，可用非常高的压缩率使得围绕火花塞的液体体积处于足够高的温度并引起火焰的少量淬灭。火焰与周围之间可支持的温度差别主要依赖于在体积中的燃料。因此，当燃料数量增加时，压缩率会下降并仍然支持稳定的燃烧。如此，为了燃烧混合气的燃烧增加燃料时，可方便地降低燃烧率，温度不会达到氮氧化物开始形成时那么高。为避免爆震或自然同样可驱使压缩率变低，所以即使是爆震敏感的空气-燃料比率或发动机负载，降低了压缩比率的发动机不会经历自燃或爆震。以此种方式，点火正时可被提前以给予最大制动转矩正时且可实现高负载效率的优点。在一个例子中，发动机可运行在提高的压缩比率(例如：大约15∶1，或可选择的高至20∶1)和第一空气-燃料比率(例如：λ～
1.4)，为满足低功率需求但是减少的压缩率(例如：大概10∶1)为了最大转矩在第二低空气-燃料比率(例如：λ～1)以缓解爆震或者自燃。

[0052] 当前主题附加的或可替代的实施例包括增强输送至燃烧混合气的点火能量，例如在一个或多个火花塞上。可通过多种手段增加点火能量或其他变化。一种方法涉及增加火花塞的火花长度，通过增加火花塞物理间隙长度和增加穿过间隙的电压使得火花塞仍然能够形成穿过间隙的电弧。当内核变得足够大至能够自我支持时，这种方法可以将更多的能量输送至最初火焰内核使得它可以克服来自周围气体的冷却。此外，如美国专利第7,098,581号所示，可利用技术分配可获得的能量在更大的容积内。然而另一与一个或多个当前主题实施例一致的变体可涉及当燃料-空气混合物超过燃点时，对火花塞或其他点火源330连续打火多次。可获得多重火焰锋传播表面以减少熄灭的几率，因此增加了燃烧的稳定性。

[0053] 发明人收集的数据表明一些发动机无需后处理，在大约50％过量空气(例如：λ～1.5)运行时可达到每千瓦时2克氮氧化物的欧5排放标准。在小型机动车中，例如大
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约100cm 至125cm 排量的摩托车，一种方法涉及使用非常稀的空气-燃料比率的燃烧混合气可使得每公里产生小于60毫克氮氧化物，因此可满足欧5和欧6氮氧化物排放标准。

[0054] 在当前主题的一些变化中，可限制燃烧的峰值温度或通过增加废气至燃烧混合气以控制峰值温度处于低值，例如利用废气循环歧管使废气通过进气口。已燃烧的混合物可提供惰性(或至少活性降低)稀释剂从而允许在燃烧中的更低的燃料密度而不会导致在废气流中存在会使已形成的氮氧化物的处理变得更加复杂的过量氧气。但是这种废气循环(EGR)在燃烧容积中提供更多数量三原子气体可能不会是一种有益的方法。三原子气体，由于它们的多变系数降低，和双原子气体如氮气和氧气相比在热力学上将热量转化成功效率较低。上文所述的压缩比率变化也可与EGR一起使用。但是EGR的确切数字依赖于废气的温度和废气所含一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物的数量。

[0055] 图5显示了说明方法特点的流程图500，其中的一个或多个特点与至少一个当前主题实施例一致。在502中，第一次增加物理节流阀的位置，以响应第一次负载控制输入，该输入来自发动机操作人员要求发动机输出功率以满足某一加于发动机的负载，以控制从进气口进入内燃发动机的燃烧腔的空气流量。物理节流阀的位置和第一负载控制输入的相关性不必是线性的。即物理节流阀的运动量和从发动机操作人员那儿接收的第一负载控制输入的运动量之间的相关性可以小于1∶1。

[0056] 在第一次增加期间，在504向燃烧腔提供定量的稀释剂，稀释剂的量根据当前发动机的负载、当前发动机燃烧腔速度、当前发动机的制动效率以及当前汽油废气排放量计算；在506，一但达到节流阀全开的位置即物理节流阀允许最大可能的气流流量输入燃烧腔时结束第一次增加；在510，当为了满足加于发动机的负载所需的发动机的功率输出超过物理节流阀在节流阀全开位置所能获得的最大的发动机功率时，可增加输入一定量的燃料至燃烧腔，燃料量的增长不会进一步超过当节流阀全开时被输入进燃烧腔的最大可能的空气流量。

[0057] 在燃烧腔内的燃烧混合气空气-燃料比率的操作根据发动机工作点变化，可包括当前发动机负载和发动机速度。连同当前主题实施例的发动机运行参数可包括一个或多个进气歧管的温度和压力、当前节流阀设置或发动机功率要求、燃烧腔内自燃或爆震的检测、冷却剂温度、高度、燃料类型、废气温度、废气氧含量以及类似参数。所用的燃料类型可视为一种含酒精的燃料(例如：E10或E85酒精)，辛烷值(例如：87、98、91)或者仅仅高于或低于量化高辛烷值或低辛烷值的阈值。在一些实施例中，控制设备可基于爆震传感器(例如：自燃传感器)和为避免爆震而比较查阅表和其他数据库得出的点火正时等数据，决定燃料类型参数。

[0058] 在当前主题的一些实施例中，当第二次增加发生时，如果循环废气被用作稀释剂，那么在满节流阀负载需求增加时，EGR阀门可开始关闭以允许额外(新鲜)空气进入发动机中。在一个例子中，当物理节流阀保持在100％时，为了燃烧混合气，燃料和气流可增加以维持或接近空气-燃料化学计量比。当达到发动机满负载同时发动机运行在或接近空气-燃料化学计量比时，EGR全关可使得燃烧混合气更浓。其他空气-燃料比率也是可行的。在一个非限制性的例子中，EGR方法可包括三个不同操作状态。在轻负载时，通过在燃烧腔使用增加的端流改善性能(例如：在上文所述的第一次增加502期间，物理节流阀和EGR阀门都可以随不同发动机负载和发动机速度变化。可为化学计量比或接近化学计量比的空气-燃料比率提供燃料。物理节流阀可随着负载增加而增加，且EGR阀门的操作可变以满足自燃极限，最大效率和排放标准。当物理节流阀全开时可结束这种状态。在这些例子中，为保持平衡EGR的数量可变为任何所需的数量。在第二种状态中，当物理节流阀保持全开时EGR开始关闭，燃料流量与气流成比例增长。在第三种状态中，物理节流阀全开时EGR阀门可全闭，气流保持固正时只增加燃料流量使变浓且最小量数量的EGR可用来响应额外的负载需求。

[0059] 在图5和本文其他其他地方中解释的特点可应用于拥有一个或多个燃烧腔的对置活塞或其他传统(例如：非对置活塞)发动机，包括那些运行在四冲程循环之一(例如：进气、压缩、做功、排气)或两冲程循环。一个或多个的优化包括在燃烧腔内一定数量的紊流、压缩比率、和燃烧腔内燃烧混合气的浓度(例如：空气-燃料比率)，这些优化可用来避免爆震或者在进气歧管压力大于0.7个大气压时的自燃。

[0060] 燃烧持续时间可以是一个或多个因素的作用，包括但不限于当前发动机负载、燃烧混合气中空气-燃料比率和其他类似因素。在当前主题的一些实施例中，当负载增加时燃烧持续时间减少。例如在一具体的发动机中，大约40°曲轴转角燃烧持续时间可发生在发动机负载(BMEP)大约为1巴和空气-燃料比率大约是空气-燃料化学计量比的1.4倍(λ＝1.4)。同一发动机在较高负载时，例如BMEP大约为5巴时，可有大约22°曲轴转角燃烧持续时间。发动机速度也可影响燃烧持续时间。一般而言，在相似的发动机负载和燃烧混合气空气-燃料比率时，当发动机速度更快时可获得更多的旋转曲轴角。从输送端流的角度来看，可达到优化的效率和排放量)。例如，轻负载时更高的端流和高负载时更低的紊流有益于提供一个或多个可从当前主题实施例中获得的优点。

[0061] 在多个非限制性的例子中，大约50°曲轴转角或可选择的40°曲轴转角的最大燃烧持续时间可通过诱发输送至燃烧腔的空气或其他流体内的充分的滚流，足够接近但不超过自燃阈值的压缩率，燃烧混合气中足够稀的空气-燃料比率以将氮氧化物产量降至最低。在其他非限制性的例子中，10％-90％燃烧持续时间小于大约40°曲轴转角可发生在发动机工作在λ大约为1.4时，发动机负载大约为1巴BMEP，发动机速度为4000RPM。在进一步的非限制性的例子中，发动机可演示在λ大约为1.4时10％-90％燃烧持续时间小于大约25°曲轴转角，发动机负载大约为1巴BMEP，发动机速度为4000RPM。

[0062] 超过13∶1的压缩比率或可选择地超过15∶1或甚至20∶1可用于连同稀运行直至节流阀全开且MBT点火正时与浓缩和点火迟延相结合以增加功率至超过物理节流阀全开时的功率。必要时分层充气或非分层充气可被应用于燃烧腔，且分层依发动机负载和发动机速度可选择地变化。上述给出的燃烧持续时间的值是说明性的例子而不意味着是限制性的。与当前主题的各种实施例一致，形成的滚流足够达到小于50°曲轴转角的燃烧持续时间，小于30°曲轴转角的燃烧持续时间，小于25°曲轴转角的燃烧持续时间或是类似的，取决于一个或多个发动机当前负载、燃烧混合气的空气-燃料比率、发动机速度或一个或多个其他因素。

[0063] 自然吸入的混合气比空气-燃料化学计量比(λ＝1.2)稀1.2倍，同时压缩比率大于大约13∶1直至大约8巴BMEP，可实现在上止点后大约5°或20°的曲轴转角之间的峰值压力角。在当前主题的实施例中，如本文所述的特点可保证在大约7∶1之前所有的燃料都已燃烧，或者可选择地在大约6∶1之前达到剩余膨胀率，甚至在为更浓混合气的完全延迟点火正时。结合高压缩比率(例如：大于大约13∶1)和稀释的燃烧混合气(例如：使用大约20％过量空气或再循环的废气)以及利用紊流实现的对燃烧持续时间的调整，例如，发动机转速在2000rpm或更大时，10％-90％燃烧持续时间小于大约50°的曲轴转角。可选择地，可结合上述说明的因素以提供10％-90％燃烧持续时间小于大约40°曲轴转角、小于大约30°曲轴转角、小于大约25°曲轴转角或是类似的，取决于一个或多个发动机当前负载、燃烧混合气的空气-燃料比率、发动机速度或一个或多个其他因素。

[0064] 为简单起见，本文一般参考了单燃烧腔，但是这些描述可应用于多燃烧腔发动机。进气可通过进气口被输入燃烧腔中，流经进气口的气流可用物理节流阀或类似的测量流经进气口的气流设备进行控制。可利用燃料输送系统将燃料输入燃烧腔，该系统可包括燃料喷射系统(例如电脑控制喷射，通过一个或多个置于燃烧腔、进气口、进气歧管等内部的喷油器)，化油器或者类似的设备。燃料输送系统可提供与当前发动机速度和负载一致的特定空气-燃料比率。通过燃料喷射系统，空气-燃料比率的变化可以相对简单，因为燃料输送速率和气流速率没有联系。但是在传统的可燃燃料输送系统中，燃料以一相对固定的速率被夹带至气流中。相应地，利用混合控制化油器将会有利，例如在国际专利申请No.PCT/US2011/055502中说明的那样，独立变化和控制输入的空气-燃料比率，不受物理节流阀控制的进气口中流经的气流影响。

[0065] 在当前主题实施例中的自燃极限可被燃烧腔中净平均指示有效压力(NIMEP)的变异系数(COV)确定，且举例可以小于大约8％。可选择的自燃极限定义可包括，但不限于0-10％的表观放热角(例如：小于大约40°曲轴旋转角)，净平均指示有效压力(NIMEP)(例如：限制在小于大约5％)的最低正规化数值(LNV)，以及转矩变异系数。此外，LNV是发动机怠速稳定性因素的标准度量，用发动机怠速稳定性因素中的一组数据中的最低值除以该组的平均值得到。在每一当前发动机负载和速度上可通过对至少一个压缩比率控制系统(例如：轻负载时更高的压缩比率以增加混合燃烧器的充气浓度)、紊流控制系统、点火控制系统和稀释剂流控制系统以控制自燃极限。

[0066] 图6显示了发动机控制体系结构600的特征图表，拥有一个或多个特征可被结合至发动机中实现一个或多个当前发明主题实施例中的优点。由于图6的图表600说明了控制系统与发动机的物理特征的众多概念，图6中所示元素的绝对或相对的布置均不应以任何方式解释为限制性的。

[0067] 再次参见图6，在主控系统602的控制下，可选择地包括电子控制单元，与一个或多个当前主题实施例一致的紊流控制系统604可选择地包括一个或多个紊流片或叶片、鼓筒、机轴或类似物连接至进气口通道606或物理节流阀610；一种机制或者控制系统，可选择地启动和停用一个或多个进气口和废气循环阀门612，以引起被输入至燃烧腔620或类似物的液体中可变水平的滚流或漩涡。在轻负载时紊流控制系统可以动态变化一个或多个上述的组件以引起最大数量的紊流的生成，当燃烧混合气的浓度增加时，在高负载时减少已生成的紊流的数量。

[0068] 继续参见图6，与一个或多个当前主题实施例一致的点火控制子系统622通过对一个或多个点火源330的控制，可选择地实施一个或多个点火能量输送位置的发动机负载和基于发动机速度的变量、点火能量输送正时、点火能量输送持续时间和点火能量数量。即点火控制子系统622基于当前发动机负载和发动机速度，为了从一个或多个点火源330至燃烧腔620的燃烧混合气的一个或多个火花或其他点火能量的输送，可决定位置、正时、持续时间和能量数量。在一些当前主题的实施例中，至少一个更大数量的点火能量被输送以及在点火能量输送过程中，轻载时可用更长的持续时间。当发动机负载转变至更高的功率输出时，点火控制子系统622可转变成提供至少一个更小数量的点火能量和在点火能量输送中更短的持续时间。在更高的功率输送中，例如当发动机工作在最大物理节流阀以及额外的发动机负载通过增加燃烧混合气的浓度被满足时，点火控制子系统622可以设置点火能量从一个或多个点火源330输送至一个或多个MBT位置、爆震或自动限制点火提前点火、产生最小量的氮氧化物的正时或者类似的元件。整个输送的点火能量可选择地在大约5mJ至1000mJ的范围内或者更高。

[0069] 稀释剂控制子系统624可包括对流入燃烧腔的稀释剂流的控制。在当前主题的一些实施例中，发动机可利用包括一个或多个通过进气口通道614提供的空气和来自EGR歧管616的再循环废气的稀释剂。以这种方式，EGR可被用来允许发动机保持在十分接近化学计量比的混合气比率。从EGR输送至燃烧腔的废气可以是被冷却的或未冷却的。发动机燃料输送子系统626，可以是燃料喷射系统、混合控制化油器或如上所述的类似物，可选择地被主控制系统或其他基于EGR流量输入显示的控制方法所控制。EGR流量输入显示可包括，但不限于一个或多个EGR阀门的位置，燃烧腔进气口和燃烧腔排气口之间的不同压力或者类似的。在自燃极限内的各当前负载发动机负载下，EGR流量可选择地被最大化，例如随着增加的负载需求增加直到物理节流阀全开，物理节流阀全开可允许额外的化学计量比率的空气和燃料进入气缸，在这个时候通过减少EGR流量可进一步增加负载。

[0070] 在当前主题的其他实施例中，发动机可利用再循环的废气和进气作为稀释剂。在这个例子中燃料输送子系统626可接受EGR气流以及进气气流输入指示。EGR气流以及进气气流输入指示可包括上述EGR气流的输入指示和进气歧管的压力或者类似的。如果燃料输送子系统626是电子控制的，在开环或闭环反馈EGR流量外，通过利用一个或多个位于排出气流中的氧气传感器630和空气-燃料比率传感器632(例如：λ传感器)，可开环或闭环控制燃烧混合气的空气-燃料比率至目标空气-燃料比率。

[0071] 可变压缩比率控制子系统634可被主控制系统602控制，根据本文其他地方提及的约束，变化燃烧腔620内的压缩比率以保持在自燃极限内的稳定燃烧混合气，避免自燃以及为任何特别的发动机负载和发动机速度组合提供最大的燃料效率。

[0072] 提供给燃烧腔的稀释剂数量的变化可通过发动机的负载和发动机速度来执行，以此为达到在各个运行负载和速度时的最大制动效率。结合燃烧混合气中的空气-燃料比率、一个或多个压缩比率、凸轮正时、输送的紊流数量，点火控制系统可被优化至最低制动燃油消耗率(BSFC)或最大的制动效率。例如最优的混合气比率可被保持在比最小量的氮氧化物的产出或自然极限还浓(例如：最大效率λ为1.4而非最小氮氧化物的λ为1.7)。

[0073] 实施本文讨论的特征的发动机可有利地包括一个或多个修正以使得一系列工况中的一个能够变化或者将自燃或爆震的发生率降至最低。例如，在国际专利申请No.PCT/US2011/027775中所描述的一个或多个方法可被应用于允许包括至少进气(并且在一些实施例中可包括至少进气、燃料和废气中的一种)的流体被传送至内燃发动机的燃烧腔中，且以一种给予流体足够多的动量以在燃烧腔中产生至少阈值量的紊流的方式。紊流的阈值2 -2
量可有利地处于大约40至400m·s 。

[0074] 一旦点火被促发，紊流的阈值量可足够引起燃烧混合气的稳定燃烧。即可操作发动机确保燃烧腔内620的燃烧混合气至少在易燃下限，使得来自一个或多个点火源330的点火能量的应用引起燃烧混合气点火并且燃烧至至少接近完全。如在此所用，词组自燃极限是指燃烧混合气中自燃气体(例如：燃料分子)比上可被点火的燃烧混合气的比例范围。混合气体包括可燃的，助燃的以及只在一定条件下可燃的惰性气体。易燃下限(LFL)描述了最稀的能维持火焰的混合气，即最少部分可燃气体的混合气，易燃上限(UFL)给予最浓的自燃气体。

[0075] 在一些实施例中，紊流的阈值量可以是燃烧腔内达到了峰值压力且混合气10％-90％燃烧持续时间发生在活塞或多个活塞到达经过TDC大约35°的位置，或者可选择地处于经过TDC大约10°至35°。在一些实施例中，流体可在低于第一目标温度的温度中输送，例如通过积极地冷却气体(例如：通过热交换器或者类似物)，将空气的路线安排为通过一个或多个被隔离的或者物理上远离发动机室的过量热源。

[0076] 与国际专利申请No.PCT/US2011/027775的说明书和附图一致，在混合气完全燃烧结束前，与由进入的空气和燃料组成的混合气接触的燃烧容积的内表面也可保持在或低于第二目标温度，在一些实施例中，该温度可低于处于发动机工况中的活塞头温度。第一和/或者第二阈值温度可选择以降低燃料-空气混合物自燃和/或者爆震的倾向。

[0077] 在当前主题的一些实施例中，空气-燃料比率可以从大约λ＝0.8的值至大约λ＝2的值或更大的值连续地或半连续地变化，同时为了使燃烧混合气变稀，燃烧容积的压缩率也可从大约10∶1至高达大约15∶1或大约20∶1连续地或半连续地变化。随着增加的输送能量以及可选择地将更大的输送能量的空间分离应用于不浓的燃烧混合气，一个或多个点火源输送的能量也可变化。必要时点火正时为维持可靠的燃烧条件而连续或半连续地变化且不产生支持自燃的的条件。在一些例子中，点火正时可在给予最大制动扭矩(MBT)的点火提前之前的10°曲轴旋转角和给予最大制动扭矩(MBT)的点火提前之后的40°曲轴旋转角的范围内变化。在其他例子中，点火正时可在大约MBT和给予最大制动扭矩(MBT)的点火提前之后的40°曲轴旋转角的范围内变化。可选择地，点火正时变化的范围可在大约最大制动转矩和最大制动转矩之后，在大约0°曲轴旋转角和MBT后大约40°曲轴旋转角或者类似的。必要时可应用废气循环以减少泵唧功以及通过输送惰性稀释剂至燃烧容积中减少提前点火。

[0078] 作为一个非限制性的例子，发动机功率和此后的扭矩或负载输出可通过逐渐减少空气-燃料比率(λ)，例如从高度稀至较稀(例如：接近化学计量比的混合气λ＝1)。在最低功率的时候点火正时可在或接近最大制动扭矩时(MBT)。在这个例子中，必要时可延迟点火正时以减少爆震，压缩比率也可以减少爆震。当发动机负载增加时，可通过逐渐延迟来自MBT的点火正时和/或者可减少压缩比率。当混合气的浓度增加时(例如：λ向1降低)，点火能量和输送点火能量的空间和/或时间分布会被减少。例如，更稀的混合气和更低的压缩比率可能需要更高的点火能量和/或增加输送点火能量的空间和/或时间分布以维持燃烧稳定性。输送至燃烧混合气的点火能量可通过在一个点上一个或多个增加的能量输送或通过在燃烧混合气(例如：通过多个物理点火点或下面将详细讨论的从单个点火点连续的点火)中输送点火能量至多个点。当混合气浓度和/或压缩比率增加时，最大压缩比率时燃料分子的浓度增加，且尽管击穿电压(例如：对于一个火花点火源)更高，当维持燃烧稳定性时，可减少必须的点火功率和/或分布。

[0079] 根据当前主题实施例，可使用一个或多个可行的办法改变点火能量的输送。点火能量输送发生的时间段可改变，这样发动机工况的设置包括已输送的点火能量和点火能量传递持续的时间。在一个例子中，点火源(例如：火花塞)可以提供40W的功率，且可被构造成在不同的时间段内提供该恒定数量的功率(例如3ms，6ms，20ms等等)以提供不同总量的能量输送(例如：120mJ，240mJ，800mJ等等)。

[0080] 在各种实施例中，可变的点火持续时间和可在一小段时间内反复和连续地对火花塞或其他点火源打火的能力可被有利地应用于传递较小数量的能量至燃烧混合气中的多个位置。总得输送的能量的一小部分就足够开始点火。如此，通过遍及燃烧混合气的连续多次打火(或是通过将多点火源330在空间上分布于燃烧腔620或是给予在燃烧腔620内的燃烧混合气旋转或其他动作使得来自单个点火源330的连续点火影响到燃烧混合气的不同部分)，可产生多个分布式火焰内核。通过合理正时多个点火事件，分布式火焰内核可被合并成一个大的自我维持的内核。共同拥有的美国专利No.7,098,581描述了类似的多电极火花塞也可以执行类似的功能。但是由于其多电极，这种火花塞只需点火一次，多个电弧可通过容积分布在容积内以产生合并成一个大的容积的多个火焰内核。

[0081] 上述说明讨论了很多可以增进发动机运行方面的特征，以提供一个或多个如本文所解释的当前主题的优点。但是，当前主题可被用作操作各种各样的发动机，其中在任何可行的组合中可包括或舍弃一个或多个上述的特征。

[0082] 和先前的方法相比，相同的发动机运行在相同的燃料上且给定自燃边际，一些当前发明主题的实施例可使压缩比率更高。例如，用辛烷值为87的汽油为燃料的汽油发动机在MBT火花正时时可获得大约15∶1的压缩比率或甚至大约20∶1而不会引起爆震。可获得的压缩比率可能高于或低于这个例子。

[0083] 如上所述，有助于高自燃边际和压缩比率的因素可以是紊流，例如在一个或多个连接至燃烧腔的活塞进气冲程时空气或其他液体被引入燃烧腔形成紊流。燃烧混合气中的紊流可促进混合气的快速燃烧。快速燃烧可以至少部分增进发动机效率，因为短的燃烧持续时间允许燃料释放的能量作用于活塞使其在冲程中运行较长的一部分，因此比较慢的燃烧事件产生更多的功。与当前主题实施例一致的一个或多个特点提供的增强的紊流可允许稀的燃烧混合气如同在较弱紊流的环境中化学计量比的混合气一般快速燃烧。接近化学计量比的空气-燃料比率的混合气和增强的紊流甚至可燃烧的更快。MBT正时的确定可通过已知的方式确定，至少部分基于气流、发动机负载、速度、混合气比率，紊流和给定类型的燃料。

[0084] 气口形状和阀门的构造可被用于将紊流给予燃烧混合气。可选择地，活塞-活塞的相互作用(例如：在对置活塞发动机中)或者活塞对汽缸盖的相互作用(例如：在每发动机气缸构造中的单活塞)可被用来产生必须的紊流。如果活塞的一部分运行至与对置的活塞或汽缸盖十分接近而另一部分则不是时，燃烧混合气被强制离开邻近区域而进入更大的容积中。这个动作可给予混合气足够的动量以在较大的容积中形成重要的紊流，这种方法通常被称为挤压。

[0085] 另一个能够减少自燃并从而增加压缩率而不会产生爆震的因素是在发动机内减少热点。如上所述，燃烧腔内的热点会引起局部爆震，传统发动机的压缩比率对此负有责任，通常必须向下调低。相比于传统发动机，更少热点的发动机可以运行在更高的压缩比率上。套筒阀门在最小化已升高的阀门温度时有优势，这样十分有助于热点。提升阀或也可与一个或多个积极或消极的冷却特征联合使用。

[0086] 本文描述的另一个有助于获得高压缩率的能力的因素是燃烧腔内壁的相对冷却表面温度。特别地，利用冷却液体在燃烧腔周围流动以冷却内壁的发动机可在燃烧过程中较少废气自发点火的可能性，因此可允许压缩比率的进一步改进。在一些当前主题的实施例中，燃烧腔的内表面(例如：汽缸壁、活塞头、阀门表面或者类似的)可有利地维持在低于大约450°F(大约450℃)的第二目标温度。

[0087] 可选择地也可运用其他因素于那些上面讨论的内容。在为增加低至中范围的负载时的效率，可使用稀燃烧混合气即其空气-燃料比率(λ)大于1(即高于化学计量比)。为减少功率，传统发动机通常对燃烧混合气节流，导致节流中的泵送损失从而降低了发动机效率。但是根据当前主题实施例，通过利用稀燃烧混合气运行在节流阀全开(WOT)时可达到相同的降低功率的效果，因此降低或消除了泵送损失及其产生的对效率的消极影响。

[0088] 在一些实施例中，使用稀燃烧混合气会带来一些额外的好处。在给定的负载和速度下，更低的温度可使得更低的温度差异和更低的来自腔壁的能量/热量损失。稀燃烧混合气的使用也可为燃烧腔提供更多的显热，并由于稀运行可产生更多的和更少分解的三原子分子(CO2和H2O)使得燃料转化效率提升。此外，最终(稀)燃烧混合器由于过量的N2和O2而包括高比例的三原子分子，因此可增加多变系数使得产生更高的循环指示效率。相应地，燃烧和未燃烧的产物可有相较于三原子二氧化碳(CO2)和水(H2O)，与双原子氮(N2)更相似的物理和化学属性。双原子气体通常比三原子气体有更高的比热容比，因此给予稀燃烧混合气内在地拥有更高的热力效率。使用稀燃烧混合气的进一步的好处是由于更低的燃烧温度，氮氧化物(NOX)的产出水平将被降低。

[0089] 在中等的压缩比率时，在一些情况下火花起爆时混合气浓度太低以至于不能支持非常稀的燃烧混合器的可靠燃烧。但是由于当前主题允许高的压缩比率，混合气的浓度已足够高至使发动机运用如此稀的混合气运行，在一些例子中，λ差不多为1.5至2。甚至更稀的燃烧混合器也在当前主题的范围内。大的天然气发动机可运用重型涡轮增压以充分增加燃烧混合器的浓度以运行于超过2倍所需空气。当前主题实施例中无需与涡轮增压相关的成本和复杂性便可实现这些高浓度。使用稀燃烧混合物的一个缺点是会导致低功率密度。但是对于高负载而言，当前主题的实施例可变至或逐渐增加至更浓的接近和/或超过化学计量比的混合气。

[0090] 在一些实施例中，另一个增加效率的因素是减少的燃烧容积表面区域。在这样的发动机中，冷却壁更小的表面区域可减少热量能够逸出的区域。这个特征可增加系统中可做功的热量，并伴随着效率的提升。

[0091] 本文所描述的每一个特征均有助于效率的提升。任何一个特征，通过它可使得压缩比率和/或发动机效率上升且氮氧化物的产量的减少。当根据当前主题实施例提供增加的压缩比率和/或效率和/或氮氧化物的较少时，本文描述的各种特征可因此被省略或被用于任何可行的组合。

[0092] 较高辛烷值燃料的传统运行也可通过使用此处描述的特征实现。在小发动机中，3
例如大约250cm 排量的发动机，天然气可以几何压缩比率为15∶1在接近MBT正时处被运行，并具有35％的最高效率。在一个例子中，天然气可被当做18∶1或更大的压缩比率的燃料使用。对于专用天然气发动机，可轻易实现这种压缩比率。但是当天然气应用于汽车时，能够在天然气和汽油或其他燃料之间来回转换是有利的。对于使用稀薄过压缩的汽油的运行及天然气的传统运行，这两种燃料均可在15∶1的几何压缩率下使用，仅有点火定时需要更改。随着增加了可变压缩比(VCR)运行，两种燃料均可被优化。

[0093] 本发明所述的一个或者多个方面或特征可以在数字电子电路、集成电路、专门设计的专业集成电路(ASICs)、现场可编程门阵列(FPGAs)计算机硬件、韧体、软件、和/或其组合中被实现。这些不同的方面或特征可以包括一个或多个计算机程序中的实施例，计算机程序在可编程系统中是可执行的和/或可识别的，可编程系统包括至少一个可编程处理器、至少一个输入设备和至少一个输出设备。可编程处理器可以是特殊或通用的，连接至储存系统用以从储存系统接收数据和指令并向储存系统传送数据和指令。可编程系统或计算机系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器通常远离对方并通过通信网络进行交互。客户端和服务器关系的形成是由于计算机程序在各自的计算机上运行并且具有相互的客户端-服务器关系。

[0094] 计算机程序也可以被称为程序、软件、软件应用程序、应用程序、组件或代码，包括可编程处理器的机器指令，并且也可以在高级程序和/或面向对象的编程语言和/或装备/机器语言中被执行。在此使用的术语“机器-可读介质”是指任何计算机程序产品、仪器和/或设备，例如磁盘、光盘、内存和可编程逻辑装置(PLDs)，被用于为可编程处理器提供机器指令和/或数据，包括能接收作为机器-可读信号的机器指令的机器-可读介质。术语“机器-可读信号”是指任何用于为可编程处理器提供机器指令和/或数据的信号。机器-可读介质可非暂时地储存机器指令，例如非瞬间固态储存器或者磁性硬盘驱动器或者任何同等的储存介质。机器-可读介质可以二选一地或另外地以短暂方式储存机器指令，例如处理器高速缓存或者其它连接于一个或多个物理处理器内核的随即存取内存。

[0095] 在此描述的本发明可以根据所需的配置被包含于系统、器械、方法和/或产品中。载于上述描述中的实施例并不代表所有与在此描述的本发明相一致的实施例。反而，它们仅是一些与所述发明相关方面相一致的例子。虽然上文已详细描述一些变化，其它的修改或补充都是可能的。特别地，除了在此所载的特征和/或变化，进一步的特征和/或变化可以被提供。例如，上述实施例可以应用于公开的特征和/或组合的不同组合和子组合及上述公开的一些进一步特征的子组合。另外，在此描述的和在附图中描述的逻辑流程并不必须要求所显示的特定顺序或连续次序去得到所需结果。其它示例或具体实现也包括在所附请求项的范围内。

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