[0002] 本申请要求申请于2006年4月20日的美国临时
专利申请No.60/793,350、申请于2006年6月9日的美国临时专利申请No.60/812,330和申请于2006年7月7日的美国临时专利申请No.60/819,062的优先权。
技术领域
[0003] 本
发明涉及
内燃机领域，如
柴油发动机、
汽油发动机和被设计为使用替代
燃料工作的发动机。
背景技术
[0004] 本发明适用于各种类型的发动机，包括柴油发动机、
汽油发动机和使用替代燃料工作的发动机。但是，出于本申请中公开的特点的目的，将首先说明关于柴油发动机的优选实施方式，然后说明其它类型发动机的适用性。因此，在此将说明关于柴油发动机的背景技术，需要理解的是，一般来说，在此说明的许多柴油发动机的特征可以用各种方式转换为其它类型的发动机的特征。
[0005] 众所周知，柴油发动机产生的污染物主要包括氮
氧化物(NOx)和未燃烧的
碳氢化合物。此外，氮氧化物在特定
温度以上形成，而不会在氮氧化物形成温度限以下形成。该温度限显著高于柴油空气混合物的燃烧温度，但是，在传统的柴油发动机中，
燃烧室内的局部温度通常会因为各种原因超过氮氧化物形成温度限。另一方面，柴油发动机的废气中含有未燃烧的碳氢化合物通常有两个主要原因，即第一，在有机会燃烧或至少完全燃烧之前，部分喷射燃料流在相对冷却的表面发生碰撞，第二，燃料局部喷射至燃烧室中氧气不足的区域，该区域中具有的氧气不足以局部地使所有喷射燃料燃烧。由于该第二个原因，燃料没有足够的氧气而不能燃烧，这显然有利于导致第一个原因。
[0006] 优选地，在柴油发动机中，通过预喷射少量燃料使燃烧开始(随后立刻开始主喷射燃料)，该燃烧始于汽缸内的
活塞的
上止点或附近。当活塞位于其能达到的最上方
位置或附近时，喷射流不应向下喷射在活塞的顶部，因为这会致使柴油废气中含有大量碳氢化合物(如前所述)，也可能会损坏发动机。但是，随着活塞远离上止点移动，燃烧室内的容纳物膨胀，并使容纳物的中心以约为活塞移动速率的一半向下移动。因此，对于活塞的上止点位置的连续燃料喷射仅将燃料喷射在燃烧室中的顶层空气中。这造成很多不良影响。在这个有限的体积内的燃料集中很容易导致局部温度超出氮氧化物形成温度限。此外，燃烧室中该有限的区域内的氧气可能耗尽(尽管下方的氧气充足)，导致燃料的不充分燃烧并导致废气中含有大量碳氢化合物。
现有技术的发动机和操作方法中，对这些影响唯一可行的控制是根据燃料喷射到燃烧室容量的部分的体积和含氧量来限制喷射总量，从而在燃烧循环中限制了产生的机械能。
[0007] 在一种现有技术中，在多个方向上使用了喷射器和
喷嘴，使初始喷射更呈放射状，以便当活塞位于上止点或附近时，更利于适当的喷射，并具有机械
阀，该机械阀
开关喷射流使其流向更朝活塞突出的喷射孔，使得喷射的燃料可以更好地跟随可用于燃烧的大部分剩余氧气。这种喷射器具有很大的优点，例如在恒定
载荷下发动机的稳定运转。但是，问题是控制是机械的并具有预置限制，这些问题限制了
卡车和类似发动机(发动机在相对宽的
发动机转速范围内和非常宽的功率输出范围内运转)的灵活性。
附图说明
[0008] 图1显示了根据本发明的四冲程模式柴油发动机的操作；
[0009] 图2显示了根据本发明的六冲程模式柴油发动机的操作；
[0010] 图3显示了根据本发明的两冲程模式柴油发动机的操作；
[0011] 图4是本发明的一种实施方式的六缸发动机的示意图；
[0012] 图5是含有本发明的发动机头部的示意图；
[0013] 图6是含有本发明的发动机头部的一部分的部分截面图；
[0014] 图7显示了开关发动机的两缸的
实施例的示意图，该图右侧的汽缸用于压缩，左侧的汽缸用做燃烧或动
力缸；
[0015] 图8通过温度与活塞位置的关系曲线显示了发动机的两冲程方式的操作，曲线上，根据发动机操作过程中的多个过程阶段标记了多个点；
[0016] 图9是图7的燃烧缸内的汽缸头部的截面示意图；
[0017] 图10显示了根据本发明的发动机操作的另一种模式；
[0018] 图11显示了可以使用在本发明的实施方式中的控制系统；
[0019] 图12是显示发动机内产生烟黑和NOx的状态；
[0020] 图13是显示本发明的一种实施方式的实际操作过程与标准柴油机循环对比的曲线；
[0021] 图14显示了用于本发明的实施方式的控制系统的实施例。
具体实施方式
[0022] 根据美国临时专利申请No.60/793,350，至少在燃料的主喷射的一些阶段内，燃料和空气都被喷射到燃烧室中。优选地，将空气喷射到燃料喷射器尖端周围的区域，使得在主喷射时(即使在活塞远离喷射器并因此使剩余的原先可用的空气的中心也远离喷射器时)提供新鲜的富氧空气。这可以在主喷射过程中使得燃料更充分燃烧，还允许在同样或更大的机轴
角度范围内喷射和燃烧更多的燃料，从而增大燃烧循环的
能量输出。此外，通过对空气、特别是预喷射和主喷射时的燃料喷射的严格控制，可以将燃烧
温度控制在氮氧化物形成温度限以下。
[0023] 实现这个目的的一个便捷方式是检测燃烧室内的压力，因为压力是燃烧室内的温度的有益指示。在本发明的一种优选实施方式中，在压缩冲程中进行预喷射(优选在燃烧室内的空气达到燃点之前)，以允许预喷射的燃料和空气在燃烧前充分混合。控制用于预喷射的燃料的量，使得点火
后燃烧温度不会升高到超出氮氧化物形成温度限。这以示例的方式显示在图1中，图1显示了四冲程循环运转的发动机的操作过程。从图1中可以看到，点火基本上发生在活塞的上止点(T)。在一种优选的实施方式中，这不仅通过控制喷射量来实现，还通过使用可控的发动机阀起动系统，特别是
液压阀起动系统，例如美国专利No.6,739,293公开的液压阀起动系统，该专利公开的内容作为参考结合于此，通过控制如进气阀关闭的机轴角度这类的参数，从而有效地控制实现的压缩比和点火发生时的机轴角度。此外，在一种优选的实施方式中，如前所述，在汽缸内使用压力
传感器，这允许在循环和循环之间调整对进气阀和预喷射的量的控制，以得到在上止点位置T的点火并实现所需的温度上升，从而随后达到不超过氮氧化物形成温度限的温度。如图1所示，燃烧室内的温度达到峰值后，随着预喷射燃料的消耗和活塞远离上止点位置移动，该温度开始下降，燃烧室内的温度如图1所示(以及燃烧室内的压力)开始下降。但是温度仍然高于点火温度，可以进行燃料的主喷射，并在主喷射期间的至少一部分时段内同时进行空气喷射，优选将空气喷射在燃料喷射的尖端区域。其中，在空气和燃料喷射过程中，虽然图1显示为温度平稳，但实际上，燃料喷射可以包括多次少量喷射并控制空气喷射的时间、持续时间和量，以在随后的发动机运转状态下得到最佳性能，因此图1所示的平稳状态可以不是非常平坦，但大致上被严格限制在点火温度和氮氧化物形成温度限之间的范围内。
[0024] 应该注意的是，虽然本发明的优选实施方式使用液压发动机阀起动，也可以同样使用其它方式的可控发动机阀起动，如电磁、压电等。与机械发动机阀的实际控制相比，尽管通过至少对发动机阀定时的更好控制可以达到最好的性能，但是本发明还可使用机械发动机阀起动系统。
[0025] 由于在活塞的动力冲程过程中，空气和燃料的喷射占据主喷射的至少一部分，可以在更大的机轴角度范围内喷射更大量的燃料，而不会在废气中形成氮氧化物或多余的碳氢化合物，从而为动力冲程提供更大的机械能。图1显然显示了两个完整的循环，显示了压缩冲程中的预喷射INJ、膨胀或动力冲程EXP、
排气冲程EXH和随后的
进气冲程及该进气冲程单独的预喷射INJ的示意图。
[0026] 拥有控制发动机阀运转的能力，就可以改变发动机的运转模式。例如，参照图2，可见六冲程运转模式，这也可以是图1所示的同一个发动机。在此，从图左侧开始，开始压缩和预喷射冲程，其中，活塞位于
下止点(B)，动力或膨胀冲程EXPAN与图1中显示的膨胀冲程EXP基本一样。但是，在该膨胀冲程的底部或附近，汽缸的一个或多个进气阀暂时打开以控制同一燃烧室的再压缩RECOMP过程达到的压力和温度。这一控制是用来控制燃烧室中的未燃烧的碳氢化合物在上止点T或附近的再点火。由第一燃烧冲程导致的未燃烧的碳氢化合物的量可以通过最初在该冲程的主喷射过程中喷射的燃料的量来控制，当然优选地控制为使得再燃烧循环所达到的峰值温度也不超过氮氧化物形成温度限。但是，注意到比起将从第一燃烧循环中产生的废气排放到大气中，由于该再燃烧循环，来自于第一燃烧循环的废气中的大量未燃烧的碳氢化合物能够更容易被接受。这可以允许在主燃烧循环中更宽的机轴角度范围内喷射更多的燃料，从而在膨胀循环过程中提供更大的机械能输出的同时，仍然能实现低排放氮氧化物和未燃烧的碳氢化合物。
[0027] 可以注意到，在一种优选实施方式中，对再燃烧循环过程中的点火的控制是通过暂时地使进气阀打开以进气来实现的，同样地，可以在循环和循环之间根据前一循环的结果进行调整。显然，虽然要以高一些的排出量为代价，但也可以用暂时打开排气阀来代替。基于这一目的而打开进气阀可以在某种程度上减少进入的空气中的氧气含量，但不足以限制预喷射燃料的燃烧，而且在燃料主喷射过程中喷射的富氧空气能够很容易地弥补燃烧室内其余部分的氧气含量的任何微小减小。最终，如图2所示，该再燃烧循环后，在机轴角度的下一次旋转过程中，发生传统的排气和进气过程，然后重复进行六冲程循环，除非发动机转换为不同的运转模式。
[0028] 通过对所述阀的定时控制，如图3所示，同一发动机可以在两冲程模式下运行。由于比四冲程模式的动力冲程数量增加了一倍，这通常是高动力模式。在该模式下，当活塞位于下止点BDC附近时发生排气，同
时空气从相对低压源喷射，特别是在压缩冲程的初始部分过程中进行该空气喷射。如图1和图2所示的模式，会发生燃料的预喷射，预喷射的量和为压缩提供的空气的量的选择使得在活塞上止点TDC位置或附近再次点火，并限制预喷射燃料燃烧温度上升，使该温度不超过氮氧化物形成温度限。同样地，与前一运转模式一样，在膨胀冲程的主喷射部分过程中，以可控的方式喷射燃料和空气得以在为基本上完全燃烧而向喷射的燃料提供充足的氧气的同时，使温度保持在点火温度和氮氧化物形成温度限之间。在每个机轴转动过程中都重复该循环，以实现基本上传统的发动机两循环运转。
[0029] 现在参照图4，可以看到本发明的通常可能的运行过程示意图。在该运行过程中，显示了六缸发动机，中间的两个缸用于压缩COMP，发动机两端的两个缸用作燃烧缸COMB。源自燃烧缸的废气EX被排放到大气ATM之前，先驱动
涡轮增压器TURBO。本实施方式中的
涡轮增压器可以使吸入的空气INT增加至大约4巴的压力，并将该涡轮增压的空气提供给全部六个缸的进气阀。为了起动发动机，并且在需要或最好起动
涡轮增压器的任何时候，可以通过由
控制阀控制的液压发动机提供液压辅助，该控制阀连接于处于压力Ps作用下的液压
流体源。在两个压缩缸COMP的情况下，通常每个汽缸可以具有两个进气阀和两个排气阀并都用作输入阀，每个压缩汽缸COMP都具有止回阀，用于在大约200巴的压力下将所述压缩缸COMP的压缩空气排放至储气罐。该压力显然可以通过控制使压缩缸COMP的进气阀关闭的机轴角度来控制，这也控制了输送至所述储气罐的高压空气的体积。其中，需要注意的是，不论燃烧缸COMB以两冲程循环、四冲程循环、六冲程循环或其它模式运转，压缩缸COMP始终以两冲程循环压缩模式运转。储气罐中的空气通过阀被喷射至每个燃烧室COMB内，在优选的实施方式中，该阀还通过
电子控制器来进行液压控制(并定时、制定尺寸等)，以将所需量的空气在一定时间内喷射至所述燃烧室内。其中，喷射空气时，储气罐内的气压显然高于燃烧室内的气压，但在优选的实施方式中，这很容易通过在燃烧室内实际检测压力来实现，这是对压力也是对燃烧室内的温度的指示的检测。需要注意的是，虽然图4示意地显示了用于从储气罐喷射空气的单独的阀，但可以使用多个阀。优选地，储气罐内的压力可以通过控制压缩缸COMP上的进气阀来控制，以在空气喷射过程中提供大于燃烧室COMB的压力，但压力不必过高，以免浪费不必要的能量。其中，储气罐内可达到的最大压力可以由设计决定，该设计是通过用于压缩缸COMP的压缩比来选择，发动机头部设计的压缩比可能与压缩缸COMP的压缩比不同并特别地大于压缩缸COMP的压缩比。储气罐内的实际压力(以及输送至该储气罐内的空气体积)很容易通过控制压缩缸上的进气阀来控制。
[0030] 需要注意的是，通常，由于储气罐内的空气几乎是绝
热压缩，该空气温度很高，虽然通常不会有太多能量损失，但通常要在热量损失之前喷射高压空气。可选择地，储气罐可以非常大并提供高压空气的重要容器，以在至少短时内助推发动机动力和输出。作为另一种选择，储气罐可以包括相对小的第一储气罐和非常大的第二储气罐，该第二储气罐在类似于使用发动机
制动的过程中填充高压空气，致使对燃油消耗产生额外的改进，并因此降低了CO2排放。
[0031] 现在参照图5和图6，可以看到观察包括本发明的发动机的头部的一部分的示意图和穿过该头部的部分截面示意图。如图5所示，图右侧的汽缸为压缩缸，其中，全部四个阀都用作进气阀INT，由于与低压进气相比，高压出气的压力高得多且体积小得多，所以止回阀较进气阀小得多。位于图中心的汽缸显示为具有两个进气阀INT和两个排气阀EXH并在该汽缸的中心设置有燃料喷射器。在该燃料喷射器上方显示为阀，该阀控制从储气罐向高压空气通道输入的用于均匀混合的高压空气的入口。这些通道也显示在图6中，其中，高压阀控制来自于储气罐的高压空气的喷射，在本实施方式中，将高压空气喷射在发动机阀周围的区域内。显然，虽然图5和图6显示了用于在膨胀冲程过程中使喷射到燃烧室内的空气分散的
歧管的实施例，但是，这种歧管可以采用多种形式，例如，可以通过在燃料喷射器的外缘周围喷射空气、改变喷射的空气通过的孔的角度、使喷射的空气都沿同一方向或不同方向等。
[0032] 在此，对本发明的说明是关于柴油发动机的，但是本发明也适用于如汽油发动机和可替代燃料发动机(如
生物柴油发动机和类似发动机)等其它类型的发动机。用于汽油发动机的情况下，可以使用
汽化或预喷射而在上止点或附近提供可火花点火的混合物，并如同柴油发动机一样，在动力冲程的部分过程中喷射附加燃料和空气。可选择地，不论使用什么燃料都可以使用单纯的
压缩点火，并使用从预喷射得到的稀混合物，用以限制达到的最高温度不超过氮氧化物形成温度限，或发出“砰”声，还用以使喷射到燃烧室内的附加燃料一
接触到在主喷射过程中喷射的空气就几乎立刻被点燃。此外，另外一种可选择的情况是，可以使用火花点火来起动汽油发动机，该起动使用普通循环或本发明的循环，然后在起动之后和/或发动机预热一定程度以后转换成压缩点火。
[0033] 在前述公开的内容中，需要注意的是，在压缩点火模式下使用汽油时，与所用汽油的
辛烷值无关，发动机控制会自动调整以达到上止点或附近。
[0034] 根据美国临时专利申请No.60/819,062公开的内容，比起现有技术所公开的内容，多汽缸
压缩点火发动机及其操作方法具有很多优点。在一种实施方式中，使用发动机的一个汽缸来达到空气压缩的目的，发动机的另一个汽缸用作燃烧或动力缸。例如，在六缸或八缸发动机中，半数的汽缸可以用作压缩缸，另外半数的汽缸用作燃烧或动力缸，但是这种一对一的比例只是实施例，而不是对本发明的限制。
[0035] 现在特别地参照图7，可以看到根据本发明的一种实施方式的多汽缸发动机的两个汽缸的示意图。该图示意地显示了用于发动机的两个汽缸的阀的实施例，图中右边的汽缸20用于压缩，左边的汽缸22用作燃烧或动力缸。假设发动机包括电子可控阀如进气阀和排气阀以及电子可控燃料喷射器，从而通过适当的电子控制系统使得所述阀定时和喷射定时可以电子控制。一种适当的发动机阀控制系统为如美国专利No.6,739293所公开的电子可控液压发动机阀控制系统，该专利公开的内容已作为参考结合于此。适当的燃料喷射器可以是美国专利No.5,460,329公开的类型，该专利公开的内容也作为参考结合于此。
[0036] 如图7所示，
进气歧管INTAKE连接于压缩缸20上的3个进气阀IN，并连接于图的左手边的燃烧缸22上的单独的进气阀IN。虽然进气歧管可以处于高压(例如通过增压器)，但在一种优选的实施方式中，进气歧管INTAKE内的压力可以仅为
大气压，或由于安装有发动机的车辆的运动而产生的动态压力而稍微高于大气压。类似地，优选实施方式中的
排气歧管EX尽可能地接近大气压，虽然不是优选的方式，但本发明可以与排气驱动的增压器一起使用。
[0037] 除了进气歧管INTAKE和排气歧管EX以外，还设置有低压气轨(air rail)ARL和高压气轨ARH。低压气轨ARL优选地连接于具有很大存储容量的存储罐24。在优选的实施方式中，高压气轨ARH具有内容积，但没有与其连接的单独的存储罐。但是，可选择地，可以使用高压空气存储罐，其上可以带有或不带有可控阀以将该高压空气存储罐连接至高压气轨ARH。
[0038] 在压缩缸20的进气冲程过程中，进气阀IN通常打开，在之后的压缩冲程中，压缩空气通过打开阀ARL以将压缩空气连通至低压气轨ARL及与该低压气轨ARL连接的存储罐24而排放，或将压缩空气通过高压空气排放阀ARH排放至高压气轨ARH。最有效的运转方式为，通过
压力传感器26检测压缩缸20内的压力，根据该压力来调整打开通向低压气轨ARL的排气阀还是打开通向高压气轨ARH的高压排气阀ARH。其中，未显示出测量低压气轨ARL和高压气轨ARH的压力的压力传感器，设置该压力传感器部分地是出于整体发动机控制的目的，此外，还为了适当地使压缩缸20内的各排气阀定时打开，以避免压缩缸20和与各排气阀打开相对应的气轨之间的大压力差导致的能量损失(不论是
正压力差还是
负压力差)。
其中，还应该注意的是，虽然由于压缩缸20的尺寸，压缩空气的量具有最大体积，该体积典型地但不是必须与动力缸22的尺寸相同，在进气冲程过程中，在活塞达到下止点之前关闭进气阀(或者可选择地，在活塞超过下止点之后关闭进气阀)可以减小压缩空气的量，从而使得留在压缩缸20内用于压缩的空气的量减少。通过在进气冲程中不打开进气阀IN和/或不打开连接于两个加压气轨中的任一个的任一排气阀，输送到任一气轨的压缩空气的量可以降低到零。此外，还应注意的是，压缩缸20的压缩比可以与燃烧缸的压缩比相同或不同，如果需要，还可以高于燃烧缸的压缩比。
[0039] 因此，通过控制压缩缸20的进气阀IN和排气阀ARL和ARH并使用气压轨中的空气，低压气轨ARL和与其连接的存储罐24以及高压气轨ARH中的压力可以得到很好的控制。在一种优选的实施方式中，低压气轨ARL的压力通常约为15巴，最低约为10巴，最高约为20巴。另一方面，高压气轨ARH中的压力优选为更高，在一种实施方式中，在大约140巴和200巴范围内。
[0040] 燃烧缸22包括连接于进气歧管INTAKE的进气阀IN和连接于排气歧管EX的两个排气阀EX。该燃烧缸还包括燃料喷射器INJ，典型地，该喷射器大约位于燃烧缸的中心。因此，燃烧缸22可以作为传统的四冲程压缩点火发动机运转，该四冲程压缩点火包括进气、压缩、燃烧和排气冲程。但是，根据本发明的一个方面，即使在传统的四冲程模式下也可以通过在喷射用于燃烧的燃料的同时从高压气轨ARH喷射空气，从而提高发动机的运转，如实施方式所示，既可以通过小型高压空气喷射阀ARH2，或通过稍大一些的高压空气喷射阀ARH1，或通过这两种阀喷射空气。如下面更具体的显示，喷射这种高压空气时，优选喷射在燃料喷射器INJ的尖端的周围，这种空气喷射具有很多优点。第一，高压空气的喷射在从燃料喷射器喷射的燃料流的紧邻处产生紊流，使燃料和空气更好地混合并避免了能够产生NOX的局部热点。此外，典型的燃料喷射器采用基本上呈放射状部件将燃料流喷射到燃烧室内，以避免(或最低限度地)喷射的燃料碰撞到活塞上，这种碰撞会损坏活塞并致使由该碰撞引起的不完全燃烧导致高排放。但是，因此，随着活塞远离上止点移动，燃烧所需的空气也远离上止点移动，使得后续的喷射趋于集中在此时为燃烧室容积的上部，从而不能利用其下方更多的富氧空气。如上述说明的那样喷射高压空气，喷射器尖端的空气被富氧空气补充(否则将会耗尽)，即使在较现有技术更长的喷射过程中也能允许更多的完全燃烧。其中，在优选的实施方式中，燃烧室还使用压力传感器28，该压力传感器28不仅检测压力，还有效地间接检测燃烧室的温度。因此，可以控制燃料喷射器INJ以控制/限制燃料喷射率，以限制燃烧室的压力并从而限制燃烧室的温度，使该温度低于形成NOX的温度。其中，需要注意的是，由于燃料喷射过程中的高压空气喷射，较现有技术中而言，由于在喷射的燃料附近补充富氧空气(即使活塞已经从上止点位置向下移动相当长的距离)，该燃料喷射过程可能占据更大的机轴角度范围。当然，结合主喷射可以使用引燃喷射，主喷射本身就可以是连续或脉冲喷射，如所需那样并根据喷射系统的能力将燃烧室的温度限制在形成NOX的温度以下。类似地，根据需要并根据发动机的运转环境而做的故意的改变，在任何预喷射过程中可以使用或不使用高压空气喷射，且该高压空气喷射可以与燃料的主喷射同时或不同时进行。
[0041] 现在参照图8，可以看到本发明的另一方面。根据该方面，根据本发明的发动机(如图7所示的发动机)可以作为两冲程发动机进行操作，从而可以向同一发动机RPM提供如同图7的两个汽缸在传统的四冲程循环下操作所能得到的动力冲程。图8通过温度与活塞位置的关系曲线显示了发动机的两冲程方式的运转，曲线上，根据发动机运转过程中的多个过程阶段标记了多个点。图中显示了燃烧缸22中的活塞从下止点B至上止点T并回到下止点B的情况，这之后即重复所示循环，或者可选择地，尤其是在低动力输出状态下，在活塞下一次从下止点B至上止点T并回到下止点B的移动过程中可以进行可选择的再燃烧循环，如图8朝右侧所示。从图8曲线的左侧的下止点B开始，活塞朝向上止点位置T移动过程的大部分时间内，排气阀打开(EVO)。然后，在适当的机轴角度(可以由基于发动机的工作情况和环境情况的控制系统决定，并部分地基于前一循环的实际运转而对循环进行调整)，排气阀在点2处关闭(EVC)，并且在该点上(或在这之后不久)，低压气轨ARL中的空气连通至阀ARL(图7)并连通至燃烧缸，并发生了少量燃料的引燃喷射(点3)，该引燃喷射和空气喷射在点4终止。然后，在刚刚达到点火温度之前或之后的某点处，可以向燃烧缸内喷射更多的燃料和高压空气并随后终止该喷射，虽然温度(压力)在点7达到了最高之后随着活塞向下移动而下降，但还可以喷射高压空气和燃料以保持燃烧，因此，在很大的机轴角度内，燃烧室的温度和压力都处于NOX形成温度以下，这之后在点8处，在动力冲程的余下过程中停止喷射燃料和空气，排气阀在下止点附近(点9)打开以重复上述循环，或者进行低动力运转，通过关闭燃烧室内的所有阀来进行燃烧室装入料(charge)的再燃烧循环，或者可选择地，通过控制一个或多个排气阀EX、进气阀IN和/或连通一个气轨的阀以控制压力和体积，从而控制再燃烧装入料的温度，使得再燃烧的点火发生在上止点或附近。
[0042] 上述对于本发明的发动机用于两冲程的运转的说明显然仅仅是举例，引燃喷射可以不带有高压空气喷射，或者实际上根本不使用引燃喷射。类似地，可以在压缩冲程的晚些时候进行引燃喷射，并在引燃喷射点火后进行主喷射和高压空气喷射，这可以在可控方式(脉冲或其它方式)下进行以将燃烧室内的最高温度限制在NOX形成温度以下，可以在相当大的机轴角度内保持燃烧室内的高压和高温以用于高效动力冲程。
[0043] 现在参照图9，可以看到燃烧缸22(图7)内的汽缸头部的截面。图中所示为发动机阀，如图7中的排气阀EX或进气阀IN中的一个。未显示连接于低压气轨ARL的进气阀ARL(图7中有显示)，但是该阀可以是例如图9所示的发动机阀这样的传统的
提升阀，典型地，由于低压气轨中的高
密度、高压空气(相对于大气)，该阀更小。但是，图9所示的是比典型的更小的提升阀30，该提升阀打开时连通高压气轨ARH和歧管区域32，该歧管区域32继而通过穿过环形区域34排放高压空气而将该高压空气分散在燃料喷射器INJ的尖端周围。在典型的应用中，高压气轨内的空气将以高于燃烧缸内气压的可控气压喷射到燃烧缸内，以在喷射过程中穿过燃料喷射器喷射的喷射流而产生空气流，但这种压力差不会太高而浪费太多能量。因此，这种方式的空气喷射避免了燃烧室内出现热点、使喷射的燃料和空气更好地混合并为在汽缸的一部分内的燃烧过程消耗的空气补充富氧空气以潜在地允许将更多的燃料喷射到该部分内并燃烧，从而潜在地增加了每次动力冲程的动力输出。
[0044] 由图10可以看到根据本发明的发动机的另一种运转模式。所示的该模式为关于发动机的两冲程运转，但是如前述的运转模式一样，根据需要或根据发动机运转情况而选择，能够延及四循环冲程或更多循环冲程运转。该运转模式的原理是，动力冲程之后，在活塞的下止点BDC或附近，排气阀EXH在活塞朝向活塞的上止点TDC位置移动过程的大部分时间内为打开状态，这之后排气阀关闭。随后在压缩的初期进行燃料喷射，并一直持续到开始喷射充足的燃料。在燃料喷射后期(或完成燃料喷射以后)，在活塞到达上止点TDC位置周围或将要到达之前开始从高于气轨ARH喷射高压空气，使得点火发生在上止点TDC位置附近并随着高压空气的持续喷射而持续燃烧，直到达到超过上止点位置的很大的机轴角度。在随后完成的燃烧之后，开始正常膨胀直到活塞位于活塞的下止点BDC位置或附近，在该位置，定时使排气阀打开以重复上述循环。可选择地，可以用低压气轨ARL进行初始的空气喷射，随后用高压气轨ARH进行空气喷射，这些喷射气压可以通过定时的阀可控，以提供最高效的喷射气压。
[0045] 该在后说明的运转模式的优点如下。由于在燃烧开始前将燃料喷射至来自于前一动力冲程的高温排放气体中，所喷射的燃料会被该高温排放气体汽化(转化为气态)，相比较排放气体内的有限的氧气来说，该汽化提供了燃料丰富的环境。因此，有限的可用氧气限制了这种混合物的压缩点火的温度，并显然是自动地使该温度保持在可能形成NOX的温度以下。典型地但不是必须地，在压缩点火之前开始喷射高压空气会增加燃烧，并因此使压缩点火后的温度升高，但是可以定时喷射空气并控制空气的量以将燃烧温度仍然限制在NOX形成温度以下。其中，可以注意到，随着高压喷射持续进行，燃烧也继续进行，直到燃料耗尽，但经过控制的燃料—空气混合物可以避免局部热点，否则该热点会导致形成NOX。作为对比，在传统的柴油发动机中，燃料液滴被喷射到富氧空气中，使得局部热点升高并产生NOX，但是在该运转模式下，燃料液滴被汽化(转变为气态)，且该
蒸汽与剩余的排放气体充分混合，并特别地与初始喷射的高压空气混合，因此，在整个燃烧室内，可以将燃料—空气比例限制在不低于使温度超过产生NOX的温度的比例。显然，对燃料喷射的定时和定量，以及对高压空气喷射的定时和定量可以根据发动机的运转情况和环境情况而调整，以在适当地调整为最小
排放量的同时保持所需动力。此外，如前所述，以两冲程循环模式运转将增加燃烧缸的动力输出，以弥补使用另一汽缸对高压气轨ARH加压。此外，可以以这样的方式向燃烧缸喷射高压空气，即促进混合并清理汽缸壁上未燃烧的燃料蒸汽和空气以促进完全燃烧。
[0046] 应该注意的是，根据本发明的发动机可以在所述的各种运转模式的混合模式下运转。例如，虽然大部分的燃料喷射可以先于所述压缩点火，但根据需要可以在动力冲程过程中喷射附加燃料。其中，需要注意的是，由于对压缩缸的进气阀和排气阀、燃烧缸的排气阀、空气喷射阀和燃料喷射器的定时控制能力，不论是一次喷射还是多次喷射，空气喷射和燃料喷射的时间和喷射量是完全可控的，并根据需要可调节(特别是响应于发动机运转情况和环境情况)。包括有如图7所示的燃烧缸的进气阀还可以允许在上述发动机的可能的运转模式下具有更大的灵活性。显然，图7所示的压力传感器28允许基于前一循环的优化运转的任何偏离而对发动机的运转进行循环之间的优化。
[0047] 本发明已经公开了关于压缩点火中燃料喷射的内容，在优选的实施方式中燃料为柴油燃料，但也可以根据需要使用石油基或非石油基燃料。此外，对本领域技术人员来说，可以进行适当的替换，还可以使用气体燃料和以液体形式存放的气体燃料(如液态
天然气、丙烷、
丁烷和氢等)。这些燃料或这些燃料的任意混合物都可以单独使用，或与少量的一种或多种适当的添加剂结合使用，以达到在所需的燃烧室温度引燃压缩点火的目的。此外，使用柴油燃料和任何其它燃料的本发明的发动机可以如图11所示那样由控制系统方便地控制。如该图所示，发动机的发动机阀、空气控制阀和喷射器可以由控制器控制，特别地该控制器为基于
微处理器的控制器，在该控制器内的只读
存储器内存储的程序的控制下起控制作用，并响应于根据发动机运转情况、环境情况和气轨压力的动力设置以及基于查询表格中记录的预定信息而决定用于发动机阀、空气控制阀和喷射器的运转的额定参数。本发明的系统中的这种控制器应该尤其响应于压缩缸20、燃烧缸22和低压气轨ARL、高压气轨ARH内的压力传感器，以调节系统的运转呈现最佳性能，特别是在发动机的运转的特定循环过程中运行，基于前一循环过程的运转而调节，以基本上形成一个或多个封闭循环从而保证在适当的机轴角度发生点火，从而使温度不会超过燃烧室的温度，等等。此外，显然可以包括其它运转模式，如压缩制动、在使用发动机或压缩制动或仅仅在低动力起动时存储附加的高压空气、在高冲程模式(如六循环和八循环)下运转、跨循环(skip cycle)运转等。其中，为了利用多余的动力，发动机可以基于先前存储的高压空气利用高压空气喷射而运转，省去了动力消耗所需的、为喷射而提供高压空气的时间，同时使用了由高压空气喷射得到的多余动力。这具有比其它能量存储技术如
电池存储优越的特点，因为不用转换成
电能并再转换回来而造成多余的消耗和复杂性。这甚至比从某些其它
压缩机存储高压空气并转换回
涡轮机或其它
气动发动机形式的机械能更具有优势，这主要是由于避免了这些多余部件。本发明还在改进燃烧和避免产生NOX方面具有很大优势，这比起形成NOX后试图将NOX作为排放物排出要更有实用性并更经济。
[0048] 现在参照图12，可以看到产生烟黑和NOX的情况的图表。该图表非常有助于显示本发明的各种原理和特点。X轴为开尔文温度，Y轴为等效比(equivalence ratio)。等效比为燃料与
氧化剂的比例除以燃料与氧化剂的化学计量比。因此，等效比为2(如图表中重点标出的)表示能够燃烧的燃料的量是现有的氧气量的两倍。典型地，在现有技术的柴油发动机中，宏观尺度下的等效比小于1，也就是说，为汽缸内的氧气总量而喷射的燃料总量通常小于化学计量比。但是，汽缸内的各种实际情况会导致局部的燃料—空气比大于化学计量比，这可以导致相对高的局部等效比而产生烟黑，如图表所示。这种情况包括现有技术中存在的事实，燃料是通过固定的喷射喷嘴喷射到汽缸中的，使得燃料在燃烧室内非常局部的区域内高度集中。这种情况显然只能随着喷嘴被部分地阻塞等等而更加恶化。如前所述，在现有技术中，燃料喷射开始于活塞位于活塞运动的上止点或附近，导致需要一定的放射状喷射方向，但是，随着喷射过程的继续，燃烧室内的容积的中心向下移动，使得燃烧室内的大部分氧气向下远离继续进行的燃料喷射。
[0049] 再参照图12，围绕上方黑色区域的线表示将会形成的烟黑的含量，而围绕右下方的线表示以百万分之一计量的形成的NOX的量。从左上方起始的曲线表示燃烧室内的氧气含量，范围从右手边曲线的21％的氧气至左手边曲线的5％的氧气。可以看出，假如可以控制燃烧室内的最高温度(以及局部温度)和等效比(以及局部等效比)，基本上不会产生烟黑，也不会产生NOX。显然，如果能够在整个燃烧室中达到等效比为2并具有相对低的氧气含量，烟黑和NOX就都不会产生了，但是废气中会含有相当多的未燃烧碳氢化合物(燃料)，同样不能令人满意。
[0050] 现在参照图13，可以看到本发明的一种实施方式的实际运转过程与标准柴油机循环对比的曲线。这些曲线显示了从多汽缸柴油发动机的实际运转过程中提取的数据，其中，第三汽缸装配有压力传感器并在传统的柴油机循环下运转(作为参照基线)，第二汽缸也装配有压力传感器，但在根据本发明的一种实施方式的可选择的循环下运转。其中，图中，相对于上止点的机轴角度从-140°变化至+140°，应该注意的是，基线运转(也就是汽缸3传统的柴油机循环运转)是传统的四循环柴油机运转，该运转包括进气冲程、压缩冲程、动力冲程和排气冲程。可选择的循环为两循环运转，主要包括压缩冲程和动力冲程，从而有效地使汽缸的动力冲程数增加一倍。
[0051] 喷射的空气由单独的压缩空气源提供，但是，如前所述，充分使用的所需压力的空气通常通过被用作压缩缸的多汽缸发动机的一个或多个汽缸来提供。其中，该压缩缸通常作为两循环汽缸运转(压缩和进气)，但是可以因需要为空气加压而跨循环运转。此外，这种汽缸可以具有比燃烧缸更高的压缩比，以尽可能多地排出所需压力的压缩空气并最大程度地减少在进气冲程过程中可能再膨胀的压缩空气的量。
[0052] 无论如何，再参照图13，可以注意到，在基线四循环运转中，完成排气循环和进气循环后继续压缩。大约在上止点处，喷射阶段开始，并快速升至峰值压力，随后，压力随着活塞从上止点向下移动而缓缓降低。可以注意到，高的汽缸压力以及混合不充分和液滴状的燃料会导致产生烟黑的高的汽缸温度和高的局部等效比，并导致产生NOX的高温燃烧和局部的低等效比。
[0053] 在本发明的这种实施方式的可选择的循环中，排气阀在下止点附近打开，以在汽缸内留住预定量的排放气体。显然，该排放气体会被未燃烧的燃料消耗，由于下面将要说明的循环，该排放气体不含NOX和烟黑。当排气阀关闭时，以图13所示的循环方式进行压缩，直到离上止点大约-20°为止，在该机轴角度位置将燃料喷射到汽缸内的排放气体中。在该实施例中，喷射的燃料的量为用于该循环的全部用量(如前所述，也可以喷射少于全部用量的燃料，并在上止点之后喷射其余的量)。燃料被喷射到包含有前一循环的剩余的废气的装入料内，并因此喷射到温度很高的排放气体中，该温度处于点火温度以下。但是，该温度足以使燃料汽化，也就是将燃料转变为气态以更好地混合并最终避免出现局部热点和高等效比区域，否则，在传统的柴油机循环中，当燃料喷射到上止点附近时会出现局部热点和高等效比区域。
[0054] 喷射燃料并在一定时间内转变成气态之后，将空气喷射到汽缸内(仍然在到达上止点之前)，这在图13中标识为空气阶段1。严格控制喷射的空气的量(以及被留在燃烧室内的前一循环的排放气体的量)以使点火基本上发生在上止点。可以通过在压缩循环过程中喷射空气的量来限制峰值压力和峰值温度，从而使当前的氧气含量约为新鲜空气的氧气含量的一半，以使燃烧沿着10％氧气曲线的实线部分进行。该部分处于点火温度以上，但远离烟黑产生等效比并处于形成NOX所需的温度以下。显然，由于燃料已经转
化成气态并在点火之前与可用的氧气充分混合，因此这种在其填充空间内的燃烧相对均匀。在上止点之后，当燃烧室内的压力和温度开始下降时，空气阶段2开始，其中，直接将高压空气喷射到燃烧室内，在等效比有效地降低到1以下的情况下维持燃烧，允许燃料和空气装入料完全燃烧而不产生烟黑或NOX。因此，可以实现两循环运转而不会在燃烧过程中出现局部燃料液滴，也不会使燃烧过程中的温度过高，从而提供了发动机的无污染运转。
[0055] 如前所述，在压缩冲程中，当燃料喷射到热的剩余排放气体中时，燃料在点燃之前转化成气态。但是，完全可以使用任何可燃液体(大气压力情况下)燃料，该发动机也可以“完全燃烧”以媲美燃烧天然气的发动机。其中，本发明不仅限于使用
液体燃料，如前所述，还可以使用天然气、丙烷等气体燃料。虽然这些燃料已经具有完全燃烧的美名，在根据本发明的发动机中使用这些燃料会产生更多优点，如由于高压缩比(以实现压缩点火)而实现的更高的效率、燃烧浓度更低的混合物的能力以及根据需要而在同一发动机中使用其它燃料的能力。
[0056] 在任一实施方式中，都可以根据点火时间和/或发动机的其它性能参数对各运转参数进行循环间修正。虽然控制机械阀不是问题，但因为对阀的起动和定时的相对无约束的灵活性，优选将本发明用于无
凸轮轴发动机(camless engine)(作为参考结合于此的美国专利No.6.739.293中公开了一个实施例)。具有这种灵活性，燃烧缸可以以一种类型的发动机循环起动(如四冲程柴油机循环)，并随后转换为本文所述的两循环运转(在该两种循环中可以跨循环或不跨循环)。发动机也可以以用于冷起动的“起动”燃料(starting fuel)起动，随后转换为使用常规“运转”燃料(running fuel)，这种转换可以根据成本、环境情况或甚至是发动机载荷要求或其它情况而自发地由发动机随时进行。此外，燃料的性质可以改变，环境情况也会改变，因此发动机控制在循环之间调整以适应这些改变。例如，可以使用汽油(即使用在起动时的火花点火，或用于类似图13所示的循环中)并不断控制发动机以使其适应使用汽油的任何时候的特定辛烷值。
[0057] 由图14可见一种控制系统的实施例。所示控制器通过使用各种查询表以响应于输入，从而设置发动机的运转模式并控制燃料喷射器、燃烧缸阀和压缩缸阀，其中，输入包括压缩缸压力、发动机运转情况(温度、速度、机轴角度、动力设定等)和气轨压力。可选择地，可以由发动机操作人员手动设定运转模式。显然，这种控制器只是举例，还可以使用各种控制器结构。
[0058] 一种优选的运转循环为，在下止点或附近打开排气阀并持续足够长的时间后关闭该排气阀，以在燃烧缸内留住所需量的排放气体，用于下面要说明的循环的其它阶段。排气阀关闭后，可以开始向留在燃烧缸内的相对高温的排放气体中喷射燃料，其中喷射出该循环所用的所有燃料。优选地，排气阀关闭后
马上开始喷射，并在压缩冲程结束前和点火之前完成喷射，以在达到上止点之前为使喷射的燃料
沸腾而转变为气态提供时间。在将要到达上止点时，将空气喷射到燃烧室缸内，优选地在到达上止点之前5°至15°范围内(更优选地在到达上止点之前约10°)喷射空气，并优选在上止点或附近发生压缩点火之前喷射。该空气喷射可以看作是一种引燃喷射，喷射的量为该循环过程所需的空气总量的5％至15％，更优选地，喷射出该循环过程所需的空气总量的10％。喷射的空气的量主要由发动机的动力设置决定，被留住的排放气体的量至少足够使喷射的燃料汽化，控制在压缩冲程中喷射的空气的量以实现很好的点火，但限制在上止点或附近点火的燃烧缸内的压力并继而限制燃烧缸内的温度，使该温度处于形成NOX所需的温度以下。然后，在上止点之后，当燃烧缸内的压力开始显著降低时，如上止点之后大约10°至25°(更优选地在上止点之后约20°)，开始喷射该循环所需的其余的空气。可以以适当的脉冲或平稳方式进行该空气喷射(可以根据发动机转速决定)，以维持燃烧而在上止点之后在很大的机轴角度范围内(例如，从20°至45°)基本上保持燃烧缸的压力和温度，然后停止喷射空气，该动力冲程完成，为重复进行所述循环(或其它循环，如跨循环)而做好准备。
[0059] 在上述循环中，关闭排气阀以后，被封闭留住的排放气体的温度要远远低于点火温度，但要足够高以使喷射的燃料迅速汽化。控制被留住的排放气体的量和压缩冲程过程中喷射的空气的量，以在上止点或附近实现压缩点火，优选地，为了严格控制压缩缸的运转而在循环之间进行调整。显然，压缩冲程中喷射的空气的量仅是化学计量比的相对小的百分比，但在整个循环中喷射的空气的总量等于或优选大于化学计量比，以保证燃料的完全燃烧。其中，可以注意到在前一循环中喷射的空气总量具有超出化学计量比的多余部分，被留在下一循环中的排放气体含有剩余的氧气。但该多余的空气不能太多而在压缩点火时引起过高的压力和温度，应该将其限制为在压缩冲程中不再需要喷射空气并不再需要多于一个压缩空气的压力的喷射。因为需要在高压下喷射所有空气，虽然这不是优选的运转循环，但仍在本发明的包含范围内。
[0060] 在前面对本发明的各种实施方式的描述和附带的
权利要求中，需要理解的是，术语“阀”为广义概念，除非文中明确指出，否则应认为包括多于一个阀。此外，在前面对本发明的各种实施方式的描述和附带的权利要求中，除非文中明确指出，否则措词“在……或附近”包括“在……的两侧或该两侧附近”。因此，例如，在上止点或附近发生的事件通常表示该事件发生在上止点的两侧或该两侧附近。
[0061] 虽然出于说明的目的而在文中公开和描述了本发明的一些优选的实施方式，但并不是出于限制的目的，本领域的技术人员需要明确的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种形式和细节的改动。
