本发明广义上讲涉及一种压缩点火发动机，该发动机布置得便于利用自动点火使一种燃空预混合充量进行内部燃烧，从而在保持理想的燃料经济性的同时可降低各种排放指标。

超过七十五年以来，内燃机一直是人类使用的主要原动力。对其重要性及对人类在改善其性能而在工程方面进行的努力之任何评价均不过分。所以为大家很好地理解的是：在内燃机技术领域中，各种所谓的“新的”发动机设计都仅仅是从各种不同的公知替换设计中进行选择而得出的结果。例如，一条改善的输出扭矩曲线可容易地由牺牲发动机的燃料经济性而获得。排放的改善或可靠性的改善也可由增加发动机的成本而获得。也可获得一些其他的目的，例如增加动力并降低发动机大小和/或重量，但这些通常都需要牺牲燃料经济性和发动机的低成本性。现代的设计师们所面临的挑战因为了满足政府规定的排放标准的提高同时保持或改善燃料经济性的要求已经大大增加。根据发动机设计成熟的特性，要从现在可获得的商业上存在的各种发动机的基本设计的革新中得到对发动机的性能和排放的同时改善是非常困难的。考虑到美国和其他各国规定的将来的一系列的不断提高的排放标准，这种革新要求并不过分。但为了满足这些标准，人们进行了各种努力，这些努力包括有些设计师正在努力追求一种完全不同的新发动机设计。
按传统，具有两者主要形式的往复活塞式或旋转式内燃机：即柴油机和火花点火发动机。尽管这些发动机具有相似的结构和机械工作方式，但每种发动机彼此具有明显不同的工作性能。柴油机和火花点火发动机可用简单但不同的装置有效地控制燃烧的起燃(SOC)。柴油机由喷油正时控制该SOC。在一火花点火发动机中，该SOC是由火花正时控制的。因此，在柴油机和火花点火发动机的优缺点之间存在重要的差别。火花点火天然气或汽油发动机优于一柴油机的主要优点在于：可获得极低的NOx和颗粒物排放。柴油机优于预混合充量火花点火发动机(例如客车用汽油机和稀薄燃烧天然气发动机)的主要优点在于：更高的热效率。柴油机具有更高的热效率的一个关键原因是采用比预混合充量火花点火发动机更高的压缩比(预混合充量火花点火发动机中的压缩比保持相对较低的原因是为了防止爆燃)。柴油机具有更高热效率的第二个关键原因在于：具有不用一节流阀就可控制该柴油机的输出功率的能力。这样就取消了预混合充量火花点火发动机的节流损失，从而导致在柴油机部分负荷时效率明显提高。然而，各种典型的柴油机不可能获得该预混合充量火花点火发动机可能具有的非常低的NOx和颗粒物排放水平。由于柴油燃烧的混合控制特性，燃料的大部分是以非常富的燃空当量比(公知的是这种当量比导致产生颗粒排放物)的形式存在的。但在另一方面，预混合充量火花点火发动机具有几乎均匀的空燃混合气，这种混合气趋向于是稀薄的或者是接近化学当量比的，从而导致非常低的颗粒物排放。第二种考虑是柴油机中的混合控制燃烧发生在燃料和空气处于导致产生高的燃烧温度并近似化学当量比的一当量比时。该高的温度又会导致高的NOx排放。在另一方面，稀薄燃烧的预混合充量火花点火发动机以非常低的当量比使燃料燃烧，这就导致非常低的燃烧温度，从而导致非常低的NOx排放。在另一方面，化学当量比的预混合充量火花点火发动机因该化学当量比的充量的燃烧产生的高火焰温度而具有高的NOx排放。然而废气中实际上存在的自由氧在一三元催化剂的作用下可使NOx排放降到非常低。
最近，一些发动机设计师已经将它们的努力朝着另一个方向，即利用预混合充量压缩点火(PCCI)或均匀混合充量压缩点火(HCCI)的发动机，下面都一道称之为PCCI。按PCCI原理工作的发动机依靠预混合好的燃/空混合气的自动点火触发燃烧。重要的是，在点火之前很久燃料和空气就在进气道或气缸中混合了。混合的程度可根据所需要的燃烧特性改变。有些发动机设计得和/或工作得可保证燃料和空气混合成为一种均匀混合气，或近似均匀混合的状态。此外，一台发动机可具体地设计得和/或工作得便于形成具有少量分层并在某种程度上是不很均匀的充量。在两个示例中，混合气在发生点火之前很久就处于预混合状态，并且被压缩直到产生自动点火。很重要地，PCCI燃烧的特征在于：1)绝大部分燃料与空气形成足够的预混合，以便在这个充量中在混合时和整个燃烧过程中形成一种可燃混合气；和2)由压缩点火点燃进行燃烧。不象一柴油机那样，在一台PCCI发动机中，燃料的供给正时，例如喷射正时不会对点火正时产生强烈的影响。不象一台产生高排放的分层进气充量燃烧的柴油机那样，在一台PCCI发动机中早供给燃料会导致形成一种混合非常好的，最好是近似均匀的预混合充量，因此可降到排放。最好，不象典型的柴油机循环那样，在燃烧过程中，其中大部分或全部混合气都处于富状态，PCCI燃烧的特征在于：大部分混合气比化学当量比的混合气稀薄得多，或经过大大的稀释以便有利于降低排放。
一台根据PCCI燃烧原理工作的发动机具有这样的潜能，即它可提供柴油机的优秀燃料经济性，同时提供比现行的火花点火发动机或柴油机的NOx和颗粒物排放低得多的排放水平。例如，Wood的美国专利US4768481公开了一种打算利用一种可自发点火的燃空均匀混合气的方法和发动机。据说燃烧控制率可借助于将废气产物添加到燃空混合气中得到。一燃烧室连接到发动机气缸上，并且燃料气体通过一截止阀供给该燃烧室。一电热塞设置于该燃烧室和气缸之间。进入燃烧的混合气由该电热塞和燃烧室壁加热。该混合气因温度的增加和压缩过程而导致的压力的增加而点火。Wood的专利具体是相对一两冲程发动机作出的，但广义上提到该技术也可应用于四冲程发动机。然而，该参考文献没有讨论当负荷和周围环境发生变化时如何控制废气再循环和电热塞以便对燃烧的起燃进行优化并使燃烧的起燃和持续期保持最佳。在这种发动机的一个实际实施例中如果没有额外的控制未必能有效地控制并保持PCCI燃烧。
颁发给Sato等的美国专利US5535716公开了一种压缩点火型发动机，该发动机借助于将一种蒸发的燃/空混合气在进气冲程期间和压缩冲程早期引入燃烧室以便在压缩冲程晚期自行点火燃烧可大大降低NOx排放。由该发动机产生的NOx排放量大约是一柴油机产生的排放的三分之一。这个原理也在SAE中由Aoyama.T等于1996年2月26日发表了，技术论文号为No.960081，名称为“预混合充量压缩点火汽油机的试验研究”。然而，这些参考文献没有具体讨论如何控制燃烧起燃的正时和燃烧速率。此外，这些参考文献中公开的发动机只利用压缩产生的热量来点燃该充量，没有利用任何形式的预热。此外，这些参考文献既没有提出为保持稳定燃烧所需要的各种控制，也没有提出操纵这些控制的方式。此外，这些参考文献只公开了采用汽油。
颁发给Yanagihara等的美国专利No.5467757公开了一种直喷式压缩点火型发动机，其中燃料是在进气冲程或压缩冲程期间在压缩冲程上死点前(BTDC)60度喷入燃烧室的，以便使产生的碳粒和NOx的量降低到几乎是0。这些优点可借助于使喷射的燃料的平均粒度相对常规燃烧过程中所用燃料的平均粒度扩大从而防止燃料在喷射后过早地蒸发而获得，也可借助于使喷射正时大大早于常规喷射的喷射正时从而保证喷射的燃料在燃烧室中产生均匀的点火而获得。然而，该参考文献哪里也没有提出一种主动控制燃烧过程，例如燃烧起燃的正时和/或燃烧持续期的方法。
各研究人员对PCCI燃烧已经贯以各种不同的其他名称。例如Onishi等(在1979年2月26日-3月2日的SAE技术论文No.790501中)称它为“ATAC”，“ATAC”代表“快速热-空气燃烧”；Noguchi等(在1979年9月10-13日的SAE技术论文No.790840中)称它为“TS”，“TS”代表“Toyota Soken”；而Najt等(在1983年的SAE论文No.830264中)称它为“CICH”，“CICH”代表“压缩点火的均匀充量”。
Onishi等是在两冲程发动机上进行研究工作的。他们发现PCCI燃烧(ATAC)可能在两冲程发动机中在低负荷时在宽的速度范围内发生。燃烧稳定性比在标准发动机中好得多，并且燃料经济性和排放都有显著的改善。对燃烧过程进行纹影摄影，其结果与燃烧研究中所获得的非常相似。据发现燃烧是在燃烧室中许多点处进行的。然而，在这些多点燃烧起燃之间存在小的时间差。此外，据发现相对常规火花点火火焰传播，燃烧反应需要相当长的时间。为了获得PCCI燃烧，下列条件是很重要的。混合气的量和供给气缸的空/燃比各气缸都必须是均匀的。扫气“方向”和速度必须定期循环以便保证残留在气缸中的废气具有合适的条件。燃烧室壁的温度必须合适。扫气通道进口必须处于曲轴箱底部。据发现在非常低的负荷时，PCCI不是很成功的，因为充量温度太低。在非常高的负荷时，PCCI也是不很成功的，因为残余废气量太低。在这些区域之间，PCCI燃烧是非常成功的。
Noguchi在一台两冲程发动机中也获得了PCCI燃烧。观测到非常稳定的燃烧，同时碳氢(HC)排放很低并且燃料消耗得到了改善。PCCI方式工作可能在800和3200rpm之间进行，并且空/燃比处于11-22之间。在怠速工况下，可获得高达0.5的输送比。他们观测到燃烧起燃的温度和压力比比常规柴油机燃烧需要的温度和压力低。燃烧性能与常规的火花点火燃烧不同。点火发生燃烧室中心周围的许多点处，并且火焰迅速朝各个方向传播。燃烧持续期比常规燃烧短。据证实火核不会由沉积在燃烧室壁上的污染物产生(在常规的汽油机中，这通常认为是产生“持续点火”现象的原因)。为了对该燃烧获得更好的理解，他们建立了一种用于检测燃烧室中原子团的试验装置。据发现各个原子团表现出更高的发光强度峰值，这种峰值消失得比常规的火花点火燃烧更早。在常规的火花点火燃烧的情况下，所有原子团，例如OH，CH，C2，H和CHO，HO2，O的消失时间被观测到都具有几乎相同的曲柄转角。然而，利用PCC I燃烧，原子团CHO，HO2和O首先被检测到，然后是HC，C2和原子团H，最后是原子团OH。
Najt等成功地在一四冲程发动机中获得了PCCI燃烧。他们使用一台带有一屏蔽进气阀的单缸发动机。试验了几种压缩比，并且发现尽管更高的压缩比可使燃烧在更低的充量温度时发生，但它们也会导致过快的放热率。尽管压缩比为7.5∶1是满意的，但压缩比为10∶1是不能满意的。进气温度处于480°K到800°K。它们的平均放热率比由Onishi和Noguchi测到的高得多。
由Ishibashi等于1996年发表在SAE上，名称为“借助于快速原子团燃烧改善两冲程发动机的废气排放”的论文No.960742公开了在一台两冲程发动机中进行的另一种PCCI燃烧研究。
尽管Onishi等，Noguchi等，Najt等和Ishibashi等在研究PCCI燃烧方面作出了显著的进步，但这些参考文献都没有提出一种具有一控制系统的实际的PCCI发动机，该控制系统能保持稳定，有效的PCCI燃烧，同时借助于控制燃烧发生的时间，燃烧持续期，燃烧速率和/或燃烧完善性保持低的排放。具体地，这些参考文献没有提出一种PCCI发动机和能有效控制燃烧起燃的控制系统。此外，这些参考文献没有提出一个能有效提高发动机的燃烧稳定性并在一多缸发动机的各气缸之间获得燃烧平衡的系统。
由Thring.R.等于1989年9月25日在SAE发表的名称为“均匀充量压缩点火发动机(HCCI)”技术论文No.892068对一四冲程发动机的工作进行了研究。该论文发现PCCI需要高的废气再循环(EGR)率和高的进气温度。已经显示出与直喷式柴油机相比，PCCI燃烧可产生耗油低的结果，并且在有利的条件下，即当量比为0.5且EGR率为23％时，可形成非常低的周期性奇点。这个研究还得出这样的结论，即在PCCI可实现之前，需要使一台发动机按PCCI方式运行，而不需要给进气供给大量的热能。该论文提出了两种可能性：采用燃烧室的热表面，采用不带中冷器的多级涡轮增压。然而，尽管该论文建议需进一步研究EGR和进气温度对燃烧的起燃时间的影响，但该论文没有公开一个用于有效地获得燃烧起燃和燃烧持续期的主动控制系统。
本发明的发明人的美国专利US5476072公开了PCCI发动机的另一种示例，该发动机包括一个防止该PCCI发动机内在的容易产生的过度应力和结构损坏的气缸头设计。具体地，该气缸头包括一个可动的储气器活塞，该活塞运动对气缸压力峰值和温度峰值进行限制。然而，活塞运动期间的控制都是被动的，因此该发动机不可能使燃烧保持稳定。此外，该参考文献哪里都没有提出对产生迅速燃烧的正时进行控制，也没有指出这种控制是如何完成的。
1951年10月出版的名称为“控制方向-LOHMANN摩托车”的出版物公开了一种按PCCI燃烧原理运行的两冲程发动机。压缩比可根据外界温度，燃料，速度和负荷进行不断的调节。然而，该发动机要求操纵人员手动控制压缩比。因此，该发动机不可能提供有效的燃烧主动控制，以保证在全部工况下进行高效的燃烧，同时排放很低。此外，压缩比只由手动调节，而没有自动温度，当量比和/或自点火性能控制将不可能在所有工况下产生稳定的，优化的燃烧。
常规的“双燃料”发动机依靠汽油混合气和柴油两种燃料运行。然而，常规的双燃料发动机利用柴油的喷射正时控制从进气管中接收到的燃/空混合气的SOC。为了获得这个结果，该双燃料发动机在上死点附近喷射柴油燃料。此外在该双燃料发动机中喷射的柴油量足够保证燃烧室中的汽油产生点火，并实际上完全燃烧。具体地，在公知的在轻负荷时使用柴油和天然气的双燃料发动机中，只需要少量的柴油用来启动点火，并且其产生的排放与火花点火天然气发动机相似。在其他条件下，当喷射大量柴油时，其产生的排放近似常规的柴油机。
因此，对于一台按PCCI燃烧原理工作的发动机来说，其有必要包括一个在发动机运行期间能有效控制燃烧起燃或燃烧位置，及燃烧持续期和速率的燃烧控制系统。

本发明的总目的是为了克服现有技术的不足，提供一种实用的PCCI发动机和一种可有效地控制该PCCI发动机的控制系统。
本发明的另一个目的是提供一种PCCI发动机和用于按一种这样的方式控制该发动机的控制步骤，即按该方式，该发动机的排放，特别是氧化氮和颗粒物排放可优化到最小，而经济性保持最大。
本发明的另一个目的是提供一种PCCI发动机和用于对后续的燃烧过程进行优化控制以便有效地控制燃烧过程的控制系统。
本发明的另一个目的是提供一种PCCI发动机和按一种这样的方式有效地控制PCCI燃烧以致于可获得可接受的气缸压力同时使燃烧噪音最小的控制系统。
本发明的另一个目的是提供一种PCCI发动机和控制系统，该控制系统借助于对表示燃烧过程的发动机运行工况进行检测可对发动机运行期间进一步的燃烧过程进行主动控制。
本发明的另一个目的是提供一种PCCI发动机和可有效地控制发动机各个运行控制变量以便控制发动机的压缩冲程和膨胀冲程期间燃烧过程发生的时间的控制系统。
本发明的另一个目的是提供一种PCCI发动机和可有效地保证在发动机循环期间燃烧发生在合适的曲柄转角处从而可确保燃烧稳定，排放低，压力大小可接受并且效率最佳的控制系统。
本发明的另一个目的是提供一种PCCI发动机和可有效地控制温度，压力，当量比和/或燃/空混合气自点火性从而精确度控制燃烧的起燃时间的控制系统。
本发明的另一个目的是提供一种PCCI发动机和在获得可接受的气缸压力和理想的制动平均有效压力的同时可有效地获得连续的，稳定的PCCI燃烧的控制系统。
本发明的另一个目的是提供一种PCCI发动机和可有效地控制燃烧的起燃和燃烧速率以便确保几乎全部的燃烧过程发生在一最佳的曲柄转角内，即上死点前(BTDC)20度到上死点后(ATDC)35度内，同时使排放最小效率最大的控制系统。
本发明的另一个目的是提供一种可容易启动的PCCI发动机。
本发明的另一个目的是提供一种多缸PCCI发动机和可使各气缸的燃烧过程的变化有效地降到最小的控制系统。
本发明的另一个目的是提供一种多缸PCCI发动机和可有效地控制燃烧起燃以便在处于发动机负荷和周围环境条件变化的情况下可获得稳定，低排放和高效的燃烧的控制系统。
本发明的另一个目的是提供一种用于一PCCI发动机的控制系统，该系统可有效地检测或感测到燃烧的起燃从而提供反馈控制，然后控制发动机的运行工况以便使该燃烧的起燃达到最佳的控制系统。
本发明的另一个目的是提供一种PCCI发动机和可有效地使未燃烧的碳氢化合物和一氧化氮排放物达到最小的控制系统。
上述目的和其他目的可借助于提供一种预混合充量压缩点火内燃机来实现，该内燃机包括：一发动机机体，一个形成在该机体中的燃烧室和用于控制后续燃烧过程以降低排放并优化效率的燃烧过程控制系统。该燃烧过程控制系统包括：至少一个用于调节燃空混合气的温度的温度控制系统，一个用于调节该混合气的压力的压力控制系统，一个用于调节该混合气的当量比的当量比控制系统和一个用于调节该混合气的自点火性的混合气自点火性控制系统。该发动机还包括：一个用于检测代表燃烧过程的发动机运行工况并产生一个代表该发动机的运行工况的发动机运行工况信号的运行工况检测系统，和一个用于接受该发动机运行工况信号，并根据该发动机运行工况信号确定一燃烧过程的数值，且根据该燃烧过程数值产生一个或多个控制信号的处理器。该一个或多个控制信号用于控制该温度控制系统，压力控制系统，当量比控制系统和混合气自点火性控制系统中的至少一个，从而可进行调节地控制后续燃烧过程。
该发动机运行工况检测装置包括：一个用于检测燃烧的起燃并产生一个燃烧起燃信号的燃烧起燃传感器。此外，该燃烧过程数值可根据该燃烧起燃信号确定。该发动机运行工况检测装置也可以是一个气缸压力传感器。
附图说明
图1a是本发明的一实施例的一示意图，其示出了图1b所示发动机的一单个气缸和相关的控制系统；图1b是本发明的一多缸发动机的示意图；图2是表示本发明的PCCI发动机用的气缸压力和放热率作为曲柄转角的函数的一个曲线图；图3是几种不同的发动机运行工况的显示放热率作为曲柄转角的函数的一个曲线图；图4a是表示在一组给定的运行工况时爆燃强度作为时间的函数的一个曲线图；图4b是表示总指示平均有效压力(GIMEP)作为时间的函数的一个曲线图；图4c是表示在图4a和4b相同的工况下峰值压力作为时间的函数的一个曲线图；图5是表示显示放热率作为曲柄转角的函数的一个曲线图，并示出了放热率持续期是随燃烧或放热位置或正时的推迟而增加的；图6是表示气缸压力作为曲柄转角的函数的一个曲线图，并示出了峰值气缸压力是随放热率的推迟而降低的；图7a是表示在两种不同发动机转速时GIMEP作为进气歧管温度的函数的一个曲线图；图7b是表示在两种不同发动机转速时GIMEP的变化系数作为进气歧管温度的函数的一个曲线图；图7c是表示在两种不同发动机转速时峰值气缸压力作为进气歧管温度的函数的一个曲线图；图7d是表示在两种不同发动机转速时燃烧起燃作为进气歧管温度的函数的一个曲线图；图7e是表示在两种不同发动机转速时以曲柄转角表示的放热持续期作为进气歧管的温度的函数的一个曲线图；图7f是表示在两种不同发动机转速时以时间表示的放热持续期作为进气歧管温度的函数的一个曲线图；图7g是表示在两种不同发动机转速时总的指示热效率作为进气歧管温度的函数的一个曲线图；
图7h是表示在两种不同发动机转速时燃料的单位碳氢化合物作为进气歧管温度的函数的一个曲线图；图7i是表示在两种不同发动机转速时燃料的单位一氧化碳作为进气歧管温度的函数的一个曲线图；图7j是表示在两种不同发动机转速时燃料的单位氧化氮排放作为进气歧管温度的函数的一个曲线图；图7k是表示在两种不同发动机转速时噪音作为进气歧管温度的函数的一个曲线图；图8是表示在三个不同的进气歧管温度时显示放热率作为曲柄转角的函数的一个曲线图；图9是表示燃烧起燃和燃烧持续期两者作为壁温的函数的一个曲线图；图10是表示在给定的时期内，对GIMEP也在相同的时期内，燃烧起燃和结束两者作为曲柄转角的函数的一个曲线图，其中电热塞周期性起作用的；图11是表示在图10所示加热塞瞬态显示放热率作为曲柄转角的函数的一个曲线图；图12公开了一个为了提供缸对缸的温度控制本发明的一端部气缸补偿系统的实施例；图13是为了提供缸对缸的温度控制本发明的一端部气缸补偿装置的一第二实施例的示意图；图14是表示进排气阀开闭过程的变化对上死点(TDC)温度的影响的一个曲线图；图15是表示进排气阀开闭过程的变化和可变压缩比对上死点处残余废气量和温度的影响的一个曲线图；图16是表示在不同的排气阀间隙配合时气缸压力和放热两者作为曲柄转角的函数的一个曲线图；图17是表示排气再循环(EGR)的变化对放热率的位置相对曲柄转角的影响和EGR的变化对放热率大小的影响的一个曲线图；图18是表示EGR率的变化对燃烧起燃正时的影响的一个曲线图；图19是本发明的改进型发动机的一个示意图，该发动机具有一个气缸处于PCCI条件下运行，从而可优化EGR的应用；
图20是表示改变压缩比对上死点处的温度的影响的一个曲线图；图21是表示燃烧起燃作为进气歧管温度的函数，及变化的压缩比对燃烧起燃和进气歧管温度的影响的一个曲线图；图22a是本发明的PCCI发动机的一个气缸的局部剖视图，其包括一个压缩比调节装置的一实施例；图22b是本发明的PCCI发动机的一个气缸的局部剖视图，其表示一压缩比调节装置的一第二实施例；图22c是本发明的PCCI发动机的一个气缸的局部剖视图，其表示一压缩比调节装置的一第三实施例；图22d是本发明的PCCI发动机的一单个气缸的局部剖视图，其表示本发明的压缩比调节装置的一第四实施例；图23是本发明的对置活塞PCCI发动机的一示意图，其包括一个用于调节压缩比的可变相位移动机构；图24是用在图23所示可变相位移动机构中的差动机构的一个侧视图；图25是表示在例如表示各种压缩比配置的图23所示的对置活塞发动机中，压缩比作为两个不同相位的活塞的相位不同的程度的函数的一个曲线图；图26是表示气缸体积作为在一对置活塞的PCCI发动机中的一参考活塞的曲柄转角的函数的一个曲线图，其表示各活塞越不同相，压缩比越降低；图27是表示进排气阀开闭过程，和压缩比的变化对基准线空气流量百分数和TDC温度的影响的一个曲线图；图28是表示排气阀开闭过程中进气和各种变化及压缩比的变化对等效的制动比柴油油耗和TDC温度的影响的一个曲线图；图29是表示在排气阀开闭过程中进气和各种变化及压缩比的变化对气缸峰值压力和TDC温度的影响的一个曲线图；图30是表示喷水对进气歧管温度和TDC温度的影响的一曲线图；图31a是表示以曲柄转角表示的燃烧持续期作为进气歧管压力(IMP)的函数的一个曲线图；
图31b是表示以时间表示的燃烧持续期作为IMP的函数的一个曲线图；图31c是表示IMP的变化对放热率的大小和正时或位置的影响的一个曲线图；图31d是表示燃烧起燃正时和曲柄转角作为IMP的函数的一个曲线图；图31e是表示燃料的单位碳氢化合物作为IMP的函数的一曲线；图31f是表示GIMEP作为IMP的函数的一曲线图；图31g是表示总指示热效率作为IMP的函数的一曲线图；图31h是表示燃料的单位一氧化碳作为IMP的函数的一曲线图；图31i是表示燃料的单位氧化氮排放作为IMP的函数的一曲线；图31j是表示GIMEP的变化系数作为IMP的函数的一曲线图；图31k是表示峰值气缸压力作为IMP的函数的一曲线图；图31l是表示噪音作为IMP的函数的一曲线图；图31m是表示IMP的增加对峰值气缸压力和GIMEP的影响的一个曲线图；图32是表示各种微量物质对燃烧起燃和温度的影响的一曲线图；图33是表示额外量的臭氧对燃烧起燃的提前的影响的一个曲线图；图34是表示改变PCCI发动机中所用的燃料类型对燃烧起燃的影响的一曲线图，其中温度增加表示燃烧起燃；图35是表示显示放热持续期作为当量比的函数的一曲线图；图36是表示以曲柄转角表示的燃烧起燃作为当量比的函数的一曲线图；图37是表示当量比的变化对燃烧起燃的影响的一曲线图，其中温度增加表示燃烧起燃；图38是表示当量比的变化对放热率的大小和正时，或位置的影响的一个曲线图；图39是表示当量比对压缩比和压缩机输出温度的影响的一曲线；图40是表示当量比的变化对制动比油耗的影响的一曲线图；
图41是表示两个不同大小的透平壳体用的泵送平均有效压力和GIMEP之间的差；图42是表示两个不同大小的透平壳体用的与柴油等效的BSFC和BMEP的一曲线图；图43是表示两个不同大小的透平壳体用的该透平旋转速度和进气歧管压力的一曲线图；图44是表示用不同的燃料进行PCCI燃烧与一典型的压缩点火柴油机相比所获得的燃料单位氧化氮排放的一曲线图；图45是表示排放作为发动机转速的函数的一曲线图；图46是表示排放作为下死点处的温度的函数的一曲线图；图47是表示燃料的单位一氧化碳作为火焰端部温度的函数的一曲线图；图48a-50b是本发明的PCCI发动机的一单个气缸的各个局部剖视图，其示出了一个包括使各个间隙最小化特性的替换实施例；和图51是表示柴油引导喷射的不同百分数对放热率位置和形状的影响的一曲线图；图52是本发明的一实施例的一示意图，其示出了一个用于控制进气空气流的一舌形阀；图53是表示在本发明的PCCI发动机中采用闭路循环控制时累计放热和确定的SOC作为曲柄转角的函数的一曲线图；图54是表示GIMEP和进气歧管温度作为燃烧起燃的函数的一个曲线图；图55是表示压力作为一常规的PCCI燃烧过程的体积的函数的一曲线图；图56是表示压力作为用于包括一等压部分的本发明的一实施例的体积的函数的一曲线图；图57是本发明的PCCI发动机的另一实施例的示意图；图58是本发明的另一实施例的印刷体，其包括一个起泵压作用的气缸，以便增加发动机的热效率；图59A-59D示出了图58所述实施例的动力活塞和起泵压作用的活塞在一循环中的不同点处的各个不同位置；
图60是本发明的PCCI发动机的另一实施例的示意图，其包括一个起泵压作用的气缸，以便增加发动机的热效率；图61是表示图60所述发动机的进排气阀的有效流动面积作为曲柄转角的函数的一曲线图；图62A-62E示出了图60所述发动机的动力活塞和起泵压作用的活塞在一循环中的不同点处的各个不同位置；图63是表示包括一个用于控制SOC的平衡器的PCCI发动机的另一实施例的一示意图；图64是图63所述发动机的示意图，其中示出了该平衡器在各个位置之间运动；图65a-65d公开了包括可改变排气阀关闭正时从而控制EGR的本发明的一实施例；图66是控制排气阀正时以便控制EGR的一实施例的一示意图；图67是用在图66所示实施例中的液压连接系统的一细节图；图68是用于控制排气阀关闭正时从而控制EGR的一第二实施例的示意图。

本发明涉及一改进的预混合充量压缩点火(PCCI)发动机和用于按这样一种方式，即在对发动机进行优化使其效率最大的同时使其排放最小的方式，控制该发动机的控制步骤。为此，PCCI涉及任何这样的发动机或燃烧过程，即其中，1)绝大部分燃料与空气进行足够的预混合，从而在点火时的整个充量和整个燃烧中形成一种可燃混合气；和2)借助于压缩点火使燃烧开始。PCCI还涉及任何这样的压缩点火发动机或燃烧过程，即其中燃料和空气在点火前很久就进行预混合了。因此，在PCCI发动机中燃料的喷射正时不会明显影响燃/空混合气的点火正时。此外，应该懂得PCCI意味着包括均匀充量压缩点火(HCCI)发动机和控制方法，其中在燃烧起燃时混合气处于均匀或近似均匀状态。在本发明中，燃/空混合气进行切底的混合，从而形成一种非常稀薄的均匀混合气，或按形成一很少的均匀混合气但带有理想的空/燃分层的方式混合，从而可保证获得导致产生极低的氧化氮(NOx)排放的相对平均并低的火焰温度。应该懂得：或者是因为设计原因或者是因为偶然原因，一些发动机在PCCI条件下可连续运行，但其他一些发动机只在PCCI条件下运行一段有限的时间。
申请人已经认识到要生产一种商业上可用的PCCI发动机的关键在于：按这样的方式对燃烧过程的后续燃烧过程进行控制，以致于导致极低的NOx排放同时非常高的综合效率；还在于：燃烧噪音控制并具有可接受的气缸压力。一个具体循环的燃烧过程包括燃烧发生(燃烧正时)的时间，燃烧速率(放热率)，燃烧持续期和/或燃烧完善性。申请人已经发现燃烧过程，特别是燃烧正时对包括负荷和环境条件变化的各个因素是很敏感的，并且因这些因素的影响而变化。本发明的发动机和控制系统可在发动机运行期间对对后续燃烧过程进行主动控制，从而保证获得理想的燃烧并保持发动机继续运行。在优化实施例中，本发明的发动机和控制系统可控制在发动机压缩冲程和膨胀冲程期间的燃烧正时。
图1a和1b示出了本发明的PCCI发动机和控制系统，其整体上用标号10表示。图1a示出了图1b所示多缸往复活塞式发动机的一单个气缸12。当然本发明的PCCI控制系统可用来控制一台只具有一单个气缸的发动机或一台具有任何数量的气缸的发动机，例如一台四缸，六缸，八缸或十二缸内燃机。此外，尽管本发明的PCCI控制系统主要是针对四冲程发动机说明的，但它也可应用到两冲程发动机中。另外，本发明的PCCI系统可适用于具有压缩，燃烧和膨胀过程的任何内燃机，包括旋转式内燃机和自由活塞式内燃机。
如图1a所示，活塞14可往复运动地安装在气缸中，以便形成一燃烧室13。活塞将由燃烧过程产生的力传递给一常规的发动机传动系统。参见图1a和1b，空气进气系统23包括一个将进气空气或燃/空混合气供给与每个气缸12相连的各进气道26的进气歧管15。相似地，排气系统27包括一个接受从各排气道31排出的废气的排气歧管17。至少一个进气阀，例如进气阀19，和至少一个排气阀，例如排气阀21，可由一常规的阀控系统控制或由一个可变气阀正时系统控制在开启位置和关闭位置之间运动，从而可分别控制流入的进气空气流或燃/空混合气流，及流出气缸的废气流。
该PCCI系统10包括：一个用于感测或检测表示燃烧过程的一发动机运行工况并产生一相应信号18的燃烧传感器16。在该优化实施例中，传感器16可借助于检测直接涉及或代表压缩冲程和/或膨胀冲程期间燃烧过程发生的时间的一发动机的运行工况或参数，即燃烧的起燃(SOC)而具有有效的燃烧控制能力。例如，一气缸压力传感器可设置于任何或所有发动机气缸中，用于一个循环一个循环地检测高SOC。在这种情况下，传感器16也提供其他发动机工况数据，例如燃烧率，燃烧持续期，峰值气缸压力出现的曲柄转角，燃烧过程或放热位置及燃烧结束的数据，除了燃烧起燃数据外任何可使用的数据。也可使用任何常规的方法例如借助于检测气缸压力的快速上升来检测燃烧的起燃。其他形式的传感器也可使用，其包括加速仪，离子探头，光学诊断仪，应变仪和/或气缸头，气缸套或活塞中的快速热电偶。此外，可用扭矩或RPM传感器检测相关的每个燃烧过程的发动机扭矩和RPM的变化。替换地或额外地，一排放传感器可用来检测排放，它与燃烧的完善性具有一公知的关系。
传感器16对一电控单元20(ECU)提供反馈控制。ECU20接收信号18，对该信号进行处理，并确定一个实际的燃烧过程数值，即燃烧起燃数值。然后将该实际燃烧过程数值与一个例如可从待查数据表中获得的预先确定的理想燃烧过程数值比较。根据实际燃烧过程数值与理想燃烧过程数值的比较，然后ECU20可产生若干以22表示的输出信号，用于可变地控制该系统的各零部件，以致于在该优化实施例中可有效地保证该SOC和完全燃烧发生在压缩冲程期间的上死点前(BTDC)20度到活塞的做功冲程期间的上死点后(ATDC)35度之间，从而使NOx排放达到最小同时发动机效率达到最大。该PCCI燃烧控制步骤最好在包含在ECU20中的软件中实施，该ECU包括一个诸如一微处理控制器，微处理器或其他合适的微型计算单元之类的中央处理单元。当然，活塞的位置可借助于检测曲轴的转角位置确定或由检测活塞的实际位置确定。
如本文所述，PCCI系统10包括各个用于使燃烧过程优化的零部件。该系统的各个目的，即低的氧化氮(NOx)排放和高的效率等等可用各控制零部件的任何一个，或各零部件的任何组合实现。具体地，如图1b所示，可在进气空气系统23中在进气歧管15上游设置一个压气机24，用于改变增压进气压力。该压气机24可由任何常规装置，例如一废气驱动的涡轮25驱动。一个包括一废气开关阀43的旁通回路33可按常规发生设置。一个第二压气机或增压器58可设置在压气机24的上游。增压器58由该发动机驱动系统机械地驱动。一进气空气冷却器28也可设置在压气机24的下游。此外，一进气空气加热器30(例如一燃烧器，热交换器或一电热器)可设置在例如如图1b所示的冷却器28之后，或替换地设置于压气机24的上游。此外，一单个加热器29可设置在与每个气缸相连12的进气道26中，以便对每个气缸的进气歧管温度提供快速控制，从而强化各个气缸的燃烧控制和各气缸之间的燃烧平衡。压气机24，冷却器28和加热器30每一个都包括用于改变具体零部件对进气空气或混合气的压力/温度的影响的各控制装置。例如，一旁通阀或废气开关阀43可用于调节从连接到一排气管31上的相应排气系统中供给透平25的废气量，从而如所希望的那样改变进气压力。相似地，一控制阀可设置在连接到冷却器28上的冷却流路中，从而允许可变地控制该冷却器28的冷却效果。相似地，可使用各种类型的可变控制来改变加热器30的加热效果。将从ECU20来的输出信号22提供给各种控制装置，以便控制压气机24，冷却器28和加热器30，从而较好的是可以一个循环一个循环地可变地控制进气空气或混合气的压力和温度。
此外，PCCI系统10包括若干用于将具有不同自点火性的燃料(例如不同的辛烷值或甲烷值，或活性能级)供入进气空气流的燃料供给装置32和34。燃料控制阀39和41用于控制分别控制每个燃料供给装置供给的燃料量。例如，燃料可如图1b所示从冷却器28和空气加热器30之间的进气空气管路供给。当然，燃料也可沿发动机的进气路线在各个不同的位置引入，例如冷却器的上游，即压气机的上游。另外，燃料例如可由一喷射器35喷入与每个气缸相关的各进气管26中，如图1a所示。
也很重要的是：本发明的PCCI系统10包括一个用于改变压缩比以便如所希望的那样使燃烧过程提前或推迟的可变压缩比装置38。例如，可变压缩比装置38可以是一种控制机构的形式，用于改变燃烧室的形状或活塞的高度，从而改变有效压缩比。如下面将要详细讨论的那样，该有效压缩比也可借助于改变进气阀19的关闭正时来改变。进排气阀开闭正时的改变可用任何常规的可变气阀正时驱动系统来完成，该驱动系统能接收从ECU20来的信号并可根据下述各原则有效地改变各气阀的开和/闭。
另外，缸内加稀喷射也可用一个用于将气体或液体，例如空气，氮气，二氧化碳，废气，水等等喷入该气缸中从而改变温度和气缸内的温度分布进而控制燃烧过程的喷射器40来完成。相似地，一稀释剂例如可用一喷射器42喷入进气管26中。
本发明的PCCI系统也可包括一个用于将燃燃料37，例如柴油直接喷入燃烧室的喷油器36。燃料37可在压缩过程早期，如下所述，最好是大约在上死点前180度和60度之间喷射，或在在压缩冲程晚期在上死点附近喷射。
与在柴油机情况相比，借助于使燃料37在压缩过程早期喷射可使燃料与从进气管接收的燃/空混合气进行更切底的混合，因此可确保燃烧过程更理想，特别是当燃料以可以导致低得多的Nox排放的稀薄当量比燃烧时，更是如此。从进气管中接收的燃/空混合气的燃烧起燃或开始(SOC)可借助于控制喷射的燃料37的量而进行调节。例如，借助于增加燃料37的量可使早期燃烧过程发生，而借助于降低喷射的燃料37的量可使燃烧正时推迟。
借助于使燃料37在压缩冲程晚期，即在上死点附近喷射，可采用常规的柴油喷射系统。这种方法可与将一种或多种额外形式的燃料引入进气歧管的方法相结合，从而获得一PCCI运行方式。具体地，喷入进气歧管的燃料可能具有更高的过量空气比。该过量空气比是发动机的实际空燃比与在化学当量条件下的空燃比之比。对于非常稀薄的过量空气比来说，沿火焰前锋进行燃烧是不可能的。但自动化是可能的，因此允许在典型的火花点火发动机中因太稀薄而不能点火的混合气进行燃烧。申请人已经确定PCCI燃烧不会在单个位置发生并从单个位置传播出去。相反，各种结果显示出燃烧包括分布在整个燃烧室中的多个点火位置。
对高效低排放的PCCI燃烧来说，重要的是燃烧是在发动机循环期间在一合适的曲柄转角范围内进行的。如果燃烧开始太早，则气缸压力过高并将对效率产生损害。如果燃烧开始太晚，则燃烧不完全，从而导致很差的HC排放，很差的效率，高的一氧化碳(CO)排放和很差的稳定性。申请人已经确定SOC的正时和燃烧率及燃烧持续期，在一PCCI发动机中都主要是取决于温度情况；压力情况燃料自点火性，即辛烷值/甲烷值或和活性能，及集结在气缸内的空气充量的成分(氧含量，EGR，湿度当量比等等)。本发明提供了一种按一种这样的方式来影响这些变量的建设性方法，即燃烧的起燃和/或燃烧率(放热率)可通过在下面将要详细讨论的各个特征的各种组合进行控制的方式。
对用于控制燃烧的起燃和燃烧率的各个控制特征进行控制/调节，从而保证在整个发动机运行工况中进行优化燃烧，以便获得低的排放和高的效率。这些控制特征的使用将使燃烧在相对发动机活塞的上死点一优化的曲柄转角范围内发生。具体地说，申请人已经认识到实质性的燃烧过程都发生在上死点前20度-上死点后35度的曲柄转角之间。此外，燃烧最好在上死点前20和上死点后10曲柄转角之间开始，最理想的是在上死点前10度和上死点后5度曲柄转角之间开始。另外燃烧的持续期典型地是对应于5-30度的曲柄转角。然而更优化地，下面列出的一个或多个控制特征可得到控制，使燃烧持续期延长到大约30-40度，从而可获得理想的峰值气缸压力和降低的噪音。因此下列一个或多个特征的优化控制可有效地控制燃烧的起燃和/或燃烧率，以致于该燃烧的所有实质性过程发生在上死点前20度和上死点后35度曲柄转角之间。当然，在某些条件下燃烧的起燃会发生在上述曲柄转角范围之外和/或PCCI发动机中燃烧持续期可在一个更大的曲柄转角范围内进行，或可延伸超过上述限定的范围。
申请人已经显示出稳定的，有效地PCCI燃烧可利用使大部分放热发生在上死点后而获得。例如，如图2所示，放热的重心可位于上死点后5度处。申请人已经确定：如图3所示在低负荷和稀薄燃烧的工况下，放热持续期大约处于21.5-25度曲柄转角的范围内。
如图4a，4b和4c所示，申请人已经确定在发动机转速接近其熄火极限值时，该SOC和燃烧结束(EOC)逐步推迟而放热持续期加长。总指示平均有效压力(GIMEP)在高SOC推迟到上死点后时产生一最大值。同时在接近熄火极限值时，爆燃强度和峰值气缸压力(PCP)大大下降，但GIMEP仍保持是可接收的。如图5所示，当接近熄火极限值时，峰值放热率也下降，并且放热持续期增加。但如图6所示，峰值气缸压力随着放热率的推迟而下降。很清楚，如果不采用本文上述的合适控制，发动机不可能承受这种反应过程。申请人已经确定：最佳运行点发生在SOC发生在上死点后几度曲柄转角之时。因此，清楚的是：可变的和主动的控制对使该SOC和燃烧持续期分别保持在理想的位置和理想的长度从而获得有效的高效PCCI燃烧是必要的。
在单缸发动机的后续燃烧过程之间和多缸发动机的各气缸之间，SOC的变化是由于PCCI燃烧对压力和上升到该具体的燃烧过程的温度过程的敏感性产生的。非常小的压缩比变化，残余废气量变化，壁温变化等等都对压力和温度过程具有显著的影响。本发明的PCCI发动机和使该发动机运行的方法包括可以对这些变化进行补偿和控制从而获得最佳的PCCI燃烧的各个变量/特征。
通常，各个控制变量可用于控制燃烧的开始和燃烧率，从而可保证实质性的燃烧过程发生在优化的曲柄转角范围内，例如在上死点前20度-上死点后35度的范围内，同时使排放最小，效率最大。这些变量可分成四各控制类型：温度控制；压力控制；混合气的自点火性控制；及当量比控制。
温度控制缸内空/燃混合气的温度(缸内温度)对确定燃烧的起燃起着重要作用。借助于改变某些关键的特征，例如压缩比(CR)，进气歧管温度(IMT)，废气再循环(EGR)，残余质量组分(RMF)，热传递和温度分层，可改变该缸内温度，从而控制燃烧的起燃。
申请人已经确定：进气歧管温度(IMT)对丙烷燃料的PCCI燃烧存在显著的影响。在申请人的两种研究期间，发动机转速，当量比(φ)和进气歧管压力(IMP)保持不变，而IMT在实际运行范围内变化。最低的IMT是由运行的不稳定性限定的，而最高的IMT是由最大的可允许的峰值气缸压力(PCP)限定的。第一种和第二种研究的各个条件分别包括：发动机转速＝1200rpm；当量比＝0.30和0.24；并且IMP＝3.3巴和4.1巴。如图7a和7b所示，IMT增加导致GIMEP增加，GIMEP的变化系数(CoV)下降。此外，如图7c所示，IMT增加使该PCP增加，同时使SOC提前并使燃烧持续期减少(图7d-7f)。IMT增加也可使总指示热效率(图7g)和可估计的噪音(图7k)增加。对于排放而言，IMT增加可降低FSHC的排放(图7h)，降低燃料的单位一氧化碳(FSCO)排放(图7i)，但对FSNOx(图7j)不存在可观测到的影响。
总的说来，申请人已经确定IMT的少量变化对丙烷燃料的PCCI燃烧的许多方面存在很大的影响。借助于改变进气温度，可使燃烧过程提前或推迟。增加进气温度将使燃烧的起燃提前；降低进气温度则会使燃烧的起燃推迟，如图8中曲线所示。利用热交换器或燃烧器可完成这种温度控制。例如，一充量空气冷却器可沿进气管设置。一燃烧器或加热器与一冷却器结合可提供额外的进气温度控制。该燃烧器的废气产物可直接与进气空气混合，该燃烧器可使用直接供给的进气空气，或者由该燃烧器产生的热量也可通过一热交换器加到进气空气中。该热交换器可使用发动机冷却剂中废热或废气来加热该进气空气。此外，借助于采用一充量空气冷却器旁通也可获得IMT的迅速控制。例如，图52公开了一个控制一发动机66在许多运行工况下的进气温度的系统65。一个或多个诸如舌形阀67之类的阀被用于控制热进气空气量和在该舌形阀下游混合的冷进气空气量。一个处于该舌形阀上游的进气空气流道之一中的内冷器68提供冷却作用。此外，可设置一电加热器，从而允许在其他工况下进行优化控制。借助于控制进气温度，该系统允许对SOC进行有效控制。替换地，该舌形阀可设置于该内冷器的上游连接点69处，或可使用两个阀，每个阀都设置于被冷却的进气道71(或者是该内冷器的上游或下游)和旁通进气道73中相应的一个中。可提供一个或多个阀的任何布置，从而可可变地控制流过该两通道的一个或两者的流动。
一回热器(类似于Stirling发动机中所用的那种)可用来回收废气热量并通过一热交换器将它传递给进气空气，从而控制进气温度。另外，借助于将燃料以不同的状态，例如液态或气态喷入歧管中可改变IMT。使液态燃料蒸发所需的热量的变化可降低IMT。当然，不同形式的燃料对IMT存在不同的影响。
申请人也已经确定：残余废气温度和进气温度，增压室和燃烧室及气道壁的热传递是如何影响整个进气和压缩过程期间的缸内气团温度的，及是如何影响上死点处空间的温度分布的。具体地说，申请人对发动机依靠空气和丙烷混合气进行运行的进气过程和压缩过程进行了比较。申请人确定：SOC处的温度也可在某种程度上借助于使进气充量由存在的热量进行再加热来确定。为此目的，再热限定为：在进气阀关闭(IVC)时的缸内平均温度T-进气歧管平均温度T，即进气歧管温度，即进气口到进气道处的温度，与IVC处缸内气团温度的差。申请人确定：在进气道处开始再热，并持续到缸内。此外，56％的再热是由于壁部的热传递形成的，而44％的再热对被考察的工况来说是由于混合和增压形成的。因此很清楚，在确定再热时，热传递是非常重要的。
一个解析壁温对缸内热传递的重要性的研究如下：在比较燃烧气缸和熄火气缸时，注意到熄火气缸的再热是燃烧气缸的再热的63％(27K对43K)。一熄火气缸与一燃烧气缸相比，较低的壁温是缸内温度低的主要原因。燃烧气缸的上死点处的缸内温度比一熄火气缸的高46K，比IVC处的温度高16K。如果在某种情况下，压缩都是绝热的，那么在上死点处的温度差将是35K左右，假设初始温差是16K。因此从IVC到TDC因冷却器熄火壁温作用温度下降了11K(46-35K)。有趣的是，通过各个壁对进气过程和压缩过程的大部分缸内气体进行加热，则从TDC附近的压缩气体中进行的相当快的热传递率可导致缸内物质的温度比根本没有热传递的温度更低。此外，当将一正常的带有的热传递燃烧气缸与一个具有绝热壁的燃烧气缸进行比较时，主要是因为强度作用，则因为热传递的作用，质量流率降低7.5％。
参见图9，考虑到壁温，即活塞温度，气缸头温度和气缸套温度对SOC的作用，申请人已经确定：壁温越增加，SOC越提前。增加的表面温度使传递给燃烧室表面的热传递降低，因此燃烧提前。申请人已经显示出，如果壁温在255K到933K之内变化并且其他参数保持为常数(IMT＝342K，再热＝43K，φ＝0.24)，则在壁温低于400K时，混合气不会点火。从大约400K到550K，随着燃料燃烧的百分比的增加，燃烧持续期也增加。高于550K时，所有燃料都燃烧并且燃烧持续期随着温度的增加而缩短。借助于改变发动机冷却剂和/或润滑剂对该气缸/活塞组件的冷却效果可改变缸内表面温度。尽管气缸壁温很难用来作为有效地控制SOC的杠杆，但在控制SOC时壁温确实是一个考虑的参数，特别是在用于启动或瞬态运行时更是如此。申请人已经显示出：存在一运行工况区域，在该区域具有两个稳定的技术方案，其一是不带燃烧并且为冷壁，另一个是带有燃烧并且为热壁。此外，改变燃烧室内表面与体积的比也可改变热传递，因此能用于控制该燃烧。
申请人的研究表明：一PCCI发动机的最佳运行是一种与已经被报导用于PCCI发动机的典型放热率相比其正时(SOC和EOC)被大大推迟(当大部分燃料仍在燃烧时要尽可能推迟)的运行。当处于这种推迟的方式运行时，就可导致低的峰值气缸压力，更好的ISFC，更低的噪音和更低的热传递。申请人已经确定：使正时提前可容易地获得稳定的PCCI运行。申请人还确定：借助于使用闭路循环控制，燃烧可显著地推迟超过该稳定区域。如本文所述，该闭路循环控制可用于控制若干变量的一个或多个，例如IMT，当量比，EGR率等等。这一点是可能的，原因是SOC受到温度的严格控制。而该温度又是对缸内热传递非常敏感的，该缸内热传递对壁温是非常敏感的。正时推迟可使壁温降低。当正时足够地推迟时，则如果没有主动控制，发动机就不再能运行。
一个关键的概念是与各壁的热惯性相关的时间常数是与不稳定性改善的速率相关的，因此确定主动控制所需的时间常数。该壁温的时间常数是处于若干秒的数量级上的，借助于调节包括IMT，当量比，EGR率等等在内的若干变量的一个或多个可允许控制SOC。例如，申请人已经确定IMT可如此快地进行主动调节，以致于快到足以以一推迟的正时有效地控制该发动机，否则该推迟的正时将会导致产生一个没有主动的IMT控制的不稳定工况。
借助于将一个带有壁部热传递的正常的燃烧气缸与一个带有绝热壁的燃烧气缸进行比较，可看出该壁部热传递对TDC处的空间温度分布作出了主要贡献。空间温度分布限定为：在一个区域，比如说，在该气道内，或在一特定的曲柄转角处的该气缸内，的整个区域中，温度变化的方式。借助于改变缸内温度分布，燃烧的起燃和/或总燃烧速率可得到积极的影响。改变缸内温度分布的方法之一是采用可分的进气道设计，所以进入的空/燃混合气的一部分可变得比其余部分更热/冷。另一种方法是在气缸中引入发热点或采用电热塞(图1a)。此外，缸内温度分布也可借助于改变例如冷却剂的温度，发动机润滑油的温度或燃烧室壁的冷却速率来改变燃烧室壁的温度(例如气缸套，活塞和/或发动机气缸头的壁温)来控制。如图1b所示，发动机冷却剂的温度，可借助于改变流过一个采用一旁通阀50的旁通回路48的流动，来控制流过一个设置于发动机冷却回路47中的冷却剂热交换器46的流动来改变。已经确定：对燃烧气缸和熄火气缸来说，壁部热传递对空间温度分布都具有相似的影响。相似地，申请人还确定：在整个进气和压缩过程中，残余废气温度和壁部热传递是如何影响缸内温度分布的。这种确定包括对空气和丙烷混合气的进气和压缩过程所进行的三个研究。这些研究表明：在大部分进气和压缩过程期间，热的残余废气是空间温度变量的主要热源。然而，在压缩过程的TDC附近，废气残留过程与壁部热传递相比在调节燃烧室内的温度变量时起到次要作用。因此，可以相信：为了促进可使用可获得的更多燃料的燃烧过程，燃料必须按这样的方式引入，以致于在SOC处，燃料和空气在温度场可足以维持燃烧的区域存在一合适的分布。温度场不足以维持燃烧的两个区域是在各个间隙和相邻的冷却表面处。因此理想的是使燃料远离各个间隙和各冷却表面。很清楚，传入缸内混合气中的热量可使缸内混合气的温度增加，从而使SOC提前。申请人已经显示出可使用一加热塞来有效地控制该SOC使之处于一小的曲柄转角内。如图10所示，一旦加热塞关闭，则SOC和EOC稍稍推迟。此外，由于燃烧的燃料很少，GIMEP显著降低。燃烧的燃料量的降低也导致如图11所示的放热率降低。在循环#1和#100之间，该加热塞断开并一直保持断开直到循环#300和#400之间的一时间为止，在该点，该加热塞再接通。也许最重要的是，当该加热塞并断时，迅速燃烧的起燃将显著推迟，但不增加燃烧持续期，这与放热率下降相比将使累计放热率下降。因此，加热塞44(图1b)可用于将燃烧有效地控制在一有限的曲柄转角内。
在任何实际的往复活塞式发动机中，在压缩过程期间，热量将从燃烧室中损失。热量损失取决于许多因素，但主要是取决于发动机转速和气缸内外的温差。在压缩过程期间进行的这种热传递对柴油机在冷环境下的启动是一个问题，因为在燃烧室表面很冷的各个气缸中，燃烧很难起燃并维持。典型地，处于每排气缸端部的各气缸运行环境最冷并且是最难点火的。因此在这种条件下，端部气缸中的充量因与冷的气缸壁之间的过分传热而不能燃烧是非常平常的。然而，对柴油机来说，一旦所有气缸变热后，燃烧是连续一致的，并且很少依耐于燃烧室表面温度。
对PCCI来说，燃烧过程可借助于获得一定的压力和温度“过程”来开始。因此如上所述，该PCCI燃烧过程强烈地依耐于燃烧室的表面温度并对此很敏感。本发明的PCCI发动机包括一个用于在该端部气缸中获得理想的燃烧室表面温度的端部气缸补偿装置，从而可确保气缸与气缸之间的温度控制更好，因此增加稳定燃烧的可能性并获得低的NOx排放。该端部气缸补偿装置包括一个用于降低具体气缸的有效冷却的系统，例如降低活塞冷却喷嘴的流量；增加冷却剂温度；或降低冷却剂流速。具体地说，参见图12，该端部气缸补偿装置可包括一个润滑油流控制系统70，该控制系统70包括设置在各分支流道74中的润滑油流控制阀72，该分支流道7用于将冷却油从一油泵78提供给活塞冷却喷嘴76。因此，可控制控制阀72，从而改变流到活塞组件的冷却油流量，以改变活塞的温度，从而可有利地影响缸内温度。替换地，也可采用流到限制装置而不采用阀72，或者与端部气缸相关的喷嘴76可设计具有一个比其他喷嘴更小的有效流动面积，从而可永久地降低流到这些活塞冷却喷嘴的流量。另外，如图1a所示，如果设置至少一个喷嘴76，则喷嘴工作的数量可借助于控制与每个喷嘴相关的各自控制阀来改变。
参见图13，端部气缸补偿装置可包括一个发动机冷却流控制系统80，该系统包括一冷却剂泵81和位于延伸到该发动机88的端部气缸86处的分支通道84中的冷却剂流控制阀或限制装置82。对该阀82进行控制，从而降低从一散热器90流来的冷的冷却剂的流量。此外，位于热的冷却剂回流通道94中的控制阀92用于控制高温冷却剂的流量，旁通过散热器90，并直接输送到端部气缸。这些系统的全部作用都是为了控制流到各端部气缸的冷却剂流量，从而对这种情况进行补偿，即它们被周围环境冷却得更多，从而每个气缸的总冷却是与每个其他气缸的冷却相等的。这些系统可用于帮助使缸内变热，从而改善发动机稳定性，并且为发动机燃烧和气缸对气缸的平衡提供强化控制。
替换地或另外地，该端部气缸补偿装置可包括：具有一个名义上比其他气缸的有效压缩比大的各端部气缸，以便补偿额外的热损失。该压缩比可设计在各端部气缸中，以致于端部气缸的压缩温度等于各中间气缸的。由于端部气缸的燃烧室表面温度可改善启动及加热工况，因此这个方法从性能上看是有利的。另外，该压缩比差可通过凸轮轴气阀凸轮相位调节来实现。在这个方案中，各端部气缸的进气阀关闭(IVC)可在下死点(BDC)附近进行，所以有效压缩比(CR)大约等于几何压缩比。任何各中间气缸可具有一个推迟的IVC，该IVC将产生一个比各端部气缸的低的名义有效压缩比CR。改变压缩比对PCCI燃烧的作用将在下面更详细地讨论。
对预混合充量，压缩点火(PCCI)发动机技术的一个最大的挑战是放热曲线的位置问题。标准柴油机或火花点火发动机的燃烧起燃是由喷射正时或火花正时控制的。对PCCI发动机来说，燃烧的起燃是由缸内温度和压力确定的。由于TDC附近(和之后)的SOC正时在PCCI发动机上是接近的，因此温度，压力等对小的几何和/或运行变化的敏感性急剧增加。当在PCCI发动机(使峰值气缸压力最小并改善效率)追求获得推迟的放热曲线时，熄火或部分燃烧的危险就急剧增加。这是因为在上死点后由于充量的膨胀而使气缸温度降低的原因。如果在TDC附近还没有产生自点火，则在上死点后很多后不可能再产生自点火。如果一个气缸开始熄火，这个问题会进一步恶化。熄火的气缸冷却下来会使熄火更可能不断发生。
在一多缸发动机中，各种变化，例如压缩比，壁温，再热和残余废气质量组分等的变化都不可避免地存在于各气缸之间。这种可变性使得控制一台带有理想的推迟燃烧正时同时保持最佳的燃烧而不会存在单个气缸(如果偶然在稍冷时运行)开始熄火的PCCI发动机变得很困难。
申请人已经确定：阀的操纵过程对TDC处的温度存在显著的影响，因此这是一个用于控制燃烧起燃的有效工具，如由图14所示的分析结果建议的那样。参见表I，具体说阀的变化过程具有下列作用：
表I
如图15所示，排气阀关闭(EVC)对确定从一个燃烧循环到下一个燃烧循环在燃烧室中保留，或可获得的燃烧产物的量，即残余质量组分(RME)具有显著的作用。该残余废气所处的温度比进气充量的高，因此可加热该进气充量，以便下一个燃烧过程发生。因此排气阀关闭的正时可用来调节缸内温度，从而控制SOC。为了使一冷的气缸(例如开始熄火的那个)“变热”，借助于一排气阀早关过程可增加该单个气缸中残余废气质量组分。这些热的残余废气将使进气充量的再热增加，并且趋向于使燃烧的起燃提前，因此例如可是一熄火气缸恢复燃烧。如图15所示，EVC提前可使热的残余废气集结在该气缸中，而EVC推迟可允许热废气反排到该气缸中(在这种情况下，排气歧管压力EMP＞IMP)。基准线EVC是对下列两种效果进行优化的结果：及集结最少量的残余废气并产生最低的TDC温度。相似地，IVO提前允许在该气缸中的一些热残余废气反排到进气中，再加上EMP＞IMP，从而使TDC温度上升。例如借助于使IVC提前而降低压缩比(这一点将在下面更详细讨论)也可增加气缸内的残余废气量，但增加的程度只能很小。调节排气阀关闭正时也可用于对各气缸之间的微小的几何和运行变化进行有效的补偿，从而允许发动机进行气缸对气缸的“调节”。可用于使该RME有效增加或降低的任何其他装置都可分别用于使该SOC提前或推迟。
实施这个战略的方法之一已经在一台多缸PCCI发动机上进行了成功的试验。这个技术涉及增加排气阀的配合间隙。增加该间隙可有效地使排气阀早关并且使燃烧的起燃如理想的那样提前。申请人已经确定：排气过程减少10度会导致表面温度稍稍增加，而降低22度将导致进气温度变热。假定22度的波动对燃烧具有显著的效果(图7c-7f)，那么这个方法具有一种利用气阀间隙调节来调节多缸发动机的潜能。如图16所示，借助于增加该间隙缩短一排气阀开启的持续期确实可使燃烧提前。最终，借助于可调节静态的排气阀关闭的任何装置可有效地控制气缸对气缸的变化。如果与某些诊断措施结合，该气缸对气缸的变化也可得到主动控制。如果对所有气缸进行控制，则这个技术也可用于影响该发动机内的总体燃烧起燃。
在一PCCI发动机中一个挑战是在瞬态工况期间控制SOC。在另一个实施例中，在排气系统中设置一节流装置(或其他限制装置)。在SOC必须迅速提前的情况下，将该节流装置关闭，从而导致增加残余废气质量组分，因此提高缸内温度，故使SOC提前。当然，这个效果也可利用可变的排气阀正时获得。申请人已经显示出按这种发生限制排气将可使SOC提前。然而，这个控制步骤也可反过来影响BSFC。在该实施例中，在一瞬态工况期间废气只被限制一段很短的时间，直到另一控制机构，例如进气空气加热器按尽可能不对BSFC存在反面作用的方式具有机会控制SOC。该方法的优点是它可迅速且容易地实施。
用于将EGR引入一非节流发动机中的有效方法和机构在当前还很难实施。该实施例介绍了一种通过使排气阀晚关而有效地引入EGR的简单方法。借助于在一给定循环内使排气阀或各排气阀晚关，由于该方法增加了残余废气质量组分(RME)，因此该EGR实质上是“内部”EGR。该实施例可容易地用应到需要EGR的任何四冲程发动机中，但当应用到一PCCI发动机时是特别有效的。一PCCI发动机在低负荷时与高负荷工况相比要求高得多的进气温度。该实施例允许发动机在低负荷时利用大量的内部EGR运行。这种运行将增加充量温度，同样可增加进气温度。一闭路控制可用于调节内部EGR的量，从而控制任何或所有气缸的燃烧起燃(或燃烧过程)。
为了控制内部EGR的量，排气阀或各排气阀的关闭当由例如发动机的电控方式进行控制时可按一可变的方式推迟。将一正常的排气过程与一“排气阀晚关”过程进行比较对理解该实施例是有帮助的。在一正常的排气过程中，大部分燃烧产物是在排气冲程期间排出的。此时排气阀关闭而进气阀开启，从而允许新鲜空气或一种空/燃混合气在活塞下行时充满大部分燃烧室。但在该实施例的排气阀晚关过程中，排气阀在活塞的进气冲程的一部分期间仍保持开启。因此发动机既吸入新鲜空气也吸入燃烧产物。借助于改变排气管关闭的迟后期，可调节内部EGR的量。借助于是进气阀开启迟后还可获得额外的内部EGR。该实施例相对排气阀早关的优点在于排气阀早关会导致极差的PMEP，而申请人的研究表明排气阀晚关不会明显影响PMEP。
该实施例的排气阀晚关的另一个优点在于排气阀不需要非常快地关闭。这就是说，排气阀必须保持开启一段较长的时间。参见图65a-65d，本发明的方法示出并解析如下。在活塞500的排气冲程的开始处，排气阀502开启而进气阀504关闭。如图65b所示，在活塞500的排气冲程的上死点位置处，排气阀502和进气阀504分别开启。如图65c所示，当活塞500开始朝下运动通过进气冲程时，进气空气(或燃/空混合气)的新鲜充量通过进气阀504的开启吸入燃烧室，而燃烧产物通过排气阀502的开启吸入燃烧室。参见图65d所示，在进气冲程晚期，排气阀502关闭，而燃料和空气的新鲜混合气通过进气阀504的开启吸入。
参见图66和67，其中示出了用于获得排气阀晚关的机构的一第一实施例。在该实施例中，发动机包括与一典型发动机极为相似的进排气凸轮。该实施例可防止排气阀在该凸轮回撤期间关闭。具体地说，用一凸轮510，挺杆512和摇臂514来控制排气阀502。此外，一液压连杆516沿气阀链设置于凸轮510和摇臂514之间，例如设置于挺杆512和摇臂514之间的连接处。在不需要排气阀晚关的发动机运行期间，液压连杆516处于“没有液压”的状态工作。当需要排气阀晚关(或推迟)时，随着凸轮510使挺杆512回撤，液压连杆516充满液压油。因此排气阀502保持在开启位置。在预定时间处，在该循环期间，如由该ECM确定的那样，当希望排气阀关闭时，可使液压油从该液压连杆516中排出。该液压油通过一个控制排气阀502落座速度的孔被推排出。图67示出了该液压连杆516的细节。该液压连杆系统包括一个沿一个从一个液压连杆腔522开始延伸的排泄通道520设置的电磁阀518，挺杆512位于该液压连杆腔522中。当然，替换地，也可以采用一个连接到挺杆522上并位于腔522中的柱塞。电磁阀518允许流体的受控流通过一孔从该腔522中流到一低压排泄通道中。该液压连杆系统还包括一个沿一压力油供给通道526设置的电磁阀524，用于控制压力油流流到该腔522中。在运行期间，为了使排气阀早关(即在正常情况下)，电磁阀524保持关闭，而电磁阀518保持开启。为了使排气阀晚关，在排气阀502开启期间或之后，电磁阀524开启而电磁阀518关闭。一旦凸轮512使挺杆回撤，则从电磁阀524流入腔室522中的油流使该腔室522充满液压油，从而防止排气阀关闭。当需要排气阀关闭时，电磁阀518开启，以便使腔室522放空。
图68公开了一个用于获得排气阀晚关的第二个可能的实施例。这个系统也包括：一个用于控制用来控制排气阀502的摇臂602的挺杆600。此外，一弹簧604用于保持摇臂602和挺杆600之间的工作连接。然而，在该实施例中，一腔室606设置用于装纳排气阀502的上端，或替换地，连接到排气阀502上的一柱塞的上端。包括一单向阀的一供油通道608连接到腔室606上，用于将压力油供给该腔室。一第二通道612连接到腔室606上，并包括一个沿用于控制从腔室606流过通道612的流动的通道布置的电磁阀614。在运行期间，排气阀502由摇臂602开启。当排气阀502开启时，液压腔606充满流过通道68的液压油。单向阀610使该液压油即使在摇臂602回撤时也保持在该腔室606中。电磁阀614开启，从而允许排气阀502在气阀弹簧(未示出)的偏压作用下回到关闭位置。如果需要排气阀早关，电磁阀614继续保持开启。一个限制装置616可设置于电磁阀614下游的通道612中，用于控制排气阀502的落座速度。替换地，排泄通道612设置的方式是：它可使气阀的落座速度降低，从而可使气阀平稳地落座进入关闭位置。
借助于控制残余废气质量组分(RMF)来控制缸内温度的另一个方法是：在一个设置得与进气充量分离的腔室中将从前一个循环来的残余废气气团压缩。集结的残余废气与新鲜充量的比例可由一个这样的腔室的大小控制。热废气的质量可大到(1/2)(1/CR)，并且如果全部的TDC体积都处于该腔室中，该热废气质量≈该腔室质量的1/30。一个这样的腔室的结构必须可成功地使至少部分热废气用于压缩过程，而不会完全与进气充量混合。如果集结的废气在压缩冲程中很早就混合，则触发快速反应需要的高温将不可能达到。废气流入和流出这个腔室的正时可帮助控制气缸中快速放热开始的正时。产生局部热量输入的额外热源可触发这样的快速反应。这就是电热塞或一绝热物质。
残余质量组分对排气歧管背压(EMP)也是很敏感的。借助于使EMP相对IMP增加，该残余质量组分可增加，因此使该充量的温度增加，这又转过来使燃烧提前。申请人已经确定：提高EMP确实具有所希望的结果，即，使SOC提前。然而申请人也已经显示出对一台四冲程发动机来说EMP增加3bar只能使SOC提前大约4°。申请人已经确定温度增加与EMP的增加是近似线性关系的，而所有其他因素保持为常数。EMP增加1bar，TDC处的温度增加大约10K。因此，考虑EMP的实际范围，控制EMP对控制一四冲程发动机的SOC似乎只是一相对较弱的杠杆。此外当使用EMP来增加一四冲程发动机中的TDC温度时，要付出非常大的BSFC代价。该BSFC比采用排气阀关闭或可变压缩比的情况明显高。尽管增加EMP的效果与提前EVC的相同，即在气缸中集结更多的热残余废气质量，但因为EMP增加时，活塞必须在整个排气冲程期间抵抗压力作用进行工作，则该BSFC大大增加。如果发动机具有涡轮增压器，则因试图使用EMP来控制SOC会带来更加复杂的复杂性。然而，对一两冲程发动机来说采用一排气限制装置也还是可行的。
控制进气温度的另一个重要方法是使用热废气再循环(EGR)。如图1b所示，一高压EGR回路54可用于将热废气从透平25上游导入该进气系统23中。EGR回路54包括一个用于控制废气再循环的高压EGR控制阀60。一低压EGR回路62和控制阀64可用来将一低压EGR流从透平25的下游导入该进气系统23中。申请人已经显示出：当在压气机24上游引入时，EGR对增加进气歧管温度是特别有效的(假定额外的EGR的作用不能被充量空气的额外冷却抵销)。在PCCI发动机中，由于这种发动机的废气包含更少的颗粒物，因此废气可再循环到理想的上游位置(即涡轮增压器的压气机的进气口处)，从而废气再循环(EGR)是更具实用性的。由于压气机的进气口的压差总是有利的，因此此处是最佳的位置。新鲜的进气空气和热的EGR混合气将由压缩机进行压缩，并加热和混合。借助于在压气机上游引入EGR并增加压气机进口温度，其结果是压气机出口温度比在压气机之后引入EGR的高许多。在正常的柴油机中，因为发动机排气中的颗粒物“粘住”该压气机，因此在压气机的进口引入EGR是非常困难的。然而，在一PCCI发动机中，实际上不含颗粒物的废气可引入该压气机的上游，而不会存在明显的问题。此外，如图16，17和18所示，申请人已经确定：如果不考虑用来引入废气产物的技术，即EGR，PMF等等，借助于加入废气产物，同时借助于例如喷射一冷却稀释剂，例如空气和/或水来维持该充量的温度，则燃烧速率将放慢，因此燃烧持续期增加，燃烧推迟发热量下降。
参见图19，其中示出了一种改进的发动机100，借助于使一组气缸的一些气缸按PCCI方式运行而其余的气缸按柴油机方式运行，该发动机吸收了PCCI发动机和本发明的控制系统的优点。具体地说，例如在一六缸发动机中的五个气缸102按柴油机方式运行而一个气缸104按PCCI方式运行。这个发动机还包括一个只与PCCI气缸104相关并与和各柴油机气缸102相关的一排气系统108分离的的EGR系统106。PCCI气缸104中的活塞压力用于迫使废气流入该进气系统。该EGR系统106一个使用例如发动机冷却剂的EGR冷却器110，其用于在废气被再循环到一压气机105的上游侧之前对PCCI废气进行冷却。当然，该废气也可输送给只为柴油气缸102服务的进气歧管112。在柴油机中使用EGR所遇到的一个公知的问题是在柴油机的废气中存在过量的颗粒物和NOx。该改进的发动机100允许一柴油机可从EGR中得到益处，同时基本上回避了与含大量颗粒物的柴油机废气相关的各缺点，因此可提供一个结构不很复杂且成本不很高的系统。例如，如上所述，从气缸104来的PCCI废气再循环(EGR)可容易地引入到该压气机的上游，而不堵塞该压气机。此外，该PCCI EGR的低NOx排放可降低硝酸含量，因此降低了对发动机的腐蚀。申请人已经显示出图19所示发动机降低了制动的单位NOx排放，而增加的制动比油耗只是微不足道的。
也许用于改变TDC处的温度因此改变SOC的一个最有效的控制特征是一气缸的压缩比(CR)是可变控制的。借助于改变有效或几何压缩比，可同时控制温度和压力发展过程。压缩比增加可使燃烧过程提前。压缩比降低可使燃烧过程推迟。为了某些目的，压缩比可处于24∶1(促进冷启动)-12∶1(允许对燃烧起燃过程进行控制并限制峰值燃烧压力)的范围内。该压缩比的范围除其他因素外主要是依耐于所使用的燃料的类型(更具体地是依耐于燃料的自点火性)，例如天然气或丙烷。申请人已经确定了压缩比对PCCI燃烧的作用。例如，参见图20所示，申请人已经显示出改变压缩比对改变缸内温度和SOC起到很大的杠杆作用。如图21所示，申请人已经显示出改变压缩比可明显影响SOC相对TDC的位置。
借助于改变几何压缩比，即利用一控制机构来改变燃烧室的物理尺寸/形状可改变压缩比。本发明包括一个用于在发动机运行期间为了获得一理想的SOC而改变燃烧室的几何体积或有效体积的压缩比改变装置38。该压缩比改变装置可以是一个机械装置，其可借助于改变该燃烧室的几何体积而对TDC附近的充量进行压缩加热。如图22a-22d所示，该压缩比改变装置可包括一个可动的辅助活塞或柱塞，该辅助活塞或柱塞在TDC附近一曲柄转角处可运动延伸入燃烧室中，从而使燃烧室体积减小，因此增加压缩比并且将充量加热使之足以开始点火。该柱塞的关键作用是使TDC附近的一些充量平移。因此相对其作用来说，柱塞在燃烧室中形状和位置不是很关键的，但柱塞对余隙容积的影响程度除外。
该柱塞的大小是以理想的压缩比控制范围为基础的，并由下列示例估算确定：每个气缸的排气体积(排量)＝1000cc＝1升TDC处的余隙容积＝100cc压缩比＝(1000cc+100cc)/100cc＝11.0如果柱塞体积＝30cc，那么当柱塞完全伸出时的有效压缩比＝(1000cc+100cc)/(100cc-30cc)＝15.7对一给定的工况来说，该改变的压缩比可能足以使温度和压力具有很大的增加，从而使一种在没有柱塞时不能点火的燃/空混合气可产生压缩点火。当然，在发动机设计阶段，发动机的压缩比和柱塞大小都很容易改变。此外不同的燃料和进气温度要求具有不同的柱塞大小和不同的压缩比。
如图22a所示，该柱塞150可位于气缸头154中缸孔152中并且由一个与发动机活塞158的运动成一预定的正时关系旋转的凸轮156控制。一回位弹簧160将该柱塞朝凸轮156偏压，以便增加燃烧室162的大小。这种特定的布置的优点在于在柱塞回撤时柱塞150驱动的凸轮可回到凸轮轴中。此外只要柱塞150直到膨胀冲程晚期或膨胀冲程之后都不回撤，柱塞150对该充量作的一部分功可由发动机活塞吸收。
替换地，参见图22b，一柱塞170可由一个压力流体，例如燃油供给装置控制，该压力流体由一个连接到例如一冲击泵或公共管路系统上的液压回路172输送到一腔室174中。图22c示出了另一个液压驱动的实施例，其中一柱塞180由一弹簧182帮助，并设置于一个与柱塞180一端相邻的腔室184中，从而允许能力储存在该弹簧中。在这个系统中，一个例如液压，电磁或机械之类的夹持机构(未示出)使该柱塞保持在未伸出的位置。当活塞处于TDC附近时，一液压流体供给系统186迫使该柱塞180向下运动(在此时，该夹持机构不再夹持该柱塞)。这个向下的运动可得到弹簧182很大的帮助。燃烧之后，柱塞180往回运动再压缩弹簧182，因此将能量回收到该弹簧中。为了优化这种能量收集过程，液压腔184可按一个由一阀188控制的速率排空。
图22d表示另一个实施例，其中一个将柱塞192偏压至伸出位置的弹簧190的弹性力足够大，以致于可克服燃烧前燃烧室内的气体压力。在TDC附近，与一腔室196相连的一排泄阀194被开启，并且弹簧190推压柱塞192在燃烧室162中处于伸出位置，使该充量点火并使燃烧室162中压力增加。点火的结果是使柱塞192被推回并抵抗弹簧190的弹性力。如果需要，一高压供给装置200将液压流体供到腔室196，从而保证柱塞192向回运动到缩回位置。如果气体压力足以使该柱塞向回运动到缩回位置，则包括一单向阀204的一低压液压充注装置202可用于对柱塞192下面的腔室196进行充注。
压缩比也可借助于提供一种具有可变相位移动的对置活塞发动机设计来改变，从而允许压缩比在运行期间由改变两曲轴之间的旋转相位来改变。该对置活塞发动机可以是美国专利US4010611中公开的那种，或者是如美国专利US4955328中所述的相位可变的气缸相互连接的形式的，该两篇参考文献的整个内容结合在本文中作为参考。替换地，参见图23，压缩比可用一相位移动机构210改变，该移动机构210包括一个常规差动组件211，该组件211连接在与各活塞218，220相连的曲轴214，216之一的输入轴部分212和相同的曲轴214的输出轴部分222之间，从而允许曲轴的各部分可相互旋转地移动。曲轴214和216通过一个用于将动力传递给一传动轴225的常规齿轮组件223连接。如图24所示，该差动组件211包括一个安装在输入轴部分212一端上的一齿环224，一个从该齿环224处开始延伸的臂226和一个安装在各轴部分212，222的各相对端上的齿轮组件227。包括一小齿轮230的一旋转机构228可控制地连接到齿环224上，以便当曲轴之间需要相位变化时可使该齿环旋转。一旦齿环224保持静止，各轴部分212，222保持同相。当由使小齿轮230旋转而使齿环224旋转时，臂226旋转，在各曲轴部分212，222之间产生一相位变化。因此，该旋转机构228可用于调节输入轴相对输出轴的相对相位，从而调节两曲轴的相位和压缩比。此外，每个气缸的两个曲轴都可用于消除在单个曲轴设计中由曲臂施加的固有侧推力。应该注意因相位原因最大可能的压缩比对压缩比(CR)敏感性的影响。最好具有这样的几何形状，即活塞在“0”相位处相互抵触的形状。当然，这个设计将一直在非0相位时运行。
申请人已经确定：一对置活塞发动机的相位变化是如何改变压缩比的。这个努力包括如图25所示的三个研究。在第一个研究中，当两个活塞同相时，即两个活塞同时到达上死点，压缩比是25∶1。在第二各研究中，当各活塞同相时，它们一起运动并正好触及上死点。如果活塞为平顶的，则活塞之间存在在体积，再假设没有余隙容积，则压缩比将无限大。第三种情况假设存在负面抵触，则各活塞将相互接触，同时存在某种程度的不同向。对于这种情况，冲程的大约10％产生重叠，从而使各活塞在不同向为46°处产生接触。当然，发动机几何形状(缸径，冲程，连杆长度)也将影响CR与相位的关系；在这个研究中这些数值都保持为常数。
这些结果说明采用一个带有可变相位的对置活塞布置，压缩比可在非常宽的范围内变化。此外，压缩比随相位变化的斜率取决于在具有0°相位的TDC处各活塞之间的余隙量或负余隙量。因此，在实际应用中，理想的是在需要覆盖压缩比的理想范围的相位范围和控制相位的精确度之间进行平衡，即对图25中曲线的斜率进行优化。因此，理想地，该曲线的斜率可以是足够陡的，以致于在有限量的相位内可获得理想的压缩比范围，也可以是不很陡的，从而要求相位非常精确。
参见图26，很清楚随着活塞越来越不同相，压缩比将降低。还很清楚的是：对小于大约120°的相位角来说，气缸体积形状相对曲柄转角曲线的变化非常小。因此，相位变化可在一大的范围内用于控制压缩比，而对气缸体积与曲柄转角的关系不存在任何影响。很清楚，相位可变的一对置活塞系统可为获得压缩比值的一宽范围提供了理想的灵活性。
利用改变气阀正时可以改变有效压缩比。具体地说，如表I所述，进气阀提前关闭可降低有效压缩比，并且明显推迟IVC也可降低有效压缩比。然而，改变气阀动作过程与改变几何压缩比(假设燃料流速为常数)相比对一发动机的换气，因此也对空/燃混合气将存在非常大的影响。最陡的空气流量对TDC温度的变化是发生在IVC变化时。由于IVC变得提前了，则TDC温度降低，但空气流必须严格地限制，尽可能不改变当量比。在这种情况下，可采用增加增压压力同时附带使IVC提前来使空气流率保持不变。相似地，对EVC来说，当EVC变化时，集结在气缸内的残余废气量发生变化，因此影响换气过程。该IVC线的斜率大致是EVC和IVO的两倍，而改变几何压缩比对空气流不存在影响。由于改变TDC温度不影响空气流，因此可变有效压缩比似乎是最有效的控制特征。
参见图28，任何气阀动作过程的改变或压缩比的改变都对BSFC具有一有限的作用。为了获得最好的BSFC，当需要更高的温度时，增加压缩比可能是一项比改变排气阀关闭正时更好的选择。如果使EVC提前从而增加TDC处的温度，则非常大的BSFC将要付出代价。如果需要一更低的温度，则使IVC提前是一种最好的方法，但改变几何压缩比也可选择，因为它只能在某种程度上使BSFC提高。
申请人已经确定：如希望的那样，改变有效压缩比对峰值气缸压力具有很大的作用，如图29所示。IVC具有几乎与VCR相同的曲线，这与改变IVC实际上就是改变有效压缩比的事实一致。由于在这种情况下放热开始于上死点后5°，因此气缸压力曲线似乎是“双驼峰”形：第一个驼峰出现在TDC处，是因压缩形成的；第二个驼峰出现在TDC之后，是因燃烧形成的。VCR线和IVC线的两个不同斜率外形是因为气缸的峰值绝对压力出现在燃烧燃烧驼峰(CR＜18)或在压缩驼峰(CR＞18)处形成的。为了使TDC处的温度相对基准线增加又不对峰值气缸压力产生不希望的影响，改变EVC或IVC将是最好的策略。然而，这个策略会导致BSFC(图28)产生不希望的增加并且也会改变发动机换气(图27)。
申请人已经确定：在低的进气温度时为了燃烧需要非常高的压缩比。例如，已经发现：在进气温度处于0，20和40°F时，当相应的压缩比分别低于35，33和30时不会产生燃烧。在热的工况下，理想的压缩比是大约15，这意味着为了覆盖这些工况，需要大约20个压缩比的变化量。由于在这些工况下需要非常高的压缩比，则峰值气缸压力也非常高，有时高于200bar。因此在冷的工况下，进气加热和/或其他的启动方法比只改变压缩比可能是更实用的。此外，保持低的压缩比将允许在到达峰值气缸压力极限之前获得一高的GIMEP。
控制温度的另一种方法是将水引入进气歧管或直接引入气缸中。申请人已经显示出当进气空气中的氮完全被水取代时，由于分离的原因，该水将可导致产生低的火焰温度(比205K更低)。此外，在申请人的研究中，点火迟后稍稍增加一点(0.04毫秒)，则峰值反应速率降低大约50％。此外，当水被加入进气歧管中，即对水进行熏蒸时，其化学作用尽管小，但仍可稍稍推迟SOC。然而，因液体蒸发成蒸汽，因此液态水喷射入进气歧管可有效地冷却进气歧管。因此，如图30所示，IMT和TDC温度可明显降低。喷射水对TDC温度的作用主要原因是IMT降低，而不是比热比的变化。对IMT的作用可看作一上限。
应该注意申请人已经显示出：不需要使对活塞14(图1a)的热作用反向，PCCI也可得到维持。即使PCCI燃烧的爆燃强度大小比火花点火发动机中所遇到的安全水平高10-20倍，铝和钢制成的各活塞的温度也不会到达过度的水平。在申请人的优化实施例中，在PCCI燃烧中，自点火产生的温度远低于火花点火发动机中遇到的温度，原因就是在申请人的优化实施例中，PCCI燃烧是在极稀薄的条件下进行的。
压力控制借助于控制燃烧室中的压力也可控制该SOC。控制缸内压力的一个方法是使用一压缩比改变装置来改变燃烧室内的压力。尽管改变压缩比可最终改变充量的压力和温度，但压力是直接改变的。压缩比增加会增加TDC处的压力，降低压缩比将降低TDC处的压力。申请人已经显示出：增加缸内压力可使燃烧起燃提前，缸内压力降低可使SOC推迟。与温度控制相关的下述任何压缩比改变装置都可使用。
控制缸内压力的一第二方法是改变进气歧管或增压压力(IMP)。已经显示出SOC的正时是压力的一个函数。申请人已经确定出IMP的变化对燃烧和发动机运行的影响。用于对发动机进行一研究的发动机工况是1200RPM，355.7K＜IMT＜357.4K，0.256＜Φ＜0.263。IMP是变化的。维持这些工况同时使IMP增加要求增加空气流和燃料流。图31a和31b表示：在以曲柄转角和时间量度的范围内，随着IMP增加放热持续期缩短。图31d表示：随着IMP增加，SOC提前。图31c表示另一个研究的结果，其中清楚地说明了增压压力增加明显使废热过程提前。图31e表示随着IMP增加FSHC排放降低，说明燃烧更完全。图31f表示随着IMP增加，GIMEP也增加，其主要是因为燃烧更完全产生的增加，在很少部分是因为燃料增加的原因。图31g表示随着IMP增加，总指示热效率增加，其中部分是因为完全燃烧形成的。图31h表示随着IMP增加，FSCO排放降低，这明显是因为更完全燃烧的原因。图31i表示FSNOx排放没有明显受到IMP的影响。图31j表示GIMEP的变化系数(COV)随IMP的增加而降低。图31k表示PCP随IMP的增加而增加。图31l表示估算的噪音随IMP的增加而增加。图31m表示随着IMP的增加，在GIMEP方面较小的收获会引起在PCP方面较大的上升。这种效果是因为随着IMP增加而使SOC发生提前的原因。
进行的一个研究是改变压缩冲程的下死点(BDC)处的压力。该研究是在下列情况下进行的，即压缩比为14.5∶1，发动机转速为1200rpm，下死点处的压缩温度为389K，当量比为0.3285，并且没有热传递。所使用的燃油是丙烷，并且下死点处的温度变化而所有其他参数为常数。这个研究清楚地显示出：下死点处的压力越增加，SOC越提前。此外，如果下死点压力小于1.75bar，则不到燃油能量的10％可被释放出来，如果下死点压力大于P＝1.75bar，则几乎所有的燃料能量都可释放出来。这就说明了燃烧对压力变化存在高度的敏感性。在极低的压力处，极少的燃料燃烧，导致高的FSHC排放。由于在这些低压处没有燃料燃烧，因此没有一氧化碳产生。随着压力增加(同时IMT保持不变)，可使更高百分数的燃料燃烧，这就导致降低一氧化碳产物并使FSHC降低。在某个关键压力上，所有燃料都可完全燃烧，从而导致产生极低的FSHC和FSCO排放。此外，下死点处极小的压力变化导致峰值气缸温度(PCT)变化极大。模拟结果说明了在低峰值循环压力处(PCP)，燃料不燃烧。因此，压力在等熵压缩处最大。随着压力增加，更高百分数的燃料能量被释放，使气缸压力上升，高于该等熵压缩压力。随着压力进一步增加，燃料的全部能量被释放出来，从而因等熵作用进一步增加压力，使该PCP提高。
很清楚，改变IMP是一个控制SOC和放热持续期的有效方法。IMP增加趋向于使SOC提前，同时缩短放热持续期。相似地，IMP降低趋向于使SOC推迟，同时增加放热持续期。在一种典型的应用中，即在一常数扭矩工况下，燃料流量实际上为常数，增压压力增加，使燃烧起燃提前，或降低增压压力，使燃烧起燃推迟。例如，可采用一个诸如由一发动机输出功率或电动压缩机驱动的空气压缩机，一涡轮增压器，一增压器。对一个给定的功率大小来说，也即对一给定的燃料流量来说，明显存在一个优化的进气压力和温度。在极低的负荷处，理想的是用一个节流阀53(图1a)按与在电流产生电火花点火的发动机中控制进气压力相同的方式控制进气歧管压力。当控制一台多种方式的PCCI发动机时，也可将节流阀53用在如下所述的火花点火方式中。当然，替换地，一节流阀也可设置于该进气系统中其他位置，例如设置于进气歧管中。
如上所述，申请人已经说明了用可变的IMT控制一PCCI发动机中SOC的能力。越来越清楚的是：在高负荷处可希望获得一低压缩比，在低负荷处可希望获得一高压缩比(CR)。根据各负荷工况，本发明的一个实施例使用被动变化的压缩比(VCR)来改变CR。也可采用任何常规的被动可变压缩比(VCR)系统。采用被动VCR相对主动VCR的优点是简洁且成本低。在该实施例中，SOC是通过某些象可变的IMT或增加臭氧气的措施来控制的。该被动的VCR系统在低负荷(当气缸压力低时)处自动运动到高压缩比，并且在高负荷(当气缸压力低时)处自动运动到低压缩比。
该系统的优点还在于：具有一个宽的运行范围。低的CR允许发动机以更高的BMEP运行，但不超过气缸压力极限值。高的CR使发动机更容易启动并在低负荷下运行，同时仍可使燃烧的起燃保持在最佳正时处。其他人已经建议采用被动的VCR来限制气缸压力，但在PCCI发动机中没有与主动的SOC控制相结合。
在过去，采用PCCI燃烧的发动机不可能具有与当前柴油机产生的总指示平均有效压力一样高的总指示平均有效压力。由于PCCI发动机的燃烧持续期非常短，因此该PCCI过程对低速(＜2000rmp)发动机来说基本上是一个等容过程，如图55所示，其中示出了一个具有近似等容燃烧的PCCI发动机的log(P)相对log(V)的对数曲线。
在本发明的另一实施例中，在燃烧过程中增加一等压部分。该增加的等压加热发生在发动机的峰值气缸压力极限值之下。追加热量的等压部分是由一种类似于现代的柴油机运行方式的受控速率燃料直接喷射来实现的。该直接喷射的燃料可以是与预混合燃料相同的或不同的燃料，例如柴油，汽油，天然气等。这样就产生了图56所示的log(P)相对log(V)的对数曲线。PCCI燃烧基本上不产生NOx排放。因燃料直接喷射而产生的燃烧，将以一个相似于在一个带有高EGR率的柴油机中燃烧过程的扩散燃烧部分产生的速率的速率产生NOx排放。由于燃烧室温度因PCCI燃烧已经很高了，因此直接喷射的燃油具有极短的点火迟燃期。这也会导致低的NOx排放。PCCI燃烧和燃料的等压燃烧都产生动力，但PCCI燃烧几乎不产生或产生很少的NOx排放。因此，这种循环的FSNOx排放和制动的单位NOx排放都某些低于柴油运行的排放。相似地，对该实施例所建议的循环来说，由于PCCI燃烧不产生碳粒，因此产生的碳粒也比一柴油机的低。
该实施例的循环可利用例如一个化油器，一节流体，一气道燃料喷射器，或一个将燃料在进气阀大约关闭(IVC)处或之前直接喷射的喷射器使燃料与空气混合从而获得一种大致均匀的混合气状态来实现。将该充量压缩直到产生自点火燃烧(PCCI燃烧)。当气缸压力开始下降时，开始直接喷射燃料。可用一个传感器来检测，或用一种预测方法，例如查表来预测燃烧室中的压力降。控制喷射速率，从而使等压的气缸压力保持在或低于发动机的峰值气缸压力极限值。燃料的直接喷射很早就结束，足以形成低的碳粒产物。膨胀是按近似等熵的方式进行的，直到排气阀在下死点附近开启为止。从PCCI燃烧中产生的能量的百分比可变化，从而使NOx排放和碳粒排放最少，而效率和GIMEP最大。这个方法对改善发动机的瞬态响应是特别有效的。
图57表示本发明实施例的通用发动机布置，其包括一传感器122，燃料直接喷射器124，气道燃料喷射器126，化油器128和火花塞131。该发动机可按不同的方式启动，其启动方式包括：采用燃料直接喷射加压缩点火；燃料直接喷射加火花点火；气道燃料喷射加火花点火；或按PCCI方式直接启动。控制器对喷射的燃料量，燃料喷射速率和直接喷射过程的正时这些参数的一个或多个进行控制。此外，控制器还控制在PCCI燃烧过程中燃料燃烧的百分比。由于在燃烧的等压部分中充量的体积是增加的，因此充量的整体温度必须增加。这个温度增加可帮助降低通常产生于PCCI燃烧中的CO和HC排放。
空/燃混合气自点火性用于控制燃烧起燃和持续期的另一个战略是改变空/燃混合气的自点火性。空/燃混合气的自点火性可借助于将一种气体，例如空气，氧，氮，臭氧，二氧化碳，废气等喷入空气或空/燃混合气中，或者喷入进气系统中，例如最好是利用例如喷射器42喷入气道中或用例如喷射器40直接喷入气缸中进行控制。从而对燃烧起燃和燃烧持续期提供控制。
申请人已经考察了将反应组分加入空/燃混合气中对燃烧过程的影响。一个研究是在下列条件下进行的，即当量比为0.3，下死点处的温度为389K，下死点处的压力为3bar，燃料为丙烷，压缩比是14.5，发动机转速为1800rpm。所用的发动机几何形状是一台Cummins C系列发动机。在任何情况下，氮，氧和燃料的摩尔分数是常数，分别为0.771，0.216和0.0123。添加的反应组分的摩尔分数在任何情况下都是0.000411。被考察的反应组分是H2，H2O2，OH，CO，O，HO2，H和O3。图32表示温度与曲柄转角的关系。尽管CO和H2使SOC提前的角度小于0.5度曲柄转角，但所有其他组分可明显使SOC提前，而O3(臭氧)使SOC变化最大。因此低浓度的最普通的原子团可使SOC产生显著的变化。
因此，申请人已经确定：额外添加极少量的臭氧可使SOC提前的量显著增加。申请人还已经显示出实质上所有的臭氧都由燃烧过程消耗，并且SOC的变化随着添加的臭氧量的增加而减少。特别是，图3 3表示添加的臭氧对SOC提前的影响。温度的增加表示燃烧过程起燃。申请人的研究已经进一步表明在以天然气，丙烷和柴油为燃料的PCCI发动机及HCCI发动机中，臭氧可用来使SOC提前。由于臭氧在使SOC提前这方面对很宽的燃料范围都有效，因此申请人希望它对汽油和乙醇以及其他碳氢燃料，包括氧化燃料具有相似的效果。当臭氧添加到常规柴油机的进气中时，申请人还已经观测到只有很小的作用。
假设添加的臭氧对SOC具有显著的效果，则臭氧可按几种方式用于有效地控制一PCCI发动机中的燃烧。第一，借助于将不同量的臭氧O3添加到进气道中，则一个，几个或所有气缸的SOC可进行调节。第二，将臭氧添加到进气中可用作PCCI和柴油发动机的冷启动辅助措施。第三，将臭氧添加到一发动机废气中可使一催化剂提前点火，因此可显著降低带有催化剂的火花点火发动机的冷启动排放。臭氧O3通过一简单的电化学反应器可“在运载工具上”产生。臭氧发生器是可在商业上获得的。此外，一柴油机的点火迟燃期可借助于将臭氧添加到进气中而减少。这就会降低预混合燃烧的百分比，这就会降低NOx排放和噪音。
申请人已经显示出臭氧可用于改善一台以丙烷运行的PCCI发动机的的自点火性。人们希望将臭氧添加到一稀薄燃烧的火花点火(SI)发动机的进气中可明显加宽稀薄极限。由于更稀薄的燃烧可降低NOx排放，因此这个效果是很有利的。通过添加臭氧使稀薄SI燃烧加速，可改善BSFC NOx折衷方案。这个BSFC NOx折衷方案也可由更高的有效膨胀比改善。申请人相信：臭氧可增加稀薄燃烧极限，因为在稀薄极限附近，火焰前锋的燃烧过程只能使反应剂加热到足以使其点火的温度。利用臭氧降低的自点火温度可使稀薄燃烧极限加宽。
申请人已经显示出增加氧的浓度可使SOC提前。由于进气充量的富氧只能稍稍使SOC提前，并且随着进口氧浓度的增加，一臭氧出口处的臭氧百分数增加，臭氧可用于与富氧一起进一步使SOC提前。借助于采用分离膜或其他装置可获得富氧。此外，臭氧也可用于与一催化剂结合，从而从一PCCI发动机或一常规的火花点火发动机或一柴油机中减少UHC排放。在这种情况下，臭氧用于添加到使排气温度增加的热废气中，从而加强催化效果。此外，如果臭氧在透平进口前添加，则可增加透平进口温度，从而便于空气处理。
如果产生这样的结果，则臭氧可有效地用作柴油机的辅助启动。一发动机可借助于将一些燃料非常早地(这一点利用一公共管路系统是很容易做到的)喷射来启动。臭氧被添加到进气中或在进气冲程和/或压缩冲程期间在气缸中产生，从而允许早(大约60°BTDC-或甚至更早)喷射的燃料非常容易地点火。然后，更多的燃料可在TDC附近喷射(喷入热的燃烧产物中)，在此它可容易地点火。由于提早喷射的燃料量是一个合理的少量，因此它点火太早也没有关系，因为它没有足够的燃料来使缸内压力过分地上升。因此，不需要专门的SOC控制系统。
利用臭氧帮助改善柴油的冷启动需要一个柴油导流喷射器。对一台车辆用火花点火发动机，臭氧可添加到废气中或排气阀刚刚开启的气缸中，从而增加排气的温度。臭氧分解成O2和O；该O增加了放热反应的反应速率，从而增加排气温度。这将可帮助使催化剂加热，因此降低在冷启动条件下未燃烧的碳氢化合物的量。臭氧也可添加到一发动机的废气中，从而增加导致Nox排放降低的O原子的浓度。请注意O原子存在于系列扩展的Zeldovich机理中。
自由氧原子在NO分子式的扩展Zeldovich机理中起到关键作用。
在从PCCI方式过渡到SI方式中和相反的过程中，臭氧将帮助这种过渡。例如：一台发动机按PCCI方式运行，处于低负荷下。处于用于控制SOC。添加到处于量等效于IMT的显著变化。为了转换到SI方式，关掉臭氧。因此，该IMT太低，不能产生自点火。可能借助于气口或直接喷射使当量比增加，从而足以维持稳定的火花点火运行。然后火花塞在合适的位置点火。
尽管增加氧浓度可使SOC提前，但申请人已经确定：从20.7％-21.6 5％的富氧将只能SOC提前不到1度曲柄转角。，而20.7％-23.7％的富氧将使SOC提前1.5度曲柄转角。因此，借助于改变进气空气中的氧的浓度只能在极为有限的范围内控制燃烧。这一点可借助于将氧(或富氧混合气)添加到进气中或借助于选择将氮从进气(例如用一分离膜)中去除来实现。申请人也已经显示出在1800rpm时，氮在进气充量中的百分比从78.6％增加到80.6％导致SOC推迟不到2度曲柄转角。还要注意到在新鲜充量中相同量的氮增加可使FSNOx从每公斤燃料的0.144降低到0.048克的NOx。
改变氧对燃烧过程的作用的另一种方法是用EGR稀释混合气。在一个研究中，从排气歧管到压气机进口对一发动机EGR系统进行探测。由于该EGR是混合在后冷却器的上游，在该研究中，控制该后冷却器出口温度并使之固定，则EGR将对SOC处的温度没有明显的影响。在这个研究中，燃料流动速率和进气歧管温度保持恒定。随着EGR率的增加，排气歧管压力降低，这又转过来使该涡轮增压器的空气流率降低。燃料流动速率保持为常数，所以新鲜空气的当量比增加。尽管当量比增加，但SOC随EGR率增加而推迟，其直接原因可能是该EGR稀释的效果。如所希望的那样，SOC随EGR率增加而推迟。然而，当EGR率增加时，CO和HC排放也增加。此外，随着EGR率增加，各气缸之间的SOC分布增加。在一个相似的研究中，借助于调节IMT使SOC保持不变。当EGR率增加时，排气歧管压力降低，这又转过来使空气流率降低。燃料流动速率保持为常数，因此使当量比增加。另外，当EGR率从大约7％增加到13％的EGR时，则气缸对气缸的SOC变化存在一显著的上升。最终，当EGR率增加时，为了使SOC维持为常数，需要一更高的IMT。这个要求是因为增加的EGR对进气空气的稀释作用。
另一个用于改变空/燃混合气的自点火性来控制SOC和燃烧持续期的技术，是借助于例如提供具有不同的辛烷，甲烷或辛烷值的两种或多种燃料来改变充量的辛烷，甲烷或辛烷值。燃料供给在各燃料之间可进行可选择的切换，或者各种燃料可混合起来。这个技术可使燃烧过程推迟或提前。例如，一种可容易地自点火的燃料(低辛烷值或甲烷值，或高辛烷值的)可被控制与一种不容易自点火的燃料(或可用一种高温点火的燃料和一种低温点火的燃料)混合，从而可借助于改变在燃烧过程中存在于燃烧室中的各燃料的比例对点火正时和燃烧速率进行直接控制。如图34所示，丙烷，辛烷和庚烷对SOC具有明显不同的作用。借助于使用一燃料添加剂，例如一控制量的丙烷，乙烷或诸如发动机润滑油之类的其他碳氢化合物可获得相同的效果，即改变燃料的自点火性，从而使燃烧起燃推迟或提前。当然，任何改变燃料的辛烷值/甲烷值或燃料的活性能量的方法都可用来使燃烧推迟/提前。申请人已经确定：燃烧的起燃对辛烷值具有明显的敏感性。这个作用与进气歧管温度是不相关的。此外，在一个研究中，辛烷值从80增加到100燃烧起燃推迟大约7°。
在一多缸PCCI发动机中，获得在单个气缸中的燃烧期间的动力学控制是获得燃烧改善的关键。如上所述，由于许多气体/流体，例如燃料，臭氧，润滑油，水等等都对燃烧的SOC和/或燃烧率具有明显的影响，因此这些添加剂可有效地用来使一台按PCCI原理运行的多缸发动机的各气缸之间保持平衡。例如，借助于将一种液体或气体稀释剂，例如一种不起反应的燃料，水，未冷却的或冷却的废气产物，空气和/或氮，喷入进气空气中或直接喷入气缸内的充量中，可使SOC推迟。此外，借助于将例如一种更容易起反应的燃料，臭氧，润滑油和/或氧喷入充量中，可使SOC提前。图1b示出了一个使液体多缸发动机的各气缸之间的燃烧保持平衡的系统。该系统在发动机中采用燃料的气道喷射，某个气缸具体两种类型的供给装置-供给装置32用于喷射液体燃料，供给装置34用于喷射气体燃料。尽管供给装置32和34在图中示出是将燃料供给单个通道中，从而输送到进气道中，但该供给装置可包括在不同位置处连接到进气道上的各个分离通道。借助于液体燃料的蒸发热量，液体燃料可降低进气充量的温度。压缩冲程的TDC处的温度，也即SOC可借助于液体燃料相对气体燃料的量的变化控制。此外，它将不在乎液体是否在气道或压缩期间蒸发。气体燃料和液体燃料可以是处于不同状态的相同燃料，例如丙烷，或不同的燃料，例如天然气和液体汽油，象二氢吲哚之类。重要的是：气道喷射系统在各气缸之间具有良好的分离，并且后续(定时于进气过程)的喷射也可能是需要的。在运行期间，“熄火”的气缸将供给更多的汽油，而“过热”的气缸将供给更多的液体。这个方法可用来获得大约20度的温度差。一个供给装置供给的是一种润滑油或臭氧，其他供给装置供给的是一种具有高的抗点火性的燃料，例如高辛烷值燃料，从而借助于改变添加到混合气中润滑油或臭氧的量可有效地控制SOC。此外，利用发动机的润滑油供给装置，或利用在发动机运行期间由发动机产生的臭氧，可避免额外提供燃料/添加剂。
当量比申请人已经显示出可用于有效地控制该SOC和燃烧持续期或放热率的另一个控制变量是燃/空混合气的当量比Φ。当量比等于燃/空比被化学当量燃/空比除(如果Φ＜1，燃料不够，如果Φ＞1，则燃料过剩)。由于快速燃烧导致高的噪音，低的排放和高的峰值气缸压力，因此在PCCI发动机中燃烧速度需要降低。如果在点火处或附近，在整个空/燃充量中可获得不同的温度和/或当量比，则最终的燃烧率将可能降低，因此可较好地延长燃烧持续期。借助于增加流到气缸中燃料流而不需要相应的进气流增加或进气流降低就可使当量比增加。借助于降低流到气缸中的燃料流而不需要相应的进气流降低或进气流增加就可使当量比降低。输送到一气缸的燃料量的变化可借助于按公知的方式控制燃料控制阀39，41和/或喷射器35，36的运行来改变。空气流量的改变可利用例如可变地控制压气机24来改变增压压力来获得。
为了测试当量比的下极限，申请人对该发动机进行研究，以便确定是否可利用一种极低的稀薄混合气获得可接受的PCCI燃烧。结果说明：在一极低的稀薄当量比，即0.05时，可获得非常稳定的燃烧，同时获得大约30度的放热持续期。此外，如图35和36所示，各个结果显示出：当当量比增加，即空/燃混合气变浓时，燃烧起燃提前，显示放热持续期降低。如图37所示，申请人已经清楚地显示出气缸温度增加的地方表示放热过程。此外，参见图38，随着当量比降低，即空/燃混合气变稀薄，则显示放热持续期变长。此外，申请人已经显示出：对一台四冲程发动机来说，随着当量比变浓，峰值气缸压力和GIMEP都增加。对一台两冲程发动机来说，申请人已经确定随着当量比增加，GIMEP增加。
所进行的各种研究的目的是为了研究当量比对燃料在PCCI燃烧中燃烧的量的影响。各个结果显示出：当当量比变浓时，燃料能量的百分比随着显示放热的增加而首先增加，然后稳定于80％的水平。由于热传递的原因，这个数值永远不可能达到100％。对于排放来说，当当量比变浓时，燃料的单位碳氢化合物排放降低。此外，当当量比变浓时，平均噪音水平增加，并且GIMEP增加。当当量比变得更浓时，平均爆燃强度增加。随着当量比进一步变浓，当由GIMEP的变化系数(COV)量度时，循环对循环的燃烧变化通常下降。实际上，在研究的条件下，GIMEP的COV处于稳定燃烧的极限(在这种情况下定义为5％)之下，此处，在该极限之上的COV说明稳定性是不能接受的。
进行的研究确定：当量比的变化对PCCI燃烧的热效率具有影响。一当量比的研究是在与下列各参数配合的情况下进行的：速度，IMT，IMP，发动机润滑油温度及发动机水温。当空气流量为常数但增加流到发动机的燃料流量时，当量比增加。当燃料流增加并且当量比变浓时，总指示热效率先增加，然后处于稳定。随着燃料流增加，因为更多的燃料燃烧，因此发动机输出功增加。在稀薄当量比时，相当多的燃料量没有燃烧。在浓的当量比时，燃烧的燃料量的百分比稳定在如上所述的水平上，并且总指示热效率变得稳定，因为发动机输出的增加是由额外输入的燃料补偿的。
此外，一个发动机研究是以从压缩冲程的下死点到膨胀冲程的下死点运行的发动机循环进行的。进行该研究的发动机压缩比为14.5∶1，发动机转速为1200rpm，下死点的压缩温度为389K，下死点的压力是4.31bar，并且没有热传递。所用的燃料是丙烷。当量比改变，但所有其他参数不变。已经发现：当当量比下降0.15时，释放的能量百分数逐渐变小。这个数据说明对给定的温度和压力来说，完全燃烧的混合气的当量比存在一个下极限。此外，显示出：当当量比下降0.15时，FSCO排放非常高。这个数据说明：在该温度和压力用的这些低当量比处，只有少量的燃料完全燃烧。此外，随着当量比从0.05-0.4的变化，FSHC稍稍降低。因此，不管当量比如何，大部分燃料都发生反应。还显示出：随着当量比增加，SOC提前。该研究显示出：随着当量比增加，峰值气缸温度逐渐增加，表示释放的能量增加。随着当量比增加，峰值气缸压力增加，表示释放的能量增加。当当量比大于或等于0.18时，实际上所有的能量被释放，从而导致PCP随着当量比的增加而呈线性增加。
申请人已经确定：如果IMP和IMT足够低，以致于可防止超过峰值气缸压力极限，则尽管不必是理想的，但可能的是在非常浓的当量比，例如是5时仍可保持PCCI燃烧。要启动一台在这种浓当量比时为了使气缸压力保持较低而需要的低增压压力和IMT水平的发动机，这是困难的。非常提前的放热，严重的敲缸和粗暴的燃烧使发动机在这些条件下运行是很不理想的。用于使SOC推迟的低压缩比可对这些方面进行改进。
此外，借助于改变充量分层的水平，可改变温度和当量比分布，从而可控制燃烧速率和/或燃烧起燃。一辅助燃烧室可以是一个用来获得理想的分层的机构，因此对燃烧起燃过程可进行更好的控制。例如，可采用各种用在具有非直接喷射(IDI)的小型发动机和采用天然气的大型火花点火发动机上的典型的常规的辅助燃烧室设计。
为了使优化的PCCI燃烧能在理想的稀薄条件下进行，必须将实质性空气流提供给进气歧管。一个涡轮增压器可为一多缸PCCI发动机提供所需要的空气流。申请人的原始目标是使当量比达到0.4或更稀薄。参见图39，申请人已经显示出在比0.29的当量比更稀薄的条件下运行可能会不符合可获得的涡轮增压器的压缩比极限的要求。申请人确定：在稀薄当量比时，透平的压力比是非常高的。因此，排气歧管压力非常高，从而需要大的BSFC代价。由于PCCI燃烧产生相对较冷的排气温度，故需要非常小的透平壳体，这会导致高的排气歧管压力。
申请人已经确定：在比原始目标稍稍稀薄一点的条件下运行是较理想的。如图40所示，在当量比小于0.4时，用一小的透平壳体来降低压缩比和排气歧管压力比，但需要付出高的BSFC代价。图41和42表示更高的PMEP损失，同时带有更小的透平壳体和更高的BSFC。此外，利用更小的透平壳体，则转子速度将高许多，实际上接近转子速度极限，如图43所示(转子速度极限范围为120-125Krpm)。申请人发现：对所使用的透平大小来说，由于因高背压和达到转子的速度极限而产生的损失，存在一个低极限。
为了回避高背压并且转子速度限制空气流的问题，一种可能的解决方案是用一机械驱动的增压器和一涡轮增压器结合。该增压器设置于压气机的上游，所以透平承受较小的用于产生增压压力的负荷。因该增压器吸收轴功，因此一些BSFC代价应该付出；然而，这个BSFC代价比非常小的透平付出的非常高的代价下一些。由于增压器是从轴上机械地驱动的，因此获得理想的空气流没有任何困难。然后，透平的尺寸可做得更大，并且不会接近极限速度也不会具有极高的背压。
申请人还已经确定出发动机速度对SOC的作用。自点火的时间依耐于温度和压力变化过程。借助于改变发动机转速，这些过程改变。借助于使发动机速度降低可使燃烧过程提前，借助于使发动机速度上升可使燃烧过程推迟。具体地说，发动机速度增加75％，即从1000增加到1750，将导致燃烧起燃压力增加1.5％，燃烧起燃温度增加2.8％。此外，发动机速度增加75％将使放热率持续期降低0.81ms(只降低2 3％)，这对应于放热持续期增加1.7度曲柄转角(只增加8％)。如果发动机速度对SOC和放热的影响是最小的，并且在许多实际发动机应用中不能有效地改变发动机速度，则发动机速度不能作为一个可有效地控制燃烧的变量。然而，发动机速度可用来提供对燃烧过程进行某种程度的控制的一个示例是用在发动机驱动一个发电机或交流发电机的应用场合中。
如上所述，前述各变量用来控制SOC和燃烧持续期，以便获得优化的PCCI燃烧。高效且优化的燃烧的一个关键效果是降低排放。申请人已经显示出：一PCCI发动机可获得远比申请人曾经说明的并使用柴油和天然气的发动机的任何其他NOx排放更好的NOx排放水平。并且远低于图44所示的更进一步的排放标准。
申请人还已经确定了各控制变量和其他因素对一PCCI发动机的排放的作用。发动机速度对NOx排放量几乎不存在作用。尽管发动机速度增加75％使FSNOx增加三倍，但产生的NOx排放水平仍然是极低的。此外，当当量比变浓时，通常燃料的单位NOx增加，但仍然保持在极低的水平。参见图45，申请人已经确定发动机速度似乎对FSCO和FSHC排放的影响更明显。如图所示，在某一临界速度之下，实质上所有的燃料都燃烧，因此FSCO和FSHC都很低。刚刚高于该临界速度，燃料部分燃烧，导致高的FSCO排放。当发动机速度继续增加，燃料燃烧的百分比继续降低，导致FSCO排放更低。这些排放也随BDC处的温度变化而变化。参见图46，在非常低的温度时，极少的燃料燃烧，从而导致高的FSHC排放。由于在这样低的温度下没有燃料燃烧，因此没有一氧化碳产生。当温度增加时，一更高百分比的燃料进行燃烧，这就会导致增加一氧化碳和FSHC的形成。最终，在高于某一临界温度时，所有燃料完全燃烧，从而导致极低的FSHC和FSCO。实质上，如图4 7所示，申请人已经显示出：所有燃烧火焰端部温度高于1600K的数据点都具有可接受的CO排放。已经显示出高温和氢氧根(OH)对CO的理想氧化是很关键的。重要的是，当当量比变浓时，燃料的单位CO降低，而废气中的CO2浓度增加。在一个研究中，在当量比＜0.2的情况下测取的所有数据点的CO排放都好于EPA(环境保护局)的CO极限。
当当量比变得更浓时，燃料的单位HC排放降低。很清楚，由于降低未燃烧碳氢化合物对一PCCI发动机的商业可靠性是关键，因此对一PCCI发动机来说，降低未燃烧的碳氢化合物(UHC)是关注的焦点。申请人已经确定：UHC和CO是在形成燃烧室的各部件之间的小间隙处形成的，例如在活塞和气缸套之间活塞的顶环上的间隙中；在气缸头和气缸套之间的间隙中；和在安装在气缸头中的各部件周围的间隙中形成的。各间隙阻止处于其中的混合气体积达到为了使HC燃烧并使CO氧化所需要的足够高的温度。例如，申请人已经显示出具有不同间隙体积的相似活塞具有不同的UHC水平。申请人的研究已经显示出对一PCCI发动机来说降低活塞顶环上的间隙可降低HC和CO排放。对具有相同的压缩比并且几何形状实质上相同的两个活塞来说，具有更接近活塞顶部的环的活塞具有明显低的HC和CO排放。具体地说，申请人的研究表明：活塞顶环上的间隙从余隙容积的5.6％降低到余隙容积的1.6％时，FSHC降低大约2 5％，而FSCO排放降低大约4 0％。
在PCCI发动机中排放降低的原因与一火花点火发动机中排放降低的理由是不同的。在一火花点火发动机中，火焰前锋不能传播到一小的间隙中。因此，在一火花点火发动机中，在小间隙中的燃料不能燃烧。在一PCCI发动机中，在该间隙中燃料太冷以致于不能点火。此外，由于在一PCCI发动机中，气团温度是低的，则在膨胀冲程期间从该间隙中逸出的燃料与该冷的气团相遇。因此，原来处于间隙中燃料几乎不可能达到高到足以产生自点火或完全燃烧的温度。因此，HC和CO排放保持较高。所以，使间隙体积最小的一燃烧室几何形状是极为理想的。
本发明的PCCI发动机可包括几种使UHC最小的设计的一种。使间隙最小的各个设计导致低的间隙体积；使燃料远离存在的任何间隙；或使间隙体积中的混合气进行合适的燃烧。图48a和48b所述的各种设计最容易在一带气口的两冲程发动机中实施。参见图48a，在一个实施例中，尽管也可使用分体系统，但其中发动机具有一整体气缸头和气缸套300。正好在活塞顶环302上(在TDC处)，气缸孔304增大，以便消除活塞308顶岸306周围的间隙。由于气缸头是整体的，没有气阀和气垫等，因此在气缸头中没有间隙。
参见图48b，使间隙最小的设计的一第二实施例同样包括一整体气缸套和气缸套310。然而，在该实施例中，活塞312具有一个构成活塞顶岸的主动切除部分314，从而加大该顶岸和气缸套之间的间隙体积316。此时，该间隙是如此地大以致于它在该区域不再使燃烧熄火，从而允许在该体积中的燃料燃烧，故导致UHC降低。图49示出了另一个实施例，其包括一个形成于发动机气缸头322中的杯形体或燃烧室320。该喷油器324设置得使燃料在压缩冲程早期直接喷入该杯形体320中。由于空气被推入该杯形体320中，因此燃料不会从该杯形体中排出。当压缩点火发生后，燃烧产物可通过该杯形体320和主气缸328之间的相当大的通道或节流口326。由于进入该杯形体的空气的扰流作用，扰流燃料与空气形成良好的混合。由于在该杯形体中没有间隙，并且由于直到燃烧结束后燃料才会离开该杯形体，因此UHC极低。该杯形体上可容易地涂覆一种隔热涂料以便降低热损失。
图50a和50b示出了用于一四冲程发动机的一杯形设计。进排气阀330绕一气缸头334中的一杯形体332设置。如图50a所示，该杯形体332可直接设置在燃烧室336上，或如图50b所示，可偏离开，从而使各气阀330具有更多的可用空间。另一种可能性是在该杯形体中包括一小的辅助阀，以便使燃烧产物更有效地排出该杯形体。这个阀可在主排气阀开启之后开启，所以杯形体中的该辅助排气阀不会克服一高压开启。在这种情况下，辅助排气阀可以是电动的。这个阀的开闭正时可用来改变残余废气质量组分，这就允许利用该辅助阀对SOC进行控制。此外，如上所述，借助于取消气缸头和相关的间隙，可用一对置活塞发动机来大大降低间隙体积。
现在参见图1a，其中公开了本发明用于降低排放的另一个实施例。具体地说，这个实施例借助于加热气缸套49的上部使间隙中的充量氧化来控制UHC和CO。一加热器51设置在该气缸套的上部中。该加热器可以是能有效地产生热量的任何形式的加热器，例如一电阻加热器。当活塞接近TDC时，该加热器加热活塞顶环上的间隙中的气体。这个加热将使气体密度变小，从而导致更小的充量组分留在该间隙中。由于加热的原因，离开该间隙的充量是高温的，从而增加了充量产生反应并形成CO2而不是CO和UHC的倾向。
此外，可用一电热塞来加热燃烧气体，从而借助于使大部分间隙体积内的气体燃烧来降低排放。申请人已经确定电热塞对SOC只存在1轻微的影响。由于在电热塞接通时SOC只存在轻微的变化，因此似乎电热塞不会触发燃烧。更可能的是，当处于一隔板中的电热塞接通时，它逐渐加热间隙中的气体。这个温度增加足以加速快速燃烧开始，并且可使比没有电热塞已经燃烧的燃料更多的燃料燃烧，从而导致GIMEP稍稍增加。
如图1a和1b所示，本发明的发动机还可作为一多方式的发动机运行，种种发动机根据运行工况或特定用途的要求改变运行方式。例如，该发动机可按只作为一常规柴油机的柴油方式运行，作为一种使柴油在压缩冲程早期喷入的改进型柴油机方式而不是常规的柴油机方式运行，作为一种用火花塞56(图1a)点火的火花点火发动机方式运行或作为一PCCI发动机方式运行。这种类型的火花点火/压缩点火DI(直接喷射)的可变压缩比发动机提供了一种综合性能，即排放低，功率密度高并且容易启动。
根据发动机的当前运行工况/需要的要求，该发动机可在下列不同的方式下运行。
1)，中等压缩比(10∶1)，提早喷射(燃料在进气冲程期间或在压缩冲程的最早期进行喷射)，混合气近似均匀：a)，整体上是稀薄的混合气，火花点火--允许低的NOx，高的制动平均有效压力(BMEP)运行，以及中等的BMEP运行。
b)，化学当量比的混合气，火花点火--允许高的NOx和高的BMEP瞬态运行，以及用一个三元催化剂进行低的NOx运行。
2)，高压缩比(约15∶1)，提早喷射，混合气近似均匀，极稀薄(Φ＜0.5)，压缩点火--允许以极低的NOx，中等的BMEP和低的BMEP运行。
3)，高压缩比(约15∶1)，推迟喷射，进气充量分层：a)，火花点火--允许中等的NOx，中等的BMEP且未节流的运行，和低的BMEP运行。
b)，压缩点火--允许中等的NOx，中等的和低的BMEP且未节流的运行。
4)，低压缩比(约8∶1)提早点火，混合气近似均匀，火花点火：
a)，稀薄燃烧--允许极高的BMEP运行。
b)，化学当量比的燃烧--允许极高的BMEP运行。
5)，中等压缩比(约10∶1)，推迟喷射，进气充量分层，火花点火--允许中等NOx，中等和低的BMEP，和高的BMEP运行。
6)，极高的压缩比(约20∶1)，稀薄燃烧，提早喷射，混合气近似均匀，压缩点火--允许发动机按PCCI方式启动。
此处的关键是充分利用可变压缩比。发动机的启动在低压缩比时可用火花点火获得，然后过渡高压缩比，稀薄的PCCI运行以便极低NOx。对于不很恶劣(例如不是很冷)的工况来说，发动机可直接利用极高的压缩比的PCCI运行方式启动。在低和中等负荷时，当压缩比调节到保持燃烧的起燃处于优化的曲柄转角附近时，发动机可按PCCI方式运行。对于高负荷的要求来说，空/燃比可被加浓，压缩比降低，并且发动机可采用火花点火。为了控制突变，发动机可按推迟喷射方式之一运行，此时可采用浓的空/燃比而对发动机不会有损害。
在一多方式发动机中，ECU20(图1)的控制战略是为了控制发动机的各个被控特征，从而使发动机可有效地在不同的方式之间转换和运行，以便实现不同的目的。例如，多方式发动机可在PCCI方式下获得低的NOx排放，同时借助于提供高压缩比或火花点火可加强燃烧稳定性。此外，借助于转换到一低压缩比火花点火方式，该发动机在该BMEP时可获得一高的气缸压力。该多方式发动机也可允许稳定燃烧发生在转换到推迟喷射的方式之后，这就可借助于迅速调节压缩比来导致产生一进气充量分层。此外，采用高的压缩，不需要节流并具有优良的热效率的PCCI运行和进气充量分层可有效地控制燃料消耗量。借助于使发动机从PCCI到推迟喷射，使充量分层从而使混合气突然变浓，这个运行也可改善瞬态响应。借助于在稀薄PCCI或充量分层或低压缩比，稀薄燃烧或化学当量比条件下的有效运行，该多方式发动机也可有效地使爆燃敲缸和敲缸损坏达到最小。当然，在PCCI运行期间，借助于改变例如如上所述的温度和/或当量比和/或压力和/或空/燃混合气的自点火性，发动机运行可有效地控制燃烧起燃。这种发动机可用不同的燃料，例如汽油或柴油工作。
另一种运行方式是双喷射方式，其中一提早喷射用于产生PCCI运行所需要的一稀薄充量。然后一个第二的，推迟喷射添加少量可用火花点火或进行压缩点火从而帮助剩余的燃料进行点火的分层燃料。这种方式类似于柴油导引运行方式，但它只在不同的运行方式之间的过渡期间或在发动机启动期间才使用。申请人已经研究了柴油导引运行方式对排放的影响。图5 1显示出喷入一台用丙烷工作的PCCI发动机中的三种不同的柴油导引喷射量的规范化放热率与曲柄转角的对比曲线。一0.1％的微-导引喷射导致良好的放热率位移，同时FSNOx的增加是测量不到的。估计提供燃料能量的3.6％的柴油导引量导致放热曲线与前述曲线具有实质上相同的形状。该SOC比0.1％的稍稍更提前一点，但IMT更低，而当量比为常数。此外，在0.1％的情况下，FSNOx排放从0增加到3.9g/kg。最后的曲线表示燃料能量的18％来源于柴油导引的情况的放热曲线。该放热率曲线的形状与带有一预混合燃烧脉冲和一扩散燃烧区域的古典柴油放热率曲线相同。此外，与具有更小的柴油导引的情况相比，这种情况的FSNOx(15.3g/kg)和FSHC(478g/kg)都明显更高。
对于柴油导引喷射来说，随着从导引中来的燃料能量百分比的增加，燃烧起燃(SOC)提前越多，尽管IMT降低而当量比为常数。这个提早的SOC是因为柴油自点火早于丙烷。随着导引百分比的增加，则在压缩冲程期间由该导引量释放的热量增加，从而导致在循环早期具有更高的温度。更高的温度可使丙烷的化学反应速率增加，从而导致丙烷产生更早的自点火。因此，当使用一极少量的柴油导引或微量导引，最好少于总热量能量的4％时，可获得极低的NOx水平和良好的放热位移。
申请人还已经研究了与PCCI燃烧相关的噪音控制。由PCCI燃烧产生的噪音的水平与爆燃强度相关。因此，随着爆燃强度降低，噪音也降低。如图4a，4c和6所示例如借助于使SOC推迟来降低气缸压力可实质性地降低爆燃强度，因此降低噪音。本发明的发动机和控制系统借助于避免过高的峰值气缸压力可允许连续的PCCI燃烧而噪音最小，同时为了产生高效低排放的PCCI燃烧及理想的功率输出，使气缸压力保持在所需要的大小上。
本发明的控制系统可主动地并且可变化地运行，从而控制混合气的温度，压力，自点火性和当量比，以便确保燃烧过程发生在上死点前20度曲柄转角和上死点后35度曲柄转角之间。该控制系统利用燃烧传感器16，例如压力传感器来检测燃烧起燃的信号或每个气缸放热过程的位置的信号来完成这种控制功能。此外，从传感器16处接受信号的ECU20确定该SOC是否发生在预定的角度范围内，并确定燃烧持续期是否存在于预定的理想角度范围内。ECU用来确定优化的SOC的一种常规方法是利用一个可查阅的表。如果SOC和/或燃烧持续期处于预定的角度范围之外，然后ECU20确定要调节的合适控制变量或各控制变量，并产生和输送合适的信号22给选择的控制机构或各控制机构，例如如上所述的空气冷却器28，加热器30，电热塞44，燃料控制阀39，41，可变压缩比装置38等等。当需要使PCCI燃烧起燃的正时最好保持在上死点前20度曲柄转角和上死点后10度曲柄转角的范围内，且燃烧持续期最好保持在5-30度曲柄转角范围内时，这些控制变量变化。
申请人已经确定：在一冷的发动机中在启动时，为了触发并维持PCCI燃烧，必须主动地影响缸内的各个条件，例如温度和/或压力。例如，可用加热器30和/或电热塞44，和/或用缸壁加热器51进行缸壁加热和/或一发动机冷却剂/润滑油加热器来使进气温度上升。此外，也可用可变压缩比装置38使缸内温度和压力增加。用于改善启动性的另一个有效控制特征是用喷射器42将少量的臭氧添加在提供的进气空气中，或用喷射器40喷入气缸中。替换地或另外地，提供的燃料之一具有高的自点火性，即低辛烷值。此外，在发动机启动期间，发动机也可不按PCCI方式运行，例如按火花点火方式，双燃料方式或柴油机方式运行。根据上述原理，对每个控制特征来说，这些控制的一个或组合都是变化的，从而可使PCCI燃烧发生。当发动机启动时，在发动机整个运行过程中，借助于从传感器16中接收燃烧数据，例如压力信号，ECU将对燃烧的起燃和燃烧的持续期进行跟踪。
一旦发动机加热后，由于PCCI燃烧对温度和压力变化过程的敏感性，燃烧的SOC和持续期将改变。影响温度和压力变化过程的许多因素的少量变化，例如燃烧室壁温，IMT，当量比，IMP等等都会导致明显改变燃烧的SOC和持续期。在运行期间，利用上述的各种控制机构，按使燃烧的SOC和持续期保持在理想的范围内的方式，本发明的控制系统可改变一个或多个控制变量，即温度，压力，空/燃混合气的自点火性和/或当量比。例如，申请人已经显示出：如图8所示，借助于使IMT从184°F增加到195°F，SOC可从上死点后5°提前到上死点前0.5°。申请人还已经显示出增加使缸内温度上升的压缩比CR可使SOC提前。例如图21表示当当量比为0.35且IMT为380K时，压缩比从14∶1增加到22∶1可使SOC从上死点后2°提前到上死点前13°。此外，申请人还已经显示出增加RMF可使充量温度上升，也可用来使SOC提前。当借助于将排气阀间隙从0.025”调节到0.046”而增加RMF时，如图16所示，SOC可从上死点后6.4°提前到上死点后1.7°。无论是从主动加热元件或者是诸如燃烧室壁之类的热表面传递给充量的热量也已经显示出可以使SOC提前。申请人还已经显示出：如图11所示，利用一个安装在燃烧室中的电热塞，当使其断电后，SOC从上死点后0.6°推迟到上死点后1.5°。如图9所示，申请人已经确定：燃烧室壁温从400K增加到933K可使SOC从上死点后7°提前到上死点前14°。
对于压力控制来说，增加IMP可用于使SOC提前。例如图31c示出了在一单个发动机中，IMP从52psia(磅/英寸2)增加到57psia可使SOC从上死点后3.7°提前到上死点前1.5°。任何影响气缸压力的方法，例如改变压缩比或改变气阀正时(这两者都在上面示出了)的方法都可用来控制SOC。
对于当量比来说，如图38所示，申请人已经确定：借助于增加流到发动机中的燃料流量使当量比从0.30增加到0.33可使SOC从上死点后5.5°提前到上死点后2.0°。此外，借助于添加反应组分或者借助于稀释来改变空/燃混合气的自点火性也可影响SOC。申请人已经显示出：对图3 3所示的情况来说，添加到充量中臭氧量从燃料量0增加到36g/kg具有使SOC从上死点后1°提前到上死点前12.5°的效果。在一个将柴油用在一导引喷射以便触发一种空气-丙烷混合气的SOC的研究中，所用的导引量对SOC存在影响。例如，当导引量从总燃料能量的大约0.1％增加到18％时，SOC从上死点后2°提前到上死点前10°。在一个研究中，EGR用作一稀释剂使SOC推迟，同时利用一后冷却器使IMT保持为常数。如图17所示，当EGR率从2.9％增加到8.0％时，SOC从上死点后1.2°推迟到上死点后4.2°。上申请人已经显示出：例如借助于增加辛烷值来增加空/燃混合气的自点火阻力可用来使SOC推迟。此外，申请人已经显示出：当辛烷值从80增加到100时，对IMT脉冲再热温度为311K的情况来说，SOC从上死点前14°推迟到上死点前7°。
当然，如果需要，这些控制变量的任一个都可沿与上述示例中相反的反向进行调节，从而获得对SOC相反的效果。例如，不采用使IMT增加来使SOC提前，而采用使IMT降低来使SOC推迟。此外，随着为了保持理想的SOC的需要，这些变量的变化大小也可增加或减小。
申请人已经显示出：借助于改变不同的参数可影响燃烧或放热持续期。随着SOC推迟，放热持续期增加。例如，图8示出了：随着借助于使IMT从195°F降低到184°F而使SOC推迟，放热持续期从大约6度增加到大约24度。相似地，当量比增加会使放热持续期降低。申请人还相信温度增加及充量的当量比分层将使放热持续期增加。然而，如果温度测量或当量比分层测量都很困难，则需要做更多的工作来确定分层程度的数量值。
当然，如果SOC和放热持续期之间的关系确定了，则任何使SOC推迟的控制战略也都会使持续期增加。借助于使SOC和燃烧持续期保持在理想的范围内，同时控制当量比以便保证达到稀薄燃烧的条件，该控制系统可使NOx排放最小。此外，该发动机设计借助于使气缸中的各个间隙最小化也可降低UHC和CO，从而如图48a-50b所示使未燃烧气体最小。
在运行期间，借助于改变如上所述的用于控制SOC的任何控制变量可实现图1b所示发动机的各气缸之间的燃烧过程平衡。ECU20将由每个气缸用的传感器16提供的SOC和燃烧持续期数据进行比较。当该数据表明一个或多个气缸的SOC和/或燃烧持续期发生在预定角度之外时，该ECU将确定对给定的工况最有效的合适控制变量或各控制变量，并产生一个控制该控制变量的信号，从而对该SOC和/或燃烧持续期进行调节，以致于使它们处于理想的范围内。申请人已经确定气缸平衡最好可由下列方法获得：即控制当量比，将臭氧添加到混合气中，控制与每个气缸进气道相关的各个独立的加热器，用装置38改变压缩比或改变气阀定时，通过导引喷射或气道燃料喷射添加润滑油，气道喷射水和/或上述任何其他的用于改变EGR或RME的方法。这些方法的任一个或其他形式的燃烧控制都可单独使用，或几乎起来使用，从而加强燃烧平衡控制。例如，由如上所述的多燃料/添加剂系统提供的燃烧控制可借助于提供可变阀控制和/或燃烧室表面温度冷却，即发动机冷却剂控制，或活塞冷却喷嘴控制来加强。此外，一个或多个电热塞44(图1a)可用作一种对各气缸之间燃烧平衡进行至少部分控制的便宜且容易的方法。为了使燃烧质量保持平衡，也可控制每个气缸的EGR率。
图58示出了本发明的另一个实施例，该实施例采用一个泵气缸129来提高一压缩点火发动机的热效率。这个实施例作为一PCCI发动机工作得特别好。空气或空燃混合气进入动力气缸130的进气分两级进行。第一级进气是通过舌形阀或各阀132以近似于大气压的压力进行的。第二级进气是通过热交换器134并且以一个更高的压力进行的。该泵气缸129允许通过热交换器134进行近似等容热交换。该泵气缸129以一低的温度和压力运行，因此它可双向起作用。该泵活塞可由曲轴直接或间接地驱动。此外，由于泵气缸129处于低温低压，因此它可由便宜且重量轻的材料制成。此外，泵气缸的容积效率因该泵气缸129中的温度很低是非常高的。热交换器从一侧接收进气空气的新鲜充量，从另一侧接收发动机冷却剂或润滑油。绕热交换器134设置的一旁通阀136可用来在进气阀关闭时控制该充量的温度，因此控制一PCCI发动机的燃烧起燃(SOC)。请注意流过透平138的质量流量比流过压气机140的质量流量大。这将使与PCCI发动机相关的空气处理的要求最小。
图59a-59e示出了图58所示带有六个动力气缸130的发动机的活塞运动。尽管图中示出了六个动力气缸和一个泵气缸，但可采用更多或更少的动力气缸与一个泵气缸。这就要求用Miller循环(进气阀早关)并通过热交换器来获得一近似等容附加加热。由于膨胀比大于有效压缩比，因此Miller循环可改善热效率。这就假定泵气缸129与其他气缸具有相同的行程。
从图59a-59e可知，活塞的各个运动允许采用用于一四冲程发动机的常用循环布置。如果不采用近似等容热交换，对相同的温度来说，在进气阀关闭时，进入的充量的质量可能更小。由于更多的质量进来了，则对相同的当量比来说，GIMEP将更高。由于该泵气缸的双向活塞两端的压差近似为0，因此该泵气缸129实质上不工作。
为了获得高的GIMEP水平，现代的柴油机采用涡轮增压。也可以采用增压器。然而，一涡轮增压器的综合效率只有大约50％。
η总＝η压缩机×η轴×η涡轮≌0.7×0.95×0.7
η总≌47％相似地，一常规增压器的综合效率为大约50％。
η总＝η机械×η压缩机≌0.9×0.6≌54％此外，增压器的功率最终来源于发动机，该发动机的机械效率为85％。采用音速效应的增压器具有更高的综合效率。
因此，需要具有高的GIMEP和高的热效率之间存在一个矛盾。驱动一涡轮增压器需要高的排气温度和压力。但高的排气温度和压力说明许多废气能量没有释放出来。这些废气能量没有被涡轮增压器充分利用。此外，高的排气歧管压力对一个恒定的进气压力来说降低了BMEP。相似地，驱动一增压器将降低轴功，因为增压器最终要由发动机驱动。对利用音速效应的增压器来说，这种情况可能不是真的。
如果可降低一内燃机需要的空气量，则综合效率可改善。这可借助于使一发动机在当量比＜0.5，和EGR为50％的情况下运行来实现。
火花点火的发动机，柴油机和PCCI发动机可按这种方式运行。尽管作为示例给出了EGR为50％，当量比为0.5，但也可采用其他数值。如图60所示，尽管了采用其他组合，但该实施例包括一台具有八个动力气缸J和一个双向作用的泵气缸G的发动机。该发动机还包括一个涡轮增压器T，但也可同样包括一增压器。
该泵气缸G是双向作用的，并且由曲轴直接或间接驱动。由于该泵气缸常用相当第的温度和压力下，因此它可由便宜且重量轻的材料制成。此外，由于泵活塞两端的压差很小，故需要驱动它的功也小。
需要两个排气阀来实施这样的循环。图61表示一个气缸的气阀动作过程。一个排气阀用于排出用作EGR的废气。另一个用于将废气喷入排气歧管。
图62a-62e表示该实施例的发动机中的各活塞的运动。新鲜空气与EGR的良好混合对大部分应用场合都是重要的。降低流过压气机的质量流量对PCCI发动机是特别重要的，因为这些发动机在非常稀薄且排气温度很低的情况下运行。如从图62a-62e所看出的那样，每个气缸利用大约50％的EGR工作。因此每人气缸必须在稀薄的化学当量比下运行，以便具有足够的氧可获得用来消耗所有的燃料。如果在一短的时期内需要高的GIMEP，可开启气阀F，关闭气阀D(参见图60)，并开启气阀B。如上所述也可采用可变气阀正时来影响EGR率。
在图60中，热交换器E可用来与调节充量温度的阀K结合。单向阀或舌形阀C可防止新鲜空气流到废气中。泵气缸G设置有合适的进气阀H和排气阀I。热交换器E可以是一个充量空气冷却器，或替换地，可使用发动机冷却剂或润滑油作为流过该热交换器的第二流体。该发动机设计，如果需要可用于一稀薄燃烧SI发动机。请注意由于使用50％的EGR，则少于50％的空气流过该压气机。这就导致了与常规的发动机布置相比需要更少的功率来驱动该压气机。采用50％的EGR也可降低这种发动机布置的一柴油或SI方式的NOx排放。
泵气缸G不必与动力气缸具有相同大小的缸孔。借助于改变泵气缸的缸孔或由该泵气缸服务的动力气缸的数量，这种布置的发动机可采用Miller循环，并且可导致更高的热效率。此外，泵气缸进气阀H某种程度的重叠是必要的。此外，在压气机出口需要设置一歧管。
图60所示的实施例所述的发动机循环的一个新颖的特征是：不管各自的压力如何，各活塞都迫使EGR和新鲜进气混合在一起。在一常规发动机中，如果进气压力高于排气压力，产生EGR是困难的。对图60所述循环，不管进排气压力如何，各活塞都移动一相同的体积。活塞移动相同体积的EGR和新鲜进气将导致动力气缸的容积效率比常规发动机的更高。因此，与常规的发动机相比，更多的质量进入动力气缸。其作用是提高了图60所述发动机循环的GIMEP能力。
申请人的研究显示出：以没有EGR进行运行的PCCI发动机的NOx排放在当量比增加到高于大约0.55时急剧增加。采用大量的EGR-对图60所述的发动机循环这是可能的-可降低运行在当量比大于0.5的的条件下的PCCI发动机的NOx排放。
图60所示的发动机循环的另一个新颖的特征是：对一给定的进气压力来说，零部件的布置可允许具有比常规发动机布置的排气压力更低的排气压力。这就可使该循环在进排气冲程期间具有更低的“泵气损失”，从而导致比常规发动机更高的BMEP。
图60所示循环的另一个优点可在发动机按Miller循环运行时实现。如果热交换器用于将热量从发动机润滑油，冷却剂，或废气中传递给新鲜进气，则可改善热效率。此外，对一PCCI发动机来说，峰值气缸压力因在IVC处温度的增加而降低。在IVC处这个增加的压力可允许使用一低压缩比，并且仍可在理想的曲柄转角处获得自点火。低的压缩比导致低的峰值气缸压力，并且用来压缩气缸内充量所需的功更少。此外，不管充量的温度如何，采用活塞使EGR和新鲜进气移动实质上是使相同的质量流入动力气缸。在一台常规发动机中，如果进气温度增加，进入的新鲜充量的质量成比例地降低。因此，对常规发动机来说，加热进气充量可降低功率密度。由于在这种情况下可采用Miller循环，因此膨胀比大于压缩比。这就允许从充量中获得更多的功，因此提高热效率。
本发明的另一个实施例包括一个用于控制一PCCI发动机的燃烧起燃(SOC)的平衡器350。一平衡器相似于一活塞，并且典型地用在Stirling发动机中，用于使工作流体从冷的区域移动到热的区域。该平衡器的运行方式与1907年颁发给Ossian Ringbom的美国专利US856102中所公开的方式相似，该专利的全部内容结合在本文中作为参考。一个涉及该专利的有用参考是由James Senet(1993)，在ISBN0-19-507798-9上发表的Ringbom Stirling Engines(伦波姆.斯特林发动机)。
运行如下所述。图63显示出发动机活塞352和平衡器350在压缩冲程的下死点处的位置。该平衡器包括一个平衡器活塞354，一平衡器连杆356和一止动件358。该止动件358设置在气簧腔360中，该腔360的作用是作为一个处于压力PS的气簧。在下死点附近，PCYL＞PS并且在这个位置作用在该平衡器上的净作用力FNET＝PCYLAR-PSAS，此处，AS是止动件358的面积，AR是平衡器连杆356的面积，PCYL是气缸362中的压力。由于在该点处，PCYLAR＜PSAS，因此作用在平衡器上的净作用力在图63中是朝上的。请注意为了便于分析，摩擦力忽略不计。因此平衡器350被推压到其冲程的顶端或附近。一电热塞264和/或加热器266在它们附近对气体进行加热。平衡器350的形状设计得便于装纳该电热塞。处于加热器和电热塞附近的气体主要是从上一个循环残留下来的残余废气，而主气缸内充满的是一种新鲜充量。在压缩冲程的TDC处或附近，PCYLAR＞PSAS，并且平衡器被迫非常迅速地朝下将新鲜充量从平衡器下面移过加热器并移动到电热塞附近的热的区域中，如图64所示。也即，当平衡器连杆356的止动件358的顶部暴露在PS(气簧压力)中时，假定摩擦力忽略不计，则作用在平衡器350上的净作用力是FNET＝PCYLAR-PSAS。由于PCYLAR＞PSAS，则作用在平衡器上的净作用力朝下。由于PCYLAR＞PSAS，则平衡器在其开始运动后更迅速地加速向下运动。平衡器向下运动之前，新鲜充量的温度低于自点火所要求的温度。当平衡器朝下运动之后，新鲜充量被加热器，电热塞和热的气体及加热器和电热塞附近的金属加热。该新鲜充量被加热到在一合适的时间内足以产生自点火。新鲜充量的自点火使气缸内的温度和压力上升，并且燃料能量迅速释放。
在燃料能量释放后或的同时，发动机活塞352朝下向下死点运动。在排气阀开启后或之前一短时间内，PCYLAD＜PSAR，因此平衡器被迫迅速向上到达冲程的顶端，此时AD表示平衡器活塞354的面积。由于PCYLAD＜PSAR，混频器在整个排气冲程和进气冲程中都将处于其冲程的顶端。电热塞和加热器附近的气体和表面将被加热，从而可使循环再一次开始。
当需要使SOC保持在理想的位置时，包含气簧的腔室360内的压力可由控制器控制改变。由加热器和/或电热塞提供的热量也可由控制器控制。该控制器包括确定SOC的某些装置。该控制器还包括检测平衡器位置的某些装置。利用合适的设计，有可能使SOC明显处于上死点后。如申请人的研究已经显示出的那样，对PCCI发动机来说，这样的措施将增加燃烧持续期。一个推迟的SOC和延伸的燃烧持续期将降低峰值气缸压力，这是所希望的。该实施例的发动机可以是一台按PCCI方式运行的内燃机。
申请人已经说明了稳定的PCCI运行。然而，在某些情况下，使发动机按一种不稳定的方式运行是理想的或必要的。第一，在一稳定的工况下，增加IMT使SOC提前。如果使用以一个从图53所示的累计放热曲线(根据气缸压力得出)导出的SOC信号为基础的闭路循环IMT控制，则申请人也可使该发动机在不是固有的稳定状态工况下运行。请注意：当SOC在上死点前很早开始时，如所希望的那样，降低IMT可使SOC推迟。然而，当SOC大于TDC时，则IMT曲线基于一正的斜率。这就意味着为了使燃烧更多地推迟需要更高的IMT。然而，在任何稳定工况下，IMT的增加都会引起燃烧提前，从而导致不稳定燃烧。请注意：最大的GIMEP发生在发动机从稳定运行向不稳定运行的过渡点处。因此，有时在不稳定的区域运行是所希望的。
例如，我们希望对某些运行来说，最佳的正时是处于不稳定的区域内。在许多工况下，最佳点非常接近该个不稳定区域，当发动机负荷和速度变化时，漂移到该个不稳定区域将是需要的。
采用不稳定性能的理由解析如下：-如早先讨论的那样，增加IMT使SOC提前而降低IMT使SOC推迟-当SOC推迟时，热传递降低。这一结果的部分原因是更多的推迟放热本身的移动，部分原因是(对相当推迟的情况)燃料燃烧的百分比降低。降低的热传递将导致更低的使SOC推迟的壁温。
-对于推迟的正时来说，低的壁温的作用是如此强烈，以致于稳定状态推迟的各工况随着SOC推迟要求更高的IMT，但对任何稳定状态的工况来说，增加IMT将使SOC提前。因此这是一个不稳定工况。
请注意：稳定状态和可稳定的两者之间的差别。在这种情况下，稳定状态是指使SOC移动的所有力是平衡的，因此SOC不移动。可稳定的是指这些力中的一个的微扰动将SOC推回到其原始值。不稳定是指微扰动将使SOC移动远离其原始值。
工业实用性本发明的PCCI发动机和控制系统可用在任何固定的或不固定的发动机中，包括汽车用，工业用，船舶用或军用发动机中。本发明的PCCI发动机和控制系统在希望具有低排放的任何产生动力的使用场合中都是特别有利的。