CN101529067B - 发动机及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于操作发动机(10)的方法。该发动机包括具有燃烧室(1)的壳体(12)，布置在燃烧室附近的活塞(14)，连接到活塞的曲轴(60)，与燃烧室相关联的进气阀(80)，和与燃烧室相关联的排气阀(92)。该方法还包括：在活塞的做功冲程(126)开始之后打开进气阀，和在排气冲程(128)结束时关闭进气阀。另外，该方法包括在活塞的部分进气冲程(154)中打开排气阀，和在进气冲程开始之后曲轴旋转至少大约30度时关闭排气阀。

Description

发动机及其操作方法
技术领域
本发明涉及操作发动机的方法，更特别地，涉及使发动机产生功率循环的方法。
背景技术
许多发动机在燃烧室内燃烧燃料来驱动活塞。在许多情况下，发动机在燃烧室内燃烧燃料，作为功率循环的一部分，其包括将空气从进气系统导入燃烧室；在燃烧室内燃烧燃料与空气的混合物产生燃烧气体来驱动活塞；将燃烧气体从燃烧室排入排气系统。在某些情况下，发动机包括外部排气再循环系统，用于将燃烧气体从排气系统导入进气系统并返回燃烧室。但遗憾的是，在某些情况下，这种外部排气再循环系统无法将燃烧气体输入进气系统。例如，在某些情况下，增压器会使进气系统中的压力高于排气系统中的压力，从而阻止将燃烧气体通过外部排气再循环系统进入进气系统。
公开的Seitz等人的美国专利申请No.2005/0076890 A1(“890申请”)给出了一种内部燃烧气体再循环的方法。890申请公开了在发动机的做功冲程到达上止点后，发动机排气阀打开大致160度。890申请还公开了发动机的做功冲程开始之后执行进气阀的预冲程，其中发动机的进气阀打开在180和210度之间。890申请公开了在某些受到限制的情形中，在进气阀预冲程过程中在与进气阀相关的燃烧室和发动机的进气系统之间存在着正压力差。如890申请所公开的，该正压力差在进气阀的预冲程期间驱动燃烧气体从燃烧室进入到发动机的进气系统。
虽然890申请的方法包括在排气冲程期间通过打开进气阀将燃烧气体从燃烧室引入进气系统，但存在一些缺点。例如，至少在一些应用和/或情形中，执行890申请的方法需要在将进气系统中的气体加热到不希望的高温与将不希望的少量燃烧气体输送到进气系统中之间进行折衷。打开进气阀以将大量的燃烧气体送入进气系统中可提供一些优点。但是，将大量燃烧气体引入进气系统中会使进气系统中的空气被加热到不希望的高温。反之，限制燃烧气体进入到进气系统中的量以防止进气系统中的空气被不希望地加热可能会产生一些缺点，例如引起发动机在一些情形中产生不希望的大量氮氧化物(NOx)。
发明内容
本发明公开的发动机和方法能够解决上述的一个或多个问题。
公开的一种实施方式涉及一种操作发动机的方法。该发动机可包括具有燃烧室的壳体，布置在燃烧室附近的活塞，连接到活塞的曲轴，与燃烧室相关联的进气阀，和与燃烧室相关联的排气阀。该方法可包括在活塞的做功冲程开始之后打开进气阀，并在活塞随后的排气冲程结束之前关闭进气阀。另外，该方法可包括在活塞的部分进气冲程中打开排气阀和在进气冲程开始之后曲轴旋转至少大约30度时关闭排气阀。
另一种实施方式涉及一种操作发动机的方法。该发动机可包括具有燃烧室的壳体，布置在燃烧室附近的活塞，连接到活塞的曲轴，与燃烧室相关联的进气阀，与燃烧室相关联的排气阀。该方法还可包括在活塞的至少部分进气冲程中打开排气阀，包括在至少部分进气冲程中基本保持排气阀的开启，和在进气冲程结束之前关闭排气阀。
再一种实施方式涉及一种发动机。该发动机包括具有燃烧室的壳体。该发动机还可包括布置在燃烧室附近的活塞，和连接到活塞的曲轴。另外，该发动机可包括发动机控制装置，该发动机控制装置包括与燃烧室相关联的排气阀。该发动机控制装置还可操作地使活塞的进气冲程跟随在排气冲程之后。另外，该发动机控制装置可操作地在活塞的排气冲程开始之后减小排气阀的开度，然后在活塞的随后的进气冲程开始之后关闭排气阀之前增大排气阀的开度。
另一种实施方式涉及一种操作发动机的方法，该发动机包括具有燃烧室的壳体，布置在燃烧室附近的活塞，和连接到活塞的曲轴。该方法还包括至少在一些情形中提供从发动机的进气系统到燃烧室的至少大约5％的内部燃烧气体再循环。该方法还可包括至少在一些情形中提供从发动机的排气系统到燃烧室的至少大约5％的内部燃烧气体再循环。
再一种实施方式涉及一种操作发动机的方法，该发动机可包括具有燃烧室的壳体，布置在燃烧室附近的活塞，和连接到活塞的曲轴。该方法可包括提供从发动机的进气系统到燃烧室的与发动机转速和负荷相关的量的内部燃烧气体再循环。另外，该方法可包括提供从发动机的排气系统到燃烧室的与发动机转速和负荷相关的量的内部燃烧气体再循环。
另一种实施方式涉及一种操作发动机的方法，该发动机可包括具有燃烧室的壳体，布置在燃烧室附近的活塞，和连接到活塞的曲轴。该方法可包括在活塞的做功冲程结束之前曲轴旋转大约15度和做功冲程结束时之间打开与燃烧室相关联的进气阀。该方法还可包括在活塞随后的排气冲程结束之前关闭进气阀。
再一种实施方式涉及一种操作发动机的方法，该发动机可包括具有燃烧室的壳体，布置在燃烧室附近的活塞，和连接到活塞的曲轴。该方法可包括：提供从发动机的进气系统到燃烧室的内部燃烧气体再循环，包括在活塞的做功冲程开始后打开与燃烧室相关联的进气阀，以及在活塞随后的排气冲程结束之前关闭进气阀。另外，该方法可包括至少在一些情形中提供从发动机的排气系统到燃烧室的至少大约5％的内部燃烧气体再循环。
再一种实施方式涉及一种操作发动机的方法，该发动机可包括具有燃烧室的壳体，布置在燃烧室附近的活塞，和连接到活塞的曲轴。该方法还包括提供从发动机的进气系统到燃烧室的第一数量的内部燃烧气体再循环。该方法还包括提供从发动机的排气系统到燃烧室的第二数量的内部燃烧气体再循环，该第二数量至少是第一数量的大约50％。
附图说明
图1是根据本发明的一种实施方式的示意图；
图2A是示出了发动机的活塞在一定时期内的运动的图表；
图2B是示出了与图2A中显示的同一时期内控制发动机的进气阀的方法的图表；
图2C是示出了与图2A中显示的同一时期内控制发动机的排气阀的第一方法的图表；
图2D是图2C中的一部分的放大图；
图3A是示出了与图2A中显示的同一时期内的发动机的活塞运动的图表；
图3B是示出了图2B中所示的控制进气阀的同一方法的图表；
图3C是示出了与图2A和3A中显示的同一时期内控制发动机的排气阀的第二方法的图表；
图3D是图3C中的一部分的放大图；
图4是用于在发动机的四个燃烧室中进行做功循环的一种可能方法的图表；
图5是示出了在一组操作条件下在与图2A中显示的同一时期内发动机的不同部分中的压力变化图表；和
图6是示出了在另一组操作条件下在与图2A中显示的同一时期内发动机的不同部分中的压力变化图表。
具体实施方式
图1所示为根据本发明的发动机10。发动机10可包括壳体12，活塞14、15、16、17，功率传输系统22，进排气系统24和发动机控制装置26。
壳体12可具有燃烧室1、2、3、4，通道36、37、38、39，进气通路44、45、46、47和排气通路52、53、54、55。通道36-39可从燃烧室1-4延伸。通道36-39例如可以是气缸。进气通路44-47分别从燃烧室1-4伸出到壳体12的外表面上。类似的，排气通路52-55分别从燃烧室1-4伸出到壳体12的外表面上。如图1所示，壳体12可设置成由多个组件紧固在一起。替代地，壳体12也可是单件结构。
活塞14、15、16、17可分别布置成靠近燃烧室1、2、3、4并位于通道36、37、38、39内。各个通道36、37、38、39的侧表面对设置在通道中的活塞14、15、16、17进行引导，使得活塞14、15、16、17能够沿着平行于通道36、37、38、39的侧表面的方向66或67滑动。
功率传输系统22可设置成在活塞14-17与其他部件之间传输功率。功率传输系统22可包括曲轴60和将活塞14、15、16、17连接到曲轴60的连杆62、63、64、65。
发动机10的总体结构不限于如图1中所示。例如，发动机10可省略燃烧室1-4中的一个或多个，通道36-39中的一个或多个和活塞14-17中的一个或多个；或者发动机10可包括其他燃烧室，通道和活塞。另外，尽管图1所示的燃烧室1-4和通道36-39布置成直列式结构，但是发动机10可具有布置成任何其他结构的燃烧室和通道，包括但不限于V形结构，水平对置结构和径向结构。
进排气系统24可包括进气系统70和排气系统72。进气系统70用于将空气和/或其他流体输送到燃烧室1-4。进气系统70可包括进气通路44-47，与进气通路44-47流体相连的进气歧管74，以及涡轮增压器78的压缩机单元76。进气系统70还可包括分别与燃烧室1、2、3、4相关联的进气阀80、81、82、83。进气阀80-83可以是任何类型的阀，可操作地用来控制流体在燃烧室1-4与进气系统70之间的流动。在一些实施方式中，进气阀80-83可以是提升阀。
排气系统72可用来将燃烧气体从燃烧室1-4内引出。排气系统72可具有排气通路52-55，与排气通路52-55流体相连的排气歧管88，以及涡轮增压器78的涡轮单元90。排气系统72还可包括分别与燃烧室1、2、3、4相关联的排气阀92、93、94、95。排气阀92-95可以是任何类型的阀，可操作地用来控制流体在燃烧室1-4与排气系统72之间的流动。在一些实施方式中，排气阀92-95可以是提升阀。
进排气系统24还可包括用于控制进气阀80-83和排气阀92-95的阀控制系统100。阀控制系统100可以是能够按照下面所述方式对进气阀80-83和排气阀92-95可操作地进行控制的任何的部件的系统。在进气阀80-83和排气阀92-95均为提升阀的实施方式中，阀控制系统100可包括各种类型的致动器，以控制进气阀80-83和排气阀92-95的位置。在一些实施方式中，阀控制系统100可包括机械致动系统，用于以曲轴60旋转的函数的方式控制进气阀80-83和排气阀92-95。例如，阀控制系统100可包括以可驱动方式连接到曲轴60的凸轮轴102，和将凸轮轴102连接到进气阀80-83和排气阀92-95的气阀机构104。另外，在一些实施方式中，阀控制系统100可用来部分或全部电控进气阀80-83和排气阀92-95。
进排气系统24的结构不限于如图1所示。例如，进排气系统24可省略图1中示出的许多组件和/或包括各种附加组件，包括但不限于节流阀、滤清器、热交换器、附加阀及附加涡轮增压器、其他类型的增压器、消声器和尾气处理装置。另外，阀控制系统100可包括其他结构的机械致动器，以便以活塞14-17及曲轴60运动的函数的方式控制进气阀80-83和排气阀92-95。另外，在一些实施方式中，阀控制系统100可包括为部分或完全独立于曲轴60的转动而控制进气阀80-83和排气阀92-95的设置。例如，阀控制系统100可包括用来调节运行期间曲轴60和凸轮轴102以及气阀机构104的元件之间关系的设置。另外，除了凸轮轴102和气阀机构104之外或作为他们的替代，阀控制系统100可包括其他用于致动进气阀80-83和排气阀92-95的致动器，例如液压致动器、气动致动器、电动致动器或磁力致动器。
发动机控制装置26可包括进气阀80-83，排气阀92-95，阀控制系统100和燃料计量系统106。燃料计量系统106可包括燃料计量装置108、109、110、111和控制器116。燃料计量装置108-111可连接到燃料供给系统(未示出)。燃料计量装置108-111可以是任何类型的能够可操作地计量供给燃烧室1-4的燃料的装置。例如，燃料计量装置108-111可以是燃料喷射器。如图1所示，在一些实施方式中，各个燃料计量装置108、109、110、111可伸进燃烧室1、2、3、4的一个中，从而可将燃料直接排放到燃烧室1、2、3、4中。
控制器116可以是信息处理器，其根据来自多个源的信息可操作地控制发动机10的一个或多个部件。控制器116可包括一个或多个处理器(未示出)和一个或多个存储装置(未示出)。控制器116可操作地连接到燃料计量装置108-111，使得控制器116可以控制燃料计量装置108-111对供给到燃烧室1-4的燃料进行计量。根据来自可操作地连接到控制器116的多个元件的信息，控制器116可用来控制燃料计量装置108-111。例如，根据来自位置/速度传感器118的指示曲轴60的位置和/或速度的信号，控制器116可控制燃料计量装置108-111。另外，控制器116可根据来自驾驶员界面120的输入、例如指示发动机10的期望工作速度和/或功率输出的输入来控制燃料计量装置108-111。
发动机控制装置26不限于图1所示的结构。例如，燃料计量装置108-111可被定位成将燃料输送入进气系统70，而不是直接进入燃烧室1-4。另外，在一些实施方式中，发动机控制装置26可省略燃料计量装置108-111中的一个或多个和/或包括附加的燃料计量装置。另外，在一些实施方式中，一个或多个燃料计量装置108-111可以是任何类型的装置，而不是燃料喷射器，例如是化油器。另外，在一些实施方式中，发动机控制装置26可包括火花点火系统。另外，代替控制器116，发动机控制装置26可包括多种其他形式的控制装置，例如硬连线电路、液压控制装置、气动控制装置、和/或机械控制装置。
工业实用性
发动机10可用在需要功率执行一个或多个任务的场合。发动机控制装置26可操作地使发动机10通过在各个燃烧室1-4中进行一系列功率循环来产生功率。燃烧室1-4内的各个功率循环可包括：引入空气和燃料；燃烧油料和空气以产生驱动邻近的活塞14-17的燃烧气体；和排放来自燃烧室1-4内的至少部分燃烧气体。
图2A-2D显示了由发动机控制装置26执行以便在燃烧室1内产生功率循环的方法的一种实施方式。图2A显示了活塞14在曲轴60的四次旋转中是如何在通道36内运动的。图2B和2C显示了阀控制系统100在图2A所示的时间段内如何分别控制进气阀80和排气阀92。图2D提供了图2C中的部分的放大图，显示了排气阀92在曲轴60的360°和900°位置之间的操作。
第一功率循环121可包括活塞14的进气冲程122，活塞14的压缩冲程124，活塞14的做功冲程126，和活塞14的排气冲程128。第二功率循环152可包括另一个进气冲程154，另一个压缩冲程156，另一个做功冲程158，和另一个排气冲程160。在活塞14的进气冲程122过程中，发动机控制装置26可使进气阀80在活塞14的沿着方向66的至少一部分冲程过程中打开(图2A和2B)。在活塞14的压缩冲程124过程中，发动机控制装置26可使进气阀80和排气阀92在活塞14沿着方向67的随后的至少一部分冲程过程中都被关闭(图2A至2C)。
在压缩冲程124结束和/或做功冲程126开始过程中，发动机控制装置26可引起燃烧室1内的油料燃烧，从而产生燃烧气体，该燃烧气体在沿着方向66行进通过做功冲程126时驱动活塞14。在一些实施方式中，燃料计量装置108可在压缩冲程124结束时和/或做功冲程126开始时将燃料引入燃烧室1内。根据发动机10的结构，发动机控制装置26可依靠压燃来燃烧燃料，或发动机控制装置26可利用火花点火来燃烧燃料。
在做功冲程126之后，发动机控制装置26以排气冲程128结束做功冲程121，并以进气冲程154开始做功冲程152。在排气冲程128过程中，发动机控制装置26可使排气阀92在做功冲程126后在活塞14的沿着方向67的至少一部分冲程期间打开(图2A和2C)。在进气冲程154过程中，发动机控制装置26可使进气阀80在排气冲程128之后在活塞14的沿着方向66的至少一部分冲程期间打开。然后发动机控制装置26可执行压缩冲程156，做功冲程158和排气冲程160，其方式与发动机控制装置26执行压缩冲程124，做功冲程126和排气冲程128的方式基本一致。
如图2C和2E所示，发动机控制装置26可使排气阀92在进气冲程154期间打开一时间段138。在一些实施方式中，发动机控制装置26通过在排气冲程128结束之后保持排气阀92打开而来实现这一点。发动机控制装置26可在进气冲程154开始之后曲轴旋转至少大约30度时关闭排气阀92。在一些实施方式中，发动机控制装置26可在进气冲程154结束之后曲轴旋转至少大约40度时关闭排气阀92。另外，在一些实施方式中，发动机控制装置26可在排气冲程128结束并且进气冲程154开始之后曲轴旋转大约50度与大约90度之间时关闭排气阀92。在一些实施方式中，发动机控制装置26可在排气冲程128结束并且进气冲程154开始之后曲轴旋转大约60度与大约80度之间时关闭排气阀92。另外，发动机控制装置26可在至少一部分进气冲程154期间基本上稳定排气阀92的开度。发动机控制装置26可例如将排气阀92的开度保持在一定的量142，该量142大于排气阀92在排气冲程128期间峰值开度144的大约5％。在一些实施方式中，量142可大于峰值开度144的大约8％。另外，在一些实施方式中，量142可小于峰值开度144的大约20％。此外，在一些实施方式中，发动机控制装置26可在进气冲程154过程中保持排气阀92的开度小于峰值开度144的大约20％。
如图2B所示，在功率循环121过程中，发动机控制装置26还可打开进气阀80一时间段146，该时间段146在做功冲程126过程中开始并且在排气冲程128过程中结束。在一些实施方式中，发动机控制装置26可在做功冲程126结束之前在曲轴旋转小于大约30度时打开进气阀80。另外，在一些实施方式中，发动机控制装置26可在做功冲程126结束之前曲轴旋转大约15度和做功冲程126结束之间时打开进气阀80。另外，在一些实施方式中，发动机控制装置26在排气冲程128开始之后曲轴旋转大约50度和大约80度之间关闭进气阀80。在一些实施方式中，在排气冲程128开始之后曲轴旋转至少大约65度时关闭进气阀80。另外，发动机控制装置26可将进气阀80打开到峰值148，该峰值148位于进气阀80在进气冲程122过程中的峰值开度150的大约5％和大约20％之间。
图3A至3D显示了发动机控制装置26执行燃烧室1内功率循环的方法的另一实施方式。除了发动机控制装置26控制排气阀92的不同，图3A至3D的方法与图2A至2D中的方法相同。如图2A至2D中显示的实施方式，发动机控制装置26可使排气阀92打开一时间段138.另外，如图3C和3E所示，在排气冲程128开始之后，发动机控制装置26可减小排气阀92的开度，然后在进气冲程154开始之后和排气阀92关闭之前增大排气阀92的开度。发动机控制装置26在增大排气阀92的开度之前降低排气阀92开度的量可根据实施方式和/或情况而变化。通常，发动机控制装置26可减小排气阀92的开度，减小的程度至少足以防止活塞14在排气冲程128过程中沿着方向67行进时与排气阀92发生碰撞。发动机控制装置26可在排气冲程128开始之后曲轴旋转在大约160度与大约200度之间从减小排气阀92的开度转换到增大排气阀92的开度。在从减小排气阀92的开度转换到增大排气阀92的开度和关闭排气阀92之间，发动机控制装置26可使排气阀92的开度最大达到量166，该量166在排气冲程128过程中大约在排气阀92的峰值开度144的大约5％到大约20％之间。
发动机控制装置26可在进气冲程154开始之后曲轴旋转至少大约30度时关闭排气阀92。在一些实施方式中，发动机控制装置可延迟关闭排气阀92，直到进气冲程154开始之后曲轴旋转至少大约40度。另外，在一些实施方式中，发动机控制装置26可在进气冲程154开始之后曲轴旋转大约在50度到大约90度之间时关闭排气阀92。另外，在一些实施方式中，该范围可缩小为进气冲程154开始之后曲轴旋转大约在60度到大约80度之间，或甚至更小的范围，这有赖于具体的应用。
采取上述结合图2A-2D和3A-3D讨论的方式控制进气阀80和排气阀92可提供内部燃烧气体再循环。在时间段138内保持排气阀92打开，这可通过允许燃烧气体在时间段138内从排气通路52流入到燃烧室1来提供从排气系统72到燃烧室1的内部燃烧气体再循环。另外，在时间段146内打开进气阀80可提供从进气系统70到燃烧室1的内部燃烧气体再循环。在时间段146中，在进气阀80打开的条件下，燃烧气体可从燃烧室1流入到进气通路44。该燃烧气体和/或在类似功率循环过程中从其它燃烧室2-4排放到进气系统70内的燃烧气体可在进气冲程154期间从进气通路44流入到燃烧室1内。
多种因素都会影响内部燃烧气体发生气体再循环的情况。在进气冲程154过程中从排气通路52流入到燃烧室1的燃烧气体的量取决于在进气冲程154过程中发动机控制装置26保持排气阀92的开度的时间长短和保持程度。类似地，时间段146的定时和持续时间，以及进气阀80在时间段146内开度的程度会影响到在时间段146内流入进气通路44的燃烧气体的量，并且从而影响到在进气冲程154过程中燃烧气体流入燃烧室1的量。另外，在功率循环121的某些阶段，燃烧室1、进气通路44和排气通路52内的压力会影响进气冲程154过程中燃烧气体流入燃烧室1的量。燃烧室1中的功率循环121的事件会影响到这些压力。另外，燃烧室2-4中功率循环的事件会影响到进气通路44和排气通路52内的压力。
相对于燃烧室1中的功率循环，发动机控制装置26可使燃烧室2-4内的功率循环以多种方式和多种时间进行。在一些实施方式中，发动机控制装置26可使每个燃烧室2-4内的每个功率循环基本相同于发动机控制装置26使燃烧室1内进行功率循环121、152的方式。另外，发动机控制装置26可以图4中显示的方式错开燃烧室1-4中的功率循环。利用所示的错开的功率循环方式，一个活塞14-17的每个做功冲程可与活塞14-17中另一个的排气冲程基本同时地发生。
图5显示了发动机控制装置26使用图2A-2D中的控制策略或图3A-3D中的控制策略并结合图4中的控制策略在低速和低负荷情况下操作发动机10时，在功率循环121、152过程中燃烧室1、进气通路44和排气通路52内的压力是如何变化的。发动机10的各个排气冲程可引起排气通路52内的压力上升。当发动机10在低负荷工作时，各个排气冲程可使排气通路52内的压力增大一个相对较小的量，因为释放到排气歧管88内的燃烧气体的能量相对较低。另外，当发动机在低速下工作时，排气通路52内的压力在各个排气冲程进行到略微超过一半时达到峰值。例如，与功率循环121的做功冲程126基本同时发生的排气冲程可引起排气通路52内在该排气冲程和做功冲程126进行到略微超过一半时的压力峰值162。类似地，功率循环121中的排气冲程128可引起排气通路52内在该排气冲程128进行到略微超过一半时的压力峰值164。
作为如图4所示条件的结果，当发动机10在低速和低负荷情况下工作时，上述阀控制方法可提供相对小的内部燃烧气体再循环。在这些情况下，当进气冲程154过程中排气阀92打开时，燃烧室1内的压力在大部分时间段138内保持接近或高于排气通路52内的气体压力。结果，很少的燃烧气体从排气通路52返回到燃烧室1内。另外，燃烧室1和排气通路52内的压力在进气阀80打开时在大部分时间段146内保持接近或低于进气通路44内的气体压力。因此，在时间段146内，相对很少的燃烧气体从燃烧室1流入到进气通路44内，从而导致在进气冲程154过程中，相对很少的燃烧气体从进气通路44流入到燃烧室1内。
图6示出了发动机控制装置26使用图2A-2D中的控制策略或图3A-3D中的控制策略并结合图4中的控制策略在较高速和大负荷情况下操作发动机10时，在功率循环121、152过程中燃烧室1、进气通路44和排气通路52内的压力是如何变化的。特别的是，图6示出了当发动机10在其额定转速和负荷下工作的那些参数。当发动机10在较高速和大负荷情况下工作时，燃烧室1、进气通路44和排气通路52内的压力波动与发动机10在低速和低负荷情况下工作的形式大致相同。但是，发动机10在各个功率循环过程中燃烧相对大量的燃料以满足较大的负荷，各个排气冲程会在排气通路52内产生非常大的压力上升。
另外，当发动机10以较高转速工作时，响应于排气冲程，排气通路52内的压力达到峰值点时曲轴60和活塞14-17会运动的更远。结果，排气通路52内的压力峰值会相对于功率循环121的不同冲程而晚些出现。例如，排气冲程基本上与做功冲程126同时发生会使做功冲程126结束和排气冲程128开始时出现压力峰值162。类似的，排气冲程128会引起排气冲程128结束和进气冲程154开始时出现压力峰值164。
在图6所示的条件下，发动机控制装置26可提供相对大量的内部燃烧气体再循环。当发动机10在较高转速和功率下运行时，在进气冲程154过程中排气阀92打开时在时间段138内，排气通路52中的压力可超过燃烧室1内的气体压力一个相当大的量。结果，在时间段138内，大量的燃烧气体可从排气通路52流入燃烧室1。特别地，在图6所示的条件下，发动机控制装置26可提供从排气系统72到燃烧室1的在大约5％和大约15％之间的内部燃烧气体再循环。换句话说，发动机控制装置26可使在功率循环121过程中产生的燃烧气体量的大约5％到大约15％之间的燃烧气体量在进气冲程154过程中从排气通路52流入燃烧室1。在一些实施方式中，当发动机10在额定转速和负荷下工作时，发动机控制装置26可提供从排气系统72的少于大约10％的内部燃烧气体再循环。
另外，在时间段146内，当进气阀80打开时，燃烧室1内的压力和排气通路52内的压力比进气通路44内的压力大很多。因此，在时间段146中，大量燃烧气体可从燃烧室1流入到进气通路44内。随后，在进气冲程154过程中，大量燃烧气体从进气通路44流入到燃烧室1内。因此，在图6所示条件下，发动机控制装置26可提供从进气系统70到燃烧室1的大约5％到大约15％之间的内部燃烧气体再循环。换句话说，发动机控制装置26可使相当于在功率循环121过程中产生的燃烧气体量的大约5％到大约15％之间的燃烧气体量在进气冲程154过程中从进气通路44流入燃烧室1。在一些实施方式中，当发动机10在额定转速和负荷下运行时，发动机控制装置26可将来自进气系统70的内部燃烧气体再循环的量限制成少于内部燃烧气体再循环的量的10％。
因此，当发动机10在额定负荷和转速下工作时，发动机控制装置26可引起相当于来自进气系统70的内部燃烧气体再循环量的大约一半到大约两倍之间的来自排气系统72的内燃烧气体再循环量。在一些实施方式中，当发动机10在额定负荷和转速下工作时，发动机控制装置26可引起与来自进气系统70的内部燃烧气体再循环量更非常接近的来自排气系统72的内部燃烧气体再循环量。例如，当发动机10在额定负荷和速度下工作时，发动机控制装置26可引起相当于来自进气系统70的内部燃烧气体再循环量的大约125％至大约175％之间的来自排气系统72的内部燃烧气体再循环量。另外，在一些实施方式中当发动机10在额定负荷和转速下工作时，发动机控制装置26可将来自进气系统70和排气系统72的合计的内部燃烧气体再循环量限制为内部燃烧气体再循环量的大约15％。
图5和图6还从侧面证实了一种总的关系：随着发动机转速和负荷的增加，在时间段138和146中排气通路52和进气通路44之间的压力差可能增加。结果，可利用上述阀控制方法确保来自进气系统70的内部燃烧气体再循环量和来自排气系统72的内部燃烧气体再循环量与发动机转速和负荷相关。在做功冲程126结束之前打开进气阀80，即使是轻微打开，就会较大地影响到这个结果，这是因为在做功冲程126结束时排气通路52和进气通路44之间的压力差与发动机转速和负荷密切相关。
发动机控制装置26操作发动机10的方法不限于图示和上述讨论的例子。在一些实施方式中，在功率循环121、152过程中，发动机控制装置26可另外多次地打开和关闭进气阀80和/或打开和关闭排气阀92。例如，不是在排气冲程128中打开排气阀92并保持排气阀92打开进入进气冲程154，发动机控制装置26可在排气冲程128打开和关闭排气阀92一次，然后在进气冲程154再打开排气阀92一次。另外，在发动机控制装置26能够至少部分独立于曲轴60而控制阀80-83、92-95的实施方式中，发动机控制装置26可以不同于前次功率循环中的方式在任何一个功率循环中控制阀80-83、92-95。另外，发动机控制装置26可使功率循环省略上面讨论的一个或多个冲程或是包括附加的冲程，例如一个或多个附加的压缩冲程和/或一个或多个附加的做功冲程。另外，发动机控制装置26可使燃烧室1-4中的功率循环的顺序和/或间隔与图4中的不同。而且，在一些实施方式中，发动机10可只包括燃烧室1-3，并且发动机控制装置26可执行图3A-3D中的方法同时以适当的方式错开具有三个燃烧室的发动机的燃烧室1-3之间的功率循环。
这里公开的实施方式可提供许多性能上的优点。使来自进气系统70的内部燃烧气体再循环量和来自排气系统72的内部燃烧气体再循环量类似可允许相对高的燃烧气体再循环总量，而不会使来自进气系统70或排气系统72的不期望的大量燃烧气体再循环。使来自进气系统70的内部燃烧气体再循环量保持相对较小有助于将供给到燃烧室1的进气保持在期望的低温。从排气系统72循环相对小量的内部燃烧气体可保持燃烧气体从排气通路52流入燃烧室1的速度相对较低，从而允许进气相对不受干扰地流入燃烧室1。
另外，公开的实施方式可确保在较大范围的发动机转速和负荷内的良好的节流响应和较低的氮氧化物排放。增加转速和负荷会增加燃烧室1-4内的压力及温度，这会增加氮氧化物的排放。再循环增加的燃烧气体量会抑制这种趋势。另外，随着转速和负荷的增加，再循环燃烧气体会使节流响应受损。反之，随着转速和负荷降低，氮氧化物排放量趋于减少，再循环燃烧气体会更多地损害节流响应。通过以与发动机的转速和负荷相关的速率再循环燃烧气体，公开的实施方式可随着发动机转速和负荷的变化保持良好的节流响应和较低的氮氧化物排放。在做功冲程126结束之前打开进气阀80，即使是轻微打开，就会较大地影响到这个结果，这是因为如上所述，这在很大程度上影响燃烧气体的再循环量与发动机转速和负荷之间的密切相关。
另外，在至少一部分进气冲程154过程中保持排气阀92的开度可提供一些性能上的优点。通过这样做，发动机控制装置26可提供相对大的时间和空间窗，用于在进气冲程154过程中使燃烧气体从排气通路52进入燃烧室1，同时在进气冲程154过程中保持排气阀92的峰值开度相对较小。在进气冲程154过程中保持排气阀92的峰值开度相对较小更加有助于防止燃烧气体以不希望的高速从排气通路52进入燃烧室1和防止干扰气体从进气通路44流入燃烧室1。
另外，在排气冲程128开始之后降低并然后增加排气阀92的开度还可提供许多性能上的优点。减小排气阀92的开度可确保在排气冲程128过程中活塞14和阀92不会发生碰撞，而随后的增大排气阀92的开度会使相对大量的燃烧气体从排气通路52流入燃烧室1内。另外，在排气冲程128进行过程中减小排气阀92的开度可防止在排气冲程128过程中排气离开燃烧室1，这趋向于在进气冲程154过程中增加燃烧室1内的燃烧气体的量。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，在不背离本发明的范围的条件下可对发动机和方法进行各种修改和改变。对本领域技术人员来说，在考虑说明书和这里所公开的发动机和方法的实践之后，其他发动机和方法的实施方式也是可以想到的。这里的说明和例子仅为示例性的，本发明的真正保护范围由后附的权利要求并按照等同原则加以确定。

Claims (8)

1.一种操作发动机(10)的方法，该发动机包括具有燃烧室(1)的壳体(12)，布置在所述燃烧室附近的活塞(14)，连接到所述活塞的曲轴(60)，与所述燃烧室相关联的进气阀(80)，和与所述燃烧室相关联的排气阀(92)，该方法包括：
在活塞的做功冲程结束之前曲轴旋转15度和做功冲程结束时之间打开所述进气阀；
在所述做功冲程结束之后曲轴旋转至少65度时并且在所述活塞随后的排气冲程(128)结束之前关闭所述进气阀；
在所述活塞的部分进气冲程(154)中打开所述排气阀；和
在所述进气冲程开始之后所述曲轴旋转至少30度时关闭所述排气阀。
2.如权利要求1所述的方法，其中，在部分进气冲程中打开所述排气阀包括在至少部分进气冲程中保持所述排气阀的开度。
3.如权利要求1所述的方法，其中，在部分进气冲程中打开所述排气阀包括：
在至少部分进气冲程中将所述排气阀的开度保持在所述排气阀在排气冲程期间的峰值开度(144)的5％到20％之间的量。
4.如权利要求1所述的方法，其中，在部分进气冲程中打开所述排气阀包括将所述排气阀在进气冲程过程中的开度保持为小于所述排气阀在排气冲程过程中的峰值开度(144)的20％。
5.如权利要求1所述的方法，其中，在进气冲程开始之后所述曲轴旋转至少40度时关闭排气阀包括在进气冲程开始之后所述曲轴旋转小于90度时关闭所述排气阀。
6.一种用于操作发动机(10)的方法，该发动机包括具有燃烧室(1)的壳体(12)，布置在所述燃烧室附近的活塞(14)，连接到所述活塞的曲轴(60)，和与所述燃烧室相关联的进气阀(80)，该方法包括：
至少在一些情形中提供所述发动机的进气系统(70)到所述燃烧室的内部燃烧气体再循环的至少5％，这包括在活塞的做功冲程结束之前曲轴旋转15度和做功冲程结束时之间打开所述进气阀，还包括在所述做功冲程结束之后曲轴旋转至少65度时并且在所述活塞随后的排气冲程(128)结束之前关闭所述进气阀；和
至少在一些情形中提供所述发动机的排气系统(72)到所述燃烧室的内部燃烧气体再循环的至少5％。
7.如权利要求6所述的方法，其中，提供来自所述进气系统到所述燃烧室的内部燃烧气体再循环的至少5％包括提供来自所述进气系统到所述燃烧室的内部燃烧气体再循环的小于15％。
8.如权利要求6所述的方法，其中，提供来自所述排气系统到所述燃烧室的内部燃烧气体再循环的至少5％包括提供来自所述排气系统到所述燃烧室的内部燃烧气体再循环的小于15％。
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