CN103089489B - 能够在均质充量压缩点火模式下运行的内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及能够在均质充量压缩点火模式下运行的内燃机。在该内燃机中，阀致动机构使进气阀构件工作以使进气口打开，并且使排气阀构件工作以使排气的高温的第一部分从排气通路经由排气口返回至燃烧室内。冷却再循环系统使排气的第二部分从排气通路经由再循环通路再循环至进气通路内，并对该第二部分进行冷却。这导致在燃烧室内产生第一新鲜空气和排气的高温的第一部分的高温混合物与第二新鲜空气和排气的低温的第二部分的低温混合物的分层温度分布。

Description

能够在均质充量压缩点火模式下运行的内燃机
技术领域
本发明涉及内燃机，尤其涉及如下这些内燃机，这些内燃机能够根据关于发动机转速和负荷的运行范围、可切换地在火花点火模式和均质充量压缩点火模式下运行。
背景技术
已提出了除火花点火(SI)以外还使用均质充量压缩点火(HCCI)的内燃机。HCCI是将均质充量的空气燃料混合物压缩至燃烧室内以开始点火的内部燃烧的形式，并且SI是在利用火花对燃烧室内的空气燃料混合物点火时开始燃烧的内部燃烧的形式。与火花点火相比，在HCCI中在较低温度发生燃烧，结果氮氧化物(NOx)排放低。HCCI的另一特性在于热效率高，从而实现极低水平的CO2排放。在HCCI中，由于在不具有诸如火花塞等的外部点火正时控制部件的情况下发生自动点火，因此基于复杂的自动点火处理来确定点火正时。因而，在HCCI中，难以对点火正时进行控制。特别地，如果发动机在HCCI模式下以高负荷运行，则由于碰撞或压力突增所引起的燃烧室内的压力剧增可能产生噪声。因而，已知的发动机在HCCI模式下相对于负荷的运行范围在高负荷时受到限制。
具有HCCI功能的一种已知发动机被设计成使用内部EGR(Exhaust Gas Recirculation，排气再循环)。这种发动机对高温排气经由排气口再循环至燃烧室内期间的进排气阀重叠进行控制，以使得在燃烧室内产生新鲜进气和再循环排气的分层。具有HCCI功能的另一种已知发动机被设计成使用外部EGR。这种发动机配备有使排气口连接至进气口的外部管，日本特开2001-214741公开了这种发动机的例子。基于外部EGR的内燃机被设计成使温度相对高的排气通过外部管回供、以经由进气口回到燃烧室内，使得在该燃烧室内产生新鲜进气和再循环排气的分层。在具有内部EGR或外部EGR的这些发动机中，进气和再循环排气的分层便于降低燃料燃烧速度。
发明内容
如上所述，能够在HCCI模式下运行的内燃机使用内部EGR或外部EGR以在燃烧室内产生分层的新鲜进气和再循环排气，从而抑制了燃料混合物燃烧速度的提高。
然而，在这些内燃机中，燃烧室内的再循环排气区域可能保持高温，这导致燃烧室内的再循环排气区域的可燃性处于高水平。燃烧室内的进气区域、即新鲜空气区域内的大量氧可能导致燃烧室内的进气区域的可燃性处于高水平。燃烧室的高可燃性可能妨碍燃料混合物燃烧的放缓。另外，在已知的内燃机中，流回燃烧室内的高温的再循环排气可能使相对集中的充量、即相对富的空气燃料混合物的燃烧温度提高，这导致生成和排出NOx排放物。因而，这些已知的内燃机可能无法实现HCCI功能能够获得的最大优点中的NOx排放很少这一优点。
有鉴于此，本发明的一方面旨在于提供被设计成解决上述问题中的至少一个的内燃机。
具体地，本发明的其它方面的目的在于提供能够进行如下操作中的至少一个的内燃机：扩大总运行范围中的HCCI模式的运行范围以提高燃料经济性；降低燃烧温度以减少NOx排放物的生成和排出；以及防止快速燃烧、碰撞以及由于这两者所引起的燃烧噪声的发生。
根据本发明的典型方面，提供一种内燃机，其能够在均质充量压缩点火模式下运行，在所述均质充量压缩点火模式下，在气缸的燃烧室内利用活塞对均质充量的空气燃料混合物进行压缩以开始点火，所述内燃机包括：燃料喷射器，用于将燃料直接喷射至所述燃烧室内；进气阀构件，用于在工作时使进气口打开或关闭，其中进气通路通过所述进气口与所述燃烧室连通；排气阀构件，用于在工作时使排气口打开或关闭，其中排气通路通过所述排气口与所述燃烧室连通；阀致动构件，用于使所述进气阀构件和所述排气阀构件工作；以及冷却再循环系统，其具有再循环通路，其中所述再循环通路以能够连通的方式连接在所述进气通路和所述排气通路之间并绕过所述燃烧室，其中，在所述内燃机以所述均质充量压缩点火模式运行的进气冲程期间，所述阀致动机构进行如下操作：使所述进气阀构件工作以使所述进气口打开；以及使所述排气阀构件工作以使所述排气口打开，由此使排出到所述排气通路的排气的第一部分经由所述排气口返回至所述燃烧室内，所述排气的第一部分具有高温并且保持在所述排气通路中，从而在所述燃烧室内产生经由所述进气口被引入所述燃烧室内的第一新鲜空气和所述排气的高温的第一部分的高温混合物，以及所述冷却再循环系统使排出到所述排气通路的所述排气的第二部分经由所述再循环通路再循环至所述进气通路内并对所述排气的第二部分进行冷却，其中，所述排气的第二部分从所述排气通路流入所述再循环通路，从而在所述进气通路内产生在所述进气通路内流动的第二新鲜空气和所述排气的低温的第二部分的低温混合物，并且所述低温混合物经由所述进气口被引入所述燃烧室内，由此在所述燃烧室内产生所述高温混合物与所述低温混合物的分层温度分布。
在该典型方面的第一实施例中，所述进气阀构件包括成对的第一进气阀和第二进气阀，所述第一进气阀和所述第二进气阀被配置成在工作时使所述进气口打开或关闭，所述排气阀构件包括成对的第一排气阀和第二排气阀，所述第一排气阀和所述第二排气阀被配置成在工作时使所述排气口打开或关闭，所述第一进气阀和所述第一排气阀被配置成彼此相对，所述第二进气阀和所述第二排气阀被配置成彼此相对，所述再循环通路以能够连通的方式连接至所述进气通路，从而所述再循环通路与所述进气通路的连接位置使所述排气的第二部分能够被引入所述第一进气阀内，并且所述排气的要返回至所述燃烧室内的第一部分被设计成通过所述第二排气阀。
在该典型方面的第二实施例中，在基于所述内燃机的请求负荷和所述内燃机的转速值的参数位于所述内燃机的运行范围的预定区域内的情况下，所述冷却再循环系统使所述排气的第二部分经由所述再循环通路进行再循环。
在该典型方面的第三实施例中，所述燃料喷射器被配置为在所述内燃机以所述均质充量压缩点火模式运行的进气冲程期间直接喷射燃烧。
在该典型方面的第四实施例中，所述内燃机还包括隔壁，所述隔壁用于对所述进气口和所述进气通路的与所述进气口连通的部分进行分区，所述隔壁位于所述进气通路中经所述冷却再循环系统进行冷却后的所述排气的第二部分被引入的另一位置的至少下游侧。
根据本发明典型方面的内燃机产生以下效果：扩大了该内燃机的总运行范围内的均质充量压缩点火模式的运行范围；使燃烧温度下降以抑制NOx排放物的生成和排出；以及防止快速燃烧、碰撞以及由于这两者所引起的燃烧噪声的发生。
附图说明
通过以下参考附图对实施例的说明，本发明的其它方面将变得明显，其中：
图1是示意性说明根据本发明实施例的内燃机的主要部分的图；
图2是内燃机的进气阀、排气阀和成对阀致动机构的侧视图；
图3是示意性说明内燃机的燃料喷射器、成对进气阀和成对阀致动机构的配置的立体图；
图4是示意性说明从相应活塞侧观看内燃机的针对各气缸的成对进气阀、针对各气缸的成对排气阀以及排气冷却再循环系统的图；
图5是示意性说明在内燃机在均质充量压缩点火模式下运行期间、成对进气阀和成对排气阀各自相对于曲柄角的升程量的示例的图；
图6是示意性说明内燃机相对于发动机转速和负荷的运行范围的示例的图；
图7是示意性说明在内燃机在均质充量压缩点火模式下运行期间、内燃机的气缸的燃烧室内如何生成气体分层的图；
图8是示意性说明内燃机中的气缸内部压力相对于曲柄角的图；
图9是示意性说明从相应活塞侧观看根据本实施例的变形例的内燃机的针对各气缸的成对进气阀、针对各气缸的成对排气阀以及排气冷却再循环系统的图；
图10是示意性说明在根据本发明的变形实施例的内燃机在均质充量压缩点火模式下运行期间、成对进气阀和成对排气阀各自的升程量相对于曲柄角的示例的图；以及
图11是示意性说明在根据本发明的另一变形实施例的内燃机在均质充量压缩点火模式下运行期间、成对进气阀和成对排气阀各自的升程量相对于曲柄角的示例的图。
具体实施方式
以下将参考附图来说明根据本发明实施例的内燃机。这些附图仅是示意附图，因此这些附图所例示的元件的尺寸与相应实际元件的尺寸不一定相同。同样，所例示的元件的尺寸之间的比率与相应实际元件的尺寸之间的比率不一定相同，并且所例示的元件的形状与相应实际元件的形状不一定相同。一个附图所例示的一个或多个元件的尺寸无需与其它附图所例示的一个或多个元件的尺寸相同。同样，一个附图所例示的一个或多个元件的尺寸之间的比率无需与其它附图所例示的一个或多个元件的尺寸之间的比率相同，并且一个附图所例示的一个或多个元件的形状无需与其它附图所例示的一个或多个元件的形状相同。
根据本发明实施例的内燃机10被设计成在关于转速和负荷的预定总运行范围内，可切换地在火花点火模式和以下称为HCCI模式的均质充量压缩点火模式下运行。在HCCI模式下，利用活塞将均质充量的空气燃料混合物压缩至燃烧室内以开始点火。
参考图1，根据本实施例的简称为发动机10的内燃机10包括气缸体11A和安装在气缸体11A的顶部的气缸头11B。在气缸体11A中，形成有多个气缸11。在本实施例中，形成在气缸体11A中的四个气缸11排成一行(参见图4)。气缸头11B具有针对各气缸11所形成的底面11a。在各气缸11中，活塞12被配置成在活塞12的头12a和相应气缸11的底面11a之间的、限定燃烧室14的空间内往返运动。各气缸11的燃烧室14经由进气口15与用作进气通路的进气歧管、即进气管组件41连通，并经由排气管17与用作排气通路的排气歧管、即排气管组件42连通。进气口15和排气口17相对于相应气缸11的纵轴对称。火花塞20配置在各气缸11的气缸头11B内以与燃烧室14直接连通。当内燃机10在火花点火模式下运行时，对火花塞20进行控制以在燃烧室14内产生火花，从而使燃烧室14内的空气燃料混合物开始燃烧。
发动机10针对各气缸11包括简称为喷射器的燃料喷射器19、成对进气阀16A和16B、成对排气阀18A和18B以及成对阀致动机构40A和40B。发动机10还包括简称为冷却再循环系统的排气冷却再循环系统50。
喷射器19配置在气缸头11B中以与相应气缸11的燃烧室14直接连通，并被设计成例如从燃烧供给(未示出)处接收高压缩燃料以将燃料直接喷射至燃烧室14内。进气阀16A和16B配置在气缸头11B中，并被控制为使相应气缸11的进气口15打开或关闭以使得新鲜空气能够经由进气口15被引入燃烧室14内。排气阀18A和18B以相对于相应气缸11的纵轴对称的方式配置在气缸头11B中。对排气阀18A和18B进行控制以使相应气缸11的排气口17打开或关闭，从而使由于空气燃料混合物在燃烧室14内燃烧所产生的排气能够从燃烧室14经由排气口17被输出至排气歧管42内。
阀致动机构40A用于使进气阀16A和16B在各自独立的时刻致动以使进气口15打开或关闭，并且阀致动机构40B用于使排气阀18A和18B在各自独立的时刻致动以使排气口17打开或关闭。
冷却再循环系统50配置在燃烧室14(气缸11)的外侧，并用于用管将排气歧管42连接至进气歧管41，以在对通过排气歧管42的排气进行冷却的同时使该排气再循环至进气歧管41内。
特别地，在HCCI模式下运行的发动机10的进气冲程期间，阀致动机构40A对进气阀16A和16B进行控制以使进气口15打开，并且阀致动机构40B对排气阀18B进行控制以使排气口17打开。这使得高温的排气从排气口17返回至燃烧室14内。另外，在内燃机10的进气冲程期间，从排气歧管42返回的处于被冷却再循环系统50冷却后的低温状态的排气连通新鲜空气一起、经由进气阀16A被引入燃烧室14内。
因而，在燃烧室14中，容纳有低温的再循环排气和新鲜空气的混合物以及高温的排气和新鲜空气的混合物，使得在燃烧室14内产生新鲜空气和高温排气的混合物与低温的再循环排气和新鲜空气的混合物的分层。换句话说，在燃烧室14内产生排气的分层温度分布。
例如，根据本实施例的冷却再循环系统50被设置成，使与排气口17连通的排气歧管42可连通地连接至与进气口15连通的进气歧管41。
接着，以下将说明根据本实施例的发动机10的具体结构。
参考图1，在相应气缸11内往返运动的活塞12经由连杆13连接至曲柄轴(未示出)。这样使得能够将活塞12的往返运动转化为曲柄轴的转动。曲柄轴的转动用于输出发动机10的转动动力。
发动机10包括传感器和控制器(未示出)。这些传感器用于生成表示发动机10的运行条件或参数的信号。这些传感器与该控制器进行电通信。该控制器与火花塞20、阀致动机构40A和40B以及冷却再循环系统50进行电通信。
发动机10的运行条件或参数例如包括表示发动机10的转速的参数、表示曲柄轴的转动角度的参数、发动机10的请求负荷、发动机冷却剂温度、进气量/温度和排气温度。例如，这些传感器中的曲柄角传感器用于在每次曲柄轴转动了预设角度时向控制器输出曲柄脉冲。对从曲柄角传感器发送来的曲柄脉冲数进行计数使得能够测量发动机10的转速。
在发动机10安装在车辆中的情况下，可以将请求负荷表示为例如该车辆的驾驶员可操作加速踏板的驾驶员操作(踩踏)冲程，并且该驾驶员可操作加速踏板的驾驶员操作冲程可以由包括在发动机中的加速传感器来测量。
具体地，发动机10被配置成如下：在控制器的控制下，喷射器19、阀致动机构40A和40B以及/或者火花塞20在进气冲程(活塞12的向下行进)期间将燃烧空气吸入相应气缸11的燃烧室14内；在压缩冲程(活塞12的向上行进)期间在燃烧室14内对直接供给的燃料与进气的混合物进行压缩；通过HCCI点火或火花点火使压缩后的空气燃料混合物发生燃烧，从而产生活塞12的向下行进作为做功冲程；并且在排气冲程(活塞12的向上行进)期间将排气从燃烧室14排出。发动机10在HCCI模式或火花点火模式下运行以针对各气缸重复这四个冲程。
接着，以下将说明进气阀16A和16B的结构以及排气阀18A和18B的结构。
参考图1，进气口15的一端具有位于气缸头11B的底面11a的成对开口15a；这些开口15a被排列成与气缸11的排列方向平行。同样，排气口17的一端具有位于气缸头11B的底面11a的成对开口17a；这些开口17a相对于通过相应气缸11的纵轴且在气缸11的排列方向上延伸的虚拟面与开口15a对称且平行。
进气阀16A和16B各自包括阀轴21和直径比阀轴21的直径大的盘状头16a。进气阀16A和16B各自可移动地安装在进气口15中，以利用头16a打开和关闭相应的开口15a。同样，排气阀18A和18B各自包括阀轴21以及形成于阀轴21的一端的直径比阀轴21的直径大的盘状头18a。进气阀18A和18B各自可移动地安装在排气口17中，以利用头18a打开和关闭相应的开口17a。
即，当进气阀16A和16B各自的头16a位于气缸头11B的底面11a上时，相应的开口15a关闭，使得进气口15关闭。当使位于底面11a上的进气阀16A和16B各自上升时，相应的开口15a打开，从而使得燃烧空气能够被引入燃烧室14内。
同样，当排气阀18A和18B各自的头18a位于气缸头11B的底面11a上时，相应的开口17a关闭，使得排气口17关闭。当使位于底面11a上的排气阀18A和18B各自上升时，相应的开口17a打开，从而使得燃烧室14内的排气能够从该相应开口被排出。
参考图4，进气阀16A和16B被排列成与气缸11的排列方向(图4的箭头A)平行，并且排气阀18A和18B以与各进气阀16A和16B相对的方式被排列为与气缸11的排列方向A平行。换句话说，第一对的进气阀16A和排气阀18A与第二对的进气阀16B和排气阀18B被配置成彼此相对。
接着，以下将参考图2和3来说明阀致动机构40A和40B的结构和操作。
参考图2，利用弹簧对进气阀16A和16B以及排气阀18A和18B各自的阀轴21施力，以使相应开口关闭、即抵消相应阀的升程。利用阀致动机构40A和40B使这些进气阀16A和16B以及排气阀18A和18B在独立的正时致动，以使相应的进气口15或者排气口17打开或关闭。阀致动机构40A和40B各自包括枢轴23、摇臂24、控制轴25、摆动构件25A、辊26、成对控制构件即摆动凸轮27、摆动辊即凸轮跟随器28、凸轮轴29和驱动凸轮30。
枢轴23在其一个轴端抵接摇臂24的一端的状态下可摆动地支撑摇臂24。在摇臂24的另一端上，阀轴21的另一端(图2的上端)因弹簧22的偏置力而抵接。摇臂24的中间部形成有由支撑销26a枢转地支撑的辊26。摇臂24用于在辊26抵接控制构件27的状态下进行摇动，以跟随控制构件27绕控制轴25的中心轴的摆动。
各控制构件27以螺纹方式固定在控制轴25的外周上与后面所述的相应阀的升程时刻相对应的预定位置处。摆动构件25A在其长度方向上具有相对的第一端和第二端。摆动构件25A的第一端安装在控制轴25上。摆动辊28由位于摆动构件25A的第二端上的支撑销28a枢转地支撑。各控制构件27用于根据相应控制构件27与位于摇臂24的中间部的辊26之间的压接位置，对位于阀轴21的一端处的相应阀头16a或18a的升程量进行限制。
参考图2，摆动辊28因偏置构件(未示出)而在以控制轴25为中心的顺时针方向上发生偏置。凸轮轴29连接至曲柄轴(未示出)，从而与曲柄轴的转动同步地转动。具有凸角且以凸轮面30a作为其外周的驱动凸轮30固定至凸轮轴29的预定位置。使在以控制轴25为中心的顺时针方向上发生偏置的摆动辊28的外周抵接凸轮面30a。
利用阀致动机构40A和40B各自的结构，在凸轮轴29的转动期间，驱动凸轮30的凸角推动压接凸轮面30a的摆动辊28以使摆动辊28摆动，从而使摇臂24经由压接控制构件27的辊26进行摆动，其中控制构件27与支撑有摆动辊28的摆动构件25A一体化。这使得阀16A、16B、18A和18B中的相应阀抵抗弹簧22的偏置力向下移动、即轴向向下偏移，从而使得阀头16a和18a中的相应阀头能够升空开口15a和17a中的相应开口。阀头16a的升程使得空气能够经由进气口15被引入燃烧室14内，并且阀头18a的升程使得排气能够从燃烧室14经由排气口17被排出。
作为对比，在凸轮轴29的转动期间、驱动凸轮30的凸角与压接凸轮面30a的摆动辊28分离以使摆动辊28摆动的情况下，弹簧22的偏置力使阀头16a和18a中的相应阀头向上移动、即轴向向上偏移。这导致阀头16a和18a中的相应阀头紧密接触开口15a和17a中的相应开口，由此使进气口15和排气口17中的相应口关闭。
参考图3，控制构件27以邻接方式位于摆动构件25A的沿着控制轴25的轴方向的两侧上。各控制构件27的控制面27a(参见图2)压接摇臂24的辊26。
各控制构件27的控制面27a具有共同轮廓形状，以使得随着控制构件27绕控制轴25的中心轴摆动，摇臂24的辊26与相应控制构件(摆动凸轮)27之间的压接位置接近和远离控制轴25的中心轴。因而，摇臂24的辊26和各控制构件27之间的压接位置(相对转动位置)的变化使得能够对摇臂24的摆动量进行调整。
在本实施例中，阀致动机构40A和40B各自包括连接到控制轴25的马达(未示出)，并且该马达可通信地连接至控制器。在该控制器的控制下，针对控制轴25的转动角度的连续调整使摇臂24的辊26和各控制构件27之间的压接位置改变，由此改变了相应阀的升程。
另外，参考图5，在根据本实施例的控制器所进行的控制下，在排气冲程期间，阀致动机构40B使排气阀18A致动以使排气口17打开、同时其它阀正关闭相应的口，以使得排气阀18A的升程量、即工作冲程如以预定的大值作为振幅的正弦波那样改变。
参考图5，在控制器所进行的控制下，在进气冲程期间，阀致动机构40A和40B这两者对进气阀16A和16B以及排气阀18B致动以使进气口15和排气口17打开。这样使进气阀16A和16B各自的升程量如以预定的大值作为振幅的正弦波那样改变，同时使排气阀18B的升程量如以预定的小值作为振幅的正弦波那样改变。
具体地，在控制器的控制下，对阀致动机构40A和40B各自进行驱动，以使得摇臂24的辊26和各控制构件27之间的压接位置的相位与图5所示的进气阀16A、16B和排气阀18A、18B中的相应阀的升程量的相位一致。换句话说，阀致动机构40A和40B各自使摇臂24的辊26和各控制构件27之间的压接位置的改变与进气阀16A、16B和排气阀18A、18B中的相应阀的升程量的改变相一致。
在本实施例中，将各气缸11的排气阀18A的阀开启正时、阀升程和阀开启时间段控制为彼此一致，并且将各气缸11的排气阀18B的阀开启正时、阀升程和阀开启时间段控制为彼此一致。
喷射器19位于成对进气阀16A和16B之间(参见图3)。参考图1，在控制器的控制下，在进气阀16A和16B各自与活塞12的运动即曲柄轴的转动相同步地往返运动、以使进气口15的开口15a打开和关闭时，喷射器19用于在例如进气冲程或压缩冲程期间的特定时刻，基于来自燃料供给处的高压缩燃料将预定量的燃料直接喷射至燃烧室14内。特别地，根据本实施例的喷射器19被设计成将这种燃料喷射的方向设置为向着燃料室14内的如下点，其中，当活塞12的上部12a位于TDC(上止点)附近时，该点为活塞12的上部12a的中心。
接着，以下将说明冷却再循环系统50的结构和操作。
参考图1和4，冷却再循环系统50包括再循环管51、EGR冷却器52和EGR阀装置53。再循环管51是可连通地连接在对应于一个气缸11的进气歧管41的各进气管与例如排气歧管42的一个排气管之间并绕过燃烧室14的再循环通路。EGR冷却器52可连通地位于再循环管51中EGR阀装置53的上游侧并用于使从排气歧管42引入的排气冷却，由此将冷却后的排气传送至进气歧管41。EGR阀装置53可通信地连接至控制器。在该控制器的控制下，EGR阀装置53用于开始将来自排气歧管42的排气传送至进气歧管41、停止传送排气以及对传送至进气歧管41的排气量进行调节。EGR冷却器52可以包括水冷却式系统和/或空气冷却式系统，或者可以包括长度为足以使排气冷却所需的长度的管。
特别地，在本实施例中，再循环管51包括连接部51A，并且经由连接部51A可连通地连接至各气缸11的进气歧管41的进气管(参见图4)。注意，各连接部51A位于新鲜空气、即燃烧用空气流入的相应气缸11的进气阀16A的路径的上游侧，从而使得经EGR冷却器52冷却后的排气能够被引入相应气缸11的进气阀16A内。具体地，各连接部51A位于更接近相应气缸11的进气阀16A而不是更接近其进气阀16B的位置处，使得冷却后的排气指向进气阀16A而不指向进气阀16B。
在本实施例中，为了使发动机10在HCCI模式下运行，控制器被编程为在进气冲程期间以图5所示的时序和持续时间对各气缸11的排气阀18B进行控制以使排气阀18B打开，由此使排气歧管42内的高温排气向回通过冷却再循环系统50以经由进气歧管41被供给至燃烧室14内。
接着，以下将说明根据本实施例的发动机10的操作。
图6示意性示出表示发动机10的关于发动机转速和负荷的运行范围的示例的映射，诸如数据表和程序等。在本实施例中，该映射是作为请求负荷和发动机转速的函数的表示发动机10的运行模式的参数。该映射例如存储在控制器中。即，该控制器使用请求负荷和发动机转速的输入来确定将HCCI模式和火花点火模式这些运行模式中的哪个模式应用至发动机10。
具体地，在图6中，运行范围中请求负荷和发动机转速这两者相对低的第一区域I示出火花点火模式作为发动机10的运行模式，并且请求负荷和发动机转速至少之一相对高的第三区域III示出火花点火模式作为发动机10的运行模式。
作为对比，请求负荷为中等负荷或发动机转速为中等转速的第二区域II和第四区域IV各自示出HCCI模式作为发动机10的运行模式。第二区域II或第四区域IV是在发动机10的正常运行期间使用的。
具体地，如果基于请求负荷的输入值和发动机转速的输入值的参数的值位于第一区域I内，则控制器确定火花点火模式作为发动机10的运行模式。因而，在该控制器的控制下，各气缸11的喷射器19、经由阀致动机构40A的进气阀16A和116B、经由阀致动机构40B的排气阀18A和18B以及点火器21进行工作，以基于火花塞20所产生的火花在各气缸的燃烧室14内生成空气燃料混合物的燃烧。
同样，在图6中，如果基于请求负荷的输入值和发动机转速的输入值的参数的值位于图6的第三区域III内，则控制器确定火花点火模式作为发动机10的运行模式。因而，在该控制器的控制下，各气缸11的喷射器19、经由阀致动机构40A的进气阀16A和16B、经由阀致动机构40B的排气阀18A和18B以及点火器21进行工作，以基于火花塞20所产生的火花在各气缸的燃烧室14内生成空气燃料混合物的燃烧。
作为对比，如果基于请求负荷的输入值和发动机转速的输入值的参数的值位于图6的第二区域II或第四区域IV内，则控制器确定HCCI模式作为发动机10的运行模式。因而，在该控制器的控制下，各气缸11的喷射器19、经由阀致动机构40A的进气阀16A和116B、经由阀致动机构40B的排气阀18A和18B以及EGR阀装置53进行工作，以在各气缸11的燃烧室14内产生压缩后的空气燃料混合物的自动燃烧、即自燃。该HCCI燃烧使得无需生成火花由此降低了能量消耗，使燃烧温度下降以抑制NOx排放物的生成和排出，并且防止了快速燃烧、碰撞以及由于这两者所引起的燃烧噪声的产生。
在控制器的控制下，根据本实施例的发动机10在HCCI模式下运行以使HCCI燃烧所用的排气的流动最优。更具体地，图6的区域II表示即使发动机10未设置冷却再循环系统50、发动机10也可以在HCCI模式下运行的区域。即，根据本实施例，区域II和区域IV的总和表示发动机10可以通过使用基于内部EGR所生成的排气和基于外部EGR所生成的排气的分层而在HCCI模式下运行的区域。
具体地，参考图5，在相应气缸11的进气冲程期间，控制器对阀致动机构40A和40B以及EGR阀装置53进行控制，以使得：阀致动机构40A对进气阀16A和16B进行致动，以利用大的升程使进气口15打开；阀致动机构40B对排气阀18B进行致动，以利用小的升程使排气口17打开；并且EGR阀装置53进行驱动，以使再循环管51打开。
排气口17的打开使得从燃烧室14排出的排气可通过内部EGR经由排气口17再次引入燃烧室14内。并行地，利用EGR阀装置53使再循环管51打开，以使得经冷却再循环系统50进行冷却后的排气经由进气阀16A被引入位于进气阀16A的上游侧的进气歧管41内。另外，在进气冲程期间，喷射器19在预定时刻将预定量的燃料直接喷射至燃烧室14内。在进气冲程期间向燃烧室14内喷射燃料使得所喷射燃料能够均质地分布在燃烧室14内。
参考图7，在燃烧室14内的与第二对的进气阀16B和排气阀18B相对的区域(参见图7中燃烧室14的右半部分)中，发动机10在上述的进气冲程期间的工作产生高温的第一分层气体、即第一贫混合物层；该第一分层气体包括基于内部EGR经由排气阀18B所引入的高温排气以及经由与排气阀18B相对的进气阀16B所引入的新鲜空气a。同时，在燃烧室14内的与第一对的进气阀16A和排气阀18A相对的区域(参见图17中燃烧室14的左半部分)中，发动机10在上述的进气冲程期间的工作产生低温的第二分层气体、即第二贫混合物；该第二分层气体包括经由进气阀16A所引入的新鲜空气a与经冷却再循环系统50基于外部EGR进行冷却后的排气的混合物。
即，根据本实施例的发动机10被设计成在燃烧室14内产生高温的第一贫气体层和低温的第二贫气体层的分层，由此增加燃烧室14内的温度分层，这使得燃料混合物燃烧变缓慢。因而，可以扩展发动机10在HCCI模式下的运行负荷范围的负荷上限，由此使得除区域II以外发动机10还能够在区域IV内在HCCI模式下运行。
特别地，根据本实施例的发动机10被设计成，冷却再循环系统50经由位于气缸头11B的外部的再循环管51对从燃烧室14排出的排气进行再循环并对排气进行冷却。这样，与使用HCCI燃烧的已知发动机相比，实现了温差较大的温度分层。具体地，与使用HCCI燃烧的已知发动机相比，根据本实施例的发动机10实现了燃烧混合物燃烧的充分放缓。另外，发动机10使得可以实现排气在燃烧室内的完全燃烧，由此提高了该发动机的排气排放的净化性能。
利用根据本实施例的发动机10，冷却后的排气和低温的新鲜空气在相对长的时间段内均质混合，从而得到冷却后的排气和新鲜空气的中等贫氧的混合物。燃烧室14内以下两者的大温度梯度的分层产生小块状的冷却后的混合气体：上述冷却后的混合气体以及基于内部EGR从排气阀18B向回供给的高温排气。这使得能够在燃烧速度充分放缓的情况下实现燃烧室14内的HCCI燃烧。
特别地，根据本实施例的发动机10被配置成高温排气与冷却后排气在燃烧室14内混合以使得燃烧室14内的排气的百分比增大，这样抑制了局部燃烧速度提高，由此减少了发动机10产生的振动和噪声。另外，发动机10被配置成高温的排气被引入燃烧室14内。该结构有助于提高(相应气缸11的)燃烧室14内的温度，由此降低了HCCI燃烧期间的峰燃烧温度和峰燃烧压力。在本实施例中，引入少量冷却后排气的进气口15位于与用于返回高温排气的排气阀18B相对的位置处。该结构使要引入燃烧室14内的新鲜空气的量略微减少，但抑制了相应进气口15内的负压增大。
图8示意性示出根据本实施例的发动机10与不包括上述发动机10的结构的已知发动机的技术效果相比的技术效果。在HCCI模式下运行的已知发动机的燃烧室中，在该燃烧室内的多个点处同时发生空气燃料混合物的自燃。这使得空气燃料混合物的燃烧在短时间段内完成。由于该原因，在已知的发动机中，燃烧室14内的空气燃料混合物点火的重叠导致相应着火气缸内的压力P2瞬时上升至预定上限值。
作为对比，在HCCI模式下运行的发动机10的燃烧室14中，在燃料浓度从燃烧室14的接近火花塞20的中心部向着其外周部分布的情况下，在燃烧室14内产生高温的第一贫混合层和低温的第二贫混合层的大的温度分层。这导致如下的缓慢燃烧：该燃烧在燃烧室14的中心部处自动开始，之后逐渐扩散向其外周部扩散。这使得在不同时刻在燃烧室14内的多个局部点处发生空气燃料混合物的自动点火，由此使得相应着火气缸内的压力P1与压力P2相比变化率下降了(参见图8)。
因而，根据本实施例的发动机10保持了HCCI燃烧的诸如低燃烧温度以及减少NOx排放物的生成和排出等的技术效果。另外，发动机10防止了快速燃烧、碰撞以及由于这两者所引起的燃烧噪声。
根据本实施例的发动机10被设计成在燃烧室14内产生空气燃料混合物的分层结构，由此对燃烧室14内空气燃料混合物的非均质温度分布产生影响，以使得可以抑制燃烧速度。特别地，发动机10被配置成使经冷却再循环系统50基于外部EGR进行冷却后的低温排气与引入燃烧室14内的新鲜空气混合。该配置使燃烧室14内的高纯度的新鲜空气的百分比下降，由此抑制了燃烧室14内的局部燃烧速度提高。因而，发动机10由于燃烧速度受到抑制而防止了快速燃烧、碰撞以及由于这两者所引起的燃烧噪声。
由于抑制了燃烧室14内的局部燃烧速度提高，因此可以使处于HCCI模式的发动机10的运行负荷范围的负荷上限值从中等负荷扩展为较高负荷。具体地，如图6所示，除了传统发动机可以在HCCI模式下运行的区域II以外，发动机10还可以在较高负荷区域IV内在HCCI模式下运行。
根据本实施例的发动机10被配置为仅改变阀致动机构40A和40B中的摇臂24的辊26与各自具有共同形状的控制面27a的控制构件27之间的压接位置的相位，由此改变进气阀16A、16B和排气阀18A、18B中的相应阀的升程量。换句话说，可以对进气阀16A、16B和排气阀18A、18B各自的升程量及其升程时刻进行控制，由此简化与进气阀16A、16B和排气阀18A、18B各自的升程量相关联的控制参数。
图9是示意性示出从基于发动机10的根据本发明的变形实施例的内燃机(简称为发动机)10A的相应气缸的活塞侧观看发动机10A的图。参考图9，发动机10A还包括针对各气缸11的进气歧管41的进气管所设置的隔壁15A。隔壁15A配置在各气缸11的进气口15中，以将进气口15和进气歧管41的进气管中与进气口15相连通的部分分隔成与进气阀16A相连通的第一通道和与进气阀16B相连通的第二通道。隔壁15A从位于进气阀16A和16B之间的气缸头11B的一部分一直延伸至进气歧管41的进气管内接近相应连接部51A的位置；该位置至少位于相应连接部51A的下游侧，即该位置可以位于相应连接部51A的上游侧。
发动机10A的结构使得由冷却再循环系统50进行冷却后的排气主要被引入到经由第一通道流入进气阀16A的新鲜空气。即，发动机10A的结构在防止冷却后的排气被引入进气阀16B的情况下，将冷却后的排气与低温的新鲜空气的混合物引入燃烧室内。这导致冷却后的排气和新鲜空气的混合物与新鲜空气和从排气阀18B回供的高温排气的混合物发生较大的温度分层，由此使燃烧速度充分放缓。
已说明了根据本发明的本实施例的发动机10，但本发明不限于针对发动机10的说明和附图。本领域的技术人员基于根据本实施例的发动机10的说明和附图能够得出各种替代实施例、其它实施例和运用技术。
例如，在根据本实施例的发动机10中，在排气冲程期间，阀致动机构40B对排气阀18A进行致动以使排气口17打开，使得排气阀18A的升程量如以预定的大值作为振幅的正弦波那样改变，同时阀致动机构40B使排气阀18B保持关闭；并且在进气冲程期间，阀致动机构40B对排气阀18B进行致动以使排气口17打开，使得排气阀18B的升程量如以预定的小值作为振幅的正弦波那样改变。然而，本发明不限于该结构。
图10示意性示出根据本发明的变形实施例如何使排气阀18A和18B以及进气阀16A和16B工作。
具体地，在该变形实施例中，在排气冲程期间，阀致动机构40B在控制器的控制下对排气阀18A和18B进行致动以使排气口17打开，使得排气阀18A的升程量和排气阀18B的升程量各自如以预定的大值作为振幅的正弦波那样改变。在该变形实施例中，在进气冲程期间，阀致动机构40A在控制器的控制下对进气阀16A和16B致动以使进气口15打开，使得进气阀16A的升程量和进气阀16B的升程量各自如以预定的大值作为振幅的正弦波那样改变。另外，在该变形实施例中，阀致动机构40B配备有能够与控制器110通信的诸如减压部件、即减压机构以及/或者加压部件等的阀驱动部件DM(参见图10)。阀驱动部件DM例如在控制器的控制下对排气阀18B进行驱动，使得排气阀18B的升程量如以预定的小值作为振幅的正弦波那样改变。例如，阀驱动机构DM被配置为以液压方式向下按压摇臂24的另一端，由此使排气口17打开。
图11示意性示出根据本发明的其它变形实施例如何使进气阀16A和16B工作。在该变形实施例中，阀致动机构40A使进气阀16A和16B工作以使进气口15打开，使得进气阀16A的升程量如以预定的第一大值作为振幅的正弦波那样改变，并且使进气阀16B的升程量如以比第一大值小的预定的第二大值作为振幅的正弦波那样改变。这使得基于内部EGR经由排气阀18B从排气口17返回至燃烧室14内的排气量的百分比与经由进气阀16B引入燃烧室14内的新鲜空气量相比增大。
在发动机10中，阀致动机构40A和40B改变摇臂24的辊26与具有共同形状的控制面的各控制构件27之间的压接位置的相位，由此改变相应阀的升程量，但本发明不限于此。具体地，阀致动机构40A和40B可以改变摇臂24的辊26和具有不同形状的控制面的各控制构件27之间的压接位置的相位，由此改变相应阀的升程量。
在本实施例中，使用如图2和3所示配置的阀致动机构40A和40B来使进气阀和排气阀工作，但可以使用被配置成与图2和3所示不同的其它阀致动机构来使进气阀和排气阀工作。
在本实施例中，利用冷却再循环系统50，再循环管51可连通地连接在对应于一个气缸11的进气歧管41的各进气管和排气歧管42的一个排气管之间，但本发明不限于此。具体地，再循环管51可连通地连接在进气歧管41的各进气管和排气歧管42的至少一些排气管之间。发动机10不限于四气缸式发动机10。
尽管这里已说明了本发明的例示实施例，但本发明不限于这里所述的实施例，而且包括具有如本领域的技术人员根据本发明能够理解的变形、省略、(例如，各种实施例的方面的)组合、适应以及/或者改变的任意和所有实施例。权利要求书中的限制应当基于本权利要求书所采用的语言来广泛理解，并且不限于本说明书或本申请的执行期间所述的应当被构造成非示例性的示例。
相关申请的交叉引用
本申请基于2011年10月31日提交的日本专利申请2011-239475的优先权，在此通过引用包含其全部内容。

Claims (4)

1.一种内燃机(10)，其能够在均质充量压缩点火模式下运行，在所述均质充量压缩点火模式下，在气缸(11)的燃烧室(14)内利用活塞(12)对均质充量的空气燃料混合物进行压缩以开始点火，所述内燃机(10)包括：
燃料喷射器(19)，用于将燃料直接喷射至所述燃烧室(14)内；
多个进气阀(16A,16B)，能够被致动以分别使进气口(15)的多个开口(15a,15a)打开或关闭，其中进气通路(41)通过所述进气口(15)与所述燃烧室(14)连通；
多个排气阀(18A,18B)，能够被致动以分别使排气口(17)的多个开口(17a，17a)打开或关闭，其中排气通路(42)通过所述排气口(17)与所述燃烧室(14)连通；
阀致动机构(40A,40B)，能够被控制以分别致动所述多个进气阀(16A,16B)和所述排气阀(18A,18B)；以及
排气冷却再循环系统(50)，其具有：
再循环通路(51)，所述再循环通路(51)以能够连通的方式连接至所述进气通路(41)和所述排气通路(42)，以使从所述排气通路(42)流出的排气绕过所述燃烧室(14)回流到所述进气通路(41)；以及
冷却器(52)，用于对从所述排气通路(42)流出的排气进行冷却，
其中，
所述多个进气阀(16A,16B)被配置为包括：成对的第一进气阀(16A)和第二进气阀(16B)，
所述第一进气阀(16A)能够被致动，以使所述进气口(15)的多个开口(15a,15a)中与所述第一进气阀(16A)对应的第一开口(15a)打开或关闭；以及
所述第二进气阀(16B)能够被致动，以使所述进气口(15)的多个开口(15a,15a)中与所述第二进气阀(16B)对应的第二开口(15a)打开或关闭，
所述多个排气阀(18A,18B)被配置为包括：成对的第一排气阀(18A)和第二排气阀(18B)，
所述第一排气阀(18A)能够被致动，以使所述排气口(17)的多个开口(17a，17a)中与所述第一排气阀(18A)对应的第一开口(17a)打开或关闭；以及
所述第二排气阀(18B)能够被致动，以使所述排气口(17)的多个开口(17a，17a)中与所述第二排气阀(18B)对应的第二开口(17a)打开或关闭，
所述内燃机(10)的特征在于，
所述第一进气阀(16A)和所述第一排气阀(18A)被配置成彼此相对，
所述第二进气阀(16B)和所述第二排气阀(18B)被配置成彼此相对，
所述再循环通路(51)包括至所述进气通路(41)的连接部(51A)，并且所述连接部(51A)被置于以下位置：该位置使经所述冷却器(52)冷却后并从所述再循环通路(51)通过所述连接部(51A)导入所述进气通路(41)的排气，与所述进气通路(41)中流动的新鲜空气混合，并流向所述第一进气阀(16A)，
所述阀致动机构(40A,40B)能够被控制为，利用所述第二排气阀(18B)使高温排气从所述排气通路(42)返回到所述燃烧室(14)内，
在所述内燃机(10)的排气冲程期间，所述阀致动机构(40A,40B)被控制为致动所述第一排气阀(18A)或致动所述第一排气阀(18A)以及所述第二排气阀(18B)，
在所述内燃机(10)以所述均质充量压缩点火模式运行的进气冲程期间，所述阀致动机构(40A,40B)能够被控制为进行如下操作：
致动所述第一进气阀(16A)和所述第二进气阀(16B)，以使所述进气口(15)中的第一开口(15a)和第二开口(15a)打开；以及
致动所述第二排气阀(18B)，以使所述排气口(17)中的第二开口(17a)打开，
由此使得所述燃烧室(14)内包括：
从所述进气通路(41)通过所述进气口(15)的第一开口(15a)导入所述燃烧室(14)的混合了冷却后排气的新鲜空气；
从所述进气通路(41)通过所述进气口(15)的第二开口(15a)导入所述燃烧室(14)的新鲜空气；以及
从所述排气通路(42)通过所述排气口(17)的第二开口(17a)返回到所述燃烧室(14)的高温排气，
由此在所述燃烧室(14)内产生利用包括新鲜空气和高温排气的高温混合物与包括新鲜空气和冷却后排气的低温混合物调整后的温度分布。
2.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，在基于所述内燃机的请求负荷和所述内燃机的转速值的参数位于所述内燃机的运行范围的预定区域内的情况下，所述排气冷却再循环系统使冷却后排气经由所述再循环通路进行再循环。
3.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述燃料喷射器被配置为在所述内燃机以所述均质充量压缩点火模式运行的进气冲程期间直接喷射燃烧。
4.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，还包括隔壁，所述隔壁用于对所述进气口和所述进气通路的与所述进气口连通的部分进行分区，所述隔壁位于所述进气通路中冷却后排气从所述排气冷却再循环系统导入所述进气通路的位置的至少下游侧。
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