CN103328775B - 具有可变气门正时的四冲程内燃机和方法 - Google Patents

具有可变气门正时的四冲程内燃机和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103328775B
CN103328775B CN201180065292.1A CN201180065292A CN103328775B CN 103328775 B CN103328775 B CN 103328775B CN 201180065292 A CN201180065292 A CN 201180065292A CN 103328775 B CN103328775 B CN 103328775B
Authority
CN
China
Prior art keywords
engine
inlet valve
valve
cylinder
quartastroke engine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201180065292.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103328775A (zh
Inventor
D·鲍德温
R·梅诺恩
W·伯林杰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Caterpillar Inc
Original Assignee
Caterpillar Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Caterpillar Inc filed Critical Caterpillar Inc
Publication of CN103328775A publication Critical patent/CN103328775A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103328775B publication Critical patent/CN103328775B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D13/00—Controlling the engine output power by varying inlet or exhaust valve operating characteristics, e.g. timing
    • F02D13/02—Controlling the engine output power by varying inlet or exhaust valve operating characteristics, e.g. timing during engine operation
    • F02D13/0269—Controlling the valves to perform a Miller-Atkinson cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/34—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift
    • F01L1/344—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear
    • F01L1/3442—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear using hydraulic chambers with variable volume to transmit the rotating force
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L2820/00—Details on specific features characterising valve gear arrangements
    • F01L2820/04—Sensors
    • F01L2820/041—Camshafts position or phase sensors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)

Abstract

本发明涉及一种四冲程内燃机(100)，包括至少一个气缸(104)和至少一个与气缸(104)相关联的进气门(208)。所述进气门(208)能够依照米勒热力学循环在曲轴转动的预定范围上打开和关闭。电子控制器(254)接收指示气缸(104)中的空气量和/或空气/燃料混合物量的至少一个输入信号。电子控制器能够提供正时相位信号(416)，其在输入信号基础上运行来调整进气门(208)的运转正时，使得通过变换曲轴转动的预定范围而使发动机(100)的扭矩输出在发动机速度(402)的预定范围上基本上保持恒定。

Description

具有可变气门正时的四冲程内燃机和方法
技术领域
本发明总体涉及一种火花点燃式内燃机，并且更特别地涉及一种具有可变气门正时能力的发动机。
背景技术
米勒循环是在四冲程内燃机类型中使用的燃烧过程。传统的奥托循环发动机使用四“冲程”，其中两个冲程对发动机的功率输出有最大的影响：压缩冲程，在压缩冲程中使用功率来压缩燃料和空气混合物；和做功冲程，在做功冲程中混合物燃烧来产生动力。发动机功率输出的可观部分取决于在不同的发动机气缸的压缩循环中通过发动机消耗的内部功率量。
当与奥托循环中相应的发动机运对比时，在米勒循环下运转的发动机中，燃烧气缸中的一个或多个进气门在下止点(BDC)后的一长段时间内是打开的或迅速关闭，即在BDC之前。通过这种方式，与否则假如在标准的奥托循环操作中执行进气门正时所允许进入气缸中的增压空气量相比，较少量的增压空气在气缸中被压缩。
在以进气门延迟关闭模式(LIC)运行时，当活塞开始向上移动时(即传统的压缩冲程)，增压空气部分地被驱逐回离开仍然打开的进气门。类似地，当进气门提前关闭(EIC)时，在压缩之前当活塞接近BDC时允许进入气缸中的增压空气膨胀。典型地，增压空气的损失将会致使功率损失。尽管如此，在米勒循环中，增压空气的减少是通过使用增压器或涡轮增压器补偿的。米勒循环的一方面是在LIC发动机中只有在活塞已经推出“额外”的增压空气并且进气门关闭之后压缩冲程才实际开始，或在EIC发动机中在活塞已经通过BDC并且开始压缩气缸中的增压空气之后压缩冲程才实际上开始。
已知的发动机运转模式的一个例子可以在2007年2月20日公布的美国专利7,178,492中看到。在这，增压空气和再循环废气的混合物从进气歧管供给到燃烧腔的进气口。在活塞压缩冲程的大部分过程中可以选择性地操作进气门打开这个进气口来允许增压空气和再循环废气的混合物在燃烧腔和进气歧管之间流动。在进气门关闭之后控制燃料供给系统来使燃料注入到燃烧腔中。在这种发动机应用中，可变的进气门关闭机构选择性地中断进气门的关闭正时从而使进气门保持打开一段所希望的时间。当进气门关闭时，燃料(在这种情况下为柴油)被注入到燃烧腔中，并且发动机有大约4/1的压缩比。
发明内容
一方面，本发明描述了一种四冲程内燃机。所述内燃机包括至少一个气缸和与气缸相关联的至少一个进气门。进气门被构造为依照米勒热力循环在曲轴转动的预定范围上打开和关闭。电子控制器接收指示在气缸中的空气量和/或空气/燃料混合物的量的至少一个输入信号。电子控制器被构造为提供正时相位信号，其在输入信号的基础上运转以调节进气门操作的正时，使得通过变换曲轴旋转的预定范围而使发动机的扭矩输出在发动机速度的预定范围上基本上保持恒定。
另一方面，本发明描述了用于使四冲程内燃机运转的方法。所述方法包括使发动机在一化学计量空燃比下以及在一发动机气门正时下以与米勒热力燃烧循环一致的方式运转。在电子控制器处接收运转参数。运转参数指示在至少一个发动机气缸中存在的空气和燃料燃烧混合物的量。在电子控制器中对运转参数进行处理，以确定希望的气门正时和/或正时相位变化。运转参数包括发动机速度、发动机负载、海拔高度和/或燃料质量。在希望的气门正时和/或正时相位变化的基础上确定气门相位信号。在气门相位信号的基础上改变发动机的气门正时来选择性地调节燃烧混合物的量使得保持发动机的扭矩输出在发动机速度范围上基本上恒定。
附图说明
图1是根据本发明的发动机的框图，
图2是根据本发明的发动机的燃烧气缸的部分剖视图，
图3和4是根据本发明的相位器的立体图和剖视图，
图5是根据本发明的电子控制器的框图，
图6是根据本发明的相位控制器的框图，
图7是根据本发明图示说明不同发动机运转条件的定性图表，
图8是根据本发明的方法的流程图，
图9是根据本发明的气门正时图。
具体实施方式
本发明涉及具有可变气门和燃料注入和/或火花正时功能的内燃机。尽管本发明的实施例描述的是依靠诸如天然气等气态碳氢化合物燃料运转的火花点燃式发动机，但压燃式发动机或依靠汽油或其它任何碳氢化合物燃料的发动机是可以设想的并且会很好地适合于在此公开的装置和方法。
在各种不同的发动机应用中，诸如在当速度降低时保持扭矩输出恒定的同时在不同的速度下运转，米勒的有效“量”根据发动机运转的米勒模式的LIC或EIC类型变化。典型地，通过进气歧管压力或增压和进气门正时的合适补偿，使发动机的进气保持恒定。在大部分发动机应用中，这样的附加增压不是轻易可达到的，这会导致在那些发动机中在低速运转时不能保持它们恒定的扭矩输出。已经意识到这个问题，本发明建议了一种方法和系统，用于在发动机运转参数的基础上控制发动机动态地使用的米勒(Miller)量，发动机的运转参数包括发动机速度和其他参数。这些参数在控制器中进行处理，在一个实施例中，该控制器被构造为控制凸轮相位器的运转。所述凸轮相位器运转来改变气门正时并因此根据发动机速度调节米勒量，这允许发动机在比以前可能的速度更低的速度下运转。
图1示出了内燃机100的框图。内燃机100包括形成许多气缸104的曲轴箱102。每个气缸104可操作地与喷射器106、进气流道108和排气流道110相关联。在发动机100的运转过程中，空气通过气缸104各自的进气流道108进入到每个气缸104中。当在气缸104中，空气和从喷射器106中注入的燃料混合，形成可燃混合物。在一种替代的实施例中，在燃料进入发动机气缸前，燃料和进入的空气混合，产生可燃混合物。在这两个中的任一个发动机构造中，可燃混合物通过活塞(未示出)压缩并通过火花点燃产生动力。残留在气缸104中的废气通过各自的废气流道110排出，并重复这个过程。通过它们各自的进气流道108进入到每个气缸的空气通过进气歧管112供给进气流道108。类似地，从气缸104中出来的废气被收集在废气歧管114中。供给每个喷射器106的燃料通过燃料泵116压缩，该燃料泵给与喷射器106中的每一个流体连通的共轨118提供压缩燃料。替代地，将燃料提供给混合阀(未示出)，所述混合阀将燃料和进入的发动机空气以预定的比例混合。
发动机100的气缸104的详细的剖视图在图2中示出。在接下来的描述中，为了简单起见，与先前描述的相应的元件和特征相同或类似的元件和特征用与先前使用的附图标记相同的附图标记表示。相应地，气缸104包括活塞202，该活塞可往复运动地安装在所述活塞内并且通过连杆204(部分示出)偏心地连接在旋转曲轴(未示出)上。气缸盖206形成进气流道108和废气流道110的部分。进气门208可往复运动地安装在气缸盖206上并被布置为选择性地流体地阻止空气从进气流道108中进入到气缸104中。类似地，排气门210选择性地流体地阻止在发动机的做功冲程后在气缸中存在的废气进入废气流道110。尽管为了简单起见示出了单一的进气门和排气门，但发动机100在每个气缸104中可包括多个气门。
在图示说明的实施例中进气门208和排气门210的打开和关闭是通过两个上凸轮完成的，但可以使用其他结构。此外，虽然示出了专用的进气凸轮和排气凸轮，但可选择的发动机结构可包括单一的凸轮，该凸轮操纵发动机的进气门和排气门。在图示说明的实施例中，进气门凸轮212包括多个进气凸角214，这些进气凸角形成偏心的特征，当进气凸轮212旋转时，该偏心的特征能够通过相对应的进气门桥216推动进气门210打开。类似地，排气门凸轮218包括排气凸角220，排气凸角通过相对应的排气门桥222推动排气门210打开。尽管在图2中的图示说明是简化的，为气缸操纵气门的、以任一直列型、V型或其他任一配置方式上布置的类似结构都是可以设想的。
发动机100是四冲程发动机，这意味着活塞202的四冲程连续地执行来产生动力。在图示说明的实施例中，发动机100在米勒热力循环下运转，与运行奥托循环或柴油循环的典型发动机所有的相比，在米勒循环中进气门208在活塞202通过它的BDC位置之后保持打开更长或更短的时间。更具体地说，在图9中示出了定性的气门正时图表300。尽管典型的气门正时图表是在每个发动机特定结构的基础上构造的，但图表300简化地示出，为了简单起见并没有气门超前、延后、或重叠效应。
图表300代表了关于发动机曲轴旋转的各个进气门和排气门打开事件，该发动机曲轴旋转是在发动机曲轴沿箭头R的方向旋转时从前方观察到的。相应地，TDC在图表300的顶部示出，并代表了曲轴的位置(0度)，在此位置活塞202在气缸104中在最顶端的位置，如图2所示。类似地，BDC在图表300的底部示出，并代表了活塞202在气缸104中在最底端位置时所处的位置(180度)。在这个图表中，进气冲程302从TDC延伸，为了本发明的目的在TDC假设进气门208即刻打开，经过一个角度α(alpha)到在一个属于在BDC之前或之后大约1到100度的范围内的角度，角度α一般地示出。当进气门已关闭时压缩冲程304开始，在目前的讨论中假设这立刻发生，并且压缩冲程304延伸到TDC。燃烧或做功冲程306立即跟随直到大约BDC，并由排气冲程308跟随。做功冲程306的开始可以通过在火花点燃式发动机中提供火花或通过经由在燃烧气缸中创造合适的条件允许在压燃式发动机中发生自动点火来提前或延迟。
如在图表300中通过阴影部分310示出的，进气门的打开和关闭延长了越过BDC位置的进气冲程302，其以一种类型的米勒循环(LIC)的特征方式延迟了压缩冲程304。可以理解，在米勒循环的EIC类型中，气门正时图表是不同的。有利地，进气门的启动可在其他的发动机运转条件或环境条件的基础上变化，使得在大部分运转条件下可优化发动机的运转。在本发明的发动机100中也可以选择性地控制点燃点或做功冲程306的开始点。进气冲程的持续和/或燃烧冲程的开始是两个参数，在发动机100中可以主动地控制这两个参数。这种控制在以下方面是有效的：提高燃料节约，扩大发动机的恒定扭矩发动机速度运转范围，针对海拔高度效应进行调节，针对不同燃料类型进行补偿，以及如在接下来的段落中更详细地描述的，普遍地给发动机100的运转提供其他的优势。
用于选择性地调节发动机100的进气门和排气门打开和关闭正时的元件结构的一个实施例在图3和4中示出。相应地，进气凸轮212的立体图在图3中示出。示出的进气凸轮包括12个凸角214，但其它结构可使用。
进气凸轮212包括正时轮224，正时轮形成多个槽口226和一个相位器228。在图示说明的实施例中，示例性的相位器228包括外壳230，外壳形成四个内在的腔体231，但其他相位器结构具有较少或较多的腔体。通常，可使用任一合适类型的旋转促动器。示例性的相位器228还包括凸轮转子232。凸轮转子232形成四个臂234，一个与每一腔体231相对应，密封地布置为在腔体231中旋转。凸轮转子232还包括流体通道236的网络，其能够在腔体231的壁和臂234之间提供增压的流体从而使凸轮转子232相对于壳体230的相对角度位置可调节。
在发动机100的运转过程中凸轮转子232相对于壳体230的角度调节产生了在凸角214的旋转位置上的偏移或相位差异，其进而在进气门相对于曲轴旋转位置的打开和关闭方面产生了相位变化，因此在活塞在它们各自的发动机气缸中的位置方面产生了相位变化。通过适当地调节在流体通道236中的流体压力可实现这个相位变化。
PCM254的框图在图5中示出。如所示的，PCM254被布置为接收指示发动机运转参数和其他参数的各种输入。特别地，PCM254接收发动机速度信号(RPM)402、发动机负载信号(LOAD)404(其可以表达为施加到发动机上的扭矩)、实际的进气门相位和进气凸轮正时信号(I_TIM)406、排气凸轮正时信号(E_TIM)408、燃料甲烷或辛烷速率信号(METH)410、海拔高度信号(ALT)412，和在此没有示出的其他参数，例如进气歧管压力、废气压力、发动机油或冷却液温度、点燃正时(如图6中示出的IGN444)和类似的参数。在图示说明的信号中，RPM402可作为单位为转每分钟的发动机速度被提供，或可替代地作为来自曲轴位置传感器的未处理的系列脉冲被提供，其然后被用于导出发动机速度。LOAD404可直接由负载传感器(未示出)提供，或它可替代地从其他参数间接地计算出，诸如连接到发动机(未示出)的发电机或交流发电机的电流或电压输出、由连接到发动机(未示出)的流体泵提供的液压流体的压力和流量，或指示在运转过程中施加于发动机的负载的其他任一合适的参数。I-TIM406和E-TIM408分别可从与发动机的进气门和排气门相关联的凸轮位置传感器中提供。ALT412可由气压压力传感器(未示出)提供，而METH410可由燃料质量传感器(未示出)自动地提供和/或由可手动选择的机械的或电子的开关提供，如果提供给发动机的燃料质量是已知的，这个开关能够由操作员设置。
PCM254包括在此示出的和描述的各种子模块，但可以理解的是图示说明的模块的功能并不详尽。相应地，比示出的功能更少或更多的功能可集成在PCM254中。此外，在此示出的PCM254是电子控制装置，或者换句话说，电子控制器。如在此所使用的，术语电子控制器可涉及单一的控制器或可包括不止一个控制器用于控制发动机各种功能和/或特征。例如，用于控制与发动机相关联的控制系统的主控制器，诸如发电机或交流发电机，可和电机或发动机控制器一起合作实施，用来控制发动机100。在这个实施例中，术语“控制器”意思是包括一个、两个或更多个控制器，这些控制器可彼此相关联，并且这些控制器可合作控制发动机100的各种功能和运转。控制器的功能(在图5-6中概念地示出，仅仅出于图示说明的目的而包括各种离散的功能)可不考虑示出的离散功能在硬件和/或软件中实施。相应地，控制器的各种接口相对于发动机的元件描述。这些接口目的不是限制连接的元件的类型和数目，也不是限制描述的控制器的数目。
相应地，PCM254包括进气门正时模块414，该模块至少接收进气门正时信号406、负载404和发动机速度402。进气门正时模块414执行计算来提供进气门相位信号416。进气门相位信号416可与控制相位器装置运转的信号相同或提供基础用于确定控制相位器装置运转的信号，所述相位装置例如为相位器228，如所示出的和前面描述的。尽管任一适合的实施方式均可用于进气门正时模块414，但图6示出了一种特定的实施方式。
参照图6，进气门正时模块414包括查找表418，该查找表由气门正时值填充，或在图示说明的实施例中，相对于发动机速度402、发动机负载404以及可选择地点燃正时值(IGN)444列表的气门相位信号填充。在表418中的正时值被安排来依据使用的米勒运转类型提供给正时提前或延迟，用于降低发动机速度和/或用于降低发动机负载来提供发动机米勒运转的减少的或降低的作用。换句话说，当发动机的恒定扭矩运转范围扩大到包含更低的发动机速度时，表418可设置为，通过改变进气门的正时来在气缸中提供更大的进气，以负责当以低的发动机速度运转时发动机较低的进气压力。当发动机在更高的海拔高度运转时可使用类似的策略。
因此，表418在运转过程中接收发动机速度402和负载404，并使用这些参数来查找、插入、或不然的话确定希望的进气正时值420。在一个实施例中，也使用点燃正时444来确定进气正时值420。希望的进气正时值420在求和点422处与实际的进气正值406进行比较，提供进气正时错误423。进气正时错误423被提供给控制算法424，该控制算法生成进气门正时命令信号426。控制算法424可以是诸如比例-积分-微分(PID)控制器或其变化等的任一合适的算法、基于算法的模型、单一的或多维的功能等。此外，控制算法424可包括安排其各种内部术语(诸如获益)的时序，以提高它的稳定性。
现在回到图5，进气门正时命令信号426可选地通过在接合点428处增加补偿项(compensationterm)得到补偿。在图示说明的实施例中，补偿项是海拔高度补偿项430和燃料质量补偿项432。这些补偿项是可选择的并且在不同的环境条件下增强了发动机运转的灵活性。更具体地说，海拔高度补偿项430是正时提前或推迟值，该值依据发动机运转的海拔高度412。海拔高度信号412被提供给海拔高度补偿模块434。在图示说明的实施例中，海拔高度补偿模块434可包括基于在各种不同的海拔高度上所预期的空气密度提供合适的正时提前或推迟值的功能。通过这种方式，海拔高度补偿模块434可提供趋向于改变进气门正时的项，其致使对于更高的海拔高度减少米勒作用。
以类似的方式，燃料质量补偿项432是正时提前或推迟值，该值依据测得的或提供的燃料甲烷或辛烷值。在图示说明的实施例中，燃料质量补偿项432是在燃料质量信号410的基础上通过燃料质量正时模块436来提供的。在一个实施例中，燃料质量正时模块436可提供补偿项，该补偿项趋向于改变进气门正时，因此对有相对高的甲烷或辛烷值的燃料降低发动机的米勒作用。进气门正时命令信号426因此被补偿来提供进气门相位信号416。
在具有单独的进气门凸轮轴和排气门凸轮轴的发动机中，PCM254还能够提供单独的排气门相位信号438。在图示说明的实施例中排气门相位信号438以类似于进气门相位信号416的方式确定。相应地，排气门相位信号438是通过由排气门正时模块442提供的经海拔高度和燃料质量补偿的排气门正时信号440来确定。排气门正时模块442接收作为输入的发动机速度402、负载404和排气门正时408。排气门正时模块442可与进气门正时模块414类似地运转并包括类似的元素和算法。排气门正时信号440可通过使用如用于进气门正时命令的相同的或不同的补偿项来进行补偿，也就是说海拔高度补偿项430和燃料质量补偿项432。可以理解的是，在具有操纵进气门和排气门的单一凸轮轴的发动机中，单独的排气门相位信号是不要求的。
图7示出了一定性的图表，该图表表明了如在此所公开地通过选择性地调节进气门和排气门打开持续时间能够实现的某些优点。更具体地说，图7是有和没有正时补偿的发动机运转点的图，其是针对发动机速度502的特定条件绘制的。通过这种方式，发动机速度502沿着水平轴被绘出，并且发动机容积效率504沿着垂直轴被绘出。对于内燃机，容积效率典型地指发动机能够将进气移入和移出气缸的效率。更具体地说，容积效率是一个比率，该比率可以表达为百分比，实际上占气缸在静态条件下实际容量多少百分比的燃料和空气量在进气期间进入气缸中。与目前的发明相关地，对于较低的发动机速度达到高的容积效率的能力是希望的，从而使发动机能在恒定的扭矩条件下运转的发动机速度范围可增加。
在图7示出的图表中，绘出了基线发动机运转点506，用于比较针对在较低速度下发动机运转的气门相位变换对容积效率的作用。基线运转点506包括在米勒循环下的发动机运转。为较低的发动机速度描绘出第二发动机运转点508，其比基线发动机速度大约低6％，与基线点506相比，其是在没有对进气门或排气门正时进行调节的情况下获得的。在较低发动机速度下的运转在第二点508处在发动机容积效率方面提供了大约0.5％的减少。在甚至更低的发动机速度下获得了第三个点510，该甚至更低的发动机速度比基线发动机速度低大约11.5％。不像第二个点，在第三个点510处的进气正时提前了少于10度。在第三个点510的容积效率相对于基线容积效率增加了大约3％。
通过对于较低发动机速度的正时调节在容积效率上的增加使在发动机速度较广范围内的发动机恒定扭矩运转成为可能。对于诸如发电机组、作业机械、固定式压缩机、混合电力驱动系统等各种不同的发动机应用，这样的发动机运转能力是有利的。通常，能够使用在几乎恒定的速度下运转的发动机的应用得益于在此提出的系统和方法，因为在降低的发动机速度下运转且同时保持恒定或几乎恒定的如较高发动机速度下的扭矩呈现了诸如改进的燃料消耗和可靠性、降低的噪音和排放、和其他等优势。
运转发动机的方法的流程图在图8中示出。在602处，发动机在富含燃料(fuelrich)的按化学计量的空气混合物下运转。这样的空气混合物可被表述为或被认为是所希望的、当燃烧开始时存在于气缸中的增压空气和燃料混合物的空燃比(AFR)，该比例还可在发动机运转范围上基本上保持恒定。在604处，电子控制器被布置为接收各种发动机运转参数和其他运转参数，这些参数指示在运转期间注入到发动机气缸中的增压空气量或空气和燃料混合物的量。在606处，电子控制器处理接收的参数来确定正时相位变化。正时相位变化能够在发动机的运转期间提供相对高的米勒效应，使得当发动机在富含燃料的按化学计量的燃烧条件下运转时在发动机气缸中的燃料/空气混合物的量足以产生所希望的扭矩输出。
在一个实施例中，气门相位变化是依据发动机的负载和发动机的速度、海拔高度、燃料质量和其他参数可变的。通常，指示燃烧要求的氧气的浓度和/或燃料浓度的任一参数均可用作在燃烧过程中在发动机中的燃料/空气混合物的量的指示。在一个实施例中，在608处，在发动机速度和负载的基础上调节气门正时。可选择地，在610处在海拔高度的基础上和在612处在燃料质量的基础上也调节或补偿气门正时。使用这样的调节以在614处通过电子控制器提供气门相位信号。相位信号可以是能够在运转期间在发动机的气门正时方面引起变化的任一合适类型的信号。在图示说明的实施例中，例如，气门相位信号是提供给控制阀的PWM信号。控制阀选择性地调节进入相位器装置和从相位器装置出来的流体的流量。相位器装置又能够调节它的位置来给操纵气门的凸轮轴提供正时相位变换。
相应地，在616处，发动机气门的正时在气门相位信号的基础上变化，例如通过在相位器装置处指引(index)凸轮轴。通过这种方式，凸轮被指引，以在发动机速度、发动机负载、海拔高度和其他条件的基础上依据发动机的米勒运转的类型适当地改变米勒作用。在本发明的实施例中，提供气门相位信号给至少一个控制阀。控制阀通过指引凸轮轴运转来调节一系列气门的正时或相位。在发动机的运转过程中，这个过程可连续地重复来调节或变换发动机气门的正时相位。
通过转换发动机气门的正时相位，当保持用于诸如发电应用、控制发动机速度、压缩机应用等等控制的发动机速度的几乎恒定的发动机扭矩输出，依照本发明方法的发动机运转方便地能够扩大它的发动机速度运转范围。这样的发动机运转能力对诸如使用在混合电力驱动系统、发电机组、压缩机和类似的东西中的应用的某些发动机应用是有利的，在这些中发动机速度可调节来回应负载的变化。
工业实用性
本发明可适用于任何类型的内燃机，特别是，依靠天然气运转的固定式发动机。由于调节稀燃或富燃的发动机正时以在大约20-80％的范围内包括实质的米勒作用，而大部分应用在大约40-50％的范围内运转，本发明的装置和方法是独一无二的。气门相位是可变的并在发动机运转期间在诸如发动机速度、发动机负载、海拔高度、燃料质量和其他等各种运转参数的基础上动态地调节。通过这种方式，进气门正时为了降低发动机的速度和负载和/或增加海拔高度而变化，也为了降低燃料质量从而使在宽广的运转范围内在气缸中存在充足的空气和燃料而变化。在图示说明的实施例中，发动机100在13/1的压缩比或更大的压缩比下运转。
在先前建议的使用米勒循环的发动机中，其中的一些发动机是使用14.7的压缩比或更大压缩比的用于汽车应用的汽油发动机，通过提高气缸的压缩比来增加发动机的效率。尽管由于气缸中压缩燃料和空气混合物的自燃使压缩比在典型的汽油发动机中是有限的，但由于米勒循环发动机的减少的压缩冲程，较高的整体的气缸压力是可能的。
当在诸如发电机组等某些固定式发动机应用上使用米勒循环时，发动机的速度可保持恒定，并且发动机的快速增加或降低其负载输出的能力通过在此描述的方法有利地提高。对其他固定式发动机应用诸如驱动气体压缩机的发动机，可要求发动机在不同的速度运转但保持恒定的扭矩。对于这些发动机应用，在低的发动机速度下发生的降低的进气空气压缩致使米勒效应更为明显，但也限制于发动机的有效的速度范围。对具有涡轮增压器的发动机这尤其明显，因为在低的发动机速度下可利用来为发动机运转充分驱动高的进入空气压力的废气功率通常是不充足的。通过执行在此提出的发动机结构和方法，通过适当地变换发动机气门相位，从而使在发动机的燃烧腔中的燃料和空气混合物的反应的焓可保持在要求的范围内，可以在几乎恒定的发动机扭矩输出下增大发动的有效速度范围。
此外，通过使用具有相位器的发动机来如在这里所描述地有选择地控制发动机的米勒效应的量，可实现附加的好处。例如，在启动时在发动机上具有多余负载的发动机应用，诸如在石油工业中用来驱动气体压缩机的发动机，可包括用于在发动机启动和/或立即接下来的发动机启动中为发动机运转降低米勒效应的功能。通过这种方式，发动机能够克服被驱动设备的多余的负载，所以能够使发动机和相关的发动机零部件实现发动机的启动。在一个实施例中，依照上述发明的发动机还可包括控制程序，当发动机在用于启动的条件下时，例如，当发动机点火开关处于指示点火在进行但发动机没有运转的模式中时，控制程序被激活。在这种条件下，控制程序可命令预设的相位信号给发动机的相位器，这会导致发动机降低的米勒效应直到发动机如例如通过超过预设的低发动机速度阈限值的发动机速度或任一合适参数所指示地启动，。
可以理解的是，前面的描述提供了本发明的系统和技术的一些例子。尽管如此，可以设想，本发明的其他实施方式可以在细节上和前面所述的例子不同。对本发明或对其例子的所有引用的目的是在当时引用特定的例子来讨论，而不是意味着更概括地对本发明的范围做出限制。对于某些特征的语言上的区别和轻视的目的是指出对这些特征并非优选，并非将其整体上从本发明的范围中排除，除非另有指示。
在此除非另外地指出，对值的范围的记载仅意在作为一种分别指示各个落入到该范围中的单独的值的速记方法，并且每个单独的值都并入到说明书中，如同这些数值已被单独地进行记载。在此所描述的所有方法都能够以任何合适的顺序执行，除非在此有另外的指示或明显地与上下文相矛盾。

Claims (10)

1.一种四冲程内燃机(100)，包括：
至少一个气缸(104)，所述气缸具有能在上止点(TDC)和下止点(BDC)之间往复运动的活塞(202)；
至少一个进气门(208)，所述进气门与至少一个气缸(104)相关联并能由凸轮轴(214)操纵，所述至少一个气门能够在曲轴转动的预定范围内打开和关闭，其中，所述进气门(208)依据米勒热力循环运行；
电子控制器(254)，所述电子控制器能够接收至少一个输入信号，所述至少一个输入信号指示在所述至少一个气缸(104)中的空气量和空气/燃料混合物量中的至少一者；
其中，所述电子控制器能够提供正时相位信号(416)，其在至少一个输入信号的基础上运转以调节所述至少一个进气门(208)的运行正时，使得通过变换凸轮轴转动相对于曲轴位置的预定范围而使四冲程内燃机(100)的扭矩输出在发动机速度(402)的预定范围内基本上保持恒定。
2.如权利要求1所述的四冲程内燃机(100)，还包括相位器(228)，所述相位器与凸轮轴(214)相关联并能够响应于正时相位信号(416)指引凸轮轴，其中，所述正时相位信号引起在凸轮轴的预定范围内的相位变换。
3.如权利要求1或2中的任一项所述的四冲程内燃机(100)，其中，所述至少一个输入包括发动机速度(402)、发动机负载(404)、进气氧浓度、海拔高度(412)和燃料质量(410)中的至少一者。
4.如权利要求1所述的四冲程内燃机(100)，其中，在所述至少一个气缸(104)中的空燃比在发动机运转过程中保持恒定以产生富燃的化学计量的燃烧和稀燃的化学计量的燃烧中的至少一者，并且当发动机速度(402)低、发动机负载(404)低、海拔高度(412)高、燃料质量(410)高和四冲程内燃机(100)处于启动模式中的至少一种情况时，正时相位信号运转来降低四冲程内燃机(100)的米勒作用。
5.如权利要求1所述的四冲程内燃机(100)，其中，四冲程内燃机(100)的扭矩输出和速度中的至少一者保持在目标扭矩输出值的+/-10％的范围内。
6.如权利要求1所述的四冲程内燃机(100)，其中，四冲程内燃机(100)有时能够允许所述至少一个气缸(104)中的用于燃烧的进气进入，并压缩所述进气，该进气在总的可能进气量的20％和80％之间的范围内，总的可能进气量定义为如果在进气冲程(302)过程中进气门(208)基本上在上止点(TDC)处打开且基本上在下止点(BDC)处关闭的话允许进入所述至少一个气缸(104)中的进气。
7.如权利要求6中所述的四冲程内燃机(100)，其中，四冲程内燃机(100)的容积效率在45％-60％的范围内，并且所述至少一个气缸(104)能够在压缩比10：1和15：1下运行。
8.一种用于使如前述权利要求中的任一项所述的四冲程内燃机(100)运转的方法，包括：
使四冲程内燃机(100)在一化学计量空燃比下和在一四冲程内燃机(100)气门正时下以与米勒热力学燃烧循环一致的方式运转；
在电子控制器(254)处接收运转参数，所述运转参数指示在至少一个所述四冲程内燃机(100)的气缸(104)中存在的空气和燃料燃烧混合物的量；
在电子控制器(254)中对运转参数进行处理，以确定所希望的气门正时和正时相位变化中的至少一者，其中所述运转参数包括发动机速度(402)、发动机负载(404)、海拔高度(412)和燃料质量(410)中的至少一者；
在所希望的气门正时和正时相位变化中的至少一者的基础上确定气门相位信号(416)；以及
在气门相位信号的基础上改变气门正时以选择性地调节燃烧混合物的量使得保持四冲程内燃机(100)的扭矩输出在发动机速度(402)范围内基本上恒定。
9.如权利要求8所述的方法，其中，运转参数的处理包括在目前的发动机速度(402)和发动机负载(404)、海拔高度(412)和/或燃料质量(410)的基础上确定所希望的气门正时和正时相位变化中的至少一者。
10.如权利要求8或9中的任一项所述的方法，其中，使四冲程内燃机(100)与米勒热力学燃烧循环一致地运转是通过下面中的至少一个实现的：
使与四冲程内燃机(100)的气缸(104)相关联的至少一个进气门(208)在超出活塞(202)的下止点(BDC)位置之后保持打开，使得在四冲程内燃机(100)运转的进气门延迟关闭(LIC)类型下进气冲程(302)普遍延长并且压缩冲程(304)普遍缩短，以及
在活塞(202)的下止点(BDC)位置之前关闭所述至少一个进气门(208)，使得在四冲程内燃机(100)运转的进气门提前关闭(EIC)类型下进气冲程(302)普遍缩短并且压缩冲程(304)普遍延长；
其中，确定所希望的气门正时和正时相位变化中的至少一者与下面一致：
当四冲程内燃机(100)在进气门延迟关闭(LIC)类型的运转方式下运转时加速所述至少一个进气门(208)的关闭，或当四冲程内燃机(100)在进气门提前关闭(EIC)类型的运转方式下运转时延迟所述至少一个进气门(208)的关闭，使得当运转参数指示低的发动机速度(402)、低的发动机负载(404)、高的海拔高度(412)、或高的燃料质量(410)中的至少一者时，或当四冲程内燃机(100)处于启动模式时，降低米勒循环的作用；或者
当四冲程内燃机(100)在进气门延迟关闭(LIC)类型的运转方式下运转时延迟所述至少一个进气门(208)的关闭，或当四冲程内燃机(100)在进气门提前关闭(EIC)类型的运转方式下运转时加速所述至少一个进气门(208)的关闭，使得当运转参数指示高的发动机速度(402)、高的发动机负载(404)、或低的燃料质量(410)中的至少一者时，提高米勒循环的作用。
CN201180065292.1A 2010-11-22 2011-11-21 具有可变气门正时的四冲程内燃机和方法 Expired - Fee Related CN103328775B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/952,033 US20120125276A1 (en) 2010-11-22 2010-11-22 Four stroke internal combustion engine having variable valve timing and method
US12/952,033 2010-11-22
PCT/US2011/061629 WO2012071317A2 (en) 2010-11-22 2011-11-21 Four stroke internal combustion engine having variable valve timing and method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103328775A CN103328775A (zh) 2013-09-25
CN103328775B true CN103328775B (zh) 2016-06-29

Family

ID=46063122

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201180065292.1A Expired - Fee Related CN103328775B (zh) 2010-11-22 2011-11-21 具有可变气门正时的四冲程内燃机和方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20120125276A1 (zh)
CN (1) CN103328775B (zh)
DE (1) DE112011103859T5 (zh)
WO (1) WO2012071317A2 (zh)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140026873A1 (en) * 2012-07-27 2014-01-30 Caterpillar Inc. Variable Miller Cycle for Reactivity Controlled Compression Ignition Engine and Method
US9279379B2 (en) 2013-08-29 2016-03-08 Kohler Co. Position based air/fuel ratio calculation in an internal combustion engine
US9567900B2 (en) * 2014-11-01 2017-02-14 Filip Kristani Four-cycle internal combustion engine with curtailed intake process
US9500124B2 (en) * 2014-11-13 2016-11-22 Caterpillar Inc. Hybrid powertrain and method for operating same
WO2016112936A1 (de) * 2015-01-13 2016-07-21 Mtu Friedrichshafen Gmbh Dieselmotor und verfahren zum starten eines dieselmotors
DE102015111056A1 (de) * 2015-07-08 2017-01-12 Volkswagen Aktiengesellschaft Verfahren zur wirkungsgradoptimierten Umschaltung einer Viertakt-Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern und vollvariablem Ventiltrieb zwischen einem Voll-Zylinderbetrieb und Teil-Zylinderbetrieb
CA2994691C (en) * 2015-08-06 2023-01-03 General Electric Company System and method for engine control
DE102017010758A1 (de) * 2017-11-21 2019-05-23 Daimler Ag Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen Verbrennungskraftmaschine
EP3717762B1 (en) 2017-11-29 2022-09-14 Volvo Truck Corporation Method for controlling an internal combustion engine arrangement

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5682854A (en) * 1994-03-07 1997-11-04 Komatsu Ltd. Variable compression ratio engine
CN1311391A (zh) * 2000-03-01 2001-09-05 丰田自动车株式会社 内燃机配气正时控制装置和方法
US7178492B2 (en) * 2002-05-14 2007-02-20 Caterpillar Inc Air and fuel supply system for combustion engine
US7765806B2 (en) * 2006-08-21 2010-08-03 Gm Global Technology Operations, Inc. Atkinson cycle powertrain

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4009695A (en) * 1972-11-14 1977-03-01 Ule Louis A Programmed valve system for internal combustion engine
DE69834588T2 (de) * 1997-09-15 2006-09-07 Honda Giken Kogyo K.K. Vorrichtung zur Steuerung eines Hybridfahrzeuges
US20050247286A1 (en) * 2002-02-04 2005-11-10 Weber James R Combustion engine including fluidically-controlled engine valve actuator
JP3985696B2 (ja) * 2003-02-28 2007-10-03 日産自動車株式会社 内燃機関の可変動弁装置
JP2008002324A (ja) * 2006-06-21 2008-01-10 Hitachi Ltd 位相角検出装置及び該位相角検出装置を用いた内燃機関のバルブタイミング制御装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5682854A (en) * 1994-03-07 1997-11-04 Komatsu Ltd. Variable compression ratio engine
CN1311391A (zh) * 2000-03-01 2001-09-05 丰田自动车株式会社 内燃机配气正时控制装置和方法
US7178492B2 (en) * 2002-05-14 2007-02-20 Caterpillar Inc Air and fuel supply system for combustion engine
US7765806B2 (en) * 2006-08-21 2010-08-03 Gm Global Technology Operations, Inc. Atkinson cycle powertrain

Also Published As

Publication number Publication date
US20120125276A1 (en) 2012-05-24
DE112011103859T5 (de) 2013-08-14
WO2012071317A3 (en) 2012-07-19
CN103328775A (zh) 2013-09-25
WO2012071317A2 (en) 2012-05-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103328775B (zh) 具有可变气门正时的四冲程内燃机和方法
US8656870B2 (en) Control strategy for multi-stroke engine system
EP2699777B1 (en) Split cycle reciprocating piston spark ignition engine
US8037873B2 (en) Residual burnt gas scavenging method with double intake valve lift in a direct-injection supercharged internal-combusion engine, notably of diesel type
CN100439680C (zh) 四冲程预混压缩点火式内燃机的控制装置和控制方法
US8448616B2 (en) Internal combustion engine cycle
US8627647B2 (en) Residual burnt gas scavenging method in a direct-injection supercharged internal-combustion multi-cylinder engine running under partial loads
CN101198787A (zh) 内燃机的起动系统及起动方法
US20120283932A1 (en) Two-stroke internal combustion engine with variable compression ratio and an exhaust port shutter and a method of operating such an engine
CN101238278A (zh) 内燃机
SE531208C2 (sv) Metod för reglering av återcirkulation av avgaserna hos en förbränningsmotor med laddningskompressor och en motor användande sådan metod
JP2009523962A (ja) 可変圧縮比及び排気口シャッタを有する２サイクル内燃機関
EP2466098B1 (en) An Internal Combustion Engine and a Method of Operation of an Internal Combustion Engine
CN103362638B (zh) 用于操作涡轮增压器的方法
JP2009180220A (ja) 高圧酸素噴射式内燃機関
CN102933816B (zh) 火花点火式内燃机
US20210262401A1 (en) Methods and system for reducing engine hydrocarbon emissions
US20110174248A1 (en) Residual burnt gas scavenging method in a direct-injection supercharged internal-combustion multi-cylinder engine
US20170298841A1 (en) Diesel engine and method for operating a diesel engine
JP6870350B2 (ja) 内燃機関の制御装置
JP2004211618A (ja) エンジン制御装置およびその方法
US20170306869A1 (en) Diesel engine and method for starting a diesel engine
CN201496115U (zh) 点燃式发动机连续可变配气控制系统
CN111094724B (zh) 内燃机和用于控制这种内燃机的方法
RU2191910C2 (ru) Двигатель внутреннего сгорания

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20160629

Termination date: 20171121

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee