CN105971779B - 用于内燃发动机(ice)的空气系统和操作ice的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于内燃发动机(ICE)的空气系统和操作ICE的方法。空气系统可包括压缩机、分离装置、第一管道构件、第二管道构件和用于控制在进气冲程中进入燃烧室的气体的比率的系统。分离装置可包括壳体和膜。壳体可以流体地结合至压缩机并且被构造为从其接收第一体积的吸入空气。膜可布置在壳体内并且被构造为将第一体积的吸入空气分离为一定体积的富氮空气和一定体积的富氧空气。第一管道构件可将压缩机以流体地结合至燃烧室。第二管道构件可将压缩机以流体地结合至分离装置。气体可包括所述一定体积的富氮空气、所述一定体积的富氧空气和第二体积的吸入空气。

Description

用于内燃发动机(ICE)的空气系统和操作ICE的方法
技术领域
本公开涉及一种用于内燃发动机的空气系统和操作内燃发动机的方法。
背景技术
这部分提供了关于本公开的不一定是现有技术的背景信息。
内燃发动机(“ICE”)通常将周围空气吸入其中通过诸如活塞-气缸(例如)的压缩装置压缩空气和燃料的燃烧室中，并且点火以使得空气-燃料混合物燃烧。燃烧气体通常膨胀以对压缩装置上工作，诸如使活塞运动以驱动例如机轴。燃烧气体通常随后通过ICE的排放系统从燃烧室排出。例如，诸如柴油、汽油、乙醇或天然气的ICE中的燃料的燃烧通常导致燃料的不完全燃烧。该不完全燃烧可导致从排放系统释放增多的排放物，诸如NOx和颗粒物质(例如煤烟)。另外，NOx排放物的水平通常随着更高的燃烧室温度而升高，并且更高的燃烧室温度也可导致ICE的其它部件的磨损增大。
为了减少NOx排放物和降低燃烧室温度，现代ICE通常包括被构造为使一些废气再循环返回燃烧室的废气再循环(“EGR”)系统。这种EGR系统为ICE的复杂和昂贵的添加件。在诸如柴油ICE(例如)的一些应用中，EGR系统也可导致效率下降和颗粒物质排放物增加。
发明内容
这部分提供了本公开的总体概要，它不是本公开的全部范围或者本公开的全部特征内的全面公开。
本教导提供了一种用于内燃发动机(“ICE”)的空气系统。ICE可具有燃烧室。空气系统可包括压缩机、分离装置、第一管道、第二管道和用于控制在ICE的进气冲程中进入燃烧室的气体的比率的系统。压缩机可被构造为压缩吸入空气。分离装置可包括壳体和膜。壳体可以流体地结合至压缩机，并且可被构造为从压缩机接收第一体积的吸入空气。膜可布置在壳体内并且可被构造为将第一体积的吸入空气分离为一定体积的富氮空气和一定体积的富氧空气。第一管道可以流体地将压缩机结合至燃烧室。第二管道可以流体地将压缩机结合至分离装置。气体可包括所述一定体积的富氮空气、所述一定体积的富氧空气和第二体积的吸入空气。
本教导还提供了一种用于内燃发动机(“ICE”)的空气系统。ICE可具有燃烧室。空气系统可包括分离装置和气缸头。分离装置可被构造为接收第一体积的吸入空气和将第一体积的吸入空气分离为一定体积的富氮空气和一定体积的富氧空气。气缸头可与分离装置和燃烧室流体连通。气缸头可被构造为将所述一定体积的富氧空气引导至燃烧室的中心区域中，和将所述一定体积的富氮空气引导至燃烧室的周边。
本教导还提供了一种操作内燃发动机(“ICE”)的方法。ICE可具有燃烧室、传感器、空气充填单元和空气分离膜。该方法可包括在传感器处感测ICE的操作条件。该方法可包括基于操作条件调整充填装置的一定体积的输出空气的压力。该方法可包括在空气分离膜将所述一定体积的输出空气分离为富氮空气流和富氧空气流。该方法可包括在ICE的进气冲程中，在燃烧室的中心区域将富氧空气流引入燃烧室中。该方法可包括在ICE进气冲程中，在燃烧室的周边区域将富氮空气流引入燃烧室中。
应用性的其它领域将从本文提供的描述变得清楚。发明内容中的描述和特定示例仅旨在针对示出目的，而不旨在限制本公开的范围。
附图说明
本文描述的附图仅是为了选择的实施例的示出性目的，而不全是可能的实施方式，并且不旨在限制本公开的范围。
图1是根据本教导的包括内燃发动机(“ICE”)和空气处理系统的代表性车辆；
图2是根据本教导的ICE和空气处理系统的示意图；
图3A是图2的空气处理系统的气体分离装置的局部剖视图；
图3B是图3A的气体分离装置的膜的一部分的剖视图；
图4是用于图2的ICE的第一构造的气缸头的一部分的平面图，示出了第一进气阀和关于第一进气阀环状布置的第二进气阀；
图5是图2的ICE的一部分的剖视图，示出了在进气冲程中气流通过图4的气缸头并且进入ICE的燃烧室；
图6是与图5相似的剖视图，示出了在压缩冲程中燃烧室中的富氧空气和富氮空气的分布；
图7是与图5相似的剖视图，示出了气体在动力冲程中的燃烧；
图8是与图5相似的剖视图，示出了燃烧产物在排气冲程中的流动；以及
图9是用于图2的ICE的第二构造的气缸头的一部分的平面图，示出了第一进气阀和第二进气阀的径向阵列。
对应的标号在多个附图中始终指代对应的部分。
具体实施方式
现在，将参照附图更加完全地描述示例实施例。
本教导涉及用于内燃发动机(“ICE”)中的空气系统。ICE可为任何类型的，诸如活塞-气缸发动机或者汪克尔发动机(例如)。例如，ICE可被构造为基于诸如柴油、汽油、乙醇或天然气的任何类型的合适燃料运行。ICE可位于诸如汽车，货车，机器，飞行器，船只的车辆或者任何其它车辆内，以提供例如运动动力。然而，例如，还考虑可将ICE用于诸如发电机的具有或不具有车辆的其它应用中，或者用于操作机器。图1示出了具有ICE 12、燃料箱14、空气处理系统16和排放系统18的车辆10的示例。
图2示出了ICE 12、空气处理系统16和排放系统18的示意图。额外参照图4-图8，提供的特定示例中的ICE 12示为包括发动机组50、气缸头54、至少一个压缩装置(例如活塞)58和燃料递送装置62的活塞-气缸类型。发动机组50可限定至少一个气缸66。气缸66的数量可对应于活塞58的数量。在特定示例中，ICE 12是一种直列四缸发动机，但可使用任何构造的气缸中的任何数量的气缸66。活塞58可以以可滑动的方式容纳在气缸66中，并且可以以驱动方式结合至机轴(未示出)，以将活塞58在气缸66内的直线运动转换为机轴的旋转运动。气缸66、气缸头54和活塞58可限定燃烧室70。虽然本文参照活塞-气缸式ICE 12示出和描述，但是应该理解，本公开的发明可用于其它类型的ICE，诸如旋转发动机或者汪克尔发动机(例如)。在该发动机中，压缩装置58可为除活塞之外的装置，并且气缸66可替换为合适的对应的几何体，诸如汪克尔发动机的转子和壳体(例如)。
再返回图2，排放系统18可包括排放歧管74、排放线路78和燃烧后排放物装置82。排放歧管74可结合至气缸头54并且被构造为接收从燃烧室70排出的废气。排放歧管74可被构造为将废气导向至排放线路78中。燃烧后排放物装置82可布置为以与排放线路78流体地直连，并且可为诸如催化转化器、选择性催化还原系统或者柴油颗粒过滤器(例如)的任何合适的排放物控制装置。排放线路78可被构造为将从排放歧管74接收的废气排出至ICE 12外部或车辆10(图1)外的外部环境110(例如大气)。
空气处理系统16可包括空气过滤器114空气充填装置118、空气冷却装置(热交换器)122和气体分离装置126。空气处理系统16还可包括传感器130、控制器单元134、进气歧管138以及第一气体比率控制系统150、第二气体比率控制系统154和/或第三气体比率控制系统158。空气处理系统16也可包括气体分布系统(发动机组件)162(图5-8)。第一气体比率控制系统150、第二气体比率控制系统154和/或第三气体比率控制系统158可各自被构造为控制在ICE12的进气冲程中进入燃烧室70(图5)的气体(例如富氮空气、富氧空气、吸入空气(第二体积的吸入空气))的比率，下面将进行描述。气体分布系统162(图5-8)可被构造为将富氧空气分布至燃烧室70(图5)的中心区域170(图5)内和将富氮空气分布至燃烧室70(图5)的周边区域174(图5)内，下面将进行描述。
空气处理系统16可具有与诸如车辆10(图1)的发动机舱(未特别示出)中的大气或者车辆10外部的大气(例如)的吸入空气源214流体连通的第一管道210，以从吸入空气源214接收吸入空气。空气过滤器114可以与第一管道210流体地直连，并且被构造为从其接收吸入空气。空气过滤器114可为被构造为从空气去除诸如吸入空气中的灰尘、碎屑或液体(例如)的颗粒和污物的任何合适类型的过滤器。可通过被构造为将吸入空气从空气过滤器114递送至空气充填装置118的第二管道218结合空气过滤器114以与空气充填装置118流体连通。
空气充填装置118可为被构造为在第一压力接收吸入空气并且在高于第一压力的第二压力输出吸入空气的任何合适的充填装置。在提供的具体示例中，空气充填装置118是包括压缩机222、涡轮机226和输入构件230的涡轮增压器系统。涡轮机226可以与排放线路78流体地直连，并且被构造为使得涡轮机的涡轮机元件(未特别示出)通过经涡轮机226的废气流被旋转地驱动。涡轮机226可驱动地结合至输入构件230，以使得涡轮机元件的旋转可使输入构件230旋转。输入构件230可驱动地结合至压缩机222的压缩机元件或叶轮(未特别示出)，以使得输入构件230的旋转可使压缩机222中的叶轮旋转。压缩机222可流体地地结合至第二管道218以从其接收吸入空气。压缩机222可在叶轮旋转时压缩吸入空气。虽然将提供的特定示例描述为涡轮增压器系统，但是可使用诸如增压器、电压缩机或混合空气充填装置(例如)的其它类型的空气充填装置。
空气冷却装置122可为适于使压缩的或充填的空气冷却的任何类型的冷却装置，诸如中间冷却器、后冷却器或其它热交换器(例如)。空气冷却装置122可通过第三管道234流体地结合至压缩机222，并且被构造为从其接收充填的吸入空气。空气冷却装置122可被构造为使得冷却剂238可流动通过或穿过空气冷却装置122，以从流动通过空气冷却装置122的充填的吸入空气中去除热。冷却剂238可为来自ICE 12或者车辆10(图1)周围的大气的空气，或者可为诸如水、油或制冷剂(例如)的液体冷却剂。在当前示例中，空气冷却装置122可在压缩机222与气体分离装置126之间流体连通，以使得充填的吸入空气在进入气体分离装置126之前被冷却。在虚线所示的替代形式的构造中，空气冷却装置122可位于气体分离装置126的下游，以从气体分离装置126接收分离的空气，下面将参照空气冷却装置122’进行描述。
气体分离装置126可通过第四管道(第二管道构件)242流体地结合至空气冷却装置122以从其接收吸入空气。额外参照图3A和图3B，气体分离装置126可为适于将从压缩机222接收的一股充填的吸入空气244分离为一股富氮空气246(即富含N2的空气)和一股富氧空气250(即富含O2的空气)的任何类型的装置。在提供的示例中，气体分离装置126可包括壳体254和膜结构(膜)258。壳体254可包括入口262、第一出口266、第二出口270，并且可限定内腔274。入口262可与第四管道242(图2)流体连通以从其接收吸入空气(第一体积的吸入空气)。
膜结构258可布置在内腔274内，并且可包括可渗透氧或氮的膜壁278。膜壁278将内腔分为第一区域282和第二区域286。第一区域282可与第一出口266流体连通。第二区域286可与第二出口270流体连通。在提供的示例中，膜结构258包括多个横流或切向流膜管290，它们被构造为使得渗透物或滤液通过膜管290进入第一区域282，滞留物通过第二区域286流经膜管290，但是可使用其它构造。在提供的示例中，膜管290的渗透物包括氧、二氧化碳和水，而滞留物包括氮，但是可使用其它构成。例如，渗透物可包括氮，而滞留物可包括氧、二氧化碳和水。应该理解，膜结构258可被构造为使得除氧、二氧化碳、水和氮以外还可以是其它渗透物或其它滞留物。膜结构258可由任何合适的材料或构造制成，以从氧气(诸如从砜聚合物或含氟聚合物(例如))中分离氮气。在提供的具体示例中，膜结构258涂布有间二氧杂环戊烯共聚合四氟乙烯(dioxole copolymerization tetrafluoroethylen)，但是可使用其它构造。
返回图2，第一出口266(图3A)可通过第五管道310结合以与进气歧管138流体连通。第二出口270(图3A)可通过第六管道314结合以与进气歧管138流体连通。空气冷却装置122或者第四管道242也可通过第七管道(第一管道构件)318结合以与进气歧管138流体连通。进气歧管138可结合以与气缸头54流体连通。气缸头54可被构造为将气体从第五管道310、第六管道314和/或第七管道318经进气歧管138引入燃烧室70(图5)中。在包括气体分布系统162的构造中，进气歧管138和气缸头54可被构造为保持富氮空气与富氧空气分离，下面将进行描述。在不包括气体分布系统162的另一构造中，进气歧管138可允许富氧空气和富氮空气在进气歧管138内混合。
第一气体比率控制系统150、第二气体比率控制系统154和第三气体比率控制系统158可一起使用、独立使用或者按照各自的任何组合使用。第一气体比率控制系统150可为被构造为提供旋转动力以操作压缩机222的涡轮助力装置。在提供的具体示例中，第一气体比率控制系统150包括电动机350。电动机350可驱动地结合至输入构件230或者压缩机222的叶轮，以使叶轮旋转并压缩通过压缩机222接收的吸入空气。充填装置118可在其中电动机350为叶轮提供全部旋转动力的电模式、其中涡轮机226对叶轮提供全部旋转动力的机械模式或者其中电动机350可补偿从涡轮机226接收的旋转动力的混合模式下运行。
电动机350可由控制器单元134控制以选择性地操作和控制通过电动机350输出的旋转动力。控制器单元134可被构造为控制电动机350，以控制退出压缩机222的吸入空气的压力。因此，可积极地调整压缩机222的操作，以提供用于气体分离装置126的期望压力而不管ICE 12的发动机速度或者涡轮机226的旋转速度如何。在提供的示例中，膜结构258的分离效率可与流经气体分离装置126的气体的压力关联。因此，可通过改变可控制流经气体分离装置126的空气的压力的电动机350的速度，来控制退出气体分离装置126的富氮空气与富氧空气的比率以及退出气体分离装置126的富氮空气和富氧空气的浓度％。
第二气体比率控制系统154可包括气体存储装置370。气体存储装置370可被构造为接收、保持和选择性地排出一定体积的气体，诸如空气250(图3A)的富氧流的一些或全部。气体存储装置370可结合以与第一区域282(图3B)、第一出口266(图3A)和第五管道310流体连通。气体存储装置370可限定可具有可变容量的室374。在提供的具体示例中，室374由可伸展或收缩以扩张或减小室374的容量的弹性材料限定，诸如气球或空气囊(例如)。应该理解，可使用其它可变容量气体存储装置，诸如利用隔膜或者活塞-气缸的那些(例如)。
气体存储装置370可通过控制器单元134控制以选择性地允许室374在进气模式下吸入富氧空气、在存储模式下保持富氧空气和在释放模式下将富氧空气释放进入第五管道310中。在进气模式下，室374的容量可增大以接收或吸入富氧空气。在存储模式下，室374的容量可保持不变以保持富氧空气。在释放模式下，室374的容量可减小以排出富氧空气。控制器单元134可基于车辆10、ICE 12的操作条件或由传感器130感测的外部条件将气体存储装置370在进气模式、存储模式和释放模式之间切换。传感器130可为诸如温度传感器、全球定位传感器(“GPS”)、加速计、压力传感器、速度传感器、发动机速度传感器或者节气门位置传感器(例如)的任何合适的传感器。
例如，如果传感器130检测车辆10处于不需要增大功率或者需要增加富氮空气的状况，诸如热起动条件、稳态条件或者高环境温度条件(例如)，则控制器单元134可将气体存储装置切换为进气模式，以用燃烧室70(图5)中不需要的富氧空气填充室374。当室374中的富氧空气的量达到预定水平时，控制器单元134可将气体存储装置370切换为存储模式，以保持室374内的富氧空气直至燃烧所需为止。当气体存储装置370保持容量(atcapacity)或者处于存储模式时，产生的过多的且不再需要的富氧空气可通过通风口(未示出)排放至大气。作为另外一种选择，第一区域282与第二区域286(图3A和图3B)之间的压力差可抑制额外产生富氧空气。当ICE 12需要额外的氧时，诸如在冷起动条件、开车上山、当驾驶员要求提高加速时或者降低的环境温度条件(例如)中，控制器单元134可将气体存储装置370切换为释放模式以释放燃烧室70(图5)可用的额外富氧空气。
作为另外一种选择，气体存储装置370可被构造为接收、保持和选择性地排出空气246(图3A)的富氮流的一些或全部。在这种构造，气体存储装置370可结合以与第二区域286(图3B)、第二出口270(图3A)和第六管道314流体连通。控制器单元134可被构造为使得在传感器130检测车辆10处于需要增大功率或者需要增加富氧空气的情况下，诸如冷起动条件、开车上山、当驾驶员要求提高加速时或者降低的环境温度条件(例如)，控制器单元134可将气体存储装置370切换为进气模式以用燃烧室70(图5)中不需要的富氮空气填充室374。当室374中的富氮空气的量达到预定水平时，控制器单元134可将气体存储装置370切换为存储模式以保持室374中的富氮空气，直至燃烧所需为止。当气体存储装置370保持容量或者处于存储模式时，产生的过多的且不再需要的富氮空气可通过通风口(未示出)排放至大气。作为另外一种选择，第一区域282与第二区域286(图3A和图3B)之间的压力差可抑制额外产生富氮空气。当ICE12需要额外的氮时，诸如在热起动条件、稳态条件或高环境温度条件(例如)中，控制器单元134可将气体存储装置370切换为释放模式，以释放燃烧室70(图5)可用的额外富氮空气。
在替代性构造中，气体存储装置370可被构造为接收可变的量的富氮空气和富氧空气，并且存储混合物直至燃烧室70中需要这种混合物为止。存储在气体存储装置370中的富氮空气与富氧空气的量或比率可通过控制器单元134控制，并且可基于车辆10、ICE 12的操作条件、外部条件或者预期所需的未来条件。在另一替代性构造中，可使用第二气体存储装置(第二存储装置，未特别示出)。第二气体存储装置可在如上所述的结构和操作方面与第一气体存储装置相似。在这种构造中，第一气体存储装置370可用于选择性地存储和释放富氧空气，而第二气体存储可选择性地存储和释放富氮空气。第一气体存储装置和第二气体存储装置也可被构造为将富氧空气和富氮空气的混合物保持在不同比率。
第三气体比率控制系统158在图2中以虚线示出，并且可包括第一阀(第二阀部分)390、第二阀(第三阀部分)394和第三阀(第一阀部分)398。第一阀390可结合以与第一出口266与进气歧管138之间的第五管道310流体地直连。第二阀394可结合以与第二出口270与进气歧管138之间的第六管道314流体地直连。第三阀398可结合以与空气冷却装置122与进气歧管138之间的第七管道318流体地直连。第一阀390、第二阀394和第三阀398可由控制器单元134控制以选择性地调整通过第五管道310、第六管道314和第七管道318中的每一个的流的量，以调整富氧空气与富氮空气的比率，以吸入燃烧室70(图5)可用的空气。在没有气体分布系统162的构造中，来自第五管道310、第六管道314和第七管道318的气体的对应的量可在进入燃烧室70(图5)之前在进气歧管138中混合。在虚线所示的替代形式的构造中，可用空气冷却装置122’替换空气冷却装置122，或者可额外使用空气冷却装置122’，并且其可结合以与第一阀390、第二阀394和第三阀398和进气歧管138之间的第五管道310、第六管道314和第七管道318流体地直连。在这种构造中，空气冷却装置122’可被构造为允许来自第五管道310、第六管道314和第七管道318的对应的气体在进入进气歧管138之前在空气冷却装置122’中混合。
额外参照图4-图8，气体分布系统162可包括气缸头54、中心进气阀或者第一进气阀(第一阀构件)410、环形进气阀或者第二进气阀(第二阀构件)414以及排放阀418。第一进气阀410可具有第一阀体430以及第一阀元件434。第一阀体430可形成在气缸头54中或者可以固定方式与其结合。第一阀体430可结合以与进气歧管138(图2)流体连通并且被构造为允许进气歧管138与燃烧室70之间的流体连通。进气歧管138(图2)可被构造为使得来自第五管道310(图2)的富氧空气被导向至第一阀体430中而不与第六管道314(图2)的富氮空气混合。进气歧管138(图2)可被构造为使得来自第七管道318(图2)的吸入空气可在通过第一阀体430引入之前与富氧空气选择性地混合。作为另外一种选择，可使用额外阀(未示出)以将吸入空气直接引入燃烧室70中。第一阀体430可布置在气缸头54中，基本在燃烧室70的中心区域170顶部或邻近于燃烧室70的中心区域170，基本与气缸66和活塞58同轴。第一阀体430在形成燃烧室70的顶部的气缸头54的顶壁450中可为基本圆形的孔。
第一阀元件434可包括第一杆454和固定地结合至第一杆454的端部的第一头458。第一阀元件434可以在打开位置(图5)与关闭位置(图6-8)之间相对于第一阀体430可运动。在打开位置，第一头458可与第一阀体430间隔开，以使得富氧流462可流动通过第一阀体430并且进入燃烧室70。在关闭位置，第一头458可安放于第一阀体430上以密封和抑制流体流动通过第一阀体430。第一阀元件434可通过诸如螺线管、凸轮或提升器(例如)的任何合适的装置在打开位置与关闭位置之间运动。也可通过控制器单元134控制第一阀元件434在打开位置与关闭位置之间的运动。在提供的具体示例中，第一头458是被构造为将富氧流462朝着中心区域170引导和限制富氧流462在中心区域170以外的紊流混合的圆形，或者通常为球形。虽然示出为圆形，但是第一头458可为被构造为防止或者限制富氧流462在中心区域170以外的混合和与富氮流486的混合的其它形状，将在下面描述这一点。例如，第一头458具有与提升阀相似的锥形截面形状。虽然未特别示出，但是气体分布系统162可包括可排列在中心区域170中或周围以将富氧空气引导进入中心区域170的多个第一进气阀410。
第二进气阀414可具有第二阀体470和第二阀元件474。第二阀体470可形成在气缸头54中或者可固定地与其结合。第二阀体470可结合以与进气歧管138(图2)流体连通，并且构造为允许进气歧管138与燃烧室70之间的流体连通。进气歧管138(图2)可被构造为使得来自第六管道314(图2)的富氮空气被导向至第二阀体470中，而不与第五管道310(图2)的富氧空气混合。进气歧管138(图2)可被构造为使得来自第七管道318(图2)的吸入空气可在引入通过第二阀体470之前选择性地与富氮空气混合。作为另外一种选择，可使用额外阀(未示出)以将吸入空气直接引入燃烧室70中。第二阀体470可布置在气缸头54中，基本在燃烧室70的周边区域174顶部上或邻近于燃烧室70的周边区域174，基本与气缸66和活塞58同轴并且位于第一阀体430的径向向外位置。第二阀体470在关于第一阀体430径向布置的气缸头54的顶壁450中可为基本环形或圈形的孔。
第二阀元件474可包括第二杆478和固定地结合至第二杆478的一端的第二头482。第二阀元件474可相对于第二阀体470在打开位置(图5)与关闭位置(图6-8)之间可运动。在打开位置，第二头482可与第二阀体470间隔开，从而富氮流486可流动通过第二阀体470并且进入燃烧室70。在关闭位置，第二头482可安放于第二阀体470上，以密封和抑制流体流动通过第二阀体470。第二阀元件474可通过诸如螺线管、凸轮或提升器(例如)的任何合适的装置在打开位置与关闭位置之间运动。第二阀元件474在打开位置与关闭位置之间的运动也可通过控制器单元134控制。在提供的具体示例中，第二头482是通常为被构造为将富氮流486朝着周边区域174引导并且限制富氮流486在周边区域174以外的紊流混合的圆形，或者椭圆形。因此，富氧流462和富氮流486在燃烧室70中保持基本分离。虽然示为圆形，但是第二头482可为被构造为防止或限制富氮流486在周边区域174以外混合以及与富氧流462混合的其它形状。例如，第二头482可具有与提升阀相似的锥形横截面形状。虽然未特别示出，但是气体分布系统162可包括可排列在周边区域174中或周围以将富氮空气引导进入周边区域174的多个第二进气阀414。
排放阀418可具有排放阀体510和排放阀元件514。排放阀体510可形成在气缸头54中或者可与其固定地结合。排放阀体510可结合以与排放歧管74(图2)流体连通，以允许废气流518(图8)退出燃烧室70并且经排放歧管74进入排放线路(图2)。排放阀体510可布置在气缸头54中，基本在燃烧室70的周边区域174顶上或邻近于燃烧室70的周边区域174，基本与气缸66和活塞58同轴，并且位于第一阀体430的径向向外的位置。排放阀体510在关于第一阀体430径向布置的气缸头54的顶壁450中可为基本环形或圈形的孔。在提供的示例中，排放阀体510还关于第二阀体470径向布置，但是排放阀体510可布置在第二阀体470的径向向内的位置。
排放阀元件514可包括排放杆522和固定地结合至排放杆522的端部的排放头526。排放阀元件514可相对于排放阀体510在打开位置(图8)与关闭位置(图5-7)之间可运动。在打开位置，排放头526可与排放阀体510间隔开以使得废气流518可流动通过排放阀体510并退出燃烧室70以到达排放歧管74(图2)。在关闭位置，排放头526可安放于排放阀体510上以密封和抑制流体流动通过排放阀体510。排放阀元件514可通过诸如螺线管、凸轮或者提升器(例如)的任何合适的装置在打开位置与关闭位置之间运动。排放阀元件514在打开位置与关闭位置之间的运动也可通过控制器单元134控制。虽然示为圆形，但是排放头526可为被构造为有助于废气流518从燃烧室70退出的其它形状。例如，排放头526具有与提升阀相似的锥形横截面形状。虽然未特别示出，但是气体分布系统162可包括可排列在周边区域174或中心区域170中或者周边区域174或中心区域170周围以允许燃烧气体从燃烧室70的排放的多个排放阀418。
在操作中，第一进气阀410和第二进气阀414在活塞58的进气冲程中可打开，如图5所示。在进气冲程中，排放阀418可关闭并且活塞58可沿轴向运动远离气缸头54，以增大燃烧室70的容量并通过第一进气阀410和第二进气阀414吸入空气。第一进气阀410、第二进气阀414和排放阀418可随后在活塞58的压缩冲程中关闭，如图6所示。在压缩冲程中，活塞58朝着气缸头54沿径向运动，以减小燃烧室70的容量，并且压缩燃烧室70中的气体和一定量的燃料(未特别示出)。燃料可通过燃料递送装置62注射至燃烧室70中，并且可诸如通过燃料注射器(例如)直接注射至中心区域170中，以与富氧空气混合。燃料递送装置62可在进气冲程中或在压缩冲程中将燃料引入燃烧室70中。作为另外一种选择，燃料可在进入燃烧室70之前被引入富氧流462中。诸如火花塞(例如)的点火装置(未特别示出)可点燃空气-燃料混合物以造成燃烧。作为另外一种选择，诸如当ICE12是压缩点火发动机时，可以可选地包括诸如在冷起动条件下使用的电热塞(例如)的装置以向空气-燃料混合物加热，以当压缩的热不足时有助于其点火。空气-燃料混合物的燃烧一般使得在活塞58(图7)的动力冲程中导致的燃烧室70的中心区域170中的热燃烧气体膨胀。在动力冲程中，活塞58可沿径向运动远离气缸头54以旋转机轴(未示出)。布置在周边区域174周围的富氮空气可相对较冷，并且可用于吸收一些通过燃烧产生的热，以减少ICE12的气缸66吸收的热的量同时还减少NOx排放物。这样，气体分布系统162可增大ICE12的热效率并减少排放物。在活塞58(图8)的排气冲程中，排放阀418可打开并且活塞58可朝着气缸头54沿轴向运动以减小燃烧室70的容量并通过排放阀418排出燃烧气体。
另外参照图9，气体分布系统的替代性构造以标号910示出。上述相似编号的元件的描述并入本文中，并且将不重复。气体分布系统910可包括第一进气阀410、多个第二进气阀914和多个排放阀(多个第二阀构件)918。第二进气阀914和排放阀918可布置在气缸头54中并且在燃烧室70的周边区域174周围按照径向阵列关于第一进气阀410沿圆周间隔开。在提供的示例中，第二进气阀914和排放阀918可相等地间隔开并且可沿圆周替换，但是可使用其它构造。
第二进气阀914和排放阀918可在构造上与第一进气阀410相似，并且可分别包括第二阀体922、第二阀元件926、排放阀体930和排放阀元件934。第二阀体922和排放阀体930可形成在气缸头54中或者可固定地与其结合。第二阀体922可结合以与进气歧管138(图2)流体连通并且被构造为允许进气歧管138与燃烧室70之间的流体连通。进气歧管138(图2)可被构造为使得来自第六管道314(图2)的富氮空气被引导进入第二阀体922而不与第五管道310(图2)的富氧空气混合。进气歧管138(图2)可被构造为使得来自第七管道318(图2)的吸入空气可在引入通过第二阀体922之前与富氮空气选择性地混合。作为另外一种选择，另外的阀(未示出)可用于将吸入空气直接引入燃烧室70中。第二阀体922和排放阀体930可布置在气缸头54中，基本在燃烧室70的周边区域174顶上或邻近于燃烧室70的周边区域174。第二阀体922和排放阀体930在气缸头54的顶壁450中可基本为圆形孔。
第二阀元件926和排放阀元件934可分别包括第二杆950、第二头954、排放杆958和排放头962。第二头954和排放头962可固定地结合至对应的第二杆950和排放杆958的端部。第二阀元件926和排放阀元件934可相对于它们对应的第二阀体922和排放阀体930在打开位置与关闭位置之间可运动。在第二阀元件926的打开位置，第二头954可与第二阀体922间隔开，以使得富氮流(未特别示出)可流动通过第二阀体922并且进入燃烧室70的周边区域174。与以上参照图5-8描述的相似，围绕周边区域174的第二进气阀914的阵列可允许富氮空气包围燃烧室70中的富氧空气。在排放阀元件934的打开位置，排放头962可与排放阀体930间隔开，以使得燃烧气体(未特别示出)可从燃烧室70流动通过排放阀体930并且进入排放歧管74。在它们的关闭位置，第二头954和排放头962可安放于它们对应的第二阀体922和排放阀体930上，以密封和抑制流体流动通过第二阀体922和排放阀体930。第二阀元件926和排放阀元件934可通过诸如螺线管、凸轮或提升器(例如)的任何合适的装置在它们的打开位置与关闭位置之间运动。第二阀元件926和排放阀元件934在打开位置与关闭位置之间的运动也可通过控制器单元134控制。在提供的具体示例中，第二头954是被构造为将富氮流朝着周边区域174引导并且限制富氮流在周边区域174以外的紊流混合的诸如圆形或基本球形的形状(例如)。在操作中，气体分布系统910可通过活塞58的进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程与气体分布系统162相似地操作。气体分布系统162、910中的任一个可与上述气体比率控制系统150、154、158中的任一个或者它们的组合一起使用。
在气体分布系统的替代性构造中，未特别示出，注射器(未示出)可替代气体分布系统162、910中的任一个的第一进气阀410。注射器可安装在气缸头54中，并且可结合以与进气歧管138(图2)流体连通，以从第六管道314(图2)或者气体存储装置(第一存储装置)370(图2)接收富氧空气。注射器可被构造为将富氧空气注射至燃烧室70的中心区域170中。注射器可为被构造为选择性地注射一定体积的气态富氧空气的任何合适的注射器。例如，注射器可与通常用于将压缩的天然气注射至通过压缩的天然气提供燃料的ICE的燃烧室中的气体注射器相似。然而，在该替代形式的构造中，使用注射器注射氧(例如富氧空气)而非燃料(例如柴油、汽油、乙醇或天然气)。除替代第一进气阀410的注射器之外，该构造的气体分布系统可与气体分布系统162、910相似地构造和操作。
为了示出和描述的目的，提供了实施例的以上描述。其不旨在是全面的或者限制本公开。特定实施例的单独的元件或特征通常不限于该特定实施例，而是，即使未特别示出或者描述，也在可应用的地方可互换并且可用于选择的实施例中。也可按照许多方式来改变。这种变化不应看作是背离本公开，并且所有这种修改旨在被包括在本公开的范围内。提供示例实施例以使得本公开将是彻底的，并且将把范围完全传递给本领域技术人员。阐述了诸如特定组件、装置和方法的示例的许多特定细节，以提供对本公开的实施例的彻底理解。本领域技术人员应该清楚，不需要采用特定细节，示例实施例可按照许多不同形式实现并不应被理解为限制本公开的范围。在一些示例实施例中，不详细描述公知的工艺、公知的装置结构和公知的技术。
本文所用的术语仅是为了描述特定示例实施例，并且不旨在限制。如本文所用，除非上下文清楚地指明不是这样，否则单数形式“一个”、“一”也旨在包括复数形式。还应该理解，术语“包括”是不排斥的，因此指明存在所列特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。除非特别指明执行次序，否则本文描述的方法步骤、处理和操作不应理解为一定需要按照讨论或示出的特定次序执行它们。还应该理解，可采用额外或替代性步骤。
应该理解，当元件或层被称作“位于”另一元件或层“上”、“接合至”、“连接至”或“结合至”另一元件或层时，其可直接位于所述另一元件或层上、接合至、连接至或结合至所述另一元件或层，或者可存在中间元件或层。相反，当元件被称作“直接位于”另一元件或层“上”、“直接接合至”、“直接连接至”或“直接结合至”另一元件或层时，不存在中间元件或层。应该按照相似的方式解释其它用于描述元件之间的关系的词语(例如，“在……之间”与“直接在……之间”、“邻近”与“直接邻近”等)。如本文所用，术语“和/或”包括相关所列项之一或多个的任何和所有组合。
虽然本文中可使用术语例如第一、第二、第三等来描述多个元件、组件、区、层和/或部分，但是这些元件、组件、区、层和/或部分不应被这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件、组件、区、层或部分与另一区、层或部分区分开。除非上下文清楚地指明，否则当本文使用诸如“第一”、“第二”的术语和其它编号术语时，不意指顺序或次序。因此，下面讨论的第一元件、组件、区、层或部分可被称作第二元件、组件、区、层或部分，而不脱离示例实施例的教导。
为了方便描述，本文中可使用诸如“内”、“外”、“在……下方”、“在……之下”、“下”、“在……之上”、“上”等的空间相对术语，以描述附图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。应该理解，空间相对术语旨在涵盖使用或操作中的装置的除图中所示的取向之外的不同取向。例如，如果图中的装置颠倒，则被描述为“在其它元件或特征之下”或“在其它元件或特征下方”的元件将因此被取向为“在其它元件或特征之上”。因此，示例术语“在……之下”可涵盖在……之上和在……之下这两个取向。装置可按照其它方式取向(旋转90度或位于其它取向)，并且将相应地解释本文所用的空间相对描述语。

Claims (10)

1.一种用于内燃发动机ICE(12)的空气系统，该ICE(12)具有燃烧室(70)，该空气系统包括：
压缩机(222)，其被构造为压缩吸入空气；
分离装置(126)，其包括壳体(254)和膜(258)，壳体(254)流体地结合至压缩机(222)，并且被构造为从压缩机(222)接收第一体积的吸入空气，膜(258)设置在壳体(254)中，并且被构造为将第一体积的吸入空气分离为一定体积的富氮空气和一定体积的富氧空气；
第一管道构件(318)，其将压缩机(222)流体地结合至燃烧室(70)；
第二管道构件(242)，其将压缩机流体地结合至分离装置(126)；以及
比率控制系统(150、154、158)，其被构造为控制在ICE(12)的进气冲程中进入燃烧室(70)的气体的比率，气体包括所述一定体积的富氮空气、所述一定体积的富氧空气和第二体积的吸入空气，其中，比率控制系统(150、154、158)包括：
第一阀部分(398)，其与第一管道构件(318)流体连通，并且被构造为选择性地抑制吸入空气通过第一管道构件(318)从压缩机(222)流至燃烧室(70)；
第二阀部分(390)，其与分离装置(126)流体连通，并且被构造为选择性地抑制所述一定体积的富氧空气和所述一定体积的富氮空气之一从分离装置(126)流至燃烧室(70)；
第三阀部分(394)，其与分离装置(126)流体连通，并且被构造为选择性地抑制所述一定体积的富氧空气和所述一定体积的富氮空气中的另一个从分离装置(126)流至燃烧室(70)；以及
控制器单元(134)，其被构造为调整第一阀部分、第二阀部分和第三阀部分(398、390、394)以基于ICE(12)的操作条件调整气体比率，其中
所述控制器单元(134)被构造为(i)将来自第一管道构件(318)的吸入空气与富氧空气混合或(ii)将来自第一管道构件(318)的吸入空气与富氮空气混合，以及
比率控制系统(154)包括结合以与分离装置(126)和燃烧室(70)流体连通的第一存储装置(370)，第一存储装置(370)被构造为存储第一体积的留存空气，第一体积的留存空气为所述一定体积的富氧空气、所述一定体积的富氮空气或从分离装置(126)接收的所述一定体积的富氧空气和富氮空气的第一混合物之一，第一存储装置(370)被构造为将第一体积的留存空气选择性地释放至燃烧室(70)。
2.根据权利要求1所述的空气系统，其特征在于，控制器单元(134)被构造为调整第一阀部分、第二阀部分和第三阀部分(398、390、394)，以在冷起动条件、加速条件或高负载条件之一期间提供增大比率的富氧空气，其中，控制器单元(134)被构造为调整第一阀部分、第二阀部分和第三阀部分(398、390、394)以在热起动条件、稳态条件或高环境温度条件之一期间提供增大比率的富氮空气。
3.根据权利要求1所述的空气系统，其特征在于，控制器单元(134)被构造为基于城市或高速操作条件调整第一阀部分、第二阀部分和第三阀部分(398、390、394)。
4.根据权利要求1所述的空气系统，其特征在于，还包括：热交换器(122、122')，其布置在压缩机(222)与燃烧室(70)之间。
5.根据权利要求4所述的空气系统，其特征在于，热交换器(122')布置在燃烧室(70)与第一阀部分、第二阀部分和第三阀部分(398、390、394)之间，热交换器(122')被构造为将所述一定体积的富氧空气、所述一定体积的富氮空气和第二体积的吸入空气混合。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的空气系统，其特征在于，比率控制系统(150、154、158)包括电动机(350)，其以驱动方式结合至压缩机(222)的输入构件(230)，电动机(350)被构造为控制输入构件(230)的旋转速度，以调整第一体积的吸入空气的压力。
7.根据权利要求6所述的空气系统，其特征在于，还包括与燃烧室(70)流体连通的涡轮机(226)，涡轮机(226)以驱动方式结合至压缩机(222)的输入构件(230)。
8.根据权利要求1至5中的任一项所述的空气系统，其特征在于，第一存储装置(370)包括具有可变容量的室(374)。
9.根据权利要求1至5中的任一项所述的空气系统，其特征在于，比率控制系统还包括第二存储装置，其结合以与分离装置(126)和燃烧室(70)流体连通，第二存储装置被构造为存储第二体积的留存空气，第二体积的留存空气为所述一定体积的富氧空气、所述一定体积的富氮空气或者所述一定体积的富氧空气和富氮空气的第二混合物之一。
10.根据权利要求9所述的空气系统，其特征在于，第二存储装置包括具有可变容量的室。
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