CN1748076A - 以迟关闭米勒循环的方式工作的压缩式内燃机 - Google Patents

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S·A·福尔克纳
E·C·福路加
J·P·基尔肯尼
S·A·勒曼
C·N·欧浦利斯
M·弗卡尔
J·R·韦伯
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Abstract

一种操作内燃机(110)的方法，所述内燃机包括至少一个汽缸(112)和可在汽缸中滑动的活塞(212)，该方法包括：将压缩空气和再循环的排气的混合物从进气歧管(114)供应到汽缸(112)中的燃烧室(206)的进气口(208)；有选择地操作一进气阀(218)，以基本上在活塞(212)压缩冲程的主要部分中打开进气口(208)而使压缩空气能流入燃烧室(206)和进气歧管(114)之间；以及，可操作地控制一燃料供应系统(202)，以在进气阀(218)关闭之后将燃料喷射入燃烧室(206)。

Description

以迟关闭米勒循环的方式工作的压缩式内燃机
技术领域
本发明涉及内燃机，更具体地说，本发明涉及用于内燃机的空气和燃料供应系统。
背景技术
内燃机可包括一个或多个用于压缩流体的涡轮增压器，所述流体被供应到相应燃烧汽缸内的一个或多个燃烧室内。各涡轮增压器通常包括由内燃机的排气驱动的涡轮和由涡轮驱动的压缩机。压缩机接纳要进行压缩的流体并将压缩好的流体供应到燃烧室。压缩机所压缩的流体可以是燃烧用的空气或空气/燃料混合物的形式。
内燃机也可以包括与内燃机的涡轮增压器压缩机串联设置的增压器。美国专利第6,273,076号(Beck等人的，公布于2001年8月14日)揭示了一种增压器，该增压器设有涡轮，该涡轮驱动压缩机以增加流到内燃机的涡轮增压器压缩机的空气压力。在一些情况下，可通过提早关闭进气阀来将空气增压器温度降低到周围空气温度之下。
被称作“米勒循环(Miller Cycle)”的提早或延迟关闭进气阀可降低汽缸的压缩比，这又降低了压缩温度，并同时保持高膨胀比。因此，米勒循环内燃机的热效率提高且排气排放物(例如氮的氧化物(NOx))减少。减少NOx排放物是人们所希望的。在传统的米勒循环内燃机中，进气阀关闭的定时通常比一般的奥托循环(Otto cycle)内燃机的进气阀关闭时刻稍前移或后移。例如，在米勒循环内燃机中，进气阀可保持打开直至压缩形成开始为止。
尽管涡轮增压器可以利用内燃机排气中的一些能量，但串联的增压器/涡轮增压器布置并不能利用涡轮增压器排气中的能量。此外，增压器要求附加的能量源。
本发明旨在解决前述问题中的一个或多个问题。
发明内容
根据本发明一个示例性方面内容，可提供一种操作内燃机的方法，所述内燃机包括至少一个汽缸和可在汽缸中滑动的活塞。该方法包括：将压缩空气和再循环的排气的混合物从进气歧管供应到汽缸中的燃烧室的进气口；有选择地操作一进气阀，以基本上在活塞压缩冲程的主要部分中打开进气口而使压缩空气能流入燃烧室和进气歧管之间；以及，可操作地控制一燃料供应系统，以在进气阀关闭之后将燃料喷射入燃烧室。
根据本发明的另一示例性方面内容，一种可调压缩比的内燃机可以包括：一发动机组，所述发动机组形成至少一个汽缸；与发动机组相连的一头部(head)，其中该头部包括进气口和排气口；以及可在各汽缸中滑动的活塞。燃烧室可由头部、活塞和汽缸来界定。内燃机可包括：一进气阀，可控地移动所述进气阀以打开和关闭所述进气口；一空气供应系统，该系统包括流体地连接于进气口的至少一个涡轮增压器；一排气再循环系统，该系统可操作以从排气口将一部分排气提供到空气供应系统；以及，一燃料供应系统，该系统可操作以可控地在选定的时刻将燃料喷射入燃烧室。一可调进气阀关闭机构可以通过有选择地致动可调进气阀关闭机构而保持进气阀打开。
根据本发明再一示例性方面内容，可提供一种可调压缩比内燃机的控制方法。内燃机可以具有形成一汽缸的一发动机组、可在汽缸中滑动的活塞、与发动机组相连的一头部，并且活塞、汽缸和头部界定一燃烧室。该方法可以包括：压缩空气和排气混合物；将空气供应至进气歧管；在进气冲程的一部分过程中和经过压缩冲程的一预定部分时，保持燃烧室与进气歧管之间的流体连通；以及在燃烧冲程的一部分过程中将压缩的燃料直接供应到燃烧室。
应予理解的是，前述的总体描述和下面的详细描述仅是示例性和说明性的，并不对本发明加以限制。
附图说明
包含在本发明中并构成其一部分的附图示出了本发明的若干示范性实施例，这些附图与说明书一起用于说明本发明的原理。在诸附图中：
图1是根据本发明的示例性内燃机空气供应系统的综合原理示意图；
图2是根据本发明的示例性内燃机汽缸的综合原理示意图；
图3是图2示例性内燃机汽缸的示意性剖面图；
图4是示出根据本发明的、随内燃机曲柄角而变的示例性进气阀致动操作的曲线图；
图5是示出根据本发明的、随内燃机曲柄角而变的示例性燃料喷射操作的曲线图；
图6是根据本发明的另一示例性内燃机空气供应系统的综合原理示意图；
图7是根据本发明的又一示例性内燃机空气供应系统的综合原理示意图；以及
图8是示例性排气再循环系统的综合原理示意图，该排气再循环系统作为一部分包括在根据本发明的内燃机中。
具体实施方式
现请详细参见本发明的实施例，在附图中示出了这些实施例的例子。在所有的附图中，如果可能就使用相同的标号来标示相同或相似的零件。
请参见图1，提供了用于内燃机110(例如四冲程柴油机)的示例性空气供应系统100。内燃机110包括形成多个燃烧汽缸112的发动机组111，燃烧汽缸112的数量取决于具体的应用。例如，4汽缸的内燃机可包括4个燃烧汽缸，6汽缸的内燃机则包括六个燃烧汽缸，等等。在图1的示例性实施例中，示出了六个燃烧汽缸112。应予认同的是，内燃机110可以是任何类型的内燃机，例如可以是汽油发动机或天然气发动机。
内燃机110还包括进气歧管114和排气歧管116。进气歧管114向燃烧汽缸112提供例如为空气或燃料/空气混合物的流体。排气歧管116从燃烧汽缸112接受例如为排气的排出气体。为了简化，进气歧管114和排气歧管116在图中所示为单件式结构。不过，应予理解的是，进气歧管114和/或排气歧管116可构造成多件式结构，这取决于具体的应用。
空气供应系统100包括第一涡轮增压器120，并且还可包括第二涡轮增压器140。第一和第二涡轮增压器120、140可以彼此串联地布置成：第二涡轮增压器140提供第一级增压，第一涡轮增压器120提供第二级增压。例如，第二涡轮增压器140可以是低压涡轮增压器，而第一涡轮增压器120可以是高压涡轮增压器。第一涡轮增压器120包括涡轮122和压缩机124。涡轮122通过排气管道126流体地连接到排气歧管116。涡轮122包括装载在轴130上的涡轮机叶轮128，该轴130又可以可转动地装载在壳体132上，该壳体例如是单件式或多件式的壳体。从排气歧管116到涡轮122的流体流动路径可包括可调喷嘴(未示出)或适于控制冲撞在涡轮机叶轮128上的排出流体速度的其它几何形状可变的结构。
压缩机124包括装载在轴130上的压缩机叶轮134，这样，涡轮机叶轮128使轴130转动，轴130的转动又致使压缩机叶轮134转动。
第一涡轮增压器120可包括用于从第二涡轮增压器140接受压缩空气的压缩空气管道138和用于从压缩机124接受压缩空气并将压缩空气供应到内燃机110的进气歧管114的空气出口管线152。第一涡轮增压器120还可包括用于从涡轮122接受排出流体并将该排出流体供应到第二涡轮增压器140的排气管道道139。
第二涡轮增压器140可包括涡轮142和压缩机144。涡轮142可流体地连接到排气管道139。涡轮142可包括装载在轴148上的涡轮机叶轮146，该轴148又可以可转动地装载在壳体132上。压缩机144可包括装载在轴148上的压缩机叶轮150。这样，涡轮机叶轮146使轴148转动，轴148的转动又致使压缩机叶轮150转动。
第二涡轮增压器140可包括进气管线136，该进气管线136在大气与压缩机144之间提供流体连通。第二涡轮增压器140也可以通过压缩空气管道138向第一涡轮增压器120供应压缩空气。第二涡轮增压器140可包括用于从涡轮142接受排出流体并提供与大气的流体连通的排出口154。在一实施例中，第一涡轮增压器120和第二涡轮增压器140的尺寸构造成可提供基本相似的压缩比。例如，第一涡轮增压器120和第二涡轮增压器140都提供在2比1和3比1的压缩比，从而在系统中相对大气压力产生至少4∶1的压缩比。或者，第二涡轮增压器140可以提供3比1的压缩比，而第一涡轮增压器120提供1.5比1的压缩比，从而在系统中相对大气压力产生4.5比1的压缩比。
空气供应系统100在压缩机124和进气歧管114之间可包括空气冷却器156，该空气冷却器例如是后冷却器。空气冷却器156可从空气吸取热量以降低进气歧管的温度并增强空气密度。或者，空气供应系统100在第二涡轮增压器140的压缩机144与第一涡轮增压器120的压缩机124之间可包括附加的空气冷却器158，该空气冷却器158例如是中间冷却器。中间冷却可采用诸如水套冷却水、空气至空气冷却之类的技术。或者，空气供应系统100在空气冷却器156与进气歧管114之间可有选择地包括一附加的空气冷却器(未示出)。该可选用的空气冷却器还可进一步降低进气歧管的温度。可使用水套冷却水预冷器(未示出)来保护空气冷却器156。
现请参见图2，汽缸盖211可以与发动机组111相连接。汽缸盖211中的各汽缸112可以设有一燃料供应系统202。燃料供应系统202可包括通向汽缸112内的燃烧室206的燃料输入孔204。燃料供应系统202将例如为柴油燃料的燃料直接喷射到燃烧室206中。
汽缸112可以包括可在汽缸中滑动的活塞212。在发动机组111内可转动地设置曲柄轴213。连杆215将活塞212连接到曲柄轴213，以致活塞212在汽缸112内的滑动致使曲柄轴213转动。类似地，曲柄轴213的转动致使活塞212滑动。例如活塞212在汽缸112中的最上位置相应于曲柄轴213的上死点位置，而活塞212在汽缸112内的最下位置则相应于曲柄轴213的下死点位置。
如熟悉本技术领域的人们会认同的，传统的四冲程内燃机循环中的活塞212在燃烧(或膨胀)冲程、排气冲程、进气冲程以及压缩冲程中，在最上位置与最下位置之间往复运动。与此同时，曲柄轴213在燃烧冲程中从上死点位置转动到下死点位置，在排气冲程中从下死点位置转动到上死点位置，在进气冲程中从上死点位置转动到下死点位置，以及在压缩冲程中从下死点位置转动到上死点位置。然后再次开始该四冲程循环。各活塞冲程与约180°的曲柄轴转动或曲柄角相关联。因此，燃烧冲程可以在约0°的曲柄角处开始，排气冲程在约180°的曲柄角处开始，进气冲程在约360°的曲柄角处开始，以及压缩冲程在约540°的曲柄角处开始。
汽缸112可包括至少一个进气口208和至少一个排气口210，各进气口和排气口都通向燃烧室206。进气口208可以通过进气阀组件214打开和关闭，排气口210可以通过排气阀组件216打开和关闭。进气阀组件214例如可包括进气阀218，该进气阀218在第一端222处设有头部220(head)，该头部的的尺寸构造成并布置成有选择地关闭进气口208。进气阀218的第二端224可以连接到摇臂226或任何其它传统的阀致动机构。进气阀218可以在第一位置与第二位置之间移动，所述第一位置允许从进气歧管114流动进入燃烧汽缸112，所述第二位置基本上阻塞从进气歧管114到燃烧汽缸112的流动。可以在进气阀218周围设置弹簧228，以将进气阀218偏压到第二关闭位置。
凸轮轴232上装有凸轮234，该凸轮234设有一个或多个凸起部236，所述凸轮轴232布置成基于凸轮234的构型、凸起部236以及凸轮轴232的转动循环来操作进气阀组件214，以实现所想要的进气阀定时。排气阀组件216可以与进气阀214相似的形式来配置，并可由凸轮234的凸起部236之一来操动。在一实施例中，进气凸起部236可以构造成以传统的奥托或狄塞尔循环来操作进气阀218，藉此进气阀218从进气冲程的下死点之前约10°与压缩冲程的下死点之后约10°之间移动到第二位置。或者，可以液压、气动、电子的方式来操作或者由机械装置、液压装置、气动装置和/或电子装置的组合来操作进气阀组件214和/或排气阀组件216。
进气阀组件214可包括一可调进气阀关闭机构238，该机构238构造和布置成有选择地中断进气阀218的循环运动和延长进气阀218的关闭定时。可以液压、气动、电子的方式来操作或由它们的任意组合方式来操作可调进气阀关闭机构238。例如，可调进气阀关闭机构238可以有选择地操作，以抵抗弹簧228的偏压对进气阀218的关闭作用而以低压或高压供应例如液压流体。也就是说，在凸轮234抬升亦即打开了进气阀218之后，并且当凸轮234不再保持进气阀218打开时，液压流体可以保持进气阀218打开一段所想要的时间。该所想要的时段可能根据所想要的内燃机110的性能而变。因此，可调进气阀关闭机构238使内燃机110能以传统的奥托或狄塞尔循环或者以可调迟关闭(lateclosing)米勒循环来进行工作。
如图4所示，进气阀218可以在约360°的曲柄角时、也就是曲柄轴213位于进气冲程406上死点处或其附近时开始打开。进气阀218的关闭定时可以有选择地在如下的范围内变化，即从约540°的曲柄角、亦即当曲柄轴位于压缩冲程407的下死点位置或其附近时，到约650°的曲柄角、亦即燃烧冲程508的上死点之前约70°。这样，进气阀218可以在压缩冲程407的大部分时间内保持打开，也就是说，压缩冲程407的前半部分和压缩冲程407的后半部分的一部分。
燃料供应系统202可包括燃料喷射枪组件240，该组件例如是机械致动、电子控制装置的注射器，并且该组件与一公共燃料输送道242流体连通。或者，燃料喷射枪组件240可以是任何公共燃料输送道类型的注射器，并可以是以液压、机械、电气、压电致动的方式或由它们的任意组合方式来致动。公共燃料输送道242向与各汽缸112相关联的燃料喷射器组件240提供燃料。燃料喷射器组件240可以按照所想要的定时通过燃料输入孔204将燃料喷射或以其它方式喷洒到汽缸112中。
控制器244可以电气连接到可调进气阀关闭机构238和/或燃料喷射器组件240。控制器244可以构造成基于一个或多个内燃机状态、例如内燃机速度、负荷、压力和/或温度来控制可调进气阀关闭机构238和/或燃料喷射器组件240的操作以实现所想要的内燃机性能。应予认同的是，可以由单个控制器或多个控制器来执行控制器244的功能。类似地，天然气发动机中的火花定时也可以提供与压燃式发动机的燃料喷射器定时类似的功能。
现请参见图3，各燃料注射器组件240可以与喷射器摇臂250相关联，所述喷射器摇臂250枢转连接在摇臂轴252上。各燃料喷射器组件240可以包括喷射器本体254、螺线管256、柱塞组件258以及喷射器端部组件260。喷射器摇臂250的第一端262可操作地连接于柱塞组件258。弹簧259可以沿箭头296所示的总方向(general direction)将柱塞组件258偏压向喷射器摇臂250的第一端262。
喷射器摇臂250的第二端264可操作地连接于凸轮轴266。更具体地说，凸轮轴266可包括凸轮凸起部267，所述凸轮凸起部具有第一凸起268和第二凸起270。如果希望的话，凸轮轴232、266和它们相应的凸起部236、267可以组合成单根凸轮轴(未示出)。在凸轮轴266的转动中，凸起268、270可以运动到与喷射器摇臂250的第二端264接触或或者运动以脱开与之的接触。凸起268、270可以构造和布置成，在第一凸起268提供燃料的主喷射之前，第二凸起270可以在预定的曲柄角时提供燃料的引燃喷射。应予认同的是，凸轮凸起部267可以仅具有第一凸起268，它喷射每一循环的所有燃料。
当凸起268、270之一转动到与喷射器摇臂250接触时，就沿箭头296的总方向推压喷射器摇臂250的第二端264。在第二端264被沿箭头296的总方向推压时，摇臂250绕摇臂轴252枢转，从而致使沿箭头298的总方向推压第一端262。凸起268、270施加在第二端264上的力在量值上比弹簧259所产生的偏压力大，从而致使同样沿箭头298的方向推压柱塞组件258。当凸轮轴266转动越过凸起268、270的最高高度时，弹簧259的偏压力就沿箭头296的总方向推压柱塞组件258。在柱塞组件258被沿箭头296的总方向推压时，喷射器摇臂250的第一端262被同样地沿箭头296的方向推压，这致使喷射器摇臂250绕摇臂轴252枢转，从而沿箭头298的方向推压第二端264。
注射器本体254形成一燃料输入孔272。在柱塞组件258沿箭头296的总方向移动时，可以从燃料输送道242将诸如柴油燃料之类的燃料抽吸或以其它方式吸出到燃料输入孔272中。燃料输入孔272通过第一燃料通道276与燃料阀274连通。该燃料阀274又通过第二燃料通道280与柱塞室连通。
螺线管256可以电气连接于控制器244并机械连接于燃料阀274。螺线管256通过来自控制器244的信号来致动，并且其致动可使燃料阀274从打开位置切换到关闭位置。当燃料阀274位于打开位置时，燃料可以从燃料输入孔272前进到柱塞室278以及反之。不过，当燃料阀274位于其关闭位置时，燃料输入孔272就与柱塞室278隔离开。
注射器端部组件260可以包括止回阀组件282。燃料可以从柱塞室278前进，穿过入口孔284、第三燃料通道286、出口孔288并进入内燃机110的汽缸112。
因此，应予认同的是，当凸起268、270不与喷射器摇臂16接触时，由弹簧259沿箭头296的总方向推压柱塞组件258，从而致使被抽吸入燃料输入孔272，然后又用燃料充注柱塞室278。当凸轮轴266进一步转动时，凸起268、270之一运动到与摇臂250接触，从而致使沿箭头298的方向推压柱塞组件258。如果控制器244没有产生喷射信号，则燃料阀274就保持在其打开位置，从而致使柱塞组件278通过燃料输入孔272排出柱塞室278中的燃料。不过，如果控制器244产生喷射信号，燃料阀274就处于其关闭位置，从而将柱塞室278与燃料输入孔272隔离开。当凸轮轴266继续沿箭头298的总方向推压柱塞组件258时，燃料喷射器组件240内的流体压力增加。在预定的压力量值，例如在约5500磅/平方英寸(38兆帕)下，燃料把喷射入汽缸112。燃料将继续喷射入汽缸112，直至控制器244发送信号至螺线管256，以将燃料阀274返回到其打开位置。
如图5的示例图所示，燃料的引燃喷射可以在曲柄轴213处于约675°的曲柄角、亦即压缩冲程407的上死点之前约45°时开始。燃料的主喷射可以在曲柄轴213处于约710°的曲柄角、亦即压缩冲程407的上死点之前约10°和引燃喷射开始之后约45°时开始。一般来说，引燃喷射可以在曲柄轴213位于压缩冲程407的上死点之前约40°-50°时开始，并可持续约10°-15°的曲柄轴转动。主喷射可以在曲柄轴213在压缩冲程407的上死点之前约10°与压缩冲程508的上死点之后约12°之间开始。主喷射可以持续约20°-45°的曲柄轴转动。引燃喷射可以占所用总燃料的想要的比例，例如约10％。
图6是内燃机110的第二示例性空气供应系统300的综合原理示意图。空气供应系统300可包括涡轮增压器320，该涡轮增压器例如是高效涡轮增压器，它能相对大气压力产生至少约4比1的压缩比。涡轮增压器320可包括涡轮322和压缩机324。涡轮322可以通过排气管道326流体地连接到排气歧管116。涡轮322可包括装载在轴330上的涡轮机叶轮328，该轴330又可以可转动地装载在可壳体332上，该壳体例如是单件式或多件式的壳体。从排气歧管116到涡轮322的流体流动路径可以包括可调喷嘴(未示出)，该可调喷嘴可控制冲撞在涡轮机叶轮328上的排出流体速度。
压缩机324可以包括装载在轴330上的压缩机叶轮334。因此，涡轮机叶片328转动轴330，轴330又可致使压缩机叶片334转动。涡轮增压器320可包括空气入口336和空气出口352，所述空气入口336提供大气与压缩机324之间的流体连通，所述空气出口352用于向内燃机110的进气歧管114提供压缩空气。涡轮增压器320还可包括排气出口354，用于从涡轮322接受排出流体并提供与大气的流体连通。
空气供应系统300可以在压缩机324与进气歧管114之间包括空气冷却器356。或者，空气供应系统300可以在空气冷却器356与进气歧管114之间包括附加的空气冷却器(未示出)。
图7是用于内燃机110的第三示例性空气供应系统400的综合原理示意图。空气供应系统400可包括涡轮增压器420，该涡轮增压器420例如是具有一涡轮422和两压缩机424、444的涡轮增压器。涡轮422可以通过入口管道426流体地连接于排气歧管116。涡轮422可以包括装载在轴430上的涡轮机叶轮428，该轴430又可以可转动地装载在壳体432上，该壳体432例如为单件式或多件式的壳体。从排气歧管116到涡轮422的流体流动路径可以包括可调喷嘴(未示出)，该可调喷嘴可以控制冲撞在涡轮机叶轮428上的排出流体的速度。
第一压缩机424可以包括装载在轴430上的压缩机叶轮434，第二压缩机444可以包括装载在轴430上的压缩机叶轮450。因此，涡轮机叶片428转动轴430，轴430又致使第一和第二压缩机叶轮434、450转动。第一和第二压缩机424、444可以分别提供第一和第二级增压。
涡轮增压器420可以包括进气管线436和压缩空气管道438，所述进气管线436提供大气与第一压缩机424之间的流体连通，所述压缩空气管道438用于接受来自第一压缩机424的压缩空气并将该压缩空气供应到第二压缩机444。涡轮增压器420可以包括空气出口管线452，该出气管线用于将来自第二压缩机444的压缩空气供应到内燃机110的进气歧管114。涡轮增压器420还可包括排气出口454，该排气出口454用于接受来自涡轮422的排出流体并提供与大气的流体连通。
例如，第一压缩机424和第二压缩机444可以都提供2比1到3比1之间的压缩比，从而在系统中相对大气压力产生至少4∶1的压缩比。或者，第二压缩机444可以提供3比1的压缩比，而第一压缩机424则提供1.5比1的压缩比，从而在系统中相对大气压力产生至少4.5比1的压缩比。
空气供应系统400可以在压缩机424和进气歧管114之间包括空气冷却器456。或者，空气供应系统400可以在涡轮增压器420的第一压缩机424与第二压缩机444之间包括附加的空气冷却器458。或者，空气供应系统400可以在空气冷却器456与进气歧管114之间可有选择地包括附加的空气冷却器(未示出)。
参见图8，图中示出了内燃机110的排气系统802中的示例性排气再循环(EGR)系统804。内燃机110包括进气歧管114和排气歧管116。发动机组111为至少一个汽缸112提供壳体。图8示出六个汽缸112。不过，可以使用任何数量的汽缸112，例如三个、六个、八个、十个、十二个或任何其它的数量。进气歧管114为每一汽缸112提供用于空气、再循环排气或其组合的进气路径。排气歧管116为每一汽缸112提供用于排气的排气路径。
在图8所示的实施例中，空气供应系统100所示为两级涡轮增压器系统。空气供应系统100包括具有涡轮122和压缩机124的第一涡轮增压器120。空气供应系统100还包括具有涡轮142和压缩机144的第二涡轮增压器140。两级涡轮增压器系统工作以增加通过进气歧管114送入汽缸112的空气和排气的压力，并在进气阀延长的打开持续时间中保持想要的空气燃料比。可注意到，本发明的操作并不要求两级涡轮增压器系统。可以替代地使用其它类型的涡轮增压器系统，如高压力比的单级涡轮增压器系统、几何形状可调的涡轮增压器系统以及类似的涡轮增压器系统。
位于压缩机124与进气歧管114之间的节流阀814可以用来控制输送至汽缸112的空气和再循环排气的量。节流阀814所示为位于压缩机124和后冷却器156之间。不过，节流阀814也可以设置在其它位置，如后冷却器156之后。下面将更加详细地描述节流阀814的工作。
图8所示的EGR系统804是一典型的内燃机中的低压EGR系统。在本发明中可以等效地使用EGR系统804的各种变化形式，包括低压和高压回路的EGR系统。也可以使用其它类型的EGR系统，如旁通、文丘里管、活塞泵、削峰以及背压EGR系统。
氧化催化剂808接受来自涡轮142的排气，并用来减少HC排放物。氧化催化剂808还可以与De-NOx催化剂联合，以进一步减少NOx排放物。颗粒物质(PM)过滤器806接受来自氧化催化剂808的排气。尽管氧化催化剂808和PM过滤器806所示为独立的部件，但它们也可以结合成一个组件。
一些排气从PM过滤器806的排放中放出。不过，一部分排气穿过EGR冷却器810、穿过EGR阀812并穿过第一和第二涡轮增压器120、140，改变路径到进气歧管114。EGR冷却器810可以是现有技术中已知类型的冷却器，例如水套冷却水或空气至气体热交换器型的冷却器。
图中示出了用于确定PM过滤器806中压力的装置816。在较佳实施例中，确定压力的装置816包括压力传感器818。不过，也可以采用其它可替代的装置816。例如，可以从基于与内燃机110相关的一个或多个参数的模型来估计PM过滤器806中的排气压力。可以采用的参数包括但不局限于：内燃机负荷、内燃机速度、温度、燃料使用率等。
可以使用确定穿过PM过滤器806的排气流量的装置820。较佳的是，确定排气流量的装置820包括流量传感器822。可以单独使用流量传感器822而基于排气流量中的变化来确定PM过滤器806中的压力，或者可以与压力传感器818结合起来使用流量传感器822以提供更为准确地确定压力变化。
工业应用性
在使用中，内燃机110例如利用狄塞尔工作原理以已知的方式工作。参见图1所示的示例性空气供应系统，从内燃机110排出的排气从排气歧管116穿过入口管道126被输送到涡轮机叶轮128，并冲撞和致使涡轮机叶轮128转动。涡轮机叶轮128与轴130连接，轴130又装载有压缩机叶轮134。因而，压缩机叶轮134的转速相应于轴130的转速。
图2中所示的示例性燃料供应系统200和汽缸112可以与各示例性空气供应系统100、300、400一起使用。压缩空气通过进气口208供应到燃烧室206，排出的空气则通过出气口210流出燃烧室206。可以可控制地操作进气阀组件214和排气阀组件216，以将气流引导入燃烧室206和引导出燃烧室206。
在传统的奥托或狄塞尔循环模式下，进气阀218以循环的方式从第二位置运动到第一位置，以使压缩空气能在进气冲程406的上死点(约360°的曲柄角)处(如图4所示)进入汽缸112的燃烧室206。在靠近压缩冲程的下死点(约540°的曲柄角)处，进气阀218从第一位置运动到第二位置，以阻止更多的空气进入燃烧室206。然后，在压缩冲程的上死点(约720°的曲柄角)处，可以从燃料喷射器组件240喷射燃料。
在传统的米勒循环内燃机中，对传统的奥托或狄塞尔循环修改之处在于，在进气冲程406的下死点之前(亦即在540°的曲柄角之前)的某预定时刻或压缩冲程407的下死点之后(亦即在540°的曲柄角之后)的某预定时刻将进气阀218从第一位置移动到第二位置。在传统的迟关闭米勒循环中，进气阀218在压缩冲程407的前半部分的第一部分中将进气阀218从第一位置移动到第二位置。
可调进气阀关闭机构238使内燃机110既能以迟关闭米勒循环、也能以传统的奥托或狄塞尔循环进行工作。此外，在燃烧冲程508的上死点之后喷射燃料的主要部分(如图5所示)可以减少NOx排放物并增加以排出流体形式排放到排气歧管116的能量量值。使用高效涡轮增压器320、420或串联的涡轮增压器120、140能够从排气中收回至少一部分的废弃能量。该排放泄的能量可以转化成输送到进气歧管114的更高的气体压力，这可以增加活塞212对曲柄轴213的推动能量活塞212。此外，延迟进气阀218从第一位置到第二位置的运动可以降低燃烧室206中的压缩温度。压缩温度的降低可以进一步减少NOx排放物。
控制器244可以操作可调进气阀关闭机构238以基于一个或多个内燃机状况来改变进气阀214的定时，从而实现所想要的内燃机性能，所述内燃机状况例如为内燃机速度、内燃机负荷、内燃机温度、升压和/或歧管进气温度。可调进气阀关闭机构238也能使对空气/燃料比的控制更加精确。通过延迟进气阀组件214的关闭，控制器244可以控制活塞212压缩冲程中的汽缸压力。例如，迟关闭进气阀减少了活塞212必须作的压缩功，而不会降低汽缸压力且同时保持标准的膨胀比和合适的空气/燃料比。
示例性空气供应系统100、300、400所提供的高压空气可以在活塞212的吸入冲程中提供额外的升压。高压也可以使进气阀组件214能甚至比传统的米勒循环内燃机更迟地关闭。在本发明中，进气阀组件214可以保持打开，直至活塞212的压缩冲程的后半部分为止，例如延迟到上死点之前(BTDC)约80°至70°。当进气阀组件214打开时，空气可以在燃烧室206与进气歧管114之间流动。因此，汽缸112在活塞212的压缩冲程中经受较小的燃烧室206中的温度上升。
由于进气阀组件214的关闭可以延迟，则燃料供应系统的定时也可以推延。例如，控制器244可以可控制地操作燃料喷射器组件240，以在进气阀组件214关闭之后将燃料供应到燃烧室206中。例如，可以控制燃料喷射器组件240以与进气阀组件214关闭同时或稍迟于其关闭而供应燃料的引燃喷射，并与燃烧室206中达到燃烧温度的同时或稍早于该时而供应燃料的主喷射。结果，大量的排气能量可以通过空气供应系统100、300、400来再循环，这些系统可以高效地从排气能量中取得额外的作功能力。
参见图1所示的示例性的空气供应系统100，第二涡轮增压器140可以其它方式从第一涡轮增压器120的排气流中汲取废弃能量，从而转动与第一涡轮增压器120的压缩机叶轮134串联设置的第二涡轮增压器140的压缩机叶轮150。附加地设置第二涡轮增压器140会在排气路径中造成额外的限制，这就会使活塞212的背压上升。不过，通过第二涡轮增压器140来实现的能量回收利用可以抵消较高背压所消耗的功。例如，在燃烧循环的吸入冲程中，串联的涡轮增压器120、140所实现的附加压力可以在活塞212上做功。此外，可以利用进气阀的迟关闭来控制和/或减小第二涡轮增压器140在汽缸上所产生的添加的压力。因此，串联的涡轮增压器120、140可以通过空气供应系统100、而不仅是更多的动力来提供燃料效率。
应予认同的是，在进气歧管114之前的空气冷却器156、356、456可以从空气吸取热量以降低入口歧管的温度，并同时保持压缩空气的稠密。在压缩机之间或者空气冷却器156、356、456之后的可选用的附加空气冷却器可以进一步降低入口歧管的温度，但可能会减少压缩空气的潜功。较低的入口歧管温度可以减少NOx排放物。
请再次参见图8，颗粒物质的积聚引起会穿过PM过滤器806的排气压力中变化，从而指示需要再生PM过滤器806，亦即烧掉颗粒物质的积聚。例如，当颗粒物质积聚时，PM过滤器806中的压力增加。
PM过滤器806可以是催化的柴油机颗粒过滤器(CDPF)或主动的柴油机颗粒过滤器(ADPF)。CDPF可使烟灰在低得多的温度下燃烧。ADPF是通过内燃机110之外的方式(例如电加热、燃烧器、燃料喷射等)来提升PM过滤器的内能。
升高排气温度和开始PM过滤器再生的一种方法是使用节流阀814来限制进入的空气，从而升高排气的温度。升高排气温度的其它方法包括几何形状可变的涡轮增压器、智能废弃物排放口(smart wastegate)、可调阀致动装置等。还有一种升高排气温度和致使PM过滤器再生的方法包括使用后燃料喷射，亦即定时在主喷射输送之后的燃料喷射。
节流阀814可以连接于EGR阀812以使它们两者一起致动。或者，节流阀814和EGR阀812可以彼此独立地致动。两阀可以一起操作或独立地操作，以调整输送到进气歧管114的EGR的速率。
当NOx对颗粒物质(亦即烟灰)的比率在某一范围之内时，例如在约20比1到约30比1的范围内时，CDPF可以更加高效地进行再生。不过，人们也发现，EGR系统与上述的多次燃料喷射和可调阀定时的方法相结合，产生约10比1的NOx-烟灰比。因此，可能希望的是周期性调节排放物水平以改变将NOx-烟灰比改变到一更加希望的值，然后再开始再生。可以使用的方法的例子包括调节EGR速率和调节主燃料喷射的定时。
在EGR到新鲜空气入口的入口处可以使用文丘里管(未示出)。文丘里管可以降低在入口处的新鲜空气的压力，从而使EGR能从排气流到进气侧。文丘里管可以包括扩散器部分，该扩散器部分将使新鲜空气在进入压缩机144之前恢复到接近初始速度和压力的状态。使用文丘里管和扩散器可以增加内燃机的效率。
根据本发明示例性实施例的内燃机空气和燃料供应系统可以从内燃机的排气取得额外的作功能力。这种系统也可以实现较高的燃料效率并减少NOx排放物，同时保持潜功并保证系统的可靠度而满足操作者的期望。
对那些熟悉本技术领域的人们来说将会变得清楚的是，可以对所揭示的用于内燃机的空气和燃料供应系统作出各种修改和变化，而不会超出本发明的保护范围和精神实质。对那些熟悉本技术领域的人们来说，在考虑到详细说明和实践了这里所揭示的本发明后，本发明的其它实施例将会变得清楚。本说明书和例子应被认为仅是示例性的。

Claims (10)

1.一种操作内燃机(110)的方法，所述内燃机包括至少一个汽缸(112)和可在汽缸(112)中滑动的活塞(212)，该方法包括：
将压缩空气和再循环的排气的混合物从进气歧管(114)供应到汽缸(112)中的燃烧室(206)的进气口(208)；
有选择地操作一进气阀(218)，以基本上在活塞(212)压缩冲程的主要部分中打开进气口(208)而使压缩空气和排气的混合物能流入燃烧室(206)和进气歧管(114)之间；以及，
可操作地控制一燃料供应系统(202)，以在进气阀(218)关闭之后将燃料喷射入燃烧室(206)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有选择的操作包括操作一可调进气阀关闭机构(238)以保持进气阀(218)打开。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基于至少一个内燃机的状态来有选择地操作一进气阀(218)。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有选择的操作包括操作进气阀(218)以使其在活塞(212)的压缩冲程的后半部分的一部分过程中保持打开。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括在压缩冲程的一部分过程中喷射至少一部分的燃料。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，喷射至少一部分的燃料包括在主喷射之前、在一预定的曲柄角时供应引燃喷射。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，供应压缩空气和再循环气体的混合物包括从一排气再循环(EGR)系统(804)提供一定量的排气。
8.一种可调压缩比的内燃机(110)，该内燃机包括：
一发动机组(111)，所述发动机组形成至少一个汽缸(112)；
与所述发动机组(111)相连的一头部(220)，其中该头部包括进气口(208)和排气口(210)；
可在各汽缸(112)中滑动的活塞(212)；
一燃烧室(206)，由所述头部(220)、所述活塞(212)和所述汽缸(112)界定该燃烧室；
一进气阀(218)，该进气阀可控地移动所述进气阀以打开和关闭所述进气口(208)；
一空气供应系统(100)，该系统包括流体地连接于进气口(208)的至少一个涡轮增压器(120，140)；
一排气再循环(EGR)系统(804)，该系统可操作以可控地从排气口(210)将一部分排气提供到空气供应系统(100)；以及，
一燃料供应系统(202)，该系统可操作以可控地在一选定的时刻将燃料喷射入燃烧室(206)；以及
一可调进气阀关闭机构(238)，该机构通过有选择地操作可调进气阀关闭机构(238)而保持进气阀(218)打开。
9.如权利要求8所述的内燃机(110)，其特征在于，该内燃机还包括一控制器(244)，该控制器操作进气阀(218)以使其在压缩冲程的后半部分的一部分过程中保持打开。
10.如权利要求8所述的内燃机(110)，其特征在于，EGR系统(804)是低压回路EGR系统(804)。
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