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CN102725496A - 具有可变压缩比和排气口遮板的二冲程内燃机及其运行方法 - Google Patents

具有可变压缩比和排气口遮板的二冲程内燃机及其运行方法 Download PDF

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CN102725496A
CN102725496A CN2010800586107A CN201080058610A CN102725496A CN 102725496 A CN102725496 A CN 102725496A CN 2010800586107 A CN2010800586107 A CN 2010800586107A CN 201080058610 A CN201080058610 A CN 201080058610A CN 102725496 A CN102725496 A CN 102725496A
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詹姆士·威廉·格里菲思·特纳
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Abstract

本发明涉及一种二冲程内燃机，更具体地，涉及一种用于改变该内燃机的压缩比和该内燃机的汽缸的排气口面积的装置。描述了一种二冲程内燃机，该二冲程内燃机包括：能在汽缸（20）内往复运动的至少一个活塞（19）；排气口（23），其允许所述汽缸与排气通道（24）连通，该排气口在所述活塞（19）的往复运动期间被所述活塞打开或关闭；可动的遮板装置（1），其用于改变所述排气口（23）的有效面积，该遮板装置（1）以与所述活塞（19）在所述汽缸（20）内的往复运动的时间相关的关系周期性地改变所述有效面积；压缩比改变机构，其用于改变所述汽缸（20）的压缩比；传感器装置（12），其用于测量所述内燃机的一个或多个运行特性并且用于生成与所述运行特性对应的信号；控制单元（11），其处理由所述传感器装置（12）生成的信号，相应地控制所述遮板装置（1）的运动，并且控制所述压缩比改变机构以改变所述汽缸（20）的压缩比；其中，所述内燃机能在压缩比落入30∶1至40∶1的范围的状态下运行。

Description

具有可变压缩比和排气口遮板的二冲程内燃机及其运行方法
本发明涉及二冲程内燃机，更具体地，涉及一种改变这种内燃机的压缩比以及这种内燃机的汽缸的排气口面积的装置。
在具有气口的二冲程发动机中，活塞裙用来关闭汽缸中的气口，这些气口中的一个或多个用于为新充注的空气或油/气混合物注入到汽缸中提供通道，并且一个或多个其余气口用来提供燃烧气体的排气输出。进气口和排气口在汽缸中被设置成使得当活塞向下移动时首先露出排气口，汽缸中的气体和大气压之间的高压差使得燃烧气体从汽缸排出而进入到排气通道，该排气通道通向将气体输送到大气中的排气管。当活塞进一步向下运动时则露出进气口，使得新充注的增压油/气混合物被输送到汽缸中以进行燃烧。气体的增压输送还用来迫使燃烧气体从汽缸排出，该过程被称为扫气过程。
在传统的回流扫气（loop-scavenged）二冲程发动机中，进气口和排气口同时被露出的时间仅仅通过实际活塞本身的运动来控制，关闭孔的唯一方法由活塞来提供。当活塞朝向汽缸的顶部移动时，它首先关闭进气口然后关闭排气口。
EP-0526538中描述了一种二冲程发动机，该二冲程发动机包括用于改变排气口的有效面积的可动遮板（shutter）。该遮板以与活塞在汽缸内部的往复运动的时间相关的方式来周期性地改变有效面积。传感器测量发动机的运行特性，控制单元处理由传感器生成的信号并且相应地控制遮板的运动。遮板由传动机构来操作，该传动机构使遮板在第一位置和第二位置之间摆动，在所述第一位置，排气口具有第一有效面积，在所述第二位置，排气口具有较小的第二有效面积。传动机构连接到与发动机的活塞相连的曲轴并且包括多个互连连杆（interconnected link）。当活塞从其下止点位置移向其上止点位置而经过遮板时，遮板位于其第二位置或者接近该第二位置。控制单元根据感测到的发动机的运行特性的变化，来改变遮板的第一位置。当活塞从其上止点位置移向其下止点位置而经过遮板时，遮板位于第一位置或者接近该第一位置。控制单元根据感测到的运行特性的改变，来改变遮板的第一位置以提前或延迟排气通道的开启。控制单元通过改变遮板在其第一位置与第二位置之间摆动的幅度，来改变遮板的第一位置。控制单元减缓遮板移动以延迟排气通道的开启。对所有发动机运行状况来说，遮板的第二位置都是不变的。机电装置连接到互连连杆中的一个，该机电装置由控制单元控制以改变互连连杆的配置从而改变遮板的周期性运动。
排气口的“有效面积”是气体可以通向排气通道的面积。排气口本身具有固定面积，其为在发动机汽缸的侧面上机加工出的孔。遮板用来改变排气口的有效面积。
EP0526538中的发动机通过借助遮板的第一位置（即，排气口具有最大有效面积的位置）的变化而引起发动机特性改变，使在每个循环内组合气体能从汽缸流出的点发生变化。
近年来为了实现更清洁的燃烧，发动机已经采用了均匀充量压缩燃烧（HCCI）技术。HCCI技术包括将汽油引入由充注空气和燃烧气体组成的混合物中，然后允许该形成的大致均匀的混合物在压力下点燃（不需要火花）。燃烧过程需要在汽缸中保留热量和/或燃烧气体。
在EP0526538中仅关注了由于使用遮板而保留燃烧气体；而这是不理想的。
GB2438206中描述了一种二冲程内燃机，该内燃机包括：至少一个能在汽缸中往复运动的活塞；允许汽缸与排气通道连通的排气口，在活塞往复运动期间，该排气口被活塞打开或关闭；可动的遮板装置，其用于改变排气口的有效面积，该遮板装置以与活塞在汽缸内的往复运动的时间相关的方式周期性地改变所述有效面积；用于改变汽缸的压缩比的压缩比改变机构；用于测量发动机的一个或多个运行特性并且生成相应信号的传感器装置；以及控制单元，其处理由传感器装置生成的信号，相应地控制遮板装置的运动，并且控制压缩比改变机构以改变汽缸的压缩比。
GB2438206中的发动机能够在发动机工作图的很大范围内(空载、低负载、中等负载、优选地中高负载并朝向更高的速度)进行HCCI燃烧，因此与四冲程汽油发动机相比，同时实现了减排（(NOx和HC），并且提高了燃料效率。
在四冲程汽油发动机（PFI或GDI）中，HCCI的操作范围限于低负载至中等负载的情况，并且转速接近4000rpm，因为在空载时，没有足够的热量进行启动并且维持完全的HCCI燃烧，而在高负载情况下热量释放率（燃烧速度）太高而可能使发动机受损。在汽油应用中，被截留的排气作为对HCCI的引发剂，这与其在柴油应用中相反，在柴油应用中，被截留的排气作为对HCCI过程的抑制剂。因此，为了维持汽油HCCI所需的温度，需要将排气截留在内部，这需要可变的气门正时。四冲程汽油发动机的最低要求是具有用双凸轮移相器（phaser）切换的凸轮轮廓。然而，充分可变的气门动作会更好。毫无疑问，HCCI燃烧能够极大地减少NOx，然而针对这种减少，发动机的操作范围很小，远小于自动点火本身的操作范围。HCCI还具有降低油耗的潜能。压缩终点温度控制燃烧过程，因此截留的排气的热量对它产生影响。在轻负载的情况下，可以使用明显更高的排气量，而没有爆燃和过量燃烧率问题，这是因为由于需要更少的燃料而使气体温度更低。在较高负载的情况下，必须减小排气量，因为热量更高。可变压缩比（CR）的使用给出了用于压缩终点温度的第二种控制选择，从而允许排气量更好的优化，以最小化NOx并拓宽自动点火操作范围。然而，在四冲程发动机中，可变CR的设计和实施在技术上是困难的，并且不可避免地导致发动机成本提高。
在二冲程汽油发动机中，由于二冲程循环本身的特性，即，其减小的循环时间和剩余排气量，因此HCCI操作范围更大。尽管二冲程汽油发动机在空载时已经表现出HCCI，然而，用于此的方法对于发动机的全部操作范围来说是不可行的。更高的压缩比能够使其变为可能，而使用更低的压缩比能够拓宽以上HCCI的操作范围。在首次商业应用中（其很可能是“混合”HCCI-SI发动机），相比于四冲程发动机，由于其换气过程，因此二冲程操作使得更容易在HCCI操作模式和SI（火花点火）操作模式之间切换。
同样值得一提的是，二冲程的泵送工作在轻负载时最低，并且随着负载的增大而增加（尽管没有四冲程发动机那样差），因此比四冲程发动机更好地适合于现实中操作的车辆。这种情况下，如果期望而不是需要，能够采用分层充气/燃烧。
向汽油直接点火（GDI）的发展减缓了二冲程发动机的引入，因为这项技术是强制的以符合排放/油耗的法规。HCCI首次在二冲程发动机上被发现，并且已经被发现具有比四冲程发动机更宽的操作范围。
具有气口的二冲程发动机的简单燃烧室允许通过应用环形压盖（类似于倒置的活塞）而容易地改变CR。这种应用使得双向催化转化具有现实可能性，因为使用自动点火产生NOx应非常低。不像在四冲程中泵送工作随着CR的增加而增加，在二冲程中可变的CR对于进气泵送工作没有不利影响。
遮板改变排气口孔径的角度范围，因此可以在发动机的整个速度范围内用来保持适当的时间-面积要求。如果在匀速（或变速）下也使遮板发生变化同时改变负载条件，那么对排气口孔径的改变将会影响扫气效率以有效地控制被截留的排气残余量。这会影响HCCI的启动/控制。通过宽的CR变化范围提供了进一步改进HCCI操作的次级控制系统。这对压缩终点充气温度提供了显著的变化，从而允许该压缩终点充气温度在轻负载的情况下增加来降低操作范围，以可以包括空载情况。当在更高速度/更高负载的情况下燃烧变得过强时，可变CR机构在对操作周期和气体交换过程更少折衷的情况下允许HCCI操作具有更宽和更优化的范围。
本发明提供了一种权利要求1所要保护的二冲程内燃机，以及一种权利要求15所要保护的操作二冲程内燃机的方法。
因为对GB2438206的发动机进行了改进，所有申请人有了一些令人惊异的发现。首先，用于改变汽缸压缩比的压缩比可变机构和遮板装置的配置使发动机可令人满意地运行，使其在空载时具有极不寻常的压缩比30:1到40:1，在启动时具有40:1的压缩比，或者在位于汽油发动机的正常操作范围之外的周围空气温度在-30°C以下或更高（higher）启动时具有50:1以上的压缩比。以前在汽油发动机中使用于HCCI的最高已知的压缩比是21:1，并且还必须对进气进行加热。在使用甲醇的发动机中，已知用于HCCI的压缩比为27:1。在传统二冲程发动机中典型的压缩比是10:1到12:1。
对GB2438206的发动机的这种改进不仅使得发动机在空载时具有令人惊异的良好且稳定的HCCI运行，其甚至能够使发动机即使在寒冷的情况下也以HCCI操作模式启动。这使得发动机可以不需要火花塞。这也意味着能够大大简化汽缸盖的设计，因为不需要容纳火花塞或不需要为了允许火花点燃而折衷燃烧室设计。例如，可以设置直径与汽缸直径相等的移动圆盘（puck），并且由采用增压的发动机机油的系统能够机械、电动、液压地或通过这些机构的结合来移动该大直径圆盘。
已经发现以非常高的压缩比运行的发动机能够实现最小的NOx排放（低至空载时的背景水平）。即使在更高负载时，在高达2000rpm、3巴IMPE的情况下，NOx的排放低至两位数每ppm（例如在2.3巴IMEP（二冲程）时大约为20ppm）。二冲程发动机的HC和CO排放与类似的四冲程发动机相当。高压缩比产生了显著的压缩加热，这迫使完成HC到HCO,CO到CO2的反应。还已经发现使用E85替代汽油能够产生比汽油稍好的NOx输出，使用柴油能够产生类似汽油的稍高的NOx和HC。
根据本发明的发动机，可以无需对NOx进行再处理，并且该发动机具有比喷雾引导发动机（spray-guided engine）更少的油耗。
从冷启动运行HCCI的能力可以显著地减小冷启动排放，因此能够减小氧化催化剂的加载量。
运用概念“大型化”可能是提高燃料经济性以及减小动力传送系统成本的最佳方式，这是因为对再处理需求降低的这种发动机相比于涡轮增压直喷火花点火四冲程发动机（当前优选的方案）使生产成本更低。
四冲程发动机的当前趋势是“小型化”（减小发动机容量），以减少发动机的为了发动机操作的泵送工作，所述发动机操作发生在确定发动机是否符合排放规定（“法定循环”）的测试时发动机的运行期间。
泵送工作被定义为在气体交换过程中所进行的工作，因此是在排气冲程期间排出排气并且在进气冲程期间吸入新鲜空气/充注物中所进行的工作。在四冲程发动机中，在低运行负载的情况下，如在驱动循环中典型地所见的一样，节气门几乎被关闭，因此向汽缸下部运动的活塞的高伸展比在汽缸中产生非常低的压力，从而导致更多的进气泵送工作。节气门的任何的进一步打开都会增加汽缸中的压力，因此会减小进气泵送工作以及由此降低总的发动机摩擦力水平。在这方面，可以看出对于四冲程发动机，在关闭节气门时进气泵送工作是最高的（相对于所产生的功率），随着节气门的打开，进气泵送工作逐渐减少。在四冲程中，在进气期间增大压缩比将会增加膨胀，而进一步增加泵送工作。关于排气泵送，泵送出汽缸的排气量随着负载的增加而增加，因此与进气策略是相反的。然而，在部分负载的条件下，排气泵送工作显著低于进气泵送工作，因此净改进被视作发动机总摩擦力水平减小的结果。因此，小型化发动机意味着必须进一步打开节气门以达到与更大发动机相同的功率，因此，减小了泵送工作。
二冲程发动机中的泵送损失与四冲程发动机中的有很大不同。进入二冲程发动机的气流开始（初步泵送）于将空气引入曲轴箱中或者在采用了外部扫气的情况下被引导通过鼓风机。无论在哪种情况下，两个系统的膨胀都是低的，从而导致在所有运行速度和负载条件下穿过节气门压降最小。据此，充注物通过传送口进入汽缸，因此增加了次级泵送的工作量，因为对于更高的负载需要更多的充注物。而在四冲程发动机中所发生的情况与此恰恰完全相反，这使得二冲程的操作特性更适合于现实操作。实际上在排气期间没有排气泵送工作，这是因为大多数排气都自身疏散了。在扫气期间发生剩余的排气损耗，因此通过传送口，剩余的排气损耗包含在次级泵送工作中。在二冲程中，汽缸内的压缩比对于泵送工作没有影响。
在四冲程发动机中通过减小泵送来提高燃料经济性的小型化的基本原理与二冲程发动机不同。小型化二冲程发动机的可能优点是将操作负载提高到一个更高燃料经济性区域。然而，从NOx的角度来看，增加二冲程发动机的尺寸（增加容量）将会是非常有益的。功率是做功的速率，并且由于二冲程是四冲程发动机燃烧次数的两倍，因此二冲程的作功率是四冲程的两倍。因此，与二冲程发动机具有同样大小和速度的四冲程发动机必须承担两倍负载来得到相同的功率。如果将四冲程发动机的容量翻倍，保持同样的速度，则将会在相同的负载下得到与更小的二冲程发动机同样的功率，但是如上所述，由于增加的容量将会加大泵送损失，因此增大了油耗。如果相对四冲程将二冲程发动机的容量翻倍，由于燃烧频率翻倍和容量翻倍那么对于相同的功率，负载将会是一半体积的四冲程的1/4。
测试中，使用根据本发明的发动机，申请人在2.3巴IMEP（平均指示有效压力）得到了非常低的NOx（20ppm）。对于等体积的四冲程发动机来说该负载将会是4.6巴，代表满载运行的大约40%。以1.6升的二冲程发动机作为典型示例，如果以100/40的比例来增大容量，将会得到4升并且尺寸显著增加。然而，发动机输出NOx将会是20ppm，与由1.6升的二冲程得到相同的满负载/功率。不需要NOx催化剂，不只是为了法定循环（legislative cycle），还是为了发动机整体的操作范围。
因此，增加二冲程发动机的尺寸同时采用两种催化剂对HC和CO进行催化可以达到法定NOx。尽管在很小负载的情况下（相比于其自身）稍微增加了油耗，但是根据本发明的发动机已经证明低至无负载运行的极低的燃料经济性，优于在最佳操作区内的同类的GDI四冲程发动机。增加本发明发动机的尺寸还会提升低负载节气门响应，并且实现了进一步提高燃料经济性的齿轮比。
本发明的发动机在完全HCCI操作中将以小于450的转速空转。这是闻所未闻的。发动机以HCCI启动操作因此不需要火花点火系统。因此，发动机的低排放特性可以从冷启动实现。利用较高的辛烷值燃料可以得到最佳效率。
以下将结合附图详细描述本发明的优选实施方式，其中：
图1A到4A是根据本发明的活塞和汽缸装置的截面示意简图，示出了在循环期间不同阶段的装置；
图1B到图4B是根据本发明的活塞和汽缸装置的截面示意简图，示出了与图1A到4A相同的顺序，其中该装置被调整以导致发动机操作特性的改变；
图5是本发明一个实施方式的示意图；
图6示出了本发明一个优选实施方式的细节；
图7示出了用于本发明实施方式的典型控制方案。
图1A到4A示出了高速/高负载操作条件下的发动机。图1A示出了活塞19、汽缸20、多个进气口21、进气通道22、排气口23和排气通道24。遮板1可在排气通道中操作以改变排气口23的有效面积，该遮板1通过包括第一连杆2、第二连杆3、第三连杆4、第四连接5和曲柄轴7的机构来操作。第四连杆5通过第五连杆6连接到伺服马达（在图1中未示出，但在图5中示出并在随后进行描述）。活塞19通过传统的活塞销和连接杆（未示出）连接到输出曲柄轴（未示出）。输出曲柄轴由传动皮带连接到曲柄轴7。
汽缸20部分地由可动端面40限定，该可动端面40由可沿着汽缸20轴向滑动的环形压盖（junk head）41或圆盘（puck）提供。压盖41可移动以改变汽缸20中的压缩比。活塞环（未示出）提供了压盖41与周围汽缸20之间的密封；可以使用两个活塞环，但是为了获得高的压缩比，可以优选使用三个或更多个活塞环以最小化通过圆盘（puck）的泄漏。“圆盘（puck）”的直径为
Figure BDA00001795876200071
并且采用水冷。它的面积是缸孔面积的45.5%并且具有15.85mm的总行程。由于汽缸盖没有提升阀，所以可以获得极高的压缩比变化，例如从10:1变化到40:1。
图1A示出了活塞19位于当活塞和活塞裙25刚好覆盖排气口23时的位置。典型地，当输出曲柄轴从上止点旋转85°时发生该情形。活塞裙25完全覆盖住进气口21。遮板1退出到排气通道24的壁上。图1的汽缸中的气体已经燃烧。
图2A示出了在输出曲柄轴旋转大约28°时，活塞19位于当其从图1A中的位置向下移动时的位置。由于曲柄轴7连接到输出曲柄轴，所以曲柄轴7已经旋转了相应的角度，从而引起四个连杆2至5的相应运动。然而，该运动对于使遮板1进入到排气口24还是不够的。排气口23已经被活塞19露出，因此汽缸内的处于高压下的燃烧气体通过排气口23流出汽缸。
图3A示出了活塞已从其在图2A中的位置向下移动到下止点。活塞19已经使进气口21露出，增压的油/汽混合物能够通过进气口21进入汽缸20。增压的油/汽混合物将剩余的燃烧气体从汽缸驱赶到排气通道24中。增压的油/汽混合物将剩余的燃烧气体从汽缸驱赶到排气通道24中。然而，通过由遮板1来减小排气口23的有效面积而防止油/汽混合物的过量损失。由于随着活塞19在图3A和图4A之间的向下运动输出曲柄轴的运动已经引起曲柄轴7通过前面提到的滑轮和皮带发生移动，所以发生排气口有效面积的减少。曲柄轴7的运动引起连杆2、3和4发生运动，而使得遮板1被枢转到排气通道24中，从而减小了排气口23的有效面积。
图4A中，活塞19已经开始其向上运动，活塞裙25已经关闭了进气口21。典型地，当输出曲柄轴从上止点旋转247°之后发生该情形。活塞在图3A和图4A之间的运动引起输出曲柄轴的旋转，该旋转导致曲柄轴7的相应旋转。曲柄轴7的旋转通过连杆构件2、3和4使得遮板1从图4A所示的位置开始旋转，并且进一步减小排气口23的有效面积。借助遮板1使排气口23的有效面积减小使得活塞19能够在其向上运动中比其原来可能关闭排气口的更早阶段关闭排气口23。更早地关闭排气口使得有更长时间压缩油/汽混合物，从而允许达到更高的峰值压力和更高的发动机热效率。
在所有图1A至4A中，压盖保留在最高位置，在该最高位置，发动机中的压缩比是最小的。
图1B到4B示出了低速/低负载操作条件下的发动机。图1B示出了活塞相对于汽缸处于与图1A中相同的位置。压盖41已经降低到其最低位置以将汽缸20中的压缩比增大至其最大值。而且，图1B中的遮板位置不同于图1A。控制系统已经考虑到发动机负载和发动机速度，并且使伺服马达旋转第五连杆臂6从而调整四个连杆臂2至5的配置。从图1A到图1B的对四个连杆臂2至5的几何布置的调节减小了遮板的行程范围。这种几何布置使得排气口23由遮板1造成的面积最大减小对于控制第五连杆6的所有位置来说是相同的。然而，当第四连杆5处于图1B到图4B所示的位置时，遮板不会如图1A所示的那样完全收回到排气通道的壁上。相比于图1A到4A中完整的遮板行程，图1B到4B中减小的遮板行程允许更少的油/汽混合物在没有燃烧的情况下被排出。相比于通常的二冲程发动机以及相比于图1A到4A的布置，图1B到4B中减小了的遮板行程还允许汽缸的内部向外界空气打开的时间缩短。这使得汽缸10中的燃烧气体得到保留以促进HCCI。尽管在上文中将连杆机构设置成恒定地保持面积的最大减小，但在一些实施方式中，直接关系到遮板行程范围的最低的遮板位置能发生变化，这在运行HCCI的低比功率发动机中可能是期望的。
在本发明的优选实施方式中，当处于遮板1的最低水平时的遮板的最低部分的水平与进气孔21的最高点下方的点对应。在活塞的向上冲程中活塞刚好完全关闭进气口21之后，遮板处于其最低位置。然而，在活塞向下冲程中活塞露出进气口之前，排气通道向汽缸打开。这允许在输送新充注的油/汽混合物之前排出燃烧气体。因此，对于活塞位置而言，排气口的打开和关闭的正时是“不对称的”。当活塞在其向下冲程中相对于汽缸处于比当活塞在其向上冲程中关闭排气口时的位置更高的位置时，排气口打开。该系统允许遮板的移动正时相对于活塞的位置不对称，并且根据改变发动机参数，例如负载、速度和温度，来改变这种不对称性。
图1A到4A的配置是针对高速和/或高负载情况设计的。燃烧气体排出所用的时间少于低速时的情况，因此，遮板应当完全收回以不阻碍排气过程。如以下将会详细描述的，在部分满载和低负载运行的情况下，通过将压缩比提高至前所未闻的水平，使得发动机采用HCCI燃烧运行。通过提升压缩终点温度，能够实现压缩比的提升。还通过截留汽缸中的排出气体用来与新充入的空气混合来帮助实现这种效果。部分关闭的遮板用来防止所有燃烧气体被排出，以有效地“截留”汽缸中的燃烧气体，用来与接下来输送的充注气和燃料混合。由于排气通道向汽缸的打开被延迟并且因此膨胀的燃烧气体作用在活塞上的时间延长，所以图1B到4B的装置也会增大由处于低速的发动机产生的扭矩。通过移动压盖41也会增大压缩比以达到更高的最终燃烧温度。
图5示出了遮板1、第一连杆2、第二连杆3、第三连杆4、第四连杆5、第五连杆6、曲柄轴7（连杆4具有孔，在该孔中带有与轴7一起旋转的偏心轮）、滑轮8、由发动机输出曲柄轴（未示出）驱动的皮带9、伺服马达10、控制单元11、传感器12和14以及进气歧管13。电子传感器14设置在进气歧管中以测量其中的气体压力。传感器通过线15将信号发送到控制单元11。发动机速度传感器12测量存在这种装置的发动机的转速。发动机速度传感器12通过线16将信号发送到控制单元11。控制单元11包括电路，该电路依据预编程指令，将其接收的信号进行比较和组合。控制单元11通过线17将指令信号发送到伺服马达。该信号指示伺服马达将第五连杆6旋转到相对于任意固定基准18的所需角度Φ。
根据预编程指令，电子控制单元确定对于所有速度和负载情况下压缩比和有效气孔面积的最佳组合。
在发动机低速的情况下，通过在活塞向下运动时部分遮蔽排气口，减少的遮板运动允许由于燃烧气体膨胀而作用在活塞上的压力来提供用于发动机循环的较大部分的功率。与没有遮板的装置相比，在循环内排气口向汽缸内打开的瞬间能被延迟多达输出曲柄轴旋转的约14°。这允许保留用于与新充入的油/汽混合物进行混合的排气，因此，允许进行HCCI操作。对于HCCI操作，可能希望将排气口的打开延迟大于输出曲柄轴旋转的14°。
图7中示出了用于控制单元11的控制原理图。在优选实施方式中，本发明的控制系统包括三个传感器12、14和34。传感器12典型地通过测量曲柄轴的转速来测量发动机速度，其中曲柄轴借助发动机的操作活塞而旋转。传感器14测量发动机负载，例如通过测量进气歧管（如图1所示）中的气体压力或者由流量计监测气体向汽缸中的流动，来测量发动机负载。传感器34测量发动机的冷却液温度并且测量周围空气温度。
控制单元11控制伺服马达10以改变遮板打开通向工作汽缸的排气通道的点。结合遮板1的所需最大行程的最大发动机速度和排气孔的最大开口时间，按照活塞到达下止点之前的角度（或活塞到达上止点之后的角度）计算排气通道开放点，并且该排气通道开放点与感测到的发动机速度大约成正比。考虑到发动机的速度和/或负载，控制单元11还控制未在附图中示出的致动器（例如液压致动器）以移动压盖来改变汽缸内的压缩比。
尽管如上所述的优选实施方式使用伺服马达来旋转连杆6，但也可使用任何的机电装置来按照所需的方式旋转连杆6。例如，可以使用液压制动器，这样的致动器的活塞被连接到沿其长度枢转大概一半的连杆，活塞的运动使得连杆绕着其枢转轴旋转。
为了获得本文所公开的发明的全部优点，遮板应当形成为使得其下边缘的形状尽可能地贴合排气通道的顶部的形状，从而当遮板在高速操作模式下缩回并且排气孔刚刚打开时，由于气体速率处于最高值，所以通过排气通道的流动的扰动最小。通过这种方式，发动机的性能不会受到通过排气通道的燃烧气体的流体阻力的不利影响。
遮板装置的细节可参见图6。图6中，将遮板安装成使其围绕点30枢转，该点30偏离于遮板1的最低边缘上的点31。在排气通道中的凹部内的遮板缩回位置能看到遮板1，也可以在减小排气口面积的第二位置中的1'处看到遮板1。随着遮板由于偏移而到达其最低点，遮板和壳体32之间的间隙减小。这可从图6中的X和Y处看出，X示出了没有偏移时占优（prevail）的间隙，Y示出了有偏移时占优的间隙。这具有减小在活塞和遮板之间形成的容积33的优点，该容积33是通过排气通道排放碳氢化合物和功率损失的源。其还具有减小遮板和工作活塞之间的泄漏路径的优点。
虽然以上压缩比的变化是通过汽缸中的环形压盖的运动来实现的，但是也可以采用其他改变压缩比的方法（比如，通过具有可变长度的活塞或围绕轴线可枢转的汽缸体来改变每个冲程中的活塞运动的最上限）。
虽然以上所描述和示出（图5）的遮板机构具有由滑轮9驱动的曲轴7，但是如果发动机的主曲轴设置有驱动该机构的偏心驱动装置，那么可以省略曲轴8和皮带9。
在空载和冷启动的情况下（或任意操作的速度负载条件）对HCCI操作必要的是压缩冲程结束时要有足够的温度以点燃充注物（charge）。
在固定压缩比的发动机中常用的方法是从前一循环中截留排气并且使用来自该排气和紧接着的压缩冲程的热能来显著提升温度从而自动点火。对于固定的速度/负载条件来说，截留更多的排气将会增加温度和提前燃烧，而截留较少的排气将会产生负面效果。在较低负载操作的情况下降低燃料含量（fule content）意味着在废气中存在较少的可用热能，以至于即使可被截留的最大排气量在压缩后都不具有足够的热量来自动点燃充注物。这是对应于低速/低负载操作的情况。因此，迄今为止已经发现很难在低至空载时维持HCCI；典型地，解决此问题的方法是将供应到发动机的空气预热或者在主要自点火燃烧之前进行预燃烧。以上两种方法的目的都是要提高对于低速/低负载（例如在发动机空载的情况下）可用的热能。
通过具有可变压缩比并且被构造和操作为二冲程火花点火发动机，本发明提供了所需的用于自点火的压缩终点温度，该二冲程火花点火发动机在除了最高负载情况外的所有条件下总是具有相当多的内部EGR（所截留的排气）。在最低负载运行条件下从本质上最大化所截留的排气量，因此所截留的排气量非常适于自点火操作。改变压缩比允许优化压缩最终温度以逐步进行燃烧过程从而最大化扭矩和/或最小化油耗/排放。
所述的发动机使用均质压燃（HCCI）可以在所有条件下操作。当周围空气温度在冰点以上时，通过选择30:1到40:1的压缩比来使用HCCI启动发动机。当周围空气温度在-30°C或更低时，通过选择50:1的压缩比来使用HCCI启动发动机。使用30:1到40:1的压缩比，使得发动机在空载时通过HCCI操作。在其他操作条件下（例如部分负载或全负载），使用18:1至25:1之间的压缩比来使发动机操作。
对于启动条件（热启动或冷启动）来说，由于发动机在第一阶段必须运行以生成排气，所以没有可用的排气来添加到充注物温度。在这种情况下，将压缩比增大到其最大值以使发动机仍容易启动。一旦可以使用HCCI操作启动发动机，就不需要点火系统，特别地，不需要火花塞。这意味着能够简化汽缸盖的设计并且增加可动圆盘（puck）的直径以与汽缸直径匹配。如果选择液压运动，那么这允许需要较低的油压来移动圆盘。能够使用发动机机油，并且发动机机油能够提供对圆盘的冷却以及对位置的控制。由于在首次燃烧循环后实质上截留了排气，所以二冲程发动机特别适用于HCCI启动。
申请人在没有火花的情况下，采用32:1的压缩比，在低温条件下（29摄氏度的冷却液和25摄氏度的调节空气供应）启动了汽油发动机（使用无铅的98RON汽油）。在40:1的压缩比和大约为25°C的环境温度的情况下，压缩终端温度已经达到超过1000°C；这足以自点燃天然气。当空气温度为-30度时，对于同样的压缩终端温度，需要的压缩比至少为50:1。E85燃料比汽油需要稍高的压缩比，但是仍落在所指出的范围内。柴油比汽油需要更低的压缩比，但是仍落在所指出的范围内。
申请人使用无铅的98RON汽油，在压缩比为36:1的情况下，以小于450rpm的转速，采用HCCI技术来运行发动机。
申请人使用E85燃料，在压缩比为37:1的情况下，以680rpm的怠速，采用HCCI技术来运行发动机。
也可以使用柴油燃料，使用相同的低压空气燃料喷射，例如采用6巴的燃料压力将柴油送入8.5巴的空气中，采用HCCI燃烧运行发动机。
虽然在部分负载的情况下二冲程操作固有地截留排气，但是以上所述的截留气门能够对所截留的量进行更大的控制，因此成为用于HCCI操作的第二控制媒介。还需要所截留的排气来减缓HCCI燃烧以防止发动机损坏和过量的NOx排放。截留气门和可变的压缩比一起优化了所截留的充注物条件以在自动点火过程中实现最小的NOx排放。
如下所述，虽然50:1的压缩比对于低温启动可以奏效，然而随着发动机随后升温，在空载时压缩比会降低到例如37:1以优化燃烧过程。在空载时，E85燃料需要高4或5个的压缩比。
对于98号汽油来说，37:1的压缩比允许在444rpm的热空载情况下实现完全HCCI操作。使用E85的发动机在压缩比37:1时实现完全HCCI操作。
如果发动机采用低的BMEP（致动平均有效压力）运行，已经发现在非常高的压缩比下运行的发动机会提供最小的NOx排放（低至空载时的背景水平）。在一些实施方式中，发动机以3到4巴的BMEP运行（相比于典型的四冲程发动机中的12巴或典型已知的二冲程发动机中的6.5巴）。即使在更高负载时，在高达2000rpm、3巴IMPE的情况下，NOx的排放低至两位数每ppm（例如在2.3巴IMEP（二冲程）时大约为20ppm）。因此没有必要对NOx进行再处理。二冲程发动机的HC和CO排放可相当于类似的四冲程发动机。高压缩比产生显著的压缩加热，这迫使完成HC到HCO,CO到CO2的反应。也已经发现使用E85替代汽油能够产生比汽油稍好的NOx输出，使用柴油能够产生类似汽油的稍高的NOx和HC排放。
根据本发明的发动机，可能无需对NOx进行再处理，并且该发动机具有比四冲程喷雾引导发动机（spray-guided engine）更少的油耗。
从冷启动运行HCCI的能力能够显著地减小冷启动排放，因此能够减小氧化催化剂的加载量。在不需要火花塞的情况下，使用32:1的压缩比，利用98RON无铅汽油，在25°C的环境空气温度以及29°C的冷却液温度下已经能够启动发动机。
在一些实施方式中，由于发动机在3-4巴的低BMEP下运行以实现低NOx排放，所以发动机将会“大型化”以提供所需的总功率输出，但仍提供改进的燃料经济性和减少的动力总成的成本，这是由于再处理的需要降低的这样的发动机相比涡轮增压直喷火花点火的四冲程发动机生产更加便宜。如上所述，具有3到4升容量的、具有3-4巴BMEP并且以HCCI和高压缩比操作的二冲程发动机具有与1.6升容量的四冲程发动机相当的功率输出，同时在包括全功率情况（四冲程发动机在全功率情况下具有高NOx输出）的整个操作范围内提供低NOx排放。
本发明的发动机在完全HCCI操作中将以小于450的转速空转。这是闻所未闻的。发动机以HCCI启动操作因此不需要火花点火系统。因此发动机的低排放特性可以由冷启动实现。利用较高的辛烷值燃料可以得到最佳效率。
根据本发明的发动机，由于其可变的压缩比和截留气门，因此不需要任何硬件改变就能够采用汽油、E85或柴油运行，所不同的仅仅是不同的压缩比和截留气门设置。也可有利地使用其他燃料和/或燃料的混合物。
在多汽缸发动机中，可以单独地对每个汽缸控制压缩比并且继而随后按次序改变汽缸的压缩比。
本发明提供了“循环操作快速压缩机”（“RCM”）。可变性使得发动机能够容易地采用不同类型的燃料，例如，汽油、E85和柴油来运行，而不需要改变硬件。该概念是“循环-操作RCM”中的一种。该概念采用了二冲程循环的优点，并且将它们与其他观点相结合以实现可投入生产的VCR发动机。VCR在四冲程发动机中很难实现，并且如果该发动机装配有提升阀，那么在这种发动机中事实上不可能实现10:1到50:1的压缩比范围。
整个说明书中引用了压缩比，所述压缩比是标准的几何压缩比，其是指活塞在下止点（BDC）时的汽缸容积与活塞在上止点（TDC）时的汽缸容积之比。该定义忽略了任何泄漏并且忽略了以下事实：由于直到气口被关闭时才会出现压缩，所以汽缸中气口的存在会减小有效压缩比。

Claims (21)

1.一种二冲程内燃机，该二冲程内燃机包括：至少一个能在汽缸内往复运动的活塞，
排气口，该排气口允许所述汽缸与排气通道连通，并且在所述活塞的往复运动期间被所述活塞打开或关闭；
可动的遮板装置，该遮板装置用于改变所述排气口的有效面积，并且以与所述活塞在所述汽缸内的往复运动的时间相关的方式周期性地改变所述有效面积；
压缩比改变机构，该压缩比改变机构用于改变所述汽缸的压缩比；
传感器装置，该传感器装置用于测量所述内燃机的一个或多个运行特性并且用于生成与所述运行特性对应的信号；
控制单元，该控制单元处理由所述传感器装置生成的信号，相应地控制所述遮板装置的运动，并且控制所述压缩比改变机构以改变所述汽缸的压缩比；其中，
所述内燃机具有空载运行模式，在该运行模式下，燃料借助均质压燃（HCCI）在所述汽缸内被点燃，并且所述汽缸内的压缩比发生改变以落入30:1至40:1的范围内。
2.根据权利要求1所述的二冲程内燃机，其中，所述内燃机具有启动模式，在该启动模式下，燃料在所述内燃机启动时借助HCCI被点燃，并且所述汽缸内的压缩比变为40:1或更高。
3.根据权利要求2所述的二冲程内燃机，其中，在所述启动模式下，所述压缩比随着周围空气温度的降低而增大，并且当周围空气温度为-30°C或更低时，所述压缩比增大到50:1或更高。
4.根据权利要求1所述的二冲程内燃机，其中，所述内燃机具有部分负载运行模式，在该部分负载运行模式下，燃料借助HCCI被点燃，并且所述汽缸中的压缩比发生变化以落入18:1至25:1的范围内。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的二冲程内燃机，其中，所述内燃机针对不同的燃料具有不同的运行模式，在每一种运行模式下，燃料都是借助HCCI被点燃的，并且所述汽缸中的压缩比由所述控制单元改变以适合所使用的燃料。
6.根据权利要求5所述的二冲程内燃机，其中，所述内燃机对于以下各种燃料具有不同的运行模式：汽油；汽油和乙醇的混合物；以及柴油。
7.根据以上任一项权利要求所述的二冲程内燃机，该内燃机以3到4巴的BMEP运行。
8.根据以上任一项权利要求所述的二冲程内燃机，其中，在所述内燃机启动时并且对于所有的内燃机速度和/或负载，燃料总是借助HCCI被点燃。
9.根据以上任一项权利要求所述的二冲程内燃机，其中，在所述内燃机的低速和/或低负载的情况下，所述控制单元改变所述遮板装置的操作状态以减小在排放燃烧气体期间所述排气口的有效面积，从而截留所述汽缸内的燃烧气体，来与随后引入的充注空气和燃料进行混合以生成适于均质压燃的混合物。
10.根据权利要求9所述的二冲程内燃机，其中，在所述内燃机的高速和/或高负载的情况下，所述控制单元改变所述遮板装置的操作状态以增大在排放燃烧气体期间所述排气口的有效面积。
11.根据以上任一项权利要求所述的二冲程内燃机，其中，所述压缩比改变机构包括：直径与所述汽缸的直径相等的压盖，所述压盖能在所述汽缸内沿着轴向滑动；以及用于滑动所述压盖的致动器。
12.根据以上任一项权利要求所述的二冲程内燃机，其中，所述遮板装置包括遮板和用于使所述遮板在第一位置与第二位置之间摆动的传动机构，其中，在所述第一位置，所述排气口具有第一有效面积，而在所述第二位置，所述排气口具有较小的第二有效面积，所述传动机构连接到与所述内燃机的活塞相连接的曲柄轴并且包括多个互连的连杆。
13.根据权利要求12所述的二冲程内燃机，其中，所述控制单元根据感测到的运行特性的变化来改变所述遮板的所述第一位置以提前或延迟所述排气通道的开启。
14.根据以上任一项权利要求所述的内燃机，其中，所述控制单元控制所述遮板装置以改变在每个循环内所述排气口的有效面积的改变量。
15.一种运行二冲程内燃机的方法，所述内燃机包括：
至少一个能在汽缸内往复运动的活塞，
排气口，该排气口允许所述汽缸与排气通道连通，并且在所述活塞的往复运动期间被所述活塞打开或关闭；
可动的遮板装置，该遮板装置用于改变所述排气口的有效面积，并且以与所述活塞在所述汽缸内的往复运动的时间相关的方式周期性地改变所述有效面积；
压缩比改变机构，该压缩比改变机构用于改变所述汽缸的压缩比；以及
传感器装置，该传感器装置用于测量所述内燃机的一个或多个运行特性并且用于生成与所述运行特性对应的信号；并且所述方法包括以下步骤：
控制所述遮板装置的运动以在所述发动机运行时改变所述排气口在排放燃烧气体期间可用的有效面积；
控制所述压缩比改变机构以改变所述汽缸的压缩比；
使所述内燃机在空载时以所述汽缸内的压缩比在30:1到40:1的范围内并且所述汽缸内的燃料借助均质压燃（HCCI）被点燃的状态来运行。
16.根据权利要求15所述的方法，该方法还包括以下步骤：通过由HCCI点燃所述汽缸内的燃料来启动所述内燃机；和使所述内燃机在所述汽缸内的压缩比至少为40:1的状态下运行。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，当周围空气温度为-30°C或更低时，所述内燃机以所述汽缸中的压缩比至少为40:1的状态来运行。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的方法，其中，所述内燃机在部分负载条件下以所述汽缸中的燃料借助HCCI被点燃并且所述汽缸内的压缩比在18:1到25:1的范围内的状态来运行。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的方法，其中，在所述汽缸内点燃的燃料为以下之一：汽油；汽油和乙醇的混合物；或者柴油。
20.根据权利要求15至19中任一项所述的方法，其中，所述内燃机以BMEP为3到4巴的状态来运行，并且不需要对所述排气进行任何NOx再处理。
21.根据权利要求15至20中任一项所述的方法，其中，在启动时并且在所有内燃机速度和负载的情况下，所述汽缸中的燃料总是借助HCCI被点燃。
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