CN1309946C - 内燃机及其控制装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种内燃机，其中从排气冲程到进气冲程可以存在一个在其间进气阀(14)和排气阀(15)都保持关闭的时段(T)，该内燃机装备有一个燃料喷射阀(24)，它能够把燃料喷入燃烧室(16)，排气阀(15)的关闭时间(EVC)设定在进气上止点以前，从燃料喷射阀(24)喷射的燃料随同燃烧室(16)内的残余气体在进气阀(14)和排气阀(15)都保持关闭的时段(T)内一同被压缩。

Description

内燃机及其控制装置
技术领域
本发明是关于一种内燃机，其中可以设定从排气冲程到进气冲程进气阀和排气阀同时都关闭的一个时段。
背景技术
在该技术中正如大家都知道的，一般说来，在一台四冲程内燃机上，理论热效率的提高是通过提高使空气-燃料混合物变稀来增加工作流体比热的比率而实现的。但是在火花点火的汽油机上，从控制点火定时的观点来看，靠点火和火焰传播而形成火焰的核心是十分困难的，它导致点火性能以及空气燃料混合物变稀方面的限制的问题。与汽油机的问题一样、天然气发动机、液化石油气发动机等的点火也都是很困难的，引起与汽油机相类似的问题。在燃用轻柴油的柴油机上，点火性能是满意的，能够实现自点火，并且能够达到真正的稀薄燃烧。
但是也容易产生积碳，并且涉及NOx排放的问题。这样，从提高热效率和减少NOx排放方面考虑，即使在采用不容易被点火的燃料的情况下，例如汽油和天然气，提高点火性能也是所希望的。
从促进点火性能来考虑，所知的内燃机装有一可变气阀定时机构，它用于调整进、排气阀的开启/关闭定时，并且可以存在一个其间从排气冲程到进气冲程进气阀和排气阀都是保持关闭的时段(见例子，JP2000-64863 A(原文第2-5页，图4)以及JP2001-355462 A(原文第2-3页，7页及图8))。按照JP2000-64863A，在高负荷状态下，空气燃料混合物被点火装置点燃，但是在低负荷时，排气阀关闭的定时是这样确定的，使得在排气冲程提前到活塞上止点前。另外，JP2001-355462A也公开了一项技术，其中排气阀的关闭受控制在进气上止点以前实现。由于有了这样的进气阀和排气阀都在进气上止点以前保持关闭的一段时段，残余气体被截留，而新进入的气体则被加热，因而促进了点火。
在上述传统技术方面，点火性能取决于被截留的残余气体的加热效果，因此为了促进点火，有必要增加被截留的残余气体的数量。但是，当被截的残余气体数量增加时，由于气体的膨胀和压缩而产生的热损失和泵气损失也有增加，导致热效率下降。另外，由于吸入燃烧室的新鲜气体数量减少，因而发动机运转的允许负荷范围会受到限制。
发明内容
考虑到现有技术方面的上述问题作出了本发明。本发明的目的是，从提高热效率和减少NOx排放方面考虑，提出一种内燃机和内燃机的控制装置，即使采用难以点火的燃料，它也能改进点火性能以及提高热效率，使它能够扩大发动机运转的允许负荷范围。
按照本发明的一个方面，为了解决上述问题，提出了一种内燃机，其中，从排气冲程到进气冲程可以设定一个其间进气阀和排气阀都是关闭的时段，该发动机包括一个燃料喷射阀，能把燃料喷入燃烧室，排气阀关闭的时间被设定在进气上止点以前的一个定时，而从燃料喷射阀喷出的燃料与燃烧室内的残余气体在进气阀和排气阀同时保持关闭的这段时间内一同被压缩。
这里，“进气上止点”这个词是指进气冲程开始时刻前后活塞的上止点。
另外“在进气上止点以前”这句话是指某个时刻，它比活塞所达到的进气上止点的这个时刻更早。
就该方案的内燃机而言，排气阀的关闭是在进气上止点以前实现的，并且进气阀和排气阀都进入关闭状态，因此从排气阀关闭到(活塞)到达上止点这段时间内，当活塞上升时喷入的燃料随残余气体一同被压缩。在这压缩过程中燃料达到高温和高压而被改性，并变成为点火的催化剂。“改性”这个词是指由于从燃料喷射阀喷入的燃料随同燃烧室内的残余气体一同受压缩达到高温高压的结果而转变成象甲醛那样的点火催化剂。这个词也含有在转变过程中起反应以产生一种中间产物如OH的意思。当进气阀打开，空气或空气-燃料混合物被新吸入燃烧室，这些新鲜的空气或空气燃料混合物与含有燃料的高温残余气体混合，这些混合物已经过改性并容易点火，因此点火性能得到改进。这样，就不需要明显地调整排气阀相对于进气上止点的提前关闭时间，以便象现有技术那样以促进点火，并且能够把进气阀和排气阀同时都关闭的这段时间调整得短一些。其结果，就能够把残余气体的数量减少，并且把由于残余气体压缩和膨胀而造成的热损失和泵气损失减少下来，这样能够减轻热效率的恶化程度。另外，由于残余气体的数量可以减少，就能够减轻新吸入空气或空气燃料混合物数量的减少程度，以及扩大发动机运转的允许负荷范围。这样，从提高热效率和减少NOx排放来考虑，就可以实现一种这样的内燃机，即使采用很难点火的燃料，它也能改进点火性能，并且能够改进热效率，能够扩大发动机运转的允许负荷范围。
按照本发明的另一方面，在该内燃机中，燃料从燃料喷射阀喷射进入燃烧室的定时是紧接排气阀即将关闭以前。
在这种结构中，当燃料喷射时，该装置尚处于残余气体被封闭在燃烧室内开始被压缩以前，燃烧室内部还处于低压状态。因此，燃料喷射压力也能够降低，这样就简化了装置的构造。
按照本发明的又一方面，在该内燃机中，燃料从燃料喷射阀喷入燃烧室的喷射定时是紧接排气阀刚一关闭以后。
在这种结构中，当燃料喷射时，进气阀和排气阀都已经处于关闭状态，所以不必担心喷射的燃料会泄漏到燃烧室的外面。另外，它是在排气阀关闭以后立即喷射的，这意味着燃烧室的压力刚开始上升，所以可以在相对较低的压力下进行燃料喷射。因此可以不考虑(不需要增加)对燃料喷射的加压装置，或者，即使在装备了加压装置的情况下，它也可以是一种能使燃料在低压下喷射的那种类型的装置。
按照本发明的再一个方面，在该内燃机中，该内燃机是一种预先混合好的压燃式发动机，燃料与空气预先混合好的空气燃料混合物进入燃烧室。
在这种结构中，即使燃料是很难点火的，例如汽油或天然气，自点火也是容易实现的，这一点使它能够实现高热效率的预混合压缩点火(压燃)。因此，热效率的提高与NOx排放的减少就相一致了。
按照本发明的另一个方面，在该内燃机中，未与燃料混合的空气进入燃烧室，而主燃烧用的燃料也从燃料喷射阀喷入。
在这种结构中，点火性能的改进是由于燃料与残余气体一同被加压，然后主燃烧的燃料在接近压缩上止点的那一个时刻从同一个燃料喷射阀喷入以进行主燃烧而实现的。因此不需要另外装备一个装置以准备预先与燃料进行混合的空气燃料混合物，这样就简化了装置的结构。
按照本发明的另一个方面，在该内燃机中，从喷射阀喷入的燃料的数量以及燃料喷入燃烧室的定时是可以改变的，而进气阀和排气阀都保持关闭的这段时间的长短则是固定的。
在这种结构中，可以通过喷油定时的改变而调整喷射的燃料数量或改性的燃料的数量，这样，即使进气阀和排气阀都关闭的时段是固定的，点火性能也可以得到控制。因此就可以避免采用用于调整进/排气阀的开/关定时的气阀定时可变的机构。
按照本发明的另一个方面，在该内燃机中，进气阀开启的时间设定在进气上止点附近。
在这种结构中，进气阀是在活塞到达进气上止点时开启，(即此时在燃烧室内的残余气体达到高温、高压，内部燃料被改性的状态)，因此，高温残余气体，包括被改性的气体被喷入燃烧室并导致反向流动到进气侧与进气侧的空气或空气燃料混合物相混合，使进入的空气被加热。这样，进入的空气达到高温，实现点火性能的进一步改进。
另外，封闭以后的残余气体被活塞最大程度的压缩，并与进气侧的空气或空气燃料混合物互相混合，达到一个如此高的温度和压力状态。
这样，与进气侧的空气或空气燃料混合物互相混合时改性燃料的数量得到增加，因而实现了点火性能的进一步提高。
按照本发明的另一个方面，在该内燃机中，提出了一种内燃机的控制装置，它包括：一个可变的气阀定时机构，它能够改变进气阀和排气阀的开启/关闭定时；一个进气阀/排气阀开启/关闭定时控制机构，它用于设定排气阀定时，使得排气阀在活塞到达进气上止点以前关闭，以及用于控制可变的气阀定时机构，使得从排气冲程到进气冲程存在一个时段，在此期间，进气阀和排气阀都保持关闭；以及一个燃料喷射阀，它能够把燃料喷入燃烧室，使得喷入的燃料随同燃烧室内残留的气体在进气阀和排气阀同时保持关闭的期间一同被加压。
这里，“进气上止点”和“进气上止点以前”这两个表述都包含与前面所述相同的意思。
在这结构内，内燃机是被进/排气阀开启/关闭定时控制机构所控制的，排气阀是在进气上止点以前的某个时刻关闭的，此时进气阀和排气阀都进入关闭状态。因为在从排气阀关闭到进气上止点这段时间内活塞是上升的，燃料从燃料喷射阀喷入燃烧室以便随同残余气体一同被压缩，在这压缩过程中，燃料达到高温，高压从而被改性，并且成为点火作用的催化剂。如果进气阀开启以及空气或空气燃料混合物是新进入的，那么进入的新鲜空气和空气燃料混合物与包含改性燃料并且容易点火的高温残余气体互相混合而改进了点火性能。这样，就不必再如现有技术那样，较大地调整排气阀在进气上止点以前的关闭时间以便促进点火作用，并且使得进气阀和排气阀都保持关闭的这段时间可以缩短。结果，就可以减少被封闭在燃烧室内的残余气体的数量，因此，也就能够减轻热效率的下降程度。另外，因为能够限制新进入的新鲜空气或空气燃料混合物的数量的减少程度，使得它能够扩大发动机运转的允许负荷范围。这样，在一台内燃机上，从改进热效率及减少NOx排放的考虑出发，即使是用很难点火的燃料，也可以实现点火性能和热效率的改进，以及扩大发动机运转的允许负荷范围。
另外，靠改变进气阀和排气阀都关闭的这段时间的长短，可以调整从喷射阀喷入的燃料中要改性的燃料的数量和比例。这样，就可以恰当地调整点火性能。
按照本发明的另一个方面，在该内燃机中，在排气阀即将要关闭以前的时刻燃料喷射阀把燃料喷入燃烧室。
在这个结构中，在装备有这种控制机构的内燃机中，当燃料喷射时，残余气体还没有被封闭并且还没有开始被压缩，燃烧室内部处于低压状态，所以可以使燃料喷射压力较低。这样，就可以简化装备这种控制机构的内燃机的结构。
按照本发明的另一个方面，在该内燃机中，在排气阀刚刚关闭以后喷射阀就立即把燃料喷入燃烧室。
在这种结构中，在装备有这种控制机构的内燃机上，当燃料喷射时，进气阀和排气阀都已经处于关闭状态，所以不必担心喷射的燃料会漏到燃烧室的外面。另外，因为燃料是在排气阀关闭以后立即喷射的，燃烧室内部的压力还刚刚开始上升，所以燃料喷射可以在相对比较低的压力下进行。也就是说，有可能不必考虑在装备有这种控制机构的内燃机上安装燃料喷射加压装置，或者，如果要安装这种加压装置的话，它也可以是一种能够使燃料在比较低的压力下喷射的那种类型的装置。
按照本发明的另一个方面，在该内燃机中，进/排气阀的开启/关闭定时控制机构控制可变的气阀定时机构，使得进气阀开启的时间设定在上止点附近。
在这种结构中，在装备有这种控制装置的内燃机上，在活塞已经到达上止点的状态下进气阀开启(即，进气阀开启时的状态是封闭在燃烧室内的残余气体已经达到高温高压状态并且内部的燃料已经被改性了)，这样包含改性了的燃料的高温残余气体被喷射进燃烧室并造成反向流动到进气侧，与进气侧的空气或空气燃料混合物互相混合以加热进气空气。这样，进气空气达到高温，并且点火性能得到进一步改进。另外封闭后的残余气体被活塞最大程度地压缩，如此高的温度和压力的残余气体与进气侧的空气或空气燃料混合物互相混合。这样，与进气侧的空气或空气燃料混合物互相混合时被改性的燃料的数量就得到进一步增加，这也有助于实现点火性能的进一步提高。
附图说明
在所附的图纸中：
图1是一个***图，它显示了装有内燃机的一台气体热泵的例子；
图2是一个与方框图相配合的示意图，显示了一台按照本发明实施例的内燃机及其控制***的主要部分；
图3是一个示意图，它显示图2中的内燃机的主要部分；
图4是一个示意图，它显示图2中的内燃机的进气阀和排气阀的开启/关闭定时与燃料喷射定时之间的关系；
图5是说明图2中的内燃机的控制举例；
图6A和6B是显示汽缸压力和汽缸容积的关系，以便说明按照本发明的一种机构，它能够限制泵气损失；
图7是一个示意图，它显示了图2所示的实施例的内燃机的主要部分改进；
图8是一个示意图，它显示了按照本发明的另外一个实施例的内燃机的主要部分；
图9是一个示意图，它显示进气阀和排气阀的开启/关闭定时和燃料喷射定时之间关系的另一个例子；以及
图10是显示在一个采用图9中气阀开启/关闭定时的内燃机上，当进气阀开启时，残余气体是如何被迫向后流动的。
具体实施方式
现在结合附图纸将说明本发明的优选实施例。
图1是一个***图，它表示一个装备有内燃机的气体热泵的例子。例如可以把本发明的内燃机应用于图1中所示的气体热泵100。在这个气体热泵100上，气体热泵循环是被一台使用天然气或类似燃料的内燃机所驱动，以进行空气调节作用的。图1中***的例子起到空间加热循环的作用。
气体热泵100装有一个室外机101和一个室内机102。室外机101装备一个符合这个具体设备方案的内燃机(燃气发动机)1、一个被该内燃机所驱动的压缩机103、热交换器104和105、一个膨胀阀等等。制冷剂被室内机102侧的热交换器所凝结并液化因此释放出热量，在加热了房间内部以后(如箭头a所示)通过膨胀阀，实现膨胀，然后变成低温和低压的液体(如箭头b所示)。然后该液体被室外机101的热交换器104所蒸发以吸收热量变成一种低温、低压气体(如箭头c所示)，并被压缩机103压缩成为高温、高压气体(如箭头d所示)。此后，该气体再一次在室内装置102处液化，释放热量，这样就重复空间加热循环。在图1所示的例子中，从内燃机发出的热量被用来使热水循环，与制冷剂和热交换器105进行热交换。
虽然这个具体设备中的内燃机1适用于上述气体热泵，但是不应该狭窄地理解这点。内燃机也适用于各种四冲程内燃机，例如汽车发动机。
在以下的例子中，将介绍该实施例的内燃机1。图2是与方框图相配合的示意图，它显示发动机1的主要部分所使用的控制***，图3是一个示意图，它显示内燃机的一部分。图2显示内燃机1的一些部件，包括汽缸体11、活塞12以及汽缸头13、进气阀14和排气阀15。汽缸体11、活塞12和汽缸头13组成燃烧室16，汽缸头13具有进气口17和排气口18。另外内燃机1还有进气凸轮轴和排气凸轮轴(图中没有显示)，他们都装有可变定时机构19和20，能够分别改变进气阀14和排气阀15的开启/关闭定时(气阀开启定时和气阀关闭定时)，使得能够调整凸轮轴相对于曲轴(图中没有显示)的旋转相位。另外，由于有了这样的安排，就能够任意设定进气阀14和排气阀15同时都关闭的时段。可变气阀定时机构19和20利用进气侧液压控制阀21和排气侧液压控制阀22通过液压控制进行气阀开启/关闭的定时调节。该机构也可以是，例如在JP2001-355462中所公开的那种类型。
另外，如图3所示，内燃机1是一种预选混合的压燃式发动机，其中通过事先将空气和燃料混合而制备的空气燃料混合物被吸入燃烧室。燃气，例如天然气或液化石油气利用一个混合器23与进入的空气混合，通过进气口17进入燃烧室16。另外，内燃机1装备有一个燃料喷射阀24，它能够把燃料喷射进燃烧室16中。从这个喷射阀24喷出的是一种跟借助于混合器与空气混合的作为主燃烧的燃料气体相同的燃料。
下面要介绍的是装有内燃机1的一种内燃机控制装置10。在图2中，内燃机控制装置10装有能够改变进气阀和排气阀(14和15)开启/关闭定时的气阀可变定时机构(19和20)、液压控制阀(21和22)、燃料喷射阀(24)、以及内燃机1上用于进行各种控制作用的发动机控制装置(ECU)25。
ECU 25装有进气阀/排气阀的开启/关闭定时控制部分(进气阀/排气阀开启/关闭定时控制机构)26以及用于控制从喷射阀24喷射的燃料数量以及喷油定时的燃料喷射阀控制部分(燃料喷射阀控制机构)27。与ECU 25相连的是一些传感器，例如安装在曲轴上用来输出每个预先确定的曲轴转角的曲轴转角信号的曲轴角度传感器28、分别安装在进气凸轮轴和排气凸轮轴上并用来输出一个预先确定的凸轮转角信号的一个进气凸轮角度传感器29及一个排气凸轮角度传感器30，还有负荷传感器31，它用来以负荷信号的形式输出一设定的室内装置102的运转工况(或者用来探测压缩机103的运转工况并以负荷信号形式把它输出)，传感器发出的信号可以被ECU 25接收。另外，ECU 25还连接到液压控制阀(21和22)及燃料喷射阀24，并且可以控制这些阀，如下所述。
另外，作为硬件，ECU 25还包含一个CPU(中央处理器)以及一个ROM(只读存储器)。ROM是一个只读存储装置，它存储各种用于控制内燃机1运转的各种程序。CPU根据接收到的信号及存储在ROM内的各种程序执行各种运算，控制液压控制阀(21和22)以及燃料喷射阀24。也就是说，通过这些硬件及软件的组合，进/排气阀开启/关闭定时控制部分26及燃料喷射阀控制部分27都内置在ECU 25内。
根据从负荷传感器31发出的信号，进/排气阀开启/关闭定时控制部分26设定以排气冲程到进气冲程进气阀14和排气阀15同时都关闭的时段，并且还设定进气阀14和排气阀15的开启/关闭定时。这时，排气阀15关闭的时间设定在活塞12进气上止点以前，而进气阀14开启的时间则设定在活塞12进气上止点以后，与排气阀的提前量具有相同的角度。以这种方式，进/排气阀(14和15)的开启/关闭定时的目标值是这样设定的，从排气冲程到进气冲程，存在一段时间，在这期间进气阀14和排气阀15同时都是关闭的。在从曲轴转角传感器28和凸轮角度传感器(29和30)反馈的信号的基础上，得到进/排气阀(14和15)的实际开启/关闭定时以对每个液压控制阀的指令进行调节并执行对于可变气阀定时机构(19和20)的反馈控制，使得进/排气阀(14和15)的开启/关闭定时与开启/关闭定时目标值相一致。
燃料喷射阀控制部分27按照进/排气阀开启/关闭定时控制部分26所设定的进/排气阀(14和15)开启/关闭定时目标值而设定燃料喷射定时的目标值，燃料按照这个定时从燃料喷射阀24喷射出。另外，燃料喷射阀控制部分27还设定要喷射的燃料数量目标值。从燃料喷射阀24喷射的燃料的数量是根据从曲轴角度传感器28的输出信号计算出来的发动机的转速以及从负荷传感器31的输出信号计算得出的内燃机1的负荷等而设定的。当达到了燃料喷射定时目标值的时候，一个燃料喷射指令发送到燃料喷射阀24以控制这个燃料喷射阀24使得燃料按照喷射定时的目标值以及喷射数量的目标值进行喷射。
图4示意性地显示了进气阀14和排气阀15的开启/关闭定时以及燃料喷射定时。在内燃机1上，排气阀在膨胀冲程完成前后的那个时刻开始开启(EVO)，此时排气冲程就开始了。然后内燃机控制装置10执行前面提到的控制作用，燃料从喷射阀24按照发动机转速和负荷所要求的喷射数量目标值在排气阀15即将关闭(EVC)以前喷射进燃烧室16。在燃料喷射以后，排气阀关闭(EVC)，并且在进气上止点以后，开始了进气阀14和排气阀15同时都关闭的时段T并且一直持续到进气阀14开启(IVO)。这样，在从排气阀关闭(EVO)到进气上止点的这个时段期间，喷射的燃料在燃烧室内被上升的活塞12所封闭，并且与残余气体一起被压缩。这个燃料，当它在这个压缩过程中达到高温和高压时，就被改性，并且变成点火作用的催化剂。在通过了进气上止点以后，进气阀14开启(IVO)，空气燃料混合物从进气口17进入，一直到进气阀14关闭(IVC)，并且与含有改性的燃料因而易于点火的高温残余气体混合，因此而改进了空气燃料混合物的点火性能。这样，就不需要再明显调整排气阀15在进气上止点以前的关闭时间以便促进点火，这就使得能够把进气阀14和排气阀15同时都关闭的时段T设定得较短。
如同前面所述，如果由内燃机控制装置10所控制的燃料喷射是在排气阀15即将关闭(EVC)以前开始的，那么在燃料喷射的这一时刻，残余气体仍然被封闭并且压缩过程尚没有开始，燃烧室内部还处于低压状态，这样也可以使得燃料的喷射压力较低，因此可以简化内燃机1的燃料***的结构。另外，还可以把燃料通过开启的排气阀而漏泄到外面的数量减到最小。
不总是要求燃料的喷射是在排气阀即将要关闭(EVC)以前立即开始的。它可以在任何时间进行，只要能够使喷射的燃料与封闭在燃烧室16内的残余气体一同被压缩就可以。另外，还可以控制燃料的喷射，使得它不早于气阀关闭(EVC)(即在提前侧)时而是晚于这时刻(即在滞后侧)。在这情况下，要求燃料的喷射控制在气阀关闭(EVC)以后立即进行。在燃料的喷射控制在气阀关闭(EVC)以后立即进行的情况下，在燃料喷射时进气阀14和排气阀15都已经处于关闭状态，所以就不必担心喷射的燃料漏泄到燃烧室16的外面。另外，因为燃料喷射是在气阀关闭(EVC)后立即进行的，燃烧室16内的压力刚开始上升，所以燃料喷射可以在相对较低的压力下进行。也就是说，可以忽略用于燃料喷射的加压装置，或者说如果安装了这样的装置，那么这个加压装置可以是仅仅使燃料能够在低压下喷射的那种类型。
在这个具体设备上，从排气冲程到进气冲程，进气阀14和排气阀15都关闭的时段的长度、以及从燃料喷射阀24喷射的燃料的数量是如下进行控制的。
要被改性的燃料的数量(此后称为“改性数量”)与从燃料喷射阀24喷射的数量成正比，或与从燃料喷射阀24喷射的燃料被压缩的时段的长度，即进/排气阀(14和15)都关闭的时段的长度成正比，例如在这情况下，燃料喷射是在排气阀15即将关闭以前开始的。如果“改性数量”增加，那么点火性能就得到改进，这样，点火过程的任何缺陷就被抑制，即压燃时的点火就加快了(提前)。
当内燃机1进入低负荷状态时，以空气燃料混合物形式所供应的燃料的数量就减少了，这样点火性能会恶化。在这情况下，延长进/排气阀(14和15)都关闭的时段以增加“改性数量”，可以改进点火性。增加从燃料喷射阀24喷射的燃料数量，也能够改进点火性能。但是在低负荷状态下，要供应的燃料数量的目标值是较小的，因此从燃料喷射阀24喷射的燃料数量不能够增加得那么多。这样，要把控制放在优先地位，以延长进/排气阀(14和15)都关闭的时段，实现“改性数量”的增加。
当内燃机1进入高转速状态时，从燃料喷射阀24喷射的燃料数量增加，因此而改进了点火性能，使得压燃时的点火定时得以提前。在发动机高转速的状态下，如果进/排气阀(14和15)相对于曲轴转角的开启/关闭定时是相同的，那么两个气阀同时都开启的时段，尤其是允许进气过程的时段就变短了。这样，从吸入足够数量的空气燃料混合物的观点来考虑，要使得进/排气阀(14，15)都关闭的时段得到延长是相当困难的。这样，“改性数量”的增加主要靠增加从燃料喷射阀24喷射的燃料数量。
图5说明了内燃机1控制的例子，它显示随着曲轴角度而变化的气阀升程。在图5中显示的控制举例中，发动机的转速是高的(高速状态)。当排气阀15开启(EVO)时，排气阀15的气阀升程开始增加，而活塞12到达其下止点(1)。从这点向前，当活塞12上升时燃烧所产生的废气从燃烧室16排出。然后，排气阀15的气阀升程通过它的最高值并开始下降，并且，在活塞12到达进气上止点(2)以前，排气阀15关闭(EVC)。在这过程中，排气阀15即将要关闭以前，燃料从燃料喷射阀24以能够达到所要求的“改性数量”的目标数量而喷射出。在活塞12到达进气上止点(2)以后，进气阀14开始开启(IVO)。在进气阀14和排气阀15都关闭的时段T期间，喷射的燃料随同燃烧室16内的残余气体一同被压缩并且经过改性过程而成为一种点火催化剂。在进气阀14开启以后，进气过程开始直到活塞12达到下止点(3)，然后开始压缩冲程，直到达到压缩上止点(4)。然后，在压缩上止点(4)附近燃烧冲程开始以前进行自点火。
在这个内燃机1上，在进/排气阀(14和15)都关闭期间T，喷射的燃料经过改性成为点火催化剂，因此改进了吸入的空气燃料混合物的点火性能，所以当内燃机1是在高转速状态时，可以明显缩短设定的时段T，如图5所示。这就可能减少被封闭的残余气体的数量并且可以减少由于残余气体压缩和膨胀而产生的热损失和泵气损失，也能够限制热效率的下降程度。另外，被封闭在燃烧室内的残余气体的数量可以减少，就可以减轻进入的新鲜空气燃料混合物数量减少的程度，并且还能够扩大发动机运转的允许负荷范围。当内燃机1是处于低负荷状态时，时段T是被控制得比高转速状态时要长。这样，也能够把该时段T设定得比传统内燃机的要更短。
图6A和6B显示汽缸压力和汽缸容积之间的关系，以说明一种能够减少泵气损失的机理。图6A显示的是传统内燃机上的关系，图6B显示的是内燃机1上的关系。如图6A所示，在排气冲程C1安排在压缩冲程A1和燃烧冲程B1以后的传统的内燃机上，进气阀和排气阀都关闭的时段T需要较长，因此使得由于大量高温残余气体的压缩和膨胀而产生了热损失和泵气损失L1。相反，在图6B所示内燃机1的情况下，如果排气冲程C2是安排在压缩冲程A2和燃烧冲程B2以后的，就可能把排气阀15关闭(EVC)的时间设定在比现有技术的晚并且把进/排气阀(14，15)都关闭的时段设定得较短。这样，排气阀15关闭(EVC)以后的压力的增加就较少，这样也就使泵气损失L2比泵气损失L1更少。
如上所述，按照这个具体设备，从提高热效率和减少NOx排放的观点考虑，即使是在采用难以点火的燃料情况下，也能够实现空气燃料混合物点火性能的改进，并且可以实现热效率的提高，能够扩大发动机运转的允许负荷范围。
另外，按照这个具体的设备，靠改进空气燃料混合物的点火性能，就可以不再需要采用一种加热装置，例如发动机启动时的加热器，这样就不需要这样的加热设备。
另外，靠改变进气阀和排气阀都关闭的时段长度，可以调整从燃料喷射阀喷射的改性燃料的比例和数量。这样，就可以恰当地调整点火性能。另外，因为可以用燃料喷射阀24进行瞬时控制，在高速运转工况下，就可以进行比液压操纵的可变气阀定时机构更高灵敏度的控制。
本发明不局限于上述比较理想的具体设备。它允许在不偏离本权利要求书的范围的条件下有各种改动。例如，可以进行以下改动：
(1)图7是一个示意图，它显示了通过对上述内燃机1的改动而得出的一个内燃机2。它的与图3所示的内燃机1上相同的部件也以相同的标号来表示。虽然内燃机2的结构与内燃机1的相同，但是内燃机2没有安装混合器23，而是装了一个喷口-喷射喷油器32。即它虽然象内燃机1那样，是一个预先混合的压燃式发动机，其中燃料与空气预先混合好而形成的空气燃料混合物被吸入燃烧室，但是这个内燃机2是设计得要混合的燃料是从喷口-喷射喷油器32喷射到进气口17的，在那里它分散开以便混合。用这种方法，使用一个喷口-喷射喷油器而不是混合器，就可以得到与内燃机1相同的效果。在内燃机2上，主要用汽油作为燃料。
(2)图8显示一种符合本发明的另一种具体的内燃机3。图3中所示的与内燃机1相同的部件也以相同的标号表示。虽然内燃机3与内燃机1的结构是相同的，但是内燃机3与内燃机1的不同之处在于它没有安装混合器23。也就是说，在内燃机3上未与燃料混合的空气被吸入燃烧室16，用于主燃烧的燃料也是从燃料喷射阀24喷出。“用于主燃烧的燃料”这个词是指用于在接着压缩冲程以后的燃烧冲程(膨胀冲程)中燃烧用的燃料，它并不是指进气阀和排气阀(14和15)都关闭的时段T内被压缩的燃料。在内燃机3上，主要用汽油作为燃料。
就象在内燃机1上那样，在这个内燃机3上，燃烧室中的点火性能由于燃料与残余气体一同被压缩而得到改进，然后在压缩上止点附近，主燃烧的燃料从相同的燃料喷射阀24喷射出以进行主燃烧。这样，就不需要另外安装一个装置来预先把燃料和空气混合以准备空气燃料混合物，这样就简化了装置的结构。
(3)虽然在上述的内燃机1的实施例上进气阀14和排气阀15都关闭的T时段的目标值是由ECU25的进/排气阀的开启/关闭定时控制部分26来调整设定的，这点不应该被狭窄地理解。即也可以采用一种内燃机，从燃料喷射阀24喷射的燃料数量或燃料喷射进燃烧室16的定时是可以改变的，并且进气阀14和排气阀15都关闭的时段T是事先固定好的。虽然这里有一个前提，即具有一个燃料***，能够对供应给燃料喷射阀24的燃料进行充分的压缩，“燃料喷射定时”这个词是指在排气阀15关闭以后，进气阀14和排气阀15都保持关闭的时段内一个任意的时刻。在此情况下，可以靠改变喷射的燃料的数量或喷射定时来调整“改性燃料”的数量，可以按照负荷设定的变化来控制燃料喷射阀24以控制点火性能。这样，就可以不必需要用于调整进/排气阀(14和15)开启/关闭定时的可变气阀定时机构(19和20)。
(4)内燃机1并不局限在用于热泵循环的一种。本发明如果用于各种用途的发动机，例如汽车发动机，那么将会产生其影响。另外，内燃机2和3也可以包括各种用途的发动机。例如热泵循环的发动机以及汽车发动机。
(5)在内燃机1上也可以使用汽油做燃料，并且在内燃机2和3上也可以使用气体燃料，如天然气。
(6)本发明也适用于那种不仅装有燃料喷射阀而且还装有火花塞，能够进行自点火和火花点火的内燃机。
(7)虽然在上述实施例的内燃机1上，排气阀15的关闭时间设定在活塞12进气上止点以前，进气阀14的开启时间设定在活塞12进气上止点之后相同的角度，以便限制泵气损失，以及进气阀14开启的时间设定在活塞12进气上止点以后的相同度数，但是并不总是要求排气阀15的提前角度数与进气阀14的滞后角度数相同。
(8)例如，也可以使得进气阀14开启的滞后角度数小于排气阀15关闭的提前角度数，或者，如图9所示，把滞后度数减少到零，使进气阀14在上止点附近开启。在此情况下，进气阀14是在活塞12到达上止点后开启，也就是说，被封闭后的残余气体被压缩到高温和高压状态以及内部的燃料已经被“改性”了。这样，如图10所示，当进气阀14开启时，含有高温“改性燃料”的高温残余气体被喷射进并且向后流动到要与进气侧的空气燃料混合物混合的进气侧，因此而加热了进气空气(在这过程中，残余气体由于从燃烧室16向后流动经被进气口17和进气阀14限定的小的通道进入进气口17，而使得流速提高了，并且它的动能转换成热能以促进进气空气的加热)。从那以后，活塞12通过上止点，进气冲程开始，残余气体和“改性的燃料”再一次随同进气侧的空气燃料混合物进入燃烧室。因为进入的气体被上述过程加热而达到了高温，点火性能得到进一步改进。另外，与进气阀14在上止点以后开启的那种结构相比，残余气体被活塞12最大程度地压缩，并且与进气侧的空气燃料混合物相混合，它的温度是高得如此之多。这样，燃料在它与进气侧的空气燃料混合物相混合时被“改性”的数量就增加了。这也有助于改进点火性能。
按照本发明的一个方面，从提高热效率和减少NOx排放来考虑，即使采用难以点火的燃料也可以实现点火性能的改进并且实现热效率的提高，使得能够扩大发动机运转的允许负荷范围。
按照本发明的另一个方面，也可以降低燃料喷射压力，这样就简化了装置的结构。
按照本发明的又一个方面，当燃料喷射时，进气阀和排气阀都已经处于关闭状态，这样，就不必担心喷射的燃料会漏泄到燃烧室的外面。
按照本发明的再一个方面，即使在使用难以点火的燃料，例如汽油、天然气等时，也很容易实现自点火，使得能够实现高热效率的预先混合压缩点火。这样，热效率的提高与NOx排放的减少就互相协调了。
按照本发明的另一个方面，不需要另外准备一个装置用来准备空气燃料混合物来预先与燃料混合，这样就简化了装置的结构。
按照本发明的另一个方面，可以不再需要用于调整进气阀和排气阀的开启/关闭定时的可变气阀定时机构。
按照本发明的另一个方面，进气阀开启是在这个状态，活塞已经到达进气上止点(即被封闭的残余气体已经达到了高温和高压状态，内部的燃料得到“改性”)，这样包含改性燃料的高温残余气体喷射进燃烧室并造成向后流动到进气侧与进气侧的空气或空气燃料混合物相混合以对进气空气进行加热。这样，进气空气达到高温以进一步改进点火性能。另外，被封闭以后的残余气体被活塞最大程度地压缩，并与进气侧的空气或空气燃料混合物混合，它达到高得多的温度和压力状态。这样，与进气侧的空气或空气燃料混合物相混合时被改性的燃料的数量就增加了，因此而实现了点火性能的进一步改进。
按照本发明的另一个方面，在内燃机上，从提高热效率和减少NOx排放考虑，即使采用难以点火的燃料，也可以改进其点火性能，实现热效率的提高以及发动机运转的允许负荷范围的扩大。
另外，靠改变进气阀和排气阀都关闭的时段长度的方法，可以调整从燃料喷射阀喷射的要改性的燃料的比例和数量。这样，就可以恰当地调节点火性能。
按照本发明的另一个方面，可以简化装有这种控制装置的内燃机的结构。
按照本发明的另一个方面，在装备这种控制装置的内燃机上，当燃料喷射时，进气阀和排气阀都已经处于关闭状态，这样，就不必担心所喷射的燃料会漏泄到燃烧室的外面。
按照本发明的另一个方面，在装备有这种控制装置的内燃机上，进气阀开启时是在这个状态，活塞已经到达进气上止点(即此时被封闭以后的残余气体已经达到高温和高压状态并且内部燃料已经被“改性”了)，这样含有改性燃料的高温残余气体被喷射并被迫流到进气侧与进气侧的空气或空气燃料混合物相混合以加热进气空气。这样，进气的空气就达到高温，并且点火性能得到进一步改进。另外，被封闭的残余气体被活塞压缩到最大程度，并在温度和压力高得多的情况下与进气侧的空气或空气燃料混合物相混合。这样，改性的燃料与进气侧的空气和空气燃料的混合物混合时的数量就得到进一步增加，这也有助于进一步改进点火性能。

Claims (8)

1.一种内燃机，其中可以设定一个从排气冲程到进气冲程进气阀和排气阀都关闭的时段；
其中，该发动机包括一个燃料喷射阀，能把燃料喷射入燃烧室，排气阀关闭的时间设定在进气上止点前的一个定时，并且从燃料喷射阀喷射的燃料在进气阀和排气阀都保持关闭的时段内随同燃烧室内的残余气体一同被压缩；以及
燃料从燃料喷射阀喷入燃烧室的定时是在排气阀即将关闭以前立即喷射。
2.按照权利要求1的一种内燃机，其特征在于该内燃机是一种预混合的压燃式发动机，其中燃料与空气预混合好的燃料空气混合物被吸入燃烧室。
3.按照权利要求1的一种内燃机，其特征在于未与燃料混合的空气被吸入燃烧室，并且供主燃用的燃料也从燃料喷射阀喷射。
4.按照权利要求1的一种内燃机，其特征在于从燃料喷射阀喷射的燃料数量和燃料喷射入燃烧室的定时之一可以被改变，而进气阀和排气阀都保持关闭的时段则是固定的。
5.按照权利要求1的一种内燃机，其特征在于进气阀开启的定时被设定在进气上止点附近。
6.一种内燃机控制装置，它包括：
一个可变的气阀定时机构，能够改变进气阀和排气阀的开启/关闭定时；
一个进气/排气阀开启/关闭定时控制装置，用于将排气阀关闭的时间，设定在活塞的进气上止点以前的定时，以及用于控制可变气阀定时机构，使得从排气冲程到进气冲程存在其间进气阀和排气阀都保持关闭的一个时段；
一个能够把燃料喷射入燃烧室的燃料喷射阀，使得在进气阀和排气阀都保持关闭的时段内被喷射的燃料随同燃烧室内的残余气体一同被压缩；以及
在排气阀即将关闭前的定时燃料喷射阀把燃料喷射入燃烧室内。
7.按照权利要求6的一种内燃机控制装置，其特征在于在排气阀刚一关闭以后的定时，燃料喷射阀就立即把燃料喷入燃烧室。
8.按照权利要求6的一种内燃机控制装置，其特征在于进/排气阀的开启/关闭定时控制装置控制该可变气阀定时机构，使得进气阀开启的定时被设定在进气上止点附近。
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