专利名称：具有内部废气再循环的发动机及内部废气再循环方法
技术领域：
本发明涉及一种具有双重压缩和双重膨胀并且构造成用于内部废气再循环的内 燃发动机，并且涉及再循环废气的方法。
背景技术：
为了增强现代内燃机(不管是火花点火式还是压燃式(柴油机))的容积效率，例 如涡轮增压器和增压压气机等增压进气设备被添加到发动机中。此外，多数现代内燃机使 用废气再循环(EGR)系统，其中发动机的废气中的一部分再循环回发动机气缸。EGR主要用 来减少氮氧化物(NOx)排放。通过使进气和再循环废气混合，流体混合物被稀释以非活性 气体(再循环的废气)，从而降低了火焰温度并且减少了柴油机内的过量氧。废气还增加了 混合物的比热容，降低了峰燃烧温度，由此限制了 NOx的形成。外部EGR系统将废气从废气岐管引导到进气岐管。系统内的控制阀(EGR阀)调 节废气流并且给废气流正时。一些发动机设计通过在排气冲程中不完全排出废气而在气缸 内捕获废气。这被称为内部EGR系统。
发明内容
在具有流体互连的气缸的内燃机上提供了一种内部EGR系统。具体地，提供了一 种内燃发动机，其具有四个气缸，每个气缸均具有位于其中的相应的活塞，活塞与曲轴相连 接以便在相应的气缸内运动。每个气缸均具有多个端口，和能够打开和能够关闭以控制流 体流通过所述端口流入和流出气缸的多个阀。燃烧在所述四个气缸的第一两个(称为动力 气缸)内发生，所述第一两个气缸的每一个均通过连接相应气缸的端口的通道操作地互连 在在所述四个气缸的第二两个(称为吸气气缸)之间的流体流连通中。通过所述通道的流 体流由所述阀控制。阀的打开和关闭被正时以完成内部废气再循环，即，使得在燃烧之后通 过所述通道从动力气缸被引导到吸气气缸的流体通过所述通道从吸气气缸被再引导回动 力气缸。内部废气再循环可通过在吸气气缸内的再压缩、排气阀再换气或进气阀再换气而 完成。还提供了一种用于上述发动机的内部废气再循环的方法。该方法包括引导流体从 两个动力气缸的第一气缸进入两个吸气气缸的第一气缸。燃烧发生在两个动力气缸内，而 空气的吸入和排出发生在两个吸气气缸内。两个动力气缸的每一气缸独立地以选择性方式 通过相应的通道和阀连接到两个吸气气缸。该方法还包括对第一吸气气缸的进气阀和排气 阀的打开和关闭进行正时，使得从第一动力气缸输送的至少一些流体在第一吸气气缸内 的排气冲程和随后的进气冲程之后保持在第一吸气气缸内，即完成内部废气再循环。该方 法还包括将第一吸气气缸内的流体引导到第二动力气缸，使得流体再一次在第二动力气缸 内进行燃烧。利用上述发动机，可不需要外部EGR回路。由此可实现成本节约，因为不需要外部 通道、EGR阀和EGR冷却器。相关联的外部EGR污染问题可由此得以避免。此外，利用两阶段膨胀和压缩将改善容积效率，从而可不需要涡轮增压器。通过促成较高的EGR百分比同 时维持高的空燃比，将改善排放。由下面结合附图对实施本发明的最佳实施方式的详细描述，本发明的上述特征和 优点以及其他特征和优点会非常清楚。本发明提供如下方案方案1、一种内燃发动机，其包括四个气缸，每个气缸均具有位于其中的相应活塞，所述活塞与曲轴相连接以便在 相应气缸内运动；
每个气缸均具有多个端口，和能够打开和能够关闭以控制流体通过所述端口流入 和流出气缸的多个阀；其中燃烧在所述四个气缸的第一两个气缸内发生，所述第一两个气 缸中每一个通过连接相应气缸的相应端口的相应通道操作地互连在在所述四个气缸的第 二两个气缸之间的流体流连通中；其中流经所述通道的流体由所述相应阀中的一些控制； 并且其中所述阀的打开和关闭被正时，使得通过所述通道从所述四个气缸的所述第一两个 气缸被引导到所述四个气缸的所述第二两个气缸的流体在燃烧之后通过所述通道从所述 四个气缸的所述第二两个气缸被再引导回所述四个气缸的所述第一两个气缸。方案2、如方案1所述的发动机，其特征在于，所述多个阀包括在所述四个气缸的 所述第二两个气缸中每一个上的相应进气阀和排气阀；其中所述排气阀在所述活塞在所述 四个气缸的分别的第二两个气缸中的相应排气冲程结束之前关闭，而所述进气阀在所述活 塞在所述四个气缸的分别的第二两个气缸中的相应进气冲程开始之后打开，使得所述至少 一些流体被保持在所述四个气缸的所述第二两个气缸中并且随后从所述四个气缸的所述 第二两个气缸中再循环到所述四个气缸的所述第一两个气缸中。方案3、如方案1所述的发动机，其特征在于，所述多个阀包括在所述四个气缸的 所述第二两个气缸中每一个上的相应进气阀和排气阀；其中所述排气阀在如下分别的周期 中至少一些期间中打开在所述周期期间，所述相应进气阀在所述活塞在所述四个气缸的 相应第二两个气缸中的相应进气冲程期间打开，使得在所述活塞在所述四个气缸的所述 相应第二两个气缸的相应排气冲程期间通过所述相应排气阀从所述四个气缸的所述第二 两个气缸中排出的所述至少一些流体在所述相应进气冲程期间再进入所述四个气缸的所 述相应第二两个气缸中，并且随后从所述四个气缸的所述第二两个气缸中再循环到所述四 个气缸的所述第一两个气缸中。方案4、如方案1所述的发动机，其特征在于，所述多个阀包括在所述四个气缸的 所述第二两个气缸中每一个上的相应进气阀和排气阀；其中所述进气阀在如下分别的周期 中的至少一些期间打开在所述周期期间，所述相应排气阀在所述活塞在所述四个气缸的 相应第二两个气缸中的相应排气冲程期间打开，使得所述至少一些流体在所述相应排气 冲程期间排入所述相应进气阀，并且在相应随后的进气冲程期间再进入所述四个气缸的相 应第二两个气缸中，并且随后分别从所述四个气缸的所述第二两个气缸中再循环到所述四 个气缸的所述第二两个气缸中。方案5、如方案1所述的发动机，其特征在于，所述四个气缸的所述第二两个气缸 的任一个相对于所述四个气缸的所述第一两个气缸的任一个的排量比小于或等于约51 并且大于或等于约1.1 1。
方案6、如方案1所述的发动机，其特征在于，所述多个阀的打开和关闭的正时以 及燃烧的正时使得流体的膨胀在所述曲轴的一半转动期间发生于所述四个气缸的所述第 一两个气缸中的一个中并且在所述曲轴的紧随后的一半转动期间在所述四个气缸的所述 第二两个气缸的一个中持续。方案7、如方案1所述的发动机，其特征在于，所述多个阀的打开和关闭的正时以 及燃烧的正时使得流体的压缩在所述曲轴的一半转动期间发生于所述四个气缸的所述第 二两个气缸中的一个中并且在所述曲轴的紧随后的一半转动期间在所述四个气缸的所述 第一两个气缸的一个中持续。方案8、一种内燃发动机，其包括曲轴；第一气缸、第二气缸、第三气缸和第四气缸；分别位于所述第一气缸、第二气缸、第三气缸和第四气缸内的第一活塞、第二活 塞、第三活塞和第四活塞，所述活塞以可操作方式与所述曲轴相连以便在相应气缸内运 动；其中所述第一气缸和第四气缸中每一个均具有四个端口，并且所述第二气缸和第 三气缸中每一个均具有两个端口；相应的阀，所述阀支撑在所述端口中每一个内并且能够选择性地打开和关闭以促 成在所述气缸的每一个中相应四冲程循环与所述曲轴的两圈转动相对应，所述阀包括相应的进气阀、排气阀、第一输送阀和第二输送阀，所述每一阀位于所述第一气缸 和第四气缸的所述四个端口的相应一个端口处，并且分别能够选择地打开和关闭以允许流 体输送入和输送出所述第一气缸和第四气缸；相应的第一阀和第二阀，所述每一阀位于所述第二气缸和第三气缸的所述两个端 口的相应一个端口处，并且分别能够选择地打开和关闭以允许流体输送入和输送出所述第二气缸和第三气缸；限定出第一通道、第二通道、第三通道和第四通道的结构；其中所述第一气缸通过 所述第一通道、所述第一气缸的所述第一输送阀和所述第二气缸的所述第一输送阀与所述 第二气缸选择地流体连通；其中所述第二气缸通过所述第二通道、所述第二气缸的所述第 二阀和所述第四气缸的所述第一输送阀与所述第四气缸选择地流体连通；其中所述第四气 缸通过所述第三通道、所述第四气缸的所述第二输送阀和所述第三气缸的所述第一输送阀 与所述第三气缸选择地流体连通；其中所述第三气缸通过所述第四通道、所述第三气缸的 所述第二阀和所述第一气缸的所述第二输送阀与所述第一气缸选择地流体连通；经由所述 通道和相应的阀的打开和关闭在所述气缸之间的流体连通由此允许膨胀和压缩中每个在 所述四个气缸的相应两个之内的两个相应冲程期间在两个阶段内发生；其中燃烧发生在至 少所述第二气缸和第三气缸内；并且其中所述第一气缸和第四气缸的所述进气阀和排气阀 的打开和关闭控制成使得输送到所述第一气缸和第四气缸的至少一些流体分别在所述第 三气缸和第二气缸内燃烧之后在相应活塞的各随后的冲程期间分别从所述第一气缸和第 四气缸再循环到所述第二气缸和第三气缸。方案9、如方案8所述的发动机，其特征在于，所述相应第一气缸和第四气缸的所 述排气阀在所述气缸中的相应活塞在所述第一气缸和第四气缸中的相应排气冲程结束之前关闭；并且其中所述第一气缸和第四气缸内的相应活塞的所述进气阀在所述第一气缸和 第四气缸的相应进气冲程的开始之后打开，使得所述至少一些流体保持在所述第一气缸 和第四气缸内并且随后分别从所述第一气缸和第四气缸再循环到所述第二气缸和第三气 缸。方案10、如方案8所述的发动机，其特征在于，相应第一气缸和第四气缸的所述排 气阀在如下分别的周期中的至少一些期间内打开在所述周期期间，所述第一气缸和第四 气缸的相应进气阀在所述活塞在所述第一气缸和第四气缸内的相应进气冲程期间打开，使 得所述至少一些流体在所述活塞在所述第一气缸和第四气缸内的相应排气冲程期间从所 述第一气缸和第四气缸通过相应排气阀排出并且在所述活塞在所述第一气缸和第四气缸 内的相应进气冲程期间再进入相应第一气缸和第四气缸以便随后分别从所述第一气缸和 第四气缸再循环到所述第二气缸和第三气缸。方案11、如方案8所述的发动机，其特征在于，相应第一气缸和第四气缸的所述 进气阀在如下分别的周期中的至少一些期间打开在所述周期期间，所述第一气缸和第四 气缸的相应排气阀在所述活塞在所述第一气缸和第四气缸内的相应排气冲程期间打开，使 得所述至少一些流体在相应排气冲程期间排入相应进气阀并且然后在所述活塞在所述第 一气缸和第四气缸内的相应随后的进气冲程期间再进入相应第一气缸和第四气缸以便随 后分别从所述第一气缸和第四气缸再循环到所述第二气缸和第三气缸。方案12、如方案8所述的发动机，其特征在于，所述第二气缸和第三气缸的任一个 相对于所述第一气缸和第四气缸的任一个的排量比不大于约5 1并且不小于约1.1 1。方案13、如方案8所述的发动机，其特征在于，各阀的打开和关闭的正时以及燃烧 的正时使得流体的膨胀在所述曲轴的一半转动期间发生于所述第二气缸和第三气缸中的 一个中，并且在所述曲轴的紧随后的一半转动期间在所述第一气缸和第四气缸中的一个中 持续。方案14、如方案8所述的发动机，其特征在于，各阀的打开和关闭的正时以及燃烧 的正时使得流体的压缩在所述曲轴的一半转动期间发生于所述第一气缸和第四气缸中的 一个中，并且在所述曲轴的紧随后的一半转动期间在所述第二气缸和第三气缸中的一个中持续。方案15、一种在内燃发动机中再循环废气的方法，其包括将流体从两个动力气缸的第一气缸引导到两个吸气气缸的第一气缸；其中燃烧发 生在所述两个动力气缸中而空气进气和排气发生在所述两个吸气气缸中；其中所述两个动 力气缸中每一个通过相应通道和阀分立地选择地操作地连接到所述两个吸气气缸；对所述两个吸气气缸的所述第一气缸的进气阀和排气阀的打开和关闭正时，使得 从所述两个动力气缸的所述第一气缸输送的至少一些流体在所述两个吸气气缸的所述第 一气缸内的排气冲程和随后的进气冲程之后保留在所述两个吸气气缸的所述第一气缸内； 以及将所述两个吸气气缸的所述第一气缸内的所述流体引导到所述两个动力气缸的 所述第二气缸内，使得所述流体在所述两个动力气缸的所述第二气缸内再次经历燃烧。方案16、如方案15所述的方法，其特征在于，流体从所述两个动力气缸的所述第 二气缸引导到所述两个吸气气缸的所述第二气缸；8
对所述两个吸气气缸的所述第二气缸的进气阀和排气阀的打开和关闭正时，使得 从所述两个动力气缸的所述第二气缸输送的至少一些流体在所述两个吸气气缸的所述第 二气缸内的排气冲程和随后的进气冲程之后保留在所述两个吸气气缸的所述第二气缸内； 以及将所述两个吸气气缸的所述第二气缸内的所述流体引导到所述两个动力气缸的 所述第一气缸内，使得所述流体在所述两个动力气缸的所述第一气缸内再次经历燃烧。方案17、如方案15所述的方法，其特征在于，所述正时包括在所述两个吸气气缸的所述第一气缸的排气冲程结束之前关闭所述两个吸气气 缸的所述第一气缸的排气阀；在所述两个吸气气缸的所述第一气缸的进气冲程开始后打开所述两个吸气气缸 的所述第一气缸的进气阀，使得从所述两个动力气缸的所述第一气缸输送的所述至少一些 流体保留在所述两个吸气气缸的所述第一气缸内并且随后再循环到所述两个动力气缸的 所述第二气缸内。方案18、如方案15所述的方法，其特征在于，所述正时包括在进气冲程期间打开所述两个吸气气缸的所述第一气缸的进气阀；以及在如下周期中的至少一些期间打开所述两个吸气气缸的所述第一气缸的排气阀 在所述周期期间，所述两个吸气气缸的所述第一气缸的所述进气阀在所述进气冲程期间打 开，使得在排气冲程期间通过所述两个吸气气缸的所述第一气缸的所述排气阀从所述两个 吸气气缸的所述第一气缸排出的所述至少一些流体在所述进气冲程期间再进入所述两个 吸气气缸的所述第一气缸内并且随后再循环到所述两个动力气缸的所述第二气缸内。方案19、如方案15所述的方法，其特征在于，所述正时包括在排气冲程期间打开所述两个吸气气缸的所述第一气缸的排气阀；在如下时间中的至少一些期间打开所述两个吸气气缸的所述第一气缸的进气阀 在所述时间期间，所述两个吸气气缸的所述第一气缸的所述排气阀在所述两个吸气气缸的 所述第一气缸的所述排气冲程期间打开，使得所述至少一些流体在相应排气冲程期间排入 所述两个吸气气缸的所述第一气缸的所述进气阀并且在随后的进气冲程期间再进入所述 两个吸气气缸的所述第一气缸内，以便随后从所述两个吸气气缸的所述第一气缸再循环到 所述两个动力气缸的所述第二气缸内。
图1是使用四个气缸的发动机的一个实施方式的示意性立体图，其中每个气缸具 有四冲程循环，气缸彼此相连，并且具有被正时以提供双重压缩、双重膨胀和内部废气再循 环的阀；图2A是图1的发动机的示意性俯视图，示出了阀和流体流动通道与气缸的关系；图2B是示出图1的发动机的每个气缸的对应于气缸内的活塞的12个连续冲程的 状态的图表；图3是图1的发动机的气缸、活塞、阀和流体流动通道的示意性立体图，示出了在 图2B的图表中的第一冲程过程中在每个气缸内的活塞运动的方向、气缸之间的流体输送 和每个阀的状态；
图4是图1的发动机的气缸、活塞、阀和流体流动通道的示意性立体图，示出了在 图2B的图表中的第二冲程过程中在每个气缸内的活塞运动的方向、气缸之间的流体输送 和每个阀的状态；图5是图1的发动机的气缸、活塞、阀和流体流动通道的示意性立体图，示出了在 图2B的图表中的第三冲程过程中在每个气缸内的活塞运动的方向、气缸之间的流体输送 和每个阀的状态；图6是图1的发动机的气缸、活塞、阀和流体流动通道的示意性立体图，示出了在 图2B的图表中的第四冲程过程中在每个气缸内的活塞运动的方向、气缸之间的流体输送 和每个阀的状态；图7是图1的发动机的气缸、活塞、阀和流体流动通道的示意性立体图，示出了在 图2B的图表中的第五冲程过程中在每个气缸内的活塞运动的方向、气缸之间的流体输送 和每个阀的状态；图8是图1的发动机的气缸、活塞、阀和流体流动通道的示意性立体图，示出了在 图2B的图表中的第六冲程过程中在每个气缸内的活塞运动的方向、气缸之间的流体输送 和每个阀的状态；图9是图1的发动机的气缸、活塞、阀和流体流动通道的示意性立体图，示出了在 图2B的图表中的第七冲程过程中在每个气缸内的活塞运动的方向、气缸之间的流体输送 和每个阀的状态；图10是图1的发动机的气缸、活塞、阀和流体流动通道的示意性立体图，示出了在 图2B的图表中的第八冲程过程中在每个气缸内的活塞运动的方向、气缸之间的流体输送 和每个阀的状态；图11是图1的发动机的气缸、活塞、阀和流体流动通道的示意性立体图，示出了在 图2B的图表中的第九冲程过程中在每个气缸内的活塞运动的方向、气缸之间的流体输送 和每个阀的状态；图12是图1的发动机的气缸、活塞、阀和流体流动通道的示意性立体图，示出了在 图2B的图表中的第十冲程过程中在每个气缸内的活塞运动的方向、气缸之间的流体输送 和每个阀的状态；图13是图1的发动机的气缸、活塞、阀和流体流动通道的示意性立体图，示出了在 图2B的图表中的第十一冲程过程中在每个气缸内的活塞运动的方向、气缸之间的流体输 送和每个阀的状态；图14是图1的发动机的气缸、活塞、阀和流体流动通道的示意性立体图，示出了在 图2B的图表中的第十二冲程过程中在每个气缸内的活塞运动的方向、气缸之间的流体输 送和每个阀的状态；图15是为了通过再压缩完成内部废气再循环在图8和9的第六和第七冲程过程 中用于图1的发动机的其中一个气缸的排气阀和进气阀的阀升程相对于曲轴角度的图表；图16是为了通过经由排气阀的废气再换气完成内部废气再循环在图8和9的第 六和第七冲程过程中用于图1的发动机的其中一个气缸的排气阀和进气阀的阀升程相对 于曲轴角度的图表；图17是为了通过经由进气阀的废气再换气完成内部废气再循环在图8和9的第六和第七冲程过程中用于图1的发动机的其中一个气缸的排气阀和进气阀的阀升程相对 于曲轴角度的图表；以及图18是示出用于图1的发动机的内部废气再循环的方法的流程图。
具体实施例方式参考附图，在几个附图中类似的附图标记表示类似的部件，图1示出了发动机10， 发动机10具有发动机本体12、气缸盖14、和曲轴16，曲轴16支撑成在发动机本体12内转 动。发动机10具有四个气缸18A、18B、18C、18D，它们通过钻孔或者以其他方式设置在发动 机本体12内。每个气缸18A、18B、18C、18D具有以可操作方式连接到曲轴16的相应活塞 22A、22B、22C、22D，使得曲轴 16 的转动导致活塞 22A、22B、22C、22D在气紅 18A、18B、18C、18D 上下移动。本领域的普通技术人员将容易理解活塞22A、22B、22C、22D可以以可操作方式连 接曲轴16的许多已知方式，例如通过连杆。气缸18A、18B、18C、18D分别通过机加工或者成型在发动机本体12和/或气缸盖 14内的第一、第二、第三和第四通道PI、P2、P3、P4彼此互相连接，利用多个阀控制在气缸 18A、18B、18C、18D之间通过通道PI、P2、P3、P4的流动，这在下面将进一步描述。额外的通 道Pli和Ple分别用作气缸18A的进气和排气通道。类似地，通道P2i和Pk分别用作气 缸18D的进气和排气通道。参考图2A，图中示出了流体流经气缸的方向的示意图。气缸18A，这里称为吸气气 缸，具有包含四个阀vii、Vie、V^i和V2b的四个端口。阀Vli是进气阀，并且能够选择性 地打开以允许空气从以可操作方式与进气岐管连接的进气通道Pli吸入气缸18A。阀Vle 是排气阀，并且能够选择性地打开以允许废气从气缸18A到达废气通道Ple，废气通道Vle 以可操作方式与安装发动机10的车辆的废气系统相连接。阀Vh是第一输送阀，它被这样 称呼是因为它能够选择性地打开以允许流体从气缸18A通过第一通道Pl输送到气缸18B。 阀V2b是第二输送阀，它被这样称呼是因为它能够选择性地打开以允许流体从气缸18C通 过第四通道P4输送到气缸ISA0动力气缸18B具有两个端口，其包含两个相应的阀V3a、V4a，它们分别被称为气缸 18B的第一阀和第二阀。阀V3a能够选择性地打开以允许流体通过通道Pl从气缸18A流向 气缸18B。阀Ma能够选择性地打开以允许流体从气缸18B通过通道P2流向气缸18D。动力气缸18C具有两个端口，其包含两个相应的阀V4b、V3b，它们分别被称为气缸 18C的第一阀和第二阀。阀V4b能够选择性地打开以允许流体通过通道P3从气缸18D流向 气缸18C。阀V!3b能够选择性地打开以允许流体从气缸18C通过通道P4流向气缸18A。气缸18D具有包含四个阀V5a、V5b、V6i和V6e的四个端口。阀V6i是进气阀，并 且能够选择性地打开以允许空气从以可操作方式与进气岐管连接的进气通道P2i吸入气 缸18D。阀V6e是排气阀，并且能够选择性地打开以允许废气从气缸18D到达废气通道P2e， 废气通道V2e以可操作方式与安装发动机10的车辆的废气系统相连接。阀是第一输 送阀，它被这样称呼是因为它能够选择性地打开以允许流体从气缸18D通过第三输送通道 P3输送到气缸18C。阀Vfe是第二输送阀，它被这样称呼是因为它能够选择性地打开以允 许流体从气缸18B通过第二输送通道P2输送到气缸18D。阀的打开和关闭的正时以及阀提升和燃料引入由发动机控制器(未示出)以电子方式、液压方式、一个或多个凸轮轴或者通过它们的组合并且结合曲轴16的速度和转动位 置来控制，用以实现两阶段压缩、燃烧、两阶段膨胀和内部废气再循环，如下所述。本领域普 通技术人员将容易理解发动机阀的控制。参考图2B，给定参考图2A描述的多个阀的阀状态(打开或关闭)，针对曲轴16的 六圈曲柄转动，其中每一曲轴转动发生两个冲程，图中示出了在每个气缸18A、18B、18C、18D 内发生的工作循环的阶段。发动机10在四冲程/两圈/720度曲柄角度循环工作。这里描 述了 12个顺序发生的冲程，但是冲程1、5、9相同，冲程2、6和10相同，冲程3、7和11相同， 以及冲程4、8和12相同。描述了十二个冲程是因为对于给定的空气混合物样本，需要三个 完整的循环而完全通过发动机10。如图2B所示，INT是指气缸的进气状态，在此状态下吸 入新鲜空气，Cl是指压缩的第一阶段，C2是指压缩的第二阶段，El是指膨胀的第一阶段，在 此阶段燃烧发生，此阶段还被称为燃烧阶段，E2称为膨胀的第二阶段，而EX称为排气状态。 在图2B和下面的描述中很显然，燃烧发生在气缸18B和18C中；因此，气缸18B和18C可称 为动力气缸。空气吸入和排出仅发生在气缸18A和18D ；因此，气缸18A和18D可称为吸气 气缸。在一些冲程中，气缸18A用作进气气缸而气缸18D用作排气气缸。在其他冲程中，气 缸18A用作排气气缸而气缸18D用作进气气缸。可燃燃料被提供到作为动力气缸的气缸的 燃烧室，提供到邻接动力气缸的进气阀的位置，提供到用作第二阶段膨胀气缸的吸气气缸， 提供到邻接膨胀气缸的进气阀的位置，提供到用作第一阶段压缩气缸的吸气气缸，或者提 供到邻接第一阶段压缩气缸的进气阀的位置。气缸18A、18B、18C、18D相对于彼此连接成并且尺寸构造成使得压缩和膨胀在两 个阶段中在两个不同的气缸内发生。在一些实施方式中，尽管没有这样限制，但是气缸18A 和18D相对于气缸18C和18D的容积使得气缸18A和18D相对于气缸18C和18D的排量比 不大于5 1并且不小于1.1 1。由此，压缩可在两个阶段中发生，分别起始于进气之后 在气缸18A或18D中的第一阶段，并且在随后的冲程中在较小的气缸18B和18C中继续进 行第二阶段。类似地，膨胀可在两个阶段中发生，分别起始于气缸18B或者18C，并且在较大 的气缸18D和18A中继续进行第二阶段。现在参考图3，发动机10中的一部分由气缸18A-18D表示，其中具有活塞 22A-22D。活塞在相应的气缸18A-18D内的运动方向(向上或者向下)由紧邻相应活塞的 箭头表示。还示出了表示流体进出气缸和在气缸之间流动的箭头。开放的端口表示相应阀 的打开状态，从而允许流体流过该端口，而“X”表示相应阀的关闭状态，从而阻止流体流过 该端口。在冲程1期间，阀Vli、Ma和VfeO开而所有其他阀关闭(但是根据所实施的废 气再循环方法，阀Vle可在该冲程的一部分期间打开，如下进一步所述)。由此，气缸18A 通过通道Pli吸入新鲜空气，而气缸18B通过经由气缸18D的通道P2经历第二阶段膨胀， 而气缸18C经历第二阶段压缩。尽管空气混合物在图3至14中存在于所有四个气缸18A、 18B、18C和18D中，但是在图3_14中仅仅以圆形阴影(图3中在通道Pli和气缸18A中示 出)示出了空气混合物的选择部分，其中密度大致表示膨胀或压缩是否在发生，因为在空 气混合物从入口通过通道Pli、通过气缸18A、18B、和18D并且在气缸18D处排出而至少一 部分从气缸18D通过气缸18C和18D再循环时伴随着膨胀和压缩。在随后的冲程2期间，相对于图4示出，阀Vh、V3a和V6e打开而所有其他阀关闭 (但是根据所实施的废气再循环方法，阀V6i可在该冲程的一部分期间打开，如下进一步所12述)。由此，气缸18A将充气通过通道Pl压缩进气缸18B，而气缸18D通过通道Pk排气。 气缸18C经历动力冲程和膨胀的第一阶段。在气缸18D内的一部分废气通过下面所述的废 气再循环方法中的任一种在冲程2和冲程3之间进行再循环。在随后的冲程3期间，相对于图5示出，阀V6i、V!3b和打开而所有其他阀关闭 (但是根据所实施的废气再循环方法，阀V6e可在该冲程的一部分期间打开，如下进一步所 述)。由此，气缸18D通过通道P2i吸入新鲜空气，而气缸18C通过通道P4经历经由气缸 18A的第二阶段膨胀。气缸18B经历第二阶段压缩。在随后的冲程4期间，相对于图6，阀Vle、％b和V4b打开而所有其他阀关闭(但 是根据所实施的废气再循环方法，阀Vli可该在该冲程的一部分期间打开，如下进一步所 述)。由此，气缸18D通过通道P3将充气压缩进气缸18C，而气缸18A进行排气并且气缸 18B经历动力冲程和第一阶段膨胀。在随后的冲程5期间，相对于图7示出，阀Vli、Ma* Vfe打开而所有其他阀关闭 (但是根据所实施的废气再循环方法，阀Vle可在该冲程的一部分期间打开，如下进一步所 述)。由此，气缸18A通过通道Pli吸入新鲜空气，而气缸18B通过通道P2经历经由气缸 18D的第二阶段膨胀。气缸18C经历第二阶段压缩。在随后的冲程6期间，相对于图8示出，阀Vh、V3a和V6e打开而所有其他阀关闭 (但是根据所实施的废气再循环方法，阀V6i可在该冲程的一部分期间打开，如下进一步所 述)。由此，气缸18A通过通道Pl将充气压缩进气缸18B，而气缸18D进行排气。气缸18C 经历动力冲程和第一阶段膨胀。在随后的冲程7期间，相对于图9示出，阀V2b、V!3b和V6i打开而所有其他阀关闭 (但是根据所实施的废气再循环方法，阀V6e可在该冲程的一部分期间打开，如下进一步所 述)。由此，气缸18D通过通道P2i吸入新鲜空气，而气缸18C通过通道P4经历经由气缸 18A的第二阶段膨胀。气缸18B经历第二阶段压缩。吸入气缸18D的新鲜空气以小的“ + ” 标记示出，用以区分以圆点标记示出的再循环废气。在随后的冲程8期间，相对于图10示出，阀Vie、V4b和打开而所有其他阀关 闭(但是根据所实施的废气再循环方法，阀Vii可在该冲程的一部分期间打开，如下进一步 所述)。由此，气缸18D通过通道P3将充气压缩进气缸18C，而气缸18A通过通道Ple进行 排气。气缸18B经历动力冲程和第一阶段膨胀。在随后的冲程9期间，相对于图11示出，阀Vli、V4a和Vfe打开而所有其他阀关 闭(但是根据所实施的废气再循环方法，阀Vle可在该冲程的一部分期间打开，如下进一步 所述)。由此，气缸18A通过通道Pli吸入新鲜空气，而气缸18B通过通道P2经历经由气缸 18D的第二阶段膨胀。气缸18C经历第二阶段压缩。在随后的冲程10期间，相对于图12示出，阀Vh、V3a和V6e打开而所有其他阀关 闭(但是根据所实施的废气再循环方法，阀V6i可在该冲程的一部分期间打开，如下进一步 所述)。由此，气缸18A通过通道Pl将充气压缩进气缸18B，而气缸18D通过通道Pk进行 排气。气缸18C经历动力冲程和第一阶段膨胀。在随后的冲程11期间，相对于图13示出，阀V2b、V!3b和V6i打开而所有其他阀关 闭(但是根据所实施的废气再循环方法，阀V6e可在该冲程的一部分期间打开，如下进一步 所述)。由此，气缸18D通过通道P2i吸入新鲜空气，而气缸18C通过通道P4经历经由气缸18A的第二阶段膨胀。气缸18B经历第二阶段压缩。在随后的冲程12期间，相对于图14示出，阀V4b、％b和Vle打开而所有其他阀关 闭(但是根据所实施的废气再循环方法，阀Vli可在该冲程的一部分期间打开，如下进一步 所述)。由此，气缸18D通过通道P3将充气压缩进气管18C，而气缸18A通过通道Ple进行 排气。气缸18B经历动力冲程和第一阶段膨胀。在冲程12之后，其中气缸和阀发挥如同关 于冲程1所述的功能的冲程发生，并且在重复的循环中发生顺序的冲程2-12。现在参考图15-17，在发动机10中可实施内部废气再循环的三种方法，包括再压 缩(图15)、排气阀再换气(图16)和进气阀再换气(图17)。这些方法的不同之处在于进 气阀和排气阀的受控的正时。当排气气缸在随后冲程中用作吸气(新鲜空气吸入)气缸时， 所有的方法完成一些废气从排气气缸至连接到排气气缸的动力气缸的内部再循环。每一方 法都在下面关于图8和9的冲程6和7进行描述，然而这些方法同样适用于如下成对冲程 其中排气发生于气缸18A、18D中的其中一个，而进气在随后的冲程中发生于同一气缸内。参考图15，排气阀V6e在冲程6和7过程中的升程由标以“排气”的曲线表示，而 进气阀V6i在冲程6和7过程中的升程由标以“进气”的曲线表示。阀V6e在冲程6的至 少一部分期间打开，但是在气缸18D内的活塞在360度曲柄角度处抵达其行程的顶点之前 关闭。阀V6i在冲程7过程中仅在阀V6e彻底关闭之后、在气缸18D内的活塞开始下降之 后而受控打开。由此，一些废气(即在冲程4过程中已经在气缸18B内燃烧的流体)保持 在气缸18D中，并且不通过阀V6e、V6i的任一个排出。剩余的废气与在冲程7过程中通过 阀V6i进入的进气混合，并且在冲程8和9中通过气缸18D和18C再压缩，随后在冲程10 中在气缸18C内燃烧。参考图16，图中示出了通过排气阀再换气方法的废气再循环。阀V6e在冲程7过 程中在进气阀V6i的升程过程中再次打开。由此，排到通道Me的一些废气在吸气冲程7过 程中被吸回气缸18D并且与通过进气阀V6i进入的新鲜空气混合。在随后的冲程8-12过 程中通过气缸18D、18C和18A处理的流体混合物由此包括通过排气阀V6e再换气的废气。参考图17，图中示出了通过进气阀再换气方法的废气再循环。阀V6i在冲程6过 程中在排气阀V6e的一部分升程过程中打开。由此，在冲程6过程中，一些废气排入通道 P2i，然后在随后的冲程7过程中通过阀V6i与新鲜空气一起被吸回到气缸中，此时进气阀 V6i提升而排气阀V6e关闭。在随后的冲程8-12过程中通过气缸18D、18C和18A处理的流 体混合物由此包括通过进气阀V6i再换气的废气。因此，图18中示出了一种用于图1的发动机的内部废气再循环的方法100，该方 法包括方块102，其提供构造成用于两阶段压缩和两阶段膨胀的两个动力气缸18B、18C和 两个吸气气缸18A、18D，如图1-14中关于发动机10所述。方法100包括方块104，其将流 体从第一动力气缸18B引导到第一吸气气缸18D，如图7中关于冲程5所述。接下来，方法 100包括方块106，其对第一动力气缸18D的进气阀V6i和排气阀V6e正时以完成内部废气 再循环。方块106可通过方块108的再压缩完成，如关于图15所述。可替代地，方块106 可通过方块110的废气阀再换气完成，如关于图16所述。可替代地，方块106可通过方块 112的进气阀再换气完成，如关于图17所述。在方块114，包括再循环废气和吸入的新鲜空气的混合物的流体被从第一吸气气 缸18D引导到第二动力气缸18C，如关于图10的冲程8所述。在方块116中，流体被从第二动力气缸18C引导到第二吸气气缸18A，如关于图13的冲程11所述。最后，该方法包括方 块118，其对第二吸气气缸18A的排气阀Vle和进气阀Vli正时以完成内部废气再循环，这 可以是方块108、110和112中的任一方法。 虽然已经详细描述了实施本发明的最佳实施方式，但是熟悉本发明相关领域的技 术人员将设想出在所附权利要求范围内实施本发明的多种可选设计和实施方式。
权利要求
1.一种内燃发动机，其包括四个气缸，每个气缸均具有位于其中的相应活塞，所述活塞与曲轴相连接以便在相应 气缸内运动；每个气缸均具有多个端口，和能够打开和能够关闭以控制流体通过所述端口流入和流 出所述气缸的多个阀；其中燃烧在所述四个气缸的第一两个气缸内发生，所述第一两个气 缸每一个通过连接相应气缸的相应端口的相应通道操作地互连在在所述四个气缸的第二 两个气缸之间的流体流连通中；其中流经所述通道的流体由所述相应阀中的一些控制；并 且其中所述阀的打开和关闭被正时，使得通过所述通道从所述四个气缸的所述第一两个气 缸被引导到所述四个气缸的所述第二两个气缸的流体在燃烧之后通过所述通道从所述四 个气缸的所述第二两个气缸被再引导回所述四个气缸的所述第一两个气缸。
2.如权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述多个阀包括在所述四个气缸的所述 第二两个气缸中每一个上的相应进气阀和排气阀；其中所述排气阀在所述活塞在所述四个 气缸的分别的第二两个气缸中的相应排气冲程结束之前关闭，而所述进气阀在所述活塞在 所述四个气缸的分别的第二两个气缸中的相应进气冲程开始之后打开，使得所述至少一些 流体被保持在所述四个气缸的所述第二两个气缸中并且随后从所述四个气缸的所述第二 两个气缸中再循环到所述四个气缸的所述第一两个气缸中。
3.如权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述多个阀包括在所述四个气缸的所述 第二两个气缸中每一个上的相应进气阀和排气阀；其中所述排气阀在如下分别的周期中至 少一些期间中打开在所述周期期间，所述相应进气阀在所述活塞在所述四个气缸的相应 第二两个气缸中的相应进气冲程期间打开，使得在所述活塞在所述四个气缸的所述相应 第二两个气缸的相应排气冲程期间通过所述相应排气阀从所述四个气缸的所述第二两个 气缸中排出的所述至少一些流体在所述相应进气冲程期间再进入所述四个气缸的所述相 应第二两个气缸中，并且随后从所述四个气缸的所述第二两个气缸中再循环到所述四个气 缸的所述第一两个气缸中。
4.如权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述多个阀包括在所述四个气缸的所述 第二两个气缸中每一个上的相应进气阀和排气阀；其中所述进气阀在如下分别的周期中的 至少一些期间打开在所述周期期间，所述相应排气阀在所述活塞在所述四个气缸的相应 第二两个气缸中的相应排气冲程期间打开，使得所述至少一些流体在所述相应排气冲程 期间排入所述相应进气阀，并且在相应随后的进气冲程期间再进入所述四个气缸的相应第 二两个气缸中，并且随后分别从所述四个气缸的所述第二两个气缸中再循环到所述四个气 缸的所述第二两个气缸中。
5.如权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述四个气缸的所述第二两个气缸的任 一个相对于所述四个气缸的所述第一两个气缸的任一个的排量比小于或等于约5 1并且 大于或等于约1.1 1。
6.如权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述多个阀的打开和关闭的正时以及燃 烧的正时使得流体的膨胀在所述曲轴的一半转动期间发生于所述四个气缸的所述第一两 个气缸中的一个中并且在所述曲轴的紧随后的一半转动期间在所述四个气缸的所述第二 两个气缸的一个中持续。
7.如权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述多个阀的打开和关闭的正时以及燃烧的正时使得流体的压缩在所述曲轴的一半转动期间发生于所述四个气缸的所述第二两 个气缸中的一个中并且在所述曲轴的紧随后的一半转动期间在所述四个气缸的所述第一 两个气缸的一个中持续。
8.一种内燃发动机，其包括曲轴；第一气缸、第二气缸、第三气缸和第四气缸；分别位于所述第一气缸、第二气缸、第三气缸和第四气缸内的第一活塞、第二活塞、第 三活塞和第四活塞，所述活塞以可操作方式与所述曲轴相连以便在相应气缸内运动；其中所述第一气缸和第四气缸中每一个均具有四个端口，并且所述第二气缸和第三气 缸中每一个均具有两个端口；相应的阀，所述阀支撑在所述端口中每一个内并且能够选择性地打开和关闭以促成在 所述气缸的每一个中相应四冲程循环与所述曲轴的两圈转动相对应，所述阀包括相应的进气阀、排气阀、第一输送阀和第二输送阀，所述每一阀位于所述第一气缸和第 四气缸的所述四个端口的相应一个端口处，并且分别能够选择地打开和关闭以允许流体输 送入和输送出所述第一气缸和第四气缸；相应的第一阀和第二阀，所述每一阀位于所述第二气缸和第三气缸的所述两个端口的 相应一个端口处，并且分别能够选择地打开和关闭以允许流体输送入和输送出所述第二气 缸和第三气缸；限定出第一通道、第二通道、第三通道和第四通道的结构；其中所述第一气缸通过所述 第一通道、所述第一气缸的所述第一输送阀和所述第二气缸的所述第一输送阀与所述第二 气缸选择地流体连通；其中所述第二气缸通过所述第二通道、所述第二气缸的所述第二阀 和所述第四气缸的所述第一输送阀与所述第四气缸选择地流体连通；其中所述第四气缸通 过所述第三通道、所述第四气缸的所述第二输送阀和所述第三气缸的所述第一输送阀与所 述第三气缸选择地流体连通；其中所述第三气缸通过所述第四通道、所述第三气缸的所述 第二阀和所述第一气缸的所述第二输送阀与所述第一气缸选择地流体连通；经由所述通道 和相应的阀的打开和关闭在所述气缸之间的流体连通由此允许膨胀和压缩中每个在所述 四个气缸的相应两个之内的两个相应冲程期间在两个阶段内发生；其中燃烧发生在至少所 述第二气缸和第三气缸内；并且其中所述第一气缸和第四气缸的所述进气阀和排气阀的打 开和关闭控制成使得输送到所述第一气缸和第四气缸的至少一些流体分别在所述第三气 缸和第二气缸内燃烧之后在相应活塞的各随后的冲程期间分别从所述第一气缸和第四气 缸再循环到所述第二气缸和第三气缸。
9.如权利要求8所述的发动机，其特征在于，所述相应第一气缸和第四气缸的所述排 气阀在所述气缸中的相应活塞在所述第一气缸和第四气缸中的相应排气冲程结束之前关 闭；并且其中所述第一气缸和第四气缸内的相应活塞的所述进气阀在所述第一气缸和第四 气缸的相应进气冲程的开始之后打开，使得所述至少一些流体保持在所述第一气缸和第 四气缸内并且随后分别从所述第一气缸和第四气缸再循环到所述第二气缸和第三气缸。
10.一种在内燃发动机中再循环废气的方法，其包括将流体从两个动力气缸的第一气缸引导到两个吸气气缸的第一气缸；其中燃烧发生在 所述两个动力气缸中而空气进气和排气发生在所述两个吸气气缸中；其中所述两个动力气缸中每一个通过相应通道和阀分立地选择地操作地连接到所述两个吸气气缸；对所述两个吸气气缸的所述第一气缸的进气阀和排气阀的打开和关闭正时，使得从所 述两个动力气缸的所述第一气缸输送的至少一些流体在所述两个吸气气缸的所述第一气 缸内的排气冲程和随后的进气冲程之后保留在所述两个吸气气缸的所述第一气缸内；以及 将所述两个吸气气缸的所述第一气缸内的所述流体引导到所述两个动力气缸的所述 第二气缸内，使得所述流体在所述两个动力气缸的所述第二气缸内再次经历燃烧。
全文摘要
一种内燃发动机具有四个气缸，每个气缸均具有位于其中的相应活塞，活塞与曲轴相连接以便在相应气缸内运动。每个气缸具有多个端口，和能够打开和能够关闭以控制流体流通过所述端口进出气缸的多个阀。燃烧在四个气缸的第一两个(动力气缸)内发生，第一两个气缸的每一个均通过连接相应气缸端口的通道与四个气缸的第二两个(吸气气缸)互连。阀的打开和关闭被正时以完成内部废气再循环，即，使得燃烧之后通过通道从动力气缸引导到吸气气缸的流体通过通道从吸气气缸被再引导回动力气缸。还提供了一种用于上述发动机的内部废气再循环方法。
文档编号F02M25/07GK102042132SQ201010520918
公开日2011年5月4日 申请日期2010年10月22日 优先权日2009年10月23日
发明者R·P·杜雷特, V·戈帕拉克里什南 申请人:通用汽车环球科技运作公司