CN102191996B - 分置循环内燃发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种分置循环内燃发动机。该发动机包括气缸体以及多个安装在气缸体中的协作的动力活塞和气缸。动力活塞被配置成由燃烧力提供能量。该发动机还包括：压缩机活塞及气缸，被配置成压缩一定体积的空气并将压缩空气传送至动力活塞；以及膨胀机活塞及气缸，被配置成接收来自动力活塞的排气。该发动机还包括：第一曲轴，其可操作地连接到动力活塞并且可旋转地由动力活塞所驱动；第二曲轴，其可操作地连接到压缩机活塞，并且被配置成可旋转地驱动压缩机活塞；以及第三曲轴，其可操作地连接到膨胀机活塞，并且被配置成可旋转地由膨胀机活塞所驱动。第一、第二和第三曲轴可操作地相互连接以进行协调的旋转。
Description
技术领域
本发明涉及一种分置循环（split-cycle）内燃发动机及其用途。
背景技术
在常规的奥托循环内燃发动机中，在每次循环中各气缸完成四个冲程：进气冲程、压缩冲程、动力冲程和排气冲程。结果，为实现每个动力冲程，要求发动机的曲轴旋转两周。
相比之下，分置循环发动机是在至少两个成对的气缸间分配这四个冲程：一个气缸用于进气/压缩冲程，另一个气缸用于动力/排气冲程。在一些分置循环发动机配置中，将压缩空气从压缩气缸经传送通道或跨接通道传送至动力气缸。接着，喷射燃料并在动力气缸中点火，以产生动力冲程。
另外，在一些分置循环发动机中，还设置有膨胀机气缸(expander cylinder)以利用燃烧后排气中所含能量，从而通过允许气体进一步膨胀而产生额外的机械功。在这种情况下，在动力冲程后，将排气从动力气缸经排气口或排气通道而传送至活塞式膨胀机，由此移动膨胀机气缸。
发明内容
本文公开了一种分置循环内燃发动机。该发动机包括：气缸体、以及多个安装在气缸体中的协作的动力活塞和气缸。动力活塞被配置成由燃烧力提供能量。该发动机还包括：安装在气缸体中的压缩机活塞和气缸，所述压缩机活塞和气缸被配置成压缩一定体积的空气并将压缩空气传送至动力活塞。另外，该发动机还包括：安装在气缸体中的膨胀机活塞和气缸，所述膨胀机活塞和气缸被配置成接收来自动力活塞的燃烧产物(即，排气)。此外，该发动机还包括：第一、第二和第三曲轴，这三个曲轴可操作地连接以进行协调的旋转。第一曲轴可操作地连接到动力活塞，并且可旋转地被动力活塞所驱动。第二曲轴可操作地连接到压缩机活塞，并且被配置成可旋转地驱动压缩机活塞。第三曲轴可操作地连接到膨胀机活塞，并且被配置成可旋转地由膨胀机活塞所驱动。
第一、第二和第三曲轴可以并排设置并且彼此相互平行。所述发动机可包括：进气口，其被配置成将压缩空气从压缩机活塞传送至每个协作的动力活塞；和排气口，其被配置成将排气从每个协作的动力活塞传送至膨胀机活塞。进气口和排气口可布置成使得：压缩机活塞位于所述多个协作的动力活塞的一侧，而膨胀机活塞位于所述多个协作的动力活塞的相对侧。
另外，所述发动机还可包括：第一、第二和第三相互连接的齿轮；其中第一齿轮连接到第一曲轴，第二齿轮连接到第二曲轴，第三齿轮连接到第三曲轴。第一、第二和第三齿轮可经由至少一条链而相互连接。第一、第二和第三齿轮可以是相互啮合的，第一齿轮可具有一种旋向的螺旋线；而与第一齿轮的那种旋向的螺旋线相比，第二和第三齿轮具有相反旋向的螺旋线。
所述发动机还可包括：第一、第二和第三皮带轮；其中第一皮带轮连接到第一曲轴，第二皮带轮连接到第二曲轴，第三皮带轮连接到第三曲轴。在这种配置中，第一、第二和第三皮带轮可经由至少一条皮带而可操作地连接。
可将第一、第二和第三曲轴可操作地连接以便进行同步旋转。另外，为了平稳发动机的运行，还可将第二和第三曲轴配置成平衡轴。
本文还公开了采用上述分置循环内燃发动机的车辆。
本发明还涉及以下技术方案。
方案1. 一种分置循环内燃发动机，包括：
气缸体；
多个安装在所述气缸体中的协作的动力活塞和气缸，所述动力活塞被配置成由燃烧力提供能量；
安装在所述气缸体中的压缩机活塞和气缸，被配置成压缩一定体积的空气并将压缩空气传送至所述动力活塞；
安装在所述气缸体中的膨胀机活塞和气缸，被配置成接收来自所述动力活塞的排气；
第一曲轴，可操作地连接到所述动力活塞，并且可旋转地由所述动力活塞所驱动；
第二曲轴，可操作地连接到所述压缩机活塞，并且被配置成可旋转地驱动所述压缩机活塞；以及
第三曲轴，可操作地连接到所述膨胀机活塞，并且被配置成可旋转地由所述膨胀机活塞所驱动；
其中，所述第一、第二和第三曲轴可操作地彼此相互连接以便进行协调的旋转。
方案2. 如方案1所述的发动机，其中，所述第一、第二和第三曲轴并排设置并且彼此相互平行。
方案3. 如方案1所述的发动机，还包括：进气口，其被配置成将所述压缩空气从所述压缩机活塞传送至每个所述协作的动力活塞；以及排气口，其被配置成将排气从每个所述协作的动力活塞传送至所述膨胀机活塞；
所述进气口和所述排气口被布置成使得：所述压缩机活塞位于所述多个协作的动力活塞的一侧，而所述膨胀机活塞位于所述多个协作的动力活塞的相对侧。
方案4. 如方案1所述的发动机，还包括第一、第二和第三相互连接的齿轮，其中，所述第一齿轮连接到所述第一曲轴，所述第二齿轮连接到所述第二曲轴，所述第三齿轮连接到所述第三曲轴。
方案5. 如方案4所述的发动机，其中，所述第一、第二和第三齿轮经由至少一条链而相互连接。
方案6. 如方案4所述的发动机，其中，所述第一、第二和第三齿轮是相互啮合的。
方案7. 如方案6所述的发动机，其中，所述第一齿轮具有一种旋向的螺旋线，并且与所述第一齿轮的那种旋向的螺旋线相比，所述第二和第三齿轮具有相反旋向的螺旋线。
方案8. 如方案1所述的发动机，还包括第一、第二和第三皮带轮，其中，所述第一皮带轮连接到所述第一曲轴，所述第二皮带轮连接到所述第二曲轴，所述第三皮带轮连接到所述第三曲轴，并且所述第一、第二和第三皮带轮经由至少一条皮带而可操作地连接。
方案9. 如方案1所述的发动机，其中，所述第一、第二和第三曲轴可操作地连接以便进行同步旋转。
方案10. 如方案1所述的发动机，其中，所述第二和第三曲轴被配置成平衡轴，用于平稳所述发动机的运行。
方案11. 一种车辆，包括：
车身；
多个车轮；
分置循环内燃发动机，包括：
气缸体；
多个安装在所述气缸体中的协作的动力活塞和气缸，所述动力活塞被配置成由燃烧力提供能量；
安装在所述气缸体中的压缩机活塞和气缸，被配置成压缩一定体积的空气并将压缩空气传送至所述动力活塞；
安装在所述气缸体中的膨胀机活塞和气缸，被配置成接收来自所述动力活塞的排气；
第一曲轴，可操作地连接到所述动力活塞，并且可旋转地由所述动力活塞所驱动；
第二曲轴，可操作地连接到所述压缩机活塞，并且被配置成可旋转地驱动所述压缩机活塞；
第三曲轴，可操作地连接到所述膨胀机活塞，并且被配置成可旋转地由所述膨胀机活塞所驱动；
其中，所述第一、第二和第三曲轴可操作地彼此相互连接以便进行协调的旋转；以及
传动系，将所述分置循环内燃发动机连接到所述多个车轮中的至少一个，从而给所述车辆提供动力。
方案12. 如方案11所述的车辆，其中，所述第一、第二和第三曲轴并排设置并且彼此相互平行。
方案13. 如方案11所述的车辆，还包括：进气口，其被配置成将所述压缩空气从所述压缩机活塞传送至每个所述协作的动力活塞；以及排气口，其被配置成将排气从每个所述协作的动力活塞传送至所述膨胀机活塞；
所述进气口和所述排气口被布置成使得：所述压缩机活塞位于所述多个协作的动力活塞的一侧，而所述膨胀机活塞位于所述多个协作的动力活塞的相对侧。
方案14. 如方案11所述的车辆，还包括第一、第二和第三相互连接的齿轮，其中，所述第一齿轮连接到所述第一曲轴，所述第二齿轮连接到所述第二曲轴，所述第三齿轮连接到所述第三曲轴。
方案15. 如方案14所述的车辆，其中，所述第一、第二和第三齿轮经由至少一条链而相互连接。
方案16. 如方案14所述的车辆，其中，所述第一、第二和第三齿轮是相互啮合的。
方案17. 如方案16所述的车辆，其中，所述第一齿轮具有一种旋向的螺旋线，并且与所述第一齿轮的那种旋向的螺旋线相比，所述第二和第三齿轮具有相反旋向的螺旋线。
方案18. 如方案11所述的车辆，还包括第一、第二和第三皮带轮，其中，所述第一皮带轮连接到所述第一曲轴，所述第二皮带轮连接到所述第二曲轴，所述第三皮带轮连接到所述第三曲轴，并且所述第一、第二和第三皮带轮经由至少一条皮带而可操作地连接。
方案19.如方案11所述的车辆，其中，所述第一、第二和第三曲轴可操作地连接以便进行同步旋转。
方案20. 如方案11所述的车辆，其中，所述第二和第三曲轴被配置成平衡轴，用于平稳所述发动机的运行。
从以下对用以实施本发明的最佳方式的详细描述中，并结合附图，可容易地了解本发明的上述特征和优势以及其它的特征和优势。
附图说明
图1是利用具有三个曲轴的分置循环内燃发动机来推进的车辆的示意图。
图2是利用相互啮合的齿轮来连接三个曲轴的分置循环内燃发动机的放大局部透视图。
图3是利用皮带传动装置来连接三个曲轴的分置循环内燃发动机的局部俯视示意图。
具体实施方式
参照附图，其中类似的附图标记是指类似的部件，图1示出了具有车身12和多个车轮14的车辆10。车辆10利用传动系16将驱动扭矩从分置循环内燃发动机18传送至车轮14。虽然未具体图示，但正如本领域技术人员所理解的，传动系16可包括变速器、传动轴、以及一个或多个差速器，用于传送由分置循环内燃发动机18所形成的扭矩从而给车辆10提供动力。
分置循环发动机18也可应用于混合动力车辆用途，正如本领域技术人员所理解的。在这种用途中，分置循环发动机18可作为发电机使用，从而以高水平的效率和输出给车载车辆能量储存装置(如蓄电池组)充电。另外，分置循环发动机18可用于固定式发电（stationary power production），即固定式发电机用途。
一般而言，正如本领域技术人员所理解的，与常规火花点火(SI)或压缩点火(CI)内燃发动机相比，分置循环内燃发动机提供改善的效率。如图所示，分置循环发动机18包括气缸体20。气缸体20容纳压缩机气缸22以及一对动力气缸24和26。另外，发动机18还包括膨胀机气缸28。膨胀机气缸28被配置成通过利用燃烧后排气中所含能量而产生额外的机械功。因此，分置循环发动机18是双压缩、双膨胀发动机，其采用单独的压缩机气缸22和单独的膨胀机气缸28，来分别加强动力气缸24和26的压缩及膨胀功能。
压缩机活塞22A被安装在压缩机气缸22内，并且适于在其中进行往复运动；一对动力活塞24A和26A单独地安装在每个动力气缸24和26内，并且适于在其中进行往复运动；并且膨胀机活塞28A安装在膨胀机气缸28内，并且适于在其中进行往复运动。压缩机气缸22被配置成在活塞22A的向下冲程中吸入一定体积的环境空气，在所述活塞的向上冲程中压缩该体积的空气并将压缩空气传送至动力气缸24和26。压缩机气缸22将压缩空气分别经由进气传送口24B和26B传送至动力气缸24和26。进气传送口24B和26B通常是进气歧管或气缸盖的一部分，虽然进气歧管和气缸盖均未图示，但它们每个都是本领域技术人员所了解的。在将压缩空气传输至每个相应的气缸的同时或者在其后不久，经由燃料传输和喷射系统(未图示)将燃料周期性地导入每个动力气缸24和26中。正如本领域技术人员所理解的，燃料与空气合并而产生空气-燃料混合物，用于随后在气缸24和26中的点火和燃烧。通过燃料-空气混合物在相应气缸内的相继点火，而推动动力活塞24A和26A做持续的往复运动。
另外，发动机18还采用三个单独的曲轴30、32和34，它们并排设置并且彼此相互平行。曲轴30是压缩机气缸曲轴，其可操作地连接到活塞 22A，并且被配置成可旋转地驱动活塞22A；曲轴32是动力气缸曲轴，其可操作地连接到活塞24A和26A，并且可旋转地由活塞24A和26A所驱动；曲轴34是膨胀机气缸曲轴，其可操作地连接到活塞28A，并且可旋转地由活塞28A所驱动。这三个曲轴30、32和34可操作地彼此相互连接以用于协调的旋转。曲轴30、32和34也可连接成用于同步旋转。也可以想到具有多于2个的动力气缸的分置循环发动机。根据所使用动力气缸的实际数量，也可以将相应的压缩机曲轴、动力气缸曲轴和膨胀机曲轴连接成，使得全部三个曲轴以相同的转速或者以预定的速比旋转，正如本领域技术人员所理解的。
在空气-燃料混合物于相应气缸24、26中完成点火后的每个相应活塞24A、26A的初期下行冲程，会产生动力以使曲轴32旋转。因此，在气缸24、26内的每次相继点火维持曲轴32的旋转，并且经由相互啮合的齿轮36、38和40将旋转运动传送至曲轴30和34。在每个动力气缸24、26的每次点火之后，处于其向上冲程中的相应动力气缸将燃烧后排气排出，并经由排气传送口24C和26C将这种气体传送至膨胀机气缸28。膨胀机活塞28A转而被从动力气缸24、26所接收的排气的膨胀所移动或者驱动。因此，被传送的排气中以热和压力的形式所包含的能量由此通过移动膨胀机活塞28A和旋转曲轴34而用于产生额外的机械功。
如图1和图2中所示，三个曲轴30、32和34的协调旋转是经由三个相互啮合的齿轮来实现的，每个齿轮连接到所述曲轴中的一个。齿轮36连接到曲轴30；齿轮38连接到曲轴32；齿轮40连接到曲轴34。齿轮36和40分别具有齿36A和40A。齿36A和40A的特征在于具有相似旋向的（similarly handed）螺旋线。齿轮38具有齿38A，齿38A的特征在于其螺旋线与齿轮36和40的螺旋线相反，因而允许三个齿轮36、38、40啮合，并且提供曲轴30、32、34的协调的旋转。将一种螺旋线应用于啮合的齿轮36、38、40，通过齿轮之间的连续接触和减小齿轮间隙，而使发动机18能够更安静地运行，正如本技术领域中所理解的。
如果需要的话，例如为了平衡发动机18的目的，可以利用空转齿轮(未图示)来改变齿轮36、38、40的旋转方向，正如本领域技术人员所理解的。曲轴30、32、34的协调旋转也可由非相互啮合、非接触的齿轮来实现，其中齿轮之间的距离被链传动装置所跨越(未图示，但正如本领域技术人员所理解的)。这种链传动装置可包括张紧器，其用于在发动机18工作期间保持链传动装置处于拉紧状态。
图3描述了分置循环发动机18A，除了具有皮带传动装置42以外，该发动机在所有方面均与图1和图2中所示发动机18相同，其中每个相同的元件具有相应的标号。如图3中所示，曲轴30、32、34的协调旋转也可以利用皮带传动装置42来实现。皮带传动装置42包括：连接到曲轴30的皮带轮44、连接到曲轴32的皮带轮46、和连接到曲轴34的皮带轮48。皮带50跨越了皮带轮44、46和48之间的距离，由此可操作地将曲轴30、32和34相互连接。皮带传动装置42可包括张紧器(未图示)，其用于在发动机18A工作期间保持皮带50处于拉紧状态。虽然仅示出了一个皮带50，但需要时皮带传动装置42可包括多条皮带。
如图1～图3中所示，在发动机18和18A中，活塞压缩机22和活塞膨胀机28定位在动力气缸24和26的相对两侧并且非常接近动力气缸24和26。活塞压缩机22和活塞膨胀机28的这种定位，允许进气传送口24B和26B以及排气传送口24C和26C的长度最短。排气传送口24C和26C的最小化的长度是特别有利的，从而降低了热量损失，由此将更高百分比的排气能量传送至气缸膨胀机28。这种配置便于减小发动机18和18A的长度。此外，压缩机气缸曲轴和膨胀机气缸曲轴(分别如30和34)还可以被配置成具有特定重量的（specifically weighted）平衡轴，以抵消发动机设计中本来未被平衡的振动，例如采用两个或四个动力气缸。为往复运动气缸的运动提供这种平衡（counterbalance）是平稳发动机18和18A的运行的一个有效方法，正如本领域技术人员所理解的。
虽然已经详细描述了用于实施本发明的最佳方式，但是本发明相关领域技术人员将会认识到用于在所附权利要求范围内实施本发明的各种替代的设计和实施例。
Claims (16)
1.一种分置循环内燃发动机，包括：
气缸体；
多个安装在所述气缸体中的协作的动力活塞和气缸，所述动力活塞被配置成由燃烧力提供能量；
安装在所述气缸体中的压缩机活塞和气缸，被配置成压缩一定体积的空气并将压缩空气传送至所述动力活塞；
安装在所述气缸体中的膨胀机活塞和气缸，被配置成接收来自所述动力活塞的排气；
第一曲轴，可操作地连接到所述动力活塞，并且可旋转地由所述动力活塞所驱动；
第二曲轴，可操作地连接到所述压缩机活塞，并且被配置成可旋转地驱动所述压缩机活塞；以及
第三曲轴，可操作地连接到所述膨胀机活塞，并且被配置成可旋转地由所述膨胀机活塞所驱动；
其中，所述第一、第二和第三曲轴可操作地彼此相互连接以便进行协调的旋转；
其中，所述第一、第二和第三曲轴并排设置并且彼此相互平行，并且，所述第二和第三曲轴被配置成平衡轴，用于平稳所述发动机的运行。
2.如权利要求1所述的发动机，还包括：进气口，其被配置成将所述压缩空气从所述压缩机活塞传送至每个所述协作的动力活塞；以及排气口，其被配置成将排气从每个所述协作的动力活塞传送至所述膨胀机活塞；
所述进气口和所述排气口被布置成使得：所述压缩机活塞位于所述多个协作的动力活塞的一侧，而所述膨胀机活塞位于所述多个协作的动力活塞的相对侧。
3.如权利要求1所述的发动机，还包括第一、第二和第三相互连接的齿轮，其中，所述第一齿轮连接到所述第一曲轴，所述第二齿轮连接到所述第二曲轴，所述第三齿轮连接到所述第三曲轴。
4.如权利要求3所述的发动机，其中，所述第一、第二和第三齿轮经由至少一条链而相互连接。
5.如权利要求3所述的发动机，其中，所述第一、第二和第三齿轮是相互啮合的。
6.如权利要求5所述的发动机，其中，所述第一齿轮具有一种旋向的螺旋线，并且与所述第一齿轮的那种旋向的螺旋线相比，所述第二和第三齿轮具有相反旋向的螺旋线。
7.如权利要求1所述的发动机，还包括第一、第二和第三皮带轮，其中，所述第一皮带轮连接到所述第一曲轴，所述第二皮带轮连接到所述第二曲轴，所述第三皮带轮连接到所述第三曲轴，并且所述第一、第二和第三皮带轮经由至少一条皮带而可操作地连接。
8.如权利要求1所述的发动机，其中，所述第一、第二和第三曲轴可操作地连接以便进行同步旋转。
9.一种车辆，包括：
车身；
多个车轮；
分置循环内燃发动机，包括：
气缸体；
多个安装在所述气缸体中的协作的动力活塞和气缸，所述动力活塞被配置成由燃烧力提供能量；
安装在所述气缸体中的压缩机活塞和气缸，被配置成压缩一定体积的空气并将压缩空气传送至所述动力活塞；
安装在所述气缸体中的膨胀机活塞和气缸，被配置成接收来自所述动力活塞的排气；
第一曲轴，可操作地连接到所述动力活塞，并且可旋转地由所述动力活塞所驱动；
第二曲轴，可操作地连接到所述压缩机活塞，并且被配置成可旋转地驱动所述压缩机活塞；
第三曲轴，可操作地连接到所述膨胀机活塞，并且被配置成可旋转地由所述膨胀机活塞所驱动；
其中，所述第一、第二和第三曲轴可操作地彼此相互连接以便进行协调的旋转；以及
传动系，将所述分置循环内燃发动机连接到所述多个车轮中的至少一个，从而给所述车辆提供动力；
其中，所述第一、第二和第三曲轴并排设置并且彼此相互平行，并且所述第二和第三曲轴被配置成平衡轴，用于平稳所述发动机的运行。
10.如权利要求9所述的车辆，还包括：进气口，其被配置成将所述压缩空气从所述压缩机活塞传送至每个所述协作的动力活塞；以及排气口，其被配置成将排气从每个所述协作的动力活塞传送至所述膨胀机活塞；
所述进气口和所述排气口被布置成使得：所述压缩机活塞位于所述多个协作的动力活塞的一侧，而所述膨胀机活塞位于所述多个协作的动力活塞的相对侧。
11.如权利要求9所述的车辆，还包括第一、第二和第三相互连接的齿轮，其中，所述第一齿轮连接到所述第一曲轴，所述第二齿轮连接到所述第二曲轴，所述第三齿轮连接到所述第三曲轴。
12.如权利要求11所述的车辆，其中，所述第一、第二和第三齿轮经由至少一条链而相互连接。
13.如权利要求11所述的车辆，其中，所述第一、第二和第三齿轮是相互啮合的。
14.如权利要求13所述的车辆，其中，所述第一齿轮具有一种旋向的螺旋线，并且与所述第一齿轮的那种旋向的螺旋线相比，所述第二和第三齿轮具有相反旋向的螺旋线。
15.如权利要求9所述的车辆，还包括第一、第二和第三皮带轮，其中，所述第一皮带轮连接到所述第一曲轴，所述第二皮带轮连接到所述第二曲轴，所述第三皮带轮连接到所述第三曲轴，并且所述第一、第二和第三皮带轮经由至少一条皮带而可操作地连接。
16.如权利要求9所述的车辆，其中，所述第一、第二和第三曲轴可操作地连接以便进行同步旋转。
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