CN102472152A - 具有点火和充气模式的分开式循环空气混合动力发动机 - Google Patents

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尼古拉斯·巴丹吉林
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Abstract

本发明公开一种分开式循环空气混合发动机，包括能够旋转的曲轴。压缩活塞可滑动地容纳在压缩气缸内，并且可操作地连接到曲轴。进气阀选择地控制进入压缩气缸的空气流量。膨胀活塞可滑动地容纳在膨胀气缸内，并且可操作地连接到曲轴。交换通道将压缩气缸和膨胀气缸相互连接。交换通道包括位于其中交换压缩(XovrC)阀和交换膨胀(XovrE)阀。空气存贮器可操作地连接到交叉通道。空气存贮器阀选择性地控制流入和流出空气存贮器的空气流量。在发动机的点火和充气(FC)模式中，在曲轴的单次旋转期间空气存贮器阀保持关闭直到XovrE阀基本上关闭，以使在向空气存贮器充入压缩空气之前向膨胀气缸充入压缩空气。

Description

具有点火和充气模式的分开式循环空气混合动力发动机
技术领域
本发明涉及一种分开式循环发动机，更特别地，涉及结合空气混合系统的这种发动机。
背景技术
为了清楚的目的，在本申请中所使用的术语“传统发动机”是指内燃机，其中公知的奥托循环(Otto cycle)的所有四个冲程(即进气(或进口)、压缩、膨胀(或动力)和排气冲程)包含在发动机的每个活塞/气缸结合中。在传统发动机的每个气缸中，每个冲程的需要曲轴的半个旋转(180度曲轴角(CA))，完成整个奥托循环需要曲轴的两个完整旋转(720度CA)。
同样，为了清楚的目的，对可能会应用于现有技术中公开的发动机和在本申请中涉及的术语“分开式循环发动机”提供如下定义。
在此涉及的分开式循环发动机包括：
曲轴，能够围绕曲轴轴线转动；
压缩活塞，所述压缩活塞可滑动地容纳在压缩气缸内并且可操作地连接到曲轴，使得压缩活塞通过在曲轴的单次转动期间的进气冲程和压缩冲程而往复运动；
膨胀(动力)活塞，可滑动地容纳在膨胀气缸内并且可操作地连接到曲轴，使得膨胀活塞通过在曲轴的单次转动期间的膨胀冲程和排气冲程而往复运动；和
使膨胀气缸和压缩气缸相互连接的交换通道(端口)，交换通道至少包括设置在其中的交换膨胀(XovrE)阀，但更优选地包括其间限定有压力室的交换压缩(XovrC)阀和交换膨胀(XovrE)阀。
2003年4月8日授权给Scuderi(史古德利)的美国专利No.6,543,225和2005年10月11日授予Branyon等人的美国专利No.6,952,923(通过参考将二者结合于此)包含对分开式循环及类似类型的发动机所展开的讨论。此外，这些专利公开了现有发动机形式的细节，本发明详述这种现有发动机形式的进一步改进。
分开式循环空气混合动力发动机将分开式循环发动机与空气存贮器和各种控制相结合。这种结合能够使分开式循环空气混合动力发动机将能量以压缩空气的形式存储在空气存贮器中。空气存贮器中的压缩空气后来用在膨胀气缸中为曲轴提供动力。
在此涉及的分开式循环空气混合动力发动机包括：
曲轴，能够围绕曲轴轴线旋转；
压缩活塞，可滑动地容纳在压缩气缸内，并且可操作地连接到曲轴，以使压缩活塞通过在曲轴的单次旋转期间的进气冲程和压缩冲程而往复运动；
膨胀(动力)活塞，可滑动地容纳在膨胀气缸中，并且可操作地连接到曲轴，以使膨胀活塞通过在曲轴的单次旋转期间的膨胀冲程和排气冲程而往复运动；
使压缩气缸和膨胀气缸相互连接的交换通道(端口)，交换通道至少包括设置在其中的交换膨胀(XovrE)阀，但更优选地包括其间限定有压力室的交换压缩(XovrC)阀和交换膨胀(XovrE)阀；和
空气存贮器，可操作地连接到交换通道，并且选择性地可操作以存储来自压缩气缸的压缩空气，并传送压缩空气到膨胀气缸
通过参考结合于此的2008年4月8日授予Scuderi等人的美国专利号No.7,353,786包含分开式循环空气混合和类似类型发动机的广泛讨论。此外，这个专利公开了本发明详述其进一步改进的现有发动机形式的细节。
分开式循环空气混合动力发动机可以以及正常运行模式或点火(NF)模式(通常也称为发动机点火(EF)模式)和四个基本空气混合模式运转。在EF模式中，该发动机用作非空气混合分开式循环发动机，在不使用其空气存贮器的情况下运转。在EF模式中，可操作地将交换通道连接到空气存贮器的罐阀保持关闭以将空气存贮器与基本分开式循环发动机分开。
分开式循环空气混合动力发动机在四个混合模式中在使用其空气存贮器的情况下运转。这四个混合模式是：
1)空气膨胀(AE)模式，其包括在没有燃烧的情况下使用来自空气存贮器的压缩空气能量；
2)空气压缩机(AC)模式，其包括在没有燃烧的情况下将压缩空气能量储存在空气存贮器中；
3)空气膨胀和点火(AEF)模式，其包括在燃烧的情况下使用来自空气存贮器的压缩空气能量；和
4)点火和充气(FC)模式，其包括在燃烧的情况下将压缩空气能量储存在空气存贮器中；
然而，期望进一步优化这些模式EF、AE、AC、AEF和FC，以提高效率和减少排放。
发明内容
本发明提供一种分开式循环空气混合动力发动机，其中针对潜在的处于任何驱动循环的任何车辆，优化空气膨胀和点火模式(AEF)的使用，用于提高效率。
更特别地，根据本发明的分开式循环空气混合发动机的示例性实施例包括能够围绕曲轴轴线旋转的曲轴。压缩活塞可滑动地容纳在压缩气缸内，并且可操作地连接到曲轴，以使压缩活塞通过曲轴的单次旋转期间的进气冲程和压缩冲程而往复运动。进气(入口)阀选择性地控制进入压缩气缸的空气流量。膨胀活塞可滑动地容纳在膨胀气缸内，并且可操作地连接到曲轴，以使膨胀活塞通过曲轴的单次旋转期间的膨胀冲程和排气冲程而往复运动。交换通道将压缩气缸和膨胀气缸相互连接，该交换通道包括交换压缩(XovrC)阀和交换膨胀(XovrE)阀，在交换压缩(XovrC)阀和交换膨胀(XovrE)阀之间限定有压力室。空气存贮器可操作地连接到交换通道并能够选择地操作以储存来自压缩气缸的压缩空气。空气存贮器阀选择性地控制流入和流出空气存贮器的空气流量。该发动机能够在点火和充气(FC)模式中运行。在FC模式中，在曲轴的单次旋转期间空气存贮器阀保持关闭直到XovrE阀基本上关闭，以便在向空气存贮器充入压缩空气之前向膨胀气缸充入压缩空气。
还公开了一种操作分开式循环空气混合发动机的方法。该分开式循环空气混合发动机包括能够围绕曲轴轴线旋转的曲轴。压缩活塞可滑动地容纳在压缩气缸内，并且可操作地连接到曲轴，以使压缩活塞通过曲轴的单次旋转期间的进气冲程和压缩冲程而往复运动。进气(入口)阀选择性地控制进入压缩气缸的空气流量。膨胀活塞可滑动地容纳在膨胀气缸内，并且可操作地连接到曲轴，以使膨胀活塞通过曲轴的单次旋转期间的膨胀冲程和排气冲程而往复运动。交换通道将压缩气缸和膨胀气缸相互连接，该交换通道包括交换压缩(XovrC)阀和交换膨胀(XovrE)阀，在交换压缩(XovrC)阀和交换膨胀(XovrE)阀之间限定有压力室。空气存贮器可操作地连接到交换通道并能够选择地操作以储存来自压缩气缸的压缩空气。空气存贮器阀选择性地控制流入和流出空气存贮器的空气流量。该发动机能够在点火和充气(FC)模式中运行。根据本发明的方法包括如下步骤：用压缩活塞抽入和压缩进口空气；允许压缩空气与燃料一起在膨胀冲程开始时进入膨胀气缸，所述燃料在膨胀活塞的同一膨胀冲程中被点燃、燃烧和膨胀，传输动力到曲轴，并且燃烧产物在排气冲程中排放；以及在曲轴的单次旋转期间保持空气存贮器阀关闭，直到XovrE阀基本上关闭，以便在向空气存贮器充入压缩空气之前向膨胀气缸充入压缩空气。
根据本发明的接下来参照附图进行的详细说明，将更充分地理解本发明的这些以及其他特征和优势。
附图说明
在附图中：
图1是根据本发明的示意性分开式循环空气混合动力发动机的横向剖视图；
图2是在每分钟2000转(rpm)的发动机速度和2巴指示平均有效压力(IMEP)的发动机负载处关于罐空气压力和罐空气流速的进口(入口)阀关闭时间的图示说明；
图3是在2000rpm的发动机速度和2巴IMEP的发动机负载处关于罐空气压力和罐空气流速的进口阀持续时间的图示说明；
图4是在2000rpm的发动机速度和2巴IMEP的发动机负载处关于罐空气压力和罐空气流速的交换压缩(XovrC)阀持续时间的图示说明；
图5是在2000rpm的发动机速度和2巴IMEP的发动机负载处关于罐空气压力和罐空气流速的交换膨胀(XovrE)阀持续时间的图示说明；
图6是在2000rpm的发动机速度和2巴IMEP的发动机负载处关于罐空气压力和罐空气流速的交换压缩(XovrC)阀开启时间的图示说明；
图7是在2000rpm的发动机速度和2巴IMEP的发动机负载处关于罐空气压力和罐空气流速的XovrC阀关闭时间的图示说明；
图8是在2000rpm的发动机速度和2巴IMEP的发动机负载处关于罐空气压力和罐空气流速的XovrE阀开启时间的图示说明；
图9是在2000rpm的发动机速度和2巴IMEP的发动机负载处关于罐空气压力和罐空气流速的XovrE阀关闭时间的图示说明；
图10是在2000rpm的发动机速度和2巴IMEP的发动机负载处关于罐空气压力和罐空气流速的气罐阀开启时间的图示说明；
图11是在2000rpm的发动机速度和2巴IMEP的发动机负载处关于罐空气压力和罐空气流速的气罐阀关闭时间的图示说明；和
图12是在2000rpm的发动机速度和2巴IMEP的发动机负载处关于用于各种罐空气流速的罐空气压力的燃料流速的图示说明。
具体实施方式
以下首字母缩写词的词汇和术语定义供参考。
一般情况
除另有规定外，所有阀门开启和关闭时间都是以膨胀活塞的上死点之后(ATDCe)的曲轴角角度测量的。
除另有规定外，所有阀门持续时间都处于曲柄角角度(CA)内。
空气罐(或空气储罐)：用于压缩空气的储罐。
ATDCe：膨胀活塞的上死点之后。
Bar：压力单位，1bar(巴)＝105N/M2
BMEP：制动平均有效压力。术语“制动”指在考虑摩擦损失(FMEP)后传递到曲轴(或输出轴)的输出。制动平均有效压力(BMEP)是以术语平均有效压力(MEP)值表示的发动机的制动扭矩输出。BMEP等于制动扭矩除以发动机排量。这是考虑由于摩擦引起的损失以后获得的性能参数。因此，BMEP＝IMEP-摩擦力。在这种情况下摩擦力通常以MEP值表示，MEP值熟知为摩擦平均有效压力(或FMEP)。
压缩机：分开式循环发动机的压缩气缸和其相关的压缩活塞。
膨胀机：分开式循环发动机的膨胀气缸和其相关的膨胀活塞。
FMEP：摩擦平均有效压力。
g/s：克每秒
IMEP：指示平均有效压力。术语“指示”是指在考虑摩擦损失(FMEP)之前传递到活塞顶部的输出。
入口(或进口)：入口阀。还通常称为进口阀。
RPM：每分钟转数。
罐阀：连接Xovr通道与压缩空气储罐的阀。
阀持续时间：阀的开启开始和阀关闭结束之间的曲柄角度间隔。
VVA：可变阀门致动。可操作以改变阀门升程轮廓的形状或时间的机制或方法。
Xovr(或Xover)阀、通道或端口：连接压缩气缸和膨胀气缸的交换阀、通道和/或端口，气体通过交换阀、通道和/或端口从压缩气缸流到膨胀气缸。
XovrC(或XoverC)阀：在Xovr通道的压缩机端处的阀。
XovrC持续时间：XovrC阀的开启和XovrC阀关闭结束之间的曲柄角度间隔。
XovrE(或XoverE)阀：在交换(Xovr)通道的膨胀端处的阀。
参照图1，示例性分开式循环空气混合动力发动机大致由数字10显示。分开式循环空气混合动力发动机10用一个压缩气缸12和一个膨胀气缸14的结合取代传统发动机的两个相邻气缸。气缸盖33通常设置在膨胀和压缩气缸12、14的开启端，以覆盖和密封气缸。
奥托循环的四个冲程在两个气缸12和14上是“分开或一分为二的(split)”，以使压缩气缸12与其相关的压缩活塞20一起执行进气冲程和压缩冲程，并且膨胀气缸14与其相关的膨胀活塞30一起执行膨胀冲程和排气冲程。因此，曲轴16围绕曲轴轴线17每旋转一次(360度CA)，奥托循环就在这两个气缸12、14中完成一次。
在进气冲程期间，通过设置在气缸盖33中的进气端口19将进口(入口)空气吸入压缩气缸12。向内开启(向内开启进入气缸和朝向活塞)的提升进气阀18控制进气端口19和压缩气缸12之间的流体连通。
在压缩冲程期间，压缩活塞20加压空气进料并驱动空气进料进入交换通道(或端口)22，交换通道(或端口)22通常设置在气缸盖33中。这意味着，压缩气缸12和压缩活塞20是到交换通道22的高压气源，交换通道22作为用于膨胀气缸14的进口通道。在一些实施例中，两个或两个以上的交换通道22将压缩气缸12和膨胀气缸14相互连接。
分开式循环发动机10的压缩气缸12(并且一般用于分开式循环发动机)的几何(或体积)压缩比在此通常指分开式循环发动机的“压缩比”。分开式循环发动机10的膨胀气缸14(并且一般用于分开式循环发动机)的几何(或体积)压缩比在此通常指分开式循环发动机的“膨胀比”。气缸的几何压缩比在本领域中公知为在其中往复的活塞处于其下死点(BDC)位置时在气缸(包括所有凹槽)中的封闭(或捕获)体积与所述活塞处于其上死点(TDC)位置时气缸内的封闭体积(即余隙容积)之比。具体地，对于在此限定的分开式循环发动机，在XovrC阀关闭时确定压缩气缸的压缩比。同样具体地，对于在此限定的分开式循环发动机，在XovrE阀关闭时确定膨胀气缸的膨胀比。
由于压缩气缸12内的非常高的压缩比(例如，20∶1、30∶1、40∶1或更大)，在交换通道入口25处的向外开启(远离气缸和活塞向外开启)的提升交换压缩(XovrC)阀24用来控制从压缩气缸12进入交换通道22的流动。由于膨胀气缸14内非常高的膨胀比(例如，20∶1、30∶1、40∶1或更大)，在交换通道22的出口27处的向外开启的提升交换膨胀(XovrE)阀26用来控制从交换通道22进入膨胀气缸14的流动。XovrC阀24和XovrE阀26的致动速度和相位被定时以在奥托循环的所有四个冲程期间将交换通道22中的压力维持在高的最低压力(在满负荷时通常20巴或更高)。
至少一个燃料喷射器28与XovrE阀26的开启一致地在交换通道22的出口端处将燃料注入加压空气，这发生在膨胀活塞30到达其上死点位置前不久。在膨胀活塞30接近其上死点位置时，空气/燃料进料进入膨胀气缸14。在活塞30开始从其上死点位置下降时，并且同时XovrE阀26仍然开启时，包括突入气缸14的火花塞尖端39的火花塞32被点燃以在火花塞尖端39附近的区域中启动燃烧。在膨胀活塞处于越过其上死点(TDC)位置之后的1度和30度CA之间时，可以启动燃烧。更优选地，在膨胀活塞处于越过其上死点(TDC)位置之后的5度和25度CA之间时，可以启动燃烧。更优选地，在膨胀活塞处于越过其上死点(TDC)位置之后的10度和20度CA之间时，可以启动燃烧。此外，可以通过其他点火装置和/或方法启动燃烧，如使用电热塞、微波点火装置或通过压缩点火方式。
在排气冲程期间，通过设置在气缸盖33中的排气端口35将排出气体抽出膨胀气缸14。设置在排气端口35的进气口31中的向内开启提升排气阀34控制膨胀气缸14和排气端口35之间的流体连通。排气阀34和排气端口35与交换通道22分开。也就是说，排气阀34和排气端口35不与交换通道22接触或不设置在交换通道22中。
在分开式循环的发动机概念中，压缩气缸12和膨胀气缸14的几何发动机参数(即内径、冲程、连杆长度、体积压缩比等)一般相互独立。例如，用于压缩气缸12和膨胀气缸14的曲轴行程36、38可以分别具有不同半径，并且可以彼此分开地定相，以使膨胀活塞30的上死点(TDC)发生在压缩活塞20的上死点(TDC)之前。这种独立性能够使分开式循环发动机10比典型四冲程发动机潜在地实现更高效率水平和更大的扭矩。
分开式循环发动机10中的发动机参数的几何独立性也是如前面所讨论的为什么可以在交换通道22中维持压力的主要原因之一。具体来说，膨胀活塞30以预估的相角(通常在10和30曲柄角度之间)在压缩活塞到达其上死点位置之前到达其上死点位置。这个相角与XovrC阀24和XovrE阀26的适当定时一起使得分开式循环发动机10能够在其压力/体积循环的全部四个冲程期间将交换通道22中的压力保持在高的最低压力处(在满负荷运转期间通常为20巴的绝对值或更高)。也就是说，分开式循环发动机10可操作以定时XovrC阀24和XovrE阀26，以使XovrC阀和XovrE阀都开启相当长的时间周期(或曲轴旋转周期)，在此期间，膨胀活塞30从其TDC位置朝向其BDC位置下降，并且压缩活塞20同时从其BDC位置朝向其TDC位置上升。在阀24、26都开启的时间周期(或曲轴旋转)期间，大致等量空气从(1)压缩气缸12转移到交换通道22和(2)从交换通道交换22转移到膨胀气缸14。因此，在此期间，防止交换通道中的压力降低到预定最低压力(在满负荷运转期间通常是20、30或40巴的绝对值)以下。此外，在发动机循环的实质部分(通常是整个发动机循环的80％或更高)期间，XovrC阀24和XovrE阀26两者都关闭，以将捕获在交换通道22中的气体的量保持在基本恒定水平处。结果，在发动机的压力/体积循环的全部四个冲程期间，将交换通道22中的压力保持在预定最低压力处。
为此目的，为了同时地传输大致相同量的气体流入和流出交换通道22，在膨胀活塞30从TDC下降和压缩活塞20朝向TDC上升的同时使XovrC阀24和XovrE阀26开启的方法，在此称为推挽式气体输送方法。推挽式方法使得在发动机满负荷运转时，能够在发动机循环的所有四个冲程期间，将分开式循环发动机10的交换通道22中的压力典型地保持在20巴或更高。
如前所述，排气阀34设置在气缸盖33的与交换通道22分开的排气端口35中。为了在排气冲程期间维持交换通道22中的被捕获的气体量，排气阀34不被设置在交换通道22中并且因此排气端口35不与交换通道22共享任何共同部分的结构布置是优选的。因此防止大的循环压降，大的循环压降可能会使交换通道中的压力低于预定最低压力。
XovrE阀26在膨胀活塞30到达其上死点位置前不久开启。此时，交换通道22中的压力与膨胀气缸14中的压力的压力比由于如下事实而是高的：交换通道中的最低压力通常是20巴的绝对值或更高，并且在排气冲程期间膨胀气缸中的压力典型地约1至2巴的绝对值。换句话说，当XovrE阀26开启时，交换通道22中的压力本质上高于膨胀气缸14中的压力(通常为20∶1或更大的量级)。这种高的压力比引起空气和/或燃料供送的原始流动，从而以高的速度流动进入膨胀气缸14。这些高流动速度可以达到声速，其称为声速流。这种声速流对分开式循环发动机10特别有利，因为其引起快速燃烧活动，其使得即使在膨胀活塞30从其上死点下降时启动点火时，分开式循环发动机10也能够保持高的燃烧压力。
分开式循环空气混合动力发动机10还包括空气存贮器(罐)40，空气存贮器(罐)40通过空气存贮器(罐)阀42可操作地连接到交换通道22。具有两个或两个以上交换通道22的实施例可以包括用于每个交换通道22的罐阀42，每个交换通道22连接到共用空气存贮器40，或者替换地，每个交换通道22可以操作地连接到单独的空气存贮器40。
罐阀42通常设置在空气存贮器(罐)端口44中，空气存贮器(罐)端口44从交换通道22延伸到空气罐40。空气罐端口44分为第一空气存贮器(罐)端口部46和第二空气存贮器(罐)端口部48。第一空气罐端口部46将空气罐阀42连接至交换通道22，并且第二空气罐端口部48将空气罐阀42连接到空气罐40。第一空气罐端口部46的体积包括在罐阀42关闭时将罐阀42连接到交换通道22的所有附加端口和凹槽的体积。
罐阀42可以是任何合适的阀装置或系统。例如，罐阀42可以是由各种阀致动装置(例如，气动、液压、凸轮、电动等等)启动的主动阀。此外，罐阀42可以包括具有由两个或两个以上的致动装置致动的两个或两个以上阀的罐阀系统。
如在上述Scuderi等人的美国专利号No.7,353,786中所描述的那样，空气罐40用于储存压缩空气形式的能量，并在以后使用压缩空气以为曲轴16提供动力。这种储存潜在能量的机械装置提供了比当前技术状况多的潜在优势。例如，相比于在市场上的其他技术，如柴油发动机和电动混合动力系统，分开式循环发动机10可以以相对较低的制造和废物处理成本在燃料效率的提高和减少氮氧化物排放量方面潜在地提供许多优势。
通过选择性地控制空气罐阀42的开启和/或关闭，并且因而控制空气罐40与交换通道22的连通，分开式循环空气混合动力发动机10能够在发动机点火(EF)模式、空气膨胀(AE)模式、空气压缩(AC)模式、空气膨胀和点火(AEF)模式、以及点火和充电(FC)模式中操作性。EF模式是非混合模式，如上所述，发动机在没有使用空气罐40的情况下运转。AC和FC模式是储能模式。AC模式是空气混合运转模式，其中如通过在制动期间利用包括发动机10的车辆的动能，将压缩空气储存在空气罐40中，而在膨胀气缸14中没有燃烧产生(即，没有燃料消耗)。
FC模式是空气混合操作模式，其中压缩活塞抽吸多于所需要的空气进入压缩气缸以在燃烧期间提供动力给膨胀气缸的膨胀冲程(即压缩机抽吸多于所需要的空气以为膨胀气缸提供动力)。燃烧不需要的多余压缩空气被储存在空气存贮器40中，典型地，是在不到全发动机负荷操作条件的情况中(如发动机怠速、车辆以恒定速度巡航)。压缩空气在FC模式中的储存具有的能源消耗(损失)在于，需要由压缩机执行额外的负功。因此，在稍后时间使用压缩空气时期望具有净收益(即，在膨胀机中使用压缩空气来产生比在FC模式期间储存过多空气所需要的负功更多的正功)。
AE和AEF模式是储存的能源使用模式。AE模式是空气混合运行模式，其中在膨胀气缸14中不发生燃烧(即，没有燃料消耗)的情况下，储存在空气罐40中的压缩空气用于驱动膨胀活塞30。AEF模式是一种空气混合运转模式，储存在空气罐40中的压缩空气被利用在膨胀气缸14中用于燃烧。
在FC模式中，压缩活塞20在其压缩模式中操作，其中压缩活塞抽入和和压缩用在膨胀气缸14中的进口空气。膨胀活塞30在其动力模式中操作，其中压缩空气被允许与燃料一起在膨胀冲程开始时进入膨胀气缸14，燃料在膨胀活塞的同一膨胀冲程中被点燃、燃烧和膨胀，传输动力到曲轴16，并且燃烧产物在排气冲程中排放。因为压缩和膨胀在压缩气缸12和膨胀气缸14之间分开的，因此使得FC模式成为可能。膨胀气缸14可以在比车辆负载高的负荷下操作。超量负荷然后由压缩气缸12被吸收，压缩气缸12压缩比膨胀气缸14为车辆提供动力所需要的空气更多的空气。过量的(或额外的)充入空气被转向以充入空气罐40。
显著地，在发动机10以FC模式运转时，空气罐阀42在曲轴16的每个单次旋转期间保持关闭，直到XovrE阀26基本上关闭。因此，在向空气罐40充入压缩空气之前，向膨胀气缸14充入压缩空气。因此，在曲轴16的单次旋转期间，膨胀气缸14和空气罐40被连续地充气(即，一个接一个地，而不是将是平行的充气顺序的在同一时间)。在曲轴16的单次旋转期间由压缩气缸12提供的压缩空气充入因而在膨胀气缸14和空气罐40之间是分开的。
优选地，从当XovrC阀24开启时的±5度CA内(即，从XovrC阀是大致开启时)到XovrE阀26关闭时的±负5度CA内(即，到XovrE阀大致关闭时)，空气罐阀42至少保持关闭状态。因此，从压缩空气充入开始以通过XovrC阀24进入交换通道22的时间(或CA度数位置)到压缩空气充入停止以通过XovrE阀26进入膨胀气缸14的时间，空气罐阀42基本上关闭，从而防止在膨胀气缸之前对空气罐40进行充气。在示例性的实施例中，XovrC阀24可以在约-23度CA ATDCe和-10度CA ATDCe之间的曲轴位置(阀定时)处开启，并且XovrE阀26可以在约11度CA ATDCe和23度CA ATDCe之间的阀定时处关闭，如分别在图6和9中所示。
在发动机10的所有操作条件处，空气罐阀42仅在XovrE阀26已经关闭以后才开启。例如，空气罐阀42可以在XovrE阀已经关闭后的约5度CA或更大度数CA的位置处开启。优选地，空气罐阀42可以在XovrE阀26已经被关闭后的5～20度CA的范围中的位置处被开启。更优选地，空气罐阀42可以在XovrE阀已经关闭以后的小于10度CA的时间处开启。空气存贮器阀42然后可以在25度CA或更大的阀持续时间内被保持开启。优选地，空气灌封阀42然后可以在50度CA或更大的阀持续时间内被保持开启。更优选地，空气罐阀42然后可以在25度CA到150度CA的范围内被保持开启，在这段时间过程中，向空气罐40充入压缩空气。
在FC模式中的一次完整曲轴旋转(以压缩活塞20的进气行程开始并以膨胀活塞30的排气冲程结束)期间，XovrC阀24、XovrE阀26和空气罐阀42通常具有以下的开启和关闭顺序。首先，XovrC阀24开启，然后XovrE阀26开启。因而用来自压缩气缸12的压缩空气对交换通道22加压，并且压缩空气被转移到膨胀气缸14。
通常情况下，XovrC阀24关闭，下面跟随XovrE阀26关闭。然而，在某些发动机操作条件下，XovrE阀26可能在XovrC阀24关闭之前关闭。在这两种情况下，过量压缩空气因而被捕获在关闭的XovrC阀24和XovrE阀26之间的交换通道22中。交换通道22被过度加压，使得交换通道中的压力大于在空气罐40中的压力。接下来，空气罐阀42开启，并且稍后关闭，使在交换通道22中的过量压缩空气由于交换通道和空气罐之间的压力差而流入空气罐40。
然而，在某些发动机操作条件(如发动机转速、发动机负荷、空气罐压力等)下，空气罐阀42可以在XovrE阀26已经关闭之后但是稍微在XovrC阀24关闭之前开启。在这种情况下，阀开启和关闭的顺序是：XovrC阀24开启、XovrE阀26开启、XovrE阀26关闭、空气罐阀42开启、XovrC阀24关闭、以及空气罐阀42关闭。根据这个阀定时顺序，XovrC阀24和空气罐阀42同时开启一定的短时间周期，在压缩气缸12和空气罐40之间提供流体连通(即开启流体流动路径)。
此外，在FC模式中，通过改变XovrE阀关闭的定时以计量进入膨胀气缸中的燃烧所要求的必需空气量，可以控制发动机负荷。如上所述，在示例性的实施例中，如图9所示，XovrE阀26可以在约11度CA ATDCe和23CAATDCe之间的阀定时处被关闭。因此，XovrE阀26(有效地，通过在所需的充气量已经进入膨胀气缸时关闭)只允许负载要求的必须压缩充气量进入膨胀气缸14。如上所述，保持在交换通道22中的过量充入空气然后储存在空气罐40中。在曲轴16的单次旋转期间传送到空气罐40的压缩空气量(并且因而进入空气罐的空气流速)可以通过改变进气阀18关闭的定时而被控制，这有效地改变被抽入压缩气缸12的充入空气的总量。在示例性的实施例中，如图2中所示，进气阀18在约103度CA ATDCe和140度CA ATDCe之间的阀定时处关闭。
图2至11图示地说明在2000转的发动机转速和2巴IMEP的发动机负荷处的空气罐压力和空气罐充气流速的范围内上述分开式循环空气混合动力发动机10的FC模式的示例性实施例。在图2中，进气阀18在103.0度CAATDCe至140.0度CA ATDCe的范围中的定时处关闭。例如，在10巴的罐压力和3克/秒的空气罐流速处，进气阀18在约122度CA ATDCe处关闭。在图3中，进气阀18具有56.5度CA和93.5度CA之间的阀持续时间。例如，在10巴的罐压力和3克/秒的空气罐流速处，进气阀持续约75度CA。
在图4中，XovrC阀24具有在36.4度CA和61.8度CA之间的阀持续时间。例如，在10巴的罐压力和3克/秒的空气罐流速处，XovrC阀持续约45度CA。在图5中，XovrE阀26具有在14.2度CA和30.8度CA之间的阀持续时间。例如，在10巴的罐压力和3克/秒的空气罐流速处，XovrE阀持续约26度CA。
图6和7分别地描绘XovrC阀24开启和关闭定时。XovrC阀24在-23.20度CA ATDCe到-9.79度CA ATDCe的范围内的定时处开启，在24.6度CA ATDCe至38.6度CA ATDCe的范围内的定时处关闭。例如，在10巴的罐压力和3克/秒的空气罐流速处，XovrC阀24在约-17.5度CA ATDCe处开启，并且在约28度CA ATDCe处关闭。
图8和9分别地描绘XovrE阀26开启和关闭定时。XovrE阀26在-1.62度CA ATDCe至14.00度CA ATDCe的范围内的定时处开启，并在11.40度CA ATDCe至23.20度CA ATDCe的范围内的定时处关闭。例如，在10巴的罐压力和3克/秒的空气罐流速处，XovrE阀26在约-7.3度CA ATDCe处开启，并在约19度CA ATDCe处关闭。
图10和11分别地描绘空气罐阀42的开启和关闭定时。空气罐阀42在21.4度CA ATDCe至33.2度CA ATDCe的范围内的定时处开启，并在131.4度CA ATDCe到143.2度CA ATDCe的范围内的定时处关闭。例如，在10巴的罐压力和3克/秒的空气罐流速处，空气罐阀42在约29度CA ATDCe处开启，并在约139度CA ATDCe处关闭。
从图9-11可以看出，在空气罐压力和空气罐充气流速范围内，在这个示例性的实施例中，空气罐阀42在XovrE阀26关闭以后开启10度CA，，并且空气罐阀42在XovrE阀26开启以后关闭110度CA(即，空气罐阀持续时间大致地固定在110度CA)。
上述示例性实施例已经说明用于FC模式的在单个发动机转速和负荷(即在2000rpm和2巴IMEP处)处的阀定时。然而，本领域技术人员将会认识到，FC模式可以在发动机10的全部速度和负载范围内操作。也就是说，FC模式可以在从发动机10的空载到满载，以及从怠速到额定(满)速度的范围内操作。
图12图示地说明在FC模式中在2000rpm的示例性发动机转速和2巴IMEP的发动机负载处用于压缩压缩气缸12中的过量空气(用于随后向空气罐40充气)的燃料(即能量)损失。在图形底部处的水平线(空气罐充气速度为0g/s)代表在空气罐40未被充气(charged)时(基本上处于发动机10的EF(或NF)模式)的燃料流速(kg/hr，千克/小时)。这是零燃料损失基线，从零燃料损失基线开始计算FC模式中的燃料损失。水平基线以上的三条线代表在1克/秒、2克/秒和3克/秒的空气罐充气速率处在FC模式中的燃料消耗。当然，FC模式中的燃料消耗，大于EF模式中的燃料消耗。FC模式的燃料损失是通过从在特定空气罐压力和空气罐充气速率处的燃料消耗中减去基线燃料消耗而计算的。例如，在5巴的空气罐压力和2克/秒的空气罐充气速度处，燃料损失(用于向空气罐充气所消耗的额外能量)约为0.09千克/小时(在5巴和2克/秒处的1.11千克/小时的燃料损失减去1.02千克/小时的基线消耗)。作为另一个示例，在10巴的空气罐压力和3克/秒的空气罐充气速率处，燃料损失约为0.35千克/小时(1.37千克/小时减去1.02公斤/小时)。
虽然已经参照具体实施例描述了本发明，但应该理解，在所描述的创造性概念的精神和范围内可以进行各种变化。因此，意图在于本发明不限于所描述的实施例，而是包括由附后权利要求的语言限定的全部保护范围。

Claims (19)

1.一种分开式循环空气混合动力发动机，包括：
曲轴，能够围绕曲轴轴线旋转；
压缩活塞，可滑动地容纳在压缩气缸内，并且可操作地连接到曲轴，以使压缩活塞通过曲轴的单次旋转期间的进气冲程和压缩冲程而往复运动；
进气阀，选择性地控制进入压缩气缸的空气流量；
膨胀活塞，可滑动地容纳在膨胀气缸内，并且可操作地连接到曲轴，以使膨胀活塞通过曲轴的单次旋转期间的膨胀冲程和排气冲程而往复运动；
交换通道，将压缩气缸和膨胀气缸相互连接，该交换通道包括交换压缩(XovrC)阀和交换膨胀(XovrE)阀，在交换压缩(XovrC)阀和交换膨胀(XovrE)阀之间限定有压力室；
空气存贮器，可操作地连接到交换通道并能够选择地操作以储存来自压缩气缸的压缩空气；和
空气存贮器阀，选择性地控制流入和流出空气存贮器的空气流量；
该发动机能够在点火和充气(FC)模式中运行，其中，在FC模式中，在曲轴的单次旋转期间空气存贮器阀保持关闭直到XovrE阀基本上关闭，以便在向空气存贮器充入压缩空气之前向膨胀气缸充入压缩空气。
2.根据权利要求1所述的分开式循环空气混合动力发动机，其中，在FC模式中，在从当XovrC阀开启时的±5度CA内到当XovrE阀关闭时的±5度CA内的范围内，空气存贮器阀保持关闭。
3.根据权利要求1所述的分开式循环空气混合动力发动机，其中，在FC模式中，空气存贮器阀在XovrE阀关闭后的5度CA或更大度数CA的位置处开启。
4.根据权利要求1所述的分开式循环空气混合动力发动机，其中，在FC模式中，空气存贮器阀在XovrE阀关闭后的5～20度CA的范围内的位置处开启。
5.根据权利要求1所述的分开式循环空气混合动力发动机，其中，在FC模式中，空气存贮器阀在XovrE阀关闭后的小于10度CA的位置处开启。
6.根据权利要求1所述的分开式循环空气混合动力发动机，其中，在FC模式中，空气存贮器阀在25度CA或更大度数CA的持续时间内保持开启。
7.根据权利要求1所述的分开式循环空气混合动力发动机，其中，在FC模式中，空气存贮器阀在50度CA或更大度数CA的持续时间内保持开启。
8.根据权利要求1所述的分开式循环空气混合动力发动机，其中，在FC模式中，空气存贮器阀在25度CA至150度CA的范围内的持续时间内保持开启。
9.根据权利要求1所述的分开式循环空气混合动力发动机，其中，在FC模式中，通过控制XovrE阀关闭的定时控制发动机负荷。
10.根据权利要求1所述的分开式循环空气混合动力发动机，其中，在FC模式中，通过控制进气阀关闭的定时控制传递到空气存贮器的过量压缩空气的量。
11.根据权利要求1所述的分开式循环空气混合动力发动机，其中，在FC模式中，压缩活塞抽入和压缩用在膨胀气缸中的进口空气，并且压缩空气被允许与燃料一起在膨胀冲程开始时进入膨胀气缸，所述燃料在膨胀活塞的同一膨胀冲程中被点燃、燃烧和膨胀，传输动力到曲轴，并且燃烧产物在排气冲程中排放。
12.一种操作分开式循环空气混合发动机的方法，该分开式循环空气混合发动机包括：
曲轴，能够围绕曲轴轴线旋转；
压缩活塞，可滑动地容纳在压缩气缸内，并且可操作地连接到曲轴，以使压缩活塞通过曲轴的单次旋转期间的进气冲程和压缩冲程而往复运动；
进气阀，选择性地控制进入压缩气缸的空气流量；
膨胀活塞，可滑动地容纳在膨胀气缸内，并且可操作地连接到曲轴，以使膨胀活塞通过曲轴的单次旋转期间的膨胀冲程和排气冲程而往复运动；
交换通道，将压缩气缸和膨胀气缸相互连接，该交换通道包括交换压缩(XovrC)阀和交换膨胀(XovrE)阀，在交换压缩(XovrC)阀和交换膨胀(XovrE)阀之间限定有压力室；
空气存贮器，可操作地连接到交换通道并能够选择性地操作以储存来自压缩气缸的压缩空气；和
空气存贮器阀，选择性地控制流入和流出空气存贮器的空气流量；
该发动机能够在点火和充气(FC)模式中运行；
所述方法包括如下步骤：
用压缩活塞抽入和压缩进口空气；
允许来自压缩气缸的压缩空气与燃料一起在膨胀冲程开始时进入膨胀气缸，所述燃料在膨胀活塞的同一膨胀冲程中被点燃、燃烧和膨胀，传输动力到曲轴，并且燃烧产物在排气冲程中排放；以及
在曲轴的单次旋转期间保持空气存贮器阀关闭，直到XovrE阀基本上关闭，以便在向空气存贮器充入压缩空气之前向膨胀气缸充入压缩空气。
13.根据权利要求12所述的方法，包括在从当XovrC阀开启时的±5度CA内到当XovrE阀关闭时的±5度CA内的范围内保持空气存贮器阀关闭的步骤。
14.根据权利要求12所述的方法，包括在XovrE阀关闭后的5度CA或更大度数CA的位置处开启空气存贮器阀的步骤。
15.根据权利要求12所述的方法，包括在XovrE阀关闭后的5～20度CA的范围内的位置处开启空气存贮器阀的步骤。
16.根据权利要求12所述的方法，包括在XovrE阀关闭后的小于10度CA的位置处开启空气存贮器阀的步骤。
17.根据权利要求12所述的方法，包括在25度CA或更大度数CA的持续时间内保持空气存贮器阀开启的步骤。
18.根据权利要求12所述的方法，还包括通过改变XovrE阀关闭的定时控制发动机负荷的步骤。
19.根据权利要求12所述的方法，还包括通过改变进气阀关闭的定时控制传递到空气存贮器的过量压缩空气的量的步骤。
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