CN102472155A - 具有最小交换端口体积的分开式循环空气混合发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种分开式循环空气混合发动机，包括能够旋转曲轴。压缩活塞可滑动地容纳在压缩气缸内，并且操作地连接到曲轴。膨胀活塞可滑动地容纳在膨胀气缸内，并且操作地连接到曲轴。交换通道相互连接压缩气缸和膨胀气缸。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，操作地连接到交换通道。空气存贮器端口，连接交换通道到空气存贮器。空气存贮器阀设置在空气存贮器端口中。空气存贮器端口包括在交换通道和空气存贮器阀之间的第一空气存贮器端口部。第一个空气存贮器端口部的体积小于或等于交换通道的体积。

Description

具有最小交换端口体积的分开式循环空气混合发动机
技术领域
本发明涉及一种分开式循环发动机，尤其是，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，每个冲程需要曲轴的半个周转(180度曲轴角(CA))，完成整个奥托循环需要曲轴的两个完整周转(720度CA)。
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所指代的术语“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发动机将分开式循环发动机与空气存贮器和各种控制装置相结合。这种结合使分开式循环空气混合发动机能够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，操作地连接到交换通道，并且可选择性地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发动机可以以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，以将空气存贮器从基本分开式循环发动机隔离开。
分开式循环空气混合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(AF)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的能量；
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的能量；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，期望进一步优选这些模式EF、AE、AC、AEF和FC，以提高效率和减少排放。
发明内容
本发明提供了一种分开式循环空气混合发动机，其中发动机点火模式(EF)的使用被优化用于潜在地处于任何驱动循环的任何车辆，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。膨胀活塞可滑动地容纳在膨胀气缸内并且操作地连接到曲轴，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。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)阀之间限定压力室。空气存贮器，操作地连接到交换通道。空气存贮器端口连接交换通道到空气存贮器。空气存贮器阀设置在空气存贮器端口中。空气存贮器端口包括在交换通道和空气存贮器阀之间的第一空气存贮器端口部。第一空气存贮器端口部的体积小于或等于交换通道的体积。
根据接下来参照附图的详细说明，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
图1是根据本发明的示例性分开式循环空气混合发动机的横向剖视图；
具体实施方式
以下对此处所用的术语提供首字母缩写词和定义以供参考。
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。
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
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。
罐阀：连接Xovr通道与压缩空气储罐的阀。
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，气体通过所述交换阀、通道和/或端口从压缩气缸流到膨胀气缸。
XovrC(或XoverC)阀：在Xovr通道的压缩端处的阀。
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发动机大致由数字10显示。分开式循环空气混合发动机10用一个压缩气缸12和一个膨胀气缸14的组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的开放端，以覆盖和密封气缸。
奥托循环的四个冲程被“分”在两个气缸12和14上，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(动力)冲程和排气冲程。因此，曲轴16围绕曲轴轴线17每周转一次(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(进口)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的高压气的来源，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(即余隙体积)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到膨胀气缸14中的流。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)。
与XovrE阀26的开启一致，至少一个燃料喷射器28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的发动机几何形状参数(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以谨慎选择的相角(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(或曲轴旋转时间)，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连接至至交换通道22，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便为曲轴16提供动力。相对于当前技术状况，这种储存潜在能量的机械装置提供了许多潜在优势。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。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模式是空气混合运转模式，其中如在不到发动机满负荷(如发动机怠速、车辆以恒定速度巡航)情况下将燃烧不需要的多余压缩空气储存在空气罐40中。压缩空气在FC模式中的储存有能源消耗(损失)；因此，在稍后时间使用压缩空气时期望具有净增益。AE和AEF模式是储存的能源使用模式。AE模式是空气混合运转模式，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的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。
为了避免在发动机10的气罐阀42保持关闭的EF模式期间发动机效率显著恶化，第一气罐端口部46的体积小于或等于交换通道22的体积。第一气罐端口部46的体积包括在气罐阀关闭时连接气罐阀42到交换通道22的所有其他端口和凹槽的体积。更具体地说，第一空气存贮端口部46的体积可以小于或等于交换通道22的体积的50％、25％或10％。
虽然已经参照具体实施例描述本发明，但应该理解，在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范围。

Claims (5)

1.一种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；
膨胀活塞，可滑动地容纳在膨胀气缸内并操作地连接到曲轴，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，其将压缩气缸和膨胀气缸相互连接，所述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)阀之间限定压力室；
空气存贮器，操作地连接到交换通道；和
空气存贮器端口，连接交换通道到所述空气存贮器；和
空气存贮器阀，设置在所述空气存贮器端口中；
所述空气存贮器端口包括在交换通道和空气存贮器阀之间的第一空气存贮器端口部，所述第一空气存贮器端口部的体积小于或等于交换通道的体积。
2.根据权利要求1所述的分开式循环空气混合发动机，其中第一空气存贮器端口部的体积小于或等于交换通道的体积的50％。
3.根据权利要求1所述的分开式循环空气混合发动机，其中第一空气存贮器端口部的体积小于或等于交换通道的体积的25％。
4.根据权利要求1所述的分开式循环空气混合发动机，其中第一空气存贮器端口部的体积小于或等于交换通道的体积的10％。
5.根据权利要求1所述的分开式循环空气混合发动机，其中第一空气存贮器端口部的体积包括在空气存贮器阀关闭时连接空气存贮器阀到交换通道的所有附加端口和凹槽的体积。
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