CN103154463B - 内燃机操作方法及内燃机 - Google Patents

Abstract

内燃机，具有至少一个动力气缸（22）和至少一个压缩气缸（20），动力气缸具有由动力活塞（18）限定的动力室（36）、且具有进气阀（54）及排气阀（50），压缩气缸具有由压缩活塞（16）限定的压缩室、且具有新鲜充量进气阀（46），流通装置具有至少一个由流通活塞（84）限定的流通室（80），流通室（80）经由流通通道（92）与压缩室（34）连接，流通阀（106）位于流通通道内，且流通室经由推出通道（96）与动力室（36）直接或间接地连接，进气阀（54）位于推出通道（96）内；其中各活塞（16，18，84）的移动与各阀（46，106，54）的操作是协调一致的，使得在压缩室（34）内被压缩的新鲜充量被压缩活塞（16）推入流通室（80）内，及被流通活塞从流通室推出并注入动力室（36）内；流通通道（92）穿过冷却器（100）。

Description

内燃机操作方法及内燃机

本发明涉及一种内燃机的操作方法，及根据这种方法进行操作的内燃机。

 本发明独立权利要求源自WO2009/083182。在WO2009/083182中描述了一种内燃机，如取自于上述文件的图1所示。内燃机包括具有两个相邻曲柄的曲轴10，每个曲柄分别通过活塞连接杆12及14分别与压缩活塞16及动力活塞18连接。压缩活塞16可在压缩气缸20内移动。动力活塞可在动力气缸22内移动，其中动力气缸22优选地衬有气缸衬套24。

  各气缸优选地形成在共同的气缸壳28内，顶部由气缸盖30从上方密封，气缸盖包括覆盖两个气缸20与22区域的端壁32，端壁32从上方围住气缸20与22的部分并从下方围住形成在气缸盖30内的流通气缸33。

 在图1中，压缩室34形成在压缩活塞16和气缸盖30之间；在压缩活塞16位于上止点时压缩室的容积至少接近于零，压缩活塞16上止点的位置在图1中示出。动力室36形成在动力活塞18与气缸盖30之间；喷射阀38突出至动力室36内。

 流通活塞40可在流通气缸33内移动；流通活塞40限定了流通室42。

 新鲜空气和/或新鲜充量进气歧管44形成在气缸盖30内；新鲜充量进气阀46在歧管44内工作并控制新鲜充量进气歧管44和压缩室34之间的连接。术语“新鲜充量”包括“纯新鲜空气”及“包含添加于其中的燃料和/或残余气体的新鲜空气”。

 排气歧管48也形成在气缸盖30内；排气阀50在排气歧管48内工作并控制动力室36与排气歧管48之间的连接。

 使压缩室34与流通室42连接的流通口，形成在端壁32内；流通阀52在流通口内工作，并在从压缩室移开时打开。流通阀52的轴在流通活塞40内以密封的方式被可移动地引导，其中流通阀52可克服弹簧53的力移动至流通活塞40内部，并可移出流通活塞40，优选地，流通阀具有受限的行程。

 进气阀54在端壁32的另一开口内工作，该开口使流通室42与动力室36连接；进气阀54的轴以密封方式被可移动地引导穿过流通活塞40。

 新鲜充量进气凸轮56、排气凸轮58和进气凸轮60分别用来致动阀46、50、54。流通活塞40由流通凸轮62致动。

 各凸轮以适当的方式形成在一个或多个凸轮轴上，凸轮轴优选地以与曲轴10的旋转速度相同的旋转速度由曲轴10驱动。

 这种内燃机的功能在上述的WO2009/083182中详细地说明。相对于常规的内燃机，上述的内燃机的主要优势为，新鲜充量在位于热的动力气缸22之外的压缩气缸20内被压缩活塞16压缩，且被推入流通室42内，在流通室内其首先被流通活塞40进一步压缩，然后通过打开的进气阀54推入动力室36内，在燃料喷射阀38供应燃料后或燃料供应期间，在动力室内燃烧。替代地或附加地，燃料可在进气阀54上游的新鲜充量进气歧管44内或压缩室34内或流通室42内已加入至新鲜充量中，使得可燃混合物通过打开的进气阀54“喷射”至动力室36内，并在接受火花点火或自点火时在动力室内燃烧。新鲜充量在动力室外部压缩提高了内燃机的效率。燃料在进气阀54的上游加入新鲜充量中，从而制备了极均匀的混合物，而极均匀的混合物正是完全燃烧且基本无污染的前提。

 由于流通室内的最终压缩温度很高，对于特定燃料，如果在进气阀54上游就加入至新鲜充量中，存在在流通室内就自点火的危险。

 在CH96539A中描述了具有外部多阶段压缩过程的内燃机。在压缩气缸内，新鲜空气在压缩室内被与流通活塞一体的压缩活塞压缩，并被推出穿过构造为简单止回阀的流通阀，注入冷却器内部冷的缓冲室内。在流通活塞向下移动的期间，被冷却及压缩的新鲜充量穿过又一止回阀从冷却装置注入流通室内，流通活塞与压缩活塞固定连接。其中压缩室的最大容积和流通室的最大容积基本相等，缓冲容积的大小与流通室的最大容积相近。在流通活塞向上的冲程期间，新鲜空气被动力气缸的进气阀从流通室推出，并穿过与流通室毗邻的又一止回阀及管道注入动力室内。

 在DE2410948中描述了具有外部二级活塞压缩器和动力气缸的内燃机。冷却器设置在第一级压缩的排气阀和第二级压缩的进气阀之间，第二级压缩形成了在第一级压缩阶段内被压缩新鲜空气的缓冲容积。在第二级压缩阶段内压缩的新鲜空气被引导穿过废气热交换器，在其中被压缩的新鲜空气被从动力气缸流出的废气加热，随后穿过进气阀到达动力气缸内。

 US4199090描述了具有两个废气涡轮增压器的活塞式内燃机，在高废气流量和/或在高负载时，两个涡轮增压器都向内燃机供应新鲜空气。在仅有低负载且废气流量少时，为增加充气压力，排气涡轮增压器中的一个关闭。

 在Kramer, W的论文Indirekte Ladeluftkühlung bei Diesel- und Ottomotoren, MTZ, 02/2006中第 104-109页描述了一种具有废气涡轮增压器的内燃机，其中在废气涡轮增压器内压缩的充量气体流过，然后引导至内燃机的进气口。

  本发明的根本目的是，以降低进气阀54上游的混合物自点火危险的方式，进一步发展上述的方法及上述的内燃机。

 本发明目的中与方法有关的部分由权利要求1的技术特征实现。

 从属权利要求2和3针对本发明方法的优选实施例。

 本发明目的中与内燃机有关的部分由权利要求4的技术特征实现。

 权利要求5至10针对本发明内燃机的优选实施例。

 本发明将在下文参照附图和进一步的细节以示例的方式说明。

 在图中：

图1示出了已描述的公知内燃机的剖切示意图；

图2示出了本发明内燃机相对应的视图；

图3示出了图2的详细视图，及

图4示出了根据图2的内燃机相关的控制时序图。

 根据图2的内燃机与图1的内燃机大部分对应。对应的零件采用与图1相同的标号，因此下文仅说明与根据图1的内燃机的不同之处。

 根据图1与图2的内燃机之间最主要的不同为，在根据图2的实施例中，两个流通室80和82位于气缸盖30内，流通活塞84和86在相应的流通室内工作，各流通活塞由各自的流通凸轮88 和 90分别移动。流通室80经由流通通道92与压缩室34连接，流通室82经由流通通道94与流通室80连接。进气阀54在其内工作的推出通道96，从流通室82通往至动力室36内。

 流通室80、82，流通活塞84、86，流通通道92、94，及推出通道96和位于通道内的各个阀构造成流通装置。流通通道92和94的结构将参照图3更详细地说明。

 流通通道92由贯通口98形成，贯通口98穿透气缸盖30的壁并使压缩室34与流通室80连接。冷却器100在贯通口98内使用；冷却器100的热交换通道102在压缩室34和流通室80之间形成实际的流体通道。贯通口98的面对流通室80的边缘形成止回阀106阀片的阀座104；当流通室80内的压力低于压缩室34内的压力时，止回阀106克服未示出的闭合弹簧的力而打开。

 流通通道94的基本结构与流通通道92类似，具有在气缸盖30的壁内的贯通口108，该壁使流通室80与82分隔开。冷却器110在贯通口108内使用；冷却器110的热交换通道112在流通室之间形成流体通道。贯通口108的面对流通室82的边缘形成止回阀116阀片的阀座；当流通室82内的压力低于流通室80内的压力时，止回阀116克服未示出的闭合弹簧的力而打开。

 与止回阀106和116关联的未示出的各闭合弹簧中，其结构及其布置方面为公知的，例如可为环绕各自阀元件的轴的卷簧，卷簧整合在冷却器内，且被支撑在冷却器与轴套环之间。闭合弹簧如此设计，使得迫使阀元件压向其阀座的偏压力相对较小，从而作用在闭合的阀元件上的以打开阀方向的很小的压力差即可使阀打开。

 有利地，流通通道92的结构使得，在压缩活塞16的上止点时，压缩室最小容积是小的：有利地，小于压缩活塞在下止点时压缩室最大容积的15%，甚至更有利地是小于1%。

 在止回阀106的闭合状态，止回阀106阀元件的顶面与流通室80底部的边缘区域平齐，该边缘区域可视需要而围绕流通室80底部，从而流通活塞84在其下止点（在图2中，流通活塞84位于邻近其上止点的位置）直接从阀元件上向上移动，且在流通活塞84的下止点，与热交换通道112的容积一样，流通室80的剩余容积由可视需要而存在于流通活塞84和阀元件之间的公差间隙给出，流通室的剩余容积小于流通室80最大容积的15%，有利地小于1%。从图2中明显可见，流通活塞84构造为，使得在其下止点时，单个活塞环或各活塞环位于流通通道94的正上方，且不横穿冷却器110。

 止回阀116的阀元件形成为，使得在闭合状态时，阀元件与流通室82的内壁平齐地延伸，从而事实上此处没有剩余容积存在。流通活塞86的单个活塞环或各活塞环设置为使得其不横穿止回阀116。在流通活塞86的上止点（图2和图3中所示流通活塞86的位置），流通室82的容积有利地小于流通室82最大容积的15%，甚至更有利地小于1%。这特定地可以通过推出通道96的适当结构而实现。

 图2所示为示意性的。所有凸轮可位于一个共同的凸轮轴上，凸轮轴由曲轴10旋转驱动，并与曲轴10以相同的旋转速度旋转。

 根据图2的内燃机的功能辅以根据图4的控制时序图在下文说明，其中横坐标以角度方式指示曲轴的位置（°曲柄角）。动力活塞18（热活塞）在其上止点时位于曲柄角180°。压缩活塞16（冷活塞）在其上止点时位于曲柄角270°。

 曲线指示如下：

曲线Ⅰ（点线）：新鲜空气进气阀46的冲程；

曲线Ⅱ（虚线）：流通活塞84（冷流通活塞）的冲程；该冲程与流通室80的容积对应；

曲线Ⅲ（点划线）：流通活塞86（热流通活塞）的冲程；该冲程与流通室82的容积对应；

曲线Ⅳ（十字线）：进气阀54（热流通阀）的冲程；

曲线Ⅴ（实线）：排气阀50的冲程。

 假定压缩活塞16（冷活塞）在其上止点时位于曲柄角270°，在此时压缩室34的容积接近于零，且新鲜冲量进气阀46闭合，所有被压缩的新鲜充量通过流通通道92被推入流通室80内，并在经过流通通道92时被冷却。在压缩活塞16的上止点，流通活塞84（冷流通活塞）位于大约在其根据图2的最大升起位置，在此时流通室80的容积为最大。

 流通活塞84开始其向下移动动作并压缩位于流通室80内的新鲜充量。在曲柄角大约为330°，流通活塞86（热流通活塞）开始其向上移动动作，从而在流通室80内被压缩的新鲜充量流过流通通道94同时被冷却，注入容积增加的流通室82（热流通室）内，此时止回阀116打开。在曲柄角大约为80°时，流通活塞84已移动至其最低位置，从而实际上全部的压缩新鲜充量都在流通室82内，流通室82的流通活塞86在其最高位置；作为流通凸轮90的合适造型的结果，从曲柄角大约为90°至大约为160°，流通活塞86保持在其最高位置。从曲柄角大约为160°时开始，流通活塞86急剧地移动至其下止点，其中在曲柄角大约为180°时进气阀54（热流通阀）打开，被最大压缩的新鲜冲量被通过推出通道96推出并注入动力室36内。在曲柄角快要到220°时，流通室82的容积为最小。紧随其后，进气阀54关闭，从而在动力活塞18（热活塞）向下移动期间，被压缩的新鲜充量注入动力室36内燃烧，同时产生动力。在动力活塞18到达其下止点前，在曲柄角大约为350°时，排气阀50开始打开，且在曲柄角大约为100°时关闭，从而残留在动力室36内的剩余气体进一步被动力活塞18压缩。

 新鲜充量进气阀46的打开在曲柄角为300°已开始，从而伴随压缩活塞16向上移动动作，新鲜空气或新鲜充量流入压缩室34内，上述的循环重新开始。

 作为示例进行描述的控制时序是可以改变的，只要能保持已描述的内燃机的基本原理即可，即从压缩室34推出被压缩的新鲜充量并注入流通室80内，同时在经过流通通道92时被冷却，流通室80内的新鲜充量被推入流通室82内，同时在流通通道94内被冷却，且位于流通室82内的新鲜充量通过推出通道96被推出，同时经历进一步压缩，进气阀54打开，新鲜充量被注入动力室36内和/或燃烧室内。

 特别地，如果燃料在新鲜充量进气歧管44内或在压缩室34内已加入新鲜充量中，由于流经冷却器100和110时的中间冷却，新鲜充量保持在低于其最低自燃温度，流通活塞86急剧地向上移动是有利的，经最大压缩的新鲜充量可被快速“喷射”至动力室36内，并在动力室内点火，同时经历进一步加热。当应用柴油燃料时，可实现完全及无烟尘的燃烧。

 上述的内燃机也可操作为用火花点火和/或直接喷射至动力室36内。

 对于流通通道92和94及推出通道96的结构，对于技术人员来说，具有小的残留容积、且在流通通道内可实现高冷却效率的合理结构将是显而易见的。

 可应用复数个具有冷却器和止回阀的流通通道，和/或应用复数个止回阀阻止或允许流经冷却器，来取代具有冷却装置100和止回阀106的单一流通通道92。

 可在流通室80和82之间形成复数个流通通道，来取代单一的流通通道94。

 从图4中可以看出流通活塞86的移动过程，其特征在于下文所述：

被压缩的新鲜充量从流通室82的推出或送入至动力室36（燃烧室）内的时间进度，本质上决定了燃烧过程的进度。因此，推出动作相对急剧。推出（注入）动作优选地在大约为10°至大约为0°之间，在动力活塞18（热活塞）的上止点之前即开始，且优选地在大约为30°与40°之间，在动力活塞18上止点之后结束。为实现这种方式，流通活塞86在相对长的时间期间内保持在其上止点及其下止点，从而产生了显著的平稳段。

 压缩活塞16和动力活塞18之间的相移(phase shift)优选地选择为，使得可产生发动机中第二阶(second engine order)的最大可能地补偿。动力活塞18（热活塞）滞后的优选值为90°或270°。然而，在值为90°时，从压缩器侧（冷侧）至动力侧（热侧）流通的时窗(time windows)是非常小的，从而动力活塞18 滞后270°是优选的。由于这种设置致使的第一阶(first order)激发(excitations)的上升，可通过凸轮轴上适当的补偿质量予以补偿，因为上述的发动机优选地应用两个在曲轴的旋转速度下以相反方向旋转的凸轮轴进行操作。

 因为流通活塞84的向上移动与压缩活塞16的移动由于过程相关(process-related reasons)而相耦合，流通活塞86的推出移动与动力活塞18相耦合，流通活塞86移动中的停留期（平稳段长度）取决于在动力活塞18的移动和压缩活塞16的移动之间相移的选择。

 在简化的变例中，可应用只有一个类似于根据图1的实施例中流通室42的流通室，从压缩室34推入单个流通室的流通通道可设计为与流通通道92相似，即，具有流通新鲜充量的主动冷却。

 冷却器100与110可整合为冷却系统，应用冷却系统可冷却内燃机的其他部分，或冷却器100与110可被在另外的环境空气循环中冷却的冷却剂流过。

 具有两个串联布置的流通室的内燃机已参照图2进行描述。还可以设置两个以上串联布置的流通室。

 与压缩室34交界的流通室80的最大容积为，例如为压缩室34最大容积的5%至15%之间，例如为10%。每个流通室后跟随的附加流通室具有的最大容积，例如为上一个流通室的最大容积的30%至50%，例如为40%。

 以上所述的本发明以具有一个压缩气缸和一个动力气缸的内燃机为示例而描述。复数个压缩气缸/动力气缸单元可分别地设置，例如复数个压缩气缸/动力气缸单元与共同曲轴连接。还可以是复数个压缩气缸伴随一个动力气缸。

参考标号表

10  曲轴

12  活塞杆

14  活塞杆

16  压缩活塞

18  动力活塞

20  压缩气缸

22  动力气缸

24  气缸衬套

28  气缸壳体

30  气缸盖

32  端壁

33  流通气缸

34  压缩室

36  动力室

38  燃料喷射阀

40  流通活塞

42  流通室

44  新鲜充量进气歧管

46  新鲜充量进气阀

48  排气歧管

50  排气阀

52  流通阀

53  弹簧

54  进气阀

56  新鲜充量凸轮

58  排气凸轮

60  进气凸轮

62  流通凸轮

80  流通室

82  流通室

84  流通活塞

86  流通活塞

88  流通凸轮

90  流通凸轮

92  流通通道

94  流通通道

96  推出通道

98  贯通口

100  冷却器

102  热交换通道

104  阀座

106  止回阀

108  贯通口

110  冷却器

112  热交换通道

114  阀座

116  止回阀

Claims (12)

1.  内燃机的操作方法，包括

　　动力气缸，具有由动力活塞限定的动力室，所述动力室具有进气阀和排气阀，

　　压缩气缸，具有由压缩活塞限定的压缩室，所述压缩室具有新鲜充量进气阀和流通阀，及

　　流通室，由流通活塞限定，当所述流通阀打开时所述流通室与所述压缩室连接，当所述进气阀打开时所述流通室与所述动力室连接，所述方法包括如下步骤：

　　注入新鲜充量至所述压缩室内，同时增加所述压缩室的容积，

　　压缩位于所述压缩室内的新鲜充量，同时减小所述压缩室的容积，

　　将被压缩的新鲜充量推入所述流通室内，

　　利用所述流通活塞使所述流通室的容积减小，推出位于所述流通室内的新鲜充量并注入所述动力室内，

　　燃烧位于所述动力室内的新鲜充量，同时增加所述动力室的容积，并同时把热能转换为机械输出动力，及

　　排出燃烧过的充量，同时减小所述动力室的容积，其特征在于

　　所述被压缩的新鲜充量在从所述压缩室流入所述流通室的流动期间被冷却。

2.  根据权利要求1所述的方法，其中

　　复数个串联布置的流通室，每个都由流通活塞所限定，

　　所述被压缩的新鲜充量从所述压缩室被推入所述流通室中的第一个，

　　通过利用所述流通活塞使相应流通室容积减小的方式，所述被压缩的新鲜充量从各个流通室被推出而注入其紧接着的流通室内，并在从各个流通室被推入其紧接着的流通室的流动期间被冷却，及

　　所述被压缩的新鲜充量从所述流通室中的最后一个被推出并注入所述动力室内。

3.  根据权利要求1或2所述的方法，其中燃料在所述进气阀的上游加入所述新鲜充量中，从而当所述进气阀打开时，可燃混合物被推出到所述动力室内，所述可燃混合物在所述动力室内燃烧。

4.  内燃机，包括

　　至少一个动力气缸（22），具有由动力活塞（18）限定的动力室（36），所述动力室具有进气阀（54）和排气阀（50），

　　至少一个压缩气缸（20），具有由压缩活塞（16）限定的压缩室（34），所述压缩室具有新鲜充量进气阀（46），

　　流通装置，具有至少一个由流通活塞（84）限定的流通室（80），所述流通室（80）经由流通通道（92）与所述压缩室（34）连接，所述流通通道内设有流通阀（106），并直接或间接地经由推出通道（96）与所述动力室（36）连接，所述进气阀（54）设置在所述推出通道内，其中

所述活塞（16，18，84）的移动与所述阀（46，106，54）的操作是协调一致的，使得以下步骤被执行：

注入新鲜充量至所述压缩室（34）内，同时利用所述压缩活塞（16）增加所述压缩室（34）的容积，

压缩位于所述压缩室（34）内的新鲜充量，同时利用所述压缩活塞（16）减小所述压缩室（34）的容积，

当所述流通阀（106）打开时，将被压缩的新鲜充量推入所述流通室（80）内，

当所述进气阀（54）打开时，利用所述流通活塞（84）使所述流通室（80）的容积减小，推出位于所述流通室（80）内的新鲜充量并注入所述动力室（36）内，

燃烧位于所述动力室（36）内的新鲜充量，同时利用所述动力活塞（18）增加所述动力室（36）的容积，并同时把热能转换为机械输出动力，及

当所述排气阀（50）打开时，排出燃烧过的充量，同时利用所述动力活塞（18）减小所述动力室的容积；

　　其特征在于

　　所述流通通道（92）穿过冷却器（100）。

5.根据权利要求4所述的内燃机，其中所述流通装置包括复数个串联布置的流通室（80，82），每个都由一流通活塞（84，86）限定；每个流通室与另一个流通室经由穿过冷却器（110）的流通通道（94）而连接，所述流通通道（94）可通过流通阀（116）闭合，且其第一流通室（80）与所述压缩室（34）连接，其最后的流通室（82）与所述动力室（36）连接。

6.  根据权利要求5所述的内燃机，其中流通通道由冷却器（100，110）的热交换通道（102，112）形成，所述热交换通道（102，112）与相邻的室连接，所述流通通道位于贯通口（98，108）内，所述贯通口穿过与各自关联的室交界的壁。

7.根据权利要求5或6所述的内燃机，其中所述流通阀构造为止回阀（106，116），所述止回阀通往各自下游串联布置的流通室。

8.根据权利要求4至6中任一项所述的内燃机，其中所述压缩室或流通室的最小容积小于各自室最大容积的15%。

9.根据权利要求8所述的内燃机，其中所述压缩室或流通室的最小容积小于各自室最大容积的5%。

10.根据权利要求9所述的内燃机，其中所述压缩室或流通室的最小容积小于各自室最大容积的1%。

11.根据权利要求4至6中任一项所述的内燃机，其中与所述压缩室（34）交界的所述流通室（80）的最大容积小于所述压缩室的最大容积，在串联布置的所述流通室（80，82）当中，后面的流通室（82）的最大容积小于各自前面的流通室（80）的最大容积。

12.根据权利要求4至6中任一项所述的内燃机，其中所述压缩活塞（16）与所述动力活塞（18）经由活塞杆与曲轴（10）连接，所述流通活塞或各流通活塞（84，86）可由凸轮（88，90）致动，所述凸轮可由所述曲轴驱动。