CN103228887A - 分置循环空气混合动力v型发动机 - Google Patents

Abstract

公开了一种具有高效率的分置循环空气混合动力发动机，其中压缩汽缸的中心线相对于膨胀汽缸的中心线以非零角定位，使得发动机具有V形的配置。在一个实施例中，各个气缸的中心线与轴线相交，该轴线平行于所述曲轴的旋转轴线，但与之偏离。模块化交叉通道、交叉通过歧管及相关的储气缸阀组件和热调节系统也被公开。

Description

分置循环空气混合动力V型发动机

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年10月1日提交的美国临时专利申请号61/388,716的优先权的权益，其全部内容通过参考并入本文。

技术领域

本发明涉及分置循环发动机(split-cycle engine)，尤其是具有V形配置的分置循环空气混合动力发动机。

背景技术

为了清楚起见，在本申请中使用的术语“传统的发动机”是指发动机的每个活塞/汽缸的组合包含公知的奥托循环的全部四冲程(即，进气、压缩、膨胀和排气冲程)的内燃机。此外，为清楚起见，作为可应用到在现有技术中公开的发动机中的以及在本申请中涉及的术语“分置循环发动机”的定义提供如下。

本文涉及的一种分置循环发动机包括：

围绕曲轴轴线转动的曲轴；

压缩活塞，其可滑动地容纳在压缩汽缸中以及可操作地连接到曲轴，使得压缩活塞通过在曲轴的一个单一旋转中的进气冲程和压缩冲程往复运动；

膨胀(做功)活塞，其可滑动地容纳在膨胀汽缸内以及可操作地连接到曲轴，使得膨胀活塞通过在曲轴的一个单一旋转中的膨胀冲程和排气冲程往复运动；

使压缩汽缸和膨胀汽缸互连的交叉通道(端口)，该交叉通道包括至少一个设置在其中的交叉膨胀(XovrE)阀，但更优选包括交叉压缩(XovrC)阀和交叉膨胀(XovrE)阀，限定其间的压力室。

2003年4月8日授予Scuderi的美国专利6,543,225和2005年10月11日授予Branyon等人的美国专利6,952,923都通过引用并入本文，其均包含了关于分置循环和类似型的发动机的广泛的讨论。此外，这些专利公开了以前版本的发动机的细节，本申请披露了其进一步发展的细节。

分置循环空气混合动力发动机将分置循环发动机与储汽缸及各种控件相结合。这种结合使分置循环空气混合动力发动机能够将能量以压缩空气的形式储存在储汽缸中。储存在储汽缸中的压缩空气随后在膨胀汽缸中用于为曲轴提供动力。

这里所述的分置循环空气混合动力发动机包括：

围绕曲轴轴线转动的曲轴；

压缩活塞，其可滑动地容纳在压缩汽缸中以及可操作地连接到曲轴，使得压缩活塞通过在曲轴的一个单一旋转中的进气冲程和压缩冲程往复运动；

膨胀(作功)活塞，其可滑动地容纳在膨胀汽缸内以及可操作地连接到曲轴，使得膨胀活塞通过在曲轴的一个单一的旋转中的膨胀冲程和排气冲程往复运动；

使压缩汽缸和膨胀汽缸互连的交叉通道(端口)，该交叉通道包括至少一个设置在其中的交叉膨胀(XovrE)阀，但更优选包括交叉压缩(XovrC)阀和交叉膨胀(XovrE)阀，限定其问的压力室；以及

储汽缸，其可操作地连接到交叉通道，并有选择地，可操作用于从压缩汽缸中存储压缩空气和向膨胀汽缸提供压缩的空气。

2008年4月8日授予Scuderi等人的美国专利7,353,786，在此通过参考并入本文，包含关于分置循环空气混合动力和类似型发动机的广泛讨论。此外，该专利公开了现有的混合动力系统的细节，本申请披露了其进一步发展的细节。

参考图1，一般由标号10示出一个示例性的现有技术的分置循环空气混合动力发动机。分置循环空气混合动力发动机10采用压缩汽缸12和膨胀汽缸14的组合取代常规发动机的两个相邻的汽缸。奥托循环的四冲程被两个汽缸12和14“分置”，使得压缩汽缸12连同其相关联的压缩活塞20一起执行进气和压缩冲程，膨胀汽缸14和与之相连的膨胀活塞30一起执行膨胀冲程和排气冲程。因此，曲轴16绕曲轴轴线17每旋转一周(大约360度)，在这两个汽缸12，14中完成一次奥托循环。

在进气冲程过程中，进气通过设置在汽缸盖33中的进气口19被吸入到压缩缸12中。向内开口(开口到汽缸内，朝向活塞)的提升吸入阀18控制进气口19和压缩汽缸12之间的流体连通。

在压缩冲程期间，压缩活塞20使空气加压并驱动空气充入交叉通路(或端口)22，交叉通路(或端口)22通常设置在汽缸盖33中。这意味着压缩汽缸12和压缩活塞20是进入交叉通道22的高压气体的源头，交叉通道22作为膨胀汽缸14的进气通路。在一些实施例中，两个或更多个交叉通路22使压缩汽缸12和膨胀汽缸14互连。

分置循环发动机10的压缩汽缸12(一般用于分置循环发动机)的容积(或几何)压缩比的在这里称为分置循环发动机的“压缩比”。分置循环发动机10的膨胀汽缸14(一般用于分置循环发动机)的容积(或几何)压缩比在这里称为分置循环发动机的“膨胀比”。汽缸的容积压缩比在本领域中公知的定义是：当在这里往复运动的活塞处于其下死点(BDC)位置时汽缸中封闭(或捕获)(包括所有的凹部)的体积与所述活塞处于其上死点(TDC)位置时汽缸中封闭的体积(即，间隙量)之比。具体到本文所定义的分置循环发动机而言，当XovrC阀被关闭时压缩汽缸的压缩比就被确定了。同样具体到本文所定义的分置循环发动机而言，当XovrE阀被关闭时膨胀汽缸的膨胀比就被确定了。

由于压缩汽缸12内具有非常高的容积压缩比(例如，20比1，30比1，40比1，或更大)，在交叉通道入口25处的向外开口(背离汽缸和活塞向外开口)的提升交叉压缩(XovrC)阀24设置用来控制从压缩汽缸12到交叉通路22的流体流动。由于膨胀汽缸14内具有非常高的容积压缩比(例如，20比1，30比1，40比1，或更大)，在交叉通道22的出口27处的向外开口的提升交叉膨胀(XovrE)阀26控制从交叉通道22进入膨胀汽缸14的流动。XovrC阀24和XovrE阀26的驱动率和相位被同步，从而在奥托循环的所有的四冲程中保持交叉通道22在一个高的最低压力(通常在满负荷时是20bar或更高)。

至少一个燃料喷射器28在交叉通道22的出口末端处(与XovrE阀26开口对应)将燃料喷射到加压空气中，这发生在膨胀活塞30到达其上死点位置不久之前。膨胀活塞30到达其上死点位置后不久，空气/燃料进入膨胀汽缸14。随着活塞30开始从其上死点位置下降，而XovrE阀26仍然是打开的，包括伸入汽缸14中的火花塞尖端39的火花塞32会点火以启动火花塞尖端39的周围区域中的燃烧。当膨胀活塞超过其上死点(TDC)位置大约1度到30度之间时，燃烧被启动。更优选的是，当膨胀活塞超过其上死点(TDC)位置大约5度到大约25度之间时，燃烧被启动。最优选的是，当膨胀活塞超过其上死点(TDC)位置大约10度到20度之间时，燃烧被启动。此外，燃烧可以通过其它点火装置和/或方法被启动，如电热塞，微波点火装置，或通过压缩点火方法启动。

在排气冲程的过程中，废气通过设置在汽缸盖33的排气口35被泵出膨胀汽缸14。设置在排气口35的入口31处的向内开口的提升排气阀34控制膨胀汽缸14和排气口35之间的流体连通。排气阀34和排气口35与交叉通道22是分开的。也就是说，排气阀34和排气口35不与交叉通道22接触。

在分置循环发动机的概念中，压缩汽缸12和膨胀汽缸14的几何发动机参数(例如内孔，冲程，连接杆的长度，容积压缩比等)通常是相互独立的。例如，压缩汽缸12的曲柄曲轴36和膨胀汽缸14的曲柄曲轴38分别可以具有不同的半径，并可以定相为彼此远离，使得膨胀活塞30的上死点(TDC)先于压缩活塞20的TDC发生。这种独立性使分置循环发动机10比典型的四冲程发动机能达到更高的效率水平和更大的扭矩。

分置循环发动机10的发动机参数的几何独立性也是交叉通道22的压力被保持(如前面所讨论的)的一个主要的原因。具体而言，膨胀活塞30到达其上死点位置比压缩活塞到达其上死点位置早一个不显眼的相位角(通常在10到30度之间的曲柄角度)。这个相位角连同XovrC阀24和在XovrE阀26适当的同步使分置循环发动机10能够使交叉通道22中的压力在压力/体积循环的所有四冲程中维持在一个高的最低压力(通常为20巴绝对压力或全负载运行期间更高的压力)。即，分置循环发动机10可操作使得XovrC阀24和XovrE阀26同步，从而使得XovrC阀和XovrE阀在一段相当的时间周期(或曲轴旋转周期)内都打开，在此期间内膨胀活塞30从TDC位置向BDC位置下降，压缩活塞20同时从其BDC位置向它的TDC位置上升。在交叉阀24，26都打开的时间周期(或曲轴旋转期间)，大致相等质量的气体被(1)从压缩汽缸12转移到交叉通路22和(2)从交叉通道22转移至膨胀汽缸14。因此，在此期间，可以防止交叉通路中的压力降低至低于一个预定的最小压力(通常在全负载运行期间为20，30，或40巴绝对压力)。此外，在进气和排气冲程的大部分(通常为整个进气和排气冲程的90％或更大)中，XovrC阀24和XovrE阀26均闭合以使得交叉通道22中俘获气体的质量维持基本恒定的水平。结果是，在发动机的压力/容积循环的所有的四冲程中，交叉通道22中的压力被保持在一个预定的最小压力。

为了本发明的目的，这里提到的在膨胀活塞30从TDC下降而压缩活塞20朝向TDC上升的时候打开XovrC阀24和XovrE阀26，以便同时传输大致相等质量的气体流入和流出交叉通道22的方法本文中称为气体转移的推挽方法(Push-Pull method)。当发动机工作在满负荷运行时，这种推挽方法使分置循环发动机10的交叉通道22中的压力在发动机循环的所有四冲程期间维持在通常为20巴或更高。

正如前面所讨论的，排气阀34被设置在与交叉通道22分开的汽缸盖33的排气口35中。优选地，排气阀34的结构布置不设置在交叉通道22中，因此排气口35没有与交叉通道22共享任何共同部，以在排气冲程期间保持交叉通道22中被困气体的质量。因此，避免了可能迫使交叉通路中的压力低于预定的最小压力的大的循环的压力降低。

XovrE阀26在膨胀活塞30到达其上死点位置之前不久打开。此时，由于在交叉通路的最小压力通常为20巴绝对压力或更高以及在排气冲程期间膨胀汽缸的压力通常是大约一到两个巴绝对压力这样的事实，交叉通道22中的压力与膨胀汽缸14中的压力的压力比是高的。换句话说，当XovrE阀26打开时，交叉通道22中的压力基本上高于膨胀汽缸14中的压力(通常为20比1或更大)。这种高压力比导致空气和/或燃料的初始流量高速流入膨胀汽缸14。这些高的流动速度可以达到声音的速度，这被称为为音速流。音速流对分置循环发动机10是特别有利的，因为它会导致快速燃烧，从而使分置循环发动机10即使在膨胀活塞30从它的上死点中心位置下降时启动点火也能保持高的燃烧压力。

分置循环空气混合动力发动机10还包括储气缸(罐)40，它通过储气缸阀42可操作地连接到交叉通道22。具有两个或更多个交叉通道22的实施例中每个交叉通道22均可包括储气缸阀42，交叉通道22连接到一个共同的储气缸40，或者备选地每个交叉通道22可以可操作地连接到单独的储气缸40。

储气缸阀42通常是设置在空气罐端口44，从交叉通道22延伸到空气罐40。空气罐端口44被分成第一空气罐端口部46和第二空气罐端口部48。第一空气罐端口部46将储气缸阀42连接到交叉通路22，第二空气罐端口部48将储气缸阀42连接到空气罐40。

第一空气罐端口部46的体积包括在储气缸阀42关闭时将储气缸阀42连接到交叉通道22的所有附加的凹部的体积。优选地，第一空气罐端口部46的体积相对于交叉通路22的体积是小的(例如，低于约20％)。更优选地，第一空气罐端口部46基本上是不存在的，也就是说，储气缸阀42最优选被布置，使得它相对交叉通道22的外壁平齐。

储气缸阀42可以是任何合适的阀装置或系统。例如，储气缸阀42可以是压力激活的单向阀，或可以被各种阀门致动器激活的主动阀(例如，气动，液压，凸轮，电动等)。此外，储气缸阀42可以包括罐阀门系统，具有两个或多个阀门，由两个或更多个致动装置致动。

如在上述Scuderi等的美国专利7,353,786中所述，空气罐40被用来以压缩空气的形式存储能量，并随后使用该压缩空气驱动曲轴16。这种用于存储势能的机械装置超过现有技术的当前状态，提供了许多潜在的优点。例如，与市场上的其他技术如柴油发动机和电动混合动力系统相比，分置循环发动机10可以潜在地提供许多好处，包括以相对低的制造和废物处理成本获得燃料效率提高和减少氮氧化物排放量。

空气混合分置循环发动机10可以在正常操作模式(被称为发动机点火模式(EF)或正常击发(NF)模式)和四个基本的空气混合模式运行。在EF模式中，发动机10的功能通常如先前详细描述的，无需使用空气罐40运行。在EF模式，储气缸阀42保持关闭，以从基本分置循环发动机10隔离空气罐40。

在四个混合模式中，发动机10的操作使用其空气罐40。四个混合模式是：

1、空气膨胀器(AE)模式，其包括在不燃烧的情况下使用来自空气罐40的压缩空气能量；

2、空气压缩机(AC)模式，其包括在不燃烧的情况下向空气罐40存储压缩空气能量；

3、空气膨胀和燃烧(AEF)模式，其包括在燃烧的情况下使用来自空气罐40的压缩空气能量；

4、燃烧和充气(FC)模式，其包括在燃烧的情况下向空气罐40存储压缩空气能量。

在分置循环发动机10中，压缩汽缸12和膨胀汽缸14定位在一条直线上，彼此共享一个共同的汽缸盖33，交叉通道22形成在汽缸盖33上。此外，公共的汽缸盖33必须包括多个冷却通道(未示出)，使发动机冷却液被泵送通过汽缸盖33，将热量从压缩汽缸12、膨胀汽缸14和交叉通路22移除。由于交叉通道22与汽缸盖33一体地形成，相对于汽缸12，14独立地控制交叉通道22(和其中的流体)的温度是非常困难的。

此外，汽缸盖33中的可用空间的相对缺乏对交叉通路22和储气缸控制阀42施加了不希望的尺寸和形状方面的限制。例如，交叉通道22或将阀42连接至交叉通道22的第一空气罐端口部46可能不得不被弯曲，以避免突破或变得过于接近各种冷却通道。弯曲的交叉通道将超过所需的长度，这会增加其中的热量损失并降低效率。弯曲的第一罐端口部46将不被期望地与交叉通道的体积结合，进而减少交叉通道中的压力，并降低效率。此外，公共的汽缸盖可能变得如此拥挤，以至于在不突破或太接近一些冷却通道的情况下将罐阀42连接到交叉通道22可能会变得非常困难(如果不是几乎不可能)。

更进一步地，通常用于在汽缸盖33上形成交叉通道22的铸造过程在制造之后留下了人工制造物，其干扰交叉通道22中的空气流动并不期望地限制交叉通道22的形状和尺寸。因此，需要改进分置循环发动机的配置。

发明内容

公开了一种具有改进效率的分置循环空气混合动力发动机，其中压缩汽缸的中心线被定位在相对于膨胀汽缸的中心线非零角的位置上，使得发动机的汽缸具有V形的配置。各个汽缸的中心线实际上并不真的形成一个“V”，因为它们通常不彼此相交。相反，通常中心线在所述曲轴的轴向方向上(即，为了容纳每个汽缸各自的曲柄曲轴的厚度)彼此隔开。但是当沿着所述曲轴的旋转轴线观察时，中心线具有“V”型的外观。在一个实施例中，各汽缸的中心线与曲轴的旋转轴线相交，使得V的顶点形成在所述曲轴的旋转轴线上。

在另一个实施例中，压缩汽缸和膨胀汽缸中的一个或两个的中心线是“偏移”的，这意味着中心线与所述曲轴的旋转轴线不相交。在本实施例中，优选的是，汽缸的中心线与一条位于所述曲轴的旋转轴线的下方(即，相对于所述曲轴的旋转轴线定位于汽缸的相对侧)的线(即，V的顶点形成在该线上)相交。可任选地，V的顶点所在的线与所述曲轴的旋转轴线平行。还公开了模块化交叉通道、交叉通道歧管、热调节系统以及相关的储气缸阀组件。

在本发明的至少一个实施例的一个方面，提供一个V形分置循环空气混合动力发动机，包括具有中心线的压缩汽缸，压缩汽缸的中心线相对于膨胀汽缸的中心线以非零角度定位。在一个实施例中，非零角度是在大约10度到大约120度的范围内。非零角度也可以选自由约30度、约45度和约60度组成的组中。

在本发明的至少一个实施例的另一个方面中，提供分置循环发动机，包括耦合到压缩汽缸的第一汽缸盖，耦合到膨胀汽缸的第二汽缸盖，和至少一个交叉通道，其形成在第一和第二汽缸盖的外部并配置为选择性地在第一和第二汽缸盖之间传输流体。

在一个实施例中，所述发动机是空气混合动力发动机，所述至少一个交叉通道包括储气缸阀，用于选择性使储气缸与第一或第二汽缸盖流体连通。所述至少一个交叉通道可包括第一和第二交叉通道，每个交叉通道具有相关的交叉压缩阀和交叉膨胀阀。交叉压缩阀和交叉膨胀阀的可以向外开口。在一个实施例中，储气缸阀向外开口。

在本发明的至少一个实施例的另一个方面中，提供分置循环空气混合动力发动机，包括绕曲轴轴线旋转的曲轴和具有从曲轴轴线偏移的中心线的压缩汽缸，曲轴轴线与偏移轴线相交，偏移轴线与曲轴轴线平行并从曲轴轴线偏移。发动机还包括具有与偏移轴线相交的中心线的膨胀汽缸，当沿着偏移轴线的角度观察时，压缩汽缸的中心线相对于膨胀汽缸的中心线以非零角度定位。

在本发明的至少一个实施例的另一个方面中，提供分置循环空气混合动力发动机，包括绕曲轴轴线旋转的曲轴，偏移以使得第一汽缸的中心线不与曲轴轴线相交的第一汽缸，以及具有中心线的第二汽缸，其中所述的第一汽缸的中心线相对于第二汽缸的中心线以非零角度定位。第一汽缸可以是压缩汽缸或第一汽缸可以是膨胀汽缸。在一个实施例中，第二汽缸被偏移，使得所述第二汽缸的中心线不与曲轴轴线相交。

在本发明的至少一个实施例的另一个方面中，提供了分置循环发动机，包括耦合到压缩汽缸的第一汽缸盖，耦合到膨胀汽缸的第二汽缸盖，和一个热调节交叉歧管，其被配置为选择性地在第一和第二汽缸盖之间传输流体。该歧管包括至少一个绝热交叉通路和至少一个冷却交叉通路。在一个实施例中，歧管包括多个阀，该阀配置为根据所述发动机的运行状态以选择性地通过所述至少一个冷却交叉通道或至少一个绝热交叉通道转移流体。该发动机还可以包括一个或多个流体夹套，发动机冷却液通过该夹套流动，一个或多个流体夹套被设置在靠近所述至少一个冷却交叉通路。也可以提供一种配置在至少一个绝热交叉通道周围的绝热材料。在一个实施例中，绝热材料是一种陶瓷。绝热交叉通道也可以被加热。

附图说明

从下面的详细描述并结合附图，本发明将得到更充分的理解，附图为：

图1是现有技术的分置循环空气混合动力发动机的示意性横剖视图；

图2是按照本发明的分置循环空气混合动力发动机的一个实施例的立体剖视图；

图3是图2的分置循环空气混合动力发动机的横截面轮廓；

图4是图2和图3的分置循环空气混合动力发动机的沿图3中的4-4线截取的横截面的平面图；

图5是根据本发明的具有偏移的汽缸中心线的分置循环空气混合动力发动机的另一个实施例的横截面轮廓图；

图6是图4的储气缸阀组件的沿图4中6-6线截取的局部横截面轮廓图；

图7是图4的储气缸阀组件的沿图4中7-7线截取的立体图；

图8是根据本发明的具有热调节交叉歧管的分置循环空气混合动力发动机的另一实施例的立体剖视图；

图9是图8的具有交叉通道和一组在第一配置中的控制阀的发动机的热调节交叉歧管的示意性剖视图；

图10是图8的具有一组在第二配置中的控制阀的发动机的交叉歧管的示意性剖视图；

图11是根据本发明的具有热调节交叉歧管的分置循环空气混合动力发动机的另一实施例的立体剖视图；

图12是图11的具有交叉通道和一组在第一配置中的控制阀的发动机的热调节交叉歧管的示意性剖视图；以及

图13是图11所示的具有一组在第二配置中的控制阀的发动机的交叉歧管的示意性剖视图。

具体实施方式

现在将描述一些示例性实施例，以提供一个本发明公开的装置和方法的结构原理、功能、制造和使用的整体理解。这些实施方式的一个或多个示例在附图中示出。本领域的技术人员会理解这里具体描述的和示出在附图中的装置和方法是非限制性的示例性实施例，本发明的保护范围仅由权利要求书定义。一个示例性实施例中示出或描述的与该实施例有关的特征可与其它实施例中的特征相结合。这样的修改和变化也都被包括在本发明的范围之内。

图2-4示出了根据本发明的分置循环空气混合动力发动机200的一个示例性实施例。发动机200通常包括发动机缸体202，绕曲轴轴线(或旋转轴线)228旋转的曲轴204，第一和第二汽缸盖206，208，第一和第二交叉通道210，212，和一个储气缸214。

如图3所示，发动机缸体202限定至少一个压缩汽缸216和至少一个膨胀汽缸218。如该图所示，压缩和膨胀汽缸216，218的中心线被定位在一个相对于彼此的非零的角度A上，使得沿着曲轴轴线228观察时，发动机200定向为一个V形的配置。角度A可以是约0.1度和大约180度之间，在约5度至约150度之间，在大约10度和大约120度之间，在大约15度和大约90度之间，在大约30度和大约60度之间，在约10度和约30度之间，大约60度和大约90度之间，和/或在约45度和约55度之间。例如，该角度A可以是0.1度，15度，30度，45度，60度，75度，90度，105度，120度，150度，165度，或者180度。在图示的实施例中，压缩和膨胀汽缸216，218定向为相对于彼此的角度A为约54度。

将会理解的是，发动机200可包括几乎任何数量的压缩和/或膨胀汽缸，压缩汽缸的数目不一定等于膨胀汽缸的数目。在本实施例中，发动机200包括压缩汽缸和膨胀汽缸。奥托循环的四冲程被压缩和膨胀汽缸“分置”，使得压缩汽缸216包含进气和压缩冲程，膨胀汽缸218包含膨胀和排气冲程。因此曲轴每完成一次旋转(大约360°)压缩和膨胀缸216，218就完成一次奥托循环。

汽缸216，218的上端部由各自的汽缸盖206，208封闭。压缩和膨胀汽缸216，218分别接收作往复运动的压缩活塞220和膨胀(或“作功”)活塞222。第一汽缸盖206、压缩活塞220和压缩汽缸216在压缩汽缸216中限定可变体积的压缩室224。第二汽缸盖208、膨胀活塞222和膨胀汽缸218在膨胀汽缸218中限定可变容积的燃烧室226。

具有分离的、定向为V形配置的汽缸盖206，208允许更好地访问交叉通路210，212，这使得更容易附加储气缸阀260于此，从而促进储气缸214的构造更便利。

这种配置还避免了在常见的汽缸盖33上形成交叉通道的必要性，如将在下面详细讨论的，这使得交叉通道能够相对于压缩和膨胀汽缸进行独立的热控制。发动机200的V形结构使得交叉通道210，212的主要部分位于第一和第二汽缸盖206，208之外，例如，在一个单独的交叉通道的歧管(图中未示出)中。因此，可以为交叉通道设计单独的冷却通道，使得交叉通道周围的区域更开放和更容易接近。这意味着交叉通道可以作的更直，更短，这将减少热损失和提高发动机效率。此外，一个或多个储气缸阀260可以更容易地装配到交叉通路210，212，并且连接到储气缸214也只在撞击或太接近冷却通道上有一点小的结构上的问题。此外，可以直接连接到储气缸214上，储气缸阀260可以与交叉通道210，212的外表面齐平安装，以进一步增加交叉通道压力和发动机效率。

曲轴204枢接到发动机缸体202中，绕曲轴轴线228旋转，并包括轴向置换和角度偏移的第一和第二曲轴曲柄230，232，它们之间具有相位角。第一曲柄230由第一连接杆236可枢转地接合到压缩活塞220，和第二曲柄232通过第二连接杆238可枢转地接合到膨胀活塞222，以分别使活塞220，222在各自的汽缸216，218中根据曲柄230，232的相位角度偏移、汽缸216，218、曲轴204和活塞220，222的几何关系确定的同步关系作往复运动。如果需要的话，可以利用活塞220，222运动和同步有关的替代机制。

汽缸盖206，208包括各种通道，出口和阀门，适合完成分置循环空气混合动力发动机200的预期目的。在图示的实施例中，第一，压缩侧汽缸盖206被设置，包括向内开口的进气阀门240，用于控制进气口242和压缩缸216之间的流体流动。汽缸盖206还包括在各自的交叉通道210，212的入口处第一和第二向外打开的提升交叉压缩(XovrC)阀244，246，分别用于控制压缩汽缸216和交叉通道210，212之间的流体流动。

在进气冲程过程中，进气通过进气口242被抽出，经由进气阀240进入压缩汽缸216。在压缩冲程期间，压缩活塞220向空气料加压，驱动空气料充入交叉通路210，212，其作为膨胀汽缸218的进气通道。

图中所示的发动机200还包括第二膨胀侧汽缸盖208。汽缸盖208包括在各自的交叉通道210，212的出口处的第一和第二向外打开的提升交叉膨胀(XovrE)阀248，250，其控制交叉通道210，212和膨胀汽缸218之间的流体流动。汽缸盖208还包括向内开口的提升排气阀252，用于控制膨胀汽缸218和排气口254之间的流体流动。

一个或多个燃料喷射器(未示出)在交叉通道210，212的出口端处，分别对应于各自的XovrE阀248，250的打开，将燃料喷射到加压空气中。可选地，或附加的，燃料可以直接喷射到膨胀汽缸218和/或直接喷射到其中一个或全部两个交叉通道210，212。膨胀活塞222达到其TDC位置后不久，燃料-空气料全部进入膨胀汽缸218。随着活塞222开始从它的TDC位置下降，而同时一个或多个XovrE阀248，250仍然是打开的，一个或多个火花塞(未示出)打火触发启动燃烧(通常在膨胀活塞222的TDC位置之后，介于大约10至20度之间)。火花塞安装在汽缸盖208上，带有伸入燃烧室226的电极，用于通过点火控制在精确的时间点燃空气燃料(图中未示出)。应当理解，发动机200也可以是柴油发动机，可不用火花塞运行。此外，发动机200可被设计为适合于采用任何一般往复式活塞发动机适用的燃料运行，如氢气或天然气。

火花塞点火后，XovrE阀248，250在产生的燃烧事件进入交叉通道210，212之前被关闭。燃烧事件驱动膨胀活塞222在作功冲程中向下方运动。废气被泵出膨胀汽缸222，在排气冲程期间经排气阀252通过排气口254。

交叉通路210，212可具有各种配置。尽管所示的发动机200包括两个交叉通道210，212，它也可以仅具有一个单一的交叉通路，或者可以具有两个以上的交叉通道。

所示的交叉通道210，212一般包括细长的空心流体管，具有形成在任一端上的安装法兰256，用于将交叉通路210，212安装到汽缸盖206，208。交叉通路210，212还包括至少一个储气缸阀组件258，其容纳至少一个储气缸阀260(参见图3)，如在下面进一步详细讨论的那样。在图示的实施例中，该交叉通路210，212具有大致圆形的横截面，虽然不脱离本发明的范围的情况下，可以使用几乎任何横截面形状。例如，交叉通道可以具有椭圆的横截面。交叉通路210，212一般可以如图所示是直的，或者可以包括一个或多个弯曲部或弯头。在一个实施例中，交叉通道的尺寸和形状使得它们具有不同的内部容积，以适应不同的发动机负荷范围的流量。例如，交叉通道210的尺寸可能是交叉通道212的大约一半的体积。因此，体积小的通道210可以主要用于发动机负载范围内的下三分之一，体积较大的通道212可主要用于发动机负载范围内的中间三分之一，合并的通道210，212可以主要用于发动机负载范围内的上三分之一。

交叉通路210，212的储气缸阀组件258控制交叉通路210，212和储气缸214之间的流体流动。储气缸214的尺寸适于从压缩活塞220的多个压缩冲程中接收和存储压缩空气能量，并有利于发动机200在各种空气混合模式中的任一个中的操作，如下面所述。可以理解每个交叉通路210，212可以被耦合到其各自的储气缸和/或如图所示，和/或可以被耦合到一个单一的共享储气缸214。

发动机200中的阀(即，进气阀240，XovrC阀244，246，XovrE阀248，250，排气阀252，储气缸阀260等)通常由凸轮轴致动(图中未示出)，凸轮轴具有用于分别直接地或通过一个或多个中间元件致动和接合阀门的凸轮凸角。每个阀都可以有其自己的凸轮和/或它自己的凸轮轴，或两个或多个阀可以由共同的凸轮和/或凸轮轴致动。可选地，一个或多个阀可以是机械的、电子的、气动的和/或液压驱动的等多种类型。

发动机200能够以上述任何一种空气混合动力模式(即，AE，AC，AEF，和FC模式)运行。

在现有的分置循环发动机中，膨胀和压缩汽缸各自的中心线通常彼此平行，并与所述曲轴的旋转轴线相交，如图1所示。而在如图3所示的发动机200中，压缩汽缸216的中心线262和膨胀汽缸218的中心线264不是彼此平行，而与曲轴204的旋转轴线228交叉。但是这并不总是需要的情况。换句话说，压缩汽缸和膨胀汽缸中的一者或两者可以“偏移”，这意味着它们的中心线不与曲轴的旋转轴线相交。在这样的实施例中，优选的是，汽缸的中心线与位于所述曲轴的旋转轴线下方(即，相对于所述曲轴的旋转轴线位于汽缸相对侧)的线(即，其上形成V的顶点的线)相交。可任选地，V的顶点形成在其上的线与所述曲轴的旋转轴线平行。例如，图5示出分置循环空气混合动力发动机200′，其中压缩和膨胀汽缸216′，218′的中心线262′，264′与曲轴轴线228′不相交。相反，中心线262′，264′与偏移轴线266′相交，轴266′平行于曲轴轴线228′，但偏离于曲轴轴线228′。这有利地减少了活塞裙部与汽缸壁之间的摩擦。此外，这允许V形发动机缸体202′的角度A′降低，从而允许更短的交叉通道210′，212′。交叉通路210′，212′越短，通道内的压降和热损失越小，能够增加发动机的效率。不脱离本发明的范围的情况下，可以使用各种各样的偏移量(即，曲轴轴线228′和偏移轴线266′之间的距离)。

图6-7示出了根据本发明的储气缸阀组件258实施例。如图所示，阀组件258通常包括纵向的管状部分268，其被配置为与交叉通路(即，交叉通道210，212)同轴。在一个实施例中，阀组件258与交叉通路一体地形成。或者，交叉通路可以包括第一和第二部分，每一部分耦合到阀组件258的纵向的管状部分268相应的端部。管状部分268包括阀座270，用于与储气缸阀260的阀头272形成密封接合。在图示的实施例中，储气缸阀260是向外开口(即，从管状部分268的内部向外开口)的提升阀，具有阀头272和阀杆274。阀杆274延伸穿过阀组件258的横向部276，其向上延伸并远离管状部分268。横向部分276的内部和管状部分268的内部之间的流体连通通过致动储气缸阀260选择性地建立。横向部分276的端部与管状部分268相对，直接地或通过一个或多个中间结构，如管，阀等被耦合到储气缸(未示出)。

阀杆274可滑动布置地延伸通过横向部276的侧壁，使得设置在横向部分276外侧的凸轮或其他的阀门致动器可以使阀杆274直线运动。提供本领域中已知的密封部件，以允许阀杆274相对于横向部分276滑动，而不允许横向部分276内的加压流体从阀杆274的表面四周流出。可以理解，可以使用各种其他的阀和/或其他类型的容器，以选择性地使储气缸与一个或多个交叉的通道流体连通。

如上所述，在汽缸盖的外部形成交叉通路有利地允许交叉通道独立的热调节。图8示出了分置循环空气混合动力的V形发动机300的一个实施例，其中采用热控制系统根据各种发动机运行参数调节交叉通道的温度。如图所示，发动机300包括热调节交叉通道歧管378，其中形成4个交叉通道380，382，384，386。可以理解的是，这种交叉通路歧管的使用并不限于V形分置循环发动机，本文所描述的歧管也可用于传统的内联分置循环发动机。在歧管378中的每个通道有它自己的储气缸阀组件358。同样，所示的交叉通道和储气缸阀的数目仅仅是示例性的，并且不脱离本发明的范围的情况下，可以使用任意数量的交叉通道和/或储气缸阀。交叉通道380，382共享一个共同的XovrC阀344和一个共同的XovrE阀348。同样，交叉通道384，386共享一个共同的XovrC阀346和共同的XovrE的阀350。在其它实施例中，每个交叉通道包括其自己独特的XovrC和/或XovrE阀，或一个单一的XovrC阀或XovrE阀被两个以上的交叉通道共享。

图9示出了交叉歧管378的横截面视图。如图所示，歧管378的端部用螺栓固定到所述第一和第二汽缸盖306，308。歧管378包括第一和第二XovrC入口388，390，流体流动分别由XovrC阀344，346通过第一和第二XovrC入口388，390控制。歧管378还包括第一和第二XovrE出口392，394，流体流动分别由XovrE阀348，350通过第一和第二XovrE出口392，394控制。可调球形阀391，395分别被设置在歧管入口388，390，可调球阀393，397被分别设置在歧管出口392，394。球阀391，393的配置是可调节的，以选择性地引导流体通过交叉通道380或交叉通道382进入入口388。同样，球阀395，397的配置是可调节的，以有选择地引导流体通过交叉通路384或交叉通路386进入入口390。可以采用任何本领域中已知的各种装置来改变球阀391，393，395，397的配置，包括机械的、液压的、电磁的和/或气动致动器。此外，图示的球阀只是本发明可以采用的一个示例性类型的阀门，本技术领域的普通技术人员将会理解，在不脱离其本发明的范围的情况下，可以使用各种已知的阀类型中的任何一个。阀391，393，395，397可以选择双位阀。在一个实施例中，交叉通道之间的切换可发生在多个(即，几十，几百，等)发动机循环中，这意味着阀391，393，395，397不一定必须是快速动作的，并可以代替为更慢、更持久的或便宜的品种。

交叉通路380，384包括通常用于保持或提高设置在通路中的或穿过通路的流体的温度的装置。在图9所示的实施例中，交叉通路380，384装在热绝缘体396中，所述热绝缘体396经配置以维持交叉通道380，384内的发动机的热量。各种绝热材料中的任何一种都可以被用于此目的，包括但不限于陶瓷、凯夫拉尔纤维、塑料、复合材料和类似物。此外，交叉通路380，384可以是真空衬里的(即，可以设置在其中产生真空的外管中)。发动机300还可以任选地包括主动加热元件。例如，高温的废气可以通过在交叉通路380，384旁边形成的空气通道被循环，或可以用来加热油或其它流体，然后被加热的油或其它流体可以被泵送通过临近交叉通路380，384的流体夹套。在一个实施例中，该交叉通路380，384可以包裹在电加热线圈中。

交叉通路382，386包括通常用于降低设置在通路中或穿过通路的流体的温度的装置。如图所示，流体夹套398形成在接近交叉通道382，386的歧管378中。发动机冷却液或其它流体通过流体夹套398循环，冷却交叉通道382，386。被冷却的交叉通道382，386也可以包括其他的冷却机制，如散热片或风扇，并可以任选地由已知的能快速散热的材料(例如铝)制作。

发动机300还包括热控制计算机(未示出)和各种相关联的传感器、自动调温器、致动器和/或其他控件，以便精确的控制温度。

在操作中，该球阀391，393，395，397被选择性地致动，使得从压缩汽缸流向膨胀汽缸的流体根据需要或者是绝热的，或者被加热，或被冷却，以提高发动机300的效率。例如，当发动机300第一次启动还没有达到工作温度时，阀391，393，395，397设置在第一配置中，如图9所示，使得在压缩汽缸中被压缩的流体通过绝热的交叉通道380，384循环，在进入膨胀汽缸之前被加热和/或绝热。在此配置中的流体的流动由图示的箭头所示。当发动机300在低负荷之下运行时(例如，当发动机工作在满负荷的70％左右以下)，这种配置也被使用。通过加热和/或绝热到达膨胀汽缸之前的进料空气料，交叉通路的压力被维持在较高的水平，从而提高了整体的效率。

当发动机300在高负载运行时(例如，当发动机运行在超出它的额定负载的大约70％时)，最好是在空气料进入膨胀汽缸之前对其进行冷却，以防止过早燃烧并提高输出功率。因此，阀391，393，395，397被设置在第二配置中，如图10所示，使得在压缩汽缸中被压缩的流体通过冷却的交叉通道382，386循环。在此配置中的流体的流动由图示的箭头所示。通过冷却到达膨胀汽缸之前的进料空气料，空气料的温度和压力被降低，这有利地防止了过早点火和爆震。冷却的交叉通道382，386可以任选地不设储气缸阀358，因为在冷却交叉通道382，386被使用的条件下，在空气混合模式下运行可能是不被希望的。

图11示出了另一种实施例的分置循环空气混合动力发动机400，其中采用了热控制系统，以根据各种发动机运行参数调节交叉通道的温度。发动机400与上面所讨论的图8-10所示的发动机300是基本相同的，除了在发动机400中的歧管478只有三个交叉通道480，484，499。换言之，发动机300包括两个冷却的交叉通道382，386，而引擎400只有单个冷却的交叉通路499。因此，如图12所示，发动机400包括第一和第二绝热交叉通路480，484和中央冷却交叉通路499。可以理解引擎400可以可选地具有第一和第二冷却交叉通道，而绝热的交叉通道可能被合并到单个通道中。

在操作中，发动机400的操作方式与上述的发动机300基本相同。在低负载和/或低速运行时，或在发动机启动/热机时，一系列的阀491，493，495，497如图12所示的那样配置，引导流体从压缩汽缸通过绝热的交叉通道480，484，以在进入膨胀汽缸之前绝热或加热流体。在高负载和/或高速运转时，阀491，493，495，497被如图13所示的那样配置，引导流体从压缩汽缸通过中央冷却交叉通道499，从而在进入膨胀汽缸之前冷却所述流体。

本文所公开的发动机200，200′，300，400被配置为可以在很宽的发动机速度范围内可靠地工作。在某些实施例中，根据本发明的发动机能够运行在高达至少约4000转每分钟的速度，优选至少约5000转每分钟的速度，更优选至少约7000转每分钟的转速。

虽然本发明已参照特定的实施例描述，但应当理解，在本发明描述的概念的精神和范围内可以作出许多改变。例如，一个或多个交叉阀或储汽缸阀可以是向内开的。也可以有四个以上的交叉阀，和两个以上的交叉通道。此外，本文所公开的发动机不一定是空气混合动力发动机，V形的配置同样可以应用到非混合动力分置循环发动机。这些变化仅仅是示例性的，在不脱离本发明范围的情况下可以作出其他变更。因此，本发明不局限于所描述的实施例，由下面的权利要求的语言限定全部的范围。

Claims (20)

1.一种V形分置循环空气混合动力发动机，包括：

压缩汽缸，具有相对于膨胀汽缸的中心线以非零角度定位的中心线。

2.根据权利要求1所述的发动机，其中所述非零角度在约10度至约120度的范围内。

3.根据权利要求1所述的发动机，其中所述非零角度选自由约30度、约45度和约60度组成的组中。

4.一种分置循环发动机，包括：

耦合到压缩汽缸的第一汽缸盖；

耦合到膨胀汽缸的第二汽缸盖；

至少一个交叉通道，其形成在第一和第二汽缸盖的外部，以及配置为选择性地在第一和第二汽缸盖之间传输流体。

5.根据权利要求4所述的发动机，其中所述发动机是空气混合动力发动机，所述至少一个交叉通道包括储气缸阀，用于选择性地使储气缸与第一或第二汽缸盖流体连通。

6.根据权利要求5所述的发动机，其中所述至少一个交叉通路包括第一和第二交叉通道，每个交叉通道都具有相关的交叉压缩阀和交叉膨胀阀。

7.根据权利要求6所述的发动机，其中所述交叉压缩阀和交叉膨胀阀向外开口。

8.根据权利要求5所述的发动机，其中所述储气缸阀向外开口。

9.一种分置循环空气混合动力发动机，包括：

绕曲轴轴线旋转的曲轴；

压缩汽缸，具有与偏移轴线相交的中心线，所述偏移轴线平行于曲轴轴线并从曲轴轴线偏移；

膨胀汽缸，具有与偏移轴线相交的中心线；

其中所述压缩汽缸的中心线相对于膨胀汽缸的中心线以非零角度定位。

10.根据权利要求9所述的发动机，其中所述偏移轴线相对于曲轴轴线位于压缩汽缸和膨胀汽缸的对面。

11.一种分置循环空气混合动力发动机，包括：

绕曲轴轴线旋转的曲轴；

第一汽缸，其被偏移，使得第一汽缸的中心线不与曲轴轴线相交；

具有中心线的第二汽缸，其中所述第一汽缸的中心线相对于第二汽缸的中心线以非零角度定位。

12.根据权利要求11所述的发动机，其中所述第一汽缸是压缩汽缸。

13.根据权利要求11所述的发动机，其中所述第一汽缸是膨胀汽缸。

14.根据权利要求11所述的发动机，其中所述第二汽缸被偏移，使得所述第二汽缸的中心线不与曲轴轴线相交。

15.一种分置循环发动机，包括：

耦合到压缩汽缸的第一汽缸盖；

耦合到膨胀汽缸的第二汽缸盖；

歧管，其被配置为选择性地在第一和第二汽缸盖之间传输流体，所述歧管包括至少一个绝热的交叉通路和至少一个冷却的交叉通路。

16.根据权利要求15所述的发动机，其中所述歧管包括多个阀，所述多个阀配置为根据发动机的运转状态，选择性地通过所述至少一个冷却的交叉通道或所述至少一个绝热的交叉通路转移流体。

17.根据权利要求15所述的发动机，还包括一个或多个流体夹套，发动机冷却液流动通过流体夹套，所述一个或多个流体夹套被设置在接近所述至少一个冷却的交叉通路处。

18.根据权利要求15所述的发动机，还包括设置在所述至少一个绝热的交叉通路周围的绝热材料。

19.根据权利要求18所述的发动机，其中所述绝热材料是陶瓷。

20.根据权利要求15所述的发动机，其中所述至少一个绝热的交叉通路被加热。

Images