CN103228888A - 分开循环发动机的排气阀的正时 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的发动机、发动机部件、以及相关方法一般涉及在打开跨接膨胀阀之前，关闭排气阀，其中废气和其他燃烧产物通过排气阀被排出分开循环发动机的膨胀缸，而新加入的空气和/或燃料通过跨接膨胀阀被供应到膨胀缸。排气阀优选地尽可能迟至燃烧事件之后、但在跨接膨胀阀打开之前关闭，并且在内开式排气阀的情况下，在阀门与活塞发生接触之前，要有足够的余量。优选地，在跨接膨胀阀打开之前，排气阀被关闭约0度的曲柄角到约15度的曲柄角。

Description

分开循环发动机的排气阀的正时
相关申请的交叉引用
本申请要求享有2010年9月29日提交61/404,239号美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用被并入此处。
技术领域
本发明涉及内燃机。更具体地说，本发明涉及分开循环发动机的排气阀的正时。
背景技术
为了清晰起见，本申请中使用的术语″常规发动机″是指发动机的每个活塞/气缸组合包含公知的奥托循环的所有四个冲程(吸气、压缩、膨胀和排气冲程)的内燃机。每个冲程需要曲轴旋转半圈(180度的曲柄角(CA))，在常规发动机的每个气缸内完成整个奥托循环需要曲轴旋转两整圈(720度的曲柄角)。
同样，为了清晰起见，为术语″分开循环发动机″提供了如下定义，这可适用于在现有技术中公开的发动机和在本申请中提及的发动机。
分开循环发动机一般包括：
可绕曲轴轴线旋转的曲轴；
可滑动地容纳在压缩缸内并且操作性地连接到曲轴上的压缩活塞，因此在曲轴的单圈旋转过程中，压缩活塞往复运动通过进气冲程和压缩冲程；
可滑动地容纳在膨胀缸内并且操作性地连接到曲轴上的膨胀(动力)活塞，因此在曲轴的单圈旋转过程中，膨胀活塞往复运动通过膨胀冲程和排气冲程；以及
连接压缩缸和膨胀缸的跨接通道，该跨接通道包括至少一个位于其中的跨接膨胀(XovrE)阀，但更优选包括一个跨接压缩(XovrC)阀和一个跨接膨胀(XovrE)阀，这两个阀门之间限定了一个压力室。
分开循环空气混合动力发动机将分开循环发动机和空气储存器(通常也称为空气罐)以及各种控制机构结合在一起。这种结合能使发动机将能量以压缩空气的形式贮存在空气储存器中。空气储存器中的压缩空气随后被用在膨胀缸中，以驱动曲轴。通常，此处提及的分开循环空气混合动力发动机包括：
可绕曲轴轴线旋转的曲轴；
可滑动地容纳在压缩缸内并且操作性地连接到曲轴上的压缩活塞，因此在曲轴的单圈旋转过程中，压缩活塞往复运动通过进气冲程和压缩冲程；
可滑动地容纳在膨胀缸内并且操作性地连接到曲轴上的膨胀(动力)活塞，因此在曲轴的单圈旋转过程中，膨胀活塞往复运动通过膨胀冲程和排气冲程；
连接压缩缸和膨胀缸的跨接通道(端口)，该跨接通道包括至少一个位于其中的跨接膨胀(XovrE)阀，但更优选包括一个跨接压缩(XovrC)阀和一个跨接膨胀(XovrE)阀，这两个阀门之间限定了一个压力室；以及
操作性地连接到跨接通道上的空气储存器，该空气储存器可以被有选择地操作，以贮存来自压缩缸的压缩空气，并将其传递到膨胀缸。
图1展示了现有技术的分开循环空气混合动力发动机的一个典型实施方式。分开循环发动机100用一个压缩缸102和一个膨胀缸104的组合代替常规发动机的两个相邻气缸。压缩缸102和膨胀缸104形成在发动机组中，其中曲轴106被可旋转地安装。气缸102、104的上端被气缸盖130封闭。曲轴106包括沿轴向移动且偏移一定角度的第一和第二曲柄曲拐(crank throws)126、128，两者之间有一相位角。第一曲柄曲拐126通过第一连杆138可枢转地连接到压缩活塞110，而第二曲柄曲拐128通过第二连杆140可枢转地连接到膨胀活塞120，以使与之相应的气缸102、104中的活塞110、120以由曲柄曲拐的角偏移以及气缸、曲柄和活塞的几何关系决定的时间关系往复运动。如果需要，可以利用用于关联运动和活塞正时的其他机制。曲轴的旋转方向以及各活塞在其下死点(BDC)位置附近的相对运动在带有其相应部件的图中用相关的箭头表示。
奥托循环的四个冲程因此被″均分″到两个气缸102和104上，因此压缩缸102包含吸气和压缩冲程，而膨胀缸104包含膨胀和排气冲程。因此，只要曲轴106旋转一圈(360度的曲柄角)，奥托循环在这两个气缸102、104中就已完成。
在进气冲程中，进入的空气通过内开式(向气缸内并朝着活塞打开)提升吸气阀108被吸入压缩缸102。在压缩冲程中，压缩活塞110压缩进入的空气，并驱动进入的空气通过跨接通道112，跨接通道112充当膨胀缸104的吸气通道。发动机100可以有一个或多个跨接通道112。
分开循环发动机100(以及一般的分开循环发动机)的压缩缸102的体积(或者几何)压缩比在此处被称为分开循环发动机的″压缩比″。发动机100(以及分开循环发动机)的膨胀缸104的体积(或者几何)压缩比在此处被称为分开循环发动机的″膨胀率″。气缸的体积压缩比在本领域中众所周知是当在气缸中往复运动的活塞在其下死点位置时气缸中被封闭的(或者被截留的)体积(包括所有凹槽)与当所述活塞在其上死点(TDC)位置时气缸中的封闭体积(即余隙体积)的比。特别是对此处定义的分开循环发动机，压缩缸的压缩比是在跨接压缩阀关闭时测定的。同样特别是对此处定义的分开循环发动机，膨胀缸的膨胀率是在跨接膨胀阀关闭时测定的。
由于压缩缸102内的体积压缩比很高(例如，20∶1，30∶1，40∶1，或者更大)，因此跨接通道112入口处的外开式(向外背向气缸和活塞打开)提升跨接压缩(XovrC)阀114用于控制从压缩缸102进入跨接通道112的流动。由于膨胀缸104内的体积压缩比很高(例如，20∶1，30∶1，40∶1，或者更大)，因此跨接通道112出口处的外开式提升跨接膨胀(XovrE)阀116控制从跨接通道112进入膨胀缸104的流动。跨接压缩阀和跨接膨胀阀114、116的启动速度和相位调整被定时为，在奥托循环的所有四个冲程中，使跨接通道112中的压力保持在高的最小压力(通常20巴，在满负荷下更高)。
在跨接通道112的出口端处，与跨接膨胀阀116的打开相配合，至少一个燃料喷射器118将燃料喷入压缩空气。可选地，或者同时，燃料可以被直接喷入膨胀缸104。燃料-空气进料在膨胀活塞120到达其上死点位置之后不久完全进入膨胀缸104。当活塞120从其上死点位置开始下降时，并且在跨接膨胀阀116仍然开着时，一个或多个火花塞122被点火，开始燃烧(通常在膨胀活塞120的上死点之后，10-20度的曲柄角之间)。燃烧可以在膨胀活塞过了其上死点位置之后在1-30度的曲柄角之间时开始。更优选的是，燃烧可以在膨胀活塞过了其上死点位置之后在5-25度的曲柄角之间时开始。最优选的是，燃烧可以在膨胀活塞过了其上死点位置之后在10-20度的曲柄角之间时开始。另外，燃烧可以通过其他点火装置和/或方法开始，例如用电热塞、微波点火装置、或者通过压缩点火法。
然后，在造成的燃烧事件进入跨接通道112之前，跨接膨胀阀116关闭。燃烧事件驱动膨胀活塞120在工作冲程中向下。在排气冲程中，排出的气体通过内开式提升排气阀124被泵出膨胀缸104。
对于分开循环发动机这一概念，压缩缸和膨胀缸的几何发动机参数(即，内径，冲程，连杆长度，压缩比，等等)一般相互独立。例如，压缩缸102和膨胀缸104的曲柄曲拐126、128分别具有不同的半径，并且相互错开，且膨胀活塞120的上死点出现在压缩活塞110的上死点之前。这种独立能使分开循环发动机有可能实现比典型的四冲程发动机更高的效率水平和更大的扭矩。
分开循环发动机100中发动机参数的几何独立也是为什么可以如前所述在跨接通道112中保持压力的主要原因之一。特别是，在压缩活塞110到达其上死点位置之前，膨胀活塞120到达其上死点位置，两者相差一个不连续的相位角(通常在10到30度的曲柄角)。该相位角，与跨接压缩阀114和跨接膨胀阀116的合适的正时一起，能使分开循环发动机100在其压力/体积循环的所有四个冲程中将跨接通道112中的压力保持在高的最小压力(通常为20巴的绝对压力，在满负荷操作过程中更高)。也就是说，分开循环发动机100是可操作的以确定跨接压缩阀114和跨接膨胀阀116的正时，以便跨接压缩阀和跨接膨胀阀114、116两者都打开相当长的时间期限(即曲轴旋转的期限)，在该过程中，膨胀活塞120从其上死点位置朝其下死点位置下降，同时压缩活塞110从其下死点位置朝其上死点位置上升。在跨接阀114、116两者都打开的时间期限(即曲轴旋转)内，基本上等量的气体：(1)从压缩缸102传递到跨接通道112，(2)从跨接通道112传递到膨胀缸104。因此，在此期间，可防止跨接通道内的压力降低到低于预定的最小压力(在满负荷操作过程中，通常为20、30或者40巴的绝对压力)。此外，在吸气和排气冲程的绝大部分过程中(通常为整个吸气和排气冲程的90％，甚至更大)，跨接压缩阀114和跨接膨胀阀116两者都被关闭，以使跨接通道112中截留气体的量保持在基本上恒定的水平。因此，在发动机的压力/体积循环的所有四个冲程中，跨接通道112中的压力被保持在预定的最小压力。
为了此处的目的，在膨胀活塞120从上死点下降的同时，压缩活塞110朝着上死点上升，以便使基本上等量的气体同时进出跨接通道112，这种开启跨接压缩阀114和跨接膨胀阀116的方法被称为气体转移的推拉法。当发动机满负荷操作时，推拉法能使发动机100的跨接通道112中的压力在发动机循环的所有四个冲程中通常保持在20巴或者更高。
跨接阀114、116由包括一个或多个凸轮(未显示)的气阀机构驱动。通常，凸轮驱动机构包括机械连接到曲轴上的凸轮轴。一个或多个凸轮被安装到凸轮轴上，每个凸轮都有起伏的表面，它控制着阀门动作(即在阀门启动过程中发生的动作)的阀门升程轮廓。跨接压缩阀114和跨接膨胀阀116每个都可以有其各自的凸轮和/或其各自的凸轮轴。随着跨接压缩和跨接膨胀凸轮的旋转，其偏心轮部分将运动传递到摇臂，摇臂接着将运动传递到阀门，从而提升(打开)阀门，使其离开其阀座。当凸轮继续旋转时，偏心轮部分越过摇臂，允许阀门关闭。
分开循环空气混合动力发动机100还包括空气储存器(罐)142，它借助于空气储存器的罐阀152操作性地连接到跨接通道112。具有两个或多个跨接通道112的实施方式可以是每个跨接通道112包括一个罐阀152，这些罐阀连接到共用的空气储存器142，也可以包括唯一的阀，它把所有跨接通道112连接到共用的空气储存器142，或者每个跨接通道112可以操作性地连接到各自的空气储存器142。
罐阀152通常位于空气罐端口154中，空气罐端口从跨接通道112延伸到空气罐142。空气罐端口154被分成第一空气罐端口段156和第二空气罐端口段158。第一空气罐端口段156将空气罐阀门152连接到跨接通道112，而第二空气罐端口段158将空气罐阀门152连接到空气罐142。第一空气罐端口段156的体积包括所有辅助凹槽的体积，当罐阀152关闭时，这些辅助凹槽将罐阀152连接到跨接通道112。优选的是，第一空气罐端口段156的体积相对于第二空气罐端口段158较小。更优选的是，第一空气罐端口段156基本上不存在，也就是说，罐阀152最优选的布置使它与跨接通道112的外壁齐平。
罐阀152可以是任何合适的阀门设备或者系统。例如，罐阀152可以是主动阀门，它由各种阀门启动设备(例如，气动的，液压的，凸轮的，电动的，等等)启动。此外，罐阀152可以包括具有两个或多个阀门的罐阀系统，它由两个或多个启动设备启动。
空气罐142用于储存压缩空气形式的能量并且随后使用该压缩空气来驱动曲轴106。用于储存势能的该机械装置相对于当前的技术现状提供了许多潜在的优势。例如，相对于市场上的其他技术，例如柴油发动机和电动混合系统，分开循环空气混合动力发动机100在燃料效率增加和NOx排放减小方面可以以相对较低的制造成本和废物处理成本潜在地提供许多优势。
发动机100通常在正常操作或者点火(NF)模式(通常也称为发动机点火(EF)模式)以及四个基本空气混合动力模式中的一个或多个下运行。在EF模式下，发动机100通常像上文中详述的那样工作，操作不使用空气罐142。在EF模式下，空气罐阀门152保持关闭，以使空气罐142与基本的分开循环发动机隔开。在四个空气混合动力模式下，发动机100借助于空气罐142工作。
四个基本的空气混合动力模式包括：
1)空气膨胀器(AE)模式，包括使用来自空气罐142的压缩空气能量，不用燃烧；
2)空气压缩机(AC)模式，包括不用燃烧将压缩空气能量储存到空气罐242；
3)空气膨胀器和点火(AEF)模式，包括利用燃烧使用来自空气罐142的压缩空气能量；
4)点火和进料(FC)模式，包括利用燃烧将压缩空气能量储存到空气罐142。
关于分开循环发动机的更多细节可见2003年4月8日公布的、名为“分开的四行程循环内燃机(Split Four Stroke Cycle Internal CombustionEngine)”的美国专利No.6,543,225；和2005年10月11日公布的、名为“分开循环四冲程发动机(Split-Cycle Four-Stroke Engine)”的美国专利No.6,952,923，两者都借助引用而被整体并入此处。
关于空气混合动力发动机的更多细节公开于2008年4月8日公布的、名为“分开循环空气混合动力发动机(Split-Cycle Air Hybrid Engine)”的美国专利No.7,353,786；2010年7月18日提交的、名为“分开循环空气混合动力发动机(Split-Cycle Air Hybrid Engine)”的美国专利申请No.61/365,343；以及2010年3月15日提交的、名为“分开循环空气混合动力发动机(Split-Cycle Air Hybrid Engine)”的美国专利申请No.61/313,831中，三者都借助引用而被整体并入此处。
在图1的发动机100中，废气从膨胀缸104中排放不充分可以导致膨胀缸内的温度保持很高。这一高温可以引发添加到膨胀缸中、用于未来的膨胀冲程的燃料被不合需要地提前点火。废气排放不充分也会降低发动机100的效率，由于被截留在膨胀缸104中的废气在一部分排气冲程中被毫无必要地压缩。因此，需要一种发动机、发动机部件以及相关方法，其特点在于改进的排气阀正时。
发明内容
这里公开的发动机、发动机部件、以及相关方法一般涉及在打开跨接膨胀阀之前，关闭排气阀，其中废气和其他燃烧产物通过排气阀被排出膨胀缸，而新加入的空气和/或燃料通过跨接膨胀阀被供应到膨胀缸。排气阀优选尽可能迟至燃烧事件之后、但在跨接膨胀阀打开之前关闭，，并且在内开式排气阀的情况下，在阀门与活塞发生接触之前，要有足够的余量。优选的是，在跨接膨胀阀打开之前，排气阀被关闭约0度到约15度的曲柄角。更优选的是，在跨接膨胀阀打开之前，排气阀被关闭约3度的曲柄角到约10度的曲柄角。愈加优选的是，在跨接膨胀阀打开之前，排气阀被关闭约3度的曲柄角到约5度的曲柄角。
在本发明的至少一个实施方式的一个方面，提供了一种发动机，它包括：可绕曲轴轴线旋转的曲轴；可滑动地容纳在压缩缸内并且操作性地连接到曲轴上的压缩活塞，以便在曲轴单圈旋转期间，压缩活塞往复运动通过进气冲程和压缩冲程；以及可滑动地容纳在膨胀缸内并且操作性地连接到曲轴上的膨胀活塞，以便在曲轴单圈旋转期间，膨胀活塞往复运动通过膨胀冲程和排气冲程。发动机还包括连接压缩缸和膨胀缸的跨接通道，该跨接通道包括至少一个位于其中的跨接膨胀阀，和一个排气阀，通过该排气阀，废气可以排出膨胀缸。在排气阀被关闭之后，跨接膨胀阀被打开约0度的曲柄角到约15度的曲柄角。
本发明的至少一个实施方式的有关方面提供了一种发动机，例如，如上所述的发动机，其中在排气阀被关闭之后，跨接膨胀阀被打开约3度的曲柄角到约10度的曲柄角。
本发明的至少一个实施方式的有关方面提供了一种发动机，例如，如上所述的发动机，其中在排气阀被关闭之后，跨接膨胀阀被打开约3度的曲柄角到约5度的曲柄角。
本发明的至少一个实施方式的有关方面提供了一种发动机，例如，如上所述的发动机，其中在排气阀被关闭之后，跨接膨胀阀被打开约4度的曲柄角。
本发明的至少一个实施方式的有关方面提供了一种发动机，例如，如上所述的发动机，其中跨接膨胀阀控制流体在跨接通道和膨胀缸之间流动。
本发明的至少一个实施方式的有关方面提供了一种发动机，例如，如上所述的发动机，其中跨接膨胀阀是外开式。
本发明的至少一个实施方式的有关方面提供了一种发动机，例如，如上所述的发动机，其中排气阀是内开式。
本发明的至少一个实施方式的有关方面提供了一种发动机，例如，如上所述的发动机，其中在膨胀活塞到达其上死点位置之前，排气阀被关闭。
本发明的至少一个实施方式的有关方面提供了一种发动机，例如，如上所述的发动机，其中在膨胀活塞到达其上死点位置之前，跨接膨胀阀被打开。
本发明的至少一个实施方式的有关方面提供了一种发动机，例如，如上所述的发动机，其中在膨胀活塞到达其上死点位置之后，跨接膨胀阀被打开。
在本发明的至少一个实施方式的另一方面，提供了一种操纵分开循环发动机的方法，包括：在排气冲程中打开排气阀，以便废气通过排气阀被排出发动机的膨胀缸。该方法还包括在排气冲程中，且在位于膨胀缸内的膨胀活塞到达其上死点位置之前，关闭排气阀。该方法还包括在关闭排气阀之后，将发动机的跨接膨胀阀打开约0度的曲柄角到约15度的曲柄角，以便空气从发动机的跨接通道通过跨接膨胀阀流入膨胀缸。
本发明的至少一个实施方式的有关方面提供了一种方法，例如，如上所述的方法，其中在排气阀被关闭之后，跨接膨胀阀被打开约3度的曲柄角到约10度的曲柄角。
本发明的至少一个实施方式的有关方面提供了一种方法，例如，如上所述的方法，其中在排气阀被关闭之后，跨接膨胀阀被打开约3度的曲柄角到约5度的曲柄角。
本发明的至少一个实施方式的有关方面提供了一种方法，例如，如上所述的方法，其中在排气阀被关闭之后，跨接膨胀阀被打开约4度的曲柄角。
本发明的至少一个实施方式的有关方面提供了一种方法，例如，如上所述的方法，其中跨接膨胀阀是外开式。
本发明的至少一个实施方式的有关方面提供了一种方法，例如，如上所述的方法，其中排气阀是内开式。
本发明的至少一个实施方式的有关方面提供了一种方法，例如，如上所述的方法，其中在膨胀活塞到达其上死点位置之前，跨接膨胀阀被打开。
本发明的至少一个实施方式的有关方面提供了一种方法，例如，如上所述的方法，其中在膨胀活塞到达其上死点位置之后，跨接膨胀阀被打开。
本发明还提供了如权利要求所述的设备、系统和方法。
附图说明
通过结合附图所做的以下详细说明会更充分理解本发明，在附图中：
图1是现有技术的分开循环空气混合动力发动机的示意图；
图2是具有改进的排气阀正时的分开循环空气混合动力发动机的一个典型实施方式的示意图；
图3A是图2的分开循环发动机在膨胀冲程中膨胀侧的示意图；
图3B是图2的分开循环发动机在排气冲程中膨胀侧的示意图；
图3C是图2的分开循环发动机在排气冲程中在比图3B所示的时间点迟的时间点处膨胀侧的示意图；
图3D是图2的分开循环发动机在排气冲程中在比图3C所示的时间点迟的时间点处膨胀侧的示意图；
图3E是图2的分开循环发动机在排气冲程中在比图3D所示的时间点迟的时间点处膨胀侧的示意图；
图4A是具有改进的排气阀正时的分开循环发动机的一个典型实施方式的阀门打开和关闭时机的图解说明；
图4B是图4A的分开循环发动机的阀门打开和关闭时机的图解说明；而
图4C是图4A-4B的分开循环发动机的阀门打开和关闭时机的图解说明。
具体实施方式
下面将描述一些典型的实施方式，以供全面了解这里公开的方法、系统和设备的结构、工作、制造和使用的原理。这些实施方式的一个或多个实施例如附图所示。本领域熟练技术人员会理解这里详细描述的且如附图所示的方法、系统和设备是非限定性的典型实施例，且本发明的范围仅仅由权利要求限定。如图所示的或者结合一个典型实施方式描述的特征可以与其他实施方式的特征结合。这些改进和变化将包括在本发明的范围内。
术语″空气″用在此处既是指空气，又是指空气和诸如燃料或者排出的产物之类的其他物质的混合物。术语″流体″用在此处既指液体，又指气体。特定的图中所示的与另一幅图中所示的特征相同或者类似的特征用相似的附图标记表示。
在此，为了某些目的，阀门的开启动作是指阀门已经打开到足以允许不可忽视的流动通过阀门的打开区域的那一点。由于阀门的初始动作和所导致的流体流过阀门开口的初始阶段非常平缓，因此当阀门升程增加到其潜在的最大峰值的5-7％时的曲柄角被用作阀门开启的基准曲柄角。
在此，同样为了某些目的，阀门的关闭动作是指阀门已经关闭到足以让不可忽视的流动停止通过阀门的打开区域的那一点。由于阀门最终的动作和所导致的流体停止流过阀门开口非常平缓，因此当阀门升程减小到其潜在的最大峰值的5-7％时的曲柄角被用作阀门关闭的基准曲柄角。
因此，出于参考的目的，当阀门已经从其阀座离开到最高升程的5-7％时，称阀门“已打开”；出于参考的目的，当阀门朝着其阀座移动到最高升程的5-7％以内时，称阀门“已关闭”。为简单起见，可以选择将阀门的参考升程数″圆整″到1毫米的单个十进制位(十分之一)。例如，对于3-4毫米的潜在的最大阀门升程(例如跨接阀)，可以选择0.2毫米作为阀门打开和关闭的曲柄角的参考升程。同样，对于8-10毫米的潜在的最大阀门升程(例如进气阀及排气阀)，可以选择0.5毫米作为阀门打开和关闭的曲柄角的参考升程。
这里公开的发动机、发动机部件以及相关方法一般涉及在打开跨接膨胀阀之前关闭排气阀，其中废气和其他燃烧产物通过排气阀被排出膨胀缸，而新加入的空气和/或燃料通过跨接膨胀阀被供应到膨胀缸。排气阀优选尽可能迟至燃烧事件之后、但在跨接膨胀阀打开之前关闭，并且在内开式排气阀的情况下，在阀门与活塞发生接触之前，要有足够的余量。优选地，在跨接膨胀阀打开之前，排气阀被关闭约0度的曲柄角到约15度的曲柄角。更优选的是，在跨接膨胀阀打开之前，排气阀被关闭约3度的曲柄角到约10度的曲柄角。愈加优选的是，在跨接膨胀阀打开之前，排气阀被关闭约3度的曲柄角到约5度的曲柄角。
尽可能迟地关闭排气阀使在排气冲程中被排出膨胀缸的热废气的量最大。这有利于防止膨胀缸中的余热使新进入的燃料供应提前点火。此外，如果排气阀关闭得过早，那么在排气阀关闭之后，膨胀活塞一定会对留在膨胀缸中的气体做消耗效率的压缩功。此外，尽可能迟地关闭排气阀有助于使得当跨接膨胀阀随后打开时，跨接通道和膨胀缸之间的压差最大化，从而改善膨胀缸中空气和燃料的混合。
虽然在排气冲程中一般需要尽可能迟地关闭排气阀，但是同样需要在打开跨接膨胀阀之前关闭排气阀。这会防止″吹过″，即进入膨胀缸的新鲜空气和/或燃料供应通过排气阀逃逸。吹过会导致不期望的压力损失，这会降低发动机的总效率。此外，吹过会导致未燃燃料进入排气系统、危及排出物并降低燃料经济性。对于内开式排气阀，在活塞与阀门发生接触之前，排气阀同样必须关闭。
图2展示了根据本发明的空气混合动力分开循环发动机200的一个典型实施方式。为了简洁起见，这里省略了发动机200的结构与操作的详细说明，当然除此处描述的之外，发动机200的结构与操作类似于图1的发动机100。图2的发动机200不同于图1的发动机100，特别是在跨接膨胀阀和排气阀的打开和关闭动作的时机方面。
发动机200包括压缩活塞210可往复地设置在其中的压缩缸202和膨胀活塞220可往复地设置在其中的膨胀缸204。气缸202、204的上端被气缸盖230封闭。在进气冲程中，吸入的空气通过吸气阀208被吸入压缩缸202。在压缩冲程中，压缩活塞210压缩进入的空气，并驱动进入的空气通过跨接通道212，跨接通道212充当膨胀缸204的吸气通道。发动机200可以有一个或多个跨接通道212。跨接通道212入口处的外开式跨接压缩阀214被用于控制从压缩缸202进入跨接通道212的流动。跨接通道212出口处的外开式跨接膨胀阀216被用于控制从跨接通道212进入膨胀缸204的流动。
至少一个燃料喷射器218在跨接通道212的出口端处将燃料喷入压缩空气，和/或直接喷入膨胀缸204。当膨胀活塞220从其上死点位置开始下行时，一个或多个火花塞222点火，以启动燃烧，在工作冲程中，它驱动膨胀活塞220向下。在排气冲程中，排出气体通过排气阀224被泵出膨胀缸204。发动机200优选地可以包括空气罐242，因此可以在如上所述的任一空气混合动力模式下工作。
虽然展示的跨接膨胀阀216是外开式的，而展示的排气阀224是内开式的，但是只要不脱离本发明的范围，则任何形式的阀门都可以使用。例如，两个阀门可以都是内开式，也可以都是外开式，或者跨接膨胀阀216可以是内开式，而排气阀224是外开式。跨接膨胀阀216和排气阀224中的一个或者两个可以由可调式阀门启动系统驱动，以便每个阀门的开启时机、开启速度、关闭时机、和/或关闭速度都可以调节。典型的可调式阀门启动系统公开在2011年1月27日提交的名称为″带有凸轮相位计的空转可调式阀门启动系统(Lost-Motion Variable Valve Actuation Systemwith Cam Phaser)″的美国临时申请No.61/436,735中，该申请的所有内容通过引用被结合于此。
图3A-3E展示了在膨胀冲程和紧随其后的排气冲程中的各个点的发动机200的膨胀侧。
如图3A所示，跨接膨胀阀216和排气阀224在膨胀冲程中都被关闭，以便膨胀缸204限定一个基本上密封的燃烧室232，并且燃烧力沿所示的箭头方向向下驱动膨胀活塞220。当膨胀活塞220接近其下死点位置时，膨胀缸204充满热的废气和其他燃烧产物。
如图3B所示，在膨胀活塞220到达其下死点位置时，或者在这前后，排气阀224被打开，同时跨接膨胀阀216保持关闭，并且膨胀活塞220开始在排气冲程中上行。在排气冲程中，在燃烧过程中产生的热气通过打开的排气阀224被上行的活塞220逐出膨胀缸204。排气阀224也可以早点打开，例如在膨胀活塞220到达其下死点位置之前，打开约60度的曲柄角。
当膨胀活塞在其上死点位置时，在膨胀活塞220和气缸盖230的点火平台之间，发动机200有一个极低的余隙空间。这一低余隙空间使得从跨接通道212进入膨胀缸204的空气和/或燃料的有效膨胀率最大化，从而增加发动机200的效率。但是，由于这一低余隙空间，阀门的开闭时机一定要小心选择，以避免膨胀活塞220和内开式排气阀224之间发生接触。
因此，如图3C所示，就在上行的膨胀活塞220与阀头接触之前，排气阀224开始关闭。如图3D所示，优选地，排气阀224关闭动作的开始就发生在接触之前，以便上升的膨胀活塞220″追赶″上升的排气阀224。换句话说，排气阀224尽可能长地保持开启，以使被排出膨胀缸204的废气的量最大。
如图3E所示，一旦排气阀224关闭，并且在短暂的延迟之后，跨接膨胀阀216就被打开，以将新的空气和/或燃料供应到膨胀缸204，进行后续的膨胀冲程。
优选地，在跨接膨胀阀216打开之前，排气阀224被关闭约0度的曲柄角到约15度的曲柄角。更优选的是，在跨接膨胀阀216打开之前，排气阀224被关闭约3度的曲柄角到约10度的曲柄角。愈加优选的是，在跨接膨胀阀216打开之前，排气阀224被关闭约3度的曲柄角到约5度的曲柄角。在一个实施方式中，在跨接膨胀阀216打开之前，排气阀224被关闭约4度的曲柄角。
在展示的实施方式中，在膨胀活塞220到达其上死点位置之前，排气阀224被关闭，而跨接膨胀阀216被打开。但是，在其他实施方式中，跨接膨胀阀216可以在膨胀活塞220到达其上死点位置之后不久打开。
根据上述内容不难理解，在发动机200中，排气阀224要尽可能迟地关闭(例如要尽可能靠近膨胀活塞220的上死点，就在排气阀和膨胀活塞发生之间发生接触之前)。一旦排气阀224开始关闭，排气阀224就要尽可能快地关闭。然后从排气阀224关闭开始，跨接膨胀阀216可以打开约15度以内的曲柄角。这一阀门正时关系有助于避免提前点火、活塞与阀门接触、以及吹过，同时提高发动机效率。
图4A-4C图解展示了分开循环发动机的一个典型实施方式的阀门打开和关闭的时机，该发动机具有改进的排气阀正时。在图4A中，在发动机工作循环的420度的曲柄角部分上，在膨胀活塞的上死点之后，阀门升程被绘制成曲柄角度″度ATDC-e″的函数。在图4B和4C中，在发动机工作循环的90度的曲柄角部分上，在发动机内的四个位置(压缩缸、跨接压缩阀出口、跨接膨胀阀入口和膨胀缸)观测到的压力被绘制成″度ATDC-e″的函数。在图4B-4C内标记的竖直虚线表示点火发生的时机和各种发动机阀启闭的时机。如图所示，排气阀在约-11度ATDC-e处关闭。跨接膨胀阀在约-7度ATDC-e处开启。因此，在所示的实施方式中，跨接膨胀阀在排气阀关闭之后开启大约4度的曲柄角。
尽管已参照具体实施方式对本发明做了说明，但不难理解在所述的发明构思的思想和范围内可以做出许多改变。因此，不希望将本发明限制为所述的实施方式，而是涵盖由以下权利要求的语言限定的全部范围。

Claims (18)

1.发动机，包括：
可绕曲轴轴线旋转的曲轴；
可滑动地容纳在压缩缸内并且操作性地连接到曲轴上的压缩活塞，从而在曲轴的单圈旋转过程中，压缩活塞往复运动通过进气冲程和压缩冲程；
可滑动地容纳在压缩缸内并且操作性地连接到曲轴上的膨胀活塞，从而在曲轴的单圈旋转过程中，膨胀活塞往复运动通过膨胀冲程和排气冲程；
连接压缩缸和膨胀缸的跨接通道，该跨接通道包括至少一个位于其中的跨接膨胀阀；以及
排气阀，废气可以通过该排气阀排出膨胀缸；
其中在排气阀被关闭之后，跨接膨胀阀被打开约0度的曲柄角到约15度的曲柄角。
2.权利要求1的发动机，其中在排气阀被关闭之后，跨接膨胀阀被打开约3度的曲柄角到约10度的曲柄角。
3.权利要求1的发动机，其中在排气阀被关闭之后，跨接膨胀阀被打开约3度的曲柄角到约5度的曲柄角。
4.权利要求1的发动机，其中在排气阀被关闭之后，跨接膨胀阀被打开约4度的曲柄角。
5.权利要求1的发动机，其中跨接膨胀阀控制流体在跨接通道和膨胀缸之间流动。
6.权利要求1的发动机，其中跨接膨胀阀是外开式。
7.权利要求1的发动机，其中排气阀是内开式。
8.权利要求1的发动机，其中在膨胀活塞到达其上死点位置之前，排气阀被关闭。
9.权利要求1的发动机，其中在膨胀活塞到达其上死点位置之前，跨接膨胀阀被打开。
10.权利要求1的发动机，其中在膨胀活塞到达其上死点位置之后，跨接膨胀阀被打开。
11.操纵分开循环发动机的方法，包括：
在排气冲程中，打开发动机的排气阀，以便废气通过排气阀被排出发动机的膨胀缸；
在排气冲程中，且在位于膨胀缸内的膨胀活塞到达其上死点位置之前，关闭排气阀；及
在关闭排气阀之后，将发动机的跨接膨胀阀打开约0度的曲柄角到约15度的曲柄角，以便空气从发动机的跨接通道通过跨接膨胀阀流入膨胀缸。
12.权利要求11的方法，其中在排气阀被关闭之后，跨接膨胀阀被打开约3度的曲柄角到约10度的曲柄角。
13.权利要求11的方法，其中在排气阀被关闭之后，跨接膨胀阀被打开约3度的曲柄角到约5度的曲柄角。
14.权利要求11的方法，其中在排气阀被关闭之后，跨接膨胀阀被打开约4度的曲柄角。
15.权利要求11的方法，其中跨接膨胀阀是外开式。
16.权利要求11的方法，其中排气阀是内开式。
17.权利要求11的方法，其中在膨胀活塞到达其上死点位置之前，跨接膨胀阀被打开。
18.权利要求11的方法，其中在膨胀活塞到达其上死点位置之后，跨接膨胀阀被打开。
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