CN103620181A - 分置循环相位可变的往复活塞式火花点火发动机 - Google Patents

Abstract

一种分置循环相位可变的往复活塞式火花点火发动机，包括：压缩机单元（101），所述压缩机单元具有压缩室（11），所述压缩室适于执行四冲程发动机循环的进气冲程和压缩冲程；动力单元（102），所述动力单元具有膨胀室（31），所述膨胀室适于执行四冲程发动机循环的膨胀冲程和排气冲程；交叉气道（90），其用于将压缩气体从压缩室（11）转移到膨胀室（31）；膨胀室容积修改器（92），通过修改膨胀室（31）的容积和形状而在所有发动机负荷条件下提供几乎全负荷的燃烧室条件；相位改变机构（103），其用于根据发动机负荷变化而改变压缩机单元（101）与动力单元（102）之间的相位关系；电子控制单元（25），其用于提供控制命令以用于各种电动操作的致动器和马达。

Description

分置循环相位可变的往复活塞式火花点火发动机

技术领域

本发明涉及四冲程循环火花点火内燃机，并且更具体地，本发明涉及一种分置循环四冲程往复活塞式火花点火发动机，其具有至少一对活塞曲轴组件，在所述至少一对活塞曲轴组件中一个活塞曲轴组件用于进气冲程和压缩冲程，而另一个活塞曲轴组件用于作功冲程和排气冲程，其中，两个活塞曲轴组件的曲轴通过相位改变机构操作地相互连接，所述相位改变机构提供在上述活塞曲轴组件之间的相位关系中的可变性。

背景技术

传统四冲程循环发动机构造有一个或多个气缸，其中所述气缸中的每一个都经过热力循环的全部四个冲程（进气、压缩、燃烧和排气）。在现代车辆中仍然使用该基本过百年的老布置，这是因为其简单的构造和产生使车辆运动的动力的高效率。但是在当前的背景中，早晚耗尽的石油资源和让人担忧的全球大气中的CO₂的增加坚持要求科学家重新思考传统能量转换技术，内燃（IC）机需要更高的燃料效率和更低的环境危害性。在火花点火（SI）发动机中，在产生较差的总体热力学效率的传统发动机设计中尤其在车辆的常规驱动条件下具有各种实际约束。因为SI发动机负荷控制基本上通过对吸入可燃混合物的定量控制而实现，所以在SI发动机中的常规驱动条件或低发动机负荷条件遇到各种问题，例如：1）由残余燃烧废气导致的相当大的进气稀释和吸入流体温度升高，其中，较高的进气温度限制了工质的压缩能力，2）较低的初始和峰值燃烧室压力，3）燃烧室中缓慢的火焰传播，4）不完全燃烧，和5）泵气损失。

内燃机的基本部件在本技术领域中是公知的，并且包括发动机缸体、缸盖、气缸、活塞、气门、凸轮轴和曲轴。气缸、缸盖、和活塞的顶部典型地形成工作室，在所述工作室中引入燃料和空气并且发生燃烧。工作室的容积或室容积通过活塞的往复运动而重复地膨胀和收缩。在四冲程循环发动机中，从在单个活塞的四个独立的活塞冲程中的燃烧过程回收能量。活塞通过可以将活塞的往复运动转换成曲轴的转动运动的连杆而连接到曲轴。冲程被定义为活塞从上止点（TDC）位置至下止点（BDC）位置或反之亦然的完全运动。冲程指的是进气冲程、压缩冲程、燃烧或膨胀冲程和排气冲程。其中，仅膨胀冲程是导致车辆运动的功率输送冲程。所有其余的冲程是功率消耗冲程。当活塞到达上止点（TDC）位置时，室容积收缩到其最小值，并且当活塞在活塞的下止点（BDC）位置处时，室容积膨胀到其最大值。最小室容积也称为余隙容积。最大室容积与最小室容积的比表示发动机的压缩比，所述发动机的压缩比对于传统发动机是固定的。SI发动机的效率基本依赖于其压缩比，这意味着压缩比越高，发动机的热力学效率越高。压缩比越高，产生越高的燃烧室压力和温度，并且由此导致越多的热转化成有用功。虽然，超出某一限制点，压缩比引起不利于发动机的爆震。爆震意味着由SI发动机燃烧室中的不受控制的燃烧所产生的高压波，并且该现象显著地依赖于工作容积的初始燃烧室温度、压力和压缩比。因此，SI发动机的压缩比通过考虑到该爆震点而确定。

火花点火（SI）发动机的负荷控制通过定量地控制燃料空气混合物的吸入而实现。因此，在常见的驱动条件下，SI发动机气缸仅是以其最佳容量的空气燃料混合物的一小部分的空气燃料混合物进行充气。燃料空气混合物的定量控制通过对进气道节流而实现，因此进气道中的压力显著地降低到大气压力以下，并且活塞必需在进气冲程中作一些额外的功，所述一些额外的功通常已知为泵气损失。结果，最初和最终燃烧室压力大幅下降，并且该现象影响循环热力学效率。在每个热力循环结束时，某一接近恒定量的残余燃烧废气保留在气缸的余隙容积中，并且在接下来的循环中该惰性残余气体与新鲜的进气混合，并且对新鲜的进气进行稀释。在普通的驱动条件下，该残余气体比例基本高于在高负荷驱动条件下的残余气体比例；因此，进气被显著地稀释，这减小了工质中的火焰速度，并且导致较差的燃烧质量。稀释也增大了不着火的机会，所以需要燃料加浓。

传统SI发动机吸入燃料和空气的混合物并且压缩燃料和空气的混合物。燃料空气混合物的比热比（γ）明显小于仅空气的比热比。对于本领域的技术人员将明显的是，在内燃机热力学中，工质的比热比越高，产生的循环效率越高。这是压缩点火（CI）发动机的效率高于火花点火（SI）发动机的效率的原因之一。某些现代发动机制造商使用汽油缸内直喷（GDI）技术，其中，在低负荷驱动条件下，GDI技术仅使用空气作为进入的流体，并且在压缩相位的后期喷射燃料。GDI技术还使用分层的进气方法，在火花塞附近处形成浓燃料混合物并且在其余区域处形成稀燃料混合物，其中，维持总体混合物燃料较稀。稀燃料混合物的比热比高于化学计量的（化学上正确的）混合物，因此产生较大的热力学效率。此外，在常规驱动条件下，GDI可以减少对节流的需要，并且由此也减少泵气损失。但是，稀燃料燃烧使三元催化转化器（TWC）的性能劣化。GDI还需要昂贵的燃料喷射器和精确的控制系统。

已知，当在压缩相位结束时的气缸压力和温度接近于其最大容许极限时，火花点火（SI）内燃（IC）机通常是最有效的。在传统火花点火发动机中，仅当在进气相位期间进气歧管中的节气门完全打开以允许在发动机气缸中有尽可能多的空气或燃料空气混合物并且在随后的压缩相位期间所述进气被压缩到由发动机的设计所固定的最小室容积时，可实现该条件。在完全打开的节流条件下，进气歧管压力接近于大气压力或约1巴。在大致覆盖整个驱动循环的90%以上的典型驱动条件期间，进气歧管压力保持为大约0.5巴或更小，在驱动轴上产生相当大的阻力，并且该现象通常已知为“泵气损失”，其不利地影响发动机效率。节流进一步减小在压缩相位结束时的室压力和温度并且增加进气稀释。因此，减小了燃烧火焰速度，并且发动机发生不稳定燃烧，所述不稳定燃烧导致效率降低并且增加有害的尾气排放。

照惯例，具有汽油发动机的中型汽车当在水平道路上行驶时仅是约20%的效率，而汽车的相关峰值效率是约33%。即，在行驶期间，发动机的比燃料消耗率（SFC）是约400g/kWh，而在高负荷条件下，相同的发动机可以达到255g/kWh的SFC。参见P.莱杜克、B.杜巴、A.Ranini和G.莫尼尔的“汽油发动机的小型化：减少CO₂排放物的有效途径”，《石油&天然气科学与技术》，版次IFP，卷58（2003），第1章，第117页至第118页。随着发动机操作条件处于诸如城市驾驶条件的行驶模式下，效率进一步大幅降低。考虑到该方面，如果发动机被小型化而在行驶或城市驾驶条件期间以较高的负荷率操作，则发动机不能较好地加速或爬上陡斜道路。

在过去几十年中，已经介绍了某些有趣的观点，例如，可变排量技术、可变压缩比技术、可变气门技术，发动机小型化和增压、燃料的分层充气、受控的自动点火、负荷取决于燃料的辛烷值升高的技术，以便得到较好的SI发动机效率，并且还已经在单个发动机内实验了这些方法的各套组合。

在往复活塞式火花点火发动机中，发动机的可变排量通常通过停缸方法实现，其中，在部分负荷操作期间，多缸发动机的几个气缸被选择地停用，以便不贡献功率，并且从而减小发动机的有效排量。因此，仅有效的气缸消耗燃料，并且在高于所有气缸操作的负荷率的负荷率下操作，因此发动机得到较高的燃料效率。停用的气缸的数量可以被选择，以便匹配发动机负荷，所述发动机负荷经常被称为“按需排量”。由于有效的气缸和停用的气缸二者的活塞总体上连接到共用的曲轴，所以停用的活塞继续在相应的气缸内往复运动，产生不期望的摩擦。停用的气缸的气门需要专门的控制，这进一步产生复杂性。此外，逐步地发生气缸的停用和再启动，并且因此，进一步测量变得必要，以便平稳地进行逐步过渡。对于该方法而言，可变排量发动机的管理不平衡冷却和振动是另外的设计挑战。在大多数情况下，停缸应用于较大排量的发动机，所述较大排量的发动机在较轻的负荷下是尤其低效的。现代发动机电子控制系统构造成电子地控制各种部件，例如，节气门、火花定时器、进气门排气门，等等，以便使可变排量IC发动机的过渡步骤平顺。电子节流控制方法的示例将在美国专利6619267（保）中找到，其说明了进气流量控制方案以管理过渡步骤。用于往复活塞式发动机和转动IC发动机二者的可变排量系统在美国专利6640543（西尔）中说明，其包括涡轮增压器以提高工作效率。

如同可变排量发动机技术一样，可变压缩比（VCR）技术也需要各种相关联的修改方案，例如，发动机小型化、涡轮增压或机械增压、可变气门技术、负荷取决于燃料的辛烷值升高的技术，等等，以满足越来越严格的排放标准和燃料效率要求。基本VCR观点是当消耗全进气容量的一小部分时使发动机在部分负荷操作条件下以较高的压缩比运行，并且当消耗全进气容量时使发动机在高负荷条件下以较低的压缩比运行。由此，所得到的在压缩结束时的气缸压力和温度可以通过较宽的负荷条件改进，因此可以实现较好的燃料效率。由于VCR技术独自不能避免部分负荷泵气损失，所以需要可变气门技术（VVT）的辅助。VVT为SI发动机提供了无节流进气的优点，其中在部分负荷下的进气量通过以下控制：较早地关闭进气门以阻止过度进气；或较晚关闭进气门，以便将过多的进气排出而使其返回到进气歧管。然而，VCR技术自身对于设计和制造而言是非常复杂的。参见马丁·罗伯茨的SAE技术论文No.2003-01-0398的“可变压缩比（VCR）的优点和挑战”。

SI发动机中的过膨胀循环可以向其热效率添加显著的优点。基于所述过膨胀循环原理建立起阿特金森循环和米勒循环效率，参见S.志贺、Y.广冈、Y.宫下、S.八木、H.T.C.马查孔、T.柄沢和H.中村的“火花点火发动机中的过膨胀循环使用进气门的延迟关闭的效果及其机制的热力学考虑因素”，《国际汽车技术杂志》，卷2，第1章，第1页至第7页（2001）。过膨胀循环当与可变压缩比和可变气门技术一起应用时可以在热效率方面产生超出传统发动机循环的显著优点。但是该技术引入实用发动机中的困难度太高。

已经设计出各种专用的现有技术的发动机以企图提高发动机效率。举例来说，最近的现有技术的发动机在卡梅隆·j·史古德利的名为“分置式四冲程发动机”的美国专利No.7628126中说明。在该发动机中，曲轴围绕发动机的曲轴轴线转动。动力活塞被可滑动地接收在第一气缸内并且操作地连接到曲轴，以便使动力活塞在曲轴的单次转动期间通过四冲程循环的作功冲程和排气冲程而往复运动。压缩活塞被可滑动地接收在第二气缸内并且操作地连接到曲轴，以便使压缩活塞在曲轴的相同的转动期间通过相同的四冲程循环的进气冲程和压缩冲程而往复运动。气道将第一气缸和第二气缸相互连接。气道包括进气门和排气门，所述进气门和排气门之间限定压力室。排气门允许压缩气体从压力室基本单向流到第一气缸。在动力活塞已经达到其上止点位置之后，在第一气缸中在曲轴转动了0度与40度之间的情况下开始燃烧。

在该发动机中，在压缩冲程结束时，在与同一个曲轴连接的第一气缸中开始燃烧，动力活塞和压缩活塞的相位关系是固定的。因此，在着火点处，燃烧室容积对于所有负荷条件而言是固定的，并且这对于全负荷驱动条件而言将基本上是最优化的。在典型的驱动条件下，当发动机消耗了其全进气容量的一小部分时，膨胀室的初始压力和温度将大幅下降。该现象将影响发动机的部分负荷特性。

另一个现有技术的发动机在萨尔瓦多C.史古德利的名为“分置循环的空气混合动力发动机”的美国专利No.7353786中说明。该专利说明了发动机的各种操作模式和可替代实施例，其中在发动机的部分负荷操作模式下，总压缩空气的一小部分用于燃烧的目的，并且其余部分被储存在储存罐中以用于将来使用。该发动机的压缩气缸和作功气缸二者的体积压缩比是非常高的（80比1或更高）。因此，在部分负荷模式下，当压缩气体的仅一小部分用于燃烧时，在维持有利的室压力和温度的情况下，燃烧室形状在点火时将是非常薄的，并且这种室形状高度不利于执行期望的燃烧。此外，非常难以保持储存在储存罐中的压缩空气的温度和压力，所以已储存的压缩空气的使用由于其连续可变的压力温度参数而将是非常困难的。

因此，需要一种改进的四冲程火花点火内燃机，其制造简单并且可以在所有驱动条件下维持有利的燃烧室条件，例如，适当的燃烧室压力、温度、紊流和室形状。发动机将是过膨胀循环发动机并且能够执行提高发动机的热力学效率的充气方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种分置循环相位可变的往复活塞式火花点火发动机，其借助四冲程内燃机提供基本高于现有技术的热力学效率，所述四冲程内燃机具有至少一对包括活塞、气缸和曲轴在内的组件，其中，第一组件是仅执行四冲程热力循环的进气冲程和压缩冲程的压缩机单元，而第二组件是执行四冲程热力循环的膨胀冲程和排气冲程的动力单元。作为工质，压缩机单元仅使用空气，并且空气的比热比（γ）明显高于用作传统火花点火（SI）发动机的压缩冲程中的工质的燃料空气混合物的比热比。因此，在压缩冲程结束时，在等效的压缩比下，分置循环相位可变的往复活塞式火花点火发动机获得高于传统SI发动机的室压力的室压力。压缩空气通过交叉气道被输送到动力单元。燃料被喷射到气道中，在该处燃料与压缩空气混合，并且燃料空气混合物继而被输送到动力单元的膨胀室中，在该处通过火花塞开始燃烧。与传统SI发动机不同，本发明的发动机的工作室保持几乎没有残余燃烧废气，因此能够在更低的室温度下产生更高的充气密度和初始膨胀室压力。为了修改膨胀室容积和形状而引入膨胀室容积修改器，以便可以实现较好的燃烧质量并且几乎全部驱排出耗尽的燃烧产物。

本发明的另一个目的是提供一种分置循环相位可变的往复活塞式火花点火发动机，其中，压缩机单元的曲轴和动力单元的曲轴通过相位改变机构而彼此操作地连接，所述相位改变机构响应于瞬时负荷要求而可以改变曲轴之间的相位关系，并且由此在压缩机与动力单元之间的相位关系中产生可变性，因此，可以贯穿负荷条件维持最佳膨胀室环境。尤其当全进气容量的仅一小部分用作工质时，在最常见的部分负荷驱动条件下，本发明的发动机比现有技术的发动机是更加有利的。

本发明的又一个目的是提供一种新颖的分置循环相位可变的往复活塞式火花点火发动机系统，其包括用于避免泵气损失的无节流的进气系统。在低负荷操作条件下，进气室允许进入空气的全容量，并且响应于瞬时负荷条件，测得的进气量通过将进气门在压缩冲程期间保持打开预定的时间段而从压缩室返回到进气道。在关闭所述进气门时，剩余的进气开始有效压缩。

本发明的又一个重要目的是提供一种分置循环相位可变的往复活塞式火花点火发动机，其能够在部分负荷发动机操作模式下执行较高的过膨胀循环，并且由此产生基本高于现有技术的发动机的热力学效率。

本发明的又一个目的是提供一种分置循环相位可变的往复活塞式火花点火发动机，其没有设计复杂性并且可通过先进的控制方法控制。

附图说明

图1是本发明的分置循环相位可变的往复活塞式火花点火发动机的一个实施例的基本布置的示意图；

图2是相位改变机构的示意图，所述相位改变机构示出为被部分地拆卸，所述相位改变机构可操作成根据符合本发明的发动机负荷而改变压缩机单元与动力单元之间的相位关系；

图3是用于本发明的发动机的多缸布置的曲轴布置的示意图；

图4是发动机的局部剖视图，其示意性地示出根据符合本发明的发动机负荷而改变发动机的关键部件之间的关系；

图5是发动机的局部剖视图，其示意性地示出在低负荷发动机操作条件下的发动机的功能；和

图6是发动机的局部剖视图，其示意性地示出在高负荷发动机操作条件下的发动机的功能。

具体实施方式

首先参照图1，示出分置循环相位可变的往复活塞式火花点火发动机，其包括：第一活塞气缸装置101，用于执行四冲程发动机循环的进气冲程和压缩冲程；和第二活塞气缸装置102，用于执行四冲程发动机循环的膨胀冲程和排气冲程。第一活塞气缸装置101以下可以称为压缩机单元101，并且第二活塞气缸装置102以下可以称为动力单元102。压缩机单元101包括气缸10，在所述气缸10中活塞20在由第一曲轴50所确定的距离内往复运动，并且动力单元102包括气缸30，在所述气缸30内活塞40在由第二曲轴60所确定的距离内往复运动。连杆21将活塞20连接到第一曲轴50，并且连杆41将活塞40连接到第二曲轴60。缸盖70被附装在气缸10和30的顶部上。气缸10和气缸30、缸盖70、活塞20和活塞40分别典型地形成工作室11和工作室31。工作室11以下可以称为压缩室11，并且工作室31以下可以称为膨胀室31。压缩机单元101的曲轴50和动力单元102的曲轴60之间通过相位改变机构103操作地相互连接，所述相位改变机构103将动力从动力单元102传递到压缩机单元101，但是更具体地，所述相位改变机构103构造成通过改变曲轴50与曲轴60之间的相位关系来改变所述压缩机单元101与动力单元102之间的相位关系。相位改变机构103包括马达65，所述马达65构造成根据发动机负荷中的变化而改变相位关系。缸盖70包括：进气口76；进气门71；交叉气道90的一个端部，所述交叉气道90的一个端部包括单向止回阀72，所述单向止回阀72紧邻压缩机单元101的压缩室11；排气口86；排气门81；交叉气道90的另一个端部，所述交叉气道90的另一个端部包括交叉输送阀82，所述交叉输送阀82紧邻动力单元102的膨胀室31。单向止回阀72和交叉输送阀82之间通过交叉气道90流体地连接，从而将压缩气体从压缩机单元101输送到动力单元102。交叉气道90、止回阀72和交叉输送阀82在这些部件之间形成压力室。进气门71和交叉输送阀82优选地使用可变气门正时技术。交叉气道90安装有燃料喷射器91，其用于将标定的燃料量喷射到交叉气道90中。缸盖70还包括用于修改动力单元102的膨胀室31的容积的装置92。用于修改膨胀室的容积的装置92以下可以称为膨胀室容积修改器92，其包括气缸93、缸盖94和可在气缸93内运动的往复活塞95。活塞95是自由活塞，其在其顶端和底端处具有两个工作面。活塞95的底面暴露于膨胀室31。活塞95的顶部、气缸93和缸盖94限定压力室96。缸盖94设有进气口98、气道28和进气止回阀97以保证加压废气单向流入压力室96中。加压废气被供给到压力室（96），这是因为如果任何加压废气从所述压力室（96）泄漏到膨胀室（31），则必须不增大废气中的含氧百分比，并且因而保护三元催化转化器（TWC）的最佳性能。未示出的外部泵经由气道28向压力室96提供加压气体。气道28中的气体压力维持在明显高于大气压力但基本低于交叉气道90的压力的预定值内。活塞95可借助分别连通到自由活塞95的顶面和底面的压力室96与膨胀室31之间的瞬时压差而在气缸93内运动。

图1还示出发动机的基本操作模式，其中压缩机单元101的活塞20在压缩冲程中上升，并且动力单元102的活塞40以膨胀冲程开始。在压缩冲程的后期，压缩室11的升高的压力达到高于交叉气道90的压力的压力，并且因此该压差推动止回阀72返回到其打开位置，并且压缩空气开始从压缩室11转移到交叉气道90，几乎同时地使致动器23打开交叉输送阀82以用于使压缩气体从交叉气道90转移到膨胀室31。输送到膨胀室31的压缩气体的压力向上推动自由活塞95，直到膨胀室31和压力室96的压力达到几乎平衡的条件为止，并且因而形成膨胀室31的初始形状。膨胀室31包括：第一可变容积室31a，其通过自由活塞95位移而形成在气缸93内；和第二可变容积室31b，其通过膨胀活塞40位移而形成在膨胀缸30内。在压缩气体从压缩机单元101传送到动力单元102将近结束时，通过火花塞（未示出，仅由虚线椭圆99示出火花塞的位置）引起燃烧。

在膨胀冲程达到峰值燃烧压力之后又进一步前行的情况下，膨胀室压力开始下降到压力室96的压力以下，并且因此压力室96与膨胀室31之间的压差导致自由活塞95朝向其初始位置向下运动。因此，随着压力室96的容积膨胀，其压力下降，并且随着压力室96的压力下降到气道28的压力以下，加压废气开始进入压力室96，直到恢复预定的最小室压力为止。在排气冲程结束时，动力单元102的活塞40到达其TDC位置，并且自由活塞95保持其初始位置，在该处自由活塞95维持离活塞40的顶部的最小机械容许位置，由此膨胀室容积31减小到几乎可忽略不计的容积，结果几乎所有耗尽的燃烧产物从膨胀室排出。

分置循环相位可变的往复活塞式火花点火发动机的机械容积压缩比是非常高的（80：1至100：1），因此在活塞20和活塞40的TDC位置处，余隙容积变得非常小并且形状很薄。这有利于压缩机单元101，以便获得压缩气体的最佳输送能力，并且还有利于动力单元102，以便在排气冲程期间最佳地排出耗尽的燃烧产物，但是高度不利于执行随后的燃烧过程。设置膨胀室容积修改器92以产生紧凑形燃烧室31a来解决该问题。可燃混合物在非常高的压力下被输送到膨胀室，在可燃流体中产生剧烈紊流。这种紊流促进非常迅速的燃烧，所述非常迅速的燃烧会由于燃烧室中的非常迅速的压力上升而导致不期望的振动。膨胀室容积修改器92通过提供压力室96而提供空气弹簧，所述空气弹簧帮助在源头处抑制燃烧冲击和振动，并且因而消除了传统减震器的必要性。

进气门71、排气门81、交叉输送阀82的阀致动过程优选地通过电子控制单元25控制，所述电子控制单元25包括可编程数字计算机。这种电子控制单元25的操作对于电子控制系统的技术领域中的技术人员是公知的。电子控制单元25也控制燃料喷射器91的喷射时间和脉冲宽度。曲轴60的角位置通过曲轴位置传感器38测量。曲轴位置传感器38将曲轴60的角位置传达到电子控制单元25，在该处确定发动机转速。压缩机单元101与动力单元102之间的相移量通过相移传感器37测量。相移传感器37将相位改变机构103的角位置传达到电子控制单元25，在该处确定压缩机单元101与动力单元102之间的相移量。

另外地，电子控制单元25构造成监测来自多个转换源的多个发动机相关输入26，所述发动机相关输入26例如是进气流量、进气歧管温度、环境空气温度和压力、进气和排气含氧百分比、火花定时、操作员转矩请求、气缸压力，等等，电子控制单元25包括查阅表（未示出），其中各种控制命令值基于多个发动机相关输入26的值从查阅表计算。电子控制单元25还提供用于各种电子控制的发动机部件的控制命令以及一般诊断功能的性能，所述电子控制的发动机部件例如是进气门致动器22、交叉输送阀致动器23、排气门致动器24、燃料喷射器91、相位改变机构103的马达65。

参照图2，相位改变机构103包括第一锥齿轮51和第二锥齿轮61，所述第一锥齿轮51和第二锥齿轮61分别刚性地安装在曲轴50和曲轴60的面对的端部上。曲轴50和曲轴60分别是压缩机单元101和动力单元102的一部分并且连接到压缩机单元101和动力单元102。锥齿轮51和锥齿轮61之间通过多个锥齿轮57的阵列而待操作地连接（这里示出为拆卸的情况），所述多个锥齿轮57径向地布置在十字轴毂55的多个延伸臂56上。十字轴毂55被共轴地支撑在曲轴50或曲轴60的延伸部分上。动力从齿轮61经由锥齿轮57传递至齿轮51。因而，锥齿轮61是驱动齿轮，而锥齿轮51是从动齿轮。因为齿轮57的相互连接，所以曲轴50和曲轴60的转动方向基本上彼此相反。十字轴毂55构造成沿着围绕其自身轴线的任一方向提供受控制的角位移，并且十字轴毂55的任何角位移在曲轴50与曲轴60之间产生相对相移。蜗轮58以与十字轴毂55共轴的方式与十字轴毂55的延伸臂56之一刚性地附装。蜗轮58与蜗杆67啮合。轴66将蜗杆67连接到马达65，所述马达65驱动蜗杆67沿着任一方向转过所需圈数。由此产生的在曲轴50与曲轴60之间的相移角将基本上是十字轴毂55的角位移的双倍。转动圈数和转动方向可以优选地通过电子控制单元25确定。相移传感器37将相位改变机构103的十字轴毂55的角位置传达到电子控制单元25，在该处确定曲轴50与曲轴60之间的相移。

参照图3，本发明的发动机的多缸构型包括：多缸压缩机单元101；多缸动力单元102；相位改变机构103；一对匹配的斜齿轮，其包括第一斜齿轮14和第二斜齿轮15。多缸压缩机单元101包括多个压缩缸10和曲轴50，并且多缸动力单元102包括多个压缩缸30和曲轴60。多个压缩缸10包括第一压缩缸10a和第二压缩缸10b，并且多个膨胀缸30包括第一膨胀缸30a和第二膨胀缸30b。压缩机单元101的曲轴50包括多个曲拐，即，曲轴50的第一曲拐16和第二曲拐17。动力单元102的曲轴60包括多个曲拐，即，曲轴60的第一曲拐18和第二曲拐19。曲轴50布置成与曲轴60具有平行的轴线。曲轴50的第一曲拐16和第二曲拐17构造成分别连接第一压缩缸10a和第二压缩缸10b（由虚线圆圈示意性地示出），并且曲轴60的第一曲拐18和第二曲拐19构造成分别连接第一膨胀缸30a和第二膨胀缸30b。第一压缩缸10a流体地连接到第一膨胀缸30a，并且类似地，第二压缩缸10b流体地连接到第二膨胀缸30b。相位改变机构103（部分地示出）被共轴地包含到动力单元102的曲轴60中。第一斜齿轮14经由相位改变机构103被共轴地连接到曲轴60，其中，第一斜齿轮14刚性地附装到相位改变机构103的第一锥齿轮51，并且相位改变机构103的第二锥齿轮61刚性地附装到曲轴60。多个锥齿轮57与锥齿轮51和锥齿轮61相互连接。第二斜齿轮15连接到曲轴50，其中，第一斜齿轮14和第二斜齿轮15彼此操作地连接。斜齿轮14和曲轴60可通过相位改变机构103相互连接而沿着相反方向转动。曲轴60和曲轴50可沿着相同方向转动。可以从以上说明和相关附图明显看出，本发明的发动机可以构造有甚至比本文所述的气缸数量更多数量的气缸。

参照图4，响应于电子控制单元25的命令，马达65驱动蜗轮58，从而使十字轴毂55产生通过预定角度的角位移，以便使压缩机单元101的曲轴50的相位相对于动力单元102的曲轴60的相位异相地延迟了约10度，以便建立起本发明的发动机的低负荷操作条件。电子控制单元25接收来自相移传感器37的关于压缩机单元101与动力单元102之间的瞬时相位关系的通信、来自曲轴位置传感器38的发动机转速、操作员的转矩请求和其它来自输入26的相关输入，并且电子控制单元25根据查阅表计算用于十字轴毂55的位置值、用于马达65的角位移值，以及电子控制单元25提供用于进气门致动器22、交叉输送阀致动器23和排气门致动器24的阀致动值。电子控制单元25还计算出用于燃料喷射器91的喷射时间和脉冲宽度以及用于火花塞的点火时间。

压缩机单元101的活塞20通过压缩冲程上升，并且动力单元102的活塞40通过排气冲程上升，其中，活塞20比活塞40延迟了10度的曲柄角度（CAD）。排气门81被打开以允许废气从动力单元102的膨胀室31排出。压力室96的气体压力基本高于膨胀缸31的压力，并且该压差将自由活塞95保持到其底部位置。因此，室容积31变得等于室容积31b。活塞20已经运动了压缩冲程的一半，并且进气门71仍然打开，以便允许进气回流到进气口76。由于测得的进气量被保护在压缩室11中，进气门71返回到其关闭位置，并且进气开始被有效压缩。进气门致动器22响应于发动机控制单元25的命令。进气门71使用可变气门正时技术。

参照图5，在如图4中所示的压缩冲程结束时，其中，进气量的一部分被压缩，压缩活塞20到达其上止点（TDC）位置，并且动力活塞40通过膨胀冲程越过TDC位置运动了10度的曲柄角度（CAD）。压缩空气被输送到交叉气道90，所述压缩空气代替先前从所述气道90捕集到动力单元102的膨胀室31的压缩气体。燃料被喷射在交叉气道90中，在该处燃料与压缩空气混合，并且继而空气燃料混合物被转移到所述膨胀室31。燃料喷射器91正好在压缩气体从交叉气道90转移到膨胀室31之前和/或在所述转移期间将燃料喷射到交叉气道90中。燃烧室容积修改器92的自由活塞95通过可燃流体的压力被推回，并且形成燃烧室31，其中，燃烧室31的容积基本由膨胀室31a限定。在该位置处通过安装在火花塞孔99上的火花塞（未示出）引起燃烧。

因为存在的残余热燃烧废气在膨胀室中可忽略不计，所以膨胀室31的初始压力温度比基本高于传统SI发动机。与传统SI发动机不同，在低负荷燃烧过程期间，膨胀室31的容积膨胀率非常高，并且因而，大量的热能转化成有用功。因此，尽管混合物非常迅速地燃烧，气缸温度也不超出安全限度。

在低负荷操作条件下，修改的膨胀室的膨胀比优选地配置在20：1和25：1之间。过膨胀循环能够为发动机的燃料效率添加显著的优点。不过，在膨胀冲程后期，上述膨胀比（20：1至25：1）会导致压力下降到大气压力以下并且产生某些负功。因此，排气门的过早打开配置成用于发动机的低负荷操作，从而允许废气回流到膨胀室中以阻止膨胀室31中下降到大气压力以下。

参照图6，马达65将蜗轮58相对于其先前在低负荷发动机操作条件下的位置顺时针方向驱动了12.5度（参见图5），并且因而曲轴50的相位相对于曲轴60的相位从先前在低负荷操作条件下的位置异相地延迟了约25CAD。因此，曲轴50比曲轴60延迟了35CAD（25CAD加上在先前的低负荷条件下的10CAD）。因而，建立起用于全负荷发动机操作的条件。在全负荷发动机操作下，其中，全量的进气量被压缩，并且在压缩冲程结束时，压缩活塞20到达其上止点（TDC）位置，而动力活塞40通过膨胀冲程越过TDC位置运动了约35度的曲柄角度（CAD）。燃烧过程配置成在该位置处开始或在该位置略微之前开始。在着火点处，膨胀室31的容积（包括容积31a和31b）基本大于在部分负荷操作条件下的膨胀室31的容积（参见图5），并且由此在着火点处，贯穿发动机操作条件，维持基本恒定的膨胀室压力。在本发明的发动机的高负荷操作条件下，有效的压缩和膨胀比接近于传统SI发动机的压缩和膨胀比。但诸如压缩机单元101的工质（仅空气），燃烧室31中的可忽略不计的残余燃烧废气的各种方面与传统发动机不同并且比传统发动机更加有利。

本发明的发动机能够在所有负荷条件下在具有有利的燃烧室压力、温度和混合物浓度的燃烧室中产生较高的紊流，因此不要求向工质中加稀燃料或浓燃料。分置循环相位可变的往复活塞式火花点火发动机可借助所有类型的可火花点火的燃料操作，所述可火花点火的燃料例如是汽油、乙醇、甲醇、液化石油气、压缩天然气、SI燃料的各种混合物，等等，在不同燃料的使用之间的过渡要求对燃料空气比、压缩比、火花定时等进行某些修改，这些修改可以通过在电子控制单元25中响应于所述燃料过渡过程提供适当的算法程序而容易实现。

本发明的发动机构造成用于无节流的进气系统，因此本发明的发动机没有泵气损失。此外，分置循环相位可变的往复活塞式火花点火发动机在所有负荷条件下能够并且最优选地使用化学计量的（化学上正确的）燃料空气比，这确保来自三元催化转化器的最佳性能输出。

如本领域的技术人员将应理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本发明及其特殊形式和构造可以有各种修改方案和改变方案。本文公开的实施例仅仅是本发明可以采取的各种修改方案及其优选实行方式的例示。然而，不期望的是将本发明限制到本文所示和所述的精确的构造和特征，而是期望的是包括在所公开的本发明的范围和精神内的所有适合的构造和特征。

Claims (6)

1.一种分置循环相位可变的往复活塞式火花点火发动机，其包括：至少一个压缩机单元（101），其具有压缩室（11），所述压缩室能够执行四冲程发动机循环的进气冲程和压缩冲程；至少一个动力单元（102），其具有膨胀室（31），所述膨胀室能够执行四冲程发动机循环的膨胀冲程和排气冲程；膨胀室容积修改器（92），其用于修改所述膨胀室（31）的容积和形状；交叉气道（90），其用于将压缩气体从压缩机单元（101）的压缩室（11）转移到所述动力单元（102）的膨胀室（31）；相位改变机构（103），其用于改变所述压缩机单元（101）与所述动力单元（102）之间的相位关系；电子控制单元（25），其用于提供用于操作致动器和马达的控制命令。

2.一种分置循环相位可变的往复活塞式火花点火发动机，其包括：至少一个压缩机单元（101），所述压缩机单元包括气缸（10）、缸盖（70）、活塞（20）、曲轴（50），所述曲轴通过连杆（21）连接到所述活塞（20）；至少一个动力单元（102），所述动力单元包括气缸（30）、所述缸盖（70）、活塞（40）、曲轴（60），所述曲轴通过连杆（41）连接到所述活塞（40）；膨胀室容积修改器（92），所述膨胀室容积修改器包括气缸（93）、能在所述气缸（93）内运动的自由活塞（95）、缸盖（94），所述缸盖（94）包括进气口（98）、进气止回阀（97）、连接到所述进气口（98）的气道（28）、提供用于在所述自由活塞（95）上产生连续压力的空气弹簧的压力室（96）、用于将压缩气体输送到所述活塞（95）的外部泵、用于将压缩气体经由所述气道（28）输送到所述压力室（96）的外部泵；交叉气道（90），所述交叉气道包括在与所述压缩机单元（101）的压缩室（11）连接的所述交叉气道（90）的一个端部处的单向止回阀（72）和在与所述动力单元（102）的膨胀室（31）连接的所述交叉气道（90）的另一个端部处的交叉输送阀（82）；相位改变机构（103），所述相位改变机构包括安装在所述压缩机单元（101）的曲轴（50）上的第一锥齿轮（51）、安装在所述动力单元（102）的曲轴（60）上的第二锥齿轮（61）、将所述第一锥齿轮（51）和所述第二锥齿轮（61）相互连接的锥齿轮（57）的阵列、包括支撑所述锥齿轮（57）的阵列的多个延伸臂（56）的十字轴毂（55）、与所述十字轴毂（55）共轴地附装的蜗轮（58）、与所述蜗轮（58）啮合的蜗杆（67）、用于沿着任一方向驱动所述蜗杆（67）的马达（65）；电子控制单元（25），其用于给电动操作的致动器和马达提供控制命令。

3.根据权利要求2所述的分置循环相位可变的往复活塞式火花点火发动机，其中，所述缸盖（70）还包括：进气口（76），所述进气口包括进气门（71）；包括单向止回阀（72）的所述交叉气道（90）的一个端部，所述单向止回阀（72）紧邻压缩机单元（101）的压缩室（11）；排气口（86），所述排气口包括排气门（81）；包括交叉输送阀（82）的所述交叉气道（90）的另一个端部；火花塞；膨胀室容积修改器（92），所述膨胀室容积修改器紧邻动力单元（102）的膨胀室（31）；燃料喷射器（91），所述燃料喷射器安装成紧邻所述气道（90），用于将燃料喷射到所述交叉气道中。

4.根据权利要求1所述的分置循环相位可变的往复活塞式火花点火发动机，其中，所述发动机还包括：多缸压缩机单元（101），所述多缸压缩机单元具有多个压缩缸（10），所述多个压缩缸包括第一压缩缸（10a）和第二压缩缸（10b），所述第一压缩缸和所述第二压缩缸能够顺序地执行四冲程发动机循环的进气冲程和压缩冲程；多缸动力单元（102），所述多缸动力单元具有多个膨胀缸（30），所述多个膨胀缸包括第一膨胀缸（30a）和第二膨胀缸（30b），所述第一膨胀缸和所述第二膨胀缸能够顺序地执行四冲程发动机循环的膨胀冲程和排气冲程。

5.根据权利要求4所述的分置循环的相位可变的往复活塞式火花点火发动机，其中，所述多缸压缩机单元（101）还包括曲轴（50），所述曲轴包括第一曲拐（16）和第二曲拐（17），所述第一曲拐和所述第二曲拐分别操作地连接到所述第一压缩缸（10a）和所述第二压缩缸（10b），并且所述多缸动力单元（102）还包括曲轴（60），所述曲轴包括第一曲拐（18）和第二曲拐（19），所述第一曲拐和所述第二曲拐分别操作地连接到所述第一膨胀缸（30a）和所述第二膨胀缸（30b）。

6.根据权利要求5所述的分置循环相位可变的往复活塞式火花点火发动机，其中，所述压缩机单元（101）的曲轴（50）与所述动力单元（102）的曲轴（60）共轴地布置，并且其中，第二斜齿轮（15）共轴地配合在所述压缩机单元（101）的曲轴（50）的一个端部上，并且其中，第一斜齿轮（14）与所述相位改变机构（103）的第一锥齿轮（51）共轴地配合，并且所述相位改变机构（103）的第二锥齿轮（61）共轴地配合在所述动力单元（102）的曲轴（60）的一个端部上，并且其中，所述第一锥齿轮（51）和所述第二锥齿轮（61）通过所述相位改变机构（103）的多个锥齿轮（57）操作地相互连接。

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