CN104487671A - 混合式气动/热力发动机 - Google Patents

Abstract

在此披露了一种混合式气动/热力发动机，该发动机包括多个汽缸(2-5)和一个控制单元(6)，每个汽缸都包括通过一个共用曲轴而同步的一个杆，该控制单元(6)能够同时使至少一个汽缸(2-5)以热力模式运行并且使至少一个汽缸(2-5)以气动模式运行。在此披露了一种用于控制这样一台发动机的方法。

Description

混合式气动/热力发动机

技术领域

本发明涉及一种混合式气动/热力发动机。

背景技术

在混合式气动/热力发动机领域中已知的是使用最初被设计成以热力模式运行并且包括多个汽缸(其中使用一个杆组件将一个共用的曲轴连接到所述多个汽缸上而使所述多个汽缸彼此同步)的发动机。这样一台发动机有时被切换到热力模式，其中这些汽缸全部根据热循环运行通常包括以下步骤：供给燃料混合物、所述燃料混合物压缩、爆炸、爆炸导致的燃烧气体膨胀和逐出；而有时被切换到气动模式。

存在两种可识别的气动模式。在称作泵或发生器模式的第一气动模式中，在空气被存储到特别针对此目的提供的一个压缩空气罐中之前空气被供给到这些汽缸中并且在此被压缩。在称作发动机或消耗模式的第二气动模式中，该压缩空气罐中的压缩空气膨胀进入这些汽缸中从而致使该曲轴旋转。

在现有技术中，混合式气动/热力发动机中的这些汽缸全部是同时以单一模式(该单一模式为热力、气动泵或气动发动机)来运行的。这种模式可以称作串行式混合。

因此在减速阶段有可能使这些汽缸全部切换到气动泵模式。然后发动机产生一个负转矩，该负转矩帮助车辆减速同时将压缩空气形式的能量存储在压缩空气罐中。

然后有可能通过将这些汽缸全部切换到气动发动机模式来重新使用这种能量并致使压缩空气膨胀进入汽缸中来驱动车辆。这可以使用在启动或行驶阶段过程中以便减少如果发动机的这些汽缸已经以热力模式运行的话会由发动机产生的污染物。

专利US 7231998 B1披露了在现有技术中的这样一个系统。这个系统的主要缺点是不能使用该热力发动机来驱动传动轴并且同时泵送空气到该罐中。因此，不能优化热力发动机的运行点，即在恒定的发动机速度和恒定的车辆速度时增大热力发动机的转矩以便使发动机保持最佳性能状态，而超出的转矩可被用来泵送空气到罐中。

诸位发明人已经确定，特别有利的是还有可能控制这样一台发动机而使得这些汽缸中的一些汽缸以热力模式运行，而同时且并行地其他汽缸以气动、气动泵或气动发动机模式运行。这种模式可称作并行式混合。

发明内容

本发明涉及一种混合式气动/热力发动机，该发动机包括若干汽缸和一个控制单元，每个汽缸都具有通过一个共用曲轴而同步的一个连杆，该控制单元能够同时使至少一个汽缸以热力模式运行并且使至少一个汽缸以气动模式运行，并且其中能够以气动模式运行的一个汽缸还包括与一个燃料供给回路相联接的至少一个燃料供给阀和与一个废气排放回路相联接的至少一个排放阀，这些阀根据该热循环而打开和关闭，其中所述至少一个空气进气阀以及对应地所述空气进气回路是与一个燃料供给阀并且对应地与一个燃料供给回路相组合的，其中所述至少一个空气出气阀以及对应地所述空气出气回路是与一个废气排放阀并且对应地与一个废气排放回路相组合的，在该汽缸以气动模式运行时该控制单元被配置成不喷射燃料到所述燃料供给回路中，其特征在于，与一个能够以气动模式运行的汽缸相关联的一个排放回路包括可以由该控制单元控制的关闭装置。

根据本发明的另一个特征，该气动模式包括一种气动泵模式和一种气动发动机模式，在该气动泵模式中所供给的空气被汽缸压缩并且被存储在一个压缩空气罐中，在该气动发动机模式中来自所述压缩空气罐的压缩空气膨胀从而驱动该汽缸并致使曲轴旋转。

根据本发明的另一个特征，一个能够以气动模式运行的汽缸包括与一个空气进气回路相联接的至少一个空气进气阀、与一个空气出气回路相联接的至少一个空气出气阀、和与一个压缩空气罐相联接的至少一个充气阀。

根据本发明的另一个特征，将来自能够以气动模式运行并且同时以一个单一模式运行的一组至少一个汽缸的这些单独排气管集中在一起的每个排放回路包括能够选择性地防止或允许所述排放回路经过一个催化转化器的旁通装置。

本发明还涉及一种用于控制这样一台发动机的方法，该方法包括以下步骤：将这些汽缸中的至少一个汽缸切换到热力模式，将这些汽缸中的至少另一个汽缸切换到气动模式。

根据本发明的另一个特征，包括以下步骤：将这些汽缸中的至少一个汽缸切换到热力模式，将其他汽缸切换到气动泵模式。

根据本发明的另一个特征，该控制单元使供给到发动机中的空气体积增大以便对切换到气动模式的这些汽缸的空气消耗加以补偿。

根据本发明的另一个特征，该控制单元使处于热力模式的所述至少一个汽缸的转矩增大，以例如用来对切换到气动泵模式的所述其他汽缸产生的负转矩加以补偿。

根据本发明的另一个特征，该控制单元通过将与一个切换到气动模式的汽缸相关的旁通装置切换到旁通位置来防止来自所述汽缸的空气经过该催化转化器。

根据本发明的另一个特征，该控制单元通过将该关闭装置切换到关闭位置来防止来自一个切换到气动模式的汽缸的空气到达该催化转化器。

根据本发明的另一个特征，该控制单元通过相应增大进气浓度来对被来自切换到气动模式的汽缸的空气所稀释而导致的排气浓度降低进行补偿。

附图说明

在以下通过举例以及相关附图给出的详细说明中更清楚地阐述了本发明的其他特征、细节和优点，在附图中：

-图1示出了一种混合式气动/热力发动机，

-图2a至图2e示出了理论的气动泵热力学循环的步骤，

-图3a至图3e示出了理论的气动发动机热力学循环的步骤，

-图4至图9示出了排气的不同安排。

具体实施方式

图1示出了一台发动机1。这样一台发动机1包括若干汽缸2至5。本发明可应用于任何数目的汽缸并且可应于这些汽缸的任何安排(直列式、V型等)。出于展示的目的，这些附图被展示成具有四个汽缸2至5。汽缸2至5通常各自都包括一个汽缸套，在该汽缸套中一个活塞以一种交替线性运动密封地滑动。一个连杆被安排在活塞一侧上并且被围绕曲轴铰接以便将所述交替线性运动转化成循环运动或者相反地将曲轴的循环运动转化成活塞的交替线性运动。有利采取的是，这些汽缸2至5各自经由对应的连杆被连接到一个单一曲轴上，由此确保了连杆运动的同步。

在活塞的另一侧存在着随所述活塞的位置的变化而可变的一个可变容积或容量室。除了至少一个开口是通过至少一个阀门来选择性地关闭或打开以便使气体能够进入或离开之外，所述室是完全封闭的。活塞的线性运动可以与这些阀门结合使用来使得由此引入到该室中的气体压缩或膨胀。相反，该室中的气体压力可致使活塞移动。

发动机1还包括一个控制单元6，该控制单元负责对决定着发动机1的运行和速度的这些不同构件进行控制。因此，所述控制单元6能够使运行模式在热力与气动之间切换。根据本发明，可以非常有利地以汽缸与汽缸并行的方式实现这种控制。

对于一个汽缸2-5以热力模式运行而言，有用的是使得这个汽缸2-5包括与一个燃料供给回路7相联接的至少一个燃料供给阀12-15和与一个废气排放回路8相联接的至少一个排放阀18-21。所述供给阀12-15(在活塞下降并且室容积增大的阶段中是打开的)使燃料混合物引入到该室中。这种混合物然后在室容积随着活塞上升而减小的阶段中被压缩。其自身压缩或火花点火致使燃料混合物爆炸，这样在室中产生压力并推动活塞返回，由此在曲轴中产生一个旋转发动机转矩。然后排放阀18-21被打开以便使在爆炸过程中燃烧的气体逐出到一个排放回路8。

常规地讲，这些供给阀12-15和排放阀18-21是通过与曲轴同步的一个凸轮轴来循环控制的。

在热力模式中，该控制单元6例如通过一个对该进气管7中的空气流进行调节的蝶形阀11来控制进入汽缸2-5中的空气量，该控制单元例如使用一个汽化器或喷射器(未示出)来控制引入到所述进气管7中的燃料量以便调节燃料混合物的浓度，并且在适当情况下可以控制该点火装置以便确定点火时刻。

当该控制单元6控制这些元件时，汽缸2-5被认为是以热力模式运行。确定热力模式的要素是存在燃料，并且在适当情况下是点火控制。

对于一个汽缸2-5以气动模式运行而言，优选的是这个汽缸2-5包括与一个能够对汽缸2供以空气的空气进气回路相连接的至少一个空气进气阀和与能够从汽缸2逐出空气的一个空气出气回路相连接的至少一个空气出气阀。在一个实施例中，这两个空气进气和出气阀以及对应回路(或管)可以是组合的。能够以气动模式运行的一个汽缸2-5还包括与一个压缩空气罐26相连接的至少一个充气阀22-25。一个空气管9使汽缸2经由充气阀22与所述压缩空气罐26相连接。

不同于热力模式(该热力模式专有地是发动机)，气动模式包括相反的气动泵模式和气动发动机模式。

气动泵模式中，空气进入汽缸2-5并且被汽缸2-5压缩而被存储在一个压缩空气罐26中。

图2a至图2e示出了气动泵模式的原理，每个附图在上部示出了汽缸2的示意图并且在底部示出了相应的压力/容积曲线。

循环在图2a开始。室容积最小，活塞在上止点，点1。空气进气阀通向一个空气进气回路。室容积增大，该活塞到达下止点。空气以恒定压力进入该室直到点2。

循环在图2b继续。这些阀全部关闭并且活塞回退，从而使室容积减小。因此先前引入到该室中的空气被压缩，直到点3。

循环在图3b继续。在点3，充气阀22打开。于是压缩的空气被传送到安排在空气管9末端的压缩空气罐26。在点4，充气阀22关闭。

对于带有一个专用空气进气阀的汽缸2而言，这种循环然后可以立即再次以图2a开始。

然而，根据以上描述的一个有利实施例，出于不针对气动模式开发一个特殊汽缸的目的，能够以气动模式运行的一个汽缸2有利的是一个还能以热力模式运行的汽缸2。因此这样一个汽缸2包括一个燃料供给阀12和一个排放阀18。当曲轴根据以热力模式运行的汽缸2的循环而旋转时，典型由一个凸轮轴控制的这两个阀12、18继续打开。

热力模式的进气阶段和压缩阶段，对应于图2a至图2c并且对应于曲轴的第一周旋转，有利地被用来向罐26压缩该空气。

对应于曲轴的第二周旋转的膨胀阶段和排气阶段由于不适时地/不受控制地打开该排放阀18-21而不能以气动泵模式使用。于是活塞执行一个全冲程，点4–>点5和点5–>点1，以便回到图2a的初始状态并且重新开始循环。

相反，气动发动机模式中，所述压缩空气罐26中的压缩的空气膨胀进入汽缸2中从而驱动所述汽缸2的活塞并致使曲轴旋转。

图3a至图3e示出了气动发动机模式的原理，每个附图在上部示出了汽缸2的示意图并且在底部示出了相应的压力/容积曲线。

循环在图3a开始。室容积最小，活塞在上止点，点1。空气进气阀通向一个空气进气回路。室容积增大，活塞到达下止点。空气以恒定压力进入该室，直到点2。

循环在图3b继续。这些阀全部关闭并且活塞回退，从而使室容积减小。因此先前引入到该室中的空气被压缩，直到点3。

循环在图3c继续。室容积被减小到最小。充气阀22打开。来自罐26的加压压缩空气进入该室并且使已经达到的压力进一步增大。

这个压力然后推动活塞返回以便驱动该曲轴直到达到图3d的状态。通过这样，室容积增大并且空气从点4膨胀到点5。之后，当活塞达到下止点时，充气阀22关闭。

循环在图3e继续。在这个时刻，排放阀18打开，从而致使剩余压力下降。这对应于过渡，点5->点2。活塞继续向上移动，从而使该室中的空气经由仍开放的排放阀18逐出到排气管8中。这对应于一个过渡，点2->点1，这将系统带到图2a示出的状态，在此该循环再次开始。

对于带有一个专用空气出气阀的汽缸2而言，该循环可以针对曲轴的每一周旋转都包括在压缩空气作用下该活塞的推力。

然而，根据以上所述实施例，一个汽缸2还具有一个燃料供给阀12和一个排放阀18，该燃料供给阀和该排放阀根据以热力模式运行的汽缸2的循环来继续打开。

热力模式的膨胀阶段和排气阶段，对应于图3c至图3e并且对应于曲轴的第二周旋转，有利地用来使从罐26出来的空气膨胀并且用来驱动发动机1。

对应于曲轴的第一周旋转的该供给阶段和该压缩阶段，由于不适时地/不受控地打开该供给阀12-15而不能用来在气动发动机模式中执行膨胀。于是这些阶段用来致使空气进入并且用来执行一次预压缩，该预压缩对随后的推力加以准备。

如果一个汽缸2-5被切换到气动泵模式或切换到气动发动机模式，则该控制单元6使所讨论的这两个阀在该循环的特定时刻打开和关闭。因此，在气动泵模式，该控制单元6控制该空气进气阀和该充气阀22-25。在气动发动机模式，该控制单元6控制该充气阀22-25和该空气出气阀。

以气动模式(发动机或泵)进行控制的决定要素是没有燃料和以上所述的充气阀22-25的循环控制。

因此，一个汽缸2-5可以被切换到热力(发动机)模式、气动泵模式、或气动发动机模式。

还有可能不使用汽缸2-5。在这种情况下，活塞是简单地由曲轴驱动的。一个对该室进行通风的阀被十分频繁地打开以防止或限制压缩和/或膨胀。于是该汽缸2-5基本以零转矩运行。汽缸的这种运行模式称作“未利用”。

根据本发明，该控制单元6由此确定一个给定汽缸2-5的运行模式，并且可以选择这些汽缸中的一些汽缸以热力模式运行，选择这些汽缸中的一些汽缸以气动发动机模式或以气动泵模式运行，如果适当的话，选择这些汽缸中的一些汽缸以未利用模式运行。

处于气动泵模式的汽缸与处于气动发动模式的汽缸组合看起来是无用的。

所有其他组合(热力模式/气动发动机模式、热力模式/气动发动机模式/未利用模式、热力模式/气动泵模式、热力模式/气动泵模式/未利用模式)是有用的，如关于该控制方法的说明在以下更详细论证。

就其功能来讲，除了一个充气阀22-25之外，一个以气动泵模式运行的汽缸2-5要求一个空气进气阀，而一个以气动发动机模式运行的汽缸2-5要求一个空气出气阀。

还已知的是，一个以热力模式运行的汽缸2-5包括与一个燃料供给回路7相联接的至少一个燃料供给阀12-15和与一个废气排放回路8相联接的至少一个排放阀18-21。

因此从功能上讲，能够运行为有时以热力模式而有时以气动发动机模式或以气动泵模式的混合体的一个汽缸2-5包括五个不同的阀。以上所述的一个非常有利的实施例包括将用于气动模式的阀与用于热力模式的阀加以组合。因此，一个热力发动机汽缸盖2-5仅需要修改来使其配备有一个充气阀22-25。

一个燃料供给阀12-15以及对应相关的燃料供给回路7，被有利地用于担当空气进气阀以及对应地空气进气回路。这是有可能的，因为所述供给回路7是通过由该控制单元6打开的一个蝶形阀而与自由空气相联的。在热力模式中供给到汽缸的燃料是空气和燃料的混合物。在气动模式中，仅使用空气。当该汽缸2-5正以气动模式运行时，该控制单元6并不将燃料喷射到所述燃料供给回路7中。在这种情况下，该供给回路7成为一个空气供给/进气回路。

同样，一个燃烧气体排放阀18-21以及对应相关的排放回路8，被有利地用于担当空气出气阀以及对应地空气出气回路。这是可能的，因为所述排放回路8被连接到自由空气。

这个实施例具有的缺点是，所述多个供给阀12-15和多个排放阀18-21通常是由与曲轴同步的一个凸轮轴循环控制的。当该曲轴旋转时，这两个阀12-15、18-21根据以热力模式运行的一个汽缸循环2-5而打开和关闭。因此，这两个阀不能由该控制单元6单独控制。这有利地使得通过增加一个充气阀22-25的唯一修改就有可能使用最初被设计用来以热力模式运行的一个发动机汽缸2-5。

这就要求这些供给阀12-15和排放阀18-21的打开/关闭时刻相配合，从而包括该汽缸2-5正以气动模式运行时的情况。这就导致多种约束，例如关于图2a-e和图3a-e所阐述的曲轴旋转两周仅使用了一周的约束。

将一个排放阀18-21与一个空气出气阀组合还具有另一个缺点。在热力模式中，排气管8被设计用来接收燃烧的排气。所述排气管8通常经过一个催化转化器10。这样一个催化转化器10是优化来在带有燃烧的排气的最佳条件下运行的。在热力模式运行所产生的这些气体是热的并且具有给定的浓度。在气动模式中使用这个排气管8来逐出空气导致了燃烧排气的稀释，这导致冷却和浓度降低，这二者对催化转化器10的最佳运行最具有不利影响。

有若干解决方案可能防止或限制这个缺点。根据一个实施例，防止了来自这些以气动模式运行的汽缸2-5的空气经过该催化转化器10。

图9示出的第一解决方案包括在属于一个汽缸2-5的排放回路上增加关闭装置28。这些关闭装置28可以有利地由该控制单元6控制。这类关闭装置28使之有可能使得汽缸2-5的排放回路32-35只要是所述汽缸2-5正以气动泵模式运行就关闭，由此防止气动模式产生的空气到达该催化转化器10，从而包括该排放阀18-21在曲轴作用下被正常打开的情况。

这类关闭装置28尤其更适合在泵模式中使用，因为这种模式不需要空气出口。这样提高了泵送效率，因为它防止在排放阀18-21打开时空气泄漏，如图2d和图2e示出的。

这类关闭装置28可以是放置在排放阀18-21下游的一个停止阀。

这类关闭装置28还可以是一个作用于排放阀18-21的致动器，例如电致器或液压致动器，从而独立于相关凸轮的作用而使该关闭装置保持关闭。

另一个解决方案包括，将催化转批器10排除在用于来自以气动模式之一运行的汽缸2-5的空气的排气管8之外，而将其包括在用于来自以热力模式运行的这些汽缸2-5的排气的排气管之内。

图4至图9使用一个将焦点集中在这些排气管8、32-35的简化示意图来示出了图1中的发动机1。每个汽缸2-5对应地具有一个排放阀18-21，该排放阀对应地与旨在传送气体到一个共享的排气管8的一个单独排气管32-35相联接。因此，汽缸2、对应地汽缸3、对应地汽缸4、对应地汽缸5包括与一个单独排气管32、对应地排气管33、对应地排气管34、对应地排气管35相联接的一个排放阀18、对应地排放阀19、对应地排放阀20、对应地排放阀21。

图4中示出的这种安排在现有技术中是已知的。来自这些汽缸2-5的气体经由对应的排放阀18-21而通过对应的单独的管32-35传送，这些管全部联接到一个单一排气管8上。在这个排气管8上装配了一个催化转化器10。能够选择性地使排气管8改变方向(在催化转化器10的上游或下游)的旁通装置16使之有可能防止空气以热或化学方式干扰该催化转化器的运行。根据现有技术，将这些单独的管32-35全部集中在一起的这样一种旁通装置16是令人满意的，因为这些汽缸2-5全部以相同模式运行。因此，当这些汽缸2-5以热力模式运行时，这些旁通装置16引导燃烧的气体经过该催化转化器10，在此气体被处理。相反，当这些汽缸2-5正以气动模式之一运行时，这些旁通装置16引导空气直接到催化转化器10的下游以防止空气经过该催化转化器10。然而，这种安排在并行式混合模式下无法工作，因为它无法使来自以热力模式运行的这个汽缸或这些汽缸2-5的排气与来自以这些气动模式之一运行的这个汽缸或这些汽缸2-5的空气分离。

根据本发明的一个重要特征，诸位发明人已经发现该催化转化器10可以由至少两个旁通装36-39来保护。因此，如图5示出的，一种解决方案是将旁通装置36-39放置在每个汽缸2-5的输出处。因此，第一旁通装置36是放置在来自第一汽缸2的排放阀18的排气管32上。这些旁通装置36能够选择性地将通流朝向催化转化器10的上游侧引导(一个管与其相连接)或者直接朝着该催化转化器10的下游的排气8的出口引导(一个管与其相连接)。这个选择是由该控制单元6做出的。当汽缸2被切换到热力模式时，经过该旁路36的气流包括燃烧的气体并且被引导至上游侧，从而使得它能经过该催化转化器10并且被处理。相反，当汽缸2被切换到这些气动模式中的任一模式时，经过该旁路36的气流包括空气并且被引导至下游侧，从而使得它不经过该催化转化器10。

类似地，旁通装置37、对应地旁通装置38、对应地旁通装置39被放置在来自汽缸3、对应地汽缸4、对应地汽缸5的排放阀19、对应地排放阀20、对应地排放阀21的排气管33、对应地排气管34、对应地排气管35上，并且这些旁通装置以类似的方式运行。

有利地，这样一种安排使并行式混合模式的这些组合全部得以实现。然而它具有的缺点是每个汽缸2-5需要分开的旁路装置36-39。如果一组中的若干汽缸2-5总是一起工作并且在给定时刻全部处于给定模式，则可以有利地减小这个数目。于是有可能使这组的这些汽缸2-5的单独排气管32-35集中在一起以便将它们提供成使用一个针对所述组的单一旁通装置36-39。因此，每组能够以气动模式运行并且全部同时以给定模式运行的多个汽缸可以只提供一个旁通装置36-39。

希望的是能够分别确定每个汽缸2-5的运行模式，每组各自包括一个单一汽缸2-5，由此再现了图5示出的安排。

然而，如果某些汽缸2-5仍一起被切换到一个给定模式，则有可能减少旁通装置36-39的数量。这是通过图6中示出的安排示出的。针对这种安排采用的是，汽缸3和4总是以相同模式运行而汽缸2和5总是以相同模式运行。因此，如果汽缸2以热力模式运行，汽缸3也以热力模式运行。同样，如果汽缸4以热力模式运行，汽缸5也以热力模式运行。然而汽缸4、5的共同模式是不依赖于汽缸2、3的模式的。

在这一运行原理下，有可能使用第一旁通装置36来接收将分别来自汽缸2和3的两个单独排气管32、33组合成一个共用气流的一个排气管。当汽缸2和3正以热力模式运行时，这些第一旁通装置36将该气流引导到催化转化器10。相反，当汽缸2和3正以这些气动模式之一运行时，这些第一旁通装置36将该气流直接引导到催化转化器10的下游侧。

对于分别来自汽缸4和5的这些单独排气管34、35，第二旁通装置39执行相同的功能。这样一种安排使之有可能节省两个旁通装置。这要求各对的两个汽缸2、3和4、5都切换到一种共同的模式下。

应该指出的是，永久以相同模式运行的多个汽缸并不要求任何旁通装置36-39，除非这个共同模式有时是气动模式。因此，如果汽缸2和3总是以热力模式运行，则不必提供相关旁通装置36。这是通过图7中示出的安排示出的。

图4至图7示出了其中这些旁通装置36-39是并行连接的安排。级联式连接也是可能的，如图8示出的，其中“级联式”旁通装置36-39的燃烧气体出口被连接到“下级”旁通装置的上游。还有可能使空气出口级联。这样一种级联式连接使之有可能减少这些排气管的长度。然而，这样一种级联式安排要求因此“级联的”一个汽缸或多个汽缸以一种取决于这个“级联”汽缸或多个“级联”汽缸的模式来运行。

因此，对于图8示出的安排，汽缸5的模式是自由的并且相关的旁通装置39可以引导或不引导相关气流到催化转化器10。该“级联式”汽缸4能以这些气动模式之一运行。然而，这个级联式汽缸只能在“下级”汽缸5也正以热力学模式运行的条件下用热力模式来运行，以确保来自汽缸4的燃烧气体被正确地传送到催化转化器10。这种约束以此方式被传播并且汽缸2只能在其他汽缸3-5全部也以热力学模式运行的条件下用热力学模式运行。

为了使空气输出级联，这种约束将是相同的，除气动模式之外。

在任何情况下，这些约束不具有不利影响，因为始终有可能使切换到热力模式的汽缸分布与切换到气动模式的汽缸的分布相适配，至少就数量而言。因此，对于图8示出的安排，如果一个汽缸需要以气动模式运行，则这个汽缸将是汽缸2。如果两个汽缸需要以气动模式运行，则这两个汽缸是汽缸2和3。如果三个汽缸需要以气动模式运行，这三个汽缸是汽缸2、3和4，等。

所有安排方式(汽缸或多个汽缸并联或级联)是可能的。这种复数个可以包括这些汽缸中的任何汽缸。因此，第一多个可以包括汽缸3和4。其他两个汽缸2和5可以是独立的，每个汽缸具有相关的旁通装置或者是共享一个旁通装置的多个中的一部分。

旁通装置36-39的控制取决于与其相关且安排在其上游的这个或这些汽缸的运行模式，如以上所述的。

根据本发明的另一个实施例使之有可能保护催化转化器10而无需修改这些阀或这些排气管，并且无需增加旁通装置。以下与该控制方法相关地描述这个实施例。

本发明还涉及一种对如以上通过发动机的不同实施例来描述的发动机1加以控制的方法。

根据本发明，有可能并行地以热力模式来运行至少一个汽缸2-5并且以气动模式之一来运行至少一个汽缸2-5。

对于本领域技术人员清楚的是，对模式和以给定模式运行汽缸的选择有利地考虑了曲轴的稳态条件。这些条件与不同汽缸连杆的对应角度设置的分布相关，是通过已知方式来使用的以分配负载。如果这些模式产生相反的转矩，例如热力模式(发动机转矩)和气动泵模式(抵抗转矩)的组合，则观察这些稳态条件是特别有利的。

因此，针对2/2并行模式，其中者是旨在有利地使得通常直列安排的四个汽缸2-5中两个汽缸以气动模式之一来运行并且使得这四个汽缸中的两个汽缸以热力模式来运行，一方面汽缸2与5成组到一起成一种共同模式，另一方面汽缸3与4成组到一起。其他组合也是可能的。

根据一个实施例，这些汽缸2-5中的至少一个汽缸被切换到热力模式，并且这些汽缸2-5中的至少一个汽缸被切换到气动发动机模式。在这种情况中，以气动发动机模式运行的这个汽缸或这些汽缸产生一个发动机转矩，该发动机转矩被增加到由以热力模式运行的这个或这些汽缸所产生的发动机转矩上。这使之有可能对于产生的一个给定的转矩消耗较少燃料并限制热力模式产生的污染物排放。

就其中这些汽缸全部以热力模式或以气动模式运行的串联式混合模式而言，并行式混合模式使之有可能实施不同的中间模式，从而在热力模式与气动模式之间出于提供更大连续性的目的而提供渐进的合作。因此有可能根据本发明实施一种在全热力模式与全气动模式之间的、有一个汽缸处于气动模式、有两个汽缸处于气动模式等等的模式。

未利用汽缸模式的应用使这种渐进性进一步增大。因此，在带有两个气动模式的汽缸的一种模式与带有三个气动模式的汽缸的一种模式之间，有可能实施带有两个气动模式的汽缸和一个未利用的汽缸的一种模式。

根据本发明的并行式混合模式的主要优点是通过将热力模式的汽缸2-5与汽缸2-5(有利的是其余汽缸全部以气动泵模式)进行组合来获得的。

这个实施例在减少污染排放上毫无疑问是有效的，这个实施例是不寻常之处在于它将产生正的发动机转矩(热力模式)的汽缸与产生负的抵抗转矩(气动泵模式)的汽缸相组合。

第一优点在于，在这种混合模式中，发动机通过气动方式将能量存储在压缩空气罐26中。这种能量然后可以由气动发动机模式的至少一个汽缸2-5来使用。因此，一些汽缸2-5以气动模式运行而并非所有这些汽缸2-5都以热力模式运行，发动机1污染较少。如果所有这些汽缸2-5都以气动发动机模式运行，发动机1就可以不产生污染。

因此，有可能通过使其余汽缸以热力模式在较高运行点处运行来产生这种气动能量，并且在有可能完全使用热力模式的区域存储这种气动能量，目的是随后在如希望产生较少污染的市中心的区域使用这种储存的能量。

通过对该运行点进行控制提供了第二优点。已知的是，因为整体效率提高，以热力模式运行的发动机/汽缸在较高转矩时相应污染较少。这因此对于增大汽缸2-5的运行转矩是有用的。对于发动机1输出给定的总转矩而言，汽缸2-5的转矩随着以热力模式运行的汽缸数量的减少而增大。

因此，将一个汽缸2-5的运行模式从热力模式改变到未利用模式要求使转矩与仍以热力模式运行的汽缸数量成比例地增大。

此外，将一个汽缸2-5的运行模式从热力模式或从未利用模式改变到气动泵模式(假定，这种改变引入了对于压缩和存储压缩空气所需的力是有贡献的一个额外的负转矩)要求以热力模式运行的其余汽缸的转矩成比例地增大。

因此，根据本发明，发动机中以抵抗或中性模式运行的并行式/组合式汽缸2-5的事实使之有可能移动该运行点来按照需要增大转矩从而减少产生的污染。

就汽缸数量以及四个可能模式(热力、气动发动机、未利用和气动泵)的使用而言，与所述组合相关的众多不同选项使之有可能细微调整不同的运行点。这样是有利的，因为这使得能够将该运行点调整到所要求的实际总输出转矩上。这样有利地使得能够实施控制策略来确保以热力模式运行的任何汽缸尽可能经常处于最大可能转矩，其目的是减少污染物和二氧化碳的总体排放。

该控制单元6负责对运行发动机1起作用的不同构件进行控制。在这些构件中，该控制单元6负责对可以进入发动机1的空气总量进行控制。这例如是通过对安排在进气管7中的一个蝶形阀11进行控制来实现的，并且如果存在一个分离空气进气阀，则是通过在所述空气进气阀的空气进气管上游中的一个类似装置来实现的。根据本发明，有用的是使得该控制单元6增大供给到发动机1中的空气体积。

首先，使得这种增大生效来补偿切换到气动模式的汽缸中所使用的空气。换言之，在发动机1中必须引入与被以气动泵模式运行的这个汽缸或这些汽缸2-5压缩和存储在罐26中的空气相对应的额外空气量。

其次，使得这种增大生效来补偿处于热力模式的这个汽缸或这些汽缸的转矩增大，以便补偿以气动泵模式运行的这个或这些汽缸所产生的负转矩。

在一种空气进气管和燃料供给管7相同的构架中，例如蝶形阀11的一个单一指令同时控制着空气体积和转矩增大参数二者。

已经讨论了用于防止来自以气动模式运行的一个汽缸2-5的空气对催化转化器10的运行产生干扰的不同装置。这些不同装置无论可能是在哪里都由该控制单元6来控制。

因此，如果发动机1中包含有旁通装置16、36-39，该控制单元6以与安排在所述旁通装置16、36-39上游的这个或这些相关的汽缸的运行模式同步的方式对该发动机加以控制。当一个汽缸2-5被切换到气动模式时，这些旁通装置16、36-39被同时切换到旁通位置以防止空气经过该催化转化器10。相反，在一个汽缸2-5被切换到热力模式时，这些旁通装置16、36-39被同时切换到经过位置从而使得燃烧的气体经过该催化转化器10。

根据另一个实施例，替代于使用旁通装置16、36-39或对其加以补充的是，可以通过使用如以上所述的关闭装置28来防止来自以气动模式之一运行的汽缸2-5的空气到达该催化转化器10。类似地在这种情况下，该控制单元6有利地负责命令关闭针对以气动模式运行的所有汽缸2-5的所述关闭装置28。当相关汽缸2-5被切换到气动模式时这些关闭装置28被切换到关闭位置。

以上已经指明的是，催化转化器10在存在基本等于1的给定浓度时，并且在基本等于热力模式燃烧时所产生的燃烧的排气的温度的高温时最优地运行。

为确保来自以气动模式运行的这些汽缸2-5的空气不使催化转化器10的浓度或温度减小，提出了旁通解决方案来防止空气经过该催化转化器10。

针对这个问题的另一个解决方案如下，该方案不需要额外部件，例如关闭装置28或旁通装置16、36-39。

在这个解决方案中，有利的是这完全是由该方法和该控制单元6来实施的，浓度的下降是通过该控制单元6来补偿的。为了做到这一点，该控制单元6通过增大供给的燃料的相对量来使浓度同所需要的一样多地增大。因此，该控制单元6相应地使进气浓度增大，以便预先考虑到来自以气动模式运行的这些汽缸2-5的空气稀释这些燃烧气体所导致的排气浓度下降。因此，排气8中存在的混合物包括来自以热力模式运行的汽缸2-5的燃烧排气、该燃烧排气与来自以气动模式运行的汽缸2-5的空气相混合，最终的混合物具有与催化转化器10所预期的浓度值相对应的给定浓度，从而使该催化转化器能最优地运行。因此，混合物被完全引导经过催化转化器10而无需任何过滤或分离装置。通过这种方式，通过仅对该控制单元6进行修改，就有可能实施一种该催化转化器10的运行保持最优的运行模式，从而使该催化转化器能够正确执行相关污染减少的功能。

与这种运行模式的简易性和通过不使用这些部件(关闭装置、旁通装置)所产生的成本节省相比，对于同等发动机性能的燃料消耗而言这种运行模式的成本增加。

Claims (11)

1.一种混合式气动/热力发动机，该发动机包括若干汽缸(2-5)和一个控制单元(6)，每个汽缸都具有通过一个共用曲轴而同步的一个连杆，该控制单元能够同时使至少一个汽缸(2-5)以热力模式运行并且使至少一个汽缸(2-5)以气动模式运行，并且其中能够以气动模式运行的一个汽缸(2-5)包括与一个空气进气回路相联接的至少一个空气进气阀、与一个空气出气回路相联接的至少一个空气出气阀、与一个压缩空气罐(26)相联接的至少一个充气阀(22-25)、与一个燃料供给回路(7)相联接的至少一个燃料供给阀(12-15)、和与一个废气排放回路(8)相联接的至少一个排放阀(18-21)，所述供给阀和排放阀(12-15，18-21)根据该热力循环而打开和关闭，其中所述至少一个空气进气阀以及对应地所述空气进气回路是与一个燃料供给阀(12-15)并且对应地与一个燃料供给回路(7)组合的，其中所述至少一个空气出气阀以及对应地所述空气出气回路是与一个废气排放阀(18-21)并且对应地与一个废气排放回路(8)组合的，该控制单元(6)被配置成在该汽缸(2-5)正以气动模式运行时不喷射燃料到所述燃料供给回路(7)中，其特征在于，与一个能够以气动模式运行的汽缸(2-5)相关联的一个排放回路(8，32-35)包括可以由该控制单元(6)控制的关闭装置(28)。

2.如权利要求1所述的发动机，其中该气动模式包括一个气动泵模式和一个气动发动机模式，在该气动泵模式中供给的空气被该汽缸(2-5)压缩并且被存储在一个压缩空气罐(26)中，并且在该气动发动机模式中来自所述压缩空气罐(26)的压缩空气膨胀从而驱动该汽缸(2-5)并且致使该曲轴旋转。

3.如权利要求1或2所述的发动机，其中将来自能够以气动模式运行并且同时以一个单一模式运行的一组至少一个汽缸(2-5)的这些单独排气管(32-35)集中在一起的每个排放回路(8)包括能够选择性地防止或允许所述排放回路(8)经过一个催化转化器(10)的旁通装置(36-39)。

4.一种用于控制如以上权利要求中任一项所述的发动机(1)的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

-将这些汽缸(2-5)中的至少一个汽缸切换到热力模式，

-将这些汽缸(2-5)中的至少另一个汽缸切换到气动模式。

5.如权利要求4所述的方法，该方法包括以下步骤：

-将这些汽缸(2-5)中的至少一个汽缸切换到热力模式，

-将其他汽缸(2-5)切换到气动泵模式。

6.如权利要求5所述的方法，其中该控制单元(6)使供给到该发动机(1)中的空气体积增大以便对被切换到气动模式的这些汽缸(2-5)的空气消耗加以补偿。

7.如权利要求5和6中任一项所述的方法，其中该控制单元(6)使被切换到热力模式的所述至少一个汽缸(2-5)的转矩增大，以例如用来对切换到气动泵模式的所述其他汽缸(2-5)所产生的负转矩加以补偿。

8.如权利要求4至7中任一项所述的方法，其中该控制单元(6)通过将与一个被切换到气动模式的汽缸(2-5)相关的旁通装置(36-39)切换到旁通位置来防止来自所述汽缸(2-5)的空气经过该催化转化器(10)。

9.如权利要求4至7中任一项所述的方法，其中该控制单元(6)通过将该关闭装置(28)切换到关闭位置来防止来自一个切换到气动模式的汽缸(2-5)的空气到达该催化转换器(10)。

10.如权利要求4至7中任一项所述的方法，其中该控制单元(6)通过相应增加进气浓度来对被来自切换到气动模式的这些汽缸(2-5)的空气所稀释而导致的该排气浓度降低进行补偿。

11.如权利要求4所述的方法，该方法包括以下步骤：

-将这些汽缸(2-5)中的至少一个汽缸切换到热力模式，

-将其他汽缸(2-5)切换到气动泵模式。