CN106246339A - 具有受控膨胀的排气复合式内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有膨胀器活塞去激活特征的活塞复合式内燃机。活塞内燃机复合有二次膨胀器活塞，其中该膨胀器活塞从主动力活塞所排出的废气中提取能量。可使二次膨胀器活塞去激活并固定，或可在低负载条件下，减小其冲程以减少寄生损失和过度膨胀。公开了与动力活塞和曲轴耦合的二次膨胀器活塞的两个机械化装置。也公开了二次膨胀器活塞的激活和去激活的控制策略。此外，六汽缸发动机配置由两个动力活塞和一个膨胀器活塞的复制组限定。

Description

具有受控膨胀的排气复合式内燃机

发明背景

技术领域

本发明主要涉及一种复合式内燃活塞发动机，且更具体地涉及一种带有二次膨胀器活塞用于在中高负载下提高效率的复合式内燃活塞发动机，其中二次膨胀器活塞可在低负载条件下去激活并静止，以减少寄生损失(parasitic losses)和过度膨胀，且其中两个动力活塞和一个膨胀器活塞的组被复制以限定各种六汽缸配置。

背景技术

静止和移动这两类内燃机对于很多应用而言是已被证明的有效动力源。不同类型内燃机的活塞发动机到目前为止是在汽车和其它位于陆地上的交通工具中最常见的。尽管发动机制造商已经在提高活塞发动机的燃料效率方面取得了巨大进步，但还必须做出进一步的改进，以节省化石燃料的有限供给、减少环境污染，并降低车辆所有者的使用费用。

用于提高活塞发动机的效率的一种技术是采用二次膨胀器活塞以在废气被排放到环境之前从废气中提取额外能量。二次膨胀器活塞可在相对较高负载下有效提高效率，其中废气仍然具有相当多的能量。然而，二次膨胀器活塞在较低负载条件下就不那么有效，且实际上可能产生相反效果，其中寄生损失可能超过任何额外提取能量的益处。由于汽车发动机固有地在广泛变化的条件下操作，包括大量低负载操作，传统的二次膨胀器活塞发动机设计未被证明是有益的。

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种具有膨胀器活塞去激活特征的活塞复合式内燃机。活塞内燃机复合有二次膨胀器活塞，其中膨胀器活塞从主要动力活塞所排出的废气中提取能量。在低负载条件下，二次膨胀可将二次膨胀器活塞去激活并固定，或可以减少其冲程，以减少寄生损失和过度膨胀。公开了用于二次膨胀器活塞与动力活塞和曲轴耦合的两个机械化装置。也公开了二次膨胀器活塞的激活和去激活的控制策略。此外，通过复制由两个动力活塞和一个膨胀器活塞组成的组来限定六汽缸发动机配置。

通过下面的描述和所附的权利要求书并结合附图，本发明的其它特征将变得显而易见。

附图说明

图1是复合有二次膨胀器活塞的活塞发动机的俯视图；

图2是用于将二次膨胀器活塞耦合至发动机动力活塞和曲轴同时允许膨胀器活塞的去激活或去冲程的第一机械化装置的侧视图；

图3是用于将二次膨胀器活塞耦合至发动机动力活塞和曲轴同时允许膨胀器活塞的去激活的第二机械化装置的侧视图；

图4是用于激活和去激活二次膨胀器活塞以优化发动机效率的第一方法的流程图；

图5是以笔直六汽缸配置，复合有二次膨胀器活塞的活塞发动机的俯视图；

图6是以V形六汽缸配置，复合有二次膨胀器活塞的活塞发动机的端视图；

图7是以水平対置的六汽缸配置，复合有二次膨胀器活塞的活塞发动机的端视图；及

图8是示出了膨胀器活塞理想冲程可以是如何作为发动机负载或温度的函数受控的图表。

具体实施方式

涉及具有受控膨胀的排气复合式内燃机的本发明的实施方式的下列讨论在本质上只是示例性的，并且绝不旨在限制本发明或其应用或用途。

获得内燃机最大燃料效率一直以来都是发动机设计者的目标。过去采用的一种技术是将二次膨胀器活塞结合进发动机中，其中膨胀器活塞从发动机的废气中提取额外能量。

图1是复合有二次膨胀器活塞的活塞发动机的俯视图。发动机10包括两个动力活塞12，它们是通常在内燃机中可见的活塞。动力活塞12在它们各自的汽缸中通过进气口13接收燃料和空气的充入，然后其被压缩、点燃并膨胀。当燃烧气体在动力冲程上膨胀之后，气体从动力活塞的汽缸排出。在复合式发动机10中，废气通过输气口15被送至二次膨胀器活塞14，而非通过排气系统将来自动力活塞12的气体排放到环境中，该二次膨胀器活塞14在其动力冲程上从废气提取额外能量，然后通过排气口17将气体排放到环境中。由于气体已经由动力活塞12膨胀过一次了，膨胀器活塞14上的气体压力较低。因此，膨胀器活塞14具有显著大于动力活塞12的孔。

两个动力活塞12与一个膨胀器活塞14的比在每循环四冲程发动机中是理想的。这是因为机械同相(同时都位于上死点(TDC)等)的两个动力活塞12相对于它们的燃烧循环360度异相(当动力活塞12中的一个开始动力冲程时另一个开始进气冲程等)。因此，每当膨胀器活塞14到达TDC时，动力活塞12中的一个已经在其动力冲程上到达下死点(BDC)，且准备好通过其相应输气口15将其气体排放至膨胀器活塞14。因此，膨胀器活塞14在二冲程模式下操作，对于每次曲轴旋转具有动力冲程和排气冲程。

发动机10可以基于柴油燃料操作(压缩点火)，或其可以基于汽油或各种其它燃料操作(火花点火)。发动机10可仅包括两个动力活塞12和一个膨胀器活塞14，或发动机10可按比例扩增至四个或八个动力活塞12，其中每两个动力活塞12具有一个膨胀器活塞14。在汽车应用中，发动机10可经由变速器和传动系统直接为车辆提供动力，或发动机10可用作辅助动力单元以经由发电机提供电能。发动机10还可用于许多种非汽车应用，包括主要的或备用的发电、电气泵等。

虽然二次膨胀器活塞发动机设计已经被人们所知一段时间了，但是对于大多数发动机应用来说这一想法还未证实是可行的，主要是因为与二次膨胀器活塞14相关联的寄生损失超过了在低负载条件下提取的额外能量。具体地说，在由动力活塞12的主要膨胀之后在废气中剩余极少能量的情况下，从废气的二次膨胀提取的能量不足以克服膨胀器活塞14在其汽缸中的摩擦。因为汽车以及大多数其它应用中的发动机频繁地在低负载下操作，二次膨胀器活塞发动机极少或没有实现整体燃料效率提高。然而，如果膨胀器活塞14可在低负载下去激活并静止，与膨胀器活塞14相关联的寄生损失将消除，且发动机的整体燃料效率将显著提高。

图2是用于将二次膨胀器活塞14耦合至发动机动力活塞12和曲轴同时允许膨胀器活塞14的去激活或去冲程的第一机械化装置的侧视图。在任何活塞发动机的典型设置中，动力活塞12(示出一个)经由连杆18被耦合至曲轴16。然后曲轴16经由连接链节22被耦合至冲程调节链节20。冲程调节链节20包括狭槽24，其使得冲程调节链节20的位置相对于枢转销26被调节。枢转销26是“接地”点，即它被附接到发动机10的缸体。连杆28在一端处被连接至膨胀器活塞14，且在另一端处在枢转点30处被连接至冲程调节链节20。

通过相对于枢转销26调节冲程调节链节20的位置，可增加或减少膨胀器活塞14的冲程。如图2中所示，随着枢转销26沿着冲程调节链节20的长度大致居中，膨胀器活塞14将具有与动力活塞12大致相同的冲程。然而，如果冲程调节链节20被定位成使得枢转销26位于狭槽24的远(右)端，那么膨胀器活塞14将具有非常短的冲程。实际上，可实现一种设计，其允许枢转点30沿着枢转销26的轴线定位，从而不会导致膨胀器活塞14的运动。在低负载发动机条件下，使膨胀器活塞14完全去激活并静止可能是期望的。然而，如下面将要讨论的那样，在某些条件下，可能需要减少膨胀器活塞14的冲程而不使其完全静止。

图3是用于将二次膨胀器活塞14耦合至发动机动力活塞12和曲轴16同时允许膨胀器活塞14的去激活的第二机械化装置的侧视图。在该实施方式中，二次膨胀器活塞14经由连杆34被耦合至次级曲轴32。次级曲轴32的旋转经由离合器36被耦合至曲轴16的旋转。离合器36必须为爪式离合器或其它这种设计，其提供次级曲轴32和曲轴16之间的正机械接合，使得两个轴的旋转速度相等，且保持所需相对位置。在该实施方式中，膨胀器活塞14可通过分离离合器36很容易地去激活并静止。在该实施方式中操作的去冲程模式不是固有实现的，尽管去冲程特征可被添加至次级曲轴32。

在上面讨论的两个实施方式中(其可共同被称作去冲程的机构)，控制器38监测发动机条件并建立膨胀器活塞14的期望冲程，或激活/去激活。然后控制器38致动链节20或离合器36以基于所需冲程控制膨胀器活塞14的实际冲程。

控制器38是汽车中任何电子控制单元(ECU)的典型装置，包括至少一个微处理器和存储器模块。微处理器配置有基于本文所述逻辑的特定编程算法，其使用来自传感器(诸如废气温度传感器、发动机转矩传感器、节气门位置传感器等)的数据作为输入。

在这两个设计实施方式中，维持动力活塞12与膨胀器活塞14之间的适当的几何关系。也就是说，当动力活塞12在TDC处时，膨胀器活塞14在BDC处，且反之亦然。通过第一实施方式(图2)的联接固有地维持这种关系，并且通过第二实施方式(图3)中的离合器36的设计来维持。

在图3中，甚至可以想到允许膨胀器活塞14和次级曲轴32独立于耦合到曲轴16的任何机构而操作。例如，在发电应用中，次级曲轴32可驱动小的次级发动机。从动力活塞12到膨胀器活塞14的废气的阀门调节将会固有地趋向于以与曲轴16相同的速度并且以正确的相位关系来驱动次级曲轴32。

可设想利用经膨胀器去激活或冲程调整的活塞混合式内燃机的各种控制策略。如上文所讨论的，已知膨胀器去激活在低负载条件下是所期望的。还考虑其他因素。例如，废气后处理装置(诸如催化转换器)只有当它们达到某个最小温度时才有效。在现实汽车应用中，将不会期望从废气中提取这么多能量从而使得废气后处理系统下降到其最小有效温度以下。这种准则可被结合到控制策略中。另外，实际上，可以期望给膨胀器活塞14的控制增加滞后效应，使得其不会高频率地重复激活和去激活。

图4是用于将二次膨胀器活塞14激活和去激活以优化发动机性能和效率的方法的流程图40。控制器38将被配置成遵循流程图40的方法步骤。在开始框42处，发动机10启动。当发动机10启动时，膨胀器活塞14被去激活和固定。在框44处，测量排气系统温度。在决定菱形框46处，比较排气系统温度与第一阈值温度。如果排气系统温度低于第一阈值(其是排气后处理装置的最低有效温度)，那么膨胀器活塞保持去激活和固定，且该过程在一定时间的延迟之后循环返回到在框44处再次测量排气系统温度。

如果在决定菱形框46处排气系统温度高于第一阈值温度，那么在框48处测量发动机输出转矩。发动机输出转矩被视为发动机负载是否足够高来保证二次膨胀器活塞14的接合的良好指标。当然可以设想到个别地或结合地使用其他测量作为发动机负载水平的指示。这样的其他测量可包含燃料流速、(动力活塞12的)缸盖温度、(动力活塞12的)汽缸压力等。在任何情况下，发动机负载的某些可靠指示是必需的，且在框48处获得，用于控制膨胀器活塞14。

在框50处，再次测量排气系统温度。在框52处，使用控制算法以确定膨胀器活塞14的期望冲程，且该过程循环返回到再次测量发动机输出转矩。控制算法可适合于处置可变冲程发动机设计，其中膨胀器活塞14的冲程可以被标准化为从零(固定)到1(可能用于发动机机械化的全部或最大冲程)之间变化。该算法还可适用于允许仅将膨胀器活塞14而不是可变冲程全部激活和去激活。

控制算法可以有利地使用考虑发动机负载(转矩)和排气系统温度并同时包括滞后效应以避免膨胀器活塞14的迅速重复激活和去激活的策略。例如，如果发动机转矩低于第一转矩阈值或排气系统温度低于第一温度阈值，那么膨胀器活塞14将被去激活。如果发动机转矩高于第二转矩阈值且排气系统温度高于第二温度阈值，那么膨胀器活塞14将在全部冲程处激活。如果发动机10支持膨胀器活塞14的可变冲程，那么可在0与1的数值之间将冲程调整为发动机转矩和排气系统温度相对于它们的相应阈值的函数。如果发动机10只支持膨胀器活塞14的全部激活和去激活，那么只可以使用一个温度阈值和一个转矩阈值，其中当超过这两个阈值时膨胀器活塞14被激活。例如可通过在某个条件下在改变膨胀器活塞14的冲程之前要求若干连续测量循环来增加滞后。

通过给如上所述的活塞混合式内燃机增加去激活特征或可变冲程特征，当发动机以中等或高负载操作时可以实现二次膨胀器活塞的燃料效率改进，但是当发动机以低负载操作时可消除膨胀器活塞的寄生损失。这种选择性膨胀器活塞去冲程提供了另一种提高燃料效率的方法，其对于汽车生产商和消费者来说都是如此重要的。

如上文简要地提及的，可按比例放大发动机10以包括多于图1中所示的仅仅三个汽缸(两个动力活塞和一个膨胀器活塞)。

图5是活塞发动机100的俯视图，其以“笔直六”汽缸配置与二次膨胀器活塞复合。发动机100示出了与膨胀器去冲程或去激活的排气复合的概念可如何按比例放大成能够给全尺寸汽车或卡车提供动力的较大发动机尺寸。

发动机100包括在缸体106中的动力活塞102和二次膨胀器活塞104，其中动力活塞102和膨胀器活塞104设置为三个每组。即，第一组110由动力活塞102中的两个和膨胀器活塞104中的一个组成。类似地适用于第二组112。将动力活塞102中的两个与膨胀器活塞104中的一个分组的优点在前面详细说明，其中两个动力活塞102在4冲程/循环模式中操作并且彼此360度异相，并且膨胀器活塞104在2冲程/循环模式中操作并且在TDC处在每个冲程上从动力活塞102中的一个动力活塞接收废气。

虽然在发动机100中的所有6汽缸的中心线不在单个平面中，但是发动机100与“笔直六缸”发动机的大体相似之处在于所有6个汽缸包含在单个缸体或者汽缸组中，并且所有6个汽缸具有相同的方向(例如，活塞在顶部处并且曲轴在底部处)。

在笔直六汽缸发动机100的优选设计中，动力活塞102中的所有四个共用相同曲轴。四个动力活塞102的分相可以按照至少两个不同的方式来处理。最简单的方式是具有所有四个动力活塞102在相位中(诸如所有同时在TDC处)，其中动力活塞102中的每一个将废气进料至最接近的膨胀器活塞104中，如图5所示。另一方法将类似于典型四汽缸发动机，其中为了优化机械平衡，内侧两个活塞在相位中(诸如在BDC处)而外侧两个活塞在相位中(诸如在TDC处)。该活塞/曲轴设置将需要不同的排放口配置，其中内侧两个活塞将进料膨胀器活塞104中的一个而外侧两个活塞将进料膨胀器活塞104的另一个。

发动机100可以设计为采用在图2和图3中示出的并且前述讨论的膨胀器活塞缩短冲程机构/去激活机构中的任一个。通过使用图2的可变冲程滑动机构，两个膨胀器活塞104将均设置为相同冲程。通过使用图3的双曲轴机构和离合器机构，两个膨胀器活塞104将均共用相同副曲轴，并且均基于离合器的状态接合或者脱离接合。

发动机100可以有利地为超动力式或者涡轮增压式，从而通过动力活塞102增加功率密度，并且在许多情况下还使额外的排气能量(温度和压力)可用于二次膨胀。还可以设计采用与膨胀器缩短冲程或者去激活复合的排气的其它六汽缸发动机设置。下面将讨论其中的两个。

图6是活塞发动机120的端视图，其与二次膨胀器活塞复合，在V形六汽缸配置中具有两个汽缸组。发动机120包括两组，每组三个汽缸，如上面针对发动机100所讨论的，不过分组配置不同。第一组122包括在具有中心线126的汽缸中操作的两个动力活塞，连同在具有中心线128的汽缸中操作的一个膨胀器活塞。相似地，第二组124包括在具有中心线130的汽缸中操作的两个动力活塞，连同在具有中心线132的汽缸中操作的一个膨胀器活塞。在图6中容易看出沿着中心线126操作的两个动力活塞和沿着中心线130操作的两个动力活塞可以如何共用曲轴，如在任何V形体发动机配置中。同样，沿着中心线128操作的膨胀器活塞和沿着中心线132操作的膨胀器活塞可以共用副曲轴(在图3的实施方式中)，或者每个汽缸组具有其自身的副曲轴来最佳地优化封装和质量。

图7是活塞发动机140的端视图，其与二次膨胀器活塞复合，在水平対置的六汽缸配置中具有两个汽缸组。发动机140包括两组，每组三个汽缸，如上面针对发动机120所讨论的，其中不同之处仅仅在于两个汽缸组水平対置而非成V形体配置。第一组142包括在具有中心线146的汽缸中操作的两个动力活塞，连同在具有中心线148的汽缸中操作的一个膨胀器活塞。相似地，第二组144包括在具有中心线150的汽缸中操作的两个动力活塞，连同在具有中心线152的汽缸中操作的一个膨胀器活塞。在水平相对的发动机140中共用的曲轴可以按照与上面讨论的V形六缸发动机120相似的方式来处理。

图8是示出了膨胀器活塞理想冲程可以如何作为发动机负载或者废气温度的函数受控的图表。水平轴182表示发动机负载(其可以用转矩、节气门位置或者其它合适的值来表示，如前面所讨论的)或者废气温度。竖直轴184表示膨胀器活塞理想冲程。线186将理想膨胀器活塞冲程限定为发动机负载或者废气温度的函数，如上面参照图4的流程图40所描述的。

第一阈值190表示低于该值膨胀器活塞冲程应该设置为零或者可能与图2的可变冲程机构的最小冲程值的值(在发动机负载或者废气温度中)。第二阈值192表示高于该值膨胀器活塞冲程应该设置为全冲程的值。在第一阈值190与第二阈值192之间，可以根据线186的线性斜坡函数来控制膨胀器活塞冲程。线186还可以具有一些除了直线斜坡之外的形状，诸如在阈值190与192处提供平稳转换的1/4正弦波。

如上所述，发动机负载和废气温度可以被用作膨胀器活塞冲程的控制参数。这是因为只有当废气中存在足够的能量(压力和温度)时需要使膨胀器活塞运行。还需要确保(在二次膨胀之后)废气温度对于排气后处理来说足够高。在两个步骤的决定过程中可以使用发动机负载和废气温度的组合。两个步骤的决定过程的实例将是首先评估废气温度，并且如果废气温度高于温度阈值，则继续评估发动机负载，从而根据图8并且如上所述参照图4的流程图40建立膨胀器活塞冲程。

图8所示的图适用于图2所示的可变冲程机械化装置，其中能够将膨胀器活塞14的冲程从其最大值的0％连续地控制至100％，或者从最小冲程值连续地控制至全冲程值。还可将与图8所示类似的控制策略应用于图3所示的基于离合器的机械化装置，其中如果控制参数(发动机负载或废气温度，或其组合)低于阈值，则膨胀器活塞14的冲程将被设置为0％(脱离)，并且如果控制参数高于阈值，则冲程将被设置为100％(接合)。在基于离合器的机械化装置的情况下，单个阈值将在图8所示的阈值190与192之间。如先前所论述的，可针对膨胀器活塞14的控制添加滞后效应，从而使得其不被快速激活和去激活。

基于上述讨论，对于发动机设计领域的本领域技术人员而言将显而易见的是，与膨胀器去冲程或去激活复合的排气可被进一步按比例放大至甚至更大的发动机尺寸，如笔直九汽缸或V型十二汽缸。这些六汽缸或更大的发动机可以带来可变冲程排气复合的所有效率优点，同时还为更大的车辆应用带来了足够动力。

以上的讨论仅仅公开和描述了本发明的示例性实施方式。本领域的技术人员将从这些讨论以及从附图和权利要求书中容易地认识到，在不脱离随附的权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在其中作出各种改变、修改和变型。

Claims (10)

1.一种膨胀器去冲程的活塞复合式内燃发动机，所述发动机包括：

旋转曲轴；

两个或多个由三个活塞组成的组，其中每组包括耦合到所述旋转曲轴的两个动力活塞以及二次膨胀器活塞，所述动力活塞由于燃料-空气混合物的点燃产生的燃烧气体的一次膨胀而提供发动机动力，所述膨胀器活塞由于在所述动力活塞的一次膨胀之后产生的燃烧气体的二次膨胀而提供额外的发动机动力；

用于在某些发动机状态下减少或消除所述膨胀器活塞的冲程的去冲程机构；以及

控制器，其被配置成测量发动机状态、基于所述发动机状态建立所述膨胀器活塞的期望冲程，以及将所述期望冲程传达到所述去冲程机构。

2.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述去冲程机构允许将所述膨胀器活塞的所述冲程从最小冲程值连续调节至全冲程值。

3.根据权利要求2所述的发动机，其中，所述去冲程机构是包括冲程调节链节的可变冲程机构，所述冲程调节链节以可调节方式将所述膨胀器活塞的所述冲程耦合至所述动力活塞的冲程。

4.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述去冲程机构使得所述膨胀器活塞被完全激活或完全去激活。

5.根据权利要求4所述的发动机，其中，所述去冲程机构为离合器，当所述离合器接合时，其将所述曲轴的旋转耦合至副曲轴的旋转，其中所述副曲轴被耦合到所述膨胀器活塞。

6.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述控制器在低负载发动机状态下将所述膨胀器活塞去激活。

7.根据权利要求6所述的发动机，其中，当排气系统温度低于温度阈值或发动机转矩低于转矩阈值时，所述控制器将所述膨胀器活塞的期望冲程建立为零，并且当所述排气系统温度高于所述温度阈值且所述发动机转矩高于所述转矩阈值时，所述控制器将所述膨胀器活塞的期望冲程建立为全冲程。

8.根据权利要求6所述的发动机，其中，所述控制器包括当去激活或再次激活所述膨胀器活塞时的滞后效应。

9.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述两个或多个由三个活塞组成的组包括笔直六缸配置中的六个活塞，其中所述四个动力活塞具有共同的方向并且沿着共平面的中心线运行，并且所述两个膨胀器活塞具有共同的方向且沿着共平面的中心线运行。

10.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述两个或多个由三个活塞组成的组包括以V型六缸或水平相对配置的六个活塞，其中两个动力活塞和一个膨胀器活塞在第一汽缸组中并且两个动力活塞和一个膨胀器活塞在第二汽缸组中。