CN115176075B - 设置有分开循环式内燃发动机的发动机系统 - Google Patents
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Abstract
一种发动机系统，该发动机系统设置有分开循环式内燃发动机，该分开循环式内燃发动机具有发动机缸体和膨胀部段，该膨胀部段具有多个膨胀气缸和旋转驱动轴，该旋转驱动轴由发动机缸体的第一部分支承并且由膨胀气缸操作；发动机还具有带有容积式压缩机的压缩部段；发动机系统还设置有：排气管线(4)，该排气管线用于将来自膨胀气缸(16b)的废气排出；至少一个通路(13，14)，至少一个通路用于将压缩空气从容积式压缩机(12)传递至膨胀气缸(16b)；以及热交换器(55)，该热交换器以这样的位置联接至发动机(2)，该位置使得将热量从排气管线(4)传递至这种通路(13，14)。
Description
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2019年12月9日提交的意大利专利申请No.102019000023358的优先权，该意大利专利申请的全部公开内容通过参引并入本文中。
技术领域
本发明涉及设置有分开循环式(split-cycle)内燃发动机的发动机系统。
背景技术
如已知的，分开循环式发动机包括专用于压缩氧化空气的至少一个压缩气缸以及至少一个燃烧气缸或膨胀气缸，至少一个燃烧气缸或膨胀气缸通过一个或更多个进气阀与压缩气缸连通，以便在每个循环中接纳充注的压缩空气以及喷射的燃料。膨胀气缸专用于空气/燃料混合物的燃烧、燃烧气体的膨胀以产生机械能、以及所述气体的排出，使得膨胀气缸基本上像二冲程发动机那样作用，该二冲程发动机又驱动压缩气缸。
膨胀气缸和压缩气缸通常成直线地布置，即，膨胀气缸和压缩气缸布置在沿着同一旋转轴彼此对准的位置中。
已经对这种类型的发动机进行了很多研究，并且这些年来建造了一些原型，这些原型主要针对在能量生产领域中的使用，但在汽车行业中也有应用的需求。在这个行业中，需要一种与现有循环车辆的发动机舱中的布局和可用空间相匹配的解决方案。
特别地，需要一种有效的解决方案，该解决方案允许从由发动机产生的废热中回收能量。
此外，需要一种相对紧凑的解决方案，该解决方案具有的尺寸可以与车辆中用于安装现有的四冲程发动机的已经可用的空间相当，以便能够用分开循环式发动机替换该发动机，以提高性能和/或减少消耗和污染排放，但同时也限制对发动机舱的其他部件进行的更改，并且更一般地限制该车辆安装所产生的成本。
此外，需要一种分开循环式发动机，该分开循环式发动机可以通过下述方式制造：尽可能多地使用已经通常用于制造车辆的普通四冲程发动机的技术和知识，并且尽可能少地修改发动机本身的不同的装置、附件、管道、部件等。
因此，本发明的目的是提供一种设置有分开循环式内燃发动机的发动机系统，该发动机系统以简单且经济的方式满足上述需求。
发明内容
根据本发明，提供了一种设置有分开循环式内燃发动机的发动机系统。该发动机系统包括分开循环式内燃发动机、排气管线和至少一个通路，分开循环式内燃发动机包括发动机缸体、膨胀部段和压缩部段，发动机缸体包括第一部分和第二部分，膨胀部段包括多个膨胀气缸以及旋转驱动轴，膨胀气缸布置在第一部分中，旋转驱动轴由第一部分支承并由膨胀气缸驱动，压缩部段包括具有旋转从动轴的容积式压缩机，旋转从动轴由第二部分支承，并且旋转从动轴与旋转驱动轴不同且间隔开，排气管线用于将来自膨胀气缸的废气朝向排气及后处理系统输送，所述通路用于将压缩空气从容积式压缩机传递至膨胀气缸，其中，所述系统还包括热交换器，该热交换器以这样的位置联接至发动机，所述位置使得将热量从排气管线传递至所述通路，压缩部段包括固定至第二部分的气缸盖，热交换器布置在气缸盖上方。
附图说明
通过阅读参照附图以非限制性示例的方式提供的优选实施方式的以下详细描述，将最佳地理解本发明，在附图中：
-图1是示出了根据本发明的优选实施方式的设置有分开循环式内燃发动机的发动机系统的示图；
-图2以立体图示出了图1的示图中所示的分开循环式发动机，其中，为了更清楚而移除了各零部件；
-图3和图4分别是以简化的方式和利用示意性零部分示出了图2的分开循环式发动机的后视图和侧视图；以及
-图5和图6分别是根据图4的截面线V-V和VI-VI的横截面。
具体实施方式
参照在图1中示意性示出的，附图标记1表示设计成安装在车辆(未示出)、特别是机动车辆或农业机械的发动机舱中、用于驱动车辆的发动机系统。
系统1包括：分开循环式内燃发动机2；管线3，管线3用于向发动机2供给空气；管线4，管线4用于将来自发动机2的废气朝向排气系统或后处理系统输送(未示出)；以及喷射系统5，喷射系统5用于将燃料供给到发动机2中。此外，系统1优选地包括：增压压缩机6，增压压缩机6沿着管线3安装成对向发动机2供给的空气进行压缩，并且例如由涡轮机7驱动，涡轮机7又由发动机2产生的燃烧气体操作，所述涡轮机沿着管线4布置；以及热交换器8，热交换器8例如由所谓的中间冷却器限定，所谓的中间冷却器沿着管线3布置在压缩机6与发动机2之间，以便将由压缩机6压缩的空气冷却。
发动机2包括压缩部段10a和膨胀部段10b：压缩部段10a专用于对来自管线3的空气进行压缩，并且压缩部段10a包括容积式压缩机12，该容积式压缩机12特别地由往复式活塞压缩机限定。压缩机12必须优选地能够在超过70巴的压力下运行。
另一方面，膨胀部段10b通过一个或更多个连接管道13和进气歧管14(图4)接纳来自压缩部段10a的压缩空气。部段10b还接纳由系统5供给的燃料并且专用于空气/燃料混合物的燃烧、由燃烧产生的气体的膨胀以及所述气体的排出，使得膨胀部段10b基本上像二冲程发动机那样作用。由于部段10b专用于这些阶段，因而燃烧在没有明显的温度变化的情况下进行，因此与四冲程发动机相比，降低了排放水平。
参照图4，压缩机12包括一个或更多个压缩气缸16a。例如，存在三个气缸16a。每个气缸16a包括相应的衬套17a和相应的活塞18a，在衬套17a与活塞18a之间限定有压缩室19a，压缩室19a设计成接纳通过管线3的一个或更多个入口阀20a(图1)的空气流。活塞18a被提供有往复运动，以便在每个循环中执行进气冲程和压缩冲程，其中，在进气冲程期间，空气流动到压缩室19a中，在压缩冲程期间，空气被压缩并且然后通过一个或更多个传送阀21a(图1)流出压缩室19a，流动到对应的管道13中。压缩机12还包括旋转轴23a，旋转轴23a特别地由曲轴限定并且为活塞18a提供前述往复运动。
参照图3，膨胀部段10b包括多个膨胀气缸(或燃烧气缸)16b。例如，气缸16b的排量是气缸16a中的一个气缸的二至三倍。每个气缸16b包括相应的衬套17b和相应的活塞18b，在衬套17b与活塞18b之间限定有燃烧室19b，燃烧室19b设计成通过一个或更多个进气阀20b接纳来自歧管14和/或管道13的空气以及由系统5喷射的燃料。活塞18b进行具有膨胀冲程和排气冲程的往复运动，其中，在膨胀冲程期间，空气和燃料流动到燃烧室19b中并形成混合物，该混合物(以受控方式或自发地)被点燃以便然后产生燃烧气体的膨胀并产生机械能，在排气冲程期间，燃烧气体通过一个或更多个排气阀21b(图1)排出到管线4中。
活塞18b操作旋转驱动轴23b，该旋转驱动轴23b由曲轴限定并且引起轴23a的旋转。根据本文中未示出的替代性实施方式，压缩机12的轴23a由电动马达驱动，该电动马达由发电机产生的电流供电，而发电机又由驱动轴23b直接或间接驱动。
轴23a和轴23b围绕各自的轴线41a和轴线41b旋转，轴线41a和轴线41b是不同的并且彼此间隔开，并且特别地是平行的。活塞18a和活塞18b沿着各自的轴线42a和轴线42b滑动，轴线42a和轴线42b优选地相对于彼此倾斜以便在轴线42a与轴线42b之间形成角度A，该角度A的范围例如为0°至30°。同时，发动机2包括发动机缸体43，压缩机12结合在该发动机缸体43处。换句话说，根据图5和图6，发动机缸体43包括两个部分43a和43b：部分43a容纳压缩气缸16a并支承轴23a，而部分43b容纳膨胀气缸16b并支承轴23b。更详细地，图6显示的是，部分43a和部分43b分别容纳衬套17a和衬套17b，并且是中空的以便允许连接杆的柄部通过，该连接杆将轴23a和轴23b连接至相应的活塞18a、18b。
气缸16a与气缸16b不成一直线；实际上，部分43a沿着与轴线41b和轴线42b正交的方向44布置在部分43b旁边。在本文中所示的具体示例中，发动机缸体43限定了(通过铸造制造的)一个单个整体件。根据在本文中未示出的变型，部分43a和部分43b可以限定固定至彼此的各自不同的件，该不同的件通过铸造制造。
根据图5，轴23a和轴23b借助于各自的主轴承以旋转的方式联接至发动机缸体43，各自的主轴承接合各自的坐置部44a和坐置部44b。部分43a和部分43b限定了坐置部44a和坐置部44b的上部部分。在本文中所示的特定示例中，发动机2还包括下部发动机缸体45，该下部发动机缸体45限定了坐置部44a和坐置部44b的下部部分，下部发动机缸体45以在本文中未示出的已知方式固定至发动机缸体43并且优选地由(通过铸造制造的)整体件限定。
参照图3，发动机2还包括用于将运动从轴23b传递至轴23a的机械传动装置48、例如齿轮传动装置。特别地，传动装置48在发动机缸体43的外侧布置在合适的壳体中，布置在发动机2的后端部的区域中(其中，“前端部”是指通常安装有用于输送外部冷却空气的风扇49的端部，而“后端部”是指通常安装有飞轮的端部，该飞轮在本文中未示出)。根据本文中未示出的变型，传动装置48安装在相反的位置中，即安装在轴23a和轴23b的前端部处。
发动机2还包括在图3中示意性地示出的两个气缸盖50a和50b，所述两个气缸盖50a和50b彼此不同，分别是部段10a和部段10b的一部分，并且以在本文中未示出的已知方式固定至发动机缸体43。换句话说，气缸盖50a固定至部分43a并承载阀20a和阀21a，而气缸盖50b固定至部分43b并承载阀20b和阀21b。发动机缸体43的部分43a和部分43b与气缸盖50a、50b具有适合的内通道以冷却和润滑发动机2，该内通道在本文中未示出。特别地，部分43a和部分43b通过同一润滑系统进行润滑，而部分43a和部分43b可以共用同一冷却系统或者通过独立系统进行冷却。
根据在图1和图4中以示意性方式示出的本发明的一方面，系统1包括热交换器55，该热交换器55以这样的位置固定至发动机2，该位置使得将热量从管线4传递至管道13和/或歧管14，由部段10a压缩的空气在管道13和/或歧管14中流动。特别地，热交换器55布置在涡轮机7的下游并且通过适当的分配器56(图2)接纳来自压缩机12的空气。热交换器55也被称为“回收器”，这是因为热交换器55从废气中回收能量，以便允许引入到膨胀气缸16b中的空气团达到更高的温度。
特别地，根据图3，热交换器55布置在气缸盖50a上方，并且更具体地，平行于方向44布置在气缸盖50b旁边的位置处。热交换器55优选地固定至单独的气缸盖50b。
由于上述原因，发动机2和系统1的优点对于本领域技术人员来说是明显的。首先，优选地直接固定至气缸盖的热交换器或回收器55在排气处回收能量，以便在已经压缩的空气团中获得更高的温度，该压缩的空气团通过阀控制系统从压缩气缸16a转移至膨胀气缸16b。特别地，加热会导致在将空气团引入到膨胀气缸16b中之前产生进一步的压力增加，不过不会影响压缩气缸16a中的压缩冲程，并且/或者会导致膨胀气缸16b中的燃烧的改进。特别地，在这种布局中，热交换器55和压缩机12放置成确保尽可能紧凑的空气通道。
此外，将压缩机12的轴23a与驱动轴23b分开和间隔开的事实允许压缩部段10a的部件的设计具有更大的自由度，并且允许独立于膨胀气缸16b以专用方式使压缩机12冷却的可能性。更详细地，将压缩部段10a沿着方向44放置在膨胀部段10b旁边的事实导致极其紧凑的解决方案，该解决方案具有的尺寸与汽车工业的发动机舱中可用的空间匹配，并且同时允许制造商使用与已用于制造当前的内燃发动机的技术和/或生产线相似的技术和/或生产线。
例如，对具有六个膨胀气缸的分开循环式发动机进行了一些初步研究，该分开循环式发动机从现有的具有六个气缸(排量约为9升)的四冲程柴油发动机开始获得，并假设分开循环式发动机的六个膨胀气缸(16b)与所述四冲程发动机的六个气缸(在尺寸、位置、结构等方面)相同；所述四冲程发动机被修改成在六个现有气缸旁边简单地结合压缩部段10a。特别地，使用了具有150kW功率和3升排量的往复容积式压缩机。通过根据本发明的布局，可以获得与“传统”柴油内燃发动机的功率和扭矩类似的功率和扭矩，该“传统”柴油内燃发动机的排量比修改后的发动机的排量大35％，但修改后的发动机具有有利的消耗、重量、尺寸和/或排放。
更改相对简单，并且只需进行少量更改。同时，为了制造分开循环式发动机，可以使用相同的、已经使用的生产线。
就上述其他特征而言，轴线42a和轴线42b的布置有助于优化尺寸；传动装置48的后部布置允许限制扭转振动；并且将发动机缸体43制造为一个单个件的事实允许借助于通常用于制造发动机缸体的相同铸造技术将部分43a与部分43b一起在一次单个操作中制造。
此外，如上所述，压缩部段10a在膨胀部段10b旁边的布置允许将热交换器55安置在使整个系统1的布局保持紧凑的有利位置中。
由于上述原因，明显的是，系统1可以进行改变和变型，而不会因此超出所附权利要求中阐述的保护范围。
特别地，压缩机12可以由不同于作为优选示例所指示的往复式压缩机的容积式压缩机限定，尽管无论如何，压缩机12自身的操作轴由发动机缸体43支承并结合在发动机缸体43中。
将运动传递至轴23a的传动装置48可以与本文中所示的传动装置不同，例如，如果压缩机12布置在发动机2的前端端部的区域中，则传动装置48可以包括链传动装置或齿形带传动装置。
系统1可以具有将液体物质注射到压缩机12的腔室19a中的系统；以此方式，在压缩期间，这种物质蒸发并且由于相变而吸收热量，使得防止空气温度超过该物质的沸腾温度。
Claims (9)
1.一种发动机系统(1)，包括：
-分开循环式内燃发动机(2)，所述分开循环式内燃发动机(2)包括：
a)发动机缸体(43)，所述发动机缸体(43)包括第一部分(43b)和第二部分(43a)；
b)膨胀部段(10b)，所述膨胀部段(10b)包括：
(1)多个膨胀气缸(16b)，所述膨胀气缸(16b)布置在所述第一部分(43b)中，以及
(2)旋转驱动轴(23b)，所述旋转驱动轴(23b)由所述第一部分(43b)支承并由所述膨胀气缸(16b)驱动；
c)压缩部段(10a)，所述压缩部段(10a)包括具有旋转从动轴(23a)的容积式压缩机(12)，所述旋转从动轴(23a)由所述第二部分(43a)支承，并且所述旋转从动轴(23a)与所述旋转驱动轴(23b)不同且间隔开；
-排气管线(4)，所述排气管线(4)用于将来自所述膨胀气缸(16b)的废气朝向排气及后处理系统输送；
-至少一个通路(13，14)，所述通路(13，14)用于将压缩空气从所述容积式压缩机(12)传递至所述膨胀气缸(16b)；
其特征在于，所述系统还包括热交换器(55)，所述热交换器(55)以这样的位置联接至所述发动机(2)，所述位置使得将热量从所述排气管线(4)传递至所述通路(13，14)；
所述压缩部段(10a)包括固定至所述第二部分(43a)的气缸盖(50a)；所述热交换器(55)布置在所述气缸盖(50a)上方。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述膨胀部段(10b)通过一个或更多个连接管道和进气歧管接纳来自所述压缩部段(10a)的压缩空气；并且其中，所述热交换器(55)以这样的位置固定至所述发动机(2)，该位置使得将热量从所述排气管线(4)传递至所述管道和/或所述歧管。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述膨胀部段(10b)包括固定至所述第一部分(43b)的另一气缸盖(50b)；所述热交换器(55)布置在所述另一气缸盖(50b)旁边。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一部分(43b)和所述第二部分(43a)沿着与所述旋转驱动轴(23b)的旋转轴线(41b)正交的方向(44)并排布置。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述旋转驱动轴(23b)的所述旋转轴线(41b)和所述旋转从动轴(23a)的旋转轴线(41a)彼此平行。
6.根据权利要求4或5所述的系统，其中，所述第一部分(43b)和所述第二部分(43a)形成整体件。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述发动机还包括机械传动装置(48)，所述机械传动装置(48)适于将运动从所述旋转驱动轴(23b)传递至所述旋转从动轴(23a)并且布置在所述发动机的端部处。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述容积式压缩机(12)是往复式压缩机，所述往复式压缩机包括布置在所述第二部分(43a)中的至少一个压缩气缸(16a)。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述膨胀气缸(16b)和所述至少一个压缩气缸(16a)包括各自的活塞(18b，18a)，所述活塞(18b，18a)能够沿着各自的轴线(42b，42a)移动，所述轴线(42b，42a)相对于彼此倾斜以便形成角度(A)。
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