CN117642552A - 发动机内部冷却方法及应用该方法的发动机 - Google Patents

发动机内部冷却方法及应用该方法的发动机 Download PDF

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CN117642552A CN202280047760.0A CN202280047760A CN117642552A CN 117642552 A CN117642552 A CN 117642552A CN 202280047760 A CN202280047760 A CN 202280047760A CN 117642552 A CN117642552 A CN 117642552A
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何塞路易斯·贝穆德斯德卡斯特罗德拉富恩特
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He SailuyisiBeimudesidekasiteluodelafuente
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He SailuyisiBeimudesidekasiteluodelafuente
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Abstract

本发明涉及一种发动机内部冷却方法,包括以下步骤:改变燃烧室的进气或排气元件的开闭,以改变发动机的工作循环,只执行进气和排气定时;‑向发动机喷射冷却液‑作用于喷射系统以关闭燃料供应;‑作用于点火系统以关闭点火系统,它可以与发动机产生功的热力学循环结合实施。它还涉及一种内燃机,该内燃机包括至少一个控制单元,该单元被配置为对喷油、点火、燃烧室进气和排气系统及元件的运行起作用,被配置为执行上述方法的步骤。

Description

发动机内部冷却方法及应用该方法的发动机
技术领域
1.本发明涉及发动机,更具体地说,涉及发动机的内部冷却。
背景技术
2.自JeanJ.Lenoir于1858年首次对发动机进行商业开发,以及Nicolaus AugustOtto于1876年提出四冲程原理(文件US194047A)以来,在过去的一个半世纪中,为了改进发动机的操作、耐用性、消耗、能效和排放,已经开发出了许多变体。在所有这些领域都取得了许多进步,但仍有许多工作要做,特别是在能源性能和排放创新方面。
3.发动机中有许多热力循环,几乎所有的热力循环都包括以下4个阶段或阶段,分布在4冲程或2冲程循环中:(1)进气,(2)压缩,(3)燃烧或爆炸或膨胀,(4)排气。
4.商业上最成功的发动机是替代发动机(在这种发动机中,燃烧过程中放热反应产生的气体推动活塞,使其在气缸内移动并产生替代运动)。在商业上,这些替代发动机中最成功的循环是Otto循环和四冲程柴油机循环。不过,还有其他一些在商业上取得成功的循环,如Atkinson、Miller或在二冲程发动机中开发的循环,包括汽油和柴油循环。其他类型的非替代发动机也是众所周知的,例如Wankel旋转发动机或HEHC(高效混合动力循环),或许多几乎没有商业成功的奇特发动机。
5.在发动机元件方面,已经取得了许多技术进步,如喷射、直接喷射、共轨、涡轮增压器、催化剂、微粒过滤器或最近的尿素或柴油机尾气处理液。
6.还有一些已知的解决方案是在燃烧室中加入流体,用于燃烧以外的目的,如润滑、冷却、膨胀甚至减轻自爆。这些解决方案包括注入水或其他具有高热容量或汽化潜热的流体,它们在发动机内部就像一块热"海绵",能立即产生冷却效果。通过冷却燃烧室,可以改变热力学循环的某些参数,从而提高燃烧效率和功率。燃烧室温度的降低反过来又会降低污染物的排放,如氮氧化物和微颗粒。
7.1978年生产的Saab 99Turbo S是这一技术的先驱,特别是在竞赛发动机中得到了改进。目前,许多高性能发动机在不进行燃烧的情况下向气缸喷射额外的汽油,以寻求燃烧室的冷却效果,而不是利用汽油推动发动机。在这种情况下,主要目的并不是提高发动机的效率和功率,而仅仅是冷却发动机,以免材料在极高的温度下受损。
8.此外,DE102015208472A1和DE102015208476A1号文件还介绍了博世"水增压"系统,该系统自2016年起在BMW M4 GTS上使用,使用蒸馏水代替额外的汽油冷却发动机,从而节省燃油。
9.US2014326202A1号文件还介绍了一种六冲程发动机循环,它包括在通常的4冲程之后增加2个冲程。这两个附加冲程分别是进气冲程(进气门打开,清洁空气充满燃烧室)和排气冲程(排气门打开,空气从排气门排出),这两个冲程对燃烧室进行扫气。
10.另据了解,DE102004013854A1号文件是关于带喷水功能的六冲程发动机循环的,与六冲程发动机循环相比,该循环有以下两种变化:
1.一方面,对排气阀的功能进行了修改,排气阀不再在整个第4个排气冲程中打开,而是仅在第3个冲程结束时或第4个冲程开始时短暂打开。这样,第4个冲程不再是排气冲程,而是压缩冲程,压缩前一个冲程燃烧或爆炸后残留的部分污浊空气。
2.另一方面,在第5个冲程中会注入水,高温会使水变成蒸汽状态,从而大大增加压力,并在活塞上产生膨胀。这样,第五冲程不再是进气冲程,而是膨胀冲程。
11.最后,还有一些技术方案可以改变气门的功能,使气门的开启和关闭时刻适应不同的条件、所需的结果或需要开发的热力学循环,例如:
可变定时方案,可以调整凸轮轴相对于发动机飞轮的相对运动,从而根据发动机转速改变定时图:
可变定时解决方案,调整凸轮轴相对于发动机飞轮的相对运动,根据发动机转速改变定时图。由可置换凸轮轴组成的解决方案,一组主动凸轮用于一个位置,另一组主动凸轮用于另一个位置。例如,丰田公司几年来在混合动力汽车上成功推广的发动机,在凸轮轴的一个位置上,发动机采用Atkinson循环,而在另一个位置上则采用Otto循环。例如,DE102007002802A1号文件中,凸轮轴的位移可改变发动机在2冲程和4冲程之间的热力循环。
将凸轮轴的旋转频率提高一倍的解决方案,如US20020117133A1号文件,其中描述了一种能够在二冲程循环和四冲程循环之间切换的系统。
关于Jacobs发动机制动器的US3220392A号文件,通过额外打开排气阀,使发动机充当空气压缩机,发挥强大的发动机制动作用。
Koenigsegg的无凸轮或自由气门系统,气门以电子方式启动,没有任何限制其运动可能性的刚性机械元件。
12.尽管在发动机方面取得了许多技术进步,但仍有许多问题尚未解决,特别是在效率方面,其中包括燃烧室内达到的高温以及由此产生的污染。与所有已知的解决方案(例如备受争议的EGR阀)相反,并考虑到迄今为止尚未解决的现有技术问题,本发明包括一种用于发动机的内部冷却方法和应用该方法的发动机。
具体实施方式
13.在第一个发明方面,本发明涉及一种用于发动机的内部冷却方法,其中发动机被配置为正常运行,执行至少一个产生功的热力学循环,并包括:
至少一个燃烧室;
至少一个燃料导入系统,配置用于将燃料导入发动机;
至少一个燃烧室进气元件,例如进气阀,用于将流体(例如氧化剂)引入所述燃烧室,以及
至少一个燃烧室排气元件,如排气阀,用于将流体排出燃烧室;
所述冷却方法的特征在于,包括一个称为"通风循环"的发动机工作循环,适合与发动机中通常执行的热动力循环一起交替执行,其中该"通风循环"包括至少一个进气阶段和排气阶段的循环,不执行任何压缩或膨胀阶段,通过改变任何燃烧室中进气和排气元件的功能来实现、所述"换气循环"至少可由电子控制单元决定连续重复多少次,在发生所述"换气循环"的至少一个燃烧室中产生至少一次不做功的扫气(清扫效应),直到发动机返回到其通常执行的热动力循环的工作模式。
14.这种冷却方法与至少一个产生功的热动力循环交替进行。也就是说,在某些时刻,发动机将进行至少一个产生功的热动力循环;而在其他特定时刻,由于各种情况,发动机将在冷却方法中进行至少一个循环,其"通风循环"的目的不是产生功,而是冷却发动机。也就是说,在发动机中,这两种运行模式都是可供选择的:当采用冷却方式时,发动机的常规热动力循环将停止,反之亦然。
15.通过改变进气和排气元件的功能来改变燃烧室内的工作循环,这种冷却方式会彻底改变发动机的功能。发动机停止执行正常的热力学循环,将其功能转换为执行"通风循环"的冷却方式。发动机的正常热力学工作循环是产生功和保持运转的循环,也就是像发动机一样工作。然而,"通风循环"并不产生功,因为它的目的是冷却发动机。因此,"换气循环"不能在发动机中持续进行,只能在特定时刻利用发动机通常的热力学循环产生的惯性,或者发动机中同时存在另一个产生运动的源。这样做的目的是在正常的热动力循环再次发挥作用之前冷却发动机。
16.发动机的热力循环一般包括进气、压缩、膨胀和排气阶段。进气阶段是指在进气元件打开、排气元件关闭的情况下,活塞或转子执行一半以上的下行冲程。排气阶段是指活塞或转子在进气元件关闭和排气元件打开的情况下,向上冲程超过一半。压缩阶段是指在进气和排气元件关闭的情况下,活塞或转子的上冲程超过一半。膨胀阶段是指在进气和排气元件关闭的情况下,活塞或转子执行一半以上的下行冲程。
17.这种冷却方法包括对燃烧室进气和排气元件或其功能进行修改或添加,它能够执行"通风循环",该循环只包括2个冲程或阶段,即:
冲程1或进气阶段,开始时活塞或转子位于上死点,并开始向下死点运动,打开至少一个燃烧室进气元件,当燃烧室充满空气或其他流体时,进气元件保持打开状态。最后,活塞或转子到达下死点,关闭至少一个燃烧室进气元件。
冲程2或排气阶段,开始时活塞或转子位于下死点,并开始向上死点运动,打开至少一个燃烧室排气元件,当流体从燃烧室排出时,排气元件保持打开状态。最后,活塞或转子到达上死点,关闭至少一个燃烧室排气装置。
18.换气周期"由进气阶段和排气阶段组成。进行多次连续的"换气循环"会产生连续的进气和排气阶段,因此在两个排气阶段之间只有一个进气阶段,而在两个进气阶段之间只有一个排气阶段。这种"换气循环"产生的结果是燃烧室的清扫或清扫,这就是四冲程发动机中冲程4和冲程1连接的情况。换气循环"不是正常的热力学循环,因为
不产生功;
不包括压缩;
不包括燃烧、爆炸或膨胀,以及
配置为产生燃烧室清扫,即用替代燃烧室的新流体替换燃烧室内流体的过程。
19.换气循环"可通过燃烧室进气和排气元件功能可调系统在发动机中启动。这样,发动机的热力学运行循环(如Otto、Atkinson,Miller,Diesel等)就可以不时地改变为"通风循环",在"通风循环"中,所述进气和排气元件的运动是不同的。
20.相对于活塞或转子处于上死点或下死点的理论时刻,燃烧室进气和排气元件的开启或关闭时刻可能会提前或延迟。这些变化被称为可变气门正时(VVT),其中包括:
进气门提前打开(EIVO);
进气门晚关(LIVC);
早期排气门打开(EEVO);
晚期排气门关闭(LEVC);
21.这些开启和关闭力矩相对于理论力矩的变化可用于调整空气或其他流体的流量,使其达到特定或更优化的性能,例如改善发动机性能、燃油经济性或排放。例如,您可以提前打开和延迟关闭两个气门,使它们的打开力矩产生重叠(气门重叠),以改善燃烧室流体的进出,同时降低内部压力。
22.这种冷却方法的管理可由至少一个分配控制单元来执行,该单元被配置为作用于燃烧室进气和排气元件的功能。上述至少一个分配控制单元可以全部或部分集成到发动机的至少一个电子控制单元中。
23.为了更好地描述"通风循环"的理论工作原理,下文将对其与四冲程Otto循环的理论工作原理进行比较:
与Otto循环的4个冲程相比,"通风循环"只有2个冲程;
因此,在发动机转速相同的情况下,"换气循环"的频率是Otto循环的两倍。
换气循环"的第1和第2冲程与Otto循环的第1和第4冲程相当。
在Otto循环中,每个燃烧室的进气或排气元件每两转发动机才打开一次(在Otto循环中,第1冲程为进气元件,第4冲程为排气元件),而在"通风循环"中,每转发动机打开一次(在"通风循环"中,第1冲程为进气元件,第2冲程为排气元件)。
因此,在发动机转数相同的情况下,"换气循环"中燃烧室进气和排气元件的动作频率是Otto循环的两倍。
在Otto循环的第2冲程中,燃烧室内部发生压缩,从而与发动机的运动相反,而这在"通风循环"的任何冲程中都不会发生。
在Otto循环的第3冲程,燃烧室内的压缩流体膨胀,产生发动机的运动(做功),而这在"换气循环"的任何冲程中都不会发生。
24.与热动力循环相比,"换气循环"在发动机中能产生以下一些效果:
增加通过燃烧室的气流;
燃烧室的冷却,因为燃烧室的通风是通过清扫产生的;
燃烧室内没有流体压缩,除其他外,会产生以下后果:
在热力学循环的压缩冲程中,发动机的运动不会受到阻力;
压缩过程中不会产生热量。
可随时将冷却或润滑或化学试剂(如水)等额外流体引入燃烧室,而不会对发动机造成不利影响,如燃烧室内压力过大,或在所有阀门关闭的情况下,活塞或转子向上的瞬间蒸汽膨胀,从而阻碍发动机的运动。
25.与其他现有的解决方案(背景技术中提到的一些)相比,这种冷却方法是一种具有创造性的新型解决方案,因为阀门的具体功能、与一个或多个其他热动力循环交替使用的方式,以及最重要的是,它所提供的结果是显著不同的。从本质上讲,它不是一个普通的热力学循环,因为它的目的不是做功。它只是发动机机械运动的另一种方式;是热力学做功循环的替代方式,可以在发动机中持续进行。然而,"通风循环"不能以持续的方式进行:它需要在发动机的运动已经具有惯性时才能实施,而且只能持续很短的时间,或者在发动机中同时存在其他运动产生源的情况下。
26.需要注意的是,虽然在标准热力学4冲程循环之后增加一个"换气循环"可以形成所谓的"6冲程循环",但两者并不相同。在6冲程循环中,第5和第6冲程仅在前4冲程之后出现一次,是6冲程循环的必要组成部分。然而,"通风循环"完全独立于热力学循环中的其他4个冲程,不仅可以在需要时执行,还可以根据需要连续执行多次。
27.至于阀门功能变化的其他解决方案,它们与"通风循环"的主要区别在于产生的结果。一些解决方案通过凸轮轴位移或将其旋转频率提高一倍等方式,使热动力循环在Atkinson与Otto之间或2冲程与4冲程之间变化。其他解决方案则使发动机像Jacobs发动机制动器中的压缩机一样工作,以减慢车辆的行驶速度。然而,在"通风循环"中,气门功能的变化只不过是对燃烧室进行扫动,以冷却燃烧室,同时避免压缩、燃烧或发动机制动。
28.在特定的实施方案中,冷却方法包括一个额外的冷却阶段,该冷却阶段不产生功耗,包括通过至少一个流体导入装置(如喷水器)将空气以外的冷却流体导入发动机内部,该装置被配置为将所述流体导入发动机内部。
29.通过在发动机内部引入冷却液,冷却液就像一种矢量,可以吸收热量并将其输送到外部。因此,这是一种能在发动机内部产生巨大冷却效果的作用。由于水的汽化潜热(或汽化热或比热)很高,因此入门元件可以是每个进气歧管中的喷水器。如果希望更好地维护材料,还可以在冷却液中添加某种润滑剂或抗氧化剂。还可以添加一些化学试剂,以引发理想的化学反应,例如将某些对环境有害的物质转化为对自然和生物更友好的物质。还可以在发动机的任何位置(如涡轮增压器、燃烧室,甚至排气管)安装额外的冷却液喷射器,以便在发动机的特定部位实现更局部的冷却,或与更具体的理想化学反应相结合。
30.在这些具体的实施方案中,发动机冷却方法分为两个阶段:"通风循环"和引入冷却液。这两个阶段是相辅相成的,但它们并不一定在任何时候都是同时进行的,而是相互独立的不同操作。因此,这两个阶段中的任何一个都可以在特定时间执行,而在其他时间则不执行,这取决于在任何特定时刻所关注的问题。两者并不总是必须同时进行,因此在某些时候,冷却方法可以只使用"通风循环"。在其他情况下,只需引入冷却液即可实现冷却。而在其他情况下,冷却方法可以通过两个阶段或两个动作来实现。但即使是在这样的联合场合,它们也可以在任何时间、以任何顺序、以任何可能的组合方式展开。它们可以以任何形式呈现,如同时、交替、连续、相继、顺序或重叠进行。
31.这两个阶段的联合组合,使"通风循环"与引入冷却液的冷却作用结合在一起,而燃料的引入和点火则继续在发动机中进行。所有这一切导致在不对所述流体进行明显压缩的情况下,通过引入多种流体实现连续的气室扫气。所有这些都会产生以下影响:
通过扫膛或清扫进行冷却;
通过引入冷却流体进行冷却;
燃料供应和点火的浪费,因为如果燃料发生燃烧或爆炸,其效率将非常低,输入发动机的热量很少,对工作几乎没有用处;
如果燃料没有发生燃烧或爆炸,发动机中的燃料会冷却,吸收热量并将其排放到室外;
通常在压缩阶段产生的热量输入被抵消,因为这不会发生;
32.在某些情况下,只有在发动机中引入冷却液的阶段或动作才会发生,因此它将与发动机中执行的热力学循环一起实施,如果以受控的方式进行,燃烧室可以继续做功,同时实现发动机的有效冷却。
33.由于导入冷却液的任务是冷却发动机,因此不一定要在发动机循环的某个特定时刻进行,可以在任何时刻或任何冲程导入,但要考虑到这三项建议:
尽量减少对发动机热力循环的改变,甚至完全不产生负面影响。
最大限度地延长冷却时间。
尽量减少冷却液的存在对发动机运动产生的不利影响,其中包括
降低燃油丰富度;
冷却液的存在会产生压力,阻碍发动机的运转;
活塞或转子在上升时可能产生蒸汽膨胀,并产生与其运动相反的力。
34.至少一个冷却控制单元可对将冷却液导入发动机的这一阶段进行管理,该单元可对至少一个冷却液导入元件的功能进行控制。上述至少一个冷却控制单元可以全部或部分集成到发动机的至少一个电子控制单元中。
35.需要指出的是,与现有的注水六冲程循环方案相比,该方案与下列方案不同:
也不是一个标准的四冲程热力循环,然后是一个注入冷却液的"通风循环也不是连续三个"通风循环",同时注入冷却液;
这是因为:
燃烧室进气和排气元件的功能在所有情况下都不同;
在喷射式六冲程循环中,水被用于膨胀目的;
在标准热力循环与"通风循环"的组合中,后者可以在任何情况下实施或不实施,完全是有意的和独立的,而且可以根据需要连续多次实施;而在6冲程循环中,第5和第6冲程必须在前4冲程之后进行,而且在一个完整的循环中只能进行一次。
36.在特定的实施方案中,引入的流体是除空气以外的特定冷却流体,例如水,流体引入装置是发动机进行至少一个通常的热力学循环所需的元件之外的一种装置,所述装置专门用于将所述流体引入发动机内部。这种特定的冷却流体不同于空气和通常在发动机中发生的热力学化学反应的成分。
37.需要注意的是,虽然有一些已知的解决方案使用燃料喷射来达到冷却目的(在热力学循环中的其他时间,而不是燃烧),但如果使用特定的冷却流体可能更方便,例如,这种流体相对于燃料更便宜,更适合保存材料,或具有更高的汽化潜热或比热。
38.在特定的实施方案中,冷却方法还包括一个步骤,即作用于至少一个燃料导入系统,以中断对任何一个燃烧室的燃料供应。
39.发动机冷却方法的具体实施分为几个阶段。所有这些阶段都是相辅相成的,但它们并不一定在任何时候都是一致行动的,而是相互区别和独立的,这一点与前一种特殊实现方法中已经解释过的方式相同。
40.当前面描述的"换气循环"阶段和新的燃料切断阶段同时进行时,除了"换气循环"产生的清扫作用(这极大地改变了发动机的功能)外,还增加了无燃料燃烧、爆炸或膨胀的作用。这样,发动机的两个主要热源就被抵消了:
燃烧或爆炸;
气体压缩;
它们只剩下微不足道的热量:
点火(不再有任何燃料可点燃);
发动机部件和流体的摩擦。
41.如果再加上引入冷却液的阶段,由于引入发动机内部的冷却液吸收了热量,因此还能产生强大的冷却效果。
42.在特定的实施方案中,发动机包括一个点火系统,该系统配置为引爆燃料燃烧,冷却方法包括一个额外的冷却阶段,该冷却阶段包括作用于所述点火系统,从而允许在任何一个燃烧室中中断点火。并不是所有的发动机都有点火系统,例如柴油发动机就有点火系统,因此并不是所有的发动机都有冷却阶段。
43.这种发动机冷却方法的具体实施方案分为几个阶段。所有这些阶段都是相辅相成的,但它们并不一定在任何时候都是同时进行的,而是彼此不同且独立的动作。它们并不一定要同时进行,而是可以在任何时间、以任何顺序、以任何可能的组合进行。它们可以以任何形式呈现,如同时、交替、连续、先后或重叠。此外,这些操作可以与发动机通常的热动力循环一起,以受控和有效的方式交替进行,以便积极冷却发动机,尽可能不影响其性能。
44.切断燃料供应和切断点火装置的冷却阶段虽然是两个不同的动作,但目的是相同的:即不发生燃料燃烧、爆炸或膨胀。如果不发生这些化学反应,除其他影响外,发动机内部将不再产生这些反应所产生的热量。与此同时,发动机也不再做功。这些冷却阶段的管理可由至少一个点火控制单元来执行,该单元的配置可影响燃料导入和点火系统的功能。上述至少一个点火控制单元可以全部或部分集成到发动机的至少一个电子控制单元中。
45.当所述"通风循环"的前两个阶段和点火切断同时进行时,但发动机继续向燃烧室提供燃料,只要所述燃料不燃烧,所述燃料就会冷却,从发动机内部吸收热量,并将其带出,直至排出室外。如果燃料真的发生自爆或自燃,其效率将非常低,输入发动机和用于工作的能量也会很少。
46.冷却方法的这三个阶段是:"通风循环"、切断燃料供应和切断点火(在有点火装置的发动机中);因此可以理解为纯粹的"通风循环",其唯一目的是用清洁空气彻底清洁燃烧室,而不向发动机引入燃料或冷却液。
47.在发动机中执行冷却方法的所有四个阶段可能是一种非常有效的冷却方法,因为它可以包括这四种效果:
通过扫动燃烧室进行冷却(这就是"通风循环");
在"通风循环"中不进行压缩;
在"通风循环"中没有压缩,从而消除了压缩产生的热量,也就消除了所谓的"发动机制动";
通过引入发动机内部的冷却液吸收热量来冷却。当冷却液蒸发时,冷却效果会增强;
由于切断了燃料供应和点火装置,消除了燃料燃烧、爆炸或膨胀。
48.此外,降低发动机温度还可产生以下效果:
通过保持较高的压缩比而不发生自爆或自燃,使燃烧更充分、更高效;
在更可控的温度范围内工作,使材料受到的应力和膨胀更小,从而更好地维护材料;
发动机更环保,因为当燃烧温度达到很高时,会产生大量可怕的氮氧化物(NOx)和微颗粒。
49.冷却方法的所有这些阶段都不属于发动机的正常工作模式,在正常工作模式下,发动机进行热力循环以产生功,因此这些阶段通常也不属于上述循环的一部分。这些阶段中的任何阶段都可以与发动机的正常运行模式交替使用一段时间。这些阶段的启动会影响发动机的功能,因为它们会改变或取消发动机形成的热动力循环。这意味着要集中精力冷却发动机,而忘记做功。也就是说,它们并不是热力学循环的变体,不是为循环增加功能或更多冲程,而是发动机的另一种运行模式,具有同样不同的效果。
50.在特定的实施方案中,冷却方法的至少一个阶段是每隔一定数量的预设事件并在一定数量的预设事件中执行的,例如每隔一定时间并在一定时间内执行,或每隔一定数量的发动机转数并在一定数量的发动机转数内执行。举例来说,为了充分冷却发动机,只需在发动机工作时间的5%内执行该方法即可。例如,这5%可以是每运行4秒钟的万分之二秒,或发动机每200转中的10转。
51.在特定的实施方案中,发动机包括至少一个传感器,用于检测发动机内部流体的高温或某些化学成分等事件,并根据至少一个传感器检测到的数值执行至少一个阶段的冷却方法。这样,例如检测到高温(可能开始产生过量污染,如氮氧化物和微颗粒),就可以触发某些发动机控制单元启动冷却方法,以减少污染排放、改善发动机的能量性能、改善材料的维护或延长其使用寿命等。
52.在特定的实施方案中,发动机包括一个以上的燃烧室,该方法的特征在于其任何阶段都可以在任何一个燃烧室中独立实施。
53.如果发动机由多个燃烧室组成,冷却方法可以在任何一个燃烧室中独立进行。当发动机由一个以上的燃烧室组成时,冷却方法可以在每个燃烧室中独立进行,因此任何阶段都可以在一个、几个、所有或没有燃烧室中以任何形式、任何顺序和任何组合进行。也就是说,除了冷却方法的各个步骤是完全独立的之外,它们在燃烧室或气缸中的实施也是完全独立的,可以以任何顺序、任何可能的组合和任何表现形式(同时、交替、连续、相继、顺序、重叠或任何形式)进行。
54.举例来说,冷却方法的四个阶段可以只在其中一个气缸上短时间实施,而其余气缸则在产生功的热动力循环中继续正常工作。这样,发动机的功率或性能就不会突然下降。这就相当于所谓的"三缸运转"(在4缸发动机中),但也不会因为不工作的气缸而导致发动机制动。一旦冷却方法作用的气缸得到充分冷却,它就可以继续作用于另一个气缸,然后再作用于另一个气缸,依此类推,直到所有气缸都冷却完毕。
55.这种冷却方法可以与发动机的常规热动力循环一起,以可控和高效的方式交替使用。其主要目的是优化发动机冷却和降低发动机功率的共同作用,同时还努力兼顾其能源性能。
56.在第二个发明方面,本发明涉及一种发动机,该发动机配置为正常运行,执行至少一个产生功的热力学循环,该发动机包括:
至少一个燃烧室;
至少一个燃料导入系统,配置用于将燃料导入发动机;
至少一个燃烧室进气元件,例如进气阀,用于将流体(例如氧化剂)引入燃烧室;
至少一个燃烧室排气元件,如排气阀,用于将流体排出燃烧室,以及
至少一个电子控制单元,用于控制发动机不同部件的功能;
所述发动机的特征在于,还包括至少一个能够改变至少一个燃烧室中的进气和排气元件的功能的装置,以实现之前所说的"通风循环",从而使发动机能够根据第一发明方面的任一实施例额外执行发动机的内部冷却方法,其中,当至少一个电子控制单元决定这样做时,所述方法在发动机通常执行的热动力循环之外额外或交替执行。
57.也就是说,它表面上是一台普通的发动机,被配置为执行一个或多个热力学循环并产生功,但也包括使其能够执行上述冷却方法的元件和特性。由于这种冷却方法不产生功,因此不可能在发动机中连续自动执行。不过,一种可能的实施方法是将其与其他能产生功的热动力循环结合起来。这样,产生功的热动力循环将负责保持发动机的运转,而冷却方法将在热动力循环的运行期间穿插进行,这样发动机就能自动保持运转。
58.至少一个电子控制单元将被配置为作用于不同发动机部件的功能,以实施冷却方法的任何阶段:
引入冷却液。发动机可配备至少一个流体导入装置,用于将空气以外的冷却流体导入发动机内部,并由至少一个电子控制单元控制。例如,它可以是一种手段和一种流体,已经存在于热动力循环运行所需的元件中,如汽油喷射器,在特定时间喷射汽油用于冷却而非燃烧。例如,汽油喷射器在特定时间喷射汽油用于冷却而非燃烧。或者,也可以是一种额外的手段和除空气之外的特定冷却流体,例如蒸馏水喷射器。
燃料供应中断。发动机可以有一个燃料供应切断系统,由至少一个电子控制单元管理,以便可以随意中断至少一个燃烧室的燃料供应。例如,喷油器可由至少一个电子控制单元直接控制。或者通过至少一个电磁阀切断喷油器的燃油供应。
发动机点火中断,在具有点火系统的发动机中,点火系统能够进行燃料燃烧。所述点火系统可由至少一个控制单元控制,以便在至少一个燃烧室中抑制点火。
改变燃烧室进气和排气元件的功能,以实现"通风循环"。下面将介绍发动机的不同具体实施例,其中包括不同的技术和机械解决方案,以实现所述的"通风循环"。
59.在特定的实施例中,发动机包括一个用于燃烧室进气和排气元件的双驱动系统,该系统由一个机械元件和一个电子驱动系统组成,前者用于执行与发动机通常的热力学循环相对应的进气和排气元件的打开和关闭,后者用于执行所述进气和排气元件的额外打开、所述电子系统由至少一个分配控制单元控制,该单元被配置为管理燃烧室进气和排气元件的功能,以便所述进气和排气元件的所有打开和关闭的总和能够根据其任何特定实施例实现发动机的内部冷却方法。
60.这种特殊的实现方式是如何开发冷却方法的第一个技术解决方案,这种冷却方法与发动机中的热力循环交替实施。通过由电子控制单元控制的燃烧室进气和排气元件的电子驱动系统,如电-气动、电-液压或电磁系统,这些元件中的每一个都能以完全自由和可控的方式运行,而不依赖于任何严格开发的机械元件,如凸轮轴。这种电子驱动系统具有以下优点:
进气和排气元件与燃烧室、任何热力学循环、通风循环或其他循环的完美瞬时适应性,能够轻松快速地自由变化到任何所需的发展状态
根据不同的条件,如不同的发动机运行速度、不同的温度条件或不同的燃料化学成分,对这些元件的前进和后退进行详细调整
每个燃烧室或气缸完全个性化地使用这些元件,允许每个燃烧室或气缸以任何可能的组合完全独立地执行不同的循环
61.最后一个优点尤为重要,因为本专利所涉及的发动机冷却方法的有效和理想实施是与热动力发动机工作循环相结合的。换句话说,发动机的通常热力学运行模式和冷却方法的任何阶段都是共同开发的,或者在整个发动机中随着时间的推移交替开发,或者每个燃烧室或气缸独立开发。例如,在后一种情况下,冷却方法可在一个气缸中开发,而热动力循环可在其余气缸中开发。对燃烧室的进气和排气元件进行自由和独立的电子控制系统,可以在任何时候按照控制单元的意愿,在每个燃烧室或气缸中分别以任何可能的组合方式形成所需的循环。甚至可以完全取消燃烧室进气和排气元件的开口,从而可以随意实现所谓的"气缸断开"。
62.在特定的实施方案中,发动机包括一个用于驱动进气和排气燃烧室元件的双系统,该系统由一个机械元件和一个电子驱动系统组成,前者用于根据发动机的热力学循环调节进气和排气元件的开闭,后者包括额外的开口、由至少一个控制单元控制,该单元被配置为管理所述进气和排气元件的运行,从而使燃烧室进气和排气元件的开闭总和有助于实现任何特定实施例的发动机内部冷却方法。
63.这个具体的实施方案与前一个实施方案类似,它有一个用于燃烧室进气和排气元件的电子驱动系统,但也有一个机械元件,如凸轮轴。换句话说,机械元件的配置是为了形成热力学循环,而形成"通风循环"的附加开口是由电子驱动系统控制的,并由至少一个控制单元进行控制。与前一个具体实施例相比,主要区别在于,在这个具体实施例中,机械元件(如凸轮轴)造成的开孔不能被抑制。只能产生新的开口。因此,例如"气缸断开"就无法实现。
64.在特定实施例中,发动机包括至少一个附加配气元件,例如附加凸轮轴,能够直接或间接作用于燃烧室进气和排气元件,该附加配气元件独立于作用于所述进气和排气元件的至少一个其它配气元件,以执行发动机的通常热力学循环。该至少一个额外的分配元件被配置为导致所述进气和排气元件的额外开口,因此其开口和闭合的总和有助于实现根据其任何特定实施例的发动机内部冷却方法。
65.在这个特定的实施方案中,至少一个有能力改变燃烧室进气和排气元件功能以实现"通风循环"的装置包括至少一个附加分配元件。发动机至少有一个额外的配气元件,例如一个额外的凸轮轴,只有在需要执行"通风循环"时才会启动,而在需要执行发动机的正常热动力循环时则处于非激活状态,在这种情况下,只有至少一个主配气元件才会起作用。当需要进行"通风循环"时,至少一个附加分配元件将负责燃烧室进气和排气元件的附加开口。
66.至少一个附加分配元件的作用可直接作用于燃烧室进气和排气元件,或作用于影响它们的随动装置,或作用于摇臂,摇臂负责传递负责执行发动机常规热动力循环的至少另一个主分配元件的开口。
67.下文介绍了如何激活或停用至少一个附加分配元件的不同技术方案。
68.在特定的实施例中,发动机包括附加的燃烧室进气和排气元件,其开口和闭合能够补充专门负责执行发动机通常热动力循环的其他燃烧室主进气和排气元件的功能,从而使所有燃烧室进气和排气元件的开口和闭合的总和能够根据其任何特定实施例实施发动机的内部冷却方法。
69.在本具体实施例中,至少一个有能力改变燃烧室进气和排气元件功能以实现"通风循环"的装置包括附加的燃烧室进气和排气元件。发动机有一组主要的燃烧室进气和排气元件,例如气门,负责执行产生功的热力学循环。此外,它还具有另一组附加或互补的燃烧室进气和排气元件,如其他阀门,这些阀门可以在其他精确时间随意打开,从而至少可以在一个燃烧室中执行"通风循环",从而实现发动机冷却方法。
70.这些附加元件只有在需要执行"通风循环"时才会起作用,其余时间处于非活动状态。如何随意激活燃烧室进气和排气附加元件的一个实际例子是,可以使用附加的分配元件,例如附加的凸轮轴,只有在需要执行"换气循环"时才会激活。
71.增加燃烧室进气和排气元件的一个例子是,在发动机的每个气缸中,除了可称为"主"气门的进气门和排气门外,还增加了一个进气门和一个排气门。这些额外的气门通过至少一个额外的凸轮轴移动,凸轮轴被配置为作用于这些气门,并且只在特定时间选择性地作用,以补充四冲程循环的第2冲程和第3冲程。这样,执行的循环如下:
在第一个进气冲程中,活塞处于下行状态,"主"进气阀打开,这与四冲程循环中"主"气阀的性能一致;
在下一个冲程中,活塞处于上冲程,附加的排气阀打开;
在下一个冲程中,活塞处于下行状态,附加的进气阀打开;
最后,在活塞处于上冲程的下一个冲程中,"主"排气门打开,这与四冲程循环中"主"气门的性能一致。
72.请注意,在这种性能中,冲程1和3相等,代表进气冲程。冲程2和4相等,代表排气冲程。因此,这四个活塞冲程(发动机两转)对应于2个"换气周期"。
73.下文将介绍不同的技术方案,说明如何实现燃烧室进气和排气元件的激活或停用,以便能够执行发动机冷却方法。
74.在特定的实施方案中,发动机包括至少一个可控液压系统,负责将至少一个配气元件(如凸轮轴)的驱动传递给至少一个燃烧室进气或排气元件(如阀门),所述至少一个液压系统包括至少一个能够释放系统压力的电液阀、所述电液阀由至少一个配气控制单元控制,该单元的配置能够以任何强度降低配气元件向至少一个燃烧室进气或排气元件传递的开启脉冲,通过这种方式,发动机能够在任何燃烧室中执行不同的循环,包括根据其任何特定实施例的发动机内部冷却方法。
75.在这个特殊的实施方案中,至少一个能够改变至少一个燃烧室的进气和排气元件的功能以实现"通风循环"的装置包括至少一个可控液压系统。发动机至少有一个液压系统,负责打开燃烧室的进气或排气元件,因此,配气元件的驱动并不直接作用于所述进气和排气元件,甚至也不作用于挺杆或摇臂等机械致动器,而是作用于与至少一个燃烧室进气或排气元件直接或间接连接的液压系统,从而使液压系统将配气元件的作用传递给至少一个燃烧室进气或排气元件。例如,发动机可以有一个凸轮轴,该凸轮轴撞击液压系统的至少一个气缸,该液压系统负责将至少一个凸轮的驱动传递给至少一个燃烧室进气阀或排气阀。
76.所有燃烧室的进气元件可以连接到同一个液压系统,而所有燃烧室的排气元件可以连接到另一个液压系统。也可以为每个燃烧室的进气或排气元件设置一个液压系统,使每个燃烧室都能独立运行。另一方面,由于进气和排气元件具有完全不同的打开和关闭力矩,进气和排气元件以及燃烧室排气元件不能连接到同一液压系统。
77.每个液压系统至少有一个电磁阀,能够释放液压系统的压力,以便能够完全或部分取消由分配元件配置的燃烧室进气和排气元件的开口。举例来说,凸轮轴在设计时所配置的一些阀门开口可能不会出现,这是因为电磁阀可以在执行脉冲应从凸轮传递到阀门的时刻释放液压系统的压力。
78.需要注意的是,该液压系统可以取消燃烧室进气或排气元件的开口,这种取消可以是全部取消,也可以是部分取消,但不能产生执行元件中未配置的额外开口。因此,在液压系统的作用下,某些燃烧室的工作循环可以向另一个循环变化,其中包括减少燃烧室进气或排气元件的开口。但是,液压系统不能导致相反的情况,即某个燃烧室的工作循环向另一个包含更多燃烧室进气或排气元件开口的循环变化。
79.这样,通过改变燃烧室进气和排气元件的所有打开和关闭动作,就可以在至少一个燃烧室中执行不同的循环,包括在其发生特征性打开和关闭时执行"通风循环"。
80.本具体实施例的机械解决方案既可用于至少一个定时元件(如凸轮轴)系统,该系统负责进气和排气元件进入燃烧室的所有开口,也可仅用于至少一个定时元件的二级系统,该系统旨在使进气和排气元件进入燃烧室的额外开口,以便将燃烧室中由一级定时系统形成的热力学循环转换为不同的工作循环。
81.这种特殊实施方案的实际应用包括通过可控液压系统覆盖燃烧室的进气和排气元件开口,例如,配置为执行"通风循环"的凸轮轴至少作用于一对液压系统,一个用于进气,一个用于排气。每个液压系统都包括一个电磁阀,能够覆盖每第二个预期的阀门开度,因此可以执行Otto循环,而不是"通风循环",前者的阀门开度是后者的一半。
82.另一个实际的例子是,一台发动机有两个凸轮轴,一个是在Otto循环中工作的主凸轮轴,另一个是辅助主凸轮轴以提供"通风循环"所需的额外开口的副凸轮轴。因此,当电磁阀释放液压系统时,发动机执行Otto循环,而当两个凸轮轴可以执行其功能时,发动机执行"通风循环"。
83.在特定的实施例中,发动机包括机械传动元件,例如摇臂,负责将至少一个正时元件(例如凸轮轴)的驱动力机械地传递到燃烧室的进气和排气元件,其中所述机械传动元件是可转动和铰接的,其铰接能力可由至少一个正时控制单元通过一个类似闩锁的机构来控制,该机构可锁定或释放每个机械传动元件的铰接;这样,在任何关节保持自由的情况下,分配元件接收到的驱动力用于产生机械传动元件的关节,而不会传递到燃烧室中的进气和排气元件,通过这种方式,发动机包括在任何燃烧室中发展不同的循环,包括根据其任何特定实施例的发动机内部冷却方法。
84.在这一特殊的实施方案中,发动机装有机械驱动传动元件,例如摇臂,摇臂是可转动的,也是铰接的,但这种铰接可通过一个机构来控制,该机构就像一个闩锁,可以锁住铰接,也可以使其处于自由状态。如果铰接处处于自由状态,机械正时元件接收到的驱动力就不会传递到燃烧室中的进气或排气元件。为了便于理解,一个实际的例子是带有闩锁的铰接式可转动摇臂,当闩锁关闭时,摇臂是刚性的,凸轮接收到的驱动力被传递到气门,但当闩锁打开时,摇臂被铰接,这样凸轮接收到的所有驱动力都不会到达气门,因为它失去了导致摇臂铰接的作用。
85.这样,燃烧室中进气和排气元件的所有开闭运动的变化,至少可以在一个燃烧室中进行不同的循环,包括"通风循环",只要它们的特征开闭发生。
86.本具体实施例的机械解决方案既可用于至少一个定时元件(如凸轮轴)系统,该系统负责进气和排气元件进入燃烧室的所有开口,也可仅用于至少一个定时元件的二级系统,该系统旨在使进气和排气元件进入燃烧室的额外开口,以便将燃烧室中由一级定时系统形成的热力学循环转换为不同的工作循环。
87.在特定的实施例中,发动机至少包括一个由多个相互关联的机械传动元件组成的系统,例如一组两个或多个机械相关的摇臂,其中这种系统:
将机械驱动力从一个元件传递到另一个元件,从接受至少一个机械正时元件(如凸轮轴)驱动力的元件传递到撞击燃烧室中进气或排气元件的元件,以及
包括至少一个可移位元件,由至少一个定时装置控制,该定时装置被配置为改变这些元件之间的机械关系,以改变传递到燃烧室的进气或排气元件的机械入射量,减小元件开口的幅度;
88.因此,发动机包括任何燃烧室中不同循环的性能,包括根据任何特定实施例的发动机内部冷却方法。
89.为了更容易理解这种特殊的实现方式,一个实际的例子是由多个摇臂组成的系统,例如主摇臂和副摇臂,其中主摇臂接收来自凸轮的驱动力,并将其传递给副摇臂,副摇臂负责将驱动力最终传递给气门。在这种摇臂系统中,至少有一个摇臂可以发生位移,例如通过平移摇臂枢轴的轴线,使主摇臂和副摇臂之间的机械关系发生变化,从而使传递到气门的驱动力也发生变化。主摇臂和副摇臂之间机械关系的这种变化导致气门的开启运动减小,甚至可能导致气门的开启运动完全消失。
90.这样,燃烧室中进气和排气元件的所有开闭运动的变化,至少可以在一个燃烧室中进行不同的循环,包括"通风循环",只要它们的特征开闭发生。
91.本具体实施例的机械解决方案既可用于至少一个定时元件(如凸轮轴)系统,该系统负责进气和排气元件进入燃烧室的所有开口,也可仅用于至少一个定时元件的二级系统,该系统旨在使进气和排气元件进入燃烧室的额外开口,以便将燃烧室中由一级定时系统形成的热力学循环转换为不同的工作循环。
92.在特定的实施例中,发动机包括至少一个机械正时元件,例如凸轮轴,作用于燃烧室的进气和排气元件,
是可移动的,包括"n"个位移位置、
包括直接或间接作用于燃烧室进气和排气元件的执行元件,例如凸轮、
包括至少一个致动元件,作用于每个燃烧室进气或排气元件,这样,在致动元件的至少一个移动位置上,一个致动元件被安排作用于燃烧室进气或排气元件,以及
在执行元件中,至少有一个执行元件的作用频率是其他执行元件的两倍,例如双叶凸轮;
因此,该发动机包括在任何燃烧室中不同循环的性能,包括根据其任何一个特定实施例的发动机内部冷却方法。
93.这种定时元件的位移,例如相对于其旋转轴的纵向位移,可以改变进气和排气元件的运行,因为这种位移可以改变布置在进气和排气元件上的执行元件的类型。举例来说,具有这些特性的定时元件可以是纵向位移的凸轮轴,由配置为调节凸轮轴位移的定时控制单元控制。
94.致动元件有三种类型:
普通类型,称为"标准",如带有凸叶或凸起的普通凸轮。
双重类型,称为"通风",配置为双倍动作次数,如带有两个相距180°的叶片或突出部的凸轮,以执行"通风循环"。
无效型,可称为"无效",其配置方式是什么都不发生作用。可能是在某个位置没有执行元件,或者是气缸没有任何叶片。在这两种情况下,结果都是一样的,任何阀门都不会被驱动。
95.标准"型执行元件将被配置为执行发动机运行的热力学循环,例如4冲程Otto循环,它们每两转发动机运行一次。通气"型执行元件将被配置为执行"通风循环",即发动机每转一圈执行一次。而"无效"型执行元件则被配置为执行所谓的"气缸断开",即在发动机旋转过程中任何时候都不动作。
96.通过改变燃烧室进气和排气元件的开启和关闭时刻,至少可以在一个燃烧室中执行不同的循环,包括"通风循环",只要其特征性的开启和关闭发生即可。
97.本具体实施例的机械解决方案可以多种方式应用,例如至少一个分配元件系统(例如凸轮轴)负责燃烧室进气和排气元件(例如阀门)的所有开口。例如,它也可以仅应用于至少一个分配元件的二级系统,该系统旨在产生燃烧室进气和排气元件的额外开口(除一级分配系统执行的开口之外),以将燃烧室中一级分配系统执行的热力学循环转换为另一个不同的工作循环。
98执行元件(如凸轮)将围绕每个燃烧室的进气或排气元件(如每个气门)以"n"为单位分组,"n"为分配元件(如凸轮轴)的位移位置数。这样,分配元件有多少个不同的位移位置,每组就由多少个执行元件组成,而且可以有多少个所需的位置组合。在分配元件的每个位移位置上,每组中只有一个执行元件能够作用于燃烧室进气或排气元件,该组的其他执行元件不会对任何燃烧室进气或排气元件产生任何影响。
99.对于每组执行元件,可以有"标准"、"通风"或"无效"类型的任意组合,从而可以实现任意组合的循环执行。每组执行元件可以完全独立于其他执行元件,因此在每个燃烧室或气缸中执行的循环可以完全相互独立,从而实现每个气缸的个性化执行。
100.执行每个循环的燃烧室或气缸可以有任意多的组合,每个组合都有执行所述组合的分配元件的位移位置。例如,"通风循环"的实施可以逐个气缸进行,条件是分配元件的位移位置至少与作用气缸的数量相同。在这种情况下,对于每个位移位置,只有一个气缸的阀门上的执行元件是"通气"类型的,即执行"通气循环"的执行元件。而在每一个位移位置上,唯一被修改为"通气循环"的气缸是不同的。
101.关于最后一个具体的实施方案,还可以采用一种变体,即在两端各增加一个位置,在这个位置上的所有驱动元件都是"标准"类型的,可以执行产生功的热动力循环。这样,如果分配元件位于其中一端,发动机就会同时在所有气缸中执行产生功的热动力循环。将配气元件依次移至另一端后,发动机将在所有气缸中逐个执行"换气循环",并在最终位置结束,此时整个发动机将再次执行在所有气缸中做功的热动力循环。
102.在特定实施例中,发动机包括至少一个作用于燃烧室进气和排气元件的机械配气元件,例如作用于气门的凸轮轴,以及由至少一个配气控制单元控制的机构,该机构能够修改所述至少一个配气元件的工作频率,从而修改其燃烧室进气和排气元件的打开和关闭时刻;通过这种方式,发动机能够执行不同的循环,包括根据其任何特定实施例的发动机内部冷却方法。
103.这种特殊实现方式所提供的技术解决方案可以使"通风循环"以一种与发动机热动力循环交替实施的方式得到发展。例如,将凸轮轴的旋转频率提高一倍的机构或齿轮组将使气门的驱动频率提高一倍。这将导致进气门在第1和第3阶段打开,排气门在第2和第4阶段打开,尽管不是在每个阶段的整个持续时间内打开。然而,只要凸轮轴以Otto频率旋转时计划的每个气门开启持续时间超过一个阶段,那么凸轮轴以两倍频率旋转时获得的气门开启时间将至少超过活塞行程的一半,因此,上文所述的进气阶段是指"在进气元件打开和排气元件关闭的情况下完成活塞或转子下行程的一半以上"这一条件将得到满足。换句话说,凸轮轴以两倍的频率旋转所获得的并不是一个非常有效的"通气循环",但至少可以将其视为"通气循环"。
104.该具体实施例的另一个应用实例是,在没有气门打开的位置,至少有一个凸轮轴停止转动,实现所谓的"气缸断开"。
105.改变燃烧室进气和排气元件的开启和关闭力矩的可能性,允许在至少一个燃烧室中形成不同的循环,包括"通风循环",只要其特征性的开启和关闭发生即可。
106.本具体实施例的机械解决方案可以多种方式应用,例如至少一个分配元件系统(例如凸轮轴)负责燃烧室进气和排气元件(例如阀门)的所有开口。例如,它也可以仅应用于至少一个分配元件的二级系统,该系统旨在产生燃烧室进气和排气元件的额外开口(除一级分配系统执行的开口之外),以将燃烧室中一级分配系统执行的热力学循环转换为不同的功能循环。
107.一方面将机械分配元件的工作频率提高一倍,另一方面将其位移和不同类型的驱动元件结合起来,就可以实现"通风循环"。这是因为不一定要使用双叶凸轮,例如,如果凸轮轴的工作频率加倍,也可以使用标准的单叶凸轮。由于在本具体实施例中,分配元件的工作频率增加了一倍,因此可以设计其用于执行"通风循环"的执行元件,以适应机械分配元件工作频率增加一倍的情况,并正确执行"通风循环"(在精确的时间打开和关闭进气和排气元件)。换句话说,例如,停止发动机的Otto循环并开始执行"通风循环",可以通过将这两个动作结合起来来实现:
将凸轮轴的工作频率提高一倍;
将凸轮轴纵向移位,使凸轮保持工作状态,尽管它们只是单叶的,但其形状使它们在气门中产生的开闭力矩与"换气循环"的开闭力矩相吻合。
108.综上所述,本发明用于发动机冷却的主要方法有:
1.改变气门或燃烧室进气和排气元件的开启和关闭时刻,使其适应发动机的"通风循环"(通过上述各种替代方法);
2.将空气以外的冷却液引入发动机;
3.中断进油;
4.点火切断;
109.这些都是相互独立的工具,可以通过不同的组合方式实现发动机内部冷却。所有这些工具本身或多或少都会产生冷却效果。发动机控制单元将负责单独或以任何组合方式实施这些措施,以及以任何方式在各气缸之间分配这些措施,这取决于在任何特定时刻最感兴趣的是什么。其主要目的是优化发动机冷却和降低发动机功率的联合作用,同时还努力提高能效和减少发动机产生的污染。
本发明的优选实施例
110.下面描述了用于发动机的内部冷却方法的三个非排他性和非限制性的优选实施例,以及实施所述实施例方法的发动机,包括下文详细描述的手段和功能。
111.使用的Otto循环汽油发动机包括:
四缸直列;
四个汽油直接喷射电子喷射器,每个气缸一个;
四个额外的普通蒸馏水(冷却液)电子喷射器,每个进气歧管一个;
每个气缸两个气门(一个进气门和一个排气门;
单顶置凸轮轴作用于所有八个气门,可纵向移动1.5厘米,在排量的两端有两个可能的位置,称为"O位"(Otto)和"V位"(通风);
每个阀门末端都有一个随动装置,每个随动装置与凸轮的接触面宽1厘米。
十六个凸轮分成八对(每个气门一对),其中:
每个凸轮厚1cm,同一对凸轮之间的间距为0.5cm;
在每对凸轮中,一个"标准"凸轮有一个单叶或突起,一个"双"凸轮有两个单叶或突起,所有凸轮对的顺序相同,这样当凸轮轴处于"O"位时,"标准"凸轮面向从动件,当凸轮轴处于"V"位时,"双"凸轮面向从动件。
在"双"凸轮中,一个凸叶或凸起的方向与同对"标准"凸轮的凸叶或凸起的方向相同,而另一个凸叶或凸起的方向相反,两个凸叶或凸起相向180°;
排气歧管中测量废气出口温度的探头;
电子控制单元,用于控制发动机的所有参数,从而起到冷却、点火和分配控制单元的作用。
112.由于凸轮轴的纵向移动量为1.5厘米,这也是每对凸轮中每个凸轮中心之间的距离,因此在每个凸轮轴位置上,每对凸轮中只有一个凸轮面向其驱动的气门从动件。
113.发动机启动时,凸轮轴处于"O位",在Otto循环中运转。这是发动机的正常工作状态。当温度探头检测到温度超过设定的极限值时,发动机控制单元就会启动一个改变发动机行为的程序,启动内部冷却方法,其中包括以下四个冷却阶段:
1.冷却液喷射,激活额外的喷水器;
2.燃料喷射切断;
3.关闭点火装置;
4.凸轮轴从最初的"O位"纵向移动到"V位",使发动机停止四冲程Otto循环,切换到二冲程"通风循环"(燃烧室连续扫气)。
114.这4个动作的执行时间很短,例如十分之二秒。在这段时间内,发动机停止工作,因为它不产生任何功。因此,这种通风方法需要利用发动机的惯性,不能长期持续。无论如何,由于"通风循环"并不产生发动机制动,这十分之二秒实际上并不代表发动机的严重减速,而只是发动机做功的短暂停顿。之后,控制单元将发动机恢复到正常的Otto循环功能,停用冷却水喷射,恢复进油和点火,并将凸轮轴恢复到"O"位。
115.以每分钟2400转的发动机转速为例,这十分之二秒相当于20转发动机转速,也就是20个"通风周期"。燃烧室的这20次扫气,加上冷却水的喷射以及燃油喷射和点火的切断,可以产生足够强大的冷却效果,从而使发动机的内部冷却方法在检测到高温后,直到数秒甚至数分钟后才需要再次启动。
116.在另一个优选实施例中,为了执行"通风循环",每个气缸使用了一个额外的进气阀和一个额外的排气阀,以补充负责执行Otto循环的其他气阀的开启和关闭时刻。因此,每个气缸有以下4个气门:
"O"进气门,由传统凸轮轴驱动,在发动机正常工作的Otto循环进气阶段1打开。
"O"型排气门,由相同的传统凸轮轴驱动,在发动机正常工作的Otto循环排气阶段4打开。
"V"排气门,仅在执行"通风循环"时工作,由另一个凸轮轴驱动。V"型排气门仅在"O"型排气门没有打开的活塞上升时刻打开,即在相当于Otto循环压缩阶段2的阶段打开,由于排气门打开,该阶段已成为排气阶段。
"V"进气阀,仅在执行"通风循环"时工作,由相同的附加凸轮轴驱动。V"进气阀仅在"O"进气阀未打开的活塞下行时刻打开,即在相当于Otto循环膨胀阶段3的阶段打开,该阶段已成为进气阶段,因为进气阀已打开(之前未发生压缩,此时也未发生燃烧)。
117.简而言之,四个气门相互补充,始终有一个气门打开(活塞下降时进气门打开,活塞上升时排气门打开),因此四冲程Otto循环被二冲程"通风循环"所取代。驱动"O"阀的主凸轮轴是绝对标准的。附加凸轮轴仅在执行"换气循环"时作用于"V"阀,这样"V"阀与"O"阀互补,共同完成"换气循环"。
118.在最后一个优选实施例中,使用了电子气门驱动系统,而不是通过凸轮轴来驱动机械气门。该系统可完全由电子分配控制装置控制,该装置能够独立、任意地管理每个阀门的运动。有了这种系统,就可以使每个阀门在任何情况下、任何时间都能适应,而不需要任何机械元件,并且可以随时启动"通风循环"(或任何其他变化)。
119.与之前的实施方案相比,本例优选实施方案的主要优点不仅在于气门功能变化的即时性和简便性,更重要的是,"通风循环"可按每个气缸的具体情况进行应用。
120.例如,冷却方法的四个阶段可以只在一个气缸上开始执行,并且只在发动机转四圈时执行,而其余气缸则继续正常工作。然后,发动机运转四圈后,所有气缸都以正常运行模式工作(在第一个气缸中,冷却水喷射被取消,汽油喷射及其点火恢复,气门再次执行Otto循环)。接下来,再次重复内部冷却方法的四个阶段,但仅限于不同的第二缸,发动机再运转四圈。接下来,在所有气缸都正常运转的情况下,发动机再运转四圈。然后,再次执行内部冷却方法的四个阶段,仅在不同的第三气缸上再转四圈,然后在发动机所有气缸的正常工作状态下再转四圈。最后,在最后一个气缸上执行四级内部冷却方法四圈。
121.之后,发动机连续恢复到所有气缸的正常工作状态,直到温度探头再次检测到高温,控制单元再次执行新的发动机内部冷却方法过程,其四个冷却动作按顺序逐个通过所有气缸。
122.例如,如果发动机以每分钟2400转(每秒40转)的速度运转,则发动机内部冷却方法的四次运转只需十分之一秒,而且只在一个气缸中进行,其他三个气缸保持正常运转并产生扭矩。因此,所有四个气缸依次进行冷却的时间仅为十分之七秒。在万分之一秒的短短三个瞬间(每个瞬间)内,发动机的三个气缸都在运转,但唯一不做功的气缸却没有受到发动机制动的影响。这样,对发动机工作输出的影响就非常有限,因此也非常容易发生,而冷却效果却非常显著。

Claims (18)

1.一种用于发动机的内部冷却方法,其中发动机包括:
至少一个燃烧室;
至少一个燃料导入系统,配置用于将燃料导入发动机;
至少一个燃烧室进气元件,为进气阀,配置为允许将氧化剂和/或其他流体(为氧化剂)引入所述燃烧室,以及
至少一个燃烧室排气元件,如排气阀,用于将流体排出燃烧室;
其特征在于,包括一个称为"通风循环"的发动机工作循环,适合与发动机中通常执行的热动力循环一起实施,其中该"通风循环"包括一个进气阶段和排气阶段的循环,不执行任何压缩或膨胀阶段,通过改变至少一个燃烧室中的进气和排气元件的功能,使"通风循环"在不做功的情况下对燃烧室进行扫气。
2.根据权利要求1所述的发动机冷却方法,其特征在于,还包括通过至少一个流体导入装置将空气以外的冷却流体(如水)导入发动机内部的阶段。
3.根据权利要求2的发动机冷却方法,其特征在于,引入的冷却流体是除空气以外的特定冷却流体,为水,流体引入装置是发动机执行至少一个热力学循环的元件的附加装置,所述装置专门用于将所述流体引入发动机内部。
4.根据前述任一权利要求所述的发动机冷却方法,其特征在于,包括一个额外的冷却阶段,该冷却阶段包括作用于至少一个燃料导入系统,从而中断将所述燃料导入任何一个燃烧室。
5.根据前述权利要求中任一项所述的发动机冷却方法,其特征在于,发动机包括一个用于燃料燃烧的点火系统,其特征在于该方法还包括一个启动所述点火系统的阶段,以中断任何一个燃烧室的点火。
6.根据前述任一权利要求所述的发动机冷却方法,其特征在于,冷却方法的至少一个阶段是每隔一定数量的预先确定的事件和在一定数量的也是预先确定的事件期间执行的,为每隔一定时间和一定时间,或每隔一定数量的发动机转数和一定数量的发动机转数。
7.根据前述任一权利要求所述的发动机冷却方法,其特征在于,发动机包括至少一个传感器,该传感器被配置为检测元件,为发动机内部流体的高温或某些化学成分,并且冷却方法的至少一个阶段是根据该至少一个传感器检测到的值执行的。
8.根据前述任一权利要求所述的发动机冷却方法,其特征在于,发动机包括一个以上的燃烧室,该方法的特征在于其任一阶段能够在任一燃烧室中独立执行。
9.一种发动机,配置为正常运行,执行至少一个产生功的热力学循环,包括:
至少一个燃烧室;
至少一个燃料导入系统,配置为将燃料导入发动机;
至少一个燃烧室进气元件,为进气阀,配置为允许将氧化剂或其他流体引入所述燃烧室,以及
至少一个燃烧室排气元件,如排气阀,用于将流体排出燃烧室;
至少一个电子控制单元,用于控制发动机不同部件的功能;
其特征在于,包括至少一个电子控制单元,该单元被配置为对发动机不同部件的功能起作用,并且除了发动机通常执行的热力学循环外,还能够执行根据前述权利要求中的任一权利要求所述的发动机内部冷却方法。
10.根据权利要求9所述的发动机,其特征在于,包括用于燃烧室进气和排气元件的电子驱动系统,该系统由至少一个分配控制单元控制,该单元被配置为管理所述进气和排气元件的功能,通过这种方式,发动机包括在任何燃烧室中自由实施任何循环,包括根据权利要求1至8中任何一项所述的发动机内部冷却方法。
11.根据权利要求9至10中任一项所述的发动机,其特征在于,该发动机包括用于燃烧室进气和排气元件的双驱动系统,该系统由一个机械元件和一个电子驱动系统组成,前者被配置为执行与发动机热力学循环相对应的所述进气和排气元件的打开和关闭,后者包括由至少一个被配置为管理所述进气和排气元件功能的分配控制单元控制的附加开口,因此所述燃烧室进气和排气元件的打开和关闭的总和有助于实现根据权利要求1至8中任一项所述的发动机内部冷却方法。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的发动机,其特征在于,包括至少一个附加分配元件,如附加凸轮轴,能够直接或间接作用于燃烧室进气和排气元件,该附加分配元件独立于至少一个其他分配元件,该其他分配元件作用于所述进气和排气元件,执行发动机的常规热力学循环,该至少一个额外的分配元件被配置为导致所述进气和排气元件的额外开口,因此它们的开口和闭合的总和有助于实施根据权利要求1至8中任一项所述的发动机内部冷却方法。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的发动机,其特征在于,包括附加的燃烧室进气和排气元件,其开启和关闭能够补充专门负责执行发动机通常热力学循环的其他燃烧室进气和排气元件的功能,从而使燃烧室进气和排气元件的开启和关闭总和有助于实施根据权利要求1至8中任一项所述的发动机内部冷却方法。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的发动机,其特征在于,包括一个可控液压系统,负责将至少一个配气元件(如凸轮轴)的驱动力传递给燃烧室进气或排气元件(如阀门),所述液压系统包括至少一个能够释放系统压力的电液阀、所述电液阀由至少一个分配控制单元控制,该单元被配置为取消对燃烧室进气和排气元件的开启冲力,通过这种方式,发动机包括在任何燃烧室中实施不同的循环,包括根据权利要求1至8中任一项所述的发动机内部冷却方法。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的发动机,其特征在于,包括机械传动元件,为摇臂,负责将至少一个分配元件(为凸轮轴)的驱动力机械地传递到一些燃烧室进气或排气元件(为气门),其中所述机械传动元件可转动和铰接,其铰接能力可由至少一个分配控制单元通过每个机械传动元件中的机构控制,该机构作为闩锁,可阻止或释放每个所述机械传动元件的铰接;在这种情况下,如果任何衔接被释放,从分配元件接收到的驱动力被用于产生对机械传动元件的衔接,而不将所述驱动力传递到其燃烧室的进气或排气元件,这样,发动机包括在任何燃烧室中执行不同的循环,包括根据权利要求1至8中任一项所述的发动机内部冷却方法。
16.根据权利要求9至15中任一项所述的发动机,其特征在于,该发动机至少包括一个由多个相互关联的机械传动元件组成的系统,为一套由两个或多个机械关联的摇臂组成的系统,其中所述系统:
允许将一些元件的机械驱动传递给其他元件,从接受至少一个机械分配元件(如凸轮轴)驱动的元件,传递到直接或间接驱动燃烧室进气或排气元件(如气门)的元件,以及
包括至少一个机械分配元件(如凸轮轴),以及一个直接或间接驱动燃烧室进气或排气元件(如气门)的元件;
包括至少一个可移动元件,该元件由至少一个分配控制单元控制,配置为改变机械传动元件系统元件之间的机械关系,以改变传递到燃烧室进气或排气元件的机械入射量,从而减小所述进气或排气元件的开口量;
这样,发动机包括在任何燃烧室中实施不同的循环,包括根据权利要求1至8中任一项所述的发动机内部冷却方法。
17.根据权利要求9至16中任一项所述的发动机,其特征在于,包括至少一个机械分配元件,如凸轮轴,它作用于燃烧室的进气或排气元件,如阀门,其中所述至少一个机械分配元件:
可位移,包括'n'个位移位置;
包括直接或间接作用于燃烧室进气和排气元件的执行元件,如凸轮;
包括至少一个致动元件,用于其作用的每个燃烧室进气或排气元件,以便在所述分配元件的至少一个位移位置上,安排一个致动元件作用于一个燃烧室进气或排气元件,以及
在执行元件中,至少有一个元件的作用次数是其余元件的两倍,为双叶凸轮的情况;
这样,发动机包括在任何燃烧室中执行不同的循环,包括根据权利要求1至8中任一项所述的发动机内部冷却方法。
18.根据权利要求9至17中任一项所述的发动机,其特征在于,包括至少一个直接或间接作用于燃烧室进气和排气元件(为作用于气门的凸轮轴)的机械配气元件,以及一个由至少一个配气控制单元控制的、能够改变所述至少一个配气元件的工作频率的机构;这样,该发动机包括实施不同的循环,包括根据权利要求1至8中任一项所述的发动机内部冷却方法。
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