具有點火和充氣模式的分開式循環空氣混合動力發動機的製作方法

2023-05-31 18:28:11

專利名稱：具有點火和充氣模式的分開式循環空氣混合動力發動機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種分開式循環發動機，更特別地，涉及結合空氣混合系統的這種發動機。
背景技術：
為了清楚的目的，在本申請中所使用的術語「傳統發動機」是指內燃機，其中公知的奧託循環(Otto cycle)的所有四個衝程(即進氣(或進口)、壓縮、膨脹(或動力)和排氣衝程)包含在發動機的每個活塞/氣缸結合中。在傳統發動機的每個氣缸中，每個衝程的需要曲軸的半個旋轉(180度曲軸角(CA))，完成整個奧託循環需要曲軸的兩個完整旋轉 (720 度 CA)。同樣，為了清楚的目的，對可能會應用於現有技術中公開的發動機和在本申請中涉及的術語「分開式循環發動機」提供如下定義。在此涉及的分開式循環發動機包括曲軸，能夠圍繞曲軸軸線轉動；壓縮活塞，所述壓縮活塞可滑動地容納在壓縮氣缸內並且可操作地連接到曲軸， 使得壓縮活塞通過在曲軸的單次轉動期間的進氣衝程和壓縮衝程而往復運動；膨脹(動力)活塞，可滑動地容納在膨脹氣缸內並且可操作地連接到曲軸，使得膨脹活塞通過在曲軸的單次轉動期間的膨脹衝程和排氣衝程而往復運動；和使膨脹氣缸和壓縮氣缸相互連接的交換通道(埠)，交換通道至少包括設置在其中的交換膨脹(XovrE)閥，但更優選地包括其間限定有壓力室的交換壓縮(XovrC)閥和交換膨脹(XovrE)閥。2003年4月8日授權給Scuderi (史古德利)的美國專利No. 6，543，225和2005 年10月11日授予Brany0n等人的美國專利No. 6，952，923(通過參考將二者結合於此)包含對分開式循環及類似類型的發動機所展開的討論。此外，這些專利公開了現有發動機形式的細節，本發明詳述這種現有發動機形式的進一步改進。分開式循環空氣混合動力發動機將分開式循環發動機與空氣存貯器和各種控制相結合。這種結合能夠使分開式循環空氣混合動力發動機將能量以壓縮空氣的形式存儲在空氣存貯器中。空氣存貯器中的壓縮空氣後來用在膨脹氣缸中為曲軸提供動力。在此涉及的分開式循環空氣混合動力發動機包括曲軸，能夠圍繞曲軸軸線旋轉；壓縮活塞，可滑動地容納在壓縮氣缸內，並且可操作地連接到曲軸，以使壓縮活塞通過在曲軸的單次旋轉期間的進氣衝程和壓縮衝程而往復運動；膨脹(動力)活塞，可滑動地容納在膨脹氣缸中，並且可操作地連接到曲軸，以使膨脹活塞通過在曲軸的單次旋轉期間的膨脹衝程和排氣衝程而往復運動；使壓縮氣缸和膨脹氣缸相互連接的交換通道(埠)，交換通道至少包括設置在其中的交換膨脹(XovrE)閥，但更優選地包括其間限定有壓力室的交換壓縮(XovrC)閥和交換膨脹(XovrE)閥；和空氣存貯器，可操作地連接到交換通道，並且選擇性地可操作以存儲來自壓縮氣缸的壓縮空氣，並傳送壓縮空氣到膨脹氣缸通過參考結合於此的2008年4月8日授予Scuderi等人的美國專利號 No. 7，353，786包含分開式循環空氣混合和類似類型發動機的廣泛討論。此外，這個專利公開了本發明詳述其進一步改進的現有發動機形式的細節。分開式循環空氣混合動力發動機可以以及正常運行模式或點火(NF)模式(通常也稱為發動機點火(EF)模式)和四個基本空氣混合模式運轉。在EF模式中，該發動機用作非空氣混合分開式循環發動機，在不使用其空氣存貯器的情況下運轉。在EF模式中，可操作地將交換通道連接到空氣存貯器的罐閥保持關閉以將空氣存貯器與基本分開式循環發動機分開。分開式循環空氣混合動力發動機在四個混合模式中在使用其空氣存貯器的情況下運轉。這四個混合模式是1)空氣膨脹(AE)模式，其包括在沒有燃燒的情況下使用來自空氣存貯器的壓縮空氣能量；2)空氣壓縮機(AC)模式，其包括在沒有燃燒的情況下將壓縮空氣能量儲存在空氣存貯器中；3)空氣膨脹和點火(AEF)模式，其包括在燃燒的情況下使用來自空氣存貯器的壓縮空氣能量；和4)點火和充氣(FC)模式，其包括在燃燒的情況下將壓縮空氣能量儲存在空氣存貯器中；然而，期望進一步優化這些模式EF、AE、AC、AEF和FC，以提高效率和減少排放。

發明內容
本發明提供一種分開式循環空氣混合動力發動機，其中針對潛在的處於任何驅動循環的任何車輛，優化空氣膨脹和點火模式(AEF)的使用，用於提高效率。更特別地，根據本發明的分開式循環空氣混合發動機的示例性實施例包括能夠圍繞曲軸軸線旋轉的曲軸。壓縮活塞可滑動地容納在壓縮氣缸內，並且可操作地連接到曲軸， 以使壓縮活塞通過曲軸的單次旋轉期間的進氣衝程和壓縮衝程而往復運動。進氣(入口) 閥選擇性地控制進入壓縮氣缸的空氣流量。膨脹活塞可滑動地容納在膨脹氣缸內，並且可操作地連接到曲軸，以使膨脹活塞通過曲軸的單次旋轉期間的膨脹衝程和排氣衝程而往復運動。交換通道將壓縮氣缸和膨脹氣缸相互連接，該交換通道包括交換壓縮(XovrC)閥和交換膨脹(XovrE)閥，在交換壓縮(XovrC)閥和交換膨脹(XovrE)閥之間限定有壓力室。空氣存貯器可操作地連接到交換通道並能夠選擇地操作以儲存來自壓縮氣缸的壓縮空氣。空氣存貯器閥選擇性地控制流入和流出空氣存貯器的空氣流量。該發動機能夠在點火和充氣 (FC)模式中運行。在FC模式中，在曲軸的單次旋轉期間空氣存貯器閥保持關閉直到XovrE 閥基本上關閉，以便在向空氣存貯器充入壓縮空氣之前向膨脹氣缸充入壓縮空氣。還公開了一種操作分開式循環空氣混合發動機的方法。該分開式循環空氣混合發動機包括能夠圍繞曲軸軸線旋轉的曲軸。壓縮活塞可滑動地容納在壓縮氣缸內，並且可操作地連接到曲軸，以使壓縮活塞通過曲軸的單次旋轉期間的進氣衝程和壓縮衝程而往復運動。進氣(入口)閥選擇性地控制進入壓縮氣缸的空氣流量。膨脹活塞可滑動地容納在膨脹氣缸內，並且可操作地連接到曲軸，以使膨脹活塞通過曲軸的單次旋轉期間的膨脹衝程和排氣衝程而往復運動。交換通道將壓縮氣缸和膨脹氣缸相互連接，該交換通道包括交換壓縮(XovrC)閥和交換膨脹(XovrE)閥，在交換壓縮(XovrC)閥和交換膨脹(XovrE)閥之間限定有壓力室。空氣存貯器可操作地連接到交換通道並能夠選擇地操作以儲存來自壓縮氣缸的壓縮空氣。空氣存貯器閥選擇性地控制流入和流出空氣存貯器的空氣流量。該發動機能夠在點火和充氣(FC)模式中運行。根據本發明的方法包括如下步驟用壓縮活塞抽入和壓縮進口空氣；允許壓縮空氣與燃料一起在膨脹衝程開始時進入膨脹氣缸，所述燃料在膨脹活塞的同一膨脹衝程中被點燃、燃燒和膨脹，傳輸動力到曲軸，並且燃燒產物在排氣衝程中排放；以及在曲軸的單次旋轉期間保持空氣存貯器閥關閉，直到XovrE閥基本上關閉， 以便在向空氣存貯器充入壓縮空氣之前向膨脹氣缸充入壓縮空氣。根據本發明的接下來參照附圖進行的詳細說明，將更充分地理解本發明的這些以及其他特徵和優勢。


在附圖中圖1是根據本發明的示意性分開式循環空氣混合動力發動機的橫向剖視圖；圖2是在每分鐘2000轉(rpm)的發動機速度和2巴指示平均有效壓力(IMEP)的發動機負載處關於罐空氣壓力和罐空氣流速的進口(入口)閥關閉時間的圖示說明；圖3是在2000rpm的發動機速度和2巴IMEP的發動機負載處關於罐空氣壓力和罐空氣流速的進口閥持續時間的圖示說明；圖4是在2000rpm的發動機速度和2巴IMEP的發動機負載處關於罐空氣壓力和罐空氣流速的交換壓縮(XovrC)閥持續時間的圖示說明；圖5是在2000rpm的發動機速度和2巴IMEP的發動機負載處關於罐空氣壓力和罐空氣流速的交換膨脹(XovrE)閥持續時間的圖示說明；圖6是在2000rpm的發動機速度和2巴IMEP的發動機負載處關於罐空氣壓力和罐空氣流速的交換壓縮(XovrC)閥開啟時間的圖示說明；圖7是在2000rpm的發動機速度和2巴IMEP的發動機負載處關於罐空氣壓力和罐空氣流速的XovrC閥關閉時間的圖示說明；圖8是在2000rpm的發動機速度和2巴IMEP的發動機負載處關於罐空氣壓力和罐空氣流速的XovrE閥開啟時間的圖示說明；圖9是在2000rpm的發動機速度和2巴IMEP的發動機負載處關於罐空氣壓力和罐空氣流速的XovrE閥關閉時間的圖示說明；圖10是在2000rpm的發動機速度和2巴IMEP的發動機負載處關於罐空氣壓力和罐空氣流速的氣罐閥開啟時間的圖示說明；圖11是在2000rpm的發動機速度和2巴IMEP的發動機負載處關於罐空氣壓力和罐空氣流速的氣罐閥關閉時間的圖示說明；和圖12是在2000rpm的發動機速度和2巴IMEP的發動機負載處關於用於各種罐空氣流速的罐空氣壓力的燃料流速的圖示說明。
具體實施例方式以下首字母縮寫詞的詞彙和術語定義供參考。一般情況除另有規定外，所有閥門開啟和關閉時間都是以膨脹活塞的上死點之後(ATDCe) 的曲軸角角度測量的。除另有規定外，所有閥門持續時間都處於曲柄角角度(CA)內。空氣罐(或空氣儲罐)用於壓縮空氣的儲罐。ATDCe 膨脹活塞的上死點之後。Bar 壓力單位，Ibar (巴)=105N/M2MEE:制動平均有效壓力。術語「制動」指在考慮摩擦損失(FMEP)後傳遞到曲軸 (或輸出軸)的輸出。制動平均有效壓力(BMEP)是以術語平均有效壓力(MEP)值表示的發動機的制動扭矩輸出。BMEP等於制動扭矩除以發動機排量。這是考慮由於摩擦引起的損失以後獲得的性能參數。因此，BMEP = IMEP-摩擦力。在這種情況下摩擦力通常以MEP值表示，MEP值熟知為摩擦平均有效壓力(或FMEP)。壓縮機分開式循環發動機的壓縮氣缸和其相關的壓縮活塞。膨脹機分開式循環發動機的膨脹氣缸和其相關的膨脹活塞。FMEP 摩擦平均有效壓力。g/s 克每秒IIEE:指示平均有效壓力。術語「指示」是指在考慮摩擦損失(FMEP)之前傳遞到活塞頂部的輸出。入口(或進口)入口閥。還通常稱為進口閥。RPM 每分鐘轉數。罐閥連接Xovr通道與壓縮空氣儲罐的閥。閥持續時間閥的開啟開始和閥關閉結束之間的曲柄角度間隔。VVA 可變閥門致動。可操作以改變閥門升程輪廓的形狀或時間的機制或方法。Xovr (或Xover)閥、通道或埠 連接壓縮氣缸和膨脹氣缸的交換閥、通道和/或埠，氣體通過交換閥、通道和/或埠從壓縮氣缸流到膨脹氣缸。XovrC (或XoverC)閥在Xovr通道的壓縮機端處的閥。XovrC持續時間=XovrC閥的開啟和XovrC閥關閉結束之間的曲柄角度間隔。XovrE (或XoverE)閥在交換(Xovr)通道的膨脹端處的閥。參照圖1，示例性分開式循環空氣混合動力發動機大致由數字10顯示。分開式循環空氣混合動力發動機10用一個壓縮氣缸12和一個膨脹氣缸14的結合取代傳統發動機的兩個相鄰氣缸。氣缸蓋33通常設置在膨脹和壓縮氣缸12、14的開啟端，以覆蓋和密封氣缸。奧託循環的四個衝程在兩個氣缸12和14上是「分開或一分為二的(split) 」，以使壓縮氣缸12與其相關的壓縮活塞20 —起執行進氣衝程和壓縮衝程，並且膨脹氣缸14與其相關的膨脹活塞30 —起執行膨脹衝程和排氣衝程。因此，曲軸16圍繞曲軸軸線17每旋轉一次(360度CA)，奧託循環就在這兩個氣缸12、14中完成一次。在進氣衝程期間，通過設置在氣缸蓋33中的進氣埠 19將進口(入口)空氣吸入壓縮氣缸12。向內開啟(向內開啟進入氣缸和朝向活塞)的提升進氣閥18控制進氣埠 19和壓縮氣缸12之間的流體連通。在壓縮衝程期間，壓縮活塞20加壓空氣進料並驅動空氣進料進入交換通道(或埠)22，交換通道(或埠)22通常設置在氣缸蓋33中。這意味著，壓縮氣缸12和壓縮活塞20是到交換通道22的高壓氣源，交換通道22作為用於膨脹氣缸14的進口通道。在一些實施例中，兩個或兩個以上的交換通道22將壓縮氣缸12和膨脹氣缸14相互連接。分開式循環發動機10的壓縮氣缸12 (並且一般用於分開式循環發動機)的幾何 (或體積)壓縮比在此通常指分開式循環發動機的「壓縮比」。分開式循環發動機10的膨脹氣缸14 (並且一般用於分開式循環發動機)的幾何(或體積)壓縮比在此通常指分開式循環發動機的「膨脹比」。氣缸的幾何壓縮比在本領域中公知為在其中往復的活塞處於其下死點(BDC)位置時在氣缸(包括所有凹槽)中的封閉(或捕獲)體積與所述活塞處於其上死點(TDC)位置時氣缸內的封閉體積(即餘隙容積)之比。具體地，對於在此限定的分開式循環發動機，在XovrC閥關閉時確定壓縮氣缸的壓縮比。同樣具體地，對於在此限定的分開式循環發動機，在XovrE閥關閉時確定膨脹氣缸的膨脹比。由於壓縮氣缸12內的非常高的壓縮比(例如，20 1,30 1,40 1或更大)， 在交換通道入口 25處的向外開啟(遠離氣缸和活塞向外開啟)的提升交換壓縮(XovrC) 閥M用來控制從壓縮氣缸12進入交換通道22的流動。由於膨脹氣缸14內非常高的膨脹比(例如，20 1,30 1,40 1或更大)，在交換通道22的出口 27處的向外開啟的提升交換膨脹(XovrE)閥沈用來控制從交換通道22進入膨脹氣缸14的流動。XovrC閥M和 XovrE閥沈的致動速度和相位被定時以在奧託循環的所有四個衝程期間將交換通道22中的壓力維持在高的最低壓力(在滿負荷時通常20巴或更高)。至少一個燃料噴射器28與XovrE閥沈的開啟一致地在交換通道22的出口端處將燃料注入加壓空氣，這發生在膨脹活塞30到達其上死點位置前不久。在膨脹活塞30接近其上死點位置時，空氣/燃料進料進入膨脹氣缸14。在活塞30開始從其上死點位置下降時，並且同時XovrE閥沈仍然開啟時，包括突入氣缸14的火花塞尖端39的火花塞32被點燃以在火花塞尖端39附近的區域中啟動燃燒。在膨脹活塞處於越過其上死點(TDC)位置之後的1度和30度CA之間時，可以啟動燃燒。更優選地，在膨脹活塞處於越過其上死點 (TDC)位置之後的5度和25度CA之間時，可以啟動燃燒。更優選地，在膨脹活塞處於越過其上死點(TDC)位置之後的10度和20度CA之間時，可以啟動燃燒。此外，可以通過其他點火裝置和/或方法啟動燃燒，如使用電熱塞、微波點火裝置或通過壓縮點火方式。在排氣衝程期間，通過設置在氣缸蓋33中的排氣埠 35將排出氣體抽出膨脹氣缸14。設置在排氣埠 35的進氣口 31中的向內開啟提升排氣閥34控制膨脹氣缸14和排氣埠 35之間的流體連通。排氣閥34和排氣埠 35與交換通道22分開。也就是說，排氣閥34和排氣埠 35不與交換通道22接觸或不設置在交換通道22中。在分開式循環的發動機概念中，壓縮氣缸12和膨脹氣缸14的幾何發動機參數 (即內徑、衝程、連杆長度、體積壓縮比等)一般相互獨立。例如，用於壓縮氣缸12和膨脹氣缸14的曲軸行程36、38可以分別具有不同半徑，並且可以彼此分開地定相，以使膨脹活塞30的上死點(TDC)發生在壓縮活塞20的上死點(TDC)之前。這種獨立性能夠使分開式循環發動機10比典型四衝程發動機潛在地實現更高效率水平和更大的扭矩。分開式循環發動機10中的發動機參數的幾何獨立性也是如前面所討論的為什麼可以在交換通道22中維持壓力的主要原因之一。具體來說，膨脹活塞30以預估的相角(通常在10和30曲柄角度之間)在壓縮活塞到達其上死點位置之前到達其上死點位置。這個相角與XovrC閥M和XovrE閥沈的適當定時一起使得分開式循環發動機10能夠在其壓力/體積循環的全部四個衝程期間將交換通道22中的壓力保持在高的最低壓力處(在滿負荷運轉期間通常為20巴的絕對值或更高)。也就是說，分開式循環發動機10可操作以定時XovrC閥M和XovrE閥26，以使XovrC閥和XovrE閥都開啟相當長的時間周期(或曲軸旋轉周期)，在此期間，膨脹活塞30從其TDC位置朝向其BDC位置下降，並且壓縮活塞20 同時從其BDC位置朝向其TDC位置上升。在閥MJ6都開啟的時間周期(或曲軸旋轉)期間，大致等量空氣從(1)壓縮氣缸12轉移到交換通道22和( 從交換通道交換22轉移到膨脹氣缸14。因此，在此期間，防止交換通道中的壓力降低到預定最低壓力(在滿負荷運轉期間通常是20、30或40巴的絕對值)以下。此外，在發動機循環的實質部分(通常是整個發動機循環的80%或更高)期間，XovrC閥M和XovrE閥沈兩者都關閉，以將捕獲在交換通道22中的氣體的量保持在基本恆定水平處。結果，在發動機的壓力/體積循環的全部四個衝程期間，將交換通道22中的壓力保持在預定最低壓力處。為此目的，為了同時地傳輸大致相同量的氣體流入和流出交換通道22，在膨脹活塞30從TDC下降和壓縮活塞20朝向TDC上升的同時使XovrC閥M和XovrE閥沈開啟的方法，在此稱為推挽式氣體輸送方法。推挽式方法使得在發動機滿負荷運轉時，能夠在發動機循環的所有四個衝程期間，將分開式循環發動機10的交換通道22中的壓力典型地保持在20巴或更高。如前所述，排氣閥34設置在氣缸蓋33的與交換通道22分開的排氣埠 35中。為了在排氣衝程期間維持交換通道22中的被捕獲的氣體量，排氣閥34不被設置在交換通道 22中並且因此排氣埠 35不與交換通道22共享任何共同部分的結構布置是優選的。因此防止大的循環壓降，大的循環壓降可能會使交換通道中的壓力低於預定最低壓力。XovrE閥沈在膨脹活塞30到達其上死點位置前不久開啟。此時，交換通道22中的壓力與膨脹氣缸14中的壓力的壓力比由於如下事實而是高的交換通道中的最低壓力通常是20巴的絕對值或更高，並且在排氣衝程期間膨脹氣缸中的壓力典型地約1至2巴的絕對值。換句話說，當XovrE閥沈開啟時，交換通道22中的壓力本質上高於膨脹氣缸14 中的壓力(通常為20 1或更大的量級)。這種高的壓力比引起空氣和/或燃料供送的原始流動，從而以高的速度流動進入膨脹氣缸14。這些高流動速度可以達到聲速，其稱為聲速流。這種聲速流對分開式循環發動機10特別有利，因為其引起快速燃燒活動，其使得即使在膨脹活塞30從其上死點下降時啟動點火時，分開式循環發動機10也能夠保持高的燃燒壓力。分開式循環空氣混合動力發動機10還包括空氣存貯器(罐)40，空氣存貯器 (罐)40通過空氣存貯器(罐)閥42可操作地連接到交換通道22。具有兩個或兩個以上交換通道22的實施例可以包括用於每個交換通道22的罐閥42，每個交換通道22連接到共用空氣存貯器40，或者替換地，每個交換通道22可以操作地連接到單獨的空氣存貯器40。
罐閥42通常設置在空氣存貯器(罐)埠 44中，空氣存貯器(罐)埠 44從交換通道22延伸到空氣罐40。空氣罐埠 44分為第一空氣存貯器(罐)埠部46和第二空氣存貯器(罐)埠部48。第一空氣罐埠部46將空氣罐閥42連接至交換通道22，並且第二空氣罐埠部48將空氣罐閥42連接到空氣罐40。第一空氣罐埠部46的體積包括在罐閥42關閉時將罐閥42連接到交換通道22的所有附加埠和凹槽的體積。罐閥42可以是任何合適的閥裝置或系統。例如，罐閥42可以是由各種閥致動裝置(例如，氣動、液壓、凸輪、電動等等)啟動的主動閥。此外，罐閥42可以包括具有由兩個或兩個以上的致動裝置致動的兩個或兩個以上閥的罐閥系統。如在上述Scuderi等人的美國專利號No. 7，353，786中所描述的那樣，空氣罐40 用於儲存壓縮空氣形式的能量，並在以後使用壓縮空氣以為曲軸16提供動力。這種儲存潛在能量的機械裝置提供了比當前技術狀況多的潛在優勢。例如，相比於在市場上的其他技術，如柴油發動機和電動混合動力系統，分開式循環發動機10可以以相對較低的製造和廢物處理成本在燃料效率的提高和減少氮氧化物排放量方面潛在地提供許多優勢。通過選擇性地控制空氣罐閥42的開啟和/或關閉，並且因而控制空氣罐40與交換通道22的連通，分開式循環空氣混合動力發動機10能夠在發動機點火(EF)模式、空氣膨脹(AE)模式、空氣壓縮(AC)模式、空氣膨脹和點火(AEF)模式、以及點火和充電(FC)模式中操作性。EF模式是非混合模式，如上所述，發動機在沒有使用空氣罐40的情況下運轉。 AC和FC模式是儲能模式。AC模式是空氣混合運轉模式，其中如通過在制動期間利用包括發動機10的車輛的動能，將壓縮空氣儲存在空氣罐40中，而在膨脹氣缸14中沒有燃燒產生(即，沒有燃料消耗)。FC模式是空氣混合操作模式，其中壓縮活塞抽吸多於所需要的空氣進入壓縮氣缸以在燃燒期間提供動力給膨脹氣缸的膨脹衝程(即壓縮機抽吸多於所需要的空氣以為膨脹氣缸提供動力)。燃燒不需要的多餘壓縮空氣被儲存在空氣存貯器40中，典型地，是在不到全發動機負荷操作條件的情況中(如發動機怠速、車輛以恆定速度巡航)。壓縮空氣在FC模式中的儲存具有的能源消耗(損失)在於，需要由壓縮機執行額外的負功。因此， 在稍後時間使用壓縮空氣時期望具有淨收益(即，在膨脹機中使用壓縮空氣來產生比在FC 模式期間儲存過多空氣所需要的負功更多的正功)。AE和AEF模式是儲存的能源使用模式。AE模式是空氣混合運行模式，其中在膨脹氣缸14中不發生燃燒(即，沒有燃料消耗)的情況下，儲存在空氣罐40中的壓縮空氣用於驅動膨脹活塞30。AEF模式是一種空氣混合運轉模式，儲存在空氣罐40中的壓縮空氣被利用在膨脹氣缸14中用於燃燒。在FC模式中，壓縮活塞20在其壓縮模式中操作，其中壓縮活塞抽入和和壓縮用在膨脹氣缸14中的進口空氣。膨脹活塞30在其動力模式中操作，其中壓縮空氣被允許與燃料一起在膨脹衝程開始時進入膨脹氣缸14，燃料在膨脹活塞的同一膨脹衝程中被點燃、燃燒和膨脹，傳輸動力到曲軸16，並且燃燒產物在排氣衝程中排放。因為壓縮和膨脹在壓縮氣缸12和膨脹氣缸14之間分開的，因此使得FC模式成為可能。膨脹氣缸14可以在比車輛負載高的負荷下操作。超量負荷然後由壓縮氣缸12被吸收，壓縮氣缸12壓縮比膨脹氣缸14為車輛提供動力所需要的空氣更多的空氣。過量的(或額外的)充入空氣被轉向以充入空氣罐40。
顯著地，在發動機10以FC模式運轉時，空氣罐閥42在曲軸16的每個單次旋轉期間保持關閉，直到XovrE閥沈基本上關閉。因此，在向空氣罐40充入壓縮空氣之前，向膨脹氣缸14充入壓縮空氣。因此，在曲軸16的單次旋轉期間，膨脹氣缸14和空氣罐40被連續地充氣(即，一個接一個地，而不是將是平行的充氣順序的在同一時間)。在曲軸16的單次旋轉期間由壓縮氣缸12提供的壓縮空氣充入因而在膨脹氣缸14和空氣罐40之間是分開的。優選地，從當XovrC閥M開啟時的士5度CA內(S卩，從XovrC閥是大致開啟時) 到XovrE閥沈關閉時的士負5度CA內(S卩，到XovrE閥大致關閉時)，空氣罐閥42至少保持關閉狀態。因此，從壓縮空氣充入開始以通過XovrC閥M進入交換通道22的時間 (或CA度數位置)到壓縮空氣充入停止以通過XovrE閥沈進入膨脹氣缸14的時間，空氣罐閥42基本上關閉，從而防止在膨脹氣缸之前對空氣罐40進行充氣。在示例性的實施例中，XovrC閥M可以在約-23度CA ATDCe和-10度CA ATDCe之間的曲軸位置(閥定時) 處開啟，並且XovrE閥沈可以在約11度CA ATDCe和23度CA ATDCe之間的閥定時處關閉， 如分別在圖6和9中所示。在發動機10的所有操作條件處，空氣罐閥42僅在XovrE閥沈已經關閉以後才開啟。例如，空氣罐閥42可以在XovrE閥已經關閉後的約5度CA或更大度數CA的位置處開啟。優選地，空氣罐閥42可以在XovrE閥沈已經被關閉後的5 20度CA的範圍中的位置處被開啟。更優選地，空氣罐閥42可以在XovrE閥已經關閉以後的小於10度CA的時間處開啟。空氣存貯器閥42然後可以在25度CA或更大的閥持續時間內被保持開啟。優選地，空氣灌封閥42然後可以在50度CA或更大的閥持續時間內被保持開啟。更優選地，空氣罐閥42然後可以在25度CA到150度CA的範圍內被保持開啟，在這段時間過程中，向空氣罐40充入壓縮空氣。在FC模式中的一次完整曲軸旋轉(以壓縮活塞20的進氣行程開始並以膨脹活塞 30的排氣衝程結束)期間，XovrC閥M、XovrE閥沈和空氣罐閥42通常具有以下的開啟和關閉順序。首先，XovrC閥M開啟，然後XovrE閥沈開啟。因而用來自壓縮氣缸12的壓縮空氣對交換通道22加壓，並且壓縮空氣被轉移到膨脹氣缸14。通常情況下，XovrC閥M關閉，下面跟隨XovrE閥沈關閉。然而，在某些發動機操作條件下，XovrE閥沈可能在XovrC閥M關閉之前關閉。在這兩種情況下，過量壓縮空氣因而被捕獲在關閉的XovrC閥M和XovrE閥沈之間的交換通道22中。交換通道22被過度加壓，使得交換通道中的壓力大於在空氣罐40中的壓力。接下來，空氣罐閥42開啟， 並且稍後關閉，使在交換通道22中的過量壓縮空氣由於交換通道和空氣罐之間的壓力差而流入空氣罐40。然而，在某些發動機操作條件(如發動機轉速、發動機負荷、空氣罐壓力等)下，空氣罐閥42可以在XovrE閥沈已經關閉之後但是稍微在XovrC閥M關閉之前開啟。在這種情況下，閥開啟和關閉的順序是=XovrC閥M開啟、XovrE閥沈開啟、XovrE閥沈關閉、 空氣罐閥42開啟、XovrC閥M關閉、以及空氣罐閥42關閉。根據這個閥定時順序，XovrC 閥M和空氣罐閥42同時開啟一定的短時間周期，在壓縮氣缸12和空氣罐40之間提供流體連通(即開啟流體流動路徑)。此外，在FC模式中，通過改變XovrE閥關閉的定時以計量進入膨脹氣缸中的燃燒所要求的必需空氣量，可以控制發動機負荷。如上所述，在示例性的實施例中，如圖9所示， XovrE閥沈可以在約11度CA ATDCe和23CAATDCe之間的閥定時處被關閉。因此，XovrE 閥26(有效地，通過在所需的充氣量已經進入膨脹氣缸時關閉)只允許負載要求的必須壓縮充氣量進入膨脹氣缸14。如上所述，保持在交換通道22中的過量充入空氣然後儲存在空氣罐40中。在曲軸16的單次旋轉期間傳送到空氣罐40的壓縮空氣量(並且因而進入空氣罐的空氣流速)可以通過改變進氣閥18關閉的定時而被控制，這有效地改變被抽入壓縮氣缸12的充入空氣的總量。在示例性的實施例中，如圖2中所示，進氣閥18在約103度 CA ATDCe和140度CA ATDCe之間的閥定時處關閉。圖2至11圖示地說明在2000轉的發動機轉速和2巴IMEP的發動機負荷處的空氣罐壓力和空氣罐充氣流速的範圍內上述分開式循環空氣混合動力發動機10的FC模式的示例性實施例。在圖2中，進氣閥18在103. 0度CA ATDCe至140. 0度CA ATDCe的範圍中的定時處關閉。例如，在10巴的罐壓力和3克/秒的空氣罐流速處，進氣閥18在約122度 CA ATDCe處關閉。在圖3中，進氣閥18具有56. 5度CA和93. 5度CA之間的閥持續時間。 例如，在10巴的罐壓力和3克/秒的空氣罐流速處，進氣閥持續約75度CA。在圖4中，XovrC閥24具有在36. 4度CA禾口 61. 8度CA之間的閥持續時間。例如， 在10巴的罐壓力和3克/秒的空氣罐流速處，XovrC閥持續約45度CA。在圖5中，XovrE 閥沈具有在14. 2度CA和30. 8度CA之間的閥持續時間。例如，在10巴的罐壓力和3克 /秒的空氣罐流速處，XovrE閥持續約沈度CA。圖6和7分別地描繪XovrC閥M開啟和關閉定時。XovrC閥M在-23. 20度CA ATDCe到-9. 79度CA ATDCe的範圍內的定時處開啟，在24. 6度CA ATDCe至38. 6度CA ATDCe的範圍內的定時處關閉。例如，在10巴的罐壓力和3克/秒的空氣罐流速處，XovrC 閥M在約-17. 5度CA ATDCe處開啟，並且在約28度CA ATDCe處關閉。圖8和9分別地描繪XovrE閥26開啟和關閉定時。XovrE閥洸在-1. 62度CA ATDCe至14. 00度CA ATDCe的範圍內的定時處開啟，並在11. 40度CA ATDCe至23. 20度CA ATDCe的範圍內的定時處關閉。例如，在10巴的罐壓力和3克/秒的空氣罐流速處，XovrE 閥沈在約-7. 3度CA ATDCe處開啟，並在約19度CA ATDCe處關閉。圖10和11分別地描繪空氣罐閥42的開啟和關閉定時。空氣罐閥42在21. 4度 CA ATDCe至33. 2度CA ATDCe的範圍內的定時處開啟，並在131. 4度CA ATDCe到143. 2度 CA ATDCe的範圍內的定時處關閉。例如，在10巴的罐壓力和3克/秒的空氣罐流速處，空氣罐閥42在約四度CA ATDCe處開啟，並在約139度CA ATDCe處關閉。從圖9-11可以看出，在空氣罐壓力和空氣罐充氣流速範圍內，在這個示例性的實施例中，空氣罐閥42在XovrE閥沈關閉以後開啟10度CA，，並且空氣罐閥42在XovrE閥 26開啟以後關閉110度CA (即，空氣罐閥持續時間大致地固定在110度CA)。上述示例性實施例已經說明用於FC模式的在單個發動機轉速和負荷(即在 2000rpm和2巴IMEP處)處的閥定時。然而，本領域技術人員將會認識到，FC模式可以在發動機10的全部速度和負載範圍內操作。也就是說，FC模式可以在從發動機10的空載到滿載，以及從怠速到額定(滿)速度的範圍內操作。圖12圖示地說明在FC模式中在2000rpm的示例性發動機轉速和2巴IMEP的發動機負載處用於壓縮壓縮氣缸12中的過量空氣(用於隨後向空氣罐40充氣)的燃料(即能量)損失。在圖形底部處的水平線(空氣罐充氣速度為Og/s)代表在空氣罐40未被充氣(charged)時(基本上處於發動機10的EF (或NF)模式)的燃料流速(kg/hr，千克/小時)。這是零燃料損失基線，從零燃料損失基線開始計算FC模式中的燃料損失。水平基線以上的三條線代表在1克/秒、2克/秒和3克/秒的空氣罐充氣速率處在FC模式中的燃料消耗。當然，FC模式中的燃料消耗，大於EF模式中的燃料消耗。FC模式的燃料損失是通過從在特定空氣罐壓力和空氣罐充氣速率處的燃料消耗中減去基線燃料消耗而計算的。例如，在5巴的空氣罐壓力和2克/秒的空氣罐充氣速度處，燃料損失(用於向空氣罐充氣所消耗的額外能量)約為0. 09千克/小時(在5巴和2克/秒處的1. 11千克/小時的燃料損失減去1. 02千克/小時的基線消耗)。作為另一個示例，在10巴的空氣罐壓力和3克/ 秒的空氣罐充氣速率處，燃料損失約為0. 35千克/小時(1. 37千克/小時減去1. 02公斤 /小時)。 雖然已經參照具體實施例描述了本發明，但應該理解，在所描述的創造性概念的精神和範圍內可以進行各種變化。因此，意圖在於本發明不限於所描述的實施例，而是包括由附後權利要求的語言限定的全部保護範圍。
權利要求
1.一種分開式循環空氣混合動力發動機，包括曲軸，能夠圍繞曲軸軸線旋轉；壓縮活塞，可滑動地容納在壓縮氣缸內，並且可操作地連接到曲軸，以使壓縮活塞通過曲軸的單次旋轉期間的進氣衝程和壓縮衝程而往復運動；進氣閥，選擇性地控制進入壓縮氣缸的空氣流量；膨脹活塞，可滑動地容納在膨脹氣缸內，並且可操作地連接到曲軸，以使膨脹活塞通過曲軸的單次旋轉期間的膨脹衝程和排氣衝程而往復運動；交換通道，將壓縮氣缸和膨脹氣缸相互連接，該交換通道包括交換壓縮(XovrC)閥和交換膨脹(XovrE)閥，在交換壓縮(XovrC)閥和交換膨脹(XovrE)閥之間限定有壓力室；空氣存貯器，可操作地連接到交換通道並能夠選擇地操作以儲存來自壓縮氣缸的壓縮空氣；和空氣存貯器閥，選擇性地控制流入和流出空氣存貯器的空氣流量；該發動機能夠在點火和充氣(FC)模式中運行，其中，在FC模式中，在曲軸的單次旋轉期間空氣存貯器閥保持關閉直到XovrE閥基本上關閉，以便在向空氣存貯器充入壓縮空氣之前向膨脹氣缸充入壓縮空氣。
2.根據權利要求1所述的分開式循環空氣混合動力發動機，其中，在FC模式中，在從當XovrC閥開啟時的士5度CA內到當XovrE閥關閉時的士5度CA內的範圍內，空氣存貯器閥保持關閉。
3.根據權利要求1所述的分開式循環空氣混合動力發動機，其中，在FC模式中，空氣存貯器閥在XovrE閥關閉後的5度CA或更大度數CA的位置處開啟。
4.根據權利要求1所述的分開式循環空氣混合動力發動機，其中，在FC模式中，空氣存貯器閥在XovrE閥關閉後的5 20度CA的範圍內的位置處開啟。
5.根據權利要求1所述的分開式循環空氣混合動力發動機，其中，在FC模式中，空氣存貯器閥在XovrE閥關閉後的小於10度CA的位置處開啟。
6.根據權利要求1所述的分開式循環空氣混合動力發動機，其中，在FC模式中，空氣存貯器閥在25度CA或更大度數CA的持續時間內保持開啟。
7.根據權利要求1所述的分開式循環空氣混合動力發動機，其中，在FC模式中，空氣存貯器閥在50度CA或更大度數CA的持續時間內保持開啟。
8.根據權利要求1所述的分開式循環空氣混合動力發動機，其中，在FC模式中，空氣存貯器閥在25度CA至150度CA的範圍內的持續時間內保持開啟。
9.根據權利要求1所述的分開式循環空氣混合動力發動機，其中，在FC模式中，通過控制XovrE閥關閉的定時控制發動機負荷。
10.根據權利要求1所述的分開式循環空氣混合動力發動機，其中，在FC模式中，通過控制進氣閥關閉的定時控制傳遞到空氣存貯器的過量壓縮空氣的量。
11.根據權利要求1所述的分開式循環空氣混合動力發動機，其中，在FC模式中，壓縮活塞抽入和壓縮用在膨脹氣缸中的進口空氣，並且壓縮空氣被允許與燃料一起在膨脹衝程開始時進入膨脹氣缸，所述燃料在膨脹活塞的同一膨脹衝程中被點燃、燃燒和膨脹，傳輸動力到曲軸，並且燃燒產物在排氣衝程中排放。
12.—種操作分開式循環空氣混合發動機的方法，該分開式循環空氣混合發動機包括曲軸，能夠圍繞曲軸軸線旋轉；壓縮活塞，可滑動地容納在壓縮氣缸內，並且可操作地連接到曲軸，以使壓縮活塞通過曲軸的單次旋轉期間的進氣衝程和壓縮衝程而往復運動；進氣閥，選擇性地控制進入壓縮氣缸的空氣流量；膨脹活塞，可滑動地容納在膨脹氣缸內，並且可操作地連接到曲軸，以使膨脹活塞通過曲軸的單次旋轉期間的膨脹衝程和排氣衝程而往復運動；交換通道，將壓縮氣缸和膨脹氣缸相互連接，該交換通道包括交換壓縮(XovrC)閥和交換膨脹(XovrE)閥，在交換壓縮(XovrC)閥和交換膨脹(XovrE)閥之間限定有壓力室；空氣存貯器，可操作地連接到交換通道並能夠選擇性地操作以儲存來自壓縮氣缸的壓縮空氣；和空氣存貯器閥，選擇性地控制流入和流出空氣存貯器的空氣流量；該發動機能夠在點火和充氣(FC)模式中運行；所述方法包括如下步驟用壓縮活塞抽入和壓縮進口空氣；允許來自壓縮氣缸的壓縮空氣與燃料一起在膨脹衝程開始時進入膨脹氣缸，所述燃料在膨脹活塞的同一膨脹衝程中被點燃、燃燒和膨脹，傳輸動力到曲軸，並且燃燒產物在排氣衝程中排放；以及在曲軸的單次旋轉期間保持空氣存貯器閥關閉，直到XovrE閥基本上關閉，以便在向空氣存貯器充入壓縮空氣之前向膨脹氣缸充入壓縮空氣。
13.根據權利要求12所述的方法，包括在從當XovrC閥開啟時的士5度CA內到當 XovrE閥關閉時的士5度CA內的範圍內保持空氣存貯器閥關閉的步驟。
14.根據權利要求12所述的方法，包括在XovrE閥關閉後的5度CA或更大度數CA的位置處開啟空氣存貯器閥的步驟。
15.根據權利要求12所述的方法，包括在XovrE閥關閉後的5 20度CA的範圍內的位置處開啟空氣存貯器閥的步驟。
16.根據權利要求12所述的方法，包括在XovrE閥關閉後的小於10度CA的位置處開啟空氣存貯器閥的步驟。
17.根據權利要求12所述的方法，包括在25度CA或更大度數CA的持續時間內保持空氣存貯器閥開啟的步驟。
18.根據權利要求12所述的方法，還包括通過改變XovrE閥關閉的定時控制發動機負荷的步驟。
19.根據權利要求12所述的方法，還包括通過改變進氣閥關閉的定時控制傳遞到空氣存貯器的過量壓縮空氣的量的步驟。
全文摘要
本發明公開一種分開式循環空氣混合發動機，包括能夠旋轉的曲軸。壓縮活塞可滑動地容納在壓縮氣缸內，並且可操作地連接到曲軸。進氣閥選擇地控制進入壓縮氣缸的空氣流量。膨脹活塞可滑動地容納在膨脹氣缸內，並且可操作地連接到曲軸。交換通道將壓縮氣缸和膨脹氣缸相互連接。交換通道包括位於其中交換壓縮(XovrC)閥和交換膨脹(XovrE)閥。空氣存貯器可操作地連接到交叉通道。空氣存貯器閥選擇性地控制流入和流出空氣存貯器的空氣流量。在發動機的點火和充氣(FC)模式中，在曲軸的單次旋轉期間空氣存貯器閥保持關閉直到XovrE閥基本上關閉，以使在向空氣存貯器充入壓縮空氣之前向膨脹氣缸充入壓縮空氣。
文檔編號F02B33/22GK102472152SQ201180002655
公開日2012年5月23日 申請日期2011年3月14日 優先權日2010年3月15日
發明者伊萬·吉爾伯特, 尼古拉斯·巴丹吉林, 理察·美爾德雷斯 申請人:史古德利集團有限責任公司