專利名稱：具有膨脹機停用功能的分開式循環(huán)空氣混合動力發(fā)動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分開式循環(huán)發(fā)動機，更特別地，涉及結(jié)合空氣混合系統(tǒng)的發(fā)動機。
背景技術(shù)：
為了清楚的目的，在本申請中所使用的術(shù)語“傳統(tǒng)發(fā)動機”是指內(nèi)燃機，其中公知的奧托循環(huán)(Otto cycle)的所有四個沖程(即進氣(或進口)、壓縮、膨脹(或動力)和排氣沖程)包含在發(fā)動機的每個活塞/氣缸結(jié)合中。在傳統(tǒng)發(fā)動機的每個氣缸中，每個沖程的需要曲軸的半個旋轉(zhuǎn)(180度曲軸角(CA))，完成整個奧托循環(huán)需要曲軸的兩個完整旋轉(zhuǎn) (720 度 CA)。同樣，為了清楚的目的，對可能會應(yīng)用于現(xiàn)有技術(shù)中公開的發(fā)動機和在本申請中涉及的術(shù)語“分開式循環(huán)發(fā)動機”提供如下定義。在此涉及的分開式循環(huán)發(fā)動機包括曲軸，能夠圍繞曲軸軸線轉(zhuǎn)動；壓縮活塞，所述壓縮活塞可滑動地容納在壓縮氣缸內(nèi)并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(zhuǎn)動期間的進氣沖程和壓縮沖程而往復(fù)運動；膨脹(動力)活塞，可滑動地容納在膨脹氣缸內(nèi)并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(zhuǎn)動期間的膨脹沖程和排氣沖程而往復(fù)運動；和使膨脹氣缸和壓縮氣缸相互連接的交換通道(端口)，交換通道至少包括設(shè)置在其中的交換膨脹(XovrE)閥，但更優(yōu)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(quán)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(jié)合于此)包含對分開式循環(huán)及類似類型的發(fā)動機所展開的討論。此外，這些專利公開了現(xiàn)有發(fā)動機形式的細節(jié)，本發(fā)明詳述這種現(xiàn)有發(fā)動機形式的進一步改進。分開式循環(huán)空氣混合動力發(fā)動機將分開式循環(huán)發(fā)動機與空氣存貯器和各種控制相結(jié)合。這種結(jié)合能夠使分開式循環(huán)空氣混合動力發(fā)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后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(huán)空氣混合動力發(fā)動機包括曲軸，能夠圍繞曲軸軸線旋轉(zhuǎn)；壓縮活塞，可滑動地容納在壓縮氣缸內(nèi)，并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(zhuǎn)期間的進氣沖程和壓縮沖程而往復(fù)運動；膨脹(動力)活塞，可滑動地容納在膨脹氣缸中，并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(zhuǎn)期間的膨脹沖程和排氣沖程而往復(fù)運動；使壓縮氣缸和膨脹氣缸相互連接的交換通道(端口)，交換通道至少包括設(shè)置在其中的交換膨脹(XovrE)閥，但更優(yōu)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，并且選擇性地可操作以存儲來自壓縮氣缸的壓縮空氣，并傳送壓縮空氣到膨脹氣缸。通過參考結(jié)合于此的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(huán)空氣混合和類似類型發(fā)動機的廣泛討論。此外，這個專利公開了本發(fā)明詳述其進一步改進的現(xiàn)有發(fā)動機形式的細節(jié)。分開式循環(huán)空氣混合動力發(fā)動機可以以及正常運行模式或點火(NF)模式(通常也稱為發(fā)動機點火(EF)模式)和四個基本空氣混合模式運轉(zhuǎn)。在EF模式中，該發(fā)動機用作非空氣混合分開式循環(huán)發(fā)動機，在不使用其空氣存貯器的情況下運轉(zhuǎn)。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(guān)閉以將空氣存貯器與基本分開式循環(huán)發(fā)動機分開。分開式循環(huán)空氣混合動力發(fā)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(zhuǎn)。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(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(yōu)化這些模式EF、AE、AC、AEF和FC，以提高效率和減少排放。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種分開式循環(huán)空氣混合動力發(fā)動機，其中針對潛在的處于任何驅(qū)動循環(huán)的任何車輛，空氣壓縮(AC)模式的使用被優(yōu)化，用于提高效率。更特別地，根據(jù)本發(fā)明的示例實施例的一種分開式循環(huán)空氣混合動力發(fā)動機包括圍繞曲軸軸線旋轉(zhuǎn)的曲軸。壓縮活塞，可滑動地容納在壓縮氣缸內(nèi)，并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(zhuǎn)期間的進氣沖程和壓縮沖程而往復(fù)運動。膨脹活塞可滑動地容納在膨脹氣缸內(nèi)，并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(zhuǎn)期間的膨脹沖程和排氣沖程而往復(fù)運動。排氣閥選擇性地控制氣體流出膨脹氣缸。交換通道將壓縮氣缸和膨脹氣缸相互連接，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?？諝獯尜A器能夠操作地連接到交換通道，并能夠選擇性地操作以儲存來自壓縮氣缸的壓縮空氣并且傳遞壓縮空氣到膨脹氣缸。空氣存貯器閥，選擇性地控制空氣流入和流出空氣存貯器。發(fā)動機能夠在空氣壓縮(AC)模式中運轉(zhuǎn)。在AC模式中，XovrE閥在曲軸的整個旋轉(zhuǎn)期間保持關(guān)閉，并且排氣閥在曲軸的同一旋轉(zhuǎn)的至少240度CA范圍內(nèi)保持開啟。還公開一種操作分開式循環(huán)空氣混合動力發(fā)動機的方法。該分開式循環(huán)空氣混合動力發(fā)動機包括能夠圍繞曲軸軸線旋轉(zhuǎn)的曲軸。壓縮活塞可滑動地容納在壓縮氣缸內(nèi)，并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(zhuǎn)期間的進氣沖程和壓縮沖程而往復(fù)運動。膨脹活塞，可滑動地容納在膨脹氣缸內(nèi)，并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(zhuǎn)期間的膨脹沖程和排氣沖程而往復(fù)運動。排氣閥選擇性地控制氣體流出膨脹氣缸。交換通道將壓縮氣缸和膨脹氣缸相互連接，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?？諝獯尜A器，能夠操作地連接到交換通道，并能夠選擇性地操作以儲存來自壓縮氣缸的壓縮空氣并且傳遞壓縮空氣到膨脹氣缸?？諝獯尜A器閥選擇性地控制空氣流入和流出空氣存貯器。該發(fā)動機能夠在空氣壓縮(AC)模式中運轉(zhuǎn)。根據(jù)本發(fā)明的所述方法包括如下步驟在曲軸的整個旋轉(zhuǎn)期間保持XovrE閥關(guān)閉；以及在曲軸的同一旋轉(zhuǎn)的至少240度CA范圍內(nèi)保持排氣閥開啟，從而，膨脹氣缸停用以減少由膨脹活塞作用在膨脹氣缸中的空氣上的泵送功。根據(jù)本發(fā)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(fā)明的這些以及其他特征和優(yōu)勢。


在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的示例性分開式循環(huán)空氣混合動力發(fā)動機的橫向剖視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的泵負荷(在負IMEP方面)與發(fā)動機速度之間的關(guān)系的圖示說明。
具體實施例方式以下首字母縮寫詞的詞匯和術(shù)語定義供參考。一般情況除另有規(guī)定外，所有閥門開啟和關(guān)閉時間都是以膨脹活塞的上死點之后(ATDCe) 的曲軸角角度測量的。除另有規(guī)定外，所有閥門持續(xù)時間都處于曲柄角角度(CA)內(nèi)。氣罐(或空氣儲罐)用于壓縮空氣的儲罐。ATDCe 膨脹活塞的上死點之后。Bar 壓力單位，Ibar (巴)=105N/M2BMEP 制動平均有效壓力。術(shù)語“制動”指在考慮摩擦損失(FMEP)后傳遞到曲軸 (或輸出軸)的輸出。制動平均有效壓力(BMEP)是以術(shù)語平均有效壓力(MEP)值表示的發(fā)動機的制動扭矩輸出。BMEP等于制動扭矩除以發(fā)動機排量。這是考慮由于摩擦引起的損失以后獲得的性能參數(shù)。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(huán)發(fā)動機的壓縮氣缸和其相關(guān)的壓縮活塞。排氣(或EXH)閥控制氣體從膨脹氣缸排出的閥。膨脹機分開式循環(huán)發(fā)動機的膨脹氣缸和其相關(guān)的膨脹活塞。FMEP 摩擦平均有效壓力。IIEE:指示平均有效壓力。術(shù)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(或講口)入口閥。還通常稱為進氣閥。入口空氣(或講口空氣)在進氣(入口)沖程上抽吸進入壓縮氣缸的空氣。入口閥(或講氣閥)控制氣體講入壓縮氣缸的閥。泵送功(或泵送損耗)為此目的，泵送功(通常表示為負IMEP)涉及發(fā)動機動力中的在引導(dǎo)燃料和空氣填料進入發(fā)動機和燃燒氣體排出時消耗的部分。膨脹氣缸停用期間的殘金壓縮比率(a)與(b)的比率(a/b)，其中(a)為處于排氣閥剛關(guān)閉時的位置處的膨脹氣缸中的捕獲容積，(b)為膨脹活塞剛達到其上死點位置時膨脹氣缸中的捕獲容積(即余隙容積)。RPM 每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。罐閥連接Xovr通道與壓縮空氣儲罐的閥。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、通道或端口 連接壓縮氣缸和膨脹氣缸的交換閥、通道和/或端口，氣體通過交換閥、通道和/或端口從壓縮氣缸流到膨脹氣缸。XovrE (或XoverE)閥在交換(Xovr)通道的膨脹端處的閥。XovrE-clsd-Exh-open =XovrE閥完全關(guān)閉且排氣閥完全開啟。XovrE-clsd-Exh-std =XovrE閥完全關(guān)閉且排氣閥具有標(biāo)準(zhǔn)定時。XovrE-open-Exh-cIsd =XovrE閥完全開啟且排氣閥完全關(guān)閉。XovrE-open-Exh-std =XovrE閥完全開啟且排氣閥具有標(biāo)準(zhǔn)定時。XovrE-std-Exh-std =XovrE閥具有標(biāo)準(zhǔn)定時且排氣閥具有標(biāo)準(zhǔn)定時。參照圖1，示例性分開式循環(huán)空氣混合動力發(fā)動機大致由數(shù)字10顯示。分開式循環(huán)空氣混合動力發(fā)動機10用一個壓縮氣缸12和一個膨脹氣缸14的結(jié)合取代傳統(tǒng)發(fā)動機的兩個相鄰氣缸。氣缸蓋33通常設(shè)置在膨脹和壓縮氣缸12、14的開啟端，以覆蓋和密封氣缸。奧托循環(huán)的四個沖程在兩個氣缸12和14上是“分開或一分為二的”，以使壓縮氣缸12與其相關(guān)的壓縮活塞20 —起執(zhí)行進氣沖程和壓縮沖程，并且膨脹氣缸14與其相關(guān)的膨脹活塞30 —起執(zhí)行膨脹沖程和排氣沖程。因此，曲軸16圍繞曲軸軸線17每旋轉(zhuǎn)一次 (360度CA)，奧托循環(huán)就在這兩個氣缸12、14中完成一次。在進氣沖程期間，通過設(shè)置在氣缸蓋33中的進氣端口 19將進口空氣吸入壓縮氣缸12。向內(nèi)開啟(向內(nèi)開啟進入氣缸和朝向活塞)的提升進氣閥18控制進氣端口 19和壓縮氣缸12之間的流體連通。在壓縮沖程期間，壓縮活塞20加壓空氣進料并驅(qū)動空氣進料進入交換通道(或端口)22，交換通道(或端口)22通常設(shè)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作為用于膨脹氣缸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(huán)發(fā)動機10的壓縮氣缸12 (并且一般用于分開式循環(huán)發(fā)動機)的幾何 (或體積)壓縮比在此通常指分開式循環(huán)發(fā)動機的“壓縮比”。分開式循環(huán)發(fā)動機10的膨脹氣缸14 (并且一般用于分開式循環(huán)發(fā)動機)的幾何(或體積)壓縮比在此通常指分開式循環(huán)發(fā)動機的“膨脹比”。氣缸的幾何壓縮比在本領(lǐng)域中公知為在其中往復(fù)的活塞處于其下死點(BDC)位置時在氣缸(包括所有凹槽)中的封閉(或捕獲)體積與所述活塞處于其上死點(TDC)位置時氣缸內(nèi)的封閉體積(即余隙容積)之比。具體地，對于在此限定的分開式循環(huán)發(fā)動機，在XovrC閥關(guān)閉時確定壓縮氣缸的壓縮比。同樣具體地，對于在此限定的分開式循環(huán)發(fā)動機，在XovrE閥關(guān)閉時確定膨脹氣缸的膨脹比。由于壓縮氣缸12內(nèi)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。由于膨脹氣缸14內(nèi)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托循環(huán)的所有四個沖程期間將交換通道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(fā)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，并且同時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(qū)域中啟動燃燒。在膨脹活塞處于越過其上死點(TDC)位置之后的1度和30度CA之間時，可以啟動燃燒。更優(yōu)選地，在膨脹活塞處于越過其上死點 (TDC)位置之后的5度和25度CA之間時，可以啟動燃燒。更優(yōu)選地，在膨脹活塞處于越過其上死點(TDC)位置之后的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。在排氣沖程期間，通過設(shè)置在氣缸蓋33中的排氣端口 35將排出氣體抽出膨脹氣缸14。設(shè)置在排氣端口 35的進氣口 31中的向內(nèi)開啟提升排氣閥34控制膨脹氣缸14和排氣端口 35之間的流體連通。排氣閥34和排氣端口 35與交換通道22分開。也就是說，排氣閥34和排氣端口 35不與交換通道22接觸或不設(shè)置在交換通道22中。在分開式循環(huán)的發(fā)動機概念中，壓縮氣缸12和膨脹氣缸14的幾何發(fā)動機參數(shù) (即內(nèi)徑、沖程、連桿長度、體積壓縮比等)一般相互獨立。例如，用于壓縮氣缸12和膨脹氣缸14的曲軸行程36、38可以分別具有不同半徑，并且可以彼此分開地定相，以使膨脹活塞 30的上死點(TDC)發(fā)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(huán)發(fā)動機10比典型四沖程發(fā)動機潛在地實現(xiàn)更高效率水平和更大的扭矩。分開式循環(huán)發(fā)動機10中的發(fā)動機參數(shù)的幾何獨立性也是如前面所討論的為什么可以在交換通道22中維持壓力的主要原因之一。具體來說，膨脹活塞30以預(yù)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(dāng)定時一起使得分開式循環(huán)發(fā)動機10能夠在其壓力/體積循環(huán)的全部四個沖程期間將交換通道22中的壓力保持在高的最低壓力處(在滿負荷運轉(zhuǎn)期間通常為20巴的絕對值或更高)。也就是說，分開式循環(huán)發(fā)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(dāng)長的時間周期(或曲軸旋轉(zhuǎn)周期)，在此期間，膨脹活塞30從其TDC位置朝向其BDC位置下降，并且壓縮活塞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(zhuǎn))期間，大致等量空氣從(1)壓縮氣缸12轉(zhuǎn)移到交換通道22和( 從交換通道交換22轉(zhuǎn)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(yù)定最低壓力(在滿負荷運轉(zhuǎn)期間通常是20、30或40巴的絕對值)以下。此外，在發(fā)動機循環(huán)的實質(zhì)部分(通常是整個發(fā)動機循環(huán)的80%或更高)期間，XovrC閥M和XovrE閥沈兩者都關(guān)閉，以將捕獲在交換通道22中的氣體的量保持在基本恒定水平處。結(jié)果，在發(fā)動機的壓力/體積循環(huán)的全部四個沖程期間，將交換通道22中的壓力保持在預(yù)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(fā)動機滿負荷運轉(zhuǎn)時，能夠在發(fā)動機循環(huán)的所有四個沖程期間，將分開式循環(huán)發(fā)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(shè)置在氣缸蓋33的與交換通道22分開的排氣端口 35中。為了在排氣沖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(shè)置在交換通道 22中并且因此排氣端口 35不與交換通道22共享任何共同部分的結(jié)構(gòu)布置是優(yōu)選的。因此防止大的循環(huán)壓降，大的循環(huán)壓降可能會使交換通道中的壓力低于預(yù)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于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，并且在排氣沖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(dāng)XovrE閥沈開啟時，交換通道22中的壓力本質(zhì)上高于膨脹氣缸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(huán)發(fā)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(huán)發(fā)動機10也能夠保持高的燃燒壓力。分開式循環(huán)空氣混合動力發(fā)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于每個交換通道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(shè)置在空氣存貯器(罐)端口 44中，空氣存貯器(罐)端口 44從交換通道22延伸到空氣罐40。空氣罐端口 44分為第一空氣存貯器(罐)端口部46和第二空氣存貯器(罐)端口部48。第一空氣罐端口部46將空氣罐閥42連接至交換通道22，并且第二空氣罐端口部48將空氣罐閥42連接到空氣罐40。第一空氣罐端口部46的體積包括在罐閥42關(guān)閉時將罐閥42連接到交換通道22的所有附加端口和凹槽的體積。罐閥42可以是任何合適的閥裝置或系統(tǒng)。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(tǒng)。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 用于儲存壓縮空氣形式的能量，并在以后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(dāng)前技術(shù)狀況多的潛在優(yōu)勢。例如，相比于在市場上的其他技術(shù)，如柴油發(fā)動機和電動混合動力系統(tǒng)，分開式循環(huán)發(fā)動機10可以以相對較低的制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(yōu)勢。
通過選擇性地控制空氣罐閥42的開啟和/或關(guān)閉，并且因而控制空氣罐40與交換通道22的連通，分開式循環(huán)空氣混合動力發(fā)動機10能夠在發(fā)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(fā)動機在沒有使用空氣罐40的情況下運轉(zhuǎn)。 AC和FC模式是儲能模式。AC模式是空氣混合運轉(zhuǎn)模式，其中如通過在制動期間利用包括發(fā)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(chǎn)生 (即，沒有燃料消耗)。FC模式是空氣混合運轉(zhuǎn)模式，其中如在不到發(fā)動機滿負荷(如發(fā)動機怠速、車輛以恒定速度巡航)情況下將燃燒不需要的多余壓縮空氣儲存在空氣罐40中。 壓縮空氣在FC模式中的儲存有能源消耗(損失)；因此，在稍后時間使用壓縮空氣時期望具有凈增益。AE和AEF模式是儲存的能源使用模式。AE模式是空氣混合運轉(zhuǎn)模式，其中在膨脹活塞30中不發(fā)生燃燒(S卩，沒有燃料消耗)的情況下，儲存在空氣罐40中的壓縮空氣用于驅(qū)動膨脹氣缸14。AEF模式是一種空氣混合運轉(zhuǎn)模式，儲存在空氣罐40中的壓縮空氣被利用在膨脹氣缸14中用于燃燒。在AC模式中，膨脹氣缸14優(yōu)選地被停用(deactivated)以最小化或者基本上減少由膨脹活塞30對膨脹氣缸中的空氣執(zhí)行的泵送工作(以負IMEP方式)。如在此進一步詳細所述的那樣，停用膨脹氣缸14的最有效方式是保持XoverE閥沈在曲軸16的整個旋轉(zhuǎn)過程中都關(guān)閉，并且理想地，保持排氣閥34在曲軸16的整個旋轉(zhuǎn)過程中開啟。在排氣閥向外開啟的發(fā)動機實施例中，排氣閥在曲軸16的整個旋轉(zhuǎn)過程中可以保持開啟。然而，這個示例性的實施方式圖示了更典型的結(jié)構(gòu)，其中排氣閥34向內(nèi)開啟。因而，為了避免膨脹活塞30在膨脹活塞的沖程頂部處接觸排氣閥34，排氣閥34必須在上升的活塞30接觸內(nèi)向開啟閥34時之前關(guān)閉。因而，為了避免額外的溫度和壓力產(chǎn)生，重要的是確保在從排氣閥關(guān)閉的角度到膨脹活塞的TDC的過程中被捕獲的空氣不被壓縮太多。一般地，這意味著在排氣閥34關(guān)閉的點處的殘余壓縮比率應(yīng)是20 1或者更小，并且更優(yōu)選地，為10 1或者更小。在示例性發(fā)動機10中，在膨脹活塞30的TDC之前的約60度CA的排氣閥34關(guān)閉角度(位置)處的殘余壓縮比率將為約20 1。當(dāng)排氣閥關(guān)閉是TDC之前的60度CA時，非常期望(如在此更詳細描述)排氣閥開啟是TDC之后的60度CA。因而，為了在沒有產(chǎn)生額外空氣溫度和壓力的情況下停用膨脹氣缸14，優(yōu)選地，排氣閥34在曲軸16的旋轉(zhuǎn)的至少240度CA期間保持開啟。而且，更優(yōu)選地，排氣閥34在曲軸16的旋轉(zhuǎn)的至少270度CA期間保持開啟，和最優(yōu)選地，排氣閥34在曲軸16的旋轉(zhuǎn)的至少300度CA期間保持開啟。當(dāng)排氣閥34響應(yīng)于避免膨脹活塞30接觸排氣閥34而單獨關(guān)閉時，在活塞30朝向其上死點(TDC)上升時將產(chǎn)生空氣壓縮。為了最大化效率，主要目的因而是在膨脹氣缸 14中的壓力等于排氣端口 35中的壓力時(即在膨脹氣缸14和排氣端口 35之間的壓力差大致為零時)重新開啟排氣閥34。在理想的系統(tǒng)中，排氣閥34的開啟時間應(yīng)與排氣閥34 的關(guān)閉時間關(guān)于膨脹活塞30的上死點對稱。然而，在實踐中，在膨脹活塞30的排氣沖程期間在關(guān)閉排氣閥34以后，膨脹氣缸14中的壓力和溫度開始升高。產(chǎn)生的熱量損失到氣缸部件，諸如氣缸壁、活塞頂和氣缸蓋。因而，使膨脹氣缸14和排氣端口 35中的壓力在膨脹活塞30的膨脹沖程上比在排氣沖程上稍早的時間(相對于上死點)處相等。另外，在排氣端口 35中的波效應(yīng)和排氣閥34的流動特性(諸如在低閥門升程情況下流動被限制得很多的事實)導(dǎo)致排氣閥18的最適合的關(guān)閉和開啟時間稍偏離關(guān)于上死點的真實對稱。因而，為了盡可能多地返回壓縮功到曲軸16，重要的是保持閥34的關(guān)閉位置(定時)和開啟位置(定時)關(guān)于活塞30的TDC大致(即在士 10度CA內(nèi))對稱。例如，如果膨脹閥34在膨脹活塞30的TDC之前的大致25度CA處關(guān)閉以避免被活塞30撞擊，則閥34 將在活塞30的TDC之后的大致25度CA處開啟。以這種方式，在活塞30下降離開TDC時， 壓縮空氣將作為空氣彈簧并且返回多數(shù)壓縮功到曲軸16，因為該空氣膨脹和向下推動壓縮活塞20。因而，為了避免膨脹活塞30接觸排氣閥34并且盡可能多地使壓縮功反向，優(yōu)選地，閥34的關(guān)閉和打開位置(定時)在士 10度CA內(nèi)關(guān)于膨脹活塞30的TDC對稱(例如， 如果膨脹閥；34在TDC之前的25度CA處關(guān)閉，則膨脹閥34必須在活塞30的TDC之后的 25士 10度CA處開啟)。然而，更優(yōu)選地，閥34的關(guān)閉和打開位置在士5度CA內(nèi)關(guān)于膨脹活塞30的TDC對稱，最優(yōu)選地，閥34的關(guān)閉和打開位置在士2度CA內(nèi)關(guān)于膨脹活塞30的 TDC對稱。同樣，在AC模式中，優(yōu)選地，在交換通道22中的空氣壓力高于氣罐40中的空氣壓力時，氣罐閥42開啟。這確保壓縮空氣將流入氣罐40中用于存儲，并且基本上防止壓縮空氣空氣罐中泄漏。壓縮活塞20抽吸進口空氣進入壓縮氣缸12并且壓縮進口空氣。被壓縮的空氣然后儲存在氣罐40中。如圖2中由XoverE_open_Exh_clsd標(biāo)記的圖線所示，如果XovrE閥保持開啟并且排氣閥保持關(guān)閉，則最大泵送損失(以負IMEP方式)發(fā)生在AC模式中。在這個布置中的泵送功通常還隨著發(fā)動機速度增加。參照圖 2 中由 XoverE_std_Exh_std，XoverE_clsd_Exh_std 禾口 XoverE_open_Exh_ std標(biāo)記的圖線所示，如果(i)X0VrE閥和排氣閥都以標(biāo)準(zhǔn)定時(例如，用于EF模式的定時)操作；(ii)XovrE閥保持關(guān)閉且排氣閥以標(biāo)準(zhǔn)定時操作；或(iii)XovrE閥保持開啟且排氣閥以標(biāo)準(zhǔn)定時操作，則泵送損失以與XoVerE_0pen_Exh_ClSd布置中幾乎相等的量減小。參照圖2中由X0VerE_ClSd_Exh_0pen標(biāo)記的圖線所示，如上所述，如果通過保持 XovrE閥關(guān)閉且排氣閥開啟停用膨脹氣缸，則泵送損失進一步減小(在低發(fā)動機速度處幾乎為零)。在這種布置中，膨脹活塞在其動力沖程期間從排氣端口抽入排出空氣，并且在其排氣沖程期間推動空氣回到排氣端口。由于排氣閥34僅響應(yīng)避免與膨脹活塞30接觸而關(guān)閉，因此僅做最小量的壓縮功。另外，在排氣閥34的開啟和關(guān)閉時間相對于膨脹活塞30的 TDC大致對稱時，大部分壓縮功是可逆的。因此，顯然膨脹氣缸體用最小化和基本上減小在 AC模式中由膨脹活塞執(zhí)行的泵送功。雖然已經(jīng)參照具體實施例描述本發(fā)明，但應(yīng)該理解，在所描述的創(chuàng)造性概念的精神和范圍內(nèi)可以進行各種變化。因此，意圖在于，本發(fā)明不限于所描述的實施例，而是包括由附后權(quán)利要求的語言限定的全部范圍。
權(quán)利要求
1.一種分開式循環(huán)空氣混合動力發(fā)動機，包括 曲軸，能夠圍繞曲軸軸線旋轉(zhuǎn)；壓縮活塞，可滑動地容納在壓縮氣缸內(nèi)，并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(zhuǎn)期間的進氣沖程和壓縮沖程而往復(fù)運動；膨脹活塞，可滑動地容納在膨脹氣缸內(nèi)，并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(zhuǎn)期間的膨脹沖程和排氣沖程而往復(fù)運動； 排氣閥，選擇性地控制氣體流出膨脹氣缸；交換通道，將壓縮氣缸和膨脹氣缸相互連接，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，能夠操作地連接到交換通道，并能夠選擇性地操作以儲存來自壓縮氣缸的壓縮空氣并且傳遞壓縮空氣到膨脹氣缸；和空氣存貯器閥，選擇性地控制空氣流入和流出空氣存貯器；發(fā)動機能夠在空氣壓縮(AC)模式中運轉(zhuǎn)，其中，在AC模式中，XovrE閥在曲軸的整個旋轉(zhuǎn)期間保持關(guān)閉，并且排氣閥在曲軸的同一旋轉(zhuǎn)的至少240度CA范圍內(nèi)保持開啟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分開式循環(huán)空氣混合動力發(fā)動機，其中，在AC模式中，排氣閥在曲軸的同一旋轉(zhuǎn)的至少270度CA范圍內(nèi)保持開啟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分開式循環(huán)空氣混合動力發(fā)動機，其中，在AC模式中，排氣閥在曲軸的同一旋轉(zhuǎn)的至少300度CA范圍內(nèi)保持開啟。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分開式循環(huán)空氣混合動力發(fā)動機，其中，在AC模式中，在排氣閥關(guān)閉位置處的殘余壓縮比率是20 1或者更小。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分開式循環(huán)空氣混合動力發(fā)動機，其中，在AC模式中，在排氣閥關(guān)閉位置處的殘余壓縮比率是10 1或者更小。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分開式循環(huán)空氣混合動力發(fā)動機，其中，在AC模式中，排氣閥關(guān)閉位置和排氣閥開啟位置在士 10度CA內(nèi)關(guān)于膨脹活塞的上死點位置對稱。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分開式循環(huán)空氣混合動力發(fā)動機，其中，在AC模式中，排氣閥關(guān)閉位置和排氣閥開啟位置在士5度CA內(nèi)關(guān)于膨脹活塞的上死點位置對稱。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分開式循環(huán)空氣混合動力發(fā)動機，其中，在AC模式中，排氣閥關(guān)閉位置和排氣閥開啟位置在士2度CA內(nèi)關(guān)于膨脹活塞的上死點位置對稱。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分開式循環(huán)空氣混合動力發(fā)動機，其中，在AC模式中，排氣閥在曲軸的整個同一旋轉(zhuǎn)期間都保持開啟。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分開式循環(huán)空氣混合動力發(fā)動機，其中，在AC模式中，壓縮活塞抽入和壓縮儲存在空氣存貯器中的進口空氣。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分開式循環(huán)空氣混合動力發(fā)動機，其中，在AC模式中，在交換通道中的空氣壓力高于空氣存貯器中的空氣壓力時，空氣存貯器閥開啟。
12.—種分開式循環(huán)空氣混合動力發(fā)動機，包括 曲軸，能夠圍繞曲軸軸線旋轉(zhuǎn)；壓縮活塞，可滑動地容納在壓縮氣缸內(nèi)，并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(zhuǎn)期間的進氣沖程和壓縮沖程而往復(fù)運動；膨脹活塞，可滑動地容納在膨脹氣缸內(nèi)，并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(zhuǎn)期間的膨脹沖程和排氣沖程而往復(fù)運動；排氣閥，選擇性地控制氣體流出膨脹氣缸和流入排氣端口 ；交換通道，將壓縮氣缸和膨脹氣缸相互連接，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，能夠操作地連接到交換通道，并能夠選擇性地操作以儲存來自壓縮氣缸的壓縮空氣并且傳遞壓縮空氣到膨脹氣缸；和空氣存貯器閥，選擇性地控制空氣流入和流出空氣存貯器；發(fā)動機能夠在空氣壓縮(AC)模式中運轉(zhuǎn)，其中，在AC模式中，XovrE閥在曲軸的整個旋轉(zhuǎn)期間都保持關(guān)閉，并且排氣閥在膨脹氣缸中的壓力大致等于排氣端口中的壓力的位置處開啟。
13.一種操作分開式循環(huán)空氣混合動力發(fā)動機的方法，該分開式循環(huán)空氣混合動力發(fā)動機包括曲軸，能夠圍繞曲軸軸線旋轉(zhuǎn)；壓縮活塞，可滑動地容納在壓縮氣缸內(nèi)，并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(zhuǎn)期間的進氣沖程和壓縮沖程而往復(fù)運動；膨脹活塞，可滑動地容納在膨脹氣缸內(nèi)，并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(zhuǎn)期間的膨脹沖程和排氣沖程而往復(fù)運動； 排氣閥，選擇性地控制氣體流出膨脹氣缸；交換通道，將壓縮氣缸和膨脹氣缸相互連接，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，能夠操作地連接到交換通道，并能夠選擇性地操作以儲存來自壓縮氣缸的壓縮空氣并且傳遞壓縮空氣到膨脹氣缸；和空氣存貯器閥，選擇性地控制空氣流入和流出空氣存貯器；該發(fā)動機能夠在空氣壓縮(AC)模式中運轉(zhuǎn)；所述方法包括如下步驟在曲軸的整個旋轉(zhuǎn)期間保持XovrE閥關(guān)閉；以及在曲軸的同一旋轉(zhuǎn)的至少240度CA范圍內(nèi)保持排氣閥開啟；從而，膨脹氣缸停用以減少由膨脹活塞作用在膨脹氣缸中的空氣上的泵送功。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，保持排氣閥關(guān)閉位置和排氣閥開啟位置在士5CA度內(nèi)關(guān)于膨脹活塞的上死點位置對稱。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，包括在曲軸的整個旋轉(zhuǎn)期間保持排氣閥開啟的步馬聚ο
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，還包括抽吸進口空氣進入壓縮氣缸、壓縮進口空氣和在空氣存貯器中儲存壓縮空氣的步驟。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，還包括在交換通道中的空氣壓力高于空氣存貯器中的空氣壓力時開啟空氣存貯器閥的步驟。
全文摘要
本發(fā)明公開一種分開式循環(huán)的空氣混合動力發(fā)動機，包括可旋轉(zhuǎn)曲軸。壓縮活塞可滑動地容納在壓縮氣缸內(nèi)，并且可操作地連接到曲軸。膨脹活塞可滑動地容納在膨脹氣缸內(nèi)，并且可操作地連接到曲軸。排氣閥選擇性地控制氣體流出膨脹氣缸。交換通道將壓縮氣缸和膨脹氣缸相互連接。交換通道包括位于其中的交換壓縮(XovrC)閥和交換膨脹(XovrE)閥?？諝獯尜A器能夠操作地連接到交換通道?？諝獯尜A器閥選擇性地控制空氣流入和流出空氣存貯器。在發(fā)動機的空氣壓縮(AC)模式中，XovrE閥在曲軸的整個旋轉(zhuǎn)期間保持關(guān)閉，并且排氣閥在曲軸的同一旋轉(zhuǎn)的至少240度CA范圍內(nèi)保持開啟。
文檔編號F02B33/22GK102472153SQ201180002803
公開日2012年5月23日 申請日期2011年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月15日
發(fā)明者伊萬·吉爾伯特, 尼古拉斯·巴丹吉林, 理查德·美爾德雷斯 申請人:史古德利集團有限責(zé)任公司