專利名稱：具有閾值最小罐壓力的分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，且更特別地，涉及結(jié)合空氣混合系統(tǒng)的這種發(fā)動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù)：
為了清楚的目的，在本申請(qǐng)中所使用的術(shù)語(yǔ)“傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)”是指內(nèi)燃機(jī)，其中公知的奧托循環(huán)(Otto cycle)的所有四個(gè)沖程(即進(jìn)氣(或進(jìn)口)、壓縮、膨脹(或動(dòng)力)和排氣沖程)包含在發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)活塞/氣缸結(jié)合中。在傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)氣缸中，每個(gè)沖程的需要曲軸的半個(gè)旋轉(zhuǎn)(180度曲軸角(CA))，完成整個(gè)奧托循環(huán)需要曲軸的兩個(gè)完整旋轉(zhuǎn) (720 度 CA)。同樣，為了清楚的目的，對(duì)可能會(huì)應(yīng)用于現(xiàn)有技術(shù)中公開(kāi)的發(fā)動(dòng)機(jī)和在本申請(qǐng)中涉及的術(shù)語(yǔ)“分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)”提供如下定義。在此涉及的分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)包括曲軸，能夠圍繞曲軸軸線轉(zhuǎn)動(dòng)；壓縮活塞，所述壓縮活塞可滑動(dòng)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(guò)在曲軸的單次轉(zhuǎn)動(dòng)期間的進(jìn)氣沖程和壓縮沖程而往復(fù)運(yùn)動(dòng)；膨脹(動(dòng)力)活塞，可滑動(dòng)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(guò)在曲軸的單次轉(zhuǎn)動(dòng)期間的膨脹沖程和排氣沖程而往復(fù)運(yùn)動(dòng)；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(guó)專利No. 6，543，225和2005 年10月11日授予Brany0n等人的美國(guó)專利No. 6，952，923(通過(guò)參考將二者結(jié)合于此)包含對(duì)分開(kāi)式循環(huán)及類似類型的發(fā)動(dòng)機(jī)所展開(kāi)的討論。此外，這些專利公開(kāi)了現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)形式的細(xì)節(jié)，本發(fā)明詳述這種現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)形式的進(jìn)一步改進(jìn)。分開(kāi)式循環(huán)空氣混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)將分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)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(kāi)式循環(huán)空氣混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)將能量以壓縮空氣的形式存儲(chǔ)在空氣存貯器中?？諝獯尜A器中的壓縮空氣后來(lái)用在膨脹氣缸中為曲軸提供動(dòng)力。在此涉及的分開(kāi)式循環(huán)空氣混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)包括曲軸，能夠圍繞曲軸軸線旋轉(zhuǎn)；壓縮活塞，可滑動(dòng)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(guò)在曲軸的單次旋轉(zhuǎn)期間的進(jìn)氣沖程和壓縮沖程而往復(fù)運(yùn)動(dòng)；膨脹(動(dòng)力)活塞，可滑動(dòng)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(guò)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(yùn)動(dòng)；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(chǔ)來(lái)自壓縮氣缸的壓縮空氣，并傳送壓縮空氣到膨脹氣缸。通過(guò)參考結(jié)合于此的2008年4月8日授予Scuderi等人的美國(guó)專利號(hào) No. 7，353，786包含分開(kāi)式循環(huán)空氣混合和類似類型發(fā)動(dòng)機(jī)的廣泛討論。此外，這個(gè)專利公開(kāi)了本發(fā)明詳述其進(jìn)一步改進(jìn)的現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)形式的細(xì)節(jié)。分開(kāi)式循環(huán)空氣混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)可以以及正常運(yùn)行模式或點(diǎn)火(NF)模式(通常也稱為發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火(EF)模式)和四個(gè)基本空氣混合模式運(yùn)轉(zhuǎn)。在EF模式中，該發(fā)動(dòng)機(jī)用作非空氣混合分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，在不使用其空氣存貯器的情況下運(yùn)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(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)分開(kāi)。分開(kāi)式循環(huán)空氣混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)在四個(gè)混合模式中在使用其空氣存貯器的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)。這四個(gè)混合模式是1)空氣膨脹(AE)模式，其包括在沒(méi)有燃燒的情況下使用來(lái)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(méi)有燃燒的情況下將壓縮空氣能量?jī)?chǔ)存在空氣存貯器中；3)空氣膨脹和點(diǎn)火(AEF)模式，其包括在燃燒的情況下使用來(lái)自空氣存貯器的壓縮空氣能量；和4)點(diǎn)火和充氣(FC)模式，其包括在燃燒的情況下將壓縮空氣能量?jī)?chǔ)存在空氣存貯器中；然而，期望進(jìn)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)明提供了一種分開(kāi)式循環(huán)空氣混合發(fā)動(dòng)機(jī)，其中其中針對(duì)潛在的處于任何驅(qū)動(dòng)循環(huán)的任何車輛，優(yōu)化空氣膨脹和點(diǎn)火模式(AEF)的使用，用于提高效率。更特別地，根據(jù)本發(fā)明的分開(kāi)式循環(huán)空氣混合發(fā)動(dòng)機(jī)的示例性實(shí)施例包括能夠圍繞曲軸軸線旋轉(zhuǎn)的曲軸。壓縮活塞可滑動(dòng)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(guò)曲軸的單次旋轉(zhuǎn)期間的進(jìn)氣沖程和壓縮沖程而往復(fù)運(yùn)動(dòng)。膨脹活塞可滑動(dòng)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(guò)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(yùn)動(dòng)。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(chǔ)存來(lái)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。該發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在空氣膨脹和點(diǎn)火(AEF)模式中運(yùn)轉(zhuǎn)。在 AEF模式中，空氣存貯器中的壓力大于或等于約5巴絕對(duì)值。還公開(kāi)了一種操作分開(kāi)式循環(huán)空氣混合發(fā)動(dòng)機(jī)的方法。該分開(kāi)式循環(huán)空氣混合發(fā)動(dòng)機(jī)包括能夠圍繞曲軸軸線旋轉(zhuǎn)的曲軸。壓縮活塞可滑動(dòng)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(guò)曲軸的單次旋轉(zhuǎn)期間的進(jìn)氣沖程和壓縮沖程而往復(fù)運(yùn)動(dòng)。膨脹活塞可滑動(dòng)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(guò)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(yùn)動(dòng)。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，并且能夠選擇性地操作以儲(chǔ)存來(lái)自壓縮氣缸的壓縮空氣和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(dòng)機(jī)能夠在空氣膨脹和點(diǎn)火(AEF)模式中運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)本發(fā)明的所述方法包括如下步驟開(kāi)啟空氣存貯器閥；允許來(lái)自空氣存貯器的壓縮空氣在膨脹沖程開(kāi)始時(shí)與燃料一起進(jìn)入膨脹氣缸，所述燃料在膨脹活塞的同一膨脹沖程中被點(diǎn)燃、燃燒和膨脹，傳輸動(dòng)力到曲軸，并且在排氣沖程中排出燃燒產(chǎn)物，由此，發(fā)動(dòng)機(jī)在AEF模式中運(yùn)轉(zhuǎn)；以及保持空氣存貯器中的壓力在約5巴絕對(duì)值以上。根據(jù)接下來(lái)參照附圖的詳細(xì)說(shuō)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(shì)。


在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的示例性分開(kāi)式循環(huán)空氣混合發(fā)動(dòng)機(jī)的橫向剖視圖。
具體實(shí)施例方式以下首字母縮寫(xiě)詞的詞匯和術(shù)語(yǔ)定義供參考。一般情況除另有規(guī)定外，所有閥門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間都是以膨脹活塞的上死點(diǎn)之后(ATDCe) 的曲軸角角度測(cè)量的。除另有規(guī)定外，所有閥門(mén)持續(xù)時(shí)間都處于曲柄角角度(CA)內(nèi)。氣罐(或空氣儲(chǔ)罐)用于壓縮空氣的儲(chǔ)罐。ATDCe 膨脹活塞的上死點(diǎn)之后。Bar 壓力單位，Ibar (巴)=105N/M2壓縮機(jī)分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮氣缸和其相關(guān)的壓縮活塞。膨脹機(jī)分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的膨脹氣缸和其相關(guān)的膨脹活塞。罐閥連接X(jué)ovr通道與壓縮空氣儲(chǔ)罐的閥。 閥門(mén)持續(xù)時(shí)間閥門(mén)的開(kāi)啟開(kāi)始和閥門(mén)關(guān)閉結(jié)束之間的曲柄角度間隔。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(guò)交換閥、通道和/或端口從壓縮氣缸流到膨脹氣缸。XovrC (或XoverC)閥在Xovr通道的壓縮機(jī)端處的閥。XovrE (或XoverE)閥在交換(Xovr)通道的膨脹端處的閥。參照?qǐng)D1，示例性分開(kāi)式循環(huán)空氣混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)大致由數(shù)字10顯示。分開(kāi)式循環(huán)空氣混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)10用一個(gè)壓縮氣缸12和一個(gè)膨脹氣缸14的結(jié)合取代傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的兩個(gè)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(kāi)啟端，以覆蓋和密封氣缸。奧托循環(huán)的四個(gè)沖程在兩個(gè)氣缸12和14上是“分開(kāi)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(jìn)氣(或入氣)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(或動(dòng)力)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(gè)氣缸12、14中完成一次。在進(jìn)氣沖程期間，通過(guò)設(shè)置在氣缸蓋33中的進(jìn)氣端口 19將進(jìn)口(或入口)空氣吸入壓縮氣缸12。向內(nèi)開(kāi)啟(向內(nèi)開(kāi)啟進(jìn)入氣缸和朝向活塞)的提升進(jìn)氣(或入氣)閥 18控制進(jìn)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(jìn)料并驅(qū)動(dòng)空氣進(jìn)料進(jìn)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(jìn)口通道。在一些實(shí)施例中，兩個(gè)或兩個(gè)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(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)10的壓縮氣缸12 (并且一般用于分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī))的幾何 (或體積)壓縮比在此通常指分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的“壓縮比”。分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)10的膨脹氣缸14 (并且一般用于分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī))的幾何(或體積)壓縮比在此通常指分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)(BDC)位置時(shí)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(diǎn)(TDC)位置時(shí)氣缸內(nèi)的封閉體積(即余隙容積)之比。具體地，對(duì)于在此限定的分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，在XovrC閥關(guān)閉時(shí)確定壓縮氣缸的壓縮比。同樣具體地，對(duì)于在此限定的分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，在XovrE閥關(guān)閉時(shí)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(kāi)啟(遠(yuǎn)離氣缸和活塞向外開(kāi)啟)的提升交換壓縮(XovrC) 閥M用來(lái)控制從壓縮氣缸12進(jìn)入交換通道22的流動(dòng)。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(kāi)啟的提升交換膨脹(XovrE)閥沈用來(lái)控制從交換通道22進(jìn)入膨脹氣缸14的流動(dòng)。XovrC閥M和 XovrE閥沈的致動(dòng)速度和相位被定時(shí)以在奧托循環(huán)的所有四個(gè)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(fù)荷時(shí)通常20巴或更高)。至少一個(gè)燃料噴射器28與XovrE閥沈的開(kāi)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(dá)其上死點(diǎn)位置前不久。在膨脹活塞30接近其上死點(diǎn)位置時(shí)，空氣/燃料進(jìn)料進(jìn)入膨脹氣缸14。在活塞30開(kāi)始從其上死點(diǎn)位置下降時(shí)，并且同時(shí)XovrE閥沈仍然開(kāi)啟時(shí)，包括突入氣缸14的火花塞尖端39的火花塞32被點(diǎn)燃以在火花塞尖端39附近的區(qū)域中啟動(dòng)燃燒。在膨脹活塞處于越過(guò)其上死點(diǎn)(TDC)位置之后的1度和30度CA之間時(shí)，可以啟動(dòng)燃燒。更優(yōu)選地，在膨脹活塞處于越過(guò)其上死點(diǎn) (TDC)位置之后的5度和25度CA之間時(shí)，可以啟動(dòng)燃燒。更優(yōu)選地，在膨脹活塞處于越過(guò)其上死點(diǎn)(TDC)位置之后的10度和20度CA之間時(shí)，可以啟動(dòng)燃燒。此外，可以通過(guò)其他點(diǎn)火裝置和/或方法啟動(dòng)燃燒，如使用電熱塞、微波點(diǎn)火裝置或通過(guò)壓縮點(diǎn)火方式。在排氣沖程期間，通過(guò)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(jìn)氣口 31中的向內(nèi)開(kāi)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(kāi)。也就是說(shuō)，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(kāi)式循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)概念中，壓縮氣缸12和膨脹氣缸14的幾何發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)(即內(nèi)徑、沖程、連桿長(zhǎng)度、體積壓縮比等)一般相互獨(dú)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(kāi)地定相，以使膨脹活塞 30的上死點(diǎn)(TDC)發(fā)生在壓縮活塞20的上死點(diǎn)(TDC)之前。這種獨(dú)立性能夠使分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)10比典型四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)潛在地實(shí)現(xiàn)更高效率水平和更大的扭矩。分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)10中的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的幾何獨(dú)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(lái)說(shuō)，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(dá)其上死點(diǎn)位置之前到達(dá)其上死點(diǎn)位置。這個(gè)相角與XovrC閥M和XovrE閥沈的適當(dāng)定時(shí)一起使得分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)10能夠在其壓力/體積循環(huán)的全部四個(gè)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(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)期間通常為20巴的絕對(duì)值或更高)。也就是說(shuō)，分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)10可操作以定時(shí)XovrC閥M和XovrE閥26，以使XovrC閥和XovrE閥都開(kāi)啟相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)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(shí)從其BDC位置朝向其TDC位置上升。在閥MJ6都開(kāi)啟的時(shí)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(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)期間通常是20、30或40巴的絕對(duì)值)以下。此外，在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的實(shí)質(zhì)部分(通常是整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的壓力/體積循環(huán)的全部四個(gè)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(shí)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(shí)使XovrC閥M和XovrE閥沈開(kāi)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(dòng)機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的所有四個(gè)沖程期間，將分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)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(kāi)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(huì)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(dá)其上死點(diǎn)位置前不久開(kāi)啟。此時(shí)，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(shí)而是高的交換通道中的最低壓力通常是20巴的絕對(duì)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(duì)值。換句話說(shuō)，當(dāng)XovrE閥沈開(kāi)啟時(shí)，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(jí))。這種高的壓力比引起空氣和/或燃料供送的原始流動(dòng)，從而以高的速度流動(dòng)進(jìn)入膨脹氣缸14。這些高流動(dòng)速度可以達(dá)到聲速，其稱為聲速流。這種聲速流對(duì)分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)10特別有利，因?yàn)槠湟鹂焖偃紵顒?dòng)，其使得即使在膨脹活塞30從其上死點(diǎn)下降時(shí)啟動(dòng)點(diǎn)火時(shí)，分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)10也能夠保持高的燃燒壓力。分開(kāi)式循環(huán)空氣混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)10還包括空氣存貯器(罐)40，空氣存貯器 (罐)40通過(guò)空氣存貯器(罐)閥42可操作地連接到交換通道22。具有兩個(gè)或兩個(gè)以上交換通道22的實(shí)施例可以包括用于每個(gè)交換通道22的罐閥42，每個(gè)交換通道22連接到共用空氣存貯器40，或者替換地，每個(gè)交換通道22可以操作地連接到單獨(dú)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(shí)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(dòng)裝置(例如，氣動(dòng)、液壓、凸輪、電動(dòng)等等)啟動(dòng)的主動(dòng)閥。此外，罐閥42可以包括具有由兩個(gè)或兩個(gè)以上的致動(dòng)裝置致動(dòng)的兩個(gè)或兩個(gè)以上閥的罐閥系統(tǒng)。如在上述Scuderi等人的美國(guó)專利號(hào)No. 7，353，786中所描述的那樣，空氣罐40 用于儲(chǔ)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(dòng)力。這種儲(chǔ)存潛在能量的機(jī)械裝置提供了比當(dāng)前技術(shù)狀況多的潛在優(yōu)勢(shì)。例如，相比于在市場(chǎng)上的其他技術(shù)，如柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)混合動(dòng)力系統(tǒng)，分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)10可以以相對(duì)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(shì)。通過(guò)選擇性地控制空氣罐閥42的開(kāi)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(kāi)式循環(huán)空氣混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)10能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火(EF)模式、空氣膨脹(AE)模式、空氣壓縮(AC)模式、空氣膨脹和點(diǎn)火(AEF)模式、以及點(diǎn)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(dòng)機(jī)在沒(méi)有使用空氣罐40的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)。 AC和FC模式是儲(chǔ)能模式。AC模式是空氣混合運(yùn)轉(zhuǎn)模式，其中如通過(guò)在制動(dòng)期間利用包括發(fā)動(dòng)機(jī)10的車輛的動(dòng)能，將壓縮空氣儲(chǔ)存在空氣罐40中，而在膨脹氣缸14中沒(méi)有燃燒產(chǎn)生 (即，沒(méi)有燃料消耗)。FC模式是空氣混合運(yùn)轉(zhuǎn)模式，其中如在不到發(fā)動(dòng)機(jī)滿負(fù)荷(如發(fā)動(dòng)機(jī)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(chǔ)存在空氣罐40中。 壓縮空氣在FC模式中的儲(chǔ)存有能源消耗(損失)；因此，在稍后時(shí)間使用壓縮空氣時(shí)期望具有凈增益。AE和AEF模式是儲(chǔ)存的能源使用模式。AE模式是空氣混合運(yùn)轉(zhuǎn)模式，其中在膨脹活塞30中不發(fā)生燃燒(S卩，沒(méi)有燃料消耗)的情況下，儲(chǔ)存在空氣罐40中的壓縮空氣用于驅(qū)動(dòng)膨脹氣缸14。AEF模式是一種空氣混合運(yùn)轉(zhuǎn)模式，儲(chǔ)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AEF模式中，空氣罐閥42優(yōu)選地在曲軸16的整個(gè)旋轉(zhuǎn)期間保持開(kāi)啟(即空氣罐閥42至少在膨脹活塞的整個(gè)膨脹沖程和排氣沖程期間保持開(kāi)啟)。因此，儲(chǔ)存在空氣罐 40中的壓縮空氣從空氣罐40釋放進(jìn)入交換通道22以提供用于膨脹氣缸14的填充空氣。 同樣，XovrC閥M在曲軸16的整個(gè)旋轉(zhuǎn)期間保持關(guān)閉，因而隔離壓縮氣缸12，其可以被停用。膨脹活塞30在其動(dòng)力模式中操作，其中壓縮空氣(來(lái)自空氣罐40)被允許與燃料在膨脹沖程開(kāi)始時(shí)一起進(jìn)入膨脹氣缸14，燃料在膨脹活塞30的同一膨脹沖程中被點(diǎn)燃、燃燒和膨脹，傳輸動(dòng)力到曲軸16，并且燃燒產(chǎn)物在排氣沖程中排放。為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和增強(qiáng)控制，在AEF模式期間，空氣罐40中的壓力不應(yīng)降低低于5巴絕對(duì)值，并且更優(yōu)選地不應(yīng)降低低于7巴絕對(duì)值，以及最優(yōu)選地不應(yīng)降低低于 10巴絕對(duì)值。換句話說(shuō)，在AEF模式中，在空氣罐40中的壓力應(yīng)至少5巴絕對(duì)值或更大。 在AEF模式中，空氣罐閥42被打開(kāi)以允許來(lái)自空氣罐40的壓縮空氣輸送到交換通道22。XovrE閥沈通過(guò)控制壓縮空氣從交換通道22到膨脹氣缸14的流動(dòng)而控制發(fā)動(dòng)機(jī)載荷。在空氣罐40中的壓力減小時(shí)，壓縮空氣的流量同時(shí)降低(由于空氣罐40和膨脹氣缸14之間的壓力差的下降)。如果空氣罐壓力并且因而空氣流量變得過(guò)低，XovrE閥沈無(wú)法控制空氣進(jìn)入膨脹氣缸14的流動(dòng)。換句話說(shuō)，在曲軸以低的空氣流量進(jìn)行一次旋轉(zhuǎn)期間(即一次發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán))，XovrE閥沈?qū)⒉坏貌槐３珠_(kāi)啟太長(zhǎng)期間，而不能允許必要量的填充空氣(用于燃燒)在所需的時(shí)間量中進(jìn)入膨脹氣缸14。 雖然已經(jīng)參照具體實(shí)施例描述本發(fā)明，但應(yīng)該理解，在描述的創(chuàng)造性概念的精神和范圍內(nèi)可以進(jìn)行各種變化。因此，意圖在于，本發(fā)明不限于所描述的實(shí)施例，而是包括由附后權(quán)利要求的語(yǔ)言限定的全部范圍。
權(quán)利要求
1.一種分開(kāi)式循環(huán)空氣混合發(fā)動(dòng)機(jī)，包括 曲軸，能夠圍繞曲軸軸線旋轉(zhuǎn)；壓縮活塞，可滑動(dòng)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(guò)曲軸的單次旋轉(zhuǎn)期間的進(jìn)氣沖程和壓縮沖程而往復(fù)運(yùn)動(dòng)；膨脹活塞，可滑動(dòng)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(guò)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(yùn)動(dòng)；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(chǔ)存來(lái)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(dòng)機(jī)能夠在空氣膨脹和點(diǎn)火(AEF)模式中運(yùn)轉(zhuǎn)，其中，在AEF模式中空氣存貯器中的壓力大于或等于約5巴絕對(duì)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分開(kāi)式循環(huán)空氣混合發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，在AEF模式中，空氣存貯器中的壓力大于或等于約7巴絕對(duì)值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分開(kāi)式循環(huán)空氣混合發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，在AEF模式中，空氣存貯器中的壓力大于或等于約10巴絕對(duì)值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分開(kāi)式循環(huán)空氣混合發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，在AEF模式中，空氣存貯器閥開(kāi)啟。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分開(kāi)式循環(huán)空氣混合發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，在AEF模式中，空氣存貯器閥在膨脹活塞的整個(gè)膨脹沖程和排氣沖程期間開(kāi)啟。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分開(kāi)式循環(huán)空氣混合發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，在AEF模式中，來(lái)自空氣存貯器的壓縮空氣被允許在膨脹沖程開(kāi)始時(shí)與燃料一起進(jìn)入膨脹氣缸，所述燃料在膨脹活塞的同一膨脹沖程中被點(diǎn)燃、燃燒和膨脹，傳輸動(dòng)力到曲軸，并且在排氣沖程中排出燃燒產(chǎn)物。
7.一種操作分開(kāi)式循環(huán)空氣混合發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，該分開(kāi)式循環(huán)空氣混合發(fā)動(dòng)機(jī)包括 曲軸，能夠圍繞曲軸軸線旋轉(zhuǎn)；壓縮活塞，可滑動(dòng)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(guò)曲軸的單次旋轉(zhuǎn)期間的進(jìn)氣沖程和壓縮沖程而往復(fù)運(yùn)動(dòng)；膨脹活塞，可滑動(dòng)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(guò)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(yùn)動(dòng)；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，并且能夠選擇性地操作以儲(chǔ)存來(lái)自壓縮氣缸的壓縮空氣和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(dòng)機(jī)能夠在空氣膨脹和點(diǎn)火(AEF)模式中運(yùn)轉(zhuǎn)； 所述方法包括如下步驟 開(kāi)啟空氣存貯器閥；允許來(lái)自空氣存貯器的壓縮空氣在膨脹沖程開(kāi)始時(shí)與燃料一起進(jìn)入膨脹氣缸，所述燃料在膨脹活塞的同一膨脹沖程中被點(diǎn)燃、燃燒和膨脹，傳輸動(dòng)力到曲軸，并且在排氣沖程中排出燃燒產(chǎn)物，由此，發(fā)動(dòng)機(jī)在AEF模式中運(yùn)轉(zhuǎn)；以及保持空氣存貯器中的壓力在約5巴絕對(duì)值以上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，包括保持空氣存貯器中的壓力在約7巴絕對(duì)值以上的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，包括保持空氣存貯器中的壓力在約10巴絕對(duì)值以上的步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，包括在膨脹活塞的整個(gè)膨脹沖程和排氣沖程期間保持空氣存貯器閥開(kāi)啟的步驟。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種分開(kāi)式循環(huán)空氣混合發(fā)動(dòng)機(jī)，包括可旋轉(zhuǎn)曲軸。壓縮活塞可滑動(dòng)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(dòng)地容納在膨脹氣缸內(nèi)并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。交換通道包括其間限定有壓力室的交換壓縮(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器閥選擇地控制流入和流出空氣存貯器的空氣流量。發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在空氣膨脹和點(diǎn)火(AEF)模式中運(yùn)轉(zhuǎn)。在AEF模式中，空氣存貯器中的空氣壓力大于或等于約5巴絕對(duì)值，優(yōu)選地大于或等于約7巴絕對(duì)值，以及更優(yōu)選地大于或等于約10巴絕對(duì)值。
文檔編號(hào)F02B33/22GK102472156SQ201180003214
公開(kāi)日2012年5月23日 申請(qǐng)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(wàn)·吉爾伯特, 尼古拉斯·巴丹吉林, 理查德·美爾德雷斯 申請(qǐng)人:史古德利集團(tuán)有限責(zé)任公司