單軸雙膨脹式內(nèi)燃機(jī)的制作方法
【專利摘要】一種單軸雙膨脹式內(nèi)燃機(jī)包括第一和第二動力汽缸和膨脹機(jī)汽缸。汽缸蓋流體地聯(lián)接第一和第二動力汽缸和膨脹機(jī)汽缸。第一和第二動力活塞在第一和第二動力汽缸中往復(fù)運(yùn)動，且連接至曲軸的第一曲柄銷。多環(huán)節(jié)連桿組件包括剛性主臂，其支撐第一樞轉(zhuǎn)銷、第二樞轉(zhuǎn)銷和第三樞轉(zhuǎn)銷。第一樞轉(zhuǎn)銷聯(lián)接至在第三汽缸中往復(fù)運(yùn)動的膨脹機(jī)活塞。第三樞轉(zhuǎn)銷聯(lián)接至擺動臂的第一端部，擺動臂的第二端部可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接至第四樞轉(zhuǎn)銷，該第四樞轉(zhuǎn)銷聯(lián)接至附連至旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)臂的遠(yuǎn)端，該旋轉(zhuǎn)軸與曲軸的旋轉(zhuǎn)耦合。
【專利說明】
單軸雙膨脹式內(nèi)燃機(jī)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明大體包括內(nèi)燃機(jī)組件。
【背景技術(shù)】
[0002]內(nèi)燃機(jī)燃燒空氣和燃料的混合物，以產(chǎn)生用于做功的機(jī)械功率。內(nèi)燃機(jī)的基本部件在現(xiàn)有技術(shù)中是熟知的，且優(yōu)選地包括發(fā)動機(jī)本體、汽缸蓋、汽缸、活塞、閥、曲軸和一個或多個凸輪軸。汽缸蓋、汽缸和活塞頂?shù)湫偷匦纬煽勺內(nèi)萘康娜紵皇?，燃料和空氣被引入到該燃燒腔室中，且燃燒作為裝置的熱動力循環(huán)的一部分發(fā)生。在所有內(nèi)燃機(jī)中，有用功由直接作用在可移動發(fā)動機(jī)部件上的燃燒的熱的氣體產(chǎn)物產(chǎn)生，諸如活塞頂或活塞頭。通常，活塞的往復(fù)運(yùn)動經(jīng)由連桿傳遞至曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。一個已知的內(nèi)燃機(jī)在四沖程燃燒循環(huán)中工作，其中，沖程定義為活塞從上死點(diǎn)(TDC)位置到下死點(diǎn)(BDC)位置(或反之亦然)的完全移動，沖程包括進(jìn)氣、壓縮、做功和排氣。相應(yīng)地，四沖程發(fā)動機(jī)在此定義為，一種對于汽缸充氣的每個做功沖程(即，對于將功率傳送至曲軸的每個沖程)需要活塞的四個完整沖程的發(fā)動機(jī)。
[0003]內(nèi)燃機(jī)的總效率取決于其通過最小化導(dǎo)致對環(huán)境的能量損失的折中而最大化所有過程效率的能力。借助通過中度壓縮(mid-compress1n)排熱(諸如利用熱交換器)而嘗試汽缸充氣的近似等溫壓縮，在專用部件上劃分傳統(tǒng)四沖程循環(huán)允許壓縮過程更高效。同樣，通過朝向絕熱膨脹移動以及將該膨脹進(jìn)一步延伸以將做功氣體降至環(huán)境壓力，在汽缸充氣膨脹期間可獲得更大量的能量。另外，最大化做功氣體的比熱比、同時單獨(dú)減小每個比熱允許在膨脹時的更大能量排放，同時最小化與每個專用部件相關(guān)聯(lián)的機(jī)械和流速損失。
[0004]滿足這些挑戰(zhàn)的一個已知方式是低溫燃燒(LTC)渦輪增壓柴油機(jī)。LTC渦輪增壓柴油機(jī)依賴于兩級壓縮過程，其通過充氣冷卻到近似等溫壓縮、減小實(shí)現(xiàn)給定空氣密度所需的功、貧(lean)低溫燃燒以最小化熱損失，同時改善氣體屬性而分開;并且依賴于兩級膨脹過程，以增強(qiáng)從熱的燃燒后氣體的功恢復(fù)。熱動力學(xué)方面，渦輪增壓柴油機(jī)是多軸雙壓縮雙膨脹發(fā)動機(jī)，其依賴于旋轉(zhuǎn)和往復(fù)電機(jī)的組合，以在燃燒和兩個膨脹后燃燒之前執(zhí)行兩個壓縮。但是，總效率可被在操作域上匹配和優(yōu)化這些部件性能的能力限制。用于在外部充氣多軸發(fā)動機(jī)上提供助力的空氣處理系統(tǒng)可包括更多的復(fù)雜助力系統(tǒng)，其使用兩級和三級渦輪增壓或渦輪增壓機(jī)和機(jī)械驅(qū)動的增壓器的組合。除了充氣裝置，系統(tǒng)還需要熱交換器、旁通閥和控制器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]描述了一種單軸雙膨脹式內(nèi)燃機(jī)，其包括發(fā)動機(jī)本體、汽缸蓋、單根曲軸和多環(huán)節(jié)連桿(mult1-link connecting rod)組件。發(fā)動機(jī)本體包括第一和第二動力汽缸和膨脹機(jī)汽缸。汽缸蓋流體地聯(lián)接第一和第二動力汽缸和膨脹機(jī)汽缸。第一和第二動力活塞分別在第一和第二動力汽缸中往復(fù)，且連接至曲軸的相應(yīng)的第一和第二曲柄銷。多環(huán)節(jié)連桿組件包括剛性主臂，其正交于曲軸的縱向軸線延伸，且支撐定位在主臂的第一端部上的第一樞轉(zhuǎn)銷、定位在主臂的中央部分上的第二樞轉(zhuǎn)銷和定位在主臂的第二端部上的第三樞轉(zhuǎn)銷。第一樞轉(zhuǎn)銷經(jīng)由連桿聯(lián)接至在第三汽缸中往復(fù)的膨脹機(jī)活塞。曲軸的第三曲柄銷用作第二曲柄銷，且具有繞曲軸的縱向軸線從第一曲柄銷的偏心距旋轉(zhuǎn)180度的偏心距。第三樞轉(zhuǎn)銷聯(lián)接至擺動臂的第一端部，擺動臂的第二端部可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接至第四樞轉(zhuǎn)銷，該第四樞轉(zhuǎn)銷聯(lián)接至附連至旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)臂的遠(yuǎn)端，該旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)接至曲軸的旋轉(zhuǎn)。
[0006]還提出了一種單軸雙膨脹式內(nèi)燃機(jī)，其包括:發(fā)動機(jī)本體、汽缸蓋、單根曲軸和多環(huán)節(jié)連桿組件;所述發(fā)動機(jī)本體包括第一和第二動力汽缸和膨脹機(jī)汽缸;所述汽缸蓋流體地聯(lián)接第一和第二動力汽缸和所述膨脹機(jī)汽缸;第一和第二動力活塞，分別在第一和第二動力汽缸中往復(fù)運(yùn)動，且每個連接至曲軸的相應(yīng)的第一曲柄銷;所述多環(huán)節(jié)連桿組件包括剛性主臂，該剛性主臂正交于曲軸的縱向軸線延伸，且支撐第一樞轉(zhuǎn)銷、第二樞轉(zhuǎn)銷和第三樞轉(zhuǎn)銷;所述第三樞轉(zhuǎn)銷聯(lián)接至擺動臂的第一端部，所述擺動臂的第二端部可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接至第四樞轉(zhuǎn)銷，該第四樞轉(zhuǎn)銷聯(lián)接至旋轉(zhuǎn)臂的遠(yuǎn)端；和移相器，將所述旋轉(zhuǎn)臂聯(lián)接至旋轉(zhuǎn)軸，該旋轉(zhuǎn)軸與曲軸的旋轉(zhuǎn)耦合;其中，所述移相器實(shí)現(xiàn)所述旋轉(zhuǎn)臂關(guān)于與曲軸的旋轉(zhuǎn)耦合的所述旋轉(zhuǎn)軸的定相控制。
[0007]在每次回轉(zhuǎn)期間，當(dāng)所述移相器控制旋轉(zhuǎn)元件至第一相對定相時，所述膨脹機(jī)活塞在第三汽缸中在TDC和BDC之間以最大距離往復(fù)運(yùn)動，在每次回轉(zhuǎn)期間，當(dāng)所述移相器控制旋轉(zhuǎn)元件至第二相對定相時，所述膨脹機(jī)活塞在第三汽缸中在TDC和BDC之間以最小距離往復(fù)運(yùn)動。
[0008]所述多環(huán)節(jié)連桿組件的第一樞轉(zhuǎn)銷和第二樞轉(zhuǎn)銷限定第一線性距離，所述多環(huán)節(jié)連桿組件的第二樞轉(zhuǎn)銷和第三樞轉(zhuǎn)銷限定第二線性距離，并且其中，在第三汽缸中往復(fù)運(yùn)動的所述膨脹機(jī)活塞的線性行程的大小基于所述第一線性距離和所述第二線性距離而限定。
[0009]所述第一和第二動力活塞分別在所述第一和第二動力汽缸中同時往復(fù)運(yùn)動，所述膨脹機(jī)活塞在所述膨脹機(jī)汽缸中往復(fù)運(yùn)動，與所述第一和第二動力活塞的相差為180°。
[0010]所述第一和第二動力汽缸以及所述膨脹機(jī)汽缸具有平行的縱向中心軸線，并且其中，所述膨脹機(jī)汽缸的縱向中心軸線從形成在所述第一和第二動力汽缸的縱向中心軸線之間的平面偏移。
[0011]汽缸蓋包括第一排氣口、第一排氣流道和將第一動力汽缸流體地連接至膨脹機(jī)汽缸的第一膨脹機(jī)汽缸進(jìn)氣口，以及第二排氣口、第二排氣流道和將第二動力汽缸流體地連接至膨脹機(jī)汽缸的第二膨脹機(jī)汽缸進(jìn)氣口。
[0012]第一動力汽缸在四沖程燃燒循環(huán)中操作，第二動力汽缸在四沖程燃燒循環(huán)中操作，膨脹機(jī)汽缸在兩沖程燃燒循環(huán)中操作。
[0013]本教導(dǎo)的上述特征和優(yōu)勢及其他特征和優(yōu)勢將從用于實(shí)施本教導(dǎo)的最佳模式的以下詳細(xì)描述連同附圖時顯而易見。
【附圖說明】
[0014]圖1示意地示出根據(jù)本發(fā)明的單軸雙膨脹式內(nèi)燃機(jī)的一個實(shí)施例的端視圖；
[0015]圖2示意地示出根據(jù)本發(fā)明的單軸雙膨脹式內(nèi)燃機(jī)的一個實(shí)施例的一部分的頂視圖；
[0016]圖3圖形化地表示出與根據(jù)本發(fā)明的單軸雙膨脹式內(nèi)燃機(jī)的實(shí)施例的操作相關(guān)聯(lián)的壓力-容積(PV)表；
[0017]圖4-1至4-5以圖示出根據(jù)本發(fā)明的單軸雙膨脹式內(nèi)燃機(jī)的實(shí)施例在與其操作相關(guān)聯(lián)的按順序執(zhí)行的發(fā)動機(jī)沖程期間的操作，該發(fā)動機(jī)包括可選的增壓器;和
[0018]圖5圖形化地示出根據(jù)本發(fā)明的單軸雙膨脹式內(nèi)燃機(jī)在單個燃燒循環(huán)過程中在各個進(jìn)氣和排氣閥的打開和關(guān)閉方面的操作，所述閥與曲柄角度和汽缸容積排量以及相應(yīng)火花點(diǎn)火事件相關(guān)；
[0019]圖6圖形化地示出在此描述的根據(jù)本發(fā)明的單軸雙膨脹式內(nèi)燃機(jī)的實(shí)施例在單個燃燒循環(huán)的過程中在旋轉(zhuǎn)臂關(guān)于曲軸的旋轉(zhuǎn)位置的兩個不同旋轉(zhuǎn)相位置的操作，其包括膨脹機(jī)活塞關(guān)于發(fā)動機(jī)曲柄角度的活塞位置(mm);和
[0020]圖7圖形化地示出與根據(jù)本發(fā)明的單軸雙膨脹式內(nèi)燃機(jī)的實(shí)施例的操作相關(guān)聯(lián)的結(jié)果，其包括在定相元件的權(quán)限范圍上的關(guān)于定相元件的定相的在TDC和MC處的活塞位置，所述權(quán)限范圍在最小定相位置和最大定相位置之間。
【具體實(shí)施方式】
[0021]參考附圖，其中在幾幅圖中相同的附圖標(biāo)記用于標(biāo)識相似或相同的構(gòu)件，圖1示意地示出單軸雙膨脹式內(nèi)燃機(jī)(發(fā)動機(jī)HO的一個實(shí)施例的端視圖，圖2示意地示出根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動機(jī)10的實(shí)施例的一部分的頂視圖。相同的附圖標(biāo)記表示各圖中相同的元件。發(fā)動機(jī)10包括具有復(fù)合汽缸構(gòu)造的發(fā)動機(jī)本體12，其包括在此描述的汽缸三元組30、用于曲軸20的曲軸主支承安裝件和汽缸蓋60。盡管只示出一個汽缸三元組30，但發(fā)動機(jī)本體12可限定多個在此描述的汽缸三元組30。實(shí)體描述參照三維軸線進(jìn)行，三維軸線包括縱向軸線15、水平軸線17和垂直軸線19，縱向軸線15由曲軸20的曲軸中心線24限定，垂直軸線19由發(fā)動機(jī)汽缸32、34、36(構(gòu)成汽缸三元組30中的一個)的平行縱向軸線限定，水平軸線17限定為正交于縱向軸線15和垂直軸線19。盤形飛輪95與曲軸20同軸且可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接至曲軸20。
[0022]每個復(fù)合汽缸構(gòu)造包括汽缸三元組30中的一個，其包括第一和第二動力汽缸(分別為32、34)以及第三膨脹機(jī)汽缸36。第一動力汽缸32容納第一動力活塞42，第一動力活塞42通過第一連桿43可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接至曲軸20的第一曲柄銷26，且可在其中移動，以連同曲軸20的旋轉(zhuǎn)而上下平移，且還限定第一動力汽缸中心線33。類似地，第二動力汽缸34容納第二動力活塞44，第二動力活塞44通過第二連桿45可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接至曲軸20的第二曲柄銷27，且可在其中移動，以連同曲軸20的旋轉(zhuǎn)而上下平移，且還限定第二動力汽缸中心線35。第一和第二動力汽缸32、34，第一和第二動力活塞42、44，以及相關(guān)聯(lián)的部件在尺寸上等同，第一和第二曲柄銷26、27徑向上重合，S卩，它們以相同旋轉(zhuǎn)角度可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接至曲軸20。在一個實(shí)施例中，第一和第二動力汽缸中心線33、35限定與曲軸中心線24相交的平面。替換地，如所示，第一和第二動力汽缸中心線33、35限定自曲軸中心線24偏離的平面。
[0023]膨脹機(jī)汽缸36鄰近第一和第二動力汽缸32、34，且具有中心線37，中心線37平行于第一和第二動力汽缸中心線33、35 ο膨脹機(jī)活塞46容納在膨脹機(jī)汽缸36中，且可在其中移動以上下平移，并聯(lián)接至第三連桿47，第三連桿47通過多環(huán)節(jié)連桿組件50可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接至曲軸20。膨脹機(jī)汽缸36優(yōu)選地容積比各個動力汽缸32、34大得多，且優(yōu)選地處于各個動力汽缸32、34中的一個的容積排量的1.5至4.0倍的范圍內(nèi)。膨脹機(jī)汽缸36的汽缸排量(如基于TDC位置和BDC位置之間的活塞運(yùn)動所限定的是應(yīng)用特定的且如在此描述地確定。此外，膨脹機(jī)汽缸36的TDC位置和BDC位置可變化，如在此所述的。
[0024]汽缸蓋60是整合的裝置，包括鑄造部分、機(jī)加工部分和組裝部分，用于控制和引導(dǎo)進(jìn)氣空氣、燃料和燃燒氣體流入和流出第一和第二動力汽缸32、34和膨脹機(jī)汽缸36，以實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)操作，來產(chǎn)生機(jī)械功率。汽缸蓋60包括結(jié)構(gòu)承載支撐件，用于動力汽缸凸輪軸(一個或多個)和膨脹機(jī)凸輪軸(一個或多個)。汽缸蓋60分別包括第一和第二動力汽缸進(jìn)氣流道70、74，進(jìn)氣流道70、74分別流體地連接至第一和第二動力汽缸進(jìn)氣口 71、75，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣空氣流分別由第一和第二動力汽缸進(jìn)氣閥62、64控制。如所示，每個汽缸存在兩個進(jìn)氣閥，但是可采用任何適當(dāng)數(shù)量，例如每個汽缸一個或三個進(jìn)氣閥。發(fā)動機(jī)進(jìn)氣空氣源自于環(huán)境空氣源，其可在進(jìn)入第一和第二動力汽缸進(jìn)氣流道70、74之前通過加壓裝置，諸如渦輪增壓機(jī)或增壓器。汽缸蓋60還包括第一和第二動力汽缸排氣口 72、76，發(fā)動機(jī)排氣空氣流分別由第一和第二動力汽缸排氣閥63、65控制。如所示，每個汽缸存在兩個排氣閥，但是可采用任何適當(dāng)數(shù)量，例如每個汽缸一個或三個排氣閥。在一個實(shí)施例中，第一和第二動力汽缸進(jìn)氣閥62、64和排氣閥63、65是常閉彈簧偏壓的升降閥，其通過動力汽缸凸輪軸的旋轉(zhuǎn)而被激活，且可替換地包括任何其他適當(dāng)?shù)拈y和閥激活構(gòu)造。
[0025]在一個實(shí)施例中，汽缸蓋支撐起動燃燒所必需的元件，例如火花塞和燃料注射器，用于第一和第二動力汽缸32、34的每個。
[0026]第一動力汽缸排氣口72經(jīng)由第一膨脹機(jī)汽缸進(jìn)氣流道73流體地聯(lián)接至第一膨脹機(jī)汽缸進(jìn)氣口 79，流動由第一膨脹機(jī)汽缸進(jìn)氣閥66和第一動力汽缸排氣閥63控制。第二動力汽缸排氣口 76經(jīng)由第二膨脹機(jī)汽缸進(jìn)氣流道77流體地聯(lián)接至第二膨脹機(jī)汽缸進(jìn)氣口 80，流動由第二膨脹機(jī)汽缸進(jìn)氣閥67和第二動力汽缸排氣閥65控制。汽缸蓋60還包括一個或多個膨脹機(jī)排氣口 78，圖中示出兩個，并具有相應(yīng)的膨脹機(jī)汽缸排氣閥(一個或多個)68，膨脹機(jī)汽缸排氣閥68流體地連接至膨脹機(jī)汽缸排氣流道81，該流道通向排氣系統(tǒng)，該排氣系統(tǒng)可包括排氣凈化裝置、渦輪增壓機(jī)、排氣聲音調(diào)節(jié)裝置等。在一個實(shí)施例中，第一膨脹機(jī)汽缸進(jìn)氣閥66、第二膨脹機(jī)汽缸進(jìn)氣閥67和膨脹機(jī)汽缸排氣閥(一個或多個)68是常閉彈簧偏壓的升降閥，其可通過膨脹機(jī)凸輪軸的旋轉(zhuǎn)激活，且可替換地包括任何其他適當(dāng)?shù)耐馆嗇S構(gòu)造。動力汽缸凸輪軸和膨脹機(jī)凸輪軸的旋轉(zhuǎn)優(yōu)選地被分度并鏈接至曲軸20的旋轉(zhuǎn)。曲軸20的第一和第二曲柄銷26、27通過第一和第二連桿43、45與第一和第二動力活塞42、44可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接。
[0027]多環(huán)節(jié)連桿組件50形成多桿連桿機(jī)構(gòu)，其將自曲軸中心線24偏離的膨脹機(jī)活塞46的直線往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為曲軸20的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，同時最小化膨脹機(jī)活塞46的側(cè)加載。膨脹機(jī)汽缸36的中心線37和曲軸中心線24之間的偏離量25關(guān)于圖2示出。多環(huán)節(jié)連桿組件50包括剛性的主連桿臂52，其是包括第一樞轉(zhuǎn)銷53、第二樞轉(zhuǎn)銷54和第三樞轉(zhuǎn)銷55的三銷板。主連桿臂52的第一樞轉(zhuǎn)銷53可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接至第三連桿47，第三連桿47聯(lián)接至膨脹機(jī)活塞46。主連桿臂52的第二樞轉(zhuǎn)銷54可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接至曲軸20的第三曲柄銷28。曲軸20的第三曲柄銷28與多環(huán)節(jié)連桿組件50上的第二樞轉(zhuǎn)銷54并置，且從第一和第二曲柄銷26、27旋轉(zhuǎn)180°。主連桿臂52的第三樞轉(zhuǎn)銷55可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接至搖擺臂56的第一端部，搖擺臂56的第二端部可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接至第四樞轉(zhuǎn)銷57，其是聯(lián)接至旋轉(zhuǎn)臂58的遠(yuǎn)端的旋轉(zhuǎn)錨定點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)臂58固定地附連至第二旋轉(zhuǎn)軸59，以與之一起旋轉(zhuǎn)。在一個實(shí)施例中，且如所示，可變定相裝置(移相器)90插入在旋轉(zhuǎn)臂58和第二旋轉(zhuǎn)軸59之間，且將旋轉(zhuǎn)臂58可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接至第二旋轉(zhuǎn)軸59，以實(shí)現(xiàn)第四樞轉(zhuǎn)銷57處的旋轉(zhuǎn)錨定點(diǎn)和旋轉(zhuǎn)臂58的定相控制。諸如移相器90這樣的定相裝置的機(jī)械化和控制是已知的且不詳細(xì)描述。第二旋轉(zhuǎn)軸59在距曲軸中心線24的預(yù)定距離處可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接至曲軸20，且以相同旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)，移相器90被控制為控制旋轉(zhuǎn)臂58關(guān)于曲軸20的旋轉(zhuǎn)位置的旋轉(zhuǎn)定相。
[0028]在一個實(shí)施例中，移相器90的定相權(quán)限(phasing authority)為旋轉(zhuǎn)0° (位置I)至180° (位置2)。控制移相器90的定相的實(shí)現(xiàn)是控制旋轉(zhuǎn)臂58關(guān)于曲軸20的旋轉(zhuǎn)位置的旋轉(zhuǎn)定向，且參考圖6和7描述。多環(huán)節(jié)連桿組件50優(yōu)選地控制與第一和第二動力活塞42、44的往復(fù)運(yùn)動相差為180°的膨脹機(jī)活塞46的往復(fù)運(yùn)動。由此，當(dāng)膨脹機(jī)活塞46處于上死點(diǎn)(TDC)時，第一和第二動力活塞42、44處于下死點(diǎn)(BDC)。此外，多環(huán)節(jié)連桿組件50的元件的設(shè)置影響膨脹機(jī)活塞46的沖程，且因此影響膨脹機(jī)汽缸36的容積排量和幾何壓縮比。
[0029]在曲軸20旋轉(zhuǎn)通過第一、第二和第三曲柄銷26、27和28期間，多環(huán)節(jié)連桿組件50將第一和第二動力活塞42、44的汽缸內(nèi)平移與膨脹機(jī)活塞46的汽缸內(nèi)平移機(jī)械地耦合。剛性主連桿臂52的第一樞轉(zhuǎn)銷53和第二樞轉(zhuǎn)銷54限定第一線性距離。第二樞轉(zhuǎn)銷54和第三樞轉(zhuǎn)銷55限定第二線性距離。包括主連桿臂52的該構(gòu)造允許膨脹機(jī)活塞46的沖程與第三曲柄偏心距長度(throw I ength)不同，該長度由曲軸20的第三曲柄銷28限定。優(yōu)選地，多環(huán)節(jié)連桿組件50將膨脹機(jī)活塞46關(guān)于第三曲柄銷28的曲柄偏心距長度的沖程放大，放大因子由其幾何布局確定，該幾何布局包括樞轉(zhuǎn)銷之間的第一和第二線性距離。在TDC點(diǎn)和BDC點(diǎn)之間的膨脹機(jī)活塞46的線性行程距離的大小基于以下確定:桿臂，S卩，樞轉(zhuǎn)銷之間的第一線性距離和第二線性距離、第三曲柄偏心距(throw)、旋轉(zhuǎn)錨定臂和第四樞轉(zhuǎn)銷57的偏心距、以及旋轉(zhuǎn)臂58關(guān)于曲軸20的定相全都影響膨脹機(jī)活塞46的沖程。
[0030]在此描述的發(fā)動機(jī)10的操作包括以下。第一和第二動力汽缸32、34二者在四沖程循環(huán)中操作，所述四沖程循環(huán)包括在曲軸旋轉(zhuǎn)的720°上重復(fù)執(zhí)行的進(jìn)氣-壓縮-膨脹-排氣沖程。與第二動力汽缸34相關(guān)聯(lián)的四沖程循環(huán)和與第一動力汽缸32相關(guān)聯(lián)的循環(huán)的相差為曲軸旋轉(zhuǎn)的360°。這樣，當(dāng)?shù)谝粍恿ζ?2處于進(jìn)氣沖程時，第二動力汽缸34處于膨脹沖程，當(dāng)?shù)诙恿ζ?4處于進(jìn)氣沖程時，第一動力汽缸32處于膨脹沖程。膨脹機(jī)汽缸36在包括進(jìn)氣沖程和排氣沖程的兩沖程循環(huán)中操作，其中，進(jìn)氣沖程與第一和第二動力汽缸32、34的排氣沖程交替地協(xié)調(diào)。這樣，每個動力汽缸32、34以交替的方式將其排氣排放到膨脹機(jī)汽缸42中。該操作以圖像的方式參考圖4顯示。
[0031]圖4-1至4-5以圖示出單軸雙膨脹式內(nèi)燃機(jī)410的實(shí)施例在與其操作相關(guān)聯(lián)的按順序執(zhí)行的發(fā)動機(jī)沖程期間的操作，該內(nèi)燃機(jī)包括可選的用于為進(jìn)氣空氣加壓的增壓器、第一和第二動力汽缸432和434和膨脹機(jī)436。圖3以圖表示出相應(yīng)的壓力-容積(PV)圖示，其與圖4-1至4-5的沖程中的操作相關(guān)聯(lián)。PV圖示包括繪制在垂直軸線上的汽缸內(nèi)壓力(巴)310，其相對于繪制在水平軸線上的汽缸排出容積(L)320，且PV圖示包括PV線，其表示與第一動力汽缸432相關(guān)聯(lián)的功(340)和與膨脹機(jī)汽缸436相關(guān)聯(lián)的功(350)。各個箭頭表不與各個汽缸相關(guān)聯(lián)的活塞的行程的方向。
[0032]圖4-1示出第一進(jìn)氣/第二膨脹沖程，其包括在進(jìn)氣沖程中的第一動力汽缸432、在動力沖程中的第二動力汽缸434和在排氣沖程中的膨脹機(jī)汽缸436。表不與圖3中的第一動力汽缸432相關(guān)聯(lián)的功的線340的相應(yīng)線段341表示隨動力汽缸容積增加而壓力輕微降低。
[0033]圖4-2示出第一壓縮/第二排氣沖程，其包括在壓縮沖程中的第一動力汽缸432、在排氣沖程中的第二動力汽缸434和在膨脹沖程中的膨脹機(jī)汽缸436，其利用來自第二動力汽缸434的輸入流。表示與圖3中的第一動力汽缸432相關(guān)聯(lián)的功的線340的相應(yīng)線段342表示隨動力汽缸容積降低而壓力明顯增加。
[0034]圖4-3示出第一膨脹/第二進(jìn)氣沖程，其包括在膨脹沖程中的第一動力汽缸432、在進(jìn)氣沖程中的第二動力汽缸434和在排氣沖程中的膨脹機(jī)汽缸436。表不與圖3中的第一動力汽缸432相關(guān)聯(lián)的功的線340的相應(yīng)線段343表示隨動力汽缸容積增加而壓力明顯降低。
[0035]圖4-4示出第一排氣/第二壓縮沖程，其包括在壓縮沖程中的第一動力汽缸432、在壓縮沖程中的第二動力汽缸432和在膨脹沖程中的膨脹機(jī)汽缸436，其利用來自第一動力汽缸434的輸入流。表不與圖3中的第一動力汽缸432相關(guān)聯(lián)的功的線340的相應(yīng)線段344表不隨動力汽缸容積降低而壓力連續(xù)降低，并完成了對于第一動力汽缸432的循環(huán)環(huán)路。表示與膨脹機(jī)汽缸436相關(guān)聯(lián)的功的線350的相應(yīng)線段354表示隨膨脹機(jī)汽缸容積增加而壓力連續(xù)降低。
[0036]圖4-5示出第一進(jìn)氣/第二膨脹沖程的第二循環(huán)，其包括在進(jìn)氣沖程中的第一動力汽缸432、在動力沖程中的第二動力汽缸434和在排氣沖程中的膨脹機(jī)汽缸436。表示與圖3中的第一動力汽缸432相關(guān)聯(lián)的功的線340的相應(yīng)線段341表示隨動力汽缸容積增加而壓力輕微降低。表示與膨脹機(jī)汽缸436相關(guān)聯(lián)的功的線350的相應(yīng)線段355表示汽缸內(nèi)壓力隨汽缸容積降低初始不變，然后隨著閥關(guān)閉而突然增加。
[0037]圖5以圖像示出在此所述的單軸雙膨脹式內(nèi)燃機(jī)10的實(shí)施例在單個燃燒循環(huán)過程中在各個進(jìn)氣和排氣閥的打開和關(guān)閉方面的操作，所述閥與曲柄角度和汽缸容積排量和相應(yīng)點(diǎn)火事件相關(guān)?？傮w上，第一和第二動力汽缸32、34 二者在四沖程循環(huán)中操作，所述四沖程循環(huán)包括在曲軸旋轉(zhuǎn)的720°上重復(fù)執(zhí)行的進(jìn)氣-壓縮-膨脹-排氣沖程，與第二動力汽缸34相關(guān)聯(lián)的循環(huán)和與第一動力汽缸32相關(guān)聯(lián)的循環(huán)的相差為曲軸旋轉(zhuǎn)的360°。膨脹機(jī)汽缸36在包括進(jìn)氣沖程和排氣沖程的兩沖程循環(huán)中操作，其中，進(jìn)氣沖程與第一和第二動力汽缸32、34的排氣沖程交替地協(xié)調(diào)。這樣，每個動力汽缸32、34以交替的方式將其排氣排放到膨脹機(jī)汽缸36中。膨脹機(jī)汽缸36優(yōu)選地容積比各個動力汽缸32、34大得多，且優(yōu)選地處于各個動力汽缸32、34中的一個的容積排量的1.5至4.0倍的范圍內(nèi)。
[0038]數(shù)據(jù)包括膨脹機(jī)汽缸36的容積排量(560)、第一和第二動力汽缸32、34的容積排量(540,550),包括進(jìn)氣閥512和排氣閥514的打開(I)和關(guān)閉(O)以及相關(guān)聯(lián)燃燒事件515的第一動力汽缸32的操作(510)，包括進(jìn)氣閥522和排氣閥524的打開(I)和關(guān)閉(O)以及相關(guān)聯(lián)燃燒事件525的第二動力汽缸34的操作(520)，包括第一進(jìn)氣閥532、第二進(jìn)氣閥531和排氣閥534的打開(I)和關(guān)閉(O)的第一膨脹機(jī)汽缸36的操作(530)，所有這些相對于名義-360°曲柄角度至名義+720°曲柄角度的發(fā)動機(jī)曲柄角度505同時繪制。
[0039]利用復(fù)合汽缸構(gòu)造的所示構(gòu)造包括汽缸三元組中的一個，其分別包括第一和第二動力汽缸32、34，和第三、膨脹機(jī)汽缸36，多環(huán)節(jié)連桿組件50包括剛性主連桿臂52，主連桿臂52包括第一樞轉(zhuǎn)銷53、第二樞轉(zhuǎn)銷54、第三樞轉(zhuǎn)銷55、擺動臂56，該擺動臂56經(jīng)由旋轉(zhuǎn)臂58機(jī)械地聯(lián)接至旋轉(zhuǎn)移相器90。多環(huán)節(jié)連桿組件50將第一和第二動力活塞42、44的汽缸內(nèi)平移與膨脹機(jī)活塞46的汽缸內(nèi)平移機(jī)械地耦合。
[0040]對于單軸雙膨脹式內(nèi)燃機(jī)10的一個實(shí)施例，參考圖6和7描述利用移相器90控制定相以控制旋轉(zhuǎn)臂58關(guān)于曲軸20的旋轉(zhuǎn)位置的旋轉(zhuǎn)定向的實(shí)現(xiàn)。圖6以圖像示出在此描述的單軸雙膨脹式內(nèi)燃機(jī)10的實(shí)施例在單個燃燒循環(huán)的過程中在旋轉(zhuǎn)臂58關(guān)于曲軸20的旋轉(zhuǎn)位置的兩個不同旋轉(zhuǎn)相位置的操作。數(shù)據(jù)包括垂直軸線610上的膨脹機(jī)汽缸36的汽缸容積，其關(guān)于水平軸線620上的發(fā)動機(jī)曲柄角度。當(dāng)移相器90在移相器旋轉(zhuǎn)的第一位置被控制時，膨脹機(jī)活塞46在其在TDC點(diǎn)和BDC點(diǎn)之間的最大線性距離往復(fù)，得到由線625所示的最大排出容積。當(dāng)移相器90在移相器旋轉(zhuǎn)的第二位置被控制時，膨脹機(jī)活塞46的位置在其在TDC點(diǎn)和BDC點(diǎn)之間的最小線性距離往復(fù)，得到由線615所示的最小排出容積。
[0041]圖7以圖像示出與單軸雙膨脹式內(nèi)燃機(jī)10的實(shí)施例的操作相關(guān)聯(lián)的結(jié)果，包括關(guān)于水平軸線720上的移相器90的定相旋轉(zhuǎn)位置示出的垂直軸線710上的TDC 715和BDC 725處的膨脹機(jī)活塞46的活塞位置。定相旋轉(zhuǎn)位置包括位置1722和位置2724，位置I和位置2表示移相器90的定相權(quán)限范圍。在TDC 715和BDC 725處的活塞位置在定相元件90在位置1722和位置2724之間的權(quán)限范圍上被示出，位置I具有膨脹機(jī)活塞46的TDC點(diǎn)和BDC點(diǎn)之間的最大直線行程距離，位置2具有膨脹機(jī)活塞46的TDC點(diǎn)和BDC點(diǎn)之間的最小直線行程距離。結(jié)果顯示定相元件90的控制權(quán)限在定向元件90在移相器旋轉(zhuǎn)的第一位置和移相器旋轉(zhuǎn)的第二位置之間的權(quán)限范圍上無限可變。
[0042]該布置允許膨脹機(jī)汽缸36和相關(guān)聯(lián)的膨脹機(jī)活塞46與曲軸中心線24明顯偏離，而沒有與活塞側(cè)加載相關(guān)的操作問題。該布置允許膨脹機(jī)活塞46的沖程關(guān)于曲柄偏心距被選擇，但不將沖程限制為與曲柄偏心距等同。
[0043]這樣的構(gòu)造通過更低的氣體傳遞損失(由于膨脹機(jī)汽缸36的進(jìn)氣流道73、77的長度最小化)允許單軸雙膨脹式內(nèi)燃機(jī)10的實(shí)施例的更緊湊設(shè)計(jì)，包括總體上較短的發(fā)動機(jī)長度、較短的發(fā)動機(jī)高度和更好的發(fā)動機(jī)性能。
[0044]盡管已經(jīng)對執(zhí)行本教導(dǎo)的許多方面的較佳模式進(jìn)行了詳盡的描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可得知在所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)的用來實(shí)踐本教導(dǎo)的許多替換方面。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種單軸雙膨脹式內(nèi)燃機(jī)，其包括: 發(fā)動機(jī)本體、汽缸蓋、單根曲軸和多環(huán)節(jié)連桿組件； 所述發(fā)動機(jī)本體包括第一和第二動力汽缸和膨脹機(jī)汽缸； 所述汽缸蓋流體地聯(lián)接第一和第二動力汽缸和所述膨脹機(jī)汽缸； 第一和第二動力活塞，分別在第一和第二動力汽缸中往復(fù)運(yùn)動，且連接至曲軸的相應(yīng)的第一和第二曲柄銷； 所述多環(huán)節(jié)連桿組件包括剛性主臂，該剛性主臂正交于曲軸的縱向軸線延伸，且支撐定位在主臂的第一端部上的第一樞轉(zhuǎn)銷、定位在主臂的中央部分上的第二樞轉(zhuǎn)銷和定位在主臂的第二端部上的第三樞轉(zhuǎn)銷； 所述第一樞轉(zhuǎn)銷經(jīng)由連桿聯(lián)接至在第三汽缸中往復(fù)運(yùn)動的膨脹機(jī)活塞； 所述第二樞轉(zhuǎn)銷聯(lián)接至曲軸的第三曲柄銷，所述第三曲柄銷具有繞曲軸的縱向軸線從第一和第二曲柄銷的偏心距旋轉(zhuǎn)180度的偏心距;和 所述第三樞轉(zhuǎn)銷聯(lián)接至擺動臂的第一端部，所述擺動臂的第二端部可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接至第四樞轉(zhuǎn)銷，該第四樞轉(zhuǎn)銷聯(lián)接至附連至旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)臂的遠(yuǎn)端，該旋轉(zhuǎn)軸與曲軸的旋轉(zhuǎn)耦入口 ο2.如權(quán)利要求1所述的單軸雙膨脹式內(nèi)燃機(jī)，還包括插入在所述旋轉(zhuǎn)臂和所述旋轉(zhuǎn)軸之間的移相器，所述移相器實(shí)現(xiàn)所述旋轉(zhuǎn)臂關(guān)于與曲軸的旋轉(zhuǎn)耦合的旋轉(zhuǎn)軸的定相控制。3.如權(quán)利要求2所述的單軸雙膨脹式內(nèi)燃機(jī)，其中，在每次回轉(zhuǎn)期間，當(dāng)所述移相器控制旋轉(zhuǎn)元件至第一相對定相時，所述膨脹機(jī)活塞在第三汽缸中在TDC和BDC之間以最大距離往復(fù)運(yùn)動，而在每次回轉(zhuǎn)期間，當(dāng)所述移相器控制旋轉(zhuǎn)元件至第二相對定相時，所述膨脹機(jī)活塞在第三汽缸中在TDC和BDC之間以最小距離往復(fù)運(yùn)動。4.如權(quán)利要求1所述的單軸雙膨脹式內(nèi)燃機(jī)，其中，所述多環(huán)節(jié)連桿組件的第一樞轉(zhuǎn)銷和第二樞轉(zhuǎn)銷限定第一線性距離，所述多環(huán)節(jié)連桿組件的第二樞轉(zhuǎn)銷和第三樞轉(zhuǎn)銷限定第二線性距離，并且其中，在第三汽缸中往復(fù)運(yùn)動的膨脹機(jī)活塞的線性行程的大小基于所述第一線性距離和所述第二線性距離而限定。5.如權(quán)利要求1所述的單軸雙膨脹式內(nèi)燃機(jī)，其中，所述第一和第二動力活塞分別在第一和第二動力汽缸中同時往復(fù)運(yùn)動，所述膨脹機(jī)活塞在所述膨脹機(jī)汽缸中往復(fù)運(yùn)動，與所述第一和第二動力活塞的相差為180°。6.如權(quán)利要求1所述的單軸雙膨脹式內(nèi)燃機(jī)，其中，所述多環(huán)節(jié)連桿組件的第一樞轉(zhuǎn)銷和第二樞轉(zhuǎn)銷限定第一線性距離，所述多環(huán)節(jié)連桿組件的第二樞轉(zhuǎn)銷和第三樞轉(zhuǎn)銷限定第二線性距離，并且其中，在第三汽缸中往復(fù)運(yùn)動的膨脹機(jī)活塞的線性行程的大小基于所述第一線性距離、所述第二線性距離以及連接在第三樞轉(zhuǎn)銷和發(fā)動機(jī)本體之間的擺動臂的線性長度而限定。7.如權(quán)利要求1所述的單軸雙膨脹式內(nèi)燃機(jī)，其中，所述第一和第二動力汽缸以及所述膨脹機(jī)汽缸具有平行的縱向中心軸線，并且其中，所述膨脹機(jī)汽缸的縱向中心軸線從形成在所述第一和第二動力汽缸的縱向中心軸線之間的平面偏移。8.如權(quán)利要求1所述的單軸雙膨脹式內(nèi)燃機(jī)，其中，所述汽缸蓋包括第一排氣口、第一排氣流道和將第一動力汽缸流體地連接至膨脹機(jī)汽缸的第一膨脹機(jī)汽缸進(jìn)氣口，以及第二排氣口、第二排氣流道和將第二動力汽缸流體地連接至膨脹機(jī)汽缸的第二膨脹機(jī)汽缸進(jìn)氣 □ O9.如權(quán)利要求1所述的單軸雙膨脹式內(nèi)燃機(jī)，其中，所述第一動力汽缸在四沖程燃燒循環(huán)中操作，所述第二動力汽缸在四沖程燃燒循環(huán)中操作。10.如權(quán)利要求1所述的單軸雙膨脹式內(nèi)燃機(jī)，其中，所述膨脹機(jī)汽缸在兩沖程燃燒循環(huán)中操作。
【文檔編號】F02B75/18GK105840305SQ201610054788
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年1月27日
【發(fā)明人】R.P.達(dá)雷特, P.M.納特, P.P.安德魯斯基維茨, S.米勒, I.懷特賽德, S.安斯蒂
【申請人】通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司