專(zhuān)利名稱(chēng)：交換壓縮閥提前打開(kāi)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)明涉及內(nèi)燃機(jī)。更具體地，本發(fā)明涉及具有一對(duì)活塞的分開(kāi)式循 環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，其中一個(gè)活塞用于進(jìn)氣和壓縮沖程，且另一個(gè)活塞用于膨脹(或 動(dòng)力)和排氣沖程，四個(gè)沖程中的每一個(gè)都在曲軸的一次回轉(zhuǎn)中完成。
背景技術(shù)：
為了清楚的目的，在本發(fā)明中使用的術(shù)語(yǔ)"傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)"涉及一種內(nèi) 燃機(jī)，其中熟知的奧托循環(huán)(Otto cycle)的所有四個(gè)沖程(即，進(jìn)氣沖程、 壓縮沖程、膨脹沖程和排氣沖程)包含在該內(nèi)燃機(jī)的每個(gè)活塞/汽缸組合中。 同樣為了清楚的目的，對(duì)可能會(huì)應(yīng)用于在現(xiàn)有技術(shù)中公開(kāi)的發(fā)動(dòng)機(jī)并在本 申請(qǐng)中涉及的術(shù)語(yǔ)"分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)"提供了下述定義。
在此涉及的分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)包括
曲軸，可以圍繞曲軸軸線轉(zhuǎn)動(dòng)；
壓縮活塞，壓縮活塞可滑動(dòng)地容納在壓縮氣缸內(nèi)并且可操作性地連接 到曲軸，使得壓縮活塞通過(guò)在曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)一圈期間的進(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)并且可操作性地連接到 曲軸，使得膨脹活塞通過(guò)在曲軸的單個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)期間的或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，所述交換通道包括在其 間限定壓力室的交換壓縮(XovrC)閥與交換膨脹(XovrE)閥。
2003年4月8日授權(quán)給CaimeloJ.Scuderi (米卡羅子史古德利)的美國(guó)專(zhuān)利No.6,543,225 (在此稱(chēng)為"Scuderi)包含分開(kāi)式循環(huán)及對(duì)以類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機(jī)的展開(kāi) 討論。此外，該專(zhuān)利公開(kāi)了本發(fā)明對(duì)其進(jìn)一步改進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)的現(xiàn)有方案的細(xì)節(jié)。
參照?qǐng)D1，現(xiàn)有的分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的概念的示例性實(shí)施方式大致由 附圖標(biāo)記10示出。分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)10用一個(gè)壓縮汽缸12和一個(gè)膨脹 汽缸14的組合代替?zhèn)鹘y(tǒng)的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的兩個(gè)相鄰的汽缸。這兩個(gè)汽缸 12、 14根據(jù)曲軸16的回轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)它們各自的功能。入口空氣和燃料供送 (charge)通過(guò)典型的提升型進(jìn)氣閥18吸入壓縮汽缸12。壓縮汽缸活塞 20對(duì)所述供送進(jìn)行加壓，并驅(qū)動(dòng)所述供送通過(guò)交換通道22，該交換通道 22用作膨脹汽缸14的進(jìn)氣通道。
交換通道入口處的止回型交換壓縮(XovrC)閥24用來(lái)防止從交換通道 22反向流入壓縮汽缸12中。也就是說(shuō)，止回閥24僅允許空氣從壓縮汽缸 12流入交換通道22的一種方式。
交換通道22出口處的交換膨脹(XovrE)閥26控制加壓進(jìn)氣的流量，使 得所述供送在膨脹活塞30到達(dá)它的上止點(diǎn)(TDC)位置之后很短的時(shí)間內(nèi) 完全進(jìn)入膨脹汽缸14。在所述進(jìn)氣進(jìn)入膨脹汽缸14并且所產(chǎn)生的燃燒向 著下止點(diǎn)向下驅(qū)動(dòng)膨脹汽缸活塞30之后不久，火花塞28點(diǎn)燃。廢氣通過(guò) 提升排氣閥32抽出膨脹汽缸。
參照?qǐng)D2，在Suh等的美國(guó)專(zhuān)利6,789,514(在此稱(chēng)為"Suh")中公開(kāi)分 開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)33的可替換的現(xiàn)有設(shè)計(jì)。如圖2 (對(duì)應(yīng)于Suh的圖4a)所 示，分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)33包括由交換通道36互連的壓縮汽缸34和膨脹 汽缸35。壓縮活塞37和膨脹活塞38分別在汽缸34和35進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 向內(nèi)打開(kāi)提升型XovrC閥39和向內(nèi)打開(kāi)XovrE閥40控制壓縮的燃料/空 氣供送41通過(guò)交換通道36和進(jìn)入膨脹汽缸35的流量，其中在膨脹汽缸 35中，該供送41由火花塞42點(diǎn)燃。
Suh的分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)33與Scuderi的分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)10不同 的至少兩方面是
1) 燃料/空氣供送41在膨脹活塞38到達(dá)它的TDC位置之前被點(diǎn)燃(參 見(jiàn)Suh的第14欄第39-41行)，而不是在到達(dá)它的TDC位置之后；和
2) Suh的XoverC閥39是向內(nèi)打開(kāi)的提升閥(參見(jiàn)Suh的第14欄第 29-30行)，而不是止回閥。參照?qǐng)D3(對(duì)應(yīng)于Suh的圖5)， Suh與Scuderi類(lèi)似的地方在于，通過(guò) 使XoverC閥39定時(shí)為晚打開(kāi)，即，當(dāng)從汽缸34到通道36存在正壓力差 時(shí)打開(kāi)，防止了從交換通道36到壓縮汽缸34中的反向流動(dòng)。曲線圖43 示出了交換通道壓力(線44)與壓縮汽缸壓力(曲線45)以及XowE閥打開(kāi)(曲 線46)、XovrE閥關(guān)閉(曲線47)、XovrC閥打開(kāi)(曲線48)和XovrC閥關(guān)閉(曲 線49)的定時(shí)的關(guān)系。由于XovrC閥被定時(shí)為僅在壓縮活塞37的TDC之 前的約60度處打開(kāi)，當(dāng)壓縮汽缸壓力45大于交換通道壓力44時(shí)，從交 換通道36到壓縮汽缸34的反向流動(dòng)被阻止。
對(duì)分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，特別是對(duì)在膨脹活塞到達(dá)它的上止點(diǎn)位置 之后才點(diǎn)燃它們的供送的分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)(如Scuderi)來(lái)說(shuō)，交換閥的動(dòng) 力學(xué)啟動(dòng)是很苛刻的。這是因?yàn)橄鄬?duì)于傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)的交換閥，Scnderi 的發(fā)動(dòng)機(jī)10的交換閥24和28必須達(dá)到足夠的升程，才能在曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)的 很短的周期內(nèi)(通常約30度曲柄角)完全傳輸燃料-空氣供送，而傳統(tǒng)的發(fā) 動(dòng)機(jī)通常在180至220度的曲柄角范圍內(nèi)啟動(dòng)所述閥。這意味著Scuderi 的交換閥必須能夠以比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的交換閥快約六倍的速度啟動(dòng)。
閥升程的增加和/或閥門(mén)啟動(dòng)持續(xù)時(shí)間的增加通常會(huì)增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)性能， 因?yàn)樗档土肆髁肯拗坪捅盟凸ぷ髁?。然而，閥升程和啟動(dòng)時(shí)間通常受可 能存在的反向流動(dòng)的限制，反向流動(dòng)可能會(huì)增加泵送工作量并降低發(fā)動(dòng)機(jī) 性能。此外，閥升程和啟動(dòng)時(shí)間受氣閥機(jī)構(gòu)(valvetrain)動(dòng)力學(xué)和閥沖擊 的限制。在具有快速作用的交換閥的分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)情況中尤其是這 樣。因此，需要增加分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的交換閥的升程和/或啟動(dòng)持續(xù)時(shí)間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)可以包括 曲軸，圍繞該發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸軸線可轉(zhuǎn)動(dòng)；
壓縮活塞，可滑動(dòng)地容納在壓縮汽缸中，并且可操作地連接至曲軸， 使得壓縮活塞在曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈期間通過(guò)進(jìn)氣沖程和壓縮沖程進(jìn)行往復(fù)運(yùn)
動(dòng)；
膨脹活塞，可滑動(dòng)地容納在膨脹汽缸，并且可操作地連接至曲軸，使 得膨脹活塞在曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈期間通過(guò)膨脹沖程和排氣沖程進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)；和交換通道，互連壓縮汽缸和膨脹汽缸，該交換通道包括交換壓縮(XovrC)闊和交換膨脹(XowE)閥，在這兩個(gè)閥之間限定有壓力室；其中交換壓縮閥被定時(shí)為當(dāng)壓縮汽缸中的壓力小于交換通道中在交 換壓縮閥處的上游壓力時(shí)打開(kāi)。本發(fā)明還公開(kāi)了一種操作分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，該分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)包括曲軸，圍繞該發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸軸線可轉(zhuǎn)動(dòng)；壓縮活塞，可滑動(dòng)地容納在壓縮汽缸中，并且可操作地連接至曲軸， 使得壓縮活塞在曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈期間通過(guò)進(jìn)氣沖程和壓縮沖程進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)；膨脹活塞，可滑動(dòng)地容納在膨脹汽缸，并且可操作地連接至曲軸，使 得膨脹活塞在曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈期間通過(guò)膨脹沖程和排氣沖程進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)； 和交換通道，互連壓縮汽缸和膨脹汽缸，該交換通道包括交換壓縮 (XovrC)閥和交換膨脹(XovrE)閥，在這兩個(gè)閥之間限定有壓力室；該方法包括將交換壓縮閥定時(shí)為當(dāng)壓縮汽缸中的壓力小于交換通道 中在交換壓縮閥處的上游壓力時(shí)打開(kāi)的步驟。附加特征可以包括交換壓縮閥可以被定時(shí)為當(dāng)壓縮汽缸中的壓力比交換通道中的上游 壓力至少小5-15巴時(shí)打開(kāi)。交換壓縮閥可以被定時(shí)為在壓縮汽缸中的壓力達(dá)到交換通道中的上 游壓力之前打開(kāi)至少1.5-4.5度曲柄角。根據(jù)下文參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行的詳細(xì)描述，將會(huì)更加充分地本發(fā)明 的這些和其它特征和優(yōu)點(diǎn)。


圖1為與本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的現(xiàn)有的分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的橫向剖面圖；圖2為另一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的圖示；8圖3為圖2的發(fā)動(dòng)機(jī)圖示的壓力圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明的示例性的分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的橫向剖面圖；圖5為沿圖4的線5-5截取的圖4的具有附加的燃料噴射器的分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的剖面頂視圖；圖6為圖4和5的在固定峰值升程下具有各種交換壓縮(XovrC)閥打開(kāi)曲柄角的發(fā)動(dòng)機(jī)的指示轉(zhuǎn)矩和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的曲線圖；圖7為在固定峰值升程下XovrC閥升程相對(duì)原始打開(kāi)和提前打開(kāi)交換 閥的曲柄角的曲線圖；圖8為具有初始反向流動(dòng)的本發(fā)明的提前打開(kāi)XovrC閥的曲柄角相對(duì) 空氣質(zhì)量流速的曲線圖；圖9為在固定峰值升程下空氣流量相對(duì)用于各種閥打開(kāi)定時(shí)值的 XovrC閥打開(kāi)曲柄角的曲線圖；圖10為在固定峰值升程下各種XovrC閥打開(kāi)定時(shí)角度下的壓縮汽缸 和膨脹汽缸最大壓力的曲線圖；圖11為XovrC閥升程相對(duì)具有可變峰值升程的原始打開(kāi)和提前打開(kāi) 交換閥的曲柄角的曲線圖；圖12為平均有效汽缸壓力的曲線圖，比較了在壓縮汽缸活塞沖程和 排量范圍內(nèi)的基準(zhǔn)和增量XowC閥升程；和圖13為具有本發(fā)明的提前打開(kāi)XowC閥定時(shí)的優(yōu)化的自然吸氣分開(kāi) 式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)測(cè)壓力和定時(shí)的曲線圖。
具體實(shí)施方式
術(shù)語(yǔ)表提供以下在此使用的術(shù)語(yǔ)的縮寫(xiě)和定義的術(shù)語(yǔ)表供參考泵送工作量(或PV工作量)泵送工作量被定義為，在由氣體流動(dòng)中 的閥和任何其它限制裝置引起的壓力降范圍內(nèi)，將進(jìn)氣移入汽缸和將廢氣 移出汽缸所消耗的工作量。它通常被計(jì)算為壓力降乘以體積流量的積，且 因此這種計(jì)算值通?？s寫(xiě)為"PV工作量"。提前打開(kāi)XovrC閥提前打開(kāi)交換壓縮閥通常被定義為在閥上的壓力降為正值之前打開(kāi)的任何閥。發(fā)動(dòng)機(jī)滿(mǎn)負(fù)荷或100%發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)在給定的速度下能產(chǎn)生的最大 扭矩。指示扭矩在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械磨擦損失和輔助系統(tǒng)損耗起作用之前計(jì)算的 發(fā)動(dòng)機(jī)活塞頂處的扭矩輸出。制動(dòng)扭矩在發(fā)送機(jī)輸出軸處的扭矩輸出。自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)為具有不由渦輪增壓器、增壓器或類(lèi)似的機(jī)構(gòu)推進(jìn)的進(jìn)氣沖程的發(fā)動(dòng)機(jī)。制動(dòng)平均有效壓力按照平均有效壓力值表示的發(fā)動(dòng)機(jī)的制動(dòng)扭矩輸出。它等于發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)扭矩除以發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸排量。指示平均有效壓力它等于發(fā)動(dòng)機(jī)指示扭矩除以發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸排量。 上止點(diǎn)活塞在整個(gè)循環(huán)中所到達(dá)的最靠近汽缸蓋的位置，提供了最低的汽缸容積。閥門(mén)開(kāi)度對(duì)于在此使用的目的，閥門(mén)開(kāi)度將被認(rèn)為是至少0.06毫米 的閥升程。曲柄角曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度?，F(xiàn)在詳細(xì)地參照附圖中的圖4和5，數(shù)字50大致表示本發(fā)明的分開(kāi)式 循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的示例性實(shí)施方式，在該分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的交換通道78中 具有提前打開(kāi)交換壓縮(XowC)閥84。如在此將更詳細(xì)地討論的那樣，當(dāng) 壓縮汽缸66中的壓力小于交換通道78中的壓力(即，XovrC閥84上具有 負(fù)的壓力差)時(shí)，提前打開(kāi)XovrC閥84定時(shí)打開(kāi)。有利的是，提前打開(kāi) XovrC閥84提供了更長(zhǎng)的閥門(mén)啟動(dòng)時(shí)間和更大閥門(mén)升程，這導(dǎo)致分開(kāi)式 循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)50性能增強(qiáng)。發(fā)動(dòng)機(jī)50包括可以沿如圖所示的順時(shí)針?lè)较驀@曲軸軸線54旋轉(zhuǎn)的 曲軸52。曲軸52包括相鄰的成角度地錯(cuò)開(kāi)的引導(dǎo)曲柄56和從動(dòng)曲柄58， 它們分別連接至連桿60、 62。發(fā)動(dòng)機(jī)50還包括限定一對(duì)相鄰的汽缸的氣缸體64。特別地，發(fā)動(dòng)機(jī) 50包括壓縮汽缸66和膨脹汽缸68，壓縮汽缸66和膨脹汽缸68由氣缸蓋 70在與曲軸52相對(duì)的汽缸的頂端處封閉。壓縮活塞72容納在壓縮汽缸66中，并連接至連桿62，用于使活塞72在上止點(diǎn)(TDC)和下止點(diǎn)(BDC)位置之間進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。膨脹活塞74容 納在膨脹汽缸68中，并連接至連桿60，用于類(lèi)似的TDC/BDC往復(fù)運(yùn)動(dòng)。汽缸蓋70提供了用于氣體流入、流出汽缸66、 68和它們之間的結(jié)構(gòu)。 為了氣體流動(dòng)，氣缸蓋包括進(jìn)氣通道(或端口)76、 一對(duì)交換(Xovr)通道78 和排氣通道80，其中，進(jìn)口空氣通過(guò)進(jìn)氣通道76吸入壓縮汽缸66，壓縮 空氣通過(guò)該對(duì)交換(Xovr)通道78從壓縮汽缸66傳輸至膨脹汽缸68，廢氣 通過(guò)排氣通道80從膨脹汽缸排出。每個(gè)交換通道78還限定了壓力室81， 當(dāng)交換閥關(guān)閉時(shí)，壓縮氣體儲(chǔ)存在壓力室81中。進(jìn)入壓縮汽缸66的氣流由向內(nèi)打開(kāi)提升型進(jìn)氣閥82控制。進(jìn)出每個(gè) 交換通道78的氣流可以由一對(duì)向外打開(kāi)提升閥控制，即由該交換通道入 口端處的交換壓縮(XovrC)閥84和該交換通道出口端處的交換膨脹(XovrE) 閥86控制。流出排氣通道80的廢氣由向內(nèi)打開(kāi)提升型排氣閥88控制。 這些閥82、 84、 86和88可以以任何合適的方式啟動(dòng)，例如通過(guò)機(jī)械傳 動(dòng)凸輪、可變閥門(mén)啟動(dòng)技術(shù)或類(lèi)似的技術(shù)來(lái)啟動(dòng)。每個(gè)交換通道具有設(shè)置在其中的至少一個(gè)高壓燃料噴射器90。高壓燃 料噴射器90是可操作的，以將燃料噴射到交換通道78的壓力室81中的 壓縮空氣的供送中。發(fā)動(dòng)機(jī)50還包括一個(gè)或多個(gè)火花塞92或其它點(diǎn)火裝置?；鸹ㄈ?2 位于膨脹汽缸68的端部上的合適位置處的，其中混合燃料和空氣供送可 以被點(diǎn)燃，并且在膨脹沖程期間燃燒。計(jì)算機(jī)研究被用來(lái)優(yōu)化分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)50的各種幾何參數(shù)，包括 向外打開(kāi)XorvC提升閥84的定時(shí)。關(guān)于XovrC閥84的優(yōu)化，事實(shí)上所 有的分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)都教導(dǎo)防止反向流動(dòng)是性能優(yōu)化所需要的，如 在先前討論的現(xiàn)有技術(shù)Scuderi和Suh專(zhuān)利中舉例說(shuō)明的那樣。此外，反向流動(dòng)(尤其是XovrC閥84上的反向流動(dòng))和分開(kāi)式循環(huán) 發(fā)動(dòng)機(jī)性能(如扭矩、壓力、質(zhì)量流量等)之間的關(guān)系先前是不知道的。而 且，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)50包括遠(yuǎn)離壓縮汽缸66打開(kāi)的向外打開(kāi)XovrC閥84， 而其它分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的現(xiàn)有技術(shù)利用止回閥(如在Scuderi中)或向內(nèi) 打開(kāi)提升閥(如在Suh中)作為XovrC閥，反向流動(dòng)對(duì)分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)50 性能的影響的不確定度是多方面的。相應(yīng)地，由于這些未知情況，所述計(jì)ii。參照?qǐng)D6，曲線圖100示出了對(duì)于在4000 RPM和100%發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷下 的自然吸氣分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)50循環(huán)模擬，分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)50的"指 示扭矩"和"制動(dòng)扭矩"與交換壓縮閥84在固定峰值升程下的打開(kāi)曲柄 角相比的計(jì)算機(jī)研究預(yù)測(cè)結(jié)果。繪制線102表示以牛頓-米為單位的指示扭 矩，且繪制線104表示以牛頓-米為單位的制動(dòng)扭矩。對(duì)于從相對(duì)于膨脹活 塞74的TDC位置的在上止點(diǎn)前(BTDC)的18.5度曲柄角(CA)(即，在上止 點(diǎn)后(ATDC)的-18.5度曲柄角)至在上止點(diǎn)后的5度曲柄角之間的每個(gè)1.5 度曲柄角增加都計(jì)算出扭矩。交換壓縮閥84打開(kāi)的基準(zhǔn)定時(shí)為膨脹活塞的在上止點(diǎn)前的9.5度曲柄 角(即，指示扭矩的參考點(diǎn)106和制動(dòng)扭矩的參考點(diǎn)108)。 g卩，在上止點(diǎn) 前的9.5度曲柄角處，XovrC閥84被定時(shí)為稍微提前打開(kāi)，其中，XovrC 閥84上的反向流動(dòng)最小但是可檢測(cè)。如同所希望的那樣，較遲的定時(shí)導(dǎo)致扭矩的減小。然而，意外的是， 較早的定時(shí)具有可忽略的影響，除非早于膨脹活塞74的14度BTDC (參 考數(shù)字118和120)。也就是說(shuō)，當(dāng)XovrC闊84相對(duì)于膨脹活塞74的9.5 度CABTDC基準(zhǔn)線早打開(kāi)至少1.5度曲柄角(參考點(diǎn)110和112)、至少3.0 度曲柄角(參考點(diǎn)114和116)、或至少4.5度曲柄角(參考點(diǎn)118和120)時(shí)， 所預(yù)測(cè)的指示扭矩和制動(dòng)扭矩不會(huì)明顯改變。參照?qǐng)D7，曲線圖122示出了當(dāng)在9.5度CA BTDC的基準(zhǔn)線點(diǎn)(曲線 124)開(kāi)始啟動(dòng)和在提前4.5度CA(曲線126)開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)在XovrC閥84的 固定峰值升程處的閥門(mén)升程輪廓。注意到曲線126下的面積比曲線124下 的面積大很多，這意味著在較早啟動(dòng)的XovrC閥84的較長(zhǎng)啟動(dòng)周期期間 有更大的可用體積用于空氣質(zhì)量流量流過(guò)。參照?qǐng)D8，曲線圖128為質(zhì)量流量與具有提前4.5度曲柄角的提前打 開(kāi)定時(shí)的XovrC閥84的曲柄角相比的曲線圖。如曲線130所描繪的那樣， 在膨脹活塞74的14度和9.5度CA BTDC之間存在明顯的反向流動(dòng)，其 中，XorvC閥84上的壓力增量為負(fù)的(即，壓縮汽缸68中壓力小于交換通 道78中的壓力)。 一旦達(dá)到9.5度CABTDC點(diǎn)，壓力增量變?yōu)檎?即，壓縮汽缸68中壓力大于交換通道78中的壓力)，并且質(zhì)量流量恢復(fù)向前方 面。
參照?qǐng)D9，曲線圖132為空氣流量與固定峰值升程下的XovrC閥84 打開(kāi)定時(shí)相比的曲線圖。再一次，如曲線134所示，XovrC閥以1.5度的 增量從膨脹活塞74的5度CABTDC向18.5度CABTDC步進(jìn)。曲線134 示出，盡管在提前的閥打開(kāi)定的情況下初始反向流量，整個(gè)空氣流量與9.5 度CA BTDC基準(zhǔn)線定時(shí)(參考點(diǎn)136)是一樣的。也就是說(shuō)，不管XovrC 閥84是否剛好提前(參考點(diǎn)136)、提前1.5度CA(參考點(diǎn)138)、提前3.0 度CA(參考點(diǎn)140)或提前4.5度CA(參考點(diǎn)142)打開(kāi)，空氣流量都近似為 132千克/小時(shí)。
參照?qǐng)D10，曲線圖144示出，在固定峰值升程下從9.5度至14度BTDC 提前定時(shí)也較低了在兩個(gè)汽缸中的峰值汽缸壓力，其中，對(duì)壓縮汽缸的影 響更大。也就是說(shuō)，當(dāng)定時(shí)從9.5度BTDC提前至14度BTDC時(shí)，壓縮 汽缸的峰值壓力(如曲線145所示)從52巴下降至約48.5巴，同時(shí)膨脹汽 缸的峰值壓力(如曲線146所示)從約44.5巴下降至43巴。汽缸壓力的降 低減小了汽缸摩擦，這可以解釋為什么定時(shí)提前時(shí)沒(méi)有扭矩?fù)p失，即使出 現(xiàn)增加的初始反向流動(dòng)泵送。
參照?qǐng)Dll，曲線圖147示出，交換壓縮閥84打開(kāi)持續(xù)時(shí)間的增加還 允許峰值閥門(mén)升程從2.43mm(曲線148)另外增加至2.60 mm (曲線149)。 也就是說(shuō)，假設(shè)閥門(mén)升程曲線148和149具有相同的加速率和減速率，在 具有較長(zhǎng)的打開(kāi)持續(xù)時(shí)間的提前打開(kāi)閥曲線149中可以獲得比基準(zhǔn)閥曲線 148的2.43mm的峰值升程高的2.60mm的峰值升程。
參照?qǐng)D12，由于更高的2.60mm的峰值升程所帶來(lái)的限制因素的減少 降低了泵送工作量，并增加了平均有效壓力，這種增加擴(kuò)展至較長(zhǎng)的壓縮 汽缸活塞沖程和較大的排量。這在曲線圖150中示出，該曲線圖150繪制 了用于2.43閥門(mén)升程(曲線152)和2.60閥門(mén)升程(曲線154)的制動(dòng)平均有效 壓力與壓縮汽缸活塞沖程的比較，并且繪制了用于2.43閥門(mén)升程(曲線156) 和2.60閥門(mén)升程(曲線158)的指示平均有效壓力與壓縮汽缸活塞沖程的比 較。汽缸壓力的降低和由此產(chǎn)生的往復(fù)活塞的摩擦的降低(沒(méi)有空氣流量和 最大扭矩的損失)提供了意外的好處，即增強(qiáng)了本發(fā)明的分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)
1350的運(yùn)轉(zhuǎn)性能。
參照?qǐng)D12，曲線圖160示出了在4000 RPM、 100% (滿(mǎn))發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷情 況下自然吸氣的優(yōu)化的分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)50循環(huán)模擬，預(yù)測(cè)交換通道78 壓力、壓縮汽缸66壓力和膨脹汽缸68壓力與曲柄角的比較。XovrC閥84、 XowE閎86、火花塞92點(diǎn)火、噴射器90的噴射開(kāi)始(SOI)范圍、噴射器 90的噴射結(jié)束(EOI)范圍和壓縮沖程的結(jié)束的定時(shí)也被示出。線162表示 壓縮汽缸66壓力。線164表示交換通道上游壓力(Xovr上游壓力)，艮口， 在交換通道78中的剛好設(shè)置為靠近XovrC閥84提升蓋(poppet head)的點(diǎn) 處得到的壓力。線166表示交換通道下游壓力(Xov下游壓力)，g卩，在交 換通道中的剛好設(shè)置為靠近XovrE閥提升蓋的點(diǎn)處得到的壓力。最后，線 168表示膨脹汽缸68壓力。
注意到在其中XovrC閥提前打開(kāi)的定時(shí)線170上，在XovrC閥84閥 上存在約20巴的負(fù)壓力差。也就是說(shuō)，在膨脹汽缸活塞的14度CABTDC (即，-14度CAATDC)處(定時(shí)線170)，壓縮汽缸壓力162比交換通道上 游壓力164小約20巴。
因此，較佳的是，當(dāng)壓縮汽缸壓力162至少比交換通道在XovrC閥處 的上游壓力164至少小5巴時(shí)(定時(shí)線170上的參考點(diǎn)172)， XovrC閥84 打開(kāi)。此外，更為較佳的是，當(dāng)壓縮汽缸壓力162至少比交換通道在XovrC 閥處的上游壓力164至少小10巴時(shí)(定時(shí)線170上的參考點(diǎn)174)， XovrC 閥84打開(kāi)。而且，最佳的是，當(dāng)壓縮汽缸壓力162至少比交換通道在XovrC 閥處的上游壓力164至少小15巴時(shí)(定時(shí)線170上的參考點(diǎn)176)， XovrC 閥84打開(kāi)。
再次參照?qǐng)D6和9，其中示出，當(dāng)XovrC閥打開(kāi)定時(shí)保持在從膨脹汽 缸的9.5度BTDC至14度BTDC范圍中時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和空氣流量都基 本保持恒定。如上所述，加快XovrC閥的定時(shí)具有由XovrC閥打開(kāi)時(shí)間 增加帶來(lái)的好處。
相應(yīng)地，明顯較佳的是，XovrC閥84在壓縮汽缸中的壓力162達(dá)到 交換通道在XovrC閥84處的上游壓力164之前至少打開(kāi)1.5度曲柄角。 此外，更為較佳的是，XovrC閥84在壓縮汽缸中的壓力162達(dá)到交換通 道在XovrC閥84處的上游壓力164之前至少打開(kāi)3.0度曲柄角。而且，最佳的是，XovrC閥84在壓縮汽缸中的壓力162達(dá)到交換通道在XovrC 閥84處的上游壓力164之前至少打開(kāi)4.5度曲柄角。
雖然已經(jīng)參照具體實(shí)施方式
描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解的是，在所描 述的創(chuàng)造性想法的精神和范圍內(nèi)可以進(jìn)行各種改變。相應(yīng)地，不是要將本 發(fā)明限定為所描述的實(shí)施方式，而是說(shuō)它具有由隨附的權(quán)利要求的文字限 定的全部范圍。
權(quán)利要求
1.一種分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，包括曲軸，所述曲軸能夠圍繞該發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸軸線轉(zhuǎn)動(dòng)；壓縮活塞，所述壓縮活塞能夠滑動(dòng)地容納在壓縮汽缸中，并且能夠操作地連接至所述曲軸，使得所述壓縮活塞在所述曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈期間通過(guò)進(jìn)氣沖程和壓縮沖程進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)；膨脹活塞，所述膨脹活塞能夠滑動(dòng)地容納在膨脹汽缸中，并且能夠操作地連接至曲軸，使得所述膨脹活塞在所述曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈期間通過(guò)膨脹沖程和排氣沖程進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)；和交換通道，將所述壓縮汽缸和所述膨脹汽缸相互連接，該交換通道包括交換壓縮(XovrC)閥和交換膨脹(XovrE)閥，在所述交換壓縮(XovrC)閥和所述交換膨脹(XovrE)閥之間限定有壓力室；其中，所述交換壓縮閥被定時(shí)為當(dāng)所述壓縮汽缸中的壓力小于所述交換通道中在所述交換壓縮閥處的上游壓力時(shí)打開(kāi)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述交換壓縮閥 被定時(shí)為當(dāng)所述壓縮汽缸中的壓力比所述交換通道中在所述交換壓縮閥 處的上游壓力至少小5巴時(shí)打開(kāi)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述交換壓縮閥 被定時(shí)為當(dāng)所述壓縮汽缸中的壓力比所述交換通道中在所述交換壓縮閥 處的上游壓力至少小10巴時(shí)打開(kāi)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述交換壓縮閥 被定時(shí)為當(dāng)所述壓縮汽缸中的壓力比所述交換通道中在所述交換壓縮閥 處的上游壓力至少小15巴時(shí)打開(kāi)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述交換壓縮閥 被定時(shí)為在所述壓縮汽缸中的壓力達(dá)到所述交換通道中在所述交換壓縮 閥處的上游壓力之前打開(kāi)至少1.5度曲柄角。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述交換壓縮閥 被定時(shí)為在所述壓縮汽缸中的壓力達(dá)到所述交換通道中在所述交換壓縮 閥處的上游壓力之前打開(kāi)至少3.0度曲柄角。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述交換壓縮閥 被定時(shí)為在所述壓縮汽缸中的壓力達(dá)到所述交換通道中在所述交換壓縮閥處的上游壓力之前打開(kāi)至少4.5度曲柄角。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述交換壓縮閥從所述壓縮汽缸向外打開(kāi)。
9. 一種操作分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，該分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)包括 曲軸，所述曲軸能夠圍繞該發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸軸線轉(zhuǎn)動(dòng)；壓縮活塞，所述壓縮活塞能夠滑動(dòng)地容納在壓縮汽缸中，并且能夠操 作地連接至所述曲軸，使得所述壓縮活塞在所述曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈期間通過(guò)進(jìn)氣沖程和壓縮沖程進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)；膨脹活塞，所述膨脹活塞能夠滑動(dòng)地容納在膨脹汽缸中，并且能夠操 作地連接至所述曲軸，使得所述膨脹活塞在所述曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈期間通過(guò)膨 脹沖程和排氣沖程進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)；和交換通道，將所述壓縮汽缸和所述膨脹汽缸相互連接，該交換通道包 括交換壓縮(XovrC)閥和交換膨脹(XovrE)閥，在所述交換壓縮(XovrC)閥和 所述交換膨脹(XovrE)閥之間限定有壓力室；該方法包括將所述交換壓縮閥定時(shí)為當(dāng)所述壓縮汽缸中的壓力小于所述交換通 道中在所述交換壓縮閥處的上游壓力時(shí)打開(kāi)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，包括將所述交換壓縮閥定時(shí)為當(dāng)所 述壓縮汽缸中的壓力比所述交換通道中在所述交換壓縮閥處的上游壓力 至少小5巴時(shí)打開(kāi)的步驟。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的方法，包括將所述交換壓縮閥定時(shí)為當(dāng)所 述壓縮汽缸中的壓力比所述交換通道中在所述交換壓縮閥處的上游壓力 至少小10巴時(shí)打開(kāi)的步驟。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，包括將所述交換壓縮閥定時(shí)為當(dāng)所 述壓縮汽缸中的壓力比所述交換通道中在所述交換壓縮閥處的上游壓力 至少小15巴時(shí)打開(kāi)的步驟。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，包括將所述交換壓縮閥定時(shí)為在所 述壓縮汽缸中的壓力達(dá)到所述交換通道中在所述交換壓縮閥處的上游壓力之前打開(kāi)至少1.5度曲柄角的步驟。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，包括將所述交換壓縮閥定時(shí)為在所 述壓縮汽缸中的壓力達(dá)到所述交換通道中在所述交換壓縮閥處的上游壓力之前打開(kāi)至少3.0度曲柄角的步驟。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，包括將所述交換壓縮閥定時(shí)為在所 述壓縮汽缸中的壓力達(dá)到所述交換通道中在所述交換壓縮閥處的上游壓 力之前打開(kāi)至少4.5度曲柄角的步驟。
16. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，包括使所述交換壓縮閥從所述壓縮汽缸向外打開(kāi)的步驟。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種包括曲軸的分開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。壓縮活塞容納在壓縮汽缸中，并且可操作地連接至曲軸。交換通道互相連接壓縮汽缸和膨脹汽缸。交換通道包括交換壓縮(XovrC)閥和交換膨脹(XovrE)閥，在這兩個(gè)閥之間限定有壓力室。當(dāng)壓縮汽缸中的壓力小于在交換壓縮閥處的交換通道上游壓力時(shí)，交換壓縮閥被定時(shí)為打開(kāi)。
文檔編號(hào)F02B25/00GK101680354SQ200880019207
公開(kāi)日2010年3月24日 申請(qǐng)日期2008年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月7日
發(fā)明者福特·A·菲利普斯 申請(qǐng)人:史古德利集團(tuán)有限責(zé)任公司