專利名稱：具有螺旋交換通道的分開式循環(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)明涉及具有由雙切向螺旋交換通 道互連的壓縮缸和膨脹缸的分開式循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù)：
為了簡明起見，用在本申請(qǐng)中的術(shù)語"常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)"指的是其中眾所 周知的奧托循環(huán)的所有四個(gè)沖程(即，吸入、壓縮、膨脹和排氣沖程)都 包含在發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)活塞/汽缸組合中的內(nèi)燃機(jī)。還有，為了清楚起見，為 可能應(yīng)用在現(xiàn)有技術(shù)所公開的發(fā)動(dòng)機(jī)上的以及在本申請(qǐng)中所指的術(shù)語"分 開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)"，提供下述定義。
此處所說的分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)包括 能夠圍繞曲軸線旋轉(zhuǎn)的曲柄；
壓縮活塞，其滑動(dòng)地容納在壓縮缸內(nèi)并且操作地連接到曲柄上，從而
壓縮活塞在曲柄的一次轉(zhuǎn)動(dòng)期間往復(fù)通過吸入沖程和壓縮沖程；
膨脹(動(dòng)力)活塞，其滑動(dòng)地容納在膨脹汽缸內(nèi)并且操作地連接到曲 柄上，從而膨脹活塞在曲柄的一次轉(zhuǎn)動(dòng)期間往復(fù)通過膨脹沖程和排出沖 程；及
互連壓縮缸和膨脹缸的交換通道(端口)，該交換通道包括在其間限 定壓力室的交換壓縮(XovrC)閥以及交換膨脹(XovrE)閥。
2003年4月8日授予Carmek) J. Scuderi的美國專利6,543,225包含對(duì)分開
式循環(huán)及相似類型的發(fā)動(dòng)機(jī)的廣泛討論。另外，該專利公開了發(fā)動(dòng)機(jī)的先 前形式的細(xì)節(jié)，本發(fā)明包括了對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)先前形式的進(jìn)一步改進(jìn)。參考圖l，在美國專利6，543,225中描述的那種現(xiàn)有技術(shù)分開式循環(huán)發(fā) 動(dòng)機(jī)概念的典型實(shí)施例一般由附圖標(biāo)記10標(biāo)示。該分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)10用 一個(gè)壓縮缸12和一個(gè)膨脹缸14的組合來取代常規(guī)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的兩個(gè)相 鄰的汽缸。在每次曲柄16旋轉(zhuǎn)中，這兩個(gè)汽缸12、 14完成一次其各自的功 能。吸入空氣和燃料供料通過典型的提升型吸入閥18被拉入到壓縮缸12 中。壓縮活塞20壓縮供料并驅(qū)動(dòng)供料通過交換通道22，該交換通道作為膨 脹缸14的吸入通道。
在交換通道入口處的止回型交換壓縮(XovrC)閥24被用于防止從交 換通道22的倒流。在交換通道22的出口處的交換膨脹(XowE)閥26控制 被壓縮的吸入供料的流動(dòng)，使得當(dāng)膨脹活塞30到達(dá)其上部死點(diǎn)位置之后， 供料立刻完全地進(jìn)入膨脹缸14。在吸入供料進(jìn)入膨脹缸14之后馬上點(diǎn)火火 花塞28，并且產(chǎn)生的燃燒驅(qū)動(dòng)膨脹活塞30向下。通過提升排氣閥32將廢氣 抽出膨脹缸。
有了分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)概念，壓縮缸和膨脹缸的發(fā)動(dòng)機(jī)幾何形狀參數(shù) (即，內(nèi)徑、沖程、連桿長度、壓縮比等) 一般是彼此獨(dú)立的。例如，對(duì) 每個(gè)汽缸的曲柄行程34、 36可以具有不同的半徑并且彼此相控地相隔，而 膨脹活塞30的上部死點(diǎn)(TDC)出現(xiàn)在壓縮活塞20的TDC之前。這種獨(dú)立 性使分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)比典型的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)潛在地有能力達(dá)到更高的 效率水平以及更大的扭矩。
與常規(guī)內(nèi)燃機(jī)相比，分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)10的一個(gè)區(qū)別是在膨脹缸14 中的膨脹沖程期間，分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的供料動(dòng)作必須在膨脹活塞30到達(dá) TDC之后才能開始，而在常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)中的供料動(dòng)作在膨脹沖程的上部死點(diǎn) (BTDC)之前(即，在吸入沖程開始時(shí))大約360度曲柄角(CA)角度 開始。這給運(yùn)常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)于分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)而言的更多的時(shí)間，以 進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓┝蟿?dòng)作從而有助于燃料/空氣混合和燃燒。
供料工作對(duì)于令人滿意的點(diǎn)火(SI)燃燒是必需的。因此，需要在分 開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)中快速地產(chǎn)生供料動(dòng)作以便在燃燒開始之前快速地混合 以及充分分散燃料/空氣供料，開始燃燒大約在上部死點(diǎn)(ATDC)后15到 20。CA發(fā)生。另外，在燃燒的主要階段(根據(jù)運(yùn)行條件大約是20到40。CA ATDC)過程中必須發(fā)生適當(dāng)?shù)娜剂?空氣運(yùn)動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明的一種分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，包括能夠繞發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸軸 線旋轉(zhuǎn)的曲軸；
壓縮活塞，其滑動(dòng)地容納在壓縮缸內(nèi)并操作地連接到曲軸，從而在曲 軸的旋轉(zhuǎn)一圈過程中壓縮活塞往復(fù)通過吸入沖程和壓縮沖程；
膨脹活塞，其滑動(dòng)地容納在膨脹缸內(nèi)并操作地連接到曲軸，從而在曲 軸的旋轉(zhuǎn)一圈過程中膨脹活塞往復(fù)通過膨脹沖程和排氣沖程；及 將壓縮缸和膨脹缸互連的螺旋交換通道，該螺旋交換通道包括 交換壓縮閥和交換膨脹閥，在它們之間限定壓力室， 在螺旋交換通道的下游部分中的基本平直的流道部分，及 螺旋端部分，其整體連接到流道部分并設(shè)置在交換膨脹閥上方， 交換膨脹閥具有閥桿和頭部，螺旋端部分包圍繞閥桿盤旋的通風(fēng)道，其中 該通風(fēng)道強(qiáng)迫進(jìn)入的空氣在進(jìn)入膨脹缸之前圍繞閥桿旋轉(zhuǎn)，以促進(jìn)被運(yùn)送 到膨脹缸的空氣/燃料供料中的渦旋和紊流動(dòng)能的發(fā)展。 另外的特征可包括
確定直流道部分相對(duì)于膨脹缸周邊在切向或徑向位置； 確定交換通道端部分在順時(shí)針、逆時(shí)針和定向中的位置。 參考附圖，本發(fā)明的這些以及其他特征和優(yōu)點(diǎn)將從下面對(duì)特定示例性 實(shí)施例的描述中得到更全面的理解。


圖l示出與本發(fā)明發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的橫向截 面圖2示出從螺旋端側(cè)觀看的，設(shè)置在提升閥上方的螺旋通道的下游部 分的平直流道和螺旋端部分的圖示；
圖3是與圖2相似的當(dāng)從平直流道側(cè)觀看的圖示；
圖4示出從具有根據(jù)本發(fā)明的交換通道的示例性分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的 圖5中的線4-4截取的橫向截面圖5示出圖4的分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的頂視7圖6是膨脹缸蓋內(nèi)面的圖示，以及示出內(nèi)部排氣端口和交換通道下游
部分和閥；
圖7-9是頂視圖，示出在膨脹缸處的示例性交換通道下游部分，包括切 向和徑向的平直流道部分以及順時(shí)針及逆時(shí)針的螺旋的和直的端部分；
圖10是示出對(duì)36種雙重交換通道組合的渦旋比和紊流動(dòng)能預(yù)測值的 圖示和說明性方格；及
圖11是與圖5相似的頂視圖，但是示例出一種替代的不同的交換通道 結(jié)構(gòu)。
術(shù)語表
下面提供關(guān)于此處所用的首字母縮寫的術(shù)語表和術(shù)語的定義以用于 參考
螺旋通道(或螺旋端口)參考圖2和3，螺旋通道38是連接通道(端 口)，其典型地連接入口歧管到常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)的缸蓋中的入口閥。螺旋通道 38的下游部分包括整體地連接到螺旋端部分40上的大致平直的流道部分 39，該螺旋端部分設(shè)置在具有桿部42和開向汽缸(未示出)的頭部43。在 螺旋端部分40內(nèi)的流區(qū)域設(shè)置在圍繞保持在端部分40的孔46中的陶桿42 的環(huán)形下降通風(fēng)道44中。通風(fēng)道至少在一圈的三分之一 (優(yōu)選在一圈的一 半到四分之三之間)上圍繞閥桿42盤旋，從而進(jìn)來的空氣被強(qiáng)制成在進(jìn)入 汽缸之前圍繞閥桿42轉(zhuǎn)動(dòng)。由于通風(fēng)道44圍繞閥桿42盤旋，通風(fēng)道44的頂 47在高度上降低。
渦旋:(空氣)供料圍繞汽缸軸的有條理的旋轉(zhuǎn)。更具體地說，在發(fā) 動(dòng)機(jī)的汽缸中的空氣或燃料/空氣化合物的"主要部分"渦旋是在導(dǎo)入(吸 入)沖程中測得的圍繞汽缸中心線轉(zhuǎn)動(dòng)的空氣或燃料/空氣化合物的主體 (即，"主要部分")，。主體渦旋是在導(dǎo)入期間發(fā)生在汽缸中的真實(shí)的可變 空氣運(yùn)動(dòng)的平均或參數(shù)概念。根據(jù)主體渦旋概念，渦旋是圍繞主汽缸軸線 為中心的渦流，最大渦旋速度在汽缸的圓周處。
渦旋比(SR):空氣或燃料/空氣混合物的主體(即"主要部分")圍 繞汽缸中心線的的概念上的旋轉(zhuǎn)頻率的度量，在導(dǎo)入(吸入)沖程中測得 并與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，艮P:
渦旋比二在汽缸/發(fā)動(dòng)機(jī)速度中的空氣旋轉(zhuǎn)頻率紊流和微紊流小規(guī)模的漩渦運(yùn)動(dòng)，通常與空氣的非常小的單獨(dú)部分有關(guān)。紊流和微紊流漩渦的頻率范圍在10-10,000Hz或更高頻率，而微紊流的直徑與頻率相反變化，可以從汽缸的一小部分(幾個(gè)毫米)到微米。由于粘性耗散，高頻紊流通常僅持續(xù)非常短的時(shí)間，例如2-5度曲柄角。
紊流動(dòng)能(TKE):與發(fā)動(dòng)機(jī)的紊流空氣流中的漩渦有關(guān)的每單位空氣質(zhì)量的平均動(dòng)能。
具體實(shí)施例方式
詳細(xì)地參考附圖中的圖4和圖5，附圖標(biāo)記50—般表示依照本發(fā)明的具有雙重切向螺旋交換通道78的分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的典型實(shí)施例。如此處將要更詳細(xì)地講述的那樣，螺旋交換通道78的下游部分包括整體地連接到螺旋端部分102上的切向流道部分100，這在分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)50的膨脹沖程
期間有利地促進(jìn)快速燃料/空氣的混合。
發(fā)動(dòng)機(jī)50包括可在圖中所示的順時(shí)針方向上圍繞曲軸軸線54旋轉(zhuǎn)的曲軸52。曲軸52包括分別地連接到連桿60、 62的相鄰的角度上偏移的主導(dǎo)和跟隨曲柄行程56、 58。
發(fā)動(dòng)機(jī)50還包括限定一對(duì)相鄰汽缸的汽缸座64。具體地說，發(fā)動(dòng)機(jī)50包括壓縮缸66和膨脹缸68，壓縮缸66和膨脹缸68在與曲軸52相對(duì)的汽缸的上端處被缸蓋70關(guān)閉。
壓縮活塞72容納在壓縮缸66中并連接到跟隨連桿62，用于活塞72在上部死點(diǎn)(TDC)和下部死點(diǎn)(BDC)之間的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。膨脹活塞74容納在膨脹缸68中并連接到主導(dǎo)連桿60，用于類似的TDC/BDC往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
缸蓋70提供用于氣流進(jìn)入和離開以及在汽缸66、 68之間的結(jié)構(gòu)。按照氣流的順序，缸蓋70包括通過其吸入空氣被抽入壓縮缸66中的吸入通道76、通過其壓縮空氣被從壓縮缸66轉(zhuǎn)移到膨脹缸68的一對(duì)切向螺旋交換(XowC)通道78，以及通過其廢氣被從膨脹缸68排出的排氣通道。
進(jìn)入壓縮缸66中的氣流由向內(nèi)打開的提升型吸入閥82控制。進(jìn)入和離開每個(gè)螺旋交換通道78的氣流由一對(duì)向外打開的提升閥(即，在螺旋交換通道的入口端的交換壓縮(XovrC)閥84和在螺旋交換通道的出口端的交換膨脹(XovrE)閥86)控制。每對(duì)交換閥84、 86在它們之間在它們各自的交換通道中限定壓力室87。流出排氣通道80的排出氣流由向內(nèi)打開的提
升型排氣閥88控制。這些閥82、 84、 86和88可以諸如機(jī)械驅(qū)動(dòng)的凸輪、可變閥啟動(dòng)技術(shù)等等任何適當(dāng)?shù)姆绞絾?dòng)。
每個(gè)螺旋交換通道78具有設(shè)置在其中的至少一個(gè)高壓燃料噴射器90。燃料噴射器90操作為噴射燃料到交換通道78的壓力室87內(nèi)的壓縮空氣供料中。
發(fā)動(dòng)機(jī)50還包括一個(gè)或更多火花塞92或其他點(diǎn)火裝置?；鸹ㄈ?0位于膨脹缸68的端部中適當(dāng)位置處，在那里在膨脹沖程期間可以點(diǎn)燃和燃燒混合的燃料和空氣供料。
參考圖6，示出包括排氣通道80及雙重切向螺旋交換通道78的下游部分的通道和缸蓋70的內(nèi)側(cè)的閉合圖。如前面所講述那樣，燃料/空氣供料必須從交換通道78流入膨脹缸68中，在那里，供料在膨脹沖程期間燃燒并最終在排出沖程期間通過排出通道80排出。在燃燒前，燃料/空氣供料必須快速混合并徹底地分散在膨脹缸68內(nèi)。
兩個(gè)交換通道78都構(gòu)造成具有整體地連接到逆時(shí)針的螺旋端部分102的基本平直的切向流道部分IOO，該螺旋端設(shè)置在向外打開的提升型交換膨脹閥86上方。可選擇的，每個(gè)流道部分100可以相對(duì)于膨脹缸68為切向或徑向取向，在燃料/空氣供料進(jìn)入汽缸68時(shí)，這種取向決定空氣供料的主要的流動(dòng)方向。還有，可選擇的，每個(gè)螺旋端部分102可以在順時(shí)針或逆時(shí)針方向上盤旋，在燃料/空氣供料進(jìn)入汽缸68時(shí)，這種旋轉(zhuǎn)決定供料的旋轉(zhuǎn)或自轉(zhuǎn)(如果有的話)的方向。
可替代地，如果交換通道78的端部分不包括螺旋螺線，交換通道被稱作定向交換通道(或定向交換端口)，其能決定主體流或漩渦，但是當(dāng)燃料/空氣供料進(jìn)入膨脹缸68時(shí)，供料沒有特定的旋轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)。
在圖6的實(shí)施例種，每個(gè)逆時(shí)針螺旋端部分102包括在逆時(shí)針方向上圍繞保持在孔108中的闊桿106盤旋的通風(fēng)道104，每個(gè)向外打開的交換膨脹閥86的閥桿延伸通過該孔108。螺旋通風(fēng)道104強(qiáng)迫進(jìn)入的空氣在進(jìn)入膨脹缸68之前圍繞閥桿106旋轉(zhuǎn)。閥桿帶有向外打開的閥頭109，當(dāng)閥被安裝時(shí)，該閥頭部分地由于在壓力室87中的壓力而保持關(guān)閉。
每個(gè)流道部分100與膨脹缸68的周邊成切向。就是說，每個(gè)流道部分100在大致與延伸通過膨脹缸68周邊中最靠近閥桿的點(diǎn)的切線平行(即，優(yōu)選為正或負(fù)20度，更優(yōu)選為正或負(fù)10度，最好是正或負(fù)5度)的流動(dòng)通路中引導(dǎo)氣流進(jìn)入通風(fēng)道104中。閥桿106帶有向外打開的閥頭109，當(dāng)閥安裝后，該閥頭部分地由于壓力室87中的壓力而保持關(guān)閉。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種其中兩個(gè)螺旋端部分102在相同方向上盤旋的雙重切向螺旋交換通道78組合能明顯的促進(jìn)在分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)50中快速的空氣/燃料混合。
參考圖7-9，示出切向或徑向流道部分、加上逆時(shí)針螺旋、順時(shí)針螺旋或定向端部分的六個(gè)可能的組合。在圖7中，交換通道110包括具有如前面圖6中示出的逆時(shí)針(CCW)螺旋部分114的切向(tan)流道部分U2，以及包括具有順時(shí)針(CW)螺旋部分120的切向流道部分118的交換通道116。
在圖8中，交換通道122包括具有逆時(shí)針螺旋部分126的徑向(md)流道部分124，并且交換通道128包括具有順時(shí)針螺旋部分132的徑向流道部分130。徑向流道部分124和130分別地在大致與膨脹缸68的中心成徑向(即，優(yōu)選為正或負(fù)20度，更優(yōu)選為正或負(fù)10度，最好是正或負(fù)5度)的流動(dòng)通路內(nèi)將氣流引導(dǎo)到螺旋部分126和132的通風(fēng)道中。
在圖9中，交換通道134包括具有定向(dir)端部分138的徑向流道部分136，和交換通道140包括具有定向端部分144的切向流道部分142。當(dāng)燃料/空氣供料進(jìn)入膨脹缸68時(shí)，定向的端部分138和144不會(huì)賦予該供料任何特定的旋轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)。然而，供料的主體流動(dòng)通路仍由流道136和142的取向決定，即，對(duì)于徑向流道136是朝向膨脹缸68的中心，對(duì)于切向流道142是切向地沿汽缸68的周邊。
在常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)中，被認(rèn)可的用于實(shí)現(xiàn)用于燃燒的適當(dāng)?shù)目諝膺\(yùn)動(dòng)的方法很大程度依賴于兩個(gè)獨(dú)立的現(xiàn)象，稱做渦旋和紊流。渦旋是汽缸中主體空氣旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的生成，例如大的旋轉(zhuǎn)渦流，其外徑被汽缸孔直徑限制，從而在空氣中有相當(dāng)多的動(dòng)能。在壓縮的后面的階段中，這一主體渦旋運(yùn)動(dòng)被轉(zhuǎn)化成紊流。更具體地說，渦旋運(yùn)動(dòng)被轉(zhuǎn)化成非常小規(guī)模的"微紊流"，即，量級(jí)在汽缸直徑的1/100，000到1/100的大量小規(guī)模漩渦。這些微紊流漩渦理想地在適當(dāng)時(shí)刻是在燃燒區(qū)域中，從而它們使火焰前部起皺以產(chǎn)生更大的區(qū)域讓火焰擴(kuò)展，g卩，接近未被燃燒的燃料和空氣。
在常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)中，入口端口 (或通道)為在吸入沖程期間主體漩渦的
ii產(chǎn)生負(fù)責(zé)，而活塞頂在大約TDC周圍接近缸蓋對(duì)將渦旋轉(zhuǎn)變成紊流負(fù)責(zé)。 因此，發(fā)展入口通道以便發(fā)展它們的產(chǎn)生漩渦的能力，以術(shù)語"渦旋比"
(SR)來評(píng)估，渦旋比涉及渦流速度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)速度?？梢允褂脤ｉT的流器 械測量渦旋比，或者近來，可以使用計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力(CFD)技術(shù)計(jì)算渦 旋比。使用CFD，也可以對(duì)后面的漩渦到紊流的轉(zhuǎn)變建模，該轉(zhuǎn)變極大地 受到在蓋及/或活塞中的燃燒室特征的形狀的影響。用于估計(jì)紊流水平的一 個(gè)參數(shù)是紊流動(dòng)能(TKE)，是所有渦流(無論大小)的總動(dòng)量的量度。
對(duì)于常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)，很大程度上是單獨(dú)對(duì)待這兩個(gè)過程的進(jìn)展的，因?yàn)?它們發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行周期中的不同時(shí)間，即，渦旋是在吸入沖程期間而 紊流是在壓縮沖程期間。然而，在分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)50中，因?yàn)榭諝鈴慕?換通道78到膨脹缸68的流入的發(fā)生與TDC如此之近，交換通道自身必須為 渦旋和紊流這兩者的產(chǎn)生負(fù)責(zé)。
對(duì)于常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)，合理且很好地構(gòu)造了適于產(chǎn)生漩渦的通道布置；然 而，之前并不知道是否這些相同地布置在分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)50中也有效。 另外，發(fā)動(dòng)機(jī)因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)50包括從膨脹缸68打開出的向外打開的提升 XovrE閥86，而常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎普遍地使用開向常規(guī)膨脹缸中的向內(nèi)打開 的提升閥，所以通道布置在分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)50中漩渦上的效果的不確定 性程度十分復(fù)雜。此外，之前并不知道漩渦產(chǎn)生如何與TKE相關(guān)。
并且，發(fā)動(dòng)機(jī)先前不知道圖7-9中示出的交換通道78的六種結(jié)構(gòu)的每一 個(gè)對(duì)在分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)50中的漩渦和紊流的效果。另外，由于有兩個(gè)單 獨(dú)的交換通道78，對(duì)每個(gè)膨脹缸68總計(jì)有至少36種可能的交換通道結(jié)構(gòu)組 合，同樣也不知道每個(gè)雙重交換通道結(jié)構(gòu)會(huì)如何影響渦旋和紊流。
參考圖IO，因此進(jìn)行了對(duì)排氣的預(yù)測性CFD研究，其中對(duì)于分開式循 環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)50為了最佳供料運(yùn)動(dòng)比較了36種交換通道結(jié)構(gòu)。圖表150示出該 研究的結(jié)果。數(shù)據(jù)方格166在圖表150的底部水平延伸并安排為36列和5行， 代表對(duì)雙重交換通道78的36個(gè)可能的參數(shù)組合。相對(duì)紊流動(dòng)能值沿圖表 150的左手側(cè)垂直走行，而相對(duì)渦旋比數(shù)值沿圖表150的右手側(cè)垂直走行。
在方格166內(nèi)，行156表示兩個(gè)交換通道78中的第一個(gè)的流道部分100 的切向(tan)或徑向(rad)取向，而行158表示兩個(gè)交換通道78中的第一 個(gè)的端部分102的順時(shí)針(cw)螺旋、逆時(shí)針(ccw)螺旋或定向(dir)
12結(jié)構(gòu)。同樣在方格166內(nèi)，行160表示兩個(gè)交換通道78中的第二個(gè)的流道部 分100的切向(tan)或徑向(rad)取向，而行162表示所述兩個(gè)交換通道 78中的第二個(gè)的端部分102的順時(shí)針(cw)螺旋、逆時(shí)針(ccw)螺旋或定 向(dir)結(jié)構(gòu)。行162把各種參數(shù)組合編號(hào)從1到36，以便于參考。這36 種組合的每一個(gè)在渦旋比和紊流動(dòng)能上的效果分別地在線152和154中繪 出。
觀察到一種普遍的趨勢，即，較高的渦流產(chǎn)生通道也產(chǎn)生較高水平的 TKE。在相同方向具有端部分旋轉(zhuǎn)的雙重切向螺旋通道，S口，行164中的 參數(shù)組合1和2，既產(chǎn)生最高水平的主體渦旋也產(chǎn)生最高水平的紊流動(dòng)能。
該預(yù)測性工作顯示出對(duì)于分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)50的膨脹缸68， 一種有 效的產(chǎn)生缸內(nèi)供料運(yùn)動(dòng)的手段是使用兩個(gè)切線螺旋交換通道78 (圖6中看 地最清楚)，并安排流道部分100相對(duì)于膨脹缸68的周邊切向地放出，并且 兩個(gè)螺旋端部分102在相同方向上旋轉(zhuǎn)(或順時(shí)針或逆時(shí)針)。從而，離開 每個(gè)通道的空氣的旋轉(zhuǎn)方向在相同方向。這樣，從每個(gè)通道出現(xiàn)的空氣的 動(dòng)能是相加的，因而在汽缸內(nèi)提供最高的主體運(yùn)動(dòng)同時(shí)產(chǎn)生最高水平的 TKE。
盡管圖4-6表述為示出本發(fā)明的示例性實(shí)施例，而加入圖7-10以示出所 進(jìn)行的擴(kuò)展研究以確定所考慮的各種端口布置中的哪一個(gè)被預(yù)測能提供 最高渦旋比和最高紊流動(dòng)能值，應(yīng)該承認(rèn)可以使用其他替代的具有包括本 發(fā)明的預(yù)期范圍中的特征的交換通道布置。
圖ll示出一個(gè)這種替代布置的例子，其中相同的附圖標(biāo)記用于表示與 圖4-6中所示的那些部件相同或相似的部件或特征。圖11示出發(fā)動(dòng)機(jī)170， 其基本與圖4 (特別是圖5)中示出的發(fā)動(dòng)機(jī)50相似。汽缸座、活塞和曲柄 機(jī)構(gòu)未示出但是可以與發(fā)動(dòng)機(jī)50的那些部件相同。在圖11中用點(diǎn)劃線66、 68示出壓縮缸和膨脹缸。
圖11的發(fā)動(dòng)機(jī)170還包括缸蓋70，其包括與發(fā)動(dòng)機(jī)50中的部件相似的 吸入通道76和吸入閥82、排氣通道80和排氣閥88以及火花塞92。還包括與 發(fā)動(dòng)機(jī)50的部件位置相似的雙重交換壓縮閥84和交換膨脹閥86。
發(fā)動(dòng)機(jī)170的不同之處在于雙重交換閥由變型的交換通道172連接， 該交換通道在交換閥84、 86之間限定公共的壓力室174。交換通道172形成有單個(gè)通道部分176，該通道部分與兩個(gè)交換壓縮閥84串行連通。通道部 分176然后分成至少第一分支178和第二分支180，每個(gè)通過切向的流道部 分182分別與交換膨脹閥86的一個(gè)連接。每個(gè)流道部分182與螺旋端部分 184連接，它們可以和發(fā)動(dòng)機(jī)50的流道部分100及端部分102相同。如在發(fā) 動(dòng)機(jī)50中一樣，燃料噴射器90被設(shè)置以將燃料噴射到螺旋端部分184附近 的交換通道172的各自分支中。
也可以有多種其他替代實(shí)施例。作為非限制性的例子，交換壓縮閥可 以連接到Y(jié)或X形交換通道，而這些分支被中心或端通道部分連接。交換 歧管將壓縮和膨脹汽缸對(duì)的不同數(shù)量的交換閥連接在一起，這也是可以 的，例如一個(gè)或多個(gè)交換壓縮閥到一個(gè)或更多交換膨脹閥。也可以考慮用 歧管連接多于一個(gè)汽缸對(duì)。同樣，如果希望，可以安裝燃料噴射器用于將 燃料直接地噴入膨脹缸而非噴入分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的交換通道。此外，將 燃料直接噴入分開式循環(huán)壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
雖然己經(jīng)參照特定實(shí)施例描述了本發(fā)明，應(yīng)該理解，可以在所描述的 該創(chuàng)造性概念的精神和范圍內(nèi)進(jìn)行許多改變。因此，本發(fā)明并不是要限于 所述實(shí)施例，而是具有由所附權(quán)利要求中的語言限定的全部范圍。
權(quán)利要求
1.一種分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，包括能夠圍繞所述發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸軸線旋轉(zhuǎn)的曲軸；壓縮活塞，所述壓縮活塞能夠滑動(dòng)地容納在壓縮缸內(nèi)并操作地連接到所述曲軸，從而在所述曲軸旋轉(zhuǎn)一圈的過程中所述壓縮活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過吸入沖程和壓縮沖程；膨脹活塞，所述膨脹活塞能夠滑動(dòng)地容納在膨脹缸內(nèi)并操作地連接到所述曲軸，從而在所述曲軸旋轉(zhuǎn)一圈的過程中所述膨脹活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過膨脹沖程和排氣沖程；及將所述壓縮缸和膨脹缸互連的螺旋交換通道，所述螺旋交換通道包括交換壓縮閥和交換膨脹閥，在所述交換壓縮閥和交換膨脹閥之間限定壓力室，在所述螺旋交換通道的下游部分中的基本直的流道部分，及螺旋端部分，所述螺旋端部分整體連接到所述流道部分并設(shè)置在所述交換膨脹閥上方，所述交換膨脹閥具有閥桿和頭部，所述螺旋端部分包圍圍繞所述閥桿盤旋的通風(fēng)道，其中所述通風(fēng)道強(qiáng)迫進(jìn)入的空氣在進(jìn)入所述膨脹缸之前圍繞所述閥桿旋轉(zhuǎn)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述螺旋交換通 道還包括一對(duì)螺旋交換通道，其中每對(duì)螺旋交換通道的所述螺旋端部分在 相同方向盤旋。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述流道部分是 切向流道部分，所述流道部分在相對(duì)于延伸通過所述膨脹缸的周邊中的最 靠近所述閥桿的點(diǎn)的切線在正或負(fù)20度內(nèi)平行的流動(dòng)通路中將空氣流引導(dǎo)進(jìn)所述螺旋端部分的所述通風(fēng)道中。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述對(duì)螺旋交換 通道還包括一對(duì)切向流道部分，所述一對(duì)切向流道部分在相對(duì)于延伸通過 所述膨脹缸的周邊中的最靠近每個(gè)閥桿的每一點(diǎn)處的每個(gè)切向線在正或 負(fù)20度內(nèi)平行的流動(dòng)通路中將空氣流引導(dǎo)進(jìn)每個(gè)所述螺旋端部分的所述通風(fēng)道中。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，每個(gè)螺旋端部分在順時(shí)針方向上盤旋。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，每個(gè)螺旋端部分 在逆時(shí)針方向上盤旋。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述交換膨脹閥 是向外打開的提升閥。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，還包括設(shè)置在所述交換 通道中的燃料噴射器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述交換通道還 包括從單個(gè)通道部分分出的至少第一分支和第二分支；其中所述第一分支包括所述流道部分和設(shè)置在所述交換膨脹閥上方 的所述螺旋端部分；及所述第二分支包括整體連接到第二端部分的第二流道部分，所述第二 端部分設(shè)置在第二交換膨脹閥上方。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述第二分支的所述第二端部分還包括與所述第一分支的所述螺旋端部分在相同方向 盤旋的第二螺旋端部分。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述第一分支 的所述流道部分和所述第二分支的所述第二流道部分包括一對(duì)切向流道 部分。
12. —種分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，包括能夠圍繞所述發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸軸線旋轉(zhuǎn)的曲軸；壓縮活塞，所述壓縮活塞能夠滑動(dòng)地容納在壓縮缸內(nèi)并操作地連接到 所述曲軸，從而在所述曲軸旋轉(zhuǎn)一圈的過程中所述壓縮活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過 吸入沖程和壓縮沖程；膨脹活塞，所述膨脹活塞能夠滑動(dòng)地容納在膨脹缸內(nèi)并操作地連接到 所述曲軸，從而在所述曲軸旋轉(zhuǎn)一圈的過程中所述膨脹活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過 膨脹沖程和排氣沖程；及將所述壓縮缸和膨脹缸互連的一對(duì)切向螺旋交換通道，每個(gè)切向螺旋交換通道包括交換壓縮閥和交換膨脹閥，在所述交換壓縮閥和交換膨脹閥之間 限定壓力室，設(shè)置在每個(gè)交換膨脹閥上方的螺旋端部分，每個(gè)交換膨脹閥具有 閥桿和頭部，每個(gè)螺旋端部分具有圍繞螺旋端部分的交換膨脹閥的所述閥 桿盤旋的通風(fēng)道，其中所述通風(fēng)道強(qiáng)迫進(jìn)入的空氣在進(jìn)入所述膨脹缸之前 圍繞所述閥桿旋轉(zhuǎn)，并且所述對(duì)螺旋交換通道的所述螺旋端部分在相同方 向盤旋，及整體連接到每個(gè)螺旋端部分的切線流道部分，所述切線流道部分 在相對(duì)于延伸通過所述膨脹缸的周邊中的最靠近所述閥桿的點(diǎn)的切線在 正或負(fù)20度內(nèi)平行的流動(dòng)通路中將空氣流引導(dǎo)進(jìn)所述螺旋端部分的所述 通風(fēng)道中。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，每個(gè)螺旋端部 分在順時(shí)針方向盤旋。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，每個(gè)螺旋端部分在逆時(shí)針方向盤旋。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，每個(gè)交換膨脹閥是向外打開的提升閥。
16. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，還包括設(shè)置在每個(gè)交 換通道中的燃料噴射器。
全文摘要
本發(fā)明公開一種發(fā)動(dòng)機(jī)，其具有曲軸。在壓縮缸內(nèi)的壓縮活塞被連接到曲軸從而壓縮活塞往復(fù)通過吸入沖程和壓縮沖程。在膨脹缸內(nèi)的膨脹活塞被連接到曲軸從而膨脹活塞往復(fù)通過膨脹沖程和排氣沖程。交換通道將壓縮缸和膨脹缸互連。該交換通道包括交換壓縮閥和交換膨脹閥。流道部分在交換通道的下游部分中，螺旋端部分被整體連接到流道部分。螺旋端部分具有圍繞交換膨脹閥的閥桿盤旋的通風(fēng)道。該通風(fēng)道強(qiáng)迫進(jìn)入的空氣在進(jìn)入膨脹缸之前圍繞閥桿旋轉(zhuǎn)，以提高在缸內(nèi)的空氣/燃料供料中的紊流動(dòng)能。
文檔編號(hào)F02B33/22GK101688466SQ200880022798
公開日2010年3月31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)明者加雷思·羅伯茨, 偉 李, 馬克·圖斯英 申請(qǐng)人:史古德利集團(tuán)有限責(zé)任公司