专利名称：米勒循环发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及使供气阀比下止点提前或延迟关闭而使压缩比小于膨胀比的米勒循环发动机，尤其是涉及提高供气压力而改善米勒循环的热效率的技术。
背景技术：
米勒循环发动机使供气阀比下止点提前或延迟关闭而将发动机的压缩比维持得小于膨胀比，由此避免爆震的发生并且有利于实现高的热效率。而且，实现大的膨胀比，使燃烧气体充分膨胀而能够更有效地将燃烧能量利用作为转矩。图7的实线所示的P-V线图是带有增压器的内燃机的P-V线图，表示以奥托循环为基础的供气提前关闭的米勒循环。由压缩行程(Ml)、燃烧 膨胀行程(IC)、排气行程(Μ； )、供气行程(M4)构成，在供气行程的P点，使供气阀比下止点在提前的时期关闭，由此，从P点开始沿着线ml膨胀，再次沿着线ml返回而压缩，然后，从P点开始沿着压缩行程(Ml)的线进行变化。其结果是，如图7下部所示，在压缩比的计算中使用的燃烧室容积的活塞行程成为Al，在膨胀比的计算中使用的燃烧室容积的活塞行程成为A2，能够使压缩比小于膨胀比。在此，针对图7的实线所示的当前的供气提前关闭的米勒循环，在考虑了热效率的提高时，通过增压器进行的供气加压，由供气行程(M4)和排气行程(ΙΟ)形成的M3 M4 的顺时针方向的袋状的闭循环(图7的斜线区域)形成对发动机表现出正的作功量的抽吸作功，因此提高该抽吸作功(扩大图7的斜线区域)对于热效率提高是有效的。可是，为了提高该抽吸作功而提高增压压力并使供气行程(M4)上升时，需要增压器的驱动源的排气压力的上升，结果是得到的抽吸作功与提高增压压力之前相比，并未获得大幅改善(图7的斜线区域仅向上方移动(h))另外，仅使增压压力上升的话，排气压也同样上升，而如图7所示那样，P-V线图的整体上升(图7的虚线)，缸内最高压力(Pmax)也上升。其结果是，可能会超过允许最高压力，会对发动机主体的机械强度或热负载造成坏影响。另一方面，作为与米勒循环发动机相关的发明，已知有专利文献1(日本特开平 7-305606号公报)、专利文献2 (日本特开2000-220480号公报)。该专利文献1所示的结构如图8所示，将来自米勒循环燃气发动机01的废气供给管03与蒸气产生装置05连接，在与该蒸气产生装置05连接的工作流体的循环配管07上设置蒸气涡轮09，在该蒸气涡轮09的输出轴011上设置向所述米勒循环燃气发动机01供给压缩空气的增压器013，以来自米勒循环燃气发动机01的燃烧废气为热源来驱动增压器 013，从而提高发动机输出。另外，在专利文献2中公开了一种具备串联的两级增压器的米勒循环发动机，还公开了在该米勒循环发动机中采用排气再循环(EGR)而抑制爆震并实现高燃料利用率的发明。
在先技术文献专利文献专利文献1日本特开平7-305606号公报专利文献2日本特开2000-220480号公报然而，在所述专利文献1、2中并未公开米勒循环发动机增大由排气行程和供气行程所形成的抽吸作功来改善热效率的技术。此外，如参照图7已经说明那样，仅提高增压器的增压压力的话，不仅无法得到抽吸作功产生的热效率的提高，而且还具有因缸内最高压力(Pmax)的上升而对发动机主体的机械强度或热负载造成坏影响的问题。
发明内容
因此，本发明鉴于所述问题点而作出，其课题在于提供一种米勒循环发动机，仅使供气压力上升或使供气压力比排气压力上升得大，来提高由供气行程和排气行程所形成的抽吸作功，并将缸内最高压力维持成与供气压力上升前大致相等，从而提高对于发动机主体的机械强度及热负载的可靠性。为了解决上述课题，本发明涉及一种米勒循环发动机，设有提高供气压力的增压器，并使供气阀比下止点提前或延迟关闭，而使压缩比小于膨胀比，所述米勒循环发动机的特征在于，具备供气阀可变机构，其控制所述供气阀的开闭阀时期；供气压力附加装置， 其对于由所述增压器加压的供气进一步附加性地、不伴随排气压力的上升而仅使供气压力上升，或伴随着排气压力的上升且使供气压力比排气压力上升得大；闭阀时期控制机构，其在由该供气压力附加装置所附加的供气压力越高时，越推进供气阀的闭阀时期，且维持为与附加前的缸内最高压力大致相同。根据上述发明，通过供气压力附加装置附加性地仅使供气压力上升或伴随着排气压力的上升时使供气压力比排气压力上升得大，来提高由供气行程和排气行程所形成的抽吸作功(扩大图4所示的斜线区域产生的抽吸作功的提高)，因此能够提高米勒循环发动机的热效率。另外，闭阀时期控制机构根据供气压力附加装置所附加的供气压力来变更供气阀的闭阀时期，在所附加的供气压力越高时，使供气阀的闭阀时期越推进，且维持为与附加前的缸内最高压力大致相同(图4所示的缸内最高压力(Pmax))，因此能够避免缸内最高压力的上升对于发动机主体的机械强度及热负载的弊病而提高可靠性。另外，在本发明中，优选的是，所述闭阀时期控制机构通过供气压力传感器来检测由所述增压器产生的供气压力与由所述供气压力附加装置产生的附加供气压力的总计供气压力，并基于检测值来控制供气阀的闭阀时期。如此，直接检测向发动机流入的供气的供气压力，通过该检测值来控制供气阀的闭阀时期，即，基于反映了大气温度、大气压、湿度等的外部气体条件的变化的供气压力的检测值来控制供气阀的闭阀时期，因此相对于外部气体条件的变化而能够准确地进行供气阀的闭阀时期控制。例如，当外部气体温度升高时，因空气密度的下降而供气压力下降，基于该下降后的压力值来控制供气阀的闭阀时期，因此附加供气压力起作用，而且即使外部气体条件较大地变动，也能够高精度地将缸内最高压力维持成附加供气压力作用前的缸内最高压力。另外，在本发明中，优选的是，所述供气压力附加装置使用发动机的再生能量而构成，通过使用再生能量，能够抑制发动机的排气压力的上升而仅使供气压力上升，或使供气压力上升成排气压力的上升以上。具体而言，再生能量是利用发动机的废气热量而产生的蒸气，通过利用该蒸气所驱动的蒸气涡轮的压缩器部，对所述增压器的上游侧生成附加供气压力。如此，利用废气热来产生蒸气，驱动蒸气涡轮，利用蒸气涡轮的压缩器部预先对供气进行加压而向增压器供给，由此能够不伴随排气压力的上升而提高供气压力，从而能够实现米勒循环中的由排气行程及供气行程所形成的抽吸作功的增大。另外，作为另一例，所述增压器由内置有发电机的混合增压器构成，再生能量是利用废气而发电的电力，利用该电力来驱动设置在供气通路上的供气鼓风机，由此生成附加供气压力。如此，通过由内置有发电机的混合增压器构成，利用废气的流动来生成电力，通过驱动设置在供气通路上的供气鼓风机，能够不伴随排气压力的上升或虽然伴随着排气压力的上升但也能够使供气压力比排气压力升高得大，从而能够实现米勒循环中的由排气行程及供气行程所形成的抽吸作功的增大。此外，作为又一例，将利用发动机的排气流作为再生能量进行驱动的前级增压器设置在所述增压器的上游侧，通过该前级增压器对所述增压器的上游侧生成附加供气压力。这种情况下，虽然伴随着排气压力的上升，不过，以供气压力的上升量大于为了驱动所述前级增压器而上升的排气压力的方式设定前级增压器的增压特性，由此，能够使供气压力比排气压力上升得大，从而能够提高米勒循环中的由排气行程及供气行程所形成的抽吸作功。发明效果本发明在设有提升供气压力的增压器的米勒循环发动机中，具备供气阀可变机构，其控制供气阀的开闭阀时期；供气压力附加装置，其对于由所述增压器产生的增压，附加性地仅使供气压力上升或在伴随着排气压力的上升时使供气压力比排气压力上升得大； 闭阀时期控制机构，其在该供气压力附加装置所附加的供气压力越高时，使供气阀的闭阀时期越推进，且维持为与附加前的缸内最高压力大致相同，由此，仅使供气压力上升或使供气压力比排气压力上升得大，从而能够提高由供气行程和排气行程所形成的抽吸作功而提高热效率。而且，由于将缸内最高压力维持成与供气压力上升前大致相等，因此能够提供一种避免对于发动机主体的机械强度及热负载的问题而提高了可靠性的米勒循环发动机。
图1是本发明的米勒循环发动机的第一实施方式的整体结构图。图2是第二实施方式的整体结构图。图3是第三实施方式的整体结构图。图4是说明本发明的米勒循环的P-V线图。图5是说明本发明的米勒循环的P-V线图。
图6是表示供气压力、排气压力、及燃料利用率的关系的说明图，(a)表示供气压力与排气压力的关系，(b)表示(a)所示的供气压力与排气压力的关系下的燃料利用率的关系。图7是说明现有的米勒循环的P-V线图。图8是现有技术的说明图。
具体实施例方式(第一实施方式)图1是本发明的第一实施方式的米勒循环发动机(以下称为发动机)2的整体结构图。在图1中，发动机2作为一例而说明四冲程燃气发动机，不过，并不局限于燃气发动机。在发动机主体的汽缸4内，具备以往复滑动自如的方式嵌合的活塞6、将该活塞6 的往复移动经由未图示的连杆而转换成旋转的曲轴，而且，具备在活塞6的上表面与汽缸盖8的内表面之间划分形成的燃烧室10、与该燃烧室10连接的供气口 12、对该供气口 12 进行开闭的供气阀14，还具备与所述燃烧室10连接的排气口 16、对该排气口 16进行开闭的排气阀18。另外，关于燃料气体的供给装置及点火装置虽然未图示，但燃料气体与从增压器 (排气增压器)20的压缩器部20a供给的压缩空气混合，预先以混合气体的状态通过供气口 12及供气阀14向燃烧室10供给，通过点火装置进行点火。从增压器20的压缩器部20a经由供气通路K2向供气口 12供给压缩空气，在该供气通路K2设有空气冷却器22。而且，排气口 16经由排气通路Ll而与增压器20的涡轮部 20b连接。通过了涡轮部20b的废气经由排气通路L2被导向第一换热器24(蒸气产生器)， 在该第一换热器(蒸气产生器)M中对从外部供给来的供水进行加热而使产生蒸气。而且， 由冷却水管Cl供给的发动机冷却水经由冷却水管C2被导向第二换热器(蒸气产生器)26， 对从外部供给的供水进行加热而产生蒸气。由第一换热器M及第二换热器沈产生的蒸气经由蒸气管S向蒸气涡轮(供气压力附加装置)28的涡轮部28b供给，驱动与涡轮部^b同轴状设置的压缩器部28a而对供气进行加压。为了将该加压后的供气向增压器20的压缩器部20a供给并进一步加压，而通过蒸气涡轮观的压缩器部28a和增压器20的压缩器部20a这两级增压构成。如此，利用废气热来产生蒸气，驱动蒸气涡轮观，利用蒸气涡轮观的压缩器部^a 预先对供气进行加压而向增压器20供给，由此，不用使排气压力上升就能够提高供气压力。另外，通过了蒸气涡轮观的涡轮部28b后的蒸气由凝气器30进行冷却冷凝，再次作为供水向第一换热器M及第二换热器26供给。在供气通路K2的供气口 12附近设有供气压力传感器32，测定流入到燃烧室10内的供气压力。即，供气行程开始时的供气通路K2内的压力作为检测信号向闭阀时期控制机构34输入。该闭阀时期控制机构34基于压力检测值来算出最佳的供气阀14的闭阀时期，向供气阀可变机构36输出控制信号。该闭阀时期控制机构34具有闭阀时期控制映像38，该闭阀时期控制映像38设定有与供气压力传感器32检测到的供气压力对应的供气阀14的闭阀时期。如图4所示，相对于由增压器20形成的排气行程(ΙΟ)时的排气压力Wi和供气行程(M4)时的供气压力Pk，通过作为供气压力附加装置的蒸气涡轮观附加性地加压的供气压力的上升量作为Δ P被附加而成为供气行程(Μ5)时的压力。因此，利用供气压力传感器32来检测增压器20产生的供气压力1 与蒸气涡轮28 产生的附加供气压力ΔΡ的总计供气压力(Pk+Δ P)，基于该检测值来控制供气阀14的闭阀时期。在闭阀时期控制映像38中预先设定有总计供气压力(Pk+AP)与供气阀的闭阀时期的关系。供气阀14的闭阀时期沿着图4的压缩行程(Ml)的线进行压缩行程，即，将缸内最高压力(Pmax)维持成与蒸气涡轮观产生的附加供气压力作用之前大致同等，因此根据总计供气压力(Pk+△ P)的大小，来改变压缩行程(Ml)的线上的压缩行程的起点位置。然后，对应于该起点位置而使供气阀14的闭阀时期提前或延迟。S卩，在闭阀时期控制映像38中预先设定有总计供气压力(Pk+AP)与供气阀14的闭阀时期的关系，以便于沿着附加供气压力作用之前的压缩行程(Ml)的线上开始压缩行程。另外，供气压力传感器32直接检测向燃烧室10流入的供气的供气压力，利用该检测值来控制供气阀14的闭阀时期，即，将大气温度、大气压、湿度等的外部气体条件的变化的影响反映到供气压力中，因此相对于外部气体条件的变化，能够准确地修正供气阀的开阀时期，相对于外部气体条件的变化，能够将缸内最高压力(Pmax)维持成恒定。例如图5所示，外部气体温度升高，因空气密度的下降而供气压力下降，在基于总计供气压力(Pk+AP) = 的供气行程(M6)时，将供气阀闭时期设定为Tb，而且外部气体温度降低，空气密度升高，在基于总计供气压力(Pk+ΔΡ) = &的供气行程(M7)时，将供气阀闭时期设定为Ta。需要说明的是，Pc、Tc表示未进行基于蒸气涡轮观的附加性的加压的情况。如以上那样，基于预先设定的总计供气压力(Pk+AP)来进行供气阀14的最佳的闭阀时期控制，因此即使在附加供气压力作用的情况下，即使在外部气体条件变化的情况下，也在附加供气压力作用之前的压缩行程(Ml)线上推进，因此高精度地将缸内最高压力 (Pmax)维持成恒定。在此，参照图6(a)、(b)，说明不使排气压力上升而仅提升供气压力时或使供气压力比排气压力上升得大时的抽吸作功。该图6表示模拟计算结果，图6(a)是在恒定的增压压力状态下，将横轴设为曲轴角度来表示供气压力与排气压力的变化状况的图，图6(b)是表示燃料利用率的图。图6(a)的特性曲线的底部的位置大致表示下止点，从该下止点位置朝向左侧的方向是推进供气阀14的闭阀时期的方向。如该图6(a)所示可知，在计算结果中，增压器的节流度恒定，随着闭阀时期推进， 增压器效率提高而供气压力与排气压力的差压变大，图4所示的排气行程(ΙΟ)与供气行程 (M5)的差压变宽，能够增大抽吸作功量。需要说明的是，实际上，在增压器效率提高方面存在极限，因此未必能得到图6(a)那样的差压的增大，不过在计算中可以确认上述那样的倾向。表示燃料利用率特性的图6(b)与图6(a)同样地将横轴设为曲轴角度，从下止点位置朝向左侧表示供气阀14的闭阀时期推进的方向。可知随着闭阀时期推进而燃料消耗率下降。而且，在计算上，假定为排气压力的上升完全未发生时，位于图(a)、(b)的Q点，在燃料利用率中也确认到了较大的下降。根据以上的第一实施方式，作为来自发动机主体的再生能量，通过使用排气热量及加热后的发动机冷却水热量而产生的蒸气，由此能够抑制排气压力的上升而仅使供气压力上升。如此，通过利用了排气热量及加热后的发动机冷却水热量的蒸气涡轮观，能够附加性地仅使供气压力上升，因此能够提高由供气行程(MO和排气行程(Μ； )所形成的抽吸作功(图4的斜线区域)，从而能够提高米勒循环发动机的热效率。需要说明的是，在第一实施方式中，通过第一换热器(蒸气产生器) 和第二换热器(蒸气产生器)26这两者产生了蒸气，不过也可以仅利用任一方，即利用排气热量或加热后的发动机冷却水热量的一方来产生。另外，闭阀时期控制机构34根据由蒸气涡轮观附加的供气压力来变更供气阀14 的闭阀时期，附加的供气压力越高而供气阀14的闭阀时期越推进，维持成与附加前的缸内最高压力大致相同(图4的缸内最高压力(Pmax))，因此能够避免缸内最高压力的上升对发动机主体的机械强度及热负载的弊病而提高可靠性。(第二实施方式)参照图2，说明第二实施方式。第二实施方式使用通过排气而生成的电力作为发动机的再生能量。如图2所示，增压器由内置有发电电动机50的混合增压器52构成，通过利用废气而发电的电力，来驱动设置在混合增压器52的上游侧的供气通路Kl上的供气鼓风机54，从而生成附加供气压力。混合增压器52由压缩器部5 和涡轮部52b构成，在压缩器部52a内置有发电电动机50。通过压缩器部52a的旋转而发电，发电电力通过电力供给线M，向驱动供气鼓风机 54的鼓风机电动机56供给。鼓风机电动机56的转速控制使用未图示的逆变器或增减速齿轮进行。另外，也可以从外部向发电电动机50供给电力W，使混合增压器52的压缩器部 52a自身的旋转增速而产生附加供气压力。根据第二实施方式，由于通过混合增压器52和供气鼓风机M构成供气压力附加装置，因此不像第一实施方式那样使用产生蒸气的蒸气产生器，能够得到简单且不用大型化的供气压力附加装置。另外，通过由内置有发电电动机50的混合增压器52构成，而利用废气的流动来生成电力，驱动设置在供气通路Kl上的供气鼓风机M，因此未伴随着排气压力的上升、或虽然伴随着排气压力的上升但也能够使供气压力比排气压力上升得大，可以说是与第一实施方式同样的作用效果。
(第三实施方式)接下来，参照图3，说明第三实施方式。该第三实施方式利用排气作为发动机的再生能量来驱动前级增压器60。即，取代第一实施方式中说明的蒸气涡轮观而设置前级增压器60。如图3所示，通过了增压器20的涡轮部20b后的废气向前级增压器60的涡轮部 60b流入，驱动与该涡轮部60b同轴状设置的前级增压器60的压缩器部60a而对供气进行加压。为了将该加压后的供气向增压器20的压缩器部20a供给并进一步加压，而通过前级增压器60的压缩器部60a和增压器20的压缩器部20a这两级增压构成。另外，在将前级增压器60的压缩器部60a和增压器20的压缩器部20a连结的供气通路Kl上设有空气冷却器62。根据第三实施方式，由于通过前级增压器60来构成供气压力附加装置，因此不像第一实施方式那样使用产生蒸气的蒸气产生器，能够得到简单且不用大型化的供气压力附加装置。在第三实施方式中，图4所示的排气行程(M3)时的排气压力Wi由增压器20和前级增压器60形成，因此排气压力上升为Ph+Δ W1，不过，相对于供气行程(Μ4)时的供气压力Pk，附加了作为供气压力附加装置的前级增压器60产生的上升量的Δ P而成为供气行程(MQ时的压力，因此该供气压力的上升量的△ P若大于为了驱动所述前级增压器60而上升的排气压力八Ph (若以变大的方式设定前级增压器60的增压特性)，则总体来说，排气行程(Μ3)与供气行程(Μ5)的差压变大，从而能够增大抽吸作功量。即，不是不使排气压力上升而仅提升供气压力的情况，而是使供气压力的上升量 Δ P比排气压力的上升量Δ W1上升得大，由此能够增大抽吸作功量。关于其他的作用效果， 可以说与第一实施方式相同。工业实用性本发明在具备增压器的米勒循环发动机中，仅使供气压力上升或使供气压力比排气压力上升得大，来提高由供气行程和排气行程所形成的抽吸作功，并将缸内最高压力维持成与供气压力上升前大致相等，从而提高对于发动机主体的机械强度及热负载的可靠性，因此适合利用于米勒循环发动机。
权利要求
1.一种米勒循环发动机，设有提高供气压力的增压器，并使供气阀比下止点提前或延迟关闭，而使压缩比小于膨胀比，所述米勒循环发动机的特征在于，具备供气阀可变机构，其控制所述供气阀的开闭阀时期；供气压力附加装置，其对于由所述增压器加压的供气进一步附加性地、不伴随排气压力的上升而仅使供气压力上升，或伴随着排气压力的上升且使供气压力比排气压力上升得大；闭阀时期控制机构，其在由该供气压力附加装置所附加的供气压力越高时，越推进供气阀的闭阀时期，且将缸内最高压力维持为与附加前的缸内最高压力大致相同。
2.根据权利要求1所述的米勒循环发动机，其特征在于，所述闭阀时期控制机构通过供气压力传感器来检测由所述增压器产生的供气压力与由所述供气压力附加装置产生的附加供气压力的总计供气压力，并基于检测值来控制供气阀的闭阀时期。
3.根据权利要求1所述的米勒循环发动机，其特征在于，所述供气压力附加装置使用发动机的再生能量而构成。
4.根据权利要求3所述的米勒循环发动机，其特征在于，再生能量是利用发动机的废气热量而产生的蒸气，通过利用该蒸气所驱动的蒸气涡轮的压缩器部，对所述增压器的上游侧生成附加供气压力。
5.根据权利要求3所述的米勒循环发动机，其特征在于，所述增压器由内置有发电机的混合增压器构成，再生能量是利用废气而发电的电力， 利用该电力来驱动设置在供气通路上的供气鼓风机，由此生成附加供气压力。
6.根据权利要求3所述的米勒循环发动机，其特征在于，将利用发动机的排气流作为再生能量进行驱动的前级增压器设置在所述增压器的上游侧，通过该前级增压器对所述增压器的上游侧生成附加供气压力。
全文摘要
在米勒循环发动机中，使供气压力上升而提高热效率，并维持缸内最高压力而维持对于发动机主体的机械强度及热负载的可靠性。米勒循环发动机的特征在于，具备供气阀可变机构(36)，其控制供气阀(14)的开闭阀时期；作为供气压力附加装置的蒸气涡轮(28)，其对于由增压器(20)产生的增压，附加性地仅使供气压力上升，或使供气压力比排气压力上升得大；闭阀时期控制机构(34)，其在由该蒸气涡轮(28)所附加的供气压力越高时，推进供气阀(14)的闭阀时期，且维持为与附加前的缸内最高压力大致相同。
文档编号F02D15/00GK102575589SQ20108004627
公开日2012年7月11日 申请日期2010年10月5日 优先权日2009年10月16日
发明者小田健次郎, 石田道靖, 长面川升司 申请人:三菱重工业株式会社