分裂循环发动机中的线轴梭子跨接阀的制作方法

文档序号:9872142阅读:458来源:国知局
分裂循环发动机中的线轴梭子跨接阀的制作方法
【专利说明】分裂循环发动机中的线轴梭子跨接阀
[0001 ] 相关申请案的交叉参考
[0002]本申请案主张2013年7月17日提出申请的第61/847,551号美国临时申请案的权益,所述美国临时申请案的内容以其全文引用方式并入本文中。
技术领域
[0003]本发明一般来说涉及还称作分裂循环发动机的分裂循环内燃机,且更具体来说涉及跨接阀。
【背景技术】
[0004]常规内燃机包含一或多个汽缸。每一汽缸包含执行四个冲程(通常称为进气、压缩、燃烧/动力/膨胀及排气冲程)的单个活塞。这四个冲程一起形成常规内燃机的完整循环。然而,所述循环的每一部分以不同方式受从工作流体排斥到活塞及汽缸壁中的热影响:在进气及压缩期间,高排热速率改进速率,然而在燃烧/膨胀期间,极少或无排热引起最好效率。单个汽缸无法满足此冲突要求,因为活塞及汽缸壁温度在每一循环内无法容易地从冷改变到热且变回到冷。常规内燃机的单个汽缸无法作为压缩机(需要冷环境以用于最优效率性能)及燃烧器/膨胀器(需要热环境及工作流体的最优膨胀以用于最优效率性能)两者同时及在同一空间处被优化。
[0005]常规内燃机具有低燃料效率-燃料能量的二分之一以上通过发动机结构及排气出口而丢失,而不添加任何有用机械功。常规内燃机中的热浪费的主要原因是必要冷却系统(例如,散热器),所述冷却系统单独以大于实际上变换成有用功的总热的速率及量耗散热。此外,常规内燃机能够通过在汽缸、活塞及燃烧室中采用低排热方法且通过添加实质复杂度及成本的废热恢复方法来仅最低限度地增加效率。
[0006]进一步低效率由在进气及压缩冲程期间汽缸中的高温造成。此高温降低发动机体积效率且使活塞做功更难,且因此在这些冲程期间降低效率。
[0007]理论上,大于压缩比率的膨胀比率将大大地增加内燃机中的发动机效率。在常规内燃机中,最大膨胀比率通常与最大压缩比率相同。此外,常规手段可仅经由阀定时允许压缩比率的减小(米勒及阿特金森循环,举例来说)且可比效率增加低效,此在所有四个冲程尚未在单个汽缸中执行的情况下是可能的。
[0008]常规内燃机的另一缺点是不完整化学燃烧过程,此降低效率且导致有害废气排放。
[0009]为解决这些问题,其他人先前已揭示了双活塞燃烧发动机配置。举例来说,卡萨迪(Casaday)的第I,372,216号美国专利揭示一种双活塞燃烧发动机,其中汽缸及活塞布置成相应对。点火汽缸的活塞在压缩汽缸的活塞之前移动。瑟斯顿(Thurston)等人的第3,880,126号美国专利揭示一种双冲程分裂循环内燃机。引入汽缸的活塞在动力汽缸的活塞之前移动稍微小于二分之一冲程。引入汽缸压缩进料,且将进料转移到动力汽缸,其中所述进料与来自先前循环的燃烧过的产品的残余进料混合,且在点火之前进一步被压缩。斯库德里(Scuderi)的第2003/0015171 Al号美国专利申请案揭示一种四冲程循环内燃机。第一汽缸(动力汽缸)内的动力活塞连接到曲轴且执行四冲程循环的动力及排气冲程。第二汽缸(压缩汽缸)内的压缩活塞也连接到曲轴且在曲轴的同一旋转期间执行四冲程循环的进气及压缩冲程。第一汽缸的动力活塞在第二汽缸的压缩活塞之前移动。苏(Suh)等人的第6,880,501号美国专利揭不一种具有一对汽缸的内燃机,每一汽缸含有连接到曲轴的活塞。一个汽缸适用于进气及压缩冲程。另一汽缸适用于动力及排气冲程。布拉克特(Brackett)的第5,546,897号美国专利揭示一种可执行双发动机、四发动机或柴油机动力循环的多汽缸往复式活塞内燃机。

【发明内容】

[0010]然而,上文所描述的参考文献未能揭示如何使用以高密封水平耐用的阀系统以及时方式且在不具有从压缩汽缸到动力汽缸的压力损失的情况下有效地管理工作流体的转移。另外,这些参考文献中所揭示的单独汽缸全部由某种转移阀或中间通路(连接管)连接,所述转移阀或中间通路在汽缸之间产生实质体积的“死空间”,从而减小低于常规发动机的有效压缩比率的发动机的有效压缩比率。
[0011]鉴于现在存在于现有技术中的已知类型的内燃机中固有的前述缺点,本文中所描述的实施例包含线轴梭子跨接阀与燃烧室(SSCVCC)内燃机,其利用具有比常规内燃机更高效地将燃料能量转换成机械做功的可能性的温度区分的汽缸。一些示范性实施例利用新颖SSCVCC来促进工作流体从压缩室到燃烧室的高效且可靠转移。尽管使用线轴梭子跨接阀,但在一些例子中,为证明实施例的一些益处,应认识到,权利要求书可不限于线轴梭子阀且可包含其它阀。
[0012]在示范性实施例中,具有SSCVCC的内燃机包含耦合到第二汽缸的第一汽缸、定位于所述第一汽缸内且经配置以执行进气及压缩冲程而非排气冲程的第一活塞及定位于所述第二汽缸内且经配置以执行动力及排气冲程而非进气冲程的第二活塞。
[0013]或者,所述第一及第二汽缸可被视为可通过SSCVCC的往复式运动直接或间接耦合的两个单独室,其中所述第一活塞驻留在所述第一室中且所述第二活塞驻留在所述第二室中且所述线轴梭子内的所述燃烧室为第三室。
[0014]在又一示范性实施例中,分裂循环发动机进一步包含耦合到所述第一汽缸的进气阀、耦合到所述第二汽缸的排气阀及将所述第一汽缸的内室直接或间接耦合(经由分离燃烧室,其为线轴的部分)到所述第二汽缸的内室的SSCVCC。
[0015]在又一示范性实施例中,所述发动机包含两个活塞连接杆、压缩曲轴、动力曲轴及两个曲轴连接杆。所述连接杆将相应活塞连接到其相应曲轴。所述压缩曲轴将旋转运动转换成所述第一活塞的往复式运动。所述动力曲轴将第二活塞往复式运动转换成发动机旋转输出运动。所述压缩曲轴相对角度相对于所述动力曲轴相对角度可通过实施相位角度延迟(相位滞后)而彼此不同使得所述动力汽缸的所述活塞在所述压缩汽缸的所述活塞之前移动。在一些示范性实施例中,所述相位滞后可为使得所述压缩汽缸的所述活塞在所述动力汽缸的所述活塞之前移动。在再一实施例中,所述压缩汽缸的所述活塞及所述动力汽缸的所述活塞同相(无相位滞后)移动。所述曲轴连接齿轮机构将所述动力曲轴旋转转变成压缩曲轴旋转。所述两个活塞及两个汽缸可彼此直列(平行)或彼此对置地经设计。在具有所述两个活塞及两个汽缸的直列配置的一个此类实施例中,可安装低导热材料的绝缘层(举例来说)以分离相对冷的压缩汽缸与相对热的动力汽缸,如此项技术中通常已知。
[0016]在又一示范性实施例中,分裂循环发动机进一步包含耦合到所述第一汽缸的进气端口、耦合到所述第二汽缸的排气端口。所述进气端口及排气端口通过所述SSCVCC的所述往复式运动打开及关闭。所述SSCVCC将所述第一汽缸的内室直接或经由为所述线轴线轴的部分的分离燃烧室间接耦合到所述第二汽缸的内室。
[0017]在一些示范性实施例中,所述SSCVCC可由数个组件构造:线轴汽缸、线轴梭子、位于所述线轴梭子内的燃烧室、燃烧室端口、压缩侧上的线轴环、膨胀侧上的线轴环、安装于所述线轴汽缸中的固定(缩回)环、线轴连接杆及线轴曲轴、进气端口及排气端口。所述燃烧室可取决于所述线轴的相对位置而耦合到压缩室及膨胀室或从压缩室及膨胀室解耦作为所述线轴往复式运动的部分。
[0018]在示范性实施例中,分裂循环发动机包含:第一汽缸,其装纳第一活塞,其中所述第一活塞执行进气冲程及压缩冲程,但不执行排气冲程;第二汽缸,其装纳第二活塞,其中所述第二活塞执行膨胀冲程及排气冲程,但不执行进气冲程;及阀室,其装纳阀,所述阀包括选择性地以流体方式耦合到所述第一及第二汽缸的内室,其中所述阀及内室在所述阀室内且相对于所述第一及第二汽缸移动。
[0019]在一些示范性实施例中,所述内室在所述阀的移动期间与所述第一汽缸以流体方式耦合且与所述第二汽缸以流体方式耦合。
[0020]在一些示范性实施例中,在所述阀的移动期间,所述内室同时以流体方式耦合到所述第一及第二汽缸,且所述阀及内室在所述内室同时以流体方式耦合到所述第一及第二汽缸时的15个曲轴角度内具有最大速度及最小加速度。在一些进一步实施例中,所述阀及内室在所述内室同时以流体方式耦合到所述第一及第二汽缸时具有最大速度及最小加速度。
[0021]在一些示范性实施例中,所述阀既不与所述第一汽缸也不与所述第二汽缸同时以流体方式耦合,且所述阀及内室在所述内室既不与所述第一汽缸也不与所述第二汽缸以流体方式耦合时的15个曲轴角度内具有最大速度及最小加速度。在一些进一步示范性实施例中,所述阀及内室在所述内室既不与所述第一汽缸也不与所述第二汽缸以流体方式耦合时具有最大速度及最小加速度。
[0022]在一些示范性实施例中,所述第一活塞在所述内室以流体方式耦合到所述第一汽缸时到达其上死点。
[0023]在一些示范性实施例中,所述第一汽缸具有用以接收空气/燃料混合物的进气端口。在一些进一步示范性实施例中,所述进气端口由所述阀的表面关闭。在一些示范性实施例中,所述进气端口由提升阀关闭。
[0024]在一些示范性实施例中,火花塞起始燃烧。在一些进一步示范性实施例中,所述火花塞定位于所述阀上且经配置以在所述内室内形成火花。在一些进一步示范性实施例中,所述火花塞定位于所述阀室中且所述阀包含与所述火花塞对准以在所述内室内起始燃烧的燃烧端口。
[0025]在一些示范性实施例中,所述发动机经配置以通过压缩流体来起始燃烧。
[0026]在一些示范性实施例中,在所述第二活塞到达其上死点之前所述第一活塞到达其上死点。
[0027]在一些示范性实施例中,在所述第一活塞到达其上死点之前所述第二活塞到达其上死点。
[0028]在一些示范性实施例中,所述第一及第二活塞同时到达其相应上死点。
[0029]在一些示范性实施例中,所述发动机包含所述阀与所述阀室之间的密封环。在一些进一步示范性实施例中,所述密封环不相对于所述阀室移动。在一些进一步示范性实施例中,所述密封环相对于所述阀室移动。在一些示范性实施例中,所述密封环包含不相对于所述阀室移动的第一密封环及相对于所述阀室移动的第二密封环。
[0030]在一些示范性实施例中,所述阀具有将所述内室同时以流体方式耦合到所述第一及第二汽缸的端口。
[0031]在一些示范性实施例中,所述阀具有将所述内室以流体方式耦合到所述第一汽缸的第一端口及将所述内室以流体方式耦合到所述第二汽缸的第二端口。
[0032]在一些示范性实施例中,在所述第一活塞处于其下死点时所述第一汽缸的内部体积大于在所述第二活塞处于其下死点时所述第二汽缸的内部体积。
[0033]在一些示范性实施例中,在所述第一活塞处于其下死点时所述第一汽缸的内部体积小于在所述第二活塞处于其下死点时所述第二汽缸的内部体积。
[0034]在一些示范性实施例中,所述发动机包含:第一曲轴,其耦合到所述第一活塞;第二曲轴,其耦合到所述第二活塞;曲轴连接机构,其耦合到所述第一及第二曲轴且经配置以平移所述第一与第二曲轴之间的运动,所述曲轴连接机构包括具有分别耦合到所述第一及第二曲轴的第一及第二端的曲轴连接杆。
[0035]在一些示范性实施例中,所述发动机包含耦合到所述第一及第二活塞的曲轴。
[0036]在一些示范性实施例中,所述发动机包含:第一曲轴,其耦合到所述第一活塞;第一齿轮,其耦合到所述第一曲轴;第二曲轴,其耦合到所述第二活塞;第二齿轮,其耦合到所述第二曲轴;第三齿轮,其耦合到所述第一及第二齿轮且经配置以平移所述第一与第二齿轮之间的运动。
[0037]在一些示范性实施例中,所述内室、压缩室及膨胀室经定大小以最小化死空间。
[0038]在一些示范性实施例中,处于上死点的所述第一汽缸的内部体积小于处于下死点的所述第一汽缸的内部体积的五十分之一。
[0039]在一些示范性实施例中,处于上死点的所述第二汽缸的内部体积小于处于下死点的所述第二汽缸的内部体积的五十分之一。
[0040]在一些示范性实施例中,所述第一及第二汽缸布置成选自直列配置、对置配置及V形配置的配置。
[0041]在一些示范性实施例中,所述阀及内室在所述阀室内线性地且往复地移动。在一些进一步示范性实施例中,所述阀为线轴阀。
[0042]在一些示范性实施例中,所述第一及第二汽缸彼此热隔离且所述第一汽缸维持在比所述第二汽缸冷的温度。
[0043]在一些示范性实施例中,所述第一汽缸包含位于所述第一汽缸的外部表面上的多个空气冷却肋及在所述第一汽缸的壳体内的多个液体冷却通路。在一些进一步示范性实施例中,所述发动机包含在所述空气冷却肋及液体冷却通路内的液体冷却剂,且其中所述液体冷却剂的温度是机械控制或电控制的。
[0044]在一些示范性实施例中,所述第二汽缸包含用于利用所述第二活塞排出的废气所提供的热来进一步加热所述第二汽缸的多个排气加热通路且与周围环境热隔离以便减少热能从所述第二汽缸的泄漏。
[0045]在一些示范性实施例中,所述阀及内室在所述阀室内旋转。在一些示范性进一步实施例中,所述阀及内室在所述阀室内线性地以及旋转地移动。
[0046]在一些示范性实施例中,所述发动机包含:第三汽缸,其装纳第三活塞,其中所述第三活塞执行膨胀冲程及排气冲程,但不执行进气冲程,且其中所述内室选择性地以流体方式耦合到所述第一、第二及第三汽缸,且其中所述阀及内室相对于所述第三汽缸移动。
[0047]在示范性实施例中,一种操作燃烧发动机的方法包含:压缩第一汽缸中的工作流体;将所述工作流体转移到阀的内室;及将所述工作流体转移到第二汽缸。在一些示范性实施例中,所述第一汽缸装纳执行进气冲程及压缩冲程但不执行排气冲程的第一活塞。在一些示范性实施例中,所述第二汽缸装纳执行膨胀冲程及排气冲程但不执行进气冲程的第二活塞。
[0048]在一些示范性实施例中,将所述工作流体转移到所述内室包含将所述压缩工作流体从所述第一汽缸转移到所述内室。在一些示范性实施例中,将所述工作流体转移到所述第二汽缸包含将所述压缩工作流体从所述内室转移到所述第二汽缸。所述阀可装纳于所述发动机的阀室中。所述阀及内室可在所述发动机的所述阀室内且相对于所述第一及第二汽缸移动。
[0049]在一些示范性实施例中,所述阀及内室在所述阀室内且相对于所述第一及第二汽缸线性地且往复地移动。在一些示范性实施例中,所述阀具有将所述内室同时以流体方式耦合到所述第一及第二汽缸的端口。
[0050]在一些示范性实施例中,所述方法进一步包含:在所述阀的移动期间,以流体方式耦合所述第一汽缸与所述内室而不以流体方式耦合所述内室与所述第二汽缸。
[0051]在所述方法的一些示范性实施例中,所述阀及内室在所述内室同时以流体方式耦合到所述第一及第二汽缸时的15个曲轴角度内包含最大速度及最小加速度。
[0052]在所述方法的一些示范性实施例中,所述阀及内室在所述内室同时以流体方式耦合到所述第一及第二汽缸时包含最大速度及最小加速度。
[0053]在所述方法的一些示范性实施例中,所述第一汽缸具有进气端口,且所述方法包含通过所述进气端口接收空气/燃料混合物。在一些示范性实施例中,所述方法进一步包含用所述阀的表面关闭所述进气端口。在一些示范性实施例中,所述方法进一步包含用提升阀关闭所述进气端口。
[0054]在所述方法的一些示范性实施例中,所述第二汽缸具有排气端口,且所述方法包含通过所述排气端口排出已燃烧气体。在一些示范性实施例中,所述方法进一步包含用所述阀的表面关闭所述排气端口。在一些示范性实施例中,所述方法进一步包含用提升阀关闭所述排气端口。
[0055]在一些示范性实施例中,所述方法进一步包含用火花塞起始燃烧。在所述方法的一些示范性实施例中,所述火花塞定位于所述阀上且所述方法包含用所述火花塞在所述内室内形成火花。在所述方法的一些示范性实施例中,所述火花塞定位于所述阀室中且所述阀包含与所述火花塞对准以在所述内室内起始燃烧的燃烧端口。
[0056]在一些示范性实施例中,所述方法进一步包含通过压缩流体来起始燃烧。
[0057]在所述方法的一些示范性实施例中,在第二活塞到达其上死点之前第一活塞到达其上死点。在所述方法的一些示范性实施例中,在所述第一活塞到达其上死点之前第二活塞到达其上死点。在所述方法的一些示范性实施例中,所述第一及第二活塞同时到达其相应上死点。
[0058]在所述方法的一些示范性实施例中,所述发动机包含所述阀与所述阀室之间的密封环。在所述方法的一些进一步实施例中,所述密封环不相对于所述阀室移动。在所述方法的一些进一步实施例中,所述密封环相对于所述阀室移动。在所述方法的一些进一步实施例中,所述密封环包含不相对于所述阀室移动的第一密封环及相对于所述阀室移动的第二密封环。
[0059]在所述方法的一些示范性实施例中,在第一活塞处于其下死点时所述第一汽缸的内部体积大于在第二活塞处于其下死点时所述第二汽缸的内部体积。在所述方法的一些进一步实施例中,在所述第一活塞处于其下死点时所述第一汽缸的内部体积小于在所述第二活塞处于其下死点时所述第二汽缸的内部体积。
[0060]在所述方法的一些示范性实施例中,所述发动机包含:第一曲轴,其耦合到第一活塞;第二曲轴,其耦合到第二活塞;曲轴连接机构,其耦合到所述第一及第二曲轴且经配置以平移所述第一与第二曲轴之间的运动,所述曲轴连接机构包含具有分别耦合到所述第一及第二曲轴的第一及第二端的曲轴连接杆。
[0061]在所述方法的一些示范性实施例中,所述发动机包含耦合到第一及第二活塞的单个曲轴。
[0062]在所述方法的一些示范性实施例中,所述发动机包含:第一曲轴,其耦合到第一活塞;第一齿轮,其耦合到所述第一曲轴;第二曲轴,其耦合到第二活塞;第二齿轮,其耦合到所述第二曲轴;及第三齿轮,其耦合到所述第一及第二齿轮且经配置以平移所述第一与第二齿轮之间的运动。
[0063]在所述方法的一些示范性实施例中,所述内室、压缩室及膨胀室经定大小以最小化死空间。
[0064]在所述方法的一些示范性实施例中,在第一活塞处于上死点时所述第一汽缸的内部体积小于在所述第一活塞处于下死点时所述第一汽缸的内部体积的五十分之一。在所述方法的一些示范性实施例中,在第二活塞处于上死点时所述第二汽缸的内部体积小于在所述第二活塞处于下死点时所述第二汽缸的内部体积的五十分之一。
[0065]在所述方法的一些示范性实施例中,所述第一及第二汽缸布置成选自直列配置、对置配置及V形配置的配置。
[0066]在所述方法的一些示范性实施例中,所述阀为线轴阀。
[0067]在所述方法的一些示范性实施例中,所述第一及第二汽缸彼此热隔离且所述方法包含将所述第一汽缸维持在比所述第二汽缸冷的温度。
[0068]在所述方法的一些示范性实施例中,所述第一汽缸包含位于所述第一汽缸的外部表面上的多个空气冷却肋及在所述第一汽缸的壳体内的多个液体冷却通路。在所述方法的一些示范性实施例中,所述发动机进一步包含在所述空气冷却肋及液体冷却通路内的液体冷却剂,且所述方法包含机械控制或电控制所述液体冷却剂的温度。
[0069]在所述方法的一些示范性实施例中,所述第二汽缸包含用于利用第二活塞排出的废气所提供的热来进一步加热所述第二汽缸的多个排气加热通路且与周围环境热隔离以便减少热能从所述第二汽缸的泄漏。
[0070]在所述方法的一些示范性实施例中,所述发动机包含装纳第三活塞的第三汽缸,其中所述第三活塞执行膨胀冲程及排气冲程,但不执行进气冲程,且所述内室选择性地以流体方式耦合到所述第一、第二及第三汽缸,且所述阀及内室相对于所述第三汽缸移动。
【附图说明】
[0071]图1是根据示范性实施例的直列式分裂循环SSCVCC设备的简化横截面侧视图,其中压缩曲轴角度图解说明为在压缩活塞到达其上死点(TDC)之前处于50度且动力
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