分开循环空气混合发动机的制作方法

专利名称：分开循环空气混合发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及分开循环发动机，更特别地，涉及装有空气混合系统的发 动机。
背景技术：
本申请中使用的术语"分开循环发动机"可能不具有对于发动机技术 领域的普通技术人员通常理解的含义。因此，为了清晰起见，术语"分开
循环发动机"所提出的以下定义可以施加到在先技术中披露的发动机中或 在本申请中所指的发动机中。
在此称为分开循环发动机包括 曲柄轴，可以围绕曲柄轴轴线转动；
动力活塞，所述动力活塞可滑动地容纳在动力气缸内并且可操作地连 接到曲柄轴，从而所述动力活塞通过在所述曲柄轴的一个转动期间的动力
(膨胀)冲程和排气冲程而往复运动；
压缩活塞，所述压缩活塞可滑动地容纳在压缩气缸内并且可操作地连 接到曲柄轴，从而所述压縮活塞通过在所述曲柄轴的一个转动期间的进气 冲程和压缩冲程而往复运动；和
使动力缸和压縮缸相互连接的气体通道，所述气体通道包括在其间限 定压力室的进气阀与出气(转换)阀。
为了清晰起见，下面是在此描述的各种发动机操作模式的首字母縮略 词列表
AC 空气压缩机(Air compressor) AM 气动马区动(Air motoring) CB 压縮制动 (Compression braking) ICE 内燃机(Internal combustion engine) PAP 予页压縮空气动力(Pre —compressed air power) PCA予页压縮助燃空气(Pre —compressed combustion air) 美国专利US6543225B2、 US6609371B2和US6952923都由本发明的代理 人代理，披露了在此限定的分幵循环发动机的示例。这些专利包含在这些 专利的允许范围内引用为背景技术的美国和外国专利和公开物的广泛列 表。因为它们确切地将经过两个专用缸(一个冲程专用于高压压縮冲程， 而另一个缸专用于高压动力冲程)的传统压力/奥托(0tto)循环(即， 进气、压缩、动力和排气)分成四个冲程，所以用于这些发动机的术语为 "分开循环(split-cycle)"。
例如，与电混合系统相比，最近对于空气混合发动机已经进行了相当 大规模的研究。所述电混合系统需要给传统四个冲程循环发动机增加电 池、发电机和电动机。所述空气混合发动机仅仅需要增加附加到发动机上 的空气蓄压器，该发动机具有压缩机和气动马达的功能以及传统发动机的 功能，从而提供混合系统的优点。这些功能包括在制动期间存储压縮空气， 从而在随后的启动和加速期间使用压缩空气驱动发动机。
然而，在先技术看来似乎仅仅包括在一个缸内采用传统的四个冲程循 环发动机来实现压缩、燃烧和驱动功能。然后，这需要复合阀(complex vavle)和动力传动系统(drivetrain system)以及在操作期间能够从压 缩制动(CB)模式转换到气动驱动模式(AM)和回复到传统内燃机(ICE)模 式的控制装置。
在典型示例中，当没有存储或使用压縮空气驱动车辆时，在先技术空 气混合发动机用作传统的内燃机发动机，在传统的内燃机中在每个活塞中 曲柄轴每转动两次完成奥托循环(即，进气、压縮、动力和排气)的四个 冲程。然而，在压缩一制动模式情况下，传统发动机的每个缸被构造用作 通过车辆运动由车轮驱动的往复活塞式两冲程空气压縮机。外界大气被接 收进入到发动机缸内，在此压縮，并且被转移到储气罐。发动机活塞执行
的功吸收车辆的运动能并且放慢车辆速度或限制车辆的运动。由此，车辆 运动的运动能被转换成存储在储气罐内的压縮空气的能量。
在气动驱动模式期间，在没有燃烧的情况下，发动机的每个缸被构造 用于使用存储的压縮空气产生动力冲程以便驱动。首先，通过将存储的、 压縮空气膨胀进入缸内从而驱动活塞从上死点(TDC)向下运动到下死点
(BDC)完成第一动力冲程实现驱动。然后，当活塞从BDC运动到TDC时压 縮膨胀气体。然后将燃料注入缸内并且在TDC之前点燃燃料。接着，在曲 柄轴的第二转动过程中燃烧膨胀产物驱动活塞再次向下运动完成第二动 力冲程。
可选地，在没有燃烧的情况下，曲柄轴的每次转动，可以通过膨胀所 存储的压縮空气从而驱动活塞从TDC向下运动到BDC完成一个动力冲程实
现气动驱动。气动驱动的这个可选方法可以继续直到储气罐内的压力下降 至阈值标准以下，因此(whereupon)发动机可以转换至先前描述的气动 驱动模式或传统的ICE发动机操作模式。
问题是，为了在CB、 AM和ICE模式之间转换，汽门机构(valve train) 系统/传动(drive train)系统变得复杂、成本高并且难以控制或维护。 另外，因为每个缸必须执行每个模式的所有功能，所以它们不可以容易地 最优化。例如，即使当活塞和缸仅仅作为空气压縮机的时候，也必须被设 计成能够经受爆炸性燃烧。因此，由于耐受性，要求材料必须经受燃烧热 量，所以对于压缩机模式的有效性必须做出一些牺牲。
在每个缸内执行每个模式(ICE、 CB和雇)的所有功能所存在的另一 个问题是不能将两个模式并列(即，同时)进行。因为在先技术空气混合 系统使用传统发动机，它们只限于在每个模式中连续操作，从而导致其固 有限制影响它们的性能。例如，因为当发动机被操作为内燃机时(在ICE 模式中)不能使用CB模式，储气罐仅可以在移动车辆的制动作用期间被充 气。此限制导致在储气罐内保持存储的充气成为一个问题。另外，此限制 也意味着在先技术中空气混合系统仅仅适用于移动车辆，而不适于例如固 定式发电机的固定应用系统。

发明内容
本发明将分幵循环发动机的特征与气体混合概念的储气罐与各种简 化的控制特征合并，从而提供一种用于操作和控制最终的混合式发动机实 施例的新装置。如在此所述的，因为分开循环发动机包括专用的压縮活塞 和动力活塞，本发明的显著优点在于可以同时(即，并联)操作两个或更 多发动机模式。
作为一个广泛的概念，根据本发明的分开循环混合发动机优选的包
括
曲柄轴，可以围绕曲柄轴轴线转动；
动力活塞，所述动力活塞可滑动地容纳在动力气缸内并且可操作地连 接到曲柄轴，从而所述动力活塞通过在所述曲柄轴的一个转动期间的膨胀 (动力)冲程和排气冲程而往复运动；
压縮活塞，所述压缩活塞可滑动地容纳在压縮气缸内并且可操作地连 接到曲柄轴，从而所述压縮活塞通过在所述曲柄轴的一个转动期间的进气 冲程和压縮冲程而往复运动，压縮气缸被可选择性地控制从而将所述压縮 活塞置于压缩状态下或空转模式；
储气罐，所述储气罐操作性地连接在压縮气缸与动力气缸之间，并且 能够被选择性地操作以便接收来自压縮气缸的压縮空气和将压缩空气传 送到动力气缸以便在发动机操作期间将动力传递到所述曲柄轴；和
多个阀，所述阀选择性地控制气体流入和流出压缩气缸和动力气缸以 及储气罐。
可选地，所述动力气缸可被选择性地控制从而将所述动力活塞置于动 力模式或空转模式。
为此目的，在此，当所述压縮活塞置于空转模式时，意味着对于所述 曲柄轴的一个转动，通过压縮活塞施加在所述曲柄轴上的净负功的总量 (与所述曲柄轴的转动方向相反)可以忽略不计。典型地，在压縮活塞的 空转模式下的忽略不计的功将小于压缩活塞在其压縮模式下施加在曲柄 轴上的负功的20%。
此外，为此目的，在此，当动力活塞置于空转模式时，意味着对于所 述曲柄轴的一个转动，通过动力活塞施加在所述曲柄轴上的净正功的总量 (朝向所述曲柄轴的转动方向)可以忽略不计。典型地，在动力活塞的空
转模式下的忽略不计的功将小于动力活塞在其动力模式下施加在曲柄轴
上的正功的20%。
总之，至少在三种模式下可以操作根据本发明的发动机，所述至少三 种模式包括内燃机(ICE)模式、空气压縮机(AC)模式和预压縮空气动 力(PAP)模式。
在工CE模式中，压缩活塞和动力活塞处于其各自的压縮模式和动力模 式，其中压縮活塞吸入和压縮进口空气以便用于动力气缸，所述压缩空气 与燃料在膨胀冲程开始时进入动力气缸，所述燃料在动力气缸的同一膨胀 冲程中被点燃、燃烧和膨胀，从而将动力传递到所述曲柄轴，且在排气冲 程将燃烧产物排出。
在AC模式中，所述压縮活塞处于压縮模式并吸入和压縮存储在储气 罐内的空气以便以后用于动力气缸。
在PAP模式中，所述动力气缸处于动力模式并且接收来自储气罐的压 縮空气，所述压縮空气在动力活塞的膨胀冲程中膨胀，从而将动力传递到 所述曲柄轴，在排气冲程中膨胀的空气排出。
在本发明的某些优选实施例中，在PAP模式下能量以与ICE模式下产 生的能量的方式相同的方式产生。即，在PAP模式中，在膨胀冲程开始时， 燃料与压缩空气混合，并且在动力活塞的同一膨胀冲程中混和物被点燃、 燃烧和膨胀，从而将动力传递到所述曲柄轴，然后在排气冲程中将燃烧产 物排出。
在所述发动机的另一个可选实施例中，在PAP模式下能量以与先前所 述的气动驱动模式下产生能量的方式相同的方式产生。即，在PAP模式中， 在不增加燃料或开始燃烧的情况下，进入动力气缸内的压縮空气膨胀。
在所述发动机的第一示范性实施例中，储气罐包括大小适于容纳和存 储来自多个压縮冲程的压縮空气的气体通道，所述气体通道使压缩气缸与 动力气缸相互连接，所述气体通道包括进口阀和出口阀，所述进口阀和出 口阀之间限定压力腔室。
在所述发动机的第二示范性实施例中，气体通道也将压縮气缸与动力 气缸相互连接，所述气体通道包括进口阀和出口阀，所述进口阔和出口阀 之间限定压力腔室。然而，所述储气罐通过储气罐通道在迸口阀与出口阀
之间的位置上与压力腔室连接。
所述发动机的第三示范性实施例在储气罐通道内增加了储气罐控制 阀以便允许在ICE操作期间允许储气罐与压力腔室分开。
在所述发动机的第四示范性实施例中，储气罐是一种蓄压器，所述蓄 压器适于维持其中的压力在预定范围内相对恒定。
所述发动机的第五示范性实施例包括多对压縮气缸和动力气缸，所述 多对压縮气缸和动力气缸通过具有多个压力腔室的气体通道相互连接，其 中所述压力腔室都与共用的储气罐相连接。
在所述发动机的第六示范性实施例中，所述发动机包括使压縮气缸与 动力气缸相互连接的气体通道，所述气体通道包括进口阀和出口阀，所述 进口阀和出口阀之间限定压力腔室.利用从储气罐至压縮气缸与动力气缸
的进口和出口连接件，所述储气罐与气体通道并联连接。
从以下结合附图对本发明的详细描述，将会更完全地理解本发明的这 些和其它特征和优点。


在附图中
图l是显示根据本发明的、具有储气罐和控制阀的分开循环空气混合
发动机的第一实施例的示意图2是类似于图1、显示具有与储气罐连接的独立交换(气体)通道和
其它控制阀的第二实施例的视图3是类似于图2、显示具有其它储气罐控制阀的第三实施例的视图； 图4是类似于图3、显示包括在储气罐中的恒压蓄压器的第四实施例的
视图5是类似于图3、显示具有多对气缸的共用储气罐的第五实施例的视 图；禾口
图6是类似于图3、显示具有储气罐以及在气缸之间具有交换通道和独 立阀的第六实施例的视图。
具体实施例方式
首先，详细参照附图中的图l，标记10通常表示根据本发明的分开循 环空气混合发动机的第一示范性实施例。示意性显示的发动机IO，大体上
是先前的美国专利6543225B2、 6069371B2和6952923B2 (史古德利专利) 中披露的分开循环，这些专利通过引用在此全文并入。
如图所示，发动机包括发动机本体12，所述发动机本体具有延伸通过 其的第一气缸14和相邻第二气缸16。曲柄轴18的轴颈安装在本体12上从而 围绕曲柄轴的轴线20转动，所述轴线垂直于制图平面延伸。气缸14、 16的 上端被气缸盖22封闭。
第一和第二气缸14、 16限定内部支承面，在所述内部支承面内分别接 受第一动力活塞24和第二压縮活塞26的往复运动。气缸盖22、动力活塞24 和第一气缸14限定了在动力气缸14内的可变容积燃烧室25。气缸盖22、压 缩活塞26和第二气缸16在压缩气缸16内限定了可变容积压缩室27。
曲柄轴18包括轴向移位、并且有角度地偏移的第一和第二曲柄曲轴 (crank throw) 28、 30，在第一和第二曲柄曲轴28、 30之间具有相位角 31。第一连杆32将第一曲柄曲轴28枢转地连接到第一动力活塞24，第二连 杆34将第二曲柄曲轴30连接到第二压縮活塞26，以便使得活塞24和26在它 们的气缸内以定时关系往复运动，所述定时关系由它们的曲柄曲轴的角偏 移以及气缸、曲柄和活塞的几何关系确定。
如果需要的话，可以使用使得活塞的运动和定时相互联系的可选机 构。所述定时可以与史古德利专利类似，或改变为希望的形式。在附图中 用它们相应元件的相关的箭头表示曲柄轴的转动方向和靠近它们的下死 点(BDC)位置的活塞的相对运动。
气缸盖22包括适于实现所需要的分开循环空气混合发动机10的任何 一种各种各样的通道、端口和阀。在所图示的第一实施例中，先前所述专 利的气体通道/压力室被大得多的储气罐36所替代，所述储气罐36连接到 气缸盖22，通过通向第二气缸16的密闭端的储气罐进入口38和通过通向第 一气缸14的密闭端的储气罐排出口40。与史古德利专利中的典型示例的较 小气体通道相比，储气罐36的大小适于容纳和存储压缩活塞26的多个压縮 冲程而致的压縮空气能。第二气缸16也与传统的进气口42连接，第一气缸 14也与传统的排气口44连接。
气缸盖22内的阀与史古德利专利中的发动机阀相似，包括储气罐进气
止回阀(check valve) 46和三个凸轮驱动提升阀、储气罐出口阀(切换 阀)50、第二气缸进气阀52、和第一气缸排气阀54。止回阀46仅允许压縮 空气从第二 (压縮)气缸16单向流入储气罐进入口38。打开储气罐出气阀 50从而允许高压气流从储气罐36流入第一 (动力)气缸14。
本发动机10包括可以被螺线管驱动的两个其它阀。这些包括在气缸进 气口42内的进气控制阀56和在储气罐排出口40内的储气罐出口控制阀58。 这些阀可以是二位开一关阀，但是能够包括多个可变位置控制，从而如果 需要可以将它们操作成节流阀。
正如随后我们将会讨论的那样，可以通过例如具有分别与阀50、 52、 54接合的凸轮凸角6、 68、 70以便驱动所述阀的曲柄轴60、 62、 64的任何 适当装置驱动提升阀50、 52、 54。可选地，可以电驱动、气动或液压驱动 阀50、 52和54以及其它阀46、 56和58。
火花塞72也安装在气缸盖内，其电极延伸进入燃烧室25以便通过点火 控制器(没有图示)在准确时间点燃燃气料。应该理解的是，如果需要， 在没有火花塞的情况下，发动机可以被做成柴油机。此外，可以将发动机 IO设计成基于任何适于一般使得活塞发动机往复运动的任何燃料，例如氢
气或天然气，而操作。
附图的图2至6披露了各种可选实施例，所述可选实施例是图l中发动 机10的变型在下面将会描述。此后将会描述所有的六个示范性实施例的操 作。
参照图2，披露了发动机74的第二实施例，其中相同的附图标记表示 相同的部件。发动机74基本上与发动机10相似，不同在于小的容积交换通 道(crossover passage) 76在一端连接在进入口38和迸口止回阀46之间， 且在另一端连接在排出口40和出口阀50之间。此交换通道76在第二气缸16 内的压缩室27与第一气缸14内的燃烧室25之间延伸并且与在先史古德利 专利中的交换通道相似。与储气罐相比，此交换通道76的大小不适于存储 后来所用的大量压缩空气能。而是，典型地，通道76设计成尽可能小以便 在发动机74的ICE模式期间能够完成压缩空气的最有效转换。
在另一个变型中，通过储气罐流道或储气罐通道78将独立的储气罐36
连接到交换通道76，且通过交换通道76连接到进入口38和排出口40。储气 罐出口螺线管控制阀58位于出口端40与储气罐流道78之间的通道76内。在 ICE模式期间，阀58打开以便允许压縮空气流经最小阻力路径并且主要通 过通道76流入燃烧室25。在AC模式期间，可以关闭阀58以便将压缩空气泵 送进入储气罐36内，并且在PAP模式期间，可以打开阀58以便将压缩空气 从储气罐36收回。
现在参照附图的图3，披露了发动机80的第三实施例，与图2中的发动 机74不同的是，仅仅增加了第三螺线管阀82。阀82位于在其与交换通道76 连接的流道78内以便当必要时切断储气罐36与所述交换通道的连接。
通过阀82将储气罐36隔离，从而在ICE模式期间可以更有效地优化整 个发动机80的操作。例如，在ICE模式期间，所有压縮空气可以流经交换 通道76。因此，在没有与储气罐相互作用的情况下，交换通道76可以设计 用于进行最有效地转移。另外，在PAP模式期间，对于部分载荷状态，阀 82也可以被作为节流阀。
图4显示了与图3的发动机80相类似的发动机84的第四实施例。其不同 在于通过增加隔板或囊状物(bladder) 87和弹簧机构88将储气罐转换 成蓄压器(pressure accumulator) 86 。在其中储气罐内部是空的和其 内部充满至最大控制压力之间的情况下，所述隔板或气囊状物87和弹簧机 构88用于加压存在于蓄压器86内的空气并且将所述空气维持在相对恒定
的压力下。
图5图示了具有至少两对气缸90的多气缸发动机89的第五实施例，其 中每对气缸与图3中的发动机80等同。发动机89被改变成包括共用供给储 气罐92，所述共用供给储气罐92利用储气罐控制螺线管阀82连接到所有气 缸对的交换通道76，所述储气罐控制螺线管阀82控制每个储气罐流道78与
其独立的交换通道76之间的连通。
图6披露了与图3中的发动机80最相似的发动机94的第六实施例。发动 机94的不同在于储气罐36没有与交换通道76直接连接，所述交换通道76 通过止回阀46、螺线管阀58和出口阀50控制。通过分别用于将储气罐直接 连接到第一气缸14的燃烧室25和第二气缸16的压縮腔室27的第一和第二 储气罐流道(或通道)96、 98，储气罐36与所述交换通道76并联连接。第
四和第五螺线管控制阀IOO、 102分别控制流道96、 98与气缸14、 16之间的 流动。
现在，为解释本发明而不是限制本发明，将描述根据本发明的分开循 环发动机的所述示范性实施例的操作，应该理解的是，另外方法和变型明 显落入本发明的预定保护范围内。
基本上，本发明的分开循环空气发动机典型地可以在至少三种模式下 操作，即，内燃机模式、空气压缩机(AC)模式和预压縮空气动力(PAP) 模式。所述PAP模式优选地包括预压縮助燃空气动力(PCA)模式，其中膨 胀冲程期间，所述动力活塞到达其上死点位置后不久，预压縮空气和燃料 混合，然后在同一膨胀冲程中燃料/空气混合物燃烧从而驱动动力活塞向 下。可选地，所述PAP模式也可以包括各种形式的气动驱动(AM)模式(如 先前在此示出的那样)，在气动驱动(MI)模式中，在没有燃烧的情况下， 利用预压縮空气提供膨胀冲程。如将要更具体地讨论的，因为本发明的分 开循环气体混合具有独立作用的压縮气缸和动力气缸，ICE、 AC和PAP三种 模式可以根据需要串联运行或并联运行。
所述ICE模式基本上是先前所提到的史古德利专利中披露的发动机的
标准操作模式。传统的活塞发动机循环的迸气冲程、压缩冲程、动力冲程 和排气冲程被拆分在分开循环发动机的压缩气缸和动力气缸之间。
参照图l的实施例，在美国史古德利专利(6543225、 6609371和 6852923)中所描述的分开循环发动机包括比在先技术分开循环发动机更 具优点的结构参数。下面，在讨论发动机10的ICE模式中描述很多这些优 点。重要的是，图1中的储气罐36执行了相继的图2至6中的被隔离的交换 (或气体)通道76与储气罐36的组合功能。
在ICE模式中，进气螺线管阀56、 58保持打开。在进气冲程中，当压 缩活塞向下移动时，进气阀52打开，将空气吸入压縮腔室27内。在压缩冲 程中，进入阀52关闭，活塞26向上移动，压缩所述空气并且迫使空气通过 止回阀46和进入口38迸入储气罐36内。一
动力活塞24引导压縮活塞26通过相位角31，所述相位角31大于所述曲 柄轴的转动O度许多。在此限定的相位角31是曲柄角(CA)转动度，在动 力活塞24已经到达其上死点(TDC)位置之后所述曲柄轴18必须转动从而
使得压縮活塞26到达其各自的TDC位置。在图l中图示的特定实施例中，第 一和第二曲柄曲轴28和30之间的角的值等于相位角31。优选地，此相位角 在10度CA与40度CA之间，更优选地，在20度CA与30度CA之间。所述相位角 31的大小使得当压縮活塞26朝着其TDC位置上升、动力活塞从其TDC位置下 降时，基本上相等质量的压縮空气被传送到储气罐36内和从储气罐36中排 出(在随后的图2至6中，基本上相等质量的压縮空气被传送到储气罐36内 和从储气罐36中排出)。
在动力冲程中，出口 (或交换)阀50在动力活塞24的TDC位置上典型 地打开。优选地，在动力活塞到达TDC之前，出口阀50在10度CA至0度CA的 范围内打开，并且更优选地，在动力活塞到达其TDC之前出口阀50在7度CA 至3度CA之间的范围内打开。在动力活塞24到达其TDC之后，出口阀50优选 地在10度CA至40度CA范围内关闭，更优选地，在动力活塞24到达其TDC之 后，出口阀50在20度CA至30度CA范围内关闭。
动力活塞24从其TDC位置朝向燃烧点火位置上升，在TDC之后，所述点 火位置典型地在5度CA至40度CA范围内，优选地，在TDC之后，在10度CA至 30度CA范围内。通过至少两种方法，g卩，正好在出口阀50的上游注入到储 气罐36内(端口燃料注入)或直接注入到动力气缸14内(直接注入)，可 以将燃料注入并且与所述压縮空气混合。 一旦动力活塞24到达其燃烧点火 位置，通过火花塞点燃所述燃料/空气混合物(或者如果是狄赛尔内燃机 的话，采用压縮点燃)，迫使活塞24朝向BDC向下运动并且将能量传递到曲 柄轴18上。发生燃烧点火的压力是点火(点燃)状态压力。
在排气冲程中，排气阀54打开，交换阀50关闭。当所述动力活塞24从 BDC朝向TDC向上移动时，余下的排气被迫通过排气端口44从燃烧室25排 出。
发动机内的压力/体积循环的进气冲程和压縮冲程与所述循环的动力 冲程和排气冲程相同，发生在同一曲柄轴转动期间，除了动力和排气冲程 提前固定的相位角31。由此，与在传统的四冲程发动机中发动机每两次转 动完成一个新的压力/体积循环不一样，在此发动机每一次转动完成一个 新的压力/体积循环。然而，在整个四冲程循环期间，在点火(或点燃) 状态压力下或在高于点火(或点燃)状态压力时，进口阀46和出口阀50维
持储气罐36内的气体压力。
史古德利分开循环和在先技术之间的基本差别是在奥托(Otto)循环 的所有四个冲程期间，在点火状态压力下或高于点火状态压力时在气体通 道内维持的压力参数与基本上动力气缸到达其上死点之后在所述动力气
缸内发生的点火参数相结合(即，大于5度CA，优选地大于10度ATDC)。由 此形成一种状态，其中燃烧事件(或火焰速度)非常快(发生在24度CA内 或小于24度CA)，并且N0x (氮氧化物)排放输出量非常低(比传统发动机 低百分之五十至百分之八十)。史古德利分开循环的另一个在先技术中所 没有的、独特的方面是动力气缸和压縮气缸的中心线偏离其中轴线。由此 能够基本上使得活塞裙(piston skirt)与气缸壁的摩擦减少。在史古德 利专利中披露并申明了所有的这三种有利特征(在空气通道内维持点火状 态压力，在到达上死点之后点火，和偏移)。
除了上述参数之外，在史古德利专利中也确定了在发动机效率方面具 有明显效果的几个其它参数。所述参数包括
1、 维持压縮比与膨胀比等于或大于26比1，优选地，等于或大于40比 1，更优选地，等于或大于80比1;
2、 交换阀开放期(duration)(用于打开和关闭阀50所必要的曲柄角 (CA)转动量)应该等于或小于69度，优选地，小于50度，更优选地，小
于35度；和
3、 在动力气缸内，开始燃烧之后，交换阔50应该被打开持续较少时 间百分比。
由发动机10驱动的车辆的刹车期间，发动机被切换成在空气压缩机 (AC)模式下操作。停止燃料注入，关闭螺线管阀58，阻止空气流经排出 口40并且暂停能量从动力活塞24传递，由此将动力活塞24置于空转模式。 然而，压縮活塞继续操作，由移动车辆的惯性驱动，并且将压縮空气泵送 到储气罐36中。所述泵送动作有效地减慢了车辆或制动车辆，并且当储气 罐空气压力增加时，所述制动动作变得更加有效。保留储气罐内增加的压 力使之以后用于PAP模式中。
在AC模式期间时，可以使排气阀54保持打开状态，以便减少活塞24的 空载损失。此外，可以用各种方法使得动力活塞用于增加制动效果，例如，
通过改变阀定时和阀操作从而使得更多的空气吸入和压縮进入储气罐内。 可选地(保持储气罐清洁)，活塞24可以用作传统的压缩闸，在下行冲程
时吸入空气，在上行冲程时压縮所述空气，并且打开靠近上死点(TDC) 的排气阀54以便排出所述压縮空气并且消散其能量。由此可以增加制动， 并且减少制动磨损，然而将限制在PCA模式或AM模式中的压縮空气的能量 恢复。
仍然参照图l，与在先AC操作不同，优选的第三操作模式是预压縮助 燃空气(PCA)，在预压縮助燃空气(PCA)模式下，将压縮空气存储在储 气罐36内，以比在ICE操作中高的压力。所述发动机至少降低了速度并且 准备加速。为了运行PCA模式，出口螺线管阀58打开并且恢复火花点火和 燃料注入。同样，通过保持打开进气阀52和进气螺线管阀56使得压縮活塞 空转，从而压缩活塞26没有阻力地自由移动并且没有空气被压縮或增加到 储气罐内。
如果阀52不是可以独立调节的，通过关闭螺线管阔56也可以使压縮活 塞26置于空转模式。由此，压縮活塞交替地压縮和膨胀圈限于气缸内的气 体。通过活塞，圈限气体的压縮和膨胀改变了施加在所述曲柄轴上的负功 和正功。因为所述负功于正功大约是相等的，在此模式下，通过活塞操作 施加在所述曲柄轴上的净功可以忽略不计。将所述压縮活塞置于空转模式 的另一个方法是通过操作性地使压縮活塞26与曲柄轴18脱离从而避免压 縮活塞26往复运动。在压縮活塞的空转模式的以上示例中，施加在曲柄轴 上的净负功的总量是可以忽略不计的。
如在ICE操作中，稍微在动力活塞24的TDC之后或刚好在动力活塞24的 TDC之前，迫使压縮空气(优选地被控制并且具有增加燃料)从储气罐36 充填进入燃烧室。在TDC之后，在5度CA至40度CA范围内，优选地在TDC之 后，在10至20度CA范围内，在动力冲程中，所述燃料被迅速点燃并且燃烧， 将能量提供到所述曲柄轴。在排气上行冲程中，排出产物被排出，然后重 复所述循环。
当所述车辆加速并且回到正常操作状态下，在动力气缸内所存储的高 压气体继续用于燃烧直到其压力降低到正常操作压力，并且发动机返回至 完全的ICE操作。然而，在PCA模式下的操作尽可能增加了操作效率，因为
制动引起的压縮能被返回到PCA动力循环，同时压縮活塞26是空转的并使 用非常少的能量。由此，在PCA模式中，车辆制动压縮能量被用于提供压
縮能量。
如果发动机停止，存储的压縮能可以用于启动发动机，并且如果必要
的话，直到使车辆达到最小速度，随之，发动机可以返回至ICE操作。然 而，备用电力起动机可以也是可取的。
再次参照图2，发动机72的操作与发动机10 (图l)的操作相类似。然 而，使用在气缸之间流动的较小容积的交换通道76大体上避免了在ICE操 作期间流经储气罐36，并且潜在地减少了气体通道76内不希望的、可以不
利影响发动机性能的压力变化。
在图3的实施例中，在储气罐与交换通道76连接处增加螺线管阀82， 从而对于分开循环发动机的正常ICE发动机操作中，在较小的交换通道76 可以在快速改变压力的情况下操作的同时，允许切断储气罐从而在其中维 持较高或较低的压力。
在图4中，使用蓄压器86替代储气罐，允许在相对恒定的压力下存储 的空气体积的范围，以便主要用于仅仅通过控制出口阀50的打开时间来控 制传递到燃烧室的空气充填体积。
如图5所示，使用共用储气罐、或蓄压器可以降低制造成本。尽管如 图5所图示，共用储气罐直接连接到气体通道内，本领域的普通技术人员 应该认识到的是，储气罐可以构造成以其它方式与分开循环发动机连接。 例如，共用储气罐可以是图l中的气体通道的组成部分，或可以与图6中的 气体通道并联连接。
图6中的实施例，进一步分开了储气罐36对交换通道76内压力的影响， 并且允许ICE模式与AC模式或PCA模式的更彻底的操作独立。
总之，参照图1至6，本发明的明显优势是通过成对的压縮气缸16和 动力气缸14，使用分开循环发动机IO、 74、 80、 84、 89和94的空气混合系 统可以同时(或并联)在各种操作模式(ICE、 AC和PAP)下操作，而不是 限于顺序操作单个气缸的每种模式。所述并联模式性能固有地为分开循环 系统提供了附加能力和扩大的应用。
现在参照图3作为示例，在部分负载情况下，发动机80当在AC模式下
连续充填储气罐的时候，可以同时在ICE模式下操作。S卩，在进气冲程中， 可以完全充填空气进入到压縮气缸16内，在所述压縮气缸内空气被压縮并
且被迫使进入气体通道76内。然而，在部分负载情况下，仅仅小部分空气 充填需要用于操作ICE模式。由此，仅有一部分充气可以被发送至动力气 缸14内，而剩余充气可以被转移到储气罐36内以便使其完全充填。由此， 在部分负载情况下，分开循环空气混合系统具有连续充填它们的储气罐的 能力。
另外，以几乎相同的方式，排气的消耗能可以再循环，直接或通过涡 轮增压器返回至分开循环空气混合发动机80的进口中从而存储为储气罐 36内的压縮空气能。有利地，在部分负荷操作的情况下，回收废气能量的 技术也可以使用在固定设备中，例如，在固定的发电机中。
尽管通过某些具体实施例已经描述了本发明，应该理解的是，在披露 的本发明概念的精神和保护范围内，可以对本发明进行很多改变。由此， 本发明并不打算限于所述的实施例，而是具有由以下权利要求所限定的所 有保护范围。
权利要求
1.一种分开循环空气混合发动机，包括曲柄轴，能够围绕曲柄轴轴线转动；动力活塞，所述动力活塞可滑动地容纳在动力气缸内并且可操作地连接到曲柄轴，从而所述动力活塞通过在所述曲柄轴的一个转动期间的膨胀冲程和排气冲程而往复运动；压缩活塞，所述压缩活塞可滑动地容纳在压缩气缸内并且可操作地连接到曲柄轴，从而所述压缩活塞通过在所述曲柄轴的一个转动期间的进气冲程和压缩冲程而往复运动，所述压缩气缸能够被选择性地控制从而将所述压缩活塞置于压缩模式或空转模式；储气罐，所述储气罐操作性地连接在压缩气缸与动力气缸之间，并且能够被选择性地操作以便接收来自压缩气缸的压缩空气和将压缩空气传送到动力气缸以便在发动机操作期间将动力传递到所述曲柄轴；和多个阀，所述阀选择性地控制气体流入和流出压缩气缸和动力气缸以及储气罐。
2、 根据权利要求1中所述的发动机，其中所述动力气缸能够被选择 性地控制从而将所述动力活塞置于动力模式或空转模式。
3、 根据权利要求2中所述的发动机，其中所述发动机能够在至少三 种模式下操作，所述至少三种模式包括内燃机(ICE)模式、空气压缩机(AC)模式和预压縮空气动力(PAP)模式，其中在—ICE模式中，压缩活塞和动力活塞处于其各自的压缩模式和动力模 式，其中压縮活塞吸入和压縮进口空气以便用于动力气缸，所述压縮空气 与燃料在膨胀冲程开始时进入动力气缸，所述燃料在动力气缸的同一膨胀 冲程中被点燃、燃烧和膨胀，从而将动力传递到所述曲柄轴，且在排气冲 程将燃烧产物排出；在AC模式中，所述压缩活塞处于压缩模式并吸入和压縮存储在储气 罐内的空气以便以后用于动力气缸；禾口在PAP模式中，所述动力气缸处于动力模式并且接收来自储气罐的压 缩空气，所述压縮空气在动力活塞的膨胀冲程中膨胀，从而将动力传递到 所述曲柄轴，在排气冲程中膨胀的空气排出。
4、 根据权利要求3中所述的发动机，其中在PAP模式中，在膨胀冲程开始时，燃料与压缩空气混合，并且在动力活塞的同一膨胀冲程中混和 物被点燃、燃烧和膨胀，从而将动力传递到所述曲柄轴，然后在排气冲程 中将燃烧产物排出。
5、 根据权利要求3中所述的发动机，其中在PAP模式中，在不增加 燃料或开始燃烧的情况下，进入动力气缸内的压缩空气膨胀。
6、 根据权利要求1中所述的发动机，其中所述储气罐包括大小适于 容纳和存储来自多个压縮冲程的压縮空气的气体通道，所述气体通道使压 缩气缸与动力气缸相互连接，所述气体通道包括进口阀和出口阀，所述进 口阀和出口阀之间限定压力腔室。
7、 根据权利要求1中所述的发动机，包括使所述压缩气缸和动力气 缸相互连接的气体通道，所述气体通道包括进口阀和出口阀，所述进口阀 和出口阀之间限定压力腔室；其中所述储气罐通过储气罐通道在进口阀与出口阀之间的位置上与 压力腔室连接。
8、 根据权利要求7中所述的发动机，包括在储气罐通道内的储气罐 控制阀。
9、 根据权利要求8中所述的发动机，其中储气罐是一种蓄压器，所 述蓄压器适于维持其中的压力在预定范围内相对恒定。
10、 根据权利要求7中所述的发动机，包括多对压缩气缸和动力气缸， 所述多对压縮气缸和动力气缸通过具有多个压力腔室的气体通道相互连 接，其中所述压力腔室都与共用的储气罐相连接。
11、 根据权利要求l中所述的发动机，包括使压縮气缸与动力气缸相 互连接的气体通道，所述气体通道包括进口阀和出口阀，所述进口阀和出 口阀之间限定压力腔室；利用从储气罐至压缩气缸与动力气缸的进口和出口连接件，所述储气 罐与气体通道并联连接。
12、 根据权利要求3中所述的发动机，其中在ICE模式中，在动力活 塞已经到达其上死点(TDC)位置之后，燃料在5至40度曲柄角(CA)范 围内被点燃。
13、 根据权利要求12中所述的发动机，其中在ICE模式中，在动力 活塞已经到达其上死点(TDC)位置之后，燃料在10至30度曲柄角(CA) 范围内被点燃。
14、 根据权利要求4中所述的发动机，其中在PAP模式中，在动力活 塞已经到达其上死点(TDC)位置之后，燃料在5至40度曲柄角(CA)范 围内被点燃。
15、 根据权利要求14中所述的发动机，其中在PAP模式中，在动力 活塞已经到达其上死点(TDC)位置之后，燃料在10至30度曲柄角(CA) 范围内被点燃。
16、 根据权利要求3中所述的发动机，其中能够同时在ICE模式下和 AC模式下操作所述发动机。
17、 一种分开循环空气混合发动机，包括 曲柄轴，能够围绕曲柄轴轴线转动；动力活塞，所述动力活塞可滑动地容纳在动力气缸内并且可操作地连 接到曲柄轴上，从而所述动力活塞通过在所述曲柄轴的一个转动期间的膨 胀冲程和排气冲程而往复运动；压缩活塞，所述压缩活塞可滑动地容纳在压縮气缸内并且可操作地连 接到所述曲柄轴，从而所述压縮活塞通过在所述曲柄轴的一个转动期间的 进气冲程和压縮冲程而往复运动；使压縮气缸与动力气缸相互连接的气体通道，所述气体通道包括进口 阀和出口阀，所述进口阀和出口闽之间限定压力腔室；禾口储气罐，所述储气罐通过储气罐通道连接到在所述进口阀与出口阀之 间的位置上的所述压力腔室，所述储气罐能够被选择性地操作以接收来自 压縮气缸的压縮空气，并将压縮空气传送到动力气缸以便在发动机操作期 间用于将动力传递到所述曲柄轴。
18、 根据权利要求17中所述的发动机，包括在储气罐通道内的储气 罐控制阀。
19、 根据权利要求17中所述的发动机，其中所述发动机能够在至少 三种模式下操作，所述至少三种模式包括内燃机(ICE)模式、空气压缩 机(AC)模式和预压縮空气动力(PAP)模式，其中在ICE模式中，压缩活塞吸入和压縮进口空气以便用于动力气缸，所述压縮空气与燃料在膨胀冲程开始时进入动力气缸，所述燃料在动力气缸的同一膨胀冲程中被点燃、燃烧和膨胀；在AC模式中，所述压縮活塞将存储在储气罐内的空气吸入和压縮以 便以后用于动力气缸；和在PAP模式中，所述动力气缸接收来自储气罐的存储的储气罐空气， 所述储气罐空气与燃料在膨胀冲程开始时进入动力气缸，所述燃料在动力 气缸的同一膨胀冲程中被点燃、燃烧和膨胀。
20、 根据权利要求19中所述的发动机，其中在ICE模式和PAP模式 中的一种模式期间，在所述动力活塞到达其TDC位置之后，在5至40度 CA范围内点燃燃料。
21、 根据权利要求20中所述的发动机，其中在ICE模式和PAP模式 中的一种模式期间，在所述动力活塞到达其TDC位置之后，在10至30 度CA范围内点燃燃料。
22、 根据权利要求19中所述的发动机，其中能够同时在ICE模式下 和AC模式下操作所述发动机。
23、 一种分幵循环空气混合发动机，包括-曲柄轴，能够围绕曲柄轴轴线转动；动力活塞，所述动力活塞可滑动地容纳在动力气缸内并且可操作地连 接到曲柄轴，从而所述动力活塞通过在所述曲柄轴的一个转动期间的膨胀 冲程和排气冲程而往复运动；压縮活塞，所述压缩活塞可滑动地容纳在压缩气缸内并且可操作地连 接到所述曲柄轴，从而所述压縮活塞通过在所述曲柄轴的一个转动期间的 进气冲程和压縮冲程而往复运动；使压縮气缸与动力气缸相互连接的气体通道，所述气体通道包括进口 阀和出口阀，所述进口阀和出口阀之间限定压力腔室；禾口储气罐，通过第一储气罐通道直接连接到动力气缸并且通过第二储气 罐通道直接连接到压縮气缸，所述储气罐脱离了与交换通道的直接连接并 且与之并联连接，所述储气罐能够被选择性地操作以便接收来自压缩气缸 的压縮空气和将压縮空气传送到动力气缸，以便在发动机操作期间将动力 传递到所述曲柄轴。
24、 根据权利要求23中所述的发动机，包括在第一储气罐通道内的 第一储气罐控制阀和在第二储气罐通道内的第二储气罐控制阀。
25、 根据权利要求23中所述的发动机，其中所述发动机能够在至少 三种模式下操作，所述至少三种模式包括内燃机(ICE)模式、空气压縮 机(AC)模式和预压縮空气动力(PAP)模式，其中在ICE模式中，压缩活塞吸入和压缩进口空气以便用于动力气缸，所 述压縮空气与燃料在膨胀冲程开始时进入动力气缸，所述燃料在动力气缸 的同一膨胀冲程中被点燃、燃烧和膨胀；在AC模式中，所述压縮活塞将存储在储气罐内的空气吸入和压縮以 便以后用于动力气缸；和在PAP模式中，所述动力气缸接收来自储气罐的存储的储气罐空气， 所述储气罐空气与燃料在膨胀冲程开始时进入动力气缸，所述燃料在动力 气缸的同一膨胀冲程中被点燃、燃烧和膨胀。
26、 根据权利要求25中所述的发动机，其中在ICE模式和PAP模式 中的一种模式期间，在所述动力活塞到达其TDC位置之后，在5至40度 CA范围内点燃燃料。
27、 根据权利要求26中所述的发动机，其中在ICE模式和PAP模式 中的一种模式期间，在所述动力活塞到达其TDC位置之后，在10至30 度CA范围内点燃燃料。
28、 根据权利要求25中所述的发动机，其中能够同时在ICE模式下 和AC模式下操作所述发动机。
29、 根据权利要求1中所述的发动机，其中所述发动机的压縮比与膨 胀比等于或大于26比l。
30、 根据权利要求1中所述的发动机，其中所述发动机的压縮比与膨 胀比等于或大于40比1。
31、 根据权利要求l中所述的发动机，其中所述发动机的压縮比与膨 胀比等于或大于80比l。
32、 一种分开循环空气混合发动机，包括动力活塞，所述动力活塞可滑动地容纳在动力气缸内并且可操作地连 接到曲柄轴上，从而所述动力活塞通过在所述曲柄轴的一个转动期间的膨 胀冲程和排气冲程而往复运动；压缩活塞，所述压縮活塞可滑动地容纳在压缩气缸内并且可操作地连 接到所述曲柄轴，从而所述压缩活塞通过在所述曲柄轴的一个转动期间的 进气冲程和压縮冲程而往复运动；操作性地连接在压縮气缸与动力气缸之间的储气罐，并且所述储气罐 能够操作以便接收来自压縮气缸的压缩空气和将压縮空气传送到动力气 缸，以便在发动机操作期间将动力传递到所述曲柄轴；和多个阀，所述阀控制气体流入和流出压縮气缸和动力气缸以及储气 罐，其中所述压縮气缸能够被选择地以如下模式操作压縮模式，其中压縮空气从压縮气缸被容纳在储气罐内或动力气缸 内；禾口空转模式，其中压缩空气没有从压缩气缸被容纳在储气罐内或动力气 缸内。
33、 一种分开循环空气混合发动机，包括动力活塞，所述动力活塞可滑动地容纳在动力气缸内并且可操作地连 接到曲柄轴上，从而所述动力活塞通过在所述曲柄轴的一个转动期间的膨 胀冲程和排气冲程而往复运动；压缩活塞，所述压縮活塞可滑动地容纳在压縮气缸内并且可操作地连 接到所述曲柄轴，从而所述压縮活塞通过在所述曲柄轴的一个转动期间的 进气冲程和压縮冲程而往复运动；操作性地连接在压缩气缸与动力气缸之间的储气罐，并且所述储气罐 能够操作以便接收来自压缩气缸的压縮空气和将压缩空气传送到动力气 缸，以便在发动机操作期间将动力传递到所述曲柄轴；和多个阀，所述阀控制气体流入和流出压縮气缸和动力气缸以及储气罐，其中所述动力气缸能够被选择地以如下模式操作.-动力模式，其中来自储气罐或压縮气缸的压縮空气，与燃料一起或没有与燃料一起，被传送到动力气缸；和空转模式，其中来自储气罐或压縮气缸的压縮空气没有被传送到动力 气缸。
34、 根据权利要求32所述的发动机，其中所述动力气缸能够被选择地以如下模式操作动力模式，其中来自储气罐或压縮气缸的压縮空气，与燃料一起或没有与燃料一起，被传送到动力气缸；和空转模式，其中来自储气罐或压縮气缸的压縮空气没有被传送到动力 气缸。
35、 根据权利要求32中所述的发动机，进一步包括控制机构，所述控制机构能够操作以选择所述发动机的如下操作模式中的至少两种的任何一种内燃机模式，其中至少来自压縮气缸的一些压縮空气，与燃料一起，被传送到动力气缸；空气压縮机模式，其中来自压缩气缸的压缩空气容纳在储气罐内，而 来自储气罐的压缩空气没有被传送到动力气缸；和预压縮空气动力模式，其中来自储气罐的压缩空气，与燃料一起或不 与燃料一起，被传送到动力气缸，而来自压縮气缸的压缩空气没有被容纳 在储气罐内。
36、 根据权利要求35中所述的发动机，其中所⑩制机构包括 储气罐出口控制阀，操作性地连接在储气罐与动力气缸之间，并且能够操作以控制压縮空气从储气罐到动力气缸的流动；和进口控制阀，位于压縮气缸进气端口，并且能够操作以控制被吸入所 述压缩气缸的空气。
37、 根据权利要求36中所述的发动机，其中所述控制机构进一步包 括用于选择性地且独立地操作储气罐出口控制阀和进口控制阀的控制单 元。
38、 根据权利要求37中所述的发动机，所述发动机构造成当在预压 縮空气动力模式下操作时，在膨胀冲程开始时燃料与传送到所述动力气缸 的压缩空气混合，然后在动力活塞的所述膨胀冲程中混合物被点燃、燃烧 或膨胀，从而将动力传递到所述曲柄轴上，并且在随后的排气冲程中将燃 烧产物排出。
39、 根据权利要求37中所述的发动机，所述发动机构造成当在预压缩空气动力模式下操作时，在没有增加燃料或开始燃烧的情况下，传送到 所述动力气缸内的压缩空气膨胀。
40、 根据权利要求32中所述的发动机，进一步包括使所述压缩气缸 与所述动力气缸相互连接的气体交换通道，所述气体交换通道包括进口阔 和出口阀，所述进口阀和出口阀之间限定压力腔室，所述进口阀和出口阀 能够独立操作。
41、 根据权利要求40中所述的发动机，其中通过储气罐控制阀将储 气罐连接到气体交换通道。
全文摘要
本发明涉及一种操作性地将储气罐连接到分开循环发动机上的分开循环空气混合发动机。动力活塞可滑动地容纳在动力气缸内并且可操作地连接到曲柄轴，从而所述动力活塞通过在所述曲柄轴的一个转动期间的膨胀冲程和排气冲程而往复运动。压缩活塞可滑动地容纳在压缩气缸内并且可操作地连接到曲柄轴，从而所述压缩活塞通过在所述曲柄轴的一个转动期间的进气冲程和压缩冲程而往复运动，所述压缩气缸能够被选择性地控制从而将所述压缩活塞置于压缩模式或空转模式。储气罐操作性地连接在压缩气缸与动力气缸之间，并且能够被选择性地操作以便接收来自压缩气缸的压缩空气和将压缩空气传送到动力气缸以便在发动机操作期间将动力传递到所述曲柄轴。
文档编号F02B25/00GK101375035SQ200680050622
公开日2009年2月25日 申请日期2006年11月21日 优先权日2006年1月7日
发明者斯蒂芬·P·史古德利, 萨尔瓦托雷·O·史古德利 申请人:史古德利集团有限责任公司