专利名称：内燃发动机及操作这种发动机的方法
技术领域：
本发明总体涉及内燃发动机，且更具体地涉及基于分循环原理工作的内燃发动机。
背景技术：
分循环内燃发动机在本领域中是已知的，尽管它们还处于研发和实施的早期阶段。例如，转让给kuderi Group的W003/008785涉及在分循环发动机中优化压缩冲程的旁支。Scuderi Group在该领域具有一批申请和专利，并且尽管其提到该原理适用于CI发动机，但他们的申请和专利无一涉及与分循环CI发动机相关的某些特定问题。本发明旨在解决现有技术中的至少一些不足之处。
发明内容
在第一方面，公开了一种操作内燃机的方法。所述方法包括在第一气缸中形成进气冲程；在所述第一气缸中形成压缩冲程，从而获得从所述第一气缸释放的加压流体。所述方法还包括冷却释放的流体；在第一时间段中将冷却的流体引入第二气缸；以及在第二时间段中将燃料喷入所述第二气缸，其中所述第一时间段和所述第二时间段至少部分重叠。在第二方面，公开了一种内燃发动机，其包括构造成操作分循环的一对第一气缸和第二气缸，所述第一气缸构造成运行进气冲程和压缩冲程，所述一对气缸中的第二气缸构造成运行做功冲程和排气冲程。该发动机还包括通道，该通道流体地连接所述第一气缸和第二气缸，并构造成能够在所述第一气缸与所述第二气缸之间传送加压流体。冷却装置与该通道相关联。该发动机还包括阀装置，其控制所述加压流体在第一时间段中进入所述第二气缸；并且，燃料喷射装置构造成在第二时间段中将燃料喷入所述第二气缸中。控制装置构造成至少控制所述燃料喷射装置以使得所述第一时间段和所述第二时间段至少部分重叠。在第三方面，公开了一种操作内燃机的方法，该方法包括在第一气缸中形成进气冲程；在所述第一气缸中形成压缩冲程，从而获得加压流体；并且从所述第一气缸释放加压流体。所述方法还包括冷却释放的流体；将冷却的流体引入第二气缸；以及将燃料喷入所述第二气缸以便与冷却的流体一起燃烧。在第四方面，公开了一种操作内燃机的方法，该方法包括在第一气缸中形成进气冲程；在所述第一气缸中形成压缩冲程，从而获得加压流体；以及从所述第一气缸释放加压流体。所述方法还包括在第一时间段中将加压流体引入第二气缸；以及在第二时间段中将燃料喷入所述第二气缸，其中所述第一时间段和所述第二时间段至少部分重叠。本发明的其他特征和方面将从以下描述和附图显而易见。
图1是根据本发明的用于分循环内燃机的一对气缸和相关系统的示意图；图2是图1的发动机的一个实施例的截面示意图；图3是图1的发动机的又一个实施例的截面示意图；以及图4是图1的发动机的又一个实施例的截面示意图。
具体实施例方式现参照图1至4，示出了构造成以分循环过程操作的内燃发动机10的示例性实施例。发动机10可设置有至少一对第一气缸12和第二气缸14。在分循环过程中，一对第一气缸12和第二气缸14共同完成一个循环——诸如四冲程循环——的所有冲程。在分开 (split)的四冲程循环中，第一气缸12运行进气冲程和压缩冲程，而该四冲程循环由运行做功冲程和排气冲程的第二气缸14完成。第一气缸12和第二气缸14分别设置有第一活塞16和第二活塞18。第一气缸12 和第二气缸14以及因此它们相应的活塞16、18可具有不同的直径以实现特定的理想压缩比。第一气缸12可经由进气口 20接收空气，并且如果希望的话，接收再循环的排气 (EGR)。在第一活塞16的进气冲程期间，进气可由进气门装置22控制。在压缩冲程期间，第一活塞16可加压第一气缸12中的一种或多种流体。传送通道M可将第一气缸12和第二气缸14流体连接且可构造成使得能够在第一气缸12与第二气缸14之间传送加压流体。第一气缸12与第二气缸14之间和/或通过传送通道M的流动可由一个或多个装置控制，例如释放端口 27和相关的释放阀装置观、和/或进入端口四和相关的进入阀装置30。如果需要的话，可采用另外的阀。传送通道M可包括冷却装置 32。冷却装置32可与传送通道M相联，以冷却流经传送通道M的加压流体。在某些实施例中，冷却装置32可包括穿流式冷却器，以使得流经传送通道M的加压流体穿流通过冷却器本身。在某些实施例中，冷却装置32可为套式冷却器并从而间接冷却加压流体。在一个实施例中，冷却装置构造成将通过传送通道的流冷却约40-60° K。压力储存设备34可与传送通道M流体连接，以临时储存加压流体。压力储存设备34例如可为罐或蓄压器。在一个实施例中，压力储存设备34和冷却装置32可集成在一个单元中，以便同时储存和冷却加压流体。可设置压力阀装置35以控制通向压力储存设备 34的流体流动。第二气缸14可设置有排气口 36和相关的排气门装置37以便排放燃烧产物。发动机10可设置有燃料引入装置。在所示的实施例中，该燃料引入装置构造为带有至少一个燃料喷射器40的燃料喷射装置38。然而，在其他实施例中，燃料引入装置能以其他方式将燃料引入到第二气缸14。例如，汽化器装置可设置在冷却装置32与进入端口四之间。这种装置可独立地使用，或与构造成将燃料喷入进入所述进入端口四的加压流体的燃料喷射装置结合地使用。此外，在各种实施例中，燃料引入装置可构造成引入不同类型的燃料， 例如柴油、汽油、天然气、双燃料配设、或其他适当的燃料类型。阀门装置22、28、30、35和37可根据需要形成并例如可包括机械、液压或电动的致动器。阀门装置22、28、30和37中的实际阀元件作为提升阀被示出，但可具有任何适当的结构，例如盘阀、转盘阀和/或旋转球阀。
控制装置42可用于致动和/或控制阀门装置22、28、30、35和37中的至少一些和 /或燃料喷射装置38。控制装置42可包括例如一个或多个电子控制单元(如图1所示) 和/或一个或多个由发动机驱动的凸轮轴。图2-4详细示出了喷射器40和进入端口四及其相关的进入阀装置30的具体构型的示例性实施例。在图2-3所示的实施例中，进入端口四构造成沿总体朝第二气缸14 中的第二活塞18的方向引导流体。尽管进入阀装置30可能干扰进入第二气缸14的流体的流动、并且第二气缸14中的部分流体流可能是紊流和/或向侧面行进，但流体流总体被引向第二活塞18以便注入第二气缸14。喷射器40可构造成总体朝第二气缸中的第二活塞 18的方向喷射燃料。在类似于图2所示的实施例中，燃料喷射装置38构造成将燃料喷入位于进入端口 29上游的流体。在类似于图3所示的实施例中，燃料喷射装置38可与进入端口四接近地耦联且相对于气缸盖表面39成锐角α 1，并且可构造成将燃料喷入紧邻进入端口四下游的流体。在类似于图4所示的实施例中，燃料喷射装置38构造成将燃料喷入紧邻进入端口四下游的流体，尽管喷射器40可以不与进入端口四接近地耦联。在这种构型中，燃料喷射装置38且特别是喷射器40可成α2角，该角度可小于角度α 1，以确保总体朝流体进入第二气缸14的进入点——在该点处流速较高——喷射。应理解的是，尽管示出了仅仅一对第一气缸12和第二气缸14、且每个气缸仅单个端口-阀门装置00-22、27-沘、29-30、36-37)，但优选地，每个气缸可设置多个。在为第二气缸14设置两个或多个进入端口四的情况下，燃料喷射装置38可包括两个或多个燃料喷射器40，和/或燃料喷射器40的喷嘴可构造为使得喷射的燃料量被基本相同地分配给两个或多个进入端口 29，和/或燃料喷射可发生在两个或多个进入端口四之间的中间位置。工业实用性如通常已知的那样，在常规的发动机中，可通过经由向下冲程中的活塞形成的抽吸促使流体流动、并且在适当的情况下经由涡轮增压器将流体推入气缸。在这种情况下，流入气缸的流体处于较低的压力。在根据本发明的设计中，因为由第一活塞16施加正压并排出，经过进入端口四的流体处于极高的压力。这使得流体能够以极高的流速进入第二气缸 14并总体朝向第二活塞18。出乎意料地发现，将燃料喷入沿总体朝第二活塞18方向行进的高速流中可能是非常有利的。还发现，冷却第一气缸12与第二气缸14之间的加压流体流对于分循环概念可能是非常有利的。根据本发明的内燃发动机10的示例性操作方法可以如下所述。应注意的是，在需要的情况下，控制装置42可至少部分地控制下文中的任一者。 分循环的开始可以是形成第一气缸12中的进气冲程以便带入新鲜空气并在希望的情况下带入再循环的排气(EGR)。在进气冲程期间，进气门装置22可开启以便允许流体流经进气口 20。同时，释放阀装置观可封闭释放端口 27。该方法的下一步是形成其中进气口 20可能被封闭的压缩冲程。在整个压缩冲程期间，或至少在其一部分期间，释放端口 27可开启以将加压流体从第一气缸12释放到传送通道M中。通过打开进入阀装置30，将流体从传送通道M经进入端口四引入第二气缸14。可将燃料引入到传送通道M中和/或经由燃料喷射装置38将燃料喷入进入第二气缸14的高速流中，以便与来自第一气缸12的流体一起燃烧。燃烧产物可在排气冲程期间——其间排气门装置37可开启以允许燃烧产物经由排气口 36离开第二气缸14——离开第二气缸14。在一个实施例中，所述方法包括利用冷却装置32冷却从第一气缸12释放的流体 (即，从第一气缸12传送到第二气缸14的加压流体)。在一个实施例中，流体的冷却可包括使得流体在冷却装置32上降温约40-60° K。应理解的是，从此处起，对与第二气缸14 相关的流体的任何讨论可包括经冷却或未经冷却的流体。在一个实施例中，从第一气缸12释放的加压流体可被临时储存在压力储存设备 34中，其可起到缓冲器的作用以适应系统中的压力尖峰或峰值需求。在带有压力储存设备 34和冷却装置32两者的系统中，压力储存设备34可位于冷却装置32的上游或下游。在其中压力储存设备；34和冷却装置32接近地耦联或集成在一个构件中的实施例中，流体可在处于压力储存设备34内或经过压力储存设备34的同时得以冷却。来自传送通道M的流体在第一时间段中被引入第二气缸14，在一个实施例中，该第一时间段可至少部分地位于第二气缸14的做功冲程期间。燃料可在第二时间段中被喷入第二气缸14，在一个实施例中，该第二时间段可至少部分地位于第二气缸14的做功冲程期间。在一个实施例中，第一时间段和第二时间段可至少部分重叠。在这样的实施例中，流体和燃料可同时进入第二气缸14。如前文所述，被引入第二气缸14的流体可沿大体朝第二活塞18的方向流动。燃料在流体被引入第二气缸14的同时和/或在流体总体朝第二活塞18流动的同时被喷入流体中。在此阶段，流体可处于高流速，并且可以是高度紊流但总体朝第二活塞18移动，并且， 在此阶段喷射燃料可有助于混合和燃烧过程。在一个实施例中，燃料可沿总体朝第二活塞 18的方向喷射，S卩，至少一个方向分量朝向第二活塞18。如图2所示，在一个实施例中，所述方法可包括将燃料喷入紧邻进入端口四下游的流体。如图3所示，在一个实施例中，所述方法可包括将燃料喷入位于进入端口四上游的流体。如图4所示，在一个实施例中，所述方法可包括将燃料喷入紧邻进入端口四下游的流体，尽管燃料喷射器40可以不与进入端口四接近地耦联。尽管在此已描述本发明的优选实施例，但可结合入改进和改型而不脱离所附权利要求的范围。
权利要求
1.一种操作内燃机的方法，包括 在第一气缸中形成进气冲程；在所述第一气缸中形成压缩冲程，从而获得加压流体； 从所述第一气缸释放加压流体； 冷却释放的流体；在第一时间段中将冷却的流体引入第二气缸；在第二时间段中将燃料喷入所述第二气缸，其中所述第一时间段和所述第二时间段至少部分重叠。
2.根据权利要求1的方法，还包括在所述冷却的流体沿总体朝所述第二气缸中的活塞的方向流动的同时将燃料喷入所述冷却的流体中。
3.根据权利要求1的方法，还包括沿总体朝所述第二气缸中的活塞的方向引入所述冷却的流体并喷射燃料。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述第二气缸设置有构造成控制所述冷却的流体流入所述第二气缸的进入阀，所述方法还包括将燃料喷入紧邻所述进入阀下游的冷却的流体中。
5.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述第二气缸设置有构造成控制所述冷却的流体流入所述第二气缸的进入阀，所述方法还包括将燃料喷入所述进入阀上游的冷却的流体中。
6.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述冷却释放的流体的步骤包括将流体的温度降低约40至60° K。
7.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述第二气缸构造成从所述第一气缸接收加压流体并执行做功冲程和排气冲程，所述方法包括在所述做功冲程期间将所述冷却的流体的至少一部分引入所述第二气缸。
8.根据权利要求7的方法，包括在所述做功冲程期间喷射燃料。
9.一种内燃发动机，包括构造成操作分循环的一对第一气缸和第二气缸，所述第一气缸构造成运行进气冲程和压缩冲程，所述一对气缸中的第二气缸构造成运行做功冲程和排气冲程；通道，其流体地连接所述第一气缸和第二气缸，并构造成能够在所述第一气缸与所述第二气缸之间传送加压流体；冷却装置，其与所述通道相关联；阀装置，其控制所述加压流体在第一时间段中进入所述第二气缸； 燃料喷射装置，其构造成在第二时间段中将燃料喷入所述第二气缸中；以及控制装置，其构造成至少控制所述燃料喷射装置以使得所述第一时间段和所述第二时间段至少部分重叠。
10.根据权利要求9的内燃发动机，其特征在于，所述阀装置包括至少一个进入端口， 所述至少一个进入端口构造成沿总体朝所述第二气缸中的活塞的方向引入冷却的流体。
11.根据权利要求9的内燃发动机，其特征在于，所述燃料喷射装置构造成在冷却的流体沿总体朝所述第二气缸中的活塞的方向流动的同时将燃料喷入冷却的流体中。
12.根据权利要求10的内燃发动机，其特征在于，所述至少一个进入端口包括至少两个进入端口，并且所述燃料喷射装置布置成使得燃料喷入所述至少两个进入端口中的所有进入端口的流体流中。
13.根据权利要求10的内燃发动机，还包括以下中的至少一者a)所述燃料喷射装置构造成将燃料喷入所述进入端口上游的冷却流体中，或b)所述燃料喷射装置构造成将燃料喷入紧邻所述进入端口下游的冷却流体中。
14.一种操作内燃机的方法，包括 在第一气缸中形成进气冲程；在所述第一气缸中形成压缩冲程，从而获得加压流体； 从所述第一气缸释放加压流体； 冷却释放的流体； 将冷却的流体引入第二气缸；将燃料喷入所述第二气缸以便与冷却的流体一起燃烧。
15.根据权利要求14的方法，包括将释放的流体冷却约40-60°K。
16.根据权利要求14的方法，包括在将冷却的流体引入所述第二气缸的同时将燃料喷入所述冷却的流体中。
17.一种操作内燃机的方法，包括 在第一气缸中形成进气冲程；在所述第一气缸中形成压缩冲程，从而获得加压流体；从所述第一气缸释放加压流体；在第一时间段中将加压流体引入第二气缸；在第二时间段中将燃料喷入所述第二气缸，其中所述第一时间段和所述第二时间段至少部分重叠。
18.根据权利要求17的方法，包括沿总体朝所述第二气缸中的活塞的方向引入所述加压流体并喷射所述燃料。
19.根据权利要求17的方法，包括在所述加压流体沿总体朝所述第二气缸中的活塞的方向流动的同时将燃料喷入所述加压流体中。
20.根据权利要求17的方法，包括在释放的流体进入所述第二气缸之前冷却所述释放的流体。
全文摘要
一种操作内燃机的方法，包括在第一气缸中形成进气冲程；在所述第一气缸中形成压缩冲程，从而获得加压流体；以及从所述第一气缸释放加压流体。所述方法还包括冷却释放的流体；在第一时间段中将冷却的流体引入第二气缸；以及在第二时间段中将燃料喷入所述第二气缸，其中所述第一时间段和所述第二时间段至少部分重叠。
文档编号F02B33/22GK102325973SQ200980157140
公开日2012年1月18日 申请日期2009年12月17日 优先权日2008年12月22日
发明者C-A·赫加尔特, J·W·安德斯, S·B·菲弗兰德 申请人:卡特彼勒公司