分裂循環(huán)發(fā)動機中的線軸梭子跨接閥的制作方法
【專利說明】分裂循環(huán)發(fā)動機中的線軸梭子跨接閥
[0001 ] 相關申請案的交叉參考
[0002]本申請案主張2013年7月17日提出申請的第61/847，551號美國臨時申請案的權益，所述美國臨時申請案的內容以其全文引用方式并入本文中。
技術領域
[0003]本發(fā)明一般來說涉及還稱作分裂循環(huán)發(fā)動機的分裂循環(huán)內燃機，且更具體來說涉及跨接閥。
【背景技術】
[0004]常規(guī)內燃機包含一或多個汽缸。每一汽缸包含執(zhí)行四個沖程(通常稱為進氣、壓縮、燃燒/動力/膨脹及排氣沖程)的單個活塞。這四個沖程一起形成常規(guī)內燃機的完整循環(huán)。然而，所述循環(huán)的每一部分以不同方式受從工作流體排斥到活塞及汽缸壁中的熱影響:在進氣及壓縮期間，高排熱速率改進速率，然而在燃燒/膨脹期間，極少或無排熱引起最好效率。單個汽缸無法滿足此沖突要求，因為活塞及汽缸壁溫度在每一循環(huán)內無法容易地從冷改變到熱且變回到冷。常規(guī)內燃機的單個汽缸無法作為壓縮機(需要冷環(huán)境以用于最優(yōu)效率性能)及燃燒器/膨脹器(需要熱環(huán)境及工作流體的最優(yōu)膨脹以用于最優(yōu)效率性能)兩者同時及在同一空間處被優(yōu)化。
[0005]常規(guī)內燃機具有低燃料效率-燃料能量的二分之一以上通過發(fā)動機結構及排氣出口而丟失，而不添加任何有用機械功。常規(guī)內燃機中的熱浪費的主要原因是必要冷卻系統(例如，散熱器)，所述冷卻系統單獨以大于實際上變換成有用功的總熱的速率及量耗散熱。此外，常規(guī)內燃機能夠通過在汽缸、活塞及燃燒室中采用低排熱方法且通過添加實質復雜度及成本的廢熱恢復方法來僅最低限度地增加效率。
[0006]進一步低效率由在進氣及壓縮沖程期間汽缸中的高溫造成。此高溫降低發(fā)動機體積效率且使活塞做功更難，且因此在這些沖程期間降低效率。
[0007]理論上，大于壓縮比率的膨脹比率將大大地增加內燃機中的發(fā)動機效率。在常規(guī)內燃機中，最大膨脹比率通常與最大壓縮比率相同。此外，常規(guī)手段可僅經由閥定時允許壓縮比率的減小(米勒及阿特金森循環(huán)，舉例來說)且可比效率增加低效，此在所有四個沖程尚未在單個汽缸中執(zhí)行的情況下是可能的。
[0008]常規(guī)內燃機的另一缺點是不完整化學燃燒過程，此降低效率且導致有害廢氣排放。
[0009]為解決這些問題，其他人先前已揭示了雙活塞燃燒發(fā)動機配置。舉例來說，卡薩迪(Casaday)的第I，372，216號美國專利揭示一種雙活塞燃燒發(fā)動機，其中汽缸及活塞布置成相應對。點火汽缸的活塞在壓縮汽缸的活塞之前移動。瑟斯頓(Thurston)等人的第3，880，126號美國專利揭示一種雙沖程分裂循環(huán)內燃機。引入汽缸的活塞在動力汽缸的活塞之前移動稍微小于二分之一沖程。引入汽缸壓縮進料，且將進料轉移到動力汽缸，其中所述進料與來自先前循環(huán)的燃燒過的產品的殘余進料混合，且在點火之前進一步被壓縮。斯庫德里(Scuderi)的第2003/0015171 Al號美國專利申請案揭示一種四沖程循環(huán)內燃機。第一汽缸(動力汽缸)內的動力活塞連接到曲軸且執(zhí)行四沖程循環(huán)的動力及排氣沖程。第二汽缸(壓縮汽缸)內的壓縮活塞也連接到曲軸且在曲軸的同一旋轉期間執(zhí)行四沖程循環(huán)的進氣及壓縮沖程。第一汽缸的動力活塞在第二汽缸的壓縮活塞之前移動。蘇(Suh)等人的第6，880，501號美國專利揭不一種具有一對汽缸的內燃機，每一汽缸含有連接到曲軸的活塞。一個汽缸適用于進氣及壓縮沖程。另一汽缸適用于動力及排氣沖程。布拉克特(Brackett)的第5，546，897號美國專利揭示一種可執(zhí)行雙發(fā)動機、四發(fā)動機或柴油機動力循環(huán)的多汽缸往復式活塞內燃機。

【發(fā)明內容】

[0010]然而，上文所描述的參考文獻未能揭示如何使用以高密封水平耐用的閥系統以及時方式且在不具有從壓縮汽缸到動力汽缸的壓力損失的情況下有效地管理工作流體的轉移。另外，這些參考文獻中所揭示的單獨汽缸全部由某種轉移閥或中間通路(連接管)連接，所述轉移閥或中間通路在汽缸之間產生實質體積的“死空間”，從而減小低于常規(guī)發(fā)動機的有效壓縮比率的發(fā)動機的有效壓縮比率。
[0011]鑒于現在存在于現有技術中的已知類型的內燃機中固有的前述缺點，本文中所描述的實施例包含線軸梭子跨接閥與燃燒室(SSCVCC)內燃機，其利用具有比常規(guī)內燃機更高效地將燃料能量轉換成機械做功的可能性的溫度區(qū)分的汽缸。一些示范性實施例利用新穎SSCVCC來促進工作流體從壓縮室到燃燒室的高效且可靠轉移。盡管使用線軸梭子跨接閥，但在一些例子中，為證明實施例的一些益處，應認識到，權利要求書可不限于線軸梭子閥且可包含其它閥。
[0012]在示范性實施例中，具有SSCVCC的內燃機包含耦合到第二汽缸的第一汽缸、定位于所述第一汽缸內且經配置以執(zhí)行進氣及壓縮沖程而非排氣沖程的第一活塞及定位于所述第二汽缸內且經配置以執(zhí)行動力及排氣沖程而非進氣沖程的第二活塞。
[0013]或者，所述第一及第二汽缸可被視為可通過SSCVCC的往復式運動直接或間接耦合的兩個單獨室，其中所述第一活塞駐留在所述第一室中且所述第二活塞駐留在所述第二室中且所述線軸梭子內的所述燃燒室為第三室。
[0014]在又一示范性實施例中，分裂循環(huán)發(fā)動機進一步包含耦合到所述第一汽缸的進氣閥、耦合到所述第二汽缸的排氣閥及將所述第一汽缸的內室直接或間接耦合(經由分離燃燒室，其為線軸的部分)到所述第二汽缸的內室的SSCVCC。
[0015]在又一示范性實施例中，所述發(fā)動機包含兩個活塞連接桿、壓縮曲軸、動力曲軸及兩個曲軸連接桿。所述連接桿將相應活塞連接到其相應曲軸。所述壓縮曲軸將旋轉運動轉換成所述第一活塞的往復式運動。所述動力曲軸將第二活塞往復式運動轉換成發(fā)動機旋轉輸出運動。所述壓縮曲軸相對角度相對于所述動力曲軸相對角度可通過實施相位角度延遲(相位滯后)而彼此不同使得所述動力汽缸的所述活塞在所述壓縮汽缸的所述活塞之前移動。在一些示范性實施例中，所述相位滯后可為使得所述壓縮汽缸的所述活塞在所述動力汽缸的所述活塞之前移動。在再一實施例中，所述壓縮汽缸的所述活塞及所述動力汽缸的所述活塞同相(無相位滯后)移動。所述曲軸連接齒輪機構將所述動力曲軸旋轉轉變成壓縮曲軸旋轉。所述兩個活塞及兩個汽缸可彼此直列(平行)或彼此對置地經設計。在具有所述兩個活塞及兩個汽缸的直列配置的一個此類實施例中，可安裝低導熱材料的絕緣層(舉例來說)以分離相對冷的壓縮汽缸與相對熱的動力汽缸，如此項技術中通常已知。
[0016]在又一示范性實施例中，分裂循環(huán)發(fā)動機進一步包含耦合到所述第一汽缸的進氣端口、耦合到所述第二汽缸的排氣端口。所述進氣端口及排氣端口通過所述SSCVCC的所述往復式運動打開及關閉。所述SSCVCC將所述第一汽缸的內室直接或經由為所述線軸線軸的部分的分離燃燒室間接耦合到所述第二汽缸的內室。
[0017]在一些示范性實施例中，所述SSCVCC可由數個組件構造:線軸汽缸、線軸梭子、位于所述線軸梭子內的燃燒室、燃燒室端口、壓縮側上的線軸環(huán)、膨脹側上的線軸環(huán)、安裝于所述線軸汽缸中的固定(縮回)環(huán)、線軸連接桿及線軸曲軸、進氣端口及排氣端口。所述燃燒室可取決于所述線軸的相對位置而耦合到壓縮室及膨脹室或從壓縮室及膨脹室解耦作為所述線軸往復式運動的部分。
[0018]在示范性實施例中，分裂循環(huán)發(fā)動機包含:第一汽缸，其裝納第一活塞，其中所述第一活塞執(zhí)行進氣沖程及壓縮沖程，但不執(zhí)行排氣沖程;第二汽缸，其裝納第二活塞，其中所述第二活塞執(zhí)行膨脹沖程及排氣沖程，但不執(zhí)行進氣沖程;及閥室，其裝納閥，所述閥包括選擇性地以流體方式耦合到所述第一及第二汽缸的內室，其中所述閥及內室在所述閥室內且相對于所述第一及第二汽缸移動。
[0019]在一些示范性實施例中，所述內室在所述閥的移動期間與所述第一汽缸以流體方式耦合且與所述第二汽缸以流體方式耦合。
[0020]在一些示范性實施例中，在所述閥的移動期間，所述內室同時以流體方式耦合到所述第一及第二汽缸，且所述閥及內室在所述內室同時以流體方式耦合到所述第一及第二汽缸時的15個曲軸角度內具有最大速度及最小加速度。在一些進一步實施例中，所述閥及內室在所述內室同時以流體方式耦合到所述第一及第二汽缸時具有最大速度及最小加速度。
[0021]在一些示范性實施例中，所述閥既不與所述第一汽缸也不與所述第二汽缸同時以流體方式耦合，且所述閥及內室在所述內室既不與所述第一汽缸也不與所述第二汽缸以流體方式耦合時的15個曲軸角度內具有最大速度及最小加速度。在一些進一步示范性實施例中，所述閥及內室在所述內室既不與所述第一汽缸也不與所述第二汽缸以流體方式耦合時具有最大速度及最小加速度。
[0022]在一些示范性實施例中，所述第一活塞在所述內室以流體方式耦合到所述第一汽缸時到達其上死點。
[0023]在一些示范性實施例中，所述第一汽缸具有用以接收空氣/燃料混合物的進氣端口。在一些進一步示范性實施例中，所述進氣端口由所述閥的表面關閉。在一些示范性實施例中，所述進氣端口由提升閥關閉。
[0024]在一些示范性實施例中，火花塞起始燃燒。在一些進一步示范性實施例中，所述火花塞定位于所述閥上且經配置以在所述內室內形成火花。在一些進一步示范性實施例中，所述火花塞定位于所述閥室中且所述閥包含與所述火花塞對準以在所述內室內起始燃燒的燃燒端口。
[0025]在一些示范性實施例中，所述發(fā)動機經配置以通過壓縮流體來起始燃燒。
[0026]在一些示范性實施例中，在所述第二活塞到達其上死點之前所述第一活塞到達其上死點。
[0027]在一些示范性實施例中，在所述第一活塞到達其上死點之前所述第二活塞到達其上死點。
[0028]在一些示范性實施例中，所述第一及第二活塞同時到達其相應上死點。
[0029]在一些示范性實施例中，所述發(fā)動機包含所述閥與所述閥室之間的密封環(huán)。在一些進一步示范性實施例中，所述密封環(huán)不相對于所述閥室移動。在一些進一步示范性實施例中，所述密封環(huán)相對于所述閥室移動。在一些示范性實施例中，所述密封環(huán)包含不相對于所述閥室移動的第一密封環(huán)及相對于所述閥室移動的第二密封環(huán)。
[0030]在一些示范性實施例中，所述閥具有將所述內室同時以流體方式耦合到所述第一及第二汽缸的端口。
[0031]在一些示范性實施例中，所述閥具有將所述內室以流體方式耦合到所述第一汽缸的第一端口及將所述內室以流體方式耦合到所述第二汽缸的第二端口。
[0032]在一些示范性實施例中，在所述第一活塞處于其下死點時所述第一汽缸的內部體積大于在所述第二活塞處于其下死點時所述第二汽缸的內部體積。
[0033]在一些示范性實施例中，在所述第一活塞處于其下死點時所述第一汽缸的內部體積小于在所述第二活塞處于其下死點時所述第二汽缸的內部體積。
[0034]在一些示范性實施例中，所述發(fā)動機包含:第一曲軸，其耦合到所述第一活塞;第二曲軸，其耦合到所述第二活塞；曲軸連接機構，其耦合到所述第一及第二曲軸且經配置以平移所述第一與第二曲軸之間的運動，所述曲軸連接機構包括具有分別耦合到所述第一及第二曲軸的第一及第二端的曲軸連接桿。
[0035]在一些示范性實施例中，所述發(fā)動機包含耦合到所述第一及第二活塞的曲軸。
[0036]在一些示范性實施例中，所述發(fā)動機包含:第一曲軸，其耦合到所述第一活塞;第一齒輪，其耦合到所述第一曲軸;第二曲軸，其耦合到所述第二活塞;第二齒輪，其耦合到所述第二曲軸;第三齒輪，其耦合到所述第一及第二齒輪且經配置以平移所述第一與第二齒輪之間的運動。
[0037]在一些示范性實施例中，所述內室、壓縮室及膨脹室經定大小以最小化死空間。
[0038]在一些示范性實施例中，處于上死點的所述第一汽缸的內部體積小于處于下死點的所述第一汽缸的內部體積的五十分之一。
[0039]在一些示范性實施例中，處于上死點的所述第二汽缸的內部體積小于處于下死點的所述第二汽缸的內部體積的五十分之一。
[0040]在一些示范性實施例中，所述第一及第二汽缸布置成選自直列配置、對置配置及V形配置的配置。
[0041]在一些示范性實施例中，所述閥及內室在所述閥室內線性地且往復地移動。在一些進一步示范性實施例中，所述閥為線軸閥。
[0042]在一些示范性實施例中，所述第一及第二汽缸彼此熱隔離且所述第一汽缸維持在比所述第二汽缸冷的溫度。
[0043]在一些示范性實施例中，所述第一汽缸包含位于所述第一汽缸的外部表面上的多個空氣冷卻肋及在所述第一汽缸的殼體內的多個液體冷卻通路。在一些進一步示范性實施例中，所述發(fā)動機包含在所述空氣冷卻肋及液體冷卻通路內的液體冷卻劑，且其中所述液體冷卻劑的溫度是機械控制或電控制的。
[0044]在一些示范性實施例中，所述第二汽缸包含用于利用所述第二活塞排出的廢氣所提供的熱來進一步加熱所述第二汽缸的多個排氣加熱通路且與周圍環(huán)境熱隔離以便減少熱能從所述第二汽缸的泄漏。
[0045]在一些示范性實施例中，所述閥及內室在所述閥室內旋轉。在一些示范性進一步實施例中，所述閥及內室在所述閥室內線性地以及旋轉地移動。
[0046]在一些示范性實施例中，所述發(fā)動機包含:第三汽缸，其裝納第三活塞，其中所述第三活塞執(zhí)行膨脹沖程及排氣沖程，但不執(zhí)行進氣沖程，且其中所述內室選擇性地以流體方式耦合到所述第一、第二及第三汽缸，且其中所述閥及內室相對于所述第三汽缸移動。
[0047]在示范性實施例中，一種操作燃燒發(fā)動機的方法包含:壓縮第一汽缸中的工作流體;將所述工作流體轉移到閥的內室;及將所述工作流體轉移到第二汽缸。在一些示范性實施例中，所述第一汽缸裝納執(zhí)行進氣沖程及壓縮沖程但不執(zhí)行排氣沖程的第一活塞。在一些示范性實施例中，所述第二汽缸裝納執(zhí)行膨脹沖程及排氣沖程但不執(zhí)行進氣沖程的第二活塞。
[0048]在一些示范性實施例中，將所述工作流體轉移到所述內室包含將所述壓縮工作流體從所述第一汽缸轉移到所述內室。在一些示范性實施例中，將所述工作流體轉移到所述第二汽缸包含將所述壓縮工作流體從所述內室轉移到所述第二汽缸。所述閥可裝納于所述發(fā)動機的閥室中。所述閥及內室可在所述發(fā)動機的所述閥室內且相對于所述第一及第二汽缸移動。
[0049]在一些示范性實施例中，所述閥及內室在所述閥室內且相對于所述第一及第二汽缸線性地且往復地移動。在一些示范性實施例中，所述閥具有將所述內室同時以流體方式耦合到所述第一及第二汽缸的端口。
[0050]在一些示范性實施例中，所述方法進一步包含:在所述閥的移動期間，以流體方式耦合所述第一汽缸與所述內室而不以流體方式耦合所述內室與所述第二汽缸。
[0051]在所述方法的一些示范性實施例中，所述閥及內室在所述內室同時以流體方式耦合到所述第一及第二汽缸時的15個曲軸角度內包含最大速度及最小加速度。
[0052]在所述方法的一些示范性實施例中，所述閥及內室在所述內室同時以流體方式耦合到所述第一及第二汽缸時包含最大速度及最小加速度。
[0053]在所述方法的一些示范性實施例中，所述第一汽缸具有進氣端口，且所述方法包含通過所述進氣端口接收空氣/燃料混合物。在一些示范性實施例中，所述方法進一步包含用所述閥的表面關閉所述進氣端口。在一些示范性實施例中，所述方法進一步包含用提升閥關閉所述進氣端口。
[0054]在所述方法的一些示范性實施例中，所述第二汽缸具有排氣端口，且所述方法包含通過所述排氣端口排出已燃燒氣體。在一些示范性實施例中，所述方法進一步包含用所述閥的表面關閉所述排氣端口。在一些示范性實施例中，所述方法進一步包含用提升閥關閉所述排氣端口。
[0055]在一些示范性實施例中，所述方法進一步包含用火花塞起始燃燒。在所述方法的一些示范性實施例中，所述火花塞定位于所述閥上且所述方法包含用所述火花塞在所述內室內形成火花。在所述方法的一些示范性實施例中，所述火花塞定位于所述閥室中且所述閥包含與所述火花塞對準以在所述內室內起始燃燒的燃燒端口。
[0056]在一些示范性實施例中，所述方法進一步包含通過壓縮流體來起始燃燒。
[0057]在所述方法的一些示范性實施例中，在第二活塞到達其上死點之前第一活塞到達其上死點。在所述方法的一些示范性實施例中，在所述第一活塞到達其上死點之前第二活塞到達其上死點。在所述方法的一些示范性實施例中，所述第一及第二活塞同時到達其相應上死點。
[0058]在所述方法的一些示范性實施例中，所述發(fā)動機包含所述閥與所述閥室之間的密封環(huán)。在所述方法的一些進一步實施例中，所述密封環(huán)不相對于所述閥室移動。在所述方法的一些進一步實施例中，所述密封環(huán)相對于所述閥室移動。在所述方法的一些進一步實施例中，所述密封環(huán)包含不相對于所述閥室移動的第一密封環(huán)及相對于所述閥室移動的第二密封環(huán)。
[0059]在所述方法的一些示范性實施例中，在第一活塞處于其下死點時所述第一汽缸的內部體積大于在第二活塞處于其下死點時所述第二汽缸的內部體積。在所述方法的一些進一步實施例中，在所述第一活塞處于其下死點時所述第一汽缸的內部體積小于在所述第二活塞處于其下死點時所述第二汽缸的內部體積。
[0060]在所述方法的一些示范性實施例中，所述發(fā)動機包含:第一曲軸，其耦合到第一活塞;第二曲軸，其耦合到第二活塞；曲軸連接機構，其耦合到所述第一及第二曲軸且經配置以平移所述第一與第二曲軸之間的運動，所述曲軸連接機構包含具有分別耦合到所述第一及第二曲軸的第一及第二端的曲軸連接桿。
[0061]在所述方法的一些示范性實施例中，所述發(fā)動機包含耦合到第一及第二活塞的單個曲軸。
[0062]在所述方法的一些示范性實施例中，所述發(fā)動機包含:第一曲軸，其耦合到第一活塞;第一齒輪，其耦合到所述第一曲軸;第二曲軸，其耦合到第二活塞;第二齒輪，其耦合到所述第二曲軸；及第三齒輪，其耦合到所述第一及第二齒輪且經配置以平移所述第一與第二齒輪之間的運動。
[0063]在所述方法的一些示范性實施例中，所述內室、壓縮室及膨脹室經定大小以最小化死空間。
[0064]在所述方法的一些示范性實施例中，在第一活塞處于上死點時所述第一汽缸的內部體積小于在所述第一活塞處于下死點時所述第一汽缸的內部體積的五十分之一。在所述方法的一些示范性實施例中，在第二活塞處于上死點時所述第二汽缸的內部體積小于在所述第二活塞處于下死點時所述第二汽缸的內部體積的五十分之一。
[0065]在所述方法的一些示范性實施例中，所述第一及第二汽缸布置成選自直列配置、對置配置及V形配置的配置。
[0066]在所述方法的一些示范性實施例中，所述閥為線軸閥。
[0067]在所述方法的一些示范性實施例中，所述第一及第二汽缸彼此熱隔離且所述方法包含將所述第一汽缸維持在比所述第二汽缸冷的溫度。
[0068]在所述方法的一些示范性實施例中，所述第一汽缸包含位于所述第一汽缸的外部表面上的多個空氣冷卻肋及在所述第一汽缸的殼體內的多個液體冷卻通路。在所述方法的一些示范性實施例中，所述發(fā)動機進一步包含在所述空氣冷卻肋及液體冷卻通路內的液體冷卻劑，且所述方法包含機械控制或電控制所述液體冷卻劑的溫度。
[0069]在所述方法的一些示范性實施例中，所述第二汽缸包含用于利用第二活塞排出的廢氣所提供的熱來進一步加熱所述第二汽缸的多個排氣加熱通路且與周圍環(huán)境熱隔離以便減少熱能從所述第二汽缸的泄漏。
[0070]在所述方法的一些示范性實施例中，所述發(fā)動機包含裝納第三活塞的第三汽缸，其中所述第三活塞執(zhí)行膨脹沖程及排氣沖程，但不執(zhí)行進氣沖程，且所述內室選擇性地以流體方式耦合到所述第一、第二及第三汽缸，且所述閥及內室相對于所述第三汽缸移動。
【附圖說明】
[0071]圖1是根據示范性實施例的直列式分裂循環(huán)SSCVCC設備的簡化橫截面?zhèn)纫晥D，其中壓縮曲軸角度圖解說明為在壓縮活塞到達其上死點(TDC)之前處于50度且動力