设置有被相变材料冷却的内燃发动机的发动机组件

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2019年11月29日提交的意大利专利申请第.102019000022560号的优先权，该意大利专利申请的全部公开内容通过参引并入本文中。

技术领域

本发明涉及发动机组件，该发动机组件设置有内燃发动机，该内燃发动机借助于包含相变材料的热交换流体而被冷却。特别地，本发明有利地应用于分置循环式内燃发动机的冷却。

背景技术

众所周知，分置循环式发动机包括：至少一个压缩汽缸，所述至少一个压缩汽缸专用于对氧化空气进行压缩；以及至少一个燃烧汽缸或膨胀汽缸，所述至少一个燃烧汽缸或膨胀汽缸通过一个或更多个入口阀与压缩汽缸连通，以便在每个循环中接纳压缩空气的装填连同燃料注射。膨胀汽缸专用于空气/燃料混合物的燃烧，专用于燃烧气体的膨胀以产生机械能并且专用于所述气体的排出，使得该膨胀汽缸基本上像双冲程发动机一样作用，而该双冲程发动机又操作压缩汽缸。

为了提高压缩效率，应当限制温度增加并且因此限制空气压缩期间所需的功。为此，例如可以将液体物质注射到汽缸中，使得在空气压缩期间，这种物质会蒸发，会由于相变而吸收热量，并且因此将空气的温度保持处于空气自身的沸腾温度水平。

同时，压缩汽缸的壁可以通过对流而被冷却至尽可能低的温度，以便将热量移除并且限制空气温度增加。

另一方面，膨胀汽缸需要保持处于适用于该膨胀汽缸操作的温度，但是这些温度高于压缩汽缸的温度。对于压缩汽缸，通常使用传统的冷却系统，其中，冷却液体在发动机的曲柄箱中和头部中循环并且通常由水和乙二醇的混合物组成。

在传统的发动机中，所有的汽缸显然具有相同的冷却需求，而在分置循环式发动机中，这种情况并不适用。

因此，需要改进上述已知的解决方案，特别地从整体热力学效率的角度来看，保持压缩功较低并且以理想的方式利用热交换流体设法从发动机所移除的残余热。

本发明的目的是提供一种发动机组件，该发动机组件以简单且经济的方式满足上述需求。

发明内容

根据本发明，提供了一种如权利要求1中所述的发动机组件。

特别地，该发动机组件包括分置循环式内燃发动机，该内燃发动机借助于包含至少一种相变材料的热交换流体而被冷却，所述至少一种相变材料适合于在冷却通道设计阶段期间所选择的温度和压力条件下，在发动机自身的冷却通道中流动的同时从液体相变为气。

附图说明

通过参照附图阅读以下通过非限制性示例所提供的两个优选实施方式的详细描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

-图1是示出了根据本发明的发动机组件的第一实施方式的图；以及

-图2与图1类似并且示出了根据本发明的发动机组件的第二实施方式。

具体实施方式

参照图1中示意性示出的内容，附图标记1表示发动机组件，该发动机组件特别地用以驱动机动车辆(未示出)或用于农业机械。

组件1包括内燃发动机2，该内燃发动机2特别地被限定为分置循环式发动机。

发动机2由压缩部段3和膨胀部段4组成：压缩部段3专用于空气的压缩，使得该压缩部段3基本上限定了容积式压缩机；膨胀部段4被设计成通过至少一个连接导管(未示出)接纳被压缩部段3所压缩的空气并接纳来自注射系统(未示出)的一定量的燃料，并且该膨胀部段4专用于空气/燃料混合物的燃烧、由燃烧所产生的气体的膨胀以及所述气体的排出，使得膨胀部段4基本上像双冲程发动机一样作用。

压缩部段3包括一个或更多个压缩汽缸10。例如，设置有两个汽缸10。每个汽缸10包括各自的衬套和各自的活塞，在衬套与活塞之间限定有压缩室，该压缩室被设计成以直接或间接的方式接纳来自外部的空气流(例如，经历本文中未示出的预压缩阶段)。活塞设置有往复运动，以便在每个循环中执行：进气冲程，在进气冲程期间，空气通过一个或更多个进气阀流动到压缩室中；以及压缩冲程，在压缩冲程期间，空气被压缩并且然后通过上述连接导管中的一个或更多个输送阀从压缩室流出。压缩部段3的活塞优选地由同一从动轴(未示出)操作，该从动轴特别地由曲柄轴限定。

类似地，膨胀部段4包括一个或更多个膨胀汽缸(或燃烧汽缸)20。例如，汽缸20是汽缸10的两倍。每个汽缸20包括各自的衬套和各自的活塞，在衬套与活塞之间限定有燃烧室，该燃烧室被设计成通过一个或更多个入口阀接纳来自上述连接导管的压力下的空气连同由注射系统所注射的燃料。活塞进行具有以下两种冲程的往复运动：膨胀冲程，在膨胀冲程期间，空气和燃料流动到燃烧室中并且形成混合物，该混合物被点燃(以受控方式或自发地)，以便然后造成燃烧气体的膨胀并且产生机械能；以及排放冲程，在排放冲程期间，经燃烧的气体通过排放系统中的一个或更多个出口阀排出，该排放系统未示出并且设置有排放气体处理装置。

汽缸20的活塞优选地操作同一驱动轴(未示出)，该驱动轴例如由曲柄轴限定并且又以直接或间接的方式操作压缩部段3的从动轴。在本文中示意性地示出的示例中，汽缸10和20彼此对准并且部段3和4的轴沿着相同的旋转轴线彼此对准。

发动机2包括曲柄箱，该曲柄箱例如由部段3和4共用。换句话说，曲柄箱包括分别布置有压缩汽缸和膨胀汽缸的两个不同部分；替代性地，为部段3和4提供单独的曲柄箱。发动机2还包括两个不同头部或两个部分，所述两个部分是同一头部的部分并且分别与部段3和4相关联。

组件1还包括冷却回路41，该冷却回路41沿着一个或更多个闭环运送热交换流体并且包括至少一个泵43。特别地，回路41包括：部分45，该部分45延伸通过压缩部段3(位于曲柄箱和/或相应的头部中)；部分46，该部分46延伸通过膨胀部段4(位于曲柄箱和/或相应的头部中)；以及部分47，该部分47在发动机2中待冷却的部件的外部上延伸并且将部分45的出口连接至部分46的出口，使得部段3和4被至少部分的热交换流体串联地冷却。

因此，回路41的对部分45和46进行限定的内部冷却通道在曲柄箱的材料中(围绕汽缸)延伸和/或在头部的材料中(围绕将空气给送至汽缸的导管和阀并且/或者围绕允许排放气体从汽缸20排出的出口导管和阀)延伸。

回路41优选地包括另一泵48，该泵48与泵43不同，以便将相应部分的热交换流体独立地给送至部段3和4。换句话说，泵43具有与部分46(以直接方式或通过导管49)连接的输送口43a，而泵48具有与部分45(以直接方式或通过导管)连接的输送口48a。部分47可以终止于泵43的下游，即终止于导管49的区域中(如由实线所示)，使得泵43和48并联布置，或者可以终止于泵43的上游(如由虚线表示)，使得泵43和48沿着回路41串联布置。

根据本发明的一方面，在回路41中循环的热交换流体包括相变材料，该相变材料具有沸腾温度以便在发动机2(在稳定状态下)的给定压力和温度条件下，当相变材料在使用中于部分46中流动时、即流动通过膨胀部段4时，使该相变材料从液体相变为蒸气。同时，冷却回路41被控制以使部分46中的至少一部分的热交换流体在部分46中存在的压力条件下达到该热交换流体的沸腾温度，这与传统发动机中发生的情况不同，在传统发动机中，设置有控制装置(例如以打开与散热器相关联的风扇)，以便在冷却液体达到其沸腾温度之前使该冷却液体的温度降低。

特别地，热交换流体由至少两种成分的混合物限定，所述成分中的一种成分由上述相变材料限定，而热交换流体的剩余部分被选择成使得第二部分在第一流体部分沸腾的温度和压力条件下保持液体。换句话说，该混合物被选择以形成共沸物。

热交换流体的保持液体部分防止冷却通道，特别地防止发动机的区域(例如，头部)充满唯一的蒸气。发动机中的冷却通道中存在给定量的液体将热交换保持在理想条件下。

相变材料优选地由乙醇或酒精限定，乙醇或酒精在大约9.5巴的压力下在大约150℃的温度下沸腾。

回路41中的操作压力值借助于已知装置保持处于阈值，该已知装置在本文中未示出并且布置在部分46的下游。该阈值确定热交换流体在部分46中的沸腾温度。

例如，可以使用由乙醇和水组成的共沸物，乙醇和水的百分比分别小于50％和大于50％。特别地，乙醇的使用百分比范围在15％至20％内。

一旦在设定的温度和压力条件(例如，大约150℃的压力和大约9.5巴的压力)下达到共沸物的沸腾温度，由两种物质(包含大约95％的水和5％的乙醇)的混合物组成的第一部分开始蒸发。当没有乙醇留下时，保持液体部分由唯一的水限定(水在9.5巴的压力下的沸腾温度为大约177℃，使得水在150℃的操作条件下保持液体)。

根据未详细描述的变型，可以使用具有诸如乙醇、水和乙二醇的三种物质的共沸物。

同时，回路41包括蒸气涡轮机，该蒸气涡轮机用附图标记50表示并且布置在部分46的下游以便在已经借助于分离器60将在部分46中产生的蒸气从液体部分分离之后接纳所述蒸气，如下面更详细地说明的那样。分离的蒸气在涡轮机50中膨胀并且因此产生机械能(机械能可以在涡轮机50的旋转轴的区域中提取)以用于能量回收。机械能优选地转变成电能(借助于与涡轮机50的旋转轴连接的未示出的发电机)。

回路41还包括限定冷凝器54的热交换器，该冷凝器54具有入口55，入口55连接至涡轮机50的出口56以便接纳经受膨胀的蒸气并且将该蒸气转变成液体(因此以本文中未示出的已知方式将热量从所述蒸气传递至另一种流体、例如环境空气)。

在设计阶段期间，冷凝器54定尺寸成获得具有尽可能低的温度的冷凝物。例如，以下述方式进行定尺寸：该方式使得冷凝物与环境空气(用于冷却从涡轮机50流出的蒸气)之间的温度差在大约十度的范围内，以便具有高效的热交换。同时，冷凝压力(对应于涡轮机50出口处的压力)必须使得在冷凝器54中不会造成过大的真空。

上面通过示例提及的乙醇在大约0.5巴的压力下在大约60℃的温度下冷凝，该温度即使在40℃至50℃的环境温度下也能满足热交换需求。

如上所述，乙醇可以由不同的相变材料替代，该相变材料被选择成在期望的温度和压力条件下和/或在设计阶段期间针对发动机2(在稳定的发动机状态下)内部上的冷却通道所设定的温度和压力条件下沸腾。就此而言，在部分46的冷却通道中，需要相对高的工作压力以便在涡轮机50的区域中具有足够好的压降，并且因此从涡轮机50提取更大的机械能。

用于相变材料并且用于共沸物组成的理想物质通过考虑该理想物质的压力/温度图和相对液体/蒸气平衡来选择。

回到图1，冷凝器54具有出口58，该出口58连接至泵48的吸入端口48b。根据变型，作为与泵48的连接的替代性方案或者和与泵48的连接相结合，出口58可以借助于设置有适当控制阀的连接线路59来与泵43的吸入端口43b连通。

回路41包括上面提及的液体/蒸气分离器60，液体/蒸气分离器60具有入口61，该入口61连接至部分46的出口以便在热交换流体已经将热量从膨胀部段4的头部和/或曲柄箱移除之后立即接纳该热交换流体，并且该液体/蒸气分离器60构造成使留在从部分46流出的流中的液体部分分离，以防止所述液体部分损坏涡轮机50。因此，分离器60具有：蒸气出口63，该蒸气出口63连接至涡轮机50的入口64；以及液体部分出口65，该液体部分出口65连接至热交换器67的入口66以使所述液体部分的温度降低。

在设计阶段期间，交换器67优选地定尺寸成使液体部分的温度降低几度，从而在所述液体部分与用于冷却散热器67的环境空气之间保持很大的温度差。以这种方式，获得了高效率，该高效率使针对这种冷却所耗费的能量最少化并且倾向于至少部分地弥补在冷凝器54的区域中冷却所需的能量。

如果回路的压力低于2巴，则交换器67由常规的散热器限定。在这种情况下，使用乙醇和水共沸物，回路中的最大温度被控制以便达到共沸物的沸腾温度(在设定的操作温度2巴下为大约98℃)并且避免达到保持液体部分(水)的沸腾温度(大约120℃)。另一方面，如果设定更高的操作温度，例如在如上面通过示例所建议的9.5巴的范围内，交换器67需要能够抵抗该操作压力，使得液体冷却可以是必要的，即利用“间接”热交换而不是使用常规的散热器来冷却。

交换器67具有出口68，该出口68连接至泵43的吸入口43b，以便将液体部分(连同在冷凝器54中冷凝并且流动通过压缩部段3的部分)重新引入膨胀部段4的循环中。

此外，可以沿着回路41布置有一个或更多个阀(例如，与本文中未示出的可能旁路分支相关联的压力限制阀和/或流量控制阀)。

包括发动机2、涡轮机50、冷凝器54以及泵48的闭环构型允许回路41用作朗肯循环。然而，根据变型，可以在分离器60与涡轮机50之间设置有加热装置80(用虚线示出)，以使给送至涡轮机50的蒸气部分过热，以便增加涡轮机50的转换效率。加热装置70是电动的并且/或者使用由发动机2产生的排放气体的热量。

在图2的实施方式中，回路41专用于膨胀部段4，使得该回路41并未设置泵48以及部分45和47；此外，冷凝器54的出口58连同交换器67的出口68与泵43的吸入口43b连接。

同时，设置有冷却回路42，冷却回路42与回路41分离；回路42包括泵69，泵69与泵43不同且独立并且运送泵69自身的热交换流体(不同于或等于回路41中使用的物质)，使得两种流体不能混合或汇合。回路42延伸通过压缩部段3(位于曲柄箱中和/或头部中)，使得该回路42专用于将热量从压缩部段3的曲柄箱和/或头部移除，并且回路42包括热交换器70，该热交换器70例如由常规的散热器限定。如果需要，可以将交换器67和70结合在一个单独的散热器中，但保持两种热交换流体分离。

由于上述原因，本领域中技术人员清楚地理解组件1的优点。特别地，回路41允许以有效的方式并且以相对少数目的部件从热交换流体中回收能量，从而利用相变材料在发动机2内部转变成蒸气并且在发动机2自身中以潜热形式存储大量能量的能力。

在图1的实施方式中，一种单独的混合物在回路41中流动以用于冷却，但是根据操作条件，即基于流体在流动通过发动机2的同时而转变成蒸气的实际百分比，流动速率和/或热交换对于两个部段3和4则是不同的。例如，在启动阶段期间，共沸物尚未达到该共沸物的沸腾温度，并且因此仍处于液体状态且连同热交换流体的剩余部分从分离器60循环至泵43。在这种情况下，分离器60的出口65优选地借助于连接线路59连接至吸入端口48b，以便在一个或更多个阀的控制下将热交换流体朝向泵48(未示出)偏转。另一方面，在稳定状态条件下，共沸物在膨胀部段4中达到该共沸物的沸腾温度，使得蒸气从分离器60流动至涡轮机50，从而回收残余热并且将残余热转变成机械能(并且在必要的情况下转变成电能)。同时，所有的冷凝物都流动至压缩部段3，在压缩部段3处冷凝物在与热交换流体的剩余(非蒸发)部分再次混合之前被预先加热。

如上所述，操作温度不应当超过预定温度，该预定温度大于或等于共沸物的沸腾温度，以便允许该共沸物蒸发，但是该预定温度小于必须保持液体的部分的沸腾温度。为此，存在一种或更多种可能的解决方案以将热量移除，这些解决方案根据未详细描述的已知控制逻辑操作(例如：增加引入到膨胀部段4中的流体流，从而特别地调节泵43；使温度相对较低的冷凝物流通过线路59朝向泵43b的吸入端口偏转，从而在必要的情况下于线路59的区域中提供附加的罐(未示出)；启用限定交换器67的散热器区域中的风扇；等等)。

另一方面，在图2的构型中，可以以完全独立的方式管理两个回路41和42，以在它们不会彼此影响的情况下设定/调节两个部段3和4的热交换。

此外，在分置循环式发动机中使用回路41是特别有利的，因为膨胀部段4中的温度相对较高且恒定。

由于上述，显然可以在不会超出所附权利要求中提出的保护范围的情况下对组件1进行改变和变型。

特别地，在图2的解决方案中，适合的相变材料与相关的蒸气涡轮机也可以用于压缩部段3的热交换流体中。

此外，在回路41中在冷凝器54和交换器67下游的循环可以与上面通过示例所论述的内容不同；并且/或者可能存在旁路分支以避免在一些操作条件下(例如，在发动机启动条件下)必须经过交换器67和/或分离器60。