分体式循环内燃发动机

发明领域

本发明涉及分体式循环内燃发动机领域，且特别地涉及分体式循环内燃发动机在发动机制动中用于制动相关交通工具的用途。

现有技术

在工业柴油循环内燃发动机领域中，特别是在具有高质量的商用交通工具中，为了不使主制动系统过度紧张，通过改变阀致动来使用发动机，这被称为交通工具的辅助制动系统(发动机制动)。

这种发动机制动功能特别有用，因为它有效地替代了辅助制动系统(液压或电寄生电流)的开启，辅助制动系统的开启具有即使在不使用时也会吸收寄生能量的缺陷。

在现有技术中也已知的是分体式循环发动机，其中操作循环在多个气缸(通常是两个气缸)之间进行划分。指示性地，细分将进气功能和压缩功能分配给第一气缸，以及将燃烧、膨胀和排气功能分配给第二气缸。

很明显，压缩机气缸和燃烧气缸都分两个阶段工作。特别地，每当燃烧气缸的活塞从其上止点移动到其下止点时，就发生燃烧/膨胀阶段。

因此，至少两个气缸在一个总循环上运行，该总循环是热力学循环，该热力学循环可以与任何已知的热力学循环(奥托(Otto)循环、迪塞尔(Diesel)循环、萨巴特(Sabatè)等相一致)，或者可以呈现很多或少量的显著的变型，其中例如可以预见在阶段之间的中间热交换。

EP2131023显示了在分体式循环马达中的马达制动的实施方式。

EP2131023示出了一种解决方案，根据该解决方案，压缩机气缸通过积聚储罐连接到燃烧气缸。在储存储罐和燃烧气缸之间有两个阀，一个交换阀(crossover valve)和一个控制阀。

此外，EP2131023公开了在发动机制动条件下控制阀保持稳定关闭的事实。燃烧气缸可以将空气抽出并再压缩到储罐中，或者燃烧气缸可以从排气管中吸入空气和将空气释放到排气管中。

换句话说，根据EP2131023，泵送空气的来源和排放总是一致的。

如果在下面的详细描述中没有明确排除，则本章中描述的内容将被视为详细描述的一个组成部分。

发明概述

本发明的目的是提出一种阀打开方案及其变型，以便考虑发动机本身的特殊性而允许交通工具借助于分体式循环发动机来制动。

本发明的基本思想是预期排气阀相对于正常操作条件打开约180°，同时进气阀继续将新鲜空气引入燃烧气缸。

通常，正常操作条件表示为“点火”，即当燃料喷射系统处于活动状态以允许发动机产生正扭矩时。

相反，发动机制动的条件通常表示为“发动机制动”，并且当燃料喷射系统被停用或禁止时，发动机产生对制动相关交通工具有利的负扭矩。

因此，本发明的目的是改进燃烧气缸的阀升程规律，以便在分体式循环发动机中实现发动机制动功能。

通过本发明的优选变型获得的另一个目的还包括最大化压缩机气缸所做的负功。因此，压缩机气缸的负功与在发动机制动模式下操作的燃烧气缸的负功相加，从而优化发动机整体的制动功率。

与EP2131023不同，在发动机制动条件下，压缩机气缸和燃烧气缸之间存在协作，因为来自压缩机气缸的压缩空气穿过燃烧气缸直接到达排气管路。

这确保了来自压缩机气缸的空气在燃烧气缸膨胀期间可以进行任何正功之前被排出。

因此，“燃烧气缸”系统在压缩机气缸自身的制动操作中与压缩机气缸协作。

这种效果，即新鲜空气从进气到排气的连续流动，不仅有利于制动功率，而且最重要的是有利于发动机的可靠性，这是该技术的使能要素之一。如本领域技术人员所熟知的，由于公知的基本物理定律，由发动机吸收的制动功率被转化为热量，该热量的一小部分在发动机的冷却回路中被排出，而大部分在穿过发动机的本身流动中被排出。这种持续的空气流的缺乏(即使在700℃的温度下，空气流最初也会被压缩冷吸入并带走)排空热能并导致发动机缸盖(engine head)在几秒钟内运行超过其结构极限。

特别是，系统的瓶颈通常表现为喷射器的末端(TIP)不得超过450°C，否则材料将变形，该变形将导致在2000巴或更多巴的柴油压力的推力下的改变的喷射。

如在下面的详细描述中将变得清楚的，一些变型旨在优化制动功率，同时考虑了分体式循环发动机的某些约束特性，这在传统的Diesel/Otto发动机中是不存在的。

更具体地说，根据本发明的一些变型，目的是专门地使燃烧气缸中立存在，这意味着制动贡献仅由压缩机气缸提供。然而，根据其他变型，燃烧气缸除了与压缩机气缸协作之外，还作为压缩机气缸工作，允许在相关活塞朝向其下止点运动期间空气从排气管路进气。

该由排气管路吸入的空气与从压缩机气缸直接排入排气管路的空气是相同的空气。

对于传统发动机，我们指的是其中每个气缸执行相关热力学循环的所有阶段的那些发动机，而本发明专门针对分体式循环发动机，其中每个气缸仅执行热力学循环的一些阶段。

从属权利要求描述了本发明的变型，这些变型构成本说明书的组成部分。

附图简述

从以下对本发明(及其变型)的实施例的示例的详细描述以及从纯粹出于解释性和非限制性目的给出的附图中，本发明的其他目的和优点将变得清楚，其中：

图1示出了根据本发明的改进的分体式循环发动机的示例；

图2示出了与点火模式下的分体式循环发动机的进气/燃烧和排气事件相关的相位图；

图3、图5示出了根据本发明的示例的改进的相位图，其中改进仅涉及排气阀；

图4、图6至图8示出了根据本发明的示例的改进的相位图，其中改进涉及排气阀的打开正时和入口阀的打开正时两者。

这些图是以在横轴上的角位置“曲轴角”和在纵坐标轴上的“升程”开度进行绘制的。

附图中相同的附图标记和字母标识相同的元素或部件。

在本说明书的上下文中，术语“第二”组成部分并不意味着“第一”组成部分的存在。这些术语实际上是被用作标签来提高清晰度，并不应该以限制性的方式理解。

如下所述，包括附图在内的各种优选实施例中所示的元素和特征可以相互组合，然而并不脱离本申请的范围。

示例性实施例的详细描述

参照图1，示出了分体式循环内燃发动机M的示例，其操作原理本身是已知的。

示出了其中发生燃烧/膨胀/排气的两个气缸E和其中发生吸入和压缩的压缩机气缸H。

为了方便起见，下文我们参考燃烧气缸E和压缩机气缸H。

根据一些方案(未示出)，每个燃烧气缸都有一个压缩机气缸。这与本发明的目的无关。

类似地，至少一个燃烧气缸可以与和压缩机气缸相关联的曲轴分开且不同的曲轴相关联。例如，与压缩机气缸相关联的曲轴可以由来自与至少一个燃烧气缸相关联的曲轴的齿轮级联装置驱动。这一事实允许将压缩机气缸产生的压缩空气流量增加到多个燃烧气缸使用单个压缩机气缸的程度，如图1所示。

很明显，这些修改在本领域技术人员的任务范围内，并且在任何情况下都与本发明的目的无关。

有必要指出的是，不存在任何形式的压缩空气积累，因此，在压缩机气缸和相关的燃烧气缸之间没有储罐。此外，将燃烧气缸与其燃烧气缸分开的唯一阀是入口阀。

为了本发明的目的，重要的是燃烧气缸执行二冲程循环，也就是说，每当相关活塞从相关的上止点移动到相关的下止点时，燃烧气缸执行燃烧/膨胀。

压缩机气缸H优选地由涡轮增压器TC增压，该涡轮增压器TC具有由布置在发动机M的排气管路EP上的涡轮T旋转驱动的压缩机C。

从外部环境抽吸的新鲜空气在热的发动机M的进气管道IP中被涡轮增压器的压缩机C压缩。

冷却器CAC优选地布置在进气管道IP上，以冷却从涡轮增压器进入压缩机气缸的压缩空气。

压缩机气缸为燃烧气缸E中的至少一个供给。在这种情况下，压缩机气缸通过压缩空气分配管道AD为两个燃烧气缸供给。

根据本发明的优选变型，热交换器HT布置在分配管道上，其目的是通过消耗在上游排气管路EP中或优选地在涡轮T下游循环的排气的热含量来加热在分配管道中循环的压缩空气。排气管路EP的部分用虚线示出。

优选地，阀V被布置为当发动机运行发动机制动时(即在发动机制动时)绕过热交换器，反之亦然，当发动机点火时，分配到燃烧气缸E的空气通过热交换器HT被加热。

为了节省压缩功，在点火时加热空气是特别必要的。合适的制冷剂流体的喷射器优选地设置在压缩机气缸H中，喷射器在图1中用符号INJ表示。

图2示出了燃烧气缸的进气阀和排气阀(未示出)的相位图。

进气阀被布置成允许压缩空气从压缩机气缸进入相对应的燃烧气缸，而排气阀被布置成允许排气排放到排气管路EP中。

图2示出了与燃烧气缸E相关的事件相关的相位(或角度)图。

叙述了两个事件：进气INF和排气EXF；进气INF开始于大约-10度，即对应于TDCF上止点的0.0相位之前10度，并在大约+20度结束。事件EXF开始于大约150度，并且结束于大约340度，其与下一个TDCF相比是-20度。

因此，例如在二冲程发动机中，燃烧气缸本身的周期性是360度。

事件INF对应于来自压缩机气缸的压缩空气的进气阀的打开，而第二事件对应于连接燃烧气缸的燃烧室和排气管路EP的排气阀的打开。显然，利用该进气阀开度图，来自压缩机气缸H的压缩空气通过进气阀跨越TDCF(上止点)供给到燃烧气缸E中，并在燃烧气缸E的活塞上执行正膨胀工作，该正膨胀工作近似等于压缩机气缸H的活塞由于其压缩而吸收的负膨胀工作。在缩写TDCF中，最后一个字母“F”表示它是燃烧气缸，因为F代表燃烧的“点火”。在图2中，这个字母区分燃烧条件下排气阀的打开叶瓣(opening lobe)。

所有图3至图8示出了与根据本发明的燃烧气缸的入口阀和/或排气阀的开度相关的角相位图或简称为“角”。

根据本发明，当发动机处于发动机制动模式时，排气阀预期其开度约180度。如果排气阀的开度角与在燃烧条件下的进气阀的开度角相当，或者更确切地说稍大，则燃烧气缸是中立存在的，也就是说，它在相关的上止点和下止点之间移动，而不有助于发动机制动。这意味着制动效果仅由至少一个压缩机气缸提供。

相反，当排气阀开度的角振幅变宽时，这允许在燃烧器活塞从其上止点到其下止点的运动期间空气从排气管路进入，而所有的阀(包括入口阀和排气阀)在与前一个阀相反的从下止点BDCF向上止点TDCF的运动期间被关闭，从而确定在前一阶段进入的流体的压缩。因此，燃烧气缸的工作方式类似于压缩机气缸。在TDCF之前排气阀的打开确定瞬间消散刚刚由燃烧气缸自身执行的压缩功，在燃烧气缸室中捕获的空气能够在膨胀阶段返回在相关压缩阶段中存储的能量之前向排气管路释放在燃烧气缸室中捕获的空气。

在这些操作条件下，压缩机气缸和燃烧气缸都有助于发动机的制动。

如在点火阶段发生的那样，随后进气阀跨越TDCF的打开是在气缸的容积实际上仅限于死容积的时候进行的。这也意味着来自压缩机气缸的空气被直接排放到排气管路，而不能在燃烧气缸膨胀期间做正功。

排气阀的打开与入口阀的打开的部分重叠，以及排气阀的打开相对于入口阀的打开的一定的提前，产生显著的技术效果，即用来自燃烧气缸室的压缩机气缸的冷空气进行清洗。

在这种情况下，对热交换器HT的旁路和制冷剂流体到压缩机气缸中的可能的受控喷射允许将清洗燃烧室的空气温度保持得足够低。

图3示出了第一实施方式示例，其中排气阀EXB的开度图具有大约60度的振幅，且峰值以相位0.0为中心。根据本发明的该变型，入口阀的打开事件相对于图2所示的点火条件保持不变。

应注意，排气阀的打开事件用EXB中的字母“B”标记以指示发动机的“制动”条件。

还应注意的是，根据图3中的变型，入口阀和排气阀的以毫米计的升程相当(约2.5mm)。

图4示出了一个变型，根据该变型，进气阀的正时也经历了相对于点火条件的变化。具体地，在图4中，与图3相比，保持排气阀的打开EXB的正时不变，进气阀的打开被预期在受事件INB_A负面限制的角间隔内。特别地，进气阀的打开事件可以从图3所示的情况到图4所示的结束INB_A。

INB_X表示可以相对于阀打开致动系统固定或可调节的中间位置。

极值INB_A相对于参考角位置0.0提前约180度异相。根据其中进气阀的开度峰值几乎为-170(INB_A)的条件，与其中峰值接近相位0.0的条件相比，在燃烧气缸中获得更大的压缩功。然而，压缩功的这种增加导致燃烧气缸中的温度显著增加，这也是由于未能清洗相关的死容积，如上所述。由于这些原因，通过向INB_A移动，但是考虑马达的热约束，可以预期进气阀的开度。

在图5中，除了入口阀的开度峰值INB的定位之外，还有类似于图3和图4的第一排放事件EXB_1，第二排放事件EXB_2与第一排放事件EXB_1相加，峰值定位在相对于相位0.0大约90度处，第一EXB_1峰值以相位0.0为中心。在排气阀的第一打开事件EXB_1期间，燃烧气缸被清洗，如参考图3所述。

所选择的正时的另一个相关技术效果是，在第一事件EXB_1中，冷空气是在最后向排气管路排放的，而在EXB_2事件中，该冷空气是在活塞向下止点BDC(下止点)运动期间从排气管路重新进入燃烧气缸的第一气流。

来自排气管路的新鲜空气的这种传输允许燃烧气缸被冷却，并且特别地允许喷射器的头、阀和“末端”喷嘴的温度保持在结构限制内。

图6示出了图5的解决方案的进一步发展，并带来了进一步的好处。特别地，不是具有排气阀的两个不同的打开事件，而是每个360°循环具有单个事件，其角振幅等于当发动机处于点火条件时的典型开度，但是显然，与图2中所示相比，排气阀EX的打开事件以大约180度进行预期。

这种解决方案是特别有利的，因为它可以通过廉价的相位变换器而不是通过辅助叶瓣(auxiliary lobes)等改变正时的复杂系统来获得这种变化。通常，辅助叶瓣的激活被称为“附加运动”。

当实施相位变换器时，应注意，不仅排放事件的角振幅相对于点火模式中的相对应事件不变，而且以毫米计的升程也不变，这有利地允许获得燃烧气缸的最佳填充。

图7示出了基于图6的图的本发明的另一个变型。

根据图7，我们通过以180°来预测它，使排气事件的角振幅和以毫米计的升程保持不变，从而干预两个排气阀的正时，但是我们也通过两个不同的事件INB_1和INB_2来干预进气阀的正时。

基本上，INB_1对应于图2的INF和图3、图5和图6的INB。

关于压缩空气从压缩机气缸的进气，应当理解，尽管在图4中INB_A指示间隔的结束，其中布置了单个进气事件，但根据图7，这是两个不同的事件，其中第二事件INB_2可以在具有图4的结束限制INB_A的相同间隔中移动，而第一事件INB_1相对于图2所示的点火条件保持基本不变。

由于几个原因，这种解决方案特别有利。首先，所谓的“附加运动”仅在进气阀上实现，简单地增加另外的进气INB_2事件，该另外的进气INB_2事件可以具有比第一进气事件INB_1更低或更大的以毫米计的升程。另一方面，如图6所示，排气阀的正时变化是通过相位变换器发生的。因此，进气阀和排气阀两者的变化都是通过单个“附加运动”实现的。由于马达头中可用的空间有限，两个“附加运动”难以实现。

从发动机操作的视角来看，第二进气INB_2事件允许随着活塞从下止点移动到上止点而增加压缩功。另一方面，第一进气事件INB_1执行燃烧气缸的前述冷却功能，具有上述优点。

因此，考虑到发动机的热约束，可以实现对引入燃烧气缸的空气流的分布。

图8是与进气事件相关的图7的解决方案和与排气事件相关的图5的解决方案之间的组合。这意味着必须在控制排气阀的凸轮轴和控制进气阀的凸轮轴上使用“附加运动”。

按复杂性增加列出的拟议配置如下所述：

1)仅与和排气相关的凸轮轴相关联的相位变换器；该变型特别便宜并且提供相对低的制动功率，但是允许调节排气事件的定位，在压缩结束时所达到的最大压力取决于排气事件的定位，这可以考虑发动机和/或相关的排气后处理设备的热条件；

2)仅被布置在与排气相关的凸轮轴上的附加运动；这种变型允许更大的制动功率，但是更昂贵并且不允许调节；

3)与进气相关联的相位变化器和与排气相关联的另一相位变化器；这种变型非常简单且便宜，并且允许获得高制动功率。即使燃烧气缸中的温度和压力的对应的增加与制动功率的增加相关联，也可以通过调节变换器的最终位置来调节功率；在图9中，其中可以看出，为了获得最大制动功率，进气和排气事件都相对于图2的条件以大约180来进行预期；

4)与排气相关联的相位变换器和与进气相关联的附加运动(图7)；该变型通过首先激活相位变换器然后再激活附加运动来允许更大的渐进干预，获得了比解决方案3)更低的制动功率，但是允许对燃烧气缸上的温度和压力进行更大的控制；

5)与进气相关的附加运动和与排气相关的附加运动(图8)；这种变型是最昂贵且复杂的，但在发动机的功率和技术限制之间提供了最佳的折衷。

6)每个阀各一个附加运动和一个相位变换器(图4和图5或图7和图5的组合)。

如上所述，图3的解决方案(具有排气阀的有限角度打开)导致燃烧气缸的行为中立存在。相反，图4至图8的解决方案通过将燃烧气缸转换成压缩机气缸而允许从排气管路使空气进气。

然而，所描述的非限制性示例的实施方式变体是可能的，而不脱离本发明的保护范围，本发明的保护范围包括本领域技术人员的所有等效实施例以及权利要求的内容。

根据以上描述，本领域技术人员能够实现本发明的目的，而无需引入进一步的构造细节。