ВОЗДУШНО-ГИБРИДНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С РАСЩЕПЛЕННЫМ ЦИКЛОМ И СПОСОБ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ
AIR-HYBRID ENGINE WITH SPLITTED CYCLE AND METHOD OF ITS OPERATION

Область применения изобретения
Настоящее изобретение в общем имеет отношение к двигателям с расщепленным циклом, а более конкретно, к двигателям с расщепленным циклом, которые содержат воздушно-гибридную систему.
Предпосылки к созданию изобретения
Для большей ясности, приведем определение термина "стандартный поршневой двигатель внутреннего сгорания" (стандартный двигатель), который использован в описании настоящего изобретения для обозначения двигателя внутреннего сгорания, в котором все четыре такта хорошо известного цикла Отто (то есть такт впуска (или такт всасывания), такт сжатия, такт расширения (или рабочий такт) и такт выпуска) заключены в каждой комбинации поршень/ цилиндр двигателя.
Каждый такт требует половину оборота коленчатого вала (угол поворота коленчатого вала (CA) составляет 180 градусов), причем два полных оборота коленчатого вала (720 градусов CA) требуются для завершения полного цикла Отто в каждом цилиндре стандартного двигателя.
Кроме того, для большей ясности, далее приводится определение термина «двигатель с расщепленным циклом», которое может быть применено как к известным ранее двигателям, так и к двигателям в соответствии с настоящим изобретением.
Двигатель с расщепленным циклом в соответствии с этим определением содержит:
коленчатый вал, выполненный с возможностью вращения относительно оси коленчатого вала;
поршень сжатия, введенный в цилиндр сжатия с возможностью скольжения и оперативно соединенный с коленчатым валом, так что поршень сжатия совершает возвратно-поступательное движение в течение такта впуска и такта сжатия, при одном обороте коленчатого вала;
поршень расширения (силовой поршень), введенный в цилиндр расширения (в силовой цилиндр) с возможностью скольжения и оперативно соединенный с коленчатым валом, так что поршень расширения совершает возвратно-поступательное движение в течение такта расширения (рабочего такта) и такта выпуска, при одном обороте коленчатого вала; и
переходный канал (проход), соединяющий цилиндр расширения и цилиндр сжатия, причем переходный канал содержит по меньшей мере расположенный в нем переходный клапан расширения (XovrE клапан), но преимущественно содержит переходный клапан сжатия (XovrC клапан) и клапан расширения (XovrE клапан), образующие между собой напорную камеру.
В патентах США No. 6,543,225 и No. 6,952,923, которые включены в данное описание в качестве ссылки, содержится подробное обсуждение двигателей с расщепленным циклом и других двигателей аналогичного типа. Кроме того, в этих патентах раскрыты детали предыдущих вариантов двигателей, дальнейшее совершенствование которых описано в настоящем изобретении.
Воздушно-гибридные двигатели с расщепленным циклом представляют собой комбинацию двигателя с расщепленным циклом с воздушным резервуаром и с различными органами управления. Эта комбинация позволяет воздушно-гибридному двигателю запасать энергию в виде сжатого воздуха в воздушном резервуаре. Сжатый воздух в воздушном резервуаре позднее используют в цилиндре расширения для приведения в действие коленчатого вала.
Воздушно-гибридный двигатель с расщепленным циклом содержит:
коленчатый вал, выполненный с возможностью вращения относительно оси коленчатого вала;
поршень сжатия, введенный в цилиндр сжатия с возможностью скольжения и оперативно соединенный с коленчатым валом, так что поршень сжатия совершает возвратно-поступательное движение в течение такта впуска и такта сжатия, при одном обороте коленчатого вала;
поршень расширения (силовой поршень), введенный в цилиндр расширения с возможностью скольжения и оперативно соединенный с коленчатым валом, так что поршень расширения совершает возвратно-поступательное движение в течение такта расширения и такта выпуска, при одном обороте коленчатого вала;
переходный канал (проход), соединяющий цилиндры сжатия и расширения, причем переходный канал содержит по меньшей мере расположенный в нем переходный клапан расширения (XovrE клапан), но преимущественно содержит переходный клапан сжатия (XovrC клапан) и переходный клапан расширения (XovrE клапан), образующие между собой напорную камеру; и
воздушный резервуар, оперативно соединенный с переходным каналом и избирательно действующий так, чтобы накапливать сжатый воздух из цилиндра сжатия и подавать сжатый воздух в цилиндр расширения.
В патенте США No. 7,353,786, который включен в данное описание в качестве ссылки, содержится подробное обсуждение воздушно-гибридных двигателей с расщепленным циклом и других двигателей аналогичного типа. Кроме того, в этом патенте раскрыты детали предыдущих гибридных систем, дальнейшее совершенствование которых описано в настоящем изобретении.
Воздушно-гибридный двигатель с расщепленным циклом может работать в обычном рабочем режиме или в режиме обычного зажигания (NF) (который также обычно называют режимом зажигания двигателя (EF)) и в четырех основных воздушно-гибридных режимах. В EF режиме, двигатель работает как не воздушно-гибридный двигатель с расщепленным циклом, без использования своего воздушного резервуара. В EF режиме, клапан резервуара, который оперативно соединяет переходный канал с воздушным резервуаром, остается закрытым, чтобы изолировать воздушный резервуар от базового двигателя с расщепленным циклом.
Воздушно-гибридный двигатель с расщепленным циклом работает с использованием своего воздушного резервуара в четырех гибридных режимах. Этими четырьмя гибридными режимами являются следующие режимы:
1) Режим воздушного расширителя (AЕ), который предусматривает использование энергии сжатого воздуха из воздушного резервуара без сгорания;
2) Режим воздушного компрессора (AC), который предусматривает накопление энергии сжатого воздуха в воздушном резервуаре без сгорания.;
3) Режим воздушного расширителя и зажигания (AFF), который предусматривает использование энергии сжатого воздуха из воздушного резервуара со сгоранием; и
4) Режим зажигания и зарядки (FC), который предусматривает накопление энергии сжатого воздуха в воздушном резервуаре со сгоранием
Однако, желательна дополнительная оптимизация этих режимов EF, AЕ, AC, AEF и FC, чтобы повысить кпд и снизить выбросы. Краткое изложение изобретения
В соответствии с настоящим изобретением предлагается воздушно-гибридный двигатель с расщепленным циклом, в котором использование режима воздушного расширителя и зажигания двигателя (AFF) оптимизировано для потенциально любого транспортного средства в любом ездовом цикле, чтобы повысить кпд.
Более конкретно, примерный вариант воздушно-гибридного двигателя в соответствии с настоящим изобретением содержит коленчатый вал, выполненный с возможностью вращения относительно оси коленчатого вала. Поршень сжатия с возможностью скольжения введен в цилиндр сжатия и оперативно соединен с коленчатым валом, так что поршень сжатия совершает возвратно-поступательное движение в течение хода впуска и хода сжатия, при одном обороте коленчатого вала. Поршень расширения с возможностью скольжения введен в цилиндр расширения и оперативно соединенный с коленчатым валом, так что поршень расширения совершает возвратно-поступательное движение в течение хода расширения и хода выпуска, при одном обороте коленчатого вала. Переходный канал соединяет цилиндры сжатия и расширения. Переходный канал содержит переходный клапан сжатия (XovrC клапан) и переходный клапан расширения (XovrE клапан), образующие между собой напорную камеру. Воздушный резервуар оперативно соединен с переходным каналом и избирательно действует так, чтобы накапливать сжатый воздух из цилиндра сжатия и подавать сжатый воздух в цилиндр расширения. Клапан воздушного резервуара избирательно регулирует воздушный поток в воздушный резервуар и из него. Двигатель работает в режиме воздушного расширителя и зажигания (в AFF режиме). В AEF режиме, двигатель имеет остаточную степень расширения при закрывании XovrE клапана 15.7 к 1 или больше, а предпочтительнее, в диапазоне от 15.7 к 1 до 40.8 к 1.
Также раскрыт способ эксплуатации воздушно-гибридного двигателя с расщепленным циклом. Воздушно-гибридный двигатель с расщепленным циклом содержит коленчатый вал, выполненный с возможностью вращения относительно оси коленчатого вала. Поршень сжатия с возможностью скольжения введен в цилиндр сжатия и оперативно соединен с коленчатым валом, так что поршень сжатия совершает возвратно-поступательное движение в течение хода впуска и хода сжатия, при одном обороте коленчатого вала. Поршень расширения с возможностью скольжения введен в цилиндр расширения и оперативно соединен с коленчатым валом, так что поршень расширения совершает возвратно-поступательное движение в течение хода расширения и хода выпуска, при одном обороте коленчатого вала. Переходный канал соединяет цилиндры сжатия и расширения. Переходный канал содержит переходный клапан сжатия (XovrC клапан) и переходный клапан расширения (XovrE клапан), образующие между собой напорную камеру. Воздушный резервуар оперативно соединен с переходным каналом и избирательно действует так, чтобы накапливать сжатый воздух из цилиндра сжатия и подавать сжатый воздух в цилиндр расширения. Клапан воздушного резервуара избирательно регулирует воздушный поток в воздушный резервуар и из него. Двигатель работает в режиме воздушного расширителя и зажигания (в режиме AFF).
Способ в соответствии с настоящим изобретением включает в себя следующие операции: открывание клапана воздушного резервуара; впуск сжатого воздуха из воздушного резервуара в цилиндр расширения вместе с топливом, в начале такта расширения, причем топливо воспламеняется, сгорает и расширяется при том же самом ходе расширения поршня расширения, передавая мощность к коленчатому валу, после чего продукты сгорания выпускают в такте выпуска; и поддержание остаточной степени расширения при закрывании XovrE клапана 15.7 к 1 или больше, а предпочтительнее в диапазоне от 15.7 к 1 до 40.8 к 1.
Указанные ранее и другие характеристики и преимущества изобретения будут более ясны из последующего детального описания, приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан вид сбоку в разрезе примерного воздушно-гибридного двигателя с расщепленным циклом в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.2 показана графическая иллюстрация предпочтительного примерного диапазона остаточной степени расширения (то есть эффективной объемной степени расширения) к углу закрывания переходного клапана расширения (XovrE клапана) в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.3 показана графическая иллюстрация закрывания XovrE клапана в функции давления в резервуаре и (в функции) нагрузки, при скорости двигателя 1000 оборотов в минуту (об/мин).
На фиг.4 показана графическая иллюстрация закрывания XovrE клапана в функции давления в резервуаре и нагрузки, при скорости двигателя 1500 об/мин.
На фиг.5 показана графическая иллюстрация закрывания XovrE клапана в функции давления в резервуаре и нагрузки, при скорости двигателя 2000 об/мин.
На фиг.6 показана графическая иллюстрация закрывания XovrE клапана в функции давления в резервуаре и нагрузки, при скорости двигателя 2500 об/мин.
На фиг.7 показана графическая иллюстрация закрывания XovrE клапана в функции давления в резервуаре и нагрузки, при скорости двигателя 3000 об/мин.
На фиг.8 показана графическая иллюстрация закрывания XovrE клапана в функции давления в резервуаре и нагрузки, при скорости двигателя 3500 об/мин.
Подробное описание изобретения
Следующий глоссарий акронимов и определений терминов приведен для ссылки. Общие соображения
Если не указано иное, все моменты открывания и закрывания клапанов измерены в градусах угла поворота коленчатого вала после верхней мертвой точки поршня расширения (ATDCe).
Если не указано иное, все продолжительности открытия клапанов измерены в градусах угла поворота коленчатого вала (СA).
Воздушный резервуар (или воздушный накопительный резервуар): Накопительный резервуар для сжатого воздуха.
ATDCe: После верхней мертвой точки поршня расширения.
5
2
Бар: Единица измерения давления, 1 бар=10 Н/м
ВМЕР: Среднее эффективное тормозное давление. Термин "тормозное" относится к выходной мощности, подводимой к коленчатому валу (или к выходному валу), после учета потерь на трение (FMEP). Среднее эффективное тормозное давление (ВМЕР) представляет собой выходной тормозной момент двигателя, выраженный в единицах среднего эффективного давления (МЕР). ВМЕР равно тормозному моменту, поделенному на рабочий объем цилиндров двигателя. Это параметр производительности после вычета потерь за счет трения. Таким образом, ВМЕР=1МЕР - трение. Трение, которое в этом случае также обычно выражают в единицах МЕР, известно как фрикционное среднее эффективное давление (или FMEP).
Компрессор: Цилиндр сжатия и связанный с ним поршень сжатия двигателя с расщепленным циклом.
Расширитель: Цилиндр расширения и связанный с ним поршень расширения двигателя с расщепленным циклом.
IMEP: Индикаторное среднее эффективное давление. Термин "индикаторное" относится к давлению, воздействующему на верхнюю поверхность поршня, до учета фрикционных потерь (FMEP).
Клапан резервуара: Клапан, соединяющий Xovr канал с резервуаром сжатого воздуха.
VVA: Переменное приведение в действие клапана. Механизм или способ, позволяющий изменять форму или время профиля подъема клапана.
Xovr (или Xover) клапан, канал или проход: Переходные клапаны, каналы и/или проходы, которые соединяют цилиндры сжатия и расширения и через которые газ протекает из цилиндра сжатия в цилиндр расширения.
XovrC (или XoverQ клапаны: Клапаны на конце компрессора Xovr канала.
XovrE (или XoverE) клапаны: Клапаны на конце расширителя переходного (Xovr) канала.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1, на которой показан примерный воздушно-гибридный двигатель с расщепленным циклом, обозначенный в общем виде позицией 10. Воздушно-гибридный двигатель 10 с расщепленным циклом заменяет два смежных цилиндра стандартного двигателя комбинацией одного цилиндра 12 сжатия и одного цилиндра 14 расширения. Головка 33 цилиндров типично расположена поверх открытого конца цилиндров 12,14 сжатия расширения, чтобы закрывать и уплотнять цилиндры.
Четыре такта цикла Отто "расщепляются" между двумя цилиндрами 12 и 14, так что цилиндр сжатия 12, вместе с его поршнем 20 сжатия, осуществляет такты впуска и сжатия, а цилиндр 14 расширения, вместе с его поршнем 30 расширения, осуществляет такты расширения и выпуска. Таким образом, цикл Отто завершается в этих двух цилиндрах 12, 14 за один оборот коленчатого вала 16 (360 градусов CA) вокруг оси 17 коленчатого вала.
Во время такта впуска, входной (всасываемый) воздух всасывается в цилиндр 12 сжатия через впускной канал 19, расположенный в головке 33 цилиндров. Открываемый внутрь (в цилиндр и в направлении к поршню) тарельчатый впускной клапан 18 управляет связью между впускным каналом 19 и цилиндром 12 сжатия.
Во время такта сжатия, поршень 20 сжатия сжимает заряд воздуха и толкает заряд воздуха в переходный канал (или проход) 22, который типично расположен в головке 33 цилиндров. Это означает, что цилиндр 12 сжатия и поршень 20 сжатия представляют собой источник газа высокого давления, поступающего в переходный канал 22, который действует как впускной канал для цилиндра 14 расширения. В некоторых конструктивных вариантах, два или несколько переходных каналов 22 соединяют цилиндр 12 сжатия и цилиндр 14 расширения.
Геометрическую (или объемную) степень сжатия цилиндра 12 сжатия двигателя 10 с расщепленным циклом (и вообще двигателей с расщепленным циклом) обычно называют "степенью сжатия" двигателя с расщепленным циклом. Геометрическую (или объемную) степень сжатия цилиндра 14 расширения двигателя с расщепленным циклом 10 (и вообще двигателей с расщепленным циклом) обычно называют "степенью расширения" двигателя с расщепленным циклом. Геометрическая степень сжатия цилиндра хорошо известна специалистам в данной области как отношение замкнутого (или захваченного) объема в цилиндре (с учетом всех выемок), когда поршень, совершающий в нем возвратно-поступательное движение, находится в своем положении нижней мертвой точки (BDC), к замкнутому объему (то есть к объему камеры сгорания) в цилиндре, когда указанный поршень находится в своем положении верхней мертвой точки (TDC). В частности, для двигателей с расщепленным циклом, степень сжатия цилиндра сжатия определяют тогда, когда XovrC клапан закрыт.Кроме того, для двигателей с расщепленным циклом, степень расширения цилиндра расширения определяют тогда, когда XovrE клапан закрыт.
За счет очень высоких степеней сжатия (например, 20 к 1, 30 к 1, 40 к 1, или больше) в цилиндре 12 сжатия, открывающийся наружу (в направлении из цилиндра сжатия и от поршня) тарельчатый переходный клапан 24 сжатия (XovrC клапан) на впуске 25 переходного канала используют для управления потоком из цилиндра 12 сжатия в переходный канал 22. За счет очень высоких степеней расширения (например, 20 к 1, 30 к 1, 40 к 1, или больше) в цилиндре 14 расширения, открьшающийся наружу тарельчатый переходный клапан 26 расширения (XovrE клапан) на выпуске 27 переходного канала 22 используют для управления потоком из переходного канала 22 в цилиндр 14 расширения. Частоту срабатывания и фазировку XovrC и XovrE клапанов 24, 26 синхронизируют так, чтобы поддерживать давление в переходном канале 22 при высоком минимальном давлении (типично 20 бар или выше при полной нагрузке) во время всех четырех тактов цикла Отто.
По меньшей мере один топливный инжектор 28 впрыскивает топливо в сжатый воздух на выходной конце переходного канала 22, в соответствии с открыванием XovrE клапана 26, которое происходит незадолго до того, как поршень 30 расширения доходит до его положения верхней мертвой точки. Топливовоздушный заряд поступает в цилиндр 14 расширения, когда поршень 30 расширения близок к его положению верхней мертвой точки. Когда поршень 30 начинает свой спуск из его положения верхней мертвой точки, и когда XovrE клапан 26 еще открыт, свеча 32 зажигания, которая имеет конец 39 свечи зажигания, который выступает в цилиндр 14, зажигается, чтобы инициировать горение в области вокруг конца 39 свечи зажигания. Горение может быть начато, когда поршень расширения находится между 1 и 30 градусами CA после его положения верхней мертвой точки (TDC). Предпочтительнее, горение может быть начато, когда поршень расширения находится между 5 и 25 градусами СА после его положения верхней мертвой точки (TDC). Наиболее предпочтительно, горение может быть начато, когда поршень расширения находится между 10 и 20 градусами CA после его положения верхней мертвой точки (TDC). Кроме того, горение может быть начато с использованием других устройств зажигания и/или других способов, например, с использованием свечей с подогревом, устройств микроволнового зажигания или способов компрессионного воспламенения.
Во время такта выпуска, выхлопные газы откачиваются из цилиндра 14 расширения через выпускной канал 35, расположенный в головке 33 цилиндров. Открывающийся внутрь тарельчатый выпускной клапан 34, расположенный на входе 31 выпускного канала 35, управляет связью между цилиндром 14 расширения и выпускным каналом 35. Выпускной клапан 34 и выпускной канал 35 отделены от переходного канала 22. Таким образом, выпускной клапан 34 и выпускной канал 35 не имеют контакта с переходным каналом 22 и не расположены в нем.
В случае двигателя с расщепленным циклом, геометрические параметры двигателя (такие как расточка, величина хода поршня, длина шатуна, объемная степень сжатия, и т.п.) цилиндра 12 сжатия и цилиндра 14 расширения обычно являются независимыми друг от друга. Например, кривошипы 36, 38 для цилиндра 12 сжатия и цилиндра 14 расширения, соответственно, могут иметь различные радиусы и могут иметь фазовый сдвиг друг от друга, так что поршень 30 расширения доходит до своего положения верхней мертвой точки (TDC) до того, как поршень 20 сжатия доходит до своего положения TDC. Эта независимость параметров позволяет двигателю 10 с расщепленным циклом потенциально достигать более высоких уровней кпд и более высоких вращающих моментов, чем в типичных четырехтактных двигателях.
Геометрическая независимость параметров в двигателе 10 с расщепленным циклом также является одной из основных причин, позволяющих поддерживать давление в переходном канале 22, как уже было указано здесь выше. В частности, поршень 30 расширения доходит до своего положения верхней мертвой точки до того, как поршень сжатия доходит до своего положения верхней мертвой точки, на разумный фазовый угол (типично между 10 и 30 градусами угла поворота коленчатого вала). Этот фазовый угол, вместе с надлежащей синхронизацией XovrC клапана 24 и XovrE клапана 26, позволяет двигателю 10 с расщепленным циклом поддерживать давление в переходном канале 22 при высоком минимальном давлении (типично 20 абсолютных бар или выше при работе под полной нагрузкой) во время всех четырех тактов своего цикла давление/ объем. Таким образом, двигатель 10 с расщепленным циклом синхронизирует XovrC клапан 24 и XovrE клапан 26 так, что XovrC и XovrE клапаны оба открыты в течение существенного периода времени (или периода вращения коленчатого вала), в течение существенного периода времени (или периода вращения коленчатого вала), в течение которого поршень 30 расширения опускается из своего TDC положения в направлении своего BDC положения, а поршень 20 сжатия одновременно поднимается из своего BDC положения в направлении своего TDC положения. В течение периода времени (или периода вращения коленчатого вала), когда переходные клапаны 24, 26 оба открыты, по существу равная масса воздуха перемещается (1) из цилиндра 12 сжатия в переходный канал 22 и (2) из переходного канала 22 в цилиндр 14 расширения. Таким образом, во время этого периода, давление в переходном канале не может падать ниже заданного минимального давления (типично 20, 30, или 40 абсолютных бар при работе под полной нагрузкой). Более того, во время существенной части цикла двигателя (типично 80% всего цикла двигателя или больше), XovrC клапан 24 и XovrE клапан 26 оба закрыты, чтобы поддерживать массу захваченного газа в переходном канале 22 при по существу постоянном уровне. В результате, давление в переходном канале 22 поддерживается на заданном минимальном давлении во время всех четырех тактов цикла давление/ объем двигателя.
Способ, в соответствии с которым XovrC клапан 24 и XovrE клапан 26 открыты, когда поршень 30 расширения опускается из TDC, а поршень 20 сжатия поднимается к TDC, чтобы одновременно перемещать по существу равную массу газа в переходный канал 22 и из переходного канала 22, назван здесь пушпульным способом перемещения газа. Пушпульный способ позволяет поддерживать давление в переходном канале 22 двигателя 10 с расщепленным циклом на уровне типично 20 бар или выше во время всех четырех тактов цикла давление/ объем двигателя, когда двигатель работает под полной нагрузкой.
Как уже было указано здесь выше, выпускной клапан 34 расположен в выпускном канале 35 головки 33 цилиндров, отделенном от переходного канала 22. Структурная схема, в которой выпускной клапан 34 не расположен в переходном канале 22, и, таким образом, выпускной канал 35 не имеет ни одного общего участка с переходным каналом 22, является предпочтительной для того, чтобы поддерживать захваченную массу газа в переходном канале 22 во время такта выпуска. Таким образом, могут быть предотвращены большие циклические падения давления, которые могут побуждать давление в переходном канале падать ниже заданного минимального давления.
XovrE клапан 26 открывается незадолго до того, как поршень 30 расширения доходит до своего положения верхней мертвой точки. В этот момент времени, отношение давления в переходном канале 22 к давлению в цилиндре 14 расширения является высоким, по той причине, что минимальное давление в переходном канале типично составляет 20 абсолютных бар или выше, а давление в цилиндре расширения во время такта выпуска типично составляет ориентировочно от одного до двух абсолютных бар. Другими словами, когда XovrE клапан 26 открывается, давление в переходном канале 22 существенно выше чем давление в цилиндре 14 расширения (типично отношение этих давлений составляет 20 к 1 или больше). Это высокое отношение давлений побуждает начальный поток воздуха и/или заряда топлива втекать в цилиндр 14 расширения с высокими скоростями. Эти высокие скорости потока могут достигать скорости звука, что называют звуковым течением. Это звуковое течение является особенно предпочтительным для двигателя 10 с расщепленным циклом, так как оно вызывает быстрое сгорание, позволяющее двигателю 10 с расщепленным циклом поддерживать высокие давления сгорания, несмотря на то, что зажигание инициируют, когда поршень 30 расширения опускается из своего положения верхней мертвой точки.
Воздушно-гибридньш двигатель 10 с расщепленным циклом также содержит воздушный резервуар 40, который оперативно соединен с переходным каналом 22 при помощи клапана 42 воздушного резервуара. Варианты с двумя или несколькими переходными каналами 22 могут содержать клапан 42 резервуара для каждого переходного канала 22, которые соединены с общим воздушным резервуаром 40, или, альтернативно, каждый переходный канал 22 может быть оперативно соединен с отдельным воздушным резервуаром 40.
Клапан 42 резервуара типично расположен в канале 44 воздушного резервуара, который идет от переходного канала 22 в воздушный резервуар 40. Канал 44 воздушного резервуара разделен на первую секцию 46 канала воздушного резервуара и вторую секцию 48 канала воздушного резервуара. Первая секция 46 канала воздушного резервуара соединяет клапан 42 воздушного резервуара с переходным каналом 22, а вторая секция 48 канала воздушного резервуара соединяет клапан 42 воздушного резервуара с воздушным резервуаром 40. Объем первой секции 46 канала воздушного резервуара содержит объем всех дополнительных каналов и выемок, которые соединяют клапан 42 резервуара с переходным каналом 22, когда клапан 42 резервуара закрыт.
Клапаном 42 резервуара может быть любое подходящее клапанное устройство или система. Например, клапаном 42 резервуара может быть клапан, который приводится в действие при помощи различных исполнительных устройств (например, пневматических, гидравлических, с кулачками, электрических и т.п.). Кроме того, клапаном 42 резервуара может быть система с двумя или несколькими клапанами, приводимыми в действие при помощи двух или нескольких исполнительных устройств.
Воздушный резервуар 40 используют для накопления энергии в виде энергии сжатого воздуха, причем этот сжатый воздух позднее используют для приведения в действие коленчатого вала 16, как это описано в вышеупомянутом патенте No. 7,353,786. Это механическое средство для накопления потенциальной энергии имеет многочисленные преимущества по сравнению с другими известными средствами. Например, двигатель 10 с расщепленным циклом потенциально может обеспечивать многие преимущества, связанные с повышением кпд топлива и снижением NOx выбросов, при относительно низких производственных затратах и расходах на удаление отходов, по сравнению с другими имеющимися на рынке технологиями, в которых используют, например, дизельные двигатели и электрические гибридные системы.
За счет избирательного управляемого открывания и/или закрывания клапана 42 резервуара и, таким образом, управляемой связи воздушного резервуара 40 с переходным каналом 22, воздушно-гибридный двигатель 10 с расщепленным циклом может работать в режиме зажигания двигателя (EF), в режиме воздушного расширителя (AЕ), в режиме воздушного компрессора (AС), в режиме воздушного расширителя и зажигания (AFF), и в режиме зажигания и зарядки (FC). EF режим представляет собой не гибридный режим, в котором двигатель работает в соответствии с описанным здесь выше без использования воздушного резервуара 40. AС и FC режимы представляют собой режимы накопления энергии. АС режим представляет собой воздушно-гибридный рабочий режим, в котором сжатый воздух накапливается в воздушном резервуаре 40 без сгорания, происходящего в цилиндре 14 расширения (то есть без расхода топлива), например, за счет использования кинетической энергии транспортного средства, содержащего двигатель 10, во время торможения. FC режим представляет собой воздушно-гибридный рабочий режим, в котором избыток сжатого воздуха, который не нужен для сгорания, накапливается в воздушном резервуаре 40, например, не при полной нагрузке двигателя (например, при холостом ходе двигателя и при движении транспортного средства с постоянной скоростью). Накопление сжатого воздуха в FC режиме происходит за счет расхода энергии, поэтому желательно иметь чистый выигрыш, когда сжатый воздух используют позднее. AЕ и AEF режимы представляют собой режимы использования накопленной энергии. АЕ режим представляет собой воздушно-гибридный рабочий режим, в котором сжатый воздух, накопленный в воздушном резервуаре 40, используют для приведения в движение поршня 30 расширения, без сгорания, происходящего в цилиндре 14 расширения (то есть без расхода топлива). AEF режим представляет собой воздушно-гибридный рабочий режим, в котором сжатый воздух, накопленный в воздушном резервуаре 40, используют в цилиндре расширения 14 для сгорания.
В AEF режиме, клапан 42 воздушного резервуара преимущественно остается открытым в течение всего вращения коленчатого вала 16 (то есть клапан 42 воздушного резервуара остается открытым по меньшей мере во время всего хода расширения и хода выпуска поршня расширения). Таким образом, сжатый воздух, накопленный в воздушном резервуаре 40, выпускают из воздушного резервуара 40 в переходный канал 22, чтобы создать заряд воздуха для цилиндра 14 расширения. Кроме того, XovrC клапан 24 удерживают закрытым в течение всего вращения коленчатого вала 16, за счет чего изолируют цилиндр 12 сжатия, который может быть дезактивирован. Поршень 30 расширения работает в своем силовом режиме (в режиме расширения), в котором сжатый воздух (из воздушного резервуара 40) впускают в цилиндр 14 расширения вместе с топливом, в начале такта расширения, которое воспламеняется, сгорает и расширяется при том же самом ходе расширения поршня 30 расширения, передавая мощность к коленчатому валу 16, причем позднее продукты сгорания выпускают в такте выпуска.
Синхронизация закрывания XovrE клапана 26 с началом такта расширения (когда поршень 30 расширения опускается из верхней мертвой точки) является существенной для повышения кпд двигателя 10 в AEF режиме. Это связано с тем, что когда XovrE клапан 26 открыт, объем переходного канала 22 является частью зазора над поршнем, в котором происходит сгорание. Все же фактически все топливо находится в цилиндре 14 расширения, а не в переходном канале 22. Когда XovrE клапан 26 закрыт, весь процесс горения будет заключен в цилиндре 14 расширения, и расширяющаяся масса продуктов сгорания топлива и воздуха может наиболее эффективно воздействовать на поршень 30.
Чем позже XovrE клапан 26 закрывается, тем меньше остаточная (то есть эффективная объемная) степень расширения, которая определяется отношением (a/b), в котором (a) представляет собой захваченный объем в цилиндре 14 расширения (то есть объем камеры, в основном ограниченной стенкой цилиндра 14, верхней поверхностью поршня 30 расширения и нижней поверхностью головки 33 цилиндров), когда поршень 30 расширения находится в нижней мертвой точке, а (b) представляет собой захваченный объем в цилиндре 14 расширения в момент непосредственно после закрывания XovrE клапана 26. Когда XovrE клапан 26 будет закрыт во время хода расширения поршня 30 расширения, тогда расширяющаяся захваченная масса будет находиться только в цилиндре 14 расширения и будет производиться работа при расширении этой массы. Ясно, что чем позднее XovrE клапан 26 закрывается, тем дальше поршень 30 расширения находится от верхней мертвой точки и, таким образом, тем меньше остаточная степень расширения и меньше работы будет производиться во время такта расширения.
Как это показано на фиг.2, чтобы избежать существенного ухудшения кпд двигателя в AEF режиме, остаточная степень расширения должна быть 15.7: 1 или больше. Предпочтительнее, остаточная степень расширения должна быть в диапазоне от 15.7:1 до 40.8:1. В этом примерном варианте осуществления, чтобы получить остаточную степень расширения 15.7: 1 или больше, XovrE клапан должен быть закрыт ориентировочно при 22 градусах ATDCe или меньше. Кроме того, в этом примерном варианте осуществления, чтобы получить остаточную степень расширения 40.8: 1 или больше, XovrE клапан должен быть закрыт ориентировочно при 7 градусах ATDCe или меньше.
Верхний предел остаточной степени расширения в AEF режиме всегда больше, чем верхний предел остаточной степени расширения в режиме зажигания двигателя (в EF режиме) для любого заданного применения (то есть при любой заданной нагрузке и скорости двигателя). Кроме того, фактическая остаточная степень расширения в AEF режиме типично больше, чем фактическая остаточная степень расширения в режиме зажигания двигателя (в EF режиме), в особенности когда воздушный резервуар является в основном полным (то есть когда давление в воздушном резервуаре ориентировочно составляет две трети номинального полного давления, например, 20 бар или выше при возможном давлении 30 бар в полном резервуаре). В EF режиме, сжатый воздух, который используют для сжигания в цилиндре расширения, обеспечивают при помощи цилиндра сжатия. Для того, чтобы создать сжатый воздух, цилиндр сжатия должен осуществить отрицательную работу нагнетания (y). Таким образом, чтобы получить желательную выходную нагрузку (x), поршень расширения должен произвести полное количество работы, равное x+y, так чтобы чистая отдача была x+y-y=x. В отличие от этого, в AEF режиме сжатый воздух, который используют для сжигания в цилиндре расширения, обеспечивают при помощи сжатого воздуха, ранее накопленного в воздушном резервуаре. Так как цилиндр сжатия не должен производить сжатый воздух в AEF режиме, цилиндр сжатия преимущественно дезактивирован, и, как таковой, поршень сжатия производит мало отрицательной работы или совсем ее не производит. Таким образом, чтобы получить желательную выходную нагрузку (x), поршень расширения должен только произвести полное количество работы, ориентировочно равное х. По той причине, что количество работы, производимое при помощи поршня расширения в EF и AEF режимах в основном зависит от массы топлива, которое расходуется, и дополнительно потому, что масса воздуха, необходимая в цилиндре расширения прямо зависит от массы топлива (чтобы поддерживать адекватное, например, стехиометрическое, отношение количества воздуха к количеству топлива), большее количество сжатого воздуха требуется в EF режиме, чем в AEF режиме, чтобы обеспечить такую же самую чистую полезную нагрузку. Чтобы цилиндр расширения получал большее количество сжатого воздуха, XovrE клапан обычно должен удерживаться открытым дольше в EF режиме, чем в AEF режиме. Чем дольше XovrE клапан удерживается открытым, тем меньше остаточная степень расширения. Таким образом, остаточная степень расширения обычно больше в AEF режиме, чем в EF режиме при данной нагрузке двигателя.
На фиг.3-8 приведены графические иллюстрации моментов закрывания примерного XovrE клапана 26 для диапазона скоростей двигателя (от 1000 до 3500 об/мин), нагрузок двигателя (от 1 до 4 бар IMEP) и давлений в воздушном резервуаре 40 (от 10 до 30 бар) в AEF режиме. Например: (i) при 1000 об/мин, 1.5 барах IMEP и давлении в воздушном резервуаре 15 бар, XovrE клапан закрывается ориентировочно при 13 градусах ATDCe (фиг.3); (ii) при 1500 об/мин, 2.5 барах IMEP и давлении в воздушном резервуаре 15 бар, XovrE клапан закрывается ориентировочно при 15 градусах ATDCe (фиг.4); (iii) при 2000 об/мин, 3 барах IMEP и давлении в воздушном резервуаре 25 бар, XovrE клапан закрывается ориентировочно при 9 градусах ATDCe (фиг.5); (iv) при 2500 об/мин, 3.5 барах IMEP и давлении в воздушном резервуаре 15 бар, XovrE клапан закрывается ориентировочно при 18 градусах ATDCe (фиг.6); (v) при 3000 об/мин, 4 барах IMEP и давлении в воздушном резервуаре 15 бар, XovrE клапан закрывается ориентировочно при 22 градусах ATDCe (фиг.7); и (vi) при 3500 об/мин, 2.5 барах MEP и давлении в воздушном резервуаре 25 бар, XovrE клапан закрывается ориентировочно при 7 градусах ATDCe (фиг.8).
Несмотря на то, что были описаны специфические варианты осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены различные изменения и дополнения в рамках описанных концепций изобретения и в соответствии с его сущностью. Таким образом, подразумевается, что настоящее изобретение не ограничено описанными вариантами, а полный объем его патентных притязаний определяется приведенной далее формулой изобретения.