двигатель с расщепленным циклом и способ управления им (варианты)

Формула изобретения

1. Двигатель с расщепленным циклом, который содержит:

коленчатый вал, выполненный с возможностью вращения относительно своей оси;

поршень сжатия, введенный в цилиндр сжатия с возможностью скольжения и соединенный с коленчатым валом так, что поршень сжатия действует так, чтобы совершать возвратно-поступательное движение в течение хода впуска и хода сжатия во время одного оборота коленчатого вала;

поршень расширения, введенный в цилиндр расширения с возможностью скольжения и соединенный с коленчатым валом так, что поршень расширения действует так, чтобы совершать возвратно-поступательное движение в течение хода расширения и хода выпуска во время одного оборота коленчатого вала;

по меньшей мере два переходных канала, соединяющих цилиндры сжатия и расширения, причем каждый из по меньшей мере двух переходных каналов содержит переходный клапан сжатия и переходный клапан расширения, образующие между собой напорную камеру;

причем цилиндр сжатия действует так, чтобы впускать заряд воздуха и сжимать указанный заряд по меньшей мере в одном, но не во всех, по меньшей мере двух, переходных каналах во время одного оборота коленчатого вала.

2. Двигатель по п.1, в котором цилиндр расширения действует так, чтобы получать газ по меньшей мере от одного, но не от всех, по меньшей мере двух, переходных каналов во время одного оборота коленчатого вала.

3. Двигатель по п.1, который дополнительно содержит:

по меньшей мере два топливных инжектора, причем каждый топливный инжектор соответствует одному из по меньшей мере двух переходных каналов, при этом каждый топливный инжектор действует так, чтобы добавлять топливо на выходной конец соответствующего переходного канала;

причем двигатель действует так, чтобы добавлять топливо на выходной конец по меньшей мере одного, но не всех, по меньшей мере двух, переходных каналов во время одного оборота коленчатого вала.

4. Двигатель по п.1, в котором объем первого из по меньшей мере двух переходных каналов составляет от 40 до 60% от объема второго из по меньшей мере двух переходных каналов.

5. Двигатель по п.1, сконфигурированный так, что давление заряда в цилиндре сжатия составляет меньше чем 1 атмосферу, когда поршень сжатия находится в своем положении нижней мертвой точки.

6. Двигатель с расщепленным циклом, который содержит:

коленчатый вал, выполненный с возможностью вращения относительно своей оси;

поршень сжатия, введенный в цилиндр сжатия с возможностью скольжения и соединенный с коленчатым валом так, что поршень сжатия действует так, чтобы совершать возвратно-поступательное движение в течение хода впуска и хода сжатия во время одного оборота коленчатого вала;

поршень расширения, введенный в цилиндр расширения с возможностью скольжения и соединенный с коленчатым валом так, что поршень расширения действует так, чтобы совершать возвратно-поступательное движение в течение хода расширения и хода выпуска во время одного оборота коленчатого вала;

по меньшей мере два переходных канала, соединяющих цилиндры сжатия и расширения, причем каждый из по меньшей мере двух переходных каналов содержит переходный клапан сжатия и переходный клапан расширения, образующие между собой напорную камеру;

причем цилиндр расширения действует так, чтобы получать газ по меньшей мере от одного, но не от всех, по меньшей мере двух, переходных каналов во время одного оборота коленчатого вала.

7. Двигатель по п.6, в котором цилиндр сжатия действует так, чтобы впускать заряд воздуха и сжимать указанный заряд по меньшей мере в одном, но не во всех, по меньшей мере двух, переходных каналах во время одного оборота коленчатого вала.

8. Двигатель по п.6, который дополнительно содержит:

по меньшей мере два топливных инжектора, причем каждый топливный инжектор соответствует одному из по меньшей мере двух переходных каналов, при этом каждый топливный инжектор действует так, чтобы добавлять топливо на выходной конец соответствующего переходного канала;

причем двигатель действует так, чтобы добавлять топливо на выходной конец по меньшей мере одного, но не всех, по меньшей мере двух, переходных каналов во время одного оборота коленчатого вала.

9. Двигатель по п.6, в котором объем первого из по меньшей мере двух переходных каналов составляет от 40 до 60% от объема второго из по меньшей мере двух переходных каналов.

10. Двигатель по п.6, сконфигурированный так, что давление заряда в цилиндре сжатия составляет меньше чем 1 атмосферу, когда поршень сжатия находится в своем положении нижней мертвой точки.

11. Двигатель с расщепленным циклом, который содержит:

коленчатый вал, выполненный с возможностью вращения относительно своей оси;

поршень сжатия, введенный в цилиндр сжатия с возможностью скольжения и соединенный с коленчатым валом так, что поршень сжатия действует так, чтобы совершать возвратно-поступательное движение в течение хода впуска и хода сжатия во время одного оборота коленчатого вала;

поршень расширения, введенный в цилиндр расширения с возможностью скольжения и соединенный с коленчатым валом так, что поршень расширения действует так, чтобы совершать возвратно-поступательное движение в течение хода расширения и хода выпуска во время одного оборота коленчатого вала;

по меньшей мере два переходных канала, соединяющих цилиндры сжатия и расширения, причем каждый из по меньшей мере двух переходных каналов содержит переходный клапан сжатия и переходный клапан расширения, образующие между собой напорную камеру;

по меньшей мере два топливных инжектора, причем каждый топливный инжектор соответствует одному из по меньшей мере двух переходных каналов, при этом каждый топливный инжектор действует так, чтобы добавлять топливо на выходной конец соответствующего переходного канала;

причем двигатель действует так, чтобы добавлять топливо на выходной конец по меньшей мере одного, но не всех, по меньшей мере двух, переходных каналов во время одного оборота коленчатого вала.

12. Двигатель по п.11, в котором цилиндр сжатия действует так, чтобы впускать заряд воздуха и сжимать указанный заряд по меньшей мере в одном, но не во всех, по меньшей мере двух, переходных каналах во время одного оборота коленчатого вала.

13. Двигатель по п.11, в котором цилиндр расширения действует так, чтобы получать газ по меньшей мере от одного, но не от всех, по меньшей мере двух, переходных каналов во время одного оборота коленчатого вала.

14. Двигатель по п.11, в котором объем первого из по меньшей мере двух переходных каналов составляет от 40 до 60% от объема второго из по меньшей мере двух переходных каналов.

15. Двигатель по п.11, сконфигурированный так, что давление заряда в цилиндре сжатия составляет меньше чем 1 атмосферу, когда поршень сжатия находится в своем положении нижней мертвой точки.

16. Способ управления двигателем в режимах неполной нагрузки, причем двигатель содержит коленчатый вал, выполненный с возможностью вращения относительно своей оси, поршень сжатия, введенный в цилиндр сжатия с возможностью скольжения и соединенный с коленчатым валом так, что поршень сжатия действует так, чтобы совершать возвратно-поступательное движение в течение хода впуска и хода сжатия во время одного оборота коленчатого вала, поршень расширения, введенный в цилиндр расширения с возможностью скольжения и соединенный с коленчатым валом так, что поршень расширения действует так, чтобы совершать возвратно-поступательное движение в течение хода расширения и хода выпуска во время одного оборота коленчатого вала, и по меньшей мере два переходных канала, соединяющих цилиндры сжатия и расширения, причем каждый из по меньшей мере двух переходных каналов содержит переходный клапан сжатия и переходный клапан расширения, образующие между собой напорную камеру, причем способ предусматривает:

приведение в действие по меньшей мере одного, но не всех переходных клапанов сжатия во время одного оборота коленчатого вала.

17. Способ по п.16, который дополнительно предусматривает определение того, какой из переходных клапанов сжатия следует привести в действие на основании по меньшей мере нагрузки и/или скорости двигателя.

18. Способ по п.16, который дополнительно предусматривает приведение в действие по меньшей мере одного, но не всех переходных клапанов расширения во время одного оборота коленчатого вала.

19. Способ по п.18, который дополнительно предусматривает определение того, какой из переходных клапанов расширения следует привести в действие на основании по меньшей мере нагрузки и/или скорости двигателя.

20. Способ по п.16, в котором двигатель дополнительно содержит по меньшей мере два топливных инжектора, причем каждый топливный инжектор соответствует одному из по меньшей мере двух переходных каналов, при этом каждый топливный инжектор действует так, чтобы добавлять топливо на выходной конец соответствующего переходного канала, причем способ дополнительно предусматривает:

добавление топлива на выходной конец по меньшей мере одного, но не всех переходных каналов во время одного оборота коленчатого вала.

21. Способ по п.20, который дополнительно предусматривает определение того, какой из топливных инжекторов следует использовать, чтобы добавлять топливо на основании по меньшей мере нагрузки и/или скорости двигателя.

22. Способ по п.16, в котором объем первого из по меньшей мере двух переходных каналов составляет от 40 до 60% от объема второго из по меньшей мере двух переходных каналов.

23. Способ по п.16, в котором двигатель сконфигурирован так, что давление заряда в цилиндре сжатия составляет меньше чем 1 атмосферу, когда поршень сжатия находится в своем положении нижней мертвой точки.

24. Способ управления двигателем в режимах неполной нагрузки, причем двигатель содержит коленчатый вал, выполненный с возможностью вращения относительно своей оси, поршень сжатия, введенный в цилиндр сжатия с возможностью скольжения и соединенный с коленчатым валом так, что поршень сжатия действует так, чтобы совершать возвратно-поступательное движение в течение хода впуска и хода сжатия во время одного оборота коленчатого вала, поршень расширения, введенный в цилиндр расширения с возможностью скольжения и соединенный с коленчатым валом так, что поршень расширения действует так, чтобы совершать возвратно-поступательное движение в течение хода расширения и хода выпуска во время одного оборота коленчатого вала, и по меньшей мере два переходных канала, соединяющих цилиндры сжатия и расширения, причем каждый из по меньшей мере двух переходных каналов содержит переходный клапан сжатия и переходный клапан расширения, образующие между собой напорную камеру, причем способ предусматривает:

приведение в действие по меньшей мере одного, но не всех переходных клапанов расширения во время одного оборота коленчатого вала.

25. Способ по п.24, который дополнительно предусматривает определение того, какой из переходных клапанов расширения следует привести в действие на основании по меньшей мере нагрузки и/или скорости двигателя.

26. Способ по п.24, который дополнительно предусматривает приведение в действие по меньшей мере одного, но не всех переходных клапанов сжатия во время одного оборота коленчатого вала.

27. Способ по п.26, который дополнительно предусматривает определение того, какой из переходных клапанов сжатия следует привести в действие на основании по меньшей мере нагрузки и/или скорости двигателя.

28. Способ по п.24, в котором двигатель дополнительно содержит по меньшей мере два топливных инжектора, причем каждый топливный инжектор соответствует одному из по меньшей мере двух переходных каналов, при этом каждый топливный инжектор действует так, чтобы добавлять топливо на выходной конец соответствующего переходного канала, причем способ дополнительно предусматривает:

добавление топлива на выходной конец по меньшей мере одного, но не всех переходных каналов во время одного оборота коленчатого вала.

29. Способ по п.28, который дополнительно предусматривает определение того, какой из топливных инжекторов следует использовать, чтобы добавлять топливо на основании по меньшей мере нагрузки и/или скорости двигателя.

30. Способ по п.24, в котором объем первого из по меньшей мере двух переходных каналов составляет от 40 до 60% от объема второго из по меньшей мере двух переходных каналов.

31. Способ по п.24, в котором двигатель сконфигурирован так, что давление заряда в цилиндре сжатия составляет меньше чем 1 атмосферу, когда поршень сжатия находится в своем положении нижней мертвой точки.

32. Способ управления двигателем в режимах неполной нагрузки, причем двигатель содержит коленчатый вал, выполненный с возможностью вращения относительно своей оси, поршень сжатия, введенный в цилиндр сжатия с возможностью скольжения и соединенный с коленчатым валом так, что поршень сжатия действует так, чтобы совершать возвратно-поступательное движение в течение хода впуска и хода сжатия во время одного оборота коленчатого вала, поршень расширения, введенный в цилиндр расширения с возможностью скольжения и соединенный с коленчатым валом так, что поршень расширения действует так, чтобы совершать возвратно-поступательное движение в течение хода расширения и хода выпуска во время одного оборота коленчатого вала, по меньшей мере два переходных канала, соединяющих цилиндры сжатия и расширения, причем каждый из по меньшей мере двух переходных каналов содержит переходный клапан сжатия и переходный клапан расширения, образующие между собой напорную камеру, и по меньшей мере два топливных инжектора, причем каждый топливный инжектор соответствует одному из по меньшей мере двух переходных каналов, при этом каждый топливный инжектор действует так, чтобы добавлять топливо на выходной конец соответствующего переходного канала, причем способ предусматривает:

добавление топлива на выходной конец по меньшей мере одного, но не всех переходных каналов во время одного оборота коленчатого вала.

33. Способ по п.32, который дополнительно предусматривает определение того, какой из топливных инжекторов следует использовать, чтобы добавлять топливо на основании по меньшей мере нагрузки и/или скорости двигателя.

34. Способ по п.32, который дополнительно предусматривает приведение в действие по меньшей мере одного, но не всех переходных клапанов сжатия во время одного оборота коленчатого вала.

35. Способ по п.34, который дополнительно предусматривает определение того, какой из переходных клапанов сжатия следует привести в действие на основании по меньшей мере нагрузки и/или скорости двигателя.

36. Способ по п.32, который дополнительно предусматривает приведение в действие по меньшей мере одного, но не всех переходных клапанов расширения во время одного оборота коленчатого вала.

37. Способ по п.33, который дополнительно предусматривает определение того, какой из переходных клапанов расширения следует привести в действие на основании по меньшей мере нагрузки и/или скорости двигателя.

38. Способ по п.32, в котором объем первого из по меньшей мере двух переходных каналов составляет от 40 до 60% от объема второго из по меньшей мере двух переходных каналов.

39. Способ по п.32, в котором двигатель сконфигурирован так, что давление заряда в цилиндре сжатия составляет меньше чем 1 атмосферу, когда поршень сжатия находится в своем положении нижней мертвой точки.

Описание изобретения к патенту

Область применения изобретения

Настоящее изобретение в общем имеет отношение к управлению и максимальному повышению кпд двигателя с расщепленным циклом, работающего в режимах неполной нагрузки.

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 или цикла Дизеля (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 (СА) составляет 180 градусов), причем два полных оборота коленчатого вала (720 градусов CA) требуются для завершения полного цикла Отто или цикла Дизеля 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.

Двигатель с расщепленным циклом заменяет два смежных цилиндра стандартного двигателя комбинацией одного цилиндра сжатия и одного цилиндра расширения. Четыре такта цикла Отто или цикла Дизеля "расщепляются" между двумя цилиндрами, так что цилиндр сжатия осуществляет такты впуска и сжатия, а цилиндр расширения осуществляет такты расширения и выпуска. Таким образом, цикл Отто или цикл Дизеля завершается в этих двух цилиндрах за один оборот коленчатого вала (360 градусов CA).

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.

В двигателях с расщепленным циклом типично поддерживают давление в переходном канале на высоких уровнях минимального давления (типично 20 бар или выше) в течение всех четырех тактов цикла Отто или цикла Дизеля. Поддержание максимальных уровней давления в переходном канале обычно приводит к наивысшим уровням кпд.

Кроме того, в двигателях с расщепленным циклом, имеющих искровое зажигание (в двигателях с циклом Отто), преимущественно поддерживают соответствующую смесь воздуха и топлива в цилиндре расширения ранее искрового зажигания. Стехиометрическая смесь воздуха и топлива (с отношением около 14.7 массы воздуха к массе топлива) является идеальной. Богатая смесь (с отношением массы воздуха к массе топлива меньше чем около 14.7) может оставлять избыток топлива, что снижает кпд. Бедная смесь (с отношением массы воздуха к массе топлива больше чем около 14.7) может создавать слишком много оксидов азота (NOx) для переработки в каталитическом преобразователе, что создает неприемлемый уровень NOx выбросов.

В известных двигателях с расщепленным циклом XovrC клапаны, XovrE клапаны и топливные инжекторы одного или каждого из нескольких переходных каналов работают синхронно. Другими словами, если имеются множество переходных каналов, XovrC клапаны открываются и закрываются ориентировочно в одно и то же время, XovrE клапаны открываются и закрываются ориентировочно в одно и то же время, и топливные инжекторы впрыскивают ориентировочно одинаковое количество топлива в соответствующие переходные каналы ориентировочно в одно и тоже время.

В двигателях с расщепленным циклом, имеющих искровое зажигание (в двигателях с циклом Отто), можно управлять нагрузкой за счет изменения массы воздуха, поступающего в цилиндр сжатия. Это может быть сделано за счет использования переменного приведения в действие впускного клапана, несмотря на то что также может быть использована дроссельная заслонка. В режимах неполной нагрузки впускной клапан цилиндра сжатия типично закрывается, когда поршень сжатия имеет ход вниз (то есть когда поршень сжатия движется вниз от головки цилиндра). В результате цилиндр сжатия не всасывает полный заряд воздуха. Другими словами, в режимах неполной нагрузки, давление в цилиндре сжатия, когда поршень сжатия находится в своем положении нижней мертвой точки, типично составляет меньше чем 1 атмосферу.

Управление нагрузкой за счет изменения массы воздуха, поступающего в цилиндр сжатия, позволяет в двигателях с расщепленным циклом, имеющих искровое зажигание (в двигателях с циклом Отто), поддерживать соответствующую смесь воздуха и топлива в цилиндре расширения. Однако управление нагрузкой указанным образом может иметь неблагоприятные воздействия. В известных двигателях с расщепленным циклом сжатие меньше чем полного заряда воздуха в цилиндре сжатия снижает давление в одном или нескольких переходных каналах, так как меньшую массу воздуха перемещают/ сжимают в одном или нескольких переходных каналах, чем в режиме полной нагрузки. Само собой разумеется, что это не позволяет поддерживать желательные уровни максимального давления в переходных каналах и может снижать давление ниже вышеупомянутых высоких уровней минимального давления двигателей с расщепленным циклом (типично 20 бар или выше).

Таким образом, существует необходимость поддержания высоких уровней минимального давления в одном или нескольких переходных каналах двигателей с расщепленным циклом, работающих в режимах неполной нагрузки. Более конкретно, существует необходимость поддержания максимального давления в одном или нескольких переходных каналах двигателей с расщепленным циклом, имеющих искровое зажигание и работающих в режимах неполной нагрузки.

Краткое изложение изобретения

Настоящее изобретение позволяет решить проблемы поддержания давления в переходном канале двигателей с расщепленным циклом, работающих в режимах неполной нагрузки. В частности, настоящее изобретение позволяет в основном решить эти проблемы за счет использования множества переходных каналов и, в режимах неполной нагрузки, использования только выбранных переходных каналов, а не всех переходных каналов.

Эти и другие преимущества могут быть реализованы в примерном варианте осуществления настоящего изобретения при помощи двигателя, который 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 действует так, чтобы совершать возвратно-поступательное движение в течение хода впуска и хода сжатия, во время одного оборота коленчатого вала, поршень расширения (силовой поршень), введенный в цилиндр расширения с возможностью скольжения и оперативно соединенный с коленчатым валом, так что поршень расширения действует так, чтобы совершать возвратно-поступательное движение в течение хода расширения и хода выпуска, во время одного оборота коленчатого вала, и по меньшей мере два переходных канала, соединяющих цилиндры сжатия и расширения, причем каждый из по меньшей мере двух переходных каналов содержит переходный клапан сжатия (XovrC клапан) и переходный клапан расширения (XovrE клапан), образующие между собой напорную камеру, причем цилиндр сжатия действует так, чтобы впускать (всасывать) заряд воздуха и сжимать указанный заряд по меньшей мере в одном, но не во всех по меньшей мере двух переходных каналах во время одного оборота коленчатого вала.

Эти и другие преимущества могут быть реализованы в другом варианте осуществления настоящего изобретения при помощи двигателя, который 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 действует так, чтобы совершать возвратно-поступательное движение в течение хода впуска и хода сжатия, во время одного оборота коленчатого вала, поршень расширения (силовой поршень), введенный в цилиндр расширения с возможностью скольжения и оперативно соединенный с коленчатым валом, так что поршень расширения действует так, чтобы совершать возвратно-поступательное движение в течение хода расширения и хода выпуска, во время одного оборота коленчатого вала, и по меньшей мере два переходных канала, соединяющих цилиндры сжатия и расширения, причем каждый из по меньшей мере двух переходных каналов содержит переходный клапан сжатия (XovrC клапан) и переходный клапан расширения (XovrE клапан), образующие между собой напорную камеру, причем цилиндр расширения действует так, чтобы получать газ по меньшей мере от одного, но не от всех по меньшей мере двух переходных каналов во время одного оборота коленчатого вала.

Эти и другие преимущества могут быть реализованы в еще одном варианте осуществления настоящего изобретения при помощи двигателя, который 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 действует так, чтобы совершать возвратно-поступательное движение в течение хода впуска и хода сжатия, во время одного оборота коленчатого вала, поршень расширения (силовой поршень), введенный в цилиндр расширения с возможностью скольжения и оперативно соединенный с коленчатым валом, так что поршень расширения действует так, чтобы совершать возвратно-поступательное движение в течение хода расширения и хода выпуска, во время одного оборота коленчатого вала, по меньшей мере два переходных канала, соединяющих цилиндры сжатия и расширения, причем каждый из по меньшей мере двух переходных каналов содержит переходный клапан сжатия (XovrC клапан) и переходный клапан расширения (XovrE клапан), образующие между собой напорную камеру, и по меньшей мере два топливных инжектора, причем каждый топливный инжектор соответствует одному из по меньшей мере двух переходных каналов, при этом каждый топливный инжектор действует так, чтобы добавлять топливо на выходной конец соответствующего переходного канала, причем двигатель действует так, чтобы добавлять топливо на выходной конец по меньшей мере одного, но не всех по меньшей мере двух переходных каналов во время одного оборота коленчатого вала.

Факультативно, в этих трех вариантах, цилиндр расширения может действовать так, чтобы получать газ по меньшей мере от одного, но не от всех по меньшей мере двух переходных каналов во время одного оборота коленчатого вала. Цилиндр сжатия может действовать так, чтобы впускать заряд воздуха и сжимать заряд по меньшей мере в одном, но не во всех по меньшей мере двух переходных каналах во время одного оборота коленчатого вала. Объем первого из по меньшей мере двух переходных каналов может составлять от 40 до 60 процентов объема второго из по меньшей мере двух переходных каналов. Двигатель может быть сконфигурирован так, что давление заряда в цилиндре сжатия составляет меньше чем 1 атмосферу, когда поршень сжатия находится в своем положении нижней мертвой точки.

Эти и другие преимущества могут быть реализованы в варианте осуществления настоящего изобретения при помощи способа управления двигателем в режиме неполной нагрузки, причем двигатель 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 действует так, чтобы совершать возвратно-поступательное движение в течение хода впуска и хода сжатия, во время одного оборота коленчатого вала, поршень расширения (силовой поршень), введенный в цилиндр расширения с возможностью скольжения и оперативно соединенный с коленчатым валом, так что поршень расширения действует так, чтобы совершать возвратно-поступательное движение в течение хода расширения и хода выпуска, во время одного оборота коленчатого вала, и по меньшей мере два переходных канала, соединяющих цилиндры сжатия и расширения, причем каждый из по меньшей мере двух переходных каналов содержит переходный клапан сжатия (XovrC клапан) и переходный клапан расширения (XovrE клапан), образующие между собой напорную камеру, при этом способ предусматривает приведение в действие по меньшей мере одного, но не всех переходных клапанов сжатия (XovrC клапанов) во время одного оборота коленчатого вала.

Эти и другие преимущества могут быть реализованы в еще одном варианте осуществления настоящего изобретения при помощи способа управления двигателем в режимах неполной нагрузки, причем двигатель 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 действует так, чтобы совершать возвратно-поступательное движение в течение хода впуска и хода сжатия, во время одного оборота коленчатого вала, поршень расширения (силовой поршень), введенный в цилиндр расширения с возможностью скольжения и оперативно соединенный с коленчатым валом, так что поршень расширения действует так, чтобы совершать возвратно-поступательное движение в течение хода расширения и хода выпуска, во время одного оборота коленчатого вала, и по меньшей мере два переходных канала, соединяющих цилиндры сжатия и расширения, причем каждый из по меньшей мере двух переходных каналов содержит переходный клапан сжатия (XovrC клапан) и переходный клапан расширения (XovrE клапан), образующие между собой напорную камеру, при этом способ предусматривает приведение в действие по меньшей мере одного, но не всех переходных клапанов расширения (XovrE клапанов) во время одного оборота коленчатого вала.

Эти и другие преимущества могут быть реализованы в еще одном варианте осуществления настоящего изобретения при помощи способа управления двигателем в режимах неполной нагрузки, причем двигатель 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 действует так, чтобы совершать возвратно-поступательное движение в течение хода впуска и хода сжатия, во время одного оборота коленчатого вала, поршень расширения (силовой поршень), введенный в цилиндр расширения с возможностью скольжения и оперативно соединенный с коленчатым валом, так что поршень расширения действует так, чтобы совершать возвратно-поступательное движение в течение хода расширения и хода выпуска, во время одного оборота коленчатого вала, по меньшей мере два переходных канала, соединяющих цилиндры сжатия и расширения, причем каждый из по меньшей мере двух переходных каналов содержит переходный клапан сжатия (XovrC клапан) и переходный клапан расширения (XovrE клапан), образующие между собой напорную камеру, и по меньшей мере два топливных инжектора, причем каждый топливный инжектор соответствует одному из по меньшей мере двух переходных каналов, при этом каждый топливный инжектор действует так, чтобы добавлять топливо на выходной конец соответствующего переходного канала, причем способ предусматривает добавление топлива на выходной конец по меньшей мере одного, но не всех переходных каналов во время одного оборота коленчатого вала.

Факультативно, в этих трех вариантах, способ может дополнительно предусматривать операцию определения того, какой из топливных инжекторов следует использовать, чтобы добавлять топливо на основании по меньшей мере нагрузки и/или скорости двигателя. Способ может предусматривать операцию определения того, какой из переходных клапанов расширения (XovrE клапанов) следует привести в действие на основании по меньшей мере нагрузки и/или скорости двигателя. Способ может предусматривать операцию определения того, какой из переходных клапанов сжатия (XovrC клапанов) следует привести в действие на основании по меньшей мере нагрузки и/или скорости двигателя. Объем первого из по меньшей мере двух переходных каналов может составлять от 40 до 60 процентов объема второго из по меньшей мере двух переходных каналов. Двигатель может быть сконфигурирован так, что давление заряда в цилиндре сжатия составляет меньше чем 1 атмосферу, когда поршень сжатия находится в своем положении нижней мертвой точки.

Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показано поперечное сечение двигателя с расщепленным циклом в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.2 и 3 показаны разрезы двигателя с расщепленным циклом по линии 3-3 на фиг.1.

На фиг.3-10 показаны поперечные сечения второго конструктивного варианта двигателя с расщепленным циклом в соответствии с настоящим изобретением.

Подробное описание изобретения

На фиг.1 показан двигатель с расщепленным циклом в соответствии с настоящим изобретением, обозначенный в общем виде позицией 50. Двигатель 50 с расщепленным циклом содержит коленчатый вал 52, выполненный с возможностью вращения относительно оси 54 коленчатого вала. Поршень 72 сжатия введен в цилиндр 66 сжатия с возможностью скольжения и оперативно соединен с коленчатым валом 52, поршень сжатия действует так, чтобы совершать возвратно-поступательное движение в течение хода впуска и хода сжатия, во время одного оборота коленчатого вала. Поршень 74 расширения (силовой поршень) введен в цилиндр 68 расширения с возможностью скольжения и оперативно соединен с коленчатым валом 52, так что поршень расширения действует так, чтобы совершать возвратно-поступательное движение в течение хода расширения и хода выпуска, во время одного оборота коленчатого вала. По меньшей мере два переходных канала 78 соединяют цилиндры сжатия и расширения 66, 68. Каждый из по меньшей мере двух переходных каналов содержит переходный клапан сжатия (XovrC клапан) 84 и переходный клапан расширения (XovrE клапан) 86, образующие между собой напорную камеру 81.

Во время такта впуска поступающий воздух всасывается в цилиндр 66 сжатия из впускного канала 76 через открывающийся внутрь цилиндра тарельчатый впускной клапан 82. Во время такта сжатия поршень 72 сжатия сжимает заряд воздуха и толкает заряд через переходные каналы 78, которые действуют как впускные каналы для цилиндра 68 расширения.

Объемную степень сжатия цилиндра сжатия двигателя 50 с расщепленным циклом обычно называют "степенью сжатия" двигателя с расщепленным циклом. Объемную степень сжатия цилиндра расширения двигателя с расщепленным циклом обычно называют "степенью расширения" двигателя с расщепленным циклом. За счет очень высоких степеней сжатия (например, 40 к 1, 80 к 1, или больше) в цилиндре 66 сжатия открывающиеся наружу (в направлении из цилиндра сжатия) тарельчатые переходные клапаны 84 сжатия (XovrC клапаны) на впуске одного или каждого из нескольких переходных каналов 78 могут быть использованы для управления потоком из цилиндра 66 сжатия в один или несколько переходных каналов 78. За счет очень высоких степеней расширения (например, 40 к 1, 80 к 1, или больше) в цилиндре 68 расширения открывающиеся наружу тарельчатые переходные клапаны 86 расширения (XovrE клапаны) на выпуске одного или каждого из нескольких переходных каналов 78 могут быть использованы для управления потоком из одного или нескольких переходных каналов 78 в цилиндр 68 расширения. Обычно частоту срабатывания и фазировку XovrC и XovrE клапанов 84, 86 синхронизируют так, чтобы поддерживать давление в одном или нескольких переходных каналах 78 при высоком минимальном давлении (типично 20 бар или выше) во время всех четырех тактов цикла Отто или цикла Дизеля.

Один или несколько топливных инжекторов 90 (по одному для каждого переходного канала 78) впрыскивают топливо в сжатый воздух на выходном конце одного или каждого из нескольких переходных каналов 78, в соответствии с открыванием XovrE клапана (клапанов) 86, которое происходит незадолго до того, как поршень 74 расширения доходит до его положения верхней мертвой точки. Топливовоздушный заряд полностью поступает в цилиндр 68 расширения вскоре после того, как поршень 74 расширения доходит до его положения верхней мертвой точки. Когда поршень 74 расширения начинает спуск из его положения верхней мертвой точки, и когда XovrE клапан (клапаны) 86 еще открыт, свеча 92 зажигания зажигается, чтобы инициировать горение (типично между 10 и 20 градусами CA после положения верхней мертвой точки поршня 74 расширения). XovrE клапан (клапаны) 86 затем закрывается, до того как акт горения может войти в один или несколько переходных каналов 78. Акт горения толкает поршень 74 расширения вниз в рабочем ходе. Выхлопные газы откачиваются во время такта выпуска из цилиндра 68 расширения в выпускной канал 80 через открывающийся внутрь тарельчатый выпускной клапан 88.

В случае двигателя с расщепленным циклом геометрические параметры двигателя (такие, как расточка, величина хода поршня, длина шатуна, объемная степень сжатия, и т.п.) цилиндра сжатия и цилиндра расширения обычно являются независимыми друг от друга. Например, кривошипы 56, 58 для цилиндра 66 сжатия и цилиндра 68 расширения, соответственно, могут иметь различные радиусы и могут иметь фазовый сдвиг друг от друга, так что поршень 74 расширения доходит до своего положения верхней мертвой точки (TDC) до того, как поршень 72 сжатия доходит до своего положения TDC. Эта независимость параметров позволяет двигателю с расщепленным циклом потенциально достигать более высоких уровней кпд и более высоких вращающих моментов, чем в типичных четырехтактных двигателях.

Первый примерный конструктивный вариант

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.2 и 3, на которых показан первый конструктивный вариант в соответствии с настоящим изобретением, в котором используют два переходных канала 78, имеющих ориентировочно одинаковые объемы. Максимальные массы воздуха, которые каждый из переходных каналов 78 может переработать (то есть впустить через XovrC клапан 84 или выпустить через XovrE клапан 86) во время одного оборота коленчатого вала 52 при специфической скорости двигателя, являются ориентировочно одинаковыми.

При полной нагрузке используют оба переходных канала 78. Это означает, что во время одного оборота коленчатого вала XovrC клапаны 84, соответствующие обоим переходным каналам 78, приводят в действие (то есть открывают и закрывают), оба топливных инжектора 90 впрыскивают топливо в выходной конец соответствующих переходных каналов 78, и XovrE клапаны 86, соответствующие обоим переходным каналам 78, открывают и закрывают. Такое использование обоих переходных каналов 78 показано на фиг.3, когда оба топливных инжектора 90 впрыскивают топливо в выходной конец соответствующих переходных каналов 78.

При неполной нагрузке электронный блок управления (ECU) (не показан) двигателя 50 выбирает для использования по меньшей мере один из переходных каналов 78. Например, при половинной нагрузке, цилиндр сжатия всасывает (или получает) массу воздуха. При половинной нагрузке эта масса воздуха может ориентировочно совпадать с максимальной массой воздуха, которую любой один из переходных каналов 78 может переработать во время одного оборота коленчатого вала 52. Таким образом, ECU выбирает для использования один из двух переходных каналов 78. Использование только одного переходного канала 78 показано на фиг.2 только одной пунктирной струей топлива, расходящейся наружу от конца топливного инжектора 90 и в направлении XovrE клапана 86. Переходный канал 78, который не используют (показанный на фиг.2 при помощи его соответствующего топливного инжектора 90 без струи топлива), дезактивирован за счет не приведения в действие XovrC клапана 84 и XovrE клапана 86 этого переходного канала. Учитывая, что переходные каналы 78 имеют приблизительно одинаковый размер в этом конструктивном варианте, вышеупомянутый выбор может быть сделан на основании того, какое воздействие предыдущие циклы двигателя 50 оказали на двигатель. Например, если двигатель 50 содержит только два переходных канала 78 приблизительно одинакового размера, как в случае этого конструктивного варианта, может быть выгодно чередовать использование каждого из двух переходных каналов, так как это полезно для смачивания стенок в цилиндре 68 расширения.

Второй примерный конструктивный вариант

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.4-10, на которых показан второй конструктивный вариант в соответствии с настоящим изобретением, в котором используют три переходных канала 94, 96, 98, которые имеют различные объемы. В показанном на этих чертежах конструктивном варианте максимальная масса воздуха, которую самый широкий переходный канал 94 может переработать (то есть впустить через XovrC клапан 84 и/или выпустить через XovrE клапан 86) во время одного оборота коленчатого вала 52, при специфической скорости двигателя, ориентировочно в 4 раза превышает переменную X (то есть равна 4Х). Максимальная масса воздуха, которую второй по размеру переходный канал 96 может переработать (то есть впустить через XovrC клапан 84 и/или выпустить через XovrE клапан 86) во время одного оборота коленчатого вала 52, при специфической скорости двигателя, ориентировочно в 2 раза превышает переменную X (то есть равна 2Х). Максимальная масса воздуха, которую самый малый переходный канал 98 может переработать (то есть впустить через XovrC клапан 84 и/или выпустить через XovrE клапан 86) во время одного оборота коленчатого вала 52, при специфической скорости двигателя, ориентировочно равна переменной X.

Объемы переходных каналов 94, 96, 98 во втором конструктивном варианте выбраны в бинарной схеме, чтобы максимально повысить число комбинаций максимальных масс, когда выбирают различные комбинации переходных каналов 94, 96, 98. В этом втором конструктивном варианте имеется семь отдельных комбинаций переходных каналов 94, 96, 98, которые имеют различные максимальные массы воздуха, которые эти комбинации могут переработать во время одного оборота коленчатого вала 52, как это показано ниже в Таблице I.

Таблица I
	Переходный канал 94	Переходный канал 96	Переходный канал 98	Максимальная масса, обрабатываемая за один оборот коленчатого вала
фиг.4	0	0	1	1X
фиг.5	0	1	0	2Х
фиг.6	0	1	1	3Х
фиг.7	1	0	0	4Х
фиг.8	1	0	1	5Х
фиг.9	1	1	0	6Х
фиг.10	1	1	1	7Х
0 = Переходный канал не выбран
1 = Переходный канал выбран

На фиг.4-10 показаны соответственно все комбинации переходных каналов, приведенные в левой колонке Таблицы I. Например, на фиг.4 используют только один переходный канал 98 (что показано на фиг.4 только одной струей топлива в переходном канале 98). На фиг.5-10 показаны другие различные комбинации переходных каналов 94, 96, 98, которые могут быть использованы (что соответственно показано струями топлива).

Выбор переходных каналов в первом и втором конструктивных вариантах

В электронном блоке управления (ECU) двигателя 50 используют параметры нагрузки и скорости двигателя, чтобы определить, какие из множества переходных каналов 78 в первом конструктивном варианте или какие из множества переходных каналов 94, 96, 98 во втором конструктивном варианте следует использовать (например, чтобы подавать сжатый воздух в них, впрыскивать топливо в них, и питать цилиндр 68 расширения с из помощью) при каждом обороте коленчатого вала 52. В идеальном случае следует выбирать соответствующие переходные каналы 78 или 94, 96, 98 (которые

необязательно представляют собой все переходные каналы 78 или 94, 96, 98) так, чтобы не было повышенного падения давления в переходных каналах 78 или 94, 96, 98 по сравнению с давлением в переходных каналах 78 или 94, 96, 98, когда двигатель 10 работает при полной нагрузке. Идеальное решение не всегда возможно или целесообразно, однако задачей настоящего изобретения является использование соответствующих переходных каналов 78 или 94, 96, 98 (которые представляют собой не все переходные каналы 78 или 94, 96, 98), так чтобы минимизировать падение давления в переходных каналах 78 или 94, 96, 98.

Каждый переходный канал 78 или 94, 96, 98 выполнен так, чтобы получать специфическую максимальную массу воздуха через свой XovrC клапан 84 и выдавать специфическую максимальную массу воздуха через свой XovrE клапан 86 во время одного оборота коленчатого вала 52 при специфической скорости двигателя. Эти две максимальные массы для каждого переходного канала типично имеют одинаковое значение в первом конструктивном варианте. Другими словами, каждый переходный канал 78 обычно выполнен так, чтобы получать и выдавать одинаковую массу воздуха во время одного оборота коленчатого вала 52 при специфической скорости двигателя. Во втором конструктивном варианте каждый переходный канал 94, 96, 98 обычно выполнен так, чтобы получать и выдавать кратное массы X воздуха во время одного оборота коленчатого вала 52 при специфической скорости двигателя.

ECU определяет массу воздуха, которую цилиндр 66 сжатия всасывает (или получает) во время любого данного такта впуска двигателя 50. ECU затем определяет максимальную массу, которую переходные каналы 78 или 94, 96, 98 могут переработать во время одного оборота коленчатого вала 52, на основании скорости и нагрузки двигателя. Максимальная масса, которую любой индивидуальный переходный канал 78 или 94, 96, 98 может переработать во время одного оборота коленчатого вала, может быть предварительно запрограммирована в ECU или, альтернативно, ECU может произвести расчет этих значений во время работы двигателя 50. В любом случае ECU сравнивает массу воздуха, которую цилиндр 66 сжатия всасывает (или получает) во время любого данного такта впуска, с максимальной массой, которую различные комбинации переходных каналов 78 или 94, 96, 98 могут переработать во время одного оборота коленчатого вала 52.

В Таблице I показан примерный список комбинаций переходных каналов 94, 96, 98 и максимальных масс в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения. ECU преимущественно выбирает самое малое значение в таком списке, которое превышает массу воздуха, которую цилиндр сжатия 66 всасывает (или получает) во время такта впуска двигателя 50. Например, для массы воздуха, которая в 4.5 раза превышает переменную X (то есть равна 4.5Х), ECU выбирает переходные каналы 94 и 98, как это показано на фиг.8, так как совместно переходные каналы 94 и 98 могут переработать максимальную массу 5Х во время одного оборота коленчатого вала 52. Максимальная масса 5Х представляет собой самую малую массу воздуха, которая превышает 4.5Х и которую может переработать любая комбинация переходных каналов 94, 96, 98.

В двигателе 50 с расщепленным циклом используют только выбранные переходные каналы 78 или 94, 96, 98 (например, переходные каналы 94, 98 в приведенном выше примере) во время такта сжатия и силового такта двигателя 50, которые непосредственно следуют за тактом впуска двигателя 50, в течение которого были выбраны переходные каналы 78 или 94, 96, 98.

Это означает, что только XovrC клапаны 84, которые соответствуют выбранным переходным каналам 78, приводят в действие (например, удерживают открытыми и/или закрытыми) во время следующего оборота коленчатого вала 52, так что воздух, сжатый при помощи поршня 72 сжатия, подают только в выбранные переходные каналы 78 или 94, 96, 98. Только те топливные инжекторы 90, которые расположены в выбранных переходных каналов 78 или 94, 96, 98, используют для впрыска топлива в выходной конец только выбранных переходных каналах 78 или 94, 96, 98 во время следующего оборота коленчатого вала 52. Кроме того, только XovrE клапаны 86, которые соответствуют выбранному переходному каналу 78, приводят в действие (например, удерживают открытыми и/или закрытыми) во время следующего оборота коленчатого вала 52, для того чтобы поток воздуха/топлива в цилиндр 68 расширения мог поступать только через выбранные переходные каналы 78 или 94, 96, 98. Переходный канал (переходные каналы), который не выбран, дезактивирован за счет не приведения в действие XovrC клапана и XovrE клапана, которые соответствуют не выбранному переходному каналу (переходным каналам).

Описанная выше система квантует массу воздуха, принятую цилиндром 66 сжатия во время данного такта впуска двигателя 50 с расщепленным циклом, в набор переходных каналов 78 или 94, 96, 98, чтобы использовать ее в последующем такте сжатия и силовом такте двигателя 50 с расщепленным циклом, что (1) минимизирует потерю давления в переходных каналах 78 или 94, 96, 98 и (2) максимизирует давление в переходных каналах 78 или 94, 96, 98. Это позволяет двигателю с расщепленным циклом работать в режимах неполной нагрузки, но при поддержании высокого минимального давления в его переходных каналах 78 или 94, 96, 98.

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.