CN103348110A - 充分膨胀内燃发动机 - Google Patents

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Abstract

一种包括多个汽缸的两冲程、单向流动、充分膨胀的内燃(IC)发动机，所述汽缸包括：具有排气口的汽缸壁和汽缸盖、设置在排气口中的排气阀、穿过汽缸盖设置的燃料喷射器和火花装置、安装在汽缸中用于在上死点(TDC)位置和下死点(BDC)位置之间往复运动并贯穿压缩冲程和动力冲程的活塞、在汽缸底部穿过汽缸壁的旋流进入口，其中旋流进入口响应于活塞的往复运动而被覆盖或揭开。汽缸可以通过一循环进行操作，在该循环中保持排气口处于打开位置持续活塞压缩冲程运动的一部分，以提供对汽缸循环的压缩阶段的延迟开始。

Description

充分膨胀内燃发动机
技术领域
本发明涉及内燃(IC)发动机。
背景技术
在常规的奥托循环内燃(IC)发动机中，在进气冲程期间，汽油燃料被喷射到进气歧管中与空气混合，并通过进气阀被吸入到汽缸中。空气流和发动机动力输出由随着发动机动力减少而关闭的气流阀控制，这导致尤其是在低功率条件下进气歧管中压力损失变高。燃料流被计量，以产生对于所有操作条件都非常接近化学计量(stoichiometric)的燃料-空气比。如果没有可以由旋流产生的高湍流水平，则混合物是不完美的，并且排气将会包含一些不希望的未燃碳氢化合物和一氧化碳排放。在所有操作条件下由化学计量的燃料-空气比所产生的较高火焰温度也会导致高水平的氮氧化物排放以及来自汽缸的较高传热损失。此外，常规奥托循环IC发动机的压缩比和相关的发动机效率受限于可导致严重损害发动机的引爆和预点火的突然开始。为了防止因高温导致卡在该汽油发动机中的汽缸和活塞过热，需要较高程度热能损失的冷却***。典型的常规四冲程奥托循环发动机非常重且昂贵，其具有铸造到发动机曲轴箱和汽缸盖中的冷却水通道。
(也称为压燃式发动机的)柴油发动机是使用压缩热启动点火以燃烧燃料的内燃发动机，燃料被喷射到燃烧室中。这与火花点火式发动机形成对比，诸如汽油发动机或燃气发动机(使用气态燃料，而不是汽油)，其使用火花塞来点燃空气-燃料混合物。
柴油发动机由于其压缩比非常高，所以具有任何常规的内燃式或外燃式发动机中最高的热效率。低速柴油发动机(用于整体发动机重量相对不重要的船舶和其它应用中)往往具有超过50％的热效率。
柴油发动机以两冲程和四冲程式样制造而成。它们已经用于潜艇和船舶、机车、卡车、重型设备和发电设施中，并最终用于汽车、道路车辆和越野车辆中。
柴油内燃发动机不同于汽油动力奥托循环之处在于，使用高度压缩的热空气点燃燃料，而不是使用火花塞(压缩点火，而不是火花点火)。在真正的柴油发动机中，最初只有空气被引入到燃烧室中。然后，空气以通常介于15：1和22：1之间的压缩比被压缩，产生40巴(4.0MPa；580psi)的压力，对比于汽油发动机中的8至14巴(0.80至1.4MPa；约200psi)。这种高压缩使空气加热到550℃(1022°F)之间。在压缩冲程的顶部附近，燃料被直接喷射进入燃烧室中的压缩空气。取决于发动机的设计，其可进入位于活塞或预燃室顶部的(通常为环形的)空隙中。燃料喷射器确保燃料被分解成小液滴，并确保燃料均匀分布。压缩空气的热量使燃料从液滴的表面蒸发。然后，蒸汽被来自燃烧室中压缩空气的热量点燃，液滴继续从它们的表面蒸发并被燃烧，越来越小，直到液滴中的所有燃料燃尽。由于蒸汽达到点火温度并导致活塞上方的压力剧增，开始蒸发会导致点火期间的延迟期以及特征柴油的“爆震(knocking)”声音。然后，燃烧气体的快速膨胀驱动活塞向下，向曲轴提供动力。
柴油发动机的高压缩比大大增加了发动机的效率，无需单独的点火***。燃料和空气在进入汽缸之前混合的火花点火式发动机中，压缩比增加受限于防止破坏预点火的需要。在真正的柴油发动机中，提前引爆不是一个问题，因为只有空气被压缩在柴油发动机中，且燃料直到上死点(TDC)前不久才被引入到汽缸中，并且压缩比要高更多。
如今，工作中的柴油发动机使用机械泵，用于在极端的压力下通过压力触发的喷射器将燃料直接喷射至燃烧室，无需压缩空气。这样的燃料喷射器通常具有位于其喷嘴中的4至12个小孔。早期的空气喷射柴油始终具有优越的燃烧性能，在燃烧期间没有压力的急剧增加。空气的喷射辅助性喷洒可提高分散性并减小液滴大小。
柴油发动机采用机械或电子调速器，其通过控制燃料输送率来调节发动机的空转速度和最大速度。与奥托循环发动机不同，进入的空气不节流，并且没有调速器的柴油发动机不能具有稳定的空转速度，且可以很容易超速，导致其毁坏。机械调速的燃料喷射***被发动机的齿轮系驱动。这些***使用弹簧和配重的组合，以相对于载荷和速度两者来控制燃料输送。现代的电子控制的柴油发动机通过使用电子控制模块(ECM)或电子控制单元(ECU)来控制燃料输送。ECM/ECU接收来自传感器的发动机速度信号以及诸如进气歧管压力和燃料温度等其它操作参数，并通过致动器来控制燃料量以及喷射时机的启动，以最大化功率和效率并使排放量最小。对进入汽缸中燃料的启动喷射(SOI)的时机控制可以使排放量最小，并提高发动机的燃料经济性(效率)。按照上止点前活塞的曲柄角度度数来量度该时机。例如，如果当活塞处于TDC前10°时ECM/ECU启动燃料喷射，则启动喷射或时机被说成是10°BTDC。最佳时机将取决于发动机设计以及它的速度和载荷。
提前启动喷射(在活塞达到其SOI-TDC之前喷射)会导致较高的缸内压力和温度以及较高的效率，但由于较高的燃烧温度也会导致发动机噪音升高并且氮氧化物(NOX)排放增加。延迟启动喷射会导致不完全燃烧、燃料效率减少以及排烟增加，排烟包含了相当量的颗粒物质和未燃碳氢化合物。
现今的柴油发动机使用具有(由发动机曲轴驱动的)高压燃料泵的凸轮轴(以曲轴速度的一半旋转)提升的机械单个活塞。对于每个汽缸，活塞测量燃料量，并确定每次喷射的时机。这些发动机使用的喷射器是非常精确的弹簧加载阀，其在特定的燃料压力下打开和关闭。对于每个汽缸，活塞泵用高压燃料管线连接到喷射器。用于每单次燃烧的燃料量由活塞中的倾斜槽控制，它只旋转几度来释放压力并由机械调速器控制，其由以受限于弹簧和杆的发动机速度而旋转的配重组成。喷射器通过燃料压力保持打开。在高速发动机上，活塞泵一起位于一个单元中。每个燃料管线应该具有相同的长度，以获得相同的压力延迟。
在具有少于六个汽缸的高速发动机上，较不复杂的构造是使用轴向活塞式分配器泵，由将燃料输送到用于每个汽缸的阀和管线(功能上类似于汽油发动机上的点和分配器盖)的一个旋转泵活塞组成。另一种方法使用了单个燃料泵，其经常在高压下用共轨(共用的单个燃料管线)将燃料供给到每个喷射器。每个喷射器具有由电子控制单元操作的螺线管，从而更精确地控制依赖于诸如发动机速度和载荷等其它控制条件的喷射器打开时间，并提供更好的发动机性能和燃料经济性。这种设计在机械上也比结合的泵阀设计更简单，使之比其机械对应物通常更可靠，且不太响。
现代的柴油发动机利用直喷方法。一种类型是安装在燃烧室顶部中的直喷式喷射器，以电子控制喷射时机、燃料量、EGR和涡轮增压，给出对这些参数的更精确控制，这缓解了细化并减少了排放。单元直喷将燃料直接喷射到发动机的汽缸中，将喷射器和泵结合成定位在由凸轮轴控制的每个汽缸上的一个单元中。每个汽缸都有它自己的单元，消除了高压燃料管线，实现了更一致的喷射。
在两冲程柴油发动机中，当汽缸的活塞接近下死点时，排气口或阀被打开，缓解了大部分的多余压力，之后打开位于进气箱和汽缸之间的通道，允许气流进入汽缸中。气流吹走来自汽缸的剩余燃烧气体—这是扫气过程(scavenging process)。当活塞通过底部中心并开始向上时，通道被关闭，并且压缩开始，最终燃料喷射并点火。
现在，柴油被涡轮增压，有些既被涡轮增压又被机械增压。因为在启动燃烧之前柴油机在汽缸中没有燃料，所以一巴以上(100kPa)的空气可以被加载在没有预点火的汽缸中。涡轮增压发动机可以比相同构造的自然吸气发动机产生显著更多的动力，因为让更多的空气位于汽缸中会允许更多的燃料燃烧，从而产生更多的动力。机械增压器由发动机的曲轴以机械方式提供动力，而涡轮增压器由发动机排气来提供动力，不需要任何机械动力。涡轮增压通过从排气中回收废热可以提高柴油发动机的燃料经济性，增加了过高空气系数，并增加了发动机输出与摩擦损失之比。
两冲程发动机不具有离散的排气和进气冲程，因此不能自我抽吸。因此，所有的两冲程发动机都配有鼓风机或压缩机，以用空气装填汽缸并协助从汽缸分散废气，这个过程称为“扫气”。在一些情况下，发动机也可配有涡轮增压器，其输出被引导到鼓风机入口中。若干设计采用用于扫气和装填汽缸的混合式涡轮增压器，该装置在起动和低速下是机械驱动的，以用作鼓风机。
分层进气(stratified charge)发动机是内燃发动机的一种类型，在某些方面类似于柴油循环，但以普通汽油运行。这个名字是指汽缸内的燃料/空气混合物填充的分层。在常规的奥托循环发动机中，在进气冲程期间，燃料和空气在汽缸外混合，并且该混合物被吸入到汽缸中。空气/燃料比保持非常接近化学计量，其限定为燃料完全燃烧所必需的精确空气量。这种混合物容易被点燃，并且燃烧平稳。这种设计所带来的问题在于，在燃烧过程完成之后，由此产生的排气流包含了相当数量的自由单个氧和氮原子，燃烧热的结果是使空气中的O2和N2分子***。这些将容易地相互反应，以形成氮氧化物(NOX)，一种污染物。排气***中的催化转换器将NOX重新结合回现代车辆中的O2和N2。
另一方面，直喷式柴油发动机将柴油燃料(它较重，并耐蒸发)直接喷射到汽缸中，燃烧室位于活塞的顶部。这样的优点是避免过早自燃—称为引爆或爆鸣的问题，它在燃料-空气混合物以高压缩条件预引爆时会困扰奥托循环发动机—并允许柴油以高得多的压缩比运行。这导致了燃料更加有效的发动机，这在诸如卡车及工业发电厂等发动机持续较长时间段运行的应用中常见。
然而，柴油发动机也有问题。燃料被径直喷洒到高度压缩的空气中，并几乎没时间适当地混合。这导致部分进气几乎完全是剩余空气，而其它部分几乎完全是缺乏氧气的未燃燃料。这种不完全燃烧导致存在其它污染物，诸如部分燃烧和未燃烧的燃料—多环芳碳氢化合物和清晰可见的排气烟尘。在间接喷射式柴油机中，燃料被喷射到预燃室(最有名的是：里卡多咨询工程师(Ricardo Consulting Engineers)的里卡多慧星(Ricardo Comet)设计)中，其中从预燃室点火的火焰锋面导致空气和燃料混合得更好、汽缸中燃烧更平稳以及柴油爆震减少。间接喷射式柴油机是一种分层进气发动机。与直喷式柴油机相比，这些益处达到10％的成本效率减少。
分层进气设计试图用两种燃料来解决这些问题。它像柴油机一样使用直喷式***，用其固有的能力来高效压缩运行。然而，像奥托一样，分层进气设计依赖汽油快速且干净的混合能力，以避免在老式直喷式柴油机中发现的燃烧不良。为此，燃料喷射器旨在将燃料仅喷射到汽缸的一个区域中，往往是位于主汽缸顶部或周界处的小的“子汽缸”，以在这个区域提供丰富进气，其容易点燃并快速平稳地燃烧。燃烧过程继续并移动到非常贫乏的区域(往往只有空气)中，其中火焰锋面迅速冷却，并且有害的NOX几乎没机会形成。此外，贫乏进气中额外的氧与任何CO结合而形成CO2，这是不那么有害的。这项技术也已应用到最新的电控直喷式柴油机中。这些发动机的喷射***以多级喷射脉冲串(injection bursts)来输送燃料，以确保燃料/空气混合得更好以及柴油爆震减少。在分层进气汽油发动机中的更清洁燃烧允许消除催化转换器，并允许发动机使用更少的燃料以更贫乏(燃料与空气的比率更低)的混合运行。在柴油发动机性能方面，它具有类似的效果。现今的柴油机更清洁，并可以是以前功率的两倍，同时保持类似的燃料经济性。
经过多年的努力，这种布局已证明并非十分容易地布置。多年来，该***已被用于慢速运行的工业应用中，但总体上没有发展成汽车发动机。多年来，已进行了许多尝试，尤其是在汪克尔发动机应用中，但只有日本汽车制造商已进军活塞发动机改进。
典型的自动内燃发动机只回收约25％的燃料中可用热能。大量的能量散失到冷却***中，而另外的大量能量通过动力冲程末端处的排气阀被释放到大气中。此外，常规的发动机是非常重的，并且非常复杂和昂贵。
专利US6,848,416和US7,114,485描述了两冲程过膨胀的均质进气压缩点火(HCCI)式发动机，其采用入口和排气阀以及预压缩的燃料-空气混合物，其全部公开内容通过引用被并入。
仍然存在非常重要的需求来提供低成本的内燃发动机，其具有改善的燃料效率和较低的氮氧化物、碳氢化合物和一氧化碳排放，它可以用各种燃料操作。可以减少几乎一半燃料消耗的发动机将会大大减少温室气体排放和这个国家对石油进口的依赖。
发明内容
本发明提供了一种两冲程、单向流动、充分膨胀的汽缸，以及一种包括多个两冲程、单向流动、充分膨胀的汽缸的内燃发动机。
本发明提供了一种用于内燃发动机的汽缸，所述汽缸包括：具有一个或多个排气口的汽缸壁和汽缸盖、设置在排气口中的排气阀、穿过汽缸盖设置的燃料喷射器和火花装置、安装在汽缸中用于在上死点(TDC)位置和下死点(BDC)位置之间往复运动并贯穿压缩冲程和动力冲程的活塞、在汽缸底部穿过汽缸壁的旋流进入口，其中至少一个旋流口响应于活塞的往复运动而被覆盖或揭开，并且排气口关闭机构是为了影响排气口相对于活塞的冲程位置的关闭和打开，排气口关闭机构被构造成在活塞的一部分压缩冲程运动期间保持排气口打开。
本发明还提供了一种用于操作两冲程、单向流动、充分膨胀的内燃(IC)发动机的方法，所述方法包括重复汽缸循环，所述循环包括以下步骤：a)使被加压的进入空气通过未覆盖的旋流进入口，并进入使活塞邻近汽缸内活塞往复冲程的底部的汽缸中，以及在汽缸内以切向湍流单向气流使进入空气涡旋；b)当旋流进入口未被覆盖以通过进入空气提供对汽缸的扫气时，保持排气口处于打开位置；c)向上推动活塞以覆盖进入口；d)进一步保持排气口处于打开位置持续活塞朝向上死点的冲程运动的相当一部分；e)关闭排气口；f)朝向上死点压缩位于活塞和汽缸盖之间的进入空气；g)以贫燃的燃料-空气比将燃料分散于压缩冲程的末端附近；h)点火并燃烧空气-燃料混合物，以启动动力冲程；i)在动力冲程的末端附近打开排气口，以排出被加压的燃烧气体；以及j)当活塞接近其动力冲程的底部时，揭开旋流进入口。
进一步保持排气口处于打开位置持续活塞的冲程运动的相当一部分这一步骤提供了对汽缸循环的压缩阶段的延迟开始，并可以包括保持排气口处于打开位置，直到活塞已经到达了汽缸内的启动压缩位置，该启动压缩位置位于空气进入口被完全覆盖的入口密封位置与在上死点处冲程的顶部的上死点位置之间。活塞的启动压缩位置是排气口关闭时的活塞位置，启动了汽缸室内的入口气体的压缩。在启动压缩时，当汽缸从启动压缩位置前往上死点位置时，在密封汽缸室内的进入空气被压缩。在压缩阶段末端，汽缸位于上死点处或附近，位于活塞和汽缸盖之间的剩余空隙空间被称为燃烧室。
通常，启动压缩位置是正常全压缩冲程在入口密封位置和上死点位置之间的约一半距离，但可以稍微地更多或更少。启动压缩位置被选择成确保在燃烧之后并在动力冲程的末端，就在排气阀打开以排出燃烧气体时，汽缸中的压力接近大气压力。这最大限度地减少了仍处于燃烧加压汽缸到排气***中的能量的损失。
本发明一个方面是操作IC发动机和排气口关闭机构，以在汽缸操作循环的动力阶段期间提供对活塞的充分膨胀，并相对于动力阶段的持续时间限制汽缸循环的压缩阶段的持续时间。
在本发明的一个方面中，汽缸可以具有单个旋流进入口或多个旋流进入口，用于以较高速度和旋流形态均匀地将新鲜燃烧空气引导到汽缸中，以提供穿过汽缸的湍流的、向上的旋流进入空气。
在本发明的另一方面中，汽缸在与空气流相同的切线方向上将可燃燃料流提供到湍流的、旋流进入空气中，这导致迅速、良好限定的、分层进气、亲密的空气-燃料混合、分层进气燃烧以及非常短的燃烧延迟时间。燃料流可以是液体燃料液滴的分散液、喷雾或气雾剂，或者是汽态燃料流。
在本发明的另一方面中，汽缸的操作提供了高发动机压缩比，无需预点火或预引爆。汽缸的压缩比可以约为10:1和25:1，更典型地为约15:1至约22:1，例如约20:1。汽缸的压缩比是汽缸室内的容积在向燃烧室的容积启动压缩时的比率。
本发明的另一方面是一种内燃发动机，其具有单个汽缸、两个汽缸、三个或更多个汽缸、偶数个汽缸、奇数个发动机，其中汽缸呈线性布置、汽缸呈相对和/或水平布置、汽缸布置成V形或汽缸呈径向布置。
在本发明的另一方面中，汽缸的设计及其操作提供了贫燃，将燃料直接喷射到进入空气中并与之混合，采用低燃料-空气混合比，这减少了火焰温度，导致燃烧热能量损失减少，并导致氮氧化物(NOX)排放减少。贫燃的燃料-空气比介于约0.04至约1的范围内，更典型地为约0.2至约0.8，例如约0.6，但当要求应急动力时，可按更高的比率在有限的时间段内操作。
本发明的另一方面是使用位于汽缸盖和活塞顶内侧的热障涂层(TBC)，以进一步减少燃烧热能量损失。
本发明的另一方面是可被空气冷却的两冲程内燃发动机，这是因为通过汽缸壁的热能损失减少，这消除了通常铸造成沉重发动机块的常规水冷***的重量、复杂性和成本。
本发明的另一方面是无需汽缸盖中的进气阀或口以及用于打开和关闭阀所需的相关联机构的两冲程内燃发动机。这减少了发动机的重量、复杂性和成本。
本发明的另一方面是两冲程、单向流动、充分膨胀的内燃发动机，其使用低压力比的进入空气增压器，它将周围空气吸入、压缩并排出到进气歧管中。低压力比的进入空气压缩机包括由发动机驱动轴驱动的正排量式压缩机，以提供与发动机转速成正比的大量进入空气。
本发明的另一方面是能够使用各种各样的燃料，包括含低成本的低辛烷值燃料的汽油、柴油、酒精、煤油、航空煤油(jet-A)和生物柴油，分别地、间歇地或混合在一起，小幅调整发动机操作参数即可。
本发明的另一方面是使用陶瓷基复合物(CMC)材料，用于制造IC发动机的暴露于燃烧的部件，以减少热损失。
本发明的发动机可用于各种各样的应用，包括小飞机、无人驾驶高空作业车(UAV)、汽车和卡车，也用于军用车辆、直升机和海洋船舶中。
附图说明
图1示出了单向流动、充分膨胀的内燃发动机的前透视图，其包括低压正排量式压缩机。
图2示出了图1中单向流动、充分膨胀的内燃发动机的后底部透视图。
图3示出了图1中单向流动、充分膨胀的内燃发动机的顶视图。
图4示出了处于进气和扫气情况中的单向流动、充分膨胀的发动机汽缸的竖向截面图。
图5示出了穿过图4中线5-5的汽缸的水平截面图。
图6示出了穿过图4中线6-6的汽缸盖的水平截面图。
图7示出了用于本发明充分膨胀汽缸的热力学循环的压力-容积图。
图8示出了单向流动汽缸的示意图，示出了曲轴角度位置，其中活塞处于冲程循环的下死点位置，旋流空气进入口和排气口两者是打开的。
图9示出了单向流动汽缸的示意图，示出了曲轴角度位置，其中活塞关闭了空气旋流进入口，排气口保持打开。
图10示出了单向流动汽缸的示意图，示出了曲轴角度位置，其中通过活塞的压缩冲程运动使活塞接近半程，在这一点上，排气口关闭且压缩开始。
图11示出了单向流动汽缸的示意图，示出了曲轴角度位置，其中活塞接近压缩冲程的末端，喷射燃料。
图12示出了单向流动汽缸的示意图，示出了曲轴角度位置，其中活塞接近上死点，火花装置击发火花，并且启动燃烧和动力冲程。
图13示出了单向流动汽缸的示意图，示出了曲轴角度位置，其中活塞接近动力冲程末端的充分膨胀，在这一点上，排气口打开。
图14示出了单向流动汽缸的示意图，示出了曲轴角度位置，其中空气旋流进入口打开且排气口打开，并启动燃烧气体的排出。
图15示出了通过汽缸循环中压缩、燃料喷射、点火、燃烧、做功、排气和扫气阶段的曲轴角度的示意图。
图16示出了用于本发明发动机的排气口关闭机构的凸轮。
具体实施方式
如本文所使用的，使燃料从高压喷射器喷洒的分层进气装置具有在喷雾中心富含燃料的喷洒图案(spray pattern)，其中火花点火器可以点燃丰富的燃料-空气比和非常贫乏的燃料-空气比。
如本文所使用的，火花装置包括用于点燃燃烧用汽缸中的燃料-空气混合物的装置，并且可以包括火花塞、火焰、加热管、激光和磁发电机。
如本文所使用的，燃烧延迟时间被定义为：燃料喷射与因燃料燃烧而完成温度上升之间的时间间隔。
如本文所使用的，扫气效率被定义为：在排气阀关闭时一些未清除燃烧气体残留在汽缸中的情况下汽缸容积中新鲜空气的百分比。
本发明提供了位于内燃发动机中的两冲程、单向流动、充分膨胀的汽缸(或多个汽缸)，其构造成通过汽缸循环来操作，这允许通过延伸活塞的动力冲程来回收大部分的燃烧(排气)能量。更具体地，活塞的动力冲程沿汽缸的长度延伸，它大于汽缸的长度，通过这个在进入空气的压缩过程中使活塞通过，结果使排气口保持打开而位于打开位置中，以备活塞的一部分压缩冲程运动，否则在这部分期间发生的通常将是压缩冲程阶段。尽管如此，当排气阀关闭时，在汽缸压缩冲程期间的容积变化被构造成提供高压缩比。用于增加压缩比的手段包括构造位于汽缸盖内的空隙空间，以减少燃烧室的容积。
两冲程、单向流动、充分膨胀的IC发动机的实施方式在图1-3中示出，所示为水平对置的风冷式两缸发动机1。虽然常规的车辆通常采用四缸、四冲程发动机，但本发明的发动机提供了相当的功率，它采用两个两冲程汽缸，其中汽缸的直径稍微大一些，以考虑到压缩冲程相对于动力冲程长度减少。通过齿轮接合到发动机曲轴35的低压力比增压器3是通过进气管2吸入周围的进入空气的，并将空气排出到汽缸进气管5中。可以采用可选的空气冷却器。低压力比增压器提供的压缩比(出口：入口)高达4:1，更典型地高达约3:1，并可以例如约2:1或1.5:1。低压增压器的示例是林氏双螺杆机械增压器(Lysholm twin-screw supercharger)，可以从VortechEngineering得到。发动机的每个汽缸14包括位于汽缸底部附近的切向进气口8。废气通过位于汽缸盖16中汽缸顶部处的排气阀20离开汽缸14，进而穿过发动机排气出口导管19。曲轴箱容纳曲轴35，并包括悬垂的油底壳33。相比于常规的同等动力的内燃发动机，本发明的充分膨胀发动机更有效率、重量更轻、尺寸更小且成本更低。在所有其它条件相同的情况下，燃料消耗比常规发动机预期至少要少约35-40％，并比常规环节的扫气式两冲程发动机至少要少约50％。
图4中示出了一个汽缸的机械元件图。燃料通过燃料喷射器18被喷射经过汽缸盖16，并且火花装置17提供对燃料的点火。图4和5分别示出了穿过发动机1中一个汽缸14的竖向截面图和水平截面图。汽缸14包括汽缸壁15，其限定了位于活塞9和汽缸盖16之间的可变容积的汽缸室21，并具有外表面散热片。设置在汽缸盖16中的是高能量的火花塞17和燃料喷射器18。排气阀20在如图4所示的使排气阀20升离排气口基座的打开位置与如图9所示的使该阀落座的关闭位置之间沿轴向操作，以提供位于汽缸室21与排气口19和排气出口导管6之间的流体连通。具有直径D的活塞9在汽缸5内往复运动，贯穿冲程长度L，以限定出汽缸室的体积排量。活塞9通过连杆和曲柄臂/销(未示出，通过公知的手段)来驱动曲轴35(图2)。
L:D的比率通常约1.0或略少，或略多。然而，对于本发明的充分膨胀发动机，该比例也可略大一些，通常高达约1.3:1至1.4:1，以适应相对于压缩冲程的缩短长度(图7，循环点1c到2)增加的动力冲程长度(图7，循环点3到4)。
如图4和5所示，每个活塞9包括活塞顶部11和活塞环10，该活塞环设置在活塞9侧壁中的环形槽内。活塞的顶部11包括多个辅助叶片24，辅助叶片从活塞的中心沿径向取向，并横向于单个旋流口8(或多个旋流口)的方向，以增加在汽缸室21内向上涡旋的扫气空气的湍流。当使用多个时，辅助叶片的数量可以与旋流口8的数量相同或不同，但通常数量为8-12个，等距隔开。辅助叶片具有细长侧壁25，其从活塞顶部11边缘附近沿轴向延伸并与该边缘成径向，以帮助产生用于空气-燃料混合的湍流。
图5示出了沿汽缸14的壁15内表面以切向取向的空气进入旋流口27。进入口5的中心线103可以在一定程度上弯曲，如图5所示，或者它可以是直的。旋流口8的横截面面积通常比进入口5的横截面面积更小，以增加进入汽缸室21的空气的速度。进入汽缸的空气的典型平均流速约为500英尺每秒，连带着进入空气总压力的约4％的压力下降。旋流速度比被定义为旋流速度与通过汽缸的平均向上空气速度的比率，该旋流速度比的增加从实验数据已被证明与在单向流动扫气式汽缸设计中实现的最大汽缸压力(图7，循环点3)的显著增加相关联，这可以导致发动机效率的增加。图5还示出了位于活塞9顶部的较小径向***24。这些垂直于空气旋流方向的***产生高强度小规模的湍流，这种湍流提高了所喷射燃料与涡旋空气的混合，并减少了燃烧延迟时间。
在替代实施方式中，空气入口可以包括涡形气室(scroll plenum)，该涡形气室在汽缸壁外侧周围单向延伸，并具有入口和多个旋流口，其设置成通过汽缸壁并相对于汽缸轴向中心线沿切向进入汽缸室，这在专利US8,051,830中进行了描述，其全部公开内容通过引用被并入。利用计算流体动力学(CFD)，一个或多个旋流口的设计和尺寸可以指定为特定的发动机设计和燃料源。旋流口8及相应入口叶片7的数量可以多达数百个，更典型地介于约12和48个之间。高速、切向的旋流口(或多个旋流口)有助于提供很短的燃烧延迟时间和汽缸中的较高平均有效压力(MEP)，并提高了发动机效率。
燃料喷射器18将燃料沿矢量路径50从竖向(平行于中心线100取向)以角度λ直接喷射到汽缸中，成为喷洒图案56，并沿着切向路径52且在湍流程度高的涡旋空气流54下游，提供分层的燃料填充，并贫燃降至非常低的燃料-空气比。在本发明的一个方面中，通过更有效的燃料贫燃，并通过改进的热效率，提供了贫燃的空气-燃料混合物，以提高燃料效率和动力生成。典型地，燃料贫燃的益处包括：提高燃料效率、降低排放和减少热损失。理论上的贫乏混合可以低至0.04。用于贫燃的优选范围为约0.2至约0.8，包括0.3、0.4、0.5、0.6和0.7。
为了以燃烧室的高压来喷射燃料，典型的燃料喷射器设置有约4000psi压力下的燃料。燃料喷射器的示例包括在专利US5,392,745和US6,349,706之一中描述的装置，其全部公开内容通过引用并入本文中。
本发明的IC发动机可以采用电子控制模块(ECM)或电子控制单元(ECU)，以相对于汽缸室内进入空气的量(质量)来控制燃料输送的时机和量，实现贫燃。ECM/ECU接收来自传感器的发动机速度信号以及诸如进气歧管压力和燃料温度等其它操作参数，并通过致动器来控制燃料量和喷射时机的启动，以最大化功率和效率并使排放量最低。
通过提供具有油槽、油泵、油过滤器和遍及发动机的典型油路的压力润滑，本发明的充分膨胀发动机也不同于典型的两冲程发动机。
火花点火器17直接定位在喷射器的下游(沿图6中路径52的逆时针方向)，并位于所喷射燃料56的路径中。在所喷射燃料向前到达之时或之后，火花点火器17点燃分层燃料，导致迅速混合的分层燃料进气的短暂燃烧延迟时间。燃烧延迟时间是介于点燃燃料与因大量燃料完全燃烧而完成温度上升之间的时间间隔。火花点火器17尽量在所喷射燃料56的排出点附近定位，以最小化燃烧延迟。在图示的实施方式中，火花点火器17从所喷射燃料56的排出点以圆弧角β定位，圆弧角β约为15°至约45°。点火发生在燃料高度集中(富集)于涡旋空气中时，尽管整体的燃料-空气比是较低(贫乏)的。这种燃料装填、空气混合和点火使得能够使用具有不同燃料挥发性的各种燃料，并允许使用高压缩比和非常贫乏的燃料-空气混合物(低燃料流)，没有引爆或预点火问题。发动机输出功率被燃料流控制，这消除了由空气流控制阀所导致的进气歧管压力损失，并大大提高了低功率条件下的发动机效率。此外，在低功率条件下，燃料流减少加上燃烧温度降低导致汽缸热量损失的显著减少，这提高了发动机效率。
在常规的IC发动机中，燃料被喷射到进气阀前的进气歧管中，以提供均匀的化学计量的燃料-空气比，这导致高燃烧温度连带对冷却介质的高热量损失，并且导致高的氮氧化物排放水平。在设计动力输出时的贫燃会大大减少热能损失，也会大大减少NOX排放。由于本发明的发动机可以在这样非常低的燃料-空气比下操作，本发动机的动力输出被燃料流控制。这消除了进气歧管中的较大压力损失，它发生在通过计量进气气流来控制功率的情况下。
设置排气口关闭机构，以通过排气阀来设定排气口的打开和关闭。本发明还考虑使用一个或多个排气口及匹配的排气阀。在本发明的一个实施方式中，排气口关闭机构是凸轮轴，其机械地联接到发动机的曲轴，以在活塞的往复冲程期间在适当的时间打开和关闭排气阀。排气阀可以是常规的提升阀，其利用常规的凸轮轴致动而打开和关闭。与曲轴的机械联接可以是常规的，或者可以经由齿轮机构直接联接，或经由称为同步带或正时链(timing chain)的带或链来间接联接。凸轮被构造成增加排气口打开的持续时间。持续时间或停顿时间是发动机旋转时打开排气口的曲轴度数，在此期间，排气阀升离排气口的基座。凸轮轴提升是排气阀从其基座而产生的净上升。图16示出了可以在排气口关闭机构中采用的凸轮80。凸轮80的轮廓包括：提升排气阀离开排气口基座到达其提升位置的提升部82、使排气阀保持提升(停顿)连带着排气口完全打开的停顿部84以及使排气阀降低回到基座的降低部86。凸轮的持续时间通常为约140°至约180°的曲柄角度，更典型地为约155°至约165°，例如约为160°。提升部和降低部各典型独立地为约14°至约17°的曲柄角度。在关闭进入空气口后将排气口保持在打开位置的持续部通常为约50°至约60°，但也可以或多或少。
机电阀控制可用于更迅速地调整和控制排气阀的打开和关闭。用于实现排气阀可变地打开和/或关闭的装置的示例在专利US6,257,190、US6,053,134、US5,537,961、US5,103,779中给出，其全部公开内容通过引用并入本文中。另外，程序化的螺线管可用于在冷的发动机启动条件下完全打开每个汽缸中的排气阀20，这减少了初始汽缸压缩压力。
对本领域技术人员而言可能发生的是，可以采用打开和关闭排气口的其它装置和方法，包括螺线管驱动和触发的排气阀。
陶瓷基复合物(CMC)可用于构造包括汽缸壁和汽缸盖的汽缸、排气阀以及活塞。CMC是由嵌入于纤维材料之间的陶瓷材料制成的基体。典型的纤维材料包括碳、碳化硅、氧化铝和莫来石。氧化铝、氧化锆、碳化硅主要被用作基体组分。在制造IC发动机部件中的CMC材料及其使用的示例在专利US5,888,641和US5,947,094中进行了描述，其全部公开内容通过引用被并入。
两冲程循环
本发明的两冲程充分膨胀汽缸循环包括：进气阶段、压缩冲程、燃料喷射阶段、点火和燃烧阶段、动力冲程以及排气和扫气阶段。在本发明的图示实施方式中，完整的循环只包括活塞在汽缸内的两个冲程，以及将活塞杆接合活塞9的曲轴35的一个完整旋转。本发明提供了一种操作IC发动机的方法，包括使汽缸循环重复几十到几百次每秒。
用于两冲程、单向流动、充分膨胀的汽缸的循环
图7示出了作为压力-容积图表的热力学操作循环，而图8-14示出了发动机在汽缸冲程循环各操作阶段的曲柄位置。图7中的竖直刻度显示在发动机操作点处的汽缸内气压，并且水平刻度显示以汽缸壁15、汽缸盖16和活塞9为界的汽缸内的开放容积。图15示出了通过汽缸循环各阶段的曲轴角度的示意图。
在图7图表中循环点la处，活塞处于冲程的底部(即下死点—BDC，如图8中所示，位于180°的曲柄角度)，并距离汽缸盖16最远，排气阀打开，且进气端口打开。进入空气涡旋到汽缸中并清扫汽缸。然后，活塞向上移动到点1b，在此点处，旋流进入口被活塞覆盖并关闭(图9)，而排气口仍未被覆盖并打开着。从循环点1b到1c(图10所示)，排气口保持打开，这是活塞总的向上冲程长度的相当大一部分，在此期间，空气通过活塞被压出汽缸，这进一步冷却排气阀，并进一步导致非常高的扫气效率(～99％)。排气口保持打开，通常将持续压缩冲程的一部分。在排气口关闭之前，通过汽缸底部处高速旋流口进入汽缸的一些低压的压缩进入空气离开排气口。当发生这种情况时，少量的压缩空气能量损失，但在动力冲程中得到的能量大得多，并且清除进入空气的冷却器使汽缸壁和排气阀冷却。
在点1c处，在活塞压缩冲程运动的约半程处，排气口关闭(图10)。在排气口关闭之后，陷于汽缸内的空气通过汽缸容积从点1c到点2的变化被压缩，如图11中所示。压缩冲程在点1c和2之间进行，并且发动机压缩比的设计值由汽缸容积以及在汽缸盖16和活塞9顶部之间的冲程顶部处(上死点—TDC)容积的这种变化来确定。在活塞冲程的顶部附近，燃料喷射由高压自动燃料喷射器提供，其中小的燃料液滴在富含于喷雾中心之中的燃料的喷洒图案中(图11)。紧随其后，来自火花塞17的点火发生在点2的TDC处或附近(图12)，导致喷射到活塞冲程顶部附近燃烧室中的燃料燃烧，并导致从循环点2到循环点3a几乎在瞬时使压力大大增加，这发生在几乎恒定的容积下。(循环点3是理论上的最大压力情况，点3a代表因燃烧延迟导致的实际情况。)发动机动力冲程开始于循环点3a处，其中压力和温度的峰值由燃烧延迟时间确定。通过减少燃烧延迟时间会获得更高数值的压力和温度参数以及更高的发动机效率。在膨胀期间，从循环点3a到循环点4，这代表发动机动力冲程，排气口仍然关闭，以通过朝向冲程末端而充分利用高压，高压在点4处几乎下降到大气压力(图13)。对于奥托循环，这个过程几乎将燃料中所有可用的化学能转换成发动机(动能)功率，这很大地提高了发动机效率。
当启动压缩位置是正常全压缩冲程的约一半距离时，就在活塞未覆盖旋流进入口之前，排气口在动力冲程的末端打开，动力冲程的有效长度是实际空气压缩冲程的有效长度的两倍左右。在动力冲程末端(图13，但就在排气口刚打开之前)的燃烧气体朝向大气压力几乎完全向下膨胀，在排气口不打开时提供很少的放空损失(blow-down loss)，且扫气效率非常接近100％。在过大的空气-燃料比和高效清除的情况下，在启动燃烧时燃料会快速有效地发现氧。典型地，启动压缩位置是正常全压缩冲程在入口密封位置和上死点位置之间的约一半距离，但启动压缩位置可以是正常全压缩冲程在入口密封位置和上死点位置之间的约25％、约30％、约35％、约40％、约45％、约55％、约60％、约65％、约70％和约75％。
在常规的发动机中，排气阀以循环点4c所指示的容积打开，对于常规的发动机设计，循环点4c位于活塞冲程的底部，其中排气气压和温度仍然很高。
随着循环在图7中点4处继续，排气口打开(图13)，而随着活塞9继续通过向下的冲程，旋流空气进入口未被覆盖并打开着(图14)，启动残留燃烧气体的排气，并使汽缸压力快速减少至进入空气压力，于是循环返回到点1a(图8)。
充分膨胀发动机的有利特征
本发明提供了一种单向流动、充分膨胀的两冲程发动机设计，其具有大致一半的具有相同动力输出的四冲程发动机所需的汽缸排量。本发明发动机的动力冲程回收几乎所有的通常排出到大气的压力和热能。由于贫燃和位于汽缸盖内部和活塞顶上的热障涂层而使冷却损失低得多，该发动机保留了通常散失至冷却介质的大部分热能(转换为动能)，并可以是空气冷却的，基本上减少了过热风险。没有精细的水冷***的较小两冲程发动机在重量上要轻得多，且制造成本较低。贫燃也减少了燃烧温度以及因此减少了NOX排放。通过使未燃的燃烧产物正常燃烧，TBC涂层的热表面也减少了碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)的排放。利用燃料的直接喷射，发动机动力输出被燃料流控制，而不是被气流控制，这消除了由空气控制阀、文氏管和进气歧管在所有动力设定时其它限制所造成的压力损失。
上面列举出所有的优点和特征，本发明的两冲程充分膨胀发动机所具有的热力学燃料效率几乎是常规四冲程内燃发动机的一倍，并显著减少了燃烧污染物的排放。此外，没有进气空气流阀及阀机构，且没有液体冷却***，本发明的两冲程发动机重量轻得多，成本比常规发动机更低。

Claims (10)

1.一种用于操作两冲程、单向流动、充分膨胀的内燃(IC)发动机的方法，所述方法包括重复汽缸循环，所述循环包括以下步骤：
a)使被加压的进入空气通过未覆盖的旋流进入口，并进入汽缸中，活塞邻近汽缸内活塞往复冲程的底部，以及在汽缸内以切向湍流单向流动使进入空气涡旋，
b)当旋流进入口未被覆盖以通过进入空气提供对汽缸的扫气时，保持排气口处于打开位置，
c)向上推动活塞以覆盖进入口，
d)进一步保持排气口处于打开位置持续活塞朝向上死点的冲程运动的相当一部分；
e)关闭排气口，
f)朝向上死点压缩位于活塞和汽缸盖之间的进入空气，
g)以贫燃的燃料-空气比将燃料分散于压缩冲程的末端附近，
h)点火并燃烧空气-燃料混合物，以启动动力冲程，
i)在动力冲程的末端附近打开排气口，以排出被加压的燃烧气体，以及
j)当活塞接近其动力冲程的底部时，揭开旋流进入口。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在BDC位置到TDC位置之间曲柄循环的多数时间里，排气口是打开的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，压缩冲程开始时的汽缸容积与TDC位置的燃烧室容积的压缩比是高压缩比。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，动力冲程比压缩冲程更长。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，将燃料喷射器取向为在与一个旋流口的进入方位相同的切线方向上喷射燃料，并且火花装置设置在燃料喷射器流的下游。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，进一步保持排气口处于打开位置持续活塞朝向上死点的冲程运动的相当一部分这一步骤提供了对汽缸循环的压缩阶段的延迟开始。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，对汽缸循环的压缩阶段的延迟开始包括保持排气口处于打开位置，直到活塞已经到达了汽缸内的启动压缩位置，所述启动压缩位置位于进入空气口被完全覆盖的进入密封位置与在上死点处冲程的顶部的上死点位置之间。
8.一种包括汽缸的两冲程、单向流动、充分膨胀的内燃(IC)发动机，所述汽缸包括：具有一个或多个排气口的汽缸壁和汽缸盖、设置在所述排气口中的排气阀、穿过所述汽缸盖设置的燃料喷射器和火花装置、安装在所述汽缸中用于在上死点(TDC)位置和下死点(BDC)位置之间往复运动并贯穿压缩冲程和动力冲程的活塞、在所述汽缸底部穿过所述汽缸壁的旋流进入口，其中所述旋流进入口响应于所述活塞的往复运动而被覆盖或揭开，并且排气口关闭机构是为了影响所述排气口相对于所述活塞的冲程位置的关闭和打开，所述排气口关闭机构被构造成在所述活塞的一部分压缩冲程运动期间保持所述排气口打开。
9.根据权利要求8所述的两冲程、充分膨胀、单向流动的内燃(IC)发动机，其中，所述排气口关闭机构包括凸轮轴，所述凸轮轴包括用于提升所述排气阀的凸轮，所述凸轮具有约140°至约180°的曲柄角度的提升持续时间。
10.根据权利要求9所述的两冲程、充分膨胀、单向流动的内燃(IC)发动机，其中，所述排气口关闭机构包括凸轮轴，所述凸轮轴包括用于提升所述排气阀的凸轮，所述凸轮具有约160°的曲柄角度的提升持续时间。
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