均分循环发动机活塞中的新月形凹口 【技术领域】
本发明大致涉及一种活塞顶部的凹口。尤其是， 本发明涉及一种在均分循环发动 机的膨胀活塞的顶部中的新月形凹口。背景技术
为清楚起见， 本申请中使用的术语 “传统发动机” 是指这样一种内燃机， 其中在发 动机的每个活塞 / 汽缸组合中包含著名的奥托循环的所有四个冲程 ( 进气、 压缩、 膨胀和 排气冲程 )。每个冲程需要曲轴一半旋转 (180 度曲柄角， CA)， 而且需要曲轴两个完整旋转 (720 度， CA) 以在传统发动机每个汽缸中完成完整的奥托循环。
又， 为清楚起见， 对术语 “均分循环发动机” 采用了如下定义， 这种定义可以应用于 现有技术中揭示的发动机， 也可以指本申请中的发电机。
均分循环发动机包括 ：
可绕曲轴轴线转动的曲轴 ；
压缩活塞， 其可滑动地容纳在压缩汽缸内且可操作地连接至曲轴， 以使得压缩活 塞在曲轴单次转动期间往复通过进气冲程和压缩冲程 ；
膨胀 ( 动力 ) 活塞， 其可滑动地容纳在膨胀汽缸内且可操作地连接至曲轴， 以使得 膨胀活塞在曲轴单次转动期间往复通过膨胀冲程和排气冲程 ； 以及
交叉通道， 其使压缩汽缸和膨胀汽缸互连， 所述交叉通道包括在其间限定了压力 腔的交叉压缩 (XovrC) 阀和交叉膨胀 (XovrE) 阀。
在 2003 年 4 月 8 日 授 予 Carmelo J.Scuderi 的 美 国 专 利 6,543,225(Scuderi 专 利 ) 以 及 在 2005 年 10 月 11 日 授 予 Dayid P.Branyon 等 人 的 美 国 专 利 (Branyon 专 利 )6,952,923 每一个都包括对均分循环和相似类型发动机的详细论述。另外， Scuderi 和 Branyon 专利揭示了现有发动机型号的细节， 本发明包括对上述发动机的进一步改进。 Scuderi 和 Branyon 专利全文都以引用的方式并入本文中。
参照图 1， 与在 Branyon 和 Scuderi 专利中描述的那些发动机类型相似的现有技术 均分循环发动机整体以附图标记 8 示出。均分循环发动机 8 用一个压缩汽缸 12 和一个膨 胀汽缸 14 的组合代替传统发动机的两个相邻汽缸。汽缸盖 33 通常设置在膨胀和压缩汽缸 12、 14 的开口端上以覆盖和密封汽缸。
奥托循环的四个冲程在两个汽缸 12 和 14 上 “均分” ， 以使得压缩汽缸 12 以及它的 相关压缩活塞 20 执行进气和压缩冲程， 而膨胀汽缸 14 以及它的相关膨胀活塞 30 执行膨胀 和排气冲程。因此， 每一次曲轴 16 绕曲轴轴线 17 旋转 (360 度 CA)， 则在两个汽缸 12、 14 中 完成奥托循环。
在进气冲程期间， 进气通过设置在汽缸盖 33 中的进气口 19 被吸入压缩汽缸 12 中。向内打开 ( 向汽缸内打开 ) 的提升阀进气阀 18 控制进气口 19 与压缩汽缸 12 之间的 流体连通。
在压缩冲程期间， 压缩活塞 20 对充气加压并将充气驱动进交叉通道 ( 或口 )22中， 交叉通道 22 通常设置在汽缸盖 33 中。这就意味着压缩汽缸 12 和压缩活塞 20 是到交 叉通道 22 的高压气体源， 交叉通道 22 充当膨胀汽缸 14 的进气通道。在一些实施例中， 两 个或两个以上交叉通道 22 使压缩汽缸 12 和膨胀汽缸 14 互连。
均分循环发动机 8( 且通常用于均分循环发动机 ) 的压缩汽缸 12 的容积压缩比在 本文中称为均分循环发动机的 “压缩比” 。 均分循环发动机 8( 且通常用于均分循环发动机 ) 的膨胀汽缸 14 的容积压缩比在本文中称为均分循环发动机的 “膨胀比” 。汽缸容积压缩比 在本领域中熟知为 ： 当在其中往复运动的活塞处于其下死点 (BDC) 位置时汽缸 ( 包括所有 凹处 ) 中的封闭 ( 捕获 ) 容积与当所述活塞处于其上死点 (TDC) 位置时汽缸中的封闭容积 ( 也就是余隙容积 ) 的比。特别对于本文限定的均分循环发动机而言， 当 XovrC 阀关闭时， 确定了压缩汽缸的压缩比。也特别针对本文限定的均分循环发动机而言， 当 XorvE 阀关闭 时， 确定了膨胀汽缸的膨胀比。
由于非常高的压缩比 ( 例如 40 ∶ 1、 80 ∶ 1 或更高 )， 在交叉通道进口 25 处的向 外打开 ( 远离汽缸向外打开 ) 的提升阀交叉压缩 (XovrC) 阀 24 用来控制从压缩汽缸 12 到 交叉通道 22 内的流动。由于非常高的膨胀比 ( 例如 40 ∶ 1、 80 ∶ 1 或更高 )， 在交叉通道 22 的出口 27 处的向外打开的提升阀交叉膨胀 (XovrE) 阀 26 控制从交叉通道 22 到膨胀汽 缸 14 内的流动。如下文更详细论述的那样， 定时 XovrC 和 XovrE 阀 24、 26 的致动率和相位 调整， 以在奥托循环的所有四个冲程期间将交叉通道 22 中的气压维持在高的最小压力 ( 在 全负载运行过程中通常为 20 巴绝对值或更高 )。 对应于 XovrE 阀 26 打开， 至少一个燃料喷射器 28 在交叉通道 22 的出口端将燃料 喷射进加压空气中， 上述阀打开在膨胀活塞 30 到达其上死点位置不久前出现。空气 / 燃料 填料通常在膨胀活塞 30 到达其上死点 (TDC) 位置后不久进入膨胀汽缸 14， 虽然它在某些运 行状况下可稍微在 TDC 前开始进入。当活塞 30 开始从它的上死点位置下降时， 且当 XovrE 阀 26 仍打开时， 包括突入到汽缸 14 内的火花塞尖端 39 的火花塞 32 点火， 以点起在绕火花 塞末端 39 周围的区域中的燃烧。 当膨胀活塞在越过其上死点 (TDC) 位置 1 到 30 度 CA 之间 时， 可开始燃烧。更优选地， 当膨胀活塞在越过其上死点 (TDC) 位置 5 到 25 度 CA 之间时， 可开始燃烧。还更优选地， 当膨胀活塞越过其上死点 (TDC) 位置 10 到 25 度 CA 之间时， 可 开始燃烧。更优选地， 当膨胀活塞在越过其上死点 (TDC) 位置 10 到 20 度 CA 之间时， 可开 始燃烧。另外， 可通过其他点火装置和 / 或方法 ( 诸如利用电热塞 )、 微波点火装置或通过 压缩点火方法开始燃烧。
当开始燃烧后， 但在最终的燃烧事件能进入交叉通道 22 之前， XovrE 阀 26 关闭。 燃烧事件在动力冲程中将膨胀活塞 30 向下驱动。
在排气冲程期间， 排气通过设置在汽缸盖 33 中的排气口 35 泵送出膨胀汽缸 14。 设置在排气口 35 的进口 31 中的向内开口的提升阀排气阀 34 控制膨胀汽缸与排气口 35 之 间的流体连通。排气阀 34 和排气口 35 与交叉通道 22 分离。也就是说， 排气阀 34 和排气 口 35 不与交叉通道 22 接触。
利用均分循环发动机概念， 压缩汽缸 12 和膨胀汽缸 14 的发动机几何参数 ( 亦即 孔径、 冲程、 连接杆长度、 容积压缩比等 ) 通常相互独立。举例而言， 压缩汽缸 12 和膨胀汽 缸 14 的曲柄行程 36、 38 分别可具有不同半径， 且相位可相互隔开， 从而膨胀活塞 30 的上死 点 (TDC) 在压缩活塞 20 的 TDC 之前出现。这种独立会使均分循环发动机 8 比典型的四冲
程发动机， 潜在地实现更高的效率水平和更大的扭矩。
均分循环发动机 8 中发动机参数的几何独立也是如上文论述的那样在交叉通道 22 中能维持压力的主要原因之一。 具体地说， 在压缩活塞经过离散的相位角 ( 通常在 10 到 30 曲柄角度数之间 ) 到达其上死点位置之前， 膨胀活塞 30 到达其上死点位置。 这个相位角 以及 XocrC 阀 24 与 XovrE 阀 26 的恰当定时一起， 使均分循环发动机 8 在它的压力 / 容积循 环的所有四个冲程期间能够将交叉通道 22 中的压力维持在高的最小压力 ( 在全负载运行 过程中通常为 20 巴绝对值或更高 )。也就是说， 均分循环发动机 8 可操作为定时 XovrC 阀 24 和 XovrE 阀 26， 使得 XovrC 和 XovrE 阀都打开了一段实质性时期 ( 或曲柄转动周期 )， 在 这期间膨胀活塞 30 从它的 TDC 位置朝向它的 BDC 位置下降， 而压缩活塞 20 同时从它的 BDC 位置朝向它的 TDC 位置上升。在交叉阀 24、 26 都打开的时期 ( 或曲柄转动 ) 期间， 基本相 同质量的气体从压缩汽缸 12 传输 (1) 到交叉通道 22 中且 (2) 从交叉通道 22 传输到膨胀 汽缸 14 中。因此， 在此期间， 交叉通道中的压力被防止跌落到预定最小压力 ( 在全负载运 行过程中通常为 20、 30 或 40 巴绝对值或更高 )。此外， 在进气和排气冲程的实质部分 ( 通 常为整个进气和排气冲程的 90％或更大 ) 期间， XovrC 阀 24 和 XovrE 阀 26 两者都关闭以 将交叉通道 22 中捕获的气体质量维持在大体恒定的水平。结果， 在发动机的压力 / 容积循 环的所有四个冲程期间， 交叉通道 20 中的压力被维持在预定的最小压力。 出于本文中的目的， 在膨胀活塞 30 从 TDC 下降且压缩活塞 20 向 TDC 上升的同时 打开 XovrC 阀 24 和 XovrE 阀 26， 以将基本相同的气体质量传输进和传输出交叉通道 22 的 方法， 在本文中称为气体传输的推拉方法。 当发动机在全负载下运行时， 推拉方法使均分循 环发动机 8 的交叉通道 22 中的压力能够在发动机循环的所有四个冲程期间通常维持在 20 巴或更高。
如上文中论述的那样， 排气阀 34 设置在汽缸盖 33 的排气口 35 中并与交叉通道 22 分开。优选地， 排气阀 34 的结构配置不设置在交叉通道 22 中， 因此排气阀不会与交叉通道 22 共享任何共用部分， 从而在排气冲程期间维持交叉通道 22 中捕获的气体质量。因此， 防 止了大循环压力降， 这种压力降可能使交叉通道中的压力低于预定最小压力。
尤其分别利用平顶压缩活塞 20 和平顶膨胀活塞 30， 实现了压缩汽缸 12 内的高压 缩比以及膨胀汽缸 14 内的高膨胀比。也就是说， 在现有技术均分循环发动机中， 压缩活塞 20 和膨胀活塞 30 的顶部 ( 或顶表面 )( 亦即， 面向汽缸盖 33 的大致圆形侧 ) 大体上是平坦 表面。汽缸盖 33 也通常具有面向压缩汽缸 12 和膨胀汽缸 14 中每一个的平坦底表面 ( 亦 即， 汽缸盖 33 的面向压缩和膨胀活塞顶表面的表面 )， 从而当活塞 20、 30 分别处于其上死点 (TDC) 位置时， 这些汽缸中的容积被最小化。
XovrE 阀 26 在膨胀活塞 30 到达其上死点位置不久前打开。 此时， 由于交叉通道 22 中的最小压力通常为 20 巴绝对值或更高， 而排气冲程期间膨胀汽缸中的压力通常为约 1-2 巴绝对值， 因此交叉通道 22 中压力与膨胀汽缸 14 中压力的压力比较高。换言之， 当 XovrE 阀 26 打开时， 交叉通道 22 中的压力明显比膨胀汽缸 14 中的压力更高 ( 通常约 20 ∶ 1 或 更大 )。此高压比会导致空气和 / 或燃料填料开始高速流入膨胀汽缸 14 中。这些高速流可 达到声速， 被称为声速流。此声速流对均分循环发动机 8 尤其有利， 因为它导致了快速燃烧 事件， 这使得即使在膨胀活塞 30 从它的上死点位置下降时开始点火的情况下， 均分循环发 动机 8 也能维持高燃烧压力。
然而， 进入膨胀汽缸 14 内的高速 ( 且尤其是声速 ) 流形成压力波， 这会移动穿过 膨胀活塞 30 的顶表面的空气 / 燃料填料。压力波可导致膨胀汽缸 14 的壁处或附近的压力 和 / 或温度峰值。此压力和 / 或温度峰值可具有负面效应， 诸如导致在火花点火之前提早 指示空气 / 燃料填料 ( 亦即， 预点火 )。因为排气阀 34 具有膨胀汽缸 14 中的最热表面之 一， 所以如果压力阀峰值靠近排气阀 34， 那么预点火风险可加重。因此， 需要在均分循环发 动机中引导压力波所携带的空气 / 燃料填料， 以使得任何压力和 / 或温度峰值不会导致预 点火。
参照图 2， 示出了当均分循环发动机 8 的膨胀活塞 30 大约处于其上死点位置时 XovrE 阀 26 的位置。XovrE 阀 26 包括大致盘形阀头 40， 大致圆柱形阀头杆部 41 从阀头 40 向外伸出。当活塞 30 达到其 TDC 位置时， XovrE 阀 26 的头部 40 在汽缸盖 33 中升高到其 闭合 ( 或坐落 ) 位置上。帘区 42 和 44 是流体可流经的局部最小截面区。换言之， 帘区 42 和 44 是当膨胀活塞 30 处于或靠近其上死点位置时最可能限制交叉通道 42 与膨胀汽缸 14 之间的空气 / 燃料流动的区域。
从交叉通道 22 流入膨胀汽缸 14 内的空气 / 燃料填料必须经过帘区 42， 所述帘区 42 在 XovrE 阀 26 的头部 40 与汽缸盖 33 之间成截头圆锥形 ( 下文简称 “截锥” 形 )。从交 叉通道 22 流入膨胀汽缸 14 的大多数空气 / 燃料填料也必须经过膨胀活塞 30 与汽缸盖 33 之间的圆柱形帘区 44。截锥形帘区 42 与交叉通道 22 的出口 27 之间的区域已知为 XovrE 阀 26 的阀口袋 46。更具体地说， 阀口袋 46 是 xovrE 阀 26 的头部 40、 汽缸盖 33、 截锥形帘 区 42 和交叉通道 22 的出口 27 所围的区域。 当膨胀活塞 30 处于或靠近其上死点位置时， 膨胀活塞间隙 48( 亦即， 膨胀活塞 30 的顶表面 50 与汽缸盖 33 的底表面 ( 或点火板 )52 之间的间隙深度， 该底表面面向膨胀汽 缸 14 内部 ) 可以是非常小， 例如 1.0、 0.9、 0.8、 0.7 或 0.6 毫米， 或更小。XovrE 阀 26 远离 其坐落位置打开的距离已知为 XovrE 阀 26 的阀升程。明显地， 膨胀活塞间隙 48 可与 XovrE 阀 26 阀升程相当或甚至比之更小。这就意味着， 圆柱形帘区 44 在面积上可与截锥形帘区 42 相当或甚至比之更小。这个小圆柱形帘区 44 可导致实质性的压力降和流量的减少。换 言之， 当圆柱形帘区 44 在面积上与截锥形帘区 42 相当时， 圆柱形帘区 44 可防止适当量的 空气 / 燃料填料在适当的时间界限内进入膨胀汽缸 14。当圆柱形帘区 44 小于截锥形帘区 42 时， 这种情况尤为突出， 因为这种情况下， 当膨胀活塞 30 处于或靠近上死点时， 圆柱形帘 区 44 是从交叉通道 22 到膨胀汽缸 14 内的空气 / 燃料流中最有限制性的区域。
上述压力降和 / 或流量减少是有问题的， 因为它们会降低发动机效率。因此， 需要 增大在均分循环发动机汽缸盖与膨胀活塞之间形成的帘区 44 的大小， 只要这样做而产生 的效率增加大于膨胀汽缸中导致的膨胀比下降所引发的效率损失就可以。
XovrE 阀 26 必须达到充分提升， 从而相对于传统汽缸而言在非常短的曲柄 16 转 动 ( 通常在约 30 至 60 度 CA 范围内 ) 时期内完全传输空气 / 燃料填料， 这通常会在 180 至 220 度 CA 内致动阀。这就意味着， XovrE 阀 26 的致动必须比传统发动机阀快 4 到 6 倍。与 XovrE 阀 26 致动定时为同步， 燃料被喷射到交叉通道 22 的出口端内。火花塞 32 点火以在 之后立刻启动燃烧 ( 优选在膨胀活塞 30 的上死点后 1 到 30 度 CA 之间， 更优选在膨胀活 塞 30 的上死点后 5 到 25 度 CA 之间， 最优选在膨胀活塞 30 的上死点之后 10 到 20 度 CA 之 间 )。
鉴于上述限制， 空气 / 燃料混合以及贯穿膨胀汽缸 14 的分布必须在非常短的时期 ( 或曲柄转动 ) 内进行。燃料贯穿膨胀汽缸 14 的合适分布以及火花塞 32 上优选空气 / 燃 料比应该导致点火的改善， 并导致更多可用燃料燃烧。 因此， 需要引导均分循环发动机中的 燃料分布以贯穿膨胀汽缸适当地分布燃料， 并改善火花塞上的空气 / 燃料比。 发明内容 对于上述的引导压力波、 增大膨胀活塞与汽缸盖之间的帘区大小以及引导均分循 环发动机中的燃料分布等问题， 本发明提供了解决方案。 具体地说， 本发明通过在均分循环 发动机膨胀活塞顶部中设置凹口而解决这些问题。
本发明的一个示例性实施例通过提供一种发动机 (10) 而实现了这些和其他优 点， 该发动机 (10) 包括 ：
曲轴 (16)， 其可绕曲轴轴线 (17) 转动 ；
膨胀汽缸 (14)， 包括中心线轴线 (62) ；
膨胀活塞 (30)， 其可滑动地容纳在膨胀汽缸 (14) 内且可操作地连接至曲轴 (16)， 从而膨胀活塞 (30) 可操作为在曲轴 (16) 的单次转动期间往复通过膨胀冲程和排气冲程， 膨胀活塞 (30) 包括顶表面 (50) 和外周界 (74) ；
汽缸盖 (33)， 其设置在膨胀汽缸 (14) 上， 从而汽缸盖 (33) 的底表面 (52) 面向膨 胀活塞 (30) 的顶表面 (50)， 汽缸盖 (33) 包括设置在其中的交叉通道出口 (27) 和排气口入 口 (53)， 排气口入口 (53) 和交叉通道出口 (27) 每一个均邻近膨胀汽缸 (14) ；
交叉通道 (22)， 其经由交叉通道出口 (27) 将高压气体源 (12/20) 连接至膨胀汽缸 (14) ；
向外打开的交叉膨胀阀 (XovrE 阀 )(26)， 其设置在交叉通道出口 (27) 中， XovrE 阀 (26) 可操作为允许在膨胀冲程一部分期间交叉通道 (22) 与膨胀汽缸 (14) 之间流体连 通；
排气阀 (34)， 其设置在排气口入口 (53) 中， 排气阀 (34) 可操作为允许在排气冲程 一部分期间经由排气口入口 (31) 到或从膨胀汽缸 (14) 流体连通 ；
凹 口 (60)， 其 设 置 在 膨 胀 活 塞 (30) 的 顶 表 面 (50) 中， 凹 口 (60) 包 括 底 表 面 (64) ；
膨胀活塞间隙 (80)， 其为当膨胀活塞 (30) 处于其上死点 (TDC) 位置时在膨胀活 塞 (30) 的顶表面 (50) 与汽缸盖 (33) 的底表面 (52) 之间沿着平行于中心线轴线 (62) 的 线的最短距离 ；
凹口深度 (82)， 其为在凹口 (60) 的底表面 (64) 与膨胀活塞 (30) 的顶表面 (50) 之间的沿平行于中心线轴线 (62) 的线的最短距离 ；
其中， 凹口 (60) 的一部分与交叉通道出口 (27) 的一部分重叠 ；
其中， 排气口入口 (31) 的一部分不与凹口 (60) 的任何部分重叠 ； 且
其中， 凹口深度 (82) 是在膨胀活塞间隙 (80) 的 1.0 到 3.0 倍之间。
膨胀比可以至少为 20 ∶ 1， 优选至少为 30 ∶ 1， 更优选为至少 40 ∶ 1。发动机 (10) 可操作为当膨胀活塞 (30) 从其 TDC 位置向其 BDC 位置下降时在膨胀汽缸 (14) 中开始 燃烧事件， 优选在经过所述膨胀活塞 (30) 的 TDC 位置后曲轴 (16) 转动 10 与 25 度之间， 且
优选在经过所述膨胀活塞 (30) 的 TDC 位置后曲轴 (16) 转动 10 与 20 度之间。凹口 (60) 没有任何部分与排气口入口 (31) 的任何部分重叠。凹口 (60) 的部分可与至少一个点火 装置 (32) 重叠， 优选与至少两个点火装置 (32) 重叠。凹口深度 (82) 可以是膨胀活塞间隙 (80) 的 2.0 到 3.0 倍。排气口入口 (31) 的总面积的 20％或更少， 优选 10％或更少， 可与凹 口 (60) 重叠。
在本发明的另一个示例性实施例中， 发动机 (10) 包括 ：
曲轴 (16)， 其可绕曲轴轴线 (17) 转动 ；
膨胀汽缸 (14)， 包括中心线轴线 (62) ；
膨胀活塞 (30)， 其可滑动地容纳在膨胀汽缸 (14) 内且可操作地连接至曲轴 (16)， 从而膨胀活塞 (30) 可操作为在曲轴 (16) 的单次转动期间往复通过膨胀冲程和排气冲程， 膨胀活塞 (30) 包括顶表面 (50) 和外周界 (74) ；
汽缸盖 (33)， 其设置在膨胀汽缸 (14) 上， 从而汽缸盖 (33) 的底表面 (52) 面向膨 胀活塞 (30) 的顶表面 (50)， 汽缸盖 (33) 包括设置在其中的交叉通道出口 (27) 和排气口入 口 (53)， 排气口入口 (53) 和交叉通道出口 (27) 每一个均邻近膨胀汽缸 (14) ；
交叉通道 (22)， 其经由交叉通道出口 (27) 将高压气体源 (12/20) 连接至膨胀汽缸 (14) ； 交叉膨胀阀 (XovrE 阀 )(26)， 其设置在交叉通道出口 (27) 中， XovrE 阀 (26) 可操 作为允许在膨胀冲程一部分期间交叉通道 (22) 与膨胀汽缸 (14) 之间流体连通 ；
排气阀 (34)， 其设置在排气口入口 (53) 中， 排气阀 (34) 可操作为允许在排气冲程 一部分期间经由排气口入口 (31) 到或从膨胀汽缸 (14) 流体连通 ；
凹 口 (60)， 其 设 置 在 膨 胀 活 塞 (30) 的 顶表 面 (50) 中， 凹 口 (60) 包 括 底 表 面 (64) ；
膨胀活塞间隙 (80)， 其为当膨胀活塞 (30) 处于其上死点 (TDC) 位置时在膨胀活 塞 (30) 的顶表面 (50) 与汽缸盖 (33) 的底表面 (52) 之间沿着平行于中心线轴线 (62) 的 线的最短距离 ；
凹口深度 (82)， 其为在凹口 (60) 的底表面 (64) 与膨胀活塞 (30) 的顶表面 (50) 之间的沿平行于中心线轴线 (62) 的线的最短距离 ；
膨胀比， 其为当膨胀活塞处于其下死点 (BDC) 位置时膨胀汽缸中的封闭容积与当 膨胀活塞处于其 TDC 位置时膨胀汽缸中的封闭容积的比 ；
其中， 膨胀比至少为 20 ∶ 1 ； 且
其中， 凹口深度 (82) 大于或等于膨胀活塞间隙 (80)。
凹口 (60) 的一部分可与交叉通道出口 (27) 的一部分重叠， 且排气口入口 (31) 的 一部分不与凹口 (60) 的任何部分重叠。凹口深度 (82) 可以是膨胀活塞间隙 (80) 的 1.0 到 3.0 倍之间， 优选在 2.0 到 3.0 倍之间。膨胀比可以为 30 ∶ 1， 优选至少为 40 ∶ 1。发 动机 (10) 可操作为当膨胀活塞 (30) 从其 TDC 位置向其 BDC 位置下降时在膨胀汽缸 (14) 中开始燃烧事件， 优选在经过所述膨胀活塞 (30) 的 TDC 位置后曲轴 (16) 转动 10 与 20 度 之间。凹口 (60) 没有任何部分与排气口入口 (31) 的任何部分重叠。凹口 (60) 的部分可 与至少一个点火装置 (32) 重叠， 优选与至少两个点火装置 (32) 重叠。排气口入口 (31) 总 面积的 20％或更少， 优选 10％或更少， 可与凹口 (60) 重叠。
从下文对本发明的详细描述， 以及参考附图， 将更充分理解本发明的这些和其他优点。 附图说明
图 1 是现有技术均分循环发动机的示例性实施例的横截面图 ； 图 2 是当膨胀活塞处于其上死点 (TDC) 位置时图 1 的交叉膨胀阀 (XovrE) 的横截面图 ； 图 3 是根据本发明的均分循环发动机的膨胀汽缸的透视部分剖切图 ；
图 4 是图 3 的均分循环发动机组件在与均分循环发动机膨胀汽缸中心轴线垂直的 投影平面上的正交投影图 ； 和
图 5 是图 3 的均分循环发动机的膨胀汽缸的侧视图。
具体实施方式
图 3、 4 和 5 示出了根据本发明的均分循环发动机 10 的示例性实施例的多个视图 或投影。均分循环发动机 10 与图 1 和 2 中示出且描述的现有技术均分循环发动机 8 相似。 因此， 出于对均分循环发动机 8 和 10 进行比较的目的， 相同的附图标记表示相同的组件。 根据本发明， 示例性均分循环发动机 10 包括设置在膨胀活塞 30 顶表面 50 中的创 新凹口 60。如本文将更详细描述的那样， 凹口 60 通过缓解交叉通道 22 与膨胀汽缸 14 之间 的流动限制而提高了从交叉通道 22 到膨胀汽缸 14 的流动。此外， 凹口 60 大致沿火花塞 32 的方向引导空气 / 燃料混合物， 且大体上引导空气 / 燃料混合物流远离排气阀 34 并远离膨 胀汽缸 14 的汽缸壁。另外， 凹口 60 增加了在膨胀活塞 30 与汽缸盖 33 之间形成的圆柱形 帘区 44， 而不会使膨胀比下降到足以超过所导致的流动提高的好处的程度。
图 3 是示例性均分循环发动机 10 的膨胀汽缸的透视的部分剖切图。 均分循环发动 机 10 包括两个交叉通道 22。这两个交叉通道 22 中的每一个都包括图 1 所示类型的 XovrC 阀 24， 其控制压缩汽缸 12( 最佳如图 1 所示 ) 与交叉通道 22 之间通过交叉通道入口 25( 最 佳如图 1 所示 ) 的流体连通。这两个交叉通道 22 中的每一个进一步包括 XovrE 阀 26， 其控 制交叉通道 22 与膨胀汽缸 14 之间通过交叉通道出口 27 的流体连通。两个 XovrE 阀 26 中 的每一个都包括阀头 40 和阀杆 41。
均分循环发动机 10 还包括一对点火装置 ( 在此例中为火花塞 )32， 上述点火装置 每一个都设置在汽缸盖 33 中。点火装置 32 中的每一个都包括点火装置尖端 39， 其是每个 点火装置 32 的伸进膨胀汽缸 14 中并产生开始燃烧过程所需要的能量的那一部分。更具体 的说， 在此例中， 火花塞尖端 39 通常包括一或多个侧 ( 或接地 ) 电极。火花塞尖端 39 通常 还包括中心电极 43( 最佳如图 4 所示 )， 其设计成喷射电子 ( 或阴极 )， 从而开始燃烧事件。 其他实施例可利用除了点火塞 32 以外的点火方法或装置。例如， 其他实施例可利用电热 塞、 微波点火装置、 用于柴油机燃烧 ( 其中不需要点火装置 ) 的压缩点火方法或任何其他适 当的点火方法或装置。
汽缸盖 33 包括单个排气口 35， 该排气口 35 具有设置在单个排气口 35 的入口 31 中的排气阀 34。大致新月形的凹口 60 设置在膨胀活塞 30 的顶表面 50 中。膨胀汽缸 14 的 中心线轴线 62 垂直延伸穿过膨胀汽缸 14 的中心， 并且是动作线， 膨胀活塞 30 往复通过所
述动作线。
图 4 是均分循环发动机 10 的组件在垂直于膨胀汽缸 14 的中心线轴线 62 的任何 投影平面上的正交投影图。在示例性实施例中， 这个投影平面与膨胀活塞 30 的顶表面 50 平行或大体平行。
凹口 60 包括底表面 64， 其大致沿着垂直于中心线轴线 62 的平面。凹口 60 包括垂 直延伸的壁 68( 在图 5 中最清楚地示出 )。凹口 60 包括整体连接底表面 64 与垂直延伸壁 68 的弯曲过渡部分 66( 最佳如图 5 所示 )。垂直延伸壁 68 包括凹边缘部分 70 和凸边缘部 分 72。
顶表面 50 通常是平的并且是沿着大体垂直于膨胀汽缸 14 的中心线轴线 62 的平 面。顶表面 50 包括大致圆形的外周界。顶表面 50 进一步包括设置在 (1) 顶表面 50 的外 周界 74 与 (2) 凹口 60 的壁 68 的凸边缘部分 72 之间的边界区域 76。
出于本文所述的目的， 例如凹口、 出口、 通道、 表面、 周界、 边界区域、 边缘部分、 过 渡部分、 壁、 阀、 火花塞、 活塞等第一组件 ( 或其一部分 ) 与第二组件 ( 或其一部分 ) 在第一 组件 ( 或其一部分 ) 与第二组件 ( 或其一部分 ) 在任何上述投影平面中共用相同坐标时 “重叠” 。在图 4 中详细描述了彼此重叠的均分循环发动机 10 的组件 ( 或其部分 )。 每个交叉通道 22 的交叉通道出口 27 的部分与凹口 60 的部分重叠。更具体的说， 出口 27 的部分与底表面 64、 过渡部分 66 和壁 68 每一个的部分重叠。每个交叉通道 22 的 出口 27 的部分也与顶表面 50 的部分重叠。更具体的说， 每个出口 27 的部分与顶表面 50 的边界区域 76 的部分重叠。
排气口 35 的入口 31 与膨胀活塞 30 的顶表面 50 的一部分重叠。然而， 入口 31 没 有任何部分与凹口 60 的任何部分重叠。在其他实施例中， 可允许凹口 60 的一部分与入口 31 的一部分之间有一些少量重叠。 举例而言， 可允许排气口 35 的入口 31 的总面积的 25％、 20％、 15％、 10％或更少与凹口 60 重叠。然而， 在这个备选实施例中， 本领域普通技术人员 将认识到防止设置在入口 31 中的排气阀 35 的最热的部分 ( 通常为排气阀 35 的中心和 / 或入口 31 的中心 ) 与凹口 60 的任何部分重叠的愿望。
每个点火装置 32 的至少一部分与凹口 60 的部分重叠。 更优选地， 每个点火装置尖 端 39 整体与凹口 60 重叠。具体地说， 在本例中， 每个火花塞尖端 39 整体与凹口 60 重叠。 更优选地， 每个中心电极 43 整体与凹口 60 重叠。在利用火花塞以外的点火方法或点火装 置的其他实施例中， 本领域普通技术人员将认识到提供凹口 60 一部分与燃烧开始的区域 之间的重叠的愿望。
参照图 5， 示出了当膨胀活塞 30 位于其上死点 (TDC) 位置时膨胀汽缸 14 和一些周 围的组件 ( 例如两个交叉通道 22 中的一个 ) 的侧视图。膨胀活塞间隙 80 是当膨胀活塞处 于其 TDC 位置时膨胀活塞 30 的顶表面 50 与汽缸盖 33 的底表面 ( 或点火板 )52 之间的最 短间隙距离 ( 沿平行于膨胀汽缸 14 的中心线轴线 62 的线测得 )。示例性实施例中的膨胀 活塞间隙 80 优选非常小 ( 例如 1.0、 0.9、 0.8、 0.7、 0.6 毫米或更小 )。
凹口深度 82 是凹口 60 的底表面 64 与膨胀活塞 30 的顶表面 50 之间的最短距离 ( 沿平行于膨胀汽缸 14 的中心线轴线 62 的线测得 )。为了增大圆柱形帘区 44 的大小并显 著减小交叉通道 22 与膨胀汽缸 14 之间的流动限制， 凹口深度 82 优选设计成等于或大于膨 胀活塞间隙 80 的一半 (0.5 倍 )。更优选地， 凹口深度 82 等于或大于膨胀活塞间隙 80 的 1
倍、 2 倍、 2.5 倍或 3 倍。然而， 需要特别注意的是， 凹口深度 82 必须保持足够小， 而使得由 于凹口深度 82 增加而产生的效率增加大于由引起的膨胀比减小导致的效率损失。优选地， 凹口深度 82 应足够小， 以提供 20 ∶ 1 或更大的膨胀比， 优选 30 ∶ 1 或更大的膨胀比， 最好 40 ∶ 1 或更大的膨胀比。
具有为活塞间隙 80 的一倍或多倍的凹口深度 82 同时保持至少 20 ∶ 1 或更大的 膨胀比的组合， 仅仅在下述情况是可能的， 所述下述情况为倘若凹口 60 不设置在活塞 30 中 时膨胀比将变得非常大， 例如是 40 ∶ 1、 80 ∶ 1 或更大。难以在传统发动机中实现这些大 膨胀比， 因为必须维持实质性的余隙容积， 从而在传统发动机活塞抵达 TDC 之前适当开始 燃烧。 然而， 均分循环发动机 10 利用气体传输推拉方法 ( 如上文所述 )， 以使得在膨胀活塞 抵达 TDC 后燃烧能够开始。因此， 在均分循环发动机 10 中不再需要膨胀汽缸 14 中的大余 隙容积， 因此可实现 20 ∶ 1、 40 ∶ 1 或更大的膨胀比， 甚至在凹口 60 深度设置在活塞 30 中 也是如此。
图 5 中最佳示出了凹口 60 的弯曲过渡部分 66 以及垂直延伸壁 68。另外， 先前描 述的出口 27 的部分与均分循环发动机 10 的其他各种组件之间的重叠可在此侧视图中更详 细地看到。顶表面 50 的边界区域 76 的一部分示出为与交叉通道 22 的出口 27 的一部分重 叠。有利地， 当膨胀活塞 30 处于或靠近 TDC 时， 边界区域 76 与出口 27 之间的重叠创建了 流动限制， 所述流动限制倾向于引导流远离膨胀汽缸 14 的壁并朝向火花塞 32。又， 凹口 60 的底表面 64、 弯曲过渡部分 66 和垂直延伸壁 68 的部分示出为与交叉通道的出口 27 的部分 重叠。值得注意的是， 交叉通道出口 27 的部分与凹口 60 的部分之间的重叠在本文中示出 为增大了圆柱形帘区 44 的大小， 以促进流体进入凹口 60 中并朝向火花塞 32。
在发动机工作过程中， XovrE 阀 26 在膨胀活塞 30 的上死点前 (BTDC) 不久打开 ( 例如膨胀活塞 30 的 5-20 度 BTDC)。排气阀 34 在 XovrE 阀 26 打开 ( 例如膨胀活塞 30 的 5-45 度 BTDC) 的同时或之后立刻或不久之前关闭。其后， 紧接着排气阀 34 靠近 TDC 关闭 后剩余在膨胀汽缸 14 中的任何气体的压力实质性小于两个交叉通道 22 中的空气 / 燃料压 力。
通过交叉通道出口 27( 靠近膨胀活塞 30 的 TDC) 进入膨胀汽缸 14 的空气 / 燃料 填料沿着阻力最小的路径。这里， 阻力最小的路径是到凹口 60 内并朝向火花塞 32。这是因 为交叉通道出口 27 与 (1) 顶表面 50 的边界区域 76 的部分以及 (2) 凹口 60 的部分重叠而 引起的情况。因此， 凹口 60 与出口 27 之间的重叠区域提供了流动限制最小的路径， 以在活 塞 30 靠近其上死点位置时， 开始引导空气 / 燃料填料流入凹口 60 中并朝向火花塞 32。
凹口 60 没有任何部分延伸至膨胀汽缸 14 的汽缸壁的任何部分。另外， 凹口 60 没 有任何部分与排气口 35 的入口 31 的任何部分重叠。结果， 大体上限制了流体朝向汽缸壁 和排气阀入口附近的区域行进， 而基本防止在膨胀活塞靠近 TDC 时空气 / 燃料填料积聚在 这些区域中。重要的是， 基本防止空气 / 燃料填料在汽缸 14 的壁附近积聚， 因为这种积聚 情况可能导致空气 / 燃料填料花太长时间被点燃， 这对发动机效率是不好的。重要的是， 基 本防止空气 / 燃料填料在排气口的入口 31 附近积聚， 因为排气阀 35 设置在其中。排气阀 35( 尤其是其中心 ) 是膨胀汽缸 14 中的最热表面之一， 这意味着空气 / 燃料积聚在排气阀 35 附近会加剧预点火的风险。
出于本文中的目的， 空气 / 燃料混合物或空气 / 燃料比 (AFR) 是燃烧期间存在的空气与燃料的质量比。同样出于本文中的目的， 术语 “化学计量” ( 经常被简写为 stoich) 定义为 AFR， 其中正好存在足够的氧 ( 包含在空气中 ) 以在燃耗过程中将所有燃料转换成完 全氧化的产物。通常， 就汽油燃料而言， 约 14.7 ∶ 1 的 AFR 表示化学计量比。富 AFR 指存 在比化学计量所需更多的燃料， 而贫 AFR 指存在比化学计量所需更多的空气。
拉姆达 (λ) 是表示 AFR 的另一种方式， 其中 AFR 归一化为特定燃料的化学计量 比。λ 等于 1 表示化学计量。λ 大于 1 表示贫混合物， 而 λ 小于 1 表示富混合物。举例 来说， 如果化学计量是 14.7 ∶ 1， 那么 ：
1)λ ＝ 1 表示 14.70 ∶ 1 的化学计量 AFR ；
2)λ ＝ 0.8 表示 11.76 ∶ 1 的富 AFR ； 和
3)λ ＝ 1.3 表示 19.11 ∶ 1 的贫 AFR。
空气 / 燃料混合物大致由凹口 60 的几何形状引导， 并在点火前以分层形式贯穿凹 口 60 分布。 分布的目的是为了在火花塞 ( 点火装置 )32 附近提供化学计量的 ( 或接近化学 计量的 ) 空气 / 燃料混合物， 并在远离火花塞 32 的区域中提供按连续更贫的空气 / 燃料混 合物。因此， 优选地， 围绕火花塞 32 的空气 / 燃料混合物在点火前具有位于 0.6 至 1.3 范 围内的拉姆达。更优选地， 拉姆达应在 0.7 至 1.2 范围内， 且最优选地， 拉姆达应在 0.8 至 1.1 范围内。
当火花塞 32 启动时， 化学计量 ( 或接近化学计量 ) 空气 / 燃料混合物快速燃烧并 充当点燃较贫混合物的催化剂 ( 亦即， 引燃火焰 )。火花塞 32 优选在膨胀活塞 30 的 TDC 后 1 到 30 度 CA 之间启动， 更优选地在膨胀活塞 30 的 TDC 后 5 到 25 度 CA 启动， 最优选地在膨 胀活塞 30 的 TDC 后 10 到 20 度 CA 之间启动。
虽然本文示出和描述了多个实施例， 但是可以在不偏离本发明精神和范畴的情况 下， 进行各种修改和替换。因此， 应了解的是， 上文仅示例性且非限制性地描述了本发明。