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均分循环 发动机 活塞中的新月形凹口

阅读：1004发布：2020-09-28

专利汇可以提供均分循环发动机活塞中的新月形凹口专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供均分循环发动机膨胀活塞顶部(或冠部 )中的凹口，以用于改善燃料在膨胀/动力汽缸中的分布，而改善火花塞上的空气/燃料比。，下面是均分循环发动机活塞中的新月形凹口专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种发动机(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)，其可滑动地容纳在所述膨胀汽缸(14)内且可操作地连接至所述曲轴(16)，从而所述膨胀活塞(30)可操作以在所述曲轴(16)的单次转动期间往复通过膨胀冲程和排气冲程，所述膨胀活塞(30)包括顶表面(50)和外周界(74)；
汽缸盖(33)，其设置在所述膨胀汽缸(14)上，从而所述汽缸盖(33)的底表面(52)面向所述膨胀活塞(30)的所述顶表面(50)，所述汽缸盖(33)包括设置在其中的交叉通道出口(27)和排气口入口(53)，所述排气口入口(53)和所述交叉通道出口(27)每一个均邻近所述膨胀汽缸(14)；
交叉通道(22)，其经由所述交叉通道出口(27)将高压气体源(12/20)连接至所述膨胀汽缸(14)；
交叉膨胀阀(XovrE阀)(26)，其设置在所述交叉通道出口(27)中，所述XovrE阀(26)可操作以允许在所述膨胀冲程的一部分期间在所述交叉通道(22)与所述膨胀汽缸(14)之间流体连通；
排气阀(34)，其设置在所述排气口入口(53)中，所述排气阀(34)可操作以允许在所述排气冲程的一部分期间经由所述排气口入口(31)到所述膨胀汽缸(14)或从所述膨胀汽缸(14)流体连通；
凹口(60)，其设置在所述膨胀活塞(30)的所述顶表面(50)中，所述凹口(60)包括底表面(64)；
膨胀活塞间隙(80)，其为当所述膨胀活塞(30)处于其上死点(TDC)位置时所述膨胀活塞(30)的所述顶表面(50)与所述汽缸盖(33)的所述底表面(52)之间沿着平行于所述中心线轴线(62)的线的最短距离；
凹口深度(82)，其为所述凹口(60)的所述底表面(64)与所述膨胀活塞(30)的所述顶表面(50)之间的沿平行于所述中心线轴线(62)的线的最短距离；
膨胀比，其为当所述膨胀活塞处于其下死点(BDC)位置时所述膨胀汽缸中的封闭容积与当所述膨胀活塞处于其TDC位置时所述膨胀汽缸中的封闭容积的比；
其中，所述凹口(60)的一部分与所述交叉通道出口(27)的一部分重叠；
其中，所述排气口入口(31)的一部分不与所述凹口(60)的任何部分重叠；且其中，所述凹口深度(82)是在所述膨胀活塞间隙(80)的1.0到3.0倍之间。
2.如权利要求1所述的发动机(10)，其特征在于，所述膨胀比至少为20∶1，优选至少为30∶1，更优选至少为40∶1。
3.如权利要求1所述的发动机(10)，其特征在于，所述发动机(10)可操作以当所述膨胀活塞(30)从其TDC位置向其BDC位置下降时在所述膨胀汽缸(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，更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度之间时开始燃烧事件。
4.如权利要求1所述的发动机(10)，其特征在于，所述凹口(60)没有任何部分与所述排气口入口(31)的任何部分重叠。
5.如权利要求1所述的发动机(10)，其特征在于，所述凹口(60)的部分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。
6.如权利要求1所述的发动机(10)，其特征在于，所述凹口深度(82)是在所述膨胀活塞间隙(80)的2.0到3.0倍之间。
7.如权利要求1所述的发动机(10)，其特征在于，所述排气口入口(31)的总面积的
20％或更少，优选10％或更少，与所述凹口(60)重叠。
8.一种发动机(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)，其可滑动地容纳在所述膨胀汽缸(14)内且可操作地连接至所述曲轴(16)，从而所述膨胀活塞(30)可操作以在所述曲轴(16)的单次转动期间往复通过膨胀冲程和排气冲程，所述膨胀活塞(30)包括顶表面(50)和外周界(74)；
汽缸盖(33)，其设置在所述膨胀汽缸(14)上，从而所述汽缸盖(33)的底表面(52)面向所述膨胀活塞(30)的所述顶表面(50)，所述汽缸盖(33)包括设置在其中的交叉通道出口(27)和排气口入口(53)，所述排气口入口(53)和所述交叉通道出口(27)每一个均邻近所述膨胀汽缸(14)；
交叉通道(22)，其经由所述交叉通道出口(27)将高压气体源(12/20)连接至所述膨胀汽缸(14)；
交叉膨胀阀(XovrE阀)(26)，其设置在所述交叉通道出口(27)中，所述XovrE阀(26)可操作以允许在所述膨胀冲程的一部分期间在所述交叉通道(22)与所述膨胀汽缸(14)之间流体连通；
排气阀(34)，其设置在所述排气口入口(53)中，所述排气阀(34)可操作为允许在所述排气冲程的一部分期间经由所述排气口入口(31)到所述膨胀汽缸(14)或从所述膨胀汽缸(14)流体连通；
凹口(60)，其设置在所述膨胀活塞(30)的所述顶表面(50)中，所述凹口(60)包括底表面(64)；
膨胀活塞间隙(80)，其为当所述膨胀活塞(30)处于其上死点(TDC)位置时在所述膨胀活塞(30)的所述顶表面(50)与所述汽缸盖(33)的所述底表面(52)之间沿着平行于所述中心线轴线(62)的线的最短距离；
凹口深度(82)，其为在所述凹口(60)的所述底表面(64)与所述膨胀活塞(30)的所述顶表面(50)之间的沿平行于所述中心线轴线(62)的线的最短距离；
膨胀比，其为当所述膨胀活塞处于其下死点(BDC)位置时所述膨胀汽缸中的封闭容积与当所述膨胀活塞处于其TDC位置时所述膨胀汽缸中的封闭容积的比；
其中，所述膨胀比至少为20∶1；且
其中，所述凹口深度(82)大于或等于所述膨胀活塞间隙(80)。
9.如权利要求8所述的发动机(10)，其特征在于：
所述凹口(60)的一部分与所述交叉通道出口(27)的一部分重叠；且
所述排气口入口(31)的一部分不与所述凹口(60)的任何部分重叠。
10.如权利要求8所述的发动机(10)，其特征在于，所述凹口深度(82)是在所述膨胀活塞间隙(80)的1.0到3.0倍之间，优选在2.0到3.0倍之间。
11.如权利要求8所述的发动机(10)，其特征在于，所述膨胀比为至少30∶1，优选为至少40∶1。
12.如权利要求8所述的发动机(10)，其特征在于，所述发动机(10)可操作为当所述膨胀活塞(30)从其TDC位置向其BDC位置下降时在所述膨胀汽缸(14)中开始燃烧事件，并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度之间时开始燃烧事件。
13.如权利要求8所述的发动机(10)，其特征在于，所述凹口(60)没有任何部分与所述排气口入口(31)的任何部分重叠。
14.如权利要求8所述的发动机(10)，其特征在于，所述凹口(60)的部分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。
15.如权利要求8所述的发动机(10)，其特征在于，所述排气口入口(31)总面积的
20％或更少，优选10％或更少，与所述凹口(60)重叠。

说明书全文

均分循环发动机 活塞中的新月形凹口

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 均分循环发动机包括：

[0005] 可绕曲轴轴线转动的曲轴；

[0006] 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；

[0007] 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

[0008] 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。

[0009] 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。

[0010] 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。

[0011] 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。

[0012] 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。

[0013] 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。

[0014] 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。

[0015] 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)。

[0016] 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。

[0017] 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。

[0018] 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。

[0019] 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。

[0020] 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。

[0021] 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。

[0022] 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。

[0023] 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。

[0024] 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。

[0025] 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。

[0026] 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。

[0027] 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。

[0028] 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。

[0029] 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。

[0030] 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)。

[0031] 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

[0032] 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。

[0033] 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：

[0034] 曲轴(16)，其可绕曲轴轴线(17)转动；

[0035] 膨胀汽缸(14)，包括中心线轴线(62)；

[0036] 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)；

[0037] 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)；

[0038] 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)；

[0039] 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；

[0040] 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；

[0041] 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)；

[0042] 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；

[0043] 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；

[0044] 其中，凹口(60)的一部分与交叉通道出口(27)的一部分重叠；

[0045] 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[0046] 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。

[0047] 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。

[0048] 在本发明的另一个示例性实施例中，发动机(10)包括：

[0049] 曲轴(16)，其可绕曲轴轴线(17)转动；

[0050] 膨胀汽缸(14)，包括中心线轴线(62)；

[0051] 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)；

[0052] 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)；

[0053] 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)；

[0054] 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；

[0055] 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；

[0056] 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)；

[0057] 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；

[0058] 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；

[0059] 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；

[0060] 其中，膨胀比至少为20∶1；且

[0061] 其中，凹口深度(82)大于或等于膨胀活塞间隙(80)。

[0062] 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。

[0063] 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

[0064] 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；

[0065] 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；

[0066] 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；

[0067] 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

[0068] 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

[0069] 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。

[0070] 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。

[0071] 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。

[0072] 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。

[0073] 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。

[0074] 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。

[0075] 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。

[0076] 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。

[0077] 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)。

[0078] 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。

[0079] 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。

[0080] 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。

[0081] 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)。

[0082] 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。

[0083] 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。

[0084] 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。

[0085] 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。

[0086] 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。

[0087] 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。

[0088] 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。

[0089] 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：

[0090] 1)λ＝1表示14.70∶1的化学计量AFR；

[0091] 2)λ＝0.8表示11.76∶1的富AFR；和

[0092] 3)λ＝1.3表示19.11∶1的贫AFR。

[0093] 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。

[0094] 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。

[0095] 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。

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均分循环发动机活塞中的新月形凹口