分体循环发动机的制作方法

本公开涉及分体循环发动机领域。特别地，本公开的各方面涉及分体循环发动机内的温度控制领域。

背景技术：

1、gb 2565050公开了一种分体循环发动机，其具有用于压缩工作流体的压缩缸和用于燃烧工作流体的燃烧缸。发动机将工作流体从压缩缸经由跨接通道供应到燃烧缸。发动机还包括控制器，该控制器布置成确定燃烧缸中的燃烧峰值温度并基于该燃烧峰值温度控制发动机的操作。例如，控制器可以通过控制以下各项中的至少一项来控制发动机的操作：冷却剂系统的操作、流体流入燃烧缸的进给阀打开和关闭的时机以及燃料注入燃烧缸在循环中的位置。控制器被配置为控制这样的操作以将峰值温度保持在阈值以下，例如在选定的温度范围内。

2、本公开的各方面寻求控制与发动机相关的其他温度和/或提供用于控制燃烧缸中燃烧峰值温度的不同系统和方法。

技术实现思路

1、本公开的各方面在独立权利要求中陈述并且可选特征在从属权利要求中陈述。本发明的各方面可以彼此结合，并且一个方面的特征可以应用于其他方面。

2、在一个方面，本文公开了分体循环内燃发动机，其包括：(i)压缩缸，所述压缩缸容纳压缩活塞，(ii)燃烧缸，所述燃烧缸容纳燃烧活塞，(iii)换热器，所述换热器布置成交换来自所述燃烧缸的排出流体和来自所述压缩缸经由跨接通道供应到所述燃烧缸的工作流体的热量，以及(iv)控制器，所述控制器被配置为基于(i)所述换热器的材料，和(ii)所述跨接通道中的所述工作流体中的至少一个的温度指示来控制所述发动机的操作。如下文更详细地描述，换热器的材料的温度指示可以例如从与换热器相关的操作条件推断(例如，基于离开燃烧缸的工作流体的温度指示和/或跨接通道中工作流体的温度指示)，或者可以从例如换热器本身或其一部分直接感测。

3、本公开的实施例可以防止与发动机操作相关的热致材料缺陷。例如，换热器的材料可能由于在发动机运行期间暴露于高温而遭受热蠕变。通过控制发动机的操作，可以控制换热器中的温度以减少对换热器造成的热致损坏量。

4、换热器的材料的温度可以是换热器的材料的峰值温度。峰值温度可能在排出工作流体从燃烧缸进入换热器的的入口处。基于温度指示控制发动机的操作可包括控制发动机的操作使得发动机或发动机的至少一部分(例如换热器)的温度处于选定范围内。控制器可以控制发动机的至少一个部件的操作，使得发动机的连续使用(所述部件的修正操作)将发动机的至少一部分的温度(例如换热器温度)驱动到选定范围。

5、基于(i)换热器的材料和(ii)跨接通道中的工作流体中的至少一个的温度指示来控制发动机的操作可以包括：如果温度指示超过上阈值，则控制所述发动机的操作以降低发动机的至少一部分(例如换热器的材料)的温度。通过控制发动机的操作以降低至少一些流过发动机部分(例如换热器)的流体的温度以降低来自燃烧缸的排出流体的温度和/或降低从压缩缸流过换热器到燃烧缸的工作流体的温度，控制器可以控制发动机的操作以降低发动机的至少一部分(例如换热器的材料)的温度。例如，这可以包括控制发动机的操作，使得排出流体在通过换热器处的温度低于上阈值。这可以减少出现换热器的材料的峰值温度超过损坏换热器的材料的相关阈值(或减少出现次数)。

6、上阈值可以基于损坏发动机的该部分的材料的相关温度来选择，例如损坏换热器的材料的相关温度。上阈值可以根据换热器的材料来选择。例如，上阈值可以是大约800摄氏度。材料可以是铬镍铁合金并且上阈值可以是800摄氏度。应当理解，阈值可以是压力的函数，例如换热器中工作流体的压力。损坏材料的相关温度可以是与材料的热致热蠕变问题相关的温度。

7、基于(i)所述换热器的材料，和(ii)所述跨接通道中的所述工作流体中的至少一个的温度指示来控制所述发动机的操作可以包括：如果温度指示低于下阈值，则控制所述发动机的操作以提高发动机的至少一部分(例如换热器的材料)的温度。例如，这可以提高换热器中工作流体的温度，例如流过换热器的任一流体。通过控制发动机的操作以提高至少一些流过发动机部分(例如换热器)的流体的温度以提高来自燃烧缸的排出流体的温度和/或提高从压缩缸流过换热器到燃烧缸的工作流体的温度，控制器可以控制发动机的操作以提高发动机的至少一部分(例如换热器的材料)的温度。例如，这可以包括控制发动机的操作，使得排出流体在通过换热器的点处的温度高于下阈值。这可以减少换热器(因此工作流体)的温度足够低以阻止流体的燃烧水平的时间长度。

8、换热器可包括：(i)用于流体从所述压缩缸行进到所述燃烧缸的第一通道，以及(ii)用于排出流体从所述燃烧缸的排出口行进的第二通道。换热器被布置成使得在使用中较热的排出流体可以在它们注入到燃烧缸中之前将热量传递给较冷的工作流体。第二通道布置成接收比第一通道更热的流体。换热器可以被布置成提供从第二通道到第一通道的热传递，例如从第二通道中的流体到第一通道中的流体。换热器的材料温度可以包括换热器中任何材料的峰值温度。它可以包括平均换热器温度和/或换热器较热侧(例如第二通道)的温度指示。它可以包括两个流体温度的平均值或两个流体温度之一的指示。温度(和任何阈值温度)可能与压力有关(例如，它们的值可能会根据当前压力而变化)。

9、发动机可包括涡轮，该涡轮布置成由从燃烧缸流到换热器的排出流体驱动。使用排出流体驱动涡轮可以降低排出流体的温度。进而，这可以降低流过换热器的排出流体的温度，从而可以降低换热器材料的温度。控制器可被配置为通过控制所述涡轮的操作以调节来自所述燃烧缸的排出流体的温度进而基于温度指示来控制所述发动机的操作。控制涡轮的操作可包括控制由涡轮赋予流过涡轮的排出流体的阻力程度。例如，被涡轮阻碍的流体流动路径的比例可以改变，和/或涡轮可以连接到可变齿轮系统。

10、涡轮可连接到压缩机上，所述压缩机布置成压缩待供应到所述压缩缸的流入流体。压缩机可以是涡轮增压器。压缩机可以增加供应到压缩缸的工作流体的压力和密度，从而有更多质量的工作流体流过发动机。使用压缩机可增加功率输出和提高发动机的工作温度。由于工作温度升高，因此可以提高换热器中的温度。然而，涡轮可能具有冷却效果，因为排出流体的热能在到达换热器之前由于排出流体与涡轮的相互作用而减少。涡轮可以连接到其他装置，例如发电机、涡轮发电机，从排出流体的流动中获取电力。这种收获的电力可以例如被存储在电存储装置中和/或提供给电子增压器。

11、发动机可包括涡轮旁通通道，该涡轮旁通通道被布置成使得来自所述燃烧缸的至少一些排出流体能够在不驱动所述涡轮的情况下流至所述换热器。可提供涡轮旁通阀以控制可流经涡轮旁通通道的流体体积——在实际可能的情况下，它可在没有流体可流过涡轮旁通通道的第一位置和尽可能多的流体可流过涡轮旁通通道的第二位置之间移动。控制器可被配置为通过控制所述涡轮旁通通道的使用进而基于温度指示来控制所述发动机的操作。例如，在温度指示高于上阈值的情况下，控制器可以限制可流过旁通通道的流体体积，以便更多的流体必须流过涡轮(例如，将其冷却)。在温度指示低于下阈值的情况下，控制器可以增加可流过旁通通道的流体体积，以便更少的流体必须流过涡轮(例如，使得排出流体到达换热器时温度更高——将其加热)。控制器可以控制涡轮旁通通道的使用，使得换热器的温度在选定范围内。涡轮旁通通道可包括涡轮废气门。在一些实施例中，涡轮可以包括可变几何涡轮，例如包括可变间距的导向叶片。在一些实施例中，控制器可以被配置为控制导向叶片的间距，从而例如控制发动机的温度。

12、发动机可包括换热器旁通通道，所述换热器旁通通道布置成使得至少一些流体能够避免流过所述换热器。换热器旁通通道可以包括以下中的至少一种：(i)用于工作流体从压缩缸流到燃烧缸的通道，使得其流过换热器的行程较少(例如没有)，和/或(ii)用于排出流体从燃烧缸流到排出口的通道，使得其流过换热器的行程较少(例如没有)。例如，换热器旁通通道可以是换热器任一侧的旁路(例如从而绕过第一通道或第二通道)。换热器旁通通道可以布置成使来自燃烧缸的至少一些排出流体能够避免流过换热器。

13、控制器可以被配置为通过控制所述换热器旁通通道的使用进而基于温度指示来控制所述发动机的操作。控制器可以通过控制哪些流体和/或多少流体可以流过换热器来控制换热器中的温度。在温度指示过高的情况下，控制器可以控制发动机的操作，从而降低流过换热器的流体的平均温度。例如，可以控制换热器旁通通道，使得更大比例的热排出流体被转移离开换热器(与温度指示较低的情况相比)。在温度指示过低的情况下，控制器可以控制发动机的操作，从而增加流过换热器的流体的平均温度。例如，可以控制换热器旁通通道，使得更大比例的热排放流体流经换热器。对于与换热器的第一通道相关的换热器旁通通道也同样如此，只是在这一侧的流体比另一侧的流体更冷的情况下，对换热器旁通通道的使用的控制可能与第二通道所述相反。

14、控制器可以被配置为通过控制以下中的至少一个进而基于温度指示来控制所述发动机的操作：(i)所述燃烧缸的进给阀和/或排出阀的打开和关闭时间，和(ii)燃料供应到所述燃烧缸的时机。例如，在温度指示低于阈值的情况下，控制器可以控制操作从而实现以下至少一项：(i)进给阀更早打开，(ii)排出阀更早打开，以及(iii)燃料更早地供给燃烧缸。例如，在温度指示大于阈值的情况下，控制器可以控制操作从而实现以下至少一项：(i)进给阀更晚打开，(ii)排出阀更晚打开，以及(iii)燃料更晚地供给燃烧缸。更早打开排出阀可使较热的(例如，最近燃烧和/或燃烧得较少的)流体能够流过换热器。反过来，这可以加热换热器，并因此加热流向燃烧缸的工作流体，这可以使工作流体以更好的速度流入汽缸并提供更暖的预燃烧温度。因此，可能会发生更完全的燃烧，从而提高排出温度，进而提高换热器温度。

15、发动机可以包括用于冷却和/或压缩待供应到所述压缩缸的流入流体的中间冷却器。在这种情况下，可以从冷却的流体中冷凝诸如水的液体。发动机可以包括布置成使得从所述中间冷却器获得的液体(例如冷凝的液体)能够作为冷却剂供应到所述压缩缸的流体通道。注入冷却剂可以降低压缩缸和燃烧缸中的工作流体的温度，这可以降低排出温度，因此换热器的两侧可以容纳较低温度的流体，从而降低换热器中的温度。

16、控制器可以被配置为通过控制以下中的至少一个的操作进而基于温度指示来控制所述发动机的操作：(i)用于压缩待供应到所述压缩缸的流入流体的压缩机，例如所述压缩机是涡轮增压器；(ii)用于冷却待供应到所述压缩缸的流入流体中间冷却器；(iii)配置为调节供应到所述燃烧缸的所述工作流体的温度的冷却剂系统；(iv)所述燃烧缸的进给阀；(v)所述燃烧缸的排出阀；(vi)所述燃烧缸的燃料注入时机；(vii)配置为由从所述燃烧缸流到所述换热器的排出流体驱动的涡轮(例如通过控制可变几何涡轮的导向叶片间距)；(viii)涡轮旁通通道；(ix)换热器旁通通道；和(x)所述压缩缸的入口和/或出口；(xi)热机，例如热电发电机和/或有机朗肯循环。上述每一种装置都可用于提高和/或降低换热器的材料的温度。

17、在一个方面，本文提供了基于分体循环发动机中的换热器的材料的温度指示来控制发动机的操作的相应方法。该方法用于控制分体循环内燃发动机，所述分体循环内燃发动机包括：(i)压缩缸，所述压缩缸容纳压缩活塞，(ii)燃烧缸，所述燃烧缸容纳燃烧活塞，以及(iii)换热器，所述换热器布置成交换来自所述燃烧缸的排出流体和来自所述压缩缸供应到所述燃烧缸的工作流体的热量。该方法包括：获得所述换热器的材料的温度指示；和基于温度指示控制所述发动机的操作。应当理解，以上参照装置描述的可选特征。

18、在一个方面，本文提供了分体循环内燃发动机，其包括：(i)压缩缸，所述压缩缸容纳压缩活塞；(ii)燃烧缸，所述燃烧缸容纳燃烧活塞并具有用于排出流体从所述燃烧缸排出的排出阀；(iii)换热器，所述换热器布置成交换来自所述燃烧缸的排出流体和来自所述压缩缸供应到所述燃烧缸的工作流体的热量；(iv)控制器，所述控制器被配置为基于以下至少一个指示来控制所述排出阀的操作：(i)与所述换热器相关的温度，和(ii)与所述燃烧缸相关的温度。

19、本公开的实施例可以通过控制燃烧缸的排出阀的打开和关闭时间来调节发动机温度。例如，更早打开排出阀可能会放出较热的气体(尚未完全膨胀并且刚刚燃烧)。因此，这些较热的排气可以更多地加热换热器，这又可以对从压缩缸供应到燃烧缸的工作流体提供更大程度的加热。由于工作流体的压力增加，加热该工作流体可以使流体以更快的速度进入燃烧缸，从而更好地与燃烧缸中的燃料混合。然而，在一些实施例中，工作流体的流动可能被阻塞，并且在这样的实施例中，加热工作流体可能不会改变流体进入燃烧缸的速度。如果燃烧缸中的工作流体预燃烧高于温度阈值，则它还可以提供更完全的燃烧。当发动机运行温度较低时，例如在发动机启动期间，此类实施例可找到特定应用。

20、与换热器相关的温度可以是换热器的材料的温度(例如材料峰值温度)。与换热器相关的温度可以是流经换热器的流体中的至少一种的流体温度。与燃烧缸相关的温度可以是进入燃烧缸的工作流体的温度。与燃烧缸相关的温度可以是燃烧缸中的燃烧温度，例如燃烧缸内燃烧的峰值温度。控制器被配置为控制发动机的操作，使得如果温度指示在选定范围之外，则操作发动机以将相关温度驱动到选定范围内。

21、基于温度指示来控制所述排出阀的操作包括：在温度指示低于最小阈值的情况下，控制所述排出阀的操作以在循环中打开，其中该打开的时间早于在温度指示高于最小阈值的情况下所述排出阀打开的时间。更早打开排出阀可以包括：在活塞在其循环期间从上止点行进较短距离之后打开排出阀。最小阈值可以基于发动机的操作条件来选择，例如它可以是与燃烧缸中燃烧完全的燃料阈值百分量的相关值。排出阀打开的位置/时机可以基于温度指示来选择，例如由控制器根据接收到的指示确定阀门在循环中的打开时机。可以有多个温度指示的阈值，打开时机可以基于温度指示低于哪些阈值来选择。

22、燃烧缸可具有用于控制工作流体流入燃烧缸的进给阀。在控制器控制排出阀更早打开的情况下，所述控制器被配置为还控制所述进给阀的操作以在循环中打开，其中该打开的时间早于在温度指示高于最小阈值的情况下所述进给阀打开的时间。进给阀可以更早打开与排出阀更早打开的量相对应，例如，它可能是相同的量。

23、在一个方面，本文提供了控制分体循环内燃发动机的方法，所述分体循环内燃发动机包括：(i)压缩缸，所述压缩缸容纳压缩活塞，(ii)燃烧缸，所述燃烧缸容纳燃烧活塞并具有用于排出流体从所述燃烧缸排出的排出阀，(iii)换热器，所述换热器布置成交换来自所述燃烧缸的排出流体和来自所述压缩缸供应到所述燃烧缸的工作流体的热量。该方法包括：获得以下至少一个指示：(i)与所述换热器相关的温度，和(ii)与所述燃烧缸相关的温度；基于温度指示控制所述排出阀的操作。

24、在一个方面，本文提供了分体循环内燃发动机，其包括：(i)压缩缸，所述压缩缸容纳压缩活塞；(ii)燃烧缸，所述燃烧缸容纳燃烧活塞；(iii)换热器，所述换热器布置成交换来自所述燃烧缸的排出流体和来自所述压缩缸供应到所述燃烧缸的工作流体的热量；(iv)换热器旁通通道，所述换热器旁通通道可选择性地操作以使至少一些流体能够避免流过所述换热器。

25、本公开的实施例可以通过控制流体流过换热器来调节发动机的温度。通过使较热的排出流体与流向燃烧缸的较冷的工作流体接触，从而可以在两者之间进行热交换。这种热交换可以通过流过换热器的流体量来控制，因此换热器旁通通道可以控制该量，从而调节发动机的温度。

26、发动机可以包括控制器，该控制器被配置为基于以下至少一项的指示来控制换热器旁通通道的操作：(i)与换热器相关的温度，以及(ii)与燃烧缸相关的温度。换热器旁通通道、其操作和/或温度指示可以以本文已经公开的方式布置/操作。

27、在一个方面，本文提供了分体循环内燃发动机，其包括：(i)压缩缸，所述压缩缸容纳压缩活塞；(ii)燃烧缸，所述燃烧缸容纳燃烧活塞；(iii)换热器，所述换热器布置成交换来自所述燃烧缸的排出流体和来自所述压缩缸供应到所述燃烧缸的工作流体的热量；(iv)涡轮，所述涡轮布置成由从所述燃烧缸流至所述换热器的排出流体驱动；(v)涡轮旁通通道，所述涡轮旁通通道可选择性地操作以使至少一些排出流体能够在不驱动所述涡轮的情况下流至所述换热器。

28、本公开的实施例可以通过排出气体从燃烧缸流到换热器来利用能量(例如驱动发电机或压缩机)。这可以使发动机能够利用额外的能量。而且，涡轮可以降低排出流体的温度，这可以减少在换热器中交换的热量。在某些情况下，可能需要增加/最大化在换热器中交换的热量，因此涡轮旁通通道可以被排出流体使用，从而在流向换热器时损失更少的热量。这可以基于利用涡轮旁通通道的流体量来调节发动机温度，例如通过控制流过涡轮旁通通道的流体量。

29、发动机可包括控制器，该控制器被配置为基于以下至少一个指示来控制涡轮旁通通道的操作：(i)与换热器相关的温度，和(ii)与燃烧缸相关的温度。涡轮、涡轮旁通通道、其操作和/或温度指示可以以本文已经公开的方式布置/操作。

30、在一个方面，本文提供了分体循环内燃发动机的操作方法，所述分体循环内燃发动机包括：(i)压缩缸，所述压缩缸容纳压缩活塞；(ii)燃烧缸，所述燃烧缸容纳燃烧活塞；(iii)换热器，所述换热器布置成交换来自所述燃烧缸的排出流体和来自所述压缩缸供应到所述燃烧缸的工作流体的热量；(iv)换热器旁通通道，所述换热器旁通通道可选择性地操作以使至少一些流体能够避免流过所述换热器。该方法包括：获得以下至少一个指示：(i)与燃烧缸相关的温度，和(ii)与换热器相关的温度；和基于温度指示控制旁通通道的使用。

31、在一个方面，本文提供了分体循环内燃发动机的操作方法，所述分体循环内燃发动机包括：(i)压缩缸，所述压缩缸容纳压缩活塞；(ii)燃烧缸，所述燃烧缸容纳燃烧活塞；(iii)换热器，所述换热器布置成交换来自所述燃烧缸的排出流体和来自所述压缩缸供应到所述燃烧缸的工作流体的热量；(iv)涡轮，所述涡轮布置成由从所述燃烧缸流至所述换热器的排出流体驱动；(v)涡轮旁通通道，所述涡轮旁通通道可选择性地操作以使至少一些排出流体能够在不驱动所述涡轮的情况下流至所述换热器。该方法包括：获得以下至少一个指示：(i)与燃烧缸相关的温度，和(ii)与换热器相关的温度；和基于温度指示控制所述旁通通道的使用。

32、在一个方面，本文提供了分体循环内燃发动机，其包括：(i)压缩缸，所述压缩缸容纳压缩活塞；(ii)燃烧缸，所述燃烧缸容纳燃烧活塞；(iii)换热器，所述换热器布置成交换来自所述燃烧缸的排出流体和来自所述压缩缸供应到所述燃烧缸的工作流体的热量；(iv)涡轮，所述涡轮布置成由从所述燃烧缸流至所述换热器的排出流体驱动；(v)控制器，所述控制器被配置为基于以下至少一个指示来控制所述涡轮的操作：(i)与所述燃烧缸相关的温度，和(ii)与所述换热器相关的温度。

33、本公开的实施例可以通过排出气体从燃烧缸流到换热器来利用能量(例如驱动发电机或压缩机)。这可以使发动机能够利用额外的能量。而且，涡轮可以降低排出流体的温度，这可以减少在换热器中交换的热量。控制器可以控制涡轮的操作以调节发动机的温度。涡轮、其操作和/或温度指示可以以本文已经公开的方式布置/操作。

34、在一方面，本文提供了控制分体循环内燃发动机的方法，所述分体循环内燃发动机包括：(i)压缩缸，所述压缩缸容纳压缩活塞，(ii)燃烧缸，所述燃烧缸容纳燃烧活塞，(iii)换热器，所述换热器布置成交换来自所述燃烧缸的排出流体和来自所述压缩缸供应到所述燃烧缸的工作流体的热量，以及(iv)涡轮，所述涡轮布置成由从所述燃烧缸流至所述换热器的排出流体驱动。该方法包括：获得以下至少一项的指示获得以下至少一个指示：(i)与所述燃烧缸相关的温度，和(ii)与所述换热器相关的温度；基于温度指示控制所述涡轮的操作。

35、本公开的方面可以包括计算机程序产品，该计算机程序产品包括被配置为对处理器进行编程以执行本文公开的任何方法的程序指令。