專利名稱：一種具有包括通過壓縮空氣進行操作的多種操作模式的發(fā)動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)動機，其可作為內(nèi)燃機來運行，可作為產(chǎn)生壓縮空氣的壓縮機來運行，以及還可利用所存儲的先前產(chǎn)生的壓縮空氣來啟動該發(fā)動機。
已經(jīng)有相當(dāng)?shù)难芯渴顷P(guān)于具有在某些操作狀態(tài)例如在城市交通狀態(tài)下為零排放的發(fā)動機的車輛。許多研究已經(jīng)集中在內(nèi)燃機和電動機的結(jié)合使用，其中內(nèi)燃機在城外被用來產(chǎn)生電力，該電力被存儲以便后來在城內(nèi)使用車輛的過程中啟動電動機。當(dāng)電動機單獨運行時，為零排放。
本發(fā)明以不同的方式解決了提供能夠以零排放操作的發(fā)動機的問題。
本發(fā)明一方面提供一種發(fā)動機，其包括可變?nèi)莘e腔；進氣閥部件，控制增壓空氣進入該可變?nèi)莘e腔；燃料輸送部件，用于輸送燃料并使該燃料與進入可變?nèi)莘e腔的增壓空氣混合；排氣閥部件，用于控制廢氣從可變?nèi)莘e腔排至大氣，該廢氣是由于燃料和所進入的增壓空氣在可變?nèi)莘e腔中燃燒所致；其中發(fā)動機具有第一操作模式，其中進氣閥部件允許增壓空氣進入可變?nèi)莘e腔內(nèi)，燃料輸送部件輸送燃料，該燃料與所進入的增壓空氣混合，燃料和增壓空氣的混合物通過減少可變?nèi)莘e腔的容積而被壓縮，所壓縮的燃料和空氣混合物燃燒，所燃燒的氣體膨脹并對可變?nèi)莘e腔加壓從而增加容積，所膨脹的燃燒氣體經(jīng)由排氣閥部件從可變?nèi)莘e腔排至大氣；其特征在于，所述發(fā)動機還包括存儲壓縮空氣的容器，該容器與可變?nèi)莘e腔相連；和氣體流量控制閥部件，控制可變?nèi)莘e腔和存儲壓縮空氣的容器之間的空氣流量；和其特征在于，所述發(fā)動機具有至少兩種其它操作模式第二操作模式，其中進氣閥部件允許增壓空氣進入可變?nèi)莘e腔，所進入的增壓空氣通過減少可變?nèi)莘e腔的容積而被壓縮，氣體流量控制閥部件允許壓縮空氣從可變?nèi)莘e腔流向所述容器從而存儲于其內(nèi)；和第三操作模式，其中氣體流量控制閥部件允許壓縮空氣從所述容器流入可變?nèi)莘e腔，其后膨脹以對可變?nèi)莘e腔加壓從而增加容積，所膨脹的空氣隨后被排向大氣。
本發(fā)明的第二方面提供一種發(fā)動機，其包括多個可變?nèi)莘e腔；進氣閥部件，控制增壓氣體進入可變?nèi)莘e腔；燃料輸送部件，用于輸送燃料并使燃料與進入可變?nèi)莘e腔的增壓氣體混合；排氣閥部件，用于控制廢氣從可變?nèi)莘e腔排至大氣，該廢氣是由于燃料和所進入的增壓空氣在可變?nèi)莘e腔中燃燒所致；其中，發(fā)動機可按多種不同操作模式操作多個可變?nèi)莘e腔中的至少一個；發(fā)動機可按第一操作模式操作每個可變?nèi)莘e腔，其中進氣閥部件容許增壓空氣進入可變?nèi)莘e腔內(nèi)，燃燒輸送部件輸送燃料，該燃料與所進入的增壓空氣混合，燃料和增壓空氣的混合物通過減小可變?nèi)莘e腔的容積而被壓縮，所壓縮的燃料和空氣混合物燃燒，所燃燒的氣體膨脹并對可變?nèi)莘e腔加壓從而增加容積，所膨脹的燃燒氣體經(jīng)由排氣閥部件從可變?nèi)莘e腔排至大氣；其特征在于發(fā)動機還包括存儲壓縮空氣的容器，該容器與多個可變?nèi)萜髑恢械闹辽僖粋€相連；氣體流量控制閥部件，控制至少一個可變?nèi)莘e腔與存儲壓縮空氣的容器之間的氣體流量；其特征在于，發(fā)動機可按至少兩種其它操作模式操作多個可變?nèi)莘e腔中的至少一個第二操作模式，其中進氣閥部件容許增壓空氣進入可變?nèi)莘e腔內(nèi)，所進入的增壓空氣通過減少可變?nèi)莘e腔的容積而被壓縮，氣體流量控制閥部件允許壓縮空氣從可變?nèi)莘e腔流向所述容器從而存儲于其內(nèi)；第三操作模式，其中氣體流量控制閥部件允許壓縮空氣從所述容器進入可變?nèi)莘e腔，其后膨脹以對可變?nèi)莘e強加壓從而增壓容積，所膨脹的空氣隨后被排向大氣。
在本發(fā)明的第三方面，提供一種操作發(fā)動機的方法，該發(fā)動機具有多個可變?nèi)莘e腔，每個腔由氣缸中往復(fù)運動的活塞限定，活塞與用于傳遞從發(fā)動機輸出的功率的共用機構(gòu)相連，所述方法包括以下述多種不同操作模式操作發(fā)動機第一操作模式，其中燃料和空氣的混合物在每個可變?nèi)莘e腔中燃燒，所燃燒氣體膨脹從而推動活塞移動，所膨脹的燃燒氣體排向大氣；所述方法的特征在于第二操作模式，在該第二操作模式中燃料和空氣的混合物在至少第一可變?nèi)莘e腔中燃燒，所燃燒的氣體膨脹從而推動相關(guān)活塞移動，所膨脹的燃燒氣體排向大氣，其中空氣在至少第二可變?nèi)莘e腔被壓縮，然后該壓縮空氣被傳遞至壓縮空氣的容器并存儲于其中；第三操作模式，其中存儲在所述容器中的壓縮空氣被容許進入至少一個可變?nèi)莘e腔，所進入的壓縮空氣被允許膨脹，接著所膨脹的氣體排向大氣。
本發(fā)明的第四方面在于提供一種閥機構(gòu)，用于控制增壓氣體進入內(nèi)燃機的發(fā)動機氣缸內(nèi)的流量，所述機構(gòu)包括用于打開和關(guān)閉氣缸的輸送口的提升閥，氣體經(jīng)由該提升閥可在增壓氣體源和氣缸之間流動，該提升閥具有閥頭和閥桿；作用于閥桿上的驅(qū)動部件，用于驅(qū)動提升閥打開輸送口；彈簧部件，用于偏壓提升閥以關(guān)閉輸送口；其特征在于閥桿上安裝有活塞，該活塞可在內(nèi)燃機中所設(shè)的閥桿腔內(nèi)滑動；閥桿腔與增壓氣體源相連；由此閥桿腔中的增壓氣體對活塞施加一力，該力抵消了作用在提升閥上的力，所述的作用在提升閥上的力由于閥頭背面受到來自增壓氣體源的增壓氣體的作用所致，所述的閥頭背面背離露發(fā)動機氣缸。
現(xiàn)在將參照附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其中
圖1為根據(jù)本發(fā)明的多缸式內(nèi)燃機的其中一個氣缸的示意圖；圖2為圖1所示的內(nèi)燃機的頂面的示意圖；和圖3為圖1或圖2所示的內(nèi)燃機中所使用的優(yōu)選閥機構(gòu)。
在圖1中，示出了在氣缸11內(nèi)往復(fù)運動的活塞10，并用該活塞限定可變?nèi)莘e燃燒室12。兩個進氣閥13和14控制增壓空氣至燃燒室12的流量。氣體流量控制閥15控制受壓空氣流向壓力容器16以及從壓力容器16流出，如后面將要描述的。排氣閥17控制燃燒過的氣體從排氣通道18流出燃燒室，該排氣通道將廢氣排向大氣。噴射器33將燃料噴入燃燒室并且還包括火花塞。
四個閥13，14，15和17的每個與四個液壓致動器19，20，21和22的每個相連，該液壓致動器在與其一一關(guān)聯(lián)的四個電操作控制閥23，24，25，26的控制下將閥13，14，15和17打開和關(guān)閉。每個控制閥23，24，25，26還與受壓液壓油的源27(例如，泵)和受壓液體用的排放裝置(例如機油盤，泵從該機油盤吸收液體)相連?？刂崎y23，24，25，26都是通過電子控制器29所產(chǎn)生的電信號控制，該電子控制器還產(chǎn)生控制信號，該控制信號與多個發(fā)動機操作參數(shù)(由多個未示出的傳感器所探測的)相關(guān)以及與旋轉(zhuǎn)傳感器30所探測的活塞10在氣缸11中的位置相關(guān)，該旋轉(zhuǎn)傳感器30與曲軸31相連并通過與活塞10相連的連桿32而被驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。
每個控制閥例如23可連接關(guān)聯(lián)致動器例如19的上部腔從而接受來自泵27的增壓液體，同時連接該關(guān)聯(lián)致動器的下部腔從而使液體返回機油盤28，由此驅(qū)動相關(guān)閥例如13打開。每個控制閥例如23也可連接關(guān)聯(lián)致動器例如19的下部腔從而接受來自泵27的受壓液體，同時連接該關(guān)聯(lián)致動器的上部腔從而使液體返回機油盤28，由此驅(qū)動相關(guān)閥例如13關(guān)閉。
設(shè)有活塞10和氣缸11的發(fā)動機將具有例如三個其它氣缸，這三個氣缸內(nèi)具有各自往復(fù)運動的各活塞，所有這些活塞都與共用的曲軸31相連，并且每個氣缸都具有上述的液壓致動閥，所有這些閥由共用的電子控制器29控制。
現(xiàn)在將說明上述發(fā)動機在汽車中的使用。
在正常的操作狀態(tài)下，發(fā)動機的每個氣缸將根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的四沖程進行操作。在進氣沖程中，進氣閥13和14打開以容許增壓空氣進入具有噴射器33的燃燒室內(nèi)，該噴射器33將燃料噴入所接納的空氣中，然后在接下來的壓縮沖程中將燃料和空氣混合物壓縮，接著火花塞33點火，于是該點燃的氣體在動力沖程中膨脹，排氣閥17隨后在排氣沖程中打開以允許燃燒過的氣體從燃燒室排出。在四沖程操作的整個過程中控制器29使氣體流量控制閥15保持關(guān)閉狀態(tài)。
在部分負荷/低負載的狀態(tài)下，四個氣缸中的僅兩個氣缸根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的四沖程按上述方式進行操作。其它兩個氣缸例如氣缸11變成現(xiàn)在將描述的壓縮機。首先，控制器29根據(jù)所接收的信號探測是否存在適合的部分負荷條件。然后控制器29將控制致動器19，20，21，22，這樣進氣閥13和14打開在活塞10的每個下行沖程中以允許空氣被吸入燃燒室12內(nèi)。噴射器33保持不活動從而在活塞10的每個上行沖程中將燃燒室12中的增壓純凈空氣加壓。接著，控制器29在該上行沖程中打開氣體流量控制閥15以便允許燃燒室12中的受壓的空氣排至存儲增壓氣體的壓力容器16中。
當(dāng)發(fā)動機采用兩個氣缸壓縮空氣而進行操作時，其余的根據(jù)四沖程進行操作的每個氣缸使壓縮空氣的氣缸開始工作。通過使燃燒氣缸更努力工作，NOX和碳氫化合物的排放與部分負荷時所有氣缸以標(biāo)準(zhǔn)的四沖程操作的情況相比可得到改善。電子控制器29將會根據(jù)給定設(shè)置的操作條件下的發(fā)動機，估算需要多少功率輸出，然后確定所需的功率是否可通過操作部分?jǐn)?shù)目的氣缸來提供。
當(dāng)發(fā)動機正減速并且發(fā)動機需要制動時，那么電子控制器29可將所有的氣缸改轉(zhuǎn)換成另一種模式，它們在該模式中作為上述的壓縮機進行操作，在每個下行沖程中每個活塞吸入空氣，在隨后的上行沖程中將空氣加壓，隨后將受壓空氣排至壓力容器16中。車輛的的動量為空氣的壓縮提供能量。空氣的壓縮會吸收車輛的動能，因此這使車輛非常有效地減速。
壓力傳感器34測量燃燒室12中的氣體壓力。壓力傳感器35測量壓力容器16中所存儲的壓縮空氣的壓力。壓力傳感器34和35將所測量的信號傳遞給電子控制器29，當(dāng)可變?nèi)莘e燃燒室例如12中的壓縮空氣的壓力大于壓力容器16中的壓力時，該電子控制器29僅打開各氣體流量控制閥例如15。于是當(dāng)容器16被完全加壓時，那么電子控制器29使氣體流量控制閥例如15保持閉合，并且隨著空氣被捕獲使特定氣缸的所有進氣閥和排氣閥也保持閉合，其中可變?nèi)莘e燃燒室充當(dāng)氣壓彈簧(當(dāng)例如兩個氣缸是活動的而另兩個氣缸不活動時，這在部分負荷狀態(tài)下更可取)，或者可選擇地，電子控制器29將操作以打開進氣閥和排氣閥以便允許空氣被壓縮，然后該壓縮空氣被排出至排放裝置(這載車輛減速狀態(tài)下更可取)。此外，壓縮空氣可在進氣閥例如13，14的控制下經(jīng)進氣系統(tǒng)排入大氣中，由于它是清潔的空氣。這具有避免冷空氣經(jīng)過發(fā)動機排氣系統(tǒng)中的催化轉(zhuǎn)化器的優(yōu)點(這會對催化轉(zhuǎn)化器的溫度降低至其工作溫度之下有影響。)優(yōu)選的是，發(fā)動機正操作的車輛具有自動變速箱。于是在車輛的制動過程中變速箱將自動變成低速比或最低速比，從而增加旋轉(zhuǎn)比率，因此壓縮空氣的工作完成并由此達到再生制動。由于速比會隨著車輛速度連續(xù)改變，連續(xù)可變的變速箱將是理想的?？刹捎秒娏鲃?，但任一自動變速箱便足夠。
在四輪驅(qū)動的變速箱的情況下，如果能量傳送速率超過鎖定其中一軸的車輪所需的力，制動能量仍可被分配在其它軸和充當(dāng)壓縮機的發(fā)動機之間。連續(xù)可變的變速箱也可被構(gòu)造成改變速比以便當(dāng)應(yīng)用制動器時(在電子控制系統(tǒng)的控制下)傳送更多的再生制動功率。
當(dāng)發(fā)動機在制動過程中作為壓縮機工作時，使用兩沖程，在氣缸中的活塞的每個下行沖程中，空氣被吸入每個工作氣缸內(nèi)，在氣缸中的活塞的每個上行沖程中，壓縮空氣被排出每個工作氣缸。
一旦存儲的壓縮空氣已經(jīng)積累在壓力容器16中，那么壓縮空氣可用來啟動發(fā)動機。當(dāng)車輛初始啟動或當(dāng)車輛沿著交通條件慢行時，可能這可進行。在這種操作模式中，發(fā)動機將作為氣動發(fā)動機操作并且控制器29將使每個氣缸的進氣閥(例如13，14)關(guān)閉，然后將控制氣體流量控制閥15和排氣閥17的打開和關(guān)閉，這樣壓縮空氣被容許從壓力容器16進入燃燒室12從而將活塞10向下推動，然后膨脹的氣體在隨后的上行沖程中從燃燒室12排向排氣裝置18?？蛇x擇地，清潔的膨脹氣體在進氣閥例如13，14的控制下可經(jīng)由進氣系統(tǒng)排至大氣。
由于壓縮氣體的儲能永久可用，為了在運轉(zhuǎn)中啟動車輛，理想的是在發(fā)動機的啟動過程中使用壓縮氣體。這將有助于改善排放，因為在發(fā)動機啟動過程中排放通常不佳。此外，所存儲的壓縮氣體允許車輛無離合啟動。然而，在內(nèi)燃機驅(qū)動車輛之前必須允許該內(nèi)燃機燃燒和旋轉(zhuǎn)，在啟動的過程中當(dāng)壓縮空氣用于驅(qū)動活塞時，發(fā)動機的活塞可與驅(qū)動軸相連，因此無需離合操作。
要考慮到當(dāng)車輛從靜止啟動時，發(fā)動機可能會操作從而它以氣動模式啟動，然后轉(zhuǎn)變成低載狀態(tài)，在該低載狀態(tài)中其中兩個氣缸可氣動操作，另兩個可通過內(nèi)燃機四沖程進行操作，然后所有的氣缸在車輛加快速度時以四沖程操作。
采用本發(fā)明的發(fā)動機，可以消除發(fā)動機空轉(zhuǎn)的需要。當(dāng)車輛停止時，發(fā)動機就停止。當(dāng)車輛需要再次開始移動時，發(fā)動機可首先以氣動模式操作，如上所述?？偠灾@消除了發(fā)動機的空轉(zhuǎn)，并且使燃料的效率很高。
電子控制器29將繼續(xù)監(jiān)測壓力容器16中所存儲的氣體的水平，并且將改變發(fā)動機的操作從而將壓縮氣體提供給壓力容器，不論何時注意到所存儲的供給氣體被耗盡。
要考慮的是容器16為輕質(zhì)塑料壓力容器，該容器將容納10-20巴的受壓空氣。所述容器的大小為使存儲的壓縮氣體足以能夠令車輛行進3-5英里。典型的容器可存儲140升壓縮空氣。
在上述系統(tǒng)的一種變型中，第二泵可用來將壓縮氣體的壓力從發(fā)動機以氣動模式操作時所提供的20巴增加至200巴。然而，這涉及附加的復(fù)雜性，因為必須有一個較重的存儲容器(例如鋼)，并且必須使用由發(fā)動機驅(qū)動的獨立壓縮機。
作為第二泵的另一用途是在空氣從氣缸輸出后升高氣壓，空氣在發(fā)動機的氣缸中被壓縮之前，發(fā)動機驅(qū)動的增壓器(或電子驅(qū)動的增壓器)可用于壓縮空氣。
在上述的發(fā)動機由壓縮空氣啟動的操作中，每個工作氣缸已經(jīng)描述為運行兩個沖程，其中壓縮空氣隨著活塞在工作氣缸中的每個下行沖程而使氣體膨脹，所膨脹的氣體隨著活塞在工作氣缸中的每個上行沖程而排出。然而，四沖程可用于每個工作氣缸，其中進氣閥在進氣沖程打開，然后經(jīng)由進氣閥引入的增壓空氣在壓縮沖程中被壓縮，然后該受壓的氣體在動力沖程中被引入工作氣缸并膨脹。最后，所膨脹的氣體在排氣沖程中排出工作氣缸，或者經(jīng)由排氣閥排出或經(jīng)由一個或多個進氣閥進入進氣系統(tǒng)。采用四沖程可增加發(fā)動機的效率。
存儲在壓力容器中的增壓氣體可在氣缸中燃燒而不是在其中膨脹，采用給其提供的直接燃料噴射系統(tǒng)，其中將燃料直接輸送給工作氣缸以使其與氣缸中的空氣混合。這具有從本發(fā)明發(fā)動機所啟動的車輛的原地起步就增強性能的能力。而且，如果發(fā)動機為渦輪增壓器，那么使用來自所述容器的增壓氣體可減少一般由渦輪增壓器發(fā)動機帶來的滯后。為了允許這種可能性，發(fā)動機需要以四沖程操作，其中在每個進氣沖程中，經(jīng)由氣體流量控制閥從受壓空氣的壓力容器將增壓空氣引入氣缸。全部的增壓空氣可從所述容器提供，或者可選擇地，在進氣沖程的一開始就打開進氣閥，然后隨著氣體流量控制閥在進氣沖程的后部分打開，該進氣閥關(guān)閉從而以增壓壓力引入空氣。進氣閥和氣體流量控制閥不會同時打開。當(dāng)所有的增壓空氣來自于增壓氣體的壓力容器時，進氣閥在每個進氣沖程的全部過程中保持關(guān)閉。
采用多缸式氣缸，可以實現(xiàn)雙重(或三倍)壓縮和膨脹。如果這些氣缸通過其外部的管道以適當(dāng)?shù)姆绞竭B在一起，那么可在第一氣缸中將空氣壓縮至第一水平，接著在第二氣缸中將空氣壓縮至第二水平，接下來在第三氣缸中將空氣壓縮至更高水平。同樣地，來自所述容器的壓縮空氣可在其中一個氣缸中膨脹至第一程度，然后隨著所排出的氣體在另一氣缸中再次膨脹至更高的第二程度而排出，最后，兩次排出的氣體在又一個氣缸中又一次膨脹至第三程度。這僅在具有相對于彼此以特定方式定相移動的活塞的發(fā)動機中可行，但在可能的情況下會提高效率。
雖然在上文描述了本發(fā)明可在活塞發(fā)動機中實施，本發(fā)明還可用于任何旋轉(zhuǎn)裝置例如轉(zhuǎn)子式發(fā)動機(像汪克爾發(fā)動機)或者可使用任何其它具有用作燃燒室或壓縮室的可變?nèi)莘e腔的發(fā)動機。因此在例如轉(zhuǎn)子式發(fā)動機的場合，說明書和權(quán)利要求中所涉及的“沖程”應(yīng)理解為，包括增加發(fā)動機中燃燒室容積增加的時間以及將燃燒室容積減少的時間，所述的發(fā)動機的氣缸中沒有活塞滑動?！跋滦袥_程”應(yīng)理解為，包括增加無活塞的發(fā)動機中可變?nèi)莘e燃燒室的容積的時間?！吧闲袥_程”應(yīng)理解為，包括減少無活塞的發(fā)動機中可變?nèi)莘e燃燒室的容積的時間。
將本發(fā)明發(fā)動機所驅(qū)動的車輛與內(nèi)燃機和電動機相結(jié)合所驅(qū)動的車輛相比，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)更簡單。不需要發(fā)電機或電動機或蓄電池。這些物品中的每個也都很昂貴，所以本發(fā)明具有成本較低的優(yōu)點。
圖3示出了上述內(nèi)燃機中使用的優(yōu)選閥機構(gòu)，用以控制從可變?nèi)莘e燃燒室(例如12)至壓力容器16的增壓氣體的流量。
關(guān)鍵是提供一種閥機構(gòu)來控制增壓氣體的流量，而不必采用很高的彈簧負載，從而使提升閥(圖3中的115)把作用在閥頭115A背面上的氣壓拒之門外。
閥機構(gòu)包括平衡活塞116，其安裝在閥桿115上并與閥桿一起移動。平衡活塞116可在氣缸蓋118上所設(shè)置的閥桿腔117內(nèi)滑動。彈簧119設(shè)置在閥桿腔117中并在該腔117的下表面與平衡活塞116之間作用，以便將提升閥115偏壓至靠近輸送口的位置從而防止空氣在燃燒室112與空氣存儲器(圖3中未示出)之間流動。
另外從圖3可以看出，為了打開閥桿115以允許空氣沿著輸送通道121在燃燒室112和空氣存儲器之間流動，液壓致動器的致動器活塞120撞擊閥桿115端部。從該圖中可以看出，密封件122防止空氣經(jīng)過平衡活塞116流出閥桿腔117。
閥桿腔117經(jīng)由連接通道123與輸送通道121相連，該連接通道中設(shè)有隔離閥124，該隔離閥124的操作由電子控制器(圖中未示出)控制。
作用在閥頭115A的背面上的力等于Px(VS供給壓力)與提升閥115的背面面積也即Av.的乘積。該力在所述閥機構(gòu)中被施加至平衡活塞116的平衡力抵消了。這種平衡力為供給壓力Px與平衡活塞的面積Ap.的乘積。因此，平衡活塞的面積Ap.選為等于或基本等于面積Av.。因此作用在平衡活塞116上的力抵消了或基本抵消了提升閥115背面上的力。
由于閥機構(gòu)中采用力平衡，可使用很小的閥彈簧力，因此幾乎不需要液壓致動器作用就可操作提升閥115。
在圖3中，示出了隔離閥124。該閥可用來保持閥桿腔117中的氣壓。它可用來更改施加于閥頭115A上的開啟力與作用在平衡活塞116下側(cè)的閥閉合力之間的平衡。然而，這種隔離閥是任選的，它可以令管道123保持閥桿腔117和輸送通道121之間的永久連接，所以，相同的壓力總是施加于閥頭115A的背面和平衡活塞116上。
如上所述，需要兩個氣密件122。其中一個密封件在平衡活塞116和環(huán)繞的腔膛之間的界面滑動。另一密封件固定于提升閥115、氣門鎖片125和平衡活塞116構(gòu)成的組件內(nèi)。
圖3中的閥機構(gòu)的主要優(yōu)點在于，使液壓致動器120能夠克服彈簧119的預(yù)載而打開閥需要較低的液壓(并因此而需要較少的功率)。因此節(jié)約了更多的能量(例如在制動過程中)而未在液壓致動系統(tǒng)中造成浪費。
如上所述，當(dāng)氣缸112中的壓力Pp等于輸送通道121中的氣體壓力Px時，提升閥115將理想地打開，從而使節(jié)流(并因此泵送)損失最小，并因此最大程度地節(jié)約了能量。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)動機，包括可變?nèi)莘e腔；進氣閥部件，控制增壓空氣進入該可變?nèi)莘e腔；燃料輸送部件，用于輸送燃料并使該燃料與進入可變?nèi)莘e腔的增壓空氣混合；排氣閥部件，用于控制廢氣從可變?nèi)莘e腔排至大氣，該廢氣是由于燃料和所進入的增壓空氣在可變?nèi)莘e腔中燃燒所致；其中發(fā)動機具有第一操作模式，其中進氣閥部件允許增壓空氣進入可變?nèi)莘e腔內(nèi)，燃料輸送部件輸送燃料，該燃料與所進入的增壓空氣混合，燃料和增壓空氣的混合物通過減少可變?nèi)莘e腔的容積而被壓縮，所壓縮的燃料和空氣混合物燃燒，所燃燒的氣體膨脹并對可變?nèi)莘e腔加壓從而增加容積，所膨脹的燃燒氣體經(jīng)由排氣閥部件從可變?nèi)莘e腔排至大氣；其特征在于，所述發(fā)動機還包括存儲壓縮空氣的容器，該容器與可變?nèi)莘e腔相連；和氣體流量控制閥部件，控制可變?nèi)莘e腔和存儲壓縮空氣的容器之間的空氣流量；和其特征在于，所述發(fā)動機具有至少兩種其它操作模式第二操作模式，其中進氣閥部件允許增壓空氣進入可變?nèi)莘e腔，所進入的增壓空氣通過減少可變?nèi)莘e腔的容積而被壓縮，氣體流量控制閥部件允許壓縮空氣從可變?nèi)莘e腔流向所述容器從而存儲于其內(nèi)；和第三操作模式，其中氣體流量控制閥部件允許壓縮空氣從所述容器流入可變?nèi)莘e腔，其后膨脹以對可變?nèi)莘e腔加壓從而增加容積，所膨脹的空氣隨后被排向大氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機，其特征在于，所膨脹的空氣經(jīng)由排氣閥部件排至大氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機，其特征在于，所膨脹的空氣經(jīng)由進氣閥部件排至大氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的發(fā)動機，具有第四操作模式，其中進氣閥部件允許增壓空氣進入可變?nèi)莘e腔，所進入的增壓空氣通過減小可變?nèi)莘e腔的容積而被壓縮，排氣閥部件允許壓縮空氣被排至大氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的發(fā)動機，具有第四操作模式，其中進氣閥部件允許增壓空氣進入可變?nèi)莘e腔，所進入的增壓空氣通過減少可變?nèi)莘e腔的容積而被壓縮，進氣閥部件允許壓縮空氣被排至大氣。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的發(fā)動機，具有第五操作模式，其中通過關(guān)閉所有的進氣閥部件、排氣閥部件和氣體流量控制閥部件而將空氣或燃燒過的氣體捕獲于可變?nèi)莘e腔中，并且其中具有所捕獲的空氣或燃燒過的氣體的可變?nèi)莘e腔用作氣壓彈簧。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的發(fā)動機，其特征在于，發(fā)動機以第五操作模式操作的同時燃料輸送部件不活動。
8.根據(jù)權(quán)利要求4，5，6或7中任一項所述的發(fā)動機，其特征在于，發(fā)動機以第四操作模式操作的同時燃料輸送部件不活動。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的發(fā)動機，具有第四操作模式，其中氣體流量控制閥允許壓縮空氣在發(fā)動機的進氣沖程中從所述容器進入可變?nèi)莘e腔以便與燃料輸送部件所輸送的燃料混合，其中燃料和壓縮空氣的混合物通過減少可變?nèi)莘e腔的容積而被進一步壓縮，該進一步壓縮的混合物燃燒并隨后膨脹以促使可變?nèi)莘e腔的容積增加，所膨脹的燃燒氣體經(jīng)由排氣閥部件排至大氣。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)動機，其特征在于，在第四操作模式中，進氣閥部件在發(fā)動機的進氣沖程中打開以允許增壓空氣在進氣沖程的開始階段被吸入可變?nèi)莘e腔內(nèi)，然后進氣閥部件關(guān)閉，隨后氣體流量控制閥部件打開以允許壓縮空氣進入可變?nèi)莘e腔內(nèi)從而與先前經(jīng)由進氣閥部件所進入的空氣混合。
11.根據(jù)先前任一項權(quán)利要求所述的發(fā)動機，其特征在于，當(dāng)發(fā)動機以第三操作模式操作時，發(fā)動機可操作兩沖程，其中氣體流量控制閥部件允許壓縮空氣在每個下行沖程中進入可變?nèi)莘e腔。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的發(fā)動機，其特征在于，當(dāng)發(fā)動機以第三模式操作時，發(fā)動機可操作四沖程，其中在進氣沖程中，進氣閥部件允許新的增壓空氣被吸入可變?nèi)莘e腔，在壓縮沖程中，經(jīng)由進氣閥部件所進入的增壓空氣被壓縮，在動力沖程中，氣體流量控制閥允許壓縮空氣進入可變?nèi)莘e腔以補充先前在壓縮沖程中被壓縮的空氣，在排氣沖程中，所膨脹的氣體從可變?nèi)莘e腔排出。
13.根據(jù)先前任一項權(quán)利要求所述的發(fā)動機，其特征在于，發(fā)動機以第二操作模式操作的同時燃料輸送部件不活動。
14.根據(jù)先前任一項權(quán)利要求所述的發(fā)動機，其特征在于，發(fā)動機以第三操作模式操作的同時燃料輸送部件不活動。
15.根據(jù)先前任一項權(quán)利要求所述的發(fā)動機，其特征在于，在可變?nèi)莘e腔中被壓縮的空氣在發(fā)動機的第二操作模式中被壓縮至10-20巴的壓力。
16.根據(jù)先前任一項權(quán)利要求所述的發(fā)動機，其特征在于，所述容器包括輕質(zhì)塑料的壓力容器。
17.根據(jù)權(quán)利要求1-15中所述的發(fā)動機，還包括由發(fā)動機啟動的泵，該泵接收從可變?nèi)莘e腔排出的壓縮空氣并在壓縮空氣傳輸至所述容器之前將該氣體進一步壓縮。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的發(fā)動機，其特征在于，泵使壓縮空氣的壓力從初始的10-20巴升高至100-100巴的更高壓力。
19.根據(jù)權(quán)利要求1-15中任一項所述的發(fā)動機，還包括發(fā)動機驅(qū)動的增壓器，該增壓器對經(jīng)由進氣閥部件進入可變?nèi)莘e腔的增壓空氣加壓。
20.根據(jù)權(quán)利要求1-15中任一項所述的發(fā)動機，還包括電子驅(qū)動的渦輪增壓器，該渦輪增壓器對經(jīng)由進氣閥部件進入可變?nèi)莘e腔的增壓空氣加壓。
21.根據(jù)權(quán)利要求17-20所述的發(fā)動機，其特征在于，所述容器包括鋼制的壓力容器。
22.根據(jù)先前任一項權(quán)利要求所述的發(fā)動機，其特征在于，可變?nèi)莘e腔限定在活塞與環(huán)繞的氣缸之間，活塞在該氣缸中往復(fù)運動并與發(fā)動機的曲軸相連。
23.根據(jù)先前任一項權(quán)利要求所述的發(fā)動機，其特征在于，進氣閥部件、排氣閥部件和氣體流量控制閥部件中的每個包括由其專用的液壓致動器操作的閥，所有的液壓致動器由共用的電子控制器控制，電子控制器接收來自多個傳感器的信號并改變液壓致動器的操作，由此操作閥以便在發(fā)動機的操作模式之間切換發(fā)動機的操作。
24.一種包括權(quán)利要求23所述的發(fā)動機的車輛，其特征在于，多個傳感器包括測量與車輛運動有關(guān)的參數(shù)的傳感器，和測量存儲在所述容器中的空氣壓力的傳感器，其中，在檢測到車輛正在減速同時容器被消耗的過程中，電子控制器改變液壓致動器的操作從而使發(fā)動機以第二操作模式操作。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的車輛，具有可變速比的自動變速箱，其中當(dāng)車輛減速時電子控制器控制變速箱以降低速比，從而增加發(fā)動機的旋轉(zhuǎn)速度。
26.一種包括權(quán)利要求24或25所述的發(fā)動機的車輛，其特征在于，多個傳感器包括測量與車輛運動有關(guān)的參數(shù)的傳感器，和測量存儲在所述容器中的空氣壓力的傳感器，在檢測到所述閥正在減速同時所述容器為充滿的過程中，電子控制器改變液壓致動器的操作從而使發(fā)動機以第四操作模式操作。
27.一種包括權(quán)利要求24所述的發(fā)動機的車輛，其特征在于，多個傳感器包括測量與車輛運動以及駕駛員需求有關(guān)的參數(shù)的傳感器，在檢測到所述車輛為靜止和駕駛員希望車輛開始移動的過程中，電子控制器控制液壓致動器的操作從而使發(fā)動機開始以第三操作模式操作，然后隨著車輛速度增加，液壓致動器的操作發(fā)生改變從而使發(fā)動機切換至第一操作模式。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的車輛，其特征在于，車輛在不使用離合器的情況下開始運動。
29.一種發(fā)動機，包括多個可變?nèi)莘e腔；進氣閥部件，控制增壓氣體進入可變?nèi)莘e腔；燃料輸送部件，用于輸送燃料并使燃料與進入可變?nèi)莘e腔的增壓氣體混合；排氣閥部件，用于控制廢氣從可變?nèi)莘e腔排至大氣，該廢氣是由于燃料和所進入的增壓空氣在可變?nèi)莘e腔中燃燒所致；其中，發(fā)動機可按多種不同操作模式操作多個可變?nèi)莘e腔中的至少一個；發(fā)動機可按第一操作模式操作每個可變?nèi)莘e腔，其中進氣閥部件容許增壓空氣進入可變?nèi)莘e腔內(nèi)，燃燒輸送部件輸送燃料，該燃料與所進入的增壓空氣混合，燃料和增壓空氣的混合物通過減小可變?nèi)莘e腔的容積而被壓縮，所壓縮的燃料和空氣混合物燃燒，所燃燒的氣體膨脹并對可變?nèi)莘e腔加壓從而增加容積，所膨脹的燃燒氣體經(jīng)由排氣閥部件從可變?nèi)莘e腔排至大氣；其特征在于發(fā)動機還包括存儲壓縮空氣的容器，該容器與多個可變?nèi)萜髑恢械闹辽僖粋€相連；氣體流量控制閥部件，控制至少一個可變?nèi)莘e腔與存儲壓縮空氣的容器之間的氣體流量；其特征在于，發(fā)動機可按至少兩種其它操作模式操作多個可變?nèi)莘e腔中的至少一個第二操作模式，其中進氣閥部件容許增壓空氣進入可變?nèi)莘e腔內(nèi)，所進入的增壓空氣通過減少可變?nèi)莘e腔的容積而被壓縮，氣體流量控制閥部件允許壓縮空氣從可變?nèi)莘e腔流向所述容器從而存儲于其內(nèi)；第三操作模式，其中氣體流量控制閥部件允許壓縮空氣從所述容器進入可變?nèi)莘e腔，其后膨脹以對可變?nèi)莘e強加壓從而增壓容積，所膨脹的空氣隨后被排向大氣。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的發(fā)動機，其特征在于，在第三操作模式中，所膨脹的空氣經(jīng)由排氣閥部件排向大氣。
31.根據(jù)權(quán)利要求29所述的發(fā)動機，其特征在于，在第三操作模式中，所膨脹的空氣經(jīng)由進氣閥部件排向大氣。
32.根據(jù)權(quán)利要求29-31中任一項所述的發(fā)動機，其特征在于，發(fā)動機可根據(jù)第一操作模式操作第一可變?nèi)莘e腔同時根據(jù)第二操作模式操作第二可變?nèi)莘e腔，由此由于所燃燒的氣體在第一可變?nèi)莘e腔中膨脹而發(fā)生的某些作用可用來壓縮第二可變?nèi)莘e腔中的空氣。
33.根據(jù)權(quán)利要求29-32中任一項所述的發(fā)動機，其特征在于，每個可變?nèi)莘e腔限定于固定元件與可動元件之間，所有的可動元件都與共用的功率輸出機構(gòu)相連，由此由于所燃燒的氣體的膨脹所發(fā)生的作用可從發(fā)動機輸出并且還可在可動元件之間傳遞。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的發(fā)動機，其特征在于，固定元件為氣缸體中的氣缸，可動元件是可在每個氣缸中往復(fù)運動的活塞，功率輸出機構(gòu)包括曲軸，所有的活塞都與曲軸相連。
35.根據(jù)權(quán)利要求29-34中任一項所述的發(fā)動機，其特征在于，進氣閥部件、排氣閥部件和氣體流量控制閥部件中的每個包括由其專用的液壓致動器操作的閥，所有這些液壓致動器由一個共用的電子控制器控制，電子控制器接收來自多個傳感器的信號并改變液壓致動器的操作，由此改變閥的操作以便控制發(fā)動機的每個可變?nèi)莘e腔的操作模式。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的發(fā)動機，其特征在于，多個傳感器包括測量與發(fā)動機上的負載有關(guān)的參數(shù)的傳感器，和測量存儲在所述容器中的空氣壓力的傳感器，在檢測到發(fā)動機為部分負荷以及所述容器被消耗的過程中，電子控制器控制液壓致動器的操作，從而使至少第一可變?nèi)莘e腔以第一操作模式操作并傳輸發(fā)動機所輸出的功率，至少第二可變?nèi)莘e腔以第二操作模式操作并壓縮輸送給所述容器的空氣。
37.根據(jù)權(quán)利要求35所述的發(fā)動機，其特征在于，多個傳感器包括測量與發(fā)動機上的載荷有關(guān)的參數(shù)的傳感器，和測量存儲在所述容器中的空氣壓力的傳感器，在檢測到發(fā)動機為部分負荷以及所述容器為充滿的過程中，電子控制器控制液壓致動器的操作，從而使第一可變?nèi)莘e腔以第一操作模式操作并傳輸發(fā)動機所輸出的功率，通過關(guān)閉進氣閥部件、排氣閥部件和氣體流量控制閥部件而使至少第二可變?nèi)莘e腔不活動，其中空氣或燃燒過的氣體被捕獲于第二可變?nèi)莘e腔中，該第二可變?nèi)莘e腔由此用作氣壓彈簧。
38.根據(jù)權(quán)利要求29-31中任一項所述的發(fā)動機，其特征在于，多個可變?nèi)莘e腔通過管道部件互連，當(dāng)發(fā)動機以第二操作模式操作時，所容許的增壓空氣進入所述的可變?nèi)莘e腔內(nèi)并在其內(nèi)被壓縮，當(dāng)該空氣被允許經(jīng)由氣體流量控制閥部件從該腔流向至少第二可變?nèi)莘e腔時，該氣體在流向該可變?nèi)莘e腔之前被進一步壓縮以便存儲于該可變?nèi)莘e腔內(nèi)。
39.根據(jù)權(quán)利要求29-31中任一項所述的發(fā)動機，其特征在于，多個可變?nèi)莘e腔通過管道部件互連，當(dāng)發(fā)動機以第三操作模式操作時，在所述可變?nèi)莘e腔中膨脹的空氣經(jīng)由排氣閥部件排向至少第二可變?nèi)莘e腔，用于使氣體在排向大氣之前在該第二可變?nèi)莘e腔中進一步膨脹。
40.一種操作發(fā)動機的方法，該發(fā)動機具有多個可變?nèi)莘e腔，每個腔由氣缸中往復(fù)運動的活塞限定，活塞與用于傳遞從發(fā)動機輸出的功率的共用機構(gòu)相連，所述方法包括以下述多種不同操作模式操作發(fā)動機第一操作模式，其中燃料和空氣的混合物在每個可變?nèi)莘e腔中燃燒，所燃燒氣體膨脹從而推動活塞移動，所膨脹的燃燒氣體排向大氣；所述方法的特征在于第二操作模式，其中燃料和空氣的混合物在至少第一可變?nèi)莘e腔中燃燒，所燃燒的氣體膨脹從而推動相關(guān)活塞移動，所膨脹的燃燒氣體排向大氣，其中空氣在至少第二可變?nèi)莘e腔被壓縮，然后該壓縮空氣被傳遞至壓縮空氣的容器并存儲于其中；第三操作模式，其中存儲在所述容器中的壓縮空氣被容許進入至少一個可變?nèi)莘e腔，所進入的壓縮空氣被允許膨脹，接著所膨脹的氣體排向大氣。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的方法，其特征在于，第一操作模式采用四沖程。
42.根據(jù)權(quán)利要求40或41所述的方法，其特征在于，第三操作模式采用兩沖程。
43.根據(jù)權(quán)利要求40-42中任一項所述的方法，其特征在于，發(fā)動機在高負載時以第一操作模式操作，在部分負荷時以第二操作模式操作。
44.根據(jù)權(quán)利要求40-43中任一項所述的方法，其特征在于，發(fā)動機以第三操作模式操作從而啟動發(fā)動機，隨后將操作模式切換至第一或第二操作模式。
45.一種閥機構(gòu)，用于控制增壓氣體進入內(nèi)燃機的發(fā)動機氣缸內(nèi)的流量，所述機構(gòu)包括用于打開和關(guān)閉氣缸的輸送口的提升閥，氣體經(jīng)由該提升閥可在增壓氣體源和氣缸之間流動，該提升閥具有閥頭和閥桿；作用于閥桿上的驅(qū)動部件，用于驅(qū)動提升閥打開輸送口；彈簧部件，用于偏壓提升閥以關(guān)閉輸送口；其特征在于閥桿上安裝有活塞，該活塞可在內(nèi)燃機中所設(shè)的閥桿腔內(nèi)滑動；閥桿腔與增壓氣體源相連；由此閥桿腔中的增壓氣體對活塞施加一力，該力抵消了作用在提升閥上的力，所述的作用在提升閥上的力由于閥頭背面受到來自增壓氣體源的增壓氣體的作用所致，所述的閥頭背面背離發(fā)動機氣缸。
46.根據(jù)權(quán)利要求45所述的閥機構(gòu)，其特征在于，密封部件設(shè)置在活塞和閥桿腔之間從而防止增壓氣體經(jīng)活塞泄漏。
47.根據(jù)權(quán)利要求45或46所述的閥機構(gòu)，其特征在于，包括隔離控制閥，其可控制以使閥桿腔和增壓氣體源之間選擇性地連接和不連接。
48.根據(jù)權(quán)利要求44-47中任一項所述的閥機構(gòu)，其特征在于，彈簧部件包括設(shè)在閥桿腔中的彈簧，該彈簧對安裝在活塞上的閥桿作用。
49.根據(jù)權(quán)利要求44-48中任一項所述的閥機構(gòu)，其特征在于，內(nèi)燃機具有從增壓氣體源通向發(fā)動機氣缸以及經(jīng)由輸送口通向發(fā)動機氣缸的輸送通道；閥桿氣缸與輸送通道相連。
50.根據(jù)權(quán)利要求44-49中任一項所述的閥機構(gòu)，其特征在于，驅(qū)動部件包括由電子控制器控制的液壓致動器。
51.一種如權(quán)利要求1-39中任一項所述的內(nèi)燃機，其特征在于，氣體流量控制閥部件包括權(quán)利要求44-50中任一項所述的閥機構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及(參照圖1)一種內(nèi)燃機，在該內(nèi)燃機中，燃燒室(12)可與容器(16)相連以便存儲壓縮空氣。氣體流量控制閥部件(15)控制燃燒室(12)和容器(16)之間的流量，這樣燃燒室(12)中的受壓空氣可被傳遞以充入容器(16)并且受壓空氣可傳遞至燃燒室(12)以驅(qū)動活塞(10)。燃燒室(12)還用于燃燒燃料。本發(fā)明還涉及閥機構(gòu)，用于控制燃燒室(12)和容器(16)之間的受壓空氣的流量，其中平衡力施加于氣體流量控制閥(115)以便抵消作用在閥(115)上的力，該力由于施加在閥(115)背面的壓力而產(chǎn)生。
文檔編號F01B17/02GK1795322SQ200480014725
公開日2006年6月28日 申請日期2004年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月28日
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