專利名稱：改進型引擎的制作方法
技術(shù)領域：
背景技術(shù)：
、21專利描述包含經(jīng)由曲軸耦合到動力活塞和動力氣缸組合的空氣壓縮機活塞 和氣缸組合的引擎。來自壓縮機氣缸的壓縮空氣在其通過進口閥被引入到動力氣缸之 前流動通過熱交換器。在動力活塞向下沖程期間，壓縮空氣流動到動力氣缸中。燃料 與壓縮空氣以適合允許燃燒的量在進口閥與活塞之間混合。在動力活塞的吸氣沖程期 間，進口閥關(guān)閉且出口閥打開以通過熱交換器排泄動力氣缸中的燃燒產(chǎn)物來向壓縮空 氣釋放排放熱量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括對'821中描述的引擎概念的一系列改進和改善，此導致引擎性能和 效率的該進。
模塊式引擎以經(jīng)修改的布雷頓(Brayton)循環(huán)來運轉(zhuǎn)，所述布雷頓循環(huán)是熱力循 環(huán)，其中在一個裝置中發(fā)生空氣壓縮；將燃料添加到所述壓縮空氣且發(fā)生燃燒；及燃 燒氣體在單獨的膨脹機裝置中膨脹以產(chǎn)生動力。所述膨脹機動力輸出部分地用于運轉(zhuǎn) 所述壓縮機。所述峰值壓縮機、燃燒和膨脹機壓力基本相同。
特定來說，本發(fā)明涵蓋使用具有用于冷卻壓縮機部件的配置的多于一個壓縮機級 和在所述壓縮機級之間選擇使用中間冷卻器以減少壓縮機動力輸入。額外的改善允許 系統(tǒng)的具有間歇流動的那些組件與需要更穩(wěn)定狀態(tài)流動的那些組件進行整合。
此模塊式引擎的目的包含提供比當前相同動力輸出的汽油(火花點火)或柴油(壓 縮點火)引擎大致高的熱效率，導致低的燃料消耗。所述經(jīng)修改的布雷頓循環(huán)提供允 許所述模塊式引擎實現(xiàn)所述高效率的熱力特征和優(yōu)點。
與當前引擎相比的其他目的是減少的污染物和二氧化碳排放；能夠使用所有可用的液體或氣體燃料；減少的或類似的大小、重量、壽命和可靠性；及類似的可制造性 和成本。
使用活塞膨脹機模塊和至少一個活塞壓縮機級(但至少兩個壓縮級)對此經(jīng)修改 布雷頓循環(huán)的熱力分析揭示實現(xiàn)髙理想(無損)效率和高實際(具有可計算的損失) 效率的某些替代運轉(zhuǎn)模式。
以其最簡單的形式，所述模塊式引擎不使用同流換熱器且可使用或可不使用壓縮 機中間冷卻器。其以高壓縮機出口壓力運轉(zhuǎn)，或許在600到3000 psi的范圍內(nèi)，類似 于渦輪增壓式或增壓式引擎。此引擎提供約70%的理想熱效率和約55%的所估計實際 效率。此與當前汽油引擎的約25%到30%實際效率和輕型車輛中所用當前柴油引擎的 約35%到40%的實際效率相匹敵。當使用同流換熱器或中間冷卻器時，處于較高壓力 的運轉(zhuǎn)導致降低的效率效益。
然而，在所述壓縮機級之間使用同流換熱器和至少一個中間冷卻器產(chǎn)生性能優(yōu) 點。其以適中壓縮機出口壓力運轉(zhuǎn)，或許在300到1500psi的范圍內(nèi)。此模塊式引擎 的理想效率約為80%，且所估計實際效率約為60%。同流換熱器加上較低壓縮機出口 壓力導致每額定引擎動力的略高重量和大小，及略高的成本和復雜性，但實現(xiàn)較低燃 料消耗和二氧化碳排放。
本發(fā)明還涵蓋用于修改引擎的動力輸出的各種構(gòu)件，包含閥門定時的具體變更和 輔助壓縮機的使用。


圖1是顯示引擎重要組件的方框圖。
圖2是顯示壓縮機模塊的組件的方框圖。
圖3顯示每一壓縮機級的壓縮機壓力-容積圖。
圖4顯示基于曲軸角度的替代壓縮機閥門定時。
圖5顯示具有進口和出口提動閥的壓縮機級的表示。
圖6A-C顯示系統(tǒng)中用于運轉(zhuǎn)閥門的雙凸輪、可變閥門定時設計。
圖7顯示系統(tǒng)中用于運轉(zhuǎn)閥門的替代三維凸輪、可變閥門定時設計。
圖8顯示膨脹機模塊的示意圖表示。
圖9A顯示其中運轉(zhuǎn)為"推動以關(guān)閉"的膨脹機的進口閥、管道和氣缸的細節(jié)。 圖9B顯示管道的細節(jié)。
圖IO顯示其中運轉(zhuǎn)為"推動以打開"的膨脹機進口閥設計。 圖IIA-F顯示處于循環(huán)中不同點的膨脹機的表示。 圖12顯示替代的膨脹機空氣和燃料進口設計。 圖13顯示膨脹機的熱隔絕細節(jié)。 圖14顯示膨脹機的壓力-容積圖。圖15顯示當循環(huán)包含延長的燃燒時膨脹機的替代壓力-容積圖。 圖16顯示膨脹機壓力和容積圖。 圖17顯示膨脹機閥門定時。
圖18顯示用于活塞壓縮機和膨脹機閥門的密封的閥門桿設計。 圖19是輔助壓縮機模塊的示意圖。
具體實施例方式
參照圖l，適合驅(qū)動軸194的引擎包括至少兩個單獨且功能獨立的模塊，其每一 者經(jīng)最優(yōu)化以執(zhí)行其特定任務壓縮機模塊100和膨脹機模塊150。另外，所述系統(tǒng) 可包含輔助壓縮機模塊190。通過將引擎氣缸分成空氣壓縮和氣體膨脹模塊，可最優(yōu) 化所述模塊以達成更高的效率且熱排放氣體可用于加熱與燃料混合之前的壓縮空氣， 因此減小燃燒后達到既定氣體溫度所需的燃料量。 壓縮機模塊
參照圖1和2，壓縮機模塊100優(yōu)選地包括兩個或兩個以上壓縮機級102、 111。 原則上，可使用任何數(shù)目的壓縮機級；理想的數(shù)目是由壓力降和摩擦損失、總循環(huán)效 率與機械復雜性之間的平衡來確定的?？舍槍ψ钚碗s性使用兩個級(如所示)，同 時可針對更高的輸出空氣壓力和相關(guān)聯(lián)的更高效率來使用三個級。至少一個壓縮級 102、 111具有活塞-氣缸壓縮機或并行運轉(zhuǎn)的多個活塞-氣缸壓縮機。所述裝置可具有 常規(guī)的兩沖程運轉(zhuǎn)，所述兩沖程運轉(zhuǎn)具有以進口壓力用空氣部分地或全部地填充氣缸 的進氣沖程和排除經(jīng)壓縮空氣的排氣沖程。在并行運轉(zhuǎn)中，每一氣缸以相同的進口空 氣源壓力和相同的輸出壓力運轉(zhuǎn)。組合來自每一氣缸的輸出質(zhì)量流?？啥ㄏ嗖⑿谢钊?氣缸壓縮機以吸入并輸送更連續(xù)、較少波動的組合流動速率。所述兩個并行壓縮機的 相位可相差180。，其中一個氣缸正吸入空氣而另一個正壓縮并輸送出空氣?？梢?°、 120°和240。來定相三個壓縮機且可以0°、 90°和180。及270。定相四個壓縮機。具有空 氣進口IOI、 110和出口104、 112提動閥的往復式活塞-氣缸裝置具有獨立可變的、受 控制的閥門定時。
另外地，初步壓縮機級119可利用軸向或徑向槳葉式或葉片式壓縮機或風扇。此 風扇或葉片式或槳葉式壓縮機還可以是渦輪動力的且通過利用膨脹機150排放氣體能 量的一個或一個以上渦輪機120經(jīng)由軸123驅(qū)動，其中排放氣體進入121渦輪機120 且然后排出122到大氣。周圍的空氣可直接或先通過初步壓縮機級119和下文描述的 可選擇中間冷卻器113進入壓縮機級102?？諝馔ㄟ^進口 101進入壓縮機級102且通 過出口 104以更高的壓力被排除。壓縮空氣流動通過下文所述的可選擇中間冷卻器105 且通過進口閥IIO進入第二空氣壓縮機級111，其中所述壓縮空氣得到進一步壓縮且 通過出口 112被排除到膨脹機模塊150。
每一壓縮機級102、 lll均可由常規(guī)潤滑劑、周圍的空氣流108、 109和穿過壓縮機結(jié)構(gòu)的冷卻劑175流的組合來冷卻。優(yōu)選地，冷卻劑175流穿過常規(guī)地可由金屬制 成的熱交換器103，其中所述冷卻劑175流被周圍空氣流108、 109或以其它適合方式 被冷卻。盡管為簡化起見，在圖2中顯示了冷卻兩個壓縮機級的具有單一流的一個熱 交換器，但是應理解可以使用具有單獨流的兩個熱交換器或針對單一熱交換器每一壓 縮機可具有單獨的流。通過冷卻活塞表面、氣缸缸蓋和氣缸壁處的空氣，可使空氣壓 縮更接近于等溫過程，且更接近于周圍的空氣溫度，從而降低壓縮機做功且因此增加 總的引擎效率。
為了冷卻壓縮空氣和通過減少進一步壓縮所述空氣需要的能量來產(chǎn)生引擎效率 的相關(guān)聯(lián)改進，可在壓縮機級102、 111之間采用中間冷卻器113、 105。如果包含多 于兩個壓縮機級，那么可在壓縮機級的每一者之間使用中間冷卻器。中間冷卻器113、 105可以是冷卻壓縮空氣的任何裝置，還可以是用周圍空氣流106、 107來冷卻壓縮空 氣的常規(guī)金屬熱交換器113、 105。另一選擇是，可使用水或其他液體冷卻劑用于冷卻， 尤其是在引擎用于固定應用時。
引擎在內(nèi)在循環(huán)的活塞-氣缸裝置-壓縮機級102、 111-與平穩(wěn)流動裝置-中間冷卻 器105、 113以及下文更詳細地描述的膨脹機模塊150中的同流換熱器之間具有互連。 在所述互連處的相當大壓力變化可導致動力損失和效率低下。為了使系統(tǒng)中壓縮空氣 的循環(huán)壓力變化最小化，在中間冷卻器105、 113中或在不使用中間冷卻器時在連接管 道中應存在充分的空氣體積。另外地，此引擎可在所述互連處使用針對所添加的體積 的累積器或儲蓄器178以將壓力變化減少到可接受的水平。此外，優(yōu)選地最優(yōu)化壓縮 機102、 111的定相以使得在到平穩(wěn)流動裝置的輸入處的空氣體積增加幾乎與輸出處的 體積減少同時發(fā)生。
圖3中顯示容積式、往復式活塞-氣缸裝置的壓縮機循環(huán)。在點310或320處壓縮 機級開始吸入空氣。進口閥IOI、 IIO打開且活塞朝向下止點移動，在330處到達下止 點。從點330、 331到340、 341發(fā)生可逆、絕熱、等熵壓縮，從而在出口閥104、 112 處產(chǎn)生所需壓力，在點340、 341處所述出口閥104、 112打開且在點350處當活塞到 達上止點時關(guān)閉。從點350到320發(fā)生余隙容積或死區(qū)中壓縮空氣的完全等熵膨脹(即， 進口閥在點320處打幵)。另一選擇是，從點350到370到310發(fā)生不完全等熵膨脹 (即，在點370處打開進口閥)。
圖4顯示兩個循環(huán)之間的闊門定時差。400中所示的定時與從點330到340的壓 力-容積路徑相關(guān)聯(lián)，而401中所示的定時與從點331到341的路徑相關(guān)聯(lián)。應注意對 于兩個循環(huán)，出口閥在點450 (在或接近上止點)處關(guān)閉。出口閥也可仿佛其是被動 止回閥門一樣被控制以在當氣缸中的壓力等于下游壓力時打開。被驅(qū)動的提動閥將實 現(xiàn)定時控制同時也最小化閥門壓力降，所述閥門壓力降將允許處于高壓縮機速度的有 效壓縮機運轉(zhuǎn)。
進口閥定時控制被壓縮的空氣體積，其中當進口閥在下止點或點330、 430處關(guān) 閉時被壓縮的空氣體積最大。然而，還可將進口閥關(guān)閉延遲到活塞在下止點與上止點之間時的點331、 431。應注意從440到441存在相應的出口閥打開定時變化。壓縮功 降低，如由圖3中壓力-容積圖的路徑330到340與331到341之間的區(qū)域減少所示； 然而，當空氣從點310或320到330進入壓縮機氣缸且然后從點330到331離開氣缸 返回進口時，可通過使用較大打開閥門流動區(qū)域來使進口閥壓力降小到可忽略不計以 維持較高壓縮機效率。通過因此依靠進口閥定時改變每一循環(huán)所壓縮空氣的體積、質(zhì) 量和壓力，可控制引擎的總動力輸出。 提動閥設計和致動
圖5中顯示活塞壓縮機的進口 500和出口 501提動閥和其他特征。此設計優(yōu)選地 使用具有當活塞505在上止點處，活塞面509與氣缸缸蓋510最近時的最小可能距離 tc502和間隙容積Vc 503的平坦活塞面和平坦氣缸缸蓋。保持較低的間隙容積503以 最小化壓縮機做功。
圖6-7中顯示用于壓縮機進口閥和用于活塞壓縮機和膨脹機出口閥的可能凸輪驅(qū) 動機制。在氣缸630中，每一提動閥600具有圓的提動頭601，所述圓的提動頭601 具有錐形或有角度的圓形外側(cè)密封表面602，所述密封表面602與有角度的閥門座603 配對以在當閥門關(guān)閉時提供氣密密封?？稍谔釀娱y桿1803上使用閥門油封1800，在 下文結(jié)合圖18對其進行進一步描述。
每一閥門由閥門彈簧605夾緊，且通過搖臂606推動閥門桿607的端部或另一選 擇為閥門桿上的頭來打開。搖臂606由安裝在凸輪軸612上的一個或一個以上凸輪 610、 611來移動，所述凸輪軸612以與活塞曲軸相同的速度旋轉(zhuǎn)。搖臂606經(jīng)由凸輪 滾子從動件620和樞軸621以操作方式連接到凸輪610、 611。可通過相對于另一凸輪 旋轉(zhuǎn)一個凸輪以增加或降低兩個凸輪輪廓的重疊來改變閥門定時。 一個凸輪610固定 到凸輪軸上且另一個凸輪611通過軸向移動與凸輪軸612上有角度的或螺旋狀的花鍵 616配對的套筒615來相對于所述固定凸輪旋轉(zhuǎn)。附接到旋轉(zhuǎn)凸輪611的導向銷617 在套筒615的孔中滑動且推動凸輪(不在軸線上移動)相對于所述固定凸輪610旋轉(zhuǎn)。
作為以上閥門設計的替代，圖7顯示一種包括可在凸輪軸705上軸向移動的三維 凸輪700的設計，包含軸向花鍵706,但不相對于其旋轉(zhuǎn)。凸輪輪廓根據(jù)凸輪相對于 搖臂711上的凸輪滾子從動件710的軸向位置提供閥門定時變化。
優(yōu)選地，使用共用曲軸或通過使用直接或間接地耦合在一起(例如通過齒輪或通 過滾輪和皮帶系統(tǒng)，或通過使用電機)的單獨曲軸199通過膨脹機模塊150 (下文進 行進一步描述)來驅(qū)動壓縮機級。 膨脹機模塊
參照圖1、 8、 9和10，膨脹機模塊可包括一個或一個以上兩沖程、往復式活塞-氣缸膨脹機816，其具有空氣進口 814和排氣817閥(優(yōu)選地，上述的提動閥)，所 述閥門具有獨立的、可變的、受控制的打開和關(guān)閉定時，其在下文將進行詳細地描述。
進口閥814控制空氣到膨脹機管道910和氣缸916中的流動，因為其接通或阻斷 壓縮空氣的流動。閥門只是打開和關(guān)閉；其不控制流動速率，而所述流動速率是由活塞1115的速度來控制。下文將對閥門定時進行進一步詳細地描述。
通過由凸輪1017或曲軸驅(qū)動的搖臂1010來運轉(zhuǎn)(如以上相關(guān)于壓縮機所描述) 的提動閥可用于實施進口閥814打開，其通常在或接近上止點處發(fā)生。彈簧1015可用 于保持閥門處在正常關(guān)閉的位置中。作用在同一搖臂IOIO上的相同或第二凸輪可用于 關(guān)閉進口閥814。膨脹機進口 814閥可經(jīng)設計以在凸輪致動的搖臂IOIO向下推動闊門 桿1018的頂部時打開，如在圖10中所示。推動閥門桿的頂部是用于打開提動閥的常 規(guī)方法。然而，在此設計中，閥門桿1018穿過進口空氣管道1019且閥門密封組件1020 移動到壓縮空氣進口管道中。凸輪1017可接觸附接到搖臂1010的滾子從動件1021 或另一選擇為可以操作方式直接接觸搖臂本身的一部分。使用搖臂的選擇是允許凸輪 直接或用沿閥門桿的軸導向的中間組件接觸閥門桿的頂部。
如圖11中所示，可結(jié)構(gòu)化膨脹機進口閥座以使得閥門814被提升離開座960而 非被從座朝向管道910向下推。在圖IO和ll所示的設計中，壓縮進口空氣壓力使閥 門保持關(guān)閉，因為氣缸916中的壓力一直小于進口空氣壓力。在圖11和12中所示的 設計中，可使用凸輪1117和搖臂1121提升閥門814。搖臂1121抵著彈簧1015的偏 置(閥門關(guān)閉)力來提升閥門814遠離閥門座960。凸輪軸1025上的凸輪接觸樞軸式 1026搖臂1121的另一端以控制閱門814提升和定時。為增加闊門壽命和可靠性，減 少閥門驅(qū)動力，減少所需閥門質(zhì)量和減少噪音，當通過確保在排放氣體再壓縮之后打 開閥門時和在燃燒之后關(guān)閉閥門時進口空氣壓力和膨脹機壓力幾乎相等來使對閥門 814的合壓力接近零時發(fā)生圖10和11設計的閥門814的打開和關(guān)閉。應進一步注意， 當閥門814關(guān)閉時且氣流變得受約束時，會發(fā)生壓力差，其提供沿閥門814關(guān)閉的方 向的純力，從而幫助確?？焖俸屯耆年P(guān)閉。
如果需要，可使用相對于驅(qū)動其的凸輪軸旋轉(zhuǎn)的凸輪來調(diào)節(jié)閥門814的打開和關(guān) 閉以適應寬泛的引擎RPM范圍，類似于以上圖6和7中結(jié)合壓縮機閥門定時控制所 述的方式或通過所述技術(shù)中已知的其他手段的方式。例如，兩個凸輪可接觸樞軸式搖 臂； 一個凸輪控制進口閥關(guān)閉時間或曲軸角度，且另一個凸輪控制進口閥打開時間。
從進口閥814，經(jīng)加熱、壓縮空氣流動到管道910中，所述管道910在進口閥814 與活塞-氣缸空間之間延伸。燃料970通過噴射器918被計量供應或噴灑到管道910中。 應了解噴射器918可噴灑液體燃料的小滴，或另一選擇為，以高壓噴灑氣體燃料流。 經(jīng)加熱、壓縮空氣圍繞噴射器918流動，且燃料和空氣在管道910的上部區(qū)域912中 混合。優(yōu)選地，隔絕管道910以防熱損失，且可利用陶瓷隔絕且包含平坦化的或橢圓 中心和出口端部分930，其在下文將進行進一步描述。管道910還可利用通過金屬、 金屬箔及/或提供耐接觸或低熱傳導性材料和設計的薄陶瓷隔離物與其外部支持結(jié)構(gòu) 隔離的陶瓷插入物。
控制所噴射的燃料的流動速率和量以維持膨脹機的氣缸916中的恒定燃料空氣比 和恒定燃燒溫度。由管道在其中心部分和出口端部分930的形狀所誘發(fā)的混合、管道 910中空氣流和湍流的高速度與液體燃料的氣態(tài)或極細噴灑相組合促進燃燒開始之前
10的良好燃料空氣混合。在上述膨脹機氣缸916中燃燒之前在進口閥814與膨脹機氣缸 916之間的空氣和燃料流的預混合是對最小化來自此引擎的污染排放物重要的過程。
參照圖11A，其中活塞在或接近活塞沖程的上止點，處于接近最小氣缸容積處， 熱壓縮空氣/燃料混合物被引入膨脹機816的氣缸916中。優(yōu)選地，為了改進效率，活 塞面915和相對的氣缸缸蓋919 二者都是大致平坦的，其中其之間的余隙最小以最小 化在上止點處的容積。
通過可選擇地使用排放氣體來加熱同流換熱器802中的壓縮空氣，如下文進一步 所述，排放氣體溫度的任何降低將會導致膨脹機進口空氣溫度的降低，因此需要更多 的燃料來達到燃燒期間膨脹機816中的最大氣體溫度。因此，為了增加燃料效率，可 隔絕活塞面915和相對的氣缸缸蓋919 二者以防止將會減少排放氣體溫度的熱損失。 可使用如圖13中所示的平面陶瓷盤1310或類似的陶瓷涂層或另一選擇為使用高溫金 屬和低熱傳導性結(jié)構(gòu)來提供熱隔絕。例如，金屬箔層1311可包含在陶瓷插入物1310 與活塞915或氣缸缸蓋919的金屬結(jié)構(gòu)之間。所述箔層提供熱耐接觸，其減少從熱陶 瓷部件到處于可接受的低溫度的金屬結(jié)構(gòu)的熱流動?？赏ㄟ^螺旋定位器1315或所述技 術(shù)中已知的其他常規(guī)方式將陶瓷盤和箔層夾持在適當位置。
參照圖11B和C，當活塞1115朝向其沖程的底部移動時，進口閥814關(guān)閉。隨 后，隨著活塞1115繼續(xù)向下止點移動，熱壓縮空氣/燃料混合物膨脹。壓縮燃料混合 物及因此到管道910中的空氣流動的速度和質(zhì)量均由活塞速度確定，所述活塞速度在 上止點時為零且增加直到當活塞移動一些距離遠離上止點，或許在最大活塞行程或位 移的5%與20%時進口閥814關(guān)閉為止。下文進一步描述活塞運轉(zhuǎn)的定時。
繼續(xù)將燃料噴射到經(jīng)加熱空氣流中直到大約進口閥關(guān)閉時為止，其中噴射速率隨 著空氣流動的增加而增加以維持大約恒定的空氣/燃料比。應了解如本文所述的燃料噴 射防止任何引擎敲缸危險，因為氣缸中不存在可燃燒混合物直到活塞到達上止點之后 為止。
盡管可使用其他、常規(guī)方式，但也可通過熱管道壁和膨脹機表面與先前在同流換 熱器802中由排放氣體加熱的壓縮空氣組合來起始點火。應注意，在引擎的運轉(zhuǎn)期間 不需要任何火花或預熱塞920，但在引擎起動時可能需要，直到所述表面和進口空氣 達到足夠高的溫度來實現(xiàn)點火為止。
點火之后，空氣和燃料繼續(xù)在管道910中混合，但作為活塞1115從上止點位置 移動后立即發(fā)生的高速度空氣流動的結(jié)果，燃燒主要在氣缸916中進行。排出管道910 的混合物在氣缸916中通過燃燒來點火。結(jié)果是具有相對較短火焰的火炬狀的燃燒， 其在到氣缸916的入口處穩(wěn)定且與間歇地執(zhí)行的燃氣輪機的燃燒過程相似。將壓縮氣 體從大約800°K-1200°K的溫度加熱到數(shù)量級為1800°K-2600°K的溫度?；鹁婊鹧嬖?其周邊撞擊隔絕的活塞面915和氣缸缸蓋919，由于隔絕的原因，所述經(jīng)隔絕的活塞 面915和氣缸缸蓋919處在較高溫度，從而防止火焰對所述表面進行淬火。由于燃燒 在火炬火焰內(nèi)完成，因此在氣缸中不存在未燃燒的燃料-空氣混合物以供燃燒延伸到氣缸中。來自火焰的燃燒產(chǎn)物在接觸冷卻器氣缸壁917之前與氣缸中的氣體混合。瞬間
熱釋放大約與瞬間燃料流動速率成比例。燃燒繼續(xù)進行直到因進口閥814的關(guān)閉而停 止空氣流動和燃料噴射中止為止。期望燃燒大約在空氣進口閥814關(guān)閉時燃料噴射停 止之后的若干微秒內(nèi)快速結(jié)束。應注意，通過由于燃燒期間的高壓縮空氣溫度和空氣 流受控的燃燒過程(其中進口閥是打開的)所致的短點火延遲可防止爆炸或不尋常高 峰值氣缸壓力。應了解，在給出本發(fā)明與燃氣輪機燃燒之間的相似性的情況下，當前 在所述技術(shù)中用于提高燃燒之前燃料和空氣的預蒸發(fā)和預混合且實現(xiàn)燃氣輪機中的低 污染物排放的機制可成功地用在所述引擎中。
為最小化效率損失，需要在進口閥814打開時氣缸916中的壓力應該與進入的壓 縮空氣的壓力大約相同或稍微低于所述進入的壓縮空氣壓力。需要實現(xiàn)此條件以補償 余隙容積-當活塞在上止點時氣缸916中活塞915與氣缸缸蓋919之間的容積-和與膨 脹機的空氣進口管道910相關(guān)聯(lián)的不可避免的"死區(qū)"及其他縫隙和容積的潛在降級 效應。參照圖14，通過有選擇地定時輸入和輸出閥的打開和關(guān)閉(如下文進一步所述)， 完全地再壓縮膨脹機排氣(如從1010到1060的路徑所示)或部分地再壓縮膨脹機排 氣(如從1080到1070的路徑所示)。再壓縮的程度取決于排氣閥317是在點1010 或1080處關(guān)閉。排氣的此再壓縮可逆地且絕熱地或等熵地用排放氣體填充余隙容積和 死區(qū)達到進口閥814處的空氣壓力或稍微低于所述空氣壓力的壓力。圖IIF中顯示當 氣體被再壓縮時，活塞離開下止點在圖14中1070與1060之間的一點處的位置。從不 再壓縮排放氣體的方面來說，進入的壓縮空氣填充余隙容積，從而增加流入到膨脹機 150中壓縮空氣的質(zhì)量且因此降低系統(tǒng)效率。通過將排氣再壓縮到進口空氣壓力水平， 進入的壓縮空氣不會填充余隙容積，因為此容積已經(jīng)被再壓縮的膨脹機排放氣體所填 充。
圖5和10分別顯示壓縮機和膨脹機在上止點處的te或余隙距離502、 1017和Vc 或余隙容積503、 1032。如以上論述中所建議，需要最小化所述參數(shù)來最大化系統(tǒng)效 率。因此，優(yōu)選地活塞面和氣缸缸蓋為大致平坦的且活塞面和氣缸缸蓋表面區(qū)域應最 小化，由此最小化所述表面處的熱損失且降低系統(tǒng)中總的"死區(qū)"。進一步優(yōu)選地最 小余隙間隙應盡可能小。理想地，通過減少余隙容積，壓縮機或膨脹機的包含管道或 類似物的總"死區(qū)"也減少到最小，即，少于氣缸容積最大時總裝置容積的3到5%。
如在圖9、 IO和12中所示和在以上論述中所建議，需要管道910具有平坦化的 或橢圓中心和出口端部分930，且定形并定位所述管道以使得到氣缸916的出口在活 塞的運動和面915的方向上較狹窄但在大致平行于氣缸缸蓋919的方向上較寬。需要 配置燃料噴射以配合此形狀，其中燃料噴射陣列可能在平行于氣缸缸蓋及/或?qū)Я髌?遮護板(其傳導噴射到所述形狀中)的平面內(nèi)以使得優(yōu)選地噴射被引導到平行于活塞 面及/或氣缸缸蓋的狹窄平面內(nèi)。
進一步參照圖14和11F且如以上所述，在點1410或1480處排氣閥和進口閥都 關(guān)閉。參照圖11A和B，進口閥814在點1470或1460處打開且壓縮空氣流到膨脹機816中。將燃料流計量供應到空氣流中并與空氣流混合，借助如上所述的火炬狀燃燒
和如上所述在點1460與1450之間的壓縮空氣溫度的相關(guān)聯(lián)增加，空氣流從如上所述 和圖11A中所示的點1460處的零速率增加到進口閥關(guān)閉的點1450處的最大，如圖11C 中所示。應注意，從點1460到1450壓力保持基本恒定，因為進口閥814仍打開著。 如在圖11C中所示，在點1450處，進口閥814關(guān)閉，同時排氣閥117保持關(guān)閉且活 塞繼續(xù)向點1440處的下止點附近移動。點1450與1440之間的過程基本上是可逆的且 絕熱的或等熵的。隨著氣缸容積增加，氣體壓力降低，且膨脹機吸取功，如圖14中所 示。優(yōu)選地，所達到的最小壓力大于周圍空氣壓力。如圖14D中所示，在點1440處， 排氣閥817打開。當排氣闊打開時，氣缸916中存在相當大的壓力且當活塞朝上止點 向回移動時(如圖IID中所示)排氣沖到周圍空氣或通過處于基本上恒定且接近周圍 空氣壓力的可選擇同流換熱器802。由于閥門、管道、同流換熱器802和排氣系統(tǒng)(未 顯示)中的壓力降，所述壓力可超過周圍環(huán)境。應注意，圖14中所示圖的點1440、 1430與1420之間的區(qū)域表示從膨脹機輸出的損失功。然而，"完全"膨脹所需的氣 缸容積使氣缸大小增加及因此重量和摩擦損失。另外，當系統(tǒng)中包含同流換熱器802 時，本發(fā)明的唯一特征是所述功的損失未必降低總效率，因為與點1430結(jié)果相比， 點1440處排氣處"釋放"熱含量的較高溫度可用于將進入的壓縮空氣加熱到更高溫度。 排氣閥817保持打開直到圖11F中所示的完成循環(huán)的點1410或1480為止。
作為圖14中所示的循環(huán)的替代，圖15顯示進口閥關(guān)閉后的燃料-空氣混合和燃燒 (對應于圖11C)可導致沿路徑1501的膨脹機峰值壓力的持續(xù)時間的增加。其還可導 致膨脹1502處于更高壓力和膨脹機功輸出的增加，但在模塊式引擎效率方面幾乎沒有 改變。在某些應用中可需要此增加功和動力輸出的方法。
更一般而言，應注意，膨脹機的輸入和輸出閥定時可變化以控制系統(tǒng)的壓力水平 和持續(xù)時間及最終動力輸出。參照圖16和17，氣體壓力圖1600對應于定時圖表1700， 1610對應于1710且1620對應于1720。當在1640、 1641、 1740、 1741處排氣閥關(guān)閉 且活塞接近上止點時，氣缸中的壓力開始提高。在點1643、 1642、 1743、 1742處在上 止點附近進口閥打開。壓力在點1645、 1651處之后立即達到最大，其中最大壓力幅度 取決于排氣閥關(guān)閉的定時。膨脹比且因此所做的功可通過修改點1622、 1612、 1646、 1722、 1712、 1746處進口閥關(guān)閉的定時來得到控制且尤其可在1610與1620的比較中 看出來。在點1647、 1648、 1649、 1747、 1748、 1749處排氣閥在下止點附近打開且在 點1650處又開始循環(huán)。
如同壓縮機級的情況一樣，膨脹機116可通過常規(guī)潤滑劑、周圍空氣流和通過壓 縮機結(jié)構(gòu)的冷卻劑流的組合得到冷卻。優(yōu)選地，冷卻劑流穿過熱交換器820 (其按常 規(guī)可由金屬制成)，其中通過周圍空氣流或通過其他適當方式冷卻冷卻劑流。冷卻膨 脹機并不會增加效率但是維持活塞環(huán)、軸承和其他移動部件的結(jié)構(gòu)整合和有效潤滑所 必需的。此冷卻保持組件溫度處于確保充分強度的水平。
如以上論述中所述，膨脹機模塊150可包含換熱器或同流換熱器802，其可以是小型金屬熱交換器，所述熱交換器執(zhí)行來自膨脹機816的出口閥817的低壓力、高溫 度排氣與來自壓縮機模塊100的出口閥112的高壓力、中溫度空氣流之間的熱交換。 所述兩個流動流并不混合，但以高有效性交換熱以使得在進口閥814處進入膨脹機的 空氣與膨脹機816的排氣溫度極接近。優(yōu)選地，隔絕同流換熱器802以最小化熱損失 且因此增加系統(tǒng)總有效性。
此外，應針對兩個流最小化壓力降以增加同流換熱器802的效率。而且，因為同 流換熱器802 (類似于以上所論述的中間冷卻器105、 113)基本上是平穩(wěn)流動裝置， 而壓縮機100和膨脹機150模塊是間歇流動裝置，因此同流換熱器802和其輸入814 處及輸出817處的管道系統(tǒng)必須具有足夠防止大于同流換熱器802中空氣壓力的可忽 略循環(huán)變化的空氣體積。為進一步最小化壓力變化，應該定相系統(tǒng)的輸入和輸出閥門 的定時以使壓縮機模塊100的最后空氣輸出或多或少與膨脹機模塊150的空氣進入同 時發(fā)生。盡管，通常，最后一個壓縮機級111和膨脹機150以相同的RPM運轉(zhuǎn)(由 共用曲軸199驅(qū)動)，但所述兩個模塊之間的理想相位定時關(guān)系可隨著增加的或降低 的RPM而變化，因此需要將RPM考慮在內(nèi)的定時最優(yōu)化。同流換熱器中的摩擦壓力 降通過同流換熱器空氣體積對減少排出壓縮機并進入膨脹機的流動過渡和高峰值流的 效應來最小化。
膨脹機和壓縮機進口閥桿油封
在本發(fā)明中，某些提動闊桿繼續(xù)暴露于高壓縮空氣壓力。此不同于在其它內(nèi)部燃 燒引擎中所使用的提動閥的情況，其中閥門桿在關(guān)閉時暴露于接近周圍環(huán)境的壓力。 即使在增壓式或渦輪增壓式引擎中，其中進口及/或排氣提動閥桿暴露于大致高于周圍 環(huán)境的壓力，壓力也不如關(guān)于膨脹機進口閥或壓縮機出口閥可能看到的那些壓力那樣 高。
例如，參照圖9，膨脹機進口閥914定位在膨脹機氣缸缸蓋中。如以上所述，其 功能是在或接近活塞上止點位置處打開并允許高壓力壓縮空氣進入膨脹機氣缸。進入 膨脹機氣缸的空氣與燃料混合且在此氣缸內(nèi)發(fā)生燃燒，從而大致上增加空氣燃料燃燒 產(chǎn)物混合物的溫度同時保持處于大約恒定的壓力，因為在燃燒的大部分時間期間空氣 進口閥是打開的。因此，闊門桿950總是暴露于來自壓縮機模塊100的輸出的高空氣 壓力。
相反，圖10顯示具有暴露于膨脹機氣缸壓力的閥門油封的進口閥設計。此是可 從可以是如約3000 psi高的峰值壓力到可以是接近周圍環(huán)境的排氣壓力變化的循環(huán)壓 力。
在圖5中所示的壓力機進口閥設計中發(fā)生類似的問題，其中進口閥550油封可暴 露于來自各個壓力機級的高壓縮空氣壓力。第一級活塞壓縮機可使用提動閥用于進口 和出口閥，且在此配置中出口閥桿將經(jīng)歷連續(xù)的高壓力。然而，在第二或隨后級中， 相同設計的活塞壓縮機在進口和出口閥550、 560桿二者處將經(jīng)歷連續(xù)的高壓力。
因此，優(yōu)選地，必須優(yōu)選地密封閥門桿以防止壓縮空氣或燃燒氣體通過閥門桿泄
14露出來，從而將降低引擎效率。此與圖5和13中所示的在氣缸壁處密封活塞類似，其 中活塞環(huán)515、 1316和潤滑劑防止通過活塞的氣體泄露。
參照圖18，閥門1800包含可使用具有與閥門桿1803緊密配合的一堆疊環(huán)1801 的油封設計，其中經(jīng)加壓潤滑劑1802在接近周圍壓力端處被饋送到此堆疊?？刹捎貌?形彈簧1805用于偏置且使用保持器1806用于將彈簧和閥門夾持在適當位置處。潤滑 劑允許閥門桿1803在環(huán)堆疊內(nèi)的低摩擦滑動，但也以適中速度的液體潤濕且涂覆所有 環(huán)和閥門桿表面，所述液體防止或最小化通過此密封的空氣或氣體泄露。需要增加潤 滑劑1802的壓力和流速，因為管道1810中的空氣壓力及因此閥門桿處的空氣壓力增 加。
動力輸出的控制和輔助壓縮機模塊
存在四種可用于控制引擎的動力輸出的方法。第一種是變化引擎的速度或RPM， 其中每個循環(huán)的純功輸出保持固定。
第二種，如以上結(jié)合壓縮機模塊所述，可改變壓縮機進口閥打開時間和膨脹機輸 入空氣質(zhì)量流速率和壓力且由此改變處于恒定引擎速度的每個循環(huán)的純功輸出。
第三種，如以上結(jié)合膨脹機模塊所述，可通過增加以固定進口壓力和恒定RPM 進入膨脹機的空氣量和體積(通過改變進口閥814的定時)來增加動力輸出。膨脹比 由進口閥814關(guān)閉來確定，因為在或接近下止點處排氣閥總是打開的。通過調(diào)節(jié)在不 同曲軸角度發(fā)生的進口閥關(guān)閉，可改變動力輸出，如參照圖16中的水平軸所示。具有 10的膨脹比的第一循環(huán)1610具有比具有20的膨脹比的第二循環(huán)1620高的膨脹機動 力輸出；從點1622的氣體膨脹提供比從點1612的膨脹少的P-V區(qū)域且因此少的功。 輔助壓縮機模塊
參照圖19，動力輸出控制的第四種方法利用輔助壓縮機模塊1900。打算將輔助 壓縮機模塊用于將空氣壓縮到高壓力且將此經(jīng)壓縮的空氣存儲在氣缸或罐中以供未來 使用。此使用可針對得益于能量存儲或引擎動力輸出的快速改變的那些引擎應用，例 如大多數(shù)的車輛應用。在互連處(特別是壓縮機模塊到膨脹機模塊的互連)使用相當 大的空氣累積器將使引擎過渡響應緩慢。所述輔助壓縮機模塊可使此過渡響應快得多。 其使用一個或一個以上級的活塞-氣缸裝置1901來壓縮從壓縮機級輸出或通過受控制 的進口閥1905從周圍空氣獲取的空氣。將此空氣壓縮到高壓力，或許2500到5000 psi。 通過受控制的出口閥1906釋放此經(jīng)壓縮的空氣并將其存儲在氣缸或罐1902中。在需 要時，此空氣以受控制的流動速率通過流動控制閥1910被饋送到壓縮機出口或膨脹機 模塊的進口。
輔助壓縮機可以是軸199，其由模塊式引擎膨脹機動力輸出軸194或車輛應用中 的車輪驅(qū)動軸，或由從引擎驅(qū)動的發(fā)電機或交流發(fā)電機接收電能的電機或由某些其他 源驅(qū)動。
如同壓縮機模塊的情況一樣，輔助壓縮機可在其空氣進口 1905之前使用中間冷 卻器(未顯示)以降低進入壓縮機的空氣溫度且由此降低壓縮空氣的具體體積和壓縮功。其還可使用熱交換器用于壓縮機冷卻。
進入到輔助壓縮機中的空氣可以處于連續(xù)的低流動速率直到達到壓縮空氣存儲 罐的容量；然后輔助壓縮機停止通過所屬技術(shù)領域的技術(shù)人員了解的方式吸入并壓縮 空氣，例如保持輔助壓縮機進口閥打開或使用離合器。
每當壓縮機模塊輸出壓力降低時(例如在引擎空轉(zhuǎn)的情況下模塊式引擎輸出扭矩 降低)，流到輔助壓縮機中的空氣可增加。此通過輔助壓縮機將空氣從壓縮機模塊輸 出移除更快速地降低壓縮機模塊輸出壓力。
輔助壓縮機可從模塊式引擎或從車輛驅(qū)動軸來吸取動力以幫助車輛減速，從而以 高壓力存儲在罐中的壓縮空氣的形式從減速中捕獲某些能量。此再生制動的形式可通
過提供存儲在罐中的壓縮空氣來補充或替代由壓縮機模塊壓縮的空氣來減少總的模塊 式引擎燃料消耗。
快速增加模塊式引擎動力輸出的需要(如在車輛加速中)可通過將壓縮空氣從壓 縮空氣存儲罐饋送到壓縮機輸出來得到滿足。此允許壓縮機出口空氣壓力快速增加， 從而導致模塊式引擎輸出扭矩快速增加。此使用來自罐的壓縮空氣降低引擎加速期間 (例如在車輛加速中扭矩和動力均增加)的壓縮機動力且降低總的模塊式引擎燃料消 耗，如以上所述。
尤其在引擎從高動力水平(高RPM和高膨脹機進口壓力)到低動力水平(低RPM 和低膨脹機進口壓力)或從低動力水平到高動力水平的不穩(wěn)定或過渡運轉(zhuǎn)的情況下， 系統(tǒng)會得益于使用包括空氣壓縮機和壓縮空氣存儲裝置的輔助壓縮機模塊。
參照圖1到8，當需要引擎以增加的動力水平運轉(zhuǎn)時，可使用空氣流控制閥1910 將所存儲的壓縮空氣計量供應到壓縮機模塊100中(具體來說在同流換熱器進口 112 處)以加強或替代離開最后壓縮機級111的壓縮空氣流。此空氣流加強快速提高同流 換熱器802中的空氣壓力且因此提高進入膨脹機模塊150的空氣中的壓力。此壓力的 快速增加使動力輸出快速增加。在沒有此空氣加強的情況下，過渡響應將完全依靠壓 縮機空氣質(zhì)量流增加，但此增加必須發(fā)生得足夠慢以至于允許膨脹機動力輸出比壓縮 機動力輸入快速地增加。由于同流換熱器中壓縮空氣的體積可相對較大，因此如果僅 由于增加的壓縮機空氣質(zhì)量流導致此壓力增加，那么提高同流換熱器中的壓力的時間 可能相當長。在所述情況下，壓縮機動力輸入增加，但其中膨脹機動力輸出增加延遲 以至于可能存在引擎動力輸出的暫時降低。因此，盡管變化或加強的空氣流入到同流 換熱器中的較慢速率將允許動力輸出的增加，但空氣加強可能實現(xiàn)快得多的增加。當 空氣加強用于增加同流換熱器壓力(也是最后一級壓縮機出口壓力)時，可控制到壓 縮機級的動力輸入以增加、保持相同或降低。主要壓縮機級的進口閥控制可用于調(diào)節(jié) 壓縮空氣質(zhì)量流速率。質(zhì)量流速率的適當降低可允許壓縮機輸入動力在空氣加強期間 保持相同或降低，同時膨脹機動力輸出和系統(tǒng)動力輸出增加。
降低引擎動力輸出來降低同流換熱器壓力水平需要利用或消散存儲在同流換熱
器中的壓縮空氣中的能量。輔助空氣壓縮機可從同流換熱器進口移除空氣且由此降低同流換熱器和膨脹機進口中的壓力，從而減少系統(tǒng)動力水平。然后，此壓縮空氣可存 儲在罐中以供動力增加過渡期間使用。
壓縮空氣存儲罐可具有約為最大壓縮機模塊輸出空氣壓力的1.2到2.5倍的壓力 水平。此最大壓力可以是約2000 psi，其中壓縮空氣存儲罐然后在或許2400 psi到5000 psi的范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)。
引擎的車輛用途還可通過使用輔助壓縮機來在制動期間消耗更多動力且壓縮更 多空氣以供未來使用于實現(xiàn)制動中損失的某些動能的回收。輔助壓縮機使用進口閥定 時來以與主要壓縮機級相同的方式控制每次循環(huán)所壓縮空氣的質(zhì)量。
雖然參照前述優(yōu)選的實例性來顯示并描述本發(fā)明，但所屬技術(shù)領域的技術(shù)人員應 了解，可在形式、連接及細節(jié)上對本發(fā)明做出各種改變，而不背離所附權(quán)利要求書所 界定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1、一種引擎，其包括空氣壓縮模塊，其包括至少兩個壓縮機，每一者具有壓縮機進口和壓縮機出口，其中所述壓縮機的至少一者包括第一活塞-氣缸裝置，其具有在所述進口處的壓縮機進口閥和在所述出口處的壓縮機出口閥；用于將壓縮空氣從所述第一壓縮機的所述壓縮機出口傳導到所述第二壓縮機的所述進口的構(gòu)件；及用于傳導來自所述第二壓縮機的所述出口的壓縮空氣的構(gòu)件；膨脹機模塊，其包括第二活塞-氣缸裝置，其具有可變?nèi)莘e，其中所述第二活塞-氣缸裝置包括氣缸，其界定缸蓋，活塞，其具有面，其中所述活塞在所述氣缸內(nèi)從其中所述面接近所述缸蓋且所述第二活塞-氣缸裝置的容積最小化的上止點位置到其中所述面移動離開所述缸蓋且所述第二活塞-氣缸裝置的容積最大化的下止點位置往復運動；管道，其具有在所述缸蓋附近進入所述氣缸中的一端處的第一開口和用于接收來自所述第二壓縮機的壓縮空氣的第二開口；膨脹機進口閥，其在所述管道的所述第二開口附近，用于控制壓縮空氣到所述管道中的流動，所述膨脹機進口閥在所述活塞在所述上止點位置處時打開且在所述活塞到達所述上止點位置與所述下止點位置之間的選定點時關(guān)閉；噴射器，其用于將燃料朝向其中燃料與壓縮空氣混合的所述第一開口噴射到所述管道中，點火構(gòu)件，其在所述管道中，用于當所述活塞在所述上止點位置附近時對燃料與壓縮空氣進行點火，借此所述燃料和壓縮空氣膨脹，從而朝向所述下止點位置驅(qū)動所述活塞且形成經(jīng)加熱排放氣體；且其中所述第二活塞氣缸裝置進一步包括膨脹機輸出閥，其在所述缸蓋的附近，用于控制經(jīng)加熱排放氣體的逐出，且其中所述輸出閥在所述活塞在所述下止點位置處時打開且在所述活塞朝向所述上止點位置移動時在選定點處關(guān)閉，從而允許排放氣體停留在所述氣缸中以被再壓縮；且其中所述引擎進一步包括用于傳導來自所述膨脹機出口閥的所述排放氣體的構(gòu)件。
2、 如權(quán)利要求1所述的引擎，其中所述膨脹機模塊進一步包括同流換熱器，所 述同流換熱器包括與用于傳導所述壓縮空氣的所述構(gòu)件和用于傳導所述排放氣體的所 述構(gòu)件成熱交換關(guān)系的熱交換器，借此加熱所述壓縮空氣。
3、 如權(quán)利要求1所述的引擎，其進一步包括中間冷卻器，用于在將所述壓縮空 氣從一個壓縮機的所述出口傳導到另一壓縮機的所述進口時冷卻所述壓縮空氣。
4、 如權(quán)利要求1所述的引擎，其中所述壓縮機模塊進一步包括用于冷卻所述至 少兩個壓縮機的冷卻構(gòu)件。
5、 如權(quán)利要求1所述的引擎，其中所述膨脹機模塊進一步包括用于冷卻所述缸蓋和所述氣缸的冷卻構(gòu)件。
6、 如權(quán)利要求1所述的引擎，其中所述壓縮機中的至少一者是葉片式空氣壓縮機。
7、 如權(quán)利要求6所述的引擎，其中所述葉片式空氣壓縮機通過由所述排放氣體 提供動力的渦輪機驅(qū)動
8、 如權(quán)利要求l所述的引擎，其中所述面和所述缸蓋各自包含隔絕材料。
9、 如權(quán)利要求8所述的引擎，其中所述隔絕材料包括定位在所述面和所述缸蓋 上的陶瓷板。
10、 如權(quán)利要求9所述的引擎，其中所述面和缸蓋進一步包括金屬箔。
11、 如權(quán)利要求l所述的引擎，其中所述面和所述缸蓋分別包含陶瓷涂層。
12、 如權(quán)利要求l所述的引擎，其中所述噴射器將燃料噴灑在大致平行于所述活 塞面的狹窄平面內(nèi)。
13、 如權(quán)利要求l所述的引擎，其中所述管道具有平坦化的中心和平坦化的第一 開口且經(jīng)定位以使得所述第一開口在大致平行于所述氣缸缸蓋的方向上最寬。
14、 如權(quán)利要求13所述的引擎，其中所述噴射器將燃料噴灑在大致平行于所述 氣缸缸蓋的狹窄平面內(nèi)。
15、 如權(quán)利要求l所述的引擎，其進一步包括輔助壓縮機，所述輔助壓縮機包含 壓縮構(gòu)件和用于容納由所述壓縮構(gòu)件產(chǎn)生的壓縮空氣的儲蓄器，用于有選擇地控制所 述壓縮空氣從所述儲蓄器中釋放的構(gòu)件，用于將所述儲蓄器中的所述壓縮空氣傳導到 用于傳導壓縮空氣的所述第一構(gòu)件的第二傳導器構(gòu)件。
16、 如權(quán)利要求l所述的引擎，其中所述膨脹機進口閥進一步包括用于控制所述 閥門的所述打開和關(guān)閉的定時構(gòu)件，借此可改變所述選定點。
17、 如權(quán)利要求16所述的引擎，其中所述定時構(gòu)件包括可以操作方式與所述膨 脹機進口閥連接的可旋轉(zhuǎn)凸輪。
18、 如權(quán)利要求16所述的引擎，其中所述定時構(gòu)件包括可以操作方式與所述膨 脹機進口閥連接的三維凸輪。
19、 如權(quán)利要求l所述的引擎，其中所述壓縮機進口閥進一步包括用于控制所述 閥門的所述打開和關(guān)閉的定時構(gòu)件。
20、 如權(quán)利要求19所述的引擎，其中所述定時構(gòu)件包括可以操作方式與所述壓 縮機進口閥連接的可旋轉(zhuǎn)凸輪。
21、 如權(quán)利要求20所述的引擎，其中所述定時構(gòu)件包括可以操作方式與所述壓 縮機進口閥連接的三維凸輪。
22、 一種引擎，其包括-空氣壓縮模塊，其包括至少兩個壓縮機，每一者具有壓縮機進口和壓縮機出口， 其中所述壓縮機的至少一者包括第一活塞-氣缸裝置，其具有在所述進口處的壓縮機 進口閥和在所述輸出處的壓縮機出口閥；用于將來自所述第一壓縮機的所述壓縮機出 口的壓縮空氣傳導到所述第二壓縮機的所述進口的構(gòu)件和用于當將所述壓縮空氣從一 個壓縮機的所述出口傳導到另一個壓縮機的所述進口時冷卻所述壓縮空氣的中間冷卻 器；及用于傳導來自所述第二壓縮機的所述出口的壓縮空氣的構(gòu)件； 膨脹機模塊，其包括第二活塞-氣缸裝置，其具有可變?nèi)莘e，其中所述第二活塞-氣缸裝置包括 氣缸，其界定缸蓋，活塞，其具有面，其中所述活塞在所述氣缸內(nèi)從其中所述面接近所述缸蓋 且所述第二活塞-氣缸裝置的容積最小化的上止點位置到其中所述面移動離開所 述缸蓋且所述第二活塞-氣缸裝置的容積最大化的下止點位置往復運動；管道，其具有在所述缸蓋附近進入所述氣缸中的一端處的第一開口和用于接收來自所述第二壓縮機的壓縮空氣的第二開口；膨脹機進口閥，其在所述管道的所述第二開口附近，用于控制壓縮空氣到 所述管道中的流動，所述膨脹機進口閥在所述活塞在所述上止點位置時打開且 在所述活塞到達所述上止點位置與所述下止點位置之間的選定點時關(guān)閉；噴射器，其用于將燃料朝向其中燃料與壓縮空氣混合的所述第一開口噴射到所述管道中，點火構(gòu)件，其在所述管道中，用于當所述活塞接近所述上止點位置時對燃 料與壓縮空氣進行點火，借此所述燃料和壓縮空氣膨脹，從而驅(qū)動所述活塞朝 向所述下止點位置且形成經(jīng)加熱排放氣體； 且其中所述第二活塞氣缸裝置進一步包括膨脹機輸出閥，其在所述缸蓋的附 近，用于控制經(jīng)加熱排放氣體的逐出，且其中所述輸出閥在所述活塞在所述下止點 位置處時打開且在所述活塞朝向所述上止點位置移動時在選定點處關(guān)閉，從而允許 排放氣體停留在所述氣缸中以被再壓縮；且其中所述引擎進一步包括用于傳導來自所述膨脹機出口閥的所述排放氣體的構(gòu) 件，且進一步包括同流換熱器，所述同流換熱器包括與用于傳導所述壓縮空氣的所述構(gòu) 件和用于傳導所述排放氣體的所述構(gòu)件成熱交換關(guān)系的熱交換器，借此加熱所述壓縮 空氣。
23、如權(quán)利要求22所述的引擎，其進一步包括輔助壓縮機，所述輔助壓縮機包 含壓縮構(gòu)件和用于容納由所述壓縮構(gòu)件產(chǎn)生的壓縮空氣的儲蓄器，用于有選擇地控制 所述壓縮空氣從所述儲蓄器中釋放的構(gòu)件，用于將所述儲蓄器中的所述壓縮空氣傳導 到用于傳導壓縮空氣的所述第一構(gòu)件的第二傳導器構(gòu)件。
全文摘要
一種引擎包含經(jīng)由曲軸耦合到膨脹機活塞和氣缸組合的兩個或兩個以上串聯(lián)連接的空氣壓縮機。中間冷卻器裝置放置在所述空氣壓縮機之間。來自所述壓縮機的壓縮空氣在其通過進口閥被引入到所述膨脹機氣缸內(nèi)之前流過熱交換器，在所述熱交換器處膨脹機排放氣體可對所述壓縮空氣進行加熱。在所述進口閥附近燃料與所述壓縮空氣以適合允許燃燒的量混合。輔助壓縮機允許有選擇地將額外的壓縮空氣引入到所述熱交換器中。
文檔編號F02B33/00GK101443535SQ200780013184
公開日2009年5月27日 申請日期2007年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月27日
發(fā)明者托馬斯·C·羅賓遜 申請人:托馬斯·C·羅賓遜