專利名稱：自由活塞式內(nèi)燃發(fā)動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及內(nèi)燃發(fā)動機，更具體地說，涉及自由活塞式內(nèi)燃發(fā)動機的改進。本發(fā)明使內(nèi)燃發(fā)動機擺脫已有內(nèi)燃發(fā)動機那種刻板的結(jié)構(gòu)限制的束縛。這是通過將自由活塞的特點、計算機控制和閥門及閥門執(zhí)行機構(gòu)的時間控制巧妙地結(jié)合起來，使發(fā)動機在很寬負載范圍內(nèi)按具體負載的最佳狀況運行。體現(xiàn)本發(fā)明精神的發(fā)動機對各部件和發(fā)動機操作參數(shù)的控制有很大自由，因此發(fā)動機以當(dāng)前發(fā)生的功率要求的最佳工況或接近最佳工況運行。
背景技術(shù)：
以液態(tài)石油產(chǎn)品為燃料的內(nèi)燃發(fā)動機長期以來是向各種汽車和固定機構(gòu)提供機械功率的支柱。這種發(fā)動機燃料轉(zhuǎn)換效率的改進已經(jīng)有不少進展。雖然，今天工業(yè)上生產(chǎn)和應(yīng)用的大部分內(nèi)燃發(fā)動機使用往復(fù)活塞，它們的運動受曲軸和連桿的限制，因此已經(jīng)出現(xiàn)了自由活塞式內(nèi)燃發(fā)動機。例如，在美國專利4,873,822；5,123,245；5,363,651；4,530,317；4,415,313及4,205,528中示出了自由活塞式內(nèi)燃發(fā)動機。不過這些發(fā)動機大部分以一個選定的功率輸出負荷條件設(shè)計和運行而具有高效率，因此有少量發(fā)動機只在一種負荷條件下使用、運行。大多數(shù)內(nèi)燃發(fā)動機提供的功率必須在從小功率到大功率一個很大范圍內(nèi)變化。
對內(nèi)燃發(fā)動機的效率和功率都很重要的三個參數(shù)是沖程，即位移，膨脹比和壓縮比。傳統(tǒng)的曲柄式內(nèi)燃發(fā)動機不允許對這三個參數(shù)中的任何一個做有控制的調(diào)節(jié)。內(nèi)燃發(fā)動機的效率還是壓縮比與膨脹比之比的函數(shù)。在傳統(tǒng)的內(nèi)燃發(fā)動機中沒有一個參數(shù)是可變的。內(nèi)燃發(fā)動機的功率與空氣的質(zhì)量流量成正比，空氣通過燃燒室與燃料適當(dāng)?shù)鼗旌?，因此功率也是活塞排氣量的函?shù)。但在曲柄式發(fā)動機中活塞排氣量是不可變的。
本發(fā)明的特征和目的是提供一種自由活塞式內(nèi)燃發(fā)動機，不僅其四個參數(shù)全都可以控制和改變，而且膨脹比和壓縮比也可互相獨立地調(diào)整。這就使發(fā)動機可在壓縮比與膨脹比不同的情況下工作，還能使發(fā)動機的位移或沖程受到控制。因此，在功率要求低時，本發(fā)明的發(fā)動機能以較其壓縮比大得多的膨脹比工作，因此它能在接近完全膨脹的情況下運行，從而其燃燒熱能有較大一部分被轉(zhuǎn)換成機械輸出功率。功率要求較高時，發(fā)動機的位移及膨脹比都可改變，以便獲得已知功率要求下的最大效率。
發(fā)明的簡要說明本發(fā)明是一種經(jīng)過改進的自由活塞式內(nèi)燃發(fā)動機，它有至少一個活塞在氣缸中做可調(diào)整但保持密封的往復(fù)運動，最好有兩個對動活塞在汽缸中沿相反方向做往復(fù)運動。每個活塞具有一可限制和確定中央燃燒室的端面。發(fā)動機還有一與活塞相連的驅(qū)動器，用于推動活塞通過其壓縮沖程。驅(qū)動器最好是一根彈簧，它作用于各活塞上且在活塞的膨脹沖程中貯存能量以便起到飛輪作用。本發(fā)動機還包括噴油嘴，還可以包括引燃用的電火花點火器。
本發(fā)明改進之處包括至少一個，最好是兩個燃燒室閥門。每個閥門位于伸展在燃燒室和地面大氣之間的通道上，用于控制燃燒室和地面大氣間的氣道。閥門關(guān)閉執(zhí)行機構(gòu)與至少一個燃燒室閥門相連?；钊恢脗鞲衅髋c閥門關(guān)閉執(zhí)行機構(gòu)相連且根據(jù)活塞在汽缸中的可調(diào)節(jié)和改變的選定位置相應(yīng)地關(guān)閉閥門，接收活塞位置信號的閥門開啟執(zhí)行機構(gòu)也與燃燒室閥門相連。兩燃燒室閥門的開閉基本上同步。最好有一增壓器或其它空氣推進器與通道相連，以便在燃燒室閥門開啟時對燃燒室驅(qū)氣并向燃燒室供應(yīng)空氣以維持燃燒。
運行時，在膨脹沖程理論端點附近閥門打開使燃燒室排氣。閥門開啟使燃燒生成氣體的膨脹結(jié)束，開始排出和驅(qū)除燃燒產(chǎn)物，并用一臺功率足夠的增壓器將燃燒室增壓。當(dāng)活塞處在可調(diào)節(jié)和改變的位置時，關(guān)閉閥門，結(jié)束換氣和驅(qū)氣，于是排氣結(jié)束，壓縮開始。
在可變負載狀況下，發(fā)動機調(diào)節(jié)不僅包括改變噴入燃燒室的燃油量，而且包括改變閥門開啟和關(guān)閉時的活塞位置，以滿足發(fā)動機的運轉(zhuǎn)要求，使發(fā)動機以相應(yīng)狀態(tài)的最大效率提供所需功率。
附圖簡要說明

圖1是說明本發(fā)明基本原理的方塊圖；圖2是說明本發(fā)明一個實施例的示意圖；圖3是說明本發(fā)明一備選實施例的示意圖；圖4示出本發(fā)明又一實施例；圖5、圖5A示出本發(fā)明再一個備選實施例；圖6、圖7、圖8是p/v(壓力/容積)圖，示出本發(fā)明實施例在低、中、高功率時的運行狀況；
圖9示出本發(fā)明另一實施例；圖10示出本發(fā)明另一實施例；圖11是本發(fā)明的多發(fā)動機實施例的方塊圖。
在說明附圖所示的本發(fā)明優(yōu)選實施例時，為了清楚起見需要借助于專用詞匯。但是本發(fā)明不僅局限于使用選用的專門詞匯，同時應(yīng)理解，每個專用詞匯包括一切以同樣方式起作用達到同一目的的技術(shù)同義詞。例如，經(jīng)常使用關(guān)聯(lián)字或相類似的術(shù)語。它們并不局限于直接連接而是包括那種被業(yè)內(nèi)人士認為功能相當(dāng)?shù)耐ㄟ^其它電路元件的連接。此外，示出的電路是一種對電子信號能完成眾所周知操作的電路。業(yè)內(nèi)人士認識到有許多，而且將來還要增加，備選電路是有同樣作用的，因為它們對信號可提供相同的操作。
詳細說明本發(fā)明的基本原理示于圖1。圖1所示自由活塞式內(nèi)燃發(fā)動機有一對活塞10和12，它們在氣缸14中可以滑動但能保持密封，且可做往復(fù)的反向運動?；钊?0的端面16與活塞12的端面18可限制和確定燃燒室20。
一驅(qū)動器22與活塞10相連，一同樣的驅(qū)動器24與活塞12相連，它們推進各自的活塞通過其壓縮沖程。這種驅(qū)動器為業(yè)內(nèi)人士所熟知且它們最好包括一蓄能器，用于貯存作功產(chǎn)生的膨脹沖程發(fā)生的能量并在壓縮沖程中將此貯能歸還給活塞，起到飛輪作用。推薦的驅(qū)動器是螺旋彈簧、氣壓彈簧、平板彈簧或其它在發(fā)動機選定的工作頻率下其彈簧常數(shù)能使活塞發(fā)生諧振的彈簧。另一方面，驅(qū)動器還可以是氣動、液壓、機械慣量或電氣的系統(tǒng)，用于以技術(shù)上已知的方法蓄能和返回能量。例如可用一部分輸出功率驅(qū)動液壓馬達，維持液壓油容器的高壓力以驅(qū)動液壓缸或其它用做驅(qū)動器22或24的液壓執(zhí)行機構(gòu)。
發(fā)動機還有一噴油嘴26，用于噴射高壓油，其結(jié)構(gòu)是現(xiàn)有技術(shù)中常見的。發(fā)動機最好有一點火系統(tǒng)28，如普通的火花塞，盡管點火可以靠對燃油的充分壓縮實現(xiàn)，就象在柴油機中常見的那樣。但是最好還是用高能放電裝置來點燃揮發(fā)性低的燃料，這樣發(fā)動機可以用各種燃料工作，如煤油、天然氣、柴油、汽油和氫氣。
活塞10上有一燃燒室閥門30，同樣，活塞12上也有一燃燒室閥門32。各燃燒室閥門分別與通道34、36相連接，因此，各燃燒室閥門控制著燃燒室20和地面大氣之間的氣體通路。燃燒室閥門30與一閥門執(zhí)行機構(gòu)38相連，燃燒室閥門32與一閥門執(zhí)行機構(gòu)40相連。雖然每個閥門執(zhí)行機構(gòu)通常既能關(guān)閉也能打開相應(yīng)的閥門，但可看出在本發(fā)明有些實施例中還可以將其中一個閥門，如閥門32，選用單向閥，而另一個閥門則用閥門執(zhí)行機構(gòu)關(guān)閉并靠氣體壓力打開。近年來，現(xiàn)有技術(shù)已開發(fā)出各種電空閥，它們動作迅速，也象本發(fā)明的燃燒室閥門一樣能很好工作。
至少其中一個活塞，即在圖1中的活塞10裝有活塞位置傳感器42，提供表示活塞位置的信號。業(yè)內(nèi)人士熟悉各種這樣的活塞位置傳感器。它們包括粘貼到螺旋彈簧上的應(yīng)變片，線性可變差接變壓器，或任何示于下列美國專利中的位置傳感器，其申請?zhí)枮?,342,176；4,926,123；4,912,409；4,866,378及4,864,322，特此作為參考文獻列于此?；钊恢脗鞲衅?2與信號處理電路44相連。信號處理電路44中包括模擬和數(shù)字轉(zhuǎn)換器，再接到數(shù)字計算機46上。所有傳動和控制功能元件均由計算機控制，這時新式的、慣用的內(nèi)燃發(fā)動機中這些功能元部件按傳統(tǒng)方法控制。
位置傳感器42、信號處理電路44和計算機46如同在本發(fā)明簡單實施例中與閥門執(zhí)行機構(gòu)38和40相連的活塞位置傳感器一樣起作用。在選定的活塞位置時，它們一起發(fā)信號給閥門執(zhí)行機構(gòu)38和40，以關(guān)閉閥門30和32。通常它們還可發(fā)出不同的信號給閥門執(zhí)行機構(gòu)38和40以打開這些閥門。還可向計算機46提供一控制輸入信號47，去控制發(fā)動機，如調(diào)節(jié)其功率輸出或沖程或其它一個或幾個參數(shù)。控制輸入信號47也可輸入反饋控制系統(tǒng)。
雖然當(dāng)活塞位置傳感器探測到選定的活塞位置時可用閥門執(zhí)行機構(gòu)直接打開燃燒室閥門30和32，但單向閥或其它壓力響應(yīng)閥則根據(jù)其兩側(cè)的壓差開啟與關(guān)閉。在燃燒室內(nèi)的壓力是活塞位置的函數(shù)，這種壓力響應(yīng)閥在本發(fā)明中對活塞位置是敏感的。
工作時燃燒室閥門30和32幾乎同時開和關(guān)，盡管由于慣性及氣動效應(yīng)未必嚴格同時發(fā)生。最好有一增壓器48，在燃燒室閥門30和32開啟時吹除燃燒室中的各種燃燒后的氣體，并且充入空氣以維持燃燒。增壓器48迫使壓縮空氣流經(jīng)通路36、閥門32、燃燒室20、閥門32及通路34。增壓器48也可在高于大氣壓力下運轉(zhuǎn)進行驅(qū)氣，它也可以是壓氣機，這樣不僅能驅(qū)氣，也能增加燃燒室中空氣質(zhì)量。
活塞10和12通過連桿50和52接到各自代表有用功率輸出的負載54和56。合適的負載是技術(shù)上熟知的，包括液壓泵、氣壓泵、發(fā)電機。負載中部分功率可用于推動發(fā)動機的輔助系統(tǒng)，如點火及電子處理系統(tǒng)、空氣增壓器及閥門執(zhí)行機構(gòu)。產(chǎn)生的液壓動力、氣動功率和電力也可貯存，通過技術(shù)上已知的蓄能器在起動時應(yīng)用。
本發(fā)明的運轉(zhuǎn)可用圖7的p/v圖加以說明?；钊?0和12在其往復(fù)運動途徑的最遠端，即末端位置相當(dāng)于圖7中的A點。閥門30和32在A點時打開，這時驅(qū)動器22和24將活塞10和12往里推向它們的中間位置。當(dāng)活塞沿壓縮/驅(qū)氣沖程上的初始驅(qū)氣段從A點往里移動到B點時不發(fā)生壓縮，而增壓器迫使燃燒產(chǎn)物離開燃燒室并以新鮮空氣重新加入燃燒室。當(dāng)活塞位置傳感器測得活塞位置在B點時，該傳感器促使閥門執(zhí)行機構(gòu)38和40關(guān)閉閥門30和32，這時壓縮開始。當(dāng)活塞從B點向C點移動時，壓縮繼續(xù)。C點一過，立即噴油、點火，至少繼續(xù)進行到接近D點。燃燒產(chǎn)生的熱能不斷使燃燒室中的氣體膨脹，因而推動活塞10和12沿膨脹沖程分開，到達A點時重新開始循環(huán)。
因此，在本發(fā)明中當(dāng)活塞位置接近膨脹沖程終點時燃燒室排氣，燃燒生成氣體停止進一步膨脹并開始排空燃燒產(chǎn)物和重新充氣到燃燒室。在可調(diào)節(jié)和變化的活塞位置B點上，閥門關(guān)閉，排氣結(jié)束，廢氣排盡，壓縮開始。本發(fā)明允許至少一個活塞，最好是兩個活塞，在閥門開關(guān)時的位置可以改變，以便按希望發(fā)生的輸出功率和/或效率的變化而開始和中止排氣。由于膨脹比是燃燒室閥門開啟時的活塞位置的函數(shù)，而壓縮比是燃燒室閥門關(guān)閉時的活塞位置的函數(shù)。因此膨脹比和壓縮比都可以單獨調(diào)整。因為活塞沖程是閥門開始和關(guān)閉時活塞位置及燃油量的函數(shù)，因此本發(fā)明不僅可以對壓縮開始時的活塞位置和膨脹結(jié)束時的活塞位置做獨立的直接控制，而且也可控制發(fā)動機沖程的位移或長度，即排氣量。
圖2示出的備選實施例中包括各種可替換部件，它們可置換到本發(fā)明其它實施例中。圖2中的發(fā)動機有一對在氣缸114中做往復(fù)運動的活塞110和112。每個活塞與抽氣裝置做成一體?；钊?10與活塞112相同，因此只需描述一個。輔助活塞116呈環(huán)狀形成在主活塞110上且在泵缸118內(nèi)做往復(fù)運動。該泵在結(jié)構(gòu)上很平常，是雙作用式的，泵上裝有進氣單向閥120、122和排氣單向閥124、126。該空氣泵用于將環(huán)境空氣送到高壓貯氣器128，此貯氣器成為在操縱閥門執(zhí)行機構(gòu)的氣動系統(tǒng)中應(yīng)用的儲壓器。在膨脹沖程中蓄能并在壓縮/換氣沖程中往里推動活塞的驅(qū)動器是一對作用螺旋彈簧130，其彈簧常數(shù)可使活塞110以發(fā)動機的設(shè)計工作頻率或接近此頻率發(fā)生諧振。
燃燒室閥門132的開閉是靠從高壓貯氣器128放出并作用于活塞134上的氣壓的進入和排放實現(xiàn)的。施壓與泄壓由角閥136控制，角閥136本身的動作又靠電磁線圈138在兩種狀態(tài)之間的切換?；钊恢脗鞲衅?40檢測到活塞的瞬時位置并將信號輸送到計算機和信號處理電路142，其檢測方式可配合圖1說明。高壓氣體經(jīng)角閥136送到缸壁上形成的環(huán)形槽144。此環(huán)形槽144與和氣動活塞134連通的進氣口146重合。環(huán)形槽144的軸向尺寸必須足夠?qū)捯灾略诨钊?10的沖程中與進氣口146保持連通。電磁線圈到它的第一狀態(tài)并轉(zhuǎn)動角閥136將貯氣器128中的壓力送到閥門執(zhí)行機構(gòu)的活塞134時，閥門132打開。當(dāng)電磁線圈轉(zhuǎn)換到其第二狀態(tài)并轉(zhuǎn)動角閥136將高壓氣體從環(huán)形槽144中放出，于是螺旋彈簧150迫使閥門132關(guān)閥，因此，活塞134、彈簧150、閥門136、電磁線圈138及高壓貯氣器128共同構(gòu)成閥門執(zhí)行機構(gòu)，該執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)答流體壓力源128給予的壓力并由介于其間的控制閥136控制。
活塞112中的燃燒室第二閥門152是一單向閥，它不需要單獨的閥門執(zhí)行機構(gòu)并可在本發(fā)明的實施例中選用。單向閥152是在膨脹沖程結(jié)束時由增壓器160及相連的吹除空氣瓶162施予壓力后才開啟的。燃燒室閥門132開啟后單向閥152兩側(cè)的壓差使增壓氣流經(jīng)進氣通道164進入燃燒室115，但在壓縮、燃燒和膨脹過程中阻止沿反向流動。
圖2還示出以傳統(tǒng)方式點火的普通火花塞電極偶166。
圖3示出本發(fā)明一備選實施例，它與圖2中的相同，但其供活塞210應(yīng)用的閥門執(zhí)行機構(gòu)中的彈簧212將燃燒室閥門214壓向開啟位置，在圖2中卻是壓向關(guān)閉位置。在圖3的實施例中，高壓貯氣器216的高壓氣體的作用是關(guān)閉燃燒室閥門214，而在圖2中是打開燃燒室閥門132，但其作用方式相同。但當(dāng)活塞210沿其膨脹沖程移動足夠的距離以致燃燒室中壓力下降到低于選定壓力時，燃燒室閥門214打開。準(zhǔn)確地說，當(dāng)彈簧壓力超過燃燒室閥門214凈壓差的作用力時，閥門214開啟。也可采用技術(shù)上熟悉的多種其它的閥門執(zhí)行機構(gòu)，包括凸輪與液壓閥致動系統(tǒng)及用電磁線圈直接驅(qū)動閥門。
圖4示出又一備選實施例，其備選的部件可用于本發(fā)明許多實施例。圖4示出的發(fā)動機有一對活塞310和312，它們在氣缸314中做往復(fù)運動但保持密封。在圖4的實施例中，燃燒室閥門316和318固定在燃燒室322的缸壁上且位于兩個活塞310和312之間的凸盤320中?；钊恢脗鞲衅?24可與活塞連桿326的外伸部分相連，外伸部分還與功率輸出設(shè)備328相連。雖然閥門316和318都由閥門執(zhí)行機構(gòu)按前述方法打開和關(guān)閉，但圖4中示出的燃燒室進氣閥316是一單向閥，將連同圖2及圖3一起說明。另一燃燒室閥門318由其相關(guān)的閥門執(zhí)行機構(gòu)330隨活塞位置傳感器324及其信號處理和計算機電路332(它們共同構(gòu)成活塞位置傳感器)開啟和關(guān)閉。
圖4還示出從燃燒室322排出的廢氣可通過渦輪334得到利用。渦輪的轉(zhuǎn)軸與產(chǎn)生電力的發(fā)電機336相連，以便從燃燒產(chǎn)物的膨脹中提取額外能量并將其轉(zhuǎn)換成電能供輔助系統(tǒng)使用。另一方面，如果活塞桿的動力被用來泵送流體，流體又推動渦輪，則其排氣可補充到此流體中，推動同一臺渦輪。
例如，圖10示出的優(yōu)選實施例包括在氣缸614中的自由活塞610和612。該實施例與其它圖上的實施例大致相同。但其燃燒室閥門616有一與信號處理和計算機電路620相連的電磁執(zhí)行機構(gòu)618。此外，渦輪622、交流發(fā)電機624、增壓器626相連在同一轉(zhuǎn)軸628上。做往復(fù)運動的自由活塞610和612產(chǎn)生的輸出功率提供給高壓氣泵630和632。這兩氣泵630和632的輸出氣體，以及燃燒過程產(chǎn)生的通過通道的廢氣都通向并驅(qū)動渦輪622。渦輪再經(jīng)過相連的公共轉(zhuǎn)軸628帶動發(fā)電機624和排氣增壓器622。本實施例中最后輸出的動力是發(fā)電機624的電力。另一方面，吹掃空氣可來自高壓氣泵630和632排出的一部分高壓氣體。
發(fā)電機可以這樣設(shè)計，在起動時由蓄電池供電起電動機作用，從而帶動排氣增壓器，向氣缸614進行初期充氣。這時建議在起動時用超速離合器使發(fā)電機與渦輪脫離。另一種方法是增壓器由其自身專用馬達驅(qū)動。
雖然為了清楚起見，在圖10上增壓器作為單獨部件畫在發(fā)動機以外處，但它可很好地與做好的活塞相接，成為自由活塞610和612端部的側(cè)緣，其形狀示于圖3中。圖11示出一多級發(fā)動機，它由多臺單獨的發(fā)動機710、712、714組成。每臺單獨的發(fā)動機即如圖1至圖10所示的本發(fā)明的一個實施例，已述于上。多級發(fā)動機可采用的這種單獨發(fā)動機的數(shù)量是任意的，盡管圖上只示出3臺。各臺單獨發(fā)動機中的活塞通過傳統(tǒng)的連桿機構(gòu)將輸出功率送到同一負載，如電力負載716。例如，活塞可以連接發(fā)電機720～730，再接至電力負載716。也可以是任何一種上述合適的備選功率輸出系統(tǒng)，如氣動液壓系統(tǒng)。各臺發(fā)動機710～714都以上述方式與唯一的一臺控制計算機732相連并受其控制。但各臺單獨發(fā)動機由計算機選擇啟用或停用，以便使選用的單獨發(fā)動機同步工作，可以選用一部分單獨發(fā)動機。這樣使圖11中的多級發(fā)動機可只以滿足現(xiàn)時負載要求所必須的那幾臺單獨發(fā)動機工作。該負載要求由計算機從負載要求探測器檢測，負載要求探測器與負載716相連并與計算機在輸入端733相連，提供負載要求信號。例如，如果負載716是電力負載，則在小負載時，電流、電壓或功率檢測器能起動一臺發(fā)動機，而負載增加，則增加發(fā)動機的臺數(shù)。同樣，如果負載是一輛由多級發(fā)動機驅(qū)動的汽車，則怠速時只需發(fā)動一臺單獨發(fā)動機，高加速度時開動全部發(fā)動機，市內(nèi)巡回駕駛則用部分發(fā)動機工作。
單獨發(fā)動機停用的方法是關(guān)閉其燃燒室閥門，使之保持在關(guān)閉位置。如在其它圖上所示，這樣可防止增壓器向燃燒室供應(yīng)助燃空氣。還關(guān)掉與噴油嘴連通的閥門740、742和744，防止燃油噴入停用的燃燒室。顯然還可用其它控制方法，如停止點火。閥門也可裝在增壓器通道內(nèi)。
圖6至圖8示出體現(xiàn)本發(fā)明精神的發(fā)動機的功率和效率的控制方法，包括改變在燃燒室閥門開啟或關(guān)閉時至少一個活塞的位置，最好是兩個活塞的位置，并控制噴入燃燒室的燃油量。圖6至圖8上的垂直軸的位置代表發(fā)動機的對稱中心，活塞離開該中心的位移由水平軸上的距離表示。圖6所示發(fā)動機在相對低的功率下工作，活塞在位置A時燃燒室閥門開啟，活塞在位置B時燃燒室閥門關(guān)閉，將A點在圖上向左移則活塞沖程減少，一般說供油也減少。
圖6和圖7示出很大比例燃燒室中的膨脹能用于推動活塞，從觀察可知，在A點時燃燒室閥門開啟，這時燃燒室壓力已基本上跌到增壓器入口充液壓力。
當(dāng)有大功率需要時，燃燒室閥門開啟位置A和關(guān)閉位置B可分別迅速向右移并增加噴油量。圖8所示A點位置已接近其極限，B點位置向右移很遠，以致D點到A點的膨脹沖程與B點到C點的壓縮/排氣沖程可以幾乎相等以提供大功率輸出，其中從D點到A點時，從膨脹氣體中抽取燃燒熱能，從B點到C點發(fā)生壓縮。A點以后，壓力下降快，因此已燃氣體的膨脹能有些損失。不完全膨脹帶來的損失通常很少，僅當(dāng)發(fā)動機工作狀態(tài)接近最大功率時才明顯。如果裝上廢氣渦輪，在通過渦輪膨脹時這種不完全膨脹能量甚至還可部分得到回收。雖然功率損失幾乎沒有傳統(tǒng)內(nèi)燃發(fā)動機中那么明顯，但實際尺寸的大功率發(fā)動機中這種損失是不可避免的。
圖5示出本發(fā)明又一實施例，雖然它不是最佳的但至少也是備選的。它靠柱形閥或滑閥的滑動構(gòu)件來控制燃燒室閥門410的關(guān)閉。圖5中，活塞412裝在氣缸414內(nèi)。有一對滑環(huán)416、418與氣缸同中心，但有足夠間隙，因此它們能沿軸向滑動到選定位置。高壓源420通到穿過滑環(huán)418的孔422。閥門驅(qū)動活塞424可在活塞412內(nèi)的一個相應(yīng)驅(qū)動氣缸426中密封地做往復(fù)運動。閥門驅(qū)動活塞424用連桿428與閥門410相連。在活塞412的移動過程中，通道432與孔422重合時氣缸426中的燃燒室430通過活塞通道432與高壓源420連通。這樣，氣源420的壓力迫使活塞424克服彈簧434的作用力打開燃燒室閥門410。同樣，當(dāng)活塞通道436與滑環(huán)416中的孔438相重合時，通道436與滑環(huán)416中的孔438連通，從而高壓源420施予燃燒室430的壓力被排放，因而彈簧434可迫使燃燒室閥門410關(guān)閉。
因此，滑環(huán)416和418的軸向位置決定燃燒室閥門410開關(guān)的活塞位置。
圖5A示出圖5上的實施例的p/v圖。理想地，閥門在圖5A中所示行程A的某處關(guān)閉，在行程B的某處打開，具體位置由發(fā)動機狀況決定。
圖9示出燃燒室閥門510打開位置的又一備選的控制方法。閥門510經(jīng)連桿520與凸輪隨動件522相連并被彈簧524壓向關(guān)閉位置。軸向可滑動的輔助指狀構(gòu)件526穿過活塞530上的孔532伸進到活塞530中間的腔528內(nèi)。
當(dāng)圖9中的活塞530充分向左移時，指狀構(gòu)件526與凸輪隨動件522嚙合，再往左運動便會迫使燃燒室閥門510打開。因此，圖9示出，燃燒室閥門這種純機械動作可以交替地進行。盡管圖9中的實施例有很大缺點，即在活塞做往復(fù)運動時閥門在同一位置開和閉，但原先熟悉該項技術(shù)的人士可借此應(yīng)用構(gòu)思其它相似的傳動機構(gòu)，使燃燒室閥門510仍可使用這種結(jié)構(gòu)在不同地點開和關(guān)。
價廉但功能強的計算機的出現(xiàn)使發(fā)動機燃燒及效率控制技術(shù)發(fā)生巨大變化。發(fā)動機控制已遠遠超出不久前靠簡單機械裝置所能達到的程度。例如，對油氣的混合應(yīng)用計算機控制噴射系統(tǒng)周而復(fù)始地進行調(diào)節(jié)，使燃燒效率達到最佳值。本發(fā)明發(fā)動機對于進氣和排氣閥的運動的控制有同樣深刻的進步，獲得從前不可能達到的方法。一個重要的例子是用閥門關(guān)閉時間來控制通過熱力循環(huán)的質(zhì)量流量，從而消除在目前常規(guī)火花點火發(fā)動機中浪費能源的節(jié)流過程。這些控制規(guī)律的技術(shù)細節(jié)及效果可見美國汽車工程師協(xié)會會刊上發(fā)表的論文。
本發(fā)明中任何一種已知的位置傳感器，如線性可變差動變壓器，或在活塞錐形部分上工作的近感傳感器，或能給出與活塞位置成正比的電壓的許多其它方法，都可向控制計算機提供活塞位置的信息。此外，計算機接收自檢測未燃燃料、一氧化碳、自由氧的傳感器發(fā)來的信息，和設(shè)計者希望獲取的其它信息，以便使燃料效率最高且污染減少?？刂朴嬎銠C因而可使功率符合發(fā)動機工況，以便使功率、效率和其它特性，如對功率變化的反應(yīng)能力達到最佳值。
體現(xiàn)本發(fā)明發(fā)動機的起動需要有輔助電源，如普通蓄電池?；钊詈渺o止在其內(nèi)部最接近的位置，雖然它們也可以位于主動彈簧放松狀態(tài)下的中間位置。
為了起動，控制器檢測到起動指令，將少量燃油噴入燃燒室，并在其中電火花點火，使活塞向外側(cè)極限位置移動。燃燒室在發(fā)動機停機時最后一個循環(huán)中已經(jīng)事先將廢氣清除?？刂破鞔蜷_排氣閥，將氣體排盡并從現(xiàn)有貯存的氣源或在抽氣時活塞的向外運動，或從由電動或液壓馬達或廢氣渦輪提供動力的專用增壓器產(chǎn)生吹除動作。活塞下一個循環(huán)便是上述的穩(wěn)態(tài)操作，正常地提供功率輸出。但閥門定時可先提供相對較短的沖程，然后閥門開關(guān)時的活基位置可隨沖程的增加而改變以達到穩(wěn)態(tài)操作這一點是特殊的。
正常運作時如果操作者需要加大功率，則使控制器噴入更多燃油，與此同時提早關(guān)閉燃燒室閥門，讓較多空氣通過熱循環(huán)。如果需要大功率，控制器在膨脹過程中提早將閥門打開，給予循環(huán)以較高的平均有效壓力，在廢氣中留下一些剩余膨脹能量，將它或在廢氣渦輪中回收或正如傳統(tǒng)發(fā)動機所做的那樣放入大氣。
如果要求降低功率，則控制器減少噴油量并且通過在吹除過程中推遲關(guān)閉燃燒室閥門使循環(huán)的空氣質(zhì)量減少。由于推遲打開排氣口，控制器可采用與其它要求相適應(yīng)的最大膨脹比。
如果功率需要低，控制器可切斷一對或幾對氣缸，只讓一對工作，使之在最佳效率下滿足需要。這樣，在市區(qū)行車時有三對活塞的汽車可以只用一對工作；使用一部分功率。當(dāng)要求最大功率時，控制器起動空載的那兩對，三對活塞同時以滿載工作。這種操作方法使本發(fā)動機比傳統(tǒng)發(fā)動機有更高機械效率，在傳統(tǒng)發(fā)動機中所有機構(gòu)均需工作，即使需要功率只占發(fā)動機總功率的一小部分。
燃油吸射速率不僅受功率控制，也受感測到的未燃燒料(表明噴入的燃油過?；蚩諝獠蛔?，和一氧化碳(也表明空氣不足)的控制。上述一切是眾所周知的，但本發(fā)明的自由活塞式發(fā)動機的靈活性能做到充分利用，是最佳方案，因為傳統(tǒng)的位置固定和閥門定時固定使發(fā)動機固定化而不可能做到上述操作。
雖然兩反向活塞是可取的，但本發(fā)明的原理也可用于單活塞的發(fā)動機，其沖程在所示發(fā)動機對稱點處結(jié)束。這樣的發(fā)動機可以有一個燃燒室閥門，雖然用兩個閥門更實用。若有兩個閥門，則發(fā)動機按上述方式工作。兩個閥門都可位于發(fā)動機蓋內(nèi)，也可位于活塞中，即前述附圖中所示的每個閥與通道相通的情況。如果采用單閥則不能完成排氣和增壓。在這樣的實施例中發(fā)動機必須以四沖程工作，而不能按上述的二沖程。因為在二沖程中，一個沖程完成燃燒和膨脹，而排氣、吸氣、壓縮都要在第二個沖程中完成。在四沖程方式工作時，燃燒和膨脹發(fā)生在一個沖程中，排氣在第二沖程，吸氣在第三沖程，壓縮在第四沖程。這樣對相同的沖程長度可有較高壓縮比，但需要較多貯能用于推動活塞通過排氣、吸氣、壓縮沖程。
現(xiàn)在可見，本發(fā)明有許多優(yōu)點。本發(fā)明提供的閥門定時可變性使膨脹比和壓縮比都可單獨調(diào)節(jié)，因此可使膨脹比大于壓縮比，且兩者比值也可控制。這使功率輸出可以改變，同時在各種功率水平下保持高的燃料效率。燃燒后氣體的充分膨脹或接近充分膨脹是可以做到的。充分膨脹使發(fā)動機相當(dāng)安靜，因為在燃燒室中壓力較低時打開閥門，見圖6和圖7。為了在低功率下運行，閥門定時在高效模式，包括怠速時也如此。閥門被定時在可提供的膨脹比高于壓縮比，并提供較短沖程。因此，本發(fā)動機是一低功率時的高效低位移的發(fā)動機。膨脹遠大于壓縮，使膨脹的能量得到回收，而不象在傳統(tǒng)內(nèi)燃發(fā)動機中在噪音和壓力急降狀態(tài)下被排出。這樣也能消除常規(guī)內(nèi)燃發(fā)動機固有的節(jié)流損失，因為在常規(guī)內(nèi)燃發(fā)動機中沖程或活塞排量始終不變。
對于大功率下運行而言，可提供壓縮比和膨脹比，且壓縮比幾乎與膨脹比相等，就如常規(guī)內(nèi)燃發(fā)動機那樣。隨著壓縮比及膨脹比和噴油量的增加，發(fā)動機就象具有大活塞排量和大位置的發(fā)動機那樣工作。壓縮比不可能完全和膨脹比一樣大，因為總有部分壓縮/排氣沖程必須用來排氣或增壓。
由于這些定時的改變可以用簡單的電子方法迅速改變?nèi)紵议y門打開位置來完成，因此可實現(xiàn)快速和大功率加速。雖然在大功率運行時效率比小功率時低，這是因為此時膨脹閥門工作在較高的循環(huán)壓力下且閥門在壓力降至大氣壓前就被打開，但是定時的控制提供的運行比目前可做到的更為有效。
實用、高效的自由活塞式內(nèi)燃發(fā)動機還有其它優(yōu)點，它可應(yīng)用空氣軸承，尤其用在活塞和氣缸之間可以不用油類潤滑劑?？諝廨S承之所以可以應(yīng)用是因為發(fā)動機沒有側(cè)向力，如曲柄機構(gòu)引起的側(cè)向力?？諝廨S承提供基本上不接觸的運動，不需軸承環(huán)，因此磨損極少，壽命最長。取消油類潤滑劑等于消除氣缸故障和排氣污染的一個重要來源。發(fā)動機無油運行和無側(cè)向力，因此可在高溫下運轉(zhuǎn)而無需傳統(tǒng)的冷卻夾套， 因而降低成本，提高效率，因為這時膨脹時的熱損失降到最低。
不同燃料需要不同的控制規(guī)則系統(tǒng)，包括燃燒室閥門開閉時活塞位置的不同，燃料吸射及開始點火的時間也不同。
為了以天然氣作為燃料，最好在圖6至圖8上的B點過后燃燒室閥門關(guān)閉時隨即噴射燃料，這樣氣體噴射在低壓下進行，燃料和空氣在點火前就混合良好。
按本發(fā)明制造的發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、成本低、壽命相對較長，特別可用做電動車輛的附屬動力源。本發(fā)明的自由活塞式內(nèi)燃發(fā)動機，其進排氣閥的定時可充分改變，噴油與點火的定時，活塞的排量也能充分改變，多缸發(fā)動機具有只用部分活塞工作而其余不工作的能力。一臺內(nèi)燃發(fā)動機的功率正比于燃燒室內(nèi)通過熱力循環(huán)的空氣質(zhì)量流率。因此在本發(fā)明的諸實施例中，功率與燃燒室閥門關(guān)閉、壓縮開始時的氣缸內(nèi)的氣體容積成正比。該容積在本發(fā)明諸實施中是可變且可控的。自由活塞的純線性運動消除了活塞上的側(cè)向力，因此可使用氣體軸承，不需要潤滑油。同時，由于表面無油，可應(yīng)用適當(dāng)?shù)母邷夭牧?陶瓷)作為缸壁，實現(xiàn)絕熱(無冷卻)運行。
雖然本發(fā)明的某些優(yōu)選實施例已做詳細披露，但應(yīng)理解，各種修改而仍脫離不了本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一個包含至少一個在氣缸中滑動并做往復(fù)運動的活塞，且活塞端面限制和確定該氣缸的燃燒室部分的自由活塞式內(nèi)燃發(fā)動機，它還包括一與該活塞相連且可推動活塞通過其壓縮沖程的驅(qū)動器，和一伸向燃燒室的噴油嘴，其改進之處包括(a)一燃燒室閥門位于伸展在燃燒室和地面大氣之間的通道中，用于控制燃燒室與地面大氣之間的氣流通道；(b)一與燃燒室閥門相連的閥門關(guān)閉執(zhí)行機構(gòu)；(c)一與閥門關(guān)閉執(zhí)行機構(gòu)相連的活塞位置傳感器，且根據(jù)氣缸中的選定的活塞第一位置相應(yīng)地關(guān)閉閥門；(d)一與燃燒室閥門相連的活塞位置響應(yīng)閥門開啟執(zhí)行機構(gòu)；其中，閥門的開閉操作可隨活塞位置而相應(yīng)改變，從而改變輸出功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機，其中閥門開啟執(zhí)行機構(gòu)包括一朝閥門開啟位置方向加壓的彈簧，用于根據(jù)燃燒室壓力降到低于選定壓力時由于彈簧作用力超過閥門的凈壓差而打開閥門。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機，其中所述的執(zhí)行機構(gòu)包括一液壓油缸，它響應(yīng)液壓源施于該液壓油缸的壓力且受置于其間的控制閥的控制，該控制閥與活塞位置傳感器相連并受其操縱。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)動機，其中活塞位置傳感器既檢測所述選定的活塞第一位置，又檢測活塞第二位置并操縱控制閥根據(jù)檢測到的活塞第二位置將燃燒室閥門打開。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的發(fā)動機，其進一步包括一第二燃燒室閥門，位于燃燒室和地面大氣之間的第二通道內(nèi)，用于控制燃燒室和地面大氣之間的氣流通路，所述的第二燃燒室閥門能勝任在所述第一燃燒室閥門打開時開啟，在所述第一燃燒室閥門關(guān)閉時關(guān)閉。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)動機，其中空氣增壓器與通道連通，用于迫使空氣在所述燃燒室閥門打開時通過氣缸。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的發(fā)動機，其中所述的第二燃燒室閥門是一單向閥，其指向可使流體流入燃燒室。
8.一多級發(fā)動機包括許多單獨發(fā)動機，每臺單獨發(fā)動機符合權(quán)利要求6，其中所述多級發(fā)動機中的諸活塞保持聯(lián)系以便將輸出功率供給同一負載，且其中各單獨發(fā)動機能獨立地運轉(zhuǎn)，以便使選定的單獨發(fā)動機能同步運轉(zhuǎn)，包括部分單獨發(fā)動機同步運轉(zhuǎn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的發(fā)動機，其中單獨發(fā)動機的閥門執(zhí)行機構(gòu)與計算機相連并受其控制，該計算機可依據(jù)負載需要有選擇地使選定的單獨發(fā)動機運行。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4中所述的發(fā)動機，其中第二對動活塞可在氣缸中滑動地做往復(fù)運動且其具有一可限制和確定燃燒室的端面。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的發(fā)動機，其進一步包括一第二燃燒室閥門置于燃燒室和地面大氣之間的第二通道內(nèi)，用于控制燃燒室和地面大氣之間的氣流通路，所述的第二燃燒室閥門能勝任在所述的第一燃燒室閥門打開時開啟，在所述的第一燃燒室閥門關(guān)閉時關(guān)閉。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)動機，其進一步包括一空氣增壓器，它安裝在發(fā)動機上并與所述燃燒室閥門之一的通道連通且當(dāng)燃燒室閥門打開時驅(qū)使大氣進入燃燒室，用于吹除燃燒廢氣并向燃燒室注入空氣。
13.一種多級發(fā)動機包括許多臺單獨發(fā)動機，每臺單獨發(fā)動機符合權(quán)利要求10的要求，其中所述多級發(fā)動機中的諸活塞保持聯(lián)系以便將輸出功率供向同一負載，且其中各單獨發(fā)動機能獨立運轉(zhuǎn)，以便使選定的單獨發(fā)動機同步運轉(zhuǎn)，包括部分單獨發(fā)動機同時運轉(zhuǎn)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的多級發(fā)動機，其中各單獨發(fā)動機的閥門執(zhí)行機械與一計算機相連并受其控制，該計算機可選擇性地使選定的單獨發(fā)動機按負載需要運轉(zhuǎn)。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的發(fā)動機，其中所述的第二燃燒室閥門是一單向閥，其指向使流體可流入燃燒室。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的發(fā)動機，其中所述的燃燒室閥門之一被固定在所述每個活塞的所述端面上。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的發(fā)動機，其還包括燃燒室中的電極，它形成一火花間隙并與引燃的放電電路相連。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的發(fā)動機，其中所述的執(zhí)行機構(gòu)包括液壓執(zhí)行機構(gòu)，它響應(yīng)液壓源供向液壓執(zhí)行機構(gòu)的壓力并由介于其間的控制閥控制，該控制閥與活塞位置傳感器相連并受其操縱。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的發(fā)動機，其中液壓源是一用泵注入壓縮氣體的蓄壓器，至少與一個活塞相連并驅(qū)動它。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的發(fā)動機，其中由液壓控制的閥門執(zhí)行機構(gòu)包括一與閥門相連的閥門傳動活塞，它在該活塞所在的氣缸內(nèi)做往復(fù)運動。
21.根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)動機，其中所述的執(zhí)行機構(gòu)包括電磁線圈，各線圈至少有兩種狀態(tài)，其一是打開相關(guān)的燃燒室閥門，其二是關(guān)閉相關(guān)的燃燒室閥門。
22.一種操作自由活塞式內(nèi)燃發(fā)動機的方法，該內(nèi)燃發(fā)動機包括至少一個活塞，該活塞具有一端面用于限制和確定氣缸中燃燒室部分，該活塞可在燃燒室的最大和最小容積之間滑動地做往復(fù)運動，該發(fā)動機還包括一與活塞相連的驅(qū)動器，用于推動活塞通過其壓縮沖程，該發(fā)動機還包括一與燃燒室連通的噴油嘴，所述的方法包括(a)在活塞位置靠近膨脹沖程末端時將燃燒室放空，以結(jié)束燃燒生成氣體的膨脹并開始排空燃燒產(chǎn)物；(b)在活塞處于某一位置時停止放空，結(jié)束排氣，開始壓縮；及(c)根據(jù)需要的輸出功率的變化，改變至少一個所述閥門相對于活塞位置的開閉作用。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中發(fā)動機的運轉(zhuǎn)包括當(dāng)輸出功率降低時，至少改變選定的兩個活塞位置中的一個，以增加膨脹位移與壓縮位移之比。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其進一步包括(a)當(dāng)活塞處于第一膨脹沖程結(jié)束位置時進行檢測；及(b)當(dāng)活塞處于上述第一位置時打開與燃燒室和地面大氣連通的閥門。
25.一種包括多臺單獨發(fā)動機的多級發(fā)動機，各單獨發(fā)動機符合權(quán)利要求22或23或24所述的發(fā)動機，其中所述的多級發(fā)動機的各活塞保持聯(lián)系以便將輸出功率供給同一負載，且其中單獨發(fā)動機可單獨運行，以便使選定的單獨發(fā)動機同步工作，包括部分單獨發(fā)動機同步工作。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的多級發(fā)動機，其中各單獨發(fā)動機的閥門執(zhí)行機構(gòu)與計算機相連并受其控制，該計算機可有選擇地使選定的單獨發(fā)動機隨負載要求運行。
全文摘要
一種自由活塞式內(nèi)燃發(fā)動機具有改進的閥門定時系統(tǒng)。一對反向布置的燃燒室通道34,36伸展在燃燒室20和地球大氣之間,每個通道上有燃燒室閥門30,32,用于控制經(jīng)過通道34,36的氣體流通。燃燒室閥門30,32基本上同步打開與關(guān)閉,以便單獨改變和控制發(fā)動機的壓縮比、膨脹比和沖程。當(dāng)閥門30,32打開時,燃燒室20排氣或以助燃空氣增壓;當(dāng)閥門關(guān)閉時開始壓縮。閥門打開和關(guān)閉時的活塞16,18位置的可變與控制可使發(fā)動機在功率輸出負荷大范圍中高效地工作。
文檔編號F02D13/02GK1261944SQ98806738
公開日2000年8月2日 申請日期1998年6月10日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月1日
發(fā)明者威廉·T·比爾 申請人:圣波爾股份有限公司