专利名称：一种具有包括通过压缩空气进行操作的多种操作模式的发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发动机，其可作为内燃机来运行，可作为产生压缩空气的压缩机来运行，以及还可利用所存储的先前产生的压缩空气来启动该发动机。
已经有相当的研究是关于具有在某些操作状态例如在城市交通状态下为零排放的发动机的车辆。许多研究已经集中在内燃机和电动机的结合使用，其中内燃机在城外被用来产生电力，该电力被存储以便后来在城内使用车辆的过程中启动电动机。当电动机单独运行时，为零排放。
本发明以不同的方式解决了提供能够以零排放操作的发动机的问题。
本发明一方面提供一种发动机，其包括可变容积腔；进气阀部件，控制增压空气进入该可变容积腔；燃料输送部件，用于输送燃料并使该燃料与进入可变容积腔的增压空气混合；排气阀部件，用于控制废气从可变容积腔排至大气，该废气是由于燃料和所进入的增压空气在可变容积腔中燃烧所致；其中发动机具有第一操作模式，其中进气阀部件允许增压空气进入可变容积腔内，燃料输送部件输送燃料，该燃料与所进入的增压空气混合，燃料和增压空气的混合物通过减少可变容积腔的容积而被压缩，所压缩的燃料和空气混合物燃烧，所燃烧的气体膨胀并对可变容积腔加压从而增加容积，所膨胀的燃烧气体经由排气阀部件从可变容积腔排至大气；其特征在于，所述发动机还包括存储压缩空气的容器，该容器与可变容积腔相连；和气体流量控制阀部件，控制可变容积腔和存储压缩空气的容器之间的空气流量；和其特征在于，所述发动机具有至少两种其它操作模式第二操作模式，其中进气阀部件允许增压空气进入可变容积腔，所进入的增压空气通过减少可变容积腔的容积而被压缩，气体流量控制阀部件允许压缩空气从可变容积腔流向所述容器从而存储于其内；和第三操作模式，其中气体流量控制阀部件允许压缩空气从所述容器流入可变容积腔，其后膨胀以对可变容积腔加压从而增加容积，所膨胀的空气随后被排向大气。
本发明的第二方面提供一种发动机，其包括多个可变容积腔；进气阀部件，控制增压气体进入可变容积腔；燃料输送部件，用于输送燃料并使燃料与进入可变容积腔的增压气体混合；排气阀部件，用于控制废气从可变容积腔排至大气，该废气是由于燃料和所进入的增压空气在可变容积腔中燃烧所致；其中，发动机可按多种不同操作模式操作多个可变容积腔中的至少一个；发动机可按第一操作模式操作每个可变容积腔，其中进气阀部件容许增压空气进入可变容积腔内，燃烧输送部件输送燃料，该燃料与所进入的增压空气混合，燃料和增压空气的混合物通过减小可变容积腔的容积而被压缩，所压缩的燃料和空气混合物燃烧，所燃烧的气体膨胀并对可变容积腔加压从而增加容积，所膨胀的燃烧气体经由排气阀部件从可变容积腔排至大气；其特征在于发动机还包括存储压缩空气的容器，该容器与多个可变容器腔中的至少一个相连；气体流量控制阀部件，控制至少一个可变容积腔与存储压缩空气的容器之间的气体流量；其特征在于，发动机可按至少两种其它操作模式操作多个可变容积腔中的至少一个第二操作模式，其中进气阀部件容许增压空气进入可变容积腔内，所进入的增压空气通过减少可变容积腔的容积而被压缩，气体流量控制阀部件允许压缩空气从可变容积腔流向所述容器从而存储于其内；第三操作模式，其中气体流量控制阀部件允许压缩空气从所述容器进入可变容积腔，其后膨胀以对可变容积强加压从而增压容积，所膨胀的空气随后被排向大气。
在本发明的第三方面，提供一种操作发动机的方法，该发动机具有多个可变容积腔，每个腔由气缸中往复运动的活塞限定，活塞与用于传递从发动机输出的功率的共用机构相连，所述方法包括以下述多种不同操作模式操作发动机第一操作模式，其中燃料和空气的混合物在每个可变容积腔中燃烧，所燃烧气体膨胀从而推动活塞移动，所膨胀的燃烧气体排向大气；所述方法的特征在于第二操作模式，在该第二操作模式中燃料和空气的混合物在至少第一可变容积腔中燃烧，所燃烧的气体膨胀从而推动相关活塞移动，所膨胀的燃烧气体排向大气，其中空气在至少第二可变容积腔被压缩，然后该压缩空气被传递至压缩空气的容器并存储于其中；第三操作模式，其中存储在所述容器中的压缩空气被容许进入至少一个可变容积腔，所进入的压缩空气被允许膨胀，接着所膨胀的气体排向大气。
本发明的第四方面在于提供一种阀机构，用于控制增压气体进入内燃机的发动机气缸内的流量，所述机构包括用于打开和关闭气缸的输送口的提升阀，气体经由该提升阀可在增压气体源和气缸之间流动，该提升阀具有阀头和阀杆；作用于阀杆上的驱动部件，用于驱动提升阀打开输送口；弹簧部件，用于偏压提升阀以关闭输送口；其特征在于阀杆上安装有活塞，该活塞可在内燃机中所设的阀杆腔内滑动；阀杆腔与增压气体源相连；由此阀杆腔中的增压气体对活塞施加一力，该力抵消了作用在提升阀上的力，所述的作用在提升阀上的力由于阀头背面受到来自增压气体源的增压气体的作用所致，所述的阀头背面背离露发动机气缸。
现在将参照附图描述本发明的优选实施例，其中
图1为根据本发明的多缸式内燃机的其中一个气缸的示意图；图2为图1所示的内燃机的顶面的示意图；和图3为图1或图2所示的内燃机中所使用的优选阀机构。
在图1中，示出了在气缸11内往复运动的活塞10，并用该活塞限定可变容积燃烧室12。两个进气阀13和14控制增压空气至燃烧室12的流量。气体流量控制阀15控制受压空气流向压力容器16以及从压力容器16流出，如后面将要描述的。排气阀17控制燃烧过的气体从排气通道18流出燃烧室，该排气通道将废气排向大气。喷射器33将燃料喷入燃烧室并且还包括火花塞。
四个阀13，14，15和17的每个与四个液压致动器19，20，21和22的每个相连，该液压致动器在与其一一关联的四个电操作控制阀23，24，25，26的控制下将阀13，14，15和17打开和关闭。每个控制阀23，24，25，26还与受压液压油的源27(例如，泵)和受压液体用的排放装置(例如机油盘，泵从该机油盘吸收液体)相连。控制阀23，24，25，26都是通过电子控制器29所产生的电信号控制，该电子控制器还产生控制信号，该控制信号与多个发动机操作参数(由多个未示出的传感器所探测的)相关以及与旋转传感器30所探测的活塞10在气缸11中的位置相关，该旋转传感器30与曲轴31相连并通过与活塞10相连的连杆32而被驱动旋转。
每个控制阀例如23可连接关联致动器例如19的上部腔从而接受来自泵27的增压液体，同时连接该关联致动器的下部腔从而使液体返回机油盘28，由此驱动相关阀例如13打开。每个控制阀例如23也可连接关联致动器例如19的下部腔从而接受来自泵27的受压液体，同时连接该关联致动器的上部腔从而使液体返回机油盘28，由此驱动相关阀例如13关闭。
设有活塞10和气缸11的发动机将具有例如三个其它气缸，这三个气缸内具有各自往复运动的各活塞，所有这些活塞都与共用的曲轴31相连，并且每个气缸都具有上述的液压致动阀，所有这些阀由共用的电子控制器29控制。
现在将说明上述发动机在汽车中的使用。
在正常的操作状态下，发动机的每个气缸将根据标准的四冲程进行操作。在进气冲程中，进气阀13和14打开以容许增压空气进入具有喷射器33的燃烧室内，该喷射器33将燃料喷入所接纳的空气中，然后在接下来的压缩冲程中将燃料和空气混合物压缩，接着火花塞33点火，于是该点燃的气体在动力冲程中膨胀，排气阀17随后在排气冲程中打开以允许燃烧过的气体从燃烧室排出。在四冲程操作的整个过程中控制器29使气体流量控制阀15保持关闭状态。
在部分负荷/低负载的状态下，四个气缸中的仅两个气缸根据标准的四冲程按上述方式进行操作。其它两个气缸例如气缸11变成现在将描述的压缩机。首先，控制器29根据所接收的信号探测是否存在适合的部分负荷条件。然后控制器29将控制致动器19，20，21，22，这样进气阀13和14打开在活塞10的每个下行冲程中以允许空气被吸入燃烧室12内。喷射器33保持不活动从而在活塞10的每个上行冲程中将燃烧室12中的增压纯净空气加压。接着，控制器29在该上行冲程中打开气体流量控制阀15以便允许燃烧室12中的受压的空气排至存储增压气体的压力容器16中。
当发动机采用两个气缸压缩空气而进行操作时，其余的根据四冲程进行操作的每个气缸使压缩空气的气缸开始工作。通过使燃烧气缸更努力工作，NOX和碳氢化合物的排放与部分负荷时所有气缸以标准的四冲程操作的情况相比可得到改善。电子控制器29将会根据给定设置的操作条件下的发动机，估算需要多少功率输出，然后确定所需的功率是否可通过操作部分数目的气缸来提供。
当发动机正减速并且发动机需要制动时，那么电子控制器29可将所有的气缸改转换成另一种模式，它们在该模式中作为上述的压缩机进行操作，在每个下行冲程中每个活塞吸入空气，在随后的上行冲程中将空气加压，随后将受压空气排至压力容器16中。车辆的的动量为空气的压缩提供能量。空气的压缩会吸收车辆的动能，因此这使车辆非常有效地减速。
压力传感器34测量燃烧室12中的气体压力。压力传感器35测量压力容器16中所存储的压缩空气的压力。压力传感器34和35将所测量的信号传递给电子控制器29，当可变容积燃烧室例如12中的压缩空气的压力大于压力容器16中的压力时，该电子控制器29仅打开各气体流量控制阀例如15。于是当容器16被完全加压时，那么电子控制器29使气体流量控制阀例如15保持闭合，并且随着空气被捕获使特定气缸的所有进气阀和排气阀也保持闭合，其中可变容积燃烧室充当气压弹簧(当例如两个气缸是活动的而另两个气缸不活动时，这在部分负荷状态下更可取)，或者可选择地，电子控制器29将操作以打开进气阀和排气阀以便允许空气被压缩，然后该压缩空气被排出至排放装置(这载车辆减速状态下更可取)。此外，压缩空气可在进气阀例如13，14的控制下经进气系统排入大气中，由于它是清洁的空气。这具有避免冷空气经过发动机排气系统中的催化转化器的优点(这会对催化转化器的温度降低至其工作温度之下有影响。)优选的是，发动机正操作的车辆具有自动变速箱。于是在车辆的制动过程中变速箱将自动变成低速比或最低速比，从而增加旋转比率，因此压缩空气的工作完成并由此达到再生制动。由于速比会随着车辆速度连续改变，连续可变的变速箱将是理想的。可采用电力传动，但任一自动变速箱便足够。
在四轮驱动的变速箱的情况下，如果能量传送速率超过锁定其中一轴的车轮所需的力，制动能量仍可被分配在其它轴和充当压缩机的发动机之间。连续可变的变速箱也可被构造成改变速比以便当应用制动器时(在电子控制系统的控制下)传送更多的再生制动功率。
当发动机在制动过程中作为压缩机工作时，使用两冲程，在气缸中的活塞的每个下行冲程中，空气被吸入每个工作气缸内，在气缸中的活塞的每个上行冲程中，压缩空气被排出每个工作气缸。
一旦存储的压缩空气已经积累在压力容器16中，那么压缩空气可用来启动发动机。当车辆初始启动或当车辆沿着交通条件慢行时，可能这可进行。在这种操作模式中，发动机将作为气动发动机操作并且控制器29将使每个气缸的进气阀(例如13，14)关闭，然后将控制气体流量控制阀15和排气阀17的打开和关闭，这样压缩空气被容许从压力容器16进入燃烧室12从而将活塞10向下推动，然后膨胀的气体在随后的上行冲程中从燃烧室12排向排气装置18。可选择地，清洁的膨胀气体在进气阀例如13，14的控制下可经由进气系统排至大气。
由于压缩气体的储能永久可用，为了在运转中启动车辆，理想的是在发动机的启动过程中使用压缩气体。这将有助于改善排放，因为在发动机启动过程中排放通常不佳。此外，所存储的压缩气体允许车辆无离合启动。然而，在内燃机驱动车辆之前必须允许该内燃机燃烧和旋转，在启动的过程中当压缩空气用于驱动活塞时，发动机的活塞可与驱动轴相连，因此无需离合操作。
要考虑到当车辆从静止启动时，发动机可能会操作从而它以气动模式启动，然后转变成低载状态，在该低载状态中其中两个气缸可气动操作，另两个可通过内燃机四冲程进行操作，然后所有的气缸在车辆加快速度时以四冲程操作。
采用本发明的发动机，可以消除发动机空转的需要。当车辆停止时，发动机就停止。当车辆需要再次开始移动时，发动机可首先以气动模式操作，如上所述。总而言之，这消除了发动机的空转，并且使燃料的效率很高。
电子控制器29将继续监测压力容器16中所存储的气体的水平，并且将改变发动机的操作从而将压缩气体提供给压力容器，不论何时注意到所存储的供给气体被耗尽。
要考虑的是容器16为轻质塑料压力容器，该容器将容纳10-20巴的受压空气。所述容器的大小为使存储的压缩气体足以能够令车辆行进3-5英里。典型的容器可存储140升压缩空气。
在上述系统的一种变型中，第二泵可用来将压缩气体的压力从发动机以气动模式操作时所提供的20巴增加至200巴。然而，这涉及附加的复杂性，因为必须有一个较重的存储容器(例如钢)，并且必须使用由发动机驱动的独立压缩机。
作为第二泵的另一用途是在空气从气缸输出后升高气压，空气在发动机的气缸中被压缩之前，发动机驱动的增压器(或电子驱动的增压器)可用于压缩空气。
在上述的发动机由压缩空气启动的操作中，每个工作气缸已经描述为运行两个冲程，其中压缩空气随着活塞在工作气缸中的每个下行冲程而使气体膨胀，所膨胀的气体随着活塞在工作气缸中的每个上行冲程而排出。然而，四冲程可用于每个工作气缸，其中进气阀在进气冲程打开，然后经由进气阀引入的增压空气在压缩冲程中被压缩，然后该受压的气体在动力冲程中被引入工作气缸并膨胀。最后，所膨胀的气体在排气冲程中排出工作气缸，或者经由排气阀排出或经由一个或多个进气阀进入进气系统。采用四冲程可增加发动机的效率。
存储在压力容器中的增压气体可在气缸中燃烧而不是在其中膨胀，采用给其提供的直接燃料喷射系统，其中将燃料直接输送给工作气缸以使其与气缸中的空气混合。这具有从本发明发动机所启动的车辆的原地起步就增强性能的能力。而且，如果发动机为涡轮增压器，那么使用来自所述容器的增压气体可减少一般由涡轮增压器发动机带来的滞后。为了允许这种可能性，发动机需要以四冲程操作，其中在每个进气冲程中，经由气体流量控制阀从受压空气的压力容器将增压空气引入气缸。全部的增压空气可从所述容器提供，或者可选择地，在进气冲程的一开始就打开进气阀，然后随着气体流量控制阀在进气冲程的后部分打开，该进气阀关闭从而以增压压力引入空气。进气阀和气体流量控制阀不会同时打开。当所有的增压空气来自于增压气体的压力容器时，进气阀在每个进气冲程的全部过程中保持关闭。
采用多缸式气缸，可以实现双重(或三倍)压缩和膨胀。如果这些气缸通过其外部的管道以适当的方式连在一起，那么可在第一气缸中将空气压缩至第一水平，接着在第二气缸中将空气压缩至第二水平，接下来在第三气缸中将空气压缩至更高水平。同样地，来自所述容器的压缩空气可在其中一个气缸中膨胀至第一程度，然后随着所排出的气体在另一气缸中再次膨胀至更高的第二程度而排出，最后，两次排出的气体在又一个气缸中又一次膨胀至第三程度。这仅在具有相对于彼此以特定方式定相移动的活塞的发动机中可行，但在可能的情况下会提高效率。
虽然在上文描述了本发明可在活塞发动机中实施，本发明还可用于任何旋转装置例如转子式发动机(像汪克尔发动机)或者可使用任何其它具有用作燃烧室或压缩室的可变容积腔的发动机。因此在例如转子式发动机的场合，说明书和权利要求中所涉及的“冲程”应理解为，包括增加发动机中燃烧室容积增加的时间以及将燃烧室容积减少的时间，所述的发动机的气缸中没有活塞滑动。“下行冲程”应理解为，包括增加无活塞的发动机中可变容积燃烧室的容积的时间。“上行冲程”应理解为，包括减少无活塞的发动机中可变容积燃烧室的容积的时间。
将本发明发动机所驱动的车辆与内燃机和电动机相结合所驱动的车辆相比，本发明的结构更简单。不需要发电机或电动机或蓄电池。这些物品中的每个也都很昂贵，所以本发明具有成本较低的优点。
图3示出了上述内燃机中使用的优选阀机构，用以控制从可变容积燃烧室(例如12)至压力容器16的增压气体的流量。
关键是提供一种阀机构来控制增压气体的流量，而不必采用很高的弹簧负载，从而使提升阀(图3中的115)把作用在阀头115A背面上的气压拒之门外。
阀机构包括平衡活塞116，其安装在阀杆115上并与阀杆一起移动。平衡活塞116可在气缸盖118上所设置的阀杆腔117内滑动。弹簧119设置在阀杆腔117中并在该腔117的下表面与平衡活塞116之间作用，以便将提升阀115偏压至靠近输送口的位置从而防止空气在燃烧室112与空气存储器(图3中未示出)之间流动。
另外从图3可以看出，为了打开阀杆115以允许空气沿着输送通道121在燃烧室112和空气存储器之间流动，液压致动器的致动器活塞120撞击阀杆115端部。从该图中可以看出，密封件122防止空气经过平衡活塞116流出阀杆腔117。
阀杆腔117经由连接通道123与输送通道121相连，该连接通道中设有隔离阀124，该隔离阀124的操作由电子控制器(图中未示出)控制。
作用在阀头115A的背面上的力等于Px(VS供给压力)与提升阀115的背面面积也即Av.的乘积。该力在所述阀机构中被施加至平衡活塞116的平衡力抵消了。这种平衡力为供给压力Px与平衡活塞的面积Ap.的乘积。因此，平衡活塞的面积Ap.选为等于或基本等于面积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阀115背面上的力。
由于阀机构中采用力平衡，可使用很小的阀弹簧力，因此几乎不需要液压致动器作用就可操作提升阀115。
在图3中，示出了隔离阀124。该阀可用来保持阀杆腔117中的气压。它可用来更改施加于阀头115A上的开启力与作用在平衡活塞116下侧的阀闭合力之间的平衡。然而，这种隔离阀是任选的，它可以令管道123保持阀杆腔117和输送通道121之间的永久连接，所以，相同的压力总是施加于阀头115A的背面和平衡活塞116上。
如上所述，需要两个气密件122。其中一个密封件在平衡活塞116和环绕的腔膛之间的界面滑动。另一密封件固定于提升阀115、气门锁片125和平衡活塞116构成的组件内。
图3中的阀机构的主要优点在于，使液压致动器120能够克服弹簧119的预载而打开阀需要较低的液压(并因此而需要较少的功率)。因此节约了更多的能量(例如在制动过程中)而未在液压致动系统中造成浪费。
如上所述，当气缸112中的压力Pp等于输送通道121中的气体压力Px时，提升阀115将理想地打开，从而使节流(并因此泵送)损失最小，并因此最大程度地节约了能量。
权利要求
1.一种发动机，包括可变容积腔；进气阀部件，控制增压空气进入该可变容积腔；燃料输送部件，用于输送燃料并使该燃料与进入可变容积腔的增压空气混合；排气阀部件，用于控制废气从可变容积腔排至大气，该废气是由于燃料和所进入的增压空气在可变容积腔中燃烧所致；其中发动机具有第一操作模式，其中进气阀部件允许增压空气进入可变容积腔内，燃料输送部件输送燃料，该燃料与所进入的增压空气混合，燃料和增压空气的混合物通过减少可变容积腔的容积而被压缩，所压缩的燃料和空气混合物燃烧，所燃烧的气体膨胀并对可变容积腔加压从而增加容积，所膨胀的燃烧气体经由排气阀部件从可变容积腔排至大气；其特征在于，所述发动机还包括存储压缩空气的容器，该容器与可变容积腔相连；和气体流量控制阀部件，控制可变容积腔和存储压缩空气的容器之间的空气流量；和其特征在于，所述发动机具有至少两种其它操作模式第二操作模式，其中进气阀部件允许增压空气进入可变容积腔，所进入的增压空气通过减少可变容积腔的容积而被压缩，气体流量控制阀部件允许压缩空气从可变容积腔流向所述容器从而存储于其内；和第三操作模式，其中气体流量控制阀部件允许压缩空气从所述容器流入可变容积腔，其后膨胀以对可变容积腔加压从而增加容积，所膨胀的空气随后被排向大气。
2.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，所膨胀的空气经由排气阀部件排至大气。
3.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，所膨胀的空气经由进气阀部件排至大气。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的发动机，具有第四操作模式，其中进气阀部件允许增压空气进入可变容积腔，所进入的增压空气通过减小可变容积腔的容积而被压缩，排气阀部件允许压缩空气被排至大气。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的发动机，具有第四操作模式，其中进气阀部件允许增压空气进入可变容积腔，所进入的增压空气通过减少可变容积腔的容积而被压缩，进气阀部件允许压缩空气被排至大气。
6.根据权利要求4或5所述的发动机，具有第五操作模式，其中通过关闭所有的进气阀部件、排气阀部件和气体流量控制阀部件而将空气或燃烧过的气体捕获于可变容积腔中，并且其中具有所捕获的空气或燃烧过的气体的可变容积腔用作气压弹簧。
7.根据权利要求6所述的发动机，其特征在于，发动机以第五操作模式操作的同时燃料输送部件不活动。
8.根据权利要求4，5，6或7中任一项所述的发动机，其特征在于，发动机以第四操作模式操作的同时燃料输送部件不活动。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的发动机，具有第四操作模式，其中气体流量控制阀允许压缩空气在发动机的进气冲程中从所述容器进入可变容积腔以便与燃料输送部件所输送的燃料混合，其中燃料和压缩空气的混合物通过减少可变容积腔的容积而被进一步压缩，该进一步压缩的混合物燃烧并随后膨胀以促使可变容积腔的容积增加，所膨胀的燃烧气体经由排气阀部件排至大气。
10.根据权利要求9所述的发动机，其特征在于，在第四操作模式中，进气阀部件在发动机的进气冲程中打开以允许增压空气在进气冲程的开始阶段被吸入可变容积腔内，然后进气阀部件关闭，随后气体流量控制阀部件打开以允许压缩空气进入可变容积腔内从而与先前经由进气阀部件所进入的空气混合。
11.根据先前任一项权利要求所述的发动机，其特征在于，当发动机以第三操作模式操作时，发动机可操作两冲程，其中气体流量控制阀部件允许压缩空气在每个下行冲程中进入可变容积腔。
12.根据权利要求11所述的发动机，其特征在于，当发动机以第三模式操作时，发动机可操作四冲程，其中在进气冲程中，进气阀部件允许新的增压空气被吸入可变容积腔，在压缩冲程中，经由进气阀部件所进入的增压空气被压缩，在动力冲程中，气体流量控制阀允许压缩空气进入可变容积腔以补充先前在压缩冲程中被压缩的空气，在排气冲程中，所膨胀的气体从可变容积腔排出。
13.根据先前任一项权利要求所述的发动机，其特征在于，发动机以第二操作模式操作的同时燃料输送部件不活动。
14.根据先前任一项权利要求所述的发动机，其特征在于，发动机以第三操作模式操作的同时燃料输送部件不活动。
15.根据先前任一项权利要求所述的发动机，其特征在于，在可变容积腔中被压缩的空气在发动机的第二操作模式中被压缩至10-20巴的压力。
16.根据先前任一项权利要求所述的发动机，其特征在于，所述容器包括轻质塑料的压力容器。
17.根据权利要求1-15中所述的发动机，还包括由发动机启动的泵，该泵接收从可变容积腔排出的压缩空气并在压缩空气传输至所述容器之前将该气体进一步压缩。
18.根据权利要求10所述的发动机，其特征在于，泵使压缩空气的压力从初始的10-20巴升高至100-100巴的更高压力。
19.根据权利要求1-15中任一项所述的发动机，还包括发动机驱动的增压器，该增压器对经由进气阀部件进入可变容积腔的增压空气加压。
20.根据权利要求1-15中任一项所述的发动机，还包括电子驱动的涡轮增压器，该涡轮增压器对经由进气阀部件进入可变容积腔的增压空气加压。
21.根据权利要求17-20所述的发动机，其特征在于，所述容器包括钢制的压力容器。
22.根据先前任一项权利要求所述的发动机，其特征在于，可变容积腔限定在活塞与环绕的气缸之间，活塞在该气缸中往复运动并与发动机的曲轴相连。
23.根据先前任一项权利要求所述的发动机，其特征在于，进气阀部件、排气阀部件和气体流量控制阀部件中的每个包括由其专用的液压致动器操作的阀，所有的液压致动器由共用的电子控制器控制，电子控制器接收来自多个传感器的信号并改变液压致动器的操作，由此操作阀以便在发动机的操作模式之间切换发动机的操作。
24.一种包括权利要求23所述的发动机的车辆，其特征在于，多个传感器包括测量与车辆运动有关的参数的传感器，和测量存储在所述容器中的空气压力的传感器，其中，在检测到车辆正在减速同时容器被消耗的过程中，电子控制器改变液压致动器的操作从而使发动机以第二操作模式操作。
25.根据权利要求24所述的车辆，具有可变速比的自动变速箱，其中当车辆减速时电子控制器控制变速箱以降低速比，从而增加发动机的旋转速度。
26.一种包括权利要求24或25所述的发动机的车辆，其特征在于，多个传感器包括测量与车辆运动有关的参数的传感器，和测量存储在所述容器中的空气压力的传感器，在检测到所述阀正在减速同时所述容器为充满的过程中，电子控制器改变液压致动器的操作从而使发动机以第四操作模式操作。
27.一种包括权利要求24所述的发动机的车辆，其特征在于，多个传感器包括测量与车辆运动以及驾驶员需求有关的参数的传感器，在检测到所述车辆为静止和驾驶员希望车辆开始移动的过程中，电子控制器控制液压致动器的操作从而使发动机开始以第三操作模式操作，然后随着车辆速度增加，液压致动器的操作发生改变从而使发动机切换至第一操作模式。
28.根据权利要求27所述的车辆，其特征在于，车辆在不使用离合器的情况下开始运动。
29.一种发动机，包括多个可变容积腔；进气阀部件，控制增压气体进入可变容积腔；燃料输送部件，用于输送燃料并使燃料与进入可变容积腔的增压气体混合；排气阀部件，用于控制废气从可变容积腔排至大气，该废气是由于燃料和所进入的增压空气在可变容积腔中燃烧所致；其中，发动机可按多种不同操作模式操作多个可变容积腔中的至少一个；发动机可按第一操作模式操作每个可变容积腔，其中进气阀部件容许增压空气进入可变容积腔内，燃烧输送部件输送燃料，该燃料与所进入的增压空气混合，燃料和增压空气的混合物通过减小可变容积腔的容积而被压缩，所压缩的燃料和空气混合物燃烧，所燃烧的气体膨胀并对可变容积腔加压从而增加容积，所膨胀的燃烧气体经由排气阀部件从可变容积腔排至大气；其特征在于发动机还包括存储压缩空气的容器，该容器与多个可变容器腔中的至少一个相连；气体流量控制阀部件，控制至少一个可变容积腔与存储压缩空气的容器之间的气体流量；其特征在于，发动机可按至少两种其它操作模式操作多个可变容积腔中的至少一个第二操作模式，其中进气阀部件容许增压空气进入可变容积腔内，所进入的增压空气通过减少可变容积腔的容积而被压缩，气体流量控制阀部件允许压缩空气从可变容积腔流向所述容器从而存储于其内；第三操作模式，其中气体流量控制阀部件允许压缩空气从所述容器进入可变容积腔，其后膨胀以对可变容积强加压从而增压容积，所膨胀的空气随后被排向大气。
30.根据权利要求29所述的发动机，其特征在于，在第三操作模式中，所膨胀的空气经由排气阀部件排向大气。
31.根据权利要求29所述的发动机，其特征在于，在第三操作模式中，所膨胀的空气经由进气阀部件排向大气。
32.根据权利要求29-31中任一项所述的发动机，其特征在于，发动机可根据第一操作模式操作第一可变容积腔同时根据第二操作模式操作第二可变容积腔，由此由于所燃烧的气体在第一可变容积腔中膨胀而发生的某些作用可用来压缩第二可变容积腔中的空气。
33.根据权利要求29-32中任一项所述的发动机，其特征在于，每个可变容积腔限定于固定元件与可动元件之间，所有的可动元件都与共用的功率输出机构相连，由此由于所燃烧的气体的膨胀所发生的作用可从发动机输出并且还可在可动元件之间传递。
34.根据权利要求33所述的发动机，其特征在于，固定元件为气缸体中的气缸，可动元件是可在每个气缸中往复运动的活塞，功率输出机构包括曲轴，所有的活塞都与曲轴相连。
35.根据权利要求29-34中任一项所述的发动机，其特征在于，进气阀部件、排气阀部件和气体流量控制阀部件中的每个包括由其专用的液压致动器操作的阀，所有这些液压致动器由一个共用的电子控制器控制，电子控制器接收来自多个传感器的信号并改变液压致动器的操作，由此改变阀的操作以便控制发动机的每个可变容积腔的操作模式。
36.根据权利要求35所述的发动机，其特征在于，多个传感器包括测量与发动机上的负载有关的参数的传感器，和测量存储在所述容器中的空气压力的传感器，在检测到发动机为部分负荷以及所述容器被消耗的过程中，电子控制器控制液压致动器的操作，从而使至少第一可变容积腔以第一操作模式操作并传输发动机所输出的功率，至少第二可变容积腔以第二操作模式操作并压缩输送给所述容器的空气。
37.根据权利要求35所述的发动机，其特征在于，多个传感器包括测量与发动机上的载荷有关的参数的传感器，和测量存储在所述容器中的空气压力的传感器，在检测到发动机为部分负荷以及所述容器为充满的过程中，电子控制器控制液压致动器的操作，从而使第一可变容积腔以第一操作模式操作并传输发动机所输出的功率，通过关闭进气阀部件、排气阀部件和气体流量控制阀部件而使至少第二可变容积腔不活动，其中空气或燃烧过的气体被捕获于第二可变容积腔中，该第二可变容积腔由此用作气压弹簧。
38.根据权利要求29-31中任一项所述的发动机，其特征在于，多个可变容积腔通过管道部件互连，当发动机以第二操作模式操作时，所容许的增压空气进入所述的可变容积腔内并在其内被压缩，当该空气被允许经由气体流量控制阀部件从该腔流向至少第二可变容积腔时，该气体在流向该可变容积腔之前被进一步压缩以便存储于该可变容积腔内。
39.根据权利要求29-31中任一项所述的发动机，其特征在于，多个可变容积腔通过管道部件互连，当发动机以第三操作模式操作时，在所述可变容积腔中膨胀的空气经由排气阀部件排向至少第二可变容积腔，用于使气体在排向大气之前在该第二可变容积腔中进一步膨胀。
40.一种操作发动机的方法，该发动机具有多个可变容积腔，每个腔由气缸中往复运动的活塞限定，活塞与用于传递从发动机输出的功率的共用机构相连，所述方法包括以下述多种不同操作模式操作发动机第一操作模式，其中燃料和空气的混合物在每个可变容积腔中燃烧，所燃烧气体膨胀从而推动活塞移动，所膨胀的燃烧气体排向大气；所述方法的特征在于第二操作模式，其中燃料和空气的混合物在至少第一可变容积腔中燃烧，所燃烧的气体膨胀从而推动相关活塞移动，所膨胀的燃烧气体排向大气，其中空气在至少第二可变容积腔被压缩，然后该压缩空气被传递至压缩空气的容器并存储于其中；第三操作模式，其中存储在所述容器中的压缩空气被容许进入至少一个可变容积腔，所进入的压缩空气被允许膨胀，接着所膨胀的气体排向大气。
41.根据权利要求40所述的方法，其特征在于，第一操作模式采用四冲程。
42.根据权利要求40或41所述的方法，其特征在于，第三操作模式采用两冲程。
43.根据权利要求40-42中任一项所述的方法，其特征在于，发动机在高负载时以第一操作模式操作，在部分负荷时以第二操作模式操作。
44.根据权利要求40-43中任一项所述的方法，其特征在于，发动机以第三操作模式操作从而启动发动机，随后将操作模式切换至第一或第二操作模式。
45.一种阀机构，用于控制增压气体进入内燃机的发动机气缸内的流量，所述机构包括用于打开和关闭气缸的输送口的提升阀，气体经由该提升阀可在增压气体源和气缸之间流动，该提升阀具有阀头和阀杆；作用于阀杆上的驱动部件，用于驱动提升阀打开输送口；弹簧部件，用于偏压提升阀以关闭输送口；其特征在于阀杆上安装有活塞，该活塞可在内燃机中所设的阀杆腔内滑动；阀杆腔与增压气体源相连；由此阀杆腔中的增压气体对活塞施加一力，该力抵消了作用在提升阀上的力，所述的作用在提升阀上的力由于阀头背面受到来自增压气体源的增压气体的作用所致，所述的阀头背面背离发动机气缸。
46.根据权利要求45所述的阀机构，其特征在于，密封部件设置在活塞和阀杆腔之间从而防止增压气体经活塞泄漏。
47.根据权利要求45或46所述的阀机构，其特征在于，包括隔离控制阀，其可控制以使阀杆腔和增压气体源之间选择性地连接和不连接。
48.根据权利要求44-47中任一项所述的阀机构，其特征在于，弹簧部件包括设在阀杆腔中的弹簧，该弹簧对安装在活塞上的阀杆作用。
49.根据权利要求44-48中任一项所述的阀机构，其特征在于，内燃机具有从增压气体源通向发动机气缸以及经由输送口通向发动机气缸的输送通道；阀杆气缸与输送通道相连。
50.根据权利要求44-49中任一项所述的阀机构，其特征在于，驱动部件包括由电子控制器控制的液压致动器。
51.一种如权利要求1-39中任一项所述的内燃机，其特征在于，气体流量控制阀部件包括权利要求44-50中任一项所述的阀机构。
全文摘要
本发明涉及(参照图1)一种内燃机，在该内燃机中，燃烧室(12)可与容器(16)相连以便存储压缩空气。气体流量控制阀部件(15)控制燃烧室(12)和容器(16)之间的流量，这样燃烧室(12)中的受压空气可被传递以充入容器(16)并且受压空气可传递至燃烧室(12)以驱动活塞(10)。燃烧室(12)还用于燃烧燃料。本发明还涉及阀机构，用于控制燃烧室(12)和容器(16)之间的受压空气的流量，其中平衡力施加于气体流量控制阀(115)以便抵消作用在阀(115)上的力，该力由于施加在阀(115)背面的压力而产生。
文档编号F01B17/02GK1795322SQ200480014725
公开日2006年6月28日 申请日期2004年5月28日 优先权日2003年5月28日
发明者J·W·G·特纳, 杰弗里·阿伦 申请人:莲花汽车有限公司