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。
US2001/0002379公开了一种具有带配气正时和气门断开的阀系 统的内燃机。该内燃机可以作为四冲程发动机或二冲程发动机操作。 阀门用于控制在发动机和用于存储压缩空气的容器之间的压缩空气的 流动。存储在容器中的增压空气可以进入发动机中以使得发动机用作 空气马达。该发动机可以同时操作用作内燃机和压缩机，或者同时操 作用作内燃机和空气马达。在车辆的制动过程中，用于发动机的燃料 传送系统被断开，发动机的阀门被控制成使得发动机操作用作由来自 发动机轮的扭矩驱动的二冲程压缩机。空气被压缩和传送到容器。如 果需要，当发动机操作用作内燃机时，压缩空气可以被释放到该发动 机，从而发动机可以采用增压空气源来工作，而不再需要增压器或涡 轮增压器。发动机从开始用作二冲程空气马达。在多缸发动机中，一 些气缸可以活动，同时其它气缸用作压缩机。

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。
附图说明
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。