预混合充量压缩点火(PCCI)发动机以及相关的均匀充量压缩点火 (HCCI)内燃
往复式发动机的发展已经在企业、大学和美国国家实验室 以及很多外国机构中进行了很多年。它们是:
企业:
卡特彼勒公司(Caterpillar Inc.);
康明斯公司(Cummins Inc.);
通用汽车公司(General Motors Corporation);
瓦克夏发动机公司(Waukesha Engine);
大学:
赫尔辛基理工大学,芬兰,赫尔辛基;
北海道大学,日本,札幌;
隆德理工学院,瑞典,隆德;
麻省理工学院,
马萨诸塞州,波士顿;
挪威科技大学,挪威,特隆赫姆;
加利福尼亚大学,加利福尼亚州,伯克利城(Berkley);
密歇根大学,密歇根州,安娜堡(Ann Arbor);
明尼苏达大学,明尼苏达州,明尼阿波利斯;
威斯康星大学,威斯康星州,麦迪逊;
实验室:
阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory);
劳伦斯利物莫国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)
国家
能源技术实验室(National Energy Technology Laboratory);
橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory);
桑地亚国家实验室(Sandia National Laboratories)。
PCCI/HCCI发动机提供了较高效率、较低排放以及多种燃料运行的潜 能。该技术可从瓦特升级至兆瓦特。PCCI/HCCI发动机的双循环和四循环 版都得到了发展。该领域中的显著成果包括:产生美国
专利申请 2004/00103860的康明斯公司的四循环PCCI发动机;与美国专利6,199,519 B1一致的桑地亚国家实验室的Van Blarigan的双循环、自由活塞、HCCI “热力
燃料电池(Thermodynamic Fuel Cell)”;以及在美国专利6,463,895 B2中公开的卡特彼勒公司的利用液压输出的双循环
自由活塞发动机。然 而,这些努力还没有产生切实可行的PCCI/HCCI发动机。在由例如康明 斯的传统发动机衍生的四循环PCCI/HCCI发动机中,活塞的固定冲程导 致了限制充量燃烧的固定压缩比。因此,至今,该PCCI/HCCI四循环发 动机的运行主要是基于对现有四循环发动机的
修改,着重于对充量参数的 控制。这些修改关注于对适当确定充量点火所需要的单个汽缸充量构成和
温度的复杂控制,以便在汽缸之间获得可接受的燃烧均匀性。随之产生的 四缸发动机非常复杂,并且对于环境条件和燃料
质量极其敏感。敏感性使 得之前提及的康明斯公司美国专利申请关注于利用双燃料来改进充量的 自动点火性质。尽管有这些当前的困难,由一个产品和技术发展公司TAXI 和一个工业预测公司Global Insight研究的题为“The Future of Heavy-Duty Powertrains”预测“到2020年HCCI发动机将为接近40%的重型车辆提 供动力——开始,HCCI将仅仅能够向低速运行的轻型负载提供动力,所 以当对发动机提出更多要求时,早期发动机还可以包括传统的柴油机内的 燃料燃烧以提供更多的动力。”,该项研究还预言“一种完整模式HCCI 发动机将最终取代开始的混合模式的HCCI/柴油机技术”(″a full mode HCCI engine will eventually supersede the initial mixed mode HCCI/diesel technology″)。”
为了避开前述提及的被改进的传统发动机的复杂性,研究人员已经研 究了PCCI/HCCI的其他发动机结构。自由活塞发动机本来就具有可变冲 程,因而避免了传统
曲轴发动机(crankshaft engine)中遇到的局限。几十 年来,已经进行了大量的工作,以试图发展切实可行的自由活塞发动机。 然而,成功到此为止,受到了限制。之前的努力大部分集中在双循环柴油 机变化上,很少有工作注意
火花点火发动机。由INNAS Free Piston B.V. 进行的工作产生了具有
水力动力输出的自由活塞单缸发动机是努力产生 切实可行的双循环柴油机自由活塞发动机的实例,参见美国6,279,517B1。 同样,如在美国专利5,775,273和6,035,637中公开的,Sunpower公司提 出了一种具有可变
阀门驱动的火花点火自由活塞发动机设计,并且其中, 膨胀冲程大于压缩冲程(对于增加的效率)。澳大利亚的Pembek System Pty 有限公司提出了一种用于混合
电动车辆的“自由活塞发动机组(The Free Piston Power Pack)”,利用具有积分线性发
电机并自排废气的多个单元 的双对置线性活塞、双循环、自由活塞发动机(柴油机或火花点火),参 见美国专利6,651,599B2。然而,到目前为止,前述中的任何一种都没有 在双循环自由活塞发动机性能上表现出实质性改进,该实质性改进将向对 PCCI/HCCI改进的传统发动机提供改良的技术提供PCCI/HCCI修改。最 近的分析成果已经将PCCI/HCCI循环用在自由活塞引擎中了,并且巩固 了该结论,例如,桑地亚的Van Blarigan。与类似的四循环PCCI/HCCI发 动机相比,桑地亚开发的双循环PCCI/HCCI发动机更加受限于速度范围 和
油门调节、产生了更高的排放物、具有更低的
能量密度(主要归因于线 性
交流发电机)和更多的燃料消耗(主要归因于双循环发动机中固有的充 量
净化(charge scavenging)限制)。Lotus Engineering有限公司联合英 国的谢菲尔德(Sheffield)大学和拉夫堡(Loughborough)大学正在研究 具有积分线性交流发电机的双缸四循环自由线性发动机(几何形状上类似 于桑地亚的双循环单元),其中,交流发电机输出将在动力/
排气冲程 (power/exhaust stroke)期间作为
电能进行存储(在外部存储设备中), 并且接着用于运行作为马达的交流发电机以在进气/压缩冲程 (intake/compression stroke)和排气冲程期间驱动活塞(参见 http://www.shef.ac.uk/fabian/stewart ws5.ppt,发表在Fuel Cell and Battery Vehicle Industry Academic Network(FANIAN)中的“Four Stroke Free Piston Energy Converter”,英国谢菲尔德大学2005年4月的MIRA会议)。它 们的初步工作表明该发动机对双循环自由活塞发动机提供了很多改进,包 括PCCI/HCCI燃烧的使用。然而,所给出的发动机是复杂的,要求具有 复杂和昂贵的能量转换
电路和外部能量存储的线性交流发电机/马达。进 一步地,发动机和组合的
支撑设备的
能量密度将是低的。
还值得注意的是Kvaerner ASA最近致力于开发一种具有动力
涡轮输 出的柴油双循环自由活塞气体发生器(参见挪威特隆海姆的(Trondheim) 挪威科技大学工程
控制论系Johansen等人的“Dynamics and Control of a Free piston Diesel Engine”,以及挪威利萨克(Lysaker)的Kvaerner ASA Technology Development),可在http://citeseer.csail.mit.edu/601185.html获 得)。该成果利用由Pescara原始所有的技术,其分别于1925、1935以及 1941年在美国专利1,657,641、2,162,967以及2,581,60中公开,并且接着 由GM、Ford、Junkers和其他人从20世纪30年代至20世纪60年进一步 发展。还涉及在授权给Benaroya(1989)的题为“Energy Producing Installation with Internal Combustion Engine and Turbine”美国专利中公开的 主题内容。Kaverner努力的目的在于产生具有8MW定额的发动机,其具 有低重量和紧密度的气体
涡轮机,并且对于海上推动应用具有低燃料消耗 (50%效率)的
柴油发动机。由单缸试验台发动机产生的最初结果是有希 望的。
之前引用的发动机的复杂性和局限性可以由本文中公开的四缸、四循 环、自由活塞、PCCI/HCCI发动机克服,其提供了一种四缸、四循环、(free piston floating stroke)(FPFS)、PCCI/HCCI内燃、往复式活塞发动机。 在下文中,本发明将由下列术语中的一个或更多个确定:FPFS发动机、 本发明以及本FPFS发动机。
本文中公开的FPFS发动机还包括气体发生器/
动力涡轮机结构,如图 16-22所示,其将保持以上提及的Kvaerner动力涡轮机双循环自由活塞发 动机的优势,但是具有四循环PCCI/HCCI发动机的更低的
排放量和更低 的燃料消耗。
当解决与曲轴PCCI/HCCI发动机有关的充量燃烧定时问题时,自由 活塞发动机不提供直接产生转动动力输出的装置。本文中公开的FPFS发 动机通过使用各种机构来直接地利用自由活塞发动机的线性运动或者间 接地将其转换为转动运动而解决前述问题。
FPFS PCCI/HCCI发动机的四循环结构很大程度地获益于可变阀门驱 动(VVA),到一定程度,VVA变为实际需要。几种可变阀门几何形状 当前由其他机构进行开发,主要在于:Sturman Industries公司的授权给 Grill的美国专利6,820,856(2004);麻省理工学院
电子和电磁系统电磁 阀门驱动系统实验室(参见发表在2004年第35次Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference上的MIT论文“Design and Experimental Evaluation of An Electromechanical Engine Valve Drive”,可在 http://www.mit.edu/~djperrea/Publications/Conference%20papers/cpPESC04p 4838.pdf中获得);以及Johnson Controls(参见2004年10月13日在英 格兰谢菲尔德的谢菲尔德大学的MIRA会议上发表的“Electromechanical Valve Actuation”,可在http://www.shef.ac.uk/Fabian/mareky_ws4pdf.pdf 获得)。但是,在本文中公开的是VVA机构,如图11A、B、C以及D 所示,其提供了与前述正在开发的机构类似的性能,具有比那些源结构更 低成本性能的前景。
做了很多改进现有发动机技术的努力以降低排放量和提高效率,例 如,ARES、ARICE、Freedom Car、Advanced Heavy Hybrid、21stCentury Truck Program等。进一步地,还有通过增加最大压力来增加柴油发动机效率的 长期努力。在由TEKES ProMOTOR支持的在芬兰赫尔辛基大学进行的研 究中,对终极引擎运行参数(extreme engine operating parameter)进行了 研究,包括高运行压力(参见“Extreme values of the piston engine-Final Report”,由TUKEVA的芬兰研究机构TEKES ProMOTOR于2003年9 月30日提供,可在http://www.icel.tkk.fi/eve/ICEL_Final_report.pdf.pdf.)。 容易理解,发动机中的气体动力循环(gas power cycle)的效率主要与发 动机平均有效压力有关(压力越高,产生的效率越高),其反过来又受到 发动机部件设计的限制,接着受到可用材料的限制,其中的关键因素在于 曲轴。它们在前述研究中进行引证,作为在这些极限条件下对发动机进一 步发展的限制因素中的一个,曲轴无力从该高压运行中承载增加的负载。 这种负载所要求的曲轴尺寸显著增加,并且曲轴尺寸最终依然是进一步增 加发动机运行压力的限制因素。通过利用发动机设计,诸如由Kaeverner 开发的发动机,或者本文中公开的利用诸如动力涡轮机的间接动力提取方 法的发动机,避开了曲轴的限制。注意:在本文公开的设计中,如图16-22 所示,活塞连接组件1、24、25、26、45以及46未承载输出负载,但是 接着在压缩冲程中(以及排气冲程中的抽吸负载)承载了汽缸的压力所要 求的低的多的负载。当可以更容易地获得较高的运行压力时,这就表现出 提高发动机效率的显著优势。
图1A是本发明的最优选
实施例的正视图,其包括具有可变(浮动) 活塞冲程的四缸、四循环、预混合充量压缩点火、自由活塞、
内燃机核心 (没有空气和燃料引入器件(induction component)),其中,发动机组 装置(engine block arrangement)包括每个汽缸中的具有两个背靠背 (back-to-back)活塞的两个平行汽缸;
图1B为图1A中所示的本发明发动机的最优选实施例的俯视图;
图1C为图1A中所示的本发明发动机的最优选实施例的右视图;
图2为本发明的最优选实施例的部分截面图;经由图1B中的发动机 的垂直平面观察A-A,其中,上活塞对和下活塞对通过连杆连接至固定到 枢轴的摇杆,其中所有四个活塞都被显示为处于完整冲程中,并且其中, 可变阀门定时(variable valve timing)与自适应电子控制和电-液阀门操纵 器(electro-hydraulic valve operator)一起使用;
图3是本发明的最优选实施例的部分截面图;经由图1C中的发动机 的垂直平面观察B-B,其中所有四个活塞都处于中间冲程;
图4为本发明的最优选实施例的横截面图;经由图1A中的上活塞对 的中心线观察C-C,其中,可见的活塞处于完整冲程;
图5为本发明的最优选实施例的侧视图;经由图1A的垂直平面观察 E-E,位于左侧汽缸盖(cylinder head)的表面;
图6A为本发明的最优选实施例的横截面图;经由图1B的垂直平面 观察F-F,示出了将起动
电动机连接至发动机的
齿轮传动装置;
图6B为本发明的最优选实施例的垂直截面图,经由图1A的中心线 D-D,朝向左汽缸组观察;
图7A为在图7B中所示的本发明的第二优选实施例的双销摇杆的详 图;
图7B为以与图3相同的方式利用备选的连杆连接方法的本发明的第 二优选实施例的横截面图,其使用双销摇杆,并且所示的四个活塞都位于 中间冲程;
图7C为如图7B中所示的本发明的第二优选实施例的相同视图,但 是其中四个活塞都处于完整冲程;
图8A为与图3相同的方式的本发明的第三优选实施例的横截面图, 但是具有备选的连杆连接方式,其在连杆和摇杆之间使用止转棒轭 (Scotch-Yoke)机构,其中,所示的所有四个活塞都处于完整冲程;
图8B为如图8A所示的本发明的第三优选实施例的相同视图,但是 其中所示的四个活塞都处于中间冲程;
图9A为与图3相同方式的本发明的第四优选实施例的横截面图,但 是具有连接汽缸对的备选方法,包括
齿条齿轮机构,而不是摇杆枢轴,其 中,所示的全部四个活塞都处于中间冲程;
图9B为类似于图9A中所示的结构的本发明的第五优选实施例的横 截面图,但是具有由刚性连杆连接的活塞对;
图10A为以与图3中所示的相同方式的本发明的第六优选实施例的 横截面图,其中,连接汽缸对包括用于互相连接活塞对的两个液压活塞, 并且所示的全部四个活塞都处于中间冲程;
图10B为以与图3中所示的相同方式的本发明的第七优选实施例的 横截面图,其中,活塞对通过固体拉杆(solid tie-bar)互相连接;
图10C是由固体拉杆互相连接的本发明的第七优选实施例的活塞对 的放大图;
图10D为本发明的第七优选实施例的横截面图,图10C中的A-A部 分,其中,两个活塞对通过固体拉杆互相连接;
图11A为水平截面图,图11B中的A-A,通过下汽缸的中心线,本 发明的第八优选实施例中的汽缸盖具有备选的阀门运行装置,其将单个凸 轮轴用于由步进马达驱动的每个汽缸;
图11B为本发明的第八优选实施例中的汽缸盖的俯视图,其中,除去 了它的阀门盖;
图11C为本发明的第八优选实施例的汽缸盖的左侧视图;
图11D为本发明的第八优选实施例的汽缸盖的右侧视图;
图12为本发明发动机的最优选实施例的控制部件的
框图;
图13为本发明中自适应发动机控制器的最优选实施例的方
块图;
图14A为利用摇杆和枢轴机构的压缩机的横截面,其适于由图1-10 中的本发明发动机的优选实施例的枢轴直接驱动,其中,所示的活塞处于 左完整冲程;
图14B与图14A相同,但是其中所示的活塞处于右完整冲程;
图15A为线性交流发电机的横截面,其适于由图1-10中所示的本发 明发动机的优选实施例的枢轴直接驱动,其中,摇杆相对于驱动头(driver head)成一斜
角;
图15B为线性交流发电机的横截面,其适于由图1-10中所示的本发 明发动机的优选实施例的枢轴直接驱动,其中,摇杆基本上平行于驱动头;
图16A为包括图1中发动机的
变形的本发明发动机的第九优选实施 例的俯视图,其不从发动机轴中提取动力,而是从由发动机排气装置驱动 的动力涡轮机中提取,并且其具有插入在发动机和动力涡轮机之间的涡轮
增压器,使得在该装置中,活塞发动机起到高压气体发生器的作用,其中, 对于每个活塞对,利用分离的摇杆以四方形形式布置活塞对;
图16B为图16A中所示的第九优选实施例的侧视图;
图17A为图16A中所示的第九优选实施例的左侧视图;
图17B为图16A中所示的第九优选实施例的右侧视图;
图18A类似于图17A中所示的第九优选实施例的左侧视图,但是其 中除去了阀门盖;
图18B为第九优选实施例的俯视图,类似于图16A,但是具有经由发 动机的上活塞对的中心线截取的水平横截面;
图19A为第九优选实施例的侧视图,类似于图16B,但是具有经由活 塞对的中心线截取的垂直横截面;
图19B为第九优选实施例的右端视图,类似于图17B,但是其中除去 了曲
轴箱盖;
图20为本发明发动机的第十优选实施例的俯视图,但是具有增压器 (supercharger)而不是图16-19中所示的
涡轮增压器,并且
中间冷却器与 增压器结合使用;
图21A为图20中所示的第十优选实施例的左端视图;
图21B为图20中所示的第十优选实施例的侧视图;
图22为图20中所示的第十优选实施例的示意性组合循环方案,并且
有机朗肯循环用于从发动机冷却
套管(cooling jacket)和排气中重新获得 能量。
实施本发明的最佳方式
对于本发明来说,推动预混合充量压缩点火在内燃往复式活塞发动机 中的发展,以及提高发动机效率和降低排放,同时避免现有PCCI/HCCI 设计的复杂性、敏感性以及不利结果的目标,是利用四循环、四缸、自由 活塞发动机结构的准则。PCCI/HCCI对于四循环、四缸、自由活塞发动机 的应用是独特的。如本文中将要公开的,存在多个发动机几何结构,其可 以达到之前引用的目的,并且提供本发明的多个实施例。因此,图1-10 以及图16-20示出了具有各种活塞装置和动力提取策略的本发明的多个优 选实施例。图1-7示出了“平面”四缸汽缸体2,其中活塞23经由各种类 型的连杆25连接至枢轴1,其提供直接动力提取。图16-19示出了四缸“四 方形”汽缸体1601,其中它的活塞23经由连杆25连接,但是是间接动 力提取。图8示出了利用“止转棒轭”82和83、与
连接杆(connecting link) 81连接的活塞23类型以及每个摇杆84的平面汽缸体几何形状(在图1 中,由数字2示出)。图9示出了将活塞23连接成对的齿条92以及与活 塞对相互连接的齿轮91。图10A示出了通过拉杆1001与活塞23相互连 接以形成活塞对的液压活塞1003。在图10B和10C中,活塞23经由拉杆 1010连接成对,并且活塞对通过牢固的系杆(solid tie-bar)1011互相连 接。重要的是要注意,本文中所示的方案并不是无遗漏的方法,通过这些 方法,活塞23以及活塞对可以进行连接或互相连接以提供并发或相反的 往复,但是仅仅用于示出符合提供浮动“冲程”要求的可能的机构的多样 性。
直接动力提取可以从1011的线性振荡中获得,例如,如图10中所示 (当可变冲程长度对于驱动输出设备是可接受的时),或者从图1-9中所 示的枢轴1中获得。图14和15分别示出了可变冲程活塞类型的压缩机和 可变冲程线性交流发电机。线性液压泵和线性交流发电机是从线性自由活 塞发动机中提取动力的公知装置。直接动力提取的各种机械装置也是可能 的,例如,单向
离合器或
超越离合器(overrunning clutch)和
齿轮传动。
如图16-22所示,间接动力提取通过在发动机排气装置上使用动力涡 轮机而最好地实现。当产生较高的发动机压力时,与直接动力提取相比, 间接动力提取方法具有显著的优势。通过消除由曲轴以及传统发动机的连 杆产生的局限性,可以承受更高的最大压力。同样,动力涡轮机的效率随 着更高的压力而增加。此外,动力涡轮机比单独的活塞能重新获得更高的 能量百分比(因此,涡轮增压的普通用途和更近的涡轮复合)。图11公 开了一种用于每个汽缸的利用步进电动机或
扭矩电动机驱动的
凸轮轴的 可变阀门驱动机构。图12和13公开了一种用于优化阀门定时的自适应发 动机控制器。
如图1A-正视图、1B-俯视图以及1C-右端视图中所示,发动机动力输 出来自于枢轴1,其提供振荡运动—和传统的往复式活塞发动机的回转运 动不同。发动机由以下组成:汽缸体左2A、汽缸体右2B、汽缸盖左3A、 汽缸盖右3B、阀门盖左4A以及阀门盖右4B。四个汽缸中的每一个都具 有空气/燃料充量进气口和排气口。汽缸1进气口表示为5A,汽缸2进气 口表示为5B,汽缸3进气口为5C,以及汽缸4进气口为5D。汽缸1排 气口为6A,汽缸2排气口为6B,汽缸3排气口为6C,以及汽缸4排气 口为6D。用于前
轴承和枢轴密封的外罩7具有
定位在其中的前轴密封护 圈(front shaft seal retainer)12。发动机油盘/贮槽8包括在汽缸体2A和 2B中的每一个的下部部分。油泵9位于油盘/贮槽的外部,并且由电动机 驱动。发动机起动电动机10还可以起到交流发电机的作用。枢轴1的位 置通过角度传感器11测量。发动机
冷却液通过汽缸体2A和2B以及汽缸 盖3A和3B循环,接着通过进气口/排气口13进入外部热量交换器。
图2为正视图,如图1A的横截面部分A-A所示。这是通过汽缸的垂 直平面但沿着活塞的边界周围的发动机汽缸体的视图—见图1C所示的剖 面A-A。注意:汽缸盖是显示为去除了阀门盖的,以示出阀门驱动装置和 点火传感器,但不是横截面。使用传统
风格的活塞和汽缸,类似于现有的 四循环柴油发动机中使用的活塞和汽缸。用于汽缸1、2、3和4的活塞分 别标注为23A、23B、23C和23D。位于杆25A和25B相对端的活塞23A 和23B标注为活塞对,并且位于杆26A和26B相对端的活塞23C和23D 标注为
第二活塞对。分别表述为26A和26C(不可见)的汽缸1和2的前 摇杆和后摇杆连接至枢轴1,直接地相对于分别用于汽缸3和4的前摇杆 和后摇杆26B和26D(在图2中不可见,参见图3)。连杆25A、25B、 25C和25D通过销27A和27B连接至各自的摇杆,并通过销24A、24B、 24C和24D连接至各自的活塞。这样的连接使两个活塞对彼此连接,使得 一个活塞对的运动与另一个活塞对的运动相对。从枢轴的摇杆长度足够 长,使得活塞的冲程不受摇杆行程的影响。注意:在四循环中,四汽缸发 动机压缩、膨胀、排气和进气循环中的每一个都在任何给定时间出现在一 个汽缸或者其他的汽缸中。一个汽缸的膨胀循环驱动另一个汽缸的压缩循 环。因此,在FPFS发动机中,
活塞行程的长度一直受到压缩循环的反作 用压力的限制。排气循环中活塞的冲程长度由汽缸中的点火事件接着由压 缩冲程决定。压缩点火是一系列空气/燃料参数的函数,其会从一个循环 至另一循环发生某种程度的变化。任何给定循环的冲程长度是不确定的, 直到充量点火发生为止。每个活塞压缩冲程长度是独立于其他活塞的,并 且活塞运动完全不受机械冲程长度的限制。根据对每个压缩循环的充量进 行点火所要求的压缩比,这样的机制允许冲程长度变化,或者“浮动”, 完全地独立于任何其他汽缸压缩冲程。如果不受压缩循环的充量压力的限 制,活塞将会最终停止碰撞汽缸盖。有了自由活塞浮动冲程,可以获得非 常高的压缩比(并因此而获得自动点火温度),从而提高发动机的效率并 对各种不同燃料特性提供适应性。然而,自由活塞PCCI/HCCI发动机的 更高的潜在效率不是发动机压缩比本身的结果。相反,该类型发动机的潜 在地更多的效率是归因于作为在该发动机中发生的等容燃烧(constant volume combustion)的结果而应用的膨胀比(与其他类型的内燃往复式活 塞发动机所经历的变容燃烧(variable volume combustion)相反)。等容 燃烧的发生是因为以下事实:在PCCI/HCCI发动机中,压缩点火爆燃发 生地非常快以至于在爆燃发生期间活塞没有时间来运动(这会增加容积)。 注意:本质上,PCCI/HCCI发动机具有多燃料能力,这是因为PCCI/HCCI 发动机不受传统发动机中诸如火花点燃或燃料喷射时间等问题的限制。
可以在FPFS发动机中获得真正的预混合充量压缩点火,类似于通过 线性活塞发动机所获得的或者在实验室试验中利用快速压缩-膨胀机所获 得的。这使得能够利用非常贫的燃料混合物,产生非常低的排放和高效率。
两循环线性自由活塞发动机已经示出受到速度范围和动力调节 (power turn down)的限制。另一方面,四循环PCCI/HCCI
转轴发动机对 于燃料性质和周围条件变化极其敏感,这是因为具有混合冲程。必须进行 精确的充量条件监测和控制以使得这些发动机起作用。本文中引入的 FPFS发动机不受前述限制和局限,并且能够在宽的速度和动力范围内运 行。
然而,FPFS发动机的可变冲程特性很大程度地获益于使用了阀门可 变几何形状。同样,施加在发动机上的负载必须适应变化的冲程,或者必 须以间接方式从发动机中提取动力。
图2示出了例如由Sturman公司提供的电-液可变阀门结构。每个阀 门都具有独立的驱动器。汽缸1、2、3和4排气阀门分别由21A、21B、 21C和21D表示。汽缸1、2、3和4进气阀门驱动器分别由20A、20B、 20C以及20D表示(未在该视图中示出)。每个汽缸都具有点火检测传感 器,优选地为压电
压力传感器或者UV传感器。汽缸1、2、3和4的点火 传感器分别由22A、22B、22C和22D表示。阀门运行的重要因素是排气 阀门开口的适当定时。如果一个汽缸中的膨胀循环充分地驱动另一汽缸中 的压缩循环以在点火充量部分之前打开排气阀门,那么发动机的持续运行 就很可能失败。为了获得期望的阀门定时,当点火发生时,点火传感器发 送
控制信号。与传统发动机传感器中的数据一起,该信号的定时通过打开 汽缸中的排气阀门的控制而使用。随后将更加详细地说明整组的控制功 能。
图3为图1A的横截面B-B,其示出了后摇杆26B和26D。还示出了 当活塞从图2中所示的完整冲程运动至图3中所示的中间冲程时,活塞、 连杆、摇杆和枢轴之间的相对运动。注意:连杆相应于活塞的横向/侧向 运动显著地少于具有转动曲轴和连杆的传统往复式发动机所经历的运动。 这种减少的横向/侧向运动降低了活塞上的侧向压力以及连杆相对于活塞 和摇杆销的相对运动,从而减少了这些器件部件上的磨损(与传统发动机 相比)。
图4为图1A的水平横截面C-C,其通过上汽缸的中心线而进行截取。 汽缸被显示为处于完整冲程。注意连杆25A和25B是如何与26A和26B 以及销27A装配在一起的。25A的这一端被分开,而25B的
配对端则安 装在25A的两侧之间。这些端被支承在分别通过轴承46A和46B固定的 销27A上。连杆25A和25B的相对端支撑在分别通过轴承45A和45B固 定的
活塞销24A和24B上。在该视图中,可以随同后轴承和密封外罩固 定板42看到前轴承和密封外罩7以及后轴承和密封外罩41。起动扇形齿 轮43和起动扇形齿轮
固定板44也是可见的。尽管在该视图中看不到,但 是用于下汽缸的连杆、摇杆轴和活塞也是类似地连接并由轴承45C、45D、 46C和46D支撑。
图5为在汽缸盖3A和汽缸体2A的连接处截取的图1A的横截面E-E。 其示出了阀门20A、20C、21A和21C相对于彼此的相对位置以及点火传 感器22A和22C的相对位置。
图6A为通过起动齿轮外罩截取的图1A的垂直横截面F-F。扇形齿轮 43装配在枢轴1的末端,并且由起动电动机链齿68驱动。角度传感器11 测量枢轴角度并且不断地向发动机控制器发送信号。当扇形齿轮43接近 行程的末端时,并且因此活塞处于最大冲程时,控制器转换起动电动机的 方向。本文中描述的起动机是具有电动机和
链轮之间的行星齿轮减速器的 高速
永磁体或者
开关型磁阻电动机。当发动机启动时,链齿可通过传统机 构脱离
啮合。
图6B为在汽缸2A和2B之间的线处截取的图1A的垂直横截面D-D, 朝向汽缸体2A的左侧观察。该视图示出了前轴密封62A和后轴密封62B、 前轴承63A和后轴承63B、分别位于前轴承和密封外罩7以及后轴承和密 封外罩41中的前止推
垫圈(front thrust washer)64A和后止推垫圈64B, 以及分别的前密封固定板12和后密封固定板42的位置。此外,摇杆隔套 (spacer)65和摇杆定位销66示出了将摇杆连接至枢轴1的若干种可能 方法中的一种。
润滑油通过油泵9经由
过滤器61进入,并利用回转式往 复动机中使用的传统方法通过枢轴、摇杆、销以及连杆中的通道进行分配。 可以清楚地看到固定螺丝67固定板44以将起动扇形齿轮43保持在枢轴 1上。
图7A示出了备选的双摇杆(duplex rocker arm)结构71A、71B(上) 以及71C、71D(下),各自的前后部—分别代替图2和图3中所示的26A、 26C以及26B、26D。在该设置中,每个连杆25A、25B、25C以及25D 都分别设置有独立的连接销72A、72B、72C和72D。这消除了如图4中 所示的对于分叉连杆的需要。
图7B类似于图3的横截面B-B,示出了处于中间冲程的活塞,但是 使用的是双摇杆71B/D。
图7C类似于图7B,但是示出了处于完整冲程的活塞(如图2中所示)。
图8A为以与图3中相同的方式截取的横截面,具有备选的连杆连接 方法,其利用连杆和摇杆之间的止转棒轭类型的机构。活塞被显示为处于 完整冲程。分别位于活塞23A/23B和23C/23D之间的连接杆81A(汽缸1 和2)以及81B(汽缸3和4)为分别具有垂直固定于杆的连杆销(link pin) 82A(汽缸1和2)和82B(汽缸3和4)的刚性构件。连杆销82A和82B 分别与滑块(slide)83A和83B配合。滑块83A(汽缸1和2)和83B(汽 缸3和4)分别在切割在摇杆84B和84D内的轨道中运动。这就示出摇杆 和枢轴机构可容易地适用于止转棒轭装置,当在具体应用中时,期望进一 步降低活塞上的侧向力。
图8B与8A相同,但是其中活塞位于中间冲程。注意:与图8A相比, 滑块83A和83B沿着摇杆26B和26D向内运动。
图9A为与图3相同方式的横截面,但是具有连接汽缸对的备选方法。 齿条和齿轮机构用于代替摇杆和枢轴。在该结构中,
小齿轮91固定在枢 轴1上,并与连接杆92A和92B中的两个齿条啮合。连接杆92A和92B 分别连接上活塞23A和23B以及下活塞23C和23D。上活塞组的运动将 会导致小齿轮23A的转动,这反过来又通过下活塞组转化为相反方向的 直接地均衡运动(proportionate motion)。根据对每个压缩循环的充量进 行点火所要求的压缩比,这样的机构使得冲程长度能够变化或者“浮动”, 完全独立于任何其他汽缸压缩冲程—以与摇杆和枢轴设计相同的方式。凸 轮随动件类型的辊轴承在93A、93B、93C以及93D中示出,用于承载通 过小齿轮91施加给杆92A和92B的推力
载荷。这样的结构产生了比之前 示出的摇杆和枢轴装置更加紧凑的单元。然而,必须仔细地选择齿条和小 齿轮的材料以及齿轮的尺寸,以便充分承载高峰值力。
除了杆94A和94B刚性固定于活塞之外,图9B与图9A相同。这去 除了活塞销24A、24B、24C以及24D。活塞对的刚性连接减少了活塞侧 隙和相关的磨损。然而,与前述相比,活塞和汽缸的公差将会更紧并且制 备该装置的部件成本将更高昂。
图10A为与图3相同方式的横截面,其具有连接汽缸对的备选方法。 活塞被显示为处于中间冲程。对开外罩(split housing)1004A和1004B 包括两个液压汽缸。分别通过活塞拉杆1001A和1001B,液压活塞1003A 连接至每个上活塞24A和24B。同样,分别通过活塞拉杆1001C和1001D, 液压活塞1003B连接至每个下活塞24C和24D。液压汽缸交叉口 (cross-port)1005A和1005B使液压汽缸在每个汽缸的末端互相连接,并 且用于使活塞对互相连接。一对转动截至阀1002A和1002B设置在该口 中以在发动机启动期间切断汽缸之间的流体流动。阀1002A和1002B被 在外部驱动。同样,位于交叉口1005A和1005B中的是通道1006A、1006B、 1006C和1006D,其产生一对外部方向
控制阀,一个用于每个液压汽缸。 在启动期间,使
方向控制阀循环以在相反方向驱动液压汽缸中的每一个。 一旦发动机启动,方向控制阀就被设置在空档(neutral)中,终止所有的 外部液压流体流动。内部交叉口阀1002A和1002B完全打开,并且在每 个活塞对中,燃烧膨胀循环在相反方向上驱动活塞。根据对每个压缩循环 的充量进行点火所要求的压缩比,这样的机构允许冲程长度变化或者“浮 动”,完全地独立于任何其他汽缸压缩冲程—与摇杆和枢轴设计以及齿条 和齿轮设计相同。
密封件1007A、B、C和D将拉杆密封至发动机
曲轴箱。 密封件1008A、B、C和D将液压活塞密封在液压汽缸中。
图10B为与图10A相同方式的横截面,但是具有通过分别用固体拉 杆1010A和1010B使活塞23A和23B、23C和23D连接而形成的活塞对。 拉杆和活塞可以是由各种传统装置连接而成的单独的零件(separate piece),或者可以由如本文中所示的单个零件构建而成。两个活塞对通过 利用定位销1013A、1013B、1013C和1013D的系杆1011A(上)和1011B (下)进行连接,而定位销使用
紧固件1012A和1012B(在这样的情况中 为
螺母和
螺栓,但是其他类型也是可行的)。这样的结构产生了两个活塞 对的刚性组件,作为结果,其在相同的方向上并行运动。图10C示出了 活塞对的该整体组件(solid assembly)—在所示的曲轴箱结构的情况中其 可在设置进汽缸之前进行预先安装。注意:可产生等价于组装的活塞对的
单体零件,虽然与单独组装的零件相比,具有更大的困难和更高的成本。 可替换地,可通过分离的活塞对方法提供单体零件曲轴箱结构,首先装配 单独的活塞对,接着,通过经由曲轴箱的入口连接活塞对。(由前述任一 方法)如此连接的活塞对以线性往复运动运行,可通过之前公开的诸如可 以各种公知方式连接至拉杆的线性液压泵和压缩机或者线性交流发电机 等装置直接从该线性往复运动提取动力。还可间接地通过例如由废气驱动 的涡轮机提取动力。发动机的启动还可通过将各种产生线性反复运动的起 动机构连接至拉杆来实现,例如,由液压泵驱动和控制阀循环的液压活塞。 图10D示出了图10C的横截面,并且示出了一种形成拉杆1010A和1010B 的方法,例如以提供用于系杆1011A和1011B的方便的连接方式。注意 拉杆金属薄片(tie-rod web)的交叉结构。对于某些应用,期望利用在图 10B中所示的导承(guide)1009来减少活塞对上的侧向负载(例如,通 常与较大发动机上的十字头机构一起进行)。
图11包括利用用于每个汽缸的单独的凸轮轴并且有可变阀门操作的 汽缸盖的四幅视图。每个曲轴通过专用的换档装置(indexing device)或 者步进电机运行。其他的阀门组系部件和机构基于传统的顶置式阀门 (overhead valve)设计。其包括:进气阀门(I)1107CI和排气阀门(E) 1107AE、阀门
弹簧1105AI、1105AE、1105CI、1105CE、阀门导承和密 封件1105CI、1106CE、凸轮轴轴承1104CI、1104CE以及轴承体11103AI、 1103AE、103CI、1103CE。
图11A为通过汽缸3的凸轮轴1101C的中心线的图11B的横截面 A-A。凸轮轴1101C运转汽缸3中的阀门。凸轮轴装配在汽缸盖3A上。 凸轮1102CE和1102CI分别运转汽缸3的排气阀门和进气阀门。图11B 为汽缸盖和凸轮轴的俯视图。图11C和图11D分别为图11B的左侧视图 和右侧视图。注意,在图11B中,这些凸轮在凸轮轴的方向上图示为180 度。凸轮轴1101C图示在使得进气阀门和排气阀门均闭合的位置上。凸 轮轴1101A图示在使得排气阀门1107AE处于完全打开而进气阀门 1107AI完全处于闭合的位置上。可以看出,在图11B中,凸轮轴1101A 和1101C彼此成90度。这表明,通过使凸轮轴转动90度的增量,阀门可 同步闭合,或者进气阀门或者排气阀门可处于打开或者闭合位置—彼此相 互排斥。也就是说,进气阀门和排气阀门不能够一起打开。注意:凸轮轮 廓可以进气阀门和排气阀门可能发生交叠的形式变化。步进电机1108A 和1108C分别转动凸轮轴1101A和1108C。根据所期望的阀门开启的量, 转动可以为90度增量或少些。可以单独地控制阀门开启和阀门闭合的定 时。因此,该设计提供了完全可变的阀门运转和控制。步进电机1108A 和1108C,每个都从发动机控制器中接收独立的输入。因此,每个汽缸阀 门的运行都彼此完全独立。
图12为发动机的控制部件的示意图,其示出了自适应电子控制和可 变阀门定时的应用。电子控制器1201具有一连串用于收集充量条件和发 动机参数的实时数据的传感器输入。所示传感器为:轴角11、点火传感 器22A、B、C和D、发动机温度1202、燃料流1203、空气温度1207、 空气压力1208、空气流1209、废气1210和负载(发动机上的)1213。存 在更多或者更少的以及各种类型的传感器。例如,可以用单个质量空气流 传感器(mass airflow sensor)替代三个空气传感器。
在控制器中,分析来自传感器的数据,并且利用存储在存储器中的关 于发动机和充量参数的信息进行计算。如果需要,这些计算决定发动机控 制设备调整多大程度,以便维持设定的发动机运行条件或者改变那个设定 条件。
如图12中所示,控制器1201利用
电子电路向发动机控制设备提供输 出。然而,可以单独使用
气动回路和/或液压回路,或者使用气动回路和/ 或液压回路与电子电路的组合。所示的控制部件为:进气阀门驱动器20A、 B、C和D、排气阀门驱动器21A、B、C和D、节流位置驱动器1204、 连接至燃料喷射器1206的燃料流动阀门1205、废气再循环阀门1211以 及负载控制设备1212。注意,废气再循环是传统四冲程循环发动机,尤 其是汽车发动机中用于降低排放的普通技术。本质上,HCCI发动机在排 放方面比四冲程循环发动机低,但是在某些负载条件下,可获益于EGR。 可具有更多或更少的各种类型的设备。例如,在
涡轮增压发动机或者增压 发动机中,可除去节流位置驱动器,并且,对发动机节流的控制可由对涡 轮压缩机输出或增压压缩机输出的控制提供(参见图16和图20)。除点 火传感器22以及阀门驱动器20和21之外,所示的其他部件、传感器和 驱动器是用于现有大规模生产发动机(mass production engine)的普通部 件。点火传感器22来源于现有的工业传感器,压力传感、温度传感或者 紫外线光检测。阀门驱动器20和21是可以自商业中获取的部件—但是具 有一定的限制
基础。这个控制器示意图使用通常在现有汽车发动机中使用 的微处理器。然而,还可以使用个人计算机或工业控制微处理器。
图13为用在FPFS发动机上的自适应发动机控制器的功能结构图。 微处理器和相关的存储器设备包括在自适应控
制模块1301中。传感器信 号被发送到这部分的输入中。来自该部分的输出转至连接至发动机控制驱 动器设备的提供适当调节和驱动电路的各种模块。所示的
控制模块为:阀 门驱动器1302、燃料控制器1303、空气控制器1304、废气再循环1305、 中间
冷却风扇1306以及负载控制器1307。在1301中,决定发动机充量 质量流和空气/燃料比。自此时,可提供用于空气控制器1304、EGR阀门 控制器1305以及中间冷却风扇控制器1306的设定点命令(set point command)。此外,将空气特性数据和燃料特性数据提供给该部分的第二 部分。该数据通过计算来源于存储在该部分中的存储器中的空气和燃料特 性性质,以及来源于实际空气和燃料参数的传感器测量。在1301的第二 部分中,通过基于期望的发动机性能的算法传送空气和燃料数据,该期望 的发动机性能包括引起压缩循环期间的点火所需的压缩压力和相应的冲 程。从点火传感器和轴角传感器(或者活塞
位置传感器),确定实际的点 火压力。将实际点火压力与计算的点火压力比较,并且开发出阀门运行定 时的计算。这些计算结果接着被转
化成发送给阀门驱动模块1302的阀门 开启和阀门闭合命令。因此,控制器适能应实际的发动机运行特性,而不 是仅仅依赖于存储于存储器中的性能特性。
本文中出现的控制器基本上不同于其他自适应控制装置。由于使用点 火传感器数据来判断何时发生充量点火并接着使用该数据来控制可变阀 门驱动(尤其是汽缸的排气阀门开启的定时,以及接着在循环的膨胀部 分),该控制是独特的。注意,如果该排气阀门在汽缸之前被充分打开, 那么在压缩循环中,获得充分的压缩压力以对充量进行点火、持续的发动 机运行将很可能失败。
发动机起动循环顺序是一种控制功能。通过传感器11监控枢轴角(位 置活塞位置),并且,当靠近发动机的完整冲程时,使起动机运动反向。 该行为一直重复,直到点火传感器22发出发动机已经起动的信号—在此 时,起动循环终止。
利用来自负载传感器1213的数据的负载控制被提供至控制模块 1307,其为单独的控制功能。来自负载控制的输出为发动机设定点命令的 初级控制。当负载直接连接至发动机轴时,这种类型的负载控制是有益的。
图14A和14B为经由中心线的线性活塞往复式压缩机的横截面,其 可直接利用图1至图8的摇杆和枢轴设计或者图9的齿条和齿轮设计的振 荡运动以及图16的摇杆和枢轴设计的振荡运动。图14A的压缩机由枢轴 1401、将活塞1404A和1404B连接至摇杆1402的连杆1403A和1403B。
簧片阀门(reed style valve)1405A和1405B分别控制活塞1404A和1404B 的进气。簧片阀门1406A和1406B分别控制活塞1404A和1404B的排气。 图14A示出了处于完整冲程的活塞1404A和处于最小冲程的活塞1404B。 图14B示出了相反的。假定:发动机冲程和枢轴角可以变化,那么压缩 机轴角以及随后的位移将根据发动机的变化而变化。不管冲程长度是多 少,压缩机簧片阀门都会积极地跟随活塞压力和吸气循环。这样的压缩机 可以用于任何气体,例如空气或者冷却剂。类似于前述的设计还可以用在 液体泵上,其中,由检验阀代替簧片阀门。因此,对于该发动机设计的很 多类型的潜在应用,并不需要将发动机轴的振荡运动转换为转动运动。此 外,该设计的压缩机或者泵可以直接连接至发动机枢轴。同样,该设计的 压缩机或泵可以是单个汽缸或者是任何数量的多个汽缸。
图15A为由摇杆和枢轴驱动的线性交流发电机的横截面。交流发电 机电枢被显示为处于完整冲程并且摇杆处于最大化枢轴角。在图15B中, 交流发电机电枢被示出处于最小冲程,而摇杆位于中间枢轴角。随着枢轴 臂顺时针移动至完整冲程,交流发电机电枢将再次移至完整冲程。因此, 对于枢轴臂的每个循环,交流发电机电枢完成两个循环。枢轴1501具有 彼此成180度角连接的两组摇杆1502。每个摇杆轴都具有在末端固定的 轴承1503。轴承1503移动驱动头1510,以压缩
复位弹簧1509,并使得 磁环1504在内叠片(lamination)1507和外叠片1505之间振荡。外叠片 1505包括形成发电机
定子电极的线圈1506,其通过当磁环1504移动通过 时的变化的
磁场而得到激励,磁环1504的移动通过在线圈中产生交流电 压。电枢导承1508使得电枢与定子电极处于适当的同心。所示交流发电 机的几何形状类似于商业上可获得的通常应用于线性自由活塞斯特林发 动机(Sterling engine)的线性交流发电机。在商业上存在有若干种可获得 的也可以与摇杆和枢轴结构一起使用的其他线性交流发电机。然而,本文 中出现的摇杆和枢轴设计在倍频方面是唯一的。通过以
原动机的
频率的两 倍频率运行,交流发电机可以被设计成具有较小的线圈和叠片,从而提高 元件的单位功率(Kw/lb)并降低元件的成本。但是,与相比较的转动交 流发电机相比,通常,线性交流发电机承受着低效率、低单位功率以及高 成本。当考虑到目前商业上可获得的微涡轮机上的高速交流发电机时,尤 其是这样。这些高速交流发电机通常利用永磁体
转子,类似于线性交流发 电机,但是对于相同的功率输出,要求相当少量的永磁体材料。更高频率 的运转还导致了更小的线圈和叠片。与线性交流发电机(或者传统转动交 流发电机)相比,这些方面允许构建更少和更多成本效率的设计。因此, 利用具有FPFS发动机的高速发电机将是有利的。
图16-19为四循环、四缸、预混合充量压缩点火、自由活塞、浮动冲 程、内燃发动机的轮廓图,与图1所示类似,但是其中:1)汽缸设置在四 方形发动机汽缸体中,2)增加了涡轮增压器,3)增加了驱动高速交流发电 机的动力涡轮机。在该结构中,自由活塞发动机起到用于涡轮机的气体发 生器或者发动机“核心”1601的作用。发动机动力自动力涡轮机中提取。 自由活塞发动机枢轴并不用于动力提取。其主要功能在于支撑和连接摇 杆,其次在于推动发动机的起动。随着涡轮增压器产生在一般为2∶1至5∶1 范围内的充量压力比,单位功率与空气质量流量成比例地增加。该发动机 的特征在于高效率、低排放、高单位功率以及宽的动力调节范围(其通过 改变
增压压力和空气/燃料比而获得)。对于获得相同的功率定额,涡轮 增压的成本小于增加自由活塞发动机位移的成本。然而,动力涡轮机的成 本比从枢轴中提取动力的成本高。将涡轮增压或者增压和动力涡轮机特征 结合起来能产生优越性能的成本效率发动机。
图16A为发动机的俯视图。在自由活塞发动机核心160中,充量进 气开始在空气入口1605,接着进入燃料入口160和空气流传感器1608, 进入涡轮增压压缩机1602A,然后进入入口集管1609。废气从发动机核 心1601转至集管1610,接着进入涡轮机1602B,然后进入动力涡轮机 1603,并从排气管1606中排出。动力涡轮机直接驱动高速发电机1604。 注意,动力涡轮机可直接或通过传动装置机械地连接至负载,这在气体涡 轮机上是普通的。通过静液压传动装置提供发动机起动,其由液压活塞泵 1612以及向液压活塞1613提供液压和
湍流的电动驱动马达1611组成。
图16B为发动机的正视图。连接至活塞泵1612的液压活塞1613在发 动机起动期间驱动枢轴。电供能的油泵1615将油从油盘/贮槽1614中吸 出并对发动机中的油道(oil line)进行加压以润滑轴承、阀门以及活塞。 发动机冷却剂流进并流出孔1616A和1616B。发动机具有单个汽缸盖1617 和阀门盖1618。发电机1604是当前使用在微涡轮机上的一种设计类型, 取决于引擎的尺寸,将会以每分钟25000至150000转每分钟的速度旋转 (发动机越小,运行速度越高)。与通过减速器连接至涡轮机的传统发电 机相比,高速发电机的优势在于包括:1)高的多的单位功率(Kw/lb), 2)较高频率的交流电,其能够利用较小的电子电路器件(例如,
变压器), 以及3)更灵活的发动机运行。通常,该类型发电机的电输出被发送至固态 功率变流器以改善与电子负载的匹配。功率变流器的成本和负载性基本上 抵消了前述首先提及的两个优势,但是相当大程度地增加了电功率的灵活 性。具有永磁体转子的高速发电机在商业上是可以获得的。与永磁体设计 相比,提供更低成本(但是还稍微有些低效率)的开关型磁阻发电机正可 以逐渐获得。此外,还可以使用高速感应发电机。
图17A和17B分别提供了图16的发动机的左侧视图和右侧视图。
图18A为图16A发动机的左端视图,其中去除了阀门盖1618。进气 阀门驱动器20A、B、C和D、排气阀门驱动器21A、B、C和D以及点 火传感器22A、B、C和D的布置示出了四个汽缸的“四方形”排列。
图18B为经由自由活塞发动机核心1601的上部汽缸对(汽缸1和汽 缸2)的中心线截取的图18A的横截面A-A。在四方形结构中,汽缸1和 汽缸2彼此临近(相对于图1发动机中的“一前一后”)。汽缸3和汽缸 4彼此临近,并且分别直接位于汽缸2和1之下且与汽缸2和1对齐。图 1的部件术语用在图18A和18B中,尽管几何形状稍微有些不同。存在四 个摇杆,标记为26A、B、C和D。摇杆26A和26B组成一组,而摇杆26C 和26D组成第二组。连杆25A、B、C和D单独地连接至摇杆组的每个末 端。具有相应活塞的一对连杆在一组摇杆的相对端彼此连接。所示的活塞 处于完整冲程。
图19A为经由汽缸2和汽缸3的中心线的图19B的横截面B-B。活 塞23C和23D经由装配在活塞末端的销24C和24D以及摇杆末端的销27C 和27D上的连杆25C和25D连接至摇杆26C和26D。
图19B为除去曲轴箱盖的发动机的右端视图。示出了两组摇杆对,该 摇杆对由固定至枢轴1的26A、B、C和D组成,并用销27A、B、C和D 固定连杆25A、B、C和D。注意,这两组摇杆对可以容易地提供利用结 合了对开
轴承盖(split-bearing cap)的连杆设计的装置,在传统发动机设 计中这是普通的。和图1发动机的情况一样,摇杆使两个活塞对彼此连接, 使得一个活塞对的运动与其他活塞对的运动相反。摇杆从枢轴开始的长度 被做的足够长,使得活塞的冲程不受摇杆几何形状的影响。以类似于图1 发动机的方式,在这个四循环、四汽缸的结构中,在任何给定的时间,压 缩、膨胀、排气和吸气循环中的一个出现在一个汽缸或其他的汽缸中。一 个汽缸的膨胀循环驱动另一个汽缸的压缩循环。因此,活塞行程的长度总 是受到压缩循环压力的限制。排气循环中的冲程长度由汽缸中的点火事件 决定,接着在压缩冲程中。压缩点火是一系列空气/燃料参数的函数,其 随着不同循环会在一定的程度内变化。任何给定循环的冲程长度是不定 的,直到充量点火发生。每个活塞压缩冲程都独立于其他的,并且活塞运 动完全不受机械冲程长度的限制。与图1所示的发动机的情况相同,这种 机构允许冲程长度根据对每个压缩循环的充量进行点火所需的压缩比来 变化,或者“浮动”,完全独立于任何其他汽缸的压缩冲程。与图1中利 用枢轴1从发动机中提取能量的发动机结构不同,该发动机利用动力涡轮 机提取动力。因此,与图1中的发动机相比,来自发动机排放口1601的 废气处于较高压力、温度和能量水平下。结果,更加要求阀门冷却和密封, 但是可以利用现有商业设计获得。排气集管1610也处于可以通过利用也 可容易获得的较厚壁管和较高温度率金属
合金而提供的较高温度和压力 下。该设计的单个发动机汽缸体、汽缸盖和阀门盖增强了发动机的刚性。 此外,因为单片汽缸体和单片
气缸盖,该设计的组装和密封方便,提高了 该发动机的可制造性,尤其是如果使用了利用对开轴承罩的连杆。
图20和图21是类似于图16的发动机的视图,但是用增压器代替了 涡轮增压器,并且增加了中间冷却器。还示出了发动机冷却回路。
图20为增压发动机的俯视图。空气通过空气进口1605进入发动机。 通过传感器1608测量空气流。由电动机2002驱动的压缩机1602压缩空 气,并将其排放到中间冷却器2003的内部通道中。压缩机电动机2002处 于图12和图13的自适应发动机控制器的变量的控制下。在该控制情况中, 除了在图12和图13中所示的所有组件外,压缩机的空气流是通过改变主 驱动电动机2002的速度以设定发动机充量的期望质量流来改变的,并且 因此改变发动机的功率输出。中间冷却器是一种降低压缩空气的温度的换 热器,从而增加空气的密度(并且又增加空气/燃料充量的密度)。示出 了由电动机驱动的风扇2004提供的对外部表面施加空气的空气对空气中 间冷却器2003,但是可以使用其他的换热器类型(空气对水)。压缩和 冷却的空气从中间冷却器2003排放到用作涡轮机的气体发生器的自由活 塞发动机2001的发动机入口集管中。入口集管包括温度传感器2005和燃 料
喷嘴1206。通过改变中间冷却器风扇电动机2004的速度,图12和图 13的自适应发动机控制器利用温度传感器2005的输入口来控制压缩空气 的温度。图12和图13中的自适应发动机控制器决定喷射到压缩空气中的 适当量的燃料,以获得期望空气/燃料比。热的压缩气体流从自由活塞发 动机气体发生器的排气装置流进排气集管1610,接着流入动力涡轮机 1603。动力涡轮机1603直接驱动高速发电机1604。注意,在该情况中, 高速发电机即充分地向增压驱动电动机2002提供动力,又产生发动机输 出功率。气体从动力涡轮机排放到排气管2009。排气管中的废气流过排 气传感器1210。
示出了自由活塞发动机2001、由换热器(
散热器)2006、
散热器风 扇2008以及冷却剂泵和电动机2007组成的
冷却剂回路,然而,很多变更 是可能的(例如,冷却剂-水换热器)。图20的增压发动机提供了一种改 进的控制发动机功率输出和排放水平的装置,同时与图16中提出的涡轮 增压形式相比,提供了更加快速的节流响应。然而,增压发动机的改进特 性源于使用了更高昂成本的器件(高速电驱动电动机和电力驱动对涡轮增 压器的气体涡轮机和更高容量的动力—涡轮机和高速发电机以及电功率 调节模块)。增压发动机以及涡轮增压发动机的优越性能和高成本之间的 权衡折衷使得对两种结构的选择具体为对各种潜在应用的要求。
图21A为图20的增压发动机的左端视图。
图21B为图20的增压发动机的侧视图。
图22为图20和21的增压发动机,其中增加了的热回收系统和朗肯 循环涡轮机(Rankine cycle turbine),一起起到了组合循环系统的作用。 图20的冷却剂散热器2006已经由换热器2201所代替,其从发动机冷却 剂中回收热量,并将其在
蒸发阶段中转移给朗肯循环。朗肯循环流体从冷 却剂换热器2201移至起到
过热器作用的废气
热交换器2202。高温高压的 朗肯流体
蒸汽接着流入膨胀机设备2203,该膨胀机设备2203将朗肯循环 蒸汽中的能量转换为机械能。在所示的装置中,膨胀机2203直接连接至 高速发电机2204。较低压力较低温度的朗肯流体从膨胀机2203流至起到 朗肯循环的
冷凝器作用的换热器2205。风扇2206使通过换热器2205的 周围空气循环。进给泵2207从冷凝换热器2205增加朗肯循环的压力并将 朗肯流体抽吸到冷却剂换热器2201的输入端中,从而完成朗肯循环回路。 给定发动机冷却剂和发动机废气的运行温度,预期有机朗肯循环将提供最 大的能量回收效率。展示出用于发动机冷却剂和废气温度的良好性质的一 族有机流体是硅氧烷流体,其能够作为单个流体或在双重组合中使用。
除了前述组合循环结构,能量回收系统的其他各种变更,例如,组合 的动力和热量,可以与一族FPFS自由活塞、浮动冲程发动机一起使用。
工业应用
本发明涉及发动机领域,更具体地,涉及具有可变活塞冲程的四循环、 四缸、自由活塞、预混合充量压缩点火、内燃往复式活塞发动机,其提供 了增强效率、低排放以及多种燃料运行的可能。应用包括但不限于与汽车、 发动机驱动的泵、发动机驱动的压缩机、小飞机、海上交通工具以及动力 工具一起使用。固定冲程四循环PCCI发动机和线性自由活塞PCCI发动 机的有益特征结合在本文公开的FPFS发动机中。这些特征包括:
更高的运行效率;
低排放;
固有的多燃料能力;
高功率密度;
大范围的发动机尺寸;
优良的节流调节;
成本竞争力。
本文公开的FPFS发动机的电功率产生变化特别适用于很多新兴技术 以及传统应用。例如,历来还没有广泛地使用分布式发电,其可能提高 FPFS发动机的效率。汽车车辆(包括混合型)也基本上能从本发明的FPFS 发动机获益。同样,很多一般应用,包括发动机驱动的泵和压缩机可以依 赖于较低燃料消耗、低排放和燃料适应性而从FPFS中获益。
小飞机
推进器能从FPFS发动机中获益,因为当前正致力于用向发动 机提供动力的柴油或喷气燃料替换现有火花点火往复式发动机中使用的 高辛烷燃料。FPFS发动机的多燃料能量以及其较低的燃料消耗使其能够 有效地竞争大范围的各种推进器应用。还可能,如果围绕本发明的FPFS 发动机进行设计,一些现有气体涡轮机应用运行起来更加经济,例如,小 涡轮螺桨发动机或者旋翼式飞机。飞机应用中的FPFS发动机的动力涡轮 机变化是本发明的最优选实施例。
很多船用应用也可以从本发明公开的FPFS发动机特征中获益。甚至 可以预想FPFS发动机的船外引擎和船尾驱动形式(从本发明的FPFS发 动机的液压输出至驱动螺桨的轴向活塞
液压马达)。
小发动机供能工具,例如,小型机器锯以及
割草机是本发明的FPFS 发动机的可用后备。该应用的一个关键因素在于低成本电子控制。但是, 对于这样的高容积引擎,期望控制可以降低至经济的单个微型芯片。
可以预想本发明的FPFS发动机的微型发动机形式。本发明的FPFS 发动机的自由活塞和浮动冲程特征应该服从于经开发以产生微型发动机 的处理。同样,本发明的FPFS的运行特征很好的适用于微型发动机的很 多期望的应用。
正如已经在传统发动机上进行了一段时间那样,FPFS发动机的废热 可以以各种方式进行回收。这样回收的能量可以以热能形式进行直接使 用,或者通过二次处理转化为其他形式。