專(zhuān)利名稱(chēng)：快速響應(yīng)動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及內(nèi)燃機(jī)，更具體地說(shuō)涉及一種從內(nèi)燃機(jī)中的燃燒提取能量的裝置和方法。
背景技術(shù)：
直接將燃料轉(zhuǎn)換成可用能量的初級(jí)能源已在包括機(jī)動(dòng)車(chē)、發(fā)電機(jī)、液壓泵等的各種應(yīng)用中被使用多年。也許最廣為人知的初級(jí)能源的實(shí)例是將礦物燃料轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)動(dòng)力的內(nèi)燃機(jī)了。內(nèi)燃機(jī)被幾乎所有的機(jī)動(dòng)化車(chē)輛和許多其它例如剪草機(jī)、鏈鋸和備用發(fā)電機(jī)的能量自給(energeticallyautonomous)裝置所使用。將礦物燃料轉(zhuǎn)換成可用能量也在大型發(fā)電站中進(jìn)行，這些發(fā)電站為被成千上萬(wàn)的單個(gè)用戶所使用的電網(wǎng)提供電力。盡管初級(jí)能源已成功用于實(shí)現(xiàn)這些功能，但由于其相對(duì)較慢的響應(yīng)特性，初級(jí)能源尚未成功地獨(dú)立用于許多應(yīng)用中。此限制在為利用對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整的反饋環(huán)路的機(jī)器人裝置和類(lèi)似系統(tǒng)提供動(dòng)力時(shí)尤其成問(wèn)題。通常，此類(lèi)系統(tǒng)中的能源必須能夠根據(jù)所需產(chǎn)生快速將校正信號(hào)加到動(dòng)力輸出的動(dòng)力輸出，以維持機(jī)械裝置正常工作。
機(jī)械系統(tǒng)內(nèi)的能源響應(yīng)速度，有時(shí)稱(chēng)為帶寬，是源產(chǎn)生的能量能夠被應(yīng)用使用的快慢程度的指示?？焖夙憫?yīng)動(dòng)力系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例為液壓動(dòng)力系統(tǒng)。在液壓系統(tǒng)中，來(lái)自任意數(shù)量的源的能量可用于對(duì)液壓流體加壓并將加壓后的流體存儲(chǔ)在蓄能器中。通過(guò)打開(kāi)系統(tǒng)中的閥門(mén)并釋放流體以作某種類(lèi)型的功，例如伸出或收回液壓傳動(dòng)裝置，包含在加壓后的流體中的能量幾乎可以立即被使用。此類(lèi)液壓系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間非?？欤鋽?shù)量級(jí)為幾毫秒或更少。
響應(yīng)相對(duì)較慢的動(dòng)力提供系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例為內(nèi)燃機(jī)。裝備有內(nèi)燃機(jī)的車(chē)輛上的加速器控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，該轉(zhuǎn)速的度量單位為每分鐘的旋轉(zhuǎn)數(shù)(“rpms”)。當(dāng)需要?jiǎng)恿r(shí)加速器被啟動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)相應(yīng)地增大其轉(zhuǎn)速。但是由于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的慣性力和燃燒過(guò)程的性質(zhì)，發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法以非?？斓姆绞竭_(dá)到所需的改變。如果發(fā)動(dòng)機(jī)的最大旋轉(zhuǎn)輸出為7000rpms，則發(fā)動(dòng)機(jī)從0起動(dòng)到7000rpms所用的時(shí)間是發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)時(shí)間的度量標(biāo)準(zhǔn)，它可以為幾秒鐘或更長(zhǎng)時(shí)間。而且，如果嘗試在從0到7000rpms再返回0rpms的快速循環(huán)中反復(fù)地運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的響應(yīng)時(shí)間甚至更慢，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)要嘗試響應(yīng)循環(huán)信號(hào)。與此相反，液壓汽缸可以在幾毫秒或更短時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)，并且液壓汽缸可以在快速循環(huán)中工作而不影響其快速響應(yīng)時(shí)間。
由于此原因，許多利用慢速響應(yīng)機(jī)制的應(yīng)用都需要將由初級(jí)能源產(chǎn)生的能量存儲(chǔ)在另一個(gè)更加快速響應(yīng)的能量系統(tǒng)中，該能量系統(tǒng)儲(chǔ)備能量，以使能量可被立即使用。此類(lèi)應(yīng)用的一個(gè)實(shí)例為重型泥土搬運(yùn)設(shè)備，例如反鏟和前端裝載機(jī)，它們利用了上述的液壓系統(tǒng)。重型設(shè)備一般由內(nèi)燃機(jī)提供動(dòng)力，該內(nèi)燃機(jī)通常為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，它為設(shè)備的工作提供充足的動(dòng)力，但無(wú)法滿足各個(gè)部件的能量響應(yīng)要求。通過(guò)將來(lái)自內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力在液壓系統(tǒng)中存儲(chǔ)并放大，重型設(shè)備能夠產(chǎn)生具備非常精確的控制的強(qiáng)大力量。但是，此種變化是有代價(jià)的。為使系統(tǒng)成為能量自給(energeticallyautonomous)的并能夠進(jìn)行精確的控制，必須向系統(tǒng)添加更多的部件，增加了系統(tǒng)的重量和運(yùn)行成本。
快速響應(yīng)的動(dòng)力提供系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)例為供電網(wǎng)或者電存儲(chǔ)裝置，該電存儲(chǔ)裝置例如電池。供電網(wǎng)或者電池中的可用電力的使用可以象打開(kāi)和關(guān)閉開(kāi)關(guān)一樣快。現(xiàn)已開(kāi)發(fā)了無(wú)數(shù)馬達(dá)和其它應(yīng)用以利用此類(lèi)電源。能夠連接到電網(wǎng)的固定應(yīng)用可以利用來(lái)自產(chǎn)生電力的源的直接電輸入。但是，為在系統(tǒng)中使用電力而不使系統(tǒng)受限于電網(wǎng)，系統(tǒng)必須配置成使用能量存儲(chǔ)裝置，諸如可能會(huì)非常大而笨重的電池。隨著現(xiàn)代技術(shù)向裝置的小型化方向發(fā)展，額外的電源重量和體積以及電源附帶的轉(zhuǎn)換硬件正在成為有意義的進(jìn)步的主要障礙。
使用初級(jí)能源為快速響應(yīng)源提供動(dòng)力中固有的困難在諸如機(jī)器人之類(lèi)的應(yīng)用中變得越來(lái)越成問(wèn)題。為了使機(jī)器人精確地模仿人類(lèi)的動(dòng)作，機(jī)器人必須能夠作出精確的、受控的和及時(shí)的動(dòng)作。此種級(jí)別的控制需要諸如上述液壓或電系統(tǒng)之類(lèi)的快速響應(yīng)系統(tǒng)。由于這些快速響應(yīng)系統(tǒng)需要來(lái)自某種初級(jí)能源的動(dòng)力，或者機(jī)器人必須是為快速響應(yīng)系統(tǒng)提供動(dòng)力的更大的系統(tǒng)的一部分，或者機(jī)器人必須直接裝配有笨重的初級(jí)能源或電存儲(chǔ)裝置。但是，理想地，機(jī)器人和其它應(yīng)用應(yīng)具有最小的重量，并且應(yīng)該是能量自給(energetically autonomous)的，不受限于具有液壓或供電線的能源。但是時(shí)至今日，在技術(shù)上還在努力實(shí)現(xiàn)此種快速響應(yīng)、最小重量、有效控制和自給工作的組合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種用于從內(nèi)燃機(jī)燃燒期間產(chǎn)生的能量中提取能量的一部分的裝置和方法。本發(fā)明請(qǐng)求保護(hù)在燃燒的最佳時(shí)間期間中提取能量的一部分及為該內(nèi)燃機(jī)提供優(yōu)良的帶寬特性。
本發(fā)明包括具有主活塞的室，快速響應(yīng)部件和在操作上與室互連的控制器。室還包括至少一個(gè)用于提供流體到該室的流體口和出口。主活塞結(jié)合流體口被配置成為室提供可變的壓力并至少部分地有助于在室的燃燒部分中燃燒以產(chǎn)生能量。主活塞被配置在室中往復(fù)運(yùn)動(dòng)?？刂破鞅慌渲贸煽刂剖抑械娜紵??？焖夙憫?yīng)部件與室通過(guò)流體聯(lián)系，以使快速響應(yīng)部件位于鄰近室的燃燒部分。根據(jù)本發(fā)明，快速響應(yīng)部件被配置成從室中的燃燒中抽取能量的一部分。
本發(fā)明的一個(gè)方面假定由快速響應(yīng)部件從燃燒中抽取的能量部分是從最接近燃燒的瞬間并在主活塞位于室內(nèi)頂部死點(diǎn)位置和底部死點(diǎn)位置之間的中點(diǎn)之前抽取的。而且快速響應(yīng)部件在主活塞從頂部死點(diǎn)位置下降45度的范圍之內(nèi)從室中抽取該能量部分的至少90％。這樣，由快速響應(yīng)部件提取的能量部分的大部分在主活塞完成往復(fù)運(yùn)動(dòng)循環(huán)之前相對(duì)較早一段時(shí)間完成。
快速響應(yīng)部件包括具有能量接收部分的副活塞。該副活塞與能量轉(zhuǎn)換部分互連，其中副活塞的能量接收部分被配置成從燃燒中抽取該能量部分并將該能量傳送到快速響應(yīng)部件的能量轉(zhuǎn)換部分。在能量轉(zhuǎn)換部分，從燃燒中提取的能量部分被轉(zhuǎn)換為以下能量之一液壓能、氣壓能、電能和機(jī)械能。
本發(fā)明的另一個(gè)方面假定在頂部和底部死點(diǎn)位置之間的主活塞的直線運(yùn)動(dòng)總是基本上恒定的，而副活塞的直線運(yùn)動(dòng)在長(zhǎng)度上是可變的。該可變長(zhǎng)度由至少該能量部分所作用于的負(fù)載來(lái)確定。此外，主活塞的有效慣性大于副活塞的有效慣性，它們的比率至少為5∶1。至少在該能量部分被提取給副活塞時(shí)為此比率。
控制器被配置成控制室中的燃燒。尤其是，根據(jù)負(fù)載和/或內(nèi)燃機(jī)的要求，控制器被配置成控制和選擇特定的循環(huán)，用以從主活塞在室中往復(fù)運(yùn)動(dòng)的基本連續(xù)的重復(fù)循環(huán)中啟動(dòng)燃燒。這樣，控制器被配置成控制由副活塞提取的能量，以提供能量的脈沖調(diào)制和/或幅度調(diào)制。這樣，選擇特定循環(huán)的能力，以及進(jìn)而從循環(huán)到循環(huán)快速提供能量并終止能量的能力提供了比從主活塞提供的帶寬更優(yōu)良的帶寬。
在一個(gè)實(shí)施例中，室主要包括單個(gè)間隔室，該單個(gè)間隔室同時(shí)容納主活塞和快速響應(yīng)部件。快速響應(yīng)部件包括副活塞，其中副活塞和主活塞相對(duì)，它們之間為室中的燃燒部分。
在第二實(shí)施例中，室包括由分隔部分分隔的第一間隔室和第二間隔室以及在分隔部分中限定的、并在第一和第二間隔室之間擴(kuò)展的孔。使用該配置，流體由主活塞通過(guò)孔從第一間隔室到第二間隔室進(jìn)行壓縮，其中控制器在第二間隔室中引燃?jí)嚎s后的流體。在第二實(shí)施例中，燃燒至少部分地被從主活塞隔離。
在第三實(shí)施例中，本發(fā)明請(qǐng)求保護(hù)與非燃燒系統(tǒng)相關(guān)的快速響應(yīng)部件。在該系統(tǒng)中，例如催化劑的反應(yīng)元被置于室中。反應(yīng)元置于室中并被配置成接收流體，例如單組分火箭燃料或過(guò)氧化氫，以產(chǎn)生非燃燒反應(yīng)，該反應(yīng)為室提供能量和可變壓力，用于使主活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)?？刂破鞅慌渲贸赏ㄟ^(guò)控制進(jìn)入室的流體來(lái)控制非燃燒反應(yīng)?？焖夙憫?yīng)部件位于鄰近進(jìn)行非燃燒反應(yīng)的室的部分，以便快速響應(yīng)部件被配置成抽取和提取非燃燒反應(yīng)的能量的一部分。
通過(guò)考慮令人信服的說(shuō)明書(shū)、附圖和所附的權(quán)利要求書(shū)，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。


圖1根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例顯示了快速響應(yīng)能量提取系統(tǒng)的側(cè)面示意圖，該示意圖描繪了具有主活塞和副活塞的室；圖2根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例顯示了與不同部分的側(cè)面示意圖相關(guān)的框圖，該框圖描繪了通過(guò)快速響應(yīng)能量提取系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換部分進(jìn)行的各種形式的能量轉(zhuǎn)換；圖3根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例顯示了快速響應(yīng)能量提取系統(tǒng)的部分的側(cè)面示意圖，該示意圖描繪了具有多個(gè)間隔室的室；圖4根據(jù)本發(fā)明顯示了在主活塞和副活塞的時(shí)間、溫度和位移方面主活塞相對(duì)于副活塞的物理響應(yīng)特性的示意圖；圖5根據(jù)本發(fā)明顯示了主活塞相對(duì)于副活塞的物理響應(yīng)特性的示意圖，該示意圖描繪了副活塞的脈沖調(diào)制；圖6根據(jù)本發(fā)明顯示了副活塞的物理響應(yīng)特性的示意圖，該示意圖描繪了副活塞的脈沖調(diào)制和幅度調(diào)制的組合；圖7根據(jù)本發(fā)明顯示了快速響應(yīng)能量提取系統(tǒng)的部分的側(cè)面示意圖，該示意圖在直線位移方面描繪了主活塞和副活塞；圖7A根據(jù)本發(fā)明顯示了副活塞的直線位移相對(duì)于較重和較輕的負(fù)載的示意圖；圖8根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例顯示了快速響應(yīng)能量提取系統(tǒng)的部分的側(cè)面示意圖，該示意圖描繪了非燃燒系統(tǒng)；以及圖9顯示了本發(fā)明的有代表性的應(yīng)用的正面圖，其用于可穿戴的外骨骼骨架。
具體實(shí)施例方式
出于增進(jìn)對(duì)本發(fā)明的原理的理解的目的，現(xiàn)在將參考附圖中顯示的典型實(shí)施例，并將使用特定的語(yǔ)言描述圖中相同的部分。盡管如此，應(yīng)當(dāng)理解并非旨在由此對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限制。在此顯示的新穎性特征的任何改變和進(jìn)一步的修改，以及相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員和閱讀了本公開(kāi)內(nèi)容的技術(shù)人員會(huì)作出的在此顯示的本發(fā)明原理的任何其它應(yīng)用，應(yīng)被看作是在本發(fā)明的范圍之內(nèi)的。
首先參考圖1，其中顯示了快速響應(yīng)能量提取系統(tǒng)100的簡(jiǎn)化的示意圖。此類(lèi)系統(tǒng)100可以部分地包括典型的內(nèi)燃(“IC”)機(jī)，如四沖程火花點(diǎn)火IC發(fā)動(dòng)機(jī)。本發(fā)明也可以利用其它類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機(jī)，如壓縮點(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)、兩沖程內(nèi)燃機(jī)、非燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)或任何其它適用的發(fā)動(dòng)機(jī)。為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，此處快速響應(yīng)能量提取系統(tǒng)100結(jié)合典型的四沖程火花點(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)顯示，其中本發(fā)明描繪了單個(gè)的室110。
室110由室壁105限定并包括一個(gè)或多個(gè)入口112，用于單獨(dú)或混合地接收燃料114和諸如空氣或氧氣之類(lèi)的氧化劑；以及出口122，用于釋放燃燒廢氣124。入口112和出口122中的每一個(gè)都包括閥門(mén)(未示出)，這些閥門(mén)每一個(gè)都被配置成在特定的時(shí)刻打開(kāi)和關(guān)閉以使燃料114和廢氣124分別進(jìn)入和排出室110。室110包括主活塞130、副活塞140以及它們之間的燃燒部分120。主活塞130與活塞桿132互連，活塞桿132又與曲軸134互連。主活塞130被限定大小并被配置成在室110中作直線運(yùn)動(dòng)，用以將來(lái)自主活塞130的直線運(yùn)動(dòng)138轉(zhuǎn)換成曲軸134的旋轉(zhuǎn)能136。此類(lèi)旋轉(zhuǎn)能136可用于為廣泛范圍的外部應(yīng)用提供動(dòng)力，該外部應(yīng)用例如通常利用內(nèi)燃機(jī)的任何類(lèi)型的應(yīng)用。
主活塞130的直線運(yùn)動(dòng)138發(fā)生在頂部死點(diǎn)(“TDC”)位置和底部死點(diǎn)(“BDC”)位置之間。TDC位置出現(xiàn)在活塞130運(yùn)動(dòng)到離曲軸134的最遠(yuǎn)位置時(shí)，BDC位置出現(xiàn)在主活塞130運(yùn)動(dòng)到離曲軸134的最近位置時(shí)。TDC位置和BDC位置之間的主活塞130的直線運(yùn)動(dòng)可由室110的燃燒部分120中周期性的燃燒產(chǎn)生。主活塞130還可通過(guò)其它適合的裝置，例如使用來(lái)自電池的能量的電動(dòng)馬達(dá)在室110中作直線運(yùn)動(dòng)。
內(nèi)燃機(jī)的四沖程循環(huán)從活塞130位于TDC開(kāi)始。隨著活塞130向BDC運(yùn)動(dòng)，燃料114和氧化劑或可燃燒的混合物通過(guò)入口112被引入室110，入口112可以包括一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口，也可以是可變的開(kāi)口，該可變的開(kāi)口用于改變進(jìn)入室110的燃料114的流量。一旦燃料114進(jìn)入室110，入口112被關(guān)閉，活塞130向TDC返回，壓縮室110中的可燃燒混合物和/或燃料114。由控制器115控制的點(diǎn)火源116提供火花，此時(shí)壓縮的燃料燃燒并驅(qū)動(dòng)活塞130返回BDC?？刂破?15也可被配置成控制入口112和出口122處的閥門(mén)(未示出)，以控制燃料114饋送給室110的速率。隨著活塞130再次向TDC返回，燃燒廢氣124被通過(guò)出口122排出。然后出口122關(guān)閉，入口112打開(kāi)，可以重新開(kāi)始四沖程循環(huán)。以這種方式，一系列的燃燒循環(huán)為曲軸134提供動(dòng)力，曲軸134為外部應(yīng)用提供旋轉(zhuǎn)能136。
根據(jù)本發(fā)明，室110還包括副活塞140，副活塞140具有從其上延伸的副活塞桿142。副活塞140包括表面或能量接收端144，并且副活塞桿142連接到能量轉(zhuǎn)換部分146。能量接收端144可位于室110中正對(duì)著主活塞130，以便主活塞130和副活塞140的縱向運(yùn)動(dòng)與室110的縱軸一致。在非活動(dòng)位置，副活塞140的能量接收端144可在基本上密封的后退位置靠在沿或一些其它適合的密封裝置上偏置，被彈力或另一種適合的偏置力，比如蓄壓器來(lái)偏置，以便副活塞140在燃料被引入燃燒室110之前或在系統(tǒng)100的循環(huán)燃燒期間進(jìn)行燃燒之前被偏置。
本發(fā)明的一個(gè)重要的方面是副活塞140具有的慣性顯著低于主活塞130具有的慣性。此種位于鄰近室110的燃燒部分120的顯著較低的慣性有助于快速響應(yīng)燃燒，這提供了沿室110的縱軸的副活塞140的直線運(yùn)動(dòng)148。由于副活塞140的慣性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于主活塞130的慣性，副活塞140可以在燃燒產(chǎn)生的能量由于內(nèi)燃機(jī)固有的低效率而浪費(fèi)了之前有效地提取該能量的大部分。使用此配置，副活塞140的能量接收端144被限定大小和位置并被配置成對(duì)室110中的燃燒作出反應(yīng)以便為能量接收端144提供直線運(yùn)動(dòng)148，然后作用于系統(tǒng)100的能量轉(zhuǎn)換部分146。
現(xiàn)在參考圖2，能量轉(zhuǎn)換部分146可以包括和/或可以連接到任意數(shù)量的能量轉(zhuǎn)換裝置。特別是，能量轉(zhuǎn)換部分146被配置成將副活塞140的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為液壓能、氣壓能、電能和/或機(jī)械能中的任意一種。將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成該各種類(lèi)型的能量在本領(lǐng)域中是公知的。
例如，在液壓系統(tǒng)160中，經(jīng)由副活塞桿142傳送到液壓室162中液壓活塞164的直線運(yùn)動(dòng)可以提供液壓和流168，如本領(lǐng)域中公知的那樣。類(lèi)似地，在氣壓系統(tǒng)170中，副活塞桿142可以為氣壓室172中的氣壓活塞174提供直線運(yùn)動(dòng)，來(lái)以氣壓和氣流178的形式提供輸出能量。
其它系統(tǒng)可以包括電系統(tǒng)180和機(jī)械系統(tǒng)190。如本領(lǐng)域中公知的那樣，在電系統(tǒng)180中，副活塞桿142的直線運(yùn)動(dòng)可以與其周?chē)@有線圈的銜鐵互連，其中銜鐵在線圈中往復(fù)運(yùn)動(dòng)以產(chǎn)生電能輸出188。此外，在機(jī)械系統(tǒng)中，來(lái)自副活塞桿142的直線運(yùn)動(dòng)可以轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)能198，棘爪192推動(dòng)曲軸194以提供旋轉(zhuǎn)能198。此外，副活塞桿142可以直接與曲軸194互連以提供旋轉(zhuǎn)能198。其它轉(zhuǎn)換能量的方法對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的。例如，本發(fā)明的能量轉(zhuǎn)換部分146可以利用旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)和皮帶傳送系統(tǒng)。
現(xiàn)在參考圖3，圖中顯示了快速響應(yīng)能量提取系統(tǒng)200的第二實(shí)施例。除室210用置于中間的分隔部分250限定了第一間隔室254和第二間隔室256之外，第二實(shí)施例與第一實(shí)施例類(lèi)似。分隔部分250在其中限定有孔252，該孔252在第一間隔室254和第二間隔室256之間擴(kuò)展。使用此配置，主活塞230置于第一間隔室254中，副活塞240置于第二間隔室256中。入口212使得燃料214和/或燃燒混合物進(jìn)入第一間隔室254。燃料214和/或燃燒混合物借助主活塞230通過(guò)孔252從第一間隔室254被推入第二間隔室256。燃料214和/或燃燒混合物在室210的燃燒部分220被壓縮，燃燒部分220緊靠副活塞240。然后點(diǎn)火源216點(diǎn)燃燃料以進(jìn)行燃燒，其中副活塞240快速響應(yīng)燃燒作直線運(yùn)動(dòng)，如箭頭248所示。然后燃燒廢氣224通過(guò)出口222排出。應(yīng)當(dāng)注意第一間隔室254和第二間隔室256之間可以間隔很遠(yuǎn)，其中第一和第二間隔室254和256可借助管道通過(guò)流體互相聯(lián)系。
在第二實(shí)施例中，主活塞230可通過(guò)燃燒或電源作往復(fù)運(yùn)動(dòng)以將燃料214從室210的第一間隔室推向室210的第二間隔室。通過(guò)具有分隔部分250，在室210的燃燒部分220的燃燒至少能夠部分地、或甚至完全地與主活塞230隔離。根據(jù)系統(tǒng)200的要求，控制器215可被配置成以不同的程度打開(kāi)或關(guān)閉孔252以將燃燒與主活塞230隔離。這樣，在完全隔離的情況下，通過(guò)快速響應(yīng)燃燒，可以最大化傳送到副活塞240的能量。還可以構(gòu)想第一間隔室254中的主活塞230可以包括正位移壓縮機(jī)和/或氣動(dòng)壓縮機(jī)，例如離心壓縮機(jī)。
現(xiàn)在參考圖1和4，圖中顯示了副活塞140相對(duì)于主活塞130的物理響應(yīng)特性的示意圖。線330表示在TDC 350和BDC 352位置之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)的主活塞130的直線運(yùn)動(dòng)138。線330顯示了四循環(huán)內(nèi)燃機(jī)的一個(gè)完整的循環(huán)，其中主活塞130在TDC 350和BDC 352位置之間經(jīng)過(guò)兩次，在主活塞130初次到達(dá)TDC之后立即發(fā)生一次燃燒事件。線340顯示了副活塞140的直線位移。如圖所示，副活塞140在主活塞130從TDC 350下降開(kāi)始的至少45度，甚至30度之內(nèi)基本上達(dá)到全位移，其中副活塞140完成一個(gè)循環(huán)要比主活塞130完成一個(gè)循環(huán)快得多。
現(xiàn)在再看線360，其中示出了對(duì)于主活塞130和副活塞140的直線位置分別由于燃燒和熱損失而引起的室110中的溫度升高和降低的相對(duì)指示。在主活塞130接近TDC 350位置時(shí)，在緊接著點(diǎn)燃燃料114和/或燃燒混合物之后，燃燒促使溫度急劇上升。眾所周知，內(nèi)燃機(jī)被設(shè)計(jì)為將燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換成主活塞的直線運(yùn)動(dòng)，該直線運(yùn)動(dòng)又被轉(zhuǎn)換成傳動(dòng)軸中的旋轉(zhuǎn)能。但是由于熱量散失到環(huán)繞燃燒室的內(nèi)燃機(jī)壁和廢氣中，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)中產(chǎn)生的熱能的大部分都損失了。即使最高效的內(nèi)燃機(jī)的效率也很少達(dá)到超過(guò)35％。因此，燃燒燃料中超過(guò)一半的可用能量以熱的形式經(jīng)由傳導(dǎo)和輻射通過(guò)壁和活塞損失了，以及以通過(guò)廢氣排出的熱量的形式損失了。
由表示燃燒的上升和下降線360所示的熱增加和熱損失表示了能量以熱能的形式可用的時(shí)間和主活塞130應(yīng)提取熱能的時(shí)間。時(shí)間t2表示大部分熱能可供主活塞進(jìn)行轉(zhuǎn)換所用的時(shí)間期間。時(shí)間t1表示主活塞130正在從TDC 350運(yùn)動(dòng)到BDC 352位置的時(shí)間期間。正是在期間t1中主活塞130應(yīng)從燃燒過(guò)程中轉(zhuǎn)換能量。如兩個(gè)時(shí)間期間t1和t2之間的不同所示，來(lái)自燃燒的大部分熱能在主活塞130到達(dá)其在TDC 350到BDC 352位置之間行程的中點(diǎn)354之前就散失了。
但是，根據(jù)本發(fā)明，副活塞140在時(shí)間期間t2結(jié)束之前基本上完成了其有用的能量提取循環(huán)。尤其是，如線340所示，由副活塞140提取的能量的至少90％是在從主活塞130從TDC 350位置下降開(kāi)始至少45度，甚至至少30度之內(nèi)提取的。由于副活塞140運(yùn)動(dòng)得比主活塞130快得多，副活塞140可以在熱能損失于由內(nèi)燃機(jī)的壁、主活塞和其它部件形成的吸熱設(shè)備之前將大得多的比例的熱能轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)。此外，由于副活塞140的動(dòng)作獨(dú)立于主活塞130，并且由于副活塞140具有比主活塞130低得多的慣性，副活塞140可以以非常短的響應(yīng)時(shí)間對(duì)燃燒作出反應(yīng)，而不必受主活塞130的阻礙。
例如，具有運(yùn)行在每分鐘3000轉(zhuǎn)的工作特性的內(nèi)燃機(jī)，t1將大約為10毫秒，或0.010秒，t2將大約為3毫秒。由于副活塞140可以獨(dú)立于主活塞130工作，副活塞140可以以大約3毫秒的響應(yīng)時(shí)間或甚至可能更短的響應(yīng)時(shí)間工作。換句話說(shuō)，副活塞140可以在至少3毫秒的時(shí)間期間內(nèi)開(kāi)始和停止從系統(tǒng)100的燃燒循環(huán)中提取能量。較高的循環(huán)速率可以通過(guò)使主活塞130工作在較高的速度(即較高的rpms數(shù))上來(lái)實(shí)現(xiàn)。
再看圖1和5，圖中顯示了副活塞140相對(duì)于主活塞130所提供的諸如脈沖調(diào)制和優(yōu)良的帶寬之類(lèi)的物理響應(yīng)特性。尤其是，線430描繪了主活塞130重復(fù)地或基本連續(xù)地以TDC和BDC位置之間的基本固定的位移作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在主活塞130連續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，控制器115被配置成在主活塞130的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的有選擇的循環(huán)中控制燃燒。選擇進(jìn)行燃燒的主活塞130的往復(fù)運(yùn)動(dòng)循環(huán)以相應(yīng)的線440顯示。線440表示由副活塞140從主活塞130的選出的循環(huán)中提取的能量的一部分，在選出的循環(huán)中控制器115控制或啟動(dòng)燃燒(即幅度調(diào)制、脈沖調(diào)制和頻率調(diào)制)。線440的平坦部分442對(duì)應(yīng)于未進(jìn)行燃燒，表示沒(méi)有副活塞140的位移和能量提取。
如圖所示，主活塞130在室110中連續(xù)地往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其中控制器115有選擇地控制發(fā)生燃燒的特定的往復(fù)運(yùn)動(dòng)循環(huán)。這樣，選擇進(jìn)行燃燒以助于提取燃燒能量的一部分的循環(huán)可以包括主活塞的每個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)循環(huán)，或如圖所示包括脈沖調(diào)制。這樣的脈沖調(diào)制提供了在主活塞130的一個(gè)或多個(gè)選出的循環(huán)上提取的熱能以及沒(méi)有提取能量的一個(gè)或多個(gè)選出的循環(huán)序列。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)很容易地認(rèn)識(shí)到，脈沖調(diào)制表明能量可被提取然后停止提取能量的速率是非常快的。這樣的提取能量然后快速停止提取，然后再次快速地在主活塞130的選出的循環(huán)中提取能量的能力提供了遠(yuǎn)比主活塞130的能量提取和轉(zhuǎn)換的帶寬優(yōu)良得多的令人滿意的帶寬。這樣，通過(guò)控制器115在選出的循環(huán)中控制燃燒以及副活塞140對(duì)燃燒作出反應(yīng)，如線440所示，可以以快速的響應(yīng)和令人滿意的帶寬提供和停止提供能量。此外，參考圖1和6，控制器115可以在主活塞130的選出的循環(huán)中控制燃料114和燃燒，以便副活塞140提取燃燒能量的一部分以提供幅度調(diào)制和進(jìn)一步的脈沖幅度調(diào)制540。此外，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)容易地認(rèn)識(shí)到控制器115可以在選出的循環(huán)中控制燃料114和燃燒以提供頻率調(diào)制以及甚至頻率脈沖調(diào)制或甚至頻率幅度調(diào)制。
再看圖7，圖中顯示了對(duì)于室610中的主活塞630和副活塞的每一個(gè)的相對(duì)直線運(yùn)動(dòng)。特別是，室610中主活塞630的直線運(yùn)動(dòng)638具有基本上恒定的位移D1。與之相反，副活塞的直線運(yùn)動(dòng)648的位移長(zhǎng)度可變，由位移D2表示。副活塞的位移D2的該可變長(zhǎng)度可以相對(duì)于負(fù)載650改變，由副活塞提取的能量作用于該負(fù)載650。影響副活塞640的位移D2的其它因素涉及副活塞640及其活塞桿642的質(zhì)量慣性。如前所述，至少在副活塞640從燃燒中提取能量的一部分時(shí)間期間內(nèi)，主活塞630、曲軸部件的有效慣性大于副活塞640的有效慣性，其比率至少為5∶1，甚至至少為10∶1。由于副活塞640的慣性小于主活塞630的慣性，副活塞640能夠以快速響應(yīng)進(jìn)行反應(yīng)。在這種方式下，副活塞640的位移D2的長(zhǎng)度是可變的，其中位移D2自然地與至少提取的能量所作用于的負(fù)載650以及燃燒時(shí)作用于副活塞640的燃燒力相匹配和相對(duì)應(yīng)。D2′和D2″代表各種長(zhǎng)度，這些長(zhǎng)度形成了連續(xù)的值并對(duì)應(yīng)于連續(xù)的傳輸系統(tǒng)。這顯示在圖7A中，其中D2′對(duì)應(yīng)于較重的負(fù)載，D2″對(duì)應(yīng)于較輕的負(fù)載，由此消除了內(nèi)燃機(jī)通常需要的單獨(dú)的傳輸裝置的需要。
參考圖8，根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例，可以在非燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)中提供快速響應(yīng)能量提取系統(tǒng)700。系統(tǒng)700包括具有主活塞730和副活塞740的室710。代替由燃料和氧氣提供的內(nèi)部燃燒，流體714，例如單組分火箭燃料或過(guò)氧化氫，可以通過(guò)室710的入口712進(jìn)入。流體714可以穿過(guò)或通過(guò)反應(yīng)元720，例如催化劑或熱交換器。這樣的催化劑可以包括銀、銀合金和/或銀/陶瓷材料。隨著流體714通過(guò)反應(yīng)元720，產(chǎn)生快速非燃燒反應(yīng)，該反應(yīng)可包括快速分解流體714和/或汽化流體714。如在內(nèi)燃機(jī)中那樣，這樣的快速非燃燒反應(yīng)使得副活塞740快速響應(yīng)以從快速非燃燒反應(yīng)提取能量的一部分。在此系統(tǒng)中，主活塞730可以往復(fù)運(yùn)動(dòng)并起類(lèi)似于內(nèi)燃機(jī)中的主活塞的作用，或者，主活塞730可以簡(jiǎn)單地用作將流體吸入或抽出室710的裝置。
盡管上述討論集中于作為初級(jí)能源的四沖程內(nèi)燃機(jī)的特性，本發(fā)明并不限于用于內(nèi)燃機(jī)中。本發(fā)明可以用于任何提供可變脈動(dòng)壓力的初級(jí)能源。例如，兩沖程內(nèi)燃機(jī)、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、外燃機(jī)和熱力發(fā)動(dòng)機(jī)都可以用作快速響應(yīng)動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置的初級(jí)能源。上述的本發(fā)明可用于為機(jī)器人中使用的能源提供能量自給。機(jī)器人可以由不受限于任何初級(jí)能源的自給的燃料消耗裝置提供動(dòng)力。由于本發(fā)明為直接將燃料轉(zhuǎn)換成快速響應(yīng)能量提供了方便，任何諸如液壓蓄能器或電池之類(lèi)的中間存儲(chǔ)裝置將不再是必需的，消除了加到機(jī)器人的大的重量而不犧牲機(jī)器人使用動(dòng)力的速度。
例如，本發(fā)明可用于為機(jī)器人中使用的能源提供能量自給。機(jī)器人可以由不受限于任何初級(jí)能源的自給的燃料消耗裝置提供動(dòng)力。由于本發(fā)明為直接將燃料轉(zhuǎn)換成快速響應(yīng)能量提供了方便，任何諸如液壓蓄能器或電池之類(lèi)的中間存儲(chǔ)裝置將不再是必需的，消除了加到機(jī)器人的大的重量而不犧牲機(jī)器人使用動(dòng)力的速度。
除提供用于機(jī)器人中的重量輕、能量自給的快速響應(yīng)能源以外，本發(fā)明可以以基本相同的方式用于幫助人類(lèi)運(yùn)動(dòng)。圖9中的800總體上顯示了可被人類(lèi)使用的可穿戴外骨骼骨架。中央控制單元802可以用作燃料存儲(chǔ)裝置、動(dòng)力產(chǎn)生中心和/或信號(hào)產(chǎn)生/處理中心。如804所示，執(zhí)行機(jī)構(gòu)806在808附加至外骨骼關(guān)節(jié)809。該執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)的汽缸(未示出)可以伸出或收縮以分別調(diào)整外骨骼骨架的上部和下部的腿段816和818的相對(duì)位置。執(zhí)行機(jī)構(gòu)806可由快速響應(yīng)動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置810驅(qū)動(dòng)?？焖夙憫?yīng)動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置可以為小型內(nèi)燃機(jī)，該小型內(nèi)燃機(jī)由來(lái)自燃料管路812中的燃料供能，由輸入/輸出信號(hào)線814進(jìn)行控制。該系統(tǒng)可被配置以使執(zhí)行機(jī)構(gòu)和動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置位于外骨骼骨架的每個(gè)關(guān)節(jié)并且由來(lái)自主控制單元802的信號(hào)控制?；蛘?，該系統(tǒng)可被配置以使一個(gè)或多個(gè)主動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置位于中央控制單元802中以有選擇地為位于外骨骼的每個(gè)關(guān)節(jié)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力。傳感器(未示出)可以被附加到外骨骼的各點(diǎn)以監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)并提供反饋，還可以包括諸如動(dòng)力中斷之類(lèi)的安全裝置(未示出)以保護(hù)穿戴外骨骼骨架的人員的安全。
可穿戴的外骨骼骨架可用于許多應(yīng)用中。在一個(gè)實(shí)施例中，骨架可被配置成幫助在困難或危險(xiǎn)任務(wù)中的軍事人員。能量自給的快速響應(yīng)動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置可為使用常規(guī)的初級(jí)能源以增強(qiáng)人員的力量、耐力和速度，而不需要該人員受限于初級(jí)能源提供了方便。可穿戴的骨架可以減少危險(xiǎn)或有害任務(wù)中需要的人數(shù)并減少執(zhí)行此類(lèi)任務(wù)時(shí)人員經(jīng)受的生理上的壓力?？纱┐鞯墓羌芤部梢耘渲脼橛糜趯?zhuān)用的任務(wù)，這些任務(wù)可能涉及暴露于輻射、氣體、化學(xué)或生物試劑。
可穿戴的骨架還可以用于幫助殘疾人完成否則是不可能的工作，例如坐下、站立或行走?？焖夙憫?yīng)動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置可以用作功率放大器，將細(xì)微的運(yùn)動(dòng)和力放大成可控的、大的運(yùn)動(dòng)和力。通過(guò)在骨架上的不同位置有計(jì)劃地放置傳感器和控制裝置，只能施加非常小的力量的個(gè)人可以控制該骨架的運(yùn)動(dòng)。由于快速響應(yīng)動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置是能量自給的，殘疾人可以自由運(yùn)動(dòng)而不必受限于能源。快速響應(yīng)動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置還能夠產(chǎn)生模仿人類(lèi)動(dòng)作所需的細(xì)微的、不連續(xù)的動(dòng)作。諸如動(dòng)力中斷之類(lèi)的安全裝置可以被構(gòu)建于系統(tǒng)中，以防止骨架的不經(jīng)意的動(dòng)作和對(duì)穿戴該骨架的個(gè)人的任何損害。
除了上述應(yīng)用以外，本發(fā)明可以用于需要快速響應(yīng)動(dòng)力的任意數(shù)量的應(yīng)用中并且不使應(yīng)用受限于初級(jí)能源。實(shí)例可以包括動(dòng)力驅(qū)動(dòng)輪椅、高爾夫球車(chē)、汽車(chē)、滑板、小型摩托車(chē)、超輕型飛機(jī)和其它機(jī)動(dòng)車(chē)以及通常任何利用(leverage)機(jī)械能和從能量自給中受益的應(yīng)用。
應(yīng)當(dāng)理解上述配置只是本發(fā)明原理的示例性的應(yīng)用。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下設(shè)計(jì)許多修改和替代配置，且所附的權(quán)利要求書(shū)旨在覆蓋此類(lèi)修改和配置。這樣，盡管在附圖中示出了本發(fā)明并結(jié)合當(dāng)前被視為本發(fā)明最實(shí)際的和優(yōu)選的實(shí)施例的實(shí)施例具體詳細(xì)地在上面完整說(shuō)明了本發(fā)明，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯而易見(jiàn)可以在不背離上述本發(fā)明的原理和觀念的情況下作出許多修改，包括但不限于大小、材料、形狀、形式、功能、工作方式、部件和應(yīng)用的改變。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)燃(IC)機(jī)，包括室，具有活塞、連接到所述室用以向該室提供流體的至少一個(gè)流體口以及出口，所述活塞和所述至少一個(gè)流體口配置成為所述室提供可變壓力，所述活塞和所述流體配置成至少部分地有助于燃燒以從所述室的燃燒部分中的所述燃燒中提供能量；用于控制所述室中的所述燃燒的控制器；以及與所述室通過(guò)流體聯(lián)系的快速響應(yīng)部件，所述快速響應(yīng)部件位于鄰近所述室的所述燃燒部分，所述快速響應(yīng)部件配置成從所述室中的所述燃燒中抽取所述能量的一部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述快速響應(yīng)部件包括置于所述室中的副活塞，所述副活塞包括能量接收部分和能量轉(zhuǎn)換部分，所述能量接收部分配置成從所述室中的所述燃燒中抽取所述能量的所述部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述能量轉(zhuǎn)換部分被配置成將來(lái)自所述燃燒的所述能量的所述部分轉(zhuǎn)換為選自液壓能、氣壓能、電能和機(jī)械能的至少一種形式的能量。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于進(jìn)一步包括在操作上連接到所述副活塞的所述能量轉(zhuǎn)換部分的副能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，所述副能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)選自液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述控制器包括配置成至少部分地有助于所述室中的所述燃燒的火花點(diǎn)火源。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述控制器包括用于將燃料與氧化劑混合以至少部分地有助于所述室中的所述燃燒的燃料控制器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述氧化劑選自純氧和空氣。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述控制器包括用于將燃料釋放到壓縮后的氧化劑流體中以至少部分地有助于所述室中的所述燃燒的結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述室被配置成與選自火花點(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)和壓縮點(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合工作。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述快速響應(yīng)部件被配置成提供大于由所述內(nèi)燃機(jī)的活塞直接提供的直接帶寬的帶寬。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述快速響應(yīng)部件被配置成在從最接近所述燃燒的瞬間并在所述活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)到頂部死點(diǎn)位置和底部死點(diǎn)位置之間的中點(diǎn)位置之前的時(shí)間期間中從所述室抽取所述能量的所述部分。
12.根據(jù)權(quán)利要求2的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述室容納所述活塞和所述副活塞的至少一個(gè)。
13.根據(jù)權(quán)利要求2的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述室包括第一間隔室和第二間隔室，兩個(gè)分隔室之間具有分隔部分，所述第一間隔室包括所述活塞并且所述第二間隔室包括所述副活塞，所述分隔部分限定有在所述分隔部分中的孔，該孔在所述第一間隔室和所述第二間隔室之間延伸。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述流體由所述活塞至少部分地壓縮到所述第二間隔室中，其中所述控制器包括配置成至少部分地有助于所述第二間隔室中的所述燃燒的火花點(diǎn)火源。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述活塞被配置成基本上連續(xù)地在所述室中往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述控制器被配置成在一個(gè)或多個(gè)循環(huán)的選定循環(huán)啟動(dòng)所述燃燒，其中所述選定循環(huán)與所述活塞基本上連續(xù)地在所述室中往復(fù)運(yùn)動(dòng)的循環(huán)相比是非連續(xù)的。
17.一種內(nèi)燃機(jī)，包括室，具有活塞、連接到所述室用以向該室提供流體的至少一個(gè)流體口以及出口，所述活塞和所述至少一個(gè)流體口配置成為所述室提供可變壓力和溫度，所述活塞配置成在所述室中頂部死點(diǎn)位置和底部死點(diǎn)位置之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所述活塞的每一往復(fù)運(yùn)動(dòng)定義了一循環(huán)，所述活塞和所述流體配置成至少部分地有助于燃燒以從所述室的燃燒部分中的所述燃燒中提供能量；用于控制所述室中的所述燃燒的控制器；以及與所述室通過(guò)流體聯(lián)系的快速響應(yīng)部件，所述快速響應(yīng)部件配置成在從最接近所述燃燒的瞬間并在所述活塞位于所述頂部死點(diǎn)位置和所述底部死點(diǎn)位置之間的中點(diǎn)之前的時(shí)間期間中從所述室抽取所述能量的一部分。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述最接近所述燃燒的瞬間是緊鄰燃燒之前。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述最接近所述燃燒的瞬間是緊接燃燒之后。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述快速響應(yīng)部件在所述活塞從所述頂部死點(diǎn)位置下降45度的范圍之內(nèi)從所述室抽取所述能量的所述部分的大部分。
21.根據(jù)權(quán)利要求17的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述快速響應(yīng)部件在所述活塞從所述頂部死點(diǎn)位置下降45度范圍之內(nèi)從所述室抽取所述能量的所述部分的至少90％。
22.根據(jù)權(quán)利要求17的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述快速響應(yīng)部件連接到選自液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載。
23.根據(jù)權(quán)利要求17的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述快速響應(yīng)部件被配置成將來(lái)自所述燃燒的能量轉(zhuǎn)換為選自液壓能、氣壓能、電能和機(jī)械能的另一種形式的能量。
24.根據(jù)權(quán)利要求17的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述活塞被配置成基本上連續(xù)地在所述室中往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述控制器被配置成在一個(gè)或多個(gè)循環(huán)的選定循環(huán)啟動(dòng)所述燃燒，其中所述選定循環(huán)與所述活塞基本上連續(xù)地在所述室中往復(fù)運(yùn)動(dòng)的循環(huán)相比是非連續(xù)的。
26.根據(jù)權(quán)利要求17的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述控制器被配置成控制所述快速響應(yīng)部件的激活。
27.一種內(nèi)燃機(jī)，包括室，具有活塞、連接到所述室用以向該室提供流體的至少一個(gè)流體口以及出口，所述活塞和所述至少一個(gè)流體口配置成為所述室提供可變壓力和溫度，所述活塞配置成在所述室中頂部死點(diǎn)位置和底部死點(diǎn)位置之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所述活塞的每一往復(fù)運(yùn)動(dòng)定義了一循環(huán)，所述往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞和所述流體配置成至少部分地有助于燃燒以從所述室的燃燒部分中的所述燃燒中提供能量；用于控制所述室中的所述燃燒的控制器，所述控制器配置成在所述往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞的一個(gè)或多個(gè)循環(huán)的選定循環(huán)為所述室提供所述燃燒，其中所述選定循環(huán)與所述活塞基本上連續(xù)地在所述室中往復(fù)運(yùn)動(dòng)的循環(huán)相比是非連續(xù)的；以及與所述室通過(guò)流體聯(lián)系的快速響應(yīng)部件，所述快速響應(yīng)部件位于鄰近所述室的所述燃燒部分，所述快速響應(yīng)部件從由所述控制器控制的所述室中的所述燃燒中抽取所述能量的一部分。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述控制器被配置成控制所述快速響應(yīng)部件的響應(yīng)。
29.根據(jù)權(quán)利要求27的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述能量的所述部分包括除從所述活塞抽取的所述能量以外的其它能量。
30.根據(jù)權(quán)利要求27的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述控制器被配置成激活所述快速響應(yīng)部件。
31.根據(jù)權(quán)利要求27的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于在所述選定循環(huán)控制所述室中的所述燃燒的所述控制器啟動(dòng)將所述能量的所述部分傳送到選自液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的其它能量系統(tǒng)。
32.根據(jù)權(quán)利要求27的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述快速響應(yīng)部件由在所述選定循環(huán)的所述燃燒激活以提供由所述控制器控制的快速響應(yīng)動(dòng)力。
33.根據(jù)權(quán)利要求27的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于從所述燃燒中抽取的所述能量的所述部分提供對(duì)應(yīng)于所述選定循環(huán)的所述燃燒的快速響應(yīng)動(dòng)力，其中所述快速響應(yīng)動(dòng)力是在所述活塞的燃燒循環(huán)期間提供的，并且所述快速響應(yīng)動(dòng)力在非燃燒循環(huán)期間被快速地消除。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述快速響應(yīng)動(dòng)力被提供給選自液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的至少一個(gè)的負(fù)載，對(duì)于所述選定的燃燒循環(huán)，這些系統(tǒng)中的每一系統(tǒng)快速地進(jìn)行響應(yīng)。
35.一種內(nèi)燃(IC)機(jī)，包括室，具有活塞、連接到所述室用以向該室提供流體的至少一個(gè)流體口以及出口，所述活塞和所述至少一個(gè)流體口配置成為所述室提供可變壓力，所述活塞配置成在所述室中在頂部死點(diǎn)位置和底部死點(diǎn)位置之間連續(xù)地以基本固定的位移往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所述活塞和所述流體配置成至少部分地有助于燃燒以從所述室的燃燒部分中的所述燃燒中提供能量；用于控制所述室中的所述燃燒的控制器；以及具有與所述室通過(guò)流體聯(lián)系的副活塞的快速響應(yīng)部件，所述快速響應(yīng)部件位于鄰近所述室的所述燃燒部分以從所述燃燒中抽取所述能量的一部分，所述副活塞配置成至少部分根據(jù)連接到所述副活塞的負(fù)載來(lái)以可變的長(zhǎng)度進(jìn)行位移。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述活塞包括第一質(zhì)量，所述副活塞包括第二質(zhì)量，其中至少在所述能量的所述部分被傳送到所述快速響應(yīng)部件期間，所述第一質(zhì)量的第一有效慣性大于所述第二質(zhì)量的第二有效慣性，其比率至少為5∶1。
37.根據(jù)權(quán)利要求35的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述快速響應(yīng)部件在所述活塞從所述頂部死點(diǎn)位置下降45度范圍之內(nèi)從所述室抽取所述能量的所述部分的至少大部分。
38.根據(jù)權(quán)利要求35的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述快速響應(yīng)部件在所述活塞從所述頂部死點(diǎn)位置下降45度范圍之內(nèi)從所述室抽取所述能量的所述部分的至少90％。
39.根據(jù)權(quán)利要求35的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述活塞包括第一質(zhì)量，所述副活塞包括第二質(zhì)量，其中所述第一質(zhì)量的第一有效慣性大于所述第二質(zhì)量的第二有效慣性。
40.根據(jù)權(quán)利要求35的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于進(jìn)一步包括配置成提供所述副活塞的所述可變長(zhǎng)度的連續(xù)傳輸系統(tǒng)，所述可變長(zhǎng)度至少部分地按照所述負(fù)載的函數(shù)可變。
41.一種用于提取能量的非燃燒系統(tǒng)，包括室，具有配置成在室中往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞、連接到所述室用以為該室提供流體的至少一個(gè)流體口以及出口，所述室包括用于與所述流體進(jìn)行接觸以提供非燃燒反應(yīng)的反應(yīng)元，所述非燃燒反應(yīng)向所述室提供能量和可變壓力以使所述活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)；用于控制所述室中的所述非燃燒反應(yīng)的控制器；以及與所述室通過(guò)流體聯(lián)系的快速響應(yīng)部件，所述快速響應(yīng)部件位于鄰近進(jìn)行所述非燃燒反應(yīng)的所述室的一部分，所述快速響應(yīng)部件配置成從所述室中的所述非燃燒反應(yīng)中抽取所述能量的一部分。
42.根據(jù)權(quán)利要求41的系統(tǒng)，其特征在于所述流體包括單組分火箭燃料。
43.根據(jù)權(quán)利要求42的系統(tǒng)，其特征在于所述單組分火箭燃料包括過(guò)氧化氫。
44.根據(jù)權(quán)利要求41的系統(tǒng)，其特征在于所述反應(yīng)元包括催化劑和熱交換器的至少之一。
45.根據(jù)權(quán)利要求41的系統(tǒng)，其特征在于所述非燃燒反應(yīng)包括快速分解所述流體。
46.根據(jù)權(quán)利要求41的系統(tǒng)，其特征在于所述非燃燒反應(yīng)包括汽化所述流體。
47.根據(jù)權(quán)利要求41的系統(tǒng)，其特征在于所述非燃燒反應(yīng)包括快速氣體膨脹。
48.一種用于從內(nèi)燃機(jī)提取額外能量的方法，所述方法包括提供室，該室具有活塞、連接到所述室用以向該室提供流體的至少一個(gè)流體口以及出口，所述活塞和所述至少一個(gè)流體口配置成為所述室提供可變壓力，所述活塞配置成在所述室中在頂部死點(diǎn)位置和底部死點(diǎn)位置之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所述活塞的每一往復(fù)運(yùn)動(dòng)定義了一循環(huán)，所述活塞和所述流體配置成至少部分地有助于燃燒以從所述室的燃燒部分中的所述燃燒中提供能量；提供快速響應(yīng)部件；定位所述快速響應(yīng)部件使之與所述室通過(guò)流體聯(lián)系并鄰近所述室的所述燃燒部分；以及使用與所述室互連的控制器控制所述室中的所述燃燒。
49.根據(jù)權(quán)利要求48的方法，其特征在于進(jìn)一步包括配置所述快速響應(yīng)部件在從最接近所述燃燒的瞬間并在所述活塞位于頂部死點(diǎn)位置和底部死點(diǎn)位置之間的中點(diǎn)之前從所述室中的所述燃燒中抽取所述能量的一部分。
50.根據(jù)權(quán)利要求49的方法，其特征在于所述配置包括配置所述快速響應(yīng)部件在所述活塞從所述頂部死點(diǎn)位置下降45度范圍之內(nèi)從所述室抽取所述能量的所述部分的大部分。
51.根據(jù)權(quán)利要求50的方法，其特征在于所述配置包括配置所述快速響應(yīng)部件在所述活塞從所述頂部死點(diǎn)位置下降45度范圍之內(nèi)從所述室抽取所述能量的所述部分的至少90％。
52.根據(jù)權(quán)利要求48的方法，其特征在于所述控制包括控制所述控制器在所述活塞的一個(gè)或多個(gè)循環(huán)的選定循環(huán)為所述室提供所述燃燒以使所述選定循環(huán)與所述活塞連續(xù)地在所述室中往復(fù)運(yùn)動(dòng)的循環(huán)相比是非連續(xù)的。
全文摘要
一種用于從內(nèi)燃機(jī)提取能量的裝置和方法。內(nèi)燃機(jī)包括具有主活塞(130)和副活塞(140)的室(120)，室的燃燒部分位于鄰近主和副活塞之間。副活塞包括顯著小于主活塞的質(zhì)量。室包括至少一個(gè)流體口(112)用以向燃燒部分提供燃料，以及出口(122)用以釋放燃燒廢氣。使用此配置，副活塞被配置成從燃燒過(guò)程中抽取能量的一部分。此能量的一部分以快速響應(yīng)被提供給與副活塞互連的能量轉(zhuǎn)換部分(146)。
文檔編號(hào)F02B75/28GK1541305SQ02815672
公開(kāi)日2004年10月27日 申請(qǐng)日期2002年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月5日
發(fā)明者S·C·雅各布森, M·奧利維爾, S C 雅各布森 申請(qǐng)人:薩科斯投資公司