專利名稱：液壓內(nèi)燃機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和用于它的動(dòng)力傳動(dòng)系的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
內(nèi)燃機(jī)是通過燃燒用來將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的有用的裝置。典型的內(nèi)燃機(jī)通過使用受限制的燃燒產(chǎn)生的壓力在燃燒氣體膨脹時(shí)向下推動(dòng)活塞并且利用曲軸將該運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而將諸如汽油或柴油的石化燃料中的能量轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)機(jī)械能。然而，活塞和曲軸機(jī)構(gòu)的使用在發(fā)動(dòng)機(jī)的操作中引入許多約束，這限制了可以從燃燒過程提取的有用機(jī)械能的量。自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)是線性的，在“無曲柄的”內(nèi)燃機(jī)中活塞運(yùn)動(dòng)不受曲軸控制，而是通過來自燃燒室氣體，回彈裝置，和載荷裝置的力的相互作用而確定。液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)使用液壓控制系統(tǒng)將燃燒活塞聯(lián)結(jié)到充當(dāng)載荷和回彈裝置的液壓缸。這給單元提供了操作靈活性。雖然現(xiàn)有技術(shù)中的液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的形式已經(jīng)實(shí)現(xiàn)良好的操作靈活性，但希望提供一種具有更大操作靈活性和能量效率的液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。


圖I是根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)汽缸的示意圖。圖2示意性地示出可用于本發(fā)明的實(shí)施例的自由活塞位置傳感系統(tǒng)。圖3是本發(fā)明的另一可能的一般實(shí)施方式的示意圖。圖4是使用本發(fā)明的示例性車輛動(dòng)力系統(tǒng)的方塊圖。圖5示出根據(jù)本發(fā)明的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的四沖程運(yùn)轉(zhuǎn)周期。圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一示例性自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)/動(dòng)力傳動(dòng)系的示意圖。圖7是根據(jù)本發(fā)明的又一示例性自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)/動(dòng)力傳動(dòng)系的示意圖。圖8以更多的物理實(shí)現(xiàn)顯示圖4的電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)。圖9是體現(xiàn)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)的橫截面。圖10是體現(xiàn)本發(fā)明的燃燒汽缸和液壓組件的圖示視圖。圖11是圖10的裝置的圖示視圖，燃燒汽缸被移除以顯示燃燒活塞。
圖12是圖10的裝置中的燃燒活塞和液壓柱塞的平面圖。圖13是圖10的裝置沿截線13-13截取的剖視圖。圖14是體現(xiàn)本發(fā)明的另一燃燒汽缸和液壓組件的圖示視圖。
圖15是圖14的裝置沿截線15-15截取的剖視圖。圖16是圖14的裝置中的燃燒活塞和液壓柱塞的平面圖。圖17是根據(jù)本發(fā)明可以使用的閥和控制系統(tǒng)的示意圖。圖18是根據(jù)本發(fā)明的可用于動(dòng)力傳動(dòng)系的閥和控制系統(tǒng)的示意圖。圖19是根據(jù)本發(fā)明的用于多汽缸發(fā)動(dòng)機(jī)的示例性總控制系統(tǒng)的示意性方塊圖。
具體實(shí)施例方式這里公開的是自由活塞式 液壓內(nèi)燃機(jī)，該自由活塞式液壓內(nèi)燃機(jī)具有完全可變的電子控制的液壓閥門驅(qū)動(dòng)(hydraulic valve actuation),高壓電子控制的燃料噴射,和可與其一起使用的動(dòng)力傳動(dòng)系。在下面的描述中，通過一個(gè)實(shí)施例公開了本發(fā)明的某些方面，該公開包括了將這些方面應(yīng)用到其他實(shí)施例中的可能性。圖I中示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)汽缸。發(fā)動(dòng)機(jī)中的兩個(gè)主要子組件(subassembly)包括汽缸蓋組件和具有液壓閥的活塞/柱塞組件。它們彼此相對獨(dú)立并且將被分開描述。在這個(gè)實(shí)施例中，汽缸蓋組件包括使用增強(qiáng)型燃料噴射器的高壓電子控制的燃料噴射器44，和美國專利No. 6739293的通用型液壓閥門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)46。活塞/柱塞組件取代傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞/連接桿/曲軸組件，并且將燃燒期間釋放的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為液壓能。通過適當(dāng)定時(shí)的打開和關(guān)閉電致動(dòng)的液壓控制閥，利用將液壓流體從低壓容器有效地泵送到高壓蓄能器(high pressure accumulator)中以實(shí)現(xiàn)這種能量的轉(zhuǎn)換?；钊?柱塞組件可以被描述為如下?；钊?0具有與液壓柱塞22的底部配合表面。對于每一個(gè)活塞，存在許多柱塞，至少三個(gè)，可能更多，例如，為繞第七中心柱塞24均勻分布的六個(gè)(見圖12)。柱塞的頂部被活塞20的底表面向下推(注意，如頂部，底部，上方，下方等的詞為了方便起見以相對意義而不是絕對意義被使用，并且將不被解釋為限制意義)。液壓容積位于柱塞的底部。通過電致動(dòng)的三路液壓閥26，28和30 (在這里稱為柱塞閥)，這些體積的每一個(gè)連接到低壓(LP)軌道32 (當(dāng)柱塞閥處于關(guān)閉位置時(shí))，或連接到高壓(HP)軌道34 (當(dāng)柱塞閥處于打開位置時(shí))。柱塞體積也可以各通過止回閥36連接到LP軌道以增加從LP軌道到柱塞液壓容積的流動(dòng)面積而不增加控制閥流動(dòng)面積和尺寸。圖I中示出的液壓返回布置促進(jìn)活塞20和柱塞22和24在吸入沖程期間返回到底部位置。液壓返回是中心柱塞連接到活塞的原因。至少一個(gè)柱塞(優(yōu)選地中心柱塞24)必須能夠在吸入沖程期間不停地拉活塞以使其向下移動(dòng)。如圖I中示出的，中心柱塞的底部的直徑上大于上部的直徑，并且在這個(gè)實(shí)施例中該中心柱塞的底部始終聯(lián)結(jié)到高壓軌道。當(dāng)中心活塞的底部聯(lián)結(jié)到低壓軌道時(shí)對中心活塞上提供向下的力以便活塞20返回，用于諸如吸入沖程，但當(dāng)活塞20的底部通過閥26聯(lián)結(jié)到高壓軌道時(shí)對該中心活塞提供向上的力，可以在諸如壓縮沖程期間或在動(dòng)力沖程期間使用。并且，作為替代方案，中心柱塞24的擴(kuò)大端部38上方的區(qū)域可以聯(lián)結(jié)到控制閥以便被可控制地聯(lián)結(jié)到高壓軌道或低壓軌道。需要注意地，在所有柱塞的所有情況中，低壓軌道的壓力應(yīng)當(dāng)足夠高，以在柱塞離開各個(gè)柱塞的分別的液壓流體入口端口時(shí)回填相應(yīng)的液壓容積。為每一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸使用多個(gè)柱塞，這允許在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)周期上匹配或平衡活塞的頂部上的壓力與柱塞的底部上的液壓壓力，因此在燃燒周期的任何點(diǎn)促進(jìn)受控制的活塞/柱塞速度，這反過來促進(jìn)從化學(xué)能到液壓能的高效率的轉(zhuǎn)換。壓力傳感器25可以設(shè)置在燃燒室中以向控制器提供輸入，如果需要的話，該控制器管理活塞/柱塞速度，但是監(jiān)測液壓控制閥位置和活塞位置，并且從活塞位置相對時(shí)間，活塞速度和加速度基本上能夠提供所有需要的信息。如果除了中心柱塞24外還使用六個(gè)柱塞22，兩個(gè)在直徑方向上相對的柱塞可以由一個(gè)閥(例如，閥26)控制，并且其它四個(gè)柱塞由閥30控制。如果中心柱塞38與其它六個(gè)柱塞具有相同的凈尺寸，那么，例如在動(dòng)力沖程期間，七個(gè)柱塞可以用來泵送液壓流體到高壓軌道(和高壓蓄能器)，然后六個(gè)柱塞(除了中心柱塞24外的所有柱塞)，然后五個(gè)柱塞(四個(gè)柱塞加上中心柱塞24)，然后四個(gè)柱塞(由所述閥的一個(gè)控制的四個(gè)柱塞)，然后三個(gè)柱塞(由所述閥的一個(gè)控制的兩個(gè)柱塞加上中心柱塞)等等可以用來泵送液壓流體到高壓軌道(和高壓蓄能器)，提供雙重進(jìn)程(binary progression)以良好地匹配需要的活塞力以始終 對活塞位置和速度具有良好的控制?？商娲?，每一個(gè)柱塞可以具有其自身的控制閥，雖然在這種實(shí)施例中，用于在直徑方向上相對的柱塞的控制閥將一致地操作，以避免活塞20中關(guān)于水平軸線的扭矩。因此，作為另外的替代方案，每一個(gè)閥可以控制相對的成對柱塞。而且，由于用于獲得所需結(jié)果的閥切換減少，這種實(shí)施例使得較容易獲得上述的雙重進(jìn)程。優(yōu)選地應(yīng)當(dāng)使用明顯高速度的，電子控制的，電致動(dòng)的閥，同樣優(yōu)選地應(yīng)當(dāng)使用兩級(jí)短管閥(two stage spoolvalve)以提供需要的流動(dòng)面積。在圖I中示出的類型的發(fā)動(dòng)機(jī)中，典型地將使用多個(gè)汽缸，每一個(gè)汽缸與圖I中示出的汽缸相同。在這種發(fā)動(dòng)機(jī)中，優(yōu)選地使用如圖所示的壓縮點(diǎn)火，但是可替代地，如果需要可以使用火花點(diǎn)火，或者火花點(diǎn)火甚至可以作為具有壓縮點(diǎn)火能力的發(fā)動(dòng)機(jī)中的額外功能，利用或不使用向燃燒室中直接的燃料噴射，以允許發(fā)動(dòng)機(jī)基于更大范圍的燃料運(yùn)轉(zhuǎn)?？梢允褂贸Ｒ?guī)四沖程操作周期，雖然兩沖程操作也是可能的。在這方面，注意發(fā)動(dòng)機(jī)可以以全輸出方式運(yùn)行，并且在一個(gè)周期內(nèi)突然停止，之后在同一個(gè)周期內(nèi)以全功率方式重新啟動(dòng)。在自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)中，按照定義不存在預(yù)先確定的活塞位置或運(yùn)動(dòng)，并且特別地，不存在預(yù)先確定的活塞速度和活塞極限位置，就像曲軸式發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞具有這些一樣。因此，有必要知道自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)中的自由活塞的位置和速度，從而可以避免速度極限并且可以預(yù)先確定或者至少控制活塞極限位置。因此，圖2示意性地示出可用于這個(gè)目的的自由活塞位置傳感系統(tǒng)。特別地，在動(dòng)力沖程上向下運(yùn)動(dòng)的自由活塞20使用可變數(shù)量的液壓活塞泵送液壓流體，以將液壓流體泵送到高壓軌道和蓄能器(如下面描述的)以控制自由活塞20的速度。另一方面，如前所述，中心液壓活塞24提供上文所述的自由活塞返回能力以及吸入沖程能力。然而，對于活塞位置傳感，磁鋼柱塞40與線圈42 —起使用，該線圈通過相對高頻交流信號(hào)被激勵(lì)。線圈的阻抗將隨著磁性柱塞40的位置而變化。雖然阻抗隨柱塞位置的變化可能不是線性的，和/或用來感測阻抗的電路可能不是線性的，但可以容易地應(yīng)用校準(zhǔn)曲線來線性化關(guān)于活塞位置的輸出信號(hào)。因此，由于自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)是處理器控制的，所以通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將非線性信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并且隨后通過查表法將該數(shù)字信號(hào)線性化，從而以數(shù)字形式提供真實(shí)的活塞的位置，以便由自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字控制器使用，由此可以在數(shù)字域中很容易地實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)。顯然，圖2雖然是示意圖，但是示出自由活塞位置傳感器的原理?，F(xiàn)在參考圖3，可以看到本發(fā)明的另一可能一般實(shí)施的示意圖。在這個(gè)實(shí)施中，顯示出六缸發(fā)動(dòng)機(jī)，兩個(gè)中心汽缸用于壓縮C0MP，并且位于發(fā)動(dòng)機(jī)兩端的兩個(gè)汽缸用作燃燒汽缸COMB。來自燃燒汽缸的廢氣EXH在排出到大氣ATM之前驅(qū)動(dòng)渦輪增壓器TURBO。在這個(gè)實(shí)施例中，渦輪增壓器將吸入空氣INT增加到大約4巴的壓力，將渦輪增壓的空氣提供到所有六個(gè)汽缸上的吸入閥。為了起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，以及其他任何需要渦輪增壓器增壓或者使用渦輪增壓器增壓是有利的時(shí)候，可以通過液壓馬達(dá)提供液壓輔助，該液壓馬達(dá)由聯(lián)結(jié)到壓力Ps下的液壓流體的源的控制閥來控制。在兩個(gè)壓縮汽缸COMP的情況下，通常每一個(gè)汽缸可能具有兩個(gè)吸入閥和兩個(gè)排出閥，該兩個(gè)吸入閥和兩個(gè)排出閥可以全部用作輸入閥，并且在每一個(gè)壓縮汽缸COMP中都具有止回閥C. V.，該止回閥C. V.用來將壓縮空氣從壓縮汽缸COMP通過空氣軌道排出到壓力大約為200巴的空氣箱中。替代地,可以使用正動(dòng)閥(positively actuated valve)?？諝庀渲械膲毫Ξ?dāng)然可以通過控制壓縮活塞位置而控制，壓縮汽缸COMP的吸入閥在該壓縮活塞位置被關(guān)閉，這當(dāng)然也控制著輸送到空氣箱的高壓空氣的體積。因此，需要注意的是，不管燃燒汽缸COMP可能自身以兩周期，四周期，六周期還是一些其它模式操作，壓縮汽缸COMP總是以兩周期壓縮模式操作。來自空氣箱的空氣通過閥噴射到每一個(gè)燃燒室COMB中，該閥在優(yōu)選實(shí)施方式中也通過電子控制器被液壓地控制，并且當(dāng)然被定時(shí)和設(shè)定尺寸等等，為被噴射到燃燒室中的空氣提供所需的量和時(shí)間。因此，很顯然，在空氣噴射時(shí)空氣箱的壓力必須高于燃燒室中的壓力，雖然在優(yōu)選實(shí)施方式中，這通過實(shí)際上監(jiān)視燃燒室中的壓力(作為壓力并且作為燃燒室中的點(diǎn)火和溫度的指示)被容易地實(shí)現(xiàn)。需要注意的是，雖然用于從空氣箱噴射空氣的單個(gè)閥在圖3中被示意性地表示出來,但也可以使用多個(gè)閥。優(yōu)選地，空氣箱中的壓力將通過控制壓縮汽缸COMP上的吸入閥而被控制，以在空氣噴射期間提供比燃燒室COMB中的壓力高的壓力，但不會(huì)過高以致耗散不必要的能量。因此，在空氣箱中可獲得的最高壓力能夠很容易地為壓縮汽缸COMP而控制，這通過汽缸蓋設(shè)計(jì)可以不同于并且特別地大于用于燃燒汽缸COMB的壓縮比率。空氣箱中的實(shí)際壓力，以及被輸送到空氣箱的空氣的體積可以通過控制壓縮汽缸的吸入閥而很容易地控制。需要注意的是，通?？諝庀渲械目諝庥捎谄浠旧媳唤^熱地壓縮所以是熱的，可是通常這些能量不會(huì)過多損失，就像通常高壓空氣在熱量損失之前就用于噴射?，F(xiàn)在參考圖4，可以看到使用本發(fā)明的示例性車輛動(dòng)力系統(tǒng)的方塊圖。這個(gè)圖以及圖5的四沖程運(yùn)轉(zhuǎn)周期是用于自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的，該自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)也可以使用例如美國專利號(hào)6415749，美國專利申請公開號(hào)2007/0245982，2008/0264393和2009/0183699和美國專利申請?zhí)?2/256296中描述的運(yùn)轉(zhuǎn)周期中的任意一個(gè)， 這些文獻(xiàn)的公開內(nèi)容在這里通過引用并入，并且該自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)可以使用多種燃料，該多種燃料包括但不限于使用壓縮點(diǎn)火的柴油，生物柴油和氨燃料。另一個(gè)有利的燃料是乙醇。雖然乙醇是基于碳的，但它來源于玉米或其它植物，并且因此，乙醇中的碳來自植物吸收的二氧化碳，并且因此乙醇作為燃料是基本上碳中性的。實(shí)際上，通過引入到發(fā)動(dòng)機(jī)的吸入歧管中，或者通過為了這個(gè)目的設(shè)置的閥直接引入到燃燒室中，甚至可以使用氣態(tài)燃料。
類似于圖3中示出的發(fā)動(dòng)機(jī)，圖4中示出的發(fā)動(dòng)機(jī)使用兩個(gè)燃燒汽缸和一個(gè)壓縮汽缸，并且可以與圖5中示出的運(yùn)轉(zhuǎn)周期共同運(yùn)轉(zhuǎn)。兩個(gè)燃燒汽缸各以四沖程周期運(yùn)轉(zhuǎn)，壓縮汽缸以兩沖程周期運(yùn)轉(zhuǎn)。在每一個(gè)燃燒汽缸中和在壓縮汽缸中，可以使用活塞位置傳感器，諸如前面描述的，雖然根據(jù)需要也可以使用其它類型的傳感器，諸如霍爾效應(yīng)傳感器。使用的活塞位置傳感器可以是線性傳感器或非線性傳感器，諸如設(shè)計(jì)為在上死點(diǎn)和下死點(diǎn)活塞位置附近具有增加的靈敏度的傳感器，這是由于在沖程的這些極限處具有較高的精度可能是有利的。(短語“上死點(diǎn)”和“下死點(diǎn)”取自標(biāo)準(zhǔn)曲軸式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)術(shù)語，并且在這里所描述的類型的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)中，實(shí)際上僅僅是在運(yùn)轉(zhuǎn)期間活塞的頂或最上位置和活塞的底或最下位置，這實(shí)際上可以每個(gè)周期都發(fā)生改變。) 空氣箱是高壓空氣存儲(chǔ)箱，該高壓空氣存儲(chǔ)箱為壓縮汽缸輸出提供緩沖以供應(yīng)空氣，從而在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間噴射(將要描述的例子)。由于燃燒汽缸在本說明書中以示例性的四沖程周期進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)(見圖5)，燃燒汽缸包括吸入沖程，壓縮沖程，動(dòng)力沖程和排出沖程，并具有燃料噴射，在示例性周期中，所有燃料要在吸入沖程或壓縮沖程早期被噴射以進(jìn)行下面的動(dòng)力沖程。吸入沖程期間的噴射保證良好的燃料空氣混合，并且甚至可以發(fā)生在空氣吸入期間以便最佳混合，在此之后可以打開排出閥或用于EGR (廢氣再循環(huán))的閥。然而，需要注意的是，在吸入沖程期間吸入的空氣的量被故意限制使得在點(diǎn)火時(shí)燃燒室中的富油混合氣(fuel rich mixture)將不達(dá)到NOx形成的溫度,并且在極端情況中，可能不吸入空氣，但在之后的壓縮沖程的結(jié)束時(shí)的點(diǎn)火使用來自之前的動(dòng)力沖程的剩余的殘留噴射空氣。在點(diǎn)火之后在動(dòng)力沖程期間發(fā)生的空氣噴射出現(xiàn)在上死點(diǎn)位置或其附近。與燃燒汽缸的四沖程周期相比，壓縮汽缸為兩沖程周期運(yùn)轉(zhuǎn)，因此在點(diǎn)火之后噴射的空氣的量可以大體上等于或者甚至略微大于在吸入沖程期間吸收的空氣。當(dāng)然，由于這是自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，所以假定壓縮汽缸和燃燒汽缸以相同的頻率運(yùn)轉(zhuǎn)，但這并不是本發(fā)明的限制，由于壓縮汽缸可以以不同于燃燒汽缸的操作頻率的頻率操作，因此，當(dāng)不需要?jiǎng)恿r(shí)，諸如在車輛的滑行期間，所有汽缸可以停止直到又需要?jiǎng)恿ΑＲ虼?，需要注意的是，活塞可以基本以與運(yùn)轉(zhuǎn)速度為例如2400轉(zhuǎn)每分鐘的曲軸式發(fā)動(dòng)機(jī)相對應(yīng)的的活塞速度運(yùn)轉(zhuǎn)，但實(shí)際上可以在一些活塞位置上暫停，例如壓縮汽缸和燃燒汽缸的下死點(diǎn)位置，在排出沖程之后并且在接下來的吸入沖程之前的上死點(diǎn)位置。因此，雖然活塞速度可以類似于以2400RPM運(yùn)轉(zhuǎn)的曲軸式發(fā)動(dòng)機(jī)，但運(yùn)轉(zhuǎn)之間的暫停將允許自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞以任何較低的頻率操作，基本上下至完全停止。還需要注意的是，雖然壓縮汽缸和燃燒汽缸可以以獨(dú)立的頻率操作，但汽缸的速度變化圖也不由曲軸的約束設(shè)定，并且因此，可以為實(shí)現(xiàn)最佳效率而定制。因此，燃燒汽缸可以對不同的沖程使用不同的活塞速度變化圖，并且實(shí)際上，吸入，壓縮，動(dòng)力和排出沖程可以全部彼此不同，并且當(dāng)然不同于壓縮汽缸的活塞速度變化圖。燃燒汽缸的燃料通過用來噴射的燃料系統(tǒng)(圖4中未詳細(xì)示出)而提供，例如，通過每一個(gè)燃燒汽缸上的增強(qiáng)式燃料噴射器。燃燒汽缸通過可控制的截止閥將凈高壓(nethigh pressure)液壓流體提供到主高壓蓄能器。自由活塞液壓從提升泵被提供到低壓管路，并且從高壓蓄能器或高壓軌道提供任何所需的高壓液壓流體。電控的減壓閥可以將提升泵的輸出聯(lián)結(jié)回到低壓容器，否則體積流量(壓力)將過度，當(dāng)提升泵不操作時(shí)可選的止回閥70保持低壓管路中的壓力。
高壓液壓流體也被提供到驅(qū)動(dòng)泵馬達(dá)，該驅(qū)動(dòng)泵馬達(dá)在示出的實(shí)施方式中通過可選的減速齒輪和普通設(shè)計(jì)的差速器驅(qū)動(dòng)車輛的輪。可替代地，分離的驅(qū)動(dòng)泵馬達(dá)可以用于每一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，或者可替代地用于車輛的所有輪(通過適當(dāng)?shù)耐ㄓ媒宇^聯(lián)結(jié)器或通過每一個(gè)輪上的驅(qū)動(dòng)泵馬達(dá))。
不是所有的裝設(shè)閥(valving)(特別地用于壓縮汽缸和三個(gè)燃燒汽缸)在圖4中被示出。高壓液壓流體也可以被引導(dǎo)通過發(fā)電機(jī)泵-馬達(dá)以操作電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)，以對電池組充電，驅(qū)動(dòng)泵-馬達(dá)和發(fā)電機(jī)泵-馬達(dá)的低壓液壓流體輸出返回到低壓管路。因此，在高壓液壓流體沒有被存儲(chǔ)在主高壓蓄能器或起動(dòng)器高壓蓄能器(starter high pressureaccumulator)中的正常操作中，流過驅(qū)動(dòng)泵-馬達(dá)和發(fā)電機(jī)泵_馬達(dá)的低壓液壓流體輸出并返回到低壓管路的流體流等于補(bǔ)充燃燒汽缸的液壓活塞所需的流體流，使得提升泵不是非?；钴S。如果需要，可以包括低壓蓄能器以吸收所有三個(gè)活塞引起的低壓管路中的脈動(dòng)。驅(qū)動(dòng)車輛的輪的驅(qū)動(dòng)泵-馬達(dá)優(yōu)選地是可逆的，即，可以用作雙向馬達(dá)和雙向泵，以在制動(dòng)時(shí)提供將液壓流體泵送到主高壓蓄能器中再生制動(dòng)。為輪提供動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)泵-馬達(dá)優(yōu)選地為可變泵-馬達(dá)，諸如可以通過對其的壓力(在高壓和低壓之間)液壓流體供應(yīng)的調(diào)制獲得，該驅(qū)動(dòng)泵-馬達(dá)的低壓輸出在其高壓液壓流體聯(lián)結(jié)回其輸入的脈沖之間聯(lián)結(jié)回其輸入。在一種模式中，電池組可以為電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力以轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電機(jī)-馬達(dá)，用來通過驅(qū)動(dòng)泵-馬達(dá)為車輛的輪提供動(dòng)力或者用來充電高壓蓄能器起動(dòng)器以便起動(dòng)自由活塞汽缸(只有當(dāng)主高壓蓄能器自身沒有被加壓時(shí))。因此，高壓蓄能器起動(dòng)器是相對小的蓄能器，該蓄能器可以通過如上所述的電池組以充分的壓力加壓，以達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的目的，或者該蓄能器可以僅僅以起動(dòng)為目的存儲(chǔ)充分的壓力和體積的高壓液壓流體。當(dāng)然，根據(jù)電池組，電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)和發(fā)電機(jī)泵-馬達(dá)的尺寸，該系統(tǒng)可以用作與自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的混合系統(tǒng)，該混合系統(tǒng)能夠在需要時(shí)為電池組再充電和為車輛提供動(dòng)力。在圖5中示出的四沖程周期中，燃料噴射被示出為大約在壓縮沖程的開始發(fā)生在下死點(diǎn)或其附近，壓縮點(diǎn)火發(fā)生在上死點(diǎn)附近。在這個(gè)示例性實(shí)施方式中，所有燃料在壓縮沖程的開始或在吸入沖程期間在下死點(diǎn)位置或其附近被噴射，留在汽缸中的熱廢氣(通過或不通過EGR)將燃料轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)形式并且在點(diǎn)火之前與其混合。在點(diǎn)火時(shí)，各個(gè)燃燒汽缸中的氧氣的量被限制以限制壓力的上升，并且更重要地是限制溫度的上升，將溫度維持在NOx形成的溫度以下。在點(diǎn)火之后并且在上死點(diǎn)之后，如前所述地噴射空氣以維持燃燒并且消耗噴射的所有燃料以提供每一個(gè)燃燒汽缸的輸出動(dòng)力，該輸出動(dòng)力接近常規(guī)曲軸式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的兩個(gè)汽缸的輸出動(dòng)力。因此，這種自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，在上死點(diǎn)或其附近，活塞運(yùn)動(dòng)不受與活塞的軸線對齊的連接桿和曲軸的曲柄的限制，并且因此，活塞準(zhǔn)備好在上死點(diǎn)位置并且貫穿活塞運(yùn)動(dòng)到下死點(diǎn)位置提供輸出動(dòng)力。當(dāng)然，任何其它運(yùn)轉(zhuǎn)周期也可以用于本發(fā)明的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，包括但不限于上面引用的專利和申請中提及的那些。因此，根據(jù)前述專利和申請運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)提供了很大的靈活性，該靈活性實(shí)際上被本發(fā)明的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)提高，該自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)具有如現(xiàn)有技術(shù)中已知的電子控制的燃料噴射和液壓閥門驅(qū)動(dòng)，這是由于這種自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的基本上所有操作參數(shù)都可以改變以達(dá)到最高操作效率。
而且，通過提供對車輛的驅(qū)動(dòng)輪的基本直接的液壓驅(qū)動(dòng)，車輛傳動(dòng)的消除(或者具有大大減小的復(fù)雜性的傳動(dòng))和有效地立即開始和停止發(fā)動(dòng)機(jī)的能力，結(jié)合再生操作，將為總體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供非常高的效果。顯然，也可以容易地包括其它特征或操作方法，諸如舉例來說，使用比有效壓縮沖程長的有效動(dòng)力(膨脹)沖程(effective power stroke)。在任何情況中，自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)與活塞速度，壓縮比率等配合運(yùn)轉(zhuǎn)以達(dá)到最佳效率的能力，結(jié)合周期之間暫停的能力，允許自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)以可能的最高效的操作參數(shù)進(jìn)行運(yùn)行，而與曲軸旋轉(zhuǎn)的本來情況無關(guān)，并且與隨后需要的動(dòng)力輸出無關(guān)?，F(xiàn)在將示出且描述根據(jù)本發(fā)明的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系的示例性物理結(jié)構(gòu)的另一示意圖。這些結(jié)構(gòu)意圖用于新的車輛和用于已有車輛的翻新。不管哪種情況，人們都相信，這種新技術(shù)的大多數(shù)實(shí)際引用是通過使用盡可能多的現(xiàn)有技術(shù)，同時(shí)在實(shí)踐中仍然保留新技術(shù)的特征和優(yōu)點(diǎn)。因此，本發(fā)明被保留的的一個(gè)方面是燃燒汽缸的操作 頻率與提供機(jī)械推進(jìn)(或者在滑行期間或者在再生制動(dòng)過程中的能量存儲(chǔ)期間)的液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)速度的完全脫離?，F(xiàn)在參考圖6，可以看到另一示例性自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的示意圖。在這個(gè)實(shí)施方式中，所有發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸都是燃燒汽缸。在這個(gè)實(shí)施方式中用來提供機(jī)械動(dòng)力的液壓馬達(dá)使用常規(guī)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸50，連接桿52以常規(guī)方式將活塞54連接到曲柄50。根據(jù)常規(guī)活塞設(shè)計(jì)所希望或要求的，活塞54可以與現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞相一致或者是現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的特別替代?；钊?4上方的液壓活塞56通過閥60以任何數(shù)值組合從蓄能器58中的高壓液壓流體操作以提供曲軸的輸出所需的任何機(jī)械動(dòng)力。閥60可以是二級(jí)閥，按照機(jī)械動(dòng)力輸出要求，第一級(jí)為電子(電)可控，從而根據(jù)機(jī)械動(dòng)力輸出的需要，分別液壓地控制較大的閥以便用閥門調(diào)節(jié)從蓄能器58到活塞56或到開孔的或低壓的容器的高壓液壓流體。較大的閥通過與高壓蓄能器聯(lián)結(jié)的管路的高壓而被液壓地控制。這個(gè)高壓液壓流體也通過燃燒汽缸20上方的電子控制的閥72用于液壓閥門驅(qū)動(dòng)和燃料噴射控制，而該閥72通過2級(jí)電控液壓閥74被操作或操作液壓汽缸22，其較大的閥也被較小的電子控制的閥利用管路62中的低壓液壓流體而被液壓地控制。因此，在圖6中示出的實(shí)施方式中，控制閥/歧管組件76可以螺栓聯(lián)結(jié)到其上方具有自由活塞液壓發(fā)動(dòng)機(jī)組件的常規(guī)活塞機(jī)體組件(piston engine block assembly)的機(jī)體上。自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)可以使用柴油，生物柴油或其它常規(guī)或非常規(guī)壓縮點(diǎn)火燃料，在常規(guī)壓縮點(diǎn)火周期運(yùn)轉(zhuǎn)。對這種發(fā)動(dòng)機(jī)有利的一種燃料是作為無碳燃料的氨(NH3)。本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)在不需要打開任何閥或者發(fā)生在上死點(diǎn)活塞位置的燃料噴射的周期上運(yùn)轉(zhuǎn)，本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)因?yàn)樵谙鹊娜剂蠂娚涠试S活塞運(yùn)動(dòng)達(dá)到很高的壓縮比率，允許氨的壓縮點(diǎn)火以便非常高效地將能量轉(zhuǎn)化為液壓能。在圖示的發(fā)動(dòng)機(jī)中，所有汽缸是相同的，雖然這并不是這個(gè)實(shí)施方式的限制。圖6的示意圖使得全部的組件顯得相對高。然而，由于頂置氣門(overheadvalve)和閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)給定常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)的高度，，通過圖6中示出的組件的小心地包裝，圖6的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的總高度可以接近常規(guī)壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的總高度。這種發(fā)動(dòng)機(jī)可以使用常規(guī)的或者甚至目前存在的機(jī)體，到自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)變基本上是螺栓緊固式轉(zhuǎn)變。作為翻新，可以用直接緊固到曲軸的端部的傳動(dòng)軸替代離合器，或者替代地，通過移除離合器踏板將離合器留在適當(dāng)位置，由于諸如圖6中示出的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)可以提供或回收能量直到曲軸旋轉(zhuǎn)速度為O，所以不需要離合器，由于通常不需要齒輪換擋，即使對于倒車檔，并且曲軸可以通過對液壓閥的適當(dāng)控制而被沿任一方向液壓地驅(qū)動(dòng)，該液壓閥控制液壓馬達(dá)柱塞上的液壓。如果實(shí)際上，發(fā)動(dòng)機(jī)的總高度是問題，則本發(fā)明可以如圖7中所示那樣被包裝，其中六汽缸發(fā)動(dòng)機(jī)的三個(gè)汽缸用作用來產(chǎn)生液壓能的自由活塞燃燒汽缸，并且三個(gè)汽缸用作將液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的液壓馬達(dá)，兩個(gè)汽缸用于轉(zhuǎn)動(dòng)車輛的輪，或通過固定的減速齒輪或兩個(gè)或更多個(gè)速度傳動(dòng)或后端部，以及一個(gè)汽缸用于驅(qū)動(dòng)附件。如前，自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)部分的操作速度與液壓馬達(dá)部分的操作速度完全脫離，它們的任一個(gè)都可以操作到零速度，液壓馬達(dá)部分當(dāng)在“制動(dòng)”期間用于能量回收時(shí)能夠回收車輛動(dòng)能。圖8以更多的物理實(shí)現(xiàn)示出圖4的電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)。而且，圖8示出在每一個(gè)燃燒汽缸中包括空氣存儲(chǔ)箱和至少一個(gè)另外的電子控制的閥51，這允許將任意燃燒汽缸作為 空氣壓縮機(jī)的操作，以便將高壓空氣存儲(chǔ)在空氣箱中；以及在用于燃燒汽缸的任意汽缸中使用空氣噴射，以能夠在其動(dòng)力沖程期間貫穿自由活塞的較大運(yùn)動(dòng)維持燃燒。這允許在使用運(yùn)轉(zhuǎn)周期的任何一個(gè)時(shí)間將一些汽缸用作壓縮汽缸并且一些其它汽缸作為燃燒汽缸(諸如，在至此稱為專利和專利申請的文獻(xiàn)中描述的)。再次，如果發(fā)動(dòng)機(jī)的高度是問題，則圖8中示出的類型的發(fā)動(dòng)機(jī)可以如圖7中所示的那樣被包裝。因此，在圖3，4和8的實(shí)施方式中，提供用來噴射到汽缸的燃燒室中的空氣壓縮，而在圖6和7的實(shí)施例中，不提供空氣噴射，因此使用更多常規(guī)運(yùn)轉(zhuǎn)周期。圖9示出體現(xiàn)本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)的剖視圖。這個(gè)圖示出用于液壓流體的貯器和蓄能器如何可以與其它發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)合并。圖10示出體現(xiàn)本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)100的一部分的圖示視圖。發(fā)動(dòng)機(jī)100包括燃燒汽缸體104，該燃燒汽缸體具有燃燒活塞102，該燃燒活塞在汽缸體中的燃燒汽缸內(nèi)滑動(dòng)。完整的發(fā)動(dòng)機(jī)將包括汽缸蓋，該汽缸蓋聯(lián)結(jié)到燃燒汽缸體104的上端部以提供吸入和排出閥，并且可能地提供諸如燃料噴射器和/或火花塞的部件。因此，圖I中的噴射器44以及其它圖中示出的噴射器可以被認(rèn)為是用于燃料空氣混合物的點(diǎn)火的火花塞的示意圖。雖然由于更好的效率與使用的更高的壓縮比率相關(guān)，所以壓縮點(diǎn)火是優(yōu)選的，但如果需要的話也可以使用火花點(diǎn)火。例如，對于如氨的燃料，通常難以獲得壓縮點(diǎn)火，除非使用如本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中可獲得的壓縮比率可以非常高并且可控制，并且火花點(diǎn)火在曲軸式發(fā)動(dòng)機(jī)的常規(guī)壓縮比率下也是有點(diǎn)困難的，這是因?yàn)槭沟没鸹c(diǎn)火的燃料空氣比率的范圍窄。然而，使用本發(fā)明，可以使用比常規(guī)曲軸發(fā)動(dòng)機(jī)高的壓縮比率，這將大大加寬將在較高壓縮溫度下火花點(diǎn)火的燃空比(即，減小熱釋放要求以維持燃燒)，因此允許使用諸如圖5中所示的運(yùn)轉(zhuǎn)周期，其中可獲得的較高的壓縮比率將允許氨的噴射或汽化以在燃燒室中的形成高度富燃料的空燃比，該燃燒室充分地關(guān)閉到壓縮點(diǎn)火溫度以便借助火花塞被點(diǎn)火，空氣在動(dòng)力沖程期間被噴射以維持燃燒直到最初高度富燃料填充中的所有氨被消耗。液壓柱塞體106聯(lián)結(jié)到燃燒汽缸體104。如下面進(jìn)一步描述的，液壓柱塞體106包括聯(lián)結(jié)到燃燒活塞102的多個(gè)液壓柱塞。如下面進(jìn)一步描述的，多個(gè)液壓控制閥110，112，120，122聯(lián)結(jié)到液壓柱塞。圖11示出內(nèi)燃機(jī)100的一部分的圖示視圖，其中燃燒汽缸體被移除以允許看到發(fā)動(dòng)機(jī)的另外細(xì)節(jié)。在示出的實(shí)施方式中，燃燒活塞102聯(lián)結(jié)到六個(gè)液壓柱塞201，202，203，204，205，206。六個(gè)液壓柱塞滑動(dòng)到液壓柱塞體106中的六個(gè)對應(yīng)的液壓缸211，212，213，214，215，216中。燃燒活塞102在燃燒汽缸內(nèi)沿中心軸線200滑動(dòng)，該中心軸線是燃燒汽缸的對稱軸線。圖12是示出燃燒活塞102和六個(gè)液壓缸211-216的平面圖。將看到，液壓缸布置成對211-212，214-214，215-216。每一對液壓缸的位于虛線指示的燃燒汽缸的直徑上，該液壓缸穿過燃燒汽缸的中心軸線200。一對中的每一個(gè)液壓缸具有大體上相同的直徑并且位于離中心軸線200的相同距離處。這允許燃燒活塞102由液壓缸的一對中的兩個(gè)液壓柱塞支撐而不在燃燒活塞102上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩。圖13是允許看到發(fā)動(dòng)機(jī)的另外細(xì)節(jié)的內(nèi)燃機(jī)100的剖視圖。在示出的實(shí)施方式 中，液壓控制閥包括控制短管式3通閥110，112的電操作的導(dǎo)向閥120，122。在如圖所示的實(shí)施方式中，三個(gè)液壓控制閥共享共同的閥體。在一個(gè)實(shí)施方式中的導(dǎo)向閥是美國專利No. 5640987中示出普通型的短管閥，雖然非閉鎖且彈簧返回的閥可以根據(jù)需要使用，優(yōu)選地但不一定使用短管閥。如在閥的右截面中看到的，閥芯432將液壓缸405的下端部連接到單個(gè)連接件434或一對連接件436，438。該連接的一個(gè)連接到高壓液壓管路并且另一連接到低壓液壓管路。重要的是，液壓閥的每一個(gè)與剩余的液壓閥獨(dú)立地被控制。這在發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)中提供顯著的靈活性。如前所述，每一個(gè)兩級(jí)閥將相應(yīng)的液壓缸的端部可控制地聯(lián)結(jié)到高壓液壓管路或低壓液壓管路。短管閥在這種使用中具有的某些優(yōu)點(diǎn)在于它們需要閥芯的最小運(yùn)動(dòng)以提供最大流動(dòng)面積。而且，短管閥可以設(shè)計(jì)成可以說是先接后斷(make before break)或先斷后接(make after break)。就是說,三通短管閥可以設(shè)計(jì)成在打開從端口 A到端口 C的流動(dòng)路徑之前切斷從端口 A到端口 B的流。在如本發(fā)明的系統(tǒng)中，這可能相當(dāng)麻煩，因?yàn)榭赡軙?huì)形成瞬時(shí)的液壓鎖，引起相當(dāng)大的能量損失。在另一方面，在切斷從端口 A到端口 B的流之前打開從端口 A到端口 C的流動(dòng)路徑，提供從高壓液壓管路到低壓液壓管路的瞬時(shí)的直接流動(dòng)路徑，也可能引起相當(dāng)大的能量損失。在本發(fā)明中，部分地通過閥的速度，部分地通過液壓流體的可壓縮性，并且最重要地，通過設(shè)計(jì)第二級(jí)短管閥以在這些兩個(gè)考慮因素之間的最高效折衷操作，以使這些效果最小化。以截面示出的兩個(gè)柱塞205，206包括擴(kuò)大的下部，該下部產(chǎn)生上液壓容積415，416，該上液壓容積可以被加壓以向著下死點(diǎn)驅(qū)動(dòng)燃燒活塞102。上液壓容積415，416可以連續(xù)地連接到高壓供應(yīng)裝置，由于當(dāng)高壓連接到下液壓容積時(shí)下液壓容積405，406的較大的有效表面將產(chǎn)生凈向上的力。可以注意到，液壓柱塞205，206通過提供小量游隙的連接聯(lián)結(jié)到燃燒活塞102。這個(gè)游隙容納燃燒活塞102和液壓缸211-216之間的輕微不對齊。圖14示出本發(fā)明的另一實(shí)施例中的內(nèi)燃機(jī)100的一部分的圖示視圖。發(fā)動(dòng)機(jī)500包括燃燒汽缸體504，該燃燒汽缸體具有燃燒活塞502，該燃燒活塞在汽缸體中的燃燒汽缸內(nèi)滑動(dòng)。完整的發(fā)動(dòng)機(jī)將包括聯(lián)結(jié)到燃燒汽缸體504的上端部的汽缸蓋以提供吸入和排出閥，并且可能地提供諸如燃料噴射器和/或火花塞的部件。液壓柱塞體506聯(lián)結(jié)到燃燒汽缸體504。如下面進(jìn)一步描述的，液壓柱塞體506包括聯(lián)結(jié)到燃燒活塞502的多個(gè)液壓柱塞。如下面進(jìn)一步描述的，多個(gè)液壓控制閥510，512，514，520，522，524聯(lián)結(jié)到液壓柱塞。圖15是允許看到發(fā)動(dòng)機(jī)的另外細(xì)節(jié)的內(nèi)燃機(jī)500的剖視圖。在這個(gè)實(shí)施例中，存在另外的液壓柱塞607，該液壓柱塞607滑動(dòng)到沿燃燒汽缸的中心軸線600定位的單個(gè)液壓缸617中。另外的液壓控制閥512，522被設(shè)置用來將這個(gè)另外的液壓缸連接到高壓和低壓液壓管路。在燃燒活塞502和單個(gè)液壓柱塞607之間可以施加力而不在燃燒活塞上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，因?yàn)閱蝹€(gè)液壓柱塞607沿燃燒汽缸的中心軸線600定位。在其它方面，本發(fā)明與上述實(shí)施方式相似。
該單個(gè)液壓缸617在其下部擴(kuò)大。液壓柱塞的下端部624被類似地?cái)U(kuò)大。這產(chǎn)生兩個(gè)相對的液壓控制表面使得單個(gè)液壓柱塞607可以推或拉燃燒活塞502。在燃燒周期期間，高壓液壓流體可以在液壓柱塞的下方被引入到液壓缸626中，以向上方推燃燒活塞502或抵抗燃燒活塞的向下運(yùn)動(dòng)。在吸入周期期間，高壓液壓流體可以在液壓柱塞的擴(kuò)大部分624的上方被引入到液壓缸622中以向下方拉燃燒活塞502。在一些實(shí)施例中，高壓液壓流體在液壓柱塞的擴(kuò)大部分的上方被連續(xù)地供應(yīng)到液壓缸622。當(dāng)?shù)蛪阂簤毫黧w在液壓柱塞下方被引入到液壓缸626中時(shí),液壓柱塞607將向下方拉燃燒活塞502，因?yàn)樽饔迷谝簤褐纳喜康母邏阂簤毫黧w向下方產(chǎn)生的力大于作用在液壓柱塞的下部的低壓液壓流體向上方產(chǎn)生的力。因此，存在凈向下的力。當(dāng)高壓液壓流體被供應(yīng)到液壓柱塞的上部和下部時(shí)，因?yàn)橐簤褐南虏康妮^大的面積，存在向上方的凈力。在其它實(shí)施例中，兩個(gè)三通閥用于在高壓和低壓液壓流體之間切換液壓柱塞的上部和下部。圖16是示出燃燒活塞502和七個(gè)液壓缸611-617的平面圖。將看到，液壓缸中的六個(gè)成對611-612,613-614,615-616地布置。每一對液壓缸都位于穿過燃燒汽缸的中心軸線600的虛線所指示的燃燒汽缸的直徑上。一對中的每一個(gè)液壓缸具有大體上相同的直徑并且位于離開中心600的相同的距離的位置。這允許燃燒活塞502由成對液壓缸的一對中的兩個(gè)液壓柱塞支撐而不會(huì)在燃燒活塞502上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩。如上所述，燃燒活塞502也可以由單個(gè)居中定位的液壓柱塞617支撐而不在燃燒活塞502上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩。圖17是液壓柱塞611-617，它們的相關(guān)聯(lián)的電致動(dòng)的液壓控制閥711-717，和電子控制器736的示意圖，該電子控制器產(chǎn)生致動(dòng)控制閥的電信號(hào)701-707。液壓控制閥711-717的每一個(gè)是三通閥。第一端口聯(lián)結(jié)到高壓液壓流體供應(yīng)管路730。第二端口聯(lián)結(jié)到低壓液壓流體供應(yīng)管路732。第三端口聯(lián)結(jié)到每一個(gè)液壓柱塞611-617下方的液壓容積，以根據(jù)電子控制器736產(chǎn)生的電信號(hào)701-707供應(yīng)低壓或高壓液壓流體。注意到，每一個(gè)液壓控制閥711-717與其它控制閥獨(dú)立地被控制，這在發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)中提供相當(dāng)大的靈活性。在燃燒活塞的膨脹沖程期間被轉(zhuǎn)換到液壓流體的加壓的能量的量既不受曲軸和連接桿的機(jī)械布置的限制，也不受燃燒活塞的運(yùn)動(dòng)與發(fā)動(dòng)機(jī)中的任何其它活塞的機(jī)械聯(lián)結(jié)的約束。電子控制器736從一個(gè)或更多個(gè)傳感器734接收電輸入，該一個(gè)或更多個(gè)傳感器提供關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)情況的信號(hào)，諸如燃燒活塞位置，汽缸壓力等等。電子控制器也接收與操作情況有關(guān)的其它輸入，諸如蓄能器壓力738。電子控制器736可以以多種方式的任何方式使用該輸入來產(chǎn)生控制燃燒活塞的操作的電信號(hào)701-707。
一個(gè)或更多個(gè)液壓柱塞617在上液壓容積中接收高壓液壓流體以在燃燒活塞上產(chǎn)生向下的力。這允許燃燒活塞能夠?yàn)榱宋霙_程而從上死點(diǎn)移動(dòng)到下死點(diǎn)。在示出的實(shí)施方式中，高壓液壓流體被連續(xù)地供應(yīng)到上液壓容積。液壓柱塞617的上控制表面具有比下控制表面小的面積。因此，從低到高壓液壓流體切換下液壓容積產(chǎn)生凈向上的力。在其它實(shí)施方式中，另外三通控制閥用于將上液壓容積從低切換到高壓液壓流體。圖18是液壓柱塞56和它們的相關(guān)聯(lián)的電致動(dòng)的液壓控制閥60的示意圖，該液壓控制閥可以與圖6所示的用來將液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)換為機(jī)械動(dòng)力的動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置一起使用。將看到，這與用來控制上述液壓動(dòng)力的產(chǎn)生的上述裝置幾乎相同。電子控制器836產(chǎn)生啟動(dòng)控制閥60的電信號(hào)801-806。電子控制器836從一個(gè)或更多個(gè)傳感器834接收電輸入，該一個(gè)或更多個(gè)傳感器提供關(guān)于動(dòng)力轉(zhuǎn)換情況的信息，諸如驅(qū)動(dòng)活塞位置，輸出旋轉(zhuǎn)速度等等。電子控制器也接收與運(yùn)轉(zhuǎn)條件有關(guān)的其它輸入，諸如動(dòng)力設(shè)定838 (例如，加速器位置)。電子控制器836可以以多種方式中的任何方式使用該輸入來產(chǎn)生控制燃燒活塞的運(yùn)轉(zhuǎn)的電信號(hào)801-806。用于動(dòng)力轉(zhuǎn)換器的電子控制 器836可以與用于燃燒活塞控制的電子控制器736相同或者可以是分離的裝置。因?yàn)樾枰跃_的定時(shí)要求產(chǎn)生的大量電信號(hào)，電子控制器736，836可以使用多個(gè)處理器來提供必要量的計(jì)算能力，從而以必要的精度和靈活性控制發(fā)動(dòng)機(jī)。圖19給出用于根據(jù)本發(fā)明的多汽缸發(fā)動(dòng)機(jī)的主控制器的總方塊圖，獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)是否具有用于空氣噴射的專用壓縮汽缸并且獨(dú)立于使用的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)周期或使用的周期，如果使用火花點(diǎn)火，則將所述的燃料噴射器改為火花塞。如圖19中示出的，在這個(gè)實(shí)施方式中，如果使用空氣壓縮和噴射，主控制器監(jiān)視發(fā)動(dòng)機(jī)中的每一個(gè)活塞的活塞位置以及高壓蓄能器壓力和空氣軌道壓力或空氣箱壓力(圖3)，并且提供控制信號(hào)到發(fā)動(dòng)機(jī)閥門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，到燃料噴射器(或者如果使用火花塞的話，到火花塞)，并且到圖17的柱塞閥控制器。在這個(gè)實(shí)施方式中，圖17的柱塞閥控制器假定與主控制器獨(dú)立地操作，一旦啟動(dòng)，如果需要，主控制器就可將操作參數(shù)提供到柱塞閥控制器。因此，使用的系統(tǒng)控制的子部分的量(那些子部分存在的情況下)等等是設(shè)計(jì)選擇問題并且不是本發(fā)明的一部分，雖然一些子部分(諸如剛才描述的子部分)可能對于解決問題目的來說是有利的，并且減小更換控制器的成本(如果實(shí)際上出現(xiàn)故障)。因此，如在這里和在下面的權(quán)利要求中使用的“控制器”和“電子控制器”等詞語用于最一般的含義，以意指并且包括本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)系的控制裝置任何和所有子部分，通常地但不必須地使用具有查表法的處理器控制，該查表法具有基于最近過去性能的迭代控制校正。如果使用空氣壓縮和噴射，則高壓蓄能器壓力和空氣軌道壓力或空氣箱壓力(圖3)的監(jiān)視是用來根據(jù)需要控制發(fā)動(dòng)機(jī)的操作，以維持最佳高壓蓄能器壓力和空氣軌道壓力或空氣箱壓力。注意，空氣壓縮活塞可以獨(dú)立于其它任何活塞，燃燒或空氣壓縮地操作。前面注意到，活塞可以近似對應(yīng)于以例如2400轉(zhuǎn)每分鐘運(yùn)行的曲軸式發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)的活塞速度運(yùn)轉(zhuǎn)，但實(shí)際上，根據(jù)那時(shí)需要的高壓液壓流體輸送速率，可以在一些活塞位置的暫停持續(xù)適當(dāng)?shù)臅r(shí)間。因此，與曲軸發(fā)動(dòng)機(jī)不同，活塞運(yùn)動(dòng)軌跡和速度可以被完全控制，并且根據(jù)需要可以對于四沖程操作(兩沖程操作也是可能的)的壓縮沖程，燃燒或動(dòng)力沖程，和排出沖程和吸入沖程中的每一個(gè)沖程來說都是不同的，獨(dú)立于任何其它燃燒活塞或壓縮活塞(如果被使用)的運(yùn)動(dòng)。而且，每一個(gè)可以被定制用于發(fā)動(dòng)機(jī)的當(dāng)前需要。例如，汽缸壁的壓縮和燃燒的熱損失在處于怠速的常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)中或在緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)中可能相當(dāng)大。在根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)中，壓縮和燃燒或動(dòng)力沖程可以被故意地制成比吸入和排出沖程快(較高活塞速度)(除非例如需要全功率)以增加熱效率。更具體地，可以選擇壓縮和動(dòng)力沖程以在較高的活塞速度下平衡增加的熱效率與減小的液壓效率，從而為發(fā)動(dòng)機(jī)提供最大效率運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)，根據(jù)需要在循環(huán)之間暫停。為了起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，可以不考慮效率而將燃燒沖程的燃燒活塞速度最大化，以保證從壓縮獲得最大溫度升高，即使使用吸入空氣加熱器。因此，所用的控制閥的運(yùn)轉(zhuǎn)速度以及在時(shí)間和數(shù)量方面控制本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)的所有方面的能力，這些在運(yùn)轉(zhuǎn)周期和可以使用的燃料中提供最大程度的靈活性，并且仍然實(shí)現(xiàn)高效的運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，通常地，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器(諸如圖19的主控制器和/或圖17的柱塞閥控制器)將監(jiān)視活塞位置和速度以便控制目的，并且也將監(jiān)視液壓控制閥設(shè)定和活塞加速度，以檢測燃燒的開始和燃燒室中的壓力升高的速率和量，并且在周期之間作出增加或迭代調(diào)節(jié)以精確地當(dāng)希望時(shí)獲得點(diǎn)火，并且如果需要可以通過平衡燃料噴射操作和發(fā)動(dòng)機(jī)閥運(yùn)轉(zhuǎn)以平衡每一個(gè)燃燒汽缸的動(dòng)力輸出。
因此，本發(fā)明具有許多方面，這些方面可以根據(jù)需要單獨(dú)地或者以各種組合或子組合被實(shí)施。雖然已經(jīng)在這里為了說明的目的并且不是為了限制的目的公開并且描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在這里可以作出形式和細(xì)節(jié)的各種改變而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)燃機(jī)，所述內(nèi)燃機(jī)包括 燃燒汽缸中的燃燒活塞，該燃燒汽缸中的燃燒活塞在燃燒活塞上方限定燃燒室，所述燃燒室具有電子控制的吸入和排出閥，所述燃燒活塞不機(jī)械連接到任何其它燃燒活塞或空氣壓縮活塞； 燃燒活塞位置傳感器； 多個(gè)液壓柱塞，每個(gè)液壓柱塞在相應(yīng)的液壓缸中位于所述燃燒活塞下面，所述液壓缸聯(lián)結(jié)到電子控制的液壓缸閥門(valving)以便將每一個(gè)液壓缸可控制地聯(lián)結(jié)到高壓液壓系統(tǒng)或低壓液壓系統(tǒng)；和 控制器，所述控制器響應(yīng)于所述燃燒活塞位置傳感器的輸出，而控制所述電子控制的液壓缸閥門和所述電子控制的吸入和排出閥，以控制所述燃燒汽缸中的燃燒活塞的向上和向下運(yùn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的內(nèi)燃機(jī)，還包括布置成可控制地將燃料噴射到所述燃燒室中的電子控制的燃料噴射器，所述控制器也控制所述電子控制的燃料噴射器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述柱塞布置在所述燃燒汽缸的中心線周圍的沿直徑方向相對的位置中，并且由所述控制器控制的所述閥門將成對的沿直徑方向相對的液壓缸一致地聯(lián)結(jié)到所述高壓液壓系統(tǒng)或低壓液壓系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述多個(gè)液壓柱塞包括沿所述燃燒汽缸的中心線布置的一個(gè)中心柱塞，所述中心柱塞連接到所述燃燒活塞并且具有擴(kuò)大的下端部，能夠在所述擴(kuò)大的下端部上方施加液壓力以將所述燃燒活塞向下拉。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的內(nèi)燃機(jī)，其中每一個(gè)燃燒汽缸包括用來將高壓空氣從高壓空氣軌道噴射到所述燃燒室中的電子控制的閥，并且還包括 空氣壓縮汽缸中的空氣壓縮活塞，該空氣壓縮活塞在空氣壓縮活塞上方限定空氣壓縮室，所述空氣壓縮室具有吸入閥和用來將高壓空氣輸送到所述高壓空氣軌道的閥，所述空氣壓縮活塞不機(jī)械連接到任何其它燃燒活塞或空氣壓縮活塞； 空氣壓縮活塞位置傳感器； 多個(gè)液壓柱塞，每個(gè)液壓柱塞在相應(yīng)的液壓缸中位于所述空氣壓縮活塞下面，所述液壓缸聯(lián)結(jié)到電子控制的閥門以將每一個(gè)液壓缸可控制地聯(lián)結(jié)到所述高壓液壓系統(tǒng)或所述低壓液壓系統(tǒng)；和 控制器，所述控制器控制所述電子控制的液壓缸閥門和所述電子控制的吸入和排出閥，以控制在所述燃燒汽缸中的所述燃燒活塞的向上和向下運(yùn)動(dòng)，所述空氣壓縮活塞在所述空氣壓縮汽缸中的向上和向下運(yùn)動(dòng)響應(yīng)于所述空氣壓縮活塞位置傳感器的輸出，并且所述控制器也控制所述電子控制的閥以便將高壓空氣從所述高壓空氣軌道噴射到所述燃燒室中。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的內(nèi)燃機(jī)，還包括布置成可控制地將燃料噴射到所述燃燒室中的電子控制的燃料噴射器，所述控制器也控制所述電子控制的燃料噴射器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述控制器使所述燃燒活塞連續(xù)地執(zhí)行用于所述燃燒活塞的吸入沖程、壓縮沖程、動(dòng)力沖程和排出沖程并且連續(xù)地執(zhí)行用于所述空氣壓縮活塞的吸入沖程和空氣壓縮沖程。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述控制器使所述電子控制的燃料噴射器在所述吸入沖程期間或所述壓縮沖程的開始將燃料噴射到所述燃燒室中，并且在所述燃料壓縮點(diǎn)火之后的所述動(dòng)力沖程期間從所述空氣軌道將空氣而不是燃料噴射到所述燃燒室中以維持燃燒，直到之后所述燃燒室中的所有燃料被消耗。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所有汽缸具有燃燒汽缸和空氣壓縮汽缸的結(jié)構(gòu)，并且其中每一個(gè)汽缸能夠被所述控制器操作，在一個(gè)時(shí)間作為空氣壓縮汽缸并且在另一時(shí)間作為燃燒汽缸。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的內(nèi)燃機(jī)，其中一個(gè)汽缸總是用作空氣壓縮汽缸并且另一汽缸總是用作燃燒汽缸。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的內(nèi)燃機(jī)，還包括 輸出活塞，所述輸出活塞在輸出汽缸中并且通過所述輸出活塞下方的連接桿連接到曲軸； 多個(gè)輸出液壓柱塞，每個(gè)輸出液壓柱塞在相應(yīng)的輸出液壓缸中位于所述輸出活塞上方并且作用在所述輸出活塞上，所述輸出液壓缸聯(lián)結(jié)到電子控制的輸出液壓缸閥門，以便將每一個(gè)輸出液壓缸可控制地聯(lián)結(jié)到高壓液壓系統(tǒng)或低壓液壓系統(tǒng)，以驅(qū)動(dòng)所述曲軸旋轉(zhuǎn)；所述控制器也響應(yīng)于動(dòng)力設(shè)定而控制所述電子控制的輸出液壓缸閥門。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述控制器響應(yīng)于所述高壓液壓系統(tǒng)中的壓力而控制所述燃燒活塞。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的內(nèi)燃機(jī)，還包括 輸出活塞，所述輸出活塞在輸出汽缸中并且通過所述輸出活塞下方的連接桿連接到曲軸； 多個(gè)輸出液壓柱塞，每個(gè)輸出液壓柱塞在相應(yīng)的輸出液壓缸中位于所述輸出活塞上方并且作用在所述輸出活塞上，所述輸出液壓缸聯(lián)結(jié)到電子控制的輸出液壓缸閥門，以便將每一個(gè)輸出液壓缸可控制地聯(lián)結(jié)到高壓液壓系統(tǒng)或低壓液壓系統(tǒng)，以驅(qū)動(dòng)所述曲軸旋轉(zhuǎn)；所述控制器也響應(yīng)于動(dòng)力設(shè)定而控制所述電子控制的輸出液壓缸閥門。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述控制器響應(yīng)于所述高壓液壓系統(tǒng)中的壓力而控制所述燃燒活塞。
15.一種內(nèi)燃機(jī)，所述內(nèi)燃機(jī)包括 燃燒汽缸； 所述燃燒汽缸中的燃燒活塞，該燃燒活塞在所述燃燒活塞的第一表面上方限定燃燒室，所述燃燒活塞的運(yùn)動(dòng)不被機(jī)械地緊固成與所述內(nèi)燃機(jī)中的任何其它燃燒或壓縮活塞一致地運(yùn)動(dòng)； 至少一對第一液壓缸，每一對第一液壓缸的第一液壓缸位于離所述燃燒汽缸的中心軸線等距的所述燃燒汽缸的直徑的相對側(cè)上； 多個(gè)第一液壓柱塞，所述多個(gè)第一液壓柱塞中的每一個(gè)位于一個(gè)所述第一液壓缸內(nèi)并且相對于所述燃燒活塞的第二表面布置成與所述燃燒活塞一起往復(fù)運(yùn)動(dòng)；和 至少一個(gè)電致動(dòng)的第一液壓流體控制閥，所述第一液壓流體控制閥聯(lián)結(jié)到至少一個(gè)所述第一液壓缸，以將每一對第一液壓缸選擇性地聯(lián)結(jié)到高壓液壓管路或低壓液壓管路。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的內(nèi)燃機(jī)，還包括至少兩個(gè)電致動(dòng)的第一液壓流體控制閥，每一個(gè)第一液壓流體控制閥只與一個(gè)液壓缸聯(lián)結(jié)。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的內(nèi)燃機(jī)，還包括 聯(lián)結(jié)到液壓缸的至少兩個(gè)電致動(dòng)的第一液壓流體控制閥； 與所述燃燒汽缸的中心軸線對齊的中心液壓缸；和 中心液壓柱塞，所述中心液壓柱 塞聯(lián)結(jié)到所述燃燒活塞的第二表面并且在所述中心液壓缸中； 其中所述電致動(dòng)的第一液壓流體控制閥中的一個(gè)聯(lián)結(jié)到所述中心液壓缸，以與所述第一液壓缸相獨(dú)立地將所述中心液壓缸選擇性地聯(lián)結(jié)到高壓液壓管路。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述中心液壓柱塞提供兩個(gè)相對的液壓控制表面，所述兩個(gè)相對的液壓控制表面允許所述中心液壓柱塞沿所述中心軸線推和拉所述燃燒活塞。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的內(nèi)燃機(jī)，還包括燃燒活塞位置傳感器和控制器，該燃燒活塞位置傳感器用于感測所述燃燒汽缸內(nèi)的燃燒活塞的位置，所述控制器聯(lián)結(jié)到所述位置傳感器和所述至少一個(gè)電致動(dòng)的第一液壓流體控制閥，以響應(yīng)于所述傳感器向所述第一液壓流體控制閥選擇性地提供電信號(hào)，因此將所述第一液壓缸聯(lián)結(jié)到所述高壓液壓管路，并且在所述燃燒活塞上提供可變的且可逆的力，并且向燃料噴射器和吸入和排出閥提供電子控制。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的內(nèi)燃機(jī)，包括形成多汽缸發(fā)動(dòng)機(jī)的多個(gè)內(nèi)燃機(jī)。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的內(nèi)燃機(jī)，還包括 空氣軌道； 至少一個(gè)壓縮汽缸，該至少一個(gè)壓縮汽缸中具有壓縮活塞，并在所述壓縮活塞的第一表面上方限定壓縮室； 聯(lián)結(jié)到所述壓縮室的電子控制的吸入閥； 至少一對第二液壓缸，每一對第二液壓缸的第二液壓缸位于離所述壓縮汽缸的中心軸線等距離的所述壓縮汽缸的直徑的相對側(cè)上； 多個(gè)第二液壓柱塞，所述多個(gè)第二液壓柱塞中的每一個(gè)位于一個(gè)所述第二液壓缸內(nèi)并且相對于所述壓縮活塞的第二表面布置成使所述壓縮活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)；和 至少一個(gè)電致動(dòng)的第二液壓流體控制閥，所述第二液壓流體控制閥聯(lián)結(jié)到所述第二液壓缸，以將每一對第二液壓缸選擇性地聯(lián)結(jié)到高壓液壓管路或低壓液壓管路； 每一個(gè)燃燒汽缸具有電子控制的空氣噴射閥，以將被所述壓縮汽缸壓縮的空氣噴射到每一個(gè)燃燒汽缸中。
22.根據(jù)權(quán)利要求15所述的內(nèi)燃機(jī)，對于每一個(gè)燃燒汽缸，還包括 布置為將燃料噴射到所述燃燒室中的電子控制的燃料噴射器； 聯(lián)結(jié)到所述燃燒室的電子控制的吸入和排出閥。
23.根據(jù)權(quán)利要求15所述的內(nèi)燃機(jī)，還包括 驅(qū)動(dòng)汽缸； 驅(qū)動(dòng)活塞，所述驅(qū)動(dòng)活塞沿所述驅(qū)動(dòng)汽缸的中心軸線在所述驅(qū)動(dòng)汽缸內(nèi)滑動(dòng)； 曲軸，所述曲軸通過連接桿聯(lián)結(jié)到所述驅(qū)動(dòng)活塞的第一側(cè)； 至少一對第三液壓缸，每一對第三液壓缸的第三液壓缸位于離所述驅(qū)動(dòng)汽缸的中心軸線等距離的所述驅(qū)動(dòng)汽缸的直徑的相對側(cè)上；多個(gè)第三液壓柱塞，所述多個(gè)第三液壓柱塞中的每一個(gè)位于一個(gè)所述第三液壓缸內(nèi)并且布置成壓靠在所述驅(qū)動(dòng)活塞的與所述第一側(cè)相對的第二側(cè)上；和 至少一個(gè)電致動(dòng)的第三液壓流體控制閥，所述第三液壓流體控制閥聯(lián)結(jié)到所述第三液壓缸，以將每一對第三液壓缸選擇性地聯(lián)結(jié)到高壓液壓管路或低壓液壓管路，由此所述多個(gè)第二液壓柱塞使所述驅(qū)動(dòng)活塞移動(dòng)并且使所述曲軸旋轉(zhuǎn)。
24.一種內(nèi)燃機(jī)，所述內(nèi)燃機(jī)包括 燃燒汽缸； 所述燃燒汽缸中的燃燒活塞，該燃燒活塞在燃燒活塞的第一表面上方限定燃燒室，所述燃燒活塞的運(yùn)動(dòng)不被機(jī)械地緊固成與所述內(nèi)燃機(jī)中的任何其它燃燒或壓縮活塞一致地運(yùn)動(dòng)； 至少一對第一液壓缸，每一對第一液壓缸的第一液壓缸位于離所述燃燒汽缸的中心軸線等距離的所述燃燒汽缸的直徑的相對側(cè)上； 多個(gè)第一液壓柱塞，所述多個(gè)第一液壓柱塞中的每一個(gè)位于一個(gè)所述第一液壓缸內(nèi)，并且相對于所述燃燒活塞的第二表面布置成與所述燃燒活塞一起往復(fù)運(yùn)動(dòng)； 至少兩個(gè)電致動(dòng)的第一液壓流體控制閥，所述第一液壓流體控制閥聯(lián)結(jié)到至少一個(gè)所述第一液壓缸，以將每一對第一液壓缸選擇性地聯(lián)結(jié)到高壓液壓管路或低壓液壓管路；與所述燃燒汽缸的中心軸線對齊的中心液壓缸；和 中心液壓柱塞，該中心液壓柱塞聯(lián)結(jié)到所述燃燒活塞的第二表面并且在所述中心液壓缸中，所述中心液壓柱塞提供兩個(gè)相對的液壓控制表面，所述兩個(gè)相對的液壓控制表面允許所述液壓柱塞沿所述中心軸線推和拉所述燃燒活塞； 其中所述電致動(dòng)的第一液壓流體控制閥中的一個(gè)聯(lián)結(jié)到所述中心液壓缸，以與所述第一液壓缸相獨(dú)立地將所述中心液壓缸選擇性地聯(lián)結(jié)到高壓液壓管路； 燃燒活塞位置傳感器，所述燃燒活塞位置傳感器用于感測所述燃燒汽缸內(nèi)的所述燃燒活塞的位置； 控制器，所述控制器聯(lián)結(jié)到所述位置傳感器和至少一個(gè)所述電致動(dòng)的第一液壓流體控制閥，以響應(yīng)于所述傳感器向所述第一液壓流體控制閥選擇性地提供電信號(hào)，因此將所述第一液壓缸聯(lián)結(jié)到所述高壓液壓管路，并且在所述燃燒活塞上提供可變的且可逆的力，并且向燃料噴射器和吸入和排出閥提供電子控制； 空氣軌道； 至少一個(gè)壓縮汽缸，該至少一個(gè)壓縮汽缸內(nèi)具有壓縮活塞，并在所述壓縮活塞的第一表面上方限定壓縮室； 聯(lián)結(jié)到所述壓縮室的電子控制的吸入閥； 至少一對第二液壓缸，每一對第二液壓缸的第二液壓缸位于離所述壓縮汽缸的中心軸線等距離的所述壓縮汽缸的直徑的相對側(cè)上； 多個(gè)第二液壓柱塞，所述多個(gè)第二液壓柱塞中的每一個(gè)位于一個(gè)所述第二液壓缸內(nèi)，并且相對于所述壓縮活塞的第二表面布置成使所述壓縮活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)；和 至少一個(gè)電致動(dòng)的第二液壓流體控制閥，所述第二液壓流體控制閥聯(lián)結(jié)到所述第二液壓缸，以將每一對第二液壓缸選擇性地聯(lián)結(jié)到高壓液壓管路或低壓液壓管路； 每一個(gè)燃燒汽缸具有電子控制的空氣噴射閥，以將被所述壓縮汽缸壓縮的空氣噴射到每一個(gè)燃燒汽缸中。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的內(nèi)燃機(jī)，還包括 布置為將燃料噴射到所述燃燒室中的電子控制的燃料噴射器； 聯(lián)結(jié)到所述燃燒室的電子控制的吸入和排出閥。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的內(nèi)燃機(jī)，還包括 驅(qū)動(dòng)汽缸； 驅(qū)動(dòng)活塞，所述驅(qū)動(dòng)活塞沿所述驅(qū)動(dòng)汽缸的中心軸線在所述驅(qū)動(dòng)汽缸內(nèi)滑動(dòng)； 曲軸，所述曲軸通過連接桿聯(lián)結(jié)到所述驅(qū)動(dòng)活塞的第一側(cè)； 至少一對第三液壓缸，每一對第三液壓缸的第三液壓缸位于離所述驅(qū)動(dòng)汽缸的中心軸線等距離的所述驅(qū)動(dòng)汽缸的直徑的相對側(cè)上； 多個(gè)第三液壓柱塞，所述多個(gè)第三液壓柱塞中的每一個(gè)位于一個(gè)所述第三液壓缸內(nèi)，并且布置成壓靠在所述驅(qū)動(dòng)活塞的與所述第一側(cè)相對的第二側(cè)上；和 至少一個(gè)電致動(dòng)的第三液壓流體控制閥，所述第三液壓流體控制閥聯(lián)結(jié)到所述第三液壓缸，以將每一對第三液壓缸選擇性地聯(lián)結(jié)到高壓液壓管路或低壓液壓管路，由此所述多個(gè)第二液壓柱塞使所述驅(qū)動(dòng)活塞移動(dòng)并且使所述曲軸旋轉(zhuǎn)。
27.一種操作內(nèi)燃機(jī)的方法，所述方法包括 提供燃燒汽缸，在所述燃燒汽缸中具有燃燒活塞，在所述燃燒活塞的第一表面上方限定燃燒室，所述燃燒活塞的運(yùn)動(dòng)不被機(jī)械地緊固成與所述內(nèi)燃機(jī)中的任何其它燃燒或壓縮活塞一致地運(yùn)動(dòng)； 在壓縮沖程中，選擇性地操作至少一個(gè)電致動(dòng)的第一液壓流體控制閥以選擇性地提供高壓或低壓液壓流體到至少一對第一液壓缸，作用在所述燃燒活塞的第二表面上以使所述燃燒活塞壓縮所述燃燒室的包含物，每一個(gè)第一液壓缸包括第一液壓柱塞，每一對所述第一液壓缸分別在直徑上大體上相等并且位于所述燃燒汽缸的直徑上，與所述燃燒汽缸的中心相等地且相對地間隔開，并且所述多個(gè)第一液壓流體控制閥中的每一個(gè)聯(lián)結(jié)到至少一個(gè)所述第一液壓缸，以選擇性地將沿直徑方向相對的成對的所述第一液壓缸獨(dú)立于剩余的第一液壓缸而聯(lián)結(jié)到所述高壓液壓管路； 至少在所述燃燒室的包含物被壓縮并且準(zhǔn)備點(diǎn)火時(shí)將燃料和空氣提供到所述燃燒室；和 在所述燃料點(diǎn)火之后在動(dòng)力沖程期間，選擇性地操作所述多個(gè)第一液壓流體控制閥，以從聯(lián)結(jié)到所述燃燒活塞的沿直徑方向相對的成對的所述多個(gè)第一液壓缸接收高壓液壓流體； 在所述壓縮沖程和動(dòng)力沖程期間，運(yùn)轉(zhuǎn)所述多個(gè)電致動(dòng)的第一液壓流體控制閥，以控制所述燃燒活塞的速度和行程極限。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，還包括供應(yīng)高壓液壓流體到液壓缸的上表面，以使聯(lián)結(jié)到所述燃燒活塞的液壓柱塞向著下死點(diǎn)中心位置移動(dòng)所述燃燒活塞。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，還包括選擇性地操作所述多個(gè)電致動(dòng)的第一液壓流體控制閥中的一個(gè)，以將高壓液壓流體供應(yīng)到沿所述燃燒汽缸的中心軸線定位的中心液壓缸的上表面。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，還包括選擇性地操作所述多個(gè)電致動(dòng)的第一液壓流體控制閥中的一個(gè)，以將高壓液壓流體供應(yīng)到至少一個(gè)所述液壓缸的下表面，以使所述燃燒活塞執(zhí)行壓縮沖程。
31.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，還包括響應(yīng)于聯(lián)結(jié)到所述燃燒汽缸的傳感器選擇性地操作所述多個(gè)電致動(dòng)的第一液壓流體控制閥以檢測所述燃燒汽缸的操作狀態(tài)。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其中所述傳感器檢測所述燃燒活塞的位置。
33.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，還包括在所述壓縮沖程的開始或之前將燃料放置到所述燃燒室中。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中在所述動(dòng)力沖程中的燃燒期間僅僅空氣而不是燃料被噴射到所述燃燒汽缸中。
35.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，還包括在所述動(dòng)力沖程中的燃燒期間將空氣噴射到所述燃燒汽缸中。
36.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中所述燃料是氨。
37.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中所述燃料是氨。
38.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，還包括 選擇性地操作多個(gè)電致動(dòng)的第二液壓流體控制閥以將高壓液壓流體提供到多個(gè)第二液壓缸， 每一對所述第二液壓缸的直徑大體上相等并且位于驅(qū)動(dòng)汽缸的直徑上，與所述驅(qū)動(dòng)汽缸的中心相等地且相對地間隔開， 每一個(gè)第二液壓缸包括被布置成壓靠所述驅(qū)動(dòng)汽缸內(nèi)的驅(qū)動(dòng)活塞的第一側(cè)的第二液壓柱塞，所述第二液壓柱塞使所述驅(qū)動(dòng)活塞旋轉(zhuǎn)曲軸，該曲軸通過連接桿聯(lián)結(jié)到所述驅(qū)動(dòng)活塞的與所述第一側(cè)相對的第二側(cè)，并且 所述多個(gè)第二液壓流體控制閥中的每一個(gè)分別聯(lián)結(jié)到所述多個(gè)第二液壓缸中的一個(gè)，以將所述第二液壓缸獨(dú)立于剩余的第二液壓缸而選擇性地聯(lián)結(jié)到所述高壓液壓管路。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，還包括聯(lián)結(jié)所述曲軸以旋轉(zhuǎn)車輛的輪。
全文摘要
液壓內(nèi)燃機(jī)，該液壓內(nèi)燃機(jī)具有至少一個(gè)燃燒活塞，所述至少一個(gè)燃燒活塞不機(jī)械連接到曲軸或任何其它燃燒活塞，而是改為通過電子控制的閥門作用在液壓柱塞上，以控制活塞位置和速度，典型地通過吸入沖程、壓縮沖程、燃燒或動(dòng)力沖程和排出沖程。電子控制的燃料噴射和電子控制的發(fā)動(dòng)機(jī)閥在可以使用的運(yùn)轉(zhuǎn)周期中提供巨大靈活性，發(fā)動(dòng)機(jī)泵送液壓流體到高壓蓄能器以便用于液壓馬達(dá)或其它液壓設(shè)備。也公開使用高壓空氣噴射以維持燃燒的實(shí)施方式。
文檔編號(hào)F02B71/04GK102639842SQ201080054641
公開日2012年8月15日 申請日期2010年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月12日
發(fā)明者D·德魯利, O·E·史度曼, S·E·梅西, T·凱斯 申請人:斯德曼數(shù)字系統(tǒng)公司