可变体积转移滑梭舱及阀机构的制作方法

可变体积转移滑梭舱及阀机构的制作方法
【专利摘要】一种发动机包含：压缩室，其吸入并压缩工作流体；膨胀室，其使工作流体膨胀并排出工作流体；及转移室，其从所述压缩室接收工作流体且将工作流体转移到所述膨胀室，其中所述转移室的内部体积在工作流体的所述转移期间减小。
【专利说明】
可变体积转移滑梭舱及阀机构
[0001] 相关申请案的交叉参考
[0002] 本申请案主张于2014年1月20日提出申请的第61 /929，143号美国临时申请案的权 益，所述美国临时申请案的内容W全文引用方式并入本文中。
技术领域
[0003] 本发明设及分离循环式发动机，所述分离循环式发动机并入可大体来说增强发动 机性能的众多改进及设计特征。特定来说，本发明可增加分离循环式发动机压缩比。本发明 还可通过在压缩行程期间提供较凉工作流体，且在膨胀行程期间提供较热工作流体而提高 工作流体溫度差异。可通过减少通常驻存于分离循环式发动机的各种组件内的死体积且连 接用作压缩气缸(冷）出口与膨胀气缸(热)进口之间的流体连接通路的管而实现所述改进。 所减少死体积可使得能够利用较高压缩比，所述较高压缩比又产生较高功率密度输出及经 改进效率。具有较高经压缩工作流体在外燃机化C发动机)中实现更高效热转移。
【背景技术】
[0004] EC发动机(举例来说，例如斯特林(Stirling)发动机)使用其热气缸与其冷气缸之 间的溫度差来建立工作流体的固定质量的封闭循环，所述工作流体经加热且膨胀并且经冷 却且压缩，因此将热能转换成机械能。工作流体的热状态与冷状态之间的溫度差越大，热效 率越大。最大理论效率来源于卡诺(Carnot)循环;然而真实发动机的效率由于各种损失而 小于此值。
[0005] 与蒸汽机及内燃机相比，斯特林发动机W其潜在的高效率、其安静的操作及使用 几乎任何热源或燃料用于其操作的能力而著名。此与替代能源及可再生能源的兼容性已随 着化石燃料的价格上涨且还鉴于例如气候改变及有限石油资源等问题而变得日益显著。
[0006] 斯特林发动机(具有且不具有再生器)在冷气缸与热气缸之间具有连接管。此管的 体积(通常被视为"死体积"）导致主要效率损失。考虑经由管路连接到死体积的理想斯特林 发动机。在循环的高压力部分期间，来自发动机的热空气与死体积中的较冷空气混合，此导 致效率的损失。此在循环的低压力部分期间也是如此，运是因为在发生压缩的发动机的部 分处暖空气与较凉空气混合。相同情况将适用于任何其它死体积，例如置换器室内的死体 积。为描述更清楚，将较冷空气与较暖空气混合在一起增加赌但减小畑。
[0007] 为解决运些问题，再生器(或省煤器，如罗伯特斯特林(Robed Stirling)所称)经 开发W增加斯特林发动机的效率。设计最初为位于环带中的大量钢丝，当工作流体通过环 带时，其吸收过多能量。再生器基本上为预冷却器(其减少主冷却器上的热负荷），W及预加 热器(其减少主加热器用W加热工作流体所需要的能量）。

【发明内容】

[000引本文中掲示用W W及时方式管理工作流体的转移且减少从分离循环式发动机的 冷室到热室的压力能量损失的不同且有效机构。此可使用转移滑梭(shuttle)舱及阀系统 来实现，所述转移滑梭舱及阀系统可借助高水平的密封而为耐用的。本文中所描述的系统 及方法可借助冷气缸与热气缸之间的最小"死体积"来将冷气缸与热气缸分离，因此增加有 效发动机压缩比及效率。
[0009] 鉴于已知类型的外部热发动机中固有的缺点，本文中所掲示的实施例包含转移滑 梭舱及阀机构（TSCVM)作为外部热发动机的一部分(其也可为内燃机的一部分），所述外部 热发动机比常规外部热发动机(举例来说，各种斯特林发动机配置)提供对溫度差异化气缸 的更高效利用。一些实施例利用新颖TSCVM用于借助冷室与热室之间的最小"死体积"来促 进工作流体从冷室到热室的高效且可靠转移。
[0010] 在示范性实施例中，TSCVM外部热发动机包含:一个气缸，其禪合到第二气缸;一个 活塞，其定位于第一气缸内且经配置W执行吸入行程及压缩行程;及第二活塞，其定位于所 述第二气缸内且经配置W执行膨胀行程及排出行程。所述第一气缸(代表冷(压缩)气缸)及 所述第二气缸(代表热(膨胀)气缸)可被视为可通过TSCVM的往复运动直接地或间接地禪合 的两个单独室，其中第一(冷)室驻存于冷气缸中，第二(热)室驻存于热气缸中。第=(转移） 室驻存于TSCVM内且通过首先禪合到冷室且接着禪合到热室而将工作流体从一个室转移到 另一室。
[0011] 在示范性实施例中，转移室的加热或冷却可经应用W获得额外效率。
[0012] 在又一示范性实施例中，第四（胆槽)室用于在于吸入行程期间被吸到冷气缸中之 前冷却工作流体。热气缸在排出行程期间将热工作流体排到此第四（胆槽)室中。=通阀将 冷室与胆槽室禪合及解禪。在又一示范性实施例中，相同=通阀还将热气缸内的第二热室 与胆槽室禪合及解禪。
[0013] 在又一示范性实施例中，发动机包含两个活塞连接杆及一曲轴，所述曲轴用于致 动两个气缸内的两个活塞。所述两个连接杆将相应活塞连接到所述曲轴。所述曲轴将旋转 运动转换成压缩活塞的往复运动。压缩曲轴弯程相对角相对于膨胀曲轴弯程可不同于彼 此，因此实施相位角延迟(相位滞后），使得压缩气缸的活塞在膨胀气缸的活塞前面移动。在 一些实施例中，相位滞后可为如此，使得膨胀气缸的活塞在压缩气缸的活塞前面移动。所述 两个活塞及两个气缸可设计为彼此呈直列式(平行)或彼此相对。在具有两个活塞及两个气 缸的直列式配置的一个此实施例中，可安装低导热材料的绝缘层(举例来说）W将相对冷第 一室与相对热第二室分离，如所属领域中通常已知的。
[0014] 在一些示范性实施例中，TSCVM可由数个组件构造而成:舱(滑阀）气缸、位于所述 舱气缸内的舱滑梭、转移室端口、舱连接杆及舱曲轴。压缩气缸可具有输出端口且膨胀气缸 可具有进口端口。取决于由于舱往复运动所致的滑梭舱(指的是舱气缸）的相对瞬时位置， 所述转移室可禪合到压缩气缸输出端口及膨胀气缸进口端口或者与压缩气缸输出端口及 膨胀气缸进口端口解禪。
[0015] 在另一实施例中，一种发动机包含:压缩室，其吸入并压缩工作流体;膨胀室，其使 工作流体膨胀并排出工作流体;及转移室，其从所述压缩室接收工作流体且将工作流体转 移到所述膨胀室，其中所述转移室的内部体积在工作流体的所述转移期间减小。
[0016] 在所述工作流体的转移期间减小所述转移室的所述内部体积可有利地增加所述 发动机的效率。举例来说，减小体积可在转移之前进一步增加所述工作流体的压力，因此增 加发动机的压缩比。所述发动机可为外部分离循环式发动机及内部分离循环式发动机或任 何发动机。
[0017] 在又一实施例中，工作流体在所述转移室的所述内部体积中进一步被压缩。
[0018] 在又一实施例中，所述发动机包含热交换器，所述热交换器用于将来自外部热源 的热能转移到工作流体。
[0019] 在又一实施例中，所述发动机包含将工作流体从所述膨胀室投送到所述压缩室的 导管。在又一实施例中，所述发动机包含位于所述导管中的冷却室。在又一实施例中，所述 发动机包含位于所述导管中的阀，所述阀将所述压缩室与所述膨胀室流体禪合及解禪。
[0020] 在又一实施例中，所述发动机包含位于所述发动机内侧的点火源，所述点火源起 始膨胀。
[0021] 在又一实施例中，所述发动机包含所述转移室的转移端口，所述转移端口替代地 流体禪合到所述压缩室的出口端口及所述膨胀室的进口端口。在再一实施例中，在所述发 动机的循环的一部分期间，所述转移端口同时将所述压缩室的所述出口端口与所述转移室 的所述转移端口 W及将所述膨胀室的所述进口端口与所述转移室的所述转移端口禪合。
[0022] 在又一实施例中，所述转移室包括转移气缸、转移气缸挤压部及转移气缸外壳，其 中所述转移气缸定位于所述转移气缸外壳内且相对于所述转移气缸外壳移动，且其中所述 转移气缸挤压部定位于所述转移气缸内且不相对于所述转移气缸外壳移动。在再一实施例 中，所述挤压部为抛物线形的。在再一实施例中，所述发动机包含介于所述转移气缸与转移 气缸外壳之间及介于所述转移气缸与转移气缸挤压部之间的密封环。
[0023] 在另一实施例中，一种操作发动机的方法包含:在第一室中压缩工作流体;将工作 流体从所述第一室转移到第二室;在工作流体处于所述第二室的内部体积内的时，减小所 述内部体积;将工作流体从所述第二室转移到第=室;及在所述第=室中使工作流体膨胀。
[0024] 在工作流体的转移期间减小转移室的内部体积可有利地增加发动机的效率。举例 来说，减小体积可在转移之前进一步增加工作流体的压力，因此增加发动机的压缩比。发动 机可为外部分离循环式发动机及内部分离循环式发动机或任何发动机。
[0025] 在又一实施例中，所述方法包含在转移室的所述内部体积中进一步压缩工作流 体。在又一实施例中，所述方法包含使用部分地位于所述发动机外侧的热交换器而将热转 移到所述第=室中的所述工作流体。在再一实施例中，所述方法包含将工作流体从所述第 =室投送到所述第一室。在再一实施例中，所述方法包含当工作流体从所述第=室被投送 到所述第一室时使所述工作流体冷却。
[0026] 在又一实施例中，所述方法包含在所述第=室中使工作流体膨胀。
[0027] 在又一实施例中，所述方法包含替代地将所述第二室流体禪合到所述第一室的出 口端口及所述第=室的进口端口。在再一实施例中，所述方法包含在所述发动机的循环的 一部分期间，将所述第二室同时与所述第一室的所述出口端口及所述第=室的所述进口端 口流体禪合。
[0028] 在又一实施例中，所述第二室包括气缸、气缸挤压部及气缸外壳，其中所述气缸定 位于所述气缸外壳内且相对于所述气缸外壳移动，且其中所述气缸挤压部定位于所述气缸 内且不相对于所述气缸外壳移动。在又一实施例中，所述挤压部为抛物线形的。在又一实施 例中，所述发动机包含介于所述气缸与所述气缸外壳之间及介于所述转移气缸与转移气缸 挤压部之间的密封环。
[0029] 在另一实施例中，一种发动机包含:压缩室，其吸入并压缩工作流体;膨胀室，其使 工作流体膨胀并排出工作流体;转移室，其从所述压缩室接收工作流体且将工作流体转移 到所述膨胀室，其中所述转移室的内部体积在工作流体的所述转移期间减小;及热交换器， 其用于将来自外部热源的热能转移到工作流体。
[0030] 在所述工作流体的转移期间减小所述转移室的所述内部体积可有利地增加所述 发动机的效率。举例来说，减小体积可在转移之前进一步增加所述工作流体的压力，因此增 加所述发动机的压缩比。所述发动机可为外部分离循环式发动机及内部分离循环式发动机 或任何发动机。
[0031] 在另一实施例中，与此处所掲示相同的机构作为外部热发动机可具有作为基于斯 特林循环的冰箱或斯特林循环基础热累的有益用途。所述两个机器循环与外部热发动机循 环相同，除了机器的热吸收端（即膨胀气缸)现在变成冷室，且压缩气缸现在变成机器热室 W外。
[0032] 此外，尽管关于外部分离循环式燃烧发动机或内部分离循环式燃烧发动机中的一 者或两者排他地描述了特定实施例，但应了解系统及方法同样地适用于外部分离循环式燃 烧发动机、内部分离循环式燃烧发动机及任何其它发动机。
【附图说明】
[0033] 图1是根据示范性实施例的直列式TSCVM外部热设备的简化横截面图，其中图解说 明在压缩活塞到达其上止点(TDC)的情况下的压缩曲轴弯程角且图解说明在膨胀活塞到达 其TDC之前成45度的膨胀曲轴弯程角。TSCVM曲轴在其极左位置(BDC)之后为45度。
[0034] 图2是图1的直列式TSCVM外部热设备的简化横截面图，其中压缩曲轴弯程角经图 解说明为在其TDC之后成22.5度且膨胀曲轴弯程角经图解说明为在膨胀活塞到达其TDC之 前成22.5度。TSCVM曲轴在其抓C之后为67.5度。
[0035] 图3是图1的直列式TSCVM外部热设备的简化横截面图，其中图解说明在其TDC之后 成45度的压缩曲轴弯程角且图解说明在其TDC处的膨胀曲轴弯程角。TSCVM曲轴在其BDC之 后为90度。
[0036] 图4是图1的直列式TSCVM外部热设备的简化横截面图，其中压缩曲轴弯程角经图 解说明为在其TDC之后成67.5度，且膨胀曲轴弯程角经图解说明为在膨胀活塞到达其TDC之 后成22.5度。TSCVM曲轴在其极右位置(TDC)之前为67.5度。
[0037] 图5是图1的直列式TSCVM外部热设备的简化横截面图，其中压缩曲轴弯程角经图 解说明为在其TDC之后成90度且膨胀曲轴弯程角经图解说明为在膨胀活塞到达其TDC之后 成45度。TSCVM曲轴在其TDC之前为45度。
[0038] 图6是图1的直列式TSCVM外部热设备的简化横截面图，其中压缩曲轴弯程角经图 解说明为在其到达其下止点(BDC)之前成67.5度且膨胀曲轴弯程角经图解说明为在膨胀活 塞到达其TDC之后成67.5度。TSCVM曲轴在其TDC之前为22.5度。
[0039] 图7是图1的直列式TSCVM外部热设备的简化横截面图，其中压缩曲轴弯程角经图 解说明为在其到达其BDC之前成45度且膨胀曲轴弯程角经图解说明为在膨胀活塞到达其 TDC之后成90度。TSCVM曲轴到达其TDC。
[0040] 图8是图1的直列式TSCVM外部热设备的简化横截面图，其中压缩曲轴弯程角经图 解说明为在其到达其抓C之前成22.5度，且膨胀曲轴弯程角经图解说明为在膨胀活塞到达 其抓C之前成67.5度。TSCVM曲轴在其TDC之后为22.5度。
[0041] 图9是图1的直列式TSCVM外部热设备的简化横截面图，其中图解说明在其BDC处的 压缩曲轴弯程角且图解说明在膨胀活塞到达其抓C之前成45度的膨胀曲轴弯程角。TSCVM曲 轴在其TDC之后为45度。
[0042] 图10是图1的直列式TSCVM外部热设备的简化横截面图，其中压缩曲轴弯程角经图 解说明为在其抓C之后为22.5度，且膨胀曲轴弯程角经图解说明为在膨胀活塞到达其抓C之 前为22.5度。TSCVM曲轴在其TDC之后为67.5度。
[0043] 图11是图1的直列式TSCVM外部热设备的简化横截面图，其中图解说明在其抓C之 后成45度的压缩曲轴弯程角且图解说明在其抓C处的膨胀曲轴弯程角。TSCVM曲轴在其TDC 之后为90度。
[0044] 图12是图1的直列式TSCVM外部热设备的简化横截面图，其中压缩曲轴弯程角经图 解说明为在其抓C之后成67.5度，且膨胀曲轴弯程角经图解说明为在膨胀活塞到达其抓C之 后成22.5度。TSCVM曲轴在其抓C之前为67.5度。
[0045] 图13是图1的直列式TSCVM外部热设备的简化横截面图，其中压缩曲轴弯程角经图 解说明为在其抓C之后成90度，且膨胀曲轴弯程角经图解说明为在膨胀活塞到达其抓C之后 成45度。TSCVM曲轴在其抓C之前为45度。
[0046] 图14是图1的直列式TSCVM外部热设备的简化横截面图，其中压缩曲轴弯程角经图 解说明为在其到达其TDC之前成67.5度且膨胀曲轴弯程角经图解说明为在膨胀活塞到达其 BDC之后成67.5度。TSCVM曲轴在其抓C之前为22.5度。
[0047] 图15是图1的直列式TSCVM外部热设备的简化横截面图，其中压缩曲轴弯程角经图 解说明为在其到达其TDC之前成45度且膨胀曲轴弯程角经图解说明为在膨胀活塞到达其 BDC之后成90度。TSCVM曲轴在其抓C处。
[0048] 图16是图1的直列式TSCVM外部热设备的简化横截面图，其中压缩曲轴弯程角经图 解说明为在其到达其TDC之前成22.5度且膨胀曲轴弯程角经图解说明为在膨胀活塞到达其 TDC之前成67.5度。TSCVM曲轴在其抓C之后为22.5度。
[0049] 图17是根据示范性实施例的直列式TSCVM外部热设备的简化横截面图，其中TSCVM 具有恒定体积。图解说明在压缩活塞到达其上止点（TDC)的情况下的曲轴弯程角且图解说 明在膨胀活塞到达其TDC之前成45度的膨胀曲轴弯程角。TSCVM曲轴在其抓C之后为45度。
[0050] 图18图解说明根据示范性实施例操作发动机的方法。
【具体实施方式】
[0051] 下文详细参考各图描述本发明，其中通篇用类似编号指代类似元件。应理解，各图 未必按比例绘制。各图也未必展示所图解说明的各种示范性实施例的所有细节。而是，其仅 展示特定特征及元件W提供对示范性实施例的可行描述。
[0052] 参考图1，根据一个实施例，外部热发动机的直列式配置包含:压缩气缸4、膨胀气 缸8、压缩活塞5、膨胀活塞10、冷室A及热室C。所述直列式配置还包含两个活塞连接杆3及9， W及致动两个气缸中的活塞的曲轴1。
[0化3] 仍参考图1，外部热发动机还包含TSCVM 7、TSCVM气缸6、位于TSCVM 7内的转移室 B、TSCVM滑阀端口 19、TSCVM连接杆21、TSCVM曲轴2及TSCVM气缸挤压部22。
[0054] 仍参考图1，压缩气缸4为活塞发动机气缸，其含纳压缩活塞5、冷室A及压缩气缸工 作流体出口端口 18。膨胀气缸8为活塞发动机气缸，其含纳膨胀活塞10、热室C及膨胀气缸工 作流体进口端口 20。
[0055] 连接杆3及則尋其相应活塞连接到其相应曲轴弯程。压缩曲轴1将旋转运动转换成 压缩活塞5往复运动。膨胀活塞10的往复运动被转换成曲轴1的旋转运动，所述曲轴1的旋转 运动被转换成发动机旋转运动或功(例如，曲轴1也可用作发动机输出轴件）。压缩活塞5及 膨胀活塞10两者可具有或可不具有不规则结构或突出部。运些突出部的功能可为减小死体 积。示范性突出部掲示于第14/362,101号美国专利申请案中，所述美国专利申请案的内容 W其全文引用方式并入本文中。
[0化6] 在示范性实施例中，TSCVM气缸6含纳TSCVM 7且TSCVM气缸6及TSCVM 7两者均置于 顶部上且垂直于压缩气缸4及膨胀气缸8两者。TSCVM连接杆21将TSCVM7连接到TSCVM曲轴2。 TSCVM曲轴2将旋转运动转换成TSCVM 7往复运动。TSCVM曲轴2经由机械连杆机构或齿轮系 机械地连接到曲轴1，因此曲轴巧区动TSCVM曲轴2，且因此两个曲轴为同步的。在另一示范性 实施例中，可使用斜板机构或凸轮轴机构来驱动TSCVM TdTSCVM 7含纳球形或楠圆形转移 室B及TSCVM端口 19(室B可为热绝缘的）。
[0057]在TSCVM 7往复运动期间，转移室B在流体禪合到冷室A与热室C之间交替。在一些 实施例中，转移室B在任何时间处仅流体禪合到室A及室C中的一者。在其它实施例中，转移 室B在发动机循环的某一周期或某一点期间流体禪合到室A及室C两者。热转移元件17置于 室B与室C之间。
[005引仍参考图1，冷却室D经由压缩气缸吸入工作流体管线14连接到室A且经由膨胀气 缸排出工作流体管线15连接到室C。=通阀16可将室D连接到室A及室C中的一者、连接到室A 及室C两者或既不连接到室A也不连接到室C。室D环绕有冷却肋片12。工作流体胆槽11为容 纳室D的结构。工作流体胆槽11可包含用W引导胆槽内的工作流体流的构件，例如热工作流 体将在作为冷工作流体离开胆槽之前被迫在胆槽内行进(胆槽11内的垂直黑线）。室D与工 作流体胆槽11用作热交换器，且如所属领域中已知的将被设计为W最优方式接受热工作流 体且供应冷工作流体。
[0059] 在另一实施例中，在TSCVM 7往复运动期间且在曲轴2旋转循环的一部分处，转移 室B可流体连接到冷室A及热室C两者。
[0060] 在TSCVM 7往复运动期间，转移室B可经由TSCVM端口 19与室A流体禪合或解禪。
[0061 ] 在TSCVM 7往复运动期间，转移室B可经由TSCVM端口 19与室C流体禪合或解禪。
[0062] 在TSCVM 7往复运动期间，经由TSCVM端口 19,当转移室B既不经由端口 18禪合到室 A也不经由端口 20禪合到室別寸，TSCVM端口 19保持密封的。在一些实施例中，在发动机的循 环的一部分期间TSCVM端口 19同时禪合到室A及室C。
[0063] 在示范性实施例中，经由曲轴1引入预定相位延迟，使得压缩活塞5领先或跟随膨 胀活塞10。图1到16描绘一个此示范性实施例，其中经由曲轴1引入的预定相位延迟使得压 缩活塞5领先膨胀活塞10达45度曲柄角，如在曲轴1的侧视图描绘中所例示(在图1中标记为 la)。
[0064] 在一个实施例中，S通阀16可在当压缩活塞5到达其TDC(相差不到几度)时开始且 直到其到达其BDC(相差不到几度)为止的曲轴度的范围内打开W流体连接室A及D。在此时 间期间，=通阀16将室D与室C断开连接。在活塞相位滞后角范围内，在压缩活塞5及膨胀活 塞10通过其相应TDC及抓C之前及之后，允许某种覆叠或下衬，即，阀16转移通路14及15两者 可同时关闭或打开。
[0065] 在一个实施例中，S通阀16可在当膨胀活塞10到达其抓C(相差不到几度)时开始 且直到其到达其TDC(相差不到几度)为止的曲轴度的范围内打开W流体连接室C及D。在此 时间期间，S通阀16将室D与室A断开连接。在活塞相位滞后角范围内，在压缩活塞5及膨胀 活塞10通过其相应TDC及抓C之前及之后，允许某种覆叠或下衬，即，阀16通路14及15两者可 同时关闭或打开。
[0066] 在一个实施例中，TSCVM气缸6含纳TSCVM 7且TSCVM气缸6及TSCVM 7两者均置于顶 部上且垂直于压缩气缸4及膨胀气缸8两者。TSCVM连接杆21将TSCVM 7连接到TSCVM曲轴2。 TSCVM曲轴2将旋转运动转换成TSCVM 7往复运动。TSCVM7含纳球形（举例来说)转移室B及 TSCVM端口 19。在TSCVM 7往复运动期间，转移室B在流体连接到冷室A及/或热室C之间交替。
[0067] 再次参考图1，压缩活塞5在压缩气缸4内。压缩活塞5相对于压缩气缸4沿向上方向 朝向其TDC移动。膨胀活塞10在膨胀气缸8内。膨胀活塞10相对于膨胀气缸的往向上方向并且 朝向其TDC移动。压缩气缸4及压缩活塞5界定冷室A。膨胀气缸8及膨胀活塞10界定热室C。在 一些实施例中，膨胀活塞10在压缩活塞5的前面移动。
[0068] 在其中发动机产生功的膨胀行程期间，膨胀活塞10可推动膨胀连接杆9,从而致使 曲轴1旋转。在排出行程期间，惯性力（其可由飞轮质量起始-未展示)致使曲轴1继续其旋 转，且致使膨胀连接杆則尋膨胀活塞10朝向其TDC移动，此又将工作流体通过管线15(导管） 排出到冷却室D中，如在图11到16及图1到2中所图解说明。曲轴1旋转W同步但相位滞后的 旋转移动压缩活塞5及膨胀活塞10(即，两个曲轴弯程W相同速度旋转但其相应曲柄角可不 同）。
[0069] 参考图1，曲轴1将经由连接杆3的旋转运动转换成压缩活塞5在其气缸外壳4内的 往复运动。
[0070] 在各种示范性实施例中，曲轴1结构配置可根据所要发动机配置及设计而变化。举 例来说，可能的曲轴设计因素可包含：曲轴的数目、双重气缸的数目、相对气缸定位、曲轴齿 轮传动机构及旋转的方向。在一个示范性实施例中，单个曲轴将经由压缩连接杆3及膨胀活 塞连接杆9而致动压缩活塞5及膨胀活塞10两者。此单个曲轴可致动多对压缩活塞5及膨胀 活塞10。
[0071] 图巧Ijie图解说明禪合到相应活塞连接杆3及9的两气缸曲轴1弯程的透视图。两气 缸曲轴1弯程可相对于彼此定向（例如）W在活塞5与10的原本同步运动之间提供预定相位 差。压缩活塞及膨胀活塞的TDC位置之间的预定相位差可引入相对活塞相位延迟或提前。在 示范性实施例中，如在图1到16中所图解说明，相位延迟经引入使得压缩活塞5在膨胀活塞 10之前移动45度。
[0072] 如在图1到16中所图解说明，一旦曲轴1旋转开始(经由外部起动机，未展示），活塞 5及10便开始其往复运动。
[0073] 如在图1中所图解说明，当压缩活塞5到达其TDC且S通阀16打开W经由压缩气缸 吸入工作流体管线(导管）14流体连接室A及D时，吸入行程开始。当压缩活塞朝向其BDC移动 (图I到9)时，室A体积增加，从而致使较冷工作流体从室D移动到室A。
[0074] 当压缩活塞5通过其抓C点且S通阀16将室A与D断开连接（图10到16及图1 )，从而 使工作流体陷获于室A中时，压缩行程开始。当曲轴旋转继续时(如在图10到16及图1中所展 示），室A体积减小且工作流体的溫度及压力增加。在其中室A体积减小（图13到16)的此部分 的循环的后一部分期间，TSCVM 7位置使得转移室B经由TSCVM端口 19与室A流体禪合。因此， 在压缩行程期间工作流体被压缩到室B中，例如在压缩行程结束时，当压缩活塞5到达其TDC 时（图1)，所有工作流体均从室A转移到室B。
[0075] 在TSCVM 7到达其抓C(图15)且朝向其TDC移动（图15到16及图1到7)之后，室B的体 积减小，运是因为TSCVM 7朝向静态TSCVM气缸挤压部22移动直到TSCVM到达其TDC为止（图 7)。因此，陷获于室B中的工作流体的压力可继续增加(图1到7)。
[0076] 如所指出，TSCVM转移室包含在工作流体从压缩室A转移到膨胀室B期间减小的内 部体积。在工作流体的转移期间减小转移室的内部体积可有利地增加发动机的效率。举例 来说，减小体积可在转移之前进一步增加工作流体的压力，因此增加发动机的压缩比。
[0077] 在一些实施例中，转移室进一步压缩从压缩室接收的工作流体。通过进一步压缩 并转移工作流体，一些实施例可有利地使"死空间"最小化。一些实施例还可增加经转移W 参与膨胀行程的经压缩工作流体的量。
[0078] 如上文所描述，转移室可进一步压缩从压缩室接收的工作流体。在一些实施例中， 转移室B在将工作流体转移到膨胀室C的同时压缩。此可在TSCVM 7到达其TDC的情况下发 生，同时膨胀活塞10到达其TDC(未展示）。在一些实施例中，不存在对工作流体的进一步压 缩，仅对工作流体进行转移(举例来说，如果由于TSCVM 7朝向静态TSCVM气缸挤压部22的移 动，膨胀活塞清理的空间（即，移动远离其TDC的空间）比室B中减少的空间多）。在一些实施 例中，工作流体正在循环的一部分期间在转移室中经历压缩且在转移的结束期间经历膨胀 (举例来说，如果膨胀活塞清理的空间比转移室覆盖的空间多;此可仅在转移过程结束时发 生）。注意，工作流体的所有=个状况-压缩、无改变及膨胀可在循环的不同阶段处于同一工 作流体转移过程期间发生。尽管本文中的一些描述可描述在转移过程的一部分期间进一步 被压缩的工作流体，但应注意，其为所主张标的物的一个实施例且出于说明性目的而提供。
[0079] 在本文中所描述的实例中，转移室包含转移气缸、转移气缸挤压部及转移气缸外 壳。如本文中所使用，转移气缸挤压部可经理解为定位于转移气缸内的结构，所述结构提供 转移室的边界的一部分。转移气缸挤压部可为可相对于转移气缸的内部壁移动的W减少转 移室中的体积。转移气缸定位于转移气缸外壳内且相对于转移气缸外壳移动，并且转移气 缸挤压部定位于转移气缸内且不相对于转移气缸外壳移动。在一些其它实施例中，挤压部 具有抛物线形头部。
[0080] 所属领域的技术人员将认识到所描绘气缸、挤压部及外壳为具有在转移期间减小 的内部体积的转移室的一个实例。其它实例包含但不限于转移活塞及转移气缸。在此实例 中，转移气缸壁上的端口可将压缩室流体禪合到转移室且将膨胀室流体禪合到转移室。再 一些实例可包含导管，在转移活塞完成工作流体的转移且在其返回途中W与压缩室(气缸） 连接之后，所述导管经口控通向转移气缸。可通过此导管将冷工作流体引入到转移室。一旦 转移活塞开始其向后朝向膨胀气缸的移动，此口便可关闭。
[0081] 当活塞10到达其TDC且TSCVM 7朝向其TDC的往复运动致使转移室B与室C由于 TSCVM端口 19与膨胀气缸工作流体进口端口 20对准而流体禪合时，膨胀行程开始（图3到 11)。在室B中进一步被压缩的工作流体现在被转移且经由加热元件12膨胀且到室C中。在一 些实施例中，加热元件12内部工作流体体积可经设计W使死空间最小化同时使其热交换最 大化。经加热(通过加热元件12)工作流体进一步膨胀，从而朝向膨胀活塞10的BD讨隹动膨胀 活塞10 W产生动力行程(发动机做功）。所有工作流体均通过加热元件12从室B转移到室C 中，运是因为当TSCVM曲轴2朝向其TDC移动且静态TSCVM气缸挤压部22取消室B的体积时，室 B的体积减小到零(图7)。
[0082] 如所属领域的技术人员将认识到，加热元件12为任选的且可经添加W提供热从外 部热源到工作流体的高效转移。此外，尽管图1到16中的热元件12经图解说明于转移室与膨 胀室之间，但应了解，加热元件可部分地或完全地位于发动机的其它部件中。举例来说，热 交换器的元件可围绕转移室定位。转移室热交换器可从转移室内的工作流体提取热(例如， 用于进一步压缩或用W增加压缩效率），可将热添加到转移室内的工作流体(例如，W将拥 添加到工作流体），或既可从工作流体提取热又可将热添加到工作流体。
[0083] 如在图7到10中所展示，在一个示范性实施例中，在TSCVM 7到达其TDC(图7)且开 始其朝向其抓C的移动（图8到10)之后，工作流体的一部分可从室C转移回到室B，从加热元 件12及/或可围绕转移室B定位的热交换器的额外加热元件吸收额外热。此经添加热可通过 帮助朝向膨胀活塞10的抓C推动膨胀活塞10且朝向TSCVM 7的抓讶隹动TSCVM 7而产生更多 功。
[0084] 在膨胀活塞04于动力行程结束时通过其抓C且开始朝向其TDC移动之后，排出行程 开始（图11到16及1到3)。现在驻存于室C中的工作流体从室C通过膨胀气缸排出工作流体管 线（导管）15推出到室D中。运是因为在所述时间期间，=通阀16打开W流体连接室C及D且 TSCVM 7位置使得转移室B与室C断开连接。
[0085] 在图17中所图解说明的各种示范性实施例中，不存在与TSCVM气缸6a相关联的挤 压部(与在图1到16中所见的TSCVM气缸挤压部22相比），且在TSCVM 7a中室B具有恒定体积。
[0086] 胆槽室D可比在压缩行程期间压缩的保持更多工作流体，从而实现针对用于发动 机循环中的工作流体的更长冷却周期。
[0087] 可利用如所属领域中已知的密封环来密封所有移动的活塞(包含TSCVM 7)。关于 TSCVM，密封环可添加于转移气缸TSCVM 7与转移气缸外壳6之间W及添加于转移气缸TSCVM 7与转移气缸挤压部22之间。
[0088] 在外燃机中，举例来说，工作流体可为空气或例如氮或氨等其它气体。封围于发动 机内的初始工作流体压力可(或可不)经加压超过(或低于)大气压力。
[0089] =通阀16将热气缸排出工作流体引导到冷却室D中且将较冷工作流体从冷却室D 引导到压缩室A中。存在数种所属领域中已知的用W实施此阀的方式，例如=通旋转阀类 型、套筒=通阀类型内的滑阀，或(举例来说)使用两个各自"双重位置"（打开/关闭;举例来 说，提升阀）阀类型。
[0090] 举例来说，可使用肋片及/或水冷却机构在外部冷却冷气缸(压缩气缸）。
[0091] 在优选实施例中，举例来说通过使用冷却肋片12而在外部冷却胆槽室D。
[0092] 可通过外部热源而在外部加热热气缸(膨胀气缸）。
[0093] 在使用周围空气作为工作流体的另一示范性实施例中，将不使用图1到17的物项 11到15。替代地，周围空气将通过吸入阀（未展示)进入室A,将经由室B转移到室C且经由排 出阀（未展示)从室C呼出。具有从环境获得的新鲜空气的开放回路将大大简化设置且将避 免需要=通阀及胆槽11。
[0094]在其中工作经约束于闭合回路环路中（如在图巧Ijl7中所描述)的另一示范性实施 例中，将通过密封包络层(未展示)囊封整个发动机(排除输出轴件或发生器电输出）。此将 对于在处于静止状态的发动机闭合回路处保持高于大气压力为有益的。可将外部高压胆槽 连结到闭合回路环路W补偿由于工作流体泄漏所致的压力下降。
[00M]发动机相对高压缩比使得能够利用相对低体积热交换器，因此，进一步减少死体 积。
[0096] 图18图解说明根据一实施例的操作发动机的方法100。方法100包含:在第一室中 压缩102工作流体，将工作流体从第一室转移104到第二室，在工作流体处于第二室的内部 体积内时减小106内部体积，将工作流体从第二室转移108到第=室，及在第=室中使工作 流体膨胀110。
[0097] 在工作流体的转移期间减小转移室的内部体积可有利地增加发动机的效率。举例 来说，减小体积可在转移之前进一步增加工作流体的压力，因此增加发动机的压缩比。发动 机可为外部分离循环式发动机及内部分离循环式发动机或任何发动机。
[0098] 如本文中所使用，术语"死空间"（或"死体积"）可经理解为指代外部热发动机或内 燃机中的压缩室A或膨胀室C的区域或TSCVM的部分，其中所述空间（体积)保持不参与膨胀 的经压缩工作流体。此死空间可为转移阀或连接管或防止流体转移及膨胀的其它结构。其 它术语也可用于描述此些结构，例如死体积或寄生体积。贯穿本发明讨论死空间的具体实 例，但所述特定实例可未必限于此些实例。
[0099] 如本文中所使用，术语"流体"可经理解为包含液体状态及气体状态两者。
[0100] 如本文中所使用，"曲轴度"可经理解为指代曲轴旋转的一部分，其中全旋转等于 360度。
[0101] 尽管关于外燃机或内燃机排他地描述了特定实施例，但应了解系统及方法同样地 适用于外燃机、内燃机及任何其它发动机。在某一实施例中，内燃机内侧的点火源可起始膨 胀(举例来说，火花点火;SI)。在一些实施例中，不使用点火源在内燃室中起始膨胀且可通 过压缩起始燃烧(压缩点火;CI)。
[0102] 对内燃机的描述一包含相位滞后、燃烧时序、相对相位滞后、压缩活塞领先、在滑 阀处且在禪合到膨胀气缸之后的燃烧，W及多膨胀气缸对单个压缩气缸一存在于第PCT/ US2014/047076号PCT申请案中，所述PCT申请案的内容W其全文引用方式且出于所有目的 并入本文中。
[0103] 图式或图中的字体的任何变化为偶然的，不打算表明区别或强调。
[0104] 尽管已参考附图而结合本发明的实施例充分描述本发明，但应指出，各种改变及 修改将对所属领域的技术人员来说变得显而易见。此些改变及修改将被理解为包含于如由 所附权利要求书定义的本发明的范围内。本发明的各种实施例应被理解为其仅W实例方式 而非W限制方式呈现。同样地，各图式可描绘本发明的实例性架构或其它配置，借此帮助理 解可包含于本发明中的特征及功能性。本发明不限定于所图解说明实例性架构或配置，而 可使用各种替代架构及配置来实施。另外，尽管上文就各种示范性实施例及实施方案来说 描述了本发明，但应理解个别实施例中的一者或多者中所描述的各种特征及功能性并不限 于其于特定实施例的可适用性(所述特征及功能性随所述特定实施例一起描述）。各种特征 及功能性替代地可单独或在某一组合中应用于本发明的其它实施例中的一者或多者，无论 是否已描述此些实施例，且无论此些特征是否呈现为所描述实施例的一部分。因此，本发明 的广度及范围不应受上述示范性实施例中的任一者限制。
[0105] 将了解，出于清楚目的，上文描述已参考不同功能单元及处理器来描述本发明的 实施例。然而，将明了，可在不减损本发明的情况下使用不同功能单元、处理器或域之间的 任何适合功能性分布。举例来说，图解说明为由单独处理器或控制器执行的功能性可由相 同处理器或控制器执行。因此，应将对具体功能单元的提及仅视为对用于提供所描述功能 性的适合构件的提及，而非指示严格逻辑或实体结构或组织。
[0106] 附属权利要求中所呈现的特定特征可在本发明的范围内W其它方式彼此组合，使 得本发明应被认为还具体针对于具有附属权利要求的特征的任何其它可能组合的其它实 施例。举例来说，出于权利要求书公开的目的，所附的任何附属权利要求应视为替代地W来 自所有先前权利要求的多相关形式书写，如果此多相关格式为司法内的所接受格式，那么 所述先前权利要求拥有在此附属权利要求中引用的所有前项（例如直接取决于权利要求1 的每一权利要求应替代地视为取决于所有先前权利要求）。在其中多个附属权利要求格式 经限定的司法中，所附附属权利要求也应各自视为替代地W每一个别附属权利要求格式书 写，所述格式形成对除在下文的此附属权利要求中所列举的具体权利要求W外的拥有前项 的前一权利要求的相依性。
[0107] 除非另外明确陈述，否则此文档中所使用的术语及短语及其变化形式应理解为开 放式的，与限制性相反。作为前述的实例:术语"包含"应被解读为意指"无限制地包含"或类 似物;术语"实例"用于提供讨论中的物项的示范性实例，而非其穷尽性或限制性列表;且例 如"常规的"、"传统的"、"正常的"、"标准的"、"已知的"等形容词及具有类似含义的术语不 应被理解为将所描述的物项限于给定时间周期或限于从给定时间起可用的物项。但替代 地，运些术语应被解读为涵盖现在或将来的任何时间处可用、已知的常规的、传统的、正常 的或标准的技术。同样地，除非另外明确陈述，否则用连词"及"连结的一组物项不应被解读 为需要所述物项中的每一者均存在于分组中，而是应被解读为"及/或"。类似地，除非另外 明确陈述，否则用连词"或"连结的一组物项不应被解读为需要在所述组当中互相排斥，而 是也应被解读为"及/或"。此外，尽管可W单数形式描述或主张本发明的物项、元件或组件， 但复数形式也应预期为在其范围内，除非明确陈述限于单数形式。例如"一个或多个"、"至 少"、"但不限于"或其它相似短语等扩大词及短语在一些实例中的存在不应被解读为意指 在可不存在此些扩大短语的实例中打算或需要较窄情形。
【主权项】
1. 一种发动机，其包括： 压缩室，其吸入并压缩工作流体； 膨胀室，其使工作流体膨胀并排出工作流体;及 转移室，其从所述压缩室接收工作流体且将工作流体转移到所述膨胀室，其中所述转 移室的内部体积在工作流体的所述转移期间减小。2. 根据权利要求1所述的发动机，其中工作流体在所述转移室的所述内部体积中进一 步被压缩。3. 根据权利要求1所述的发动机，其进一步包括热交换器，所述热交换器用于将来自外 部热源的热能转移到工作流体。4. 根据权利要求3所述的发动机，其进一步包括将工作流体从所述膨胀室投送到所述 压缩室的导管。5. 根据权利要求4所述的发动机，其进一步包括位于所述导管中的冷却室。6. 根据权利要求4所述的发动机，其进一步包括位于所述导管中的阀，所述阀将所述压 缩室与所述膨胀室流体耦合及解耦。7. 根据权利要求1所述的发动机，其进一步包括位于所述发动机内侧的点火源，所述点 火源起始膨胀。8. 根据权利要求1所述的发动机，其进一步包括所述转移室的转移端口，所述转移端口 替代地流体耦合到所述压缩室的出口端口及所述膨胀室的进口端口。9. 根据权利要求8所述的发动机，其中在所述发动机的循环的一部分期间，所述转移端 口同时将所述压缩室的所述出口端口与所述转移室的所述转移端口以及将所述膨胀室的 所述进口端口与所述转移室的所述转移端口耦合。10. 根据权利要求1所述的发动机，其中所述转移室包括转移气缸、转移气缸挤压部及 转移气缸外壳，其中所述转移气缸定位于所述转移气缸外壳内且相对于所述转移气缸外壳 移动，且其中所述转移气缸挤压部定位于所述转移气缸内且不相对于所述转移气缸外壳移 动。11. 根据权利要求10所述的发动机，其中所述挤压部为抛物线形的。12. 根据权利要求10所述的发动机，其进一步包括介于所述转移气缸与转移气缸外壳 之间及介于所述转移气缸与转移气缸挤压部之间的密封环。13. -种操作发动机的方法，其包括： 在第一室中压缩工作流体； 将工作流体从所述第一室转移到第二室； 在工作流体处于所述第二室的内部体积内时，减小所述内部体积； 将工作流体从所述第二室转移到第三室;及 在所述第三室中使工作流体膨胀。14. 根据权利要求13所述的方法，其进一步包括在转移室的所述内部体积中进一步压 缩工作流体。15. 根据权利要求13所述的方法，其进一步包括使用部分地位于所述发动机外侧的热 交换器而将热转移到所述第三室中的所述工作流体。16. 根据权利要求15所述的方法，其进一步包括将工作流体从所述第三室投送到所述 第一室。17. 根据权利要求16所述的方法，其进一步包括当工作流体从所述第三室被投送到所 述第一室时使所述工作流体冷却。18. 根据权利要求13所述的方法，其进一步包括在所述第三室中使工作流体膨胀。19. 根据权利要求13所述的方法，其进一步包括替代地将所述第二室流体耦合到所述 第一室的出口端口，流体耦合到所述第三室的进口端口。20. 根据权利要求19所述的方法，在所述发动机的循环的一部分期间，将所述第二室同 时与所述第一室的所述出口端口及所述第三室的所述进口端口流体耦合。21. 根据权利要求13所述的方法，其中所述第二室包括气缸、气缸挤压部及气缸外壳， 其中所述气缸定位于所述气缸外壳内且相对于所述气缸外壳移动，且其中所述气缸挤压部 定位于所述气缸内且不相对于所述气缸外壳移动。22. 根据权利要求21所述的方法，其中所述挤压部为抛物线形的。23. 根据权利要求21所述的方法，其进一步包括介于所述气缸与所述气缸外壳之间的 密封环。24. -种发动机，其包括： 压缩室，其吸入并压缩工作流体； 膨胀室，其使工作流体膨胀并排出工作流体； 转移室，其从所述压缩室接收工作流体且将工作流体转移到所述膨胀室，其中所述转 移室的内部体积在工作流体的所述转移期间减小;及 热交换器，其用于将来自外部热源的热能转移到工作流体。
【文档编号】F01L5/16GK106030057SQ201580010476
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2015年1月16日
【发明人】胡戈·本杰明·托尔, 奥代德·托尔, 吉拉德·托尔, 埃胡德·西旺, 麦克·H·沃尔
【申请人】托尔发动机股份有限公司