高效率内部爆燃发动机的制作方法

专利名称：高效率内部爆燃发动机的制作方法
技术领域：
本发明的领域总体上涉及往复活塞发动机，即内部燃烧发动机，并且更具体地 涉及往复活塞内部爆燃发动机。
背景技术：
大多数传统内部燃烧(“IC” )发动机遭受固有的两分，这是由于该发动机构 造成用于在活塞和曲轴处于上死点(“TDC”)位置的情况下的空气/燃料混合物的常 规点火。虽然这个位置导致燃烧的最佳条件，但对于活塞和曲轴的力学，它是燃烧的最 差条件。例如，在烃燃烧的物理学或化学方面，在TDC处的点火似乎最有意义，这是由 于这是能够实现空气/燃料混合物的最高压缩的曲轴杠杆臂的旋转位置和活塞的线性位 置。对于给定量的燃料，已经发现用于易爆的空气/燃料混合物的点火和后续燃烧的这 个看起来最佳的旋转位置产生计算量的能量。对于许多常规IC发动机，虽然TDC由于压缩比率处于它们的峰值而对于燃烧效 率来说是最佳旋转位置，但它也是机械上最低效率的旋转位置，这是因为曲柄和连杆在 TDC处瞬间竖直对齐，从而基本上“锁定”连杆机构，其中在那个位置处仅可实现小量 扭矩。这种状态持续，直到曲轴已经有机会旋转过TDC到达具有较大力矩臂的角位置。 因此，在燃烧时产生的势(或可用的)能的重要部分不能被用作机械功，并且相反地被发 动机的冷却系统吸收或不必要地浪费且作为热排气排出。由于太多的能量和动力通过未 回收的热而失去，所以众所周知地，除了在窄的RPM带宽度中，在TDC处或TDC附近 点火的IC发动机的当前四冲程功能的应用获得大量不可用的扭矩。

发明内容
根据现有技术中固有的问题和缺陷，本发明通过提供例如活塞动力内部爆燃 (“正”)发动机而寻求克服这些问题和缺陷，该IE发动机用来通过旋转的曲轴提供动 力输出。该IE发动机包括发动机本体，该发动机本体具有形成在其中的多个动力气缸， 该多个动力气缸用来接收多个工作活塞，该多个工作活塞可以与相应的曲轴一起操作， 该曲轴被支撑在轴承装置内并且各具有在发动机本体的外部延伸的输出端部，该输出端 部可以与相应多个偏移动力曲柄一起操作。该IE发动机还包括以可操作的方式联结到 动力曲柄的连杆，该连杆构造成从工作活塞传递动力以旋转曲轴；和工作活塞，该工作 活塞被接收到多个动力气缸中并且以可操作的方式联结到动力曲柄。每个工作活塞具有 头端部，该头端部布置成邻近气缸盖以形成压缩室，并且每个工作活塞构造成从位于压 缩室内的压缩体积的空气/燃料混合物的爆燃接收动力，并且将接收到的动力传递到连
3杆。该IE发动机还构造成使得从压缩冲程的TDC位置之前至少20度的旋转曲轴的角位 置到做功冲程的TDC位置之后至少20度的角位置并且在引爆或点火之前，空气/燃料混 合物的压缩体积大致恒定，并且维持峰值压缩比率。如在这里体现的且概括描述的，本发明的实施例也在于一种活塞动力内部爆燃 发动机，该内部爆燃发动机用来通过旋转的曲轴提供动力输出。该IE发动机包括发动 机本体，该发动机本体具有形成在其中的多个动力气缸，该多个动力气缸用来接收多个 工作活塞；用来支撑曲轴的轴承装置；和支撑在轴承装置内的曲轴，该曲轴具有在发动 机本体的外部延伸的输出端部和多个偏移动力曲柄。该IE发动机还可包括以可操作的 方式联结到动力曲柄的连杆，该连杆构造成从工作活塞传递动力以旋转曲轴；和工作活 塞，该工作活塞被接收到多个动力气缸中并且以可操作的方式联结到动力曲柄。每个工 作活塞具有头端部，该头端部布置成邻近气缸盖以形成压缩室，并且每个工作活塞构造 成从位于压缩室内的压缩体积的空气/燃料混合物的爆燃接收动力，并且将接收到的动 力传递到连杆。该IE发动机还可构造成使得每个动力气缸具有压缩储存器或压缩室，在 工作活塞处于线性行程的最上位置的情况下，该压缩储存器或压缩室由气缸盖和工作活 塞的头端部之间的死空间的体积限定，其中，在处于线性行程的最上位置时且贯穿曲轴 的多个角位置，工作活塞的头端部的线性运动暂停一段时间。换句话说，IE发动机可以 构造成使得在曲轴旋转过多个预定角位置时使得工作活塞被保持在最上位置(导致峰值 压缩的位置)中。自然，曲轴的运动不暂停并且连续旋转过它的各种预期循环或回转。另外，并且如在这里体现的且概括描述的，本发明的实施例也在于一种活塞动 力内部爆燃发动机，该内部爆燃发动机用来通过旋转的曲轴提供动力输出，其中IE发动 机包括发动机本体，该发动机本体具有用来支撑曲轴的轴承装置；和动力气缸，该动 力气缸用来接收工作活塞以形成工作气缸/工作单元，压缩室在工作活塞的头端部和动 力气缸的气缸盖之间。该IE发动机还可包括支撑在轴承装置内的曲轴，该曲轴具有 在发动机本体的外部延伸的输出端部和多个偏移动力曲柄；以可操作的方式联结到动力 曲柄的连杆，该连杆构造成从工作活塞传递动力以旋转曲轴；和工作活塞，该工作活塞 被接收到多个动力气缸中并且以可操作的方式联结到动力曲柄。工作活塞构造成从位于 压缩室内的压缩体积的空气/燃料混合物的爆燃接收动力并且将接收到的动力传递到连 杆。IE发动机还可构造成使得每个工作气缸/活塞单元包括可以与气缸盖一起操作 的浮动活塞气缸。浮动活塞气缸可具有打开端部和关闭端部，打开端部与压缩室流体连 通并且具有与其关联的密封表面。浮动活塞可以位于浮动活塞气缸内并且构造成响应于 压缩室内的压力在打开端部和关闭端部之间行进，以及从燃烧室动态地分离浮动活塞气 缸。偏压装置可以构造成向着关闭位置将浮动活塞偏压在密封表面上。IE发动机还可 构造成在工作活塞的头端部和气缸盖之间具有小于浮动活塞气缸的体积的一定体积的死 空间，使得工作活塞的向上移位引起的压缩室内的上升的压力克服该偏压并且迫使或引 起压缩体积的空气/燃料混合物的大部分动态转移且被接收到浮动活塞气缸中。由此引 起的压缩室内的下降的压力允许压缩体积的空气/燃料混合物的这个大部分回到压缩室 中。有利地，在这个动态转移发生时，即在该体积的压缩空气/燃料进入和离开浮动活 塞气缸时，压缩体积和峰值压缩比率在引爆或点火之前大致维持恒定。另外，由于引起空气/燃料混合物以所述方式移位，因此发生空气/燃料混合物的增强的混合。


根据以下详细描述，本发明的特征和优点将是显然的，该详细描述结合附图一 起说明本发明的特征。应当理解，这些附图仅描绘本发明的代表性实施例并且因此不被 认为限制本发明的范围。此外，将容易理解，如在这里概括描述且在附图中示出的本发 明的部件可以被布置和设计为很多种不同构造。虽然如此，将通过附图的使用以另外的 特性和细节描述和说明本发明，其中图1示出根据本发明的代表性实施例的内部爆燃(“IE” )发动机的下发动机本 体的分解透视图；图2示出根据图1的实施例的上发动机本体的分解透视图；图3a_3c —起示出根据图1的实施例的组装的发动机本体的前横剖视图和侧横剖 视图；图4a-4e —起示出根据图1的实施例的IE发动机的四冲程的顺序的一系列剖视 图；图5a-5i—起示出根据本发明的另一代表性实施例的IE发动机的压缩冲程和做功 冲程的顺序的一系列剖视图；图6是示出根据图5的实施例在压缩冲程和做功冲程期间IE发动机的浮动活塞 位移对曲柄角的曲线图；图7是示出根据图5的实施例在压缩冲程和做功冲程期间IE发动机的体积比率 对曲柄角的曲线图；图8是示出根据本发明的各种实施例在做功冲程期间IE发动机的压缩室内的内 部压力对曲柄角的曲线图；图9是示出根据本发明的各种实施例在做功冲程期间IE发动机的压缩室内的内 部温度对曲柄角的曲线图；图10是示出在活塞的正弦运动期间IE发动机的扭矩对曲柄角的曲线图；图Ila-Ild —起示出根据图5的实施例的IE发动机的浮动活塞的顺序的一系列 剖视图；图12a_12d—起示出根据本发明的另一代表性实施例的IE发动机的压缩冲程和 做功冲程的顺序的一系列剖视图；图13a_13d —起示出根据本发明的又一代表性实施例的IE发动机的压缩冲程和 做功冲程的顺序的一系列剖视图；图14a_14b—起示出根据本发明的另一代表性实施例的具有“CRAM” [我们需 要提供CRAM的描述性定义。而且，这些应当大写？]连杆机构的组装的IE发动机本体 的一系列剖视图；图15a-15b —起示出根据图14的实施例的代表性CRAM连杆机构的透视图；图16a_16i —起示出根据图14的实施例的IE发动机的压缩冲程和做功冲程的顺 序的一系列剖视图；图17a_17d—起示出根据本发明的另一代表性实施例的IE发动机的压缩冲程和做功冲程的顺序的一系列剖视图；图18a_18f —起示出根据本发明的实施例的另一代表性CRAM连杆机构的透视 图，和在顺序通过IE发动机的压缩冲程和做功冲程期间的该另一代表性CRAM连杆机构 的剖视图；图19a_19f—起示出根据本发明的实施例的又一代表性CRAM连杆机构的透视 图，和在顺序通过IE发动机的压缩冲程和做功冲程期间的该CRAM连杆机构的剖视图；图20a-20f —起示出根据本发明的实施例的另一代表性CRAM连杆机构的透视 图，和在顺序通过IE发动机的压缩冲程和做功冲程期间的该另一代表性CRAM连杆机构 的剖视图；图21a-21f —起示出根据本发明的实施例的又一代表性CRAM连杆机构的透视 图，和在顺序通过IE发动机的压缩冲程和做功冲程期间的该CRAM连杆机构的剖视图；图22a_22c —起示出根据本发明的代表性实施例的阀凸轮的横剖侧视图；并且图23a_23c —起示出根据图22的代表性实施例的阀凸轮和阀组件的横剖侧视图。
具体实施例方式本发明的以下详细描述参考附图，该附图形成详细描述的一部分并且在该附图 中通过图示的方式示出可以实施本发明的示例性实施例。虽然充分详细地描述了这些代 表性实施例以使本领域技术人员能够实施本发明，但应当理解，可以实现其它实施例并 且可以对本发明作出各种改变而不偏离本发明的精神和范围。同样，本发明的代表性实 施例的以下更详细的描述不意图限制本发明的如其要求保护的范围，而是仅仅被提供用 于说明的目的，以描述本发明的特征和特性，并且充分地使本领域技术人员能够实施本 发明。因此，本发明的范围只由所附权利要求限定。在代表性实施例中，本发明描述了一种系统和方法，该系统和方法用来延迟燃 烧式反应的开始和到内部爆燃(“IE”)发动机的工作活塞的反应产物的随后施加，直 到发动机曲柄已经旋转到更加机械上有利的位置，例如激励和促进爆燃式反应的一个位 置。内部爆燃式反应每BTU燃料能够比在上死点(TDC)处开始燃烧的传统内部燃烧 (“IC” )发动机产生更多的扭矩和执行更多的功，因此增加动力输出和发动机的效率。在另一代表性实施例中，本发明包括一种系统和方法，该系统和方法用来通过 一定范围的曲柄位置将往复活塞发动机的压缩空气/燃料混合物维持在恒定的体积压缩 比率，诸如维持在峰值压缩比率，并且延迟压缩空气/燃料混合物的引爆，直到工作活 塞已经经过上死点位置并且发动机曲柄已经旋转到更加机械上有利的位置，与在TDC处 燃烧的常规IC发动机相比，该更加机械上有利的位置允许由此引起的爆燃反应产物执行 更多功且产生更多扭矩。在一个方面，用来将空气/燃料混合物的压缩体积维持在恒定 体积和希望的压缩比率的系统和方法能够包括浮动活塞气缸和浮动活塞。在另一方面， 该系统和方法能够包括具有半球形或“半”动力气缸盖的“CRAM”连杆机构。在又 一方面，这些系统能够组合在一起，各如下面更详细地描述的。在另一代表性实施例中，本发明包括一种系统和方法，该系统和方法用来将引 爆产生的反应产物暂时积聚到浮动活塞气缸中，并且随后在曲柄旋转过一定范围的机械上有利的位置时将反应产物释放回到动力气缸中，这两者用于减小爆燃反应的峰值压力 和温度并且进一步增加做功冲程期间产生的功和扭矩。在一个方面，用来积聚反应产物 的该系统和方法可包括浮动活塞，该浮动活塞可以与浮动活塞气缸一起运动并且被相对 的气体充量偏压。在另一方面，该系统和方法可包括浮动活塞，该浮动活塞可以与浮动 活塞气缸一起运动并且被机械弹簧偏压。在另一代表性实施例中，本发明包括一种系统和方法，该系统和方法用来在引 爆之前喷射具有空气/燃料混合物的水微滴，以进一步增加峰值压力且减小反应产物的 峰值温度，以便进一步增加做功冲程期间产生的功和扭矩。在另一代表性实施例中，本发明还包括一种系统和方法，该系统和方法用来修 改压在阀举升器上以致动进气阀和排气阀的各种阀凸轮的轮廓，并且该轮廓能够用于延 长阀打开的时间或角窗，以修改阀打开或关闭的速度和时间，并且允许多于一个阀同时 打开。本发明内部爆燃发动机的每一个实施例可提供优于现有的相关往复活塞IC发动 机的显著优点，在这里且贯穿以下更详细的说明描述这些优点的一些。例如，延迟压缩 空气/燃料混合物的引爆直到工作活塞已经经过上死点位置并且发动机曲柄已经旋转到 更加机械上有利的位置(诸如TDC后35度)能够将动力连杆机构(例如，工作活塞、连 杆和动力曲柄)的阻力减小到空气/燃料混合物的标准燃烧式反应能够转变为爆燃式反 应的程度。与常规IC发动机和它们的普通的燃烧式反应相比，这种快速膨胀且更加彻底 的类型的反应可以在较低温度下并且以每BTU燃料较少的废物产物产生较大的动力(例 如，压力)。与标准IC发动机相比，本发明的爆燃发动机提供的机械上有利的位置还允 许由此引起的反应产物每BTU燃料执行更多功并且产生更多扭矩。如在这里使用的术语“燃烧”能够指以下常规过程将氧气与小的液态烃微滴 或与烃蒸汽混合，然后在膨胀不是立即可能的物理环境中点燃。如在这里使用的术语“爆燃”能够指将氧气与小的液态烃微滴或与烃蒸汽(和 水微滴或蒸汽)混合，并且在促进膨胀且使膨胀可能的物理环境中引爆混合物。如在这里广泛使用的术语“内部爆燃发动机”或“IE发动机”能够指往复活塞 发动机，该往复活塞发动机构造成用于在活塞充分地越过TDC位置的情况下引爆以允许 产物气体的相对于可容易地运动的工作活塞的快速膨胀，导致在较低温度下产生较大压 力的爆燃式快速膨胀反应。在没有动力连杆机构的TDC机械锁定和更有利的力矩角的情 况下，活塞头的相对低的阻力产生从燃烧室内或多或少立即膨胀的机会。从IC反应变换到IE反应背后的原理可以被如下描述。在四冲程往复活塞IC发 动机的向下进气冲程期间，燃料和空气通过进气岐管被供应并且通过气化或燃料喷射系 统被混合在一起并且在进气阀打开时通过真空被吸入气缸。在进气冲程的结束和压缩冲 程的开始，工作活塞定位在气缸中的下死点(此后称为“BDC”)处。在随后的向上指 向的压缩冲程期间，通过工作活塞的上表面和动力气缸的封闭的头之间的体积的减小， 空气/燃料混合物被压缩。动力气缸盖提供称为“燃烧室”的小的物理或体积区域，并 且在汽油发动机中，当工作活塞处于BDC时，这个室通常是气缸的排量的大约1/10。在 曲轴沿其正弦路径旋转180度时，工作活塞沿其线性路径向着TDC横越，在TDC处，空 气/燃料混合物达到其完全压缩，诸如近似10个大气压或其初始环境压力量的10倍，在
7该行业中称为“压缩比率”的术语。对于高性能汽油发动机和柴油发动机，压缩比率能 够较高，而以小于7 1的比率的空气/燃料混合物当点火时可能不燃烧，或者如果燃烧 发生，由此引起的膨胀压力当施加到活塞时可能是无效的。在大多数标准IC发动机中，点火发生在工作活塞处于TDC处且空气/燃料混合 物被完全压缩的时刻，以便保证混合物的最有效率的“燃烧”。然而，如上所述，即使 在TDC处得到的最小燃烧室体积对化学点火最有利，但在TDC处的活塞和曲柄的角定位 导致用于功的提取的最差的可能机械对齐。这是因为动力连杆机构中的枢转接点全部竖 直对齐，这产生自然的高阻力或有效的“锁定”，其中，在没有动力连杆机构的部件的 故障的情况下，不管燃烧压力的强度多大，也不能实现运动。如本领域技术人员可以理 解的，在没有动力连杆机构的运动的情况下不能产生发动机内的有用功，并且因此在能 够提取燃烧能量之前必须等待曲柄旋转到更加有利的“力矩角”。标准IC发动机中产生功的过程还可能受到影响，这是因为曲柄沿其正弦路径运 动到更有利的“力矩角”所需的时间远远大于空气/燃料混合物的燃烧期间产生的有效 压力尖峰的持续时间。最初可用于功的势能的估计的70%到75%可能在等待曲柄旋转 到更有利的力矩角中损失，特别在较低的曲柄旋转速度下(这在发动机怠速期间是经常 的)。同样，由于标准或常规IC发动机不能将燃烧中的许多势能或可用能量转化为可用 功能量，标准或常规IC发动机是较低效率的。然而，可用功能量流失到热和废物，这 使得与较高的、更有效率的百分比的能量被转换到功的情况相比，IC发动机以较高的温 度运行且产生较少的输出动力或扭矩。更具体地，不能膨胀为功，该能量替代地转换为 过剩热并且通过发动机的冷却系统耗散或以高温排气的形式排出。另外，不完全燃烧和 过剩热能够氧化混合物中的氮以产生一氧化二氮，并且由于烃化学物质被保持在“封闭 的”室中，所以能够导致过剩一氧化碳的不希望的产生，在该“封闭的”室中，温度被 保持在超过1200华氏度数毫秒。另外，在TDC处施加在发动机的动力连杆机构上的机械和热应力和在那里发生 的机械锁定能够很高，并且经过一段时间能够导致过早的磨损、失效的轴承、弯曲的连 杆和破损的工作活塞等。本领域技术人员将理解，当立即的机械膨胀在点火时刻可能时，烃燃料将与氧 结合并且爆燃或产生更多爆燃式反应，而不是燃烧。与燃烧的受限制的物理条件相比， 在气态烃或雾化液态烃的引爆或点燃时，能够产生显著较大的压力，同时燃料在快速膨 胀爆燃反应期间更可能完全自消耗。也应当理解，爆燃式化学反应比燃烧式反应在短得 多的时间段上发生。例如，允许在引爆时自由膨胀的氧气和已蒸发的烃的爆燃混合物可 实现以数微妙，或者在一些情况下以数纳秒测量的压力和温度尖峰。相比之下，气化的 烃微滴的点燃可具有以数毫秒测量的“燃烧持续时间”，它可以慢数百到数千倍。这个 比较可称为“蒸汽爆燃”对“微滴燃烧”。因为在TDC处动力连杆机构中的枢转点的暂时地且有效地“锁定的”对齐，所 以标准IC发动机的部件能更容易遭受较快燃烧或爆燃式反应引起的损坏。结果，发动机 制造行业中的熟练技工已经开发出燃烧方案以促进较慢燃烧的空气/燃料混合物来减小 发动机中的应力水平并增加机械部件的长期可靠性。这通常在标准IC发动机中通过将液 态烃燃料气化或喷射为微滴而实现，该微滴是完全蒸发的烃蒸汽分子的数千倍大。
与标准IC发动机相比，本发明的IE发动机通过主活塞的TDC位置之后的给定范 围的曲柄位置维持恒定的压缩体积/希望的(例如，峰值)压缩比率，并且延迟压缩空气 /燃料混合物的引爆或点火直到工作活塞已经越过顶部的TDC位置并且发动机曲柄和连 杆已经运动到更加机械上有利的位置。动力连杆机构的改进的对齐允许发动机立即响应 爆燃反应能量并将爆燃反应能量转变为功，因此即使爆燃式反应中产生的初始峰值压力 和温度能显著高于燃烧式反应中将存在的压力和温度，也减小施加到机械部件的应力。因此，能够理解，通过允许燃烧室从如在多个曲柄位置上被维持的高的或甚至 峰值压缩的空气/燃料混合物的立即膨胀，本发明可以首先将内部反应从(相对)慢燃的 燃烧转变到快速膨胀、快燃的爆燃。其次，在引爆时刻IE发动机的动力连杆机构的改善 的对齐能够立即且有利地将增加的反应能量转变为有用的机械功以在较低的温度下产生 较大的动力(例如，压力)，并且在机械部件上具有减小的应力水平。本发明的一些实施例的另一优点是在引爆压缩室中的空气/燃料混合物时反应 产物暂时积聚到浮动活塞气缸中。反应气体从压缩室到浮动活塞气缸中的这种积聚可具 有多个好处，包括反应能量的暂时存储和反应能量到工作活塞的延迟释放、适应压缩空 气/燃料混合物的快速膨胀爆燃式反应期间产生的较高压力的增加的能力，和由于另外 的膨胀而引起的反应的峰值压力和温度的减小。如本领域技术人员能理解的，这种积聚 当与上述延迟引爆/恒定的(例如，峰值或希望的)压缩比率/恒定的空气/燃料混合物 的量的情况同时应用时，施加到较长力矩臂的增加的压力还能够从IE发动机提供更多扭 矩和动力输出。上述优点的每一个根据下面阐述的详细描述将是显然的，并且参考附图将被最 佳地理解，在所有附图中，本发明的要素和特征由附图标记指示。无论如何，这些优点 不意图是限制性的。实际上，本领域技术人员将理解，在实施本发明时，可实现除了在 这里明确列举的那些优点外的其它优点。参考图1、2和3a-3c，示出了根据本发明的一个代表性实施例的高效率内部爆 燃(“IE” )发动机10。图1中示出IE发动机的发动机本体20的部分分解透视图，而 图2中提供发动机头50的部分分解透视图。如图3a-3c中所示，当与主要动力部件，即 曲轴30、连杆44和工作活塞40聚集在一起且设置有辅助发动机部件的主体(host)时， 发动机本体20和发动机头50可以组装在一起以形成代表性三气缸四循环内部爆燃发动机 10。虽然对说明和测试目是有用的，但应当理解，图1、2和3a-3c中示出的三气缸四循 环IE发动机构造不被认为以任何方式是限制性的，并且本发明的IE发动机可以成功地与 往复活塞发动机一起使用，该往复活塞发动机具有任何数量的气缸且包括两循环或四循 环的变型。现在参考图1，发动机本体20主要用作一结构，该结构具有用来接收曲轴30的 支承表面22，和用来接收一个或更多个工作活塞40的一个或更多个精密圆柱形隔室24， 该工作活塞40通过连杆44联结到曲轴。如描绘的，代表性的IE发动机10可包括具有 多个曲拐或动力曲柄32的曲轴30，每个曲柄具有轴颈表面34，该轴颈表面与形成在连杆 44的下端中的杆轴承46联结。肘销48能够形成到连杆的上端中，从而将工作活塞40和 连杆另外连接在一起，同时工作活塞的顶面或顶表面42形成压缩室60的下边界。曲轴 30还可包括许多配重36，该配重在与动力曲柄32相对的部位中与曲轴30 —起形成或分
9离地连接到曲轴30，以平衡偏移的曲柄、往复连杆44和工作活塞40的重量。常用的油 盘覆盖件28能够借助液密油密封件连接到发动机下气缸体20的底部，以在发动机本体内 包含必要的润滑流体。工作活塞40的顶表面42、动力气缸隔室24和气缸盖54 (见图3a)分别可用于限 定发生爆燃反应的压缩室60的底表面、侧表面和顶表面。此外，工作活塞40、连杆44 和偏移动力曲柄32可一起形成用于每一个发动机曲拐或气缸的动力连杆机构18，该动力 连杆机构用于从爆燃反应将能量和动力传递到旋转的曲轴30。本领域技术人员将理解， 可以根据IE发动机的特别实施例修改或改变动力曲柄32、连杆44、工作活塞40和圆柱 形隔室24的一个或更多个，如下面更详细地描述的。虽然发动机本体20主要用作用来支撑动力部件的壳体，但图2中示出的发动机 头50可用作用于数个辅助发动机工作的支撑和包含的结构。这些部件可包括进气端口 64 和进气阀62、排气端口 68和排气阀66、燃料喷射器72、自由旋转凸轮轴70、连接到头 本体52的顶部的头覆盖件56，和火花塞58。IE发动机的其它辅助部件(见图4e)包括 连接到曲轴30的链齿滑轮或齿轮滑轮92、连接到凸轮轴70的链齿滑轮或齿轮滑轮94， 和链条或齿带96，该链条或齿带96与曲轴和凸轮轴链齿滑轮或齿轮滑轮自由啮合从而以 正确的定时比率驱动凸轮轴和阀气缸，该定时比率例如对于示出的四循环IE发动机10是 2 I0发动机头50也可包括对本发明来说独特的另外部件。如图2和3a-3c中示出 的，这些部件可包括气缸盖内的浮动活塞圆柱形隔室84，该浮动活塞圆柱形隔室设置 成以便产生与布置在发动机本体20中的工作活塞圆柱形隔室24的带有端口的或公共的交 点；非致动活塞80(此后称为“浮动活塞”)，该非致动活塞80安装在头中的圆柱形隔 室84内并且能够自由横穿；硬管88，该硬管提供气缸体中的工作活塞圆柱形隔室24和 气缸盖中的浮动活塞圆柱形隔室84之间的连接；燃料喷射器72，该燃料喷射器安装在气 缸盖的侧壁中、邻近进气阀62且在进气阀62附近；安装在进气岐管64中的用作水喷射 器76的燃料喷射器；用于每一个浮动活塞80的安装在头本体52中的铸铁衬里82 ；用来 将液体燃料供应到燃料喷射器的燃料轨74 (在横截面中示出)；和用来将水供应到水喷射 器的水轨78。可以预期有助于IE发动机的总体功能的其它各种部件和零件，诸如轴颈、轴 承、销、衬里、套管、引导件、环、密封件、支座、衬垫、紧固件和气化部件和其它组 件等。这些部件中的一些可能在图中被示出，但为了容易说明和论述而没有被指出。图4a_4d是在四循环爆燃发动机的四个冲程的每一个冲程期间代表性IE发动机 的活动部件的普通图。例如，图4a描绘在压缩冲程期间在活塞40在动力汽缸隔室24内 向上线性运动时向下旋转的动力连杆机构18的配重36。燃料和空气(以及可能的水)的 混合物在压缩室60的递减的体积内被快速压缩，该压缩室可以在顶部处被发动机头50的 固定的气缸盖表面54和位于浮动活塞气缸84的底部处的浮动活塞80界定。预定充量的 压缩气体，诸如排气，可以填充浮动活塞80上方的浮动活塞气缸84的体积，并且可被充 分地且选择性地加压以施加反作用力，该反作用力阻止浮动活塞响应于下方的压缩室60 中的上升的压力而运动。图4b中示出做功冲程，其中活塞响应于压缩室60内的燃料和空气的爆燃点火被向下推。爆燃中产生的压力可以足以克服填充浮动活塞80上方的体积的加压气体的 充量，使得浮动活塞可以向上移位到浮动活塞气缸84中并且压缩充量气体直到在浮动活 塞的上方和下方，或者更确切地说在浮动活塞的相对侧上起作用的压力之间达到平衡状 态，此后浮动活塞可以以与工作活塞或多或少同步的方式向下行进。图4c描述了在排气冲程期间的IE发动机的活动部件，其中凸轮轴70的突出部 已经向下旋转以推开排气阀66，而工作活塞向上行进以迫使排气离开排气端口 /排气岐 管68。在图4d中，凸轮轴70可继续与曲轴30同步旋转以释放排气阀和打开进入阀62， 使得在工作活塞40在动力汽缸隔室24内向下运动以将气体和液体燃料/水的悬浮微滴吸 入到压缩室60中时新的充量的燃料和空气(以及可能的水)可流过进入岐管/进入端口 664。图5a_5i —起示出一系列顺序的剖视图，其详细描述上述代表性IE发动机的压 缩冲程和做功冲程的连续的动作。更具体地，图5a-5i描述本发明的一个代表性实施例 100，该代表性实施例通过一定范围的或多个曲柄112位置用来将往复活塞发动机的压缩 空气/燃料混合物维持在恒定的体积和希望的(例如，峰值或略小于峰值)且选择性的压 缩比率，并且延迟压缩空气/燃料混合物的引爆或点火直到工作活塞120已经越过上死点 位置并且发动机曲柄已经旋转到更加机械上有利的位置，由于燃烧室的快速膨胀，与现 有相关IC发动机相比，该更加机械上有利的位置允许由此引起的爆燃反应产物执行更多 功并且产生另外的扭矩。IE发动机的实施例100可用于借助“切换”过程通过一定范围的曲柄位置将压 缩空气/燃料混合物维持在恒定的体积和希望的且选择性的压缩比率。这通过如下方法 实现如上所述，将IE发动机构造有浮动活塞140和与工作活塞圆柱形隔室104流体连 通的浮动活塞气缸144，以及消除或显著减小形成到发动机头108中的底表面中的燃烧室 的死空间体积。与常规IC发动机相比，这也可能需要曲轴110的曲拐112的重新定位和 对连杆114的调节。如熟悉标准IC发动机的工作的人可理解的，在TDC处，工作活塞停止，不接触 发动机头的底表面，留下一个死空间体积(例如，燃烧室)，该死空间体积可能是压缩室 126的体积的近似1/10。在本发明的IE发动机100中在这个死空间体积被消除或显著减 小的情况下，当曲轴112达到TDC之前(例如，前面35度)的旋转位置时，如果燃烧室 仍然存在于发动机头108中，则引起工作活塞的顶表面122上方的压缩体积近似相同于 它在TDC处将具有的体积。在工作活塞120在其气缸104中继续向着TDC运动且压缩 室126的体积被连续加压时，压缩空气/燃料混合物被迫移动穿过工作活塞气缸104和浮 动活塞气缸144之间的公共端口或孔口 142，并且在浮动活塞140向上缩回且离开压缩室 126时被积聚或暂时存储在浮动活塞气缸中。因此，当工作活塞120达到TDC时，几乎全部或至少大部分压缩空气/燃料混 合物被接收到浮动活塞气缸144中或转移到浮动活塞气缸144，而压缩比率或压力改变很 小或没有改变(例如，维持发生转移时的压缩比率)，并且从浮动活塞最初开始移位时开 始大体上没有体积变化。在浮动活塞被策略性预加压或偏压的情况下，通过将空气/燃 料混合物通到浮动活塞气缸144，使得这种传递或转移可能，从而引起这种转移在曲柄的 预定旋转位置和工作活塞的线性位置处开始发生。
11页在曲轴110继续旋转并且连杆114沿其正弦路径进一步运动时，工作活塞120开 始离开TDC并且沿气缸104向下退回，直到曲轴达到越过TDC (例如，越过TDC35度) 的预定点，于是空气/燃料混合物返回到工作活塞的气缸并且可开始引爆。注意到，在 这个转移阶段期间，当点火将要发生时，空气/燃料混合物的体积(虽然是动态的)从 TDC前的指定点通过TDC且直到TDC之后的指定点维持大体上恒定。另外，现在在10个大气压力下从一个气缸到下一个气缸并且回来的空气/燃料 混合物的快速转移运动可以有助于更好“混合”，导致在火花点火时刻烃的更彻底的爆 燃和自消耗。在压缩冲程的大部分期间，可以引起浮动活塞140维持安置在浮动活塞气缸144 的底部处，以从浮动活塞气缸密封压缩室并且允许空气/燃料混合物的完全压缩。为了 实现这个，加压空气或排气可填充浮动活塞上方的浮动活塞气缸的体积以预加载浮动活 塞气缸，从而抗衡或平衡通过两个室之间的公共端口或公共孔口 142从工作活塞气缸104 接收的压缩空气/燃料气态混合物。在一个方面，可以通过在排气阀的打开之前在BDC 处放出存在于工作活塞气缸中的小部分消耗的气体，并且通过连接管路(例如，硬管连 接88)将加压气体转移到浮动活塞气缸的顶部或压缩室而供应一定充量的加压排气，如 图3b中所示。止回阀可以在两端放置在硬管中以控制进入浮动活塞气缸的填充压力，该 填充压力可等于例如以10 1的压缩比率的空气/燃料混合物的压力。在另一方面，离 线的或独立的压力源(例如，源于空气压缩机的压缩空气)也可用于将填充气体供应到浮 动活塞气缸。图5a_5f用于说明在动力曲柄112和工作活塞120 —起从TDC前的-135度的角 位置旋转到TDC之后的+35度的角位置时的代表性切换过程。在-135度(图5a)，工作 活塞处于在动力气缸104内向上运动并且压缩在压缩室126内包含的空气/燃料混合物的 过程中，并且由于在包含在浮动活塞气缸144的上部内时加压填充气体作用在浮动活塞 的相对侧上，浮动活塞140牢固地安置在孔口 142上方。通过燃烧室死空间体积的消除，工作活塞可在TDC位置前的大约-35度处达到 峰值或希望的压缩比率(例如，10 1)(图5b)，在这点处，浮动活塞140处于下方的 压缩空气/燃料混合物和上方的加压气体充量之间的平衡中。在工作活塞在完成压缩冲 程的同时继续上升时，浮动活塞向上离开孔口 142，并且压缩空气/燃料混合物开始流入 浮动活塞气缸144。这在图5c中示出，其中曲柄已经旋转到TDC前的大约-24度。在 TDC处(图5d)，大部分混合物已经被接收到浮动活塞气缸中，同时继续包括以大体上恒 定的压缩比率的大体上恒定体积的压缩空气/燃料。应当理解，加压气体充量可以在浮动活塞140向上运动时略微压缩，该压力增 加也将传递到下方的压缩空气/燃料混合物。然而，因为浮动活塞上方的剩余体积与浮 动活塞的排量相比可能相当大，所以考虑到空气/燃料混合物的总压缩，这种轻微的压 力增加可认为是可忽略的。另外，在工作活塞在越过TDC之后开始向下运动时，浮动活 塞也开始下降并且将空气/燃料混合物推回到压缩室中(图5e，TDC之后+24度)，放 弃轻微的压力增加直到当曲柄到达TDC位置之后大约+35时浮动活塞再次安置在孔口 142 上(图5f)，并且浮动活塞再次与下方的峰值压缩空气/燃料混合物和上方的加压气体充 量处于平衡。
在切换过程期间的浮动活塞的运动还可描绘为图6中的曲线150，其中浮动活塞 响应于空气/燃料混合物进入和离开浮动活塞气缸的运动而向上行进并且向下回去。在 图1-5中示出的代表性IE发动机中，工作活塞的冲程可以是从BDC到TDC大约3”。 如果浮动活塞气缸的体积大体上等于在BDC处的压缩室的体积但具有较小直径，则浮动 活塞在切换或转移过程期间可经历大约0.5英寸的位移。然而，应当理解，由于浮动活塞 的实际位移可以根据任何特别IE发动机的几何形状而广泛地变化，所以运动的规模仅被 提供用于说明性目的并且不应当认为以任何形式进行限制。体积比率的变化(例如，压缩室126的体积的改变)可以在图7中以图形的方式 示出，其中虚线160代表标准IC发动机气缸内的体积比率，而实线162-168代表IE发动 机气缸的各种实施例内可发生的体积比率变化。如可以看到的，对于两种发动机类型， 在-180度和+180度的位置，体积比率是1 1(或零压缩)，这两个位置分别是在压缩 冲程的开始和在做功冲程的结束的BDC位置。与体积比率遵循简单的正弦图案并且在TDC处达到封闭压缩室126的最大压缩 (例如，最小体积)的标准IC发动机160不同，图5a-5f中示出的代表性IE发动机包括 (随着封闭体积减小)迅速增加直到如预定地并且在开始转移的点处达到峰值或最大体积 比率的体积比率。在示出的代表性实施例中，这个点处于TDC之前-35度，如线段162 指示的。在TDC之前-35度和TDC之后+35度之间，可引起体积比率保持大体上恒定， 由线段164指示的。然后，引爆可以在TDC之后+35度处进行，此后，根据IE发动机的 构造并且如下面更详细地描述的，IE发动机的体积比率可遵循代表性的线段166或168。此外，应当理解，图7中涉及的体积比率说明由工作活塞120的头端部或顶表面 122、动力气缸104，气缸盖106界定的压缩室126的实际体积和通过孔口 142与动力气缸 室104流体连通的浮动活塞140下方的浮动活塞气缸144的体积的变化。图7的体积比 率不是指空气/燃料混合物在它经历压缩和引爆时的压缩比率的变化，该变化可能显著 大于图7中示出的变化。也应当理解，虽然从TDC之前-35度到TDC之后+35度的转移可以被认为一个 有利的构造，但其它转移范围和开始/结束角位置也是可能的并且可以被认为落在本发 明的范围内。例如，可以以更大的加压在浮动活塞上方提供填充气体，其可用于延迟从 大约TDC之前-20度到大约TDC之后+20度的转移的开始和减小该转移的持续时间。 类似地，也可以以更小的加压在浮动活塞上方提供填充气体，其例如可用于加速从大约 TDC之前-60度到大约TDC之后+60度的转移的开始和延长该转移的持续时间。这种 改变可影响反应从燃烧式反应到爆燃式反应的过渡，以及引爆或点火之后获得的峰值压 力和温度。此外，在一个代表性实施例中，通过浮动活塞上方的浮动活塞气缸中的填充 气体的压力的主动操纵连同引爆或点火的角定时，可以动态控制开始/结束角位置和转 移范围。往回参考图5f和5g，如上所述，当曲柄的角位置达到希望的机械上有利的位置 (在这个情况下，大约TDC之后+35度)时，空气/燃料混合物的引爆可以进行。实际 上，在+35度位置处可以实现在最大扭矩条件(例如，超过TDC 90度)下产生的扭矩的 超过50% (见图8)。通过允许燃烧室126的立即膨胀，特别地，当实现并维持高压缩比 率时，这种对齐中的动力连杆机构的减小的阻力促进内部反应从(相对地)慢燃的燃烧转变到快速膨胀的快燃的爆燃。虽然变化大小的载荷可能总是存在于曲柄112上并且与来 自传动和驱动线路的阻力成比例，但这些载荷与先前的相关IC发动机在TDC处遭遇的 “锁定的”且不可移动的动力连杆机构情况相比较小。因此，当与在越过TDC大约+35 度的旋转位置处点燃燃料/空气混合物的爆燃动力相比时，即使曲柄上的重的载荷也提 供小的阻力，并且允许空气/燃料混合物的引爆或点火进入爆燃式反应。允许在引爆或点火时自由膨胀的氧气和蒸发的烃的爆燃混合物能够以类似量的 燃料充量在短得多的时间段上实现比燃烧式反应显著较高的压力和温度尖峰。这种现象 可以在图8和9中以图形的方式示出，其中在标准IC发动机的燃烧室内遇到的气体压力 和温度变化分别用虚线190和192表示，并且在本发明的IE发动机的反应室内遇到的气 体压力和温度变化(在越过TDC+35度或大约+35度处引爆)分别用实线196a和198a表 示。如可以看到的，爆燃反应可以在短的时间段上产生显著较大的压力和温度，并且在 快速膨胀爆燃反应期间燃料混合物可以以最少的副产物更加完全地消耗。已经发现，曲柄的越过TDC+35度的角位置可提供从燃烧式反应到爆燃式反应 的转变和贯穿做功冲程的剩余部分用来连续提取功能量的机械杠杆作用之间的更好的平 衡。然而，在曲柄角如越过TDC+20度那样小的情况下，反应过程的部分变换可能发 生，如浪费的副产物和排气温度的减小所表明的。另外，机械杠杆作用可继续是有利 的，直到越过TDC大约+60度。结果，在IE发动机中用于空气/燃料混合物的引爆的 有效范围可从越过TDC大约+20度延伸到越过TDC+60度。即使在TDC处点火的情况下在标准IC发动机内可以产生这种强大的反应，施加 在有效地机械锁定的且不可移动的动力连杆机构上的由此引起的载荷也可以快速超过各 种部件的材料极限，导致轴承、连杆和工作活塞等的损坏和永久失效。然而，在引爆时 刻(图5g)IE发动机的动力连杆机构的改进的对齐可以在活塞向下运动(图5h)时立即且 有利地将爆燃反应能量转化为有用功，因此即使爆燃式反应中产生的压力和温度可能相 当高，也减小施加到机械部件的应力。最后，大部分可用能量被施加到旋转的曲轴110， 添加的好处是排气温度已经减小到标准IC发动机排出的排气的温度的一部分(见图9)。在本发明的另一代表性实施例中，通过将水喷射包括到爆燃中以增加峰值压力 和减小峰值温度，可以增加IE发动机的动力输出。这可以通过以下方法实现使用水喷 射器76(见图3c)来将小的水微滴提供到进气岐管64中，该小的水微滴可以与燃料喷射 器74提供的燃料的较小微滴或蒸汽立即混合。在进气阀62开始打开时(见图4d)，水 微滴和空气/燃料混合物可以通过下降的工作活塞产生的真空被一起吸入到气缸中，并 且当起动引爆或点火时，水微滴可以与空气/燃料混合物一起通过以下压缩冲程(包括切 换)被压缩直到曲柄角达到TDC之后的点(诸如TDC之后大约+35度)。在引爆时刻，爆燃的蒸发的燃料/空气混合物产生的高温气体可以反应并且由 水微滴冷却，而水微滴又迅速变为高压蒸汽。应当理解，与燃烧的烃燃料混合物的膨胀 (例如，800 1)相比，高压蒸汽可以膨胀高的比率(例如，1600 1)。因此，在近似 300华氏度下的强力膨胀的蒸汽可增加可用动力，而同时冷却爆燃燃料产生的高温尖峰。通常被接受的是，当在典型IC发动机室中点火发生时产生膨胀气体的波前。在 本发明IE发动机中，在爆燃式反应期间也可产生可比较的波前，该波前可以在其中活塞 可以立即响应的气缸中成比例地较快地行进。因此，即使在没有水喷射和蒸汽的构造或实施例中，800 1的膨胀的烃空气燃料混合物能够以比仅通过燃烧可实现的速度大的速 度沿波前行进。此外，在存在水微滴的情况下通过引爆或点燃空气/燃料混合物产生的 波前可以与另外的高速膨胀蒸汽组合以在工作活塞上施加另外的力。图8和9中以图形的方式示出IE发动机的燃烧室或反应室内的水喷射的影响， 其中具有水喷射的气体压力表示为图8中的实线196b，并且具有水喷射的气体温度由图 9中的实线198b表示。如可以看到的，在水喷射并入爆燃式反应中的情况下，动力输出 (例如，压力)可以增加，并且同时减小峰值温度。作为添加的好处，通过减小高温下的 气态混合物的持续时间，水喷射也可以显著地减小或消除一氧化二氮和一氧化碳废物副 产物的形成。在图5a_5i中示出的IE发动机的代表性实施例中，在引爆时没有TDC机械锁 定和更有利的力矩角的情况下，曲轴110上的相对低的阻力产生或多或少立即膨胀的机 会。在膨胀期间的由于在点火之后曲轴上的较高载荷引起的任何过多残余物理阻力随后 被引到浮动活塞140并且可通过浮动活塞140转化为势能。换句话说，压缩室126内的 压力的快速增加将同时作用在工作活塞120和浮动活塞140上以使得它们彼此离开。在 膨胀期间，工作活塞120在其越过TDC的更有利的位置根据载荷在其可以时将功传递到 曲轴110，并且浮动活塞140将吸收膨胀的余量，而同时压缩浮动活塞气缸144的上部中 俘获的气体充量。加压浮动活塞上方的填充气体的过程称为积聚，并且在图5g中示出。 然后，在浮动活塞室上方的填充气体的压缩体积膨胀时，这种积聚的压力可用于产生通 过动力气缸104和工作活塞120残余地回到曲轴110的机械功，同时在压缩室126内包含 的反应产物的体积上维持高的压头。在引爆和积聚之后，曲轴继续向着BDC旋转，同时工作活塞向下运动，弓丨起工 作活塞120和浮动活塞140之间的体积随着对应的压力减少而增加。同时，浮动活塞上 方的填充气体的高压体积寻求与下方的递减的压力平衡，迫使浮动活塞也向下跟随。曲 轴110的偏移的曲柄112继续沿其正弦路径旋转通过越过TDC+90度(图5h)，其中传动 和驱动线路提供的阻力可以被曲柄的力矩角最小化。这导致由仍然高度加压的气体施加 到工作活塞120的功优点的增加，在TDC位置之后很远，在填充气体中的加压期间先前 存储为压力的势能在它往回传递通过浮动活塞并且传递到正在下降的工作活塞上时被转 化回功能量。在两个活塞都向下运动时(图5i)，两个气缸之间的压力继续减小。由于贯穿 曲轴的旋转通过工作活塞提取能量导致的压力和温度减小的时期之后，到工作活塞达到 BDC时温度可减小到接近环境情况，在这点上，排气阀打开以将剩余的排气压力排放到 开放的大气。积聚可以由图6中的线段152以图形的方式描绘，该线段示出浮动活塞在引爆时 向着浮动活塞气缸的顶部的立即位移，其中填充气体的体积被压缩成薄层。由于填充气 体的压缩体积膨胀以在压缩室126内包含的气体上维持高的压头，此后是较慢的向下运 动 154。积聚也可以由图6中的线段166以图形的方式被描绘，该线段示出在添加浮动活 塞气缸144的体积的情况下压缩室126的体积的立即膨胀。应当理解，如果浮动活塞140 下方的浮动活塞气缸144的体积大于或相当于工作活塞气缸104的体积，则体积比率可冲过1 1参考线(线段166a)并且在BDC处逐渐回到1 1。类似地，如果浮动活塞下 方的浮动活塞气缸的体积小于工作活塞气缸的体积，则在浮动活塞气缸的体积添加到压 缩体积126时，体积比率将出现部分跳跃(线段166b)，该体积比率然后在BDC处逐渐 向上移向1 1。图Ila-Ild示出一系列剖视图，其详细描述浮动活塞在积聚之后在向下竖直横穿 时的功能性，并且展示一种用来在燃烧室附近在做功冲程的结束时提供减速的方法。在做功冲程期间，在引爆或点火时，浮动活塞从其底位置线性横穿到其行进极 限的顶部附近，并且随后返回以密封在孔口 142上。图Ila示出在引爆之后在浮动活塞 室144的顶部附近的浮动活塞的位置，而图lib示出在向着底位置的途中向下线性横穿 的浮动活塞。图Ilc示出在底位置的数毫米内，并且开始浮动活塞上的台阶表面146和 铸铁衬里148上的台阶表面之间的接合(它可称为“软着陆”特征)的浮动活塞。由于 两个台阶之间的初始接合并且当浮动活塞向着底位置完成其行进时，可以形成小的环形 空气穴149，同时在该小的穴中俘获的空气被压缩以提供与浮动活塞的行进方向相反的阻 力。由小的软着陆空气穴149中的压力增加引起的阻力产生对抗浮动活塞的力，衰减惯 性且克服浮动活塞的向下速度的重量和动量。图Ild示出在减速之后在底位置中的静止 的浮动活塞。图12a_12d—起示出上述IE发动机的一种变型的操作，其中加压气体浮动活塞 由具有压缩弹簧176的截顶弹簧加载活塞170代替。压缩弹簧可以延伸浮动活塞气缸144 的长度，并且可预加载以将弹簧加载活塞170安置在孔口内，在压缩冲程的早期部分期 间，分离工作活塞气缸104与浮动活塞气缸，直到并且包括TDC之前-35度的曲柄位置 (图12a)。弹簧加载的活塞178的外表面(图12d)可以成台阶状以提供密封表面，该密 封表面密封在铸铁衬里的台阶状内表面上。类似于上述气体充填的浮动活塞，弹簧加载的活塞可以移位以在曲柄从TDC之 前-35度通过TDC (图12b)并且运动到TDC之后+35度(图12c)时允许空气/燃料混 合物进入浮动活塞气缸中和离开浮动活塞气缸的切换，以跨越压缩冲程和做功冲程的上 范围维持恒定的压缩比率。提供阻力并且放置在弹簧加载的活塞170的相对侧上的压缩 弹簧176可以制造成起反作用并且提供包含10 1压缩比率的气体的压力所必要的力。响应于在TDC之后大约+35度的引爆，弹簧加载的活塞也可向着浮动活塞气缸 的顶部向上移位以吸收或积聚压缩弹簧176内的过多势能，随后，在做功冲程的剩余期 间，在曲柄112继续向下旋转时，该能量可以释放到工作活塞120 (图12d)。使用弹簧的 关键特征允许气缸中的压缩空气的消除，虽然提到，但压缩空气仍然可以由图3b中示出 的硬管连接供应以增加总体效率。图13a_13d—起示出上述IE发动机的另一变型的操作，其中加压气体浮动活塞 由被压缩弹簧186分开的两个截顶弹簧加载活塞180、182代替。压缩弹簧可以延伸浮动 活塞气缸144的长度，并且可以预加载以将下弹簧加载活塞180安置在孔口 142内并且将 上弹簧加载活塞182安置在浮动活塞气缸的顶部上。下弹簧加载活塞180可具有台阶状的 外表面188(图13c)以提供密封表面，该密封表面密封在铸铁衬里的台阶状的内表面上， 并且在压缩冲程的早期部分期间，可用于从浮动活塞气缸144密封工作活塞气缸104，直 到并且包括TDC之前-35度的曲柄位置(图13a)。
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类似于上述气体充填的浮动活塞，下弹簧加载的活塞180可以移位以在曲柄从 TDC之前-35度通过TDC (图13b)并且运动到TDC之后+35度(图13c)时允许空气/ 燃料混合物进入浮动活塞气缸中和离开浮动活塞气缸的切换，以跨越压缩冲程和做功冲 程的上范围维持恒定的压缩比率。提供阻力并且放置在弹簧加载的活塞180的相对侧上 的压缩弹簧186可以制造成起反作用并且提供包含10 1压缩比率的气体的压力所必要 的力。然而，响应于在TDC之后大约+35度的引爆，截顶弹簧加载活塞180的行进可 以仅仅足够长以在接触上弹簧加载活塞182之前压缩浮动活塞压缩室内的小体积空气(图 13d)。在这种条件下，仅可存储有限的能量积聚，并且可能损失一些效率。所期望的 是，引爆之后的膨胀产生的功能量的主要部分将直接作用在曲轴上。图14a和14b中示出的是本发明的另一代表性实施例200，该实施例用来通过一 定范围的曲柄位置将往复活塞发动机的压缩空气/燃料混合物维持在恒定的体积和给定 的压缩比率，诸如峰值压缩比率，并且延迟压缩空气/燃料混合物的引爆直到工作活塞 已经经过上死点位置并且发动机曲柄已经旋转到更加机械上有利的位置，该更加机械上 有利的位置允许由此引起的爆燃反应产物执行更多功且产生另外的扭矩。代替使用浮动活塞和浮动活塞气缸来执行“切换”过程，IE发动机的实施 例200可替代地使用独特的动力连杆机构208(此后称为“CRAM动力连杆机构”或
“CRAM”)，以通过一定范围的曲柄位置将压缩空气/燃料混合物维持在恒定的体积和 峰值压缩比率(CRAM是术语“曲柄凸轮(CRank cAM)，，的缩写)。CRAM也可为标准 IC发动机带来数个主要变化，包括动力曲柄212、连杆216和动力气缸206的头端部230 的修改。并且虽然不用于将压缩空气/燃料混合物维持在恒定的体积和峰值压缩比率， 但CRAM实施例200仍然可包括浮动活塞240和浮动活塞气缸244以在引爆已经发生之 后提供积聚。图14a和14b是剖视图，该剖视图一起示出发动机本体202和发动机头204组装 在一起以形成本发明的IE发动机的代表性实施例200。IE发动机200中的每一个动力气 缸可包括曲轴210、凸轮轴212、连杆216、工作活塞220、盖腔232和浮动活塞240/浮 动活塞气缸344积聚器。盖腔232可以是形成在动力气缸的气缸盖端部230中的凹陷， 当工作活塞220处于TDC位置时，该凹陷提供工作活塞的顶表面222和发动机头206之 间的死空间体积，并且该盖腔232可以用作用于压缩燃料/空气混合物的储存器。也示 出的是进气阀和/或排气阀236，该阀可以在适当的时间通过阀凸轮238的旋转而突出 到盖腔232中，以打开进气端口和/或排气端口 234并允许气体流入和流出压缩室226。 阀可以自由打开，但它们的行程被限制到盖腔的界限内。如下面更详细地描述的，盖腔 232可以是带有平坦上表面的圆柱形的，或者可以在周边周围被圆整以形成通常称为“半 球”的半球形体积。对于IE发动机的实施例200，由于形成为CRAM曲柄或曲拐212的轴颈表面或 “突出部”的凸轮表面214和形成为CRAM连杆216的配合支承孔的从动表面218，在所
有的一定范围的曲轴角位置可以维持空气/燃料混合物的恒定体积和峰值压缩比率，如 在图15a和15b中更详细地示出的(并且为了效果而夸大的)。在动力曲拐212的旋转中 的预定点，凸轮表面214和从动表面218可以相互作用以改变连杆的自然正弦运动，因此
17改变工作活塞的线性运动。换句话说，即使在曲轴和动力曲拐继续旋转时，这种相互作 用也可以产生工作活塞210的线性行程中的静态停留或暂停。如果凸轮表面和从动表面 被正确地构造，则这种静态停留可以以TDC为中心，使得工作活塞停止其对于TDC之前 的预定度数的向上线性行进，并且延迟其向下线性运动直到达到TDC之后的预定度数。结果，借助CRAM动力连杆机构208，当曲轴210达到给定旋转位置(诸如TDC 之前-35度的位置)时可以停止工作活塞220的线性运动，然后静态地“保持”工作活 塞，而曲轴向着TDC旋转运动并且超出到更加角有利地旋转位置，诸如越过TDC+35度 的位置。在那个位置，引爆或点火可以发生以起动爆燃式反应，如上所述。使用CRAM 连杆机构以将压缩空气/燃料混合物维持在恒定的体积和峰值压缩比率以便延迟气体的 引爆直到工作活塞已经越过上死点位置的事件的顺序在图16a_16i中被更详细地示出。如图16a(TDC之前-135度)中示出的，在压缩冲程的第一部分期间，曲轴210 的曲拐突出部212的部分径向表面与连杆216的部分径向表面同心地操作。在TDC之 前-35度处(图16b)，曲轴曲拐突出部的凸轮表面214和连杆的从动表面218由于工作 活塞220施加的向下压力而被迫在一起。这两个表面开始相互作用并且产生物理条件， 通过该物理条件，工作活塞在动力气缸206内的其行程中停止并且维持在离开动力气缸 230的气缸盖端部230的恒定距离处。这种间隔可以通过曲轴210的随后70度径向旋转 被维持(图16c_16e)。当曲轴已经越过TDC并且已经达到越过TDC+35度的径向旋转时 (图16f)，凸轮214和从动表面218完成它们的椭圆形横穿并且以同心旋转径向地继续， 随后，在曲轴的动力曲柄或曲拐212处于其最佳力矩角或“力矩臂”效率的55-60%的情 况下(见图10)，在越过TDC+35度处引爆(图16g)。如在图16a到16f中可以看到的，浮动活塞240不从动力气缸206和浮动活塞气 缸244之间的孔口上的其密封位置运动直到引爆已经发生之后。这是因为工作活塞的顶 表面222已经停止在形成在动力气缸的气缸盖端部230中的盖腔232的下边界处，并且 压缩室226内包含的整个体积的压缩空气/燃料混合物现在被迫进入盖腔凹陷。可以设 计盖腔232的尺寸使得其体积是在工作活塞220处于BDC的情况下的压缩室226的体积 的1/10，使得在曲轴210的曲拐212向TDC之后+35度旋转时工作活塞停止的整个时 段期间，高的压缩(例如，10 1)可以实现且维持。通过以10 1的压缩比率或大约 10 1的压缩比率被加压的浮动活塞上方的气体的充量，浮动活塞可以维持安置直到引 爆之后以维持盖腔232的完整性。CRAM连杆机构可以与具有圆柱形盖构造或“半球”盖构造的盖腔232组合， 如图14和16中所示。近年来，在标准IC发动机中开发出通常称为半球的流行类型的盖 腔，以通过将气体的回响膨胀引向或反射向燃烧室的中心，由此更完全地将力聚向工作 活塞的顶表面222的中心，从而增加燃烧的效率。本发明200也可以以盖腔232中的半 球形为特征以进一步重定向和聚焦爆燃反应中产生的能量。CRAM动力连杆机构208处于TDC之后大约+35度的机械上有利的位置并且曲 拐突出部212的部分径向表面再次与连杆216的部分径向表面同心地操作的情况下，可以 以与上述实施例100的引爆相同的效果起动空气/燃料混合物的引爆。此外，浮动活塞 240和浮动活塞气缸244也可变为起作用的以提供用于做功冲程(图16g-16i)的剩余部分 的另外的积聚好处，也如上所述。如果浮动活塞240和浮动活塞气缸244与CRAM动力连杆机构组合，则压缩室的体积比率对曲柄角可以再次遵循图7中示出的线段166。然 而，如果分开地使用CRAM动力连杆机构，并且没有浮动活塞240/浮动活塞气缸244使 得在做功冲程期间不包括积聚，则在工作活塞返回BDC时，压缩室的体积比率对曲柄角 可以改为遵循线段168。根据本发明构建的IE发动机的设计者因此已经设置有各种机构，用来将压缩空 气/燃料混合物维持在恒定的体积和压缩比率直到发动机曲柄已经旋转到促进爆燃式反 应的更加机械上有利的位置，例如，带有浮动活塞气缸的浮动活塞，和CRAM动力连杆 机构。虽然每一个机构可以分开地起作用以促进化学反应从燃烧式反应转变为爆燃式反 应，但应当理解，两种机构的组合也是可能的，并且被认为落在本发明的范围内。图17a_17d —起示出CRAM IE发动机的变型250的操作，其中加压气体浮动活 塞由具有压缩弹簧256的截顶弹簧加载活塞252代替。类似于图12a-12b中示出的前面 描述的切换实施例变型，压缩弹簧可以延伸浮动活塞气缸244的长度。然而，在这种变 型中，弹簧可以预加载以将弹簧加载活塞252安置在孔口内，贯穿整个压缩冲程和做功 冲程的早期部分，从浮动活塞气缸分离工作活塞气缸206，直到并且包括TDC之后+35度 的曲柄位置(图17a-17c) ο响应于在TDC之后大约+35度处的引爆，弹簧加载的活塞252随后可向着浮 动活塞气缸的顶部向上移位以吸收或积聚压缩弹簧256内的过多势能，随后，在做功冲 程的剩余部分期间，在曲柄212继续向下旋转时，该能量可以释放回到工作活塞220 (图 17d)。弹簧的使用允许气缸中的压缩空气的消除，虽然如提到的，但压缩空气或消耗的 排气仍然可以由图3b中示出的硬管连接供应以增加总体效率。图18a-18b中示出的是CRAM动力连杆机构的代表性实施例260，其具有形成 在动力曲柄或曲拐112的突出部上的切向/节线凸轮表面。术语“节线”是由于曲轴突 出部262的圆形部分上的截顶形状264，和形成在连杆216的曲柄毂内的轴承或孔266的 圆形部分上的对应的截顶形状268。这些截顶表面被布置和配合以分别用作凸轮和凸轮 轨。曲轴突出部上的凸轮表面264可以与曲轴的曲拐的几何同心性同心且相切，而杆的 曲柄毂端部内的凸轮轨表面268可以与源于在其相反端部处的杆的活塞毂的中心的几何 同心性同心且相切。在切向/节线CRAM260的操作期间(图18c_18f)，当曲轴达到TDC之前_35 度时，分别在曲轴和杆内的凸轮表面264和凸轮轨表面268可以开始配合。由于它们的 形状已经从它们各自的“摆动点”几何取向，因此活塞220的往复运动可以从正弦状态 转变为静态状态，直到达到越过TDC+35度的曲轴旋转。在TDC之前、达到TDC和越 过TDC的这个70度旋转期间，由于类似于两个配合齿轮的节线接合的凸轮和凸轮轨所遵 循的精确的“节线”路径，活塞可以享有不运动的静态状态。在从TDC之前-35度到越过TDC+35度的活塞的静态停留期间，切向/节线 CRAM可提供高程度的效率。在这个点处，活塞可以重新开始通常的往复旋转模式直到 达到325度(或-35度)。将注意到，当曲柄位置处于+35度时，连杆从其TDC竖直位 置“摇摆”并且已经得到近似11度。如由图10中提供的扭矩图示出的，在曲轴的+35 度角位置，大约575ft/lbs扭矩(可能1000ft/lbs扭矩的)可用。然而，可以添加另外的 11度以产生近似46度的较大优势角，用于(可能的lOOOft/lbs中的)可施加到曲柄的总共710ft/lbs (或71% )的扭矩。图19a-19b中示出的是CRAM动力连杆机构的另一代表性实施例270，其具有形 成在动力曲拐112的突出部272上的有点“心形的”凸轮表面。术语“心”是由于能够 产生且实现希望运动的位于连杆轴承276中的凸轮轨从动件279的心形状。心形CRAM 实施例270使用一种凸轮形状，该凸轮形状设计成引起活塞220在曲轴突出部的TDC位 置之前大约30度和曲轴突出部的TDC位置之后静态停留。一个具有圆形形状274且另 一个具有谐波形状275的两个凸轮部件可以并排套在动力曲拐212的突出部272上。在心形CRAM 270的操作期间(图19c_19f)，圆形凸轮与从动件中的对应狭槽 278配合并且迫使连杆216在通常曲轴旋转期间以并排摆动模式运动(类似于标准发动机 中的杆运动)。在这个通常摆动期间，谐波凸轮275旋转并且也被迫跟随位于杆轴承276 中的外部心形凸轮轨279并且对活塞的通常往复运动产生希望的静态停留变化。谐波凸 轮275到心形凸轮轨279的配合维持活塞相对于燃烧室顶部的静止位置以在点火之前促进 燃料/空气混合物的希望压缩。心形CRAM实施例270的工作活塞220在TDC处享有静态停留，该静态停留 从-30度继续到越过TDC+30度，此后活塞重新开始通常的往复旋转模式直到达到330度 (或-30度)。也将注意到，当曲柄位置处于TDC之后+30度时，杆已经从其TDC竖直 位置来回“摇摆”并且已经得到近似10度。如由图10中提供的扭矩图示出的，在曲轴 的+30度角位置，(可能1000ft/lbs中的)大约500ft/lbs的扭矩可用。然而，可以添加 另外的10度，产生近似40度的优势角，用于(可能的lOOOft/lbs中的)可施加到曲柄的 总共643ft/lbs的扭矩(或64% )。图20a-20b中示出的是CRAM动力连杆机构的另一代表性实施例280，其具有形 成在动力曲柄或曲拐112的突出部282上的“交叉”凸轮表面。术语“交叉”是由于 单个凸轮轨由两个圆形突出部代替，并且由于在动力曲拐212的旋转期间活塞头经历修 改的正弦路径而不是静态停留，因此不同于上述切向/节线实施例。突出部282可以分成两个圆形部件，第一个部件284与曲轴的突出部的曲拐的通 常位置同心，并且第二部件285从第一部件偏移13度。连杆216的轴承孔286也可以构 造成具有两个狭槽，第一个狭槽288垂直于杆的长度取向，并且第二个狭槽289垂直于第 一个狭槽或者与杆的长度成水平。这些狭槽的每一个形成为轴承孔的厚度的一半(1/2)， 并且成比例地对应于曲轴上的突出部部件284、285的每一个的厚度。在交叉CRAM 280的操作期间(图20c_20f)，第一突出部部件284在曲轴的旋 转期间驱动杆的来回摆动，而第二突出部部件285在曲轴旋转期间以类似于“苏格兰轭 (Scottish yoke)”机构提供的运动的方式或模式提供活塞的通常往复运动的截断。由于这 种正弦构造，静态停留是不可能的，然而，由于第二突出部285的偏心偏移，活塞220自 身不达到TDC直到曲柄212已经越过其旋转TDC位置之后。因此，可以实现活塞的缩 短时段的“近静态”运动。当曲柄达到+30旋转位置时，突出部282离开竖直方向的角度是18度。连杆 的摆动提供用于总共25度的另外7度，或(可能1000ft/lbS中的，见图10)422ft/lbs的扭 矩。此外，在“近静态”停留的这种状态期间，杆的两个交叉狭槽288、289到两个固定 曲轴突出部284、285的配合提供工作活塞220相对于到燃烧室顶部的距离的“近静止”
20位置以在引爆之前促进燃料/空气混合物的希望压缩。图21a-21b中示出的是CRAM动力连杆机构的另一代表性实施例290，由于完全 没有凸轮轨，并且由于通过圆形突出部292和轴承孔296的连杆到曲轴的永久联结，该代 表性实施例290被指定为“固定突出部”。然而，与标准动力曲拐不同，在突出部的中 心保持到动力曲拐212的节线的情况下，固定突出部CRAM的突出部292可以沿曲轴旋 转的方向逆时针偏移近似13度。此外，连杆216可以略微偏移并且成弓形以在工作活塞 220经过TDC时更好地向下诱导力。在固定突出部CRAM 290的操作期间(图21C-21f)，如标准发动机的情况一样， 固定CRAM实施例遵循通常正弦路径。由于这种正弦构造，静态停留是不可能的，然 而，由于突出部292的偏移，活塞220自身不达到TDC直到曲柄212已经越过其旋转TDC 位置之后。得到活塞的短时段的“近静态”运动。当曲柄达到+30旋转位置时，突出部 离开竖直方向的角度是18度。连杆216的摆动提供用于总共25度的另外7度，或(可 能lOOOft/lbs中的，见图10)422ft/lbs。在“近静态”停留的这种状态期间，连杆216的 圆形孔296到固定曲轴突出部292的配合提供活塞相对于到燃烧室顶部的距离的“近静 止”位置以在引爆之前促进燃料/空气混合物的希望压缩。图22a_22c和23a_23c中示出的是根据本发明的另一代表性实施例300的IE发动 机的阀凸轮和阀组件的横剖视侧视图，该另一代表性实施例包括一种系统和方法，用来 修改压在阀举升器304上以致动进气阀和排气阀302的各种阀凸轮310的轮廓。在图22a和22b中分别示出标准IC发动机阀凸轮的凸轮/阀组件和摆线突出部 轮廓。如发动机领域的技术人员可理解的，摆线突出部轮廓312是非常尖的，以便尽可 能快地从圆形表面过渡到突出部表面同时在进气冲程和/排气冲程的180内完全致动(例 如，打开和关闭)进入阀和/或排气阀302。这种非常尖的突出部轮廓在旋转的凸轮和阀 举升器之间产生高的压力角并产生强的阻力。已经观察到，对于图14a_14b和16a_16i中描绘的IE发动机的CRAM实施例200
的情况，以TDC为中心的工作活塞的线性运动中的静态停留或暂停也可用于延伸其中可 以致动排气阀和/或进气阀302的角持续时间。这是由于工作活塞的线性行程中的静态 停留也发生在排气冲程和进气冲程之间的TDC位置以及压缩冲程和做功冲程之间的TDC 位置。因此，可以修改阀凸轮310的摆线突出部轮廓312以延伸其中阀打开的角窗口或 改变阀打开或关闭的速度，因此修改阀顺序以允许多于一个阀同时打开。修改图22b的摆线突出部轮廓312的代表性系统是基于正弦曲线的物理性质的 图22c的谐波突出部轮廓322，并且该谐波突出部轮廓使用具有较低压力角的圆得多的轮 廓。图23a-23c中示出谐波突出部轮廓的一个好处，在图23a_23c中可以观察到，这种 形状的突出部322首先在越过水平线13度处接合阀举升器304(图22b)，而摆线突出部 310不接合直到越过水平线31度(图23a)。因此，到谐波突出部312达到摆线突出部的 越过水平线31度的位置时，阀302已经打开并且气体流入或流出阀端口 306。由CRAM 连杆机构提供的这种阀定时机会可以允许进入和离开IE发动机的压缩室的气体的改善的 流率和混合。另外，可以取代诸如弹簧的“较轻负荷”部件，因此减小凸轮轴和相关系 统的应力和磨损。前述详细描述参考具体的代表性实施例描述了本发明。然而，应当理解，可以
21作出各种修改和改变而不偏离如所附权利要求中阐述的本发明的范围。详细描述和附图 将被认为仅仅是说明性的，而不是限制性的，并且所有这种修改或改变(如果有的话)意 图落在如在这里描述且阐述的本发明的范围内。 更具体地，虽然在这里已经描述了本发明的说明性示例性实施例，但本发明不 限于这些实施例，而是包括具有如本领域技术人员将基于前述详细描述理解到的修改、 省略、组合(例如，贯穿各个实施例的方面的)、适应和/或改变的任何和所有实施例。 权利要求中的限制将基于权利要求中使用的语言被广泛地解释并且不限于在前述详细描 述中或在本申请的进行期间描述的例子，该例子将被解释为非排他的。例如，在本公开 中，术语“优选地”是非排他性的，在这里，它意图意指“优选地，但不限于”。任 何方法或过程权利要求中列举的任何步骤可以以任何次序被执行并且不限于权利要求中 给出的次序。将仅使用装置加功能的限制或步骤加功能的限制，其中，对于具体的权利 要求限制，所有以下条件存在于那个具体的权利要求限制中a)明确列举“用于…的装 置”或“用于…的步骤”；和b)明确列举对应功能。在这里的描述中明确列举支持装 置加功能的结构、材料或动作。因此，本发明的范围应当由所附权利要求和它们的法律 等同物单独确定，而不是由上面给出的描述和例子确定。
权利要求
1.一种活塞动力内部爆燃发动机，用于通过旋转曲轴提供动力输出，所述旋转曲轴 能够与多个偏移动力曲柄一起操作，所述爆燃发动机包括发动机本体，所述发动机本体具有形成在其中的多个动力气缸，所述多个动力气缸 用于容纳多个工作活塞；和多个连杆，所述多个连杆以可操作的方式联结到所述动力曲柄并且构造成从所述工 作活塞传递动力以使所述曲轴旋转，所述多个工作活塞被支撑在所述多个动力气缸内并 且以可操作的方式联结到所述动力曲柄；压缩室，所述压缩室由邻近气缸盖的所述工作活塞中的每一个工作活塞的头端部限 定，所述工作活塞构造成从大致位于所述压缩室内的点燃的压缩体积的空气/燃料混合 物的爆燃接收动力并且将接收到的动力传递到所述连杆，其中，从压缩冲程的TDC位置之前至少20度的所述旋转曲轴的角位置到做功冲程的 TDC位置之后至少20度的角位置并且在引爆之前，空气/燃料混合物的所述压缩体积大 致保持恒定，并且维持希望压缩比率，以便在所述爆燃时促进爆燃的快速膨胀反应。
全文摘要
一种四冲程活塞动力内部爆燃(“IE”)发动机，该内部爆燃发动机用来通过旋转的曲轴提供动力输出。该IE发动机包括发动机本体，该发动机本体中形成有用来接收工作活塞的动力气缸；用来支撑曲轴的轴承装置；和支撑在轴承装置内的曲轴，该曲轴具有在发动机本体的外部延伸的输出端部和多个偏移动力曲柄。该IE发动机还包括连杆，该连杆以可操作的方式联结到动力曲柄并且构造成从工作活塞传递动力以旋转曲轴；和工作活塞，该工作活塞被接收到动力气缸中并且以可操作的方式联结到动力曲柄。每个工作活塞具有头端部，该头端部布置成邻近气缸盖以形成压缩室并且构造成从位于压缩室内的压缩体积的空气/燃料混合物的爆燃接收动力，并且将接收到的动力传递到连杆。该IE发动机还构造成使得从压缩冲程的TDC位置之前至少20度的旋转曲轴的角位置到做功冲程的TDC位置之后至少20度的角位置并且在引爆之前，空气/燃料混合物的压缩体积大体上恒定，并且维持峰值压缩比率。
文档编号F16C3/22GK102016264SQ200980114135
公开日2011年4月13日 申请日期2009年3月2日 优先权日2008年2月28日
发明者道格拉斯·K·福尔 申请人:道格拉斯·K·福尔