专利名称：快速响应动力转换装置的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及内燃机，更具体地说涉及一种从内燃机中的燃烧提取能量的装置和方法。
背景技术：
直接将燃料转换成可用能量的初级能源已在包括机动车、发电机、液压泵等的各种应用中被使用多年。也许最广为人知的初级能源的实例是将矿物燃料转换成旋转动力的内燃机了。内燃机被几乎所有的机动化车辆和许多其它例如剪草机、链锯和备用发电机的能量自给(energeticallyautonomous)装置所使用。将矿物燃料转换成可用能量也在大型发电站中进行，这些发电站为被成千上万的单个用户所使用的电网提供电力。尽管初级能源已成功用于实现这些功能，但由于其相对较慢的响应特性，初级能源尚未成功地独立用于许多应用中。此限制在为利用对机械结构的运动进行实时调整的反馈环路的机器人装置和类似系统提供动力时尤其成问题。通常，此类系统中的能源必须能够根据所需产生快速将校正信号加到动力输出的动力输出，以维持机械装置正常工作。
机械系统内的能源响应速度，有时称为带宽，是源产生的能量能够被应用使用的快慢程度的指示。快速响应动力系统的一个实例为液压动力系统。在液压系统中，来自任意数量的源的能量可用于对液压流体加压并将加压后的流体存储在蓄能器中。通过打开系统中的阀门并释放流体以作某种类型的功，例如伸出或收回液压传动装置，包含在加压后的流体中的能量几乎可以立即被使用。此类液压系统的响应时间非常快，其数量级为几毫秒或更少。
响应相对较慢的动力提供系统的一个实例为内燃机。装备有内燃机的车辆上的加速器控制发动机的转速，该转速的度量单位为每分钟的旋转数(“rpms”)。当需要动力时加速器被启动，发动机相应地增大其转速。但是由于发动机内部的惯性力和燃烧过程的性质，发动机无法以非常快的方式达到所需的改变。如果发动机的最大旋转输出为7000rpms，则发动机从0起动到7000rpms所用的时间是发动机响应时间的度量标准，它可以为几秒钟或更长时间。而且，如果尝试在从0到7000rpms再返回0rpms的快速循环中反复地运行发动机，发动机的响应时间甚至更慢，因为发动机要尝试响应循环信号。与此相反，液压汽缸可以在几毫秒或更短时间内启动，并且液压汽缸可以在快速循环中工作而不影响其快速响应时间。
由于此原因，许多利用慢速响应机制的应用都需要将由初级能源产生的能量存储在另一个更加快速响应的能量系统中，该能量系统储备能量，以使能量可被立即使用。此类应用的一个实例为重型泥土搬运设备，例如反铲和前端装载机，它们利用了上述的液压系统。重型设备一般由内燃机提供动力，该内燃机通常为柴油发动机，它为设备的工作提供充足的动力，但无法满足各个部件的能量响应要求。通过将来自内燃机的动力在液压系统中存储并放大，重型设备能够产生具备非常精确的控制的强大力量。但是，此种变化是有代价的。为使系统成为能量自给(energeticallyautonomous)的并能够进行精确的控制，必须向系统添加更多的部件，增加了系统的重量和运行成本。
快速响应的动力提供系统的另一个实例为供电网或者电存储装置，该电存储装置例如电池。供电网或者电池中的可用电力的使用可以象打开和关闭开关一样快。现已开发了无数马达和其它应用以利用此类电源。能够连接到电网的固定应用可以利用来自产生电力的源的直接电输入。但是，为在系统中使用电力而不使系统受限于电网，系统必须配置成使用能量存储装置，诸如可能会非常大而笨重的电池。随着现代技术向装置的小型化方向发展，额外的电源重量和体积以及电源附带的转换硬件正在成为有意义的进步的主要障碍。
使用初级能源为快速响应源提供动力中固有的困难在诸如机器人之类的应用中变得越来越成问题。为了使机器人精确地模仿人类的动作，机器人必须能够作出精确的、受控的和及时的动作。此种级别的控制需要诸如上述液压或电系统之类的快速响应系统。由于这些快速响应系统需要来自某种初级能源的动力，或者机器人必须是为快速响应系统提供动力的更大的系统的一部分，或者机器人必须直接装配有笨重的初级能源或电存储装置。但是，理想地，机器人和其它应用应具有最小的重量，并且应该是能量自给(energetically autonomous)的，不受限于具有液压或供电线的能源。但是时至今日，在技术上还在努力实现此种快速响应、最小重量、有效控制和自给工作的组合。
发明内容
本发明涉及一种用于从内燃机燃烧期间产生的能量中提取能量的一部分的装置和方法。本发明请求保护在燃烧的最佳时间期间中提取能量的一部分及为该内燃机提供优良的带宽特性。
本发明包括具有主活塞的室，快速响应部件和在操作上与室互连的控制器。室还包括至少一个用于提供流体到该室的流体口和出口。主活塞结合流体口被配置成为室提供可变的压力并至少部分地有助于在室的燃烧部分中燃烧以产生能量。主活塞被配置在室中往复运动。控制器被配置成控制室中的燃烧。快速响应部件与室通过流体联系，以使快速响应部件位于邻近室的燃烧部分。根据本发明，快速响应部件被配置成从室中的燃烧中抽取能量的一部分。
本发明的一个方面假定由快速响应部件从燃烧中抽取的能量部分是从最接近燃烧的瞬间并在主活塞位于室内顶部死点位置和底部死点位置之间的中点之前抽取的。而且快速响应部件在主活塞从顶部死点位置下降45度的范围之内从室中抽取该能量部分的至少90％。这样，由快速响应部件提取的能量部分的大部分在主活塞完成往复运动循环之前相对较早一段时间完成。
快速响应部件包括具有能量接收部分的副活塞。该副活塞与能量转换部分互连，其中副活塞的能量接收部分被配置成从燃烧中抽取该能量部分并将该能量传送到快速响应部件的能量转换部分。在能量转换部分，从燃烧中提取的能量部分被转换为以下能量之一液压能、气压能、电能和机械能。
本发明的另一个方面假定在顶部和底部死点位置之间的主活塞的直线运动总是基本上恒定的，而副活塞的直线运动在长度上是可变的。该可变长度由至少该能量部分所作用于的负载来确定。此外，主活塞的有效惯性大于副活塞的有效惯性，它们的比率至少为5∶1。至少在该能量部分被提取给副活塞时为此比率。
控制器被配置成控制室中的燃烧。尤其是，根据负载和/或内燃机的要求，控制器被配置成控制和选择特定的循环，用以从主活塞在室中往复运动的基本连续的重复循环中启动燃烧。这样，控制器被配置成控制由副活塞提取的能量，以提供能量的脉冲调制和/或幅度调制。这样，选择特定循环的能力，以及进而从循环到循环快速提供能量并终止能量的能力提供了比从主活塞提供的带宽更优良的带宽。
在一个实施例中，室主要包括单个间隔室，该单个间隔室同时容纳主活塞和快速响应部件。快速响应部件包括副活塞，其中副活塞和主活塞相对，它们之间为室中的燃烧部分。
在第二实施例中，室包括由分隔部分分隔的第一间隔室和第二间隔室以及在分隔部分中限定的、并在第一和第二间隔室之间扩展的孔。使用该配置，流体由主活塞通过孔从第一间隔室到第二间隔室进行压缩，其中控制器在第二间隔室中引燃压缩后的流体。在第二实施例中，燃烧至少部分地被从主活塞隔离。
在第三实施例中，本发明请求保护与非燃烧系统相关的快速响应部件。在该系统中，例如催化剂的反应元被置于室中。反应元置于室中并被配置成接收流体，例如单组分火箭燃料或过氧化氢，以产生非燃烧反应，该反应为室提供能量和可变压力，用于使主活塞往复运动。控制器被配置成通过控制进入室的流体来控制非燃烧反应。快速响应部件位于邻近进行非燃烧反应的室的部分，以便快速响应部件被配置成抽取和提取非燃烧反应的能量的一部分。
通过考虑令人信服的说明书、附图和所附的权利要求书，本发明的其它特征和优点对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。
图1根据本发明的第一实施例显示了快速响应能量提取系统的侧面示意图，该示意图描绘了具有主活塞和副活塞的室；图2根据本发明的第一实施例显示了与不同部分的侧面示意图相关的框图，该框图描绘了通过快速响应能量提取系统的能量转换部分进行的各种形式的能量转换；图3根据本发明的第二实施例显示了快速响应能量提取系统的部分的侧面示意图，该示意图描绘了具有多个间隔室的室；图4根据本发明显示了在主活塞和副活塞的时间、温度和位移方面主活塞相对于副活塞的物理响应特性的示意图；图5根据本发明显示了主活塞相对于副活塞的物理响应特性的示意图，该示意图描绘了副活塞的脉冲调制；图6根据本发明显示了副活塞的物理响应特性的示意图，该示意图描绘了副活塞的脉冲调制和幅度调制的组合；图7根据本发明显示了快速响应能量提取系统的部分的侧面示意图，该示意图在直线位移方面描绘了主活塞和副活塞；图7A根据本发明显示了副活塞的直线位移相对于较重和较轻的负载的示意图；图8根据本发明的第三实施例显示了快速响应能量提取系统的部分的侧面示意图，该示意图描绘了非燃烧系统；以及图9显示了本发明的有代表性的应用的正面图，其用于可穿戴的外骨骼骨架。
具体实施例方式
出于增进对本发明的原理的理解的目的，现在将参考附图中显示的典型实施例，并将使用特定的语言描述图中相同的部分。尽管如此，应当理解并非旨在由此对本发明的范围进行限制。在此显示的新颖性特征的任何改变和进一步的修改，以及相关领域技术人员和阅读了本公开内容的技术人员会作出的在此显示的本发明原理的任何其它应用，应被看作是在本发明的范围之内的。
首先参考图1，其中显示了快速响应能量提取系统100的简化的示意图。此类系统100可以部分地包括典型的内燃(“IC”)机，如四冲程火花点火IC发动机。本发明也可以利用其它类型的发动机，如压缩点火内燃机、两冲程内燃机、非燃烧发动机或任何其它适用的发动机。为了简化起见，此处快速响应能量提取系统100结合典型的四冲程火花点火内燃机显示，其中本发明描绘了单个的室110。
室110由室壁105限定并包括一个或多个入口112，用于单独或混合地接收燃料114和诸如空气或氧气之类的氧化剂；以及出口122，用于释放燃烧废气124。入口112和出口122中的每一个都包括阀门(未示出)，这些阀门每一个都被配置成在特定的时刻打开和关闭以使燃料114和废气124分别进入和排出室110。室110包括主活塞130、副活塞140以及它们之间的燃烧部分120。主活塞130与活塞杆132互连，活塞杆132又与曲轴134互连。主活塞130被限定大小并被配置成在室110中作直线运动，用以将来自主活塞130的直线运动138转换成曲轴134的旋转能136。此类旋转能136可用于为广泛范围的外部应用提供动力，该外部应用例如通常利用内燃机的任何类型的应用。
主活塞130的直线运动138发生在顶部死点(“TDC”)位置和底部死点(“BDC”)位置之间。TDC位置出现在活塞130运动到离曲轴134的最远位置时，BDC位置出现在主活塞130运动到离曲轴134的最近位置时。TDC位置和BDC位置之间的主活塞130的直线运动可由室110的燃烧部分120中周期性的燃烧产生。主活塞130还可通过其它适合的装置，例如使用来自电池的能量的电动马达在室110中作直线运动。
内燃机的四冲程循环从活塞130位于TDC开始。随着活塞130向BDC运动，燃料114和氧化剂或可燃烧的混合物通过入口112被引入室110，入口112可以包括一个或多个开口，也可以是可变的开口，该可变的开口用于改变进入室110的燃料114的流量。一旦燃料114进入室110，入口112被关闭，活塞130向TDC返回，压缩室110中的可燃烧混合物和/或燃料114。由控制器115控制的点火源116提供火花，此时压缩的燃料燃烧并驱动活塞130返回BDC。控制器115也可被配置成控制入口112和出口122处的阀门(未示出)，以控制燃料114馈送给室110的速率。随着活塞130再次向TDC返回，燃烧废气124被通过出口122排出。然后出口122关闭，入口112打开，可以重新开始四冲程循环。以这种方式，一系列的燃烧循环为曲轴134提供动力，曲轴134为外部应用提供旋转能136。
根据本发明，室110还包括副活塞140，副活塞140具有从其上延伸的副活塞杆142。副活塞140包括表面或能量接收端144，并且副活塞杆142连接到能量转换部分146。能量接收端144可位于室110中正对着主活塞130，以便主活塞130和副活塞140的纵向运动与室110的纵轴一致。在非活动位置，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适合的密封装置上偏置，被弹力或另一种适合的偏置力，比如蓄压器来偏置，以便副活塞140在燃料被引入燃烧室110之前或在系统100的循环燃烧期间进行燃烧之前被偏置。
本发明的一个重要的方面是副活塞140具有的惯性显著低于主活塞130具有的惯性。此种位于邻近室110的燃烧部分120的显著较低的惯性有助于快速响应燃烧，这提供了沿室110的纵轴的副活塞140的直线运动148。由于副活塞140的惯性要远远低于主活塞130的惯性，副活塞140可以在燃烧产生的能量由于内燃机固有的低效率而浪费了之前有效地提取该能量的大部分。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对室110中的燃烧作出反应以便为能量接收端144提供直线运动148，然后作用于系统100的能量转换部分146。
现在参考图2，能量转换部分146可以包括和/或可以连接到任意数量的能量转换装置。特别是，能量转换部分146被配置成将副活塞140的直线运动转换为液压能、气压能、电能和/或机械能中的任意一种。将直线运动转换成该各种类型的能量在本领域中是公知的。
例如，在液压系统160中，经由副活塞杆142传送到液压室162中液压活塞164的直线运动可以提供液压和流168，如本领域中公知的那样。类似地，在气压系统170中，副活塞杆142可以为气压室172中的气压活塞174提供直线运动，来以气压和气流178的形式提供输出能量。
其它系统可以包括电系统180和机械系统190。如本领域中公知的那样，在电系统180中，副活塞杆142的直线运动可以与其周围绕有线圈的衔铁互连，其中衔铁在线圈中往复运动以产生电能输出188。此外，在机械系统中，来自副活塞杆142的直线运动可以转换成旋转能198，棘爪192推动曲轴194以提供旋转能198。此外，副活塞杆142可以直接与曲轴194互连以提供旋转能198。其它转换能量的方法对于本领域技术人员是显而易见的。例如，本发明的能量转换部分146可以利用旋转发电机、齿轮传动系统和皮带传送系统。
现在参考图3，图中显示了快速响应能量提取系统200的第二实施例。除室210用置于中间的分隔部分250限定了第一间隔室254和第二间隔室256之外，第二实施例与第一实施例类似。分隔部分250在其中限定有孔252，该孔252在第一间隔室254和第二间隔室256之间扩展。使用此配置，主活塞230置于第一间隔室254中，副活塞240置于第二间隔室256中。入口212使得燃料214和/或燃烧混合物进入第一间隔室254。燃料214和/或燃烧混合物借助主活塞230通过孔252从第一间隔室254被推入第二间隔室256。燃料214和/或燃烧混合物在室210的燃烧部分220被压缩，燃烧部分220紧靠副活塞240。然后点火源216点燃燃料以进行燃烧，其中副活塞240快速响应燃烧作直线运动，如箭头248所示。然后燃烧废气224通过出口222排出。应当注意第一间隔室254和第二间隔室256之间可以间隔很远，其中第一和第二间隔室254和256可借助管道通过流体互相联系。
在第二实施例中，主活塞230可通过燃烧或电源作往复运动以将燃料214从室210的第一间隔室推向室210的第二间隔室。通过具有分隔部分250，在室210的燃烧部分220的燃烧至少能够部分地、或甚至完全地与主活塞230隔离。根据系统200的要求，控制器215可被配置成以不同的程度打开或关闭孔252以将燃烧与主活塞230隔离。这样，在完全隔离的情况下，通过快速响应燃烧，可以最大化传送到副活塞240的能量。还可以构想第一间隔室254中的主活塞230可以包括正位移压缩机和/或气动压缩机，例如离心压缩机。
现在参考图1和4，图中显示了副活塞140相对于主活塞130的物理响应特性的示意图。线330表示在TDC 350和BDC 352位置之间往复运动的主活塞130的直线运动138。线330显示了四循环内燃机的一个完整的循环，其中主活塞130在TDC 350和BDC 352位置之间经过两次，在主活塞130初次到达TDC之后立即发生一次燃烧事件。线340显示了副活塞140的直线位移。如图所示，副活塞140在主活塞130从TDC 350下降开始的至少45度，甚至30度之内基本上达到全位移，其中副活塞140完成一个循环要比主活塞130完成一个循环快得多。
现在再看线360，其中示出了对于主活塞130和副活塞140的直线位置分别由于燃烧和热损失而引起的室110中的温度升高和降低的相对指示。在主活塞130接近TDC 350位置时，在紧接着点燃燃料114和/或燃烧混合物之后，燃烧促使温度急剧上升。众所周知，内燃机被设计为将燃烧产生的热能转换成主活塞的直线运动，该直线运动又被转换成传动轴中的旋转能。但是由于热量散失到环绕燃烧室的内燃机壁和废气中，传统内燃机中产生的热能的大部分都损失了。即使最高效的内燃机的效率也很少达到超过35％。因此，燃烧燃料中超过一半的可用能量以热的形式经由传导和辐射通过壁和活塞损失了，以及以通过废气排出的热量的形式损失了。
由表示燃烧的上升和下降线360所示的热增加和热损失表示了能量以热能的形式可用的时间和主活塞130应提取热能的时间。时间t2表示大部分热能可供主活塞进行转换所用的时间期间。时间t1表示主活塞130正在从TDC 350运动到BDC 352位置的时间期间。正是在期间t1中主活塞130应从燃烧过程中转换能量。如两个时间期间t1和t2之间的不同所示，来自燃烧的大部分热能在主活塞130到达其在TDC 350到BDC 352位置之间行程的中点354之前就散失了。
但是，根据本发明，副活塞140在时间期间t2结束之前基本上完成了其有用的能量提取循环。尤其是，如线340所示，由副活塞140提取的能量的至少90％是在从主活塞130从TDC 350位置下降开始至少45度，甚至至少30度之内提取的。由于副活塞140运动得比主活塞130快得多，副活塞140可以在热能损失于由内燃机的壁、主活塞和其它部件形成的吸热设备之前将大得多的比例的热能转换成直线运动。此外，由于副活塞140的动作独立于主活塞130，并且由于副活塞140具有比主活塞130低得多的惯性，副活塞140可以以非常短的响应时间对燃烧作出反应，而不必受主活塞130的阻碍。
例如，具有运行在每分钟3000转的工作特性的内燃机，t1将大约为10毫秒，或0.010秒，t2将大约为3毫秒。由于副活塞140可以独立于主活塞130工作，副活塞140可以以大约3毫秒的响应时间或甚至可能更短的响应时间工作。换句话说，副活塞140可以在至少3毫秒的时间期间内开始和停止从系统100的燃烧循环中提取能量。较高的循环速率可以通过使主活塞130工作在较高的速度(即较高的rpms数)上来实现。
再看图1和5，图中显示了副活塞140相对于主活塞130所提供的诸如脉冲调制和优良的带宽之类的物理响应特性。尤其是，线430描绘了主活塞130重复地或基本连续地以TDC和BDC位置之间的基本固定的位移作往复运动。在主活塞130连续往复运动时，控制器115被配置成在主活塞130的往复运动的有选择的循环中控制燃烧。选择进行燃烧的主活塞130的往复运动循环以相应的线440显示。线440表示由副活塞140从主活塞130的选出的循环中提取的能量的一部分，在选出的循环中控制器115控制或启动燃烧(即幅度调制、脉冲调制和频率调制)。线440的平坦部分442对应于未进行燃烧，表示没有副活塞140的位移和能量提取。
如图所示，主活塞130在室110中连续地往复运动，其中控制器115有选择地控制发生燃烧的特定的往复运动循环。这样，选择进行燃烧以助于提取燃烧能量的一部分的循环可以包括主活塞的每个往复运动循环，或如图所示包括脉冲调制。这样的脉冲调制提供了在主活塞130的一个或多个选出的循环上提取的热能以及没有提取能量的一个或多个选出的循环序列。
本领域普通技术人员应当很容易地认识到，脉冲调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。这样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的选出的循环中提取能量的能力提供了远比主活塞130的能量提取和转换的带宽优良得多的令人满意的带宽。这样，通过控制器115在选出的循环中控制燃烧以及副活塞140对燃烧作出反应，如线440所示，可以以快速的响应和令人满意的带宽提供和停止提供能量。此外，参考图1和6，控制器115可以在主活塞130的选出的循环中控制燃料114和燃烧，以便副活塞140提取燃烧能量的一部分以提供幅度调制和进一步的脉冲幅度调制540。此外，本领域普通技术人员应当容易地认识到控制器115可以在选出的循环中控制燃料114和燃烧以提供频率调制以及甚至频率脉冲调制或甚至频率幅度调制。
再看图7，图中显示了对于室610中的主活塞630和副活塞的每一个的相对直线运动。特别是，室610中主活塞630的直线运动638具有基本上恒定的位移D1。与之相反，副活塞的直线运动648的位移长度可变，由位移D2表示。副活塞的位移D2的该可变长度可以相对于负载650改变，由副活塞提取的能量作用于该负载650。影响副活塞640的位移D2的其它因素涉及副活塞640及其活塞杆642的质量惯性。如前所述，至少在副活塞640从燃烧中提取能量的一部分时间期间内，主活塞630、曲轴部件的有效惯性大于副活塞640的有效惯性，其比率至少为5∶1，甚至至少为10∶1。由于副活塞640的惯性小于主活塞630的惯性，副活塞640能够以快速响应进行反应。在这种方式下，副活塞640的位移D2的长度是可变的，其中位移D2自然地与至少提取的能量所作用于的负载650以及燃烧时作用于副活塞640的燃烧力相匹配和相对应。D2′和D2″代表各种长度，这些长度形成了连续的值并对应于连续的传输系统。这显示在图7A中，其中D2′对应于较重的负载，D2″对应于较轻的负载，由此消除了内燃机通常需要的单独的传输装置的需要。
参考图8，根据本发明的第三实施例，可以在非燃烧发动机中提供快速响应能量提取系统700。系统700包括具有主活塞730和副活塞740的室710。代替由燃料和氧气提供的内部燃烧，流体714，例如单组分火箭燃料或过氧化氢，可以通过室710的入口712进入。流体714可以穿过或通过反应元720，例如催化剂或热交换器。这样的催化剂可以包括银、银合金和/或银/陶瓷材料。随着流体714通过反应元720，产生快速非燃烧反应，该反应可包括快速分解流体714和/或汽化流体714。如在内燃机中那样，这样的快速非燃烧反应使得副活塞740快速响应以从快速非燃烧反应提取能量的一部分。在此系统中，主活塞730可以往复运动并起类似于内燃机中的主活塞的作用，或者，主活塞730可以简单地用作将流体吸入或抽出室710的装置。
尽管上述讨论集中于作为初级能源的四冲程内燃机的特性，本发明并不限于用于内燃机中。本发明可以用于任何提供可变脉动压力的初级能源。例如，两冲程内燃机、柴油发动机、斯特林发动机、外燃机和热力发动机都可以用作快速响应动力转换装置的初级能源。上述的本发明可用于为机器人中使用的能源提供能量自给。机器人可以由不受限于任何初级能源的自给的燃料消耗装置提供动力。由于本发明为直接将燃料转换成快速响应能量提供了方便，任何诸如液压蓄能器或电池之类的中间存储装置将不再是必需的，消除了加到机器人的大的重量而不牺牲机器人使用动力的速度。
例如，本发明可用于为机器人中使用的能源提供能量自给。机器人可以由不受限于任何初级能源的自给的燃料消耗装置提供动力。由于本发明为直接将燃料转换成快速响应能量提供了方便，任何诸如液压蓄能器或电池之类的中间存储装置将不再是必需的，消除了加到机器人的大的重量而不牺牲机器人使用动力的速度。
除提供用于机器人中的重量轻、能量自给的快速响应能源以外，本发明可以以基本相同的方式用于帮助人类运动。图9中的800总体上显示了可被人类使用的可穿戴外骨骼骨架。中央控制单元802可以用作燃料存储装置、动力产生中心和/或信号产生/处理中心。如804所示，执行机构806在808附加至外骨骼关节809。该执行机构内的汽缸(未示出)可以伸出或收缩以分别调整外骨骼骨架的上部和下部的腿段816和818的相对位置。执行机构806可由快速响应动力转换装置810驱动。快速响应动力转换装置可以为小型内燃机，该小型内燃机由来自燃料管路812中的燃料供能，由输入/输出信号线814进行控制。该系统可被配置以使执行机构和动力转换装置位于外骨骼骨架的每个关节并且由来自主控制单元802的信号控制。或者，该系统可被配置以使一个或多个主动力转换装置位于中央控制单元802中以有选择地为位于外骨骼的每个关节的执行机构提供动力。传感器(未示出)可以被附加到外骨骼的各点以监测运动并提供反馈，还可以包括诸如动力中断之类的安全装置(未示出)以保护穿戴外骨骼骨架的人员的安全。
可穿戴的外骨骼骨架可用于许多应用中。在一个实施例中，骨架可被配置成帮助在困难或危险任务中的军事人员。能量自给的快速响应动力转换装置可为使用常规的初级能源以增强人员的力量、耐力和速度，而不需要该人员受限于初级能源提供了方便。可穿戴的骨架可以减少危险或有害任务中需要的人数并减少执行此类任务时人员经受的生理上的压力。可穿戴的骨架也可以配置为用于专用的任务，这些任务可能涉及暴露于辐射、气体、化学或生物试剂。
可穿戴的骨架还可以用于帮助残疾人完成否则是不可能的工作，例如坐下、站立或行走。快速响应动力转换装置可以用作功率放大器，将细微的运动和力放大成可控的、大的运动和力。通过在骨架上的不同位置有计划地放置传感器和控制装置，只能施加非常小的力量的个人可以控制该骨架的运动。由于快速响应动力转换装置是能量自给的，残疾人可以自由运动而不必受限于能源。快速响应动力转换装置还能够产生模仿人类动作所需的细微的、不连续的动作。诸如动力中断之类的安全装置可以被构建于系统中，以防止骨架的不经意的动作和对穿戴该骨架的个人的任何损害。
除了上述应用以外，本发明可以用于需要快速响应动力的任意数量的应用中并且不使应用受限于初级能源。实例可以包括动力驱动轮椅、高尔夫球车、汽车、滑板、小型摩托车、超轻型飞机和其它机动车以及通常任何利用(leverage)机械能和从能量自给中受益的应用。
应当理解上述配置只是本发明原理的示例性的应用。本领域技术人员可以在不背离本发明的精神和范围的情况下设计许多修改和替代配置，且所附的权利要求书旨在覆盖此类修改和配置。这样，尽管在附图中示出了本发明并结合当前被视为本发明最实际的和优选的实施例的实施例具体详细地在上面完整说明了本发明，本领域普通技术人员显而易见可以在不背离上述本发明的原理和观念的情况下作出许多修改，包括但不限于大小、材料、形状、形式、功能、工作方式、部件和应用的改变。
权利要求
1.一种内燃(IC)机，包括室，具有活塞、连接到所述室用以向该室提供流体的至少一个流体口以及出口，所述活塞和所述至少一个流体口配置成为所述室提供可变压力，所述活塞和所述流体配置成至少部分地有助于燃烧以从所述室的燃烧部分中的所述燃烧中提供能量；用于控制所述室中的所述燃烧的控制器；以及与所述室通过流体联系的快速响应部件，所述快速响应部件位于邻近所述室的所述燃烧部分，所述快速响应部件配置成从所述室中的所述燃烧中抽取所述能量的一部分。
2.根据权利要求1的内燃机，其特征在于所述快速响应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转换部分，所述能量接收部分配置成从所述室中的所述燃烧中抽取所述能量的所述部分。
3.根据权利要求2的内燃机，其特征在于所述能量转换部分被配置成将来自所述燃烧的所述能量的所述部分转换为选自液压能、气压能、电能和机械能的至少一种形式的能量。
4.根据权利要求2的内燃机，其特征在于进一步包括在操作上连接到所述副活塞的所述能量转换部分的副能量转换系统，所述副能量转换系统选自液压系统、气压系统、发电机系统和机械系统。
5.根据权利要求1的内燃机，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烧的火花点火源。
6.根据权利要求1的内燃机，其特征在于所述控制器包括用于将燃料与氧化剂混合以至少部分地有助于所述室中的所述燃烧的燃料控制器。
7.根据权利要求6的内燃机，其特征在于所述氧化剂选自纯氧和空气。
8.根据权利要求1的内燃机，其特征在于所述控制器包括用于将燃料释放到压缩后的氧化剂流体中以至少部分地有助于所述室中的所述燃烧的结构。
9.根据权利要求1的内燃机，其特征在于所述室被配置成与选自火花点火内燃机和压缩点火内燃机的发动机结合工作。
10.根据权利要求1的内燃机，其特征在于所述快速响应部件被配置成提供大于由所述内燃机的活塞直接提供的直接带宽的带宽。
11.根据权利要求1的内燃机，其特征在于所述快速响应部件被配置成在从最接近所述燃烧的瞬间并在所述活塞往复运动到顶部死点位置和底部死点位置之间的中点位置之前的时间期间中从所述室抽取所述能量的所述部分。
12.根据权利要求2的内燃机，其特征在于所述室容纳所述活塞和所述副活塞的至少一个。
13.根据权利要求2的内燃机，其特征在于所述室包括第一间隔室和第二间隔室，两个分隔室之间具有分隔部分，所述第一间隔室包括所述活塞并且所述第二间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，该孔在所述第一间隔室和所述第二间隔室之间延伸。
14.根据权利要求13的内燃机，其特征在于所述流体由所述活塞至少部分地压缩到所述第二间隔室中，其中所述控制器包括配置成至少部分地有助于所述第二间隔室中的所述燃烧的火花点火源。
15.根据权利要求1的内燃机，其特征在于所述活塞被配置成基本上连续地在所述室中往复运动。
16.根据权利要求15的内燃机，其特征在于所述控制器被配置成在一个或多个循环的选定循环启动所述燃烧，其中所述选定循环与所述活塞基本上连续地在所述室中往复运动的循环相比是非连续的。
17.一种内燃机，包括室，具有活塞、连接到所述室用以向该室提供流体的至少一个流体口以及出口，所述活塞和所述至少一个流体口配置成为所述室提供可变压力和温度，所述活塞配置成在所述室中顶部死点位置和底部死点位置之间往复运动，所述活塞的每一往复运动定义了一循环，所述活塞和所述流体配置成至少部分地有助于燃烧以从所述室的燃烧部分中的所述燃烧中提供能量；用于控制所述室中的所述燃烧的控制器；以及与所述室通过流体联系的快速响应部件，所述快速响应部件配置成在从最接近所述燃烧的瞬间并在所述活塞位于所述顶部死点位置和所述底部死点位置之间的中点之前的时间期间中从所述室抽取所述能量的一部分。
18.根据权利要求17的内燃机，其特征在于所述最接近所述燃烧的瞬间是紧邻燃烧之前。
19.根据权利要求17的内燃机，其特征在于所述最接近所述燃烧的瞬间是紧接燃烧之后。
20.根据权利要求17的内燃机，其特征在于所述快速响应部件在所述活塞从所述顶部死点位置下降45度的范围之内从所述室抽取所述能量的所述部分的大部分。
21.根据权利要求17的内燃机，其特征在于所述快速响应部件在所述活塞从所述顶部死点位置下降45度范围之内从所述室抽取所述能量的所述部分的至少90％。
22.根据权利要求17的内燃机，其特征在于所述快速响应部件连接到选自液压系统、气压系统、发电机系统和机械系统的负载。
23.根据权利要求17的内燃机，其特征在于所述快速响应部件被配置成将来自所述燃烧的能量转换为选自液压能、气压能、电能和机械能的另一种形式的能量。
24.根据权利要求17的内燃机，其特征在于所述活塞被配置成基本上连续地在所述室中往复运动。
25.根据权利要求24的内燃机，其特征在于所述控制器被配置成在一个或多个循环的选定循环启动所述燃烧，其中所述选定循环与所述活塞基本上连续地在所述室中往复运动的循环相比是非连续的。
26.根据权利要求17的内燃机，其特征在于所述控制器被配置成控制所述快速响应部件的激活。
27.一种内燃机，包括室，具有活塞、连接到所述室用以向该室提供流体的至少一个流体口以及出口，所述活塞和所述至少一个流体口配置成为所述室提供可变压力和温度，所述活塞配置成在所述室中顶部死点位置和底部死点位置之间往复运动，所述活塞的每一往复运动定义了一循环，所述往复运动的活塞和所述流体配置成至少部分地有助于燃烧以从所述室的燃烧部分中的所述燃烧中提供能量；用于控制所述室中的所述燃烧的控制器，所述控制器配置成在所述往复运动的活塞的一个或多个循环的选定循环为所述室提供所述燃烧，其中所述选定循环与所述活塞基本上连续地在所述室中往复运动的循环相比是非连续的；以及与所述室通过流体联系的快速响应部件，所述快速响应部件位于邻近所述室的所述燃烧部分，所述快速响应部件从由所述控制器控制的所述室中的所述燃烧中抽取所述能量的一部分。
28.根据权利要求27的内燃机，其特征在于所述控制器被配置成控制所述快速响应部件的响应。
29.根据权利要求27的内燃机，其特征在于所述能量的所述部分包括除从所述活塞抽取的所述能量以外的其它能量。
30.根据权利要求27的内燃机，其特征在于所述控制器被配置成激活所述快速响应部件。
31.根据权利要求27的内燃机，其特征在于在所述选定循环控制所述室中的所述燃烧的所述控制器启动将所述能量的所述部分传送到选自液压系统、气压系统、发电机系统和机械系统的其它能量系统。
32.根据权利要求27的内燃机，其特征在于所述快速响应部件由在所述选定循环的所述燃烧激活以提供由所述控制器控制的快速响应动力。
33.根据权利要求27的内燃机，其特征在于从所述燃烧中抽取的所述能量的所述部分提供对应于所述选定循环的所述燃烧的快速响应动力，其中所述快速响应动力是在所述活塞的燃烧循环期间提供的，并且所述快速响应动力在非燃烧循环期间被快速地消除。
34.根据权利要求33的内燃机，其特征在于所述快速响应动力被提供给选自液压系统、气压系统、发电机系统和机械系统的至少一个的负载，对于所述选定的燃烧循环，这些系统中的每一系统快速地进行响应。
35.一种内燃(IC)机，包括室，具有活塞、连接到所述室用以向该室提供流体的至少一个流体口以及出口，所述活塞和所述至少一个流体口配置成为所述室提供可变压力，所述活塞配置成在所述室中在顶部死点位置和底部死点位置之间连续地以基本固定的位移往复运动，所述活塞和所述流体配置成至少部分地有助于燃烧以从所述室的燃烧部分中的所述燃烧中提供能量；用于控制所述室中的所述燃烧的控制器；以及具有与所述室通过流体联系的副活塞的快速响应部件，所述快速响应部件位于邻近所述室的所述燃烧部分以从所述燃烧中抽取所述能量的一部分，所述副活塞配置成至少部分根据连接到所述副活塞的负载来以可变的长度进行位移。
36.根据权利要求35的内燃机，其特征在于所述活塞包括第一质量，所述副活塞包括第二质量，其中至少在所述能量的所述部分被传送到所述快速响应部件期间，所述第一质量的第一有效惯性大于所述第二质量的第二有效惯性，其比率至少为5∶1。
37.根据权利要求35的内燃机，其特征在于所述快速响应部件在所述活塞从所述顶部死点位置下降45度范围之内从所述室抽取所述能量的所述部分的至少大部分。
38.根据权利要求35的内燃机，其特征在于所述快速响应部件在所述活塞从所述顶部死点位置下降45度范围之内从所述室抽取所述能量的所述部分的至少90％。
39.根据权利要求35的内燃机，其特征在于所述活塞包括第一质量，所述副活塞包括第二质量，其中所述第一质量的第一有效惯性大于所述第二质量的第二有效惯性。
40.根据权利要求35的内燃机，其特征在于进一步包括配置成提供所述副活塞的所述可变长度的连续传输系统，所述可变长度至少部分地按照所述负载的函数可变。
41.一种用于提取能量的非燃烧系统，包括室，具有配置成在室中往复运动的活塞、连接到所述室用以为该室提供流体的至少一个流体口以及出口，所述室包括用于与所述流体进行接触以提供非燃烧反应的反应元，所述非燃烧反应向所述室提供能量和可变压力以使所述活塞往复运动；用于控制所述室中的所述非燃烧反应的控制器；以及与所述室通过流体联系的快速响应部件，所述快速响应部件位于邻近进行所述非燃烧反应的所述室的一部分，所述快速响应部件配置成从所述室中的所述非燃烧反应中抽取所述能量的一部分。
42.根据权利要求41的系统，其特征在于所述流体包括单组分火箭燃料。
43.根据权利要求42的系统，其特征在于所述单组分火箭燃料包括过氧化氢。
44.根据权利要求41的系统，其特征在于所述反应元包括催化剂和热交换器的至少之一。
45.根据权利要求41的系统，其特征在于所述非燃烧反应包括快速分解所述流体。
46.根据权利要求41的系统，其特征在于所述非燃烧反应包括汽化所述流体。
47.根据权利要求41的系统，其特征在于所述非燃烧反应包括快速气体膨胀。
48.一种用于从内燃机提取额外能量的方法，所述方法包括提供室，该室具有活塞、连接到所述室用以向该室提供流体的至少一个流体口以及出口，所述活塞和所述至少一个流体口配置成为所述室提供可变压力，所述活塞配置成在所述室中在顶部死点位置和底部死点位置之间往复运动，所述活塞的每一往复运动定义了一循环，所述活塞和所述流体配置成至少部分地有助于燃烧以从所述室的燃烧部分中的所述燃烧中提供能量；提供快速响应部件；定位所述快速响应部件使之与所述室通过流体联系并邻近所述室的所述燃烧部分；以及使用与所述室互连的控制器控制所述室中的所述燃烧。
49.根据权利要求48的方法，其特征在于进一步包括配置所述快速响应部件在从最接近所述燃烧的瞬间并在所述活塞位于顶部死点位置和底部死点位置之间的中点之前从所述室中的所述燃烧中抽取所述能量的一部分。
50.根据权利要求49的方法，其特征在于所述配置包括配置所述快速响应部件在所述活塞从所述顶部死点位置下降45度范围之内从所述室抽取所述能量的所述部分的大部分。
51.根据权利要求50的方法，其特征在于所述配置包括配置所述快速响应部件在所述活塞从所述顶部死点位置下降45度范围之内从所述室抽取所述能量的所述部分的至少90％。
52.根据权利要求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个或多个循环的选定循环为所述室提供所述燃烧以使所述选定循环与所述活塞连续地在所述室中往复运动的循环相比是非连续的。
全文摘要
一种用于从内燃机提取能量的装置和方法。内燃机包括具有主活塞(130)和副活塞(140)的室(120)，室的燃烧部分位于邻近主和副活塞之间。副活塞包括显著小于主活塞的质量。室包括至少一个流体口(112)用以向燃烧部分提供燃料，以及出口(122)用以释放燃烧废气。使用此配置，副活塞被配置成从燃烧过程中抽取能量的一部分。此能量的一部分以快速响应被提供给与副活塞互连的能量转换部分(146)。
文档编号F02B75/28GK1541305SQ02815672
公开日2004年10月27日 申请日期2002年7月5日 优先权日2001年7月5日
发明者S·C·雅各布森, M·奥利维尔, S C 雅各布森 申请人:萨科斯投资公司