CN102640402B - 内燃机及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种内燃机和用于使内燃机的燃料效率最大化的方法。该内燃机包括具有联接至其上的电磁体的机体组件和可相对于该机体组件运动的发动机元件。发动机元件包括联接至其上的永磁体。控制系统用以选择性地向电磁体供给电流以产生期望的磁场，其中电磁体的磁场与永磁体的磁场共同作用以影响发动机元件相对于机体组件的运动。

Description

内燃机及其操作方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2009年5月15日提交的美国临时专利申请序列号No.61/178,742和2009年10月15日提交的美国临时专利申请序列号No.61/251,876的权利，在此通过引用将所述美国专利申请的全部内容结合于本申请中。
技术领域
本发明涉及一种内燃机，更具体地说，涉及一种机体及其相关零件，以及一种对该内燃机进行操作以使内燃机的燃料效率最大化的方法。
背景技术
碳氢燃料是用于驱动内燃机的主要燃料。这类燃料由在地球上发现的有限的石油供应得到。随着人口数量的增加，内燃机的使用以及对用来驱动内燃机的碳氢燃料的需求也在增加。
从有限的石油供应中得到的碳氢燃料的生产很有可能跟不上逐步增长的需求。此外，可以预计到，在某个时间点，有限的石油供应将消耗殆尽。
一种用于减少碳氢燃料需求的策略是使用替代燃料，如乙醇、天然气和氢来例如驱动内燃机。然而，目前替代燃料的可利用性十分有限。要使消费者容易获得替代燃料，就需要投入大量的资金用来建设生产替代燃料的设备以及配送替代燃料的基础设施。
生产替代燃料通常需要消耗其他资源，例如消耗电能以生产氢，消耗玉米以生产乙醇。生产替代燃料还可能需要消耗碳氢燃料。因此，不论是使用传统的碳氢燃料还是替代燃料，都需要增大内燃机的燃料效率以使石油和其他自然资源的消耗最小化。
期望生产出一种内燃机及其操作方法，其中该内燃机的燃料消耗被最小化。
发明内容
与本发明相符和一致，已出人意料地发现了一种内燃机及其操作方法，其中内燃机的燃料消耗被最小化。
在一个实施方式中，发动机包括：包含电磁体的机体组件；位于机体组件中并可相对于机体组件运动的发动机元件，该发动机元件包括永磁体；以及适于选择性地向电磁体提供电流以产生期望磁场的控制系统，其中电磁体的磁场与永磁体的磁场共同作用以影响发动机元件相对于机体组件的运动。
在另一个实施方式中，发动机包括：具有包含在其中形成的多个缸套的至少一个气缸组的机体；位于每个缸套中作往复运动的活塞；可旋转地安装至机体的曲轴；多个具有第一端和第二端的连杆，第一端可旋转地附接至曲轴，而第二端联接至活塞；安装至气缸组并覆盖缸套的缸盖，缸盖包括与每个缸套流体相通的进气气门和出气气门；安装至机体下端以形成发动机的曲轴箱区域的油底壳；位于机体中的多个电磁体；位于活塞和曲轴中的至少一个中的多个永磁体；以及选择性地提供电流给电磁体以产生期望磁场的控制系统，其中电磁体的磁场与永磁体的磁场共同作用以影响活塞和曲轴相对于机体的运动。
上述目的可典型地通过一种用于使发动机的燃料效率最大化的方法来实现，该方法包括下列步骤：提供发动机，该发动机包括具有包含在其中形成的多个缸套的气缸组的机体、位于每个缸套中作往复运动的活塞、可旋转地安装至机体的曲轴、多个具有第一端和第二端的连杆，第一端可旋转地附接至曲轴，而第二端联接至活塞，其中缸套内燃料的燃烧引起活塞的往复运动以及曲轴相对于机体的旋转；给机体提供多个电磁体；给活塞和曲轴中的至少一个提供多个永磁体；以及提供控制系统以选择性地提供电流给电磁体以产生期望的磁场，其中电磁体的磁场与永磁体的磁场共同作用以影响活塞和曲轴相对于机体的运动。
附图说明
通过阅读下文中对附图所示实施方式的详细描述，本发明的上述目的和优点对本领域技术人员而言将变得十分明显，附图中：
图1为具有电磁推进系统的杆和活塞式(rod and piston type)内燃机的立体图，该图切掉了部分机体和气缸盖；
图2是图1中的杆和活塞式内燃机的局部截面侧视图，其示出了联接至机体以支承多个电磁体的支架；
图3是具有电磁推进系统的转子式发动机的截面侧视图；
图4是用于图1-2中所示的杆和活塞式发动机以及图3中所示的转子式发动机的控制系统的示意图；
图5是根据本发明的实施方式的机体的立体图；
图6是位于图5中所示的机体的缸套内的活塞的局部截面侧视图；
图7是根据本发明的另一实施方式的机体的立体图；
图8是截取了部分曲轴的局部侧视图，该曲轴具有位于曲轴的主轴颈和连杆轴颈周围的轴承；
图9是根据本发明的另一实施方式的截取了部分曲轴的局部侧视图，该曲轴具有一对位于曲轴的连杆轴颈周围的轴承；
图10是机体下端的支架的顶部平面图；
图11是机体的局部端部视图，其示出了图10中所示的支架和相关油底壳的部分分解组件，该油底壳的部分外表面已被切掉；
图12是图11中所示的支架和油底壳的组件的局部侧视图；
图13是用于将流体导向内燃机内的选定位置的润滑系统的示意图；
图14是用于将空气排出内燃机曲轴箱的曲轴箱真空系统的示意图；以及
图15是适于将机体安装至相关车辆上的机体安装系统的顶部立体图。
具体实施方式
下文的详细说明和附图描述并示出了本发明的各个典型实施方式。该说明和附图用以使得本领域技术人员能够制造和使用本发明，而非意在对本发明的范围进行任何限制。对于所公开和示出的方法来说，所给出的步骤实质上是示范性的，因此这些步骤的顺序并不是必须的或者关键的。
参见图1，其示出了一种适于最大化其燃料效率的杆和活塞式内燃发动机10。发动机10包括机体12，机体12具有形成在其内并适于往复接收活塞16的至少一个缸套14。活塞16包括上表面18和从其垂下的裙部20。应当理解，发动机10可以是例如单缸发动机或者V型、直列和对置缸套配置的多缸发动机。另外，应当理解，发动机可以是四循环或两循环的发动机，并且可以基于奥托循环、米勒循环、史古德利分开循环、或者目前已知或将来发展出的其它任一发动机循环。此外，发动机10可适于燃烧柴油、汽油、乙醇、氢、或者目前已知或将来发现的其他任一合适的燃料、以及这些燃料的组合。
具有至少一个轴柄24的曲轴22可旋转地安装至采用多个主盖26和相关主轴承28的机体12的下端。连杆30被提供用来将活塞16连接至曲轴22。连杆30的一端可旋转地安装至曲轴22。连杆30伸入缸套14内，并且连杆30的相对端枢轴附接至活塞16，其中活塞16的往复运动引起曲轴22的转动。
缸盖32安装至机体12并且盖住缸套14以在活塞16的上表面18和缸盖32之间限定出燃料燃烧室。至少一个进气气门34和至少一个排气气门36位于缸盖32上。进气气门34有选择地允许燃料-空气混合物流入燃烧室。排气气门36有选择地允许燃烧后的燃料从燃烧室排出。在所示实施方式中，气门34，36采用包括顶置凸轮轴38及相关挺柱40和气门弹簧41的配气机构进行机械驱动。应当理解，配气机构可包括单顶置凸轮或双顶置凸轮，并且可以是例如采用挺柱、推杆、摇臂和压缩弹簧的单个凸轮。应当理解，可以采用螺线管电磁驱动的进气气门和排气气门。还应当理解，可以使用当前已知的或者以后发展出的其他类型的凸轮组件。缸盖32还可包括燃料喷射器(未示出)，其中空气经由进气气门34进入燃烧室，而燃料经由燃料喷射器直接喷入燃烧室。围绕燃烧室的表面，例如缸套14的表面，活塞16的上表面18，缸盖32的表面，以及气门34，36的表面，例如可以是经过抛光的或者具有如铬或工业金刚石材料的镀层以便于将热能从各个表面反射出去。
缸盖32还包括用于启动燃烧室内的燃料燃烧的装置。典型地，具有电极的火花塞42被提供用来启动燃料的燃烧。火花塞42螺纹安装在缸盖32中以将电极置于燃烧室内。火花塞42采用来自点火系统(未示出)的电能来在电极处产生火花以点燃燃烧室内的燃料。应当理解，发动机10可以是不采用火花塞42来启动燃料燃烧的柴油发动机。
燃料的燃烧引起活塞16的往复运动，这导致曲轴18的转动。应当理解，需要附加的元件来构建起运行的发动机，并且本领域技术人员知道用于发动机的通常运行所必须的典型的附加元件。
应当理解，机体12和发动机元件的选定表面可以具有镀层以使得运动元件之间的摩擦力最小化。例如，可以在形成缸套14的机体12的表面、活塞16的表面、以及连杆30的表面提供特富龙工业金刚石、或者当前已知或以后研发出的其他任一适合的镀层。此外，应当理解，可以采用陶瓷材料来形成活塞16的至少一部分或者活塞16的至少一部分的镀层以使其重量最轻化。
发动机10包括电磁推进系统。电磁推进系统包括例如陶瓷磁体和稀土磁体的多个永磁体44以及多个电磁体46。永磁体44和电磁体46联接至和/或嵌入选定的发动机部件，例如机体12、活塞16、曲轴22、主盖26、连杆30、缸盖32、进气气门34、排气气门36、凸轮轴38、气门罩(未示出)、油底壳(未示出)等。永磁体44和电磁体46排列成在发动机10运行期间相对于彼此运动。例如，一个或多个永磁体44可联接至活塞16的上表面18和裙部20以及联接至曲轴22的轴柄24的外周。电磁铁46可联接至和/或嵌入机体12和缸盖32，其中当发动机10运行时永磁体44经过邻近电磁铁46的区域。电磁体46选择性地通有电流以产生期望的磁场。所产生的磁场可适于选择性地吸引和排斥永磁体44以便于活塞16和曲轴22相对于机体12运动。例如，每当活塞16大致位于上死点时，缸盖32中的电磁铁46可对活塞16的永磁体44产生一个排斥磁力，其中该排斥磁力便于使活塞16离开缸盖32向下运动。此外，每当活塞16大约位于下死点时，缸盖32中的电磁铁46可对活塞16的永磁体44生成一个吸引磁力，其中该吸引磁力便于活塞16朝着缸盖32作向上运动。在所示实施方式中，作为示例，永磁体44与电磁铁46之间的吸引和排斥可提供大约3至5磅的力以便于活塞16进行往复运动。在所示实施方式中，轴柄24大致为圆盘的一部分。应当理解，轴柄24可形成为整个圆盘，其中该大致圆盘形状的轴柄与曲轴22的纵轴线同心以使永磁体44围绕曲轴22的纵轴线环形排列。应当理解，可以选择永磁体44和电磁铁46的数量和磁场强度以在二者之间生成期望的吸引力和/或排斥力。可采用具有相对彼此运动的任意相邻的内部和/或外部发动机部件的永磁体44和电磁铁46以便于二者之间的相对运动。作为示例，还可采用带自传输驱动链元件的永磁体44和电磁铁46，也可采用带有如增压器和涡轮增压器的发动机10的配件的永磁体44和电磁铁46。此外，作为示例，永磁体44和电磁铁46可制成环形并适于环绕缸套14、活塞16、进气气门34和排气气门36。应当理解，作为示例，永磁体44和电磁铁46也可采取如圆盘、圆筒和球体的其他形状。
提供给电磁推进系统的电能可来自蓄电池、电容器、发电机、太阳能收集器、或当前已知或未来发现的任意其它合适的电能源。
电磁铁46中的一个可通过围绕位于缸盖32中的火花塞42设置绕组48来形成。可选择性地向绕组48提供电流来产生期望的磁场。应当理解，作为示例，绕组48可围绕单独的钢铁材料如金属套来设置，其中火花塞42位于金属套中。此外，应当理解，可将提供给绕组48的电流随后提供给火花塞42以对燃烧室产生期望的点火。此外，应当理解，电磁铁46可位于缸盖32中并与火花塞42不相关。作为示例，可在柴油发动机中采用这种电磁铁。由火花塞42和相关绕组48产生的磁场可适于选择性地吸引和排斥联接至和/或嵌入活塞16的永磁体44以便使活塞16在缸套14中往复运动。
也可将连杆30磁化以促使活塞16在缸套14中往复运动。例如，在多缸发动机中，联接至和/或嵌入活塞16的永磁体44的磁极被设置为被吸引至枢轴附接至活塞16的磁化连杆30的端部。在相邻缸套14中的永磁体44和磁化连杆30的磁极方向相反。由联接至和/或嵌入机体12和缸盖32的电磁铁46所产生的磁场适于与各个活塞16和磁化连杆30的磁极一起作用以促使活塞16在缸套14内往复运动。通过磁化连杆30，可增大其力量，这可提供一种质量减小的连杆，其具有与未磁化的较大质量的连杆相等的力量。
如图2中所示，支架50被用来支承电磁体46和将电磁体46邻近于联接至和/或嵌入相关发动机部件的永磁体44放置。为了清楚起见，与图1所示类似的结构包括相同的附图标记和所使用的引号(′)。在所示实施方式中，支架50联接至发动机10′的机体12′。应当理解，作为示例，支架50可联接至发动机10′的其他元件，如主盖26、油底壳(未示出)、和机体加固支架(未示出)。支架50′包围曲轴22′的轴柄24′的至少一部分。永磁体44′联接至和/或嵌入曲轴22′的轴柄24′，其中，当曲轴22′相对于机体12′旋转时，永磁体44′经过与支架50的电磁体46′邻近的区域。可以选择性地向电磁体46′提供电流以产生期望的磁场。所产生的磁场可适于促使曲轴22′相对于机体12′旋转。应当理解，支架50可以形成为整体式支架。此外，支架50可适于方便将电磁推进系统售后系统增添到发动机上。应当理解，曲轴22′可包括多个轴柄24′，其中每个轴柄24均可具有支架50和相关电磁体46′。
该电磁推进系统还可用于转子和径向式发动机。在图3中，示出了汪克尔(Wankle)型转子发动机60，其示出了可旋转地位于机体66的燃烧室64内的转子62。转子62大致为三角形，具有三个顶部68。永磁体70与各顶部68相邻地设置。呈环状的一列电磁体72围绕燃烧室64的周边设置在机体66中，其中，当转子62相对于机体66转动时，永磁体70经过邻近电磁体72的区域。
可选择性地向各电磁体72提供电流以产生期望的磁场。所产生的磁场可适于有选择地吸引和排斥转子62中的永磁体70，其中选择性地脉动提供给各电磁体72的电能可促使转子62相对于机体66转动。
如图4中所示，控制系统80被提供用来控制发动机10的运行。控制系统80还可用于发动机60和所期望的其他发动机类型。为了示范起见，在此对用于发动机10的控制系统80进行了描述，然而可以理解，控制系统80也可类似地用于发动机60和其他发动机类型。控制系统与发动机10的选定传感器电气通讯。作为示例，控制系统80从传感器接收输入90，这些传感器例如为发动机温度、发动机速度(RPM)、发动机负荷、车速、节气门位置、曲轴位置、进气气门和排气气门位置、进气歧管压力、和排气特性。作为示例，采用具有一套可编程指令的处理器82来对输入90进行处理并提供输出92以控制发动机10的运行，如点火时间、进气气门34和排气气门36的位置、气缸燃料分配、和燃料/空气比例。作为示例，可提供电子存储装置84并将其设置为与处理器82电气通讯以接收并存储数据，如该套可编程指令、输入至处理器82的输入90和从处理器82输出的输出92。
通过选择性地使电能流至电磁体46以产生期望的磁场并从而促使活塞16往复运动以及曲轴22转动，控制系统80还可对电磁推进系统的控制产生影响。控制系统80选择性地提供电流给各电磁体46以在期望的时间产生期望时长的磁场。所产生的磁场选择性地吸引和排斥永磁体44，其中选择性地使供给各个电磁体46的电能脉动，可以促使活塞16相对于机体12往复运动并促使曲轴22相对于机体12转动。
电磁体46和永磁体44与活塞16、连杆30和曲轴22一起构成电动机，该电动机适于引起曲轴18相对于机体12转动。应当理解，可以采用该电动机启动发动机10；这样，就取代了通常发动机所使用的起动器。应当理解，该电动机可被构造为与发动机10分开，其中永磁体44联接至旋转安装的轴，排成环形的一列电磁体46邻近该轴，并且可选择性地使供给电磁体46的电能脉动以使该轴转动。
还应当理解，控制系统80可适于使电磁推进系统用作发动机制动系统和能量再生系统。例如，控制系统80可选择性地使流至电磁体46的电能产生磁场，该磁场与永磁体44的磁场一起阻止活塞16的往复运动和曲轴22的转动。此外，在发动机降速阶段，作为示例，控制系统80可在永磁体44经过邻近电磁体46时产生电流。作为示例，所产生的电流可被用来驱动发动机10的有关电气元件或者采用电容器、蓄电池等被储存为电能。由此，应当理解，该电磁推进系统可消除为发动机10提供发电机的需要。
控制系统80还适于在检测到发动机10的选定运行情况时选择性地停用缸套14，其中不向缸套14提供燃料和火花以使发动机10的燃料消耗最小化。控制系统80可同时控制流至电磁体46的电能以在其周围产生期望的磁场。应当理解，通过缸套14中的燃料燃烧、通过电磁推进系统、以及其组合，控制系统80可使发动机10运行。作为示例，例如，在发动机10空闲期间，所需功率输出最小期间，或者可最小化燃料消耗的其他期间，可停用缸套14的燃料。当燃料未被供给缸套14时，电磁推进系统保持活塞16的往复运动和曲轴22的转动。还应当理解，当燃料在缸套14中燃烧时，通过采用电磁推进系统，缸套14排出的气体中所包含的NOx的数量被最小化。
在使用中，发动机10一般来说如内燃机领域技术人员所已知的那样运行。燃料-空气混合物被提供给缸套14的燃烧室。由火花塞42提供点火火花以启动燃烧室内的燃料燃烧。燃料燃烧所得到的能量引起活塞16在缸套14中的往复运动和曲轴22的转动。作为示例，曲轴22的转动被用来机械驱动所选发动机元件，如发电机、流体压缩机、或流体泵，作为示例，其还被用来提供原动力以推动相关车辆或相关设备，如发电机或流体泵。电磁推进系统与控制系统80一起，选择性地在彼此相对运动的发动机元件之间提供合并的磁力以促使活塞16的往复运动和曲轴22的转动并使在缸套14中燃烧的燃料的量最小化。
参见图5-6，示出了用于V型内燃机的机体100。机体100使得内燃机的燃料效率最大化。机体100为具有两组气缸102、104的V型机体。每组气缸102、104包括四个缸套114以在机体100中提供总计八个缸套114(标记为1至8的缸套114)。所示机体100被用于构造V8内燃机。应当理解，作为示例，机体100可具有额外的或者更少的缸套114以形成单缸发动机或V型、直列式、对置缸套配置的多缸发动机。另外，应当理解，发动机可以是四循环或两循环的发动机，并且可以基于奥托循环、米勒循环、史古德利分开循环、或者目前已知或将来发展出的其它任一发动机循环。
如图6中所示，缸套114将活塞116往复接收在其中。活塞116包括上表面118和从其垂下的裙部120。具有至少一个轴柄124的曲轴122可旋转地安装至机体100的下端，机体100采用多个主盖126及相关主轴承(未示出)。连杆130被提供用来将活塞116连接至曲轴122。连杆130的一端可旋转地安装至曲轴122。连杆130的另一端枢轴附接至活塞116，其中活塞116的往复运动引起曲轴122的转动。
缸盖132安装至机体100的各组气缸102、104并盖住缸套114以在活塞116的上表面118和缸盖132之间限定出燃料燃烧室。至少一个进气气门134和至少一个排气气门136交替地位于各缸套114的缸盖132上。进气气门134选择性地允许燃料-空气混合物流入燃烧室，排气气门136选择性地允许燃烧后的燃料从燃烧室中排出。在所示实施方式中，气门134、136采用包括顶置凸轮轴138及相关挺柱140和气门弹簧141的配气机构进行机械驱动。应当理解，配气机构可包括单顶置凸轮或双顶置凸轮，并且可以是例如采用挺柱、推杆、摇臂和压缩弹簧的单个凸轮。应当理解，可以采用螺线管电磁驱动的进气气门和排气气门。还应当理解，可以使用当前已知的或者以后发展出的其他类型的凸轮装置。缸盖132还可包括燃料喷射器(未示出)，其中空气经由进气气门134进入燃烧室，而燃料经由燃料喷射器直接喷入燃烧室。围绕燃烧室的表面，例如缸套114的表面，活塞116的上表面118，缸盖132的表面，以及进气气门134和排气气门136的表面，例如可以是经过抛光的或者包含工业金刚石镀层以便于将热能从各个表面反射出去。
缸盖132还包括用于启动燃烧室内燃料燃烧的装置。典型地，具有电极的多个火花塞142被提供用来启动燃料的燃烧。火花塞142螺纹安装在缸盖132中以将电极定位于燃烧室内。火花塞142采用来自点火系统(未示出)的电能在电极处产生火花以点燃各燃烧室内的燃料。应当理解，机体100可用于不采用火花塞142来启动燃料燃烧的柴油发动机。
在机体100中与缸套114的至少一部分上边缘邻近的位置形成有至少一个倒角160。如图5-6中所示，每个缸套114具有两个倒角160，一个倒角160邻近进气气门134，第二个倒角160邻近排气气门136。倒角160从缸套114的上边缘向下延伸选定距离至倒角160的下边缘。如图6中所示，活塞环144位于各活塞116上。当活塞116在缸套114中处于最高往复位置(上死点位置)时，活塞环144位于倒角160的下边缘下方。应当理解，作为示例，也可在各个缸套114上形成单个倒角160，例如邻近进气气门132形成的单个倒角160。还应当理解，作为示例，在各个缸套114上可形成有多于两个的倒角160，如四个倒角160，其中在四气门缸盖中每个气门提供有一个倒角。
倒角160使得燃料空气混合物湍急地流入缸套160，这使得燃烧室内的高效点火和燃料燃烧最大化。最大化的点火和燃料燃烧能够使得，当活塞116大约处于最高往复位置(上死点)时，点火火花被提供给缸套114。倒角160还便于使燃烧后的燃料-空气混合物流出缸套160。
前文结合图4所述的控制系统80也可用于采用机体100的发动机。该控制系统能够有效地以任何期望的顺序有选择性地停用和重新激活任一缸套114。作为非限制性的示例，在机体100的选定位置上可提供有多个温度传感器。控制系统可有选择性地激活和停用缸套114以维持所需的发动机功率输出，同时使机体100中的温度差最小。此外，作为示例，选择性地停用和激活所有缸套114可便于使各个缸套114和相关元件保持期望的润滑，并使各缸套114中以及相关元件如进气气门134和排气气门136上的碳沉积的积量最小。作为示例，控制系统80可使得由机体100形成的内燃机运行为两缸、三缸、四缸、或八缸发动机。作为示例，可采用下述气缸点火顺序来运行4循环内燃机：1-3-7-2-6-5-4-8(8缸模式)，1-7-6-4后接3-2-5-8(4缸模式)，1-2-4后接3-6-8后接7-5(3缸模式)，1-6后接3-5后接7-4后接2-8(2缸模式)。应当理解，控制系统80可用于产生任意期望的点火顺序并可用于其他机体类型以选择性地停用和重新激活缸套114。
通过对各个缸套114停止流入燃料和停止供给火花塞的电能，控制系统80停用缸套114。应当理解，控制系统80还可停止流入缸套114的空气。可通过选择性地控制燃料/空气进气系统、螺线管电磁进气气门，或者通过使进气气门134的打开和关闭停止来停止流入缸套114中的燃料和空气。
本领域公知的水套(未示出)可邻近各缸套114形成在机体100中以便于将热能从缸套114所在区域传递出去。与未采用缸套停用的发动机相比，使缸套114被选择性地停用可获得较低的发动机运行温度。由此，与用于未采用缸套停用的发动机的水套相比，该水套可具有较小的水量。水套的水量降低使得形成缸套114的壁的强度最大化并通常可为机体100提供最大化的刚度。
此外，控制系统80可适于根据活塞116在缸套114内的位置控制火花时间。应当理解，控制系统80适于基于所检测到的发动机运行情况来改变火花时间。例如，当活塞116在缸套114中处于最高位置，通常称为上死点位置时，可提供向燃烧室发出火花的时间。
作为非限制性的示例，可围绕V8发动机的旋转谐振平衡器(harmonicbalancer)以基本等距间隔的环形配置设置四个磁性构件。在谐振平衡器附近提供有磁性拾波器(pick-up)以感测经过该磁性拾波器的谐振平衡器的磁性构件。该磁性拾波器与控制系统80电气通讯并且每当一个磁性构件经过其时就提供一个信号给控制系统80。该信号被控制系统80用来控制燃烧室中发出火花的时间。
应当理解，前文所述的并在图1-3中示出的包含永磁体44和电磁体46的电磁推进系统可用于由机体100形成的发动机。控制系统80可用来使该由机体100形成的发动机通过在缸套114中燃烧燃料、通过电磁推进系统、以及二者的组合来运行。作为示例，例如在发动机空闲期间、所需功率输出最小期间、或者其他可最小化燃料消耗期间，可停止供给缸套114的燃料。当燃料未被供给缸套114并且未在缸套114内燃烧时，电磁推进系统保持活塞116的往复运动和曲轴122的转动。此外，当燃料被供给缸套114并在缸套114中燃烧时，可采用电磁推进系统，其中电磁推进系统便于在使得维持期望功率输出所需的燃料最小化的同时保持所期望的发动机功率输出。
图7示出了图5所示机体100的替代实施方式。在图7中，示出了用于具有两组气缸202、204的V型内燃机的机体200。每组气缸202、204包括四个缸套214以在机体200中提供总计八个缸套214(标记为1至8的缸套214)。所示机体200被用于构造V8内燃机。应当理解，作为示例，机体200可具有额外的或者更少的缸套214以形成单缸发动机或V型、直列式、对置缸套配置的多缸发动机。另外，应当理解，发动机可以是四循环或两循环的发动机，并且可以基于奥托循环、米勒循环、史古德利分开循环、或者目前已知或将来发展出的其它任一发动机循环。
各组气缸202、206中的一个缸套214为偏移缸套215，其中与各组气缸202、204中其他缸套214之间的距离相比，每个偏移缸套215具有更大的偏移缸套215与相邻缸套214之间的距离。偏移缸套215位于各组气缸202、204的一端，其中偏移缸套215形成在各组气缸202、204的相对端。应当理解，缸盖(未示出)、曲轴(未示出)、和其他发动机元件(未示出)适于容纳偏移缸套215。偏移缸套215便于发动机在仅有偏移缸套215激活时运行，而其余缸套214中的燃料供给和燃烧均被停用。偏移缸套215与相邻缸套214之间具有更大的距离可使得偏移缸套215与相邻缸套214之间的热能传递最小。此外，偏移缸套215与相邻缸套214之间的热能传递最小便于使得当仅有偏移缸套215激活时，各组气缸202、204中其他缸套214之间的热量差最小。在仅有偏移缸套215激活期间，非偏移缸套214之间的最小热量差使得发动机在重新激活非偏移缸套214时的运行最大化地有效和平滑。机体200及其相关发动机元件的其余结构和功能与本文前面所述用于机体100的结构和功能基本上相同。
内燃机领域公知的是，必须给机体12、100、200组装各种附加元件以构建出一个可运行的发动机。
现在参见图8，其中示出了曲轴300的一部分。曲轴300包括多个主轴颈302和多个连杆轴颈304。轴柄306插入在相邻的主轴颈302和连杆轴颈304之间。主轴颈302和连杆轴颈304包括分开的斜边308。
本领域公知的是，曲轴300可旋转地安装至采用多个主轴承310和多个主盖(未示出)的机体(未示出)的下端，其中主轴承310和主盖被主轴颈302所接收。主轴承310大致为环状，其中两个基本C形的元件被绕着主轴颈302接合在一起以便于曲轴300相对于机体转动。主轴承310为具有大致等腰梯形截面的圆锥轴承。
多个连杆312被提供用来将活塞(未示出)连接至曲轴300的连杆轴颈304。连杆312的一端可旋转地安装至曲轴300的连杆轴颈304。连杆轴承314位于连杆312的该端与连杆轴颈304之间。连杆轴承314为大致环形，其中两个基本C形的元件被绕着连杆轴颈304接合在一起以便于连杆312与曲轴300进行相对运动。连杆轴承314为具有大致等腰梯形横截面的圆锥轴承。连杆312伸入机体的缸套(未示出)中，并且连杆312的相对端枢轴附接至活塞，其中活塞的往复运动引起曲轴300的转动。
轴颈302、304的斜边308毗邻轴承310、314的圆锥侧。轴承310、314的平行侧中较短的一侧构成其内表面，其毗邻各轴颈302、304的一面。斜边308和轴承310、314的圆锥侧一起使得曲轴300相对于机体的轴向运动以及连杆312相对于曲轴300的轴向运动最小。
每个连杆轴颈304接收一对连杆312。作为示例，连杆312间具有隔离件316以使二者之间的摩擦最小化。隔离件316大致为垫圈形，其中两个基本C形的元件被围绕连杆轴颈304接合在一起以形成该大致垫圈形的隔离件316。此外，如图9中所示，也可向由连杆轴颈304接收的每个连杆312提供其各自的连杆轴承318、320，其中隔离件316位于轴承318、320之间并在连杆316之间延伸。应当理解，主轴承310、连杆轴承314、318、320以及隔离件316可具有镀层以使得运动元件之间的摩擦力最小化。例如，作为示例，可提供特富龙工业金刚石、或者当前已知或以后研发出的其他任一适合的镀层。
现在参见图10-12，其中示出了支架400，其与油底壳430共同作用以在由其形成的发动机运行期间最大化机体480的刚度和最小化机体480的变形。支架400支承前主盖482、后主盖484、以及一个或多个中间主盖486。主盖482、484、486旋转支承曲轴488。典型地采用螺纹紧固件490来将主盖482、484、486附着至机体480的下端。在所示实施方式中，采用五个主盖482、484、486来可旋转地支承曲轴488。应当理解，支架400可用于具有更少或更多主盖482，484，486的发动机。例如，支架400可用于具有六个主盖的发动机，如V-10发动机，或者具有四个主盖的发动机，如V-6发动机。多个连杆490可旋转地安装至曲轴488，每个连杆490向上伸入缸套(未示出)中。油底壳450限定出位于油底壳450的内表面与机体480的下端之间的曲轴箱区域492。
支架400为大致平面状的元件，其具有从前主盖482伸向后主盖484的分开的端部402、404，以及从油底壳450的一侧伸向相对侧的分开的侧面406、408。多个孔410形成在支架400的中部并适于接收用来将主盖482、484、486附接至机体480的螺纹紧固件490。紧固件490将支架480紧固至主盖482、484、486的最下端，并将主盖482、484、486紧固至机体480。支架400上形成有多个开口412以便于如润滑油的流体从其通过。支架400的侧面406、408上形成有多个螺纹孔414以用于接收如图11-12中所示的螺纹紧固件416。应当理解，支架400可包括形成于其中的如多个肋的加强零件或附接至其的加强元件。
油底壳430包括裙部元件432和底壳元件452。裙部元件432包括上边缘434和间隔开的下边缘436。上法兰438邻近上边缘434形成，其从裙部元件432的内表面横向向外伸出。应当理解，上法兰458可形成为从裙部元件432的外表面横向向外伸出。上法兰438包括形成于其中并适于接收螺纹紧固件442以将裙部432紧固至机体480下部的多个孔440。应当理解，作为示例，如液体密封胶、O型圈和平垫片的密封元件可位于裙部元件432的上法兰438和机体480之间以便于在二者之间形成实质上的流体密封。下法兰444邻近裙部元件432的下边缘436形成，其从裙部元件432的外表面横向向外伸出。下法兰444包括多个孔446，每个孔适于接收一个螺纹紧固件448。在裙部元件452上形成有多个孔450，其中孔450与邻近主盖482、484、486底面的平面基本对齐。螺纹紧固件416穿过孔450并被接收在支架400的螺纹孔414中以将支架400联接至裙部元件432。应当理解，一个或多个垫片可位于主盖482、484、486和支架400和/或机体480的下端和裙部元件432之间以便于将裙部元件432中的孔450与支架400的螺纹孔414对准。应当理解，支架400可形成为具有大致笔直的端部402、404和直的侧面406、408，其中支架400的周边毗邻裙部元件432的内表面。此外，应当理解，作为示例，如液体密封胶、O型圈和平垫片的一个或多个密封元件可位于裙部元件432和支架400的端部402、404和侧面406、408之间以便于在其之间形成实质上的流体密封。
油底壳430的底壳元件452包括闭合底部454和开口的上端456，上端456具有邻近于其形成的底壳法兰458。底壳法兰458从底壳元件452的外表面向外伸出并包括形成于其中的多个孔460。底壳法兰458的孔460适于与形成在裙部元件432的下法兰444中的孔446基本对齐。螺纹紧固件448被用来将裙部元件432与底壳元件452接合在一起以在其之间基本形成流体密封。应当理解，作为示例，如液体密封胶、O型圈和平垫片的一个或多个密封元件可位于裙部元件432的下法兰444和底壳元件452的底壳法兰458之间以便于在其之间形成实质上的流体密封。可在底壳元件452的闭合底部454中提供放油塞(未示出)以便于降流体从其放出。
应当理解，支架400、裙部432和底壳元件452可适于将支架400的端部402、404和/或侧面406、408放在裙部元件432的下法兰444与底壳元件452的底壳法兰458之间。另外，支架400可具有其他构造，如曲线构造，在该曲线构造中，侧面406、408毗邻机体480的下端，从而消除了对于裙部元件432的需求。此外，支架400和裙部元件432的孔450可适于将支架400的侧面406、408放置在与主盖482、484、486的底面所在平面不同的平面上。
由支架提供的机体480的最大刚度和最小变形可使得匹配内部发动机元件之间的间隙最小。已经发现，由于在发动机运行期间机体480的变形被最小化，因此可采用大约0.0002英寸的间隙。
支架400可包括从其伸向邻近曲轴488和/或连杆492的位置的一个或多个刮擦元件(未示出)。刮擦元件适于清除当曲轴488旋转和/或连杆492往复运动时沉积在曲轴488和/或连杆492的选定表面上的润滑流体。此外，刮擦元件可与支架400分开形成并位于邻近曲轴488和/或连杆492的曲轴箱区域490的内部。通过清除曲轴488和连杆492外表面上的润滑流体，降低了其运行质量，从而降低了对曲轴488和连杆492的转速进行加速或保持所需的能量，并增大了发动机的燃料效率。
应当理解，可向机体480的上端提供一个波谷支架(valleybrace)(未示出)以最大化机体480的刚度和最小化其在发动机运行期间的变形。共同所有的美国专利号7,258,094中公开了用于机体480上端的示范性支架，在此通过引用将该专利整体结合于本申请中。
图13是用于发动机550的润滑系统500的原理视图。润滑系统500将例如油的润滑流体554例如导向发动机550的活动部件。润滑系统500包括流体泵502。流体泵502可由发动机550机械驱动，由电动马达驱动，或由其他期望的装置驱动。流体泵502包括进口504和出口506。进口504与位于发动机550的油底壳552中的润滑流体554流体相通。出口506与流体导管508的网络流体相通，其中导管508在邻近发动机内选定位置的出口端509处终止。作为示例，流体导管508的网络和其出口端509可将流体554导向例如主盖，形成发动机550缸套的表面，以及发动机550的其他位置和相关发动机元件。润滑系统500可包括冷却器510，其中流体554被带动通过冷却器以在热能经由流体导管508的网络被分散之前从流体554中去除。应当理解，冷却器510可以是适于将热能传递至大气的翅型散热冷却器或其他类型的冷却器。应当理解，冷却器510被用来将热能传递至流体554或者可为润滑系统500提供单独的加热元件以便于将流体554保持在最小选定温度或该温度之上。润滑系统500的流体容量可以是十(10)夸脱或更多的流体554以便于将流体554冷却至选定的温度并同时保持向发动机550供给适当的流体554。应当理解，作为示例，发动机550可包括例如形成在机体中的通道的多个共同作用的流体通道(未示出)，其中流体通道与泵502的出口506流体相通，以便于将流体554分配至发动机550内的选定位置。润滑系统500提供约2psi的油压，其低于通常情况下内燃机所采用的油压。同时采用润滑系统500和减少的发动机元件间隙0.0002(如上文对支架400的描述)便于使用大约至少2psi的较低油压。已经发现该较低的油压使得润滑油被接收在发动机元件间减小的间隙中并提供润滑以便于发动机元件进行相对运动。应当理解，润滑系统500可提供期望的较高油压。
图14中示出了用于发动机650的曲轴箱真空系统600。曲轴箱真空系统600包括真空泵602。真空泵602可由利用滑轮和传动带的发动机650进行机械驱动，由电动马达驱动，或者由期望的其他装置进行驱动。真空泵602包括进口604和出口606。进口604与发动机650的内部曲轴箱区域654流体相通，出口606与流体回收罐(fluid recovery canister)608流体相通。真空泵602将空气从发动机650中的曲轴箱区域654抽出以在其中产生低于大气压的气压。通过在曲轴箱区域中实现约13英尺汞柱(HG)的真空读数已经获得了有益的结果。曲轴箱区域654中的压力降低会降低曲轴旋转和发动机650的连杆和活塞往复运动所受到的空气阻力。
真空泵600的出口606可被放置为与流体回收罐608流体相通。罐608适于将从曲轴箱区域654抽出的空气中携带的润滑流体去除。罐608便于将该润滑流体收集于其中并将空气从其排出。空气可经由排气管道610从罐608中排出。空气可被排出至发动机650的排气系统652并被排放到大气中。作为示例，空气可被排出至排气系统652的催化转化器或其他元件。排气系统652对于收集和/或燃烧空气中携带的油或其他碳氢物以及最小化从真空系统600排到大气中的碳氢物来说是有效的。罐608中收集到的润滑流体可经由流体回收管道612重新进入曲轴箱区域654。作为示例，例如止回阀或控制阀的阀614可被提供用来控制流经流体回收管道612的润滑流体并阻止空气经由流体回收管道612进入曲轴箱区域。此外，可提供流体回收泵616来将润滑流体从罐608推入发动机650的曲轴箱区域654。
现在参见图15，其中示出了机体安装系统700。例如，安装系统700适于将机体750安装至车辆的车架或车身。安装系统700包括具有分开的侧边缘704、706的第一板702和具有分开的侧边缘710、712的第二板708。第一板702联接至机体750的前端。第二板708联接至机体750的后端。每块板702、708包括形成于其中的孔714以接收用来将板702、708联接至机体750的紧固件715。应当理解，例如，可采用焊接工艺或其他连接工艺来将板702、708联接至机体750。可在板702、708上形成另外的孔以用于将其他发动机元件附接至机体750和/或板702、708，如交流发电机、压缩机、流体泵和滑轮。另外，例如，可在板702、708上形成开口以提供如冷却管和制冷管的流体导管通过的通道。应当理解，还可在板702、708上形成其他期望的开口。
各块板702、708的侧面704、706、710、712从机体750的侧边向外伸出。长杆716、718位于板702、708之间并联接至其。应当理解，例如，可采用螺纹紧固件和焊接工艺来将杆716、718联接至板702、708。杆716、718基本平行于机体750的侧边。安装孔720邻近于板702、708的各个侧面704、706、710、712形成在板702、708上。例如，安装孔720适于接收如螺纹紧固件或插销的紧固件以将板702、708联接至车辆的车架或车身。应当理解，一个或多个支架可联接至板702、708和/或车辆的车架或车身以便于将板702、708联接至其上。此外，应当理解，例如，可采用如橡胶发动机悬置的阻尼元件和紧固件来将板702、708联接至机体750和车辆的车架和车身。使用安装系统700将机体750的前端和后端安装至车架或车身使得机体750在运行中的扭曲最小。此外，安装系统700基本上将机体750与产生自车辆悬挂元件的振动隔离开来。使得机体750的扭曲最小以及将机体750与悬挂振动基本隔离开来使得其变形最小并便于使用本文前面所述的位于配套内部发动机元件之间的最小间隙。
应当理解，可一起使用支架400和安装系统700以最小化相关机体的变形。还可一起使用美国专利No.7,258,094中公开的波谷支架以及用来最小化相关机体变形的支架400和安装系统700。此外，可将前文所述的用于机体100、200的最大缸壁厚度与相关机体一起使用以最大化其刚度。支架400、安装系统700、波谷支架和最大缸壁厚度一起使得发动机运行中的机体变形最小化。变形最小化使得机体表面与相邻发动机元件表面之间的间隙以及相邻发动机元件表面之间的间隙最小。如前文所述，最大的刚度和最小的变形允许采用大约0.0002英寸的间隙。通过最小化机体表面与相邻发动机元件表面之间的以及相邻发动机元件表面之间的不期望的运动，该减少的间隙可最大化发动机的有效运行。
该内燃机、相关元件和运行方法提供了一种具有最小燃料消耗的内燃机。
通过前文的描述可知，本领域技术人员能够容易地确定本发明的实质特点，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，能够对本发明进行各种改变和修改以使其适于各种用途和情况。

Claims (18)

1.一种发动机，包括：
机体组件, 包括包含形成在其中的多个缸套的气缸组和安装至气缸组并覆盖所述缸套的缸盖，所述机体组件还包括设置在其中的至少一个电磁体；
发动机元件，设置在所述机体组件中，并可相对于所述机体组件运动，该发动机元件包括表面，永磁体至少部分地设置在所述表面中；以及
选择性地向所述至少一个电磁体提供电流以产生期望磁场的控制系统，其中所述至少一个电磁体的磁场与永磁体的磁场共同作用以影响该发动机元件相对于所述机体组件的运动；
其中所述发动机元件为位于缸套之一中作往复运动的活塞和可旋转地安装至机体组件的曲轴中的至少一个，且其中，所述至少一个电磁体为联接到邻近缸套的缸盖的电磁体和以至少部分地围绕所述曲轴的环形排列设在所述机体组件上的多个电磁体至少其中之一。
2.根据权利要求1所述的发动机，其中所述发动机包括联接至其上的支架，电磁体联接至所述支架。
3.根据权利要求1所述的发动机，其中所述气缸组中的至少一个缸套相对其余缸套偏离。
4.根据权利要求3所述的发动机，其中在形成所述气缸组中的缸套的壁上形成有至少一个倒角，其中所述倒角邻近缸盖形成。
5.根据权利要求4所述的发动机，进一步包括具有相对端的磁化连杆，磁化连杆的第一端可旋转地附接至曲轴，而磁化连杆的第二端联接至活塞，其中磁化连杆的磁极引起第一端与曲轴之间的磁吸力以及第二端与活塞之间的磁吸力。
6.根据权利要求1所述的发动机，进一步包括位于缸盖中的火花塞，火花塞具有围绕其的电气绕组，火花塞和电气绕组形成电磁体。
7.一种发动机，包括：
具有包含在其中形成的多个缸套的至少一个气缸组的机体；
位于每个缸套中作往复运动的活塞，所述活塞包括顶面，该顶面具有从其垂下的裙部；
可旋转地安装至机体的曲轴；
多个具有第一端和第二端的连杆，第一端可旋转地附接至曲轴，而第二端联接至活塞；
安装至气缸组并覆盖缸套的缸盖，缸盖包括与每个缸套流体相通的进气气门和出气气门；
安装至机体下端以形成发动机的曲轴箱区域的油底壳；
位于所述活塞的顶面中的至少一个永磁体；
位于所述机体中、与所述活塞的顶面相对的至少一个电磁体；以及
选择性地提供电流给所述至少一个电磁体以产生期望磁场的控制系统，其中所述至少一个电磁体的磁场与所述至少一个永磁体的磁场共同作用以影响活塞和曲轴相对于机体的运动。
8.根据权利要求7所述的发动机，其中所述曲轴包括多个分隔开的轴柄，轴柄间的空间包括主轴颈和连杆轴颈，主轴颈和连杆轴颈包括毗邻各个分隔开的轴柄的分隔开的斜边，围绕主轴颈在其斜边之间容纳有圆锥主轴承，而围绕连杆轴颈在其斜边之间容纳有圆锥连杆轴承。
9.根据权利要求8所述的发动机，其中一对连杆在第一端可旋转地附接至连杆轴颈，连杆轴承插置在该对连杆和曲轴之间，并且隔离件围绕连杆轴颈被接收并被插置在该对连杆之间。
10.根据权利要求9所述的发动机，其中一对连杆轴承设置有插置在连杆轴承之间并在该对连杆之间延伸的隔离件。
11.根据权利要求7所述的发动机，进一步包括具有中心部和一对分隔开的侧面的支架，中心部邻近曲轴联接至机体的下端，而分隔开的侧面联接至油底壳。
12.根据权利要求7所述的发动机，进一步包括润滑系统，该润滑系统包括具有进口和出口的流体泵，进口与位于油底壳中的流体流体相通，而出口与具有邻近其元件位于发动机内的出口端的流体导管流体相通，流体泵导致从油底壳经由流体导管的流体流动和从邻近该元件的出口端流体的排出，润滑系统提供约2 psi的流体压力。
13.根据权利要求7所述的发动机，进一步包括曲轴箱真空系统，该曲轴箱真空系统包括具有进口和出口的流体泵，进口与发动机的曲轴箱区域流体相通，而出口与大气流体相通，流体泵从曲轴箱区域抽出空气并将该空气排出至大气中以在曲轴箱区域内产生低于大气压力的压力。
14.根据权利要求7所述的发动机，进一步包括机体安装系统，该机体安装系统包括具有分隔开的侧边的第一板和具有分隔开的侧边的第二板，第一板邻近于机体的前端与机体联接，而第二板邻近于发动机的后端与发动机联接，其中第一板的侧边和第二板的侧边联接至支承架。
15.一种用于使发动机的燃料效率最大化的方法，包括下述步骤：
提供发动机，该发动机包括：具有气缸组的机体，该气缸组包括在其中形成的多个缸套；位于每个缸套中作往复运动的活塞；可旋转地安装至机体的曲轴；多个具有第一端和第二端的连杆，第一端可旋转地附接至曲轴，并且第二端联接至活塞，其中缸套内燃料的燃烧引起活塞的往复运动以及曲轴相对于机体的旋转；
提供位于所述活塞的顶面中的至少一个永磁体；
提供位于所述机体中、所述活塞的顶面附近的至少一个电磁体；以及
提供控制系统以选择性地提供电流给所述至少一个电磁体从而产生期望的磁场，其中所述至少一个电磁体的磁场与所述至少一个永磁体的磁场共同作用以选择性地吸引和选择性地排斥所述至少一个永磁体，从而影响活塞和曲轴相对于机体的运动。
16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括通过停止其中的燃料燃烧来停用内燃机的缸套的步骤，其中停用缸套使发动机的燃料消耗最小化。
17.根据权利要求15所述的方法，进一步包括使所述至少一个电磁体的磁场与所述至少一个永磁体的磁场共同作用以促进活塞和曲轴相对于机体运动的步骤。
18.根据权利要求15所述的方法，进一步包括使所述至少一个电磁体的磁场与所述至少一个永磁体的磁场共同作用以抵抗活塞和曲轴相对于机体的运动的步骤。
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