CN105745414B - 基于燃烧发动机的等温压缩 - Google Patents

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Abstract

公开了以下系统和方法，所述系统和方法包括，通过在燃烧事件之前立即将等温压缩空气喷射进入燃烧发动机中，来操作基于等温压缩的燃烧(IsoC)发动机，以增加发动机的效率、改进排放并且基本消除自动点火和相关联的设计限制条件。在压缩空气传送到燃烧发动机之前，IsoC发动机利用中间冷却压缩机以等温地压缩存储在多个电容槽中的空气。IsoC发动机允许燃烧选择性地结束以增加燃料效率，从而导致混合动力压缩空气马达和内燃操作IsoC发动机。

Description

基于燃烧发动机的等温压缩
相关申请的交叉引用
本申请根据美国法典35章119(e)节要求以下申请的优先权，即由Dortch在2013年11月20日提交的题为“基于燃烧发动机的等温压缩”的No.61/906,467美国临时专利申请，和由Dortch在2014年2月3日提交的题为“基于燃烧发动机的等温压缩”的No.61/935,025号美国临时专利申请，所述申请的公开内容通过引用而全部合并于此。
关于联邦政府赞助的研究或研发的声明
不适用。
对缩微胶片附录的引用
不适用。
背景技术
传统燃烧发动机包括随后有压缩冲程的进气冲程。通常地，在进气冲程过程中，空气和燃料的混合物被引入发动机的燃烧室中，并且随后在压缩冲程过程中被活塞压缩。空气/燃料混合物的压缩显著地增加混合物的温度和压力。当在火花塞点火以点燃空气/燃料混合物之前，压缩的空气/燃料混合物达到促使其自发地点燃的温度时，可能发生自动点火，并且可能导致损坏发动机。相应地，传统燃烧发动机的设计特征，诸如静态压缩比率、受力感应电容、功率密度、燃料燃烧效率和燃料供给选择，被自动点火的极限所限制。
发明内容
在本发明的一些实施例中，公开一种基于等温压缩的燃烧(IsoC)发动机，其包括：压缩机，所述压缩机被构造成用于等温地压缩一定体积的空气；至少一个电容槽，所述至少一个电容槽联接到压缩机并且被构造成用于存储被等温压缩的一定体积的空气；和燃烧发动机，所述燃烧发动机被构造成用于将等温压缩的一定体积的空气的至少部分接收进入燃烧发动机的缸中；以下步骤中的至少一个步骤，(1)将一定体积的燃料选择性地喷射进入缸中并且在缸中存在所述一定体积的空气的情况下点燃所述一定体积的燃料，和(2)选择性地省略喷射一定体积的燃料并且不使用燃烧而使缸中的一定体积的空气膨胀。
在本发明的其它实施例中，公开一种操作基于等温压缩的燃烧(IsoC)发动机的方法，其包括：等温压缩空气的第一体积；将等温压缩的一定体积的空气传输到至少一个电容槽；将等温压缩的一定体积的空气存储在至少一个电容槽中；当相关联的活塞大约位于上止点(TDC)位置处时，将第二一定体积的等温压缩空气喷射进入燃烧发动机的缸中；将一定体积的燃料选择性地喷射进入燃烧发动机的缸中；并且在燃烧发动机的缸中燃烧第二一定体积的等温压缩空气和所述一定体积的燃料的混合物。
在本发明的其它实施例中，公开一种控制基于等温压缩的燃烧(IsoC)发动机的方法，其包括：当相关联的活塞大约位于上止点(TDC)位置处时，将一定体积的等温压缩空气选择性地喷射进入燃烧发动机的缸中；将一定体积的燃料选择性地喷射进入缸中；通过用户界面选择性地接收输入；并且在燃烧发动机的曲轴的随后的转动过程中，选择性地调节喷射进入燃烧发动机的缸中的一定体积的燃料和被压缩的一定体积的空气的至少一者。
附图说明
为更全面的理解本发明和其优点，现在联系附图和详细描述参照以下简要描述，其中相似的附图标记表示相似的部件：
图1是根据本发明的实施例的基于等温压缩的燃烧(IsoC)发动机的示意图；
图2是根据本发明的实施例的基于等温压缩的燃烧发动机(IsoC)的电子控制系统的示意图；
图3是根据本发明的实施例的操作基于等温压缩的燃烧发动机(IsoC)的方法的流程图；并且
图4是根据本发明的实施例的控制基于等温压缩的燃烧(IsoC)发动机的方法的流程图。
具体实施方式
开始应该理解，虽然下文提供了一个或多个实施例的说明性实施方式，但是可以使用当前已知的或存在的任意数量的技术执行公开的系统和/或方法。本发明应该决不受限于下文描述的说明性实现方式、附图和技术，包括本文中图示的和描述的示例性设计和实现方式，但是可以在随附权利要求的范围内以及其等同物的全部范围内改变。
本文中公开的是基于等温压缩的燃烧(IsoC)发动机的实施例。IsoC发动机可以立即在燃烧事件之前将环境温度压缩空气喷射进入燃烧发动机中，以增加发动机的效率。IsoC发动机还可以包括联接到等温压缩机的涡轮增压器和来自燃烧发动机的排气流以增加进入压缩机中的气流。IsoC发动机还可以包括电容空气槽，电容空气槽可以用于驱动燃烧发动机活塞，并且允许燃烧被选择性地结束以增加燃料效率和缩减排放物。IsoC发动机还可以能够与再生制动兼容。IsoC发动机还可以使用稀燃(例如在燃烧室中的具有过多的空燃比的混合物的燃烧)以增加燃料效率和减少排放。IsoC发动机还可以包括碳隔绝过滤器以进一步地减少净碳排放。另外地，支持IsoC发动机效率的部件可以作为双驱动混合平台而提供对于操作发动机必要的硬件。IsoC发动机的促进热效率的高压气动部件还可以允许发动机操作为根本不使用燃烧的零排放物空气马达。
现在参照图1，示出了根据本发明的实施例的基于等温压缩的燃烧(IsoC)发动机100。IsoC发动机100是燃烧发动机，所述燃烧发动机以等温冷却压缩装填(装填在环境温度下或非常接近环境温度进行)连续替代传统燃烧发动机循环中利用的绝热压缩。在火花点火之前IsoC发动机100缸156内的压缩热的缺乏基本消除了自动点火，自动点火是用于等温压缩的燃烧发动机的设计边界。最通常地，IsoC发动机100包括被构造成用于在丢弃压缩热的同时收集和压缩环境空气的中间冷却多级压缩机102、被构造成用于存储冷却压缩空气的至少一个电容槽104、和燃烧发动机106，所述燃烧发动机106被构造成用于由于将来自至少一个电容槽104的等温压缩空气和/或由燃料系统140提供的燃料喷射进入燃烧发动机106的多个缸156中而给驱动系或其它设备提供动力。另外地，在一些实施例中，IsoC发动机100还可以包括被构造成用于增加向压缩机102的气流的涡轮增压器108。
压缩机102可以通常地被构造成用于等温地压缩空气并且将压缩空气传输到联接到压缩机102的至少一个电容槽104。压缩机102通常地被构造成中间冷却多级活塞压缩机。在一些实施例中，压缩机102可以是涡旋式压缩机。在其它的实施例中，压缩机102可以是转动式压缩机。然而，还在其它的实施例中，压缩机102可以是能够增加由压缩机102容纳的大量空气的压力的任何其它类型的适当压缩机。压缩机102包括至少一个压缩机风扇138和被构造成用于耗散通过压缩压缩机102中的空气而导致的热的至少一个热交换器158。压缩机风扇138被构造成用于生成穿过热交换器158的传输气流，以便于传输气流和热交换器158之间的传热。另外地，热交换器158可以包括散热片、散热器、中间冷却器、和/或散热片、散热器、中间冷却器的任何组合、以及被构造成用于促进传输气流和热交换器158之间的传热的其它特征。在一些实施例中，来自压缩机102的热交换器158的被废弃的热可以用于在寒冷气候中提供驾驶舱加热、油加热和/或其它辅助用途。压缩机102的热交换器158还可以被构造成用于液体冷却。通过丢弃由于压缩压缩机102中的空气而导致的热，压缩机102能够将压缩机102中的空气等温压缩。在一些实施例中，等温压缩空气可以具有与进入压缩机102中的环境空气的温度大致相等的温度。传输气流可以将热耗散进入环境空气中或可选地通过压缩机排放装置132被转移。压缩机排放装置132可以联接到涡轮增压器108的热侧108b。如将在之后进一步地详细所述，通过将从压缩机102的热交换器158丢弃的热传输穿过涡轮增压器108的热侧108b，由压缩机102的热交换器158丢弃的热能可以通过涡轮增压器108被回收，以进一步地增加压缩机102和/或IsoC发动机100的效率。
压缩机102通过设置在压缩机102和至少一个电容槽104之间的管线干燥机112向至少一个电容槽104提供等温压缩空气。管线干燥机112被构造成用于从来自压缩机102的等温压缩空气移除水分。止回阀114也可以设置在压缩机102和至少一个电容槽104之间。止回阀被构造成用于防止来自更接近至少一个电容槽104的下游侧的等温压缩空气在朝压缩机102的上游方向上流动。另外地，外部填充端口116可以被设置在止回阀114和至少一个电容槽104之间。外部填充端口116被构造成用于联接到外部压缩空气源，以允许至少一个电容槽104以通过外部填充端口116从外部压缩空气源接收压缩空气。进一步地，止回阀114还可以防止通过外部填充端口116从外部压缩空气源接收的压缩空气朝压缩机102流动。
尽管IsoC发动机100被公开为具有至少一个电容槽104，但是将认识到，IsoC发动机100可以包括多个电容槽104。电容槽104通常被构造成用于存储从压缩机102接收的等温压缩空气。此外，电容槽104被构造成用于向燃烧发动机106供应一定量的等温压缩空气。电容槽104可以通常具有轻质高强度的构造。在一些实施例中，电容槽104可以包括碳化纤维复合构造。在一些实施例中，电容槽104可以被加载至达到约500磅每平方英寸(psi)、达到约1,000psi、达到约2,000psi、达到约3,000psi、达到约4,000psi、和/或达到约5,000psi的压力。
在电容槽104的下游侧，IsoC发动机100包括截止阀118。截止阀118被选择性地可操作以基本限制和/或基本防止存储在电容槽104中的压缩空气传输进入燃烧发动机106中。在一些实施例中，截止阀118可以是手动控制截止阀。然而，在其它的实施例中，截止阀118可以是电子控制阀，所述电子控制阀可以选择性地操作以允许或限制来自电容槽104的压缩空气流到燃烧发动机106。在又一其他的实施例中，截止阀118可以通过由于故障安全紧急中断而引起的压力突变被气动地致动。另外地，如本文中进一步详细所述，IsoC发动机100还可以在电容槽104和燃烧发动机106之间包括二氧化碳隔绝过滤器120。二氧化碳隔绝过滤器120通常可包括粒状金属氧化物的套筒，当相关联的IsoC发动机100正在操作时，所述套筒可以使自由的大气二氧化碳隔绝。
最通常地，电容槽104被构造成用于将一定装载量的等温压缩空气供应进入燃烧发动机106的缸156中。电容槽104通过压力调节器122供应压缩空气并且将压缩空气供应到共用空气导轨124，其中压缩空气大致地均匀分布到多个空气喷射器126。压力调节器122通常可被构造成用于选择性地控制、限制和/或限定进入共用空气导轨和/或燃烧发动机106的缸156中的压缩空气的压力。然而，在一些实施例中，压力调节器122可以被构造成用于选择性地允许压缩空气基本不受限制地流到共用空气导轨124，和/或一些操作模式和状态下作为一种类型的调节阀改变压力。通常地，每个缸156都通过单个的空气喷射器126接收压缩空气。然而，在一些实施例中，燃烧发动机106的每个缸156都可以通过多个空气喷射器126接收压缩空气。IsoC发动机100的空气喷射器126可以被机械地、气动地、液压地和/或电磁地致动。将认识到，压缩空气从电容槽104传送到空气喷射器126并且进入燃烧发动机的缸156中可以被电子地控制。
IsoC发动机100还包括燃料系统140，所述燃料系统被构造成用于向燃烧发动机106的多个缸156中的每一个缸供应燃料。燃料系统140包括被构造成用于存储一定体积的燃料的燃料贮存器142、被构造成用于从燃料贮存器142泵送燃料的燃料泵144、被构造成用于从燃料移除颗粒的燃料过滤器146、燃料导轨148和多个燃料喷射器150。燃料系统140被构造成用于在燃料贮存器142中存储一定体积的燃料并且通过燃料过滤器146将燃料从燃料贮存器142泵送到燃料导轨148，其中燃料被基本均匀分布到多个燃料喷射器150。在一些实施例中，燃料系统140被构造成用于将燃料与来自电容槽104的等温压缩空气一起同时地传输到燃烧发动机106的缸156。然而，在一些实施例和操作模式中，仅压缩空气可以被喷射进入燃烧发动机106的缸156中。此外，将认识到，通过燃料系统140传送燃料可以被电子地控制。
燃烧发动机106通常被构造成用于响应于使从电容槽104传送的压缩空气和从燃料系统140传送的燃料的混合物燃烧而操作。在一些实施例中，燃烧发动机106还可以被构造成用于响应于仅将来自电容槽104的压缩空气喷射进入燃烧发动机106的缸156中而操作。在一些实施例中，燃烧发动机106可以包括四冲程燃烧发动机。然而，在其它的实施例中，燃烧发动机106可以包括二冲程燃烧发动机。燃烧发动机通常包括多个缸156，每个缸都具有由曲轴136驱动的活塞160。燃烧发动机106进一步地被构造成用于通过排气歧管128排出排放气体。燃烧发动机106通常通过选择性地接合压缩机离合器130依靠曲轴136联接到压缩机102。相应地，通过选择性接合压缩机离合器130，压缩机102被燃烧发动机106选择性地驱动。通过接合压缩机离合器130，通过操作燃烧发动机106而导致的曲轴136的转动驱动压缩机102。在一些实施例中，压缩机离合器130可以包括额外的设计和安全元件，诸如齿轮装置、滑动离合器，并且调整从燃烧发动机106传送到压缩机102的速度和转矩。进一步地，在一些实施例中，当IsoC发动机100作为压缩空气马达而操作时，压缩机离合器130可以被选择性地分离。
在一些实施例中，IsoC发动机100包括涡轮增压器108。涡轮增压器108联接到排气歧管128并且被构造成用于从可能以其他方式被损耗的排放气体回收能量。涡轮增压器128可以被描述为具有冷侧108a和热侧108b。涡轮增压器108的热侧108b通过排气歧管128从燃烧发动机106接收排放气体，并且通过排放管道152将排放气体排放至大气中。在一些实施例中，根据IsoC发动机100的应用，涡轮增压器108还可以将排放气体传输通过催化转化器154。穿过涡轮增压器108的热侧108b的排放气体转动涡轮增压器108中的轴，并且导致涡轮增压器108的冷侧108a的第二叶轮压缩机通过空气过滤器110抽吸环境空气，并且促使空气通过进气管道134进入压缩机102中。当被构造成用于力引发(force-induce)的压缩机102时，涡轮增压器108用作额外泵级，因而在减少压缩机102和/或压缩机102的曲轴136处的工作要求的同时，改进体积传送。涡轮增压器108的输出还可以在将空气传输进入压缩机102中之前被中间冷却。另外地，在一些实施例中，通过热交换器158从压缩机102丢弃的热可以被传输到涡轮增压器108的热侧108b并且可以通过涡轮增压器108被回收以进一步地增加压缩机102和/或IsoC发动机100的效率。相应地，涡轮增压器108可以利用从燃烧发动机106的废气和/或在压缩机102处丢弃的热回收的能量，以增加压缩机102的体积传送。然而，在可替换的实施例中，IsoC发动机100可以不包括涡轮增压器108。在没有涡轮增压器108的该实施例中，压缩机102可以直接地联接到空气过滤器110并且被构造成用于经由自然吸气直接地通过空气过滤器110抽吸空气。
仍然参照图1，在操作中，IsoC发动机100通过将一定加载量的等温压缩空气喷射进入燃烧发动机106的缸156中并且喷射由燃料系统140提供的燃料而被操作。所述一定加载量的压缩空气和燃料然后可以雾化和/或混合，并且被燃烧以转动燃烧发动机106的曲轴136。在一些实施例中，所述一定加载量的压缩空气可以与燃料喷射同时一起喷射。然而，在其它的实施例中，所述一定加载量的压缩空气可以在燃料喷射之前和/或在燃料喷射之后被喷射。另外地，IsoC发动机100被构造成用于选择性地停止燃料喷射，并且通过喷射所述一定加载量的压缩空气以促使在相关联的缸156中的活塞160向下远离上止点(TDC)位置，以操作为零排放物压缩空气马达。IsoC发动机100还被构造成用于通过重新开始燃烧压缩空气和燃料混合物以选择性地重新开始燃料喷射并且操作燃烧发动机106。
最通常地，当相关联的活塞160被定位在TDC位置处或附近时，来自电容槽104的所述一定加载量的等温压缩空气可以被喷射进入缸中。TDC表示当缸156中的活塞160定位成距离曲轴136最远处的时刻。TDC还表示当作用在曲轴136上的力大致地与延伸通过缸156的中央的纵向轴线对准的时刻。仍然进一步地，为了本公开，当相关联的曲轴136角度位于0°处时，活塞160定位在TDC处。因而，任何负角度，例如-5°，表示在活塞160在相关联的缸156中到达其TDC之前曲轴136的转动角度，并且任何正角度，例如+5°，表示在活塞160已经在相关联的缸156中通过其TDC之后曲轴136的转动角度。另外地，将认识到，IsoC发动机100可以被构造成二冲程燃烧发动机或可选地成为四冲程燃烧发动机，其中来自燃料系统140的燃料也被喷射进入燃烧发动机106的缸156中。
二循环IsoC发动机操作
在燃烧发动机106包括二冲程燃烧发动机时IsoC发动机100的操作包括做功冲程和排气冲程，并且可以进一步地具有如下特征，省略了在燃烧发动机106的缸156中常规的绝热压缩冲程且省略了常规的进气冲程。替代地，当相关联的缸156的活塞160在TDC处或附近时，来自电容槽104的一定加载量的等温压缩空气被喷射进入燃烧发动机106的缸156中。另外地，来自电容槽104的一定加载量的等温压缩空气还可以被描述为仅在来自燃料系统140的燃料也被添加进入缸156中时在点火之前被喷射。
在一些实施例中，当缸156的活塞160位于TDC(0°)处时，可以发生压缩空气进入缸156中的喷射。然而，在其它的实施例中，当曲轴136的转动角度在约-30°到约+30°之间、约-20°到约+20°之间、约-15°到约+15°之间、约-10°到约+10°之间、约-5°到约+5°之间时、约-2°到约+2°和/或约-1°到约+1°之间时，可以发生压缩空气被喷射进入缸156中。在又一其他的实施例中，当相关联的活塞160定位在TDC处时，可以开始将压缩空气喷射进入缸156中，并且继续直到曲轴136的转动角度在约+1°、约+2°、约+3°、约+5°、约+10°、约+15°和/或约+30°处为止。仍然进一步地，在可替换的实施例中，当曲轴136的转动角度在约-30°、约-15°、约-10°、约-5°、约-3°、约-2°和/或约0°之间时，可以开始将压缩空气喷射进入缸156中，并且继续直到曲轴136的转动角度约在TDC处、在约+1°、约+2°、约+3°、约+5°、约+10°、约+15°和/或约+30°处为止。在一些实施例中，将认识到，压缩空气的喷射的定时和持续时间还可取决于曲轴136转动速度和/或燃烧发动机106的其它操作或设计参数。
IsoC发动机100的二冲程燃烧发动机构造消除了在传统燃烧发动机循环中利用的绝热压缩。通过在TDC位置处或附近喷射一定加载量的等温压缩空气，绝热压缩热不被引入循环中，并且压缩空气燃料混合物保持冷却到火花点火的阈值。因此，二冲程IsoC发动机100基本不具有自动点火或爆炸限制条件，允许以下设计和实施例，所述设计和实施例可以包括达到约100:1的更高的静态压缩比率、燃料供给选择的更大灵活性、改进的热效率、减少的排放物和以非常稀的空气燃料混合物而有效地操作的能力。相应地，IsoC发动机100可以燃烧稀混合物(例如在缸156中具有空气与燃料的较高比率的、压缩空气和燃料的混合物的燃烧)，这可以增加燃料效率并且减少排放物而不会导致过热或功率的较大损耗。在一些实施例中，空气与燃料的比率可以是约15:1、约20:1、约25:1、约30:1、约40:1、约50:1、约60:1、和/或约70:1。在一些实施例中，与传统的绝热压缩发动机可以通过燃烧化学计量的空气与燃料混合物所获得的功率相比，IsoC发动机100可以从燃烧低浓度的空气与燃料比率混合物获得等同的和/或较大量的功率。相应地，IsoC发动机100可以允许具有较低燃料要求的更大功率输出，从而与传统绝热压缩发动机的燃料效率相比，给予IsoC发动机100更高的燃料效率。
通过使得燃烧发动机106能够以否则可以损坏传统绝热压缩发动机的空气与燃料比率操作，长时间的燃烧发动机设计限制条件可以被有效地减少和/或一起被消除。另外地，更高压缩比操作所要求的更高的压缩压力通过IsoC发动机100的气动部件被产生和提供，消除了压力在燃烧发动机106中被处理的要求。因此，与具有大致类似的静态压缩比率的传统燃烧发动机相比，IsoC发动机100可以包括更轻负荷构造的燃烧发动机106。
四循环IsoC发动机操作
IsoC发动机100在燃烧发动机106包括四冲程燃烧发动机时的操作包括空气马达做功冲程、压缩冲程、燃烧做功冲程和排气冲程，并且还可以具有如下特征，在四冲程循环中空气马达做功冲程代替常规的进气冲程。可选地，IsoC发动机100在四冲程构造中的操作可以进一步地被描述为由两个交错的和交替的二冲程循环组成的四冲程循环：(1)二冲程空气马达子循环和(2)二冲程燃烧发动机子循环，其中两个类型的做功冲程在曲轴136的交替旋转时被执行，并且来自空气做功冲程的“废气”变成用于内部燃烧过程的“吸入物”。在缸156的排气阀闭合的情况下，当在空气马达做功冲程的起点处相关联的缸156的活塞160在TDC处或附近时，来自电容槽104的装填的等温压缩空气被喷射进入燃烧发动机106的缸156中。在一些实施例中，当相关联的活塞160定位在TDC处时，可以开始将压缩空气喷射进入缸156中，并且继续直到曲轴136的转动角度在约+1°、约+2°、约+3°、约+5°、约+10°、约+15°和/或约+30°处为止。仍然进一步地，在可替换的实施例中，当曲轴136的转动角度在约-30°、约-15°、约-10°、约-5°、约-3°、约-2°和/或约0°之间时，可以开始将压缩空气喷射进入缸156中，并且继续直到曲轴136的转动角度约在TDC处、在约+1°、约+2°、约+3°、约+5°、约+10°、约+15°和/或约+30°处为止。在一些实施例中，将认识到，压缩空气的喷射的定时和持续时间还可以取决于曲轴136转动速度和/或燃烧发动机106的其它操作或设计参数。
一定加载量的压缩空气可以填充缸156和吸收从之前的燃烧事件残余的废热。所述一定加载量的压缩空气可以由于吸收废热而获得额外的膨胀。相应地，缸156中的空气可以向下推动活塞160。在一些实施例中，通过以压缩空气做功冲程代替常规的进气事件，可以显著地减少活塞被推动远离TDC位置和/或消除常规的泵送损耗。相应地，所述一定加载量的等温压缩空气的喷射可以经由废热的排除而增加IsoC发动机100的功率输出，而不会将额外的燃料喷射进入缸中。
在一些实施例中，喷射进入缸156中的一定加载量的压缩空气可以取决于燃烧发动机106的静态压缩比率。例如，具有约147磅每平方英寸(psi；约10巴)的压力的一定加载量的压缩空气可以在约TDC处被喷射进入用于具有约10:1的压缩比的燃烧发动机106的缸156中。当活塞160位于下止点(BDC)位置处时，在膨胀之后，这可以在缸156中导致约14.7psi的压力。相应地，喷射进入缸156中的一定加载量的压缩空气的压力可以被调节，使得位于BDC处的燃烧发动机106的缸156内部的压力约是14.7psi和/或促进缸156中适当燃烧的任何其它压力。在一些实施例中，因为当活塞160达到BDC时，在TDC处引入的等温压缩加载已经以10:1的比率膨胀，假定其在比上冲程开始时的环境空气的温度更低的温度，因而与传统的绝热压缩发动机相比，压缩冲程可以在较冷的环境中开始。另外地，在压缩空气做功冲程过程中，缸156的加热平面可以驱动压缩气体的更多膨胀，排除该废热并且将成额外功形式的废热传输到曲轴136。由于较冷的环境，曲轴136可以在上冲程中经受减少的载荷，所述减少的载荷促进较冷的压缩负载和来自燃烧事件的增加效率，当燃料被喷射进入缸156中时，随着活塞160返回到TDC位置，出现所述燃烧事件。在点火和燃烧之后，四冲程IsoC发动机100的做功冲程和排气冲程可以基本类似于传统四冲程绝热压缩发动机的做功冲程和排气冲程。
仍然参照图1，IsoC发动机100可以安装在车辆中并且被构造成用于推进车辆。本公开预期的是，IsoC发动机100可以用于多个应用中，包括但是不受限于，车辆、重型机械、发电厂、发电机组、燃烧发动机提供动力的工具和设备、水面和潜海船和任何其它适当的燃烧发动机提供动力的设备，其中可以受益于增加的燃料效率、减少的排放物、减少的操作温度和/或更少的限制性设计约束条件。
IsoC发动机100的二冲程燃烧发动机构造和四冲程燃烧发动机构造的实施例还可以提供额外的益处。通过曲轴136通过选择性地接合压缩机离合器130将压缩机102联接到燃烧发动机106，IsoC发动机100被构造成用于再生制动，其可以进一步地增加IsoC发动机100的效率。在IsoC发动机100的减速过程中，能量可以通过曲轴136通过接合压缩机离合器130被转移到压缩机102。因而，压缩机102可以回收通常在减速过程中损耗的能量，并且使用该能量以等温地压缩额外的空气并且补充存储在电容槽104中的一定量的压缩空气。结果，“制动加载”可以用于从空转位置推进车辆或其它件的设备，进一步地减少燃料消耗和排放物。
IsoC发动机100还可以不具有与当前的气电混合应用类似的空转要求。当包括IsoC发动机100的车辆或其它的设备对动力的需求不作要求和/或车辆或设备保持空转时，IsoC发动机100可以完全停止，这通过中断来自电容槽104的压缩空气的喷射或通过选择性地操作截止阀118而实现。另外地，IsoC发动机100还可以停止来自燃料系统140的燃料传送。IsoC发动机100然后可以作为仅利用压缩空气喷射的压缩空气马达重启。一旦要求加速，则IsoC发动机100可以重新开始将压缩空气喷射进入燃烧发动机106中，并且当燃料燃烧可以以最大效率被执行时，还可以重新开始压缩空气和燃料混合物的燃料燃烧和燃料喷射。操作为燃烧发动机和压缩空气马达的IsoC发动机100的双重驱动功能可以选择性地被管理以优化性能、效率和排放。
IsoC发动机100还可以被构造成用于零排放物模式。在一些实施例中，IsoC发动机100可以通过驱动燃烧发动机106的活塞160而被操作而没有来自燃料系统140的燃料并且仅具有电容槽104所提供的一定加载量的压缩空气。例如，在短时间的断开和/或频繁的启动停止的交替中，IsoC发动机100可以首先利用其零排放物空气马达模式并且仅当燃烧可以以最大效率被执行时采用燃料燃烧。此外，以公路速度行进时和/或在长期巡航过程中，燃料燃烧可以被选择性地接合以提供连续的功率并且补充电容槽104的任何耗尽电容。
IsoC发动机100还可以被构造成用于减少碳排放物。IsoC发动机100包括在电容槽104和燃烧发动机106之间的二氧化碳隔绝过滤器120。二氧化碳隔绝过滤器120包括粒状金属氧化物的可以在连续负荷操作过程中使二氧化碳隔绝的可更换套筒。在气动硬件被构造成用于使自由的大气二氧化碳隔绝的同时，使用真正的碳中性生物燃料对IsoC发动机100进行燃料供给，可以导致净碳负性操作循环。
IsoC发动机100还可以被构造成用于电网供电操作。IsoC发动机100包括外部填充端口116，外部填充端口116被构造成用于联接到外部压缩空气源，以允许至少一个电容槽104以通过外部填充端口116从外部压缩空气源接收压缩空气。相应地，电容槽104可以使用固定泵和/或其它的固定的或可移动的压缩空气源而被填充。
IsoC发动机100可以被构造成用于利用本文中描述的效率增加益处中的一些或全部。该益处，诸如增加的静态压缩比率、改进的稀燃能力、燃料供给选择的较大灵活性、再生制动、没有发动机空转要求、和零排放物空气马达模式，可以被选择性地使用以使得具有IsoC发动机100的车辆或其它设备的效率最大化。相应地，通过回收否则丢弃的热能和选择性地执行燃料燃烧，相对于传统的绝热压缩发动机而言，IsoC发动机100能够获得燃料效率的较大增加。在一些实施例中，与传统的气电混合动力车相比，IsoC发动机100还可以获得更高的燃料效率。例如，在一些实施例中，具有IsoC发动机100的乘用车可以获得至少约40英里/加仑(mpg)、至少约50mpg、至少约60mpg、至少约70mpg、至少约80mpg和/或至少约90mpg的燃料效率。另外地，为了较高性能和竞赛目的以及其中燃料效率被认为对于最大化功率输出和性能的要求而言是次要的其它应用，IsoC发动机100可以选择性地被构造成使得其特征针对最大化功率密度和功率输出而非燃料燃烧效率。
现在参照图2，示出了根据本发明的实施例的基于等温压缩的燃烧(IsoC)发动机100的电子控制系统200的示意图。电子控制系统200电子地联接到图1的IsoC发动机100。电子控制系统200包括电子控制单元(ECU)202，电子控制单元(ECU)202被构造成用于通过多个传感器输入206监控IsoC发动机100的操作参数。ECU202还包括多个控制输出208，并且被构造成用于通过传感器输入206响应于IsoC发动机100的监控操作，通过多个控制输出208以控制IsoC发动机100的操作。电子控制系统200还包括用户界面204，用户界面204可以被构造成用于选择性地输入来自IsoC发动机100的、对于功率、效率、加速度和/或加速度的减少的要求。用户界面202可以包括踏板、钮子开关、调节阀、触发器或用于选择性地输入包括IsoC发动机100的车辆或其它设备的对于功率、效率、加速度和/或加速度的减少的要求的任何其它的可调节机构。
ECU202通常可以被构造成专用集成电路(ASIC)和/或包括通用处理器。ECU202还可以被构造成可编程的和/或存储一个或多个燃料图和空气图，以允许ECU202通过由于监控传感器输入206而导致的控制输出208以控制IsoC发动机100的操作。例如，ECU202可以以类似于传统的混合动力气电发动机的方式在较低的曲轴136旋转速度的情况下更大量地使用来自电容槽204的压缩空气，并且在较高的曲轴136旋转速度的情况下更大量地使用燃料系统140。此外，ECU202可以被构造成用于管理整个IsoC发动机100中的压力和温度，支配空气马达和燃料燃烧驱动模式之间的平衡，并且改变由于存储在ECU202中的一个或多个燃料图而导致的燃烧混合物。
为执行IsoC发动机100的控制，ECU202可以监控将信息传输到ECU202的多个传感器输入206。该信息可以包括压缩机102、燃烧发动机106、涡轮增压器108、压力调节器122、空气导轨124、空气喷射器126、排气歧管128、压缩机排放装置132、进气管道134、燃料系统140、燃料贮存器142、燃料泵144、燃料导轨148、燃料喷射器150、排放管道152、催化转化器154、缸156、和/或IsoC发动机100的任何其它构件的温度和/或压力。另外地，传感器输入206可以将以下信息传输到ECU202，所述信息涉及电容槽104的空气电容大小、止回阀114的状态、对外部填充端口116的连接状态、空气喷射器126的功能、燃料贮存器142中的燃料液面、燃料喷射器150的功能、曲轴136角度、曲轴136转动速度和/或对于ECU202显示IsoC发动机100的控制而言必要的任何其它操作和/或状态参数。
由于监控传感器输入206，ECU202可以通过多个控制输出208以控制IsoC发动机100。控制输出208通常可包括选择性地操作压缩机102、散布来自电容槽104的压缩空气、选择性地操作燃烧发动机106、选择性地操作截止阀118、选择性地调节压力调节器122、选择性地控制和/或操作空气喷射器126、选择性地接合和分离压缩机离合器130、选择性地操作压缩机风扇138、选择性地控制和/或操作燃料系统140、和/或选择性地控制和/或操作燃料喷射器150。由于ECU202通过用户界面204所接收的、对于功率、效率、加速度和/或加速度的减少的要求的改变，ECU202还可以通过多个控制输出208控制IsoC发动机100。ECU202还可以根据存储在ECU202中的预加载燃料图和/或空气图，通过控制输出208控制IsoC发动机100。另外地，ECU202可以被构造成用于连续改变压缩空气喷射的定时、燃料喷射的定时和火花点火的定时。
现在参照图3，示出了根据本发明的实施例的操作基于等温压缩的燃烧(IsoC)发动机100的方法300的流程图。方法300可以通过使用压缩机102以将空气等温压缩在方框302处开始。在一些实施例中，压缩机102可以通过将热耗散通过至少一个热交换器158以等温地压缩空气。方法可以通过将压缩空气存储在至少一个电容槽104中以在方框304处继续。通过在相关联的活塞160大约位于上止点(TDC)处时，将一定体积的等温压缩空气选择性地喷射进入燃烧发动机106的缸156中，方法可以在方框306处继续。通过将一定体积的燃料选择性地喷射进入缸156中，方法可以在方框308处继续。在具有二冲程燃烧发动机的实施例中，一定体积的燃料可以与压缩空气一起同时地喷射。在具有四冲程燃烧发动机的实施例中，一定体积的燃料可以在四冲程燃烧发动机106的空气马达做功冲程和/或压缩冲程过程中被喷射。然而，在一些实施例中，一定体积的燃料可以不被喷射进入缸156中。通过在燃烧发动机106的缸中燃烧一定体积的等温压缩空气和一定体积的燃料的混合物，方法可以在方框310处结束。在一些实施例中，可以通过在燃烧发动机106的缸156中对火花塞选择性地点火而启动燃烧一定体积的等温压缩空气和一定体积的燃料的混合物。
现在参照图4，示出了根据本发明的实施例的控制基于等温压缩的燃烧(IsoC)发动机100的方法400的流程图。通过在相关联的活塞160大约位于上止点(TDC)处时，将一定体积的等温压缩空气选择性地喷射进入燃烧发动机106的缸156中，方法400可以在方框402处开始。通过将一定体积的燃料选择性地喷射进入缸156中，方法可以在方框404处继续。在具有二冲程燃烧发动机的实施例中，一定体积的燃料可以与压缩空气一起同时地喷射。在具有四冲程燃烧发动机的实施例中，一定体积的燃料可以在四冲程燃烧发动机的空气马达做功冲程和/或压缩冲程过程中被喷射。然而，在一些实施例中，一定体积的燃料可以不被喷射进入缸156中。通过由用户界面204选择性地接收输入，方法可以在方框406处继续。通过选择性地调节被喷射进入燃烧发动机106的缸156中的一定体积的压缩空气和一定体积的燃料中的至少一个，方法可以在方框408处结束。在一些实施例中，选择性地调节一定体积的压缩空气和一定体积的燃料中的至少一个可以通过与至少一个控制输出208通信和/或控制至少一个控制输出208的ECU202以被执行。此外，在一些实施例中，ECU202可以响应于与至少一个传感器输入206的通信而执行一定体积的压缩空气和一定体积的燃料中的至少一个的选择性调节。
至少一个实施例被公开，并且本领域的技术人员选择所进行的实施例的变化、组合、和/或修改和/或实施例的特征在本发明的范围中。由结合、一体形成和/或省略实施例的特征引起的可替换实施例也在本发明的范围中。在数值范围或限制被明确规定的情况下，该明确的范围或限制应该理解为包括降落在明确规定的范围或限制内的类似数量的迭代范围或限制(例如，从约1到约10包括2、3、4等，与0.10相比更大，包括0.11、0.12、0.13等的情况)。例如，每当具有下限R1和上限Ru的数值范围被公开时，落在范围中的任一数值被具体地公开。特别地，在范围中的随后的数字被具体地公开为R＝R1+k*(Ru-R1)，其中k是变化范围从1％到100％的具有1％的增量的变量，即，k是1％、2％、3％、4％、5％、…、50％、51％、52％、…、95％、96％、97％、98％、99％、或100％。除非另有规定，否则术语“约”将表示比随后值多或少10％。此外，如上述限定的、由两个R数字限定的任何数值范围也被具体地公开。术语"可选地"关于权利要求中的任何元件的使用表示元件被需要，或可选地，元件不被需要，两个供选方案都在权利要求的范围中。广义术语的使用，诸如“包括”、“包含”和“具有”，应该理解为提供对于狭义术语的支持，诸如“由…组成”、“基本由...构成”和“大致地由...组成”。相应地，保护范围不受限于上述描述，但是被随后的权利要求限定，所述范围包括权利要求的主题的所有等同物。如进一步公开，每个和每一个权利要求都合并到说明书中，并且权利要求是本发明的实施例。对本发明的参考文献的讨论不认为其为现有技术，尤其是那些具有在本申请的优先权日之后的公开日的参考文献。在本发明中举例的所有专利、专利申请和公开物的公开内容通过引用而特此合并，向本发明提供示例性、程序化或其它的细节补充。

Claims (20)

1.一种基于等温压缩的燃烧发动机，包括：
压缩机，所述压缩机被构造成用于将一定体积的空气等温压缩；
至少一个电容槽，所述至少一个电容槽联接到压缩机并且被构造成用于存储被等温压缩的所述一定体积的空气；以及
燃烧发动机，所述燃烧发动机被构造成用于：
直接接收来自所述至少一个电容槽进入燃烧发动机的缸中的被等温压缩的所述一定体积的空气的至少一部分；以及
以下操作中的至少一个操作，(1)将一定体积的燃料选择性地喷射进入缸中并且在缸中存在一定体积的被等温压缩的空气的至少一部分的情况下点燃所述一定体积的燃料，和(2)选择性地省略喷射一定体积的燃料并且不使用燃烧而使缸中的一定体积的被等温压缩的空气的至少一部分膨胀。
2.根据权利要求1所述的基于等温压缩的燃烧发动机，其中：
当相关联的活塞位于上止点位置处时，所述一定体积的空气被接收进入缸中。
3.根据权利要求1所述的基于等温压缩的燃烧发动机，其中：
当相关联的活塞位于上止点位置和转动超过上止点位置20°的位置之间时，所述一定体积的空气被接收至缸中。
4.根据权利要求1所述的基于等温压缩的燃烧发动机，其中：
所述压缩机包括多级中间冷却压缩机并且被构造成用于耗散由于将所述一定体积的空气压缩而生成的热。
5.根据权利要求1所述的基于等温压缩的燃烧发动机，其中：
被接收至缸中的一定体积的压缩空气具有为周围环境的环境温度的温度。
6.根据权利要求1所述的基于等温压缩的燃烧发动机，其中：
所述燃烧发动机被构造成用于消除选择性地喷射进入缸中的一定体积的燃料的自动点火。
7.根据权利要求1所述的基于等温压缩的燃烧发动机，进一步包括：
涡轮增压器，所述涡轮增压器由来自燃烧发动机的排气流驱动并且被构造成用于迫使引起压缩机的吸气。
8.根据权利要求1所述的基于等温压缩的燃烧发动机，其中：
所述压缩机通过压缩机离合器被联接到燃烧发动机的曲轴，并且其中所述曲轴被构造成用于当压缩机离合器被接合时操作压缩机。
9.根据权利要求1所述的基于等温压缩的燃烧发动机，其中：
所述燃烧发动机包括具有排气冲程和工作冲程的二冲程操作循环，并且其中，接收来自所述至少一个电容槽并且进入缸中的等温压缩的所述一定体积的空气体积的至少一部分以及将所述一定体积的燃料选择性喷射至缸中同时发生。
10.根据权利要求1所述的基于等温压缩的燃烧发动机，其中：
所述燃烧发动机包括具有空气马达做功冲程、压缩冲程、燃烧做功冲程和排气冲程的四冲程操作循环，其中当在空气马达做功冲程开始时相关联的活塞位于上止点位置处时，发生等温压缩的所述一定体积的空气的所述至少一部分被喷射进入缸中，并且其中在空气马达做功冲程和压缩冲程中的至少一者期间，发生所述一定体积的燃料被选择性喷射。
11.一种操作基于等温压缩的燃烧发动机的方法，包括：
将第一一定体积的空气等温压缩；
将等温压缩的一定体积的空气传输到至少一个电容槽；
将等温压缩的一定体积的空气存储在所述至少一个电容槽中；
当相关联的活塞位于上止点位置处时，将第二一定体积的等温压缩空气从所述至少一个电容槽直接喷射至燃烧发动机的缸中；
将一定体积的燃料选择性地喷射进入燃烧发动机的缸中；并且
在燃烧发动机的缸中燃烧第二一定体积的等温压缩空气和所述一定体积的燃料的混合物。
12.根据权利要求11所述的方法，其中：
将一定体积的燃料选择性地喷射进入燃烧发动机的缸中与喷射第二一定体积的等温压缩空气同时地发生。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤：
选择性地停止将一定体积的燃料喷射进入燃烧缸中；并且
当相关联的活塞位于上止点位置处时，继续将第二一定体积的等温压缩空气喷射进入燃烧发动机的缸中以导致燃烧发动机操作。
14.根据权利要求11所述的方法，其中：
将第二一定体积的等温压缩空气喷射进入燃烧发动机的缸中和将所述一定体积的燃料选择性地喷射进入燃烧发动机的缸中同时发生。
15.根据权利要求11所述的方法，其中：
当在空气马达做功冲程之前相关联的活塞位于上止点位置处时，发生将第二一定体积的等温压缩空气喷射进入燃烧发动机的缸中，并且在空气马达做功冲程和压缩冲程中的至少一者期间，发生将所述一定体积的燃料选择性地喷射进入燃烧发动机的缸中。
16.一种控制基于等温压缩的燃烧发动机的方法，包括：
当相关联的活塞位于上止点位置处时，将一定体积的等温压缩空气从电容槽选择性地直接喷射进入燃烧发动机的缸中；
将一定体积的燃料选择性地喷射进入缸中；
通过用户界面选择性地接收输入；并且
在燃烧发动机的曲轴的随后的转动过程中，选择性地调节喷射进入燃烧发动机的所述缸中的所述一定体积的等温压缩空气和所述一定体积的燃料中的至少一者。
17.根据权利要求16所述的方法，其中：
选择性地调节喷射进入所述缸中的所述一定体积的等温压缩空气和所述一定体积的燃料中的至少一者响应于监控至少一个传感器输入通过电子控制单元被执行。
18.根据权利要求17所述的方法，其中：
选择性地调节喷射进入缸中的所述一定体积的等温压缩空气和所述一定体积的燃料中的至少一者通过与至少一个控制输出通信的ECU被执行。
19.根据权利要求18所述的方法，其中：
选择性地调节喷射进入缸中的所述一定体积的等温压缩空气和所述一定体积的燃料中的至少一者响应于通过用户界面接收的输入被ECU执行。
20.根据权利要求19所述的方法，其中：
所述ECU被构造成用于根据存储在ECU中的预加载燃料图和存储在ECU中的预加载空气图中的至少一者而选择性地控制IsoC发动机。
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