CN106414899A - 具有内置活动室的主动进气配气式压缩空气发动机 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种活动室式发动机，发动机根据三阶段式热力学循环运转并具有能滑动地安装在汽缸(1)中的至少一个活塞(2)，三个阶段包括等压等温转移阶段、作功多变膨胀阶段和在环境压力下排气阶段，优选地，汽缸被供以高压储存器(12)中容纳的压缩空气，其中，活塞扫过的汽缸(1)的容积分成活动室(CA)和膨胀室(CD)，使用压缩空气驱动进气门(9)，以开启然后关闭进气管，从而向发动机活动室供气，然后，用于这些作用的压缩空气再用于发动机中以产生补充作功。

Description

具有内置活动室的主动进气配气式压缩空气发动机

技术领域

本发明涉及尤其用压缩空气或任何其他气体运转并采用称为“活动室”的腔室的一种发动机。

本发明涉及这种发动机的进气配气，更特别的是针对具有内置活动室的发动机的进气配气，尤其是针对具有内置活动室的多模式自动膨胀式发动机的进气配气。

背景技术

将用于向这种发动机供给压缩气体的所有部件称为配气系统。

发明人们提交过涉及电机驱动装置以及其设备的许多专利，其使用气体，更为特别地使用压缩空气，以在城市和郊区环境进行完全清洁的运转。

发明人们特别是提交过国际专利申请WO-A1-03/036088，将参照该申请内容，所述专利申请涉及以单能源和多能源型式运转的附增压缩空气注入式电动压缩机-电动交流发电机组。

在用压缩空气运行的、包括压缩空气储存器的这些发动机类型中，需要在将以极高压力存储在储存器中、但其压力随着储存器排放而降低的压缩空气使用于一个或多个发动机的驱动汽缸中之前，将该压缩空气在称为工作容器的缓冲容器中膨胀到称为最终使用压力的中间稳定压力。

为解决减压器问题，发明人们还提交过专利申请WO-A1-03/089764，将参照该专利申请的内容，所述专利申请涉及通过注入压缩空气进行供给的发动机用的配气系统和可变流量式动态减压器，其包括高压压缩空气储存器和工作容器。

在这些“荷载膨胀”式发动机的运转中，对膨胀室的充填始终表示没有对机器总体效率有害的作功的膨胀。

为解决上述问题，发明人们还提交过专利申请WO-A1-2005/049968，该专利申请描述了一种压缩空气发动机，所述压缩空气发动机优选地通过容纳于高压储存器中的压缩空气或任何其它压缩气体进行供给，所述压缩空气或任何其它压缩气体预先在称为工作容器的缓冲容器中被膨胀到额定工作压力。

在根据文献WO-A1-2005/049968的教导的这种发动机类型中：

－膨胀室由可变容积构成，所述可变容积配有允许产生作功的部件，膨胀室与主压射活塞上方所包含的空间通过常设通道接触并且并联，主压射活塞配有使活塞中止于其上止点的活塞中止装置，

－在压射活塞行程停止在其上止点的期间，当膨胀室处于其最小容积时，增压空气或增压气体将被引进膨胀室中，并在推力下增大其体积，产生作功，

－膨胀室基本被保持在其最大容积，在膨胀室中所容纳的压缩空气继而膨胀到发动机汽缸中，因此再推动压射活塞进行活塞下行行程，继而提供作功，

－在排气阶段期间压射活塞回升的过程中，膨胀室的可变容积再回到其最小容积，以重新开始完整的作功循环。

根据该发明的发动机的膨胀室主动参与作功。发动机因而被称为“活动室”式发动机。

文献WO-A1-2005/049968特别是教导了一种在以压缩空气单能源模式运行时具有四个阶段的热力学循环，其特征在于：

－不作功等温膨胀；

－所谓准等温的作功轻微膨胀-转移；

－作功多变膨胀；

－环境压力下排气。

提出文献WO-A1-2005/049968教导的一种变型的文献WO-A1-2008/028881教导相同的热力学循环，不过使用一种传统的曲柄连杆装置，根据该发明的发动机的膨胀室主动参与作功。

根据文献WO-A1-2005/049968和WO-A1-2008/028881的教导的发动机是所谓的“活动室式发动机”。

下面，发明人提出一个用于内置活动室的压缩空气或压缩气体式发动机的专利申请，其采用与根据WO-A1-2005/049968和WO-A1-2008/028881教导的发动机相同的热力学循环、以及普通曲柄连杆装置。

根据文献WO-A1-2012/045693的教导，发明人们提出过一种内置活动室式发动机，其具有至少一个活塞，活塞安装成能在汽缸中滑动，用传统的曲柄连杆装置驱动曲轴，根据一个包括如下阶段的四阶段式热力学循环运转：

－不作功等温膨胀；

－所谓准等温的作功轻微膨胀-转移；

－作功多变膨胀；

－环境压力下排气。

其优选地由容纳于高压储存器中的压缩空气或任何其它压缩气体经过称为工作容器的缓冲容器进行供给，所述工作容器由容纳于高压储存器中的压缩空气或任何其它压缩气体进行供给，所述压缩空气或任何其它压缩气体优选经过动态膨胀装置、在工作容器中被膨胀到称为工作压力的中等压力，其中：

－活动室内置/内装在发动机汽缸中；

－所述发动机汽缸包括安装成在至少一个汽缸中能滑动的至少一个活塞，由所述活塞扫过的汽缸容积被分为区分开的两个部分，其中的第一部分构成活动室CA而第二部分构成膨胀室CD；

－汽缸在其上部分由汽缸盖关闭，所述汽缸盖包括至少一个进气管及至少一个进气口与至少一个排气管及至少一个排气口，其被布置成使得当所述活塞处于其上止点时，所述活塞和所述汽缸盖之间的余下容积——除非不存在——通过构造被缩小到允许所述活塞和所述汽缸盖之间无接触式运行的仅仅最小间隙；

－当活动室CA的容积为其最小容积时，压缩空气或增压气体被引进活塞上方的汽缸中，而在处于恒定工作压力的压缩空气的连续推力下，活动室容积将增大，产生表示准等温转移阶段的作功；

－自达到所述活动室CA的最大容积时，压缩空气或增压气体进入所述汽缸中的进气口就被封闭，包含在所述活动室中的压缩空气量或增压气体量则发生膨胀，回推所述活塞进行确定所述膨胀室CD的活塞行程第二部分，产生作功，因此确保膨胀阶段；

－所述活塞已达到其下止点，这时排气口打开，以在所述活塞在其整个行程上回升的期间确保排气阶段。

内置活动室CA的容积和所述膨胀室CD的容积的尺寸确定成使得在发动机额定运转压力下，在所述下止点的膨胀结束时的压力接近环境压力、尤其是大气压力。所述活动室的容积通过封闭进气口确定。

有利地，特别是在用压缩空气以单能源型式运转时，上文所描述的内置活动室式发动机包括汽缸排量递增的多个相继的汽缸。

优选地，如文献WO-A1-2005/049968和WO-A1-2008/028881的教导那样，发动机被供给压缩空气或任何其它压缩气体，所述压缩空气或任何其它压缩气体容纳在高压储存器中，在称为工作容器的缓冲容器中被预先膨胀到额定工作压力。

不过，即便在多级发动机的情形中可以以高压供应第一汽缸，但仍需要将容纳于高压储存器中的处于非常高压的压缩空气膨胀直到额定工作压力，该膨胀操作要么通过使用传统的减压器引起效率损失，要么通过采用文献WO-A1-03/089764的教导而不花费能源，但这种膨胀不允许在容纳于储存器中的高压与容积恒定的工作容器中的额定工作压力之间进行任意膨胀作功。

发明人们于是提出一个新专利申请WO-A1-2012/045694，将参照该专利申请的内容，该专利申请涉及一种内置活动室式压缩空气发动机，其中：

－储存高压压缩空气或任何其他增压气体的储存器直接向发动机汽缸的进气口供气；

－对内置活动室CA的充气在每个发动机循环以恒定进气压力进行，随着在随逐渐排放储存器时储存器中的压力降低，该进气压力递减；

－内置活动室CA的容积可变，随着确定所述进气压力的储存器中压力降低而该容积逐渐增大；

－内置活动室CA中的压缩空气进气口的启闭件不仅允许开启基本位于活塞行程上止点的进气口和进气管，而且还允许改变进气持续时间和/或进气口的角扇形面以及进气口通过截面；

－内置活动室CA的容积的尺寸确定成用于最大储存压力，然后，该容积逐渐增大，使得根据进气压力、内置活动室CA与膨胀室CD之间的容积比，在排气口打开之前的膨胀结束时的压力接近大气压力。

根据文献WO-A1-2012/045694的发动机也具有膨胀器作用，因此，该发明允许提出一种所谓“自动膨胀式”发动机，对于给活动室CA的供气，这种发动机不需要任何类型的独立膨胀器。

根据文献WO-A1-2012/045694的教导的内置活动室多模式自动膨胀式发动机，在以压缩空气单能源型式运转时，尤其是采用包括如下阶段的三阶段式热力学循环：

－等压等温转移阶段，

－作功多变膨胀阶段，

－环境压力下排气阶段。

在该发动机运行中，随高压储存器压力而变化的内置活动室容积决定了注入的压缩空气量。进气压力越高，则活动室的容积应越小。

因此，为使发动机在所有使用阶段正确运转，应当根据各种参数尤其是转速或转动工况、供气压力、加速器位置确定的荷载、温度，以高精度向发动机供气。

为此，必须能够改变以下参数：

－根据为考虑气体惰性在上止点之前或之后的发动机转速、还根据压力建立时间之比，来改变进气口开启时刻，

－根据发动机转速而且还根据进气压力，改变进气口关闭时刻，

－根据所需荷载，改变进气门的升程。

困难在于内置活动室中压缩空气进气口启闭件的实施，所述启闭件不仅允许开启基本位于活塞行程上止点的进气口和进气管，而且还允许改变进气持续时间和/或进气口的角扇形面以及进气口通过截面。

各种类型发动机的配气一般由气门加以确保，气门的运行是公知的。气门会关闭进气管和/或排气管，所述气门具有气门头，气门头由弹簧保持抵靠在围绕孔形成的圆形气门座上，所述孔使进气管和/或排气管与汽缸中容纳的燃烧和/或膨胀室连通。

气门头由作用于延长气门头的气门杆或气门尾的推杆凸轮机械系统驱动，深入待供气的室，开启回路。

在其他领域的电机驱动装置中，出于尤其是涉及减少污染和旨在掌控常规燃烧式发动机进气和排气的其他技术原因，许多发动机专家研究可控制气门在运转过程中开启持续时间和开启相位的系统，并提出过许多涉及这些应用的专利。一些由步进电机控制的复杂机械系统也尤其由BMW公司(注册商标)开发出来并投入商业生产，以称为“Vamos”的装置进行销售。

发明人们还提交了专利申请WO-A1-03/089764，其内容可资参考，该专利申请涉及无级控制式气门配气系统。

许多研究工作已经着手进行，这些研究工作涉及机电装置、尤其是由可容易操控的电磁铁控制的机电装置，以考虑各种运行参数，但鉴于气门的重量和惯性，应用于允许气门移动速度和加速的电功率要求相当大的功率。

本发明尤其适于活动室式压缩空气发动机，尤其是内置活动室式多模式自动膨胀发动机，本发明提出解决上述所有问题，同时使得功率增大。

根据本发明的应用于压缩空气发动机的主动进气配气装置，使用容纳于高压储存器和/或进气回路中的压缩空气以驱动进气门，以便开启然后关闭可向发动机活动室供气的进气管，然后，用于这些作用的压缩空气再利用于发动机中以进行补充作功。

发明内容

本发明提出一种活动室式发动机，活动室式发动机根据一个包括如下阶段的三阶段式热力学循环运转：

－等压等温转移阶段；

－作功多变膨胀阶段；

－在环境压力下排气阶段；

该发动机具有：

－至少一个汽缸，汽缸被供给容纳在高压储存器中的增压气体、优选压缩空气，

－至少一个活塞，活塞能滑动地安装在汽缸中，

－曲轴，曲轴由活塞利用传统的曲柄连杆装置驱动，

－汽缸盖，汽缸盖在汽缸上部部分封闭由活塞扫过的汽缸的容积，汽缸盖具有用于充注汽缸的增压气体流在其中流动的至少一个进气管、在活塞上方的用于增压气体的至少一个进气口、以及至少一个排气口和至少一个排气管，汽缸盖布置成使得当活塞处于其上止点时，活塞和汽缸盖之间的余下容积通过构造被缩小到允许活塞和汽缸盖之间无接触式运行的仅仅最小间隙，

－至少一个进气门，进气门与汽缸盖中形成的气门座密封配合，进气门限定进气口，

在发动机中：

－活塞扫过的汽缸的容积被分成不同的两个部分，其中的第一部分构成内置于汽缸中的活动室，第二部分构成膨胀室，

－在进入汽缸的具有恒定工作压力的增压气体的连续推力作用下，活动室的容积增大，产生作功，这表示等压等温转移阶段，

－一达到活动室的最大容积，就封闭增压气体进入汽缸中的进气口，活动室中含有的增压气体量则膨胀，回推活塞进行其行程的确定膨胀室的第二部分，产生作功，从而确保多变膨胀阶段，

－活塞已到达其下止点，排气口于是开启，以确保在活塞在其整个行程中上升直至上止点的期间的排气阶段，

－发动机的扭矩和转速通过以如下方式开启和关闭进气门来控制：允许大致在活塞行程的上止点开启进气门，及允许通过关闭进气门来改变进气持续时间和/或进气口的角扇形面、以及进气口的通过截面，以根据储存器中容纳的压缩气体的压力和根据膨胀阶段结束时的压力，来确定进入的增压气体量以及活动室的容积，

其特征在于：

－a)进气门安装成能在进气门密封抵靠在气门座上的关闭低位与开启高位之间轴向移动，

－b)进气门沿其开启方向、朝与充注汽缸的增压气体流的流动方向相反的方向轴向移动，

－c)进气门在关闭位置通过进气管中存在的、施加于进气门的压力，以压热自闭的方式被保持闭合于气门座上，

－d)发动机具有控制部件，控制部件用于控制大致在活塞行程的上止点开启进气门，以致使进气门脱离其气门座，以便能在活动室中建立进气压力，进气门则在增压气体对进气门的相应部分施加的差动压力的作用下，进行完整开启行程，

－e)发动机具有用于关闭进气门的气压作动筒，气压作动筒具有作动筒筒体和关闭活塞，关闭活塞连接于进气门以随进气门一起轴向移动，关闭活塞安装成能在作动筒筒体中滑动，关闭活塞在作动筒筒体内密封地限定作动筒的控制室，控制室称为封闭室，

－f)发动机具有用于控制进气门开启的至少一个开启控制导道，开启控制导道使所述封闭室连接于增压气体源，增压气体源或者是汽缸的活动室的上部部分，或者是进气管，或者是增压气体储存器，

－g)发动机具有主动配气导道和用于封闭气体在主动配气导道中流通的称为主动配气阀的阀，所述主动配气导道使所述封闭室连接于活动室的上部部分，控制主动配气阀开启，以使封闭室与活动室的上部部分连通，关闭进气门并产生加入到预先通过进气管进入活动室的增压气体荷载的作功中的作功。

根据本发明的其他特征：

－主动配气阀根据下述循环进行控制：

i)开启主动配气阀，以使封闭室与活动室连通，以便致使进气门关闭，然后在膨胀阶段的过程中，允许封闭室中容纳的压缩气体膨胀到汽缸的膨胀室中，产生加入到预先通过进气管进入活动室的增压气体荷载的作功中的作功，

ii)在膨胀阶段结束时，重新关闭主动配气阀，以在封闭室内保持其值接近大气压力值的膨胀气体压力；

－用于控制进气门开启的控制部件d)具有：

－d1)用于控制进气门开启的开启控制导道，开启控制导道使活动室的上部部分连接于进气管或连接于增压气体储存器，

－d2)以及用于封闭气体在开启控制导道中流通的受控阀，其称为开启控制阀；

－开启控制阀根据下述循环加以控制：

k1)排气阶段结束时，当活塞大致处于其行程的上止点时，打开所述开启控制阀，以允许在活动室中建立与进气管中存在的压力相同的压力并致使进气门脱离其气门座，

k2)进气门于是在增压气体对进气门的相应部分施加的差动压力的作用下，进行其完整开启行程，

k3)一旦进气门开启，所述开启控制阀就关闭；

－发动机具有使封闭室连接于进气管和/或连接于增压气体储存器的导道、和封闭气体在该导道中流通的封闭阀，控制该导道开启和随后关闭，以致使在封闭室与汽缸扫过的汽缸的容积连通之前关闭进气门；

－用于控制进气门开启的控制部件具有指杆，指杆在活塞的上表面上凸起地形成，指杆在活塞向其上止点的行程结束过程中，通过进气口作用于进气门的面对面部分，以使进气门脱离气门座；

－主动配气阀根据下述循环进行控制：

j)开启主动配气阀，以使封闭室与活动室连通，以便使封闭室与汽缸的膨胀室连通，来允许封闭室中容纳的压缩气体膨胀到汽缸的膨胀室中，产生加入到预先进入活动室的增压气体荷载的作功中的作功，

jj)在膨胀阶段结束时，主动配气阀重新关闭，以在封闭室内保持其值接近大气压力值的压力；

－进气门的最大开启高位由可调限位器限定，控制可调限位器沿进气门移动方向的轴向位置，以改变通过进气管进入汽缸的增压气体流量。

附图说明

通过阅读参照附图以非限定性方式对多种实施方式进行的说明，本发明的其它目的、优点和特征将体现出来，附图中：

－图1A示意性地示出根据本发明的以轴向剖视图表示在其下止点的具有内置于汽缸中的活动室的发动机，并示出其压缩空气供给装置；

－图1B至1D类似于图1A，在这些图上示出发动机处于根据本发明的发动机的不同的相继的运转阶段，其中图1B示出发动机处于进气过程中，进气门已自上止点开启；

－图2类似于图1D，示出根据本发明的发动机的第二种实施方式；

－图3类似于图1B，示出根据本发明的发动机的第三种实施方式；

－图4类似于图1D，示出根据本发明的发动机的第四种实施方式。

具体实施方式

对图1A至1D进行说明。

图1A示出活动室式自动膨胀发动机，其配有根据本发明的有效进气配气组件。

图1A至1D中示出根据一个包括如下阶段的三阶段式热力学循环运转的活动室CA式发动机：

－等压等温转移；

－作功多变膨胀；

－环境压力下排气。

发动机具有至少一个汽缸1，附图中仅示出一个汽缸，汽缸被供以容纳在高压储存器12中的增压气体、优选压缩空气。

发动机具有活塞2和曲轴5，活塞2能滑动地安装在汽缸1中，曲轴5由活塞2通过传统的曲柄连杆装置3、4驱动。

被活塞2扫过的发动机汽缸1的容积沿虚线DD'(其对应正交于汽缸轴线的分隔面)分为两个部分：第一部分，第一部分构成活动室CA，因此活动室内置于汽缸1中；和第二部分，第二部分构成膨胀室CD。

发动机还具有汽缸盖6，汽缸盖在汽缸上部部分封闭由活塞2扫过的汽缸1的容积。

汽缸盖6具有至少一个进气管8、在活塞2上方的至少一个增压气体进气口7，进气管8连接于储存器12，充注汽缸的增压气体流在储存器12中流动。

汽缸盖还具有至少一个排气口和至少一个排气管(未示出)。

汽缸盖6布置成使得当活塞2处于其上止点时，在活塞2和汽缸盖6之间的余下容积通过构造被缩小到允许所述活塞2和所述汽缸盖6之间无接触式运转的仅仅最小间隙。

汽缸盖6具有至少一个进气门9，图中示出了一个进气门，进气门与汽缸盖6中形成的气门座20密封配合，进气门限定进气口7。

已知在这种发动机中：

－活塞2扫过的汽缸1的容积分成不同的两个部分，其中第一部分构成内置在汽缸1中的称为活动室CA的腔室，而第二部分构成膨胀室CD，

－在进入汽缸1的具有恒定工作压力的增压气体的连续推力作用下，活动室CA的容积增大，产生作功，这表示准等温转移阶段，

－一达到活动室CA的选定的最大容积，就封闭增压气体进入汽缸1中的进气口，活动室CA中含有的增压气体量则膨胀，推动活塞2进行其确定膨胀室CD的第二行程部分，产生作功，从而确保膨胀阶段，

－活塞2到达其下止点，排气口于是开启，以确保在活塞2在其整个行程中上升直至上止点期间的排气阶段，

－发动机的扭矩和转速通过以如下方式开启和关闭进气门9来控制：允许大致在活塞行程的上止点(沿附图朝向的竖直方向)开启进气门9，允许通过关闭进气门9改变进气持续时间和/或进气口的角扇形面以及进气口的通过截面，以根据储存器12中容纳的气体的压力和膨胀阶段结束时的压力，来确定进入的增压气体量以及活动室CA的容积。

进气管8直接连接于高压储存器12，高压储存器因而直接向活动室CA供气，进气管压力则与储存器压力相同。

进气管8中存在的压力与储存器12的压力相同，例如约为100巴，并且高于活动室CA和膨胀室CD中存在的压力，在膨胀结束时与活塞下止点相对应的循环时刻，恰到排出阀开启之前，活动室CA和膨胀室CD中的压力例如等于1.5巴。

根据本发明，进气门9安装成能在图1A所示的关闭低位(考虑附图的通常竖直朝向，而不参照地心引力)与图1B所示的开启高位之间轴向移动，在关闭低位，进气门密封抵靠在其气门座20上。

进气门9沿其开启方向，朝与充注汽缸的增压气体流F的流动方向相反的方向，向上轴向移动。因此，进气门朝与充注发动机汽缸的增压空气流相反的方向开启。

进气门9在其关闭位置由进气管8中存在的、施加于进气门即进气管8内气门头上的压力，以压热自闭方式保持闭合在气门座20上。

发动机具有用于控制进气门9开启的控制部件，其大致在活塞行程的上止点控制进气门9开启，以致使进气门9脱离其气门座20及允许在活动室中建立与进气管8中存在的压力相等的压力。

因此，在气门开启阶段时，气门则在增压气体对进气门的相应部分、尤其是对气门头，即一方面对经受汽缸1中存在的压力的盘形下表面22、另一方面对经受进气管8中存在的压力的上表面24所施加的差动压力的作用下，进行其完整开启行程，下表面22与上表面24这两表面的面积之差基本相当于气门9的杆或尾26的截面面积。

进气门9在其关闭位置，通过容纳于进气回路中、和/或压缩空气储存器12中的压缩空气压力以压热自闭方式保持在其气门座20上，在运转的膨胀阶段和排气阶段期间，发动机的活动室CA和膨胀室CD中的压力较低。

发动机具有用于关闭进气门9的气压作动筒V，作为非限制性实施例，这里，气压作动筒布置在汽缸盖6中。

作动筒V具有作动筒筒体100和关闭活塞102，关闭活塞102轴向移动地连接到进气门9的气门杆26，安装成能在作动筒筒体100中滑动，关闭活塞在作动筒筒体100内密封地限定作动筒的上室104，该上室称为气门9的封闭室。

发动机具有主动配气导道X1，其使封闭室104连接于内置在汽缸1中的活动室CA的上部部分。

进气门9的最大开启高位由可调限位器30限定，可调限位器延伸到室104中，沿气门轴向移动方向的限位器轴向位置(由附图上未示出的部件)进行控制，以便改变通过进气管进入汽缸的增压气体流量。因此，受控的可调限位器起由加速器控制的“节气阀”作用。限位器的移动例如由步进电机控制和引起。

可调限位器30根据发动机运转的所要求参数改变进气门升程，而可停止进气门9的自动上升行程。

发动机具有用于封闭气体在主动配气导道X1中流通的受控阀Y，该阀称为主动配气阀Y，可控制开启该阀以使进气封闭室104与活动室CA的上部部分连通，在封闭室104中对活塞的上表面102建立补充压力，通过该活塞作用，将进气门9推回到其气门座20上，从而关闭进气回路，因此结束活动室CA的工作。

主动配气阀Y则在膨胀时间的期间保持开启，允许容纳在封闭室104中的压缩气体与容纳在膨胀室中的气体一起膨胀，同时产生作功，该作功加入到预先通过进气管进入活动室的增压气体荷载的作功中。

发动机具有用于控制进气门9开启的导道X2，该导道使活动室CA的上部部分连接于进气管8。

发动机具有用于封闭气体流通于导道X2中的受控阀Z，其称为进气门的开启阀，可控制该阀打开以使活动室CA的上部部分与进气管8连通。

当发动机的活塞2由于所述开启阀Z的打开而接近其上止点(图1B)时，进气回路在选定时刻与汽缸的活动室CA连通，可在活动室中建立与进气回路中存在的压力相同的压力，由于前述面积之差，所述压力自动向上推动进气门9，进气门在其运动中开启进气回路。

例如，对于由6毫米气门杆控制的直径为20毫米的气门来说，下表面等于3.14平方厘米，上表面等于2.86平方厘米(3.14－0.28)，施加28千克的推力即可自动开启进气门9，允许对活动室CA充气。

然后以如下方式确保进气门9关闭：连通活动室CA与封闭室104，从而对关闭作动筒V的活塞102的上表面产生补充压力，于是将进气门9推回到其气门座20上，关闭/封闭进气，以允许进行膨胀室CD中的活动室CA膨胀循环。

膨胀一开始(图1C)，封闭室104的容积就保持与发动机的膨胀室CD连通，封闭室104中容纳的压缩空气膨胀到发动机的膨胀室CD中，产生作功，该作功会加入到进入活动室的荷载的膨胀作功中。

因此，根据本发明的意义，阀Y是主动配气阀，导道X1是主动配气导道。

膨胀结束时，汽缸的活动室和膨胀室与封闭室104之间的连通重新被封闭，在封闭室104中保持接近大气压力的压力，从而允许循环更新。

由此可理解根据本发明的所谓主动配气的运行，其中，有利地，进气门9开启和关闭所需的能量由储存器和/或进气回路中存在的压力提供以进行开启而由活动室中存在的压力提供以进行关闭，然后能量再利用于在汽缸中产生补充作功。

封闭室104的容积数值较小，例如，非限制性地，该容积小于汽缸1排量的10％。

对于使进气口与活动室进行连接、使封闭室104连接于膨胀室CD的导道来说，情况相同，这些导道的通过截面计算成允许流量足以在不同的室中建立压力。

对于约为20毫米的主进气管的直径来说，这些不同的导道具有具有例如约为0.5至2毫米的较小直径。

优选地，使用机电式阀Y和Z，阀尤其呈电磁阀形式，适于和易于由电子控制盒(未示出)操纵。

另外，通过电子管理和气动控制的操纵可使气门具有多个启闭速度及高精度角相位。

在上述主动配气运行循环中，封闭室中容纳的空气量的膨胀与活动室中空气量的膨胀一起进行，压力损失接近从额定压力到排气压力。

对图2进行说明。

下面的说明通过与参照图1A至1D预先描述的实施方式比较进行。

对前述设计增配以一条辅助导道X3，其使进气管8连接于作动筒V的封闭室104。

发动机也具有用于封闭压缩气体、压缩空气在导道X3中流通的受控阀T，可控制打开该阀以使进气管8和/或储存器12与封闭室104连通。

因此，封闭室104带有至少两个导道X3和X1，其中每个导道都配有受控封闭部件T、Y，封闭部件可使封闭室104相继地一方面与进气回路和/或高压储存器12连通，另一方面与汽缸的工作和膨胀室连通。

以如下方式确保关闭进气门9：使进气回路和/或储存器通过导道X3与封闭室104连通，以及控制打开所述阀T，从而在封闭活塞102的表面上产生补充压力，来将进气门9推回到其气门座20上，关闭进气口，以便允许进行膨胀室CD中的活动室CA膨胀循环。

因此，通过控制所述阀Y的开启可推迟封闭室104的有效膨胀以便在循环中较晚地起作用。

膨胀一开始，或者在膨胀过程中，封闭室104的容积就与膨胀室CD连通，封闭室104中容纳的压缩空气膨胀到膨胀室CD中，产生作功，该作功会加入到进入活动室CA的荷载的膨胀作功中。

大致在膨胀结束时，发动机的工作和膨胀室与封闭室104之间的连通重新被封闭，在封闭室104中保持接近大气压力的压力，以允许循环更新。

对图3进行说明。

下述说明通过与图1A至1D所示的第一种实施方式作比较来进行。

根据该实施方式，设置机械部件，用以使进气门9脱离其气门座20，机械部件直接作用于进气门9的气门头。

如果是应以基本恒定的转速运转、因而无需进气口开启调节变化的发动机，那么，有利地，进气门9的开启由于集成有这种机械装置而得到简化。

为此，用于控制进气门9开启的控制部件由指杆D或推杆构成，凸起地形成于活塞2的上表面上，面向进气门9的面对面的气门头向上竖直延伸。

由于指杆的布置及尺寸确定，开启控制指杆D适于与进气门9的气门头的下表面20机械地配合，以竖直向上推动气门头。

正是在活塞向其上止点的行程结束的过程中，指杆D通过进气口作用于进气门9的气门头的下表面22的面对面部分上，以使进气门脱离气门座。

指杆D对齐于进气门的气门头的下部部分定位，使得指杆略微抬起进气门，产生使进气回路与活动室CA连通的缝隙，而通过在封闭室104中在活塞102的上表面上建立补充压力，借助与气门杆连接的活塞102的作用，将进气门9推回到其气门座20上，从而关闭进气回路，结束活动室CA的作功。

于是进气门在增压气体对进气门9的相应部分施加的差动压力的作用下，进行其完整开启行程。

在进气门开启和膨胀循环开始之后，由于活塞2下降，指杆D不再作用于进气门9，循环的接下来部分与参照图1A至1D所描述的循环的接下来部分相同，使用阀Y进行。

对图4进行说明。

下面与图2所示的第二种实施方式作比较进行说明。

改变了导道X2和用于控制进气门开启的相关阀Z的布置。

作动筒V是具有由活塞102分开的两个密封室的双作用作动筒。

下室105是用于控制进气门9开启的控制室，该控制室由导道X2连接于进气管8和/或增压气体储存器12。

因此，封闭室104带有至少两个导道X3和X1，其中每个导道都配有受控封闭部件T、Y，封闭部件可使封闭室104相继地一方面与进气回路和/或高压储存器12连通，另一方面与汽缸的工作和膨胀室连通。

进气门9的开启由阀Z控制，该阀向作动筒V的下室105供给增压气体，下室105是开启室。

进气门9的关闭以如下方式确保：使进气回路和/或储存器通过导道X3与封闭室104连通，以及控制所述阀T开启，从而对封闭活塞102的表面产生补充压力，而将进气门9推回到其气门座20上，关闭进气口，以便允许膨胀室CD中的活动室CA膨胀循环。

由于活塞102经受压力的面积在室104侧大于在开启室105侧(其差基本上相当于进气门的气门杆的截面面积)而获得所述封闭。

因此，通过控制所述阀Y的开启可推迟封闭室的有效膨胀以便在循环中较晚地起作用。

膨胀一开始，或者在膨胀过程中，封闭室104的容积则就与膨胀室CD连通，封闭室104中容纳的压缩空气膨胀到膨胀室中，产生作功，该作功加入到进入活动室的荷载膨胀作功中。

大致在膨胀结束时，发动机的工作和膨胀室与封闭室104之间的连通重新被封闭，在封闭室104中保持接近大气压力的压力，以允许循环更新。

根据该设计，作动筒V的活塞102相继控制进气门9的开启和关闭。

根据未示出的一变型，如同对于室104那样，可借助于导道X1'和阀Y'使室105连接于活动室，从而形成两个平行的主动配气回路。

封闭室104和开启室105的容积于是可与膨胀室连通，容纳在这些室中的压缩空气膨胀到膨胀室中，可增大在主发动机汽缸中膨胀的进入荷载的膨胀作功。

由于准无限的使用灵活性和调节可能性，根据本发明的配有“有效”进气配气系统的发动机可用于所有的地面车辆、船只、铁路车辆、飞行器上。有利地，根据本发明的活动室式发动机也可应用于应急发电机组，同样还应用于发电、取暖和空调的许多家用发热发电用途。

根据本发明的活动室式发动机以采用压缩空气运转来进行说明。但是，该发动机可使用任何压缩气体/高压气体，而这同样不会超出本发明权利要求的范围。

本发明并不局限于所描述和所示的实施例：可以在等效的限度内改变所描述的材料、控制部件、装置，以产生相同的效果。发动机汽缸的数量、其排量、相对于汽缸变化容积的活动室最大容积、以及膨胀级数都可变化。

Claims (8)

1.一种活动室式发动机，活动室式发动机根据一个包括如下阶段的三阶段式热力学循环运转：

－等压等温转移阶段；

－作功多变膨胀阶段；

－环境压力下排气阶段；

活动室式发动机具有：

－至少一个汽缸(1)，汽缸被供给容纳在高压储存器(12)中的增压气体、优选压缩空气，

－至少一个活塞(2)，活塞安装成能在汽缸(1)中滑动，

－曲轴(5)，曲轴由活塞利用传统的曲柄连杆装置(3，4)驱动，

－汽缸盖(6)，汽缸盖在汽缸上部部分封闭由活塞(2)扫过的汽缸(1)的容积，汽缸盖具有用于充注汽缸的增压气体流在其中流动的至少一个进气管(8)、在活塞上方的用于增压气体的至少一个进气口(7)、以及至少一个排气口和至少一个排气管，汽缸盖布置成使得当活塞(2)处于其上止点时，活塞(2)和汽缸盖(6)之间的余下容积通过构造被缩小到允许活塞(2)和汽缸盖(6)之间无接触式运行的仅仅最小间隙，

－至少一个进气门(9)，进气门与汽缸盖(6)中形成的气门座(20)密封配合，进气门限定进气口(7)，

在活动室式发动机中：

－活塞(2)扫过的汽缸(1)的容积被分成不同的两个部分，其中的第一部分构成内置于汽缸(1)中的活动室(CA)，第二部分构成膨胀室(CD)，

－在进入汽缸的具有恒定工作压力的增压气体的连续推力作用下，活动室(CA)的容积增大，产生作功，这表示等压等温转移阶段，

－一达到活动室(CA)的最大容积，就封闭增压气体进入汽缸(1)中的进气口，活动室(CA)中含有的增压气体量则膨胀，回推活塞(2)进行其行程的确定膨胀室(CD)的第二部分，产生作功，从而确保多变膨胀阶段，

－活塞(2)已到达其下止点，排气口于是开启，以确保在活塞在其整个行程中上升直至上止点的期间的排气阶段(7)，

－活动室式发动机的扭矩和转速通过以如下方式开启和关闭进气门(9)来控制：允许大致在活塞行程的上止点开启进气门(9)，及允许通过关闭进气门(9)来改变进气持续时间和/或进气口的角扇形面、以及进气口的通过截面，以根据高压储存器(12)中容纳的压缩气体的压力和根据膨胀阶段结束时的压力，来确定进入的增压气体量以及活动室(CA)的容积，

其特征在于：

－a)进气门(9)安装成能在进气门密封抵靠在气门座(20)上的关闭低位与开启高位之间轴向移动，

－b)进气门(9)沿其开启方向、朝与充注汽缸(1)的增压气体流的流动方向相反的方向轴向移动，

－c)进气门(9)在关闭低位通过进气管(8)中存在的、施加于进气门的压力，以压热自闭的方式被保持闭合于气门座上，

－d)活动室式发动机具有控制部件，控制部件用于控制大致在活塞行程的上止点开启进气门(9)，以致使进气门(9)脱离其气门座，以便能在活动室(CA)中建立进气压力，进气门则在增压气体对进气门的相应部分施加的差动压力的作用下，进行完整开启行程，

－e)活动室式发动机具有用于关闭进气门(9)的气压作动筒，气压作动筒具有作动筒筒体(100)和关闭活塞(102)，关闭活塞连接于进气门以随进气门一起轴向移动，关闭活塞安装成能在作动筒筒体(100)中滑动，关闭活塞(102)在作动筒筒体内密封地限定作动筒的控制室，控制室称为封闭室(104)，

－f)活动室式发动机具有用于控制进气门(9)开启的至少一个开启控制导道(X2)，开启控制导道使所述封闭室(104)连接于增压气体源，增压气体源或者是汽缸的活动室(CA)的上部部分，或者是进气管(8)，或者是用于储存增压气体的高压储存器，

－g)活动室式发动机具有主动配气导道(X1)和用于封闭气体在主动配气导道(X1)中流通的称为主动配气阀(Y)的阀(Y)，所述主动配气导道使所述封闭室(104)连接于活动室(CA)的上部部分，控制主动配气阀开启，以使封闭室与活动室(CA)的上部部分连通，关闭进气门(9)并产生加入到预先通过进气管进入活动室的增压气体荷载的作功中的作功。

2.根据权利要求1所述的活动室式发动机，其特征在于，主动配气阀(Y)根据下述循环进行控制：

i)开启主动配气阀，以使封闭室(104)与活动室(CA)连通，以便致使进气门(9)关闭，然后在膨胀阶段的过程中，允许封闭室中容纳的压缩气体膨胀到汽缸的膨胀室(CD)中，产生加入到预先通过进气管进入活动室的增压气体荷载的作功中的作功；

ii)在膨胀阶段结束时，主动配气阀(Y)重新关闭，以在封闭室(104)内保持其值接近大气压力值的膨胀气体压力。

3.根据权利要求2所述的活动室式发动机，其特征在于，用于控制进气门(9)开启的控制部件(d)具有：

－d1)用于控制进气门开启的开启控制导道(X2)，开启控制导道使活动室(CA)的上部部分连接于进气管(8)或连接于用于储存增压气体的高压储存器(12)，

－d2)以及用于封闭气体流通于开启控制导道(X2)中的受控阀(Z)，称为开启控制阀(Z)。

4.根据权利要求3所述的活动室式发动机，其特征在于，开启控制阀(Z)根据下述循环加以控制：

k1)排气阶段结束时，当活塞(2)大致处于其行程的上止点时，打开所述开启控制阀(Z)，以允许在活动室(CA)中建立与进气管(8)中存在的压力相同的压力并致使进气门(9)脱离其气门座(20)；

k2)进气门(9)于是在增压气体对进气门(9)的相应部分施加的差动压力的作用下，进行其完整开启行程；

k3)一旦进气门(9)开启，所述开启控制阀(Z)就关闭。

5.根据权利要求2所述的活动室式发动机，其特征在于，活动室式发动机具有使封闭室(104)连接于进气管和/或用于储存增压气体的高压储存器(12)的导道(X3)、和封闭气体在该导道(X3)中流通的封闭阀(T)，控制该导道(X3)的开启及随后关闭，以致使在封闭室(104)与汽缸(2)扫过的汽缸(1)的容积连通之前关闭进气门。

6.根据权利要求1所述的活动室式发动机，其特征在于，用于控制进气门(9)开启的控制部件(d)具有指杆(D)，指杆在活塞(2)的上表面上凸起地形成，指杆在活塞(2)向其上止点的行程结束过程中，通过进气口作用于进气门(9)的面对面部分(22)，以使进气门脱离气门座(20)。

7.根据权利要求6所述的活动室式发动机，其特征在于，主动配气阀(Y)根据下述循环进行控制：

j)开启主动配气阀(Y)，以使封闭室(104)与活动室(CA)连通，以便使封闭室(104)与汽缸的膨胀室(CD)连通，来允许封闭室(104)中容纳的压缩气体膨胀到汽缸的膨胀室(CD)中，产生加入到预先进入活动室的增压气体荷载的作功中的作功；

jj)在膨胀阶段结束时，主动配气阀(Y)重新关闭，以在封闭室内保持其值接近大气压力值的压力。

8.根据前述权利要求中任一项所述的活动室式发动机，其特征在于，进气门(9)的最大开启高位由可调限位器(30)限定，控制可调限位器沿进气门(9)移动方向的轴向位置，以改变通过进气管进入汽缸(1)的增压气体流量。