CN107084036B - 新型往复式机器和其它装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种组合在一起的壳体或套件与引擎，含有热绝缘的材料或结构的壳体或套件具有外表面，引擎为具有往复式内燃机，引擎构造为至少一个包括气缸的气缸组件，气缸具有至少一个端部；可在气缸组件内运动的活塞；至少一个第一结构、第二结构，气缸组件和活塞一起形成的燃烧室，至少一个仅在操作循环的一部分期间打开的端口，端口处于各燃烧室的第一空间和第二空间之间，供给系统，用于燃料传输的系统，用于处理所排放的废气的系统，具有计算机程序的计算机，计算机调节至少一个上述系统的操作，引擎与壳体或套件区分开，安装在壳体或套件内，并由壳体或套件支撑，外表面具有孔、凸起或连接件，壳体或套件具有孔、凸起或连接件。

Description

新型往复式机器和其它装置
分案申请声明
本申请是2008年4月16日提交的名称为新型往复式机器和其它装置，申请号为CN200880129874.X的中国专利申请的分案申请。
技术领域
本公开涉及：改进的泵、压缩机和内；由这种硬件所驱动的流体的热能管理和该硬件本身的热能管理；内燃机的废气排放控制装置；用于泵和发动机的部件和附属设备；排放控制装置；车辆、飞行器、船只和无级变速器。
背景技术
当今的活塞-气缸发动机硬件是在18世纪中叶首先商业化的，采用的是当时可获得的技术。早期的内燃机设计者如Gottfried Daimler和Rudolf Diesel将蒸汽膨胀室改造成组合的燃烧和膨胀室，而对于硬件则大致保持不变。可以说，变化的21世纪的往复式内燃机的实施例尚未出现。本公开集中在包括泵、压缩机和内燃机的往复式装置中的改进的热能管理。在内燃机中，该改进带来了大范围的更加优越的发动机，从当今产品的改进版本到往复式装置的新型实施例。在传统的往复式内燃机中，在燃烧室的受限空间内的燃烧料的快速燃烧产生了膨胀和热量。这种膨胀会驱动活塞并因而驱动发动机，而循环的热量几乎完全未被利用，实际上该热量是被视为不希望产生的，因为已经尝试通过经气缸壁和气缸盖的传导来尽可能有效地将该热量驱散到连续辐射和冷却系统中。减少对发动机进行的冷却所带来的好处是明显的。减少冷却节约了能量，否则这些能量会不可回收地通过冷却和连续辐射而被驱散。减少冷却也可以提高平均燃烧温度，因而额外提高了燃烧效率，这是因为燃烧效率与点火温度和输入燃料空气温度之差有关，而输入燃料空气温度是恒定的。
已经知道，效率是随着燃烧循环的温差的增大而增大的。如果所有其它的因素相同，那么燃烧越热则效率就越高。发动机系统设计成能够承受峰值载荷下的发动机性能，这种峰值载荷大多数情况发生在总工作时间的一小部分比例中。在所有其它时间内，发动机在更低的温度下运行，因而效率更低一些。目前，几乎所有的发动机在其大多数工作寿命期间内是在比其设计用于的峰值温度低得多的温度下运行，并且由于该低温而处于低效率下。为了提高燃料的经济性并减少二氧化碳的排放，最重要的第一步是在所有时间都将发动机温度保持在发动机能够承受的最高温度下，使得在所有工作模式下发动机都在最佳效率下运行。
第二步是完全地排除冷却系统，并且尽可能地将发动机布置在一个绝热的壳体中，从而建立起比之前可能的更高的平均燃烧温度。通过去除冷却系统的成本、质量、体积和不可靠性，就得到了巨大的财政优点和其它优点。它的缺点是发动机故障中的最常见起因。在冷却程度不够或无冷却的发动机中，废气更热一些，即含有更多的热量，通过一些形式的混合，可以从中产生更多的功以进一步用来获得效率。可使用涡轮发动机、蒸汽发动机或斯特林发动机来从热废气中抽取功，同样，可以采用系统来将气体热量直接转变成电能。在无冷却的发动机中，上述第一步是自动实现的，这是因为在不同的工作模式中温度变化很小；发动机总是在接近于其最大设计温度下运行。
许多人认为制造具有简化的冷却或无冷却的发动机并因此使其在更高温度下运行是有利的。在这种情况下效率是会增大，这是因为它取决于外界空气温度(恒定的)和燃烧时的温度之差。所得到的更热的废气通常将更容易被清理。如果简化或去除冷却系统，就可以降低一部分或所有冷却系统的成本、质量、体积和不可靠性。无冷却发动机实际上可以在某种程度上绝热、绝声和绝振，使其对环境和社会而言更加能被接受。对于燃料的热值来说，大部分将消耗在推动活塞过程中，但几乎所有的其余部分将存在于热废气中，在这里它是可回收的。在该新型的无冷却发动机中，温度平衡非常高，使得主要的活塞和气缸部件将不得不由特殊的耐高温合金或陶瓷材料制成。
就本申请人所知，目前尚未生产出经济的、长使用寿命的无冷却发动机，并且在可预见的将来也没有这种生产计划。制造人员和研究人员在20世纪80年代和90年代尝试了制造“绝热”发动机(用语“绝热”应理解为“减少冷却”)。有出版物显示这项工作几乎全部涉及到在几个关键的燃烧室部件中用陶瓷材料代替金属或增添陶瓷材料。例如，在金属活塞上放置陶瓷帽；在金属发动机本体中放置陶瓷衬垫；氧化锆的提升阀被相同形状的金属阀所替代。出于多种原因，包括与相邻陶瓷部件和金属部件的不同热膨胀相关的问题，这项工作并不很成功。发动机的设计基本上没有变化。当今的金属内燃机反映出了三项约束：金属的材料特性；对冷却的需求和因而对带有流体通道的发动机本体等的需求；以及决定制造和装配金属部件的最可行方式的商业实践活动。申请人意识到，无冷却陶瓷发动机的任何商业上可行的实施例都将与当今的设计看上去非常不同，这是因为所有旧约束都不再相关，而将是应用新的约束。本公开包括了申请人的尝试结果，即改造和改进活塞-气缸式发动机的传统设计，使得能够可靠地制造无冷却、无陶瓷材料的新实施例。许多这种实施例可用耐高温金属合金来制造。
消除冷却将提高发动机所有部分中、包括在被处理的流体中的温度平衡，导致更高的废气温度。除了如上所述地具有更多的能量被转化成其它功以外，这还具备下述有益效果，即加快了废气中化学反应的速度，导致了废气排放控制系统更加有效，或者是对废气排放控制系统的要求更低。由于废气排放控制在当今来说非常重要，因此设计并在此公开了新型的用于清洁高温废气的装置。无冷却发动机优选使用内部燃烧循环，然而在适当时本发明的许多原理也可用于例如以朗肯循环或斯特林循环方式工作的发动机。发动机构造成以少冷却的方式在最大设计温度下连续工作，并且设计用于完全无冷却的、长使用寿命操作的发动机适用于所有目前使用内燃机的场合。这些包括各种类型和大小的车辆和航行器、泵、压缩机、发电机、小型服务工具如手锯、割草机和修剪器等。
该新型发动机提供了一个创造出更高效的飞行器和船只的机会。包括本发明的往复式内燃机级的复合式发动机尤其适用于飞行器和水运工具的混合电力驱动系统。往复式发动机比相当功率的目前装置轻得多，因此对于驱动推进机械如螺旋桨或叶轮以产生推力并且用涡轮级来产生额外推力来说非常理想。已经知道，水翼式工具更具效率，然而目前庞大的船用发动机在船体浮于水面之上时工作不佳，并且水翼柱在大型水运工具中会带来与气流相关的问题。本发明的发动机很轻、安静且无振动，使得它们很容易适配于水翼式工具，并且本发明的船体形状和柱构造解决了传统上的与气流相关的问题。已经知道，无级变速器(CVT)可以提供比传统的分档式变速器更好的燃料经济性，然而目前的CVT限于低功率的应用。本发明的变速器是无明显的功率限制并能很好地适应于大型车辆、飞行器和船只的CVT。
发明内容
本发明包括长使用寿命的、商业化的往复式内燃机、泵和压缩机，其具有高功率密度且绝对无冷却。主要部件一般由陶瓷材料制成。一种优选的布局包括设置在由废气处理空间所围绕的气缸内的两级环型工作空间之间的往复式部件，其中燃料空气穿过往复式部件的内部。主要目标是显著提高效率和减小二氧化碳排量。在大多数实施例中都极大地减少了每气缸的移动部件数量和用于所需输出要求的气缸数量。其它目标是显著地改善功率-重量比和功率-体积比，并且使往复式内燃机更加无噪音和无振动。在许多实施例中，所有的主要部件都是由陶瓷材料制成的。本发明还包括使用来自这种无冷却发动机中的高温和可选的为高压的废气来为另一发动机如涡轮发动机、蒸汽发动机或斯特林发动机提供动力。还公开了活塞、气缸和气缸盖的新型构造，它们形成了用于改进的泵和压缩机的基础。本发明还包括改造当前的设计以使发动机在所有时间下均在它们所设计用于的基本上最高的温度下运转。本发明还包括适于使用本发明的发动机的各种车辆、飞行器和水运工具。本发明还包括水翼式工具。本发明还包括无级变速器。本发明的各方面记载在权利要求书中。
定义
在描述图表或实施例时，总是借助于本发明原理的例子和/或图证来进行。这里，所有图显示了本发明的一些选定实施例，并用于更好地理解本发明，本发明可用任何适当和方便的方式体现，包括那些未在此描述的方式。例如，在无冷却发动机中可以使用任何类型的活塞或阀，并且发动机部分可用任何方式装配起来。需要特别强调的是，本发明的不同特征和实施例能够以任何适当的组合或布置来使用。另外，该完整公开的任何单独特征包括独立的发明。在适用之处，可以任意方式将两个或多个单独的发明组合、连接或集成起来。例如，本发明的变速器可以连接到本发明的发动机中。
在本公开全文中，表述“发动机本体”或“本体”可以表示在传统电机用途中的发动机本体和/或气缸盖本体。“无冷却”指的是发动机或泵或压缩机不具备用于将热从燃烧或工作区间传递到外界空气中的机构。这种机构通常包括水套、泵、散热器和风扇，或者包括将空气引导到金属冷却翅片或表面上的风扇。无冷却发动机可具有一些形式的充料冷却，其中充料的温度在其进入燃烧室或工作室之前被降低。该无冷却发动机的特征主要是结合内燃机来进行描述，然而它们也可适合并应用于任何类型的燃烧式发动机，例如包括斯特林发动机和蒸汽发动机，并且在适用之处也可适合并应用于任何类型的压缩机或泵或涡轮发动机。与热交换器有关的特征可应用在任何类型的发动机中，包括传统的冷却式发动机。用语“发动机”在这里作为其可能的最广义的含义来使用，并在适用之处包括了泵和/或压缩机。本公开主要涉及在气缸中往复运动以限定流体工作室的活塞。通常来说，活塞被描述为由流体的膨胀来供能，以便驱动一些装置或机构。在适用之处，活塞可同样地由一些装置或机构来以压缩或泵送流体。室通常指的是燃烧室。当这里公开的构造适用于泵和/或压缩机时，这里描述的用于燃烧的室也可指压缩室和/或泵送室。在使用用语“工作室”或“流体工作室”时，其意指燃烧室、泵送室或压缩室。这里使用的用语“流体”意指任何适当的物质，包括燃料。当用语“燃料”与燃烧室或工作室连用时，在室并非燃烧室的实施例或场合中用语“燃料”可以是任何适当的流体。用语“部分真空”指任何程度的真空，这是因为在这里公开的实施例中绝对真空是不可能得到的。在借助示例描述的实施例中，部件被描述为通过螺纹、粘合或熔合而连接在一起。本发明的不同零件和部件可通过任何传统的手段相连或紧固在一起，这些手段可参阅对实施例的描述。在本公开中类似标号的部分通常具有类似的特性和/或功能。所有图表均用于说明本发明的特征，并且是示意性的。所示的部件并没有严格按比例绘制。用语“如这里公开的”意指在整个专利文件中公开的，包括所有的说明书文本、权利要求书和附图。
在下文和权利要求书的叙述中，置于某种壳体或容器内的“丝状材料”定义为互连或邻接或紧密间隔开的材料部分，其允许流体从中经过，并且通过改变彼此之间的流体部分的行程方向而能够引发湍流和混合。互连或邻接或紧密间隔开不仅意指整体或连续，而且还意指间断、互相啮合或互配但之间并不一定会接触。上述定义应用于整个壳体或容器的材料，也应用于在任何流体处理空间或部分这种空间内的材料。用语“陶瓷”指焙烤、焙烧或压制的非金属材料，其通常为矿物，即最广义上的陶瓷，包括诸如玻璃、玻璃纤维、收缩的或重结晶的玻璃或陶瓷等，也指基质或母质材料(无论其中是否存在其它材料作为添加物或加强物)。用语“芯材”意指任何允许流体以任何方式流过的物质，包括多孔的和可渗透的材料，以及通过毛细作用或其它方式被动地传输流体的材料，例如真正的毛细芯管。用语“弹性的”、“可压缩的”、“有弹力的”、“可变体积的”、“柔性的”、“可弯曲的”和所有其它反映尺寸变化的表述意指可测量的变化，其设计用于由温度变化或在固体或结构体上施加负载而导致的并不是相对较小的尺寸变化。用语“电动机/发电机”意指可以是电动机或者是发电机的电气装置，或者是可在不同时间内同时作用这两者的装置。用语“环形阀”意指环形的可动元件，其通常大致平齐于一周边表面或中心表面。当促动该阀时，其从周边或中心表面中的任何平面中伸出来，导致流体或其它材料流经环的内、外周边。用语“化学计量”在指内燃机中的空气/燃料混合物时表示燃料的量，该燃料的碳在理想状态下将与充料中的所有氧混合，在废气中不会留下任何碳和氧。用语“第一物体安装在第二物体周围”意指第一物体与第二物体在物理上相关联，包括安装在其内、安装在其上、相配接、相连接，可以通过一些其它零件如支柱。用语“车辆”意指所有类型的地面车辆，包括摩托车、三轮车、客车、各型卡车、公共汽车、各类矿山车和工程车、轨道车辆、履带车辆如坦克，以及所有类型的无人操作车。用语“计算机”意指任何在供有电力时能够处理数据的物理装配体。计算机程序是能够使数据以一定方式被处理的任何指令组。在上下文中使用了缩略词，包括：rpm和rps分别指“每分钟转数”和“每秒转数”，BDC/TDC 指“下死点”和“上死点”，IC指内燃机。
附图说明
图1到3示意性显示了无冷却发动机的构造和细节；
图4到9显示了实现无冷却发动机的结构的配置；
图10显示了废气反应器内的热交换装置的配置；
图11显示了两个或多个发动机的互连；
图12示意性显示了在可选的不同模式下工作的活塞和两个工作室；
图13显示了包括斯特林循环的复合式发动机；
图14示意性显示了与反应器和涡轮发动机组件相关的热交换器；
图15示意性显示了与涡轮组件相关的热交换器；
图16显示了包括涡轮循环的复合式发动机；
图17到19显示了复合式发动机和辅助装置的示例布局；
图20到22显示了其中活塞和曲轴之间的连杆主要承载张力的发动机的示例布局；
图23到32显示了多气缸张力曲柄连杆发动机的示例布局；
图33A到33B显示了两行程和四行程的工作过程；
图34到35示意性显示了多曲轴张力曲柄连杆“环形”发动机；
图36显示了连接到两个止转棒轭的活塞组件；
图37到39显示了主要承载张力的曲柄连杆的长度变化；
图40显示了张力曲柄连杆的不对称枢轴；
图41显示了偏置的曲轴轴线；
图42和43显示了双曲轴差速运动的补偿方式；
图44显示了连到两个曲轴的劈开式活塞；
图45到48显示了曲轴结构的细节；
图49到51示意性显示了可变提升的组合式曲轴和凸轮轴；
图52到54显示了变化的承载流体压力的方法；
图55到58显示了张力曲柄连杆实施例的细节；
图59到68显示了张力连杆与活塞/连杆组件之间的备选附件的细节；
图69到73显示了环形阀的配置；
图74和75显示了张力连杆和气缸盖之间的套筒式接口；
图76到86显示了将流体传送到工作室的方法；
图87到89显示了活塞和气缸组件的实施例；
图90到92显示了将流体传送到工作室的另一种方法；
图93显示了用于减少活塞窜漏的方法；
图94到96显示了承载结构的细节；
图97和98示意性显示了具有双分离排气系统的发动机；
图99到102显示了双排气系统发动机的实施例的细节；
图103到105D显示了环型工作室的基本特征；
图106到111显示了环型工作室和往复元件的布局；
图112到122显示了连到止转棒轭的活塞/连杆组件的示意性布局；
图123到127显示了将旋转运动传递给往复运动件的原理；
图128到137显示了用于将组合的往复和旋转运动转化成旋转运动的装置；
图138到144显示了正弦环型工作室的原理；
图145到147显示了活塞/连杆组件在气缸组件内作往复和旋转运动的发动机的示意性布局，其中该气缸组件在壳体内旋转并可提供差动式驱动；
图148到150显示了将组合的旋转和往复运动传送到活塞型部件的方法；
图151到153显示了具有正弦环型工作室的发动机的细节；
图154示意性显示了多对环型燃烧室；
图155到157显示了改变往复运动与旋转运动之比的方法；
图158示意性显示了具有一个环型工作室和一个常规工作室的发动机；
图159显示了气体压缩机的实施例；
图160示意性显示了部分由能量吸收装置推动的活塞；
图161和162显示了采用第一工作室来第二工作室压缩气体的配置；
图163到166显示了备选的气流设置；
图167和168示意性显示了用于将发动机连接到发电机/电动机的备选设置；
图169显示了环型工作室一部分的截面图；
图170到179显示了模块和其他发动机的结构细节；
图180到182显示了气体处理空间的形式；
图183是废气反应器组件的平面视图；
图184是沿图183 的线2－2所取的截面图；
图185是沿图183 的线3－3所取的截面图；
图186是类似于图151但显示了修改结构的截面图；
图187也是类似于图151但显示了另一种修改结构的截面图；
图188到193显示了内部构件的各种布置的垂直断面；
图194到196显示了各种紧固细节的横截面；
图197到198显示了其中反应空间伸入到通常由发动机所占据的空间的两个示例的平面剖视图；
图199到200显示了排气端开口的可变轴线的布置；
图201到206说明了引导废气流的方式；
图207到210说明了将漩涡和/或湍流传递给废气的方式；
图211是废气反应器的一个实施例的截面图；
图212和213说明了蜂窝结构和毛丝状结构；
图214和215说明了膨胀金属或金属网结构；
图216说明了编织和编结的丝线；
图217到219说明了丝线螺旋结构；
图220到228说明了成圈的丝状材料结构的实施例；
图229到233说明了绞股线及相关特征的实施例；
图234到242说明了薄片丝状材料结构的实施例；
图243到247说明了用于三维形式的薄片；
图248到255说明了类丸形丝状材料的实施例；
图256到262说明了用于将丝状材料固定到反应器壳体上的细节；
图263显示了减小反应器壳体表面附近的气流阻力的原理；
图264到269说明了包含凹陷和凸起的反应器壁结构；
图270和271显示了废气储槽的实施例；
图272显示了可变容量的流体储槽的实施例；
图273和274显示了阀、气体路径和部件设置；
图275到279显示了图231情形下的蝶形阀的实施例；
图280到281显示了图232情形下的蝶形阀的实施例；
图282到283显示了图232情形下的球形阀的实施例；
图284到286说明了阀促动装置的示例；
图287到292说明了控制废气再循环(EGR)和空气供给的装置；
图293到295显示了供给多种物质的复合注射器的实施例；
图296到304示意性显示了可在喷射期间作旋转运动的喷射器；
图305和306示意性显示了可在喷射期间作往复运动的喷射器；
图307到309显示了包括预燃区和/或燃烧点火装置的可动喷射器的实施例；
图310到312显示了盘形配置的可动喷射器的实施例；
图313到320显示了可动流体传送装置的实施例；
图321到324显示了促动阀和流体传送装置的往复式活塞/连杆组件；
图325显示了由本发明发动机驱动的直升机转子；
图326示意性显示了由混合推进系统供电的直升机；
图327示意性显示了由本发明的发动机供电的固定翼飞行器；
图328示意性显示了由混合推进系统供电的固定翼飞行器；
图329到331显示了用于飞行器的复合式发动机的实施例；
图332显示了安装在飞行器上的复合式发动机；
图333和334显示了用于混合飞行器的改进电力布置；
图335显示了由复合式往复运动/涡轮发动机驱动的飞行器；
图336显示了含有包括由电动机驱动的推进装置的动力模块和带有后置涡轮级的短舱或机壳；
图337显示了采用复合式内燃机的飞行器中的混合电驱动的布置；
图338到340显示了可伸缩机翼展开时的示例；
图341到344显示了将发动机安装在水运工具的舵柱上的布置；
图345示意性显示了由混合推进系统驱动的水运工具；
图346到350显示了水翼式工具的配置；
图351到357显示了用于水运工具的龙骨件；
图358A到364C显示了用于船舶的龙骨件的水翼的配置；
图365到371显示了可伸缩和/或可旋转水翼的实施例；
图372到384显示了整体水翼拄和龙骨件的配置；
图385到387显示了具有两个套叠式水翼柱的水运工具；
图388到395显示了用于各种水运工具的水翼柱和桅杆的布局；
图396和397显示了大型可旋转水翼柱的实施例；
图398和399显示了大型套叠式水翼柱的实施例；
图400到406显示了用于使废气和其他流体通过水下船舶推进系统的设置；
图407到409显示了具有同轴马达或内燃机的喷水式推进器的实施例；
图410显示了含有用于驱动推进装置的电动机的短舱，内燃机废气在电动机之后排出；
图411和412显示了用于将复合式往复/涡轮内燃机安装在水运工具船体中的设置；
图413显示了具有安装在水线以下的复合式往复/涡轮内燃机的水运工具；
图414显示了含有包括由电动机驱动的推进装置的动力模块和带有后置涡轮级的用于水运工具的短舱或机壳；
图415和416显示了具有备选的混合电力设置的船体；
图417和418显示了固定于水翼柱下部的水翼上的动力单元；
图419到422显示了用于水下流体出口的闭合装置；
图423到425显示了通过水下表面的气体层流的示例；
图426显示了无级变速器(CVT)布局的基本实施例；
图427到435显示了CVT系统的各种实施例；
图436和437显示了变径滚柱的实施例；
图438显示了两个滚柱之间的关系；
图439到449显示了第一滚柱实施例的细节；
图450到453显示了第二滚柱实施例的细节；
图454显示了每个滚柱具有一个锥体的实施例的细节；
图455显示了皮带在变径滚柱上运动的原理；
图456和457显示了具有多个部分的锥体；
图458显示了皮带在变径滚柱上运动的另一些原理；
图459显示了多个锥体部分的独立促动的方法；
图460示意性显示了具有电促动的变径滚柱的CVT的设置；
图461显示了基本CVT布局如何进行组合；
图462示意性显示了安装在车辆中的CVT；
图463到468显示了车辆的可拆除和可更换的发动机包装；
图469示意性显示了小型车辆的废气出口；
图470到472显示了直径可变的流体入口喉道的实施例；
图473到476显示了包括可拆除和可更换包装的混合传动箱的传动部件；
图477到480示意性显示了用于采用任何适合液体、包括水从废气中去除污染物质的布局和系统；
图481到483显示了主要承载张力的阀促动装置；
图484到491显示了地当前歧管的改进；
图492和493显示了改进的流体冷却和充气加热的示例；
图494显示了发动机和发电机之间可变比传动；
图495和496显示了发动机封壳的示意性设置；
图497和498显示了活塞和单个曲轴之间的多个联动装置；
图499A到499D显示了活塞和两个曲轴之间的多个联动装置；
图500和501显示了弹性和/或可变长的联动装置；
图502显示了与发电机和/或电动机一起使用的冲程放大器；
图503和504显示了由多个部分组装成的环型件；
图505到513显示了各种发动机实施例的构造细节和布局；
图514显示了可动光伏阵列；
图515到517显示了可滑行的大型水运工具；
图518和519显示了安装在船体底部的可伸缩水翼柱；
图520和521显示了套叠式可伸缩水翼柱的细节；
图522显示了将发动机安装在壳体内部的手段；
图523显示了冷却流体传送装置的细节；
图524和525显示了发动机的备选冷却套管布局；
图526显示了发动机的用于预热流体的附件；
图527显示了用于穿过封壳的流体线的密封件；
图528和529显示了人工便携式发动机包装；
图530到535显示了热气扩散器的实施例；
图536和537显示了单个壳体内的燃烧式发动机和其他机器的布局；
图538到540显示了用于将流体从固定点传送到旋转体的装置；
图541到543显示了在往复运动和旋转活塞/连杆组件和电气装置的两个基本部件之一之间的传送功的方法；
图544显示了在固定体和旋转体之间桥接电路的方法；
图545显示了有效恒压流体储槽。
发明描述
在下文中将首先描述无冷却式发动机，之后介绍管制排放物控制、飞行器、水运工具、无级变速器、用于从废气中去除CO2排放的装置，最后介绍在任何时间均在最大设计温度或接近最大设计温度下运行的冷却式发动机。
本发明的一个重要目标是提供一种发动机，其具有较高的功率重量比、功率体积比和明显更高的效率，同时CO2排放和其它排放比同等的现有装置更低。这可通过四项主要手段来实现：(1)将与单个活塞/气缸相关的部件重新设置成一个更加紧凑且简单的结构；(2)减少大多数应用中所需的活塞/气缸组件的数量；(3)显著减少往复运动体的质量，因而减少关键结构的尺寸和质量；(4)实质性消除系统的热损耗，从而提高燃烧时的温度和效率。另一目标是改进变速器和改进采用发动机和变速器的系统。这种系统包括所有类型的车辆、水运工具、飞行器、发电机组和泵送装置。
为了提高燃烧空间中的环境温度以提高热动力效率，并且消除经连续辐射耗散的热能(部分燃料能量)和去除冷却系统，提出了完全去掉设计用于连续运转和长使用寿命的发动机中的传统冷却，即消除从燃烧室壁通过泵送过发动机本体水套的流体或者通过冷却翅片和常用鼓风机而扩散到热交换器的热量。希望构造出这样的发动机，其能够在无冷却的状态下连续运转，并可选地容纳在一绝热壳体内。在替代或附加实施例中，可将任何类型的发动机或泵或机构安装在绝热封壳或壳体。这种发动机适用于所有应用，包括地面车辆、水运工具、飞行器、轨道驱动装置、发电机和泵送装置。这里披露的无冷却的往复式内燃机的特征在适用之处也可用于以朗格循环或斯特林循环运转的发动机，或者其它内燃机或蒸汽涡轮发动机。如引言部分所述，本发明的一个重要目的是使发动机在最广范围的工作模式下在接近其所设计用于的最大温度下运转，以便提高效率、燃料经济性并减少CO2排放。这对于无冷却的、绝热的发动机来说相对容易一些。
本发明的无冷却发动机没有液体冷却剂和相关的设备，也不需要金属冷却翅片。它具有的部件由任何适应于使用该部件的发动机位置的周围环境的材料制成。在一些选出实施例中，通过使发动机/气缸/活塞部件至少部分地由具有绝热特性的材料来构造而显著地降低了热损失。燃烧室部件可由耐高温金属合金和/或陶瓷材料制成，它们中的许多在高温下仍能保持其结构性能。陶瓷通常比金属更硬且更耐磨，强度更高，尤其是在增强的情况下。根据目前的技术，可以使内燃机中的基本上所有部件包括诸如主轴承、连杆等部件均由陶瓷材料制成。无冷却发动机可装在由绝缘材料制成的壳体或外壳内，这进一步限制了经辐射的热损失。去除冷却将导致不同部件内和邻近这些部件的流体内的温度平衡被显著地提高到新的更高的温度平衡。目前无法通过冷却系统或发动机部分的连续辐射所消散的热能将被转化成活塞上的附加功，这部分地由于此时有更多能量可用于转化，部分地由于输入充料的温度(即环境空气温度，其实际上是恒定的)和更高燃烧温度之间的更大温差而导致效率提高。废气更热，因而含有更大的热量，使得增设废气能量回收系统更可行。这种系统包括涡轮增压机，增设第二级发动机循环如蒸汽循环以形成复合式发动机，或者使用热电或化学技术的直接能量回收。
这里公开了燃烧式发动机、泵和压缩机的新型实施例。一般这里仅描述新颖性和区别性的特征，已知的部件和公知常识将省略。以便简化说明和附图，并提供对本发明的更清楚的理解。在所披露的燃烧式发动机的情形下，它们都具有这样的部件如充料空气供给系统、用于将燃料传送到各燃烧室内的装置，以及可选的以某种方式清洁废气和/或改变其组分的废气排放系统。在几乎所有应用中设置废气排放系统并不是可选的，而是法律规定的。所有燃烧式发动机将通过主燃料管线连接到燃料容器或燃料箱，通到各燃烧室燃料传输装置或燃料传送分配器，通过副燃料管线连接到各燃烧室的燃料分配装置。到发动机的燃料供给可通过任何能够改变燃料流速和/或充料气体流速以改变发动机运行速度的适当装置来调节，其在此处称为节流阀，它可以装在另一机构内，例如柴油燃料分配和喷射压力波产生泵。节流阀可人工地或自动地操纵，或由人工和自动的组合(单独地进行或同时地)进行来操纵。从燃料箱到各燃烧室燃料传输装置的燃料传送供给链应当包括至少一个用于在一定程度的压力下传送燃料的装置，这里称为燃料增压装置。对于液体或粉末形式的固体来说，这种装置例如可包括燃料泵。对于气体来说，这种装置例如可包括气体燃料泵和/或将气体燃料加载到燃料箱中预增压，使其在一定压力下保持存储在燃料箱中。可选地和优选地，尤其是对液体燃料来说，在从燃料箱到各燃烧室燃料传输装置的供给链中设置了燃料过滤器，用于防止一些固体或其它杂质到达各燃烧室燃料传输装置。当本公开和这里介绍的装置用来泵送气体、液体或粉末形式的固体，或者用来压缩气体时，这种泵和/或压缩机将具有工作物质入口、工作物质出口，以及可选的一个或多个用来测量物质经过至少一点处的流速和/或物质压力和/或物质温度的装置。可选地，它们具有一个或多个阀以调节物质流速。在这里公开的往复式或旋转式发动机、泵或压缩机的重要实施例中，至少下述可变参数可通过人工动作和/或计算机程序或其组合(单独进行或同时进行)来确定：发动机速度；所供给燃料的量和/或定时；所供给燃料的温度和/或压力；所允许充料气体的温度和/或压力；任何阀打开和关闭的定时和/或程度；冷启动操作期间燃料和/或充料气体加热的速度和程度；废气再循环(EGR)的变化的定时和/或程度；冷启动期间废气流的限制程度；任何润滑流体的温度和/或压力。任何计算机程序以任何适当的方式装入到一个或多个计算机中，其提供和可选地接受不同的电路以直接或间接地改变、确定和/或控制上述参数。这种确定、控制和/或改变可通过任何方式进行，包括使用诸如螺线管、伺服电动机，和/或在一个或多个促动机构中的带有液压流体的液压电动机或泵。计算机安装在发动机上或发动机内的任何方便位置，或者是发动机外。计算机可选地接受电子或电气信号，计算机程序设计成可处理数据，其中信号和数据来自可确定至少一个或多个下述参数的一个或多个传感器或测量装置：行程速度(如果有的话)；环境空气的温度和/或压力；燃料供给的温度和/或压力；发动机的速度和/或载荷；任何发动机的一个或多个部分内的温度和/或压力；任何润滑流体的压力和/或温度；废气部分的组分；相对于水平的发动机角度的变化；所用燃料的比率；所用燃料和/或剩余物的量。
在一个选出实施例中，移动部分由金属制成，并且是符合当前实践的结构和类型，包括排气阀。适当的金属包括耐高温合金和不锈钢。备选地，一些或所有移动部分可以为陶瓷材料，其以大致类似于当前发动机构造的方式构造和装配。图1通过示例显示了无冷却发动机的示意性剖面图，其包括陶瓷发动机本体400、陶瓷气缸盖401、至少一个凸轮轴402、至少一个阀403、吸入端口404、以虚线示意性示出的排放端口404a、可选地包括绝热材料405a的凸轮盖405、油槽盖406、流体传送装置407或407a(这里是直喷式组件)、曲轴408、连杆409、活塞410和燃烧室411。发动机本体、气缸盖和油槽盖显示为由整体陶瓷制成。在一个选定实施例中，陶瓷材料具有显著的绝缘性能。备选地，一个或多个这种结构可以是复合构造，例如具有安装在金属外壳中的陶瓷内部，材料之间通过可压缩的内层如陶瓷垫隔开。在一些选定实施例中，复合构造包括一层绝热材料。在图183到187的废气反应器中显示了一种类似的复合构造。图中以完全示意的形式显示了燃料供给源和/或燃料箱54，其可选地位于任何方便的位置，通过低压燃料管线53连接到安装在任何方便位置处的燃料提升泵52，燃料提升泵52又通过稍高压力燃料管线53a连接到安装在任何方便位置处的压力波诱发燃料泵58，而压力波诱发燃料泵58通过高压燃料管线56连接到燃料传输装置如喷射器407a。可选地，在提升泵内设置了燃料过滤器。图中以完全示意的形式显示了安装在任何方便位置处的装有计算机程序的计算机61，它可选地被传送有来自传感器或测量装置的电子信息，并被提供了来自操作人员的例如经由节流阀踏板的电子驱动信息，其中节流阀踏板的位置以电子的方式记录下来。计算机可选地接受电子信号，并发出电子信号给燃料传送组件中的电子/电气或液压促动部件，例如螺线管、伺服电动机或液压电动机或泵或任何其它的促动机构，其可调节管理了发动机运行的任何参数，包括供给发动机的燃料的量和/或定时。
所有移动部分可以是金属的，或者作为备选，其中的一些或全部是陶瓷的。在本发明中，“发动机本体”或“本体”指围绕着活塞和燃烧室的结构，包括目前被称为气缸体的部分。对于金属气缸体或盖来说，阀可以是金属的，任何端口可具有陶瓷衬里，如下所述。作为附加或另选，阀可以是陶瓷材料的。通常来说，陶瓷不如金属那样易延展和能承受特定类型的机械冲击。为了减轻阀回到其阀座上的冲击负载，引入了弹性部件以在阀闭合时部分地充当振动吸收器。例如，在图2中显示了端口处的阀座的细节，其用在弹性材料需要定期润滑的情况下。这里，阀403置放在气缸盖本体401中的可压缩密封件412上，后者可选地由通道413来提供润滑。图3显示了另一种细节情况，其中阀403置放在环414上，其可滑动地安装在槽415内，槽415包含有位于环和槽底416之间的可选地由通道413来提供润滑的可压缩垫417，该垫在阀提升时迫使环稍向外运动。如果需要的话，该可压缩材料可粘合到槽底和/或环件上，以便更好地阻止后者离开槽。该可压缩件可由任何适当的材料构造，包括陶瓷纤维或网片。部件412和417可设计成允许润滑液渗透至阀403与部件412和417之间的阀座上。任何适当的润滑液可容纳在储槽内，其可设置在发动机系统内的任何地方并与通道413相连。当不需要提供流体来润滑时可去掉通道413。备选地或附加地，部件412,413和416中的任何一个可以涂覆或浸渍有具有摩擦学效果或润滑效果的物质。活塞可以是金属的，包括耐热合金如镍铬合金，或者它也可以是陶瓷材料的或一些其它非金属材料的。它可具有陶瓷活塞环，尤其是在陶瓷本体或气缸衬里内往复运动的情况下。在图1中活塞底部处的可选翅片410a可将一些热量传递给曲轴空间408a。活塞和气缸之间的润滑可通过任何适当的物质来进行，包括在本文中其它地方所提到的。如果润滑使得会容易地脱除例如陶瓷的颗粒(这将损伤较软的金属支承面)，那么可采用金属活塞环以保证磨损产生较软材料的即金属的粉末。可在陶瓷活塞和陶瓷气缸之间使用金属活塞环，以保证金属被磨损且所形成的颗粒划伤陶瓷表面的可能性较小。陶瓷部件之间的衬垫可以是陶瓷的，例如氧化铝或石棉纤维或网片。
无冷却式发动机比传统装置轻得多，在部件由轻质的高氧化铝含量的陶瓷制成时尤其如此。在本文的这些和其它实施例中，去除包含流体的冷却系统将导致很大的成本、重量和体积减少，因而在该无冷却式发动机用在车辆、水运工具和飞行器以及工用和民用设备中时还有助于节省燃料。如下面将介绍的那样，选定实施例具有允许发动机在比当前装置运转得更快的构造，这进一步提高功率重量比和功率体积比。这种发动机本体的构造包含了至少部分的绝缘材料并可选地将发动机封闭在绝热和/或绝声的壳体中，这将极大地降低噪音和振动，从而提供了额外的社会效益。绝缘的发动机壳体或本体将显著地降低在汽车和船只中的发动机罩下方的热积聚。无冷却式发动机可用任何方式来构造。如果采用例如陶瓷的部件，那么与小型件相比，将它们生产为大型件是比较困难的且成本更高。为此，发动机优选制成为小一些的单元体，它们在发动机的建造中装配起来。作为正视图的图4示例性地显示了由多个零件930组成的发动机，它们围绕着由虚线931示出的燃烧室建造，并且通过处于张力下的螺栓932保持在一起。在部件之间可以安放适当的衬垫，包括陶瓷纤维或网片的衬垫。关于在高燃烧室压力下可能产生在气缸及盖部件中的一些应力来说，显然在组装发动机时如果使部件至少部分地被预加载压应力，那么部件的张应力需求可减小。在本文的其他地方描述了装配部件的这种预加载压应力。在应力材料达到其设计抗拉极限前，张应力首先将用于抵消这些载荷。例如如在将下文更加充分公开的那样，可通过中心连接件来对整个活塞/连杆组件施加压缩预应力。如果提供了关于预应力构件的空气通道和运动，那么可在高温陶瓷活塞/连杆组件中包含金属螺栓。计算显示，考虑到典型发动机的安全系数，存在有一系列具有足够强度的市售陶瓷材料可用于构建本发明的部件。
在一选定实施例中，两同轴工作室由一个活塞驱动。这两个工作室同等地用作泵、压缩器或往复式内燃机的燃烧室。备选地，它们具有不同的功能，包括一个作为压缩器而另一个作为燃烧室，或者一个作为燃烧室而另一个作为蒸气膨胀室。作为示例，图5示意性地显示了具有双盖结构以限定了低位燃烧室933a和高位蒸气膨胀室938a的发动机的实施例，其中低盖933允许针对内燃机的在端口934处进入充料以及在端口935处排出废气，两路气流以虚线表示。上盖938具有用于蒸气循环的入口936和出口937，气流以实线表示。在装配中，发动机通过隔块或对齐块942和张力螺栓943围绕着具有T型活塞939和两工作室共有的气缸壁940来构建，气缸壁940在标号941处具有密封圈或密封套。根据需要，提供了提升阀944和凸轮组件945(其在阀机构壳体405中示例性地显示为带有可选地具有绝热材料的凸轮盖405a)，以控制流体流向高位和低位工作室。可选地带有绝热材料的曲轴箱406a封闭了曲轴箱空间406，其中容纳了曲轴408和在枢轴中心939a处连接于活塞939的连杆409，可选的绝热件942a用于间隔缸体942。可在活塞杆经过的下盖933处提供套筒和/或润滑系统941a。备选地，就像这里接下来公开的一样，活塞通过包括止转棒轭的机构来驱动曲柄。由箭头962示意性地示出的形式例如为蒸气加热器或热水器形式的传热系统安装在端口937和934处，并吸取废气的热能以产生蒸气。可选地，在通过上工作室937后的较冷蒸气穿过由箭头962a示意性显示的再生系统，以传递一些热量到从标号934处进入燃烧室的所有或部分充料。可选地如右侧所示，间隔块通过积存气体的空间940a与气缸分开，以提供附加的绝热性。可选地如左侧所示，间隔块通过用于废气处理的空间940b而与气缸分开，如本文其它地方所公开的那样。在其他实施例中，充料空气通过曲轴箱943a和/或辅助设备如油泵和/或燃料输送系统容纳在曲轴箱406b中。在一个可选实施例中，双气缸盖结构可用于在内燃模式中活塞两侧均可操作的发动机中。在其他实施例中，燃料供给系统的所有或部分和/或示例性公开于图1中的发动机操作参数的至少局部电子控制适用于图5所示的发动机。在另一实施例中，图6显示了与图5相似的燃烧室/活塞组件，但是其具有中空蘑菇状的具有不同圆顶式轮廓的活塞头959，其在通过具有柱形孔942b的间隔块942分开的陶瓷盖960和972之间往复运动。上盖960具有与下文描述相似的球阀961，下盖972具有传统的金属提升阀944。图左侧显示了阀杆970如何在金属导向件971中作往复运动。可选的，在导向件和盖之间设有可压缩和拉伸材料、如纤维陶瓷垫的薄套筒971a。带套筒的导向件在间隔块的温度远高于导向件和套筒时装到间隔块上。当其温度与环境温度相等时，例如当发动机冷却下来时，会保证紧密配合。当其温度升高时，金属的与陶瓷的膨胀系数相比典型更高的膨胀系数可保证导向件与更紧密地配合在盖中。
图7通过例子显示了把由任意材料构成的机械组件946安装到由绝热材料如陶瓷构成的本体或发动机部分947上的方法。具有载荷分配端949的金属螺栓948穿过在部件947中的孔947a，并且可选地通过例如纤维陶瓷的可压缩内层950a与之间隔开。如果螺栓具有比部件947更大的膨胀系数，由于螺栓和本体具有的不同膨胀，那么可提供强力弹簧951和垫圈952来在恒定的压力下保持组件946和本体947之间的连接。垫圈可通过压缩材料的第二垫圈950与部件分隔开。图8通过例子显示了把带有常规螺纹的金属螺栓501安装到陶瓷盖或其他部件401上的方法，其中具有常规阴螺纹和具有几乎为正弦剖面503的很宽的外部阳螺纹的金属插入物502嵌入盖或部件401的凹陷508中，可选地与表面504齐平。凹陷具有与几乎与螺纹503相应的很宽的阴螺纹505。在一个选定实施例中，螺纹之间的空隙由可压缩材料506和/或由注入凹陷508以固定插入物502的物质507填充。可压缩材料可为充气陶瓷粉末或陶瓷纤维或垫子。物质507可为以液态形式使用且随后硬化的粘合剂，或其为可熔化物质如金属，其在冷却时会固化。在金属的情况下，其优选比插入物502或物质401稍软或更容易压缩。备选地，凹陷中插入物和组件之间的空隙可由陶瓷与金属的粉末或浆体混合物填充，并且组件重烧或加热到正好在插入物熔点以下温度以允许混合物硬化。混合物中的金属使其比周围的陶瓷略软和更易延展，而且更能够吸收在加热过程中因不同膨胀引起的载荷。如果组件受到循环加热/冷却且插入物的热膨胀系数大于部件401的热膨胀系数，那么当组件是热的时候物质502或材料506将略微受到挤压。优选地，插入物502和凹陷508的宽螺纹具有包括渐进的圆形肩部509但肩部无锐边或方向变化的剖面，这些肩部负担着所有与螺栓501相关的垂直载荷510。如这里所示的，如果插入物和凹陷之间的间隙相对较大则可不需要螺纹，其可用一系列在凹陷508和插入物502上的周向突起和凹陷取代。如可见的那样，这里插入物502可不用拧动而安装到凹陷中，如同在小间隙和螺纹的情况下所必须的那样。通过上述的和其他技术，包括下文公开的哪些技术，发动机可由金属部分、陶瓷部分和绝热材料部分构成。
陶瓷发动机本体/气缸/气缸盖构造导致了一些有益的特征。用以传输例如燃料、空气、蒸气、水等物质的通道和室可包含在本体中，也许为实现这里其他地方概述的原理，其方式保证根据通道离燃烧空间的距离而在所需的温度和/或压力下进行物质的传输。例如，燃料传输走廊可位于陶瓷或其他任何材料的气缸盖或相似的部件中靠近燃烧室表面的部件中的一个暖位处，因此燃料在被输送到燃烧室前被加热到一定温度。备选地或附加地，由于陶瓷是电绝缘体，电路可并入到本体中。这些电路可与气缸盖中的例如碳的电极或接点连接，以在需要火花的地方产生火花而无须传统火花塞。电路可与电驱动的燃料喷射器或其他装置相连，免除了当前的外部布线。可使用高电压以产生大的火花，即贯穿大部分燃烧空间的电弧，而不必担心这些大火花会在金属本体上引发短路。这些电路的并入可通过将熔化的液态金属或其他导电性材料注入或填塞到在制成陶瓷本体或盖中已形成的通道中、或者用粉末状导电材料填充这些通道且重烧或再加热这些带有导电材料的陶瓷来实现。图9通过例子显示了电操作的用阴影线显示的燃料喷射器477，其包括螺线管部分487和安装在陶瓷气缸盖或类似部件401中的凹陷478中的燃料输送部分488，所述燃料喷射器部分地限定了燃烧室493。喷射器通过任何方便的紧固方法安装。通过例子，这里显示了穿孔带489、螺栓490和可压缩垫圈491。喷射器可为目前可生产的任何方便的类型，包括用螺线管打开和关闭阀以在喷射时提供高压燃料的一类，或者其可为这种类型，即在输送时螺线管促动内燃料室或储槽中的活塞，使燃料以低压进入储槽。燃料供给走廊479与燃料加热室480(这两者均以虚线示出)相通，并且与燃料进入口或喷射器中的可选环状走廊481相通，所述环状通道位于可压缩密封件482上。室480的尺寸和其距燃烧室493的接近程度会决定燃料在喷射前被预加热的程度。可在标号483处提供以虚线492示出的相似的走廊或端口以用于燃料回流。部件具有终止于接触区域486的电流回路484，所述接触区域铸造或构建在部件401中。当安装好时，接触区域会与喷射器477上连接件485相通，以给位于区域487中的由虚线487a框起来的螺线管供电。在一个选定实施例中，当喷射器安装入盖中时形成了周向空间494，其可通过以虚线示出的通道495而被提供包括空气的冷却流体。喷射器螺线管的绕组安装成以使其全部或部分地暴露在冷却流体中。
输出功率以某种方式耦合的多发动机组合被认为是复合式发动机。一般在复合式发动机中，来自内燃机的废气能量用于给一个或更多其他发动机提供动力，所述多个发动机通过机械联动的方式与第一发动机联动工作，或通过两个发动机循环的局部整合来对共同的部件、例如一个或多个活塞或曲轴做功。这种其他的发动机以其他循环如蒸气循环、斯特林循环或涡轮循环工作。备选地，使用热电转换技术来将来自废气的热能直接用于发电。不管排放反应器组件安装到内燃机内或内部或外部的废气排放通道或管道内，废气处理空间均可结合到换热器的空间中，不管其是与传统的还是与无冷却发动机相关联，以便于废气的热量可用于一些其他功能。在车辆、飞行器或水运工具中，其都可用来使用热量。备选地或附加地，穿过换热器的废气热能可用于进行其他的工作，例如为蒸气式或斯特林发动机提供动力，或其可转变到蓄电池或能量存储系统中。用于在换热器中转换热能的流体包括空气、其他气体、液态水或蒸气或过热蒸气，或其他流体。图10概略地显示了一个可能的结构，这里具有废气口419的发动机本体418经过翅片件421排出热废气420，所述翅片件具有由虚线422示出的与下部连接通道423和上部连接通道424连通的中空通道，所述下部和上部连接通道形成于废气排放控制反应器壳体425中，并且各自通到流体入口装置426和流体出口装置427。这种换热器可有任一种具有高导热性的材料制成，包括陶瓷例氮化硅或金属如镍合金，其可具有催化作用。换热器可有实质上包括如前文所述的丝状材料。或者，换热器可安装于内燃机的废气系统的其它部位，包括反应器组件的下游。如果换热器是单独机械动力单元如蒸气式、斯特林或涡轮发动机的一部分，则后者可通过直接驱动直接或间接地与第一单元即内燃机连在一起。如果换热器用于机动车，操作的停/启特性的能量需求可能经常不与更加恒定的输出、即废气热的正常供应相符，可能的工作流体压力提供自第二功率单元。因此，第二单元可连接与第一单元和/或连接于和输出功率到能量存储装置，例如飞轮，或含有各种压力气体的储槽。连接可以是任何一种方便的方式，包括驱动轴、差速器等。图11示例性地显示了此实施例的例子，这里标号428是内燃机，标号429是反应器/换热器组件，标号430是第二发动机，标号431是差速器和标号432是蓄能器。驱动轴提供在标号433处，因此可根据需要通过控制差速器或通过其他方法将来自第二发动机的功在第一发动机和蓄能器之间分配。可选地还包括处于包括传动轴433两端处的合适位置上的一个或多个可变比变速器，如虚线433a示意性所示。蓄能器可选性地通过通道434连接到第一发动机428。蓄能器可包括风扇或可压缩气体如空气的其它装置，气体通过通道432b(实心箭头所示)存储在相关的储槽中(如虚线432a所示)，在某些操作条件如加速下，流体通过通道432c流向第一发动机428导致了提高的性能和燃料经济性。如果在选定操作条件下蓄能器是一种用于将充料空气压缩入储槽中并利用压缩空气来提高内燃机性能的装置，则燃料系统可以根据需要设计成与所供空气的压力以及质量成比例地输送燃料，从而维持基本恒定的空燃混合物。
来自蓄能器或第二发动机的流体可用于操作第一发动机的排气和/或压缩冲程，因而体现为复合式发动机，或者它可以用于驱动具有一些活塞作用于内部燃烧循环的复合式发动机中的其他活塞。如果要求流体对内燃机系统中共同的活塞起作用，这种活塞最好是T形构造，如图12中剖面图所示，其中具有被法兰451加固的中空活塞头450的活塞连接在中空杆452上，并通过活塞环453a和具有与活塞法兰相合的凹槽的轴承454而可滑动地安装在气缸453上。活塞将内燃机中的可操作燃烧空间455和交替的工作室456分开。活塞杆通过大端轴承458、连杆459和轴头销460按照公知的方法与曲轴457相连。阀门和端口可以本发明所披露的任何合适的方式装配。该备选系统的流体如蒸气可通过流经另一个换热器得到进一步冷却(如果膨胀已发生，则热量已经释放)，也就是将热能转化成电能或机械能。例如，在图13中显示了将一个往复式内燃机和一个斯特林发动机组合成一个复合式发动机的合适布局，其中斯特林发动机标识于“A”，往复式内燃机标识于“B”。充料空气521通过端口404进入内燃机盖401，通过凸轮402和阀403装置进入燃烧室411，推动活塞410在气缸400中往复运动，通过连杆409驱动曲轴408。废气通过虚线404a所示的端口排入到废气反应空间522，从这里沿方向523经由通道524(最好是绝热的)进入斯特林发动机的空间525内。在独立式斯特林发动机内，如果燃料燃烧而产生热气526流经加热管527的话，那么空间525将是燃烧室，然而本实施例中，来自内燃机的热废气526流经加热管527。在管中加热了斯特林工作气体之后，它可以通过一个废气回热器(别名是能量回收系统)528，之后被排放到大气中。通过回热器回收的热量可以经由双线箭头529标识的流程传送到内燃机的进气回热器540，可选地用来加热充料空气。预热内燃机的充料可提高总复合效率，同时导致内燃机产生的功稍微减少，因为流入热充料将具有更小的每单位体积质量。内燃机功的降低可以通过提供电动的或废气驱动的增压器或涡轮增压器、或通过提高处于系统内已存在的充料增压器来进行补偿。斯特林循环的工作气体用双向箭头531标识，其通过加热管527、斯特林换热器533和冷却器534在冷却室532和加热室532a之间循环往复。斯特林冷却液由入口541进入，流过空间534a并从出口542出来。在一些斯特林发动机中典型使用的菱形驱动装置535将置换活塞536与动力活塞537相连，其中驱动装置535可滑动地安装在动力活塞537中。由斯特林发动机产生的功由菱形驱动装置传送给两个反转的齿轮或圆盘538。可选地，这些齿轮或圆盘可以通过某些机械方式连在内燃机曲轴408上，在本实施例中是通过至少一个中间齿轮539连接。在一个纯粹示意图中，燃料供给和/或油箱54被标示在任何便利的位置，通过低压燃料管路53a连接到处于任何合适位置的燃油提升泵52上，该泵又与稍高压力的燃料管路53b连接到处于任何合适位置的一个压力波诱发燃料泵58上，燃料泵58再通过高压燃料管路56连接到燃料供给装置如喷射器59上。燃料过滤器可选地结合到提升泵中(由虚线57示出)。在一个纯粹示意图中，位于任何方便位置处的装有计算机程序的计算机61可接受来自传感器或测量装置63的电子信息，也可以接受来自操作人员62(例如通过其位置已被记录为电子信息的油门踏板)的电子驱动信息。计算机将电子信号发送给发动机和/或燃料供给装置的任何一个电气或电子器件如螺线管，用于调节供给发动机的燃料的量和/或正时。容纳了加热室、冷却室、置换活塞、动力活塞和斯特林制冷系统的结构性组件显示为一个整体，由剖面线543所示。实际上，它可以是一系列由紧固件固定在组装状态的部件组成。可选地，至少一个这些部元件可以是陶瓷材料。这种材料在加热室或冷却室内与斯特林工作气体接触的部位具有低传热性，和/或它在与传热区、如冷却器534和/或传热管527内与斯特林工作气体接触的部位可以有高传热性。
位于内燃机废气流中的热交换器可以构成一个涡轮发动机循环的一部分，如图14作为示例示意性所示。往复式内燃机467的废气468穿过反应器469经过热交换器470驱动风扇471，风扇通过轴742与驱动涡轮压缩机743相连，通过通道475使压缩的涡轮工作流体474流经反应器热交换器470，以加热涡轮工作流体。与反应器相连接的风扇可以驱动用于各种用途的压缩机，包括提供压缩流体到蓄能器和提供增压给发动机入口充料。图15显示了安装在往复式内燃机900上的燃气涡轮发动机的示意性设置，来自发动机900的废气提供了部分或全部加热涡轮发动机901的废气的手段，其中涡轮工作气体沿箭头902所指方向穿过入口903、低压级904、高压级90、加热级906、涡轮级907和排气级908。往复式内燃机的废气通过可选地位于加热级906中的一个或多个热交换器909a,在标号909处排出。在一备选实施例中，往复式内燃机热废气直接排放成涡轮蒸气，如虚线910a所示。如果内燃机废气位于低压级而不是高压级906，则它会被独立压缩机910预先地可选压缩。在另一个备选实施例中，往复式内燃机废气直接进入低压级涡轮，如虚线911a所示。两个系统可以组合起来，用于补充级906中的燃料燃烧系统，如标号911所示。也可以用与示意图15相似的排布方式提供组合的蒸气涡轮和内燃机。在一选定的复合式发动机实施例中，涡轮燃烧器被取消，内燃机热废气直接进入涡轮压缩机。复合式发动机的涡轮部分可以是单级的或多级的。
例如，图16示意性显示了复合式发动机，其单级涡轮机(如“A”所示)的废气来自单缸或多缸往复式内燃机(如“B”所示)。内燃机可以用包括本文所披露的任何方法构建，可以按常规地冷却、部分冷却或者完全不冷却。环境空气553通过进气孔552进入具有绕轴线551转动的曲轴的内燃机550。燃料在标号557处进入，与空气混合产在燃烧室黄燃烧，产生作用于曲轴551上的功，内燃机废气554穿过废气处理空间或反应器或其他通道555，然后通过一个可选过滤器556到涡轮入口气室558。然后，废气被安装在涡轮轴561上的涡轮压缩机压缩，穿过外壳或通道562，被定子叶片563引导到安装在涡轮叶轮565上的涡轮叶片564上，涡轮叶轮安装在涡轮轴561上。内燃机废气然后再次穿过外壳或通道562，并在标号559处排入大气。减速齿轮566把功传送到涡轮输出轴567，其在这个实施例中直接与曲轴551相连，曲轴因而传递来自复合式发动机的这两个部件的功。备选地，涡轮机输出轴可以任何方式、包括通过减速齿轮间接连接到曲轴上，或者根本不连接。来自涡轮机输出轴的功可以用于为发电机或任何其他系统或发动机提供动力，如标号568示意性示出，无论它是否传递来自内燃机曲轴的功。在一个备选实施例中，可变比变速器被安装在涡轮轴和发动机轴以及任何驱动辅助系统的可选轴之间，如括号566a所示。不管轴561是否与内燃机曲轴551相连，来自轴的功都会被用于驱动独立的发电机或任何其他系统或发动机，如标号569和569a示意性所示。发电机568和/或发电机569都兼具启动发动机的功能。可选地，在气体离开涡轮机壳之前经过废气回热器570，热能经由双线箭头所标注的路径传送给内燃机进气回热器571，用以可选地加热流入的内燃机充料空气。在一个选定实施例中，只有供给复合式发动机的燃料被传送到往复式内燃机557。在另一个实施例中，如果气室558中的气体不够热，由虚线573所示的燃烧室可结合到涡轮机壳中，和从标号574a处提供的一些额外燃料一起对涡轮工作气体进行补充加热。涡轮所需的单独燃料将远少于所进入的环境空气，而不是往复内燃机的高温废气。也许在离开压缩机560后，由于压缩的额外功，来自无冷却内燃机的废气还是很热，足以毁坏定子和涡轮叶片。如果是那样的话，可选地环境空气可以通过入口574、风扇或叶轮575、管道576并经过滤器556输送到涡轮机进气气室558。在一个纯粹示意性的图中，燃料供给装置和/或箱54显示为以任何方便的方式定位，通过低压管线53a连接到安装在适宜位置上的燃油提升泵52，该泵又通过稍高压燃料管路53b连接到位于适宜位置上的压力波诱发燃料泵58上，该燃料泵再通过高压燃料管路56连接到燃料输送装置如喷射器59上。燃料过滤器可选地结合到提升泵中(由虚线57示出)。在一个纯粹示意图中，位于任何方便位置处的装有计算机程序的计算机61可接受来自传感器或测量装置63的电子信息，并接受来自操作人员62(例如通过其位置已被记录为电子信息的油门踏板)的电子驱动信息。计算机将电子信号64发送给发动机和/或燃料供给装置的任何部分的任何一个电气或电子器件如螺线管，其调节供给发动机的燃料的量和/或正时，或者将信号65发送到涡轮机的任何部件。在一备选实施例中，环境空气可以被输送到压缩机下游的任何位置，如示意图中虚线574b所示，包括燃烧室573。在又一实施例中，“太热”的废气在被引导到涡轮之前可经过换热器，并且来自换热器的能量可用于任何目的，包括空间加热。在另一实施例中可以不要涡轮机压缩机560，通过调整往复式内燃机来提供处于足够压力下的废气，以通过定子叶片563和涡扇叶片564为涡轮提供动力。对于四冲程发动机而言，这个比较容易实现，可通过在燃烧室内气体的压力较大时将排气口调整得比正常状态稍微大一点来实现。这对于完全无冷却型发动机而言更容易实现，那里的气体压力和温度是现在普通的冷却型发动机的2倍，甚至更高。对于两冲程发动机而言可以配备两级排气系统，如下文中所披露的，从而提供高压排气用于涡轮，低压排气便于扫气。
在另一实施例中，本发明的往复式发动机形成了具有三级或多级的复合式发动机中的一级，其包含任何其他级，如涡轮级、蒸气级和/或斯特林级。在又一实施例中，含本发明往复式发动机级的复合式发动机中的任何一级可通过任何适当的设备或机构分隔开，不管各级的轴是否共轴、是否机械式连接或者是否是同一根轴。例如，各级间可以利用用于废气的绝热通道、起动电动机、如图16中括号566a所示的变速器和/或一个或多个任何种类的废气处理系统而分隔开，该废气处理系统包括用于脱除颗粒物质、烃类、一氧化碳、一氧化氮和/或二氧化碳的废气处理系统。在又一实施例中，含本发明的往复式发动机级的复合式发动机中的任何一级通过任何可变比变速器、包括本文中披露的任何变速器分隔开。复合式发动机的不同级的转轴可具有不同的最佳转速范围，因此如果动力在各级间传递，可采用变速器以在以不同速度转动的各轴间传递动力。在一个重要实施例中，详见本文所披露的其他实施方法，涡轮级实质上可以与往复式内燃机级分开，再通过一个用于热高压废气的绝热通道与其相连。在另一重要的实施例中，如本文其它地方所充分地披露的那样，涡轮发动机级可从往复式发动机级中基本上去除，并且通过用于热高压废气的可选绝热的通道与往复式发动机级相连。在另一重要的实施例中，如本文其它地方所充分地披露的那样，复合式发动机的单个往复式发动机级为两个或更多个可选地安装在距离往复式发动机级较远的涡轮发动机级供给热高压废气。为了给出可能的布局和构造思想，在图17-19中非常示意性地显示了三个例子，其中空气流用未编号的实线箭头标注，废气流用未编号的虚线箭头标注。在图17所示的复合式发动机中，带有主动力轴为576的往复式发动机级574通过连接轴的的变速器与带有动力轴577的涡轮级574相连。用于往复式发动机级的空气通过变速器进入后可以将其冷却。热高压废气离开往复式发动机级，进入废气处理系统579(包括本文所披露的)，从那里经由气室580、可选地包括另一废气处理系统来为涡轮级供能。还可以加入底部型的第三级584。这种底部级可包括斯特林发动机、蒸气发动机、用于将热能转化成电力的第二涡轮机或装置。由于轴通过变速器连接，来自整个复合式发动机的动力可以在一个位置、这里是标号581处输出。图18所示的复合式发动机与图17中的大致相似，其中带有主动力轴为576的往复式发动机级574与带有动力轴为577的涡轮级575通过连接轴的变速器578相连。用于往复式发动机级的空气通过变速器进入，并可选地将其冷却。热高压废气离开往复式发动级进入废气处理系统579(包括本文披露的)，从这里通过气室580(可选地包括另一个废气处理系统)去为涡轮级提供动力。热废气离开涡轮级，然后通过另一废气处理系统583传送到带有主动力轴586的蒸气机级584。轴586优选地比轴577转得慢得多，因此可将第三变速器585设置在涡轮级和蒸气级之间。主变速器具有第三轴582，其连接在另外两个轴上，用作复合式发动机的主输出轴，动力可以在任一端输出，如图中标号581所示。
图19显示了复合式飞行器发动机的布局，其正常飞行方向由标号595示出。带有主动力轴576的往复式发动机级574与带有动力轴577的涡轮级575通过连接轴的变速器578相连。热高压废气离开往复式发动机级进入废气处理系统579(包括本文披露的)，从这里通过气室580(可选地包括另一废气处理系统)去为涡轮级供能，产生推力590。往复式发动机级驱动螺旋桨(仅部分地由标号587示出)，产生推力589。在螺旋桨和往复式发动机级之间设置了启动电动机597。启动电动机597可选地为发电机，它在不启动发动机时可用于为飞行器系统供电。在标号591处提供了导罩以冷却启动电动机，将空气送入往复式发动机级592以用于冷却变速器593，并将额外的和/或旁流的空气输送给涡轮594。轴576和577大致共轴但并不直接相连。相反，它们通过副轴581相连，每一个都是通过本发明的无级变速器的基本型式来实现(本文下文中披露)。每个连接都包括两个变径滚柱，每个轴上一个，它们通过环形带595连接，每个都有相似的变速比范围。以这种方式连接的话，变速范围相乘而得到动力轴576和577之间的一个很宽的速度范围。这可以用于很多情况。例如，在启动时涡轮的每分钟转速设定在一个低于往复式发动机的范围，因此缓慢转动的涡轮在启动时不会施加一个很大的惯性载荷。在任何情况下，往复式发动机都处于低温状态，初始废气的温度也较低，几乎不给涡轮供能。发动机暖机之后，涡轮轴的速度相对于轴576的速度增大。在另一种情况下，如果突然提供动力，那么在额外的热气体到达涡轮之前将会有一个时滞，在这个时滞阶段只有往复式发动机级的转速增加，而涡轮轴的速度保持不变。特别是对于具有可变螺距螺旋桨的飞行器而言，各轴之间相对速度的变化在一定操作状态下、包括爬升、加速、减速等是有用的。
如前述和下述的特征举例说明了很多构造无冷却式发动机的方法。任何类型的活塞或阀都可以用于无冷却式发动机，并且发动机的各部分可以任何方式装配。无冷却式发动机的特征主要针对内燃机来进行了描述。如果合适，它们可以被用于任何类型的发动机，例如包括蒸气机和斯特林发动机。与热交换器相关的特征可实施用于任何类型的发动机，包括普通的冷却型发动机。如果合适，本文中所描述的特征也适用于泵和压缩机。“无冷却型”是与目前常见的批量生产的发动机型(包括部分冷却型发动机)相比较而言的，意思是有限冷却或无冷却型发动机。需强调的是，本发明的各种特征和实施例可以任何适当的组合或设置来使用。
无冷却型发动机的一选定实施例见示意图20。它包括在两个燃烧室1002之间的被两个气缸盖1004封住的气缸1003的两端处往复运动的活塞1001，以及处于各盖之外的但位于由虚线1275标示的曲轴箱内的曲轴1006，活塞通过张力件1007连接在两个曲轴上。在又一实施例中，曲轴也可以起到适于任何用途(包括促动阀和/或促动燃料供给)的凸轮轴的作用。用作充料的燃料和其他流体可被输送到压力和温度高于普通发动机的燃烧室内。气缸至少部分地被废气处理空间1008围绕，废气通过虚线所示的可选路径1005和1009进入该空间。充料通过曲轴箱进入由点划线箭头所示1276a的燃烧室。绝热壳体1010围绕着发动机，在此用作密闭空间1008的结构。这种构造适用于四冲程和二冲程的实施例，所消耗的燃料范围很广，从汽油和类似的轻质燃油到柴油和重质油以及煤炭和其他的浆状或粉末状燃料，还有诸如天然气、液化石油气和氢气等气体燃料。在一个纯粹示意性的图中，燃料供应源和/或燃料箱54显示为处于任何方便的位置，通过低压燃料管路53连接到可以安装在任何方便位置的燃料提升泵52上，该泵再通过稍高压燃料管路53连接到可以安装在任何方便位置的压力波诱发燃料泵58上，再通过高压燃料管路56连接到一个燃料供给装置如喷射器56上。燃料过滤器可选地结合到提升泵中(由虚线57示出)。在一个纯粹示意图中，位于任何方便位置处的装有计算机程序的计算机61可接受来自传感器或测量装置63的电子信息，并接受来自操作人员62(例如通过其位置已被记录为电子信息的油门踏板)的电子驱动信息。计算机将电子信号64发送给发动机和/或燃料供给装置的电气或电子器件如螺线管，其调节供给发动机的燃料的量和/或正时。
在一备选实施例中，与二冲程发动机相适应的是，气体通过靠近气缸中心的口排出。例如，在如图21所示的具有相似的活塞1001、气缸1003、气缸盖1004和张力连杆1007的二冲程循环的结构中，压缩充料空气可选地由复合式曲轴/凸轮轴装置1277促动经曲轴箱1275和阀1276输送到与喷射器1278相关的燃烧室1288，排出废气通过端口1289进入周边的废气处理空间1290。在图21中的曲轴箱和发动机周围设有绝热材料1010，其也可选地用于气缸盖1004和曲轴箱1275之间，如标号1010a所示。图20所示的发动机的燃料供给系统和计算机系统的布置都包含在图21所示的发动机中，它们均示意性示出且各特征类似地编号。在于二冲程或四冲程发动机的另一实施例中，图22通过示例示意性说明了活塞/气缸模块1271，其通过围绕导向件/轴承/滚柱和/或轮1274延伸的张力件1273连接在单独的曲轴箱1272上。可以使用任何发动机润滑和/或轴承系统，然而可选地可使用气体或滚针轴承，也许还可以使用水或其他液体，当部件是陶瓷的时优选使用水，这一点将在后文中加以说明。在一选定实施例中，曲轴组件优选设计成对于涡轮增压式、超增压式或强制进气的发动机来说，在循环的部分阶段，任何空气轴承至少可以在与强制吸入的充料压力相当的压力下部分地工作。充料经曲轴箱1275来供给的图21所示布局的一项重要优点是，没有需要处理的单独的曲轴箱排气。任何串漏蒸气和润滑剂蒸气都会被送回燃烧室，再从那进入已就位的废气处理系统，包括下文中披露的系统。在参考任何图时，绝缘一般都被定义或描述成绝热材料。在任何备选实施例中，绝热材料也可以被用于绝热和/或隔音的部分或近乎绝对的密闭真空层取代、代替或改善。在本文公开的任何实施例中，这些位于主要处于张力状态下的活塞或活塞/杆组件和曲轴之间的直接或间接连接可采用任何柔性材料如电线或电缆，也可备选地为包括杆在内的刚性材料。在另一些实施例中，这种包括杆在内的刚性连接材料基本上处于压力和拉伸状态下。在另一实施例中，这种包括杆在内的刚性连接材料主要处于压力和拉伸状态下，并且只有活塞或活塞/连杆组件中的与一根曲轴相连接的那一端处于这种状态。
在又一实施例中，上述布置改进成多气缸的形式，包括“平面式”配置。在图23到32中类似的特征相似地编号。图22到40都是示意图，图中没有阀导向件和弹簧、燃料传输和废气处理系统等。例如，平面剖视图23、纵剖面图24及横截面图25示意出5个活塞/气缸单元1271，它们具有安装在2个曲轴箱1275内的2个曲轴1006周围的10个燃烧室，曲轴箱的一端与下文中披露的任何种类的变速器1011 相连，曲轴可选地由变速器机械连接，曲轴箱在另一端驱动辅助系统1269(如涡轮增压器)，曲轴可选地或备选地通过系统1012机械连接。气缸周围的空间可以作用废气处理空间1290，与图21相似。绝热层1010包围住发动机和曲轴箱，在模块1271的气缸盖部分和曲轴箱1275之间可选择性地设置附加绝热层1010a。图26到32示例性地显示了其它实施例。如前所述，图中标识出双燃烧室活塞/气缸单元1271、可选地绝热的发动机外壳1010、曲轴及其轴1006、用于多曲轴1007的机械连接1012、用于辅助系统1269或变速器1011的空间。图23到31中的变速器1011和系统1269的位置是可交换的，并且可以选择性地安装在任何其他方便的位置。连接件1007主要处于拉伸状态。在备选实施例中，他们主要处于拉伸和压缩状态，或者主要处于压缩状态。纵剖面图26和横断面图27描述了备选构造，从图中可以看到两排10个气缸发动机。在两个曲轴之间可以组合任何数量的排和气缸。张力件1007也可延长以容纳更多的排。在图28和29中显示了具有18个气缸和36个燃烧室的四排式发动机的横截面示意图，拉伸和/或压缩件1013和1014具有不相等的长度。在图29所示的实施例中，外部活塞的冲程与内部活塞不同。在备选实施例中可以使用两个以上的曲轴。例如，纵剖面图30和横截面图31示意性了42个气缸84个燃烧室的6列式发动机。值得一提的是，如果发动机是无冷却型或绝热式的，这些构造是最为实际的，但是他们也可完全或部分地冷却。在一个选定实施例中，曲柄连接件是处于拉伸和压缩状态下的连杆，并且使用一个曲轴。例如，图32显示了二列式发动机，其具有至少一对双燃烧室气缸模块1271、单联式曲轴/凸轮轴1015和两个凸轮轴1016、各种阀促动杆1276和环绕式废气处理空间1290。充料空气传递通过曲轴箱1275和阀促动空间1016a实现。绝热层1010包围住发动机、曲轴箱1275和阀促动空间1016a，在模块1271的盖部分和阀促动空间1016a之间以及可选地在模块1271的盖部分和曲轴箱1275之间设置了附加绝热层1010a。在又一实施例中，所有和部分燃料供给系统以及图20披露的发动机操作参数的至少部分电子控制器适用于图21和32中的任何发动机。
本发明中的发动机可以在二冲程或四冲程模式下运行。图33A和33B显示了在各端具有燃烧室且在气缸组件1103中往复运动的活塞1102的基本构造是怎样分别用于四冲程和二冲程发动机的。进气段由标号1111示出，压缩段由标号1112示出，膨胀段由标号1113示出，排气段由标号1114示出。活塞运动方向用箭头标注在图中各编号部分的下方。对于二冲程发动机，只有净负载被传送到曲轴；对于四冲程循环的发动机，净负荷和毛负荷被交替地接受，这表明对于给定气缸数来说二冲程将运转较平稳。基本气缸模块可以组合成一个“环型”发动机，该发动机的内部空间可选地用于涡轮或冲压式喷气发动机或其他发动机，从而形成具有单一回转系统的复合式发动机。例如，示意图34和35显示了位于外壳401和内壳402之间的3个环，四个活塞/气缸组件403中的每一个都通过共有曲轴404和张力件405连接，热废气406提供至少部分能量给冲压式喷气发动机或涡轮机407，以直接地或经如本文中别处所披露的热交换器来供给。环境空气流见标号410。来自发动机往复部分(见408区)的功可以用于驱动任何发动机或机构，或用于为涡轮部分的压缩机供能，或者如标号409所示地驱动风扇、螺旋桨或阿基米德螺旋泵以提供经空气的或经水的(如果发动机用作船舶驱动系统)推力。
上述具有双工作室和双曲轴设计的活塞/气缸以及曲柄和活塞之间的张力连接件是相互关联的。它们单独地或共同地存在都提供了明显的优点。用轻得多的张力件取代活塞上的粗连杆及其轴承可以减轻重量，并实现拉动而不是推动曲柄。由于两个燃烧室作用于一个活塞，因此只需通过曲柄传递极少的负荷，从而允许实现轻型结构。这对于二冲程发动机而言特别实际，其中实质上只存在净功和净负荷被传递到曲轴上，这是因为膨胀的部分功通过活塞传递而为压缩冲程提供了大部分功。如果使用张力连接，所需的松弛一般会导致活塞“飘”向第一燃烧室的膨胀冲程的一端，这是燃烧膨胀基本上完成后的一个过渡，致使活塞拉动一根曲轴且接着又被另一曲轴拉动，从而实现第二燃烧室的最终压缩。减轻活塞负荷的一个重要设计将会被考虑用于充料压缩但不用于曲轴，这允许了轻质构造的存在。因为活塞盖之间张力件的恒定线路，活塞受到很小的侧面负荷和扭矩，简化了活塞轴承和密封件的设计。将废气处理空间安排在气缸附近，可以消除从气缸壁到外部系统的热损耗。如果对废气处理空间进行适当的绝热处理，废气温度将十分接近于燃烧室平均气温，从而降低气缸上的热应力。同样地，活塞有两个相反的工作面，因而与普通活塞相比有较小的温度梯度。在两冲程的实施例中，冷充料进入燃烧空间的最大压缩热端并因而使其冷却，而热废气从最小压缩冷端离开并因而使其变热，趋向于平衡燃烧室表面的温度梯度。由于这些设计显著地降低了温度梯度以及应力，因此可以采用更多种陶瓷材料(其一般对于热冲击的耐受力小于金属)来容易地制造零部件。
一般可以这样理解，发动机效率的提高与充料温度与燃烧温度之间的差异成一定比例，更与压缩比的增加相关，并且功率体积比和功率质量比的增加大致与发动机转速成正比。这基于下述假设，这些增加不会被较高的摩擦和泵送损耗而部分地吸收，并且在所考虑的速度范围内燃烧效率是保持恒定。本发明的一个目标是提供一种环境，其中可成功地、高效地使用高于现有装置的燃烧温度、压缩比和发动机转速。较高的燃烧温度会产生温度较高的废气，致使提高的排气控制和通常较大的散热器用于废气回收系统，这将产生更多的功，从而产生较高的系统效率。上述一切说明，对于高性能无冷却式发动机而言，化油器或歧管喷射式燃料传输装置都将被淘汰，取而代之的是直接将燃料喷入气缸或预燃室，因此使燃烧更加可控，同时降低由于气态的空燃混合物被温度较高的气缸壁引燃而发生的预爆震危险。如前所述，发动机设计的重要目标之一是简单性和合理的成本。在这里公开的发动机中，冷却系统的质量、体积和成本及其泵送损耗已完全消失。在很多应用中，油润滑系统的质量、体积、成本和泵送损耗也消失，这一点在下文中将进行阐述。因为活塞的线性运动，活塞/气缸的侧推力以及因此而产生的摩擦损耗实际上已经消失。现代发动机中的泵送和摩擦损耗是很大的，特别是在高性能柴油机中，因此从这种损耗的去除中得到了效率的相当比例的增加。如果曲轴箱和废气空间外壳都被最大可能地绝热，则无论怎样实质上都不会有热损耗。经过气缸盖的热扩散可被传送回充料中。因为环境空气和燃烧充料之间的温差已增大，功效随之增大。如果需要进一步增加燃烧室温度(唯一的物理限制是给定温度下燃烧室材料的结构性能)，则增大压缩比可以进一步提高功效。在又一实施例中，为了任何理由的温度补偿，可以将水以任何形式引入燃烧室，可选地采用下文中所披露的任何手段。正如在其他部分所详细描述的那样，这会带来降低的温度和增大的压力。由于通过冷却系统和来自发动机的连续辐射消除了热损耗以及温度和/或压力的提高，其功效高于本发明中的新式无冷却型发动机。
本文所披露的发动机设计的一个重要特点是其在较高速度下运转的潜力，进一步提高了功率重量比和功率体积比。提高速度部分取决于往复运动装置质量的显著减少，首先是取消了通常粗重的连杆和活塞轴承组件，其次是采用重量相当于其重量的30-40％的陶瓷材料代替黑色金属，第三是减少大部分传统发动机中的摇臂和推杆类机构。据估计，往复运动质量可以减少到其最终重量相当于传统装置中的10％到20％。忽略阀促动器，可以假设这样实现了活塞/曲轴系统的重量减少75％。如果往复运动质量所造成的应力大致相当于发动机转速增加量的平方，则减少往复运动质量的75％既可在同样的应力极限下将发动机转速倍增，也可将应力极限减少四倍。提高发动机转速的第二种方法是缩短燃烧时间。目前的技术发展水平表明，对于强制吸气式发动机，高效燃烧可以使小型汽油机的转速维持在150rps(9000rpm)左右，可以使小型直喷式发动机或柴油机的转速维持在80rps(4800rpm)左右。限制因素趋向于燃烧启动所占用的时间(一旦开始燃烧就会燃烧的非常完全)，而对于直喷式发动机而言，其指在整个燃烧室上分配燃料所占用的时间。前两项过程可以通过提高温度和一定程度上增大压力来加快，因此应使燃烧组分彼此十分相近。在无冷却式发动机的选定实施例中，通过将充料的液体部分以很高的温度和压力送入燃烧室，可以减少或直接消除燃烧延迟时间，因此充料进入燃烧室后其汽化几乎是瞬间发生。在一些实施例中，张力曲轴设计会延迟活塞在气缸每一端的时间，而加速它在两端间的运动，如下文所述。每一端处的延迟也表示与传统的发动机相比在给定燃烧参数下发动机转速将提高。考虑到上述因素，对于给定燃烧效率的发动机速度限值会提高2倍以上。利用附加的新喷射器设计和布置，直喷式发动机的速度限值将会提高3-4倍，也就是说柴油机速度限可以提高到200到300rps的范围。目前，大多数柴油机在远低于由燃烧参数决定的最大理论速度下运转，其限制因素主要是往复运动质量造成的应力。对于本发明的新式发动机就基本上没有这种问题，因此所有柴油机将会在相同的近似于最大理论值的转速下转动。在大型发动机如航海应用中，往复运动质量所造成的应力成为限制速度的主要因素。采用本发明的设计用于这些应用，速度将会从18rps左右提高到50到100rps。
在作为图20和21所公开的双传统式曲轴设计的替代的一个实施例中，安装了一对止转棒轭，如图 36示意性所示，其中活塞1001在包括气缸盖1004的气缸组件1003内往复运动，在气缸组件的各端限定了两个燃烧室。在曲柄销982上安装了两个轭组件981的狭长槽980，曲柄销982又安装在具有中心984的曲轴983上。销982的运动轨迹见虚线985。活塞通过穿过气缸盖1004上的单体连接件1007而连到各轭上，该单体连接件被分成两路，分别连接在轭的每一端上。所有连接件都趋向于传递由一个燃烧室的膨胀产生的主要载荷，并处于拉伸状态。如果连接件可承受负载工作室膨胀所产生的压力载荷，则曲轴并不需要机械连接。然而在选定实施例中，曲轴将会通过任何便捷的方式进行机械连接，包括皮带或链条、旋转臂(与铁道机车中的一样)、齿轮机构等。在操作中，连接件将会主要拉动曲轴销，从而导致两个机械连接的曲轴同步旋转。止转轭设计的优点是，通过穿过气缸盖的张力件而使得侧面推力会很小或者没有。可选地，活塞/气缸组件和两个曲轴可安装在一个刚性整体壳(如点划线987所示)，以允许到轭上的轴式连接(见虚线988)，从而可滑动地安装在壳体端部的凹槽989内，凹槽中心可选地与活塞的往复部分轴线对齐。图36是整体示意图；可以采用任何方便的方式来将轭组件安装在机壳或气缸盖组件1004上。本文的其他部分披露了平衡的止转棒轭装置。
活塞和传统曲轴之间的张力连接件或杆的问题比看上去更复杂。在前文所述的比曲轴设计中，如果曲轴同步旋转，维持活塞和曲轴之间的连接链的长度不变是不可能的。示意图37示出了具有相同机械连接且同步的曲轴1098的中心1100，曲柄销1099a处的半径为r的曲柄行程描述了沿沿相同方向1101旋转的路径1099，还显示了活塞1102和具有恒定尺寸k的盖/气缸模块1103，实线1104表示活塞处于气缸中部时的张力件，虚线1105表示活塞处于气缸末端时的张力件。在下文中将会看到，如果柄中心沿活塞轴线处于模块1103之外的长度3r处，曲柄销中心1099a之间的总拉伸长度为2r+4r+k＝6r+k。如果活塞位于中心，张力件的长度为由正直角三角形(其底边为ac高为r)的斜边加上正直角三角形(其底边为df高为r)的斜边再加上k。由于三角形总边长为6r，并且斜边一定大于直角边，因此可以得出，当活塞位于气缸中部的时候，曲轴销中心线之间的距离在沿张力件的直线上是最长的。由于各部件都需要连接，所以就要求张力件的长度能够容纳活塞处于气缸中部处或附近，这意味着当活塞朝向气缸端部运动时在张力系统会有松弛，或者如果两个曲轴都同步移动或被机械连接，拉伸系统必须是有弹性的。这个松弛是张力曲柄连杆发动机的一项重要特征，在后文中将详细说明。拉伸连接件1106可以全部都是柔性材料，也可以部分由连杆1096组成，如图38和图39中的示例所示。在两个例子中，张力件的一个相同部分在任何时间都与活塞1102运动平行；在一种情况下它相对于曲轴中心是固定的部分；在另一种情况下它相对于活塞位置往复式运动。张力件相对于活塞1102的第一位置由标号1006示出，相对于位于虚线位置1094的活塞的位置由标号1007示出。此时，曲轴显示为沿同样方向转动，张力件的自由部分彼此间形成180度或更小的。虽然未示出，但同样可能的是，曲轴转到沿彼此相反的方向转动，因而维持张力件的自由部分彼此间或多或少恒定在180度。图40显示了不同枢轴、例如用于每半循环的滚柱1093的设置，当曲轴1098是90度地偏离于TDC/BDC时，它会导致活塞1102偏离气缸组件1103的中心1092而处于位置1091，因而允许在循环过程中使活塞具有不同的速度。例如，这种设计可以用于使活塞在压缩冲程的主要阶段运动得比膨胀冲程的主要阶段中更快，反之亦然。
回到图37，假设曲轴相对于TDC/BDC转过90度，活塞位于气缸中部且张力半体具有相同的松弛度。对于一个燃烧室而言，通过增大曲柄运动半径，朝向TDC的松弛度将减小而朝向BDC的松弛度将略有增加。将曲柄半径减小到小于活塞运动半径会导致相反的结果，即朝向TDC的松弛度将会增加而朝向BDC的松弛度将会减小。显然从图37可以看出，与曲柄半径成正比的从气缸盖到曲柄中心的距离越大，系统所要求的松弛度越小。在一些实施例中，优选在TDC处松弛度很小或没有，因为当趋近于TDC时活塞需要被曲柄拉到那里以完成压缩冲程，接着当膨胀发生时，载荷必须尽可能快的传递到同一曲柄。另一方面，在趋向于BDC时膨胀的所有有用功都将完成，因此可以不需要张紧的张力件。由于张力连接件松弛所占的时间造成活塞速度减慢，会改善二冲程发动机的扫气。实际上，为了使张力件在TDC处的张紧，曲柄运动直径就必须是活塞运动直径的5/4到8/7左右，详细取值取决于具体的设计。在朝向活塞行程末端运动时，松弛的存在会使活塞在那里花费更多的时间，使得有更长的时间用于进行燃烧和/或用于进行流体输送。例如如图41所示，对于相同的曲柄中心，采用补偿式曲轴1098的结构可减小这个比例。这个实施例适用于气缸盖处的轴向载荷不会发生问题的小动力应用。如图所示，当燃烧室1091处于最大膨胀且活塞(未示出)位于BDC时，活塞杆1096位于气缸组件1103内的某一部位，且张力连接件1106在“a”处连接曲柄销。图中用虚线示出了张力连接件的其它位置，当活塞近似地位于其运动范围的中心时曲柄销位于位置“b”处，而当活塞在TDC处时其位于位置“c”。在这些曲柄不会同步转动的应用中，通过使用图43所示的最终驱动装置将会产生不同的转动。
显然，本文所披露的发动机构造趋于减少往复运动部件的有效质量，从而降低这些部件所产生的应力。给定能力的发动机趋于比目前拥有更多或更少的活塞。如果只有一个活塞，在允许存在不同的曲柄速度时，双曲柄布置中的长度可变的活塞-曲柄连接可变成固定长度的连接。在每一转中，一个曲柄相对于其他曲柄略微地减速或加速，以容纳固定长度的连接。对于曲柄行程而言，张力连接件的长度越长，曲柄运动就越接近同步。在一定的应用条件下，允许存在曲柄速度变化，例如在为两台泵或两个低速船用螺旋桨供能的发动机中(如果螺旋桨具有较小的质量)。在其它应用中，要求对于一个循环中的每一部分来说最终传动循环速度保持不变。各种机构可用于将不规则的循环速度转变成恒定循环速度。例如，图42显示了连接在气缸内(未示出)的单个活塞上的两个曲轴2026。它们通过无端带、链条或滑轮2028连接在一个最终传动器2027上。为了补偿曲柄中的速度变化，可沿方向2029运动的载体和/或可变长张紧器2030可以缩短或延长到恒定循环速度的最终传动器2027的动力分配距离。移动范围由张力滚柱2032和皮带(由虚线2031所示)的交替位置来表示。载体的移动可用任何种类或以其它方式缓冲的弹簧(如图中标号2033所示)沿任何方向进行控制，无需进行往复运动。作为附加或另选，它可以是椭圆形的或圆形的等。载体和/或张紧器可以是浮动的，并通过环状滑轮/链条/皮带中产生的力来定位，或者可以通过导向和连结系统来进行控制。在局部立面图43中，安装在张紧器2030上的弹簧2034被安装在轴2035(使滚柱2032可沿方向2036运动)周围，轴2035又可滑动地安装在带槽的载体柱3035a内，载体柱3035a在其一端2038安装在曲轴2026，在另一端可滑动地安装在位于固定不变的支点2039上，以保证滚柱装置也沿方向2039移动。
在前文和下文即将披露的大部分实施例中，单个往复运动活塞或活塞/连杆组件通过主要处于拉伸状态的连接件连接在两个曲轴上。在备选实施例中，活塞或活塞/连杆组件通过主要处于拉伸状态的连接件连接在单个曲轴上，这种连接件包括一个或多个柔性件如线或缆(如图22所示)。在大多数这些实施例中，必须结合有一些弹性的或柔性的元件以容纳“斜边”效应，如图37的描述。例如，图497示意性示出了这种设计，其中活塞1001在包括两个气缸盖的气缸组件1103内的两个工作室之间往复运动，并通过具有处于拉伸状态的连续连接件1007经任何类型的滚柱1093连接到曲轴销1099a，其限定了绕轴1100旋转的曲轴1006的路径1099。在一选定实施例中，张力连接件是一个任何类型的单根线或绳或或缆，其夹在或以其它方式固定在支承件1099a上。为了允许在“A”点处有斜边效应，活塞1001和轴承之间的连接必须具有可变长度，因此可在“B”的任一侧在类似于图39的到活塞连杆组件端部的连接点处引入弹性的或可变的支承或任何种类的连接，包括图94到96所披露的连接。在一备选实施例中，在活塞杆组件一侧只有一个弹性的或可变的支承或连接。在又一实施例中，一个柔性连接分成两路，各路均终止于弹性/可变的支承或连接1099a处。在备选实施例中，张力连接件包括一系列处于拉伸状态并连接到摇臂上的缆、线或杆，如图498中的实施例示意性示出，其显示了活塞/连杆组件1001可在气缸模块1103内沿方向1往复运动总共5.0个尺寸单位，摇臂枢轴处于位置2。往复运动时刻的端点处的活塞面如图中虚线所示。两个备选设计如图所示，一个在“A”处另一个在“B”处。在“A”中，活塞杆可选地通过只施加极少(或没有)侧面载荷到组件1001上的机构直接连到摇臂5上，例如通过位于嵌入在摇臂5的长臂内的狭长槽3中的活塞/连杆组件上的销或轴承4来进行连接。摇臂5的短臂通过连接件9连接在具有相同臂长的摇臂6上，摇臂6又通过连接件10连接到曲轴销1099a上，可选地包括在路径1099上运动的弹性连接件或轴承。摇臂6的臂不等长的事实使曲柄销路径1099可以具有小于标号1所示运动范围的直径，在这里是3.5个尺寸单位，如图中标号14所示。在又一实施例中，摇臂和其它连接件的构造和路径都被设计成总是抵消“斜边效应”，并且没有设置弹性/可变的支承或连接。“B”设计中的摇臂可以拥有任何构造，可以安装在任何位置，也可以沿任何方向连接。活塞/连杆组件1001的端部通过连接件13间接连接到具有不等臂长的摇臂8上，摇臂8再通过连接件12连接到具有不等臂长的摇臂7上，摇臂7又通过连接件11连接到曲柄销1099b上。在这个设计中，在“C”处产生了正“斜边效应”，以总是平衡与“D”处的等值的负“斜边效应”，因此在从活塞/连杆组件1001的末端到曲轴销1099b的任何地方都不需要采用弹性或可变的支承或连接。在另外的实施例中，可以采用任何公知技术的连接件和杆来抵消任何“斜边效应”。在又一实施例中，一个或多个连接件9到13包括杆或任何刚性构件，并基本上处于相同的压力和张力条件下。在另一实施例中，连接件9和/或11到13可以是杆或任何刚性构件，并基本上处于相同的压力和张力条件下，只有活塞杆组件的一端与单个曲轴相连。在其他实施例中，该单个曲轴并没有置于活塞“下方”的中央，而是置于任何方便的位置，并且通过连接件连接到活塞或活塞/连杆组件的两端，该连接件可以为任何方便的形式或材料并基本上处于拉伸状态，或者，该单个曲轴也可以通过一个或多个基本上处于拉伸和压力状态的杆或刚性构件连接到活塞或活塞/连杆组件的一端或者两端。
在一个备选实施例中，如果一个燃烧室内的压缩功至少部分地经相连的双曲轴由另一燃烧室内的膨胀来实现，那么中央往复运动活塞可被分成两个半体，各半体之间的尺寸可变。例如，图44显示了这样一个实施例，活塞半体990在气缸组件1003内往复运动，形成两个工作室1002。半体990通过固定的或非弹性连接件1007(可选地主要处于拉伸状态)连接到安装在反向转动曲轴983的曲轴销982上。在一个备选实施例中，曲轴沿同样的方向转动。曲轴可以通过任何方便的方式机械连接。曲轴销中心982移动的路径见标号985。活塞半体990位于上、下死点(如标号991处的虚线所示)之间的中途。紧邻在气缸盖1004的外部安装了滚柱对992，其可吸收连接件1007的侧负荷。此未示出阀、端口和轴承等。可以推断，位于曲柄旋转中点处的活塞半体之间的距离“b”大于上、下死点处的半体之间的距离“a”。可以设计发动机的几何形状以建立所需的比值a:b。如果该比值较大，活塞之间的空间就可以用作一个有效的用于发动机工作流体或与发动机无关流体的压缩机或泵，连同合适的端口、阀、旁路空间和通道等。中间活塞和中间气缸流体传输将在下文中披露。在这个实施例中，以弹簧993的形式存在的储能装置置于活塞半体之间，在活塞的一部分行程期间吸收能量而在活塞的一部分行程期间释放能量。弹簧可以处于拉伸或压缩状态，这在一定程度上取决于张力连接件装置的结构。除了任何机械弹簧以外，半体间的气体也被压缩，以使其也可以有效地用作压缩弹簧，在上、下死点周围吸收能量，并且在朝向活塞行程中点的运动中重新释放能量。由于半体之间的气体压力上升，它相当于一个燃烧室内的压力升高，这种压力的相关协同升高会帮助减少来自该燃烧室的串气。在活塞半体之间设置了隔膜(未出示)，用于分隔活塞半体之间的空间。这种多重空间可以被用于泵送或压缩不同的气体，或者通过隔膜(以及适当阀、端口等)的可变式相对运动来将流体从活塞间的一个空间输送到另一空间。在又一实施例中，气缸内的活塞半体之间没有连接。为方便起见来讨论活塞半体；它们可备选地看作是两个活塞。在又一实施例中，有关前述图44中的活塞间空间布置可以用于自由式活塞泵或压缩机。这种发动机的基本设计与图44相同，不同之处在于穿透气缸盖的活塞杆、连接件2041和曲柄2026都被取消。在给定燃料量的条件下，这种发动机仅在所做纯功被控制成总是低于发动机的实际效能才能恰当地运行。如果没有这种控制，自由式活塞半体将不会恢复到其指定的上死点位置。当然，对于自由式活塞半体发动机而言，活塞间空间的变化与曲柄连杆的几何形状；相反，它是在该空间内所做的泵送或压缩功的函数。本文中的所有原理、特征和结构细节都可以在恰当时用于自由式活塞泵、压缩机或内燃机。
在一选定实施例中，发动机设计成允许压缩比随着速度的增大而升高。对于启动和低到中速可以采用上述设计：活塞被曲柄拉动到设定的压缩比位置，在膨胀中活塞又拉动同一曲柄。在活塞被拉动到完成压缩前，由于其动能和其他燃烧室膨胀的最后阶段对它所做的功小于完成压缩所要求的功，因此它会逐渐减速。在这个减速过程中，松弛可部分地从一个自由的、实质上是无载荷的张力半体传递到另一半体；除过渡阶段外，一个张力半体总是拉紧而另一个总是松弛。当发动机加速时，活塞的动能会增大，直到在“设定”压缩比下作用在活塞上和由其产生的功等于压缩所要求的功的时间点。当活塞速度进一步提高时，作用于活塞和由其产生的功超过了该设定压缩比所要求的值。由于活塞不受压缩气体以外的其他限制(与曲柄相连的连接件在其朝向曲柄运动时会松弛，而在其拉动另一曲柄时绷紧)，它会将气体压缩成超出“设定”压缩比。当活塞速度增大且压缩比上升时，要求有更多的动能，它来自于在高温高压状态下燃烧固定质量流体所获得的额外功。随着发动机速度增加，增大压缩比的一个重要的好处就是可以缩短所要求的燃烧时间，这缘于增大的压力和因压力增大而导致的升高的温度。温度和压缩比不是成比例地提高，这是因为温度是压力和燃烧的组合产物。在一些实施例中，活塞减速受到与发动机速度变化有关的控制，以保证所有松弛在接近TDC的基本无载荷的相关自由张力半体中被接受，并保证曲柄转速超出张力半体的运动速度的量在在绷紧状态下很小，以尽可能地消除张力件上的冲击载荷。对于可变压缩比的设计而言，在膨胀载荷开始有效地传递到曲柄之前，在曲柄转动的一定角度处应实现绷紧。通过设计往复运动部分的质量以满足所需的发动机速度范围，以及通过改变在TDC周围传送的燃料的正时和量，这种控制就首先提供。可选地，水、水甲醇混合物或类似的物质都可以被引入，去提供临界周期下压力的突然增加和/或控制瞬时性的温升。由于动力重量比是很重要的(例如航空应用)，假设在某些发动机中希望有最大可能的发动机速度，因此可变压缩比这一设计思路的目标并不是如此高地提高效率(在某些实施例中它可能还会减小)，而是在短时间内促进正确的燃烧。可变压缩比发动机的一个有趣特点是，一旦超出“设定”压缩比，往复运动部件的质量(除去任何阀和燃料系统)实际上没有施加负荷到曲柄上。因而，中型和大型发动机中的对发动机速度的传统局限性实质上已被消除。
曲轴本身还是按照传统的方法制造，可以用任何材料包括陶瓷。也可以采用非传统构型，包括如图45所示的组合式构型，其中空心的中心支承管1115和空心的大端支承管1116通过轴向张力紧固件(例如在图左侧中用虚线示出的螺栓1117)受压地安装在曲柄盘1118和1118a之间，曲柄盘起到曲柄行程的作用。螺栓头可选地带有沉孔，如虚线641所示。管本身可以沉入式地置入盘，如图右侧中的虚线642所示。曲柄盘可以任何方法平衡，包括嵌入重质材料(如点线643所示)，和/或提供切口或凹槽644。凹槽可以是新月形的，弯曲地围绕在管的周围，如图中虚线645所示。部件1118和1118a描述为盘，但是其周边也可为任何形式，包括椭圆形、不规则图形或圆形。如果是后者，盘可以由滚柱或其他轴承的内壳构成，其外壳固定在发动机上，因此允许具有一种滚柱或其他支承曲轴的结构存在。作为示例，右数第二个盘1118a显示为由滚柱1118b(以虚线示出)与安装在发动机本体1118d上的外轴承壳1119c(以点示出)分隔开。在选定实施例中，曲轴轴承由穿过曲轴内部的流体来润滑。在其他实施例中，曲柄轴承是气体轴承，其中于流动状态的物质在位于或靠近轴承表面处会变成气体状态。在又一些实施例中，曲柄盘可以被形成为容纳最大轴承尺寸以将圆周区变成凸轮。
例如，在图46中示意性显示了某些实施例的横断面，显示了两个具有精确机加工表面的凸轮轮廓1120的成形圆盘1119，用于阀凸轮随动件1121的促动和/或燃料供给凸轮随动件1122的促动。凸轮可直接或间接地开启阀，或促动燃料供给装置或用于其他任何用途，并还可以用于促动包括主要处于拉伸状态的连接件，如下文中的图481-483中所描述的。盘通过拉伸紧固件1123和具有精确机加工端的内曲柄轴承缸套1124相互连接，每个盘都同样地固定在内主轴承缸套1125上。内主轴承气套1125可转动地安装在发动机结构1126里。第二曲柄轴承(通常设计成大端轴承)缸套1127安装在曲柄连杆或张力件1135上。备选地，张力件1135是止转棒轭机构的一部分。在本实施例中显示了气体轴承，其中希望采用支承面积最大的轴承，但是滚柱或滚针或任何其他轴承也采用。可选地，与中央流体储槽相连通的流体通道1128可输送流体到轴承表面处的开口1129。它们也可以用于为轴承供气，或者备选地为其他轴承提供液体润滑，并可制成具有任何所需的形状或尺寸。通道系统可位于曲轴组件内以用于内壳1125，或者位于曲轴支撑结构1126内，或二者兼具。在一个适于陶瓷材料和曲轴箱高温的备选布置中，通道可含有压力水，其一旦离开开口就立刻变成蒸气，因此可以在公差较小的气体轴承中提供压力气体。可选地，内轴承缸套1124的中心1124a可充满水或其他液体，以便与如图45所示例子中的反平衡一起提供存在某种程度的飞轮效应。备选地，流体也可利用向心力被驱动通过轴承套1124内的小排放孔1125a以产生摩擦效果，并通过曲柄部件(如部件1119、1125、1126等)中的通道系统1123a进行补充。在具有少量曲拐的曲轴中，气体或液体是脉冲式的，以在最大负载时提供最大压力。备选地，作为开口1129(包括那些与通道1128相连的孔)的替代，可以使用孔与芯材的组合，如图47和48中的纵、横截面图所示，其中标号1123和1124分别是内、外轴承套，他们之间的空间1136用于轴承流体。在最大负荷区1131中设置了具有可保持或传输流体的芯材或多孔或渗透性材料1130，以便更加均衡地分配在一定压力下通过通道1132和孔1133传输的液体。在本文其他部分所描述的设计中，张力件中的松弛可选地由液体弹簧来吸收，因此张力件的“拉紧”会促使流体传送到轴承。图46中的曲柄存在侧向或轴向运动，允许在曲轴沿方向1134运动时通过渐变形凸轮轮廓来不同程度地促动凸轮随动件。此处假设活塞和曲柄1135之间的连接件不可侧向移动，使得内轴承套比外轴承套大。在一个备选实施例中，曲轴组件和曲柄连杆相对于运动方向1134固定，凸轮随动件1121和/或1122可在方向1134上移动，如下文中实施例所述。水润滑剂只是这里引用的一个例子；实际上，任何处于压力下的合适液体都可以使用，不管它是否会在轴承间隙内变成气相。燃烧负载以及相应的轴承负载会很高。如果使用气体轴承且串气现象降到最低，那么轴承端也可通过油膜部分地密封。因为气体轴承有时在低速状态不那么有效，这种油膜就可以某种程度上起到润滑轴承套的作用。当然，气体压力会导致油发生损耗，但是在图21所示的基本结构中，损耗的油将会作为燃料燃烧。例如，在图46中以标号1130a显示了一个多孔的或渗透性环或芯，其可选地由通道系统1133a(例如可位于部件1125和1126之间)来供给液体润滑剂，这不依赖于任何为任何气体轴承供气的通道1128。可以看到，环1130a处在轴承的一端；类似的环和润滑剂供给通道可选地置于另一端。
如前所述，曲轴可用作凸轮轴。在又一实施例中，曲轴或凸轮轴的侧向运动可结合到任何泵、压缩机或内燃机中(其中使用传统轴承或气体轴承)。例如，图49示意性表示出一个曲柄和/或凸轮轴5086，及其可沿箭头1134方向向内侧且相对于外主轴承套5088运动的内主轴承套5087，其第一位置由实线标出而第二位置由虚线标出。轴5086或套5088是固定的。在气体轴承设计中，如果轴承套的直径不同，但其间隙差距也应一致，以保证无论曲柄和/或凸轮轴的位置在哪气体轴承的性能均稳定。在又一实施例中，如果出于某种原因曲轴或组合式曲轴/凸轮轴不能侧向移动，则可以通过插入轭来移动凸轮随动件从而达到同样的变化效果，如图50的正视图和图51的截面图所示。在这个实施例中，曲柄和/或凸轮轴5089是固定的，但它带有具可变轮廓5091的凸轮5090。球端从动件5092和杯端从动件5093将凸轮连接在合适的往复运动机构5094上。也可以使用其它类型的凸轮从动件，包括本文其他部分曾经描述过的。轭5095优选通过橄榄形弹力垫圈或轴承5097连接到从动件柄部5096上。当轭沿5098方向侧向移动时，机构5094中的往复运动程度将变化。类似地，当轭沿另一方向5099移动时，相对于凸轮的往复运动的正时和/或曲柄角将变化。在另一个实施例中，不能附加地用作曲轴的凸轮轴相对于其凸轮从动件侧向运动，和/或从动件相对于凸轮轴侧向运动。本文所披露的凸轮及其从动装置的可变正时和有效轮廓都可用于促动任何往复运动式装置，继而促动排气和进气阀，或者通过打开阀或操作柱塞或泵来用于输送燃料。正如其他部分所披露的，凸轮和/或曲柄轴支撑在变压气体轴承中，轴承中的气体可由引导到间隙空间内或附近的处于压力下的气体或液体来提供，然后在间隙空间中的低压条件和/或高温环境中改变状态。可通过最好地描述为移动轮廓凸轮的方法来在旋转过程中改变这些流体压力，移动轮廓凸轮在回转体内产生泵送作用。例如，在图52所示的凸轮/曲柄部分中，显示了绕轴5100a旋转的曲柄盘5100中的两个不同的实施例，其中大端轴承5021具有内部通道5101，用于供给被可动柱塞5103封闭的储槽5102所中断的轴承液体。柱塞连接到移动踏板5104的自由端，移动踏板5104可在盘表面5105和盘周边平面5106处枢轴转动。固定的凸轮从动件5107定位成使得当轴沿方向5108旋转时，踏板和柱塞在于从动件下穿过时被压下，致使在轴承液体中产生压力波。这样的踏板与柱塞设计也适用于发动机燃料输送，其中旋转凸轮促动枢轴转动式或铰接式踏板。在又一实施例中，液压并不随曲柄转动角度而变化，而是随着曲柄转速变化。一个例子显示于截面图53和作为A部分横截面的图54中。在这里，可在标号5111处枢轴转动的踏板5109安装在曲柄盘5110的圆周面5110a上，储槽5102容纳了可动柱塞5103并与流体供应通道5114和传输通道5115相连。踏板外表面可滑动地安装了配重座靴5116。在旋转5117期间，座靴从固定凸轮从动件5118下穿过，导致踏板被压下，在轴承液体中产生压力波。座靴在踏板表面上的径向运动5119受到弹簧5120的限制。限制柱塞运动的止动件以标号5121示意性示出。随着转速增大，座靴上的离心力将导致弹簧伸展和座靴沿踏板斜面径向向外移动，致使座靴的头部从盘表面中伸出，并在每次于从动件下方经过期间增大柱塞的运动。通过这种径向运动正比于离心力地变化，流体压力可正比于曲柄转速地变化。
如前所述，连在两个同步旋转曲轴上的活塞需要连接件中的松弛。备选地，连接件可包括弹性的或可伸缩的元件或装置。它们被设计成可在操作循环期间的一个时间段吸收能量，而在同一循环期间的另一时间段释放能量。这种能量储备可用于在循环的膨胀或压缩冲程中分配载荷，或者将载荷从一个冲程分配到另一个冲程。在有关活塞到曲柄的张力连接件的上文或下文的讨论中，其特征是针对图37到41来提供的。所描述的任何特征在适用时均可用于活塞和曲轴之间的止转棒轭型连接件，包括本文披露的这些连接件。在一个选定实施例中，曲柄通过处于拉伸载荷下的连接件连接到活塞或活塞/连杆组件上，其配置成总能吸收系统内的松弛，可选地采用循环式能量吸收装置。例如，图55到58显示了处于拉伸载荷下弹簧钢连接件，当所有往来于曲柄销组件1143a的载荷被解除时，这个连接件被偏压而打开至位置1137，其中连接件的中心卷绕在曲柄销组件上，两端连接于活塞/连杆组件的杆状延长部。图55是平面图，图56是剖面图，图57是(b)处的放大图，图58是(c)处部件的局部放大图。图57所示的张力连接件的渐缩式U形截面允许曲轴1138可以沿方向1138a弯曲和侧向运动。弹簧1139或流体储槽1139a的较平截面允许屈向位置1137以接受松弛，如图中标号1140所示。这里示出5处弹簧作用：部件1136的偏压弹簧钢、弹簧1139、流体储槽1139a、部位(a)处的装置、垫片1143，尽管只需其中的一个即可实现本发明。部位(a)处的装置实际上是冲击吸收器和能量吸收器，它由通过弹簧1142相连的两个滚柱1141组成。可压缩垫1143位于弹簧钢环1144和外轴承套1145之间。图58显示了位于张力连接件和活塞/连杆组件的杆端1148a之间的连接的放大图，其中一个张力连接件1136的楔形分支端1146置于杆端1148a内的浅锥形凹槽1148中，并通过环1147加以固定。流体储槽139a只示意性示出，其体积未按比例。流体通过柔性管1141a供给流体储槽，再通过柔性管1142a离开。在松弛作用从一个张力半体传递到另一半体的过程中，弹簧刚度的变化将会影响活塞的加速和减速。可以采用任何合适的材料代替弹簧钢而制造部件1136。
备选地，当用于连接(可选地机械连接)活塞和两个同步转动的曲柄时，在图55到57公开的概念可用简单的形式来实施。作为自身折叠的钳形装置1136的替代物，提供了简单的弹性或弯曲的张力连接件，其可选地位于传统的大端轴承和小端轴承之间，并可由包括弹簧钢的任何适当材料构成。例如，明显的是，采用在各端具有轴承壳的弯曲弹簧钢部件来替代传统的连杆。此新的弹簧钢部件仍是连杆，但是其主要在于张力下连接。弯曲连接件的有效(直线)长度在大端和小端轴承中心之间测得。在一个明显实施例中，当活塞位于上死点或下死点时连杆最短，其处于它的自然形状，随着活塞向其路径的中部运动时，连杆拉伸并且吸收能量。在备选实施例中，当连杆最长时其处于它的自然形状，而随着活塞移向上死点，其受到压缩并吸收能量。在备选实施例中，连杆在处于其自然形状时具有任意直线长度。连杆的自然长度决定了在360度的循环中能量在何处被连杆吸收以及被释放。由于活塞实际上不受到约束(其在给定时间的精确位置取决于作用在其上的力，包括通过连杆施加的力)，对于给定的每分钟转数来说，连杆设计的变化将会影响到参数如活塞速度、在TDC/BDC处的停延时间，并且也经常影响最终的几何压缩比。所有这些因素都类似地受到往复运动式活塞/连杆组件的质量变化的影响。为了说明设计选择的可用范围，图499完全示例性地显示了两冲程发动机的单个活塞、单个气缸、双燃烧室的一些布置图，这里活塞/连杆组件1连接于具有运动路径4的双曲轴销，并在气缸组件5中沿方向2往复运动而限定了两个环型工作室3，这里通过十字线示出的不同枢轴点。活塞/连杆组件显示位于往复运动的中点，活塞以虚线显示在TDC。在所有的这些图中，虚线圆表明了曲轴销的路径，路径上的四个十字点代表了曲轴销在TDC/BDC处和在它们之间的曲轴旋转中点处的位置。实线显示的连杆处于它们的自然曲率中，而以虚线显示的是在载荷下的变形。在图499A中，在膨胀冲程的第一部分中吸收能量，而在第二部分中释放能量，以帮助压缩在对面工作室内的充料。这有助于减短活塞处于TDC/BDC的时间，减慢活塞在行程中点周围的速度，并可能提供略微高一些的压缩比。在图499B中情况相反，在膨胀冲程的第一部分释放能量而在第二部分吸收能量，以阻碍压缩对面工作室内充料。这将有助于延长活塞处于TDC/BDC的时间，提高活塞在行程中点周围的速度，并且可能地提供更大的动力，这是由于在接近最大压缩比(其可能会小于图499A中布置的压缩比)时有更多的燃烧发生。在图499C中，当曲柄与 TDC/BDC成45度时连杆达到其自然形状。在初始膨胀期间一些能量释放，当活塞到达其路径中点时会吸收一些能量，然后又释放，最终在膨胀的末尾和对面工作室的最终压缩时能量被最终吸收。在图499D中连杆具有曲率，使得其有效长度总是小于该布局所要求的长度。其布置与图499A类似，其中在膨胀冲程的第一部分吸收能量而在第二部分释放能量，以帮助压缩对面工作室内的充料。此外，这有助于减短活塞处于TDC/BDC的时间，减慢活塞在行程中点周围的速度，并可能提供略微高一些的压缩比。不同点是，轴承总是在同一方向上承载，并且曲轴销之间的整个连接件始终处于拉力载荷中。在另一实施例中，连杆不是弯曲的，而是为任何方便的形状，包括阶梯形、之字形、折叠形、六角形或波纹管形，或者以两维地弯曲，例如在螺旋弹簧的任一部分中那样。
在其他实施例中，曲轴通过柔性张力件如缆、线、绳、纱等与活塞或活塞/连杆组件相连。图59和60示意性示出一个例子，其带有锤头状的活塞/连杆组件1149。可压缩的流体储槽1150通过流体供料管1152和止回阀1153以及带有止回阀1155的流体回流管1154与外轴承套1151和流体供应储槽1158相连，以通过通道1160将流体输送到轴承1159。双拉力缆1157穿过钟形口1156缠绕在壳体上，其端部1162以压挤或粘合方式安装。类似地，缆通过钟形口1163缠绕到可拆锤头1164上。如在下面实施例中显示的，缆穿过活塞/连杆组件。中空的连杆1165具有用于充料通道1168的开口。头部1164通过螺纹1166安装在活塞/连杆组件的杆部1165。在其他实施例中，可压缩流体储槽给内燃机燃烧室提供燃料。例如，在一个燃烧室中开始的膨胀和相关的连杆张紧使储槽压缩，并且开始给第二室输送燃料。其他例子进行了示例性的描述：图61显示了安装于活塞/连杆组件的统一直径的杆端1167的单缆，这里，缆穿过进入对开式钟形口1169，穿过杆以缠绕在杆上，然后重新进入杆中以通过另一端部穿出。杆端具有用于流体的内部通道1168。图62显示了穿过气缸端1170的单缆，所述缆通过可选的不对称或错开的曲柄旋转导辊1171和曲柄后侧运动导辊1172来导向。缆穿过在整体活塞1173中的埋入通道1174，沿圆周缠绕，然后又穿过活塞。可选地在此活塞中具有空隙1175。通道1198用于使润滑流体到达张力件的离开活塞的区域1198a。如果是液体，在区域1198a中由设有连续的或不连续的周向走廊。图63显示了三件式活塞中的类似布置，这里活塞头1176通过缠有缆的中心柱或滚筒1177而相互螺纹连接在一起。可压缩套管用于保护缆防磨损并用作震动吸收器。图64显示了带开口缘的三件式活塞，这里头部1179通过类似的中心柱1180相互螺纹连接在一起。图65显示了带开口缘的活塞/连杆组件，这里杆1181是中空且连续的，活塞1182带有加固法兰1184。活塞通过紧配合(通过把冷的杆插入热活塞中而实现)和/或通过插入由部件连接线1183分开的空间或这两者的结合与杆压紧配合。中空杆可包括连续的张力件1185，其可在端部处连接活塞/连杆组件，可选地以图61或图59或60中显示的一种方法。图66显示了带闭合缘的三件式活塞组件1186，其围绕两个独立杆1187装配起来。在标号1188处提供了可压缩材料，以提供活塞在杆上的小幅运动以达到吸收震动的目的，并且在标号1189处提供了螺纹锁定。为了冷却或其他目的，中空通道1190可与活塞的内部相通，以沿方向1191通过活塞输送包括气体的流体。图67显示了具有双缆的活塞/连杆组件的端部。可选地，活塞/连杆组件可具有如图61所示的用于气体的通道。图68显示了除了具有两条缆外与图63类似的布置。
气缸盖可通过多种方法设计，包括具有传统提升阀。当设有中心张力件时，其减小了阀的可能直径，除非在中心柱或缆周围使用4个阀。在多个实施例中，更有效的阀布置为弧形或环形。“环形阀”意味着可移动的环形件，其通常与周围或芯材表面几乎齐平。当阀被促动时，其从周围芯材平面中伸出，使流体或其他材料流过环形的外、内圆周。对于给定提升来说，具有中直径“x”的环阀可具有与具有相同直径“x”的传统提升阀相比大约双倍的间隙。图69到71示例性地显示了一个例子，图69是通过气缸1003向盖1004看去的截面图，图70是通过气缸1003和盖1004的横截面，图71是显示了阀促动机构的沿另一直角截面的正视图。所有的图均为示例性的。它们显示了带有双阀杆1202的单个中心环阀1201，阀杆1202处于桥接器1204中的导向器1203内，所述桥接器支撑了头部1205的中段，还支撑了活塞/连杆组件的中空杆部1206。两个阀杆安装在环形卡圈1207上，所述卡圈的底部用于挤压弹簧1209，而其上侧具有一个或多个表面凸起1207a以接纳在标号994处铰接在盖上的支架955处的杠杆1208。该杠杆是分叉的便不触及杆1206，具有与凸起1207a接合的凹陷1208，该杠杆通过凸轮996而压下，所述凸轮又克服弹力来下压卡圈以打开环形阀1201，允许流体按照箭头997的方向经过阀的内周和外周进入工作室998。在此实施例中，流体来自于在盖1004上的阀封闭空间999。环形阀可用任何适当的方法制造，并且其可通过任何方便的方法促动。其可安装于任何适当的位置。例如，图72从气缸1003的内侧显示了盖1004的类似视图，但是环形阀1201的轴1208a相对于气缸/张力件1206的中心偏移尺寸y和z，偏移原因包括允许曲柄/凸轮被更容易地直接驱动。此偏移可仅在一个尺寸上。燃料输送装置安装在位置1205a处；或者，多个装置可安装在任意方便的位置，例如标号1205b处。在另一实施例中，有多于一个环形阀通向一个工作室。此布置适合于四冲程往复式内燃机。图73示例性地且未按一定比例地显示了一个例子，其显示了在盖和气缸组件1004中的内环形阀1210和外环形阀1211，张力件或活塞/连杆组件1206穿过了所述盖和气缸组件。通过阀杆1211a促动的外阀连接了环型燃烧室1002和废气处理空间1212，如前文公开的图20和21所示，所述废气处理空间可选地为环绕在气缸组件的气缸部分1003的周向废气处理空间。环形阀可具有最大间隙或提升的不同高度，如虚线所示。内环阀1210连接了燃烧室和在盖1004之外的充料保持空间1213，其可以是阀机构封闭体。定另一个实施例会，如图321到324所公开的，环形阀的变体为新月形或弧形或香蕉形的阀。例如，其可最简单地包括大约半个环形阀。两个这样的半体一起构成为比一个完整的圆差一点，因此盖桥接件可延伸到燃烧室盖表面。每个此半体可安装在一个阀杆上，优选为椭圆形或其他非圆形横截面以保证正确对齐，并且可用目前提升阀的促动方法来促动。由于底座不是规则的圆形，在生产期间或者在再处理过程中，其将比传统的提升阀或环形阀更加显著地难以加工，这就是这里所描述的后面实施例的原因。
张力件可以多种方式穿过盖。在活塞/连杆组件中，在连杆穿过的盖的部位必须要提供支撑面，以吸收任何由曲轴转动引起的角度载荷。如图62中的例子所示，在柔性张力曲轴连接件的情况下，这些栽荷可由滚柱吸收。在一个备选实施例中，在往复活塞或活塞/连杆组件和盖之间提供了套筒。图74和75通过例子以彼此垂直的剖面示意图显示了穿过盖1004的活塞/连杆组件的杆部1192。杆部1192通过在其他实施例中可以沿方向1195移动和/或可选地具有燃料通道的套筒1194而得以加强。当套筒伸出时，套筒的端部如虚线1192a所示。当工作室1002最大地膨胀和活塞/连杆位于BDC时，杆的端部如虚线1196所示。在图75所示的立面视图中，套筒具有切口1197，以容纳极限角度1193a处的曲柄连接件1193的运动范围。连杆1193仅示意性示出。图75底部的“A”处是杆的中央部分的截面，同时也显示了杆如何在一个尺寸上加宽以加强应对侧推力。当张力件需要承受侧面曲柄旋转载荷时，支承可由高压气体来实现。这自然地将由漏气来导致，而且如果支承公差较小，此漏气损耗会一定地频繁，并值回其提供的支承功。附加地或备选地，支承可由水或前文所述的其他液体或气体产生，直接通过图62中的通道1198，或经过如图74中的不同布置所示的芯材或多孔或透过性材料1199经通道1200提供。通道1200可提供燃料并与套筒中的走廊1200b相通，并且仅当套筒延伸时，套筒通道1200a可延伸而终止于暴露在燃烧室下的套筒表面。如果套筒是可伸缩的，活塞(虚线1001示出其上止点位置)可具有相应的凹陷1001a，其可形成预燃室或碗。当通道或走廊中的燃料受到压力波时将喷入燃烧室1199a中。当套筒延伸时，流体走廊或道如1200a和1200b可选地仅暴露于工作室中。当套筒缩回时，通道1200b封闭，减少了燃料滴入或沸腾气化进入燃烧室的可能性。图中示意性示出拉力件1193和活塞杆1192之间的连接；可使用任何连接或紧固方法，包括这里所公开的。在其他实施例中，部件如阀杆、张力件和例如图74中的支撑件1194的“润滑”使得要使用当送入燃烧室时会影响燃烧过程的物质时。这些物质包括燃料如柴油，其可额外地用于润滑其他部件。其他可用的流体包括为液态或气态的水、燃油、水甲醇混合物、氢气。“润滑”意味着提供低摩擦支承方式，包括液膜、气体轴承等。
包括流体走廊的套筒可移开以用如图310到320公开的方法输送流体到工作室中。在恰当的时间通过给流体储槽施加压力，使流体可输送到工作室中，压力可选地释放阀，使流体经过与工作室相通的孔离开储槽。这是目前所使用的直接燃料喷射系统的本质，并且也可用于新的发动机。此系统可适用于当前的发动机和/或通过使盖或类似部件作为一部分喷射器而用于本发明的发动机。图76通过例子示例性地显示了具有环形阀1201和两个张力曲轴连接件1206的盖1004。柱塞1601通过由螺栓1602和垫片1065固定的弹簧1603保持在其底座上，靠近直接与工作室1002相通的喷嘴口1602。燃料供应线1606 保持通道1611和燃料走廊1607充满。燃料供应线1606中的尖锐压力波使柱塞1601以箭头1608所示的方向克服弹簧1603的阻力移动，以使燃料1609喷入到燃烧室中。当燃料供应线中的压力波降低时，弹簧推动柱塞回到其氏座上，以切断燃料进入室1002中。标号1610显示了由通道1611提供供给的可选燃料回流线。一个或两个燃料线1606或1610在任何适当的位置处具有止回阀。
在选定实施例中使用了无喷射器式燃料输送系统。此系统包括至少在操作循环的一部分期间直接与发动机燃烧室相通的燃料通道。在无喷射器式系统的一个实施例中，燃料输送通道具有非常小的通向燃烧室的常开开口。在正常操作中，通道会包含一定量的燃料。在需要输送燃料时，在来自供给源的燃料中引发压力波，引起积存在通道中的部分燃料通过非常小的开口喷入燃烧室。喷出的燃料量取决于压力波的强度和持续时间。在燃料输送后，在操作循环的剩余时间，假设从燃料供给源中未引发压力，那么另一些燃料将以与燃烧室压力相同的压力积存于通道中。来自燃烧室的背压将会很大程度上限制燃料“滴入”燃烧室。在很多实施例中，在循环的一部分中，燃烧气体的温度将会远大于当前压力下液体燃料的沸点。在小开口尺寸下会发生一些沸腾，但是这些沸腾会由于两个因素而被延迟。首先，由于起初的分子沸腾，它们会形成具有与液体相比相对差的热传导速率的气体，因此在新形成气体后延迟了液体分子的沸腾。第二，液态燃料的初始分子会从最接近的燃烧室气体中吸收大量的热能以相变为气态燃料，因此在许多情况下这些气体会降温到沸点以下，需要进一步沸腾。本发明的发动机设计为比现有装置转得快得多，在此转速下，仅有使最少量沸腾发生的时间，并且在很多情况下，在循环的剩余时间在燃烧室内聚集的气态燃料的量是无关紧要的，并且不足以形成任何预爆燃或“爆震”。图77说明了此原理，显著放大地显示了在气缸盖或类似部件1004中的连接燃料储槽1607到燃烧室1002的狭窄燃料输送通道1611。在区域“A”中加热液体燃料，在区域“B”中为气态燃料，在区域“C”中为压缩的热充料或燃烧室废气。当没有燃料输送时，所有三个区域中的压力可能与燃烧室内气体的压力相等，即P1＝P2。开始阶段，液态燃料和燃烧室高温气体在“E”处的接触导致了在通道端部即区域“B”中的局部沸腾。在区域“B”中的材料相变对能量的需求导致了其后侧的、区域“D”中的燃料温度迅速下降。为了使之沸腾，需要更大量的能量，其最有可能来自于燃烧室内的气体。但是由于气体的传热速率较慢，因此需要一段时间来使“D”中的燃料沸腾。实际上，在区域“B”中的起始沸腾延迟了燃料滴入燃烧室。在发动机以高速转动时，除了当在储槽1607中施加压力波使燃料输送外，几乎没有燃料进入燃烧室。在整个循环中，这些通道不必暴露在燃烧室中；在其他类型的“开口通道”式燃料输送系统中，在一部分燃烧循环期间，这些通道开口将会部分遮蔽，或者其不与燃烧室直接相通，取而代之的是一些类型的储槽，这些储槽将在燃烧室中暴露占很短一段循环的时间。在一些实施例中，一些类型的可允许流体通过的多孔性或可透性材料的屏障可放置于通向燃烧室的开口中，以限制渗漏或减缓任何可能的沸腾。在一选择实施例中，燃料输送装置是盖的一部分。
图78通过例子示例性地显示了具有用于输送液体的开口1611的气缸或盖或活塞/连杆组件1004的一部分，所述开口与包括芯材或多孔性或可透性材料1613的燃料供给通道1612相通。在循环的无燃料输送阶段部分，芯材或其他材料1613可允许非常少量的流体、液体或气体进入燃烧室。在燃料输送的主要阶段，在燃料供给通道中引入尖锐的压力波，迫使燃料穿过芯材或其他材料以喷雾1613进入燃烧室1002。可选地，出于任何原因，可使用前期的和较小的压力波以提供总燃料需求的一部分，这不足以引起预爆燃，和/或使用较小的和随后的压力波以在膨胀期间增加进入燃烧室的燃料。在另一实施例中，燃料输送装置的一部分是分立单元的一部分，所述分立单元可定期地被取出并进行维修或更换。尽管陶瓷非常硬，长时间使用和燃料侵蚀可导致非常小的开口随着时间的流逝而扩大。通过例子，剖面图79示意性显示了包括燃料输送通道1611的安装在盖或其他组件1004中的可移除单元1614。单元1614通过正弦截面的螺纹1615固定以接纳芯材或过滤器或多孔性或可透性材料1613。虚线1001显示了在上、下死点处的活塞头顶部。单元1614和部件1004可由任何适当的材料构成，包括陶瓷。正弦截面的这种螺纹可用于本发明的任何适当的装置或机构，而不仅限于用于陶瓷部件。单元1614可具有凹陷1616，如平面图80所示，其可用作微小的预燃区和/或用作接收供单元插入用的特殊驱动件的销。流体的输送可通过至少两个压力波，第一个提供部分输送1617到凹陷1616，在膨胀开始后是后一部分燃料输送 1618。所示的可移除单元1614通过螺纹1615固定，但可选地通过任意合适的方式固定，包括通过使用卡入结构、弹簧、粘合剂、带有螺钉或螺栓的盖板等。其可从盖或部件1004的燃烧室侧或从另一侧进行连接。在所述实施例中显示了芯材。作为芯材的替代，如果需要的话可使用任何类型的装置来在一定程度上限制流体的流入，和/或用作散热器。单个流体通道1611可被一系列同步传输流体的较小通道代替。芯材可略去，特别是如果通道具有相对于其长度相对小的孔，如图77示意性显示。应注意的是，在任何燃料输送通道中的任何沸腾产生的气体会阻止液体流动和减缓渗流。在其他实施例中，图79和80的特征可通过并入如图74和75所示的将部件1614插入套筒1194或盖1004中的一些或全部结构特征而得到修改，使得流体供给通道1612宽得足以从工作室1002外加载任何芯材或多孔性或可透性材料。在燃料通过往复运动部件输送时，可在该往复运动部件中安装与部件1614类似的单元，可选地通过图78所示的方法。
在一个备选的流体输送实施例中，图81通过例子示意性显示了在气缸盖或类似部件1004中形成的低压循环环型走廊或储槽1620。一个张力曲柄连接件1206穿过盖1004，并且设有环形阀1201。储槽1620通过通道1611和可选的止回阀1621与流体供料线1606连接，同时还与流体回流线1610连接，所述流体回流线也可以具有止回阀(未示出)。阀1621保护泵不受任何回流压力波和在燃烧室压缩期间积聚的反向压力。在流体输送期间，流体输送泵(未示出)中的柱塞提供压力波，其沿供料线向下传递以打开止回阀并进入储槽，引起流体通过通道1620a喷射1617或喷射1622而进入工作室1002。取决于储槽的容积和它离工作室的距离，其可作用为流体加热器。一旦喷出，任何热流体将会燃烧和更快地变成气体，使得内燃机的转动更快。储槽1620不必为环型结构，而是可为任一方便的形状。在图82所示的另一实施例中，由弹簧1603固定的柱塞1623安装在气缸盖1004中的流体储槽1620中。当柱塞沿方向1627运动时，其可经过通道1628将流体直接喷入工作室1002(如标号1626所示)，和/或经过通道1611和可选的小预燃区1616将流体间接喷入工作室1002(如标号1629所示)。可选的流体回流通道未示出。柱塞可为通过曲轴或凸轮轴的凸轮促动型，或者可被电气式促动。如果流体易燃且在燃点以上和高压下输送到燃烧室，那么当其与低压且足够热的压缩充料空气接触时会立即引燃，假设充料具有足够的高温。由此产生的膨胀使燃烧气体从预燃室的口部喷出，如标号1629所示。当小室中的空气消耗完或由于流体的蒸发潜热的热吸收而使小室温度降到燃点以下时，小室中的燃烧将会停止，流体将会穿过小室口直接进入主燃烧室1002。可选的凹陷如标号1630所示，其具有增大的表面积，并且因此把热量传送给预燃室周围的材料。
在另一实施例中，曲柄连接件或活塞/连杆组件构成了流体输送装置的一部分，在另一实施例中，曲柄的或活塞/连杆组件的往复运动整体或部分地促进了流体的传送。图83通过例子示意性显示了几个备选的其他流体传送方法，其中曲柄连接件1206部分地用于传送燃料，并且图中显示了在燃烧室1004的顶部处连接件穿过盖1004的区域。连接件1206可为活塞/连杆组件的杆部。环形凹槽1631和/或至少一个凹陷1632位于连接件1606所穿过的盖1004中。备选地，凹槽可为任一种方便的形态或形状，包括不连续状或非环形状。凹陷1632和/或凹槽1631由来自供给通道1606的流体在连续或变化的压力下填充。在预定位置处，沿方向1634往复运动的连接件1606中的至少一个通道1633会与盖中的凹陷或凹槽对齐，使流体流入工作室1635中。通道可为靠近连接件与盖的连接处的凹槽1636的形式，以在标号1637处输送流体。当连接件运动时，到第一连接通道或凹槽的流体供应被切断，但是很快其他凹陷1638和/或通道1639会与盖流体供料线对齐，给工作室1002提供可控的流体。例如凹陷1638向工作室输送小股流体，这里如果是燃烧室的话，流体会在靠近连接件时开始燃烧，如标号1640所示。相同的流程可用于提供其他流体、包括水或水/甲醇混合物到工作室中。显然，在每个凹陷中的剩余流体的压力差不多与工作室内的各连通处的压力成比例。取决于流体供给压力，张力件中的凹陷可全部或部分地被流体充满，所述流体可润滑在张力件和盖之间的支承面。备选地，可提供芯材或其他多孔性或可透性材料1641来代替凹槽或凹陷。如随后将被公开的，活塞/连杆组件在往复运动的同时还旋转，在此情况下，或者通过燃料被带入燃烧室，或者通过空间对齐和流体供给压力的组合，带有通道的储槽的准确定位和对齐将会保证在所要求的准确时间输送燃料到工作室。可选的流体回流通道未示出。图83公开的实施例通常不需要大的压力波来输送流体。在目前的柴油机中，燃料泵和喷射器可占发动机总动力输出的10％。略去这些泵和喷射器可带来更高的发动机效率。将流体带入工作室将在下面进一步公开。
多流体输送位置可以任何方式布置。图84通过例子示意性显示了气缸盖的内部平面图，其具有与活塞杆1206同轴的环形阀1201，并且公布了一种布置燃料喷孔1228和/或预燃室1229的方法。这种分散式的燃料输送可能提高可实现有效燃烧的转速极限。在选定实施例中，通过凸轮驱动的柱塞来促进燃料传送。图85和86通过例子以剖面和平面示意性显示了用于促进燃料输送的柱塞机构1230，柱塞又通过可枢轴转动地安装的凸轮从动滚轴1232促动，该滚轴与位于曲柄圆盘或凸轮轴1233上的凸轮1231相连。气缸表面是由标号1003示出。这里，柱塞安装于包含在结构1612a中的流体储槽1612内，所述结构安装在工作室盖1004上，并且柱塞扩大为具有肾形，以清理张力件或活塞杆1206。凸轮从动件1232设计成允许连续和可变地加载，包括在高载荷下。随着燃烧室内压力的升高，其经过孔1602和通道1611传送流体，而且传送到组合式凸轮轴/曲柄轴1233。如果在曲轴连接件上主要施加拉力，那么在高工作室压力期间曲轴上的载荷会沿方向1234，所述载荷可被通过流体传递到曲轴/凸轮的沿方向1235的载荷部分抵消，因此降低了曲轴的最大受压载荷。在操作中，凸轮压下柱塞以实现流体传送1617。凸轮和从动件组合可为这里其他部分公开的可变正时和往复作用的类型，以可变量地和定时地传送燃料。类似的凸轮促动式柱塞系统可用于给发动机组件或与发动机相连的系统如变速器、流体泵、压缩机等提供润滑流体。图85和86是示例性的；如这里所有的图，所绘制的所有特征之间均不成比例。
在另一个实施例中，气缸组件的一部分包括镜像布置的基本相同的部件，可选地在围绕它们之间的开口成镜像地布置。可选地，气缸组件关于已处于最终位置的活塞或活塞/连杆组件来构建。图87和88通过例子以纵截面和沿线A的横截面示意性显示了活塞1243在“双杯式”气缸组件1244中作往复运动，每个“杯”具有完整的半气缸和盖结构。当活塞返回到TDC时区域“A”处出现的间隙空间1245放大地显示在图89中。活塞具有加强法兰1252。间隙空间1245是不连续的，例如为非圆环形，然而可选地其也可以是连续的。这里，流体供料期间的压力波迫使燃料经过通道1246a穿过芯材或多孔的或可透过性的材料1246经过张力件凹陷或通道1247进入可选的预燃室1248，由此进入间隙空间1245。后者实际是普通间隙空间的扩大形式，即图89中的1245a。多个这种间隙空间和可选的相关预燃空间、凹陷或通道可布置在盖的周向周围。流体可通过各种方法输送到这些不连续的间隙空间中。流体通过芯材或其他材料1246的输送可用于给在活塞的杆部1243和“杯”1244之间提供一定程度的润滑。气缸组件的两个“杯”半体1244的接合部分在工作室压力较低的排气孔1249处，并且在本实施例中，它们是互锁的(如图1244a所示)以提供准确位置。在另一实施例中，“杯”未互锁，而是以任一方便的方法安装，包括分开的部件或键。在一选定实施例中，适于其中活塞几乎是水平地往复运动的两冲程内燃机应用(在其他实施例中活塞的往复运动与水平面成任一角度)，可通过剩余的废气排放来实现充料净化。在操作中，在活塞已经遮盖住废气排放口之后，在压缩充料中的最热的剩余废气将升至空间的顶部，并填充特别提供的凹陷1251。随着活塞在气缸内向上运动，凹陷与活塞内隙1253相通，而该内隙又与废气排放口相通。在另一个实施例中，活塞在气缸中的往复运动或气缸相对活塞的往复运动用于调节流体向工作室的输送。仅含有流体的空间或储槽、或者由可变重物容纳的流体结合在运动部件中，使得向心力和/或流体的减速导致压力波在与通往工作室的通道和/或排出孔或孔相通的空间中积聚。图90通过例子示意性显示了工作室1002的一部分，其中活塞/连杆组件1206在气缸盖1004中沿方向1634往复运动到仅在上止点之前，其位置以虚线1645示出。活塞/连杆组件中的流体空间1646由通道1647提供供给，该通道与保留了一定量流体1648的芯材或多孔或可透性材料(通过通道1606供给)相通，这以与前文所述实施例的方法类似。可选的流体回流通道未示出。在空间1646中设有通过弹簧1603约束的重物1649，在重物的后面有一气穴1650，可选地通过狭窄通道1652与工作室相通。可选地，凹陷1652提供了浅的预燃室。当活塞减速接近上止点时，重物和流体的质量引发压力波并在流体中积聚，其足以克服排出孔或孔1653处的表面张力和燃烧空间中的压力。如下文将公开的，如果活塞杆同时往复运动和旋转，那么作用在流体和任一可选的重物上的向心力可产生单独的压力波。在此组合运动活塞/连杆组件中，随着发动机速度的提高，通过如虚线1646a示意性显示地对室1646作角度调整，每个周期供给的流体可增加。
在其他实施例中，使用了特殊的“无部件”式通过压降的燃料输送。在其他实施例中，燃料是过热的和/或处于给定压力下的系统中，所述压力是可变的并可为燃烧室压力。当燃料开始输送时，在燃料输送孔的附近引发了燃烧室中的局部压降，使燃料流出。这种技术可用于提供全部的燃料需求或仅部分需求，例如用于在预燃区中起始燃烧。可由燃料供给通道的可变限制来调节燃料供应的量。图91通过例子示意性显示了在气缸盖1004的部分中沿方向1634作往复运动且位于上/下死点的活塞/连杆组件1606的部分。部件1206的杆部具有任一构造的凹陷和空间1655，其在压缩冲程的初期阶段与燃烧空间之间被遮挡开。虚线1656显示了在压缩冲程开始时部件1206的轮廓线。在接近上死点时，凹陷同与较小预燃区1652相通的细小通道1657对齐，这里，由于空间1655中的压力比预燃区1652中的压力低很多，因此引起了急剧的压力降，使得通过通道1606和可选止回阀1621提供的燃料从燃料室1658中流出。可选的燃料回流通道未示出。由于燃料输送排放孔的小开口1653，开始时室1658中的压力将与燃烧室中的压力相等。在排放孔类型的系统中，通常在孔的后侧会有空间(其为包含在一定操作条件下足以用于一次燃烧循环的燃料的空间)，其又与燃料供应相通。在冷启动阶段，可在室1658中设置与电路1660相连的小电加热器1659，以将传送用于各燃烧循环的燃料加热到所需温度，并且还有可选的可变热量输入用于补偿启动期间的不同发动机转速。本系统可以通过在供给通道1606中引发一个或多个常规压力波而得到加强，此压力波会打开止回阀1621，以在燃料输送期间重新填充燃料室1658和/或供给更多的燃料。在其他实施例中，可替换的或可移除的组合式燃料输送/预燃区单元可安装于活塞/连杆组件或包括盖的气缸组件中。图92通过例子显示了通过起子或狭槽1664中的键拧入活塞/连杆或气缸或端1004中的组合单元1665。螺纹1663的截面大致为正弦曲线。通过燃料输送通道1606给燃料输送储槽或空间1658供料，并且加热器1659与盖中的凹形开口1667中的端子1666相连，所述端子与盖1004中的电路1668相连。可选的止回阀如标号1621所示，单元1665安装在一个或多个由软金属构成的垫片上以形成密封。可选的燃料回流通道如虚线1610所示。燃料可通过供给通道1606中的一个或多个压力波输送，并且足以用于输送到单元1665中的可选预燃区1652(以喷射线1669显示)，和/或足以用于循环的一部分或全部或剩余部分(以喷射线1670显示)。燃料的输送量由燃料输送压力波的强度和持续时间决定。这里，可移除单元从气缸盖的燃烧室1002一侧安装，但其可沿图9示例性地显示的线同等安装地在气缸盖的另一侧，前文所公开的燃料输送装置可适于使用图92所示的可移除式单元1665。所示的单元通过螺钉安装，但是可采用任何其他紧固或安装方法用于类似的和包括单元1665的装置，包括使用卡入件、弹簧、粘合剂、带有螺纹和螺栓的盖板，等等。
在其他实施例中，一个或多个、典型包括小凹陷或凹槽的迷宫式密封可用于活塞/连杆组件和/或气缸组件，以减少各位置处的气体泄露。图93通过例子示意性显示了在压缩期间活塞1243的一部分在气缸组件1244的一部分中沿箭头方向运动，其中凹陷1254位于活塞/连杆1243中。在一个选定实施例中，在气缸组件1244的壁上设置了相应间隔开的凹陷或凹槽1255。如果此凹陷或凹槽布置在内燃机的顶部，其将会被废气而不是有用充料充满。由此可见，随着活塞在气缸中向前移动以压缩充料，凹槽中的压力经常会接近但是略小于此时的充料压力。各种压力水平如P1，P2等所示。应知道的是，在两个气体储槽之间的压力差越小，每单位质量的气体在它们之间的传递速率越慢。因此，在活塞/连杆间隙空间1255的可能气体传递速率(窜漏)将会降低。为了清楚，所示凹陷1254和1255比通常它们在实际中的大一些。凹陷可为单个或多个；连续或不连续；任何形式、深度或广度；直线或曲线；以及可相对于往复运动的轴线沿任何方向延伸。在一选定实施例中它们是连续的和环形的。尽管这里凹陷或凹槽同时显示在活塞和气缸壁者上，但是他们可在仅一个部件上。
在另一实施例中，作为使张力曲柄连接件为弹性的或挠性的并由此容纳松弛的替代，可使所述松弛产生于轴承处，允许张力件变得更刚性。如果轴承中的运动可限制在一维，并且如果松弛容纳轴承能够总是传递载荷，那么张力件也可设计为用于压缩中。在双曲柄发动机中，如果连接件可以传递拉力和压力载荷，那么两个连接件可共享各膨胀的功，减小由单个连接件、各轴承和曲拐在任一时间所承担的总载荷，因此整体结构可以更轻。此外，由于曲柄承载更加均匀分布的载荷，可制造运行更加平稳的发动机。在这里的一个例子中，考虑了在曲轴和张力连接件之间的轴承。但是，这里所描述的任何或所有特征可同等地用于张力连接件和活塞/连杆组件的连杆之间的轴承，或在任何发动机或机械结构中的任一适当轴承。图94和95通过例子示意性显示了可容纳松弛的“椭圆”型轴承的横截面的两个版本，这里，可承受拉伸和压缩载荷的连接件1282整体地连接在非圆形外轴套1283上。曲柄盘的部分轮廓线由标号1295示意性显示。在外轴套和内轴套1284之间设有可压缩物质1285，图94还显示了包含可压缩物质的中间套1286。中间套可自由地旋转，或通过导向器1287相对于外套安装。可压缩物质1285可包含任何种类的材料，包括弹性陶瓷纤维组件、聚合物、弹簧等。在一个选择的实施例中使用了流体，优选为气体。当连接件沿方向1289加载时，“a”处的各套之间的间隙将会减小。如果设置了开口1290且间隙空间在标号1291处保持为最小，那么流体在压力下将会穿过间隙进入主轴承间隙空间1292，提供了轴承支撑。在气体轴承的情况下，可通过此方法使压力与加载成比例。如果在图95中可压缩材料是流体且间隙空间在标号1293处保持为最小，那么工作轴承面上的流体压力几乎是连续地与加载成比例。可压缩部件1285能够任何材料构成，并且可为固体、液体、气体或它们中任意的组合。套1284的可能移动范围如虚线1294所示。在另一实施例中，如果需要相互关联地快速移动轴承套，那么可提供阶段性的压力释放以帮助套的快速移动。例如在图95中，曲柄盘1295具有通过通道1297相连的开口1296，因此随着盘沿方向1298旋转，其与连接件1282的相对角度变化，使得两个开口1296同时与空间1288相通，允许使得流体从空间的一侧快速流到另一侧。随着曲柄的连续转动，其与连接件1282的相对角度会变化为遮住其中一个开口，由此切断了气体的流动通道。图96显示了外气体轴承套的内表面的不同半径的设计，其通过开口1299供给可选地处于压力下的流体，由此使得随着内轴承套1300接近其相对运动范围的中点，接触面的圆周处的间隙越来越大。应清楚地是，套1283的中部的不同内剖面会导致内套1284在端部位置之间的运动速度变化，并且活塞的加速和减速速率将会由不同的套轮廓来控制。气体轴承中的压力通过与室相连的小通道1301而直接与燃烧室中的压力成比例(因此也在一定程度上与连接件上的载荷成比例)，使气体能够通过开口和/或可选止回阀1302通到高载荷轴承区域，所述开口或止回阀处于空间的两侧(如图94所示)，或者仅在一侧(如图95所示)。来自燃烧室的通道可被过滤器或单向阀机构1303打断。单向压力释放阀作为机构1303的一部分使得只允许高压气体沿方向1304通过，在一部分循环中，这使得气体轴承压力高于燃烧室的压力。
在位于活塞或活塞/组件和曲柄销或曲轴上大端轴承之间的弹性的或可变长连接件的另一个实施例中，连接件在其任何部位、但可选地至少在其中一个端部具有与轴承连接的弹簧，其中使用了一个或多个包括金属螺旋弹簧在内的任意类型的弹簧。图500通过例子示意性显示了可安装在连接件任何部位的轴承，最明显地是用于代替传统的大端和/或小端轴承。外轴承套14通过包括焊接16的任何方法固定在任何类型、这里为带有封闭端部的马蹄形特殊托架15上。在曲轴和具有螺纹端部的活塞/连杆组件17之间的连接包括包括通过任何方法如焊接16固定在该端部上的轴环18，还具有置于其上的一个弹簧19，其被拉伸通过托架15中的孔，所述连接还包括另外一个放在其上面的弹簧19和垫片20，它们均通过双防松螺母固定，此整体允许连接件相对于托架沿方向22运动。在如图501所示的另一个实施例中可使用类似于冲击吸收器的装置。如果流体泵送损失可以接受，也可以使用改进的冲击吸收装置。这里，外管23通过包括焊接16的任何方法安装在外轴承套14上，并且端部封闭的内管24也类似地安装在外轴承套14上。弹簧安装在标号19处，其处于压缩或拉伸载荷下，并且可选地通过目前所知的多种方便方法中的任意一种固定安装在轴承表面上。任何结构的弹簧均可以使用，包括那些适用于在图499中所描述的不同条件的弹簧。例如，图500的实施例适用于图499C的布置，但是通过调整托架某侧上的弹簧和/或通过改变其弹性系数，其可适用于图499中的任意布置，并且连接件既可用作主要压缩件也可用作主要拉伸件。用同样的方法，如果弹簧固定在其轴承表面上，图501的实施例可适用于图499中的任一布置，并且连接件既可用作主要的压缩件也可用作主要的拉伸件。
例如，在复合式发动机中，其希望使用高温高压废气以给涡轮提供动力，并且要求废气压力要低，以促进两冲程发动机的扫气，这由于用于进料充料的全部废气的仅一部分被置换而很容易实现。在一个选择的实施例中，在一个发动机中至少有两个废气处理空间，每一个中的废气具有不同的温度和压力。在另一个适用于两冲程发动机的实施例中，在进气门开启前大量的废气基本以高温高压状态离开燃烧室，剩余的少量气体为低温低压状态，随后被进入的充料空气置换。在扫气由此而容易后，气体可选地重新混合以进行加工、处理和/或，以两初期温度和压力的平均值送到涡轮进口。如下文将公开的，在另外一个实施例中，复合式往复运动/涡轮内燃机的往复运动级可排出废气到两个或更多涡轮级。可选地，来自于往复式发动机级的不同废气空间的废气可去到发动机的任意燃烧阶段，以用于从废气热能中抽取功(一般认为是复合的或增加底部循环的过程)。一个或多个此种级可包括斯特林发动机、蒸气发动机、用于从热气中发电的装置、具有不同温度和压力的多涡轮级，或者它们的任意组合。如果仅有高压高温的废气用于复合，那么任何低温低压的废气可用于任何其他目的，包括建筑物、交通工具、船只和飞机中的空间加热，如同废气离开底部循环之后所做的一样。图97通过具有双级废气的发动机的例子示意性显示了带有出口1309的高压高温废气空间1308的五缸发动机的横截面，所述空间由带有双出口1311的低压低温空间1310所围绕。可采用用于隔离废气空间的任何方便的布置，包括用于单缸或其他多缸发动机的布置。在其他实施例中，图98示意性显示了带有往复式发动机1312的复合系统的布置，所述发动机包括环境空气入口1313、高压废气出口1314和低压废气出口1315。高压废气引导到高性能涡轮1314，在标号1317处以和与之混合的低压废气1315的压力相匹配的压力排出，并且可引导到低温涡轮或其他热能回收装置1318，例如蒸气或斯特林发动机，在标号1319处尽可能接近环境压力地排出。可选地，第一涡轮1316可通过轴1320与第二涡轮或其他装置1318相连，所述其他装置可为通过可选通道1313a给发动机1312提供压缩充料的涡轮增压器。此外或另外，涡轮可通过在标号1320a处与发动机1312机械式相连，所述第二发动机可包括回热器系统，以将标号1313a处热量传递到发动机1312的空气入口。
通过例子，图99显示了图97所示的示意性发动机的一部分的截面图，这里由压力促动的止回阀1322关闭的高压废气口1321与高温高压废气储槽1323相连。当活塞1323A接近BDC/TDC时，与低温低压废气储槽1325相通的端口1324露出。绝热结构1328封闭了空间1323和1325。在图100中显示了另一个例子的纵截面，图101是气缸沿A向的横截面，图102显示了一个阀1326。两个大致相同的“杯”状部件1224通过第三部件1224a分开地相互间成镜像地布置，还带有往复运动的活塞/连杆组件1323a、环形阀1201，并结合了两个分开的且基本为圆周状的废气处理空间1323和1325。高压空间1323具有4个一定形状的嵌入式弹性加载的止回阀1326。在膨胀冲程中，气体具有足够高的压力以打开止回阀1326。当活塞经过中部端口1324露出低压废气空间1325时，室内的压力降低到足以使弹簧加载阀1326关闭。在压缩冲程中，压力很低，不足以重新打开阀。这些模块通过拉力紧固件1327组装在一起，所述拉力紧固件也固定了部分悬空的绝热端盖1328，其通过封闭气室1329与结构件分开。标号1328a显示了中间绝热部分。多气缸模块通过拉力紧固件1330连接在一起，最后曲柄盖1331安装于标号1332处。图87和88显示了包括拉力紧固件1327的类似结构。
工作室空间并不是中空的粗短气缸，它可理解为环型或炸面圈形。图103和104通过例子显示了此工作室朝向气缸盖的横截面。如果在每个环2002中都具有多个流体输送点2001，那么环可看做是一系列具有名义界限2004且紧邻并同步操作的工作室2003。可看到的是，通过这种方法，在一个气缸应用中，总工作室实际上可制成为和在单气缸应用中所期望的一样大，特别是因为本发明发动机的特征大量减少了作为设计约束的往复运动部件的质量。实际上这些部件可为任意尺寸。所希望的是，甚至非常大的内燃机、例如船舶和火车所使用的内燃机可构造为1个、2个、3个或4个气缸结构。环型形状的优点在于可相对减少面积和每单位体积的密封长度，以及有可能减少每单位体积的冲程和活塞速度。以图105A、105B、105C和105D的室为例，表1显示了随工作室的几何形状而变化的参数情况。在表中，数字代表了任一单位长度，符号“d”代表直径，图105A中的室描述了带有入口和废气提升阀的传统工作室。“R”代表了传统发动机的气缸工作空间的半径；“R1”和“R2”为环型工作室的内径和外径。这里假设，图105B、105C和105D的室为本发明其他处公开的无阀式结构。假设所有的室都为16∶1的几何压缩比例。在本文件中，压缩比例有时缩写为CR。
表1参数随燃烧室几何形状的变化
未包括活塞的表面积，这是由于在传统发动机的热损失和由此产生的效率降低主要由于冷的表面、发动机本体和气缸盖产生。在本发明的发动机中，通过活塞的热传递和由此产生的热损失可以忽略。可看到的是，与等同扫气体积的传统工作室相比，在环型结构的工作室中，可略去三个重要的设计约束，即与单位体积相关的：冲程和因此的活塞速度，表面积和因此通过传统冷表面的热损失，以及密封比例和因此的窜漏损失。环型工作室相对于传统的柱形工作室的优点也可用于冷却式发动机、泵和压缩机。
在其他实施例中，通过取消促动阀和其所需的机构而实现了进一步简化。活塞/连杆组件的内部可用于多种用途，包括用于发动机气体(充料或废气或这两者)的导管。由于活塞/连杆组件往复运动，可以在两冲程发动机中设置交叉流动口。图106通过例子示例性地显示了这种设置，其中整体往复运动的活塞/连杆组件2006在气缸壳体2005中运动，这里所示的为在活塞处于上/下死点时处于最大膨胀的环型工作室2011和处于最大压缩的环型工作室2012。活塞杆2006a为中空，其包括入口或废气通道2008，其中一个显示为通过暴露端口2009与燃烧室2011相通，并且通过暴露端口2010与周围气体处理空间2013相通。应清楚的是，在此两冲程装置中，流体流动被引导为对角式地穿过环型室的截面。流动方向可为任一方向。在如图107、108和109通过例子示意性显示的其他无阀装置的例子中，工作室的废气和入口“端部”可以互换。图107显示了与往复运动组件2006的一个末端2004相通的所有内部端口2009。图108显示了用于环型工作室2011,2012的内部端口2009如何用于中心通道2020的两端并通过其相连接。图109显示了往复运动的活塞/连杆组件2006如何通过使用例如输送端口2015用作入口和废气流的通道。端口2009与管状处理空间2017相通，其与其他柱形流体处理空间2018隔开，后者又通过端口2019和封闭通道2016与输送端口2015相通，这里通道2016显示为具有一定形状或锥形，目的是用于消除噪音。在其他实施例中，多个不同直径的环型工作室同时处于压缩和随后膨胀。图110和111示意性显示了例子，其中只显示了完整活塞和气缸组件的一半。每个环型燃烧室2021、2022、2023都具有相同的截面，但是具有不同的直径。直径“b”代表冲程与间隙空间的和，而直径“a”代表环型室外半径减去内半径的值的一半。两件式的阶梯状结构也使设计所需刚性的轴承表面更加容易。图110中所示的布置允许端口2009和2009a关于活塞行程的中点相互匹配，以便在下死点处相对于停止时间有较短的时间(由于活塞以最大速度运动)。这是为了给内燃机废气提供额外的空气，或冷却内燃机。图111显示了一种布置，这里没有重叠或端口到端口的布置。图110和图111都是示例性的，并仅显示了在活塞的一侧被工作室促动或提供动力给工作室的那些工作室，这些工作室同时地全处于上死点或下死点。从上述公开中可以清楚，可在活塞的另一侧结合额外的工作室。此同轴变径的环型工作室允许在整体内燃机尺寸内结合进内燃机充料处理和其他系统，如图111示意性显示的，这里标号2024和2025指是同轴的辅助系统。此系统可包括增压器、风机或叶轮、涡轮增压器、启动器、发电机、涡轮或其他所连接的发动机系统。另外，空间2024和2025可被非直接属于发动机的系统所占据，例如液体或气体泵、火箭发动机、废气处理空间、发电机和/或启动马达。显然，固定的和可活动的部件可互换。例如，在图110和111中(其显示了处于最大膨胀的同步燃烧)，部件2006可为固定的而部件2005为活动的。此种应用可用于同轴安装的或安装在带有液体的管道上的液体泵送装置。此部分的图由于未示出的任意流体输送、润滑系统等得到了简化。
在本发明发动机的另一个实施例中，往复式元件可以通过已知的止转棒轭安装在曲轴上。在平面剖视图112和侧剖视图113中显示了一个例子，其中绕轴3002旋转的传统曲轴3001穿过活塞/连杆/轭元件或组件3004上的细长槽3003，在方向3013上往复运动，封闭于一个刚性互联的壳体系统或组件3007中，限定了相对的工作室3005和3006。在操作中，槽3003的内表面3008推动具有轴线3003a的曲轴销3009，从而使曲轴3001旋转。为了简化，曲轴的轴承和轴承壳并未示出。在一个选定的实施例中，图114显示了安装在曲轴销3009上或在表面3008上支承的轴承3010的细节示意图。可以使用任何合适种类的轴承，此处所示的是滚柱轴承。优选槽3003的内宽应当比曲轴销或轴承3010的直径略宽，提供了在销或轴承的一侧在任何时间点均有的空隙3010a。如果希望有能量储存和提取系统(如文中其他地方所描述的)，或者由于其他原因需要包括减震，那么可在往复式元件和曲轴销之间引入弹性的或可压缩的元件，如图中标号3012所示，其安装在轴承3010和曲轴销3009之间。如图中底部虚线所示，狭长的轴承套筒3011可安装在往复式组件3004内以限定槽3003，并通过弹性材料3012与槽3003隔开。作为轴承3010和曲轴销3009之间的弹性材料的替代或增加，可以在滚柱或其他轴承上安装一接触套并通过弹性材料与其隔开，接触套夹在轴承外表面和与槽3003接触的圆形壳301之间。类似装置如图121中所示。在某些应用中，可以仅有一组套筒或壳和弹性材料。止转棒轭/曲轴组件可以由安装在其一侧或每侧的一对或多对工作室驱动，如示意图115中的实例所示。中心止转棒轭机构如图112～114所描述的。在图115中的右侧是环型工作室3005和圆柱型工作室3006；在左侧，工作室3005a和3006a均为环型，因为的活塞/连杆/轭组件3004在A处延伸穿过壳体或气缸组件3007，以驱动其他一些机构或发动机。如果该其他机构旋转，则包括本文中其他地方所描述的将往复运动转化为旋转运动的装置能够安装在A处或其外。如果往复式轭组件在压缩时和拉伸时大致一样坚固的话，则可仅在其一侧安装工作室，与图122中实施例的方式一致。图112～115的单个往复式元件/多工作室的模式可以放大和/或以任何方式与其他零件组合。选定的实施例如图116、117和118中通过实例的所示意描述的。多工作室具有的活塞/连杆/轭组件总称为模块3028(可选地各个均如前图中所示)，可通过轴3028a连接，其中模块可如图116所示地设置在同一平面内，或如在示意图117所示地设置在两个互成直角的平面中，再或者如示意图118所示地设置互相形成不固定角度的多平面内。外轴组件3029驱动任何一种的部件或机构，可以与变速器3031、轮3032、螺旋桨3033或其他未示出的系统如发电机和/或马达、泵、压缩机等相连，或者与第二发动机3034相连。当单个或多个单元3028安装于一个多驱动轴系统中时，每个轴可以相对彼此和相对止转棒轭/曲轴不同的速度运转，通过包含传统齿轮机构和/或通过图119、120中所公开的装置或者其他的方式。
在一个选定实施例中，往复式元件可推动至少两个同轴但独立的曲轴沿彼此相反的方向转动。一个主要目标是更好地平衡负载。平面剖视图119和侧剖面图120以示意图的方式显示了一个实施例，其具有在共用轴线3014a上反向旋转的两个独立的曲轴3014，每一个曲轴都具有带凸出曲轴销3016的曲轴盘或轮状曲拐3015。曲轴销设在活塞/连杆/轭组件3004中的单个细长槽3003里，该组件3004可以在内壳体或气缸组件3007内沿方向3013作往复运动，限定了两个工作室3005和3006。每个轴均安装在轴承3017里(轴承3017又装在内壳体或组件3007中)，并由可选推力轴承3017a进一步限制。作为轴承3017的增加或替代，可通过共用的惰支承3019来限制曲拐轮的周长3018。可选的可变双速驱动通过单独啮合的斜齿轮3020来实现，每个齿轮当啮合时与和曲拐轮形成一体的同心齿圈3023啮合，从而使各曲拐轮一次只能驱动单个斜齿轮的相反侧。一个斜齿轮装在轴3021上，第二个装在轴3021a上，两个轴可滑动地彼此安装。两个斜齿轮可通过花键3022可旋转地连接在一起。备选地，室所做的功可以通过1个或2个曲轴来传递，至少一个齿轮仅用于连接轴。虽然此处描述了一个简单的双速系统，但是显然可以设计具有3个或多个驱动轴速率的更完善的系统。图是用来描述而非限定范围；可以为曲拐和斜齿轮选择任何适宜的尺寸，并且它们可具有任何所需的齿数以提供任何适宜的可变驱动比。备选地，图119和120的构造能够可用于提供固定比的最终驱动，其中曲拐具有一组齿来与一个斜齿轮啮合。不管具有固定还是可变的驱动，斜齿轮能可选地脱开以提供某些离合器的形式，其可包括同步啮合型的齿轮机构。在很大程度上，齿圈3023的半径差决定了机构的啮合级数。为了提高级数，外齿圈的半径可以通过使曲轴盘变大(如图120左上部的虚线3018a所示)和使任何轴承滚柱移动移动得相隔更远(如图中标号3019a所示)来增大。曲轴和曲轴盘可具有不同的尺寸以吸收不同的负载。作为斜齿轮的替代，可用任何种类的齿轮机构或其他机械传动来连接曲轴。备选地，曲轴不需要机械连接，尤其是当各轴与大致相同负载的系统连接时。曲轴销可以以任何适宜的方式构造。
通过实例，细节图121显示了一个销组件，其包括曲轴销3016本身(与曲轴轮相连)，在曲轴销3016上安装有滚柱或其他轴承3010，在轴承3010上是可用任何适宜材料制造的可压缩柱体3012，其封装在轴承壳3011中。细长槽面的部分轮廓图显示为虚线3008。此处和图114中的可压缩材料3012有助于吸收往复运动的方向迅速变换时的振动。图120中也显示了一个可选的轴和斜齿轮3024的第二系统，轴和斜齿轮3024可被废气动力发电机或涡轮系统3021驱动，其将功输入曲拐轮中，接着通过驱动轴3021或者一个或多个曲轴3014输出。在图120的实施例中，工作室为燃烧室，且被与发动机系统3025(例如为斯特林发动机、涡轮发动机或蒸气发动机)通过通道3027相连的大致环状废气空间3026围绕，其中将功由系统3025通过与斜齿轮3024的通道3027a传递至主曲轴。显然，驱动能够通过与双曲轴相连的系统、此处是至少一个斜齿轮3020从主发动机中输入或输出。通过实例展示了轴承系统3017、3017a、3019和3019a，它们在个别应用中可能是不必要的。反向旋转的曲轴可通过多个固定或可选地啮合的装置连接在一起以将诸如发电机、泵等的机器分隔开。例如，斜齿轮传动系统3024也可为通向气体压缩机或发电机或者来自启动电机的驱动链的一部分。这种启动电机也可作为将发动机的所有功转化为电能的发电机。在另一个实施例中，如果活塞/连杆/轭组件在压缩时与拉伸时大致一样坚固的话，则可用单曲轴轮或反向旋转的曲轴轮来能量传递给仅在曲轴轮一侧安装的工作室，或从中将能量传出。在图122的实例中，与图112和113中的轭相关特征可与图中115中的工作室3005a和3006a结合起来，安装在一个刚性封闭件3007中。本公开中的任何适宜特征可体现于任何含止转棒轭的发动机、压缩机或泵中，这些特征包括：活塞/连杆组件中的内部空间；在工作室盖部的一个或多个阀，图106、153和169中的横流端口，以及图170到184中的构造等。
在另一个实施例中，通过取消曲轴和固定或可变长度的连杆，代之赋予往复式活塞/连杆组件自旋或旋转，而得到进一步的简化，简化后组件变成“曲轴”，实际为驱动轴。自旋是这样实现的，引入导杆、斜坡、凸轮等，使得燃烧促发的往复运动转化成扭动，从而使活塞/连杆组件同时往复运动和旋转。如以下描述的实例中可看到的，通常很容易地作出安排来使完成一次活塞/连杆转动需要多次的往复循环。在这个发动机在高速下更有效地运转的例子中，相对于往复频率降低驱动轴的转速(其差值可高达一个数量级、如10倍)，能够使这种发动机在更宽的应用范围内适用。这种新型发动机比他们能替代的单元的往复运动更快，但安装的变速箱、螺旋桨等适用于目前的相对低发动机速度。这种从快往复运动到慢旋转运动的转换意味着这种新型发动机能够很容易地用于现有应用中。在下述的实施例和实例中，主要是活塞组件往复运动和旋转。备选地，活塞固定而气缸组件往复运动和围绕活塞旋转。在适当的情况下，所有公开可应用于固定活塞/移动气缸的应用和实施例中。此处通过实例阐述的导向系统可以为工作室的一部分，或者安装在比较接近工作室的两个活塞和气缸模块之间，或者在活塞和气缸模块的外面的一个合适的距离处。它们可被安装在机械连接于活塞和气缸组件的任何部件之间的任何位置。例如，发动机可驱动另一机构如泵，导向系统安装在泵上的远离发动机的一侧上。在另一个实施例中，多个导向或凸轮系统中的一个可任何一个时间下操作，而另一个在另一时间操作，或/和导向系统是可互换的。通过改变减速比，同一基础发动机可用于不同的应用中的。所希望的是，在某些应用中导向或凸轮系统为可拆卸的或可互换的，而在其他应用中，两个或多个导向或凸轮系统结合到一个发动机中，其中每一个均能够排它地和选择性地啮合，使这样一种发动机连同它的导向或凸轮系统也具有变速箱的功能。凸轮系统能够并入燃烧室中。例如，环型燃烧室可具有部分正弦波形截面的表面。在这个例子中，凸轮系统可包括一系列隔开但相通的燃烧室，它们共同形成大致正弦式环型。在很多应用中，该凸轮系统必须至少部分地包含两个同时相互直接或间接支撑的表面(当用空气轴承系统时不需要直接接触轴承)，并且也可用于执行其他功能如泵或压缩机，或者处理发动机的进口和/或废气，或处理一些其他流体如油、水、空气等。应当注意到，本发明的发送机包括两个主要部件，活塞/连杆组件和气缸组件。在早先描述的实施例中，一个固定而另一个移动。在带有凸轮系统的发动机或装置的情况下，一个部件相对另一个同时旋转和往复运动。如果气缸组件安装在一壳体内旋转，则两个独立旋转的轴可将动力从单个发动机中传递出来。这样的发动机能够同时地用作差速器，并用于驱动车辆、或反向旋转的飞机或船用驱动器，例如螺旋桨、螺杆、叶轮等。
通过实例，图123阐述了一个这种凸轮系统的基本原理。周向正弦形沟槽2049围绕活塞/连杆组件2050的中点，其安装在气缸组件2052里以限定两个工作室2011和2012。在沟槽中是固定于气缸组件2052上的导向件2051，从而将所有的往复式运动部分地转化为旋转运动。尺寸“a”表示凸轮系统在其中运转的周向区域的宽度位置。基本上凸轮和沟槽系统为一个端面系统，其中端面沿方向2053排列。当凸轮系统为是正弦形时是为了方便，实际上该形状可以是任何锯齿形或重复型的构造。每一种应用都有确定的优选轮廓，如正方形2054中示意性描述了一个往复运动循环和周期单元所示。图124显示了如内燃机、压缩机或泵(可选地为图110和111中所公开的任意类型)的装置的面，其中有三个凸轮系统，每一个都有专用导向件，在a、b、c区中运转。一个往复式循环的凸轮轮廓对每个区是相同的，但是在各周向区内可配置串联的不同数目的轮廓或循环。备选地，这些区可含有不同的凸轮轮廓和不同的导向构造。所描述的每一个系统均含有凹形和凸形元件，对应于图123中的沟槽2049和导向件2051。在图124中的三个凸轮系统中，凸出元件是全部或部分可收缩的，在任一时间仅有一个区接合。由于负载交替地由一个面传递至另一个面，沟槽轮廓不需要精确对应于活塞相对壳体的行进路径。当一个凸轮系统脱开而另一个啮合时，旋转相对往复运动之比变化，有效地使图124中所示的装置成为一个三速变速箱。沟槽可以有一个清晰的路径2055，如图123中所示，其中一个小导向件使活塞旋转而不往复运动，和/或具有路径2056，其使活塞往复运动而不旋转。请注意，图123是示意性的，而未按比例绘制(由沟槽和导向件所允许的往复式运动的节距不对应工作室2011的冲程)；它仅用于阐述所述的原理。图125通过实例显示了一个可变尺寸的导向件，其可全部或部分地收缩。它包括被偏压至在壳体2058中的可收回位置的一系列滑动管2057，当一些液压作用或其他作用依次使各个管伸出时，最小直径的管位于稍大直径管之前，收缩以相反的次序进行。芯材或多孔材料或其他润滑装置可安装在标号2058a处，小毛细孔2057a使得润滑剂可渗透至每一个管。如果这种导向的最小形式就能够描述沟槽中的清晰路径，则图124中的设置可以通过以下实现：使所有三个凸轮系统的各导向件的最小形式伸出，选择性地和/或渐进式扩大仅一个凸轮系统的导向件以实现旋转。所希望的是，具有可调部分、如可收缩导向件的凸轮系统也可用作离合器。在无啮合时发动机可仅作往复运动，在凸轮系统啮合时旋转开始。在导向件为滚柱的例子中，优选使其为锥形，具有相应倾斜的凸轮面。作为实例，图126显示了穿过气缸2062中的具有旋转轴2060的活塞2059的截面图。两个滚柱2061固定安装于气缸2062内，并在接合于沟槽或通道2064中绕轴2063旋转。
图127以示意图的形式显示了凸轮系统的一部分，包括相应的周向正弦面作为带式沟槽的一部分(当重复时将近2次时对应于图123中的方框部分2054，但展示了一个不同的凸轮系统)。凸出元件或导向件2065是连续的，具有正弦波形面2066。旋转轴如标号2067所示。沟槽工作面在如标号2067a所示，系统在上、下死点中之一位置时用实线显示而在另一位置时用虚线所示。动能将驱动系统通过桥a。这样的凸轮系统可为成对环型工作室的一部分，可用在泵、压缩机或内燃机中。例如，在压缩机的例子中，可设置有进气端口2068、出气端口2069、传输端口2070和传输室2071。在两冲程发动机中，导向件的一侧可压缩发动机充料，而另一侧可泵送废气，或者凸轮系统可完成任何其他组合的功。显然，凸轮系统也可限定至少一个环型燃烧室。在图127的例子中可包含两个环型燃烧室，其带有压缩空间2012和膨胀空间2011。这种燃烧室之后进行更全面的描述。如果采用既旋转又往复运动的活塞/连杆组件的内部用于传递充料，活塞/连杆组件的内部和端口的布置能用于使充料自旋地、旋转地或涡流式地进入室，如果希望在点燃和/或燃烧期间燃料运动的话。
对于包括很多泵和/或压缩机的特定应用来说，不需要旋转运动。将往复运动活塞/连杆组件的端部连于泵或压缩装置是简单且明显的。发动机可备选地连接到发电机上。这种发电机也可作为电动机来启动发动机。若发电机/电动机是线性的即往复式的，则发动机的活塞不需要旋转。在其他实施例中，发电机/电动机为旋转式，可选地由既往复运动又旋转的活塞来驱动。这种旋转式发电机/电动机可以与活塞耦合和啮合，使其以快于活塞的速度旋转。
以下通过实例描述的是某些用于将复合式往复运动和旋转运动转化为仅旋转驱动的装置。这样的装置可以是发动机组件的一部分，使得发动机具有只旋转的输出轴；备选地，具有组合运动输出轴的发动机可通过在发动机和系统之间插入的运动转化装置而连接于另一系统，如发电机。通过实例，横截面图128和剖面视图129显示了车用型同轴相嵌套的凸形驱动轴3304和凹形驱动轴3305，其能够相对彼此往复运动，其中旋转运动通过滑入式安装于相应槽3302中的花键3301来传递。往复运动的方向如标号3303所示。部件3304或3305都可机械连接于活塞/连杆组件，或者是其一部分。在图128和129的原理的一种变型中可以采用齿轮，如平面图130中通过实例示意性所示。安装在可沿箭头303往复运动和旋转的轴A上的第一细长齿轮464轮与安装于仅旋转的轴B上的第二齿轮啮合。齿轮之间的关系以处于往复运动的一个端部时所示，在其他端部时的关系如虚线466所示。第一齿轮上的齿足够长，能一直与第二齿轮上的齿啮合。第一齿轮464可驱动任何数目的其他齿轮。在一个选定实施例中，组合运动通过与滚柱轴承相连的法兰或表面而转化为旋转运动。在一个其中负载主要在旋转方向上传递的实例中，平面图131和剖面图132显示了在活塞/连杆组件2018的端部和安装在终端传动轴2079a上的法兰2079之间的连接。部件2078和2079a相对彼此作往复运动，并都顺时针旋转。滚柱轴承套圈2081连接位于活塞杆内部和轴2083上的平面2082。两个系统之间的连接可位于任何位置，包括活塞/连杆组件的活塞部分的内部。部件2078不需要为活塞/连杆的一部分，而是可以机械连接于活塞/连杆。在另一个实例中，为适合负载必须在两个旋转方向上传递的应用，一个改进结构如对应图131的截面图133中所示，驱动部件2078相对从动部件2079a做往复运动并同时旋转。每个法兰2079有两个相对的有效工作表面，每一个均与两个单独系列的滚柱2081a和2081b接触。在这个实施例中，滚柱的尺寸不一样，这是由于主要旋转为逆时针，仅有偶尔的顺时针转动，法兰表面仅间接地支撑滚柱，滚柱在粘结或以其它方式固定在可压缩材料2152的内层上的硬板2151上运行，该内层又粘接或以其它方式固定在法兰表面上。为准确地将部件2078的轴线相应对于轴2079a定位，可选地采用推力轴承，如在标号2153处所示，其位于每个法兰的Y或U形端2079b。如果在轴上有一些彼此间的运动，可选地在标号A所示法兰端处的可压缩材料上安装类似的支撑板。这样可在组件中有一些运动，在旋转方向反向时这种运动从一侧转换至另一侧，或是没有运动且所有可压缩内层在所有时间均压缩至一定程度。在那个实例中，金属板的端部斜向下延伸至法兰2154，而使得在组装期间可容易地将一个部件插入到其他部件中。额外地或者另选地，金属板和可压缩材料能安装在部件2078上。组件中的所有部件可为任何适宜的形式、尺寸或材料。在图131到133中显示了四种法兰。在另一个实施例中，为适用于选定应用中的车用螺旋桨轴，图133中的硬板2151和可压缩材料5152被省略，滚柱2081a和1081b直接在法兰2079上运行。备选地，本发明的原理可用任何数目的法兰体现，它们为等间距的或以其他方式排列，包括仅有一个法兰，在部件2078和2079a的旋转轴线准确对齐时尤其如此。
在另一个实施例中，组合运动通过波纹管型装置转化为旋转运动，该装置具有旋转刚性和轴向弹性。这种波纹管装置可为任何一种适宜的材料，包括弹簧钢、塑料、陶瓷等。波纹管装置可为两种宽泛种类的一种：封闭或密封类，具有内部可变空间，可满足泵或压缩机的额外功能；或开放型，其可认为是一系列端对端相连的铰接对。在很多实例中，需要能量来使波纹管变形。在单活塞/双相对工作室构造中，优选波纹管系统配置成当活塞位于它的行进中点时，波纹管系统处于自然态或无负载状态，并且在活塞朝向上、下死点行进中使波纹管变形和能量吸收发生，且当活塞/连杆组件移动至中点时再次释放所存储能量给活塞/连杆组件。显然，为波纹管单元设计的能量吸收能力和级数可用于实现或调整很多发动机参数，包括可变压缩比、发动机速率、活塞的加速和减速、活塞在几何压缩比超过最小值时的脱离等。通过实例，图134显示了不连续波纹管系统的轴向截面，图135则显示了其纵向截面。为描述不同的实施例，显示了两种不同类型的波纹管。通常在一个系统中仅采用一种类型。在标号2084处波纹管实际上是一系列刚性铰接件，而在标号2085处一类似结构限定了由侧面辅助波纹管2085a密封的空间2089a，这些可变的空间可选用于相连的泵或压缩机机构中。在一个类似的示意性实例中，图136和137显示了连续的波纹管2086，其限定了泵送空间2087，其具有止回阀2088以使流体在由最终驱动2089限定的空间与由往复运动和旋转运动活塞杆2090所限定的空间之间流动。在另一个实施例中，将组合运动转化为旋转运动的机构包括任何类型的能量吸收装置，包括流体泵或压缩机、气体或机械弹簧等。通过实例，一个线圈弹簧位于部件3304和3305之间且与他们的往复运动轴线同心，可选地通过任何适宜的方式固定于这两个部件，如图129中虚线3305a所示。在双燃烧室/单活塞组件的设计和多活塞的设计的情况下，能量吸收系统配置成使得当活塞位于行进中点时它是中立的，而当活塞在BDC和TDC处时吸收大部分能量，从而使储存能量的释放能够帮助使活塞加速而再次到行进中点。驱动机构可同时用作调节活塞运动的主能量吸收装置。除了弹簧之外，可用任何类型的能量吸收装置，包括上述公开的泵和压缩机，它们可用于压缩发动机充料或压缩废气以用在下游涡轮中。能量吸收装置可结合到其他实施例中，如图132、135和137中的虚线框3305a所示。此处公开的包括波纹管和铰接件的能量吸收装置可与任何类型的往复运动部件一起使用，往复运动部件可为活塞的一部分或连于活塞(包括不旋转的活塞)。
在一个选定的实施例中，活塞/连杆组件在有近似正弦波形的基本上相同的环型工作室之间往复运动和旋转。之前在图127中大致提到了一个环型且大致正弦形的燃烧室。那里有两个这种室，通过近似正弦构造的法兰隔开，法兰安装于往复运动元件上。法兰的高度(平行于往复式运动轴线的尺寸)显示为恒定的。法兰的形状和燃烧室盖的形状并不是精确的正弦形；相反，轮廓近似为一系列通过半径曲线相连的互成90度的直线。对于以恒定速度转动的往复运动体(发动机的理想目标)来说，该运动体上的单个点可更贴近地服从于一系列正弦波形，每360度重复其路径。考虑本发明最简化形式中一种，如图138所示，在一个整体壳体或气缸系统3007中具有上部环型燃烧室3035和下部环型燃烧室3036，在气缸系统3007中往复运动元件3004也旋转。每个室的末端表面3037具有类似的折叠正弦形构造，如图139中所示，其设置成可使两个表面之间的垂直距离的变化有最大的可能性。往复运动元件具有在气缸中的凹陷3038a内往复运动的凸出法兰3038，该凹陷的侧壁就是两个表面3037。法兰是往复运动元件的工作部分：它执行压缩和并传递膨胀力。法兰的上表面和下表面3039也可为如图139所示的形状，但设置成使法兰的厚度近似恒定。由于往复运动具有恒定的范围，所以正弦(或类似形状)的高度(从波峰到波谷的距离)是恒定的，但是波的间距(波峰之间的距离)是可变的，从环型工作室的外径处的最大值到在其内径处的最小值。在A处穿过两个燃烧室的部分截取弯曲截面，在图140中显示了往复运动和旋转的法兰的路径，正弦波的高度与间距的比值为1:3，且其中认为所有四个正弦面相同。法兰上/里的一固定点的路径在数个连续位置处如a、b等地所示。相应时间时法兰面的位置如3039a、3039b等处所示。间隔对应于恒定的旋转单位。在A处的表面的最小间隔对应于在B处的法兰的恒定垂直高度。可以看出，如果所有四个表面具有同样的形式，则发动机不能工作，正如B区内的间隙问题所示。通常来说在任一个燃烧室中，室的上表面必须具有与该室的下表面不同的表面。
几乎任何不同的组合时都是可能的，但通常对理论上可能的压缩比来说会涉及到一上限，这是因为上、下表面并不匹配。在图141的正弦波的高度/间距比(1:3)时，大约为7.5:1的压缩比是可行的。如果每个室的最外表面保持其正弦形，则A部分的工作形态如图141中所示。在这个例子中，基本上法兰的波谷或多或少为正弦形，但波峰具有尖锐的顶点。若设计压缩比小于理论最大值，则法兰顶点在恒定速度运转下可以与表面3037不接触。图141的法兰上的一点描绘了一个大致正弦波形的路径，这使形成间隙空间成为可能，因此使表面3037保持正弦波形和法兰表面不规则。显然，可以通过相反的方法来实现同样的效果，即保持法兰表面为正弦波形而使表面3037不规则。备选地，法兰上的一点可以描绘一个正弦波形路径，其中法兰表面和表面3037均为不规则的。在本文中，“不规则的”意味着非正弦波形。如图140中B区所示“间隙”问题的另一种方法是将表面3037彼此隔开，而非增大法兰的厚度和表面3039的间隔。这种配置如图142中所示。实际上，这意味着法兰上的一点不再描绘一正弦波，即使所有的表面都具有正弦波形的截面。法兰3038的组合式旋转和往复式运动使法兰上的一点在往复运动的顶点之间描绘出接近线形的、浅弯的S形路径，在这些顶点上方向具有相对剧烈的变化。与传统的发动机相比，其在压力的末端值之间具有相对短的周期，或在法兰的一转内具有可变的旋转速度。为补偿这种效果并增加BDC/TDC区域内的活塞停止时间，正弦波的轮廓可被制成为不规则的，而是拉大 a和b所示区域内的曲率。如法兰每侧的两个燃烧室有共用的端口系统(排气或进气)，则法兰相对于冲程必须比图141和142中所示的更厚。加厚的法兰在图143中示出，其中燃烧室3035,3036具有与图141中所示的燃烧室类似的表面形状。图144是取自图143中A处的示意剖面，但比例稍小。此处，共用的端口系统3045装在环型燃烧室的外周，专属于一个燃烧室的另一端口3035安装在环型内周处。显然，室3035与室3046(未示出)具有相同的端口系统。如果需要，端口3045可装在内侧，通向活塞组件，而端口3046位于外侧，通向气缸组件。如果法兰移动，则端口3045位于固定部件上而端口3046位于可动的法兰/活塞部件上。图140、141和142的曲线是概念性的，可被认为是代表了取自恒定半径处弯曲面的截面，位于环型的内、外半径之间，因此图143所示的端口被认为是其在平面上的投影，外端口要大一些而内端口要小一些。实际上，工作室的形状可以为图141和142原理的结合。
“移动”部件3038,3034相对“固定”部件壳体3007的组合运动即往复运动和旋转运动可由启动电动机来启动。表面3037和3039的形状是促使组合运动的有效导向，将燃烧导致的宽范围的往复式运动部分地转化为旋转运动。具有一定质量的部件3038,3004同时具有角动量和线动量。在每一个循环中，线动量基本上被充料压缩的功吸收，但角动量由部件3038,3004保持住。即使当膨胀功的方向被认为平行于旋转轴线时，角动量使部件3038处的点描绘一波形路径，与图中表面3037和3039的形状类似。这就意味着，通过调节部件3038,3004的质量的大小和分布，以及通过调节燃烧的、分布和/或正时，就可以在一定操作条件下布置成使相对的正弦形表面从不接触。在这种状态下部件3038,3004的运动的自然频率使得在一个完整燃烧循环中，表面3037总是刚刚不接触表面3039。出于机械上的原因需要它们不接触。由于正弦形/环型燃烧室可被划分成多个区，每个区对应于正弦波或其他波的表面形状的一个循环。一个室的区被认为是一系列相邻且同步的燃烧室，因此在部分循环期间表面接触的消除允许区内的气压平衡和更好的气体混合。如果这种非接触式表面是所需的或出于其他原因需要的，可以通过燃料传递点的选择放置以引导活塞组件在所需的路径上的方式来调节燃烧过程。例如，在图142所示的一选定实施例中，标号3060表明了部件3038,3004的旋转方向。图示出为燃料传递点3047的传统式配置，此处它位于往复运动部件上，其中燃料流动进入主室的方向大致平行于旋转轴线。备选地，燃料传递点在图142中在标号3048处所示，其中燃料运动方向与旋转轴线在至少一个平面上形成一个较大角度。在此处和下面的图中的所有燃料传递点均包含一个与燃料传递毛细管相连的预燃区，但也可用任何适宜的燃料传递装置，包括本文中其他地方所公开的。理论上，主室中的气体膨胀是全方向的，但是实际上，若燃烧参数一样，设置3048能够比设置3047赋予部件3038,3004更多的转动。图142和143均显示了在每个燃烧区两处位置中的带有燃烧传递的部件3038,3004。在这两处位置的顺序的或不同的燃料传递可用于调节部件3038的自然运动。每个区内任何数目的燃料传递点和/或预燃区可被采用，且其可以在任何适宜的位置处配置。通过实例，图143显示了预燃室3049，其在靠近正弦波或其他波中点具有通向主室的单个开口，而标号3050显示了类似位置的预燃室，其具有两个开口通向室，一个比另一个大，从而成形为存在平行于和倾斜于旋转轴的燃料传递。标号3051显示了一个类似的双开口预燃区，其仅具有倾斜的燃料传递，位于或接近波的顶点。标号3052和3053显示了处于或接近波顶点处的单个开口室，其中燃料的传递分别与旋转轴成一定角度和平行。燃料传递位置和方向的任何类型和组合可提供于一个燃烧区中，不必提供于燃烧室的每一个区中。在这些示意性的描述中，实际的燃料传递机理并未示出。可使用任何燃料传递系统，包括传统的喷射器。燃料传递点显示为处于往复运动部件3038,3004内，但燃料传递点也可额外地或另选地处于气缸组件3007内。燃料传递点和/或预燃区可位于活塞/连杆组件中，或者位于气缸组件中。它们可位于移动的部件中，或相对其他往复运动部件为固定的部件中。
气缸组件3007被描述为固定的。正如之前提到的，在其他实施例中，气缸组件安装在其他壳体或封壳内的轴承上，其能自由旋转而不往复运动。通过实例，图145大致描述了这样一种装置，通过对角线交叉所示的矩形代表轴承。双环型燃烧室系统如标号3059处所示，可选地类似于图138中的系统。由于室为正弦形和/或设置了导向系统3058a，燃烧过程使活塞型部件3004相对气缸型部件3056以给定速度作往复运动和顺时针旋转。部件3004通过花键3053或其他适宜的机构连接于部件3054和3055，它们安装成可自由旋转而不往复运动。部件3054和3055沿着和部件3004相同的方向(此处指顺时针方向)和速度转动。气缸组件3056安装在一个固定壳体3057中，使其可自由旋转而不往复运动。实际上，若阻力被平衡，则当部件3004加上部件3054和3055相对于部件3056以大约2000rpm的速度转动时，它们将同样相对壳体3057以大约1000rpm的速度顺时针转动，而部件3056相对壳体3057以大致相同的速度逆时针转动。因此，部件3054和3056为有效的反向旋转轴，A和B可用作动力输出点或区，利用轴承、摩擦材料或任何其他适宜的方式。这种组件例如可适用于在如具有反向旋转的螺杆或螺旋桨的船只或飞机的应用中。通过施加刹车片的阻力来改变轴相对壳体3057的速度，但轴之间相对彼此则不必是这样。在这种设置中，部件3055可作为与另一发动机系统如涡轮增压器、启动电动机或发电机的链路。图145所示的这种布局的一项优点在于不会对封壳3057施加扭矩，一个重要优点在于某些高动力的应用中，或在震动是个难题的例如船或飞机的应用中。
在另一个实例中构建了同心共旋转的部件系统。通过实例，图146大致描述了这样一种系统，其中装置仅在中心线的一侧示出。相同截面的环型燃烧室的对组如在标号3061～3069处所示，各组燃烧室具有递减的半径。由于燃烧室的设计和/或导向系统(未示出)，燃烧过程使部件3065～3069中的每一个相对它的相邻部件作往复运动和旋转运动。壳体3065是固定的，其他部件相对壳体3065全部沿相同方向旋转，通过导向系统来控制和协调往复式运动，从而使当部件3067和3069到达往复运动的另一个顶点的同时，部件3066和3068到达往复运动的一个顶点。往复运动与转动之比对每一个燃烧系统来说不需要一致。例如，燃烧系统3061为14:1，燃烧系统3062为11:1，燃烧系统3063为8:1，而燃烧系统3064为5:1。若往复运动是同步的，例如大约每分钟10000次往复运动，则部件3066将每分钟714.3转的速度转动，部件3067为1623.4rpm，部件3068为2873.4rpm，部件3069为4873.4rpm，所有的速度都是相对壳体3065而言。此处，部件3069驱动同轴的涡轮系统3070。燃烧室具有相同的截面但不同的工作容积，因此在部件3065和3066之间比在部件3068和3069之间能做更多的功。若需要在部件之间进行更相等的工作负载，则燃烧室的截面可从外到内在增加，以使燃烧室的空间更一致，但也可选择使不同燃烧室的冲程相同。在一个备选实施例中，冲程可以变化以补偿往复部件的不同质量，用于使所有工作室的往复运动频率相同。共旋转部件的不同系统如在图147中的实例所示，其方式与于图146中的相似。设有四个相同的环型燃烧室3079的系统，所有的组具有相同的往复运动与旋转之比。在固定壳体3071中装有两个仅作自由旋转的部件3073和3075。在部件3073和3075中同心地安装了另两个部件3072和3074，它们能够旋转和往复运动，通过导向件进行控制和协调，使它们能够同时到达离彼此最远的往复运动顶点和同时到达彼此最近的往复运动顶点。若组件3072相对固定壳体30741以5000rpm的速度旋转，且所有的运动部件沿相同的方向旋转，则部件3073、3074和3075将相对壳体3071分别以10000rpm、15000rpm和20000rpm的速度旋转。部件3075可驱动元件3078(例如共轴发动机系统的涡轮)，部件3072,3074通过花键以不同的速度驱动任何部件或发动机的其他元件3080,3081。图146和147的示意图和设置适用于大的高性能和/或高效发动机，如可用于飞机动力、大型船只、大型发电机等。它们也可用于包括涡轮级的复合式发动机，其中往复式内燃机的旋转速度可扩大以匹配涡轮轴的速度，允许两个发动机驱动一根轴。
从以上所述可以得知，通过周密的部件设计和燃烧过程的调整，往复运动/旋转部件的运动的自然频率可使正弦形燃烧室的波形工作表面能够互相不干涉。这样的设计和调整在稳态发动机(例如在船用推进装置和发电机组)中比在可变状态发动机(例如在汽车和摩托车)中更容易实现，。在任一例子中，必须采取措施使移动部件的运动的自然频率是可变的或可扰动的，这是因为要优选避免燃烧室表面的塌陷，即使这种变化仅很少发生。在具有正常(即非正弦)环型燃烧室的发动机中，已经公开了如何通过导向系统将往复运转转化为组合运动。如所述，同样类型的导向系统可用于限制运动以刚好避免正弦形环状燃烧室的表面接触。为防止表面不接触，可采用形状对应于法兰上一点的行进路径的滚柱/凸轮导向系统。它是控制活塞组件运动的主动手段，或者其可作为系统的备份，该系统能在无弯曲面接触时做功，仅在正弦波形表面相互间靠的太近时才接合和接触(相邻太近是由于类似偶然的燃料过剩或特殊的重力)，从而避免弯曲面接触。若用作正弦形工作室的辅助系统，导向系统可比正常环型室轻和小，其中仅通过导向来实现旋转运动。通过实例，辅助导向系统如图138中虚线2049所示。另一个实施例中包括往复运动/旋转式机械导向系统，其包括一个或多个滚柱或一系列在至少一个无限接近正弦形的轨道或槽里或其上运行的对置滚柱。通过实例，平面示意图图148和部分侧剖面图149显示了一个选定实施例，其中显示了位于具有六个大致正弦波形构造的环状槽中的六个滚柱系统。所示的滚柱3084位于往复运动的一个顶点，其相对的顶点在标号3082处所示。槽的壳体3083是固定安装的，而滚柱3084安装在往复运动/旋转部件3004上。显然，由于滚柱通道不会因不同的运动而产生摩擦，槽的外周高度必须比槽的内周高度要大。滚柱应该是锥形，线3085延伸了锥形的轮廓，与部件3004的旋转轴线和滚柱的旋转轴线3086的截距相交。(所有的滚柱以相同的速度旋转，滚柱的一部分必须沿槽的外周比沿槽的内周行进的另一滚柱部分行进的更远，因此滚柱必须有渐变的直径。)槽的壳体3083仅显示了一段，但也可以有装在滚柱上的多段壳体。通过实例，图150显示了一个位于槽中的滚柱的细节，滚柱通过滚柱轴承3087安装在与气缸部件3007相连的轴3088上，而槽位于或安装在移动活塞部件3004上。槽包括三个操作部分：上轨道3089，下轨道3090和附加的端轨道3091。为更好的传递负载和压力，这三个部分之间的连接为圆形，并可具有可选的通气孔3092。显然，在任何一个时间仅有滚柱的一侧与槽接触，所以会有某些空隙3093。在发动机系统中的其他轴承中有一些运动，所以滚柱在其端部处具有轴承，其包含在活塞/连杆组件的部分3004a的表面3091上滚动的球3094，以防止滚柱滑移入槽和使空隙闭合。滚柱和轴组件在某些情况下、可能在这两者之间的相对运动过程中可以从槽中取出和插入到槽中，所以滚柱具有圆形的向前部位。在一个选定的实施例中，滚柱的工作区包括硬且结实的工程材料，其形成安装在薄的弹性中间层3096上的外部壳体3095(与槽接触)，该中间层3096安装在工程材料的内部壳体3097上，内部壳体3097又安装在滚柱轴承3087上。在操作中，滚柱上的负载3098会导致轴3088有些偏转，使轴的轴线相对轨道3089错位。这种错位通过弹性材料3096的变形被消除或吸收。备选地，轴和滚柱可安装在活塞组件上，而槽安装在气缸组件中。
上述原理也可通过轨道的较宽分离和/或提供第二组滚柱来实现。例如。图151示意性显示了在壳体3007内运动的部件3004，这两个共同限定了一对环型燃烧室3035和3036。两组滚柱以标号3089和3090示出，它们带有与图150所示的具有相同功能的轨道3099和3100，滚柱和轨道分别用实线的虚线示出。上轨道3090相对于下轨道3089的关系假定为恒定的，也就是说，滚柱在其沿着沟槽上下移动的期间保持相同的间隙空间。这种情况并不是必须的。在另一实施例中，上轨道相对于下轨道的关系使得在一次完整的工作循环期间存在变化的间隙空间，或者沟槽是波浪形的，而与轨道是否如图150或151所示的那样布置无关。作为示例，图152示意性显示了沿沟槽周长的曲线部分看去的侧视图，滚柱的轴线以点划线3101示出。表现为恒定间隙空间的上、下轨道的位置以实线3089和3090示出。表现为可变净间隙的轨道的可能位置由虚线示出。允许可变间隙空间的轨道的最有用的用途是如在本文其它处公开的具有可变压缩比的发动机。在图152中，一个轨道保证了在往复运动的顶点周围达到最大的设计压缩比，而在该区域中第二轨道更加远离于第一轨道，使得移动部件如活塞/连杆组件在一定条件下能够以超过其设计压缩比的方式运行。标号3102显示了围绕运动顶点对称的轨道分离，而标号3103表示非对称的轨道分离。出于某些不同于可变压缩比的原因，可变间隙空间是更希望有的，标号3104显示了在往复运动的中点周围允许更大范围的部件运动的轨道分离。当然，一旦出现轨道分离，滚柱旋转轴线的路径就不再能被预测为总是沿着线3101。在另一实施例中，“沟槽”或导向沟道完全地或部分地无后支承，即不具有端部轨道，允许流体经过上、下轨道之间的空间。例如，在图150中的部件3094和3004a可以省掉。在图150中作为可选项，导向系统可围绕着来自或流向工作室的流体流定位或设置在其内。在一些发动机中，其可以设置在排气流中，但通常来说应处于充料气流中(这是因为排气容易污染导向系统的工作表面和机械部分)。作为示例，图153示意性显示了发动机的半剖视图，其具有一对环型燃烧室3035和3036，其也分别由虚线3005和3006示出，限定燃烧室的部件彼此分开并由导向部件隔开，并且移动部件和气缸部件通过张力件3105如螺栓装配起来并预压紧。这里，围绕着燃烧空间的部件由陶瓷材料制成，而导向部件由金属、可选地为铸件制成。包含环形正弦沟槽以容纳导向件3113、可选地包括围绕轴线3086旋转的滚柱轴承的单体环型金属件3106将两个基本上相同但相对倒置的环型部件3110分开。充料流由标号3108示出，废气流由标号3109示出。彼此间倒置的相同的环型气缸部件3111通过一对沿周向设置的一系列金属件3112分开，每个金属件3112均具有轴和滚柱组件3113。金属件3112具有充料空气可从中流过的一系列孔3114。图中仅示出了下轨道3090的曲率，为简化起见省略了上轨道3089的曲率。可压缩的绝缘材料由标号3110a和3111a示出，陶瓷绝缘件由标号3105a示出。
导向系统可以任何方式与工作室相关联。作为示例，图154示意性显示了具有四个相同的工作室3115和两个完全相同的导向组件3116的装置，其中各导向组件均具有上、下轨道。活塞组件3004和气缸组件3007均由分别通过紧固件3004a和3007a固定在一起的多个部件组成。如果部件是环型的，装置以下述方式装在一起，先装气缸部件，再装活塞部件，然后是另一气缸部件，等等，这些均由紧固件用螺纹从中穿过，在完成后逐步将紧固件拧在一起。各导向组件具有相同的每分钟转数，并且发动机必须被小心地装配，使得导向组件准确地彼此同步，和/或滚柱组件必须是那种具有弹性体内层的类型。作为备选，导向系统可以具有不同的往复运动-转数比，并且分开地接合。在另一实施例中，图155和作为放大图的图156示意性显示了具有一对工作室3115的发动机，其中往复运动部件3004相对于气缸组件3007顺时针转动，气缸组件3007安装在轴承3120a上，它本身相对于壳体3120逆时针转动。这种转动方向可以倒过来。三个完全分开的滚柱-轨道环型导向系统由标号3117,3118,3119示出。各导向系统中的正弦或其它波形具有相同的振幅和整体直径，但节距不同，使得各系统具有不同的往复运动-转数比。在任一时间仅有一个系统通过可伸缩的滚柱组件形成接合。选择哪个系统接合由通过促动器3021a而与气缸组件3007以相同速度转动的环3121的运动来定。该环与一系列可滑动的轴或元件3122相连，该轴促动了滚柱组件的伸长或收缩。优选地，滚柱组件由弹簧加载到收回位置。这种收回/接合装置是已知的，但在图156中示意性显示了用于双速系统的原理，在图中轴3122具有用于与滚柱/导向组件3119a的一部分相接合的板状部分3122a，这一部分通过弹簧3118a被偏压至收回位置。正弦轨道可与如这里所示的不可旋转的或固定的导向件接合，其是可收回的或固定的。可选地，导向组件具有滚柱，如图148到151所示。图155的系统实际上是一种组合了内燃机、可变级变速器和差速器的功能的机器。可在两个旋转元件和任何动力输出点的界面处设置离合器功能件。这也可见于图145。图157示意性显示了一种仅组合了内燃机和可变级变速器的功能的机器。两组双燃烧室3115(总共4个)由形式为齿轮轴3122a的动力输出点和分级变速器分隔开，其中分级变速器包括三个单独的导向系统3123,3124,3125，各导向系统均具有上、下轨道。各导向系统中的正弦波或其它波形的系统具有相同的振幅、节距和曲线，即它们是相同的。由于导向系统具有逐渐增大的尺寸，它们具有逐渐增大的循环数量或每转往复运动。如图155所示的系统，在任一时刻仅有一个导向系统接合。在这种设置中，导向系统3125代表低齿轮，3124代表中齿轮，而3123代表高齿轮。在该发动机/变速器系统的另一变型中，导向系统的节距和曲线相似但不相同，它们各自适应于一特定齿轮比下的燃烧和工作特性。在可变压缩比的发动机中，导向系统的幅度也可以变化。对于多凸轮系统来说，可以将导向系统的促动与该往复循环的所有或部分的完成相联系，该促动同时使一个导向系统伸出而另一退回。例如，导向变化总是在往复元件处于上死点/下死点处进行。
在本公开的前文已经提到了单个和多个同心的环型工作室，它们主要被认为是燃烧室。此处不需要提供曲柄或导向或任何驱动系统。带有一个活塞、两个流体工作室的单个气缸可用作整体式发动机/泵。图158显示了一种设置，其中环型燃烧室3146驱动可对泵送空间3147做功的活塞3145。在操作中，燃烧室膨胀导致泵送流体沿着方向3148经单向阀3149而离开空间3147，燃烧室的压缩由沿方向3150经单向阀3151进入空间3147的流体中的压力来执行(这种机器可用于在管道流动中提供压力增加)。作为另选和/或附加，可使用一个或多个工作室来压缩包括发动机充料空气的任何气体，或者用作任何气体的泵。作为示例，在图159中以剖面的形式示意性示出了这种装置的一半，其中活塞连杆组件1701在气缸组件1703内沿方向1702往复运动，从而形成了两个工作室，即最大膨胀时的1704和最大压缩时的1705。当室1704处于最大压缩时，该活塞/连杆的一部分由虚线1706示出。经端口1707a进入的气体1707如外界空气被活塞连杆组件压缩，然后经传送端口或凹陷1708排出，并且经过传送通道1709和第二端口1710进入到活塞连杆组件的内部空间1711。传送端口或凹陷1708可以是无端的和环形的，或者它们可以沿着周向路径布置成分开的和不连续的。还显示了上工作室1704的一种备选设置，其中压缩或泵送气体从凹陷1708传送到与一个并非是活塞连杆组件的一部分的空间相连通的通道1712。在一个备选实施例中，其中一个工作室可以是如本文其它地方公开的燃烧室，而其它室用来充料压缩。迄今为止，大多数实施例包含在两个工作室之间往复运动的一个活塞。在另一实施例中，通过使用能量吸收装置如弹簧，就可以避免需要一对曲轴或一对燃烧室。为了实现仅在活塞一侧具有燃烧室的发动机的平衡操作，在两冲程发动机的情况下，大多数应用中的能量吸收装置应当至少能够存储和释放足以适当压缩燃烧室的能量。作为示例，图160示意性显示了发动机或泵或压缩机，其具有一个带内空间1676的活塞连杆组件1606，其在具有气缸盖1004的气缸1003内沿方向1634往复运动，还具有一个环型工作室1002，以及处于活塞另一侧的圆柱形工作室1674。工作室可用作泵、气体压缩机，包括用于燃烧室或其它任何用途的充料。在该实施例中，循环式能量吸收和产生装置是金属弹簧1675，然而也可使用任何适当的能量吸收装置。在所示实施例中，室1002是燃烧室，但如果工作室1674是燃烧室而工作室1002是包含能量吸收和产生装置的工作室的话，本发明的原理同样可以很好地适用，在这种情况下，可采用弹簧来实现燃烧室压缩，其负载也可倒转。为了简化起见，所有端口、阀和任何燃料输送装置均被省略，然而如这里公开的它们中的任意一个也都可用于此。上述原理体现在图110和111所示的发动机中。
在另一些实施例中，在一个或多个工作室中往复运动的活塞连杆组件将流体泵送到一个或多个其它的工作室中。在许多场合中优选的是，凸轮系统的功能与一些类型的泵送和压缩工作相结合。由于凸轮面直接或间接地传递所产生的大部分功，因此出于磨损的原因以无直接接触为佳。泵送流体可用作支承和传热机构。作为示例，图161以半剖面的形式示意性显示了一个实施例，其原理可适于旋转和非旋转的往复元件，并且尤其可用于在充料进入燃烧室前对其进行压缩。活塞连杆组件3039在气缸组件3007内沿方向1702往复运动。标号3040显示了完全膨胀的环型燃烧室，压缩充料A经过端口3039a进入到燃烧室，之后移动并经端口3007a排出(如标号B)。充料在室3041内压缩，室3041可以是环型的或圆柱形的，可选地经由通过压力和多个反冲弹簧3044的组合来促动的提升阀3042进入到其中。在室3041内的压缩行程的末端，即对应于燃烧室3040的压缩行程，活塞连杆组件3039处于虚线3039b所示的位置，提升阀处于如虚线3042a显示在其阀座上。压缩气体经间隙空间“C”和端口“A”进入到气槽3043。由于行程是固定的，在室3041内进行的压缩的程度大体上取决于半径R1和R2之间的关系。在一些实施例中，内燃机可具有类似于图161中所安装的充料压缩机，使得发动机和压缩机一起具有一个固定组件、优选是气缸组件，以及一个可相对于固定组件往复运动的组件、优选是活塞连杆组件。使用本文其它地方公开的两冲程交叉流无阀端口设置，整个发动机将仅具有一个明显的运动部分，这是因为其它部分是固定的(如果不是可旋转地安装在壳体或轴上的话)。在仅显示了一半发动机的图162所示实施例中，“A”表示燃烧室部分而“B”表示充料压缩机部分。这里示出的设置与图159中公开的类似，不同之处在于设置有两个环形压缩室1705和1706加上两个环型工作室1719和1720。活塞连杆组件1701的压缩机凸起1715具有较大的半径，并具有通过通道1713与主内空间1711相连的空心部分1712。在外界空气1707被压缩并移动到空间1711中之后，高压充料经端口1714进入到燃烧室1718和1719，废气经共同端口1716离开。燃烧室1718的最大膨胀状态由实线示出，其通过活塞连杆组件的突起部分1717与燃烧室1719隔开。当室1704和1718处于最大压缩时，突起1715和1717的位置由虚线1706和1720显示。由于行程是稳定的，压缩比将取决于半径R1-R2和半径R3-R4之间的关系。环型燃烧室1718和1719可具有规则的形状，或者它们具有如图127、138到144所示的大致正弦形状。同样的，环型燃烧室1704和1705可具有规则的形状，或者它们具有如图127、138到144所示的大致正弦形状。传送端口或凹陷1708可以是无端的和环形的，或者它们可以沿着周向和/或大致正弦的路径布置成分开的和不连续的。在图142的左侧以虚线3039a示意性显示了这种凹陷的线形。如果一对室都是大致正弦形的，那么每对都可以是不同的设计。例如，燃烧室可具有与图143中所示类似的设计，而压缩室可具有与图142中所示类似的设计。在这种情况下，压缩室可设计成用作系统导向，以防止燃烧室表面在正常工作期间发生物理性接触。在另一些实施例中，图159、161和162所公开的设置可用来在废气已经离开燃烧室之后压缩废气。可选地，高压高温的废气流经涡轮，以便从气体所含的能量中抽取机械功。
在另一实施例中，多对工作室围绕着轴线来设置，它们具有同轴的、至少部分圆柱形或环型的空间用于流体进出于工作室，这些空间定位成大致与工作室并排。在之前公开了不均匀尺寸的多个同心燃烧室。它们理论上不会有装配问题，因为如图110和111所示，整体部件2006可装配在部件2005内并运动。有用地是可设置超过两个相同尺寸和构造的燃烧室，但可能会有装配问题(尤其是运动部件)，如同可从图154中看到的那样。将超过两个相同的室组合到一个发动机中的优点包括能够采用一组燃烧室部件或一个模块来制造多种的发动机。如果采用一个燃烧室模块来制造具有不同功率和清扫空间的发动机，那么模块内的空气通道(如有的话)的大小应当制成为可容纳可能使用该模块的最大发动机的空气流动。作为示例，图163到166示意性显示了各种可能的空气流动布局，其中标号3126表示多个相同大小的环型工作室，标号3004表示沿方向3008往复运动的运动部件，标号3007表示“固定的”气缸组件，其在所有实施例中均可旋转，而标号3057表示壳体或外壳。“A”表示充料气体空间，“B”表示高温高压排气，“C”表示低温低压排气。如下所述的丝状材料用标号3128a示意性示出。阀和端口未示出，但可以是如体现在本公开其它地方的那样，和/或通过任何方便的方式构成。实心箭头表示穿过端口的气流，虚线箭头表示进和/或出于传送端口的气体流动，或者是如本文其它地方所述的经由端口或稳压室的流动。如同其它部件一样，绝热件由标号3127示意性示出。在图163中显示了一对环型工作室3126，其中绝热件3127将充料流与热部件分开，充料流入到燃烧室，废气从燃烧室流入到中心排气储槽。这种流动可以倒过来，空间A和B颠倒，绝热件3127如所示地设置在部件3004和中央气槽(此时是充料气槽)或稳压室的界面处。图164涉及的是两对环型工作室3126，显示了具有传送端口3128的系统。在这里同样的是，流动可以倒过来，空间颠倒，绝缘件重新定位。图165涉及的是两对环型工作室3126，显示了这样的布局，其中采用结构件3004和3007附近的排气流来降低穿过这些部件的热流，即热梯度，同时发动机的中心部分地被机械系统3130(例如涡轮或用于蒸气发动机的蒸气发生器)占据。如果机械系统3130是燃料传送系统，那么它可用于在比沸腾更高的温度下将液态燃料保持在压力下。在标号3129/3134处示意性示出了用于压缩机和/或涡轮系统的另一位置。在图163、165和166中，外壳或壳体3057包括限定了空间A的结构的一部分，而在图165中绝热件3127是限定了空间C的结构的一部分。在图166中显示了具有两对环型工作室3126的另一个例子。这里，外界空气进入到压缩机3129中，高压充料经稳压室或环体3131传送到管状空间A，其中设有热交换器3132以进行后冷却。可选地，高压水在热交换器中循环以用于在本文中其它地方所提到的复合化，和/或提供如上所述的支承压力。来自管状空间B的热废气经稳压室或环体3133到与压缩机3129机械式相连的涡轮3134。在离开涡轮时，低温和低压废气流过管状空间C并在标号3135处离开。如果相同的同心环型室3126的对数较大，那么发动机可具有鱼雷状或管状的形状。与由标号3136和3135表示的单向气流一起，这将使这种发动机可适用于特定的用途，例如在飞行器和包括鱼雷的一些与水有关的工具中。显然，额外的复合可在标号3135处或之后从更低温度的废气中抽取更多的功。在一些实施例中可以不采用单独的绝缘件3127，在每单位体积的气流较大和/或在室3004和3007中采用的结构件具有中等到良好的绝缘性能时尤其如此。
在另一实施例中，活塞直接或间接地驱动线性、即往复式电动机或发电机，或者由其所驱动。燃烧室可以由不同于上述传统的曲轴、槽式驱动曲轴和导向系统的机械系统分开(单独地或成组地)。例如，燃烧室可由电动机或发电机来分开。如果部件3004包括电动机/发电机的一部分并且具有复合运动(即往复运动和旋转)，那么至少一个电气组件的绕组不必具有传统的带形，而是可具有正弦环型形式，电气绕组的正弦波形状对应于室3004上的点的运动。作为将电动机/发电机置于工作室之间的一种替代，这种电气系统可置于多个同心的环型工作室的外部或内部，如图110和111示意性所示。由于电机可以这样布置，因此也可以这样布置其它机器或机械装置，包括计数器、速度计、动力输出点、变速器、离合器、燃料传送机器或泵、润滑机器或泵、与内冷却有关的机器或泵、用于从废气中抽取额外功的(用来复合)发动机、泵、压缩机(可以是环型的或其它结构)等。作为示例，图145示意性显示了发动机或泵或压缩机，其具有一对由在气缸组件3056中往复运动和旋转的活塞连杆组件3004限定的环型工作室3125，气缸组件3056又在壳体3057内旋转。假定提供了导向系统，发电机或电动机可定位在标号3058a处，一组绕组安装在部件3004上而另一组安装在气缸组件3056处，电性能与活塞连杆组件3004相对于气缸组件3056的复合运动有关。在另一示例中，图167示意性显示了用来将电动机/发电机(示出于区域B和C中)与泵、压缩机或内燃机(示出于区域A中)相连的其它方法。在该实施例中，复合的活塞/连杆/主要电气部件的组件1102沿轴线1006在气缸1003和盖1004的组件内往复运动，从而限定了两个环型工作室1002。实线显示了组件1102处于其往复运动的一个极端位置，虚线显示了其另一个极端位置。空间1275可装有任何方便的机构，例如充料增压装置、阀促动机构、用于将往复运动转化成复合运动的导向系统等，整个装置可选地由热绝缘材料1010所包围。显然可以将往复式活塞连杆组件直接或间接地连接到曲轴或止转棒轭上，后者又驱动了旋转电动机/发电机，该选择这里未示出。另一备选方案是将往复式运动部件1102直接或间接地连接到线性或往复式电动机/发电机B上，其中在标号1102c和1102d上分别安装了两组主要绕组中的一组。如果部件1102也旋转，一种备选方案是将部件1102直接或间接地连接到复合运动式电动机/发电机C上，其中两组主要绕组安装在部件1102a和1102b上，而电力由部件1102a相对于部件1102的复合式往复运动和旋转来产生或使用。图167完全是示意性的，其中显示的部件相互间未按比例，它们可通过包括斜齿轮和/或减速齿轮在内的任何方便的方式在任意方位或位置相连。部件1102可以是固定的，其它主要部件、包括部件1103,1104,1102b和1102c可以是往复运动的，可选地旋转。图167所示的实施例显示为部件1102水平地往复运动。在一些备选实施例中，它可以垂直地往复运动。在另一些实施例中，如果往复运动部分比较重，则工作室可以是不同的。例如，克服重力推动往复运动部件向上运动的下方工作室可以任意方便的方式设计成具有更大的扫气空间，例如通过使张力连接件在通过下方工作室时会比在通过上方工作室时经过工作室的更小截面积。在另一些实施例中，使工作室具有不同容量的原理适用于这里公开的所有发动机，其原因包括补偿往复运动质量体上的重力吸引，不论该发动机是否连接到往复运动机器如泵或线性电动机/发电机。在另一示例中，图168示意性显示了内燃机或压缩机或泵，其具有由气缸组件3007和在其内往复运动及旋转的活塞连杆组件3004所限定的两对环型工作室3126，该运动由导向系统3153控制。可选地，部件3007可在以虚线示出的壳体3057内旋转。流体从A处中流出，经过工作室3126，并且经B处离开。电动机/发电机具有至少一个无端的大致正弦形的主部件电气绕组3152，另一主部件绕组可以采用任何方便的形式。绕组3152可以与部件3007和/或部件3004形成一体。
在与线性电动机或发电机相连的本发明发动机的一些备选实施例中，在发动机和电动机/发电机之间的连接中结合有冲程放大器。在另一些实施例中，冲程放大器包括机械弹簧或气体弹簧。理论上，弹簧在部分冲程期间吸收能量，而在另一部分冲程期间释放出同等能量。在实践中会有小的泵送或机械损耗，但这些相比于发动机或电动机/发电机产生的功来说相对很小。在另一些实施例中，气体弹簧也是气体泵或压缩机。作为示例，图502示意性显示了两种备选设置。在该图中，固定部件用单平行剖面线示出，在发动机冲程中往复运动的部件用正45度角的双平行剖面线示出，而在放大冲程中往复运动的部件用负45度角的双平行剖面线示出。气缸模块1271包括活塞连杆组件1102，其显示处于具有沿方向11往复运动五个尺寸单元的往复运动中心CP，该往复运动限定了一对至少部分地被废气处理空间1008所包围的工作室1002。活塞连杆组件具有用于充料气体的空间12，固定地连接到包围了冲程放大器的结构13上，并且在包括有线性电气装置的固定安装的环型定子14的壳体内往复运动。发动机可以为任何构造，并以这里公开的任意方式工作。定子14具有冷却翅片23、处于一端的封闭板15，另一端安装在气缸模块1271的壳体上，并且由也固定连接在气缸模块上的可选绝热壳体1010包围。在结构14内显示了两种备选设置：在中心线下为“A”，线性电气装置的环型往复运动件16(其相当于旋转装置中的转子)在每端具有气体弹簧17；在中心线为“B”，环型往复运动件18在每端具有任意形式的金属弹簧，这里显示为一系列螺旋弹簧19。各气体弹簧包括含有固定体积气体的环型空间。随着时间的过去会有一些气体泄漏，然而可以采用任何方便的气体补充装置来保持有恒定量的气体。两种环型往复运动件均具有沿方向20的7个单位尺寸的放大冲程，其往复运动的末端由虚线示出。在操作中，当部件1102从上死点/下死点开始冲程时，往复运动件16和18的惯性导致弹簧17和19被压缩并吸收能量。当部件1102达到朝向行程中点的一个更稳定的速度时，弹簧中的能量被释放，将往复运动件的速度加速到比部件1102更大的速度。当部件1102减慢速度以压缩燃烧室1002内的充料时，往复运动件的动能导致它们继续在恒定速度下运动，直到被吸收能量的弹簧17和19减速为止，然后循环倒过来并重复。在一些备选实施例中，往复运动弹簧包括内含弹簧的环型空间，并且往复运动件用作气体压缩机，或者用作任意流体的泵。在另一些实施例中，空间或定子或往复运动件不是环型的，而是一系列设置成环型阵列的单独的空间、定子或往复运动件。在另一些实施例中，空间或定子或往复运动件是至少一个或一系列以任意方式设置的单独空间、定子或往复运动件。结构13在两侧在一侧的板15和另一侧的气缸组件1271之间限定了两个可循环变化的环型空间21和22，它们可选地用作任意形式的泵或压缩机。在一些备选实施例中，设有一系列排列成环型阵列21和22的单独空间。可选地，由虚线箭头示出的充料空气进入到标号24处，流经壳体1010、定子14和端板15之间的空间25，流经固定气缸26进入结构13内的空间27，并从那经泵或开口(未示出)流入到空间21，在那里可选地被泵送或压缩。在设置“B”中，可选地设有冷却翅片23的中间第二往复运动件28(可选地为环型)包括一部分往复运动结构13。往复运动件18可选地设有多个绕组、一个或多个相对于定子14的电动机/发电机，以及一个或多个相对于中间往复运动件28的电动机/发电机。充料空气从空间21经开口或阀(未示出)进入到容纳有金属弹簧19的空间，经过往复运动件18中的一个或多个开口29，经过多个金属弹簧并经开口或阀(未示出)进入到空间22。在空间22中，充料空气可选地被泵送或压缩，经开口或阀(未示出)进入到空间12，从此处它经端口12a进入燃烧室1002，其方式如本文其它处所公开的那样。在其从标号24处进入后，充料空气吸收来自定子14、中间往复运动件28和往复运动件18的、将传送给会产生功的燃烧室的热量。这意味着电气装置具有接近100％的效率，这是因为典型的几乎全部为废热形式的5％到10％效率损耗在这里被节约和储存了。在设置“A”中，开口31允许充料空气循环到往复运动件16内的空间32以用于冷却。充料空气从空间27经开口或阀(未示出)进入空间21，从那经通道30进入空间12，并经端口12a进入燃烧室1002。在燃烧后，由交叉箭头示出的废气穿过端口12b进入周向废气处理空间1008，从此处经开口或阀(未示出)进入通道33和空间22，在这里它被可选地泵送或压缩，并可选地经通过34到达由小矩形35示意性示出的涡轮。可以看到，冲程20加到冲程11上，使得往复运动件在半个循环期间运动过12个单位尺寸，而部件1102在同一期间运动5个单位尺寸。在一些备选实施例中，气体的量是变化的，或者金属弹簧基体可在不同的工作模式中运动以改变往复运动件弹簧比。冲程放大器的优点在于，在给定的转数下对于给定输出来说，提高的运动速度和范围使得电气部件的质量减小。冲程放大器的动力学和运动学特性是复杂的，其特征的设计、尤其是往复运动件的质量和弹簧比的特性将影响部件1102在一部分循环中相对于另一部分循环的速度。在一些实施例中，冲程放大器的加入将导致部件1102在上死点/下死点的附近花费相对更多百分比的循环时间(导致在有限时间内燃烧更加有效)，并且更快地经过其大部分行程路径(提高电气特性)。图502是完全示意性的，其中所有特征均未相对于任何其它特征以任何特定比例示出。在一些备选实施例中，使用了具有往复运动件的传统发动机，其带有与本发明的冲程放大器相连的部件。在另一实施例中，使用了装载于一个或多个计算机41内的一个或多个计算机程序来调节、控制或监控冲程放大器和/或发动机的任何部件或参数，其方式与本文其它处公开的与计算机和计算机程序使用有关的相似。在另一实施例中，电动机或发电机的主要部件均旋转。对于旋转装置来说，通常是定子沿着与转子相反的方向旋转，转子可选地具有复合运动且也往复运动，并且被认为是旋转-线性电动机或发电机。这种旋转-线性电动机和/或发电机适用于连接到图145到147的发动机上。在另一些实施例中，如果在与图145到147相似的发动机相连的电动机或发电机中仅希望有反向旋转运动，具有复合运动的一个发动机部件可通过用于将复合运动转换成纯旋转运动的机构(包括这里公开的这种机构)连接到一个主要电气部件上。在另一些实施例中，这里公开的冲程放大器适用于泵和/或压缩机。对于后者，在一些实施例中，改变速度将改变每个循环中工作的空间，这是因为冲程放大器的大小范围通常随速度而变。在图512中公开了冲程放大器的另一个实施例。在这里公开的任何电动机/发电机中，一个或多个定子、转子和/或往复运动件的绕组可以任何方式设置，包括不连续的分段，并且以任何方式相连或接线，包括用于使一个分段的电流与相接或相邻分段中的电流具有相反极性或倒相，以便产生或接收交流电。在另一些实施例中，定子、转子和/或往复运动件中的至少一个应当具有一个或多个包括围绕任何适当芯子缠绕的导线的绕组，使得彼此紧密相邻的导线部分彼此间通过空气或电绝缘材料隔开。在另一些实施例中，定子、转子和/或往复运动件中的至少一个应当包括一个或多个永磁体。在另一些实施例中，如果定子、转子和/或往复运动件中的至少一个是可动的，移动部件和任何固定部件之间的电路应当包括任何类型的电桥，包括电刷和/或任何这里公开的装置。
在一个实施例中，工作室的剖面具有大致平行四边形的形状。在图169中示出了选定环型工作室的半剖面。它以高度H相对于外半径R2减去内半径R1之比为6:5的比例绘制。这里，最大进入端开口“I”用标号3137标出，最大废气端开口“E”用标号3138标出，尺寸I和E分别为0.183H和0.267H。如果部件3004相对于部件3007的运动由正弦曲线表示，那么从上死点测得的曲柄角形式的端口/阀开度是：排气开口114.7°，入口开口126.9°，排气关闭245.3°。如果(R2-R1)与R1之比为1:2.5，那么最大入口端口面积与最大排气端口面积之比为1:1.04。尺寸S表示冲程。工作面A和B相对于活塞和/或气缸壁C和D的角度为θ，表面的交叉处如所示地倒圆，使得气体流过燃烧空间尽可能地顺畅，并且应力减小且更均匀地分布在单体部件3004和3007上。对于两冲程内燃机中，顺畅的气体流动的目的是优化两冲程扫气和减小端口关闭后留在充料中的残余废气。室显示为处于最大空间，部件3004将沿方向3139运动以在其处于标号3004a的虚线位置时实现最大压缩。在一些备选实施例中，流体的流动可以反向。
在另一实施例中，部件为模块化构造，使得基本上相同的部件可重复地用来制造一种设计的装置，和/或被用在明显不同设计的装置中，如图170到174所示的均具有四个环型工作室的装置。这种装置包括内燃机、压缩机或泵。特征和流体流动主要针对燃烧式发动机来描述，但在适当之处它们也可用于泵、压缩机和其它机械装置，与燃烧室有关的空间为工作室。活塞组件和气缸组件均由通过紧固件固定在一起的多个部件制成。如果部件是所示的整体环件，装置以下述方式装配在一起：首先是气缸部件，然后是活塞部件，之后是另一个气缸部件，之后用紧固件螺纹连接，在完成时用螺栓型紧固件逐步地将它们拧紧在一起。在图174中，在每个部件拧到位之后，就用销或键将其定位好。图170通过示例显示了发动机组件，它的燃烧室为模块化结构，其中细节A、B为沿着细节C、D、E中的不同半径的半垂直剖面，细节C、D、E是通过垂直剖面中的平面的剖面。组件3004相对于组件3007往复运动，并显示为处于下死点。细节C、D、E显示为部件3004和3007处于彼此不同的位置，此时垂直剖面A和B上的适当放大线彼此大致对齐。相同的陶瓷往复运动件用标号3155示出，相同的陶瓷“气缸”部件用标号3156示出。充料循环经过空间3157，经进入端口3158进入燃烧室3126，经排气端口3159离开。废气循环经过管状空间3160，并通过用作可封闭空间3160的结构的绝热件3127与外壳体3057隔开。废气一定程度地在空间3161,3162中循环。由于这些空间通过主废气循环空间3160直接或间接地连通，它们用来降低燃烧室部件3155和3156的选定部分中的热梯度。供有高温液体的气体轴承由标号3163示意性示出。用于迷宫密封的附加的或替代的凹陷由标号3163a示出。气体轴承和迷宫密封均显示为仅处于固定或往复运动件之一上。但这两者也可处于其中的另一个或两者上。各个部件通过张力紧固件3164和3165装配和紧固，优选选是预加载到压缩状态下。紧固件3164处于较冷的充料流空间中，并且为常规的设计，而紧固件3165邻近热部件3156和热废气空间，因此为管状设计。管的内部在位置“L”处与温度更低的空间、例如包含充料空气的空间连通，更冷气体经紧固件内部的循环用来将其温度保持在部件3156的温度之下。负载由负载分配件3166,3167,3168,3169(由虚线示出)沿部件3155和3156的边缘或末端分配。在一些选定实施例中，部件3166到3169具有额外的其它功能，包括可能的导向系统、轴承和/或密封件。它们也可用作燃料传输系统或摩擦系统部件，并且可额外地或替代地为热绝缘材料。关于摩擦、轴承和密封如本文其它处所公开的那样。这里，部件3168闭合了管状废气空间3160的一部分。图171显示了作为紧固件3165的一个替代方案的剖面图，其中空心张力件3170并未紧密地装配在部件3156内，而是通过绝缘和/或弹性内衬3171分隔开，绝缘和/或弹性内衬3171可以是任何适当的材料，包括陶瓷毛料。图170所示发动机具有四个相同的燃烧室。很明显也可构造使用部件3155和3156的其它发动机，包括具有两个燃烧室的发动机，并且如果空间3157和3160足够大的话，也可以是具有六个或更多燃烧室的发动机。作为备选，部件3155和3156例如可用于具有一对或多对燃烧室的其它发动机，其中在空间3160内设有热交换器，因此封壳3057具有较大的直径。当构造使用标准部件3155和3156的不同发动机时，其它部件如紧固件、封壳等对于各发动机设计来说也可以是不同的且特定的。图170和其它地方所示的燃烧室显示了在壁和头/冠之间的角度(图169中的θ)为110°到120°左右。实际上，室可以设计成具有任何角度的θ，包括90°。如后面公开的那样，辅助清理废气的丝状材料可以安装在任何方便的位置，并且作为示例由标号3160a示出。
图172、173和174显示了具有模块化结构的燃烧室的发动机的其它例子。所显示的方法与图170中的类似，虽然图172、173和174均显示了一个不同的发动机，然而燃烧室的大小和构造以及环形部件3155和3156的基本结构在所有四个发动机中是相似的。变化主要在于气流和负载来往传递于部件3155和3156的方式。由于图172和173显示了如何采用相同的燃烧室部件来装配两个明显不同的发动机，各幅图的细节A、B、C、D和E并排地给出以用于比较。垂直剖面一起显示在一幅图中，横剖面显示在下一幅图中，因此各幅图均被分成A、B两个部分，即图172A和173A，以及图172B和173B。燃烧室部件3155和3156以及紧固件3164的剖面在两个发动机中是相同的，但其长度未必相同。绝热件3127以及负载分配件3166和3168如图所示地布置在两个发动机中。在图172所示的发动机中，充料空气在管状空间3172内循环，经进入端口3173进入燃烧室，经排放端口3174离开而进入高温/高压废气循环空间3175。在图166所示的实施例中，废气进入涡轮增压器，并且低温/低压废气从此处流到中央空间3176。可选地，如下所述的丝状材料(由标号3176a示意性示出)可设置在一个或两个排放空间3175和3176中。部件3155通过隔环3177和隔板3178彼此间隔开并与负载分配件间隔开，其中隔环3177和隔板3178具有孔以容纳空间3175。部件3156通过隔环3179和入口端口环3180彼此间隔开并与负载分配件间隔开，其中隔环3179均具有一系列内部突起(可选地带有孔以允许气体的循环和均衡)，各个环均具有一个或多个孔以允许充料空气流过。管状充料空间3172被壳体3181封闭，它具有包含有循环流体的通道3182，用于冷却壳体并因而间接冷却充料。壳体3181形成封闭了空间3172的结构的一部分。图173的发动机具有与图172中相同的燃烧室部件3155和3156，并因而具有相同的冲程、相似的入口和排放端口打开，端口分别由标号3173和3174示出。然而，气体流动是不同的，充料流入中央空间3183，经通道3184和传送端口3185进入入口端口，之后经排放端口3174离开燃烧室而进入大致管状的废气处理空间3175。它与图172所示发动机的不同仅在于，用一系列八个更高的能够容纳空间3175的环形隔板3186代替了隔板3178，并且用更高的传送端口环3187代替了入口端口环3180。应注意到，间隔件3177和3179保持不变。由于气体流动不同，可以取消外壳体3181。在两个发动机中，在部件3156内或附近设有特殊空间3188，其与空间3174连通并因而也含有废气。如前所述，空间3188的目的是减少经部件3156的燃烧室热损耗。部件3155和3186的一部分是封闭了空间的结构的一部分。可选地，在空间3183的周边处设置了由虚线示出的绝缘件3183a，当空间B用作充料空气时其方式为图163所示的绝缘件。也可提供附加的外部结构，其可选地具有热绝缘特性，如虚线3127a所示。
在另一实施例中，活塞组件和/或气缸组件可通过主要为承载张力的管而固定在一起。可选地，管可以全部或部分地带有螺纹。作为示例，图174的发动机显示了采用管来装配/紧固/安装模块化燃烧室部件的备选方式。部件3189和3190类似于如前所述，如同容纳或允许废气通过的空间3188。这里，充料在管状空间3172内运动，经入口端口3173进入燃烧室；废气经排放端口3174离开到中央管状废气空间3191。外壳体3181包括了一部分封闭了空间3172的结构。作为使用传统的张力紧固件(如图172和173中的3164)的替代，该发动机通过穿孔管来装配。内管3192在其外表面上具有连续螺纹。负载分配环3193拧入到内管3192中，并且一旦处于最终位置就通过定位销或键3194将其固定住。环支撑了部件3189，部件3189由带有圆角的矩形套筒3195进一步限定，其插入到管3192的预成形孔中，并由销3196限定。废气从端口3174经过该套筒3195到达空间3191。类似的，部件3190由拧入到外管3198中的负载分配环3197支撑，并且一旦处于最终位置就通过定位销或键3194将其固定住。部件3190由拧入到外管3198中的预成形孔内的圆形套筒3199进一步固定，并由销3196限制。进入充料从空间3172经此套筒3199进入到入口端口3173。外管3198内的绝缘件3127阻止了空间3188中的废气的热损耗。外壳体3181限定了空间3172。在一个备选实施例中，仅在细节B和E处显示，壳体具有多个位于充料空气流中的突起3200，其由具有良好导热率的材料制成，以用于将热量从充料传送到壳体3181之外，可选地作为一种形式的后冷却。该装置在围绕壳体的流体处于低温下、例如处于水运工具应用的水下或处于飞行器应用中的高纬度下和/或充料例如由于预先压缩已经较热的情形下尤其有用。突起3200仅示意性示出；它们可以为任何构造，并以任何方式与壳体形成一体或与之相连。备选地，如果希望保持任何充料压缩所产生的热量，则壳体3181可构造成包括由标号3183a示意性示出的外部热绝缘材料，和/或它可以处于部件3181的内部，如虚线3183b示意性示出。废气从空间3191经内管3192中的孔3201到达与部件3189相关的空间3188，内管3192在剖面中具有变化的厚度，加强筋3202在排放套筒3195之间在管的内部垂直地或纵向地延伸。在各筋内设有两个毛细管3203，其为流体传送系统的一部分，其中一个为沿一个方向移动的所有室提供供给，而另一个为沿另一方向移动的所有室提供供给，它们通过负载分配环3193与燃烧室连通。这里，在各纵向筋中设置两个管3203，然而也可使用任何管和/或走廊的双子系统，经环3193和/或直接地为室提供供给。燃料供给不必在管内，而可以在空间3191中的燃料管线里，经连接器、接头等部件3192处。燃料传输在这里显示为与内管相关；但它也可同样地与外管3198相关。可以采用管/通道/燃料管线的类似系统来提供用于润滑或其它目的的流体到发动机内的任何所需位置。在图172和173中，紧固件与负载分配件3166到3169相连。这里，外环3197可与内环3197相同，或者它们可以与具有另一功能的部件3204形成一体，该部件例如为这里公开的轴承、气体密封、导向系统件。
为了防止部件3189,3190和相应的支撑环3193,3197之间的差动旋转，环的支撑表面可具有突起，和/或与凹部匹配的波动，或者燃烧室部件的相应支撑表面上的波动。示意性的图175显示了具有支撑表面波动的环的侧视图，而图176类似地显示了具有突起或凸台3203a的环的一部分，其也具有燃料传送管3203。如所述，活塞组件和气缸组件均由通过紧固件固定在一起的多个部件制成。如果部件为如所示的整体环型，该装置如下地装配起来，先是气缸部件，然后是活塞部件，然后是另一个气缸部件，等等，它们通过紧固件螺纹连接，各部件在被拧紧后由销或键定位。对于较大的装置如船用发动机来说，部件如果是陶瓷材料的话则不容易被制成单体。在这种情况下，环型部件可由多个部分制成。例如，对于平面图中的环型部件来说，它可由6个相同的块或段组成，各段形成60度弧，且可选地在两段之间具有垂直的、薄的可压缩垫和/或某些类型的粉末。对于图170到173所示装置来说，活塞组件和气缸组件均可具有12个螺栓，总共24个，每段有两个螺栓穿过。对于图174来说，管状紧固件的各螺纹的360度圈的起始和末端被5个其它螺纹隔开，总共6个平行的螺纹。这样，环型部件的6段均可用相同的方式来机加工。
随着发动机变大，将陶瓷的环型“环”如图170,172和173中的部件3155和3156以及图174中的部件3189和3190制成为单体件更加困难或成本更高。在一些备选实施例中，这种环型环可由以任何方便的方式装配起来的任意数量的段制成。在另一实施例中，紧固件从中穿过的空心陶瓷间隔件将相同的陶瓷部件或环形结构组件分开，这些组件可选地设置成彼此成镜象，例如如图172和504所示。作为示例，图503以平面图显示了类似于图172中的部件3156的环件11的一半，而图504是部件11的典型剖视图。它包括由用任何方便的材料(包括耐高温不锈钢合金和一些类型的碳复合材料等)制成的无端带13固定在一起的6个相同的陶瓷件或段12。在该剖视图中，显示了当具有圆柱面16a的工作室16处于最大膨胀下的往复运动部件15的虚线轮廓，其中往复运动中心由点划线CR标出。与部件11相同但成镜像设置的环的虚线轮廓由标号16示出，而间隔件17显示为处于用于废气的端口18中，废气处理空间19通过由虚线20表示的绝缘件部分地限定。可选地，充料气体处于区域21中，并且在进入工作室之前在标号22处与带表面连通。段12中的孔23容纳了紧固件24，其大小制成为允许充料空气在紧固件和孔表面之间循环。在点火后，部件12的对接面25被可选地机加工，件装配起来，带13以任何方便的方式围绕它们放置。可选地，当带13置于冷的装配段之上的位置时其处于非常高温下，这样当温度回到环境温度时，段膨胀，而带收缩并被很强地加载张力。可选地在装配后，表面16a和可选地表面16b被机加工。可选地，所装配的环11被热浸渍一段足以允许表面25熔合到一起的时间。在另一实施例中，采用键来将表面25彼此对准，如标号27示意性所示。可选地，在表面25之间放置细粒陶瓷粉末以辅助任何熔合，其源于在放入发动机之前和/或初始操作或运转期间的带压力和/或热浸渍。粉末可以是与段相同的材料，或者可以是不同的陶瓷或其它材料。在另一实施例中，表面25被精确焙烧和未经机加工是有用的，可将厚一点的陶瓷粉末涂层或粘性浆26置于表面之间，由于在放入发动机之前和/或初始操作或运转之前的带压力和/或热浸渍，浆会被干燥、硬化，和/或粉末被熔合到对接面上并与之彼此物理性连接。在一个备选实施例中，段表面16a和可选的表面16b在装配成环形部件11之前被机加工。在另一实施例中，这些段通过任何承载张力的周向装置保持在一起，该周向装置将各段相互朝向地向内压紧，包括具有以任意方式逐步拉紧或收紧的端部的带。在另一实施例中，在段熔合到一起之后除去承载张力的周向装置。
在前述实施例中，活塞/连杆组件显示为具有至少一个与动力传递部件相连的端部，该动力传递部件例如为止转棒轭、曲轴销或与曲轴相连的张力连接件。当活塞/连杆组件的陶瓷表面和气缸壁之间的间隙非常小以及连杆的动力传递端部处的公差或磨损率比较大时，动力传递端部处的变形可能会导致刚性的活塞/连杆组件足够程度地扭曲或失准，使得工作室表面之间的小间隙被桥接起来。在一些备选实施例中，活塞/连杆组件在其大致中心处以任何方式可枢轴转动地安装在动力传递部件上，以便允许活塞/连杆组件相对于动力传递部件的小范围的运动。在一些备选实施例中，活塞/连杆组件和/或气缸组件通过被夹在金属板之间而保持在装配状态下，金属板可选地为环形，并通过穿过板之间的可选地为金属的紧固件彼此连接。在另一实施例中，可选地为金属的任何类型的负载传递部件围绕往复运动组件的中心夹在陶瓷部件之间。在一个附加实施例中，采用接近往复运动组件的末端或将其紧固的紧固件的至少一块金属板来固定任何类型的负载传递部件。在另一实施例中，在燃烧式发动机的入口端口的附近设置了空气加热装置，用于辅助冷启动。在另一实施例中，气缸组件的最外陶瓷部件紧固或固定在于装配状态下保持住气缸组件的外侧金属板上。在另一实施例中，流体输送装置和/或电热塞安装成使其主要部分在气体进入工作室之前暴露在充料气体下。在另一实施例中，流体输送装置和/或电热塞由可选地为金属的板直接或间接地保持就位，可选地二者之一是用来将活塞/连杆组件或气缸组件保持在装配状态下的二者之一。在另一实施例中，紧固件从中穿过的空心陶瓷间隔件将环型构造的相同陶瓷部件或组件分隔开，该组件可选地设置成彼此成镜像，如图172和504中示例性所示。在另一实施例中，用于燃料和/或润滑的流体管线，和/或线或用于传输电气或电子电路或信号的其它元件如导线设置成使得循环的充料气体与其大部分截面在其大部分长度上形成接触。在另一实施例中，检测或测量装置的主要部分暴露在循环的充料气体下。在另一些实施例中，内燃机的热绝缘壳体具有可动面板或门，以提供到包括废气处理空间在内的发动机的任意部分的通路。在另一实施例中，用来限定工作空间的陶瓷或其它材料并不是用于限定大部分废气处理空间的材料。在另一实施例中，发动机的热绝缘壳体从剖面上来看基本上具有三个基本部分：1)由任何具有合理硬度和耐用性的材料制成的外壳体；2)处于外壳体之内的一个或多个热和/或振动和/或声绝缘的材料的层或部分，或者缺失一些材料例如部分真空；和3)处于绝缘材料和/或部分真空之内的任何适当材料但可选地为某类金属如钢的内部结构，发动机的一部分固定于其上，并用来保持发动机的各部分彼此间处于限定和不变的空间关系。在另一实施例中，采用广义为锥形、可选地为带穿孔或不连续的部件来将功往来传送于活塞/连杆组件。在另一实施例中，在充料气流空间和活塞/连杆组件的至少一部分之间设置了绝热件。在另一实施例中，在活塞连杆组件和传送功往来于活塞/连杆组件的部件之间设置了可选地如本文其它处公开的冲程放大装置。在另一实施例中，在发动机内的充料气流中设置了用于将往复运动转换成旋转运动的装置，其可选地部分或全部处于活塞/连杆组件内。
为了作为示例至少部分地阐述如上所述的一些实施例，图505显示了活塞/连杆组件，其包括设置在方向30上的往复运动的中点处彼此成镜像设置的两个“环”11，其中一个“固定的”气缸组件由虚线31示出，限定了具有共同排放端口34的两个环型工作空间32和33。可选地为陶瓷材料的部件由双剖面线表示，可选地为金属的部件由单剖面线表示，而那些可由包括陶瓷和/或金属在内的任意适当材料制成的部件由交叉剖面线示出。在装配好的环11之间设有任何构造和任何数量部分的球保持器35。图中示意性示出为单件，但也显然可以制成为在线36处邻接的两个部分。结构性负载传递件37扩大到球38作为其中心，球38由球保持器夹持，允许负载传递件的端部相对容易的非常小的侧向运动(其由标号38a放大地显示)。活塞/连杆组件由紧固件39保持在装配状态下，该紧固件支承在可选地为环形的端板40上，该端板将环11和球保持器35夹在一起。为清楚起见仅示出了一个紧固件，然而也可使用任何数量的紧固件，在所示实施例中5到8个是合理的数量。可选地，板由实心的和/或可压缩的内层或垫58与环11分隔开，内层或垫58可选地具有热绝缘特性以限制热量从环流向板。紧固件穿过环11中的大型孔41，使得充料气体在紧固件周围循环，能够经过与环的内部连通的通道42，充料气体可经球保持器35中孔或通道45而可选地沿方向60流过环的内部，或从充料空气保持空间44经一个或多个通道43流过环的内部。如图中的下部所示，环11可选地具有任何类型的分隔内层；如果是可压缩的话，它可以是任何材料，包括陶瓷垫；如果是刚性的话，它可以是任何类型的衬垫，或者它可选地为粉末、浆料或如上所述的可以彼此熔合和/或熔合到环上的其它材料。如“B”处所示，球保持器35可安装在任何类型的可压缩材料或衬垫47上，这里显示为在三侧上但也可选地在任何数量的侧上，球由任何类型的中间可压缩材料或衬垫48保持。同样如“B”处所示，电热塞49由板40保持就位，并由弹性或卷绕电线50来提供动力，还显示了用于冷启动的空气加热器51，其类似地由电线50来供能。可选地，在球保持器35和球38之间可以提供任何类型的润滑，包括诸如石墨的材料。在“A”处显示了这样的实施例，其中弹性的或卷绕的线52经通道52供给润滑流体给球接头；流体传送装置如喷射器将流体释放到初始燃烧区59，其由板40保持住，并经至少一个弹性的或卷绕的线55来供给；和用于冷启动的气体加热装置56，其安装在板上或气缸组件的其它部件上，并且在至少部分工作循环期间至少部分地伸入到环内空间。尽管气缸组件是固定的，电力供应源57象征性地显示为绕圈，以表示电连接器或电线57，可选地也可以是电连接器或电线50，它们在所有时间都安装在一个或多个充料气体进行循环的空间内，并且决不会流经发动机的较热部分。在一个相似的实施例中，流体供给管线55和/或52在所有时间都安装在一个或多个充料气体进行循环的空间内，并且决不会流经发动机的较热部分。在一个备选实施例中，球接头设计成具有足够的运动范围，以允许结构件37的至少一个端部与曲轴相连。在另一实施例中，结构件37的各端部与两个曲轴之一相连，可选地机械式连接，使得沿着活塞/连杆组件的中心测量的话曲轴销总是彼此间大致成180度。在这种构造中，活塞/连杆组件上的侧面负载大致平衡，活塞/连杆组件和气缸组件之间的气体支承中的间隙被打破的可能性很小。在另一实施例中，当件37的各端与彼此机械连接的两个曲轴之一连通时，可以曲轴之间的连结中的任何地方(包括至少在件37的端部和任何曲轴销之间的连接中，或者在件37上的大致中心处的枢轴转动点处)设置弹性或“拉伸”轴承或其它装置，以代替图505中所示的球接头。任何类型的弹性或“拉伸”轴承或其它装置(包括例如这里、如图55-60和图94-96公开的)可被包括或适于放置在图中所示的球接头的位置，或者曲轴销之间的完整连结中的任何其它地方。在上述实施例中，通过采用加热线圈或其它装置来在充料空气进入工作室前对其加热、以及作为附加或替代而使用电热塞来实现冷启动。在一些备选实施例中，冷启动通过这样的时间段来辅助，其中整个发动机的处于壳体内的至少一部分和可选地任何其它组件在发动机启动前通过任何方式来逐渐加热，该过程可最佳地描述为预启动热浸渍。热浸渍可以任何方式来实现，包括以任何方式(包括加热线圈)加热壳体内的流体，和/或通过与电路50相连的安装在其上或“内置”的加热元件(如由虚线51a示意性示出)来加热实心的“固定的”或往复运动部件。
图506和507示意性显示了上述实施例的其它一些例子；它们均仅显示了往复运动中心CR的一侧的布局。可选地为陶瓷材料的部件由双剖面线表示，可选地为金属的部件由单剖面线表示，而那些可由包括陶瓷和/或金属在内的任意适当材料制成的部件由交叉剖面线示出。它们显示了处于往复运动中心处的包括彼此成镜像设置的两个“环”11的活塞/连杆组件，往复运动沿方向30在“固定的”气缸组件内进行，该气缸组件包括另外两个彼此成镜像设置的“环”31，限定了两个具有与废气处理空间61连通的共同排放端口34的环型工作空间32和33，它们由热绝缘材料62部分地封闭，可选地尤其是针对废气处理空间封闭。一部分发动机壳体显示在图的上部，该壳体包括任何适当的刚性材料的外皮63、任何适当材料的绝热件64的内层，以及任何适当材料但可选地为某类金属如钢或铝的内部结构65。参见图506，活塞连杆组件大致如图505所示，相似的部件具有相同的标号。活塞/连杆组件环11具有轴线96的紧固件(未示出)、板40和可选的内层或衬垫保持在装配状态下。在装配时在环11之间设有法兰式带孔锥体66，它终止于与止转棒轭板或任何类型的元件68相连的任何方便的轴承67处，可选地具有用于充料气体循环的孔68a，元件68具有细长槽135，它与曲轴上的沿路径70运动的至少一个曲轴销69连通。锥体具有孔73，允许充料气体沿方向60流入、出于充料气体空间42。在另一实施例中，第二锥体68a与第二止转棒轭相连。曲轴轴承(未示出)支撑在由虚线72示意性示出的紧固在板71上的结构上，该板71可选地具有作为气缸组件的一部分的内层或衬垫58。在其它实施例中，可以使用任何类型的包括这里公开的止转棒轭，部件68可以是任何类型的单板、双板或劈分板，或具有细长槽的任何结构。在另一实施例中省略了轴承67，锥体部件66与板部件68集成在一起。在另一实施例中设有两个锥体部件和两个止转棒轭型部件，它们中之一连接到位于往复运动中心CP两侧的曲轴上。在一个备选实施例中，部件68不是锥形的，而具有任何方便的形状，包括平的、圆顶的、金字塔形的等。在另一实施例中，一个或多个部件68由以任何方式加载的具有“大端”和“小端”轴承的一个或多个连接件代替。如果有两个连接件和两个曲轴且它们同步旋转，那么至少一个轴承是弹性的或可变类型的，可选地如这里所公开的那样。气缸组件包括两个设置成彼此成镜像的环31，它们由处于两个工作室共同的一个或多个排放端口34内的空心间隔件74分开，可由任何材料但可选地为金属制成的板71处于各环的外侧，所有这些通过一个或多个紧固件保持在装配状态下，各紧固件包括具有部分螺纹的空心金属管75、垫片76和螺母77。另一紧固件的轴线由标号96a示出。该紧固件穿过环31和间隔件74中的大型孔，紧固件中的孔78允许充料气体从空间44中循环到紧固件和孔之间的空间中，如箭头79所示。可选地在紧固件的端部螺纹连接了导罩80。在其它实施例中，图中所示的所有或部分紧固件设置适用于活塞/连杆组件中的紧固件。通向废气空间的绝缘件62与板71和结构65邻接，结构65在这里出于任何原因、包括节省重量而带有穿孔或者是不连续的。可选地，在壳体组件内的任何适当位置、包括在结构65的不连续之处提供了一个或多个局部真空，作为示例由标号81示出。板71连接到带槽托架或法兰91，其通过垫片92、螺杆93和螺母94连接到结构65上。可选地提供了加强法兰95。该剖面是通过环31的无紧固件的下部截取的；用于一个紧固件(由点划线96示出)在侧视图中用标号82示出。一个或多个流体传送组件54由板71保持住，并从走廊83中供给流体，走廊83可选地具有传热翅片84，并且可选地为环面或环形。通过改变走廊的体积和翅片的布置，就可以调节燃料相对于充气的温度。一曲线形的电热塞(由虚线49示出)插入到曲线孔中并由板40保持住，并且通过弹性的或卷绕的电线50来提供能量。
图507显示了布置在活塞/连杆组件的中心的冲程放大器，其可选地与上述中的类似。由任何材料、可选地为金属的金字塔形结构包括四根支柱85，其在一端与圆形环86相连而在另一端与任何适当的包括如这里公开的轴承87相连，该结构允许充气在支柱85之间循环往来于充料气体空间42，如箭头60所示。轴承与任何类型的结构件89相连，该结构件89又与任何类型的往复运动机构、包括任何类型的电动机/发电机相连。法兰86安装在环11中的由任何适当材料、包括金属制成的弹簧96的组之间的凹陷或凹部处。可选地，弹簧96基于环形板88。可选地具有内层或衬垫58的板40通过紧固件(这里未示出)将活塞/连杆组件保持在一起，紧固件可选地如本文中其它地方所述。可选地，在气缸或活塞/连杆组件中的任何特定连接处无内层或衬垫，其方式例如为这里用于气缸组件所示的，其中板71与环31直接接触。曲形的流体传送组件54安装在环11中的同样曲形的孔54中，通过板40固定就位，并经弹性的或盘绕的流体管线55而被提供流体。设置97示意性显示了曲形的喷射器或电热塞98如何通过底部的压配合安装在大型孔99内和准确定位了气缸盖的板40中的凹陷内。可选地，充料气体以任何便利的方式、包括一个或多个板40中的孔和/或设置一个或多个漏斗状部分或导罩80(可选地类似于图506所示)被促动而在喷射器或电热塞和孔壁之间的空间内循环。在该实施例中，环31并不彼此连接，为周向排放端口34不受阻碍提供了机会。相反，各环通过一个或多个弯曲紧固件100与板71相连，各紧固件安装在环31中的特形凹槽105中。板71以任何便利的方式、可选地为焊接101紧固在结构或框架65上。可选地提供了加固法兰95。废气处理空间61具有盖口或门103，其材料类似于壳体的外皮63，由具有轴线102的紧固件连接，用于丝状或任何其它材料104的去除或替换或整修，和/或用于替换废气空间绝缘件62。在一些备选实施例中，板40和71不是单个的完整环形板，而是一系列板和/或其它部分。
图508和509示意性显示了上述实施例的其它一些例子；它们均仅显示了往复运动中心CR的一侧上的布局。可选地为陶瓷材料的部件由双剖面线表示，可选地为金属的部件由单剖面线表示，而那些可由包括陶瓷和/或金属在内的任意适当材料制成的部件由交叉剖面线示出。图508显示了位于往复运动中心处的活塞/连杆组件，包括两个设置成彼此成镜像的“环”11，沿方向30在“固定的”气缸组件内往复运动，该“固定的”气缸组件包括另外两个“环”31，它们设置成彼此成镜像，限定了两个环形工作空间32和33，它们具有与废气处理空间61连通的共同排放端口34，并且至少部分地衬有绝热材料62。气缸组件通过两个板71和具有轴线96的紧固件保持在一起，各紧固件包括螺栓108、垫片76和螺母77，螺栓位于环31和间隔件74中的大型孔109中，其设置如“A”所示。可选地，在环31中提供了与螺栓108和孔109的壁之间的空间109连通以及与安装在板71上的连接柱111连通的通道110。软管或管线110a提供任何流体、包括充料气体和/或液态冷却剂，并使之在空间109内循环。可选地在朝向孔的另一端设置类似的通道、连接柱和软管或管线，使得流体可被引导成主要沿一个方向流经孔。在备选实施例中只有一个与孔连通的通道，流体可选地被施加脉冲以形成正压力波和负压力波，导致流体在孔中运动。在另一实施例中，提供了从孔109的另一端部延伸穿过整个组件又回到盖71处并终止于第二连接柱111和流体返回管线或软管112a处的第二通道112，以允许流体大体上穿过孔109单向地流动。这种流体流动在这里提供用于冷却紧固件中，但可选地提供用于任何原因。
在一些备选实施例中，这里公开的活塞/连杆和气缸组件不具备作为主要部件的如这里大致公开的设置成彼此成镜像的成对环，而是具有以任何方式设置的任何构造的任何数量的主要部件。在这里公开的所有发动机的实施例中，与一个或多个工作空间接触的活塞/连杆组件的所有部分制成为单件式的。在其它实施例中，可采用上述设置“A”的宽广原理来提供循环流体流给本文全篇中所公开的任何发动机的任何部件，出于任何原因、包括冷却和/或润滑。例如，在图508中显示了压力测量装置113连接到带孔管114上，它们均安装在环31的大型孔115中。孔和管内的空间经板71中的开口与连接环111和流体供应管线或软管110a连通，后者如上所述地提供脉冲流体。包括环11的活塞/连杆组件通过一系列带子116保持在装配状态下，带子116在其各端部终止于保持了螺栓118的盖处，螺栓118拧紧在环形的负载分配板119上。如前所述，可选地在板119和环11之间提供了内层或衬垫。带子穿过夹在环11的凹陷之间的负载传递板121中的大型孔120，该孔允许往来于充料气体空间42的充料气体循环，如箭头60所示。负载传递板具有加强结构129，其上安装了任何类型的装置(这里由交叉十字122标出)，用于形成到张力连接件123的夹紧连接，该张力连接件123在此处为缆，其经过一个或多个滑轮124，然后经过限定了路径70的曲轴销轴承125，经过弹簧126和轴环127，终止于任何类型的扩大部分如旋钮128，其中轴环、弹簧或轴承无法从中穿过。曲轴销安装在曲轴(未示出)上，曲轴又安装在支撑结构(由虚线72示出)上或内，支撑结构72通过任何方式与板71刚性连接。带子116设置成较开以便不会污损支撑结构72。在另一实施例中，张力连接件123穿过整个活塞/连杆组件(如虚线130所示)连接到第二曲轴。在另一实施例中，任何类型的偏心驱动轴(由点划线131示出)穿过活塞/连杆组件以用于任何目的，包括驱动另一机构或将两个曲轴机械性相连。图509显示了处于往复运动中点处的活塞/连杆组件，其包括一个“环”106(形式大致是如前面图中所示的两个设置成彼此成镜像的“环”11的组合)，其沿方向30在“固定的”气缸组件内往复运动，该“固定的”气缸组件包括另外两个设置成彼此成镜像以限定两个环形工作空间32和33的“环”31，两个空间具有与废气处理空间61连通的共同排放端口34。在一个备选实施例中，环106可被分成任何数量的任何构造的部件。气缸组件包括两个设置成彼此成镜像的“环”31，它们通过紧固件和支承在内层或衬垫58上的板71保持在装配状态下。在处于环面106上的任何适当材料的内层或衬垫58上设置了两个由任何适当材料、包括金属制成的负载传递碗132，它们通过包括螺栓108、垫片76和螺母77在内的任何类型的紧固件连接在一起，其方式使得不会与安装在环内表面106上的绝热件107接触。在碗132的底部设有孔120，用于允许充料气体循环往来于充料气体空间42，如箭头60所示。至少一个碗具有任何类型的负载传递结构，包括这里所示的板133，其可选地带有孔134，并且包括具有狭长槽135的止转棒轭，狭长槽135驱动安装在曲轴(未示出)上的具有路径70的曲轴销69，曲轴又安装在固定地连接于板71上的结构(由虚线72示出)上或内。可选地可以采用任何类型的止转棒轭，包括如这里所述的。在另一实施例中，另一个碗132也具有类似的结构，包括可驱动第二曲轴的止转棒轭。在另一实施例中，由点划线131示出的任何类型的驱动轴穿过活塞/连杆组件以用于任何目的，包括驱动另一机构或将两个曲轴机械性相连。这种驱动轴处于任何方便的位置，包括处于活塞/连杆组件的中心，如果至少一部分负载传递结构133是偏心的话。弹性或盘绕或折叠的电气和/或电子电路50与充料气体温度和压力测量仪136进行通信，并与加热线圈137进行通信，以用于正好在开启而使充料气体进入入口端口之前加热充料气体，测量仪和加热线圈均安装在碗132上。可选地，加热线圈正好在入口端口打开之前接通，而正好在入口端口关闭之前切断。在一些备选实施例中，曲轴支撑结构并非如上所述地直接地固定连接在气缸组件上，而是连接到发动机壳体的结构部分上。
在一个重要实施例中，活塞/组件在气缸组件内往复运动，位于活塞/连杆组件内的用于充料气体的通道足够大，以容纳任何类型机构的主要部分，包括电动机和/或发电机、曲轴、止转棒轭组件、到曲轴或止转棒轭组件的连接件、任何类型的齿轮箱或变速器、泵、压缩机、废气处理空间、斯特林发动机、蒸气发动机和/或任何类型的涡轮机。如前所述，对于环型工作室来说，可以显著地增大扫气空间而不增大冲程或以其它方式改变经过环体的室剖面，这可通过将内径和外径增大相等的量来简单地实现。这将几乎肯定涉及到围绕着环体在间隔开的地方设置多个流体传送装置，然而这比增大气缸数量以实现所需容量更简单和成本更低。流体传送不是个太大的问题，因为可以使用环型流体传送通道，类似于图506中以标号63所示，从中多个分支通向多个流体传送装置。相对预定冲程来说半径能够增大多少没有太多理论上的限制。如果比例太大，通过很短冲程的连接来传递大量的动力可能会有困难。每单位动力的往复运动质量比应当随着直径的增大而逐步减小，因此对于给定冲程来说，较大环型发动机应当至少与较小环型发动机一样快地往复运动。如果希望的话，较大发动机可构造成单气缸/双工作室的形式，其能够比目前传统的大发动机、例如在水运工具推进中使用的那些发动机运转得快得多。可将这些大的单气缸环型发动机考虑为“薄饼式”发动机。作为示例，图510非常示意性地显示了“薄饼式”发动机的一个实施例的整体布局，其中“固定的”部分由平行剖面线显示，往复运动部分由单剖面线显示。往复运动中心CR处显示的活塞/连杆组件2沿方向11在气缸组件1内运动，往复运动的末端由虚线10显示。双环型燃烧室6占据了带“A”，双环型充料气体燃烧室7占据了带“B”，双环型废气压缩室8占据了带“C”，周向废气处理空间由标号9显示。充料气体如箭头12所示地循环通过活塞/连杆组件2的内部，其中容纳了任何类型的机械或装置，其由带对角线的矩形5示出，并连接在由虚线4示出的结构上，该结构可选地沿图506和508中的线安装于气缸组件上。在另一实施例中，图511非常示意性地显示了“薄饼式”发动机的一个实施例的整体布局，其中“固定的”部分由平行剖面线显示，往复运动部分由单剖面线显示。发动机CRE的往复运动中心处显示的活塞/连杆组件2沿方向11在气缸组件1内运动，往复运动的末端由虚线10显示。双环型燃烧室6占据了带“A”，周向废气处理空间由标号9显示。充料气体如箭头12所示地循环通过活塞/连杆组件2的内部。两个旋转电动机/发电机由实心矩形13示意性示出，其固定在支撑结构4上。如果如点划线14示意性示出的使用一个的话，且如果它的轴线平行于往复运动轴线11，那么它的直径将大得使其速度受到在其旋转部件中引发的向心力的限制，因此相反的是使用两个更快更小的电动机/发电机，它们围绕平行轴线11的轴线旋转。这里，发动机在平行于水平的方向上具有最长的尺寸。尤其是，如果在方向11上往复运动的活塞/连杆组件与线性电动机/发电机机械性连接，往复运动部件的总质量就足够大，使得因为重力吸引G而在一个工作室中需要比在另一个工作室中更多的功。在本文的其它地方公开了如何通过使一个室的扫气空间比另一个室的更大来平衡重力。在这里公开的任何发动机的备选实施例中，在往复运动部件和“固定的”部件之间采用了任何类型的弹簧、包括气体弹簧和机械弹簧，以便反平衡重力，可选地在发动机不操作和停机时将往复运动部件偏压到往复运动中心CR。在图511中，箭头15显示多个机械弹簧中的两个，它们将活塞/组件的中心与支撑结构4相连。在另一实施例中，机器13具有往复运动和/或旋转轴线，它们定位在任何角度和/或任何方便的方向，包括平行和/或垂直于CRE。例如，CR1显示了平行于左机器13的轴线，CR2显示了平行于右机器13的轴线，它们均向页面内延伸。
在另一实施例中，线性或往复运动电动机和/或发电机的一个主要部件由任何类型的弹簧支撑成离开活塞/连杆组件，使得其冲程被放大。在另一实施例中，电动机和/或发电机的主要移动部件的绕组导致功被传递到两个或多个定子之间。在另一实施例中，多个定子中的至少一个也可例如沿图502中所公开的线运动。在另一实施例中，电动机和/或发电机的两个主要部件的运动部件由任何类型的弹簧、包括气体弹簧和机械弹簧支撑，使得运动部件上的重力被有效地减小和/或至少部分地被反平衡。作为示例，图512示意性显示了另一种“薄饼式”发动机的一部分的整体布局，其中“固定的”部分由双剖面线表示而往复运动部分由单剖面线显示。显示于往复运动中心CR处的活塞/连杆组件2可在气缸组件1内沿方向11运动5个尺寸单位，往复运动的末端由虚线10示出，从而限定了具有共同排放端口16的双环型燃烧室6。充料气体如箭头16所示地循环经过活塞/连杆组件2的内部。固定在气缸组件1上的结构4支撑了线性电动机/发电机的可选地具有冷却翅片18的定子部分17，其中可选地具有冷却翅片18的往复运动部分19可沿方向23运动15个尺寸单位。往复运动部分19由箭头20所示的中心弹簧以及箭头21和22所示的侧面弹簧支撑，连接点由小圆圈表示。弹簧相对于室6产生的功平衡，使得往复运动部件可运动到末端位置24。如上半图所示，可选地，任何类型的气体、包括充料气体在压力下经供应管线25提供给往复运动部件19和/或定子17中的通道26，从而提供气体轴承和/或用作冷却剂。如下半图所示，可选地任何类型的流体、包括液体或充料气体在压力下经供应管线27和回流管线28提供给往复运动部件19和/或定子17中的通道29，从而用作冷却剂。弹簧可被调节或调整以补偿运动部件上的重力G。例如，如果G沿着方向GA，那么上半图中的弹簧将比下半图中的弹簧更硬。如果发动机转过90度而G沿着方向GB，那么弹簧21将比弹簧22更硬，弹簧20很可能省略掉。在另一实施例中，在任何发动机、包括本公开中的那些发动机中，往复运动部件或旋转部件上的重力由任何类型的弹簧包括气体弹簧和机械弹簧来补偿或平衡。例如，虚线箭头30所示的弹簧如图所示地定位，如果G沿方向GA的话那些上半部的弹簧要更硬些。在另一实施例中，在冲程放大由任何类型的弹簧来实现的发动机中，任何运动部件的重力均至少部分地由弹簧来补偿。图512中由箭头所示的弹簧可以是任何类型，可选地为盘绕金属弹簧。
在另一些实施例中，在任何发动机、包括这里公开的发动机的适当之处，采用活塞/连杆组件内部的主要部分通过任何便利的方式来将往复运动转换成旋转运动，包括使用曲轴和连接件，连接件例包括如止转棒轭。在其它一些实施例中，将往复运动转换成旋转运动的机构与大致位于活塞/连杆组件内的任何类型的旋转机器直接或间接相连，这种机器包括变速器、差速器、电动机和/或发电机、压缩机、泵、涡轮机或任何其它装置。作为示例，图513示意性显示了另一种“薄饼式”发动机的一部分的整体布局，其中“固定的”部分由双剖面线表示而往复运动部分由单剖面线显示。显示于往复运动中心CR处的具有绝热件31的活塞/连杆组件2可在气缸组件1内沿方向11运动，往复运动的末端由虚线10示出，从而限定了具有共同排放端口16的双环型燃烧室6。充料气体如箭头12所示地循环经过活塞/连杆组件2的内部。一前一后的两个结构框架4固定在气缸组件1上，支撑了具有轴线33的带齿的反向旋转曲轴32，该曲轴具有与狭长槽135连通的曲轴销69，其设置类似于图119和120。在实践中，框架可包括在发动机装配后好彼此连接的零件，框架件可在最终框架装配之前穿过活塞的内部。槽69处于定心在碗35内的板34中，碗35经负载支承环形板36和紧固件37连接到活塞/连杆组件上。在右侧，轴39上的锥齿轮38驱动任何旋转机器，包括以交叉线矩形40示出的电动机和/或发电机。在左侧，锥齿轮38驱动与任何其它机器(未示出)相接合的轴41。在另一实施例中，图119和120中的特征被调整以使轴39和41在不同的转速下旋转。在另一实施例中没有设置曲轴，相反，板34与轴39直接连接，轴39是往复运动机器例如泵或压缩机的一部分。在其它实施例中，发动机是复合式机器如电动机和/发电机组或例如泵组中的模块，发动机可大约在空间40内安装其它的辅助机械装置，例如发电机或泵或压缩机，且可选地具有不同构造的可互换框架。在这种情况下，发动机以及可选地其壳体可以制造成能实质性地在多种复合式机器中使用。
在另一实施例中，流体冷却分别提供给单独的燃料传输装置，例如喷射器或加热装置如电热塞。作为示例，图522示意性显示了发动机51的一部分，其由板53和衬垫54保持住，限定了工作室52，其中流体传送装置55沿上述线与其自身衬垫58安装成，流体供应管线56连接到工作室51中。流体传送由标号57显示。装置由一整体壳件59所包围，壳件59限定了一个被隔板60分成相连的同心内空间61和外空间62的空间，隔板60从壳件61的顶部延伸到底部附近。与壳件61的顶部相连的管62穿过板 53，并且与冷却流体管线入口63和冷却流体管线出口64相连，使得由虚线示出的低温冷却流体能够向下流过空间61的内部，到达隔板60的底部，此时更热一些的流体向上穿过空间62的外部。在至少一些发动机的工作模式期间，冷却流体以如上所述的流动方式被泵送通过空间。可选地，冷却翅片65设置在壳体59或设置在装置55上的任意位置，和/或可选地在壳体59和发动机部分51之间提供热绝缘、隔声和/或减振的可压缩材料66。可选地，冷却流体是充料空气，使得传给它的热量没被浪费而是被发动机使用。在另一实施例中，容纳本发明发动机的壳体包括至少两个基本元件，包括与容纳本发明的内部分隔开的外部，使得内部能够相对于外部显著地独立运动，因而这种多部分壳体的构造可用作减振功能。作为示例，图523示意性显示了这种壳体的两种形式，在中心线CL的两侧各有一个。这两种都具有由具有一定刚性的材料制成的外皮71、用于流体管线76的弹性的和/或柔性的桥接件、气体流体78、电路79和框架或结构75，其支撑了本发明的发动机和任何辅助机器(所有均由对角线80示意性示出)。结构75相对于外皮71的运动范围由虚线81示意性示出。在左侧，外皮可选地不是整体的，而具有可去除部分或盖件72，其通过具有轴线73的紧固件连接在外皮71上。在外皮/盖件和结构为任何可压缩的材料82，可选地为纤维或羊毛状构造，其可选地还用作绝热和/或阻声。可选地，结构75具有孔77以节省重量。在右侧，在外皮71内施加了可选的热和/或声绝缘件85，其与结构75之间空间为局部真空，还带有任何类型的弹簧(可选地为这里示出的金属螺旋弹簧84)用于将结构75连接到外皮71上。可选地，负载分配或固定板置于弹簧的端部，如虚线86所示。在另一实施例中，本发明的发动机是密封的一次性使用的单元，其不可维修，而是在使用寿命截止时被抛弃，和/或被返回给制造商以进行回收和/或翻修。上面两个图中没有任何一个特征显示为彼此间具有任何特定的比例。在其它实施例中，发动机是复合式机器如电动机和/发电机组或例如泵组的模块，发动机可大约在图511所示的空间40内安装备选的辅助机械装置，例如发电机或泵或压缩机，且可选地具有不同构造的可互换框架。在这种情况下，发动机以及可选地其壳体可以制造成能在多种复合式机器中大致使用，各复合式机器在其内具有可互换的辅助机器。在另一实施例中，包括热绝缘材料的壳体在其内封装了本发明的发动机以及额外的如这里所公开的任何一个或多个其它往复运动和/或旋转机器。在另一实施例中，辅助机器的轴线可处于任何方便的角度，和/或具有相对于本发明发动机和/或壳体而言方便的定位，如图511中示例性示出。
在另一些实施例中，其中紧固件在本公开的任何实施例中显示为带有垫片和螺母的传统螺栓或螺柱，可以使用任何其它合适的任何类型的紧固方法。在本公开中，工作空间显示为圆形的、圆柱形的或环形的形式。在一些备选实施例中，工作空间可以是任何形式，包括椭圆形、椭环形、矩形或不规则形状。在本公开中，设置成彼此成镜像的相同部件指的是基本上相同，不包括一些微小差异如流体通道、微小的尺寸差异、插入件或将用来作连接用途的孔。在另一实施例中，任何这里公开的发动机可以任何方式适用于反向流体流动，使得充料气体经空间进入到气缸组件而废气经活塞/连杆组件的内部离开。在另一实施例中，任何这里披露的发动机设置、包括在图503到513和图522到537中所示的均可适用于具有如图1到425、图462到501和图514到521所示的发动机发动机和具有这种发动机的交通工具。
图172、173和174中的发动机均显示了圆形剖面的张力紧固件，它们设置成平行于往复运动轴线。紧固件可具有任何合适的剖面，包括带子或薄片的剖面，其设置成与往复运动轴线成任何角度。图177非常示意性地显示了带状紧固件3209的系统，其设置成与往复运动轴线成一定角度和恒定的半径。在大多数应用中会设置有第二个相应的紧固件系统，其或者沿相反方向成角度地设置，或者平行于旋转轴线(未示出)。在具有例如用于冷却流体的内部通道3210的圆柱形壳体或外壳中，这些通道也可主要沿对角线延伸，如非常示意性的图178中所示，并由图172中的部分3181中的部分3182所表示。类似的，在结构性地使用管、如图174中的3192,3198所示的情况下，这种管中的任何开口或通道可以为任何形状和/或方向，包括对角线方向。在如图177所示的沿曲线延伸的带子中或者对于薄壁管或主尺寸不平行于往复运动轴线的带有切口的管来说，这种带子和/或管将很可能不得不被限制。通常来说，限制的最实用形式是位于其中的环型燃烧室部件。在用作这种限制时，燃烧室部件将加载成径向向内地的大致垂直于往复运动轴线的压缩。因此，设置带子或薄壁或上述其它管可用作设计工具，以在燃烧室部件中分配或产生所需的负载。流体传送通道显示为彼此相同并沿一系列直线延伸。它们不必是相等的或线性的。在由共同的流体传送储槽或走廊供给的若干流体传送点的情况下，可能希望有相等的传送路径长度，尽管传送点与储槽或走廊的间隔不等。在这种情况下可以考虑图179的设置，其中标号3205为流体传送点，3206为相等长度的通道，3207为全部设置在管3208内的走廊。图163到174中的模块化工作室或燃烧室布局设计成用于其中部件组件3004仅作往复运动或者既往复运动也旋转的发动机。这样，连接在结构件(例如紧固件、管)上的部件如3166到3169、3204的功能可以改变，其可连接到导向系统或一些类型的曲轴上。燃烧室假定具有规则的环型构造，但该概念也可同样地应用于正弦形环型燃烧室(如图138到144所公开的那样)，如果希望部件3004作复合运动的话。同样的，部件3004和3007的角色可颠倒，其中部件3004是固定的，而部件3007相对于部件3004往复运动或者往复运动和旋转。在所有合适的情况下，部件3007可安装成在任何壳体或外壳内旋转。图170到174中显示的所有部件可用任何适当材料构成。通常来说，优选的是燃烧室部件3155,3156,3189,3190用陶瓷材料制成，而紧固件或结构件3164,3165,3192,3198用金属材料制成。部件3180(入口端口环)和3187(传送端口环)可用陶瓷或金属(以及其它材料)适当地构造。其它间隔部件可以为任何适当的材料。为了简化，部件显示为彼此邻接。实际上可以使用任何类型的适当内层或材料，包括垫片、陶瓷毛料。由于比例将会很小，在图170到174中没有显示内层，而是作为示例在图170中的部件3155的上方对之间设置了双衬垫3155a。在选定实施例中，部件在装配前例如通过静电沉积涂覆有粉末，其在最终装配之后保持为部件之间的非常薄的间隔件。粉末的组分选择成例如可使其与具有增大发动机用途的其它部件较慢地接合，并且暴露在加热和冷却下。备选地，在装配后和使用前，整个内燃机、压缩机或泵可被热浸渍一段时间，以允许粉末与相邻表面粘合。在另一些实施例中，在图1,13,16和20示意性公开的所有或部分燃料供给系统以及对发动机工作参数的至少局部电子控制可适用于图163到166和图170到174所示的任何发动机。
至此在本公开中，各种形式的废气处理空间显示为处于发动机或发动机壳体的内部。比如包括图163中的圆柱空间B和图166中的空间(其基本形式如图180所概括)、图164和166中的管状空间B和图20中的空间1008和图21中的空间1290(其基本形式如图181所概括)，和类似于图97中的空间1310的半矩形空间(其基本形式如图182所概括)。这些半矩形形式通常与矩形外壳或壳体的发动机相关联，其限定了部分废气处理空间。在一些应用中，也称为反应器的废气处理空间可处于发动机或发动机壳体外，其方式与排气歧管目前连接到发动机本体或气缸盖上的方式几乎一样。在下文中的废气处理的公开中，所示的许多例子将显示外置反应器，然而这里公开的特征和原理也可于发动机内的反应器或空间中。
众所周知，清洁废气技术(与减少燃烧点处污染物形成的技术相反)聚焦于加速通常在废气中以低速持续的化学反应的技术，这种化学反应的加速通过两种基本手段的一些组合来实现，即：(1)提供催化剂和(2)在加热和/或加压下促进反应。内燃机产生大量的热，其大部分含在离开燃烧室的废气中。使用该热量来清洁废气的最佳方式是将废气处理空间或者反应器设置在发动机内，或者尽可能接近发动机。通常来说，发动机废气处理和清洁空间的工作温度越高，所需化学反应就会越快发生。在这种空间处于发动机本身之外的情况下，它们越靠近排放端口就越热。空间越大，气体存在于其中的时间就越长，所需化学反应就会更完全地发生。在许多发动机设计中，最接近端口的空间是排气歧管，在本发明中其适用作废气排放反应器。这种适用可包括扩大其空间和/或在歧管内结合有特殊的材料、产品或装置以加快化学反应。歧管可通过下述方式来改造：加大空间、或许改变典型共用管的剖面形式，以及保持住与歧管相连并用螺栓安装在典型发动机本体上的短柱。为了保证符合目前严厉的废气排放控制法令，反应器的出口可选地在至少部分冷启动期间全部或部分地关闭。在下文中关于废气处理的公开中，所示的许多例子和特征是关于外置反应器的，然而这里公开的这些特征和原理也可于发动机内的反应器或废气处理空间中。本发明的废气处理空间或反应器在本公开中作为示例显示为具有多种构造，它们用不同的方式组装和安装。这些空间或反应器可具有任何适当的构造、组装方法和安装方法，包括那些在本公开中未显示或介绍的。
目前，内燃机排气歧管周围的以及排气歧管和发动机本体之间的很多空间仍未被使用。为了在发动机组件的给定空间内得到最大的反应空间，并且使反应空间尽可能地热，废气排放反应器安装在发动机上，并且排放端口直接排放到反应空间中。在图183到185中作为示例显示了一个实施例，其中反应器组件包括由包括金属在内的任何方便材料制成的外壳、由可选地具有显著热绝缘特性的固体陶瓷材料制成的形状与外壳10的内表面大致相配的内室11，以及设置在内室11和外壳10之间的可一定程度压缩的一层材料12。可压缩的和/或纤维材料可选地具有热绝缘性能。在一个备选实施例中，可选地陶瓷内室的材料选择用于结构强度而不是很好的绝缘体，那么可压缩的或纤维材料应具有显著的绝缘效应。外壳10和纤维材料层12的周边分别设置了法兰13和14，它们具有多个对齐的孔，螺栓15可从中穿过以将反应器组件安装在发动机16上，使得发动机的所有排气开口17与陶瓷内室11的内部连通。丝状材料例如镍铬合金以两种形式容纳在内室11中，一是随机放置的线18，二是安装在各排气开口17附近的厚线的螺旋圈19，以便降低开口上方的废气速度。内层12可部分地压缩以补偿外壳10和内室11的不同热膨胀系数。可压缩材料12可为任何形式、包括发泡纤维，可以为任何类型、包括陶瓷或塑料，并且在选定实施例中包括陶瓷网片或纤维。在工作中，由于反应器相对于发动机的定位和反应器内表面的绝缘，室内物质即气体和丝状材料保持在高温下，使得从发动机气缸中排出的废气在进入陶瓷室之后尽可能快地继续反应。此外，丝状材料18用作过滤器，以截获废气中的任何固体颗粒，它们会随时间缓慢地分解，引发局部湍流，其会推动最大量的气体在最短时间内与丝状材料的热表面接触。在另一实施例中，如果选择用于室11的陶瓷材料仅具有中等热绝缘性能，那么可压缩的内层应具有显著的热绝缘性能。它可以制成为比示意图184和185中所示的更厚。在另一实施例中未设置材料内层12；相反，陶瓷室11置于外壳中，或者与之直接接触，或者通过空气空间和可选地通过间隔件与之分隔开。间隔件可包括分开的部件，或者它们可包括外壳或内室上的突起。图187作为示例显示了外壳10和内室11的之间的空气空间12a，其在间隔开的位置处设有间隔突起12b。在一选出实施例中，为了保证在冷启动期间丝状材料18和19的快速升温，在靠近反应器组件的排放端部处的心轴21上可枢轴转动地安装了阀件20。金属外壳10和可压缩材料层12分别设有法兰22和23，它们如图185所示地由螺栓24和固定螺母25连接到废气管27的法兰26上，该废气管27形成了例如车辆的排气系统的一部分。在冷启动条件下，阀20可通过连杆28被人工地或自动地关闭，通常是在点火开始后几个循环后，使得新烧废气保持在室11中，以在其中保持一个快速温升直到达到预定压力，此时阀件20至少部分地打开。方便的是这可通过下述来实现：通过扭转弹簧(未示出)将阀20偏压到关闭位置，仅在冷启动阶段操作，安装在设置成使得反应器组件内的增大压力施加了转动力矩给阀件20的心轴21上，阀20在力矩超过施加于弹簧上的闭合力时开始打开。在室内的阀件20之前可设置减压阀40和通道41，其在图183中示意性示出。反应器排放端部处的阀将热废气保持在室内，并导致丝状材料的温度快速升高，这又有助于所截获气体的继续反应。类似但不激烈的效应通过部分地关闭阀件来实现，其中通过压力积聚来延迟废气的正常通过，从而保持与丝状材料和加热表面的更长时间接触并更完全地反应。备选地，可采用任何便利的方式来限制初始发动机和反应器升温期间的冷启动。
在一些备选实施例中，反应器壳体是单体陶瓷材料，和/或部分的丝状材料安装在排放端口中，如图186示例性所示。这里，具有加厚的外螺纹基体的螺旋线圈29的一端直接拧入到排放端口17处的废气处理空间开口。以剖面42部分示出的反应器壳体通过L形夹43和螺栓15保持就位。在图187所示的改进设置中，如果需要降低从排出废气到周边发动机16的热传递，各开口17均设有陶瓷材料的套筒30，其具有插入到其外表面和发动机16之间的可压缩的和/或纤维的材料31。可选地具有催化效应的金属或其它材料的外皮32显示为处于反应器的绝缘体内，以帮助反应过程。但在一个选定实施例中，在图187中示意性显示了该金属或其它材料的外皮没有较大的厚度，并构成了已经被沉积工艺施加的膜，或者通过压力和/或粘合剂施加的叶(即具有与金叶类似的构造)。可在该膜上进一步施加例如陶瓷结构，这可通过在制造这种陶瓷结构的工艺期间在模具表面上沉积粉末形式的材料来实现。在该工艺需要在加热和/或加压下进行时，可将其它材料粘合到陶瓷上以实质上形成膜。外皮32可以是连续的或不连续的，并仅施加到反应器的选定部分上。反应器可如上所述的构造，即由实心陶瓷或多层结构来构造，该多层结构包括陶瓷内皮、可压缩材料如纤维陶瓷毛料的内层，以及金属或任何其它适当材料的结构性外壳。备选地，可使用任何其它适当的材料来用作反应器组件的任何部分。壳体可为复合结构，例如带有处于已制层之内或之外的另一层。这样，可在陶瓷壳之外形成具有非常好的绝缘质量但并不很好地耐磨或耐蚀的高温树脂层，由于其硬度和较高的温度容忍性，该层将不太耐受废气的攻击，这将在下文中详细介绍。
在操作中，如上所述的装置将用作热/催化废气反应器，也就是说，它能够通过在相同的反应器组件中提供高温环境和催化作用来实现加快反应工艺的目的。出于下面将详细解释的原因，温度方面的考虑通常将更加重要和更有效，催化作用在某些应用中可用作辅助温度相关过程。对于基本上非常清洁的发动机来说，可以构思出清洁废气到最高标准，而不需要显著的、同时的催化作用。“同时的”意指具有一些催化效应的材料可与出于某种原因无催化作用的气体接触，也就是说，它们是满足一定设计参数如耐高温性等的最佳材料。在一选定实施例中，在反应器组件中设有催化剂，以帮助去除或转化废气中的不希望有的成分。与上述金属或其它膜相关的图187的实施例显示了催化剂如何与反应器的内表面相关，但最有效地是催化剂将存在于整个室内，使得所有气体暴露在催化作用下。催化剂可结合在室内的丝状材料中。催化剂通常指的是具有非常强的催化作用的材料，例如贵金属如铂、钯等。然而在本公开中催化剂意指任何具有显著的可测量的催化效应的材料，因而肯定包括仅具有中等催化效应的材料，如镍、铬、镍/铬合金、同热膨构陶瓷如氧化铝等。镍/铬合金是尤其适当的材料，因为它不贵且相对耐腐蚀、磨损和高温，并具有中等到良好的催化率。然而在高环境温度下，镍/铬可形成镍铬氧化物表面膜，其具有比其基体好得多的催化率。在废气反应器系统内提供催化作用的传统方法包括将少量强催化剂如贵金属置于支撑材料如陶瓷基片上。类似地，可在丝状材料上沉积少量的具有催化性能的其它材料。备选地，丝状材料可由本身具有中等到良好催化效应的材料如镍/铬合金或氧化铝构成。丝状材料可包括任何金属，包括高温金属合金如不锈钢、因康镍合金或陶瓷材料，或聚合物、碳氢化合物、树脂、硅树脂，包括任何这些材料的氧化物。用语“丝状材料”指互连的材料部分，其允许气体从中通过，引发湍流，并通过改变气体部分相对于彼此的行程方向而混合起来。这种材料有利地采用随机或规则分布的纤维、绞线或丝线的形式，但也可采用多孔板、片、铸件的形式，其压制或冲制成具有延伸面的三维件。
特别是对于无冷却式发动机来说，其中废气温度处于700到1000℃或更高的范围内，本发明将构成非常有效的热反应器。由于反应器接近于直接排放给反应空间的废气出口布置以及反应器的形状，将得到高工作温度，其中该形状使得相对于体积来说有较少的外表面，从而将热损耗保持为最小。如果反应器设在本发动机外，在图183到185所示实施例中可宽广地描述为倒置扩音器形式的壳体的形状以及内部丝状材料(也许为毛料状构造)的存在将可很大程度上用作消音器。已经知道，消音效应涉及到声波的消散，其能量转化为残余在消音剂中的热量。这样，由于声波和物理振动的消散，在丝状材料中和在室壁上将有显著的额外热量积聚。主要化学过程涉及部分反应中的氧化，这些整个发热反应通常还产生了大量的热量。据估计，由于所有或部分上述因素的组合，本发明反应器中的环境温度比排放端口处更高。在当今发动机中，在怠速或低负载状态下温度降低，此处本发明要优于一些其它的系统，因为较厚的陶瓷壳可用作散热器(如同任何工业过程中的陶瓷衬里一样)，导致一些热量向内散发，如果废气温度降低到壳体内部的温度之下的话。这种辐射在具有类似于图183到186所示实施例中的圆形或径向剖面形式的壳体中具有最大的优点。这种邻近于排放端口的绝缘给该反应器比目前排放系统中所普遍存在的高得多的工作温度。由于催化效应趋于随温升而明显增大，该反应器将对于给定程度的废气清洁来说需要更少的催化剂，从而降低了系统成本，或者，相同量的催化剂可提供更好的清洁。这里描述的大部分优点、尤其是与温度有关的优点是很显著的，如果反应器是处于发动机内的废气处理空间的全部或部分。高环境温度的有益效果在本发明中主要是通过设置丝状材料来被最有效地利用，丝状材料将废气暴露在多个热表面下。已经知道，出于一些热动力学家尚未完全理解的原因，化学作用更容易地在热表面上进行。这一现象不同于与材料性质有关的催化作用。因此，设置多个紧密间隔开的丝状材料形式的加热表面保证了连续反应废气的每一部分都紧密邻接于加热表面。另外，废气在离开端口后立即暴露在这种表面下，此时它们最热且最易起反应。丝状材料具有额外的优点，即引发微小湍流，导致气体的不同部分适当地彼此混合，从而有利于反应工艺，并也导致一些热量由气体运动的动能产生。这种湍流出于另一原因来说是重要的，因为其允许气体的组分能够更容易达到均衡。在燃烧过程期间，因温差、火焰扩散的可变性、燃料入口和任何火花塞的位置、以及气缸壁上燃料或碳的存在等，在气缸的多个部分内形成了不同的产物。通常，燃烧的这些不同产物经端口在其通道中一定程度地混合，但特定的“不均衡”气体的气穴会持续存在，这些不会有适当的组分以所需的方式相互作用。这有时会带来困难，例如在催化转化器中目前常用的蜂窝结构的长的、不相连的毛细通道中，尤其是当它们安装成远离排放端口时。本发明的丝状材料的性质保证了该正确的“均衡”或气体组分混合能够发生。丝状材料和高环境温度将保证本发明可对颗粒物质和杂质或痕量材料有非常好的容忍性。尤其是至少部分地纤维状或羊毛状构造的丝状材料在很大程度上用作颗粒物质的捕集器，使得这种物质不会驻留在反应器中而严重影响反应器的性能。一些其它的系统、例如催化用蜂窝结构对颗粒堵塞是敏感的，容易被源于燃料的杂质或误操作损害。驻留在本发明反应器系统中的任何颗粒物质的绝大部分、连同它们的非常高的环境温度将分解、氧化或以其它方式进行反应，尤其是沉积在具有催化特性的表面上时。在热的和催化的工作模式下(在实践中可融合而形成用于物质组合的均匀促进剂)，该反应器可用在三件式部件或三种构成模式下，这样，主要污染剂在其通过单个装置期间全部被减少。这种化学过程的全面介绍可见于本申请人的美国专利5,031,401。
解决排放问题的第一尝试使用了热方案，因为其具有许多内在优点。由于冷启动状态方面的大困难，这种努力逐渐被放弃了。为了有效，反应器不得不很热；加热要花费很长的时间，其中会产生不可接受程度的污染物。为了克服这一传统问题，演变出了本公开的冷启动过程。反应器不可避免地具有较大质量，因此申请尝试去设计一种系统，其中至少反应器的有效工作部分而不是整个组件达到所需的温度，其包括在反应过程中不受影响的部分。本发明的表面是其有效工作部分，几乎完全包括反应器组件的内部衬里，其包括热绝缘材料和内置丝状物质。绝缘材料如陶瓷具有低传导率，因而不会把大量的热从室内传出，也不需要过多热输入来将表面分子加热到内部环境温度。出于此重要原因，本发明具有由绝缘材料直接封闭的反应空间。与其它一些反应器中的较重隔片或内室不同，内部丝状材料本质上具有低质量和扩大的表面积。为了使用已经可从燃烧过程中得到的热量而不是由另一来源特地提供的热量以用于初始冷启动，室的气体出口在点火开始后至少部分地关闭。计算表明，假定所有新烧气体保持在室内，其工作表面将在点火开始后在大致5到50个循环之间达到大致700℃温度，这取决于发动机类型、丝状材料的传导率，以及是否安装了排放端口绝缘件等。假定总反应空间大致是发动机容量的两倍，并且每两升发动机容量采用大约500克丝状材料。在1200rpm的怠速下，如上所述，四冲程发动机将具有在半秒到5秒之间的暖机时间。温升的一个贡献因子是气体维持在压力下，该压力很快将一些负载施加给活塞，从而使发动机以及尤其是燃烧空间被更快地加暖。在一选定实施例中，反应器气体出口在冷启动中通过机械或自动方式在点火开始后且恰好在新烧废气到达关闭机构之前关闭，这对于四冲程发动机来说将是点火开始后的2到5个循环之间的某点，这取决于反应器空间等。这便允许残余气体被驱出，保证燃烧过程产生的包含于端口处的废气中的所有热能被完全用于加热本发明的工作表面，并也用于其快速暖机。新烧的截留气体以所需方式进行反应，但比其在正常工作温度下慢得多。它们在比正常运转的高温状态下与反应器表面接触更长时间的事实补偿了其的低反应速度，保证初始气体在其离开反应器时大体上无污染，这在不得不满足冷启动排放规定时是重要的优点。
本发明具有独有的特征，即在冷启动期间产生零排放，事实上根本不会有废气。达到反应器工作温度所需的循环(即点火)的最小数量以及在出口需要关闭之前所经过的循环的最大数量充分地交叠，保证对于冷启动阶段的至少大部分、非常可能是整个部分来说，新烧废气能全部保留(即关闭件完全关闭)，这取决于这些参数如发动机和反应器结构、空间关系等。在一选定实施例中，闭合件保持完全关闭，直到在反应器内达到了一定压力，该压力刚低于将导致克服反应器压力进行泵送的发动机处于怠速运转的压力。在使用中优选发动机在冷启动过程的几秒时间内不被使用，这是因为如果要允许可能的发动机接通的话，则必须采用低于暖机过程最优压力的压力。反应器压力限值可通过在冷启动过程中提供人工或自动的特定发动机设置来增大，例如改变点火或气门正时、特殊的燃料混合物、改变压缩比等等。一旦达到反应器中的最大允许压力，气体出口关闭件可以(a)完全打开以释放压力而使系统正常运转；(b)部分打开以维持压力，允许气体以与进入时大致相等的速度离开反应器；(c)保持关闭但第二关闭件全部或部分地打开以释放或维持压力，并将废气引导通过正常排放系统以外的通道。这一备选方案将在下面更充分地讨论。备选方案(b)允许冷启动过程能有效地继续，因为维持反应器空间压力保证了气体在通过室的通道中花费比正常运转状态下更长的时间，这种加长的通过时间导致气体能更好地传递热量给温度更低的反应器表面，并在反应环境下保持更长的时期以补偿这种更低的温度，使得去污染反应能够很好地发生。类似地，备选方案(c)也允许维持冷启动过程。在选定实施例中，当达到所需的工作温度时第一关闭件完全打开。当正常气流率开始时总压力降将通常导致发动机怠速旋转下的初始波动，给操作人员一个可听指示，表明发动机准备好了可以工作。在车辆中可设置温度促动开关，使得车辆仅在反应空间被加热和反应器阀打开后才能被驾驶。
上述方式的反应器组件设置所影响的技术并不限于本发明的主题，即废气流。这一技术长时间以来几乎全与气柱或活塞的运动有关，尤其是与在常规尺寸的气柱中积聚的动能和脉冲效应有关。这里公开的大多数实施例在废气系统的初始和最重要部分中完全免除了规则的管状构造，结果是废气将以上面未探讨的方式流动。初始研究表明，本发明的气体流动有以下优点。首先，反应空间的截面积相对于废气出口的整体截面积的较大增大保证了气体速度的明显降低。降低的速度将极大地延长反应器组件的至少一部分的耐用性，这是因为因快速运动的气体及其颗粒含量的摩擦效应将带来更多的磨损。第二，来自各气缸或开口的气体相遇并汇集到反应器空间中，消除了废气管分支。分支是传统废气流技术中的问题之一，因为这里总是有大量的动力损耗发生。可以通过精心地设计分支来减少大量动力损耗，但这只能在优化的流动范围内。当发动机速度变化到超过或低于该范围时，动力损耗将增大。第三，反应空间将在显著程度上吸收振动，并且如上所述地吸收声音。传统的废气管具有其规则的管状构造和金属结构，自身便会传递大量的振动和噪音，通常是完全放大的方式，同时也成为振动和噪音的来源。源于发动机燃烧和废气所携带的振动将通过反应器内的气体和丝状材料的大空间而消散。虽然将反应器置于具有圆柱形状的传统排放端开口是有用的，然而这会导致感觉到，气体从柱状构造到反应器空间的无定形流动的突然转换加上开口和发动机表面之间的连接的尖锐边缘将一起导致一种非必要的低效率气体流动和随之而来的动力损耗。为此，在一选定实施例中，排气开口的颈部如钟式地扩大，即其直径或剖面以某种方式逐步增大，这显示在图185和187中。其有利效果是逐渐减小的气体流动速度。一个基本实施例包括将侧面敞开的室放置在发动机本体或壳体上，从而消除传统的排气歧管。本体在这里形成了反应器壳体的一部分，并且在减少污染的方面与上述反应器组件的部分、即所施加的壳体和丝状材料起相同的重要作用。已经显示了壳体如何直接装到发动机上，不论它是否具有其它特征如端口衬里或丝状螺旋。在一些备选实施例中，在发动机和反应器壳体之间安放有内部件，该内部件完全地或部分地完成了反应器空间的限定。并未严格限定哪一部分不是内部件而是发动机的附属物，但通常来说内部件被认为是与壳体周边形成了接触。上述不论是与内部件有关还是与发动机附件相关的各种特征均可用于这两者，并且在适当之处可用于壳体的周边。
在图188到196中示意性显示了一些例子。图188显示了封闭了反应空间52的整体室或壳体51，在它们自身和带有排气开口54的发动机53之间均具有大致平坦构造的内部件55。图189显示了类似的设置，但内部件55在一侧与发动机53和排气开口衬里56相关，其在所示实施例中由内部件55保持就位。图190显示了与图188类似的设置，但大致平坦的内部件55凹入到发动机53中的对应凹陷59中，并在所示实施例中通过封闭壳体51保持在本体上。在图191中显示了类似于图188的构造，但其中内部件58具有封闭的构造，从反应空间一侧来看，其具有由周边舌60限定的凹陷59，其轮廓线对应于封闭壳体51的舌61。穿过舌的一个假想平面限定了反应器工作空间的两个部分，一个部分62处于壳体内，另一部分处于内部件的凹陷59中。图192显示了非常类似的设置，但其中壳体和内部件之间的安装用来支撑丝状材料63，其在图189中也用标号63显示。图193显示了类似于图191的设置，但其中封闭的内部件64在其发动机侧上具有至少一个整体突起65，以安装在发动机本体(在该实施例中具有大致环形或空心锥似的构造)的相应凹陷中，并用作排气开口衬里。图194显示了图188中A处的固定细节，其中L形夹66和螺栓67将壳体51压向内部件55以及发动机53。可选的可压缩的耐热材料68插入到接头之间，以允许适当的密封、不同部件之间的可能差异膨胀，以及可能有的稍许不匹配表面之间的更均匀的负载分配。图195是显示了类似固定技术的图190中的细节B的图，其中内部件55将排气开口衬垫56保持就位的备选实施例。图196显示了适用于图192中的细节C的固定细节，它固定了不同类型的内部件69，它没有显著地盖住发动机，然而是封闭壳体的一个有效部分，其优点如下所述。这里显示了分别固定在本体上的两个部分，然而在一些实施例中仅需要固定一个外壳，这取决于具体的设计。例如，壳体51通过跨接带70固定在内部件69上，带70可枢轴转动地连接在轴环72的翼式延伸部71上，该轴环72通过螺母75和垫片76(以虚线示出)安装于分段直径的螺柱74的无螺纹部分73上的。内部件69通过相同的螺柱74、L形夹66、垫片77和螺母78固定在发动机53上，垫片77和螺母78比垫片76和螺母75的内径更大。跨接带70缠绕在壳体51上，并以与图192中的D处相同的方式固定住。在配合表面之间的连接处设置了可选的可压缩的耐热密封材料68。内部件的设置可具有至少三项主要优点。最重要的是，它提供了机会以防止反应空间和发动机之间的热传递，这是因为，内部件可由绝缘材料如陶瓷制成，类似于主壳体中的一样。第二，不同零件之间的和更便利地设置的额外接头也可用作其它零件的支撑，例如图192中的内部件和壳体之间的丝状材料63以及图189中的内部件55和衬里56之间的丝状材料63。第三，内部件提供了一个机会将其内表面或外表面在剖面上表征为超过180度的曲线的反应空间壳体分开，使得这些部分可在阳模或阴模中制造，这是生产壳体的更低成本和结构性更佳的方式。可以看到，例如图192中的反应器组件可以不用模具来制造，如果其在剖面上为整体结构的话。虽然在各种情况下都仅显示了一个内部件，然而对于一个封闭壳体来说也可以使用多个内部件，或者可将多个内部件组合起来而形成这样一个壳体。
在一个选定实施例中，形成于发动机本体中的凹陷成为废气反应空间的一部分。图197和198作为示例示意性显示了安装在发动机53的排气开口54上的反应器壳体79的局部平面图，其中凹陷80形成在通常被发动机组件所占据的空间内，凹陷所获得的空间成为反应空间52的一个整体部分。在图197中设有连续的凹陷，在图198中围绕其它特征81形成了一系列凹陷80，这些特征可能包括液体冷却通道。除了上述两个例子，通常被发动机所占据的空间可被用于任何构造的反应空间。通常希望的是使反应空间尽可能地大以用于废气排放处理，其限制性因素通常是在车辆中缺乏罩下空间，以及提供更大和更硬反应器壳体的成本。对于本发明来说，通过使发动机“空心化”，可增大反应空间而不牺牲任何罩下空间或增大壳体尺寸和成本。其程度在于依赖这样的因素，例如发动机是否被特殊地设计以便能够使用本发明。发动机的空心化也是一种手段，允许实现逐渐过渡形状的反应空间以及更有效率和顺畅的气体流。在另一实施例中，任何排放端口的轴线是不平行的，并且分别地成角度以提供最优方向的气体流到反应空间中。图199作为示例显示了安装在发动机53上的反应器壳体79的示意性平面剖视图，其具有轴线82互不平行的和/或不垂直于发动机表面的排气开口54，而图200显示了类似设置的垂直剖视图。重要的是，废气尽可能均匀地在室内分布，使得时间乘以露出表面积的因子对于来自不同开口的气体来说尽可能相等，并且这种磨损和/或由磨损、腐蚀和气体速度导致的负载尽可能均匀地在反应器内分布。这种优化的均匀化效应可以下述方式来实现，即将来自各开口的流动角度调到最适当的方向，其将经常涉及到沿图199和200的例子中的线的排气开口或端口轴线布局。在一选定实施例中，端部开口轴线最远离于平面图中的发动机轴线的垂直线，而中心开口轴线最远离于垂直图中的垂直线，这将导致气体容易地经过相同的距离运动到反应器气体出口。下文将讨论更好地分配气体流的一个备选或补充方式。
可以看到在一些上述实施例中，丝状材料被引入到排气开口区域，它们都用来辅助反应过程和/或适当地引导废气流。对气体流的控制可通过在开口中提供大致叶片式、蜂窝式或法兰式构造的零件来实现，这种零件可由任何适当的材料如金属或陶瓷来制造。在一选定实施例中，任何丝状材料或反应空间内的零件由具有催化效应的材料制成，例如镍/铬合金或氧化铝，如果需要气流引导器来明显地帮助反应工艺的话。适于具有相对受限的截面积和高气体流速(与反应室本身中的相比)的排气开口区域的特定实施例的丝状材料是那些不具有很大截面积的材料，其不会对经过材料的气体流造成阻碍。然而，在开口区域内可采用任何构造的丝状材料，包括下面要描述的各种实施例，尤其是如果要采用材料来辅助反应工艺的话。作为示例，在作为剖视图的图201和作为从E向看上去的正视图的图202中，结合有蜂窝构造气体流引导器83的排气开口衬里通过内部件55固定在发动机53上。在接头之间设有耐热的可压缩材料68。在开口54内，更大量的气体将在标号84处集中成朝向曲线的外部，因此该蜂窝结构在其面向气体的端部具有横穿过所示开口的对角面84a，因此不论蜂窝叶片85的正面面积如何，它都将通过偏转导致气体更均匀分布地穿过结构。在气流通过时，叶片变得彼此间更分开，因此减小了气体速度，并且叶片变得彼此间更曲线式分开，使得结构的口部86将沿多个方向引导气体。蜂窝结构可以具有任何适当的截面构造，包括作为示例的如图203所示，其中通道具有6个面，或者如图204所示，其中通道通过径向的和同轴的膜片的交叉来形成。在一个备选实施例中，气流被延伸过排气开口的部分长度的法兰件来引导，其作为示例在图205的平面图和图206的局部剖视图中示出。法兰件或者为Y形构造87，或者大致十字形构造88，并且通过设置在沿组件长度上的间隔处的间隔环89而彼此分开地保持住。所示实施例中的该法兰组件通过装配件保持在敞开周边91的槽90中，这种槽可选地包含可压缩的基台92(图205中的F处)，并通过内部件55保持在件53上，内部件55通过可压缩的材料68将法兰的弯曲延伸部夹在标号93处。希望在废气经过开口的期间对其施加旋转运动和涡旋，以辅助气体在反应器空间内的适当混合。为此，连续的开口可具有交替方向的涡旋，如在图207中示意性示出。涡旋可由设置成对角式穿过气流轴线的叶片式部分来产生。叶片可以置于开口面积的任何位置，但在图208所示的选定实施例中，叶片94从排气开口壁或衬里95中伸出并与之形成整体。如果需要对气体引入一些湍流或涡旋的话，各叶片可以为波浪式构造，作为示例在作为侧视图的图209和作为图209的G处平面剖视图的图210所示。这里所示的所有特征可与任何方便和所需的方式结合起来。作为示例，图211显示了一选定实施例的剖视图。反应空间被具有突起的陶瓷材料的内部件55和整个陶瓷构造的封闭壳体51封闭，内部件55包括排气开口衬里56，并通过可压缩的耐热材料68如陶瓷毛料与发动机间隔开。两个主要封闭件之间的连接支撑了丝状空间框架96，其是以不同角度彼此相连的短直金属杆结构，它基本上填满了反应空间的最前部分，而其最后部分被例如为陶瓷基化合物的羊毛状构造的丝状材料18填满。在排放端口区域内设有两个金属锥形螺旋97，它们背对背地安装并带有伸出的卡口装配件98，其位于从初始入口偏离排气阀方向地延伸的槽99中，使得气流压力将导致弹簧突起或卡口件安放在槽的端部处。
设置在某些类型的壳体或容器内的丝状材料被定义为部分互连或邻接的或紧密间隔开的材料部分，其允许气体从中通过，引发湍流，并通过改变气体部分相对于彼此的行程方向而混合起来。“互连或邻接的或紧密间隔开的”意指不仅是整体的或连续的，而且是间断的、互啮的或互配的但并不必接触。上述定义适用于整体上处于壳体或容器内的材料，也适用于处于任何流体处理空间内的那种材料的单独部分，或者这种空间的部分。在本公开中丝状材料主要被描述为处于废气处理空间如反应器内，但本发明的丝状材料也可设置在含有任何流体的任何空间内，并且可用来辅助任何流体组分的混合，或者加速任何流体中的化学或其它反应。可以构思出在最有效的形式中，一个废气反应器内的丝状材料将包括不同成分的部分。三类主要的丝状材料包括板材材或片材、丝线和毛料，它们按对磨损和冲击的承受性逐渐减小的顺序列出(假定对于相同的材料)。因此，逻辑上可以将更坚固的形式置于排气开口的附近，而将更脆弱的实施例布置成朝向反应器的后部。如果需要催化效应，那么可将最适当的材料以特定的形式结合到其中，该形式使其最适于被置于反应器的特定部分中。可能希望使用超过一种催化剂，它们可被结合到最适合其不同形式的位置中。主化学反应一般在一定的因素下发生，如果对于特定的反应需要特定的催化辅助，该催化剂结合最适用形式的丝状材料可置于室内的最可能发生反应的区域。例如，如果该反应预期在最后发生，那么可将适当的催化剂/丝状物质置于反应器的后半部，更远离排气开口。丝状材料的定义指整体地施加到反应器内，以及也施加到组成一个反应器组件的许多不同部件中的每一个上。所述丝状材料的各种实施例可以任何方便的方式在一个反应器组件内组合起来。
作为示例，在图212中以剖视图和在图213中以沿剖线A的局部平面剖视图的形式显示了一个实施例，其中交替的蜂窝结构板101和毛料层102构成了反应器100的至少后部。在各图中以箭头103显示了一定气穴经过系统的路径。应该注意，蜂窝并不是传统的形式，因为它由这样的通道组成，其中各组或各行通道沿着与相邻行不同的方向延伸。在第一蜂窝板104中，显示于部分106中的通道向下延伸，而由虚线107显示的紧随其后的通道“向上”延伸，它们的方向分离，因此在垂直面上发生了气流分离。下一蜂窝板105具有相同的结构但放置成转过了90度，使得气流分离发生在水平面上。这样，不同的气体部分适当地互混，如由虚线箭头所示的气穴路径103a所示，该路径始于第一气穴的附近，在其路径上穿过组件，变得与之分离得更远。尽管单个蜂窝通道不会引发湍流，但一个蜂窝结构内的通道彼此之间的设置会引发湍流，如同设置一系列一个接一个的蜂窝构造那样。丝状材料的形式并不严格限制为线或板，可成功地用在本发明中的是膨胀金属或金属网。作为示例，图214以示意性剖视图显示了形成为波状构造的金属网片一个接一个地置于反应器100内，而图215是H处的局部放大图，显示了网的构造。网通常由压片和撕片的组合形成，其经处理以留下锐边。由于材料在不光滑和无圆角时不太耐受热量、磨损和腐蚀，所用网应当优选在成形后进行喷吵或其它平滑化处理。金属网是已知的产品，可以由催化活性金属制成。由于其对本发明的内在适应性，上述特定形式也可由非金属材料如陶瓷制成，这可通过其它成形方式来实现。毛状或纤维构造的丝状材料尤其优选，这是因为其表面积-质量比很高，以及更容易用作颗粒捕集器。考虑到耐用性，它应当尽可能地光滑和有圆角，毛料优选包括多个细丝，其通过编织、编结、层压布置或随机地布置。如果毛料由例如纤维或如陶瓷玻璃的材料的线组成，其将比金属更耐受温度、磨损和腐蚀，但更容易“剥落”，即颗粒或须状物在气流力的作用下从整体质量上脱落，可能驻留在下游的敏感区域如阀中。为此，优选将毛料置于反应器中的最适合于它们的区域中，对于金属来说处于气体的整个热量和力的后面，对于陶瓷纤维来说远离排放端口。备选地和优选地，毛料被夹在或包含在其它形式的丝状材料中，例如如图212所示。
丝状材料另一种合适形式是线，尤其是因为对于金属来说它最容易以这种形式得到，并且仅需要被弯曲或以其它方式成形为任何所需的形状。出于耐用性的原因，所用的丝线通常需要在废气源的附近比在反应器的其它地方更厚。线可被编织108或编结109成网，如在图216中示意性示出。优选的是设计一种线能够避免股之间的正常接触，因为一些内燃机中的振动将容易导致在连接点处的磨损，可能会导致提前失效。因此，线应当优选设置成这样的形式，即使得有相对较大的长度(即表面积，其可辅助反应)结合到壳体的整个限制区域中，而丝线的不同部分具有最小的接触。期望一些接触将发生在紧密隔开但不接触的线之间，但这种接触优选不是规则的，尽管在非正常振动期间或工作模式其发生不应在材料方面影响耐用性。采用这种线的显然合适的方式是螺旋或线圈的形式，在图217中示意性显示了其轴线垂直于气流，以及在图218中其设置成与气流同轴。作为示例，具有相同直径的规则绕圈的螺旋显示为110，而那些具有逐渐变化直径的规则绕圈的螺旋显示为111，具有非圆形构造和/或随机直径的不规则绕圈的螺旋显示为112。这三种构造包括轴线基本上为直线式的螺旋。图219显示了具有弯曲轴线的螺旋113的示意性剖面，它们拱起来以更好地承受来自方向114的气流力。上述任何螺旋均可具有弯曲的轴线。线可设置成两维或三维的蛇形构造。这种两维形式作为示例示意性地显示在图220中，而三维形式类似地显示在侧视图的图221和平面图的图222中。这种形式可以任何数量的方式置于反应器中，例如在图223中的示意性平面图所示，其中平直的“蛇部”115和弯曲的“蛇部”116(各蛇部包括在所示平面内绕圈的线)彼此相邻且一个接一个地堆叠，之间以间隙117隔开或以标号118处互啮。环或曲线的这些堆叠也可随机地布置(未示出)。图224示意性显示了曲线的平面119以是直的，或如在图225中是弯曲的120以承受来自方向114的气流，或者如在图226中是弯曲的121以便为气流提供更容易和更自然的路径。图227以类似的视图显示了蛇形环或曲线的平面(不论显示为弯的或直的)，其本身可以沿任何一个或多个尺寸彼此互配，其中实线122所示平面处于前方而虚线123所示平面处于后方。图228以示意性侧视图显示了曲线的平面从前面看去是如何以其它方式互配的，其中标号124为在图中显示为实线的平面(这里沿三维方向弯曲，但它们也可以是直的)，其倾斜于沿其它方向延伸的虚线125示出的平面路径。备选地，其三维曲率不重合，如标号126所示，而标号127显示了三维方向上的曲线如何允许这些平面的紧密堆叠。方便的是，这些平面如所示地跨过短的尺寸，但它们也可跨过长一些的尺寸。在一个备选实施例中，线以绞股的形式设置穿过反应器，作为示例在侧视图229中示意性示出，其中前方的线以实线128示出，而后方的由虚线129示出。为了帮助减少共振，各绞股并不必精确平行，即它们彼此间可形成一个小角度(未示出)。通常来说，由于后述构造的绞股可设成处于张力下，它们需要构造成比较大的自支撑结构如螺旋或蛇状环更薄。这里说的线包括了单股或多股，如图230中示意性示出。由于材料优选将最大表面暴露在流动气体下，因此可将线的各股分开以允许气体流经每一股，但同时仍允许分开的绞股一定程度地彼此支撑。可以采用传统的分离件如陶瓷，但在另一实施例中各股线被卷曲，其被微小地和紧密地沿所有方向弯曲，如图231所示。如剖面图232所示，线有效地占据了比其实际厚度更大的直径(如虚线所示)，导致了图233所示的复合线。下文中将讨论将线和其它丝状材料固定在反应器壳体上。
在另一实施例中，丝状材料包括片或板。在一种简单形式中，片或板可描述为具有一定厚度的平面，如同蛇状线环系列中的一样。这些平面可设置在反应器中，方式与上述线环相同。例如，平面可包括直的或弯的长片，并如图223到228中所示地设置。在图234到247中显示了其它的例子。板材或片材还可具有简单交替波的形式，如图234示意性显示，或者是如图235所示的更复杂的波状或凹纹形式。备选地，片材具有尖锐弯曲的或钩状截面，如图236所示，从而提供了相对来自于气流114的更大正面。片材还可为带孔翅片或叶片的形式，如剖视图237所示，其优选具有朝向面对气流114一侧的更厚、更圆的部分。板材中的孔可具有压制或以其它方式形成的突出唇缘，如图238和239所示，或者孔可包括通过冲压、压制和/或撕裂形成的开口，不需要去除大量的材料，例如如图240和241的剖视图所示。图242显示了这种板材的局部图，示意性示出孔或压制/撕出开口的形式。同样，在成形优选后通过喷砂或其它方式除去锐边。片材或板材可形成为三维互锁或互配形式，如作为示例的图243所示，其中标号130表示一系列互锁环，标号131表示一系列互锁六边形。图244是示意性剖面，作为示例显示了互锁的形式，这里是采用锥形环132。图245类似地显示了互锁装置，但这里的整体形式是弯的而不是直的。图246以示意性剖面显示了单个片板133如何互锁而形成三维形式，而图247类似地显示了可选地弯成如标号134所示的单个片板可被装配成复杂的三维形式。在另一实施例中，丝状材料包括任何方便尺寸或形式的小丸，包括大致球形的。当不是球形时，它们可选地占据了大致球形的空间。小丸是本领域已知的，包括小型的规则表面球体。在备选实施例中，小丸可以是不规则的和/或半椭圆的形式(如图248所示)，或者大致肾状或豆状构造(如图249所示)。然而优选的是能够得到最大的表面积质量比，使得小丸包括由一系列突起和凹陷组成的形式，该形式最方便地具有整体球形特性，并构造成使得优选地一个小丸的突起不容易装入到另一小丸的凹陷中。如果这种内配合保持为最小，它将保证小丸不会紧密地靠在一起，从而保证围绕小丸和在小丸之间的适当容易的气流。图250显示了作为示例的这样一种形式，其具有四个同样间隔开的从中心核中辐射出来的大致蘑菇形或灯泡形构造的突起390(在具体块中可使用类似于此的形式以用于防水结构)。相同的原理可用于具有更多数量突起的小丸中(如图251所示)，或者是具有多个伸出叶片的小丸中，其优选彼此间设置成一定角度以更好地将相邻小丸间隔开，如图252所示。在图253中，小丸可构成球，其具有设于其表面内的圆形截面的大致蛇状凹陷。在图254中显示了类似于图250的实施例，其中突起391为比较明显的蘑菇形状。这种小丸状材料将采用其在振动下而不是在装配时为最紧凑的形式。为了保证小丸在初始安置之后保持彼此之间的基本恒定的物理关系(而不是过于运动而快速磨损)，小丸最好是承受一定的连续压力。这例如可通过将小丸安装在毛和/或线构造的丝状材料之间来实现。例如在图255中，壳体392封闭了邻近于线395的毛394附近的小丸393。在一选定实施例中，废气排放反应器中的丝状材料还具有消融效应，即其分解是所希望的和可控的，且在这种情况下有利于所需的反应工艺。可采用可逐步分解的材料，导致丝状物质具有十分有限的生命周期，并且可选地在反应器内提供了将在一定条件下与污染物和/或气体发生反应的化合物。
丝状材料可以任何方便的方式安装在壳体内。例如，片或板139和线136(不认是部分成圈地或为螺旋形式)或者如图218所示的用作结构支撑的线135可置于壳体138的凹部137中，如图256的局部剖视图所示，或者可由突起140保持住，如图257的局部剖视图和图258的平面图所示。在丝状物质和壳体之间可设置可压缩材料141以阻止因振动产生的磨损。备选地，图259的平面图和图260的侧视图显示了片材139如何通过连接件142连接的，连接件142又沿着图256和257所示的线固定在壳体138上的突起140之间。然而，如果片材由适当材料例如陶瓷制成，那么它可在壳体的制造工艺期间结合到壳体中。作为示例，图261的剖视图和图262的立视图显示了具有适当的、优选带孔的连接件142的板139如何通过壳体成形期间的收缩而以仍可锻的形式结合到壳体138中的预成形和预定位的互连板材组件上。这种技术被认为在丝状材料和壳体均由陶瓷材料制成时是可行的。通常在前述实施例中，暴露在废气下的反应器壳体的内表面是规则的。根据在反应器内所用丝状材料的性质，这可能具有缺点，即容易形成一个对气流300阻力较小的路径，如图263中示意性示出，其中标号301为壳体，标号302为发动机，标号303为丝状毛，标号304为毛与壳体之间的最少阻碍路径。这将导致绝大部分气体流经该更少阻碍的路径，而不是合适地穿过丝状材料，这导致一些气体不会如系统所允许的那样完全相互作用。为了减轻这种通常不希望有的效应，壳体的内表面设有一系列凹陷和/或突起，它们设计用于将壳体表面附近的气流打散，并将多一些的气体正确地向内引向丝状材料的心部。图264以示意性立视图显示了反应器壳体的具有一系列可能交错的突起的内表面，而图265是相应的剖视图。作为示例，在标号305处显示了一系列隔开的直脊，而在标号306处显示了弯曲的互配脊，标号308显示了互连脊。在标号309处显示了凹坑或突头，在标号310处显示了星形或十字形构造的不规则突起。图266显示了丝状材料紧固件如何打散气流的例子，其中标号311为了渠式凹陷，标号312为凸出轴环，标号313为上述脊和谷，而标号136为被支撑的部分丝状材料。壳体的内表面可进一步弯曲，如图267的示意性局部视图和图268的局部剖视图所示，它们显示了类似的构造，其中波形不是连续的而形成了一连串的沙丘形状。波形和沙丘构造可以是如标号314所示的规则剖面结构，或者具有朝向进入废气300的浅坡形状以及在气体下风侧具有陡坡形状315，或者相反。在图269中显示了可选地用作丝状保持件的内脊316如何引导在方向300上的气流离开壳体301和例如蜂窝构造的丝状心部317之间的连接处。由于壳体至少部分地包括绝缘材料，因此在壳体组件的内表面和其外表面300a之间有较大的温降。由于反应器的高内部温度、或许在1100到1200℃的范围内，温降可能不足以导致表面温度低得足以防止因操作和维修人员带来的意外燃烧。为了主要避免这一危险，壳体表面可设置保护脊318(图268)或突头319(图269)。在表面和突起末端之间还有其它的温降，但由于只有很小的热表面会形成意外接触，从而限制了热吸收和可能燃烧的程度。
在这里公开的流体传送系统、废气排放系统、往复运动或旋转式发动机、泵、压缩机和车辆、飞行器和水运工具的重要实施例中，至少下述可变参数中的任何一个可通过人工动作和/或计算机程序或其结合(该结合独立地或同时地进行)来确定：发动机速度；安装有发动机的任何系统如车辆或工具的速度；供给燃料的量和/或定时；所供给的任何第二或第三流体的量和/或定时；任何加在废气中的物质的量和/或定时；供给燃料的温度和/或压力；任何加在废气中的物质的温度和/或压力；所允许的充料气体的温度和/或压力；任何阀打开和关闭的正时和/或程度；冷启动操作期间燃料和/或充料气体加热的速度和程度；废气再循环(EGR)的变化的正时和程度；冷启动期间废气流的限制程度；任何润滑流体的温度和/或压力；用于操作者的任何封闭空间和/或任何其它封闭空间内的空气温度和/或状况。在一个或多个计算机中装有任何计算机程序，计算机提供和可选地容纳了不同的电路，以通过任何适当的方式直接或间接改变确定、控制和/或参数。这种确定、控制和/或变化可通过任何方式，包括使用例如螺线管、伺服电机和/或一个或多个促动机构中的带有液压流的液压电机或泵。计算机安装在发动机上任何方便的位置，或者安装在发动机之处。计算机可选地接收来自确定了下述参数中的至少一个或多个参数的一个或多个传感器或测量装置的电子或电气信号，计算机程序设计成可处理来自该传感器或测量装置的数据：行程速度(如果有的话)；环境空气的温度和/或压力；用于操作者的任何封闭空间内的空气温度和/或状况；供给燃料的温度和/或压力；发动机速度和/或负荷；任何发动机的一个或多个部分的温度和/或压力；任何润滑流体中的压力和/或温度；废气部分的组分；行程路径的任意点处的充料气体的温度和/或压力；废气的温度和/或压力；任何将加在废气中的物质的温度和/或压力；发动机角度相对于水平的变化；所用燃料的速度；使用了的和/或剩余的燃料的量；周围的、接近的或邻近的物体的距离和/或速度；用于操作者的任何封闭空间和/或任何其它封闭空间内的空气温度和/或状况。
已经知道，为了使冷启动操作有效，气体出口阀必须关闭得尽可能地长，因此限制因素是反应器内可得的但不会使发动机怠速运转的压力大小。在一些情况下，当反应器具有特别快速的暖机特性时，将阀保持闭合直到达到工作温度阈值并不困难。对于其它系统来说来说这将更加困难，即使并非不可能。在这种情况下，部分地打开气体出口从而保持压力并非是有利的，因为所出现的气体仅仅是部分地去污染。作为备选，提出了在反应器中设置与废气储槽连通的通道，在这里，可选地设有处于反应器和储槽之间的第二独立关闭件，其优选地处于通道和反应器的接头处的附近。在工作中，当在反应器中达到可接受的压力水平时，包括不超过大气压的压力，则气体将通过通道，或者由于这里无阻碍，或者由于到储槽的阻碍已经去除。一旦达到反应器的暖机温度，到储槽的废气流就基本上停止。气体然后通过任何方式从储槽中排出，但优选在暖机的发动机操作期间排出到发动机进气系统且通过燃烧过程被再循环，或排出到温度升高的反应器，其将令人满意地对气体进行处理。由于气体总是连续地反应(虽然比较慢)，在其逗留在通道和储槽的期间它们很可能会变得基本上不含污染。这种逗留的期间可以比在正常操作期间气体通过反应器的持续时间大很多倍，也许大100倍。作为示例，图270以示意性剖面图显示了机动车辆153的前部的发动机舱152，该机动车辆安装了具有本发明反应器151的发动机16，反应器151与可膨胀的废气储槽150相连。图271包括前部剖面图，其中左半部显示了储槽膨胀和充有废气，而右半部显示了储槽收缩和比较空。在反应器151的上方设有入口歧管154，其可选地与反应器壳体的上部形成一体。储槽150包括安装在基体159上的可折叠波纹管158，该波纹管在其与基体相反的端部(此处为下端)设有整体的T形加固件160，其在各端部通过三角件161与安装在垂直轨163上的滑动导向件162刚性相连。各导向件的底部与压缩弹簧164连通，而压缩弹簧164又与车辆结构165的下部连通。从主反应器气体出口阀166上游的连接167处，通道168与储槽基体159连通，可选地从基体159开始第二通道169与入口歧管154连通。储槽处于所示位置，使得在正常使用中即当收缩和排空时，它占据了相对受保护的位置，如图271的右部所示。储槽也可转过180度来安装，使得当储槽装满时件161升高。
在工作中，在主阀166闭合和连接阀167打开后，废气将进入通道168以充满储槽150。由于储槽仅能克服弹簧164的力而膨胀，因此会有压力积聚。如果储槽和入口歧管之间的连通被阻碍，那么气体会以一个与储槽的开口大小和压力成比例的速度逸出到歧管中。当储槽达到接近其向下膨胀极限的点附近时(考虑到安全要留有余量)，主阀166或者部分地打开以便在尚未达到充分工作温度时保持压力，或者完全地打开。在该实施例中，通道169和入口歧管之间的开口设成很小，使得即使在废气储槽系统的最大设计压力下，进入歧管的气流也非常少，与经过排放端口的流成比例，从而产生非常少的废气循环。在储槽被充满和气体被转到正常废气系统中之后，弹簧164的负载保证了波纹管158缓慢塌缩以及气体持续排放到入口系统中，直到储槽被排空。与通道168连通的第二阀167的设置在一些构造中可以省掉，这是通过在反应器和通道之间在标号167处设置较小的开口来实现的，该开口可以比主废气管170的截面积小许多倍。该小开口将在暖机的初始阶段和主阀166关闭期间限制气体从反应器中流出，直到反应器内的较高压力加速了气体沿通道168的流动而快速填满储槽。标号167处的小开口的不关闭保证了一旦正常暖机操作开始，废气便将在某种程度上有效地再循环到反应器，如果储槽在塌缩时具有最小空间的话。取决于储槽弹簧164的强度，回流到开口的气体流速将比进入储槽的流速更低，这是因为发动机的泵送作用通常比弹簧作用具有大得多的力。如果考虑转到储槽系统的气体在它们再进入反应器时没有充分地反应，储槽或其朝内的部件和/或通道168,169应包含有催化材料，或者它们由具有催化作用的材料如铜或镍制成。备选地或附加地，连接167可放置成尽可能离排气开口近，使得回程气体经过此时升温了和完全工作的反应器的主要部分。在一个备选实施例中，在反应器和储槽之间设有至少两个通道。储槽组件可由任何适当材料制成，其在某种程度上需要耐热。如果所选材料耐热性不高，那么可通道或管168上连接可选的散热装置，如标号171处示意性所示。如果材料是耐热的，例如波纹管组件由金属或硅橡胶制成，那么可在通道中结合热绝缘装置，如标号172处示意性所示，其优点是气体可保持在储槽中的更高温度下，导致加快了反应过程。在气体再循环到进气系统的情况下，利用气体的暖度是有利的。在冷启动期间(如上所述，反应器可以点火开始后的几个循环后已经某种程度上可操作了)设置这种暖气体流可以帮助燃料在发动机暖机期间的蒸发。在正常使用时，气体在入口点处没有足够热，导致有燃料过早燃烧。可选地，可在储槽和入口系统之间设置阀155以调节再循环。在一个备选实施例中，储槽可包括一系列可滑动地安装的壳体，其能够彼此间收缩，例如如图272的立体图所示，其中标号600指具有侧面和底部的基壳，标号601指仅具有侧面的中间壳，标号602指具有侧面和顶部的顶壳，标号603指用作导向件的压制突起。前面披露的弹簧加载装置和导向件可与此储槽相关。储槽的实施例作为示例来显示；可以使用任何适当的储槽，其可以任何方式构造和操作。基体可处于任何方便的位置，储槽的膨胀和收缩可用任何装置沿任何方向来引导。
阀构造会有一些可能的问题，这是因为其需要耐受废气的非常高温和磨损性，尤其是在发动机的整个寿命中。适当高温材料包括陶瓷或镍合金的范围将在下文中更详细地描述。这里作为示例介绍了一些阀构造的方法，其应当使得在需要更换或维修时能比较容易，并且可提供适当的密封、气体到储槽或再循环部的可选性引导，以及耐受来自任何丝状材料的颗粒或薄片。所述主要实施例的一个特征是，两个主要部件之间的连接或法兰与阀轴线重合，导致阀和心轴可被制造成整体单元，并在两个部件互配时安装，该构造尤其适用于蝶形阀。图273作为示例以示意性平面图显示了发动机16，其具有反应器180，它在与废气管181的连接处设有主气体出口阀182，而图274类似地显示了发动机16，其具有反应器180，它在与废气管181之间设有中间部分183，其具有包括主阀187、带有与再循环通道184连通的分支184a的连接，以及可选地在通道184处的辅助阀185。图275到279显示了图273的阀182的细节，其中图276是沿作为放大平面图的图275中的线K的剖视图，图277是图273和275中的L处的视图，图278和279显示了部分连接处的细节。偏心圆或椭圆构造的蝶形膜片187制成为与心轴186和促动杆187a形成一体，其一个部分188具有比另一部分189更大的表面积，使得阀在打开位置具有自动防故障功能。连接处附近的废气管181和反应器部件的剖面具有与阀类似的大致圆形或椭圆形阀。两个主要部分在整体法兰190处连接并通过可压缩材料195隔开，法兰190与重合的空心负载分配脊191相连，螺栓192、垫片193和螺母194穿过法兰以将两个部件保持在一起并处于压力下，可压缩材料195优选为穿过心轴186的各侧的两个单独的层。这在图279中详细示出，其中心轴穿过两个主要部件180和181之间的通道。优选地，部件和心轴具有在装配时中心不重合的互配曲线，从而在密封可能是最薄弱的连接196的区域处具有更强的捏紧效应。如图278的局部剖面图所示，双层可压缩材料195的小内突起将在闭合位置中帮助膜片187的正确定位和密封效应。
图280作为示例显示了图274所示实施例的示意性平面剖视图，其带有主阀187，其中可选的辅助阀为压力敏感插头197和压缩弹簧198的组件的形式，蜂窝结构199处于中间部分183与反应器180的连接处，以便基本上用作纤维或胶股截留器。图281显示了类似的局部平面图，其中通道184通过至少两个组件连接到中间件183，该组件包括两个相似的空心负载分配脊191和螺栓192、垫片193和螺母194，而废气管181通过组件200经中间部分183连接到反应器180上，组件200包括多个相似的空心负载分配脊191和相关的紧固件192。图282以纵向剖面示意性显示了处于打开位置的空心球阀，其安装在两个部件的连接处，其中标号201指带有其整体式心轴202和促动杆203的“球”，标号204指主废气通道，标号205指密封件，标号206指在冷启动期间允许废气再循环的可选辅助通道，标号180指反应器壳体，标号181指废气管，两个部件间的连接用虚线207示出。图283以相对于通道204的轴线旋转90度的类似剖面图显示了处于关闭位置的阀，其允许辅助通道206连通到主通道204，主通道204又与通到废气再循环装置的开口208连通。希望将阀促动装置制成为尽可能简单和自动防故障。为此，阀在闭合位置应当被弹簧加载(不是由机械作用锁定)，使得超过设计极限的反应器压力将足以克服弹簧力而允许部分气体逸出，从而再次降低压力到低于促动弹簧和保持负载平衡以使阀稍微打开以在反应器中维持恒定压力所需的值之下。弹簧加载使得也可偏压阀到完全打开的位置。这种设置在图284中示意性示出，其中标号210以粗线示出了阀促动杆，以细线示出了蝶形阀211和通道212的内表面，还示出了弹簧213、弹簧轴线214、壳体上的弹簧固定件215、杆上的固定件216，以及可枢轴转动的阀轴线217。阀组件以虚线显示为稍微打开的位置，以点划线显示为完全打开的位置，虚线211a表示阀边缘行程的弧。可以采用相同的负载系统，阀可由使之前固定的弹簧固定点215能在末端219和220之间的虚线218所示路径中运动来促动，虚线214表示各末端处的弹簧轴线。该弹簧固定点的运动可以任何方式促动，在选定实施例中通过由热敏材料的膨胀驱动的零件来移动，该材料例如为所截留的气穴或如图285所示，其中活塞221通过截留的易膨胀材料如气体或蜡的空间224而与暴露在热废气223的通道下的高导热率容器222连通。活塞221与连杆225和连接件226相连。图286示意性显示了活塞杆225如何通过其促动杆210、弹簧213和安装在枢点228上的中间臂形杆227来促动阀的操作。阀由弹簧来间接促动保证了可具备自动防故障功能。如果这不是必须的，那么热促动活塞221可通过直接连接来打开和关闭阀，例如如果中间杆227的端部229与阀促动臂(在该实施例中未示出)直接相连的话。在任一种情况、尤其是在后一情况下，可以使阀的开度与废气温度紧密相关联，因此使反应器压力与温度相关联。
上述特征可以彼此间任何适当的组合来使用，在适当处可完成与冷启动相关的功能。到入口系统的气体循环可与气体储槽相关联，或者备选地不设置储槽而直接进行。另外，上述废气再循环(EGR)系统例如可在已实现了暖机后使用，以便在正常运转状况下为发动机提供EGR，连续地或在一定工作模式下。为了促进使用EGR并因而能够取消使用泵，可以在反应器中围绕与再循环通道的连接处设置导罩，如图287示意性显示，其中导罩230伸入到废气流231中，在标号232处形成了高压区域，这将帮助气体沿EGR系统233的流动。优选的，导罩置于反应器内的薄弱区域，即反应以低于平均速度进行的位置，使得最不具备无污染性的气体被再循环，允许反应在其二次通过反应器的期间部分地继续。导罩设置导致连续使用的EGR处于大致恒定的比例，在非常低速和中速之间的比例积聚之后，因为气体循环取决于速度，以及从发动机中出来的气体的空间。EGR系统到进气歧管的连接处的可选阀作为示例在图288中示出，其可以是依赖真空的，在图中标号234是废气供给通道，标号233是EGR系统，标号235为歧管，标号236是克服了曲线片簧237提供的压力而处于打开位置的插头，阀在闭合时密封了具有逐渐变化尺寸的出气口239的通道238，并在插头完全或部分地处于打开位置时可被操作。插头盖在关闭时密封在座240上，其中内部空间241通过虚线242示出的流动通道与EGR系统形成压力平衡。EGR与入口真空成比例的程度可通过出气口239的尺寸来调节，其可以为线性、对数式或其它逐渐增大的尺寸。某一工作模式的采用涉及到需要突然供应再循环气体。对于直接式系统来说，一旦满足了初始需求，在EGR系统中就会形成局部真空，因而将气体供应速度减慢到理想地所需的以下。这主要通过在系统中结合废气储槽来避免，废气储槽不一定成本高。如果结合了可膨胀的储槽、例如在冷启动过程中所用的，那么其膨胀动作可以是逐步的弹簧加载。在正常运转期间，例如通过围栏来辅助的再循环压力处于较低的范围，导致弹簧的第一软部允许储槽在一定范围内、例如其整个膨胀的四分之一范围内膨胀和收缩，该储槽运动保证了在一定工作模式下突然引入时的更加一致的EGR速度。在冷启动期间，更大的压力将克服弹簧的第二更强部分(以及第一级)的阻力，允许储槽膨胀到其最大容量。
在EGR希望于中速或高速的发动机速度下进行的情况中，可在EGR系统到入口歧管的连接处结合入口气体速度促动阀，如在图289的平面图和图290的立视图中所示。在图289中显示为打开的阀包括可在与EGR系统连通的通道244中滑动的轴243，其暴露出渐变尺寸的出气口245，该轴终止于头部246处，其具有相连的导罩或叶片247，它能克服瓣叶式弹簧249的作用而伸入到气流248中。图290显示了阀的相同设置，阀容纳在壳体250中，在关闭位置伸入到入口歧管壁251处。优选的，适当平衡的EGR系统将包括一系列例如由真空和/或速度或其它手段促动的阀，其设置在入口系统的不同部分中并全都与优选具有气体储槽的EGR系统连通。通过精心地定位这些阀、调节它们的弹簧偏压和选择通道直径，就可为不同的驾驶模式提供正确量的EGR。已经说明，组件的暖机可通过用阀来全部或部分地关闭废气出口以将气体堵在反应器内来加速。这种围堵可通过任何适当的方式来实现，包括在一个优选实施例中在废气系统中的反应器气体出口附近设置风扇或涡轮。由于风扇在冷启动时的惯性并构成了系统中的阻挡和围栏，在发动机工作的早期循环期间会在其中积聚压力。风扇优选并不构成整体阻碍，一些空气会穿过叶片之间或它们与壳体的连接之间，导致发动机比较容易地在启动电机上转动起来。一旦点火开始，发动机速度和气流的快速增大将保证显著的围栏效应，其仅在反应器相对于风扇叶片的压力克服了风扇惯性时才释放。可选地，风扇主轴及其轴承可具有不同的热膨胀系数，使得在冷时紧密的轴承配合将保证比暖时有更大的旋转阻力。作为示例，在图14中以标号471示意性示出了风扇，其也可为涡轮叶轮。与提供EGR相关地来描述的阀正时和供应的上述系统也可用来为入口系统提供额外的空气，以帮助提供精确控制的空燃混合比。空气可从储槽中供应，然后经设于过滤器之前或之后的空气净化组件来供给，如图291中示意性所示，其中同轴室252围绕着主入口管并靠近空气净化装置253，室252经开口254被提供空气，还提供了可选的围栏或导罩255以将储槽中的空气维持在较低压力下。由发动机模式(以及充料空气压力)促动的阀的系统可用于将循环废气或空气提供给反应器，通过从供应源通向反应器的通道并经例如处于空气入口系统中的阀。这种阀的操作在图292中示意性示出，其中入口系统258的轴256和盖257克服弹簧259的负载打开以释放通道260。优选地，在任何EGR系统中结合有过滤器以截留废气中的颗粒物质，该物质已知为在许多已有不适当的过滤系统中会增大发动机的磨损和带来可能的机械失效。根据本发明，不需要为反应器提供大量的空气。然而，希望仅在一定运转条件下优选以上述方式提供少量空气，以帮助任何废气部件反应过程的精确平衡。例如通过提供弹性侧部，空气储槽可以膨胀以在工作模式的突然变化下以更加恒定的压力提供空气。备选地，储槽可包括一系列滑动式安装的壳体，其能够彼此间收缩，例如如图272中的透视图所示。
这里针对废气流所介绍的壳体和丝状材料的形式、内容和构造全部可用于任何组合和实施例中，以提供用任何方式处理、控制或加工发动机充料的手段。之前，大多数内燃机具有以穿过管状歧管的管状柱体的形式来提供的充料。通过使充料经过本发明的壳体，可以消除与传统歧管有关的大多数脉冲效应和临界调整，提供了更顺畅的充料流，在工作模式改变时尤其如此。在充料壳体内提供丝状材料可帮助提高湍流、热交换及消除凝缩等。充料壳体可形成为与前述反应器壳体类似，其中部分充料处理空间进入到通常被发动机所占据的区域内。入口端口可形成为具有渐变截面，以保证空间和端口主要部分之间有顺畅的流体流动。丝状材料可设置在充料处理空间的任何位置处，但在一些选定实施例中其处于入口开口中或其附近。入口开口区域、包括邻近于和伸入到充料处理空间中的，可具有流体分配或流动控制件，例如或类似于在图201到210中所示的。流体可通过不平行路径从充料处理空间中出来，例如类似于图199和200所示。在充料处理壳体和发动机本体之间沿着图188和196中的线设置了内部件，其可选地为绝缘材料以将充料保持在环境温度下。对于燃烧式发动机来说，本发明的壳体、构造、端口设置和内容物可用于仅处理充料或仅处理废气或处理这两者。在后一情况中，充料壳体可与废气壳体相对(例如在“横向流动式”发动机中)，或者两个壳体相邻地安装在发动机的同一侧，或者分隔开或组合在一起，或者这两个壳体可以是一个整体。在选定实施例中，壳体与多个入口开口连通。本发明的另一优点在于，它提供了改善的入口静度。上文中针对废气流介绍的阀和流体控制系统可用来调节发动机的充料流体流。
在一个重要实施例中，本公开中的所有流体传送装置在适当之处也可用来传递固体，包括细粉末。在另一实施例中，将两股单独的流体传送到一个工作室。可选地，它们由一个装置彼此独立地来传送。对于内燃机来说，第一种物质是燃料而第二种物质是辅助燃料，即非燃烧剂，或者第二种物质与燃料混合，例如酒精/水混合物。连续地或在选定工作条件下引入第二种物质可明显有利于发动机动力和/或改善废气排放和/或燃料经济性。第二种特征可在下述工作条件下引入并辅助起效果，例如急剧加速或高负载或最大动力输出。在这种工作模式下，燃料消耗显著增大，然而如果主燃料维持在正常流动下且增大的需求由第二种物质来满足，优选从非化石燃料源中得到，那么就可以显著地节约主燃料。所用的第二种物质可以是另一种燃料，例如乙醇或甲醇，其可从诸如废纸、生化产品等物质中获取。它也可备选地为液体、蒸气或气体形式的水，从20世纪一开始就已经知道了其在一定条件下具有提高的性能，并具有减震效应。在选定实施例中它包含水和燃料如甲醇的混合物。在另一实施例中，水作为液体引入到气缸中，之后通过燃烧热转化成蒸气，和/或在压力下引入蒸气以提高发动机的体积效率。水作为液体引入可在燃烧空间中具有冷却效应，这源于在将水转化成蒸气时吸收的能量。除甲醇外，任何其它适当的碳氢化合物如乙醇均可用来与水混合。水的引入可与环境湿度有关，并由传感器来调节。
下面将介绍用于将物质引入到进入充料中的装置，其中不涉及通过气体速度导致燃料蒸发来传输燃料。可采用这里公开的任何流体传送装置来将第二种物质和/或主燃料引入到充料中。对于压缩点火式发动机或具有气缸主燃料喷射的其它发动机来说，另一种物质可通过附加喷射器来提供，或者它们可由复合喷射器(其在同一喷射器中具有不同的通道系统)来提供。喷射可以互连，即一种物质的喷射自动地导致另一种物质的引入，或者系统可以彼此间独立地操作。针对流体传送给工作室的输送的公开可适当地用于压缩机、泵和内燃机，但大部分例子应用于内燃机。燃料传输装置通常显示为安装在头部，并与作为燃烧室的工作室连通，然而对于内燃机或任何其它机构来说，装置可以任何角度安装在任何燃烧或工作室内的任何适当位置处，包括处于入口端口内或附近。在一个实施例中，图293作为示例显示了复合喷射器的下部的剖视图，其中走廊272内的燃料经通道272a来提供，并以正常方式从标号273处通过压力波提升喷嘴274沿箭头方向喷出，该喷嘴可互换地安装在喷射器主体274a中。喷嘴具有空心的中央通道275，其仅在喷嘴提升时才与辅助流体走廊276(经通道276a来供给)连通，并因而能进行燃料喷射。辅助流体处于连续的压力下，并仅在喷嘴提升时才喷射277。燃料与辅助流体的比例通过其各自的压力和走廊与空心通道的交叠程度的持续时间来确定。在另一实施例中，图294示意性显示了复合喷射器，其具有处于外喷嘴279内且与之同轴的内喷嘴278，外喷嘴279安装在喷射器本体内274a，这两者都在传统模式下以独立提升和喷射能力的方式工作，从而将两种不同的流体喷出，见标号273和277。外喷嘴仅在走廊272(由通道272a来提供供给)中的压力波导致的沿方向279a的提升时才进行流体传送273，而内喷嘴独立地在传送通道275提供的空间277b中的压力波导致的沿方向277a的喷嘴278提升时才进行流体传送277。在这里公开的能够传送至少两种流体的流体传送装置中，其通常与燃烧室连用，其中一种流体是燃料。这些装置可用在任何内燃机、压缩机或泵中，并可传递任何不同流体的任何组合。在附加实施例中，图293和294的原理可适用于具有能够传输三种或更多不同液体的单个流体传送装置。
在另一实施例中，流体传送装置的与工作室连通的部分在流体传送期间以与图293和294中的喷嘴或枢轴的线性往复运动不同的方式运动。作为示例，输送两种单独流体的装置在图295的剖面图和图296的顶视平面图中示意性示出，这里喷嘴组件显示为从工作空间处看去。中央喷嘴280以传统方式工作，并通过压力波沿箭头方向被抬离其座，如标号277示意性示出地喷出流体，而容纳于喷射器体247a内的喷嘴281在前述喷嘴上同轴地运动，并在释放流体284期间以旋转方式在其座内运动。这种旋转可由轴承来控制，或克服摩擦密封282的阻力来进行。旋转运动通过切向于喷嘴直径而终止的流体传送管283来施加，并在流体喷射的持续时间内根据其力来施加扭转运动。备选地，旋转运动可电气式地例如通过螺线管来促动。该运动会导致流体以标号284所示方式摆动式地通过燃烧空间，其方式类似于一些园艺用软管的动作。外喷嘴的喷射可通过与经通道285a来供给的流体走廊285同轴且围绕它的压力波来进行，经通道285b喷射到管283，如图中右侧所示。在左侧所示的一个备选实施例中，压力波可选地克服弹簧287的加载而下压一个或多个柱塞286，因此通过柱塞的向内运动将带有通道285b的流体走廊与管相配，进行喷射284。这种摆动作用由旋转的喷嘴运动来施加，旋转的喷嘴运动又由对于大致切向的流体喷射传送的动能反应或者机械或电机械促动来施加，相对于传统喷射系统来说具有很大的优点。后者在直线分配燃料的情况下操作，而本发明喷射所形成的蛇形具有更长的长度，从而减少了在雾化发生前液体沉积或在室壁内燃烧的机会。摆动作用还会使燃料滴分配过比传统单向喷射更大的充料空间。旋转喷射器部分主要在复合实施例中介绍过了，其中由一个组件来传输两种物质。在一些备选实施例中，旋转原理也可体现在处理一种物质的喷射器中。伸入到工作室或燃烧空间中的旋转件可以是任何构造，并且适于旋转喷射器的头部构造也可体现在固定的或非旋转头部的喷射器中。旋转可仅由燃料喷射速度来实现，或者通过电促动例如螺线管或电动机或磁体来实现，或通过柔性的或固定的机械驱动喷射器来实现。旋转可以是间断的、连续的或可返回的，例如当在喷射期间头部旋转时并通过弹簧或其它作用完全地或部分地回复其初始位置时。旋转可用上述方式的任何组合来实现，例如在这样的喷射器中，其中小电动机施加的旋转推动力不足以正常地克服轴承/密封摩擦负载来旋转头部，旋转仅在大致切向喷射时实现，其提供了额外的旋转运动以克服轴承摩擦。机械或电的旋转可通过实心或空心针或管喷射器喷嘴密封件来传送，其可与旋转头形成整体或与之连通，和/或通过花键、齿传动、摩擦面等来驱动。通过抬起座，针/轴/管可同时用作旋转驱动和燃料释放装置。在这种情况下，垂直运动可由传统的流体压力阀或螺线管来促动。
如果旋转运动由螺线管促动，就可以采用螺线管组件通过适当角度的螺线管作用来同时施加垂直和旋转运动，如图297示意性示出。电路的促动导致轴800克服弹簧或其它阻力被拉动而作具有旋转和往复运动分量的一种复合运动，其范围和方向由箭头801所示。这里，电路的停止导致轴的运动范围和方向由虚线箭头802所示，使轴回到其初始位置。阻力可以仅在一个维度上，如往复运动，从而提供如标号802所示的返回行程，因此随着各次促动，轴旋转过一个弧度。可通过任何方式、包括通过机械驱动将往复式运动和旋转式运动施加到流体传送装置的所有或任何部分，这些运动可以是独立的或相关的。电磁促动期间的运动可沿任何方向或线。例如，如图298中示意性所示，与喷射器头部连通的件803可旋转地安装在“凸峰和凹谷”轮廓的固定套筒或凸轮804上，从而向其施加复合运动。可通过喷射压力向喷射器头部施加往复运动和/或伸缩运动，该压力导致头部部分相对于例如弹簧加载而延伸或突出。在流体传送期间旋转的装置的其它实施例在图299到303中示意性示出。图299以平面图示出了能够旋转的喷射器头部813，其具有弯曲的空心管811以允许流体经端部孔812a流出810。图300显示了类似的设置，其中多个直空心管812均具有多个孔812a，以允许流体流出810。图301以平面图示出了能够旋转的形式为空心盘片813的喷射器头部，其具有一个与允许流体流出810的周向孔814连通的内部空间，孔的设置如图302的局部端视图详细示出。盘片具有与旋转轴线同轴的另一内部空间815，其能够允许辅助流体流过以从开口816中喷出277，并且在中央喷嘴816抬起和复位之后沿图295所示直线闭合。图303显示了喷射器头部813的侧平面图，其具有半螺旋构造的成环形的空心管826，其可选地具有封闭端，用于旋转和非旋转应用，流体从管侧壁中的一系列喷射孔812a中流出810。虽然往复式、旋转式或其它运动件针对喷射器头部组件来进行描述，但喷射器的整体部分、包括头部也可以是可动的。喷射器头部的旋转轴线可与喷射所针对的空间以任何关系对齐。在另一实施例中，在几乎所有结构变形中，喷射流体可部分地用作润滑剂。作为示例在图304的示意性剖视图中显示了可旋转的头部827，其通过螺纹固定在旋转驱动件828上，这两者都由固定的喷射器主体829来定位，轴承表面830由来自通道831a提供供给的喷射流体走廊831并经芯状或多孔或可渗透材料的环832的渗流来润滑。经过环和通道832a的流体压力波的喷射由标号810示出。在上述或其它实施例中，所有或部分的喷射器主体可与工作室的一部分如气缸盖形成一体。
本发明还包括往复式、可伸缩式和/或套叠式作用的喷射头。往复运动喷射头可与发动机循环或其部分、例如压缩和/或膨胀冲程成固定关系地往来运动。这些要求将空心件可滑动地安装在类似构造的空心导向件之内或之外，或者将多个这种可滑动件以套嵌方式相对彼此地安装，并且可以是固定的或在其它平面内运动(或旋转)。可滑动件在侧面轮廓中可以是直的或弯的，可具有任何方便的剖面，包括圆形、叶片形、十字形、星形等。出于以下两个重要原因之一或全部，在喷射器中可结合伸缩作用：当发动机本体部分的循环运动允许时(当活塞在其压缩冲程的前十分之九时)为远离喷射器基体的工作区域控制受控流体供应，或者提供大致更好的流体混合或雾化。这对由一个喷射器服务大型燃烧室的情况、例如在船用发动机中尤其有用。流体可传送经过滑动件中的与内部空心部分连通的端部和/或其它部分中的孔，和/或传送可这样来实现，通过在彼此间可滑动的相邻零件中设置不同截面积、位置、数量和/或对齐度的孔，使得在操作中通过可彼此运动的不同部件中的孔的逐渐对齐可产生了受控的顺序的多流体传送。在选定实施例中，预喷射压力积聚会导致喷射器头部伸出，部分流体经喷射开口流出，一旦伸出开始主喷射便发生在很大的压力下，然后降低的压力导致喷射停止和头部收回。备选地，头部克服弹簧加载的伸出可通过燃烧过程本身来实现，例如在部分喷射器头部限定了燃烧式发动机的预燃区或室的情况下。在这种构造中，在点火开始时在预燃区膨胀的气体的压力导致喷射器头部例如克服弹簧作用而被吹动或迫动到不同部分，在任何晚一点的时期、包括主燃烧室和预燃区内的压力相等时复位。安装旋转式、往复式或滑动式零件的技术是众所周知的，这些已知技术可以容易地用于本发明的构造和实施例中。作为示例，图305在侧视图和图306在局部平面图中显示了套叠的往复式或“蜥蜴舌”式动作，包括具有叶片截面的三件式喷射器头部组件。在图305中以实线显示了非喷射位置，以虚线显示了完全伸出的位置。流体喷出810的大部分孔810a处于叶片状部分835的长端或侧面，叶片状部分835克服横叉式构造片簧833的张力而伸出，偏压到使喷射器部分回到收回位置。设置了其它孔836来在组件伸出期间的一些阶段彼此对齐。伸出元件在图305中以曲线示出，但它们也可以是直的。本公开中的任何实施例的喷射器头部、包括那些在图293到313中所示的，大致作为示例显示为垂直于或大致平行于工作空间1002的上方平面。备选地，它们可相对于气缸盖或工作空间对齐成任何角度，不论喷射器的部分是否旋转。
在另一实施例中，为了在燃烧式发动机中使用，流体传送装置包括点火装置，和/或包括或限定了预燃区，和/或流体传送装置可出于任何原因而可旋转地或往复式地运动，包括改变工作室内的压缩比。预燃区可仅由将装置安装到燃烧室盖或其它部分上来适当地限定，装置的一些部分和盖一起形成了预燃区的壁或边界。可以流体传送装置处或其附近的气缸盖处设置壁或罩组件或凹陷，它们一起部分地封闭了预燃区。作为附加或备选，火花点火或电弧点火中由横跨装置端子上的电桥来促动，或者是处于安装在装置上的一个端子和安装在任何其它发动机部件上或由其形成的另一端子之间的电桥来促动，该部件包括室或预燃区壁，或阀、活塞或转子头等，在一个备选实施例中，电桥的一个端子处于装置上，另一端子处于工作室内。复合装置单元的端子可以为任何构造，包括屋顶形、L形件、环，包括与单元轴线同轴的环，其可由任何方便的导电材料、包括金属和碳制成。点火可按照目前的“冷”火花原理或现在正在研究的涉及“热”弧原理来进行，包括那些称为等离子点火的系统，其中电弧导致超热气体流快速地从开口或限制部中喷出，点燃可燃混合物。在后一种情况下，点火系统结合到复合点火和燃料传送单元中，点火装置不论是单数或是复数可安装在燃料孔附近，或者点火装置可安装成与例如喷嘴的装置的至少一部分同轴。在一选定实施例中，其中进行放弧和气体的超级加热以提供等离子点火的小区域额外地提供了燃料供应装置，使得相同区域用作等离子点火源和预燃区。在另一选定实施例中，喷射系统的一部分例如喷嘴用作点火系统的一个末端，包括等离子点火系统的电弧。作为示例，图307显示了安装到发动机盖或本体840上的喷射器的下部，其形成为使得预燃区841产生为能够通向主燃烧室842。具有喷射器头部843的喷射器843a可选地旋转和/或往复运动，例如通过图298所示的装置，从实线860所示位置到虚线844所示位置和/或它们之间的任何位置，出于任何原因、包括改变压缩比。在标号861处提供了可选的密封环。喷射器843a由不导电材料如陶瓷制成。传统类型的火花端子由标号845示出，一个备选的端子由标号846示出，用于为发动机壁部分847提供火花，发动机壁部分847由导电材料制成的，或者局部地含有导电材料，其作为电路的一部分或与之相连。备选地。火花可通到金属的喷射器头部843。另一例子在图308中给出，如下所述。
本发明的另一方面是，喷射器部分能够往复运动，以便有效地提供可变压缩比燃烧室或可变性能的预燃区空间。在图307中示意性显示了一个例子，其中显示了喷射器组件843a的多个备选位置中的两个。由于预燃区空间和燃烧室空间整体上形成一体，改变预燃区的空间将会改变有效压缩比。可选地，喷射器头部的运动和预燃区大小的改变可以在发动机的操作中改变，其为人工地或自动地，并取决于例如温度、起始条件、发动机速度和/或负载、进气充料压力、大气压力、充料组分和所用燃料，等等。这种可变位置活塞或头部组件构造已经在其它装置中已知了，并且可用任何适当方式来体现。一种实现本发明的方式是通过弹簧加载将喷射器部分朝向其最收回位置偏压，克服在喷射器组件组件上操作的可转凸轮的阻力。喷射器运动可由导向件、沟道、槽、突起、凹陷、壁架和凸轮等任何系统来引导，喷射器部件可以为任何适当的材料，包括陶瓷、陶瓷玻璃等。本发明的任何喷射器头部组件可在各次喷射期间(产生摆动的喷射流体)具有往复和/或旋转运动，其程度可根据发动机工作模式而变化，例如通过能够作旋转和/或轴向运动的凸轮。作为示例，图308示意性显示了复合喷射器/点火器，其安装在头部1004中，具有陶瓷主体部分843a，形成了限定预燃区850的罩或壁848，其包含了安装成可沿方向1802往复运动的可伸出针849，该针具有中央的端部孔849b和多个倾斜的侧孔849a。针849安装在部件854中，可沿方向1802作往复运动或进行调节。部件854显示为处于收回位置，但可移动到任何数量的伸出位置，如其下端处由虚线"A"和"B"所示。泄放孔849a和连接通道845a可选地提供润滑给可动部件854的内、外轴承面。等离子或火花点火852设置在端子852a和852b之间并与电路851相连。当针处于所示的最收回位置时，侧孔被挡住，并且可选地提供了缓慢的泄放以润滑针和主体843a之间的轴承。端部孔不被挡住，在工作循环期间少量燃料会泄漏出来(如标号1818所示)，其足以在区域850中产生可燃混合物。在一个备选实施例中，工作室中的压力使得在用于区域850中的点火的压力波被促动之前只有非常少的燃料泄漏。相反，用于在标号1818处点火的燃料由特定压力波传输，或者是初始就不同的“前波”或者是主压力波的早期部分。在区域850中的混合物被点燃的时候，燃料供给中的压力波足以导致针849伸出和使燃料从所有孔中喷出810，进入预燃区和燃烧室842的主要部分。当压力波衰减时，针回到其收回位置。在一个备选实施例中，尚不足以移动针的初始小压力将少量燃料1818传递给室850，压力的随后增大或单独的更大压力波使针伸出，将燃料供给到主室842。改变气缸854的延伸的效应是双重的。它将改变燃烧室内的整体压缩比，这是所需的特征，另外，它还将改变区域850内的混合，假定在循环的无喷射部分期间不对燃料压力进行调整。应注意到，改变气缸854的位置可以发动机操作期间进行。或者，它也可在发动机的操作之间进行以调节特定的条件、如高度或燃料质量，或者在发动机的装配期间进行，以为发动机提供针对不同用途的特定规格。在另一例子中，图309示意性显示了与图308类似的设置，其中类似的特征大致具有相同的编号。与上图的差异在于没有设置部件854，且针853具有孔849a，其最佳地构造成可在处于最大伸出时提供流体到工作室842。在部分循环期间，燃料1818流出该端部孔。在区域850内的混合进行之后，压力波将大部分燃料喷射810到燃烧室842中，
在一个备选实施例中，喷射器的下部为盘片形式，具有任何形式但可选地为大致圆形，盘片具有周向流体传送开口。在另一实施例中，在流体传送期间，盘片在工作室内旋转和/或至少部分地往复运动到工作室。作为示例，图310示意性显示了盘片构造喷射器的两个实施例，其安装成可在气缸盖1004内沿方向1802往复运动，所示为处于收回位置，其部分地将预燃区850相对于燃烧室842挡住。在图308和309中类似的特征给予相同标号。这里，针855直接安装在气缸盖1004中，其具有整体的盘形头部856和内部的流体携带空间855a。在该实施例中，头部由金属制成，并且是用于经气缸盖(未示出)之外的电连接而形成火花852的电路851的一部分。用于润滑针和盖之间的支承界面的泄放孔用标号849a示出。在左侧的实施例中，区域850中的压力总是与主燃烧室中的压力相匹配，通道858将空间855a与盘片周边相连。针855中的小流体通道由虚线856a示出。在部分循环期间，燃料将从通道856a从轴承内面859b的端部，且可选地有少量从通道858中泄漏出来。空间850中的混合物由火花852点燃，所得的膨胀可选地克服复位弹簧加载(未示出)将针/头部组件855/856吹到燃烧室842中并定位在虚线856b处，并且压力波以正常方式经通道858传输燃料810。在右侧的实施例中，针的头部紧密地安放在气缸盖中以挡住较大的燃料传送孔859。如果座或密封连续地围绕着头部的周边，那么区域850中的压力在头部回到其座上时等于燃烧室中的压力，并且总是小于当燃烧理想地开始时处于最大压缩比下的压力。通常希望在小于连续燃烧期间的可能压力的压力下开始燃烧。如头部太早回到其座上，区域850中的压力便太低，可在盘片状头部856中提供小通道857，以缓慢增大区域850中的压力。可选地，通道857太小而不允许区域850中的压力在选定循环时间内与室842中的最大压力相互平衡。对于图的左边来说，燃烧如所示地开始。足够大的孔859将减小或消除燃料传送期间对压力波的需求，节约了动力、成本，以及高压燃料泵的质量和体积。保持在燃料系统中的包括用来经通道849a提供润滑的正常低压足以将足够大量的燃料推到孔859之外，此时头部不与其座接触。这样不可能形成过多喷射，且趋于保持关闭孔。如果燃烧室内的温度足够高，那么部分燃料会立即开始燃烧，且膨胀动能将剩余燃料快速分配到整个室。这种低压和低速传送在某种程度上类似于下述的流体带入工作室的方法。
在另一示例中，图311显示了能够独立地传送两个分开流体的喷射器的底部，其中第一流体从"A"而第二流体从"B"开始运动。喷射器主体1801安装成可在气缸盖1004中沿箭头1802方向往复运动，其显示了处于完全伸展的位置，其在收回和就座时的轮廓由标号1803示出。主流体"A"沿通道1804流到可选地为环形的流体走廊1805，并且可选地在压力波产生后经通道1806被喷出形成喷束1807，此时部件1801朝向其伸出的顶部。可选地，活塞头处于由虚线1001示出的区域，部件1801导致充料气体沿箭头在活塞头和部件1801底部之间的狭窄间隙内被压缩，导致有气体流沿方向1806横穿和经过喷束1807，增大速度和流体/充料混合效率。当喷射器主体回到其正常安放的位置1803时，燃料传送通道被头部阻挡，因此受到工作/燃烧室内的压力影响很小。第二流体"B"进入流体供应室1809，当在流体"B"中引发压力波时，柱塞1810从其座上抬起，导致流体排出1811。流体"B"可在任何时间传输，包括当部件1801收回或就座时。在如图311所示的可以是固定的或可伸缩的盘形喷射器的另一实施例中，流体走廊具有弹簧加载的柔性壁，其在流体中引发压力波和当压力波消退时膨胀，回到其原始位置的壁所释放的能量引发小一些的第二压力波，其方向与第一压力波相反。该第二波可用来平衡流体传送系统，或导致额外的流体进入工作空间，或这两者。作为示例，图312显示了这种喷射器主体1801的下部，其中它可沿方向1802往复运动并显示为处于行程的下限，流体从"A"处进入，流过通道1804进入走廊1805，从此处通道1806与主体1801的盘形部分的周边连通。当在流体中引发压力波时，弹簧加载的走廊壁1812凸出到虚线1813所示的位置，流体从标号1807处喷射到工作室1002中。当主压力波停止时，壁1812的复位导致额外的流体进入走廊1805以待喷射，从而一定程度地延长了喷射周期，并且同时地导致通道1804中更小的反向第二压力波。同样，当喷射器主体回到其正常安放位置1803时，燃料传送通道被头部阻挡。在一个备选实施例中，部件1801随着主压力波的消退而部分地收回，壁1812的弹簧作用主要用来在通道1804中形成反向压力波。在图310到320中显示了一定数量的流体通道以说明本发明的原理。在一些备选实施例中，可以提供任何其它数量的通道。
在另一实施例中，流体传送装置具有很少或无喷射动作，相反，它是在室工作循环内的适当时间将流体带入到工作室内。在一些于非常高温下工作的内燃机来说，不必要花费能量来喷射或迫使燃料在高压下进入燃烧室以保证宽广的燃料分布。在以一些方式下进入或暴露在燃烧室下的燃料将实际上立即开始燃烧，在燃料被一定程度地预热时尤其如此。燃料在传送点的首次燃烧可能导致燃烧产物首次产物的足够快速的膨胀，因此膨胀的动能将保证剩余燃料在燃烧空间内有效地立即分布。前面公开的另一种盘式喷射器可用来将流体带入而不是喷射到工作空间。作为示例，图313显示了两个平行的实施例，其中往复运动燃料传输装置1801的一部分安装在气缸盖1004中，并显示为处于其在流体传送进行时的末端伸展位置。如果不是的话，装置则返回到其座上，其下表会与气缸盖工作室表面大致平齐。可以是离散的或连续的和/或环形的圆周凹陷1813安装在盘片的周边上，盘片在这里显示为定心于张力件1814，其中喷射器主体1801和张力件1814能够沿方向1802独立地往复运动。图中显示了低压或“无压”式流体传送的两种备选方法。在右侧，当部件1801如虚线1803地收回或安放时，流体"A"经通道1804流到并进入凹陷1813。在左侧过程类似，不同之处在于流体"B"还会进入到形成于盖中的某类凹陷1816内。在这两种情况下，当部件1801延伸时，凹陷1813中的流体将与工作空间1002中的流体相互作用。当液体"A"或"B"为燃料时，在区域1818中很可能发生局部蒸发或沸腾。在左侧，当部件1801伸出时，空间1817全部或部分地填充有流体。当部件1801回到其安放位置时，它会迫使流体回到通道1815内，形成明显的反向压力波。附加地或备选地，空间1817中的流体能够完全地或部分地经通道1819被驱使或喷射到工作室1002中，其可沿任何便利的方向成一定角度。在图313的左侧所示的备选实施例中，仅有少量流体经凹陷1813输送，其引发室1002内的燃烧，然后在部件1801复位时经通道1819输送大部分燃料。在其它实施例中，燃料传输装置可旋转而不是往复运动。作为示例，图314以局部剖面和图315以平面图显示了平行的两个备选实施例。旋转式燃料传输装置1801安装在活塞/连杆组件1814的张力曲轴连杆部分上，其作往复运动和每四次往复运动作一次旋转，并且是空心的以允许气体往来于燃烧室流动。装置1801利用键1824连接到空心杆1804，使其仅随连杆旋转而不作往复运动，并且通过任何处于气缸盖1004之内或之上的便利手段(未示出)而无法这样做。在右侧，装置内的燃料通道1804填充了空间1813；在左侧，气缸盖中的燃料通道1815填充了空间1813。设有4个彼此隔开90度的空间1813。在气缸盖设有4个也彼此隔开90度的凹陷1821，每个可有效地用作一类预燃区。图315显示了与凹陷1821对齐且暴露于其下的空间1813，允许空间内所带的燃料燃烧，如标号1826示意性所示。在左侧所示的实施例中，当装置旋转过大约45度时，空间与燃料传送通道1815对齐，允许对空间补充燃料。在右侧，空间在其朝向下一凹陷1821的大约90度的运动中从通道1804中补充燃料。在任一实施例中，装置1801也可传输至少一种其它流体，其由左侧的通道1822、小开口1825和到燃烧室1002中的喷束1823来示意性示出。流体传送可通过通道1822中的压力波来实现，但也可采用任何传送液体的方便方法，包括这里公开的方法。在另一实施例中，连杆1814不旋转且没有设置键1824。相反，装置1801的旋转通过任何便利的方式来执行，包括安装在气缸盖之内或之上的机械或电驱动。如果燃料和/或辅助流体具有润滑性能，那么可在轴承表面上在各侧设置通道1827。
在其它实施例中，流体传送装置并未围绕着张力曲轴连杆或活塞/连杆组件，而是安装在气缸盖或工作室的封闭结构的其它部分上的任何方便位置处的自持式装置。作为示例，图316和317分别显示了图313的双实施例以及图314和315的双实施例的自持式等效装置。图317的实施例是从工作室内部看上去的平面图，其与图315一样但去掉了中央件1814。相似的特征被类似的编号。第二通道1827提供了用于润滑轴承表面的流体。在另一实施例中，自持式装置小且轻，并具有几乎针状构造，在往复运动时尤其如此。在图318中作为示例显示了一个实施例，其中安装在气缸盖1004内且沿方向1802往复运动的针状流体传送装置1831显示为处于完全伸展位置，室1002内的燃烧在标号1818处发生。之前的空间1813现在是环形的周向凹陷1832，其在装置处于收回位置且处于其座1834上时处于虚线1833处。在那个位置，凹陷1832填充了来自头部1835的一个或多个凹陷的流体，头部1835是环形的并经通道1836来提供流体。可选的辅助通道1827将流体提供给轴承表面。在另一实施例中，针状流体传送装置具有供给流体的内部通道(如图319示意性示出)，其中类似的特征与图318中类似地编号。来自中央通道1837的流体填充了环形凹陷1832，当装置1831处于其座1834上时显示为虚线1833。装置1831可构造成沿着提升阀的线，头部之上的弹簧推动其复位到座上，并且可被任何便利的方式、包括电螺线管或摇臂促动。在另一实施例中，流体传送装置从上方插入，其可以任何便利的方式结合有止动件，以保证在收回位置中装置的尖端与到工作室的气缸盖表面大致平齐。这种从上插入式装置可将多股不同的流体带到工作室，图318和319所示的装置也可改造成这样。作为示例，该从上插入式装置的部分在图320中示意性示出，其中相邻的特征由与前面图中类似地编号。沿方向1802往复运动并显示为处于收回位置的装置1831具有用于使低压流体流到环形或其它形状凹陷1833的通道1804，以及将相同或其它流体提供给工作室1002的单独通道1822。经通道1822和开口1825的流体传送可通过任何便利的方式，包括通过压力波导致的喷射1823。当装置1831伸出到如虚线1840所示的位置时，空间1833内所含的任何燃料将暴露在工作室下并燃烧，如标号1818所示。由虚线1838显示为处于其上死点位置的活塞可选地具有凹陷1839以便在伸展时容纳装置，对于内燃机来说，凹陷1839可有效地包括预燃区。
在一选定实施例中，流体传送促动和/或阀促动由活塞/连杆组件的往复式运动通过任何便利的方式直接执行。这种方式包括摇臂装置，其一端促动流体传送装置或促动阀，另一端与活塞连杆组件中的一部分内的突起或凹陷连通，可选地该部分透过气缸盖并处于气缸盖之上的空间。采用机械连接来执行促动的方法的数量实际上是无限的；这里示意性给出两个例子。垂直剖面图321和平面图323显示了具有月牙形头部862的流体传送装置861，而垂直剖面图322和平面图324显示了具有月牙形头部864的提升阀863，这些图围绕共同的中心线布置(由于月牙形大致等同于部分环，阀863在某种程度上类似于图70到73中公开的环阀)。在各示例中，沿方向1802往复运动的空心活塞/连杆组件1206实际上相同，这些图显示了处于从气缸盖1004到工作室1002的最大伸出状态下的流体传送装置和阀，其圆柱表面由标号865示出。燃料传输装置和阀均具有轴环866和螺旋弹簧867，以使它们复位于气缸盖中的座上的收回位置。考虑图321和322，流体传送装置一定程度地类似于图316中所示，具有中央通道1831以填充位于月牙形头部的垂直表面中的多个凹陷1813，流体经柔性的和可选地为卷绕的流体管线868和橄榄形体869和轴环870提供到装置的顶部。活塞/连杆组件1206的活塞部分显示为在流体传送时处于或接近上死点。分支或Y形摇臂884设置成在两个隔得较开的托架872上围绕轴线871枢轴转动，托架872通过紧固件883安装在气缸盖上，两个臂873抬起和靠拢以保持住滚柱874，Y形的两个分支在碗形表面875中的下方位置处靠拢，装置861的孔从碗形表面中穿过，其可在促动期间压缩弹簧轴肩866。促动由在凸轮876上经过的滚柱来执行，该滚柱的形式为拧到活塞连接组件的连杆部分之上的环，凸轮876可选地使用了正弦截面877的螺纹并且通过键878来定位。在连杆上上下拧动凸轮将允许正时变化和装置861的伸展程度变化。考虑图322和324，所示设置适于仅作往复运动或同时作往复运动和旋转的活塞连杆组件(如图322和324中的设置所示，如果提供了润滑和/或允许滚柱874相对于凸轮876的侧向运动)。活塞在阀打开时朝向下死点运动，可选地允许充料空气从上方空间879经端口880进入。另一Y形摇臂围绕轴线881可枢轴转动地安装在两个托架882上，它们通过紧固件883连接在气缸盖上，并通过可变式安装和拆卸地薄片884与气缸盖分隔开。摇臂885的两个臂汇聚到具有凹陷的板886中，以容纳阀杆的顶部，板886终止于其上可旋转地安装了轮888的轴887上。轮与拧在活塞连杆顶部上的另一凸轮876接合，其可选地采用了正弦截面877的螺纹且通过键878来定位。在活塞也旋转的实施例中，凸轮表面将可选地具有大致正弦构造的部分，如标号889示意性所示。图321到324的实施例作为示例；可采用任何机械系统来产生活塞和/或活塞连杆组件的往复运动和/或旋转运动，其直接促动流体传送到工作室，和/或打开和关闭与工作室连通的阀。这里公开的流体传送原理可体现在任何类型的往复运动或旋转装置中。本公开中任何与流体传送有关的特征可以任何方式彼此结合以及与其它特征和装置结合，以形成未在这里明确介绍的实施例。例如，图308到的310喷射器可旋转地安装在气缸盖中。在流体传送装置的描述和图示中，包括如图293到324所示的，它们大致显示了更适合液体(不论是燃料或其它物质)的实施例。在适用时，这里公开的原理也可用来传送气体或液气混合物或粉末状固体(不论是燃料或其它物质)。在另一实施例中，这里公开的任何流体传送装置具有弯曲的主体，在安装时可装配到适于该曲率的任何发动机部件的孔或开口内，如图508和509中示例性示出。
在上文中公开了旋转和往复运动活塞/连杆组件如何安装在沿着与活塞/连杆组件相反的方向在壳体或外壳内旋转(但不往复运动)的气缸组件内。在例如用于燃烧式发动机的实施例中，流体或燃料必须从壳体或外壳内的固定供应点至少传送到旋转气缸组件内。这可通过任何方便的方式来实现，包括如下所述的。在用于具有接近垂直的旋转轴线的发动机的实施例中在旋转体中设置了用于流体的环形井、用于该井的固定供给源，和可选的感应装置以确定井中的液位。作为示例，图538示意性显示了这种设置，其处于往复运动中心CR的活塞/连杆组件2的沿方向3的中心线CL的一侧，大致对应于重力方向，在通过轴承6可旋转地安装在外壳或壳体5中的气缸组件1内限定了两个工作室8，并且往复运动的末端由虚线4显示。环形走廊7通过集成有液位传感器的供应管线9而保持填充到预定液位。喷射器10通过重力经内部通道11来供给，流体传送通过电信号经内置电路12、电刷14、触头13和电线15来促动。复合的供应管线和流体液位传感器9构造成当走廊7中的流体表面角度因强离心力而变化时能够适当地起作用，这由标号16示意性示出。在另一实施例中，适于旋转体的任何布置，任何形式、可选为环形的固定的流体传送部件定位在旋转体的任何适当部分上，在旋转循环期间的选定位置和/或时间处，环内的流体传送通道与旋转体内的流体对齐。作为示例，图539以局部剖面示意性显示了旋转体1的包含往复运动部件4的部分，其通过任何方式、包括滚柱轴承6安装在外壳或壳体5中。旋转表面19与具有复合法兰18的环17连通，部分地用于固定到外壳或壳体5上，如标号20所示。环具有由流体传送管线22提供供给的内部流体走廊21，该走廊具有一个或多个开口23，它们在旋转期间的选定时间点处与一个或多个通向一个或多个流体传送装置(未示出)的通道24对齐。可选地，当通道23和24不对齐时流体处于低压或零压下，并且当它们对齐时存在增大的压力，包括通向流体传送装置。可选地，通道23是狭长的，使得管线22中的任何压力波的正时变化将导致流体传送装置中的流体传送的正时变化，如图540中示意性显示，其中环17的部分显示为虚线，其叠加在以实线示出的表面19的部分上。可能会有一些流体泄漏，其在任何场合下将用作表面19处的润滑。可选地，在法兰下设置了密封件25，可选地这些密封可以是空心的，经虚线的供应管线26被提供另一种或相同的流体，并且可选地在与经管线22引发的压力波相关或匹配的正时处会在密封件的空心部分中引发一些轻微压力波。
在另一实施例中，具有反向旋转气缸和活塞/连杆组件的任何发动机驱动另一机械装置或被另一机械装置驱动，该另一机械装置具有原理上反向旋转的组件，例如涡轮或发电机和/或电动机。在另一实施例中，活塞/连杆组件通过变长连接件而连接在该另一装置的旋转组件上。这种变长连接用来将活塞/连杆组件从装置旋转组件上部分地脱离，从而导致两个部件一定程度地彼此独立运动，这在可容许公差、磨损率和/或间隙不同时是有用的。作为示例，图541和542分别以半剖面和沿A向的四分之一剖面示意性显示了这种设置。工作室8由沿方向3往复运动且顺时针旋转的活塞/连杆组件2限定，该组件安装在处于壳体或外壳5且在轴承6上反时针旋转的气缸组件1中。装置的一个部分28通过具有轴线32的紧固件连接在气缸组件，另一部分27从活塞/连杆组件2一端的可选地具有孔30的管状延伸部29中悬伸出来。悬伸可通过连接在以圆圈示出的固定件上的任何类型的弹性或可伸缩连接件31来实现，例如任何类型的机械或气体弹簧，包括如这里公开的。例如，它可以是在一端或两端具有弹性连接或变长连接的连杆，类似于图508中以标号124,125,126,127和135示出的连杆和连接。部件27通过用具有轴线20的紧固件连接在外壳5上的臂34侧面地固定，该臂终止于位于安装在旋转部件27上的两个导向件33之间的可枢轴转动地安装的轮32内。在往复运动的末端，连接件处于位置31a。由于连接件具有变长，并且由于部件2和27的质量不是固定地相连，因此可以容易地促发部件之一的加速和减速，在此期间连接件将处于图542中的标号31b所示的位置处。在一个备选实施例中，如果部件未被例如臂34、轮32和导向件33侧面限制住并可自由地往复运动和旋转，那么连接器可选地是冲程放大器(包括如这里公开的)的一部分，以允许部件27在往复运动末端35之间运动。在上述例子中，装置的两个原理性部件显示为大致圆柱形构造。在一些备选实施例中，装置的原理性部件大致为两个反向旋转盘的形式。在另一实施例中，发电机和/或电动机具有两个大致为反向旋转盘形式的主要部件，其中一个是转子而另一个运动“定子”。在另一实施例中，一个盘是固定定子而另一个是转子。作为示例，图543显示了类似于图541的布局，相似的部件类似地编号。不同之处在于，盘36通过具有轴线32的紧固件经间隔件34连接到气缸组件1，往复运动和旋转组件包括带法兰的气缸39，其通过端部板38和具有轴线33的紧固件连接在活塞/连杆2上。沿与盘36不同方向旋转的第二盘37通过角度推力轴承35而从侧面相对于外壳5固定，连接件31如图541所示地处于气缸39和盘37之间。在一些备选实施例中，气缸组件1和盘36不可旋转，但直接或间接地固定安装在外壳5上。在另一实施例中，固定点和运动物体之间的电路通过可旋转地安装在固定轴上的金属轮来维持，可选地在轴和轮之间设有导电润滑剂和/或膏剂。作为示例，图544示意性显示了围绕轴线CL旋转的气缸组件1的一部分，其上通过具有轴线32的紧固件连接了金属板38。与板38保持接触的是金属滚轴承44，包括固定金属轴39、金属滚柱40和旋转金属外壳41，电路45与轴和旋转板相连。在操作中电力流经金属轴、滚柱向外流到板处，或沿相反方向流动。可选地在标号43处设有密封，滚柱安装在导电膏或流体43中或被其所围绕。在这种形式下，在外壳和板之间的接触区域中会存在一些差动或摩擦，这是因为板外缘处的颗粒比内缘处的颗粒运动得更快。在一个备选实施例中，该设置相对于轴线CL转动了90度，轴承与周向金属带接触，包括如在图503和504中所公开的。在这里的电动机和/或发电机的原理性部件的盘或气缸或其它形式中，绕组包括以任何顺序和/或方位以任何方式缠在任何一些方便的部段上。
在具有于高压下进行流体传送的许多发动机中，在流体中产生高压波的方法需要在发动机本身内或周围使用重的、大的、贵的和损耗动力的设备。在备选实施例中，流体维持在可设于任何方便位置处的储槽或箱中，处于接近发动机的任何部分工作循环所需的最大压力下，并且在断续且变化的间隔处排放，可选地希望以可选的变化量在任何时间进行流体传送。对于气体以及可选地还有液体来说，流体箱在压力下填充到至少用于适当地传送流体到发动机的最大所需压力下，并保持在接近该压力但有较多流体从箱中抽出，直到箱内到达预定的最少流体。对于液体以及可选地还有气体来说，箱可在任何方便的压力、包括大气压下进行填充，箱被密封，之后箱内流体承受到保持大致恒定的压力，然而有较多流体从箱中抽出，直到箱内到达预定的最少流体。在任一情况下，箱可选地被热绝缘。作为示例，图545示意性显示了这种箱51，其具有流体管线入口52和流体管线出口53，其均具有单向阀63。流体在空间54中通过活塞57保持在压力下，其具有透过箱的长杆和可选地安放在凹部63中的螺旋弹簧56。可选地在沿方向59运动的活塞头上设置了密封件58，活塞头的末端位置由标号61和61a来显示。可选地，活塞可通过任何类型的机构(由标号60示意性示出)克服弹簧力而运动到位置61a，这种机构包括齿轮或蜗轮驱动、螺线管、电动机和/或液压装置。在一个备选实施例中，作为机械弹簧的附加或另选，维持空间54中压力的活塞上的力可以是气体弹簧或高压流体。在另一实施例中，在空间55中设置了穿过管线52的同种流体的单独储槽。在一个附加实施例中，空间55通过通道64连接到另一储槽或箱65，这两者均用虚线示出。如果空间55中的流体是空气，其可选地保持在压力下，以通过带有单向阀的可变操作泵66来至少部分地平衡空间54中的压力，其中空气入口由标号67示出。在另一实施例中，空间55额外地或另选地通过通道68连接到储槽或箱69，其具有由任何类型的弹簧70提供动力的活塞71，以便将空间55中的流体维持在一定压力下，以至少大致平衡空间54中的压力。在一个用于燃烧式发动机的空间54中的流体是氢的实施例中，空间55中的流体是空气。如果密封件58的效果不完美，少量氢到空间54中的稀释不会显著地影响发动机的性能。在另一实施例中，如上公开的将箱内流体保持在大致恒定的压力下而与流体有多少无关的原理可适用于保持液体的任何装置或机构。
下面部分将描述本发明的发动机如何用来驱动车辆、水运工具和飞行器，可选地通过变速器。在本公开中，变速器尤其是那些关于图325到425,463,464和473到476所述的，它们可以是固定单比的变速器、可变分级的变速器，以及可无级变速的变速器(CVT)，包括在图426到461中所公开的CVT。
这里公开了飞行器的新颖实施例。一般这里仅描述新颖性和区别性的特征，已知的部件和公知常识将省略。以便简化说明和附图，并提供对本发明的更清楚的理解。在这里公开的飞行器中，它们均具有这样的部件：壳体；一个或多个固定的翼，包括转子；通到空气中的推进装置如螺旋桨、转子或涡轮机；用于驱动推进装置的任何类型的发动机，包括电动机和/或内燃机；用于调节发动机速度和/或动力的装置，包括控制装置如控制杆；用于改变行程方向或高度的装置，例如舵盘和/或副翼和/或襟翼，其由一个或多个控制件如方向盘、舵柄或控制杆来控制；可选的一些装置如第二转子或纵向突起，例如用于保持改善的方向稳定性的横尾翼；用于飞行器的一个或多个控制器或驾驶员的空间，其称为座舱，其包括至少一个驾驶员座椅，并在此处至少进行上述控制的调节；任何法律要求的任何及所有的夜间飞行灯，至少包括红色左舷侧灯、绿色右舷侧灯和白色尾部灯；以及任何法律要求的安全或紧急设备，包括救生衣、紧急出口、可充气式紧急滑道等。在这里披露的飞行器的一个重要备选实施例中，通过人工和/或计算机程序或这两者的结合(分开地或同时地进行)来确定、控制和/或改变至少任何下述可变参数：一个或多个发动机的整体的或单独的速度；任何推进装置的整体的或单独的推进方向；舵盘、机翼或襟翼的整体的或单独的位置或角度；机翼或襟翼的整体的或单独的延伸程度；机翼或襟翼的整体的或单独的攻角；机翼部分相对于其它部件的整体的或单独的延伸程度；任何光伏阵列相对于机身的整体的或单独的位置或角度。在一个或多个计算机中安装了任何计算机程序，计算机提供了和可选地接受不同的电路以通过任何适当的方式直接或间接地改变参数。这种方式可选地包括如上所述的确定、控制和/或改变，其可选地通过例如螺线管、伺服电机和/或一个或多个促动机构中的带有液压流体的液压电机或泵。该计算机可安装在飞行器的任何方便位置上或内。计算机可选地接收至少一个或多个传感器或测量装置的电气或电子信号，计算机程序处理来自传感器或测量装置的数据，所述传感器或测量装置可确定下述参数中的一个或多个：前进速度；风向；风力；任何风切变；壳体相对于正常垂直位置的角度；对地高度；环境气压；环境气温；与最近物体的接近程度；最近物体的运动速度；飞行器重量；飞行器机载的任何促动装置中的流体压力；飞行器机载的任何促动装置中的流体温度；任何发动机的一个或多个部分中的温度；任何发动机的一个或多个部分中的压力；任何燃烧式发动机中的废气部分的组分；任何操作员空间和/或任何其它封闭空间中的温度和/或空气状况；燃料的使用速度；所用燃料和/或剩余燃料的量。
由于新发动机在功率密度方面比传统往复运动发动机更好，也许比传统涡轮机也更好，因此它们适用于普通的飞行器，尤其是那些具有螺旋桨和转子的飞行器。对于直升机来说，无冷却发动机的轻质量使得它们例如可以直接布置在转子之下而不会显著影响整体的飞行器平衡。可采用能够提供最大所需性能的两个发动机来直接或间接驱动与叶片相连的转子轴，各发动机可以单独地接合和脱开。如果一个发动机失效，它可以被脱开以允许另一发动机为飞行器提供动力直到安全的低速下。在一选定实施例中，直升机的动力由混合式电气/内燃机系统来提供，其使用本发明的发动机和/或任何其它内燃机。在混合动力式直升机的另一实施例中，电动机的一半是转子轴的一部分，另一部分安装在固定的转子柱上或形成其一部分，电动机由用本发明的一个或多个发动机来供能的发电机所驱动，其可安装在任何方便的位置。电动机或被直接驱动或经控制器来驱动，其可选地连接到任何类型的能量储存系统上，包括电池组或电容器或飞轮。能量储存系统可附加地和可选地由安装在飞行器上的光伏电池来补充，它也可用来驱动第二转子，包括尾部转子。在另一实施例中，在安装了转子轴的固定转子柱上容纳了安全用紧急降落伞。中央柱可选地结合有或连接在电动机的定子上。当发动机或转子失效时，降落伞将自动地或人工地打开以减慢飞行器的下降，并保证飞行器能用轮子或起落架正确地着陆。在另一实施例中，着陆轮或起落架通过能够逐步使飞行器在着陆时减速的能量吸收装置连接在飞行器上，和/或能量吸收装置结合在机组人员和乘客的座位中。
作为示例，示意图325显示了穿过固定的空心转子安装柱4601的剖面图，转子轴4602可旋转地安装在该安装柱4601上。飞行器的一部分侧面以标号4603示出，上方的转子叶片以虚线4604示出。图中显示了两种备选的驱动设置。在图中的下部，发动机4605具有终止于齿轮4606处的驱动轴，齿轮4606可选地较小，并且可与安装在转子轴4602上的可选地较大的齿轮4607啮合和脱离。在图中的上部，发动机4605经变速器4644驱动转子轴，变速器4644具有终止于齿轮4606处的输出轴。在另一实施例中，变速器具有可变的驱动比。这种可变比对于改变由推进装置或叶片产生的相对于内燃机产生的动力的相对推力、适应不同的前进速度、不同的工作条件和不同的气候来说是有用的。如果主转子方向是顺时针4608，那么各发动机驱动轴逆时针转动。不论是使用两个发动机还是驱动两个变速器的两个发动机，各系统均可在失效时单独地脱开，使得飞行器能够从一个系统中获得动力，从而按规定地着陆。备选地，可以采用一个或多个发动机和转子轴之间的任何方便的机械驱动。在另一实施例的一个例子中，图326示意性显示了混合式飞行器的纵向垂直中心剖面，其中正常运动方向由标号4700表示。一个或多个发动机4605和相连的发电机4609安装在前座下，电池组4611和电控制器4612安装在乘客座位下，两个光伏面板组件4613以虚线示出地安装在飞行器的顶部。通过支柱4615连接了起落架4614，其设计成能够在比正常着陆时导致的大得多的冲击中吸收能量。还提供了航行灯，至少包括左舷灯15、绿色右舷灯(未示出)和白色尾灯16。机身39内的座舱区域35至少设有复合的高度和方向控制器36、可变动力或推力控制器37和驾驶员座位38。飞行器可选地具有一个或多个计算机程序和计算机(其中一个以标号34示意性示出)，以接收来自测量装置的信息以及改变和/或控制如上所述的工作参数。来自发电机4616和光伏面板4617的电力供应(以虚线示出)经控制器到达电池；来自发电机或电池的动力输出(以虚线示出)经控制器来到标号4618处的主转子叶片4620和标号4619处的尾部转子4621。电动机定子部分4625连接在安装柱4601上，该安装柱4601与基部4623形成一体或连接在其上，而基部4623通过固定件4624固定地紧固在飞行器结构上。电动机的转子部分4622连接在叶片转子轴4602的内部，该轴4602可在基部4623上的滚柱轴承或其它轴承4626上枢轴转动。包装降落伞4627装在固定安装轴4601内并处于爆炸装置4628的上方。安装柱可装有罩4629，以保护电动机不受其它零件干扰，并且降低降落伞打开时线缠绕在主转子叶片4620上的危险(以虚线4630表示)。可选地，降落伞壳体具有盖子4631，其在一选定实施例中在降落伞打开时保持连接在降落伞的顶部。在紧急状态下，爆炸装置被触发以使折叠降落伞沿方向4632伸出，使得降落伞被展开到如虚线4630所示的正确形式。使包好降落伞从壳体中伸出的技术是已知的，例如在汽车竞速比赛中用的。将很重的大型物体向上推出的技术也是已知的，例如在军用飞行器中弹出飞行员和座位及降落伞。安装柱需要较大的地板或基部4623以承受降落伞打开时的推力载荷。包含在固定安装柱4601内的降落伞可同样地用在图325所示的实施例中。
在另一实施例中，本发明的发动机可用在任何固定翼飞行器中，或者用来部分地推动飞行器而在空中飞行，或者为机载辅助装置提供动力。通常来说，飞行器运动中的一个重要限制是噪音，这对于小机场来说尤其如此。目前，世界上很多机场对允许的噪音都有分贝限制，并且对夜间飞行的限制更严格或者干脆禁止。由于本发明的发动机通常处于热绝缘和声绝缘的壳体内，因此发动机本身实际上不会产生噪音，并且带有这种发动机的飞行器能够使用具有常规发动机的飞行器所无法进入的机场。新发动机具有更好的动力重量比，因此飞行器或者可制成为更轻且更经济，从而能使用更短的跑道，或者飞行器可携带更大的负载。它们也将具有更好的动力体积比，因此翼载发动机将具有更小的体积且其空气阻力也更小。它们是无冷却的，因此气流不必如同在传统发动机中那样被引导来进行发动机冷却而带来空气动力学上的效率损耗。这种降低的空气阻力和提高的牵引性将导致更高的燃料效率和经济性。也许更重要的是，新发动机将更加有效得多，使得对于给定的航行距离只需更少的燃料，因此飞行器同样可以制成为更轻且更经济，或者携带更大的负载。图327作为示例示意性显示了带有推进装置4642的单发动机的轻型飞行器4641，推进装置可选地为螺旋桨，但也可是全部或部分地被罩住的叶轮或桨叶或风扇，其中正常运动方向由标号4700示出。还提供了航行灯，至少包括红色左舷灯15、绿色右舷灯(未示出)和白色尾灯16。机身39内的座舱区域35至少设有复合的高度和方向控制器36、可变动力或推力控制器37和驾驶员座位38。飞行器可选地具有一个或多个计算机程序和计算机(其中一个以标号34示意性示出)，以接收来自测量装置的信息以及改变和/或控制如上所述的工作参数。在机身4641内设有与变速器4644相连的启动电动机4643，变速器4644又与绝缘壳体4645内的本发明发动机相连，所有这些均以虚线示出。在另一实施例中，变速器具有可变驱动比。这种可变比对于改变由推进装置或叶片产生的相对于内燃机产生的动力的相对推力、适应不同的前进速度、不同的工作条件和不同的气候来说是有用的。启动电动机的位置可以是任何方便的备选位置，包括在发动机和任何变速器之间，或者发动机相对于螺旋桨的另一侧。在图327的构造中，除了桨叶以外的所有机械系统均可从飞行器内部接触到。在另一实施例中，发动机和/或任何变速器均包装成“卡入式”模块的形式，如本文其它处公开的那样。在另一实施例中，飞行器可由混合式电气/内燃机驱动系统来提供动力，其使用了本发明的发动机或任何其它的内燃机。作为示例，图328示意性显示了双桨式轻型飞行器1651的沿推进/动力组件的剖面，其中正常运动方向由标号4700示出。还提供了航行灯，至少包括红色左舷灯、绿色右舷灯(未示出)和白色尾灯16。机身39内的座舱区域35至少设有复合的高度和方向控制器36、可变动力或推力控制器37和驾驶员座位38。飞行器可选地具有一个或多个计算机程序和计算机(其中一个以标号34示意性示出)，以接收来自测量装置的信息以及改变和/或控制如上所述的工作参数。推进动力组件包括安装在旋转轴4654上的推进装置4642，该轴又安装在轴承4653内，轴承4653固定在电动机罩4652内的飞行器结构的一部分上。推进装置可选地为螺旋桨，但也可是全部或部分地被罩住的叶轮或桨叶或风扇。电动机的转子部分4622连接在轴4654上或形成了其一部分，而电动机的定子部分4625固定在电动机罩内的飞行器结构上。该飞行器具有与控制器612相连的任何设计的、包括这里公开的能量储存系统，例如飞轮或电池组4611，能量由用内燃机4505提供动力的发电机4609来提供。到机翼电动机的电力供给由标号4618示出。在机身上安装了一个或多个可选的光伏(PV)阵列组件4613，到控制器的供给由标号4617示出。附加地或备选地，光伏阵列组件4655可安装在机翼上。在这种设置中，飞行器驱动系统的每一部分、除了机翼上的螺旋桨和电动机以及可选的PV阵列均可在飞行期间从飞行器内部接触到。
可选地，这里公开的直升机或飞行器中的发动机是本发明的发动机，其可被绝热、绝声或绝振到一定程度，不论是安装在直升机或翼式飞行器内或是安装在外部的任何方便位置，包括机翼上。在一选定实施例中，本发明的复合发动机可适于飞行器使用，通过使第一级的往复运动内燃机驱动一个或多个完全或部分地罩住的叶轮或桨叶或风扇，来自往复运动发动机的热高压废气用来完全或部分地驱动涡轮机或喷气引擎。使用往复运动发动机来为复合内燃机中的涡轮机提供动力的原理在上文中已有介绍，并且是针对图14到19来示意性地说明。使本发明的复合发动机适用于任何类型的飞行器、包括直升机可通过任何方便的方式进行。作为示例，图329显示了处于短舱或壳体4730内并驱动传统螺旋桨4661以产生推力4666的往复运动/涡轮式复合内燃机的示意性布局。螺旋桨由在标号4664处吸入空气的往复运动发动机级4662驱动，其中正常运动方向由标号4700表示。热高压发动机废气全部地或部分地驱动涡轮级4663以产生推力4667，其中涡轮级4663具有用于旁流空气4665的可选设置。可选地，螺旋桨直接地或通过旋转轴4668间接地机械连接到涡轮级。如果往复运动级输出轴的旋转速度不同于涡轮级轴的旋转速度，那么可以它们之间设置可选的变速器，如标号4644示意性示出。在另一实施例中，变速器具有可变驱动比。这种可变比对于改变由推进装置或叶片产生的相对于内燃机产生的动力的相对推力、适应不同的前进速度、不同的工作条件和不同的气候来说是有用的。可选地，包括这里所公开的任何污染物和/或CO2去除系统4722可以置于往复运动级和涡轮级之间的热高压废气流中。在另一示例中，图330显示了驱动全部或部分地被罩住的反向旋转的叶轮或螺旋桨或风扇4671的复合发动机示意性布局，其中正常运动方向由标号4700示出。罩或壳4672通过支柱或翅片4673连接在复合发动机，在标号4664处吸气的往复运动发动机级4662为产生推力4666的反向旋转推进装置4671提供动力。热高压发动机废气全部地或部分地驱动涡轮级4663以产生推力4667，其中涡轮级4663具有用于旁流空气4665的可选设置。可选地，螺旋桨直接地或通过旋转轴4668间接地机械连接到涡轮级。可选地，罩的前部具有保护栅格4674以阻止鸟或其它物体进入。栅格叶片可选地布置成能将罩内的气流以合理比例分开，或者引导更多空气到某一区域而不是另一区域。可选地，包括这里所公开的任何污染物和/或CO2去除系统4722可以置于往复运动级和涡轮级之间的热高压废气流中。如果需要的话，可以驱动系中结合变速器，其可选地由标号4722a示出。
在复合式往复运动/涡轮内燃机的另一实施例中，往复运动发动机级不直接驱动任何推进装置，而是仅产生用于与之机械式相连的涡轮级的热高压气体。作为示例，示意图331显示了处于短舱或壳体4730内的这种复合发动机，其中正常运动方向由标号4700示出。往复运动发动机级4662的封壳向前延伸到标号4674处，支撑了用于发动机4662的空气4664从中流过的保护栅格4674，该栅格用作屏蔽件以防止异物包括鸟类进入。热高压往复运动发动机废气至少部分地为产生推力4667的涡轮级4663提供动力。可选地提供了用于涡轮机的旁流空气4665。内燃机可选地直接或通过轴4668间接连接到涡轮机。如果往复运动级输出轴的旋转速度不同于涡轮级轴的旋转速度，那么可在它们之间设置可选的变速器，如标号4644示意性示出。在另一实施例中，变速器具有可变驱动比。可选地，包括这里所公开的任何污染物和/或CO2去除系统4722可以置于往复运动级和涡轮级之间的热高压废气流中。图329到331的发动机可以任何方式连接在或安装于飞行器上，包括位于机翼或横尾翼上，和/或处于机身上或其内。在实践中，如果发动机安装在外部，图329和331的壳体4730的示意性单线将表示双层短舱，如图330中所示。作为舷内安装式发动机的示例，图332示意性显示了安装在飞行器4734的后部中的复合往复运动/涡轮内燃机，后部具有横尾翼4732和安装在高处的后翼4733，其中后部白色航行灯16设于机身39的后部，正常运动方向由标号4700示出。发动机如图330所示，具有螺旋桨或风扇4671，往复运动级4662和涡轮级以虚线示出轮廓。发动机和风扇的壳体4730处于机身内，空气经可选的冲压效应在标号4723处提供，经安装在外部的引导罩4731进入机身4734和壳体4730。在实践中，壳体可能会在围绕其的外皮中形成凸出，并在后部处扩张成管状形式以容纳涡轮级。可选地，空气被用于往复运动发动机级的风扇部分地加速和/或压缩(在两冲程的情况下尤其如此)，并在一定程度上也用于产生推力4667的涡轮机的任何额外的或旁流的空气。如外部观察者所观察到的那样，将发动机布置在机身内能够显著地减小飞行器噪音。在图331和332的实施例以及在本公开的其它地方介绍的任何适当实施例中，在一种备选设置中，本发明的往复运动发动机可用作仅为涡轮级提供热高压气体的气体发生器。在这种设置中，往复运动级有效地代替了传统涡轮发动机的压缩机和燃烧室。
在包括直升机在内的适于混合动力式飞行器的实施例中，采用复合往复运动/涡轮机来为发电机供能，复合发动机的涡轮级用来产生推力以帮助驱动和/或转向飞行器。在另一实施例中，复合式机器的不同部可相对宽地分开，以便分配重量、减少共振和/或振动，或出于任何其它原因这样做。混合式系统的不同部件可以任何方便位置和方位来定位。作为示例，在图333中显示了飞行器(固定翼的或直升机)的后部的示意图，其中标号4701为机身的后部，标号16为安装在机身39后部的后航行灯，标号4702为尾部组件的基部(对于直升机来说其可选地包括转子)，而正常运动方向由标号4700示出。机身内的物体由虚线示出，包括一个或多个发电机4703、为控制器或电动机(未示出)提供能量的电源4704、驱动轴4705和万向节4706、往复运动发动机级4707以及涡轮级4708。这两个级通过被热绝缘材料710围绕的通道4709分隔开，该热绝缘材料4710将热高压废气从往复运动发动机级传递到产生推力4667的涡轮级。在机身表面设有导罩，其用于往复运动发动机时用标号4711示出，可选地用于涡轮级旁流空气时用标号4712示出。可选地，包括这里所公开的任何CO2去除系统4722可以置于往复运动级和涡轮级之间的热高压废气流中。在另一实施例中，适于但不限于直升机，涡轮机推力的方向可控地变化。作为示例，图334显示了直升机的示意性平面图，其中后转子可选地由具有可变向推力的涡轮级所代替。还提供了航行灯，至少包括红色左舷灯15、绿色右舷灯15a和白色尾灯16。机身39内的座舱区域35至少设有复合的高度和方向控制器36、可变动力或推力控制器37和驾驶员座位38。飞行器可选地具有一个或多个计算机程序和计算机(其中一个以标号34示意性示出)，以接收来自测量装置的信息以及改变和/或控制如上所述的工作参数。以虚线4713示出轮廓的主转子的运动将使机身4714沿顺时针方向4715旋转。涡轮机出口气体经过可调偏转管4716以在方向4667上产生推力，其会使机身逆时针地旋转，足以抵消主转子的旋转负荷并允许在方向4700上的前进运动。当希望改变方向时，推力偏转管4716偏转到新位置4717。推力管轴线除了可在水平面内变化以外，其还可以垂直面内变化(未示出)。在一个备选实施例(未示出)中，推力通过机翼、直尾翅、襟翼或舵来偏转。消除后转子的质量和成本及其驱动、以及替换用来提供显著额外推力和平衡飞行器的涡轮机是一项重要优点，导致了更好的燃料经济性。据估计，往复运动/涡轮复合发动机可构造成具有15％到40％之间的总净动力作为推力，其余地用来为发电机供能，发电机可驱动位于其它位置的电动机，或者驱动任何轮子、螺旋桨或其它驱动系统，不论是直接地或通过变速器。
在另一实施例中，复合往复运动/涡轮内燃机可具有分得较开的部分。往复运动级可驱动处于飞行器前部处的推进装置，热高压废气从往复运动级经可选地热绝缘通道传递到安装在其它位置、包括在机翼上或伸出短舱内或飞行器后部处的涡轮级。作为示例，图335示意性显示了轻型的固定翼飞行器5721，其前端类似于图327所示。还提供了航行灯，至少包括红色左舷灯15、绿色右舷灯(未示出)和白色尾灯16。机身39内的座舱区域35至少设有复合的高度和方向控制器36、可变动力或推力控制器37和驾驶员座位38。飞行器可选地具有一个或多个计算机程序和计算机(其中一个以标号34示意性示出)，以接收来自测量装置的信息以及改变和/或控制如上所述的工作参数。飞行器机身4721内的零件由虚线示出。复合发动机的往复运动级4545经变速器4644驱动推进装置、这里是螺旋桨4642以产生推力4666，其中在螺旋桨和变速器之间设置了启动电动机4643。在另一实施例中，变速器具有可变驱动比。可选地，来自往复运动发动机的热高压废气经可选地热绝缘通4709运动，从而全部地或部分地为产生推力4667的涡轮级4708提供动力。设置了用于往复运动级的导罩4711，还设置了用于涡轮机旁流空气的可选的第二导罩4712。可选地，任何废气排放物或CO2去除系统4722可以置于往复运动级和涡轮级之间的热高压废气流中。在另一实施例中，安装在短舱或壳体中的电动机驱动推进装置，并在同一短舱或壳体中具有位于其后的涡轮级。涡轮级是复合式往复运动/涡轮内燃机的一部分，往复运动级安装在其它位置，可选地处于飞行器机身内。可选地绝缘的通道经支撑了短舱的空心支柱或翅片将热高压废气从往复运动级传导到涡轮级。作为示例，图336示意性显示了通过空心支柱或翅片4553连接在直升机、固定翼的或比空气轻的飞行器的机身4701上的短舱4672。在短舱中，驱动电动机4699推进装置4671以产生推力4666，在标号4720处提供了可选的空气罩以便为电动机提供冷却。在其之后是复合式往复运动/涡轮内燃机的涡轮级4663。飞行器的另一部分容纳了往复运动级，热高压废气从此处经可选地热绝缘的通道4562引到支柱4553。可选地，包括这里所公开的任何废气排放物或CO2去除系统4722可以置于往复运动级和涡轮级之间的热高压废气流中的任何方便位置，这里是在机身中。它于标号4697处进入，以全部地或部分地向涡轮级4663供能并产生推力4667。飞行器中其它位置的往复运动级为同样处于飞行器中其它位置的发电机供能。发电机提供用于电动机4699的电能，直接地或经处于飞行器中其它位置的控制器和/或能量储存装置。在标号4665处设置了可选的导罩，以提供任何涡轮机旁流空气。电动机和涡轮机的中央旋转轴系统4668可选地同轴，并且可直接地或经变速器4644机械式相连。在另一实施例中，变速器具有可变的驱动比。除了废气通道4562之外，支柱4553容纳了电力回路4557和电动机、涡轮和传感器控制装置4558。图336的动力单元可以任何方便的方式安装在飞行器上或其内，并可以驱动敞开的或罩住的螺旋桨或风扇。例如，它可驱动在类似于图330布局中的短舱内的带罩风扇，其中电动机代替了往复运动级4662，热高压废气经短舱传递到涡轮级4663，短舱安装在空心支柱或翅片上，方式如图336所示。
在另一实施例中，如双发动机的轻型飞行器4725的示意性平面图337中所示，双动力单元安装在混合电力驱动的飞行器上，其中正常运动方向由标号4700示出。还提供了航行灯，至少包括红色左舷灯15、绿色右舷灯(未示出)和白色尾灯16。机身39内的座舱区域35至少设有复合的高度和方向控制器36、可变动力或推力控制器37和驾驶员座位38。飞行器可选地具有一个或多个计算机程序和计算机(其中一个以标号34示意性示出)，以接收来自测量装置的信息以及改变和/或控制如上所述的工作参数。主翼的上表面4726被光伏阵列完全覆盖，除了前缘4736和襟翼4727之外。动力单元安装在短舱4730中，通过空心支柱或翼面4553连接在飞行器上，翼面在这里用作尾翼并具有襟翼4737，这里还设置了带有舵翼4739的横尾翼。各短舱包含图436所示的基本动力单元，除了电动机4699驱动带罩风扇叶片4671并且由内部空心支柱4729支撑以形成用于到复合往复运动/涡轮内燃机的涡轮级4663的空气的局部圆周空间4728以外，其中风扇和涡轮级以不同的比例贡献于产生推力4667。可选地，空气通过用于涡轮级的风扇叶片4671被部分地加速和/或压缩。在飞行器的机身中，各复合发动机的往复运动级4662驱动为能量储存装置4611供能的发电机4609，能量储存装置4611又经可选的控制器4612为短舱内的电动机4699供能。来自两个往复运动级的热高压废气被排放到共同的废气处理系统4722中，其可从气体中去除任何物质、包括CO2，并且流体从此处经共同的可选热绝缘的通道4740并经通道分支进入到短舱4663内的涡轮级。在分支处可选地设置有可在后部4742处枢轴转动的活板或门4741，其可受控地沿方向4743枢轴转动，从而根据各动力单元的需要将热气体流分股。例如当倾斜转弯或转动时，一个涡轮级可能产生比另一个更大的推力，并需要更大比例部分的热气体。在另一实施例中，复合式往复运动/涡轮内燃机具有一个往复运动级以提供热高压气体给多个涡轮级。图337中显示了出于安全原因而设置的两个往复运动级和两个发电机，但它们也可用一个更大的发动机和一个更大的发电机来代替，来自一个往复运动级的气体为两个涡轮级提供动力。带有其动力单元的短舱显示为支撑于连接在机身上的空心支柱上，但支柱和短舱可交替地安装在主翼和一个提供的单独尾翼上。备选地，动力单元和相关壳体可安装成与主翼形成一体，和/或与机身形成一体，沿着图332所示设置中的线。针对采用复合发动机的飞行器中的混合电力驱动系统有关的所有和任何特征在适用之处可同样地应用在船只中，其中涡轮级的排放可在水上或水下。在另一实施例中，在图1,13,16和20中示意性公开的所有或部分燃料供给系统和/或发动机工作参数的至少部分电子控制装置可适用于图329到337中的任何发动机。
在一些备选实施例中，飞行器表面的任何部分外表面、包括机翼或尾翼或机身上的光伏阵列或面板安装在框架或面板上，其又安装在某类球接头或回转接头的一个部分上，该接头的另一部分安装在可伸缩住上。当飞行器运动时，光伏阵列的工作表面与飞行器的相邻表面大致平齐且大致平行。当飞行器固定时，柱可伸出，面板转到朝向太阳或其它光源的最佳位置，这可通过人工地或自动地或这两种方式的组合来进行。当载客飞行器载客且在跑道上滑行时，需要很大的能量来维持空气调节、照明、无线电通信和其它服务。当太阳正于头顶时，光伏阵列提供了在天气条件下的最佳电力，然而当太阳处于低角度位置时，光伏性能就明显下降。通过抬高光伏阵列和将其调整成面向太阳，就可以显著地提高电的产生。设置光伏阵列可以降低对重量大的且耗费燃料的辅助动力单元的需求。虽然知道可以明亮月光下可以产生很大的能量，但光伏阵列通常在夜间工作不良或者根本无法工作。飞行器的动力需求在夜间也非常少，因为不需要空气冷却且所有乘客都几乎睡觉了，因此使用飞行器系统也更少。可调光伏阵列的另一用途是它们可在飞行器储存一段较长时间。所提供的能量足以提供空气处理或干燥，从而将内部温度保持在合理温度下，降低湿度，以及防止真菌生长和腐烂的开始。也可以为将监控条件和间断地发出无线报告的系统提供动力，或者为可无线式地或以其它方式报告存在有闯入或偷窃飞行器的行为的警告系统提供动力。使用光伏阵列的小的能量储存装置保证了无线式或其它方式的接触能够24小时地维持。作为示例，图514显示了安装在框架或其它支撑结构72上的光伏阵列71，框架又安装在球接头73的上部，其下部74固定在可在壳体77中沿方向76伸缩的支柱75上。阵列显示为处于收回位置，其工作表面与飞行器的相邻外表78大致平齐和平行。当带有阵列的支柱伸出时，光伏阵列可以任何方式设置在任何位置，沿任何方便的方向定向以最优地面对太阳。例如，一个位置如虚线79所示，另一位置由点划线80所示。光伏阵列可以为任何方便的尺寸；例如在该实施例中，它显示了布置在飞行器的肋81之间。支柱可以收回/伸出，阵列可转动或以其它方式调节，这些均可是人工地或机械式地或其组合。如果人工地调节，球接头优选具有较高的摩擦夹持，以防止在不等风负载下运动(组件大致形成平衡)。如果操作是机械式地，则它可由操作员可选地远程控制，或者可自动控制，或者通过它们的一些组合。在一个重要实施例中，如果操作至少部分地是自动的，它至少部分地可由装在一个或多个计算机中的一个或多个计算机程序来控制。计算机程序将导致计算机发出或接收电气或电子信号，其可以任何方便的方式直接或间接地确定、控制或改变至少一个下述参数：支柱伸缩程度；偏角(相对于水平面的角度)；罗盘方位；将阵列保持在预定位置以抵消不等风负载或飞行器运动的力的大小。这种确定、控制和/或改变可选地通过例如螺线管、伺服电机和/或一个或多个促动机构中的带有液压流体的液压电机或泵来实现。任何计算机程序可装在一个或多个计算机中，其提供不同的电路以通过任何方便的方式直接或间接地改变参数。该计算机可安装在飞行器的任何方便的位置上或内。计算机可选地接收至少一个或多个传感器或测量装置的电气或电子信号，计算机程序处理来自传感器或测量装置的数据，所述传感器或测量装置可确定下述参数中的一个或多个：太阳在水平面之上的高度/角度；阳光的罗盘方向；平均风速；最高风速。在一个备选实施例中，在船只的上表面上采用了以可转动或其它方式安装在可伸缩支柱上的可调光伏阵列。例如，这种阵列可代替图345中的固定阵列3842中之一，以及图385到395和图415中的固定阵列71中之一。在另一实施例中，在任何车辆的上表面上采用了以可转动或其它方式安装在可伸缩支柱上的可调光伏阵列。例如，这种阵列可代替图463和464中的固定阵列71中之一，以及图473和图474 中的固定阵列274中之一。
在一选定实施例中，翼式飞行器具有可选择性伸出/收回的翼或翼面末端，其可处于主翼、辅助翼上，或处于任何可选的垂直尾翼或翼面上。这种翼延伸能在低速下提供大升力，同时还提供更大的牵引。牵引在低速下比在高速下小得多。具有可变翼末端延伸的飞行器可从短跑道中在低速下起飞。它将在起飞前更慢地滑行，使得停止起飞更加容易和安全。如果在正常速度下航行时出现紧急情况，之前收回的翼末端将伸出，提供更大的滑行能力和更低的失速速度，这种减小的速度使得任何紧急着陆更好控制。目前，安全条例要求飞越大洋的飞行器配置四台发动机。具有两台发动机且带有可变翼末端的提高安全性的飞行器能够高质量地满足国际社会对飞越大洋航班所要求的整体安全标准。可采用任何便利的方式来进行实现可变翼末端，包括这里公开的与船用水翼相关的任何实施例、构造和特征。与水翼和气翼相关的基本原理是相同的，这是因为它们与流体流动有关，而水和空气都是流体。在一选定实施例中，翼延伸的外皮为织物或其它材料，它们在翼延伸收回时以波纹管的方式折叠。作为示例，图338到340示意性显示了波纹管式翼延伸，图338是平面图，图339是沿线A的纵向剖面，图340是沿线B的横向剖面，前进航行方向如标号4680所示。翼延伸终止于翅片或垂直翼面4681，其可通过安装在气缸4684(安装在主翼部分内)中的管4683而伸缩，可选地以液压方式促动。翼延伸的织物或外皮4685在一端连接在翅片4681，在另一端连接到翼的固定部分4682的凹部4687的垂直表面4686上。在织物或外皮内，垂直片或肋或成形板4688(在图338以虚线示出而在图339以实线示出)连接在外皮上的规则间隔处，该垂直片或肋或成形板具有孔来容纳促动管4683。片或成形板可选地由一系列能量装置分隔开，其可选地为安装在轴4689上的变径螺旋弹簧4689a，使得它们可以被折成平的。弹簧被偏压以将翼延伸加载到伸出或收回位置。在图338中显示了织物中的象征性折叠线4690，以显示波纹状构造的原理，然而折叠线可以是处于任何位置的任何数量的任何构造。类似地，管和外皮之间的净空间4691仅示意性示出；其实际尺寸取决于用于织物或外皮4685的折叠设计。为了收回翼延伸，管缩回到气缸中，将翅片4681朝向固定翼部分4682拉动，导致织物在片或肋或成形板4688之间自我折叠，直到整个延伸、包括在图338中以虚线4688a示出的肋或板安装到凹部4687中，翅片4681紧密靠在固定部分(以虚线4692示出)上。在一个优选实施例中，任何螺旋弹簧或其它能量吸收装置将翼延伸偏压到伸出位置，使得如果一些或全部系统失效，翼仍自动地伸出并固定就位，以用于更慢的航行、更好的滑行或更短的着陆要求。可以使用任何方便类型、任何方便材料和/构造的肋或成形4688，包括上述片材、丝线和/或金属或其它材料的管状框架。外皮可由适于重复折叠的任何材料制成。
图325到340所公开的特征可应用于轻于空气的飞行工具如软式飞船或飞艇中。例如，图325和327的混合动力系统可适用于任何轻于空气的飞行器，图329到331的发动机可安装在连接于软式飞船和飞艇的短舱内。任何特征均可以任何方式与任何其它特征相结合。虽然图中的固定翼飞行器显示为轻型飞行器，但它也可具有任何尺寸。图325到337的实施例作为示例给出；可以使用由本发明的发动机为飞行器提供动力的任何方便的方法，如同打开储存成与直升机转子同轴的降落伞的任何方便方法一样。本发明的直升机和固定翼飞行器可使用任何燃烧式发动机，其废气可以任何方式进行处理，包括去除CO2，以及如这里公开的处理任何污染物和/或不希望有的物质、包括CO2。这里公开的适用于飞行器的任何特征在适当之处也可用于船只。例如，图329到431和图336的发动机可安装在水上船只的任何类型的船体或上层结构内或其上，包括快速水翼艇或其它船只和/或本发明的船只。图338到340的可伸缩气翼可同等地用在水翼中，连接在水运工具以及水下工具上以用作水翼。之后公开的可伸缩水翼、包括在图359,362,365和367-371中公开的均可适用于飞行器的气翼或机翼。所作说明是示意性的。没有任何特征显示为相对于飞行器或相对于彼此成任何特定比例。
这里公开了水运工具的新颖实施例。一般这里仅描述新颖性和区别性的特征，已知的部件和公知常识将省略。以便简化说明和附图，并提供对本发明的更清楚的理解。在这里公开的水运工具中，它们均具有这样的部件：船体；用于改变行程方向的装置，例如舵盘，其由控制件如方向盘、舵柄来人工地或机械式地促动；一个或多个通到水中的推进装置(如果不是纯粹的航行船只的话)，如由至少一个燃烧式发动机或任何类型的电动机驱动的螺旋桨；用于改变驱动通到水中的推进装置的任何类型的发动机的速度的装置，例如由控制件如杆来促动；至少一个用于使推进装置推力的方向以及水运工具的方向反向的装置；任何法律如国际海上避碰规则要求的任何及所有的夜间航行灯，至少包括红色左舷侧灯、绿色右舷侧灯和白色尾部灯；以及可选地一些纵向凹陷或突起，例如船体水下部分中的龙骨，用于保持提高的方向稳定性。这里公开的长度在5到10米之间的水运工具具有某些类型的上层结构，其至少包含用于操作或管理水运工具的空间、通常称为操舵室，其中可选地设有至少一个如上所述的控制件。上层结构可选地包括任何类型的用于船员和/或乘客的舱室，和/或用于任何目的包括货物和/或机器的舱室。这里公开的水运工具可选地装有用于将多余或不希望有的液体从船体内移出的泵。水运工可装有任何如法律规定的救生衣、救生工具、救生筏或救生艇。在这里公开的水运工具的一个重要实施例中，通过手工动作和/或通过计算机程序或通过这两者的组合(它们单独地进行或同时进行)来确定、控制和/或改变至少任一下述可变参数：一个或多个发动机的整体的或单独的速度；任何推进装置的整体的或单独的推力方向；舵或任何水翼襟翼的整体的或单独的位置或角度；所有或部分水翼或襟翼的整体的或单独的延伸程度；水翼或襟翼的整体的或单独的攻角；水翼部分相对于其它部分的整体的或单独的延伸程度；对于船体的整体的或单独的位置或角度。任何计算机程序可装在一个或多个计算机中，该计算机可提供和可选地容纳不同的电路以通过任何适当方式直接或间接地改变参数。这种方式可选地包括但不限于确定、控制和/或改变，其包括使用螺线管、伺服电机和/或一个或多个促动机构中的带有液压流体的液压电机或泵。该计算机可安装在水运工具的任何方便的位置上或内。计算机可选地接收至少一个或多个传感器或测量装置的电气或电子信号，计算机程序设计成可处理来自传感器或测量装置的数据，所述传感器或测量装置可确定下述参数中的一个或多个：前进速度；风向；风力；任何风切变；船体相对于正常垂直方向的角度；船体下方的水深；环境空气压力；环境空气温度；最近物体的接近程度；船体下方的水深；最近物体的运动速度；水运工具上任何促动装置中的流体压力；水运工具上任何促动装置中的流体温度；任何发动机的一个或多个部分的温度；任何发动机的一个或多个部分的压力；任何燃烧式发动机的废气部分的组分；任何操作员空间和/或任何其它封闭空间中的温度和/或空气状况；燃料的使用速度；所用燃料和/或剩余燃料的量。
本发明的发动机在水运工具中具有可能非常有价值的应用，其中它们能够产生显著的燃料节约。初始计算表明，新发动机可具有比目前的商业产品大很多倍的动力重量比和动力体积比，而每单位功只要求当前发动机需要的一半燃料。对于给定行程的降低的发动机重量和降低的燃料需求和燃料重量的组合在水运工具中尤其有利，这里，发动机和燃料的重量和体积的减少允许减小船体的尺寸和结构，导致进一步的重量、体积和成本节约。本发明的发动机适用于每一种类型水运工具，商业的或娱乐的，不论是否部分地由风帆来提供动力。由于发动机可以很小和紧凑，因此它们可安装在推进装置如螺旋桨、螺杆或喷束的边上。在一选定实施例中，发动机安装在船体的舵柱的一侧并驱动推进装置，而推进装置处于水中带有舵的舵柱的另一侧。发动机在船体内提供了舵，以及在船体处枢轴转动的推进装置。作为示例，立视图341和平面图342示意性显示了水运工具的后部，其中标号3801为安装在船体3802的尾部的舵柱，其支撑了外舵3803和内支架3804，这两者均可在轴承3805围绕舵柱枢轴转动。本发明的发动机3806或任何其它发动机连同可选的变速器3807一起安装在支架上，一定程度地抵消了舵和推进装置3808、在实施例中为螺旋桨的质量，变速器通过轴3809与装置3808相连。在另一实施例中，变速器具有可变驱动比，包括如这里公开的。在另一实施例中没有设置变速器。这种可变比对于改变由推进装置产生的相对于内燃机产生的动力的相对推力、适应不同的前进速度、不同的工作条件和不同的气候来说是有用的。用于充料空气3810和废气3811的柔性通道连同柔性燃料管线3812和柔性电气/电子缆线将用于带有变速器的发动机的支架与船体中的夹具相连。舵、支架和发动机显示为虚线，其是倾斜地以进行水运工具的转向。可在舵柱和船体之间以及轴和船体之间的接头周围设置任何适当的密封套和密封圈。在一个备选实施例中，发动机可安装在船体外的舵柱上，如在相似的图343和344中作为示例示意性示出的，其中相似的特征类似地编号和说明。这里，可选配重可连接在船体内的旋转舵柱上，在舵柱上和周围连接了适当的轴承和密封件。在图中，船体内的零件用虚线示出。在另一实施例中，配重是燃料箱或水箱。这里没有任何特征显示为彼此之间处于任何特定的比例。在另一实施例中，在图341到344 的构造和布局中，发动机3806和可选的变速器3807由电动机所代替。
在一选定实施例中，本发明的发动机是水运混合电力推进系统的一部分，其中电动机促动推进装置，发动机促动发电机。电力或者从发电机直接传到电动机，或者经电力储存系统如电池组或飞轮和/或一些形式的控制器传到电动机。在另一实施例中，混合式水运推进系统包括一个或多个供能给能量储存系统如飞轮和/或一个或多个电池的光伏阵列。任何类型的水运工具绝对均可由混合式推进系统来驱动。作为示例，图345显示了带有混合式驱动系统的帆船3820的船体部分，其中电动机3821驱动轴3809，而轴又驱动推进装置3808、这里同样是螺旋桨。在船体内是驱动发电机3821a的发动机3806，发电机直接或间接驱动电动机3821。提供了可选的蓄能器3822、这里是电池组，其通过控制器3823来加载和卸载。可选地设有一个或多个光伏阵列3824(在这里是处于舱顶和部分甲板上)和可选的风力发电机3825(在这里是处于尾部)，以经控制器额外地为蓄能器加载。可以使用任何类型的蓄能器，包括由变速电动机/发电机驱动的飞轮。从光伏阵列和风力发电机到控制器的电力管道由标号3826示意性示出，到推进电动机的电力供给由标号3827示出。水位线由标号3828示出，主外甲板表面由标号3829示出。帆船具有救生工具29、白色尾部灯16、绿色右舷灯15a和作为操舵室的一部分的上层结构30，其包括轮式掌舵控制器28和杆式组合推进速度和反向控制器。水运工具可选地具有由标号34示意性示出的计算机。在一个备选实施例中，水运工具不设燃烧式发动机，而是具有电力驱动系统，其带有由电动机可选地通过旋转轴驱动的推进装置，动力从能量储存系统如电池提供给电动机，该能量储存系统可选地至少部分地由风能发电机或光伏阵列来充电。能量系统可选地由安装在水运工具中的光伏阵列和/或风力发电机来充电。它能够附加地和可选地由一个或多个风帆来驱动。作为示例，这种水运工具可通过修改图345以省略发动机3806和发电机而所有其它特征保持不变来示意性表示。有无一个或多个光伏阵列和/或风力发电机的混合驱动系统和电力驱动系统可缩放且应用到任何类型和尺寸的水运工具，包括非常大的货船、军用工具等，不论这种水运工具具有具有桅杆和风帆。例如，大型油船通常具有较大的大致水平的甲板表面，它们的大部分可理想地用于容纳光伏阵列。
在另一实施例中，包括本发明的发动机的内燃机安装在水翼式水运工具中，其具有固定的或可伸缩的水翼柱。由于比传统发动机更小和更轻，本发明的发动机非常适用于水翼式工具。带有推进装置如螺旋桨的整个发动机可置于大致连续下降的龙骨中的水翼柱或腿的底部，燃料和空气供给、废气回流和电气/电子控制装置均安装在空心支柱或支腿内。推进装置如螺旋桨可容纳于水翼柱的底部，处于正常水位线下。这一布局使得更容易设计用于可伸缩的水翼杆。之前，设计水翼式水运工具的限制因素在于需要将长的驱动轴置于柱上，然后将它们与水下壳内的万向节和短驱动轴相连以到达螺旋桨处。备选地，可在船体内设置紧凑且轻的内燃机，其可选地为如本发明的无实际振动的那种，以便为龙骨内处于水翼柱底部的电动机提供动力。目前的重且振动大的传统船用发动机比较难用在壳体中，其会产生过大的噪音，在水翼中会有较长的驱动轴而带来了过大的振动。可选地，电动机可以是如图345中公开的混合式水运驱动系统，带有或没有光伏阵列。下面将介绍这种新型水运工具的例子。
当出于特定原因如极端气候而使得船体无法浮在水上时，水翼式水运工具可以有效地和安全地工作。如果在中等或较高速度下工作且船体处于水上，水运工具中的仍处于水下的部分优选具有流线型特征，其带有后掠式突起，以降低断线且更好地偏转所遇到的物体，同时体现最小可能的阻力。当水运工具在正常模式下工作且船体浮于水外，船体主要部分的底部和水面之间的距离应当足以允许船体完全不会引发特定幅度的波浪或碎浪，同时在任何时候仍将水内构件保持在水面可变位置下的最小深度处。当水运工具在船体处于水里或被锚固时操作时，这一距离连同水内构件的高度/深度可能会例如赋于水运工具相对深的飘浮。在选定实施例中，对于具有合理浅水性能的这种水运工具来说，水内构件可相对于船体伸缩。这种伸缩可以任何方便的方式来执行，包括使水翼柱为套叠式的，和/或将柱的顶部铰接在船体处，以及使柱朝向船体可变地旋转。将内燃机或电动机安装到水下壳体或短舱中的能力导致伸缩柱与传统的船体内发动机布局相比更加可靠，这是因为相比于固定长度轴而言更难采用铰接或套叠驱动轴。在柱中不设驱动轴也消除了大部分与传统水翼相关的噪音和振动。在一些备选实施例中，本发明的水翼构造具有船体内的发动机或电动机，和至少一个水翼柱内的驱动轴。在运动时柱的伸缩期间，水运工具的平衡变化更容易由套叠式柱来控制。作为示例，图346以示意性轮廓图显示了具有基本零件以支撑船体4001在水位线4002上的主要沿方向4003的可选运动的水运工具。它们包括柱4004，其可从以任何方便方式固定在船体结构上的任何方便类型的护罩、壳体或导向系统4004a中套叠式伸缩，柱的下端连接在总是至少部分地处于水中的龙骨或龙骨式构件4005上。水翼4006连接在龙骨件和/或柱上，如同是至少一个可调节的垂直水翼或舵4007，在这里可围绕轴线4007a枢轴转动。推进装置如螺旋桨由标号4008示出，内燃机或电动机动力模块4009连接到可选的变速器3807且连接到以虚线示出的轴4008a。水运工具具有白色尾部16、红色右侧灯15a、包括操舵室31的上层结构30，操舵室包括轮式掌舵控制器28和杆式组合推进速度和反向控制器32。可选地装有计算机，其以标号34示意性示出。反向机构可选地结合到变速器中。在另一实施例中，变速器具有可变驱动比。这种可变比对于改变由推进装置产生的相对于内燃机产生的动力的相对推力、适应不同的前进速度、不同的工作条件和不同的气候来说是有用的。柱在收回时的位置由虚线示出在护罩4004a内，船体在水中的水位线由虚线4002a示出。水运工具可以是如所示的单柱式设计，或者水运工具可具有两个互相平行的柱和水翼组件。图347以示意性局部图显示了图346的水运工具，其具有终止于龙骨件4005内的单柱4004，龙骨件4005在其各侧其具有水翼4006。图348和349显示了不同水运工具的视图，其具有类似于图346的水运工具纵视图。在图347到349中，类似的特征如同图346中地编号。在图348，水运工具具有两个平行的垂直设置的可伸缩柱4004，其安装在护罩4004a内且连接在龙骨件4005上，龙骨件又通过至少一个水翼4006彼此相连，并且适于在狭窄水道如河流中的船体在水处的导向。在图349中，水运工具具有两个形成角度的彼此未互连的可伸缩柱4004，其安装在护罩4004a内且连接在龙骨件4005上，它们均具有由实线示出的舷外水翼4006。如果图349的实施例要用于狭窄水道应用，水翼可安装在舷内，如虚线4006a所示。可采用任何数量和布局的柱以将水运工具支撑在水外。单柱或双平行柱的布局适用于小的轻的水运工具，其中电动机循环中的向前转矩提供了稳定性。对于大型工具、包括集装箱船和大型油箱来说希望有多个柱，其优选地处于纵向错开的排列，使得一个龙骨/水翼组件的湍流不会过度地影响另一个。下面将介绍用于大型水运工具的构造。
在下述具有可变龙骨件或其它构件的水运工具的例子中，通常将显示有可伸缩柱。在一些备选实施例中，例如对于不要求具有浅水性能的水运工具来说，柱是固定的即不可伸缩。本发明的原理可用于这两种类型的柱中。单体船只设计可具有特定的柱系统，但具有不同的龙骨件以用于基本设计的特定实施例。水翼或水翼元件可固定地安装在龙骨部分上，使得它们可在特定的速度/天气组合下将船体支撑在水外的给定高度处，或者它们可枢轴转动地或以其它方式可变地安装以呈现出变化的正面轮廓，并因此在特定的速度/天气组合下给出可变的升力。附加地或备选地，水翼可具有可变倾角襟翼以提供可变的升力。通常来说，可变的偏转/升力水翼件将作为示例在这里示出，但本发明的原理也可适用于固定安装的水翼件。在具有本发明发动机的任何水运工具中，额外的或备选的动力由安装在桅杆上的风帆来提供，这里所示的任何水运工具的实施例可具有桅杆和风帆，即使它们并不特定地这样显示。在机械动力的水运工具中，在龙骨件中优选地结合有至少一个驱动装置如螺旋桨或喷水口，尽管它也可备选地安装在柱或水翼件中。对于具有单柱或者具有多个并排柱且没有柱一个接一个地安装的水运工具中，各龙骨件/柱组合具有至少两组一个接一个地安装在水翼件，以及可选地一些类型的舵，以促进低速方向控制。在高速下，一些方向控制的测量可通过下述来实现，即，改变水运工具一侧上的水翼相对于另一侧水翼的攻角来实现，这可以有效地使水运工具倾斜地转弯，和/或增大或减小一侧相对于另一侧的推进动力。图347的单龙骨件和图348的双龙骨件显示为具有垂直中心平面，不论这些平面是否与其相应柱的轴线对齐。在另一备选实施例中，它们具有成角度的或倾斜的平面，它与平均水面不成90°，即不是垂直的，如图349中的标号4005a所示。在另一实施例中，柱和龙骨件安装成一个接一个。作为示例，图350示意性显示了客运渡船4001，其重量轻，以允许在船体于水外时在桥下经过，图中显示了柱和龙骨件如何一个接一个地安装，或者是形成总共两个组件，或者，如果如图348和349所示地提供至少一对柱，则总共3个或4个组件。类似的特征如图346中类似地编号。在一选定实施例中，龙骨件铰接或可枢轴转动地安装在柱上。在图350的实施例中，后龙骨件可枢轴转动地围绕轴线4005a安装在柱上。舵4007、推进装置4008和可选轴线4007b的位置全可互换。为推进装置提供动力的发动机可安装在龙骨件中、柱或水翼上或其内，或者船体内。图346到350中的特征相互间未按比例显示，轴线4007a和4007b以及水翼4006可处于任何方便的角度。
在龙骨/柱组件彼此前后安装的图350中，龙骨件可以是纵向截锥形的，各仅具有一组水翼组件，后龙骨件可枢轴转动地沿轴线4005a安装在柱上，以便包括舵或转向装置。水运工具可选地具有一个或多个计算机程序和计算机，其中之一由标号34示意性示出，以接受来自测量装置的信息并改变和/或控制工作参数，如针对图388到395的水运工具所描述的那样。在龙骨件具有安装在后装舵件4007之前的驱动装置4008的情况下，驱动装置可安装在支撑舵的那些龙骨件部分之前、之上或之下。一些上述实施例通过示意图351到357作为示例示出，其中类似的特征具有相同的编号，包括柱4004、龙骨件4005、龙骨件枢轴转动轴线4005a、水翼4006、舵4007和舵轴线4007a、水运推进装置4008、驱动轴4008a、内燃机或电动机动力模块4009、变速器3807等，其主行程方向如标号4003所示。图351显示了连接在柱4004上的典型长龙骨件4005，其尤其适于单柱或平行柱的水运工具，这是因为它包括用于引导工具所需的所有控制件：前、后水翼、带有连接到推进装置的轴的动力模块，以及舵。如果动力模块是电动机，电路3813可设置在柱和龙骨件中；如果是内燃机，额外的充料空气供给通道3810、可选的废气通道3811和燃料管线3812可设置在柱和龙骨件中，如作为示例在图352中示意性示出。该构造可适于前、后柱布局，在一些多柱式工具中，电动机或发动机可在一些龙骨件上省掉。例如，前柱龙骨件可固定地安装且无驱动装置，而后柱龙骨件均可枢轴转动地安装在轴4005a上并具有推进装置。备选地，驱动装置可结合到固定安装的后龙骨件中，而无驱动的前龙骨件可枢轴转动地安装在柱上，如图350中的后柱所示。图353显示了推进装置，其由船体内的发动机或电动机并经柱和/或龙骨件中的驱动轴8008a和万向节4008c来驱动。当动力需求较大时，前、后龙骨件均可具有驱动装置。图354显示了安装在小型支柱4004上的小型龙骨件4005，适用于例如图350中的多柱式水运工具的前柱，其中后龙骨件可枢轴转动地安装在后柱上且有效地包括舵。龙骨件可容纳“卡入式”发动机或电动机模块4009a，其通过一个或多个由虚线4008a示出的轴和万向节4008b连接到推进装置4008，如图355到357中的备选位置所示，其中线4007a显示了用于可选舵的轴线，标号4003显示了行程主方向。在图355的实施例中，带有反向旋转螺旋桨的整个动力模块4009a可被容易地拆除和更换，能够沿平行于轴线的方向被拉出。在图356的实施例中，在轴和推进装置沿旋转轴线退回有限距离后，动力模块4009a从边上推出。在图357的实施例中，动力单元4009a与变速器3807a相配，整体包装是安装在龙骨件顶部处的“卡入式”模块，以便经轴4008a和万向节4008c驱动推进装置4008。在另一实施例中，变速器具有可变驱动比。还显示了具有垂直可伸缩部分4011的舵4007，其底部用虚线4011a示出(此时其处于收回位置)。在其它实施例中，舵延伸的往复运动可沿任何方便方向，包括水平方向。下面将介绍当龙骨件可选地收回到其最接近船体的位置时如何从船体的内部接触到动力模块和龙骨件。在本公开中电路指的是它们可以为往来于电动机或发电机的高能电路，或者它们可以往来于控制器、促动器、螺线管、传感器和仪表等的低能电路。
水翼可以任何方式设置在龙骨件上。在下述例子中大致显示了具有恒定尺寸的水翼，但也可使用适当的可伸缩水翼，其实施例在下面介绍。这里的水翼作为示例大致显示为具有近似对称的或机翼型的截面，以及线形纵向部分。它们在任何纵向平面内可具有任何截面，包括机翼形的，以及任何纵向剖面、包括弯曲的。如果纵向剖面具有恒定半径的曲率，或者如果横截面是任何的类型，那么水翼可具有可伸缩构件。柱可具有任何适当的横截面和纵向剖面，不论是否是可伸缩的。这里，可伸缩水翼和柱通常描述为具有套叠式运动，但实际上可采用任何适当的可伸缩系统。下面将介绍可枢轴转动柱。柱可与水线成任何适当的角度，如同水翼一样。在一些实施例中，水翼的角度使得它们在工作期间部分地处于水线之上，在这种情况下提供了减小的升力，其方式如同某些保护水的水翼工具，例如目前在澳大利亚的悉尼港所用的。大多数给定水翼在非常接近于水面工作时会损失一些提升效率，因此通常希望水翼连续地浸没式工作，优选在提升性能会显著受损的深度以下。在本公开中，水翼横截面、攻角和从基部到末端的曲率仅示意性示出和/或仅为简明而示出。在实践中，在任何平面中，水翼可安装在任何位置、处于任何攻角下，具有任何横截面，并具有任何曲率。在图中，主水翼通常显示为处于辅助水翼之前。在备选实施例中，主水翼设置在辅助水翼之后。如从上文中所推断的那样，水翼/龙骨件/柱组合的范围实际上是无限制的，可以是固定长度柱和可伸缩柱。
作为示例，在图358到364中显示了7种布局，其中各附图中，带A的图为示意性侧视图，带B的图为示意性前视图，带C的图为龙骨件/水翼构造的示意性平面图。在这些图中，主行程方向由标号4003示出，其为从左到右，标号4001为船体底部，标号4004为柱，标号4005为龙骨件，标号4006为固定尺寸水翼，标号4007为舵，标号4007a为舵轴线，标号4010为固定的水翼部分，而标号4011为可伸缩的水翼部分。推进装置、驱动轴和动力模块未示出，但也可设置在任何方便的位置，包括如图341到357中所示。在所有图中，水翼可选地能够枢轴转动，或者具有其它可改变攻角的装置，并且虽然显示为具有固定尺寸，但它可选地或另选地通过包括固定的和可伸缩的部分而具有变化的尺寸。图358显示了传统的对称式布局，具有前方的主提升式水翼和后方的辅助提升和/或稳定或控制式水翼。图359显示了具有可在方向3901上伸缩的部分的水翼部件4010，它们均为弯曲构造(从正视图中看上去)，倾斜的辅助前上水翼具有到与主水翼大体上共用的龙骨件的连接位置。后水翼具有垂直鳍4006a，提供额外的方向稳定性。包括这里所介绍的任何水翼可具有任何类型的鳍，其安装在任何位置并处于任何角度。图360显示了双柱/双龙骨件布局，其中主前水翼4006具有处于各端处的鳍4006a并包含三个部分，连接两个龙骨件的中心部分以及各龙骨外侧的部分，中心部分显示为较浅的倒V形。在一个备选实施例中，主水翼的角度倒转过来，中心部分为浅V形，外部从龙骨件中向上倾斜。各龙骨件具有倾斜的舷内后辅助水翼。图361显示了双龙骨件/双斜柱布局，各龙骨件具有两个变化尺寸的前水翼和仅有一个后水翼。在一些备选实施例中，内部的前水翼比外部的大，和/或后水翼安装在龙骨件的外侧，各个水翼可以是自持式的，或者由一个或多个张力件或支柱支撑。作为示例，图362显示了由单柱或张力件4036支撑的水翼，图363显示了支撑两个可调倾斜度水翼4006的上、下张力件4036，其可围绕轴线4033枢轴转动并连接在可旋转地安装于龙骨件4005中的盘4013上，可选地按照后面介绍的结构来设计。考虑图363A中的侧视图，在该实施例中张力件4036相对于水平的角度比水翼围绕轴线4033旋转的允许角度大得多。张力件或支柱可具有任何适当的横截面和纵向剖面，包括那些可选地提供正或负升力的设计。张力件或支柱本身可具有可调倾斜度以提供变化的升力，它们本身也可看做一种形式的水翼。在图362B中示意性示出了另一实施例，其中水翼4006包括固定部分4010和两个可伸缩部分4011，其中一个套叠式安装在另一个中。在另一实施例中，水翼可具有襟翼以提供可变的正或负升力或快速制动，其方式类似于机翼上的襟翼。作为示例，在图364中以标号4034示意性示出襟翼，在图364C中以虚线示出其处于完全伸开的位置。可选地和附加地，提供了处于大致垂直的平面内并围绕轴线4036枢轴转动的襟翼4035，在该实施例中其朝向龙骨件4005的后部以提供可变的侧推力，并可选地用作部分舵。在另一实施例中，可枢轴转动的襟翼如图364中4035设置在任何水翼中，具有沿任何方向包括水平方向倾斜的枢轴转动轴线，以可变地产生向上推力或向下推力。在一个附加实施例中，这种枢轴转动襟翼可设置在任何飞行器的机翼或气翼上。翅片4029显示了为安装在主水翼的端部以控制流体流动，如图360的实施例所示。在一选定实施例中，水翼式水运工具中的任何水翼、龙骨件和/或柱可全部地或部分地用作压载箱和/或包含有压载箱。在一选定实施例中，水翼式水运工具中的任何水翼、龙骨件和/或柱可全部地或部分地用作压载箱和/或包含有燃料箱。可选地采用水运工具在其中航行的水或其它液体来对水翼、龙骨件和/或柱的全部或部分填充将导致水运工具外壳上的内压力与水的外压力平衡，并且允许更轻的构造。压载物和/或燃料的质量也给水翼、龙骨件和/或柱更大的惯性，使得它们更不会快速地倾斜、上下摆动和前后摆动。在至少部分地由风帆提供动力的水运工具中，压载物或燃料从水运工具的一侧到另一侧的运动以抵消侧面风负载是建立在实践基本上的，在另一实施例中，这种运动结合在了本发明的水翼水运工具。作为示例，图358B示意性显示了右舷主水翼的压载空间是如何被填充压载物的，在此处为水运工具在其中航行的液体3891。带有与各前主水翼4006中的单独压载物空间连通的通道3893的泵设置在龙骨件4005中。在正常的缺省式工作中，龙骨件各侧的压载空间被同等地填充。如果水运工具全部地或部分地依赖于风帆来工作，对于来自右舷侧的强风来说同，右舷侧的压载空间应装满。当水运工具抢风调向或有来自左舷侧的强风时，泵将压载物从右舷侧传递到左舷侧压载空间。备选地，燃料箱设于水翼中，燃料从一侧泵送到另一侧。
如所示，部分水翼和/或舵(有效地用作垂直水翼)可全部地或部分地伸缩。作为示例，图365(穿过柱4004的平面图)和图366(穿过龙骨件4005的线A处的剖面图)示意性显示了包括连接在龙骨件4005上的固定部分4010的水翼，固定部分容纳可沿方向3901在罩或导向件401内运动的可伸缩部分4011。主运动方向由标号4003示出，完全收回的部分4011的位置由虚线4011a示出。这些图类似于前面的示意性图示，不同之处在于部分4011的平面形状与部分4010的不一致。在另一实施例中，固定的水翼部分比所需的大以容纳可伸缩的水翼部分，从而在固定部分内出于任何目的而提供空间以容纳下述：结构加强件、燃料箱、压载箱、声纳仪、深度计、摄像机和光源。图365显示了固定部分朝向龙骨件加宽，以提供不用于容纳部分1011的空间3902，其可用于任何方便的目的，包括用于压载或燃料箱空间。在另一实施例中，固定的或可伸缩的水翼可旋转地安装在龙骨件或柱上。作为示例，在示意图367到371中显示了可旋转地安装在龙骨件4005上可伸缩的水翼，其中整体设置在显示在平面图367、B-B截面侧视图368、沿轴线4033的剖面图369、C处局部放大剖视图370以及水翼部分之间的连接的局部放大平面图371中。图366显示了穿过图367中的线A的剖面，然而是镜像的。水翼部分4011显示为从安装在龙骨件4005上的主水翼本体4010上延伸出来，龙骨件4005又连接在柱4004上，部分4011以虚线4011a显示为处于收回状态。水翼部分4010具有端部翅片4029以提高方向稳定性，在其图368中以为简明起见。在这些实施例中，主水翼本体4010及其延伸4011为大致机翼型横截面，并可在轴线4033上围绕中心4012可调节地枢轴转动。在其它实施例中可采用任何横截面的水翼，其可在任何方便的轴线上枢轴转动。在大多数工作模式下，攻角或枢轴转动程度不可能过多地超过中性的或“笔直”位置的各侧约5到10度，但在图368中为说明性目的而显示为处于夸大的角度4012a。主水翼本体4010整体地安装在支承盘4013上，其内表面连接在促动点4014，促动杆或张力件4014a便终止于此处。盘4013的内表面也具有连接点4015，用于系统促动水翼延伸4011的运动。可以采用用于水翼的任何适当促动系统，包括这里示意性显示的，其中经连接器4015耦合的液压流体促动液压活塞和气缸促动组件4016的运动，该组件容纳在水翼4010内，并可滑动地安装在部分4010和4011的圆柱形凹槽4017中。空心通道4018将液压流体引导到圆柱形凹槽4017的固定区域4019中。在图370中，流体密封装置由标号4028和4027a示意性示出。螺旋弹簧4021可选地围绕活塞安装，以便在液压动力损失或在其它一些情况下促进部件4011在部件4010内的收回。部件4011的固定端部可选地具有不规则的或不平衡的端部轮廓，这里显示为扇贝形4022，以分配在部件4010中因部件4011的向上推力或向下推力引发的弯曲应力。支承盘4013在其周边具有台阶状横截面，安放在龙骨部分的相应轮廓内，并由紧固在标号4023a处的可拆环4023保持住。支承盘、龙骨部分和环之间的连接包括轴承面，可靠的轴承密封圈4024和可靠的周向油槽4025，其由油道(由虚线4026示意性示出)来提供供给。油槽的形式可以是油饱和的可压缩多孔或可透材料或芯子。摩擦流体可以是具有任何组分的任何物质，包括传统油、重油和油脂，并且可以重力或压力输送。在该实施例中，油道4026在水翼4010内连续地延伸到其末端，终止于另一周向储槽4027和/或备选的走廊或凹陷4027a和密封圈4028，它们均具有与部件4010横截面大致相配的形式。密封圈由可动法兰或翅片4029和紧固件4029a保持住。储槽4027可包括浸渍有润滑剂的多孔性或可透性材料或芯子，其组成部分如纤维设置成使得在伸出运动期间可从水翼延伸4011的表面中吸收油或其它润滑剂，而在其收回期间将油放出到部件4011的表面上。任何适当的摩擦材料包括油等均可使用。部件4010的内表面或部件4011的外表面或这两者都可以容纳一系列镶件或突起/凹陷4030，其用作支承面和/或导向件，在水件由相对较软的材料制成时尤其如此。例如，镶件可以是任何陶瓷材料。如图368所示，两个水翼部分的前缘在标号4030a处很宽地分开，使得任何对部件4010的前缘的微小损伤会影响部件4010的伸缩运动。部件4010和4011可具有定位销4031和/或定位槽4032(如图371中所示)，限定了部件4011相对于部件4010的延伸极限。虽然未示出，但可采用大致类似的镶件系统来加强盘4013和龙骨件4005的支承表面。空间4038是龙骨件4005的内部空间。在另一实施例中，图367到371中的任何特征均体现在可伸缩水翼的柱中。在另一实施例中，这里介绍的与水翼相关的所有发明、构造、结构和细节均可适用于空气翼或连接在飞行器上的气翼。这种空气翼包括前翼和后翼、舵、襟翼等，其可具有任何适于特定飞行器的横截面、线性剖面、曲率、平面轮廓、枢轴运动范围和攻角。特别是，这里介绍的与可伸缩水翼相关的结构、构造和细节均可用于飞行器空气翼、机翼和/或舵。例如，图367到371的实施例是那种可伸缩的飞行器机翼。在操作中，这种机翼将处于延伸位置以用于起飞和着陆或需要较大升力时的低速航行，并且处于收回位置以用于高速航行。
可伸缩柱和龙骨件可朝向船体收回到任何最终收回位置。在其它实施例中，当龙骨件完全收回时它可完全离开船体，或者全部地或部分地处于船体上，或者部分地或全部地位于船体底侧的凹部。在另一实施例中，龙骨件本身构造成至少部分地用作水翼以提供升力。作为示例，图372和373示意性显示了这种龙骨件，其中图372显示了龙骨件4005处于其最上且部分退回的位置，图373是当龙骨件处于更低位置时沿线A的剖面图。舵4007显示为铰接在轴线4007a上，电动机或内燃机4044驱动喷水式推进装置4043。提供了小翅片或短柱4006b以提供额外的方向稳定性，也在意外搁浅时保护龙骨件的其它部分及其夹具。向后运动的鳍4006b逐渐地变化到下方加强脊4039a(其直接处于上方加强脊4039的下方)，当龙骨件4005完全退回时，上方加强脊4039便容纳在船体4001的相应凹陷4001a中。这里没有示出传统的水翼，这是因为在选定实施例中龙骨件自身就具有足够的水翼或提升效应，在攻角比这里示出的还大一些的情况下尤其如此。龙骨件的大致水平部分4037的纵向剖面为翼状横截面而提供了升力，而龙骨件的向下部分4038限制了从龙骨件下方来的水的侧流，从而有助于额外的支撑。在舵轴线4007a之后，凹陷4001a如虚线4001b所示地被加宽，因此转动舵不会不利于船体。可在后部设置可围绕轴线4037枢轴转动的可选的稳定水翼4006。在一个备选实施例中，主要的或任何类型的水翼连接在柱和/龙骨件上。在图372和373中，剖面A是沿着龙骨件的较宽部分进行的，其沿着剖面线A纵向地较窄。图374和375作为示例示意性显示了不同类型龙骨件的实施例，在图374中是通过柱的剖面看去的平面图，在图375中是沿线C的横截面图。电动机或内燃机4044驱动喷水式推进器或叶轮4043，这两者都位于龙骨件4005中，如图372所示，并且在这里处于可去除的进出舱口4044a之下。龙骨件部分地与主水翼形成一体，从而产生新型的带有襟翼4034的复合提升表面4040。在龙骨件的后部设有可选的传统后水翼4006(其可围绕轴线4037枢轴转动)和舵4007(围绕轴线4007a铰接)。图375是柱伸出时沿线C的剖面，显示了上方或背面翅片4039，其用作方向稳定器和加强法兰，也用作在龙骨件靠上船体上时收回到凹陷4001a中的定位器。下方脊4039a在剖面中心线上为鳍4006b的截短形式，其也用作加强法兰和方向稳定器，如同提升表面4040的短柱水平部分4040a一样。下转向翅片4029显示为处于表面4040的端部。
在其它实施例中，龙骨件可与柱形成整体，附加地或备选地它可实际上包括水翼。作为示例，图376显示了这种布局的一个实施例的侧视图，其显示了图372中的点划线矩形框B，而图377是穿过柱的横截面看去的平面图，图378是沿线D的剖面图，这三幅图均按不同比例绘制。在该实施例中，柱4004与龙骨件4005形成一体而不是分开的，龙骨件4005又与水翼表面4040和上壳体或短舱4039形成一体。相同的整体式柱/龙骨件构造可用于任何应用或实施例中，包括那些在本公开中其它地方披露的。内燃机或电动机4044处于推进装置4043下方，在该实施例中推进装置是从入口4041经通道4042而被供给水的喷水式推进器。正常前进运动方向由标号4003示出，喷水式推进器4043产生的推力由标号4045示出。在表面4040的后部设有襟翼4034，侧翅片4029终止于可围绕轴线4007a枢轴转动的舵4007处。在柱的大致正下方提供了复合的短柱龙骨和加强法兰4006b，以便在搁浅时承受载荷并将其传递给柱。带有完全收回的柱和龙骨件的船体的轮廓在图376中由虚线4001示出，在该位置喷水式推进器仍旧工作，沿船体凹陷4001a喷出水，直到凹陷终止于船体底部4001b的翻转处。如果喷水式推进器不需要设置得这么高，那么推进装置和发动机或电动机的位置可以调换，以避免为带有任何推进水流的任何发动机提供横向空气供给。在另一实施例中，龙骨件是实际上的水翼，但其上还安装了其它的水翼。在另一实施例中，龙骨件之上的短舱分两个部分，上部稍小于下部，使得当龙骨件离船体较远时，短舱上部可装入到船体中的特定设置的凹部中，在短舱顶部和船体凹陷的顶部设有进出舱口，使得当龙骨件/柱处于完全收回位置时可以接触到短舱和/或龙骨件的内部。作为示例，这些实施例均在图中显示，其中图379 是侧视图，图380是从柱的横截面看去的平面图，图381是沿线E的剖面图，所有图按大致相同的比例，在图382中显示了船体凹陷周围的较大比例的细节。在这些实施例中，发动机或电动机4044高于推进装置4034(对于喷出式驱动来说)，并处于壳体带有台阶4039a的小或短舱4039内。水从标号4041处进入，通过通道4042进入到喷水式推进器4043，其在工作中产生沿方向4045的推力，水运工具的正常行驶方向由标号4003示出。可围绕轴线4007a枢轴转动的舵具有可伸缩部分4051，其在收回时基本上套在主舵4007内，并且可枢轴转动地安装在标号4052处。如果部件4044是内燃机，那么在柱4004和龙骨件4005设置了充料空气通道3810、废气通道3811、燃料管线3812和电子控制部件3813，它们在这里基本上形成一体。短舱4039在此处也与柱4004和龙骨件4005的包括水翼表面4040的主要部分形成一体，水翼表面4040又与垂直侧鳍4029形成一体，鳍4029具有短柱龙骨部件4006a。传统的前水翼4006安装在均带有襟翼403的垂直鳍4029上。表面4040向后缩窄至标号4040a，形成用于侧鳍4029的加强法兰，在其各端处舵4007围绕轴线4007a安装。侧鳍的端部通过可枢轴转动地安装在轴线4033的后水翼4006a分开。在图379中，当龙骨件最大程度地收回时，短舱4039上的舌片或台阶4039a便靠在由虚线1001示出的主船体表面上并用作止动件，短舱的上部嵌套在船体凹陷1001a中。在这种构造中，当船体处于水中时，龙骨件的所有系统仍可使用，水运工具可由推进装置来提供动力，由舵来操纵转向，并由前水翼上的襟翼来倾斜转弯。在图382中，当龙骨件处于最上方时，短舱舌片或台阶4039a便套在安装于船体4001中的凹陷4001a边缘处的小凹部内的密封圈4048上。可选地，该密封圈是空心管，它可膨胀以形成压力密封。为了从船体内部接触到电动机或内燃机4004、推进装置4042或短舱或龙骨件中的其它设备，首先将残留在空间4001a中的水泵出，然后去除凹陷1001a上部中的舱门4050，然后去除短舱顶部处的舱门4049。各舱门靠在密封圈4047上并用紧固件4046连接。可选地，一个或多个密封圈4047是可膨胀以产生压力密封的空心管。
在图379到382的实施例中，喷水推力4045被基本上引导到后水翼之上。备选地，可将螺旋桨推力引导到相对于水翼、舵、龙骨件、船体等的任何方便或位置。可采用在短舱上设置舌或台阶来形成具有中等水翼提升效应的另一表面4051。图357显示了具有可垂直伸缩地套叠式安装的部分4037的舵4007，而图379显示了可枢轴转动地安装且可水平伸缩的部分4051的舵4007。在另一实施例中，水翼、包括垂直水翼如舵具有一个或多个可枢轴转动的可伸缩部分。图中显示了一个示例，图383是从穿过柱的横截面看去的平面图，图384是侧视图，其中龙骨件4005主要包括月牙形水翼表面4040，在其后端安装了襟翼4034，其中主要向前运动由标号4003示出。可绕轴线4051枢轴转动的伸出水翼部分4011以虚线显示为处于收回位置。短舱4039封闭了由轴4008a连接到推进装置、这里是螺旋桨4008的电动机或内燃机4009，短柱龙骨处于标号4006b处。舵4007沿轴线4007a可枢轴转动地安装在垂直短翅片4052上。图372到384的龙骨件可另选地用与任何主要或辅助和/或前或后水翼组合起来使用，不论是否可伸缩，如同在图346、358到364中示例性所示，尤其是如果不需要收回到船体中达如图所示的程度。在其它实施例中，图372到384所示类型的龙骨件在其处于最上位置中时没有处于船体中的凹部或凹陷内。在一个备选实施例中，龙骨件和柱是不可收回的。图346到384中的龙骨件可与任何推进装置和任何动力系统的组合连用，推进装置包括叶轮和螺旋桨，动力系统包括电动机、任何类型的内燃机、变速器以及如图351到357所示的。
在图365到371所示的实施例中，水翼部件4011相对于部件4010的动作是套叠式的，如这里套叠式安装在固定部件中的单个可伸缩部件所示。超过一个可伸缩/套叠件可与任何一个如图362B示意性示出的水翼一起使用，龙骨件可具有多个复合水翼，其为具有至少两个部件彼此间可相互运动的水翼，以便在恒定速度下提供可变升力。图346的实施例显示了套叠式水翼柱，其具有一个固定部分、可选地为罩或导向件以及一个可伸缩部分。在一个备选实施例中，套叠式水翼柱包括三个或更多个部分，其中至少一个是固定的。作为示例，图385、386和387分别示意性显示了半平面图、侧视图和剖面轮廓图，其为小型快速水运工具的实施例，具有两个平行的水翼柱组件4004，它们各包括一个固定部分3867和两个套叠式可伸缩部分3867a和3867b(它们可如图387所示地形成一定角度地收回)，固定部分3867包括一些形式的罩和/或导向系统，它们退回到船体中并与之形成一体。优选的，部分3867是封闭罩以形成了密封障碍以阻止水进入船体，不论罩同时是导向系统或在其内包含有单独的导向系统。平面显示了船体的轮廓，在其最宽处为3862，同时显示了当其在水中时于水线处的轮廓3863。在这里，轮廓编号1-8中的一半在平面图和侧视图中沿剖面线1-8进行。主要航行方向由标号4003示出。各柱和龙骨组件具有其自己的推进装置4043(这里是喷水式推进器)、电动机或内燃机4044、可在标号4007a处枢轴转动的其自身舵4007，以后前、后水翼4006。船只具有用于在限制水域内操纵的第三推进系统，包括与可选变速器4009a连接的内燃机4009，该变速器4009a通过驱动轴4008a连接到螺旋桨4008，在其之后为可在标号3865处枢轴转动的舵3864。为了提供在停泊时的额外的低速操纵性，在前短柱龙骨4006a处安装了船首推力器4053，其提供用于提高船体在水中的方向稳定性。在高速下，船体抬高到水面以外，并由可在标号4007a处枢轴转动的舵4007来转向。可选桅杆的线由标号4055示出，其可选地带有风帆。水运工具上表面上的可选光伏阵列用标号71示意性示出，光伏阵列的工作表面与船体或甲板的相邻部分大体上平齐和平行。水运工具具有救生筏29、白色尾部灯、红色左舷灯15、绿色右舷灯15a，以及作为操舵室的一部分的上层结构30，其包括轮式掌舵控制器28和杆式组合推进速度和反向控制器32。水运工具可选地具有一个或多个计算机程序和计算机(其中之一由标号34示意性示出)，以接收来自测量装置的信息和改变和/或控制工作参数，如针对图388到395的水运工具所述。船体的一个特征是位于每一侧的附加深度和浮力件4058，当收回时处于龙骨上，它可以减小摇摆。另一特征是在龙骨组件接触位置之间的凹入式船体形式，其能截获船体主要部分下方的冲击波并抬起船只，导致其能够容易地实现水平，并减少水的阻力和提高燃料的经济性。龙骨组件具有作为短舱4039的一部分的突起3866，短舱4039容纳了电动机或内燃机4044，并且嵌套于船体4001a中的相应凹陷内，沿着之前在图379到382中显示的线。可选地，这里也显示了出入舱门。柱部分3867b与龙骨件4005形成一体。当水运工具连同船体在机械动力下运转且由推进装置驱动时，水作用于柱的浸没部分上的力以及作用在船体上的空气阻力将导致船体逆时针旋转，前、后水翼必须被定位成使水运工具反时针旋转，这种补偿导致增大的阻力。如果当水运工具连同水上船体在风力下由风帆带动，浸没部分的阻力将使水运工具顺时针旋转，前、后水翼必须以相反构造来设置，使水运工具逆时针旋转，这同样增大了阻力。在一个最佳情况下，水运工具在风力和机械动力下航行，旋转负载趋向于彼此平衡，水翼设定在可导致最少阻力的位置，带来了最佳的燃料经济性。图385到387的水运工具，只有后发动机4009、可选变速器4009a和螺旋桨4008一起具有反向性能。在另一实施例中，变速器具有可变驱动比，可选地如这里公开的那样。在船体离开水地航行的水翼水运工具在该模式下反向是实际上是不可能构思出来的。如果在紧急情况下需要反向航行，水运工具首先减速，使船体进入到水里，实现实际上的停机，然后再反向。在水翼工具的许多(如果不是最多的话)实施例中，在安装于连接在柱上的龙骨件内的动力和推进系统不需要有反向性能，如果水运工具具有另一具备反向性能的动力和推进系统以供船体在水中时使用的话。在大型商用船只中，使用具备反向性能的单独的低动力推进系统仅用于在停泊或机动期间船体处于在水中时比在多个被提供动力的龙骨件/柱组件中的每一个中结合反向性能成本高很多。使用这种单独系统的另一疑问是，船体处于水外的快速航行和船体处于水中的慢速机动有着非常不同的动力需求和推进装置(例如螺旋桨或喷水式推进器)设计。如果各推进和动力系统为其功能而设计，而不是设计一个动力系统在任何条件下实现任何功能，那么就可以优化能量的使用。这些疑问不太适用于如图346所示的具有单柱的小型水运工具，其中它可以有效地、可选地在变速器4009a中结合有反向性能。
在一个选定实施例中，水翼水运工具的船体平面形状大致如同橄榄球或美式足球或泪珠形式的形状。备选地，它们可具有任何形状的船体。在另一实施例中，水翼水运工具具有任何数量和布局的水翼柱，不论它们是固定的或可伸缩的，并且可选地具有任何数量和布局的风帆和桅杆，其具有任何方便的高度并构造成任何适当的索具布置。如上所述的水翼阻力的减少和优化，以及由任何风提供的额外机动力会使由机械动力和风帆驱动的水翼水运工具具有最经济的商用船只运输形式。可以设置任何类型的风力推进装置或其组合，包括一个或多个气翼、一个或多个筝帆和/或一个或多个安装在一个或多个桅杆上的风帆。如果提供了桅杆，将它们设置在船体已经加强的结构上、例如在设有水翼柱的位置或其附近是更加经济的。前面已经介绍了单柱和双平行柱的布局。作为示例，图388到395示意性显示了水运工具的平面形式的例子，其具有交错形状的船体4001、多个柱4004的交错布局(其从船体下侧浮现出来的部分显示为虚线)，以及可选的风帆桅杆3861，标号4003指主要航行方向。水运工具上表面上的可选光伏阵列用标号71示意性示出。船体形式适合于大型的商业船只，只有图388是个例外，其适合于小型船只如商用河流交通。水运工具具有至少一个舵14、由虚线29示出的救生艇或救生筏、至少一个白色尾部灯16、红色左舷灯15、绿色右舷灯15a，以及作为操舵室的一部分的上层结构30，其包括轮式掌舵控制器28和杆式组合推进速度和反向控制器。在各船体中，不同的柱可具有不同的尺寸和轮廓，包括横截面。各柱终止于一些形式的龙骨件和/或水翼组件(图中未示出)，包括可选地如上文公开的。当推进装置与特定的柱/龙骨件组合相关联时，显示了一个象征性的螺旋桨4008，尽管该装置可以是任何类型，包括喷水式推进器。在前述实施例中，推进装置显示为相对于龙骨件的后部为“推式”构造。在备选实施例中，推进装置靠近龙骨件的前部附近时为“拉式”构造，或者它们可安装在任何方便的位置。舵可安装在与任何柱相关的任何龙骨件上。任何船体形式均未按特定比例，不同的图之间也不具有相同比例。
在一个重要实施例中，通过人工和/或计算机程序或它们的组合(此时它们单独地或同时地进行)来确定、控制和/或改变下面可变参数中的至少任何一个：一个或多个发动机的整体的或单独的速度；任何推进装置的整体的或单独的推力方向；舵的整体的或单独的角度；水翼柱延伸的整体的或单独的延伸程度；龙骨件的整体的或单独的角度；水翼的整体的或单独的攻角；水翼部分相对于其它部分的整体的或单独的延伸程度；任何风力帆、气翼或筝帆相对于船体的整体的或单独的位置或角度。任何计算机程序可装在一个或多个计算机中，该计算机可提供不同的电路以通过任何适当方式直接或间接地改变参数。这种方式可选地包括以任何方式确定、控制和/或改变，其包括使用螺线管、伺服电机和/或一个或多个促动机构中的带有液压流体的液压电机或泵。该计算机可安装在水运工具的任何方便的位置上或内。计算机可选地接收至少一个或多个传感器或测量装置的电气或电子信号，计算机程序设计成可处理来自传感器或测量装置的数据，所述传感器或测量装置可确定下述参数中的一个或多个：前进速度；风向；风力；平均浪高或单个浪高；平均的或单独的波浪离相邻波浪的距离；船体相对于正常垂直方向的角度；水深；最近物体的接近程度；最近物体的运动速度；水运工具上任何促动装置中的流体压力；水运工具上任何促动装置中的流体温度；任何发动机的一个或多个部分的温度；任何发动机的一个或多个部分的压力；任何燃烧式发动机的废气部分的组分；任何操作员空间和/或任何其它封闭空间中的温度和/或空气状况；燃料的使用速度；所用燃料和/或剩余燃料的量。在另一实施例中，计算机和计算机程序结合到本公开的任何水运工具中，包括以这里所述的方式。
作为示例，图388显示了较长和窄的水运工具，其中隔得较开的柱之间的间距更为实际。通常来说，前柱和龙骨件的通道会产生湍流，因而对任何紧随其后的柱/龙骨件来说可能会有效率损失。推进装置将产生额外的湍流，并通常显示为朝向小水运工具的后部。图389的船体形式适于大型的商业船只如集装箱船。可选地可转动地安装了4个侧柱(可选地如下文中所公开的)，中央的前、后柱可套叠式可伸缩的。如果这种船只需要有桅杆，它们可选地定位成使得在用码头起重机装载和卸载时形成的干涉最少。对于所有类型的水运工具、包括大型油轮或货轮和集装箱船的实施例来说，图390到394的大致泪珠形船体形状比较反常规，但它们具有一些优点。目前，大多数大型商用水运工具具有长而窄的船体形状，因为它们在水中航行时具有较小的阻力。对于本发明的大型商用水翼水运工具来说，其船体几乎总是在水外，这些限制不再适用，使得可以将它们构造成更安全的大型船只。有大型油轮神奇地消失在南非海岸处，据猜测它们被撞成两半并立刻沉掉(装30万吨油会导致这种情况)。在该大洋中有时20到35米的巨浪会聚集在船只长度的中心附近。经过船的巨浪会反复地先抬起中段，使重载的端部或多或少地悬浮在空气中，然后抬起船头，使得重载的中段未受支撑，这种连续的挠曲应力最终导致了受攻击的船只折成两半。泪珠形状减轻了这种危险，这是因为在中段具有更多结构，且船头和船尾的装载更少。附加横梁也减少了摇摆。可注意到，最适合航海的维京船具有接近于泪珠的形状。不利于该形状的一种看法是，船只不得不系到目前使用的码头上，其大部分适用于集装箱和乘客用船。然而，大型油轮和一些大型运输船在装载或卸载时通常系有浮力件或类似锚定件，并且很容易成为泪珠形。如果泪珠形在普通的商用货轮和客轮中广泛使用，目前的码头可以用来与船只的中段相连。大型油轮目前必须配置成本昂贵的双船体，而具有较低的表面-空间比的泪珠形状将更加经济。安装双船体的原因是由油轮搁浅时导致的频繁的漏油，而双船体可减小这种太危险。这里公开的水翼油轮的一项重要优点是，不论是泪珠形或常规形，在正常操作下整个船体都在水外，在该模式中，任何搁浅将损坏柱和龙骨件而不是船体，因而进一步减小了漏油的危险。
图390显示了适于后部装载的水运工具的船体形式，其具有两个后动力柱和一前稳定柱，其可选地还具有掌舵装置。图391显示了具有设置成十字架布局的柱和宽梁的船体形式，其中中央平行柱足够宽地隔开，以用于在宽广的天气条件下作风动力航行。图392显示了具有宽梁的另一船体形式，其允许两对具有不同分离度的平行柱，使得前柱的航迹仅很少地干涉与后柱相关的水流。图393的构造适于较大的原油轮和/或散装货轮。这种船只的甲板具有很大面积，其桅杆可处于任何方便的位置。在一定尺寸的船只中，泪珠形的增大梁将阻碍其通过苏伊士运河或巴拿马运河，因此泪珠形船体形式将对那些不使用这些运河的船只来说尤其有利。泪珠形船体形状也适用于由风力操作很长时间的水运工具。图394的船体形式适于大型船只，但也可用于小一些的帆船。两个前柱分得很开(尤其是如图447中所示角度)，可以给风负载的侧推力以适当支撑，如标号4003a所示。在一选定实施例中，计算机程序确定和测量风负载的强度和方向，并且对连接在与柱4004相关的龙骨件上的水翼的攻角作连续调整，使水运工具保持在恒定的大致垂直的角度。可选地设置了后柱4004a以帮助平衡和掌舵，而主要的重力负载由前柱承担。在另一实施例中，柱和/或桅杆可侧面错开地布置。在风帆动力是重要的情况下且桅杆与柱结构性相连或接近，最佳的风帆布置不是将桅杆设置成并排且平行，而是使它们错开，并且和与之结构性相连的柱错开。作为示例，图395显示了大型的商用船只如集装箱船，其中每侧有三个柱但无平行的柱对。相反，柱4004和桅杆3861在各侧以相等的间隔交错地设置。同样，这类船只通常很大，使得桅杆实际上可设置在任意位置。商用船只上的桅杆高度原先且通常限制在水线以上70到90米之间，取决于指定航线上的桥梁净高。如果船只的未装载甲板高度为12米，那么实际的桅杆高度可以高达75米左右。如果船幅为40米，则在图395的布局中桅杆之间的间距可以为50米左右，其高度-间隔比为约7:4，足以允许合理有效地捕获风力。在一些备选实施例中，风力推进至少部分地通过固定在船体上部和/或桅杆上的筝帆来实现。通常，筝帆不会如桅杆那样引发扭转或侧向风负载，但它们在少数天气状况下是有效的。在较宽的水运工具如图393所示的中，由桅杆引发的扭转风力负载不会是大问题。在另一实施例中，如图346到425所公开的任何水运工具可设有任何类型的风力驱动的推进装置，包括这里提到或图示的那些。这种风力驱动的推进装置包括一个或多个筝帆、一个或多个空气翼，和/或一个或多个一个或多个桅杆上的风帆。所述风帆可以是任何构造，并以任何方式的索具安装在桅杆上。
如果宽长比大于目前的典型值，将提供具有多项优点的大型商用海运船只。它将减少摇摆，并且在帆船中减少桅杆上的弯矩以及船体下的侧面风负载。(很可能是出于这些考虑而将维京式船只制成为较宽，尽管它们具有缩窄的端部)对于给定的空间和高度，船只长度可以减少，明显减小为速度平方的函数的阻力。这也使得更容易在船体底部包括足够的表面积，以使大船在海上的几乎所有条件或巨浪下在波浪/水面上滑行。在许多情况下，为在波浪上滑行，移动负载比使船体在水中偏转更加有效。该效率增益来自于对于给定的燃料使用来说行程的时间更短。在目前的商用船只中很难设计出滑行。船体底部设置为特定航线上的净空所要求的最大深度，因此推进装置不得不设置在船体底部水平线之上的后部。然而，通过使用这里公开的可伸缩机构，就可以使用一个或多个可伸缩推进装置和/操纵机构如舵。如果可伸缩机构没有或仅有小型水翼，那么船体无法被抬离水面，船只可设计成空载地滑行，或者部分加载地滑行，或者在所有加载情况下滑行。如果船只较大，以目前船只的方式来说，当波浪或巨浪太大而要求船体大部分在水中航行的情况较少。在另一实施例中，船只设计成可在下述三种模式中的任一种中操作：船体在水中，船体在滑行，以及在有水翼时船体在水外。可伸缩机构在完全伸出时可用作水翼，当部分伸出以允许船体滑行时用作推进和操纵装置，而在收回位置且船体完全在水中时用作推进和/或操纵装置。在其它实施例中，这里公开的与宽型和/或大型水运工具相关的任何特征均可适用于任何宽度或尺寸的水运工具。
作为示例，示意图515到517显示了设计用于滑行的大型，其中图515是侧视图，图516是平面图而图517是后视图。船体4001滑行时大致的水位线由标号4002示出，船体在水中的水位线由虚线4002a示出，正常的前进运动方向由标号4003示出。船体具有6层甲板上层结构30，包括操舵室31，其由线13分成船员/乘客部分11和机械部分12，悬臂梁由标号14示出。在操舵室中包括两个轮式掌舵制器28和两个杆式组合推进速度和反向控制器32。船只具有红色左舷灯15、绿色右舷灯15a、白银尾部灯16，以及从吊柱33上悬垂下来的救生艇29。四个筝帆17固定在船体上方甲板(后视图中未示出)上，四个推进模块18可从船头处的单个凹部19中伸出和收回到其中。该模块具有推进装置，例如由可选地如这里公开的燃烧发动机或电动机来提供动力的螺旋桨20，以及小型水翼21。通常，当风力条件允许时风力可用来代替发动机动力以节约燃料。在一个备选实施例中，风力推进装置(空气翼、一个或多个桅杆上的风帆和一个或多个筝帆)大得足以在最佳风力状况下单独地推动船只。水翼这里用来控制船只的前后倾斜度，且部分地帮助将船只抬起到滑行位置。船体具有三个纵向突起22和两个纵向凹陷23以产生方向稳定性，还具有舵24和船尾推力器25和船头推力器26。在开放水域的速度下，转向是通过改变一侧推进装置相对于另一侧推进装置的动力来实现的；在限制水域的低速下，机动是通过使用船尾和船头推力器并少量驱动推进装置来实现的，舵起到不太重要的紧急情况下的备份功能。船只可选地具有一个或多个计算机程序和计算机(其中一个以标号34示出)，以接收来自测量装置的信息，以改变和/或控制工作变量，如上面针对图388到395的水运工具所述。在备选实施例中，风力推进通过一个或多个空气翼、一个或多个桅杆上的一个或多个桅杆风帆或其组合，可选地与筝帆相结合，或者是就没有风力推进。在所公开原理的其它实施例中设有位于任意位置且可以是固定或可动地安装的任何数量的推进模块，可在船体上任意位置设置任何类型的上层结构，可在船体下侧设置任何数量或者不设置的凹陷或突起。货物可放在船体内的上层甲板之下，或者可以位于甲板之上，或者它们的组合位置。在其它实施例中，船只具有安装在推进单元上的足够的水翼表面，推进单元可选地包括这里公开的龙骨件之一和水翼柱或柱组件之一，以使船体被抬离水面，使船只在以下三种模式下工作：作为水翼式工具、作为滑行式船体工具；以及作为传统的船体在水中的工具。在其它实施例中，图388到395和图515到517中的水运工具的任何特征均可适用于小型的水运工具。
在选定实施例中，可伸缩的水翼柱设置在大型的任何尺寸的商用水运工具中，包括浏览船和客轮、集装箱船、散装货轮和大型油轮，其可通过任何便利的方式来实现可伸缩作用，包括通过套叠式或枢轴转动作用。在这里的图中，水翼柱大体上显示为倾斜的，从头到尾地倾斜，使得会将它们遇上的任何物体向下偏转，同时减小破损的危险。在另一实施例中，水翼柱可设置成在垂直的前/后平面内测得的任何角度。通常来说，目前在海洋中最大的漂浮物是冲到船外的集装箱，至少对于小型水运工具来说以一定速度与这种物体相撞后会造成柱和龙骨件的严重损伤，在船体处于水外时尤其如此。与鲸相撞就少得多，因为它们会感应到船只并让开路，但这也确实会有时发生。出于这一原因，水翼操作更加适合于大型船只，它们可具有更大的柱和龙骨件。几乎所有的大型水运工具都要针对它们的航线和港口的吃水深度和船幅的限制来进行设计用，因此如果是用于大型的商用水翼工具，水翼柱应当接近于完全收回。即使用于大型船只，水翼柱也会因与较大物体相撞而损坏。在另一实施例中，可在柱之前安装保护性的和可选为牺牲性护罩，其可选地设计成能够提高流过柱和柱周围的流体流动，以减轻经过水和空气的阻力。护罩或装置可固定地安装，或者安装在能量吸收装置上，其包括会在负载下变形的弹簧和紧固件。护罩或装置可安装在任何类型水运工具的任何类型的柱上，包括固定的、铰接的或套叠式的，和安装到任何类型的龙骨件和/或水翼上，包括固定的、可旋转的和带有可伸缩的部件。在另一实施例中，龙骨件和/或柱带有前置探针，其可选地具有声纳仪和/或水下光源和摄影机。探针可固定地安装，或者安装在能量吸收装置上，其包括会在负载下变形的弹簧和紧固件。在另一实施例中设有设置单独的探针，而是将声纳仪和/或水下光源和摄影机安装在龙骨件内或其上、水翼内或其上、柱的前下方内或其上，或者是任何护罩内或其上。如果安装在柱内或其上，可以在任何护罩上设置开口。在另一实施例中，当探针被触发或声纳仪感应到任何足够质量的物体可能会损坏柱或龙骨件时，它便产生信号给柱促动机构，其便迅速收回柱和可选地也收回任何探针。在水运工具仅具有一个或两个柱的情况下，优选船体设计成使得水运工具能够在最大航行速度下安全地平降到水中，如果任何柱均收回的话。对于水运工具具有多个柱的情况，也可采用导致柱收回或提示柱功能突然损失的信号来调节与留在水中的柱有关的水翼，从而使水运工具适当地平衡，和/或提供用于船体在水中的有序、逐步的下降。在一个备选实施例中，水翼柱可通过任何便利的方式、包括通过铰接件在其与船体、可选地也在与龙骨件的相连处枢轴转动。在一选定实施例中，柱采用平行臂式设置，类似于在曲柄灯中所用的那样。可枢轴转动的柱可安装在船体上的任何位置、包括在侧面上，可在船体中设置任何类型的凹部、凹陷或凹坑，以容纳枢轴转动机构、柱促动机构、柱和/或龙骨件，和/或处于收回位置的水翼。在备选实施例中，至少一个这种铰接或枢轴转动的延伸部分可结合到任何类型的水翼柱、包括那些在前面图中以标号4004示出的中，以及结合到大致垂直的水翼、包括舵中，例如在图中以标号4007示出的。
为了图示一些这种实施例，侧视图396和从沿穿过柱的线A的剖面看去的平面图397非常示意性地显示了作为示例的可旋转柱组件，其安装在大型商用船只、如集装箱船的船体4001的下侧。该船具有带龙骨件的柱组件；所示的那个用来提供升力和掌舵。其它的(未示出)提供推进动力，可选地也提供升力。在所示的柱/龙骨组件中，主柱用标号3841显示，副柱用标号3842显示，可选地用液压促动的促动活塞用标号3843显示，船体上的枢轴转动点用标号3844表示，而柱或龙骨件4005上的枢轴转动点用标号3845表示。龙骨件具有前水翼4006，舵4007可枢轴转动地安装在轴线4007a，主航行方向用标号4003表示。水翼包括处于主船体下方的固定部分4010，以及可伸缩的部分4011，其可延伸穿过固定部分的基部，以便在延伸时伸出到龙骨件和主船体的外部。这种设置的目的是允许整个水翼系统收回到主船体边界内或接近之，使得船只可航行过水闸和船坞而没有任何突起经过船体侧面的主垂直表面3860。当柱和龙骨件处于完全收回位置时，它们显示为虚线3846，枢轴转动点运动到新的位置3847使得没有或几乎没有突起存在于船体的主底部3865以下，以促进在浅水中的运动。龙骨件在大致平行于船体主侧面且垂直于水面的平面内上下运动。在船体下侧设有大凹部或凹陷3863以容纳收回的柱和龙骨件，而在船体底侧设有具有大致垂直表面3862和斜面或曲面3684的小凹部3864以容纳水翼4010。促动活塞可包括振动吸收器型装置，在该实施例中是螺旋弹簧3848，以使龙骨件可相对于船体上下运动，其方式大致如同轮子经悬挂系统安装在道路交通工具上。主柱3841由可选地能量吸收和变形护罩(由虚线3849示出)来保护，其大致更朝向底部，这样，当船体处于水外时与物体相撞的危险较大。护罩可选地通过可压缩装置、这里是弹簧3850连接在柱上。在龙骨件上安装了T形探针，其中T形的腿部可以是套叠式的并用标号3851示出，而T形的横部由标号3852示出。可选地，横部3852具有两个部分3866，它们可在标号3867处枢轴转动，其可在碰撞时往回转(如标号3868所示)，或者在探针收回时折起(如标号3869所示)。可选地，当完全伸出时，横部3852或T形的头部与包括水翼的龙骨件大致一样宽，并且与之对齐。腿部3851安装在龙骨组件的空心管3853内，并由任何便利的方式促动和限制，其由示意箭头3854示出，包括液压活塞和气缸组件，可选地是弹簧将探针偏压到收回位置。在一些备选实施例中，腿部3851没有收回，或者腿部被偏压到伸出位置。在另一实施例中，横部3852未设枢轴转动或铰接部分。可选地，管具有围绕着它的电子传感器3855，用于监测探针的位置。可选地在探针上安装了水下摄影机3856和至少一个水下光源3857。为了简明起见，在图397中未示出摄影机和光源。在另一实施例中，在龙骨件或柱中设置了凹部3858以用于容纳诸如声纳仪、摄影机和光源等设备，并且在任何保护件3849中设置了适当开口3859。在该图中，所有零件均未以任何特定彼此间的比例或尺寸绘制，这种比例和尺寸对每种水运工具来说是单独确定的。
另一实施例中，收回柱、龙骨件和水翼到使得它们处于或接近处于船体的限制平面内的位置的原理可用在具有套叠式柱的水运工具中。作为示例，图398示意性显示了大型商用船只的船体4001的一部分的侧视图，该部分具有一个可伸缩的整体式柱4004/龙骨件4005，其带有舵4007和水翼4006，主航行方向由标号4003示出，水线由由4002示出。柱组件包括可收回到固定护罩或部分4004a中的部分4004，其可有效地用作导向系统。护罩或固定部分4004a结构性地连接在船体3860的侧面，其可选地与之形成一体，可选地终止于伸出到甲板3874和栏杆3873之上的封壳3872，该封壳部分地形成了船体的大致垂直主侧面的一部分(其垂直地延伸)。在船体的内侧设置了具有大致垂直表面3871的凹陷或凹部3863，以容纳收回的龙骨件4005，在船体的底侧设置了具有大致垂直表面3862的另一凹陷或凹部3864，以容纳收回的水翼。船只可选地具有一个或多个计算机程序和计算机(其中一个以标号34示出)，以接收来自测量装置的信息，以改变和/或控制工作变量，如上面针对图388到395的水运工具所述。在上述例子中，在图396和397中的柱的枢轴转动和图398中的柱的套叠作用基本上处于大致平行于船体侧面且垂直于水面的平面内。在另一实施例中，可伸缩的柱的枢轴转动或套叠运动可处于任何平面内。作为示例，图399示意性显示了大型商用集装箱船的船体4001的横截面，该集装箱船具有至少两个平行柱4004和龙骨件4005的组件。带有水翼的龙骨件基本上类似于图396到398中所公开的，固定水翼部分4010具有处于其内的可伸缩的水翼部分4011，其延伸穿过龙骨件。它显示为在右侧收回而在左侧伸出。柱4004伸缩于固定护罩、壳体和/或导向系统4004a中，其延伸到主甲板3874和栏杆3873之上，进入到伸出于主船体4001之上的壳体3872。可选地，壳体3873布置且大小制成为允许将集装箱3875堆积在它们之间和周围。当柱和龙骨件完全收回时，它们几乎(如果不是完全的话)不会伸出到船体的主底面3876和侧表面3860之外，龙骨件嵌套到具有垂直表面3871的凹陷或凹部3863中，水翼嵌套在具有大致垂直表面3862的凹部或凹陷3864中。在另一实施例中，容纳了壳体柱、龙骨件或水翼的凹部或凹陷具有任何方便的形式。可在水翼柱部件的处提供任何类型的密封圈，如圆圈4004b显示。
在图397到399的实施例中，龙骨件和/或水翼的凹部部分地处于船体的侧部，部分地处于其底部。在另一实施例中，如果需要较强的侧面保护，凹部可以完全设置在船体的底部。例如，图379到399的原理可至少部分地适用于具有如图346和347所示的单个套叠式可伸缩水翼柱的小型水运工具中，这是通过提供用于部分龙骨件的凹部来实现的，如在图347中以虚线4005a显示的。在另一实施例中，可旋转的伸缩式水翼柱的枢轴转动轴线与水平面成一定角度，以允许水翼柱/龙骨件组件在组件伸出时同时地向下和离开船体纵向中心地运动，而不是仅垂直地向下运动，如图396和397所示。这将为具有在水翼模式下工作的水运工具提供更宽的“轨道”，从而有更大的水上稳定性，主要是由于侧面风负载的影响更少。作为示例，图518示意性显示了大型商用船只的船体4001沿中心线一侧的横截面，图519示意性显示了其侧视图，其至少一个可伸缩水翼柱和龙骨件组件，它在收回时被船体的侧面完全保护起来。当船只在水中装载时具有水线4002，无载时具有水线4002a，当在水翼模式下航行时水线大致为4002b，正常行驶方向由标号4003示出。主船体底部81具有三个突起82以提高在水中的方向稳定性。所有枢轴转动轴线83处于相对于水平的相同角度。前柱3841、后柱3842和龙骨件4005在图519中显示为实线，处于中间位置，龙骨件用虚线显示为完全伸出和完全收回。在图518中，龙骨件组件以实线显示为完全收回，以虚线显示为完全伸出。后柱具有倾斜下端3842a，使得柱在完全收回时不会损坏龙骨件。龙骨件在各侧具有两个复合的可伸缩水翼4006，各水翼4006具有固定部分4010和可伸缩的部分4011。后内水翼4006的固定部分具有可变倾度襟翼4034。龙骨件具有前垂直水翼或翅片4029和较大的后垂直水翼或翅片4027，其上安装了舵4007。水翼组件通过三件式套叠活塞85沿方向86伸出或收回，该活塞由任何便利的方式来促动，包括液压流体、或一个或多个电动机促动的螺杆，其由电动机和/或液压电动机和泵来促动。可选地，由交叉虚线84表示的任何类型的材料设置在至少一个柱的一个或多个通道。这种材料可选地包括至少一个下述：用于任何类型发动机的充料或冷却空气；来自内燃机的废气；往来于任何电动机或发电机电力管线；用于龙骨件组件中的任何促动机构的液压流体管线；用于传感器、控制器、螺线管、伺服电动机或其它促动器的一个或多个电气或电子回路的电线；往来于任何压载箱的水；往来于任何发动机或箱的燃料供给和/或回流管线。可选地，该材料由柔性和/或弹性封壳87、可选地为六角手风琴或波纹管形式来在柱和龙骨件之间传送。在龙骨件4005的后部安装了任何组合的发动机和推进装置88(包括如这里公开)，其在工作中产生沿方向4045的推力。可选地设有导罩或入口4042，用于冷却水和/或推进装置。可在船体的底侧提供凹陷或凹部，包括用于龙骨件的主凹陷89、用于促动活塞大得足以允许活塞在一定范围内运动的凹部90、用于柱的凹部91，以及用于垂直水翼和舵的凹部92。船只可选地具有一个或多个计算机程序和计算机(其中一个以标号34示出)，以接收来自测量装置的信息，以改变和/或控制工作变量，如上面针对图388到395的水运工具所述。
在一个附加实施例中，可采用任何类型的促动机构来将可伸缩的水翼柱从一个位置移到另一位置。在另一实施例中，可在两个能够彼此之间套叠式移动的部件之间使用任何类型的密封圈和/或轴承材料，该部件可以是可伸缩水翼组件的一部分。在一个重要实施例中，可通过任何方式将液体或膏设在内、外套叠部件之间的空间内，例如使得在所述部件相对运动时，液体或膏在彼此面对且可能形成支承央的部件的部分表面上自身可变地分布。在另一实施例中，密封材料也可用作润滑材料。作为示例，图520和521示意性显示了在“固定的”部件12内沿方向13运动以在它们之间形成空间14的可伸缩部件11a，其中各部件具有加宽的轴承表面15。在图520中设置了下方的和上方的周向柔性管16，17，其从通道18和/或弹性的或柔性管线19中被提供有可用来密封和润滑的流体。流体经一系列紧密间隔开的孔20流出，它们以任何数量的排上下地设置并处于任何方便的间距。(出于简明起见的原因仅显示了一些)可选地，当部件12伸出或收回时，供给中的压力波导致额外的流体流出。在备选实施例中无流体流出，除了在发生伸出或收回时。图521显示了类似但稍有不同的设置，其中粘性流体或膏21、例如机械油脂或石墨复合物置于空间14和特殊轴环22内。在该实施例中，重力吸引使得大部分膏集中在所示位置，并且膏在伸出和收回时分布在支承表面上。如果膏仅用来密封，可选地它不会在轴环21中铺开。在中心线CL左侧所示的备选实施例中，由通道18和柔性管线19供给的周向流体走廊22经多个以任何方式设置的通道23而提供流体给支承表面。可选地，如果材料21是良好的润滑剂或密封剂但对水性环境不利，那么走廊22的下方可被提供有能够中和或以其它方式化学地改变材料21的流体。
废气可用来蒸发水，即产生蒸气，尤其是在本发明的无冷却发动机中，特别是容易获得水的船只应用中。在这里公开了一些系统，其中蒸气投入用于在第二发动机中做功，往复运动发动机部分和蒸气发动机部分一起构成了复合发动机。在后面的公开中涉及到废气。在备选实施例中，气体可以是废气和空气或任何其它气体或气体组合的混合物。在一适用于船用内燃机的选定实施例中，废气与连接在水运工具上并形成一部分的废气处理系统中的水混合，然后与水一起排放到水运工具在其中航行的水中。在另一实施例中，热废气用来在连接在水运工具上并形成一部分的废气处理系统中将水从液体转化成蒸气，然后与大部分处于气态下的水一起排放到水运工具在其中航行的水中，使得可提供一定程度的额外推力来推动水运工具前进。在另一实施例中，废气与废气处理系统中的水混合以帮助去除需要调节的污染物，包括碳氢化合物、颗粒物质、一氧化碳和一氧化氮。在备选的和/或附加的实施例中，废气与一种或多种其它物质、包括水和/或可溶于水的物质在废气处理系统中部分地混合，以便从废气中去除目前基本上很难调节的二氧化碳(CO2)，这是通过使其与其它物质和/或水反应或以其它方式结合以形成任何其它产生。可选地，用于去除二氧化碳的系统包含了形成碳酸，其可选地经过金属或基础长丝或其它系统，其会在处理系统中与酸结合以形成盐。在用于去除二氧化碳的备选水基系统中，氧化钙被引入到水中以形成二氧化钙，它会与二氧化碳反应而形成碳酸钙，一种可以随后去除的沉淀物。在一个备选实施例中，例如这里公开的用于去除二氧化碳的水基系统包括碳酸钾或任何其它碳酸盐或物质的溶液。
为了示意性地显示实施例，作为示例，图400显示了穿过了连接在船体结构3901上并从中伸出的水线以下的船用废气处理系统的剖面，其中水运工具的主要运动方向以标号4003示出。任何适当材料、包括可选的陶瓷的扩大的特形废气管3902通过任何便利的方式连接在船体上，这里可以是环3903、可压缩的密封型材料3904和紧固件3905。环还连接了任何方便材料、包括金属的保护性导向件3906，其部分地围绕着管3902并具有一系列的多个微孔3909，其允许水但不允许碎片或有机物质通过。这些孔为管状构造，但它们也可以具有任何方便的形式，包括渐变的横截面并具有任何大小或数量。船体内的与管3902相连的废气通道可选地具有陶瓷衬里3907，其可选地在管和衬里的连接处设有可压缩的密封型材料3904。衬里3907所限定的通道在这里可选地较宽以减慢气体速度，如标号3908所示。备选地，通道可较窄以提供更快速的气体流。如果希望处理系统具有一定程度的热绝缘性能，用来制造管3902的材料可具有绝热件性能，和/或将热绝缘材料的衬里施加到管的内部，如标号3902a显示。管相对于绝缘件的厚度未按任何特定比例绘制；管和绝缘可具有任何方便的厚度。在工作中当水运工具向前航行时，水流经导向孔3909并经一系列选择性大小和构造的孔3910进入废气管，其形式为泪珠形、喷气、蒸气，或者它们的部分或全部组合，如标号3911所示。在一备选或附加实施例中，水或任何其它流体经管或通道3910a供应和输送，以细流、喷雾或喷射的形式进入到废气和/或其它气体流中，如标号3911a所示。在另一实施例中，设计成与至少部分废气反应或混合的任何固体、液体或气体物质经任何传送装置、包括通道3910a在管3902中的任何位置处被引入到气体中。一旦到废气流中，喷气、细滴、喷雾或蒸气就被废气的动能和湍流而打散成更小的单元，其具有足够的时间蒸发和/或煮沸一些或全部的水。热气体中的包括CO2的部分或全部污染物将与水和任何引入到水中的其它物质发生反应，以形成新的物质。所得的废气、引入物质、新形成物质以及液态和气态形式的水的混合物由标号3912示出。水到蒸气的转变将形成高压区域3913，以产生沿箭头3913a方向的推力，并在周边水3914中形成气柱，其中气体/水的边界由标号3920显示。也可通过任何便利的方式可选地在管内的由括号3916示出的区域引发其它的反应，包括为了去除废气中的污染物、去除引入物质和/或新形成物质等。作为示例，包括在这里其它地方公开的一筒丝状和/或其它材料3915置于管中，并由限制环3917和紧固件3918保持就位。丝状和/或其它材料可选地具有任何会与废气和/或其它物质的成分发生反应以形成新物质的组分。可选地，丝状和/或其它材料包括催化剂，以促进和/或加快反应速度。在一段工作时间之后，大部分或全部丝状材料将消融或已与碳酸发生反应而消耗掉，因此需要更换丝状材料筒。可选地在任何适当位置、包括如标号3919所示位置放置传感器，以测量存在于废气管3902中的任何污染物或物质的量。在另一实施例中，在水运工具上的容易被执法人员看到的位置处放置了独特构造的光源，该光源在任何物质过量和/或任何其它污染物被排放到水里时发光。在操作中，当废气进入3908以及与水相遇3911时，气体将加热水并将其至少一些转换成蒸气，部分水或组分氢和/或氧将与一些污染物反应，以形成无害的物质。废气中的任何固体或颗粒物质已被湿润且变得更重，减慢了其速度并使其更容易被截留在长丝或其它材料3915处。在另一实施例中，废气管3902被分成两个或更多个一个接一个地设置的区域，每个都有其自己的处理系统，可选地包括一个或多个催化剂和/或丝状材料。各区域可选地具有其自己的水传送装置。在一个或多个区域中将去除需控制的污染物，而且可选地在一个或多个其它区域中，通常无法去除的CO2将被去除。作为示例，图401显示了具有多个处理区域的废气系统，其中水运工具的主要运动由标号4003示出。特征和结构细节类似于图400中所示并被类似地编号。不需要水的排放处理模块3922通过管3902的连接而设置在通道3908中。在去除了指定的污染物之后，气体经废气管3902流动，以去除任何其它污染物或物质，如结合图400所述。这里提供了更明显的保护件3906以保护管，其可选地相对于管定位成可在水中形成更高压力的区域3921。在另一实施例中，废气没有与水直接混合，而是水经过热交换器，通过任何便利的方式、包括本文其它处公开的那样将它们的能量从废气中排出。在这种情况下，废气可从水产物中单独地排放出来，进入到水或空气中。在另一实施例中，任何所需温度和压力下的空气或空气和废气的混合物在标号3908处进入到管中与水反应，可选地形成蒸气以在标号3913a处提供推力。图400和401所示原理和革新可体现在任何方便的位置，包括在管或水运工具船体内的通道中，废气从船体或其它部分中的任何方便位置中在水线之下或之上以任何方式排放到环境空气中。
在一选定实施例中没有设置如图400和401所示的单独的气体排放管3902，废气或其它气体沿着船用推进系统的旋转中心直接地或通过任何方式包括用内燃机和/或电动机驱动间接地排放，气体可选地经过与推进装置如叶轮或螺旋桨相连的空心驱动轴。图341到399所示的任何实施例可备选地具有经其上安装了推进装置如叶轮或螺旋桨的一个或多个空心旋转轴的内部引导的气体。作为示例，图402以其最简单的形式显示了该原理，显示了螺旋桨驱动的水运工具的尾部4501，其带有安装在适当轴承4510和密封套或密封圈4511中的空心的可旋转螺旋桨轴4502，其中水运工具的主航行方向由标号4003示出。空心螺旋桨轴4502的内部带有热废气流4503。处于右端区域A处的轴的舷内端部安装在未示出的轴承上，并经连接器和密封圈而被传递气体供应，并由均未示出的内燃机、电动机或变速器而施加旋转运动。由虚线4502a显示的可选密封件设置在轴4502的内部。开口系统4504处于轴扩张而支撑了螺旋桨叶片4505的位置处。水转化成水、水蒸气和/或蒸气的混合物在标号4506处形成了高压力，并将初始大致水平、具有直径的气柱4507加速到周边的水4509中。水和气体之间的边界由标号3920示意性示出，气体沿方向4508从螺旋桨毂中排放出来，可选地形成了一定的推力。除了提供一些推力，该气柱通过两种方式改善了螺旋桨性能：其防止了紧邻于螺旋桨心部之后的水的自我碰撞，以及其允许较大的毂与整体螺旋桨直径之比，从而使得叶根之间的效率低的受限通道减少，如同一定百分比的总体螺旋桨水净空间一样。备选地，可以构造出对于给定刮扫面积具有更多数量叶片的螺旋桨。可选地，按照这里所述，空心螺旋桨轴实际上是废气处理系统，其可具有任何方便的长度，包括位于螺旋桨叶片之后的长度，并且可在任何方便位置、包括如标号4512所示位置包含任何装置(包括带有或没有催化剂的丝状材料)以辅助或促进化学反应。废气处理可用来减少管制排放和/或减少CO2，该系统可包括传感器和处于从水运工具外可以容易看到位置上的光源，以指示某些类型的系统故障。图402显示了无罩式螺旋桨。在一个备选实施例中，上述原理可应用在罩式螺旋桨、叶轮或其它推进装置，如这里作为示例在后面的图中所示。气体流经驱动旋转中心的原理可应用到任何气体，包括如任何前面和后面的图中所示的来自任何来源的无掺杂废气和/或与空气混合的废气。这里公开的任何空心螺旋桨轴可选地为热绝缘材料和/或具有施加到管状轴的内部或外部上的热绝缘材料衬里，其可具有恒定的或渐变的横截面直径。任何温度下的水可通过任何方式传送到水/废气混合点，或者如果在超热和/或压力下包括通过处于螺旋桨轴壁最厚部分里的毛细管或通道而传送到复合的卸压和排放点。根据所需的排出气体的速度，螺旋桨心轴直径4507可相对于空心轴4502的直径进行调节。如果直径4507较小，废气系统中会产生一些背压，其可由流经螺旋桨毂4513的边缘的液体的文丘里效应而产生的压力降部分地抵消。在一选定实施例中，可备选地或附加地用气体来减小水和螺旋桨或叶轮叶片表面之间的摩擦。作为示例，示意图403显示了船体外的螺旋桨轴4502。任何类型气体、可选地为废气沿空心螺旋桨轴4502流动4503，然后流经空心叶片4520，其中该流动仅在上叶片处用虚线4514显示，然后通过处于各叶片前缘处或附近的一系列紧密间隔开的孔4515或狭窄的可渗透条4516排放到水中。正常运动的水运工具的沿方向4003的前进运动将导致水和叶片表面的气体层流4517，这里仅显示了相对于下叶片的层流。类似流动会通过处于叶根前方的位置4519或任何其它方便位置处的一系列紧密间隔开的孔或狭窄的可渗透条形成在螺旋桨毂短舱4518上。还显示了可选的热绝缘件4502a。可选地是，通过含有两个不同的气体或气体系统将图402和403的特征组合起来。
尤其是但不限于在罩式驱动系统中，同轴式气体系统的存在将允许具有渐变直径的螺旋桨或叶轮毂与叶片上的水的加速相匹配。图404非常示意性地显示了这一原理，并且显示了从形式为驱动轴壳体4501的船体的后延伸部伸出的空心螺旋桨轴4502，气体在轴内沿方向4503流动。轴可选地具有内部热绝缘件4502a。螺旋桨叶片4505安装在轴上并通过由支柱支撑的罩4521封闭，该支柱可选地也用作翅片4526，并且固定在驱动轴壳体4501上。可选地，在支柱或翅片4522的前缘上安装了栅格式碎片偏转器4523。固定于扩口轴端部4524中的叶轮或螺旋桨叶片4505在操作中沿与主前进运动方向4003相反的方向加速水。一系列小孔4505允许刚刚足够的水从标号4506处进入到轴里，并因气体的热能而将几乎所有的水转化成空气，其与废气一起穿过污染物去除筒或装置4512，在位置4507离开并产生一定程度的推力4508。在空心轴外，水经横截面区域A进入到系统中，其速度大致等于前进运动的速度；如果被加速，水流会占据较小的横截面区域B。可采用任何气体系统来形成穿过空心轴和扩口端部4529的气体流，以便提供一些推力和提供核心气柱4507，从而支撑穿过区域B的加速水柱4509，其中气体和水之间的边界由标号3920示意性显示。在图404的设置中也可结合有图403中的特征，例如气体可被引导通过罩4521和/或翅片4522的前缘、叶轮或螺旋桨4505以及壳体4501的后缘。在一个备选实施例中，借助水和部件表面之间的非常薄的气膜来减小水流过叶轮/螺旋桨叶片、罩等时的摩擦的方法通过采用热量、尤其是在这些部件的前缘处的加热来实现。例如在设有一系列紧密间隔开的孔4515的图403中，会在类似位置处形成加热区域。这些热量会导致仅有一些穿过该区域的水分子被蒸发或汽化，足以产生气膜，其会在优化条件下因层流而粘附在表面上。可以任何方式来提供局部热量，包括通过电加热器直接提供，如作为示例在图403中以虚线4516a示出，和/或通过废气或通过循环经过设于废气流中的热交换器间接地提供。如果采用气体来减小摩擦，那么它将通过从连续狭缝中离开而沿着适当表面被引导。作为示例，图405示意性显示了穿过螺旋桨或叶轮叶片4505的横截面，该部件是空心的，包括主要部分4525和前缘部分4526，这些部分通过任何便利的方式包括标号4527处桥接部、夹子等而结构性相连。气体经连续狭缝式开口4530离开叶片4529的内部而流过部分4525的外表面，气体层如标号4528所示地流经该表面的主体。图中显示了用于加热局部外表面的加热器4505a。如果气体被加热，那么可在叶片内布置各种绝缘材料，以改变表面的温度，如标号4525a示意性示出。图403、404和405所示的特征涉及到旋转式推进装置。在其它实施例中，它们可以结合到水运工具的任何水下部分中。
在水运工具的一选定实施例中，废气或其它气体被引入到流过推进装置的水流中，该推进装置包括安装在罩或其它全部地或部分地地封闭了该装置的壳体中的螺旋桨或叶轮，气体沿着与正常运动方向大致相反的方向向后离开装置。在另一实施例中，气体被引入而使得当推进装置的旋转方向反向时，所有或部分气体流被向前引导，水运工具沿相反方向航行。目前可用的例如瑞典KaMeWa公司制造的喷水式驱动装置具有固定的入口孔和出口孔，后者的横截面面积是前者的约50％到65％，以适应由叶轮实现的水的加速。为了使水运工具反向运动，经过驱动装置的水流保持不变，但偏转板移动到出口喷嘴后面的位置，以将推力从正常方向偏转过130°到180°。庞大且很重的偏转板和促动机构在处于收回位置以用于正常前进运动时会导致很大的阻力，尤其是在驱动基本上安装在水面之下时。在另一实施例中，气体不仅用来提供一些推力，而且还在驱动装置中积聚以允许取消反向偏转机构。相反，叶轮的旋转方向可以反向，水被吸入到正常出口孔中，并经正常出口孔排出，水加速和有效减小横截面出口面积由气体流在驱动装置中的反向来实现。作为示例，图406以纵截面示意性显示了罩式推进装置，其具有沿某一方向正常旋转的前叶轮或螺旋桨4531以及相反方向正常旋转的后叶轮或螺旋桨4532，其中叶轮或螺旋桨可选地具有不同的构造和/或尺寸。正常前进运动方向由标号4003示出。后叶轮或螺旋桨安装在空心驱动轴4533上，其又安装在空心驱动轴4534上，后叶轮或螺旋桨安装在空心驱动轴4534上，气体沿方向4535流经两个轴的内部空间。在两个轴内均设置了气体出口孔4546。外轴4534可旋转地安装在船体或柱或龙骨件的尾部4536，其中适当轴承、密封圈和密封套由标号4541显示。可选地设有其它船体内轴承，与密封圈和密封套一起允许气体流入到轴的内部，处于区域A处或附近(未示出)。罩4537被支撑在前支柱或翅片4538上，其在前缘处具有周向栅格4542以阻挡碎片、植物和水生动物。在后部，罩连接在支撑了可选锥形后轴承壳体4540的支柱或翅片4539上。图406是示意性的且未按比例绘制；在实际中，尾部4536和支柱/翅片4538将较大和较紧固以足以完全支撑罩4537、支柱/翅片4539和后轴承壳体4540。在操作中，前进运动在图中的上半部显示，其中水如箭头4543所示地进入到带罩空间中，在与离开孔4546的气体4547混合前被前叶轮或螺旋桨4531加速，之后被后叶轮或螺旋桨4532进一步加速，然后再次与气体混合，并且在后部离开罩，提供推力4508。应当注意的是，在正常操作中叶轮4531驱动无气水，而叶轮4528驱动无气水、有气水和气体的混合物。在另一实施例中，气体从第一叶轮或螺旋桨4531之前的轴4534中排出。水运工具的向后运动在图中的下半部显示了，其中两个轴的旋转方向均反向，水在标号4544处进入到带罩区域内，被叶轮或螺旋桨4532向前推动，在标号4548处与气体混合，然后再次被叶轮或螺旋桨4531向前推动，在出口4545处再次与气体混合，以提供推力4545。如果叶轮或螺旋桨设计用于快速前进航行，那么在反向期间产生的推力4545将是在正常前进运动期间产生的推力4508的一小部分，然后在许多应用中该推力对于低速机动或停泊来说足够了。可选地在支柱或翅片4539的后端处提供了类似于部件4542的保护栅格4542a，以防止在反向期间碎片的侵入。在另一实施例中，每单位速度的气体流率在反向推进期间增大或减小。这种气流增大可通过任何便利的方式来实现，包括从储槽中释放额外的气体、包含任何气体如废气，其可选地处于压力下，并且已经在选定的非反向工作模式下聚集起来了。可以采用任何类型的气体，包括含有下述中的全部或一些的混合物：废气、空气、水蒸气、蒸气、CO2等。在一个备选实施例中，在类似于图406的设置中仅有一个螺旋桨或叶轮。推进装置显示为相对于后船体部分4536为固定的，因此不能用于使水运工具转向。在用于具有多个柱和龙骨件的大型商用水运工具的驱动装置中，以一定速度转向可通过倾斜水运工具和/或增大或减小水运工具一侧相对另一侧的动力来一定程度地执行。在一备选实施例中，推进装置可一定程度地枢轴转动，和/或角度受控且可变的偏转板安装在区域4508之后，偏转板可选地额外用作反向机构。
在一选定实施例中水运工具具有罩式船用推进系统，其包括由大致同心安装的电动机或内燃机来驱动的叶轮或螺旋桨，电动机或内燃机位于往来于叶轮或螺旋桨的水流中。在另一实施例中，在选定工作条件和/或在水运工具处于运动中，罩式船用推进系统从大致平行于前进运动的方向和由推进系统产生的向后推力的方向来接受水，水的供应至少部分地由冲压效应来提供。作为示例，图407以示意性横截面显示了柱/龙骨件组件4550，其具有安装在大致规则或不规则管状构造的通道4551中的喷水式驱动装置，其中正常运动方向由标号4003示出。水在标号4543处经可选的保护栅格4542进入或冲入到通道流经电动机短舱或壳体4552的周围，由与电动机4556相连的轴4555所驱动的叶轮或螺旋桨4554加速，在标号4508处离开以产生推力。电动机短舱4552由处于柱或龙骨组件4550内的罩式水通道4551中的支柱或翅片4553来支撑。至少一个支柱是空心的以安装电力通道4557和电子控制回路。后保护栅格4542a提供用于在反向期间阻止碎片侵入。可用内燃机来代替电动机4556。在其它例子中，图408示意性显示了有点类似的设置，其中电动机短舱处于任何叶轮或螺旋桨之后，其体积部分地用于减小叶轮之后的横截面，这在喷水式推进系统中较为普通。正常的向前运动由箭头4003示出。叶轮或螺旋桨4531和4532安装在反向旋转系统或轴4533和4534上，其连接在安装于电动机短舱4552中的内燃机4560上，由空心支柱或翅片4553支撑，并位于柱或龙骨组件4550中的罩式水通道4551中。充料空气供给4560、燃料管线4559和电子控制装置4558穿过柱/龙骨组件4550和支柱4553以及电动机短舱4552到内燃机4560中。发动机废气在标号4561处离开，与加速水混合以形成推力4508，可选地通过这里所述的方式。在另一实施例中，电动机是发动机4560且驱动短舱内的一个或多个大致同轴或平行地安装的叶轮或螺旋桨，其处于位于柱或龙骨件内的罩式水通道中由其中的支柱支撑，来自安装在其它地方的发动机的废气排放到电动机之后的水中，其方式可以为包括这里所述的任何方式。发动机可选地为本发明的具有反向旋转活塞和气缸组件的内燃机，或是具有反向旋转定子和转子的电动机，它们中的一个可旋转地安装在壳体。作为示例，图409示意性显示了位于柱或龙骨件4550的罩式水通道4551中的喷水型推进装置，其中水在标号4543处经保护栅格4542进入通道，被叶轮或螺旋桨4531加速，然后经后栅格4542a离开而产生推力4508。正常前进运动由箭头4003示出。电动机安装在短舱结构4569内以驱动安装在轴承4566中的整体式轴和叶轮/螺旋桨毂4565。电动机定子4568连接在短舱结构4569上，电动机转子4567连接在轴4565上。支撑了短舱结构的支柱或翅片4533中的一个是空心的，以容纳电动机电源4557、电动机和气体传感器4558的电子控制装置、可选的送水管4563和来自安装于水运工具上其它位置处的内燃机的废气供给4562。在电动机之后的位置4570处提供了可选的绝缘。还在周向上与流体流动方向对齐地提供了翅片4564，以帮助冷却电动机的定子部分。可选地，可在短舱内结合用于电动机冷却系统的单独循环的流体，或者这种流体在柱内上下循环，经过安装在船体内或其上的任何方便位置处的热交换器。在操作中，废气进入处理空间3911，在此处可选地限定量的水(可以是无盐的水)与废气混合，然后气体和/或任何所得混合物可选地穿过污染物去除筒3915，然后离开并产生一些推力4561。在未示出的另一实施例中，轴4565是空心的，并且可选地具有热绝缘衬里和/或包含污染物去除装置，气体以图403中所示方式引入到电动机之前和任何叶轮或螺旋桨之后的轴中。图407到410、313和314中的短舱(见下面)可安装到水翼工具的柱、龙骨件或水翼上，或者它们可以安装在传统水运工具的船体上处于水线下方。
可选地，部分空心的叶轮或螺旋桨毂和/或轴具有热绝缘件，使得气体中的热量将加热部分毂表面，导致流过毂的水被局部蒸发或煮沸。作为示例，图410示意性显示了短舱中的推进装置，短舱安装在罩式水通道4551(罩未示出)内，通道处于水翼柱或龙骨件内或处于传统船体上，其中主短舱结构4569支撑在支柱或翅片4533上，它们中的至少一个是空心的。水运工具的正常运动方向由标号4003示出。在操作中，水沿方向4584流经通道4551，被安装在与旋转轴4565形成一体的毂4565a中的叶轮或螺旋桨叶片4531加速，旋转轴4565又安装在一系列轴承和密封组件4566中。加速后的水流经过支柱4533以产生推力4508，并在标号4574处经用作有效的导罩4575b和/或文丘里装置4575a的开口4575和凹陷也冲入到前冷却流体聚集部4572，循环经过固定在短舱结构4569上的电动机定子4568的通道4573并冷却，然后流入后流体循环聚集部4572，从这里它经开口4577通过文丘里效应4575被抽取。上支柱4533是空心的，其中容纳了电子传感器和控制电路4558、电力通路4557、废气处理流体供应管线4563以及通道4562，该通道4562可选地被热绝缘材料4570封闭，并用于容纳来自安装在其它位置的内燃机的废气，内燃机可选地驱动安装在其它位置的发电机，以便为短舱中的电动机提供电力。出于清晰起见仅示出了电动机的两个基本部件：直接或间接地固定在短舱结构4569上的定子4568，以及固定在旋转轴4565上的转子4567。热废气从通道4562在标号3908处进入短舱结构4569中的前保持空间4586，从此处经孔4571进入到旋转轴4565的内部，旋转轴4565与毂4565a形成一体并支撑和驱动叶片4531。轴的内部可选地具有热绝缘材料衬里4570，其可选地具有保持空间4586的一部分。该空间的前部没有热绝缘，因此短舱结构4569在区域4583中将变得较热，允许部分从外面经过的水被蒸发和/或变成蒸气，形成了气体层流3587。可选地，在毂中设置了孔或开口4582，以允许水滴或水流在标号4583处进入到旋转轴的内部。在离开可选地具有混合叶片或短桨4588的旋转轴之后，水进入到混合或处理区域4585，在此处可选地经通道4563、内部周向聚集部4579和一个或多个喷嘴4578来引入流体以帮助去除至少一种选定的污染物，其中喷嘴将流体以喷射或喷雾4580的方式引出。在其离开可选地衬有热绝缘材料4570的混合区域4585后，它可选地经过由固定环3917固定住的排放处理装置或滤筒3915，然后离开并施加一定程度的推力4561。备选地或附加地，例如标号4580处的任何排放反应流体可被引入到位于电动机之前的保持空间4586中的废气。在另一实施例中，任何类型的排放处理材料置于保持空间4586内，如标号3915a所示。由于电动机围绕空心轴布置，它可具有较大的直径。这里，它显示为比较长，这种长度和直径的组合允许较大的牵引面积以及显著的动力输出。在另一实施例中，排放处理装置或滤筒3915置于旋转轴和/或保持空间4586内。电动机的冷却剂在这里是水运工具于其中航行的水。在备选实施例中，它可以是任何适当的任何流体、包括空气，其可选地经过支柱来供给。在其它备选实施例中，废气不会进入到水中，如果内燃机安装在水翼龙骨件或柱内或其上的水下位置，发动机废气可引导通过柱或船体，从船体上的水上位置中排放出来，如在图342、344、352和379中所示，或者通过如图412、415和416所示的方式。
在一个选定实施例中，为水运工具提供动力的往复运动/涡轮复合内燃机的涡轮级安装成可在水线下排放涡轮废气并产生推力。涡轮级本身可以安装在水线下，其中带有可选外壳以防止在不使用时的水侵入，或者涡轮级可安装在水线上，其中涡轮废气被引导到水线下。往复运动级可安装在涡轮机的附近、旁边或前面，或者是水运中的任何其它部分中，其中可选的热绝缘通道将热高压废气从往复运动级引导到涡轮级。往复运动级可选地直接驱动推进装置如叶轮或螺旋桨，它可选地通过轴和/或变速器和/或齿轮机械式连接到涡轮级。在另一实施例中，涡轮级安装在驱动推进装置的电动机的附近、旁边或前面，废气从往复运动级可选地经过如图410所示的电动机的内芯，之后到达涡轮级。往复运动级直接地或经可选的控制器来驱动为电动机提供动力的发电机。可选地，水在其进入可选地在一个全部或部分封闭的罩中的涡轮机之前或之后引入到废气中，。电动机可选地通过轴和/或变速器和/或齿轮机械式连接到涡轮级。在一选定实施例中，复合往复运动/涡轮内燃机的涡轮级在水线下排放其废气，以产生一定的推力。作为示例，图411示意性显示了大型商用船只的船体4001的带有栏杆3873的尾部，其中正常运动方向由标号4003示出，舵由标号4007示出，白色尾部灯由标号16示出，平均水线由标号4002示出，短舱型壳体在标号4801处从船体侧面中伸出并没入到其中。船体内的零件由虚线示出。往复运动发动机4009经轴4008a驱动安装在船体4001的突起或半短舱4569上的推进装置4008以产生推力4508，热高压往复运动发动机废气通过可选的热绝缘通道4802被引导到安装在水线上的涡轮级4803上。涡轮机废气流经另一可选地热绝缘通道4804，在短舱或壳体4801的朝后口部4805处离开，以产生推力4561。一个或多个废气处理系统、包括用来去除CO2的废气处理系统可安装在废气流动路径的任何位置中。例如，可在通道4802中安装CO2去除系统4806。在另一实施例中，废气附加地或备选地在水线下排放，其方式如图400到410中所示。到往复运动级和可选地涡轮级的空气供应来自甲板上方(未示出)。在一个备选实施例中，复合往复运动/涡轮内燃机的涡轮级在水线上排放其废气，产生推力，如图412中作为示例示意性示出，其中相似的特征与图411中相似地编号。推进装置4008例如螺旋桨安装在船体4001的突起或半短舱4569上，并由复合往复运动/涡轮内燃机的往复运动级4009经变速器3807和驱动轴4008a来驱动以产生推力4508。热高压废气经可选的热绝缘通道4802传送到一系列废气处理装置4806，从那里经可选的热绝缘通道4804传送到涡轮级4803以形成一定程度的推力4561。针对涡轮机级和/或往复运动级提供了可选的气罩4807，其中从甲板上方供给备选的空气(未示出)。栏杆3873显示为向后拉，以减小任何后吹热气体的效应。在另一实施例中，图411和412的特征和公开适于水翼工具，其中动力和推进系统中的全部和部分安装在龙骨件和/或一个或多个水翼柱的下部。在一选定实施例中，完全的往复运动/涡轮复合发动机安装在水线下的封壳或壳体内。在许多应用中，往复运动级输出的最佳旋转速度不同于涡轮级轴的最佳旋转速度。在另一实施例中，变速器置于往复运动级旋转输出轴和涡轮级旋转轴之间，如果它们机械相连的话。在另一实施例中，变速器具有可变的驱动比。这种可变比对于改变由推进装置产生的相对于内燃机产生的动力的相对推力、适应不同的前进速度、不同的工作条件和不同的气候来说是有用的。在备选实施例中，图411和412所示的船体内或其上的设置可适用于水翼工具的船体。
图413示意性显示了作为示例的短舱或封壳4569，其支撑在连接于船体4001的一部分的空心支柱或翅片4553上，其中主运动方向由标号4003示出。复合往复运动/涡轮内燃机的往复运动级4009安装在短舱之前，以经短轴4821驱动推进装置4008、这里是螺旋桨，从而产生推力4508。推进装置可备选地为叶轮或喷水型推进装置的一部分和/或被罩住，如本文其它处公开的那样。来自往复运动级的热高压废气经标号4503处进入空心通道4817，该空心通道可选地具有内部热绝缘件4818并包含有可选的废气处理模块4806。备选地，通道4817和热绝缘件4818的位置可以颠倒。气体然后传递到涡轮级4803并全部地和/或部分地为其提供动力，以形成一定程度的推力4561。可选地，可提供气罩4813以允许在标号3911处有足够的水，从而在膨胀区域4822中产生蒸气和/或蒸气。空心支柱包含用于往复运动级且可选地还可用于涡轮级中的额外加热的燃料管线4823、用于各级的单独的电子控制和传感电路4558，以及用于将空气提供给可选地周向气室4820的通道4812。通道4817可选地是旋转轴，其可选地机械式连接到短轴4821和/或涡轮级4803上。可选地，后一连接经由可选地具有可变驱动比的变速器4816。来自气室4820的空气提供给往复运动级4814并且可选地也经通道4815提供给涡轮级4819。可选地，气室包含针对一级或两级要求冷却的子系统，包括例如启动电动机、润滑或燃料泵、压缩机等(未示出)。在另一实施例中，复合往复运动/涡轮内燃机的电动机和涡轮级安装在水线下的封壳或壳体中，来自复合发动机的往复运动级的废气至少部分地为涡轮机提供动力。在一个例子中，图410的设置可这样的改用，即取消或减少可选的混合区域4585和/或可选的气体处理装置3915，在该区域中、可选地在任何废气处理装置之后安装涡轮机。在另一例子中，图414示意性显示了大致类似于图413中的设置，其中电动机代替了往复运动级，其此时设置在船体内的任何方便的位置。相似的特征如图413中地编号。短舱或壳体4569的后部如图413中所示，轴4821和4817、固定固定或可变传动比的可选变速器4816以及它们之间的相互关系也一样。电动机4826经短轴4821驱动推进装置4008、这里是螺旋桨，从而产生推力4508。推进装置可备选地为叶轮或喷水型推进装置的一部分和/或被罩住，如本文其它处公开的那样。来自设于其它位置的往复运动级的热高压废气经船体4001中的可选处理模块4806、并可选地经热绝缘通道4562，从而如箭头4824所示地可选地进入周向废气室4825。从该室开始，气体穿过轴4817中的孔4571，流经废气处理模块4816而在标号4503处进入涡轮级4803。在轴4817的部分内部和废气室4825的内周提供了可选的热绝缘件4818。连接短舱和船体的空心支柱或翅片4553包含了废气通道4562、用于电动机的电力回路4557、用于电动机和涡轮级的单独的电子控制和传感回路4558、用于涡轮机的附加加热的燃料管线4823，以及可选的空气供给通道4812以便在标号4814处进入可选的周向气室4820，用于涡轮机的旁流或其它空气和/或冷却选定部件。在另一些实施例中，图1、13、16和20示意性公开的燃料供给系统的全部或部分和/或发动机工作参数的至少部分电子控制适用于图407到414中的任何发动机。
图407到410、413和414中的动力单元可结合到任何类型的壳体中，可以任何数量或组合使用，并且可安装在水运工具的任何部分上的任何位置中，包括船体、柱、龙骨件和/或水翼。这些图说明了动力单元安装在水线以下，然而在备选实施例中它们也可安装在水线以上。在其它实施例中，采用复合往复运动/涡轮内燃机的往复运动级来给多个设置在其它位置的涡轮级供应热高压废气。在另一实施例中，动力单元安装在连接于一个或多个空心水翼上的一个或多个短舱或壳体内，水翼又安装在龙骨件上。在另一实施例中，水翼柱的底部用作龙骨件。在平面图415和局部侧视图416中显示了三个备选示例，其中标号4003表示正常运动方向，标号4002表示了相对于水运工具船体4001的水线。两个短舱似的圆突起或壳体4831从船体4001的后部延伸出来以容纳动力单元，可选空气源4543用于例如涡轮机空气和/或旁流空气和/或电动机冷却，其经气罩4832进入到壳体4831中。水运工具上表面上的可选光伏阵列用标号71示意性示出。水运工具具有救生筏29、白色尾部灯16、红色左舷灯15、绿色右舷灯15a，以及包括用虚线31示出的操舵室的上层结构30，操舵室包括至少一个轮式掌舵控制器28和杆式组合推进速度和反向控制器32。在所有三个例子中，水运工具由复合内燃机来提供动力，其具有一个安装在船体中的往复运动发动机级4009和两个分别处于各壳体4831中的涡轮级4803。热高压废气从往复运动级4009流到废气处理系统4834，在此处去除任何物质包括二氧化碳，废气从此处经可选地热绝缘的通道4833到各涡轮级4803。往复运动级驱动发电机4835，其可选地经控制器4836来提供电力，并且可选地连接到能量储存装置4838。第一例子显示于图415的上部，显示了经由电路4837来提供电力的电动机4826，其驱动涡轮级轴和/或可选地推进装置4008，而推进装置可选地加速空气以提供额外的推力4561，和/或可选地针对涡轮级压缩空气以提供推力4561。第二个例子显示于图415的下部，其中涡轮级可选地可旋转地连接到推进装置并在其前方已安装了推进装置，以加速空气来提供额外的推力4561，和/或提供和/或压缩用于涡轮级4803的空气。备选地，所有三个例子中的推进装置均可省略，可选地冲入的空气在气罩4832处吸入，足以提供任何涡轮机所需的空气。第三个例子显示在图416中，其中壳体4831中的水上动力单元如第一个例子中的一样。这里，在一些或全部操作模式中，额外的电力可选地经控制器用来为额外的电动机4840提供动力，该额外的电动机4840经可选轴4008a驱动水下推进装置4839，以提供经过舵4007和舵柱4007a的推力4508。在本公开的任何实施例中，复合发动机可以任何方式设置，包括在往复运动级输出轴处提供任何相对于包含于涡轮级的热高压废气中的能量来说的占总能量一定百分比的能量。图415和416的水运工具是传统工具或水翼水运工具(水翼部件可选地朝向水运工具的前部，其未示出)，其中所示推进系统和舵用于船体在水中的机动操作。在它是水翼式工具的实施例中，柱、龙骨件、水翼和动力装置可以是如这里公开的任何类型。在侧视图417和沿线A的平面图418中显示了另一示例，其中龙骨件和水翼柱4004的底部是相同的。柱具有保护性短龙骨4006b，其中正常运动方向由标号4003示出。两个空心支柱或水翼4843连接在柱的底部，各均具有可变倾斜度的襟翼4034。在水翼的端部安装有短舱或壳体4831，其包含任何类型的动力单元4842，包括这里和/或在实施例中披露的和作为对图410到416和图329到331和336的改进的用来产生推力4561的内燃机/电动机/推进装置的任何组合。空心柱4004和空心支柱或水翼4843包含动力单元和水翼所需的任何东西，包括一个或多个可选地热绝缘废气通道4562、空气通4812、用于任何电动机4557的动力回路、用于传感器和控制件的电子电路4558，以及用来促动活门和用于其它目的的液压管线4844等等。
在另一实施例中，安装在水下的所有驱动和推进部件由任何适当的材料制成，包括陶瓷材料、塑料类材料、碳纤维和相关材料，以及不锈金属合金如不锈钢和/或类似合金。这种驱动部件包括推进装置如叶轮或螺旋桨、驱动轴、电动机壳体、废气管和涡轮发动机部件。在另一实施例中，用于在运动时产生推力的流体、包括气体和流体的出口处设置了活门或其它阀，其在水运工具的速度减慢到预定水平时关闭，以防止有较多的水或其它物质进入到驱动部件中。该活门或阀可被机械式地促动，或者通过操作人员操作而动作和/或是可选地通过螺线管和/或类似装置而自动动作，和/或它被压力促动，当流经出口的流体降至预定水平之下时关闭。作为示例，图419显示了用于水运工具的流体出口结构4851，其中正常运动方向由标号4003示出，活门4852以实线显示为处于关闭位置。在操作中，流体流4561克服会将其偏压至关闭的弹簧4853的压力而使活门4852打开，处于如虚线4860所示的位置。活门安装在大致圆形或椭圆形横截面的流体排放通道结构4851中，在标号4854处偏心地枢轴转动，使得流体流会将其偏到打开位置(由虚线4860示出)。枢轴转动轴穿过该结构，并向外连接在臂4855上，该臂通过张力弹簧4853连接到结构4851上的固定件4856上。当活门打开时，弹簧伸展并沿轴线4858布置。在标号4859处提供了密封圈，其容纳在凸架4857上。在另一示例中，剖面图420和平面图421示意性显示了另一用于具有大致圆形或椭圆形横截面的流体出口结构4851的封闭实施例，其中水运工具的正常航行方向由标号4003示出。活门4852的运动由可偏压活门使其关闭到位置的弹簧4853、可选地包括螺线管的促动器4861和安装在活门上的小薄片4862的组合来控制，其中小薄片4862使得在活门关闭时不会碰到出口的端部，并且它还伸入到流经出口结构4851的外部的流体中。活门安装在臂4863上，臂4863 可枢轴转动地围绕轴线4854安装在与结构4851形成一体的支架4864上，其中臂延伸部分具有弹簧固定件枢轴转动点4865和促动器固定件枢轴转动点4866。实线显示了活门组件打开，虚线4860显示了其闭合。当活门打开时，活门枢轴转动线和弹簧枢轴转动线对齐，使得弹簧的推力无法移动活门。当促动器开始关闭运动，枢轴转动线再次对齐，弹簧迫使活门关闭。相反，促动器枢轴转动线对齐成使得促动器总是移动活门。弹簧和促动器组件可选地由与结构4851形成一体的小罩4868保护起来。活门上的薄片有两个目的：它们在水运工具的运动足以克服弹簧的闭合力时迫使活门打开，以及在水运工具运动期间提供向上推力4867，其可选地大于活门组件上的重力，以保持活门局部轻轻地到完全打开位置。在流体排放出口安装在水下并由活门关闭的另一实施例中，提供了任何多余气体的窜漏通道和/或凹陷或集聚部，以及可选地还有用于去除多余水的泵。作为示例，图422非常示意性地显示了具有流体排放结构4851的水运船体4871的后部的轮廓，其活门4852关闭，正常的船体运动由标号4003示出。在一些应用中，活门可能在正常流体流动4561尚未完全停止时关闭，因此通道4872将仍在缓慢积聚的流体4873引导到水运工具之内或之外的任何方便位置。在一些情况下，在活门完全关闭之前，一些水会进入到结构4851中。提供了任何类型的凹陷或集聚部4874，并且排出通道4875与泵4876相连，该泵将多余的水4877经通道4878排放到水运工具之内或之外的任何方便位置。在另一些实施例中，图419到422中的特征可用来关闭流体入口。
在另一实施例中，当水运工具运动时在任何水下的水运工具表面之间插入了气流薄层，可选地用于减小摩擦和增大速度和/或燃料经济性。这种气流可描述为层流。在另一实施例中，任何水下的水运工具表面的任何部分被加热以产生一些水的局部蒸发和/或沸腾。气体流和/或加热可出现在任何类型的表面上，包括船体、水翼柱、龙骨件和/或包括舵的任何类型水翼的表面。作为示例，平面图423、沿线A的截面图424和沿线B的截面图425示意性显示了龙骨件4005，其具有水翼4006，能够直接地或通过水的局部蒸发和/或沸腾而在水和翼面之间产生气体层流，其中废气流的方向由未编号的虚线箭头示出，而正常运动方向由标号4003示出。龙骨件连接在水翼柱(未示出)上，通过它来引导任何热流体如废气。水翼外皮4897由单线示出，其支撑结构未示出，压载箱4895和燃料箱4896仅部分地示出。在上方(左侧)水翼中，热废气或其它热流体沿热绝缘供给通道4890运动以加热任何方便的位置、这里是前缘。之后，它流经热绝缘的回流通道4892，可选地包括如这里所述的产生方向4561上的推力。在前缘4891后的一小块区域处可以省掉到外皮的绝缘，导致那里的外皮被充分地加热而蒸发和/或煮沸足够多的水，导致少量气体膜4894以层流4517的方式经过至少部分的水翼外皮。在下方(右侧)水翼中，在压力下可以是热的废气沿可选地热绝缘的中央和下方供给通道4890运动，经设于任何方便位置处、这里是沿着前缘的一系列紧密间隔开的小孔4515进入到水中，使得进入气体以层流4517的方式形成了至少部分水翼外皮上的小膜。可选地在标号4898处设置了单向阀以保持下方通道4890中的压力，并在某些工作条件下限制水中的小颗粒经孔而侵入。如果气体够热，这种水会变成蒸气，并在前缘通道中提供额外的压力。在两幅图中，气体用小气泡4899示意性表示。上述原理可适用于飞行器。在另一实施例中，热废气可选地和/或选择性地经过飞行器气翼面之后的可选部分绝缘的通道，其可用于任何目的，包括除冰。在另一实施例中，来自热绝缘通道的热废气或其它热流体经过飞行器气翼面外皮中的小孔，其可用于任何目的，包括除冰。在另一实施例中，热废气用于起飞前发动机暖机时的除冰。在另一实施例中，复合往复运动/涡轮内燃机的往复运动级的至少部分热废气用来在起飞前除冰，该部分热废气在起飞时转向到涡轮级中。飞行器的示意性设置类似于图423到425中所示。图400到425所示的特征可以任何方式结合起来，包括在图341到399的水运工具中，以及适当时在车辆和飞行器中，包括这里所公开的那些。
在适当或适用之处，与飞行器相关的图325到340的发明、特征和公开可适用于水运工具。例如，图329到331和336的发动机可安装在任何类型船只的船体或上层结构内或其上，包括快速水翼和其它水运工具，和/或本发明的水运工具。在图400到422所示的实施例中，在适当的时候可以使用任何类型的气体，包括含有蒸气或水蒸气或由其组成的那些气体。在图341到425的水运工具中显示了一个或多个燃烧发动机，来自这种发动机的废气可如这里所述或以任何其它方式进行处理，以去除污染物和/或物质，包括碳氢化合物、颗粒物质、一氧化碳、一氧化氮和/或CO2。图341到425中的任何部件、特征或设计均未按照任何特定比例或相互间的特定比例来设置，围绕叶轮或螺旋桨的任何罩或封壳内的或之前的任何截面积可以是任何方便大小和/或形式。此完整公开中的叶轮和螺旋桨均示意性显示，并且对任何特定应用来说都没有按比例、形状或大小来显示。本公开提及的主推进装置可为任何类型，包括螺旋桨、叶轮或喷水型推进装置、阿基米德螺线等等，除非该实施例仅能使用某一特定的推进装置。可采用任何类型的发动机来为这里公开的水运工具提供动力，包括蒸气发动机、斯特林发动机、涡轮发动机、传统往复式内燃机和本发明的发动机。包括本发明那些用来去除CO2的排放处理系统可用于任何发动机的废气或出于任何目的位于水运工具的任何部分处的燃烧过程。可在柱和船体之间、柱部分之间、水翼部分之间、枢轴转动部件和包括船体的固定部件之间以及旋转轴和船体之间的连接处设置任何的密封套和密封圈，以防止水进入到船体或任何其它部件中。在本公开中，使气体产生水下推力或执行其它功能的技术大致是针对本公开往复运动内燃机来描述的。这种技术可用在任何发动机中。水可通过任何适当的方式被加热和/或膨胀。本发明的原理适用于作为示例介绍的单体式船体，也可用于多体式船体，例如双体船或三体船。本发明的原理也可适用于不用机械驱动而是风力驱动或太阳能驱动的水运工具。作为示例显示了机械驱动的水运工具，其中的一些可选地还具有风帆。具有风帆的水运工具可选地在船体处于水外时在机械动力下操作，而在船体处于水中时以风帆操作。这里公开的所有与水翼相关的特征可体现在仅用风帆作为动力的水运工具中，或者是具有仅用于紧急情况的发动机的风帆式水运工具例如远洋竞技用帆船中。对于具有风帆且具有或没有发动机的一些水运工具来说，在水、风力、实际风向、表面风向和过水速度的一些特定条件下，本发明的水翼装置可用来在船体全部地或部分地处于水外时仅用风力推进水运工具，不论是否使用了发动机来达到这种状况。在适当和适用之处，图325到340中的与飞行器有关的发明、特征、设置和公开可适用于水运工具。例如，图329到331和336的发动机可安装在任何类型船只的船体或上层结构上或其内，包括快速水翼和其它水运工具和/或本发明的水运工具。在另一示例中，图338到340所示的多体式可延伸空气翼可安装在任何类型船只的船体或上层结构上或其内，包括快速水翼和其它水运工具和/或本发明的水运工具，并且可安装在水上或水下。在适当和适用之处，图341到425中的与经过流体介质水的运动有关的发明、特征、设置和公开可适用于经过流体介质空气的运动，并且可用于任何通过空气推动的应用，包括在任何类型的飞行器如直升机、轻于空气的飞行器如软式飞艇和固定翼飞行器中或其上。例如，如果去除开口且任何水经由管3910a来提供(如图400所示)的话，则图413和414的公开适用于空气作为流体介质，如同图400、401、402和404中所示。如果忽略反向功能，图416的特征和公开可同样适用空气流体介质。在空气供给以及用于废气处理的任何流体的提供稍有不同的情况下，图413和418图416的特征和公开可适用空气流体介质。在图341到425中，水运工具以及所示特征和部件相互间未按任何特定比例和/或尺寸绘制。在另一实施例中，本发明的水运工具可基本上由不锈钢型合金和/或防锈型和/或基本上耐蚀合金制成，包括在下文中将介绍的那些。初始成本会比较高，但这可通过极大地减少了涂漆和维护成本来补偿。通过降低目前的安全裕值可进一步降低成本，这允许显著地降低在其使用寿命期间的金属和焊接强度的生锈及腐蚀程度。通常来说，不锈钢型或其它耐蚀型合金具有比目前使用的传统钢更大的单位重量强度，使得水运工具结构和外皮质量可以减小，从而显著地提高了燃料效率并降低了CO2的排放。
这里公开的往复运动发动机、压缩机和泵可以在比传统单元更高的速度下工作，在多种应用中，希望变速器用来降低旋转速度和/或以用于任何其它目的。如果变速器不是固定比的，那么在大多数应用中具有无限可变比的平滑无级变速器(CVT)比具有三到六个固定比的分级式变速器更好，后者在调速时必须在某种程度上脱开。CVT目前在商业中的应用通常限制为小于100kW(133hp)的动力需求。本发明的目的是提供一种可用于任何用途而与动力需求无关的CVT，其提供了在固定参数之间的无限可变比的连续动力流。这里公开的发动机的实施例具有两个曲轴，并且这里公开了可适用于双曲轴动力单元的CVT和那些具有单输入轴的动力单元。一个目的是提供一种CVT，其在恒定速度下运行时具有理论上无限和无摩擦的接触面积，这与本申请人已知的任何当前的商用CVT不同。在一些实施例中，仅在驱动比转换时存在少量的摩擦和动力损耗，这也是传统CVT的一项特征。在其它实施例中，在驱动比转换时几乎没有摩擦和动力损耗。为了满足另一目的，除提供可变驱动比功能之外，所公开的变速器的各种部件可结合用于在一个单元中提供额外的功能，包括离合器、反向机构、差速器、动力输出源和可变负载分配器，其例如用于改变四驱车辆中前后轮之间的负载。本发明的变速器适于在任何类型的发动机、电动机、压缩机、泵和/或旋转轴中传送动力，并适于安装在任何类型的飞行器、水运工具、轮式车辆、轨道车辆、铁路车辆、工业设备和/或促动机构中。
这里公开了可变比变速器的新颖实施例。一般这里仅描述新颖性和区别性的特征，已知的部件和公知常识将省略，以简化说明和附图并提供对本发明的更清楚的理解。在所公开的变速器中，它们可选地安装在和/或包含在一些形式的壳体中，其可额外地容纳任何其它机构，包括发动机。它们还可选地设有用于降低至少一些变速器部件之间的摩擦和磨损的系统，和/或用来分配往来于选定变速器部件的系统的热量，这种系统下面将称为润滑系统。在大多数实施例中，这将涉及到使用循环流体。当它们是液体时，已经知道该液体有时可同时用来润滑选定部件和/或冷却选定部件。在具有彼此接触的金属部分以及彼此接触的摩擦材料的组件中使用液体的技术是众所周知的，例如对于湿式离合器来说。在一个重要实施例中，用一个或多个计算机程序来单独地或总体地控制选择将在任一时间中使用的特定变速比，和/或设置直接或间接地确定滚子直径的促动器的特定位置。在另一实施例中，一个或多个计算机程序直接或间接地确定、控制和/或改变一个或多个促动器的位置，使得一个滚子的直径减小而另一滚子的直径同时增大。这种确定、控制和/或改变可通过任何方式来实现，包括使用螺线管、伺服电机和/或一个或多个促动机构中的带有液压流体的液压电机或泵。在另一实施例中，任何类型的电螺线管、伺服电机、液压电机或泵或其它促动装置设置于封装了本发明变速器的壳体中，人工或自动控制器的电路穿过壳体以与促动装置相连。在其它实施例中，任何类型的液压促动的活塞、电动机、泵或其它机构设置于封装了本发明变速器的壳体中，人工或自动控制器的液压流体回路穿过壳体以与活塞或其它机构相连。在这里公开的变速器的一个重要实施例中，通过人工和/或计算机程序或它们的组合(此时它们单独地或同时地进行)来确定、控制和/或改变下面可变参数中的至少任何一个：一个或多个输出轴整体的或单独的速度；变速器壳体内的空气或气体的温度和/或压力；任何润滑和/或冷却流体的温度和/或压力；变速器变速的速度和程度。在一个或多个计算机中安装了任何计算机程序，计算机提供了和可选地接受不同的电路以通过任何适当的方式直接或间接地改变参数。这种方式可选地包括如上所述的确定、控制和/或改变，其可选地通过例如螺线管、伺服电机和/或一个或多个促动机构中的带有液压流体的液压电机或泵。该计算机可安装在变速器内或其上的任何方便位置，或者安装在变速器形成为其一部分的系统内。计算机可选地接收至少一个或多个传感器或测量装置的电气或电子信号，计算机程序处理来自传感器或测量装置的数据，所述传感器或测量装置可确定下述参数中的一个或多个：输入轴的速度和扭矩；环境空气的压力和/或温度；任何润滑流体的压力和/或温度；与变速器相连的任何系统或发动机的速度和/或扭矩需求；一个或多个输出轴的负载和/或速度。
本发明的一基本实施例包括变速器系统，其具有通过柔性摩擦件如皮带或带子相连的至少两个滚柱，各个滚柱如所需地与输入轴、中间轴和输出轴连通，并且至少一个滚柱具有可控式变化的直径。可变直径滚柱在任一时间中在任何长度点都具有恒定的直径，但该直径在不同时间下会变化。显然，通过这种系统就可以实现能够在低损耗下传递高负荷的可变机械变速器，这是因为皮带和和滚柱之间的接触面积在恒定变速比下不会导致差速滑移，这与目前的轮式和盘式或带式和V形滑轮式驱动系统不同。可能的应用包括小型车辆到大型车辆、包括卡车和采矿设备，到铁路设备、直升机和任何类型的飞行器、泵送和压缩设备、工业机械、小型水运工具到大型水运工具。该基本实施例在图426作为示例显示出来，其中以实线显示了直径为2个单位的由任何动力输入轴驱动的滚柱A，该滚柱通过环形带C(未示出张紧)与直径为4个单元的可驱动任何输出轴的滚柱B相连，这样，输出轴的工作速度为输入轴速度的一半。如果滚柱A增大到直径为4个单位而滚柱B同时减小到直径为2个单位(如虚线所示设置)，那么输出轴将以输入轴两倍的速度转动，是前一设置中的四倍大，假定输入轴速度保持不变的话。在操作中希望这种齿轮变速在动力传输中进行，且变速比可以在两个极限之间无级地变化。可选地，滚柱A和滚柱B相对于彼此的增大和减小可通过任何便利的方式来抵消，包括下面要介绍的。可选地，滚柱A和B被弹簧加载而增大或减小它们的直径，滚柱A和B的增大和减小促动机构相连，使得如果滚柱A减小则滚柱B将自动地增大。滚柱可以任何方式或组合方式设置，以形成本发明的变速器系统。在另一实施例中，CVT系统还用作离合器。作为示例，图427显示了变速器系统的示意性截面，该变速器系统还可用作离合器，具有两个扩大滚柱1和2，其通过环形带3相连，该带的长度比在滚柱之间实现驱动所需的更长。提供了可用作皮带张紧件的惰滚柱4，其可沿方向5运动。显然，如果输入滚柱1被驱动，且惰滚柱4处于将使皮带3松弛的收回位置，则输出滚柱将不会驱动。通过沿方向5向内移动滚柱4来逐步张紧皮带，驱动就会逐渐产生，从而导致系统可用作离合器和变比驱动器。
在另一实施例中，CVT系统具有多根输出轴。在另一实施例中，CVT系统还用作差速器。作为示例，图428显示了还可用作差速器的变速器系统的示意性截面，其中在给定速度下转动的输入滚柱1通过环形带3连接到两个在这里通过机械连杆8相连的输出滚柱6和7，从而使得轴6和7可在变化的不同速度下旋转，而此时轴1以恒定速度旋转。所有这些都安装在壳体211内，其包含有一定量的任何适当的变速器流体212。可选地，滚柱6和7被弹簧加载而增大或减小它们的直径，滚柱6和7的增大和减小促动机构相连，使得如果滚柱6减小则滚柱7将自动地增大。如果该组件用在车辆中且滚柱6与左轮相连而滚柱7与右轮相连，那么系统可适用于车辆的组合式差速器和可变比变速器。如后所述，本发明的滚柱在一些实施例中可被弹簧加载以克服皮带张力而增大。皮带张力和负载的增大将导致滚柱减小。输出滚柱6和7可采用这种负载变化将导致直径变化的滚柱。备选地，在这里公开的或所有变速器的实施例中，负载变化会直接或间接地促动滚柱以实现增大或减小。在图428中，在一个备选实施例中，驱动可以倒过来，其中滚柱6和7是输入滚柱而滚柱1是输出滚柱。图428的原理可适用于滚柱1连接到输出轴而滚柱6和7连接到能够在不同速度下旋转的输入轴，例如连接到两个不对称地旋转的曲轴，如本文其它处公开的那样。变速器流体212通过安装在壳体其它位置处的泵213吸到管214中，被推动到管215以提供喷射或液滴216。泵可如这里所示经回路217供电地用电驱动，或者它可以是任何机械泵，由围绕安装了滚柱的旋转轴之一驱动。在另一实施例中没有设置泵，变速器流体的液位保持在如虚线218所示的这一水平，使得滚柱和/或皮带中的一个在主要工作部分期间至少部分地浸没在变速器流体中。
在另一实施例中，CVT系统还用来将不等量的动力分配给多根输出轴。作为示例，图429以示意性横截面显示了一个实施例，其中动力分配在两个或多个输出轴之间是变化的。动力输入变径滚柱1通过环形带3连接到两个输出滚柱6和7，它们分别驱动四驱车辆中的前轮和后轮。设有两个张紧滚柱10和11，它们能够沿方向5运动。如实线所示，滚柱10和11定位成使得在皮带和两个输出滚柱之间的总接触中是皮带和滚柱6的接触占更大部分，导致有更大的总动力会传递给输出滚柱6而少量传递给输出滚柱7。通过将滚柱10和11张紧到虚线所示位置的运动，滚柱7将接受到比滚柱6更大部分的总动力。通过这些或其它方式，就可以改变滚柱的皮带缠绕程度，从而改变所传递的动力量。组件可用来在加速期间给后轮提供更多的动力，和/或在制动时吸收更多来自前轮的动力。在另一实施例中，具有三个或多个输出轴的CVT系统还可用作输出轴的两个子组之间的第一差速器，以及轴的至少一个子组中的至少两个轴之间的至少一个第二差速器。图430以示意性截面作为示例地显示了可用作可变比变速器和三个单独的差速器的组件，其例如适于四驱式乡村用车辆。输入滚柱1通过环形带3驱动两对滚柱D和E，其中各对中的上滚柱12和13驱动左轮而下滚柱14和15驱动右轮。滚柱对D驱动车辆的后轮而滚柱对E驱动前轮，这些滚柱对可通过任何方式连接，这样，一对滚柱12和14的直径增大可由另一对滚柱13和15的直径减小而抵消，方式如图428中所示，在这里显示为通过机构16，从而形成了车辆前后轮之间的差速器。机构16的端部与辅助机构17相连，以图428所示方式将各对滚柱相连，从而在左右轮之间形成了差速器。如果输出系统包括多个滚柱，可能希望具有超过一个输入滚柱以适用于本发明的双曲轴发动机，和/或使得输入和输出系统的接触面积变得更加平衡，和/或用于任何其它原因。在另一实施例中，CVT系统变速器具有多根输入轴。图431在示意性截面中作为示例显示了多输入轴系统，其具有通过可沿箭头逆时针运动的环形带3相连的四个输出滚柱18，环形带由两个如箭头所示地顺时针转动的输入滚柱19驱动。输入滚柱可选地机械式相连，这里是通过由虚线显示的中心轴和齿轮20相连，该齿轮20与固定且同心地安装在输入滚柱轴19a上的齿轮21(也以虚线示出)啮合。在另一实施例中，CVT 系统额外地用来平衡皮带和滚柱对之间的接触面积，使得两个滚柱的接触面积在主工作模式下尽可能地相等。图432和433显示了如何来补偿因轴径减小而产生的自然减小的接触面积。图432显示了滚柱1减小和滚柱2增大，这两个滚柱通过由可动惰滚柱22张紧的环形带3来连接，惰滚柱22定位在滚柱1的附近以形成“缠绕”效应并增大滚柱1的接触面积。在齿轮比改变和滚柱1的直径扩大且滚柱2的平衡式地直径减小时，惰滚柱22移向图433所示的位置，箭头23表示了惰滚柱的运动范围，并且没有任何张力。在选定实施例中，CVT系统还用来使至少一个输出轴的旋转方向反向。作为示例，在图434和435中显示了两个实施例。在图434中，顺时针转动的输入滚柱1通过逆时针转动的中间可动滚柱24和由惰滚柱25张紧的环形带3来驱动输出滚柱2，其中惰滚柱25能够沿方向26运动。在由实线示出的设置中，皮带和输出滚柱2将沿顺时针方向旋转，但当滚柱24沿方向27运动到位置28时，皮带将与输入滚柱1直接接触，导致它和滚柱2沿逆时针方向被驱动。在一个备选实施例中，图435示意性显示了两个沿相反方向转动的输入滚柱29和30，它们安装在一可绕枢轴31a转动的枢轴转动支架(其由线31示意性示出)上。如实线所示，支架定位成使得滚柱29与环形带3接触。当支架沿方向32枢轴转动到虚线所示的新位置时，如点划线示出的滚柱30与皮带接触，使得它沿相反方向旋转。通过图427到435中作为示例示出的原理，本发明的具有滚柱的单级无级变速器组件可额外地用作离合器、使输出轴的旋转方向反向的装置、提供多个彼此间不同旋转的单独输出轴的装置，它还提供了在各输出轴的任何组合之间可变地分配动力的装置。在本文的上面和其它位置处，除非另有说明，否则输入和输出滚柱都是变径滚柱。然而，本发明的原理也可同样地适用于如果任何系统或子系统中的两个滚柱之一是恒定直径的情况。
在下文中公开了具有基本上连续表面和变化直径的滚柱的至少两个备选实施例。在第一实施例中设有两个锥体，它们通过其轴线可滑动和可接合地安装在一公共轴上，并且窄端彼此面对。锥体具有形成在窄端和宽端之间的突起或凹陷，以及一系列两端均可滑动地安装在各锥体的相应凹陷/突起内的构件。在操作中，可促动锥体以使它们彼此相向地或离开地运动，导致构件径向地远离或朝向轴的轴线运动。构件具有这样的构造，即它们形成了滚柱组件的有效表面，因此通过锥体的上述滑动运动，滚柱的直径会增大或减小。在图436和437中显示了这些原理，显示了在前一种情况下滚柱组件的直径减小而在后一种情况下滚柱组件的直径增大。锥体50和51仅可滑动地安装在轴52上，它们不会相对于轴旋转，并且在它们表面上具有凹陷53。在锥体上的相应凹陷之间的间距内设有一系列构件54，其支撑了如轮廓线55显示的驱动带。在图437中，组件显示为彼此相向运动的锥体，示出了安装在轴52上的键装置56以保证锥体随轴旋转，还显示了锥体的向内运动如何导致构件54相对于轴线57径向地运动。在本发明的滚柱的两个基本实施例中，必须做功以使滚柱克服处于张紧状态下的环形带的可能负荷而增大。为此，滚柱最好地成对设计，使得一个增大而另一个减小。这样，改变变速比而作用在一个滚柱上做的功可由作用在其它滚柱上的带所接收到的改变变速比做的功平衡掉。在另一实施例中，带有至少一对滚柱的CVT的一对滚柱中之一的直径增大与另一滚柱的直径减小大致相等。作为示例，图438示意性显示了它们如何被调节，尤其是对差速器型机构来说。摇臂60可围绕点63枢轴转动，其圆形的推力端61支承在各轴的一个锥体的轴环62上，导致负载在滚柱之间大致平衡。摇臂显示为处于滚柱1增大而滚柱2减小的位置。各滚柱同旋转地安装在轴52上。当滚柱的直径颠倒时，枢轴转动连接和滚柱显示为处于新的位置，所有均用虚线示出。枢轴转动点63通过如箭头64所示的机械构件相连，该机械构件在一些简单实施例中是具有固定长度的刚性件。在其它的更复杂的实施例中，例如如图430所示，该构件64具有可控的可变长度，从而导致了图438中的双滚柱1和2以及可选地图430中的滚柱对D和E的平均直径发生变化。在一个备选实施例中，其中在图454中每个滚柱仅使用一个锥体，那么仅有一个可枢轴转动地安装的摇臂60。摇臂可以任何方式被促动，包括通过液压动作和/或通过电螺线管型装置。作为示例，与摇臂60相连的液压促动的活塞219安装到外壳211的一部分上，活塞219与液压流体220的管线相连，而该管线又与外部的人工或自动液压控制器(未示出)相连。在另一示例中，与摇臂60相连的电螺线管型装置221安装在外壳211的一部分上，装置221与电路222相连，而电路222又与外部的人工或自动液压控制器(未示出)相连。在任何本发明变速器的其它实施例中，变速全部地或部分地由至少一个机械连杆来完成，该连杆连接到至少一个安装在其它地方可人工地或自动地操作的杆上。例如，连杆223与摇臂60相连，可沿方向225运动，并且穿过安装在外壳壁211中的套筒或密封圈224。
锥体之间的构件可以为任何方便的形状或形式，在选定实施例中它们为大致T形或I形或L形横截面，并且它们可选地具有彼此交迭的末端，其方式可描述为光阑式动作。这在图439中以示意性横截面作为示例示出，其中构成滚柱的构件或部段70以实心显示为处于其减小直径构造的设置，而以虚线71显示为处于其增大直径构造的设置。图440以示意性横截面作为示例显示了一个实施例，其中负载轴承锥体72支撑了各部段(未示出)的一端，且锥体键合到输入/输出轴73中。锥体具有一系列槽74，其沿锥面径向/轴向形成，并且在工作中容纳形成了部段的一部分或支撑了部段的杆式或结式突起。槽可具有任何适当的形式和横截面。可选地，锥体上的槽74是弯曲的，如图440所示，使得部段相对于轴72的旋转轴线的倾角随滚柱直径的变化而变化，导致L形或其它形状的部段的皮带接触面积在滚柱不同直径处相对于皮带优化地倾斜。备选地，锥体可具有槽的互补式等同物即突起或脊，其可滑动到部段的槽或凹陷中。在另一实施例中，至少一对滚柱通过可选地相连的多个皮带组成的皮带复合物。作为示例，图441以示意图显示了带有皮带的部段的备选构造，其中左半部显示了具有高位安装的支承突起75，而右半部显示了具有低位安装的支承突起76。部段支撑了包括分开的邻接部分的环形带复合物，其中皮带的不同部分77可彼此间相互运动，并且通过浮动桥接件78相连。在另一实施例中，CVT滚柱组件中的锥体不是真正的锥体，但包括一系列安装成大致垂直于旋转轴线的突起，各突起具有大致对应于锥体一半的轮廓。作为示例，图442示意性显示了锥形端部件，其包括可滑动地键合式安装在轴80上且可围绕轴线57旋转的轴环79，其上安装了一系列大致三角形的径向/轴向翅片式突起81，它们通过加强腹板82彼此相连和支撑。翅片的末端83形成了用于部段84的带槽支撑端部85的支承，锥体81的侧面运动导致部段84可在方向84a上沿翅片末端83滑动，例如滑动到如虚线84b所示的位置。
在一选定实施例中，用于CVT的变径滚柱包括多个与环形带接触的部段，这些部段在操作中彼此层叠并传递负载。在另一实施例中，部段通过能量吸收和/或任何其它装置彼此相连。作为示例，图443示意性显示了通过两个部段90的横截面，它们相对于轴线轴91和相对于彼此定位在增大滚柱组件中。部段90为大致L形，具有大致径向的或垂直的部分92(其设计成可沿标号93来可传递大致压缩负载)，以及大致弧形部分94(其设计成可沿标号95来可传递大致切向负载)。这些负载通过以虚线99示出的带子来传递，一个部分92的支承节由标号96示出，其可选地具有凹陷以在锥体上的突起上滑动。部段可选地通过阳/阴导向件97彼此相连，和/或通过张力和/或压力件如弹簧98彼此相连。附加地或备选地，部段可通过任何弹簧或负载或固定装置的方式与锥体和/或轴相连。在另一实施例中，用于CVT的变径滚柱包括多个与环形带接触的部段，这些部段设计成柔性的。图444到446示意性显示了部段的弧形部分94之间的关系如何在图446中的减小滚柱直径操作、图445中的中间滚柱直径操作和图444中的增大直径操作之间变化，其中弧形部分94的尖端显示为靠在与各部段的肘部102相邻的“捕获式”唇缘101上。下面将显示各个部段如何在任何一次中具有相对于轴线而言的不同的半径。在这种实施例中，至少一部分优选部段是柔性的，使得它可被弯曲以容纳不同的半径，如同图444中以虚线90a作为示例示出。部段的弧形和可选地为柔性的部分将与带形成接触，该弧形部分可以为任何方便的形式、材料或组分。在另一实施例中，用于CVT的变径滚柱包括多个与环形带接触的部段，这些部段包括安装在可由任何材料、包括金属制成的结构上的摩擦材料。作为示例，图447显示了具有复合结构的部段，其包括安装在弧形部分94中的孔94b上且穿过这些孔的具有凹入表面的摩擦材料94a。在一选定实施例中，用于CVT的变径滚柱包括多个与环形带接触的部段，这些部段在操作中彼此层叠并传递负载，这种负载传递通过安装在部段上的滚柱来进行。在图448中作为示例示意性示出，在重载应用中希望在部段尖端100和/或弧形部分94的肘部102或其它中间点处结合球或滚柱柱103。在另一实施例中，滚柱组件构造成总是具有大致恒定的带接触面积，不论滚柱直径是多少。部段显示为层叠的，但在本发明的其它实施例中它们是无层叠的，以形成总是具有或有时具有大致不连续或“细长条”表面的滚柱。细长滚柱的优点是，滚柱表面和带之间的接触面积可保持相对稳定而不论直径如何变化。另一优点在于在层叠部段之间无接触，因而无磨损。作为示例，图449以示意性横截面显示了适于细长滚柱应用的不同的备选部段，它们相对于旋转轴91地示出。部段的横截面形式可以是组合片段而形成为大致T形、I形或L形，如标号104,104a和104b分别示出。这些片段的连接可以是刚性的，但在备选实施例中该连接或横截面形式的其它点可铰接或设计成具有更大的或特定的挠曲。例如，这种铰接或更大挠曲装置可结合到任何方便的位置，例如包括图448的肘部102或图449的部件105中。在任何和所有实施例中，阴、阳片段的位置可以互换。例如在图440和441中，部段54显示为具有阳突起75和76用于可滑动地安装在狭缝或槽74中，而在图442中阴片段安装在部段84中以在阳突起83上滑动。
变径滚柱的备选实施例也具有可以是层叠的或狭长的部段，但它们并未在端部处被锥形体支撑。相反，它们在其长度上的可选点处由在旋转轴的至少两个点上携带的相应系列的连接系统来支撑，部段相对于轴线的位置由轴和各连接系统之间的两个或多个接触点之间的距离变化来确定。在示意性截面图450中作为示例显示了操作原理，其中为清楚起见仅显示了两个备选部段类型中的一个。下面将详述的具有旋转轴线120的轴组件110通过分别处于轴之上和之下的两个不同连接系统支撑了各部段。各系统在轴上的两个枢轴转动点111和112处受到支撑，分别与主杆114和副杆115连通。如下所述，轴组件具有可使点111和112之间的距离可变的特殊特征。主杆和副杆在枢轴点116处相交，主杆延伸以承载部段117，部段117或者刚性地安装在标号118处(如图中上部所示)，或者可枢轴转动地安装在标号119处(如图中下部所示)。可以看到，距离变化113将导致主杆的端部朝向离轴中心120更远或更近的方向运动，从而导致由多个优选均匀的部段和相关的连接系统构成的滚柱的直径变化。在本发明中可以采用任何具有周向变化距离的安装点的轴组件设计，但在一个优选实施例中使用了包括三个同心元件的轴，如示意性截面图451和侧视图452作为示例示出。驱动轴组件包括三个同心的元件。套筒或柱体126安装在主轴121上，主轴是承载输入/输出负载的轴组件的主要部分，具有设置于其内的可滑动地安装的轴122，其通过延伸穿过主轴中的细长轴向槽124的键123而不会独立于主轴121旋转，键123还延伸超过主轴121并穿过外轴套筒126中的十字横向槽125。套筒126通过一些机械装置而防止了相对于主轴的轴向运动，它仅相对于主轴121作旋转运动。套筒126具有其它槽127，安装在主轴121上的主轴枢杆安装件128从此处伸出，且套筒具有与之相连的单独的枢杆安装件129。可以看到，通过轴122相对主轴121的沿方向130的轴向运动，安装件128和129之间的周向距离便可以变化。由于变径滚柱可具有多个部段和相应的连接系统，优选使各部段132的连接系统131在轴向上错开，如示意图453所示。
在备选实施例中，在CVT滚柱组件的轴部分上仅安装了一个锥体，其如同双锥体实施例中的一样可在其所键合的轴上来回滑动，锥体和轴同时转动，导致可滑动地安装在锥体上的部件可相对于轴的轴线上升和下降，驱动一些形式的环形带或由其驱动，环形带在垂直于滚柱的方向上处于相对于变速器固定件或外壳来说为固定的位置。作为示例，图454示意性显示了一轴一锥体系统的实施例的原理。图中仅显示了多轴变速器系统的一根轴141，在该轴上由轮廓线142示出的锥体安装成可沿方向143滑动。锥体通过突起和凹陷或键144的系统键合在轴上，并由机构146促动。轴在安装于变速器结构或壳体148内的轴承147中旋转。这里，部段149具有凹槽150，其允许部段在锥体142上的阳突起152上沿方向151滑动，锥体142显示为接近于其行程的最左端，接近于其行程的最右端的位置由虚线153示出。变速器带154提供的沿方向155的压力或张力将导致部段相对于锥体向右滑动，但它们被轮156限制住，轮156可围绕轴线157或安装在部段149上的径向向外突起158上的其它轴承旋转，轮或轴承与直接或间接地连接在变速器结构或壳体上的盘式表面159接合。当锥体在轴141上来回滑动时，它会导致部段沿方向160运动，有效地形成连续变径的滚柱。当锥体处于由虚线153示出的右端位置中时，变速器皮带将处于如虚线161所示的位置。轴141穿过可选地具有热绝缘和/或声绝缘件211a的外壳(其部分地由标号211示出)，并经过轴承233和密封圈234。在壳体内安装了电子或电气式套叠活塞/气缸型促动器231，其中电气和/或电子回路232穿过壳体，并通过连接件235与锥体1142相连。在另一实施例中，安装在径向突起15a上的第二组轮或轴承156a设置于部段的另一侧，连同另一盘状支承表面159a与结构或壳体相连，它们均以虚线显示在图中上方左中部。在另一实施例中，在适用之处图426到449中的所有特征和公开均适用于具有一个或多个变径滚柱组件的CVT，其中该组件具有单个锥体。在一备选实施例中，锥体l42不能滑动，并且部段149(可选地连同结构159一起)在方向143上运动。
上述实施例特别适合于变速较少且较慢发生的变速器中。在恒定速度下和在特定瞬间，当带被卷绕过180度，滚柱-带接触面积等于滚柱半周长乘以滚柱长度，该面积准确地等于与滚柱接触的皮带内表面的面积。在变速的瞬间，滚柱的有效周长、以及滚柱-带接触区域的大小和构造将发生变化，导致尺寸固定的带产生差动滑移，带来了摩擦、动力损耗和磨损。图455示意性显示了这一特征，显示具有与带177接合的T形部段176的滚柱组件的一部分。部段的边缘由标号a’到f’示出。假定与那些边缘直接接触的带上的相应点由标号a”到f”示出。如果同时滚柱增大，部段就会远离滚柱轴线到如虚线178所示的新位置，假定为具有固定尺寸的带上的点a”到f”将相对于部段偏移，如图中新位置f”所示，此时离其原位置Z比较远。部分地由于CVT是摩擦驱动的，滚柱增大不是立即发生，然而在变速期间将发生滑移和显著的摩擦，随之发生不希望有的磨损和动力损耗。在适于要求频繁和快速变速的变速器的实施例中，这一摩擦、热量积聚和动力损耗会显著减小。在选定实施例中，锥体包括不连续的部分，各部分支撑了一个部段，当发生变速时它们顺序地运动，以有效地提供部分的和顺序变化的直径的滚柱。在这种变速期间，滚柱将在第一弓形径向角度处具有一个半径，而在第二弓形径向角度处具有另一半径。作为示例，侧视图456和沿线A的剖面图457显示了具有8个相同部分171的锥体，各部分在标号172处键合以在旋转轴173上滑动。一个部分174独立于其它部分地设置。部段、其导向件和皮带未示出。可以看到，如果部段和皮带或带定位成与图454中的设置相似，部分174的向左运动将导致它所支撑的部段靠近轴的轴线而运动，从而减小滚柱组件仅在该点处的有效直径。锥体部分可通过弹簧175或其它张紧或压缩装置彼此相连，包括在图443中关于部段连接所示的那些。在一选定实施例中，各滚柱部分仅在它们不与带接触时运动，而在它们与带接触后不会运动，直到它们再次失去与带的接触为止。图458示意性显示了原理，其中滚柱组件中仅有皮带177和部件部段176围绕轴线179沿方向180旋转。为清楚起见，键合在旋转轴和轴上的锥体部分被省略。滚柱分成两个区域，一个区域X是皮带总与部段接触的区域，另一区域Y是皮带不与部段接触的区域。区域的相对大小将随各实施例和变速器的特定设计而变。为了进行变速，位置H处的部段移动到新位置(由虚线181示意性示出)，并保持在该位置至少到其到达位置F。在第一部段移动后，位置G处的第二部段移动到新位置，之后当处于位置F的部段移动到至少位置G时，它也运动到新位置。部段在经过区域X时不会改变位置。在选定实施例中，在一转内部段可进行的位置之间的运动被限制为较小的量，因此为了实现较大的变速比，需要在一转中进行一系列递增的位置变化。增量的步长并不取决于时间；它们取决于转数。在多个变径滚柱的系统中，增量位置变化可在不同滚柱中在不同频率下进行，这是因为它们在不同速度下旋转。
在上述实施例中，各部段安装在其自身的锥体部分上，部段沿着图458中的线的运动通过以任何便利的方式促动锥体部分相互之间的运动来实现。在一选定实施例中，锥体部段的运动由一系列导向件来控制，该导向件的套叠运动通过电子式地来促动或控制，和/或通过螺线管或其它电机械促动器来促动或控制。作为示例，示意图459显示了具有8个相同部分171的锥体，其类似于图456和457中的锥体，并通过键和槽172可滑动地安装在旋转轴173上。锥体部分174显示为移动到新位置。相对于轴173固定且不旋转的环形促动结构185显示为支撑在臂186上，其控制环结构在方向187上的运动。在环结构上设置了一系列的套叠式促动器188，其数量和间距与锥体部分相同，它们中的大部分显示为处于中间或缺省位置。促动器包括内套筒189，其可滑动地安装成可沿方向187在外套筒190中运动，而外套筒190固定地安装在环结构185上。在各内套筒的末端安装了轮191或其它轴承，以便与在操作中从其上经过的锥体部分的大致垂直表面接合。各促动器的内套筒由螺线管192或其它电驱动装置驱动而从其缺省位置(显示为如大多数促动器所处的位置)运动到收回位置(显示为如引导锥体部分174的那个促动器所处的位置)或伸出位置。当促动器伸出时，引导锥体部分174的那个促动器上的轮的位置由虚线193所示。在操作中，也参见图458，当希望减小滚柱组件的直径时，当锥体部分174不与皮带接触且处于区域Y中时，它被与之接触的促动器移动，收回其内套筒和轮，使得锥体部分174处于所示位置。当部分174接近下一促动器时它也收回，其后的部分运动到对应于部分174的新位置，等等，直到部分174完成其穿过区域X的路径，并且所有锥体部分处于新位置。此时，所有促动器回到其缺省位置，并且结构185同时且同步地沿方向188a移动尺寸“a”。为了使滚柱增大，该过程倒过来，促动器全部顺序地增大，之后回到其缺省位置，结构185沿相反方向188a移动尺寸“a”。在该实施例中只有相对于缺省位置的一个尺寸的减小或增大，其均为“a”，没有其它尺寸的减小或增大。在备选实施例中，促动器可以相对于任何缺省位置移动任何尺寸。在另一备选实施例中无缺省位置。在另一备选实施例中，结构185不动，促动器具有更大程度的套叠作用，其足以容纳锥体部段的全程运动。在另一实施例中，促动器可终止于安装在锥体部分上的轮或轴承与之接触的环部段中。在另一实施例中，促动器安装在锥体部分上，由固定的或往复的运动结构引导。在另一实施例中，促动器并不以离散的步长或距离移动，而是可移动任何方便的距离。在另一实施例中，促动器可以导致锥体部分在其处于区域X中且它们的相关部段与带接触时移动。之前，将滚柱组被描述为对，一个滚柱对通过机械装置与另一滚柱对相连。在滚柱具有电子促动的可变直径的情况下，滚柱可设置成任何组的组合。可选地，由虚线185a示出的弹簧可将各锥体部分朝向环结构加载。
各个促动器188通过由虚线188b示出的单独的和分立的电路(为清楚起见仅显示了两个)来控制，电路穿过壳体的一部分到至少一个电气数据处理系统、这里称为计算机(未示出)，其用作控制器并安装在外部。控制器由计算机程序驱动，其确定了一个促动器188相对于紧邻于其的促动器的运动的正时和/或程度，这是因为程序被输送了关于所需变速的程度和正时的信息。后一信息可选地由通过另一计算机程序来驱动的至少一个其它计算机提供，其被提供了相关的信息，例如发动机负载、风阻或其它参数。在备选实施例中，这两个程序结合成一个程序，和/或多个计算机组合成一个。控制促动器的运动程度的程序可选地构造成使得一个滚柱的直径减小而通过皮带与之相连的另一滚柱的直径增大。在其它实施例中，一个或多个计算机处于包含有本发明变速器的壳体内。作为示例参考示意图459，计算机229安装在外壳211内，并通过电路与各促动器188、如图中所示的两个促动器188c相连。计算机由任何便利的方式来提供电能，例如在这里通过穿过外壳壁中的套筒或密封圈226的动力回路227来提供。计算机被编程为可控制促动器188的运动和确定变速的正确正时和程度，因而被提供了经电线(以虚线231示出)来自外部传感器的信息，和可选地经电子和/或电气回路231来自可选地安装在外壳壁中内部传感器230的信息，其中的一些穿过外壳壁211中套筒或密封圈226。传感器提供了任何应用中的任何类型的信息，例如，传感器230提供了关于壳体内空气温度的信息，而其它两个传感器(未示出)提供了关于发动机负载和车辆或水运工具速度的信息。
之前，输出轴显示为沿相同方向旋转。在另一实施例中，至少一个输出轴沿着与至少一个其它输出轴相反的方向旋转。作为示例，图460示意性显示了一种CVT，其具有经环形带3驱动三个输出滚柱2的一个输入滚柱1，在该设置中，两个输出滚柱沿一个方向转动而第三输出滚柱沿另一方向转动。各滚柱中的变径机构不机械连接；相反，各滚柱的直径通过电气和/或电子的方式单独地控制，可选地沿图459所示实施例中的线进行。在另一实施例中，一个本发明的CVT可驱动至少一个本发明的其它CVT，以形成复合CVT。该原理在图461中非常示意性示出，其中动力输入轴194通过任何本发明的、包括图426中实施例的CVT197连接到副轴195，副轴195通过任何本发明的CVT198连接到动力输出。可选地可在各CVT中结合附加特征。例如，CVT197可包括离合器功能(包括如这里所公开的)。CVT198可包括反向功能(包括如这里所公开的)。另一优点是能够倍增变速比。例如，如果采用图426所示的具有4:1变速比的CVT用作CVT197和198，那么该复合变速器将可在输入轴194和输出轴196之间提供16:1的变速范围。
所述变速器可以任何方式安装在任何类型的外壳或壳体中。在另一实施例中，本发明的CVT是安装在任何类型的水运工具、飞行器、轮式车辆和/或轨道车辆中的任何驱动系统、推进系统、气体发生器系统、发电机系统、压缩机系统和/或泵系统的一部分。在不同例子中，本发明的CVT是图11所示的变速器433a、图16中由括号566a示出的变速器、图325,327,329,331和335所示变速器4644、图341,343,346,351,352,和412所示变速器3807、图357所示变速器3807a、图386所示变速器4009a，以及图413和414所示变速器4816。作为示例，平面图462非常示意性显示了城市包裹运送卡车199，其中发动机A经驱动轴C、差速器D和复合式CVT B(可选地为图461中的CVT)来驱动后轮。卡车具有轮子202、制动器204、制动和/或停车灯205、可打开的车罩201、挡风玻璃200、车门203、驾驶座位206、方向盘207、节流控制器208和制动踏板209。可以任何组合来使用上述以及针对图426到461所描述的可变比变速器的特征和特性以实施本发明。上述实施例通常涉及到多个变径滚柱的系统，但本发明的原理也可备选地应用在仅具有一个变径滚柱和一个或多个固定径滚柱的变速器中。变速器组件的部件可为任何方便的结构或材料，包括金属、塑料或陶瓷材料。陶瓷材料被认为尤其适用于一些实施例的部件，因为它对相同压缩强度来说重量较轻。所需润滑可通过任何方便的系统来进行，并由任何适当装置来提供动力，包括曲轴、电动机或泵等。润滑机构可置于任何方便的位置，包括当变速器与本发明的发动机相邻时置于多个同心的环型燃烧室的附近。
这里公开了车辆的新颖实施例。一般这里仅描述新颖性和区别性的特征，已知的部件和公知常识将省略。以便简化说明和附图，并提供对本发明的更清楚的理解。对于这里公开的车辆来说，它们具有这样的部件，例如：结构体或底盘，轮子和/或轨道可以任何方便的方法安装于其上；用于停止车辆的装置，包括制动鼓或盘，其涂覆有摩擦材料并由控制件如制动踏板来促动；装在后部的红灯，其在车辆减速或制动时点亮；用于改变行驶方向的装置，例如方向盘或杆柄；以及用于调节发动机和/或车辆速度的节流阀。
这种新发动机的一个可能重要的优点在于包装。如前所示，发动机应当比传统单元具有更少的振动。它们应当更无噪，这是因为所提供的绝缘件以及主要的声音发生器即废气系统此时至少部分地处于发动机的内部。如图23到25所示，该单元可以是矩形的，并且由于不需要空气循环而可以放在先前不能放的位置。它们可以容易地拆卸和更换。例如，在汽车和轻型卡车中，它们可以安装在座位下或者是双层地板下。在小型娱乐用水运工具中，它们可以垂直地或以其它方式地从上方或从甲板或从敞开座舱或船舱或休息室或帆柜中插入和取出。在飞行器、尤其是小型飞行器中，它们可在机身侧面水平安装并从中取出。由于它们通常容纳在绝缘外壳或壳体中，本发明的发动机可更方便地安装在其所服务的设备中。在另一实施例中，整个发动机、包括复合发动机处于一个包装中，其可“卡入”到其所服务的设备中，并可在几分钟内安装和取出。“卡入”动作可以是任何类型，包括用于安装和取出的抽屉式运动的滑入和滑出、大致垂直的提升和放下，或者键式插入和旋转以及反向运动。本发明的的发动机比其传统等同物轻得多，因此在大多数情况下可以容易地一个个更换。在另一实施例中，前述包装在其内包括本发明的发动机加上任何其它机构，例如发电机、压缩机、泵和/或废气处理系统。这种“卡入”特性可用在任何其中发动机故障导致的停机时间会是个问题的工业或商用应用中，包括油管线泵、医院用发电机等等，并且在任何类型的车辆、飞行器或水运工具中都是很重要的。对于后者，在运行中也都可以用所装载的备用发动机容易地和快速地更换掉故障发动机。在各种情况下，修理将更方便，因为可以安装备用发动机来更换故障发动机，这可以在闲暇时修理，而备用发动机可使整个设备继续运转。附加地，可以通过快速替换发动机来使设备性能升级或降级。一些设备可具有用于不同工作模式的不同的可互换发动机。
在车辆、水运工具和飞行器中，废气管出口传统上置于车辆或水运工具的最后端。这一传统始于废气未被处理且含有危险或有害物质并且需要限制废气吹回到车辆或水运工具中的危险的时期。目前，在世界上的任何地区包括美国加州，新的废气排放条例是非常苛刻的，要求车辆或水运工具排出的废气整体上应与环境空气一样洁净，对于尾气管的布置的旧要求已经不再适用于这些地区的车辆或水运工具了。在选定应用中，来自本发明发动机的废气可能很热，导致尾气管或其等同物的端部不应当置于会与生命体接近的位置。例如，这种情况会在以下时产生：行人在发动机仍运转的挤在一块的车辆中横过马路，或者操作者正在离家畜很近地使用机械化农业设备时。在另一实施例中，废气出口置于车辆和水运工具内或其上的远离会接近旁经生命体位置的位置处。对于道路车辆来说，该位置可以是车顶或车底中远离车辆周边的位置。在选定实施例中车辆或水运工具的废气出口在运动中用作抽气器，其可选地具有文丘里效应，该文丘里效应可减小发动机背压和提高燃料经济性。在另一实施例中，整个废气系统的主要部分固定地安装在车辆或水运工具或飞行器中，并在发动机较近处有一可选的柔性连接到内燃机。在另一实施例中，热废气用来至少部分地加热全部或部分车辆或水运工具或飞行器的内部。
在本公开中，与废气排放处理有关的任何特征在适用之处均可用于对与本发明有关的任何流体进行的任何处理中。多种目前的排放条例基于制造商必须安装保证长期操作的废气排放系统。为此，目前来说一些潜力大但使用寿命较短的技术、例如用于NOx减排的尿素系统并未被使用。一种可在“卡入式”单元中使用的备选方案将仅能要求性能和适用性，而不是系统的使用寿命。这种“卡入式”单元可包括带有废气排放系统的发动机包装，或者包括完整排放系统的包装，或者仅包括部分排放系统的包装。例如，制造商宁愿安装一个能用100000公里花125欧元的车辆系统，而不愿安装一个能用200000公里花400欧元的车辆系统，这使得“卡入式”更换系统可由顾客来进行更换。在适于任何应用、包括用于工厂和发电设备的另一实施例中，用于任何管制污染物或其它物质的废气排放物去除系统(不论是固定式安装或“卡入式”构造)在其内具有一个或多个传感器或暴露于其下，该传感器可监控系统的状况和/或废气的状况和/或组分。可选地，如果处理系统的状况和/或废气的组分处于所需的或要求的标准以外的话，一个或多个传感器将会触发电气的或电子的、可选防扰的电路。可选地，可用该电路来触发可听警告和/或点亮灯和/或在可见或暴露位置、包括在车辆、水运工具或飞行器上产生信号，其通常可由执法人员容易地观察到。可选地，操作人员可被提供一个这种灯就要来了的预先警告，使操作人员有机会更换系统或系统中的任何故障件。在另一实施例中，对于任何类型的设备、包括表面车辆或水运工具或飞行器来说，由废气处理系统触发的电路导致设备或车辆或水运工具在灯或信号来了之后的一定时间内无法操作，或者在这种时刻使设备或车辆或水运工具在灯亮期间的操作完成之后的一段时间无法操作。在另一实施例中，废气处理系统包括可拆除和/或可互换模块或滤筒，其在位于废气流中的两侧带有开口，使得气体从模块或滤筒的一侧穿过而到另一侧。这种滤筒以与滤茶器相同的原理来工作，滤茶器是这样的装置，其带有两个带孔的可打开和关闭的匙状半体，其中一个铰接在另一个上，茶叶放入到其中且热水从中流过。这种“滤茶器”式排放滤筒可具有任何大小和构造。在另一实施例中，这种排放滤筒可包括7个子筒，各具有不同的功能和/或各用于去除废气中的不同组分，各子筒可单独地取出和互换。在另一实施例中，这种模块或滤筒或子筒包含至少一种物质，其会随时间而消融或减少，或者因为被流体流动“磨损掉”，或者因为这种物质会与废气组分发生化学反应，这种物质需要定期更换。上述废气处理系统可用于任何目的，包括用于去除任何物质，包括颗粒物质、碳氢化合物、一氧化碳、氧化一氮和/或CO2。
作为示例，图463到468示意性显示了具有本发明的包装式发动机的市内小型包裹运送卡车，图463是侧视图，图464是平面图，图465和465显示了发动机连接的细节，图467是垂直废气升管封装，图468显示了发动机安装方案的细节。车辆的正常运动方向由标号240显示。卡车具有前后轮208、方向盘14、制动踏板15、加速踏板16和装在后面的红色停车灯13。在车顶上安装了可选的光电阵列71，其仅在图463中示出。卡车201显示为其驾驶员车门处于由虚线202示出的打开位置，露出了位于驾驶员座位204下方的带有凹入抽屉式拉手206的发动机外壳203。车辆的高度与一个站在车附近的1.95米高的人205的高度成比例地示出。具有发动机外壳将安装在其内的凹部208的隔舱207一直横向延伸过车辆，容纳了连接区域209、变速器210以及用于辅助设备11如空调系统等的空间，所有这些均以对角线虚线示出。图465显示了发动机外壳的外部，其具有侧部203、顶部203a和后板214。图466显示了凹部208，其具有侧部208b和背板221，其中可沿方向212安装和沿方向213取出。为容易分辨，图466中的平面208a是凹部的底面，由点划线示出的平面202a表示与车辆侧部平行和重合的平面。外壳214的背部具有用于燃料215、吸入空气216和废气217的阴式开口、阳电气连接件218和阳电子连接219，可旋转的空心输出轴220的端部具有阴式花键。凹部具有垂直背板221，其具有用于燃料的锥形短管222、用于空气的锥形短管223、用于废气的锥形短管224、阴电气连接件225和阴电子连接226，以及花键式可旋转轴227的端部，该轴227穿过连接区域209以驱动变速器210，动力从这里经驱动轴227、差速器229和后桥230传递到后轮228。废气经可选地热绝缘通道231、上升管232并经另一可选地热绝缘通道233穿过车顶234的下方到达一较大的平坦消声器(由虚线235示出)，其位于车顶和较浅的安装在车顶的壳体或突起236。废气在车顶处离开，离开车辆侧面地并与车辆后部间隔开的沿方向237离开。可选地，消声器235和壳体236设计成当车辆在运动中时空气流238形成了文丘里效应，以便抽取废气和减小发动机背压，从而提高燃料经济性。将废气经壳体中的平坦消声器(可选地具有文丘里效应)远离车辆周边地排放出来可同样地应用于小型车辆如轿车，如图469中显示，其中正常运动方向由标号240 示出。消声器壳体(由虚线241示出)安装在车243的下方，离开车辆下侧的废气以标号242示出。对于每种应用来说，必须确定适当的尺寸x和y。回到图453到458所示的卡车，废气提升器232包含于车辆区域A中的封壳239内，并在示意性细节图467中示出。在封壳内，废气管未被热绝缘，并且可选地安装有传热翅片244。当车辆内部需要加热时，可控地和可变地打开与提升器封壳的内部连通且处于底部和顶部的活门245和246，以允许冷一些的空气进入到底部247，被废气提升器加热，并在顶部248以更高的温度离开。与当今的废气系统部件被悬挂的车辆不同，卡车的废气系统部件、包括管231,232,233和消声器235在离开发动机或连接区域之后全部刚性地安装。
在另一实施例中，外壳中的发动机安装在一个阴式凹部内，它是一个独立的结构或框架，该结构或框架又悬挂或柔性地安装在发动机所服务的系统中。这种系统可以是任何系统，包括任何类型的发电机组、泵或压缩机组、飞行器、水运工具或车辆。作为示例，细节性平面图468示意性显示了发动机如何安装在车辆、例如图463和464的送包裹卡车中的悬挂框架内。在如标号203所示地安装好时，以虚线示出了发动机在其外壳内所具有的凹入拉手206和可选的锁251。它处于盒体或框架253内的套叠式抽屉型滚柱式滑动件252上，盒体或框架253通过弹簧254和/或材料255(同时用作声和热绝缘件)悬挂在卡车的动力舱207内，在其上为座位204。如果省略弹簧，那么材料255是可压缩的。类似的弹簧和材料安装在盒体或框架253的上方和下方，以将它与舱207中的凹部的底部和顶部分隔开，并处于盒体或框架221的背面和舱中突起256之间。还提供了可选的膨胀密封圈257。区域209中的所有连接都是柔性的。连接发动机与变速器210的动力驱动轴227安装在轴承259中，在各端具有万向节258并具有花键227a。燃料560流经柔性燃料管线561。废气562流经柔性波纹管道563，其可选地热绝缘且可选地由高温金属合金制成。空气供给564经过气室565和柔性管道256，其可选地具有可控变化的直径，如同下面所公开的。区域B和C中的空间可用于废气排放处理系统、使用热废气的涡轮机、充料空气压缩机、燃料传送泵等。在一个备选实施例中，区域209中的一些连接(未示出)是刚性的，盒体或框架253扩大到包括了固定安装的变速器和/或辅助设备。在这种情况下，柔性连接可提供在盒体或框架253和舱207之间的其它地方，包括可选地在区域B和C中，可选地沿上述线设置。在另一实施例中，往复运动级可选地在实际上恒定的空燃混合比、在选定实施例中是化学量混合比下工作。
为了在变化的工作条件下使充料空气供给与燃料传送更好地匹配，经通道的充料空气供给流是可变地受限的。在一个选定实施例中，泵或压缩机或燃烧式发动机可具有可变直径或横截面的充料吸入喉道。这可用于任何类型的发动机，包括在从充料空气进入路径到本发明发动机的吸气端口中的某处，或者它可用在任何处于流体流动的装置中。基本上该可变喉道包括拉伸的弹性管，围绕其缠绕了一个或多个张力件，其自由端在拉伸下会导致管径减小。作为示例，平面图470、截面视图471和细节图472显示了拉伸的弹性喉道，其以实线739显示于打开位置，通过可膨胀夹环741固定在充料壳体740中。多个张力件744缠绕在该弹性喉道739的外部并处于导向通道742的润滑剂743中，这在细节图316中有示出，张力件744的端部被滑轮745作用，并缠绕在靠近喉道的变径气缸746上。在操作中，气缸的旋转导致张力件用作喉道的部分限制，从而减小了其直径，如图470和471中的虚线所示。希望喉道和薄膜739在处于打开位置时在方向747上承受到比在方向748上大得多的因拉伸而有的张力，这一差动保证了喉道保持打开。管和张力件可为任何适当材料，包括橡胶、尼龙、金属丝等。在另一实施例中，这种变径流体通道可在任何应用中用于任何流体。从图中可看到，与其它更传统的装置如蝶形阀相比，相对较缓的通道截面保证了合理规则的不干扰的流体流。
如所指出的，可安装和拆除的“卡入式”外壳不仅可包含发动机，还可包含任何其它的系统，包括充料压缩机、可选地用作启动电动机的发电机、复合发动机的涡轮级、用于去除管制排放物的废气处理系统，以及用于去除CO2的废气处理系统。在备选实施例中，一些或全部这种系统可安装在单独的“卡入式”外壳中，使得只有那些需要维护或修理的才可拆除。在另一实施例中，废气处理系统具有可取出和可更换的部件，其可选地容纳于“卡入式”筒体或模块内。可取出和可更换的筒体或模块可用作更高要求的排放系统的一部分，尤其是那些用于大型车辆、水运工具和/或固定发电厂动力中的大型发动机中的。可取出和可更换的筒体或模块的内容物可以是任何物质，包括催化剂、NOx减排材料、颗粒过滤器、水、水性溶液，所有这些可以是新的或有缺陷的，以及用于已消融特征的替换物，或者是在从废气中去除CO2的过程中形成的物质。在其它实施例中，完整推进系统的子系统、例如复合发动机的涡轮级可容纳在一“卡入式”包装中。作为示例，侧视图473和平面图474示意性显示了混合电力驱动的军用坦克271，其具有传统履带272，为清楚起见在平面图中省略了炮塔273。在平面图中示意性显示了光伏阵列274，用于可选地经控制器280为能量储存装置、这里是电池组279提供能量。正常运动方向由标号240示出。坦克内的驱动和其它系统以虚线示出，重要零件用对角线标示，但卡入式可拆单元的表面用实线显示。可拆外壳275内含复合往复运动/涡轮内燃机的往复运动级，以及充料压缩机和还可用作启动电动机的发电机。可拆外壳276内含复合发动机的涡轮级，以及其自身的发电机/启动电动机。可拆外壳277内含用于去除管制排放物的废气处理系统，而可拆外壳278内含用于去除CO2的废气处理系统。由十字虚线284示出的动力回路将动力从发电机可选地经控制器280传递到电池组279，其可从坦克下方接触到。柔性安装的热绝缘通道281将可拆外壳之间的废气带到安装于车辆底侧前部的下方的消声器282，并在车辆下方的位置283处离开，以保证在离开车辆周边之前与环境空气最佳地混合，并且保证发出最少的热信号。用来驱动履带272的电动机未示出。车辆可选地具有非金属履带，这是因为其电驱动更无噪。均处于热绝缘和可选地声绝缘的壳体内的复合发动机的涡轮级和往复运动级在操作中产生的噪音和振动可以忽略。废气产生的噪音可通过使废气在离开涡轮之后经过多个绝缘通道和废气处理系统278、进入消声器并在车辆下方离开来减小，车辆的底侧可选地包括减音材料。可选地，废气系统包括废气稀释系统(如本文其它处公开的那样)，以在气体排出到环境空气中之前降低系统内的温度。
示意性细节图475显示了外壳276的布局，其主要包括具有绝热和绝声材料297衬里的任何适当材料的结构，该衬里封闭了涡轮级289和发电机/启动电动机291，后两者可从车辆侧面286取出和沿方向285安装。热废气从方向287沿柔性安装的热绝缘通道281进入到外壳中的气室288。废气从在至少两侧上围绕着发电机/启动电动机291的气室中进入涡轮级289。在为涡轮级提供动力后它变冷，并沿方向290流过固定安装的热绝缘通道281。电动机291和涡轮级具有公共轴线292，并且通过可旋转轴293相连。空气从标号294处进入外壳，经过过滤器295，冷却发电机，经其部分围绕的气室296，为涡轮级提供可选的旁流空气。来自发电机的动力供给284可选地经控制器进入到电池组。细节图476示意性显示了外壳275中主要部件的布局轮廓，包括往复运动发动机级和发电机/启动电动机，它们处于坦克后主体271的凹部中。虽然未示出，然而在适用之处图468中的任何特征和细节均可用于容纳外壳275。出于简明的原因，燃料传送机构、紧固件、电力线、电子控制器和布线均未示出。同样出于简明的原因，活塞组件和气缸组件均显示为单体件，但实际上至少气缸组件可由多体式组成，通过张力加载的紧固件保持在装配状态下。任何适当材料包括金属的外壳结构301通常衬有热和声绝缘材料302。在其它实施例中未设置绝热和绝声材料，或者外壳由具有绝热和绝声性能的单件式材料制成。外壳分成三个区域：区域A用于发电机/启动电动机，区域B用于充料空气压缩机，而区域C用于复合往复运动/涡轮内燃机的往复运动级，在应用中两个级彼此远离。空气313经罩有保护性睫毛状外挂物的开口314进入区域A，穿过可拆下和/或可清洁的过滤器315，以冷却发电机和任何辅助设备，例如燃料传送系统、电子控制器等，其可选地位于区域D和E中。空气318从区域A中进入区域B，从而在环型工作室307中以图162中所示方式被压缩，然后压缩空气进入到沿方向317往复运动的活塞组件的中央空间319中，并从此处来到区域C，即往复运动内燃机级。在燃烧以提供动力给活塞组件(其又为压缩机和发电机提供动力)之后，热废气经端口321到可选的含有丝状材料312的周向废气处理空间320，并如实心箭头311所示地进入到坦克后部271中的气室310。在标号309处提供了可压缩的和可选地热绝缘的密封圈。可选地，一对工作室308和/或307可构造成使得活塞组件作往复运动和旋转。该单个或复合运动为发电机提供动力，发电机包括两个主要部分或绕组。相当于转子的一个部分305安装在活塞组件303上，相当于定子的另一部分固定在区域C内。与辅助设备分开地，外壳275/301的内容物仅具有一个运动部分，其公用于往复运动级、压缩机和发电机。在一个备选实施例中，工作室对307和308中的一个或两个均实现为可导致活塞组件303相对于气缸组件304旋转和往复运动，其方式如图123采用导向系统的实施例中所述，或者如图138中的采用到工作室的正弦或波形表面的实施例中所述。外壳通过可选地锁定紧固件保持就位，该紧固件具有轴线301a，并可通过可选地凹入式拉手(由虚线301b示出)沿方向213取出。这里，E表示高压流体传送泵，D表示计算机，流体传送装置由标号32表示。高压流体管线从泵中穿过区域A内的充料空气，通过往复运动部件的中心(其中设有弹性的或折叠的或卷绕的管线部分，其具有长度F)，通过分隔壁进入压缩空气空间再到燃料传输装置322。类似地，用于促动燃料传送的电路和/或电线从计算机到流体传送装置。在该布局中，所有流体管线和所有回路和/或电线仅穿过相对较冷的充料空气空间，它们均未设置在热部件或热废气空间内，因此可以采用传统材料来用于流体管线和回路和/或是电线。在备选实施例中，在这里公开的任何发动机或部件中，电路印刷在任何材料、包括陶瓷材料的选定部件或部件部分上。本发明的发动机可出于任何原因使用任何类型包括这里所公开的废气处理系统。
许多发动机用在便携式装置中，例如景观美化设备、压缩机、海军用应急泵，以及用在任何场合的发电机组。在备选实施例中，发动机或它是其中一部分的系统被包装成使得它们可在立于地面上时、和/或由一个或多个把手所携带地和/或被背在人背上地操作。在其它实施例中，包装包括任何可互换和/或可取出的部分，其可选地为模块化的，包括燃料箱、废气排放控制模块、涡轮机和废气扩散系统。在排放端口处和可能地在第一废气排放处理空间中，气体温度可以远远超过700摄氏度。对于人体便携式设备来说，废气在必须与人体或动物接触并伤害它们之前被冷却和/或消散掉，在大多数场合下其必须大致上无噪。在其它实施例中，废气消散器和/或冷却器(其可选地也至少部分地用作消音器)装在具有本发明发动机的人体便携式设备上。作为示例，图528示意性显示了立于地面1上的泵组。示出了轮廓的外壳2具有使泵组能够从后面被携带的皮带(以虚线3示出)、可选地为模块化的立脚4、下置式燃料箱，其具有燃料管线7通到其中的可去除油槽6和用于形成环境空气(由虚线箭头11示出)入口的切口14。由虚线箭头11示出的充料空气流经可取出的燃料筒10。用于泵送流体进出的接头由标号19示出。箱5可选地是预填充的筒体，其在空了的时候可由另一筒体来代替。来自发动机的废气(由实心箭头12示出)流经可单独取出的排放处理模块，在将在下面介绍的球型消散器/静音器17中与环境空气混合，并以弱化后的形式如圆形箭头13所示地排出。消散器17可选地具有如虚线21所示的护罩，其基部装入到外壳2顶部上的阴式凹陷16中，该凹陷16具有中央把手23。在另一示例中，图529示意性显示了立于地面1上的发电机组。示出了轮廓的外壳2具有可选地为模块化的大立脚4、大下置式燃料箱5a，其具有燃料管线7通到其中的可去除油槽6和用于形成环境空气入口的切口14，环境空气由虚线箭头11示出，并流经可取出的燃料筒10。该箱具有安装在形成于外壳基部中的凹部内的冠部，以及处于冠部的由圆圈示出的填料盖。在两侧显示了用于输出电力的接头20。外壳包含了小型的由箱5来补充的基本燃料箱。如果图528中的箱具有相同的冠部，它们将可与图529中的互换。在这种方式中，对任意位置的燃料供给可以下述方式进行：仅经基本箱9、或者附加的小型模块化箱5、或附加的大型模块化箱5a。如果包装仍然保持立于地面上，那么仅有立脚需要交换以改变箱的选择。可选地，在该包装内包含了能量储存装置9a和/或电控制器9b。来自发动机的废气(由实心箭头12示出)从两侧流经可单独取出的排放处理模块15，在将在下面介绍的鹿角型消散器/静音器18中与环境空气混合，并以弱化后的形式如标号13所示地排出。在两侧带有其自身发电机和电力输出接头20的可选涡轮机模块连接在包装24的顶部。可选地，该包装布置成当涡轮机装配好时，仅有总电力可从上方接头对中获得。消散器18的基部装配到涡轮机模块的顶部或外壳2上的阴式凹陷16中，其具有两个把手23。设置将废气能量转化成功的涡轮机模块能够在废气到达消散器之前显著地降低废气温度。可选地，在该包装内包含了能量储存装置9a和/或电控制器9b。
在一个新颖实施例中，废气消散器包括一个或多个带孔或穿孔碗，其可选地大致同心地围绕基本垂直的轴线套在一起，由任何适当材料制成，废气从底部经颈部或管进入最小的碗，并从顶部离开。可选地，在最外碗的一部分和任何管周围设置了挡热罩。可选地，碗由热绝缘材料制成，或至少部分地具有这种材料的衬里。作为示例，图530在中心线CL的左边示意性显示了常规的碗式消散器，其中第一碗或球泡27在其底部具有裂口25而在上方具有大致规则的孔26，它螺纹式拧入到外壳23中以定位和容纳排放清洁模块15。可选地设有位于第一碗之上的第二带孔碗28，任一个均带有可选的绝缘件30。可选地设有一个或多个额外的带孔碗29。当废气上升时它和越来越多的环境空气11混合，变得更加稀释和更冷，如圆形箭头13所示地作为空气和废气的冷混合物排出。对于给定应用来说，可选地为任何构造的孔和裂口的精心设计的位置和大小可以优化废气稀释和冷却的程度。中心线CL右侧的布局是“多分支头部”型，其大致类似于左侧布局，不同之处是孔处于管状延伸部27的基部，通过精心设计和布置这些延伸部，就可以更宽广地消散废气/空气混合物13。在一个备选实施例中，废气消散器包括两个或多个带孔或穿孔的空心型件，它们与可选地为T形构造的第一空心型件相连并从中辐射出来，其中第一空心型件可选地设置成大致垂直的，其整体的任何部分可由任何适当材料制成，废气从第一型件中进入而大致从其它型件中离开。可选地，围绕一个或多个型件的部分而设置了挡热罩21。可选地，型件可由热绝缘材料制成，或至少部分地具有这种材料的衬里。在另一示例中，图531在中心线CL的左侧示意性显示了“多分支头部”式消散器的一半，其中第一空心型件31压配到外壳23中。设有一个或多个带有孔26的第二空心型件32，它与第一型件相连，并且任何型件可具有可选的绝缘件30。可选地，在第二空心型件上设置了一个或多个带孔罩。当废气上升时它和越来越多的环境空气11混合，变得更加稀释和更冷，如圆形箭头13所示地作为空气和废气的冷混合物排出。图532示意性显示了沿图531中线A的截面，其中第二型件由两个熔合或以其它方式装在一起的变形的带孔片材组成，片材具有用作挡热罩的滚压唇缘36。在备选实施例中，充料空气由发动机吸入，经过一些或全部废气消散器和/或经过废气处理空间，热量从废气传递到充料空气中并冷却充料空气。作为示例，图533显示了围绕第一空心型件31支撑环形套筒38的间隔件37，该第一空心型件31在这里螺纹式拧入到废气处理空间40的封壳39，套筒支撑在位于外壳24的凹部中的较软的可压缩衬垫41。可选地，冷却翅片42设置在部件31和/或封壳39中。充料空气经喉道43流下到套筒并流经过部件31和可选的冷却翅片42，如虚线箭头11所示，而热废气如实心箭头12所示地流经处理空间40向上穿过部件31到如上所公开的可选消散器。在其它实施例中，图528到533的任何设置可用于从任何来源中消散任何暖的或热的气体。
在其它实施例中，用于暖的或热的气体消散器结合到车辆、飞行器和/或水运工具中，其中环境空气被引导而流经带孔的或穿孔的消散器，来自任何来源的热气体经任何通道进入到消散器中，并经一个或多个孔和/或开口离开。这种消散器可安装在车辆、飞行器或水运工具上的任何位置。可选地，在水运工具中它们安装得比较高，而在车辆中可安装在车顶或车底。可选地，用于发动机废气的消散器还至少部分地用作消声器。图534示意性显示了这种消散器的基本原理，其安装在水运工具或车辆44的顶部，正常前进运动方向由标号43示出。如实线箭头示出的热气体12经通道45进入消散器46，并经孔47和/或裂口48和/或一个或多个后方狭缝49离开。在备选实施例中可以省略后方狭缝49。当车辆或水运工具处于运动中时，环境空气至少部分地因冲压效应而如虚线箭头11所示地于标号50处进入，流经封壳51，经过消散器的任何表面、包括上下表面，并与热气体混合，空气和热气体的混合物在标号52处如圆形箭头13所示地离开封壳。在备选实施例中，空气仅流过这里显示的一个消散器表面。可选地，热和/或声和/或振动绝缘或保持层在标号53处置于封壳51和车辆或水运工具44之间，和/或在标号54处置于封壳51底面。可选地，任何类型的突起或偏转器55可设置在封壳51内的任何位置，或者处于消散器46的内部或外部以更好地控制气体流。可选地，气罩56置于封壳51的前部以经通道57引导环境空气到车辆或水运工具的任何部分上，空气的传递可选地由冲压效应来辅助。可选地，在消散器的前部可安装任何类型的废气处理和/或声音缓冲系统，如标号60所示。可选地，空气可通过任何方式、包括通过一个或多个带孔管58和通道59被可变地泵送通过封壳，以便在车辆或水运工具缓慢运动或停止时稀释热气体，此时很少或没有冲压效应。在另一实施例中，充料空气用来在废气进入车辆、飞行器或水运工具的发动机之前冷却废气。图535示意性显示了这种消散器的基本原理，其安装在水运工具或车辆44的顶部，正常前进运动方向由标号43示出。如实线箭头示出的热气体12经通道45进入消散器46，并经孔47和/或裂口48离开。在备选实施例中可以设置如图534中所示的后方狭缝49。当车辆或水运工具处于运动中时，环境空气至少部分地因冲压效应而如虚线箭头11所示地于标号50处进入，流经上方封壳51所限定的空间，经过消散器的任何表面、包括上下表面，并与热气体混合，空气和热气体的混合物在标号52处如圆形箭头13所示地离开封壳。在备选实施例中，空气仅流过与车辆或水运工具44 间隔开的消散器的下侧。可选地，热和/或声和/或振动绝缘或保持层在标号53处置于消散器46和车辆或水运工具44之间，和/或在标号54处置于封壳51任何表面，包括上表面。可选地，任何类型的突起或偏转器55和/或任何类型的冷却翅片61可设置在封壳51所限定空间内的任何位置，或者处于消散器46的内部或外部以更好地控制气体流和促进传热。可选地，气罩56置于封壳51所限定空间的前部以便经通道57引导环境空气到车辆或水运工具的任何部分上，空气的传递可选地由冲压效应来辅助。可选地，在消散器的任何方便部分可安装任何类型的废气处理和/或声音缓冲系统，如标号60所示。可选地，空气可通过任何方式、包括通过一个或多个敞开端的细长空间58和通道59被可变地泵送通过封壳，以便在车辆或水运工具缓慢运动或停止时稀释热气体，此时很少或没有冲压效应。可选地，气罩62置于封壳51上的空气流中，以将空气偏转到消散器46和封壳51之间的混合区域。在图534和535中，封壳51和消散器46具有大致于传统消声器的形式。在另一实施例中，设计、制造和安装消声器和类似结构的公知技术可用于本发明的消散器和封壳。在其它实施例中可以省略部分和/或全部的封壳51，消散器可直接安装在车辆或水运工具之上、之上或经过其的空气流中。
这种便携式的和其他发电机和/或泵和/或压缩机组可以具有紧凑的内部包装。在其它实施例中，本发明的发动机驱动主要设在活塞/连杆组件的内部的机器，并来自发动机废气的其它功从主要设在机器内部的涡轮中得到。作为示例，图536示意性显示了这种布局：在绝热壳体37中，图中所示沿方向38往复运动的部件用平行剖面线显示，固定在壳体内的那些部件用单剖面线显示，外界空气循环通过内部空间60的路径用虚线箭头显示，而废气在可选的绝热管道或设备中循环的通路用实线箭头显示。如往复运动中心CR上所示出的、以包括如这里所公开的任何方式构造的活塞/连杆组件39在气缸组件40内往复运动，并限定了一对环型燃烧室43，其中气缸组件40具有与周向气体处理空间42连通的排放端口41。结构框架44连接在活塞/连杆组件39上，并支撑线性发电机和/或电动机的往复运动部件45，该发电机和/或电动机具有由一个或多个框架47支撑的定子部分46，框架47连接在气缸组件40和/或壳体37的结构部件上。往复运动框架44是止转棒轭的一部分，并具有与一个或多个曲轴销49连通的狭长槽48，曲轴销49安装在一个或多个曲轴51上并具有路径50。一个或多个曲轴驱动装置(可选地如本文所公开的)通过锥齿轮或任何其他装置连接到中央轴52，其又连接到可选地绝热壳体(如交叉线矩形53示意性显示)内的涡轮上。可选地是，该轴穿过涡轮以驱动第二曲轴54，其驱动其他轴56，而该其他轴56又驱动一侧的燃料传送机构57和另一侧的任何其他机构58。充料空气经可选的格栅孔55和可选的可拆卸和/或可更换和/或可清洗的滤网67进入壳体，计算机设在标号59处且固定设备的任何部分设在标号61处，它们均接近充料进入空气流。废气经端口41离开燃烧室，穿过处理空间42，然后离开那里经可选地绝热管道62到达涡轮。涡轮从热废气中抽取功以驱动轴52，并可选地经止转棒轭驱动发电机和/或发动机。随后更冷的废气可选地经绝热管道63到废气排放处理模块64，并从这些模块到达中央气室64和拧入到壳体37顶部中的废气扩散器66，可选地如图506和507中所示。在其它实施例中，本发明的原理适于旋转设计的发电机和/或电动机。在另一些实施例中，本发明的实施例适于压缩机或泵而不是发电机和/或电动机。在一些备选实施例中，采用任何便利的方式将往复运动转化为组合运动中的旋转运动，包括到曲轴的变角式连接件和本文公开的任何装置或机构。在其它实施例中，采用本文公开的任何发电机和/或电动机来启动本发明的任何涡轮和/或发动机。
在旋转机器中如发电机和/或电动机和涡轮中，功率密度通常与转速成比例。限制转速的主要因素是旋转体末端上出现的离心力。在新实施例中，例如在发电机和/或电动机和涡轮中，转子和“定子”部件反向旋转。在这种实施例中，尤其在电气设备的情况下，如果两个部件以大致相同的速度旋转，对于给定的速度差来说，各个部件的转速大约减半而离心力减少到约四分之一。如果给定质量的初始部件在其速度极限下但沿相反方向旋转，则速度差加倍，导致动力几乎成比例增大。对于涡轮来说，一个部件可以与另一部件不同的速度旋转，“定子”相对于转子的速度受多种因素控制，包括热气体在进入定子/转子界面前的质量、方向和速度。在其它实施例中，在含有发动机的壳体内，一个或多个连接到往复运动活塞/连杆组件的止转棒轭直接冲入或由旋转装置或机器如发电机和/或电动机、泵、压缩机和/或涡轮的旋转轴驱动。在其它实施例中，驱动活塞/连杆组件或由其驱动的旋转装置或机器具有反向旋转的部件，可选地是采用反向旋转的止转棒轭装置，包括如本文所公开的或本文公开原理的变型。作为示例，图537示意性显示了这种布局，其中止转棒轭直接驱动四个轴，它们的轴线90和91均垂直于与方向38上的中央线CL平行的往复运动轴线。在绝热壳体37里，图中所示沿方向38往复运动的部件用平行剖面线显示，固定在壳体内的那些部件用单剖面线显示，外界空气循环通过内部空间60的路径用虚线箭头显示，而废气在可选的绝热管道或设备中循环的通路用实线箭头12显示。两个备选活塞/连杆组件显示在往复运动中心CR处的中线CL的每一侧，每个组件具有绝热件67，在共同的气缸组件40(具有与周向气体处理空间42连通的排放端口41)内往复运动，并限定了一对环型燃烧室43。左侧的结构组件47连接在气缸组件和/或壳体的结构件或框架件上而形成一个完整组件，在右侧则作为两个组件，分别连接在气缸组件的顶部和底部。在左侧，活塞/连杆组件包括气缸69和整体式部件39，它们均通过具有轴线68的紧固件夹在两个环形板70之间。板72通过任何方式(包括焊接71)连接在气缸上，形成了朝向气缸69的弦(该板进出于图幅面地延伸)，并还具有两个狭长槽73，各槽均为止转棒轭的一部分并均与曲轴75上的曲轴销74连通，曲轴75由结构47的桥接部分77中的轴承76支撑。在右侧上，活塞/连杆组件包括两个部件39a和两个碗78，它们通过具有轴线68的紧固件和/或具有轴线79的紧固件保持在装配状态下。板81通过任何方式(包括焊接71)连接在每个碗80上，形成了朝向碗78的弦(该板同样进出于图幅面地延伸)，并还具有两个狭长槽73，各槽均为止转棒轭的一部分并均与曲轴81上的曲轴销74连通，曲轴61由结构47的延伸部分82支撑。中线每侧上显示的不同布置是备选的；实际中，每个完整气缸组件和完整活塞/连杆组件将只根据一种备选方式组装。止转棒轭配置成使得左侧上的曲轴75相对于右侧上的轴81逆时针旋转，每对反向旋转的轴具有共同的轴线90和91。图中的中上部象征性地显示了发电机和/或电动机，其中“定子”部分83相对于转子部分84以相同速度沿相反方向转动。可选地，如虚线所示地彼此嵌套的曲轴通过轴承85互相支撑。图中的中下部分显示了包围了涡轮的可选地绝热壳体87，其中热高压废气12经可选地绝热管道88进入壳体，低压冷废气12a经可选地绝热管道89离开。下曲轴75和81可选地以图中上部所示的方式嵌套和支撑。一个轴连接到涡轮“定子”而另一个连接到涡轮转子。在这个反向旋转的涡轮实施例中，两个轴以相同速度在相反方向上转动，因此气体的质量、方向和速度必须设计成对于该条件为最优的。在另一实施例中，发电机和/或电动机没有暴露在空间60中的气体流下，但设在其身的封闭体中，并且可选地通过任何便利的方式冷却。在另一实施例中，这对反向旋转的轴没有共同的轴线。在一些备选实施例中，任何具有反向旋转轴的机构可设在具有本发明发动机的壳体里的任何便利位置。在其它实施例中，至少一对轴不是反向旋转而是沿相同方向旋转。在另一实施例中，曲轴75和81中的至少一个是整体式的，和/或通过一个共同轴连接，且它们所服务的装置没有主要的反向旋转部件。在另一些实施例中，图463至513和图523至537中的任何特征可与这些图中的任何其他特征以及图1至324和图400至425公开的任何特征组合。
在选定实施例中，任何燃烧源(包括工业流体床燃烧和传统的或本发明的发动机)的废气与水或其他流体以任何方式混合，以去除废气中的选定成分，包括颗粒、碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化物(NOx)和二氧化碳(CO2)。水在接触废气之前可选地是含有一种或多种其他物质的流体的一部分。气体通过油箱或储槽，其含有水基流体或者作为备选或附加的水或水基流体(其可为任何形式，包括液体、气体、水汽或蒸汽)，气体然后被引入废气流，该过程可称为洗气。在水已经润湿、加重和/或与废气的至少一种成分反应之后，水将含有至少一种新组分，或水中已有组分的量增加，并且水或水基流体将具有改变的组分。在接触废气之后，改变的水基流体可储存在油箱、被去除和定期丢弃，或者经过处理以去除新成分或之前出现的成分的量增加。可选地是，该处理在某种程度上是水或水基流体基本上恢复到其原始状态，并再次接触废气以便重复循环。如果水或水基液体留住和含有颗粒物质，改变的液体可通过颗粒网(其定期清洁或更换)，或改变的液体可经过某物质或与某种物质混合，该物质将与颗粒物质发生反应产生新化合物。在一段时间以后，该物质将会消融或消耗光、需要替换，或者可选地在相同时间之后去除新化合物的沉积。可选地，一种或两种消融物质和待清除物质将留在可拆卸和可更换的盒体或模块(包括如本文所公开的)中。上述针对颗粒物质去除的工艺和过程可用来和/或适于去除废气中的任何成分。在备选和/或其他的实施例中，废气与一种或多种其他物质混合，这些物质包括水和/或水溶液中的物质，在废气处理系统中，通过使二氧化碳与其他物质和/或水反应或结合以形成任何其他产品来从废气中部分地去除目前主要未清理的二氧化碳(CO2)。作为示例，去除CO2的系统可选地包含形成碳酸，其可选地经过金属或细丝基底或其他系统，它们可在处理系统中与该酸组合以形成盐。可选地在传送到储存位置之后或在它们与其他物质组合而形成新化合物以后，这些盐定期被清除。在备选的用于清除CO2的水基系统中，石灰或氧化钙进入水中形成氢氧化钙，其与CO2反应形成碳酸钙，即可在后面清除的沉降物。在一个备选实施例中，用于清除CO2的水基系统包括碳酸钾溶液或任何其他碳酸盐或物质的溶液。对于CO2来说，仅与水的相互作用将会产生碳酸，与水溶液中的另一物质的相互作用将会产生另一化合物，其通常存在于溶液或悬浮液中。水与碳酸和/或水与其他物质的所得混合物可储存在箱体中，该箱体可定期倒空到某种丢弃系统中。备选地，水与碳酸和/或水与其他物质的混合物可通过或流过或与金属或基底或其它材料混合，其中碳酸和/或其他物质将反应形成盐和/或其他物质。在一段时间之后，金属或基底或其它材料将消融或消耗光并需要更换，可选地在相同的时间之后，盐和/或其他物质的沉淀物需要清除。应当注意，如果从废气中清除所有CO2并与另一物质组合，一公斤燃料将产生约5到10公斤其他物质。如果加燃料和清除其他物质同时进行，储有其他物质的箱体将会变得比燃料箱大很多，且废气处理系统是其一部分的系统如飞行器或车辆的重量会随着燃料的消耗增大。
在任何应用包括工厂和发电设备中，任何污染物清理系统在其端部均具有污染物测量传感器，该传感器在废气中的污染物含量高于它应该具有的程度时触发电路。在更换车辆、水运工具或飞行器的故障部件和/或从其内燃机的废气中去除任何物质的情况下，这些可选地包括电子或其他默认系统，在废气处理系统的任何故障部件被更换或储存处理系统产物的任何箱体或储槽被清空之前，它们不可能再补给燃料和/或不可工作。电路可用来发出警报和/或在清晰可见的位置处(包括在车辆、飞行器或水运工具上)点亮灯。在本发明的内燃机中，离开燃烧室的废气可具有900到1400摄氏度的温度，这取决于发动机调整的状态、应用和处理系统的位置。该温度比传统发动机高，并且通常将会使水和/或溶液中的其他物质和要清除的废气组分之间的初始反应更有效且更快速。在另一实施例中，对接触气体的水量进行计量或使之与气流量成比例，因此，只要足够或稍多一点的水来完成所需反应。在一些应用中，该水量非常小，所有或几乎所有的水将会通过热废气转化为蒸汽，在CO2可能减少的情况下，所形成的一些或所有碳酸将是气体而不是液体。在一些应用中，流体中的所有成分在所需反应发生后将以气体形式存在，包括初始废气的残留物和痕量水。在这种情况下，热气体可经过或流过适当的金属或基底或其他丝状材料以便清除第一反应中的产物。在将水转化为蒸气之后，如果混合物对于要在限定时间内完成的任何所需反应来说不够热，则在气体处理期间的任何时间里对其进行额外的加热。在上述所有的实施例和应用中，所需反应可选地通过在反应环境中添加催化剂来促进和/或加速。在另一实施例中，如果储槽或水箱是废气处理过程的一部分，则通过适当地调节箱体或储槽中的水或其他液体的量和/或单独地冷却或加热它而使水维持在理想温度。冷却或加热可采用任何便利的方式。例如，冷却可以是通过使进入充料经过箱体或储槽来直接实现，或通过使空气流过处于液体中的热交换器、通道或散热器来直接实现。加热可采用任何方式，包括通过在储槽或箱体中放置电加热器或其他加热器。在已经完成了上述所有处理后，废气温度将会降低但仍然很高，这主要取决于已转换为蒸气的水量。在另一实施例中，在废气释放到大气中之前，通过任何便利的方式来利用废气中的剩余热能，以维持任何箱体或储槽中水的理想温度，和/或将液体整个或部分地煮干以留下所需沉积物。这种方式包括直接使气体流过液体箱或含有液体和/或气体的储槽，或使气体流过热交换系统，该系统将热能传送到液体箱或含有液体和/或气体的储槽。在本公开的任何实施例或应用中，用以促进流体混合的风扇或叶轮或其他装置可设在废气处理系统的任何部分。
作为示例在图477至480中显示了上述一些实施例。图477是显示了基于液体箱或储槽的系统的原理图，其中标号1851是部分充满的含有水1852的箱或储槽。废气在标号1853处进入，流过水或与水混合，之后经过可选的颗粒过滤器1855(其可选地包括丝状材料)，随后流过可选的污染物去除系统1856(其可选地包括丝状材料)，废气由可选的风扇或叶轮1857协助流过系统，在标号1854处排出到大气。可选地设有经设在箱中任意位置上的电路1860来供电的风扇1858，用以改善水蒸气或蒸气与废气的混合，且可选地设有由电路1860供电以使水保持在理想温度的电加热器1859。可选地，水通过泵 1861再循环，经过污染物去除装置1862，经通道1863沿方向1864返回，在标号1865处回流至箱。可选地，仍热气体从中经过的热交换器1866将热能传给一个或多个其他热交换器1867和1868，以加热污染物去除装置1862和/或箱1851使之维持理想水平的温度。热交换器通过流体流过(可选地沿由相邻但未编号的箭头所示方向)的通道或管1869连接，该通道或管可包括任何数量或类型的阀(未示出)。污染物去除装置1862和污染物去除系统1855和1856可配置成用以去除任何物质，包括颗粒物质、碳氢化合物、二氧化碳、氮氧化合物和二氧化碳，一种或多种已去除物质可储存在一个或多个箱1870中。如果气体被保存，它可在压力下被压缩和保存。虽然在各位置中仅显示了一个装置1862和一个系统1856，但任何数量的装置和系统可串联或并联地设在各个位置中。图477所示的任何部件可具有适用的任何绝热件。在备选实施例中，计量供应的水与废气混合，其量只需足以完成一个或多个所需化学反应的水组分或仅多一点。
作为示例，纵剖面图478和沿线B的截面图479显示了布置成某角度的废气处理系统，其中箭头A垂直指向下。标号1853处的废气流过通道1871并以某角度转向，进入主处理结构1880，其第一部分为近似圆形截面的混合室1872。可选地在结构1880中提供绝热件1882。气体的最大密度和可能速度在拐弯1873处出现，其中气体速度在某种程度上可通过相对于通道1871和混合室1872的截面积的A处截面积来设定。水或其他液体在标号1875处供应，并通过一个或多个备选方式进入混合室；在标号1876处它作为滴或蒸气供应，在标号1879处分成更小的滴，在标号1890处它是来自喷头式装置的重力自流进料，而在标号1877处它是通过喷射器在压力下以喷雾1878来供应，该喷雾可与气体运行方向基本上相反。在另一实施例中，液体可被加热、过加热，或者如果是水，可以至少部分地以蒸气的形式，并可在任何合适的压力和温度下传送。气体随后经过可拆卸和可更换的处理模块或盒体1855和1856，可选地在标号1854处排到大气。如果需要的话可在标号1857处设置抽取风扇，以助于沿方向1854抽取气体。可选地设置风扇1858来拉动和/或加速气体。该处理模块设在处理结构的扩大截面部分，如图479所示，该图是去除了处理模块或盒体的放大部分视图，并显示了规则处理结构1885的内径，虚线1886指示模块或盒体的插入位置。盖1881的内部是月牙形的，使得任何水分会下滴离开盖而进入主结构(其如盖一样可选地整体封闭在绝热件1882中)。扩大部分的排放道1883使多余水分沿管1884向下流入混合空间的底部。拐角1873设有紧急或维修用排污塞1874。系统中的下降显示为与气流方向相反，但在备选实施例中它与气流方向相同。处理模块可设计成能整个地或部分地去除废气中任何成分，并且它可以是任何形式包括纤维的、丝状的或多孔的，并可由任何材料包括陶瓷、高温金属合金、金属、基底或任何材料的组合制成。它们可包括会与气体的成分反应且随时间消融或减少的材料，和/或包括催化剂以助于反应过程，但催化剂自身并不是反应的一部分。为使处理模块或盒体的拆卸/更换容易和干净，它们可包括安装在处理模块结构内的且在气流经过的表面上具有孔的结构，其具有处理物质(可选地包括丝状材料)。三向投影图480非常简明地示出了这种容易安装和拆卸的处理模块结构的图，它具有“滤茶网”构造。它具有垂直于气流的网状或带孔面1887、平行于气流的实心面1888，并包含任何丝状材料1889(包括本文公开的)。作为废气排放处理系统的一部分的可拆卸“滤茶网”型模块可具有任何适合的截面形式，包括这里所示的圆形、椭圆形、矩形等。它们可包含任何硬件，包括如本文所公开的丝状材料，和/或任何包括催化剂和/或会消融和会用完且要更换的材料的其他物质。作为可选和/或附加，它们可包含任何类型的过滤器。图480的可拆卸模块是固定系统的隐含部分。在备选实施例中，滤茶器型可拆卸模块可以是本身就可拆卸的系统(如图473和474中箱体的“卡入”型往复运动发动机级275和CO2排放系统278)的一部分。图463至480是示意图且未按具体比例绘制，除图463所示的高度外它们也没有按相互间的任何具体比例关系显示特征和部件。
当今的金属发动机硬件在蒸气机时代便投入商业化，随后用于往复运动内燃机。安装这种发动机和生产设施、制造这些发动机及其组件中的部件的技巧具有巨大的全球性基地。迫切需要一种采用明显不同的部件和制造及组装方法的全新且更高效的发动机，但显然，要想广泛地引入它们还需相当长的时间。重要的且同样具有吸引力的策略是采用目前的传统发动机，通过实行相对简单的改变使它们能够更有效地工作，从而节约燃料并减少CO2排放。目前，发动机速度和功率密度受多种因素限制，包括所需燃料传送和正确完成的燃烧过程所需的时间。如果是车辆、飞行器和水运工具，提高的功率密度导致改进的燃料经济性，因此也减少了CO2排放，这是因为需要运送的发动机质量变得更小。如果是更大型发动机、包括用于发电和水运工具推进的发动机，限制发动机速度并因此限制功率密度的最重要因素是往复运动部件的质量所导致的应力。在本公开的另一部分中，在不太传统的发动机布局的描述中，显示了曲轴和活塞之间的连接件如何主要承载张力。发动机中的任何机械连接可构造成主要承载张力。例如在目前的发动机中，推杆可由“拉线”代替。在另一实施例中，曲轴附近的凸轮轴通过主要承载张力的部件促动一个或多个阀。作为示例，在示意图481中，凸轮轴1256带动固定在枢轴1258上的摇杆1257，该摇杆1257经张力件1259促动锚固在枢轴1261上的摇杆1260，而摇杆1260接着打开盖1004中的阀1262，阀由弹簧1263加载而返回其初始关闭位置。显然，采用张力件可允许凸轮和阀机构在位置上更自由，因为力线不再一定是一条笔直的路线。作为示例，张力件1259显示为通过轮、辊或轴承1265的引导而不与另一发动机构件1264接触。张力件不一定是线；它可以是细杆。在另一实施例中，安装在枢轴上的杠杆既用于形成围绕障碍物的间接路径又用于冲程放大器。在图482的例子中采用了“拉杆”438。在此实施例中，上摇臂1260、枢轴1261、阀1262、弹簧1263、盖1004、凸轮1256、下摇臂1257和枢轴1258均在图481中显示。两个摇臂通过两个杆438连接，以便通过围绕枢轴436安装的冲程放大器437而不会接触到障碍1264。杆具有螺纹端，其带有穿过柱状枢轴440安装的可调锁定螺母439，枢轴440又安装在摇臂和冲程放大器437上。该图未按具体比例绘制。由于拉杆主要用于承载张力，因此它们可以比传统推杆细和轻得多，并且通常处于下部凸轮从动件和上部从动件之间的直线上，需要可观的质量和厚度以防止弯曲或其他变形。在另一实施例中，通过用任何便利的方式使凸轮直接促动“拉”线或杆，从而消除了图481和482的下摇臂。作为示例在示意图483中，张力件1259连接在围绕凸轮1267的可移动笼1266上，笼具有凸轮从动件1268(由滚柱轴承示例性示出)和可动地安装在固定柱形导杆1269a上的槽1269，从而限定了相对于凸轮的沿箭头1270所示的方向的从动运动。导杆1269a也可以是凸轮轴。笼的上延伸部1266a可滑动地安装在发动机壳体的部分1269b处。可选地，笼也可具有下延伸部1266b，其可滑动安装在发动机壳体的部分1269c处。上述主要承载张力的促动机构可适于用作任何发动机或机械系统中的任何用途的任何促动机构。
实际上，所有内燃机至少在某种程度上在宽广变化的负载和速度的条件下工作。它们设计用于在从空转时的低速到最大设计速度之间的各种速度下运行，以及在负载从空转时的非常小负载到最大设计负载之间变化的负载情况下运行。在最大负载和速度下发动机最热地运行，为防过热，常规设计是用冷却系统来在这些条件下去除大量热能。热量驱散率是时间的函数，因此当发动机运行更慢和/或负载更小时，所用更大比率的燃料能量会通过冷却系统而作为热消散掉，这是因为冷却系统通常具有针对最大负载和速度条件的固定容量。效率是燃烧循环开始时和实际燃烧之间的温差的函数，其中燃烧循环开始时的温度是进入空气的温度，因此相对恒定。目前的发动机通常运行在极其不同的温度下，因此根据负载和速度具有宽广变化的效率。本发明的目的是让发动机不管负载和速度条件如何总是在其最大设计温度下运行，因此总是在由温度所确定的其最大可能效率下工作。其他因素也会影响效率，但它们不是本发明涉及当前发动机技术的改进的关键。显然，大多数目前的发动机通常在远低于它们的由温度所确定的最优效率下运行。一个典型的例子就是，目前的汽车在其满载时其发动机设计成用以提供爬行约25公里距离的大斜坡的最大加速度和速度。在日常应用中，这些情况几乎不会出现：通常只有一个乘客，旅行多数在大致平坦的地面，速度设定为远低于本地法律所规定的量，或者车辆处于空转或在交通拥堵中缓慢行驶。如果在后面的情况下发动机可以总是在非常接近其最大设计温度下运行，则整个效率将得到大幅提升，并且燃料使用和CO2排放将大大下降，这是本发明重要的优点。几乎所有的内燃机目前必须满足排放规定，其要求严格地减少污染物如颗粒、碳氢化合物、一氧化碳(CO)和氮氧化合物(NOx)，并要求配备废气排放控制系统。这些包括各种类型的反应器和催化剂：几乎所有的装置涉及对通常在未处理废气中仅缓慢发生的化学反应进行加速。通常，化学反应的速度随温度增加而快速提高。个别的是，给定催化剂的效果随温度升高增大而增强。在上述汽车的例子中，废气通常以远低于该系统的设计温度而通过排放系统。如果在几乎所有工作条件下发动机及其废气具有基本恒定的温度、可选为接近发动机设计极限的温度，则排放系统可制成为不那么复杂且成本更低，或者它可以更大程度地清洁废气，这是本发明的重要优点。建议提供一种废气处理系统，其在最高温度下工作，在适当之处延长气体在更热处理系统中的驻留时间。对于恒定工作温度，还提出最大效率的通常是常规构造的发动机，其通过在四个基本方面进行较少的改变和调整来实现：(1)改变发动机构造的细节和材料；(2)在发动机通常为轻载期间引入额外的负载；(3)提供具有各种变化工作性能的冷却系统，提供隔离，通过在选定时间上增大冷却系统的容量以补偿它；(4)在低速和/或低负载期间加热进入充料空气。
在本文公开的修改的传统发动机的实施例中，通过人工和/或计算机程序或它们的组合(此时它们单独地或同时地进行)来确定、控制和/或改变下面可变参数中的至少任何一个：发动机的速度；流过任何摇臂封闭体或曲轴笼或发动机的所有或部分的任何封闭体的充料空气的量；任何电子充料供给装置的正时和程度；空调或加热的程度；冷启动期间废气流的调节；燃料供给的正时和程度；润滑流体流的正时和程度；冷却剂流体流的正时和量；进气阀和排气阀开口的正时和程度；发动机制动的正时和程度。在一个或多个计算机中安装了任何计算机程序，计算机提供了和可选地接受不同的电路以通过任何适当的方式直接或间接地改变参数。这种方式可选地包括如上所述的确定、控制和/或改变，其可选地通过例如螺线管、伺服电机和/或一个或多个促动机构中的带有液压流体的液压电机或泵。该计算机可安装在发动机内或其上的任何方便位置，或者安装在发动机形成为其一部分的系统内。计算机可选地接收至少一个或多个传感器或测量装置的电气或电子信号，计算机程序处理来自传感器或测量装置的数据，所述传感器或测量装置可确定下述参数中的一个或多个：前向速度；风向；风力；大气温度和压力；与发动机关联的任何促动系统中的流体温度和/或压力；任何冷却剂流体温度和/或压力；发动机速度和/或负载；任何发动机的一个或多个部分中的温度；任何发动机的一个或多个部分中的压力；发动机废气的部分的组分；用于操作者的任何封闭空间和/或任何其它封闭空间内的空气温度和/或状况；燃料的使用速度；使用的燃料和/或剩余燃料的量。
本公开在图183至193中显示了如何拆卸并用临近排放端口的废气反应器来更换标准歧管(这可在最高温度下操作)，以及这种具有相对较大空间的反应器如何提供更长的气体驻留时间。在一些应用尤其是车辆的发动机中，例如在发动机舱中没有足够的空间用于图183至193的反应器壳体，或现有的发动机本体配置成使很难或不可能配合这种壳体。在另一实施例中，现有歧管可由能连接在现有本体上的改进的更大歧管代替，替换歧管具有如图183至193所示反应器中的大多数特征，包括含有本发明的丝状材料和/或催化剂，以及可选地具有本发明的可变封闭装置，其通常在冷启动期间进行。作为示例，图484、485和486分别示意性显示了典型的现有歧管3210形状的顶视图、正视图和沿线A的截面图，该歧管通过紧固在发动机本体3213的螺杆上的水平和垂直间隔开的螺母3212而安装在适配于发动机本体3211，并具有阀盖3214。本体中的排气端口3215的中心线由标号3223示出，歧管空间的内表面的轮廓线由虚线3222示出。安装在同一本体3211上的替换歧管3216类似地示意性显示于图487、488和489中，其中废气反应空间的各个尺寸均增大，包括垂直地挡住了固定螺母3212(如图488中点线3217所示)，从而在B处留出只够容纳工具和螺母的空间。可选地提供了隔板3218来以将反应器分隔成上部空间3219和下部空间3220，这两个空间通过一系列总面积至少等于一个排放端口的面积的孔3221连通。孔和隔板加长了从端口到歧管出口3224的最短可能路径。为进一步延长该最短路径，孔3221可集中在反应器的一个区域中，如图487中的例子所示。可选地，丝状材料3225在其置于发动机本体3211上之前装在歧管中。在另一实施例中，采用另一组紧固件3212在歧管的底部，以将其连接到发动机本体3211(未示出)上。在另一实施例中，歧管由多个紧固在一起的件组成，可选地促使歧管内的丝状材料和/或其他物质(包括本文所公开的丝状材料和/或任何物质)的放置和/或更换。例如，参见图489，空间3220的封壳可以是一个单独件，其连接在封闭空间3220a的另一单独件上。借助另一示例，示意性截面图490显示了与图489类似的布置，不同的是歧管3216具有出口3224连接于其上或与之形成一体的底板3227，在将丝状材料和/或其他物质3225放到下部中之后，该板通过具有轴线3226的紧固件牢固地安装在歧管主体上。可选地提供了喷射型绝热件3228。在另一适于发动机的进气和排放端口处于同一侧上的实施例中，进气和排气歧管组合起来，以允许把热量从废气传递给进入充料空气。在发动机低速或空转时，这时发动机运行温度最低，充料空气最慢且将吸收最多的热量，提高发动机整体的温度，而在高速下它将吸收很少的热量。作为示例，图491以示意性截面图显示了组合式歧管3216，其具有用于充料空气的上部空间3231、用于废气的下部空间以及进气端3230。这里，下部空间以与图490所示歧管的下部类似的方式构造，并包含丝状材料和/或其他物质3225。隔板3218可选地比其它壁要薄，并可具有传热翅片3232，这里显示为伸出到充料空气空间中。作为附加和/或备选，它们也可介入到下部废气空间中。如果进气端口和排放端口的轴线如标号3229所示地大致平齐，则隔板可围绕它们形成波浪状，如标号3233示意性示出。可选地在整个歧管上施加喷射型绝热件，包括上部充料空气部分。如果歧管用如铸铁这种材料制成，那么它的大部分或全部将会变热，而且上部的绝缘将增加辐射或传送到充料气体的热量。
随时间的过去，发动机本体、气缸盖和/或散热器中的液体冷却剂通道的内表面与冷却剂发生化学反应，以形成通常为随机沉淀的氧化物和其他化合物沉淀和/或小片。冷却剂中的杂质如水中的钙通常会留在这些小突起上而形成硬壳，这既会阻碍水流也会限制热量从冷却剂中传出。在认识到这些之后，任何制造商设计冷却系统，以处理发动机在最大速度和负载下在其设计寿命结束时的氧化和硬化，在汽车发动机在运行约150000公里的时候。在其寿命之前的所有时间里，冷却系统比所需要的更大，从而导致发动机的运转更冷。建议构造抗蚀材料的发动机本体、气缸盖和/或至少散热器的核心部分，并构造几乎完全光滑的冷却剂通道内部。如本文其他地方所公开的，适当的材料包括陶瓷，但最明显的是包括抗蚀合金，包括属于例如不锈钢和镍铬系列合金的那些材料。采用这些材料，在发动机的整个使用期中实际上将不会堆积氧化物和硬壳，并且冷却系统将会在发动机设计寿命期间以基本恒定的效率工作。将盖连接到本体或将其他部件连接到本体或盖上的螺栓也可以是抗蚀合金的。这带来了两个好处：它们将具有与它们所穿过的部件相同的热膨胀系数，并且可穿过冷却剂通道，这与普遍流行的实际情况相反。后者将允许在发动机中形成更大的冷却剂空间和更大的冷却剂容量。稍后将会介绍容量的增大有利于维持最大发动机温度。目前的发动机本体和气缸盖通常是铸造的。如果不考虑实际铸造抗蚀合金，或如果铸造不能产生冷却通道所需的光滑表面，那么发动机本体或气缸盖可由单独部件的组成，在需要时用机加工以产生光滑表面。在另一实施例中，到主发动机的进入充料气体的通道具有至少一个备选路径，它能可变地打开和关闭并穿过发电机或气体泵，其效率损耗转化成热并加热充料气体。在另一实施例中，到主发动机的进入充料气体的路径具有至少一个备选路径，它能可变地打开和关闭，并直接或经由热交换器穿过曲轴箱空间和/或油罐，在打开时气体由曲轴箱和/或油罐中的热量加热。在另一实施例中，油可变地流过油冷器，使得在高速和/或高负载时在没有或几乎没有充料可通过曲轴箱的情况下，这些油接近极限地冷却，并且在低速和/或轻载时在充料空气通过曲轴箱的情况下，这些油几乎不被或根本不被冷却。在另一实施例中，到主发动机的进入充料气体的路径具有至少一个备选路径，它能可变地打开和关闭，并直接或经由热交换器地穿过盖(其可选地容纳了阀齿轮)上方的封闭空间，以吸收热量并加热充料气体。当主发动机接近或在全速和/或满载下运行时，充料气体几乎不或根本不通往一个或多个备选路径。当发动机在轻载或低速运行时，充料空气至少部分经至少一个备选路径流到发动机，以进行加热。充料空气的加热将提高循环开始时的温度，其也会提高燃烧温度，以助于维持本体、气缸盖和废气排放系统的温度接近于最大设计温度。具有从一个充料进口分出的多个充料气体通道的发动机可具有放在这些通道分叉之前的过滤器或净化装置。在另一实施例中，绝热件放在发动机的外部，并且提供更大体积的冷却流体，其在低负载和/或低速期间几乎不循环，而基本上在高负载和/或高速的期间循环。在目前的发动机中，大约一半的总热量经过发动机和排气歧管的连续辐射而消散，这一般而言是不可控的，而其余部分的热量由冷却系统消散，这是可控的。
为使发动机接近于它们的最大设计温度运行，应消除或尽可能地限制经连续辐射的热扩散，并且调节冷却系统的散热以维持高发动机温度。上述实施例中的一些作为示例显示在示意性截面图492和局部平面图493中，其中显示了多气缸发动机，它具有气缸盖3241、气缸3242、底板3243、主螺栓3244和曲轴桥3245，它们均由不锈钢类合金制成。活塞3246、连杆3247和大端销中心3248的弧用虚线显示。侧板3249限定了冷却流体空间3250。虚线箭头所示的充料空气在端口3256处进入发动机；实线箭头所示的废气经端口3257离开，两个端口用虚线轮廓表示。阀封闭体3251和/或曲轴箱3252均有两个折叠金属的热交换器3259以提供较大的表面积，各热交换器在一定工作模式下将充料空气带到端口3256，曲轴箱换热器部分地没入润滑流体3253。螺栓将气缸盖3241和底板3243紧固在一起，气缸3242和侧板3249夹在它们之间，从而形成螺栓从中穿过的大水套3250。盖带有切口以允许该大体积水套围绕着排放端口3257的大部分。绝热材料3260覆盖侧板3249、阀套3254和曲轴箱套3255。这些图仅是简图；阀、凸轮和凸轮轴、燃料传送装置、衬垫没有全部显示。在一个备选实施例中没有使用换热器。相反，充料空气在进入端口3256之前直接通过阀封闭体3251和/或曲轴箱3252。在另一实施例中省略了一些或全部绝热件3260。
为了改善调节发动机温度以尽可能接近最大设计温度，在气缸盖、发动机本体、阀套、油盘套和/或类似部件中的至少一个上使用了某些形式的绝缘，并且通过发动机负载和速度的控制来使冷却剂循环的程度基本上无限可变和可控。在一选定实施例中，在发动机的外部尽可能远地用绝热材料覆盖，以限制连续辐射散热到最小程度，从燃烧室周围的区域中去除最大比例的热量可选地经可变和可控的流体传热。发动机外部绝缘可采取下述两种基本形式中的一种或两种。首先，将一层绝热材料涂于发动机本体或其他部件的金属上。该层可在制造过程中喷射在其上，就像在建筑物中的钢架上喷射绝热材料以提供防火性那样。备选地，它也可为一些形式的绝缘垫，它们可拧在或夹在部件如本体上，可选地通过这样的方式，即通过去除一些部分，绝缘可调节为适应季节、区域市场、应用和用途等，和/或可够到安装在发动机中或上的部件，例如喷射器、电热塞、火花塞等。其次，发动机部件可通过将其安装在与之隔开的壳体里而有效地实现无级式可变的绝缘，其中在空间中循环的大气量是可变的。该循环可通过使通向空间的空气进口和/或出口的尺寸可变而改变。循环可通过对流、可变速的风扇或通过这两者引起。壳体可具有可拆卸的套以便可接触到部件、孔或端口。电线和/或燃料管线可经过壳体中的可拆除套，以连接到例如火花塞、电热塞或燃料喷射器上。例如为了更换喷射器，去除套，使喷射器可沿燃料管线滑动而足以将工具插入过孔或端口，然后断开与燃料管线的连接，拧松并取走喷射器。作为示例，横截面图495和纵截面图496非常简明地显示了连接到变速箱3272的发动机3271，该发动机具有曲轴箱3252和阀封闭体3251，由间隔开的和可拆除的封闭体或套3273包围。在前下部有一个可打开和可闭合的活门3276，在后上部有一个类似的活门3277。在低速和/或轻载时活门闭合，空气留在空间3275中有效地充当绝热件，这时发动机就会变热。在高负载和/或高速时活门完全打开，空气流过空间3275并经过发动机的侧仙，如虚线箭头所示。空气运动可通过对流进行，也可在A和/或B处设置定速或变速风扇来推动空气通过空间3275，从而冷却发动机的侧面。可选地，该空气的全部或部分可直接被引向充料空气入口。可选地，类似于封闭体或套3273的封闭体或套(如虚线3274所示)可具有曲轴箱套3252和/或阀套3251和/或变速箱3272。可选地，盖上选定位置处的冷却翅片将热量辐射到空间3251中的阀套封闭体中，如图492在标号22处所示。燃料管线或电线或其他管以任何方便的方式经过水套，包括如图523中下面所示的那样。结合绝缘的发动机部件，发动机冷却剂流体优选至少部分地通过至少一个变速泵而可变地循环。这种泵可通过发动机、CVT或变速电机以机械方式驱动。在一选定实施例中，冷却剂循环在低载/低速情况下仅通过对流实现，当负载和/或速度增大时变速泵起作用。在另一实施例中，主要发动机部件各自具有独立的冷却剂循环系统，各个系统具有自身的泵、散热器、壳体等。例如，气缸本体与气缸盖分开冷却，针对各个单独的部件如气缸盖和/或发动机本体单独地调节冷却剂循环，以便维持各个部件在其最优温度下。除了可变冷却剂循环之外，冷却剂散失的热量可通过变速风扇吹动空气使其以不同流速流过散热器来调节。作为示例，示意图520显示了贯穿发动机的截面图，其具有阀杆5从中穿过的气缸盖1，气缸盖安装在发动机本体2上，活塞3在其中沿方向11往复运动而限定了燃烧室4。气缸盖1具有冷却流体通道6，该通道不与本体连通，但连接到第一散热器7上。本体具有不与气缸盖连通的冷却流体通道8，并连接到第二散热器9上。循环独立并可变地保持在各个冷却系统中，以便总是将发动机维持在接近其最大设计工作温度下。在另一实施例中，在基于气缸盖的冷却系统中，发动机本体不具有冷却套，而是具有与冷却通道连通的凹陷，其中本体的质量设计且分布成不要求流体流过大部分本体。作为示例，示意图525显示了贯穿发动机的截面图，它具有阀杆5从中穿过的气缸盖1，气缸盖安装在发动机本体2上，活塞3在其中沿方向11往复运动以形成燃烧室4。气缸盖具有连接到单个散热器7的冷却剂流通道6，而该盖具有与盖中的通道6对齐的凹陷9。可选地，冷却翅片10结合到本体2的某些部分上。
在另一实施例中，封闭体的原理可用于一个或多个燃料传送部件上以便加热燃料。通常，燃料越热，燃烧就越快，如果燃料是液体，将出现蒸发，因此提高了发动机性能。作为示例，图522以简化截面显示了柴油机的高压泵12，其通常安装在几列V形构造发动机之间的发动机13中心内的开放空间中。可选地包括绝热和/或绝声材料的壳体14通过具有轴线14a的紧固件连接到发动机部分13上。沿方向15在由高传热性材料制成的管线16上流动的低压燃料流过壳体，并且管线16随后可选地卷曲或折叠，之后连接到泵12。可选地在管线16上设置了传热翅片。从泵开始，管线18中处于高压波下的燃料流过壳体14，沿方向20连接了各喷射器(未示出)。可选地，管线18在它们离开封闭体21后落后于绝热材料19。因为在封闭体21中没有大气循环以及发动机表面正在散热，因此封闭体中的温度比大气温度高得多，允许燃料在进入泵之前在其沿可选地加长通路流动时吸收相对多的热能。在备选实施例中，管线18的运行路径在它们离开封闭体之前加长，如针对管线16所示。在另一实施例中，如果泵不能承受更高的温度，壳体仅覆盖管线16中的直至其到泵的连接和/或从其到泵的连接到管线18。可选地是，在壳体中的孔22比管线所需的大得多，以促使管线连接到泵上，其中孔由可沿这些管线滑动的套或轴环充满。作为示例，示意图527显示了轴环23，其处于可密封限定了加热封闭体21的绝热壳体14和具有绝热材料19的管线18之间的孔的位置。轴环用虚线24显示处于远离管线18的状态，以便允许通过孔的工作。
当发动机在低速和/或低载情况下运行时，可施加附加负载以提高发动机温度。在一选定实施例中，蓄能器或其他发动机或电动机在低速和/或低载时或在刹车以帮助减慢发动机或车辆的速度时与主发动机接合，而在无蓄能器或无辅助发动机操作的情况下或在稳定工作或加速的情况下需要更多的主发动机工作时脱离。蓄能器可采取任何类型，包括由发电机供电的电池、由气体泵供料的变压气体储槽、飞轮等。在一个实施例中，蓄能器是发电机，可选地经由控制器对电池充电。在另一实施例中，蓄能器包括将空气压缩到加压充料储槽中的泵，类似于图11公开的实施例。此高压充料在选定工作模式如加速或高负载的工作模式下回送给主发动机。当蓄能器系统在空转期间与主发动机接合时，所施加的新负载将会使主发动机的速度下降，任何充料气体流过例如曲轴箱和/或摇臂套，它们由于更长时间地驻留在这种空间里而变得更热，并且在了时空转速度将会再次升高。在另一实施例中，蓄能器如发电机仅在刹车期间以及低速和/或低载下接合，其尺寸满足所有要求，同时基本上仅在那些条件下工作。在适于车辆和其他应用的另一实施例中，当风门踏板在空转期间被压下时蓄能器自动脱离。在许多发动机中，目前把空转速度设定的相对较高，以便将废气温度和流动维持在使得维持废气排放系统正确操作所需的最小排气温度下，因此需要增加燃料使用。在上述示例中，额外的负载和产生的额外热量维持排放系统的适当运行，无论是否使用燃料，至少部分地由蓄能器转化成有用功。在混合车辆中采用相关技术作为双主电动系统(内燃机和电驱动发动机)的一部分；在本发明中，蓄能器的运行不受混合驱动考虑的控制，而在相当程度上受增加发动机负载以维持温度处于或接近最大发动机设计温度的需要的控制，还在选定工作模式期间用于协助车辆制动。用于填充高压充料气体储槽的空气压缩机可以是电驱动的，由电池或发电机或两者的组合供电。发电机在发动机的低载和/或低速运行下工作，以便在主发动机上施加额外的负载，从而提高温度，其所用的功直接或间接地至少部分用于给泵供电，该泵用于供应高压充料气体储槽。可选地，发电机给电池充电，其能量可在任何时间被吸取以便给蓄能器、如泵填充高压气体储槽和/或飞轮充电。在一选定实施例中，蓄能器具有可变的性能，即它吸收不同量的主能量以储存变化的能量。例如，发电机可通过可控传动比的无级变速箱(CVT)连接到发动机。最初在与主发动机接合时它吸收少量能量，通过改变CVT的比例，它快速地吸收更多的能量。在另一实施例中，在曲轴和变速箱之间的一个或多个部件中构建以使这些部件用作飞轮的质量移动到另一旋转部件，其可单独且可变地接合并成为发动机飞轮，此时就具备了可变性能。此单独且可变接合的飞轮可设在任何地方，包括在曲轴箱中或发动机之外。在另一实施例中，如果主蓄能器是飞轮，发动机可以可变地耦合到其上，使得它也可用作发动机飞轮。可变耦合意思是它可以接合或脱离，和/或当接合时它可以改变传动比。在备选实施例中，在车辆中蓄能器还至少用于驱动车辆。作为示例，图494非常简明地显示了发动机3261通过双锥-带型CVT连接到发电机3262，该CVT包括两对由无端带连接的锥体。发动机上的锥体3264挨在一起，给皮带提供了较大直径的缠绕，而发电机上的一对锥体相隔很远，以便给皮带提供较小直径的缠绕。在那种布置中，具有轴线3267的发电机轴将比具有轴线3266的发动机轴旋转得快的多，使得发电机产生更多的电能，并给发动机施加更大的负载。当每对锥体的间隔反过来时，发电机轴将比发动机轴旋转慢的多，在发动机上产生很少的电力和负载。可选地，发电机可通过一个或多个离合器和/或皮带张紧器完全从发动机上脱离。在另一实施例中，针对发动机所述的接合原理适用于飞轮，如虚线3262a所示。
目前困难的是，难以满足新的最严格强制排放水平，尤其是针对NOx。对于柴油发动机而言，该问题尤具挑战性。后者通常在贫燃状态下运行，按质量计空燃混合比在20:1和30:1之间。过量空气会因此导致氧与氮组合形成NOx。根据化学计量比，理论上应当仅有足够的氧来与所有碳组合，没有氧剩下与氮组合，这是因为碳/氧反应发生更快并先于氧/氮反应。在实际情况下，理论状态很少能达到，但是在给定温度下产生NOx比在贫燃状态下少得多。在另一实施例中，针对所用的特定燃料，本发明的发动机在处于或接近化学计量比下运行，以限制燃烧室和正处于燃烧室下游的任何废气处理空间中的NOx产生。在另一实施例中，本发明的发动机在基本所有工作条件下处在或接近恒定空燃混合比下工作。这可通过双油门调节来进行：同时增大或减少串联的充料气体供应和燃料供应，使得总是把给定混合比的恰当质量的燃料提供给实际在燃烧室中的充料气体。充料气体入口的截面积可控地增大或减小，以匹配燃料供应的增大或减少，包括如本文关于图470至472所公开的。在另一实施例中，当发动机在低载和/或低速下在化学计量空燃比下工作且产生比工作模式如空转模式下所需的更多的功时，则可接合包括如本文所述的任何类型的蓄能器，且多余的功至少部分地被保留或回收。
除了能增大自然吸气发动机中宽速范围内的体积效率之外，可变阀促动能力还具有许多有用的应用。在通常为强制吸气的两冲程发动机中，入口阀促动的改变可用来补偿低速下所需的减少的充料-废气压差。在所有的中、高压缩比的发动机中，入口阀改变可用来降低冷启动或空转期间的有效压缩比。在过多能量留在废气中的发动机内，入口促动的改变可用来产生返回到入口气体储槽的一些充料，因此减少了有效压缩比但维持膨胀压缩比。在另一实施例中，阀促动的改变通过横向移动具有凸轮的轴来实现，其中该凸轮具有相对于固定从动轮而言可变的轮廓。在另一实施例中，阀促动的改变可通过相对于轴横向移动凸轮从动轮来实现，其中轴具有可变轮廓的凸轮。本公开在图46至51中给出了这些实施例的例子。在另一实施例中，在适当之处，任何特征和涉及改进的和/或无冷却的发动机的公开均适于具有金属本体的更常规的冷却式发动机，这些特征包括本公开中涉及废气处理、充料气体管理和燃料传送的任何特征，包括图183至320中所涉及的。例如，图270至272的气体储槽可用来在任何合适的压力下存储充料空气和/或废气以日后再循环，并可安装在与任何系统有关的任何合适位置，包括例如固定安装的发电机或泵组。
这里简述那些通常适于本发明的泵、压缩机和内燃机的高温和/或机械要求的材料，以及尤其适于具体说是丝状物质的材料。如果往复运动装置是泵或压缩机，那么可采用任何适当的材料，包括这里结合其他应用所提及的那些以及目前用于泵和压缩机的那些材料。任何实施例中的本发明可由任何适当材料制成，包括这里未提及的以及未来设计、发现或研究出来的那些材料。在适用于发动机的这些材料中有称为“超合金”的高温合金，通常合金基于镍、铬和/或钴，其中添加一些硬化成分包括钛、铝和难熔金属如钽、钨、铌和钼。这些超合金可在超过700℃的温度时形成稳定的氧化膜，在约为1100℃的环境温度下提供很好的抗蚀保护。这些例子包括尼莫尼克合金和因康镍合金，其熔点温度在1300-1500℃范围。在更冷温度如1000℃或更高时，也可以使用某些特殊的不锈钢。所有的材料均可用陶瓷、碳或金属纤维如钼、铍、钨或镀钨钴来加强，可选地是其表面氯化钯活化或用任何其他合适的材料涂覆或涂膜。此外，尤其是在可氧化的加强物无法用基材来适当保护的情况下，该金属可在其表面处硬化。非金属纤维或须(通常如单结晶生长的纤维)如蓝宝石—氧化铝、矾土、石棉、石墨、硼或硼化物和其它陶瓷或玻璃也可用作加强材料，如某些柔性陶瓷纤维一样。包括那些用作丝状物质的材料可通过蒸气沉积技术来涂覆陶瓷。陶瓷材料尤其适用于制造要处理腐蚀性材料的泵或压缩机，以及制造发动机活塞和气缸组件、发动机或反应器空间壳体、内部件和开口衬里，这是因为它们通常具有更低的导热性和耐高温性。适当材料包括陶瓷如氧化铝、硅酸铝、磁铁矿、堇青石、橄榄石、镁橄榄石、石墨、氮化硅、一些碳化物如碳化硅；玻璃陶瓷包括如硅酸铝锂、堇青石玻璃陶瓷、“硬质”玻璃如硼硅酸盐，以及复合物如硅铝氧氮聚合物陶瓷材料、耐火硼化物陶瓷材料、碳化硼，硅化硼、氮化硼等。如果希望导热性理想，则可采用氧化铍和碳化硅。这些陶瓷或玻璃可以是纤维的或须状的，它们用与金属差不多相同的材料加强，包括碳纤维、硼纤维，实际中尤其在高氧化铝基材的情况下采用氧化铝纤维(膨胀系数相同)构成加强。目前在本发明通常应用中具有非常高氧化铝含量的陶瓷可能考虑作为最适合且最容易得到的材料。本发明所用的陶瓷或玻璃可以是在特定应用中表面硬化的或处理的，如同金属那样，并且常采用相同或类似的材料，包括金属硼化物如硼化钛、硼化锆和硼化铬、硼化硅等。在氮化硅或其他非氧化物陶瓷用于高性能或长寿命发动机或要处理腐蚀性材料的泵或压缩机中时，接触工作流体的表面可用氧化物例如二氧化硅涂覆，以防止基底材料表面随时间形成氧化物，从而导致性能可能变差。反应空间中的丝状材料可由金属(最好制成为光滑且圆形的以防止不当腐蚀)、陶瓷或玻璃制成。一旦成为完全商业化产品就可能尤其适合的其它材料是硼纤维，其可以是纯硼或其化合物或复合物如硅化硼、碳化硼、硼化钨、二硼化钛钨等。该材料具体说是陶瓷可容易且方便地成为毛状或纤维状，许多陶瓷毛状或毯型材料目前已经商业化制造，一般是水合硅酸铝，并且它们可适用于本发明。这种陶瓷毛状物还可用作接合密封材料，其单独地使用或作为更有弹性的材料如聚合物树脂的基材。该材料既可以是具有催化作用的材料，如，很多金属和某些陶瓷材料，如，氧化铝，也可以是固定或涂覆在一种基底材料，如陶瓷上的具有催化作用的表面。对于某些移动部分而言可能需要高温润滑剂，它可以作为液体施加，也可作为在部件表面上涂覆或掺杂在其中的材料使用。它们可包括常规的石油产品，或较不常用的材料如氮化硼、石墨、硅酮流体和润滑脂、钼化合物等。或许对于不太直接的机械应用来说也可采用高分子材料。硅酮可以橡胶的形式适用于气体储槽的膨胀波纹管已介绍过，并且还可以结构上更坚固的树脂质的形式加以使用。适合的树脂包括那些酚系列(如聚四氟乙烯)和含硼的环氧树脂。其他合适的聚合物例如为硼烷，例如含非-碳硼烷基和其他硅硼基的硅酮癸硼烷。这些聚合物材料可用任何须或纤维加强，包括以上所述的那些。任何合适的材料可用于本发明的车辆、飞行器、水运工具和变速箱的各种结构和部件，包括目前对于这种应用在用的任何结构。在选定实施例中，许多或大多数水运工具、包括水翼式工具的水下部分用不锈钢类金属合金构造，包括不生锈合金以及上述那些合金。水下船用驱动部件如推进装置(包括螺旋桨和叶轮、涡轮级、水翼和活门促动机构)在选定实施例中由不锈钢类金属合金制成，包括不生锈合金和上述合金，和/或包括青铜和铜的合金。
图中所示的部件和特征未按具体比例绘制，并且相对于彼此也没有按照具体比例绘制，这些只用于说明原理和本文所述的概念。本公开的不同概念、特征以及创新点可以任何方式组合。例如，任何一个燃烧室可布置在导向系统或常规曲轴的各侧。燃烧室的任何组合可排列在上述驱动或导向装置的各侧，燃烧室的数量及其构造在每侧上不一定相同。在另一示例中，图110和111中的燃烧室组可布置在不同驱动系统或动力输出装置(图157)的一侧或每一侧。单独的可收回导向系统可与不同大小的燃烧室关联，最大的燃烧室或最小的燃烧室最接近驱动系统，以便提供具有三种不同尺寸的三个或六个环型燃烧室的发动机。在另一实施例中，图161所示的燃烧室和泵室组合可布置在曲轴的一侧或两侧上。通常，把燃烧室组合成共轴的对是比较敏感的，每对在形成往复运动系统一部分的中央法兰的两侧，和/或大致居中的导向系统或曲轴的每一侧。然而，多个室不一定是相同的或共轴的，它可以关于曲轴或其他驱动或引导系统以任何方式布置。在合适之处例如可使用如图138至144中所示的“正弦”环型室，而不是“规则”环型室。“规则”环型室可定义为在其中围绕或包含了部件，该部件仅进行往复运动或既作往复运动也通过导向系统进行旋转。“正弦”环型室可限定为具有相对的表面，各表面不是在一平面上，而是具有三维形式的规则构造。规则的意思是整个表面具有由重复的从属形式(但从属形式也可包括特殊情况下的整体形式)构成的形式，此从属形式或整体形式具有波状构造，该波由正弦曲线或任何其他数学公式定义，并且它可以是规则的或不规则的。这里，波形意指包括一系列通过大致笔直的线或平面连接的顶点。曲轴可单独用在任何地方，也可多个地用在任何地方，如图20至32中示意性示出。环型燃烧室或泵送空间可与非环型燃烧室或泵室组合应用。
上述讨论、公开以及详述中的特征涉及采用空气作为充料气体的发动机。在适当之处，在另一个实施例中，本文公开的本发明的任何特征可用在采用其他充料气体、包括过氧化氢的发动机中。本公开中所述的任何或所有实施例可与彼此以任何组合方式应用，并且本发明的特征以任何实际且便利的方式包含在任何类型的泵压缩机或内燃机中，进而包含在任何类型的机构、系统、车辆、水运工具或飞行器中。例如，为说明原理，凸轮和从动轮通常显示为实物，但这些可以是任何材料或构造，包括中空件、组合模、压制板材、成形管等，适于内燃机中任何尺寸的工作室或机构，包括从飞机模型或割草机到巨型水运工具应用。为简明起见，本公开中的许多图中将气缸组件、活塞/连杆组件和其他部件显示为单体件，但在构造实践中，气缸组件可包括可围绕活塞组装的多个零件，而该零件也可以是多个件构成的组件。类似地，许多显示为单体件的喷射器和其他部件也可包括多个零件。这里介绍了构造的基本实施例，没有考虑可能的细微改良。作为示例，单室多燃料传送点可依次被激发，以产生受控涡流，“拉伸圆”轴承可由拉伸/压缩的曲轴连杆或其轴承中的弹性装置代替。所述各种结构细节可以任何方式组合，以生产出适于广泛应用的泵、压缩机和内燃机。例如，在不需要最大的功率体积比或功率质量比的情况下，可采用相对低速的四冲程发动机。在消除振动是重要的情况下(如在科研环境下的发电发动机)，可采用具有“弹性”拉伸/压缩曲轴连杆的两冲程发动机，其中通过两个曲轴上的各活塞连续地做功，提供非常平稳的动力供应。如果曲轴套尺寸是受限的，则可采用具有压缩/拉伸连杆的“拉伸圆”气体曲轴轴承。在这些设计中，在轴承中可考虑尺寸方面的变化，因此允许曲拐直径与该冲程相同或更小。多数发动机是直喷式(高温将趋向于导致汽化器或间接喷射式发动机中的预爆或爆震)，因此实际中将能采用任何燃料。在适用之处，本文公开的任何或所有特征也可以用于来自任何其他燃烧源(包括外燃机如斯特林发动机或兰金循环发动机)的废气，或用于工业燃烧工艺(包括流化床燃烧)、连续燃烧工艺(包括那些采用化石燃料如煤炭或气体的燃烧)。要强调的是，这里的阐述用于显示本发明的原理和如何可以体现本发明的示例，在单幅图中，没有任何特征以相对于彼此的任何特定比例显示。希望已作为示例显示的前述内容所述的各种特征可以任何方式组合，以产生完全新的更高效的泵、压缩机、内燃机(包括复合式发动机)、地面车辆、飞行器、水运工具和变速器。
工业应用性
本文公开的本发明的整个目的大体上包括两个方面。第一目的是通过简化、通过减少生产各单元所需的材料以及通过使这种机器更长寿命且更可靠来减少泵、压缩机和内燃机的环境成本。第二目的或许是更重要的目的是主要减少化石燃料和其他燃料消耗和废气包括CO2的排放。发明人相信全球正在变暖，这主要是由人类最近两百年的CO2产物造成的，目前关键是尽可能广和尽可能快地减少CO2排放。本文公开了比目前发动机效率高很多的改进发动机、采用这种发动机的直升机和固定翼飞行器，需要更少能量来通过每单位负载和速度的水推进的水运工具，以及将会减少组合式发动机/变速箱燃料使用的高负载应用的无级变速箱。本文所有的创新点可以容易地包含在有一定体积的制成产品中，发明者的意图是确保包含了所公开的所有或部分特征的尽可能多的产品能够尽可能快地变成产品，以减少能量消耗、降低CO2排放以及减少制造这些产品的环境成本。

Claims (33)

1.一种组合在一起的壳体或套件与引擎，所述壳体或套件具有外表面，所述引擎为具有工作循环的往复式内燃机，所述引擎包括、具有或构造为：
至少一个气缸组件，所述气缸组件包括气缸，所述气缸具有至少一个至少部分封闭的用作气缸盖的端部；
可在所述气缸组件内往复运动的活塞；
部分地限定了用于充入气体或其它充入流体的至少一个第一空间的至少一个第一结构；
部分地限定了用于排出废气的至少一个第二空间的至少一个第二结构，
所述气缸组件和所述活塞一起形成了至少一个空间容量在操作循环期间变化的燃烧室，
至少一个端口，所述端口仅在所述操作循环的一部分期间打开，所述端口处于各所述燃烧室的第一空间和第二空间之间，
用于充入气体或其它充入流体的供给系统，所述用于充入气体或其它充入流体的供给系统包括至少一个用于充入气体或其它充入流体的路径，
用于燃料传输的系统，
用于处理所排放的废气的系统，所述用于处理所排放的废气的系统包括至少一个用于排放废气的路径，
具有至少一个计算机程序的计算机，具有所述程序的所述计算机至少部分地调节所述用于充入气体或其它充入流体的供给系统、用于燃料传输的系统和用于处理所排放的废气的系统中的至少一个系统的操作，
且所述内燃机引擎与所述壳体或套件区分开，安装在所述壳体或套件内，并由所述壳体或套件支撑，所述壳体或套件包括热绝缘的材料或结构，所述壳体或套件的外表面具有至少一个孔、凸起或连接件，用于传递所述充入气体或其它充入流体、燃料、废气、电路或机械能。
2.根据权利要求1所述的壳体或套件与引擎，所述引擎通常处在或接近于所使用燃料的化学计量的空气/燃料混合比下运行，基本处在所有的负荷和速率条件下。
3.根据权利要求1或2所述的壳体或套件与引擎，包括限定了也用于排放废气的第三空间的第三结构，在运行中，在所述第二空间和所述第三空间内的废气具有明显不同的压力。
4.根据权利要求1所述的壳体或套件与引擎，所述引擎包括下述特征中的至少一个特征：
i)其中，用于传输充入流体的所述系统，用于燃料传输的传输系统和用于废气处理的系统中的至少一个系统基本定位在所述壳体或套件内部；
ii)其中，所述活塞具有至少一个活塞伸展部，以使得在运行中所述伸展部可在所述工作循环中的至少一部分期间进入所述气缸盖，直到此时来形成近似环形的燃烧室；
iii)其中，所述活塞具有至少一个活塞伸展部或所述活塞连接于部件，以使得在运行中所述伸展部或所述部件在基本所有所述工作循环期间进入所述气缸盖，以用于从所述燃烧室传递功；
iv)其中，所述活塞至少部分地包括所述第一结构、所述第二结构中的至少一个结构并且至少部分地限定所述第一空间、所述第二空间中的至少一个空间；
v)其中，至少一个所述结构部分地环绕所述气缸，以使得所述第一空间、一个所述空间基本定位在所述结构和所述气缸之间；
vi)其中，至少一个所述气缸组件和所述活塞基本上是可在高温下使用的材料，所述材料包括陶瓷材料或特殊的合金材料，所述材料包括镍铬合金和工业陶瓷材料，所述工业陶瓷材料包括氧化铝和氮化硅；
vii)其中，所述气缸组件和所述活塞的至少一个的表面的至少部分上沉积氧化物陶瓷的涂层或薄膜，所述氧化物陶瓷包括二氧化硅；
viii)其中，至少一个用于传输电能或者电信号的操作电路或电线至少部分地位于在所述气缸组件和所述活塞中的至少一个内；
ix)其中，至少部分地限定所述燃烧室的所述气缸组件表面和活塞表面中的至少一个具有至少一个特定制造的凹槽，所述凹槽可完全由所述充入气体或其他充入流体和/或所述废气所填充，其中，在运行中，所述凹槽至少部分促成迷宫式密封的功能；
x)其中，至少一个管形紧固件在组装条件下支撑所述气缸组件或所述活塞中的至少一个，所述紧固件具有在所述工作循环期间用于流体流通的内部空间；
xi)其中，至少一个所述端口在所述的工作循环的部分期间通过包括弹簧的机械装置来保持关闭，所述端口在所述工作循环的保持部分期间通过结构部件来保持开启状态，所述结构部件是所述机械装置的一部分，当所述端口开启时，所述结构部件主要承受张力；
xii)其中，所述引擎没有实质上基于空气或流体的冷却系统，所述冷却系统构造成将热从所述气缸组件直接或间接地传递到环境空气。
5.根据权利要求1或4所述的壳体或套件与引擎，所述用于充入气体或其他充入流体的供给系统至少包括一个用于充入气体或其他充入流体的通路和/或所述处理所排放的废气的系统至少包括一个用于排放废气的通路，所述供给系统和/或所述处理所排放的废气的系统具有以下特征中的至少一个：
i)其中，在运行中，来自所述引擎的所述废气的至少一些废气经由水下推进器的至少一部分排放到水下；
ii)其中，所述处理所排放的废气的系统包括至少一个用于移除来自所述引擎废气的任何二氧化碳的至少一部分的物质和/或设备；
iii)其中，所述处理所排放的废气的系统包括物质或装置，所述装置包括过滤器，所述物质或装置安装在结构或管壳内部，如此装配以便运行中允许废气通过其流动，所述结构或管壳在排放控制系统中便于安装和更换；
iv)所述系统中的至少一个系统包括丝状材料，所述丝状材料至少部分地由耐高温合金和陶瓷材料中的至少一种构成，其中，所述丝状材料包括至少一种在所述空间中的至少一个空间和所述处理所排放的废气的系统中具有加速化学反应的催化效应的物质，所述丝状材料具有一定结构，所述结构包括绒状、线状、蜂窝状部分、带洞的薄片状、切片状、包括球的多种小物体；
v)其中，所述系统中的至少一个系统包括在运行中以特定目的将所述气体或流体与流体或气态的水混合，所述目的包括从所述废气中去除二氧化碳；
vi)其中所述系统中的至少一个系统包括可移动和可安装的管壳，运行中所述气体或流体中的一个可通过所述管壳；
vii)其中，所述引擎具有第二活塞或所述活塞的伸展部及第二气缸或所述气缸组件的部分，为了压缩所述充入气体或其他充入流体与所述废气中的一个，在第二气缸或所述气缸组件的部分内所述第二活塞或所述活塞的伸展部能够往复运动，所述第二活塞与所述活塞机械连接。
6.根据权利要求1或4所述的壳体或套件与引擎，还包括气体存储器，其中，所述充入气体或其他充入流体与所述废气中的至少一种在任何工作期间能够富集于所述气体存储器内，所述期间包括在所述引擎的启动或熄火的期间，所述气体存储器中的容纳物的至少一部分可在所述气体存储器和下述特征中的至少一个之间移动，所述下述特征为用于充入气体或其他充入流体的所述供给系统包括至少一条用于充入气体或其他充入流体的通路、用于排放废气的空间或用于所述处理所排放的废气的系统。
7.根据权利要求1或4所述的壳体或套件与引擎，其中，在运行中，所述活塞及所述气缸组件中的一个通过一种装置来引发相对于另一个进行同时转动和往复运动，所述装置包括如下装置中的至少一种：
i)至少一对具有近似波状结构的环状补充表面的燃烧室以使在运行中活塞和气缸间的相对往复运动还将引起活塞和气缸间的转动运动；
ii)导轨和环状轨道，所述导轨可在所述环状轨道内移动，所述环状轨道具有近似的多重波状结构，所述环状轨道具有恒定横截面和可变横截面中的至少一种，其中，所述导轨为固定地定位于所述轨道内或可控制地从所述轨道中分离中的一种。
8.根据权利要求1或4所述的壳体或套件与引擎，还包括基本上限制转动运动的输出轴，所述输出轴通过机械装置连接到所述气缸组件和所述活塞中的一个，所述机械装置将复合运动转变成转动运动且包括如下中的至少一项：
i)一对花键轴；
ii)一个或多个铰链；
iii)一个或多个风箱；
iv)一对相对于彼此可滑动地安装的齿轮；
v)基本平行的法兰盘，所述法兰盘由一个或多个任何形态的滚筒分开，所述形态包括球形，所述法兰盘相对彼此侧向运动。
9.根据权利要求1或4所述的壳体或套件与引擎，还包括发电机，所述发电机也起到启动电动机的作用，所述发电机具有电机定子部分和另一个电机部分，所述活塞和所述气缸组件中的一个至少间接机械地连接于所述电机定子部分，且其他所述活塞和气缸组件机械地连接于所述另一个电机部分，介入在所述气缸组件和所述活塞之间插入的装置可引起在运行中使所述气缸组件和所述活塞中的一个同时相对于所述气缸组件和所述活塞的另一个进行转动和往复运动，从而使所述另一个电机部分以相对于所述电机定子部分以复合运动形式进行转动和往复运动。
10.根据权利要求1或4所述的壳体或套件与引擎，还包括曲轴，所述活塞通过包括一个或多个部件的联动装置连接于所述曲轴，所述部件包括至少一个轴承，所述联动装置具有如下特征中的至少一个特征：
i)在所述曲轴上的固定点，在运行中，所述固定点和所述活塞之间的外形尺寸在所述工作循环期间发生变化，在所述工作循环期间所述联动装置主要承受拉力或压力；
ii)所述部件包括一个挡车轭，在所述工作循环期间，所述联动装置主要承受拉力或压力；
iii)在所述工作循环的不同部分可吸收及释放能量的元件或部件；
iv)其中，所述轴承包括至少两个不同横截面积的轴承壳，一个所述轴承壳嵌入在另一个所述轴承壳内，一个轴承壳相对另一个轴承壳周期式的移动；
v)在所述工作循环的至少部分的期间，所述联动装置或轴承包括液态或气态的水分，所述水分通过装置供给到所述联动装置或轴承，所述装置包括一个或多个芯。
11.根据权利要求4所述的壳体或套件与引擎，所述燃料具有型号和规格，所述型号和规格包括汽油、柴油、重油、氢气、天然气、液化石油气、水煤浆及过氧化氢，其中，包括如下中的至少一种或多于一种的组合：
i)所述用于燃料传输的系统包括至少一个与所述燃烧室相连通且用于燃料的通路，所述通路位于所述气缸组件和所述活塞中的至少一个内；
ii)所述用于燃料传输的系统的部件连通于所述燃烧室，且在运行中，所述部件在燃料传输的至少部分期间运转，所述运转包括往复运动和/或转动；
iii)所述用于燃料传输的系统包括至少一个连通所述燃烧室的用于燃料的通路，其中，在所述工作循环的所有期间或大部分期间，所述通路打开且不阻塞所述燃烧室；
iv)所述用于燃料传输的系统包括至少一个周期式地移动的容器，在燃烧前所述容器将燃料运输到所述燃烧室内；
v)所述用于燃料传输的系统包括电驱动燃料点火器；
vi)所述用于燃料传输的系统的至少部分是在可安装且可移动的部件或管壳内，所述部件或管壳安装在一个所述气缸组件或封闭端部或所述活塞的上面或内部；
vii)在运行中所述用于燃料传输的系统将燃料运输到预燃烧区，所述预燃烧区与所述燃烧室连通；
viii)其中，在运行中，所述活塞或所述活塞伸展部中的至少一个执行燃料的传输。
12.根据权利要求1或4所述的壳体或套件与引擎，还包括另一个除了所述用于燃料传输的系统之外的用于传输其他流体的系统，所述燃料具有型号和规格，所述型号和规格包括汽油、柴油、重油、氢气、天然气、液化石油气、水煤浆和过氧化氢，所述其他流体具有第二型号和第二规格，所述第二型号和第二规格包括：
i)第二燃料；
ii)液态或气态水分；
iii)流体的混合物。
13.根据权利要求1或4所述的壳体或套件与引擎，所述壳体或套件与引擎具有至少一个用于在运行中调节与所述引擎相关的流体流量的可控变化，其中，在选定的工作模式中，可变的开口至少部分地限制所述充入气体或其他充入流体和所述废气中的至少一种，装置或设备影响所述开口的变化，所述装置或设备包括一个或多个：
i)蝶形阀；
ii)球阀；
iii)任意合适横截面的弹性的气缸或管，所述气缸或所述管具有腰部，在运行中所述腰部的横截面积可控地变化。
14.根据权利要求1或4所述的壳体或套件与引擎，其中，所述壳体或套件包括至少一个结构部分和至少一个其他部分，其中，所述结构部分的某一部分提供了至少间接地支撑所述气缸组件和所述活塞中的一个，所述其他部分包括也具有隔音功能的隔热材料和/或提供至少一个包含半真空的空间。
15.根据权利要求1或4所述的壳体或套件与引擎，还包括需要所述引擎来进行运转的机械装置，所述机械装置安装在包括部分或全部在所述壳体或套件内和/或在用于充入气体或其他充入流体的通路内的位置，通过联动装置将所述气缸组件和所述活塞中的一个连接于所述机械装置上，所述联动装置包括一个或多个部件，所述部件包括至少一个轴承、所述机械装置包括如下中的至少一个：
i)机械传动；
ii)泵；
iii)气体压缩机；
iv)旋转发电机或发动机；
v)往复的、线性的发电机或电动机。
16.根据权利要求1或4所述的壳体或套件与引擎，其中，还包括用于所述废气的废气扩散器以稀释或有选择地冷却所述废气，所述扩散器包括可使下级废气进入的第一至少局部密闭罩，所述第一至少局部密闭罩的上部与一个或多个其他局部密闭罩相通，至少所述第一至少局部密闭罩具有大量围绕其下部且用于周围气体进入的开口，至少所述其他密闭罩具有大量的围绕其上水平的且用于排出废气和周围气体的混合气的开口。
17.根据权利要求1或4所述的壳体或套件与引擎，其中，在运行中通过消除或严格削减用于大多数当前的循环式内燃机中的气基或水基冷却系统的任何设计意图来使所述气缸组件和所述外表面之间的热传递最小化。
18.根据权利要求17所述的壳体或套件与引擎，其中，所述冷却系统包括如下中的一个或多个：在发动机缸体和/或气缸盖与散热器之间循环的流体，和/或由冷却片导向的气体，散热片安装在气缸或气缸盖上，和/或围绕金属发动机缸体循环的周围的气体。
19.根据权利要求1或4所述的壳体或套件与引擎，其中，所述引擎是组合式发动机的部分，所述组合式发动机具有至少一个其他引擎，其中，在运行中热废气通过至少一个通路从所述引擎到达所述其他引擎，以至少部分地驱动所述其他引擎，其中，所述其他引擎为涡轮发动机、蒸汽发动机、斯特林发动机及热能电力转换器中的至少一种，其中，所述通路的长度适于所述引擎和所述其他引擎之间的距离，所述通路由具有绝热性能的材料所包围，所述引擎通过装置可选择地连接到所述其他引擎，所述装置包括转轴。
20.根据权利要求19所述的壳体或套件与引擎，其中，所述引擎通过转轴机械地连接于所述其他引擎。
21.根据权利要求1或4所述的壳体或套件与引擎，还包括应用所述引擎运行的装置或设备的部件项，所述装置或所述设备的部件项包括：
i)道路或地面车辆；
ii)轨道车辆；
iii)航海器、轮船或快艇；
iv)飞机或直升机或轻于空气的飞行器；
v)泵；
vi)压缩机；
vii)发电机；
viii)用于采矿或农业或军事的设备部件。
22.根据权利要求21所述的壳体或套件与引擎，其中，提供的所述装置或所述设备的部件项设置有凹部或凹处，所述凹部或所述凹处的尺寸与所述壳体或套件的外尺寸的部分尺寸成比例，所述壳体或套件及所述凹处中的每一个设置有提供一个或多个开口或连接件，当所述壳体或套件安装在所述凹处时所述开口或连接件并排布置，以使在运行中可在所述壳体或套件及所述装置之间传送以下中的至少一个，其中，所述装置包括至少一个发电机、泵、压缩机、涡轮机及水下推进器：
i)通过一个或多个轴的机械动力；
ii)所述充入气体或其他充入流体；
iii)所述燃料；
iv)所述废气；
v)电路或信号。
23.根据权利要求1或4所述的壳体或套件与引擎，其中，除了在启动和熄火期间，至少部分通过减少来自至少所述气缸组件的散热和/或通过基本上降低或忽略目前的循环式内燃机中使用的水基或气基冷却系统使所述引擎基本上在所有负载和速率条件下均以最大效率且最高温度运行。
24.根据权利要求1或4所述的壳体或套件与引擎，还包括连续可变的传动装置，所述传动装置具有至少一个转动输入轴和至少一个转动输出轴，其中，所述引擎至少间接地连接于所述输入轴或所述输出轴中的一个轴，所述传动装置包括安装于所述输入轴的动力传动辊及安装于所述输出轴的动力传动辊，通过至少一个环形带将动力传动辊相接，动力传动辊中的第一动力传动辊具有沿长度方向的恒定的直径且所述长度近似与所述带的宽度相一致，在不同时刻所述直径是可控制地变化以改变一个轴相对于另一轴的转动速率，至少所述第一动力传动辊包括一系列的用于与所述带相接触的分段部件，每个所述分段部件可滑动地安装于至少一个有效的锥形组件上，所述锥形组件具有锁入至少一个转动轴的斜面，所述锥形组件可在基本平行于所述转动轴旋转轴线的方向上在所述转动轴上滑动，在运行中所述带通过装置保持拉伸状态以在动力传动辊之间形成内推力，在运行中所述分段部件在所述斜面上前后滑动来改变所述转动轴的旋转轴线与所述部件之间的距离，并且因此改变所述动力传动辊的所述直径，用于传递航海器内部或周围的功及能的所述传动装置也发生变化。
25.根据权利要求24所述的壳体或套件与引擎，其中，所述传动装置至少包括如下特征中的一项：
i)其中，所述锥形组件由多个基本与所述分段部件的数量相对应一致的数量的锥形部分组成，一个所述分段部件沿基本平行于所述转动轴的旋转轴线的方向滑动地安装在一个所述锥形部分上，所述锥形部分楔到所述转动轴上且滑动地安装在所述转动轴上，同时所述锥形部分可通过第二装置独立于其他锥形部分而滑动，所述第二装置包括电源；
ii)其中，一系列独立操作的致动器决定了每个锥形组件部分相对于所述转动轴的位置；
iii)导辊，其中，在运行中，将所述导辊可变且可控制地置于所述带运动的反向；
iv)其中，在运行中，辊和所述带间的接触区域是可控制地变化，且独立于辊直径的改变；
v)其中，用于保持所述带处于拉伸状态的所述装置是可控制地变化，以使所述拉伸能够降低到所述第一动力传动辊不会驱动所述其他动力传动辊的程度；
vi)与所述第一动力传动辊具有相同结构的另一个动力传动辊，在运行中，当所述第一动力传动辊的直径增大时，所述其他动力传动辊的直径减小；
vii)其中，所述分段部件包括安装在结构上的摩擦材料，在运行中，所述摩擦材料大多与所述带相接触，在运行中的所述分段部件通过一种方式相对彼此安置，所述方式包括彼此分离或重叠并彼此支撑；
viii)一个其他转动输出轴，其中，所述传动装置连接所述输出轴和所述其他转动输出轴以允许轴同时以不同速率进行转动；
ix)其中，所述传动装置可变地将能量分配在所述输出轴之间；
x)其中，所述分段部件通过元件彼此连接，所述元件具有可变的长度。
26.根据权利要求21所述的壳体或套件与引擎，其中直升机具有支撑机身和至少一个机翼的结构，在运行中，至少两个附接到轴的转子叶片来驱动所述直升机，所述轴围绕中空部可旋转地安装，所述中空部与转子柱近似垂直排列，所述转子柱至少间接地安装在所述结构上，在运行中，所述轴至少间接地由所述引擎来驱动，所述转子柱包含部分地附接到所述转子柱内部的折叠式降落伞和安装在所述降落伞下方的任何地方的有效爆炸装置，以使如果在飞行期间所述引擎变得至少部分地不工作时，所述装置可被触发而使所述降落伞以某种方式从所述转子柱向上推出，以使所述降落伞基本上在所述直升机之上打开且降低其下降速度，所述壳体或套件与引擎安装在所述直升机的内部或周围。
27.根据权利要求21所述的壳体或套件与引擎，其中，任意种类的飞行器具有支撑机身和至少一个机翼的结构、发电机和电动机，至少两个叶片推动所述飞行器，所述叶片依附在至少一个转动轴上，所述转动轴至少间接地安装于所述结构上，其中在运行中，所述电动机驱动所述转动轴，所述发电机至少间接地驱动所述电动机，所述引擎驱动所述发电机。
28.根据权利要求21所述的壳体或套件与引擎，其中，任意航海器包括水翼航海器，所述水翼航海器具有船体及至少一个任意种类的水下推进器，所述水下推进器包括螺旋桨、喷水口及阿基米德式螺旋抽水机，所述引擎以任意方式至少部分地驱动所述水下推进器，所述船体在选定的水翼操作模式下完全置于水面之上且远离水面，在运行中至少一个结构支撑所述船体，所述结构包括至少一个水翼标杆，所述水翼标杆具有连接于至少一个完全处于水下的元件的底座，至少一个元件包括水翼，所述推进器安装在至少一个所述元件和所述水翼上。
29.根据权利要求28所述的壳体或套件与引擎，其中，所述水翼标杆可伸缩地铰接于所述船体的周围，以允许所述水翼标杆的底座可选择地从所述船体伸展及向所述船体回缩，所述船体具有至少一个凹处，以使当带有组件和水翼的所述水翼标杆处在完全回缩位置时所述组件的主要部分可嵌入所述凹处内且基本位于所述船体的最大部分的横截面内，在运行中，安装装置引起所述组件在任意适合平面内从所述凹处移动到伸展位置，所述伸展位置显著低于所述船体的底面。
30.根据权利要求28或29所述的壳体或套件与引擎，包括至少一个如下特征：
i)原动机，所述原动机包括任意种类的内燃机及电动机，所述原动机以任意方式驱动任意种类的第二推进器，其中，带有所述第二推进器的所述原动机只能当所述船体在水下时才能驱动所述航海器；
ii)至少两个可移动的舱口，一个所述舱口安装在所述元件的上部内，且另一所述舱口设置在所述船体的下侧中，以使当带有所述元件的所述水翼标杆处在完全回缩位置时所述舱口充分地对齐，且当撤除所述舱口时，可使人从所述船体内部获得进入到所述元件内部的人通道；
iii)其中，所述水翼标杆的内部包括用于充入气体或其他充入流体及所述废气中的至少一种的通路；
iv)其中，所述水翼以任意方式可移动地安装于所述元件上，以调整所述船体的上升，所述方式包括铰接和旋转安装；
v)沿任意方向排列的流体叶片安装在所述航海器的任意位置，所述流体叶片包括固定安装的部分和至少一个其他部分，所述其他部分可从所述固定安装的部分向外伸展且向所述固定安装的部分回缩；
vi)其中，所述其他部分包括表面，在运行中所述表面以类似风箱的方式折叠和打开。
31.根据权利要求1或4所述的壳体或套件与引擎，所述壳体或套件与引擎安装在装置或部件的内部或周围，所述装置或所述部件在运行中应用所述引擎，其中，所述装置或所述部件使得所述引擎通过任意装置安装在所述装置或所述部件的内部或周围的任何地方，以使在运行中，通过布置和引导所述废气来产生至少一些推力以帮助推动所述装置或所述部件。
32.根据权利要求31所述的壳体或套件与引擎，其中，在运行中所述装置可根据任何目的可控制地移动，包括当所述装置或所述部件为直升机时，包括来改变所述装置或所述部件的运动方向的目的，也包括平衡所述直升机的转子叶片施加在所述直升机的转动力的目的。
33.根据权利要求32所述的壳体或套件与引擎，所述装置或所述部件在操作中应用所述引擎，其中，所述装置或所述部件包括具有细长狭缝的废气消音器，废气通过所述细长狭缝可排放入周围空气，所述细长狭缝位于所述装置或所述部件的上方或下方，且在平面图内观察时，所述细长狭缝显著地远离所述装置或所述部件的末端。
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