CN110242405A - 用于控制引擎、压缩机或泵中的压缩的系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供涉及用于控制引擎、压缩机或泵中的压缩的系统与方法。所述引擎包含外壳。所述外壳包含经配置以将空气供应到在所述外壳内界定的至少一个腔室的进气歧管、经配置以将燃料供应到所述至少一个腔室的燃料端口及经配置以在所述引擎的压缩循环期间控制所述至少一个腔室中的燃料空气混合物的压力及体积中的至少一者的压缩控制端口。所述压缩控制端口包含被界定为通过所述外壳的通道及安置于所述通道中且经配置以控制通过所述通道的流动的至少一个阀。

Description

用于控制引擎、压缩机或泵中的压缩的系统与方法

分案申请信息

本申请是申请日为2014年2月25日、申请号为201480016206.1、发明名称为“用于控制引擎、压缩机或泵中的压缩的系统与方法”的发明专利申请案的分案申请。

背景技术

本申请案大体上涉及引擎、压缩机或泵，且更特定来说，涉及使用压缩控制端口来控制引擎的操作条件。

内燃引擎在氧气(通常来自空气)的存在下在其燃烧室中燃烧燃料以产生高温及高压气体，所述高温及高压气体膨胀并对可移动引擎部件施加力以旋转轴杆。此轴杆的移动产生旋转机械能。因此，内燃引擎将燃料中的潜在化学能转换成机械动能。因此，其提供用于实际机械作功的动力以推动各种形式的陆运、水运及空运、运行泵及驱动其它设备。

在至少一些已知内燃机中，进气端口将气体供应到腔室中，且在进气端口通过引擎的内部部件的机械移动所产生的压缩而闭合或封堵之后产生压力。在至少一些已知内燃机中，通过最小化最终压缩体积、最大化初始未压缩体积及/或最大化初始未压缩压力而控制最终压力。最大压缩压力在至少一些已知引擎中因引擎设计而固定。尽管一些新引擎概念动态变动行程，但其通常需要复杂机械方法。此外，在没有显著设计修改的情况下，至少一些已知引擎依靠有限类型的燃料操作。

发明内容

在一个方面中，提供用于引擎的外壳。所述外壳包含：经配置以将空气供应到在外壳内界定的至少一个腔室的进气歧管、经配置以将燃料供应到至少一个腔室的燃料端口及经配置以在引擎的压缩循环期间控制至少一个腔室中的燃料空气混合物的压力及体积中的至少一者的压缩控制端口。所述压缩控制端口包含被界定为通过外壳的通道，及安置于通道中且经配置以控制通过所述通道的流动的至少一个阀。

在另一方面中，提供一种引擎。所述引擎包含：经配置以将空气供应到至少一个腔室的进气系统、经配置以将燃料注入至少一个腔室中的燃料注入系统及外壳，其中至少一个腔室被界定在所述外壳内，所述外壳包含经配置以在引擎的压缩循环期间控制至少一个腔室中的燃料空气混合物的压力及体积中的至少一者的压缩控制端口。所述压缩控制端口包含被界定为通过外壳的通道，及安置于所述通道中且经配置以控制通过所述通道的流动的至少一个阀。所述引擎进一步包含经配置以将废气从至少一个腔室排放的排气系统。

在又一方面中，提供一种用于操作引擎的方法。所述方法包含：将空气供应到至少一个腔室中；将燃料注入至少一个腔室中；在压缩循环期间压缩燃料空气混合物；及在压缩循环期间使用压缩控制端口来控制燃料空气混合物的体积及压力中的至少一者，所述压缩控制端口包含与至少一个腔室流体连通的通道，及安置于所述通道中且经配置以控制通过所述通道的流动的至少一个阀。所述方法进一步包含燃烧经压缩的燃料空气混合物及将废气从至少一个腔室排放。

附图说明

图1为示范性旋转引擎的正视图。

图2为图1中所示的旋转引擎的透视图。

图3为可配合图1中所示的旋转引擎使用的示范性外壳及引擎控制模块的示意图。

图4为图3中所示的外壳的透视图。

图5为用于操作内燃机的示范性方法的流程图。

具体实施方式

文中所描述的实施例提供一种用于在压缩循环之前及/或在其期间控制内燃机中的压力及/或体积的压缩控制端口。所述压缩控制端口包含一或多个阀以在内燃机的操作期间泄放或吹泄压缩。可由引擎控制模块控制一或多个阀。

图1为示范性旋转引擎100的正视图。图2为旋转引擎100的透视图。旋转引擎100包含在外壳106内围绕主曲轴104旋转的转子102。在一些实施例中，内部套筒(未展示)可配合在外壳106内以提供用于外壳106的可替换的耐磨组件。因此，如文中所使用，术语“外壳”可指代单体式外壳或组合式外壳及套筒总成。转子102包含多个枢转活塞110或摇杆。当转子102围绕主曲轴104旋转时，活塞110在接近外壳106的内表面112的外部位置与远离内表面112且邻近主曲轴104的内部位置之间枢转。在图1及2中，两个枢转活塞110位于外部位置处，且两个枢转活塞110位于内部位置处。转子102及枢转活塞110实质上类似于2009年12月14日申请的第12/637,595号美国专利申请案中所揭示的转子及枢转活塞而操作，所述申请案的全文以引用的方式并入本文中。

在示范性实施例中，转子102界定外壳106内的四个腔室120，其中每一腔室120包含枢转活塞110。替代地，转子102界定外壳内的任何数目的腔室120以使得旋转引擎100能够如文中所描述那样起作用。在旋转引擎100的完整循环期间，腔室120旋转通过进气区130、压缩区132、动力区134及排气区136。进气循环、压缩循环、燃烧/动力循环及排气循环各自发生在相关联区中。

在进气区130中，将燃料及空气供应到腔室120，且枢转活塞110经定位于内部位置处。在示范性实施例中，气体从进气系统140流入腔室120中，所述进气系统包含空气过滤器142、节流阀体144及延伸穿过外壳106的进气歧管146。替代地，使得旋转引擎100能够如文中所描述那样起作用的任何流体可被供应到腔室120。燃料注入器150将燃料注入腔室120中。所述燃料可在压缩之前被雾化及/或可在高于腔室120的初始压力的压力下被注入。旋转引擎100可经设计以燃烧多种不同燃料(例如汽油、乙醇、柴油、CNG、LNG、丙烷及/或氢气)。因此，燃料注入器150可包含用于将不同燃料注入腔室120中的单独出口152、154。

当腔室120从进气区130旋转到压缩区132中时，腔室120中的燃料空气混合物随着枢转活塞110从内部位置转移到外部位置而被压缩。压缩控制端口170被界定为在进气区130处通过外壳106。在包含内部套筒的实施例中，压缩控制端口170还被界定为通过所述套筒。如下文详细描述，当腔室120在进气区130与压缩区132之间旋转时，压缩控制端口170促进精确控制燃料空气混合物的压力及/或体积。在操作期间，流体或气体(例如空气及/或燃料)通过回流管172而流动通过泄压端口到进气歧管146。即，回流管172与压缩控制端口170及进气歧管146流体或气体连通。尽管在示范性实施例中仅展示一个压缩控制端口170，但替代地，可使用任何数目个压缩控制端口170以使得旋转引擎100能够如文中所描述那样起作用。

当腔室120从压缩区132旋转到动力区134时，枢转活塞110从外部位置枢转到内部位置，且火花塞180点火以燃烧燃料空气混合物。由火花塞180产生的燃烧驱动转子102围绕主曲轴104旋转。当腔室120从动力区134旋转到排气区136时，枢转活塞110从内部位置转移到外部位置，且来自腔室120的废气通过延伸穿过外壳106进入排气系统(未展示)中的排气歧管182流出。

在示范性实施例中，旋转引擎100包含附接到外壳106的引擎控制模块(ECM)190。ECM 190通过控制通过压缩控制端口170的流动而促进控制当腔室120在进气区130与压缩区132之间旋转时燃料空气混合物的压力及/或体积，如下文详细描述。在示范性实施例中，旋转引擎100还包含附接到外壳106的交流发电机194及起动马达196。

图3为外壳106及ECM 190的示意图。图4为外壳106的透视图。如上文所描述，外壳106包含进气歧管146、排气歧管182及压缩控制端口170。外壳106包含用于将燃料(例如)从燃料注入器150供应到腔室120的至少一个燃料注入端口300。

在示范性实施例中，压缩控制端口170包含第一通道302及第二通道304，所述第二通道与第一通道302流体或气体连通且比第一通道更宽。压缩控制端口170进一步包含控制通过第一通道302及第二通道304的流动的至少一个阀310。在示范性实施例中，压缩控制端口170包含定位于第二通道304内的两个阀310。由于第二冗余阀310将防止通过阀310的非预期泄漏引起非预期后果，所以使用至少两个阀310促进了降低泄漏阀故障的可能性。替代地，压缩控制端口170包含使得压缩控制端口170能够如文中所描述那样起作用的任何数目个阀310。此外，在替代实施例中，至少一个阀310可经定位于第一通道302内。此外，可以电子、气动、液压及/或机械方式控制阀310。

在示范性实施例中，每一阀310为实时电调阀、电可设置阀及机械可设置阀中的一者。文中描述这些阀类型中的每一者。替代地，阀310可为使得压缩控制端口170能够如文中所描述那样起作用的任何类型的阀装置。

当阀310为实时电调阀或电可设置阀时，使用ECM 190来控制阀310。在示范性实施例中，ECM 190包含处理器320及通信地耦合到处理器320的存储器装置322。处理器320包含任何适合可编程电路，所述电路可包含一或多个系统及微控制器、微处理器、精简指令集电路(RISC)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路(PLC)、现场可编程门阵列(FPGA)及能够执行文中所描述的功能的任何其它电路。以上实例仅为示范性的，且因此不希望以任何形式限制术语“处理器”的定义及/或意义。存储器装置322包含计算机可读媒体，例如(但不限于)：随机存取存储器(RAM)、快闪存储器、硬盘驱动器、固态驱动器、磁盘、快闪驱动器、光盘、数字视频光盘及/或使处理器320能够存储、检索及/或执行指令及/或数据的任何适合装置。在一些实施例中，ECM 190可包含额外组件。例如，ECM 190可包含：用于与一或多个远程装置通信的通信接口(未展示)、用于将信息显示给用户的呈现接口(未展示)及/或用于从用户接收输入的用户输入接口(未展示)。

当腔室120从进气区130旋转到压缩区132中时，腔室120中的燃料空气混合物被压缩，如上文所描述。具体来说，在压缩循环期间，气体(即燃料空气混合物)始于初始体积(V_maxchamber)及初始压力(P_intake)。气体的体积经减小到最终体积(V_minchamber)，使得其实现更高最终压力(P_final)，其中(P_intake)*(V_maxchamber)＝(P_final)*(V_minchamber)。如文中所描述，可通过在压缩之前及/或在其期间使用实时电调阀或电可设置阀来降低V_maxchamber而控制P_final，或通过在燃烧循环之前及/或在其期间使用机械可设置阀将P_final释放到更低压力而控制P_final。实时电调阀、电可设置阀或机械可设置阀各自在压缩循环之前及/或在其期间提供经由压缩控制端口170的低限制流动路径。

针对实时电调阀及电可设置阀两者，发生通过压缩控制端口170的压缩的泄放以将腔室120中的压力维持在P_intake，同时腔室120中的体积减小(例如通过枢转活塞110从内部位置枢转到外部位置)到V_maxchamber的所要值。针对机械可设置阀，当压缩循环完成时，发生通过压缩控制端口170的压缩的吹泄，使得腔室120中的压力从最大可能压力降到P_final的所要值。泄放或吹泄被通过回流管172导引回进气歧管146。用回流管172提供闭环系统确保了不将潜在易爆燃料空气混合物释放到大气中。

在示范性实施例中，针对实时电调阀及电可设置阀两者，阀310为电螺线管提动阀及/或步进阀。ECM 190通信地耦合到提动阀310，使得ECM 190可控制阀310处于敞开状态(允许通过压缩控制端口170的泄放)还是闭合状态(防止通过压缩控制端口170的泄放)。当ECM 190通信地耦合到步进阀时，ECM 190将在没有波动或反弹的情况下控制体积及/或压力。

在示范性实施例中，ECM 190从提供转子102及/或枢转活塞110的位置的直接指示的曲柄位置传感器(未展示)接收输入。ECM 190还可经通信地耦合以从额外传感器(例如爆震传感器)接收输入。

针对实时电调阀，由ECM 190基于曲柄位置传感器输入及至少一个其它传感器输入或参数而控制提动阀及/或步进阀310。例如，ECM 190可至少部分基于来自爆震传感器的传感器输入而控制提动阀310。具体来说，当压缩循环开始时，ECM 190控制提动阀310以保持敞开，维持腔室120中的P_intake直到达到经计算的阀闭合点。从曲柄位置传感器输入及至少一个其它传感器输入或参数计算阀闭合点，且阀闭合点确定压缩循环的V_maxchamber。在P_intake及V_minchamber基于旋转引擎100的设计而设置为恒定的情况下，可通过控制V_maxchamber而控制P_final。

针对电可设置阀，由ECM 190仅基于曲柄位置传感器输入而控制提动阀310。具体来说，当压缩循环开始时，ECM 190控制提动阀310保持敞开，维持腔室120中的P_intake直到达到经计算的阀闭合点。基于关于曲柄位置的对ECM 190的校准而从曲柄位置传感器输入计算阀闭合点，且阀闭合点设置压缩循环的V_maxchamber。类似于实时电调阀，在P_intake及V_minchamber基于旋转引擎100的设计而设置为恒定的情况下，可通过控制V_maxchamber而控制P_final。

在示范性实施例中，针对机械可设置阀，阀310为用作压力调节器的偏斜盘阀。当在腔室中达到最大释放压力时，偏斜盘阀310敞开，允许通过压缩控制端口170的吹泄。即，从压缩循环的开头开始，偏斜盘阀310保持闭合直到腔室120中的压力达到会使偏斜盘阀310敞开的吹泄水平。基于阀310的物理特性而设置吹泄水平，且可通过调整(例如)螺旋弹簧、偏斜盘预负载或阀310的经定大小的孔而设置所述吹泄水平。吹泄水平对应于腔室120中的P_final的所要值。具体来说，如果腔室120中的压力超过吹泄水平，那么偏斜盘阀310将允许通过压缩控制端口170的吹泄，且减小压力直到所述压力降到吹泄水平以下，致使偏斜盘阀310闭合。

使用压缩控制端口170，旋转引擎100可被相对较快配置以使用不同燃料类型来操作。具体来说，不同燃料类型可使用不同操作条件(即，腔室120中的压力及体积)。通过调整阀闭合点(针对实时电调阀及电可设置阀)或调整吹泄水平(针对机械可设置阀)，可在不操纵旋转引擎100的设计(例如没有活塞杆或曲轴变化)的情况下精确控制旋转引擎100的操作条件(即，腔室120中的压力及体积)。例如，在一个实施例中，ECM 190可包含存储于存储器装置322中的多个预设阀闭合点，其中每一预设阀闭合点与不同燃料类型相关联。可使用(例如)用户输入接口来选择预设阀闭合点，使得旋转引擎100可在使用不同燃料类型的操作模式之间快速切换。

图5为可配合旋转引擎100使用的示范性方法500的流程图。方法500包含将空气供应502到至少一个腔室中，例如腔室120(图1及2中所示)。可使用进气系统(例如进气系统140(图1及2中所示))来供应502空气。使用(例如)燃料注入器(例如燃料注入器150(图1及2中所示))将燃料注入到504至少一个腔室中。在压缩循环期间压缩506腔室中的燃料空气混合物。可使用活塞(例如枢转活塞110(图1及2中所示))压缩506所述混合物。在压缩循环期间，使用压缩控制端口(例如压缩控制端口170(图1到4中所示))控制508燃料空气混合物的体积及压力中的至少一者。燃烧510经压缩的燃料空气混合物，且将废气从至少一个腔室排放512。

文中所描述的系统及方法提供一种用于在压缩循环之前及/或在其期间控制内燃机中的压力及/或体积的压缩控制端口。压缩控制端口包含一或多个阀以在内燃机的操作期间泄放、吹泄或以其它方式控制压缩。可由引擎控制模块控制一或多个阀。

与至少一些已知引擎相比，文中所描述的系统及方法包含促进控制在引擎的操作期间的压缩的压缩控制端口。此外，与可仅使用有限燃料类型来操作的至少一些已知引擎不同，文中所描述的系统及方法促进相对较快调整引擎，使得所述引擎可快速经配置以用于配合各种燃料类型(例如汽油、柴油等)而操作。在一些实施例中，使用文中所描述的压缩控制端口及ECM，引擎可在松弛条件期间以显著更低压缩比(例如低到四比一或更低)而操作，可当期望额外动力时以显著更高压缩比(例如高达三十比一或更高)而操作，且可使用比至少一些已知内燃机更稀的空气燃料比(例如十七比一或更稀)来操作。

尽管在一种类型的旋转引擎中实施文中具体描述的实施例，但所属领域的技术人员将了解，可在各种类型的引擎及泵(包含例如万克(Wankel)引擎)中实施文中所描述的方法及系统。针对泵中的实施，可利用文中所描述的系统及方法来控制从出口的流出。此外，具有多个压缩循环的引擎可包含多个压缩控制端口。例如，压缩控制端口可经应用到活塞引擎的每一汽缸。在另一实例中，具有两个压缩循环的旋转引擎可包含两个对应压缩控制端口。

上文详细描述示范性实施例。所揭示的系统及方法不限于文中所描述的特定实施例，而是可独立利用且与文中所描述的其它组件及/或步骤分开利用旋转装置及/或系统的组件及/或方法的步骤。

尽管本发明的各种实施例的特定特征可在一些图式中展示，而未在其它图式中展示，但此仅为方便起见。根据本发明的原理，可结合任何其它图式的任何特征来参考及/或主张图式的任何特征。

此书面描述使用实例以揭示本发明(包含最佳模式)，且还使得所属领域的技术人员能够实践本发明，包含制造及使用任何装置或系统及执行任何所并入的方法。本发明的专利范围由权利要求书界定，且可包含所属领域的技术人员所想到的其它实例。如果此类其它实例具有与权利要求书的文字语言相同的结构元件，或如果其包含与权利要求书的文字语言没有实质不同的等效结构元件，那么希望其处于权利要求书的范围内。

Claims (6)

1.一种旋转引擎，其包括：

进气系统，其经配置以将空气供应到至少一个腔室；

燃料注入系统，其经配置以将燃料注入到所述至少一个腔室中；

排气系统，其经配置以将废气从所述至少一个腔室排放；

外壳；及

转子，其经配置在所述外壳中围绕旋转轴旋转，其中所述至少一个腔室在所述外壳内且至少部分地通过所述转子而界定，其中所述外壳包括压缩控制端口，所述压缩控制端口经配置以在所述引擎的压缩循环期间，随着所述至少一个腔室围绕所述外壳旋转而控制所述至少一个腔室中的气体混合物的压力及体积中的至少一者，所述压缩控制端口包括：

被界定为通过所述外壳的通道；以及

至少一个阀，其安置于所述通道中且经配置以控制通过所述通道的流动。

2.根据权利要求1所述的旋转引擎，其中所述燃料注入系统经配置以在所述引擎的压缩循环之前将燃料注入到所述至少一个腔室。

3.根据权利要求1所述的旋转引擎，其中所述至少一个腔室包括多个腔室，所述多个腔室在所述外壳内且至少部分地通过所述转子而界定，且其中所述压缩控制端口经配置以随着每个腔室围绕所述外壳旋转而控制所述多个腔室的每个腔室中的气体混合物的压力及体积中的至少一者。

4.根据权利要求1所述的旋转引擎，其中所述外壳包括圆柱形内表面，所述通道从所述内表面径向向外延伸，其中所述至少一个阀从所述内表面径向向外设置。

5.一种用于操作旋转引擎的方法，所述方法包括：

提供在外壳中的转子，使得在所述外壳内且至少部分地通过所述转子界定至少一个腔室；

将空气供应到所述至少一个腔室中；

将燃料注入到所述至少一个腔室中；

在所述引擎的压缩循环期间在所述至少一个腔室中压缩气体混合物；

在所述压缩循环期间随着所述至少一个腔室围绕所述外壳旋转而使用压缩控制端口来控制所述气体混合物的体积及压力中的至少一者，所述压缩控制端口包含与所述至少一个腔室流体连通的通道，及安置于所述通道中且经配置以控制通过所述通道的流动的至少一个阀；

燃烧在所述至少一个腔室中的燃料空气混合物；以及

将废气从所述至少一个腔室排放。

6.根据权利要求5所述的方法，其中在所述至少一个腔室中压缩气体混合物包含在将燃料注入到所述至少一个腔室中之后压缩所述气体混合物。