CN112673160B - 具有相对运动占据结构的缸系统 - Google Patents

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Abstract

文中公开了涉及一种缸占据结构的实施方式。示例提供一种缸系统，缸系统包含机械缸和缸占据结构，机械缸包括内部空间和活塞，流体引入内部空间中，活塞配置成用于在内部空间中的往复运动，缸占据结构包括插杆，插杆作用为第二活塞，其中，与活塞的往复运动对应地，插杆可变地插入缸的内部空间中以及从缸的内部空间中回退，并且其中插杆和活塞的部分可以围绕燃烧空间。

Description

具有相对运动占据结构的缸系统
相关申请的交叉引用
该美国非临时专利申请是于2017年12月19日提交的共同未决的美国非临时专利申请号15/847,711的部分继续申请，其整体通过引用的方式并入文中。
技术领域
本发明大体涉及用以执行做功的机械装置，更特别地，涉及液压和燃烧缸。
背景技术
各种各样的装置运用缸来执行机械功能并且产生有用功。例如，一般的内燃发动机(ICE)采用诸多缸，其中燃料-空气混合物被压缩并燃烧，以产生赋予相应往复活塞的功。每个活塞可以联接到曲轴，利用曲轴，赋予活塞的力可以通过各种中间装置传递到车辆的轮子，从而推进车辆。
非ICE发动机及其它装置可以在产生功时运用缸。例如，液压系统可以采用具有活塞的缸，活塞可操作成推动缸中的液压流体，其中根据帕斯卡原理，通过活塞施加到液压流体的压力可以传递到液压系统中的其它部件。作为具体示例，液压升降机可以采用流体连通的两个液压缸来获取输出力的倍增：用以提升物体诸如车辆的输出缸可以配置有分布输出力的较大面积，以便倍增施加到输入缸的输入力，输入缸具有施加输入力的相对较小面积。
当配置成用于在ICE、液压系统中或在其它背景下使用时，一般的缸产生与其行程容积(如，活塞表面行进通过的容积)成比例的输出(如，功率、力)，行程容积是活塞表面和行程距离的乘积(如，活塞表面行进通过的轴向距离)。由此，先前的系统(如，汽油和柴油ICE)已变成行程容积和/或距离增加，以增加缸输出。然而，增加行程容积和/或距离可以规定缸尺寸的增加，因而规定缸质量的增加，减少了使用这种增大的缸的发动机和车辆的总体经济性。
增加发动机/车辆经济性的其它办法可以包括使用回收系统。例如，液压缸可以联接到液压或涡轮增压器或电气回收系统，尽管这种回收系统经常表现出有限的效率(如，20-30％)，尤其是当它们抵抗1000psi左右的高初始压力做功时。在液压回收系统的情况下，其中未使用的机械力可以重新导向成将流体泵送到压力累积存储室中，用于后面的缸进吸，操作流体进吸可以基于抵抗高头累积器来泵送而原始时在低效率再循环方法下累积。最小化压缩比的上限的要求是一种在车辆中提供更好的能量回收结果的方式。虽然可以减少加压流体输入或缸输入压力来增加总体液压系统效率，但是，缸输出可以对应地减小，因为在一些配置中，液压缸的输出功率与有效头压和流体流量的乘积成比例。另外，当考虑在产生提供为到缸的输入的压缩流体时所消耗的能量时，诸如累积用于液压缸的加压流体所要求的能量，以及精炼和运输用于燃烧缸的可燃燃料所要求的能量，基于缸的系统的有限效率进一步复杂化。
直接喷射发动机方法已实施来用于满足清洁环境要求的目的，但是满足这种要求变得更有挑战性。例如，由于它们倾向于释放过量的未完全起燃的排放物，并且由于在它们进入下一燃烧阶段中之前失去压缩流体而也没有能量效率，所以，对于具有较少移动零件所需的两行程发动机在某些区域是完全禁止的。Wankel旋转发动机是有利的，因为其具有较少的零件，但其能量输出受限。
用于使车辆减慢的现有节流方法常常通过在膨胀缸行程期间释放未完全起燃的流体以释放作用在其活塞上的压力来完成。直接喷射发动机中的流体进吸路线遭受可能在发动机内向后泄漏的未起燃的排放物的积累。进一步，释放未起燃的流体造成污染，并且浪费燃料。进一步，已知超级增压式发动机中较高的初始压力造成高温，由于高温造成随后的损坏。
鉴于以上内容，需要一种机构，通过优化缸压力同时最小化未起燃流体的释放或失去压缩流体来符合燃烧发动机的环境要求，同时仍实现优异的功率输出。
发明内容
提供本发明内容来以简化形式介绍选择的构思，下面这些构思以详细描述进一步描述。本发明内容不意在标识要求保护的主题的基本特征的关键特征，也不意在用以限制要求保护的主题的范围。而且，要求保护的主题不限于解决本公开内容的任何部分中提到的任何或所有劣势的实施方式。
根据本公开内容的实施例，公开了一种缸系统，缸系统包含：机械缸，包括内部空间和曲轴活塞，流体引入内部空间中，曲轴活塞配置成用于在内部空间中的往复运动；以及缸占据结构，包括插杆，其中，与曲轴活塞的往复运动对应地，插杆可变地前进到缸的内部空间中以及从缸的内部空间中回退，并且其中，插杆部分地或完全地容含或围绕燃烧空间。
在另一方面，插杆使内部空间的一部分移位，使得流体所占据的内部空间的容积小于内部空间的固有容积。
在另一方面，插杆减少与曲轴活塞的给定行程对应的流体进吸。
在另一方面，插杆可以是固定结构，或者它可以执行为第二活塞，在膨胀或压缩行程期间，相应地，第二活塞可以通过机械连杆、磁力控制或液压连通而添加二次力，以选择性地、动态地和可控地增加和/或减小缸内部压力，如系统的特定应用所要求的。
在另一方面，在每个机械循环触发电磁致动器大致通过监测和响应节流踏板位置的机械或磁性传感器引发。
在另一方面，缸系统进一步包含控制器机构，控制器机构配置成经由电磁致动器来控制缸占据结构。
在另一方面，在一个实施例中，电磁致动器包括电气系统，电气系统配置成向线圈供应DC电流，从而产生磁场，并且包含非交替磁极定向，非交替磁极定向配置成在膨胀行程期间将其力施加为排斥或是吸引动作，以变动或强制插杆的移动。
在另一方面，磁场与插杆中的永磁体相互作用，以在膨胀行程期间从缸的内部空间可变地移除插杆。
在另一方面，插杆经由机械致动器或经由液压增压器可变地前进到缸的内部空间中。
在另一方面，在缸的膨胀行程期间，插杆前进到缸的内部空间中，膨胀行程主要通过燃烧的力引发，在缸的压缩行程期间，随着回退的曲轴活塞一起，插杆从缸的内部空间回退。
在另一方面，缸是液压缸，并且流体是主要在曲轴活塞和插杆(占据结构)所围绕的空间内喷射的液压流体。
在另一方面，缸是燃烧缸，并且流体是可燃流体。
在另一方面，以与曲轴活塞实质上相同的速率，并且在膨胀行程期间在与曲轴活塞的位置相同或相反的方向上，并且在压缩行程期间在与曲轴活塞的位置相同的方向上，插杆进行运动。
在另一示例中，公开的是缸系统，包含：机械发动机缸，包括内部空间和曲轴活塞，流体引入内部空间中，曲轴活塞配置成用于在内部空间中的往复运动；以及缸占据结构，包括插杆，插杆是第二活塞，其中，与曲轴活塞的往复运动对应地，插杆可变地前进到缸的内部空间中以及从缸的内部空间中回退。
在另一方面，插杆使内部空间的一部分移位，使得流体所占据的内部空间的容积小于内部空间的固有容积。
在另一方面，插杆减少与曲轴活塞的给定行程对应的流体进吸。
在另一方面，该系统进一步包含控制器，控制器配置成经由电磁致动器或者经由液压或涡轮增压器来控制缸占据结构。
在另一方面，电磁致动器包括电气系统，电气系统配置成向线圈供应DC电流，从而产生专用于提供专用排斥或吸引力的磁场。
在另一方面，磁场与插杆中的永磁体相互作用，以在膨胀行程期间使插杆在缸的内部空间内可变地前进或回退。
在另一方面，插杆经由机械致动器可变地插入缸的内部空间中以及从缸的内部空间回退。
在另一方面，机械液压或涡轮致动器包括弹簧，弹簧将插杆的动能转换成弹簧的势能。
在另一方面，在缸的膨胀行程期间，插杆前进到缸的内部空间中，并且其中，在缸的压缩行程期间，插杆完全地从缸的内部空间回退；并且其中，在膨胀行程期间，插杆从某一位置进一步前进或回退。
作为又一示例公开的是：在包括缸的机械缸系统，一种方法，包含：在膨胀行程期间，在第一方向上致动缸的曲轴活塞，在膨胀行程期间，与曲轴活塞的运动对应地，使缸占据结构前进到缸的内部空间中，在压缩行程期间，在与第一方向实质上相反的第二方向上致动缸的曲轴活塞，并且在压缩行程期间，与曲轴活塞的运动对应地，使缸占据结构从缸的内部空间回退。
在另一方面，燃烧空间通过插杆的本体部分地容含或围绕。
在另一方面，致动的曲轴活塞的内部表面部分地或完全地具有圆锥形状。
在另一方面，插杆是在膨胀行程期间可以变动其加速方向的第二缸。
作为另一示例公开的是一种使用2个内部活塞来执行每一缸燃烧2个发动机行程的方法，其中这两个活塞提供四行程发动机的四行程功能，包括空气进吸、空气压缩、动力行程和排放行程。
作为另一示例公开的是一种通过在插杆后面的空间中输送压缩流体以增加内部缸压力来增加发动机加速度的方法。
作为另一示例，公开的是一种通过在曲轴的相反方向上移动插杆活塞来使发动机减速的方法，造成缸内部压力的减小和曲轴功率的减小，而不需要早期释放未起燃的排放物。
在另一方面，缸占据结构经由电磁致动器、液压机超级增压器或涡轮增压器来进一步前进和回退。
在另一示例中，公开的是一种用于混合电磁-汽油缸驱动或者混合液压-汽油缸驱动的方法，其中第二活塞将二次压力传送到曲轴连接的活塞。
在另一方面，电磁致动器包括电气系统，电气系统配置成向一个以上线圈供应电流，从而产生一个以上磁场。
另一示例中公开的是一种通过给这种电磁体分配一个排斥或吸引任务来增强第二活塞连接的电磁体的能量返回的方法。
在另一方面，缸占据结构经由电磁致动器前进和回退。
在另一方面，机械致动器包括弹簧，弹簧将插杆的动能转换成弹簧的势能。
在另一方面，缸是燃烧缸，该方法进一步包含在压缩行程以前将可燃燃料喷射到缸中。
在另一方面，缸是液压缸，该方法进一步包含在压缩行程期间经由缸来压缩液压流体。
另一示例中公开的是一种缸系统，包含：机械发动机缸，包括内部空间，固定的非移动占据结构围绕燃烧空间安装在内部空间中，以下述方式与往复的曲轴活塞的部分接合：燃烧压力在膨胀行程的早期部分期间施加到曲轴活塞的较小表面区域，在膨胀行程的后期部分期间施加到曲轴活塞的较大表面区域。
又一示例中公开的是一种缸系统，包含：机械发动机缸，包括内部空间和曲轴活塞，流体引入内部空间中，曲轴活塞配置成用于在内部空间中的往复运动；缸占据结构，包括插杆，作为第二活塞，其中，插杆在缸的膨胀行程期间在第一方向上作为第二活塞可变地前进，并且在压缩行程期间在与第一方向实质上相反的第二方向上从中回退，其中，插杆部分地围绕燃烧空间，其中，缸占据结构初始时通过燃烧力移动到某一距离，之后它通过电磁或液压致动器进一步前进或回退。
作为又一示例公开的是一种机械发动机缸系统，包含：包括内部空间的缸、占据结构和曲轴活塞，其中，缸的内部空间通过占据结构修改，使得施加到曲轴活塞的燃烧压力在膨胀行程的早期部分期间施加到曲轴活塞的较小表面区域，并且在膨胀行程的后期部分期间施加到曲轴活塞的较大表面区域。
在另一方面，该系统配置成使得燃烧发生在占据结构的腔内，以将燃烧压力施加到占据结构和曲轴活塞两者。
在另一方面，占据结构是相对于缸的可移动结构，并且其中，占据结构的移动通过施力机构所施加的一个以上力来控制。
在另一方面，施力机构借助于节流位置传感器来响应节流位置，使得施加到占据结构的一个以上力取决于节流位置。
在另一方面，施力机构配置成在膨胀行程期间向占据结构施加回退力。
在另一方面，施力机构配置成在膨胀行程期间向占据结构施加前进力。
在另一方面，该系统配置成通过经由施力机构在占据结构后面泵送新鲜空气来在膨胀行程期间部分地执行压缩行程功能。
在另一方面，该系统配置成在每一燃烧的两个行程内执行进吸、压缩、膨胀和排放功能。
在另一方面，施力机构包括电磁致动器。
在另一方面，施力机构包括液压系统。
在另一方面，施力机构包括被迫感应系统。
在另一方面，该系统配置成将流体输送到占据结构的进吸侧，以增加缸压力和发动机加速度。
在另一方面，该系统配置成通过向占据结构施加回退力来造成发动机减速。
在另一方面，该系统配置成通过向占据结构施加前进力来造成发动机加速。
在另一方面，该系统配置成使占据结构的初始移动拖动燃烧流体并且在凸轮轴活塞的方向上使力，以吸收发动机振动力的部分。
在另一方面，在膨胀行程期间，占据结构变动方向。
在另一方面，该系统配置成在每一燃烧的两个行程内执行进吸、压缩、膨胀和排放功能。
从以下附图和优选实施例的详细描述中，本发明的这些及其它目的、特征和优势将变得更加显明。
附图说明
下文将连同提供来图示的附图一起来描述要求保护的主题的优选实施例，并非限制要求保护的主题的范围，其中相似的标号标示相似的元件，并且其中：
图1示意性地示出根据本公开内容各方面的包括改进的缸系统的发动机系统的示例；
图2示出根据本公开内容各方面的第一示例性缸占据结构；
图3示出根据本公开内容各方面的沿着图2中的平面1A-1A截取的横截面视图；
图4示出根据本公开内容各方面的第二示例性缸占据系统；
图5示出根据本公开内容各方面的沿着图4中的平面2A-2A截取的横截面视图；
图6示出根据本公开内容各方面的图5的第二示例性缸占据系统的细节2B的详细视图；
图7示意性地示出根据本公开内容各方面的示例性缸占据系统的各种部件；
图8示意性地示出根据本公开内容各方面曲轴活塞在膨胀行程期间如何移动；
图9示出根据本公开内容各方面的缸占据系统的第三示例；
图10示出根据本公开内容各方面的图9的横截面5A-5A的横截面视图；
图11示出根据本公开内容各方面的缸占据系统的第四示例；
图12示出根据本公开内容各方面的图11的横截面6A-6A的横截面视图；
图13示出根据本公开内容各方面的缸占据系统的第五示例；
图14示出根据本公开内容各方面的图13的横截面7A-7A的横截面视图；
图15示出根据本公开内容各方面的凸轮轴旋转直径的指示；
图16示意性地示出根据本公开内容各方面的缸占据系统的第六示例的横截面视图，其中横截面沿着缸纵向截取；
图17和图18示意性地示出根据本公开内容各方面的用于吸引或排斥缸占据结构的磁性布置；
图19示意性地示出根据本公开内容各方面的使用任何公开的缸占据结构的缸占据方法；
图20至图32示出各种曲线图和表格，示出公开的缸占据系统(D2，D3，D4)对比常规系统(Dl)的益处；以及
图33示出根据本公开内容各方面的伽利略和洛伦兹变换。
应要理解，在附图的若干视图中，相似的附图标记指代相似的零件。
具体实施方式
以下详细描述本质上只是示例性的，并不意在限制描述的实施例或者描述的实施例的应用和使用。如文中使用的，词语“示例性”或“图示性”意味着“用作示例、实例或图示”。文中描述为“示例性”或“图示性”的任何实施方式不必诠释为对比其它实施方式优选或有利。下面描述的所有实施方式是提供来使本领域技术人员能够制作或使用本公开内容的实施例的示例性实施方式，并不意在限制权利要求书所限定的本公开内容的范围。而且，无意受限于前述技术领域、背景技术、发明内容或以下详细描述中呈现的任何明示或暗示的理论。应要理解，附图中图示并在以下说明书中描述的具体装置和过程仅是所附权利要求书中限定的发明构思的示例性实施例。于是，除非权利要求书另有明确声明，否则与文中公开的实施例相关的具体尺寸及其它物理特性不应要认为是限制性的。
应要理解，参照图7的“向下”对应于参照图2至图6和图8至图18的“向右”或“右”，反之亦然。
公开的是一种缸占据结构。示例提供一种缸系统，缸系统包含机械缸和缸占据结构，机械缸包括内部空间和曲轴活塞，流体引入内部空间中，曲轴活塞配置成用于在内部空间中的往复运动，缸占据结构包括插杆，其中，与曲轴活塞的往复运动对应地，插杆可变地插入缸的内部空间中以及从缸的内部空间中回退。如附图中示出的，燃烧空间位于占据结构的壁内。
图1的图示呈现采用基于缸的发动机102来产生有用功的示例性系统。作为非限制性示例，发动机102可以运用来推进车辆；包括但不限于航海船只、轮式车辆和飞行器；致动各种装置，诸如液压升降机、叉车臂和反铲臂，以及挖掘装置和工业机械的其它部件；和/或，用于任何其它合适的目的。图1的图示示意性地示出在发动机102中包括一个以上缸104，利用一个以上缸104，可以导出有用功来执行这些功能。
在一些示例中，发动机102可以是内燃发动机(ICE)，配置成通过燃烧缸104中的燃料来产生有用功。一个以上缸104可以以线性或圆形布置、以任何合适配置(如，1-4，V6，V8，V12)布置。虽然未在图1的图示中示出，但是，在一些示例中，发动机102可以通过电气系统辅助，电气系统包含能量源(如，电池)和可操作地联接到可以实施有发动机的车辆的一个以上轮子的马达。这种配置可以称之为“混合”配置，可以采用诸如再生制动的技术来对能量源充电。
缸104可以包括活塞(如，在一个缸中的第一和第二活塞)，活塞进行其中的燃料燃烧所造成的往复运动。在一些示例中，往复的曲轴活塞运动可以转换成曲轴的旋转运动，曲轴可以经由变速器联接到一个以上轮子，从而提供车辆推进。在其它示例中，往复的曲轴活塞运动可以转换成其它部件和/或其它形式的运动，包括但不限于工业车辆的臂(如，叉车、反铲)的关节运动和线性致动。到此，图1的图示示出发动机102所产生的输出108，可以包括上述旋转运动、关节运动或致动，或者任何其它合适的输出。
进吸通道可以气动地联接到发动机102，以向发动机提供进吸空气，使空气能够与燃料混合，从而形成用于缸内燃烧的增压空气。当占据结构朝向进吸通道回退时，流体的进吸空气可以在占据结构后面的进吸空间中被压缩并且前进到占据结构内的燃烧空间中。到此，图1的图示示出在发动机102处接收输入106，输入106可以包含燃料/空气混合物。输入106可以包括任何合适的燃料组合，包括但不限于汽油、柴油、氧化氮、乙醇和天然气。进吸节流门可以布置在进吸通道中并且配置成可变地控制吸入发动机102中的空气-如，作为质量气流、容积、压力的函数。进吸通道可以包括各种部件，包括但不限于增压空气冷却器、压缩机(如，涡轮增压器或超级增压器)、进吸歧管等。相应的进吸阀门可以可变地控制进到缸104中的增压空气的吸入。可以提供燃料系统，用于存储和供应燃料，供应到发动机102。
排放通道可以气动地联接到发动机102，以提供增压空气燃烧的产物从发动机排放到周围环境的路径。各种后处理装置可以布置在排放通道中，以处理排气，包括但不限于NOx捕集器、微粒过滤器、催化剂等。对于经由涡轮增压器对发动机102增压的实施方式，可以在排放通道中布置涡轮机，以驱动涡轮增压器压缩机。相应的排放阀门可以可变地控制排气从缸104排出。
控制器110可以可操作地联接到发动机102中的各种部件，用于接收传感器输入，致动装置，以及大体实现发动机的操作。如此，控制器110可以称之为“发动机控制单元”(ECU)。作为示例，ECU可以接收以下输入中的一个以上：节流位置、表压、变速器操作齿轮、发动机温度和发动机速度。如下面进一步详细描述的，控制器110可以控制根据缸的操作循环可变地引入缸104的内部空间中的缸操作结构的操作。
控制器110可以以任何合适的方式实施。作为示例，控制器110可以包括逻辑机器和保持机器可读指令的存储机器，机器可读指令能够由逻辑机器执行，以实现文中描述的途径。逻辑机器可以实施为控制器、处理器、片上系统(SoC)等。存储机器可以实施为只读存储器(ROM，诸如电可擦除可编程ROM)，并且可以包含随机存取存储器(RAM)。控制器110可以包括输入/输出(I/O)接口，用于接收输入和发出输出(如，用于致动部件的控制信号)。
发动机102可以假设其它形式。例如，发动机102可以配置成用于液压操作，其中缸104包括相应的曲轴活塞，曲轴活塞进行往复运动，以可变地压缩其中的液压流体。在该示例中，输入106可以包括供应到缸104的液压流体，诸如油、水和/或任何其它合适的流体。输出108可以包括旋转运动、关节运动、致动或任何其它合适类型的机械输出。替代地或者在机械输出之外，输出108可以认为是包括通过缸104加压的液压流体，其中缸所施加的压力可以传递到与缸至少部分流体连通的其它部件中的液压流体。这种液压输出又可以运用来产生机械输出，例如，如在液压升降机中。对于发动机102配置成用于液压操作的实施方式，发动机和/或可以形成液压回路的其它元件可以包括液压部件的任何合适的组合，包括但不限于泵、阀门、累积器、贮存器、过滤器等。在这种实施方式中，控制器110可以配置成基于任何合适的传感器输出(如，压力、阀门状态、流率)来控制液压缸104、发动机102和/或液压回路的其它部件的操作。
为了增加缸输出以及避免与增加缸输出的现有办法关联的上述缺点，缸104包括缸占据结构202(即，插杆)，缸占据结构202可变地插入缸的内部空间中以及从缸的内部空间中移除，用以产生输出的操作性流体(如，液压流体、可燃燃料)引入缸的内部空间中。附图示出用于燃烧缸的缸占据结构的示例性实施方式，其中占据结构配置成通过电磁致动器、液压增压器、涡轮增压器之类受到朝向燃烧空间和/或朝向曲轴活塞(如，图7中，向下)的回退和/或前进力。
附图示出包括缸占据结构202(文中也称之为插杆或第二活塞)的缸104。缸占据结构202作用为在曲轴活塞204(如，曲轴活塞204是第一活塞)之外的第二活塞，并且占据结构202部分地围绕燃烧室。
曲轴活塞204联接到连接杆，连接杆可以联接到另一装置诸如曲轴，从而将曲轴活塞的往复运动转变成旋转曲轴运动或另一运动形式，这又可以用以推进车辆，致动装置等。曲轴活塞204的往复运动可以通过缸104的内部空间208中的增压空气燃烧来造成。燃烧可以部分地通过经由进吸凸轮轴致动的进吸阀门210控制，其可操作成选择性地将增压空气喷射到内部空间208中，用于其中的压缩和点火。可以控制火花或预热塞，以造成喷射的增压空气的点火。燃烧产物可以经由排放阀门216排放，排放阀门216经由排放凸轮轴致动。为了在增压空气燃烧的进程中从缸104吸走热量，从而维持所需的操作温度并且避免热降解，可以在限定内部空间208的内缸壁和限定缸的外部的外缸壁之间布置冷却剂套。可以包含任何合适物质(诸如水、防冻剂等)的合适冷却剂可以经由冷却系统循环通过冷却剂套。例如，冷却系统可以包括将加热的冷却剂辐射到外部环境的散热器。
如上所述，缸104包括缸占据结构202，缸占据结构202可变地插入内部空间208中，以增加缸输出和效率。特别地，结构202是插杆，与曲轴活塞204的往复运动对应地，可变地插入内部空间208中。在一些示例中，在曲轴活塞204向下(例如，参照图7)移动通过内部空间时，插杆202可以逐渐插入内部空间208中。插杆(即，占据结构)可以在其后面在进吸侧(图7，上侧)附近具有流体累积空间或者隔室，并且配置成具有在两个曲轴运动中执行的四个行程功能。然而，缸104可以根据任何合适的操作循环来配置，基于操作循环，可以控制插杆202引入内部空间208中。大体上，在曲轴活塞204向下(例如，参照图7)移动时，插杆202可以插入内部空间208中。
缸104可以执行压缩行程(如，用于两或四行程操作循环)或排放行程(如，用于四行程操作循环)。与曲轴活塞204向下和向上(参照图7)的运动对应地，相应地，插杆202可以可变地插入内部空间208中以及从内部空间208移除。插杆202和曲轴活塞204的移动之间的对应关系可以假设任何合适的形式。在一些示例中，插杆202和曲轴活塞204的移动可以大致同步，使得插杆以与曲轴活塞大致相同的速率和方向致动。因为曲轴活塞204变动方向-即，停止向上或向下移动，分别开始向下或向上移动-所以，插杆202也可以由此变动方向。
通过在操作循环部分期间将插杆202放置在缸104中，其中做功流体(如，液压流体、可燃燃料)引入内部空间208中，或者朝向进吸侧引入在占据结构后面的累积隔室或空间中，可被流体占据的内部空间的容积通过插杆的部分占据而减少。然而，内部空间208和缸104的固有容积保持不变。以该方式，引入缸104中的流体质量减少，而不变动影响缸输出的其它缸参数，诸如行程容积、行程距离、行程力和曲轴活塞表面面积。换言之，插杆202使得能够减少缸104的进吸要求，由于其占据内部空间208，所以插杆进一步造成运用在燃烧或液压过程中的内部空间的容积(所谓的“燃烧容积”或“液压容积”)小于内部空间本身的固有容积。缸104的固有容积可以认为是通过缸的内壁限定的容积，在一些背景下，可以认为是曲轴活塞204的上表面上面的容积。
电磁系统可以向占据结构202添加回退或前进力。在该实施方式中，在膨胀行程期间，插杆202经由螺线管型电磁致动器可变地从内部空间208移除，螺线管型电磁致动器包含在顶端和底端联接到电气系统226的线圈224。电磁芯可以专用于向占据结构施加回退力(如，朝向进吸侧的力，或者换言之，远离燃烧空间的力，图7中，向上)。
取决于具体应用，电磁体可以专用于排斥或是吸引占据结构。无论电磁体专用于哪个(排斥或吸引)，其余功能(如，排斥或吸引)可以在功能性上是被动的。电磁力可以用以在膨胀行程的早期阶段回退占据结构，用于响应发动机、车辆或节流减慢命令的目的，以避免必须早期释放排放物。在该实施方式中，插杆202包括磁体227(如，永磁体)，以实现与通过线圈224传递的电流所产生的磁场的相互作用，以及插杆的螺线管型电磁伸出和回退。线圈224-具体地，线圈的上端下面和线圈的下端上面的在线圈的内部空间内的其部分-所产生的磁力线可以与插杆202伸出和回退的方向大致平行。为了便于文中描述的插杆202的电磁致动，电气系统226可以包括电流源，利用电流源，电流选择性地提供到线圈224。电气系统226可操作地联接到控制器110，根据如上所述的缸104的操作循环，和/或，基于任何其它合适的输入(如，凸轮轴正时、阀门正时、进吸或增压空气变量、其它操作条件)，控制器110可以控制电气系统，以选择性地定位插杆202，和/或，向占据结构202提供回退或前进力。在一些示例中，控制器110可以是图1的控制器110，但是还可以包括各种装置和系统，以使占据结构202受到回退或前进力，或者向占据结构202的上侧(如，图7的进吸侧)添加压力。控制器110的这种装置及系统可以是液压或涡轮增压器、电磁致动器、或者可以控制占据结构202受到的力的任何适当的系统，文中大体称之为“施力机构”。线圈224、电气系统226、磁体227和控制器110中的一个以上可以形成文中称之为“电磁致动器”的东西。在一些示例中，电磁致动器可以认为是螺线管，其中插杆202作用为通过电磁致动器平移的塞块。应要理解，如图7中示出的，回退和前进力施加到插杆202的本体。
设想了用于致动插杆202的其它电磁配置。例如，缸占据结构202可以配置有电磁致动器而没有包括在插杆202中的永磁体，其中电流选择性地施加到电磁致动器，以可变地产生磁场。可以通过从系统回收浪费的能量来供给电磁力。大体上，任何合适的电磁机构可以用以致动插杆202。
缸104可以配置有增加缸输出的其它方面，诸如将占据结构和/或曲轴活塞配置成在其远端具有圆锥形状或外形。例如，远端可以是面向燃烧空间的一端。
曲轴活塞的内部表面可以包括凹口和/或突起，以在曲轴活塞的相对运动期间增加剪切应力。进一步，曲轴活塞的内部表面可以包括第二较轻密度金属，以增加曲轴活塞的重力或重量中心和几何中心之间的距离，提供行程距离相对于缸内部空间容积的部分优势。
线圈224可以布置在壳体中，壳体与绝缘屏障交界，实现插杆202的低摩擦移动以及内部空间208和壳体之间的实质密封。线圈224通过联接到控制器110的电气系统226电驱动。
磁体407(图17)在插杆202的带正电部分和磁体407之间生成磁场。磁场经由磁力线示出。应要理解，插杆的机械移动与图17中示出的磁力线平行。因此，插杆202的移动矢量不会穿过磁力线。线圈224提供负责控制往复移动控制的另一磁场，而线圈或磁体407提供负责提供插杆202的驱动力的场域。因此，在螺线管所提供的磁场之外，系统还会需要控制插杆移动的频率，并且插杆的前进力或运动可以从磁体407所提供的另一场域获得。
在一个示例中，弹簧可以联接到插杆202，插杆202可变地引入缸104的内部空间208中并且从缸104的内部空间208中回退，用于防止在膨胀行程期间插杆的早期回退的目的。
占据结构202可以由任何一个以上零件或柱形层制成。占据结构在不同发动机缸中可以有不同大小。例如，一些占据结构202形状可以设计成用于更高的扭矩要求，作为非限制性示例。
文中描述的缸占据结构202和缸实施方式提供为示例，并不意在以任何方式限制。许多修改都在本公开内容的范围内。文中使用的“缸”不要求柱形几何构型，而是指代往复的曲轴活塞运动用以产生有用功和输出的机械装置。例如，可以采用非球形几何构型，诸如半球或楔形几何构型。可以添加、移除或修改各种缸部件，包括缸头部件、阀门等。进一步，可以设想替代的插杆配置。例如，文中公开的插杆可以从底面、侧面或从任何其它方向(包括以倾斜角度)进入缸内部空间。缸104本身可以具有弯曲形状，作为圆形发动机的部分，其中活塞和插杆在行程运动期间遵循圆形或弯曲路径。更进一步，可以有采用基于弹簧和电磁致动两者来控制插杆的实施方式。在一些液压实施方式中，可以采用混合方案，其中流体被机械地泵送以及抵靠曲轴活塞磁性地前进。例如，在主动按压期间，可以抵靠曲轴活塞柱塞按压流体，而不使用液压泵。
文中描述的缸占据结构实施方式可以产生各种技术效果和优势。例如，缸占据结构可以减少要求到缸中的流体进吸(如，流体质量、流体容积)(如，执行给定行程或行进给定行程距离所要求的进吸)，其中在一些背景下，要求的流体进吸初始时通过曲轴活塞移动和形状来规定。减少的流体进吸可以用以相对于与初始较大的流体进吸关联的行程力维持类似行程力。在其它示例中，缸占据结构可以允许使用类似的流体容积，用于较大的距离行程。进一步，缸占据结构可以使得能够在曲轴活塞的内部表面上每平方英寸施加更大的力。在一些示例中，一个以上插杆可以添加到曲轴活塞的有效表面面积，以增加力和功率输出。在一些示例中，诸如采用电磁致动的那些示例，通过将插杆稳定地保持就位，缸占据结构可以维持燃烧压力大小，其中磁场利用燃料燃烧来引发。在一些示例中，缸占据结构可以经由逐渐杆插入缸内部空间中来实现行程距离和曲轴活塞动量的增加。在一些示例中，缸占据结构可以促进层流曲轴活塞移动，而压力下降较慢。在一些示例中，缸占据结构可以实现功率输入大小从静态电力或静态磁力增加。在一些示例中，只要插杆不穿过磁力线，缸占据结构可以进行平行于磁力线的运动而不消耗电功率。在一些示例中，诸如采用基于机械弹簧的致动的那些示例，缸占据结构可以实现行程距离增加，动量增加，层流曲轴活塞移动更多而压力变化减小，源于插杆惯性和弹簧膨胀动量的功率输入增加。在液压实施方式中，插杆可以减少来自泵的加压液压流体进吸，因为抵靠曲轴活塞柱塞移动的流体在计算质量上大于泵送的流体。这些及其它技术效果可以增加实施缸占据结构的车辆的经济性。
文中描述的步骤、任务和方法可以在缸的整个操作中以任何合适的频率、间隔、工作循环等重复，可以包括连续操作或者可以被中断(如，响应于控制器输入、操作员输入)。
插杆202和曲轴活塞204可以在它们交界的表面处具有圆锥形状。插杆202可以部分地容含和/或部分地围绕燃烧空间。插杆202可以机械地连接到控制器110所控制的电磁致动器或其它施力机构。当与常用的普通成形柱形体相比时，曲轴活塞204的内部表面的圆锥形状在扭矩和速度上提供更好的性能。
公开的缸系统可以采用基于缸的发动机102来产生有用功。燃烧空间208可以被插杆和曲轴活塞的部分围绕，使得燃烧隔室本身相对于缸在缸内相对地移动或者形状和大小上变动。
使电磁体专用于仅作用有排斥任务，或者仅作用有吸引任务，那么磁芯将保持其磁极定向不变，其电子聚集会始终停留在一侧。如果采纳这种布置，那么预期添加到螺线管部件的磁场强度在力幅值上可以比之于可比较的交替磁极磁体的电流和电压所生成的场域大几百倍，并且这种增强可以反映出从不是交替磁极的永磁体的性质中获得的能量回收的巨大益处。这对总体发动机能量返回将是非常有益的。
占据结构(即，插杆)可以作用为在缸内的第二移动活塞。用于减小缸内部压力的方案将是通过使用来自电磁体或其它力源的二次力来在(如，远离)曲柄轴连接的活塞的相反方向上移动第二活塞而非释放未起燃的排放物。当插杆部分地围绕燃烧空间并且成为初始加速的参与部分作为第二活塞(具有表面特殊成形)时，对这种布置计时更容易，使得当受到来自前侧的压力时插杆变动方向，在膨胀行程期间这将使这种插杆停止并且缓慢地开始反转方向。控制其位置可以使用二次支撑装置来完成，类似用于更强回退的电磁马达，或者用于更强和更长前进的涡轮增压器或液压增压器。
使第二活塞(插入体或占据结构)定位在进吸路线和燃烧空间之间，以及在凸轮轴驱动活塞回退期间在进吸侧持续地维持比占据结构的排放侧更高的流体压力有助于保持进吸路线更清洁并且更加长期地可靠。
当插杆围绕燃烧室时，它作为初始加速度的部分前进，作为第二活塞，当在两个活塞脱离之后受到来自曲轴侧的压力时，插杆可以变动方向，使得在膨胀行程期间插杆停止并且慢慢开始反转方向。
应要理解，短语“在曲轴活塞的方向上移动”可以指代指向曲轴活塞的位置的方向，而不指代曲轴活塞的移动方向。
该系统提供文中公开的益处，因为施加来使用相同路径将类似负载移动到类似距离的能量允许能量消耗与时间无关，意味着如果移位发生缓慢或快速，则可以使用相同能量数值来执行做功。占据结构后面的流体累积隔室允许在两个曲轴运动中执行四个行程。该系统不仅提供节能配置，还提供管理发动机加速和减速的替代方式，同时减小污染排放。
为了在两个曲轴运动中执行四个行程，在膨胀行程期间，初始时在端口喷射室中在空间占据结构后面引入新鲜空气或预混合流体，以向膨胀行程添加驱动力，还(作为压缩阶段的部分)部分地压缩空气。当压缩行程开始时，该部分压缩的流体将移动到燃烧空间中，作为间接喷射方法，其中通过安装在空间占据者后面的连通通路进一步压缩(如，完全压缩)。在另一方法(直接喷射)中，特殊通路可以随火花塞一起直接到达燃烧室。排放出口216可以具有各种位置和配置。应要理解，“预混合”流体的定义可以是端口喷射流体或间接喷射流体，“预混合室”可以是端口室。
换言之，新鲜空气流体初始时在膨胀行程期间在端口喷射室201(图3)中使用涡轮增压器或超级增压器引入空间占据者后面，以将驱动力添加到空间占据者，还作为压缩阶段的一部分，部分地压缩一个以上隔室中的空气。当压缩行程开始并且活塞开始回退时，该部分压缩的空气将通过入口阀门位置203进一步压缩而移动到燃烧空间，从而将排放流体驱动走到两个活塞之间的区域，朝向排放阀门，在活塞开始接合的时间前，燃烧空间从排放物中清洁，然后燃料流体将完全地或部分地喷射到端口喷射室中的一个中，以与新鲜空气混合，并且在完全活塞回退的情况下，空气-燃料混合物将移动到燃烧室，作为间接喷射方法。在另一方法中，通过特殊通路或路径燃料的直接喷射可以随火花塞一起直接到达燃烧室，通过空间占据者中或附近的中心或侧面空间，并且燃料喷射将施加到燃烧空间而非端口喷射室。排放出口216可以具有不同位置，然而，它可以与两个活塞之间的区域对齐，作为在压缩行程期间接合的开始。火花塞还可以用在具有直接或间接喷射的非柴油燃料中。
现在下面将更加详细地描述图2至图18的图示。
图2至图18中示出的是可以包括在缸占据系统中的各种示例、部件和特征。例如，缸104可以包括内部空间208、占据结构202和曲轴活塞204。缸104的内部空间208通过占据结构202修改，使得施加到曲轴活塞204的燃烧压力在膨胀行程的早期部分期间施加到曲轴活塞204的较小表面区域，并且在膨胀行程的后期部分期间施加到曲轴活塞204的较大表面区域。
例如，如图8中看到的，在左侧，在膨胀行程的早期时间点，较小的表面区域802显露于燃烧腔804中的燃烧。并且在右侧，示出了膨胀行程的晚期时间点，其中较大的表面区域806显露于起始于燃烧腔804的燃烧。该构思应用于附图中示出的所有示例。由于侧倾表面相对于缸壁的几何构型，曲轴活塞的部分圆锥形状或外形提供与直角外形相比显露于前进的燃烧压力波的更大的表面区域。然而，即使图4、图5、图6和图10中示出的直角外形曲轴活塞也受益于在燃烧行程期间的早期和晚期时间显露于曲轴活塞的燃烧表面面积的变化。
例如，曲轴活塞可以包括从较薄尺寸808变动成较厚尺寸810的端部分，使得较薄尺寸部分是早期显露于燃烧压力的部分，较厚部分稍后显露于燃烧压力，如图8中示出的。较薄部分可以插入燃烧空间中，或者替代地，在燃烧的时刻，放置成紧邻于燃烧空间的一端。占据结构的外形可以与曲轴活塞的外形恰好匹配、相称、或者大体匹配。较薄部分可以相对于较厚部分向远侧定位(如，朝向图8中的左边)。
该系统可以配置成使得燃烧发生在占据结构202的腔804内，以将燃烧压力施加到占据结构202和曲轴活塞204两者。
占据结构202可以是相对于缸104的可移动结构。占据结构202的移动可以通过施力机构702所施加的一个以上力来控制。占据结构202可以在膨胀行程期间变动方向。
施力机构702借助于节流位置传感器来响应(如，车辆的)节流位置，使得施加到占据结构202的一个以上力取决于节流位置。施力机构702可以配置成在膨胀行程期间向占据结构202施加回退力。施力机构702可以配置成在膨胀行程期间向占据结构施加前进力。
施力机构702可以包括电磁致动器、液压系统和/或被迫感应系统。被迫感应系统的示例是涡轮增压器、液压增压器和超级增压器。占据结构可以机械地联接到电磁致动器。
图18的图示示出第一电磁体1802，可以在曲轴活塞膨胀期间激活第一电磁体1802，提供排斥动作(前进力)。可以在曲轴活塞回退期间激活第二电磁体1804，提供吸引动作(回退力)。
该系统可以配置成在膨胀行程期间通过在进吸侧压缩流体来部分地执行压缩行程，这也意味着经由施力机构702向占据结构202施加力。如此，该系统可以配置成在每一燃烧的两个行程内执行进吸、压缩、膨胀和排放功能。
该系统可以配置成将流体输送到占据结构202的进吸侧704，以增加缸压力和发动机加速度。该系统可以配置成通过向占据结构202施加回退力来造成发动机减速。该系统可以配置成通过向占据结构202施加前进力来造成发动机加速。进一步，如图7中示出的，流体通路706允许流体从进吸侧704行进到燃烧室804。
流体通路706(也可称之为连通通路)可以具有控制阀门，以分离流体管理的阶段1和阶段2之间的正时。阶段1包括在膨胀行程期间在空间占据者(插入体)后面的流体累积，膨胀行程使用涡轮或超级增压器部分地压缩新鲜空气，向活塞施加二次驱动力，或者在向活塞施加驱动力的同时预混合流体。阶段2包括通过可以容含多个阀门和路线的连通通路将部分压缩的新鲜空气或预混合流体传送到在空间占据者内的燃烧空间。连通通路或各连通通路可以包括通向新鲜空气的路径和通向排放出口的另一路径。使用空间占据结构，排放路线可以适配通过连通通路，其中连通通路可以配备有多个路线以及与新鲜空气进入或预混合流体进入以及与排放路线的连接。
连通通路可以具有单向阀门，并且阀门可以打开，以允许部分压缩的流体移动到燃烧空间，并且在膨胀行程期间，阀门可以关闭。端口喷射隔室可以在膨胀行程期间大小上膨胀。
该系统可以配置成，由于曲轴活塞204和占据结构202之间的燃烧压力，允许占据结构202在远离曲轴活塞204的回退方向上加速，以吸收否则将施加到曲轴活塞204的燃烧力的部分。该系统可以配置成在每一燃烧的两个行程内执行进吸、压缩、膨胀和排放功能。
如图19中示出的，公开的方法包括，在1902，开始在包围于活塞和缸占据结构之间的移动零件的边界内的燃烧，在1904，将两个零件加速到缸内部空间中，直到缸占据结构的加速度变动方向以及随后在膨胀行程期间完全停止为止，在1906，通过二次装置诸如电磁致动器、液压系统或涡轮增压器，借助于施力来进一步使缸占据结构前进或回退，以及在1908，通过在压缩行程期间完全地回退占据结构，压缩和移动预燃烧流体。
图20至图32的曲线图显示公开的缸系统的各种有益属性。如果文中未明确地论述图20至图32的任何特征，则应要理解，应当从示出的图表及其附带的标题或附带的文本中收集与本公开内容相关的任何信息。应要理解，D1-D3指代公开的缸系统的设计1-试验3，并且反映不同的实施例。例如，T1-T3指代“设计3”-“试验10”。
图20的图示显示普通活塞的度量，作为与公开的活塞系统的度量相比的示例，这可以在图25中看到比较。
图21的图示显示压力对距离曲线图。试验是在没有抵抗负载的情况下完成的。与D1-T1的常规缸系统相比，公开的系统在D2-T1的曲线下具有更大的面积。在膨胀行程期间，当缸持续维持较高的内部压力300％-400％时，这将反映为更高的热力效率，约50％的N02/NOx的更高的理想比率，以及碳氢化合物颗粒的更完全的分解(利用缸占据结构设计，HC的质量分数减小到一半)。当在施加到曲轴活塞的抵抗负载下重复试验时，曲线图D2-T1(然后命名为D2-T3)下的区域显示当与普通缸相比时，缸内部压力进一步增加。
图22的图示显示曲线D2-T1的压力优势，其中D2-T1意味着公开的系统的第二实施例的第一试验。进一步，图22显示压力对时间曲线图。试验是在没有抵抗负载的情况下完成的。与D1-T1的常规缸系统相比，公开的系统在D2-T1的曲线下具有更大的面积(大了约5倍)。类似地，该曲线图告诉我们更清洁的排放物起燃的显著潜力。尽管未在图22中显示，但是，应要理解，使用预混合流体，压力将增加到1500psi并且以0.007秒下降到零。然而，活塞速度将比D1-T3快速得多，造成流体冻结和严重污染。
因此，公开的发明通过向较小表面施加初始力来减缓活塞，同时增加内部燃烧压力，以减少流体冻结和污染，允许通过间接端口喷射方法来部分地预混合流体，以在较少的污染和流体冻结的情况下使用。因此，燃料室中燃料的直接喷射可以通过燃料和新鲜空气的预混合方法部分地替换或辅助，用于更高的内部压力的目的，同时通过减小活塞速度来维持更清洁的燃料起燃。使用公开的空间占据者，并且在膨胀行程的早期阶段将燃烧力施加到凸轮轴活塞的较小或部分区域造成较慢的运动，同时获得功能量而非损失。因此，公开的系统及方法可以部分地允许使用间接喷射以利用较慢的活塞移动来有益于较高的力输入，以有益于更清洁的起燃。
图23的图示显示压力对时间曲线图。试验是在没有抵抗负载的情况下完成的。在设计D3-T1中，燃烧空间仅面对表面802(图8)而不围绕元件808(图8)。在设计D2-T1中，燃烧空间初始时围绕元件808。对于设计D3-T1，曲线图显示内部缸压力保持比常规缸高约两倍，然而，它比D2-T1小约两倍。虽然内部压力有下降，但是，D3-T1设计提供比D2-T1更好的功能量返回。曲线图告诉我们，做功设计可以显著基于能量返回和清洁燃烧要求，其中一种设计可能优选于另一设计。
图24的图示显示力对距离曲线图。该曲线图显示其中燃烧空间初始时不围绕元件808(图8)的D3-T1在膨胀行程期间提供高于D2-T1但小于普通活塞的力。该曲线图不应混淆于新设计和常规设计之间的能量评估，因为功能量性能应基于(力*距离/秒)评估，并且我们可以称作(功/秒)，可以呈现为功对时间。
图25的图示显示使用直接喷射的功能量评估曲线图，并且新设计D3在功对时间曲线图下提供比普通缸设计更大的面积。根据面积差异，这是好了约200％的功能量效率。由于接合头(图8，元件808)的较大直径，设计D3-T1在膨胀行程开始时具有比D3-T2更大的燃烧显露区域(图8，802)。为此，我们看到D3-T1在膨胀行程开始时提供更高的功能量，并且此后功能量更低。当使用间接喷射用于D1-T3(曲线图未显示)时，与间接预混合喷射相比，在直接喷射方法中，可用能量更好，几乎两倍。出于该原因，在我们开始使用直接喷射之后实现了增强，更好的能量返回和更好的排放顺应性，并且现在可以利用公开的方法采取进一步的步骤，用于更好的能量返回和更清洁的排放流体。
图26的图示显示使用ANSYS分析的排放物质量分数的表格，可以看到CO减少2.5倍，CO2增加1.4倍，NO增加1.08倍，NO2增加3.2倍，C12H23减少5.45倍。紧接在下面的是与图26的表格相关的信息列表。
使用ANSYS分析在设计D1-T3和D3-T10使用类似的喷射燃料(C12H23)的初始参数：
质量流量喷射＝0.05kg/s；
喷射的时间＝0.001秒；
喷射的压力＝17405PSI；
燃料的温度＝300K；
喷射燃料的质量＝50mg；
喷嘴直径＝1mm；
发动机的近似转速＝4000RPM。
压缩空气的初始参数：
初始容积＝4.81inch^3；
空气的压力＝500PSI；
空气的温度＝830K；
N2的质量浓度＝0.7675
O2的质量浓度＝0.2325
阻压力＝20PSI(曲轴活塞上1074N的阻力)
结果：排放物(HC)中的碳氢化合物输出减小5.45倍。如果我们期望将燃料消耗减少到50％，那么总体HC输出将削减1100％。CO减小2.5倍。NO保持在同一水平，然而，这是随着燃料消耗减小的另一潜在增强。CO2增加30％，这是理想的结果，尤其是当它是HC和CO减小的结果时，并且仍认为是随着燃料消耗减小的另一潜在减小。NO2理想地增加3.2，其中可管理的产物排放过滤器可以容易地转换成N2(配备有早期过滤器做功阶段的更加昂贵的过滤器可以将NO转换成NO2)。当这种增加以不可管理的CO、NO和碳氢化合物为代价时，可管理的NO2和CO2可以增加。
图27的图示对于D3-T2显示功对时间曲线图，其中接合头808(图8)是2.5”长。该曲线图显示，在膨胀行程结束时，功能量比普通活塞，还比具有较短头的新设计更高。
对于D4-T1，图28的图示将零长度接合头与普通活塞相比。在该试验中的元件808(图8)的长度为零，并且曲轴活塞和占据结构之间的仅有接合是约0.5英寸深的圆锥形状中心。在该布置中，占据结构将不前进并且将作用为静定的占据结构，可以采纳来避免更加先进的发动机的复杂化。曲线图仍显示更好的功能量返回。
图29的图示显示，对于D2-T3，在新设计中，当我们向做功的凸轮轴活塞的较小表面施加压力时，在类似在普通活塞中的动力行程的前10％期间，曲线图下的能量区域不被浪费。在新设计中，沿着行程时间更平衡的力分布创建更好的机会来修改对于不同负载需要的燃烧流体量以及对柴油或汽油节省更好的方式。还有，变动表面802(图8)的大小给予我们对符合力分布要求的设计控制，初始力越低，在膨胀行程期间后面我们具有可用的越多，以及我们具有越少的发动机振动。
图30的图示显示，对于D3-试验9，我们具有1100N的抵抗载荷，我们在膨胀行程的0.005秒时借用施加到占据结构(第二活塞)的8000N的二次驱动力。这类施加的力使曲轴活塞的驱动力和速率达到约80％的能量回收潜力，通过将曲轴活塞力从1000N增加到8000N而出现在力对速率曲线图上。
仍参考图30，对于D3-T9，我们具有1100N的抵抗载荷，我们借用在膨胀行程期间始终施加到占据结构(第二活塞)的2222N的二次驱动力。这类施加的力提供曲轴活塞驱动的持续增强，具有多于70％的能量回收潜力。在该试验中，占据结构和活塞在膨胀行程期间没有脱离，活塞朝向行程结束具有更高的压力和更高的驱动力。2222N的二次力可以从回收的排放能量中借用，并且当施加来辅助占据结构的前进时，2222牛顿的大部分转变成曲轴活塞的约1500牛顿的驱动力。
该曲线图还显示，辅助排放回收涡轮增压力或磁力可以提供独特的益处，其中能量可以仅当需要时消耗，给发动机提供了更高的容量而不需要增加缸的数量。
图31的图示显示，对于D3-T10，曲轴活塞驱动的曲线图可以持续是正的，提供对于较低发动机振动以及曲轴的更均匀运动的增强。活塞的膨胀行程的最后部分可以仍具有足够的功率，以在层流非脉冲机械运动中应用于第二活塞压缩行程。
图32的图示显示活塞的速率，并且常规做功缸中的曲轴活塞速度平均为约30-40米/秒，而没有二次力辅助，使用占据结构的曲轴活塞速度约为16米/秒。从受控燃烧研究中，我们知道活塞膨胀越快速，缸燃料混合物冷却得越快速越迅速，导致化学反应显著减少(常常称为冷冻混合物)，使排放远离化学平衡。如果对于仅具有可变的活塞速度的给定缸设计相比，则较高水平的NOx是冷冻的化学产物的示例。我们了解到，活塞速度的均匀增加造成不完全的燃料起燃，严重的污染试验结果。因此，公开的在膨胀行程的前半部之后施加大力的模型可能导致活塞速度非常大的增加，然而，当这一增加发生在一段缓慢的活塞运动之后并且在完全起燃的足够时间之后时，那么这种活塞速度的增加可能不负面影响削减污染的更好结果的目标。
进一步的试验显示，通过减小曲轴-活塞头直径(如，图8中，802)并且使活塞以所需速度执行，可以实现降低速度，当其接合头直径上小于0.9英寸时，活塞移动低于建议的16米/秒的目标。
相对于污染和立法，碳氢化合物(HC)是有挑战性的污染议题，我们使用配备有占据结构的缸将其输出削减550％时具有最好的效果。立法于污染，最重要的污染物之一是NOx(N2、N02、NO)。大多数车辆排放物中的NO2/总氮氧化物NOx的比率常常为约5-10％，最佳值将超过50％。排放物的现代过滤器处理包括意在将NO转换成NO2的早期阶段过滤器，最后过程是将N2转换成N2。我们有诸多设计工具来实施，用于将NO2/Nox比率增加到所需比率并且减小NOx的总体质量的目的。利用公开的缸占据结构设计，有关污染的主要优势主要来自减少总体燃料使用和增强每一单位燃料的里程行程，这导致总体热量输出减小，其中热量是污染输出的主要因素。
在公开的增加缸内部压力和减小活塞速度动态的方法中，我们将碳氢化合物质量分数削减550％。N02处于理想的更高比率，其中我们相信在该方法中，NO2增加以CO而非NO为代价。伴随占据结构缸的NO输出约与常规缸中的NO的水平相同，速度循环小于6000rpm，然而，当我们部分地使用间接喷射时，它减小了，而N2理想地使水平加倍，从有害的氧化形式中带走更多的氮气分数，这也是反映平衡的化学反应和我们期望从公开的系统中看到的过程的理想结果。
当在类似的条件下两个类似的能量花费来驱动两个类似的重量物体到两个点A和B之间的类似距离时，能量是与时间无关的，意味着无论执行这种任务花费多少时间都将花费相同的能量。如果路径变动然而我们在A和B之间花费两倍的能量，我们知道我们必须做功更多，如果所有其它变量保持不变，那么我们知道花费两倍的能量相当于在相同(校正)条件下做相同的功，用于使距离加倍(并且使时间加倍)。
在缸示例中，我们使用类似的曲轴运动的物理距离A-B，但是利用占据结构，我们变动压力和表面，并且根据Pascal可以调整或校正到类似的力和不同的相对距离，其中这种不同的相对距离称作A'-B'，并且其中根据D'Limbert，解释了在相对运动中可以不同地计算类似的物理距离，并且A和B之间的不同相对运动可能造成基于相对运动距离A'-B'的数值消耗不同量的能量，并且其与时间有关，因为坐标距离不相同。
在配备有空间占据结构的活塞中，我们确实有相对运动，曲轴的物理距离应被调整，不是因为它的运动距离变动，而是因为其运动开始和结束之间的路径在表面和压力数值上变动。
增强活塞输出的能量的一种方式是通过使用与缸相对运动的占据结构作为第二活塞，这是本申请的主题。仿真曲线图显示有效的能量增强，潜在性地降低燃料要求，以执行常规缸所完成的某一任务，或者通过使用类似的燃料容积来胜过常规缸，同时驱动更大的负载。
在类似直径的缸中，使用类似的燃烧流体容积和类似重量曲轴活塞，用于驱动类似的负载，我们发现在配备有占据结构、配备有一些设计变量的缸中，曲轴活塞速度将降低约一半。如果我们尝试比较常规缸和具有占据结构的缸之间的曲轴运动能量，使用类似的燃烧流体，类似的阻力负载，类似的缸直径，用于类似的时钟时间和类似的距离，使用移动活塞本体的动能方程(E＝0.5*m*v2)，似乎是，在具有占据结构的缸中的曲轴活塞运动有更少的动能，因为活塞运动速率(v)始终随着(m)更少，并且对于燃烧流体的质量或活塞的质量是相同的。但是，逻辑说我们将燃烧力部署在缸内侧的较小容积中，并且它应通过驱动活塞及其负载更长的物理距离来补偿。试验结果还显示功能量曲线图下的更大面积，其中功意味着([力*距离]/时间)。
对于该差异的紧接结论应表明我们应要改动动能方程，来服务于计算功能量而非动能的情况，其中速率被加速度和时间替换，其中时间包括我们将称作坐标时间的做功的时间段(而非时间单位)。
能量＝0.5*质量*(加速度*时间)2/时间＝0.5*质量*加速度2*时间。方程的能量测量的单位变为：Kg*m2/s3或(Kg*m2/s2)/s，表示每秒花费的能量或者每秒做的功或者甚至功的功率。
虽然我们知道使类似负载移动类似物理距离需要的功能量是与时间无关的，但是，应清楚的是，当这种距离物理上或者由于相对运动而变动时，那么功能量变得与时间有关并且行进距离加倍，我们需要使时间和能量消耗加倍。对于占据结构，我们使用类似的物理距离，然而，根据Pascal来计算功能量，我们可以针对距离调整压力和表面，为此，我们需要建立运动坐标，其中我们可以将力和加速度调整到类似参考，然后仅有变量是距离，其中能量消耗变为取决于曲轴运动的相对坐标距离及其坐标做功时间。
因为我们在变动缸的内部容积，所以，我们将利用移动活塞的质量力(mf)的数值替换术语燃料mas，其通过Kg*m/s测量作为功的与时间无关的维度。
我们应考虑的另一调整是两个缸的通用加速度，相比之下，能够创建可比较的运动坐标并且最小化这种坐标的变量，直到时间(t)。任何加速度可以使用为通用参考，然而，人类观察者所熟悉的可以是重力加速度(g)。为了将任何加速度调整到另一加速度，考量到能量保存，我们可以说，对于活塞1：A1*T1＝g*t1，对于活塞2：A2*T2＝g*t2。可以比较两个缸的相对运动的功能量的方程如下：Energy1＝0.5*mf1*g2*t1以及Energy2＝0.5*mf2*g2*t2我们也可以使该方程通过功能量坐标测量，其中(mf＝z，通过Kg*m/s测量的功能量的与时间无关的维度)，(g＝y，通过m/s2测量的通用加速度)，(t＝x，通过s测量的功能量的与时间有关的维度)。
图33的图示显示对于方程E＝1/2*mf*g2*t的坐标，其中mf＝z(g)上的质量力，是x上的y通用时间坐标(t)上的通用加速度参考。为了阐明在不违反能量保存原则的情况下从相对运动中获得能量的构思，我们可以称作E＝用于燃烧的燃料的热能。当我们在两个不同的活塞中使用类似的燃料时，那么E1用于活塞1，E2用于活塞2。因此，El＝E2并且0.5mf1*g2*t1＝0.5*mf2*g2*t2
mf1*t1＝mf2*t2(活塞1的与时间无关的功能量*功的时间1＝活塞2的与时间无关的功能量*功的时间2)
当针对常规缸的tl＝4秒时(其中平均活塞速度＝39.2m/s)；当时间2较小时，修改的缸的t2＝2秒(其中平均活塞速度＝19.6m/s)，那么其关联功能量mf2更大并且这种功能量可与时间无关。
当质量被质量力替换时，那么1千克的质量力估计为1千克-米/秒，该力称作每秒功能量，数值与时间无关。针对常规活塞的可用功能量(在膨胀行程期间作用在活塞上的质量力，每米每秒)是作用在修改的缸中的活塞上的质量力功能量的数值的一半。注意，要求保护的修改的缸中的活塞的平均速度低于常规(普通)缸的活塞的平均速度。
进一步，图33的图示比较常规缸xyz和具有占据结构x'y'z'的缸之间的运动坐标，并且出于分析相对运动用于更好的系统设计控制的目的，基于我们对狭义相对论的理解，我们在第一种方法中尝试使用相对运动的坐标，其中我们将使用用于坐标的每个缸(t和t')的独立时间参考，并且其中不允许加速度调整，因为所有加速度都调整到最后目的地“C＝光速”，这产生了著名方程(E＝m*C2)，并且其中时钟时间成为根据第二种方法中对于t和t'的洛伦兹公式调整的变量，使用我们对为两个坐标分配通用时间的伽利略变换的理解。X'Y'Z'表示具有占据结构的运动时，不同加速度的活塞调整为(g)而非(c)光速，t1和t2表示在(g)的通用加速度下曲轴活塞的平均速率调整到其可比较的数值的时间，意味着，如果活塞平均速率为19.6m/s，那是类似t＝2秒，这是自由下落物体达到19.6m/s所需要的时间流逝。XYZ和X'Y'Z'表示建议的相对能量方程(E＝0.5mf*g2*t)的维度，可以比较两个运动的功能量，其中(t)是x上的加速度调整时间，(g)是y上的通用加速度(在狭义相对论中，这将是C)，mf是z上的力(压力*表面*物理距离/秒)。使用类似的经过的运动的时钟时间，我们发现使用占据结构(测量的活塞速度较慢)，我们需要较少的加速坐标时间(t)来匹配常规缸的每秒类似的功力。
根据洛伦兹变换和狭义相对论方法计算在第二坐标x'y'z'中使用公开的活塞的占据结构的能量节省，显示(t'到t)的相对时间调整是无限小的，由于活塞的速度和光速之间的巨大差异。
虽然根据牛顿相对论参考与重力(g)相关的第一和第二缸的活塞速度调整时间(t1和t2到t)-伽利略变换与试验结果相关联，其中在功能量曲线图下，t1/t2说明面积的差异。通过(Kg*m2/s3)测量的方程功能量＝1/2*mf*g2*t使得设计和控制工具需要决定提供某一性能所需要的表面和占据结构的大小。
试验结果显示，使用牛顿-伽利略相对论的t1/t2比率反映通过计算机仿真测量的功能量的曲线下与面积成比例的能量节省，而使用狭义相对论方法给出时间上冻结的结果，不反映能量差异，而不管设计。
应要理解，当在配备有占据结构的缸的曲线图下功能量较大时，那么需要较少的加速坐标时间(t2)，以实现可比较的常规缸的类似能量水平，并且在该含义中我们可以表明，在相对运动中，根据牛顿相对论和时间是一种真正的能量形式的事实，能量节省与时间交换。
公开的方法及系统通过使用缸内的空间占据结构在发动机的缸水平处借助于结构和压力修改来减小排放流体中的碳氢化合物和CO。进一步，借助于使燃烧空间容含在与缸相对运动的移动体内，减小燃料要求以执行某些机械功任务。该系统及方法使用相对运动，用于能量节省，其中根据牛顿相对论和伽利略变换，这种节省与时间交换。
文中公开的方法可以包括：1)运用在缸水平处的两个力源的混合发动机方法。2)排放流体过滤器做功的方法，通过增加相对内部压力和减小曲轴活塞速度，将较大部分的CO和游离烃基转换成可管理的CO2、N2和NO2。3)通过使用占据结构作为冲击吸收器来对振动消减的方法。4)借助于使用占据结构作为牛顿-伽利略相对论中的第二框架来节省能量的方法。5)能量交换和节省的时间依赖方法。
由于可以对描述的本发明的优选实施例进行许多修改、变化和细节上的变动，所以，在前面的描述中和在附图中示出的所有内容解释为图示性的而不是限制性意义。因而，本发明的范围应当由所附权利要求书及其合法等同物确定。

Claims (19)

1.一种机械发动机缸系统，其特征在于，包含：
缸，包括内部空间；
设置于所述缸的所述内部空间内的占据结构；以及
曲轴活塞；
其中，所述占据结构是相对于所述缸能够与所述曲轴活塞的往复运动相对应地移动的可移动结构；以及
其中，所述占据结构包括腔，所述腔限定燃烧空间以产生施加到所述占据结构和所述曲轴活塞的燃烧压力，并且其中，所述燃烧空间被围绕并定位于所述占据结构的壁内，并具有小于所述缸的所述内部空间的直径；以及
其中，所述缸的所述内部空间通过所述占据结构修改，使得施加到所述曲轴活塞的所述燃烧压力在膨胀行程的早期部分期间施加到所述曲轴活塞的较小表面区域，并且在所述膨胀行程的后期部分期间施加到所述曲轴活塞的较大表面区域。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，其中，所述占据结构的移动通过施力机构所施加的一个以上力来控制。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，其中，所述施力机构借助于节流位置传感器来响应节流位置，使得施加到所述占据结构的一个以上力取决于节流位置。
4.如权利要求2所述的系统，其特征在于，其中，所述施力机构配置成在所述膨胀行程期间向所述占据结构施加回退力，其中所述回退力是远离所述燃烧空间的力。
5.如权利要求2所述的系统，其特征在于，其中，所述施力机构配置成在所述膨胀行程期间向所述占据结构施加前进力，其中所述前进力是朝向所述燃烧空间的力。
6.如权利要求2所述的系统，其特征在于，其中，所述系统配置成通过经由所述施力机构向所述占据结构施加力来在所述膨胀行程期间部分地执行压缩行程。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，其中，所述系统配置成在每一燃烧的两个行程内执行进吸、压缩、膨胀和排放功能。
8.如权利要求2所述的系统，其特征在于，其中，所述施力机构包括电磁致动器。
9.如权利要求2所述的系统，其特征在于，其中，所述施力机构包括液压系统。
10.如权利要求2所述的系统，其特征在于，其中，所述施力机构包括被迫感应系统，所述被迫感应系统包括涡轮增压器、液压增压器或超级增压器。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，其中，所述系统配置成将流体输送到所述占据结构的进吸侧，以增加缸压力和发动机加速度。
12.如权利要求1所述的系统，其特征在于，其中，所述系统配置成通过向所述占据结构施加回退力使得发动机的转速减速，其中所述回退力是远离所述燃烧空间的力。
13.如权利要求1所述的系统，其特征在于，其中，所述系统配置成通过向所述占据结构施加前进力使得发动机的转速加速，其中所述前进力是朝向所述燃烧空间的力。
14.一种在缸系统内引入占据结构的方法，其特征在于，所述系统被引入缸，所述缸包括内部空间，其中流体被引入所述内部空间，并且所述系统被引入曲轴活塞，所述方法包含：
使用所述占据结构来修改所述缸的内部空间，使得施加到所述曲轴活塞的压力在膨胀行程的早期部分期间施加到所述曲轴活塞的较小表面区域，并且在所述膨胀行程的后期部分期间施加到所述曲轴活塞的较大表面区域；以及
在所述占据结构的腔内执行压力增加动作，以将压力施加到所述占据结构和所述曲轴活塞两者，
其中，所述占据结构是相对于所述缸能够与所述曲轴活塞的往复运动相对应地移动的可移动结构，并且其中，所述占据结构包括腔，所述腔限定燃烧空间以产生施加到所述占据结构和所述曲轴活塞的燃烧压力，并且其中，所述燃烧空间被围绕并定位于所述占据结构的壁内，并具有小于所述缸的所述内部空间的直径。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，其中，所述缸是液压缸，并且其中，所述流体是液压流体。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，其中，所述缸是燃烧缸，并且其中，所述流体是可燃流体。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，其中，所述方法进一步包含：在膨胀行程期间向所述占据结构施加回退力，其中所述回退力是远离所述燃烧空间的力。
18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，其中，所述方法进一步包含：在膨胀行程期间向所述占据结构施加前进力，其中所述前进力是朝向所述燃烧空间的力。
19.一种使用系统的机械发动机缸方法，其特征在于，所述系统包含：
缸，所述缸包括内部空间和曲轴活塞，流体引入所述内部空间中，所述曲轴活塞配置成用于在所述内部空间中的往复运动；
占据结构；以及
其中，所述缸的所述内部空间通过所述占据结构修改，通过所述占据结构的插入使所述内部空间的一部分移位，使得所述占据结构减少流体进吸，并且使得施加到所述曲轴活塞的燃烧压力在膨胀行程的早期部分期间施加到所述曲轴活塞的较小表面区域，并且在所述膨胀行程的后期部分期间施加到所述曲轴活塞的较大表面区域；
其中，所述系统配置成使得燃烧发生在所述占据结构的腔内，以将燃烧压力施加到所述占据结构和所述曲轴活塞两者；
其中，所述占据结构是相对于所述缸的可移动结构，并且其中，所述占据结构的移动通过施力机构所施加的一个以上力来控制；
其中，所述施力机构借助于节流位置传感器来响应节流位置，使得施加到所述占据结构的一个以上力取决于节流位置；
其中，所述系统配置成通过经由所述施力机构向所述占据结构施加力来在所述膨胀行程期间部分地执行压缩行程；
其中，所述系统配置成使所述占据结构的初始移动拖动燃烧流体并且在所述曲轴活塞的方向上使力，以吸收发动机振动力的部分；
其中，在所述膨胀行程期间，所述占据结构变动方向；
其中，所述系统配置成在每一燃烧的两个行程内执行进吸、压缩、膨胀和排放功能；
其中，所述占据结构包括腔，所述腔限定燃烧空间以产生施加到所述占据结构和所述曲轴活塞的燃烧压力，并且其中，所述燃烧空间被围绕并定位于所述占据结构的壁内，并具有小于所述缸的所述内部空间的直径；
所述方法包含：
在膨胀行程期间在第一方向上致动所述曲轴活塞；
在所述膨胀行程期间，与所述曲轴活塞的运动对应地，使所述缸占据结构前进到所述缸的所述内部空间中；在压缩行程期间在第二方向上致动所述曲轴活塞，所述第二方向与第一方向实质上相反；以及
在所述压缩行程期间，与所述曲轴活塞的所述运动对应地，使所述占据结构从所述缸的所述内部空间回退。
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