ЦИЛИНДРОВАЯ СИСТЕМА С ВНУТРЕННИМ УСТРОЙСТВОМ ОТНОСИТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ Российский патент 2022 года по МПК F02B19/16 F02F3/04 

Перекрестная ссылка на соответствующие заявки

[1] Данная предварительная патентная заявка США является продолжением частично находящейся на рассмотрении предварительной заявки США №15/847,711, поданной 19 декабря 2017 г., которая полностью включена в настоящее описание посредством ссылки.

Техническая область

[2] Настоящее изобретение относится в целом к механическим устройствам, используемым для выполнения работы, а более конкретно к гидравлическим цилиндрам и цилиндрам сгорания.

Предшествующий уровень техники

[3] Большое количество разнообразных устройств использует цилиндры для выполнения механических функций и полезной работы. Например, в типичном двигателе внутреннего сгорания (ДВС) используется несколько цилиндров, в которых топливовоздушная смесь сжимается и сгорает для выполнения работы, которая передается соответствующему поршню возвратно-поступательного хода. Каждый поршень может быть соединен с коленчатым валом, с помощью которого силы, приложенные к поршням, могут передаваться через различные промежуточные устройства к колесам транспортного средства, чтобы тем самым приводить его в движение.

[4] Двигатели, не использующие внутреннее сгорание топлива, и другие устройства также могут использовать цилиндры при выполнении работ. Гидравлическая система, например, может использовать цилиндр, имеющий поршень, работающий для проталкивания гидравлической жидкости в цилиндр, где давление, приложенное к гидравлической жидкости поршнем, может передаваться другим компонентам гидравлической системы в соответствии с законом Паскаля. В качестве конкретного примера, гидравлический подъемник может использовать два гидравлических цилиндра в гидравлическом сообщении для получения умножения выходной силы: выходной цилиндр, используемый для подъема объекта, такого как транспортное средство, может быть сконфигурирован с большей площадью, по которой распределено выходное усилие чтобы умножить входное усилие, приложенное к входному цилиндру, имеющему относительно меньшую площадь, к которой приложено входное усилие.

[5] Будучи сконфигурированной для использования в ДВС, гидравлическая система, или, другими словами, типичный цилиндр, выдает выходной результат (например, мощность, силу), который пропорционален его рабочему объему (например, объему, через который движется поверхность поршня), который является произведением площади поверхности поршня и расстояния хода (например, осевого расстояния, через которое проходит поверхность поршня). Соответственно, предыдущие системы (например, бензиновые и дизельные ДВС) использовали увеличенные рабочие объемы и/или расстояния для увеличения выходной мощности цилиндра. Увеличение рабочего объема и/или расстояния может обусловливать увеличение размеров цилиндра и, следовательно, его массы, при этом, однако, уменьшая общую экономичность двигателя и транспортного средства, в которых используются такие увеличенные цилиндры.

[6] Другие подходы к повышению экономичности двигателя/транспортного средства могут включать использование системы рекуперации энергии. Гидравлические цилиндры, например, могут быть соединены с гидравлическим или турбокомпрессором или с электрической системой рекуперации, хотя такие системы рекуперации часто демонстрируют ограниченную эффективность (например, 20-30%), особенно когда они работают против высокого начального давления около 1000 фунтов на квадратный дюйм. В случае гидравлической системы рекуперации, в которой неиспользуемые механические силы могут перенаправляться для перекачки жидкостей в камеру накопления давления для последующего впрыска в цилиндр, рабочая жидкость на впуске может первоначально накапливаться с использованием низкоэффективных способов рециркуляции, основанных на перекачке внутрь высоконапорного накопителя. Минимизация требований к верхним пределам коэффициентов сжатия - это способ обеспечить лучшие результаты рекуперации энергии в транспортном средстве. Хотя входное давление жидкости или входное давление в цилиндре может быть уменьшено для увеличения общей эффективности гидравлической системы, выходное давление в цилиндре может также соответственно уменьшиться, поскольку в некоторых конфигурациях выходная мощность гидравлического цилиндра пропорциональна произведению эффективного давления в головке и потока жидкости. Кроме того, ограниченная эффективность систем на основе цилиндров дополнительно усугубляется, если учитывать энергию, затрачиваемую на сжатие жидкостей, подаваемых в цилиндр, такую как энергия, необходимая для накопления жидкости под давлением для гидравлических цилиндров, и энергия, необходимая для очистки и перекачки горючего топлива для сгорания в цилиндрах.

[7] Методы прямого впрыска в двигатель были внедрены с целью удовлетворения требований по защите окружающей среды, но удовлетворять такие требования становится все сложнее. Например, двухтактные двигатели, которые желательны с точки зрения меньшего количества движущихся частей, полностью запрещены в определенных областях из-за их тенденции выпускать чрезмерное количество не полностью сгоревших выхлопных газов, и это также не является энергоэффективным из-за потери сжатых жидкостей до того, как они войдут в следующую фазу сгорания. Роторные двигатели Ванкеля выгодны, потому что они имеют меньше деталей, но они имеют ограниченную энергетическую мощность.

[8] Существующий дроссельный метод для замедления транспортного средства обычно осуществляется путем выпуска не полностью сгоревшей жидкости во время расширительного цикла в цилиндре для сброса давления, действующего на его поршень. Пути впуска жидкости в двигателях с непосредственным впрыском топлива страдают от накопления несгоревшего выхлопа, который может просачиваться обратно в двигатель. Кроме того, выпуск несгоревшей жидкости вызывает загрязнение окружающей среды и является пустой тратой топлива. Кроме того, известно, что более высокое начальное давление в двигателях с наддувом служит причиной возрастания температур и последующих повреждений из-за высоких температур.

[9] Ввиду вышеизложенного существует потребность в механизме, отвечающем экологическим требованиям двигателя внутреннего сгорания за счет оптимизации давления в цилиндре, минимизации выбросов несгоревших жидкостей или потерь сжатых жидкостей при одновременном достижении превосходной выходной мощности.

Сущность изобретения

[10] Это краткое изложение предложено, чтобы представить выборку концепций в упрощенной форме, которые ниже дополнительно раскрыты в подробном описании. Это краткое изложение не предназначено для идентификации ключевых существенных признаков и ограничения объема заявленного объекта изобретения. Кроме того, заявленный объект изобретения не ограничивается реализациями, которые решают любые или все недостатки, отмеченные в любой части этого раскрытия.

[11] Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, описана цилиндровая система, причем цилиндровая система содержит механический цилиндр, включающий внутреннее пространство, в которое вводится жидкость, и поршень для коленчатого вала, выполненный с возможностью возвратно-поступательного движения во внутреннем пространстве; а также внутреннее устройство цилиндра, включающее вставной шток, при этом вставной шток попеременно вводится во внутреннее пространство цилиндра и извлекается из него в соответствии с возвратно-поступательным движением поршня для коленчатого вала, и при этом вставной шток частично или полностью включает или окружает пространство сгорания.

[12] В другом варианте осуществления вставной шток смещает часть внутреннего пространства, так что объем внутреннего пространства, занимаемого жидкостью, становится меньше, чем изначальный объем внутреннего пространства.

[13] В другом варианте осуществления вставной шток уменьшает впуск жидкости, соответствующий заданному ходу поршня для коленчатого вала.

[14] В другом варианте осуществления вставной шток может представлять собой неподвижную конструкцию или он может выполнять роль второго поршня, который может через механическую связь, магнитное управление или гидравлическую связь добавлять вторичную силу для избирательного, динамического и контролируемого увеличения и/или уменьшения внутреннего давления в цилиндре во время такта расширения или сжатия, соответственно, как того требует конкретное применение системы.

[15] В другом варианте осуществления запуск электромагнитного привода в каждом механическом цикле главным образом инициируется механическими или магнитными датчиками, которые контролируют и реагируют на положение педали газа.

[16] В другом варианте осуществления цилиндровая система дополнительно включает механизм контроллера, сконфигурированный для управления внутренними устройствами цилиндров с помощью электромагнитного привода.

[17] В другом варианте осуществления электромагнитный привод включает в себя электрическую систему, сконфигурированную для подачи постоянного тока на катушку и, таким образом, генерирующую магнитное поле, и предусматривающую неизменяемую ориентацию полюсов, сконфигурированную для приложения своих сил, таких как отталкивающее или притягивающее действие, для изменения или усиления движения вставного штока во время такта расширения.

[18] В другом варианте осуществления магнитное поле взаимодействует с постоянным магнитом во вставном штоке, чтобы попеременно извлекать вставной шток из внутреннего пространства цилиндра во время такта расширения.

[19] В другом варианте осуществления вставной шток попеременно вводится во внутреннее пространство цилиндра с помощью механического привода или гидравлического нагнетателя.

[20] В другом варианте осуществления вставной шток вводится во внутреннее пространство цилиндра во время такта расширения, главным образом, инициируемого силами сгорания, и вставной шток извлекается из внутреннего пространства цилиндра во время такта сжатия вместе с возвратным движением поршня для коленвала.

[21] В другом варианте осуществления цилиндр представляет собой гидравлический цилиндр, а жидкость является гидравлической жидкостью, в основном впрыскиваемой в пространство, окруженное поршнем для коленчатого вала и вставным штоком (внутренним устройством цилиндра).

[22] В другом варианте осуществления цилиндр представляет собой цилиндр сгорания, а жидкость является горючей жидкостью.

[23] В другом варианте осуществления вставной шток движется с практически такой же скоростью, что и поршень для коленчатого вала, и в том же или противоположном направлении, что и поршень для коленчатого вала во время такта расширения, и в том же направлении, что и поршень для коленчатого вала во время такта сжатия.

[24] В другом примере раскрыта цилиндровая система, содержащая: цилиндр механического двигателя, включающий внутреннее пространство, в которое вводится жидкость, поршень для коленчатого вала, выполненный с возможностью возвратно-поступательного движения во внутреннем пространстве, а также внутреннее устройство цилиндра, включающее вставной шток, который является вторым поршнем, причем вставной шток попеременно вводится во внутреннее пространство цилиндра и извлекается из него в соответствии с возвратно-поступательным движением поршня для коленчатого вала.

[25] В другом варианте осуществления вставной шток смещает часть внутреннего пространства, так что объем внутреннего пространства, занимаемого жидкостью, становится меньше собственного объема внутреннего пространства.

[26] В другом варианте осуществления вставной шток уменьшает впуск жидкости, соответствующий заданному ходу поршня для коленчатого вала.

[27] В другом варианте осуществления система дополнительно включает контроллер, выполненный с возможностью управления внутренним устройством цилиндра с помощью электромагнитного привода, гидравлического нагнетателя или турбокомпрессора.

[28] В другом варианте осуществления электромагнитный привод включает в себя электрическую систему, сконфигурированную для подачи постоянного тока на катушку и, тем самым, генерирования магнитного поля, предназначенного для создания сил отталкивания или притяжения.

[29] В другом варианте осуществления магнитное поле взаимодействует с постоянным магнитом во вставном штоке, чтобы попеременно вводить шток во внутреннее пространство цилиндра или извлекать его во время такта расширения.

[30] В другом варианте осуществления вставной шток попеременно вводится во внутреннее пространство цилиндра и извлекается из него с помощью механического привода.

[31] В другом варианте осуществления механический привод, гидравлический привод или турбокомпрессор включает в себя пружину, которая преобразует кинетическую энергию вставного штока в потенциальную энергию пружины.

[32] В другом варианте осуществления вставной шток вводится во внутреннее пространство цилиндра во время такта расширения, и при этом вставной шток полностью извлекается из внутреннего пространства цилиндра во время такта сжатия; и при этом вставной шток дополнительно выталкивается или втягивается из определенного положения во время такта расширения.

[33] В качестве еще одного примера раскрывается: в механической цилиндровой системе, содержащей цилиндр, способ, включающий: приведение в действие поршня для коленчатого вала цилиндра во время такта расширения в первом направлении, во время такта расширения, введение внутреннего устройства цилиндра во внутреннее пространство цилиндра в соответствии с движением поршня для коленчатого вала, приведение в действие поршня для коленчатого вала цилиндра во время такта сжатия во втором направлении, по существу, противоположном первому направлению, и во время такта сжатия, извлечение внутреннего устройства цилиндра из внутреннего пространства цилиндра в соответствии с движением поршня для коленчатого вала.

[34] В другом варианте осуществления пространство сгорания частично заключено внутри или окружено корпусом вставного штока.

[35] В другом варианте осуществления внутренняя поверхность приводного поршня для коленчатого вала частично или полностью имеет форму конуса.

[36] В другом варианте осуществления вставной шток представляет собой второй цилиндр, который может изменять направление своего ускорения во время такта расширения.

[37] В качестве другого примера раскрыт способ выполнения двух тактов двигателя за каждый цикл сгорания в цилиндре, с использованием двух внутренних поршней, где такие два поршня обеспечивают четырехтактные функции четырехтактного двигателя, включая впуск воздуха, его сжатие, рабочий ход поршня и такт выпуска.

[38] В качестве другого примера раскрыт способ увеличения ускорения двигателя путем увеличения внутреннего давления в цилиндре благодаря подаче сжатой жидкости в пространство за вставным штоком.

[39] В качестве другого примера раскрыт способ замедления двигателя посредством перемещения поршня вставного штока в направлении, противоположном направлению движения коленчатого вала, что вызывает уменьшение внутреннего давления в цилиндре и уменьшение мощности на коленчатом вале без необходимости раннего выпуска несгоревшего выхлопа.

[40] В другом варианте осуществления внутреннее устройство цилиндра дополнительно выталкивается и втягивается с помощью электромагнитного привода, гидравлического привода, нагнетателя или турбокомпрессора.

[41] В другом примере раскрыт способ для гибридного электромагнитно-бензинового цилиндрового привода или гибридного гидравлически-бензинового цилиндрового привода, где второй поршень передает вторичные силы давления на поршень, соединенный с коленчатым валом.

[42] В другом варианте осуществления электромагнитный привод включает электрическую систему, сконфигурированную для подачи тока на одну или несколько катушек, тем самым генерируя одно или несколько магнитных полей.

[43] В другом примере раскрыт метод повышения отдачи энергии соединенного с вторым поршнем электромагнита путем назначения такому электромагниту только одной задачи на отталкивание или притяжение.

[44] В другом варианте осуществления внутреннее устройство цилиндра вводится и извлекается с помощью механического привода.

[45] В другом варианте осуществления механический привод включает пружину, которая преобразует кинетическую энергию вставного штока в потенциальную энергию пружины.

[46] В другом варианте осуществления цилиндр является цилиндром сгорания, причем способ дополнительно включает впрыск горючего топлива в цилиндр до такта сжатия.

[47] В другом варианте осуществления цилиндр является гидравлическим цилиндром, причем способ дополнительно включает сжатие через цилиндр гидравлической жидкости во время такта сжатия.

[48] В другом примере раскрыта цилиндровая система, которая включает: цилиндр механического двигателя, включающий внутреннее пространство, в котором установлено неподвижное внутреннее устройство, окружающее пространство сгорания, зацепленное с частью возвратно-поступательного поршня для коленчатого вала таким образом, что давление сгорания прикладывается к меньшей площади поверхности поршня для коленчатого вала во время ранней стадии такта расширения и к большей площади поверхности поршня для коленчатого вала во время поздней стадии такта расширения.

[49] В еще одном примере раскрыта цилиндровая система, которая включает: цилиндр механического двигателя, включающий внутреннее пространство, в которое вводится жидкость, и поршень для коленчатого вала, выполненный с возможностью возвратно-поступательного движения во внутреннем пространстве, внутреннее устройство цилиндра, включающее вставной шток в качестве второго поршня, при этом вставной шток попеременно вводится как второй поршень в первом направлении во время такта расширения в цилиндре и извлекается во втором направлении, по существу, противоположном первому направлению, во время такта сжатия, где вставной шток частично окружает пространство сгорания, в котором внутреннее устройство цилиндра первоначально перемещается силами сгорания на определенное расстояние, после которого оно дополнительно выталкивается или втягивается электромагнитным или гидравлическим приводом.

[50] В качестве еще одного примера раскрыта цилиндровая система механического двигателя, которая включает: цилиндр, включающий внутреннее пространство, внутреннее устройство и поршень для коленчатого вала, причем внутреннее пространство цилиндра модифицируется внутренним устройством таким образом, что давление сгорания, приложенное к поршню для коленчатого вала, прикладывается к меньшей площади поверхности поршня для коленчатого вала во время ранней стадии такта расширения и к большей площади поверхности поршня для коленчатого вала во время поздней стадии такта расширения.

[51] В другом варианте осуществления система сконфигурирована таким образом, чтобы сгорание происходило внутри полости внутреннего устройства, чтобы давление сгорания прикладывалось как к внутреннему устройству, так и к поршню для коленчатого вала.

[52] В другом варианте осуществления внутреннее устройство представляет собой подвижную относительно цилиндра конструкцию, причем перемещение внутреннего устройства контролируется одной или несколькими силами, прикладываемыми механизмом приложения силы.

[53] В другом варианте осуществления механизм приложения силы реагирует на положение дроссельной заслонки с помощью датчиков положения дроссельной заслонки, так что одна или несколько сил, приложенных к внутреннему устройству, зависят от положения дроссельной заслонки.

[54] В другом варианте осуществления механизм приложения силы выполнен с возможностью приложения втягивающей силы к внутреннему устройству во время такта расширения.

[55] В другом варианте осуществления механизм приложения силы выполнен с возможностью приложения выталкивающей силы к внутреннему устройству во время такта расширения.

[56] В другом варианте осуществления система сконфигурирована для частичного выполнения функции такта сжатия во время такта расширения путем нагнетания свежего воздуха за внутреннее устройство через механизм приложения силы.

[57] В другом варианте осуществления система сконфигурирована для выполнения функций впуска, сжатия, расширения и выпуска в течение двух тактов за один цикл сгорания.

[58] В другом варианте осуществления механизм приложения силы включает в себя электромагнитный привод.

[59] В другом варианте осуществления механизм приложения силы включает в себя гидравлическую систему.

[60] В другом варианте осуществления механизм приложения силы включает в себя систему принудительного всасывания.

[61] В другом варианте осуществления система сконфигурирована для подачи жидкости на впускную сторону внутреннего устройства, чтобы увеличить давление в цилиндре и ускорение двигателя.

[62] В другом варианте осуществления система сконфигурирована таким образом, чтобы вызывать замедление двигателя путем приложения к внутреннему устройству втягивающей силы.

[63] В другом варианте осуществления система сконфигурирована таким образом, чтобы вызывать ускорение двигателя путем приложения к внутреннему устройству выталкивающей силы.

[64] В другом варианте осуществления система сконфигурирована таким образом, чтобы заставлять начальное перемещение внутреннего устройства перекачивать горючие жидкости и передавать силы в направлении поршня распределительного вала для поглощения части вибрационных сил двигателя.

[65] В другом варианте осуществления, внутреннее устройство меняет направление движения во время такта расширения.

[66] В другом варианте осуществления система сконфигурирована для выполнения функций впуска, сжатия, расширения и выпуска в течение двух тактов за один цикл сгорания.

[67] Эти и другие цели, признаки и преимущества настоящего изобретения станут более понятными из приложенных чертежей и подробного описания предпочтительных вариантов осуществления, которые следуют ниже.

Краткое описание чертежей

[68] Предпочтительные варианты осуществления заявленного предмета изобретения будут в дальнейшем описаны в сочетании с прилагаемыми чертежами, предоставленными для иллюстрации, а не для ограничения объема заявленного предмета изобретения, где одинаковые обозначения обозначают одинаковые элементы и в которых:

[69] На фиг. 1 схематично изображен пример системы двигателя, включающей в себя улучшенную систему цилиндров, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения;

[70] На фиг. 2 показано первое иллюстративное внутреннее устройство цилиндра, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения;

[71] На фиг.3 показан вид в поперечном разрезе по плоскости 1А-1А с фиг. 2, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения;

[72] На фиг. 4 показано второе иллюстративное внутреннее устройство цилиндра, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения;

[73] На фиг. 5 показан вид в поперечном разрезе по плоскости 2А-2А с фиг. 4, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения;

[74] На фиг. 6 показан подробный вид детали 2В второго иллюстративного внутреннего устройства цилиндра с фиг. 5, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения;

[75] На фиг. 7 схематично показаны различные компоненты иллюстративного внутреннего устройства цилиндра, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения;

[76] На фиг. 8 схематично показано, как поршень коленчатого вала движется во время такта расширения, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения;

[77] На фиг. 9 показан третий пример внутреннего устройства цилиндра, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения;

[78] На фиг. 10 показано поперечное сечение 5А-5А с фиг. 9, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения;

[79] На фиг. 11 показан четвертый пример внутреннего устройства цилиндра, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения;

[80] На фиг. 12 показано поперечное сечение 6А-6А с фиг. 11, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения;

[81] На фиг. 13 показан пятый пример внутреннего устройства цилиндра, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения;

[82] На фиг. 14 показано поперечное сечение 7А-7А с фиг. 13, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения;

[83] На фиг. 15 изображена индикация диаметра вращения распределительного вала в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения;

[84] На фиг. 16 схематично показан вид в поперечном разрезе шестого примера внутреннего устройства цилиндра, где поперечное сечение взято в продольном направлении вдоль цилиндра, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения;

[85] На фиг. 17 и 18 схематично показаны магнитные приспособления для введения или извлечения внутреннего устройства цилиндра, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения;

[86] На фиг. 19 схематично показан метод функционирования внутреннего устройства цилиндра с использованием любых из раскрытых вариантов, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения;

[87] На фиг. 20-32 показаны различные графики и таблица, показывающие преимущества раскрытых внутренних устройств цилиндра (D2, D3, D4) по сравнению с обычными системами (D1); и

[88] На фиг. 33 показаны преобразования Галилея и Лоренца, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.

[89] Следует понимать, что одинаковые ссылочные позиции относятся к одинаковым частям на нескольких видах фигур.

Описание вариантов осуществления

[90] Следующее подробное описание является только лишь иллюстративным по природе и не предназначено для ограничения описанных вариантов осуществления или применения и использования описанных вариантов осуществления. При использовании в данном документе, слово «примерный» или «иллюстративный» означает «служащий в качестве примера, образца или иллюстрации». Любой вариант осуществления, описанный в данном документе как «примерный» или «иллюстративный», не обязательно должен рассматриваться как предпочтительный или преимущественный по сравнению с другими вариантами осуществления. Все варианты осуществления, описанные ниже, являются иллюстративными, предоставленными, чтобы дать возможность специалистам в данной области техники создавать или использовать варианты осуществления изобретения, и не предназначены для ограничения объема изобретения, который определяется формулой изобретения. Кроме того, нет намерения ограничиваться какой-либо явной или подразумеваемой теорией, представленной в предшествующих разделах технической области, предпосылок для создания изобретения, кратком описании фигур или последующем подробном их описании. Также следует понимать, что конкретные устройства и процессы, проиллюстрированные на приложенных чертежах и описанные в следующей спецификации, являются просто примерными вариантами осуществления изобретательских концепций, определенных в прилагаемой формуле изобретения. Следовательно, конкретные размеры и другие физические характеристики, относящиеся к раскрытым здесь вариантам осуществления, не должны рассматриваться как ограничивающие, если в формуле изобретения прямо не указано иное.

[91] Следует понимать, что «вниз» по отношению к фиг. 7 соответствует «направо» или «вправо» относительно фиг. 2-6 и 8-18, и наоборот.

[92] Раскрыто внутреннее устройство цилиндра. В качестве примера предлагается цилиндровая система, содержащая механический цилиндр, включающий внутреннее пространство, в которое вводится жидкость, поршень для коленчатого вала, выполненный с возможностью возвратно-поступательного движения во внутреннем пространстве, и внутреннее устройство цилиндра, включающее вставной шток, причем вставной шток попеременно вводится во внутреннее пространство цилиндра и извлекается из него в соответствии с возвратно-поступательным движением поршня для коленчатого вала. Как показано на фигурах, пространство сгорания расположено внутри стенок внутреннего устройства.

[93] Изображение на фиг. 1 представляет собой иллюстративную систему, в которой используется двигатель на основе цилиндров 102, производящий полезную работу. В качестве неограничивающих примеров, двигатель 102 может использоваться для приведения в движение транспортного средства, включая, кроме прочего, морские суда, колесные транспортные средства и летательные аппараты; приводить в действие различные устройства, такие как гидравлические подъемники, рычаги вилочных погрузчиков и ковши экскаваторов, а также другие компоненты экскаваторных устройств и промышленного оборудования; и/или для любой другой подходящей цели. Изображение на фиг. 1 схематично иллюстрирует включение в двигатель 102 одного или нескольких цилиндров 104, с помощью которых может быть произведена полезная работа для выполнения таких функций.

[94] В некоторых примерах двигатель 102 может быть двигателем внутреннего сгорания (ДВС), выполненным с возможностью производить полезную работу путем сжигания топлива в цилиндре (цилиндрах) 104. Цилиндры 104 могут быть расположены в любой подходящей конфигурации (например, 1-4, V6, V8, VI2), в линейном или круговом расположении. Хотя это не показано на иллюстрации фиг.1, в некоторых примерах двигателю 102 может помогать электрическая система, содержащая источник энергии (например, батарею) и мотор, физически связанный с одним или несколькими колесами транспортного средства, в котором может быть установлен двигатель. Такая конфигурация может упоминаться как «гибридная» и может использовать такие методы, как рекуперативное торможение, для зарядки источника энергии.

[95] Цилиндр (цилиндры) 104 может содержать в себе поршни (например, первый и второй поршни в одном цилиндре), которые совершают возвратно-поступательные движения, вызванные сгоранием топлива в цилиндре. В некоторых примерах возвратно-поступательное движение поршней для коленчатого вала может быть преобразовано во вращательное движение коленчатого вала, который может быть соединен с одним или несколькими колесами транспортного средства через трансмиссию, чтобы тем самым обеспечить движение транспортного средства. В других примерах возвратно-поступательное движение поршней для коленчатого вала может быть преобразовано в другие компоненты и/или другие формы движения, включая, кроме прочего, шарнирное сочленение рычага промышленного транспортного средства (например, вилочного погрузчика, экскаватора) и линейное возвратно-поступательное движение привода. Для этого изображение на фиг. 1 показывает выход 108, производимый двигателем 102, который может представлять собой вращательное движение, движение шарнирных сочленений, движение приводов, описанное выше, или любое другое подходящее выходное действие.

[96] Впускной канал может быть пневматически соединен с двигателем 102 для подачи впускного воздуха в двигатель, что позволяет смешивать воздух с топливом, образуя тем самым воздушно-топливную смесь для сгорания в цилиндрах. Впускной воздух для жидкого топлива может быть сжат во впускном пространстве за внутренним устройством и закачиваться в пространство сгорания во внутреннем устройстве, когда внутреннее устройство отведено к впускному каналу. С этой целью, на фиг. 1 показан приемный канал входа 106 на двигателе 102, который может содержать топливно-воздушную смесь. Вход 106 может включать любую подходящую комбинацию топлив, включая, кроме прочего, бензин, дизельное топливо, закись азота, этанол и природный газ. Впускной дроссель может быть расположен во впускном канале и выполнен с возможностью переменного управления потоком воздуха, поступающего в двигатель 102, например, в зависимости от массового расхода воздуха, объема и давления. Внутри впускного канала могут находиться различные компоненты, включая, кроме прочего, охладитель наддувочного воздуха, компрессор (например, турбокомпрессор или нагнетатель), впускной коллектор и т.д. Соответствующие впускные клапаны могут различными способами контролировать поступление наддувочного воздуха в цилиндр (цилиндры) 104. Может быть предусмотрена топливная система для хранения и подачи топлива или топлив, подаваемых в двигатель 102.

[97] Выпускной канал может быть пневматически связан с двигателем 102, чтобы обеспечить путь, по которому продукты сгорания воздушно-топливной смеси выпускаются из двигателя в окружающую среду. Различные устройства последующей обработки могут быть расположены в выпускном канале для обработки выхлопных газов, включая, кроме прочего, уловитель NOx, сажевый фильтр, катализатор и т.д. Для вариантов осуществления, в которых двигатель 102 форсируется с помощью турбонагнетателя, во выпускном канале может быть расположена турбина для обеспечения работы компрессора турбонагнетателя. Соответствующие выпускные клапаны могут различными способами контролировать выброс выхлопных газов из цилиндра(цилиндров) 104.

[98] Контроллер 110 может быть физически связан с различными компонентами в двигателе 102 для приема входных сигналов датчиков, исполнительных устройств и, в целом, для управления работой двигателя. Как таковой, контроллер 110 может упоминаться как «блок управления двигателем» (ЭБУ). В качестве примеров, ЭБУ может принимать один или несколько из следующих потоков входных данных: положение дроссельной заслонки, атмосферное давление, текущая передача трансмиссии, температура двигателя и частота вращения двигателя. Как более подробно описано ниже, контроллер 110 может управлять работой конструкции работы цилиндра, которое вариативно вводится во внутреннее пространство цилиндра (цилиндров) 104 в соответствии с рабочим циклом цилиндра (цилиндров).

[99] Контроллер 110 может быть реализован любым подходящим способом. Например, контроллер 110 может включать в себя логическое устройство и запоминающее устройство, содержащее машиночитаемые инструкции, выполняемые логическим устройством, чтобы осуществлять подходы, описанные в данном документе. Логическое устройство может быть реализовано в виде контроллера, процессора, системы на кристалле (SoC) и т.д. Запоминающее устройство может быть реализовано как постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, такое как электронно-стираемое программируемое ПЗУ), и может содержать оперативную память (ОЗУ). Контроллер 110 может включать в себя интерфейс ввода/вывода (I/O) для приема входных и выдачи выходных данных (например, сигналов управления для исполнительных компонентов).

[100] Двигатель 102 может иметь и другие формы. Например, двигатель 102 может быть сконфигурирован для работы в гидравлическом режиме, где цилиндр (цилиндры) 104 включают в себя соответствующие поршни для коленчатого вала, которые совершают возвратно-поступательное движение для вариативного сжатия в них гидравлической жидкости. В этом примере вход 106 может содержать гидравлическую жидкость, которая подается в цилиндр (цилиндры) 104, такую как масло, вода и/или любая другая подходящая жидкость (жидкости). Выход 108 может включать вращательное движение, шарнирное движение, возвратно-поступательное движение или любой другой подходящий тип механического действия. В качестве альтернативы или в дополнение к механическому действию, выход 108 может включать сжатие гидравлической жидкости в цилиндре (цилиндрах) 104, где давление, приложенное цилиндрами, может передаваться гидравлической жидкости в других компонентах, которые имеют по крайней мере частичную жидкостную связь с цилиндрами. Такое гидравлическое действие, в свою очередь, может быть использовано для создания механического действия, например, в гидравлическом подъемнике. Для вариантов осуществления, в которых двигатель 102 сконфигурирован для работы в гидравлическом режиме, двигатель и/или другие элементы, которые могут образовывать гидравлический контур, могут включать в себя любую подходящую комбинацию гидравлических компонентов, включая, кроме прочего, насос, клапан, аккумулятор, резервуар, фильтр и т.д. В таких вариантах осуществления контроллер 110 может быть сконфигурирован для управления работой гидравлического цилиндра (цилиндров) 104, двигателя 102 и/или других компонентов гидравлического контура на основе выходного сигнала (сигналов) любого подходящего датчика (например, датчиков давления, состояния клапана, скорости тока жидкости).

[101] Чтобы увеличить выходную мощность цилиндра и избежать описанных выше недостатков, связанных с существующими подходами к увеличению выходной мощности цилиндра, цилиндр (цилиндры) 104 включают в себя внутреннее устройство цилиндра 202 (то есть вставной шток), которое различными способами вводится во внутреннее пространство цилиндра (цилиндров) и извлекается из него, в которое вводится рабочая жидкость (жидкости) (например, гидравлическая жидкость, горючее топливо), используемые для производства выходной мощности. Фигуры показывают иллюстративные варианты осуществления внутреннего устройства цилиндра для цилиндра сгорания, где внутреннее устройство сконфигурировано таким образом, что на него действует сила, втягивающая и/или выталкивающая его к пространству сгорания и/или к поршню для коленчатого вала (например, вниз на фиг. 7) с помощью электромагнитного привода, гидравлического привода, турбонагнетателя или тому подобных устройств.

[102] На фигурах показан цилиндр 104, включающий внутреннее устройство цилиндра 202, также упоминаемое здесь как вставной шток или второй поршень. Внутреннее устройство цилиндра 202 функционирует в качестве второго поршня в дополнение к поршню коленчатого вала 204 (например, поршень коленчатого вала 204 является первым поршнем), и внутреннее устройство 202 частично окружает камеру сгорания.

[103] Поршень для коленчатого вала 204 соединен с шатуном, который может быть соединен с другим устройством, таким как коленчатый вал, чтобы тем самым преобразовывать возвратно-поступательное движение поршня для коленчатого вала во вращательное движение коленчатого вала или другую форму движения, которая, в свою очередь, может использоваться для приведения в движение транспортного средства, приведения в действие устройства и т.д. Возвратно-поступательное движение поршня для коленчатого вала 204 может быть вызвано сгоранием воздушно-топливной смеси во внутреннем пространстве 208 цилиндра 104. Горение может частично регулироваться впускным клапаном 210, приводимым в действие через впускной распределительный вал, который способен избирательно впрыскивать воздушно-топливную смесь во внутреннее пространство 208 для сжатия и воспламенения в ней. Свеча зажигания или запальная свеча может управляться, чтобы вызывать воспламенение впрыскиваемой воздушно-топливной смеси. Продукты сгорания могут выпускаться через выпускной клапан 216, приводимый в действие через выпускной распределительный вал. Чтобы отводить тепло от цилиндра 104 в процессе сгорания топливно-воздушной смеси и, таким образом, поддерживать желаемые рабочие температуры и избегать термического разрушения, между внутренней стенкой цилиндра, которая определяет внутреннее пространство 208, и внешней стенкой цилиндра, которая определяет внешний вид цилиндра, через рубашку системы охлаждения может циркулировать подходящая охлаждающая жидкость, которая может содержать любое подходящее вещество (вещества), например воду, антифриз и т.д. Система охлаждения может включать в себя радиатор, который излучает тепло от нагретой охлаждающей жидкости, например, во внешнюю среду.

[104] Как описано выше, цилиндр 104 включает в себя внутреннее устройство цилиндра 202, которое вариативно вводится во внутреннее пространство 208 для увеличения выходной мощности, производительности и эффективности цилиндра. В частности, устройство 202 представляет собой вставной шток, который вариативно вводится во внутреннее пространство 208 в соответствии с возвратно-поступательным движением поршня для коленчатого вала 204. В некоторых примерах вставной шток 202 может постепенно вводиться во внутреннее пространство 208, когда поршень для коленчатого вала 204 движется вниз (как показано на фиг. 7, например) через внутреннее пространство. Вставной шток (то есть внутреннее устройство) может иметь пространство для накопления жидкости или камеру возле стороны впуска (верхняя сторона, фиг. 7) и быть сконфигурирован таким образом, чтобы иметь четыре такта, выполняемых за два движения коленчатого вала. Тем не менее, цилиндр 104 может быть сконфигурирован в соответствии с любым подходящим рабочим циклом, на основе которого можно контролировать введение штока 202 во внутреннее пространство 208. Обычно вставной шток 202 может быть введен во внутреннее пространство 208, когда поршень для коленчатого вала 204 движется вниз (как показано на фиг. 7).

[105] Цилиндр 104 может выполнять такт сжатия (например, для двух- или четырехтактного рабочего цикла) или такт выпуска (например, для четырехтактного рабочего цикла). Вставной шток 202 может вариативно вводиться во внутреннее пространство 208 и извлекаться из него в соответствии с перемещением поршня для коленчатого вала 204 вниз и вверх (как показано на фиг. 7), соответственно. Соответствие между движением вставного штока 202 и поршня для коленчатого вала 204 может иметь любую подходящую форму. В некоторых примерах перемещение вставного штока 202 и поршня для коленчатого вала 204 может быть в значительной степени синхронизировано, так что вставной шток приводится в движение, в основном, с той же скоростью и направлением, что и поршень для коленчатого вала. Когда поршень для коленчатого вала 204 меняет направление, то есть прекращает движение вверх или вниз и начинает двигаться вниз или вверх, соответственно, вставной шток 202 также соответственно изменяет направление движения.

[106] Посредством размещения вставного штока 202 в цилиндре 104 во время тактов рабочего цикла, в которых рабочая жидкость (например, гидравлическая жидкость, горючее топливо) вводится во внутреннее пространство 208, или в накопительную камеру, или в пространство за внутренним устройством со стороны впуска, объем внутреннего пространства, доступного для заполнения рабочей жидкостью, уменьшается за счет его частичного заполнения вставным штоком. Однако, собственный объем внутреннего пространства 208 и цилиндра 104 остается неизменным. Таким образом, масса жидкости, вводимой в цилиндр 104, уменьшается без изменения других параметров цилиндра, которые влияют на выходную мощность цилиндра, таких как объем хода, расстояние хода, сила хода и площадь поверхности поршня коленчатого вала. Иными словами, вставной шток 202 позволяет уменьшить требования к впуску цилиндра 104, и, в результате заполнения им внутреннего пространства 208, вставной шток дополнительно приводит к тому, что объем внутреннего пространства, который используется в процессе сгорания или в гидравлическом процессе - так называемый «объем сгорания» или «гидравлический объем» - становится меньше, чем собственный объем самого внутреннего пространства. Собственный объем цилиндра 104 может рассматриваться как объем, определяемый внутренними стенками цилиндра, и в некоторых случаях объем над верхней поверхностью поршня коленчатого вала 204.

[107] Электромагнитная система может применять к внутреннему устройству 202 втягивающую или выталкивающую силу. В этом варианте осуществления вставной шток 202 вариативно извлекается из внутреннего пространства 208 во время такта расширения посредством соленоидного электромагнитного привода, включающего катушку 224, которая связана на верхнем и нижнем концах с электрической системой 226. Электромагнитный сердечник может быть предназначен для приложения втягивающей силы к внутреннему устройству (например, силы в направлении стороны впуска или, другими словами, силы, направленной в обратную сторону от пространства сгорания, вверх на фиг. 7).

[108] Электромагнит может быть предназначен либо для введения, либо для извлечения внутреннего устройства, в зависимости от конкретного применения. Какой бы магнит не применялся (отталкивающий или притягивающий), оставшаяся функция (например, притягивающая или отталкивающая) может быть пассивной по функциональности. Электромагнитная сила может использоваться для извлечения внутреннего устройства на ранней стадии такта расширения с целью ответа на команду замедления двигателя, транспортного средства или дроссельной заслонки, чтобы избежать необходимости выпускать выхлоп слишком рано. В этом варианте осуществления вставной шток 202 содержит в себе магнит 227 (например, постоянный магнит) для обеспечения возможности взаимодействия с магнитными полями, создаваемыми электрическими токами, передаваемыми через катушку 224, и соленоидный электромагнитный привод введения и извлечения вставного штока. Линии напряженности магнитного поля, создаваемые катушкой 224, в частности ее частями во внутреннем пространстве катушки под верхним концом катушки и над нижним концом катушки, могут быть в значительной степени параллельными направлению, в котором вставной шток 202 вводится и извлекается. Чтобы обеспечить питанием описанный здесь электромагнитный привод вставного штока 202, электрическая система 226 может включать источник тока, с помощью которого ток выборочно подается на катушку 224. Электрическая система 226 физически связана с контроллером 110, который может управлять электрической системой, чтобы выборочно позиционировать вставной шток 202 и/или прикладывать втягивающие и выталкивающие силы к внутреннему устройству 202 в соответствии с рабочим циклом цилиндра 104, как описано выше, и/или на основе любых других подходящих входных сигналов (например, данных о фазах распредвала, установке фаз клапанного распределения, переменных впуска или топливно-воздушной смеси, других условий эксплуатации). В некоторых примерах контроллером 110 может быть контроллер 110 по фиг. 1, но он также может включать в себя различные устройства и системы, позволяющие притягивающим или отталкивающим силам воздействовать на вставной шток 202 или увеличивать давление на верхнюю сторону (например, со стороны впуска на фиг. 7) внутреннего устройства 202. Такими устройствами и системами контроллера 110 могут быть гидравлические или электромагнитные приводы, турбокомпрессоры или любые другие подходящие системы, которые могут управлять силами, воздействующими на внутреннее устройство 202, и обычно называемые здесь «механизмами приложения силы». Одна или более катушка 224, электрическая система 226, магнит 227 и контроллер 110 могут образовывать то, что здесь называется «электромагнитным приводом». В некоторых примерах электромагнитный привод может рассматриваться как соленоид, где вставной шток 202 действует как втулка, перемещаемая электромагнитным приводом. Следует понимать, что, как показано на фиг. 7, втягивающие и выталкивающие силы прикладываются к корпусу вставного штока 202.

[109] Рассматриваются и другие электромагнитные конфигурации для приведения в действие вставного штока 202. Например, внутреннее устройство 202 может быть выполнено с электромагнитным приводом без постоянного магнита, включенного во вставной шток 202, где электрический ток избирательно подается на электромагнитный привод для переменного генерирования магнитного поля. Электромагнитная сила может быть запитана путем рекуперации потерянной энергии из системы. В целом, для приведения в действие вставного штока 202 может использоваться любой подходящий электромагнитный механизм.

[110] Цилиндр 104 может быть выполнен в других вариантах осуществления, которые увеличивают выходную мощность цилиндра, такими как компоновка внутреннего устройства и/или поршня для коленчатого вала с конусовидной формой или вертикальным вырезом на их дистальных концах. Например, дистальный конец может быть концом, обращенным к пространству сгорания.

[111] Внутренняя поверхность поршня для коленчатого вала может содержать насечки и/или выступы для увеличения сил напряжения сдвига во время относительного движения поршня для коленчатого вала. Кроме того, внутренняя поверхность поршня для коленчатого вала может содержать второй металл с меньшей плотностью, чтобы увеличить расстояние между центром тяжести или центром масс и геометрическим центром поршня для коленчатого вала, обеспечивая частичное преимущество в расстоянии хода относительно объема внутреннего пространства цилиндра.

[112] Катушка 224 может быть размещена в корпусе, который соединяется с изолирующим барьером, который обеспечивает перемещение вставного штока 202 с низким коэффициентом трения и существенную степень герметизации между внутренним пространством 208 и корпусом. Катушка 224 электрически приводится в действие электрической системой 226, которая связана с контроллером 110.

[113] Магнит 407 (на фиг. 17) создает магнитное поле между положительно заряженной частью вставного штока 202 и магнитом 407. Магнитное поле показано линиями напряженности магнитного поля. Следует понимать, что механическое движение вставного штока параллельно линиями напряженности магнитного поля, показанным на фиг. 17. Следовательно, вектор движения вставного штока 202 не будет пересекать линии напряженности магнитного поля. Катушка 224 создает другое магнитное поле, отвечающее за контроль элементов управления возвратным движением, тогда как катушка или магнит 407 создает поле, ответственное за обеспечение движущей силы вставного штока 202. Следовательно, помимо магнитного поля, создаваемого соленоидом, система должна также контролировать частоту перемещения вставного штока, и поступательное движение вставного штока может обеспечиваться другим полем, создаваемым магнитом 407.

[114] В одном примере к вставному штоку 202, который вариативно вводится во внутреннее пространство 208 цилиндра 104 и извлекается из него, может быть присоединена пружина, с целью предотвращения раннего извлечения вставного штока во время такта расширения.

[115] Внутреннее устройство 202 может быть изготовлено из любой одной или нескольких частей или цилиндрических слоев. Внутреннее устройство может иметь разные размеры в разных цилиндрах двигателя. В качестве неограничивающего примера, некоторые формы внутреннего устройства 202 могут быть рассчитаны на более высокий крутящий момент.

[116] Внутреннее устройство цилиндра 202, и варианты осуществления цилиндра, описанные в данном документе, представлены в качестве примеров и никоим образом не предназначены для ограничения объема изобретения. Многочисленные модификации входят в объем данного изобретения. Слово «цилиндр», используемое в данном документе, не обязательно подразумевает цилиндрическую геометрию, а скорее относится к механическому устройству, в котором возвратно-поступательное движение поршня для коленчатого вала используется для производства полезной работы и выработки мощности. Например, могут использоваться несферические геометрии, такие как полусферические или клиновидные. Различные компоненты цилиндра могут быть добавлены, удалены или модифицированы, включая компоненты головки цилиндров, клапаны и т.д. Кроме того, рассматриваются альтернативные конфигурации вставных штоков. Например, раскрытые здесь вставные штоки могут вводиться во внутреннее пространство цилиндра снизу, сбоку или с любого другого направления, в том числе под косыми углами. Цилиндр 104 сам по себе может иметь изогнутую форму как часть двигателя круглой формы с поршнем и вставным штоком, следующими по круговой или изогнутой траектории во время рабочего хода. Кроме того, возможны варианты осуществления, в которых для управления вставным штоком используются как пружинные, так и электромагнитное приводы. В некоторых гидравлических вариантах осуществления может использоваться гибридное решение, в котором жидкость механически перекачивается и также магнитным способом выталкивается к поршню для коленчатого вала. Например, жидкость может быть прижата к плунжерному поршню для коленчатого вала без использования гидравлического насоса во время процесса сжатия.

[117] Описанные здесь варианты реализации внутреннего устройства цилиндра могут давать различные технические эффекты и преимущества. Например, внутреннее устройство цилиндра может уменьшить потребление жидкости (например, массу жидкости, объем жидкости) в цилиндре (например, необходимый объем жидкости для выполнения заданного хода или перемещения на заданное расстояние хода), где потребление жидкости в некоторых вариантах осуществления первоначально обусловлено движением и формой поршня для коленчатого вала. Уменьшенное потребление жидкости может использоваться для поддержания мощности аналогичной той, которая ранее ассоциировалась с большим потреблением жидкости. В других примерах внутреннее устройство цилиндра может позволить использовать аналогичный объем жидкости для большего расстояния хода. Кроме того, внутреннее устройство цилиндра может позволить приложить большее усилие на квадратный дюйм на внутренней поверхности поршня для коленчатого вала. В некоторых примерах один или несколько вставных штоков могут увеличивать эффективную площадь поверхности поршня для коленчатого вала для увеличения силы и выходной мощности. В некоторых примерах, таких как те, которые используют электромагнитные приводы, внутреннее устройство цилиндра может поддерживать величину давления сгорания, удерживая вставной шток на месте, при этом магнитное поле инициируется в момент сгорания топлива. В некоторых примерах внутреннее устройство цилиндра может обеспечивать увеличение расстояния хода и импульса поршня для коленчатого вала посредством постепенного введения штока во внутреннее пространство цилиндра. В некоторых примерах внутреннее устройство цилиндра может способствовать ламинарному движению поршня для коленчатого вала с более медленным падением давления. В некоторых примерах внутреннее устройство цилиндра может обеспечивать увеличение величины подводимой мощности от статической электрической или магнитной силы. В некоторых примерах внутреннее устройство цилиндра может перемещаться параллельно линиям напряженности магнитного поля, не потребляя электроэнергию, пока вставной шток не пересекает линии напряженности магнитного поля. В некоторых примерах, таких как те, которые используют механический привод на основе пружины, внутреннее устройство цилиндра может обеспечить увеличение расстояния хода, увеличение импульса, более ламинарное перемещение поршня для коленчатого вала с уменьшенными колебаниями давления, увеличение подводимой мощности от инерции вставного штока и импульса расширения пружины. В гидравлических вариантах осуществления вставной шток может уменьшить потребление гидравлической жидкости под давлением от насоса, поскольку жидкость, перемещаемая к плунжерному поршню коленчатого вала, имеет большую расчетную массу, чем перекачиваемая жидкость. Эти и другие технические эффекты могут повысить экономичность транспортного средства, в котором реализовано внутреннее устройство цилиндра.

[118] Описанные здесь этапы, задачи и способы могут повторяться во время работы цилиндра с любой подходящей частотой, интервалом, рабочим циклом и т.д., что может включать непрерывную работу или ее прерывание (например, в ответ на команду контроллера или ввод оператора).

[119] Вставной шток 202 и поршень для коленчатого вала 204 могут иметь форму конуса на поверхностях, где они взаимодействуют. Вставной шток 202 может частично включать в себя и/или частично окружать пространство сгорания. Вставной шток 202 может быть механически соединен с электромагнитным приводом или другим механизмом приложения силы, управляемым контроллером 110. Конусовидная форма внутренней поверхности поршня для коленчатого вала 204 обеспечивает лучшие характеристики по крутящему моменту и скорости по сравнению с обычно используемой цилиндрической формой.

[120] Раскрытая цилиндровая система может использовать двигатель 102 на основе цилиндров, чтобы производить полезную работу. Пространство сгорания 208 может быть окружено частями вставного штока и поршня для коленчатого вала, благодаря чему сама камера сгорания относительно перемещается или изменяется по форме и размерам в цилиндре относительно самого цилиндра.

[121] Назначение электромагниту только задачи отталкивания или только задачи притяжения позволило бы магнитному сердечнику сохранять ориентацию полюсов без изменений, а накопление электронов все время происходило бы на одной стороне. Если такая схема будет принята, то ожидается, что напряженность магнитного поля, добавляемая к компоненту соленоида, может быть в сотни раз мощнее поля, создаваемого током и напряжением сопоставимого магнита с чередующимися полюсами, и такое усиление может отражать огромные преимущества по рекуперации энергии, получаемые от свойств постоянного магнита, который не имеет чередующихся полюсов. Это было бы очень полезно для общей отдачи двигателем энергии.

[122] Внутреннее устройство (то есть вставной шток) может функционировать как второй движущийся поршень внутри цилиндра. Решением для снижения внутреннего давления в цилиндре было бы перемещение второго поршня в противоположном направлении (то есть, в обратную сторону) от поршня, соединенного с коленчатым валом, вместо выпуска несгоревшего выхлопа, посредством использования вторичной силы от электромагнита или другого источника. Синхронизация такой компоновки становится проще, если вставной шток частично окружает пространство сгорания и становится участником начального ускорения в качестве второго поршня с особой формой поверхности, заставляя вставной шток менять направление при воздействии давления с передней стороны, что заставит такой вставной шток остановиться во время такта расширения и медленно начать движение в обратном направлении. Управление его положением может осуществляться с помощью вспомогательных устройств, таких как электромагнитный двигатель для более сильного и быстрого втягивания и турбокомпрессор или гидравлический привод для более сильного и длительного выталкивания.

[123] Наличие второго поршня (вставного штока или внутреннего устройства), расположенного между впускными каналами и пространством сгорания, наряду с непрерывным поддержанием более высокого давления жидкости на стороне впуска, чем на стороне выпуска внутреннего устройства во время втягивания приводного поршня распределительного вала, помогает сохранять впускные тракты более чистыми и надежнее работающими в течение длительного времени.

[124] Когда вставной шток окружает камеру сгорания, он вводится в цилиндр частью начального ускорения как второй поршень; вставной шток может изменить направление движения при воздействии давления со стороны коленчатого вала после того, как два поршня расходятся, заставляя вставной шток остановиться во время такта расширения и начать медленное движение в обратном направлении.

[125] Следует понимать, что фраза «движение в направлении поршня для коленчатого вала» может относиться к направлению, указывающему на местоположение поршня для коленчатого вала, а не к направлению движения поршня для коленчатого вала.

[126] Система обеспечивает раскрытые здесь преимущества, поскольку энергия, прилагаемая для перемещения аналогичного груза на аналогичное расстояние с использованием одного и того же маршрута, не зависит от времени, то есть, независимо от того, медленно или быстро происходит перемещение, для выполнения работы может использоваться тот же объем энергии. Камера для накопления жидкости за внутренним устройством позволяет выполнять четыре такта за два оборота коленчатого вала. Система обеспечивает не только энергосберегающие конфигурации, но и альтернативный способ управления ускорением и замедлением двигателя при одновременном снижении выбросов загрязняющих веществ.

[127] Чтобы выполнить четыре такта за два оборота коленчатого вала, свежий воздух или предварительно смешанная воздушно-топливная смесь первоначально подается через отверстие в камере впрыска в пространство за внутренним устройством во время такта расширения, чтобы добавить тяговое усилие такту расширения, а также частично сжать воздух (как часть такта сжатия). Когда начинается такт сжатия, эта частично сжатая жидкость как метод непрямого впрыска будет перемещаться в пространство сгорания с дальнейшим сжатием (например, полным сжатием) через соединяющий канал, расположенный за внутренним устройством. В другом способе (прямой впрыск) специальный канал вместе со свечой зажигания может достигать непосредственно камеры сгорания. Выпускное отверстие 216 может иметь различные положения и конфигурации. Следует понимать, что определение «предварительно смешанная» жидкость может быть жидкостью для впрыска во впускной канал или жидкостью непрямого впрыска, а «камера предварительного смешения» может быть камерой, где происходит образование воздушно-топливной смеси.

[128] Иными словами, воздушно-топливная смесь первоначально впрыскивается за внутренним устройством во время такта расширения в камере впрыска 201 (фиг. 3), с использованием турбонагнетателя или компрессора для добавления движущей силы внутреннему устройству, а также, как часть такта сжатия, для частичного сжатия воздуха в одной или нескольких камерах. Когда начинается такт сжатия и поршни начинают втягиваться, этот частично сжатый воздух будет перемещаться в пространство сгорания с дальнейшим сжатием благодаря положению впускного клапана 203, так что он отводит выхлопные газы в зону между двумя поршнями, к выпускному клапану, и к тому времени, когда поршни начинают работать, пространство сгорания очищается от выхлопных газов, далее топливная жидкость будет полностью или частично впрыснута в одну из камер впрыска для смешивания ее со свежим воздухом и с полным втягиванием поршня воздушно-топливная смесь будет двигаться в камеру сгорания, что используется как метод непрямого впрыска. В другом способе прямой впрыск через специальный канал или тракт подачи топлива может производиться непосредственно в камеру сгорания вместе со свечой зажигания, через центральное или боковое пространство внутрь или возле внутреннего устройства, и впрыск топлива будет производиться в пространство сгорания, а не в камеру впрыска. Выпускное отверстие 216 может иметь разные расположения, однако оно может совмещаться с областью между двумя поршнями как начальная позиция совмещения поршней во время такта сжатия. Для не дизельного топлива с прямым или непрямым впрыском также может использоваться свеча зажигания.

[129] Ниже изображения с фиг. 2-18 будут описаны более подробно.

[130] На фиг. 2-18 представлены различные примеры, компоненты и признаки, которые могут быть включены во внутреннее устройство цилиндра. Например, цилиндр 104 может включать в себя внутреннее пространство 208, внутреннее устройство 202 и поршень для коленчатого вала 204. Внутреннее пространство 208 цилиндра 104 модифицируется внутренним устройством 202 таким образом, что давление сгорания, приложенное к поршню для коленчатого вала 204, прилагается к меньшей площади поверхности поршня для коленчатого вала 204 во время начальной стадии такта расширения и к большей площади поверхности поршня для коленчатого вала 204 во время более поздней стадии такта расширения.

[131] Например, как видно на фиг. 8, слева, меньшая площадь поверхности 802 подвергается сгоранию в полости сгорания 804 на раннем этапе такта расширения. А справа показана более поздняя стадия такта расширения, где большая площадь поверхности 806 подвергается сгоранию, которое происходит в полости сгорания 804. Эта концепция применяется ко всем примерам, показанным на фигурах. Форма или профиль усеченного конуса для поршня коленчатого вала обеспечивает большую площадь поверхности, на которую действует растущее давление сгорания, по сравнению с прямоугольным профилем, из-за геометрии наклонных поверхностей относительно стенок цилиндра. Однако, даже поршни коленчатого вала прямоугольного профиля, показанные на фиг. 4, 5, 6 и 10, получают преимущество от изменения площади поверхности сгорания, воздействующей на поршни для коленчатого вала на ранних и более поздних этапах такта сгорания.

[132] Например, поршень для коленчатого вала может включать оконечную часть, которая изменяется от более тонкого размера 808 до более утолщенного размера 810, так что часть более тонкого размера подвергается воздействию давления сгорания раньше, а более утолщенная часть подвергается воздействию давления сгорания позже, как показано на фиг. 8. Более тонкая часть может быть введена в пространство сгорания или, как вариант, размещена непосредственно рядом с концом пространства сгорания в момент сгорания. Профиль внутреннего устройства может точно соответствовать, совпадать или согласовываться с профилем поршня коленчатого вала. Более тонкая часть может быть расположена дистально (например, слева на чертеже 8) относительно более утолщенной части.

[133] Система может быть сконфигурирована таким образом, чтобы сгорание происходило в полости 804 внутреннего устройства 202 для приложения давления сгорания как к внутреннему устройству 202, так и к поршню для коленчатого вала 204.

[134] Внутреннее устройство 202 может быть подвижной конструкцией относительно цилиндра 104. Движение внутреннего устройства 202 может управляться одной или несколькими силами, прикладываемыми механизмом приложения силы 702. Внутреннее устройство 202 может изменять направление движения во время такта расширения.

[135] Механизм приложения силы 702 может реагировать на положение дроссельной заслонки (например, транспортного средства) посредством датчиков положения дроссельной заслонки, так что одна или более сил, приложенных к внутреннему устройству 202, зависят от положения дроссельной заслонки. Механизм приложения силы 702 может быть сконфигурирован таким образом, чтобы прикладывать к внутреннему устройству 202 втягивающую силу во время такта расширения. Механизм приложения силы 702 может быть сконфигурирован таким образом, чтобы прикладывать к внутреннему устройству 202 выталкивающую силу во время такта расширения.

[136] Механизм приложения силы 702 может включать электромагнитный привод, гидравлическую систему и/или систему наддува. Примерами систем наддува являются турбонагнетатели, гидравлические приводы и компрессоры наддува. Внутреннее устройство может быть механически связано с электромагнитным приводом.

[137] Изображение на фиг. 18 показывает первый электромагнит 1802, который может быть активирован во время такта расширения и применен к поршню для коленчатого вала, обеспечивая выталкивающее действие (выталкивающую силу). Второй электромагнит 1804 может быть активирован во время такта сжатия и применен к поршню для коленчатого вала, обеспечивая втягивающее действие (втягивающую силу).

[138] Система может быть сконфигурирована для частичного выполнения такта сжатия посредством сжатия жидкости на стороне впуска во время такта расширения, что также означает приложение силы к внутреннему устройству 202 через механизм приложения силы 702. Как таковая, система может быть сконфигурирована для выполнения функций впуска, сжатия, расширения и выпуска в течение двух тактов за один цикл сгорания.

[139] Система может быть выполнена с возможностью подачи жидкости на впускную сторону 704 внутреннего устройства 202 для увеличения давления в цилиндре и ускорения двигателя. Система может быть сконфигурирована таким образом, чтобы вызывать замедление двигателя путем приложения втягивающей силы к внутреннему устройству 202. Система может быть сконфигурирована таким образом, чтобы вызывать ускорение двигателя путем приложения выталкивающей силы к внутреннему устройству 202. Кроме того, как показано на фиг. 7, канал для жидкости 706 позволяет жидкости проходить от стороны впуска 704 в камеру сгорания 804.

[140] Канал для жидкости 706, также называемый соединительным каналом, может иметь регулирующий клапан для разделения времени между первым и вторым этапами управления жидкостью. Первый этап включает накопление жидкости за внутренним устройством (вставным штоком) во время такта расширения, который частично сжимает воздух помощью турбонагнетателя или компрессора, прикладывая вторичные движущие силы к поршням, или предварительно смешивая жидкость, во время прикладывания движущей силы к поршням. Второй этап включает перекачку частично сжатого воздуха на впуске или предварительно смешанной жидкости в пространство сгорания в пределах внутреннего устройства через соединительный канал, который может включать несколько клапанов и трактов. Соединительный канал или каналы могут включать путь к впускному каналу для свежего воздуха и другой путь к выпускному отверстию. Используя внутреннее устройство, пути выпуска могут проходить через соединительный канал, где соединительный канал может быть снабжен несколькими трактами и соединениями со входом для свежего воздуха или входом для предварительно смешанной жидкости, а также с путем выпуска.

[141] Соединительный канал может иметь обратный клапан, и клапан может открываться, чтобы позволять частично сжатой жидкости перемещаться в пространство сгорания, и клапан может закрываться во время такта расширения. Камера впрыска может увеличиваться в размере во время такта расширения.

[142] Система может быть выполнена с возможностью позволять внутреннему устройству 202 ускоряться в направлении отвода от поршня коленчатого вала 204, благодаря давлению сгорания между поршнем для коленчатого вала 204 и внутренним устройством 202, чтобы поглощать часть сил сгорания, которые могли бы в противном случае быть применены к поршню для коленчатого вала 204. Система может быть сконфигурирована для выполнения функций впуска, сжатия, расширения и выпуска в течение двух тактов за один цикл сгорания.

[143] Как показано на фиг. 19, раскрытый способ включает на этапе 1902 начало сгорания в пределах границ движущихся частей, заключенных между поршнем и внутренним устройством цилиндра, на этапе 1904 ускорение обеих частей во внутреннем пространстве цилиндра до тех пор, пока ускорение внутреннего устройства цилиндра не изменит направление и впоследствии не достигнет полной остановки во время такта расширения, на этапе 1906 дальнейшее выталкивание или втягивание внутреннего устройства цилиндра, путем приложения силы вторичным устройством, таким как электромагнитный привод, гидравлическая система или турбокомпрессор, и на этапе 1908 сжатие и перемещение жидкости предкамерного сгорания путем полного втягивания внутреннего устройства во время такта сжатия.

[144] На графиках фиг. 20-32 показаны различные полезные свойства раскрытой цилиндровой системы. Если какие-либо признаки фиг. 20-32 здесь явно не обсуждаются, следует понимать, что любая информация, относящаяся к раскрытию, должна быть взята из показанных графиков и сопровождающих их названий или сопроводительного текста. Следует понимать, что D1-T3 относится к третьему испытанию первой конструкции раскрытой цилиндровой системы и отражает различные варианты осуществления. D3-T10, например, относится к «Конструкция 3» - «Испытание 10».

[145] Изображение на фиг. 20 показывает исходные параметры обычного поршня, в качестве примера для сравнения с исходными параметрами раскрытой поршневой системы, которые можно увидеть в сравнении на фиг. 25.

[146] Изображение на фиг. 21 показывает график зависимости давления от расстояния. Тест был выполнен без нагрузки. Раскрытая система имеет гораздо большую площадь под кривой D2-T1 по сравнению с обычной цилиндровой системой D1-T1. Во время такта расширения, когда в цилиндре постоянно поддерживается более высокое внутреннее давление на 300-400%, это должно отражаться в виде более высокой тепловой эффективности, более высокого желаемого соотношения NO₂/NOx, составляющего примерно 50%, и более полной степени распада углеводородных частиц (массовая доля УВ частиц уменьшилась наполовину в конструкции с внутренним устройством цилиндра). Когда испытание было повторено с нагрузкой, приложенной к поршню для коленчатого вала, область под графиком D2-T1 (названная далее D2-T3) показала дальнейшее увеличение внутреннего давления в цилиндре по сравнению с обычным цилиндром.

[147] Изображение на фиг. 22 показывает преимущество по давлению кривой D2-T1, где D2-T1 означает первое испытание второго варианта осуществления раскрытой системы. Кроме того, фиг. 22 показывает график зависимости давления от времени. Испытание было выполнено без нагрузки. Раскрытая система имеет гораздо большую площадь (примерно в 5 раз) большую под кривой D2-T1 по сравнению с обычной цилиндровой системой D1-T1. Также, этот график информирует нас о большом потенциале более чистого сжигания выхлопных газов. Хотя это не показано на фиг. 22, следует понимать, что при использовании предварительно смешанной жидкости давление возрастет до 1500 фунтов на квадратный дюйм и упадет до нуля за 0,007 секунды. Однако, скорость поршня будет значительно выше, чем у D1-T3, что приведет к застыванию жидкости и серьезному загрязнению.

[148] Следовательно, раскрытое изобретение замедляет поршень, прикладывая начальное усилие к меньшей площади поверхности, и в то же время увеличивая внутреннее давление сгорания, чтобы уменьшить застывание жидкости и загрязнение, позволяя частично использовать предварительно смешанную воздушно-топливную смесь методом непрямого впрыска с меньшим загрязнением и застыванием жидкости. Следовательно, прямой впрыск топлива в камеру сгорания может быть частично заменен или дополнен методом предварительного смешивания топлива и свежего воздуха с целью повышения внутреннего давления при поддержании более чистого горения топлива за счет уменьшения скорости поршня. Использование раскрытого внутреннего устройства и приложение силы сгорания на ранней стадии такта расширения к меньшей или частичной площади поверхности поршня распределительного вала вызывает более медленное движение поршня с увеличением рабочей энергии вместо ее потерь. Следовательно, раскрытые система и способ могут частично позволять использование непрямого впрыска, чтобы обеспечить более высокую входную силу при более медленном движении поршня, чтобы способствовать более чистому сгоранию.

[149] Изображение на фиг. 23 показывает график зависимости давления от времени. Тест был выполнен без нагрузки. В конструкции D3-T1 пространство сгорания обращено только к поверхности 802 (фиг. 8), не окружая элемент 808 (фиг. 8). В конструкции D2-T1 пространство сгорания изначально окружает элемент 808. Для конструкции D3-T1 график показывает, что внутреннее давление в цилиндре остается примерно в два раза выше, чем в обычном цилиндре, однако оно примерно в два раза ниже, чем в конструкции D2-T1. Несмотря на снижение внутреннего давления, конструкция D3-T1 обеспечивала лучшую отдачу рабочей энергии, чем D2-T1. Этот график информирует нас о том, что рабочая конструкция может в значительной степени основываться на требованиях по отдаче энергии и чистоте горения, где одна конструкция может быть предпочтительнее другой.

150] Изображение на фиг. 24 показывает график зависимости силы от расстояния. Этот график показывает, что D3-T1, где пространство сгорания изначально не окружает элемент 808 (фиг. 8), обеспечивает более высокую силу во время такта расширения, чем D2-T1, но меньшую, чем обычный поршень. Этот график не следует ошибочно применять для оценки и сравнения энергии новых и традиционных конструкций, потому что производительность рабочей энергии должна оцениваться на основе формулы (сила*расстояние/сек), и это мы можем назвать (работа/сек), что может быть представлено как объем работы за единицу времени.

[151] Изображение на фиг. 25 показывает график оценки рабочей энергии с использованием прямого впрыска, и что новая конструкция D3 предлагает большую площадь под графиком работы в зависимости от времени, чем обычная конструкция цилиндра. Эффективность использования энергии повышается примерно на 200%, в соответствии с разницей площади. Конструкция D3-T1 имеет большую площадь воздействия сгорания (802, фиг. 8) в начале такта расширения, чем D3-T2, из-за большего диаметра контактной головки (элемент 808, фиг. 8). В связи с этим мы видим, что D3-T1 предлагает более высокую рабочую энергию в начале такта расширения и более низкую рабочую энергию на более поздних этапах. При использовании непрямого впрыска для D1-T3 (на графиках не показано) объем доступной энергии был выше, и почти в два раза выше при использовании метода прямого впрыска по сравнению с непрямым впрыском предварительно смешанной жидкости. По этой причине увеличение эффективности достигнуто после того, как мы начали использовать прямой впрыск, лучшую отдачу энергии и лучшее соответствие нормам по выхлопным газам, и теперь можно сделать еще один шаг по применению раскрытого способа для лучшей отдачи энергии и более чистых выхлопных газов.

[152] Изображение на фиг. 26 показывает таблицу массовых долей выхлопных газов с использованием анализа ANSYS, и можно видеть, что СО уменьшился в 2,5 раза, СО₂ увеличился в 1,4 раза, NO увеличился в 1,08 раза, NO₂ увеличился в 3,2 раза, a C₁₂H₂₃ снизился в 5,45 раза. Ниже приведен список информации, относящейся к таблице на фиг. 26.

[153] Использование аналогичных начальных параметров впрыска топлива (С₁₂Н₂₃) в конструкции D1-T3 и D3-T10 с использованием анализа ANSYS:

[154] Массовый впрыск топлива = 0,05 кг/с

[155] Время впрыска = 0,001 с;

[156] Давление впрыска = 17405 фунтов на квадратный дюйм;

[157] Температура топлива = 300 К;

[158] Масса впрыскиваемого топлива = 50 мг;

[159] Диаметр сопла = 1 мм;

[160] Приблизительная частота вращения двигателя = 4000 об/мин.

[161] Начальные параметры сжатого воздуха:

[162] Начальный объем = 4,81 кубических дюймов;

[163] Давление воздуха = 500 фунтов на квадратный дюйм;

[164] Температура воздуха = 830 К;

[165] Массовая концентрация N₂ = 0,7675.

[166] Массовая концентрация O₂ = 0,2325.

[167] Давление сопротивления = 20 фунтов на квадратный дюйм (1074 Ньютонов сопротивления на поршне коленчатого вала)

[168] Результаты: Выход углеводородов в выхлопных газах (УВ) снизился в 5,45 раза. Если мы рассчитываем снизить потребление топлива до 50%, то общий объем выбросов углеводородов будет сокращен на 1100%. СО был снижен в 2,5 раза. NO остался на том же уровне, однако это еще одно потенциальное улучшение с уменьшением потребления топлива. СО₂ увеличился на 30%, что в данном случае является желательным результатом, особенно когда это является результатом снижения углеводородов и СО, и все же это может считаться еще одним потенциальным снижением с уменьшением потребления топлива. NO₂ в соответствии с ожиданиями увеличился в 3,2 раза. Этот газ фильтры выхлопных газов могут легко преобразовывать в N₂ (более дорогие фильтры, оснащенные предварительным фильтром, могут преобразовывать NO в NO₂). Выбросы легко поддающихся фильтрации NO₂ и СО₂ можно увеличить, если такое увеличение происходит за счет плохо поддающихся фильтрации СО, NO и углеводородов.

[169] Изображение на фиг. 27 показывает для D3-T2 график зависимости работы от времени, где контактная головка 808 (фиг. 8) имеет длину 2,5 дюйма. График показывает, что рабочая энергия в конце такта расширения выше, чем у обычного поршня, а также чем у новых конструкций с более короткой головкой.

[170] Изображение на фиг. 28, для D4-T1, сравнивает контактную головку нулевой длины с обычным поршнем. Длина элемента 808 (фиг. 8) в этом испытании равна нулю, и единственным участком контакта между поршнем для коленчатого вала и внутренним устройством был центр в форме конуса глубиной около 0,5 дюйма. При таком расположении внутреннее устройство не будет выталкиваться и будет функционировать как неподвижное внутреннее устройство, которое может применяться, чтобы избежать технических сложностей более совершенных двигателей. График по-прежнему показывает лучшую отдачу рабочей энергии.

[171] Изображение на фиг. 29 показывает, что для D2-T3 в новой конструкции, когда мы прикладываем давление к меньшей площади поверхности рабочего поршня распределительного вала, участок энергии под графиком не теряется в течение первых 10% рабочего хода, как при использовании обычного поршня. Более сбалансированное распределение силы по времени хода в новой конструкции создает лучшую возможность для изменения количества горючей жидкости, необходимой для различных нагрузок, и лучшие способы экономии дизтоплива или бензина. Кроме того, изменяющийся размер поверхности 802 (фиг. 8) дает нам конструктивные элементы управления, дополняющие требования к распределению силы; чем меньше начальная сила, тем больше ее будет доступно позже, во время такта расширения, и меньшей будет вибрация двигателя.

[172] Изображение на фиг. 30 показывает, что для D3- испытание 9 у нас было 1100 Ньютонов нагрузки сопротивления, и мы позаимствовали 8000 Ньютонов вторичной движущей силы, прикладываемой к внутреннему устройству (второму поршню) на 0,005 секунды такта расширения. Этот тип приложенной силы обеспечил скачок движущей силы и скорости поршня для коленчатого вала примерно на 80% потенциала рекуперации энергии, который появился на графике зависимости силы от скорости при увеличении силы поршня коленчатого вала с 1000 до 8000 Ньютонов.

[173] Все еще ссылаясь на фиг. 30, для D3-T10 у нас было 1100 Ньютонов нагрузки сопротивления, и мы позаимствовали 2222 Ньютонов вторичной движущей силы, приложенной к внутреннему устройству (второму поршню) все время в течение такта расширения. Этот тип приложенного усилия обеспечил непрерывное улучшение движения поршня для коленчатого вала с более чем 70% потенциала рекуперации энергии. В этом испытании внутреннее устройство и поршень не разъединялись во время такта расширения, и поршень имел более высокое давление и более высокую движущую силу к концу такта. Вторичная сила в 2222 Ньютонов могла бы быть позаимствована из рекуперированной энергии выхлопных газов, и при применении для содействия выталкиванию внутреннего устройства большая часть из этих 2222 Ньютонов была преобразована в приблизительно 1500 Ньютонов движущей силы поршня для коленчатого вала.

[174] Этот график также показывает, что содействующие силы рекуперации энергии выхлопных газов турбокомпрессором или магнитные силы могут обеспечить уникальные преимущества, когда энергия может расходоваться только при необходимости, способствуя созданию двигателя с гораздо более высокими рабочими характеристиками без необходимости увеличения количества цилиндров.

[175] Изображение на фиг. 31 показывает, для D3-T10, что график движения поршня для коленчатого вала может иметь непрерывно положительную динамику, предлагая улучшения для снижения вибрации двигателя и более равномерного вращения коленчатого вала. Завершающий этап такта расширения поршня все еще может иметь достаточную мощность, чтобы применить его ко второму такту сжатия поршня при ламинарном неимпульсном механическом движении.

[176] Изображение на фиг. 32 показывает скорость поршня, и эта скорость поршня для коленчатого вала в обычном рабочем цилиндре в среднем составляет около 30-40 метров/секунду, в то время как без помощи вторичной силы скорость поршня для коленчатого вала с использованием внутреннего устройства составляет около 16 метров/секунду. Из исследований контролируемого сгорания мы знаем, что чем быстрее происходит такт расширения, тем быстрее и стремительнее происходит остывание топливной смеси в цилиндре, что приводит к значительному снижению эффективности химической реакции (часто называемой замороженной или застывшей смесью), оставляя выхлопные газы далекими от химического равновесия. Более высокие уровни NOx по сравнению с данной конструкцией цилиндра, с единственной переменной величиной - скоростью поршня, являются примером замороженных химических продуктов. Мы узнали, что равномерное увеличение скорости поршня приводит к неполному сгоранию топлива и плохим результатам испытаний по уровню загрязнения. Следовательно, раскрытая модель приложения большой силы после завершения первой половины такта расширения может привести к очень большому увеличению скорости поршня, однако, когда это увеличение происходит после периода медленного движения поршня и после достаточного времени для полного завершения сгорания, то такое увеличение скорости поршня не может негативно повлиять на достижение лучших результатов по снижению уровней загрязнения.

[177] Дальнейшие испытания показывают, что снижение скорости может быть достигнуто путем уменьшения диаметра головки поршня для коленчатого вала (например, 802 на фиг. 8), что заставит поршень работать с требуемой скоростью; поршень двигался медленнее, чем предполагаемая цель в 16 м/сек, когда диаметр его контактной головки был менее 0,9 дюйма.

[178] Что касается загрязнения и законодательства, то углеводороды (УВ) представляют собой сложную проблему загрязнения, и мы достигаем наилучших результатов в сокращении их выбросов на 550% с использованием цилиндра, оборудованного внутренним устройством. С точки зрения экологического законодательства, одним из наиболее важных загрязнителей является NO_x (N₂, NO₂, NO). Соотношение NO₂ к общему количеству оксидов азота NO_x в большинстве выхлопных газов транспортных средств обычно составляет около 5-10%, а оптимальным значением было бы более 50%. Современные фильтры очистки выхлопных газов включают фильтр предварительной очистки, предназначенный для преобразования NO в NO₂, а в конечном итоге преобразование NO₂ в N₂. У нас есть ряд конструкций, внедрение которых позволит увеличить соотношения ΝO₂/ΝΟ_x до желаемых величин и уменьшить общую массу ΝΟ_x. С раскрытой конструкцией внутреннего устройства цилиндра, основные преимущества, связанные с уменьшением выбросов, заключаются главным образом в сокращении общего расхода топлива и увеличении пробега на единицу топлива, что приводит к снижению общей теплоотдачи, где тепло является основным фактором выброса загрязняющих веществ.

[179] В раскрытом способе увеличения внутреннего давления в цилиндре и уменьшения динамики скорости поршня массовая доля углеводородов уменьшается на 550%. Уровень ΝΟ₂ был на желаемом более высоком уровне, и мы считаем, что при использовании этого метода увеличение ΝΟ₂ происходило за счет СО, а не за счет NO. Выход NO в цилиндре с внутренним устройством был примерно таким же, как уровни NO в обычном цилиндре при оборотах менее 6000 об/мин, однако он уменьшился, когда мы частично использовали непрямой впрыск, в то время как уровень N₂ предпочтительно удвоился, удаляя больше фракций азота вредной окисленной формы, что также является желательным результатом, отражающим сбалансированную химическую реакцию и процесс, который мы ожидаем увидеть из раскрытой системы.

[180] Когда две аналогичные энергии расходуются на перемещение двух одинаковых по весу объектов на одинаковое расстояние между двумя точками А и В в одинаковых условиях, количество энергии не зависит от времени, то есть одно и то же количество энергии будет потрачено независимо от того, сколько времени потребуется для выполнения такой задачи. Однако, если путь изменился, и мы потратили вдвое больше энергии между А и В, мы знаем, что нам пришлось работать больше, и если все остальные переменные остались прежними, то мы знаем, что потратить вдвое больше энергии равносильно выполнению той же самой работы в тех же самых (откорректированных) условиях для удвоения расстояния (и удвоения времени).

[181] В примере с цилиндром мы используем аналогичное физическое расстояние А-В движения коленчатого вала, но с внутренним устройством мы изменяем давление и площадь поверхности и в соответствии с законом Паскаля, которые могут быть приспособлены или скорректированы с аналогичной силой и различным относительным расстоянием, где такое различное относительное расстояние называется А'-В' и где, согласно Д'Лимберту, который объясняет, что подобное физическое расстояние может быть рассчитано различными способами в относительном движении, а различное относительное движение между А и В может привести к расходу различного количества энергии на основе значения расстояния относительного движения А'-В', и эта энергия зависит от времени, потому что координатное расстояние не одинаково.

[182] В цилиндре, оснащенном внутренним устройством, у нас есть относительное движение, и физическое расстояние коленчатого вала должно быть отрегулировано не потому, что расстояние его движения изменяется, а потому, что путь между началом и концом его движения изменяется в величинах площади поверхности и значениях давления.

[183] Одним из способов повышения выходной энергии поршня является использование в качестве второго поршня внутреннего устройства, которое находится в относительном движении с цилиндром, и которое является предметом данной заявки. Диаграммы моделирования показывают эффективное увеличение энергии с возможностью либо снизить потребность в топливе для совершения определенной работы, выполняемой обычным цилиндром, либо, используя аналогичный объем топлива, превзойти обычный цилиндр при движении с большей нагрузкой.

[184] Используя аналогичный объем жидкости сгорания и поршень для коленчатого вала аналогичного веса, для перевозки аналогичного груза в цилиндре аналогичного диаметра, мы определяем, что скорость поршня для коленчатого вала была бы ниже примерно вдвое в цилиндре, оснащенном внутренним устройством, с некоторыми конструкционными переменными. Если мы попытаемся сравнить энергию движения коленчатого вала обычного цилиндра и цилиндра с внутренним устройством, использующими аналогичную горючую жидкость, аналогичную нагрузку сопротивления, аналогичный диаметр цилиндра, для аналогичного времени и аналогичного расстояния, используя уравнение кинетической энергии движущегося тела-поршня может показаться, что движение поршня для коленчатого вала в цилиндре с внутренним устройством имеет меньшую кинетическую энергию, поскольку скорость движения поршня (v) все время ниже, в то время как массы (m) горючей жидкости или массы поршня остаются неизменными. Однако, логика говорит, что у нас есть сила сгорания, распределенная в меньшем объеме внутри цилиндра, и она должна компенсировать это путем перемещения поршня и его нагрузки на большее физическое расстояние. Результаты теста также показывают большую площадь под графиком рабочей энергии, где работа рассчитывается как ([сила*расстояние]/время).

[185] Непосредственное заключение для этого несоответствия предполагает, что мы должны реформировать уравнение кинетической энергии, чтобы оно могло служить для вычисления рабочей энергии, вместо кинетической, где скорость заменяется ускорением и временем, а время включает период времени работы (а не единицу времени), который мы будем называть координатным временем.

[186] Единицей измерения энергии в уравнении становится: кг*м²/с³ или (кг*м²/с²)/с, что является выражением энергии, расходуемой в секунду, или работы, выполненной за секунду, или даже мощности работы.

[187] Хотя мы знаем, что рабочая энергия, необходимая для перемещения аналогичной нагрузки на аналогичное физическое расстояние, не зависит от времени, должно быть ясно, что когда такое расстояние изменяется физически или из-за относительного движения, тогда рабочая энергия становится зависимой от времени и для перемещения на удвоенное расстояние нам нужно удвоить время и потребление энергии. Для внутреннего устройства мы используем аналогичное физическое расстояние, однако для расчета рабочей энергии в соответствии с законом Паскаля мы можем изменять давление и площадь поверхности, и для этого нам нужно построить координаты движения, где мы можем отрегулировать силу и ускорение для аналогичного задания и тогда единственной переменной является расстояние, где потребление энергии становится зависимым от относительного координатного расстояния движения коленчатого вала и его координатного рабочего времени.

[188] Поскольку мы меняем внутренний объем цилиндра, мы заменим термин «массовый расход топлива» значением массовой силы (мс) движущегося поршня, которое измеряется в кг*м/с, как независимым от времени измерением работы.

[189] Другой изменяемой величиной, которую мы рассмотрим, является универсальное ускорение для обоих цилиндров в сравнении, чтобы иметь возможность создавать сопоставимые координаты движения и минимизировать переменные таких координат до времени (t). В качестве универсального ориентира может быть использовано любое ускорение, однако знакомым наблюдателю может быть ускорение силы тяжести (g). Чтобы изменить любое ускорение на другое с учетом сохранения энергии, мы можем сказать, что для поршня 1: A₁*T₁=g*t₁ и для поршня 2: А₂*Т₂=g*t₂. Уравнение, которое может сравнивать рабочую энергию относительного движения двух цилиндров, выглядит следующим образом: Энергия и Энергия Также мы можем оценить это уравнение по координате рабочей энергии где (мс = ось z, не зависящая от времени величина рабочей энергии, измеряемая в кг* м/с), (g = ось у, универсальное ускорение, измеренное в м/с²), (t = ось х, зависящая от времени величина рабочей энергии, измеренная в секундах).

[190] Изображение на фиг. 33 показывает координаты для уравнения мс * g² * t, где мс = массовая сила на оси z, (g) - универсальная привязка ускорения на оси у, универсальная временная координата (t) на оси х. Чтобы прояснить концепцию получения энергии от относительного движения без нарушения правил сохранения энергии, мы можем назвать Ε = тепловая энергия топлива, используемого для сгорания. Когда мы используем одинаковое топливо в двух разных поршнях, то Ε₁ - энергия для поршня 1, а Е₂ - энергия для поршня 2. Следовательно, Е₁ = Е₂ и

[191] mc₁ * t₁ = мс₂ * t₂ (независимая от времени рабочая энергия поршня 1 * время 1 работы = независимая от времени рабочая энергия поршня 2 * время 2 работы).

[192] Когда t₁ для обычного цилиндра = 4 секунды (где средняя скорость поршня = 39,2 м/с); t₂ модифицированного цилиндра = 2 секунды (где средняя скорость поршня = 19,6 м/с). Когда время 2 меньше, то его соответствующая рабочая энергия мс₂ больше, и такая рабочая энергия доступна независимо от времени.

[193] Когда масса заменяется массовой силой, то массовая сила в 1 кг оценивается в 1 кг*метр/секунду, и эта сила называется рабочей энергией в секунду со значением, не зависящим от времени. Доступная рабочая энергия для обычного поршня (массовая сила, действующая на поршень во время такта расширения, на метр в секунду) равна половине значения массовой рабочей силы, действующей на поршень в модифицированном цилиндре. Следует отметить, что средняя скорость поршня в модифицированном цилиндре, как заявлено, ниже, чем средняя скорость поршня в обычном (традиционном) цилиндре.

[194] Кроме того, изображение на фиг. 33 сравнивает координаты движения обычного цилиндра xyz и цилиндра с внутренним устройством x'y'z', и с целью анализа относительного движения для лучшего контроля конструкции системы мы попытались использовать координаты относительного движения в первом способе, основанном на нашем понимании специальной теории относительности, где мы будем использовать независимую временную привязку каждого цилиндра (t и t') для координат и где не допускаются корректировки ускорения, потому что все ускорения были скорректированы в соответствии с его конечной целью «С = скорость света», что в итоге превратилось в знаменитое уравнение (Е = m * С²) и где время становится переменной, доступной для изменения в соответствии с формулой Лоренца для t и t' во втором методе, используя наше понимание преобразования Галилея, присваивая универсальное время для обеих координат. Поскольку X'Y'Z' представляет движение с внутренним устройством, поршни с различным ускорением настраиваются на ускорение (g) вместо (С) скорости света, t₁ и t₂ представляют собой скорректированное время средней скорости поршней для коленчатого вала к его сопоставимому значению при универсальном ускорении (g), означающем, что если средняя скорость поршня составляет 19,6 м/с, то при этом t = 2 секунды, что является промежутком времени, необходимым для свободного падения объекта, чтобы достичь скорости 19,6 м/с. XYZ и X'Y'Z' представляют величины предложенного уравнения относительной энергии (Е = 0,5 мс * g² * t), которое может сравнивать рабочие энергии двух движений, где (t) - скорректированное время ускорения на оси х, (g) - универсальное ускорение по оси у (в специальной теории относительности это будет С, т.е. скорость света), мс - массовая сила (давление * площадь поверхности * физическое расстояние / сек) по оси z. Используя аналогичное пройденное время движения, мы находим, что при использовании внутреннего устройства (с более медленной измеренной скоростью поршня) нам требуется меньшее координатное время (t) ускорения, чтобы соответствовать аналогичной рабочей силе в секунду обычного цилиндра.

[195] Вычисление экономии энергии за счет использования раскрытого внутреннего устройства цилиндра по второй системе координат x'y'z', согласно преобразованию Лоренца и специальному методу относительности показывает, что относительная временная корректировка (t' к t) бесконечно мала из-за огромной разницы между скоростью поршня и скоростью света.

[196] При корректировке времени (t₁ и t₂ к t) относительно скорости поршня первого и второго цилиндров в зависимости от силы тяжести (g) в соответствии с ньютоновской относительностью преобразование Галилея находится в корреляции с результатами испытаний, где соотношение t₁/t₂ объясняет разницу областей под графиком рабочей энергии. измеренное в (кг * м² / с³), дает нам инструмент проектирования и контроля, требуемый для определения размера поверхностей и внутреннего устройства, необходимых для обеспечения определенной производительности.

[197] Результаты испытаний показывают, что соотношение t₁/t₂ с использованием относительности Ньютона-Галилея отражает экономию энергии пропорционально соотношению области под кривой рабочей энергии, измеренной с помощью компьютерного моделирования, в то время как использование специального метода относительности давало результаты неизменные во времени, не отражающие различия в энергии, независимо от конструкции.

[198] Следует понимать, что когда рабочая энергия выше под графиком цилиндра, оснащенного внутренним устройством, тогда требуется меньшее координатное время ускорения (t₂) на оси х, чтобы достичь аналогичных уровней энергии сравниваемого обычного цилиндра, и по этой причине мы можем выразить предположение, что в относительном движении экономия энергии происходит в обмен на время в соответствии с ньютоновской относительностью и тем фактом, что время является истинной формой энергии.

[199] Раскрытые способ и система уменьшают содержание углеводородов и СО в выхлопных газах посредством изменения структуры и давления на уровне цилиндра двигателя с использованием внутреннего устройства внутри цилиндра. Кроме того, потребности в топливе уменьшаются для выполнения определенных задач механической работы благодаря наличию пространства сгорания внутри движущегося тела, которое находится в относительном движении по отношению к цилиндру. Система и метод используют относительное движение для экономии энергии, где такая экономия заменяется временем согласно относительности Ньютона и преобразованию Галилея.

[200] Раскрытые здесь способы могут включать 1) Способ конструирования гибридного двигателя, использующего два источника силы на уровне цилиндра. 2) Способ работы фильтра отработанных газов на уровне цилиндров путем конвертации большей части СО и свободных углеводородных радикалов в преобразовываемые соединения CO₂, N₂ и NO₂ путем увеличения относительного внутреннего давления и уменьшения скорости поршня для коленчатого вала. 3) Способ гашения вибраций с использованием внутреннего устройства в качестве амортизатора. 4) Способ экономии энергии путем использования внутреннего устройства в качестве второй несущей конструкции в ньютоновско-галилеевой относительности. 5) Способ временной зависимости обмена и сохранения энергии.

[201] Поскольку в описанные предпочтительные варианты осуществления изобретения можно внести множество модификаций, вариаций и изменений в деталях, предполагается, что все объяснения, приведенные в предшествующем описании и показанные на прилагаемых фигурах, должны интерпретироваться как иллюстративные, а не как ограничивающие предмет изобретения. Таким образом, объем изобретения должен определяться прилагаемой формулой изобретения и ее юридическими эквивалентами.

Изобретение относится к гидравлическим цилиндрам и цилиндрам сгорания. Цилиндровая система, содержащая механический цилиндр, включающий внутреннее пространство, в которое вводится жидкость, поршень, выполненный с возможностью возвратно-поступательного движения во внутреннем пространстве, и внутреннее устройство цилиндра, включающее вставной шток, функционирующий как второй поршень, причем вставной шток попеременно вводится во внутреннее пространство цилиндра и извлекается из него в соответствии с возвратно-поступательным движением поршня, и при этом детали вставного штока и поршня могут окружать пространство сгорания. Изобретение обеспечивает оптимизацию давления в цилиндре, уменьшение выбросов несгоревших жидкостей при одновременном повышении выходной мощности. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 33 ил.

1. Цилиндровая система механического двигателя, содержащая:

цилиндр, включающий внутреннее пространство;

внутреннее устройство

и поршень для коленчатого вала;

в которой внутреннее пространство цилиндра модифицируется внутренним устройством таким образом, что давление сгорания, приложенное к поршню для коленчатого вала, прикладывается к меньшей площади поверхности поршня для коленчатого вала во время ранней стадии такта расширения и к большей площади поверхности поршня для коленчатого вала во время более поздней стадии такта расширения;

в которой внутреннее устройство представляет собой подвижную относительно цилиндра конструкцию и в которой перемещение внутреннего устройства контролируется одной или несколькими силами, прикладываемыми механизмом приложения силы;

в которой механизм приложения силы реагирует на положение дроссельной заслонки с помощью датчиков положения дроссельной заслонки, так что одна или несколько сил, приложенных к внутреннему устройству, зависят от положения дроссельной заслонки.

2. Система по п. 1, в которой система сконфигурирована таким образом, что сгорание происходит внутри полости внутреннего устройства, чтобы применять давление сгорания как на внутреннее устройство, так и на поршень для коленчатого вала.

3. Система по п. 1, в которой механизм приложения силы сконфигурирован таким образом, чтобы прикладывать втягивающую силу к внутреннему устройству во время такта расширения.

4. Система по п. 1, в которой механизм приложения силы сконфигурирован таким образом, чтобы прикладывать выталкивающую силу к внутреннему устройству во время такта расширения.

5. Система по п. 1, в которой система сконфигурирована для частичного выполнения такта сжатия введением внутреннего устройства во время такта расширения при движении поршня для коленчатого вала путем приложения силы к внутреннему устройству через механизм приложения силы.

6. Система по п. 1, в которой система сконфигурирована таким образом, чтобы выполнять функции впуска, сжатия, расширения и выпуска в течение двух тактов за один цикл сгорания.

7. Система по п. 1, в которой механизм приложения силы включает электромагнитный привод.

8. Система по п. 1, в которой механизм приложения силы включает гидравлическую систему.

9. Система по п. 1, в которой механизм приложения силы включает систему принудительного всасывания.

10. Система по п. 1, в которой система сконфигурирована для подачи жидкости на впускную сторону внутреннего устройства для увеличения давления в цилиндре и ускорения двигателя.

11. Система по п. 1, в которой система сконфигурирована таким образом, чтобы вызывать замедление двигателя посредством приложения к внутреннему устройству втягивающей силы.

12. Система по п. 1, в которой система сконфигурирована таким образом, чтобы вызывать ускорение двигателя посредством приложения к внутреннему устройству выталкивающей силы.

13. Способ введения внутреннего устройства в цилиндровую систему, причем система включает в себя цилиндр, содержащий внутреннее пространство, и поршень для коленчатого вала, при этом способ предусматривает:

изменение внутреннего пространства цилиндра с использованием внутреннего устройства таким образом, чтобы давление, приложенное к поршню для коленчатого вала, прикладывалось к меньшей площади поверхности поршня для коленчатого вала во время ранней стадии такта расширения и к большей площади поверхности поршня для коленчатого вала во время более поздней стадии такта расширения; и

выполнение действия по увеличению давления внутри полости внутреннего устройства для приложения давления как к внутреннему устройству, так и к поршню для коленчатого вала,

при котором цилиндр представляет собой гидравлический цилиндр, и где жидкость является гидравлической жидкостью.

14. Способ по п. 13, при котором способ дополнительно предусматривает приложение втягивающей силы к внутреннему устройству во время такта расширения.

15. Способ по п. 13, при котором способ дополнительно предусматривает приложение выталкивающей силы к внутреннему устройству во время такта расширения.

16. Способ конструирования цилиндра механического двигателя с использованием системы, содержащей:

цилиндр, включающий внутреннее пространство, в которое вводится жидкость, и поршень для коленчатого вала, выполненный с возможностью возвратно-поступательного движения во внутреннем пространстве;

внутреннее устройство; и

где внутреннее пространство цилиндра модифицируется внутренним устройством путем введения внутреннего устройства для замещения части внутреннего пространства, так что внутреннее устройство уменьшает впуск жидкости, и таким образом, что давление сгорания, приложенное к поршню для коленчатого вала, прикладывается к меньшей площади поверхности поршня для коленчатого вала во время ранней стадии такта расширения и к большей площади поверхности поршня для коленчатого вала во время поздней стадии такта расширения;

где система сконфигурирована таким образом, что сгорание происходит внутри полости внутреннего устройства для приложения давления сгорания как к внутреннему устройству, так и к поршню для коленчатого вала;

где внутреннее устройство представляет собой подвижную относительно цилиндра конструкцию и где движение внутреннего устройства контролируется одной или несколькими силами, прикладываемыми механизмом приложения силы;

где механизм приложения силы реагирует на положение дроссельной заслонки с помощью датчиков положения дроссельной заслонки, так что одна или несколько сил, приложенных к внутреннему устройству, зависят от положения дроссельной заслонки;

где система сконфигурирована таким образом, чтобы частично выполнять такт сжатия введением внутреннего устройства во время такта расширения при движении поршня для коленчатого вала путем приложения силы к внутреннему устройству через механизм приложения силы;

где система сконфигурирована таким образом, чтобы заставлять начальное движение внутреннего устройства перемещать горючие жидкости и силы в направлении поршня распределительного вала, чтобы поглощать часть вибрационных сил двигателя;

где внутреннее устройство меняет направление движения во время такта расширения;

где система сконфигурирована для выполнения функций впуска, сжатия, расширения и выпуска в течение двух тактов за один цикл сгорания;

а также способ, предусматривающий:

приведение в действие поршня для коленчатого вала во время такта расширения в первом направлении;

выталкивание внутреннего устройства цилиндра во время такта расширения во внутреннее пространство цилиндра в соответствии с движением поршня для коленчатого вала;

приведение в действие поршня для коленчатого вала во время такта сжатия во втором направлении, по существу противоположном первому направлению; и

во время такта сжатия втягивание внутреннего устройства из внутреннего пространства цилиндра в соответствии с движением поршня для коленчатого вала и

в которой механизм приложения силы включает гидравлическую систему.