Двигатель внутреннего сгорания на основе изотермического сжатия, способ его работы и его управления

Двигатель внутреннего сгорания на основе изотермического сжатия, способ его работы и его управления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

[0001] Настоящая заявка претендует на приоритет по документу 35 USC § 119(e) на основе предварительной патентной заявки №61/906,467, поданной 20 ноября 2013 года Дортчем (Dortch) под названием "Двигатель внутреннего сгорания на основе изотермического сжатия", и по предварительной патентной заявке США №61/935025, поданной 3 февраля 2014 года Дортчем под названием "Двигатель внутреннего сгорания на основе изотермического сжатия", описания которых включены в данное описание в качестве ссылки во всей их полноте.

ЗАЯВЛЕНИЕ В ОТНОШЕНИИ СПОНСИРОВАНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ИЛИ РАЗРАБОТОК

[0002] Не применимо.

ССЫЛКА НА ПРИЛОЖЕНИЕ С МИКРОКАРТОЙ

[0003] Не применимо.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0004] Обычные двигатели внутреннего сгорания включают такт впуска топлива с последующим тактом сжатия. Как правило, смесь воздуха и топлива вводят в камеру сгорания двигателя во время такта впуска, и затем топливо сжимается поршнем во время такта сжатия. Сжатие топливно-воздушной смеси значительно повышает температуру и давление смеси. Когда сжатая топливно-воздушная смесь нагревается до температуры, которая приводит к его спонтанному воспламенению до включения в работу свечи зажигания, может произойти самозажигание топливной смеси, приводящее к повреждению двигателя. Соответственно, конструктивные особенности традиционных двигателей внутреннего сгорания, такие как статический коэффициент сжатия, турбонаддув, плотность мощности, экономичность по топливу и варианты заправки топливом ограничены пределами самовоспламенения топливной смеси.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0005] В некоторых вариантах осуществления изобретения раскрыт двигатель, работа которого основана на сгорании топлива в условиях изотермического сжатия (IsoC). Указанный двигатель содержит компрессор, обеспечивающий изотермическое сжатие объема воздуха, по меньшей мере один баллон системы хранения сжатого воздуха, соединенный с компрессором и предназначенный для хранения объема изотермически сжатого воздуха, и двигатель внутреннего сгорания, выполненный с возможностью приема по меньшей мере части объема изотермически сжатого воздуха в цилиндре двигателя внутреннего сгорания; по меньшей мере один (1) избирательный впрыск объема топлива в цилиндр и воспламенение объема топлива при наличии объема воздуха в цилиндре, и (2) избирательный впрыск объема топлива с последующим расширением объема воздуха в цилиндре без зажигания смеси.

[0006] В других вариантах воплощения настоящего изобретения, раскрыт способ работы двигателя на основе изотермического сжатия (IsoC), включающего изотермическое сжатие первого объема воздуха; передачу изотермически сжатого объема воздуха по меньшей мере в один баллон системы хранения сжатого воздуха; хранение изотермически сжатого объема воздуха по меньшей мере в одном баллоне системы хранения сжатого воздуха; впрыск второго объема изотермически сжатого воздуха в цилиндр двигателя внутреннего сгорания, когда соответствующий поршень находится около верхней мертвой точки (ВМТ); избирательный впрыск объема топлива в цилиндр двигателя внутреннего сгорания и сжиганием смеси второго объема изотермически сжатого воздуха и топлива в цилиндре двигателя внутреннего сгорания.

[0007] В других вариантах воплощения настоящего изобретения раскрыт способ управления двигателем внутреннего сгорания на основе изотермического сжатия (IsoC), включающий следующие стадии: избирательный впрыск объема изотермически сжатого воздуха в цилиндр двигателя внутреннего сгорания, когда соответствующий поршень находится о положении около верхней мертвой точки (ВМТ); избирательный впрыск объема топлива в цилиндр; избирательный прием входного управляющего сигнала через пользовательский интерфейс и избирательное регулирование по меньшей мере одного объема сжатого воздуха и объема топлива, впрыскиваемого в цилиндр двигателя внутреннего сгорания во время последующих оборотов коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0008] Для более полного понимания настоящего изобретения и его преимуществ обратимся к следующему краткому описанию со ссылками на сопроводительные чертежи и к подробному описанию, на которых одинаковые цифровые позиции обозначают одинаковые части.

[0009] Фигура 1 - принципиальная схема двигателя внутреннего сгорания на основе изотермического сжатия (IsoC) в соответствии с одним из вариантов воплощения изобретения.

[0010] Фигура 2 - схема двигателя внутреннего сгорания на основе изотермического сжатия (IsoC) с электронной системой управления в соответствии с одним из вариантов воплощения изобретения.

[0011] Фигура 3 - блок-схема последовательности операций способа работы двигателя внутреннего сгорания на основе изотермического сжатия (IsoC) в соответствии с одним из вариантов воплощения изобретения.

[0012] Фигура 4 - блок-схема последовательности операций способа управления двигателем на основе изотермического сжатия (IsoC) в соответствии с одним из вариантов воплощения изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0013] Прежде всего, следует понимать, что хотя ниже представлена иллюстративная реализация одного или нескольких вариантов воплощения, раскрытые системы и/или способы могут быть реализованы с использованием любого числа методик, будь-то уже известные методики в настоящее время или в процессе осуществления. Изобретение никоим образом не должно быть ограничено представленными ниже иллюстративными реализациями, чертежами и способами, в том числе примерными конструкциями, показанными и описанными в настоящем документе, но оно может быть модифицировано в пределах объема прилагаемой формулы изобретения вместе с полным объемом эквивалентов.

[0014] Ниже раскрыты варианты воплощения двигателя внутреннего сгорания на основе изотермического сжатия (IsoC). В двигатель внутреннего сгорания IsoC может впрыскиваться сжатый воздух при температуре окружающей среды непосредственно перед событием зажигания, чтобы повысить эффективность работы двигателя. Двигатель IsoC также может содержать турбонагнетатель, соединенный с изотермическим компрессором и потоком выхлопных газов из двигателя внутреннего сгорания, чтобы увеличить поток воздуха на входе в компрессор. Двигатель IsoC может дополнительно включать системы хранения сжатого воздуха или сборники воздуха, которые могут быть использованы для приведения в действие поршней двигателя внутреннего сгорания и избирательного прекращения горения топлива в целях повышения эффективности использования топлива и снижения вредных выбросов. В двигателе IsoC также может быть использовано регенеративное торможение. В двигателе IsoC также может быть использовано экономичное сгорание топлива (например, сгорание смеси с избытком воздуха в топливе в камере сгорания) для повышения эффективности использования топлива и уменьшения выброса выхлопных газов. Двигатель IsoC может также содержать фильтр связывания углерода для дальнейшего снижения выбросов углерода. Кроме того, компоненты, поддерживающие эффективность двигателя IsoC, могут обеспечить аппаратные средства, необходимые для функционирования двигателя в качестве гибридной платформы с двойным приводом. Пневматические компоненты высокого давления двигателя IsoC, которые повышают тепловой коэффициент полезного действия, также могут обеспечить работу двигателя в качестве воздушного двигателя с нулевым уровнем выбросов без использования сгорания топлива.

[0015] На фигуре 1 показан двигатель внутреннего сгорания 100 на основе изотермического сжатия (IsoC) в соответствии с одним вариантом воплощения настоящего изобретения. Двигатель IsoC 100 является двигателем внутреннего сгорания, который непрерывно замещает изотермически охлажденный заряд сжатия (заряд, имеющий температуру, равную температуре окружающей среды) для горячего адиабатического сжатия с использованием обычных циклов работы двигателя внутреннего сгорания. Отсутствие тепла сжатия в цилиндрах 156 двигателя IsoC 100 до искрового зажигания, в принципе, исключает самовоспламенение как расчетную границу для двигателя внутреннего сгорания с изотермическим сжатием. Фактически двигатель IsoC 100 содержит многоступенчатый компрессор 102 с промежуточным охлаждением, выполненный с возможностью сбора и сжатия окружающего воздуха, удаляя теплоту сжатия по меньшей мере в одном баллоне системы 104 хранения сжатого воздуха, выполненной с возможностью хранения охлажденного сжатого воздуха, причем двигатель внутреннего сгорания 106 обеспечивает мощностью привод или другое устройство в результате впрыска изотермически сжатого воздуха по меньшей мере из одного бака системы 104 хранения сжатого воздуха и/или топлива, подаваемого в топливной системе 140 во множество цилиндров 156 двигателя 106. Кроме того, в некоторых вариантах воплощения двигатель 100 IsoC также может содержать турбонагнетатель 108, выполненный с возможностью увеличения потока воздуха к компрессору 102.

[0016] Компрессор 102 может быть выполнен с возможностью изотермического сжатия воздуха и передачи сжатого воздуха по меньшей мере в один баллон системы 104 хранения сжатого воздуха, который соединен с компрессором 102. Как правило, компрессор 102 выполнен в виде охлаждаемого многоступенчатого поршневого компрессора. В некоторых вариантах воплощения компрессор 102 может быть компрессором спирального типа. В других вариантах воплощения настоящего изобретения компрессор 102 может быть компрессором роторного типа. Вместе с тем, в других вариантах воплощения, компрессор 102 может быть любого другого подходящего типа, способного увеличить давление воздуха, полученного компрессором 102. Компрессор 102 содержит по меньшей мере один вентилятор 138 компрессора и по меньшей мере один теплообменник 158, предназначенный для отвода тепла, вызванного сжатием воздуха в компрессоре 102. Вентилятор 138 компрессора выполнен с возможностью создания попутного потока воздуха, направляемого в теплообменник 158, чтобы облегчить теплообмен между потоком проходящего воздуха и теплообменником 158. Кроме того, теплообменник 158 может включать ребра, радиаторы, промежуточные охладители и/или любую комбинацию ребер, радиаторов, промежуточных охладителей и других элементов, содействующих передаче тепла от потока воздуха к теплообменнику 158. В некоторых вариантах воплощения отвод тепла из компрессора 102 теплообменником 158 может быть использован для обогрева салона, подогрева топлива в холодном климате и/или выполнения других вспомогательных функций. Теплообменник 158 компрессора 102 также может быть сконфигурирован для жидкостного охлаждения. Отводя тепло, вызванное сжатием воздуха в компрессоре 102, компрессор 102 может изотермически сжимать воздух в компрессоре 102. В некоторых вариантах воплощения изотермически сжатый воздух может иметь температуру, которая, в основном, равна температуре окружающего воздуха на входе в компрессор 102. Проходящий поток воздуха может рассеивать тепло в окружающий воздух или, альтернативно, может быть отведен через выхлопную трубу 132. Выхлопная труба 132 компрессора может быть соединена с горячей стороной 108b турбонагнетателя 108. Как будет обсуждено ниже более подробно, путем пропускания тепла, отводимого из теплообменника 158 в компрессор 102 через горячую сторону 108b турбонагнетателя 108, тепловая энергия теплообменника 158 компрессора 102 может быть извлечена с помощью турбонагнетателя 108, чтобы дополнительно увеличить эффективность работы компрессора 102 и/или двигателя IsoC 100.

[0017] Компрессор 102 передает изотермически сжатый воздух по меньшей мере в один баллон системы 104 хранения сжатого воздуха через линию сушки 112, расположенную между компрессором 102 и по меньшей мере одним баллоном системы 104 хранения сжатого воздуха. Линия сушки 112 служит для удаления влаги из изотермически сжатого воздуха, поступающего из компрессора 102. Между компрессором 102 и по меньшей мере одним баллоном системы 104 хранения сжатого воздуха также может быть размещен обратный клапан 114. Обратный клапан выполнен с возможностью предотвращения прохождения изотермически сжатого воздуха на стороне вниз по потоку, расположенной рядом, по меньшей мере с одним баллоном системы 104 хранения сжатого воздуха, в направлении вверх по потоку к компрессору 102. Кроме того, между обратным клапаном 114 и по меньшей мере одним баллоном системы 104 может быть расположено внешнее заправочное отверстие 116. Внешнее заправочное отверстие 116 выполнено с возможностью соединения с внешним источником сжатого воздуха, чтобы по меньшей мере один баллон системы 104 хранения сжатого воздуха мог бы получать сжатый воздух через внешнее заправочное отверстие 116 от внешнего источника сжатого воздуха. Кроме того, обратный клапан 114 также может предотвратить прохождение сжатого воздуха, полученного от внешнего источника сжатого воздуха через внешнее заправочное отверстие 116, к компрессору 102.

[0018] Хотя двигатель IsoC 100 описан как имеющий по меньшей мере один баллон в системе 104 хранения сжатого воздуха, следует понимать, что двигатель IsoC 100 может иметь множество баллонов для хранения сжатого воздуха в системе 104. Система 104 служит для хранения изотермически сжатого воздуха, полученного от компрессора 102. Кроме того, система 104 выполнена с возможностью подачи заряда изотермически сжатого воздуха в двигатель внутреннего сгорания 106. Система 104 в целом имеет легкую высокопрочную конструкцию. В некоторых вариантах воплощения, система 104 может содержать конструкцию из углепластика. В различных вариантах воплощения, система 104 может работать под давлением примерно от 500 фунтов на квадратный дюйм до 1000 фунтов на квадратный дюйм, до 2000 фунтов на квадратный дюйм, до 3000 фунтов на квадратный дюйм, до 4000 фунтов на квадратный дюйм и/или до 5000 фунтов на квадратный дюйм.

[0019] На выходной стороне система 104 хранения сжатого воздуха двигателя IsoC 100 имеет запорный клапан 118. Запорный клапан 118 выполнен с возможностью избирательного ограничения и/или предотвращения попадания сжатого воздуха, хранящегося в системе 104, в двигатель внутреннего сгорания 106. В некоторых вариантах воплощения запорный клапан 118 может представлять собой запорный клапан, регулируемый вручную. Вместе с тем, в других вариантах воплощения запорный клапан 118 может быть клапаном, управляемым электроникой, и может избирательно работать в режиме разрешения или ограничения потока сжатого воздуха из системы 104 хранения сжатого воздуха в двигатель внутреннего сгорания 106. В других вариантах воплощения запорный клапан 118 может быть пневмоприводном, используемым в случае внезапного изменения давления для аварийной остановки двигателя. Кроме того, как будет обсуждено ниже более подробно, двигатель IsoC 100 может также включать фильтр 120 для улавливания двуокиси углерода между емкостью 104 и двигателем внутреннего сгорания 106. Фильтр 120 для улавливания диоксида углерода, в общем случае может содержать картридж с гранулированными оксидами металлов, которые могут поглощать свободный атмосферный углекислый газ при работе двигателя IsoC 100.

[0020] В целом, баллоны системы 104 служат для подачи зарядов изотермически сжатого воздуха в цилиндры 156 двигателя внутреннего сгорания 106. Баллоны системы 104 подают сжатый воздух через регулятор давления 122 и воздухораспределитель 124, в котором сжатый воздух, в основном, равномерно распределяется по множеству воздушных форсунок 126. Регулятор давления 122 в целом может быть выполнен с возможностью избирательного управления и/или ограничения давления сжатого воздуха, поступающего в общий нагнетательный воздухопровод и/или в цилиндры 156 двигателя внутреннего сгорания 106. Вместе с тем, в некоторых вариантах воплощения настоящего изобретения регулятор давления 122 может быть сконфигурирован так, чтобы разрешить избирательно направить неограниченный поток сжатого воздуха к общему воздухораспределителю 124 и/или изменять давление подобно дросселю в некоторых режимах работы и условиях эксплуатации. Как правило, каждый цилиндр 156 получает сжатый воздух через одну воздушную форсунку 126. Однако в некоторых вариантах воплощения, каждый цилиндр 156 двигателя внутреннего сгорания 106 может получать сжатый воздух через множество воздушных форсунок 126. Воздушные форсунки 126 двигателя IsoC 100 могут быть приведены в действие механическим, пневматическим, гидравлическим и/или электромагнитным приводом. Следует понимать, что подача сжатого воздуха из системы 104 хранения сжатого воздуха к воздушным форсункам 126 и в цилиндры 156 двигателя внутреннего сгорания может быть осуществлена под управлением электроники.

[0021] Двигатель IsoC 100 также содержит топливную систему 140, которая предназначенный для подачи топлива в каждой из множества цилиндров 156 двигателя внутреннего сгорания 106. Топливная система 140 содержит топливный бак 142, предназначенный для хранения объема топлива, топливный насос 144, предназначенный для перекачки топлива из топливного бака 142, топливный фильтр 146, предназначенный для удаления твердых частиц из топлива, распределительную магистраль 148 для топлива и множество топливных форсунок 150. Топливная система 140 предназначена для хранения определенного объема топлива в топливном баке 142 и для перекачки топлива из топливного бака 142 через топливный фильтр 146 в распределительную магистраль 148, где топливо равномерно распределяется по множеству топливных форсунок 150. В некоторых вариантах воплощения топливная система 140 сконфигурирована для подачи топлива в цилиндры 156 двигателя внутреннего сгорания 106 одновременно с подачей изотермически сжатого воздуха из системы 104 хранения сжатого воздуха. Однако в некоторых других вариантах воплощения и режимов работы, в цилиндры 156 двигателя внутреннего сгорания 106 вводится только сжатый воздух. Кроме того, следует отметить тот факт, что подача топлива через топливную систему 140 может быть осуществлена через электронную систему управления.

[0022] Двигатель внутреннего сгорания 106, в основном, предназначен для работы в процессе сгорания смеси сжатого воздуха, подаваемого из системы 104, и топлива, подаваемого из топливной системы 140. В некоторых вариантах воплощения двигатель внутреннего сгорания 106 также может быть предназначен для работы только на сжатом воздухе, подаваемом из системы 104 хранения сжатого воздуха в цилиндры 156 двигателя внутреннего сгорания 106. В некоторых вариантах воплощения двигатель внутреннего сгорания 106 может включать четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. Однако в других вариантах воплощения настоящего изобретения двигатель внутреннего сгорания 106 может включать двухтактный двигатель внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания, как правило, содержит множество цилиндров 156, при этом каждый цилиндр имеет поршень 160, который приводится в движение коленчатым валом 136. Двигатель внутреннего сгорания 106 дополнительно сконфигурирован так, чтобы выбрасывать отработанные газы через выпускной коллектор 128. Двигатель внутреннего сгорания 106, как правило, соединен с компрессором 102 через коленчатый вал 136 посредством избирательного сцепления с муфтой 130 компрессора. Соответственно, компрессор 102 приводится в действие двигателем 106 внутреннего сгорания путем избирательного сцепления муфты компрессора 130. Путем сцепления муфты компрессора 130 вращение коленчатого вала 136, вызванное работой двигателя внутреннего сгорания 106, приводит в действие компрессор 102. в некоторых вариантах воплощения настоящего изобретения муфта компрессора 130 может включать дополнительные конструктивные элементы и элементы безопасности, такие как элементы сцепления, препятствующие скольжению, снижая и регулируя скорость и крутящий момент двигателя внутреннего сгорания 106 и компрессора 102. Кроме того, в некоторых вариантах воплощения настоящего изобретения муфта компрессора 130 может быть избирательно выключена, когда двигатель IsoC 100 работает на сжатом воздухе в качестве воздушного двигателя.

[0023] В некоторых вариантах воплощения настоящего изобретения двигатель IsoC 100 содержит турбонагнетатель 108. Турбонагнетатель 108 соединен с выпускным коллектором 128 и предназначен для извлечения энергии выхлопных газов, которая в противном случае может быть потеряна. Турбонагнетатель 128 может быть описан как устройство, имеющее холодную сторону 108а и горячую сторону 108b. Горячая сторона 108b турбонагнетателя 108 принимает выхлопные газы от двигателя внутреннего сгорания 106 через выпускной коллектор 128 и выпускает выхлопные газы через выхлопную трубу 152 в атмосферу. В некоторых вариантах воплощения, в зависимости от области применения двигателя IsoC 100, турбонагнетатель 108 также может пропускать выхлопные газы через каталитический преобразователь 154. Выхлопные газы, проходящие через горячую сторону 108b турбонагнетателя 108, вращают вал турбонагнетателя 108 и принуждают второй вентилятор компрессора на холодной стороне 108а турбонагнетателя 108 всасывать окружающий воздух через воздушный фильтр 110 и подавать этот воздух в компрессор 102 через впускной трубопровод 134. Турбонагнетатель 108, когда он настроен на принудительный пуск компрессора 102, выступает в качестве дополнительной стадии закачки, тем самым улучшая объемную подачу при одновременном снижении спроса на работу компрессора 102 и/или коленчатого вала 136 компрессора 102. Выход турбокомпрессора 108 также может быть стадией промежуточного охлаждения воздуха перед его подачей на вход компрессора 102. Кроме того, в некоторых вариантах воплощения, отвод тепла от компрессора 102 с помощью теплообменника 158 может быть переадресован на горячую сторону 108b турбонагнетателя 108, и тепло может быть возвращено в цикл с помощью турбонагнетателя 108, чтобы дополнительно повысить эффективность компрессора 102 и/или двигателя IsoC 100. Соответственно, турбонагнетатель 108 может увеличить объем подачи воздуха с компрессора 102 с использованием энергии, рекуперации тепла из выхлопа двигателя внутреннего сгорания 106 и/или отвода тепла в компрессоре 102. Вместе с тем, в альтернативных вариантах воплощения, двигатель IsoC 100 может не включать турбонагнетатель 108. В таких вариантах воплощения без турбонагнетателя 108 компрессор 102 может быть непосредственно соединен с воздушным фильтром 110 и использоваться для пропускания воздуха непосредственно через воздушный фильтр 110 путем естественного всасывания.

[0024] Как показано на фигуре 1, двигатель IsoC 100 работает путем впрыска заряда изотермически сжатого воздуха в цилиндр 156 двигателя внутреннего сгорания 106 и впрыска в цилиндр топлива, подаваемого топливной системой 140. Заряд сжатого воздуха и топлива затем может быть распылен и/или смешан и сгорает, чтобы повернуть коленчатый вал 136 двигателя 106. В некоторых вариантах воплощения заряд сжатого воздуха может быть введен одновременно с впрыском топлива. Однако в других вариантах воплощения заряд сжатого воздуха может быть введен до впрыска топлива и/или после впрыска топлива. Кроме того, двигатель IsoC 100 сконфигурирован для избирательного прекращения впрыска топлива и действует в качестве двигателя на сжатом воздухе с нулевым уровнем выбросов благодаря подаче заряда сжатого воздуха на поршень 160 в соответствующем цилиндре 156, который перемещает поршень вниз от положения верхней мертвой точке (ВМТ). Двигатель IsoC 100 также сконфигурирован для избирательного возобновления впрыска топлива и продолжения работы двигателя внутреннего сгорания 106 на смеси сжатого воздуха и топлива.

[0025] В самом общем виде, заряд изотермически сжатого воздуха из системы 104 хранения сжатого воздуха может быть впрыснут в цилиндр, когда соответствующий поршень 160 расположен в верхней мертвой точке (ВМТ) или около ВМТ. ВМТ относится к положению, когда поршень 160 внутри цилиндра 156 расположен дальше всего от коленчатого вала 136. Верхняя мертвая точка также относится к положению, в котором сила на коленчатом валу 136, в основном, совмещена с продольной осью, которая проходит через центр цилиндра 156. Кроме того, для целей данного описания, поршень 160 расположен в верхней мертвой точке, когда соответствующий угол поворота коленчатого вала 136 составляет 0 градусов. Таким образом, любой отрицательный угол, такой как -5 градусов, относится к углу поворота коленчатого вала 136 в положении поршня 160 в верхней мертвой точке соответствующего цилиндра 156, и любой положительный угол, например, +5 градусов относится к углу поворота коленчатого вала 136 после того, как поршень 160 прошел свою верхнюю мертвую точку в соответствующем цилиндре 156. Кроме того, следует отметить, что двигатель IsoC 100 может быть сконфигурирован в качестве двухтактного двигателя внутреннего сгорания или альтернативно в качестве четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, в котором топливо из топливной системы 140 также впрыскивается в цилиндры 156 двигателя внутреннего сгорания 106.

[0026] Работа двухтактного двигателя IsoC

[0027] Работа двигателя 100 IsoC, когда двигатель внутреннего сгорания 106 включает двухтактный двигатель внутреннего сгорания, состоит из рабочего хода и хода выхлопа, и может быть дополнительно охарактеризована пропуском обычного хода впуска и пропуском хода обычного адиабатического сжатия в цилиндрах 156 двигателя внутреннего сгорания 106. Вместо этого, заряд изотермически сжатого воздуха из баллонов системы 104 впрыскивают в цилиндр 156 двигателя внутреннего сгорания 106, когда поршень 160 соответствующего цилиндра 156 находится вблизи верхней мертвой точки. Кроме того, заряд изотермически сжатого воздуха из баллонов системы 104 также может впрыскиваться непосредственно перед тактом зажигания, когда топливо из топливной системы 140 также вводиться в цилиндр 156.

[0028] В некоторых вариантах воплощения впрыск сжатого воздуха в цилиндр 156 может иметь место, когда поршень 160 цилиндра 156 находится в верхней мертвой точке (0 градусов). Однако в других вариантах воплощения, впрыск сжатого воздуха в цилиндр 156 осуществляется, когда угол поворота коленчатого вала 136 лежит в диапазоне примерно от -30 до +30 градусов, примерно от -20 градусов до +20 градусов, примерно от -15 градусов до +15 градусов, примерно от -10 градусов до +10 градусов, примерно от -5 градусов до +5 градусов, примерно от -2 градусов до +2 градусов, и/или примерно от -1 градуса до +1 градуса. В других вариантах воплощения впрыск сжатого воздуха в цилиндр 156 может начаться, когда соответствующий поршень 160 расположен в верхней мертвой точке, и продолжаться до угла поворота коленчатого вала 136, составляющего около +1 градус, около +2 градуса, около +3 градуса, около +5 градусов, около +10 градусов, при температуре около +15 градусов и/или около +30 градусов. Кроме того, в альтернативных вариантах воплощения, впрыск сжатого воздуха в цилиндр 156 может начаться, когда угол поворота коленчатого вала 136, составляет примерно -30 градусов, примерно -15 градусов, примерно -10 градусов, примерно -5 градусов, примерно -3 градуса, примерно -2 градуса и/или примерно 0 градусов и продолжаться до угла поворота коленчатого вала 136 около ВМТ примерно +1 градус, примерно +2 градуса, примерно +3 градуса, примерно +5 градусов, примерно +10 градусов, примерно +15 градусов и/или примерно +30 градусов. Отметим, что в некоторых вариантах воплощения время и продолжительность впрыска сжатого воздуха также могут зависеть от скорости вращения коленчатого вала 136 и/или других эксплуатационных или конструктивных параметров двигателя внутреннего сгорания 106.

[0029] Конфигурация двухтактного двигателя внутреннего сгорания IsoC 100 исключает цикл горячего адиабатического сжатия, используемый в обычных адиабатных двигателях внутреннего сгорания. За счет впрыска заряда изотермически сжатого воздуха в положении ВМТ адиабатическое тепло сжатия не вводится в цикл, а смесь сжатый воздух-топливо остается холодной к началу искрового зажигания. Следовательно, двухтактный двигатель IsoC 100, в основном, не имеет ограничений по самовоспламенению или детонации, что позволяет применить конструкции и варианты, которые могут включать большие статические коэффициенты сжатия порядка 100:1, большую гибкость в выбор топлива, повышенный тепловой коэффициент полезного действия, малый объем выхлопа и способность эффективно работать на очень бедной смеси воздух-топливо. Соответственно, двигатель IsoC 100 может работать на обедненной смеси (например, сгорание смеси сжатого воздуха и топлива с высоким отношением воздуха к топливу в цилиндре 156), что может увеличить эффективность использования топлива и низкий уровень выбросов выхлопных газов без перегрева или существенной потери мощности. В некоторых вариантах воплощения настоящего изобретения отношение воздух-топливо может составлять примерно 15:1, примерно 20:1, примерно 25:1, примерно 30:1, примерно 40:1, примерно 50:1, примерно 60:1 и/или примерно 70:1. В некоторых вариантах воплощения двигатель IsoC 100 может получить эквивалентное и/или большее количество энергии при сжигании бедной смеси воздух-топливо, чем двигатель традиционного адиабатического сжатия при сжигании стехиометрической смеси воздух-топливо. Соответственно, двигатель IsoC 100 может обеспечить большую выходную мощность с более низким требованием к топливу, обеспечивая таким образом двигателю IsoC 100 более высокую эффективность использования топлива, чем эффективность по топливу обычного адиабатного двигателя.

[0030] При использовании двигателя внутреннего сгорания 106 для работы при отношении воздух-топливо, которое повредило бы обычные адиабатные двигатели, существующие внутренние ограничения проектирования двигателей внутреннего сгорания могут быть значительно снижены и/или полностью устранены. Кроме того, более высокие давления сжатия, необходимые для работы двигателей с высокой степенью сжатия, создаются пневматическими компонентами двигателя IsoC 100, устраняя требование применения силы сжатия внутри двигателя внутреннего сгорания 106. Следовательно, двигатель IsoC 100 может включать двигатель внутреннего сгорания 106 гораздо более легкой конструкции, чем обычный двигатель внутреннего сгорания, имеющий, в основном, аналогичную статическую степень сжатия.

[0031] Работа четырехтактного двигателя IsoC

[0032] Работа двигателя IsoC 100,106, содержащего четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, включает рабочий ход воздушного двигателя, ход сжатия, ход сгорания и ход выхлопа, и может быть дополнительно охарактеризован заменой рабочего хода воздушного двигателя обычным ходом впрыска в пределах четырехтактного цикла. В качестве альтернативы, работа двигателя IsoC 100 в конфигурации с четырехтактным двигателем может быть дополнительно описана как четырехтактный цикл, состоящий из двух перемежающихся и чередующихся двухтактных циклов: (1) подцикл двухтактного воздушного двигателя и (2) подцикл двухтактного двигателя внутреннего сгорания, в котором выполняются два типа рабочих ходов на чередующихся поворотах коленчатого вала 136, и "выхлоп" от воздушного рабочего хода становится ходом "всасывания" для процесса внутреннего сгорания. При закрытом выпускном клапане цилиндра 156 заряд изотермически сжатого воздуха из системы 104 сжатого воздуха впрыскивается в цилиндр 156 двигателя внутреннего сгорания 106, когда поршень 160 соответствующего цилиндра 156 находится вблизи верхней мертвой точки в начале рабочего хода воздушного двигателя. В некоторых вариантах воплощения впрыск сжатого воздуха в цилиндр 156 может начаться, когда соответствующий поршень 160 расположен в верхней мертвой точке и продолжаться до угла поворота коленчатого вала 136, примерно +1 градус, примерно +2 градуса, примерно +3 градуса, примерно +5 градусов, примерно +10 градусов, примерно +15 градусов и/или примерно +30 градусов. Кроме того, в альтернативных вариантах воплощения, впрыск сжатого воздуха в цилиндр 156 может начаться, когда угол поворота коленчатого вала 136 составляет примерно -30 градусов, примерно -15 градусов, примерно -10 градусов, примерно -5 градусов, примерно -3 градуса, примерно -2 градуса и/или примерно 0 градусов и продолжается до угла поворота коленчатого вала 136 относительно ВМТ примерно +1 градус, примерно +2 градуса, примерно +3 градуса, примерно +5 градусов, примерно +10 градусов, примерно +15 градусов и/или примерно +30 градусов. Следует понимать, что в некоторых вариантах воплощения время и продолжительность впрыска сжатого воздуха также могут зависеть от скорости вращения коленчатого вала 136 и/или других эксплуатационных или конструктивных параметров двигателя внутреннего сгорания 106.

[0033] Заряд сжатого воздуха может заполнить цилиндр 156 и поглотить тепло, отходящее от предыдущего события сгорания. Заряд сжатого воздуха может получить дополнительное расширение в результате поглощения отходящего тепла. Соответственно, воздух внутри цилиндра 156 может приводить в движение поршень 160 по направлению вниз. В некоторых вариантах воплощения движение поршня от положения верхней мертвой точки может значительно уменьшить и/или устранить обычные потери при сжатии путем замены обычного хода впуска рабочим ходом сжатого воздуха. Соответственно, впрыск заряда изотермически сжатого воздуха может увеличить выходную мощность двигателя IsoC 100 путем поглощения отработанного тепла без впрыска дополнительного топлива в цилиндр.

[0034] В некоторых вариантах воплощения настоящего изобретения заряд сжатого воздуха, поступающий в цилиндр 156, может зависеть от статического коэффициента сжатия двигателя внутреннего сгорания 106. Например, заряд сжатого воздуха с давлением примерно 147 фунтов на квадратный дюйм (около 10 бар) может быть введен в цилиндр 156 двигателя внутреннего сгорания 106, имеющего степень сжатия примерно 10:1. Это приведет к понижению давления до 14,7 фунтов на квадратный дюйм в цилиндре 156 после расширения, когда поршень 160 находится в положении нижней мертвой точки (НМТ). Соответственно, давление заряда сжатого воздуха, впрыснутого в цилиндр 156, может быть отрегулировано так, чтобы давление внутри цилиндра 156 двигателя внутреннего сгорания 106 в НМТ составляло примерно 14,7 фунтов на квадратный дюйм и/или любое другое давление, которое способствует правильному сгоранию топлива в цилиндре 156. В некоторых вариантах воплощения ход сжатия может начаться в более холодной среде по сравнению с двигателем традиционного адиабатического сжатия, так как заряд изотермического сжатия, введенный в верхней мертвой точке, был расширен до отношения 10:1, когда поршень 160 достигнет нижней мертвой т очки (НМТ), придавая ему температуру ниже температуры окружающего воздуха в начале хода поршня вверх. Кроме того, нагретые поверхности цилиндра 156 могут обеспечить более агрессивное расширение сжатых газов в течение рабочего хода сжатого воздуха, рассеивая это отходящее тепло и передавая его на коленчатый вал 136 в виде дополнительной работы. В результате наличия более холодной среды коленчатый вал 136 может испытывать уменьшенную нагрузку на движении вверх, что способствует охлаждению нагнетаемого воздуха и повышению эффективности процесса сгорания топлива, впрыскиваемого в цилиндр 156, когда поршень 160 возвращается в положение верхней мертвой точки. После воспламенения и сгорания топлива, рабочий ход и ход выхлопа четырехтактного двигателя IsoC 100 может быть в значительной степени похож на рабочий ход и ход выхлопа обычного четырехтактного адиабатного двигателя.

[0035] Как показано на фигуре 1, двигатель IsoC 100 может быть установлен в транспортном средстве и использоваться для привода указанного транспортного средства в движение. Предполагается, что двигатель IsoC 100 по настоящему изобретению может быть использован в различных областях применения, в том числе, без ограничения, в транспортных средствах, тяжелой технике, на электростанциях, в электрогенераторах, в электрических инструментах и приборах и в оборудовании надводных и подводных морских судов, а также в любом другом подходящем устройстве, приводимом в действие двигателем внутреннего сгорания, используемым для повышения эффективности использования топлива, снижения выброса вредных веществ, менее высоких рабочих температурах и/или при меньших ограничительных проектных параметрах.

[0036] Варианты воплощения двигателя внутреннего сгорания в виде двухтактного и четырехтактного двигателя IsoC 100 также могут обеспечить дополнительные преимущества. Соединяя комп