[发明专利]用于管理活塞式发动机中的间隙的方法和系统

说明书

背景技术

随着发动机的压缩比增加，在保持特定的缸径行程比(bore-to-stroke ratio)的同时，在上止点(TDC)处的面容比(surface to volume ratio)增加、温度升高且压力升高。这样具有三种主要的后果：1)来自燃烧室的传热增加，2)燃烧定相变得困难，以及3)摩擦和机械损失增加。因为热边界层随着在TDC处的纵横比(也就是缸筒直径与燃烧室的长度之比)变小而变成总容积的更大的一部分，所以传热增加。燃烧定相和实现完全燃烧都因为在TDC处实现的小容积而存在挑战。燃烧室压力的升高直接转化为作用在发动机部件上的作用力的增大。这些大的作用力可以使得发动机中的机械连接件(例如活塞销、活塞杆、曲轴)和受压自紧密封环过载，由此导致摩擦、磨损和/或故障的增加。

与线性活塞式发动机相关联的主要挑战在于将活塞的动能高效地转化为机械功和/或电能。活塞和气缸壁之间的空间(在本文中称作“间隙”)是保持活塞对正、避免活塞和气缸壁接触以及相关的摩擦损失并且控制经过活塞的气体泄漏(例如窜漏气体)的关键所在。间隙可以通过作用在活塞上的不平衡作用力、热致膨胀或收缩(例如固体变形)、变化的发动机状态或其他的相关因素而受到影响。间隙、活塞温度、气缸温度或其组合的管理在某些应用中可以是合乎需要的。

发明内容

在某些实施例中，一种活塞式发动机可以包括活塞和气缸组件，所述活塞和气缸组件可以在气缸的缸筒和活塞组件之间的间隙中包括流体轴承。活塞组件能够在缸筒中轴向平移，并且活塞面可以面向气缸的一端接触气缸的燃烧段。至少一个轴承元件可以提供向缸筒和活塞组件之间的间隙中流动的轴承流体以形成流体轴承。在某些实施例中，轴承元件可以是活塞组件的一部分，提供轴承流体的径向向外的流动，并且活塞组件可以包括用于引导轴承流体的流体通道。在某些实施例中，轴承元件可以是气缸的一部分，提供轴承流体的径向向内的流动，并且气缸可以包括用于引导轴承流体的流体通道。轴承元件可以包括孔、喷射面、任意其他合适的流体出口或其任意组合以用于向间隙提供轴承流体。

在某些实施例中，一种活塞式发动机可以包括活塞和气缸组件，所述活塞和气缸组件包括具有自居中特征的活塞和气缸。活塞可以被构造成在气缸的缸筒中轴向平移。

在某些实施例中，活塞可以是在气缸的缸筒中轴向平移的活塞组件的一部分。气缸可以包括能够包含燃烧产物的燃烧段。来自燃烧段的窜漏气体可以从燃烧段轴向流出，经过活塞面，流过活塞和气缸之间的间隙。自居中特征可以利用窜漏气体的流动在活塞上提供自居中的作用力。自居中特征可以是台阶、一个或多个槽式凹口、渐缩部、任意其他合适的特征或其任意组合。

在某些实施例中，一种活塞式发动机可以包括具有一根或多根加热管的活塞组件。活塞组件可以被构造成在气缸的缸筒中轴向平移。气缸可以包括能够包含燃烧产物的燃烧段，并且相应地活塞组件的活塞面可以经受温度的升高。在某些实施例中，加热管可以与活塞面热接触，并且还能够从活塞面向热容器传输热量。加热管的第一部分可以从活塞面接收热量，并且加热管的第二部分可以向热容器传输热量。加热管可以包括流体例如水、乙醇、氨水或者可以经历气相-液相转换的钠。

在某些实施例中，一种活塞式发动机可以包括被构造成同轴地定位在活塞式发动机的气缸中的气缸套。气缸套可以包括能够与能在气缸套中轴向平移的活塞组件形成间隙的内表面。气缸套还可以包括与活塞式发动机的气缸对接的外表面。外表面和气缸之间的对接可以包括可用作压力受控的流体所用管道的流体通道。气缸套可以被构造成至少部分地基于压力受控的流体径向收缩或膨胀，并且由此可以调节间隙。

在某些实施例中，一种活塞式发动机可以包括一条或多条流体通道，被构造成为气缸提供局部的、选择性的、快速响应的、或以其他方式受控的加热或冷却。提供给流体通道的流速、温度、压力或其组合可以由控制系统调节以控制活塞式发动机的温度。在某些实施例中，气缸可以包括一个或多个局部热源例如可以由控制系统控制以提供局部加热的一个或多个电加热器。

在某些实施例中，可以控制活塞式发动机中同轴的活塞组件和气缸之间的间隙。可以利用一个或多个传感器检测至少一种指标例如温度、压力、功相互作用(work interaction)和/或间隙的其他合适的指标。控制响应可以由处理设备至少部分地基于所述指标来确定。处理设备可以使用控制接口以至少部分地基于控制响应向活塞式发动机的至少一个辅助系统提供控制信号。至少一个辅助系统可以至少部分地基于控制信号调节间隙。

附图说明