CN1035895C - 内燃机 - Google Patents

Abstract

内燃机，包括一组第一和第二气缸，前者工作容积大于后者，第一、二活塞联成一体，分别在气缸中移动。进、排气装置通第一气缸，燃料喷射器将燃料供给第二气缸。燃烧空间在部分膨胀冲程内和两气缸相通。第二活塞有相连的顶、体部，其间的距离大于顶缘轴向尺寸。活塞顶、体部和其缸壁间形成燃烧空间。顶缘缸壁间有间隙，以阻止燃料进入燃烧空间，直到接近压缩终点。包括开口装置及其控制阀的进给装置将燃料和/或空气在吸气冲程内输入第二气缸。

Description

内燃机

本发明涉及一种内燃机。

内燃机可分为分离式内燃机和非分离式内燃机。所有这些内燃机利用压缩冲程，压缩冲程在与空气混合的燃料点火与燃烧之前进行。

在非分离式内燃机中，压缩冲程开始之前，燃料和空气混合，这种情况如同通常称之为SIGE发动机的电火花点燃汽油机。在一些目前尚未广泛使用的称之分层进气发动机的SIGE发动机中在压缩冲程期间，用电火花开始点火之前很久，将燃料引进空气中。在所有非分离式内燃机中，最大压缩压力受到限制，因为预先混合的燃料/空气的气体混合物可能被压缩过程中、电火花出现之前所产生的高温引燃。

SIGE内燃机需要几乎是标准化学配比的空气燃料混合物。这种限制，加之较低的压缩比，和部分负载时需要对输入的空气节流(它们均与燃烧系统有关)，这些一起导致了SIGE内燃机的热效率比较低。它的主要优点是快速燃烧过程，由于燃料和空气预先混合的气态混合物快速燃烧，所以产生较高的内燃机速度和功率。

分离式内燃机能够压缩所有的或大部分没有燃料的空气，并在接近将要开始点燃的压缩冲程终点时，将燃料引入空气中。常见的分离式

内燃机是柴油机，该机在接近压缩冲程终点，在非常高的压力下，将

液体燃料喷射到燃烧室。分离式内内燃机和SIGE内燃机相比较，特别是在部分负载时，具有比较高的热效率，它的压缩力不受预点火危险性的限制，提高了效率，在部分负载时，不需要节流，避免了抽吸损失。同时，在部分负载时，稀薄燃烧是可能的，同样也提高了热效率。

柴油分离方法的缺点是，在燃料点火和快速燃烧之前，喷射液体燃料和汽化液体燃料需要花很长时间，因而，柴油机比SIGE内燃机的热效率高，但不能在和SIGE内燃机相同的高转速下运转，而根据所给的尺寸和重量所产生的功率较低。在高负荷和高转速情况下，燃烧继续到膨胀冲程，这对柴油机热效率极为不利。

已知的由申请人发明的各种分离式内燃机有，如GB-A-2155546，GB-A-2186913，GB-A-2218153，GB-A-2238830和GB-A-2246394。这些内燃机目前称作梅里特(Merritt)内燃机。

CN1054473A叙述了一种内燃机，包括：

至少一组第一和第二气缸，第一气缸的工作容积大于第二气缸的工作容积：

第一和第二活塞分别在所述的气缸中运行：

与第一气缸连通的空气进气装置；

与第一气缸连通的排气装置；

将燃料供给第二气缸的第一燃料源；

当所述活塞基本处在内死点位置时，形成燃烧空间的装置，至少在膨胀冲程的部分过程中，燃烧空间和两个气缸同时连通；

阻尼装置，用来阻挡燃料/空气混合物自第二气缸进入该燃烧空间的运动，直到接近压缩冲程的末端为止。

梅里特内燃机有一组或多组第一和第二气缸和分别在所述气缸中移动的第一和第二活塞。第一气缸的工作容积大于第二气缸的工作容积，一个空气进给阀和/或通道及一个排气阀和/或通道和第一气缸相通。燃料源将燃料供给第二气缸。当活塞基本上处在内死点位置处，这些装置形成燃烧空间，至少在膨胀冲程初期，燃烧空间和两个缸连通，阻尼装置用来阻止气，也就是阻止燃料/空气混合物从第二气缸进入燃烧空间。

因此，梅里特内燃机是一种分离式内燃机，类似于柴油机，其不同是，在比较小的第二气缸中，所有燃料仅需压缩少量空气，而大部分空气在较大的第一气缸压缩，第二个气缸中，非常浓的燃料/空气混合物在压缩过程中，由于太浓而不会爆燃。也可以看出，在第一气缸中，少量燃料也能和空气混合，由于燃料混合气非常稀，所以，在压缩冲程期间也不会发生爆燃。

与分离式柴油机相比较，分离式柴油机在压缩冲程端点处将燃料喷入发动机中。而梅里特内燃机在内燃机较长的一部分循环期间，允许将燃料输送到内燃机中。按照这种方式，所给的燃料由液体汽化成气体的时间比较长，但燃料并未完全和大部分最初在第一气缸压缩的空气相混合，直到燃烧室中燃烧发生。

由上述专利说明书可以得知并已确定了这种带有不等工作容积气缸的结构，气缸和一个普通燃烧室连通，燃烧容纳在小气缸中，这个过程本文称作“气动分离”效应。

气动分离不同于柴油机的机械型分离。机械型分离，是用一个机械阀装置(在燃料喷射器中通常为一针阀)切断供到内燃机中的燃料，直到燃料输送时才打开。在梅里特内燃机所产生的气动分离过程中，在大部分压缩冲程期间，容纳在较大的第一气缸和燃烧中的空气进入到较小的第二气缸中。这样，从燃烧室到第二气缸产生了空气流，所有或大部分燃料容纳在第二气缸中，结果，停止了燃料到燃烧室中的运动过程。在接近压缩冲程端点处，气流转变成第二气缸中的压力，并且变得大于燃烧室中的压力，在较小的气缸中已汽化的燃料和一少部分空气一起送进了燃烧室。

往复式内燃机的热效率可通过下列特性而大大提高：

i)非常快并完全废燃，或“定容”燃烧；

ii)在部分负载时，借助于极稀的空气燃料混合物，使燃烧时的气体温度较低。

iii)可实现高的压缩比值。

本发明力图提供一种改进的内燃机，以克服已有技术之不足。

根据本发明提供的一种内燃机，包括：

至少一组第一和第二气缸，第一气缸的工作容积大于第二气缸的工作容积：

第一和第二活塞分别在所述的气缸中运动；

与第一气缸连通的空气进气装置；

与第一气缸连通的排气装置；

第一燃料源将燃料供给所述第二气缸；

当所述活塞大致处在内死点位置处，界定燃烧空间的装置，在膨胀冲程过程中，该燃烧空间和两个气缸同时连通；

阻尼装置，用来阻止燃料/空气混合物自第二气缸进入该燃烧空间的运动，直到接近压缩冲程末端为止；

进给装置，与所述的第二气缸相连接，在吸气冲程期间、使燃料和/或空气进入第二气缸，所述的进给装置，包括一第一进口装置和第一阀装置，第一进口装置通向所述第二气缸，第一阀装置控制所述的进口装置；

连接第一和第二活塞使所述活塞可在所述气缸内以相同的频率按循环的方式移动的装置；

其中，第二活塞有一个顶部和一体部，所述的顶部和所述的体部相隔一定距离并相连，所述的顶部有一个缘，该缘轴向尺寸小于所述的顶部与体部之间的轴间距离，由此，在所述活塞顶部和体部以及所述第二气缸的侧壁之间形成了燃烧空间。

其中第二活塞顶缘与第二气缸相邻壁径向隔开，以界定其间包括所述阻尼装置的间隙；

其中第二活塞和第一活塞分别制成，所述顶部和体部由一柱体连接，并彼此间隔。

本文所使用的术语“阀”包含一个阀口。

本文所使用的术语“空气”包括任何适于和气态的或液态(即已汽化的液体)的燃料燃烧的氧和其它常用的惰性气体以及基本纯的氧化混合物。它可能还包括再循环废气、曲轴箱气体和再循环内燃机气体中的一小部碳氢化合物。

本文所使用的“阻止进气”中的“进气”是指在处于或是接近压缩冲程末端时，燃料/空气混合物从第二气缸到燃烧空间的运动。

英国专利申请GB-A-2246394中公开了一种内燃机，它包括一种能使燃烧空间更容易产生的活塞。该专利还具有一些其它重要的优点。图1给出了这种活塞的一个例子。

在图1所示的内燃机中，第二活塞18部分地形成或包围了燃烧空间或燃烧室20。在这种结构中，第二个活塞有一个顶部35。顶部35和第一活塞的顶部36相连接并彼此隔开一距离，顶部35在轴向还有一个缘37，缘37的轴向尺寸要小于第二活塞顶部35到第一活塞顶部36之间的轴向距离，第二活塞顶部最好始终保留在第二个气缸中。在这种结构中，可能在两个活塞顶部和第二气缸壁14a之间形成一个燃烧空间，以避免在小活塞本身之内形成燃烧空间，大气缸12设置进气阀24和排气阀2G。

小活塞18和大活塞16同轴，小活塞18包括一个柱体234和一个突起部分或基体84，借助于该基体84，活塞18的顶部35连接到活塞16上或与活塞16制为一体。从图1可以看出，柱体234的轮廓线是曲线型的，这种曲线促进了从大气缸12进入燃烧空间20的空气旋流，也促进了随之进入燃烧空间20的燃烧/空间混合物的旋流。燃烧空间20在柱体234和小气缸14的壁14a之间形成。柱体的形状和尺寸依合适的燃烧容积的尺寸和形状而选择。

缘37和第二气缸的壁14a稍稍隔开，形成了环状间隙128形式的阻尼装置，在活塞到达或接近内死点位置之前，环状间隙128阻止进气。从图中可以看出，小气缸14的上端形成了一个可选择的圆周槽39，当设置这种圆周槽39时，便形成一个促进阻止进气的旁路。

小气缸14的上端配有进给装置30，进给装置30包括一个第二进给阀31和一个节流阀32。在压缩冲程初期，进给装置能够将第二气缸中的压力控制到低于第一气缸中压力的数值上。因此，阻止进气发生在第二活塞到达或临近它们内死点位置之前。一个燃料喷射器34用来将液体燃料输送到进气管33中并引向进气阀31。节流阀32控制经过进气通道33的空气流量，并且基本上与燃料喷射器34所输送的燃料量无关。靠控制进气装置30，小气缸14中的压力得以精确地控制，从而提供了最佳进气的定时，依次，最佳进气的定时将会控制点火的定时，使内燃机在全速和满负载范围情况下得到最佳运行性能。节流阀32的操作和喷射器34的操作最好由内燃机操纵系统M控制。

在内燃机吸气冲程期间，空气经过进气管24进入大气缸12。空气还经过进气阀31并随来自喷射器34的燃料一起进入小气缸14。节流阀32控制进入小气缸14的空气量，并在内燃机吸气冲程期间确保此量，空气/燃料混合物经进气阀31进入小气缸14，并在正常情况下其压力低于大气缸12中的压力。在压缩冲程初期(在压缩冲程的前1/2的部分或全部期间)，当进气阀24关闭后，阀31的关闭定时能确保当阀31关闭时，第二气缸14中的压力低于第一气缸12中的压力。在压缩冲程期间，活塞18顶部35的压差会影响在压缩冲程末端接近活塞18内死点位置时小气缸14中的物质进入燃烧空间20的定时。这样，依次控制汽化的燃料的点火定时。例如，在压缩冲程中，当气缸14中的燃料/空气混合物遇到由大活塞16输送到燃烧空间20中比较热的空气时便压缩点燃。

在内燃机的吸气和压缩冲程过程中，经第二进气阀31进入第二气缸的燃料在小气缸14中汽化。在内死点位置附近，接近压缩冲程的末端，顶部35的周缘37到达图示虚线所示的位置，也就是临近旁路39，旁路39有效地增加了阻尼装置的尺寸，汽化形态的空气/燃料混合物经旁路39无规律的冲到周缘37上，并进入燃烧空间20。燃烧空间的空气受到压缩并处在足够高的温度下，这样便引起进入燃烧空间的燃料/空气混合物自发点燃，并使燃烧空间的气体膨胀。接着，推动活塞16、18向下运动，开始膨胀冲程。槽39的轴向长度大于第二活塞顶部35的厚度1，这样形成了一个扩大的间隙，经过旁路槽39将燃料/空气混合物引入活塞顶部周围。

槽39在第二气缸14中形成了一个间隙容积，该容积并没有因第二气缸中活塞18的运动而减少。在压缩冲程期间，靠对气缸12中燃料/空气混合物所提供的多余容积，该间隙容积有效地推迟了进气定时，但在进气时刻，间隙容积和燃烧室20相通。槽39的另一个作用是允许火焰和由此产生的在燃烧室20增大的压力与第二活塞顶部35上方的空间连通。这样，火焰能够烧掉任何残留在第二活塞顶部35上方并随之进入的燃料。

当小气缸14在其上端部设有旁路槽39时，可以选择间隙128的尺寸，使单独的间隙128(即没有旁路39)形成整阻尼装置，该阻尼装置形成进入通路。在这种情况下，间隙128的尺寸需仔细选择，以确保在大部分压缩冲程期间，顶部35的上部表面和燃烧空间足以分开。

顶部35靠经第二进气阀31引进的燃料和空气，压缩冲程期间空气中燃料的汽化作用以及由柱体234的热传导来冷却。

阀31可用作复式进、排气阀，其优点是；任何在排气冲程末端残留在气缸14中未燃尽的燃料，不需要离开内燃机，这样减少了废气污染。

读者可以直接参阅英国专利申请GB-A-2246394的说明书，了解上述图1所描述的有关内燃机的全部内容。该专利说明书的内容作为参考已包括在本文中。

下文通过实例，并参照附图对本发明作进一步描述。

图2是本发明内燃机最佳形式的部分纵向剖示图，图中的两个活塞处在或临近于它们的内死点位置；

图3和图2相类似，是内燃机处在吸气冲程期间的一个视图；

图4和图2相类似，是活塞处在或临近于它们的外部死点位置的视图；

图5是图2所示内燃机的部分截面图；

图6是对图2至图5所示内燃机变化后的部分视图；

图7A是本发明第二个实施例中内燃机的局部视图；

图7B类似于图7A，是活塞处在它们外部死点位置的视图；

图8A是对图7A和图7B所示内燃机实施例略作变化后的部分视图的侧视图；

图8B是类似于到8A的一个侧视图，进一步变化了图7A和图7B所示内燃机的实施例；

图9是图7A和图7B所示内燃机实施例部分截面的侧视图；

图10类似于图5，是本发明内燃机第三个实施例的示意图；

图11A和11B是图10所示内燃机一部分结构的局部截面图，图中示出了火花塞点火内燃机火花塞的不同位置；

图12类似于图10，是本发明内燃机第四了实施例的截面图；

图13A是经过改变了气缸中小活塞后的部分侧视图；

图13B是沿图13A中箭头XIII所指方向的平面示意图；

图13G是经改变了的第二气缸的横截面剖视图；它是图13A所示结构的另一种结构布置；

图14A是小活塞的另一种结构示意图；

图14B是图14A所示活塞XIV-XIV线的横剖面图；

图15是另一种小活塞结构侧视图；

图16是图2至图5所示二冲程式内燃机的部分截面图。

参阅附图，图2至4是根据本发明所提供的内燃机10最佳结构部分的横截面示意图，和图1相类似，其中相同零件用相同序号表示。但其主要差别是，图2至5所示的内燃机具有分开的活塞。第一活塞16在第一气缸12中移动，并由活塞环16a密封，而较小的第二个活塞18在第二气缸14中移动，并由活塞环18a密封。两个活塞16、18分别通过连杆联接到一个共同的曲轴上，或者连接到分开的曲轴上，而这些曲轴又机械地联接在一起。其结构表明，两个活塞的操作基本上同相位，但也可用不同的相位操作它们。

从图中可以看出，气缸14和活塞18的轴线与气缸12和活塞16的轴线互相垂直，气缸14和气缸12由一孔29互相连通。

活塞18包括一个活塞体19和一个由柱体234所形成的线轴(bobbin)形状的端部，靠柱体234，活塞顶部35和活塞体19连接或制成一体。燃烧室或燃烧空间20以图1相类似的方式在柱体234和小气缸14之壁14a之间形成。

小气缸14和大气缸12由孔29连通，孔29的位置是这样安排的，在第二活塞18的大部分冲程期间，孔29和燃烧室20连通。

活塞18的冲程是这样安排的，当活塞18在外死点位置处，其周缘37是好和孔29相交会，这样大气缸12跟小气缸14的燃烧室20及扫气容积两者相通，而在活塞内死点位置处，最好由活塞18的活塞体19基本关闭孔29。活塞环18a位于活塞体19上，并距柱体234足够远，这样，活塞环不和孔29相交会。

最后，大活塞16有一个凸体100，当活塞处在它的死点位置处，凸体100进入孔29，使孔29关闭。

在吸气冲程期间，燃料和空气经阀31进入小气缸14，而大部分空气仅经空气进气阀24进入大气缸12。节流阀32用来控制气缸14中的压力，使之在吸气冲程末端时稍低于气缸112中的压力。在两个活塞的压缩冲程期间，两个进气阀24和31关闭，在进入期间，即接近压缩冲程端部，燃料和空气移到活塞18顶部周缘37的周围，并进入燃烧室20，在燃烧室20中通过与热空气接触，将燃料点燃。在作功冲程的末端，废气由排气阀26从气缸12中排出。

两个活塞16、18的这种结构，能够使大活塞16的冲程与小活塞18的冲程有所不同，但又保持了其传统形状。这样，能很容易地将现有的曲轴箱进行改装，以便用在本发明中。

参阅附图，图中所示的小活塞18也可位于内燃机气缸头部，并配有一个共同运转的曲轴，该曲轴平行于大活塞16的曲轴。另一种替换的方案是，小活塞18也可设置成平行于大活塞16并由凸轮或其它合适的机械装置驱动。

由于小活塞18和大活塞16分开，这样使小活塞18的冲程比较短，也就允许形成轴向长度较短的燃烧空间20。

本领域的技术熟练的专业人员可以理解，将英国GB-A-2246394专利申请中所描述的内燃机任何合适的特征和下文所描述的几个实施例相结合，可以对图2至5所描述的内燃机做出各种改变。

图1所示的槽39可以引用到图2至5所示的实施例中，槽39的横截面形状可以根据图1进行变换，例如，如图6所示，槽39可有一个平截头圆锥形的下部壁39b，当活塞18接近于它的内死点位置时，该平截头圆锥形下部壁39b形成了一个平缓而不是急剧增加的间隙。

图7A表示了根据本发明所提供的混合式柴油机、本发明可以从梅里特内燃机分离系统得到益处。一个呈高压燃料喷射器60A或60B形式的第二燃料源，设置在图中所示60A和60B两个最佳位置之一处，所设置的第一个燃料源(喷射器34)如前所述将燃料输送到进给通道33中。

在吸气冲程期间，阀24和31打开，使基本上未节流的空气进入大气缸12，并使燃料和空气进入小气缸14。尽管在图2至5中，喷射器34基本上提供内燃机燃烧所需的全部燃料，但在图7A中，喷射器34仅用来提供一部分燃料量。当活塞18接近其内死点位置时，在柴油机中，喷射器60A或60B直接将燃料送至活塞顶部35下方的燃烧空间20，或者送进孔20。

当活塞18接近它的内死点位置时，活塞顶部35上方已汽化的燃料和空气的混合物经过活塞周缘37与小气缸壁14a之间所形成的由旁路槽39增大了的间隙128，引入燃烧室20。如果间隙128非常小，但设置有槽39，这种引入也是可能的。在压缩冲程期间，来自大气缸12的空气将会进入燃烧空间，并处在足够点燃已引入的燃料/空气混合物的温度下，喷射器60A、60B在压力作用下定时将燃烧送进燃烧空间20，以便在引入的混合物燃烧的情况下迅速点火喷入的燃料。在这种结构中，内燃机既利用了柴油机以喷射器60A或60B形式为特征的燃料分离方法，也利用了本文所描述的梅里特内燃机为特征的燃料分离方法。将柴油机和梅里特内燃机的原理以如此方式相结合将会使柴油机在高喷油速率下运转，并且只有少量或根本没有排气烟，还能使柴油机在较低的压缩比和较高的转速下工作。这种结合和不用梅里持(Merrittt)内燃机的原理的柴油机相比，可以大大提高燃烧速度。

由喷射器34和60A或60B所输送的燃料量和它们的喷射定时，将由如内燃机操纵系统M这样的装置来控制，以便对所给定的运行要求，例如使废气中的排气烟最少，在喷射器34和60A或60B之间提供合适比例的燃料。利用这种结构，少量(例如燃料总量的4％-10％)燃料可以由喷射器34喷射，从而使燃料在气缸14中汽化并进入燃烧室以便压缩点燃。这样，允许冲程和绕线轴形状的端部轴向尺寸比较小。使来自喷射器34的燃料预热，以有助汽化。

图中所示的柱体234比图2至图5所示的柱体长。这种延长使燃烧室和孔29在活塞的内死点位置处连通。这样，孔29变成了燃烧室的一部分。如果利用喷射器60A，那么凸体100仅占有一部分孔29。

图7B是图7A所示实施例中活塞处在它们外部死点位置的截面图。从图中可以看出，气体小孔135由移动在孔29的边缘之上的小活塞顶部35形成，这样，在排气冲程开始时，允许排出废气。

图8A是图7所示内燃机部分截面图的侧视图，图中示出了利用燃料喷射器60A时，通道29和凸体100的形状。在绕线轴形状体小，燃烧室也小的时候，为形成必要的间隙容积，需要采用这种结构。可以理解凸体100可以做成有利于促进燃烧室中气体旋流运动的各种已知形状。

图8B是类似于图8A所示结构的示意图，在该图中，燃烧室的总体积因活塞16上部表面所形成的凹腔229而增加，凹腔229可代替凸体100。第二燃料喷射器的另一可选择位置以60C表示。

图9是图7B所示内燃机实际结构中部分截面的侧视图。

参阅图10，图中表示了一种类似于图1并带有一个附加火花塞52的内燃机。

图中揭示了操作和控制内燃机定时点火的一种经改进的方法，也就是说，依靠火花开始点火过程，依靠压缩点燃使之继续该过程，即是火花触发式压燃(简称STCl)。

本领域的技术人员很熟悉用火花点火，火花点火已广泛地用在火花点燃式内燃机中，例如奥托(otot)内燃机，或称火花点燃式汽油机(SIGE)，在这些机器中，火花激发火焰，火焰迅速在预混合的燃料和空气气体容积内传播。STCI则是一不同的过程，火花点火是两级点火过程的第一级，换句话说，两级点火也就是火花点火和压缩点火。在第一级火花点火过程中，仅在自燃料加注缸开始进入燃烧空间的汽化燃料中，当燃料开始和空气在燃烧空间相混合时，激起局部火焰。这种火花点火发生在进气过程完成之前，换句话说，也就是在所有燃料自燃料加注缸进入燃烧空间并和燃烧燃料所需的所有空气相混合之前，上述燃烧是在燃烧空间进行的。火花点火阶段是一过程，该过程类似于用火花点燃一汽油燃料束而该燃油束与之周围的空气相混合。

在火花点火过程之后，内燃机燃烧空间中的气体压力和温度升高，足以使其余的在第二活塞作用进入燃烧空间的汽化燃料压缩点燃。在混合和燃烧汽化燃料的过程中，为完成火花点火瞬间之外的燃烧过程需要更多的空气。在普通火花点燃式内燃机或SIGE机中，燃料和空气间的混合过程几乎在火花出现之前完成。利用STCI发火方式的一个重要优点是，很容易定时满足内燃机的各种条件。当利用STCI时，在点火过程的定时范围内所需要的控制精度，对于内燃机的运行来说可以是不太重要和不很严格的。

为了获得STCI发火方式，内燃机系统需要在燃烧油引入早期压缩比不足以压燃所选择的特殊燃料的条件下工作。例如，对于STCI来说，用高辛烷值汽油时，其压缩比值可以低到10∶1，而如果只用压燃，对于这样的燃料，压缩比需要高至例如16∶1。在燃油引入早期的一部分时间，在燃烧室中后来的汽化燃料和空气相混合时，火花塞也处在能够遇到汽化燃料的地方。火花塞准时产生火花以激起压燃过程。

在一些已进入燃烧室的燃料点燃之后，燃烧室中的压力和温度升高。这样，即使由火花点火的原有火焰不能进一步点燃其余燃料，也能使后继进入燃烧室并在燃烧室和空气相混合的其余汽化燃料压燃。

参照图10，内燃机的几何压缩比可降低到通常燃油无法压缩的值上。例如，对于高辛烷值汽油，其压缩比可低于12∶1，对于中辛烷值汽油，其压缩比可低于10∶1。这种设计特点确保了从小气缸14进入或引入燃烧室20的预先汽化的燃料不会和燃料室中的空气接触而自燃，但等到外部控制系统的火花塞52产生火花时便燃烧。在浓混合物开始和更多的空气相混合时，并在火花点燃可靠产生的条件下，火花塞点燃一些空气中预先汽化的浓燃料混合物。

到火花点燃已经发生时，火花点燃才对经过第二活塞顶部而引入的燃料起作用。温度和压力的升高与火花点燃有关，火花受经过活塞顶部而引入的其余燃料压缩引燃的影响。

这种运行方法的主要优点是，由火花塞引火的点火控制非常简单。进气的准确时间已不再是严格的，与没有辅助火花，而只用压燃的内燃机相比，燃料引入可以早一些开始。

压缩比降低仅使内燃机的热效能稍有减少。为了补偿这种影响，可以增加燃烧室尺寸，减少有关其它地方附加容积的影响，并允许燃烧期间气体运动良好。火花塞52、喷射器34和节流阀36的控制，由内燃机操纵系统M操作。

图11示出了火花塞52几种可能的位置。图11B中，火花塞处在槽39之内一个关键的地方，在此处，汽化燃料和循环空气在第二活塞顶部下方相遇。空气流动方向在图中用一个粗箭头表示，燃料用一个细箭头表示。图11A中，火花塞正好处在槽39下方。在这种情况下，一旦第二活塞顶部不复盖槽39时，很易于定时点火。

图12进一步表示了内燃机的一个实施例，在该例中，梅里特分离式系统和SIGE汽油机原理相结合，在SIGE机中，空气和燃料至少在压缩冲程期间预先混合，以便于其后的火花点火，从而作功。在这种混合结构中，两种燃烧方法依次工作。

图12所示的内燃机结构和图2至5所示的内燃机结构形式基本相同，但辅带有火花塞52和火花点燃式内燃机常用的燃料/空气供给系统80。在这种结构中，系统80包括一个燃料分配器，在该例中，燃料分配器包括一个低压喷射器82(但可能包括一个燃料/空气定量装置，例如化油器)和一个节流阀83。这种系统提供了燃料

空气比例的精确控制，从而促进了火花点火。

在运转过程中，将火花点火式内燃机操纵系统80的燃料喷射器34关掉，进气管33中的节流阀32关闭时，内燃机即可起动并暖车。在吸气过程中，燃料/空气混合物经进气阀24进入大气缸12。在压缩期间，混合物受到压缩并进入燃烧空间20，在燃烧室20，由来自火花塞52的火花点燃混合物，点火定时在内死点周围发生。打开节流阀83，增加燃料的供给，便会增加做功。但是，节流阀83的开启和能够吸进大气缸12的燃料/空气总量将因内燃机压缩比的影响而会受到限制，对于梅里特型，其内燃机的压缩比会足够的高，以产生压燃，而在操作火花点燃方法中，避免了在气缸12中压燃。如果内燃机根据STCI原理运转，利用相同的火花塞，节流阀83可以在满负载下完全打开。

一旦内燃机变热后，喷射器82关闭，节流阀83打开，喷射器34打开，节流阀32正常工作，由此，内燃机将按照图10所描述的方式运转。在内燃机供给系统的控制下，开关从一个位置转换到另一个位置可逐渐操作，使由第二进给阀31进入第二气缸14的火花可燃混合物的量逐渐增加，而经进气阀24所供给的混合物量逐渐减少。

图12所示的混合结构，除了对内燃机的起动和预热外，还能选择内燃机的运转形式。当需要部分负载下节省燃料时，或当希望根据不同燃料(如能供到喷射34的为酒精)工作时，选择梅里特运行方式特别有利，梅里特运行形式对于燃料的变化和特殊的辛烷值不敏感。根据STCI原理运行时，当需要获得最大功率时，SIGE发动机形式可用在全负载情况下，以使全部空气得以利用。

图13A到图13C表示了小活塞18的结构，小活塞18带有四个径向凸体90，径向凸体90从活塞顶部35处向外延伸，形成了与气缸壁14a滑动接触的侧向支承。根据所设计的凸体90的尺寸，应使凸体90尽可能小的遮住间隙128。如果实际中凸体需活塞顶部的干轴承元件一样工作时，它就应当用能耐高温的合适材料来制造。

图13C中，第二气缸14之壁14a带有沿径向向中心轴方向延伸的凸体900，以代替图13A和13B的凸体90，对活塞18顶部35形成支承。在这种情况下，凸体有效地遮住了间隙128。凸体也可倾斜于气缸轴线但需带有一径向部件。

图2至图13中，小活塞基本上是蘑菇形状的，有一个中心柱体，在中心柱体的上端有一个顶部。图14A和图14B为活塞的另一种替换结构，顶部35由一组沿周向间隔设置的柱体100支撑，柱体100从活塞18的体19延伸。如果需要，活塞18可设一个基底84，如图中虚线所示。这种结构仍然提供了基本上敞开的燃烧空间20，并使大部分顶部35为一个薄缘37。以简化阻尼间隙128的结构(如图14B所示)。

在压缩冲程期间，为了增加进入燃烧空间20的空气的旋流，在活塞顶部35的下方，例如基底84上，没有弧形的凸体101，如图中虚线所示。该凸体上包括若干翼，以便加强绕活塞轴线的旋流。

小活塞18的另一种结构在图15中给出。在活塞18上有一个裙部110，它将顶部35与活塞18之体19互相连接。在此，裙部带有一组相当大的孔111。如图中所示，这些孔的宽度最好是变化的，例如，设置成倒三角形，在顶部35薄缘37处的圆周长最大。象图14A，也可设置弧形凸体101和基底84。

在最佳的实施例中，内燃机根据四冲程循环运行。图16表示本发明内燃机的一种形式，其运转可为两冲程循环。

图16中，进气阀24、排气阀26分别由进气口124和排气口126代替。火花塞52可按照图10至图12所示的方式设置在小气缸14之壁14a上，以便起动和/或空转和/或按照STCI方式运转。内燃机配有进气装置30，进气装置30包括进气阀31，并带有节流阀32，也可不设节流阀32。进气阀31可以由凸轮或电磁操作。燃料源(如，低压喷射器34)设置在进气阀31的上游，当阀31关闭或打开时，将燃料送进一个进气管33中。内燃机也可象一个两冲程混合式柴油机一样，配有一个喷射器60A或60B(如图7至9所示)。

尽管小活塞18是蘑菇形的，但它也可设计成图14或图15的结构。

在运行过程中，高于大气压力的空气自一个合适的增压空气源132(例如曲轴箱或外置泵)，引入管道33和133中。如果需要，也可从一个单独的气源向管道33供给空气。当进口124(和管道133相连)还设有让活塞顶部36盖住时，在压力下，空气进入大气缸12，而来自前一循环的废气从排气口126排出。同时，阀31开启，使空气从管道33进入小气缸14中活塞顶部35的上方。一些空气将来自前一循环的废气从活塞顶部35周围的阻尼间隙排出。当活塞顶部35处在它的外死点位置时，间隙135协助来自小气缸14的排气体运动到大气缸14中，允许排气过程开始时就排气。

一旦阀31打开，燃料和空气便进入小气缸14中，但是，也可采用另一种方法，即推迟燃料的开始输送，直到活塞18从它的外死点稍稍移开，关闭了间隙135，并最好在排气口126由大活塞16盖住之前，再开始输出燃料。阀31的关闭最好推后，直到在压缩冲程的初期，排气口126关闭之后，大气缸中压力开始升高时，再关闭阀31。在这种结构中，可用利用间隙128的梅里特分离原理。如果阀31用电磁方式驱动，利用关闭定时的变化来控制引入而代替节流阀32。接近压缩冲程部时，经阻尼间隙128，如果设置槽39，也可通过旁路槽39将燃料空气混合物引入。随着和燃烧室20中的热空气接触点火。燃烧室20带有(也可没有)辅助火花塞，当活塞顶接近内死点位置时，火花塞在活塞顶部35下方直接和燃烧室20连通。在膨胀冲程端部，废气从排气口126排出，间隙135使小活塞顶部35周围的压力相等。

两冲程循环式梅里特内燃机可按上述任何柴油机和火花点燃式内燃机的混合结构的方式运行。上述火花点燃式内燃机包括火花触发式压缩点燃结构。

Claims (31)

1.一种内燃机，包括：

至少一组第一和第二气缸(12、14)，第一气缸(12)的工作容积大于第二气缸(14)的工作容积：

第一和第二活塞(16、18)分别在所述的气缸中运行：

与第一气缸连通的空气进气装置(24)；

与第一气缸连通的排气装置(26)；

将燃料供给第二气缸的第一燃料源(34)；

当所述活塞基本处在内死点位置时，形成燃烧空间(20)的装置(234、14a)，至少在膨胀冲程的部分过程中，燃烧空间和两个气缸同时连通；

阻尼装置(128)，用来阻挡燃料/空气混合物自第二气缸进入该燃烧空间的运动，直到接近压缩冲程的末端为止；其特征在于，

和第二气缸相连的进给装置(30)，在吸气冲程过程中，进给装置(30)使燃料和或空气进入第二气缸，所述的进给装置包括一第一开口装置(33)和一第一阀装置(31)，第一开口装置(33)通向所述的第二气缸，第一阀装置(31)用来控制所述的开口；

装置(C)和所述的第一和第二活塞联接，使所述活塞在所述气缸中以相同的频率循环移动；

其中，第二活塞有一顶部(35)和一体部(19)，所述的顶部和所述体部相连并相隔一定距离，所述的顶部有一缘(37)，所述的缘(37)的轴向尺寸小于所述顶部和所述体部之间的轴向距离，由此，在所述活塞顶中与体部以及所述第二气缸侧壁(11a)三者之间形成了所述的燃烧空间，

其中第二活塞顶缘(37)与第二气缸(14)相邻壁(14a)径向间隔，以定界其间包括所述阻尼装置的间隙(128)；

其中第二活塞(18)和第一活塞(16)分别制成，所述顶部(35)和体部由一柱体(234，100)连接，并彼此间隔。

2.根据权利要求1所述的内燃机，其特征是，所述的燃烧空间(20)通过一个第二开口装置(20)和所述第一气缸(12)相通。

3.根据权利要求2所述的内燃机，其特征是，所述的第一活塞(10)有一在顶部所形成的凸体(100)，在内死点位置，所述的凸体(100)和所述的第二开口装置(29)相配合，气体从所述开口装置(29)排进所述燃烧空间(20)。

4.根据权利要求2所述的内燃机，其特征是，所述第一活塞(16)有一凹腔(229)，该槽在活塞顶部形成，并面对着所述第二开口装置(29)。

5.根据权利要求2所述的内燃机，其特征是，在所述第二活塞(18)的外死点位置时，所述活塞缘(37)和所述第二开口装置(29)相交会，使所述第二气缸在所述第二活塞顶部(35)上方和所述第一气缸相通。

6.根据权利要求2至5的任一个所述的内燃机，其特征是，在所述第二活塞(18)的内死点处，所述第二活塞的体部(19)关闭所述第二开口装置(29)。

7.根据权利要求2至5的任一个所述的内燃机，其特征是，在所述第二活塞(18)的内死点位置，所述的燃烧空间(20)经所述第二开口装置(29)通到所述第一气缸(12)之中。

8.根据权利要求7所述的内燃机，其特征是，第二燃料源(60A)，是一高压液体燃料喷射器，它位于可将在大量带有压力的燃料送到所述第二开口装置(29)之处，此外，另一些燃料由所述第一燃料源(34)供给所述第二气缸(11)。

9.根据权利要求2至5中任一所述的内燃机，其特征是，设置一第二燃料源(60B)，该燃料源(60B)是一高压液体燃料喷射器，并将大量由一定压力的燃料送到所述燃料空间(20)，另一些燃料由所述第一燃料源(34)供到所述第二气缸(14)之中。

10.根据权利要求2至5中任一所述的内燃机，其特征是，设置一第二燃料源(60C)，该燃料源(60C)是一高压液体燃料喷射器，用来将大量压力燃料送到所述第一气缸(12)中，另一些燃料由所述第一燃料源(34)供到所述第二气缸(14)之中。

11.根据权利要求10所述的内燃机，其特征是，有一装置(M)，该装置(M)控制所述第一燃料源(34)，使燃料(34)按照燃料总量的一定比例将燃料送到第二气缸(14)，再进入第二活塞(18)的顶部(35)上方空间，所述的装置(M)还控制所述第二燃料源(60A、60B、60C)，使燃料源(60A、60B、60C)将燃料总量的另一部分在第二活塞(18)接近它的内死点位置时，送到第二开口装置(29)或燃烧空间(20)，或第一气缸内。

12.根据权利要求中1所述的内燃机，其特征是，所述的内燃机还包括装置(52)，该装置(52)控制所述空间(20)中的燃料点火。

13.根据权利要求12所述的内燃机，其特征是，所述的点火控制装置(52)包括一火花塞。

14.根据权利要求13所述的内燃机，其特征是，内燃机的压缩比低于发生压燃所需要的压缩比。

15.根据权利要求14所述的内燃机，其特征是，所述的第二气缸(14)在它的内端或内端附近设置有形成第一旁路(39)的装置，当第二活塞(18)接近其内死点位置时，所述旁路(39)处在第二活塞顶部(35)周围。

16.根据权利要求15所述的内燃机，其特征是，所述第一旁路装置(39)的轴向长度大于第二活塞顶部(35)的缘(37)的厚度。

17.根据权利要求16所述的内燃机，其特征是，所述的第一旁路装置(39)是一在第一气缸(14)之壁(14a)上所形成的，并至少在一部分第二气缸圆周上延伸的槽。

18.根据权利要求17所述的内燃机，其特征是，所述的第一旁路装置(39)由第二气缸(14)之孔的陡变扩大部分或逐渐扩大部分(39，39b)所形成。

19.根据权利要求18从属于权利要求13时所述的内燃机，其特征在于，所述的火花塞(52)设置在所述槽(39)之处。

20.根据权利要求19所述的内燃机，其特征是，所述的火花塞(52)设置在槽(39)附近。

21.根据权利要求20所述的内燃机，其特征是，所述的进给装置(30)包括一个处在第一阀装置(31)上游的第一可变流通截面阀装置(32)。

22.根据权利要求21所述的内燃机，其特征是，所述的可变流通截面阀装置(32)是一蝶形阀或一节流阀。

23.根据权利要求22所述的内燃机，其特征是，第一燃料源(34)处在第一阀装置(31)的上游。

24.根据权利要求23所述的内燃机，其特征是，第二可变流通截面阀装置(83)处在所述空气进气装置(25)的上游，进气装置(25)和所述第一气缸(12)连通，在内燃机部分负载工况期间，可变流通截面阀装置(83)将节流的空气供到所述的第一气缸。

25.根据权利要求20所述的内燃机，其特征是，进给装置(30)包括一个在第一阀装置(31)的上游的第一可变流通面积阀装置(32)，在所述第一气缸(12)的所述空气进气装置(25)中设置一第二燃料源(82)，该燃料源(82)输送火花可燃的燃料空气混合物，使内燃机在普通火花点燃形式下运行。

26.根据权利要求25所述的内燃机，其特征是包括：处于空气进气装置(25)上游并跟第一气缸(12)连通以便在发动机部分负荷工况期间能限制空气供给第一缸的第二可变流通面积装置(83)，并具有控制装置(M)，该装置(M)控制所述第一和第二燃料源(34、82)以及第二可变流通截面阀装置(83)，使内燃机在所述普通火花点燃形式和压缩点燃形式之间变换，在所述的普通点燃形式中，所述第一燃料源不工作或基本上不工作，第二可变流通截面阀装置(83)部分地关闭，以限制压缩温度，使压缩温度低于压燃值，在所述的压缩点燃形式中，可以带有火花点燃辅助设置，也可不要这种辅助设置，在这种结构中，所述第二燃料源(82)不工作或基本不工作，而所述第二可变流通截面阀装置(83)基本上全部打开，使压缩温度升高，从而压缩点燃。

27.根据权利要求25所述的内燃机，其特征是包括：处于空气进气装置(25)上游并跟第一气缸(12)连通以便在发动机部分负荷工况期间能限制空气供给第一缸的第二可变流通面积装置(83)并具有控制装置(M)，用来控制所述第一和第二燃料源(34、32)以及所述第二可变流通截面阀装置(83)，使内燃机在所述普通火花点燃形式和火花触发式压缩点燃形式之间变换，在所述普通火花点燃形式中，所述的第一燃料不工作或基本上不工作，而第二可变流通截面阀装置(83)部分地关闭，以控制压缩温度，在所述火花触发式压缩点燃形式中，所述第二燃料源(82)不工作或基本不工作，所述第二可变流通截面阀装置(83)基本上全部打开。

28.根据权利要求27所述的内燃机，其特征是，所述的内燃机根据二冲程循环运行。

29.根据权利要求28所述的内燃机，其特征是，所述内燃机有装置(M)，用来控制所述第一阀装置(31)，使该阀装置(31)在排气装置(126)关闭期间或在排气装置(126)关闭之后关闭。

30.根据权利要求25所述的内燃机，其特征是，所述的间隙(128)是所述第二活塞顶部(35)的缘(37)与第二气缸(14)之壁(14a)之间的一个连续的环形间隙。

31.根据权利要求30所述的内燃机，其特征是，所述的间隙(128)由两个或两个以上径向凸体(90、900)遮住，径向凸体(90、900)位于所述第二活塞顶部(35)和第二气缸(14)之壁(14a)两者中的至少一个上，这样，该凸体(90、900)就和所述第二活塞部与第二气缸之壁两者中的另一个滑动接触，并为活塞18提供了支承。

Images