CN1113662A - 内燃机的改进 - Google Patents

Abstract

具有圆筒形气缸(1)的内燃机，气缸内有活塞(3) 滑动，气缸由气缸盖(4)封闭，装有高压喷射雾化液体 燃料的喷射装置(5)，运转方式为双冲程循环，并在气 缸盖上装有环形换气***，装有两个同轴的轴对称阀 门，其中一个外圈的进气阀(7)，它与气缸盖上的支座 (15)相配合；另一个是排气阀(6)，呈圆筒形状，它带 有支承面用以支靠在进气阀(7)下端形成的支座(16) 上，进气阀的开口朝向气缸方向，排气阀的开口方向 相反，以便在两者之间界定出排气通道(8)，喷射装置 (5)向着大体上位于中点的中心套筒(21)喷射，此中 心套筒被气缸盖支承着，排气阀(6)环绕着它滑动。

Description

内燃机的改进

本发明涉及的是对高压喷射雾化燃油的双冲程内燃机，例如双冲程柴油机的改进。更具体地说，本发明涉及的是一种装在气缸盖内的气体交换***，它用来使上一循环的燃烧产物与下一循环进入燃烧室的新鲜空气之间形成分层作用，以减少气缸壁的热损失，并且保持气体交换***具有良好效率，即良好的换气效率，为全部完好的燃烧过程创造条件。

在压缩点火式内燃机方面一个十分有名的问题，就是提高换气效率。在双冲程内燃机中，由注入的新鲜空气置换燃烧废气是一个特殊的问题，因为可以用来做到这一点的时间很短促(相当于曲柄轴大约100°-140°的旋转角)，而在四冲程内燃机中，可用于做到这一点的时间要长得多，可能达到相当于曲柄轴约为400°旋转角的持续时间。对双冲程内燃机通常都力争采用下列方法改进气体的交换：

1.提高气缸的透气率，也就是说，使发动机所需的空气流量在进气与排气之间最可能小的压力差之下流过。

2.通过使进入气缸的新鲜空气定向从而防止空气直接从入口流向出口来减少进气与排气之间发生空气短路。

3.尽可能防止进入气缸的新鲜空气，在换气阶段与上一循环产生并留存在气缸内的燃烧废气发生混合。

4.在燃烧室内形成剧烈的与燃料的喷射同步的空气流动，以改善空气与燃料之间的混合。

如果可能的话，最理想的是降低用于驱动阀门的动力损失，特别是用于驱动气缸内气体压力很高时升起的排气阀的动力损失。

降低发动机效率，特别是双冲程内燃机效率的另一个因素是与被称为“湿润面”的表面面积相联系的，也就是说，是与燃料开始喷射并且燃烧开始发生时的容积的内表面面积相联系的，此内表面通常包括活塞、气缸盖和阀门的表面以及气缸内在死点处保持显露的那部分气缸的表面。湿润面有力地提出了冷却和能量损失的问题。

法国专利NO.1021442试图找到减少燃烧室表面的办法，该专利描述一种带有往复式活塞的至少有一个气缸的内燃机，例如由一对分别为进气阀和排气阀的提升阀对每个气缸分配气流的四冲程柴油机，进气阀和排气阀利用各自的放松复位弹簧加以关闭，它们一个套在另一个里面同轴地装在相关气缸的气缸盖上，使得可以轴对称地清除到气缸燃烧室靠近活塞上死点处的剩余容积，也就是环绕气缸中央纵轴的轴对称气流形态。这两个阀门朝向相关气缸的里面开启，在排气阶段的同时开启的状态渗入到由活塞上死点处凸起物上相应槽坑组成的燃烧室内。此形态适宜于解决四冲程循环排气特性的问题。外圈阀门呈敞开的环状空心体形态。内圈阀门与同外圈阀门顶端之下的支承面组合在一起的支座互相配合，并且后者与同气缸盖组合在一起的固定支座互相配合。

内圈阀门在外圈阀门里面与外圈阀门限定出一个环状的管槽。此内圈阀门用于排气，而外圈阀门则用于进气，不过，相反的布置同样是可能的，但是对于气缸剩余容积的换气却不能带来相同的好处。

此在先文献也公开了一种双冲程循环的内燃机，例如柴油机，它的每个气缸包括一个装在高于气缸的气缸盖内的进气阀和一个在气缸侧壁下部的排气孔。燃料喷射器可以装在气缸盖内，与气缸的对称中间纵轴横向倾斜相交，或者环绕气缸的燃烧室分布均匀地安装若干个这样的喷射器。

对于装有同心阀门的四冲程循环每个阀门在打开的意义上说，都是通过自已的摇杆克服它自已的自动复位弹簧的反作用力回复到关闭位置，并且在外圈阀门单独开启时由外力驱动。

专利FR-A-1127166叙述了一种特定的用于这种发动机的圆形进气阀。

专利US-A-2471509和2484923介绍了另外一种减少湿润面的方法，它用于双冲程发动机，两个阀门一个套在另一个之上，并且可以沿着气缸的对称轴滑动，形成轴对称的气流，外圈的阀门呈空心管状，它的一端向外曲弯以便形成一个与气缸盖上的圆锥形支座相配合的支承面，而内圈的排气阀门，作为提升阀，是利用朝向外圈进气阀活塞的内表面作为其支座，使得这两个阀门都是朝向燃烧室开启的。进气阀进气端的空气通道装有叶片或偏转导流板，以便使进来的空气产生涡流运动，先沿气缸壁向下降低，然后再向中心升起，此涡流运动使得空气与燃料的混合能够由于在燃烧室的边缘以大大倾斜于径向方向的角度安装的燃料喷射器而得到改善。在这样的布置方式下，阀门在其形状和升举高度方面的尺寸都能够使得供新鲜空气进气用的通道明显地大于供燃烧废气排放用的通道。

然而，就气体交换来说，这种结构型式也有相当的缺点。

例如，气流特别是排气气流不通畅。进气与排气之间的空气短路，借助于使空气朝向气缸方向的旋转运动而确实得以减少，但是由于有一条短的朝向着适宜于气体***方向的，甚至是设计得尽可能多地排出上一循环的燃烧废气的路径，所以这里仍然还是保持着一条由进气通向排气的优先通路。

在排气阶段，对于只有小通道表面的开口，排气阀的行程必须是相当大的。最好，在边缘处直接喷入的空气涡流必须具有足以引起自燃点火的高温，它有提高富氧介质中加快生成氮氧化物的燃烧温度的作用。

在文献DE-A-1056872里描述的旧式结构也同样如此，要做出一种小巧的换气装置，其方法是在气缸盖上装一个能够形成中心喷射器或热线点火塞的中心毂环，在中心管状进气阀的下端形成一个截头圆锥形支座，在中心毂环与阀门(其端部为对着中心毂环的截头圆锥形支承面)的管状部分之间界定出空气的进气通道，此中心阀门的外面环绕着一个圆筒形的排气阀门，其截头圆锥形支承面径向朝外地对着气缸盖上的一个同心支座，用来经由气缸盖的边缘***燃烧的废气。

本发明的一个目的是改善气体交换的效率，其方法是轴对称地从气缸内引出一些残留的燃烧废气，代之从相应体积的新鲜空气，同时尽可能地防止或减少新鲜空气直接由进气阀流向排气阀，或者由于新鲜空气与离开气缸的燃烧废气相混合而间接流失的危险，并且要以最小的能量消耗做到这一点。使能量消耗最小的方法，可以是研究出最合理地使用提供给气缸的换气，也可以是得到高的渗透性，就是说，为气流的流动造成最大的横截面面积，因而在换气的压力与排气的背压之间只需要一个相对较小的压力差，以便保证得到所需要的换气流速。

本发明的另一个目的是确保工作室的侧壁通过新鲜空气沿侧壁的环流作用得到保护。

本发明的另一个目的是要使气缸内气体分层程度很高的发动机里的湿润面减至最小值，就是说，要使与压力下的热气体相接触的活塞顶邻近的内表面，气缸的上部以及气缸盖顶部的全部内表面都减至最小值，这样不仅可以避免室壁附近的不良燃烧，而且还可以大大地限制热损失，从而显著提高发动机的效率。

本发明的另一个目的是降低工作室内压力很高时施加给排气阀控制装置的负荷。

本发明的另一个特别重要的目的是运用解决本发明所提问题的方法制造出一种发动机，这种发动由于避免了通常压缩点火式发动机难于既达到完全燃烧，基本消除未燃烧物和烟气，又不产生氮氧化物(NO_x)之类的污染物的缺点而使其完全燃烧阶段显著地得到改善。

实际上，众所周知，在上所述类型的内燃机里都是在活塞处于上死点附近的时候，即在可变容积接近于最小尺寸的时候，把燃料在压力下喷射进燃烧室的。

关闭在气缸内的空气的绝热压缩使空气加热，以致其温度超过喷射进来的燃料的自燃着火温度。

被充分雾化的燃料是以飞沫的形态喷射进燃料室的。飞沫一进入环境介质就蒸发，燃料蒸汽扩散到此介质之中，形成一个具备自燃着火条件的区段，因而燃料自燃发火。每一循环从燃料喷射开始到燃烧开始之间所经历的时间称为“滞燃期”。

燃烧的第一阶段是非常急促的，预先与热空气相混合(在自燃所需的压力和温度条件下)的燃料蒸汽大量着火。反应速度很高很快，每个没有完全汽化的飞沫消耗了与蒸汽相混合的空气中所含的全部氧气。当混合不均匀时在这样短的时间里，未参与混合的空气没有时间承受得住使其远离燃烧中心的燃烧。由于可供利用的氧气稀少，所以反应很快停止或者起码是缓慢下来。燃烧的这个阶段(未控制燃烧)称为“预先混合物燃烧”。

在此燃烧的第一阶段，预先设定的，或者由于高压下喷射燃料所引起的，或者由于被急剧的化学反应加热的气体发生膨胀所造成的空气和燃料的运动，使放热反应可以继续进行下去。此反应于是借助于从富含燃料的区域向燃料贫乏的区域，也就是向氧气含量高的区域的扩散所造成的物质传递，以受控方式进行着。这种扩散燃烧的阶段称为“渐进燃烧”。此燃烧更加缓慢，并且以工作室内空气与燃料的相时运动所维持的混合速度进行着。

滞燃期越长，点火以前喷入的燃料就越多，这样会产生下列缺点：

不连续燃烧，因而发生由于工作室内的压力急剧变化所引起的响声(柴油机的敲缸)和颤动(引起设备疲劳，活塞环敲击声和断裂)。

形成严重的氮氧化物污染(在以预先混合燃烧方式进行燃烧的区域以及在拖长的时间内保持着高温的区域产生大量氮氧化物)。

所以，柴油机的设计人员力图缩短滞燃期(例如推迟喷射燃料的时间)，设法冷却进入气缸的新鲜气流，以便提高其浓度，并且尽可能不超过循环温度，高于循环温度势必会大量产生氮氧化物，导致滞燃期增大。他们提出的这些解决方法，至今还不能完全令人满意，尤其从排气效率和排放烟气与尘粒的观点来看。

本发明的目的是解决不超过循环温度(高于循环温度时氮氧化物的生成就非常明显)而缩短滞燃期的问题，不仅要解决上文所要求消除的缺点，而且要允许燃用十六烷值较低，因而生产费用较少的“粗制”燃料。

本发明的研究对象是这样一种内燃机：

一个可变容积的工作室，它由有活塞在其中滑动的气缸、该活塞的移动的上端面和固定不动的气缸盖所界定；

一个在高压下向上述工作室内喷射雾化液体燃料的喷射装置；

以双冲程循环运行，有一套横跨在气缸盖上的循环换气***，由至少一个与支座，最好是圆锥形支座相配合的进气阀控制，以便使工作室与连接着为发动机提供新鲜空气的进气空腔周期性地相联通，并且由至少一个与支座，最好是圆锥形支座相配合的排气阀控制，以便使工作室与连接着排放发动机燃烧废气的排气***的排气空腔周期性地相联通；

该进气阀和排气阀呈轴对称形状，并且其轴线相互重合，最好与前述气缸壁的轴线相重合，而且同轴安装使进气阀处在排气阀的外边；

进气阀的上述支座与气缸盖相结合，并且其方向要使得工作室内运动的流体的压力能施加一个作用力将该阀门向其支座上被推压，其位置处在上述气缸壁上部紧靠边缘，活塞在此处滑动并且与气缸盖相接触的地方；

弹性复位装置，用来使该进气阀倚靠到上述与气缸盖相结合的支座上；

压力生成装置，它产生一个与进气阀的轴相平行的压力，其方向朝向活塞，并且支承在该阀之上，用来周期性地使阀门从其支座上抬起，从而，使发动机的工作室与连接着上述发动机的新鲜空气供应装置的进气空腔相联通；

旋转感应装置，它插在进气空腔与进气阀的该支座之间，以便产生与上述气缸壁的轴和在发动机换气时进入工作腔室的气体的轴线基本同轴的全面的旋转运动；

排气阀呈轴对称形状，它包括一个圆筒形的下部，其内壁借助于密封装置严密地环绕着由气缸盖所支承的中心套筒，其下部呈现出与该圆筒形部位同轴的支承面，致使它能够与上述进气阀的下部里面形成的支座，最好是圆锥形支座相配合，这样使得它能够借助于由进气阀的内壁和排气阀的外壁所界定的环状通道把上述排气空腔与工作室相联通；

所设置的弹性复位装置是用来使该排气阀下部圆筒形部位的上述支承面倚靠着在该进气阀内壁的下部形成的支座；

压力生成装置产生的压力平行于排气阀的轴线，其方向为从活塞朝向气缸盖，并且支承在该阀门之上，用来周期性地使阀从支座上抬起，从而使得发动机的工作室与连接着从该发动机内排放废气的排气***的上述排气空腔相联通；

上述用于高压下喷射雾化液体燃料的喷射装置包括一个伸向工作室内、位于上述中心套筒中央的喷嘴。

在特定的实施例中，上述中心套筒相对于气缸盖是静止不动的。

朝向排气阀圆筒状下部的外侧，与进气阀下部内侧形成的支座相配合的上述圆锥形支承面的最小内径，比中心套筒的上述滑动密封装置的外径小一些是有益的，排气阀空心下部的内壁绕着所述套筒滑动，以便使它具有一点轻微的气密特性。

进气阀门与/或排气阀门可以装备不同形式的弹性复位装置。这些弹性复位装置尤其可以包括机械式弹簧装置。这种弹簧装置可以是组装得像一个圆筒似的能够对与阀门的上部组合在一起的环形套筒施加复位力的弹簧。

可以装备或者联合上述复位装置装备弹簧一类的进气阀与/或排气阀弹性复位的装置，其中包括与阀门组合在一起，并在界定与产生液压力的装置相连接的可变容积空腔的气缸内滑动的活塞。

为了在开启的方向驱动排气阀与/或进气阀，也可以提供一个与阀门组合在一起的活塞，此活塞在界定出与产生液压力的装置相连接的第一个可变容积空腔的气缸内滑动，所述液体最好是不可压缩的流体。

例如，上述产生液压力的装置也可以由一个在气缸内形成的联通着上述第一个空腔的第二个可变容积空腔内滑动的活塞组成，此活塞由与发动机输出轴同步旋转的凸轮轴一类的驱动装置所驱动。

使阀门回动的活塞与使阀门在开启方向驱动的活塞可以合并为一个具有两个相同端面的活塞，所以活塞的两个端面都受到液压力的作用。

在特别有利的实施例中，发动机内以在气缸壁上滑动而界定其工作室，并用不使流体流入活塞下部的密封件加以密封的活塞，可以布置得使其上部以足以避免形成能够破坏流体轴对称旋转运动的径向空气运动的间隙，在工作室容积最小的时候，即在上死点的附近时，与处在进气阀最大直径范围以外的那部分气缸盖以及进气阀本身相配合，与处在进气阀最大直径范围以外的那部分气缸盖以及进气阀本身相配合，从而界定出周边环状空腔，此周边环状空腔内会截留有一些呈轴对称运动的，不参与喷进工作室内的燃料燃烧，并在工作室容积增大的冲程期间要发生膨胀的空气。

有益的是，使环绕上述中心套筒滑动的排气阀的圆筒状上部内壁密封的装置可以包括使压入工作室内的，压入排气阀的圆筒状上部和中心套筒下部的流体无路可通的连续式密封，如此界定出；一个环状空腔，空腔内会截留有一些不参与喷进工作室内的燃料燃烧并在工作室容积增大的冲程期间会发生膨胀的空气。

根据本发明，可以定出大小尺寸、形状、通道截面、压力以及局部真空度，和/或操纵由上述阀门组成的定时机构，以致利用双冲程发动机换气阶段开启排气阀和进气阀的方法，在排除燃烧气体并部分地被新鲜空气所置换的过程中，使得前一循环所产生的大量燃烧气体留存在工作室内。

一方面当进气阀处于开启位置时进气空腔与工作室之间的联系，另一方面工作室壁的轮廓，都可以布置得在由于活塞的像导致燃烧室内的工作流体产生剧烈旋转运动一类的相对运动而使工作室容积变小时使新鲜空气渗透充满燃烧室，并且借助于这种旋转运动所造成的新鲜空气的离心分离作用，以及新鲜空气与燃烧气体浓度不同，从而尽可能地防止了新鲜空气在燃烧室内与其中留存的燃烧气体相混合，以致在该燃烧室内形成一个燃烧气体的浓度最大、温度最高的中心区和一个新鲜空气浓度最大而温度最小的边缘区。

喷射器借助于其处在套筒里面的中心位置而至少在每个喷射周期开始的时候可以直接向上述中心区喷射燃料。

更可取的是，由一个循环到下一个循环工作室内所留存的燃烧气体最低限度要等于在发动机至少是以接近于额定速度在运行的时候，每个循环中工作室与每个进气空腔和排气空腔之间的联系中断时，工作室内所包括的工作流体的10％，最好为15％。

这样，利用大大提高向其中喷射燃料的介质的温度，使燃料几乎可以立即被汽化的方法，创立一种滞燃期极短(甚至使用叫做“粗制燃料”的不很精炼的燃料)甚或为零的燃烧过程。然而，工作流体的平均温度还是保持在合理的水平上，以达到高的浓度和随之而来的高的比功率，以及低的氮氧化物的生成度。而且，过热的气体介质由于存在一个新鲜空气的中间层而不能靠近燃烧室的室壁，这样就避免了发动机的热过负荷，并减少了燃烧室壁上的热损失。

应当注意的是，本发明与柴油机设计人员一般所沿用的想法是相违拗的，设计专家一般都试图争取使工作流体从新鲜空气的观点来看达到最高的纯度，而不赞成相对低的纯度(90％，或者85％，甚至更低)，而且力图将燃料喷射到从一个循环到下一循环所留存的燃烧气体浓度最大的区域里，这使人想起在压缩点火或发动机里燃烧气体还包含有相当大比例的可资利用的氧气。

按照一种很令人惊奇的改进措施，选择进气的温度和从一个循环到下个循环留存在工作室内气体的比例，要考虑到发动机的其他运行参数，使得如果在燃料喷射之前使留存的气体与新鲜空气相混合，在喷射时所得混合气体的温度低于燃料以不产生过量未燃烧物的稳定方式发生自燃着火时的温度。此改进措施的优点是能够强烈地冷却新鲜空气(以便减少室壁上的热负荷，并使循环的最高温度降低到能引起大量生成有害氮氧化物的温度以下)，还能够具有降低了的有效容积比(以便减少机器零件上的机械负荷)，同时保持着滞燃期短的理想的自燃发火条件。

考虑到发动机的其它运行参数，选择进气温度和从一个循环到下一循环留存在工作室内的气体的比例，使得工作流体的最高平均温度不超过大约1500℃，高于这个温度会使氮氧化物的生成增多，这也是一个优点。

本发明的其它优点和特征，从下面的描述中并参照下列附图可以得到说明：

图1为本发明第一种实施例发动机部分机件的轴向剖面图；

图2为本发明第一种实施例的一种变形的轴向剖面图；

图3为本发明另一种实施例的轴向剖面图；

图4、5和6分别为图3所示实施例一种变形处于排气、换气和燃烧状态时的轴向剖面图。

在图1所示的实施例中，数字1表示一台纵轴2上带有活塞3的双冲程柴油机的气缸，活塞3的上端复盖着气缸盖4，气缸盖上有与气缸同轴的用于在压力下喷射液体燃料的中心喷射器5，它被两个同轴的阀门所环绕，即内圈的排气阀6和外圈的进气阀7，两阀之间为用于排放燃烧废气的环状通道8，它与通往发动机排气***(图中未画出)的排气管9相连通。

进气阀7为轴对称的中空形状，两端敞开，其下端13呈底座形状，其外侧具有朝外向上，即朝向气缸盖方向的环状圆锥形密封支承面14，它与同与气盖4组合在一起的固定支座15互相配合；其内侧具有朝内向上的环状圆锥形支承面16，它作为轴向活动的支座与位于排气阀6下端(或自由端)的环状密封支承面17配合相联。由空心阀杆18的外侧壁引导进气阀7在与气缸盖4组合在一起的阀导向部分19内沿其自身轴线运动。

沿径向处于外侧的进气阀7以其下部与气缸盖4一起构成一道环状进气开口10，该开口与引入新鲜空气的管道11相连，管道11则与发动机的进气***(图中未示出)，如增压***相连。所谓进气阀的下部位于其与气缸盖为一体的圆锥形支承座相配合的支承面附近。

进气阀7的阀杆18的上端有一个起环状活塞作用的套环23，它以无漏损的方式在设置于气缸盖4内的同轴气缸24内滑动，由此在该活塞上端面上面形成腔室25并于其下端面下面形成腔室26。

按径向处在内圈的阀门或排气阀6大体上呈轴对称的形状，其轴线与进气阀的轴线，最好与上述发动机气缸21的轴线相重合。该阀为位于进气阀内的空心套并且经由其内侧面沿阀导向件20作轴向滑动，阀导向件20设置于与气缸盖4组合在一起的中心套21上此中心套21上还装有燃料喷射器5，其喷嘴22向燃烧室40喷射燃油，以便在其中喷射出围绕着喷嘴呈星状的、基本上是径向的且最好是倾斜的油流。

构成排气阀6的管状套筒的上端有一个起环状活塞作用的套环12，它以无漏损的方式在设置于气缸盖4内的同轴气缸31内滑动，由此在该活塞下端面下面形成腔室32并在该活塞上端面上面形成腔室33。

一方面，进气阀7的空心阀杆18的外侧壁与同气缸盖4成一体的阀导向部分19之间的密封；另一方面，排气阀的管状套筒的内侧壁与同中心套21成一体的阀导件20之间的密封以及上述起活塞作用的套环12、23与气缸盖内形成的气缸壁24、31之间的密封都可以采用一组单个或多个环状密封件，密封环或活塞环，这些件最好是可以径向延伸的。

由进气阀7的活塞23与气缸24形成一个液压致动器，用来使该进气阀7朝向阀孔的方向升举(朝向活塞3的方向为下降)。为此，该致动器的上腔室25用来容纳压力液体，最好是一种不可压缩的液体，例如可以使密封装置的滑动面得到润滑的润滑油，以便确实地促使活塞23下降，从而使阀7处于打开的位置；而处在下面的下腔室26则装有用来使阀回复到关闭位置的弹性复位装置34。

此弹性复位装置可以由机械弹簧29组成，最好由均匀地围绕在套环周边表面上像个圆筒似的复杂弹簧体所构成，以便对整个套环的周边提供均一的轴向推力。此弹性复位装置完全有可能利用注入到前述的下腔室26里的液压液体，最好是可压缩液体组成。

前述致动器的上腔室24内的液压力是由借助于管路30使前述的腔室24与泵缸(未示出)相连通而产生的，该泵缸内充满不可压缩的液体并被由凸轮轴(它与发动机的主轴同步旋转)驱动的泵塞所封闭。不用说，此泵塞也可利用其他已知的驱动机构(例如液压的、电磁的等等)加以驱动。

同样，由对排气阀6起活塞作用的套环12与气缸31所构成的组件构成一个液压致动器，以便使该排气阀6朝向阀孔的方向升举(离开活塞的方向为向上)。为此，该致动器的下腔室32用来容纳压力液体，最好是不可压缩的液体，例如润滑油，以便确实地促使活塞12升举，从而使阀6上升至打开的位置，而处在下面的下腔室33则装有用来使阀回复到关闭位置的弹性复位装置34。此弹性复位装置同样地可以是机械的、液压的或者气动的。

在环状进气开口10与新鲜空气进气管11之间有一导流装置37，它用来在进气阀升举时使进气的动量矩能使与发动机轴2相重合的轴产生旋转运动，由此使进入工作室的新鲜气流呈现出离心式的螺旋形轨迹。

这些导流装置可以做成上述的进气管形状的，也可以简单地由倾斜于该气缸轴的叶片做成，或者更为简单的是沿上述环状进气开口的周边打一些均匀分布的，其轴线与该气缸的轴线相垂直但不相交的钻孔。最后的这种造型特别有助于传递由工作室内的气体压力所造成的气缸盖的竖向载荷。

排气阀6空心套筒的这种造型在不同于普通提升阀的意义上是很有益的，在该阀门开启时工作室内气体的压力并不影响这种开启，或者影响很小，也就是说由控制排气阀提升的元件所产生的力将被减小，这是很有利的。特别是，能够利用排气阀控制装置毫不困难地实现发动机的制动。实际上，如果有一个改变阀门开启时间的装置在发动机运行时可供应用，那么就能够通过在活塞的下行冲程开始时(相当于发动机工作室容积增大)使排气阀的开启时间大大提前的方法，使工作室内的压力突然降低，并相应地降低发动机的有益功，从而增大发动机的制动。在工作室内压力很高时，由于该阀门的圆筒形状，使得排气阀的这种提前开启是并不困难的。

最后，要指出的是进气阀和排气阀在相反的方向上打开所特有的优越性能。实际上，当排气阀刚刚打开(向上)的时候，工作室内的压力是很高的，已燃气体自然以很高的速度向外***(超声速喷出)。可是，在换气阶段，在进行换气的过程中两个阀门同时打开，以致获得最大的透气率，使得进气管11和排气管9之间所必需的压力差最小，进气阀的动作加上排气阀的动作使得进气阀向下打开显著地增大了***气体通道的横截面，这也有助于其控制装置的动作。

外圈的进气阀7在换气阶段被引入的空气加以强烈地冷却。可是，为了冷却排气阀6和中心套筒21，可以考虑使中心套筒外和面的直径充分小于进气阀6的内径，从而在阀与套筒之间(阀导向部位20除外)形成一个有冷却液(例如冷却油)流经其中的环状空腔38，此冷却液对阀导向部位密封的滑动面也起辅助的润滑作用。可以经由向外返回的通道39很方便地将冷却液引入，如象已有技术那样在喷嘴5顶端附近冲洗中心套筒21的下部，然后再在返还回路中冲洗环状空腔38。

除了借助于换气阶段引入的新鲜空气对工作室侧壁的固有的保护作用外，工作室的轴对称式的布置方式能使气流沿螺旋形轨迹喷入，使得气流只要接近于排气口就远离中心部位，并且能尽量减少喷入的新鲜空气与留存在工作室中心的已燃气之间的混合。这样就得到了换气工序的高效率，大大减少了由进气阀到排气阀之间直接通道中发生的短路，也大大减少了由于留存在工作室内的已燃气与引入工作室的新鲜空气之间发生混合而造成的短路。

在所给的示例中，活塞3的上端面呈观出一个轴对称的凹窝40，它的轴与活塞的轴相重合，当工作室的容积最小、活塞靠近上死点的时候，它构成为燃烧室。

属于喷射器5的在压力下喷射液体燃料的喷嘴22实质上位于燃烧室的轴线上，以致于燃料呈倾斜状、甚至径向分布状的射流喷射到燃烧室的中心部位。考虑到本发明采用的设计图形，在换气阶段的结尾存留在工作室内并参与再循环的已燃气将集聚在燃烧室的中心部位；但另一方面，在进气阶段给出巨大动量矩的新鲜空气却由于进气阀7的圆形结构和空气通道37的取向，将因在燃烧室的边缘部位的离心作用和由于活塞上升行程中动量矩的守恒被保留下的空气的旋转作用而存留。

集聚在燃烧室中心部位的、温度很高并且缺氧的已燃气的量可以容易地被测得并加以调节。例如，考虑到进气腔10处的进气压力和空腔9内的排气压力，可以给阀门通道规定一个横截面面积，使得在换气阶段的结尾，当两个阀门6和7再次关闭的时候，还有相当数量的已燃气没有***出来。也可以改变新鲜空气的进气速度和其螺旋形进气通道的长度。其他的简单方法还有使排气阀足够早地关闭，以截留下一些已燃气。

例如，压缩比约为6，从上循环到下循环留存20％的已燃气，当***的处于旋转运动中的新鲜空气的温度约为430℃时，在新鲜空气正要喷入之前，中心部位的温度可以是大约1480℃。

除了这种造型对工作室侧壁(气缸侧壁和燃烧室侧壁)的自然保护作用，使之能够相当大地降低侧壁的热损失，从而使发动机的效率得以改善之外，在燃烧方式上还显示以下优点：

·充分雾化的液体燃料喷入很热并且缺氧的中心部位，使得燃料几乎立即就可以发生汽化并自行引燃，以便为燃料在高压下喷入工作室时所形成的两个反旋转涡流(在观察缓慢引燃发火中可以看到)中燃烧带来所必需的氧气。因为这是在可燃成分高(因为氧气很缺)并且很热的部位发生的燃烧，氢原子和碳原子优先与氧结合，从而阻止了氮氧化物的生成，尽管在这种中心部位在压缩阶段的末尾达到了很高的热度。

·燃烧在含氧丰富并且由于进入工作室内的新鲜空气的离心分层作用而相对“冷”的边缘部位继续进行。可以看到，这种燃烧以很高的反应速度形成，但由于局部热度低而并不过多地生成氮氧化物。高的反应速度能够在着火引燃的瞬间与排气阀门开始打开的瞬间之间形成完全的燃烧，而不散发出过多的未燃尽物、烟气和有害颗粒。

本发明实施例所示的这种构造形态还有一些优点，例如，位于燃烧室40外边的活塞3的上端面最好是平坦的并与进气阀7的基底13的底面相匹配，并且保留着一个间隙，其尺寸要能够在活塞处于上死点附近的时候使得空气径向运动的重要性减至最小。

在这情况下，当活塞处在上死点附近的时候，此上端面就在锥形支座15的外边径向地封闭出一个小的环状容积46。此外，如果活塞3装有专利号FR-A-2602827中所述的那种连续式密封垫，那么可以想象出，这个小的环状容积就构成一个“死胡同”(Cul-de-sac)。在这“死胡同”里，在活塞的每一压缩循环中都会保留下一些在活塞处于上死点附近时没有遭到燃料燃烧的旋转的新鲜空气。当活塞开始其下行冲程的时候，此存留下的空气膨胀，从而由形成一种冷临界层来对活塞3的顶端和进气阀7的基底13的下端面予以保护作用。

现在参看图2，这是本发明的另一个实施例，它不同于图1所示的一点就是其进气阀与排气阀的弹性复位装置均为纯粹的气动式机构，进气阀的腔室26通过管路39a、排气阀的腔室33通过管路39e分别与供给压缩空气的空腔(图中未画出)相连接。

例如，图中示出一种装置，它产生垂直的升力，能够将进气阀和排气阀循环地分别从其支座上稍稍升起。该装置基本上由与发动机主轴同步旋转、并包括进气凸轮51a和排气凸轮51e在内的凸轮轴50组成。这些凸轮推动泵塞52a和52e在泵缸53a和53e里面自由地轴向滑动，由此界定出可变容积的空腔54a和54e，此可变容积空腔分别经由55a和55e与进气阀7的传动器的上空腔25和排气阀6的传动器的下空腔32相通。所有这些液压回路54a、55a、25以及54e、55e、32内均灌注有不可压缩的液体(例如油)。不用说，由于凸轮51的作用压下每个泵活塞52。将使相应的阀门向上移动一段行程，其大小等于凸轮的行程乘以泵塞有效横截面与阀门传动器有效横截面之比。当凸轮的凸头转过能使泵塞脱离开的角度时，相应阀门的弹性复位装置将既使阀门返回到它的支座上，又使泵塞恢复与凸轮相接触。

参看图3，这是本发明的又一个实施例，它与图1所示不同首先在于它的一些细节，例如，冷却通道39的布置不同。环状进气孔10是处在外圈进气阀7的下部之中而不是处在气缸盖4内。外圈阀7的活塞23a处于中间的位置，弹簧29向上推着一个由阀门7支承在其上端附近的圆环41。排气阀6和进气阀7在其缸体部位为留有间隙的双层壁，冷却液可以在此间隙内流通。

本发明的这种倾向于进气阀7的下部基底并在此基底的外侧形成一个环状进气孔10的有盖的结构布置是可以理解的。实际上，还可以看到这样的布置形式，即进气阀的支座15与排气阀的支座16是相互轴向偏移的，这样就使得能够将排气用通道的位置定得高于上述环状进气孔10，并且在此情况下也能够对排气进入环状通道8的孔口提供一个更为实际有效的横截面(其平均直径要大一些)。

还要提到的是，一方面在进气阀锥形支座外侧气缸周边形成的环状空气容积(环状容积46)，另一方面围绕中心套筒21形成的一个环状容积，在活塞开始其下行冲程时膨胀扩大，提供新鲜空气的临界层，新鲜空气在进行喷射时借助于高压下喷射的燃料喷嘴的周围介质所传送的很大的线动量而运动。这样形成的空气临界层会对燃烧室的壁加以保护，并给燃料喷嘴的边缘提供新鲜空气，从而为高压下向燃烧室喷射燃料所形成的两个反向旋转的涡流中带来燃料燃烧所必需的氧气，这样有利于与燃料的混合，从而提高燃烧的速度和质量。

下面用图3所示的实施例，参看图4至图6，介绍本发明的设备的运转情况。

图4中所表示的活塞3处于其下位即下孔点附近，此时活塞正在返回上升减小气缸1中的自由空间。此时，控制装置(图中未画出)向可以瞬间造成排气阀6升起的腔室32内输送液压油，该阀的支承面17a离开仍处于关闭位置的进气阀7的支座16，当排气阀的复位弹簧34被压缩时，使气缸的内部经由通道8与排气空腔9相联通。还可以看到，排气阀下部的弯曲部分42与套筒21的凸形下端基本相切，因而使得空腔43不再能与燃烧室相通，使得排出的气体不受扰动地向外流动。这样的流动逐渐地随着活塞3向上回升并排出一些已燃气而继续进行。

当到达图5所示的位置时，使排气阀6升起的控制装置受到驱动，阀7下降到图中所示的位置。随着排气阀6保持在升起的位置，支承着阀7的支座16的内表面与对着阀6的支承面42之间的通道的横截面大大增加，这有助于气缸内压力开始下降时已燃气的继续离去。

同时，阀7的下降导致进气通道的打开，使得环状孔口10径由逐渐使空气通向气缸下部侧壁并且借助于进气阀7外表面邻近孔口10处的凹形弯曲度通向底部的通道49与气缸的内部相联通，这样做时，还得到气缸盖部位在邻近进气阀的外支座14处的向下向外展开的锥度或曲度的帮助。由通道输送的新鲜空气经过使其产生涡流运动的导向装置37进来，只要空气通过管路49向下降入，此涡流运动就继续进行，如此遭受到离心作用的新鲜空气当空气向着活塞3下降时仍在气缸内壁的附近维持着，以致使得新鲜空气不会到达气缸1和燃烧室容积里面，并且其中容纳有残留的含氧不太多的热废气。于是形成了新鲜空气在气缸壁附近呈螺旋状运动的分层现象和气缸中心部位存留的含有少量空气或氧气的高温废气的分层现象。此分层现象在活塞3上升、容积减小的情况下，包括进气阀和排气阀再次关闭以后，继续保护着。这种分层现象在图6所示的状态下，在靠近上死点处，在由燃烧室44的容积与活塞上的杯槽容积所界定的容积内继续存在，被压缩的新鲜空气在燃烧室的边缘旋转，而缺氧的热废气存留在燃烧室的中心部位，即喷射器喷嘴22的附近。到压缩将近结束时，喷射器开始使液体燃料雾化，如图5所示，以便喷射开始时使得液体燃料与进行燃烧的容积中心部位处的热气体是相接触的，燃烧就是这样在最可能好的条件下实现的。此后，燃烧沿着新鲜空气的方向由中心部位向边缘部位延伸，形成为没有污染、不产生氮氧化物的完全均质的燃烧。

另外，当然这种燃烧是在精确的轴对称条件下在燃烧室内进行的，燃烧室内的容积表面因为被划分为套筒21的显露面、进气阀内表面的下部和对着活塞3的表面而是很微小的。

燃烧所造成的压力升高产生活塞3的下行动力冲程，循环重新开始。

Claims (21)

1.内燃发动机，包括：

一个可变容积的工作室，它由有活塞(3)在其中滑动的气缸壁(1)、该活塞的移动的上端面和固定不动的气缸盖(4)所界定；

一个在高压下向上述工作室内喷射雾化液体燃料的喷射装置(5)；

以双冲程循环运行，有一套横跨在气缸盖上的循环换气***，由至少一个与支座(15)，最好是圆锥形支座相配合的进气阀(7)控制，以便使工作室与连接着为发动机提供新鲜空气的进气空腔(11)周期性地相联通，并且由至少一个与支座(16)，最好是圆锥形支座相配合的排气阀(6)控制，以便使工作室与连接着排放发动机燃烧废气的排气***的排气空腔(9)周期性地相联通；

该进气阀和排气阀呈轴对称形状，并且其轴线相互重合，最好与前述气缸壁的轴线(2)相重合，而且同轴安装使进气阀(7)处在排气阀(6)的外边；

进气阀(7)的上述支座(1 5)与气缸盖相结合，并且其方向要使得工作室内运动的流体的压力能施加一个作用力将该阀门向其支座上被推压，其位置处在上述气缸壁(1)上部紧靠边缘，活塞(3)在此处滑动并且与气缸盖(4)相接触的地方；

弹性复位装置，用来使该进气阀(7)倚靠到上述与气缸盖相结合的支座上；

压力生成装置，它产生一个与进气阀(7)的轴相平行的压力，其方向朝向活塞(3)，并且支承在该阀这上，用来周期性地使阀门从其支座(15)上抬起，从而使发动机的工作室与连接着上述发动机的新鲜空气供应装置的进气空腔(11)相联通；

旋转感应装置(37)，它插在进气空腔(11)与进气阀的该支座(15)之间，以便产生与上述气缸壁的轴(2)和在发动机换气时进入工作腔到的气体的轴线基本同轴的全面的旋转运动；

其特征在于：

排气阀(6)呈轴对称形状，它包括一个圆筒形的下部，其内壁借助于密封装置严密地环绕着由气缸盖(4)所支承的中心套筒(21).其下部呈现出与该圆筒形部位同轴的支承面(17，17a)，致使它能够与在上述进气阀(7)的下部里面形成的支座(16)，最好是圆锥形支座相配合，这样使得它能够借助于由进气阀(7)的内壁和排气阀(6)的外壁所界定的环状通道(8)把上述排气空腔与工作室相联通；

所设置的弹性复位装置是用来使该排气阀下部圆筒形部位的上述支承面(17，17a)倚靠着在该进气阀内壁的下部形成的支座(16)上；

压力生成装置产生的压力平行于排气阀(7)的轴线，其方向为从活塞(3)朝向气缸盖(4)，并且支承在该阀门之上，用来周期性地使阀从支座上抬起，从而使得发动机的工作室与连接着从该发动机内排放废气的排气***的上述排气空腔(11)相联通；

上述用于高压下喷射雾化液体燃料的喷射装置(5)包括一个伸向工作室，位于上述中心套筒(21)中央的喷嘴(22)。

2.权利要求1所述之发动机，其特征在于：上述中心套筒(21)相对于气缸盖(4)是静止不动的。

3.权利要求1和2之一所述之发动机，其特征在于：对着排气阀(6)圆筒形下部外侧、与进气阀(7)下部里面形成的支座(16)相配合的上述支承面(17、17a)之最小内径小于排气阀(6)圆筒形下部的内壁在其上滑动的中心套筒(21)的上述密封装置之外径。

4.权利要求1至3之一所述之发动机，其特征在于：进气阀和/或排气阀的弹性复位装置包括弹簧(29、34)，并且最好是一套装得像个圆筒似的许多弹簧，它对与阀的上部相结合的套环(12、23、41)施加复位力。

5.权利要求1至4之一所述之发动机，其特征在于：进气阀和/或排气阀的该弹性复位装置包括一个与阀相结合的活塞，它在气缸内滑动，界定出可变容积的与产生液压的装置相联通的腔室。

6.权利要求1至5之一所述之发动机，其特征在于：该对排气阀和/或进气阀造成使之打开的力的装置包括一个与阀相结合的活塞(12、12a、23、23a)，此活塞在气缸内滑动，界定出第一可变容积并与产生液体压力的装置相联通的腔室(25、32)，所述液体最好是不可压缩的。

7.权利要求6所述之发动机，其特征在于：该产生液体压力的装置由活塞组成，它在一个气缸内滑动，形成第二可变容积并与上述的腔室(25、32)相联通的腔室，此活塞由一个与发动机输出轴同步旋转的凸轮轴所驱动。

8.权利要求4至7之一所述之发动机，其特征在于：将使阀门复位的活塞和使阀门打开的活塞合并成为完全相同的有两个端面的活塞(12、12a、23、23a)，液体的压力作用到该活塞的两个端面上。

9.权利要求1至8之一所述之发动机，其特征在于：对沿气缸壁滑动而界定发动机工作室的发动机活塞(3)用密封垫加以密封，使流动的液体没有通道可以流向活塞的下部，并且布置得使其上部(3a)在工作室的容积最小的时候，有间隙地与气缸盖(4)处于进气阀(7)最大直径以外的那部分及进气阀(7)本身相配合，气缸盖处于进气阀最大直径以外的那部分和进气阀本身界定出一个环状空腔(46)，其中会聚集一定量的没有参与喷入工作室内的燃料共同燃烧、并且在工作室增大容积的冲程时发生膨胀的空气。

10.权利要求1至9之一所述之发动机，其特征在于：使围绕上述中心套筒(21)滑动的排气阀(6)圆筒形上部的内壁密封的装置，包括密封垫圈，它使压入工作室内的液体没有可以流动的通道，排气阀的圆筒形下部和中心套筒(21)的下部界定出一个环状空腔(43)，其中会聚集一定量的没有参与喷入工作室内的燃料共燃烧、并且在工作室增大容积的冲程时发生膨胀的空气。

11.前述各权利要求之一所述之发动机，其特征在于：装有使热传导液体在中心套筒(21)内循环的装置(39)，此装置使排气阀(6)圆筒体的内壁能够得到冷却。

12.上述权利要求所述之发动机，其特征在于：上述热传导液体循环装置(39)还可使遭受发动机工作室内燃烧影响的中心套筒(21)的表面得到冷却。

13.前述各权利要求之一所述之发动机，其特征在于：发动机的可变容积工作室，在其容积最小的时候，基本上是由活塞内的一个轴对称杯槽(40)、进气阀(7)的下端面和中心套筒(21)的一个大体上与活塞轴相垂直并在同一平面内的端面所构成。

14.权利要求1至12之一所述之发动机，其特征在于：发动机的可变容积工作室，当其容积最小的时候，基本上是由一个位于气缸盖里面的轴对称杯槽和由进气阀的环状顶端(45)所构成的侧壁、活塞(3)的大体与其轴相垂直并在同一平面内的上端面所构成。

15.上述权利要求所述之发动机，其特征在于：燃料喷嘴(22)的喷口朝向进气阀的上述环状顶端的方向。

16.权利要求1至15之一所述之发动机，其特征在于：进气阀(7)的下端在其边缘处设有环状进气孔(10)，此进气孔高于与进气阀的支座(15)相配合的支承面、并对着进气导向装置，排气阀(6)的下部基底呈倾斜状，使得环状通道(8)的位置高于进气孔(10)，从而得益于增大的通道截面。

17.权利要求1至16之一所述之发动机，其特征在于：燃气分配装置是这样操纵的，以致于在打开排气阀和进气阀***燃烧气体，并部分地被新鲜空气加以置换的过程中，有大量上个循环产生的燃烧气体被留存在工作室内。

18.权利要求17所述之发动机，其特征在于：将在进气阀(7)开启的情况下的第二空腔(11)与工作室之间的联接和工作室腔壁的形状设置成，当工作室的容积由于活塞(3)的相对运动可变至最小时，使得新鲜空气流进燃烧室，在燃烧室里使工作流体发生强烈的旋转运动，借助于由此旋转运动所形成的对新鲜空气的离心分离作用并借助于新鲜空气与燃烧气体的浓度之差来防止新鲜空气在燃烧室内与其中存留的燃烧气体相混合，以致在燃烧室内形成一个燃烧气体的浓度和温度最高的中心区域和一个新鲜空气浓度最大、温度最低的边缘区域，上述的燃料压送装置(5)的布置要使得至少在每个喷射周期一开始的时候燃料就能直接喷射到上述的中心区域内。

19.权利要求17和18之一所述之发动机，其特征在于：由一个循环到下个循环留存在工作室内的燃烧气体至少等于在该工作室与每个上述空腔(9、11)之间的联系中断、发动机正以接近额定速度运转时，工作室内所含工作介质的10％，最好为15％。

20.权利要求17至19中之一所述之发动机，其特征在于：引入空气的温度和由一个循环到下一循环存留在工作室内的气体的比例，要使得如果存留在气体与新鲜空气在燃料喷入之前发生混合，则在喷射燃料时所获得的混合气体的温度要低于燃料在不产生过量未燃烧物的稳定方式之下发生自燃着火时的温度。

21.权利要求17至20中任一条所述之发动机，其特征在于：引入空气的温度和由一个循环到下一循环存留在工作室内的气体的比例，要使得工作流体的最大平均温度不超过大约1500℃，高于此温度会使氮氧化物的生成过量。

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