CN1158940A - 内燃机的循环工作方法及实施该方法的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内燃机循环工作的方法及实施该方法的装置。本发明通过将内燃机的进气、压缩、(燃烧)做功、排气四行程的循环(1x4)转换成分别由两个气缸来完成的两个两行程循环(2x2)，即压气循环(进气、压缩)与工作循环(做功、排气)，并将燃烧过程放在气缸之外的两个独立燃烧室A、B中交替进行；组成以两缸或三缸基本结构为单元的多缸内燃机，能全面提高发动机的动力性、经济性、平稳性、耐久性和洁净性。简化发动机结构，减少发动机的体积、重量、降低制造成本，并适合多种燃料。

Description

内燃机的循环工作方法及实施该方法的装置

本发明涉及一种内燃机循环工作的方法及实施该方法的装置

内燃机是一种把燃料燃烧产生的热能转换为机械能的热力式发动机装置。燃烧发生在做功工质内，通过工质膨胀驱动机械运动而做功。根据做功机械的运动形式，内燃机又可分为活塞式和转子式，其中活塞式内燃机的应用最广。

内燃机与其他热力发动机相比，具有质量轻，体积小，效率高，功率范围广，启动快和操作简便等优点。而被广泛地应用于汽车、能源、农业、矿山等机械中作为动力使用。仅以汽车内燃机为例，全世界已拥有6亿台，每年生产7千万台，其中80％是活塞式汽油机。年耗油量近15亿吨，是最主要的石油能源消耗者。据估计，地球上可供开采的石油仅供人类50-70年的需要。因此，提高内燃机的效率，节约能源，减少废气污染，开发新的代用能源，已成为世界各国最关注的议题之一。我国也不例外，年产内燃机300万台，但内燃机的质量和效率远低于发达国家的水平。

第一台实用的工业内燃机是1860年由法国人雷诺发明的以煤气为燃料电火花点火二冲程内燃机。1876年德国工程师奥托发明电火花点火四冲程煤气内燃机。1885年戴姆勒发明电火花点火四冲程汽油机并得到广泛应用。1897年德国人鲁道夫狄塞尔发明以压燃点火四冲程柴油机。在二十世纪初，内燃机的工作方法和基本结构即已确定，成为一项成熟的技术。在随后的一百多年中，人们为改善内燃机的经济性、动力性、稳定性、耐久性、洁静性等方面而不懈地努力，其性能得到了很大的提高。但内燃机的工作方法、基本结构却一直没有改变。也即现在所有内燃机的每一个工作气缸都按照奥托的四行程循环来运作。各气缸每做功一次，都要经过进气、压缩、(燃烧)作功和排气四个行程。这种在一个气缸内完成四个行程的循环工作方法可简称为1×4方法。

为更好地理解本发明的技术背景，以下以活塞式内燃机为例简述这四个工作行程。其他方式的内燃机，如汪克尔三角转子式内燃机等，其循环工作方法与此相同，只是气缸的形成与形态等不同。

(1)进气行程  活塞自上止点向下止点移动，其顶上方容积逐步增大，进气门开，排气门闭，新鲜空气或可燃混合气在真空吸力作用下进入气缸，曲轴转过180度，活塞到达下止点，进气门关闭。

(2)压缩行程  活塞自下止点向上止点移动，其顶上方容积逐步缩小，进、排气门闭，空气或可燃混合气被压缩，温度和压力升高，曲轴转过360度，活塞到达上止点时，如被压缩的是新鲜空气，则由喷嘴喷出高压燃油雾化形成可燃混合气。

(3)做功行程  活塞在上止点附近，可燃混合气高温自燃或由火花塞放电点燃燃烧，气体温度压力急剧升高而膨胀，推动活塞自上止点向下止点移动，通过连杆使曲轴转动做功。气体温度压力下降。曲轴转过540度，活塞到达下止点。

(4)排气行程  在做功行程终了时，排气门开，活塞自下止点向上止点移动，做功后的废气在自身余压及活塞挤压下被排除气缸，曲轴转过720度，活塞到达下止点后，排气门关闭。内燃机在上述循环过程中存在如下热损失：1).工质损失；2).传热损失；3).散热损失；4).燃烧损失：早燃、滞燃、后燃、补燃及不完全燃烧；5).机械损失。其中以尾气的散热损失为主，约占35-45％，冷却传热损失其次，约占15-25％，其他损失为5-10％。内燃机的真正有效效率则只有20-45％。

在不考虑传热与其他损失时，内燃机的指示效率为

    η＝1-(λρ^κ-1)/(ε^κ-1(λ-1)+κλ(ρ-1))式中，ε为压缩比，λ为定容升压比，κ为比热比，ρ为定压预胀比。增大压缩比ε、升压比λ，比热比κ及减少预胀比ρ均能提供发动机热效率。

但是，汽油机的压缩比受汽油爆燃的制约而难以提高，ε＝6-10，指示效率仅为40-55％。柴油机的压缩比较高，ε＝16-24，但燃烧时间长，预胀比较大ρ＝1.5-2.5，指示效率η＝50-60％。柴油机与汽油机相比，因压缩比高而获得较高的功率和效率，经济性好，同时废气排污(CO，HC)少。但动力性和平稳性差，尾气含碳烟，噪音大，制造成本与难度高。

二冲程内燃机是将四冲程中的进气和排气过程合并于在活塞下止点处完成并以压缩和做功行程为主。其主轴每旋转一周即作功一次，比功率较大，平稳性好，但进、排气时间太短，尾气排放不尽，效率低，耗油大，经济性差，废气污染严重。应用面较窄。

在近几十年中，有关内燃机的主要研究和发明都是围绕着提高内燃机的效率、功率及减少污染而展开的，可概括为如下几个方面：

×电子燃油喷射及点火***

×改善燃烧过程(分层稀薄燃烧，紊流、涡流燃烧)

×提高压缩比(汽油机抗爆震及表面点火技术)

×废气涡轮增压

×减少排气污染(废气循环，加水燃烧，三元催化等〕参见如下引证文献：

1).“内燃机设计总论”，H.李斯特，机械工业出版社，1980。

2).“九十年代内燃机”，赵士林，上海交通大学出版社，1992

3).“开式与分开式燃烧室分层进气发动机”，阿布兰特，北京汽车，1979.2

4).“三菱MCP分层进气发动机的最新发展”，M.Miyake，北京汽车，1979.3

5).“汽油机的爆震损坏机理及防止措施”，N.Adolph，小型内燃机，1985.4

6).“内燃机增压技术”，宋守信，同济大学出版社，1992

7).“燃油渗水燃烧的研究与应用”，俞资生，小型内燃机，1983.3

8).“内燃机排气净化”，魏心存，金国栋，华中理工大学出版社，1991检索自六十年代以来的世界专利(F02B)文献，尚未发现与本发明相近的专利，而其他方面的专利又太多，故未引用。

以上种种努力虽然改善了内燃机的性能，但内燃机的结构也相应地越来越复杂，技术要求越来越高，制造成本也越来越大。而且，由于现在的四冲程内燃机存在如下固有缺陷，制约了功率和效率的进一步提高。

A.主燃烧室由活塞、气缸、缸盖所形成，对于汽油机，为了提高效率而增大压缩比(＞8-10)时，汽油就可能发生爆震，即引起燃烧室内的一部分未燃混合气在正常火焰未到来之前的多点自燃现象，导致压力急剧上升而形成冲击波和高频动载，作用在活塞、连杆、曲轴等主运动部件上，破坏各运动副的润滑，轻则内燃机不能正常工作，重则导致发动机的损坏。因此，汽油的爆震是提高汽油机效率的拦路虎，世界各国各大内燃机厂商都投入了大量人力物力进行研究，如May火球式燃烧室，Texaco公司的TCCS、Ford公司的PPC、Honda公司的CVCC烧***等,在使用高辛烷值汽油时压缩比也只能达到12-13。低压缩比也限制了增压技术在汽油机上的应用，阻碍了汽油机功率的提高。

B.主燃烧室与气缸直通，燃料燃烧产生的高温及爆发力直接作用在主运动部件上，各运动副的工况恶劣，对发动机曲轴、连杆、活塞、气门、气缸、缸盖及各轴承副的材料选择、结构设计、加工精度、热处理工艺和装配要求都很高。特别是对压缩比较高的柴油机，燃烧室内混合气几乎同时着火燃烧，压力升高率很大，工作粗暴，必然增大各部件的尺寸重量和强度，振动与噪声也很大。

C.工质燃烧与作功在同一行程内，分配给燃烧过程的时间很有限，从(喷油、气化、混合)点火经过滞燃、速燃、缓燃和补燃过程，一般只有30-40度曲轴转角。当发动机的转速3000rpm时，对应的时间是2ms。如转速进一步提高，一方面对配气、点火、喷油等辅助机构的要求更加苛刻，如柴油机喷油泵，要求在不同的负荷和转速下按照给定的时间在1-2ms内提供精确的高压油量，其制造难度是相当大的，对于汽油机，若想通过缸内直喷，组织分层燃烧以提高压缩比，实施起来也很困难。另一方面，一般燃料正常燃烧必需经过物理和化学准备期，如汽油的滞燃期为0.5-1ms，柴油的的滞燃期为0.8-1.5ms，转速升高给予燃烧过程的时间更短，燃烧不完全，热效率降低，排污严重，同时压力升高率更大，工作更为粗暴，振动噪声急剧增大。在现行工作方式下提高效率和功率与降低工作粗暴度(爆震)是相互矛盾的，在时域中难以解决。因此，目前汽油机的转速一般限制在6000rpm、柴油机在45rpm以。

D.主燃烧室是在活塞运动过程中形成的，随着发动机的启动、荷载的变化及转速的高低，其温度场、压力场的变化很大，加之空间分布的不均匀性，特别是在缸壁、活塞与缸套、缸盖间的间隙等处，燃料不能完全燃烧，是内燃机尾气污染的主要原因。另外，作功与压缩在同一气缸内，行程相同，压缩比等于膨胀比，限制了与涡轮增压的最佳配合，制约了功率效率的进一步提高。

总之，现在的四冲程内燃机的工作方法，由于主燃烧室由活塞、缸盖共同形成，燃烧室与气缸直通，工质压缩、燃烧与做功在同一行程中，导致了汽油机的效率低，经济性差，排污严重；柴油机工作粗暴，重量和尺寸较大，辅助机构要求高，振动、噪声和碳烟大等问题。

本发明的目的：是通过提供一种新的内燃机循环工作方法及实施该方法的相应装置来全面提高内燃机的动力性(功率与扭矩特性)、经济性(效率)、平稳性(冲击和振动)、耐久性(寿命)和洁静性(排污与噪声)，简化内燃机结构，减少内燃机的体积、重量，降低制造成本，并能适合多种燃料。

本发明是通过如下方式实现的：将内燃机的进气、压缩、(燃烧)做功、排气四个工作行程的循环(1×4)转换成分别由两个气缸来进行的两个两行程的循环(2×2)；其中一个为进气、压缩的两行程循环，简称压气循环，完成该压气循环的气缸即为压气缸；另一个为做功、排气的两行程循环，简称工作循环，完成工作循环的气缸即为工作缸；同时，将燃烧过程从做功行程中分离出来，放入在气缸外设置的两个独立的但每个都有由气门控制的通道分别和压气缸与工作缸相连接的燃烧室A、B中交替进行，通过气门的顺序控制将压气与工作这两个循环按如下工作过程有机的连接起来：主轴旋转0-180度：压气缸完成第一次进气行程，工作缸完成第一次排气行程，

             燃烧室A中的压缩空气经喷油点火燃烧形成高温高压燃气；主轴旋转180-360度：压气缸完成第一次压气行程，并将被压缩的空气储存于燃烧

               室B中；燃烧室A中的高温高压燃气喷入排气后的工作缸中

               膨胀做功，工作缸完成第一次工作行程；主轴旋转360-540度：压气缸完成第二次进气行程，工作缸完成第二次排气行程，

               燃烧室B中的压缩空气经喷油点火燃烧形成高温高压燃气。主轴旋转540-720度：压气缸完成第二次压气行程，并将被压缩的空气储存于燃烧

               室A中；燃烧室B中的高温高压燃气喷入排气后的工作缸中

               膨胀做功，工作缸完成第二次工作行程。内燃机恢复到循

               环初始状态，又开始下一轮循环；由此可见，主轴每旋转二周，压气缸完成二次进气、压缩循环，工作缸完成二次做功排、气循环，燃烧室A、B各完成一次充气、喷油、点火、燃烧和放气的循环。在将上述基本循环过程应用于不同形式的内燃机，如后述的三缸基本结构活塞式内燃机或转子式内燃机时，气缸和燃烧室完成上述循环所对应的主轴转角有所不同。

与此相对应，实施该方法的内燃机装置将至少包括：一个完成压气循环的压气缸，一个完成工作循环的工作缸，两个位于压气缸与工作缸之外但每个都有由气门控制的通道分别和压气缸与工作缸相连接的燃烧室A和B，以及一套配合上述部件实施本发明所述循环的配气、供油、点火等机构。

对于实施该方法的活塞式内燃机，由于压气缸与工作缸的相对独立性，因此可以组成两种基本结构单元，一种是由一个压气缸、一个工作缸和一个内部有两个独立燃烧室的燃烧室箱组成的压气缸-燃烧室箱-工作缸形式的两缸基本结构，并以此为单元而组合扩展成直列、V型或者其他形式的二缸、四缸、六缸、八缸或者八缸以上的多缸活塞式内燃机；另一种是由一个压气缸、二个工作缸和两个燃烧室箱(每一个内部都有两个燃烧室)所组成的工作缸-燃烧室箱-压气缸-燃烧室箱-工作缸形式的三缸基本结构，其中压气缸同时向两个工作缸对应的燃烧室供气，并可以此三缸基本结构为单元而组合扩展成直列、V型或者其他形式的三缸、六缸或者六缸以上的多缸活塞式内燃机。

在如上所述的活塞式内燃机装置中：

压气缸的容积可等于或者不等于工作缸的容积，压气缸容积取决于压缩比，工作缸的容积取决于膨胀比。当膨胀比大于压缩比时，效率提高而功率下降，需要根据内燃机的用途平衡考虑，在无增压装置时一般可选膨胀比为压缩比的1-2倍。如内燃机的负荷稳定，体积不受限制时，应选大膨胀比以获得较高热效率提高经济性，节约燃料当内燃机配置废气增压器时，压缩比与膨胀比可根据增压器的特性灵活选择，达到最佳配合。

压气缸盖上设置有1-4个同步工作的进气门与进气道相连，在压气缸进气行程中开启，在压缩行程中关闭。工作缸盖上设置有1-4个同步工作的排气门与排气管相连，在工作缸排气行程中开启，在工作行程中关闭。进、排气门的直径为气缸直径的1/2-1/5。

燃烧室箱中的每个燃烧室都有一进一出两个通道分别与压气缸与工作缸相连通，各通道中均设有气门将燃烧室和气缸分开并控制着各通道的适时开启与关闭。在压气缸向燃烧室充气时，充气门开启，放气门关闭；在燃烧室向工作缸放气时，放气门开启，充气门关闭，控制放气门的开启度可调节气缸内压力升高率；在其他状态下，充、放气门均关闭。燃烧室气门直径为气缸直径的1/4-1/20。充气门端部设置一凸台，当燃烧室放气门因故障被卡住时，室内高压作用于凸台上将充气门封闭，防止高压燃气通过充气门反向冲入压气缸，引起曲轴损坏。

燃烧室的形状为圆筒型、球型或其他形状，圆筒型便于机械加工，在容积V一定时，取D＝(1.274V)^1/3时燃烧室的面容比最小，有利于减少传热损失。两个燃烧室合并做成一体化的燃烧室箱；燃烧室内表面的高温负荷最大，为减少传热损失，应选择导热系数低的耐高温材料整体制作或单独做成燃烧室套嵌入箱中，或者以普通金属材料制作机体，然后在燃烧室内表面作耐高温和耐高温氧化腐蚀的表面处理。燃烧室箱制成后嵌入气缸盖中且位于压气缸和工作缸之间，并应根据热负荷的要求设计冷却方法。

燃烧室的容积与内燃机的压缩比成反比，压缩比根据燃料的性质、内燃机的用途等因素综合确定，一般在6-40之间。对圆筒型燃烧室，在燃烧室盖和圆筒间设置螺纹连接，控制旋接的圈数可调节燃烧室的容积即改变压缩比，以补偿加工误差及磨损或适应不同燃料和负荷的需要。燃烧室进气口偏置与圆筒相切，以便形成强烈的旋流，有利于燃料液雾的扩散和火焰的传播。

每个燃烧室都装有高压喷油嘴，控制喷油嘴的喷油量，可对内燃机负荷实现质的调节。喷油嘴可采用孔式或轴针式，后者喷油压力低且有自洁作用，较为适用。高压油由柱塞式油泵供给，因供油期对应的凸轮转角增大，凸轮压力角减小，工况改善。由于供油压力减低，柱塞偶件配合间隙可适度增大，加之相对运动速度降低，在使用黏度差的汽油时，可减少磨损。泵体内应设置通风管至压气缸进气道，以回收和排除泵内泄漏的汽油气。

燃烧室根据燃料特性选配电热塞或火花塞，其位置应按燃烧室旋流方向设在喷嘴之后靠近喷嘴，在冷启动或压缩比较低或燃料自燃性差等不能压燃点火的情况下使用。在使用轻质馏分的燃料如汽油时，通过喷油嘴针阀的动作驱动点火电路低压触点来控制从喷油开始到点火的时间间隔以及延长火花持续时间或者实施多次多火花点火可保证火花塞可靠点火。如在汽油中掺入一定量的柴油，利用其黏度大自燃性好的优点，既有利于高压油泵的润滑，也有利于燃烧室的可靠点火。

供气管中还可根据负荷特征的需要来设置节气门控制压气缸进气量，来对内燃机负荷实施质、量的联合调节。

各缸及各燃烧室气门的开启都通过由主轴驱动的一至两根凸轮轴上相应的凸轮来控制。凸轮轴的转速是主轴转速的一半。在设置双凸轮轴而两轴间距离偏小时，由主轴齿形皮带驱动其中一根，再以齿轮传动另一根；当只设置一根凸轮轴时，由于燃烧室的气门中心线偏离气缸中心线，必须设置摇臂或者倒L型驱动臂来驱动气门。为消除凸轮与气门杆间的间隙，可采用液压挺杆。凸轮设计还应当根据气门动特性和气体运动惯性考虑各气门的适度早开迟闭。

本发明比现有技术的优点：1).两个燃烧室交替工作，当其中一个工作时，另一个处于准备状态，起缓冲作用。这样，点火(喷油)、燃烧可以在180度以上的主轴转角内进行，时间余量比现在的工作方法扩大五倍以上。转速3000，6000，9000rpm时对应的时间分别为10，5，3ms，利用已有技术即可从容地实施向燃烧室连续喷射燃油，喷油量由小到大，并在喷射开始时射流形成的富油区内点火或自燃，随后，边喷油边燃烧，形成稳定连续的燃烧火焰，使工质的温度和压力逐步升高，直至喷油结束，其结果是

a.对于汽油机，由现在的预混燃烧方式改变成液雾扩散燃烧方式，在火焰形成时非火焰区不存在或只有极稀的可燃混合气，也就不可能产生爆震，从而在根本上解决了汽油爆震的难题，可以大幅提高汽油机压缩比，不但增大了功率，而且大幅提高了热效率，如压缩比从8提高到20，汽油机指示效率从48％提高到65％，增幅达17％；特别在部分负荷时可作稀薄燃烧，改变了现在汽油机在低负荷和低转速时气门节流与低压缩比导致的低效率的状况；对于柴油机，点火时同时自燃的油量很少，可极大地改善燃烧室工作粗暴度，并对其配气、供油、点火等辅助设施的要求大为降低。

b.内燃机压缩比可设计得较高，而且燃烧过程既可适用于汽油，也可适用于柴油或其他气态、液态燃料。特别是可以使用辛烷值低的馏程在300-650K的中、轻质馏份，可减少分馏和提高辛烷值所耗能源与费用，降低燃料***格。

c.燃烧时间增长，这样可以燃烧从煤中提炼的氢碳比低的合成燃料，开辟更广泛的燃料来源。

d.在现有技术下内燃机转速可有较大提高而基本上不受燃烧过程的制约，功率相应增大。汽油机还可配置废气增压，使比功率大幅提高。

e.燃烧可以充分而且是在容积不变的燃烧室内进行，避免了补燃、后燃等预涨因素对效率的不利影响，有利于提高效率，减少尾气中

CO，HC或碳黑的排放。2).燃烧室在气缸之外，把燃烧产生的高温、高压集中在结构简单尺寸小的燃烧室内。而不直接作用在活塞及其他发动机主构件上，控制放气门的开启度可调节气缸内压力升高率，改善了活塞等主构件的受力和各运动副的工况，提高了运转的平稳性，这样：a.内燃机主构件的强度和技术要求降低，减少了内燃机的尺寸和重量，降低生产成本；

b.运动副工况改善减少了摩擦力，内燃机转速可相应提高，有利于功率的增大；

c.燃烧室形状不受气缸的限制，选取合理的参数可使面容比降低50％以上,高温部件的放热面积减少，且采用导热系数低的材料，冷却热损失可相应减少；

d.内燃机的振动、噪声大幅减少。3).压气与膨胀作功分别在两个缸内完成，这样：

a.通过没置两缸的容积比使循环的压缩比小于膨胀比，以提高热效率；或者通过节气门控制压气缸进气量，既可以实施负荷调节，在大负荷时满功率输出；又可在中低负荷时使循环的实际压缩比小于膨胀比，降低尾气排放的温度和压力，提高指示热效率。当配置废气增压时，可灵活选择膨胀比和压缩比来达到与增压装置的最佳配合。

b.工作缸与压气缸及其他主运动部件的受力及热负荷波动减少，有利于其使用寿命的提高。4).主轴每旋转一次，工作缸即作功一次。当采用三缸基本结构的内燃机时，三个气缸的工作等同于1×4循环的四个缸，从而简化了发动机的结构，减少了发动机的体积重量。在发动机尺寸和效率相同时气缸当量工作容积可增大38％，即功率相应增大38％以上。5).进排气管分别对应于压气缸与工作缸，互不干涉，结构简单，易于布置，有利于安装废气增压装置。另外，还可在进气管中开设通道，设置气门，在必要时将废气或水蒸气引入循环，改善排污。6).本发明的活塞式内燃机，其曲轴、活塞、连杆等基本构件与现有活塞式内燃机相近，可以利用现有的制造设备和技术来生产，易于实施。甚至对现有的内燃机，通过更换其缸盖、进排气管等和增设少量部件即可改造成本发明方式的内燃机。

本发明的所有目的、优点和技术方案通过以下结合附图所阐述的两个具体实施例将更为清楚明确。

附图1为现有技术四行程内燃机工作方式示意图。附图2为本发明的内燃机工作方式示意图。附图3为本发明第一实施例的结构原理示意图。附图4为本发明第一实施例的结构示意B-B剖视图。附图5为本发明第一实施例的结构示意A-A剖视图。附图6为本发明第一实施例的结构示意C-C剖视图。附图7为本发明第一实施例的结构原理示意图。附图8为本发明第二实施例的曲轴结构示意图。

实施例一  两气缸结构活塞式内燃机

活塞式内燃机可以以本例提供的两气缸结构为单元进行组合扩展，形成直列或V型四缸、六缸、八缸等多缸内燃机以满足不同的需要。

参见附图3，活塞式内燃机由两个气缸组成。气缸1为工作缸，气缸2为压气缸。工作缸1和压气缸2之间有两个燃烧室A，B。压气缸与工作缸的直径行程等具体尺寸根据膨胀比、压缩比及其他技术要求确定。

曲轴的两个活塞曲柄180度对置，以确保曲轴运转平稳。曲轴转角以压气缸活塞在上止点为起点(0度)，此时压气缸2已完成向燃烧室B的充气，活塞下行进气。工作缸1活塞上行排气，各缸及燃烧室状态随曲轴转角的变化如下表：过程    主轴转角(度)    压气缸    燃烧室A    燃烧室B    工作缸

1        0-180         进气      空置      喷油点燃    排气

2       180-360        压缩      充气       放气       做功

3       360-540        进气     喷油点燃    空置       排气

4       540-720        压缩      放气       充气       做功

上述过程中，点燃可理解为压燃点火或电火花点火。为了配合以上过程，各气缸及燃烧室的气门在凸轮轴的驱动下在各行程开始时开启，在行程结束时关闭。

参见附图4、5、6，工作缸(1)和压气缸(2)并列，缸盖(4)安装在缸体(3)上，两根凸轮轴(5)通过前后两个滚动轴承支承在缸盖上，并由齿形皮带和带轮(12)驱动；它们与主轴的转速比为1∶2，这样可同时控制各缸及燃烧室的进出气门。凸轮轴每转一圈，工作缸的排气门(11)和压气缸的进气门(6)上下工作两次，与其对应的凸轮应为轴对称形状。两个燃烧室的充气门(7)和排气门(10)则各上下一次。

气缸盖(4)上固定有一个燃烧室箱(9)，箱内有两个圆筒形的燃烧室，其尺寸由发动机的压缩比决定。燃烧室盖(8)与燃烧室箱(9)以螺纹连接，控制旋入的圈数可适量调节压缩比。每个燃烧室有一进一出两个通道与压气缸和工作缸连通，其中进气道偏置与燃烧室圆筒相切，压缩空气进入后在燃烧室内形成强烈旋流；通道口处设置气门(7)和(10)，气门面积不宜过大或过小，过大，则室内气体压力通过气门杆作用在凸轮轴上的压力大，引起凸轮轴变形，过小，则气体通过时的节流损失增大，效率降低，一般可选气门直径为工作缸直径的1/4-1/20。

本例中如设气缸的直径为80mm，行程也是80mm，其容积为402ml，取压缩比为18，则燃烧室容积为22.3ml，其直径与高度可为30.5mm。燃烧室充、放气门直径为气缸直径的1/8，即10mm；气缸的气门直径可取25-30mm。

燃烧室及其附件的耐高温要求高，用耐高温材料制造。目前常用的高温材料有Ni基合金，其工作温度可达1400K。其他还有Co基和Fe基合金等。陶瓷材料也是很好的耐高温材料，而且导热系数低，在满足机械强度和冲击韧性要求时可优先应用。箱体上根据热负荷的需要来设置冷却水道。

对应于每个燃烧室，箱体上还按照室内旋流方向顺序安装有喷油嘴(14)和电热塞或火花塞(13)。在以柴油为燃料时，安装电热塞；在使用其他难以压燃点火燃料时换装火花塞。

燃烧室气门(7)和(10)的末端为圆锥形，位于燃烧室内侧，进气门末端设置凸台，在燃烧室高压时将进气门封闭，防止高压燃气反冲或泄漏入压气缸内，影响正常工作。工作缸和压气缸的进、排气门(6)，(11)的末端为圆盘形，位于气缸的内侧。为增大进、排气门的面积(6)和(11)可以是双气门或多气门结栬。气门组件可采用传统的气门结构，由气门杆、气门导管、气门弹簧、液压挺柱等组成。

燃烧室高温将产生NOx。在温度超过1800K时，N₂的分子链被活性的O原子分解为N原子而与氧反应生成Nox。可采用如下抑制方法：

a.减少燃油供应，组织稀薄燃烧，减低燃烧温度。

b.调节喷油泵使喷油及点火燃烧尽量靠近做功行程，缩短高温维持时间。

c.在进气管中开设通道和节门，引入废气或水雾或水蒸气。废气中含有较多水蒸气，水蒸气和碳可在较低的温度下抢先发生水煤气反应及氧化反应，能有效地抑制NOx的生成。废气或水汽的引入量通过节门控制，一般在空气量的0-20％之间。

内燃机的负荷调节方式，根据负荷的性质而定，一般采用质调节即可，但也可以采用辅助性量调节。如在以柴油为燃料时，压缩比不能太小一般应大于16，以保证可靠的压燃点火。对汽车发动机而言，实施质、量联调，则负荷调节的范围更广，其功率与扭矩贮备系数更大，动力性更好。实施例二：三气缸结构活塞式内燃机

活塞式内燃机可以以本例提供的三气缸结11为单元进行组合扩展，形成直列或V型六缸等多缸内燃机以满足不同的需要。三缸机相当于1×4循环的四缸机，六缸机相当于1×4循环的八缸机。

参见附图7，发动机由三个气缸组成。气缸1和3为工作缸，气缸2为压气缸。工作缸1、3和压气缸2之间分别有两个燃烧室A，B及C，D。压气缸同时向两个燃烧室供气，当设压缩比等于膨胀比时，压气缸2的容积是工作缸1容积的两倍，但其直径则只是1.414倍。

本例中如设发动机的膨胀比/压缩比＝1，两个工作缸(1)，(3)的直径为100mm，行程为100mm，则容积为785ml，压气缸容积应是工作缸的2倍，为1570ml，其行程与工作缸相同，亦为100mm，可求得直径为141mm。三缸总容积为3140ml，其功率当量于相同容积的四行程发动机，而纵向长度缩短60mm，且省略了一套曲拐、轴承、活塞、连杆及气门等部件，减少内燃机重量，降低生产成本。

参见附图8，曲轴的两个工作缸活塞曲柄180度对置，以确保曲轴运转平稳。压气缸活塞曲柄在二者之间，相差90度。曲轴转角以压气缸活塞在上止点为起点(0度)，压气缸正好完成向燃烧室A、C的充气此时工作缸1活塞上行排气，缸3活塞在燃烧室D中热气驱动下下行作功，各缸及燃烧室状态随曲轴转角的变化如下表：曲轴转角(度)    缸2    燃A    燃B      缸1    燃C    燃D    缸3

-90-0         压气   充气   点燃     排气   充气   放气   做功

 0-90         进气   过渡   燃烧     排气   过渡   放气   做功90-180         进气   过渡   放气     做功   点燃   过渡   排气180-270         压气   过渡   放气     做功   燃烧   充气   排气270-360         压气   点燃   充气     排气   放气   充气   做功360-450         进气   燃烧   过渡     排气   放气   过渡   做功450-540         进气   放气   过渡     做功   过渡   点燃   排气540-630         压气   放气   过渡     做功   充气   燃烧   排气

本实施例的三缸内燃机的气缸、气门、燃烧室及其他辅助装置的结构与实施例一的结构相似，不再重述。

Claims (10)

1.一种内燃机的循环工作方法，它由工质的进气、压缩、(燃烧)做功、排气四个行程的循环所组成，将燃料燃烧所产生的热量转换为机械能；本发明的特征是：将工质的四行程循环(1×4)转换成分别由两个气缸来完成的两个两行程的循环(2×2)，其中一个为压气循环，包括进气、压缩两个行程，由压气缸来完成；另一个为工作循环，包括做功、排气两个行程，由工作缸来完成；同时将燃烧过程从做功行程中分离出来，放入在气缸外设置的两个独立的但每个都有由气门控制的通道分别和压气缸与工作缸相连接的燃烧室A、B中交替进行，通过气门的顺序控制将压气与工作这两个循环按如下工作过程有机的连接起来：主轴旋转0-180度：压气缸完成第一次进气行程，工作缸完成第一次排气行程，

            燃烧室A中的压缩空气经喷油点火燃烧形成高温高压燃气；主轴旋转180-360度：压气缸完成第一次压气行程，并将被压缩的空气储存于燃烧

              室B中；燃烧室A中的高温高压燃气喷入排气后的工作缸中

              膨胀做功，工作缸完成第一次工作行程；主轴旋转360-540度：压气缸完成第二次进气行程，工作缸完成第二次排气行程，

              燃烧室B中的压缩空气经喷油点火燃烧形成高温高压燃气；主轴旋转540-720度：压气缸完成第二次压气行程，并将被压缩的空气储存于燃烧

              室A中；燃烧室B中的高温高压燃气喷入排气后的工作缸中

              膨胀做功，工作缸完成第二次工作行程；内燃机恢复到循

              环初始状态，又开始下一轮循环；因此，主轴每旋转二周，压气缸完成二次进气、压缩循环，工作缸完成二次做功、排气循环，燃烧室A、B各完成一次充气、喷油、点火、燃烧和放气的循环；当在不同形式的内燃机上实施此方法时，各气缸和燃烧室完成上述循环所对应的主轴转角将有所不同。

2.一种实施权利要求1所述方法的内燃机装置，它由气缸、燃烧室及配气供油点火等机构所组成，其特征在于该装置至少包括：一个完成压气循环的压气缸，一个完成工作循环的工作缸，一个位于压气缸与工作缸之外又在此两缸之间的内部有两个燃烧室A和B的燃烧室箱以及一套配合上述三个部件实施权利要求1所述循环的配气、供油与点火等机构；其中燃烧室箱中的每个燃烧室都有一进一出两个通道分别与压气缸与工作缸相连通，各通道中均设有气门将燃烧室和气缸分开并控制着各通道的适时开启与关闭。

3.根据权利要求2所述的内燃机装置，是由气缸、活塞、曲轴、连杆等机构所组成的活塞式内燃机，其特征在于：它是一个由两缸基本结构为单元而组合扩展的直列、V型或者其他形式的二缸、四缸、六缸、八缸或者八缸以上的多缸活塞式内燃机，该两缸基本结构是由一个压气缸、一个工作缸和一个燃烧室箱及其为之配套工作的配气、供油点火等机构所组成，其结构形式为压气缸-燃烧室箱-工作缸。

4.根据权利要求2所述的内燃机装置，是由气缸、活塞、曲轴、连杆等机构所组成的活塞式内燃机，其特征在于：它是一个由三缸基本结构为单元而组合扩展的直列、V型或者其他形式的三缸、六缸或者六缸以上的多缸活塞式内燃机，该三缸基本结构是由一个压气缸、二个工作缸和两个燃烧室箱及其为之配套工作的配气、供油点火等机构所组成，其结构形式为工作缸-燃烧室箱-压气缸-燃烧室箱-工作缸，其中压气缸同时向两个工作缸对应的燃烧室供气。

5.根据权利要求2、3或4所述的内燃机装置，其特征在于：压气缸的容积等于或者不等于工作缸的容积；在压气缸缸盖上设置有1-4个同步工作的进气门与进气道相连，在压气缸进气行程中开启，在压缩行程中关闭；在工作缸缸盖上设置有1-4个同步工作的排气门与排气管相连，在工作缸排气行程中开启，在工作行程中关闭。

6.根据权利要求2、3或4所述的内燃机装置，其特征在于：在燃烧室与压气缸间的通道中设置有充气门，在燃烧室与工作缸间的通道中设置有放气门；当压气缸向燃烧室充气时，充气门开启，放气门关闭；当燃烧室向工作缸放气时，放气门开启，充气门关闭；在其他状态下，充、放气门均关闭；充、放气门的末端为圆锥形，气门直径为工作缸直径的1/4-1/20，充气门末端还设置凸台。

7.根据权利要求2、3或4所述的内燃机装置，其特征在于：燃烧室的容积是压气缸容积的1/6-1/40之间；各燃烧室为圆筒型、燃烧室盖与其以螺纹连接，控制旋接的圈数可调节燃烧室的容积即压缩比；燃烧室进气道偏置与圆筒相切；燃烧室以导热系数低的耐高温材料制作。

8.根据权利要求2、3或4所述的内燃机装置，其特征在于：每个燃烧室都装有高压喷油嘴和选配电热塞或火花塞，电热塞或火花塞的位置沿燃烧室旋流方向在喷油嘴之后，并靠近喷油嘴；在以柴油为燃料时配装电热塞，在使用汽油或其他难以压燃的燃料时配置火花塞，其点火是通过喷油嘴针阀的动作来触发。

9.根据权利要求2、3或4所述的内燃机装置，其特征在于：该装置是以汽油，或者柴油，或者汽油与柴油的混合油，或者馏程在300至650K之间的中、轻质石油馏分，或者从煤中获取的合成燃油，或者其他可燃气体或液体为燃料，通过喷油嘴喷入燃烧室内，并在燃烧室内完成气体或液雾的扩散燃烧。

10.根据权利要求2、3或4所述的内燃机装置，其特征在于：各缸及各燃烧室气门的开启都通过由主轴驱动的一至两根凸轮轴上相应的凸轮来控制，凸轮轴的转速是主轴转速的一半，凸轮驱动气门控制同一燃烧室箱中的两个燃烧室处于交替的充放气状态。

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