專利名稱：采用雙重壓縮和雙重膨脹過程的內(nèi)燃機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及內(nèi)燃機(jī)，包括火花點(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)和壓縮點(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)。更具體地，本 發(fā)明涉及采用雙重過程來壓縮和膨脹空氣-燃料混合物的內(nèi)燃機(jī)。
背景技術(shù)：
該部分的內(nèi)容僅提供與本發(fā)明有關(guān)的背景信息，且可能不構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)?，F(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)通常屬于火花點(diǎn)火類型和壓縮點(diǎn)火類型。在操作期間，內(nèi)燃機(jī)的效率 取決于許多因素，包括容積和熱力效率。為了提高前者，設(shè)計(jì)者數(shù)十年來已經(jīng)使發(fā)動(dòng)機(jī)配置 有強(qiáng)制進(jìn)氣裝置，包括渦輪增壓器和增壓器，其主要是基本發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的附加裝置。雖然相 對易于維護(hù)，但是這些裝置可能是有問題的且由于其設(shè)計(jì)固有的多個(gè)方面而受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
一種內(nèi)燃機(jī)包括壓縮氣缸、至少一個(gè)動(dòng)力氣缸、和膨脹氣缸。每個(gè)氣缸具有相應(yīng)的 孔徑和滑動(dòng)地設(shè)置在其中的活塞、帶閥的入口端口、以及帶閥的出口端口。每個(gè)相應(yīng)活塞被 操作性地連接到曲軸。壓縮氣缸的出口端口設(shè)置有通道，從壓縮氣缸排出的氣體通過所述 通道被引導(dǎo)至所述至少一個(gè)動(dòng)力氣缸的入口端口。所述至少一個(gè)動(dòng)力氣缸的出口端口設(shè)置 有通道，從所述至少一個(gè)動(dòng)力氣缸排出的氣體通過所述通道被引導(dǎo)至所述膨脹氣缸的入口 端口。所述發(fā)動(dòng)機(jī)還包括凸輪軸，所述凸輪軸被充分地操作性地連接到曲軸，使得在壓縮氣 缸和膨脹氣缸的入口端口和出口端口上存在的閥對曲軸的每一轉(zhuǎn)均經(jīng)歷一個(gè)開啟-關(guān)閉 循環(huán)，且使得在所述至少一個(gè)動(dòng)力氣缸的入口端口和出口端口上存在的閥對曲軸的每兩轉(zhuǎn) 均經(jīng)歷一個(gè)開啟-關(guān)閉循環(huán)。本發(fā)明公開了下述技術(shù)方案。1. 一種內(nèi)燃機(jī)，包括壓縮氣缸，所述壓縮氣缸具有孔徑、帶閥的入口端口、以及帶閥的出口端口，所述 孔徑具有滑動(dòng)地設(shè)置在其中的第一活塞，所述第一活塞被操作性地連接到曲軸；至少一個(gè)動(dòng)力氣缸，所述至少一個(gè)動(dòng)力氣缸具有孔徑、帶閥的入口端口、以及帶閥 的出口端口，所述孔徑具有滑動(dòng)地設(shè)置在其中的第二活塞，所述第二活塞被操作性地連接 到所述曲軸；膨脹氣缸，所述膨脹氣缸具有孔徑、帶閥的入口端口、以及帶閥的出口端口，所述 孔徑具有滑動(dòng)地設(shè)置在其中的第三活塞，所述第三活塞被操作性地連接到所述曲軸；所述壓縮氣缸的出口端口設(shè)置有通道，從壓縮氣缸排出的氣體通過所述通道被引 導(dǎo)至所述至少一個(gè)動(dòng)力氣缸的入口端口，所述至少一個(gè)動(dòng)力氣缸的出口端口設(shè)置有通道， 從所述至少一個(gè)動(dòng)力氣缸排出的氣體通過所述通道被引導(dǎo)至所述膨脹氣缸的入口端口；所述發(fā)動(dòng)機(jī)還包括凸輪軸，所述凸輪軸被充分地操作性地連接到所述曲軸，使得 在所述壓縮氣缸和所述膨脹氣缸的所述入口端口和所述出口端口上存在的閥對所述曲軸 的每一轉(zhuǎn)均經(jīng)歷一個(gè)開啟-關(guān)閉循環(huán)，且使得在所述至少一個(gè)動(dòng)力氣缸的所述入口端口和所述出口端口上存在的閥對所述曲軸的每兩轉(zhuǎn)均經(jīng)歷一個(gè)開啟-關(guān)閉循環(huán)。2.根據(jù)方案1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述壓縮氣缸的排量容積充分地超過所述至 少一個(gè)動(dòng)力氣缸的排量容積，以允許從所述壓縮氣缸排出進(jìn)入所述至少一個(gè)動(dòng)力氣缸的氣 體在進(jìn)入所述至少一個(gè)動(dòng)力氣缸時(shí)處于比相同氣體在其進(jìn)入所述壓縮氣缸時(shí)所處的壓力 更大的壓力。3.根據(jù)方案2所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述發(fā)動(dòng)機(jī)充分地配置成允許引入動(dòng)力氣缸 的氣體在壓縮氣缸的出口端口和動(dòng)力氣缸的入口端口之間的通道中發(fā)生至少一些壓縮。4.根據(jù)方案1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述膨脹氣缸的排量容積充分地超過所述動(dòng) 力氣缸的排量容積，以允許從所述動(dòng)力氣缸排出進(jìn)入所述膨脹氣缸的氣體在存在于所述膨 脹氣缸中時(shí)處于比相同氣體在從所述動(dòng)力氣缸排出時(shí)所處的壓力更低的壓力。5.根據(jù)方案4所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述發(fā)動(dòng)機(jī)充分地配置成允許引入膨脹氣缸 的氣體在動(dòng)力氣缸的出口端口和膨脹氣缸的入口端口之間的通道中發(fā)生至少一些膨脹。6.根據(jù)方案1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，壓縮氣缸的排量與動(dòng)力氣缸的排量的比率是 在約5 1至約1.1 1之間的范圍內(nèi)的任何比率，包括它們之間的任何比率和比率范圍。7.根據(jù)方案1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，膨脹氣缸的排量與動(dòng)力氣缸的排量的比率是 在約5 1至約1.1 1之間的范圍內(nèi)的任何比率，包括它們之間的任何比率和比率范圍。8.根據(jù)方案1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，還包括熱交換器，所述熱交換器與離開膨脹氣缸的 氣體有效地?zé)峤佑|，且與在壓縮氣缸的出口端口和動(dòng)力氣缸的入口端口之間的通道中存在 的氣體有效地?zé)峤佑|。9.根據(jù)方案8所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，熱從離開所述膨脹氣缸的所述氣體傳遞給引 入所述動(dòng)力氣缸的氣體。10.根據(jù)方案1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，還包括熱交換器，所述熱交換器與在壓縮氣缸的出 口端口和動(dòng)力氣缸的入口端口之間的通道中存在的氣體有效地?zé)峤佑|，其中，所述熱交換 器從存在的所述氣體有效地去除熱。11.根據(jù)方案1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，還包括在所述動(dòng)力氣缸的出口端口和所述膨脹氣 缸的入口端口之間的通道中存在的氧化催化劑。12.根據(jù)方案1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和閥正時(shí)事件配置成允許 壓縮和膨脹過程在兩個(gè)獨(dú)立氣缸之間發(fā)生。13.根據(jù)方案1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，包括一個(gè)壓縮氣缸、兩個(gè)動(dòng)力氣缸和一個(gè)膨脹氣缸 的多個(gè)組。14. 一種內(nèi)燃機(jī)，包括動(dòng)力氣缸、壓縮氣缸和膨脹氣缸，其中，所述壓縮氣缸將壓縮 空氣充氣提供給所述動(dòng)力氣缸，其中，所述動(dòng)力氣缸將燃燒氣體提供給所述膨脹氣缸，所述 氣缸中的每個(gè)都配備有包括活塞和曲軸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)組件，每個(gè)氣缸的活塞均操作性地連接 到共同曲軸。15.根據(jù)方案14所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，還包括氧化催化劑，在所述發(fā)動(dòng)機(jī)操作期間，所述 氧化催化劑與離開所述動(dòng)力氣缸的氣體有效地接觸。16.根據(jù)方案14所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述發(fā)動(dòng)機(jī)的至少一個(gè)部件設(shè)置有絕熱材料層。17. 一種用于操作內(nèi)燃機(jī)的方法，包括
提供活塞驅(qū)動(dòng)式內(nèi)燃機(jī)，所述內(nèi)燃機(jī)具有壓縮氣缸、至少一個(gè)動(dòng)力氣缸、和膨脹氣 缸，每個(gè)所述氣缸具有帶閥的入口以及帶閥的出口，壓縮氣缸的出口與動(dòng)力氣缸的入口有 效流體連通，動(dòng)力氣缸的出口與膨脹氣缸的入口有效流體連通，所述發(fā)動(dòng)機(jī)配置成使得在 所述氣缸中的每個(gè)中存在的活塞被共同曲軸驅(qū)動(dòng)，且還配置成使得在所述壓縮氣缸和所述 膨脹氣缸的所述入口和所述出口處存在的閥對所述曲軸的每一轉(zhuǎn)均經(jīng)歷一個(gè)開啟-關(guān)閉 循環(huán)，且使得在所述至少一個(gè)動(dòng)力氣缸的所述入口和所述出口處存在的閥對所述曲軸的每 兩轉(zhuǎn)均經(jīng)歷一個(gè)開啟_關(guān)閉循環(huán)；將可燃燒燃料提供給所述發(fā)動(dòng)機(jī)；以及將點(diǎn)火源提供給所述發(fā)動(dòng)機(jī)。18.根據(jù)方案17所述的方法，其中，所述發(fā)動(dòng)機(jī)配置成允許壓縮和膨脹過程在兩 個(gè)獨(dú)立氣缸之間發(fā)生。19.根據(jù)方案17所述的方法，還包括提供熱交換器，所述熱交換器使得熱從所述膨脹氣缸的出口中存在的氣體流向進(jìn) 入動(dòng)力氣缸的氣體。20.根據(jù)方案17所述的方法，還包括提供熱交換器，所述熱交換器使得熱從進(jìn)入動(dòng)力氣缸的氣體流出。21.根據(jù)方案17所述的方法，還包括提供氧化催化劑，以在離開所述動(dòng)力氣缸的氣體進(jìn)入所述膨脹氣缸之前與所述氣 體接觸。22.根據(jù)方案17所述的方法，其中，所述可燃燒燃料在選自以下的組的位置處提 供給所述發(fā)動(dòng)機(jī)，所述組包括所述壓縮氣缸、所述動(dòng)力氣缸、所述膨脹氣缸、以及在發(fā)動(dòng)機(jī) 操作期間足以允許所述燃料進(jìn)入所述氣缸中的至少一個(gè)的任何位置。23.根據(jù)方案17所述的方法，還包括在發(fā)動(dòng)機(jī)操作期間，使得氮化合物引入所述膨脹氣缸。


現(xiàn)在將參考附圖示例性地描述一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，在附圖中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)的示意圖；圖2A-2F示出了在各個(gè)操作階段下的根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞 和閥的運(yùn)動(dòng)和位置；圖3示出了在根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的操作發(fā)動(dòng)機(jī)中在一個(gè)循環(huán)內(nèi)的工作流體 的壓力與體積的關(guān)系；圖4示出了在根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的操作發(fā)動(dòng)機(jī)中在一個(gè)循環(huán)內(nèi)的動(dòng)力氣缸 的壓力與體積的關(guān)系和壓力與溫度的關(guān)系的比較；和圖5提供了在根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)中存在的熱流的示意圖。
具體實(shí)施例方式在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供四缸內(nèi)燃機(jī)，包括兩沖程壓縮氣缸、兩沖程膨脹氣缸 以及一對四沖程動(dòng)力氣缸。參考附圖，附圖僅僅作為本發(fā)明的示例性說明提供而不是用于解釋為對其的界定，圖1示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)10的示意圖。在圖1中示出了壓 縮氣缸3，壓縮氣缸3通常包括孔徑且在一個(gè)實(shí)施例中配備有往復(fù)活塞，所述活塞借助于連 桿(如本領(lǐng)域已知的這種布置)操作性地連接到可旋轉(zhuǎn)曲軸。壓縮氣缸3具有壓縮機(jī)入口 5，在壓縮機(jī)入口 5處，空氣(在燃料噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下)或空氣-燃料混合物(在化油 器式發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下)能以第一壓力Pl引入，第一壓力Pl通常是環(huán)境壓力，但是在其它實(shí) 施例中可以是高于環(huán)境壓力的任何供應(yīng)壓力。壓縮氣缸3還包括壓縮機(jī)出口 7，所存在的氣 體從壓縮氣缸3通過壓縮機(jī)出口 7借助于往復(fù)活塞在氣缸孔徑內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)而以第二壓力p2 傳輸，第二壓力P2優(yōu)選為比第一壓力pi更高的壓力。在優(yōu)選實(shí)施例中，壓縮機(jī)入口 5和壓 縮機(jī)出口 7是閥控制的通道，存在的閥被至少一個(gè)凸輪軸或者與其有效地操作性地連接的 其它已知機(jī)構(gòu)致動(dòng)，以提供足以由于前述活塞的向上沖程而允許第二壓力P2的大小超過 第一壓力Pl的閥正時(shí)。在一個(gè)實(shí)施例中，壓縮機(jī)入口 5和壓縮機(jī)出口 7處的閥是通常用于 內(nèi)燃機(jī)中的常規(guī)氣門，且壓縮氣缸3以兩沖程方式操作，在活塞連接的曲軸的每一轉(zhuǎn)內(nèi)發(fā) 生一個(gè)壓縮沖程。 在被壓縮氣缸3強(qiáng)制排出時(shí)，壓縮氣體被引導(dǎo)至動(dòng)力氣缸的入口，該動(dòng)力氣缸包 括連接到曲軸的活塞，此曲軸在一些實(shí)施例中是與壓縮氣缸3的活塞所連接曲軸相同的曲 軸。動(dòng)力氣缸配備有至少一個(gè)入口閥和至少一個(gè)出口閥，這些閥被致動(dòng)以具有有效地允許 動(dòng)力氣缸以常規(guī)4沖程方式操作的正時(shí)事件，S卩，在曲軸的每兩轉(zhuǎn)內(nèi)具有一個(gè)動(dòng)力沖程和 一個(gè)排氣沖程。在一個(gè)實(shí)施例中，存在單個(gè)動(dòng)力氣缸。在另一個(gè)實(shí)施例中，如圖1所示，存在 兩個(gè)動(dòng)力氣缸，第一動(dòng)力氣缸9和第二動(dòng)力氣缸15，壓縮氣缸3充分地定尺寸為允許其將足 以允許動(dòng)力氣缸以常規(guī)4沖程模式操作的進(jìn)氣氣體供應(yīng)給第一動(dòng)力氣缸9和第二動(dòng)力氣缸 15中的每一個(gè)；然而，本發(fā)明提供在1和4之間(包括1和4)的任何數(shù)量的動(dòng)力氣缸，所 述動(dòng)力氣缸用離開單個(gè)壓縮氣缸的氣體供給。因而，壓縮氣缸3將進(jìn)氣氣體以通常大于大 氣壓的壓力提供給動(dòng)力氣缸，在這方面，壓縮氣缸起到類似于渦輪增壓器或增壓器的作用。 第一動(dòng)力氣缸9配備有入口閥11和出口閥13，第二動(dòng)力氣缸15或額外動(dòng)力氣缸(在存在 時(shí))也配備有入口閥17和出口閥19。本發(fā)明還包括每個(gè)動(dòng)力氣缸具有一個(gè)以上的入口閥 和/或出口閥的實(shí)施例。根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)10的進(jìn)一步特征在于存在膨脹氣缸21，膨脹 氣缸21包括孔徑且在一個(gè)實(shí)施例中配備有往復(fù)活塞，所述活塞借助于連桿(如本領(lǐng)域已知 的這種布置)操作性地連接到可旋轉(zhuǎn)曲軸。在一個(gè)實(shí)施例中，膨脹氣缸21的活塞所連接的 曲軸與壓縮氣缸3和動(dòng)力氣缸的活塞所連接的曲軸是共同的，曲軸上的曲拐配置成允許在 本文根據(jù)參考圖2A-2F所闡述的說明設(shè)置的發(fā)動(dòng)機(jī)的操作。膨脹氣缸21充分地定尺寸為 能夠容納選定數(shù)量的動(dòng)力氣缸的排氣，所述選定數(shù)量的動(dòng)力氣缸的排氣輸出氣體通過入口 閥被引導(dǎo)至膨脹氣缸21，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中是兩個(gè)動(dòng)力氣缸。本文所述的氣體行進(jìn)通過 入口閥和出口閥的配置由鑄造到歧管和氣缸蓋中的一體通道以及一個(gè)或多個(gè)閥致動(dòng)的可 旋轉(zhuǎn)凸輪軸或其它閥致動(dòng)機(jī)構(gòu)使用本領(lǐng)域公知的技術(shù)來提供。在一個(gè)實(shí)施例中，通過改變 現(xiàn)有凸輪軸輪廓以允許一個(gè)或多個(gè)現(xiàn)有氣缸用作壓縮氣缸且一個(gè)或多個(gè)現(xiàn)有氣缸用作膨 脹氣缸，使得現(xiàn)有的多缸氣缸活塞操作的內(nèi)燃機(jī)如本文所述那樣操作，其中，合適的氣體流 通道設(shè)置在現(xiàn)有入口和出口端口之間，如本文所述。在優(yōu)選實(shí)施例中，膨脹氣缸21以兩沖 程方式操作。在離開膨脹氣缸21時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣被直接排放至環(huán)境或者按路線引導(dǎo)給排氣 后處理系統(tǒng)，所述排氣后處理系統(tǒng)包括用于減少排放物的已知系統(tǒng)，通常包括氧化和還原催化劑。圖2A-2F示出了在各個(gè)操作階段下的根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞 和閥的相對運(yùn)動(dòng)和位置。在操作期間，存在進(jìn)氣沖程A(圖2A)，在進(jìn)氣沖程A期間，壓縮氣 缸中的活塞在氣缸孔徑中向下行進(jìn)，同時(shí)壓縮機(jī)入口閥開啟，其出口閥關(guān)閉。這將空氣抽吸 到壓縮氣缸中。動(dòng)力氣缸中的活塞向上行進(jìn)，其入口閥關(guān)閉且其出口閥開啟。膨脹氣缸的 入口閥開向正在經(jīng)歷第二膨脹(E2)的另一個(gè)動(dòng)力氣缸，如下文進(jìn)一步所述，其活塞向下行 進(jìn)，同時(shí)其出口閥關(guān)閉。在壓縮沖程Cl (圖2B)體積，壓縮氣缸的入口閥關(guān)閉且其出口閥開啟，從而允許壓 縮氣缸中存在的氣體通過動(dòng)力氣缸的開啟入口閥被強(qiáng)制進(jìn)入動(dòng)力氣缸中，動(dòng)力氣缸的出口 閥關(guān)閉。由于壓縮氣缸相對于動(dòng)力氣缸較大的容積，該氣體將處于比大氣壓更高的壓力，且 所述氣缸定尺寸為使得這優(yōu)選是在約1. Ibar和約8. Obar之間的范圍內(nèi)的任何壓力。動(dòng)力 氣缸中的活塞向下行進(jìn)，從而從壓縮氣缸引入氣體。膨脹氣缸中的活塞向上行進(jìn)，其入口閥 關(guān)閉且其出口閥開啟，以將膨脹氣缸中先前存在的氣體驅(qū)出。第二壓縮沖程C2在圖2C中示出，在第二壓縮沖程C2期間，動(dòng)力氣缸的入口和出 口閥均關(guān)閉，其活塞在其孔徑中向上行進(jìn)以在點(diǎn)火之前進(jìn)一步壓縮其容納的氣體，所述點(diǎn) 火可以是壓縮點(diǎn)火或火花點(diǎn)火。在活塞在動(dòng)力氣缸孔徑中向上行進(jìn)期間，壓縮氣缸和膨脹 氣缸中的活塞均在其孔徑中向下行進(jìn)，這些氣缸的入口閥均開啟且這些氣缸的出口閥均關(guān) 閉。壓縮沖程C2之后是膨脹沖程El (圖2D)，在膨脹沖程El期間，由于動(dòng)力氣缸內(nèi)的 點(diǎn)火和燃燒闡述的氣體促使動(dòng)力氣缸中的活塞向下，動(dòng)力氣缸中的閥在該動(dòng)力沖程期間均 關(guān)閉。在活塞在動(dòng)力氣缸孔徑中向下行進(jìn)期間，壓縮氣缸和膨脹氣缸中的活塞均在其孔徑 中向上行進(jìn)，這些氣缸的入口閥均關(guān)閉且這些氣缸的出口閥均開啟。在動(dòng)力氣缸的動(dòng)力沖程之后，動(dòng)力氣缸中存在的活塞在其孔徑中向上行進(jìn)，從而 將其范圍內(nèi)的基本上燃燒的氣體通過其開啟的出口閥驅(qū)出到膨脹氣缸。在該第二膨脹沖程 E2(圖2E)中活塞在動(dòng)力氣缸孔徑中向上行進(jìn)期間，壓縮氣缸和膨脹氣缸中的活塞均在其 孔徑中向下行進(jìn)，這些氣缸的入口閥均開啟且這些氣缸的出口閥均關(guān)閉。在第二膨脹沖程E2期間，動(dòng)力氣缸的出口閥開啟且其入口閥關(guān)閉，從而允許動(dòng)力 氣缸中存在的氣體通過膨脹氣缸的開啟入口閥被強(qiáng)制/膨脹進(jìn)入膨脹氣缸，膨脹氣缸的出 口閥關(guān)閉。在一個(gè)實(shí)施例中，膨脹氣缸相對于動(dòng)力氣缸定尺寸為使得該氣體將膨脹至大約 Ibar壓力的壓力。在另一個(gè)實(shí)施例中，膨脹氣缸相對于動(dòng)力氣缸定尺寸為使得該氣體將膨 脹至這樣的壓力該壓力高于環(huán)境壓力在約0. 05bar和約0. 5bar之間的范圍(包括它們之 間的任何范圍)內(nèi)的任何量。最后，如圖2F所示，發(fā)生排氣沖程F，在排氣沖程F期間，壓縮氣缸和膨脹氣缸中的 活塞均在其孔徑中向上行進(jìn)，這些氣缸的入口閥均關(guān)閉且這些氣缸的出口閥均開啟，膨脹 氣缸的開啟出口閥允許燃燒的膨脹氣體從發(fā)動(dòng)機(jī)排出。動(dòng)力氣缸中的活塞向下行進(jìn)，其入 口閥開啟以引入空氣的新鮮充氣，以用于隨后的燃燒，上文所述的循環(huán)(圖2A-2F)在本文 設(shè)置的發(fā)動(dòng)機(jī)操作期間重復(fù)。對于存在第二動(dòng)力氣缸的實(shí)施例而言，發(fā)動(dòng)機(jī)的正時(shí)事件設(shè) 置成使得壓縮氣缸的輸出從壓縮氣缸的第一壓縮沖程供給第一動(dòng)力氣缸，且在其隨后下一 個(gè)壓縮沖程上，壓縮氣缸將其輸出供給第二動(dòng)力氣缸。以通常術(shù)語提供的上文所述的正時(shí)事件，閥開啟和關(guān)閉事件、其在閥處的凈升程、持續(xù)時(shí)間和重疊使用本領(lǐng)域公知的計(jì)算和標(biāo) 定方法來容易地定制以實(shí)現(xiàn)氣體反向(gasreversion)、空氣質(zhì)量慣性管理等的程度，這對 于所述發(fā)動(dòng)機(jī)的給定終端用途應(yīng)用來說可能是期望的。因而，在一個(gè)實(shí)施例，本文設(shè)置的發(fā)動(dòng)機(jī)包括內(nèi)燃機(jī)，其中，壓縮和膨脹過程以兩 個(gè)階段進(jìn)行，在兩個(gè)獨(dú)立氣缸的組合中發(fā)生。在壓縮的第一階段期間，氣體從相對較大的壓 縮氣缸壓縮到相對較小的動(dòng)力氣缸中，動(dòng)力氣缸經(jīng)歷常規(guī)4沖程循環(huán)。第二膨脹階段發(fā)生 在動(dòng)力氣缸和較大膨脹氣缸之間，該膨脹允許通過回收化學(xué)能和否則在未根據(jù)本發(fā)明操作 時(shí)損失的熱量而增加熱力效率。此外，本文使用的膨脹氣缸的存在提供了增加數(shù)量的操作 變量，其優(yōu)勢是在壓縮期間可以通過溫度控制來減少發(fā)動(dòng)機(jī)排放物。在圖3中示出了在操作根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)中在一個(gè)循環(huán)內(nèi)的工作 流體的壓力與體積的關(guān)系，具體地參考關(guān)于圖2所示和所述的循環(huán)。在曲線圖的每個(gè)階段 標(biāo)記與先前所述的沖程(A、C1、C2、E1、E2和F)相對應(yīng)的部分。因而，根據(jù)該實(shí)施例的發(fā)動(dòng) 機(jī)是每個(gè)循環(huán)1080曲軸角度(CAD)的6沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，但是在相對于與每個(gè)壓縮和膨脹氣缸 對相對應(yīng)每對動(dòng)力氣缸的循環(huán)之間有360CAD的重疊。所述發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)益處在于可能借助于熱交換器從膨脹氣缸回收熱量，且通過在 熱量回收過程中將所述熱量傳遞給動(dòng)力氣缸的進(jìn)氣氣體而利用該熱量。在常規(guī)內(nèi)燃機(jī)中， 該熱能基本上被廢棄，不能做任何壓力*體積功。通過將否則廢棄的熱量預(yù)熱利用到被引 入用于燃燒的氣體，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力效率高于不包含該特征的發(fā)動(dòng)機(jī)。這在圖4 中更清楚地示出，圖4示出了在操作所述發(fā)動(dòng)機(jī)中在一個(gè)循環(huán)內(nèi)的工作流體的壓力與體積 的關(guān)系和壓力與溫度的關(guān)系的比較。從這些曲線圖可以看出，對于具有本文所述的余熱利 用的循環(huán)而言，在P-V曲線內(nèi)的有效面積(表示有用功)更大。另一個(gè)益處通過借助于在 發(fā)動(dòng)機(jī)操作期間將液體物質(zhì)(包括但不限于水)噴射到壓縮氣缸中而增加在壓縮氣缸中發(fā) 生的壓縮的等溫特性來實(shí)現(xiàn)。在替代操作模式中，上述熱交換器用于冷卻包括用于動(dòng)力氣缸的進(jìn)氣充氣的氣 體。在采用時(shí)，這種壓縮冷卻對于減少在火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)或火花輔助壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)中的任何 存在的提前點(diǎn)火的趨勢是有益的。圖5提供了在根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)中存在的 熱流的示意圖，包括所述特征且還示出了在動(dòng)力氣缸的出口和膨脹氣缸的入口之間存在的 催化劑。對于在點(diǎn)火/燃燒之后離開動(dòng)力氣缸的氣體包含未燃燒燃料的情形，在該階段處 催化劑的存在經(jīng)由更完全的燃燒而提供附加熱量的生成，否則，這通常在氧化催化劑階段 中作為流出后處理系統(tǒng)的氣體的一部分而損失。在該階段，從催化氧化回收化學(xué)能提高了 發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。催化劑可以是以常規(guī)方式設(shè)置的任何常規(guī)非均相催化劑，例如設(shè)置在床上 或單塊上且本身可以通過噴射氣體或液體(例如，壓縮空氣)來輔助。雖然已經(jīng)參考包括四個(gè)氣缸的發(fā)動(dòng)機(jī)提供前述說明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員現(xiàn)在在 考慮該說明書之后可以理解，通過使用在發(fā)動(dòng)機(jī)本體和部件制造領(lǐng)域公知的和采用的常規(guī) 鑄造和機(jī)加工技術(shù)，本發(fā)明根據(jù)其教導(dǎo)內(nèi)在地且容易地提供附加發(fā)動(dòng)機(jī)，其配置成以8缸 配置、12缸配置、或包括所述四個(gè)氣缸(S卩，一個(gè)壓縮氣缸、兩個(gè)動(dòng)力氣缸和一個(gè)膨脹氣缸 的組)的整數(shù)倍的大致任何配置。通過控制活塞在其所設(shè)置的氣缸孔徑內(nèi)行進(jìn)時(shí)活塞掃過體積(即，氣缸的有效排 量)的相對比率，在設(shè)置根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)能夠提供動(dòng)力氣缸的寬范圍的可能壓縮比，從而控制容積和熱力效率。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮氣缸相對于動(dòng)力 氣缸定尺寸為使得壓縮氣缸的排量與動(dòng)力氣缸的排量的比率是在約5 1至約1.1 1之 間的范圍內(nèi)的任何比率，包括它們之間的任何比率和比率范圍。在根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施 例的發(fā)動(dòng)機(jī)中，膨脹氣缸相對于動(dòng)力氣缸定尺寸為使得膨脹氣缸的排量與動(dòng)力氣缸的排量 的比率是在約5 1至約1.1 1之間的范圍內(nèi)的任何比率，包括它們之間的任何比率和 比率范圍。在一些實(shí)施例中，膨脹和壓縮氣缸的排量大致相等。在一個(gè)替代實(shí)施例中，壓縮 氣缸的排量大于膨脹氣缸的排量。在另一個(gè)實(shí)施例中，壓縮氣缸的排量小于膨脹氣缸的排 量。在一些實(shí)施例中，膨脹氣缸的排量與壓縮氣缸的排量的比率是在約5 1至約1 5 之間的范圍內(nèi)的任何比率，包括它們之間的任何比率和比率范圍。由于存在的氣缸的排量 容積的寬的變化性，可提供寬范圍的壓縮比，從而給予比配備有渦輪增壓器或增壓器的發(fā) 動(dòng)機(jī)更高的壓縮比容量和更高的熱力效率。這至少部分通過以下配置增加在根據(jù)本發(fā)明 的發(fā)動(dòng)機(jī)操作期間，在壓縮過程期間從一個(gè)氣缸到另一個(gè)氣缸的氣體傳輸引入了在壓縮過 程的關(guān)閉部分期間將熱傳遞給充氣氣體或從充氣氣體傳熱的能力。本文提供的發(fā)動(dòng)機(jī)能使用任何可燃燒燃料操作，包括但不限于常規(guī)燃料氫、脂肪 族烴、芳烴、油、蠟、柴油燃料、汽油、和包括乙醇、乙醚和酯的氧化燃料、以及包括前述燃料 的混合物。在替代實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)還可以使用非常規(guī)燃料操作，包括但不限 于粉煤、廢油和生物質(zhì)能衍生物。在優(yōu)選實(shí)施例中，可燃燒燃料提供給動(dòng)力氣缸的燃燒室。在替代實(shí)施例中，可燃燒 燃料提供給鄰近動(dòng)力氣缸的入口閥的位置，該位置確保在操作期間燃料引入動(dòng)力氣缸。在其它替代實(shí)施例中，可燃燒燃料提供給膨脹氣缸或鄰近其入口閥的位置，該位 置確保在操作期間燃料引入膨脹氣缸?？扇紵剂瞎?yīng)給膨脹氣缸的實(shí)施例可以有利地用 作后燃燒器，以減少排放物且獲得效率增加。在另外的替代實(shí)施例中，可燃燒燃料提供給壓縮氣缸。在替代實(shí)施例中，可燃燒燃 料提供給鄰近壓縮氣缸的入口閥的位置，該位置確保在操作期間燃料引入壓縮氣缸。在一些替代實(shí)施例中，使得后處理方案引入膨脹氣缸，包括但不限于用于從發(fā)動(dòng) 機(jī)減少特定(particulant)排放物和/或氮氧化物排放的尿素和其它已知還原劑的方案。 已知還原劑包括有機(jī)氮化合物和無機(jī)氮化合物的方案。對于機(jī)動(dòng)車輛或期望擁有排放物處 理設(shè)備的其它物品來說，還原劑的這種有利的使用減輕了位于膨脹氣缸下游的排放物處理 系統(tǒng)或裝置呈現(xiàn)的負(fù)擔(dān)。根據(jù)提供的任何實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)的效率的進(jìn)一步增加可通過在根據(jù)本發(fā)明的發(fā) 動(dòng)機(jī)的任何部分上設(shè)置絕熱材料層來實(shí)現(xiàn)，所述部分例如設(shè)置在動(dòng)力氣缸和膨脹氣缸之間 的氣體傳輸端口、設(shè)置在動(dòng)力氣缸和壓縮氣缸之間的氣體傳輸端口、膨脹氣缸本身以及動(dòng) 力氣缸本身。在一個(gè)實(shí)施例中，絕熱材料是任何合適的陶瓷材料，能以涂層的形式提供給端 口、氣缸、活塞、或本文提供的發(fā)動(dòng)機(jī)的任何其它部分的內(nèi)表面或外表面。然而，可以采用本 領(lǐng)域已知的任何其它合適的絕熱材料。本發(fā)明已經(jīng)描述了某些優(yōu)選實(shí)施例及其變型。本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀和理解說明 書以后可以想到其它變型和變化。因而，本發(fā)明并不限于作為用于實(shí)施本發(fā)明的最佳模式 公開的具體實(shí)施例，本發(fā)明將包括落入所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。
權(quán)利要求
一種內(nèi)燃機(jī)，包括壓縮氣缸，所述壓縮氣缸具有孔徑、帶閥的入口端口、以及帶閥的出口端口，所述孔徑具有滑動(dòng)地設(shè)置在其中的第一活塞，所述第一活塞被操作性地連接到曲軸；至少一個(gè)動(dòng)力氣缸，所述至少一個(gè)動(dòng)力氣缸具有孔徑、帶閥的入口端口、以及帶閥的出口端口，所述孔徑具有滑動(dòng)地設(shè)置在其中的第二活塞，所述第二活塞被操作性地連接到所述曲軸；膨脹氣缸，所述膨脹氣缸具有孔徑、帶閥的入口端口、以及帶閥的出口端口，所述孔徑具有滑動(dòng)地設(shè)置在其中的第三活塞，所述第三活塞被操作性地連接到所述曲軸；所述壓縮氣缸的出口端口設(shè)置有通道，從壓縮氣缸排出的氣體通過所述通道被引導(dǎo)至所述至少一個(gè)動(dòng)力氣缸的入口端口，所述至少一個(gè)動(dòng)力氣缸的出口端口設(shè)置有通道，從所述至少一個(gè)動(dòng)力氣缸排出的氣體通過所述通道被引導(dǎo)至所述膨脹氣缸的入口端口；所述發(fā)動(dòng)機(jī)還包括凸輪軸，所述凸輪軸被充分地操作性地連接到所述曲軸，使得在所述壓縮氣缸和所述膨脹氣缸的所述入口端口和所述出口端口上存在的閥對所述曲軸的每一轉(zhuǎn)均經(jīng)歷一個(gè)開啟 關(guān)閉循環(huán)，且使得在所述至少一個(gè)動(dòng)力氣缸的所述入口端口和所述出口端口上存在的閥對所述曲軸的每兩轉(zhuǎn)均經(jīng)歷一個(gè)開啟 關(guān)閉循環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述壓縮氣缸的排量容積充分地超過所述至 少一個(gè)動(dòng)力氣缸的排量容積，以允許從所述壓縮氣缸排出進(jìn)入所述至少一個(gè)動(dòng)力氣缸的氣 體在進(jìn)入所述至少一個(gè)動(dòng)力氣缸時(shí)處于比相同氣體在其進(jìn)入所述壓縮氣缸時(shí)所處的壓力 更大的壓力。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述發(fā)動(dòng)機(jī)充分地配置成允許引入動(dòng)力氣缸 的氣體在壓縮氣缸的出口端口和動(dòng)力氣缸的入口端口之間的通道中發(fā)生至少一些壓縮。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述膨脹氣缸的排量容積充分地超過所述動(dòng) 力氣缸的排量容積，以允許從所述動(dòng)力氣缸排出進(jìn)入所述膨脹氣缸的氣體在存在于所述膨 脹氣缸中時(shí)處于比相同氣體在從所述動(dòng)力氣缸排出時(shí)所處的壓力更低的壓力。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述發(fā)動(dòng)機(jī)充分地配置成允許引入膨脹氣缸 的氣體在動(dòng)力氣缸的出口端口和膨脹氣缸的入口端口之間的通道中發(fā)生至少一些膨脹。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，壓縮氣缸的排量與動(dòng)力氣缸的排量的比率是 在約5 1至約1.1 1之間的范圍內(nèi)的任何比率，包括它們之間的任何比率和比率范圍。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，膨脹氣缸的排量與動(dòng)力氣缸的排量的比率是 在約5 1至約1.1 1之間的范圍內(nèi)的任何比率，包括它們之間的任何比率和比率范圍。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，還包括熱交換器，所述熱交換器與離開膨脹氣缸的 氣體有效地?zé)峤佑|，且與在壓縮氣缸的出口端口和動(dòng)力氣缸的入口端口之間的通道中存在 的氣體有效地?zé)峤佑|。
9.一種內(nèi)燃機(jī)，包括動(dòng)力氣缸、壓縮氣缸和膨脹氣缸，其中，所述壓縮氣缸將壓縮空氣 充氣提供給所述動(dòng)力氣缸，其中，所述動(dòng)力氣缸將燃燒氣體提供給所述膨脹氣缸，所述氣缸 中的每個(gè)都配備有包括活塞和曲軸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)組件，每個(gè)氣缸的活塞均操作性地連接到共 同曲軸。
10.一種用于操作內(nèi)燃機(jī)的方法，包括提供活塞驅(qū)動(dòng)式內(nèi)燃機(jī)，所述內(nèi)燃機(jī)具有壓縮氣缸、至少一個(gè)動(dòng)力氣缸、和膨脹氣缸，每個(gè)所述氣缸具有帶閥的入口以及帶閥的出口，壓縮氣缸的出口與動(dòng)力氣缸的入口有效流 體連通，動(dòng)力氣缸的出口與膨脹氣缸的入口有效流體連通，所述發(fā)動(dòng)機(jī)配置成使得在所述 氣缸中的每個(gè)中存在的活塞被共同曲軸驅(qū)動(dòng)，且還配置成使得在所述壓縮氣缸和所述膨脹 氣缸的所述入口和所述出口處存在的閥對所述曲軸的每一轉(zhuǎn)均經(jīng)歷一個(gè)開啟-關(guān)閉循環(huán)， 且使得在所述至少一個(gè)動(dòng)力氣缸的所述入口和所述出口處存在的閥對所述曲軸的每兩轉(zhuǎn) 均經(jīng)歷一個(gè)開啟-關(guān)閉循環(huán)；將可燃燒燃料提供給所述發(fā)動(dòng)機(jī)；以及 將點(diǎn)火源提供給所述發(fā)動(dòng)機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明涉及采用雙重壓縮和雙重膨脹過程的內(nèi)燃機(jī)。一種內(nèi)燃機(jī)包括壓縮氣缸、至少一個(gè)動(dòng)力氣缸、和膨脹氣缸。壓縮氣缸的出口供給動(dòng)力氣缸的入口，動(dòng)力氣缸的出口供給膨脹氣缸。壓縮氣缸和膨脹氣缸以兩沖程方式操作，動(dòng)力氣缸以四沖程方式操作，所述氣缸中的全部共用共同曲軸。熱可以從排氣回收且引導(dǎo)給動(dòng)力氣缸的入口氣體，從而增加總體效率。
文檔編號F02M7/00GK101900027SQ20101019293
公開日2010年12月1日 申請日期2010年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月27日
發(fā)明者R·P·杜雷特, V·戈帕拉克里什納 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司