專利名稱：應用二沖程阿特金森循環(huán)的多模全頂置氣門二沖程內燃機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種應用二沖程阿特金森循環(huán)的多模全頂置氣門二沖程內燃機，它采用一種新的熱力學循環(huán)被稱作二沖程阿特金森循環(huán)，以及采用此循環(huán)的可變循環(huán)模式的頂置氣門二沖程內燃機。
背景技術：
改進以便提高內燃機的熱效率是內燃機最重要的改進設計?，F在使用最普遍的四沖程和二沖程內燃機始終不能達到卡諾循環(huán)理論所指出的理論最高熱效率。提高內燃機的熱效率，主要有三個方法:增加熱燃氣的膨脹做工、降低摩擦損耗、降低冷卻散熱。作為機械發(fā)明可以不考慮散熱和材料方面的工作，因此唯一可以做的工作是設計新的機械來增加熱燃氣的膨脹做工。眾所周知，四沖程內燃機做功一次需要四個沖程，而二沖程內燃機僅需要二個沖程，因此二沖程內燃機摩擦損耗要少約一半。而早在1882年阿特金森就發(fā)明了阿特金森循環(huán)，這是一個膨脹沖程大于壓縮沖程的四沖程熱力學過程，可以令高溫燃氣充分膨脹從而提聞熱效率。但典型的二沖程內燃機效率比阿特金森內燃機低，依然有繼續(xù)提高的可能性，而阿特金森內燃機中四沖程機械的問題是平衡性很差，近似原理的米勒循環(huán)內燃機功率又比標準的四沖程內燃機低很多。能否將阿特金森循環(huán)用于改造二沖程內燃機以提高其效率，并利用二沖程內燃機來解決阿特金森循環(huán)的平衡性問題并改善其輸出功率不足的問題？因此想到發(fā)展一種二沖程形式的阿特金森內燃機。普通的二沖程內燃機的結構仍具有改進的空間和必要。以往的二沖程內燃機的換氣門不是全部有開在氣缸的圓柱形側壁之上的孔洞，至多只有排氣門在氣缸頂部，這樣導致氣門開閉的時間無法調整，造成內燃機無法根據工況來調整。因此氣門有必要全部改成四沖程內燃機慣用的全頂置氣門的技術形式。當氣門的開閉與活塞的位置無關的時候，二沖程內燃機的氣門可以 做到更多的變化，可以根據需要調整開閉的時間。公開號為CN201025113之電噴四沖程改為電噴二沖程的汽油發(fā)動機，雖然有利用全頂置氣門結構來做二沖程內燃機氣缸掃氣的想法，但其采用的是在活塞上止點掃氣的方法，這樣的工作循環(huán)其實并不是標準的二沖程內燃機，其前置的增壓器壓縮比必然要很大，比普通二沖程內燃機的增壓器壓力大很多，必需與四沖程內燃機壓縮比一樣，而活塞是所有形式壓縮機中效率最高的，也是最簡單的，如果用活塞壓縮進入的空氣而后在送到另一個活塞里面燃燒做功，結構上復雜，體積和重量都很大，其實也就是相當于四沖程內燃機，毫無優(yōu)勢可言。公開號為CN2544108之氣缸頂部有進排氣閥的二沖程內燃機，雖然有利用全頂置氣門結構來做二沖程內燃機氣缸掃氣的想法，但其采用的普通的四沖程頂置氣門技術，這樣的頂置氣門技術無法為二沖程內燃機做有效的氣缸掃氣，不符合專利申請的可重復性、有效性的基本要求，即任選一種現有的頂置氣門形式無法完成活塞處于下止點附近時的氣缸掃氣，其結果是進入氣缸的純潔的空氣與燃燒后的高溫廢氣混合，且這種混合可變性大，不能保證每個工作循環(huán)具有近似的輸出功率和點火特性等，因而工作會不穩(wěn)定。公開號為CN101660461之頂置外開配氣二沖程發(fā)動機，采用全頂置氣門的設計，并且具有導流結構體，企圖令掃氣更加干凈徹底。但此種導流結構體過大則壓縮比不好，過小則根本沒有隔絕進氣與排氣的效果，也無法解決氣門背面積存廢氣的問題。另外，采用阿特金森循環(huán)的二沖程內燃機始終比標準循環(huán)的二沖程內燃機功率小，因此為令內燃機具有更大的功率，并兼顧效率，最好是可以使用二種熱循環(huán)模式的雙模內燃機，即此內燃機既可以是阿特金森循環(huán)的二沖程內燃機，也可以變換成為標準循環(huán)的二沖程內燃機。更有可能，可以通過調節(jié)全可變氣門機構FVVT來改變二沖程阿特金森內燃機的排量和壓縮比，從而適應不同的進氣壓力，由此產生了多重模式的一臺內燃機。日本本田汽車公司一款內燃機采用了雙模式工作方式，VTEC阿特金森內燃機利用成熟的VTEC技術將其中一個凸輪做成專供阿特金森循環(huán)的高角度凸輪，通過切換不同形狀的凸輪，令內燃機在奧拓四沖程內燃機和阿特金森循環(huán)內燃機之間切換，從而達到兼顧最大輸出功率和低功率時具有高效率的目的，從而表明:多重工作模式的內燃機是普通內燃機最重要的改進方法。本發(fā)明需要全可變氣門正時技術，即氣門打開的時刻所對應的曲軸角度與關閉的時刻所對應的曲軸角度是可以單獨連續(xù)無級別可調的。這個關鍵性技術由本發(fā)明的發(fā)明人已經申請數個相關專利，有很多形式，例如可參考專利申請?zhí)?01010164316.6包含變速擺機構的全可變氣門正時方法和機構。本發(fā)明的實施例所采用的也是這個專利技術。具有多種形式和結構的全可變氣門正時技術所具有的氣門控制的特性是一樣的，因而選用任何一個做為實施例的說明是等效的，具有相同的意義。

發(fā)明內容
本專利針對上述缺陷作出新的解決方案，需要一種新的內燃機，將二沖程內燃機改進成為全頂置氣門掃氣形式，實現將阿特金森循環(huán)嵌入到標準二沖程循環(huán)中的目的，這樣可以在普通四沖程內燃機或二沖程內燃機基礎上經過最少的改進而得到一種新型高效率內燃機。 發(fā)明所提供的一種二沖程阿特金森循環(huán):在通常二沖程循環(huán)的基礎上，將掃氣過程偏置，向壓縮沖程移動，縮小的壓縮沖程的距離，延長了膨脹沖程的距離，壓縮沖程小于膨脹沖程，壓縮沖程和膨脹沖程做成非對稱，即一種平衡的阿特金森循環(huán)，又是一種二沖程循環(huán)，是在二沖程循環(huán)中嵌入阿特金森循環(huán)。所述二沖程阿特金森循環(huán)又可以這樣描述:是將進氣和排氣過程重疊之后形成阿特金森循環(huán)，即在通常的阿特金森循環(huán)基礎上，排氣過程與進氣過程作重交疊，即以掃氣替代通常的阿特金森循環(huán)中的排氣與進氣過程。發(fā)明所提供的內燃機是:一種應用二沖程阿特金森循環(huán)的多模全頂置氣門二沖程內燃機，是進氣門和排氣門全部頂置的二沖程發(fā)動機，由傾斜的進氣門和相應的氣缸蓋、全可變氣門正時機構驅動氣門、成型頂活塞與其他相應部件組成。內燃機是否具有火花塞由內燃機類型決定。所述多模全頂置氣門二沖程內燃機可以在標準二沖程內燃機、二沖程阿特金森內燃機、可調壓縮比和排量的內燃機三個工作模式下工作，并可以相互轉換。發(fā)明也提供了一種將普通四沖程或二沖程內燃機改進成為二沖程阿特金森循環(huán)內燃機的方法，用掃氣方式替代活塞吸氣-排氣方式，在氣門控制方面，要調整凸輪軸或相應掃氣控制機構的轉速或頻率必需與曲軸的轉速比達到1: 1，采用全可變氣門正時機構或同等作用的氣門控制機構，調整凸輪軸上的凸輪的角度或同等作用機構的參數，使得進氣門和排氣門可以做到近似同時開啟和關閉，并且這樣的掃氣過程的時機和持續(xù)時間可以做連續(xù)無級別的調整。發(fā)明也提供了一種可調排量和壓縮比的內燃機和方法，是一種具有全可變氣門正時驅動機構、頂置氣門、成型頂活塞的二沖程內燃機。所述的可調排量和壓縮比的方法是通過改變吸氣的體積和保持活塞上止點，使得等效的壓縮比得以連續(xù)改變。發(fā)明也提供了一種可變循環(huán)模式的內燃機和方法，所述可變循環(huán)模式的內燃機是:包含全可變氣門正時、成型頂活塞和特殊氣缸蓋的二沖程內燃機。所述方法是:采用掃氣的方式換氣，采用二沖程為一個工作循環(huán)，可在典型二沖程循環(huán)、阿特金森循環(huán)、可變排量和壓縮比內燃機等三種循環(huán)模式之間變換工作模式。所述可變循環(huán)模式的方法，即通過改變掃氣過程的時間長短和過程的時機，從而改變內燃機的工作循環(huán)的模式和循環(huán)參數。發(fā)明也提供了一種利于掃氣的氣缸結構，其特征在于在普通頂置氣門四沖程內燃機的基礎上，將進氣門傾斜，并向氣缸蓋內部移動形成一個內凹槽，進氣門的最大升程不大于內凹槽的深度，進氣管與活塞運動軌跡的夾角近零度，同時在活塞上增加二個斜切柱狀凸起并使之配合氣缸蓋上的內凹槽，同時氣缸蓋也必需適應活塞所具有的斜面。


圖1是二沖程阿特金森循環(huán)的示意圖，示出了二沖程阿特金森循環(huán)中活塞位置與曲軸角度的對應關系，以及標準的阿特金森循環(huán)和二沖程循環(huán)的混合特征。圖2是多模全頂置氣門二沖程內燃機的示意圖，示出了其所具有的全可變氣門正時機構和各種可調機構。圖3是多模全頂置氣門二沖程內燃機的另一個視角的示意圖，示出了其排氣門具有的全可變氣門正時機構·和各種可調機構。圖4是多模全頂置氣門二沖程內燃機的另一個視角的示意圖，示出了其進氣門所具有的全可變氣門正時機構及其可調機構。圖5是多模全頂置氣門二沖程內燃機的旋轉剖視示意圖，示出了其所具有的氣門結構、進氣管方向和活塞的形狀。圖6是多模全頂置氣門二沖程內燃機的旋轉剖視示意圖，示出了其在氣門打開時活塞的位置，以及氣門被氣缸蓋的氣門套部分封閉的情況。圖7是多模全頂置氣門二沖程內燃機的活塞示意圖，示出了其所具有的二個配合氣門的突起，以及斜面和平面的角度。圖8是多模全頂置氣門二沖程內燃機的活塞示意圖，示出了其所具有的二個配合氣門的突起，以及斜面和平面的角度，突起的端面的凹陷弧度不一樣。圖9是多模全頂置氣門二沖程內燃機的全可變氣門正時機構的效果示意圖，示出了全可變氣門正時機構可以改變氣門打開的持續(xù)時間以及開啟的時間。圖10是多模全頂置氣門二沖程內燃機的改變排量和壓縮比的示意圖，示出了通過將降低吸氣量來降低壓縮比。圖11是多模全頂置氣門二沖程內燃機改變工作模式的示意圖，示出了通過改變掃氣時機來改變膨脹與壓縮體積從而可以將內燃機從二沖程內燃機改變到阿特金森內燃機，或者反之。
具體實施例方式本發(fā)明的所述的二沖程阿特金森循環(huán)可參考圖1。通常的二沖程循環(huán)的掃氣過程是對稱的，即產生的效果是膨脹沖程與壓縮沖程的距離是一樣的。阿特金森循環(huán)要求膨脹沖程大于壓縮沖程，因此在通常二沖程循環(huán)的基礎上，將壓縮沖程和膨脹沖程做成非對稱，將掃氣過程偏置，向壓縮沖程移動，縮小的壓縮沖程的距離，延長了膨脹沖程的距離，壓縮沖程小于膨脹沖程，即一種平衡的阿特金森循環(huán)，又是一種二沖程循環(huán)，是在二沖程循環(huán)中嵌入阿特金森循環(huán)，也是將進氣和排氣重疊之后形成的阿特金森循環(huán)。所述二沖程阿特金森循環(huán)又或可以這樣描述，在通常的阿特金森循環(huán)基礎上，排氣過程與進氣過程作重交疊，即以掃氣替代通常的阿特金森循環(huán)中的排氣與進氣過程。圖1中，按照往復活塞內燃機的結構，曲軸角對應著活塞的位置，曲軸角(CA角)旋轉360度，活塞從上止點至下止點再回到上止點，因而上止點既是循環(huán)開始的地方(O度CA角)，也是循環(huán)結束的地方(360度CA角)。顯然按圖所示，進氣/吸氣與排氣過程配合起來就是一個掃氣過程，這個過程顯然是偏向了活塞的壓縮沖程；保持一個圓周360度角度不變，因此壓縮沖程變短，膨脹沖程變長，形成了一個典型的膨脹沖程大于壓縮沖程的阿特金森循環(huán)。本發(fā)明所揭示的新的循環(huán)方式的實質，就是將一個四沖程阿特金森循環(huán)拆分成二個，一長(膨脹沖程或排氣沖程)一短(壓縮沖程或吸氣沖程)配合，并用進氣/吸氣與排氣過程配合起來形成一個掃氣過程填補二者的沖程差。這里的活塞的沖程，是360度曲軸角所對應的一部分，而不再是活塞的上止點至下止點之間的距離，活塞的上止點和下止點不變，而膨脹沖程是由上止點至掃氣開始或者排氣或者進氣的開始，而壓縮沖程是由掃氣結束或者進氣或者排氣結束開始至上止點。如此的循環(huán)過程的安排，不止可以實現阿特金森循環(huán)，大幅度節(jié)約內燃機的油耗，或者提高內燃機的功率，而且是連續(xù)可調掃氣過程的循環(huán)方式，因為掃氣的時機已經由氣門決定而非活塞。根據已經公開的全可變氣門正時技術，掃氣過程的開始與結束的時刻或者CA角度，可以單獨調整，即氣門開啟的時機和持續(xù)開啟的時間獨立可調。連續(xù)可調掃氣過程的循環(huán)方式將令此循環(huán)方式具有更多的可變性，也就是多重循環(huán)方式的并存。通過調整掃氣，可以令內燃機在普通二沖程循環(huán)、二沖程阿特金森循環(huán)、可調排量和壓縮比三種循環(huán)方式下工作。參考圖1，從曲軸角度Tl至T2是膨脹沖程，從T2至T4是排氣/進氣過程，從T3至T5是吸氣/排氣過程，從T5至Tl是壓縮過程。從Tl經T2至T5再回到Tl，是曲軸轉動360度的一個循環(huán)過程，對于二沖程內燃機而言也是一個完整的熱力學循環(huán)過程，排氣/進氣過程與吸氣/排氣過程是二個不同的工作方式的合并描述，他們之間的配合是排氣-吸氣、進氣-排氣，也就是氣缸內氣體的掃氣換氣方式的二種方式，二種方式的不同在于膨脹系數的不同。當活塞膨脹至下止點時，若膨脹比較小，則氣缸內氣體的殘余壓力大于排氣管中的壓力時，先打開排氣門令氣缸內的高壓氣體被快速瀉放，并形成排氣管氣流的流動慣性，將氣缸抽成真空，然后再打開進氣門，吸入新鮮空氣，新鮮空氣的運動形成慣性運動，掃清氣缸內的殘余燃氣，于是形成排氣-吸氣。當活塞膨脹至下止點時，若膨脹比較大，則氣缸內氣體的殘余壓力小于排氣管中的 壓力時，先打開進氣門令進氣管中經過增壓的高壓空氣打入氣缸，沖擊氣缸內的殘余燃氣，令氣缸內壓力高于排氣管壓力，然后再打開排氣門，瀉放廢氣，于是形成進氣-排氣。前一種排氣-吸氣需要的進氣增壓較小或者無需進氣增壓，而后一種則必需有進氣增壓系統(tǒng)，但二者皆可完成二沖程阿特金森循環(huán)。因而，T2至T3是氣體慣性前置角，而T4至T5就是氣體慣性后置角。以下為了簡化敘述，將二種掃氣過程統(tǒng)一簡稱為進氣/排氣過程或者掃氣過程。參考圖9，顯示了全可變氣門正時的作用，在一個曲軸角-氣門升程平面坐標系中，氣門的升程在較短持續(xù)時間的情況下是曲線37，氣門開啟的持續(xù)時間對對應的曲軸角(CA角)是連續(xù)無級別可調的，在較長持續(xù)時間的情況下的曲線就是曲線36，當需要氣門開啟時間整體平移時，就可以將曲線36移動到曲線35的位置上。全可變氣門正時的作用，是可以令氣門的控制更加靈活多變，滿足內燃機變化不同工作模式的需求。本發(fā)明采用全可變氣門正時技術的作用還在于，普通的凸輪軸很難做到等效于180曲軸角的凸輪，那樣的凸輪角度會讓凸輪的升程相對于曲軸的軸的直徑而言很小，也就是說很粗的凸輪軸才放得下180度曲軸角的凸輪，這就讓凸輪軸很大很重；但如果采用了全可變氣門正時技術，則凸輪軸可以做到相對輕小，抵消了采用復雜全可變氣門正時機構部件的重量。參考圖1和圖10，解釋一下如何可調排量和壓縮比。0/360度CA角是活塞的上止點，也是曲軸旋轉一周的起點和終點，也是一個循環(huán)的開始和結束。根據二沖程阿特金森循環(huán)的基本原理和全可變氣門技術的作用，進氣/排氣過程從圖1OA移動到圖1OB所示的位置，即原來氣門在活塞下止點附近打開，現在氣門延遲打開、延遲關閉，活塞的壓縮沖程所對應的CA角度變短，于是在同樣的進氣壓力的條件下，壓縮的空氣量正比于壓縮沖程的長度，因此縮小壓縮沖程就減少了吸氣，而活塞上止點不變，也就是降低了等效的壓縮比，同時吸氣減少就是排量減小，于是當利用全可變氣門技術調整氣門的正時從而縮短壓縮沖程時，排量與壓縮比同時減小。排量和壓縮比減小后，活塞在下止點附近是有一段距離空轉的，排量和壓縮比愈小，活塞空轉愈多。參考圖1和圖11，解釋一下如何從二沖程阿特金森循環(huán)變換到標準二沖程循環(huán)。同樣，0/360度CA角是活塞 的上止點，也是曲軸旋轉一周的起點和終點，也是一個循環(huán)的開始和結束。根據二沖程阿特金森循環(huán)的基本原理和全可變氣門技術的作用，可以做如下安排，在活塞等效的下止點是由進氣/排氣開始的時刻來調整的，而進氣/排氣的整體的移動可以有全可變氣門正時技術中的凸輪軸的相位移動實現，由典型的液壓調相器可以連續(xù)調整凸輪軸與內燃機曲軸的對應角度的關系，凸輪軸上的凸輪取得全可變氣門正時機構控制內燃機的氣門，使得進氣/排氣過程可以整體移動，從圖1lA移動到圖1lB所示的位置，膨脹沖程所對應的CA角度變小，壓縮沖程所對應的CA角變大，二個角度相當時，就是活塞等效的膨脹沖程和壓縮沖程相等，于是內燃機就從二沖程阿特金森循環(huán)變換到標準二沖程循環(huán)。為實現以上所述的二沖程阿特金森循環(huán)，需要內燃機實現全頂置氣門掃氣，理由有二，其一，全頂置氣門也是一種與現在通行的標準四沖程內燃機最為接近的形式，便于現有內燃機改進為采用二沖程阿特金森循環(huán)的內燃機；其二，通常的二沖程內燃機是在氣缸壁上開孔，至多只是在氣缸蓋上有一個或一組排氣門，這樣的氣缸掃氣的時機完全由活塞的位置決定的，但若要在活塞處于不同位置時可以掃氣，就必須實現氣門脫離氣缸壁而在氣缸頂部，全頂置氣門是最成熟的一種方式。但是全頂置氣門掃氣需要內燃機的氣缸蓋和活塞具有獨特的形狀。下面將根據附圖來敘述一個例示性實施例實現所述應用二沖程阿特金森循環(huán)的多模全頂置氣門二沖程內燃機。參考圖2，一臺典型的應用二沖程阿特金森循環(huán)的多模全頂置氣門二沖程內燃機從普通的四沖程或者二沖程引擎經少量改進而來，因而具有典型的曲軸I和與曲軸相連的齒輪2，齒輪2是通過鏈條3驅動液壓調相器4和液壓調相器5的齒輪從而驅動凸輪軸11和凸輪軸10，這就構成一個通常的調相器型的可變氣門正時機構，即可以改變凸輪軸11和10相對于曲軸I的角度關系。在此基礎上，本發(fā)明添加了全可變氣門正時機構，此機構具有靜態(tài)角度可調的控制凸輪軸14和控制凸輪軸15，控制凸輪14通過軸連接液壓做動器9，控制凸輪15通過軸連接液壓做動器8，液壓做動器9和8可以改變控制凸輪軸14和15的角度，而不是持續(xù)的旋轉。本發(fā)明所述應用二沖程阿特金森循環(huán)的多模全頂置氣門二沖程內燃機更具有通常的氣缸蓋13和氣缸體12，用來形成完整的氣缸。又在氣缸蓋13上具有燃油噴射器6和電子點火器7，這二個部件可以根據內燃機是點燃和壓燃選擇是否配置電子點火器7，但推薦燃油噴射器6，因為直噴對于柴油機和汽油機皆具有提高性能的作用。又參考圖2，液壓做動器8和9的作用是改變控制凸輪軸14與15的角度，從而改變氣門持續(xù)開啟的時間。而液壓調相器5和4的作用是改變氣門開啟的時間，于是與液壓做動器8和9配合，就可以任意改變氣門開啟和關閉的時間，也就是所對應的曲軸角，又稱CA角。根據圖1所示的二沖程阿特金森循環(huán)和其解釋，這是本發(fā)明所述內燃機可以改變工作循環(huán)模式的基礎。本實施例中的內燃機具有二個進氣門和一個排氣門，進氣門由凸輪10驅動，而排氣門有凸輪11驅動。雖然圖2中未示出，但是所有的可旋轉的軸皆固定在氣缸蓋13上并具有旋轉自由度。又參考圖2，齒輪2和液壓調相器4和5的齒輪的齒數比是1: 1，即全可變氣門正時機構中的凸輪軸的轉速與所述 應用二沖程阿特金森循環(huán)的多模全頂置氣門二沖程內燃機的曲軸的轉速比是1: 1，這是為了適應二沖程循環(huán)所必需的參數設定。又參考圖2，全可變氣門正式機構可以參考專利申請?zhí)?01010164316.6包含變速擺機構的全可變氣門正時方法和機構的詳細說明。參考圖3，可見排氣門的全可變正時機構的結構。圖上可見曲軸I上連接活塞連桿19，一端連接齒輪2，齒輪2通過鏈條3驅動液壓調相器4，液壓調相器4固定連接凸輪軸11，凸輪軸11上的凸輪驅動一個主動變速擺桿16，而主動變速擺桿16驅動從動變速擺桿17，從動變速擺桿17驅動滾輪搖臂18，從而最終驅動排氣門?？刂仆馆嗇S14的作用受到液壓做動器9的限制和驅動作用，可以固定角度和無級可調角度，使得主動變速擺桿16得到杠桿支撐，且這種支撐作用是可以無級別調節(jié)的。參考圖4，可見二個進氣門的全可變正時機構的結構。圖上可見通過鏈條3驅動液壓調相器5，液壓調相器5固定連接凸輪軸10，凸輪軸10上的二個凸輪驅動主動變速擺桿20 ( 二個氣門共二個)，而主動變速擺桿20驅動從動變速擺桿21 ( 二個氣門共二個)，從動變速擺桿21驅動滾輪搖臂22 ( 二個氣門共二個)，從而最終驅動排氣門?？刂仆馆嗇S15的作用受到液壓做動器8的限制和驅動作用，可以固定角度和無級可調角度，使得主動變速擺桿20得到杠桿支撐，且這種支撐作用是可以無級別調節(jié)的。參考圖5，本實施例采用二個進氣門和一個排氣門的配置，剖視圖采用一個平面剖開其中一個進氣門，另一個垂直的平面剖開排氣門的。所述多模全頂置氣門二沖程內燃機具有通常的活塞內燃機結構，例如氣缸體12和氣缸蓋13。所不同的是，所述多模全頂置氣門二沖程內燃機所使用的活塞是成型頂活塞25，具有二個斜切圓柱的凸起26，斜切圓柱的凸起26的圓柱截面上各有一個內凹面，二個凸起的內凹面具有不一樣的弧度，二個凸起的弧度一大一小，比較大的用來將氣流導向進氣門23的背面，而弧度較小的一個將氣流導向排氣門24的背面。所述成型頂活塞25的凸起26的位置和形狀恰好配合進氣門23運動所需的內凹槽27的形狀，而內凹槽27是進氣門邊緣運動所形成圓柱面切氣缸蓋的一部分，氣門軸線與所在氣缸蓋表面的法線夾角大于零度小于45度。而排氣門24是與氣缸蓋表面配合的，因此不需要活塞有特別的形狀，一個平面即可。排氣門24在排氣通道29的末端，進氣門23在進氣道28的末端，可見進氣道28的方向極為接近活塞運動軌跡的方向?；钊N38將活塞25連接到活塞連桿19上。同時，又參考圖5，這是活塞處于上止點的情況，可見氣門全部關閉，而活塞25可以完全適應氣缸蓋的形狀，只是在凸起26的內凹面與進氣門23之間有少量無法填補的空隙。同時參考圖5與圖6，這是活塞25處于下止點附近的情況，可見氣門23與24全部打開，因為氣門23與24開啟進行掃氣時，活塞25始終處于較低的位置，不會與氣門23與24碰撞，因此活塞25不必像通常四沖程內燃機活塞那樣為了適應氣門開啟的狀況而做出一個凹陷，內燃機的壓縮比可以做到很大。氣門23開啟最大時不超過內凹槽27的深度，因此相對與氣門23的側面有一部分是被內凹槽27擋住，因而氣門23起到一個活動擋板的作用。同時參考圖5與圖6，可見進氣門23軸線與所在氣缸蓋表面的法線夾角大于零度小于45度，進氣門23相對于與進氣門接觸的氣缸蓋平面是傾斜的，因此形成了內凹槽27.
參考圖7，這是本發(fā)明所采用的成型頂活塞25的詳細結構示意圖。凸起26和30在斜面34上，凸起26具有內凹面32，凸起30具有內凹面33，內凹面32的弧度與內凹面33不同，一個大另一個則小，目的在于弧度較大內凹面將進氣的氣流的一部分導向排氣門的背面，將廢氣沖刷干凈，而另一個`弧度較小內凹面將進氣的氣流的一部分導向進氣門的背面，將廢氣沖刷干凈，而二個凸起26和30之間以及側面的氣缸表面形成三條流道，將進氣門的氣流導向活塞25的其他部分用來沖刷廢氣。斜面34與活塞25的頂部平面31的延長線具有一個小于45度的銳角。參考圖8和圖7，可以更明顯看到上述關于活塞25的特征，活塞頂部斜面34上有二個二個斜切圓柱的凸起26和30，其端面上具有二個內凹面32與33且各自具有不同的弧度，斜面34與平面31具有一個小于45的銳角。至于內凹面32與33是屬于凸起26和30的哪一個，是可以隨意的。參考圖1至圖11，可見一種將普通四沖程或二沖程內燃機改進成為二沖程阿特金森循環(huán)內燃機的方法，將進氣門23傾斜,并向氣缸蓋13內部移動形成一個內凹槽27,進氣門23的最大升程不大于內凹槽27的深度，內凹槽27的形狀也是充分適應進氣門23在開閉運動時所掃出的一個圓柱體,也正好包住氣門，形成對氣門一側的部分封閉。進氣管28與活塞25運動軌跡的夾角近零度，同時在活塞25上增加二個斜切柱狀凸起26和30并使之配合內凹槽27，同時氣缸蓋13也必需適應活塞25所具有的斜面34。在氣門控制方面，要調整傳動齒輪2和液壓調相器4和5的齒數比達到1: 1，并采用全可變氣門正時機構和相應控制技術，并調整凸輪軸14和15上的凸輪的角度，使得進氣門和排氣門可以做到近似同時開啟和關閉，并且這樣的掃氣過程可以在曲軸角坐標上做到平移。因而可以這樣總結一種將普通四沖程或二沖程內燃機改進成為二沖程阿特金森循環(huán)內燃機的方法:用掃氣方式替代活塞吸氣-排氣方式，在氣門控制方面，要調整凸輪軸或相應掃氣控制機構的轉速或頻率必需與曲軸的轉速比達到1: 1，采用全可變氣門正時機構或同等作用的氣門控制機構，調整凸輪軸上的凸輪的角度或同等作用機構的參數，使得進氣門和排氣門可以做到近似同時開啟和關閉，并且這樣的掃氣過程的時機和持續(xù)時間可以做連續(xù)無級別的調整。這樣的方法不僅適合與普通往復活塞內燃機，也適合其他形式的活塞內燃機，例如旋轉活塞內燃機。參考圖1至圖11，顯示了一種可調排量和壓縮比的內燃機和方法，通過構建一種全頂置氣門的掃氣式二沖程內燃機，包含了全可變氣門正式機構，具有導氣作用的成型頂活塞25，傾斜的氣門23和內凹槽27，實現一種調節(jié)排量和壓縮比的方法:當掃氣過程有全可變氣門正時機構調整 而在曲軸角坐標上平移的時候，吸氣量減少，活塞25上止點不變，等效的下止點可調，排量降低，等效于壓縮比降低。參考圖1至圖11，顯示了一種可變循環(huán)模式的內燃機和方法，通過構建一種多模全頂置氣門的掃氣式二沖程內燃機，包含全可變氣門正時、成型頂活塞和特殊氣缸蓋的二沖程內燃機。所述內燃機實現了實現這樣一種可變循環(huán)模式的方法:當掃氣過程有全可變氣門正時機構調整而在曲軸角坐標上平移的時候，活塞25上止點不變，下止點可二次獨立可調，分別在膨脹終了至T2時刻和壓縮開始之T5時刻二個時刻，等效于內燃機的膨脹系數可以從1:1調到大于2: 1，即可以從普通二沖程循環(huán)無級別調整到膨脹比可大于2: I的阿特金森循環(huán)。而即便是傳統(tǒng)二沖程循環(huán)模式和阿特金森循環(huán)模式，其排量也是可以無級別連續(xù)調整的，僅僅取決于膨脹沖程與壓縮沖程的比，以及壓縮沖程的絕對值，因而可調排量和壓縮比可以算作一種模式。綜合起來，所述方法可以構建一臺具有三種工作模式的多模全頂置氣門的二沖程內燃機。參考圖5、6、7、8，顯示了一種利于掃氣的氣缸結構，在普通頂置氣門四沖程內燃機的基礎上，將進氣門23傾斜，并向氣缸蓋13內部移動形成一個內凹槽27，進氣門23的最大升程不大于內凹槽27的深度，進氣管28與活塞25運動軌跡的夾角近零度，同時在活塞25上增加二個斜切柱狀凸起26和30并使之配合內凹槽27，同時氣缸蓋13也必需適應活塞25所具有的斜面34。這樣的結構，所起的的效果類似于在氣缸壁底部開二個掃氣用的進氣口，因而可以解決頂置氣門掃氣的問題。但正如所述內燃機是具有多重模式可調的，因此在不同模式下掃氣的效率有所差異，但不會相差很大。所有圖中均未示出一些普通內燃機通常所具有的機構例如油泵等輔助性機構，但并不影響對于本發(fā)明的說明，因為本發(fā)明的主旨就是在普通內燃機的基礎上做最少的改動?？傮w而言，二沖程循環(huán)與阿特金森循環(huán)相結合的方式，等效于將阿特金森循環(huán)的進氣與排氣折疊壓縮在一個掃氣過程中，從而可以將阿特金森循環(huán)壓縮在一個典型的二沖程循環(huán)的動作當中，但其熱力學效果卻是阿特金森循環(huán)，因此理論熱循環(huán)效率可以最接近卡諾循環(huán)效率。同時從機械角度說多模全頂置氣門二沖程內燃機是個平衡的二沖程過程，慣性上可以多缸配合做到極佳的慣性平衡，且絕大多數部件來自普通的頂置氣門四沖程內燃機，進經過少數改動即可，因而整個設計與生產過程而言，本發(fā)明可達到內燃機效率與成本的最佳平衡。上述敘述僅僅是用于解釋本發(fā)明的例示性實施例，它不是排他的或將本發(fā)明限制與其公開的具體形式。本領域技術人員可以理解，在不偏離本發(fā)明的范圍內，可以做出各種改變以及其中的元素可用等同元素來替換。此外，可以做出很多修改以使特定情形或材料適用于本發(fā)明的主旨而不偏離實質范圍。因此，本發(fā)明不限于作為構思實現本發(fā)明的最佳模式所公開的特定實施例，而是本發(fā)明包括屬于本發(fā)明范圍的所有實施方式。在不偏離本發(fā)明的精神和范圍內，本發(fā)明能夠以具體解釋和闡明的方式以外的其他方式實施。為理解上述陳述，舉例而言，本發(fā)明所示之例示性實施例中未包含渦輪增壓器或者機械增壓器、電動增壓器等其他設備，但基于本發(fā)明只針對內燃機最基本的氣缸、活塞和氣門部分的改進的主旨，外部輔助設備并不影響本發(fā)明所具有的創(chuàng)新性，本發(fā)明也不排除那些外部 設備的應用。
權利要求
1.一種應用二沖程阿特金森循環(huán)的多模全頂置氣門二沖程內燃機。所述內燃機采用一種二沖程阿特金森循環(huán):在通常二沖程循環(huán)的基礎上，將掃氣過程偏置，向壓縮沖程移動，縮小的壓縮沖程的距離，延長了膨脹沖程的距離，壓縮沖程小于膨脹沖程，壓縮沖程和膨脹沖程做成非對稱，即一種平衡的阿特金森循環(huán)，又是一種二沖程循環(huán)，是在二沖程循環(huán)中嵌入阿特金森循環(huán)。所述二沖程阿特金森循環(huán)又可以這樣描述:是將進氣和排氣過程重疊之后形成阿特金森循環(huán)，即在通常的阿特金森循環(huán)基礎上，排氣過程與進氣過程作重交疊，即以掃氣替代通常的阿特金森循環(huán)中的排氣與進氣過程。
所述多模全頂置氣門二沖程內燃機是進氣門和排氣門全部頂置的二沖程發(fā)動機，由傾斜的進氣門和相應的氣缸蓋、全可變氣門正時機構、成型頂活塞與其他相應部件組成。內燃機是否具有火花塞由內燃機類型決定。所述多模全頂置氣門二沖程內燃機可以在標準二沖程內燃機、二沖程阿特金森內燃機、可調壓縮比和排量的內燃機三個工作模式下工作，并可以相互轉換。
2.如權利要求1所述的一種應用二沖程阿特金森循環(huán)的多模全頂置氣門二沖程內燃機，其特征還在于。所述二沖程內燃機所使用的氣缸蓋是具有適應進氣門運動的內凹槽，是進氣門邊緣運動所形成圓柱面切氣缸蓋的一部分，進氣門軸線與所在氣缸蓋表面的法線夾角大于零度小于45度，進氣門相對于與進氣門接觸的氣缸蓋平面是傾斜的，進氣門的最大升程不大于內凹槽的深度。
3.如權利要求1所述的一種應用二沖程阿特金森循環(huán)的多模全頂置氣門二沖程內燃機，其特征還在于所述多模全頂置氣門二沖程內燃機所使用的活塞是成型頂活塞，具有二個斜切圓柱的凸起，凸起的位置和形狀適應如權利要求2所述之內凹槽，斜切圓柱突起的圓柱截面上各有一個內凹面，二個突起的內凹面具有不一樣的弧度。所述成型頂活塞還具有一個斜面與活塞頂平面成小于45度的銳角。
4.如權利要求1所述的一種應用二沖程阿特金森循環(huán)的多模全頂置氣門二沖程內燃機，其特征還在于所述內燃機的進氣管與活塞運動軌跡的夾角近零度。
5.如權利要求1所述的一種應用二沖程阿特金森循環(huán)的多模全頂置氣門二沖程內燃機，其特征還在于所述內燃機的進氣門與進氣門由全可變氣門正時機構驅動和定時，而全可變氣門正時機構中的凸輪軸的轉速與所述應用二沖程阿特金森循環(huán)的多模全頂置氣門二沖程內燃機的曲軸的轉速比是1: 1，且內燃機曲軸和凸輪軸之間由連續(xù)可調液壓調相器連接。
6.一種二沖程阿特金森循環(huán):在通常二沖程循環(huán)的基礎上，將掃氣過程偏置，向壓縮沖程移動，縮小的壓縮沖程的距離，延長了膨脹沖程的距離，壓縮沖程小于膨脹沖程，壓縮沖程和膨脹沖程做成非對稱，即一種平衡的阿特金森循環(huán)，又是一種二沖程循環(huán)，是在二沖程循環(huán)中嵌入阿特金森循環(huán)。所述二沖程阿特金森循環(huán)又可以這樣描述:是將進氣和排氣過程重疊之后形成阿特金森循環(huán)，即在通常的阿特金森循環(huán)基礎上，排氣過程與進氣過程作重交疊，即以掃氣替代通常的阿特金森循環(huán)中的排氣與進氣過程。
7.一種將普通四沖程或二沖程內燃機改進成為二沖程阿特金森循環(huán)內燃機的方法，用掃氣方式替代活塞吸氣-排氣方式，在氣門控制方面，要調整凸輪軸或相應掃氣控制機構的轉速或頻率必需與曲軸的轉速比達到1: 1，采用全可變氣門正時機構或同等作用的氣門控制機構，調整凸輪軸上的凸輪的角度或同等作用機構的參數，使得進氣門和排氣門可以做到近似同時開啟和關閉，并且這樣的掃氣過程的時機和持續(xù)時間可以做連續(xù)無級別的調整。
8.一種可調排量和壓縮比的內燃機和方法，是一種具有全可變氣門正時驅動機構、全頂置氣門、成型頂活塞的二沖程內燃機。所述的可調排量和壓縮比的方法是通過改變吸氣的體積和保持活塞上止點，使得等效的壓縮比得以連續(xù)改變。
9.一種可變循環(huán)模式的內燃機和方法，所述可變循環(huán)模式的內燃機是:包含全可變氣門正時、成型頂活塞和特殊氣缸蓋的二沖程內燃機。所述方法是:采用掃氣的方式換氣，采用二沖程為一個工作循環(huán)，可在典型二沖程循環(huán)、阿特金森循環(huán)、可變排量和壓縮比內燃機等三種循環(huán)模式之間變換工作模式。所述可變循環(huán)模式的方法，即通過改變掃氣過程的時間長短和過程的時機，從而改變內燃機的工作循環(huán)的模式和循環(huán)參數。
10.一種利于掃氣的氣缸結構，其特征在于在普通頂置氣門四沖程內燃機的基礎上，將進氣門傾斜，并向氣缸蓋內部移動形成一個內凹槽，進氣門的最大升程不大于內凹槽的深度，進氣管與活塞運動軌 跡的夾角近零度，同時在活塞上增加二個斜切柱狀凸起并使之配合氣缸蓋上的內凹槽，同時氣缸蓋也必需適應活塞所具有的斜面。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應用二沖程阿特金森循環(huán)的多模全頂置氣門二沖程內燃機，二沖程阿特金森循環(huán)是在二沖程循環(huán)的基礎上將掃氣過程偏置，縮小的壓縮沖程的距離，延長了膨脹沖程的距離，實現了阿特金森循環(huán)，并且保持了內燃機的平衡性。在普通二沖程內燃機的基礎上，采用了頂置大斜度的嵌入式進氣門和普通排氣門的氣缸蓋結構，進氣門在打開的時候，自身充當了臨時的隔離板，并利用成型頂活塞上凸起的導流作用，實現更高效率的掃氣結構。通過全可變氣門正時機構調節(jié)氣門與曲軸的角度關系，可以調整進排氣門的開閉時間，從而令內燃機具有二沖程阿特金森循環(huán)和二沖程循環(huán)及可調排量和壓縮比三種工作模式。本發(fā)明大幅度提高了內燃機的效率。
文檔編號F02F3/24GK103233789SQ20131018470
公開日2013年8月7日 申請日期2013年5月17日 優(yōu)先權日2013年5月17日
發(fā)明者朱譞晟 申請人:朱譞晟