專利名稱：具有可變燃燒室和增加膨脹循環的內燃機的制作方法
技術領域：
本發明是關于具有在節流速率變化時使燃氣點火壓力成為最佳狀態的可變化容積燃燒室的，并且有一個延長膨脹沖程來增加效率的內燃機。
眾所周知，增加內燃機的壓縮比能增加它的熱效率。假設作為理想循環使用，一臺標準的吸氣式發動機，以大氣壓力充滿氣缸。在這種情況下，幾何容積比(氣缸容積加燃燒室容積與燃燒室容積比)被設計成，所給的預燃壓力正好低于汽油內燃機中在正常運行的較高溫度范圍內所推薦燃料的自動點火點的壓力。然而，對于這種低于滿負荷運行的發動機而言，充滿氣缸的混合氣的壓力低于大氣壓力。因此，當幾何容積比保持不變時，壓縮比降低了，結果燃燒室中的混合氣的壓力低于全節流所得到的壓力。一種恢復完全預燃壓力的途徑(得到需要的壓力比)是變化燃燒室的容積。達到這種目的方法有許多種，但是實施時大多數設計復雜而不耐用。一些現有技術概括如下波漢森(Pehrsson)在美國專利No.741824中敘述了一種四沖程內燃機，該機具有一個操縱排氣閥的凸輪和一個操縱進氣閥的真空裝置，還具有一個主氣缸直徑輔助活塞，用于手動改變燃燒室的容積以獲得混合氣的預燃壓力。輔助活塞的位置確定了進氣閥移動限變。
斯麥得特(Schmidt)在美國專利No.1167023中揭示了一種普通四沖程發動機，在主氣缸上面有一個輔助氣缸和活塞，用來改變燃燒室的容積。輔助活塞的位置由一個彈簧來控制，由液態壓力來吸收燃燒的負載。因此，輔助活塞的位置取決于負載。因為從輔助活塞上面(或它頂部一半)進油或排油的速度，是受到通過油孔油的進、出速率限制的。排出孔有一個閥，它有一個預定壓力(可變的)放泄系統。如果燃燒壓力超過這個壓力，油就被迫排出壓力腔并且輔助活塞朝著它最外位置移動，增加了燃燒室的容積。當負載下降時，燃燒壓力小于這個值，油不再從出油口排出，但仍然通過進氣截止閥進入，結果使活塞朝著主氣缸移動并增加預燃壓力。
威爾林(Wilson)在美國專利No.1639447中揭示了一種普通四沖程發動機，它有一個輔助氣缸和配置在工作活塞上面的復合冠部活塞。輔助活塞的位置是由進氣管道中的壓力，通過第二輔助活塞，由液壓操縱來控制的。當發動機運轉時，由一個彈簧移動輔助活塞到它的最外的位置。
溫格爾(Wagner)在美國專利No.2142466中，描述了一種普通四沖程壓縮點火的發動機，它有一個節流進氣系統和一個可變容積的燃燒室。輔助活塞的往復運動由凸輪軸驅動，它與凸輪軸變化的角度同步。
利伍姆(Lysholm)在美國專利No.2344993中揭示了一種普通四沖程火花點火或壓縮點火的發動機，它有一個在進氣沖程期間關閉的進氣閥，實行阿特肯林(Atkinson)循環。在閥關閉期間，由于活塞速度很高，對于高速發動機，發動機容積效率減少。如果進氣閥在壓縮沖程關閉，在高發動機轉速時，則容積效率將增加。在低速時，容積效率減少。在進氣沖程較遲地關閉進氣閥并在壓縮沖程將它打開很短的時間，該專利要求產生一個接近恒定的容積效率，或者對于發動機速度所要求的幾乎任何容積效率曲線都適合。對于壓縮點火的發動機，在壓縮沖程上打開的閥只能是排氣閥，因為燃燒到目前為止沒有噴射。該專利表明，這最適合于增壓式發動機，這樣實際上將效率提高到非強迫進氣式發動機效率或稍微超過它的程度。
羅森(Rosoen)在美國專利No.2467568中揭示了一種普通四沖程發動機，它有一個可變化容積的燃燒室，它是由液壓控制的。輔助活塞是用油充滿的。
漢弗爾斯(Humphreys)在美國專利No.2769433中揭示了一種普通兩沖程或四沖程發動機，它有輔助氣缸和配置在工作活塞上面的輔助活塞。輔助活塞是由發動機的潤滑系統供應的液體支持的。如果在燃燒期間，所達到的最大壓力超過預定值，油從室內輔助活塞的背面漏出，它是由排泄機構完成的。
西斯林(Heisling)在美國專利No.2883974中揭示了一種普通四沖程發動機，它有一輔助氣缸和一個配置在工作活塞上面的輔助活塞，它的目的是提供一個變化容積的燃燒室。輔助活塞的位置是由液壓來控制，并且也由液壓來驅動。第二實施例利用了一個運動的氣缸套。該發明的重點在理想運行的控制裝置上。
納克馬拉(Nakamura)在美國專利No.3964452中揭示了配置在主氣缸和活塞上面的，并與它們相聯系的一個輔助氣缸和活塞。支持著一個活塞的彈簧可以在輔助氣缸內滑動，在燃燒期間達到預定高壓之后，彈簧這樣動作。主要目的是在燃燒期間限制壓力和溫度，從而增加熱效率同時限制NoX的產生。低負荷導致一氧化碳(CO)和碳化氫(HC)的放射物減小，但是它們也產生不著火和燃燒波動的情況。
理拉(Luria)在美國專利No.4033304中提出了一種內燃機，它達到了恒定的預燃壓力，具有一個可移動的輔助活塞和氣缸，其中所述活塞是由液壓裝置來控制的。該發明執行阿特肯森(Atkinson)循環，與可變的進氣閥同步。該進氣閥通過下死點時保持打開狀態，排出的多余混合氣體返回到進氣管道。輔助活塞被彈簧支持。所以在排氣沖程期間，輔助氣缸容積最小，因此幫助掃氣。
阿都克斯(Audoux)在美國專利No.4187808中揭示了一種普通四沖程發動機。有一個輔助活塞和配置在主活塞上的氣缸。焦點是用液態閥調節流量，用來減少輔助活塞機械驅動上的一些負載。隨著在主氣缸內降壓，輔助活塞被設計成向內朝著主氣缸移動，以減少燃燒室的容積，并幫助掃出燃燒過的氣體。
納卡哈阿(Nakahara)在美國專利No.4516537中揭示了一種普通四沖程發動機，它有一個輔助氣缸和一個配置在主活塞上部氣缸蓋上的輔助活塞和氣缸。該輔助活塞由液壓移動。該發明的主要推力構成了一個控制輔助活塞位置的可行裝置，在油壓系統上沒有過多壓力來自沖程擊燃燒，而且載荷分布也均勻。
帕拉克(Palko)在美國專利No.4798184中揭示了一種兩沖程或四沖程柴油(diesel)發動機，它的進氣閥在壓縮沖程中關閉，結果實現了一個比壓縮更長的膨脹時間。該閥的驅動裝置沒作任何詳細的描述。該專利表明，在運行期間，閥門驅動裝置可以被固定，也可以變動。延長的膨脹使燃燒發生在上死點位置或之后，以減少發動機負載和冷卻系統的熱損失。膨脹增加的常見優點是，利用膨脹氣體產生更多的功和較低的排氣溫度。對于變化燃燒室容積，現有技術的處理可分為四種主要方式，每一種都有優點和缺點(1)相對于與氣缸蓋中心相平行的連接線來移動曲軸中心線，這種優點是可利用普通的燃燒室形狀和容積。缺點是系統復雜，要精確地控制曲軸和曲軸箱的相對運動和其它部分。這種裝置對泄漏油的密封也較困難。這種設計給V型發動機組帶來困難。不適用旋轉和軌道式發動機。
(2)分離開連桿，它的長度可以變化，這種想法在兩種主要形式一種是液力控制長度，僅用可變節流裝置來調節。另一種形式是在連桿兩部分之間提供一個彈簧。這兩種方法都增加了發動機的往復運動質量，使部件平衡顯得困難。這種彈性連桿加重了平衡問題，導致了發動機相當大的變化。這種設計的優點與(1)相同，但不能用于旋轉式或軌道式發動機。
(3)分離開活塞，類似于分離開連桿，這樣從曲軸中心到活塞頂部的距離可以變化。也具有象分離開連桿一樣的問題和優點。
(4)提供一種變化燃燒室形狀的裝置，連桿、活塞、曲軸與普通發動機中的一樣。這種變化容積的裝置包括一個輔助氣缸和活塞或者一個彈性隔膜。隔膜的缺點是彈性材料易產生工作硬化導致故障發生，防礙發動機正常工作。輔助氣缸和活塞有幾種形式，包括直接的機械驅動(不論感應正確位置的裝置如何)，起到吸收燃燒壓力的作用的液力驅動，和帶有液力沖擊吸收作用的機械/電控驅動。上述三種形式，最后一種提供了最準確的定位裝置，并能實現在燃燒期間對受力的機構的適當保護(除第三種以外)。
本發明是通過變化燃燒室容積并允許燃燒產物較大膨脹來增加發動機效率的一種系統。在許多重要的運行參數時，本發明的特性包括
(1)燃燒作用在輔助活塞表面，對驅動裝置并不產生損壞或引起輕微的磨損。
(2)在點火斷路發動機不轉動或發生控制機械故障時，輔助活塞能退回，以給出燃燒室的最大容積。
(3)輔助活塞的退回能在同一時間周期內完成，該發動機操作者可以使負荷從空載到滿負荷變化。
(4)用于確定輔助活塞位置的輸入信號，從控制燃油噴射的傳感器很快能得到。
(5)在液態驅動情況下，液體供給有一制止閥，以防止燃燒室的高壓影響流體系統的其他部分(它是發動機油或一種獨立的供應)。
(6)當活塞退回到它的最上面位置時，有一個油緩沖器限制在輔助活塞和氣缸之間，防止活塞和氣缸碰撞。
(7)輔助活塞背面是被冷卻的，它通過位于活塞和氣缸之間的室中的潤滑油連續循環來完成的。
(8)在恒定載荷下，油通過一長孔排出，以這種方式在輔助活塞和定位桿之間固定接觸之前，燃燒壓力下降。
(9)這樣一個長孔配置在輔助氣缸的最高點，所以任何旁路氣體都可以排出。
(10)在輔助氣缸面對工作氣缸的一端，有一個制動器，用來防止輔助活塞由于事故而進入氣缸。
本設計簡單，包括最少的運動部件。一個輔助活塞通過氣缸蓋在燃燒室內、外隨著負載變化和內燃機的工作條件而運動。在輔助活塞背面有一充滿液體的空腔。更可取的是雖然不是必需的，用來緩沖燃燒壓力的液態流體是發動機油，由潤滑泵供給。幾乎所有車輛上用的都是在壓力下潤滑的平面軸承。該流體實現三個目的保護驅動裝置(如果它本身不是流體)防止燃燒力的作用，對輔助活塞起冷卻作用，提供對輔助活塞的潤滑。退回輔助活塞的目的是，當發動機斷路時，要求以最小的壓力起動發動機。油連續地供給到室內，同樣也有油連續地漏出。一個螺釘裝置，用來定位一個帶有一個短柄以限制由燃燒所傳給的力的輔助活塞。有一個彈簧配置在驅動螺栓端部和活塞之間。這個彈簧有一個恰好限制移動的范圍，以致由燃燒產生的力會試圖對通過放氣孔的油的容積加壓。對于在很短時間內由空載變化到滿負荷的這種情況，有一個安全閥，它由同一電機驅動，它控制著活塞的上下運動，它能打開一個在輔助氣缸內的大排泄孔，所以驅動電機不需象移動活塞那樣消耗泵油的能量。
另外，進氣閥的同步被改變了，以便在進氣沖程活塞完成它向下移動之前關閉該閥。因此在作功沖程內，燃燒的氣體能夠更完全地膨脹，所以可回收大量的功。


圖1是內燃機中普通的火花點火的燃氣循環的一種壓力-容積曲線圖。
圖2a表示本發明效果的壓力容積曲線圖。
圖2b表示本發明完全節流時效果的壓力容積曲線圖。
圖2c表示本發明半節流時效果的壓力容積曲線圖。
圖2b表示本發明空轉時效果的壓力容積曲線圖。
圖3表示本發明所構成的發動機氣缸的橫截面圖。
圖4表示一個現有發動機凸輪剖面和一個本發明所構成的發動機的凸輪剖面圖。
圖5表示本發明另一種形式的氣缸橫截面圖。
圖6表示一個普通發動機氣缸蓋中的和本發明的氣缸蓋中的進、排氣閥和火花塞的布置圖。
圖7表示本發明的一臺兩沖程發動機。
圖1表示一個普通發動機的一個理想燃氣循環的壓力容積曲線圖。它是四沖程，火花點火的發動機。壓縮比是9∶1，是一種典型的當今常用的吸氣式汽車發動機。三條曲線分別表示滿載、半載和空載運行的情況。橫座標表示不變的燃燒室的各種容積，縱座標表示大氣壓力。圖1中，點1是用于滿載運行時壓縮沖程的開始點(實線)，可燃混合氣是一個大氣壓，容積是燃燒室的9倍。在理想循環中，等熵壓縮從1點到2點，在2點壓力近似17.4大氣壓，容積是1點的1/9。燃燒絕熱地發生并且容積恒定，壓力到3點升至約70大氣壓。然后從3點到4點等熵膨脹。在該點排放過程開始，(氣缸壓力約4個大氣壓)，壓力降至1個大氣壓(在實際發動機中，排氣和進氣過程接近1個大氣壓，圖1中沒表示出)。
點1-2-3-4-1所封閉的面積，表示理想燃料燃燒所釋放出的能量。在實際發動機中，有用功的量比這一量少，這是由于摩擦，熱損失，時間損失、排放氣和不完全燃燒造成的，這些損失的數量在這里不討論。
較稠密的點線表示理想半載循環，燃燒混合氣的初始壓力近似0.7個大氣壓，它的溫度比滿載情況稍低一點，等熵壓縮使壓力和溫度升到比滿載循環低的一個值。(在壓縮過程的終端，壓力近似12個大氣壓)。燃燒過程導致了比滿載循環所達到的壓力和溫度值都低。最大壓力值近似45個大氣壓。然后等熵膨脹，壓力減小到2.6個大氣壓，排氣在約1個大氣壓下進行，進氣過程在0.7個大氣壓下進行。由這條曲線封閉的面積大約是滿載所封閉面積的65%。
密度較小的點線表示理想空載循環，這個循環中預燃壓力是5.8個大氣壓，燃燒后的壓力是22個大氣壓，膨脹后是1.3個大氣壓，進氣過程產生約0.3大氣壓，該封閉曲線面積近似滿載時的30%。另外，這些發動機的燃料的化學能轉換成發動機中的有用功的效率，在空載情況下是零。因此這個空載曲線的面積可以看成是實際發動機中損失的粗略計算(假如從滿載和半載曲線扣除空載曲線的面積，那么由半載曲線所包圍的面積將是滿載曲線包圍面積的50%)。
有兩種增加標準循環熱效率的方法，第一種是保證預燃燒壓力除了點火以外，在火花點火之前總是處于最高壓力。這是在標準燃燒室內滿載時，所要達到的對于給定容積壓縮比所要求的壓力。(這意味著在滿載時效率沒增加)。第二種方法是允許燃燒的氣體，比在標準循環中更充分地膨脹。這就是眾所周知的阿特克森(Atkinson)循環。
圖2a是這兩種定則結合的壓力容積圖的效果。如圖1所示，表示出三種載荷情況。在少于滿載時，對于給定的發動機狀態，燃燒室容積減少導致了預燃混合氣達到它要求的壓力。容積的減少是很明顯的，因為半載和空載曲線位移到滿載曲線的左邊。
在所有載荷情況下，膨脹沖程延長到超出標準沖程的容積。在圖2a、2b、2c、2d中膨脹沖程兩倍于標準循環。(對于膨脹與壓縮的比可以從1∶1(標準循環)到3∶1變化。應用標準壓縮比的定義(總體積比燃燒室的體積)這里的比值是17∶1。圖2a中表示膨脹從3點到4點到5點為滿載運行。進氣沖程隨著進氣閥被打開而產生(沒有示出)，僅為沖程長度的一半。這樣，在一半沖程時，關閉進氣閥，燃燒的混合氣等熵地膨脹到沖程終點，該點在圖2a中用b表示。在這個等熵膨脹中所消耗的功在壓縮沖程中被回收，在這時間之前，活塞到達同樣的位置，因為在進氣沖程閥關閉，如圖1所示。然后壓縮開始，象平常一樣到達2點。
圖2b包括一塊陰影面積，表示膨脹的燃燒氣體完全節流到標準循環的容積兩倍的效果。該面積由1-4-5-7-1點包圍。(不包括1-7-6-1面積，因為它表示在進氣閥關閉后，等熵膨脹混合氣所需要的膨脹功，并在壓縮期間得到回收，泵功沒有變化)。面積增加超過標準循環15%。在延長的膨脹的終點，氣缸壓力是1.8大氣壓。除去近似損失的空載面積，引起增加的面積正好超過標準面積的20%。
圖2c陰影表示作為半載時所達到的增加面積。在膨脹沖程的終點，氣缸的壓力是1.2大氣壓。此處燃燒室容積減少，并且由于預燃壓力增加，作用近似為標準循環面積的27%。擴大的膨脹增加了11%，給出聯合增加近38%，除去空載面積，結果超過標準循環增加了69%。
圖2d陰影表示現有發動機的空載狀態增加的面積，來自變化容積的燃燒室的作用正好超過80%，同時延長的膨脹沖程減少了8%的效益。(在此表示，膨脹壓縮比為2∶1對于一般用戶也可能太高)。在膨脹沖程的終點，氣缸壓力降到0.6大氣壓，于是在整個膨脹沖程中必須供給抽吸功。通過除去標準循環的空載面積，比較面積的增加是無意義的。好處是需要較少的燃料來保持發動機的空載運行。
選擇膨脹壓縮比，取決于發動機的用法。較大的比值(接近于3)在高負荷時能改進效率，在低負荷時減小效率。較低的比值(近于1)在輕載荷時將增加效率，但是在高負荷時幫助不大。由于燃料的消耗量隨載荷而增加，大的比值將是更可取的。
在整個發動機的運行范圍內，變化預燃壓力要求燃燒室的體積也動態地變化。圖3是表示這種情況的一個實施例。一個裝有活塞環的輔助活塞8在輔助氣缸9內滑動，它配置在發動機缸蓋內。活塞8的位置由可調節桿10直接控制，這里是用螺紋桿表示。根據發動機的載荷和溫度及進入氣缸可燃混合氣的數量，所需的燃燒室容積由控制的電子設備來計算(如燃油噴射控制系統)，按需要調節桿10的升或降。
必須使作用在輔助活塞8上的燃燒壓力不傳遞到可調節桿10上，因為這將損壞螺桿和/或所配置的機械裝置。因此，在輔助活塞8和輔助氣缸9之間的空腔11中被不可壓縮的液態流體充滿。(發動機油是最好的流體，因為它用起來最省事，不需要單獨的流體系統)。液態流體必須冷卻輔助活塞8的背部，有一個液態流體供應管道12引入流體到腔11，一個長孔13提供了一個從內腔11到小油箱14的出口通道。長孔的幾何尺寸是它允許通過在指定壓力下的液態流體，在所有時間內都有一最低限度的循環速率，所述的這個壓力大于工作氣缸內的壓力，對著孔13的環形入口15配置在內腔11的最高點，可以排出任何泄漏的氣體。在供應管道12上的單向制止閥16防止供應中的燃燒壓力產生反向壓力。一個彈簧17通過可調節桿10與活塞8相接，允許它在兩者間有微量的移動。調節桿10的底座上有一可旋轉的軸承18，可使調節桿相對彈簧17轉動。彈簧的剛性為供應的液態流體難以推動它，但當燃燒壓力作用在活塞8上時，腔11中流體與該壓力平衡之前，彈簧17可減少由該壓力所造成的對調節桿的震動。長孔13是這樣設計的，即流體壓力的迅速增加不會引起排氣系數的改變。流速的增加是低壓循環和最高壓力之間的最大壓力比的平方根。這個系數近似于3。
在輔助活塞8使彈簧17移動一小部分位移之前，內腔11中的液態流體壓力上升與燃燒壓力相匹配，以減輕可調節桿10上的彈簧的負載。工作氣缸中的壓力將減弱到流體不再進一步通過孔13被排出那一點為止。那時液態流體供應代替了排出的油，少量的油將從長孔13上部的油箱14返回。逐漸變細的孔13加上小油箱中液態流體的容積，能足以防止流體噴出。
如果活塞8超過了其上面的移動的限度而收回，活塞上的平臺19將克服彈簧21推動塞頭20。所述塞頭在其上滑動的導柱22保證進入向著長孔13的環形孔入口15的塞頭密封配合。塞頭20阻塞長孔13的入口并提供了一液態流體收集沖器，用于對付作用在它上面的任何燃燒壓力。一個空心的帶孔的導桿23保證活塞8圍繞輔助氣缸9的軸線準確定位。在輔助氣缸9的壁上，有一加工平臺24，防止輔助活塞8直接與輔助氣缸9的頂部或它的部件相接觸。
在發動機載荷突然增加的情況下，提供了一個清除閥25。當控制系統測定活塞必須以比通過長孔13放泄液態流體返回還要快的速度返時，或者一個爆擊信號器檢側出預點火時，所述清除閥25由控制系統起動，以允許流體從出口通道無阻礙地排出。(驅動裝置沒表示，任何合適的活塞都適用)。
用任一種旋轉裝置旋轉螺桿10來調整驅動，桿上端有一個軸向加工的花鍵軸26。在花鍵軸上有一個可滑動的軸環27。該環27有一內花鍵與桿26上的花鍵相匹配，一外齒輪由一裝置驅動(沒表示)。滑動環配置了一個柄腳28，當花鍵環27旋轉時，調節桿10可上、下自由移動。一對鎖緊螺母29用于對輔助活塞8的最內部位置作細微調整。裝在花鍵環27上是一螺旋彈簧30。當輔助活塞從最高位置下降時，彈簧的作用是給桿10提供一扭矩。
一個開口環31被配置在輔助氣缸9下面口上的加工的槽內。其目的是萬一發生事故時，防止輔助活塞落入到工作氣缸。
具有阿特肯森(Atkinson)循環的延長膨脹發動機的運行采用一種凸輪來實現，它在進氣沖程封閉進氣閥的部分通道，如圖4所示。(這種過早地關閉進氣閥會引起發動機容積效率降低，但是由于燃燒室容積可以變化，因此對熱效率影響極小)。打開進氣閥可采用普通發動機的一些形式。排氣閥運行應象普通發動機一樣必須同步。
發動機操作如下。在起動時，輔助活塞在輔助氣缸的最上面位置。當發動機燃燒并且液態流體的壓力增加到工作壓力時，輔助活塞8被推到一較低位置，根據發動機負載、溫度和氣體特性，減少燃燒室的容積。當發動機負載增加時，調節桿10被旋轉，帶動輔助活塞反向向上到一需要位置。如果發動機負載很快增加，孔13使流體排出，清除閥25被打開直到輔助活塞8停止它向上的運動為止。
在每一個四沖程循環中，在腔11中的液態流體的壓力從接近流體的供給壓力到小于燃燒室內的最高燃燒壓力之間變化。當燃燒室壓力突然上升時，輔助活塞被向上推動并推著彈簧17，它將使液態流體通過長孔13的流速增加。在通過長孔13流速增加的同時，產生了室11中壓力，來自輔助活塞8的附加力的大部分被彈簧17緩沖了。在曲軸轉動45°范圍內(取決于膨脹與壓縮之比)，滿負載時燃燒壓力將下降到接近內室11的壓力水平，然后兩者同時下降，通過孔13排出的流體將減小。當壓力進一步下降，彈簧17將推動輔助活塞8反向到它原來的位置，從而流體又從液態供應管道12和水油箱14返回內腔11。在壓縮沖程期間，調節桿10的同樣保護也是需要的。
圖4表示一種四沖程發動機的凸輪軸輪廓，在活塞到達下死點之前，凸輪關閉進氣閥。凸輪軸設置方式是普通的，但其輪廓如圖所示被改變了。
圖5表示一種四沖程配有變化容積燃燒室發動機的橫截面圖。工作活塞32在氣缸33中，進、排氣閥34、35如圖所示。
圖6說明普通發動機的進氣閥面積如何與輔助活塞和氣缸相適應。在發動機中還包括有變化容積的燃燒室和Atkinson循環。在此圖中，左邊燃燒室的圖表示(圖解)現代四閥發動機的缸蓋，它的氣缸口徑86mm(假設4缸，2升發動機)，沖程為86mm，為矩形設計。燃燒室包括兩個35mm的進氣閥和兩個30mm排氣閥。點火器在中心。右邊燃燒室口徑為110mm，沖程為105mm(4升、4缸發動機)，閥尺寸與左邊燃燒室一樣，有一個55mm直徑的輔助活塞(輔助活塞沖程近15mm，用普通9∶1的容積壓縮比)。對于標準膨脹壓縮比1∶1來說，在現有的空間內安排閥和輔助活塞的面積有一定困難，盡管超矩形設計能夠滿足它。
雖然這里所示的為一個四沖程、往復活塞式、火花塞點火的發動機，但本發明也同樣地適用于四沖程旋轉式和軌道式發動機。
變化容積的燃燒室應用于兩沖程發動機，也可以以上述相同的方式來達到。由于兩沖程發動機中氣體轉換特性很急，因此實現Atkison循環比較困難。
圖7是圖解地表示本發明如何用于曲軸箱，旋轉閥進氣發動機。工作活塞36在氣缸37內滑動。在活塞36上升期間，燃燒的混合氣在它上面壓縮。在活塞下面，空氣通過曲軸箱38的孔和旋轉閥39被吸入，進入曲軸箱40。所需的掃氣比可通過合理的膨脹壓縮比和進氣孔38、39的延續時間及面積來確定。可使進氣孔在活塞達到上死點之前被蓋住，產生進入氣體等熵膨脹。(如對于四沖程的進氣沖程，活塞36下降時，這個泵氣功便恢復)。同時，活塞36上面靠近上死點產生燃燒，活塞36在作功沖程中開始下降，一方面壓縮吸入的氣體進入曲軸腔40。(輔助活塞的位置，改變著燃燒室的容積，由載荷和發動機參數來確定)。
當活塞36接近下死點時，第一個排氣孔42被打開，允許燃燒氣體膨脹到排氣系統的壓力，此后很快變化、轉移孔41被打開，允許活塞36下方的壓縮空氣排出大部分留下的燃燒氣體。活塞又開始上升，同時蓋住輸送裝置和排氣孔。在這一階段，一個輔助旋轉抽氣閥43在缸壁上被打開，它連接進氣歧管到曲軸箱。該閥43的目的是使被引入氣缸37內的部分空氣排出。用各種提前關閉器沖程發動機進氣閥的相同的方法，來限制進入氣缸的燃氣量。該閥43的位置由要求的膨脹壓縮比來確定。(輔助閥43由于輸出通道的偏置，在作功沖程并不打開。它允許活塞36超過標準長度膨脹，來達到延長膨脹)。一旦活塞36密封住輔助抽氣孔，燃油被直接噴射，并且壓縮和燃燒過程發生。然后循環重復。
兩沖程發動機有許多不同形式。達到本發明權利要求的上述優點的特性是，以上詳述的變化燃燒室的容積，和一個在壓縮沖程之前將進入的空氣反向排到進氣歧管的裝置。該裝置可以是發動機缸蓋中的一個閥，它與進氣歧管相連。
權利要求
1.一種在一內燃機中變化燃燒室容積的裝置，包括一個機殼，它具有與燃燒室相聯系的一個腔，一個可滑動的活塞，并可調地延伸到該機殼腔內，用于緩沖來自燃燒室的壓力緩沖裝置。
2.按照權利要求1所述裝置，其特征在于所述緩沖裝置包括液態流體。
3.按照權利要求2所述裝置，其特征在于所述緩沖裝置包括由活塞基本封閉的液態腔，和位于來自燃燒室的活塞對面的機殼。
4.按照權利要求3所述裝置，其特征在于緩沖裝置進一步包括一個液態流體管道，從液態腔到液態腔外部，允許控制在它們之間的液體流動。
5.按照權利要求4所述裝置，其特征在于液態流體通道大小是，液態流體通過該通道時呈端流狀態流動。
6.按照權利要求4所述裝置，其特征在于根據由燃燒室燃燒所引起的活塞壓力的增加，液態流體通過液態流體通道，從液態腔內流到液態腔外。
7.按照權利要求6所述裝置，其特征在于液體通道的大小是，液態腔中液態流體的壓力在燃燒氣體燃燒和膨脹期間，比液態腔外的液態流體壓力大。
8.按照權利要求7所述裝置，其特征在于緩沖裝置還包括一個從液態腔外側到液態腔內側的液態流體進口，該進口有一可操作的閥來打開和關閉它，該進口尺寸大小基本上比液態流體通道大，以便允許一個比通過液態流體通道大的流動速率。
9.按照權利要求8所述的裝置，其特征在于該緩沖裝置還包括一個從液態腔外側到液態腔內側的液態流體進口，液態流體進口尺寸大小是，基本上比液態流體通道大，以便允許通過比液態流體通道的流動速率大的流動速率。
10.按照權利要求9所述裝置，其特征是液態流體進口有一單向閥，為了使液態流體僅能通過該進口進入液態腔。
11.按照權利要求4所述裝置，其特征在于還包括通過機殼腔能夠調節滑動活塞的裝置，以便調節燃燒室的容積。
12.按照權利要求11所述的裝置，其特征在于所述的調節裝置包括一個穿過機殼的螺釘，螺釘的縱向軸線平行于活塞的滑動軸線，螺釘驅動裝置和連接螺釘到活塞的裝置。
13.按照權利要求12所述的裝置，其特征在于螺釘驅動裝置包括一個在螺釘上的齒輪。
14.按照權利要求12所述裝置，其特征在于連接裝置包括一個螺釘和活塞之間的一個彈簧，用來吸收作用在活塞上的一部分燃燒壓力。
15.按照權利要求4所述的裝置，其特征在于還包括用于限制活塞在氣缸內滑動的限制裝置。
16.按照權利要求15所述的裝置，其特征在于所述限制裝置包括一個在液態腔內活塞側邊的擋板，當活塞滑動進入液態腔內一個預定距離時，它能與液態流體通道配合并關閉它。
17.按照權利要求16所述裝置，其特征在于液態流體通道位于對著活塞的氣缸壁上，擋板包括一塞頭，它與通道配合，它配置在通道外邊，并由彈簧推向活塞。
18.按照權利要求15的所述裝置，其特征在于所述限制裝置包括一個在氣缸內的平臺，液態腔活塞側的機殼徑向伸出，沿活塞軸線移動一個第一距離和一個第二距離，第一距離比第二距離大，第一距離和第二距離之間有一平臺，用來使超過該平臺向對著活塞的流體腔壁移動的活塞停止。
19.按照權利要求15所述的裝置，其特征在于所述的限制裝置包括用來限制離開液態腔并進入到燃燒室的活塞滑動裝置。
20.按照權利要求19所述的裝置，其特征在于所述的用來限制活塞離開液態腔并進入燃燒室的滑動裝置，包括一個在活塞燃燒室側機殼上的制動器，該活塞從機殼向活塞移動的通道內延伸。
21.按照權利要求20所述裝置，其特征在于制動器是一個環。
22.按照權利要求4所述裝置，進一步包括一個用來限制活塞相對于移動軸線偏斜的裝置。
23.按照權利要求22所述裝置，其特征在于用于限制活塞偏斜裝置包括了一個鉆空的空心桿，它的一端連接在液態腔活塞的側邊，另一端可滑動地裝在活塞對面氣缸壁上。
24.一臺四沖程內燃機，包括一個氣缸，一個裝在氣缸內往復工作活塞，用于控制氣體流進流出氣缸的閥門裝置，用來操作閥門與往復活塞動作同步的裝置，借以在氣缸內在一定壓縮容積下壓縮的氣體被點火，并且膨脹驅動活塞通過作功沖程，然后被排放到氣缸外，并借以進氣閥在活塞完成進氣沖程之前被關閉，和通過進入氣缸的插入件來改變燃燒容積的裝置。
25.按照權利要求24所述的發動機，其特征在于容積變化裝置是一個滑動地裝在與燃燒容積連通的氣缸內的容積變化活塞。
26.一臺兩沖程內燃機，包括一個氣缸，用于控制氣流進入和排出氣缸的閥門裝置，用來與活塞的往復同步的閥門操作裝置，借以在氣缸內在燃燒容積中壓縮的氣體被點火，并膨脹驅動活塞通過作功沖程，然后排到氣缸的外面，因此一些進入的燃氣在燃燒之前被排出，和利用插入在氣缸中的插入件來改變容積的裝置。
27.按照權利要求26所述的發動機，其特征在于該閥包括一放氣閥，使一些氣體在燃燒之前從氣缸排出。
28.按照權利要求27所述的發動機，其特征在于該放氣閥從氣缸到壓縮腔或進氣歧管放出氣體。
29.一種操作一種四沖程內燃機的方法，具有一個氣缸，一個裝在氣缸內往復運動的活塞，一組控制氣流進入和排出氣缸的閥，用于操作閥與氣缸內往復活塞同步的裝置，借以氣體被活塞壓縮到一個燃燒容積并被點火并膨脹驅動活塞通過工作沖程，然后被排出氣缸外，該方法包括活塞到達進氣沖程底部之前關閉進氣閥，根據發動機節流位置來調整燃燒容積，借以燃燒容積對于低節流而被減少。
30.按照權利要求29所述方法，其特征在于所述燃燒室容積調節的步驟包括調整進入燃燒室的插入件。
31.按照權利要求30的方法，其特征在于所述插入件是一個可滑動地裝連接在氣缸上的一個機殼內的容積調節活塞，該容積調節活塞和機殼被封閉在一個液態腔內，以緩沖由于在氣缸內燃氣燃燒施加在容積調節活塞的壓力。
32.按照權利要求31所述的方法，進一步包括根據由于氣缸中燃氣燃燒而作用在容積活塞上的壓力、可控制地允許液態流體從液態流體腔排出，并根據燃燒壓力終止，可控制地返回所述排放液態流體。
33.按照權利要求32所述的方法，其特征在于所述液態流體排出和返回控制，包括利用一個從液態腔到液態腔外面的排放通道，使液態流體通過。
34.按照權利要求33所述的方法，其特征在于所述容積調節活塞的調節器是一個可旋轉的螺釘，其一端連接在活塞上，另一端穿過機殼。
35.按照權利要求34所述的方法，其特征在于進一步包括利用在螺釘和活塞之間的一個彈簧，吸收一部分作用在容積調節活塞上的燃燒壓力。
36.按照權利要求33所述的方法，其特征在于進一步包括急速從液態流體腔排出流體，以容納急速退回的容積調節活塞進入液體腔，通過打開具有大小基本上大于液態流體排放通道的液態流體孔，以使液態流體在快于液態流體腔所排流的速度通過。
37.一種操作兩沖程內燃機的方法，具有一個氣缸，一個裝在氣缸中往復運動的活塞，一組控制氣體流入和流出氣缸的閥門，用來操作該閥與往復活塞同步的裝置，借以氣體通過活塞被壓縮到一個燃燒容積，并點火和膨脹驅動活塞通過工作沖程，然后排出氣缸外，該方法包括在燃燒之前排放部分進入的氣體，根據發動機節流位置調節燃燒容積，因而對低節流減少燃燒容積。
38.按照權利要求37所述的方法，其特征在于進氣的排出是通過一放氣閥從氣缸到進氣歧管或到壓縮腔。
全文摘要
一種內燃機及其操作方法，其中燃燒的容積取決于利用一部件在節流位置變化，該部件插入燃燒室內，其中進氣閥在活塞完成它的進氣沖程之前關閉，所以膨脹沖行被有效地延長。在兩沖程內燃機中，一些進入的氣體在燃燒之前被排放，以便達到有效延長膨脹沖程。
文檔編號F02B3/06GK1076509SQ9211517
公開日1993年9月22日 申請日期1992年12月3日 優先權日1991年12月3日
發明者米切爾·B·瑞雷 申請人:米切爾·B·瑞雷