專利名稱：內燃機的改進的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是對高壓噴射霧化燃油的雙沖程內燃機，例如雙沖程柴油機的改進。更具體地說，本發明涉及的是一種裝在氣缸蓋內的氣體交換系統，它用來使上一循環的燃燒產物與下一循環進入燃燒室的新鮮空氣之間形成分層作用，以減少氣缸壁的熱損失，并且保持氣體交換系統具有良好效率，即良好的換氣效率，為全部完好的燃燒過程創造條件。
在壓縮點火式內燃機方面一個十分有名的問題，就是提高換氣效率。在雙沖程內燃機中，由注入的新鮮空氣置換燃燒廢氣是一個特殊的問題，因為可以用來做到這一點的時間很短促(相當于曲柄軸大約100°-140°的旋轉角)，而在四沖程內燃機中，可用于做到這一點的時間要長得多，可能達到相當于曲柄軸約為400°旋轉角的持續時間。對雙沖程內燃機通常都力爭采用下列方法改進氣體的交換1.提高氣缸的透氣率，也就是說，使發動機所需的空氣流量在進氣與排氣之間最可能小的壓力差之下流過。
2.通過使進入氣缸的新鮮空氣定向從而防止空氣直接從入口流向出口來減少進氣與排氣之間發生空氣短路。
3.盡可能防止進入氣缸的新鮮空氣，在換氣階段與上一循環產生并留存在氣缸內的燃燒廢氣發生混合。
4.在燃燒室內形成劇烈的與燃料的噴射同步的空氣流動，以改善空氣與燃料之間的混合。
如果可能的話，最理想的是降低用于驅動閥門的動力損失，特別是用于驅動氣缸內氣體壓力很高時升起的排氣閥的動力損失。
降低發動機效率，特別是雙沖程內燃機效率的另一個因素是與被稱為“濕潤面”的表面面積相聯系的，也就是說，是與燃料開始噴射并且燃燒開始發生時的容積的內表面面積相聯系的，此內表面通常包括活塞、氣缸蓋和閥門的表面以及氣缸內在死點處保持顯露的那部分氣缸的表面。濕潤面有力地提出了冷卻和能量損失的問題。
法國專利NO.1021442試圖找到減少燃燒室表面的辦法，該專利描述一種帶有往復式活塞的至少有一個氣缸的內燃機，例如由一對分別為進氣閥和排氣閥的提升閥對每個氣缸分配氣流的四沖程柴油機，進氣閥和排氣閥利用各自的放松復位彈簧加以關閉，它們一個套在另一個里面同軸地裝在相關氣缸的氣缸蓋上，使得可以軸對稱地清除到氣缸燃燒室靠近活塞上死點處的剩余容積，也就是環繞氣缸中央縱軸的軸對稱氣流形態。這兩個閥門朝向相關氣缸的里面開啟，在排氣階段的同時開啟的狀態滲入到由活塞上死點處凸起物上相應槽坑組成的燃燒室內。此形態適宜于解決四沖程循環排氣特性的問題。外圈閥門呈敞開的環狀空心體形態。內圈閥門與同外圈閥門頂端之下的支承面組合在一起的支座互相配合，并且后者與同氣缸蓋組合在一起的固定支座互相配合。
內圈閥門在外圈閥門里面與外圈閥門限定出一個環狀的管槽。此內圈閥門用于排氣，而外圈閥門則用于進氣，不過，相反的布置同樣是可能的，但是對于氣缸剩余容積的換氣卻不能帶來相同的好處。
此在先文獻也公開了一種雙沖程循環的內燃機，例如柴油機，它的每個氣缸包括一個裝在高于氣缸的氣缸蓋內的進氣閥和一個在氣缸側壁下部的排氣孔。燃料噴射器可以裝在氣缸蓋內，與氣缸的對稱中間縱軸橫向傾斜相交，或者環繞氣缸的燃燒室分布均勻地安裝若干個這樣的噴射器。
對于裝有同心閥門的四沖程循環每個閥門在打開的意義上說，都是通過自已的搖桿克服它自已的自動復位彈簧的反作用力回復到關閉位置，并且在外圈閥門單獨開啟時由外力驅動。
專利FR-A-1127166敘述了一種特定的用于這種發動機的圓形進氣閥。
專利US-A-2471509和2484923介紹了另外一種減少濕潤面的方法，它用于雙沖程發動機，兩個閥門一個套在另一個之上，并且可以沿著氣缸的對稱軸滑動，形成軸對稱的氣流，外圈的閥門呈空心管狀，它的一端向外曲彎以便形成一個與氣缸蓋上的圓錐形支座相配合的支承面，而內圈的排氣閥門，作為提升閥，是利用朝向外圈進氣閥活塞的內表面作為其支座，使得這兩個閥門都是朝向燃燒室開啟的。進氣閥進氣端的空氣通道裝有葉片或偏轉導流板，以便使進來的空氣產生渦流運動，先沿氣缸壁向下降低，然后再向中心升起，此渦流運動使得空氣與燃料的混合能夠由于在燃燒室的邊緣以大大傾斜于徑向方向的角度安裝的燃料噴射器而得到改善。在這樣的布置方式下，閥門在其形狀和升舉高度方面的尺寸都能夠使得供新鮮空氣進氣用的通道明顯地大于供燃燒廢氣排放用的通道。
然而，就氣體交換來說，這種結構型式也有相當的缺點。
例如，氣流特別是排氣氣流不通暢。進氣與排氣之間的空氣短路，借助于使空氣朝向氣缸方向的旋轉運動而確實得以減少，但是由于有一條短的朝向著適宜于氣體排泄方向的，甚至是設計得盡可能多地排出上一循環的燃燒廢氣的路徑，所以這里仍然還是保持著一條由進氣通向排氣的優先通路。
在排氣階段，對于只有小通道表面的開口，排氣閥的行程必須是相當大的。最好，在邊緣處直接噴入的空氣渦流必須具有足以引起自燃點火的高溫，它有提高富氧介質中加快生成氮氧化物的燃燒溫度的作用。
在文獻DE-A-1056872里描述的舊式結構也同樣如此，要做出一種小巧的換氣裝置，其方法是在氣缸蓋上裝一個能夠形成中心噴射器或熱線點火塞的中心轂環，在中心管狀進氣閥的下端形成一個截頭圓錐形支座，在中心轂環與閥門(其端部為對著中心轂環的截頭圓錐形支承面)的管狀部分之間界定出空氣的進氣通道，此中心閥門的外面環繞著一個圓筒形的排氣閥門，其截頭圓錐形支承面徑向朝外地對著氣缸蓋上的一個同心支座，用來經由氣缸蓋的邊緣排泄燃燒的廢氣。
本發明的一個目的是改善氣體交換的效率，其方法是軸對稱地從氣缸內引出一些殘留的燃燒廢氣，代之從相應體積的新鮮空氣，同時盡可能地防止或減少新鮮空氣直接由進氣閥流向排氣閥，或者由于新鮮空氣與離開氣缸的燃燒廢氣相混合而間接流失的危險，并且要以最小的能量消耗做到這一點。使能量消耗最小的方法，可以是研究出最合理地使用提供給氣缸的換氣，也可以是得到高的滲透性，就是說，為氣流的流動造成最大的橫截面面積，因而在換氣的壓力與排氣的背壓之間只需要一個相對較小的壓力差，以便保證得到所需要的換氣流速。
本發明的另一個目的是確保工作室的側壁通過新鮮空氣沿側壁的環流作用得到保護。
本發明的另一個目的是要使氣缸內氣體分層程度很高的發動機里的濕潤面減至最小值，就是說，要使與壓力下的熱氣體相接觸的活塞頂鄰近的內表面，氣缸的上部以及氣缸蓋頂部的全部內表面都減至最小值，這樣不僅可以避免室壁附近的不良燃燒，而且還可以大大地限制熱損失，從而顯著提高發動機的效率。
本發明的另一個目的是降低工作室內壓力很高時施加給排氣閥控制裝置的負荷。
本發明的另一個特別重要的目的是運用解決本發明所提問題的方法制造出一種發動機，這種發動由于避免了通常壓縮點火式發動機難于既達到完全燃燒，基本消除未燃燒物和煙氣，又不產生氮氧化物(NOx)之類的污染物的缺點而使其完全燃燒階段顯著地得到改善。
實際上，眾所周知，在上所述類型的內燃機里都是在活塞處于上死點附近的時候，即在可變容積接近于最小尺寸的時候，把燃料在壓力下噴射進燃燒室的。
關閉在氣缸內的空氣的絕熱壓縮使空氣加熱，以致其溫度超過噴射進來的燃料的自燃著火溫度。
被充分霧化的燃料是以飛沫的形態噴射進燃料室的。飛沫一進入環境介質就蒸發，燃料蒸汽擴散到此介質之中，形成一個具備自燃著火條件的區段，因而燃料自燃發火。每一循環從燃料噴射開始到燃燒開始之間所經歷的時間稱為“滯燃期”。
燃燒的第一階段是非常急促的，預先與熱空氣相混合(在自燃所需的壓力和溫度條件下)的燃料蒸汽大量著火。反應速度很高很快，每個沒有完全汽化的飛沫消耗了與蒸汽相混合的空氣中所含的全部氧氣。當混合不均勻時在這樣短的時間里，未參與混合的空氣沒有時間承受得住使其遠離燃燒中心的燃燒。由于可供利用的氧氣稀少，所以反應很快停止或者起碼是緩慢下來。燃燒的這個階段(未控制燃燒)稱為“預先混合物燃燒”。
在此燃燒的第一階段，預先設定的，或者由于高壓下噴射燃料所引起的，或者由于被急劇的化學反應加熱的氣體發生膨脹所造成的空氣和燃料的運動，使放熱反應可以繼續進行下去。此反應于是借助于從富含燃料的區域向燃料貧乏的區域，也就是向氧氣含量高的區域的擴散所造成的物質傳遞，以受控方式進行著。這種擴散燃燒的階段稱為“漸進燃燒”。此燃燒更加緩慢，并且以工作室內空氣與燃料的相時運動所維持的混合速度進行著。
滯燃期越長，點火以前噴入的燃料就越多，這樣會產生下列缺點不連續燃燒，因而發生由于工作室內的壓力急劇變化所引起的響聲(柴油機的敲缸)和顫動(引起設備疲勞，活塞環敲擊聲和斷裂)。
形成嚴重的氮氧化物污染(在以預先混合燃燒方式進行燃燒的區域以及在拖長的時間內保持著高溫的區域產生大量氮氧化物)。
所以，柴油機的設計人員力圖縮短滯燃期(例如推遲噴射燃料的時間)，設法冷卻進入氣缸的新鮮氣流，以便提高其濃度，并且盡可能不超過循環溫度，高于循環溫度勢必會大量產生氮氧化物，導致滯燃期增大。他們提出的這些解決方法，至今還不能完全令人滿意，尤其從排氣效率和排放煙氣與塵粒的觀點來看。
本發明的目的是解決不超過循環溫度(高于循環溫度時氮氧化物的生成就非常明顯)而縮短滯燃期的問題，不僅要解決上文所要求消除的缺點，而且要允許燃用十六烷值較低，因而生產費用較少的“粗制”燃料。
本發明的研究對象是這樣一種內燃機一個可變容積的工作室，它由有活塞在其中滑動的氣缸、該活塞的移動的上端面和固定不動的氣缸蓋所界定；一個在高壓下向上述工作室內噴射霧化液體燃料的噴射裝置；以雙沖程循環運行，有一套橫跨在氣缸蓋上的循環換氣系統，由至少一個與支座，最好是圓錐形支座相配合的進氣閥控制，以便使工作室與連接著為發動機提供新鮮空氣的進氣空腔周期性地相聯通，并且由至少一個與支座，最好是圓錐形支座相配合的排氣閥控制，以便使工作室與連接著排放發動機燃燒廢氣的排氣系統的排氣空腔周期性地相聯通；該進氣閥和排氣閥呈軸對稱形狀，并且其軸線相互重合，最好與前述氣缸壁的軸線相重合，而且同軸安裝使進氣閥處在排氣閥的外邊；進氣閥的上述支座與氣缸蓋相結合，并且其方向要使得工作室內運動的流體的壓力能施加一個作用力將該閥門向其支座上被推壓，其位置處在上述氣缸壁上部緊靠邊緣，活塞在此處滑動并且與氣缸蓋相接觸的地方；
彈性復位裝置，用來使該進氣閥倚靠到上述與氣缸蓋相結合的支座上；壓力生成裝置，它產生一個與進氣閥的軸相平行的壓力，其方向朝向活塞，并且支承在該閥之上，用來周期性地使閥門從其支座上抬起，從而，使發動機的工作室與連接著上述發動機的新鮮空氣供應裝置的進氣空腔相聯通；旋轉感應裝置，它插在進氣空腔與進氣閥的該支座之間，以便產生與上述氣缸壁的軸和在發動機換氣時進入工作腔室的氣體的軸線基本同軸的全面的旋轉運動；排氣閥呈軸對稱形狀，它包括一個圓筒形的下部，其內壁借助于密封裝置嚴密地環繞著由氣缸蓋所支承的中心套筒，其下部呈現出與該圓筒形部位同軸的支承面，致使它能夠與上述進氣閥的下部里面形成的支座，最好是圓錐形支座相配合，這樣使得它能夠借助于由進氣閥的內壁和排氣閥的外壁所界定的環狀通道把上述排氣空腔與工作室相聯通；所設置的彈性復位裝置是用來使該排氣閥下部圓筒形部位的上述支承面倚靠著在該進氣閥內壁的下部形成的支座；壓力生成裝置產生的壓力平行于排氣閥的軸線，其方向為從活塞朝向氣缸蓋，并且支承在該閥門之上，用來周期性地使閥從支座上抬起，從而使得發動機的工作室與連接著從該發動機內排放廢氣的排氣系統的上述排氣空腔相聯通；
上述用于高壓下噴射霧化液體燃料的噴射裝置包括一個伸向工作室內、位于上述中心套筒中央的噴嘴。
在特定的實施例中，上述中心套筒相對于氣缸蓋是靜止不動的。
朝向排氣閥圓筒狀下部的外側，與進氣閥下部內側形成的支座相配合的上述圓錐形支承面的最小內徑，比中心套筒的上述滑動密封裝置的外徑小一些是有益的，排氣閥空心下部的內壁繞著所述套筒滑動，以便使它具有一點輕微的氣密特性。
進氣閥門與/或排氣閥門可以裝備不同形式的彈性復位裝置。這些彈性復位裝置尤其可以包括機械式彈簧裝置。這種彈簧裝置可以是組裝得像一個圓筒似的能夠對與閥門的上部組合在一起的環形套筒施加復位力的彈簧。
可以裝備或者聯合上述復位裝置裝備彈簧一類的進氣閥與/或排氣閥彈性復位的裝置，其中包括與閥門組合在一起，并在界定與產生液壓力的裝置相連接的可變容積空腔的氣缸內滑動的活塞。
為了在開啟的方向驅動排氣閥與/或進氣閥，也可以提供一個與閥門組合在一起的活塞，此活塞在界定出與產生液壓力的裝置相連接的第一個可變容積空腔的氣缸內滑動，所述液體最好是不可壓縮的流體。
例如，上述產生液壓力的裝置也可以由一個在氣缸內形成的聯通著上述第一個空腔的第二個可變容積空腔內滑動的活塞組成，此活塞由與發動機輸出軸同步旋轉的凸輪軸一類的驅動裝置所驅動。
使閥門回動的活塞與使閥門在開啟方向驅動的活塞可以合并為一個具有兩個相同端面的活塞，所以活塞的兩個端面都受到液壓力的作用。
在特別有利的實施例中，發動機內以在氣缸壁上滑動而界定其工作室，并用不使流體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夠破壞流體軸對稱旋轉運動的徑向空氣運動的間隙，在工作室容積最小的時候，即在上死點的附近時，與處在進氣閥最大直徑范圍以外的那部分氣缸蓋以及進氣閥本身相配合，與處在進氣閥最大直徑范圍以外的那部分氣缸蓋以及進氣閥本身相配合，從而界定出周邊環狀空腔，此周邊環狀空腔內會截留有一些呈軸對稱運動的，不參與噴進工作室內的燃料燃燒，并在工作室容積增大的沖程期間要發生膨脹的空氣。
有益的是，使環繞上述中心套筒滑動的排氣閥的圓筒狀上部內壁密封的裝置可以包括使壓入工作室內的，壓入排氣閥的圓筒狀上部和中心套筒下部的流體無路可通的連續式密封，如此界定出；一個環狀空腔，空腔內會截留有一些不參與噴進工作室內的燃料燃燒并在工作室容積增大的沖程期間會發生膨脹的空氣。
根據本發明，可以定出大小尺寸、形狀、通道截面、壓力以及局部真空度，和/或操縱由上述閥門組成的定時機構，以致利用雙沖程發動機換氣階段開啟排氣閥和進氣閥的方法，在排除燃燒氣體并部分地被新鮮空氣所置換的過程中，使得前一循環所產生的大量燃燒氣體留存在工作室內。
一方面當進氣閥處于開啟位置時進氣空腔與工作室之間的聯系，另一方面工作室壁的輪廓，都可以布置得在由于活塞的像導致燃燒室內的工作流體產生劇烈旋轉運動一類的相對運動而使工作室容積變小時使新鮮空氣滲透充滿燃燒室，并且借助于這種旋轉運動所造成的新鮮空氣的離心分離作用，以及新鮮空氣與燃燒氣體濃度不同，從而盡可能地防止了新鮮空氣在燃燒室內與其中留存的燃燒氣體相混合，以致在該燃燒室內形成一個燃燒氣體的濃度最大、溫度最高的中心區和一個新鮮空氣濃度最大而溫度最小的邊緣區。
噴射器借助于其處在套筒里面的中心位置而至少在每個噴射周期開始的時候可以直接向上述中心區噴射燃料。
更可取的是，由一個循環到下一個循環工作室內所留存的燃燒氣體最低限度要等于在發動機至少是以接近于額定速度在運行的時候，每個循環中工作室與每個進氣空腔和排氣空腔之間的聯系中斷時，工作室內所包括的工作流體的10％，最好為15％。
這樣，利用大大提高向其中噴射燃料的介質的溫度，使燃料幾乎可以立即被汽化的方法，創立一種滯燃期極短(甚至使用叫做“粗制燃料”的不很精煉的燃料)甚或為零的燃燒過程。然而，工作流體的平均溫度還是保持在合理的水平上，以達到高的濃度和隨之而來的高的比功率，以及低的氮氧化物的生成度。而且，過熱的氣體介質由于存在一個新鮮空氣的中間層而不能靠近燃燒室的室壁，這樣就避免了發動機的熱過負荷，并減少了燃燒室壁上的熱損失。
應當注意的是，本發明與柴油機設計人員一般所沿用的想法是相違拗的，設計專家一般都試圖爭取使工作流體從新鮮空氣的觀點來看達到最高的純度，而不贊成相對低的純度(90％，或者85％，甚至更低)，而且力圖將燃料噴射到從一個循環到下一循環所留存的燃燒氣體濃度最大的區域里，這使人想起在壓縮點火或發動機里燃燒氣體還包含有相當大比例的可資利用的氧氣。
按照一種很令人驚奇的改進措施，選擇進氣的溫度和從一個循環到下個循環留存在工作室內氣體的比例，要考慮到發動機的其他運行參數，使得如果在燃料噴射之前使留存的氣體與新鮮空氣相混合，在噴射時所得混合氣體的溫度低于燃料以不產生過量未燃燒物的穩定方式發生自燃著火時的溫度。此改進措施的優點是能夠強烈地冷卻新鮮空氣(以便減少室壁上的熱負荷，并使循環的最高溫度降低到能引起大量生成有害氮氧化物的溫度以下)，還能夠具有降低了的有效容積比(以便減少機器零件上的機械負荷)，同時保持著滯燃期短的理想的自燃發火條件。
考慮到發動機的其它運行參數，選擇進氣溫度和從一個循環到下一循環留存在工作室內的氣體的比例，使得工作流體的最高平均溫度不超過大約1500℃，高于這個溫度會使氮氧化物的生成增多，這也是一個優點。
本發明的其它優點和特征，從下面的描述中并參照下列附圖可以得到說明

圖1為本發明第一種實施例發動機部分機件的軸向剖面圖；圖2為本發明第一種實施例的一種變形的軸向剖面圖；圖3為本發明另一種實施例的軸向剖面圖；圖4、5和6分別為圖3所示實施例一種變形處于排氣、換氣和燃燒狀態時的軸向剖面圖。
在圖1所示的實施例中，數字1表示一臺縱軸2上帶有活塞3的雙沖程柴油機的氣缸，活塞3的上端復蓋著氣缸蓋4，氣缸蓋上有與氣缸同軸的用于在壓力下噴射液體燃料的中心噴射器5，它被兩個同軸的閥門所環繞，即內圈的排氣閥6和外圈的進氣閥7，兩閥之間為用于排放燃燒廢氣的環狀通道8，它與通往發動機排氣系統(圖中未畫出)的排氣管9相連通。
進氣閥7為軸對稱的中空形狀，兩端敞開，其下端13呈底座形狀，其外側具有朝外向上，即朝向氣缸蓋方向的環狀圓錐形密封支承面14，它與同與氣蓋4組合在一起的固定支座15互相配合；其內側具有朝內向上的環狀圓錐形支承面16，它作為軸向活動的支座與位于排氣閥6下端(或自由端)的環狀密封支承面17配合相聯。由空心閥桿18的外側壁引導進氣閥7在與氣缸蓋4組合在一起的閥導向部分19內沿其自身軸線運動。
沿徑向處于外側的進氣閥7以其下部與氣缸蓋4一起構成一道環狀進氣開口10，該開口與引入新鮮空氣的管道11相連，管道11則與發動機的進氣系統(圖中未示出)，如增壓系統相連。所謂進氣閥的下部位于其與氣缸蓋為一體的圓錐形支承座相配合的支承面附近。
進氣閥7的閥桿18的上端有一個起環狀活塞作用的套環23，它以無漏損的方式在設置于氣缸蓋4內的同軸氣缸24內滑動，由此在該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。
按徑向處在內圈的閥門或排氣閥6大體上呈軸對稱的形狀，其軸線與進氣閥的軸線，最好與上述發動機氣缸21的軸線相重合。該閥為位于進氣閥內的空心套并且經由其內側面沿閥導向件20作軸向滑動，閥導向件20設置于與氣缸蓋4組合在一起的中心套21上此中心套21上還裝有燃料噴射器5，其噴嘴22向燃燒室40噴射燃油，以便在其中噴射出圍繞著噴嘴呈星狀的、基本上是徑向的且最好是傾斜的油流。
構成排氣閥6的管狀套筒的上端有一個起環狀活塞作用的套環12，它以無漏損的方式在設置于氣缸蓋4內的同軸氣缸31內滑動，由此在該活塞下端面下面形成腔室32并在該活塞上端面上面形成腔室33。
一方面，進氣閥7的空心閥桿18的外側壁與同氣缸蓋4成一體的閥導向部分19之間的密封；另一方面，排氣閥的管狀套筒的內側壁與同中心套21成一體的閥導件20之間的密封以及上述起活塞作用的套環12、23與氣缸蓋內形成的氣缸壁24、31之間的密封都可以采用一組單個或多個環狀密封件，密封環或活塞環，這些件最好是可以徑向延伸的。
由進氣閥7的活塞23與氣缸24形成一個液壓致動器，用來使該進氣閥7朝向閥孔的方向升舉(朝向活塞3的方向為下降)。為此，該致動器的上腔室25用來容納壓力液體，最好是一種不可壓縮的液體，例如可以使密封裝置的滑動面得到潤滑的潤滑油，以便確實地促使活塞23下降，從而使閥7處于打開的位置；而處在下面的下腔室26則裝有用來使閥回復到關閉位置的彈性復位裝置34。
此彈性復位裝置可以由機械彈簧29組成，最好由均勻地圍繞在套環周邊表面上像個圓筒似的復雜彈簧體所構成，以便對整個套環的周邊提供均一的軸向推力。此彈性復位裝置完全有可能利用注入到前述的下腔室26里的液壓液體，最好是可壓縮液體組成。
前述致動器的上腔室24內的液壓力是由借助于管路30使前述的腔室24與泵缸(未示出)相連通而產生的，該泵缸內充滿不可壓縮的液體并被由凸輪軸(它與發動機的主軸同步旋轉)驅動的泵塞所封閉。不用說，此泵塞也可利用其他已知的驅動機構(例如液壓的、電磁的等等)加以驅動。
同樣，由對排氣閥6起活塞作用的套環12與氣缸31所構成的組件構成一個液壓致動器，以便使該排氣閥6朝向閥孔的方向升舉(離開活塞的方向為向上)。為此，該致動器的下腔室32用來容納壓力液體，最好是不可壓縮的液體，例如潤滑油，以便確實地促使活塞12升舉，從而使閥6上升至打開的位置，而處在下面的下腔室33則裝有用來使閥回復到關閉位置的彈性復位裝置34。此彈性復位裝置同樣地可以是機械的、液壓的或者氣動的。
在環狀進氣開口10與新鮮空氣進氣管11之間有一導流裝置37，它用來在進氣閥升舉時使進氣的動量矩能使與發動機軸2相重合的軸產生旋轉運動，由此使進入工作室的新鮮氣流呈現出離心式的螺旋形軌跡。
這些導流裝置可以做成上述的進氣管形狀的，也可以簡單地由傾斜于該氣缸軸的葉片做成，或者更為簡單的是沿上述環狀進氣開口的周邊打一些均勻分布的，其軸線與該氣缸的軸線相垂直但不相交的鉆孔。最后的這種造型特別有助于傳遞由工作室內的氣體壓力所造成的氣缸蓋的豎向載荷。
排氣閥6空心套筒的這種造型在不同于普通提升閥的意義上是很有益的，在該閥門開啟時工作室內氣體的壓力并不影響這種開啟，或者影響很小，也就是說由控制排氣閥提升的元件所產生的力將被減小，這是很有利的。特別是，能夠利用排氣閥控制裝置毫不困難地實現發動機的制動。實際上，如果有一個改變閥門開啟時間的裝置在發動機運行時可供應用，那么就能夠通過在活塞的下行沖程開始時(相當于發動機工作室容積增大)使排氣閥的開啟時間大大提前的方法，使工作室內的壓力突然降低，并相應地降低發動機的有益功，從而增大發動機的制動。在工作室內壓力很高時，由于該閥門的圓筒形狀，使得排氣閥的這種提前開啟是并不困難的。
最后，要指出的是進氣閥和排氣閥在相反的方向上打開所特有的優越性能。實際上，當排氣閥剛剛打開(向上)的時候，工作室內的壓力是很高的，已燃氣體自然以很高的速度向外排泄(超聲速噴出)。可是，在換氣階段，在進行換氣的過程中兩個閥門同時打開，以致獲得最大的透氣率，使得進氣管11和排氣管9之間所必需的壓力差最小，進氣閥的動作加上排氣閥的動作使得進氣閥向下打開顯著地增大了排泄氣體通道的橫截面，這也有助于其控制裝置的動作。
外圈的進氣閥7在換氣階段被引入的空氣加以強烈地冷卻。可是，為了冷卻排氣閥6和中心套筒21，可以考慮使中心套筒外和面的直徑充分小于進氣閥6的內徑，從而在閥與套筒之間(閥導向部位20除外)形成一個有冷卻液(例如冷卻油)流經其中的環狀空腔38，此冷卻液對閥導向部位密封的滑動面也起輔助的潤滑作用。可以經由向外返回的通道39很方便地將冷卻液引入，如象已有技術那樣在噴嘴5頂端附近沖洗中心套筒21的下部，然后再在返還回路中沖洗環狀空腔38。
除了借助于換氣階段引入的新鮮空氣對工作室側壁的固有的保護作用外，工作室的軸對稱式的布置方式能使氣流沿螺旋形軌跡噴入，使得氣流只要接近于排氣口就遠離中心部位，并且能盡量減少噴入的新鮮空氣與留存在工作室中心的已燃氣之間的混合。這樣就得到了換氣工序的高效率，大大減少了由進氣閥到排氣閥之間直接通道中發生的短路，也大大減少了由于留存在工作室內的已燃氣與引入工作室的新鮮空氣之間發生混合而造成的短路。
在所給的示例中，活塞3的上端面呈觀出一個軸對稱的凹窩40，它的軸與活塞的軸相重合，當工作室的容積最小、活塞靠近上死點的時候，它構成為燃燒室。
屬于噴射器5的在壓力下噴射液體燃料的噴嘴22實質上位于燃燒室的軸線上，以致于燃料呈傾斜狀、甚至徑向分布狀的射流噴射到燃燒室的中心部位。考慮到本發明采用的設計圖形，在換氣階段的結尾存留在工作室內并參與再循環的已燃氣將集聚在燃燒室的中心部位；但另一方面，在進氣階段給出巨大動量矩的新鮮空氣卻由于進氣閥7的圓形結構和空氣通道37的取向，將因在燃燒室的邊緣部位的離心作用和由于活塞上升行程中動量矩的守恒被保留下的空氣的旋轉作用而存留。
集聚在燃燒室中心部位的、溫度很高并且缺氧的已燃氣的量可以容易地被測得并加以調節。例如，考慮到進氣腔10處的進氣壓力和空腔9內的排氣壓力，可以給閥門通道規定一個橫截面面積，使得在換氣階段的結尾，當兩個閥門6和7再次關閉的時候，還有相當數量的已燃氣沒有排泄出來。也可以改變新鮮空氣的進氣速度和其螺旋形進氣通道的長度。其他的簡單方法還有使排氣閥足夠早地關閉，以截留下一些已燃氣。
例如，壓縮比約為6，從上循環到下循環留存20％的已燃氣，當外圍的處于旋轉運動中的新鮮空氣的溫度約為430℃時，在新鮮空氣正要噴入之前，中心部位的溫度可以是大約1480℃。
除了這種造型對工作室側壁(氣缸側壁和燃燒室側壁)的自然保護作用，使之能夠相當大地降低側壁的熱損失，從而使發動機的效率得以改善之外，在燃燒方式上還顯示以下優點·充分霧化的液體燃料噴入很熱并且缺氧的中心部位，使得燃料幾乎立即就可以發生汽化并自行引燃，以便為燃料在高壓下噴入工作室時所形成的兩個反旋轉渦流(在觀察緩慢引燃發火中可以看到)中燃燒帶來所必需的氧氣。因為這是在可燃成分高(因為氧氣很缺)并且很熱的部位發生的燃燒，氫原子和碳原子優先與氧結合，從而阻止了氮氧化物的生成，盡管在這種中心部位在壓縮階段的末尾達到了很高的熱度。
·燃燒在含氧豐富并且由于進入工作室內的新鮮空氣的離心分層作用而相對“冷”的邊緣部位繼續進行。可以看到，這種燃燒以很高的反應速度形成，但由于局部熱度低而并不過多地生成氮氧化物。高的反應速度能夠在著火引燃的瞬間與排氣閥門開始打開的瞬間之間形成完全的燃燒，而不散發出過多的未燃盡物、煙氣和有害顆粒。
本發明實施例所示的這種構造形態還有一些優點，例如，位于燃燒室40外邊的活塞3的上端面最好是平坦的并與進氣閥7的基底13的底面相匹配，并且保留著一個間隙，其尺寸要能夠在活塞處于上死點附近的時候使得空氣徑向運動的重要性減至最小。
在這情況下，當活塞處在上死點附近的時候，此上端面就在錐形支座15的外邊徑向地封閉出一個小的環狀容積46。此外，如果活塞3裝有專利號FR-A-2602827中所述的那種連續式密封墊，那么可以想象出，這個小的環狀容積就構成一個“死胡同”(Cul-de-sac)。在這“死胡同”里，在活塞的每一壓縮循環中都會保留下一些在活塞處于上死點附近時沒有遭到燃料燃燒的旋轉的新鮮空氣。當活塞開始其下行沖程的時候，此存留下的空氣膨脹，從而由形成一種冷臨界層來對活塞3的頂端和進氣閥7的基底13的下端面予以保護作用。
現在參看圖2，這是本發明的另一個實施例，它不同于圖1所示的一點就是其進氣閥與排氣閥的彈性復位裝置均為純粹的氣動式機構，進氣閥的腔室26通過管路39a、排氣閥的腔室33通過管路39e分別與供給壓縮空氣的空腔(圖中未畫出)相連接。
例如，圖中示出一種裝置，它產生垂直的升力，能夠將進氣閥和排氣閥循環地分別從其支座上稍稍升起。該裝置基本上由與發動機主軸同步旋轉、并包括進氣凸輪51a和排氣凸輪51e在內的凸輪軸50組成。這些凸輪推動泵塞52a和52e在泵缸53a和53e里面自由地軸向滑動，由此界定出可變容積的空腔54a和54e，此可變容積空腔分別經由55a和55e與進氣閥7的傳動器的上空腔25和排氣閥6的傳動器的下空腔32相通。所有這些液壓回路54a、55a、25以及54e、55e、32內均灌注有不可壓縮的液體(例如油)。不用說，由于凸輪51的作用壓下每個泵活塞52。將使相應的閥門向上移動一段行程，其大小等于凸輪的行程乘以泵塞有效橫截面與閥門傳動器有效橫截面之比。當凸輪的凸頭轉過能使泵塞脫離開的角度時，相應閥門的彈性復位裝置將既使閥門返回到它的支座上，又使泵塞恢復與凸輪相接觸。
參看圖3，這是本發明的又一個實施例，它與圖1所示不同首先在于它的一些細節，例如，冷卻通道39的布置不同。環狀進氣孔10是處在外圈進氣閥7的下部之中而不是處在氣缸蓋4內。外圈閥7的活塞23a處于中間的位置，彈簧29向上推著一個由閥門7支承在其上端附近的圓環41。排氣閥6和進氣閥7在其缸體部位為留有間隙的雙層壁，冷卻液可以在此間隙內流通。
本發明的這種傾向于進氣閥7的下部基底并在此基底的外側形成一個環狀進氣孔10的有蓋的結構布置是可以理解的。實際上，還可以看到這樣的布置形式，即進氣閥的支座15與排氣閥的支座16是相互軸向偏移的，這樣就使得能夠將排氣用通道的位置定得高于上述環狀進氣孔10，并且在此情況下也能夠對排氣進入環狀通道8的孔口提供一個更為實際有效的橫截面(其平均直徑要大一些)。
還要提到的是，一方面在進氣閥錐形支座外側氣缸周邊形成的環狀空氣容積(環狀容積46)，另一方面圍繞中心套筒21形成的一個環狀容積，在活塞開始其下行沖程時膨脹擴大，提供新鮮空氣的臨界層，新鮮空氣在進行噴射時借助于高壓下噴射的燃料噴嘴的周圍介質所傳送的很大的線動量而運動。這樣形成的空氣臨界層會對燃燒室的壁加以保護，并給燃料噴嘴的邊緣提供新鮮空氣，從而為高壓下向燃燒室噴射燃料所形成的兩個反向旋轉的渦流中帶來燃料燃燒所必需的氧氣，這樣有利于與燃料的混合，從而提高燃燒的速度和質量。
下面用圖3所示的實施例，參看圖4至圖6，介紹本發明的設備的運轉情況。
圖4中所表示的活塞3處于其下位即下孔點附近，此時活塞正在返回上升減小氣缸1中的自由空間。此時，控制裝置(圖中未畫出)向可以瞬間造成排氣閥6升起的腔室32內輸送液壓油，該閥的支承面17a離開仍處于關閉位置的進氣閥7的支座16，當排氣閥的復位彈簧34被壓縮時，使氣缸的內部經由通道8與排氣空腔9相聯通。還可以看到，排氣閥下部的彎曲部分42與套筒21的凸形下端基本相切，因而使得空腔43不再能與燃燒室相通，使得排出的氣體不受擾動地向外流動。這樣的流動逐漸地隨著活塞3向上回升并排出一些已燃氣而繼續進行。
當到達圖5所示的位置時，使排氣閥6升起的控制裝置受到驅動，閥7下降到圖中所示的位置。隨著排氣閥6保持在升起的位置，支承著閥7的支座16的內表面與對著閥6的支承面42之間的通道的橫截面大大增加，這有助于氣缸內壓力開始下降時已燃氣的繼續離去。
同時，閥7的下降導致進氣通道的打開，使得環狀孔口10徑由逐漸使空氣通向氣缸下部側壁并且借助于進氣閥7外表面鄰近孔口10處的凹形彎曲度通向底部的通道49與氣缸的內部相聯通，這樣做時，還得到氣缸蓋部位在鄰近進氣閥的外支座14處的向下向外展開的錐度或曲度的幫助。由通道輸送的新鮮空氣經過使其產生渦流運動的導向裝置37進來，只要空氣通過管路49向下降入，此渦流運動就繼續進行，如此遭受到離心作用的新鮮空氣當空氣向著活塞3下降時仍在氣缸內壁的附近維持著，以致使得新鮮空氣不會到達氣缸1和燃燒室容積里面，并且其中容納有殘留的含氧不太多的熱廢氣。于是形成了新鮮空氣在氣缸壁附近呈螺旋狀運動的分層現象和氣缸中心部位存留的含有少量空氣或氧氣的高溫廢氣的分層現象。此分層現象在活塞3上升、容積減小的情況下，包括進氣閥和排氣閥再次關閉以后，繼續保護著。這種分層現象在圖6所示的狀態下，在靠近上死點處，在由燃燒室44的容積與活塞上的杯槽容積所界定的容積內繼續存在，被壓縮的新鮮空氣在燃燒室的邊緣旋轉，而缺氧的熱廢氣存留在燃燒室的中心部位，即噴射器噴嘴22的附近。到壓縮將近結束時，噴射器開始使液體燃料霧化，如圖5所示，以便噴射開始時使得液體燃料與進行燃燒的容積中心部位處的熱氣體是相接觸的，燃燒就是這樣在最可能好的條件下實現的。此后，燃燒沿著新鮮空氣的方向由中心部位向邊緣部位延伸，形成為沒有污染、不產生氮氧化物的完全均質的燃燒。
另外，當然這種燃燒是在精確的軸對稱條件下在燃燒室內進行的，燃燒室內的容積表面因為被劃分為套筒21的顯露面、進氣閥內表面的下部和對著活塞3的表面而是很微小的。
燃燒所造成的壓力升高產生活塞3的下行動力沖程，循環重新開始。
權利要求
1.內燃發動機，包括一個可變容積的工作室，它由有活塞(3)在其中滑動的氣缸壁(1)、該活塞的移動的上端面和固定不動的氣缸蓋(4)所界定；一個在高壓下向上述工作室內噴射霧化液體燃料的噴射裝置(5)；以雙沖程循環運行，有一套橫跨在氣缸蓋上的循環換氣系統，由至少一個與支座(15)，最好是圓錐形支座相配合的進氣閥(7)控制，以便使工作室與連接著為發動機提供新鮮空氣的進氣空腔(11)周期性地相聯通，并且由至少一個與支座(16)，最好是圓錐形支座相配合的排氣閥(6)控制，以便使工作室與連接著排放發動機燃燒廢氣的排氣系統的排氣空腔(9)周期性地相聯通；該進氣閥和排氣閥呈軸對稱形狀，并且其軸線相互重合，最好與前述氣缸壁的軸線(2)相重合，而且同軸安裝使進氣閥(7)處在排氣閥(6)的外邊；進氣閥(7)的上述支座(1 5)與氣缸蓋相結合，并且其方向要使得工作室內運動的流體的壓力能施加一個作用力將該閥門向其支座上被推壓，其位置處在上述氣缸壁(1)上部緊靠邊緣，活塞(3)在此處滑動并且與氣缸蓋(4)相接觸的地方；彈性復位裝置，用來使該進氣閥(7)倚靠到上述與氣缸蓋相結合的支座上；壓力生成裝置，它產生一個與進氣閥(7)的軸相平行的壓力，其方向朝向活塞(3)，并且支承在該閥這上，用來周期性地使閥門從其支座(15)上抬起，從而使發動機的工作室與連接著上述發動機的新鮮空氣供應裝置的進氣空腔(11)相聯通；旋轉感應裝置(37)，它插在進氣空腔(11)與進氣閥的該支座(15)之間，以便產生與上述氣缸壁的軸(2)和在發動機換氣時進入工作腔到的氣體的軸線基本同軸的全面的旋轉運動；其特征在于排氣閥(6)呈軸對稱形狀，它包括一個圓筒形的下部，其內壁借助于密封裝置嚴密地環繞著由氣缸蓋(4)所支承的中心套筒(21).其下部呈現出與該圓筒形部位同軸的支承面(17，17a)，致使它能夠與在上述進氣閥(7)的下部里面形成的支座(16)，最好是圓錐形支座相配合，這樣使得它能夠借助于由進氣閥(7)的內壁和排氣閥(6)的外壁所界定的環狀通道(8)把上述排氣空腔與工作室相聯通；所設置的彈性復位裝置是用來使該排氣閥下部圓筒形部位的上述支承面(17，17a)倚靠著在該進氣閥內壁的下部形成的支座(16)上；壓力生成裝置產生的壓力平行于排氣閥(7)的軸線，其方向為從活塞(3)朝向氣缸蓋(4)，并且支承在該閥門之上，用來周期性地使閥從支座上抬起，從而使得發動機的工作室與連接著從該發動機內排放廢氣的排氣系統的上述排氣空腔(11)相聯通；上述用于高壓下噴射霧化液體燃料的噴射裝置(5)包括一個伸向工作室，位于上述中心套筒(21)中央的噴嘴(22)。
2.權利要求1所述之發動機，其特征在于上述中心套筒(21)相對于氣缸蓋(4)是靜止不動的。
3.權利要求1和2之一所述之發動機，其特征在于對著排氣閥(6)圓筒形下部外側、與進氣閥(7)下部里面形成的支座(16)相配合的上述支承面(17、17a)之最小內徑小于排氣閥(6)圓筒形下部的內壁在其上滑動的中心套筒(21)的上述密封裝置之外徑。
4.權利要求1至3之一所述之發動機，其特征在于進氣閥和/或排氣閥的彈性復位裝置包括彈簧(29、34)，并且最好是一套裝得像個圓筒似的許多彈簧，它對與閥的上部相結合的套環(12、23、41)施加復位力。
5.權利要求1至4之一所述之發動機，其特征在于進氣閥和/或排氣閥的該彈性復位裝置包括一個與閥相結合的活塞，它在氣缸內滑動，界定出可變容積的與產生液壓的裝置相聯通的腔室。
6.權利要求1至5之一所述之發動機，其特征在于該對排氣閥和/或進氣閥造成使之打開的力的裝置包括一個與閥相結合的活塞(12、12a、23、23a)，此活塞在氣缸內滑動，界定出第一可變容積并與產生液體壓力的裝置相聯通的腔室(25、32)，所述液體最好是不可壓縮的。
7.權利要求6所述之發動機，其特征在于該產生液體壓力的裝置由活塞組成，它在一個氣缸內滑動，形成第二可變容積并與上述的腔室(25、32)相聯通的腔室，此活塞由一個與發動機輸出軸同步旋轉的凸輪軸所驅動。
8.權利要求4至7之一所述之發動機，其特征在于將使閥門復位的活塞和使閥門打開的活塞合并成為完全相同的有兩個端面的活塞(12、12a、23、23a)，液體的壓力作用到該活塞的兩個端面上。
9.權利要求1至8之一所述之發動機，其特征在于對沿氣缸壁滑動而界定發動機工作室的發動機活塞(3)用密封墊加以密封，使流動的液體沒有通道可以流向活塞的下部，并且布置得使其上部(3a)在工作室的容積最小的時候，有間隙地與氣缸蓋(4)處于進氣閥(7)最大直徑以外的那部分及進氣閥(7)本身相配合，氣缸蓋處于進氣閥最大直徑以外的那部分和進氣閥本身界定出一個環狀空腔(46)，其中會聚集一定量的沒有參與噴入工作室內的燃料共同燃燒、并且在工作室增大容積的沖程時發生膨脹的空氣。
10.權利要求1至9之一所述之發動機，其特征在于使圍繞上述中心套筒(21)滑動的排氣閥(6)圓筒形上部的內壁密封的裝置，包括密封墊圈，它使壓入工作室內的液體沒有可以流動的通道，排氣閥的圓筒形下部和中心套筒(21)的下部界定出一個環狀空腔(43)，其中會聚集一定量的沒有參與噴入工作室內的燃料共燃燒、并且在工作室增大容積的沖程時發生膨脹的空氣。
11.前述各權利要求之一所述之發動機，其特征在于裝有使熱傳導液體在中心套筒(21)內循環的裝置(39)，此裝置使排氣閥(6)圓筒體的內壁能夠得到冷卻。
12.上述權利要求所述之發動機，其特征在于上述熱傳導液體循環裝置(39)還可使遭受發動機工作室內燃燒影響的中心套筒(21)的表面得到冷卻。
13.前述各權利要求之一所述之發動機，其特征在于發動機的可變容積工作室，在其容積最小的時候，基本上是由活塞內的一個軸對稱杯槽(40)、進氣閥(7)的下端面和中心套筒(21)的一個大體上與活塞軸相垂直并在同一平面內的端面所構成。
14.權利要求1至12之一所述之發動機，其特征在于發動機的可變容積工作室，當其容積最小的時候，基本上是由一個位于氣缸蓋里面的軸對稱杯槽和由進氣閥的環狀頂端(45)所構成的側壁、活塞(3)的大體與其軸相垂直并在同一平面內的上端面所構成。
15.上述權利要求所述之發動機，其特征在于燃料噴嘴(22)的噴口朝向進氣閥的上述環狀頂端的方向。
16.權利要求1至15之一所述之發動機，其特征在于進氣閥(7)的下端在其邊緣處設有環狀進氣孔(10)，此進氣孔高于與進氣閥的支座(15)相配合的支承面、并對著進氣導向裝置，排氣閥(6)的下部基底呈傾斜狀，使得環狀通道(8)的位置高于進氣孔(10)，從而得益于增大的通道截面。
17.權利要求1至16之一所述之發動機，其特征在于燃氣分配裝置是這樣操縱的，以致于在打開排氣閥和進氣閥排泄燃燒氣體，并部分地被新鮮空氣加以置換的過程中，有大量上個循環產生的燃燒氣體被留存在工作室內。
18.權利要求17所述之發動機，其特征在于將在進氣閥(7)開啟的情況下的第二空腔(11)與工作室之間的聯接和工作室腔壁的形狀設置成，當工作室的容積由于活塞(3)的相對運動可變至最小時，使得新鮮空氣流進燃燒室，在燃燒室里使工作流體發生強烈的旋轉運動，借助于由此旋轉運動所形成的對新鮮空氣的離心分離作用并借助于新鮮空氣與燃燒氣體的濃度之差來防止新鮮空氣在燃燒室內與其中存留的燃燒氣體相混合，以致在燃燒室內形成一個燃燒氣體的濃度和溫度最高的中心區域和一個新鮮空氣濃度最大、溫度最低的邊緣區域，上述的燃料壓送裝置(5)的布置要使得至少在每個噴射周期一開始的時候燃料就能直接噴射到上述的中心區域內。
19.權利要求17和18之一所述之發動機，其特征在于由一個循環到下個循環留存在工作室內的燃燒氣體至少等于在該工作室與每個上述空腔(9、11)之間的聯系中斷、發動機正以接近額定速度運轉時，工作室內所含工作介質的10％，最好為15％。
20.權利要求17至19中之一所述之發動機，其特征在于引入空氣的溫度和由一個循環到下一循環存留在工作室內的氣體的比例，要使得如果存留在氣體與新鮮空氣在燃料噴入之前發生混合，則在噴射燃料時所獲得的混合氣體的溫度要低于燃料在不產生過量未燃燒物的穩定方式之下發生自燃著火時的溫度。
21.權利要求17至20中任一條所述之發動機，其特征在于引入空氣的溫度和由一個循環到下一循環存留在工作室內的氣體的比例，要使得工作流體的最大平均溫度不超過大約1500℃，高于此溫度會使氮氧化物的生成過量。
全文摘要
具有圓筒形氣缸(1)的內燃機，氣缸內有活塞(3)滑動，氣缸由氣缸蓋(4)封閉，裝有高壓噴射霧化液體燃料的噴射裝置(5)，運轉方式為雙沖程循環，并在氣缸蓋上裝有環形換氣系統，裝有兩個同軸的軸對稱閥門，其中一個外圈的進氣閥(7)，它與氣缸蓋上的支座(15)相配合；另一個是排氣閥(6)，呈圓筒形狀，它帶有支承面用以支靠在進氣閥(7)下端形成的支座(16)上，進氣閥的開口朝向氣缸方向，排氣閥的開口方向相反，以便在兩者之間界定出排氣通道(8)，噴射裝置(5)向著大體上位于中點的中心套筒(21)噴射，此中心套筒被氣缸蓋支承著，排氣閥(6)環繞著它滑動。
文檔編號F01L3/24GK1113662SQ9419063
公開日1995年12月20日 申請日期1994年9月2日 優先權日1993年9月13日
發明者讓·F·梅爾基奧爾, 希瑞·安德 申請人:S.N.C.梅爾克拉技術公司