专利名称：中冷、回热式二冲程内燃机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种内燃机，特别是中冷、回热式二冲程内燃机。从技术上看，现有的内燃机已经发展到非常完善的程度了，又采用涡轮增压等技术进一步提高功率及效率。但从热力循环角度分析，现有的内燃机因受工作原理的限制，很难在其连续的工作过程中为提高热效率而加入回热等循环，这使它的排气热量得不到充分回收，其效率还未达到最高状态。
本发明的目的是通过为主汽缸设置提供压缩空气的压气汽缸和由付缸及配气活塞构成的可变容积式燃烧室等，再让燃烧室与中间冷却器和回热器相配合，从而使本发明的内燃机在工作循环上有时间对压缩后的空气进行中间冷却，然后通过回热器让压缩空气被排气加热，使排气热量得到充分回收，并在继续进行的作功过程中转化为功率向外输出。
本发明的这种内燃机采用了以下结构方式，它包括装有排气门的主汽缸和装有进气门及出气阀的压气汽缸，主汽缸中的动力活塞和压气汽缸中的压气活塞分别经连杆与曲轴箱中的曲轴相连。在主汽缸的缸盖上设有由配气活塞和付缸构成的可变容积式燃烧室，它经被阀门控制的通气孔与主汽缸相连。付缸中的配气活塞经连杆与付曲轴相连，付曲轴与曲轴的转速比为2∶1。另外，燃烧室还分别经被阀门控制的换气进出口与置于排气管路中的回热器的两接口相连。压气汽缸经设有出气阀的出气口、出气管路、中间冷却器和被阀门控制的充气口也与燃烧室相连。
由于本发明的内燃机对压缩过程进行了中间冷却，使压缩过程能在更有利的条件下进行，减少了压缩功的消耗，也降低了整个循环的温度和压力，同时为回热器回收排气热量提供了较大的温度差，让回热器能从排气中回收更多的热量。这种内燃机因采用压气汽缸来产生压缩空气，虽然其相对压缩比不会很高，但在作功过程中，可变容积式燃烧室的配气活塞能把绝大部分作功燃气压入主汽缸中去推动动力活塞运转，剩在余隙容积内的燃气数量很少。因为这一特点，本发明的内燃机基础效率(不进行中冷和回热)不会低于现有的高压缩比柴油机，而在此效率上再进行中冷和回热过程，将使其效率达到最高状态。在本发明中，对压气汽缸的进气门和出气阀也利用凸轮和液压装置等进行了主动控制，以使气流经过阀门时所受的阻力最小，同时也能适应内燃机的高速运转。
本发明的具体结构由以下各实施例及附图给出。
图1．本发明的中冷、回热式二冲程内燃机的总体结构剖视图。
图2．本发明的内燃机工作过程图，其中①进气过程；②经中间冷却的压缩排出过程；③让压缩空气充入燃烧室；④把压缩空气压进回热器内被排气加热；⑤回热后的压缩空气回到燃烧室；⑥付缸燃烧室内的点火燃烧过程；⑦主汽缸作功过程；⑧主汽缸排气过程。
图3．各控制阀和排气门的工作角度范围图。
图4．本发明第二实施例的付缸和主汽缸的放大剖视图。
图5．本发明第三实施例的付缸和主汽缸的放大剖视图。
图6．图5中A-A剖视图。
图7．本发明第四实施例的付缸和主汽缸的放大剖视图。
图8．图7中B-B剖视图。
图9．压气汽缸的进气门和出气阀的凸轮及液压控制装置的结构图。
图10．用于车辆中的具有刹车能量回收功能的本发明内燃机的结构及系统布置图。
下面结合附图对本发明的各实施例进行详细说明。本发明的内燃机总体结构如图1所示，主汽缸(1)与压气汽缸(28)呈V型排列，安装在曲轴箱(19)上。主汽缸中的动力活塞(13)和压气汽缸中的压气活塞(30)分别经连杆(18)(33)与曲轴(20)相连。与主汽缸相配合的可变容积式燃烧室(59)是由付缸(57)和配气活塞(68)构成，并经被阀门控制的通气孔(5)与主汽缸(1)相连通。在这里，付缸(57)与主汽缸的缸盖(3)制成一体，构成一种较紧凑的结构形式。付缸中的配气活塞经连杆(74)与付曲轴(72)相连，付曲轴经传动装置被曲轴(20)带动(图中未画)。在动力活塞进行作功和排气过程中，由于配气活塞要完成让压缩空气充入付缸等四个动作过程，因此付曲轴(72)的转速要比曲轴(20)更高，两者的转速比为2∶1。
在图1所描述的实施例中，燃烧室(59)与主汽缸(1)之间的通气孔(5)采用转阀(83)控制，该装在阀孔(87)内，其阀体上设有直通孔(85)。为防止漏气，在阀孔内壁(或阀体)上装有密封片(88)。转阀(83)通过轴承装在阀孔(87)内，还经传动齿轮等被曲轴(20)带动(图中未画)。
为回收排气热量，燃烧室(59)分别经被阀门控制的换气出口(80)和换气进口(75)与置于排气管路(12)中的回热器(78)的两接口相连。在燃烧室(59)与压气汽缸的连接中，压气汽缸(28)是经设有出气阀(50)的出气口(52)、出气管路(53)、中间冷却器(54)和被阀门控制的充气口(55)与燃烧室(59)相连的。在本实施例中，控制充气口(55)、换气出口(80)和换气进口(75)的阀门采用的是装在阀孔(117)内的其上设有直通孔(115)的转阀(113)。当转阀上的直通孔(115)一侧气口按箭头(116)方向依次与阀孔内壁上的上述三个气口分别接通时，另一侧气口则处在燃烧室侧的较宽的通气口(61)开度范围内。在阀孔内壁上还设有密封片(119)，以防止作功燃气向冷却器和回热器中泄漏。
在图1状态中，转阀(113)的直通孔(115)即将转过换气出口(80)，正处在将与换气进口(75)接通的位置处，此时配气活塞(68)也快移到上位置(为区别主汽缸的上止点)，配气活塞顶面的凸出形状(69)正伸到通气口(61)内，让形成的余隙容积处于最小状态，以便把大部分压缩空气都排出付缸。另外，在回热器(78)的布置中，为了得到最高的回热效率，排气管路(12)内的回热器管组(79)与排气采用逆流换热方式，排气按箭头(7)方向流过回热器管组时，使回热器(78)内沿箭头(81)方向流动的压缩空气被排气加热。回热过的压缩空气在流经处于排气管(12)中间的连接管路(82)进入换气进口(75)时，又被主汽缸(1)刚排出的排气进行最后的加热。因采用了两个排气门(8)，两排气出口(11)合在一起相通后构成了排气管(12)。为减少散热损失，在实际应用中，应在排气管内壁上设置绝热层。
本发明的这种内燃机在点火及燃料加入方式上不同于现有的汽油机和柴油机，它需要喷油和点火两种系统。由图可见，喷油系统的喷油器(67)装在通气口(61)的上侧，点火系统的火花塞(66)装在付缸(57)上。在内燃机运转过程中，喷油器把汽油或类似燃料喷入经回热的流向燃烧室(59)的压缩空气中，形成燃烧所需的燃油混合气体。由于本发明的内燃机不用节气门，这就要求喷入压缩空气中的燃料浓度适当，容易被火花塞点燃。在控制输出功率时，如增加功率，让喷油器提前向燃烧室内喷油，增加总供油量。如降低功率，则可推迟喷油时刻，缩短喷油时间，相应减少供油量。由于喷油器是按最容易被火花塞点火的浓度向压缩空气中喷油的，因此，在功率减小时，最后喷入的少量燃油在流经火花塞(66)时也能被点燃作功。在只使用柴油的内燃机中，也可采用电热塞点燃所喷入的燃油，但与普通柴油机不同，要求电热塞在低功率时要处于通电的炽热状态。
本发明的这种内燃机的工作过程如图2所示，下面结合过程图对每一工作过程进行说明。
图2①．进气过程。
进气过程在压气汽缸(28)中进行，这时压气活塞(30)下行，进气门(41)开启，空气沿箭头(39)方向被吸入压气汽缸中。压气活塞移到下止点后，进气门关闭，进气过程结束。
图2②．经中间冷却的压缩排出过程。
压气汽缸(28)充满空气后，压气活塞(30)从下止点开始向上运行，对吸入的空气进行压缩。当空气被压缩到其压力大于中间冷却器(54)内的压力时，所形成的压缩空气便冲开出气阀(50)进入冷却器(54)中。压气活塞(30)行到上止点后，压缩排出过程结束。
由于在压缩排出过程中采用中间冷却器对压缩后的空气进行冷却，这使压缩排出过程更接近于等温压缩状态，压缩热被冷却器导至外界，让压缩压力和温度相应降低，减少了压缩功的消耗，为将要进行的回热过程提供了很大的温度差。实际中，应加强冷却器的散热能力，经冷却后的压缩空气被控制在5℃～50℃之间，温度降的越低，越有利于回收更多的排气热量，同时，也有利于减少内燃机的散热损失和所受的热负荷。
图2③．让压缩空气充入燃烧室。
当压气汽缸把压缩空气压进冷却器时，主汽缸内的动力活塞(13)和付缸内的配气活塞(68)也在同时运行。在付缸(57)中的配气活塞(68)从上位置移到下位置过程中，充气口(55)被转阀(113)开启，冷却器(54)内的压缩空气在这一过程中经开启的充气口进入燃烧室(59)，推动配汽活塞(68)移到下位置，完成压缩空气充进燃烧室的工作过程。
图2④．把压缩空气压进回热器内被排气加热。
配汽活塞(68)移到下位置后又开始向上移动，对充入付缸燃烧室(59)内的压缩空气进行压缩，当压缩空气被压缩到与回热器内压力相同时，转阀(113)上的直通孔与通向回热器(78)的换气出口(80)沟通，随着配气活塞(68)继续上移，付缸内的压缩空气被压入回热器(78)中(如箭头77所示)，然后再被排气加热。配汽活塞移到上位置后，换气出口关闭，此过程结束。
充入回热器的低温压缩空气被排气加热后，其温度和压力都相应升高，这使排气热量得到充分回收。排气使压缩空气的温度升高越多，所回收的排气热量也越多。在只用火花塞点燃混合气的内燃机中，应把回热后的压缩空气温度控制在不超过500℃，以防止喷入的燃油提前自燃。
图2⑤．回热后的压缩空气回到燃烧室。
在配气活塞(68)到达上位置又开始向下位置运行时，转阀(113)把换气进口(75)与燃烧室(59)沟通，被回热器(78)加热了的压缩空气立即充进燃烧室，如图中箭头(64)所示，推动配气活塞(68)向下运行。在压缩空气进入燃烧室(59)的过程中，喷油器(67)也把燃料同时喷入，形成混合良好的可燃气体。配气活塞移到下位置后，换气进口(75)关闭，此过程结束。
图2⑥．付缸燃烧室内的点火燃烧过程。
付缸燃烧室内的配气活塞(68)移到下位置后，燃烧室中已经充入了混合良好的因回热温度和压力都相应升高的可燃混合气体。同时，在主汽缸(1)中的动力活塞(13)还未移到上止点时，火花塞(66)提前一定的曲轴转角(比如5°～35°)点火，让燃烧室内的可燃混合气迅速燃烧，形成高温高压作功燃气。
图2⑦．主汽缸作功过程。
在付缸燃烧室形成高温高压作功燃气的同时，主汽缸(1)中的动力活塞(13)也行到了上止点，这时燃烧室与主汽缸间的通气孔(5)被阀门(83)接通，作功燃气经通气孔立即进到主汽缸(1)内，如箭头(17)所示，推动动力活塞(13)下行作功。
动力活塞(13)从止点被向下推动作功的同时，配气活塞(68)也更快的向上位置移动(因付曲轴比曲轴转速快)。当动力活塞(13)下移到接近半程位置处时，配气活塞(68)已移到上位置，把付缸内的大部分作功燃气压入到主汽缸(1)内，然后通气孔(5)被阀门(83)关闭。被压入主汽缸中的燃气继续向下推动动力活塞(13)下行作功，直至移到下止点，作功过程结束。
在主汽缸进行的作功过程中，绝大部分燃气都被压进了主汽缸用来推动活塞作功，剩在燃气通道等余隙容积内的作功燃气很少(少于普通柴油机燃烧室内所剩的燃气)，这使本发明的内燃机在不进行中冷和回热时的基础效率不会低于现有的柴油机，而在经过中间冷却和回热后，其效率还会大幅度增加。在本发明的内燃机中，加强中间冷却器和回热器的工作能力，减少燃烧室和主汽缸等处的无益容积等都可使效率进一步提高。由于不是单纯地靠加大压缩比来提高效率，因此作功时的燃气最高压力也不会很大，这对降低机械负荷、延长内燃机的使用寿命是非常必要的。
图2⑧．主汽缸排气过程。
主汽缸(1)中的动力活塞(13)移到下止点完成作功过程后，这时排气门(8)开启(实际中要提前开启)，动力活塞随着曲轴的转动又向上止点运行，把主汽缸中作功后的高温气体排出汽缸，再经排气管(12)沿箭头(7)流向回热器(78)，对回热器内的低温压缩空气进行加热，使排气热量被充分回收。活塞(13)到达上止点后，排气门关闭，排气过程结束，随后将继续进行下一次的作功过程。
以上对本发明内燃机的工作过程是分开描述的，实际中，主汽缸是按二冲程方式工作的，只进行作功和排气过程。压气汽缸进行进气和压缩排出过程。而付缸中的配气活塞要在主汽缸的二冲程内通过阀门分别与中间冷却器、回热器和主汽缸沟通或关闭，完成让压缩空气充入付缸等四个动作过程，从而实现内燃机的整体循环过程。
上述是本发明内燃机的具体工作过程，从热循环角度去概括划分以上各运转状态，这种中冷、回热式二冲程内燃机主要包括进气、压缩排出、中间冷却、回热、燃烧作功和排气六个过程。
图3是本发明内燃机的充气口、换气进出口、通气孔和排气门的工作角度划分图。图中外圈是主汽缸的工作角度划分，内圈是付缸燃烧室的工作角度划分。由图可见，付缸的配气活塞(68)比处在上止点的主汽缸中的动力活塞(13)提前5°～35°的曲轴转角处在下位置上，如e段所示。配气活塞(68)移到下位置后，付缸燃烧室已充入了被回热过的形成燃油混合气的可燃气体，并在e优内，火花塞点燃了充入的燃油混合气，形成作功燃气。点火燃烧过程完成后，在配气活塞(68)从下位置移到上位置的第一过程中，付缸燃烧室与主汽缸间的通气孔(5)被阀门开启，相应的动力活塞从上止点被燃气推动向下移到接近半程位置处，如图中f段所示。在通气孔开启时，由于付缸与主汽缸已被连通，所以f段从内、外圈两处起始，再汇集到代表主汽缸的外圈。在配气活塞(68)离开上位置返回到下位置的第二过程中，此间充气口(55)被阀门开启(如图中a段所示)，而接近半程位置的动力活塞(13)被燃气继续推动移近下止点完成作功过程，如g段范围所示。图中O1段表示配气活塞离开上位置时充气口(55)并未立即开启，剩在付缸燃烧室余隙容积内的燃气还可相应膨胀，推动配气活塞作功。
上述主汽缸中的动力活塞(13)移近下止点完成作功过程后，排气门(8)提前开启，如图中h段所示，同时，在配气活塞(68)移到下位置时，换气出口(80)经b段后也被阀门开启，如c段所示。换气出口经b段再开启，是因为配气活塞在这一角度内要把充进付缸的压缩空气压缩到与回热器内的压力相同为止。配气活塞(68)离开下位置又回到上位置完成第三过程后，换气出口(80)被阀门关闭，相应的动力活塞(13)已离开下止点上行排气并移到接近半程的位置处。配气活塞(68)从上位置再返回到下位置完成第四过程中，换气进口(75)被阀门开启，如图中d段所示，向外排气的动力活塞(13)也移到接近上止点的位置，这时排气门(8)提前一定角度关闭，使h段范围中止，让排气过程结束。图中O2段是换气进出口之间的间隔角，在使用液化气等气体燃料时，为让气体燃料能以较低的压力在配气活塞下行时充进付缸(57)，还要加大O2的角度，让换气进口(75)再相应推迟开启。图中i段表示排气过程结束后，排气门提前关闭，未排出主汽缸的废气被压缩到所形成的余隙容积内，以便在付缸燃烧室与主汽缸接通时，让主汽缸内的压力不致于太低，以有利于接下去的作功过程。
以上对本发明的第一实施例进行了详细的描述，本发明的第二实施例如图4所示，图中只给出 了付缸(57)和主汽缸(1)的具体结构，其它部分与第一实施例基本相同。在本实施例中，燃烧室(59)与主汽缸(1)间的通气孔(5)采用升降阀(89)控制，这种阀包括阀头部(90)和阀杆(92)。装在阀孔(99)内的阀头部(90)在弹簧(94)作用下能使通气孔(5)关闭、经拉杆(96)和摇臂(97)又能被凸轮(98)拉动开启。图中所示状态进行的是作功过程，阀头部(90)经传动件正被凸轮控制开启，作功燃气沿箭头(17)方向被付缸(57)内的配气活塞(68)压进主汽缸(1)内。在阀头部被拉动开启一定距离后，阀孔(99)上的挡座(100)能阻挡住阀头部被燃气压力作用时的继续移动。为防止燃气泄漏，在阀头部设有密封环(91)。另外，为了能密封压力较大的压缩空气和作功中途的中等压力的作功燃气，所设的弹簧(94)弹力较大。这种结构的升降阀优点是，关闭后其阀头部便挤占了一部分通气孔(5)的容积，使无益容积进一步缩小。同时它的密封性要优于第一实施例中的转阀(83)。
本实施例中的喷油器(67)装在了换气进口(75)处，火花塞(66)装在了通气口(61)的侧壁上。对充气口(55)、换气出口(80)和换气进口(75)的控制，采用的是与第一实施中相同的转阀(113)。
图5描述的是本发明第三实施例的主汽缸(1)和付缸(57)的结构图。在这一实施例中，燃烧室(59)与主汽缸(1)间的通气孔(5)采用了另一种不同的升降阀(101)来控制。这种阀能被凸轮(111)推动开启，弹簧(108)作用使其关闭。在密封燃烧室内的压缩空气时，为防止阀门被压力气体顶开，在阀杆(103)上设有压力平衡塞(104)。由于压力平衡塞的直径等于或略大于阀头部(102)的直径，压缩空气对压力平衡塞和阀头部都施加压力，使两者受力被抵消，让阀头部靠弹簧弹力仍能密封住压缩空气。在压力平衡塞(104)上装有密封环(105)，以防止高压气体向外泄漏。这种结构的控制阀在作功过程中所受的热负荷比第二实施中的升降阀(89)要大一些。
在本实施例中，对充气口和换气进出口的控制，也采用了与升降阀(101)完全相同的结构形式，只是尺寸较小一些。由图5可见，充气口(55)和换气进出口(75)(80)分别被各自的升降阀控制，每一升降阀被相应的凸轮推动开启，又在弹簧作用下使其关闭。在这种阀的阀杆(132)上也设有压力平衡塞(133)，其直径等于或略大于阀头部(131)的直径。在图5中，充气口(55)由升降阀(141)和凸轮(142)控制，换气进口(75)由升降阀(143)和凸轮(144)控制，换气出口(80)由升降阀(145)和凸轮(146)控制(参看图6)。此刻换气出口(80)正被升降阀(145)控制开启，付缸(57)中的压缩空气也被配气活塞(68)沿箭头(81)方向压入回热器(78)。喷油器(67)和火花塞(66)的安装位置如图6所示，它们是从付缸燃烧室的斜侧面安装的。喷油器(67)伸进换气进口(75)的通气道内，火花塞(66)装在燃烧室(59)的侧壁上。
本发明的第四实施例如图7和图8所示，图中描述了付缸(57)和主汽缸(1)间的转阀(120)的结构及布置状态。在这一实施例中，对充气口(55)和换气出口(80)(虚线所示)、换气进口(75)和通气孔(5)，采用的是由阀孔(127)内的长转阀(120)用其上的两个错开一定角度的直通孔(122) (虚线所示)和(123)分别控制。当转阀(120)按箭头(124)方向先后用其上的两个直通孔(122) (123)的一侧气口依次与各自的相对应的两气口连通时，另一侧气口则处在燃烧室(59)顶侧的较宽的通气口(62)或(63)开度范围内(参看图8)。转阀(120)的两个直通孔不仅错开相应的角度，在轴向上还相隔一定的距离，并让所对应的各气口也隔开相同的距离，如图8B-B剖面所示， 以防止压力气体向另一侧泄漏。由于本实施例把两个直通孔(122)(123)都设在了一个阀体上，这在结构上要比图1中第一实施例的方案更为有利。对喷油器和火花塞的布置，喷油器(67)装在通气口(63)的上侧，火花塞(66)装在付缸(57)的下方，与喷油器上下斜对，处在容易点燃燃油混合气的位置。排气门的布置如图8所示，主汽缸(1)采用了两个排气门(8)，回热器(78)经两排气门之间的连接管路(82)与换气进口(75)相连。
在图7所示的本实施例中，转阀(120)正处在让其上的直通孔(123)与换气进口(75)相连通的状态，付缸中的配气活塞(68)沿箭头(71)方向往下运行，喷油器(67)在向进入燃烧室的(箭头64所示)经回热了的压缩空气中喷入燃油。同时，主汽缸(1)的排气门(8)也相应开启，让上行的动力活塞(13)把废气沿箭头(7)方向流经回热器(78)向外排出。
在上述各实施例中，对充气口、换气进出口和通气口采用了不同的阀门控制形式，实际中，也可根据结构布局、密封性及运转特性的需要，把不同的阀门重新组合布置，以得到更好的设计方案。
本发明的内燃机是利用压气汽缸来提供作功所需压缩空气的，虽然现有的活塞式压气机技术已比较完善，但为进一步提高压气效率和适应内燃机的较高转速，本发明对压气汽缸的进气门和出气阀采用了凸轮和液压装置等主动控制方式。图9给出了进气门(41)及出气阀(50)的控制机构的详细结构。
由图可见，出气阀(50)是一种单向阀，它被推杆(148)的头部顶住，密封在出气管路(53)的座阀上，该阀滑动地套装在推杆头部，也可装在另设的滑套上(图中未画)。推杆(148)穿过缸盖(155)与缸孔(156)内的活塞(149)连为一体，外端(150)伸进压盖(152)的密封腔(153)内，并经其内的连通孔(151)与出气管路(53)连通。弹簧(154)作用于推杆(148)，使出气阀(50)被顶住处在关闭状态。实际中也可以只设推杆(148)和活塞(149)，但由于失去压力平衡，要相应加大弹簧(154)的弹力。在压气汽缸工作时，当压气活塞(30)开始对吸入的空气进行压缩时，与缸孔(156)相连的油路(157)被控制缸(159)控制来油时能把活塞(149)顶起，使推杆(148)的头部离开出气阀(50)，让压缩空气能用最小的力推开出气阀，使压缩空气流过出气阀时所受的阻力最小。
控制缸(159)设在靠上的位置处，通过油路(157)与控制出气阀的缸孔(156)连通，为使压缩空气更容易被排出压气汽缸，出气阀的数量通常在2～8个之间，为此，与控制缸(159)相连的油路也要相应分成几股，再接到处于不同位置的缸孔(156)上。在控制缸(159)的内壁上设有回油槽(160)和泄油槽(161)，回油槽(160)还经单向阀(158)与油路(157)相连。装在控制缸内的柱塞(162)上设有放油口(163)，柱塞被凸轮(165)推动压油，受弹簧(164)作用回位。在凸轮(165)上根据需要被分成了不同的控制区段，由图可见，凸轮上的ab段能把柱塞(162)下压一定的距离，此时，相对应的压气汽缸内的压气活塞正在上移压缩已吸入的压缩空气。柱塞被下压后，所排出的液油便把缸孔(156)内的活塞(149)顶起，使推杆(148)头部离开出气阀(50)。虽然此时推杆已离开了出气阀，但压缩空气的压力作用仍使其紧紧关闭。凸轮上的bc段让柱塞(162)基本不动，相应的推杆(148)也停在离开出气阀的一定位置处。当压气汽缸内的压气活塞把吸入的空气压缩到超过中间冷却器内的压力时，压缩空气便会推开已不受推杆作用的出气阀，让压气活塞把压缩空气压入中间冷却器。随着凸轮的继续转动，cd段又继续下压柱塞(162)，在其下移过程的前半段距离内，柱塞上的放油口(163)便与缸孔上的泄油槽(161)沟通，这时压气活塞也移到上止点，结束压缩排出过程，而此时推动缸孔内活塞(149)的液压油因放油口(163)的开启而立即外泄，让活塞(149)和推杆(148)在弹簧(154)作用下迅速回位，顶着出气阀(50)把出气口(52)迅速关闭，防止被压进冷却器的压缩空气向压气汽缸回流。de段让柱塞(162)基本不动，其上的放油口(163)仍与泄油槽(161)沟通。当凸轮的ef段转过柱塞(162)时，柱塞返回原位，回油槽内的液压油经单向阀(158)补充进柱塞下腔。
对进气门的控制要简单一些，但也不同于普通内燃机的进气门。这种进气门的控制方式是把进气门(41)的推杆(42)上的弹簧座(43)装在滑套(47)内，并被其上的挡圈(48)限制不能退出，两者之间设有中间弹簧(49)，滑套(47)还被弹簧(44)作用使进气门(41)处于关闭状态。凸轮(45)压动滑套(47)时，其上的挡圈(48)能离开推杆(42)上的弹簧座(43)。所设的中间弹簧(49)的作用是当压气汽缸(28)中的压气活塞(30)行到上止点把压缩空气压进中间却器，在将要向下移动进行吸气时，凸轮(45)这时已提前一定角度下压滑套(47)，由于压气活塞与压气汽缸间的余隙容积内存在的少量压缩空气阻止着进气门的开启，下移的滑套只是把中间弹簧(49)相应压缩，当然，向下运行的压气活塞(30)受气体压力作用也回收了一小部分压缩功。随着压气活塞(30)的继续下移，当中间弹簧(49)的弹力大于压气汽缸内的气体对进气门的作用力时，中间弹簧(49)便使进气门迅速开启到最大程度，让压气活塞把空气吸入压气汽缸。进气过程结束后，凸轮(45)转过滑套(47)，弹簧(44)通过滑套让进气门关闭。
当把本发明的这种内燃机用于车辆，尤其是用于内燃机车和公共汽车时，很容易把它改成能回收利用刹车能量的动力装置。图10描述的就是具有刹车能量回收利用功能的本发明内燃机的结构及系统布局方案。在这种布置方式中，主汽缸(1)的曲轴(20)经主离合器(23)后再去带动变速器轴(25)上的齿轮(24)，然后再经从动齿轮(36)和压气离合器(35)带动压气汽缸的压气曲轴(34)。对于压气系统的改进，压气汽缸(28)的出气管路(53)通过另设的连接管路(167)再分别经单向阀(168)和截止阀(169)后与储气筒(170)连通。
在内燃机正常运转时，主离合器(23)与压气离合器(35)都处于接合状态，主汽缸中的动力活塞经齿轮和两个离合器去带动压气汽缸中的压气活塞运转。当刹车时，让主离合器(23)分离，并使主汽缸的曲轴(20)停止转动，靠惯性行进的车辆便通过车轮等带动变速箱轴(25)，并经齿轮(24)、从动齿轮(36)和压气离合器(35)继续让压气汽缸(28)工作，所产生的压缩空气经中间冷却器(54)和单向阀(168)充进储气筒(170)，同时也促使车辆降低行驶速度。回收的刹车能量越多，储气筒内的气体压力也越高，这种过程直至车辆停止运行才结束。当起动车辆时，让压气离合器(35)分离，主离合器(23)接合，同时开启截止阀(169)，由储气筒提供压缩空气工作的主汽缸(1)便又驱动车辆前行。这时，因压气汽缸(28)停止运行而不消耗压缩功，有利于车辆更快的加速前进。当储气筒(170)内的压缩空气压力降到正常值后，关闭截止阀(169)，让压气离合器(35)接合，由压气汽缸(28)接着为主汽缸提供压缩空气。
实际中，刹车能量回收利用系统的储气瓶(170)还有一个作用，就是在起动时能立即提供所需的一定压力的压缩空气。因经较长时间的停机，中间冷却器和回热器内的压缩空气肯定会泄漏掉。
以上详细说明了本发明的中冷、回热式二冲程内燃机的总体结构、工作循环过程、各阀门的工作角度划分和不同的具体实施方案。在实际应用中，为有利于效率的提高，也可适当加大主汽缸的工作容积，使其膨胀比增加，让作功燃气更充分膨胀，还可以采用涡轮增压技术，使输出功率进一步提高。在只用火花塞点火时，虽然对付缸燃烧室不能进行绝热，以防止燃油混合气被炽热的壁面点燃，但对主汽缸的动力活塞顶面和缸盖底面等还是可以用绝热材料进行覆盖的，以便能进一步减少散热损失，有利于回热器回收更多的排气热量。这种中冷、回热式二冲程内燃机适合制成较大的功率，把它用于船舶、电站、动力源、内燃机车和车辆等方面是完全可行的。
权利要求
1．一种内燃机，特别是中冷、回热式二冲程内燃机，它包括装有排气门(8)的主汽缸(1)和装有进气门(41)及出气阀(50)的压气汽缸(28)，主汽缸中的动力活塞(13)和压气汽缸中的压气活塞(30)分别经连杆与曲轴箱(19)中的曲轴(20)相连，本发明的特征是在主汽缸的缸盖(3)上设有由配气活塞(68)和付缸(57)构成的可变容积式燃烧室(59)，它经被阀门控制的通气孔(5)与主汽缸(1)相连，付缸(57)中的配气活塞(68)经连杆(74)与副曲轴(72)相连，副曲轴(72)与曲轴(20)的转速比为2∶1，另外燃烧室(59)还分别经被阀门控制的换气进出口(75)(80)与置于排气管路(12)中的回热器(78)的两接口相连，压气汽缸(28)经设有出气阀(50)的出气口(52)、出气管路(53)，中间冷却器(54)和被阀门控制的充气口(55)也与燃烧室(59)相连。
2．根据权利要求1所述的内燃机，其特征是付缸的配气活塞(68)比处在上止点的主汽缸的动力活塞(13)提前5°～35°的曲轴转角处在下位置上，在配气活塞(68)从下位置移到上位置的第一过程中，付缸燃烧室与主汽缸间的通气孔(5)被阀门开启，相应的动力活塞从上止点被燃气推压向下移到接近半程的位置处；在配气活塞(68)离开上位置返回到下位置的第二过程中，此间充气口(55)被阀门开启，而接近半程位置的动力活塞被继续推动接近下止点；配气活塞(68)到达下位置时，换气出口(80)随后被阀门开启，在主汽缸的动力活塞接近下止点后排气门(8)也提前开启，配气活塞离开下位置又回到上位置完成第三过程后，换气出口(80)被阀门关闭，相应的动力活塞(13)已离开下止点上移到接近半程的位置处；配气活塞(68)从上位置再返回到下位置完成第四过程中，换气进口(75)被阀门开启，向外排气的动力活塞(13)也移到接近上止点的位置，这时排气门(8)提前一定角度关闭。
3．根据权利要求2所述的内燃机，其特征是燃烧室与主汽缸间的通气孔(5)用转阀(83)控制，该阀装在阀孔(87)内，其阀体上设有直通孔(85)。
4．根据权利要求2所述的内燃机，其特征是燃烧室与主汽缸间的通气孔(5)用升降阀(89)控制，该阀包括阀头部(90)和阀杆(92)，装在阀孔(99)内的阀头部(90)在弹簧作用下能使通气孔关闭，经拉杆(96)和摇臂(97)又能被凸轮拉动开启，当阀被拉动开启一定距离时，阀孔上的挡座(100)能阻挡住阀头部的移动。
5．根据权利要求2所述的内燃机，其特征是燃烧室与主汽缸间的通气孔(5)用升降阀(101)控制，该阀被凸轮(111)推动开启，在弹簧作用下使其关闭，在该阀的阀杆(103)上设有压力平衡塞(104)，其直径等于或略大于阀头部(102)的直径。
6．根据权利要求3、4或5所述的内燃机，其特征是充气口(55)、换气出口(80)和换气进口(75)被阀孔(117)内的其上设有直通孔(115)的转阀(114)控制，当转阀的直通孔(115)一侧气口依次与阀孔内壁上的上述三个气口分别接通时，另一侧气口则处在燃烧室侧的较宽的通气口(61)开度范围内。
7．根据权利要求3、4或5所述的内燃机，其特征是充气口(55)和换气进出口(75)(80)分别被各自的升降阀控制，每一升降阀能被相应的凸轮推动开启，又在弹簧作用下使其关闭，在这种阀的阀杆(132)上设有压力平衡塞(133)，其直径等于或略大于阀头部(131)的直径。
8．根据权利要求2所述的内燃机，其特征是充气口(55)和换气出口(80)、换气进口(75)和通气孔(5)由阀孔(127)内的长转阀(120)用其上的两个错开一定角度的直通孔(122)(123)分别控制，当转阀(120)先后用其上的两个直通孔(122)(123)的一侧气口依次与各自的相对应的气口连通时，另一侧气口则处在燃烧室(59)顶侧的较宽的通气口(62)或(63)开度范围内，转阀上的两直通孔(122)(123)在轴向上相隔一定距离，所对应的各气口也隔开相同的距离。
9．根据权利要求2所述的内燃机，其特征是压气汽缸的出气阀(50)是一种单向阀，被推杆(148)的头部顶住，该阀滑动地套装在推杆头部或另设的滑套上，推杆(148)穿过缸盖(155)与缸孔(156)内的活塞(149)连为一体，推杆外端伸在压盖(152)的密封腔(153)内，并经其内的连通孔(151)与出气管路(53)连通，弹簧(154)作用推杆(148)使出气阀(50)处于关闭状态，与缸孔(156)连通的油路(157)来油时能把活塞(149)顶起，使推杆(148)离开出气阀(50)。
10．根据权利要求9所述的内燃机，其特征是与缸孔(156)相连的油路(157)接在控制缸(159)上，在控制缸的内壁上设有回油槽(160)和泄油槽(161)，回油槽(160)经单向阀(158)与油路(157)相连，在控制缸(159)内的柱塞(162)上设有放油口(163)，柱塞被凸轮(165)推动压油，受弹簧(164)作用回位，凸轮(165)上的a b段能把柱塞压下一下的距离，bc段让柱塞其本不动，cd段继续下压柱塞，在下移过程的前半段位置上，柱塞上的放油口(163)便与控制缸的泄油槽(161)沟通，de段让柱塞基本不动，ef段让柱塞返回。
11．根据权利要求2所述的内燃机，其特征是压气汽缸的进气门(41)的弹簧座(43)装在滑套(47)内，并被其上的挡圈(48)限制不能退出，两者之间设有中间弹簧(49)，滑套(47)还被弹簧(44)作用使进气门处于关闭状态，凸轮(45)压动滑套(47)时，其上的挡圈(48)能离开推杆(42)上的弹簧座(43)。
12．根据权利要求2所述的内燃机，其特征是主汽缸的曲轴(20)经主离合器(23)后去带动变速器轴(25)上的齿轮(24)，再经从动齿轮(36)和压气离合器(35)带动压气汽缸的压气曲轴(34)。
13．根据权利要求12所述的内燃机，其特征是压气汽缸(28)的出气管路(53)通过连接管路(167)分别经单向阀(168)和截止阀(169)后与储气筒(170)连通。
全文摘要
一种内燃机,特别是中冷、回热式二冲程内燃机。现有的内燃机因受工作原理限制,很难进行回热等循环,这使其效率仍不是很高。本发明的内燃机利用压气汽缸为主汽缸提供压缩空气,又与由付缸和配气活塞所构成的可变容积式燃烧室等相配合,使之构成一种具有中间冷却过程、并能充分回收排气热量的高效动力装置,使热效率达到最高状态。本发明的这种内燃机适合制成较大功率,把它用于船舶、电站、内燃机车和车辆等方面是完全适合的。
文档编号F02B51/00GK1302947SQ00100059
公开日2001年7月11日 申请日期2000年1月3日 优先权日2000年1月3日
发明者韩培洲 申请人:韩培洲