专利名称：采用双重压缩和双重膨胀过程的内燃机的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及内燃机，包括火花点火内燃机和压缩点火内燃机。更具体地，本 发明涉及采用双重过程来压缩和膨胀空气-燃料混合物的内燃机。
背景技术：
该部分的内容仅提供与本发明有关的背景信息，且可能不构成现有技术。现代内燃机通常属于火花点火类型和压缩点火类型。在操作期间，内燃机的效率 取决于许多因素，包括容积和热力效率。为了提高前者，设计者数十年来已经使发动机配置 有强制进气装置，包括涡轮增压器和增压器，其主要是基本发动机设计的附加装置。虽然相 对易于维护，但是这些装置可能是有问题的且由于其设计固有的多个方面而受到限制。
发明内容
一种内燃机包括压缩气缸、至少一个动力气缸、和膨胀气缸。每个气缸具有相应的 孔径和滑动地设置在其中的活塞、带阀的入口端口、以及带阀的出口端口。每个相应活塞被 操作性地连接到曲轴。压缩气缸的出口端口设置有通道，从压缩气缸排出的气体通过所述 通道被引导至所述至少一个动力气缸的入口端口。所述至少一个动力气缸的出口端口设置 有通道，从所述至少一个动力气缸排出的气体通过所述通道被引导至所述膨胀气缸的入口 端口。所述发动机还包括凸轮轴，所述凸轮轴被充分地操作性地连接到曲轴，使得在压缩气 缸和膨胀气缸的入口端口和出口端口上存在的阀对曲轴的每一转均经历一个开启-关闭 循环，且使得在所述至少一个动力气缸的入口端口和出口端口上存在的阀对曲轴的每两转 均经历一个开启-关闭循环。本发明公开了下述技术方案。1. 一种内燃机，包括压缩气缸，所述压缩气缸具有孔径、带阀的入口端口、以及带阀的出口端口，所述 孔径具有滑动地设置在其中的第一活塞，所述第一活塞被操作性地连接到曲轴；至少一个动力气缸，所述至少一个动力气缸具有孔径、带阀的入口端口、以及带阀 的出口端口，所述孔径具有滑动地设置在其中的第二活塞，所述第二活塞被操作性地连接 到所述曲轴；膨胀气缸，所述膨胀气缸具有孔径、带阀的入口端口、以及带阀的出口端口，所述 孔径具有滑动地设置在其中的第三活塞，所述第三活塞被操作性地连接到所述曲轴；所述压缩气缸的出口端口设置有通道，从压缩气缸排出的气体通过所述通道被引 导至所述至少一个动力气缸的入口端口，所述至少一个动力气缸的出口端口设置有通道， 从所述至少一个动力气缸排出的气体通过所述通道被引导至所述膨胀气缸的入口端口；所述发动机还包括凸轮轴，所述凸轮轴被充分地操作性地连接到所述曲轴，使得 在所述压缩气缸和所述膨胀气缸的所述入口端口和所述出口端口上存在的阀对所述曲轴 的每一转均经历一个开启-关闭循环，且使得在所述至少一个动力气缸的所述入口端口和所述出口端口上存在的阀对所述曲轴的每两转均经历一个开启-关闭循环。2.根据方案1所述的发动机，其中，所述压缩气缸的排量容积充分地超过所述至 少一个动力气缸的排量容积，以允许从所述压缩气缸排出进入所述至少一个动力气缸的气 体在进入所述至少一个动力气缸时处于比相同气体在其进入所述压缩气缸时所处的压力 更大的压力。3.根据方案2所述的发动机，其中，所述发动机充分地配置成允许引入动力气缸 的气体在压缩气缸的出口端口和动力气缸的入口端口之间的通道中发生至少一些压缩。4.根据方案1所述的发动机，其中，所述膨胀气缸的排量容积充分地超过所述动 力气缸的排量容积，以允许从所述动力气缸排出进入所述膨胀气缸的气体在存在于所述膨 胀气缸中时处于比相同气体在从所述动力气缸排出时所处的压力更低的压力。5.根据方案4所述的发动机，其中，所述发动机充分地配置成允许引入膨胀气缸 的气体在动力气缸的出口端口和膨胀气缸的入口端口之间的通道中发生至少一些膨胀。6.根据方案1所述的发动机，其中，压缩气缸的排量与动力气缸的排量的比率是 在约5 1至约1.1 1之间的范围内的任何比率，包括它们之间的任何比率和比率范围。7.根据方案1所述的发动机，其中，膨胀气缸的排量与动力气缸的排量的比率是 在约5 1至约1.1 1之间的范围内的任何比率，包括它们之间的任何比率和比率范围。8.根据方案1所述的发动机，还包括热交换器，所述热交换器与离开膨胀气缸的 气体有效地热接触，且与在压缩气缸的出口端口和动力气缸的入口端口之间的通道中存在 的气体有效地热接触。9.根据方案8所述的发动机，其中，热从离开所述膨胀气缸的所述气体传递给引 入所述动力气缸的气体。10.根据方案1所述的发动机，还包括热交换器，所述热交换器与在压缩气缸的出 口端口和动力气缸的入口端口之间的通道中存在的气体有效地热接触，其中，所述热交换 器从存在的所述气体有效地去除热。11.根据方案1所述的发动机，还包括在所述动力气缸的出口端口和所述膨胀气 缸的入口端口之间的通道中存在的氧化催化剂。12.根据方案1所述的发动机，其中，所述发动机的燃烧和阀正时事件配置成允许 压缩和膨胀过程在两个独立气缸之间发生。13.根据方案1所述的发动机，包括一个压缩气缸、两个动力气缸和一个膨胀气缸 的多个组。14. 一种内燃机，包括动力气缸、压缩气缸和膨胀气缸，其中，所述压缩气缸将压缩 空气充气提供给所述动力气缸，其中，所述动力气缸将燃烧气体提供给所述膨胀气缸，所述 气缸中的每个都配备有包括活塞和曲轴的往复运动组件，每个气缸的活塞均操作性地连接 到共同曲轴。15.根据方案14所述的发动机，还包括氧化催化剂，在所述发动机操作期间，所述 氧化催化剂与离开所述动力气缸的气体有效地接触。16.根据方案14所述的发动机，其中，所述发动机的至少一个部件设置有绝热材料层。17. 一种用于操作内燃机的方法，包括
提供活塞驱动式内燃机，所述内燃机具有压缩气缸、至少一个动力气缸、和膨胀气 缸，每个所述气缸具有带阀的入口以及带阀的出口，压缩气缸的出口与动力气缸的入口有 效流体连通，动力气缸的出口与膨胀气缸的入口有效流体连通，所述发动机配置成使得在 所述气缸中的每个中存在的活塞被共同曲轴驱动，且还配置成使得在所述压缩气缸和所述 膨胀气缸的所述入口和所述出口处存在的阀对所述曲轴的每一转均经历一个开启-关闭 循环，且使得在所述至少一个动力气缸的所述入口和所述出口处存在的阀对所述曲轴的每 两转均经历一个开启_关闭循环；将可燃烧燃料提供给所述发动机；以及将点火源提供给所述发动机。18.根据方案17所述的方法，其中，所述发动机配置成允许压缩和膨胀过程在两 个独立气缸之间发生。19.根据方案17所述的方法，还包括提供热交换器，所述热交换器使得热从所述膨胀气缸的出口中存在的气体流向进 入动力气缸的气体。20.根据方案17所述的方法，还包括提供热交换器，所述热交换器使得热从进入动力气缸的气体流出。21.根据方案17所述的方法，还包括提供氧化催化剂，以在离开所述动力气缸的气体进入所述膨胀气缸之前与所述气 体接触。22.根据方案17所述的方法，其中，所述可燃烧燃料在选自以下的组的位置处提 供给所述发动机，所述组包括所述压缩气缸、所述动力气缸、所述膨胀气缸、以及在发动机 操作期间足以允许所述燃料进入所述气缸中的至少一个的任何位置。23.根据方案17所述的方法，还包括在发动机操作期间，使得氮化合物引入所述膨胀气缸。
现在将参考附图示例性地描述一个或多个实施例，在附图中图1示出了根据本发明一个实施例的发动机的示意图；图2A-2F示出了在各个操作阶段下的根据本发明一个实施例的发动机中的活塞 和阀的运动和位置；图3示出了在根据本发明一个实施例的操作发动机中在一个循环内的工作流体 的压力与体积的关系；图4示出了在根据本发明一个实施例的操作发动机中在一个循环内的动力气缸 的压力与体积的关系和压力与温度的关系的比较；和图5提供了在根据本发明一个实施例的发动机中存在的热流的示意图。
具体实施例方式在一个实施例中，本发明提供四缸内燃机，包括两冲程压缩气缸、两冲程膨胀气缸 以及一对四冲程动力气缸。参考附图，附图仅仅作为本发明的示例性说明提供而不是用于解释为对其的界定，图1示出了根据一个实施例的发动机10的示意图。在图1中示出了压 缩气缸3，压缩气缸3通常包括孔径且在一个实施例中配备有往复活塞，所述活塞借助于连 杆(如本领域已知的这种布置)操作性地连接到可旋转曲轴。压缩气缸3具有压缩机入口 5，在压缩机入口 5处，空气(在燃料喷射发动机的情况下)或空气-燃料混合物(在化油 器式发动机的情况下)能以第一压力Pl引入，第一压力Pl通常是环境压力，但是在其它实 施例中可以是高于环境压力的任何供应压力。压缩气缸3还包括压缩机出口 7，所存在的气 体从压缩气缸3通过压缩机出口 7借助于往复活塞在气缸孔径内向上运动而以第二压力p2 传输，第二压力P2优选为比第一压力pi更高的压力。在优选实施例中，压缩机入口 5和压 缩机出口 7是阀控制的通道，存在的阀被至少一个凸轮轴或者与其有效地操作性地连接的 其它已知机构致动，以提供足以由于前述活塞的向上冲程而允许第二压力P2的大小超过 第一压力Pl的阀正时。在一个实施例中，压缩机入口 5和压缩机出口 7处的阀是通常用于 内燃机中的常规气门，且压缩气缸3以两冲程方式操作，在活塞连接的曲轴的每一转内发 生一个压缩冲程。 在被压缩气缸3强制排出时，压缩气体被引导至动力气缸的入口，该动力气缸包 括连接到曲轴的活塞，此曲轴在一些实施例中是与压缩气缸3的活塞所连接曲轴相同的曲 轴。动力气缸配备有至少一个入口阀和至少一个出口阀，这些阀被致动以具有有效地允许 动力气缸以常规4冲程方式操作的正时事件，S卩，在曲轴的每两转内具有一个动力冲程和 一个排气冲程。在一个实施例中，存在单个动力气缸。在另一个实施例中，如图1所示，存在 两个动力气缸，第一动力气缸9和第二动力气缸15，压缩气缸3充分地定尺寸为允许其将足 以允许动力气缸以常规4冲程模式操作的进气气体供应给第一动力气缸9和第二动力气缸 15中的每一个；然而，本发明提供在1和4之间(包括1和4)的任何数量的动力气缸，所 述动力气缸用离开单个压缩气缸的气体供给。因而，压缩气缸3将进气气体以通常大于大 气压的压力提供给动力气缸，在这方面，压缩气缸起到类似于涡轮增压器或增压器的作用。 第一动力气缸9配备有入口阀11和出口阀13，第二动力气缸15或额外动力气缸(在存在 时)也配备有入口阀17和出口阀19。本发明还包括每个动力气缸具有一个以上的入口阀 和/或出口阀的实施例。根据本发明的发动机10的进一步特征在于存在膨胀气缸21，膨胀 气缸21包括孔径且在一个实施例中配备有往复活塞，所述活塞借助于连杆(如本领域已知 的这种布置)操作性地连接到可旋转曲轴。在一个实施例中，膨胀气缸21的活塞所连接的 曲轴与压缩气缸3和动力气缸的活塞所连接的曲轴是共同的，曲轴上的曲拐配置成允许在 本文根据参考图2A-2F所阐述的说明设置的发动机的操作。膨胀气缸21充分地定尺寸为 能够容纳选定数量的动力气缸的排气，所述选定数量的动力气缸的排气输出气体通过入口 阀被引导至膨胀气缸21，在一个优选实施例中是两个动力气缸。本文所述的气体行进通过 入口阀和出口阀的配置由铸造到歧管和气缸盖中的一体通道以及一个或多个阀致动的可 旋转凸轮轴或其它阀致动机构使用本领域公知的技术来提供。在一个实施例中，通过改变 现有凸轮轴轮廓以允许一个或多个现有气缸用作压缩气缸且一个或多个现有气缸用作膨 胀气缸，使得现有的多缸气缸活塞操作的内燃机如本文所述那样操作，其中，合适的气体流 通道设置在现有入口和出口端口之间，如本文所述。在优选实施例中，膨胀气缸21以两冲 程方式操作。在离开膨胀气缸21时，发动机排气被直接排放至环境或者按路线引导给排气 后处理系统，所述排气后处理系统包括用于减少排放物的已知系统，通常包括氧化和还原催化剂。图2A-2F示出了在各个操作阶段下的根据本发明一个实施例的发动机中的活塞 和阀的相对运动和位置。在操作期间，存在进气冲程A(图2A)，在进气冲程A期间，压缩气 缸中的活塞在气缸孔径中向下行进，同时压缩机入口阀开启，其出口阀关闭。这将空气抽吸 到压缩气缸中。动力气缸中的活塞向上行进，其入口阀关闭且其出口阀开启。膨胀气缸的 入口阀开向正在经历第二膨胀(E2)的另一个动力气缸，如下文进一步所述，其活塞向下行 进，同时其出口阀关闭。在压缩冲程Cl (图2B)体积，压缩气缸的入口阀关闭且其出口阀开启，从而允许压 缩气缸中存在的气体通过动力气缸的开启入口阀被强制进入动力气缸中，动力气缸的出口 阀关闭。由于压缩气缸相对于动力气缸较大的容积，该气体将处于比大气压更高的压力，且 所述气缸定尺寸为使得这优选是在约1. Ibar和约8. Obar之间的范围内的任何压力。动力 气缸中的活塞向下行进，从而从压缩气缸引入气体。膨胀气缸中的活塞向上行进，其入口阀 关闭且其出口阀开启，以将膨胀气缸中先前存在的气体驱出。第二压缩冲程C2在图2C中示出，在第二压缩冲程C2期间，动力气缸的入口和出 口阀均关闭，其活塞在其孔径中向上行进以在点火之前进一步压缩其容纳的气体，所述点 火可以是压缩点火或火花点火。在活塞在动力气缸孔径中向上行进期间，压缩气缸和膨胀 气缸中的活塞均在其孔径中向下行进，这些气缸的入口阀均开启且这些气缸的出口阀均关 闭。压缩冲程C2之后是膨胀冲程El (图2D)，在膨胀冲程El期间，由于动力气缸内的 点火和燃烧阐述的气体促使动力气缸中的活塞向下，动力气缸中的阀在该动力冲程期间均 关闭。在活塞在动力气缸孔径中向下行进期间，压缩气缸和膨胀气缸中的活塞均在其孔径 中向上行进，这些气缸的入口阀均关闭且这些气缸的出口阀均开启。在动力气缸的动力冲程之后，动力气缸中存在的活塞在其孔径中向上行进，从而 将其范围内的基本上燃烧的气体通过其开启的出口阀驱出到膨胀气缸。在该第二膨胀冲程 E2(图2E)中活塞在动力气缸孔径中向上行进期间，压缩气缸和膨胀气缸中的活塞均在其 孔径中向下行进，这些气缸的入口阀均开启且这些气缸的出口阀均关闭。在第二膨胀冲程E2期间，动力气缸的出口阀开启且其入口阀关闭，从而允许动力 气缸中存在的气体通过膨胀气缸的开启入口阀被强制/膨胀进入膨胀气缸，膨胀气缸的出 口阀关闭。在一个实施例中，膨胀气缸相对于动力气缸定尺寸为使得该气体将膨胀至大约 Ibar压力的压力。在另一个实施例中，膨胀气缸相对于动力气缸定尺寸为使得该气体将膨 胀至这样的压力该压力高于环境压力在约0. 05bar和约0. 5bar之间的范围(包括它们之 间的任何范围)内的任何量。最后，如图2F所示，发生排气冲程F，在排气冲程F期间，压缩气缸和膨胀气缸中的 活塞均在其孔径中向上行进，这些气缸的入口阀均关闭且这些气缸的出口阀均开启，膨胀 气缸的开启出口阀允许燃烧的膨胀气体从发动机排出。动力气缸中的活塞向下行进，其入 口阀开启以引入空气的新鲜充气，以用于随后的燃烧，上文所述的循环(图2A-2F)在本文 设置的发动机操作期间重复。对于存在第二动力气缸的实施例而言，发动机的正时事件设 置成使得压缩气缸的输出从压缩气缸的第一压缩冲程供给第一动力气缸，且在其随后下一 个压缩冲程上，压缩气缸将其输出供给第二动力气缸。以通常术语提供的上文所述的正时事件，阀开启和关闭事件、其在阀处的净升程、持续时间和重叠使用本领域公知的计算和标 定方法来容易地定制以实现气体反向(gasreversion)、空气质量惯性管理等的程度，这对 于所述发动机的给定终端用途应用来说可能是期望的。因而，在一个实施例，本文设置的发动机包括内燃机，其中，压缩和膨胀过程以两 个阶段进行，在两个独立气缸的组合中发生。在压缩的第一阶段期间，气体从相对较大的压 缩气缸压缩到相对较小的动力气缸中，动力气缸经历常规4冲程循环。第二膨胀阶段发生 在动力气缸和较大膨胀气缸之间，该膨胀允许通过回收化学能和否则在未根据本发明操作 时损失的热量而增加热力效率。此外，本文使用的膨胀气缸的存在提供了增加数量的操作 变量，其优势是在压缩期间可以通过温度控制来减少发动机排放物。在图3中示出了在操作根据本发明一个实施例的发动机中在一个循环内的工作 流体的压力与体积的关系，具体地参考关于图2所示和所述的循环。在曲线图的每个阶段 标记与先前所述的冲程(A、C1、C2、E1、E2和F)相对应的部分。因而，根据该实施例的发动 机是每个循环1080曲轴角度(CAD)的6冲程发动机，但是在相对于与每个压缩和膨胀气缸 对相对应每对动力气缸的循环之间有360CAD的重叠。所述发动机的一个益处在于可能借助于热交换器从膨胀气缸回收热量，且通过在 热量回收过程中将所述热量传递给动力气缸的进气气体而利用该热量。在常规内燃机中， 该热能基本上被废弃，不能做任何压力*体积功。通过将否则废弃的热量预热利用到被引 入用于燃烧的气体，根据本发明的发动机的热力效率高于不包含该特征的发动机。这在图4 中更清楚地示出，图4示出了在操作所述发动机中在一个循环内的工作流体的压力与体积 的关系和压力与温度的关系的比较。从这些曲线图可以看出，对于具有本文所述的余热利 用的循环而言，在P-V曲线内的有效面积(表示有用功)更大。另一个益处通过借助于在 发动机操作期间将液体物质(包括但不限于水)喷射到压缩气缸中而增加在压缩气缸中发 生的压缩的等温特性来实现。在替代操作模式中，上述热交换器用于冷却包括用于动力气缸的进气充气的气 体。在采用时，这种压缩冷却对于减少在火花点火发动机或火花辅助压缩发动机中的任何 存在的提前点火的趋势是有益的。图5提供了在根据本发明一个实施例的发动机中存在的 热流的示意图，包括所述特征且还示出了在动力气缸的出口和膨胀气缸的入口之间存在的 催化剂。对于在点火/燃烧之后离开动力气缸的气体包含未燃烧燃料的情形，在该阶段处 催化剂的存在经由更完全的燃烧而提供附加热量的生成，否则，这通常在氧化催化剂阶段 中作为流出后处理系统的气体的一部分而损失。在该阶段，从催化氧化回收化学能提高了 发动机的效率。催化剂可以是以常规方式设置的任何常规非均相催化剂，例如设置在床上 或单块上且本身可以通过喷射气体或液体(例如，压缩空气)来辅助。虽然已经参考包括四个气缸的发动机提供前述说明，但是本领域技术人员现在在 考虑该说明书之后可以理解，通过使用在发动机本体和部件制造领域公知的和采用的常规 铸造和机加工技术，本发明根据其教导内在地且容易地提供附加发动机，其配置成以8缸 配置、12缸配置、或包括所述四个气缸(S卩，一个压缩气缸、两个动力气缸和一个膨胀气缸 的组)的整数倍的大致任何配置。通过控制活塞在其所设置的气缸孔径内行进时活塞扫过体积(即，气缸的有效排 量)的相对比率，在设置根据本发明的发动机时能够提供动力气缸的宽范围的可能压缩比，从而控制容积和热力效率。根据本发明的一些实施例的发动机的压缩气缸相对于动力 气缸定尺寸为使得压缩气缸的排量与动力气缸的排量的比率是在约5 1至约1.1 1之 间的范围内的任何比率，包括它们之间的任何比率和比率范围。在根据本发明的一些实施 例的发动机中，膨胀气缸相对于动力气缸定尺寸为使得膨胀气缸的排量与动力气缸的排量 的比率是在约5 1至约1.1 1之间的范围内的任何比率，包括它们之间的任何比率和 比率范围。在一些实施例中，膨胀和压缩气缸的排量大致相等。在一个替代实施例中，压缩 气缸的排量大于膨胀气缸的排量。在另一个实施例中，压缩气缸的排量小于膨胀气缸的排 量。在一些实施例中，膨胀气缸的排量与压缩气缸的排量的比率是在约5 1至约1 5 之间的范围内的任何比率，包括它们之间的任何比率和比率范围。由于存在的气缸的排量 容积的宽的变化性，可提供宽范围的压缩比，从而给予比配备有涡轮增压器或增压器的发 动机更高的压缩比容量和更高的热力效率。这至少部分通过以下配置增加在根据本发明 的发动机操作期间，在压缩过程期间从一个气缸到另一个气缸的气体传输引入了在压缩过 程的关闭部分期间将热传递给充气气体或从充气气体传热的能力。本文提供的发动机能使用任何可燃烧燃料操作，包括但不限于常规燃料氢、脂肪 族烃、芳烃、油、蜡、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。在替代实施例中，根据本发明的发动机还可以使用非常规燃料操作，包括但不限 于粉煤、废油和生物质能衍生物。在优选实施例中，可燃烧燃料提供给动力气缸的燃烧室。在替代实施例中，可燃烧 燃料提供给邻近动力气缸的入口阀的位置，该位置确保在操作期间燃料引入动力气缸。在其它替代实施例中，可燃烧燃料提供给膨胀气缸或邻近其入口阀的位置，该位 置确保在操作期间燃料引入膨胀气缸。可燃烧燃料供应给膨胀气缸的实施例可以有利地用 作后燃烧器，以减少排放物且获得效率增加。在另外的替代实施例中，可燃烧燃料提供给压缩气缸。在替代实施例中，可燃烧燃 料提供给邻近压缩气缸的入口阀的位置，该位置确保在操作期间燃料引入压缩气缸。在一些替代实施例中，使得后处理方案引入膨胀气缸，包括但不限于用于从发动 机减少特定(particulant)排放物和/或氮氧化物排放的尿素和其它已知还原剂的方案。 已知还原剂包括有机氮化合物和无机氮化合物的方案。对于机动车辆或期望拥有排放物处 理设备的其它物品来说，还原剂的这种有利的使用减轻了位于膨胀气缸下游的排放物处理 系统或装置呈现的负担。根据提供的任何实施例的发动机的效率的进一步增加可通过在根据本发明的发 动机的任何部分上设置绝热材料层来实现，所述部分例如设置在动力气缸和膨胀气缸之间 的气体传输端口、设置在动力气缸和压缩气缸之间的气体传输端口、膨胀气缸本身以及动 力气缸本身。在一个实施例中，绝热材料是任何合适的陶瓷材料，能以涂层的形式提供给端 口、气缸、活塞、或本文提供的发动机的任何其它部分的内表面或外表面。然而，可以采用本 领域已知的任何其它合适的绝热材料。本发明已经描述了某些优选实施例及其变型。本领域技术人员在阅读和理解说明 书以后可以想到其它变型和变化。因而，本发明并不限于作为用于实施本发明的最佳模式 公开的具体实施例，本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。
权利要求
一种内燃机，包括压缩气缸，所述压缩气缸具有孔径、带阀的入口端口、以及带阀的出口端口，所述孔径具有滑动地设置在其中的第一活塞，所述第一活塞被操作性地连接到曲轴；至少一个动力气缸，所述至少一个动力气缸具有孔径、带阀的入口端口、以及带阀的出口端口，所述孔径具有滑动地设置在其中的第二活塞，所述第二活塞被操作性地连接到所述曲轴；膨胀气缸，所述膨胀气缸具有孔径、带阀的入口端口、以及带阀的出口端口，所述孔径具有滑动地设置在其中的第三活塞，所述第三活塞被操作性地连接到所述曲轴；所述压缩气缸的出口端口设置有通道，从压缩气缸排出的气体通过所述通道被引导至所述至少一个动力气缸的入口端口，所述至少一个动力气缸的出口端口设置有通道，从所述至少一个动力气缸排出的气体通过所述通道被引导至所述膨胀气缸的入口端口；所述发动机还包括凸轮轴，所述凸轮轴被充分地操作性地连接到所述曲轴，使得在所述压缩气缸和所述膨胀气缸的所述入口端口和所述出口端口上存在的阀对所述曲轴的每一转均经历一个开启 关闭循环，且使得在所述至少一个动力气缸的所述入口端口和所述出口端口上存在的阀对所述曲轴的每两转均经历一个开启 关闭循环。
2.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述压缩气缸的排量容积充分地超过所述至 少一个动力气缸的排量容积，以允许从所述压缩气缸排出进入所述至少一个动力气缸的气 体在进入所述至少一个动力气缸时处于比相同气体在其进入所述压缩气缸时所处的压力 更大的压力。
3.根据权利要求2所述的发动机，其中，所述发动机充分地配置成允许引入动力气缸 的气体在压缩气缸的出口端口和动力气缸的入口端口之间的通道中发生至少一些压缩。
4.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述膨胀气缸的排量容积充分地超过所述动 力气缸的排量容积，以允许从所述动力气缸排出进入所述膨胀气缸的气体在存在于所述膨 胀气缸中时处于比相同气体在从所述动力气缸排出时所处的压力更低的压力。
5.根据权利要求4所述的发动机，其中，所述发动机充分地配置成允许引入膨胀气缸 的气体在动力气缸的出口端口和膨胀气缸的入口端口之间的通道中发生至少一些膨胀。
6.根据权利要求1所述的发动机，其中，压缩气缸的排量与动力气缸的排量的比率是 在约5 1至约1.1 1之间的范围内的任何比率，包括它们之间的任何比率和比率范围。
7.根据权利要求1所述的发动机，其中，膨胀气缸的排量与动力气缸的排量的比率是 在约5 1至约1.1 1之间的范围内的任何比率，包括它们之间的任何比率和比率范围。
8.根据权利要求1所述的发动机，还包括热交换器，所述热交换器与离开膨胀气缸的 气体有效地热接触，且与在压缩气缸的出口端口和动力气缸的入口端口之间的通道中存在 的气体有效地热接触。
9.一种内燃机，包括动力气缸、压缩气缸和膨胀气缸，其中，所述压缩气缸将压缩空气 充气提供给所述动力气缸，其中，所述动力气缸将燃烧气体提供给所述膨胀气缸，所述气缸 中的每个都配备有包括活塞和曲轴的往复运动组件，每个气缸的活塞均操作性地连接到共 同曲轴。
10.一种用于操作内燃机的方法，包括提供活塞驱动式内燃机，所述内燃机具有压缩气缸、至少一个动力气缸、和膨胀气缸，每个所述气缸具有带阀的入口以及带阀的出口，压缩气缸的出口与动力气缸的入口有效流 体连通，动力气缸的出口与膨胀气缸的入口有效流体连通，所述发动机配置成使得在所述 气缸中的每个中存在的活塞被共同曲轴驱动，且还配置成使得在所述压缩气缸和所述膨胀 气缸的所述入口和所述出口处存在的阀对所述曲轴的每一转均经历一个开启-关闭循环， 且使得在所述至少一个动力气缸的所述入口和所述出口处存在的阀对所述曲轴的每两转 均经历一个开启-关闭循环；将可燃烧燃料提供给所述发动机；以及 将点火源提供给所述发动机。
全文摘要
本发明涉及采用双重压缩和双重膨胀过程的内燃机。一种内燃机包括压缩气缸、至少一个动力气缸、和膨胀气缸。压缩气缸的出口供给动力气缸的入口，动力气缸的出口供给膨胀气缸。压缩气缸和膨胀气缸以两冲程方式操作，动力气缸以四冲程方式操作，所述气缸中的全部共用共同曲轴。热可以从排气回收且引导给动力气缸的入口气体，从而增加总体效率。
文档编号F02M7/00GK101900027SQ20101019293
公开日2010年12月1日 申请日期2010年5月27日 优先权日2009年5月27日
发明者R·P·杜雷特, V·戈帕拉克里什纳 申请人:通用汽车环球科技运作公司