专利名称：内燃机的制作方法
技术领域：
本发明涉及到一种内燃机。
申请人发明的可分为分离式发动机的各种内燃机已在如英国专利GB-A-2155546，GB-A-2186913，GB-A-2218153，GB-A-2218157，GB-A-2246394和GB-A-2261028中公开。这些发动机现在叫做梅里特发动机。
梅里特发动机包括至少一个第一和第二气缸装置，和分别位于该气缸中可移动的第一和第二活塞，在每个装置中，第一气缸具有一个比第二气缸中的扫气容积，并具有一个空气进气阀和/或一个与第一气缸相连通的孔，一个排气阀和/或一个与第一气缸相连通的孔，一个向第二气缸供给燃料的燃料源，当活塞基本上处于内死点位置时确定燃烧空间的装置，燃烧空间至少在部分膨胀冲程与两个气缸相连通，和用于制止进入的制止装置。
这里所指的“空气”包括近乎纯氧及任意一种氧与其他通常惰性气体的相应的混合物，用于与气体或液体(汽化液体)燃料燃烧。它可以包含存在再循环的内燃机气体中的再循环废气，曲轴箱气体和少量的碳氢化合物。
这里的“进入”指的是在压缩冲程终点或接近该终点之前，燃料/空气混合物从第二气缸向燃烧空间的运动。
梅里特发动机是一种类似于柴油机的分离式发动机，其不同在于一些少量的空气在较小的第二气缸中与基本上所有的燃料一起被压缩，而大部分空气独自在较大的第一气缸中被压缩。
分离式发动机如柴油机和梅里特发动机的一个重要特性是，在发动机的压缩冲程的大部分时间内燃料与大部分空气分离。在靠近压缩冲程终点的进入时刻之前为止，梅里特发动机在吸气冲程中利用较小的气缸和活塞接收燃料，并使燃料与大部分空气相分离。较小的气缸可以称作燃料处理气缸。
分离式发动机特别适合于点燃燃料的压燃过程，因为在大部分压缩冲程中燃料不与足够的空气混合，以便自然，甚至在高压缩比时也是如此。在也是分离式发动机的柴油机中，点火定时是由向燃烧空间喷射燃料的定时决定。在到目前为止所公开的梅里特发动机中，通过控制进入过程定时可有效地控制点火定时，换句话说就是，蒸发的燃料从燃料处理气缸进入燃烧空间的时刻。在高压缩比的梅里特发动机中，一些燃料的点火可能发生在燃料进入到燃烧空间并与其中的非常热的空气相遇的瞬间。
英国专利GB-A-2246394中记载了多种进入定时、亦即点火定时可以控制的方法。特别是较小的气缸具有一个通路装置，以便在压缩冲程早期将较小气缸中的压力控制到低于压缩冲程初期的较大气缸中的压力值。因此在较小活塞到达或接近它的内死点位置之前制止进入。在英国专利GB-A-2246394中所记载的通路装置，最好包括一个通向较小气缸的第一孔。该孔可以包括有一个改变流通面积的阀门，或一个节流阀和一个第一阀门，例如一个可操作的提升阀，用于在发动机的每个循环期间控制通过第一孔的空气和/或燃料的通路。可以包括有一个液体燃料喷嘴的燃料源，最好位于第一阀门的上游。
分离式发动机例如柴油机和梅里特发动机的主要优点是，它们能够燃烧整体都是非常稀薄的燃料/空气混合汽。具有在压缩冲程预混燃料/空气混合物的火花点火发动机，只能用接近理论配比的燃料/空气混合汽，以使由火花点燃的火焰通过燃烧空间的整个燃料/空气混合汽容积。整体均是非常稀的燃料/空气混合汽能使整个膨胀过程温度较低，从而改善了发动机的热效率，并使废气中有害物质NOx的含量减小，在部分负荷工况下尤其如此。当平均温度随放热量从混合汽为理想配比时燃烧的较高值下降时，往复式内燃机的热效率因稀薄燃烧而升高。
提高往复式内燃机效率的主要特性是，燃烧迅速和低放热量引起的气体温度降低。
在较高速度下汽车或高速柴油机不可能达到迅速燃烧，因为在燃料被点燃之前，不可能提供使液体燃料全部汽化的足够时间。另一方面，柴油机在部分负荷时均为稀薄燃烧，所以促成较低的燃气温度。不仅在低的部分负荷温度在所有工况下，梅里特发动机比柴油机更有可能实现迅速燃烧。在梅里特发动机中，在进入到燃烧空间点火之前，在吸气冲程和当与主要空气相分离的燃料具较多的时间以便燃料进入燃料气缸，在少量的空气中汽化。
已知的梅里特发动机的一个实例如附
图1所示，该图为发动机局部横剖面图，它表示在GB-A-2246394中。下面对该发动机予以简述。详细说明参见英国专利GB-A-2246394。
该发动机包括一个安装在较大活塞16冠部36上的较小活塞18。活塞18包括一个支柱234和一个冠部35。从图1中可以看出支柱234的外形是弯曲的，该曲线促使从较大气缸12进入到燃烧空间20的空气，和随后进入到该燃烧空间20的燃料/空气混合汽形成涡流。燃烧空间被限定在支柱234和较小气缸14的壁14a之间。支柱的形状和尺寸要能使构成的燃烧容积具有适合的尺寸和形状。
应当注意，活塞18的冠部35具有一个带有轴向厚度的边缘，该厚度基本上小于活塞18和16的冠部35和36之间的距离。冠部35具有一个圆柱形的边缘37，该边缘37稍微与较小气缸壁面14a相离开，以构成一个环状间隙128形状的制止装置。如图所示的较小气缸14的顶端具有一个带有旁通的圆周槽39，以促进如下所述的进入。较小气缸14的顶端具有包括第二进气阀门31和节流阀32的通路装置。燃料喷嘴34用于向进口导管33输送液体燃料。节流阀32控制流径进口导管33的空气流量，并且它基本与由燃料喷嘴34输送的燃料量无关。
在发动机的吸气冲程，空气通过进气导管25进入大气缸12。空气还通过打开的阀门31与来自喷嘴34的燃料一起进入小气缸14。在压缩冲程初期，通过活塞18的冠部35的压力差受到节流阀32和阀门31关闭的定时影响。而这将对进入到燃烧空间20的小气缸14工质的进入定时有影响，该空间20位于将近压缩冲程终点的活塞18的死点位置附近。当气缸14中的燃料/空气混合汽与在压缩冲程中被大活塞16输送到燃烧空间20中的热空气相遇时，进入进而控制由压缩点火的汽化燃料的点火定时。
槽39具有一个比小活塞冠部35的厚度大的轴向长度，以便为燃料/空气混合汽通过旁通槽39围绕该冠部进入提供一个扩大的间隙。槽39在小的气缸14中也提供了一个余隙容积，在压缩冲程，该余隙容积通过所提供的附加容积，有效地延迟进入定时。
图1所示的发动机也具有一个位于向大气缸12输送空气的进气导管25内部的节流阀23，和一个火花塞52。排气阀和排气口在图1中没有表示出，但在与大气缸12相连通的发动机中仍然存在。实线所示的位置表示活塞的外死点位置，虚线表示活塞的内死点的位置。
“开式”燃烧空间的结构，允许通路通过火花塞52直接近入到燃烧空间20。火花塞通过小气缸14的壁面14a而延伸。如果需要，大气缸12可以具有一个流量控制装置23和节流阀，以便在部分负荷吸气冲程期间减小进入到大气缸12中的空气。对于部分负荷时所需的给定燃料量，这种控制提高了小气缸14中的燃料/空气比，结果避免了当小气缸14内部的混合汽的燃料/空气比接近燃烧极限时，由于压缩而自燃。由于上述的流量减少，并且在进入之后燃料/空气混合汽可以最后借助火花塞52的帮助，因此压缩的压力和温度的峰值也可以减小。例如，当小气缸14中的燃料/空气混合汽为理想配比即化学计量值时，发动机即可怠速转动。节流过程可以把压缩的压力减小到足够的低，以避免自行压缩点火，然后电火花塞可以被用于点燃在吸入之后进入到燃烧空间的理论配比的混合汽。
在已知的图1中的梅里特发动机使用火花塞的目的是，使发动机能够应会临界状态如怠速和起动状态。特别是在低负荷状态，小气缸中的燃料/空气比可接近到能够压缩点火的化学计量值。为避免这些问题，节流阀23通过减少进入到发动机的空气量，可减少气缸中最后的燃气的压缩压力和温度。由于发动机上述压缩温度的降低，发动机不可能单独依靠压缩点火，火花塞52便被用于部分负荷时的辅助点火。
本发明试图提供一种改进的内燃机及其操作方法。
本发明所述的内燃机包括有至少一套第一和第二气缸组，第一气缸具有一个比第二气缸大的扫气容积;
能够分别在所述的气缸中移动的第一和第二活塞;
与第一气缸相连通的空气进口装置;
与第一气缸相连通的排气装置;
一个用于向第二气缸提供燃料的第一燃料源;
活塞基本上处于内死点位置时确定燃烧空间的第一装置，在膨胀冲程，燃烧空间与两个气缸相连通;
与所述的燃烧空间相连通的点火装置;
在第二活塞压缩冲程在该活塞到达预选点之前用于制止进入的制止装置;
用于控制点火装置的控制装置;
用于保证在燃烧空间接近压缩冲程终点所达到的压力和温度，不足以使所用燃料自行压燃的第二装置。
本发明也提供一种用于操作一种内燃机的方法，该发动机包括有至少一套第一和第二气缸组，第一气缸具有一个比第二气缸大的扫气容积;
可以分别在所述气缸中移动的第一和第二活塞;
与第一气缸相连通的空气进口装置;
与第一气缸相连通的排气装置;
用于向第二气缸提供燃料的第一燃料源;
活塞基本上处于内死点位置时确定燃烧空间的第一装置，在膨胀冲程燃烧空间与两个气缸相连通;
用于保证在燃烧空间内的接近压缩冲程终点所达到的压力和温度不足以使所用的燃料自行压燃的第二装置;
与燃烧空间相连通的点火装置;
用于在第二活塞压缩冲程该活塞达到预选点之前制止进入的制止装置;
用于控制点火装置的控制装置;其方法包括在发动机的进气和/或压缩冲程，向第二气缸引入第一预选的燃料量;
在进入开始之后、完成之前，向燃烧空间释放点火能量，用于点烯进入的燃料部分，因而提高了燃烧空间的温度和压力，使其余的吸入燃料通过压缩足以点燃。
在本发明所述的梅里特发动机中的一种操作和控制点火定时的改进方法是，开始火花点火过程，然后使过程延续到压缩点火，即火花触发压缩点火(STCI)。
本发明在所有的运行状况下都是依靠火花点火而起动燃烧。为这个目的，发动机的几何压缩比被选择足够低，以避免所使用的燃料自行压缩点火。然而，在一般的已知的方法中，火花点火要求燃料/空气混合汽非常均匀，以便使火焰前峰通过混合汽扩散，这在一般的火花点火的气体发动机(SIGE)中可以实现。
本发明所述的火花触发压缩点火是一种不同的过程。火花点火是两阶段点火过程的第一步，这两个阶段是火花点火和压缩点火。在第一阶段，火花点火只是在燃烧空间中的进入燃料与空气之间的边界引发一个局部火焰。该火焰可能是短命的，并不可能向当时并不存在的预混的燃料/空气混合汽扩散。火花点火发生在进入过程完成之前，也就是发生在所有燃料有时间从小气缸经过小活塞冠部传送到燃烧空间，并与所有的存在燃烧空间的为它的燃烧所需的空气相混合之前。火花点火阶段类似于用火花点燃一个来自一个射流的气体燃料射流的过程，该气体燃料与射流周围的空气相混合。在火花点火过程开始之后，火焰使燃烧空间中的燃气的压力和温度升高，足以使在小活塞的作用下进入到燃烧空间的并与较多空气相混合的其余汽化燃料压缩燃烧。这个过程称作火花触发压缩点火(STCI)。为完成燃料，汽化燃料与更多的所需空气相混合和燃烧的过程，是在火花点火时刻之外进行的。在通用的火花点火发动机(SIGE)中，燃料与空气之间的混合过程几乎总在火花出现之前完成的。
利用火花触发压缩点火的一个主要优点是，在遇到变化的发动机状况时，可以很容易地定时。当利用火花触发压缩点火时，在吸入过程的定时期间内所要求的控制精度，对发动机的运行并不十分重要和关键。
为了实现火花触发压缩点火，发动机可以采用在进入早期能够通过压缩，使其原本在特定燃料不足以点燃的压缩比下运行。另一方面，可以采用节流阀23，以调节压缩压力和温度和终端。例如在使用汽油的情况下，对于火花触发压缩点火，压缩比可以假定低于12∶1，而对于单独采用上述燃料的压缩点火，可能需要的压缩比为18∶1。第二个要求是火花塞应安装在进入过程初期燃料与燃烧空间中的空气混合时满足燃料汽化的地方。火花塞在准确的时间提供一个火花，以起动压缩点火过程。
在点燃一些已经开始进入到燃烧空间的燃料之后，燃烧空间中的燃气的压力和平均温度升高。即使被火花点燃的初始火焰不能扫过整个燃烧空间，这也导至继续进入到燃烧空间并与那里的空气相混合的汽化燃料的其余部分被压缩点火点燃。
本发明所述的第二种内燃机包括有至少一套第一和第二气缸组，第一气缸具有一个比第二气缸大的扫气容积;
可以在所述气缸中分别移动的第一和第二活塞;
与第一气缸相连通的空气进口装置;
与第一气缸相连通的排气装置;
用于向第二气缸提供燃料的第一燃料源;
活塞基本上处于内死点位置时确定燃烧空间的装置，在膨胀冲程燃烧空间与两个气缸相连通;
用于保证在所述燃烧空间接近压缩冲程终端所达到的压力和温度，不足以使所使用的燃料自行压缩点火的装置;
与所述的燃烧空间相连通的火花点火装置;
在第二活塞压缩冲程该活塞到达预选点之前用于制止进入的制止装置;
用于控制点火装置的控制装置。
和两个活塞的扫气容积大小有关的燃烧空间值的大小提供一种确定压缩比的方法，并强烈影响恰好在点火发生之前接近压缩冲程终点的燃气压力和温度。在操作点火装置使点火过程开始之前，压力和温度的状态必须不足以引起燃料的自行压缩点火。
点火装置的最佳形式是火花塞以标准的方法通电，通过控制装置例如作为点火控制装置函数的一个发动机处理系统M定时。在进入过程开始之后以涡流运动的方式被驱动到燃烧空间的空气开始与燃料蒸汽相混合时，火花必须点燃在进入过程初期的燃料的空气的浓混合汽。在压力的作用下，燃料气体射流向空气中输送燃料并被火花点燃时，上述的点火过程也会发生。如果在进入过程中在更多的空气与燃料蒸汽和空气的主要是浓混合汽相混合的情况下该浓混合汽没被点燃，则火花点火过程不可能成功。一旦火花点火发生，直到所有的进入燃烧空间的燃料燃烧为止，由火花点燃的火焰不需要维持，因为随着火花点火而升高的压力和温度保证当燃料气体通过小气缸冠部进入到燃烧空间时，更多的燃料气体以后会被压缩点火点燃。
小的气缸可以具有突变或逐渐的进入特性。例如小气缸可以这样构成，当小活塞冠部接近它的内死点位置时，在小气缸的远离大气缸的端部具有用于在小活塞冠部边缘的周围确定旁通的装置。用这种方法，在活塞的大多数冲程期间，小活塞冠部的周围边缘可以紧密地位于小气缸壁面上。然而一旦小活塞冠部接近旁通位置时，小活塞冠部的圆周边缘与小活塞壁面之间的间隙将有效地增大通过旁通的快速进入的能力。该旁通最好具有一个小活塞冠部边缘的厚度大的轴向长度。通常旁通可以加工成位于小气缸壁面上的一个槽，该槽可以在小气缸的整个或部分圆周上延伸。
旁通装置是非常有用的，因为它为延迟进入的小气缸中的汽化燃料和空气提供一个余隙容积，也为从燃烧空间到达进入之后在活塞冠部之上的剩余的任一燃料的火焰提供一个通道。该槽也可以帮助排出在排气冲程终端逸出的、位于小活塞之上的剩余排气。
旁通的一个重要的作用在于，在小气缸的顶端提供了一个余隙容积。小气缸的几何压缩比为它的扫气容积加上余隙容积之后与它的余隙容积之比。如果表面不平和其他余隙容积忽略不计，类似的大气缸的几何压缩比为它的扫气容积加上燃烧空间容积之后与它的燃烧空间容积之比。两个压缩比的有关数值将对进入定时产生强烈的影响。因为采用火花触发压缩点火要求较低的几何压缩比，因此要求有较大的燃烧空间，为了小气缸具有较低的几何压缩比，位于旁通中容积也必须加大，否则进入可能太早发生。小活塞冠部之上的表面不平间隙最好保持较小，以便尽量减小在压缩冲程终端时该冠部之上所得到的燃料量。增大旁通的尺寸，可以为用于触发火花触压缩点火过程的火花塞提供一个适当的位置。另外的合适位置可以稍微低于根据发动机设计的旁通。用于制止过早进入的制止装置是一个适当设计的，位于小活塞冠部边缘与小气缸壁面之间的间隙。上述的间隙装置必须能够控制小活塞冠部之上的小气缸中的燃气压力，以保持位于小活塞冠部另一端的燃烧空间中的空气具有较低的压力，直到进入时刻为止。上述控制可以通过上述的通路装置有效进行。由于点火是等待火花的出现，因此进入的精确定时在火花触发压缩点火的梅里特发动机中，比在只依靠压缩点火的梅里特发动机中显得不重要，因为在后者中点火定时是由进入定时决定的。
下面将通过实施例并结合附图对本发明予以详细说明图2为本发明所述的发动机第一实施例的剖面图;
图2A表示相对于气体运动，火花塞一个可能位置的图2的局部放大图;
图2B为图2A的一种变型;
图3表示图2所示发动机的局部形状;
图4至图9和图14为可以完成小气缸通气的各种发动机方案图;
图10至13表示了本发明的发动机另外实施例;
图15表示图5所示实施例中在外死点位置的活塞。
本发明所述的点火方法要求在发动机的大部分或全部的运行模式中，在它的全转速和部分负荷的情况下采用火花点火。
参照附图2，发动机的几何压缩比可以降低在此点所采用的燃料将不可能压缩点火的程度，例如对于高辛烷值的汽油要低于12∶1，而对于中等范围辛烷值的汽油要低于10∶1。这种设计特点保证从小气缸14向燃烧空间20传送或进入的预先汽化的燃料，不可能根据与燃烧空间中的空气相接触而自行点火，而需要通过外部控制的火花塞52所产生的火花点火。在火花塞点燃在一些空气中的浓的预先汽化的燃料时，燃料与更多的空气混合，在上述情况，火花点火可以可靠地发生。
火花点火只影响火花点火发生通过小活塞冠部35进入的燃料与火花引发的燃烧有关的压力和温度升高，使通过活塞冠部35进入的燃料的剩余部分通过压缩点火点燃。
这个运行方法的主要优点是点火控制非常简单即可向火花塞通电。精确的点火时间并不关键，进入可以比没有花火帮助的纯压缩点火的梅里特发动机较早地开始。
压缩比的下降只稍微减少了发动机的理论热效率。为减少这种效应，可以加大燃烧空间的尺寸，以减小其他处的附加容积的相对效应，并使燃烧期间具有好的燃气运动。
图2基本上再现了图1，以表示火花塞52位置的重要性。图中给出了两种可能的位置。在图2A中，火花塞被安装在位于旁通空腔39内部的一个关键部位，在该部位燃料蒸汽与小活塞冠部下面的环流空气相混合。空气流的方向在图中用粗箭头表示，燃料流的方向用细箭头表示。在图2B中所示的火花塞，恰好被放置旁通空腔39的下面。在这种情况火花点火可以有利地被定时，一旦小活塞冠部敞开空腔39就发生。
可以了解到，在英国专利GB-A-2246394中所述发动机的许多结构特征适用于本发明。所述需要的共同特点具体地说是与同样的支柱有关的小活塞的结构，如位于小气缸14下端的第二旁通槽135装置，位于或紧靠在大活塞冠部36上的小活塞底座84，和用于促使进入到燃烧空间20的空气产生涡流的方法。英国专利GB-A-2246394附图15和16所示的二冲程发动机结构，特别适合于本发明的点火方法。
英国专利GB-A-2246394中对于混合发动机的说明，适用于本发明。GB-A-2246394中附图6和7所示柴油混合发动机，可以通过本发明所述的火花点火辅助点火，将参照本发明的附图10至12在以后予以说明。
图3所示为一种发动机结构，该发动机除了节流阀23′具有一个较小的叶片只提供临界控制外，其结构与图1所示的发动机相同。当本发明以四冲程方式运行时，在正常情况下不采用节流，空气通过空气进口25可以有效地被吸入。燃料通过燃料喷嘴34被喷入到燃料进口通道33。在阀门31敞开之前，燃料可以在任一时刻喷射，因为它不可能进入到小气缸14内。在吸入冲程，阀31敞开以便使燃料和空气进入小气缸14。在压缩冲程，小气缸14中的压力比大气缸中的压力升高得慢，部分原因是由于具有由为了提供这种效果而设计的槽39的余隙容积。
接近压缩冲程终点之前，进入发生，一些燃料通过间隙128进入到燃烧空间。在进入开始之后，最好在活塞到达内死点位置之前火花塞通电。燃料/空气混合汽的初始燃烧提高了燃烧空间的压力和温度，足以使通过间隙128进入的其余燃料/空气混合汽，通过压缩自行点火。甚至在由火花所引起初始火焰没有到达该燃料之前，这种情况也会发生。
在膨胀冲程终端，大气缸12的排气阀(未示出)打开，以使燃烧产物排出。独立的排气孔在小气缸14中可有可无。
在吸气冲程中节流阀23′略微减少了空气的进入，即进行微调，以避免在进入之后、火花产生之前，燃料压缩点火的可能性。这可能发生在贫油或热天时。
节流阀32也可以是有选择的，并可以用于辅助控制进入定时，尽管在火花触发压缩点火(STCI)情况下这种控制通常是不需要的。
有许多用于切断小气缸控制的方案，下面将参照图4至9予以说明。
图4为本发明的一个最佳横剖面图，该图的小气缸14具有二个用以换气的阀门。小气缸具有独立工作的一个进气阀31和一个排气阀150。根据上述参照图3的描述，燃料可在任一时刻喷入到进口导管33。排气导管151最好连接到用于向大气缸12供给空气的主空气进气管25上。这可能收集未燃烧的燃料，减少排放污染以及提供与发动机负荷或比例的再循环的废气。
图6为一个类似于图4的小气缸14只具有一个用以换气的进气阀31的视图。燃料喷嘴34通过阀门31与燃烧压力和温度相隔开。排气通过间隙128、大气缸12和排气管27排出。
图7为另一种利用一个能起到小气缸14的进气和排气作用的单一阀门31，以控制小气缸14的换气。当发动机在四冲程序列情况下运行时，在一个发动机循环过程中通过两次开放阀门，一次是在排气冲程，一次是在进气冲程，帮助燃气输送到小气缸14并从其中输出。
在排气冲程期间开放阀门31，可以使活塞冠部35之上的排气很容易逸出。进气、排气导管的33连接到图4所示的大气缸12的空气进口导管25。在吸入冲程燃料喷嘴34输送在阀门31附近的燃料，以避免在排气冲程中燃料流入到大气缸。
图5为本发明的另一种横剖面图，该图表示出具有一个阀门的小气缸的排气。小气缸具有一个排气阀150，和一个早在吸入冲程开始就直接向小气缸14输送燃料的燃料喷嘴34。在排气冲程从小气缸排出的气体可以便利地射向向大气缸12输送空气的进气导管25(参照图4所述)。
在吸入冲程，空气通过小活塞冠部周围的环状间隙128进入到小气缸14。如果小活塞冠部的面积是大活塞冠部面积的10%，由此所引起的泵气损失很小，可能小于0.1巴。
图8为类似于图4和图5所示的本发明的另一种方案图，该图表示出了没有阀门的小气缸的通气。因为小气缸14本身没有进气或排气阀，它通过大气缸12的主进气管25和排气管27接收空气和排放燃气，该燃气穿过小气缸活塞冠部周围间隙128，在两个气缸之间通过。这种方案的优点是结构简单，但存在一些附加的泵气损失并有可能排放一些碳氢化合物和一氧化碳。
图9为附加有一个密封容器1000的图7所示发动机的更详细的视图，容器1000通过阀门1010与进气导管25相连通。作为分离式发动机的梅里特发动机的发动机特性，通过经阀门31在容器1000中容纳被输送的排气而得到改进。这种选择可使在排气冲程终端在容器内部具有一适合压力升高。该容积可以是固定的也可能是变化的，例如通过可以在一个管道移动的活塞(未表示出)。如图所示，该容积可以包含在一个管道中，或它可以是连接到阀门31孔上的导管容积，但该导管的另一端应密封。节流阀32在控制阀门31孔的流入和流出方面是有用的，但这不是必须的。
当阀门31关闭时，收集在容积1000中的热排气的压力稍微高于大气压力。它们也包含一些残留在小活塞冠部35之上的未燃烧的燃料。燃料喷嘴34向被收集的燃气排放燃料。燃料喷嘴可以位于所示的位置，即如果这个位置帮助燃料更有效地汽化，燃料喷嘴可以直接向球状物1000直接排放。燃料喷射定时可以选择，以利于燃料的更好汽化，因为它可以在循环的任一过程中发生。
在吸入冲程，当阀门31再次打于时，在球状物1000或密封导管中的稍微被压缩的燃气，携带与它们在一起的燃料蒸汽突然冲入气缸14。上述循环的燃烧产物促进燃料汽化，并且也制止氧化氮的形成，增进了被公认为控制NOx排放物的方法的“排气再循环”。
球状物1000中的压力取决于发动机的转速。在低转速时，为了保证在排气过程之后出现好的吸入过程，其压力可能不足。为了克服这种情况，球状物1000通过阀门1010被连接到进气导管25上，在低转数或球状物中的峰值压力低于所希望值对阀门1010被打开。当阀门1010打开时为了再循环，排气被输送到通向大气缸12的进气导管25，进入的空气从进气歧管吸出输送到大气缸。
阀门1010可以由发动机管理系统控制，或者它在球状物1000中的压力直接影响下自动运行。
图14所示为另一种保证可靠地向小气缸14输送空气的方法。在吸入冲程，这里的一个小风扇或鼓风机1002在压力之下，向小气缸输送空气。当需要时，通过发动机的管理系统风扇可以接通。如果需要，风扇可以通过安装的阀门1001与球状物1000相配合运行，在球状物工作时阀门1001关闭，在需要风扇时阀门1001打开并开始工作。
将会了解到，当燃料喷嘴34位于阀门31后而时，小气缸的吸入过程是很重要的。这种方案使燃料喷嘴不受燃烧压力和温度的影响。
如图5和图10、12所示的柴油机混合方案情况，如果燃料喷嘴31被放置直接将燃料输送到小气缸，那么小气缸的吸入过程并不重要。因此，在图5中可以看出该吸入过程是内部的，即空气从大气缸进入到小气缸，在大气缸空气通过进气阀24进入。
图10为类似于图4至图8的本发明另一最佳形式视图，为一种柴油混合型。图10发动机具有两个燃料喷嘴34和60，在燃烧中使用火花塞52以增进火花触发压缩点火(STCI)。小气缸的通气可以以图4至图8所述的同样方式实现采用一个阀门作为进气阀和排气阀，采用一个阀门只作为排气阀，或采用两个独立的阀门分别作为与小气缸直接连通的进气阀和排气阀，或者不采用阀门。
燃料喷嘴34在吸入冲程向小气缸喷入少量的燃料，这些燃料在进入到燃烧空间之前汽化，结果它可以用火花点燃。这些燃料的点燃增高燃烧空间中的压力和温度，使主要在接近压缩冲程终点由燃料喷嘴60喷入的燃料由压缩点火点燃。这样，用于点燃燃料的压缩比可以降低。
当喷嘴60供给柴油而喷嘴34供给另外的易挥发性燃料如汽油时，梅里特/柴油混合型的运行可以进一步改善，发动机的压缩比可以进一步降低，例如可降到12∶1和13∶1，而不是一般柴油机在正常情况所要求的24∶1和18∶1。
图11为类似于图10的视图，该图表示出了用于向进气导管33喷射燃料的喷嘴34。当接近压缩冲程终点喷油器60喷射柴油时，在吸入冲程中易挥发性燃料(例如汽油)通过喷嘴34被喷入到小气缸14中。随着进入，燃料被火花点燃，然后柴油通过热的燃气以压缩点火方式点燃。
图11所示发动机也可以采用任一种与图10所示发动机有关的阀门通气方案。
图12为另一种类似图10和11的视图，表示出了本发明梅里特/柴油混合型的另一种最佳形式，它可以采用与图10所示相关的任一种阀门通气方案。在运行中，在吸入冲程柴油喷嘴34首先向小气缸14喷射，在接近压缩冲程终点时，然后喷射更多的燃料。燃料喷嘴34供给柴油，如与图10有关的所述，发动机的压缩比可以降低。
英国专利GB-A-2246394附图8所示的火花点火混合型发动系统完全适用本发明，但运行方法不同。实际上，图13再现了GB-A-2246394的附图8。当发动机的压缩比低于可以引发自行压缩点火数值时，图13所发动机可以用通过两个进气阀24或31之一，或通过两个进气阀提供的理想配比的燃料/空气混合汽运行。
当喷嘴82不工作而节流阀83全部打开时，图13所示的梅里特型发动机可以通过喷嘴34所提供的燃料起动并怠速运转。当采用火花塞52以促进火花触发压缩点火(STCI)时，梅里特型发动机的部分负荷运行可以继续，与今天的一般火花发动机相比较，梅里特型发动机在部分负荷和怠速时其有较高的热效率。
在部分负荷，当梅里特型发动机以比产生氧化氮的最低限变更稀薄的燃料/空气比运行时，甚至通过任一种用于处理排气流中自由氧的三元催化转换器，该发动机的排放物也在法定的范围内，在这些情况下不存在NOx。
具有理想配比的燃料/空气混合汽和三元催化转换器的火花点火气体发动机的运行主要优点是得到了一个比以梅里特模式运行可能得到的更高的滞止平均有效压力(BMEP)，特别是当后者在部分负荷低于NOx燃料/空气比最低限度情况运行时。在车辆中，当火花点火气体发动机(SIGE)自动选择以处理所有负荷状态时，梅里特型发动机可以用于市区和高速公路。
在接近发动机全负荷状态需要最大量的空气时，即当位于两个气缸14和16中的所有空气需要燃烧最大量的燃料时，从梅里特发动机型向一般的火花点火发动机型(SIGE)转换可能是有利的。当喷嘴34处于未通电状态或以减少的燃料量运行时，喷嘴82由发动机管理系统通电。通过进气阀24进入的预混的燃料/空气混合汽可以是理想配比，使本发明的可以连续运行的火花塞52在发动机管理系统的控制下，迅速点燃混合汽。
在火花点火气体发动机中从全负荷向部分负荷过渡，可以通过节流阀从全负荷逐步减小来实现，直到燃料供给完全由喷嘴34承担，此时节流阀83可以完全打开。
在部分负荷和怠速时，保持梅里特发动机高热效率潜力，在全负荷情况下，混合运行方法具有在本发明梅里特发动机型中使用火花点火方法的优点，允许全部空气使用，因此增大了功率输出的能力。
图13所示发动机的运行与GB-A-2246394中所述的不同在于，在梅里特型和火花点火气体发动机(SIGE)型中，火花塞52已经用于初期点火。
在火花点火气体发动机(SIGE)型中运行的主要目的在于，允许比使用分离式的利用更多的空气。这导致较大的平均有效压力(MEP)和较大的功率输出。在高发动机热效率情况下运行时，分离型适合于部分负荷或在部分负荷平均有效压力(MEP)发动机运行。正常的火花点火气体发动机(SIGE)是在部分负荷平均有效压力(MEP)热效率减少非常多的情况下运行。同时，SIGE型允许相同的梅里特发动机达到全负荷平均有效压力，比得上处于火花点火气体发动机最有效运行状况下的正常的火花发动机。在这种方法中，根据火花触发压缩点火原理运行的梅里特发动的变型，提供了一种比现有的火花点火气体发动机或柴油机现在可以达到的热效率更高、运行负荷情况更宽的发动机。
图14为类似于图13所示的视图，图中所示的梅里特(分离式)型发动机的运行，通过采用如图9所述的球状物1000，阀门1001和风扇1002辅助完成。
火花点火气体发动机型的运行要求是，将辅助活塞体234的温度保持到足够低、以避免非分离型或火花点火气体发动机型中的冠部35下面被输送的可燃的燃料-空气混合汽预先点燃。这要求例如用油的射流通过活塞销喷射到活塞的底部，来冷却小活塞体234。如果这种冷却是必须的，那么在分离型期间，冠部35的温度不能足以使所有的输送到小气缸中的燃料汽化。结果，球状物1000中所收集的排气，提供了一种附加燃料汽化的补偿方法。
图15为图5所示方案另一种视图，该图表示出了在小气缸14外死点位置，从它的孔中到引出的小活塞。小气缸14的通气方案可以采用前述的任一种形式。在图15中，小气缸14具有一个排气阀。没有进气阀对小气缸是有利的，因为部分真空是需要的，以便当活塞处于外死点位置时，用于将空气从较小气缸中吸出，也可以防止过剩的燃料溢到大气缸12中。为了防止吸入冲程通气时在大气缸12中出现过剩的压力，小气缸的排气导管151和排气阀150装置是必需的。排气导管151与大气缸12的进气导管25相连通，以便再循环任一种没有燃烧的碳氢化合物和一氧化碳。图15中所示没有进气阀，燃料喷嘴34直接与小气缸14相连通，但另外的通气方案可以不同。
权利要求
1.一种内燃机包括有至少一套第一和第二气缸(12，14)组，第一气缸(12)具有一个比第二气缸(12)大的扫气容积；可以分别在所述气缸中移动的第一和第二活塞(16，18)；与第一气缸(12)相连通的空气进气装置(24，25)；与第一气缸(12)相连通的排气装置(26，27)；用于向第二气缸(14)供给燃料的第一燃料源(34)；活塞(16，18)基本处于内死点位置时确定燃烧空间(20)的装置，在膨胀冲程，燃烧空间(20)与两个气缸相连通；与所述燃烧空间相连通的点火装置(52)；在第二活塞(18)的压缩冲程，该活塞(18)到达一个预定点之前用于制止进入的制止装置(39，128)；用于控制点火装置(152)的控制装置(M)；用于保证靠近压缩冲程终点所述燃烧空间中的压力和温度不足以使到使用的燃料自发压燃的装置(23′，83)。
2.根据权利要求1所述的发动机，其特征是第二活塞(18)具有一处被隔开的、但连接到第一活塞(16)的冠部(36)的冠部(35)，该冠部(35)具有一个与第一活塞冠部(36)和第二活塞冠部(35)轴向之间的距离相比较，轴向长度较小的边缘(34)，因此在所述活塞冠部与第二气缸壁面(14a)之间构成了燃烧空间(20)。
3.根据权利要求1或2所述的发动机，其特征是点火装置为火花触发压缩点火装置(52)。
4.根据上述任一权利要求所述的发动机，其特征是用于保证靠近压缩冲程终点燃烧空间中所达到的压力和温度不足以使所使用的燃料自发压缩点火的装置，包括有其压缩比值为在气缸(16，18)内部在活塞外、内死点位置被燃气占有的可利用的容积比值的发动机几何压缩比。
5.根据权利要求4所述的发动机，其特征是用于保证靠近压缩冲程终点所述燃烧空间中达到的压力和温度不足以使所使用的燃料自发压缩点火的装置，还包括有用于节流经空气进气装置(24，25)被第一气缸(12)吸入的空气的装置(23′，83)，以将所述气缸(12，14)中的燃气压力和温度维持到不足以使所使用的燃料在火点装置点火之前自发压缩点火的水平。
6.一种根据上述任一权利要求所述的发动机，包括有与第二气缸(14)相连接的、用于在吸入期间使燃料和空气进入到第二气缸(14)的通路装置，该通路装置包括有一个与第二气缸相通第一孔装置(33)和一个用于控制所述孔装置的第一阀门装置(31)。
7.根据权利要求6或7所述的发动机，其特征是所述的第一燃料源(34)是一个被第一阀门装置(31)所遮蔽的低压燃料喷嘴。
8.根据权利要求6或7所述的发动机，其特征是所述的第一孔装置(33)作为第二气缸(14)的进气和排气口使用。
9.根据权利要求6或7所述的发动机，其特征是所述的通路装置还包括有一个构成了第二气缸(14)的一个排气孔装置的第二孔装置(151)，和一个用于控制所述第二孔装置的第二阀门装置(150)。
10.一种根据权利要求1-5之一所述的发动机，包括有与第二气缸(14)相连接，用于从该气缸中排出废气的排气装置，该排气装置包括有与第二气缸相通的排气孔装置(151)，和用于控制该排气孔装置的排气阀门装置(150)，其特征是第一燃料源是一个用于向第二气缸(14)直接喷射燃料的燃料喷嘴(34)。
11.一种根据权利要求7至10之一所述的发动机，其特征是所述排气孔装置(151)与空气进气装置(24，25)相连通，以便排气再循环。
12.一种根据权利要求1至5之一所述的发动机，其特征是第一气缸(12)的空气进气装置(24，25)和排气装置(26，27)，分别用作第二气缸(14)的唯一的进气和排气装置，第一燃料源是一个用于直接向第二气缸(14)输送燃料的燃料喷嘴(34)。
13.根据权利要求8所述的发动机，其特征是第一孔装置(33)与一个密封容积(1000)相连通。
14.根据权利要求13所述的发动机，其特征是所述密封容积是可变的。
15.根据权利要求13或14所述的发动机，其特征是所述的密封容积(1000)通过阀门(1010)与空气进气装置(24，25)相连通，以便控制该容积中的燃气压力。
16.根据权利要求13或14所述的发动机，其特征是所述密封容积(1000)通过阀门(1001)和风扇(1002)与大气相连通，以便控制该容积中的燃气压力。
17.根据权利要求2或引用了权利要求2的权利要求3至16之一所述的发动机，其特征是安装有以一个高压液体燃料喷嘴形式出现的一个第二燃料源(60)，这样当第二活塞(18)的冠部(35)处于或接近它的内死点位置时，除了通过第一燃料源(34)向第二气缸供给燃料外，第二燃料源(60)可以在压力作用下向燃烧空间(20)输送一定量的燃料。
18.根据权利要求17所述的发动机，包括有一装置(M)，该装置用于当起动和结束时第二活塞处于与内死点位置相隔开的预定位置后控制第一燃料源(34)，以便向冠部(35)上部的空间输送一定比例的被输往第二气缸(14)的总的燃料量，该装置也用于控制第二燃料源(60)，以便活塞(16，18)基本上位于或接近内死点位置时，进一步向燃烧空间输送一定比例的总燃料量。
19.根据权利要求1至510和12之一所述的发动机，其特征是第一燃料源(34)是一个位于第二气缸(14)侧壁(14a)中的、用于直接向第二活塞(18)的冠部(35)之上和之下的第二气缸输送燃料的高压燃料喷射器。
20.根据权利要求1至15之一所述的发动机，其特征是第二燃料源(82)和节流阀(83)位于第一气缸(12)的空气进气装置(25)的内部，用于提供火花点火燃料/空气混合汽，以便使该发动机能以一般火花点火的模式运行。
21.根据权利要求2或引用了权利要求2的权利要求3至20之一所述的发动机，其特征是第二活塞冠部(35)的边缘(37)径向地与相邻的第二气缸(14)的壁面(14a)相隔开以致构成一间隙(128)，此间隙形成了所述的制止装置。
22.根据权利要求2或引用了权利要求2的权利要求3至21之一所述的发动机，其特征是第二气缸(14)在它的远离第一气缸(12)的端部，具有一个当第二活塞(18)处于或接近它的内死点位置时，围绕第二活塞冠部(35)的边缘(37)形成一个旁通(39)的装置。
23.根据权利要求22所述的发动机，其特征是旁通装置(39)是一个在第二气缸(14)壁面(14a)上构成的槽，该槽延伸至少超过第二气缸圆周部分。
24.一种内燃机的运行方法，其中该发动机包括有至少一套第一和第二气缸(12，14)组，第一气缸(12)具有一个比第二气缸大的扫气容积;在所述气缸中可以分别移动的第一和第二活塞(16，18);与第一气缸(12)相连通的空气进气装置(24，25);与第一气缸(12)相连通的排气装置(26，27);用于向第二气缸(14)供给燃料的第一燃料源(34);当活塞(16，18)基本位于内死点位置时形成燃烧空间(20)的装置;与所述燃烧空间相连通的点火装置(52);在第二活塞(18)的压缩冲程该活塞(18)达到预选点之前用于制止进入的制止装置(39，128);用于控制点火装置(52)的控制装置(M);用于保证接近压缩冲程终点所述燃烧空间中所达到的压力和温度，不足以使所使用的燃料产生自发压缩点火的装置;其特征是该方法包括在发动机的吸入和/或压缩冲程向第二气缸(14)引入第一次预选数量的燃料;在进入开始之后和在进入完成之前向燃烧空间(20)释放点火能量，点燃进入的燃料部分，因此增大燃烧空间(20)中的压力和温度，足以使通过压缩点火点燃燃料的剩余部分。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征是第二活塞(18)具有一个与第一活塞(16)冠部(36)相隔离的并连接到该冠部(36)上的冠部(35)，冠部(35)具有一个与第一活塞冠部(36)和第二活塞冠部(35)轴向之间距离相比其轴向距离较小的边缘(34)，因此在活塞冠部和第二气缸侧壁(14a)之间形成了燃烧空间(20)。
26.根据权利要求24或25所述的方法，还包括有
接近压缩冲程终点在高压力作用下，向燃烧空间(20)喷入第二次预选数量的液体燃料，以便通过压缩点火点燃。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征是在吸入冲程，第一次预选数量的燃料被喷入到第二气缸(14)。
28.根据权利要求26所述的方法，其特征是在吸入冲程第一次预选数量的燃料，通过进气阀门(31)被引入到与第二气缸(14)相连通的进气导管(33)。
29.根据权利要求26、27所述的方法，其特征是第二次燃料是柴油，第一次燃料是除了柴油以外的易挥发性燃料。
30.根据权利要求29所述方法，其特征是第一次燃料是汽油。
31.根据权利要求24或25所述方法，其特征是还包括有，当控制吸入到第一气缸(12)中的空气量时，向第一气缸(12)中更多地引入预选的燃料量，以便在第一气缸(12)中提供一个预选的燃料/空气比的混合汽，因此用第一次预选数量的燃料，基本提供了理想配比总的燃料/空气比。
32.根据权利要求31所述的方法，其特征是预选的燃料/空气比基本上是理想配比的。
33.根据权利要求24至32之一所述的方法，其特征是节流吸入到第一气缸(12)中的空气，以便控制压缩终点的温度和压力，使它在向燃烧空间(20)释放点火能量之前，达到不足以产生压缩点火的水平。
全文摘要
一种内燃机包括至少第一、二气缸前者比后者扫气容积大；分别在所述气缸中移动的第一、二活塞；与第一气缸连通的进气装置；与第一气缸连通的排气装置；向第二气缸供燃料的第一燃料源；活塞处于内死点时确定燃烧空间的装置，在膨胀冲程，燃烧空间与两气缸连通；与所述燃烧空间连通的点火装置；在第二活塞到达压缩冲程一预定点之前用于制止进入的制止装置；控制点火装置的控制装置；保证靠近压缩冲程终点燃烧空间中的压力和温度不足使燃料自燃的装置。
文档编号F02B75/02GK1095448SQ93109869
公开日1994年11月23日 申请日期1993年7月2日 优先权日1992年7月2日
发明者丹·梅里特 申请人:考文垂大学, 丹·梅里特