专利名称：同轴强制换气两冲程动力装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及内燃机，特别是具有一个优良的“三工作”循环的内燃机，该“三工作”循环由三个过程，即换气、压缩和做功组成，由两个冲程完成并具有比现有技术中可得到的更高的效率。
在四冲程发动机中，基本上一个冲程(720度循环的180度)用于一个过程。尽管现代高速发动机已经试图几乎同时进行进气和排气，这两个过程仍然需要四冲程发动机中的两个单独冲程。在这种设置中，所有的空气流动都发生在汽缸的顶部，这有助于冷却汽缸头，但不能冷却汽缸体。另外，在这种构形中，做功冲程最多不超过整个工作循环的22％，从而限制了发动机的整体动力输出潜力。
在两冲程发动机中，做功、排气和进气都发生在下行冲程，接着是上行冲程中的另外排气和压缩。所熟悉的两冲程发动机限定了在其工作循环中燃烧汽缸内的四个不同过程。燃料/空气混合物在汽缸内点火开始，压力在汽缸头上方升高从而驱动活塞沿汽缸下行。当活塞沿汽缸下行时，活塞露出排气口以使汽缸内部(处于高压下)暴露于接近大气压，并且汽缸内之前含有的燃烧物迫使自己从排气口排出汽缸外。活塞继续其沿汽缸的向下行程，然后在其到达它的底部死点中心位置之前露出进气口。在返回冲程(或上行冲程)中，活塞首先关闭了进气口。然而，当活塞在其返回行程中继续上行时，排气口至少在一个很短的时期保持打开。因此，一些从进气口进入的空气和部分已混入那些空气中的燃料同样被排出排气口，直到活塞在其返回行程中经过排气口后将其关闭。一旦排气口关闭，就会压缩剩余的空气和燃料混合物。一旦完成压缩，两冲程过程结束，燃料/空气混合物的点火再次发生从而开始新的工作循环。然而，活塞从其底部死点中心位置向排气口的顶部运动期间导致了作为部分燃烧物使用的新鲜空气和燃料的大量损失。
典型的两冲程发动机的另一个特点是，两冲程发动机的曲轴箱提供了进行大量汽化作用的空间体积。这种构形阻碍了在曲轴箱周围使用大量的油飞溅，而这在常规的四冲程发动机中是常用的。因此，在两冲程发动机中，油在其被引入汽缸之前必须与燃料混合，从而给用户造成了额外的负担，他们必须在使用前将燃料和油混合，或者需要更复杂的燃料和油供给系统，同时还产生了不利的环境废气，其包括已燃烧的油和燃烧副产物。
本发明的另一个目的是提供一种内燃机，其将较冷的空气引入燃烧汽缸以对燃烧汽缸的整个长度进行冷却。
本发明的另一个目的是提供一种内燃机，其无须增加相对于四冲程发动机的复杂性和重量就可以提高已公知两冲程发动机的效率。
本发明的另一个目的是提供一种内燃机，其具有传统的四冲程发动机的优点，同时将做功冲程延长至整个工作循环的25-40％或更多。
本发明的另一个目的是提供一种内燃机，与传统的两冲程发动机中已可得到的相比，其增加了可以保持在燃烧汽缸中以参与燃烧过程的进气量。
本发明的另一个目的是提供一种内燃机，其消除了在传统的两冲程发动机中将油与燃料混合的必要。
本发明的另一个目的是提供一种用于内燃机的改进的进气门，其能够提高性能，并且简化了结构而且制造成本低于已公知的进气门。
根据本发明，上述和其他目的是通过提供一种具有两个平行汽缸即进气汽缸和动力汽缸的内燃机来实现的，由此，在动力汽缸内的做功、换气(包括同时进气和排气)和压缩过程构成了发动机的整个工作循环，其中在进气汽缸中的进气是动力汽缸内的工作循环的辅助和附属功能，因此发动机的冷却和燃料效率都比现有技术的内燃机提高了。在燃烧汽缸内，进气口设置在汽缸的顶部，然后该进气口设置有单向压力响应转换气门，用于当燃烧汽缸的压力下降至低于进气汽缸的压力时允许空气流入燃烧汽缸。
本发明发动机的工作循环是按如下建立的燃料空气混合物在动力汽缸头部的点火开始了动力活塞的做功或向下行程。然后，从动力活塞的底部死点中心位置之前的某个位置到其底部死点中心位置之后的某个位置，排气和进气几乎同时发生。最后，从动力活塞剩余的向上行程至该剩余的工作循环结束，压缩动力汽缸内截流的空气。因此，本发明的结构不同于排气和进气发生在两个单独冲程中的传统的四冲程发动机，没有整个的冲程用于上述两个过程中的任何一个或两者的结合。而且，本发明燃烧汽缸内排气口的布置以及进气活塞和动力活塞之间的的相位差使得做功冲程不低于整个工作循环的25％最高至40％。而且，因为本发明不再需要汽化作用，从而因为曲轴箱不再涉及将空气和燃料引入燃烧室的过程，油可以象在传统的四冲程发动机中一样在曲轴箱中循环，从而不再需要将油和燃料混合，与传统的两冲程发动机已实现的相比产生了更清洁的排放物。
在本发明的另一个实施例中，进气汽缸被储存有压缩空气的空气容器替代，所述压缩空气可以直接加入燃烧汽缸的进气口内。在发动机工作时，空气容器可以连续地从涡轮驱动或曲轴驱动压缩机中获得压缩空气。
无论什么冷却压缩空气源，不管是第一进气汽缸还是空气容器，在本发明的发动机中需要使用汽化作用的情况下，上述两种冷却压缩空气源允许空气在进入动力汽缸时被汽化，从而避免污染曲轴箱。
还提供了一种单向压力响应转换气门的设计，其包括两个主要部件，即固定的气门座壳体和滑动气门。该气门座壳体螺纹连接至内燃机内的工作室头部的开口中。该滑动气门设计为响应于气门任何一侧的压力差在所述壳体的中空内部做往复运动。该滑动气门具有沿其内部平行于其主轴线延伸的中空室，并且在该滑动气门底部紧邻于壳体上气门座表面的侧壁上具有开口。该滑动气门内部的孔是这样做成的，即为从气门结构中向外导引气流提供平顺的过渡。该孔的内表面沿着部分球形轮廓以便将通过该气门的气流从平行于该气门主轴线的方向转到垂直于或接近垂直于该气门主轴线的方向，而没有常见于大多数内燃机中使用的普通类型进气门的扩散。通过在汽缸头内设置多个气门就会实现涡流效应，从而提高进入的空气对动力汽缸部件的冷却效果(进而减少这些部件的磨损和破裂)，并且更有效地混合燃料/空气混合物以提供提高的发动机整体效率并减少燃料消耗。
图1是根据本发明一个实施例的三工作(三作用)内燃机在充分换气状态下的透视图；图2是图1中的三工作内燃机在压缩过程中的的透视图；图3是图1-2中的三工作内燃机在点火/燃烧过程中的透视图；图4是图1-3中的三工作内燃机在做功冲程中的透视图；图5是本发明的已装配好的气门在关闭位置的主视图；图6是滑动气门的主视图；图7是滑动气门沿图6A-A线的部分剖视图；图8是已装配好的气门在开放位置的部分剖视图；图9是带有多个气门的工作汽缸的俯视图，所述多个气门如前所述定位在汽缸头内，引导多个平顺、连续、层状气流进入汽缸头；图10是根据本发明的另一个实施例的双汽缸三工作内燃机的透视图，其中动力活塞位于顶部死点中心位置；图11是图10中的内燃机的剖视图，其中动力活塞沿其向下的行程运动；图12是图10-11的内燃机的剖视图，其中动力活塞位于底部死点中心位置；图13为图10-12的内燃机的剖视图，其中动力活塞沿其向上的行程运动。
压缩空气进气口13进入到动力汽缸200的“头部”，容纳在该进气口13内的是单向压力响应转换气门60(下面将更详细地描述)，当动力汽缸200内的压力下降并造成穿过压力响应转换气门60的压力差时，该压力响应转换气门60允许一次新鲜压缩空气的填充量从压缩空气进气口13进入到动力汽缸200内。
一个或多个排气口12设置在动力汽缸200的侧壁内靠近动力活塞行程底部的位置。
燃料注射口70设置在动力汽缸200的顶部。同样地，本发明的设计希望用于高压发动机，由于在空气/燃料混合物的压缩期间产生的热使得燃烧过程发生在动力汽缸200内。辉光塞(glow plug)或火花塞(未示出)可以选择性地设置在动力汽缸200的顶部紧邻于燃料注射口70从而进一步促进燃烧过程。
参照图1-图4，本发明换气、压缩和做功的三工作方法仅通过如下所述的两个行程实现。
图1显示了充分换气的底部死点中心(BDC)位置，其中排气口12全部未被遮挡，从而允许整个汽缸换气。动力活塞30在其向下行程期间通过排气口12后，废气通过排气口12流出动力汽缸200，于是降低了动力汽缸200内的压力并使转换气门60打开，然后使一次新鲜压缩空气的填充量从进气汽缸100流入动力汽缸200。当排气口12保持打开时，新鲜空气通过转换气门60的流入保证了将任何残留的燃烧物排出动力汽缸200。
图2显示了压缩过程，其中活塞30处于向上或返回的行程，并且排气口12关闭。当动力活塞30到达经过其BDC位置后的一个位置40°时，其再一次关闭排气口12。一旦排气口12关闭，刚经过转换气门60进入动力汽缸200的较冷空气将不断吸收动力汽缸200的所有表面和动力活塞30冠部的热量，使得其压力升高，从而迫使压力响应转换气门60关闭。动力活塞30继续其向上行程以压缩动力汽缸200内填充的剩余新鲜空气。这种设置形成了在动力汽缸200内高压状态，从而引起压力响应转换气门60自动关闭，于是截留填充的剩余新鲜空气用于下一个燃烧过程。
图3显示了点火/燃烧过程，其中活塞30位于TDC处。燃料通过喷油器70已经或正在注入。如果使用了柴油机或者压燃，燃料就会由压缩空气的热量点燃。另外，如果需要火花，就会由火花塞或辉光塞(未示出)以已知的方式进行点火。动力汽缸200内的燃烧过程在动力活塞30的顶部产生了升高的压力，接着由于燃烧气体膨胀，升高的压力驱动动力活塞30下行。
图4显示了做功冲程，其中由于燃烧产生所述压力的迅速升高驱动活塞30下行，将动力传递给曲轴40和飞轮。活塞30的顶面下降到排气口12的上界以下时，就允许废气从动力汽缸200中排出。当活塞30不再遮挡排气口12时，做功冲程结束，并且排出加压燃烧物，重新开始图1的换气过程。一旦露出排气口12，动力汽缸200内的压力突然释放从而使压力响应转换气门60打开。
在动力活塞30暴露出排气口12期间，动力活塞30继续其剩余的行程直到完成其剩余的行程距离，然后在其向上行程中向上返回再次关闭排气口12。新鲜空气通过压力响应转换气门60连续流入进气口13。这就保证了动力汽缸200内的所有剩余燃烧物被排出动力汽缸200直到排气口12再次关闭。
为了通过压力响应转换气门60将新鲜空气连续地供入进气口13，可以将压缩空气源连接至压缩空气进气口13，它可以是储存压缩空气的储存容器。储存容器可以通过转换室连接至安装有转换气门60的动力汽缸200的进气口。当换气过程使得动力汽缸内的压力下降至小于存储容器内的压力时，转换气门60打开，使得新鲜空气进入燃烧汽缸。该空气源与动力汽缸20分开冷却，因此比在现有技术的发动机中可得到的更浓并且含有更多氧气的混合物在点火过程开始时进入到燃烧室中。由于排气和进气过程同时发生，并且因为最先进入的新鲜空气紧随着最后排出的废气经过整个汽缸内的行程，这种在燃烧室内自上而下地压注压缩空气的方式伴随的优点就是可以吸收汽缸壁和活塞冠部的热量。本领域的技术人员应当理解的是可以使用其他压缩空气源。例如，可以使用单独的进气活塞(如下所述)或任何其他的强制进气源。
如上面的简述，将气门60设定为压力响应转换气门，它可以响应大约1psi的压力差而自动打开。为了提供这种迅速响应气门，特别如图5-8所示，气门60包括气门座壳体10和滑动气门20，该滑动气门20用作响应于该气门的任何一侧最小至1psi的压力差而自动打开和关闭从而在气门座壳体10的中空内部做往复运动。气门座壳体10包括优选地由硬质金属制成并具有穿过其中的孔的通常为圆柱形的本体。气门座壳体10中的孔做成细长形的圆柱形孔11，它从壳体10的顶面延伸至稍微高于壳体10底面，并且向外伸展的气门座12放置在圆柱形孔11和壳体10底面之间。如下面更详细的描述，向外伸展的气门座12做成当气门关闭时与滑动气门20的底部向外伸展部分23配合。定位销14从圆柱形孔11的侧壁径向向内穿入。如下面更详细的描述，定位销14做成插在滑动气门20上的通道22内以防止滑动气门20绕其主轴线转动，从而在工作中保持气门中空气在预定方向上流动。气门座壳体10沿其圆柱形外壁的至少一部分优选地设置有一组螺纹13，用于将其安装在设置于内燃机汽缸头内的相配合的带螺纹的开口中。
如图6滑动气门20的侧视图中特别示出的，滑动气门20包括通常为细长形的轴其优选地由钢或陶瓷、或者一种类似的硬质并且耐温的材料制成，并在其底部具有向外伸展的表面23。
将向外伸展的表面23做成与气门座壳体10上向外伸展的气门座1 2相配合，以便当气门组件处于其关闭位置时(如图5所示)，滑动气门20的底部最下部与气门座壳体10的底面平齐。在滑动气门20的上部设置有刚性连接于滑动气门20的环状环21。环状环21用做当滑动气门20在气门座壳体10内往复运动以打开和关闭气门组件时限制滑动气门20下行的挡块。
滑动气门20同样靠近其底部设置有位于其侧壁中的环状排气口24。排气口24通入沿滑动气门的大部分主轴线延伸的垂直孔25并与之交切。如图7滑动气门的部分剖视图(沿图6中的A-A线剖开)特别示出的，垂直孔25交切侧口24处限定出滑动气门内的一个腔，该腔具有半径为R的部分球形的内表面轮廓，这样就沿该球形的内表面实现孔表面从垂直孔25到侧壁孔24的过渡。已经发现通过设置沿球形轮廓这样的平滑孔表面，可以实现保持层状气流通过气门构件的最大可能，于是就提高了空气与喷射入汽缸内的燃料的混合效率，从而提高了发动机的整体效率。为了进一步增加通过气门的气流并保持其层状状态，与垂直孔25和侧口24相连的球形部分的半径R优选地与垂直孔25和侧口24的半径都相同，于是就消除了任何隆起或使气流通道变窄，隆起和气流通道变窄在滑动气门20内会妨碍空气流动或造成空气扰动区域的形成。这种连续气流通道的形成可以利用球磨机钻出垂直孔25和侧口24在两个孔相互交切出留下球形凹面来实现。
如上所述，滑动气门20也设置有位于其外侧壁的浅槽22。槽22的尺寸做成稍大于气门座壳体10内的定位销14尺寸，于是在气门工作期间防止滑动气门20转动时可以使定位销14在槽22内自由地上下移动。因此，当气门组件安装在汽缸头内时，气门在其打开位置时形成的气流方向固定不变。
现在参照图8的部分剖视图，当气门经受1psi或更大的压力差从而在气门座壳体10的气门座一侧产生真空时(例如在内燃机的进气冲程期间)，滑动气门20沿气门座壳体10下行直到位于滑动气门20顶部的环状环21顶住气门座壳体10的顶面。当滑动气门20在气门座壳体10中运动时，通过导向销14和滑动气门20侧壁上的槽22之间的相互作用防止了滑动气门20绕其主轴线的转动。当假设滑动气门20处于完全打开的位置(如图8所示)，排气口24完全暴露于汽缸工作室内的环境，于是使空气以连续、平顺和层状气流的形式经滑动气门20和垂直孔25从口24流出。在气门座壳体10内设置有弹簧40，其顶紧环状环21以朝滑动气门20的关闭位置偏压滑动气门20。
最后，如图9的工作室的俯视图所示，如上所述的多个气门可以设置在内燃机汽缸头内以将多个平顺、连续、层状气流引入汽缸头内。已经发现这种在汽缸内可产生涡流效应的气流组合对汽缸有很明显的冷却效果，从而减小了发动机工作期间汽缸和活塞受到的磨损。同样，通过从本发明的多个气门中引入空气而产生的涡流效应在燃烧之前提供了比现有技术的装置中可获得的更有效的燃料/空气混合，从而提高了发动机的整体效率并减少了燃料消耗。
如上更详细的说明，已经发现前述气门保证了该气门响应于小至1psi压力差的容易操作，从而减少了在进气汽缸的吸气或进气冲程中作用于本发明内燃机上的载荷，同时保证了新鲜空气进入工作室的迅速响应转换。本发明的气门设计提供了自动的压力响应启动，从而消除了使用机械、电子或机电气门促动器的必要，同时与现有技术相比极大地简化了机构。这种简化的结构因此减少了气门装置制造成本。
对本领域的技术人员来说很明显的是本发明改进的气门可以用于各种类型的发动机，例如车辆发动机、船用发动机和工业发动机。本发明改进的气门同样可以用于利用火花点燃和/或使用燃料喷射系统的内燃机以及采用压燃的柴油机。
图10-图13示意性地描述了双汽缸、三工作(三作用)内燃机的另一个实施例，其使用单独的进气汽缸作为空气源而不是如上所述采用压缩空气源。相同的参考标号代表相同的零件。
图10-图13的实施例包括发动机体10，其具有一对优选垂直设置的平行汽缸，即进气汽缸(全部以100示出)，和动力汽缸(全部以200示出)。虽然图10-图13将进气汽缸100和动力汽缸200描述为垂直设置的平行汽缸，但再次应该注意汽缸还可以象内燃机的典型V形排列那样相互成角度设置。进气汽缸100容纳有进气活塞20，其用于在进气汽缸100内做往复运动。标准的活塞连杆21如前一样将进气活塞20连接至曲轴40。同样，动力汽缸200容纳有动力活塞30，其用于在动力汽缸200内做往复运动。一个或多个排气口12位于靠近动力汽缸200下部的位置。标准的活塞连杆31将动力活塞30连接至曲轴40。在本发明的优选实施例中，曲轴40是这样设计的，即将进气活塞20的相位定为先于动力活塞30移动140度。然而这种相位间隔可以从90度变化到180度，同时保持本发明的功能。尽管图10-图13描述的实施例显示了140度的相位差，但是应该很重要地注意到精确的相位差是排气口12在动力汽缸200内的位置和动力活塞30在其工作循环期间，特别是在其向下的做功冲程期间当其开始露出排气口12时的角度位置的函数。进气活塞20和动力活塞30之间精确的相位差优选为动力活塞30底部死点中心(即180度)和动力活塞在其360度的工作循环中开始露出排气口12时的角度位置之间的度数的2倍。已经发现这种精确的设置保证进气活塞20到达其顶部死点中心位置，从而最大程度地压缩填入进气汽缸100内的空气并保证在动力活塞30刚关闭排气口12时将全部填入的空气输送到动力汽缸200。这种设置进而保证在动力汽缸200内燃烧时可获得的最大量的新鲜空气，从而与现有技术相比提高了本发明发动机的效率，在现有技术中需要再次燃烧动力汽缸内的剩余燃烧物或会将发动机曲轴箱中污染的废气用作燃烧物的一部分。
在发动机体10的一端设置有进气口(全部以11示出)并且与进气汽缸100流体连通。新鲜空气强制送气室(未示出)将新鲜的环境空气和发动机工作循环中燃烧产生的副产物中的未污染空气导入进气口11。容纳于进气口11内的是单向压力响应气门50(下面将更详细地描述)，其当进气汽缸100内的压力低于气门50进口侧的压力时使得新鲜空气从强制送气室进入进气汽缸100。
为了调节最终导入动力汽缸内的空气量，进气汽缸100可以选择性地设置有位于靠近进气汽缸100顶部的机械启动或机电启动安全阀。该安全阀可以在其将空气输送到动力汽缸200之前使燃烧过程不希望且不需要的空气从进气汽缸100排出。于是这种未被燃料和废气污染的空气从进气汽缸100排出，因此不会污染环境。作为一种更经济的形式，这种排出的空气可以压力储存到压缩空气容器中，之后可以用于操作多种类型的车辆、船只和飞机的气动辅助系统。
靠近冷、热汽缸“头部”连接该冷、热汽缸的输送口(全部以13示出)位于进气汽缸100和动力汽缸200之间以允许两个汽缸之间的流体连通。容纳在输送口13内的是单向压力响应转换气门60(如前更详细的描述)，当动力汽缸200内的压力低于进气汽缸100内的压力时，其允许一次新鲜压缩空气的填充量从进气汽缸100进入动力汽缸200。
一个或多个排气口12设置在动力汽缸200的侧壁内靠近动力活塞行程底部的位置。动力活塞30在其向下的行程中经过排气口12之后，废气通过排气口12排出动力汽缸200，这样就降低了动力汽缸200内的压力并使得转换气门60打开，随之使得一次新鲜压缩空气的填充量从进气汽缸100流入动力汽缸200。同时排气口12保持打开，新鲜空气通过转换气门60的流入保证任何剩余的燃烧物被排出动力汽缸200。当动力活塞30向上运动时，其关闭排气口12，从而截留填充的剩余新鲜空气用于下一个燃烧过程。
燃料注射口70设置在动力汽缸200的顶部。如前所述，本发明的设计希望用于高压发动机，由于在空气/燃料混合物的压缩期间产生的热使得燃烧过程发生在动力汽缸200内。另外，辉光塞或火花塞(未示出)可以选择性地设置在动力汽缸200的顶部紧邻于燃料注射口70从而进一步促进燃烧过程。
在双汽缸的实施例中，本发明换气、压缩和做功的三工作方法仅通过如下所述的两个行程实现。首先参照图13，其中进气活塞20位于其顶部死点中心(TDC)的位置。在这种情况下，如图13的图解所示，所示动力活塞30的位置大约为220°或在其上行时与其TDC位置相差140°。应该很重要地注意到，在这种情况下，动力活塞30刚关闭了排气口12，从而动力汽缸200内所有剩余的新鲜空气在动力活塞30继续其向上行程时被压缩。
在左侧所示的汽缸中，动力活塞30正位于TDC燃料已经或正在注入。如果使用了柴油机或者压燃，燃料就会由压缩空气的热量点燃，或者如果需要火花，就会进行火花点燃(未示出火花塞)。所导致的燃烧将会引起汽缸内压力的迅速升高。
由于燃烧产生所述压力的迅速升高驱动活塞30下行，将动力传递给曲轴40和飞轮。当活塞不再遮挡排气口12时，做功冲程结束，并且排出加压燃烧物，开始换气过程。
当进气活塞20开始沿进气汽缸100下行时，由于进气汽缸100内产生的轻微负压状态，压力响应气门50打开。气门50的结构优选地与气门60相同，并且进气汽缸100内仅有极小的负压状态就会使其打开，从而极大地减少了内燃机在进气冲程期间常规进行的抽真空工作。特别是假定海平面的平均大气压大约为14.7PSI，本发明转换气门50如此设计，即在转换气门关闭时，小于1磅的压力差就足以打开该气门。转换气门50的这种敏感度保证了在动力汽缸200内截留空气并开始压缩空气时气门的关闭。当压力响应气门50打开时，新鲜空气通过进气口11在进气活塞20上方引入进气室100。如图10所示，当进气活塞20在进气汽缸100内进行其向下行程时，气门50保持打开使得最大量的新鲜空气被引入汽缸100。当进气活塞20行进过大约140°(因而离底部死点中心(BDC)位置大约40°)时，动力活塞30到达其TDC位置，充分压缩燃料和空气的混合物并在动力汽缸200内开始燃烧过程。
动力汽缸200内的燃烧过程在动力活塞30的顶部形成升高的压力，随之由于燃烧气体膨胀驱动动力活塞30下行。如图11所示，当动力活塞30继续其向下行程时，进气活塞20经过其BDC位置并开始向上的行程。一旦进气活塞20开始其向上的行程，压力响应气门50自动关闭使得已经进入进气汽缸100的新鲜空气被压缩。然后进气活塞20继续压缩容纳在进气汽缸100内的新鲜空气，直到动力活塞30再次到达排气口12的顶部，此时排气过程开始，当进气活塞20位于TDC之前80°时使得动力汽缸200内的压力瞬时急剧减小。
紧随着图11描述的活塞位置，活塞30的顶面下降到排气口12的上界以下时，于是开始允许废气从动力汽缸200中排出。如图12所示，一旦露出排气口12，动力汽缸200内的压力突然释放从而使压力响应转换气门60打开。当动力活塞30从其BDC位置之前大约40°向其BDC位置行进时，由于进气活塞20继续其上行行程，转换气门50保持打开。在动力活塞30露出排气口12期间，动力活塞30将以与进气活塞20上升速率相比较低的速率行进过大约为其总行程距离11.8％的剩余向下行程，然后在其向上行程中上行另一个其总行程距离的11.8％，之后再次关闭排气口12，而进气活塞20上升其总行程距离的大约40.5％以到达其TDC位置，从而进一步压缩保留在进气汽缸100内的空气，同时将其引入动力汽缸200。新鲜空气从进气汽缸100连续流入动力汽缸200同时排气口12保持打开还保证了动力汽缸200内的所有剩余燃烧物都被排出动力汽缸200直到排气口12再次关闭。
再次参照图13，当进气活塞20到达其TDC位置时，动力活塞30到达经过其BDC位置后40°的位置，在该位置其再次关闭排气口12。一旦关闭排气口12，刚从进气汽缸100通过转换气门60进入动力汽缸200的较冷空气将吸收动力汽缸200的所有表面和动力活塞30冠部的热量，使之压力升高，从而迫使转换气门60关闭。动力活塞30继续其向上行程以压缩动力汽缸200内填充的剩余新鲜空气，同时进气活塞20开始其进气行程。这种设置在动力汽缸200内形成了高压状态，从而导致压力响应转换气门60自动关闭。
如上简述，气门50和60都做成压力响应气门，其响应于大约1psi的压力差而自动打开。为了提供迅速响应的气门，如图5-8所示及前面所述，气门50和60都包括气门座壳体10和用于在气门座壳体10的中空内部往复运动的滑动气门20，其响应于气门任何一侧小至1psi的压力差而自动打开和关闭。
本发明的动力汽缸200和进气汽缸100(假定使用在上述第一个实施例中说明的进气汽缸)各优选地衬有由硬质和耐温材料如研磨铸铁制成的内圆筒，尽管任何相似的硬质和耐温材料同样满足使用。优选地将内圆筒压入钢制发动机体10。另外，由于发动机体还可以由可浇注材料如混凝土、陶瓷泥釉或环氧树脂制成，内圆筒可以在模制过程中放置到发动机体中。内圆筒设置有集中于动力活塞的BDC位置上方的许多小孔。这种孔的构形允许有很大的截面进行排气，同时保护动力活塞30的活塞环并保持活塞环(或无环活塞)能够紧贴滑动的连续光滑表面。发动机体10在内圆筒的外侧紧邻于汽缸缸套设置有第一废气送气系统。可以选择性地设置可控制遮断物如偏心凸轮或相似形状的装置来调节废气的流动。
在充分说明本发明根本构思下的优选实施例和特定变型后，本领域的技术人员在熟悉所述根本构思后可以很明显地认识到在此所示和所述的实施例的其他各种实施例以及特定的改变和变型。例如，可以使用多个如上所述的装置来提供新鲜空气，可以设置多个新鲜空气进气门和转换气门以增加进入各汽缸的气流。因此应该理解除了在此具体说明的内容之外还可以对本发明进行应用。工业应用在传统的二冲程发动机中，活塞从其底部死点中心位置运动到排气口顶部的工作循环期间会导致用作部分燃烧物的新鲜空气和燃料的大量损失。另外，曲轴箱提供了进行大量汽化作用的空间体积。这种构形阻碍了在曲轴箱周围使用大量的油飞溅，而这在常规的四冲程发动机中是常用的。因此，在两冲程发动机中，油在其被引入汽缸之前必须与燃料混合，从而给用户造成了额外的负担，他们必须在使用前将燃料和油混合，或者需要更复杂的燃料和油供给系统，同时还产生了不利的环境废气，其包括已燃烧的油和燃烧副产物。因此，对能够将空气导入燃烧室以参与冷却整个汽缸的改进的内燃机有很大的工业需求，该内燃机无须四冲程发动机的复杂性和额外重量就可以提高已公知的二冲程发动机的效率，并且不再需要在二冲程发动机中使用燃料/油混合物。
权利要求
1.一种两冲程内燃机中包括具有活塞的细长动力汽缸，所述活塞可操作地通过连杆连接于驱动轴并安装用于在所述动力汽缸内在邻近所述动力汽缸第一端的顶部死点中心位置和邻近所述动力汽缸第二端的底部死点中心位置之间进行往复运动；邻近于所述动力汽缸的所述第一端的进气口，所述进气口将所述动力汽缸和压缩空气源相互连接；安装在所述进气口内的自动压力响应气门；和排气口，所述排气口位于与所述动力汽缸的所述第二端相隔一段充分的距离，从而当所述活塞位于所述底部死点中心位置时可以全部露出所述排气口，而当所述活塞位于所述顶部死点中心位置时可以全部遮挡所述排气口；在所述动力汽缸内进行两冲程工作循环的方法包括的步骤是a.响应于由下行活塞露出所述排气口所产生的跨越所述压力响应气门的压力差而将一次压缩空气的填充量引入所述动力汽缸，引入所述一次压缩空气的填充量的同时至少部分露出所述排气口；b.通过上行活塞压缩动力汽缸内的所述空气，而此时排气口是关闭的；c.在该压缩期间将燃料加入所述填充的空气中以形成压缩空气混合物；d.燃烧所述空气/燃料混合物以驱动所述活塞沿所述动力汽缸下行；和d.当所述活塞在其下行行程期间开始露出所述排气口时，从所述动力汽缸中排出所述燃烧物同时将较冷的新鲜压缩空气引入所述动力汽缸中，从而形成沿所述动力汽缸的纵轴线从所述进气口到所述排气口的空气流动；其中，沿所述动力汽缸的纵轴线从所述进气口到所述排气口的空气流动的形成在该空气从所述进气口流动至所述排气口时冷却了所述动力汽缸。
2.如权利要求1所述的方法，其中，当所述活塞从所述底部死点中心位置向所述顶部死点中心位置上行返回时，关闭所述排气口并在所述动力汽缸内形成压力直到所述压力响应气门关闭，从而截留并压缩其中的空气。
3.一种同轴强制换气两冲程动力装置，包括压缩空气源；和细长的动力室，其具有第一端和与所述第一端相对的第二端，所述动力室与所述压缩空气源流体连通，所述动力室还包括活塞，安装用于在所述动力室内在邻近所述第一端的顶部死点中心位置和邻近所述第二端的底部死点中心位置之间进行往复运动，所述活塞安装于连杆上，然后该连杆可操作地连接于驱动轴；邻近于所述第一端的进气口，所述进气口将所述压缩空气源与所述动力室相互连接；安装在所述进气口内的第一自动压力响应气门，用于响应于跨越所述第一压力响应气门的压力差而从所述压缩空气源引出一次压缩空气的填充量；和排气口，所述排气口位于与所述第二端相隔一段充分的距离，从而只有当所述活塞位于所述底部死点中心位置时可以全部露出所述排气口，而在其他时候所述活塞至少部分遮挡所述排气口，其中，所述排气口的露出形成了大致与所述动力室同轴的从所述进气口流至所述排气口的气流，在该气流从所述进气口流至所述排气口时冷却了所述动力室。
4.如权利要求3所述的同轴强制换气两冲程动力装置，所述第一自动压力响应气门还包括气门座壳体，所述气门座壳体还包括第一孔，其在所述气门座壳体内从所述气门座壳体的顶面向所述气门座壳体的底面延伸，所述第一孔限定了相邻于所述底面的向外伸展的气门座，和滑动气门，其用于在所述孔内做往复运动，所述滑动气门还包括具有向外伸展的底部的细长件，所述向外伸展的底部用于与所述气门座配合以关闭所述气门；导向装置，用于在所述气门座壳体中引导所述滑动气门；穿入所述细长件侧壁的侧口；和第二孔，其在所述滑动气门内从所述滑动气门的顶面向所述侧口延伸。
5.如权利要求3所述的同轴强制换气两冲程动力装置，所述压缩空气源还包括压缩空气储存容器。
6.如权利要求3所述的同轴强制换气两冲程动力装置，所述压缩空气源还包括进气汽缸，所述进气汽缸还包括与大气流体连通的进气口；与所述动力室的所述进气口流体连通的排气口；和活塞，安装用于在所述进气汽缸内在顶部死点中心位置和底部死点中心位置之间进行往复运动。
7.如权利要求6所述的同轴强制换气两冲程动力装置，还包括安装在所述进气汽缸的所述进气口内的第二自动压力响应气门。
8.一种同轴强制换气两冲程动力装置，包括提供压缩空气的供气装置；与所述供气装置流体连通的第一自动压力响应气门，用于响应压力差从所述供气装置引出一次所述压缩空气的填充量；与所述第一自动压力响应气门流体连通的细长动力汽缸，其具有第一端和与所述第一端相对的第二端，活塞可操作地连接于驱动轴并安装用于在所述动力汽缸内在邻近所述第一端的顶部死点中心位置和邻近所述第二端的底部死点中心位置之间进行往复运动，所述动力汽缸与所述供气装置流体连通，所述动力汽缸用作压缩燃料和空气的混合物，之后燃烧所述混合物以通过所述活塞将动力传递给驱动轴；和在所述动力汽缸换气期间沿其纵向轴线冷却所述动力汽缸的装置。
9.如权利要求8所述的同轴强制换气两冲程动力装置，所述用于冷却所述动力汽缸的装置还包括将所述动力汽缸和所述供气装置相互连接的进气口；排气口；和安装在所述进气口装置中的所述第一压力响应气门。
10.如权利要求9所述的同轴强制换气两冲程动力装置，其特征在于，所述进气口相邻于所述第一端设置，所述排气口位于与所述第二端相隔一段充分的距离，从而只有当所述活塞位于所述底部死点中心位置时可以全部露出所述排气口，而在其他时候所述活塞至少部分遮挡所述排气口。
11.如权利要求10所述的同轴强制换气两冲程动力装置，其特征在于，所述第一自动压力响应气门用于在所述动力汽缸通过露出所述排气口换气时自动打开，从而形成大致与所述动力汽缸同轴的从所述进气口流至所述排气口的气流，在该气流从所述进气口流至所述排气口时冷却所述动力汽缸。
12.如权利要求11所述的同轴强制换气两冲程动力装置，所述第一自动压力响应气门还包括气门座壳体，所述气门座壳体还包括第一孔，其在所述气门座壳体内从所述气门座壳体的顶面向所述气门座壳体的底面延伸，所述第一孔限定了相邻于所述底面的向外伸展的气门座，和滑动气门，其用于在所述孔内做往复运动，所述滑动气门还包括具有向外伸展的底部的细长件，所述向外伸展的底部用于与所述气门座配合以关闭所述气门；导向装置，用于在所述气门座壳体中引导所述滑动气门；穿入所述细长件侧壁的侧口；和第二孔，其在所述滑动气门内从所述滑动气门的顶面向所述侧口延伸。
12.如权利要求9所述的同轴强制换气两冲程动力装置，所述供气装置还包括压缩空气储存容器。
13.如权利要求9所述的同轴强制换气两冲程动力装置，所述供气装置还包括具有第一端和第二端的进气汽缸，所述进气汽缸还包括与大气流体连通的进气口；与所述动力汽缸的所述进气口流体连通的排气口；和活塞，安装用于在所述进气汽缸内在相邻于所述进气汽缸的所述第一端的顶部死点中心位置和相邻于所述进气汽缸的所述第二端的底部死点中心位置之间进行往复运动。
14.如权利要求13所述的同轴强制换气两冲程动力装置，还包括安装在所述进气口内的第二自动压力响应气门。
15.一种具有至少一个工作汽缸的内燃机中，所述汽缸还包括汽缸头、自动压力响应进气门，所述进气门包括气门座壳体，所述气门座壳体还包括第一孔，其在所述气门座壳体内从所述气门座壳体的顶面向所述气门座壳体的底面延伸，所述第一孔限定了相邻于所述底面的向外伸展的气门座，和滑动气门，其用于在所述孔内做往复运动，所述滑动气门还包括具有向外伸展的底部的细长件，所述向外伸展的底部用于与所述气门座配合以关闭所述气门；导向装置，用于在所述气门座壳体中引导所述滑动气门；穿入所述细长件侧壁的侧口；和第二孔，其在所述滑动气门内从所述滑动气门的顶面向所述侧口延伸。
16.如权利要求15所述的自动压力响应进气门，所述气门座壳体还包括将所述气门座壳体连接至所述汽缸头中开口的装置。
17.如权利要求16所述的自动压力响应进气门，所述连接气门座壳体的装置还包括限定于所述气门座壳体的至少一部分外表面处的螺纹。
18.如权利要求17所述的自动压力响应进气门，所述气门座壳体还包括径向向内穿入所述气门座壳体的所述第一孔中的销，所述销与所述滑动气门上的所述导向装置接合以防止所述滑动气门的转动并限制所述滑动气门的行程。
19.如权利要求18所述的自动压力响应进气门，所述导向装置还包括延伸入所述滑动气门的所述细长件中的槽。
20.如权利要求18所述的自动压力响应进气门，所述滑动气门中的所述第二孔还包括所述滑动气门内的腔，所述腔由所述第二孔的侧壁限定并具有部分内球面轮廓；第一孔部分，其大致平行于所述滑动气门的主轴线从所述滑动气门的顶面向所述腔延伸；和所述侧口，其与所述滑动气门的所述主轴线成角度地延伸并终止在所述腔；其中，在所述第二孔中流动的空气沿所述主轴线，通过沿所述腔的球面轮廓的转弯，从所述侧口中导引出同时保持层状流动。
21.如权利要求20所述的自动压力响应进气门，其特征在于，所述侧口大致垂直于所述滑动气门的所述主轴线延伸。
22.如权利要求15所述的自动压力响应进气门，还包括设置在所述汽缸头内的多个所述进气门。
23.如权利要求22所述的自动压力响应进气门，每个所述气门是这样设置的，即导引气流通过所述气门并在所述工作汽缸内径向导引气流，其中来自所述多个气门的多个气流在所述工作汽缸内产生均匀的涡状气流。
24.如权利要求15所述的自动压力响应进气门，所述气门座壳体在所述汽缸头内整体做出。
全文摘要
一种具有动力汽缸(200)的内燃机,由此,在动力汽缸(200)内的做功、换气(包括同时进气和排气)和压缩过程构成了发动机的整个工作循环,其中在进气汽缸(100)中的进气是动力汽缸(200)内的工作循环的辅助和附属功能,因此发动机的冷却和燃料效率都比现有技术的内燃机提高了。将动力汽缸与进气汽缸(100)相连的是输送室,其开口到动力汽缸(200)的顶部内,然后该输送室设置有单向压力响应转换气门(60),用于当其中压力下降至低于进气汽缸(100)的压力时允许空气流入动力汽缸(200)。排气口(12)同样设置在靠近动力汽缸(200)的底部。
文档编号F02B25/00GK1387605SQ00815328
公开日2002年12月25日 申请日期2000年11月8日 优先权日1999年11月8日
发明者杰弗里·F·克莱因 申请人:杰弗里·F·克莱因