双活塞循环引擎中的交换阀的制作方法

双活塞循环引擎中的交换阀的制作方法
【专利摘要】一种内燃机，其包含：燃烧腔室，其具有第一孔口；压缩腔室，其具有第二孔口；以及交换阀，其包括内部腔室、第一和第二阀座、阀头，以及所述阀头上的第一和第二阀面，其中所述第一孔口允许所述燃烧腔室与所述内部腔室之间的流体连通，所述第二孔口允许所述压缩腔室与所述内部腔室之间的流体连通，所述第一阀面耦合到所述第一阀座以堵塞所述第一孔口，且所述第二阀面耦合到所述第二阀座以堵塞所述第二孔口。
【专利说明】双活塞循环引擎中的交换阀
[0001]相关申请案的交叉参考
[0002]本申请案主张2011年11月30日申请的第61/565，286号美国临时申请案和2012年10月15日申请的第61/714，039号美国临时申请案的权益，以上两个美国临时申请案的揭示内容以全文引用方式并入本文。

【技术领域】
[0003]本发明大体上涉及分循环内燃机，也称为分循环引擎，且更具体来说涉及双活塞循环引擎(DPCE)，其比常规燃机更高效。

【背景技术】
[0004]常规内燃机包含一或多个气缸。每一气缸包含单个活塞，其执行四个冲程，通常称为进气、压缩、燃烧/动力/膨胀，和排气冲程。这四个冲程一起形成常规内燃机的完整循环。然而，单个气缸无法在同一时间和空间经优化既作为压缩器(需要冷环境来得到最佳效率性能)又作为燃烧器(需要热环境和工作流体的最佳膨胀来得到最佳效率性能)。
[0005]常规内燃机具有低燃料效率，估计常规引擎产生的潜在热能的一半以上通过引擎结构和排气出口而耗散，而并不增加任何有用的机械功。常规内燃机中的热浪费的主要原因是基本冷却系统(例如，辐射器)，其以比实际上变换为有用功的总热量更大的速率和量单独耗散热量。此外，常规内燃机能够通过在气缸和活塞中采用低排热方法而仅在低程度上增加效率。
[0006]在进气和压缩冲程期间气缸中的高温导致另外的低效。此高温降低了引擎体积效率，使活塞工作更难，且因此在这些冲程期间降低效率。
[0007]理论上，比压缩比大的膨胀比将大大增加内燃机中的引擎效率。在常规内燃机中，膨胀比较大地取决于压缩比。而且，使引擎膨胀比大于压缩比(例如，米勒和阿特金森循环)的常规方式比效率增加更低效，这在所有四个冲程未在单个气缸中执行的情况下是可能的。
[0008]常规内燃机的另一问题是不完整的化学燃烧过程，其降低效率且造成有害的废气排放。
[0009]为了解决这些问题，其它人先前已揭示了双活塞燃机配置。举例来说，颁与卡萨迪的第1，372，216号美国专利揭示了一种双活塞燃机，其中气缸和活塞成相应的对布置。点火气缸的活塞在压缩气缸的活塞之前移动。颁与色斯顿等人的第3，880，126号美国专利揭示了两冲程循环分气缸内燃机。引入气缸的活塞在动力气缸的活塞之前在小于二分之一冲程的某种程度上移动。引入气缸压缩进料，且将进料传送到动力气缸，在此处其与来自先前循环的燃烧产物的残余进料混合，且在点燃之前进一步压缩。颁与苏德里等人的第2003/0015171 Al号美国专利申请案揭示了四冲程循环内燃机。第一气缸内的动力活塞连接到曲柄轴，且执行四冲程循环的动力和排气冲程。第二气缸内的压缩活塞也连接到曲柄轴，且在曲柄轴的同一旋转期间执行同一四冲程循环的进气和压缩冲程。第一气缸的动力活塞在第二气缸的压缩活塞之前移动。颁与苏等人的第6，880，501号美国专利揭示了一种内燃机，其具有一对气缸，每一气缸含有连接到曲柄轴的活塞。一个气缸针对进气和压缩冲程而适配。另一气缸针对动力和排气冲程而适配。颁与布拉齐特的第5，546，897号美国专利揭示了一种多气缸往复活塞内燃机，其可执行两个、四个或柴油机动力循环。
[0010]然而，这些参考案未能揭示如何区分气缸温度以有效地隔离点火(动力)气缸与压缩气缸和周围环境。另外，这些参考案未能揭示如何最小化气缸与周围环境之间的互相温度影响。此外，这些参考案未能揭示通过升高动力气缸温度且降低压缩气缸温度而增强常规内燃机效率和性能的引擎改进。具体来说，增加动力气缸温度允许增加的动能功提取，同时最小化压缩气缸温度允许减少的能量投资。另外，这些参考案中揭示的单独气缸全部通过某种传送阀或中间通路(连接管)而连接，其在气缸之间产生实质体积的“死空间”。
[0011]颁与克拉克的第5，623，894号美国专利揭示了双压缩和双膨胀内燃机。含有两个活塞的内部外壳在外部外壳内移动，因此形成用于压缩和膨胀的单独腔室。然而，克拉克案含有执行所有引擎冲程的单个腔室。如上所述，单个腔室防止例如本发明的实施例中揭示的那些气缸的隔离和/或改进的温度区分。
[0012]颁与托马斯的第3，959，974号美国专利揭示了一种内燃机，其包含部分地由能够耐高温的材料构造的燃烧气缸以及也能够耐高温的具有无环区段的动力活塞，所述活塞连接到维持相对低温的有环区段。然而，整个托马斯引擎中升高的温度不仅在整个燃烧和排气冲程中驻留，而且在压缩冲程的部分期间驻留。


【发明内容】

[0013]鉴于现在现有技术中存在的已知类型的内燃机中固有的前述缺点，本发明的实施例包含DPCE燃机，其利用温度差动气缸，其以比常规内燃机更有效的方式将燃料转换为能量或功。本发明的一些实施例利用新颖的阀，用于促进工作流体从DPCE的压缩腔室到燃烧腔室的有效且可靠传送。
[0014]在本发明的示范性实施例中，DPCE引擎包含:第一气缸，其耦合到第二气缸；第一活塞，其定位在第一气缸内且经配置以执行进气和压缩冲程而不是排气冲程；以及第二活塞，其定位在第二气缸内且经配置以执行动力和排气冲程而不是进气冲程。或者，第一和第二气缸可视为两个单独腔室，其可通过交换阀的打开而直接耦合，其中第一活塞驻留于第一腔室中且第二活塞驻留于第二腔室中。
[0015]在又一示范性实施例中，DPCE引擎进一步包含:进气阀，其耦合到第一气缸；排气阀，其耦合到第二气缸；以及交换阀，其将第一气缸的内部腔室耦合到第二气缸的内部腔室。
[0016]在又一示范性实施例中，引擎包含两个活塞连接杆、压缩曲柄轴、动力曲柄轴和两个曲柄轴连接杆。连接杆将相应活塞连接到其相应曲柄轴。压缩曲柄轴将旋转运动转换为第一活塞的往复运动。动力曲柄轴将第二活塞往复运动转换为引擎旋转输出运动。压缩曲柄轴相对角度关于动力曲柄轴相对角度通过实施相位角延迟(相位滞后)彼此不同，使得动力气缸的活塞在压缩气缸的活塞之前移动。曲柄轴连接杆将动力曲柄轴旋转传送到压缩曲柄轴旋转中。或者，两个活塞和两个气缸可以彼此成直列式(平行)设计，其中单个曲柄轴将连接到两个活塞。单个曲柄轴将旋转运动转换为两个活塞的往复运动。在一个此实施例中，可例如安装低热传导材料的绝缘层以分离相对冷压缩气缸与相对热动力气缸，如此项技术中所常见。
[0017]在又一示范性实施例中，DPCE引擎进一步包含:进气阀，其耦合到第一气缸；排气阀，其耦合到第二气缸；以及交换阀，其将第一气缸的内部腔室耦合到第二气缸的内部腔室。
[0018]在一些示范性实施例中，机械致动单向关-开-关交换阀(SDC0C交换阀)可由若干组件构造:首先，阀体。其次，双面轴向提升(DSAP)阀，其能够通过在任一侧上密封SDCOC交换阀而解耦两个腔室。更具体来说，第一关闭位置(关闭I)，其中DSAP阀通过放置于位于动力气缸壁或动力气缸头的表面上的阀座上而密封；打开位置，其中DSAP阀未放置于任何气缸壁或气缸头上的任何阀座上，且工作流体可通过DSAP阀周围的开口从压缩气缸经过到动力气缸；以及第二关闭位置(关闭2)，其中DSAP阀通过放置于位于压缩气缸壁或压缩气缸头的表面上的阀座上而密封。第三，DSAP致动推杆，其在一个示范性实施例中是DSAP的一体金属零件。第四，交换阀回动弹簧。第五，摇臂。第六，凸轮随动器/升降器。第七，专用SDCOC交换阀凸轮。
[0019]其它实施例可包含上述的一或多者，以及如本文描述的其它特征组件。
[0020]在进一步示范性实施例中，当动力活塞朝向其上死点移动时，DSAP阀可在其动力气缸侧上密封，原因在于SDCOC交换阀凸轮设定的动作和阀复位弹簧力以及压缩气缸中的压力积累。
[0021]在进一步示范性实施例中，当动力活塞接近上死点时,排气阀关闭,且SDCOC交换阀打开。这可经由推动凸轮随动器和摇臂的凸轮旋转移动执行，所述推动又拉动阀致动杆且将DSAP组件从其阀座(关闭I位置)提升。
[0022]SDCOC交换阀初始打开可减少两个气缸之间的压力差，因此减小保持SDCOC交换阀处于关闭位置的压缩力的大部分。此压力调平减少了继续且打开阀且将其从关闭I位置经由打开位置转变到关闭2位置所需的力。
[0023]在进一步示范性实施例中，SDCOC交换阀在关闭2位置关闭，如凸轮轴控制的机械致动机构规定。这可在压缩活塞到达其TDC时且在几乎所有工作流体均传送到动力气缸之后发生。另外，在SDCOC交换阀在关闭2位置处关闭之前短时间，动力气缸中的压力可超过压缩气缸中的压力(由于初始燃烧状态且在此期间)，因此帮助在移动的相同方向上将DSAP阀推动更远，且通过将DSAP阀放置于相对的阀座密封表面上、即压缩气缸壁或压缩气缸头的表面上(关闭2位置)而密封SDCOC交换阀。在一些不范性实施例中，偏置机构可增加朝向关闭2位置作用的额外力。作为用于此偏置机构的实例，摇臂17也可用作柔性偏置装置，从而增加预定足够预加载力且因此帮助阀120抵靠密封表面122密封。在一些示范性实施例中，在DSAP阀正从关闭I位置移动到关闭2位置时燃烧发生。
[0024]在进一步示范性实施例中，在引擎的排气冲程的开始处，在排气阀打开时，动力气缸压力急剧减小。因此，用以将DSAP阀保持在关闭2位置的力也可减小。在引擎的排气冲程的开始之后，凸轮控制的机械致动机构可用以(能够)将DSAP阀移动回到(复位到)其初始密封表面，即较靠近动力气缸的一个表面(关闭I位置)。在循环的此阶段，压缩活塞可处于或围绕靠近其BDC或压缩的开始的预定范围。此关闭2经由打开位置到关闭I位置的转变可经定时以在排气压力稍微高于或等于压缩气缸压力时发生，且因此在此复位阶段期间当交换阀打开时没有大量工作流体预期经过交换阀。另外，如果需要，可与SDCOC交换阀串联添加止回阀以防止在此打开周期期间从动力气缸到压缩气缸的排出的工作流体传送。
[0025]在一个示范性实施例中，进气阀由具有圆锥形密封表面的轴组成，与在大多数四冲程引擎中的进气阀中使用的相同。排气阀可由具有圆锥形密封表面的轴组成，如此项技术中通常所知。在一个实施例中，交换阀包含双面轴向(圆锥形)提升阀(DSAP阀)，其中驻留在对应阀座上的密封表面中的每一者密封共同流体通路且因此解耦两个气缸。
[0026]在进一步示范性实施例中，交换阀包含用以打开偏置机构的推动(或拉动)以及用以关闭偏置机构的推动(或拉动)，包含例如推拉杆。偏置机构的一个实例是弹簧。另一实例是基于凸轮轴的致动组件。在不偏离本发明的范围的情况下可使用其它偏置机构。
[0027]在一些示范性实施例中，级间阀可由若干组件构造:首先，阀体。其次，双面轴向提升(DSAP)阀，其能够通过在任一侧上密封级间阀而解耦两个腔室。更具体来说，第一关闭位置，其中DSAP阀通过放置于位于动力气缸壁或动力气缸头的表面上的阀座上而密封；打开位置，其中DSAP阀未放置于任何气缸壁或气缸头上的任何阀座上，且工作流体可通过DSAP阀周围的开口从压缩气缸经过到动力气缸；以及第二关闭位置，其中DSAP阀通过放置于位于压缩气缸壁或压缩气缸头的表面上的阀座上而密封。第三，弹簧柱塞组件(SPC)，其在一些实施例中由盘簧组成，但可为任何偏置元件。第四，额外偏置机构组件(BMC)，其偏置DSAP阀以在动力气缸壁或动力气缸头上关闭。其它实施例可包含上述的一或多者，以及如本文描述的其它特征组件。
[0028]在进一步示范性实施例中，当动力活塞朝向其上死点移动时，DSAP阀组件在动力气缸侧上密封，原因在于BMC的动作和压缩气缸中的压力积累。
[0029]在进一步示范性实施例中，当动力活塞接近或到达上死点时，其产生与SPC的柱塞组件的接触且推动柱塞。此推动压缩SPC的弹簧组件，其预加载弹簧。
[0030]在进一步示范性实施例中，在压缩SPC的弹簧组件之后，且仍在动力活塞到达上死点之前，动力活塞到达且推动DSAP阀，从而迫使级间阀打开。级间阀初始打开减少两个气缸之间的压力差，因此减小保持级间阀处于关闭位置的压缩力的大部分。此压力调平使得弹簧柱塞(SPC)能够膨胀且进一步推动DSAP阀，这朝向较为打开的状态提升级间阀。
[0031]在进一步示范性实施例中，当动力气缸中的压力超过压缩气缸中的压力(由于初始燃烧状态且在此期间)时级间阀关闭，因此在移动的相同方向上将DSAP阀推动更远，且通过将DSAP阀放置于相对的阀座密封表面上、即压缩气缸壁或压缩气缸头的表面上而密封级间阀。
[0032]在进一步示范性实施例中，在引擎的排气冲程的开始处，在排气阀打开时，动力气缸压力急剧减小。因此，预加载的BMC推动DSAP阀以移动回到其初始密封表面(即，较靠近动力气缸的密封表面)。在一些实施例中，级间阀到其初始关闭位置的关闭可通过机械偏置来辅助。
[0033]在一个示范性实施例中，进气阀由具有圆锥形密封表面的轴组成，与在已知四冲程引擎中的常规进气阀类似。排气阀由具有圆锥形密封表面的轴组成，如此项技术中通常所知。在一个实施例中，级间阀包含双面轴向(圆锥形)提升阀(DSAP阀)，其中密封表面中的每一者当驻留在其对应阀座上时密封共同流体通路且因此解耦两个气缸。
[0034]在进一步示范性实施例中，级间阀包含用以打开偏置机构的推动以及用以关闭偏置机构的推动。例如偏置机构的一个群组是各种弹簧组件的群组。
[0035]在一些示范性实施例中，改善燃机效率的方法包含分离进气和压缩腔室(冷冲程)与燃烧和排气腔室(热冲程)，且因此实现进气和压缩冲程期间的降低温度以及燃烧冲程期间的增加温度，进而增加弓I擎效率。
[0036]在一些示范性实施例中，改善引擎效率的方法包含最小化或降低在进气和压缩冲程期间的温度。传入且经压缩空气/进料温度越低，引擎效率就将越高。
[0037]在一些示范性实施例中，改善引擎效率的方法包含绝缘且热强制动力活塞和气缸在较高温度下操作。
[0038]在一些示范性实施例中，改善引擎效率的方法包含动力气缸的外部隔离。
[0039]在一些示范性实施例中，提供DPCE引擎，其大大减少外部冷却要求，这增加了在动力冲程期间可用于热输出功转换的潜热。因此，燃料更有效地燃烧，进而增加总体效率且减少有害排放。
[0040]在一些示范性实施例中，提供改善效率燃机的方法包含在第一气缸中执行进气和压缩但不是排气冲程，且在第二气缸中执行动力和排气冲程而不是进气冲程，其中第一气缸维持在比第二气缸冷的温度。
[0041]在一些示范性实施例中，提供较有效内燃机的方法包含在第一气缸中执行进气和压缩冲程但不是排气冲程，且在第二气缸中执行动力和排气冲程而不是进气冲程，其中第一气缸体积比第二气缸体积小。此些示范性实施例具有大于压缩比的膨胀比，类似于阿特金森或米勒循环，但具有在专用气缸中发生的压缩和膨胀且不在与常规4冲程引擎中相同的气缸处，所述常规4冲程引擎在最佳压缩与最佳膨胀之间强加折中。相异气缸体积提供了燃烧腔室中的额外能量转换。
[0042](注意:以下示范性实施例涉及第一、第二等等。阶层是用于交叉参考目的且不应解释为更改先前所述示范性实施例中的任一者或经构造以暗示优选的一或多个实施例。)
[0043]在第一实施例中，一种内燃机包括:燃烧腔室，其具有第一孔口 ；压缩腔室，其具有第二孔口 ；以及交换阀，其包括内部腔室、第一和第二阀座、阀头，以及所述阀头上的第一和第二阀面，其中所述第一孔口允许所述燃烧腔室与所述内部腔室之间的流体连通，所述第二孔口允许所述压缩腔室与所述内部腔室之间的流体连通，所述第一阀面耦合到所述第一阀座以堵塞所述第一孔口，且所述第二阀面耦合到所述第二阀座以堵塞所述第二孔口。
[0044]在第二实施例中，第一实施例的引擎，其中所述阀头在所述内部腔室内移动以使得所述交换阀交替地堵塞所述第一孔口和所述第二孔口。
[0045]在第三实施例中，第二实施例的引擎，其中所述交换阀头在至少一个尺寸上比所述内部腔室小，以允许当所述阀头定位于所述内部腔室内且不堵塞所述第一孔口和所述第二孔口时允许所述压缩腔室与燃烧腔室之间的流体连通。
[0046]在第四实施例中，第一到第三实施例中的任一者的引擎，进一步包括偏置件，其提供力以帮助所述阀头在所述内部腔室内在所述第一和所述第二孔口的方向上移动。
[0047]在第五实施例中，第四实施例的引擎，其中所述偏置件进一步包括凸轮轴、凸轮轴随动器、摇臂、回动弹簧以及推杆。
[0048]在第六实施例中，第一到第五实施例中的任一者的引擎，其中所述燃烧腔室包括活塞且所述活塞包括活塞头上的突出部，其中所述突出部经配置以部分地占据所述第一孔□。
[0049]在第七实施例中，第一到第六实施例中的任一者的引擎，其中所述压缩腔室包括活塞且所述活塞包括活塞头上的突出部，其中所述突出部经配置以部分地占据所述第二孔□。
[0050]在第八实施例中，第一到第七实施例中的任一者的引擎，其进一步包括差压均衡器阀，所述差压均衡器阀耦合所述燃烧腔室与所述交换阀的所述内部腔室。
[0051]在第九实施例中，第八实施例的引擎，其中所述差压均衡器阀包括具有比所述交换阀头的表面积小的表面积的差压均衡器阀头。
[0052]在第十实施例中，第一到第九实施例中的任一者的引擎，其中所述阀头包括至少一个孔口，所述至少一个孔口经配置以分别与所述第一和第二孔口处的第一至少一个堵塞和第二至少一个堵塞配合。
[0053]在第^^一实施例中，第十实施例的引擎，其中所述阀头包括选自由方形板配置和同心板配置组成的群组的一者。
[0054]在第十二实施例中，第一到第十一实施例中的任一者的引擎，其中所述压缩腔室和燃烧腔室彼此热隔离。
[0055]在第十三实施例中，第一到第十二实施例中的任一者的引擎，其中所述燃烧腔室与周围环境热隔离，使得所述燃烧腔室在操作期间维持在比所述周围环境热的温度。
[0056]在第十四实施例中，第一到第十三实施例中的任一者的引擎，其中所述压缩腔室包括位于所述压缩腔室的外部表面上的多个空气冷却肋部。
[0057]在第十五实施例中，第一到第十四实施例中的任一者的引擎，其中所述压缩腔室在其外壳内包括多个液体冷却通路。
[0058]在第十六实施例中，第一到第十五实施例中的任一者的引擎，其中所述燃烧腔室包括多个排气加热通路，用于利用由所述燃烧腔室排出的废气所提供的热来进一步加热所述燃烧腔室。
[0059]在第十七实施例中，第一到第十六实施例中的任一者的引擎，其中所述交换阀进一步包括:第一接触元件，其相对于阀头可移动；第二接触元件，其相对于阀头固定；第一偏置件，其包括两个末端，其中一个末端耦合到阀体且另一末端耦合到阀头；以及第二偏置件，其包括两个末端，其中一个末端耦合到阀头且另一末端耦合到第一接触元件。
[0060]在第十八实施例中，第十七实施例的引擎，其中燃烧腔室的边界包括燃烧活塞，其在引擎的热力循环期间可释放地接触第一和第二接触元件，其中燃烧活塞、第一接触元件和第二接触元件经布置以使得燃烧活塞在接触第二接触元件之前接触第一接触元件。
[0061]在第十九实施例中，第十八实施例的引擎，其中燃烧活塞和第二接触元件经布置以使得当燃烧活塞接触第二接触元件时第一阀头从第一阀座脱离。
[0062]在第二十实施例中，第十七到第十九实施例中的任一者的引擎，其进一步包括选自由压缩腔室压力释放阀和燃烧腔室压力释放阀组成的群组的至少一者，其中所述压缩腔室压力释放阀和燃烧腔室压力释放阀不同于交换阀，压缩腔室压力释放阀允许当压缩腔室内的压力超过第一预定值时压缩与燃烧腔室之间的流体连通，且燃烧腔室压力释放阀允许当燃烧腔室内的压力超过第二预定值时燃烧与压缩腔室之间的流体连通。
[0063]在第二 i^一实施例中，第一到第二十实施例中的任一者的引擎，其中交换阀进一步包括:接触元件，其相对于阀头可移动；第一偏置件，其包括两个末端，其中一个末端耦合到阀体且另一末端耦合到阀头；第二偏置件，其包括两个末端，其中一个末端耦合到阀头且另一末端耦合到接触元件，其中第一阀面与第二阀面之间的第一距离大于第一阀座与第二阀座之间的第二距离，其中所述第一和第二距离是在形成燃烧腔室的边界的燃烧活塞的运动方向上测量。
[0064]在第二十二实施例中，第二十一实施例的引擎，其中燃烧活塞在引擎的热力循环期间可释放地接触所述接触元件。
[0065]在第二十三实施例中，第二十二实施例的引擎，其中燃烧活塞包含用于可释放地接触所述接触元件的突出部。
[0066]在第二十四实施例中，第一到第二十三实施例中的任一者的引擎，其中所述燃烧腔室和压缩大体上平行且并排定向。
[0067]在第二十五实施例中，第二十四实施例的引擎，其中所述交换阀进一步包括:第一接触元件，其相对于阀头可移动；第二接触元件，其相对于阀头固定；第一偏置件，其包括两个末端，其中一个末端耦合到阀体且另一末端耦合到阀头；以及第二偏置件，其包括两个末端，其中一个末端耦合到阀头且另一末端耦合到第一接触元件。
[0068]在第二十六实施例中，第二十五实施例的引擎，其中压缩活塞在与压缩活塞的运动方向垂直的方向上移动第一和第二接触元件。
[0069]在第二十七实施例中，第一到第二十六实施例中的任一者的引擎，其中所述压缩腔室包括第三孔口，且所述引擎进一步包括:第二燃烧腔室，其包括第四孔口 ；以及第二交换阀，其包括第二内部腔室、第三和第四阀座、第二阀头，以及所述第二阀头上的第三和第四阀面，其中所述第三孔口允许所述压缩腔室与所述第二内部腔室之间的流体连通，所述第四孔口允许所述第二燃烧腔室与所述第二内部腔室之间的流体连通，所述第三阀面耦合到所述第三阀座以堵塞所述第三孔口，且所述第四阀面耦合到所述第四阀座以堵塞所述第四孔口。
[0070]在第二十八实施例中，第二十七实施例的引擎，其进一步包括与所述压缩腔室、燃烧腔室和第二燃烧腔室中的每一者相关联的活塞，其中每一活塞连接到相应曲柄轴，其中相应曲柄轴中的每一者连接到相应齿轮，且其中与压缩腔室相关联的齿轮耦合到与燃烧腔室和第二燃烧腔室中的每一者相关联的齿轮。
[0071]在第二十九实施例中，第二十八实施例的引擎，其中与压缩腔室相关联的齿轮具有与燃烧腔室和第二燃烧腔室相关联的齿轮中的每一者的一半的齿数。
[0072]在第三十实施例中，第一到第二十九实施例中的任一者的引擎，其中压缩腔室的边界由压缩气缸和其中的压缩活塞的表面形成，其中燃烧腔室的边界由燃烧气缸和其中的燃烧活塞的表面形成，其中燃烧气缸包含耦合到燃烧活塞的第三活塞，其中第三活塞利用由燃烧活塞产生的热能来执行动力冲程。
[0073]在第三i^一实施例中，第三十实施例的引擎，其中燃烧活塞包括圆盘形内部燃烧活塞，其包括横向圆柱形表面且在燃烧气缸内形成第一内部腔室；且第三活塞包括环形外部动力活塞，其围绕燃烧活塞的横向圆柱形表面且在燃烧气缸内形成第二内部腔室，其中第二内部腔室至少部分地围绕第一内部腔室。
[0074]在第三十二实施例中，一种内燃机包括:燃烧腔室，其具有第一孔口 ；压缩腔室，其具有第二孔口 ；以及交换阀，其包括内部腔室、阀头、第一关闭位置以及第二关闭位置，其中第一关闭位置堵塞第一孔口且第二关闭位置堵塞第二孔口，阀头在内部腔室内在一个方向上从第一关闭位置移动到第二关闭位置，阀头在内部腔室内在一个方向上从第二关闭位置移动到第一关闭位置，第一孔口允许燃烧腔室与内部腔室之间的流体连通，且第二孔口允许压缩腔室与内部腔室之间的流体连通。
[0075]在第三十三实施例中，第三十二实施例的引擎，其中所述交换阀头在至少一个尺寸上比所述内部腔室小，以允许当所述交换阀不处于第一关闭位置和第二关闭位置时允许所述压缩腔室与燃烧腔室之间的流体连通。
[0076]在第三十四实施例中，第三十二和三十三实施例中的任一者的引擎，进一步包括偏置件，其提供力以帮助所述阀头在所述内部腔室内在所述第一和所述第二关闭位置的方向上移动。
[0077]在第三十五实施例中，第三十四实施例的引擎，其中所述偏置件进一步包括凸轮轴、凸轮轴随动器、摇臂、回动弹簧以及推杆。
[0078]在第三十六实施例中，第三十二到三十五实施例中的任一者的引擎，其中所述阀头包括至少一个孔口，所述至少一个孔口经配置以分别与所述第一和第二关闭位置处的第一至少一个堵塞和第二至少一个堵塞配合。
[0079]在第三十七实施例中，第三十六实施例的引擎，其中所述阀头包括选自由方形板配置和同心板配置组成的群组的一者。
[0080]在第三十八实施例中，第三十二到三十七实施例中的任一者的引擎，其中所述压缩腔室和燃烧腔室彼此热隔离。
[0081]在第三十九实施例中，第三十二到三十八实施例中的任一者的引擎，其中所述交换阀进一步包括:第一接触元件，其相对于阀头可移动；第二接触元件，其相对于阀头固定；第一偏置件，其包括两个末端，其中一个末端耦合到阀体且另一末端耦合到阀头；以及第二偏置件，其包括两个末端，其中一个末端耦合到阀头且另一末端耦合到第一接触元件。
[0082]在第四十实施例中，第三十九实施例的引擎，其中燃烧腔室的边界包括燃烧活塞，其在引擎的热力循环期间可释放地接触第一和第二接触元件，其中燃烧活塞、第一接触元件和第二接触元件经布置以使得燃烧活塞在接触第二接触元件之前接触第一接触元件。
[0083]在第四i^一实施例中，第四十实施例的引擎，其中燃烧活塞和第二接触元件经布置以使得当燃烧活塞接触第二接触元件时第一阀头离开第一关闭位置。
[0084]在第四十二实施例中，一种操作内燃机的方法，其中所述引擎包括燃烧活塞、压缩气缸、压缩活塞、燃烧气缸以及压缩气缸与燃烧气缸之间的交换阀，其中所述交换阀具有第一关闭位置和第二关闭位置，其中燃烧活塞和燃烧气缸界定燃烧腔室，且其中压缩活塞和压缩气缸界定压缩腔室，所述方法包括:在燃烧腔室中的排气阀打开时的时间将交换阀置于第一关闭位置，其中如果阀防止燃烧气缸与交换阀的内部腔室之间的流体连通，那么交换阀处于第一关闭位置；维持交换阀处于第一关闭位置直到燃烧活塞到达至少上死点；在燃烧活塞移动远离上死点时的时间将交换阀置于打开位置，其中当阀允许燃烧气缸与压缩气缸之间的流体连通时交换阀处于打开位置；在压缩活塞处于上死点时的时间将交换阀置于第二关闭位置，其中当阀防止压缩气缸与阀的内部腔室之间的流体连通时交换阀处于第二关闭位置；以及在压缩腔室中的进气阀关闭时的时间将交换阀置于复位位置，其中当阀防止燃烧腔室与交换阀的内部腔室之间的流体连通以及压缩腔室与交换阀的内部腔室之间的流体连通时交换阀处于复位位置。

【专利附图】

【附图说明】
[0085]图1是根据本发明的示范性实施例的DPCE设备的简化横截面侧视图，其中压缩曲柄轴角度说明为在压缩活塞到达其上死点(TDC)之前115度处，且动力曲柄轴角度说明为在动力活塞到达其TDC之前65度处。
[0086]图2是图1的DPCE设备的简化横截面侧视图，其中压缩曲柄轴角度说明为在其TDC之前82度处，且动力曲柄轴角度说明为在动力活塞到达其TDC之前32度处。
[0087]图3是图1的DPCE设备的简化横截面侧视图，其中压缩曲柄轴角度说明为在其TDC之前77度处，且动力曲柄轴角度说明为在动力活塞到达其TDC之前27度处。
[0088]图4是图1的DPCE设备的简化横截面侧视图，其中压缩曲柄轴角度说明为在其TDC之前70度处，且动力曲柄轴角度说明为在动力活塞到达其TDC之前20度处。
[0089]图5是图1的DPCE设备的简化横截面侧视图，其中压缩曲柄轴角度说明为在其TDC之前50度处，且动力曲柄轴角度说明为在其TDC处。
[0090]图6是图1的DPCE设备的简化横截面侧视图，其中压缩曲柄轴角度说明为在其TDC之前36度处，且动力曲柄轴角度说明为在其TDC之后14度处。
[0091]图7是图1的DPCE设备的简化横截面侧视图，其中压缩曲柄轴角度说明为在其TDC之前25度处，且动力曲柄轴角度说明为在其TDC之后25度处。
[0092]图8是图1的DPCE设备的简化横截面侧视图，其中压缩曲柄轴角度说明为在上死点(TDC)处，且动力曲柄轴角度说明为在其TDC之后50度处。
[0093]图9是图1的DPCE设备的简化横截面侧视图，其中压缩曲柄轴角度说明为在其TDC之后45度处，且动力曲柄轴角度说明为在其TDC之后95度处。
[0094]图10是图1的DPCE设备的简化横截面侧视图，其中压缩曲柄轴角度说明为在其TDC之后80度处，且动力曲柄轴角度说明为在其TDC之后130度处。
[0095]图11是图1的DPCE设备的简化横截面侧视图，其中压缩曲柄轴角度说明为在130度处，且动力曲柄轴角度说明为在下死点(BDC)处。
[0096]图12是图1的DPCE设备的简化横截面侧视图，其中压缩曲柄轴角度说明为在其TDC(BDC)之后180度处，且动力曲柄轴角度说明为在其TDC之前130度处。
[0097]图13是图1的DPCE设备的简化横截面侧视图，其中压缩曲柄轴角度说明为在其TDC之前120度处，且动力曲柄轴角度说明为在其TDC之前70度处。
[0098]图14A是展示根据本发明的各种示范性实施例的交换阀操作的简化横截面说明。图14B是展示根据本发明的各种示范性实施例的交换阀操作的简化横截面说明。图14C是展示根据本发明的各种示范性实施例的交换阀操作的简化横截面说明。
[0099]图15是DPCE设备的简化横截面侧视图，具有交换阀差压均衡器。
[0100]图16是根据本发明的示范性实施例的DPCE设备的简化横截面侧视图，其中压缩曲柄轴角度说明为在压缩活塞到达其上死点(TDC)之前25度处，且动力曲柄轴角度说明为在动力活塞到达其TDC之后a5度处。
[0101]图17A是展示根据本发明的各种示范性实施例的交换阀操作的简化横截面说明。图17B是展示根据本发明的各种示范性实施例的交换阀操作的简化横截面说明。图17C是展示根据本发明的各种示范性实施例的交换阀操作的简化横截面说明。
[0102]图18A是展示平行方板阀(PSP阀)的简化3D横截面说明。图18B是展示PSP阀的简化3D横截面说明。图18C是展示PSP阀的简化3D横截面说明。
[0103]图19A是展示平行同心板阀(PCP阀)的简化3D横截面说明。图19B是展示PCP阀的简化3D横截面说明。图19A到19C是展示PCP阀的简化3D横截面说明。
[0104]图20A是展示根据本发明的各种示范性实施例的交换阀操作的简化横截面说明。图20B是展示根据本发明的各种示范性实施例的交换阀操作的简化横截面说明。图20C是展示根据本发明的各种示范性实施例的交换阀操作的简化横截面说明。图20D是展示根据本发明的各种示范性实施例的交换阀操作的简化横截面说明。图20E是展示根据本发明的各种示范性实施例的交换阀操作的简化横截面说明。
[0105]图21是根据本发明的示范性实施例的DPCE设备的简化横截面侧视图，其中压缩曲柄轴角度说明为在压缩活塞到达其上死点(TDC)之前115度处，且动力曲柄轴角度说明为在动力活塞到达其TDC之前65度处。
[0106]图22是图21的DPCE设备的简化横截面侧视图，其中压缩曲柄轴角度说明为在其TDC之前82度处，且动力曲柄轴角度说明为在动力活塞到达其TDC之前32度处。
[0107]图23是图21的DPCE设备的简化横截面侧视图，其中压缩曲柄轴角度说明为在其TDC之前77度处，且动力曲柄轴角度说明为在动力活塞到达其TDC之前27度处。
[0108]图24是图21的DPCE设备的简化横截面侧视图，其中压缩曲柄轴角度说明为在其TDC之前70度处，且动力曲柄轴角度说明为在动力活塞到达其TDC之前20度处。
[0109]图25是图21的DPCE设备的简化横截面侧视图，其中压缩曲柄轴角度说明为在其TDC之前50度处，且动力曲柄轴角度说明为在其TDC处。
[0110]图26是图21的DPCE设备的简化横截面侧视图，其中压缩曲柄轴角度说明为在其TDC之前36度处，且动力曲柄轴角度说明为在其TDC之后14度处。
[0111]图27是图21的DPCE设备的简化横截面侧视图，其中压缩曲柄轴角度说明为在其TDC之前25度处，且动力曲柄轴角度说明为在其TDC之后25度处。
[0112]图28是图21的DPCE设备的简化横截面侧视图，其中压缩曲柄轴角度说明为在下死点(BDC)处，且动力曲柄轴角度说明为在其TDC之后50度处。
[0113]图29是图21的DPCE设备的简化横截面侧视图，其中压缩曲柄轴角度说明为在其TDC之后45度处，且动力曲柄轴角度说明为在其TDC之后95度处。
[0114]图30是图21的DPCE设备的简化横截面侧视图，其中压缩曲柄轴角度说明为在其TDC之后80度处，且动力曲柄轴角度说明为在其TDC之后130度处。
[0115]图31是图21的DPCE设备的简化横截面侧视图，其中压缩曲柄轴角度说明为在130度处，且动力曲柄轴角度说明为在下死点(BDC)处。
[0116]图32是图21的DPCE设备的简化横截面侧视图，其中压缩曲柄轴角度说明为在其TDC(BDC)之后180度处，且动力曲柄轴角度说明为在其TDC之前130度处。
[0117]图33是图21的DPCE设备的简化横截面侧视图，其中压缩曲柄轴角度说明为在其TDC之前120度处，且动力曲柄轴角度说明为在其TDC之前70度处。
[0118]图34是DPCE设备的简化横截面侧视图，具有压缩腔室压力释放能力和级间阀差压均衡器。
[0119]图35是根据本发明的示范性实施例的DPCE设备的简化横截面侧视图，具有由内部和外部绝缘材料构成的空气冷却压缩气缸和排气加热动力气缸。
[0120]图36是根据本发明的示范性实施例的图35的DPCE设备的简化横截面侧视图，具有相对于引擎压缩体积较大的动力气缸膨胀体积、空气冷却压缩腔室和排气加热动力腔室。
[0121]图37是根据本发明的示范性实施例的DPCE设备的简化横截面说明，具有相对于引擎膨胀/动力体积较大的压缩气缸体积，从而提供增压能力。
[0122]图38A是展示根据本发明的各种示范性实施例的级间阀操作的简化三维(3D)和3D局部横截面说明。图38B是展示根据本发明的各种示范性实施例的级间阀操作的简化3D剖视图说明。图38C是展示根据本发明的各种示范性实施例的级间阀操作的简化3D剖视图说明。图38D是展示根据本发明的各种示范性实施例的级间阀操作的简化3D剖视图说明。
[0123]图39A是根据示范性实施例的级间阀的简化横截面说明。图39B是根据示范性实施例的级间阀的简化横截面说明。图39C是根据示范性实施例的级间阀的简化横截面说明。图39D是根据示范性实施例的级间阀的简化横截面说明。图39E是根据示范性实施例的级间阀的简化横截面说明。图39F是根据示范性实施例的级间阀的简化横截面说明。图39G是根据示范性实施例的级间阀的简化横截面说明。图39H是根据示范性实施例的级间阀的简化横截面说明。图391是根据示范性实施例的级间阀的简化横截面说明。图39J是根据示范性实施例的级间阀的简化横截面说明。图39K是根据示范性实施例的级间阀的简化横截面说明。图39L是根据示范性实施例的级间阀的简化横截面说明。图39M是根据示范性实施例的级间阀的简化横截面说明。图39N是根据示范性实施例的级间阀的简化横截面说明。
[0124]图40是凸短管形级间阀的简化横截面说明。
[0125]图41是根据本发明的示范性实施例的DPCE设备的简化3D说明，具有位于不同平面上的压缩气缸和动力气缸。
[0126]图42A是根据本发明的示范性实施例的与DPCE设备的气缸运动线垂直定位的机械级间阀的简化横截面说明，其中两个气缸彼此平行且两个活塞以串联方式移动。图42B是图42A的机械级间阀的另一简化横截面说明。图42C是图42A的机械级间阀的另一简化横截面说明。图42D是图42A的机械级间阀的另一简化横截面说明。图42E是图42A的机械级间阀的另一简化横截面说明。图42F是图42A的机械级间阀的另一简化横截面说明。图42G是图42A的机械级间阀的另一简化横截面说明。图42H是图42A的机械级间阀的另一简化横截面说明。
[0127]图43是DPCE设备的横截面说明，具有单个压缩气缸(中间)，用以用连续方式对两个动力气缸(两个侧面气缸)进行装填，同时压缩活塞曲柄轴旋转速率是动力活塞曲柄轴的速率的两倍且两个动力气缸相位相差180度曲柄轴。动力气缸中的每一者通过其自身的级间阀耦合到压缩气缸。
[0128]图44是图43的DPCE设备的简化横截面侧视图，其中3个气缸/活塞对具有其自身的曲柄轴且所述3个对耦合到齿轮。另外，压缩气缸与两个动力气缸相对。压缩齿轮是动力齿轮的大小的一半，以实现动力活塞曲柄轴的旋转速率的两倍的曲柄轴旋转速率。

【具体实施方式】
[0129]下文参考附图详细描述本发明，其中始终用相似数字参考相似元件。应了解，图不一定按比例绘制。图也不一定展示所说明各种示范性实施例的所有细节。而是，图仅展示某些特征和元件以提供本发明的示范性实施例的实现描述。
[0130]参见图1,根据本发明的一个实施例，DPCE气缸包含:压缩气缸01、动力气缸02、压缩活塞03、动力活塞04、两个相应活塞连接杆05和06、压缩曲柄轴07、动力曲柄轴08、曲柄轴连接管09、由凸轮轴19操作的进气阀10、由凸轮轴20操作的排气阀11，以及经由凸轮随动器21、摇臂17和推/拉杆13由凸轮轴18操作的交换阀12。交换阀回动弹簧16容纳在交换阀回动弹簧外壳中。压缩气缸01是活塞引擎气缸，其容纳压缩活塞03、进气阀10、交换阀12的部分以及任选地位于压缩活塞03的面对气缸01中的压缩腔室的表面前方的火花塞(未图示)。动力气缸02是活塞引擎气缸，其容纳动力活塞04、排气阀11、交换阀12的部分以及任选地位于动力活塞的面对气缸02中的燃烧腔室的表面前方的火花塞(未图示)。压缩活塞03用于进气和压缩引擎冲程。动力活塞04用于动力和排气冲程。连接杆05和06将其相应活塞连接到其相应曲柄轴。压缩曲柄轴07将旋转运动转换为压缩活塞03往复运动。动力活塞04的往复运动转换为动力曲柄轴08的旋转运动，所述旋转运动转换为引擎旋转运动或功(例如，动力曲柄轴也可用作DPCE输出轴)。曲柄轴连接杆09将动力曲柄轴08的旋转转换为压缩曲柄轴07的旋转。压缩活塞03和动力活塞04可分别具有或不具有无规则结构或突出部22和23。这些突出部的功能可为减少死空间。
[0131]在示范性实施例中，经由曲柄轴07和08引入预定相位延迟，使得动力活塞04在压缩活塞03之前移动。
[0132]在本发明的示范性实施例中，进气阀10由具有圆锥形密封表面的轴组成，如此项技术中通常所知。位于压缩气缸01上的进气阀10掌管自然吸入的周围空气或经增碳空气/燃料进料或进料的受迫引入(在它们流入压缩气缸01时)。压缩气缸01具有至少一个进气阀。在本发明的一些实施例中，相对于压缩活塞03的位置、功能和操作的进气阀位置可类似或相同于常规四冲程内燃机的进气阀。在进气阀打开和/或关闭时压缩活塞03的位置可变化。在本发明的一些实施例中，进气阀的打开和/或关闭的时序可变化。在一个实例中，进气阀可在压缩活塞03到达其TDC之前的几个曲柄轴度到在压缩活塞03到达其TDC之后的近似50曲柄轴度的范围内打开。在一个实例中，进气阀可在压缩活塞03到达其下死点(BDC)之后的几个曲柄轴度到在压缩活塞03到达其BDC之后的近似70曲柄轴度的范围内关闭。
[0133]在一个实例中，进气阀可在压缩活塞03到达其TDC时开始到在压缩活塞03到达其TDC之后的近似10曲柄轴度内且在交换阀12上的关闭之后打开。在作为进气冲程结束的BDC处，工作流体由于动态流特性而持续进入气缸壳体。为此原因，在压缩活塞BDC之后关闭进气阀可为有利的。在一个实例中，进气阀可在压缩活塞03到达其BDC之前的几个曲柄轴度到在压缩活塞03到达其BDC之后的近似70曲柄轴度的范围内关闭。在一个实例中，进气阀可在压缩活塞03到达其BDC时开始到在压缩活塞03到达其TDC之后的近似50曲柄轴度的较窄范围内且在交换阀12上的关闭之后关闭。
[0134]在本发明的示范性实施例中，排气阀11由具有圆锥形密封表面的轴组成，如此项技术中通常所知。位于动力气缸02上的排气阀11掌管燃烧气体的呼出。动力气缸02具有至少一个排气阀。在一些实施例中，排气阀位置、功能和操作方法可类似或相同于常规四冲程内燃机的排气阀。在排气阀打开时动力活塞04的位置可变化。在一些实施例中，排气阀可在动力活塞04到达其BDC之前的近似60曲柄轴度到在动力活塞04到达其BDC之后的近似20曲柄轴度打开。在排气阀关闭时动力活塞04的位置也可变化。在一些实施例中，排气阀可在动力活塞04到达其TDC之前的近似15曲柄轴度到在动力活塞04到达其TDC之后的近似5曲柄轴度关闭。
[0135]在一个实施例中，排气阀可在动力活塞04到达其BDC时开始到在动力活塞04到达其BDC之后的近似30曲柄轴度的范围内打开。在一个实施例中，排气阀可在动力活塞04到达其TDC之前5度开始到近似在动力活塞04到达其TDC时的较窄优选范围内关闭。
[0136]在一个实施例中，交换阀12由以下组件组成。首先，阀体。其次，双面轴向提升(DSAP)阀，其能够通过在任一侧上密封SDCOC交换阀而解耦两个腔室。更具体来说，第一关闭位置(关闭I)，其中DSAP阀通过放置于位于动力气缸壁或动力气缸头的表面上的阀座上而密封；打开位置(进料传送)，其中DSAP阀未放置于任何气缸壁或气缸头上的任何阀座上，且工作流体可通过DSAP阀周围的开口从压缩气缸经过到动力气缸；以及第二关闭位置(关闭2)，其中DSAP阀通过放置于位于压缩气缸壁或压缩气缸头的表面上的阀座上而密封。第三，DSAP致动推拉杆，其在一个示范性实施例中是DSAP的一体金属零件。第四，阀复位弹簧。第五，摇臂。第六，凸轮随动器/升降器。第七，专用SDCOC交换阀凸轮。
[0137]在一些实施例中，工作流体可在DSAP未位于阀座上时经过DSAP (除了或替代于在其周围移动)。
[0138]参见图1到13，当动力活塞朝向其TDC移动时，DSAP阀在其动力气缸侧上密封，原因在于SDCOC交换阀凸轮设定(位置)和阀复位弹簧力以及压缩气缸中的压力积累。当动力活塞接近TDC时，排气阀关闭，且SDCOC交换阀打开。这是经由推动凸轮随动器和摇臂的凸轮旋转移动(新位置)完成，所述推动又拉动阀致动杆且将DSAP组件从其阀座(关闭I位置)提升且将其打开。SDCOC交换阀初始打开减少两个气缸之间的压力差，因此减小帮助保持SDCOC交换阀处于关闭位置的压缩力的大部分。此压力调平减少了继续且打开SDCOC交换阀且将其从关闭I位置经由打开位置转变到关闭2位置所需的力。另外，这也是当动力气缸中的压力超过压缩气缸中的压力(由于初始燃烧状态且在此期间)的时候，因此帮助在移动的相同方向上将DSAP阀推动更远，且通过将DSAP阀放置于相对的阀座密封表面上、即压缩气缸壁或压缩气缸头的表面上(关闭2位置)而密封SDCOC交换阀。在引擎的排气冲程的开始期间，在排气阀打开时，动力气缸压力急剧减小。因此，用以将DSAP阀保持在关闭2位置的力也减小。在引擎的排气冲程的开始之后，凸轮控制的机械致动机构用以将DSAP阀从其在压缩气缸上的密封阀座(关闭2位置)移动回到其初始密封表面，即较靠近动力气缸的一个表面(关闭I位置)。在循环的此阶段，压缩活塞处于或围绕其BDC或压缩的开始。此从关闭2经由打开位置到关闭I位置的转变可经定时以在两个气缸处的压力几乎相等时发生，且因此在此复位阶段期间当交换阀打开时没有大量工作流体预期经过交换阀。另外，可与SDCOC交换阀串联添加止回阀以防止在此打开周期期间的工作流体传送。
[0139]单个(见图1到19)或双(见图20)交换阀的示范性实施例可对分循环引擎设计提供许多益处，包含DPCE分循环引擎，前提是它(它们)提供以下特性:作为第一优点，阀可充分宽使得其不会限制进料传送(不是瓶颈)，而且轮廓充分窄使得其不会充当保持“死体积”或“裂缝体积”的隔室。此项技术中已知的此类死体积(在一些情况下为“连接管”)或在压缩气缸内的死体积，其保持工作流体的一部分且防止所述部分参与当前执行的燃烧/膨胀过程。同样在连接管或燃烧气缸处的其它死体积造成在燃烧之前工作流体的减压，因此降低效率。
[0140]本文描述的阀的大小将取决于每一引擎设计以及阀操作的RPM。在一些实施例中，对于每一 100cmx3工作流体(体积)，具有约0.2cm2 (面积)的面积(可为具有1.6cm直径的孔口 )的阀可用于3000RPM的引擎设计。
[0141]作为第二优点，示范性实施例可包含板型阀，其与常见提升阀类型相比时增加阀座外围且减少所需的提升范围。在一些实施例中，有效阀面积可理解为元件提升与阀座外围(或传送开口通过边缘)的总和的乘积减去导引和结束接触表面。如此处使用，阀座外围可理解为指代阀的圆周的长度。
[0142]作为第三优点，示范性实施例可解决现有技术分循环引擎的主要缺陷:它们可避免连接管或中间燃烧腔室，且直接耦合两个气缸，同时保留集成循环，其中引入且压缩的工作流体作为单个循环的部分立即燃烧。在此方面中，一些示范性实施例可继续压缩工作流体，同时将其从腔室B传送到腔室C (在交换阀12打开时)，只要腔室B体积的减少(在压缩活塞03移动到其TDC时)大于腔室C体积的增加(在动力活塞04移动远离其TDC时)即可。在从腔室B传送到腔室C时继续压缩工作流体可使达到工作流体最大压缩的点(腔室B、E和C的体积总和最低的点:“最小体积”)移位到动力活塞TDC之后。一些示范性实施例可具有在动力活塞TDC之后3到30度的最大压缩的点。
[0143]作为第四优点，示范性实施例可能在将工作流体从腔室B传送到腔室C时已起始且形成燃烧(在交换阀12打开时，包含其它交换阀类型，例如但不限于图1到20中描绘的那些)。以打开的交换阀起始且形成燃烧实现燃烧起始到最大压缩点的定时，因此增加引擎效率。通过此做法，本文揭示的实施例可非常接近地几乎无延迟地模仿常规IC引擎奥托循环，但使用分循环平台。通过此做法，示范性实施例提供实质益处，例如压缩比与膨胀比的解耦，以及具有优良的热管理。另外，针对给定压缩比，“死空间”越大，曲柄轴相位角移位(两个活塞之间的相位滞后)越小。较小的相位滞后规定传送阀的较快致动(从关闭到打开较快地移动)，其可为按机械方式较为挑战性的，且可能进一步降级引擎的效率。示范性实施例可通过减少死空间且因此增加相位滞后来有益地增加引擎的效率。由于较快的致动，即从关闭到打开较快地移动(反之亦然)，存在较高惯性力，其可导致较高的磨损和撕
? ο
[0144]另外，示范性实施例可包含相对或“V” (靠近上死点的两个气缸头或气缸壁接触)气缸和曲柄轴配置，其减少死空间且通过隔离维持气缸之间的改善的温度差。示范性实施例可包含相比于在连接两个气缸的端口中含有实质死空间的某些已知引擎，以相对或“V”配置隔离引擎气缸以准许改善的温度差的方法。
[0145]如上所述，交换阀12可包含:第一关闭位置(关闭I)，其中阀安置于动力气缸壁或动力气缸头的表面上；打开位置，其中阀未安置于任何气缸壁或气缸头上(且工作流体可通过阀周围的开口从压缩气缸经过到动力气缸)；以及第二关闭位置(关闭2)，其中阀安置于压缩气缸壁或压缩气缸头的表面上。因此，阀状态从关闭改变为打开且再次改变为关闭，同时仅在一个方向上移动(单方向关-开-关交换阀:SDCOC交换阀)。不范性实施例可包括具有SDCOC交换阀的分循环内燃机，所述阀在引擎循环的比现有技术晚的阶段使其位置从关闭2复位到关闭1，此位置复位可在例如排气阀的打开之后发生。SDCOC交换阀的单向移动可为有利的，因为其操作涉及较少的加速和减速，且因此具有减少的惯性力，这使得其更容易实施。仅具有一个关闭位置的常规提升阀可需要反转其移动方向且克服与本文揭示的单向关-开-关交换阀的实施例相比更大的惯性力。配备示范性SDCOC交换阀而非常规交换提升阀的分循环引擎可使阀加速减少50%的量值。
[0146]再次参见图1，压缩活塞03在压缩气缸01内。压缩活塞03在所说明箭头指示的方向上相对于压缩气缸01移动。动力活塞04在动力气缸02内。动力活塞04在所说明箭头指示的方向上相对于动力气缸02移动。压缩气缸01和压缩活塞03界定腔室B。动力气缸02和动力活塞04界定腔室C。交换阀12内在两个阀座(参见图14B中的阀座121和122)的体积界定腔室E。在一些实施例中，压缩曲柄轴角度追踪动力曲柄轴角度，使得动力活塞04在压缩活塞03之前移动。当交换阀12处于打开状态时腔室B可与腔室C流体连通。腔室B通过进气阀10可与经增碳自然吸入燃料/空气进料或受迫引入燃料/空气进料A流体连通。腔室C通过排气阀11可与周围空气D流体连通。当处于打开状态时，排气阀11允许废气排出。
[0147]在燃烧冲程期间，动力活塞04可推动动力连接杆06，从而致使动力曲柄轴08顺时针旋转，如图8、9和10中说明。在排气冲程期间，惯性力(可由未图示的飞轮质量起始)致使动力曲柄轴08继续其顺时针旋转,且致使动力连接杆06移动动力活塞04,这又通过阀11排出燃烧后的燃料排气，如图11、12、13、1、2和3中说明。动力曲柄轴08旋转通过曲柄轴连接杆09枢接压缩曲柄轴07的旋转，以用于相移同步旋转(即，两个曲柄轴以相同速度旋转但其动力角不同)。
[0148]在示范性实施例中，动力活塞04和压缩活塞03的相对位置可相移所需的量以实现所需的引擎压缩比。在一些示范性实施例中，DPCE双气缸设备利用常规加压冷却和油润滑方法和系统(未图示)。在一些示范性实施例中，动力腔室C的组件是使用冷却系统进行温度控制，进而冷却动力腔室C结构组件(例如，气缸02、活塞04和阀12的部分)。在一些示范性实施例中，组件中的一些或全部可由耐高温材料制成，例如陶瓷或陶瓷涂层、碳、钛、镍合金、纳米复合物或不锈钢。在一些示范性实施例中，DPCE设备可利用众所周知的高压定时和火花塞电系统(未图示)以及电启动马达来控制引擎初始旋转。
[0149]如上文阐释，压缩连接杆05连接压缩曲柄轴07与压缩活塞03，从而致使压缩活塞03以往复方式相对于气缸移动。动力连接杆06连接动力曲柄轴08与动力活塞04。在燃烧阶段期间，动力连接杆06将动力活塞04的往复运动传送到动力曲柄轴08中，从而致使动力曲柄轴旋转。在排气阶段期间，动力曲柄轴08旋转和动量将动力活塞04往回朝向压缩气缸01推动，这致使燃烧后的气体经由排气阀排出(排气冲程)。
[0150]参见图1，压缩曲柄轴07将旋转运动转换为压缩活塞03往复运动。压缩曲柄轴07连接压缩连接杆05与曲柄轴连接杆09。曲柄轴连接杆09的运动致使压缩曲柄轴07旋转。压缩曲柄轴07旋转产生压缩连接杆05的运动，这又使压缩活塞03以往复方式相对于其气缸外壳Ol移动。
[0151]在本发明的各种示范性实施例中，压缩曲柄轴07和动力曲柄轴08结构配置可根据所要的引擎配置和设计而变化。举例来说，可能的曲柄轴设计因素可包含:双气缸的数目，相对气缸定位，曲柄轴齿轮机构，以及旋转方向。
[0152]动力曲柄轴08连接动力连接杆06与曲柄轴连接杆09。在燃烧发生时，动力活塞04的往复运动通过动力连接杆06致使也可耦合到引擎输出轴(未图示)的动力曲柄轴08旋转，其致使连接杆09使压缩曲柄轴07旋转，进而如上所述产生压缩活塞03的往复运动。
[0153]曲柄轴连接杆09连接动力曲柄轴08与压缩曲柄轴07，且因此为两个曲柄轴提供同步旋转。本发明的替代实施例可针对曲柄轴连接杆09包含标准旋转能量连接元件,例如:定时带，多杆机构齿轮，与90度螺旋齿轮箱组合的驱动轴，和/或例如上述的组合。
[0154]图1到13说明耦合到曲柄轴07和08的曲柄轴连接杆09的透视图，所述曲柄轴07和08耦合到相应的活塞连接杆05和06。曲柄轴07和08可相对定向，以便提供活塞03和04的原本同步运动之间的预定相位差。压缩活塞与动力活塞的TDC位置之间的预定相位差可引入相对活塞相位延迟或提前。图1到17说明活塞连接杆05和06异相，进而提供活塞03和04的TDC位置之间的所要相位延迟(也称为相位滞后)或相位提前。在示范性实施例中，如图1到13中说明，引入相位延迟，使得动力活塞04稍微在压缩活塞03之前移动，进而准许在近似完整压缩冲程下递送压缩进料，且准许动力活塞04完成完整排气冲程。动力活塞领先于压缩活塞的相位延迟的此些优点也在颁与卡萨迪(Casaday)的第1，372，216号美国专利和颁与苏德里的第2003/0015171 Al号美国专利申请案中描述，以上两案的整个内容以全文引用方式并入本文。相位滞后的程度的控制和调制将更改引擎有效压缩比。相位滞后越小，压缩比越大。相位滞后的调制可用以设定将较好地配合特定燃料的燃烧的压缩比，例如，用于汽油和火花点燃(SI)燃料的较高相位滞后和较小压缩比，以及用于柴油和压缩点燃(Cl)燃料的较小相位滞后和较高压缩比。DPCE引擎相位滞后的调制可对引擎贡献多燃料能力。在另外的实施例中，在引擎处于操作模式中或停置模式时可实施动态相位滞后改变(调制)。随着引擎负载、速度、温度等等而变的相位滞后动态调制可显著增加引擎性能。
[0155]如图1到13说明，在电启动器(未图示)接合DPCE输出轴(未图示)时，曲柄轴07和08开始其顺时针旋转，且两个活塞03和04开始其往复运动。如图9中说明，压缩活塞03和动力活塞04在增加腔室B和腔室C体积的方向上移动。由于进气阀10处于其打开状态且因为腔室B体积在此阶段恒定增加，因此经增碳燃料或新鲜空气进料(当使用燃料注射系统时)从点A (表示例如增碳器输出端口 )流动通过进气阀10进入腔室B。在进气阀打开时压缩活塞03的位置可变化。在本发明的一些实施例中，进气阀的打开的时序可变化。在一个实例中，进气阀可在压缩活塞03到达其TDC之前的几个曲柄轴度到在压缩活塞03到达其TDC之后的近似50曲柄轴度内打开。如图10到12分别所示，在燃料-空气进料流入时，腔室B体积增加。在压缩活塞03越过其BDC点(例如，在BDC之后10到70度之间的某处，如图13所示)时，进气阀10关闭，从而截留腔室B空气-燃料进料(工作流体)内容。在曲柄轴顺时针旋转继续(如图13和图1所示)时，腔室B体积减小且空气-燃料进料的温度和压力增加。在动力活塞04接近其TDC时(图4和5)，几乎所有的燃烧后工作流体被通过打开的排气阀推出(11)。这是因为在一个实施例中，DPCE经设计以具有最小余隙，即在活塞04处于其TDC时使腔室C体积尽可能低(图5)。这还由于在活塞04处于TDC时减小进一步的腔室C体积的突出部23，从而填充和消除例如交换阀12附近的潜在死空间。在动力活塞04通过其TDC时(图5到8)，交换阀12打开且腔室B中的空气-燃料进料流入腔室C，腔室C由于活塞4移动远离TDC而逐渐增加体积。如上文所写，在图5到8中描绘的引擎循环的部分期间，交换阀12打开(图5)且腔室B中的空气-燃料进料流入腔室C(图6和7)且交换阀12关闭(图8)。此进料流可描述为具有3个阶段:第一阶段，其中压缩活塞03在朝向其TDC移动时减小腔室B体积比动力活塞04在移动远离其TDC时增加腔室C体积更多(图5、图6和恰在图7中描绘的位置之前)；第二阶段，其中压缩活塞03在朝向其TDC移动时减小腔室B体积与动力活塞04在移动远离其TDC时增加腔室C体积确切地在相同程度上(图7中描绘的位置)；以及第三阶段，其中压缩活塞03在朝向其TDC移动时减小腔室B体积比动力活塞04在移动远离其TDC时增加腔室C体积更少(恰在图7中描绘的位置之后，和图8)。在一个实施例中，此书写的以上第二阶段(图7)是循环中实现工作流体的最大压缩的点。这也可描述为其中腔室B、E和C的体积之和最小同时交换阀12打开的点。在一个实施例中，由于燃烧而累积的压力可经定时以在此最大压缩点上合成。在某一预定点(例如，在交换阀12打开且压缩活塞03朝向其TDC移动时，如图6到8中说明，但一些示范性实施例可引入延迟或提前)，空气-燃料进料的燃烧经由点燃机构而起始，例如火花塞点火或压缩点燃。在压缩活塞03接近其TDC时(图7和8)，几乎所有的经压缩工作流体被从腔室B经由腔室E推动通过打开的交换阀(12)到腔室C。这是因为在一个实施例中，DPCE经设计以具有最小余隙，即在活塞03处于其TDC时使腔室B体积尽可能低(图8)。这还由于在活塞03处于TDC时减小进一步的腔室C体积的突出部22，从而填充和消除例如交换阀12附近的潜在死空间。在压缩活塞03通过其TDC(图8)时，交换阀12关闭。
[0156]图6到10说明根据本发明的示范性实施例的动力冲程。在燃烧发生时(在图5到8中说明的动态范围内所示的预定活塞位置处的火花塞点火或压缩点燃,但在一些实施例中可准许一些偏差)，腔室B和C的压力增加,从而迫使动力活塞04和压缩活塞03彼此远离。虽然由压缩活塞产生的转矩与引擎旋转相反，但在大部分动力冲程期间动力活塞产生的转矩较大，且净转矩顺时针转动动力曲柄轴(以及耦合的压缩曲柄轴)。同时，由于(I)交换阀12凸轮轴18致动机构，(2)腔室C中的增加压力，和(3)腔室B中的减小压力，交换阀12关闭(图8和9)。
[0157]现在参见图8和9，当压缩活塞03被从其TDC位置拉回时，根据本发明的示范性实施例，进气阀10再打开，因此允许新的空气-燃料进料A进入腔室B。
[0158]现在参见图10到13，在本发明的示范性实施例中，排气冲程可在动力活塞04到达其下死点位置之前大约40到60曲柄轴度内开始(图11)。排气阀11打开且燃烧过的废气被从腔室C推出通过排气阀11进入周围环境D。虽然在示范性实施例中给出引擎的冲程的定时，但应了解，在一些实施例中可调整本文描述的定时。
[0159]因此，DPCE引擎将由常规内燃机的单个活塞和气缸执行的冲程划分为两个热差动气缸，其中每一气缸执行四冲程循环的一半。相对“冷”气缸执行进气和压缩但不是排气冲程，且隔热“热”气缸执行燃烧和排气但不是进气冲程。与常规引擎相比，此有利系统和过程使得DPCE引擎能够在较高燃烧腔室温度下和在较低进气和压缩腔室温度下工作。在维持较低进气和压缩温度的同时利用较高燃烧温度减少了引擎冷却要求，降低了压缩能量要求，且因此提升了引擎效率。另外，根据本发明的示范性实施例，将动力气缸与外部环境隔热限制了外部热损失且因此使得能够将燃料热能的较大部分转换为有用功，允许热能在下一冲程中的再用，且因此准许每一循环中燃烧较少燃料。
[0160]现在参见图14A到14C的横截面图中说明的示范性机械交换阀。图14A说明描绘各种零件(组件)的交换阀的横截面，其可大体上包含主阀体119、动力侧(腔室C)密封表面121 (阀座121)、压缩侧(腔室B)密封表面122 (阀座122) ,DSAP阀头120 (包括两个阀面)、DSAP阀推杆123，以及交换阀回动弹簧124。其还含有位于交换阀内的腔室E。腔室E在阀座122的上游(右边)和阀座121的下游(左边)界定阀体119。在图14A中，腔室E流体耦合到腔室B，其中在两个腔室之间具有可忽略的压力差。如图14A中说明，DSAP阀120接合密封表面121且因此使腔室B和E从腔室C解耦。图14B说明处于相对位置中的DSAP阀120和阀体119，使得密封阀座121和密封阀座122均不密封，因此使得压缩腔室B和动力腔室C能够往复例如通过腔室E的流体交换以将经压缩工作流体从腔室B传送到腔室C。因此，图14B说明DSAP120阀定位，其致使交换阀处于其打开状态。图14C说明DSAP阀120接合密封表面122且因此使腔室B从腔室C和E解耦。在图14C中，腔室E流体耦合到腔室C，其中在两个腔室之间具有可忽略的压力差。当在图1到20的实施例中使用时，机械交换阀12可分离压缩腔室B与动力腔室C。在这些情形中，每一腔室可包含具有不同流体压力的区。
[0161]如先前描述，分循环引擎中的死体积可显著降低引擎效率。使死体积最小化可大体上有益于分循环引擎且尤其是DPCE分循环引擎。在典型的分循环引擎中，存在至少3个潜在死体积位置，且为便于描述，将使用当前DPCE分循环设计作为实例。所述3个潜在死体积位置是:1)当压缩活塞03处于其TDC (图8)时，腔室B处的任何残余体积被视为死体积，因为其将保持将不传送到腔室C以参与动力(燃烧)冲程的经压缩工作流体；2)当动力活塞04处于其TDC(图5)时，腔室C处的任何残余体积被视为死体积，因为其在交换阀打开时将致使腔室B处的工作流体的部分解压缩(在燃烧之前的工作流体的解压缩降低效率)；以及3)腔室E内的体积的保持被阻止参与动力(燃烧)冲程的工作流体的任何部分被视为死体积，因为不使此工作流体燃烧降低了效率。如图14A到14C中说明的机械交换阀减少了上述全部3个死体积来源:I)当压缩活塞03最大接近于气缸头而处于其TDC (图8)且DSAP阀120放置于阀座122上且在一个实施例中突出部22消除任何残余死体积时，腔室B处的死体积减少。几乎所有的工作流体传送到腔室C以参与动力(燃烧)冲程；2)当动力活塞04最大接近于其气缸头而处于其TDC (图5)且DSAP阀120放置于阀座121上且在一个实施例中突出部23消除任何残余死体积时，腔室C处的死体积减少。因此，当DSAP阀120分裂打开时(图6)，腔室B处几乎不发生工作流体的解压。在燃烧之前避免工作流体的解压防止了降低的效率；以及3)在从腔室B到腔室C的进料传送结束时(图8)，腔室E与腔室C直接流体连接。因此，腔室E内的所有工作流体参与燃烧(动力)冲程。
[0162]现在将参见图14A到14C论述机械交换阀的示范性实施例。所述机械交换阀可用作上文相对于图1到13描述的实施例中的交换阀12，且为了说明性目的，图14A到14C的机械交换阀的以下描述也可指代上文结合图1到13提到的元件。应了解，图14A到14C的机械交换阀的使用不限于上文相对于图1到13描述的实施例，但可在其它应用中使用，包含例如其它类型的双活塞循环引擎、其它分循环引擎、四冲程引擎、旋转引擎和压缩机。单向关-开-关交换阀(SDCOC交换阀)的性质对需要利用非常快的操作阀的任何系统是有利的。由于任何已知的分循环引擎均使用至少一个交换阀，且由于这些交换阀操作要求比常见IC引擎阀快大约2到6倍，因此SDCOC交换阀作为任何分循环引擎的部分的使用具有较大价值。
[0163]参见图14A，机械交换阀可大体上包含主阀体119、DSAP阀120、密封座121、密封座122、DSAP阀推杆123，和交换阀回动弹簧124。当在图1到13的实施例中使用时，机械交换阀可分离压缩腔室B与燃烧腔室C。在此情形中，每一腔室可包含具有不同流体压力的区。在机械交换阀内，DSAP阀120相对于主阀体119的移动可允许腔室B与腔室C之间的流体连通的耦合或解耦。如图14A中说明，DSAP阀120抵靠阀体119的动力气缸侧的密封座121密封，其可防止从压缩腔室B到动力腔室C中(通过腔室E)的高压流体传送。图14C是机械交换阀的横截面图。如图14C中说明，当DSAP阀120抵靠阀体119的压缩气缸侧的密封座122密封时，阻止高压工作流体从动力腔室C传送回到压缩腔室B中(通过腔室E)。
[0164]图14B是机械交换阀的横截面图。如图5到8中说明，在动力活塞04接近其TDC时，DSAP阀120由于其专用凸轮(18)的旋转而打开(见图5)，所述凸轮推动摇臂随动器
(21)，又，由于摇臂枢轴，摇臂(17)的另一边缘拉动推杆(123)，从而致使DSAP阀120使其阀座留在阀体119的密封表面121上且分裂打开(也参见图6)。这导致工作流体从腔室B经由腔室E到腔室C(如图5到8中说明)。DSAP阀120的分裂(图6)产生DSAP阀120上的压力差量值的急剧下降，几乎等于腔室B、E和C的压力。
[0165]图14B是机械交换阀的横截面图。也如图7中说明，在动力活塞04继续其远离TDC的移动时，机械交换阀保持打开，从而允许从压缩腔室B到动力腔室C中的流体传送的继续。图14B还描绘当燃烧起始可能增加腔室C处的压力水平从而贡献于将DSAP阀120向左推动且保持交换阀打开的力时的实例。
[0166]如图7和8中说明，当动力活塞04继续其远离TDC的移动时，动力气缸中的燃烧造成腔室C压力的急剧增加。参见图14中描绘的零件号，但仍参见如图7和8中说明的零件位置，DSAP阀120继续其朝向阀密封座122的凸轮致动移动，且安置于阀座122上(图8)，由突然的腔室C压力突发(燃烧)补充。从此阶段向前，引擎动力冲程在腔室C处继续(图8到11)，同时通过进气阀10的打开，进气可在腔室B处开始。
[0167]如图10和11中说明，当动力活塞04接近其BDC时，排气阀11打开且燃烧后的气体排出，且腔室C高压减小。参见图14中描绘的零件号，但参见如图12中说明的零件位置，在排气阀11打开后，如图12中可见，DSAP阀120使其阀座保留在阀体119的密封表面122上(关闭2位置)且往回移动(复位)以安置于阀体119的密封表面121上(关闭I位置)，如图13中可见。此移动再次是由于其专用凸轮(18)的旋转(见图11到13)，所述凸轮释放其对摇臂随动器(21)的推动，又，由于摇臂枢轴，摇臂(17)的另一边缘压在推杆
(123)上，且连同交换阀回动弹簧124力一起克服双面轴向提升(DSAP)阀120力。因此，推杆123将DSAP阀120推回以抵靠密封座121密封。一旦所述阀抵靠密封座121密封，交换阀便使压缩腔室B与动力腔室C之间的流体通路解耦，从而使得下一压缩冲程能够发生。
[0168]应注意，在DPCE操作期间，如使用图5到8和图14A到14C说明和论述，DSAP阀120在一个方向上移动，同时在关闭、打开和再次关闭位置之间更改。机械交换阀是有利的，因为其具有:第一关闭位置，其中DSAP阀120密封于动力气缸头的表面121阀座上(关闭I位置)；打开位置，其中阀未安置于任何气缸壁或气缸头上(且工作流体可通过阀周围的开口从压缩气缸经过到动力气缸)；以及第二关闭位置，其中阀密封于压缩气缸头的表面122上(关闭2位置)。因此，阀状态可从关闭改变为打开且再次改变为关闭，同时仅在一个方向上移动。DSAP阀120的单向移动具有优于常规提升阀的显著优点，因为其操作涉及较少的惯性力。仅具有一个关闭位置的常规提升阀需要反转其移动方向且克服与单向关-开-关交换阀相比更大的惯性力。
[0169]参见图15，本发明的示范性实施例可配备差压均衡器阀31。大体上，差压均衡器帮助交换阀120从其关闭I位置分裂到打开位置。这在DPCE通过增加活塞和气缸尺寸而按比例增大以具有较大的工作流体位移时可为尤其有利的，其中交换阀120的尺寸也将成比例增加。在所有一般情况下，且尤其在较大DPCE的此些情况下，分裂打开交换阀120所需的力(也参见图14A到14C)可变为极高，因为此力与DSAP阀表面的平方面积成比例，所述表面在压缩冲程期间暴露于腔室B(和腔室E，其为交换阀120内的体积，且在压缩冲程期间流体连接到腔室B)中的经压缩工作流体(DSAP阀的左侧表面，标记120)。差压均衡器阀31与在以上文字中描述的DSAP阀相比具有大体上更小的表面积。因此，在动力活塞04接近TDC，减慢且恰在其线性速率达到零时，其推动差压均衡器阀31，从而允许腔室E与腔室C之间的初始流体连通。腔室E与腔室C之间的流体连通减少了腔室E与腔室C之间的差压。降低所述差压减少了分裂打开交换阀12所需的力，且因此使所述阀的分裂容易。
[0170]在一些实施例中，差压均衡器的大小(面积)不超过交换阀的大小(面积)的10%。在一些实施例中，阀大小的增加可能需要所述百分比的增加。
[0171]图16是本发明的具有单向关-开-关交换阀(SDC0C交换阀)的示范性实施例，其配备平行方板交换阀(PSP交换阀，还参见图18获得3D说明)或平行同心板交换阀(PCP交换阀，还参见图19获得3D说明)。PSP交换阀和PCP交换阀可用作交换阀12，且作为对图1到15中说明的双面轴向提升阀(DSAP阀)的替代。SDCOC有效阀面积经界定为元件提升与阀座外围(或传送开口通过边缘)的总和的乘积减去导引和结束接触表面。使SDCOC阀配备PSP或PCP型阀而非提升型阀延伸了阀装置外围的总和，因此增加阀流量且减少所需的阀位移范围，其又减少了加速度。大体上，由于分循环交换阀的所需时间跨度(即，从初始阀打开状态到最终阀关闭状态)比常见内燃机阀中所需的时间跨度快近似2到6倍，因此减少所需的阀位移范围可有益于减少所需的加速度(对于相同的引擎RPM)。利用SDCOC交换阀(DSAP阀，且甚至在进一步程度上，PSP或PCP交换阀)技术减少了所需的加速度且使得能够使用更小且更轻的凸轮轴、摇臂、阀杆等等。减少加速度也将延伸系统寿命和可靠性。
[0172]如所属领域的技术人员将容易认识到，不同大小和形状的孔口可代替上述方形和同心形状来使用，而不偏离本发明的范围。
[0173]图17A到17C说明配备所述PSP或PCP型交换阀的本发明。在图17A中，板阀220接合阀座221，因此使压缩腔室B和SDCOC内部体积E与动力腔室C解耦。图17B说明全部三个腔室(即，腔室B、E和C)之间的直接流体连通，阀板220不接合阀座221或阀座222。在图17C中，板阀220接合阀座222，且因此使动力腔室C和SDCOC内部体积E与压缩腔室B解耦。配备PSP阀或PCP阀而非DSAP阀的SDCOC阀可使阀加速度量值减少30%到40%。在较小程度上，所述孔口可减少阀头与腔室壁之间的间隙。
[0174]以具有不同孔口的阀可实现类似优点。
[0175]图18A到18C和19A到19C分别说明PSP和PCP3D局部剖视阀，这两组图式保持与上文针对图17A到17C所概述的相同的相关组件编号和相同的功能描述。
[0176]如所属领域的技术人员将了解，SDCOC阀的致动可以许多不同致动原理来进行而不偏离本发明的范围。举例来说但不作为限制，摇臂可推动杆(与拉动相反)，随动器可在置于凸轮上的凹槽中运行，这将使其成为推/拉机构、气动致动、连控轨道致动或电磁的。
[0177]在一些实施例中，在压缩冲程期间，在交换阀分裂打开事件期间，压缩压力朝向关闭位置I推动密封阀部件。
[0178]一些实施例可包含任选的交换旁通阀(如本文描述)。在压缩冲程期间，在预定交换阀分裂打开事件之前的几个压缩活塞曲柄轴度，交换旁通阀打开，因此降低(或均衡)交换阀两侧的差压。降低所述差压减少了起始交换阀分裂打开移动所需的力。
[0179]在一些实施例中，在较早燃烧周期期间的高燃烧气缸压力可朝向关闭位置2推动交换阀。
[0180]如本文所述，分循环引擎内的死体积的存在危害了引擎性能和效率。现有技术交换阀机构固有地并入了大量死体积。本文描述的交换阀不是这样，因为当动力活塞到达其上死点(排气冲程的结束)时，交换阀密封于位于动力腔室表面上的关闭位置I上，因此不存在显著的动力气缸死体积。另外，当压缩活塞到达其上死点(压缩冲程的结束)时，交换阀密封于位于压缩腔室表面上的关闭位置2上，因此不存在显著的压缩气缸死体积。
[0181]如此项技术中已知，大多数四冲程内燃机进气和排气阀如下操作:旋转凸轮轴抵抗挤压的卷簧力而推动提升阀杆，以便迫使阀移动到其完全打开位置。在凸轮轴继续旋转时，凸轮轴外部圆周轮廓允许阀杆缩回，现在通过卷簧膨胀推回到其初始阀关闭位置中。在常见的进气阀和排气阀中，上述阀循环移动(即，朝向完全打开和回到关闭位置的移动)进行大约180度曲柄轴旋转，此时间足以完成阀功能而不会对阀结构及其机械操作系统过压。
[0182]由于分循环交换阀操作时间(从初始打开到最终关闭)比常见的进气和排气阀操作短得多，因此交换阀循环应当较快地完成(与常见进气和排气阀的180度相比，20到60度曲柄轴)。因此此项技术中已知，进气和排气阀操作方法无法在不严重损坏分循环交换阀结构的情况下实施，这减少了其耐久性质。
[0183]在一些实施例中，本文描述的交换阀实施单向移动(而非双向移动)以使阀从关闭移动到打开并回到关闭(在单向移动上的关闭I到打开到关闭2)，这又急剧减少了涉及的加速力。这改善了阀机械耐久性质。SDCOC交换阀到其初始关闭位置(关闭I位置)的复位是在排气和压缩冲程的开始处或附近在循环中较晚执行。
[0184]现在参见图20A到20E的横截面图中说明的示范性机械交换阀。图20A说明描绘各种零件(组件)的交换阀的横截面，其可大体上包含主阀体319、动力侧(腔室C)密封表面321 (阀座321)，和压缩侧(腔室B)密封表面322 (阀座322)。其还描绘两个单面轴向提升(SSAP)SSAP阀，第一者是SSAP阀320A，其在图20A中描绘处于打开位置(但可安置于阀座322上，见图20C)。第二者是SSAP阀320B，其在图20A中描绘处于关闭I位置，同时安置于阀座321上。其还含有位于交换阀内的腔室E。腔室E在阀座322的上游(右边)和阀座321的下游(左边)界定阀体319。压缩侧包含压缩气缸Ol和压缩活塞03。动力侧包含动力气缸02和动力活塞04。压缩活塞03可以与上文相对于图1到13描述的DPCE类似的方式通过杆和曲柄轴连接到动力活塞04。
[0185]在图20A中，SSAP阀门320A打开，且因此腔室E流体耦合到腔室B，其中在两个腔室之间具有可忽略的压力差。如图20A中说明，SSAP阀320B接合密封表面321且因此使腔室B和E从腔室C解耦。图20B说明处于相对位置中的SSAP阀320A和320B以及阀体319，使得密封阀座321和密封阀座322均不密封，因此使得压缩腔室B和动力腔室C能够往复例如通过腔室E的流体交换以将经压缩工作流体从腔室B传送到腔室C。因此，图20B说明SSAP阀320A和320B定位，其致使交换阀处于其打开状态。图20C说明SSAP阀320A接合密封表面322且因此使腔室B从腔室C和E解耦。在图20C中，腔室E流体耦合到腔室C，其中在两个腔室之间具有可忽略的压力差。图20D说明SSAP阀320A密封表面322和SSAP阀320B密封表面320B，且因此将腔室B密封于腔室E、将腔室C密封于腔室E且将腔室B密封于腔室C。
[0186]虽然本文称为“单面”阀，但所属领域的技术人员将容易认识到，可采用具有两个可密封面的阀而不偏离本发明的范围。如相对于图20A到20E所使用，“单面阀”指利用阀的仅一个面来密封(压缩侧或活塞侧上的密封表面)。
[0187]如所描述，图20A到20E的机械交换阀可分离压缩腔室B与动力腔室C。在这些情形中，每一腔室可包含具有不同流体压力的区。分循环引擎中具有死体积可显著降低引擎效率。使死体积最小化可大体上有益于分循环引擎且尤其是DPCE分循环引擎。在典型的分循环引擎中，存在至少3个潜在死体积位置，且为便于描述，将使用当前DPCE分循环设计作为实例。所述3个潜在死体积位置是:I)当压缩活塞03处于其TDC(图20C)时，腔室B处的任何残余体积被视为死体积，因为其将保持将不传送到腔室C以参与动力(燃烧)冲程的经压缩工作流体；2)当动力活塞04处于其TDC (图20A)时，腔室C处的任何残余体积被视为死体积，因为其在交换阀打开时将致使腔室B处的工作流体的部分解压缩(在燃烧之前的工作流体的解压缩降低效率)；以及3)腔室E内的体积的保持被阻止参与动力(燃烧)冲程的工作流体的任何部分被视为死体积，因为不使此工作流体燃烧降低了效率。如图20A到20E中说明的机械交换阀减少了上述全部3个死体积来源:1)当压缩活塞03最大接近于气缸头处于其TDC (图20C)，且SSAP阀320A放置于阀座322上(图20C)时。几乎所有的工作流体传送到流体耦合到C的腔室E以参与动力(燃烧)冲程；2)当动力活塞04最大接近于其气缸头而处于其TDC(图20A)且SSAP阀320B放置于阀座321上时，腔室C处的死体积减少。因此，当SSAP阀320B分裂打开时(图20B)，流体耦合到腔室B的腔室E处几乎不发生工作流体的解压。在燃烧之前避免工作流体的解压防止了降低的效率；以及3)在从腔室B到腔室C的进料传送结束时(图20C)，腔室E与腔室C直接流体连接。因此，腔室E内的所有工作流体参与燃烧(动力)冲程。
[0188]现在将参见图20A到20E论述机械交换阀的示范性实施例。所述机械交换阀可以上文相对于图1到13描述的实施例中的交换阀12类似的方式使用，且为了说明性目的，图20A到20E的机械交换阀的以下描述也可指代上文结合图1到13提到的元件。由于图20尝试以五个步骤说明图1到13中以13个步骤证明的热力循环，因此可参见图1到13的描述得到更多阐释。另外，可使用类似的凸轮机构来控制SSAP阀320A和320B的定时，其中具有修改以考虑定时差异。
[0189]应了解，图20A到20E的机械交换阀的使用不限于上文相对于图1到13描述的实施例，但可在其它应用中使用，包含例如其它类型的双活塞循环引擎、具有一个或两个交换阀的直列式分循环引擎、其它分循环引擎、四冲程引擎、旋转引擎和压缩机。SSAP阀320A和320B是单向关-开阀(SDC0阀)，具有与针对单向关-开-关交换阀(SDC0C交换阀)描述的优点类似的优点。例如以如上文和图20A到20E中的顺序所述操作的一对单向关-开阀(SDC0阀)的性质对需要利用非常快的操作阀的任何系统是有利的。由于任何已知的分循环引擎均使用至少一个交换阀，且由于这些交换阀操作要求比常见IC引擎阀快大约2到6倍，因此一对单向关-开阀(SDC0阀)作为任何分循环引擎的部分的使用具有较大价值。
[0190]参见图20A，机械交换阀可大体上包含主阀体319以及两个SSAP阀320A和320B。当在图1到13的实施例中使用时，机械交换阀可分离压缩腔室B与燃烧腔室C。在此情形中，每一腔室可包含具有不同流体压力的区。在机械交换阀内，SSAP阀320A和320B两者相对于主阀体319的移动可允许腔室B与腔室C之间的流体连通的耦合或解耦。如图20A中说明，SSAP阀320B抵靠阀体319的动力气缸侧的密封座321密封，其可防止从压缩腔室B到动力腔室C中(通过腔室E)的高压流体传送。图20C是机械交换阀的横截面图。如图20C中说明，当SSAP阀320A抵靠阀体319的压缩气缸侧的密封座322密封时，阻止高压工作流体从动力腔室C传送回到压缩腔室B中(通过腔室E)。
[0191]图20B是机械交换阀的横截面图。以与参见图5到8描述的交换阀12类似的方式，在动力活塞04接近其TDC时，SSAP阀320B由于其专用凸轮的旋转而打开。如上所述，凸轮结构可类似于图5中描绘的凸轮(18)。其专用凸轮的旋转可致使SSAP阀320B离开其在阀体319的密封表面321上的座，且分裂打开(参见图6获得示范性凸轮结构)。这可导致工作流体从腔室B经由腔室E流动到腔室C(参见图5到8获得类似布置)。SSAP阀320B的分裂产生SSAP阀320B上的压力差量值的急剧下降，几乎均衡腔室B、E和C的压力。
[0192]图20B是机械交换阀的横截面图。以与图7类似的方式，在动力活塞04继续其远离TDC的移动时，机械交换阀保持打开，从而允许从压缩腔室B到动力腔室C中的流体传送的继续。图20B还描绘当燃烧起始发生且燃烧形成时的实例。
[0193]以与图7和8类似的方式，当动力活塞04继续其远离TDC的移动时，动力气缸中的燃烧造成腔室C压力的急剧增加。参见图20中描绘的零件编号，但参见图7和8中说明的引擎位置，通过其自身的凸轮(类似于图1到13的凸轮18)控制的SSAP阀320A起始朝向阀密封座322的SSAP阀320A凸轮致动的移动，且安置于座322上(图20C)。此移动可由突然的腔室C压力突发(燃烧)支持，其可帮助在同一方向上推动SSAP阀320A。从此阶段向前，引擎动力冲程在腔室C处继续(参见图8到11获得类似布置)，同时通过进气阀10的打开，进气可在腔室B处开始。
[0194]参见图20D，且参见图10和11中说明的类似过程，当动力活塞04接近其下死点(BDC)且在排气阀打开(且燃烧后的气体排出，且腔室C高压减小)稍微之前、打开时或稍微之后时，SSAP阀320B可通过返回到阀座321而关闭。参见图20中描绘的零件编号，但参见如图12中说明的引擎位置，在排气阀11打开后，如图12中可见，SSAP阀320B保留其打开位置且往回移动(复位，阶段I)以安置于阀体319的密封表面321上(关闭I位置)，如图13和图20D中可见。这是复位过程的阶段I。此移动再次是由于其专用凸轮(18)的旋转(参见图11到13)。一旦SSAP阀320B抵靠密封座321密封，交换阀便通过SSAP阀320A和320B两者使压缩腔室B与动力腔室C之间的流体通路解耦。
[0195]参见图20E，在压缩活塞03移动远离其BDC且压缩冲程开始时，SSAP阀320A可离开阀座322以流体耦合腔室B和腔室E。此转变是复位的第二阶段(复位，阶段2)。这完成SSAP阀320A和320B定位两者向图20A中描述的情况的复位，从而使得能够执行下一引擎循环。应注意，在复位过程期间(阶段I和阶段2两者，图20D和20E)，在压缩腔室B与动力腔室C之间没有流体通路，这可为有利的。然而，如果在一些情况下，需要压缩腔室B与动力腔室C之间的此流体通路，那么这可通过在所需时间点使SSAP阀320A和320B两者打开来实现。使用SSAP阀320A和320B两者来掌管压缩腔室B与动力腔室C之间的流体通路增加了优良的控制能力。
[0196]应注意，在SSAP阀320B打开期间，如图20A到20B说明(还参见相对于图5到8说明和论述的类似布置)，SSAP阀320B在一个方向上移动，同时在关闭与打开位置之间交替，而不需要如常见IC引擎提升阀所需的通常那样再次关闭。而且，SSAP阀320B在热力循环期间移动DSAP阀120 (图14A到14C)移动的距离的一半。SSAP阀320A和320B两者的组合操作是有利的，因为其具有:第一关闭位置，其中SSAP阀320B密封于动力气缸头的表面321阀座上(关闭I位置)；打开位置，其中SSAP阀320A和320B两者未安置于任何气缸壁或气缸头上(且工作流体可通过阀周围的开口从压缩气缸经过到动力气缸)；以及第二关闭位置，其中SSAP阀320A密封于压缩气缸头的密封座322上(关闭2位置)。因此，在进料传送从腔室B经由腔室E到腔室C的临界时间(图5到8)，仅SSAP阀320B状态需要从关闭改变为打开(而不需要再次关闭)，同时在仅一个方向上移动，之后是SSAP阀320A状态从打开改变为关闭(而不需要再次打开)。应注意，SSAP阀320A和320B两者均需要行进相对短距离(与DSAP阀120相比)，且在它们的运动中也可存在重叠，其可大大缩短为了完成图5到8中描述的过程所需的时间。这又可使得能够在动力活塞与压缩活塞之间以较小的相位滞后执行引擎循环，从而使得能够实现较高压缩比，这又使得能够使用柴油和Cl点燃。SSAP阀320A和320B两者的单向移动、较快执行和较短行程具有优于常规提升阀的显著优点，因为其操作涉及较少的惯性力。常规提升阀需要反转其移动方向且克服较大的惯性力。
[0197]在一些实施例中，图20A到20E中描述的SSAP阀320A和320B两者可改为具有实心头的SSAP阀类型，可包括一或多个孔口，例如上文分别相对于图18A到18C和19A到19C描述的PSP和PCP阀类型中的一或多者。
[0198]虽然上文未相对于图1到20描述，但燃烧或压缩活塞可包含突出部，其经配置以用与下文相对于图21到44描述的活塞队方式轻轻触碰阀，以便促进阀的打开。
[0199]图21到33描述具有交换(或“级间”)阀的DPCE的另一实施例。虽然在图1到13中的组件的定时和定位之间存在若干相似性，但此处为了清楚而重复DPCE的操作的完整描述。
[0200]参见图21，根据本发明的一个实施例，DPCE气缸包含:压缩气缸01、动力气缸02、压缩活塞03、动力活塞04、两个相应活塞连接杆05和06、压缩曲柄轴07、动力曲柄轴08、曲柄轴连接管09、进气阀10、排气阀11，以及级间阀412。压缩气缸01是活塞引擎气缸，其容纳压缩活塞03、进气阀10、级间阀412的部分以及任选地位于压缩活塞03的面对气缸01中的压缩腔室的表面前方的火花塞(未图不)。动力气缸02是活塞引擎气缸,其容纳动力活塞04、排气阀11、级间阀412的部分以及任选地位于动力活塞的面对气缸02中的燃烧腔室的表面前方的火花塞(未图示)。压缩活塞03用于进气和压缩引擎冲程。动力活塞04用于动力和排气冲程。连接杆05和06将其相应活塞连接到其相应曲柄轴。压缩曲柄轴07将旋转运动转换为压缩活塞03往复运动。动力活塞04的往复运动转换为动力曲柄轴08的旋转运动，所述旋转运动转换为引擎旋转运动或功(例如，动力曲柄轴也可用作DPCE输出轴)。曲柄轴连接杆09将动力曲柄轴08的旋转转换为压缩曲柄轴07的旋转。
[0201]在示范性实施例中，经由曲柄轴07和08引入预定相位延迟，使得动力活塞04提前于压缩活塞03移动。
[0202]在本发明的示范性实施例中，进气阀10由具有圆锥形密封表面的轴组成，如此项技术中通常所知。位于压缩气缸01上的进气阀10掌管自然吸入的周围空气或经增碳空气/燃料进料或进料的受迫引入(在它们流入压缩气缸01时)。压缩气缸01具有至少一个进气阀。在本发明的一些实施例中，相对于压缩活塞03的位置、功能和操作的进气阀位置可类似或相同于常规四冲程内燃机的进气阀。在进气阀打开时压缩活塞03的位置可变化。在本发明的一些实施例中，进气阀的打开的时序可变化。在一个实例中，进气阀可在压缩活塞03到达其TDC之前的几个曲柄轴度到在压缩活塞03到达其TDC之后的近似50曲柄轴度的范围内打开。在一个实例中，进气阀可在压缩活塞03到达其下死点(BDC)之后的几个曲柄轴度到在压缩活塞03到达其BDC之后的近似70曲柄轴度的范围内关闭。
[0203]在本发明的示范性实施例中，排气阀11由具有圆锥形密封表面的轴组成，如此项技术中通常所知。位于动力气缸02上的排气阀11掌管燃烧气体的呼出。动力气缸02具有至少一个排气阀。在一些实施例中，排气阀位置、功能和操作方法可类似或相同于常规四冲程内燃机的排气阀。在排气阀打开时动力活塞04的位置可变化。在一些实施例中，排气阀可在动力活塞04到达其BDC之前的近似60曲柄轴度到在动力活塞04到达其BDC之后的近似20曲柄轴度打开。在排气阀关闭时动力活塞04的位置可变化。在一些实施例中，排气阀可在动力活塞04到达其TDC之前的近似15曲柄轴度到在动力活塞04到达其TDC之后的近似5曲柄轴度关闭。
[0204]在一个实施例中，级间阀412由以下组件组成。首先，阀体。其次，双面轴向提升(DSAP)阀，其能够通过在任一侧上密封级间阀而解耦两个腔室。第三，弹簧柱塞组件(SPC)(在一些实施例中由盘簧组成，但也可利用其它偏置元件机构)，以及第四，额外的偏置机构组件(BMC)，其偏置DSAP阀以密封于较靠近动力气缸的侧上。当动力活塞朝向其TDC移动时，DSAP阀在其动力气缸侧上密封，原因在于级间阀BMC和压缩气缸中的压力积累。当动力活塞接近TDC时，其产生与级间阀的弹簧柱塞组件(SPC)的接触且推动SPC。在压缩SPC之后，且仍在动力活塞到达其TDC之前，动力活塞到达且还推动DSAP阀，使其分裂打开，从而导致两个腔室(腔室B和C)之间的压力调平。此压力调平使得SPC能够膨胀且朝向压缩气缸进一步推动DSAP阀，从而进一步打开级间阀。动力气缸中的燃烧再更远地推动DSAP阀，通过使DSAP阀置于其相对密封表面(阀座)(即，较靠近压缩气缸的密封表面)上来密封级间阀412。在引擎排气冲程的开始期间，在排出燃烧后的工作流体时，动力气缸压力急剧减小。因此，预加载的BMC推回DSAP阀，且使DSAP阀复位到其初始密封表面(即，较靠近动力气缸的密封表面)，同时关闭级间阀412。
[0205]在一些实施例中，柱塞和接触燃烧活塞的其它特征可较一般地称为接触元件，其涵盖用于执行与上文所述功能等效的功能的其它结构。而且，弹簧可较一般地称为偏置，其涵盖用于执行与上文所述功能等效的功能的其它结构。
[0206]再次参见图21，压缩活塞03在压缩气缸01内。压缩活塞03在所说明箭头指示的方向上相对于压缩气缸01移动。动力活塞04在动力气缸02内。动力活塞04在所说明箭头指示的方向上相对于动力气缸02移动。压缩气缸01和压缩活塞03界定腔室B。动力气缸02和动力活塞04界定腔室C。在一些实施例中，压缩曲柄轴角度追踪动力曲柄轴角度，使得动力活塞04在压缩活塞03之前移动。当级间阀412处于打开状态时腔室B可与腔室C流体连通。腔室B通过进气阀10可与经增碳自然吸入燃料/空气进料或受迫引入燃料/空气进料A流体连通。腔室C通过排气阀11可与周围空气D流体连通。当处于打开状态时，排气阀11允许废气排出。在燃烧冲程期间，动力活塞04可推动动力连接杆06，从而致使动力曲柄轴08顺时针旋转，如图28、29和30中说明。在排气冲程期间，惯性力(可由未图示的飞轮质量起始)致使动力曲柄轴08继续其顺时针旋转,且致使动力连接杆06移动动力活塞04，这又通过阀11排出燃烧后的燃料排气，如图31、32、33、21、22和23中说明。动力曲柄轴08旋转通过曲柄轴连接杆09枢接压缩曲柄轴07的旋转，以用于相移同步旋转(即，两个曲柄轴以相同速度旋转但其动力角不同)。在示范性实施例中，动力活塞04和压缩活塞03的相对位置可相移所需的量以实现所需的引擎压缩比。
[0207]级间阀412可具有优良的密封性质，因为虽然阀可通过DSAP阀的位移而耦合或解耦腔室B与腔室C，但其可在无干扰阀而从外部致动其的任何额外机械装置或组件的情况下进行此操作。避免可能潜在地连接(泄漏)内部引擎腔室(B和C)与周围空气A的此突出部提供了具有优良密封性质的解决方案。
[0208]在一些实施例中，级间阀412可消除对用来控制阀的外部致动机构(例如凸轮)的需要。以此方式，级间阀412可避免密封致动机构，且进而防止从级间阀腔室到例如周围空气的泄漏。
[0209]在一些示范性实施例中,DPCE双气缸设备利用常规加压冷却和油润滑方法和系统(未图示)。在一些示范性实施例中，动力腔室C的组件是使用冷却系统进行温度控制，进而冷却动力腔室C结构组件(例如，气缸02、活塞04和阀412的部分)。而且，在一些示范性实施例中，组件中的一些或全部可由耐高温材料制成，例如陶瓷或陶瓷涂层、碳、钛、镍合金、纳米复合物或不锈钢。在一些示范性实施例中，DPCE设备可利用众所周知的高压定时和火花塞电系统(未图示)以及电启动马达(未图示)来控制引擎初始旋转。
[0210]如上文阐释，压缩连接杆05连接压缩曲柄轴07与压缩活塞03，从而致使压缩活塞03以往复方式相对于气缸移动。动力连接杆06连接动力曲柄轴08与动力活塞04。在燃烧阶段期间，动力连接杆06将动力活塞04的往复运动传送到动力曲柄轴08中，从而致使动力曲柄轴旋转。在排气阶段期间，动力曲柄轴08旋转和动量将动力活塞04往回朝向压缩气缸01推动，这致使燃烧后的气体经由排气阀排出(排气冲程)。
[0211]参见图21，压缩曲柄轴07将旋转运动转换为压缩活塞03往复运动。压缩曲柄轴07连接压缩连接杆05与曲柄轴连接杆09。曲柄轴连接杆09的运动致使压缩曲柄轴07旋转。压缩曲柄轴07旋转产生压缩连接杆05的运动，这又使压缩活塞03以往复方式相对于其气缸外壳Ol移动。
[0212]在本发明的各种示范性实施例中，压缩曲柄轴07和动力曲柄轴08结构配置可根据所要的引擎配置和设计而变化。举例来说，可能的曲柄轴设计因素可包含:双气缸的数目，相对气缸定位，曲柄轴齿轮机构，以及旋转方向。
[0213]动力曲柄轴08连接动力连接杆06与曲柄轴连接杆09。在燃烧发生时，动力活塞04的往复运动通过动力连接杆06致使也可耦合到引擎输出轴(未图示)的动力曲柄轴08旋转，其致使连接杆09使压缩曲柄轴07旋转，进而如上所述产生压缩活塞03的往复运动。
[0214]曲柄轴连接杆09连接动力曲柄轴08与压缩曲柄轴07，且因此为两个曲柄轴提供同步旋转。本发明的替代实施例可针对曲柄轴连接杆09包含标准旋转能量连接元件,例如:定时带，多杆机构齿轮，与90度螺旋齿轮箱组合的驱动轴，和/或例如上述的组合。
[0215]图21到33说明耦合到曲柄轴07和08的曲柄轴连接杆09的透视图，所述曲柄轴07和08耦合到相应的活塞连接杆05和06。曲柄轴07和08可相对定向，以便提供活塞03和04的原本同步运动之间的预定相位差。压缩活塞与动力活塞的TDC位置之间的预定相位差可引入相对活塞相位延迟或提前。图21到37说明活塞连接杆05和06异相，进而提供活塞03和04的TDC位置之间的所要相位延迟(也称为相位滞后)或相位提前。在示范性实施例中，如图21到33中说明，引入相位延迟，使得动力活塞04稍微在压缩活塞03之前移动，进而准许在近似完整压缩冲程下递送压缩进料，且准许动力活塞04完成完整排气冲程。动力活塞领先于压缩活塞的相位延迟的此些优点也在颁与卡萨迪(Casaday)的第1，372，216号美国专利和颁与苏德里的第2003/0015171 Al号美国专利申请案中描述，以上两案的整个内容以全文引用方式并入本文。
[0216]如图21到33说明，在电启动器(未图示)接合DPCE输出轴(未图示)时，曲柄轴07和08开始其顺时针旋转，且两个活塞03和04开始其往复运动。如图29中说明，压缩活塞03和动力活塞04在增加腔室B和腔室C体积的方向上移动。由于进气阀10处于其打开状态且因为腔室B体积在此阶段恒定增加，因此经增碳燃料或新鲜空气进料(当使用燃料注射系统时)从点A(表示例如增碳器输出端口)流动通过进气阀10进入腔室B。在进气阀打开时压缩活塞03的位置可变化。在本发明的一些实施例中，进气阀的打开的时序可变化。在一个实例中，进气阀可在压缩活塞03到达其TDC之前的几个曲柄轴度到在压缩活塞03到达其TDC之后的近似50曲柄轴度内打开。如图30到32分别所示，在燃料-空气进料流入时，腔室B体积增加。在压缩活塞03越过其BDC点(例如，在BDC之后10到70度之间的某处，如图33所示)时，进气阀10关闭，从而截留腔室B空气-燃料进料(工作流体)内容。在曲柄轴顺时针旋转继续(如图33和图21所示)时，腔室B体积减小且空气-燃料进料的温度和压力增加。在动力活塞04通过动力活塞TDC时(图25到28)，级间阀412打开且腔室B中的空气-燃料进料流入腔室C。在某一预定点(例如，在压缩活塞朝向其TDC移动时，如图26到28中说明，但一些示范性实施例可引入延迟或提前)，空气-燃料进料的燃烧经由点燃机构而起始，例如火花塞点火或压缩点燃。在压缩活塞03通过其TDC (图28)时，级间阀412关闭。
[0217]图26到30说明根据本发明的示范性实施例的动力冲程。在燃烧发生时(在图25到28中说明的动态范围内所示的预定活塞位置处的火花塞点火或压缩点燃,但在一些实施例中可准许一些偏差)，腔室B和C的压力增加,从而迫使动力活塞04和压缩活塞03彼此远离。虽然由压缩活塞产生的转矩与引擎旋转相反，但在大部分动力冲程期间动力活塞产生的转矩较大，且净转矩顺时针转动动力曲柄轴(以及耦合的压缩曲柄轴)。同时，由于腔室C中的增加压力以及腔室B中的减小压力(图28和29)，级间阀412关闭。
[0218]现在参见图28和29，当压缩活塞03被从其TDC位置拉回时，根据本发明的示范性实施例，进气阀10再打开，因此允许新的空气-燃料进料A进入腔室B。
[0219]现在参见图30到33，在本发明的示范性实施例中，排气冲程可在动力活塞04到达其下死点位置之前大约40到60曲柄轴度内开始(图31)。排气阀11打开且燃烧过的废气被从腔室C推出通过排气阀11进入周围环境D。虽然在示范性实施例中给出引擎的冲程的定时，但应了解，在一些实施例中可调整本文描述的定时。
[0220]现在参见图34，本发明的示范性实施例可配备压缩腔室压力释放阀52(还参见图39M到39N)。释放阀52由预加载弹簧组成，其将圆锥形阀强制地拉动到其阀座以便保持其关闭且使压缩腔室B与动力腔室C之间的流体通路解耦。如果在引擎操作期间压缩腔室B压力超过动力腔室C压力大于预定量值(例如，此事件可由级间阀412未能充分打开引起，这将致使压缩压力超过所设计压缩比的最大引擎所需压力)，那么阀52分裂打开，从而从腔室B到腔室C中释放压力。
[0221]再次参见图34，本发明的示范性实施例可配备差压均衡器阀51。当通过增加活塞和气缸尺寸而按比例增大DPCE以具有较大的工作流体位移时，级间阀412的尺寸也将成比例增加。在此些情况下，分裂打开级间阀412所需的力(也参见图39K到39L)可变为过高，因为此力与DSAP阀表面的方形面积成比例，所述表面在压缩冲程期间暴露于腔室B中的经压缩工作流体(DSAP阀的左侧表面，图39D中标记520)。差压均衡器阀51与以上的DSAP阀相比具有大体上更小的表面积。因此，在动力活塞04接近TDC时，其较容易地推动差压均衡器阀51，从而允许腔室B与C之间的初始流体连通。腔室B与腔室C之间的流体连通减少了腔室B与腔室C之间的差压。降低所述差压减少了分裂打开级间阀412所需的力，且因此使得能够实际利用较大DPCE。
[0222]一些实施例可使用压缩腔室释放阀52和差动均衡器阀51中的一者或两者。
[0223]因此，DPCE引擎将由常规内燃机的单个活塞和气缸执行的冲程划分为两个热差动气缸，其中每一气缸执行四冲程循环的一半。相对“冷”气缸执行进气和压缩但不是排气冲程，且隔热“热”气缸执行燃烧和排气但不是进气冲程。与常规引擎相比，此有利系统和过程使得DPCE引擎能够在较高燃烧腔室温度下和在较低进气和压缩腔室温度下工作。在维持较低进气和压缩温度的同时利用较高燃烧温度减少了引擎冷却要求，降低了压缩能量要求，且因此提升了引擎效率。另外，根据本发明的示范性实施例，将动力气缸与外部环境隔热限制了外部热损失且因此使得能够将燃料热能的较大部分转换为有用功，允许热能在下一冲程中的再用，且因此准许每一循环中燃烧较少燃料。
[0224]图35说明根据本发明的一些实施例的在排气期间的废热俘获和热利用。废气行进通过通路37，进而将热传导回到动力气缸壁43中。通路37可以螺旋方式绕过腔室，行进腔室的长度且再次回到周围排气(图35中描绘为“排出”)。另外，腔室C的各种表面可机械加固且通过利用陶瓷涂层36而绝热。动力气缸还可利用外部隔离盖38 (例如，蜂巢结构或等效物)，其防止热泄漏。同时，压缩气缸42温度可通过利用散热器35而降低。
[0225]图36说明根据示范性实施例的提供具有改善效率的燃烧引擎的方法。如所说明，进气和压缩冲程但不是排气冲程是在第一气缸44中执行，且动力和排气冲程但不是进气冲程是在第二气缸45中执行,其中第一气缸内部体积B小于第二气缸内部体积C。第二气缸内部体积C中的较大体积实现第二气缸45中的膨胀比大于第一气缸44中的压缩比。增加的膨胀体积实现热和压力向机械功的额外转换。双活塞循环引擎动力气缸可相对于常规引擎的气缸经历较高的温度，且此额外膨胀性质带来引擎效率的显著增加。另外，为了降低压缩温度，气缸42 (图35)和气缸44 (图36)可配备散热器元件35。
[0226]现在参见图37，其中说明根据本发明的示范性实施例的具有增压能力的DPCE双气缸配置。如图37中所示，压缩气缸47的体积大于动力气缸48的体积，进而允许在压缩腔室B中接纳较大体积的空气/燃料混合物且压缩。在压缩冲程期间，压缩腔室B中的经压缩空气/燃料混合物(即，“增压”燃料混合物)的较大体积和增加压力经由级间阀12或412传送到燃烧腔室C中。因此，燃料混合物的较大量和/或较高压力可注入到动力气缸48的燃烧腔室C中以提供较大爆炸，且因此在动力冲程期间提供较多能量和功(较高功率密度)。
[0227]现在参见如图38A到38D的三维图(3D)和剖视3D图中说明的机械级间阀512。应注意，图38上所示的颜色(灰度级)不形成其部分(也就是说，灰色的变化不指示结构变化)。图38A以透视图说明级间阀512。图38B说明描绘各种零件的级间阀512的剖视图，其可大体上包含主阀体519、动力侧(腔室C)密封表面521 (阀座521)、压缩侧(腔室B)密封表面522(阀座522)、DSAP阀头520、柱塞523，以及偏置元件524 (例如盘簧)，其共同构成弹簧柱塞组件(SPC)。其还含有偏置机构组件525 (例如BMC、卷簧)。如图38B中说明，DSAP阀520接合密封表面521且因此使腔室B与腔室C解耦。图38C说明处于相对位置中的DSAP阀520和阀体519，使得密封阀座521和密封阀座522均不密封，因此使得压缩腔室B和动力腔室C能够往复例如流体交换以将经压缩工作流体从腔室B传送到腔室C。因此，DSAP520阀定位致使级间阀512处于此打开状态，如图38C中的黑箭头(指示流体流动)说明。图38D说明DSAP阀520接合密封表面522且因此使腔室C与腔室B解耦。当在图21到44的实施例中使用时，机械级间阀512可分离压缩腔室B与动力腔室C。以这些方式，腔室可具有不同的流体压力。
[0228]现在将参见图39A到39J论述机械级间阀512的示范性实施例。机械级间阀512可用作上文相对于图21到44描述的实施例中的级间阀512，且为了说明性目的，机械级间阀512的以下描述也可指代上文结合图21到33提到的元件。应了解，机械级间阀512的使用不限于上文相对于图21到38描述的实施例，但可在其它应用中使用，包含例如其它类型的双活塞循环引擎、其它分循环引擎、四冲程引擎和压缩机。
[0229]参见图39A，机械级间阀512可大体上包含主阀体519、DSAP阀520、柱塞523和偏置元件524 (例如盘簧)，其共同构成弹簧柱塞组件(SPC)，以及偏置机构组件525 (例如，BMC卷簧)。当在图21到33的实施例中使用时，机械级间阀512可分离压缩腔室B与燃烧腔室C。以此方式，腔室可具有不同的流体压力。在机械级间阀512内，DSAP阀520相对于主阀体519的移动可允许腔室B与腔室C之间的流体连通的耦合或解耦。如图39A中说明，DSAP阀520抵靠阀体519的动力气缸侧的密封座521密封，其可防止从压缩腔室B到动力腔室C中的高压流体传送。
[0230]图39B是机械级间阀512的横截面图。当DSAP阀520抵靠阀体519的压缩气缸侧的密封座522密封时，阻止高压工作流体从动力腔室C传送回到压缩腔室B中。
[0231]图39C是机械级间阀512的横截面图，其将柱塞523描绘为由动力活塞04朝向偏置元件524推动，且其中柱塞523部分地压缩偏置元件524。当动力活塞04接近其TDC时，活塞04触碰柱塞523且抵靠偏置元件524部分地推动所述柱塞。尽管现在由柱塞523施加且通过偏置元件524传送到DSAP阀520的轴向力，仍防止DSAP阀520的任何轴向位移，因为其由腔室B中积累的压缩压力强制地相反推动(因为压缩活塞03在此阶段处于其压缩冲程)。而且，不仅通过由腔室B的经压缩工作流体产生的力而且通过偏置元件525预加载力来朝向密封座521推动DSAP阀520。偏置元件524上的这些相反力(其上通过柱塞在一侧上以及通过经压缩流体和偏置元件525在另一侧上产生的力)挤压偏置元件524(比较图39B和39C中的元件524位移)，其累积势能。(将不久之后释放——参见下文的描述)。
[0232]图39D是机械级间阀512的横截面图，其说明在进一步挤压偏置元件524之后的柱塞523。当动力活塞04进一步接近其TDC时，其推动柱塞523，导致进一步挤压偏置元件524直到其最大预定反作用力。在动力活塞接近其TDC时，排气阀(图24项目11)关闭。在一些示范性实施例中，排气阀关闭定时的组合(即，稍微在动力活塞到达其TDC之前)，且引擎动态系统惯性动量可强制地推动动力活塞，致使腔室C流体压力的突然急剧增加。动力腔室压力的此瞬间增加可帮助DSAP阀520打开。
[0233]图39E是机械级间阀512的横截面图。在动力活塞04进一步朝向其TDC移动时，其到达DSAP阀520且推动(轻推)阀，从而强制地致使阀离开其在阀体519的密封表面521上的座且分裂打开。这导致工作流体从腔室B流动到腔室C(如图39E到39H中的黑色流动箭头说明)且导致DSAP阀520上的压力差量值的急剧下降。应注意，一方面，可有益的是动力活塞04到达DSAP阀520的触碰点实际上尽可能靠近动力活塞04TDC以便具有实现“软”触碰的较低的线性活塞速度。另一方面，以上描述的触碰点可能需要足够远离动力活塞04TDC，以便确保DSAP阀520的随后移动将在足够持续时间中且以正确的定时打开级间阀512，以便实现DSAP阀520上的差压的减小。在一些实施例中，动力活塞04到达DSAP阀520的定时可有利地处于打开阀将在压缩腔室B与动力腔室C之间形成足够的差压减少的点。应了解，由于活塞04紧密接近动力活塞04TDC而触碰DSAP阀520，因此活塞速度相对慢，且因此活塞04正施加于DSAP阀520的力的量值是适度的。另外，在DSAP阀520分裂事件期间，紧密接近TDC的动力活塞04确保腔室C最小体积，其也有利于所述阀上的差压的快速减小而作用，因为腔室C小体积将被来自腔室B的传入工作流体快速填充，其将增加腔室C压力水平。
[0234]图39F是机械级间阀512的横截面图。在动力活塞04开始移动远离其TDC时，偏置元件524膨胀，其使得柱塞523边缘能够倚靠撤退的动力活塞04，同时朝向宽打开位置进一步推动DSAP阀520，因此允许腔室B流体内含物继续流入腔室C。
[0235]图39G是机械阀512的横截面图。在动力活塞04继续其远离TDC的移动时，偏置元件524到达其完全膨胀状态，使柱塞523相对于DSAP阀520保持于其最大突出处。阀512保持打开，从而允许流体传送从压缩腔室B到动力腔室C中继续。图39G还描绘当燃烧起始可能增加腔室C处的压力水平从而贡献于将DSAP阀520向左推动且保持级间阀512打开的力时的实例(也参见下文的燃烧过程的描述)。
[0236]现在参见图39H，在本发明的各种示范性实施例中，在压缩活塞03到达其TDC之前的几个压缩曲柄轴07度处，压缩活塞03突出元件526可推回DSAP阀520远离密封表面522，以便防止过早的腔室B和C解耦。此解耦可能由于由腔室C中的燃烧进行带来的腔室C压力的动态增加而发生。在经过其TDC之后且在压缩活塞03前进远离其TDC时，突出元件526撤退，从而使得DSAP阀520能够在密封表面522上再关闭(由于腔室C处的燃烧力)。突出元件526可防止腔室B和C的不希望的过早解耦，其可造成从腔室B到腔室C中的不完整流体传送。
[0237]图391是机械级间阀512的横截面图。当动力活塞04继续其远离TDC的移动时，动力气缸中的燃烧造成腔室C压力的急剧增加。DSAP阀520由于以下三个事件而继续其朝向阀密封座522的惯性移动:(i)在动力活塞04到达且推动DSAP阀520期间形成的惯性力，(?)偏置元件524膨胀能量释放，以及(iii)突然的腔室C压力突发(燃烧)，其造成腔室C与腔室B之间的高差压。从此阶段向前，引擎动力冲程在腔室C处继续，同时通过进气阀10的打开，进气可在腔室B处开始。
[0238]图39J是机械级间阀512的横截面图。当动力活塞04接近其BDC时，排气阀11打开且燃烧过的气体排出，腔室C高压减小，其使得偏置机构组件525 (例如，BMC、卷簧)能够膨胀且将DSAP阀520推回以抵靠密封座521密封。一旦所述阀抵靠密封座521密封，级间阀512便使压缩腔室B与动力腔室C之间的流体通路解耦，从而使得下一压缩冲程能够发生。
[0239]图39K到39L是机械级间阀512的横截面图。当动力活塞04接近其TDC时，其继续推动柱塞523从而导致挤压偏置元件524。在动力活塞04进一步朝向其TDC移动时，其到达DSAP阀520且推动(轻推)所述阀，从而强制地致使阀分裂打开。在本发明的各种示范性实施例中，在DSAP阀520与动力活塞04直接接触之前(且在动力活塞04与柱塞523接触之前、同时或之后)，所述活塞推动机械阀51，其致使所述阀51打开。此打开耦合腔室B和C，因此减少DSAP阀520上的压力差(图39K说明阀51处于关闭状态，图39L说明阀51处于打开状态)。当操作较大DPCE引擎时，在动力活塞04触碰所述阀之前在DSAP阀520上的差压的降低减少潜在的冲击损坏且减小分裂打开DSAP阀520所需的力，原因是较小的压力差。在具有阀51功能能力的各种示范性实施例中，排气阀11确切关闭点可经设定以例如防止经压缩进料从腔室B传送通过释放阀51和腔室C以通过排气阀11和周围端口 D排出。弹簧527可将机械阀51偏置到其关闭状态。在一些实施例中，弹簧527的“弹簧常数”(“K值”)可足够高以防止由于腔室C中燃烧引发的高压所致的机械阀51打开，但足够低以使得机械阀51能够通过活塞04打开。
[0240]图39M到39N是机械级间阀512的横截面图，如图27和28中说明。当动力活塞04继续其远离TDC的移动时，动力气缸中的燃烧造成腔室C压力的急剧增加，这又抵靠密封座522推动DSAP阀520。然而在发生其中燃烧不演进的不点火的情况下，腔室C压力将不增加，因此腔室B压缩压力可能抵靠密封座521推回DSAP阀520，且因此完全阻挡从腔室B到腔室C的流体传送，且同时腔室B中的压力将增加到不合意的水平。释放阀52的功能是防止此情形。如果在DPCE操作期间，腔室B压力超过腔室C压力多于预定义阈值(可例如通过弹簧528的K值确定)，那么释放阀52超驰其内部预加载弹簧528且耦合腔室B和C (快速地均衡腔室B压力和腔室C压力)。图39M说明释放阀52处于关闭状态，而图39N说明释放阀52处于打开状态。释放阀52的功能是防止压缩腔室B过压(尤其在引擎不点火期间和在DSAP阀过早关断期间)，其仍实现某种引擎动力产生。
[0241]应注意，在DPCE操作期间，如使用图24到27和图39D到391说明和论述，DSAP阀520在一个方向上移动，同时在密封、打开和再次密封位置之间交替。机械级间阀512是有利的，因为其具有:第一关闭位置，其中DSAP阀520密封于动力气缸头的表面521阀座上；打开位置，其中阀未安置于任何气缸壁或气缸头上(且工作流体可通过阀周围的开口从压缩气缸经过到动力气缸)；以及第二关闭位置，其中阀密封于压缩气缸头的表面522上。因此，阀状态从关闭改变为打开且再次改变为关闭，同时仅在一个方向上移动。DSAP阀120的单向移动具有优于往复开-关阀的显著优点，因为其不必克服惯性力，如上文相对于交换阀12所论述。
[0242]在本发明的另一示范性实施例中，如图40中说明，机械级间阀612可分离压缩腔室B与燃烧腔室C。因此，腔室可具有不同的流体压力。机械级间阀612可用作上文相对于图21到39描述的实施例中的级间阀412。另外，为了说明性目的，以下对机械级间阀612的描述涉及上文结合图21到39提到的元件。
[0243]机械级间阀612包含与主阀体619可分离的轴向凸形状短管阀620 (ACS阀)以耦合和解耦腔室B和C，且进而允许或防止腔室之间的流体连通。如图40中说明，ACS阀620可抵靠表面621密封，其可防止高压流体从燃烧腔室C传送回到压缩腔室B中。在ACS阀620移动且抵靠表面622密封时，级间阀612处于关闭状态，其防止高压流体从压缩腔室B传送到动力腔室C中。在如图40中说明的本发明的进一步示范性实施例中，动力活塞604突起636、圆盘633、偏置元件634和回动偏置元件(例如，弹簧)635功能相同于如先前在图39A到39J中说明的对应参考的柱塞523、偏置元件524和回动偏置元件525。
[0244]应注意，虽然以上段落论述阀620抵靠表面621密封以防止从腔室C到腔室B的高压流体传送且阀620抵靠表面622密封以防止从腔室B到腔室C的高压流体传送，但表面可防止任一方向上的流体流动。先前段落中的论述涉及在DPCE引擎的循环期间的示范性压力差。
[0245]在如图40中说明的本发明的另一示范性实施例中，偏置元件634的功能(例如，盘簧)是吸收当动力活塞604到达且推动轴向凸形状短管阀620时(同时推动圆盘633且完全挤压偏置元件634)作为动量(脉冲)产生的动能。应了解，动能倾卸机构(即，如偏置元件634说明的适当偏置元件)不限于上文相对于图40描述的实施例，但可在其它应用中使用，包含其它类型的双活塞循环引擎、分循环引擎、四冲程引擎和压缩机。
[0246]在一些实施例中，可收集引擎性能数据且处理以进一步优化如图21到44中描述的机械级间阀的性能。更具体来说，额外机械元件或电磁元件可用以精细调谐全部(或部分)级间阀412、512、612和712(见下一段落)致动定时以及打开与关闭状态之间的转变。这些元件可经受引擎控制系统(图中未图示)，如此项技术中通常已知。
[0247]图41说明根据本发明的示范性实施例的替代DPCE双气缸配置，其中压缩气缸49从动力气缸50偏移以提供两个气缸之间的最小导热性。在此实施例中，级间阀可位于两个气缸之间的重叠的小区域中(未图示)。
[0248]现在将参见图42A到42H论述级间阀712的示范性实施例。应了解，级间阀712的使用不限于本文描述的DPCE配置，但可在其它应用中使用，包含例如其它类型的分循环引擎、双活塞循环引擎、四冲程引擎和压缩机。
[0249]图42A说明DPCE双气缸配置，其中两个气缸以直列式配置彼此平行构造，压缩气缸701主管压缩活塞703，动力气缸702主管动力活塞704。根据本发明的示范性实施例，两个活塞以串联方式移动。在此实施例中，进气、排气和活塞相对相位角设定可以与上文所述类似的方式操作。如图42A到42H中所示，级间阀712位于耦合压缩气缸701和动力气缸702的横向通路中。不同于涉及动力活塞04的动力活塞轴向(水平)直接触碰的以上关于级间阀512和612操作的描述，级间阀712操作涉及动力活塞704垂直直接触碰。图44A中描绘的级间阀712可用作上文相对于图21到39描述的实施例中的级间阀412。
[0250]参见图42B和图42C，压缩气缸701和压缩活塞703界定压缩腔室B，且动力气缸702和动力活塞704界定动力腔室C。机械级间阀712可大体上包含主阀体719、DSAP阀720、柱塞723和偏置元件724 (例如盘簧)，其共同构成弹簧柱塞组件(SPC)。其还含有偏置元件机构组件725 (例如BMC、卷簧)和动力活塞突出部726。当在图42A到42H的实施例中使用时，机械级间阀712可分离压缩腔室B与燃烧腔室C。以此方式，腔室可具有不同压力的工作流体。机械级间阀712还包含DSAP阀720，其与主阀体719 —起作用以允许耦合或解耦压缩腔室B与燃烧腔室C之间的工作流体连通。如图42C中说明，DSAP阀720抵靠动力气缸侧的密封表面721密封，其防止从压缩腔室B到动力腔室C中的高压流体传送。如图42G中说明，当DSAP阀720抵靠压缩气缸侧的密封表面722密封时，阻止高压工作流体从动力腔室C传送回到压缩腔室B中。
[0251]图42D是当柱塞723由动力活塞突出部726朝向偏置元件724推动时机械级间阀712的横截面图。如图42D中说明，当动力活塞704接近其TDC时，活塞突出部726触碰柱塞723且抵靠偏置元件724部分地推动所述柱塞。尽管现在由柱塞723施加且通过偏置元件724传送到DSAP阀720的轴向力，仍防止DSAP阀720的任何轴向位移，因为其由腔室B中积累的压力强制地相反推动(因为在此时压缩活塞703正执行其压缩冲程)。而且，不仅通过由现在驻留于腔室B中的经压缩流体产生的力而且通过偏置元件机构组件725预加载力来朝向密封表面721推动DSAP阀720。偏置元件724上的这些相反力(通过柱塞在一侧上以及通过经压缩流体和BMC725在另一侧上产生的力)挤压偏置元件724 (比较图42C和42D中的偏置元件724位移)，其累积势能(将不久之后释放——参见下文)。
[0252]图42E是机械级间阀712的横截面图。如图42E中说明，动力活塞704进一步朝向其TDC移动，动力活塞704突出部726触碰且进一步推动柱塞723，同时还推动DSAP阀720，其强制地致使所述阀分裂打开(由通过密封表面722和721与DSAP阀720之间的间隙的黑箭头说明)。这导致DSAP阀720上的压力差量值的急剧下降。应注意，一方面，可有益的是动力活塞704到达DSAP阀720的触碰点实际上尽可能靠近动力活塞704TDC以便具有实现“软”触碰的较低的线性活塞速度。另一方面，以上描述的触碰点可能需要足够远离动力活塞704TDC，以便确保DSAP阀720的随后移动将在足够持续时间中且以正确的定时打开级间阀712，以便实现DSAP阀720上的差压的减小。在一些实施例中，动力活塞704到达DSAP阀720的定时可有利地处于打开阀将在压缩腔室B与动力腔室C之间形成足够的差压减少的点。应了解，由于动力活塞704紧密接近其TDC将力中继到DSAP阀720，因此动力活塞704线性速度相对缓慢且因此所建立接触是适度的。另外，在DSAP阀720分裂事件期间，紧密接近TDC的动力活塞704确保腔室C最小体积，其也有利于所述阀上的及时差压下降(即，腔室C压力水平的快速增加)而作用。
[0253]图42F是机械级间阀712的横截面图。如所说明，在动力活塞704开始移动远离其TDC时，偏置元件724膨胀，其使得柱塞723边缘能够倚靠撤退的动力活塞704突出部726，同时朝向宽打开位置进一步推动DSAP阀720，因此允许腔室B工作流体内含物流入腔室C。在动力活塞704突出部726继续其远离TDC的移动时，偏置元件724到达其完全膨胀状态，使柱塞723相对于DSAP阀720保持于其最大突出处。如图42F所示，机械级间阀712保持打开，从而允许工作流体传送从压缩腔室B到动力腔室C中继续。
[0254]图42G是机械级间阀712的横截面图。当动力活塞704突出部726继续其远离TDC的移动时，动力气缸腔室C中的燃烧造成腔室C压力的急剧增加。DSAP阀720由于以下三个事件而继续其朝向阀密封座722的惯性移动:(i)在动力活塞704到达且推动DSAP阀720期间形成的惯性力，(ii)偏置元件724膨胀能量释放，(iii)突然的腔室C压力突发(燃烧)，其设定腔室C与腔室B之间的高差压。在此阶段中，引擎动力冲程继续。DSAP阀720抵靠表面722密封解耦腔室C和腔室B。
[0255]图42H是机械级间阀712的横截面图。当动力活塞704接近其BDC时，排气阀打开(未图示)且燃烧过的气体排出，腔室C高压减小，其使得偏置机构组件(例如，BMC、卷簧)725能够膨胀且将DSAP阀720推回以抵靠表面721密封。一旦所述阀抵靠表面721密封，级间阀712便使压缩腔室B与动力腔室C之间的流体通路解耦，从而使得下一压缩冲程能够发生。
[0256]现在将参见图43论述机械级间阀812A和812B的示范性实施例。应了解，如图43和相关文字中描述的机械级间阀的使用不限于本文描述的DPCE，但可在其它应用中使用，包含例如其它类型的分循环引擎、双活塞循环引擎、四冲程引擎和压缩机。
[0257]图43说明DPCE三气缸配置，其中全部三个气缸配置彼此平行构造(直列式)，压缩气缸801主管压缩活塞803，动力气缸802A主管动力活塞804A，且动力气缸802B主管动力活塞804B。活塞803、804A、804B以串联方式移动，分别通过连接通道连接到曲柄轴和齿轮807、808A和808B(齿轮旋转方向由黑箭头标记)。在示范性实施例中，单个进气阀810、两个排气阀(81认和8118)、两个动力活塞804八和8048以及压缩活塞803设定和相对相位角中的每一者可以如上文描述(图21到41)类似的方式操作。然而，如图43所示，两个独立的级间阀812A和812B位于(例如)彼此相对的横向通路中。级间阀812A耦合压缩气缸801和动力气缸802A，且机械级间阀812B耦合压缩气缸801和动力气缸802B。级间阀812A和812B操作方法与上文相对于图42A到42H描述和说明的操作方法相同。具体来说，当通过其参考的动力活塞致动时，两个机械级间阀812A和812B能够以交替方式分别耦合或解耦压缩腔室B和动力腔室Cl或动力腔室C2。曲柄轴齿轮807在设计上比曲柄轴齿轮808A和808B小，以使得对于曲柄轴齿轮808A和808B的每一个完整一转，曲柄轴齿轮807转动两个完整转。而且，动力活塞804A相对于动力活塞804B的设定相位相差180度(曲柄轴旋转)。因此，因为经定向压缩活塞803独立地比两个动力活塞804A和404B两倍快地移动，所以此引擎配置在每一引擎输出轴完整转期间(参见图43中的输出轴位置)点火两次。图43描述分循环引擎，其使用单个压缩气缸内的单个压缩活塞以连续方式对两个动力气缸进行装填，同时压缩活塞曲柄轴旋转速率两倍于动力活塞曲柄轴旋转。如所属领域的技术人员可了解，图43中描述的原理可针对具有2个以上动力活塞的引擎实施:具体来说，分循环引擎，其使用单个压缩气缸内的单个压缩活塞以连续方式对(η个)动力气缸进行装填，同时压缩活塞曲柄轴旋转速率(每分钟圈数，RPM)根据以下等式高于动力活塞曲柄轴旋转:[压缩机RPM]=[燃烧器RPM] X (η)。在此布置中，(η个)动力气缸可彼此相位相差360/η度(曲柄轴旋转)。
[0258]虽然相对于齿轮描述以上实施例，但例如皮带和链条等其它可变旋转能量连接元件可用以提供压缩活塞和燃烧活塞的不同速度。
[0259]当考虑引擎功率重量比和引擎的紧凑封装时，利用其中单个压缩气缸馈送一个以上动力活塞的引擎是有益的，如所属领域的技术人员所了解。
[0260]图44说明DPCE三气缸配置，其中两个动力气缸902Α和902Β彼此平行构造(直列式)，且相对的单个压缩气缸901面对两个所述动力气缸。压缩气缸901主管压缩活塞903，动力气缸902Α主管动力活塞904Α，且动力气缸902Β主管动力活塞904Β。活塞904Α、904Β以串联方式移动，分别通过连接通道连接到曲柄轴和齿轮908Α和908Β (齿轮旋转方向由黑箭头标记)，而活塞903通过连接通道连接到曲柄轴和齿轮907Β，其又由旋转的齿轮907Α利用定时皮带和滑轮机构(例如)驱动。在示范性实施例中，单个进气阀910、两个排气阀(911Α和911Β)、两个动力活塞904Α和904Β以及压缩活塞903设定和相对相位角中的每一者可以如上文描述(图21到41)类似的方式操作。然而，如图44所示，两个独立且相同的级间阀912Α和912Β位于(例如)彼此相对的横向通路中。级间阀912Α耦合压缩气缸901和动力气缸902Α，且机械级间阀912Β耦合压缩气缸901和动力气缸902Β。级间阀912Α和912Β操作方法与上文相对于图40Α到40Η描述和说明的操作方法相同。具体来说，当通过其参考的动力活塞致动时，两个机械级间阀912Α和912Β能够以交替方式分别耦合或解耦压缩腔室B和动力腔室Cl或动力腔室C2。曲柄轴齿轮907Α在设计上比曲柄轴齿轮908Α和908Β小，例如以使得对于曲柄轴齿轮908Α和908Β的每一个完整一转，曲柄轴齿轮907Α转动两个完整转，这是通过定时皮带和滑轮机构(或此项技术中已知的任何其它动能递送机构，即，齿轮、传动轴、经由连接通道的曲柄轴，等等)。动力活塞904Α相对于动力活塞904Β的设定相位相差180度(曲柄轴旋转)。因此，因为经定向压缩活塞903独立地比两个动力活塞904Α和904Β两倍快地移动，所以此引擎配置在每一引擎输出轴完整转期间(参见图44中的输出轴位置)点火两次。图44描述分循环引擎，其使用单个压缩气缸内的单个压缩活塞以连续方式对两个动力气缸进行装填，同时压缩活塞曲柄轴旋转速率两倍于动力活塞曲柄轴旋转。如所属领域的技术人员可了解，图44中描述的原理可针对具有2个以上动力活塞的引擎实施:具体来说，分循环引擎，其使用单个压缩气缸内的单个压缩活塞以连续方式对(η个)动力气缸进行装填，同时压缩活塞曲柄轴旋转速率(每分钟圈数，RPM)根据以下等式高于动力活塞曲柄轴旋转:[压缩机RPM]=[燃烧器RPM] X (η)。在此布置中，(η个)动力气缸应彼此相差360/η度(曲柄轴旋转)通过。
[0261]当考虑引擎功率重量比和引擎的紧凑封装时，利用其中单个压缩气缸馈送一个以上动力活塞的引擎是有益的，如所属领域的技术人员所了解。
[0262]根据一个实施例，可在蒸气增强DPCE( “SE-DPCE”)中采用本文论述的交换阀。SE-DPCE可在动力气缸内包含内部气缸和外部气缸。SE-DPCE中的动力活塞也可包括双头活塞，其进一步包括圆盘形内部活塞和环形外部活塞。动力气缸还可包含:压缩空气阀，其位于外部动力气缸内且延伸到压缩气缸；蒸气/空气排气阀，其位于外部动力气缸内；外部排气壳，其包括经包裹的排气管；以及隔热层。在一个实施例中，动力气缸是使用高度传导材料制造以用于进一步热能利用。动力气缸的额外气缸可用以执行额外动力冲程。关于SE-DPCE的进一步细节在第7，273，023号美国专利申请案中描述，所述美国专利申请案的揭示内容以全文引用方式并入本文。
[0263]在一些实施例中，可收集引擎性能数据且处理以进一步优化本文描述的机械交换阀的性能。更具体来说，额外机械元件或电磁元件(例如，此些电磁元件也在颁与图尔(Tour)的2010年7月29日为
【公开日】的第US 2010/0186689 Al号美国专利申请案中描述，所述美国专利申请案的整个内容以全文引用方式并入本文)可用以精细调谐全部(或部分)交换阀在打开与关闭状态之间的致动定时和转变，包含全部引擎阀的可变阀定时。这些元件可经受引擎控制系统(图中未图示)，如此项技术中通常已知。另外，需要了解，如图中所示的各种元件的几何形状和相对定位仅是一个实施例，且例如推杆连接到DSAP阀的角度可不同，两个气缸相对定向可不同(例如成V形，其中两个气缸头共享交换阀，且如此项技术中已知可添加例如其它密封和润滑元件。
[0264]在一些实施例中，可通过从交换阀的两侧动作的两个凸轮轴来致动交换阀。在循环的第一凸轮轴拉动交换阀的点处，第二凸轮轴推动交换阀。在一些实施例中，具有两个此凸轮轴减少了要求或完全消除对交换阀回动弹簧的需要。在一些实施例中，具有两个此凸轮轴减少均衡作用于交换阀上的力。
[0265]在一些实施例中，交换阀可通过动力活塞直接接触而分裂打开，其帮助交换阀凸轮轴将交换阀从关闭I位置移动到打开位置。其中交换阀由活塞推动来偏置的分循环内燃机的此些优点也在颁与图尔的2011年11月30日为申请日的第61/565，286号美国临时申请案中描述，所述美国临时申请案的整个内容以全文引用方式并入本文。
[0266]此外，在一些实施例中，交换阀可为分循环引擎(DPCE)的部分，其中压缩气缸和动力气缸彼此成直列式(平行)布置，其中单个曲柄轴将连接到压缩活塞。单个曲柄轴将旋转运动转换为两个活塞的往复运动。在一个此实施例中，可例如安装低热传导材料的绝缘层以分离相对冷压缩气缸与相对热动力气缸，如此项技术中所常见。其中压缩气缸和动力气缸彼此成直列式(平行)布置且单个曲柄轴将连接到压缩活塞的分循环内燃机(DPCE)的此些优点也在颁与图尔的2011年11月30日为申请日的第61/565，286号美国临时申请案中描述，所述美国临时申请案的整个内容以全文引用方式并入本文。
[0267]此外，在一些实施例中，交换阀(或若干(η个)交换阀)可并入作为分循环引擎(DPCE)的部分，其使用单个压缩气缸内的单个压缩活塞以连续方式对两个或两个以上(η个)动气气缸内的两个或两个以上(η个)动力活塞进行装填，同时压缩活塞曲柄轴旋转速率(每分钟圈数，RPM)根据以下等式高于动力活塞曲柄轴旋转:[压缩机RPM]=[燃烧器RPM] X (η)，且动力活塞相对于彼此相位相差360/η。其中单个压缩活塞/气缸对两个或两个以上(η个)动力活塞/气缸进行装填的分循环内燃机的此些优点也在颁与图尔的2011年11月30日为申请日的第61/565，286号美国临时申请案中描述，所述美国临时申请案的整个内容以全文引用方式并入本文。
[0268]在本文描述的实施例中的任一者中，火花塞位于引擎压缩气缸头上、膨胀气缸头上、压缩和膨胀头(两个火花塞单元)上，或阀内的腔室(腔室Ε)中。使火花塞位于压缩气缸头中使得能够进一步撤退点燃定时，其在高速引擎旋转期间可为有益的。使火花塞位于膨胀气缸头中可降低压缩气缸温度。使火花塞位于阀内的腔室内可降低压缩温度。具有两个塞可提供以上优点中的任一者且为操作者给出更多选项。
[0269]在一些实施例中，在总压缩气缸体积加膨胀气缸体积加交换阀体积(腔室B、C和E)达到其组合最小体积之后短时间(例如，I到20曲柄轴度，且在一些实施例中，I到5曲柄轴度)，燃烧起始发生(起始/调谐)。当交换阀处于打开位置时，即流体可从压缩气缸流入燃烧气缸，可达到此最小体积。对于火花点燃(SI)引擎，燃烧可在交换阀的打开之后10到40曲柄轴度发生，且在一些实施例中，在交换阀的打开之后20到30曲柄轴度发生。对于压缩点燃(Cl)引擎，燃烧可在交换阀的打开之后5到25曲柄轴度发生，且在一些实施例中，在交换阀的打开之后5到15曲柄轴度发生。
[0270]在一些实施例中，引擎可在总压缩气缸体积加膨胀气缸体积达到其组合最小体积之后在14到28动力曲柄轴度处达到最小最佳定时[MBT](最大膨胀气缸压力)。
[0271]如本文使用，术语“死空间”(或“死体积”或“裂缝体积”)可理解为指代分循环引擎中压缩腔室与燃烧腔室之间的区域，其中所述空间在传送之后保持经压缩工作流体，且进而防止流体传送到燃烧腔室而参与燃烧。此死空间可为传送阀或连接管，或防止流体传送的其它结构。也可使用其它术语来描述此些结构。死空间的特定实例贯穿本发明论述，但可能不一定限于此些实例。
[0272]如本文使用，术语“交换阀”和“级间阀”可理解为可互换的，除非另外规定。
[0273]如本文使用，术语“流体”可理解为包含液体和气体状态。
[0274]如本文使用，“曲柄轴度”可理解为指代曲柄轴旋转的一部分，其中完整旋转等于360 度。
[0275]图或图式中字体的任何变化是意外的，不有意表示区分或强调。
[0276]虽然已参考附图结合本发明的实施例完整描述了本发明，但应注意，所属领域的技术人员将明了各种改变和修改。此些改变和修改应理解为包含在由所附权利要求书界定的本发明的范围内。本发明的各种实施例应理解为其已仅借助于实例而非限制来呈现。同样，各种图可描绘本发明的实例架构或其它配置，其完成以帮助理解本发明中可包含的特征和功能性。本发明不约束于所说明实例架构或配置，但可使用多种替代架构和配置来实施。另外，虽然上文在各种示范性实施例和实施方案方面描述本发明，但应了解，在个别实施例中的一或多者中描述的各种特征和功能性在其适用性方面不限于对其进行描述的特定实施例。其可改为单独或以某种组合应用于本发明的其它实施例中的一或多者，无论此些实施例是否描述，且无论此些特征是否呈现为所描述实施例的部分。因此，本发明的宽度和范围不应受到上文描述的示范性实施例中的任一者限制。
[0277]将了解，为了清楚，以上描述已参考不同功能单元和处理器描述本发明的实施例。然而将了解，在不偏离本发明的情况下可使用不同功能单元、处理器或域之间的任何合适的功能性分布。举例来说，经说明为由单独处理器或控制器执行的功能性可由同一处理器或控制器执行。因此，对特定功能单元的参考仅视为对用于提供所描述功能性的合适构件的参考，而不是指示严格的逻辑或物理结构或组织。
[0278]在本文档中使用的术语和短语及其变体除非另外明确陈述，否则都应构造为开放式的而不是限制性的。作为前述的实例:术语“包含”应阅读为意味着“包含但不限于”或类似物；术语“实例”用以提供讨论中的项目的示范性实例，不是其详尽或限制性列表；且例如“常规”、“传统”、“正常”、“标准”、“已知”和类似意义的术语等形容词不应解释为将所描述项目限制于给定时间周期，或限制于关于给定时间可用的项目。而是，这些术语应阅读为涵盖可用的、现在已知的或在未来任何时间可用的常规、传统、正常或标准技术。同样，用连词“和”连接的项目群组不应阅读为要求这些项目中的每一者和每个都呈现在群组中，而是应阅读为“和/或”，除非另外明确陈述。类似地，用连词“或”连接的项目群组不应阅读为要求所述群组中的相互排斥性，而是也应阅读为“和/或”，除非另外明确陈述。此外，虽然可以单数形式描述或主张本发明的元件或组件，但复数形式预期在本发明的范围内，除非明确陈述限于单数形式。在一些实例中例如“一或多个”、“至少”、“但不限于”或其它类似短语等拓宽的词语和短语的存在不应阅读为意味着在此些拓宽短语可能不存在的实例中既定或要求较窄的情况。
【权利要求】
1.一种内燃机，其包括: 燃烧腔室，其具有第一孔口 ； 压缩腔室，其具有第二孔口 ；以及 交换阀，其包括内部腔室、第一和第二阀座、阀头，以及所述阀头上的第一和第二阀面，其中 所述第一孔口允许所述燃烧腔室与所述内部腔室之间的流体连通， 所述第二孔口允许所述压缩腔室与所述内部腔室之间的流体连通， 所述第一阀面耦合到所述第一阀座以堵塞所述第一孔口， 所述第二阀面耦合到所述第二阀座以堵塞所述第二孔口 ；且 所述阀头在所述内部腔室内移动以使得所述交换阀交替地堵塞所述第一孔口和所述第二孔口 ；以及 偏置件，其提供力以帮助所述阀头在所述内部腔室内在所述第一和所述第二孔口的方向上移动，其中所述偏置件进一步包括凸轮轴、凸轮轴随动器、摇臂、回动弹簧以及推杆。
2.根据权利要求1所述的引擎，其中所述交换阀头在至少一个尺寸上比所述内部腔室小，以允许当所述阀头定位于所述内部腔室内且不堵塞所述第一孔口和所述第二孔口时所述压缩腔室与燃烧腔室之间流体连通。
3.根据权利要求1所述的引擎，其中所述燃烧腔室包括活塞且所述活塞包括活塞头上的突出部，其中所述突出部经配置以部分地占据所述第一孔口。
4.根据权利要求1所述的引擎，其中所述压缩腔室包括活塞且所述活塞包括活塞头上的突出部，其中所述突出部经配置以部分地占据所述第二孔口。
5.根据权利要求1所述的引擎，其进一步包括差压均衡器阀，所述差压均衡器阀耦合所述燃烧腔室与所述交换阀的所述内部腔室。
6.根据权利要求5所述的引擎，其中所述差压均衡器阀包括具有表面积比所述交换阀头的表面积小的差压均衡器阀头。
7.根据权利要求1所述的引擎，其中所述阀头包括至少一个孔口，所述至少一个孔口经配置以分别与所述第一和第二孔口处的第一至少一个堵塞和第二至少一个堵塞配合。
8.根据权利要求7所述的引擎，其中所述阀头包括选自由方形板配置和同心板配置组成的群组的一者。
9.根据权利要求1所述的引擎，其中所述压缩腔室和燃烧腔室彼此热隔离。
10.根据权利要求1所述的引擎，其中所述燃烧腔室与周围环境热隔离，使得所述燃烧腔室在操作期间维持在比所述周围环境热的温度。
11.根据权利要求1所述的引擎，其中所述压缩腔室包括位于所述压缩腔室的外部表面上的多个空气冷却肋部。
12.根据权利要求1所述的引擎，其中所述压缩腔室在其外壳内包括多个液体冷却通路。
13.根据权利要求1所述的引擎，其中所述燃烧腔室包括多个排气加热通路，用于利用由所述燃烧腔室排出的废气所提供的热来进一步加热所述燃烧腔室。
【文档编号】F02B19/18GK104302886SQ201280066985
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2012年11月30日 优先权日:2011年11月30日
【发明者】胡戈·本亚明·托尔, 奥代德·托尔, 吉拉德·托尔 申请人:托尔发动机股份有限公司