专利名称:活塞式内燃机的制作方法
本发明涉及一种至少有二个主汽缸的活塞式内燃机，主汽缸具有进气阀并通过中间阀与一个公共的副汽缸相连。副汽缸以二冲程制工作，在一个冲程中交替地用于二个主汽缸废气的二次膨胀，在后一个冲程中用于通过在它上面设有的至少一个排气阀排出废气，它具有几倍于主汽缸的容积。
在传统的四冲程活塞式内燃机中，燃料中所包含原始能量的各三分之一供给了废气和冷却系统。转变成机械功的剩余的三分之一能量，由于发动机中的气动及液压损失，使发动机输出的有效功率仅为略多于所投入的原始能量的四分之一。
“奥托”快燃发动机的特点为，在单位燃料消耗率最低时的工作状态下废气中氮氧化合物的含量较高;在最大功率工作状态，由于不完全燃烧而使单位燃料消耗率增加。为减少排出有害物质所作的废气后处理也同样提高了单位燃料消耗率。
在工作得最好的柴油机中其燃料消耗及有害物质的排出均少于具有同样功率的“奥托”发动机。但是在这种内燃机中还有多于50%的原始化学能量消耗于废气和冷却系统。废气剩余能量的一部分可以通过安装一个废气涡轮对发动机增压加以回收。当废气涡轮安装于发动机的出口时，由于转速很高需要一个昂贵的减速齿轮箱，在汽车发动机中这一齿轮箱还必须是可调的，并造成机械损失。
此外，已知在“绝热”发动机中采取隔热措施来减少由于冷却所造成的能量损失。但由此获得的大部分能量却提高了废气的剩余能量，这些能量仅能借助废气涡轮加以利用，但成本很高。
其它的一些解决方案(US-PS4289097和4367000，DE-SS3240563)是设计一种六冲程发动机，它们仅利用了冷却系统中所损失能量之一小部分，和常规内燃机相比在废气中的能量损失相同或甚至更大，因为通过六冲程循环的总压缩容积等于或大于膨胀容积。在这种发动机中有害物质的排放基本上没有怎么减少。
另外还有已知的活塞式内燃机，它们具有至少两个四冲程的主汽缸和一个安装于其上的二冲程副汽缸，用于利用在主汽缸的工作冲程之后还存在于废气中的膨胀能。然而此时在副汽缸中的压降很大，使剩余膨胀能的利用率很低。此外像传统发动机一样在这种发动机中燃料不可能完全燃烧，有害物质的排放并没有减少。在EP-OS6747中介绍了这样一种发动机。
本发明的目的在于提供一种尽可能简单的内燃机，它设有上述现有发动机的缺点并具有较高的效率、排出较少的有害物质。这一目的由导言中所述类型以“奥托”发动机以及柴油机的原理工作的内燃机通过下述特征加以实现副汽缸以单独的曲轴工作，它的角速度为主汽缸曲轴角速度的三分之二，在一个主汽缸的废气进入副汽缸之前，可以将由另一个主汽缸预压缩了的新鲜空气或预压缩了的新鲜空气-燃料混合物对副汽缸增压充气，相互错开三个冲程的两个主汽缸以六冲程制工作，其中前三个冲程与一般的四冲程发动机的前三个冲程相对应，接着的总是与副汽缸一起进行的二次膨胀冲程，在第五个冲程中吸入新鲜空气或新鲜空气-燃料混合物，这些新鲜空气或混合物在汽缸的第六个冲程中被预压缩，以用于接着对副汽缸增压充气。
本发明内燃机的结构方案使主汽缸中在预膨胀冲程期间的燃烧(该冲程相应于普通四冲程发动机在吸气和压缩冲程之后的工作冲程)可以在缺氧的条件下进行，而在副汽缸中(在二次膨胀期间)的燃烧可以在富氧的条件下进行。在主汽缸中在高的温度水平下进行燃烧时的氧气不足使空气中氮的氧化作用减小，在副汽缸中由于预先增压而使氧气过量，在那里可以在较低的温度下进行完全的可以利用的二次燃烧。由于温度较低，在那里形成的氮氧化合物也减少了。完全燃烧减少了排出的有害物质。
副汽缸新鲜空气的增压充气，其压力至大约为主汽缸中预膨胀冲程终了时的压力。由此避免了二次膨胀冲程开始时的压力损失。
在主汽缸第五和第六冲程中用空气进行的中间吹洗减小了冷却损失。在副汽缸中的二次膨胀减小了废气损失，副汽缸的容积为一个主汽缸容积的二倍至五倍。因此本发明发动机的原始能量消耗显著减小，从化学能转变为机械能的效率提高。
此外，本发明内燃机的结构方案使在接近二次膨胀冲程终了之前为了从处于二次膨胀冲程终了的那一个主汽缸向处于第一个吸气冲程终了的另一个主汽缸回授废气，所有的气缸通过中间阀连通起来，通过废气回授可以调整主气缸有效的吸气容积。因此可以在减少氮氧化合物和一氧化碳排出量的条件下调节扭矩。
本发明发动机中主汽缸的曲轴和副汽缸的曲轴通过一个速比为2比3的传动机构相连接。
当然可以将多个按本发明的各具有至少两个主汽缸和一个副汽缸的内燃机单元组合在一起共同工作。
下面借助于一个本发明活塞式内燃机的实施例参照附图对本发明作进一步说明。
图1为发动机示意图，图2为图1所示发动机的三个汽缸的容积随时间变化曲线，
图3为类似图1所示发动机的不同工作状态，从图1可见各带有一个进气阀EV1和EV2的主汽缸HZ1和HZ2。两个主汽缸HZ1和HZ2分别通过装在它们上面的中间阀ZV1和ZV2与一公共的副汽缸HZ相连。副汽缸HZ具有一个对汽缸HZ1、HZ2和HZ的整个系统为公用的排气阀AV。副汽缸的工作容积是一个主汽缸HZ1或HZ2工作容积的三倍至四倍。
副汽缸活塞在单独的曲轴NK上工作，它通过传动装置G与主汽缸HZ1和HZ2的曲轴K1和K2相连。
图1中所示的活塞和阀门的位置相应于图3.1，也就是相应于图2中以1所表示的时间点时活塞和阀门的位置。以虚线表示与之相对的死点的活塞和曲轴的位置。
图2中所示为三个汽缸HZ1、HZ2、NZ的工作容积变化曲线(上图为HZ1;中图为NZ;下图为HZ2)，给出了汽缸有效容积V(t)随时间的变化关系(曲轴K1、K2、NK角速不变)。
其符号表示IT…至…6T 第一冲程…至…第六冲程OT上死点 UT下死点A吸气 K压缩VE预膨胀 NE二次膨胀VK预压缩 L增压充气RE剩余膨胀 V排气ARF废气回授图3.1至3.8所示发动机工作状态表示主汽缸HZ1和HZ2以及副汽缸NZ在所选定的如在图2中的时间轴t中以1至8表示的时间点的活塞和阀门的位置。
在图2中可看到两个主汽缸HZ1，HZ2如下的工作冲程顺序，这两个主汽缸以六个冲程工作，它们相互相差三个冲程，并交替地对副汽缸NZ的汽缸工作容积产生影响。
第一冲程(从上死点向下死点)吸入新鲜空气或新鲜空气-燃料混合物;废气从处于接近第四冲程终了的另一主汽缸回授经副汽缸进入处于第一冲程终了的主汽缸中。
第二冲程(从下死点向上死点)压缩吸入的空气或空气燃料混合物。
第三冲程(从上死点向下死点)燃烧预膨胀。
第四冲程(从下死点向上死点)二次膨胀进入副汽缸;未完全燃烧的燃料二次燃烧，第五冲程(从上死点向下死点)第二次吸入新鲜空气或新鲜空气-燃料混合物。
第六冲程(从下死点向上死点)预压缩吸入的空气或空气-燃料混合物并向副汽缸增压充气至大约为第三冲程的终了压力。
辅助汽缸NZ按照图2以如下的冲程顺序的工作第一冲程(从上死点向下死点)a)由一个主汽缸在上死点增压充气b)二次膨胀，并在必要时与另一主汽缸共同进行二次燃烧c)剩余膨胀直至下死点第二冲程(从下死点向上死点)a)通过排气阀AV排出废气b)在上死点由另一主汽缸增压充气第一冲程(从上死点向下死点)如前述的第一冲程，但为另一个主汽缸第二冲程(从下死点向上死点)如前述的第二冲程但为另一个主汽缸在图3.1至图3.8中示意地给出了汽缸如下的工作状态图3.1为主汽缸HZ1的活塞处于它的上死点并在其第一冲程期间吸入新鲜空气或新鲜空气燃料混合物。主汽缸HZ2通过打开的中间阀ZV2与已增压的副汽缸相通;从主汽缸HZ2向副汽缸NZ的二次膨胀冲程开始;可以开始二次燃烧。
图3.2为主汽缸HZ1的活塞接近于下死点，另一主汽缸HZ2的活塞接近于上死点。所有的汽缸HZ1、HZ2、NZ在这一时间点通过中间阀ZV2、ZV1相连通，使在这一吸气冲程的终了废气被导入主汽缸HZ1(废气回授)，而这一活塞向下死点运动。
为防止废气进入进口，主汽缸HZ1的进汽阀EV1是关闭的。以这种方式可以调节主汽缸的吸气容积。
图3.3为主汽缸HZ1、HZ2的活塞达到了它们的死点。中间阀ZV1、ZV2关闭，进气阀EV2打开。在主汽缸HZ1中压缩冲程开始，在主汽缸HZ2中为另一个吸气冲程。在副汽缸NZ中进行剩余膨胀以完成其第一冲程，活塞向下死点运动。
图3.4为副汽缸NZ的活塞达到了它的下死点，排气阀AV打开，开始排出废气。在主汽缸HZ1、HZ2中继续压缩和吸气冲程。
图3.5为主汽缸HZ1、HZ2的活塞达到它们的上死点和下死点。在主汽缸HZ1中在燃料燃烧的条件下开始预膨胀。主汽缸HZ2的进气阀EV2关闭，预压缩开始。副汽缸NZ的活塞位于大约上行程一半的位置，继续排出废气。
图3.6为主汽缸HZ1、HZ2的活塞大约完成它们当时行程的一半。副汽缸NZ的活塞接近于它的上死点，废气大部分已排出。排气阀AV关闭，主汽缸HZ2的中间阀ZV2打开。主汽缸HZ2对副汽缸NZ增压充气主汽缸HZ1中继续预膨胀。
图3.7为主汽缸HZ1、HZ2分别达到它们的下死点和上死点。副汽缸NZ的增压充气结束，它的活塞还在上死点附近处于向下死点运动的途中。中间阀ZV1打开，中间阀ZV2关闭，而进气阀EV2打开。从主汽缸HZ1向副汽缸NZ的二次膨胀冲程开始;副汽缸NZ中的二次燃烧可以开始。这一状态与图3.1相对应，但是以交换了的主汽缸HZ1和HZ2。
图3.8为状态与图3.2相对应，但以交换了的主汽缸HZ1、HZ2。
权利要求
1.至少具有两个主汽缸(HZ1、HZ2)的活塞式内燃机，主汽缸具有进气阀(EV)并通过中间阀(ZV)与一个公共的副汽缸(NZ)相连。副汽缸以二冲程制工作并在一个冲程中交替地用于二个主汽缸(HZ1、HZ2)的废气二次膨胀，并在接着的下一个冲程中通过设置于它上面的至少一个排气阀(AV)排出废气。副汽缸具有几倍于主汽缸(HZ1、HZ2)的容积，其特征为；副汽缸(NZ)在其单独的曲轴(NK)上工作，它的角速度为主汽缸(HZ1、HZ2)曲轴(K1和K2)角速度的三分之二。副汽缸(NZ)在一个主汽缸(HZ1、HZ2)的废气进入之前，可以由被另一主汽缸(HZ2、HZ1)预压缩的新鲜空气或预压缩的新鲜空气-燃料混合物增压充气。相互错开三个冲程的这两个主汽缸(HZ1、HZ2)可以按六个冲程制工作，其中头三个冲程相应于普通的四冲程发动机的前三个冲程，接着的总是与副汽缸一起进行的二次膨胀冲程。第五个冲程吸入新鲜空气或新鲜空气-燃料混合物，这些新鲜空气或混合物在主汽缸的第六个冲程中被预压缩，以用于接着对辅助汽缸增压充气。
2.按照权利要求
1所述的活塞式内燃机，其特征为，接近二次膨胀的终了之前，为了从处于二次膨胀冲程终了的那一个主汽缸(HZ2或HZ1)和从副汽缸(NZ)将废气回授给处于第一个吸气冲程终了的另一个主汽缸中，所有的汽缸(HZ1、HZ2、NZ)可以通过中间阀(ZV)连通起来，这时主汽缸(HZ1和HZ2)有效的吸气容积可以通过废气回授进行调整。
3.按照权利要求
1或2所述的活塞式内燃机，其特征为，主汽缸(HZ1、HZ2)中的燃烧(在预膨胀冲程期间)可以在缺氧的条件下进行，而在副汽缸(NZ)中燃烧可以在富氧的条件下(在二次膨胀冲程期间)进行。
4.按照权利要求
1至3之一所述的活塞式内燃机，其特征为，主汽缸(HZ1、HZ2)的曲轴和副汽缸(NZ)的曲轴通过一个传动比为2比3的传动机构(G)连接起来。
专利摘要
内燃机具有至少二个以六冲程工作的主汽缸和以二冲程工作的副汽缸。这一组汽缸可以共同工作，在主汽缸的废气进入辅助汽缸进行二次膨胀之前以空气交替地对辅助汽缸增压充气。
文档编号F02B41/06GK86102231SQ86102231
公开日1986年12月31日 申请日期1986年4月1日
发明者海尔穆特·G·布鲁克 申请人:布鲁克和泽曼软燃料系统公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan