專利名稱：：高功率密度的柴油發(fā)動機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明通常涉及發(fā)動機(jī)，尤其涉及高功率密度的柴油發(fā)動機(jī)及其工作循環(huán)。現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出多種不同的發(fā)動機(jī)設(shè)計方案，發(fā)動機(jī)的設(shè)計是一種成熟的技術(shù)。兩種最常用的用于操縱發(fā)動機(jī)的氣體循環(huán)是內(nèi)燃機(jī)所采用的奧托循環(huán)和柴油發(fā)動機(jī)所采用的狄塞爾循環(huán)?；鸹c(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)或者說SI發(fā)動機(jī)使用易揮發(fā)燃料，即汽油，并利用火花在其缸內(nèi)引起燃燒。循環(huán)中的壓縮部分和膨脹部分都在同一氣缸內(nèi)進(jìn)行。在高功率密度(本文中的術(shù)語“高功率密度”是指馬力與重量的比值或馬力與立方英寸的比值至少為1.0)的SI發(fā)動機(jī)的發(fā)展過程中，遇到了兩個主要問題，即燃料消耗和汽油的揮發(fā)。汽油的揮發(fā)已經(jīng)有很多文獻(xiàn)證明，與儲存、運(yùn)輸和遠(yuǎn)距離使用有關(guān)的問題將不在本文中過多討論。考慮到經(jīng)濟(jì)性和耐久性，近年來在SI發(fā)動機(jī)的燃料經(jīng)濟(jì)性和耐久性方面有了重大突破，但是這些發(fā)動機(jī)還缺少其柴油發(fā)動機(jī)對應(yīng)物的性能。與SI發(fā)動機(jī)不同，柴油壓縮點(diǎn)火發(fā)動機(jī)，或者說CI發(fā)動機(jī)通過在氣缸內(nèi)產(chǎn)生高壓和到達(dá)自動點(diǎn)火溫度來引起燃燒。當(dāng)溫度和壓力足夠高時，燃料自動點(diǎn)燃而不需要火花。盡管在燃料經(jīng)濟(jì)性和柴油的較低揮發(fā)性上優(yōu)于SI發(fā)動機(jī)，但是CI發(fā)動機(jī)的功率密度比SI發(fā)動機(jī)低。以前對增加功率密度、減小柴油發(fā)動機(jī)尺寸的努力受到下面問題的困擾，即體積龐大的兩沖程增壓器、有限的壓力循環(huán)、由于過大的機(jī)械和熱負(fù)載而引起的結(jié)構(gòu)耐久性的問題和極差的燃料消耗?？紤]到各種現(xiàn)有技術(shù)發(fā)動機(jī)的上述和其它限制，可以看出，需要一種高功率密度的柴油發(fā)動機(jī)。因此，本發(fā)明的一個目的是提供這樣一種發(fā)動機(jī)。本發(fā)明還有一目的是提供一種用于使該發(fā)動機(jī)工作的新的氣體循環(huán)。為了實現(xiàn)上述和其它目的，本發(fā)明提供了一種具有有吸引力的高功率密度的潛力的柴油發(fā)動機(jī)設(shè)計方案，同時還保持理想的燃料經(jīng)濟(jì)性。該發(fā)動機(jī)自身的基本原理的前提是通過降低往復(fù)運(yùn)動裝置中的工作流體的膨脹比，并利用回收系統(tǒng)收回排氣能量和提供增壓，可以增加平均有效壓力。不過，其與普通的柴油發(fā)動機(jī)不同，普通的柴油發(fā)動機(jī)在起動時自動點(diǎn)火壓力不夠，需要很重的部件和延遲噴射技術(shù)來控制燃燒壓力峰值，而本發(fā)明的設(shè)計方案將壓縮過程和膨脹過程分離，從而可以有獨(dú)立的壓縮比和膨脹比，并且將端口控制的(port-controlled)膨脹與定容燃燒相結(jié)合。這使得本發(fā)明優(yōu)于現(xiàn)有的發(fā)動機(jī)和氣體循環(huán)，并在較低的膨脹壓力峰值下進(jìn)行工作，類似于汽油發(fā)動機(jī)。本發(fā)明的氣體循環(huán)在三個相互關(guān)聯(lián)的腔室中同時進(jìn)行，即壓縮氣缸、燃燒室和膨脹氣缸。起動時，壓縮氣缸通過底部進(jìn)氣口引入新鮮空氣，這類似于普通的兩沖程柴油機(jī)。隨后，壓縮氣缸內(nèi)的物質(zhì)通過壓縮活塞的向上或壓縮沖程而被壓縮，并通過進(jìn)氣口而輸入燃燒室中。壓縮活塞到上死點(diǎn)(TDC)后稍微過一會，燃燒室和包含在其中的壓縮物質(zhì)突然與壓縮氣缸分離。由于頂部空間很小，因此在壓縮氣缸中只留下最小的容積。然后，壓縮活塞向下運(yùn)動進(jìn)行其膨脹沖程，壓縮氣缸內(nèi)的壓力先快速減小，然后緩慢降低直至接近真空。當(dāng)壓縮活塞繼續(xù)其向下的沖程時，底部進(jìn)氣口打開，新鮮氣體涌入并充滿該接近真空的區(qū)域。在壓縮活塞進(jìn)行下一次向上或壓縮沖程的過程中，半閉進(jìn)氣口后不久，壓縮活塞開始壓縮第二物質(zhì)。在到達(dá)上死點(diǎn)(BTDC)之前，第二燃燒室與第二壓縮物質(zhì)連通，直到稍微過了TDC，這時該第二壓縮室也突然與壓縮氣缸分離。然后，壓縮活塞開始其向下的沖程，并重復(fù)其循環(huán)。與壓縮氣缸分離或隔開后，將燃料注入包含有壓縮物質(zhì)的燃燒室中。該燃燒室自身可以有熱線點(diǎn)火塞，最初燃料是直接噴射到熱線點(diǎn)火塞上，以點(diǎn)燃壓縮物。燃料噴射繼續(xù)進(jìn)行時，熱線點(diǎn)火塞從燃料噴射的位置移開，導(dǎo)致燃料噴射沖過燃燒室，從而在燃燒室中產(chǎn)生良好的燃料分配。在循環(huán)的這一時刻，在燃燒室內(nèi)充分進(jìn)行定容燃燒。包含有部分燃燒的注入燃料的燃燒室再與膨脹氣缸連通。在燃燒室對著膨脹氣缸打開之前，膨脹活塞開始其壓縮沖程，并在其向上的運(yùn)動過程中蓋住排氣口和掃氣(scavenging)口。當(dāng)膨脹活塞靠近TDC時，氣缸內(nèi)的掃氣物質(zhì)和殘余物質(zhì)的混合物被壓縮。這時，燃燒氣缸內(nèi)的局部燃燒的物質(zhì)被引入到膨脹氣缸內(nèi)的壓縮物質(zhì)中。因為高壓燃燒混合物從燃燒室進(jìn)入，因此膨脹氣缸內(nèi)的壓力升高。然后，在由于新引入的氧氣而使燃燒繼續(xù)時，膨脹氣缸壓縮所混合的物質(zhì)。在膨脹活塞的膨脹沖程中，膨脹活塞通過燃燒過程而輸出功。當(dāng)膨脹活塞進(jìn)行向下的沖程時，該活塞通向排氣口，將殘余物排出。當(dāng)膨脹活塞繼續(xù)其向下的沖程時，膨脹活塞通向掃氣口，新鮮的空氣掃氣在膨脹氣缸內(nèi)進(jìn)行。過了下死點(diǎn)(BDC)后，膨脹活塞關(guān)閉掃氣口和排氣口，開始壓縮其內(nèi)的掃氣物質(zhì)和殘余物的混合物，并準(zhǔn)備與第二燃燒室內(nèi)的燃燒物質(zhì)混合。在混合和進(jìn)一步壓縮和燃燒后，該膨脹活塞再開始其向下的沖程，同時再次輸出功。然后膨脹活塞重復(fù)其循環(huán)。在向膨脹氣缸排出后，燃燒室突然與膨脹氣缸隔開，并打開開口以掃除燃燒室內(nèi)的殘余燃燒產(chǎn)物。掃氣后，燃燒室關(guān)閉，并準(zhǔn)備通向壓縮氣缸和重復(fù)燃燒室的循環(huán)。通過下面對優(yōu)選實施例的說明和附加的權(quán)利要求書，并結(jié)合附圖，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)和好處。附圖簡介圖1所示為體現(xiàn)本發(fā)明原理的發(fā)動機(jī)的示意圖；圖2是圖1所示發(fā)動機(jī)的示意圖，還顯示了本發(fā)明的主要部件和它們彼此之間的聯(lián)系，其中所示的壓縮活塞靠近BDC；圖3a和3b是類似于圖2的示意圖，其中壓縮活塞在TDC，并且還定義了本發(fā)明的某些設(shè)計參數(shù)；圖4a、4b和4c示意表示了本發(fā)明的氣體循環(huán)的不同氣流狀態(tài)；圖5a和5b是類似于圖1的示意圖，其分別表示本發(fā)明中進(jìn)氣口的關(guān)閉和放氣口的打開以及燃料進(jìn)入燃燒室中；圖6a是表示用于確定壓縮機(jī)的幾何壓縮比的活塞位置的示意圖；圖6b是表示用于確定包括壓縮氣缸和燃燒室在內(nèi)的幾何壓縮比的壓縮機(jī)活塞位置的示意圖；圖6c是表示用于確定膨脹氣缸的幾何壓縮比的膨脹活塞位置的示意圖；圖6d是表示用于確定膨脹氣缸和燃燒室的幾何壓縮比的活塞位置的示意圖；圖7是用于本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)預(yù)燃室管的透視圖，還表示了形成于其中的一個燃燒室；圖8是圖7所示管的剖視圖，還顯示了穿過該管的冷卻劑通道和用于確定燃燒室自身的可拆卸插入件；圖9是本發(fā)明的理想氣體循環(huán)的曲線圖；圖10和11是本發(fā)明另一實施例的示意圖；圖12a、12b、13a和13b示意表示了可以用于本發(fā)明的調(diào)時(timing)機(jī)構(gòu)。參考附圖，圖1示意地示出了體現(xiàn)本發(fā)明原理的發(fā)動機(jī)，其總體以標(biāo)號10表示。該發(fā)動機(jī)主要包括底部單元或發(fā)動機(jī)氣缸體12、頂部單元或殼體14、如圖所示裝在蓋體16下面的調(diào)時皮帶、排氣總管18(該排氣總管可以隨發(fā)動機(jī)10內(nèi)的氣缸數(shù)而變化)和如圖所示與殼體14相連的掃氣總管20。在討論發(fā)動機(jī)10的內(nèi)部工作情況之前，先對圖9所示的理想氣體循環(huán)進(jìn)行說明。如圖9所示，理想氣體循環(huán)實際包括兩個相互聯(lián)系的循環(huán)，一個用于壓縮氣缸或壓縮機(jī)，一個用于膨脹氣缸或膨脹機(jī)。下面先介紹壓縮氣缸循環(huán)。顯然，在理想循環(huán)的說明中所說的容積只是為了說明的目的，它實際上取決于發(fā)動機(jī)10的具體實施情況。在沖程底部，如圖所示，處于下死點(diǎn)或者BDC的壓縮氣缸的容積(VBDC)剛好大于八立方英寸。當(dāng)燃燒室通向壓縮氣缸時，組合容積增加到大約9立方英寸。然后，壓縮活塞進(jìn)行向上或壓縮沖程，在壓縮氣缸和燃燒室的組合容積中對空氣的質(zhì)量或容積進(jìn)行壓縮，直到壓力大于35大氣壓且容積小于兩立方英寸。當(dāng)壓縮活塞處于TDC時，燃燒室突然與壓縮氣缸斷開。因此，壓縮氣缸的容積減小到低于一立方英寸。壓縮活塞再開始向下或膨脹沖程，可以看出，壓縮氣缸內(nèi)的壓力先快速下降，然后越來越慢，直到在BDC處接近真空。該循環(huán)自身再重復(fù)進(jìn)行。在膨脹氣缸的理想循環(huán)中，當(dāng)膨脹活塞處于BDC時，膨脹氣缸的容積剛好小于13立方英寸。當(dāng)膨脹氣缸開始它的壓縮沖程時，首先，容積快速減小，壓力緩慢增加。當(dāng)膨脹活塞接近TDC時，壓力增加越來越快，直到在體積大約2立方英寸時達(dá)到大約47大氣壓的峰值。這時，燃燒室通向膨脹氣缸，容積和壓力都相應(yīng)增加，這是由于在排出口對著膨脹氣缸打開以前在燃燒室內(nèi)進(jìn)行了等容加熱。在離開TDC的最初階段，組合的燃燒室和膨脹氣缸的容積增加，而其內(nèi)的壓力保持恒定。這是由于等壓加熱。當(dāng)容積大約為4立方英寸時，膨脹活塞繼續(xù)向下的沖程導(dǎo)致壓力減小和容積增加。在膨脹沖程中，輸出功。當(dāng)膨脹活塞到達(dá)BDC時，容積剛好小于14立方英寸，燃燒室突然與膨脹氣缸斷開，膨脹氣缸的容積減小。當(dāng)壓力接近大氣壓且容積剛好小于13立方英寸時，該膨脹氣缸重復(fù)其循環(huán)。再參考圖2，圖中示意地示出了發(fā)動機(jī)10的內(nèi)部工作情況。至少，該發(fā)動機(jī)10包括兩個氣缸，即一個壓縮氣缸22和一個膨脹氣缸24。曲軸26和28分別通過連接桿30和32而與壓縮活塞34和膨脹活塞36相連。通常在朝著各氣缸22和24的底端處有進(jìn)氣口38和40。當(dāng)活塞34和36靠近BDC時，該進(jìn)氣口露出或打開，使得新鮮空氣進(jìn)入壓縮氣缸22中，并將燃燒的雙重產(chǎn)物(bi-product)和殘余物質(zhì)從膨脹氣缸24中掃除。為了更有利于膨脹氣缸24的掃氣，膨脹氣缸24還有排氣口42。該排氣口42可以設(shè)置成在進(jìn)氣口40打開之前打開。通常在壓縮氣缸22和膨脹氣缸24的兩頂端之間的中心處有旋轉(zhuǎn)預(yù)燃室管44。將該管44可旋轉(zhuǎn)地安裝并支承于殼體14內(nèi)，以便繞縱向穿過管44而延伸的管軸46旋轉(zhuǎn)(在圖2中大體延伸到紙頁內(nèi))。如圖7所示，管44基本是圓柱形，在它的本體內(nèi)還確定有兩個預(yù)燃室或燃燒室48。燃燒室48在管44內(nèi)限定了基本上向外凹陷的碗狀物，也可以進(jìn)一步由插入件50限定，該插入件50可拆卸地壓配合到在管44內(nèi)所形成的空腔52中。這樣的結(jié)構(gòu)可以允許將該插入件50拆下并用另一個不同容積的插入件替換。因此，本發(fā)明的發(fā)動機(jī)10能很容易地改變?nèi)紵?8的容積，從而改變該發(fā)動機(jī)10的壓縮膨脹有效比。還確定有基本上穿過管44的中心的通道54。冷卻劑流體如油通過該通道54循環(huán)，從而不僅冷卻燃燒室48，還向管44自身和可以有一個或多個軸向和徑向槽56的密封件提供潤滑。潤滑油可以通過管44中的未示出的離心管道而提供。當(dāng)管44旋轉(zhuǎn)時，燃燒室48交替地與壓縮氣缸22和膨脹氣缸24連通。與壓縮氣缸22連通是通過進(jìn)氣口58而進(jìn)行的，而與膨脹氣缸24連通是通過放氣口60而進(jìn)行的。當(dāng)燃燒室48在壓縮氣缸22和膨脹氣缸24之間旋轉(zhuǎn)時，燃料從燃料注入器62注入燃燒室。此外，在殼體14和發(fā)動機(jī)氣缸體12中限定有冷卻劑通道64。該通道64使得冷卻劑如水和乙二醇混合物循環(huán)，從而冷卻整個發(fā)動機(jī)10。再參考圖3b，圖中顯示和定義了本發(fā)明的不同部件之間的一些相互關(guān)系。由箭頭66表示的傾斜角定義為壓縮氣缸22的中心軸與膨脹氣缸24的中心軸之間的夾角。優(yōu)選是，壓縮氣缸22與膨脹氣缸24之間的傾斜角66的范圍是從60度到90度。該范圍使得兩氣缸22和24能用一個管44。開口夾角由68表示，并定義為從管軸46引出并通過進(jìn)氣口58中心的線與從管軸46引出并通過放氣口60中心的線之間的夾角。優(yōu)選是，該開口夾角68的范圍是從85度到95度，以便高速工作。這樣的開口夾角使得燃料在燃燒室48從兩氣缸22和24之間關(guān)閉時注入，并在燃燒室48對著膨脹氣缸24打開開口之前引起燃燒。由標(biāo)號70表示的相位角定義為在TDC位置時膨脹活塞36相對于壓縮活塞34而超前的角度。優(yōu)選是，該相位角70范圍在55度至65度內(nèi)，從而能改變膨脹氣缸的壓縮比。如圖3b所示，以標(biāo)號72表示的碗狀物夾角定義為從管軸46和燃燒室48前緣74引出的線與從管軸46和燃燒室48后緣76引出的線之間的夾角。優(yōu)選是，該碗狀物夾角的范圍是從45度到65度，與開口夾角68類似，該碗狀物夾角也可使燃料在燃燒室48從氣缸22和24之間關(guān)閉時注入，并在燃燒室48對著膨脹氣缸24打開開口之前引起燃燒。在發(fā)動機(jī)10的工作過程中，在TDC后大約120°時，壓縮活塞34充分退回，從而打開進(jìn)氣口38，使得以箭頭78表示的新鮮空氣進(jìn)入壓縮氣缸22。這時，可以看出，已經(jīng)掃氣的燃燒室48還沒有與壓縮氣缸22連通。在TDC前大約120°時，壓縮活塞34向上移動足夠距離，從而關(guān)閉進(jìn)氣口，燃燒室48通過進(jìn)氣口58而相對于壓縮氣缸22打開。當(dāng)壓縮活塞34繼續(xù)其向上的沖程時，如圖4b所示，壓縮氣缸22內(nèi)的質(zhì)量/容積被壓縮，并通過進(jìn)氣口58進(jìn)入燃燒室48，如箭頭80所示。在壓縮活塞34到達(dá)TDC時，壓縮氣缸22內(nèi)的頂部空間最小。再稍微過一會，燃燒室48突然與壓縮氣缸分開，如圖5a所示。然后，壓縮活塞34開始其向下的沖程或膨脹沖程，如圖4c所示，導(dǎo)致壓縮氣缸的容積增加，壓力減小(接近真空)。此時，壓縮活塞充分退回，從而打開進(jìn)氣口38，再次如圖4a所示。這時，該壓縮活塞34重復(fù)上述循環(huán)，只是壓縮氣缸22內(nèi)的質(zhì)量/容積將被壓縮到兩個燃燒室48中的另外一個中。如圖5a所示，在離開壓縮氣缸22或與壓縮氣缸22隔開后，燃料馬上通過燃料注入器62而注入燃燒室48中。最初，燃料直接噴向熱線點(diǎn)火塞82上。在發(fā)動機(jī)10的起動操作過程中，該熱線點(diǎn)火塞的作用是增強(qiáng)燃燒室48內(nèi)的定容燃燒的產(chǎn)生。不過，發(fā)動機(jī)10開始工作并暖機(jī)后，燃燒室48內(nèi)的溫度和壓力條件足以產(chǎn)生自動點(diǎn)火。另一方面，通過改變預(yù)燃室管44與壓縮氣缸22之間的相對相位，可以在冷起動時采用較高的壓縮比，并在發(fā)動機(jī)10暖機(jī)后減小壓縮比。為了在冷起動時不需要流通塞，可以采用較高的起動壓縮比，并采用較低的工作時的有效壓縮比。通過使管44延遲點(diǎn)火，發(fā)動機(jī)暖機(jī)時的有效壓縮比降低，從而減小了燃燒室48內(nèi)的壓力峰值。該管44相對壓縮氣缸22的延遲點(diǎn)火或提前點(diǎn)火可以通過偏壓該管的調(diào)時皮帶或鏈條104來實現(xiàn)。在圖12a和12b中示意地示出了這一點(diǎn)，其中，由膨脹曲軸28驅(qū)動的管44分別提前點(diǎn)火和延遲點(diǎn)火，在圖13a和13b中，由壓縮曲軸26驅(qū)動的管44分別提前點(diǎn)火和延遲點(diǎn)火。調(diào)時件106可選擇地偏壓皮帶104，以便進(jìn)行延遲點(diǎn)火和提前點(diǎn)火。如圖12a、12b、13a和13b所示，壓縮曲軸和膨脹曲軸通過皮帶/鏈條108而變得相互不同步(timeoff)。通過采用類似的調(diào)時件110，氣缸彼此之間的相位關(guān)系同樣可以改變，圖12a和13a中相位提前，圖12b和13b中相位延遲。這樣的可變性使得該發(fā)動機(jī)能在多種工作條件下優(yōu)化，這一點(diǎn)本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解。因為管44繞其中心軸46旋轉(zhuǎn)，同時由于發(fā)動機(jī)氣缸體12中的燃料注入器62的固定位置，因此燃料并不是持續(xù)噴射到同一位置82。而是，在燃料注入過程中，燃料的噴射逐漸離開燃燒室48的前緣，使得注入燃料的噴射沖過燃燒室48，如圖5b所示。通過使注入燃料的噴射沖過燃燒室48，可以使燃燒室48內(nèi)的燃料分配良好，從而使得燃燒室48內(nèi)的混合和燃燒更完全。由于在固定容積的燃燒室內(nèi)進(jìn)行燃燒，因此燃燒室48內(nèi)的壓力顯著增加。在理想循環(huán)中，燃燒室48內(nèi)的壓力先于膨脹氣缸24和燃燒室48之間的放氣口60的打開，使得小于一立方英寸的容積內(nèi)的壓力大約為85個大氣壓。在圖9的理想循環(huán)中，燃燒室的該狀態(tài)總體上以標(biāo)號84表示。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，采用了三個燃料注入器62。各注入器62每到第三次噴射時工作一次，因此發(fā)動機(jī)10可以高速運(yùn)轉(zhuǎn)。因為相對較長的定容噴射和物質(zhì)由燃燒室48輸送到膨脹氣缸24時產(chǎn)生的湍流場，注入器62可以是單孔低壓部件，因此，本發(fā)明可以采用標(biāo)準(zhǔn)的注入器和注射泵。在燃燒室48中進(jìn)行燃燒時，管44使燃燒室48旋轉(zhuǎn)，從而有效地使放氣口60通向膨脹氣缸24。這時，膨脹活塞36靠近TDC，如圖4c所示，在膨脹氣缸24中的壓縮物與燃燒室48內(nèi)的燃燒物和殘余物混合。新鮮進(jìn)氣以及膨脹氣缸24中的壓縮物與燃燒室內(nèi)的燃燒物和殘余物的混合導(dǎo)致二次放熱，同時提高了發(fā)動機(jī)的燃燒效率。前述的將燃料注入燃燒室48中是在富油的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。通過富油注入，使得通過放氣口60開始放氣和與新鮮掃氣的膨脹氣缸混合后產(chǎn)生二次放熱。通過提供二次放熱，使燃燒效率增加，減少了NOx的形成。燃燒室48中的燃燒物和殘余物與膨脹氣缸24中的壓縮物的混合總體上以箭頭86表示。當(dāng)活塞到達(dá)TDC時，對混合物的進(jìn)一步壓縮能保證自動點(diǎn)火的產(chǎn)生。為了在通過放氣口60從燃燒室48向膨脹氣缸24內(nèi)放氣的過程中進(jìn)行散熱，放氣口60沿鋼襯套(insert)100排列。該襯套100如圖2所示。當(dāng)燃燒室48通過放氣口60繼續(xù)向膨脹氣缸24內(nèi)排放時，膨脹活塞36開始其膨脹或向下沖程，同時繼續(xù)燃燒且發(fā)動機(jī)10對外作功。隨后，排氣和殘余物通過排氣口42排出，而最終產(chǎn)物從燃燒室48中排放，這分別以箭頭88和90表示。在膨脹活塞36到達(dá)BDC之前，進(jìn)氣口40打開，并利用以箭頭92表示的掃氣空氣而從膨脹氣缸24中清除燃燒副產(chǎn)品和殘余物。膨脹氣缸24的掃氣如圖4b所示。為了保證膨脹氣缸24的有效掃氣，設(shè)有向進(jìn)氣口40提供掃氣空氣的正壓源。該正壓氣源可以通過多種方法提供，包括但不限于利用鼓風(fēng)機(jī)、增壓器或曲軸箱掃氣技術(shù)。在膨脹氣缸24的壓縮沖程中，膨脹活塞的繼續(xù)前進(jìn)使得掃氣口和排氣口42關(guān)閉，在膨脹氣缸24內(nèi)重新充入的物質(zhì)被壓縮。之后，已進(jìn)行自身循環(huán)的第二燃燒室48通過放氣口60而對著膨脹氣缸24打開。然后膨脹氣缸24重復(fù)對于第二燃燒室48的上述循環(huán)。圖6a至6d分別表示了壓縮氣缸22和膨脹氣缸24的幾何壓縮比。幾何壓縮比和有效壓縮比的區(qū)別在于，有效壓縮比是以所有氣缸孔剛好關(guān)閉時的活塞位置為基準(zhǔn)而確定的，而幾何壓縮比是以活塞在下死點(diǎn)時為基準(zhǔn)而確定的。而且，壓縮比與膨脹比對于各氣缸來說包含燃燒室容積和其對壓縮氣缸22和膨脹氣缸24的壓縮比的影響。壓縮機(jī)的壓縮比和膨脹機(jī)的膨脹比都包括燃燒室的容積，而壓縮機(jī)的膨脹比和膨脹機(jī)的壓縮比都不包括燃燒室的容積。為了調(diào)整壓縮氣缸22的運(yùn)動與膨脹氣缸24的運(yùn)動之間的時間關(guān)系，提供有與氣缸22和24的曲軸26和28配合的調(diào)時鏈條或皮帶。而且，管44的旋轉(zhuǎn)也能夠通過與壓縮氣缸的曲軸26或膨脹氣缸24的曲軸28之一配合的類似的調(diào)時鏈條或皮帶來控制。該管的轉(zhuǎn)速是曲軸轉(zhuǎn)速的一半。管44基本沿軸向裝于由殼體14限定的圓柱形腔體94內(nèi)。該管44由軸承(未示出)支承，該軸承使得該管44能在腔體94內(nèi)相對于殼體14旋轉(zhuǎn)。因為該管44與殼體14都受到極端的溫度條件，為增強(qiáng)散熱和加強(qiáng)發(fā)動機(jī)10的結(jié)構(gòu)完整性，可以提供作為腔體94襯里的鋼襯套96。而且，為了隔離和密封燃燒室48，防止燃燒過程中燃?xì)庑孤?4必須有密封件(未示出)，該密封件在燃燒室48的兩端環(huán)繞該管44而沿周向延伸，并且該密封件在燃燒室48之間軸向沿管44延伸。為了安裝該密封件，管44形成有上面提到的徑向和軸向槽56。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道，密封可以以多種結(jié)構(gòu)實施。在從膨脹氣缸24關(guān)閉后并在通向壓縮氣缸22之前，對燃燒室48進(jìn)行掃氣，以便從燃燒室48中除去殘余物。燃燒室48的掃氣可以通過多種機(jī)構(gòu)實現(xiàn)，這些機(jī)構(gòu)包括但不限于曲軸箱掃氣系統(tǒng)，或者是通過采用正壓掃氣系統(tǒng)而實現(xiàn)。為了進(jìn)行掃氣，殼體14上有孔(未示出)，在利用正壓掃氣的情況下，使用上游鼓風(fēng)機(jī)(未示出)。上述發(fā)動機(jī)10的模擬實驗證明，該柴油發(fā)動機(jī)的總體功率密度能夠大于1.0。通過對基于下面設(shè)計參數(shù)的渦輪增壓發(fā)動機(jī)的研究，功率密度可以達(dá)到1.78馬力/立方英寸。設(shè)計參數(shù)如下<tablesid="table1"num="001"><table>參數(shù)壓縮氣缸膨脹氣缸膨脹相位角60°氣缸孔5.72cm7.54cm曲軸沖程4.83cm5.59cm連桿長度12.12cm11.68cm幾何膨脹比90.1612.50有效膨脹比76.868.33幾何壓縮比16.517.52有效壓縮比14.1911.53余隙容積1.39cc15.12cc排出容積123.80cc249.78cc</table></tables><tablesid="table2"num="002"><table>管/燃燒室參數(shù)燃燒室軸向長度2.54cm碗狀物夾角55°開口夾角92.77°碗狀物容積6.60cc</table></tables><tablesid="table3"num="003"><table>發(fā)動機(jī)性能結(jié)果容積效率58.4％發(fā)動機(jī)指示功率84.4hp發(fā)動機(jī)制動功率78.3hp總制動功率81.0hp</table></tables>發(fā)動機(jī)10除了通過膨脹氣缸24的曲軸28提供輸出功率之外，因為管44直接或間接與曲軸28配合，因此也可以以管44的輸出端102為多種裝置提供動力，該管的輸出端102從殼體14中伸出并穿過殼體14，并且轉(zhuǎn)速為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的一半。通過說明而不是限定，由管44的輸出端102提供動力的兩個裝置或元件包括向殼體14和發(fā)動機(jī)氣缸體12提供冷卻劑的水泵104(見圖1)和飛機(jī)螺旋槳。雖然圖示的發(fā)動機(jī)10采用雙曲軸26和28，但是，通過改變壓縮氣缸22和膨脹氣缸24相對于管44的位置，可以很容易地將發(fā)動機(jī)10改成采用單個的公共曲軸。當(dāng)使用的氣缸超過兩個(一個壓縮氣缸和一個膨脹氣缸)時，既可以采用單曲軸，也可以采用雙曲軸。當(dāng)使用雙曲軸時，可以采用單個管44而氣缸在內(nèi)側(cè)相對布置。當(dāng)使用單曲軸時，可以提供在外側(cè)相對布置的四個氣缸的發(fā)動機(jī)。在這樣的結(jié)構(gòu)中，可采用兩個管，每個管用于一對在外側(cè)相對布置的氣缸，這兩個管能夠使用公共曲軸并完全不同步。四缸的、內(nèi)側(cè)相對布置的雙曲軸單管的設(shè)計方案如圖10所示，而四缸的、外側(cè)相對布置的、單曲軸雙管的實施例如圖11所示。雖然上述說明介紹了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是應(yīng)當(dāng)知道，在不脫離附加權(quán)利要求書的適當(dāng)范圍和清楚意義的情況下，可對本發(fā)明進(jìn)行改進(jìn)、改變和變化。權(quán)利要求1．一種發(fā)動機(jī)，包括一發(fā)動機(jī)氣缸體，該發(fā)動機(jī)氣缸體內(nèi)限定有一壓縮氣缸和一膨脹氣缸；一個在所述壓縮氣缸內(nèi)的往復(fù)壓縮機(jī)構(gòu)，一個在所述膨脹氣缸內(nèi)的往復(fù)膨脹機(jī)構(gòu)，所述各往復(fù)機(jī)構(gòu)與一曲柄軸相連，所述各往復(fù)機(jī)構(gòu)安裝成能在所述氣缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動；一預(yù)燃室管，該預(yù)燃室管內(nèi)限定有兩個定容燃燒室，并限定有穿過其中的縱向管軸，所述燃燒室位于所述管的相對側(cè)，并基本上成向外凹陷的形狀；一殼體，該殼體有限定了一空腔的部分，該空腔內(nèi)用于安裝所述管，所述殼體與所述發(fā)動機(jī)氣缸體配合，并包括限定了進(jìn)氣口和膨脹口的部分，所述開口分別在所述管與所述壓縮氣缸之間和所述管與所述膨脹氣缸之間形成通道，所述管可旋轉(zhuǎn)地由所述殼體支承，并且所述管軸的朝向基本上與由壓縮氣缸和膨脹氣缸限定的氣缸軸線垂直，還有使所述管旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)裝置；調(diào)時裝置，以便協(xié)調(diào)所述往復(fù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動和所述管的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；一燃料注入器，該燃料注入器的位置適于向所述燃燒室內(nèi)注入燃料；以及所述管是這樣旋轉(zhuǎn)的，即，所述燃燒室依次通過所述進(jìn)氣口而與所述壓縮氣缸連通，然后斷開與所述壓縮氣缸的連通，并進(jìn)入從所述燃料注入器接受燃料的位置，然后通過所述膨脹口而與所述膨脹氣缸連通。2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機(jī)，其中所述進(jìn)氣口和膨脹口確定了一開口夾角，所述開口夾角小于120度。3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機(jī)，其中所述進(jìn)氣口和膨脹口確定了一開口夾角，所述開口夾角處于從大約85度至100度的范圍內(nèi)。4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機(jī)，其中所述進(jìn)氣口和膨脹口確定了一開口夾角，所述開口夾角處于從大約90度至95度的范圍內(nèi)。5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機(jī)，其中所述壓縮氣缸和膨脹氣缸確定了一傾斜角，所述傾斜角小于90度。6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機(jī)，其中所述傾斜角處于從大約40度至70度的范圍內(nèi)。7．根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機(jī)，其中所述燃燒室確定了一碗狀物夾角，所述碗狀物夾角小于90度。8．根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機(jī)，其中所述碗狀物夾角處于從大約45度至65度的范圍內(nèi)。9．根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機(jī)，其中所述殼體包括限定了穿過其中的冷卻劑通道的部分。10．根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)動機(jī)，其中水通過所述冷卻劑通道而循環(huán)。11．根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機(jī)，其中所述管包括限定了穿過其中的冷卻劑通道的部分。12．根據(jù)權(quán)利要求11所述的發(fā)動機(jī)，其中油通過所述冷卻劑通道而循環(huán)。13．根據(jù)權(quán)利要求12所述的發(fā)動機(jī)，其中所述油使所述管上的密封環(huán)潤滑。14．根據(jù)權(quán)利要求13所述的發(fā)動機(jī)，其中所述油通過所述管內(nèi)的管道而離心地供給所述密封環(huán)。15．根據(jù)權(quán)利要求13所述的發(fā)動機(jī)，其中徑向銷防止所述密封環(huán)相對于所述管的相對旋轉(zhuǎn)。16．根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機(jī)，其中所述調(diào)時裝置是可變的，以改變所述往復(fù)膨脹機(jī)構(gòu)相對于所述往復(fù)壓縮機(jī)構(gòu)的超前量。17．根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機(jī)，其中所述調(diào)時裝置是可變的，以使所述管相對于所述往復(fù)壓縮機(jī)構(gòu)和往復(fù)膨脹機(jī)構(gòu)中的一個或者相對于所述往復(fù)壓縮機(jī)構(gòu)和往復(fù)膨脹機(jī)構(gòu)而提前點(diǎn)火和延遲點(diǎn)火。18．根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機(jī)，其中所述往復(fù)機(jī)構(gòu)與一公共曲軸相連。19．根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機(jī)，其中所述各往復(fù)機(jī)構(gòu)與單獨(dú)的曲軸相連。20．根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機(jī)，其中所述燃燒室由可拆卸地安裝在所述管上的插入件確定。21．根據(jù)權(quán)利要求20所述的發(fā)動機(jī)，其中所述插入件是可與不同容積的其它插入件互換的。22．根據(jù)權(quán)利要求20所述的發(fā)動機(jī)，其中所述插入件由鋼構(gòu)成。23．根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機(jī)，其中所述膨脹口包括一裝于其中的襯套。24．根據(jù)權(quán)利要求23所述的發(fā)動機(jī)，其中所述襯套由鋼構(gòu)成。25．根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機(jī)，其中所述殼體的所述空腔包括裝于其中的襯套插入件。26．根據(jù)權(quán)利要求25所述的發(fā)動機(jī)，其中所述襯套由鋼構(gòu)成。27．根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機(jī)，其中所述膨脹氣缸包括限定于其中的掃氣口和排氣口。28．根據(jù)權(quán)利要求27所述的發(fā)動機(jī)，其中所述掃氣口與包圍所述曲軸的曲軸箱配合，并提供正壓空氣以便用于所述膨脹氣缸的曲軸箱掃氣。29．根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機(jī)，其中所述壓縮氣缸包括限定于其中的掃氣口，進(jìn)氣閥位于所述氣缸中，并在其膨脹沖程中對所述壓縮氣缸充氣。30．根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機(jī)，還包括對所述燃燒室進(jìn)行掃氣的掃氣裝置。31．根據(jù)權(quán)利要求30所述的發(fā)動機(jī)，其中所述掃氣裝置包括鼓風(fēng)機(jī)。32．根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機(jī)，還包括一水泵，所述泵與所述管的輸出軸配合并由該輸出軸驅(qū)動。33．根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機(jī)，其中所述發(fā)動機(jī)是柴油發(fā)動機(jī)。34．一種發(fā)動機(jī)的操作方法，所述方法包括以下步驟向壓縮氣缸內(nèi)引入一定容積的空氣；在發(fā)動機(jī)的第一氣缸中壓縮該容積的空氣；將壓縮容積的空氣從該第一氣缸輸入到一定容燃燒室；在燃燒室中將燃料與壓縮容積的空氣混合；在燃燒室中點(diǎn)燃燃料和壓縮容積的空氣的混合物；在燃燒室中燃燒混合物；使燃燒的混合物與發(fā)動機(jī)的膨脹氣缸內(nèi)的壓縮容積的空氣混合；在開始對著膨脹氣缸開口后，進(jìn)一步壓縮燃燒的混合物，從而在膨脹氣缸中進(jìn)一步燃燒混合物，增加發(fā)動機(jī)的燃燒效率；使在膨脹氣缸和燃燒室內(nèi)的燃燒后的混合物的容積膨脹；在膨脹氣缸和燃燒室內(nèi)的燃燒后的混合物的容積膨脹過程中，對外輸出功；以及將燃燒副產(chǎn)品從膨脹氣缸中排出。35．根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，還包括以下步驟使燃燒室內(nèi)的壓縮的空氣容積與壓縮氣缸隔開。36．根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中所述混合步驟包括以下步驟將燃料注入燃燒室中，并在噴射燃料時使燃燒室相對于燃料噴入點(diǎn)運(yùn)動。37．根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中所述點(diǎn)火步驟是由壓縮引起的。38．根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中所述混合步驟包括以下步驟使燃燒室內(nèi)的容積壓縮的空氣運(yùn)動并經(jīng)過燃料注入器，并在壓縮容積經(jīng)過時將燃料注入燃燒室內(nèi)的空氣壓縮容積中。39．根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，其中在燃燒室經(jīng)過時，基本上在整個期間進(jìn)行燃燒。40．根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中所述燃料的混合產(chǎn)生了富油混合物。41．一種從可燃流體中輸出功的方法，所述方法包括以下步驟壓縮一定容積的空氣；將燃料注入容積壓縮的空氣中，以生成燃料/空氣混合物；燃燒該燃料/空氣混合物，同時在進(jìn)行燃燒處理的部分中使容積保持恒定；部分壓縮第二容積的空氣；將正在燃燒的燃料/空氣混合物引入部分壓縮的第二空氣容積中，從而形成第三容積，增強(qiáng)燃料/空氣混合物的燃燒；壓縮該第三容積，并繼續(xù)燃燒；以及使第三容積膨脹，并在第三容積的膨脹過程中輸出功。42．根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，還包括以下步驟在所述壓縮步驟后將容積壓縮的空氣隔開。43．根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，其中所述注入步驟包括以下步驟相對于壓縮的容積而改變?nèi)剂系膰娙朦c(diǎn)，該改變可以在注入步驟的整個過程進(jìn)行。44．根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，還包括進(jìn)行壓縮循環(huán)的步驟，該步驟包括所述壓縮一定容積的空氣的步驟，并且其還包括以下步驟將容積壓縮的空氣的主要部分與剩余的容積隔開，使剩余容積膨脹，從而使其壓力減小至接近真空，吸入一定量的空氣以取代所述真空，并壓縮該空氣容積并重復(fù)該循環(huán)。45．根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，還包括進(jìn)行膨脹循環(huán)的步驟，該步驟包括以下步驟部分壓縮第二容積的空氣，將燃燒的燃料/空氣混合物引入第二空氣容積中，以形成第三容積，壓縮該第三容積并進(jìn)一步燃燒該燃料/空氣混合物，使該第三容積膨脹并輸出功，利用一定容積的空氣排出該第三容積，部分壓縮該空氣容積并重復(fù)該循環(huán)。全文摘要發(fā)動機(jī)(10)包括一發(fā)動機(jī)氣缸體(12),其內(nèi)具有壓縮氣缸(22)和膨脹氣缸(24)。壓縮活塞(34)位于壓縮氣缸(22)中,膨脹活塞(36)位于膨脹氣缸(24)中。各活塞連接曲柄軸(26,28)。一可旋轉(zhuǎn)的預(yù)燃室管(44)位于與發(fā)動機(jī)氣缸體(12)配合的殼體(14)中,該預(yù)燃室管中有兩個定容燃燒室(48)。進(jìn)氣口和膨脹口分別形成使壓縮氣缸(22)和膨脹氣缸(24)與管(44)的燃燒室(48)連通的通道。該管(44)自身可旋轉(zhuǎn)地支承在殼體(14)內(nèi),它的軸線(46)的方向基本垂直于氣缸軸線。發(fā)動機(jī)(10)是這樣工作的:燃燒室(48)依次通過進(jìn)氣口與壓縮氣缸(22)連通,斷開與所述壓縮氣缸(22)的連通,到達(dá)從燃料注入器(62)接受燃料并點(diǎn)火燃燒的位置,然后通過膨脹口與膨脹氣缸(24)連通,以完成燃燒過程。文檔編號F02G3/02GK1298472SQ99805504公開日2001年6月6日申請日期1999年3月17日優(yōu)先權(quán)日1998年3月17日發(fā)明者道格拉斯·M·貝克申請人:特卡特工程公司