專利名稱：雙活塞循環(huán)發(fā)動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及內(nèi)燃機，更具體地說，涉及一種比傳統(tǒng)的內(nèi)燃機更有效的雙活塞循環(huán)發(fā)動機(DPCE)。
背景技術(shù)：
應(yīng)該理解，內(nèi)燃機現(xiàn)在十分普遍且已經(jīng)使用了 100多年。通常，內(nèi)燃機包括一個或多個汽缸。每個汽缸包括單個實施四個沖程的活塞，這四個沖程通稱為進氣、壓縮、燃燒/驅(qū)動和排氣沖程，它們一起形成傳統(tǒng)活塞的一個完整循環(huán)。
傳統(tǒng)內(nèi)燃機的主要問題是低的燃料效率。據(jù)估計，由傳統(tǒng)發(fā)動機產(chǎn)生的潛在燃料熱能的一半消耗在發(fā)動機結(jié)構(gòu)中而沒有增加任何有用的機械功。這種熱能浪費的主要原因是傳統(tǒng)發(fā)動機的必要冷卻要求。冷卻系統(tǒng)(例如，散熱器)單獨地就可比實際轉(zhuǎn)化成有用功的總熱量更快速率和更多數(shù)量地消耗熱量.。傳統(tǒng)內(nèi)燃機的另一問題是，盡管使用加熱再生或再循環(huán)方法可提供較高的燃燒溫度，但是它們無法增大效率。
傳統(tǒng)的發(fā)動機存在效率問題的另一原因是，在進氣和壓縮沖程中，汽缸中的高溫會使活塞難以工作，因此在這些沖程中效率更低。
與現(xiàn)有的內(nèi)燃機相關(guān)的另一缺點是，它們無法進一步增高燃燒溫度和壓縮比；盡管理論上在驅(qū)動沖程中升高腔室溫度和增大壓縮比可提高效率。
傳統(tǒng)發(fā)動機的另一問題是它們的不完全化學(xué)燃燒過程，從而會引起有害的廢氣排放。
盡管這些裝置可適于它們所針對的特定目的，但是它們不如所提出的DPCE有效，DPCE采用了有溫差的雙汽缸，這兩個汽缸將傳統(tǒng)的四個活塞沖程分成分別由相應(yīng)的雙活塞中的每一個來實施的兩個低溫沖程(進氣和壓縮)和兩個高溫沖程(驅(qū)動和排氣)。
盡管他人己經(jīng)預(yù)先公開了雙活塞內(nèi)燃機的結(jié)構(gòu)，但是還沒有人提供本發(fā)明的基
本效率和性能改進。例如，Casaday的美國專利第1,372,216號公開了一種雙活塞內(nèi)燃機，其中，汽缸和活塞相應(yīng)地設(shè)置成對。點火汽缸的活塞在壓縮汽缸的活塞之前移動。Thurston等的美國專利第3,880,126號公開了一種兩沖程循環(huán)的分裂式汽缸內(nèi)燃機。進氣汽缸的活塞在動力汽缸的活塞之前移動稍稍小于半個沖程。進氣汽缸壓縮填充物，且將填充物轉(zhuǎn)移至動力汽缸，在動力汽缸中該填充物與來自先前循環(huán)的燃燒產(chǎn)物的殘余填充物混合，并且在點火之前被迸一步壓縮。Scuderi的美國專利申請第2003/0015171 Al號公開了一種四沖程循環(huán)內(nèi)燃機。第一汽缸內(nèi)的驅(qū)動活塞連接至曲軸，且實施四沖程循環(huán)的驅(qū)動和排氣沖程。第二汽缸內(nèi)的壓縮活塞也連接至曲軸，且在曲軸的同一個轉(zhuǎn)動過程中實施同一個四沖程循環(huán)的進氣和壓縮沖程。第一汽缸的驅(qū)動活塞在第二汽缸的壓縮活塞之前移動。Suh等的美國專利第6,880,501號公開了一種內(nèi)燃機，該內(nèi)燃機具有一對汽缸，每個汽缸都包含連接至曲軸的活塞。 一個汽缸適于進氣和壓縮沖程。另一汽缸適于驅(qū)動和排氣沖程。Brackett的美國專利第5,546,897公開了一種多汽缸的往復(fù)式活塞內(nèi)燃機，該內(nèi)燃機可實施兩個、四個或柴油發(fā)動機動力循環(huán)。
然而，這些參考文獻沒有公開如何區(qū)分汽缸溫度以有效地將點火(動力)汽缸與壓縮汽缸和周圍環(huán)境隔離。這些參考文獻也沒有公開如何使汽缸和周圍環(huán)境之間的相互溫度影響最小化。此外，這些參考文獻沒有公開比傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽缸進一步升高點火汽缸的溫度和降低壓縮汽缸的溫度的發(fā)動機改進，以改進發(fā)動機效率和性能。具體地說，降低壓縮汽缸的溫度允許減小壓縮功的投入，而增高動力汽缸的溫度允許增大加熱再生。此外，在這些參考文獻中公開的各個汽缸都由在汽缸之間產(chǎn)生"死區(qū)"容積的某種輸送閥或中間通道來連接，從而使氣體積聚在汽缸之間且進一步降低發(fā)動機的效率。此外，上述的這些現(xiàn)有技術(shù)的參考文獻沒有說明一種能使汽缸之間的死區(qū)最小化同時隔離諸汽缸以保持汽缸之間提高溫差的相對的或"V"形的汽缸和曲軸構(gòu)造。
Clarke的美國專利第5,623,894號公開了一種雙壓縮和雙膨脹的內(nèi)燃機。包含兩個活塞的內(nèi)殼在形成各個單獨腔室的外殼內(nèi)移動以用于壓縮和膨脹。然而，Clarke的專利包括單個腔室，該腔室實施了所有的發(fā)動機沖程以防止隔離和/或提高汽缸的溫差，如在本發(fā)明中所述。
Thomas的美國專利第3,959,974號公開了一種內(nèi)燃機，該內(nèi)燃機包括燃燒缸，該燃燒缸在包含動力活塞的無環(huán)截面中局部由可承受高溫的材料形成且連接至保持包含另一活塞的相對低溫的帶環(huán)截面。然而，在整個Thomas的發(fā)動機中升高的溫度不僅存在于整個燃燒和排氣沖程中，而且存在于壓縮沖程的部分中。此外，Thomas沒有公開一種將相對的或"V"形構(gòu)造的發(fā)動機汽缸隔離以允許提高溫差的方法，而是公開了一種在連接至汽缸的進氣端口包含顯著死區(qū)的發(fā)動機。
在這些方面，根據(jù)本發(fā)明的DPCE基本上脫離了現(xiàn)有技術(shù)的傳統(tǒng)概念和設(shè)計，并且在這樣做時提供了一種比傳統(tǒng)內(nèi)燃機更有效的顯著改進的內(nèi)燃機。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到現(xiàn)在存在于現(xiàn)有技術(shù)中的已知類型內(nèi)燃機中固有的前述缺點，最新提出的本發(fā)明提供一種DPCE內(nèi)燃機，該DPCE內(nèi)燃機采用有溫差的汽缸從而以比傳統(tǒng)內(nèi)燃機更有效的方式將燃料轉(zhuǎn)化成能量或功。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例， 一種DPCE內(nèi)燃機包括聯(lián)接至第二汽缸的第一汽缸、定位在第一汽缸內(nèi)且構(gòu)造成實施進氣和壓縮沖程的第一活塞、以及定位在第二汽缸內(nèi)且構(gòu)造成實施動力和排氣沖程的第二活塞?；蛘?，第一和第二汽缸可被認為是具有兩個單獨腔室的單個汽缸，這兩個腔室在單個汽缸內(nèi)彼此聯(lián)接，其中，第
一活塞處于第二腔室中，而第二活塞處于第二腔室中。
在另一實施例中， 一種DPCE內(nèi)燃機包括聯(lián)接至第一汽缸的進氣閥、聯(lián)接至第二汽缸的排氣閥、以及將第一汽缸的內(nèi)部腔室聯(lián)接至第二汽缸的內(nèi)部腔室的級間閥。
在另一實施例中， 一種發(fā)動機包括兩個活塞連桿、壓縮曲軸、動力曲軸和兩
個曲軸連桿。連桿將各自的活塞連接至它們各自的曲軸。壓縮曲軸將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化成第一活塞的往復(fù)移動。動力曲軸將第二活塞的往復(fù)移動轉(zhuǎn)化成發(fā)動機的轉(zhuǎn)動輸出。曲軸連桿將動力曲軸的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化成壓縮曲軸的轉(zhuǎn)動。
在一個實施例中，進氣閥是由具有錐形密封面的桿來構(gòu)成的，與在大多數(shù)四沖程發(fā)動機中使用的進氣閥一樣。排氣閥是由具有錐形密封面的桿來構(gòu)成的，與在大多數(shù)四沖程發(fā)動機中使用的排氣閥一樣。級間閥是由具有錐形密封面的桿來構(gòu)成的。
在另一實施例中， 一種提高內(nèi)燃機效率的方法包括將進氣和壓縮腔室(冷沖程)與壓縮和排氣腔室(熱沖程)分開，因此能夠在進氣和壓縮沖程中降低溫度且能夠在燃燒沖程中升高溫度，從而提高發(fā)動機的效率。
在另一實施例中， 一種提高發(fā)動機效率的方法包括在進氣和壓縮沖程中，最小化或降低溫度。進入的壓縮空氣/充填物的溫度越低，發(fā)動機的效率就越高。
在另一實施例中， 一種提高發(fā)動機效率的方法包括再生和利用廢氣熱能。
在另一實施例中，提供一種DPCE發(fā)動機，該發(fā)動機可顯著減少外界冷卻需求，從而增大在動力沖程中可用于熱量輸出功轉(zhuǎn)化的潛熱，這也更有效地燃燒燃料且因此降低有害排放。
在另一實施例中， 一種形成提高效率的內(nèi)燃機的方法包括在第一汽缸中實施進氣和壓縮沖程，且在第二汽缸中實施動力和排氣沖程，其中，第一汽缸保持在比第二汽缸較冷的溫度。在另一實施例中，該方法還包括將壓縮的空氣和燃料混合物從第一汽缸噴射入第二汽缸，從而冷卻第二汽缸。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的DPCE裝置的簡化剖面?zhèn)纫晥D，其中曲軸
角度顯示成270度。
圖2是圖1的DPCE裝置的簡化剖面?zhèn)纫晥D，其中曲軸角度顯示成315度。圖3是圖1的DPCE裝置的簡化剖面?zhèn)纫晥D，其中曲軸角度顯示成330度。圖4是圖1的DPCE裝置的簡化剖面?zhèn)纫晥D，其中曲軸角度顯示成O度。圖5是圖1的DPCE裝置的簡化剖面?zhèn)纫晥D，其中曲軸角度顯示成45度。圖6是圖1的DPCE裝置的簡化剖面?zhèn)纫晥D，其中曲軸角度顯示成90度。圖7是圖1的DPCE裝置的簡化剖面?zhèn)纫晥D，其中曲軸角度顯示成135度。圖8是圖1的DPCE裝置的簡化剖面?zhèn)纫晥D，其中曲軸角度顯示成180度。圖9是圖1的DPCE裝置的簡化剖面?zhèn)纫晥D，其中曲軸角度顯示成225度。圖10是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的具有空氣冷卻壓縮汽缸和廢氣加熱動力汽
缸的DPCE裝置的簡化剖面?zhèn)纫晥D。
圖11是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的具有水冷卻壓縮汽缸和廢氣加熱動力汽缸
的DPCE裝置的簡化剖面?zhèn)纫晥D。
圖12是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的DPCE壓縮和動力活塞的三維(3D)簡化圖。
圖13是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的DPCE壓縮和動力曲軸的三維簡化圖。圖14是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的DPCE壓縮和動力曲軸的三維簡化圖。圖15是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的示出曲軸連桿的DPCE曲軸系統(tǒng)的三維簡化圖。
圖16是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的具有兩個曲軸連桿的DPCE曲軸系統(tǒng)的三維簡化圖。
圖17是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的示出不同曲軸角度的DPCE曲軸系統(tǒng)的三維簡化圖。
圖18是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的具有一個與同步皮帶(或鏈、或V形皮帶)
相結(jié)合的曲軸連桿的DPCE曲軸系統(tǒng)的三維簡化圖。
圖19是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的單單具有同步皮帶(或鏈、或V形皮帶)
的DPCE曲軸系統(tǒng)的三維簡化圖。
圖20是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的具有作為連接機構(gòu)的曲軸齒輪的DPCE曲
軸系統(tǒng)的三維簡化圖。
圖21是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的具有作為連接機構(gòu)的曲軸齒輪的DPCE曲
軸系統(tǒng)的三維簡化圖。
圖22是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的級間閥的簡化剖面圖。
圖23是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的級間減壓闊的簡化剖面圖。
圖24是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的半自動級間閥的簡化剖面圖。
圖25是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的具有增壓能力的DPCE裝置的簡化剖面圖。
圖26是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的具有處于不同平面的壓縮汽缸和動力汽缸的DPCE裝置的簡化三維圖。
圖27是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的其中兩個汽缸彼此平行且兩個活塞以一前一后的方式移動的DPCE裝置的簡化三維圖。
具體實施例方式
下面將參照附圖來詳細描述本發(fā)明，在附圖中相同的部件引用了相同的附圖標記。應(yīng)該理解，附圖不是必須按比例繪制的。它們也無需示出所示各個示例性實施例的所有細節(jié)。相反地，它們僅僅示出了某些特征和部件以能描述本發(fā)明的示例性實施例。
參見圖l，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，DPCE汽缸包括壓縮汽缸Ol、動力汽缸02、壓縮活塞03、動力活塞04、兩個相應(yīng)的活塞連桿05和06、壓縮曲軸07、動力曲軸08、曲軸連桿09、進氣閥10、排氣閥11和級間閥12。壓縮汽缸Ol是容納壓縮活塞03、進氣閥IO和級間閥12的一部分的活塞發(fā)動機汽缸。動力汽缸02是容納動力活塞04、排氣閥11、級間閥12的一部分和火花塞(未示出)的活塞發(fā)動機汽缸，該火花塞位于面向汽缸02中的燃燒室的動力活塞04的表面之前。壓縮活塞03用于發(fā)動機的進氣和壓縮沖程。動力活塞04用于驅(qū)動和排氣沖程。連桿05和06將它們對應(yīng)的活塞連接至它們對應(yīng)的曲軸。壓縮曲軸07將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化成壓縮活塞03的往復(fù)移動。動力活塞04的往復(fù)移動轉(zhuǎn)化成動力曲軸08的轉(zhuǎn)動，而動力曲軸08的轉(zhuǎn)動又轉(zhuǎn)化成發(fā)動機的轉(zhuǎn)動或功(即，曲軸08用作DPCE輸出軸)。曲軸連桿09將動力曲軸08的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化成壓縮曲軸07的轉(zhuǎn)動。
在一個實施例中，進氣閥IO是由具有錐形密封面的桿來構(gòu)成的，與在大部分傳統(tǒng)四沖程發(fā)動機中使用的進氣閥相同。排氣閥11是由具有錐形密封面的桿來構(gòu)成的，與在大部分傳統(tǒng)四沖程發(fā)動機中使用的排氣閥相同。級間閥12也是由具有錐形密封面的桿來構(gòu)成的。
再次參見圖l，壓縮活塞03在壓縮汽缸01的內(nèi)腔B內(nèi)。壓縮活塞03沿箭頭所示的方向相對于壓縮汽缸Ol移動。動力活塞04在動力汽缸02的內(nèi)腔C內(nèi)。動力活塞04沿箭頭所示的方向相對于動力汽缸02移動。壓縮汽缸01和壓縮活塞03形成腔室B。動力汽缸02和動力活塞04形成腔室C。在較佳的實施例中，動力活塞的壓力面具有成形的中空內(nèi)腔26 (同樣參見圖12)，該內(nèi)腔26可補充腔室C且在燃燒過程中充當(dāng)附加的燃燒室。腔室B通過機械操作的級間閥12與腔室B流體連通。壓縮汽缸Ol具有進氣閥10。腔室B通過進氣閥10與汽化的燃料/空氣充填物A的流體連通。動力汽缸02具有排氣闊11。腔室C通過排氣閥與周圍空氣D流體連通。當(dāng)處于打開位置時，排氣閥ll允許排出廢氣。在燃燒沖程中，動力活塞04推動動力連桿06，從而導(dǎo)致動力曲軸08順時針轉(zhuǎn)動。在排氣沖程中，(由未示出的飛輪質(zhì)量引起的)慣性力導(dǎo)致動力曲軸08繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動，并導(dǎo)致動力連桿06移動動力活塞04，這又將燃燒燃料的廢氣通過閥ll而排出。動力曲軸08的轉(zhuǎn)動通過曲軸連桿09連接至壓縮曲軸07以便同步轉(zhuǎn)動(即，曲軸以相同的速度和動力角轉(zhuǎn)動)。在一個實施例中，兩個活塞，即動力活塞04和壓縮活塞03同時經(jīng)過它們的上死點(TDC)位置和下死點(BDC)位置。在另外的實施例中，根據(jù)所想要的定時結(jié)構(gòu)，動力活塞04和壓縮活塞03的相對位置可偏移所想要的量。在一個實施例中，DPCE雙汽缸裝置采用傳統(tǒng)的加壓冷卻以及油潤滑方法和系統(tǒng)(未示出)。盡管在根據(jù)本發(fā)明的實施例中，動力腔室C的結(jié)構(gòu)部件(諸如汽缸02和
活塞04)保持在比傳統(tǒng)內(nèi)燃機高得多的溫度，但是在一個實施例中，使用冷卻系 統(tǒng)來溫控動力腔室c的部件。而且， 一些部件或所有部件可由諸如陶瓷、石墨、 不銹鋼之類的耐高溫材料制成。在另外的實施例中，DPCE裝置可采用已知的高壓 定時和火花塞電氣系統(tǒng)(未示出)以及電動起動機來控制火花塞點火、定時和發(fā)動 機初始轉(zhuǎn)動。
如圖l一9所示，電動起動機與DPCE輸出軸6'(圖15)配合，兩個曲軸07 和08都開始順時針轉(zhuǎn)動，且兩個活塞03和04都開始往復(fù)移動。如圖5所示，壓 縮活塞03和動力活塞04沿使腔室B和腔室C的體積增大的方向移動。因為進氣 闊10處于其打開位置且因為在該階段腔室B的體積恒定地增大，所以汽化的燃料 或新鮮空氣充填物(當(dāng)使用燃料噴射系統(tǒng)時)從位置A (例如它表示汽化器輸出端) 通過進氣閥10流入腔室B。如圖6 — 8分別所示，在燃料一空氣充填物流入時，腔 室B的體積增大。當(dāng)壓縮活塞03到達其BDC點時，進氣閥10關(guān)閉，從而捕獲了 腔室B內(nèi)的空氣一燃料充填物。當(dāng)曲軸繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動時，如圖9和1一3分別所 示，腔室B的體積減小，且其現(xiàn)在捕獲的空氣一燃料充填物的溫度和壓力增大。 當(dāng)壓縮活塞03接近預(yù)定點(圖3)時，級間閥12打開且腔室B的空氣一燃料充填 物流入腔室C。當(dāng)壓縮活塞接近其TDC點(根據(jù)一些實施例可引入某些延遲或提 前)時，級間閥12同時關(guān)閉且發(fā)生火花塞點火。
圖5 — 8示出了動力沖程。當(dāng)燃燒發(fā)生時，腔室C的壓力增大，從而有力地推 動動力活塞04，該動力活塞04又移動連桿06以轉(zhuǎn)動動力曲軸08，該動力曲軸08 聯(lián)接至DPCE輸出軸06'。同時，當(dāng)壓縮活塞03從其TDC位置被拉回時，進氣閥 10重新打開，從而允許將新的空氣燃料充填物A吸入腔室B。
當(dāng)動力活塞04到達其BDC點(圖8)時，排氣沖程開始。排氣閥ll打開， 隨著腔室C的體積減小，燃燒廢氣從腔室C通過打開的排氣閥11排入周圍環(huán)境D 中。
因此，DPCE發(fā)動機將由傳統(tǒng)內(nèi)燃機的單個活塞和汽缸實施的沖程分成兩個有 溫差的汽缸，其中每個汽缸執(zhí)行四沖程循環(huán)中的一半。"冷"汽缸執(zhí)行進氣和壓縮 沖程，而隔熱的"熱"汽缸執(zhí)行燃燒和排氣沖程。與傳統(tǒng)的發(fā)動機相比，這種創(chuàng)新 的系統(tǒng)和過程使得DPCE發(fā)動機能在較高的燃燒室溫度和較低的進氣和壓縮室溫 度下工作。采用較高的燃燒溫度而同時保持較低的進氣和壓縮溫度可減小發(fā)動機的 冷卻需求，降低壓縮能需求且因此提高發(fā)動機效率。此外，與外部環(huán)境隔熱的動力汽缸可限制外熱損失，允許在下一次沖程中再使用同樣的熱能，且在每個循環(huán)中燃 燒更少的燃料。
在一個實施例中，壓縮汽缸Ol與容納壓縮活塞03、進氣閥10和級間閥12的
一部分的傳統(tǒng)活塞發(fā)動機汽缸類似。壓縮汽缸01與壓縮活塞03 —起工作以吸入和 壓縮進入的空氣和/或燃料充填物。在較佳的實施例中，壓縮汽缸是冷卻的。圖10 示出了具有吸熱和散熱片20的空氣冷卻的壓縮汽缸。圖11示出了具有冷卻液通道 22的液體冷卻壓縮汽缸。在較佳的實施例中，冷卻空氣源或冷卻液源可以與現(xiàn)有 技術(shù)中已知的相同。在較佳的實施例中，壓縮汽缸01和動力汽缸02應(yīng)該彼此隔熱， 并且與周圍環(huán)境隔熱。圖26示出了兩個汽缸構(gòu)造在不同平面中的實施例，因此在 汽缸之間施加了最小的相互導(dǎo)熱。
動力汽缸02是容納動力活塞02、排氣閥11、級間閥12的一部分和火花塞(未 示出)的活塞發(fā)動機汽缸。動力汽缸02與動力活塞04 —起工作以在汽缸02的腔 '室內(nèi)燃燒壓縮空氣/燃料的混合物，并將合成的能量作為機械功轉(zhuǎn)移至動力曲軸08。 在其往復(fù)移動循環(huán)的第二半循環(huán)過程中，動力活塞04工作以將廢氣從汽缸02中通 過排氣閥11來排出或推出。動力汽缸02可容納火花塞，該火花塞位于動力活塞 04面向汽缸02中的燃燒室的表面之前。如圖12所示，在一個實施例中，動力活 塞04具有成形的中空內(nèi)腔26，該中空內(nèi)腔26充當(dāng)燃燒室。在排氣沖程中，動力 活塞04通過排氣閥11將汽缸02的燃燒廢氣推出汽缸之外。
在一個較佳的實施例中，動力汽缸02除了是與外界隔熱的之外，還是廢氣加 熱的。圖10和11示出了作為廢氣的廢氣加熱利用，從而在它們排出氣流的過程中 將熱量引入動力汽缸加熱通道24。
如上所述，壓縮連桿05將壓縮曲軸07與壓縮活塞03連接，從而引起活塞03 相對于汽缸以往復(fù)運動的方式移動。動力連桿06將動力曲軸08與動力活塞04連 接。在燃燒階段，動力連桿06將活塞04的移動轉(zhuǎn)化成動力曲軸08的轉(zhuǎn)動。在排 氣階段，動力曲軸08的轉(zhuǎn)動和動量朝向壓縮汽缸Ol向后推動動力活塞04，這導(dǎo) 致燃燒廢氣通過排氣閥而排出(排氣沖程)。
參見圖13，壓縮曲軸07將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化成壓縮活塞03的往復(fù)移動。壓縮曲軸07 將壓縮連桿05 (圖1)與曲軸連桿09連接。曲軸連桿09的移動導(dǎo)致壓縮曲軸07 轉(zhuǎn)動。壓縮曲軸07的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生了壓縮連桿05的移動，接著使壓縮活塞03相對于 汽缸殼Ol以往復(fù)運動的方式移動。
在本發(fā)明的各個實施例中，壓縮曲軸07和動力曲軸08的結(jié)構(gòu)構(gòu)造可以根據(jù)所想要的發(fā)動機構(gòu)造和設(shè)計而變化。例如， 一些曲軸設(shè)計因素是雙汽缸的數(shù)量、相 對汽缸定位、曲軸傳動機構(gòu)、以及轉(zhuǎn)動方向。例如，假如壓縮曲軸07和動力曲軸
08沿相同方向轉(zhuǎn)動，曲軸07和08的軸線就將定位成彼此相隔180度，如圖13所 示?；蛘撸偃鐗嚎s曲軸07和動力曲軸08分別沿相反反向轉(zhuǎn)動，則曲軸軸線將定 位成彼此相同的相位，如圖14所示。
動力曲軸08將動力連桿06與曲軸連桿09連接。當(dāng)燃燒發(fā)生時，動力活塞04 的移動通過其動力連桿06而導(dǎo)致動力曲軸08轉(zhuǎn)動，該動力曲軸08也聯(lián)接至發(fā)動 機輸出軸(未示出)，這導(dǎo)致連桿09轉(zhuǎn)動壓縮曲軸07且產(chǎn)生壓縮活塞03的往復(fù)移 動。
曲軸連桿09將動力曲軸08與壓縮曲軸07連接，因此給兩個曲軸提供同步的 轉(zhuǎn)動。圖15示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的分別聯(lián)接至曲軸07和08的曲軸連 桿09的立體圖。曲軸連桿09的功能是聯(lián)接動力曲軸08和壓縮曲軸07。在某些設(shè) 計中，曲軸07和08可分別相對于彼此同步轉(zhuǎn)動(相同方向、相同角度)。在其它 設(shè)計中，兩個曲軸07和08可以預(yù)定的相角或不以預(yù)定的相角沿相反的方向轉(zhuǎn)動。
圖17示出了分別聯(lián)接至曲軸07和08的連桿09的立體圖，曲軸07和08又分 別聯(lián)接至活塞連桿05和06，其中，曲軸07和08相對于彼此定向成在活塞03和 04的非同步運動之間提供預(yù)定的相差。預(yù)定的相差是指為了實現(xiàn)壓縮活塞TDC 位置(如圖4所示)和動力活塞TDC位置之間的時間差，可在任一活塞中引入相 對的活塞相位延遲或提前。圖17示出了活塞連桿05和06相對于彼此異相，從而 在活塞03和04到達它們分別的TDC位置的時刻之間形成所想要的相位延遲或提 前。在一個實施例中，引入相位延遲從而動力汽缸的活塞稍稍提前于壓縮汽缸的活 塞而移動，從而允許在接近整個壓縮沖程的情況下輸送壓縮的充填物，并且允許動 力活塞完成整個排氣沖程。具有動力活塞領(lǐng)先于壓縮活塞的相位延遲的這種優(yōu)點也 在Casaday的美國專利第1,372,216號和Scuderi的美國專利申請第2003/0015171A1 號中有描述。在另一實施例中，引入相反的相位延遲從而壓縮活塞提前于動力活塞 而移動，其中，在點火之前，動力活塞進一步壓縮來自于壓縮汽缸的充填物。這種 方法的優(yōu)點在Thurston等的美國專利第3,880,126號和Thomas的美國專利第 3,959,974號中有描述。
在另一實施例中，為了加強壓縮曲軸07和動力曲軸08的合適轉(zhuǎn)動方向，可采 用第二曲軸連桿13，如圖16所示。
參見圖18，用于確定曲軸07和08的轉(zhuǎn)動方向的另一裝置可以具體實施成一個結(jié)合有同步皮帶或鏈機構(gòu)15的曲軸連桿14。如圖19所示，在另一實施例中， 鏈機構(gòu)或同步皮帶機構(gòu)15可以自身充當(dāng)上述曲軸連接機構(gòu)中的任一種的替換方案。
圖20和21示出了用來替換曲軸連桿09的另外機構(gòu)。圖20示出了曲軸連接齒 輪機構(gòu)，它包括三個彼此嚙合的齒輪32。在此實施例中，曲軸07和08沿單向轉(zhuǎn) 動(采用3個齒輪)。圖21示出了具有偶數(shù)個齒輪32的曲軸連接齒輪機構(gòu)40和 42的兩個實施例，從而構(gòu)造成沿相反方向轉(zhuǎn)動曲軸07和08。
在一個實施例中，進氣閥IO是由具有錐形密封面的桿來構(gòu)成的，與在大多數(shù) 四沖程發(fā)動機中使用的進氣閥一樣。當(dāng)周圍空氣或汽化的空氣/燃料充填物流入壓 縮汽缸01內(nèi)時，進氣閥10控制它們。壓縮汽缸Ol具有至少一個進氣閥。在較佳 的實施例中，相對于壓縮活塞03的瞬時位置，進氣閥的位置、功能、定時和操作 可以與傳統(tǒng)四沖程內(nèi)燃機的進氣閥相似或相同。
在一個實施例中，排氣閥11是由具有錐形密封面的桿來構(gòu)成的，與在大多數(shù) 四沖程發(fā)動機中使用的排氣閥一樣。位于動力汽缸02上的排氣閥11控制燃燒廢氣 的排放流動。動力汽缸02具有至少一個排氣閥。在較佳的實施例中排氣閥的位置、 功能、定時和操作方法可以與已知的傳統(tǒng)四沖程內(nèi)燃機的進氣閥相似或相同。
參見圖22，在一個實施例中，級間閥12是由具有錐形密封面的桿來構(gòu)成的。 當(dāng)壓縮空氣流或壓縮的汽化空氣/燃料充填物(這里共同地稱為"燃料"或"燃料 混合物")流推入動力汽缸02內(nèi)的腔室C中時，級間閥控制來自于壓縮汽缸Ol內(nèi) 的腔室B的壓縮空氣流或壓縮的汽化空氣/燃料充填物流。級間閥12還可防止燃料 從腔室C回到腔室B的任何反向流動。當(dāng)處于打開位置時，級間閥12使得壓縮燃 料從壓縮汽缸Ol流入動力汽缸02。在燃燒過程中且隨著動力沖程，級間閥12保 持關(guān)閉。在一個實施例中，級間閥操作機構(gòu)可與已知的內(nèi)燃機進氣或排氣閥機構(gòu)相 似或相同。級間閥12的關(guān)閉或打開位置是由與一個動態(tài)DPCE桿/部件(例如，活 塞03)聯(lián)接或配合的機械連接件來操作的。還應(yīng)該理解，精確的閥定時取決于許 多發(fā)動機設(shè)計考慮；然而，通常級間閥12應(yīng)該在排氣閥11關(guān)閉的時刻左右打開， 且在動力沖程和排氣沖程的至少大部分過程中保持關(guān)閉。
參見圖23，在另一實施例中，預(yù)加載的彈簧操作減壓閥17充當(dāng)級間閥12。該 實施例提供了一種無需任何基于操作機構(gòu)的連接件的自動閥。在進氣和工作沖程 中，工作壓力和預(yù)加載的彈簧16迫使閥桿17保持關(guān)閉和密封。在壓縮和排氣沖程 中，腔室B中增大的壓縮燃料壓力與腔室C中減小的排氣壓力一起克服閥的預(yù)加載彈簧16的力，因此打開閥桿17，從而允許壓縮燃料流入動力汽缸02的腔室C。
圖2 4示出了燃燒室E與獨特的半自動級間闊的組合，該半自動級間閥由具有 圍繞塞閥19的圓筒形或環(huán)形部分的閥18來構(gòu)成。在此實施例中，燃燒室E與壓 縮室B由閥18來密封，且與工作室C由閥19來密封。彈簧20朝向閥18和19的 對應(yīng)關(guān)閉位置同時推動閥18和19?；鸹ㄈ?1位于燃燒室E的內(nèi)腔之內(nèi)。燃燒室 E和級間閥的操作如下如階段J所示，在初始的壓縮和排氣沖程中，彈簧20推 動閥桿18和閥桿19，從而導(dǎo)致兩個閥保持在密封的關(guān)閉位置。在階段H，當(dāng)壓縮 沖程開始時，壓縮的空氣/充填物壓力增大，且在某一階段作用在閥18上的升高的 壓力克服彈簧20的預(yù)加載力，從而迫使閥18打開且壓縮的空氣/充填物流入燃燒 室E中。在階段G，當(dāng)壓縮和工作活塞接近其TDC位置時，火花塞21點火且動 力活塞22的突出部分23與閥19機械接合，從而給閥19施加壓力以移動和開啟(打 開)閥19，這又接合閥18并朝向其關(guān)閉位置推動閥18。此外，升高的燃燒室壓力 與動力活塞一起工作以迫使閥18關(guān)閉。在階段F，當(dāng)燃燒發(fā)生時，腔室E的壓力 急劇地和立即地增大，閥18已經(jīng)關(guān)閉且熱的燃燒氣流流過閥19，從而推動動力活 塞22遠離閥19。
當(dāng)動力活塞22撤回(在動力沖程中)時，由于在腔室C的高燃燒壓力和殘留 在現(xiàn)在處于進氣狀態(tài)中的腔室B中的低得多的壓力之間存在的壓力差，閥19保持 打開。當(dāng)動力沖程結(jié)束時，燃燒室和級間閥的循環(huán)結(jié)束。然后當(dāng)動力活塞22開始 其排氣沖程時，彈簧20將閥19推回其關(guān)閉位置。
圖25示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的具有增壓能力的DPCE雙汽缸結(jié)構(gòu)。 如圖25所示，壓縮汽缸部分50比動力汽缸部分52大，因此允許在壓縮室B中接 納和壓縮更大體積的空氣/燃料混合物。在壓縮沖程完成時，更大體積的且增大壓 力的壓縮空氣/燃料混合物(即，"增壓"燃料混合物)通過級間閥12噴射入燃料 室C中。因此，更大數(shù)量和/或更高壓力的燃料混合物可噴射入動力汽缸52的燃燒 室C中，以形成更大的爆炸，因此在動力沖程中形成更多能量和功。
如上所述，圖26示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的另一DPCE雙汽缸結(jié)構(gòu)， 其中，壓縮汽缸60偏離動力汽缸62，以在兩個汽缸之間形成最小的導(dǎo)熱。在此實 施例中，級間閥12位于兩個汽缸之間的交疊的小區(qū)域中。
圖27示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的一種DPCE雙汽缸結(jié)構(gòu)，其中兩個汽 缸構(gòu)造成彼此平行且兩個活塞以一前一后的方式移動。在此實施例中，進氣、排氣 和級間閥可以與上述相同的方式工作。然而，如圖27所示，級間閥位于聯(lián)接第一和第二汽缸的側(cè)向?qū)Ч苤小?br> 盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的各個實施例，但是熟悉本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 會理解，以上實施例的描述僅僅是示例性的，且本發(fā)明可實施成具有上述裝置和技 術(shù)的修改或變型。熟悉本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會知道或能夠了解，使用除了常規(guī)實 施方式之外的在此描述的本發(fā)明特定實施例的許多等同物。這些修改、變型和等同 物都預(yù)期處于下面的權(quán)利要求書所述的本發(fā)明的精神實質(zhì)和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種用在內(nèi)燃機中的雙活塞裝置，包括第一汽缸，第一活塞容納在所述第一汽缸中；第二汽缸，第二活塞容納在所述第二汽缸中，其中，所述第一和第二汽缸彼此鄰近，從而所述第一汽缸的表面的至少一部分鄰近且流體聯(lián)接至所述第二汽缸的表面的至少一部分；進氣閥，所述進氣閥聯(lián)接至所述第一汽缸，用于允許燃料混合物進入所述第一汽缸，其中，所述第一活塞僅僅實施進氣和壓縮沖程；排氣閥，所述排氣閥聯(lián)接至所述第二汽缸，用于允許廢氣排出所述第二汽缸，其中，所述第二活塞僅僅實施燃燒和排氣沖程；以及級間閥，所述級間閥設(shè)置成鄰近所述第一和第二汽缸的相鄰表面部分，從而將所述第一汽缸的內(nèi)腔室流體聯(lián)接至所述第二汽缸的內(nèi)腔室。
2. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，還包括第一曲軸，所述第一曲軸聯(lián)接至所述第一活塞；第二曲軸，所述第二曲軸聯(lián)接至所述第二活塞；以及曲軸連接機構(gòu)，所述曲軸連接機構(gòu)聯(lián)接至所述第一和第二曲軸，且構(gòu)造成在所述第一和第二曲軸之間轉(zhuǎn)化運動。
3. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述曲軸連接機構(gòu)包括曲軸連桿，所述曲軸連桿具有分別聯(lián)接至所述第一和第二曲軸的第一和第二端。
4. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述曲軸連接機構(gòu)包括多個齒輪，其中，第一齒輪聯(lián)接至所述第一曲軸，第二齒輪聯(lián)接至所述第二曲軸，且所述第一和第二齒輪彼此機械聯(lián)接。
5. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述曲軸連接機構(gòu)包括聯(lián)接至所述第一和第二曲軸的傳動帶或鏈。
6. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第一和第二活塞在它們各自的第一和第二汽缸內(nèi)彼此同相地同時移動。
7. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第一和第二活塞在它們各自的第一和第二汽缸內(nèi)彼此異相地同時移動。
8. 如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述第二活塞稍稍提前于所述第一活塞而異相地移動。
9. 如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述第一活塞稍稍提前于所述第二活塞而異相地移動。
10. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第一汽缸的內(nèi)部容積大于所述第二汽缸的內(nèi)部容積。
11. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第二活塞包括形成于其中的充當(dāng)燃燒室的腔室。
12. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述級間閥包括半自動彈簧閥，該半自動彈簧閥包括第一閥，所述第一閥具有錐形密封面和圓筒形桿；第二閥，所述第二閥具有錐形密封面和實心棒狀桿，其中，所述圓筒形桿圍繞所述實心棒狀桿；以及彈簧，所述彈簧圍繞所述圓筒形桿且構(gòu)造成朝向所述第一和第二閥的對應(yīng)關(guān)閉位置同時推動所述第一和第二閥。
13. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第一和第二汽缸彼此隔熱。
14. 一種用在內(nèi)燃機中的雙活塞裝置，包括第一汽缸，第一活塞容納在所述第一汽缸中，其中所述第一活塞僅僅實施進氣和壓縮沖程；第二汽缸，第二活塞容納在所述第二汽缸中，其中所述第二活塞僅僅實施燃燒和排氣沖程，所述第一汽缸的一部分鄰近所述第二汽缸的一部分從而使所述第一和第二汽缸之間的死區(qū)最小化；以及級間閥，所述級間閥將所述第一汽缸的內(nèi)部腔室流體聯(lián)接至所述第二汽缸的內(nèi)部腔室，其中，所述級間閥設(shè)置成接近所述第一汽缸的所述部分鄰近所述第二汽缸的所述部分之處。
15. 如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述第一和第二汽缸在空間上彼此偏移，且所述級間閥位于所述第一和第二汽缸之間的空間交疊區(qū)域中。
16. 如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述第一和第二汽缸設(shè)置成彼此平行且一前一后，從而所述第一汽缸的頂面的至少一部分鄰近且流體聯(lián)接至所述第二汽缸的頂面的至少一部分。
17. 如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述第一和第二汽缸定位成形成V形結(jié)構(gòu)，且所述級間閥位于所述第一和第二汽缸之間的空間交疊區(qū)域中。
18. 如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述級間閥是彈簧加載的。
19. 如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述級間閥包括半自動彈簧闊，該半自動彈簧包括第一閥，所述第一闊具有錐形密封面和圓筒形桿；第二閥，所述第二閥具有錐形密封面和實心棒狀桿，其中，所述圓筒形桿圍繞所述實心棒狀桿；以及彈簧，所述彈簧圍繞所述圓筒形桿且構(gòu)造成朝向所述第一和第二閥的對應(yīng)關(guān)閉位置同時推動所述第一和第二閥。
20. 如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述第一和第二汽缸彼此隔熱。
21. —種用在內(nèi)燃機中的雙活塞裝置，包括第一汽缸，第一活塞容納在所述第一汽缸中，其中所述第一活塞僅僅實施進氣和壓縮沖程；第二汽缸，第二活塞容納在所述第二汽缸中，其中所述第二活塞僅僅實施燃燒和排氣沖程；級間閥，所述級間閥將所述第一汽缸的內(nèi)部腔室聯(lián)接至所述第二汽缸的內(nèi)部腔室；以及其中，所述第一汽缸與所述第二汽缸隔熱，且在操作過程中所述第一汽缸保持在比所述第二汽缸冷的溫度下。
22. 如權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于，所述第一汽缸包括多個位于所述第一汽缸的外表面上的空氣冷卻片。
23. 如權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于，所述第一汽缸包括多個位于其殼內(nèi)的液體冷卻通道。
24. 如權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于，所述第二汽缸包括多個廢氣加熱通道，用于利用由所述第二活塞排出的廢氣所提供的熱量來進一步加熱所述第二汽缸。
25. 如權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于，所述第一和第二汽缸設(shè)置成彼此平行且一前一后，從而所述第一汽缸的頂面的至少一部分鄰近且流體聯(lián)接至所述第二汽缸的頂面的至少一部分。
26. 如權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于，所述第一和第二汽缸定位成形成V形結(jié)構(gòu)，且所述級間閥位于所述第一和第二汽缸之間的空間交疊區(qū)域中。
27. 如權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于，所述第二汽缸與周圍環(huán)境隔熱，從而在操作過程中所述第二汽缸保持在比周圍環(huán)境熱的溫度下。
全文摘要
一種雙活塞循環(huán)發(fā)動機采用獨特的雙活塞裝置，該雙活塞裝置包括其中容納第一活塞的第一汽缸；與第一汽缸隔熱且其中容納第二活塞的第二汽缸；進氣閥，該進氣閥聯(lián)接至所述第一汽缸以用于允許燃料混合物進入所述第一汽缸；排氣閥，該排氣閥聯(lián)接至所述第二汽缸以用于允許廢氣排出所述第二汽缸；以及級間閥，該級間閥將所述第一汽缸的內(nèi)腔室聯(lián)接至所述第二汽缸的內(nèi)腔室且構(gòu)造成使第一和第二汽缸之間的死區(qū)最小化，其中，第一活塞僅僅實施進氣和壓縮沖程而第二活塞僅僅實施燃燒和排氣沖程，且第一和第二汽缸彼此隔熱。
文檔編號F02B25/00GK101548082SQ200680007871
公開日2009年9月30日 申請日期2006年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月11日
發(fā)明者B·托爾 申請人:托爾發(fā)動機股份有限公司