CN101779016B - 内燃机操作方法以及内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种内燃机的操作方法，包括具有由动力活塞所限定的动力室的至少一动力缸，所述至少一动力缸具有进气阀和排气阀；具有由压缩活塞所限定的压缩室的至少一压缩缸，压缩缸具有新鲜充量进气阀和流通阀；以及流通室，所述流通室在流通阀打开时与压缩室相通，在进气阀打开时与动力室相通，所述方法包括以下步骤：在增大压缩室容积的同时，使新鲜充量流入压缩室；在减小压缩室容积的同时，压缩处于压缩室中的新鲜充量；推入被压缩的新鲜充量到流通室中；推出流通室中的新鲜充量到动力室中；在燃烧动力室中的新鲜充量的同时，动力室的容积增大，同时将热能转化为机械输出动能，以及在减小动力室容积的同时，排出燃烧后的充量；其中，在进行了至少一部分推入过程后，流通室的容积增大，并且在推出过程结束时流通室的容积小于最大容积的15％，较优的是小于10％，更优的是小于5％，进一步更优的是小于1％。

Description

内燃机操作方法以及内燃机

技术领域

本发明涉及一种内燃机操作方法和一种可按照此种方法操作的内燃机。

背景技术

为节约资源和降低环境污染起见，内燃机(特别是可被应用于客车的内燃机)的发展中一项紧迫性不断提升的开发目标就是降低油耗和/或提高效率，此处所提到的效率可以理解为油耗相对于曲轴所发挥的机械能效率。

传统往复活塞式内燃机的特性在于整个热动力过程(进气，压缩，燃烧与排气)产生于单个缸内，意味着在燃烧燃料能的利用方面存在重大损失。人们已经知晓将整个热动力过程分配到两个缸的尝试(如US 2005/0268609A1所示的尝试)。在这一众所周知的内燃机中，新鲜空气的进气通过临时连接一个中间定容被从一个压缩缸推送到一个动力缸。这种推送发生在存在高压力差的情况下，由于热损失和流量损失的缘故，效率不能令人满意。

现代往复活塞式内燃机的另一个特性在于燃料喷射技术。采用这种技术，汽油或柴油被直接喷入燃烧室。在火花点火的发动机中，虽然这项技术不要求高燃料喷射压力，但是要具备以下各点：非常精确的燃料喷射时间点和燃料喷射量的控制和按照燃烧最佳化理念设计的将污染降低到最低限度和尽可能避免昂贵的排气后处理的燃烧室几何形状。在柴油机的操作中，为了减低烟雾，需要非常高的燃料喷射压力(高于2000巴)和非常昂贵的排气后处理，包括柴油颗粒过滤器。

在DE 60021901T2中描述了一种具有回热器和热空气点火装置的内燃机。一个压缩缸通过一个回热器与一个动力缸连接。有一个阀门工作在压缩缸与回热器之间的连接器中。回热器通过一个排气阀与排气连接。

DE 3433619A1描述了一种具有一个第一缸和一个第二缸且二者彼此通过一个流通室相连的内燃机。在从第一缸进入流通室的连接器中设有一个阀门。这个容积固定不变的流通室始终与第二缸连接。

DE 577740描述了一种增压空气内燃机，其中有一个流通室R被设置在压缩缸和动力缸之间。上述流通室的容积是固定不变的。

US 1,771,335描述了一种内燃机，该内燃机按照一个六冲程循环工作，并具有多个缸。多根进气歧管成形在内燃机的缸盖内，歧管与各自的两个缸通联。此外，还设有排气歧管，每个缸一个。进气与排气歧管通道之间的连接由多个阀门控制。此外，在缸盖内还设有一个辅助歧管，该歧管与所有的缸连通，而它们与各缸的连接由多个阀门控制。

在JP 57091324A中描述了一种具有一个压缩缸和一个动力缸的内燃机。所述缸通过一个流通室连接，而压缩活塞与动力活塞二者同时处于上止点。这样，由压缩室压缩的新鲜冲量被全部置于流通室，并从动力缸分离出来。在流通室内的新鲜冲量点火之后，通往动力缸的进气阀打开，使得燃烧的新鲜冲量膨胀进而进入动力缸。

本申请的独立权利要求的序言由US 2007/0157894A1表达出来。这一公开说明书描述了一种具有一个工作在压缩缸内的压缩活塞和一个工作在动力缸内的动力活塞的内燃机。一个新鲜充量进气阀工作在压缩室的进气道内。所述压缩缸的压缩室通过一个流通室与动力缸的动力室相连，在其来自压缩室的分支中设置了一个形同单向阀的流通阀。一个进气阀被安置在进入动力室的流通室开口处。动力室通过一个排气阀与内燃机的排气歧管相连。所述阀门由诸如成形在与曲轴相连的凸轮轴上的凸轮驱动，以便使它们同时转动。所述曲轴通过活塞杆与活塞相连。动力活塞相对于压缩活塞有10度到40度相位角的提前量。这里所述的相位角的选择方式如下：当压缩活塞向着它的上止点中心移动时，动力活塞正好从它的上止点中心移开，这样，基本上相同质量的压缩空气由动力活塞传送到流通室内，并经过流通室进入动力室。当动力活塞进一步地向下移动时，通常在上止点之后的10度到30度的范围内，位于动力室内的进气点火。在整个操作期间，形同单向阀的流通阀和位于动力室内的进气阀将气体压力掌控在流通室内，该压力的数值至少与进气点火时的压力数值一样高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种内燃机的操作方法以及一种相对于传统内燃机工作效率有所提高的内燃机。

以下陈述了一种达到本发明目的的内燃机操作方法，包括

具有动力室的至少一动力缸，所述动力室由动力活塞所限定，所述至少一动力缸还具有进气阀和排气阀，

具有压缩室的至少一压缩缸，所述压缩室内由压缩活塞所限定，所述压缩缸还具有新鲜充量进气阀和流通阀，以及

流通室，所述流通室在所述流通阀打开时与所述压缩室相通，在所述进气阀打开时与所述动力室相通，所述方法包括以下步骤：

-在增大所述压缩室容积的同时，使新鲜充量流入所述压缩室，

-在减小所述压缩室容积的同时，压缩处于所述压缩室中的新鲜充量，

-推入所述被压缩的新鲜充量到所述流通室中，

-推出所述流通室中的所述新鲜充量到所述动力室中，

-在燃烧所述动力室中的所述新鲜充量的同时，使所述动力室的容积增大，同时将热能转化为机械输出动能，以及

-在减小所述动力室容积的同时，排出所述燃烧后的充量，

在进行了至少一部分所述推入过程时，所述流通室的容积增大，并且在所述推出过程结束时，所述流通室的容积小于其最大容积的15％。

较优的是，在所述推出过程结束时，所述流通室的容积小于其最大容积的10％；更优的是，所述流通室的容积小于其最大容积的5％；进一步更优的是，所述流通室的容积小于其最大容积的1％。

通过压缩位于热动力缸外部的压缩室内的新鲜空气，同时通过将新鲜充量(该新鲜充量在每个操作循环中都受到压缩，并在各个操作循环中被进一步地压缩的同时根据需求被推入到流通室)的至少大部分甚至于几乎全部地推送到动力室内并将这些空气用于燃烧，使得压缩功得以降低，填充效果同时得以改善，内燃机的效率进而得以提高。

以下陈述本发明的方法的优选实施例。

在所述推入过程结束后处于所述流通室中的全部被压缩的新鲜充量，在所述推出过程中被推出到所述动力室中。

所述流通室的容积对应于所述压缩活塞和/或所述动力活塞的运动而改变，或者对应于所述动力活塞的运动而改变，或者对应于所述压缩活塞和所述动力活塞的的运动而改变。

当所述流通室和所述动力室中的大致压力平衡存在时，处于所述流通室中的所述被压缩的新鲜充量的推出过程开始。

在无显著压力减低的情况下，所述被压缩的新鲜充量被从流通缸(33)中推出到所述动力缸(22)中。

所述排气阀在所述动力活塞到达上止点之前关闭。

推入所述被压缩的新鲜充量到所述压缩室(42)的所述推入过程与从所述流通室推出所述被压缩的新鲜充量的推出过程在时间上交叠。

推入所述被压缩的新鲜充量到所述压缩室(42)的所述推入过程与从所述流通室推出所述被压缩的新鲜充量的推出过程在时间上不交叠。

在所述推入过程结束时，所述压缩室的容积为零。

所述动力活塞的运动相对于所述压缩活塞的运动延迟。

在所述流通室的上游，燃料被加入到所述新鲜充量中。

所述燃料为汽油、柴油或气体燃料。

所述燃料被分阶段加入到所述新鲜充量中。

推出所述新鲜充量到动力室的推出过程与所述动力室中的新鲜充量的燃烧过程交叠。

被推送到所述动力室的新鲜充量，由于所述动力室的壁温和与所述动力室中的热残气的完全混合而达到自燃条件。

燃料被直接引入到所述动力室(36)中。

燃料在所述燃烧后的充量排出之后以及所述被压缩的新鲜充量被推出到所述动力室之前被加入到所述动力室(36)中。

从所述流通室(42)中被推出到所述动力室(36)的所述被压缩的新鲜充量，在开始燃烧之前被所述动力活塞(18)进一步压缩。

流通缸(33)被所述内燃机的排气所加热。

所述新鲜充量在所述动力缸(22)之外所经历的几何压缩比大于所述新鲜充量从被引入至所述动力缸(22)到运行于所述动力缸中的活塞(18)运行至上止点这一过程所经历的几何压缩比。

所述压缩缸(2)被冷却以便驱散在压缩所述新鲜充量的过程中产生的至少一部分热量。

每个进气冲程所流入的新鲜充量的容积对所述动力活塞在其上止点时所述动力室的容积的比率小于所述排气阀打开时所述动力室的容积对所述动力活塞在其上止点时所述动力室容积的比率。

以下陈述了一种旨在达成关于发明部分目的的内燃机，包括

具有动力室(36)的至少一动力缸(22)，所述动力室(36)由动力活塞(18)所限定，所述至少一动力缸(22)还具有进气阀(54)和排气阀(50)，

具有压缩室(34)的至少一压缩缸(20)，所述压缩室(34)由压缩活塞(16)所限定，所述至少一压缩缸(20)还具有新鲜充量进气阀(46)和流通阀(52)，

流通室(42)，所述流通室在所述流通阀打开时与所述压缩室相通，在所述进气阀打开时与所述动力室相通，

曲柄机构(10)，所述曲柄机构连接于所述动力活塞、所述压缩活塞和控制装置(53，56，58，60，62)以控制所述各阀的运行，使得：

-在增大所述压缩室容积的同时，新鲜充量流入所述压缩室，

-在减小所述压缩室容积的同时，处于所述压缩室中的新鲜充量被压缩，

-被压缩的新鲜充量被推入到所述流通室中，

-所述流通室中的被压缩的新鲜充量被推出到所述动力室中，

-在燃烧所述动力室中的新鲜充量的同时，所述动力室的容积增大，同时将热能转化为机械输出动能，以及

-在减小所述动力室容积的同时，排出燃烧后的充量，

所述流通室(42)由可在其上止点与下止点之间运动的流通活塞(40)所限定，其中，所述流通室在所述流通活塞处于上止点时的容积小于所述流通室在所述流通活塞处于下止点时的容积的15％；并且所述流通活塞的运动与所述压缩活塞(16)的运动相配合，或者所述流通活塞的运动与所述动力活塞(18)的运动相配合，或者所述流通活塞的运动与所述压缩活塞(16)和动力活塞(18)的运动相配合。

较优的是，所述流通室在所述流通活塞处于上止点时的容积小于所述流通室在所述流通活塞处于下止点时的容积的10％；更优的是，所述流通室在所述流通活塞处于上止点时的容积小于所述流通室在所述流通活塞处于下止点时的容积的5％；进一步更优的是，所述流通室在所述流通活塞处于上止点时的容积小于所述流通室在所述流通活塞处于下止点时的容积的1％。

本发明的内燃机通过以下的技术特征所构成的优选方式被进一步加以改进。

所述压缩活塞(16)的外径和冲程均小于所述动力活塞(18)的外径和冲程。

所述压缩室(34)在压缩活塞(16)处于上止点时的容积为零。

所述流通室(42)在流通活塞(40)处于上止点时的容积为零。

所述压缩活塞(16)和所述动力活塞(18)连接于共同曲轴(10)。

至少所述新鲜充量进气阀(46)、所述进气阀(54)和所述排气阀(50)被一由曲柄机构(10)驱动的凸轮机构所驱动。

所述流通活塞(40)被一由所述曲柄机构(10)驱动的凸轮机构(74，76)所驱动。

所述凸轮机构(74，76)包括驱动所述流通活塞(40)的多个凸轮(62)。

所述压缩缸(20)与所述动力缸(22)相邻设置，并且所述流通活塞(40)在流通缸(33)内运行，从所述活塞(16，18)的运动方向来看，所述流通缸(33)与所述压缩缸和所述动力缸相交叠并且由端壁(32)所限定，所述端壁(32)也被所述压缩缸和所述动力缸所共用；所述端壁(32)上还形成有可被所述流通阀(52)和所述进气阀(54)关闭的开口。

所述进气阀(54)的轴以密封的方式穿过所述流通活塞(40)。

所述进气阀(54)为盘形阀，所述盘形阀的阀盘处于所述流通室(42)内，当其朝所述端壁(32)移动时关闭所述进气阀(54)。

所述流通阀(52)为盘形阀，当其向远离所述压缩室(34)的方向移动时开启，并且所述流通阀的轴以密封的方式在所述流通活塞(40)内被引导。

当所述流通活塞(40)处于其上止点时，所述流通阀(52)关闭，并且所述流通阀(52)可以在设置于所述流通活塞内的弹簧(53)的弹簧力的作用下移出所述流通活塞。

所述动力缸(22)和所述压缩缸(20)相互绝热，并且所述动力缸的温度高于所述压缩缸的温度。

所述内燃机还包括排成一排的多个缸单元，并且每一个所述缸单元包括压缩缸(20)、动力缸(22)和流通缸(33)，其中，所述压缩缸和所述动力缸被分别设置在相邻两排中的一排上，所述压缩活塞和所述动力活塞连接于共同曲轴，并且所述流通活塞(40)被至少一根共同凸轮轴驱动。

包括燃料喷射阀(126)的燃料供应装置设置在所述新鲜充量进气阀(46)的上游。

所述燃料供应装置包括用于汽化被喷射的液体燃料的加热装置。

还包括一燃料供应装置，所述燃料供应装置包括一喷射燃料到所述动力室(36)中的燃料喷射阀(38)。

所述燃料供应装置喷射柴油、汽油或气体燃料。

还包括一用于感应燃料类型的感应装置和一用于改变所述阀门相位和开启持续时间的装置，所述装置可以根据使用的燃料类型，改变所述阀门的相位及开启持续时间，或者改变所述流通活塞(40)相对于曲轴旋转的运动，或者改变所述阀门的相位及开启持续时间和改变所述流通活塞(40)相对于曲轴旋转的运动。

还包括用于感应空气-燃料比的感应装置和用于感应所述内燃机旋转速度的感应装置，此外还包括一装置，该装置可根据所述空气-燃料比和所述旋转速度改变所述阀门的相位及开启持续时间，或者改变所述流通活塞(40)相对于曲轴旋转的运动，或者改变所述阀门的相位及开启持续时间和改变所述流通活塞(40)相对于曲轴旋转的运动。借助于本发明的方法和/或本发明的内燃机，基本上所有的燃气和液体燃料均被完全燃烧。例如，导入压缩室上游的燃气或液体燃料或导入压缩室内的燃气与液体燃料都可利用新鲜空气在压缩期间在压缩缸内和在接下来流经并进入流通室的过程中处理成为一种特佳的可燃混合物。此混合物接着便被以高压方式从流通室推出到动力室，同时此间在没有任何火花点火的情况下燃烧。这样，柴油燃料便可在不必采用高压注油的情况下应用，而汽油可以在没有火花点火的情况下应用。此间由于采用了非常良好的混合物制备过程，进而获得了低污染的排气。

下面将以举例的形式，结合辅助性示意图和更加详细的资料对本发明进行叙述，本发明可适用于固定场合的内燃机以及汽车与船舶等交通工具上的内燃机。

附图说明

图1是本发明的具有压缩缸、流通缸和动力缸的内燃机的剖面示意图。

图2至图8是图1中的内燃机在不同工作阶段时的视图。

图9显示了曲轴在不同位置时的容积变化。

图10显示了曲轴在不同位置时压力的变化和阀门开-闭次数。

图11是一示例性的阀门机构的立体图。

图12是设置有流通阀的流通活塞的剖面图。

图13是以相反的方式设置的进气阀的立体图。

图14是用于驱动流通活塞的辊凸轮从动件的立体图。

图15显示了采用了图13和图14所示零件的阀门机构的一个实施例。

图16是本发明的具有进气歧管燃料喷射的内燃机的示意图。

图17是本发明的多缸内燃机的俯视示意图。

图18是图17中所示内燃机的缸单元中的活塞的显示曲轴的立体示意图。

具体实施方式

根据图1，本发明的内燃机包括一曲轴10，曲轴10具有两个相邻的曲柄，其中一个曲柄通过活塞杆12与压缩活塞16相连，另一个曲柄通过活塞杆14与动力活塞18相连。压缩活塞16可在压缩缸20内运动。动力活塞18可在动力缸22内运动，动力缸22最好是镶有缸套24。

这些最好是形成在一个共同缸壳28内的缸被缸盖30从项部密封，该缸盖包括形成在与两个缸20和22交叠的区域的较薄的端壁32；该端壁32从顶部密封了缸20和缸22的一部分，并且从底部密封了形成在缸盖30内的流通缸33。

压缩室34形成在压缩活塞16和缸盖30之间(如图3所示)。动力室36形成在动力活塞18和缸盖30之间；燃料喷射阀38伸入到动力室36内。

流通活塞40可在流通缸33内运动；流通活塞40限定了流通室42。

新鲜空气和/或新鲜充量的进气歧管44形成在缸盖30上；新鲜充量进气阀46在进气歧管44内运行并控制新鲜充量进气歧管44和压缩室34之间的连通。新鲜充量包括纯的新鲜空气和混合有燃料和/或残余排气的新鲜空气。

排气歧管48也形成在缸盖30上；排气阀50在排气歧管48内运行并控制动力室36与排气歧管48之间的连通。

连接压缩室34和流通室42的流通口形成在端壁32上；流通阀52在流通口内运动并以远离压缩室的方式打开。流通阀52的轴以密封的方式在流通活塞40内被引导运动，流通阀52可以顶住弹簧53的作用力进入到流通活塞40内部，又可以在受限的行程内伸出流通活塞40。

进气阀54在端壁32上的另一开口内运动，该开口连接流通室42和动力室36；进气阀54的轴也密封的方式在流通活塞40内被引导运动。

新鲜充量凸轮56、排气凸轮58和进气凸轮60用于分别驱动阀门46、50和54。

这些凸轮以一种恰当的方式形成在一个或多个凸轮轴上，该凸轮轴最好是被曲轴10以与曲轴相同的旋转速度驱动。

本发明提供的内燃机的功能，根据其基本结构，将通过图2至图8进行说明。为了更清楚的说明，将在上述附图中插入几个相应的编号。

图2显示了本发明的内燃机的压缩活塞16已经达到它的上止点，压缩室的容积处于最小(几乎为零)时的阶段。流通活塞40处于接近其上止点的位置(流通活塞40的上止点所在位置是指流通室42的容积最小(几乎为零)时的位置)。动力活塞18已经离开它的上止点。在该实施例中，动力活塞18相对于压缩活塞16具有若干度的提前量，此提前量通过曲轴10的相关曲柄的合适偏量来实现。

此时，新鲜充量进气阀46关闭，流通阀52关闭，进气阀54打开，排气阀50关闭。

图2所示的阶段大致对应于以下阶段，即，新鲜充量开始被吸入和/或压缩室34中开始注入新鲜充量，而容纳在流通室42的经压缩的新鲜充量还没有完全流入到动力室36中。

图3显示了压缩室34内的新鲜充量注入已经基本完成的阶段。此时，压缩活塞16几乎处于它的下止点；流通活塞40处在它的上止点，也就是流通室的容积为最小时的位置；动力活塞18处于动力冲程的终点，该动力冲程紧接着图2所示的阶段发生，并且在该阶段，新鲜充量被燃烧。新鲜充量进气阀46仍处于打开状态，流通阀52克服弹簧53的作用力进入到流通活塞40的内部，进气阀54和排气阀40处于关闭状态。

在图4所示的阶段，新鲜充量的压缩开始，与此同时，燃烧后的排气开始排出。压缩活塞16从其下止点开始向上运动，压缩压缩室34内的新鲜充量。流通活塞40仍然正处于其上止点的位置。

此时，流通阀52和进气阀54关闭，动力活塞18开始向上运动，排气阀50打开。

在图5所示的阶段，在压缩室34内被压缩的充量开始流入流通室42。

当新鲜充量进气阀46仍然关闭时，压缩活塞16开始接近它的上止点。流通活塞40离开它的上止点，流通阀52在弹簧53的作用下从流通阀活塞40内移出，并在压缩室34内的压力作用下开启。从而，被压缩的新鲜充量能够流入流通室42，此时，进气阀54处于关闭状态。与此同时，动力活塞18也几乎到达它的上止点，这时，排气阀50在排气冲程的终点仍然处于开启状态。

图6显示了比图5显示的工作阶段稍晚一点的内燃机工作阶段。在该阶段，压缩活塞16达到它的上止点，此时，新鲜充量进气阀46进一步关闭，动力活塞18也完全达到它的上止点。此时，随着流通活塞40也几乎运动到它的下止点，流通阀52被完全打开。由于流通活塞40内弹簧力的作用，使流通阀52不会太远离流通活塞40，因此，当流通活塞40运动到它的下止点时，流通阀52会从它的阀座上升起，从而保证流通阀52的开启。从而，被压缩活塞16压缩的新鲜充量流入到流通室42中。

在压缩活塞达到它的上止点时，压缩室34的容积达到最小，该最小容积最好是在压缩室34所要求承受的最大限度之内。

在图7所示的阶段，内燃机的压缩活塞16仍然处于它的上止点的位置，动力活塞18已经开始离开它的上止点位置。

此时，新鲜充量进气阀46处于关闭状态。随着流通活塞40朝它的上止点运动，流通室42的容积减少，由于缺乏压缩室34内的压力作用，流通阀52关闭，进气阀54打开，使流通室42内的被压缩的新鲜充量注入到动力室36中，由于动力活塞18已经在朝下运动，使得动力室36的容积增大。此时，排气阀50关闭。

图8显示了比图7所示阶段稍晚一点的阶段，在该阶段，流通活塞40达到它的上止点，此时流通阀52关闭，进气阀54再次关闭，整个压缩充量全部进入到动力室36中，由于此时排气阀50仍然关闭，通过稍早注入动力室36的柴油的自点火，动力室36内的充量开始燃烧。在直接喷射式火花点火内燃机的实施例中，燃料喷射比图8所示阶段稍早，但几乎在图8所示阶段的同时进行点火。在非直接喷射式火花点火内燃机的实施例中，新鲜充量和燃料的混合发生在新鲜充量进气阀46之前，或者发生在流通室42中。

流通室42的容积在流通室的上止点处达到最小，该最小容积最好是不要超过流通室42所能承受的必要限度。该最小容积应小于流通室最大容积(流通活塞位于下止点)的15％，较优地是小于10％，更优地是小于5％，进一步更优地是小于1％。

图8所示的阶段被假定为比内燃机在图2所处的阶段稍晚，以便完成整个循环。

在流通室42内的被压缩的新鲜充量注入到动力室36(图6至图7所示的阶段)的开始阶段，对进气阀54和排气阀50的控制，较好地是能够保证流通室42与动力室36的连通开始时和/或将要结束时，这两个室的压力差小于15巴，较优的是小于10巴，更优的是小于5巴。而阀门的结构不受限制。最好是，在流通室42和动力室36连通时，两个室具有几乎相同的压力。排气阀50要在动力活塞18到达上止点之前关闭，以便部分残气能留在动力室36中。当排气阀50关闭时，进气阀54最好是仍然处于关闭状态；并且在动力室36和流通室42之间的压力差达到上述压力差时，或者当两个室的压力大致相同时，进气阀54才开启，以便新鲜充量能以一种能量和/或热力优化的方式从狭小的流通室42被推入到动力室36。

如前文所述，在压缩缸20中充满着新鲜的，尤其在满负荷情况下的冷的充量以及被压缩的充量。随着流通室42的容积的增大，压缩充量被推入流通室；然后，随着流通室容积的减小，压缩充量从流通室被推出到动力室；接着，动力室内的充量燃烧，完成机械运动。压缩室34内的压缩空气被推入到流通室42中，又从流通室42被推出到动力室36中，整个过程都是在各相通的室之间仅存在少量压力差的条件下以一种能量优化的方式完成。

由于热力的原因，为了实现效率的最大化，压缩室34应尽可能的冷，动力室36应当尽可能的热。因此，压缩缸20应当尽可能的与动力缸22隔热，并且尽可能的得到冷却。而动力缸仅在保证材料不至于过热的情况下才被冷却。上述目的可以通过合理分配图中未显示的冷却歧管，和/或在压缩室冷却系统和动力室冷却系统之间设置另外的冷却系统来实现，也可以通过在压缩缸和/或动力缸内设置隔热衬套实现。在热动力室36内运动的动力活塞18最好是设计成有利于隔热的分层结构，或者覆盖一层诸如陶瓷制成的隔热层。

由于压缩的新鲜充量被推入动力室时，充量进行了交换，因此仅需要对动力缸进行稍微冷却。通过对流通阀52和流通活塞40的一体化设计，可以节约空间，并且流通阀可以具有一个大的流通横截面。

对于绝热而言，流通活塞40最好是在其面对端壁32的一侧设计成绝热的，例如采用单独的绝热层。动力缸也最好设计成绝热的，例如采用内嵌的衬套。最好是，动力活塞18的上部，以及与动力活塞上部相对的缸盖30的下部，至少包括端壁32的相应部分都进行绝热处理。

在本发明的上述实施例中，动力活塞18的运行提前于压缩活塞16，也就是说，动力活塞18比压缩活塞16更先达到它的上止点，这会导致从流通室推出到动力室的高压新鲜充量无法被动力活塞进一步压缩。为了实现高压终温和高压，动力活塞最好是相对于压缩活塞稍微延迟，以至于从流通室推出到动力室的新鲜充量能够被动力活塞进一步压缩，此时，这些新鲜充量也会被动力室吸收的壁热额外的压缩。这也降低动力室的冷却需求。

下面将参照图9和图10对本发明的内燃机的相应实施例进行说明。图9显示了随着曲轴位置变化引起的动力室36、压缩室34和流通室42的容积变化。其中，动力活塞的上止点(动力室36的最小容积)被定义为0度。图10提供了随着曲轴的位置变化，动力室和压缩室内的压力变化以及相关阀门的开-闭时间点分布情况。

如图所示，在曲柄角约为-150°时，新鲜充量进气阀44关闭，即在压缩活塞刚刚到达其下止点之后。随着压缩室34的容积减小，压缩室的压力(虚曲线)增长。当曲柄角约为-100°时，流通活塞开始离开它的上止点，流通室42的容积开始增大。当角度约为-95°时，流通阀52打开，随着压缩室34的容积进一步减小和流通室42的容积进一步增大，被压缩的新鲜充量被推入到流通室42中。当角度约为-75°时，排气阀50关闭，动力室36中燃烧后的充量的排出结束。当角度约为-65°时，例如约在流通室42达到最大容积的位置，进气阀54打开，压缩空气被从流通室中推出到动力室中，此时，流通室的压力最好与动力室的压力大致相同，或者压力差小于15巴，更好是小于10巴，甚至是小于5巴。压缩空气的推入和推出过程继续进行，直到压缩室和流通室达到他们的最小容积；此时，压力也随之上升，直到角度达到-20°左右，此时，压缩活塞和流通活塞均达到上止点，流通阀52和进气阀54均处于关闭状态。

动力室中的压缩充量被点燃，动力室36中的压力变化如图10所示。当曲柄角约为10°时，新鲜充量进气阀44打开，压缩室34的进气过程再次开始。当曲柄角约为140°时，排气阀50打开，使燃烧后的充量排出。

根据上述的过程控制，由于动力室36具有持续的高壁温以及喷入的高温残气，即使在没有火花塞的帮助下在，直接喷射到动力室的汽油也能燃烧，这一点与柴油的自点燃过程相似。因此，本发明的方法既适于汽油也适于柴油。

从上文可知，在压缩缸22内被压缩的新鲜充量流入到流通室42，以及该新鲜充量从流通室推入到动力室的过程可以通过多种不同的方法控制。从流体角度出发，如果在压缩室34中被压缩的新鲜充量在其压缩过程中被推入到开始扩大的流通室，在流通室和动力室之间形成了至少大致上的压力平衡时，又从流通室被推出并进入到动力室，并且，在流通室和动力室之间的这种大致的压力平衡能够在压缩充量推出的过程中得以保持，这样就可以达到能量的最优化。因此，推入和推出过程可以交叠。如果压缩室的容积在推入过程结束时为零，流通室的容积在推出过程结束时也为零，则可以确信，在动力室之外被压缩的新鲜充量全部进入到了动力室。如果推入过程在流通过程结束后才开始，此时，流通室的压力会因排气的能量而增加，因为排气的能量能对暂存在流通室中的新鲜充量进行加热；并且推出过程发生在一个更短的时间段内，则这样的设计对于动力室内的燃烧环境是有利的。

从上文中可以进一步看出，新鲜充量的压缩比由压缩室的最大容积与压缩后的容积(即动力室36的最小容积)的比值决定。膨胀比由动力室36在排气阀50打开时的容积与压缩后的容积之间的比值决定，因此膨胀比大于压缩比。本发明的内燃机能够运行扩展的膨胀冲程，例如比压缩比大的膨胀比，从而实现更好的热力性能。

新鲜充量的实际压缩比，也就是每次进气行程吸入的新鲜充量的容积与动力室的最小容积之间的比值，可以通过新鲜充量进气阀46的控制定时来改变。根据本申请的领域以及发动机的载荷谱，仅在一部分的载荷运行范围内运行扩展膨胀冲程是合适的，即比压缩比更大的膨胀比。这可以通过改变新鲜充量进气阀46的阀门控制定时来实现，例如通过在压缩活塞到达上止点之前更早的一段时间关闭新鲜充量进气阀46，或者在内燃机的较低荷载中，在压缩活塞到达上止点之后关闭新鲜充量进气阀46，以使得实际吸入和压缩后的新鲜充量的容积降低。在这种情况下，使压缩活塞16和压缩缸20具有与动力活塞18和动力缸22相同的几何尺寸是合适的，例如，具有相同的活塞外径和活塞冲程。同样，当压缩活塞到达上止点时的压缩室容积最好为0，这样就可以使被压缩的新鲜充量全部被推入到流通室中。

图11是本发明一实施例的凸轮机构的示意图。动力缸端壁的一部分70从上方围住动力室36。压缩缸端壁的一部分72从上方围住压缩室34。阀门和凸轮的标号与之前的附图一致。

阀机构包括两个凸轮轴74和76；安装在一根轴上的齿轮78，通过链条或凸轮带与曲轴齿轮相连，并以与曲轴相同的速度旋转。上述凸轮轴安装在图中未显示的轴承中，以便它们相对于内燃机固定，上述凸轮轴还包括相互啮合的齿轮80和82，以便它们以相同的速度在相反的方向上旋转。该阀门机构上还设置有两个新鲜充量进气阀46，每一个新鲜充量进气阀46被分别设置在凸轮轴74和76上的新鲜充量凸轮56驱动。

如图所示，排气阀50被设置在凸轮轴74或76上的排气凸轮(图中未显示)驱动。当然，排气阀50也能被设置在两根凸轮轴上的凸轮驱动，或者也可以设置两个排气阀。

进气阀54被设置在凸轮轴74上的进气凸轮60驱动，其中进气阀的轴以密封的方式穿过流通活塞40，从图1中清晰可见。流通活塞40从俯视图看为椭圆形，其分别与压缩室34和动力室36的一部分交叠，并与图中所示的四个轴一体成型。每一个凸轮轴74和76上均设置有流通凸轮62，安装于轴自由端的辊84均与流通凸轮62相抵触。

辊84在弹簧86的弹性压力下与流通凸轮62相抵触，该弹簧86支撑在内燃机机壳和流通活塞40的轴(图中未标注)之间，换句话说，该弹簧向上作用于图1中的流通活塞40，使其处于使流通室42具有最大容积的位置。凸轮62具有这样的外轮廓：当它们靠近凸轮基圆时，流通活塞40克服弹簧力向下被压向使流通室42的容积达到最小和/或几乎为零的位置；并且，凸轮62的外轮廓被设计成可以使流通活塞完成与图9中双点虚线轨迹相应的冲程，此时，流通室内的压力变化充分利用了弹簧86的弹簧力。有了上述的结构，与现有的凸轮驱动机构一样，凸轮机构不需要承受高的表面压力。

图12显示了具有进气阀54和流通阀52的流通活塞40的截面图。当流通活塞40被封装在缸盖30上时(如图1所示)，它可以通过一个或多个密封件90上下运动。进气阀54的轴被一套管92引导，并保持与套管92之间的密封；而套管92被流通活塞40引导，并保持与流通活塞40之间的密封。

流通阀52的轴在保证密封的条件下可以在流通活塞40内被引导运动一定的偏量，并承受弹簧94向下的作用力(如图12所示)。弹簧94的上端与流通活塞的一接头相连，其下端与固定在流通阀52上的一接头相连。套管96安装在流通阀52的轴的上端，包括一个可相对于流通活塞40运动h距离的衬套，该h距离比流通活塞的40的最大冲程小得多。

在图示的位置上，假定流通活塞10使流通室42处于最小容积，流通阀52的阀片顶触在形成于端壁32上的阀座98上(如图1所示)。

如前文所述，在流通活塞40从它的上止点运行到距离为h的这一段冲程的过程中，流通阀52一直是处于初始的关闭状态，当流通活塞40继续向上运动时，流通阀52被拉离阀座98。根据弹簧94的尺寸设计，在流通活塞40完成h距离的冲程之前，压缩室34中的压力就足以克服弹簧94的弹簧力，因此当流通活塞40一离开它的上止点，流通阀52便在压缩室34的压力作用下被打开。

本发明的内燃机实施例也可以具有以下多种变形：

流通阀52也可以设计成简单的止回阀的形式，该止回阀仅在压缩室34内的压力推动下克服内燃机机壳上的弹簧作用力而打开，其中，该弹簧力可以根据需要调节。

通过以合适的方式构造流通活塞，为一个单独的部件的流通阀也可以被省略掉。

流通活塞40也可以在将新鲜充量推入到动力室36，并且进气阀54关闭以后马上向它的下止点运动，这样可以增加流通室42的容积，以便压缩活塞16在开始向上运动之后立即将新鲜充量注入到流通室42中。

为了将各个阀门的开-闭时间点运用到工作环境中，需要设置相位调整器。而且，有可能不会通过内燃机曲轴(图中未显示)的转动直接驱动阀门，而是通过设置各个阀门自己的阀门驱动器，来对阀门进行恰当的控制。实际的压缩比和点火条件可以通过排气阀的关闭时间点来控制；如果需要，该关闭时间点也可以通过合适的调节装置适用于不同的运行环境。

为了在启动时和加温过程中加热催化式排气净化器，采用可变的阀机构来驱动阀门50是比较好的，这样可以使阀门50较早的打开以迅速加热催化式排气净化器。同样的，也可以通过控制流通阀52来加热催化式排气净化器，以便新鲜充量较晚注入到动力室和/或使压缩过程尽可能晚的进行。

为了使动力室36内的充量运动更精确，较好的是在进气阀54上设置一个掩蔽装置。

除了凸轮机构，也可以采用水动、气动或者电力驱动的方式来驱动流通活塞40，尤其是在需要精确驱动流通活塞40的场合。

流通活塞的运动也可以这样控制，即在压缩活塞的压缩冲程开始时，流通活塞至少是差不多位于流通室的容积为最大时的位置。然后，流通阀在压缩活塞的整个压缩冲程中处于打开状态，使新鲜充量的压缩过程与新鲜充量推入流通室的过程同步发生，或者至少是交叠发生。

依据特定的内燃机结构和特性，压缩缸和/或动力缸最好是配备一个可以通过适当改变阀门的控制定时来改变几何压缩比或实际压缩比的系统。同样的，压缩缸和/或动力缸最好是也能配备这样一个系统，该系统可以改变压缩活塞和与之相关联的动力活塞的运动相位差。

由于频繁交替的力会作用在链条或凸轮带上，例如驱动凸轮轴的齿轮78(如图11所示)，因此最好是在曲轴和凸轮轴之间设置一个中间轴；在图11中，该中间轴最好是设置在凸轮轴74和76的下方，以便节省缸盖在高度方向上的尺寸。该中间轴包括一个小尺寸的驱动齿轮，以便该中间轴能以高于凸轮轴的速度旋转。两个凸轮轴最好是能通过中间轴上的齿轮在相反的方向上被驱动，其中，两个凸轮轴的齿轮要相应的大一点，以便实现曲轴和凸轮轴之间1∶1的传动比。为了补偿一阶质量矩损失(在4缸的设置中，具有2个压缩缸/动力缸单元)，除了在曲轴上的补偿质量外，最好是在以与曲轴相反的方向旋转的凸轮轴上也配置补偿质量；例如，补偿质量配置在凸轮轴的两个端部并且相互偏移180°

活塞的尺寸和活塞冲程可以根据不同的要求进行设计，这些设计方案可以考虑一些热力因素，譬如，如何以低强度的压缩和流通工作以实现尽可能高强度的动力室36进气工作；在内燃机无外部火花点火的情况下，就需要使新鲜充量在动力活塞18达到上止点位置时达到特定温度，以保证无论是直接喷射的燃料或直接引入的气体都能够产生可靠的自发点火。对于使用汽油的外部火花点火方式，压缩终了的温度可以相应较低。

本发明的内燃机可以作为吸气式发动机或增压式发动机来使用。

也可以通过设置一个额外的放气阀来控制动力缸内的充量成分(类似于具有通过缸盖控制的阀门的二冲程内燃机)，也就是说，该放气阀可以协助排除废气，从而在“排气阀关闭”时动力缸内有更多的新鲜空气，而且降低了温度。

图9、10、11和12所示的内燃机实施例具有如下参数：

	压缩活塞	流通活塞	动力活塞
				外径(mm)	86	65*	115
冲程(mm)	86	7	120
				位于上止点时的容积(cm3)	～0	～0	38

^*在本实施例中，流通活塞是椭圆形的，以便最好的满足容积变化以及流通横截面变化的要求。

本内燃机的过度膨胀率约为2.5，能够实现最佳满载效率。较小的过度膨胀率，如1.8，对于优化在部分荷载范围内的效率是较好的，换言之，动力活塞可以设计成小些。

根据本发明的内燃机，直接喷射柴油和汽油可以实现超过20巴的实际中间压力和超过55％的实际效率。

当相应的活塞在各自的上止点时，动力室对流通室的容积比率在25至60之间是比较好的。当相应的活塞在各自的下止点时，压缩室对流通室的容积比率应当在15至25之间。动力室的几何压缩比在25至40之间是比较好的。当流通阀到达它的上止点时，进气阀通常是关闭的，最好是，该进气阀在动力活塞到达上止点之前、曲柄角处于20至5°之间时也处于关闭状态。上述的参数仅是示例性的，并不仅限于此。

在非外部火花点火操作中还可以安装一种电热塞来提高低温启动能力。

上面所述的内燃机采用的是对动力缸22进行直接燃料喷射(燃料喷射阀38)，这里所述内燃机也可基本上利用任何液体或气体燃料在没有外部火花点火的情况下工作。

在上述内容中，直接喷射燃料的时间点没有加以详述，原因在于，如众人所知，直接喷射燃料的时间进程是可选择的，这里所说的燃料喷射可以细分成预喷射(这种燃料喷射发生在动力活塞的上止点之前)和主喷射(这种燃料喷射发生在该上止点的区域内或该上止点之后)。根据本发明，燃料可被喷入(液体燃料)动力室或者可被在时间点B和C之间(图10)引入(气体燃料)动力室，也就是说当动力室内只有残气时燃料方可被喷入动力室。所述的残气连同喷入的燃料同时被压缩，其间由于高温的缘故燃料与残气之间出现了充分的均质化，使得燃料在时间点C，也就是进气阀开启的时间点，呈现完全的气体形态(即使所采用的是柴油情况也是如此)，并且通过自燃点火与压缩的新鲜空气一起充分燃烧。动力室内残气的数量由排气阀的关闭时间点B确定。进气阀的开启时间点C与进气阀的关闭时间点D连同压缩室、流通室与动力室的容积以及处于动力活塞上止点的动力室的容积一道转换成点火状态，以致于空气-燃料-残气混合物基本上在动力活塞上止点之后发生燃烧。时间点B(排气阀关闭)与时间点C(进气阀开启)之间时间段的选择使得前面所介绍的燃料-残气混合物的均质化得以以一种充分的方式出现在压缩新鲜空气被引入之前。与接近动力活塞上止点的燃料直接喷入相比，本发明的燃料喷入和/或残气引入不仅具有均质化方面的优点，同时还具有该喷入发生在低压力水平的优点，这就降低了燃料喷入设备方面的开支。鉴于按照传统方式燃料喷入包含新鲜空气的动力室，根据本发明，压缩后的新鲜空气被供入到一个里面呈现非可燃性燃料-残气混合物的动力室内。

特别是当内燃机连同动力室外部的外部混合物形成系统一道工作时更是如此。如同下面将要讲到的，从流通室42推出新鲜冲量到动力室26的推出过程必须调整成与动力室36中的燃烧过程相适应，以便使流通室42中的压力高于动力室36中的压力。当在各个动力循环(定量控制)喷入的新鲜空气的数量随着负载升高而增加时，流通室42中的压力增加。另一方面，当进气阀54打开时，存在于动力室36中的压力几乎不随负载的改变而改变。因此，如图13所示，有必要以相反的方式设置进气阀54。

如图13所示，进气阀54借助于本身的弹簧从上方向下加压，紧靠于设置在缸盖内壁32(图1)中的阀座，也就是说进气阀54的阀盘形成有向下逐渐变尖的座面。进气阀54的开启是通过一个辊子摇臂102达成的。该辊子摇臂被支撑在带有弹簧100的辊子摇臂102的接合件与辊子摇臂的辊子支座之间。所述辊子摇臂位于凸轮60上，而凸轮又在固定于内燃机壳体上的反轴承104上。较好地，反轴承104被成型为一个阀门间隙补偿元件。如图所示，辊子摇臂102在进气凸轮60的作用下沿着逆时针方向克服弹簧100的力进行回转，以便在进气阀54被动力室内的压力开启时打开该阀门。

所述阀座最好在动力室的壁上形成一个残气隔离层。

如同借助于图11所作出的解释那样，为了将新鲜冲量推出并使其进入动力室，需要动用许多力来驱动流通活塞。为了在阀门机构不承受过大负载的情况下施加这些力，最好利用一个或(如需要的话)多个如图14中所示的辊子凸轮随动件106。辊子凸轮随动件106设置在内燃机的壳体上，如有必要可在108处采用一个阀门间隙补偿元件。在其背离轴承108的端部，辊子凸轮随动件的一个辊子110抵触于流通凸轮62。在辊子110与辊子凸轮随动件106上的轴承108之间插入了一个凸轮随动件112；所述凸轮随动件112驱动流通活塞40(如图1)。通过采用此结构的杠杆，凸轮随动件112所完成的行程可相对于辊子110的行程加以缩短，而由凸轮随动件112传输到流通活塞上的力可相应地增大。

图15示出了具有图13与14结构元件的阀门机构，其结构因采用附图标号辅助而清晰表达，所以也就不再详加解释。根据图13和14所示的结构可以单独地应用，也可合并应用。

以下通过图16说明还能够利用外部混合物形成系统进行操作的内燃机。

图16示出了一个包含压缩缸20、流通缸33和动力缸22的单元的原理图。一个燃料喷射阀126设置在通往压缩缸20的新鲜冲量进气歧管44中；众所周知，在传统的进气歧管燃料喷射系统中，燃料喷射阀把液体燃料或可燃气体喷入到新鲜冲量进气歧管44中；所述新鲜冲量进气歧管44通过一个空气过滤器引入新鲜空气，或者与一个进气装置的压缩机相连。特别是对于多缸内燃机来说，当一个或多个燃料喷射阀126被设置在每根通往压缩缸20的新鲜冲量进气歧管44时情况更是如此，此时燃料喷射最好不是连续地进行，而是只在某个时间段，也就是压缩室34通过开启的新鲜冲量进气阀46(在图18中没有示出)填充新鲜空气的时间段才进行燃料喷射。

任何类型的液体或气体燃料都可以通过燃料喷射阀126喷入。非挥发性柴油燃料也可以喷入，条件是所生成的混合物至少要在压缩室34的压缩过程基本上被全部地汽化，并且接下来要通过流通室42将其推送并使其进入动力室36，还要以最佳方式进行预处理和均质化。混合物被推出并送入动力室的那部分由于存在于该动力室的高壁温以及由于通过与存在于动力室内的热残气充分混合而达到点火条件。这样一来，无论是柴油空气混合物还是汽油空气混合物(当采用汽油工作时)，或者燃气空气混合物(当采用燃气工作时)自燃点火都不是一下子完成的，而是如同图10所示的那样，是一种相对平稳的燃烧，原因在于混合物推出是个时间进程，其压力进程的出现不像传统的汽油发动机或传统的柴油机的脉冲操作所出现的情形，不依赖外部燃料喷射以及直接喷射燃料到动力室那样的压力高峰。作为这种平稳燃烧的结果，承受载荷的构件的尺寸可被大大地缩小，而内燃机的使用寿命可被大大地延长。采用本发明的这一方法所具有的另一个优点在于可以省去颗粒过滤器以及传统的利用便宜的催化剂进行的排气后处理就能满足最严格的排气排放法规要求，特别是就柴油的进气歧管燃料喷入而言情况更是如此。对于某些特定工作条件(例如低温启动或低部分负载)，在动力室内提供一种诸如火花塞或电热塞那样的点火协助器也是可取的。

所述内燃机所具有的扭矩与功率特性基本上与燃料直喷到动力室内还是外部燃料喷射无关，其中3至8巴的系统压力(燃料喷射阀的上游燃料压力)足以满足外部燃料喷射的要求。

燃料喷射阀126或其它的燃料喷射阀并不一定需要设置在压缩室34的上游。燃料还可以直接向压缩室34内喷射，也可以直接向流通室42内喷射。

本发明所带来的巨大效率提高至少归因于以下因素之一：

压缩的一部分出现在燃烧室和/或动力室之外，因此该压缩也就出现在较低的温度，压缩功得以降低。部分排气的能量通过将经过压缩的新鲜冲量(经过了大幅度地加热或小幅度地加热)喷入到炽热的燃烧室内和/或炽热的动力室内并在那里吸收热能而得到利用。为了更好地利用排气的热量，可以用从排气歧管48流出的排气，通过将其引入诸如流通活塞40的后侧、沿着或穿过上述活塞的后侧和/或通过加热流通缸33的环形壁来加热流通室42。在这种情况下，流通活塞相对于流通室而言不是热绝缘的。此种情况对于两个流通缸也适用，这时该缸的流通室交替地获得排气和压缩的新鲜冲量。流通室的加热可以被认为是在尽可能不提高压缩室温度的情况下进行的。当加热被推入到流通室的经压缩的新鲜冲量时，该新鲜冲量被进一步地热压缩，而进气阀的开启时间点也与之相配合。

壁部的热损失被减低，因为相对于压缩机热绝缘的动力室只要求稍作冷却，也可以说动力室可以完全地放弃外部冷却。

进程步骤随着扩展的膨胀进行。

本发明内燃机另外的优点在于它的运行平稳以及它对各种不同燃料的兼容性。其运行可采用液体燃料、气体燃料以及粉状固体燃料。

图17示出了本发明的一种三缸式内燃机的原理图，其中那些单独介绍的、由压缩缸20、流通缸33和动力缸22构成的缸单元被设置成连续的一排。压缩活塞16和动力活塞18可以通过活塞杆120、122(图18)连接于共用的曲轴124，图17中用双点画线示出了该曲轴的轴线。各单元的压缩活塞16和活塞杆120和动力活塞18的活塞杆122可以通过共用的曲柄一起工作，该曲柄包含一个具有两个彼此相对分离并沿着曲轴124的纵向依次分布的曲柄销段的曲柄销；所期望的动力活塞18与压缩活塞16运动之间的相位偏移因采用所述的曲柄销段而获得。动力活塞18与压缩活塞16也可以与它们自身所对应的偏移和/或曲柄一道工作，以便获得动力活塞与压缩活塞之间的预期相位偏移。当然，该偏移量也可以为零。

为所有的阀门和流通活塞提供了一个凸轮机构，例如按照图11或15，该凸轮机构沿着整个内燃机延伸。

本发明的具有压缩活塞、流通活塞和动力活塞的缸单元可以以任何数量和排列进行设置，如同传统内燃机所公知的设置。

为了降低内燃机的热翘曲，特别是对于具有两个压缩缸和两个动力缸的实施例，最好将动力缸设置到内燃机的外端侧，也就是位于控制机构那一侧和飞轮那一侧，并将压缩缸设置到两个动力缸之间。但是，为了优化扭矩平衡和缩短可能采用的进气系统导管的敷设长度，可以将压缩缸设置于端侧而将动力缸设置到二个压缩缸之间。

本发明的内燃机在直接燃料喷射和进气歧管燃料喷射方面可以按照化学当量计算的空气-燃料混合物(λ＝1)操作，也可按照纯粹的负载相关的燃料喷射量操作。在第一种情况下，空气的数量必须按照负载相关的方式加以控制和计量，使得燃料喷射量得以转换成空气的流动速率。根据内燃机的工作点，有可能从一种操作模式转换成另一种操作模式。所对应的操作模式以一种已知的方式确定了用于排气后处理所使用的催化剂以及用于排气后处理所需的诸如排气再循环量之类的其他重要参数。

本发明的内燃机是多种燃料都适用的内燃机，也就是说这种内燃机如所介绍的那样能够利用基本上所有类型的液体和气体燃料工作。所对应的被用掉的和/或新加入的燃料可以按照已知的方式确定，而单个阀门控制计时可以利用相应的阀门驱动系统转换成所对应的燃料。特别是，通过改变排气阀的开启时间点和改变流通活塞相对于曲轴转动的运动相位还可以影响动力室在动力活塞处于上止点的时间点时所达到的温度。

为了提高进气歧管燃料喷射的低温启动性能，在燃料喷射阀对面设置一个用于临时加热的加热元件是可取的。借助这个加热元件可以改善在寒冷状态下混合物的形成。还有，在动力室内设置一个临时加热元件(例如电热塞)也是有好处的。

特别是当采用直喷方式工作时更是如此。可以做到使用相同的阀门控制定时来操作采用不同燃料的内燃机，只需通过改变燃料喷射时机来适应燃料的类型，采用电控燃料喷射阀可以很容易地达到上述要求。

所述的直喷方法或将燃料引入动力缸的方法是这样的，即燃料被引入包含新鲜空气的压缩燃气中，或燃料被引入不包含任何空气和/或任何氧气的残气中，或燃料被从动力缸上游引入未经压缩或已经压缩的新鲜空气中，上述方式可以彼此合并，以便利用不同的方法得出各种燃料比。所述燃料比是可以改变的，例如采用负载相关或温度相关的方式进行改变。

对于本发明的内燃机，下述用于负载控制与燃料引入的可能性是存在的：

在环境条件下、或者在气体燃料的低正压状态下、或者在以汽油或柴油形式的液体燃料的低正压状态下，可以实现将燃料喷入进气歧管，例如通过一个多点燃料喷射系统加以实现。为了这一目的，可以采用“拉姆达1”(lambda 1)控制器或稀燃控制器，或者采用借助于进气歧管中的节流阀的定量控制，或采用借助于能够相对于阀门控制定时进行改变的新鲜冲量进气阀的定量控制。还有，液体燃料可以直接喷入到压缩缸内，如果需要还可以直接喷入流通缸内。此时负载可以借助于节流阀进行控制，或者更好地是借助于一个具有可变阀门控制定时的新鲜冲量进气阀和“拉姆达1”控制器以及一个稀燃控制器进行控制。负载还可以根据燃料量加以设定。

在另一种情况下，汽油或柴油可以直接喷到炽热的动力缸内，负载可以通过喷入的燃料量来进行调整。

在将燃料引入进气歧管内或引入压缩室内的过程中，优选为通过利用新鲜冲量进气阀的可变气门正时技术来控制新鲜空气的流动速率这种方式实现负载的控制。动力室对压缩室的容积比可以为，例如，在1与3之间。其中，用于客运运输工具的内燃机比用于卡车时的比率要低，以用于固定式内燃机的比率最高，因为后者大多数时间都是以满负载工作。

在动力室内的残气的含量可借助于排气阀的可变气门正时技术来控制，其中，当主要以满负载工作时，排气阀的气门正时可以采用固定设定。

在动力活塞与压缩活塞之间的相位差可为，例如，-5°与+10°之间的曲柄角，其中热的动力活塞最好相对于冷的压缩活塞有一定的延迟。

在上面所述的实施例中，优选地，新鲜冲量进气阀在压缩活塞的上止点之后打开，例如在压缩活塞的上止点之后的20°之内；并且在压缩活塞的下止点之后关闭，例如在压缩活塞的下止点之后的20°之内。

流通阀最好在压缩活塞上止点之前充分地打开，例如在该压缩活塞的上止点之前90°打开，并且最好在压缩活塞的上止点范围内关闭。

较好地，连接流通室与动力室的进气阀在动力活塞的上止点之前打开，例如在该动力活塞的上止点之前10°。并且在热的动力活塞的上止点之后关闭，例如在该动力活塞上止点之后35°。其中被推出到动力室的新鲜冲量的燃烧持续时间基本上跨越进气阀的整个开启的过程。

较好地，排气阀在热的动力活塞的上止点之后较远的地方才打开，例如在该动力活塞的上止点之后150°，并且最好在动力活塞的上止点之前关闭，例如在该动力活塞的上止点之前70°。

较好地，流通活塞在压缩活塞的上止点之前较远的地方开始运动，例如在该压缩活塞的上止点之前90°。流通活塞最好在冷的压缩活塞的上止点之后停止运动，例如在压缩活塞的上止点之后30°。

以上列举的参数仅为举例性质，而并非限制性的，适用于诸如外部混合物形成等情况。

附图标号列表

10    曲轴

12    活塞杆

14    活塞杆

16    压缩活塞

18    动力活塞

20    压缩缸

22    动力缸

24    缸套

28    缸壳

30    缸盖

32    端壁

33    流通缸

34    压缩室

36    动力室

38    燃料喷射阀

40    流通活塞

42    流通室

44    新鲜充量进气歧管

46    新鲜充量进气阀

48    排气歧管

50    排气阀

52    流通阀

53    弹簧

54    进气阀

56    新鲜充量凸轮

58    排气凸轮

60    进气凸轮

62    流通凸轮

70    端壁

72    端壁

74    凸轮轴

76    凸轮轴

78    齿轮

80    齿轮

82    齿轮

84    辊

86    弹簧

90    密封件

92    套管

94    弹簧

96     套管

98     阀座

100    弹簧

102    辊子摇臂

104    反轴承

106    辊子凸轮随动件

108    轴承

110    辊子

112    凸轮随动件

120    活塞杆

122    活塞杆

124    曲轴

126    燃料喷射阀

Claims (50)

1.内燃机操作方法，包括

具有动力室的至少一动力缸，所述动力室由动力活塞所限定，所述至少一动力缸还具有进气阀和排气阀，

具有压缩室的至少一压缩缸，所述压缩室内由压缩活塞所限定，所述压缩缸还具有新鲜充量进气阀和流通阀，以及

流通室，所述流通室在所述流通阀打开时与所述压缩室相通，在所述进气阀打开时与所述动力室相通，所述方法包括以下步骤：

-在增大所述压缩室容积的同时，使新鲜充量流入所述压缩室，

-在减小所述压缩室容积的同时，压缩处于所述压缩室中的新鲜充量，

-推入所述被压缩的新鲜充量到所述流通室中，

-推出所述流通室中的所述新鲜充量到所述动力室中，

-在燃烧所述动力室中的所述新鲜充量的同时，使所述动力室的容积增大，同时将热能转化为机械输出动能，以及

-在减小所述动力室容积的同时，排出所述燃烧后的充量，

其特征在于：

在进行了至少一部分所述推入过程时，所述流通室的容积增大，并且在所述推出过程结束时，所述流通室的容积小于其最大容积的15％。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述推出过程结束时，所述流通室的容积小于其最大容积的10％。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述推出过程结束时，所述流通室的容积小于其最大容积的5％。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述推出过程结束时，所述流通室的容积小于其最大容积的1％。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的方法，其特征在于，在所述推入过程结束后处于所述流通室中的全部被压缩的新鲜充量，在所述推出过程中被推出到所述动力室中。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流通室的容积对应于所述压缩活塞的运动而改变，或者对应于所述动力活塞的运动而改变，或者对应于所述压缩活塞和所述动力活塞的的运动而改变。

7.根据权利要求1至4任意一项所述的方法，其特征在于，当所述流通室和所述动力室中的大致压力平衡存在时，处于所述流通室中的所述被压缩的新鲜充量的推出过程开始。

8.根据权利要求1至4任意一项所述的方法，其特征在于，在无显著压力减低的情况下，所述被压缩的新鲜充量被从流通缸(33)中推出到所述动力缸(22)中。

9.根据权利要求1至4任意一项所述的方法，其特征在于，所述排气阀在所述动力活塞到达上止点之前关闭。

10.根据权利要求1至4任意一项所述的方法，其特征在于，推入所述被压缩的新鲜充量到所述压缩室(42)的所述推入过程与从所述流通室推出所述被压缩的新鲜充量的推出过程在时间上交叠。

11.根据权利要求1至4任意一项所述的方法，其特征在于，推入所述被压缩的新鲜充量到所述压缩室(42)的所述推入过程与从所述流通室推出所述被压缩的新鲜充量的推出过程在时间上不交叠。

12.根据权利要求1至4任意一项所述的方法，其特征在于，在所述推入过程结束时，所述压缩室的容积为零。

13.根据权利要求1至4任意一项所述的方法，其特征在于，所述动力活塞的运动相对于所述压缩活塞的运动延迟。

14.根据权利要求1至4任意一项所述的方法，其特征在于，在所述流通室的上游，燃料被加入到所述新鲜充量中。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述燃料为汽油、柴油或气体燃料。

16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述燃料被分阶段加入到所述新鲜充量中。

17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，推出所述新鲜充量到动力室的推出过程与所述动力室中的新鲜充量的燃烧过程交叠。

18.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，被推送到所述动力室的新鲜充量，由于所述动力室的壁温和与所述动力室中的热残气的完全混合而达到自燃条件。

19.根据权利要求1至4任意一项所述的方法，其特征在于，燃料被直接引入到所述动力室(36)中。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，燃料在所述燃烧后的充量排出之后以及所述被压缩的新鲜充量被推出到所述动力室之前被加入到所述动力室(36)中。

21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，从所述流通室(42)中被推出到所述动力室(36)的所述被压缩的新鲜充量，在开始燃烧之前被所述动力活塞(18)进一步压缩。

22.根据权利要求1至4任意一项所述的方法，其特征在于，流通缸(33)被所述内燃机的排气所加热。

23.根据权利要求1至4任意一项所述的方法，其特征在于，所述新鲜充量在所述动力缸(22)之外所经历的几何压缩比大于所述新鲜充量从被引入至所述动力缸(22)到运行于所述动力缸中的活塞(18)运行至上止点这一过程所经历的几何压缩比。

24.根据权利要求1至4任意一项所述的方法，其特征在于，所述压缩缸(2)被冷却以便驱散在压缩所述新鲜充量的过程中产生的至少一部分热量。

25.根据权利要求1至4任意一项所述的方法，其特征在于，每个进气冲程所流入的新鲜充量的容积对所述动力活塞在其上止点时所述动力室的容积的比率小于所述排气阀打开时所述动力室的容积对所述动力活塞在其上止点时所述动力室容积的比率。

26.内燃机，包括

具有动力室(36)的至少一动力缸(22)，所述动力室(36)由动力活塞(18)所限定，所述至少一动力缸(22)还具有进气阀(54)和排气阀(50)，

具有压缩室(34)的至少一压缩缸(20)，所述压缩室(34)由压缩活塞(16)所限定，所述至少一压缩缸(20)还具有新鲜充量进气阀(46)和流通阀(52)，

流通室(42)，所述流通室在所述流通阀打开时与所述压缩室相通，在所述进气阀打开时与所述动力室相通，

曲柄机构(10)，所述曲柄机构连接于所述动力活塞、所述压缩活塞和控制装置(53，56，58，60，62)以控制所述各阀的运行，使得：

-在增大所述压缩室容积的同时，新鲜充量流入所述压缩室，

-在减小所述压缩室容积的同时，处于所述压缩室中的新鲜充量被压缩，

-被压缩的新鲜充量被推入到所述流通室中，

-所述流通室中的被压缩的新鲜充量被推出到所述动力室中，

-在燃烧所述动力室中的新鲜充量的同时，所述动力室的容积增大，同时将热能转化为机械输出动能，以及

-在减小所述动力室容积的同时，排出燃烧后的充量，

其特征在于：

所述流通室(42)由可在其上止点与下止点之间运动的流通活塞(40)所限定，其中，所述流通室在所述流通活塞处于上止点时的容积小于所述流通室在所述流通活塞处于下止点时的容积的15％；并且所述流通活塞的运动与所述压缩活塞(16)的运动相配合，或者所述流通活塞的运动与所述动力活塞(18)的运动相配合，或者所述流通活塞的运动与所述压缩活塞(16)和动力活塞(18)的运动相配合。

27.根据权利要求26所述的内燃机，其特征在于，所述流通室在所述流通活塞处于上止点时的容积小于所述流通室在所述流通活塞处于下止点时的容积的10％。

28.根据权利要求27所述的内燃机，其特征在于，所述流通室在所述流通活塞处于上止点时的容积小于所述流通室在所述流通活塞处于下止点时的容积的5％。

29.根据权利要求28所述的内燃机，其特征在于，所述流通室在所述流通活塞处于上止点时的容积小于所述流通室在所述流通活塞处于下止点时的容积的1％。

30.根据权利要求26至29任意一项所述的内燃机，其特征在于，所述压缩活塞(16)的外径和冲程均小于所述动力活塞(18)的外径和冲程。

31.根据权利要求26至29任意一项所述的内燃机，其特征在于，所述压缩室(34)在压缩活塞(16)处于上止点时的容积为零。

32.根据权利要求26至29任意一项所述的内燃机，其特征在于，所述流通室(42)在流通活塞(40)处于上止点时的容积为零。

33.根据权利要求26至29任意一项所述的内燃机，其特征在于，所述压缩活塞(16)和所述动力活塞(18)连接于共同曲轴(10)。

34.根据权利要求26至29任意一项所述的内燃机，其特征在于，至少所述新鲜充量进气阀(46)、所述进气阀(54)和所述排气阀(50)被一由曲柄机构(10)驱动的凸轮机构所驱动。

35.根据权利要求26至29任意一项所述的内燃机，其特征在于，所述流通活塞(40)被一由所述曲柄机构(10)驱动的凸轮机构(74，76)所驱动。

36.根据权利要求35所述的内燃机，其特征在于，所述凸轮机构(74，76)包括驱动所述流通活塞(40)的多个凸轮(62)。

37.根据权利要求26至29任意一项所述的内燃机，其特征在于，所述压缩缸(20)与所述动力缸(22)相邻设置，并且所述流通活塞(40)在流通缸(33)内运行，从所述活塞(16，18)的运动方向来看，所述流通缸(33)与所述压缩缸和所述动力缸相交叠并且由端壁(32)所限定，所述端壁(32)也被所述压缩缸和所述动力缸所共用；所述端壁(32)上还形成有可被所述流通阀(52)和所述进气阀(54)关闭的开口。

38.根据权利要求37所述的内燃机，其特征在于，所述进气阀(54)的轴以密封的方式穿过所述流通活塞(40)。

39.根据权利要求38所述的内燃机，其特征在于，所述进气阀(54)为盘形阀，所述盘形阀的阀盘处于所述流通室(42)内，当其朝所述端壁(32)移动时关闭所述进气阀(54)。

40.根据权利要求38所述的内燃机，其特征在于，所述流通阀(52)为盘形阀，当其向远离所述压缩室(34)的方向移动时开启，并且所述流通阀的轴以密封的方式在所述流通活塞(40)内被引导。

41.根据权利要求40所述的内燃机，其特征在于，当所述流通活塞(40)处于其上止点时，所述流通阀(52)关闭，并且所述流通阀(52)可以在设置于所述流通活塞内的弹簧(53)的弹簧力的作用下移出所述流通活塞。

42.根据权利要求26至29任意一项所述的内燃机，其特征在于，所述动力缸(22)和所述压缩缸(20)相互绝热，并且所述动力缸的温度高于所述压缩缸的温度。

43.根据权利要求26至29任意一项所述的内燃机，其特征在于，所述内燃机还包括排成一排的多个缸单元，并且每一个所述缸单元包括压缩缸(20)、动力缸(22)和流通缸(33)，其中，所述压缩缸和所述动力缸被分别设置在相邻两排中的一排上，所述压缩活塞和所述动力活塞连接于共同曲轴，并且所述流通活塞(40)被至少一根共同凸轮轴驱动。

44.根据权利要求26至29任意一项所述的内燃机，其特征在于，包括燃料喷射阀(126)的燃料供应装置设置在所述新鲜充量进气阀(46)的上游。

45.根据权利要求44所述的内燃机，其特征在于，所述燃料供应装置包括用于汽化被喷射的液体燃料的加热装置。

46.根据权利要求44所述的内燃机，其特征在于，所述燃料供应装置喷射柴油、汽油或气体燃料。

47.根据权利要求26至29任意一项所述的内燃机，其特征在于，还包括一燃料供应装置，所述燃料供应装置包括一喷射燃料到所述动力室(36)中的燃料喷射阀(38)。

48.根据权利要求47所述的内燃机，其特征在于，所述燃料供应装置喷射柴油、汽油或气体燃料。

49.根据权利要求43所述的内燃机，其特征在于，还包括一用于感应燃料类型的感应装置和一用于改变所述阀门相位和开启持续时间的装置，所述装置可以根据使用的燃料类型，改变所述阀门的相位及开启持续时间，或者改变所述流通活塞(40)相对于曲轴旋转的运动，或者改变所述阀门的相位及开启持续时间和改变所述流通活塞(40)相对于曲轴旋转的运动。

50.根据权利要求26至29任意一项所述的内燃机，其特征在于，还包括用于感应空气-燃料比的感应装置和用于感应所述内燃机旋转速度的感应装置，此外还包括一装置，该装置可根据所述空气-燃料比和所述旋转速度改变所述阀门的相位及开启持续时间，或者改变所述流通活塞(40)相对于曲轴旋转的运动，或者改变所述阀门的相位及开启持续时间和改变所述流通活塞(40)相对于曲轴旋转的运动。

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