CN102434278B - 三冲程往复活塞式发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种兼具四冲程发动机和二冲程发动机的优点，并克服二者缺点的三冲程往复活塞式发动机，该发动机的主活塞与气缸盖之间设置有用于排吸气的副活塞，副活塞由副活塞驱动机构驱动，在排吸气冲程中完成排吸气功能，副活塞与气缸盖之间的上腔进气，主、副活塞之间的下腔排气，以下腔作为热膨胀室，在压缩冲程中副活塞由主活塞推动复位并完成辅助压缩功能，在压缩冲程末期，上腔的压缩气体通过导气通道全部被挤压入热膨胀室，直接在热膨胀室内压燃点火或点火装置点火，主活塞完成做功冲程和压缩冲程，并帮助副活塞复位。该发动机具有排放低、功效高、升功率大的优点，尤其适用于要求发动机功率大，体积小，重量轻，排放低的场合。

Description

三冲程往复活塞式发动机

技术领域

本发明涉及一种往复活塞式内燃发动机。

背景技术

活塞内燃发动机自问世以来，一直是发动机家族的主流，尤其在气车，摩托车，轮船等交通工具领域里。

现在广泛使用的活塞内燃发动机按工作原理分为四冲程和二冲程两种。传统四冲程或二冲程发动机中，其冲程的定义是：活塞从一个止点运动至另一个止点的过程。四冲程发动机将热能转化为机械能都必须经过进气、压缩、热膨胀做功和排气四个工作过程，四个冲程做功一次，这是四冲程发动机的一个工作循环。而二冲程发动机每两个冲程即做功一次，在热膨胀做功后期利用进气进行排气，在进、排气完成后即进行压缩。

四冲程发动机具有燃烧效率高，排放低的优点，但因其四个冲程中仅有一个冲程在做功，其余三个冲程都消耗功率，因此其升功率比较小。二冲程发动机每两个冲程就做一次功，因此在与四冲程发动机相比同等缸容同等转速情况下，输出功率更大，但二冲程发动机又存在扫气不净，排气时有部分油气被排出，造成排放不达标、燃油浪费等问题。因此，现有汽车或摩托车发动机普遍采用的仍是四冲程发动机。

如何将四冲程发动机和二冲程发动机的优点结合，摒弃其缺点，使得发动机既具有较大的升功率，又能够避免燃料浪费并减少排放就成为了活塞式内燃发动机发展的一个技术瓶颈，长期以来人们为此经过许多努力，但进展不大。

于1997年10月29日公开的公开号为CN11213342A的中国发明专利申请“往复分离活塞式三冲程内燃发动机”，公开了一种三冲程内燃发动机，由气缸体和气缸体内的前活塞、后活塞以及与前活塞连接的废气做功活塞构成，作功时三个活塞同步下行，废气作功活塞到达下止点时前后活塞分离，前活塞上行，前表面经气缸盖上的排气口扫除气缸内废气，后活塞继续下行，前后活塞一上一下产生的真空经气缸侧壁上的进气口吸进气体，连杆、曲柄依靠惯性绕过下止点上行，后活塞关闭进气口，压缩气体、完成一个工作循环。

上述技术方案中在传统气缸内的做功活塞亦即其专利文件中所称“后活塞”之外又增加了一个用于排吸气的前活塞，排气口设置在汽缸盖上而进气口设置在汽缸壁上，其膨胀做功冲程中的燃烧室设置在前活塞的前端面和汽缸盖之间，前活塞在做功冲程中随后活塞一同向下运动，当前活塞驱动机构即其专利文件中所称“废气做功活塞”带动前活塞上行时，膨胀做功冲程结束，扫汽进汽冲程开始，后活塞依靠惯性下行，前后活塞之间产生的吸力“从进汽口吸进足量汽体，前活塞前端面在上行中逐渐将缸内残留废汽扫出汽缸”，当后活塞上行封闭汽缸壁上的进汽孔时，扫汽进汽冲程结束，压缩冲程开始，后活塞将汽体通过前活塞上的孔或槽压入燃烧室，当后活塞到达其上止点时，其与前活塞的后端面接触，压缩冲程结束。

上述方案力图克服二冲程以新气扫除废气所带来的能源浪费和环境污染问题，但由于其前活塞的活塞轴工作时处于燃烧室内，易被烧蚀，导致密封及润滑困难，并且活塞轴会将热量带出燃烧室外，减小做功功率；其燃烧室的形状不规则，易形成死角，导致燃烧不充分；由于燃烧室在气缸盖与用于排吸气的前活塞之间，而且排气门又在气缸盖上，久而久之其排气门容易积碳，则在其压缩冲程中不能保证密封，由此在实施中存在诸多无法克服的问题。

发明内容

为了克服上述三冲程发动机用于排吸气的前活塞的活塞轴工作时处于热膨胀室内造成密封及润滑困难的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种解决了所述三冲程发动机密封及润滑困难问题的三冲程往复活塞式发动机。

本说明书中，为便于叙述，先作如下定义：在气缸的轴向，以气缸盖方向为“上”，以曲轴方向为“下”；将主活塞和副活塞向气缸盖方向运动的止点对应称为主活塞上止点和副活塞上止点；主活塞和副活塞反方向运动的止点对应称为主活塞下止点和副活塞下止点；副活塞朝向气缸盖的表面为副活塞上表面，副活塞朝向主活塞的表面为副活塞下表面，主活塞朝向副活塞的表面为主活塞上表面。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：三冲程往复活塞式发动机，包括进气口、排气口、气缸、气缸盖和在气缸内往复运动的主活塞和副活塞，副活塞位于主活塞和气缸盖之间，副活塞将主活塞和气缸盖之间的可变气缸空间分隔为上腔和下腔，所述发动机的每一个工作循环均由排吸气冲程、压缩冲程和做功冲程组成，在做功冲程中，下腔作为热膨胀室，且每个工作循环中：

排吸气冲程：主活塞进入主活塞下止点附近区域，下腔排气；副活塞由副活塞上止点运动到副活塞下止点，上腔进气；

压缩冲程：主活塞推动位于副活塞下止点的副活塞向副活塞上止点运动，进入上腔的气体被压缩，在此过程中，进入上腔的气体被导入下腔；

做功冲程：下腔气体膨胀，副活塞保持在副活塞上止点不动，主活塞在下腔内膨胀气体的推动下由主活塞上止点向主活塞下止点运动做功。

本发明中的三冲程往复活塞式发动机的“冲程”是这样定义的：将与曲轴连接的主活塞在其上止点和下止点之间运行一个往返，等效为曲轴运行一个圆周，以主活塞运动到其上止点时对应该圆周轨迹上的第一点，以下腔通过排气口与外界连通时及下腔恢复封闭状态时分别对应该圆周轨迹上的另外两点即第二点和第三点，这三个点将该圆周轨迹分为三份，发动机在每份轨迹内依次完成以下工作过程：热膨胀做功，排气并吸气，压缩，该三个工作过程相应称为做功冲程、排吸气冲程和压缩冲程，连续的该三个工作过程称为一个工作循环。

所述主活塞下止点附近区域是指：自下腔通过排气口与外界连通时直至下腔恢复封闭状态时主活塞的运动区域，在此期间，曲轴将旋转一定角度，主活塞将经过主活塞下止点并反向。所称的“外界”指气缸以外的部分。

本发明中的三冲程往复活塞式发动机的工作过程是这样的：主活塞和副活塞均位于各自的上止点时为压缩冲程终点也即做功冲程起点，做功冲程开始时，作为热膨胀室的下腔中的膨胀气体做功，推动主活塞向下运动直到下腔与外界通过排气口连通时为做功冲程终点也即排吸气冲程起点，副活塞驱动机构驱动副活塞由副活塞上止点向副活塞下止点运动，下腔通过排气口排出做功冲程产生的废气，上腔经进气口进气，主活塞到达主活塞下止点后再向上运动到排气口时为排吸气冲程终点也即压缩冲程起点，进气口和排气口关闭，压缩冲程中主活塞和副活塞均向上运动，共同将进入上腔的气体压缩，直至主活塞和副活塞回到各自的上止点。

根据本发明的三冲程的工作循环过程，上腔和下腔在相互连通和相互隔离的状态之间切换。更具体地说：在压缩冲程中的预定导通时段，上腔与下腔相互连通，在压缩冲程终点，上腔的容积为零，排吸气冲程中进入上腔的气体全部被导入下腔，压缩冲程完成，副活塞也完成复位，在排吸气冲程中的预定隔离时刻，上腔与下腔恢复到相互隔离的状态，排气和进气并行且互不影响。

进一步的是，所述进入上腔的气体通过导气通道被导入下腔，所述导气通道由至少一组相互对应的气缸导气通道和活塞导气通道组成，气缸导气通道是设置在气缸的内壁上部并且是由气缸导气通道下口延伸至气缸盖表面位置并与上腔连通的沟槽或通孔，气缸导气通道下口在主活塞密封环之上；活塞导气通道是设置在副活塞上或主活塞上或主活塞与副活塞之间的可使气缸导气通道下口与下腔连通的沟槽或通孔。

所述下腔配置有与水供给机构连接的水喷嘴，在每两个连续的工作循环中，其中第一工作循环的做功冲程中向下腔供给燃料，燃料燃烧膨胀，第二工作循环的做功冲程中，水供给机构通过水喷嘴向下腔喷水，水气化膨胀。

所述发动机的排气口有至少一个废气排气口和至少一个蒸汽排气口，蒸汽排气口与蒸汽回收装置连通。

所述发动机的排气口有至少一个，各排气口在第一工作循环中排出废气，各排气口在第二工作循环中与蒸汽回收装置连通。

所述发动机的排气口位于副活塞下止点与主活塞上止点之间的气缸的侧壁上，排气口的排气门由排气门驱动机构驱动，在排吸气冲程时排气门开启，在压缩冲程和做功冲程时排气门关闭。

所述发动机的进气口设置在气缸盖上，进气口有至少一个，进气口的进气门由进气门驱动机构驱动，在排吸气冲程时进气门开启，在压缩冲程和做功冲程时进气门关闭。

所述副活塞由副活塞驱动机构驱动，副活塞驱动机构的副活塞连杆穿过气缸盖与副活塞连接，在排吸气冲程中，副活塞驱动机构驱动副活塞由副活塞上止点运动到副活塞下止点。

所述发动机具有点火装置，所述副活塞连杆为管状的空心杆，副活塞连杆中容纳有能量传递介质，所述点火装置包括点火头，点火头设置于副活塞下表面一侧的副活塞连杆的端头上，点火装置的点火能量通过所述能量传递介质传递到点火头，实现点火。

所述副活塞上表面和/或副活塞下表面和/或主活塞上表面上设置有隔热结构。

本发明的有益效果是：热膨胀室位于主活塞与副活塞之间，气缸盖散热更好，有利于进气门布置，有利于燃烧室的优化设计；进一步采用上进气下排气的方式，有利于发动机散热，气缸盖上可设置多个进气门，可以减少泵气损失；采用了副活塞来完成排吸气冲程工作，排出废气更充分，吸入新气更充分，达到了节约燃油，减少排放的目的，有利于节约能源，保护环境；主活塞只进行做功冲程和压缩冲程工作，减少了排吸气冲程的工作，使发动机降低了损耗，提高了工作效率；此外，主活塞完成做功冲程和压缩冲程，要求结构强度高，而副活塞只完成排气吸气任务，负荷轻，结构强度要求不高，主副活塞的任务分明，结构简单，有利于减少故障；主活塞一个来回做功一次，在同等缸容和转速相同的情况下，功率比现有四冲程内燃式活塞发动机功率提高了近一倍，在同等功率输出的前提下，与现有四冲程内燃式活塞发动机相比，发动机的体积更小，重量更轻。本发明的三冲程往复活塞式发动机具有排放低、功效高、节省燃油、升功率大的优点，特别适用于要求发动机功率大，体积小，重量轻，排放低的场合。本发明在现有内燃活塞发动机的基础上稍加改造即可实现，大大降低了制造成本，本发明的三冲程往复活塞式发动机既可以是单缸发动机，也可以是多缸发动机，使用的燃料可以是气油，柴油或各种燃气。

附图说明

图1是本发明的三冲程往复活塞式发动机正视图。

图2是本发明的副活塞驱动机构的示意图。

图3是本发明的进气口驱动机构的示意图。

图4是副活塞驱动机构的传动示意图。

图5是本发明三冲程往复活塞式发动机的原理图，图示位置处于做功冲程起点。

图6是本发明三冲程往复活塞式发动机的原理图，图示位置处于排吸气冲程起点。

图7是本发明三冲程往复活塞式发动机的原理图，图示位置处于压缩冲程起点。

图8是副活塞及电点火装置的示意图。

图9是副活塞驱动机构及进气口驱动机构示意图(单缸)。

图10是副活塞驱动机构及进气口驱动机构示意图(多缸)。

图11是气缸上部喷油嘴及导气通道布置图。

图中标记为，100-副活塞密封环，101-副活塞，101a-副活塞上表面，101b-副活塞下表面，102-副活塞连杆，103-拨片，104、105-副活塞拨杆，106、107-副活塞凸轮，108-复位弹簧，109-活塞导气通道，111-进气门，112、113-进气门拨杆，114、115进气凸轮，116-活动弹簧垫板，121-进气口，122-排气口，123-气缸导气通道，123a-气缸导气通道下口，124-水喷嘴，125-排气门，126-下腔，126a-热膨胀室，127-上腔，128-燃料喷嘴，131-被动链齿轮，132-凸轮轴齿轮，133-凸轮轴链轮，134-传动链条，135-主动链条，136-主动链轮；201-点火头，202-点火针，203-绝缘体，202a-动触点，204a-静触点，204-静触点组件，205点火控制器；30-气缸，301-曲轴箱，302-气缸体，303-气缸套，304-气缸盖；305-驱动机构机架，306-顶盖，307-曲轴；308-曲轴连杆，309-主活塞，309a-主活塞上表面，309b-主活塞下表面，310-主活塞密封环，401-第一凸轮轴，402-第二凸轮轴，X-第一点，Y-第二点，Z-第三点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1～图11所示，本发明的三冲程往复活塞式发动机三冲程往复活塞式发动机包括气缸30、气缸盖304、主活塞309、曲轴连杆308、曲轴307、燃料供给机构、进气口121、排气口122，气缸30内还设置有与主活塞309同轴线布置的、在气缸30内往复运动的副活塞101，副活塞101位于主活塞309和气缸盖304之间，由气缸盖304、副活塞101和副活塞连杆102限定的可变气缸空间为上腔127，由主活塞309和副活塞101限定的可变气缸空间为下腔126，下腔126在做功冲程中作为热膨胀室126a，压缩冲程中，进入上腔127的气体通过导气通道被导入下腔126，副活塞101由副活塞驱动机构驱动，副活塞驱动机构的副活塞连杆102穿过气缸盖304后与副活塞101连接，在排吸气冲程中，副活塞驱动机构驱动副活塞101由副活塞上止点运动到副活塞下止点，主活塞309在惯性作用下由其做功行程终点向主活塞下止点运动并在经过主活塞下止点后向上运动；在压缩冲程中，主活塞309在到达副活塞下止点时开始推动位于副活塞下止点的副活塞101向副活塞上止点运动，当副活塞101被主活塞309推回到副活塞上止点时，主活塞309也到达主活塞上止点，上腔127的压缩气全部进入下腔126，完成副活塞101的复位。导气通道的具体形状结构可以采用多种设计，只要能够在压缩冲程和排吸气冲程的相应时刻连通或隔离上腔126与下腔127即可。

更具体的，所述导气通道由至少一组相互对应的气缸导气通道123和活塞导气通道109组成，气缸导气通道123是设置在气缸30的内壁上部并且是由气缸导气通道下口123a延伸至气缸盖304表面位置并与上腔127连通的沟槽或通孔，气缸导气通道下口123a在主活塞密封环309a之上；活塞导气通道109是设置在副活塞101上或主活塞309上或主活塞309与副活塞101之间的可使气缸导气通道下口123a与热膨胀室126a连通的沟槽或通孔，以满足导气要求和易于加工为好。随着副活塞101的往复运动，气缸导气通道123和活塞导气通道109对应接通或相互隔离，从而使上腔127和下腔126在“连通”与“隔离”这两种状态之间切换。

上述方案中，上腔127和下腔126在连通状态和隔离状态之间的切换由副活塞101的运动控制，即利用副活塞101的运动来实现对导气通道的可靠的机械控制，有利于简化结构，减少故障，并且，压缩冲程进行时，主活塞309和副活塞101同步向上，在上腔127和下腔126连通前气体被分为两层来压缩，有利于密封，提高压缩比，活塞导气通道109直到压缩冲程末期才会与气缸导气通道123对应接通，上腔127内的高压气体才会进入作为热膨胀室126a的下腔126，因此可防止爆燃发生，并可采用高压缩比工况工作，有利提高发动机功效和动力。

所述发动机的进气口121、进气门111及进气门驱动机构设置在气缸盖304上，发动机的排气口122和排气门125及排气门驱动机构则设置在气缸30的侧壁上，在气缸30的轴向，排气口122位于副活塞下止点与主活塞下止点之间，副活塞101位于副活塞下止点时副活塞密封环100位于排气口122之上，防止排吸气冲程中进入上腔127的新气进入下腔126而被排出；主活塞309向下运动到排气口122时，下腔126没有了主活塞309的阻隔，将与排气口122连通，下腔126内的膨胀气体可以通过排气口122排向外界，此时即是做功冲程终点也即排吸气冲程起点，主活塞309到达主活塞下止点后再向上运动到排气口122时，下腔126与排气口122之间被主活塞309阻隔，下腔126恢复封闭状态，此时即是排吸气冲程终点也即压缩冲程起点。

所述进气口121有至少一个，进气口121的进气门111由进气门驱动机构驱动，在排吸气冲程时进气门111开启，在压缩冲程和做功冲程时进气门111关闭；所述排气口122也有至少一个，排气口122的排气门125由排气门驱动机构驱动，在排吸气冲程时排气门125开启，在压缩冲程和做功冲程时排气门125关闭。

如图5～图7所示，上述的三冲程往复活塞式发动机的“冲程”是这样定义的，将与曲轴307连接的主活塞309在其上止点和下止点之间运行一个往返，等效为曲轴307运行一个圆周，以主活塞309运动到其上止点时对应该圆周轨迹上的第一点X，主活塞309向下运动到排气口122时及向上返回排气口122时分别对应该圆周轨迹上的另外两点即第二点Y和第三点Z，这三个点X、Y、Z将该圆周轨迹分为三份，发动机在每份轨迹内依次完成以下工作过程：热膨胀做功，排气并吸气，压缩，该三个工作过程相应称为做功冲程、排吸气冲程和压缩冲程，连续的该三个工作过程称为一个工作循环。

如图5～图7所示，本发明的三冲程往复活塞式发动机的工作方式是：以做功冲程的初始为起点，当主活塞309在其上止点时，副活塞101也处于其上止点，此时混合气体已被压缩并通过导气通道进入到作为热膨胀室126a的下腔126中，压缩冲程完成后，在燃料供给机构或点火装置作用下，热膨胀室126a中的高压混合气体或喷入的燃料被压燃或点燃，膨胀气体推动主活塞309向下运动做功，此时副活塞101静止不动，当主活塞309向下到达排气口122下方时，排气口122处的排气门125打开，做功冲程结束，排吸气冲程开始，副活塞101开始在副活塞驱动机构的驱动下向副活塞下止点运动，将下腔126中的废气压出，随着副活塞101的运动，气缸导气通道123和活塞导气通道109因相互错开而隔断，上腔127和下腔126将相互隔离，进气和排气互不影响，因副活塞101向下运动而在上腔127形成负压，打开进气门111，新鲜气体被吸入上腔127，当副活塞101运行到其下止点时副活塞驱动机构停止驱动，到达主活塞下止点后向上返回的主活塞309协助排出下腔126内剩余的废气，当主活塞309向上到达排气口122上方时排吸气冲程结束，压缩冲程开始；压缩冲程开始时首先关闭排气门125和进气门111，主活塞309由排气口122处向上继续惯性运动并在接触副活塞101后推动副活塞101共同向上运动，将上腔127内的混合气体压缩，同时主活塞309推动副活塞101复位，当副活塞101运动到气缸导气通道123和活塞导气通道109对应连通时，导气通道连通上腔127和下腔126，上腔127内的压缩气体进入下腔126并在副活塞101到达副活塞上止点时被全部挤压入下腔126，上腔127的体积变为零，同时副活塞101到达其上止点，副活塞上表面101a与气缸盖304贴合，副活塞101复位完成，主活塞309也回到主活塞上止点，压缩冲程结束，做功冲程再起。如此循环。

上述的“主活塞309向下到达排气口122下方”是指主活塞30向下经过排气口122，下腔126通过排气口122与外界连通的瞬时；所说的“主活塞309向上到达排气口122上方”是指主活塞30向上经过排气口122，下腔126恢复封闭状态的瞬时。

由于主活塞309主要进行做功冲程和压缩冲程工作，减少了排吸气冲程的工作，使发动机降低了损耗，提高了工作效率；由于采用副活塞101来完成排吸气冲程工作而不是依赖新气对废气进行吹扫，相对于现有扫气方式而言，排除废气更完全，新气吸入更充分，使达到了节约燃油，减少排放的效果，有利于节约能源，保护环境。

本发明的三冲程往复活塞式发动机在结构上更接近于传统的四冲程发动机，但在原理上更接近于传统的二冲程发动机，因为本发明的三冲程往复活塞式发动机完成一个工作循环主活塞309只需要在其上止点和下止点之间来回运动一次，这是本发明与现有四冲程发动机的关键区别，由于一次做功中主活塞309只需在其上、下止点间运行一个来回，现有四冲程发动机的活塞一次做功中需要在其上、下止点间运行两个来回，在同等缸容和同转速的情况下，与四冲程内燃式活塞发动机相比，本发明发动机的功率可提高近一倍，在同等功率输出时，本发明发动机的体积可以更小，重量可以更轻。

本发明的三冲程往复活塞式发动机与现有二冲程发动机的关键区别在于增加了用于排气和吸气的副活塞101及副活塞驱动机构，以及相应的导气控制，副活塞101在排吸气冲程中由副活塞驱动机构完成排吸气功能，并在压缩冲程中由主活塞309推动完成辅助压缩功能和复位。本发明的静态机械结构看起来类似于背景技术中提及的CN11213342A三冲程往复活塞式发动机，但本申请与之相比，热膨胀室的位置不同，热膨胀室位置的变化带来了进、排气口位置和排吸气方式的变化，进而用于排吸气的副活塞的驱动方式也有相应的变化，本申请的发动机的工作方式由此发生了实质上的改变，由此带来了相当多的突出的优点。至于本发明的三冲程往复活塞式发动机配置的点火装置、燃料供给机构、进气机构、副活塞驱动机构等，则可以在不脱离上述工作原理的情况下采用其它未在本说明书中明示的装置或机构，既可以是与传统发动机相同的装置或机构，也可以是在上述技术方案基础上设计出来的适合于本发明的特有装置或机构。

本发明中，主活塞309只完成做功和压缩任务，负荷重，结构强度要求高，副活塞101只完成排气吸气任务，负荷轻，结构强度要求不高，本发明发动机在结构上可以做到轻重分明，任务分明，结构简化，有利于减少故障。

本发明中，热膨胀室126a位于主活塞309与副活塞101之间，不受其他部件干扰，可方便采用优化设计，使燃烧效率达到最佳；副活塞101将气缸盖304与热膨胀室126a完全隔离，同时吸气过程吸入的新气可发挥冷却作用，使气缸盖304散热更好，大大降低了气缸盖304及上面的进气门111、副活塞连杆102等部件的工作温度，保障了进气门111和副活塞连杆102的密封与润滑，而且由于气缸盖304温度低，降低了进气门111的技术要求，因此进气门111可有多种选择，可使用旋转类型阀门等，有利于简化进气门驱动机构，减少驱动能耗及工作噪声。由于采用上进气下排气，气缸盖304上的可用空间可全部用于设置进气口121，从而使得进气阻力更小，可以减小泵气损耗，进气更充分；由于采用上进气下排气，多余热量集中从排气口122排除，发动机散热效果更好。

本发明提供了一个全新概念的活塞内燃发动机基本构架，在此基础上应用现有四冲程活塞内燃发动机上已有的各种技术，将派生出更多技术方案，可以进一步提高本发明的发动机的性能，如在进气上采用涡轮增压技术或其它机械增压方式来提高进气压力，可以进一步减少副活塞排吸气动作阻力，提高压缩比。又比如，上述的发动机的压缩燃气直到压缩冲程末期才通过导气通道进入热膨胀室126a，所称“压缩冲程末期”也即前述的预定导通时段，指的是自压缩冲程中导气通道将上腔127和下腔126连通的瞬时即“设定导通时刻”直至压缩冲程终点这一段时间，因此可以实现高压缩比工作方式，很容易实现均质燃烧技术，解决柴油机的排放问题。此外还可结合诸如燃油电喷技术，燃油共轨供给技术，进气控制技术，点火控制技术，电子控制系统等等，都可以进一步提高本发明的发动机的性能。此外发动机的冷却系统及润滑系统均可采用现有公知技术直接移植应用，此类现有技术众多，在此不再一一叙述。

本发明的发动机可以在每一个工作循环中都供给燃料，所述热膨胀室126a在每个工作循环的每个做功冲程中都是燃烧燃料膨胀做功，以三冲程工作方式工作。三冲程工作方式指“燃烧膨胀做功，排吸气，压缩”的三冲程工作循环。

除此之外，进一步的，结合尚未推广的气缸内喷水利用气缸内的高温使水变成水蒸汽推动活塞做功的六冲程发动机技术，还可以在本发明的三冲程发动机的基础上，为下腔126配置与水供给机构连接的水喷嘴124，在每两个连续的工作循环中，其中第一工作循环的做功冲程中向下腔126供给燃料，由进入下腔126的燃料燃烧实现下腔气体膨胀，水供给机构不动作，第二工作循环的做功冲程中，水供给机构通过水喷嘴124向下腔126供给水，由水的气化实现下腔气体膨胀，燃料供给机构不动作。本发明中称这样的工作方式为三加三冲程工作方式，三加三冲程工作方式即“燃烧膨胀做功，排吸气(其中吸气只吸入空气不给燃料)，压缩，喷水热膨胀做功，排吸气(其中吸气需要供给燃料)，压缩”的工作方式，也可称为六冲程循环工作方式：所述发动机在其连续的每两个工作循环中的两个做功冲程中交替向下腔126中供给燃料或水，让燃料供给机构供给燃料和水供给机构通过水喷嘴124喷水在每两个相邻的工作循环中交替进行。

所述水喷嘴124由水供给机构控制。如图2、图3和图4所示，所述水喷嘴124可以是固定连接在气缸30上，优选其位于在气缸导气通道123内与活塞导气通道109对接处，当然也可以是安装在气缸30上其它与下腔126可连通的位置。水喷嘴124的数量可以是一个或两个以上。

在三加三冲程工作方式中，优选排气口122和排气门125是两个或以上，有至少一个废气排气口和至少一个蒸汽排气口，蒸汽排气口与蒸汽回收装置连通。各个排气口122和排气门125布置在同一圆周上，废气排气口的排气门125在第一工作循环中打开、第二工作循环中关闭，用于排出燃烧膨胀后产生的废气，蒸汽排气口的排气门125则在第二工作循环中才打开，在第一工作循环中关闭，用于排出热膨胀的水蒸汽，这部分水蒸汽通过管道与冷凝器等蒸汽回收装置连通，可实现水的循环利用。

在三加三冲程工作方式中，排气口122也可以是至少一个，各排气口122在第一工作循环中向外界排出废气，各排气口122在第二工作循环中与蒸汽回收装置连通。

为实现排吸气功能，需要有副活塞驱动机构，副活塞101由副活塞驱动机构驱动，副活塞驱动机构的副活塞连杆102穿过气缸盖304与副活塞101连接，在排吸气冲程中，副活塞驱动机构驱动副活塞101由副活塞上止点运动到副活塞下止点。副活塞驱动机构可以是顶置式的，也可以是底置式的，所谓顶置式是指副活塞连杆102通过顶置驱动机构驱动，顶置驱动机构通过链条与曲轴307连接，所谓底置式是指副活塞连杆102通过底置驱动机构驱动，底置驱动机构与曲轴307连动。副活塞驱动机构可根据不同结构的发动机进行优选，副活塞驱动机构按本说明书中所述的三冲程工作过程驱动副活塞101工作。

本发明的副活塞驱动机构优选采用符合高速往复运动工况的凸轮驱动方式驱动。如图2所示，所述副活塞驱动机构包括与副活塞连杆102连接构成“T”形结构的拨片103，拨片103由副活塞凸轮106、107和相应的副活塞拨杆104、105配合驱动，所述副活塞凸轮106、107的凸轮轴通过齿链传动机构与曲轴307连接，并且，副活塞凸轮106、107可以和进气凸轮114、115共用凸轮轴，只要相应调整副活塞凸轮106、107与进气凸轮114、115的凸起的相位，并根据各自的行程要求相应设计副活塞拨杆104、105和进气口拨杆112、113以及凸轮凸起高度即可，这样可以简化传动结构，减小发动机体积。

在压缩冲程中，因为副活塞101被主活塞309推动向上运动并复位，所以不必再将副活塞驱动机构复杂化，为保证副活塞101在压缩冲程中可靠复位，所述拨片103与气缸盖304之间的副活塞连杆102上套装有复位弹簧108，辅助主活塞309推动副活塞101向上运动复位。如图3所示，复位弹簧108可以设置在拨片103与为进气门111配置的活动弹簧垫板116之间，进一步利用进气门111关闭的动能辅助副活塞101在压缩冲程中可靠复位。

所述发动机的燃料供给由燃料供给机构控制：其通常的燃料供应方式可以有两种，或者燃料先与空气混合后再进入下腔126；或者燃料经由安装在气缸30上的燃料喷嘴128直喷入下腔126，燃料的供给由燃料供给机构控制。燃料喷嘴128的数量可以是一个或两个以上，燃料喷嘴128可以是喷燃油，也可以是喷燃气，根据发动机选用的燃料来定。如图2、图3、图4和图11所示，所述用于燃料供给的燃料喷嘴128可以是固定连接在气缸30上并位于在气缸导气通道123内与活塞导气通道109对接处，也可以是安装在气缸30上其它与下腔126可连通的位置。

如图9所示，本发明的发动机可以为单缸发动机。如图10所示，本发明的发动机也可以为多缸发动机，此时各个气缸30中的主活塞309及各个气缸30配置的副活塞驱动机构均与同一曲轴307连接。与现有技术类似，通过调整各个气缸30的副活塞凸轮106、107的驱动相位及进气门111、排气门125的驱动相位，使各个气缸30的工作过程依次交替，以维持多缸发动机的动态平衡。

由于本发明的发动机结构与现有技术存在明显区别，本发明还特别提供了适用于本发明发动机的点火装置设计。参照图8，所述发动机具有点火装置，所述副活塞连杆102为管状的空心杆，副活塞连杆102中容纳有能量传递介质，所述点火装置包括点火头201，点火头201设置于副活塞下表面101b一侧的副活塞连杆102的端头上，点火装置的点火能量通过所述能量传递介质传递到点火头201，实现点火。

所述的点火装置可以是激光触发的点火装置，点火装置的点火能量为光能，所述副活塞连杆102中容纳的能量传递介质为透光材料。例如在顶盖306上安装有朝向点火头201的激光发射器，当激光发射器发出的光束传递到点火头201时实现点火。

如图8所示，所述的点火装置也可以是电点火装置，点火装置的点火能量为电能，所述副活塞连杆102中容纳的能量传递介质为导电材料制作的点火针202。结合本发明中做功冲程起点时各部件位置，所述电点火装置包括点火头201和点火针202，点火头201仍然设置于副活塞下表面101b一侧的副活塞连杆102的端头上，点火针202安装于副活塞连杆102内并与副活塞连杆102绝缘，点火针202的针头与点火头201之间相互保持有点火间隙，点火针202的尾端为动触点202a，随副活塞连杆102的运动，与点火控制器205连接的静触点204a与所述动触点202a相互接触或分离，并在接触时将来自点火控制器205的高压引入点火间隙，实现点火。该方案巧妙利用副活塞连杆102作为电点火装置的电气连通开关，该电点火装置与本发明发动机特殊的排吸气冲程设计和热膨胀室设置实现了巧妙配合。进一步地，静触点204a宜做成相对于动触点202a其位置可以调节的可调式静触点，以便于调整点火时机。

优选地，所述副活塞上表面101a和/或副活塞下表面101b和/或主活塞上表面309a上设置有隔热结构，减少做功冲程中传递到副活塞本体和主活塞本体上的热量，提高热膨胀室126a的温度，并防止上腔127的压缩燃气直接与温度较高的副活塞表面接触引起压缩混合燃气燃烧，还可以减少经由上腔127传递到气缸盖304的热量。活塞主体的温度降低有利于润滑，提高热膨胀室126a的温度有利于提高做功效率。

又如，可在副活塞下表面101b与主活塞上表面309a在运动中会接触的地方，以及副活塞101和副活塞连杆102连接部位，以及副活塞连杆102和拨片103连接部位增加防冲击结构，以吸收主活塞309和副活塞101接触时的瞬间冲击，降低噪音。此外，副活塞101和副活塞连杆优选采用轻质高强度材料制作，以减小其惯性力。这属于本领域技术人员了解的常规技术，不再过多叙述。

实施例一：

如图1～图7及图11所示，本发明的单缸三冲程往复活塞式发动机包括与传统四冲程发动机相似的曲轴箱301、曲轴307，曲轴连杆308，主活塞309，气缸30、气缸盖304等气缸盖304上安装有顶盖306，主活塞309通过曲轴连杆308与曲轴307连接，气缸盖304上设置有进气口121和进气门111及进气门驱动机构，气缸30上设置有排气口122和排气门125及排气门驱动机构，排气门125及排气门驱动机构可以采用与现有技术相同或类似的机构，但有特殊的排吸气机构，按照本发明所述的三冲程原理工作。

所述特殊的排吸气机构主要包括副活塞101、副活塞密封环100、及副活塞驱动机构和导气通道，副活塞驱动机构包括副活塞连杆102，副活塞拨杆104、105，副活塞凸轮106、107等。副活塞101位于主活塞309和气缸盖304之间，副活塞101上安装的副活塞连杆102穿过气缸盖304后与拨片103连接构成“T”形结构，拨片103由副活塞凸轮106、107和相应的副活塞拨杆104、105配合驱动，副活塞凸轮106、107的凸轮轴通过齿链传动机构与曲轴307连接：连接在曲轴307上的主动链轮136通过主动链条135与被动链齿轮131连接，被动链齿轮131通过传动链条134与凸轮轴链轮133连接，被动链齿轮131通过其齿轮部分与凸轮轴齿轮132连接，凸轮轴齿轮132和凸轮轴链轮133则分别与副活塞凸轮106、107同轴连接；由设置在气缸30的内壁上部并从气缸导气通道下口123a延伸至气缸盖304表面位置的气缸导气通道123和设置在副活塞101上的活塞导气通道109组成所述的导气通道，气缸导气通道下口123a的位置是在主活塞309处于其上止点时主活塞309的最上面一道用于密封的主活塞密封环310之上，以避免气体被导入主活塞309下面，副活塞101位于副活塞下止点时，副活塞101的最上面一道用于密封的副活塞密封环100位于排气口122之上，避免已进入上腔的新气通过排气口122泄漏。

排气门125只在排吸气冲程中开启，其他时间都关闭，以保证曲轴箱301处于相对封闭状态、避免曲轴箱301内的润滑油通过排气口122排出。

该发动机采用现有技术的化油器雾化通过进气口121供油，直接采用压燃方式点火燃烧，没有点火装置，进气门111采用传统的菌状活门机构，进气门111由进气凸轮114、115和相应的进气口拨杆112、113驱动，进气凸轮114、115也通过链传动机构和齿轮传动机构与曲轴307连接，驱动副活塞101和进气门111的副活塞拨杆104、105，副活塞凸轮106、107以及进气口拨杆112、113，进气凸轮114、115等均安装在顶盖306内的驱动机构机架305上。排气门的驱动机构可根据所选排气门类型按三冲程原理要求采用现有技术设计。各图中均未示出。

实施例二：

如图8所示，实施例二是在实施例一基础上增加电点火装置的本发明的三冲程发动机，其基本结构与实施例一相同，但是其副活塞连杆102为管状的空心杆，所述电点火装置包括点火头201和点火针202，点火头201设置于副活塞下表面101b一侧的副活塞连杆102的端头上，点火针202安装于副活塞连杆102内并与副活塞连杆102绝缘，点火针202的针头与点火头201之间相互保持有点火间隙，点火针202的尾端为动触点202a，随副活塞连杆102的运动，与点火控制器205连接的静触点204a与所述动触点202a相互接触或分离，并在接触时将来自点火控制器205的高压引入点火间隙，实现点火。点火针202能从副活塞连杆102上拆卸下来以便清洗，点火针202前端与点火头201之间构成点火间隙来代替现有发动机的火花塞。静触点204a可做成可调式触点，则可实现点火提前角的调节功能。

实施例三：

如图2和图11所示，该发动机采用缸内直喷燃料供应方式，发动机的燃料供给机构供给的燃料通过燃料喷嘴128直接喷入热膨胀室，没有点火装置，以压燃方式实现点火，该发动机的导气通道由相对于气缸30的中心线均布的四组气缸导气通道123和活塞导气通道109组成，两个燃料喷嘴128均是固定连接在气缸30上并位于所述气缸导气通道123内与活塞导气通道109对接处，燃料供给机构与该两个燃料喷嘴128连接。燃料喷嘴128根据燃料的不同选择，可以是喷燃油，也可以是喷燃气。

实施例四：

实施例四是在实施例三的基础上增加实施例二中所述的点火装置，在使用燃点较高的燃料时应用。

实施例五

如图11所示，实施例五是在实施例一、二、三或四的基础上增加与水供给机构连接的水喷嘴124。在第一个循环中，供应油或气等燃料，燃烧膨胀做功，水喷嘴关闭，在第二个循环中，水供给机构通过水喷嘴124向下腔126中供给水，利用水的气化膨胀做功，即所述发动机以六冲程循环方式工作：燃烧膨胀做功，排吸气(其中吸气只吸入空气不给燃料)，压缩，水变成水蒸汽膨胀做功，排吸气(其中吸气既吸入空气又要给燃料)，压缩。

实施例六：

如图10所示，本发明的三缸三冲程往复活塞式发动机，单个气缸采用与实施例一、实施例二、实施例三、实施例四或实施例五相同的基本结构，各个气缸组件中的主活塞309连接在同一曲轴307上，副活塞驱动机构和进气门驱动机构均采用凸轮和拨杆机构，各个气缸同侧的副活塞凸轮106、107及进气凸轮114、115共用凸轮轴，分别安装在第一凸轮轴401和第二凸轮轴402上，第二个汽缸的副活塞凸轮106、107和进气凸轮114、115与第一个汽缸的副活塞凸轮106、107和进气凸轮114、115的相位差为120°，第三个汽缸的副活塞凸轮106、107和进气凸轮114、115与第一个汽缸的副活塞凸轮106、107和进气凸轮114、115的相位差为240°。排气门驱动机构亦可根据所选排气门类型按上述各气缸驱动相位关系及三冲程原理要求采用现有技术设计，各图中未示出。

Claims (15)

1.三冲程往复活塞式发动机，包括进气口（121）、排气口（122）、气缸（30）、气缸盖（304）和在气缸（30）内往复运动的主活塞（309）和副活塞（101），副活塞（101）位于主活塞（309）和气缸盖（304）之间，副活塞（101）将主活塞（309）和气缸盖（304）之间的可变气缸空间分隔为上腔（127）和下腔（126），所述发动机的每一个工作循环均由排吸气冲程、压缩冲程和做功冲程组成，其特征是：在做功冲程中，下腔（126）作为热膨胀室（126a），且每个工作循环中：

排吸气冲程：主活塞（309）进入主活塞下止点附近区域，下腔（126）排气；副活塞（101）由副活塞上止点运动到副活塞下止点，上腔（127）进气；

压缩冲程：主活塞（309）推动位于副活塞下止点的副活塞（101）向副活塞上止点运动，进入上腔（127）的气体被压缩，在此过程中，进入上腔（127）的气体被导入下腔（126）；

做功冲程：下腔（126）气体膨胀，副活塞（101）保持在副活塞上止点不动，主活塞（309）在下腔（126）内膨胀气体的推动下由主活塞上止点向主活塞下止点运动做功。

2.如权利要求1所述的三冲程往复活塞式发动机，其特征是：所述进入上腔（127）的气体通过导气通道被导入下腔（126），所述导气通道由至少一组相互对应的气缸导气通道（123）和活塞导气通道（109）组成，气缸导气通道（123）是设置在气缸（30）的内壁上部并且是由气缸导气通道下口（123a）延伸至气缸盖（304）表面位置并与上腔（127）连通的沟槽或通孔，气缸导气通道下口（123a）在主活塞密封环（309a）之上；活塞导气通道（109）是设置在副活塞（101）上或主活塞（309）上或主活塞（309）与副活塞（101）之间的可使气缸导气通道下口（123a）与下腔（126）连通的沟槽或通孔。

3.如权利要求1或2所述的三冲程往复活塞式发动机，其特征是：所述下腔（126）配置有与水供给机构连接的水喷嘴（124），在每两个连续的工作循环中，其中第一工作循环的做功冲程中向下腔（126）供给燃料，燃料燃烧膨胀，第二工作循环的做功冲程中，水供给机构通过水喷嘴（124）向下腔（126）喷水，水气化膨胀。

4.如权利要求3所述的三冲程往复活塞式发动机，其特征是：所述发动机的排气口（122）有至少一个废气排气口和至少一个蒸汽排气口，蒸汽排气口与蒸汽回收装置连通。

5.如权利要求3所述的三冲程往复活塞式发动机，其特征是：所述发动机的排气口（122）有至少一个，各排气口（122）在第一工作循环中排出废气，各排气口（122）在第二工作循环中与蒸汽回收装置连通。

6.如权利要求1、2、4或5所述的三冲程往复活塞式发动机，其特征是：所述发动机的排气口（122）位于副活塞下止点与主活塞下止点之间的气缸（30）的侧壁上，排气口（122）的排气门（125）由排气门驱动机构驱动，在排吸气冲程时排气门（125）开启，在压缩冲程和做功冲程时排气门（125）关闭。

7.如权利要求1、2、4或5所述的三冲程往复活塞式发动机，其特征是：所述发动机的进气口（121）设置在气缸盖（304）上，进气口（121）有至少一个，进气口（121）的进气门（111）由进气门驱动机构驱动，在排吸气冲程时进气门（111）开启，在压缩冲程和做功冲程时进气门（111）关闭。

8.如权利要求1、2、4或5所述的三冲程往复活塞式发动机，其特征是：所述副活塞（101）由副活塞驱动机构驱动，副活塞驱动机构的副活塞连杆（102）穿过气缸盖（304）与副活塞（101）连接，在排吸气冲程中，副活塞驱动机构驱动副活塞（101）由副活塞上止点运动到副活塞下止点。

9.如权利要求8所述的三冲程往复活塞式发动机，其特征是：所述发动机具有点火装置，所述副活塞连杆（102）为管状的空心杆，副活塞连杆（102）中容纳有能量传递介质，所述点火装置包括点火头（201），点火头（201）设置于副活塞下表面（101b）一侧的副活塞连杆（102）的端头上，点火装置的点火能量通过所述能量传递介质传递到点火头（201），实现点火。

10.如权利要求1、2、4或5所述的三冲程往复活塞式发动机，其特征是：所述副活塞上表面（101a）和/或副活塞下表面（101b）和/或主活塞上表面（309a）上设置有隔热结构。

11.如权利要求3所述的三冲程往复活塞式发动机，其特征是：所述发动机的排气口（122）位于副活塞下止点与主活塞下止点之间的气缸（30）的侧壁上，排气口（122）的排气门（125）由排气门驱动机构驱动，在排吸气冲程时排气门（125）开启，在压缩冲程和做功冲程时排气门（125）关闭。

12.如权利要求3所述的三冲程往复活塞式发动机，其特征是：所述发动机的进气口（121）设置在气缸盖（304）上，进气口（121）有至少一个，进气口（121）的进气门（111）由进气门驱动机构驱动，在排吸气冲程时进气门（111）开启，在压缩冲程和做功冲程时进气门（111）关闭。

13.如权利要求3所述的三冲程往复活塞式发动机，其特征是：所述副活塞（101）由副活塞驱动机构驱动，副活塞驱动机构的副活塞连杆（102）穿过气缸盖（304）与副活塞（101）连接，在排吸气冲程中，副活塞驱动机构驱动副活塞（101）由副活塞上止点运动到副活塞下止点。

14.如权利要求13所述的三冲程往复活塞式发动机，其特征是：所述发动机具有点火装置，所述副活塞连杆（102）为管状的空心杆，副活塞连杆（102）中容纳有能量传递介质，所述点火装置包括点火头（201），点火头（201）设置于副活塞下表面（101b）一侧的副活塞连杆（102）的端头上，点火装置的点火能量通过所述能量传递介质传递到点火头（201），实现点火。

15.如权利要求3所述的三冲程往复活塞式发动机，其特征是：所述副活塞上表面（101a）和/或副活塞下表面（101b）和/或主活塞上表面（309a）上设置有隔热结构。

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