CN103233789B - 应用二冲程阿特金森循环的多模全顶置气门二冲程内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用二冲程阿特金森循环的多模全顶置气门二冲程内燃机，二冲程阿特金森循环是在二冲程循环的基础上将扫气过程偏置，缩小的压缩冲程的距离，延长了膨胀冲程的距离，实现了阿特金森循环，并且保持了内燃机的平衡性。在普通二冲程内燃机的基础上，采用了顶置大斜度的嵌入式进气门和普通排气门的气缸盖结构，进气门在打开的时候，自身充当了临时的隔离板，并利用成型顶活塞上凸起的导流作用，实现更高效率的扫气结构。通过全可变气门正时机构调节气门与曲轴的角度关系，可以调整进排气门的开闭时间，从而令内燃机具有二冲程阿特金森循环和二冲程循环及可调排量和压缩比三种工作模式。本发明大幅度提高了内燃机的效率。

Description

应用二冲程阿特金森循环的多模全顶置气门二冲程内燃机

技术领域

本发明涉及一种应用二冲程阿特金森循环的多模全顶置气门二冲程内燃机，它采用一种新的热力学循环被称作二冲程阿特金森循环，以及采用此循环的可变循环模式的顶置气门二冲程内燃机。

背景技术

改进以便提高内燃机的热效率是内燃机最重要的改进设计。现在使用最普遍的四冲程和二冲程内燃机始终不能达到卡诺循环理论所指出的理论最高热效率。提高内燃机的热效率，主要有三个方法：增加热燃气的膨胀做工、降低摩擦损耗、降低冷却散热。作为机械发明可以不考虑散热和材料方面的工作，因此唯一可以做的工作是设计新的机械来增加热燃气的膨胀做工。众所周知，四冲程内燃机做功一次需要四个冲程，而二冲程内燃机仅需要二个冲程，因此二冲程内燃机摩擦损耗要少约一半。而早在1882年阿特金森就发明了阿特金森循环，这是一个膨胀冲程大于压缩冲程的四冲程热力学过程，可以令高温燃气充分膨胀从而提高热效率。

但典型的二冲程内燃机效率比阿特金森内燃机低，依然有继续提高的可能性，而阿特金森内燃机中四冲程机械的问题是平衡性很差，近似原理的米勒循环内燃机功率又比标准的四冲程内燃机低很多。能否将阿特金森循环用于改造二冲程内燃机以提高其效率，并利用二冲程内燃机来解决阿特金森循环的平衡性问题并改善其输出功率不足的问题？因此想到发展一种二冲程形式的阿特金森内燃机。

普通的二冲程内燃机的结构仍具有改进的空间和必要。以往的二冲程内燃机的换气门不是全部有开在气缸的圆柱形侧壁之上的孔洞，至多只有排气门在气缸顶部，这样导致气门开闭的时间无法调整，造成内燃机无法根据工况来调整。因此气门有必要全部改成四冲程内燃机惯用的全顶置气门的技术形式。当气门的开闭与活塞的位置无关的时候，二冲程内燃机的气门可以做到更多的变化，可以根据需要调整开闭的时间。

公开号为CN201025113之电喷四冲程改为电喷二冲程的汽油发动机，虽然有利用全顶置气门结构来做二冲程内燃机气缸扫气的想法，但其采用的是在活塞上止点扫气的方法，这样的工作循环其实并不是标准的二冲程内燃机，其前置的增压器压缩比必然要很大，比普通二冲程内燃机的增压器压力大很多，必需与四冲程内燃机压缩比一样，而活塞是所有形式压缩机中效率最高的，也是最简单的，如果用活塞压缩进入的空气而后在送到另一个活塞里面燃烧做功，结构上复杂，体积和重量都很大，其实也就是相当于四冲程内燃机，毫无优势可言。

公开号为CN2544108之气缸顶部有进排气阀的二冲程内燃机，虽然有利用全顶置气门结构来做二冲程内燃机气缸扫气的想法，但其采用的普通的四冲程顶置气门技术，这样的顶置气门技术无法为二冲程内燃机做有效的气缸扫气，不符合专利申请的可重复性、有效性的基本要求，即任选一种现有的顶置气门形式无法完成活塞处于下止点附近时的气缸扫气，其结果是进入气缸的纯洁的空气与燃烧后的高温废气混合，且这种混合可变性大，不能保证每个工作循环具有近似的输出功率和点火特性等，因而工作会不稳定。

公开号为CN101660461之顶置外开配气二冲程发动机，采用全顶置气门的设计，并且具有导流结构体，企图令扫气更加干净彻底。但此种导流结构体过大则压缩比不好，过小则根本没有隔绝进气与排气的效果，也无法解决气门背面积存废气的问题。

另外，采用阿特金森循环的二冲程内燃机始终比标准循环的二冲程内燃机功率小，因此为令内燃机具有更大的功率，并兼顾效率，最好是可以使用二种热循环模式的双模内燃机，即此内燃机既可以是阿特金森循环的二冲程内燃机，也可以变换成为标准循环的二冲程内燃机。更有可能，可以通过调节全可变气门机构FVVT来改变二冲程阿特金森内燃机的排量和压缩比，从而适应不同的进气压力，由此产生了多重模式的一台内燃机。日本本田汽车公司一款内燃机采用了双模式工作方式，VTEC阿特金森内燃机利用成熟的VTEC技术将其中一个凸轮做成专供阿特金森循环的高角度凸轮，通过切换不同形状的凸轮，令内燃机在奥拓四冲程内燃机和阿特金森循环内燃机之间切换，从而达到兼顾最大输出功率和低功率时具有高效率的目的，从而表明：多重工作模式的内燃机是普通内燃机最重要的改进方法。

本发明需要全可变气门正时技术，即气门打开的时刻所对应的曲轴角度与关闭的时刻所对应的曲轴角度是可以单独连续无级别可调的。这个关键性技术由本发明的发明人已经申请数个相关专利，有很多形式，例如可参考专利申请号201010164316.6包含变速摆机构的全可变气门正时方法和机构。本发明的实施例所采用的也是这个专利技术。具有多种形式和结构的全可变气门正时技术所具有的气门控制的特性是一样的，因而选用任何一个做为实施例的说明是等效的，具有相同的意义。

发明内容

本专利针对上述缺陷作出新的解决方案，需要一种新的内燃机，将二冲程内燃机改进成为全顶置气门扫气形式，实现将阿特金森循环嵌入到标准二冲程循环中的目的，这样可以在普通四冲程内燃机或二冲程内燃机基础上经过最少的改进而得到一种新型高效率内燃机。

发明所提供的一种二冲程阿特金森循环：在通常二冲程循环的基础上，将扫气过程偏置，向压缩冲程移动，缩小的压缩冲程的距离，延长了膨胀冲程的距离，压缩冲程小于膨胀冲程，压缩冲程和膨胀冲程做成非对称，即一种平衡的阿特金森循环，又是一种二冲程循环，是在二冲程循环中嵌入阿特金森循环。所述二冲程阿特金森循环又可以这样描述：是将进气和排气过程重叠之后形成阿特金森循环，即在通常的阿特金森循环基础上，排气过程与进气过程作重交叠，即以扫气替代通常的阿特金森循环中的排气与进气过程。

发明所提供的内燃机是：一种应用二冲程阿特金森循环的多模全顶置气门二冲程内燃机，是进气门和排气门全部顶置的二冲程发动机，由倾斜的进气门和相应的气缸盖、全可变气门正时机构驱动气门、成型顶活塞与其他相应部件组成。内燃机是否具有火花塞由内燃机类型决定。所述多模全顶置气门二冲程内燃机可以在标准二冲程内燃机、二冲程阿特金森内燃机、可调压缩比和排量的内燃机三个工作模式下工作，并可以相互转换。

发明也提供了一种将普通四冲程或二冲程内燃机改进成为二冲程阿特金森循环内燃机的方法，用扫气方式替代活塞吸气-排气方式，在气门控制方面，要调整凸轮轴或相应扫气控制机构的转速或频率必需与曲轴的转速比达到1∶1，采用全可变气门正时机构或同等作用的气门控制机构，调整凸轮轴上的凸轮的角度或同等作用机构的参数，使得进气门和排气门可以做到近似同时开启和关闭，并且这样的扫气过程的时机和持续时间可以做连续无级别的调整。

发明也提供了一种可调排量和压缩比的内燃机和方法，是一种具有全可变气门正时驱动机构、顶置气门、成型顶活塞的二冲程内燃机。所述的可调排量和压缩比的方法是通过改变吸气的体积和保持活塞上止点，使得等效的压缩比得以连续改变。

发明也提供了一种可变循环模式的内燃机和方法，所述可变循环模式的内燃机是：包含全可变气门正时、成型顶活塞和特殊气缸盖的二冲程内燃机。所述方法是：采用扫气的方式换气，采用二冲程为一个工作循环，可在典型二冲程循环、阿特金森循环、可变排量和压缩比内燃机等三种循环模式之间变换工作模式。所述可变循环模式的方法，即通过改变扫气过程的时间长短和过程的时机，从而改变内燃机的工作循环的模式和循环参数。

发明也提供了一种利于扫气的气缸结构，其特征在于在普通顶置气门四冲程内燃机的基础上，将进气门倾斜，并向气缸盖内部移动形成一个内凹槽，进气门的最大升程不大于内凹槽的深度，进气管与活塞运动轨迹的夹角近零度，同时在活塞上增加二个斜切柱状凸起并使之配合气缸盖上的内凹槽，同时气缸盖也必需适应活塞所具有的斜面。

附图说明

图1是二冲程阿特金森循环的示意图，示出了二冲程阿特金森循环中活塞位置与曲轴角度的对应关系，以及标准的阿特金森循环和二冲程循环的混合特征。

图2是多模全顶置气门二冲程内燃机的示意图，示出了其所具有的全可变气门正时机构和各种可调机构。

图3是多模全顶置气门二冲程内燃机的另一个视角的示意图，示出了其排气门具有的全可变气门正时机构和各种可调机构。

图4是多模全顶置气门二冲程内燃机的另一个视角的示意图，示出了其进气门所具有的全可变气门正时机构及其可调机构。

图5是多模全顶置气门二冲程内燃机的旋转剖视示意图，示出了其所具有的气门结构、进气管方向和活塞的形状。

图6是多模全顶置气门二冲程内燃机的旋转剖视示意图，示出了其在气门打开时活塞的位置，以及气门被气缸盖的气门套部分封闭的情况。

图7是多模全顶置气门二冲程内燃机的活塞示意图，示出了其所具有的二个配合气门的突起，以及斜面和平面的角度。

图8是多模全顶置气门二冲程内燃机的活塞示意图，示出了其所具有的二个配合气门的突起，以及斜面和平面的角度，突起的端面的凹陷弧度不一样。

图9是多模全顶置气门二冲程内燃机的全可变气门正时机构的效果示意图，示出了全可变气门正时机构可以改变气门打开的持续时间以及开启的时间。

图10是多模全顶置气门二冲程内燃机的改变排量和压缩比的示意图，示出了通过将降低吸气量来降低压缩比。

图11是多模全顶置气门二冲程内燃机改变工作模式的示意图，示出了通过改变扫气时机来改变膨胀与压缩体积从而可以将内燃机从二冲程内燃机改变到阿特金森内燃机，或者反之。

具体实施方式

本发明的所述的二冲程阿特金森循环可参考图1。通常的二冲程循环的扫气过程是对称的，即产生的效果是膨胀冲程与压缩冲程的距离是一样的。阿特金森循环要求膨胀冲程大于压缩冲程，因此在通常二冲程循环的基础上，将压缩冲程和膨胀冲程做成非对称，将扫气过程偏置，向压缩冲程移动，缩小的压缩冲程的距离，延长了膨胀冲程的距离，压缩冲程小于膨胀冲程，即一种平衡的阿特金森循环，又是一种二冲程循环，是在二冲程循环中嵌入阿特金森循环，也是将进气和排气重叠之后形成的阿特金森循环。所述二冲程阿特金森循环又或可以这样描述，在通常的阿特金森循环基础上，排气过程与进气过程作重交叠，即以扫气替代通常的阿特金森循环中的排气与进气过程。图1中，按照往复活塞内燃机的结构，曲轴角对应着活塞的位置，曲轴角(CA角)旋转360度，活塞从上止点至下止点再回到上止点，因而上止点既是循环开始的地方(0度CA角)，也是循环结束的地方(360度CA角)。显然按图所示，进气/吸气与排气过程配合起来就是一个扫气过程，这个过程显然是偏向了活塞的压缩冲程；保持一个圆周360度角度不变，因此压缩冲程变短，膨胀冲程变长，形成了一个典型的膨胀冲程大于压缩冲程的阿特金森循环。本发明所揭示的新的循环方式的实质，就是将一个四冲程阿特金森循环拆分成二个，一长(膨胀冲程或排气冲程)一短(压缩冲程或吸气冲程)配合，并用进气/吸气与排气过程配合起来形成一个扫气过程填补二者的冲程差。这里的活塞的冲程，是360度曲轴角所对应的一部分，而不再是活塞的上止点至下止点之间的距离，活塞的上止点和下止点不变，而膨胀冲程是由上止点至扫气开始或者排气或者进气的开始，而压缩冲程是由扫气结束或者进气或者排气结束开始至上止点。如此的循环过程的安排，不止可以实现阿特金森循环，大幅度节约内燃机的油耗，或者提高内燃机的功率，而且是连续可调扫气过程的循环方式，因为扫气的时机已经由气门决定而非活塞。根据已经公开的全可变气门正时技术，扫气过程的开始与结束的时刻或者CA角度，可以单独调整，即气门开启的时机和持续开启的时间独立可调。连续可调扫气过程的循环方式将令此循环方式具有更多的可变性，也就是多重循环方式的并存。通过调整扫气，可以令内燃机在普通二冲程循环、二冲程阿特金森循环、可调排量和压缩比三种循环方式下工作。

参考图1，从曲轴角度T1至T2是膨胀冲程，从T2至T4是排气/进气过程，从T3至T5是吸气/排气过程，从T5至T1是压缩过程。从T1经T2至T5再回到T1，是曲轴转动360度的一个循环过程，对于二冲程内燃机而言也是一个完整的热力学循环过程，排气/进气过程与吸气/排气过程是二个不同的工作方式的合并描述，他们之间的配合是排气-吸气、进气-排气，也就是气缸内气体的扫气换气方式的二种方式，二种方式的不同在于膨胀系数的不同。当活塞膨胀至下止点时，若膨胀比较小，则气缸内气体的残余压力大于排气管中的压力时，先打开排气门令气缸内的高压气体被快速泻放，并形成排气管气流的流动惯性，将气缸抽成真空，然后再打开进气门，吸入新鲜空气，新鲜空气的运动形成惯性运动，扫清气缸内的残余燃气，于是形成排气-吸气。当活塞膨胀至下止点时，若膨胀比较大，则气缸内气体的残余压力小于排气管中的压力时，先打开进气门令进气管中经过增压的高压空气打入气缸，冲击气缸内的残余燃气，令气缸内压力高于排气管压力，然后再打开排气门，泻放废气，于是形成进气-排气。前一种排气-吸气需要的进气增压较小或者无需进气增压，而后一种则必需有进气增压系统，但二者皆可完成二冲程阿特金森循环。因而，T2至T3是气体惯性前置角，而T4至T5就是气体惯性后置角。以下为了简化叙述，将二种扫气过程统一简称为进气/排气过程或者扫气过程。

参考图9，显示了全可变气门正时的作用，在一个曲轴角-气门升程平面坐标系中，气门的升程在较短持续时间的情况下是曲线37，气门开启的持续时间对对应的曲轴角(CA角)是连续无级别可调的，在较长持续时间的情况下的曲线就是曲线36，当需要气门开启时间整体平移时，就可以将曲线36移动到曲线35的位置上。全可变气门正时的作用，是可以令气门的控制更加灵活多变，满足内燃机变化不同工作模式的需求。本发明采用全可变气门正时技术的作用还在于，普通的凸轮轴很难做到等效于180曲轴角的凸轮，那样的凸轮角度会让凸轮的升程相对于曲轴的轴的直径而言很小，也就是说很粗的凸轮轴才放得下180度曲轴角的凸轮，这就让凸轮轴很大很重；但如果采用了全可变气门正时技术，则凸轮轴可以做到相对轻小，抵消了采用复杂全可变气门正时机构部件的重量。

参考图1和图10，解释一下如何可调排量和压缩比。0/360度CA角是活塞的上止点，也是曲轴旋转一周的起点和终点，也是一个循环的开始和结束。根据二冲程阿特金森循环的基本原理和全可变气门技术的作用，进气/排气过程从图10A移动到图10B所示的位置，即原来气门在活塞下止点附近打开，现在气门延迟打开、延迟关闭，活塞的压缩冲程所对应的CA角度变短，于是在同样的进气压力的条件下，压缩的空气量正比于压缩冲程的长度，因此缩小压缩冲程就减少了吸气，而活塞上止点不变，也就是降低了等效的压缩比，同时吸气减少就是排量减小，于是当利用全可变气门技术调整气门的正时从而缩短压缩冲程时，排量与压缩比同时减小。排量和压缩比减小后，活塞在下止点附近是有一段距离空转的，排量和压缩比愈小，活塞空转愈多。

参考图1和图11，解释一下如何从二冲程阿特金森循环变换到标准二冲程循环。同样，0/360度CA角是活塞的上止点，也是曲轴旋转一周的起点和终点，也是一个循环的开始和结束。根据二冲程阿特金森循环的基本原理和全可变气门技术的作用，可以做如下安排，在活塞等效的下止点是由进气/排气开始的时刻来调整的，而进气/排气的整体的移动可以有全可变气门正时技术中的凸轮轴的相位移动实现，由典型的液压调相器可以连续调整凸轮轴与内燃机曲轴的对应角度的关系，凸轮轴上的凸轮取得全可变气门正时机构控制内燃机的气门，使得进气/排气过程可以整体移动，从图11A移动到图11B所示的位置，膨胀冲程所对应的CA角度变小，压缩冲程所对应的CA角变大，二个角度相当时，就是活塞等效的膨胀冲程和压缩冲程相等，于是内燃机就从二冲程阿特金森循环变换到标准二冲程循环。

为实现以上所述的二冲程阿特金森循环，需要内燃机实现全顶置气门扫气，理由有二，其一，全顶置气门也是一种与现在通行的标准四冲程内燃机最为接近的形式，便于现有内燃机改进为采用二冲程阿特金森循环的内燃机；其二，通常的二冲程内燃机是在气缸壁上开孔，至多只是在气缸盖上有一个或一组排气门，这样的气缸扫气的时机完全由活塞的位置决定的，但若要在活塞处于不同位置时可以扫气，就必须实现气门脱离气缸壁而在气缸顶部，全顶置气门是最成熟的一种方式。但是全顶置气门扫气需要内燃机的气缸盖和活塞具有独特的形状。

下面将根据附图来叙述一个例示性实施例实现所述应用二冲程阿特金森循环的多模全顶置气门二冲程内燃机。

参考图2，一台典型的应用二冲程阿特金森循环的多模全顶置气门二冲程内燃机从普通的四冲程或者二冲程引擎经少量改进而来，因而具有典型的曲轴1和与曲轴相连的齿轮2，齿轮2是通过链条3驱动液压调相器4和液压调相器5的齿轮从而驱动凸轮轴11和凸轮轴10，这就构成一个通常的调相器型的可变气门正时机构，即可以改变凸轮轴11和10相对于曲轴1的角度关系。在此基础上，本发明添加了全可变气门正时机构，此机构具有静态角度可调的控制凸轮轴14和控制凸轮轴15，控制凸轮14通过轴连接液压做动器9，控制凸轮15通过轴连接液压做动器8，液压做动器9和8可以改变控制凸轮轴14和15的角度，而不是持续的旋转。本发明所述应用二冲程阿特金森循环的多模全顶置气门二冲程内燃机更具有通常的气缸盖13和气缸体12，用来形成完整的气缸。又在气缸盖13上具有燃油喷射器6和电子点火器7，这二个部件可以根据内燃机是点燃和压燃选择是否配置电子点火器7，但推荐燃油喷射器6，因为直喷对于柴油机和汽油机皆具有提高性能的作用。

又参考图2，液压做动器8和9的作用是改变控制凸轮轴14与15的角度，从而改变气门持续开启的时间。而液压调相器5和4的作用是改变气门开启的时间，于是与液压做动器8和9配合，就可以任意改变气门开启和关闭的时间，也就是所对应的曲轴角，又称CA角。根据图1所示的二冲程阿特金森循环和其解释，这是本发明所述内燃机可以改变工作循环模式的基础。本实施例中的内燃机具有二个进气门和一个排气门，进气门由凸轮10驱动，而排气门有凸轮11驱动。虽然图2中未示出，但是所有的可旋转的轴皆固定在气缸盖13上并具有旋转自由度。

又参考图2，齿轮2和液压调相器4和5的齿轮的齿数比是1∶1，即全可变气门正时机构中的凸轮轴的转速与所述应用二冲程阿特金森循环的多模全顶置气门二冲程内燃机的曲轴的转速比是1∶1，这是为了适应二冲程循环所必需的参数设定。

又参考图2，全可变气门正式机构可以参考专利申请号201010164316.6包含变速摆机构的全可变气门正时方法和机构的详细说明。

参考图3，可见排气门的全可变正时机构的结构。图上可见曲轴1上连接活塞连杆19，一端连接齿轮2，齿轮2通过链条3驱动液压调相器4，液压调相器4固定连接凸轮轴11，凸轮轴11上的凸轮驱动一个主动变速摆杆16，而主动变速摆杆16驱动从动变速摆杆17，从动变速摆杆17驱动滚轮摇臂18，从而最终驱动排气门。控制凸轮轴14的作用受到液压做动器9的限制和驱动作用，可以固定角度和无级可调角度，使得主动变速摆杆16得到杠杆支撑，且这种支撑作用是可以无级别调节的。

参考图4，可见二个进气门的全可变正时机构的结构。图上可见通过链条3驱动液压调相器5，液压调相器5固定连接凸轮轴10，凸轮轴10上的二个凸轮驱动主动变速摆杆20(二个气门共二个)，而主动变速摆杆20驱动从动变速摆杆21(二个气门共二个)，从动变速摆杆21驱动滚轮摇臂22(二个气门共二个)，从而最终驱动排气门。控制凸轮轴15的作用受到液压做动器8的限制和驱动作用，可以固定角度和无级可调角度，使得主动变速摆杆20得到杠杆支撑，且这种支撑作用是可以无级别调节的。

参考图5，本实施例采用二个进气门和一个排气门的配置，剖视图采用一个平面剖开其中一个进气门，另一个垂直的平面剖开排气门的。所述多模全顶置气门二冲程内燃机具有通常的活塞内燃机结构，例如气缸体12和气缸盖13。所不同的是，所述多模全顶置气门二冲程内燃机所使用的活塞是成型顶活塞25，具有二个斜切圆柱的凸起26，斜切圆柱的凸起26的圆柱截面上各有一个内凹面，二个凸起的内凹面具有不一样的弧度，二个凸起的弧度一大一小，比较大的用来将气流导向进气门23的背面，而弧度较小的一个将气流导向排气门24的背面。所述成型顶活塞25的凸起26的位置和形状恰好配合进气门23运动所需的内凹槽27的形状，而内凹槽27是进气门边缘运动所形成圆柱面切气缸盖的一部分，气门轴线与所在气缸盖表面的法线夹角大于零度小于45度。而排气门24是与气缸盖表面配合的，因此不需要活塞有特别的形状，一个平面即可。排气门24在排气通道29的末端，进气门23在进气道28的末端，可见进气道28的方向极为接近活塞运动轨迹的方向。活塞销38将活塞25连接到活塞连杆19上。同时，又参考图5，这是活塞处于上止点的情况，可见气门全部关闭，而活塞25可以完全适应气缸盖的形状，只是在凸起26的内凹面与进气门23之间有少量无法填补的空隙。

同时参考图5与图6，这是活塞25处于下止点附近的情况，可见气门23与24全部打开，因为气门23与24开启进行扫气时，活塞25始终处于较低的位置，不会与气门23与24碰撞，因此活塞25不必像通常四冲程内燃机活塞那样为了适应气门开启的状况而做出一个凹陷，内燃机的压缩比可以做到很大。气门23开启最大时不超过内凹槽27的深度，因此相对与气门23的侧面有一部分是被内凹槽27挡住，因而气门23起到一个活动挡板的作用。

同时参考图5与图6，可见进气门23轴线与所在气缸盖表面的法线夹角大于零度小于45度，进气门23相对于与进气门接触的气缸盖平面是倾斜的，因此形成了内凹槽27.

参考图7，这是本发明所采用的成型顶活塞25的详细结构示意图。凸起26和30在斜面34上，凸起26具有内凹面32，凸起30具有内凹面33，内凹面32的弧度与内凹面33不同，一个大另一个则小，目的在于弧度较大内凹面将进气的气流的一部分导向排气门的背面，将废气冲刷干净，而另一个弧度较小内凹面将进气的气流的一部分导向进气门的背面，将废气冲刷干净，而二个凸起26和30之间以及侧面的气缸表面形成三条流道，将进气门的气流导向活塞25的其他部分用来冲刷废气。斜面34与活塞25的顶部平面31的延长线具有一个小于45度的锐角。

参考图8和图7，可以更明显看到上述关于活塞25的特征，活塞顶部斜面34上有二个二个斜切圆柱的凸起26和30，其端面上具有二个内凹面32与33且各自具有不同的弧度，斜面34与平面31具有一个小于45的锐角。至于内凹面32与33是属于凸起26和30的哪一个，是可以随意的。

参考图1至图11，可见一种将普通四冲程或二冲程内燃机改进成为二冲程阿特金森循环内燃机的方法，将进气门23倾斜，并向气缸盖13内部移动形成一个内凹槽27，进气门23的最大升程不大于内凹槽27的深度，内凹槽27的形状也是充分适应进气门23在开闭运动时所扫出的一个圆柱体，也正好包住气门，形成对气门一侧的部分封闭。进气管28与活塞25运动轨迹的夹角近零度，同时在活塞25上增加二个斜切柱状凸起26和30并使之配合内凹槽27，同时气缸盖13也必需适应活塞25所具有的斜面34。在气门控制方面，要调整传动齿轮2和液压调相器4和5的齿数比达到1∶1，并采用全可变气门正时机构和相应控制技术，并调整凸轮轴14和15上的凸轮的角度，使得进气门和排气门可以做到近似同时开启和关闭，并且这样的扫气过程可以在曲轴角坐标上做到平移。

因而可以这样总结一种将普通四冲程或二冲程内燃机改进成为二冲程阿特金森循环内燃机的方法：用扫气方式替代活塞吸气-排气方式，在气门控制方面，要调整凸轮轴或相应扫气控制机构的转速或频率必需与曲轴的转速比达到1∶1，采用全可变气门正时机构或同等作用的气门控制机构，调整凸轮轴上的凸轮的角度或同等作用机构的参数，使得进气门和排气门可以做到近似同时开启和关闭，并且这样的扫气过程的时机和持续时间可以做连续无级别的调整。这样的方法不仅适合与普通往复活塞内燃机，也适合其他形式的活塞内燃机，例如旋转活塞内燃机。

参考图1至图11，显示了一种可调排量和压缩比的内燃机和方法，通过构建一种全顶置气门的扫气式二冲程内燃机，包含了全可变气门正式机构，具有导气作用的成型顶活塞25，倾斜的气门23和内凹槽27，实现一种调节排量和压缩比的方法：当扫气过程有全可变气门正时机构调整而在曲轴角坐标上平移的时候，吸气量减少，活塞25上止点不变，等效的下止点可调，排量降低，等效于压缩比降低。

参考图1至图11，显示了一种可变循环模式的内燃机和方法，通过构建一种多模全顶置气门的扫气式二冲程内燃机，包含全可变气门正时、成型顶活塞和特殊气缸盖的二冲程内燃机。所述内燃机实现了实现这样一种可变循环模式的方法：当扫气过程有全可变气门正时机构调整而在曲轴角坐标上平移的时候，活塞25上止点不变，下止点可二次独立可调，分别在膨胀终了至T2时刻和压缩开始之T5时刻二个时刻，等效于内燃机的膨胀系数可以从1∶1调到大于2∶1，即可以从普通二冲程循环无级别调整到膨胀比可大于2∶1的阿特金森循环。而即便是传统二冲程循环模式和阿特金森循环模式，其排量也是可以无级别连续调整的，仅仅取决于膨胀冲程与压缩冲程的比，以及压缩冲程的绝对值，因而可调排量和压缩比可以算作一种模式。综合起来，所述方法可以构建一台具有三种工作模式的多模全顶置气门的二冲程内燃机。

参考图5、6、7、8，显示了一种利于扫气的气缸结构，在普通顶置气门四冲程内燃机的基础上，将进气门23倾斜，并向气缸盖13内部移动形成一个内凹槽27，进气门23的最大升程不大于内凹槽27的深度，进气管28与活塞25运动轨迹的夹角近零度，同时在活塞25上增加二个斜切柱状凸起26和30并使之配合内凹槽27，同时气缸盖13也必需适应活塞25所具有的斜面34。这样的结构，所起的的效果类似于在气缸壁底部开二个扫气用的进气口，因而可以解决顶置气门扫气的问题。但正如所述内燃机是具有多重模式可调的，因此在不同模式下扫气的效率有所差异，但不会相差很大。

所有图中均未示出一些普通内燃机通常所具有的机构例如油泵等辅助性机构，但并不影响对于本发明的说明，因为本发明的主旨就是在普通内燃机的基础上做最少的改动。

总体而言，二冲程循环与阿特金森循环相结合的方式，等效于将阿特金森循环的进气与排气折叠压缩在一个扫气过程中，从而可以将阿特金森循环压缩在一个典型的二冲程循环的动作当中，但其热力学效果却是阿特金森循环，因此理论热循环效率可以最接近卡诺循环效率。同时从机械角度说多模全顶置气门二冲程内燃机是个平衡的二冲程过程，惯性上可以多缸配合做到极佳的惯性平衡，且绝大多数部件来自普通的顶置气门四冲程内燃机，进经过少数改动即可，因而整个设计与生产过程而言，本发明可达到内燃机效率与成本的最佳平衡。

上述叙述仅仅是用于解释本发明的例示性实施例，它不是排他的或将本发明限制与其公开的具体形式。本领域技术人员可以理解，在不偏离本发明的范围内，可以做出各种改变以及其中的元素可用等同元素来替换。此外，可以做出很多修改以使特定情形或材料适用于本发明的主旨而不偏离实质范围。因此，本发明不限于作为构思实现本发明的最佳模式所公开的特定实施例，而是本发明包括属于本发明范围的所有实施方式。在不偏离本发明的精神和范围内，本发明能够以具体解释和阐明的方式以外的其他方式实施。

为理解上述陈述，举例而言，本发明所示之例示性实施例中未包含涡轮增压器或者机械增压器、电动增压器等其他设备，但基于本发明只针对内燃机最基本的气缸、活塞和气门部分的改进的主旨，外部辅助设备并不影响本发明所具有的创新性，本发明也不排除那些外部设备的应用。

Claims (9)

1.一种应用二冲程阿特金森循环的多模全顶置气门二冲程内燃机，进气门和排气门全部顶置，与普通顶置气门内燃机的差别是由倾斜的进气门和相应的气缸盖、全可变气门正时机构、成型顶活塞组成；所述多模全顶置气门二冲程内燃机可以在标准二冲程内燃机、二冲程阿特金森内燃机、可调排量的内燃机三个工作模式下工作，并可以相互转换；本内燃机的控制律采用一种二冲程阿特金森循环：在通常二冲程循环的基础上，将扫气过程偏置，向压缩冲程移动，缩小的压缩冲程的距离，延长了膨胀冲程的距离，压缩冲程小于膨胀冲程，压缩冲程和膨胀冲程做成非对称，即一种平衡的阿特金森循环，又是一种二冲程循环，是在二冲程循环中嵌入阿特金森循环的一种热力学循环模式；所述二冲程阿特金森循环也可以这样描述：是在通常的阿特金森循环基础上，排气过程与进气过程作重交叠，即以扫气替代通常的阿特金森循环中的排气与进气过程所形成的一种热力学循环模式。

2.如权利要求1所述的一种应用二冲程阿特金森循环的多模全顶置气门二冲程内燃机，其特征还在于所述二冲程内燃机所使用的气缸盖是具有适应进气门运动的内凹槽，是进气门边缘运动所形成圆柱面切气缸盖的一部分，进气门轴线与所在气缸盖表面的法线夹角大于零度小于45度，进气门相对于与进气门接触的气缸盖平面是倾斜的，进气门的最大升程不大于内凹槽的深度。

3.如权利要求1所述的一种应用二冲程阿特金森循环的多模全顶置气门二冲程内燃机，其特征还在于所述多模全顶置气门二冲程内燃机所使用的活塞是成型顶活塞，具有二个斜切圆柱的凸起，凸起的位置和形状适合气缸盖上适应进气门运动的内凹槽，斜切圆柱突起的圆柱截面上各有一个内凹面，二个突起的内凹面具有不一样的弧度；所述成型顶活塞还具有一个斜面与活塞顶平面成小于45度的锐角。

4.如权利要求1所述的一种应用二冲程阿特金森循环的多模全顶置气门二冲程内燃机，其特征还在于所述内燃机的进气管与活塞运动轨迹的夹角近零度。

5.如权利要求1所述的一种应用二冲程阿特金森循环的多模全顶置气门二冲程内燃机，其特征还在于所述内燃机的进气门与排气门由全可变气门正时机构驱动和定时，而全可变气门正时机构中的凸轮轴的转速与所述应用二冲程阿特金森循环的多模全顶置气门二冲程内燃机的曲轴的转速比是1∶1，且内燃机曲轴和凸轮轴之间由连续可调液压调相器连接。

6.如权利要求1所述的一种应用二冲程阿特金森循环的多模全顶置气门二冲程内燃机，其特征还在于所述内燃机是一种可调排量的内燃机，具有所述全可变气门正时驱动机构、所述全顶置气门、所述成型顶活塞和所述相应的气缸盖的二冲程内燃机，顶置的进气门和排气门同时打开，用扫气的方式将气缸内的废气排出，并输入新鲜空气；所述的可调排量的内燃机控制律是：通过全可变气门正时驱动机构改变扫气过程的开始和结束的时机，调节气缸吸气的体积和保持活塞上止点，使得每个热力学循环的有效排量得以连续改变，扫气过程向压缩一侧移动，就降低了有效排量；扫气过程向膨胀一侧移动，就提高了有效排量。

7.如权利要求1所述的一种应用二冲程阿特金森循环的多模全顶置气门二冲程内燃机，其特征还在于所述内燃机也是一种可变循环模式的内燃机，具有所述全可变气门正时机构、所述全顶置气门、所述成型顶活塞和所述相应的气缸盖的二冲程内燃机，顶置的进气门和排气门同时打开，用扫气的方式将气缸内的废气排出，并输入新鲜空气，所述可变循环模式的内燃机控制律是：采用二冲程为一个工作循环的内燃机，改变扫气开始和结束的时机，可在典型二冲程循环、二冲程阿特金森循环、可变排量二冲程内燃机等三种循环模式之间变换工作模式，当扫气过程向压缩一侧移动，就降低了有效排量，增加了膨胀的冲程，降低了压缩的冲程，成为二冲程阿特金森循环；当扫气过程向膨胀一侧移动，就提高了有效排量，减少了膨胀的冲程，增加了压缩的冲程，当扫气过程相对于压缩和膨胀冲程是对称的，内燃机就工作于典型二冲程循环，同时相比较二冲程阿特金森循环模式，增加了有效排量。

8.一种将普通四冲程或二冲程内燃机改进成为二冲程阿特金森循环内燃机的方法，将进气门倾斜，并向气缸盖内部移动形成一个内凹槽，进气门的最大升程不大于内凹槽的深度，内凹槽的形状也是充分适应进气门在开闭运动时所扫出的一个圆柱体，也正好包住气门，形成对气门一侧的部分封闭；进气管与活塞运动轨迹的夹角近零度，同时在活塞上增加二个斜切柱状凸起并使之配合内凹槽，同时气缸盖也必须适应活塞所具有的斜面；在气门控制方面，要调整传动齿轮和二个液压调相器的齿数比达到1∶1，采用全可变气门正时机构，调整凸轮轴上的凸轮的角度，使得进气门和排气门可以做到近似同时开启和关闭，并将所形成的扫气过程向压缩冲程移动，令膨胀冲程大于压缩冲程。

9.一种利于扫气的应用于如权利要求1所述的全顶置气门二冲程内燃机的气缸结构，其特征在于在普通顶置气门四冲程内燃机的基础上，将进气门倾斜，并向气缸盖内部移动形成一个内凹槽，进气门的最大升程不大于内凹槽的深度，进气管与活塞运动轨迹的夹角近零度，同时在活塞上增加二个斜切柱状凸起并使之配合气缸盖上的内凹槽，同时气缸盖也必须适应活塞所具有的斜面。