CN103244256A - 采用双压缩和单膨胀过程的内燃发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及采用双压缩和单膨胀过程的内燃发动机。所述内燃发动机包括压缩机缸，所述压缩机缸具有相应的入口、第一出口以及相应的活塞，所述活塞在所述压缩机缸内可滑动地移动并且可操作地连接到旋转的曲轴。在所述曲轴的每次回转期间当充气从所述压缩机缸被传送时，所述压缩机缸向所述充气提供第一级压缩。第一动力缸包括相应的入口、相应的出口以及相应的活塞，所述入口与所述压缩机缸的第一出口流体连通，所述活塞在所述第一动力缸内可滑动地移动并且可操作地连接到所述旋转的曲轴。每隔一次所述曲轴的回转，所述第一动力缸提供了对所述第一动力缸内的所述充气的第二级压缩以及点燃。

Description

采用双压缩和单膨胀过程的内燃发动机

技术领域

本发明总体上涉及燃烧发动机。

背景技术

该部分的内容仅提供与本发明有关的背景信息，且可能不会构成现有技术。

现代燃烧发动机通常包括火花点火发动机和压缩点火发动机。在操作期间，燃烧发动机的效率取决于许多因素，包括容积效率和热力学效率。

已知的是采用具有增压进气装置的发动机，所述增压进气装置包括涡轮增压器和机械增压器，并且对于基本发动机设计来说是显著附加件。这些装置虽然相对容易维护，但是这些装置可能导致问题并且在数个方面由于其设计而固有地受到限制。

发明内容

一种内燃发动机，其包括：压缩机缸，所述压缩机缸具有相应的入口、第一出口以及相应的活塞，所述活塞在所述压缩机缸内可滑动地移动并且可操作地连接到旋转的曲轴。在所述曲轴的每次回转期间当充气从所述压缩机缸被传送时，所述压缩机缸向所述充气提供第一级压缩。第一动力缸包括相应的入口、相应的出口以及相应的活塞，所述入口与所述压缩机缸的第一出口流体连通，所述活塞在所述第一动力缸内可滑动地移动并且可操作地连接到所述旋转的曲轴。每隔一次所述曲轴的回转，所述第一动力缸提供了对所述第一动力缸内的充气的第二级压缩以及点燃。

本发明还包括以下方案：

1. 一种内燃发动机，所述内燃发动机包括：

压缩机缸，所述压缩机缸具有相应的入口、第一出口以及相应的活塞，所述活塞在所述压缩机缸内可滑动地移动并且可操作地连接到旋转的曲轴，在所述曲轴的每次回转期间当充气从所述压缩机缸被传送时，所述压缩机缸向所述充气提供第一级压缩；以及

第一动力缸，所述第一动力缸具有相应的入口、相应的出口以及相应的活塞，所述入口与所述压缩机缸的第一出口流体连通，所述活塞在所述第一动力缸内可滑动地移动并且可操作地连接到所述旋转的曲轴，每隔一次所述曲轴的回转，所述第一动力缸提供了对所述第一动力缸内的充气的第二级压缩以及点燃。

2. 根据方案1所述的内燃发动机，还包括：

所述压缩机缸还包括第二出口；以及

第二动力缸，所述第二动力缸具有相应的入口、相应的出口以及相应的活塞，所述入口与所述压缩机缸的第二出口流体连通，所述活塞在所述第二动力缸内可滑动地移动并且可操作地连接到所述旋转的曲轴，每隔一次所述曲轴的回转，所述第二动力缸提供了对所述第二动力缸内的充气的第二级压缩以及点燃。

3. 根据方案2所述的内燃发动机，还包括：

外部排气再循环系统，所述外部排气再循环系统被联接到所述第一动力缸和所述第二动力缸中的一个的出口，并且包括下述中的至少一个：

短程端口，所述短程端口提供了从所述第一动力缸和所述第二动力缸中的所述一个回到所述第一动力缸和所述第二动力缸中的所述一个的对应入口的排气路径；以及

长程端口，所述长程端口提供了从所述第一动力缸和所述第二动力缸中的所述一个到所述压缩机缸的入口的排气路径。

4. 根据方案3所述的内燃发动机，还包括下述中的至少一个：

短程热交换器，所述短程热交换器流体联接到所述短程端口，并且所述短程热交换器向进入对应的动力缸的排气提供加热和冷却中的至少一种；

长程热交换器，所述长程热交换器流体联接到所述长程端口，并且所述长程热交换器向进入所述压缩机缸的入口的排气提供加热和冷却中的至少一种；

压缩充气热交换器，所述压缩充气热交换器设置在所述压缩机缸的第一出口和第二出口中的一个与所述第一动力缸和所述第二动力缸的对应一个的入口之间，并且所述压缩充气热交换器向从所述压缩机缸传送的充气提供加热和冷却中的至少一种。

5. 根据方案2所述的内燃发动机，其中，所述压缩机缸的容积比所述第一动力缸和所述第二动力缸中的每个的容积更大。

6. 根据方案2所述的内燃发动机，还包括：

多个阀，所述阀中的每一个对应于压缩机入口、第一和第二压缩机缸出口、以及所述第一动力缸和所述第二动力缸的入口和出口中的相应一个，所述多个阀选择性地在打开和关闭位置之间致动，从而提供了足以实现所述压缩机缸的两冲程操作以及所述动力缸的四冲程操作的阀正时。

7. 根据方案6所述的内燃发动机，其中，所述压缩机缸的两冲程操作包括：在与所述压缩机缸相关的活塞的第一冲程期间，将充气接收在所述压缩机缸内；以及，在与所述压缩机缸相关的活塞的第二冲程期间，将所述压缩机缸内的充气传送到所述第一动力缸和所述第二动力缸中交替轮换的动力缸，因此在每次曲轴回转中向所述充气提供了第一级压缩，且其中，在所述第一动力缸和所述第二动力缸的每个的四冲程操作中，每隔一次所述曲轴的回转向所述第一动力缸和所述第二动力缸中交替轮换的动力缸内的充气提供第二级压缩，在交替的曲轴回转期间发生所述第一动力缸和所述第二动力缸的每个内的充气的第二级压缩和点燃。

8. 根据方案1所述的内燃发动机，其中，所述压缩机缸借助所述压缩机缸的入口抽吸充气，并且所述充气包括进气空气以及进气空气和外部再循环排气的组合中的一种。

9. 一种操作内燃发动机的方法，所述内燃发动机包括压缩机缸以及第一动力缸和第二动力缸，所述动力缸中的每个都与所述压缩机缸流体连通，所述压缩机缸以及所述第一动力缸和所述第二动力缸中的每个都包括相应的活塞，所述活塞可旋转地联接到公共曲轴，所述方法包括：

每次曲轴回转中，在与所述压缩机缸相关的活塞的第一冲程期间将充气接收在所述压缩机缸内；

每次曲轴回转中，在与所述压缩机缸相关的活塞的第二冲程期间将所述压缩机缸内的充气传送到所述第一动力缸和所述第二动力缸中的交替轮换的动力缸，所述传送提供了对所述充气的第一压缩；以及

对所述第一动力缸和所述第二动力缸中的已经接收到所述充气的动力缸内的充气提供第二压缩和点火，在所述第一动力缸和所述第二动力缸的每个中，每隔一次曲轴回转发生一次对所述充气的第二压缩和点火。

10. 根据方案9所述的方法，其中，与所述压缩机缸相关的活塞的所述第一冲程包括沿着朝向下止点的方向的运动；以及，与所述压缩机缸相关的活塞的所述第二冲程包括沿着朝向上止点的方向的运动。

11. 根据方案9所述的方法，其中，与所述第一动力缸和所述第二动力缸中的每个相关的活塞包括与相关于所述压缩机缸的活塞的运动处于大致相反相位的运动。

12. 根据方案9所述的方法，其中，向所述充气提供第一压缩的所述传送包括：通过使所述压缩机缸的容积大于所述第一动力缸和所述第二动力缸的每个的容积来实现对所述充气的第一压缩。

13. 根据方案9所述的方法，还包括：

将来自所述第一动力缸和所述第二动力缸的至少一个的相应出口的排气在外部再循环到所述第一动力缸和所述第二动力缸中的所述至少一个的相应入口。

14. 根据方案9所述的方法，还包括：

将来自所述第一动力缸和所述第二动力缸的至少一个的相应出口的排气在外部再循环到所述压缩机缸的相应入口。

15. 根据方案9所述的方法，还包括：在所述充气被传送到所述第一动力缸和所述第二动力缸中交替轮换的动力缸期间，提供与所述充气的热交换。

16. 根据方案15所述的方法，其中，与所述充气进行热交换包括：在低负载发动机操作期间，从来自所述第一动力缸和所述第二动力缸的至少一个的排气传递热量到所述充气。

17. 根据方案15所述的方法，其中，与所述充气进行热交换包括：在高负载发动机操作期间，从所述充气传递热量。

18. 一种内燃发动机，所述内燃发动机包括：

曲轴；

压缩机缸，所述压缩机缸具有相应的入口、第一出口和第二出口、以及相应的活塞，所述活塞在所述压缩机缸内可滑动地移动并且可操作地连接到所述曲轴，在所述曲轴的每次回转期间当充气从所述压缩机缸被传送时，所述压缩机缸向所述充气提供第一级压缩；

第一动力缸，所述第一动力缸的相应的容积小于所述压缩机缸的容积，并且所述第一动力缸具有相应的入口、相应的出口以及相应的活塞，所述入口与所述压缩机缸的第一出口流体连通，所述活塞在所述第一动力缸内可滑动地移动并且可操作地连接到所述曲轴，所述第一动力缸每隔一次所述曲轴的回转向所述第一动力缸内的充气提供第二级压缩；

第二动力缸，所述第二动力缸的相应的容积小于所述压缩机缸的容积，并且所述第二动力缸具有相应的入口、相应的出口以及相应的活塞，所述入口与所述压缩机缸的第二出口流体连通，所述活塞在所述第二动力缸内可滑动地移动并且可操作地连接到所述曲轴，所述第二动力缸每隔一次所述曲轴的回转向所述第二动力缸内的充气提供第二级压缩；

外部排气再循环系统，所述外部排气再循环系统被联接到所述第一动力缸和所述第二动力缸中的一个的出口，并且包括下述中的至少一个：

     短程端口，所述短程端口提供了从所述第一动力缸和所述第二动力缸中的所述一个回到所述第一动力缸和所述第二动力缸中的所述一个的对应入口的排气路径；

     长程端口，所述长程端口提供了从所述第一动力缸和所述第二动力缸中的所述一个到所述压缩机缸的入口的排气路径；

短程热交换器，所述短程热交换器流体联接到所述短程端口，并且所述短程热交换器向进入对应的动力缸的排气提供加热和冷却中的至少一种；

长程热交换器，所述长程热交换器流体联接到所述长程端口，并且所述长程热交换器向进入所述压缩机缸的入口的排气提供加热和冷却中的至少一种；

压缩充气热交换器，所述压缩充气热交换器设置在所述压缩机缸的第一出口和第二出口中的一个与所述第一动力缸和所述第二动力缸中对应的一个的入口之间，并且所述压缩充气热交换器向从所述压缩机缸传送的充气提供加热和冷却中的至少一种。

附图说明

现将参考附图以示例的方式描述一个或多个实施方式，在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的发动机；

图2示意性地示出了根据本发明的包括了热交换器装置和排气再循环（EGR）系统的发动机；以及

图3-7示出了根据本发明的发动机中的活塞和阀的运动和位置。

具体实施方式

现参考附图，其中，附图的显示内容仅为了描述一些示例性实施方式并且不用于对其进行限制，图1示出了根据本发明的发动机100的示意图。本发明提供了三缸内燃发动机，该三缸内燃发动机包括两冲程压缩机缸2以及一对四冲程动力缸14、16。该对动力缸14、16可被称为第一动力缸14和第二动力缸16。

压缩机缸2可包括装配有相应的往复运动的活塞13（如图3-7所示）的孔，所述活塞借助连杆操作性连接到旋转的曲轴。压缩缸2经由压缩机入口4抽吸充气。具体地，在每圈曲轴回转中的活塞13相对于压缩机缸2的第一冲程期间，该充气被接收在压缩机缸内。该充气可包括进气空气以及进气空气和外部排气再循环（外部EGR）的组合中的一种。在另选实施方式中，如果发动机是汽化式发动机（carbureted engine），那么该充气还可包括空气-燃料混合物。该充气在第一压力（通常是大气压力）下被接收在压缩机缸2内。在另选的实施方式中，该第一压力可以是高于大气压力的任何被提供的压力。压缩机缸2还包括一对压缩机出口6、8，存在于压缩机缸2内的充气以第二压力从该压缩机缸2被传送通过该对压缩机出口。该对压缩机缸出口6、8可被称为：与第一动力缸14相关的压缩机缸第一出口6，以及与第二动力缸16相关的压缩机缸第二出口8。在曲轴的每圈回转期间，当该充气从压缩机缸2被传送时，压缩机缸2向该充气提供第一级压缩。

在示例性实施方式中，压缩机缸2是两冲程压缩机缸，其中在曲轴的每圈回转期间，发生一个进气冲程（第一冲程）和一个压缩冲程（第二冲程）。换句话说，在充气于第一冲程期间被接收在压缩机缸2内之后，该压缩机缸内的充气在活塞13于每次曲轴回转中相对于压缩机缸2的第二冲程期间被相应传送到第一动力缸14和第二动力缸16中交替轮换的动力缸（或者说，被交替地传送到第一动力缸14和第二动力缸16）。因此，压缩机缸2可包括定位在压缩机缸入口4处的相应的阀，所述相应的阀可选择性地在打开位置和关闭位置之间致动，所述打开位置用于在第一冲程期间接收充气，所述关闭位置用于在第二冲程期间传送该充气。所述传送向该充气提供了第一压缩（第一级压缩）。第一压缩是通过压缩机缸2的容积分别比第一动力缸14和第二动力缸16中的每个的容积都大来实现的。活塞13相对于压缩机缸的第一冲程包括沿着朝向压缩机缸2的下止点的方向的运动。类似地，活塞13相对于压缩机缸的第二冲程包括沿着朝向压缩机缸2的上止点的方向的运动。

第一动力缸14包括：入口10（第一动力缸入口），所述入口与压缩机缸第一出口6流体连通；出口18（第一动力缸出口）；以及相应的活塞15（如图3-7所示），所述活塞在第一动力缸14内可滑动地移动，并且可操作地连接到旋转的曲轴。第一动力缸14每隔一次曲轴回转就经历对第一动力缸14内的充气的第二级压缩和点燃（点火）。第二动力缸16包括：入口12（第二动力缸入口），所述入口与压缩机缸第二出口8流体连通；出口20（第二动力缸出口）；以及相应的活塞17（如图3-7所示），所述活塞在第二动力缸16内可滑动地移动，并且可操作地连接到旋转的曲轴。第二动力缸16每隔一次曲轴回转就经历一次对第二动力缸16内的充气的第二级压缩和点燃（点火）。在示例性实施方式中，与第二动力缸16内的充气的第二级压缩和点燃相比，第一动力缸14内的充气的第二级压缩和点燃（点火）在每隔一次的曲轴回转期间发生。动力缸出口18、20每个均可包括可选择性地在关闭位置和打开位置之间致动的阀，分别用于在每隔一次曲轴回转期间的排气冲程中交替地从第一动力缸14和第二动力缸16排出排气。在从动力缸出口18、20的每个排出之后，发动机排气被直接排入大气中，或者被引入到排气后处理系统，所述排气后处理系统可包括但不局限于氧化和还原催化剂。如在下文参考图2进一步详细说明的那样，发动机排气的一部分可被再循环通过外部排气再循环（EGR）系统150，并且用作随后发动机循环中的充气的一部分。

在本发明的示例性实施方式中，活塞15、17分别与第一动力缸14和第二动力缸16中的每个相关，并且沿着与活塞13的运动方向相反的方向移动，活塞13与压缩机缸2相关。因此，动力缸的活塞在相位方面与压缩机缸的活塞相反地移动。这种相位相反的运动可以是绝对的（或完全的），因此包括了曲轴的整个旋转，或者该相位相反的运动可以偏移一定的预定角度，其中压缩机缸的活塞的上止点和下止点曲轴角度位置可相对于动力缸的活塞的上止点和下止点曲轴角度位置提前或延迟。这种偏移能够例如提供变化程度的充气有效压缩比，并且能够考虑到进气流动力学特性以及各种进气流道的几何（例如，几何尺寸、几何形状、几何构造，等等）。然而一般来说，所设想到的是，压缩机缸的活塞的运动与动力缸的活塞的运动处于大致相位相反的关系。如本文使用的，大致相位相反包括这样的偏移角度。优选地，这种偏移角度小于大约+/- 90度的曲轴旋转量。更优选地，这种偏移角度小于大约+/- 45度的曲轴旋转量。再优选地，这种偏移角度小于大约+/- 22.5度的曲轴旋转量。

第一端口9设置在压缩机缸第一出口6和第一动力缸入口10之间。压缩机缸第一出口6和第一动力缸入口10的每个均具有阀，所述阀可选择性地在打开和关闭位置之间致动，从而提供了足以借助第一端口9选择性地提供压缩机缸2和第一动力缸14之间的流体连通的阀正时。类似地，第二端口11设置在压缩机缸第二出口8和第二动力缸入口12之间。压缩机缸第二出口8和第二动力缸入口12的每个均具有阀，所述阀可选择性地在打开和关闭位置之间致动，从而提供足以借助第二端口11选择性地提供压缩机缸2和第二动力缸16之间的流体连通的阀正时。

如上所述，分别与压缩机缸2以及第一动力缸14和第二动力缸16的入口和出口中相应的入口和出口各自对应的每个阀均可在打开和关闭位置之间可选择性地致动，从而提供足以分别实现压缩机缸2的两冲程操作以及第一动力缸14和第二动力缸16的每个中的四冲程操作的阀正时。压缩机缸2的两冲程操作包括：在与压缩机缸2相关的活塞的第一冲程期间将充气接收在所述压缩机缸2内；以及，在与压缩机缸2相关的活塞13的第二冲程期间，将所述压缩机缸2内的充气相应交替地传送到第一动力缸14和第二动力缸16中，从而在每次曲轴回转中向该充气提供第一级压缩。第一动力缸14和第二动力缸16的每个中的四冲程操作分别每隔一次曲轴回转交替地向第一动力缸14和第二动力缸16内的充气提供第二级压缩。

参考图2，其示出了根据本发明的发动机101的示意图。发动机101是三缸内燃发动机，其包括两冲程压缩机缸200以及一对四冲程动力缸140、160。压缩机缸200以及该对四冲程动力缸140、160的每个的操作和功能都与结合图1在上文描述的压缩机缸2和该对动力缸14、16的操作和功能相同。如图2所示的发动机101还描述了外部EGR系统150，所述外部EGR系统150相应地包括：第一和第二短程EGR端口351、251，它们分别用于向第一动力缸140和第二动力缸160提供外部EGR；以及，第一和第二长程EGR端口352、252，它们分别用于向压缩机缸200的入口400提供外部EGR。EGR系统150从动力缸140、160的每个提供排气，所述排气可被再循环到短程EGR端口351、251以及长程EGR端口352、252。当由压缩机缸200接收或抽吸的充气包括进气空气和外部EGR的组合时，使用长程EGR端口352、252。第一和第二长程EGR端口352、252可分别包括第一和第二长程出口阀152、154，用于控制再循环的外部EGR的量，所述再循环的外部EGR构成所述充气并且分别从第一动力缸140和第二动力缸160进入入口400。第一和第二短程EGR端口351、251分别可包括第一和第二短程出口阀355、255，分别用于控制各自借助第一和第二动力缸入口142、162进入第一和第二动力缸140、160的再循环的EGR的量。将理解的是，外部EGR系统150可相应地联接到第一和第二动力缸140、160中的每个的相应的出口180、210，或者外部EGR系统150可仅联接到相应的出口180、210中的一个。

在示例性实施方式中，第一和第二长程EGR端口352、252分别可流体联接到第一和第二长程EGR热交换器196、116的相应的长程EGR热交换器，所述第一和第二长程EGR热交换器分别设置在相应的第一和第二长程出口阀152、154的上游。在一个实施方式中，在高负载操作期间，至少一个第一和/或第二长程EGR热交换器196和/或116可相应地被用于冷却进入压缩机缸200的入口400中的再循环的外部EGR。在另一实施方式中，在低负载操作期间，至少一个第一和/或第二长程EGR热交换器196和/或116可相应地被用于加热进入压缩机缸200的入口400中的再循环的外部EGR。在另选实施方式中，当长程EGR热交换器196、116被用于冷却再循环EGR时，至少一个第一和/或第二长程EGR热交换器旁路端口151和/或153可用于相应地绕过所述至少一个相应的第一和/或第二长程EGR热交换器196和/或116。例如，长程EGR热交换器旁路端口151、153旁路绕过相应的长程EGR热交换器196、116，使得在低负载操作期间该再循环EGR不被冷却，并且因此向进入压缩机缸200的入口400的充气提供热量。

在本发明的示例性实施方式中，发动机101还可包括至少一个第一和第二压缩充气热交换器195和/或115，其分别设置在压缩机缸200分别与第一动力缸140和/或第二动力缸160中的至少一个之间。具体地，第一端口190可被联接到第一压缩充气热交换器195，当第一压缩机出口204和第一动力缸入口142选择性处于打开位置时，所述第一端口190提供了压缩机缸200与第一动力缸140之间的流体连通。类似地，第二端口110可被联接到第二压缩充气热交换器115，当第二压缩机出口206和第二动力缸入口162选择性处于打开位置时，所述第二端口110提供了压缩机缸200与第二动力缸160之间的流体连通。在充气的第一压缩之后并且在其第二压缩之前，压缩充气热交换器195、115可向第一端口190和第二端口110中的相应端口内的被传送的充气提供加热和冷却中的至少一种。在一个实施方式中，在分别位于相应动力缸140、160内的低负载操作期间，压缩充气热交换器195、115可用于向被传送的充气提供加热。在另一实施方式中，在高负载操作期间，热交换器可用于向被传送的充气提供冷却。例如，当动力缸以火花点火、火花辅助均质充气压缩点火（HCCI）以及火花辅助预混合充气压缩点火（PCCI）模式中的至少一种操作时，压缩充气热交换器可提供冷却以防止自动点火。对被传送的充气的冷却可用于增加相应进入到第一动力缸140和第二动力缸160中的至少一个中的被传送的充气的密度。在另选实施方式中，每个端口190、110可分别包括压缩充气热交换器旁路端口191、111。当压缩充气热交换器195、115被用于冷却被传送的充气时，第一和第二压缩充气热交换器旁路端口191、111分别旁路绕过相应的压缩充气热交换器195、115。例如，压缩充气热交换器旁路端口191、111分别旁路绕过相应的压缩充气热交换器195、115，使得在相应动力缸140、160的每个的低负载下的操作期间，被传送的充气不被冷却。

在本发明的示例性实施方式中，第一和第二短程EGR端口351、251分别可流体联接到第一和第二短程EGR热交换器197、117的相应的短程EGR热交换器，所述第一和第二短程EGR热交换器197、117分别被设置在相应的第一和第二短程出口阀355、255的上游。在一个实施方式中，至少一个第一和/或第二短程EGR热交换器197和/或117在高负载操作期间可分别用于冷却分别进入第一和第二动力缸140、160的相应动力缸中的再循环外部EGR。在另一实施方式中，至少一个第一和/或第二短程EGR热交换器197、117在低负载操作期间可分别用于加热分别进入第一和第二动力缸140、160的相应动力缸中的再循环外部EGR。在另选实施方式中，当短程EGR热交换器197、117被用于冷却再循环EGR时，至少一个第一和/或第二短程EGR热交换器旁路端口123和/或121可分别用于旁路绕过至少一个相应的第一和/或第二短程EGR热交换器197和/或117。例如，短程EGR热交换器旁路端口123、121旁路绕过相应的短程EGR热交换器197、117，使得在低负载操作期间不冷却再循环EGR，且因此向进入动力缸140、160的充气提供热量。在另选的实施方式中，压缩充气热交换器195、115可利用经由相应的短程EGR端口351、251再循环的外部EGR的热量。

图3-7示出了根据本发明的示例性实施方式的在各种操作状态期间发动机中的活塞和阀的相对运动和位置。在如图3所示的进气冲程期间，当压缩机缸2中的活塞13在其缸孔内向下行进并且同时压缩机入口4打开以及第一出口6和第二出口8都各自关闭时，空气（充气3）被抽吸到压缩机缸2中。第一动力缸14正经历将在下文描述的第二压缩（第二级压缩），其中其活塞15向上行进并且其入口10和出口18关闭。第二动力缸16正经历将在下文描述的排气冲程，其中其活塞17向上行进并且其入口12关闭并且出口20打开。

在如图4所示的第一压缩（第一级压缩）期间，压缩机缸的入口4关闭、第一出口6关闭并且第二出口8打开，从而允许存在于压缩机缸2中的充气3被施力以通过第二动力缸16的打开的入口12进入（传送）到第二动力缸16中，其中第二动力缸16的出口20关闭。由此，第二动力缸16正经历进气冲程，其中其活塞17在其缸孔内向下行进。进入到第二动力缸16中的被传送的充气将处于如下压力，该压力在大小上比通过压缩机缸2实现的大气压更高，所述压缩机缸2的容积比动力缸14、16的每个都大。同时，诸如图2所示的第二压缩充气热交换器115的热交换器可被用于向位于压缩机缸2和第二动力缸16之间的被传送的充气提供加热和冷却中的至少一种。例如，第二压缩充气热交换器115可被用于在高负载操作期间冷却该被传送的充气，或者第二压缩充气热交换器115可被用于在低负载操作期间加热该被传送的充气。同时地，第一动力缸14正经历将在下文进一步详细描述的动力冲程，其中该第一动力缸的入口10和出口18均关闭并且活塞15正向下行进。

在如图5所示的充气的第二压缩期间，第二动力缸16的入口12和出口20均相应关闭并且活塞17在其缸孔中向上行进，以在所盛装的充气被点火之前对其实现第二压缩（第二级压缩）。同时，诸如图2所示的第二压缩充气热交换器115的热交换器可被用于向充气的被捕获在压缩机缸2和第二动力缸16之间的部分提供加热和冷却中的至少一种。点火可包括压缩点火，包括HCCI、PCCI、以及在柴油发动机中使用的常规压缩点火。该点火还可包括火花点火或火花辅助HCCI和PCCI点火。第一压缩机缸2正经历另一进气冲程，其中第一压缩机缸的入口4打开并且第一出口6和第二出口8各自均关闭，并且同时活塞13正向下行进。第一动力缸14正经历排气冲程，其相应的入口10关闭并且相应的出口18打开以排出排气，并且同时活塞15向上行进。将理解的是，在分别如图3和图5所示的压缩机缸2中的进气冲程与第二动力缸16中的第二压缩之间已经消逝了一次曲轴回转。换句话说，在从第一动力缸14排出排气以及向第二动力缸16内的充气提供第二压缩期间，第一和第二动力缸入口10、12以及第二动力缸出口20都相应选择性地关闭。第一动力缸出口18选择性地打开以从第一动力缸14排出排气，并且第二动力缸出口20选择性地关闭以向该充气提供第二压缩。

在如图6所示的动力（膨胀）冲程期间，由第二动力缸16中的充气的点火和燃烧所产生的气体施力以使第二动力缸16中的活塞17向下移动，并且入口12和出口20均关闭。同时，压缩机缸2正经历另一压缩冲程（第一压缩），其中入口4和第二出口8均关闭，并且第一出口6打开。同时地，第一动力缸14正经历进气冲程，其中入口阀10打开并且出口阀18关闭，并且同时活塞向下行进。因此，每次曲轴回转中在与压缩机缸2相关的活塞13的第二冲程期间，压缩机缸2将充气传送给第一动力缸14和第二动力缸16中交替轮换的动力缸。在每次曲轴回转中，在压缩机缸2的进气冲程（进气冲程）期间，第二压缩被相应提供给第一动力缸14和第二动力缸16中交替轮换的动力缸内的充气，其中，在第一动力缸14和第二动力缸16的每个中，每隔一次曲轴回转就发生一次对充气的第二压缩和点火。在此，压缩机入口4始终关闭，并且第一和第二压缩机缸出口18、20中的一个相应打开，并且第一和第二压缩机缸出口18、20中的另一个相应选择性地关闭，从而对应于第一动力缸14和第二动力缸16中相应地从压缩机缸2接收被传送的充气的交替轮换的动力缸。

在如图7所示的排气冲程期间，第二动力缸16中存在的燃烧并且膨胀的气体由于向上行进的活塞17而被驱出通过第二动力缸16的打开出口20，从而使得燃烧并且膨胀的气体从发动机被排出。第二动力缸16的入口12在排气冲程期间关闭。来自第二动力缸16的排气可被直接排出到大气，或者可被引入到排气后处理系统，该排气后处理系统包括但不局限于氧化和还原催化剂。此外，来自第二动力缸16的排气的一部分可被引入到EGR系统（如图2所示的EGR系统150），所述EGR系统可包括长程EGR端口（第二长程EGR端口252）以及短程EGR端口（第二短程EGR端口251）。当由压缩机缸2接收或抽吸的充气包括进气空气和外部EGR的组合时，长程EGR端口可将来自第二动力缸16的排气再循环回到压缩机缸的入口4。短程EGR端口可将来自第二动力缸16的排气再循环回到第二动力缸16的入口12。曲轴以及用于每个缸的活塞和阀的构造都与结合图3A在上文描述的压缩机进气冲程中的构造相同。

要理解的是，虽然图3-7通过第二动力缸16的4冲程操作描述了接收压缩机缸2内的充气的发动机操作，但是在随后的曲轴回转期间在第一动力缸14的4冲程操作中的活塞15、入口10和出口18的运动和位置是相同的。换句话说，当第一动力缸14包括第二压缩和排气冲程中的一个时，第二动力缸16包括第二压缩冲程和排气冲程中的另一个。类似地，当第一动力缸14包括动力冲程和进气冲程中的一个时，第二动力缸16包括动力冲程和进气冲程中的另一个。

控制模块可用于在压缩机缸2的2冲程操作以及第一和第二动力缸14、16的4冲程操作中相应地控制活塞的操作以及阀的选择性关闭和打开。

控制模块、模块、控制机构、控制器、控制单元、处理器和类似术语是指以下各项中的任意一项或者以下各项中一项或多项的各种组合，所述各项包括：专用集成电路（ASIC）、电子电路、执行一种或多种软件或固件程序或例程的中央处理单元（优选地，微处理器）和相关联的内存和存储装置（只读的、可编程只读的、随机存取的、硬盘驱动器，等等）、组合逻辑电路、输入/输出电路和装置、合适的信号调节和缓冲电路、以及提供了所述功能的其他部件。软件、固件、程序、指令、例程、代码、算法和类似术语是指任何能够由控制器执行的指令集，包括标定和查询表。控制模块具有被执行以提供期望功能的一组控制例程。这些例程例如由中央处理单元执行，并且能够操作以监测来自感测装置和其他联网控制模块的输入，并且执行控制和诊断例程以控制致动器的操作。在持续进行的发动机和车辆操作期间，这些例程能够以规则间隔（例如每3.125、6.25、12.5、25和100毫秒）被执行。另选地，这些例程能够响应于事件的发生而被执行。

本发明已经描述了一些优选实施方式及其变型。在阅读并理解说明书之后，本领域技术人员能够想到更多的修改和变型。因此，本发明旨在不局限于作为用于实施本发明所构想的最佳模式公开的具体实施方式，而是本发明将包括落入所附权利要求书范围内的全部实施方式。

Claims (10)

1.一种内燃发动机，所述内燃发动机包括：

压缩机缸，所述压缩机缸具有相应的入口、第一出口以及相应的活塞，所述活塞在所述压缩机缸内可滑动地移动并且可操作地连接到旋转的曲轴，在所述曲轴的每次回转期间当充气从所述压缩机缸被传送时，所述压缩机缸向所述充气提供第一级压缩；以及

第一动力缸，所述第一动力缸具有相应的入口、相应的出口以及相应的活塞，所述入口与所述压缩机缸的第一出口流体连通，所述活塞在所述第一动力缸内可滑动地移动并且可操作地连接到所述旋转的曲轴，每隔一次所述曲轴的回转，所述第一动力缸提供了对所述第一动力缸内的充气的第二级压缩以及点燃。

2.根据权利要求1所述的内燃发动机，还包括：

所述压缩机缸还包括第二出口；以及

第二动力缸，所述第二动力缸具有相应的入口、相应的出口以及相应的活塞，所述入口与所述压缩机缸的第二出口流体连通，所述活塞在所述第二动力缸内可滑动地移动并且可操作地连接到所述旋转的曲轴，每隔一次所述曲轴的回转，所述第二动力缸提供了对所述第二动力缸内的充气的第二级压缩以及点燃。

3.根据权利要求2所述的内燃发动机，还包括：

外部排气再循环系统，所述外部排气再循环系统被联接到所述第一动力缸和所述第二动力缸中的一个的出口，并且包括下述中的至少一个：

短程端口，所述短程端口提供了从所述第一动力缸和所述第二动力缸中的所述一个回到所述第一动力缸和所述第二动力缸中的所述一个的对应入口的排气路径；以及

长程端口，所述长程端口提供了从所述第一动力缸和所述第二动力缸中的所述一个到所述压缩机缸的入口的排气路径。

4.根据权利要求3所述的内燃发动机，还包括下述中的至少一个：

短程热交换器，所述短程热交换器流体联接到所述短程端口，并且所述短程热交换器向进入对应的动力缸的排气提供加热和冷却中的至少一种；

长程热交换器，所述长程热交换器流体联接到所述长程端口，并且所述长程热交换器向进入所述压缩机缸的入口的排气提供加热和冷却中的至少一种；

压缩充气热交换器，所述压缩充气热交换器设置在所述压缩机缸的第一出口和第二出口中的一个与所述第一动力缸和所述第二动力缸的对应一个的入口之间，并且所述压缩充气热交换器向从所述压缩机缸传送的充气提供加热和冷却中的至少一种。

5.根据权利要求2所述的内燃发动机，其中，所述压缩机缸的容积比所述第一动力缸和所述第二动力缸中的每个的容积更大。

6.根据权利要求2所述的内燃发动机，还包括：

多个阀，所述阀中的每一个对应于压缩机入口、第一和第二压缩机缸出口、以及所述第一动力缸和所述第二动力缸的入口和出口中的相应一个，所述多个阀选择性地在打开和关闭位置之间致动，从而提供了足以实现所述压缩机缸的两冲程操作以及所述动力缸的四冲程操作的阀正时。

7.根据权利要求6所述的内燃发动机，其中，所述压缩机缸的两冲程操作包括：在与所述压缩机缸相关的活塞的第一冲程期间，将充气接收在所述压缩机缸内；以及，在与所述压缩机缸相关的活塞的第二冲程期间，将所述压缩机缸内的充气传送到所述第一动力缸和所述第二动力缸中交替轮换的动力缸，因此在每次曲轴回转中向所述充气提供了第一级压缩，且其中，在所述第一动力缸和所述第二动力缸的每个的四冲程操作中，每隔一次所述曲轴的回转向所述第一动力缸和所述第二动力缸中交替轮换的动力缸内的充气提供第二级压缩，在交替的曲轴回转期间发生所述第一动力缸和所述第二动力缸的每个内的充气的第二级压缩和点燃。

8.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中，所述压缩机缸借助所述压缩机缸的入口抽吸充气，并且所述充气包括进气空气以及进气空气和外部再循环排气的组合中的一种。

9.一种操作内燃发动机的方法，所述内燃发动机包括压缩机缸以及第一动力缸和第二动力缸，所述动力缸中的每个都与所述压缩机缸流体连通，所述压缩机缸以及所述第一动力缸和所述第二动力缸中的每个都包括相应的活塞，所述活塞可旋转地联接到公共曲轴，所述方法包括：

每次曲轴回转中，在与所述压缩机缸相关的活塞的第一冲程期间将充气接收在所述压缩机缸内；

每次曲轴回转中，在与所述压缩机缸相关的活塞的第二冲程期间将所述压缩机缸内的充气传送到所述第一动力缸和所述第二动力缸中的交替轮换的动力缸，所述传送提供了对所述充气的第一压缩；以及

对所述第一动力缸和所述第二动力缸中的已经接收到所述充气的动力缸内的充气提供第二压缩和点火，在所述第一动力缸和所述第二动力缸的每个中，每隔一次曲轴回转发生一次对所述充气的第二压缩和点火。

10.一种内燃发动机，所述内燃发动机包括：

曲轴；

压缩机缸，所述压缩机缸具有相应的入口、第一出口和第二出口、以及相应的活塞，所述活塞在所述压缩机缸内可滑动地移动并且可操作地连接到所述曲轴，在所述曲轴的每次回转期间当充气从所述压缩机缸被传送时，所述压缩机缸向所述充气提供第一级压缩；

第一动力缸，所述第一动力缸的相应的容积小于所述压缩机缸的容积，并且所述第一动力缸具有相应的入口、相应的出口以及相应的活塞，所述入口与所述压缩机缸的第一出口流体连通，所述活塞在所述第一动力缸内可滑动地移动并且可操作地连接到所述曲轴，所述第一动力缸每隔一次所述曲轴的回转向所述第一动力缸内的充气提供第二级压缩；

第二动力缸，所述第二动力缸的相应的容积小于所述压缩机缸的容积，并且所述第二动力缸具有相应的入口、相应的出口以及相应的活塞，所述入口与所述压缩机缸的第二出口流体连通，所述活塞在所述第二动力缸内可滑动地移动并且可操作地连接到所述曲轴，所述第二动力缸每隔一次所述曲轴的回转向所述第二动力缸内的充气提供第二级压缩；

外部排气再循环系统，所述外部排气再循环系统被联接到所述第一动力缸和所述第二动力缸中的一个的出口，并且包括下述中的至少一个：

     短程端口，所述短程端口提供了从所述第一动力缸和所述第二动力缸中的所述一个回到所述第一动力缸和所述第二动力缸中的所述一个的对应入口的排气路径；

     长程端口，所述长程端口提供了从所述第一动力缸和所述第二动力缸中的所述一个到所述压缩机缸的入口的排气路径；

短程热交换器，所述短程热交换器流体联接到所述短程端口，并且所述短程热交换器向进入对应的动力缸的排气提供加热和冷却中的至少一种；

长程热交换器，所述长程热交换器流体联接到所述长程端口，并且所述长程热交换器向进入所述压缩机缸的入口的排气提供加热和冷却中的至少一种；

压缩充气热交换器，所述压缩充气热交换器设置在所述压缩机缸的第一出口和第二出口中的一个与所述第一动力缸和所述第二动力缸中对应的一个的入口之间，并且所述压缩充气热交换器向从所述压缩机缸传送的充气提供加热和冷却中的至少一种。

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