CN105840307A - 单轴双膨胀内燃发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单轴双膨胀内燃发动机。描述了一种单轴双膨胀内燃发动机，其包括发动机缸体，该发动机缸体包括通过汽缸盖流体联接的第一和第二动力汽缸以及膨胀汽缸，以及连接到曲轴的相应第一和第二曲柄销的第一和第二动力活塞。多连接连杆组件包括刚性主臂，该刚性主臂垂直于曲轴的纵向轴线延伸，且支撑第一枢轴销、第二枢轴销和第三枢轴销。第一枢轴销经连杆连接至在第三汽缸中往复运动的膨胀活塞。曲轴的第三曲柄销用作第二枢轴销，并具有位于曲轴自第一曲柄销的行程旋转180度处的行程。第三枢轴销连接至摆臂，所述摆臂连接到发动机缸体。

Description

单轴双膨胀内燃发动机
技术领域
本发明总体涉及内燃发动机组件。
背景技术
内燃发动机燃烧空气和燃料的混合物以产生用以作功的机械动力。内燃发动机的基本部件在现有技术中是众所周知的，且优选地包括发动机缸体、汽缸盖、汽缸、活塞、阀门、曲轴以及一个或多个凸轮轴。汽缸盖、汽缸和活塞顶部形成可变容积的燃烧室，燃料和空气被引进燃烧室，并且在燃烧室中进行作为设备的热力循环的一部分的燃烧。在所有的内燃发动机中，有用功产生于直接作用于如活塞顶部或冠部等可动的发动机部件上的燃烧的热气体产物。通常，活塞的往复运动经连杆被转换为曲轴的旋转运动。一种已知的内燃发动机以四冲程燃烧循环运行，其中，冲程被限定为活塞从上止点(TDC)位置至下止点(BDC)位置的完整的运动，反之亦然，且冲程包括进气、压缩、做功和排气。相应地，四冲程发动机在本文中被限定为，对于汽缸充气的每一个动力冲程，即对于将动力传递至曲轴的每个冲程，需要四个完整的活塞冲程的发动机。
内燃发动机的总效率取决于其通过最小化导致能量流失至环境中的折衷以最大化所有过程的效率的能力。在专用部件中划分传统的四冲程循环允许通过经中间压缩热提取(例如通过使用热交换器)试图接近汽缸充气的等温压缩使压缩过程的效率更高。同样地，更大量的机械能可在膨胀过程中通过趋向绝热膨胀并进一步延长膨胀以作功气体降低至大气压而从汽缸充气获得。此外，最大化作功气体的比热比同时分别降低各比热允许膨胀过程中的更大的能量提取，同时最小化与各专用部件相关联的机械和流动损失。
一种已知的满足这些挑战的方法是低温燃烧(LTC)涡轮增压式柴油发动机。LTC涡轮增压式柴油发动机依赖于由充气冷却分隔以接近等温压缩的二级压缩过程，以减少达到给定空气密度稀薄低温燃烧所需要的功，以最小化热损失同时改善气体特性，并且依赖于二级膨胀过程，以提高从热的燃烧后的气体的功回收。在热力学上，涡轮增压式柴油发动机是多轴双压缩、双膨胀发动机，其为依赖于旋转式和往复式机器的组合以在燃烧之前执行两压缩并且在燃烧之后执行两膨胀的发动机。然而，现代涡轮增压式柴油发动机机的总效率受限于在操作范围内(over the operating domain)匹配和优化这些部件的性能的能力。用于在外部充气的多轴发动机上提供增压的空气处理系统包括更复杂的增压系统，其采用两级和三级涡轮增压或涡轮增压器和机械驱动增压器的组合。除了充气设备，该系统还需要热交换器、旁路阀门和控制件。
发明内容
描述了一种单轴双膨胀内燃发动机，其包括发动机缸体、汽缸盖、单个曲轴和多连接连杆组件。发动机缸体包括第一和第二动力汽缸以及膨胀汽缸。气缸盖流体联接第一和第二动力汽缸及膨胀汽缸。第一和第二动力活塞分别在第一和第二动力汽缸中往复运动，并分别连接至曲轴的第一和第二曲柄销。多连接连杆组件包括刚性主臂，该刚性主臂垂直于曲轴的纵向轴线延伸，并支撑位于所述主臂的第一端部上的第一枢轴销、位于所述主臂的中部部分的第二枢轴销以及位于所述主臂的第二端部上的第三枢轴销。第一枢轴销经连接杆连接至在第三汽缸中往复运动的膨胀活塞。曲轴的第三曲柄销用作第二枢轴销，并具有位于自第一和第二曲柄销的行程围绕曲轴的纵向轴线旋转180度处的行程。第三枢轴销连接至摆臂，所述摆臂连接到发动机缸体。
根据本发明一方面，提供一种单轴双膨胀内燃发动机，其包括：
发动机缸体、气缸盖、单个曲轴及多连接连杆组件；
所述发动机缸体包括第一和第二动力汽缸及膨胀汽缸；
所述气缸盖流体联接第一和第二动力汽缸及膨胀汽缸；
第一和第二动力活塞分别在所述第一和第二动力汽缸中往复运动，并连接至曲轴的径向重合的相应的第一和第二曲柄销；
所述多连接连杆组件包括刚性主臂，该刚性主臂垂直于曲轴的纵向轴线延伸，并支撑位于所述主臂的第一端部上的第一枢轴销、位于所述主臂的中部部分的第二枢轴销以及位于所述主臂的第二端部上的第三枢轴销；
所述第一枢轴销经连杆连接至在第三汽缸中往复运动的膨胀活塞；
所述第二枢轴销连接至曲轴的第三曲柄销，该第三曲柄销具有位于自第一和第二曲柄销的行程围绕曲轴的纵向轴线旋转180度处的行程；且
所述第三枢轴销连接至摆臂，所述摆臂连接到发动机缸体。
优选地，其中，多连接连杆组件的第一枢轴销和第二枢轴销限定了第一直线距离，多连接连杆组件的第二枢轴销和第三枢轴销限定了第二直线距离，且其中，基于所述第一直线距离和第二直线距离限定了在第三汽缸中往复运动的膨胀活塞的直线行程的幅度。
优选地，其中，第一和第二动力活塞分别在第一和第二动力汽缸中同步地往复运动，且所述膨胀活塞以与第一和第二动力活塞具有180°的相位差在所述膨胀汽缸中往复运动。
优选地，其中，多连接连杆组件的第一枢轴销和第二枢轴销限定了第一直线距离，多连接连杆组件的第二枢轴销和第三枢轴销限定了第二直线距离，且其中，基于所述第一直线距离、第二直线距离、在第三枢轴销和发动机缸体之间连接的摆臂的直线长度、以及将所述摆臂连接至发动机缸体的第三枢轴销的位置，限定了在第三汽缸中往复运动的膨胀活塞的直线行程的幅度。
优选地，其中，所述第一和第二动力汽缸和所述膨胀汽缸具有平行的纵向中心轴线，且其中，所述膨胀汽缸的纵向中心轴线偏离在第一和第二动力汽缸的纵向中心轴线之间形成的直线。
优选地，其中，所述气缸盖包括将第一动力汽缸流体连接至所述膨胀汽缸的第一排气口、第一排气流道和第一膨胀汽缸进气口，以及将第二动力汽缸流体连接至所述膨胀汽缸的第二排气口、第二排气流道和第二膨胀汽缸进气口。
优选地，其中，第一动力汽缸以四冲程燃烧循环运行，且第二动力汽缸以四冲程燃烧循环运行。
优选地，其中，所述第一动力汽缸的四冲程燃烧循环实行为与所述第二动力汽缸的四冲程燃烧循环具有360旋转角度的相位差。
优选地，其中，所述膨胀汽缸以二冲程燃烧循环运行。
根据本发明另一方面，提供一种内燃发动机，其包括：
发动机缸体，汽缸盖和单个曲轴；
所述发动机缸体包括第一和第二动力汽缸及膨胀汽缸；
所述气缸盖流体联接第一和第二动力汽缸及膨胀汽缸；
第一和第二动力活塞分别在第一和第二动力汽缸中往复运动，并连接至曲轴的径向重合的第一和第二曲柄销；
包括刚性主臂的多连接连杆组件，所述刚性主臂垂直于曲轴的纵向轴线延伸，并支撑位于所述主臂的第一端部上的第一枢轴销、位于所述主臂的中部部分上的第二枢轴销以及位于所述主臂的第二端部上的第三枢轴销，所述多连接连杆组件包括第一枢轴销、第二枢轴销、第三曲柄销以及第三枢轴销，所述第一枢轴销经连接杆连接至在第三汽缸中往复运动的膨胀活塞，所述第二枢轴销连接至曲轴的第三曲柄销，所述第三曲柄销具有位于自第一和第一曲柄销的行程围绕曲轴的纵向轴线旋转180度处的行程，所述第三枢轴销连接至摆臂，所述摆臂与发动机缸体相连接；
其中，所述膨胀汽缸和相关联的膨胀活塞偏移于所述曲轴的中心线。
优选地，其中，第一和第二动力汽缸限定了与曲轴的中心线相交的中心线。
优选地，其中，第一和第二动力汽缸限定了在与所述膨胀汽缸相对侧偏离曲轴中心线的中心线。
优选地，其中，多连接连杆组件的第一枢轴销和第二枢轴销限定了第一直线距离，多连接连杆组件的第二枢轴销和第三枢轴销限定了第二直线距离，且其中，基于所述第一直线距离和第二直线距离限定了在第三汽缸中往复运动的膨胀活塞的直线行程的幅度。
优选地，其中，第一和第二动力活塞分别在第一和第二动力汽缸中同步地往复运动，且所述膨胀活塞以与第一和第二动力活塞具有180°的相位差在所述膨胀汽缸中往复运动。
优选地，其中，多连接连杆组件的第一枢轴销和第二枢轴销限定了第一直线距离，多连接连杆组件的第二枢轴销和第三枢轴销限定了第二直线距离，且其中，基于所述第一直线距离、第二直线距离、在第三枢轴销和发动机缸体之间连接的摆臂的直线长度、以及将所述摆臂连接至发动机缸体的第三枢轴销的位置，限定了在第三汽缸中往复运动的膨胀活塞的直线行程的幅度。
优选地，其中，所述第一和第二动力汽缸和所述膨胀汽缸具有平行的纵向中心轴线，且其中，所述膨胀汽缸的纵向中心轴线偏离在第一和第二动力汽缸的纵向中心轴线之间形成的直线。
优选地，其中，所述气缸盖包括将第一动力汽缸流体连接至所述膨胀汽缸的第一排气口、第一排气流道和第一膨胀汽缸进气口，以及将第二动力汽缸流体连接至所述膨胀汽缸的第二排气口、第二排气流道和第二膨胀汽缸进气口。
优选地，其中，第一动力汽缸以四冲程燃烧循环运行，且第二动力汽缸以四冲程燃烧循环运行。
优选地，其中，所述第一动力汽缸的四冲程燃烧循环实行为与所述第二动气汽缸的四冲程燃烧循环具有360旋转角度的相位差。
优选地，其中，所述膨胀汽缸以二冲程燃烧循环运行。
当结合附图时，本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点将通过以下对实现本教程的最佳模式的详细描述显而易见。
附图说明
图1示意性地示出了根据本发明的单轴双膨胀内燃发动机的一个实施例的侧视图；
图2示意性地示出了根据本发明的单轴双膨胀内燃发动机的一个实施例的一部分的俯视图；
图3以图表示出了与根据本发明的单轴双膨胀内燃发动机的实施例的运行相关联的压力-容积(PV)图；
图4-1至4-5图示了根据本发明的单轴双膨胀内燃发动机的实施例的运行，该发动机在与其运行相关联的、顺序执行的发动机冲程期间包括可选的增压器。
图5以图表示出了在单个燃烧循环过程中，就相对于曲柄角度和汽缸容积排量的各种进气和排气阀的打开和关闭及对应的火花点火事件而言，根据本发明的单轴双膨胀内燃发动机的操作。
具体实施方式
参照附图，其中，在不同的视图中，相同的附图标记用来标识相同的或同样的部件，图1示意性地示出了根据本发明的单轴双膨胀内燃发动机(发动机)10的一个实施例的侧视图，图2示意性地示出了根据本发明的发动机10的实施例的一部分的俯视图。在全部不同的图中相同的附图标记标识相同的元件。发动机10包括发动机缸体12，该发动机缸体12包括复合汽缸构造、曲轴主轴承座14和用于曲轴20的主轴承22以及缸体盖60，所述复合汽缸构造包括如本文所述的三汽缸组30。尽管只有一个三汽缸组30被示出，但是发动机缸体12可以限定多个如本文所述的三汽缸组30。物理描述通过参照三维坐标给出，该三维坐标包括纵向轴线15，水平轴线17和垂直轴线19，纵向轴线15由曲轴20的曲轴中心线24限定，垂直轴线19由构成三汽缸组30中的一个的发动机汽缸32、34、36的平行纵向轴线限定，水平轴线17被限定为垂直于纵向轴线15及垂直轴线19。
每个复合汽缸构造包括三汽缸组30中的一个，该三汽缸组30分别包括第一和第二动力汽缸32,34以及第三膨胀汽缸36。第一动力汽缸32容纳有第一动力活塞42，该动力活塞42经第一连杆43可旋转地联接至曲轴20的第一曲柄销26，并在第一动力汽缸32中可移动以协同曲轴20的旋转上下平移，且第一动力汽缸32还限定了第一动力汽缸中心线33。类似地，第二动力汽缸34容纳有第二动力活塞44，该第二动力活塞44经第二连杆45可旋转地联接至曲轴20的第二曲柄销27，并在第二动力汽缸34中可移动以协同曲轴20的旋转上下平移，且第二动力汽缸34还限定了第二动力汽缸中心线35。第一和第二动力汽缸32、34，第一和第二动力活塞42、44以及相关联的部件在尺寸上是相等的，且第一和第二曲柄销26、27以相同的旋转曲柄角度可旋转地联接至曲轴20并径向重合。在一个实施例中，第一和第二动力汽缸中心线33、35与曲轴中心线24相交。替代地，第一和第二动力汽缸中心线33、35不与曲轴中心线24同心。
膨胀汽缸36邻近于第一和第二动力汽缸32、34，并具有中心线37，该中心线37平行于与第一和第二动力汽缸中心线33、35且在与第一和第二动力汽缸中心线33、35相对的一侧偏离于曲轴中心线24。距离25由曲轴中心线24与膨胀汽缸36的中心线37之间的沿水平方向的垂直距离所限定。膨胀活塞46被容纳于膨胀汽缸36中并在其中可移动以上下平移，且膨胀活塞46联接至第三连杆47，该第三连杆47通过多连接连杆组件50可旋转地联接至曲轴20。膨胀汽缸36优选地在容积上比各个动力汽缸32、34大得多，并优选地在各个动力汽缸32、34的容积的1.5倍至4.0倍范围内。基于汽缸TDC位置和BDC位置之间的活塞移动而限定的膨胀汽缸36的汽缸排量是专用的，并如本文所述被确定。
汽缸盖60是集成设备，其包括铸造部分、机械加工部分和组装部分，以用于控制和引导进气、燃料和燃烧气体进出第一和第二动力汽缸32、34以及膨胀汽缸36，以实现发动机运行从而产生机械动力。汽缸盖60包括结构性轴承支撑件，其用于可旋转地连接至曲轴20并关于曲轴20分度的动力凸轮轴和膨胀凸轮轴。分别地，汽缸盖60包括第一和第二动力汽缸进气流道70、74，其分别流体连接至第一和第二动力汽缸进气口71、74，同时发动机进气气流分别由第一和第二动力汽缸进气阀62、64控制。如图所示，每个汽缸有两个进气阀，但是每个汽缸可采用任何合适的数量的进气阀，如，每个汽缸一个或三个进气阀。发动机进气来源于周围空气源，周围空气源在进入第一和第二动力汽缸进气流道70、74之前可经过加压设备，例如涡轮增压器或增压器。汽缸盖60还包括第一和第二动力汽缸排气口72、76，同时发动机排出气流分别由第一和第二动力汽缸排气阀63,65控制。如图所示，每个汽缸有两个排气阀，但是每个汽缸可采用任何合适数量的排气阀，如，每个汽缸一个或三个排气阀。在一个实施例中，第一和第二动力汽缸进气阀62、64和排气阀63、65是由动力凸轮轴的旋转启动的常闭式弹簧偏压提升阀，且可替代地包括任何其它合适的阀构造。在一个实施例中，汽缸盖60支撑燃烧所需的元件，例如，用于第一和第二动力汽缸32、34的每一个中的火花塞和燃料喷射器。第一动力汽缸排气口72经第一膨胀汽缸进气流道73流体联接至第一膨胀汽缸进气口79，同时流动受第一膨胀汽缸进气阀66和第一动力汽缸排气阀63所控制。第二动力汽缸排气口76经第二膨胀汽缸进气流道77流体联接至第二膨胀汽缸进气口80，同时流动受第二膨胀汽缸进气阀67和第二动力汽缸排气阀65所控制。汽缸盖60还包括一个或多个膨胀汽缸排气口78(其中两个被示出)，以及对应的膨胀汽缸排气阀68，所述对应的膨胀汽缸排气阀68流体连接至膨胀汽缸排气流道81，该膨胀汽缸排气流道81通向可能包括排气净化设备、涡轮增压器、排气声音调节设备等的排气系统。在一个实施例中，第一膨胀汽缸进气阀66，第二膨胀汽缸进气阀67和膨胀汽缸排气阀68是由膨胀凸轮轴的旋转启动的常闭式弹簧偏压提升阀，且可替代地可包括任何其它合适的阀构造。动力凸轮轴和膨胀凸轮轴的旋转被关于曲轴20的旋转分度并联接。曲轴20的第一和第二曲柄销26、27通过第一和第二连杆43、45可旋转地与第一和第二动力活塞42、44联接。
多连接连杆组件50形成六杆联接机构，该六杆联接机构将偏离于曲轴中心线24的膨胀活塞46的直线往复运动转化为曲轴20的旋转运动，同时最小化膨胀活塞46的侧加载。多连接连杆组件50包括刚性主连接臂52，该刚性主连接臂52是包括第一枢轴销53、第二枢轴销54和第三枢轴销55的三销板。主连接臂52的第一枢轴销53可旋转地联接至第三连杆47，该第三连杆47经车轴、柄部或其它适合的连接件联接至膨胀活塞46。主连接臂52的第二枢轴销54可旋转地联接至曲轴20的第三曲柄销28。曲轴20的第三曲柄销28与多连接连杆组件50的第二枢轴销54并列配置，且两者均从第一和第二曲柄销26、27旋转180°。主连接臂52的第三枢轴销55可旋转地联接至摆臂56的第一端部，且摆臂56的第二端部可旋转地联接至安装销58，该安装销58可枢转地附接于发动机缸体12的固定架59。多连接连杆组件50被构造为使得膨胀活塞46的移动与第一和第二动力活塞42、44的移动有180°的相位差。此外，多连接连杆组件50的元件布置影响膨胀活塞46的冲程，并因此影响膨胀汽缸36的容积排量和几何压缩比。
多连接连杆组件50在曲轴20的旋转过程中，通过第一、第二和第三曲柄销26、27和28，将第一和第二动力活塞42、44的气缸内平移与膨胀活塞46的气缸内平移机械联接。刚性主连接臂52的第一枢轴销53和第二枢轴销54限定了第一直线距离。第二枢轴销54和第三枢轴销55限定了第二直线距离。曲轴20的旋转过程中，在第三汽缸36中往复运动的膨胀活塞46的直线行程幅度基于第一直线距离和第二直线距离以及发动机缸体12中的安装销58的位置被限定，在安装销58上附接有摆臂56。这种包括主连接臂52的构造允许膨胀活塞46的冲程不同于由曲轴20的第三曲柄销28所限定的曲柄行程长度。优选地，多连接连杆组件50相对于第三曲柄销28的曲柄行程长度放大膨胀活塞46的冲程，同时放大因数由其几何结构确定，该几何结构包括在第一、第二和第二枢轴销53、54和55之间的第一和第二直线距离以及摆臂56。
本文中所描述的发动机10的运行包括以下内容。第一和第二动力汽缸32、34均以在曲轴旋转720°上包括重复执行的进气-压缩-膨胀-排气冲程的四冲程循环运行。与第二动力汽缸34相关联的四冲程循环同与第一动力汽缸32相关联的循环具有曲轴旋转的360°的相位差。这样，当第一动力汽缸32处于进气冲程时，第二动力汽缸34处于膨胀冲程，且当第二动力汽缸34处于进气冲程时，第一动力汽缸32处于膨胀冲程。膨胀汽缸36以包括进气冲程和排气冲程的二冲程循环运行，其中，进气冲程与第一和第二动力汽缸的排气冲程交替地协作。这样，每一个动力汽缸32、34以交替的方式排放其排出气体至膨胀汽缸42中。该种运行参照图4以图表显示。
图4-1至4-5图示了单轴双膨胀内燃发动机410的实施例的运行，在顺序执行的与发动机的运行相关联的发动机冲程过程中，该发动机410包括用于加压进气的可选的增压器412，第一和第二动力汽缸432和434及膨胀汽缸436。图3以图表示出了对应的、在图4-1至4-5中的冲程中与运行相关联的压力-容积(PV)示意图。参照图3所示的PV示意图包括相对于绘制在水平轴线上的汽缸排放容积(L)320而绘制在垂直轴线上的汽缸内压力(bar)310，并包括PV线，该PV线指示与第一动力汽缸432(340)和膨胀汽缸436(350)的汽缸内的状况相关联的作功流体的状态。不同的箭头指示了与不同的汽缸相关联的活塞的行程方向。
图4-1示出了第一进气/第二膨胀冲程，其包括处于进气冲程的第一动力汽缸432、处于动力冲程的第二动力汽缸434及处于排气冲程的膨胀汽缸436。图3中指示与第一动力汽缸432相关联的功的线340的对应线段341指示了随增加的动力气缸容积而略微下降的压力。
图4-2示出了第一压缩/第二排气冲程，其包括处于压缩冲程的第一动力汽缸432、处于排气冲程的第二动力汽缸434及处于膨胀冲程的膨胀汽缸436，该膨胀汽缸436采用来自第二动力汽缸434的输入流动。图3中指示与第一动力汽缸432相关联的功的线340的对应线段342指示了随下降的动力气缸容积而大幅增加的压力。
图4-3示出了第一膨胀/第二进气冲程，其包括处于膨胀冲程的第一动力汽缸432、处于进气冲程的第二动力汽缸434及处于排气冲程的膨胀汽缸436。图3中指示与第一动力汽缸432相关联的功的线340的对应线段343指示了随增加的动力气缸容积而大幅下降的压力。
图4-4示出了第一排气/第二压缩冲程，其包括处于排气冲程的第一动力汽缸432、处于压缩冲程的第二动力汽缸434及处于膨胀冲程的膨胀汽缸436，该膨胀汽缸436采用来自第一动力汽缸432的输入流动。图3中指示与第一动力汽缸432相关联的功的线340的对应线段344指示了随下降的动力气缸容积而持续下降的压力，并完成了第一动力汽缸432的循环环路。指示与膨胀汽缸436相关联的功的线350的对应线段354指示了随着增加的膨胀汽缸容积而持续下降的压力。
图4-5示出了第一进气/第二压缩冲程的第二循环，其包括处于进气冲程的第一动力汽缸432、处于动力冲程的第二动力汽缸434及处于排气冲程的膨胀汽缸436。图3中指示与第一动力汽缸432相关联的功的线340的对应线段341指示了随增加的动力气缸容积而略微下降的压力。指示与膨胀汽缸436相关联的功的线350的对应线段355指示了随着下降的汽缸容积，汽缸内压力起初没有改变，但之后因阀门关闭而急剧增加。
图5以图表示出了在单个燃烧循环过程中，就相对于曲柄角度和汽缸容积排量的各种进气和排气阀的打开和关闭及对应的火花点火事件而言，本文所述的单轴双膨胀内燃发动机10的运行。总体上，第一和第二动力汽缸32、34均以四冲程循环运行，四冲程循环包括在曲轴旋转720°上重复执行的进气-压缩-膨胀-排气冲程，与第二动力汽缸34相关联的循环同与第一动力汽缸32相关联的循环具有曲轴旋转的360°的相位差。膨胀汽缸36以包括进气冲程和排气冲程的二冲程循环运行，其中，进气冲程与来自第一和第二动力汽缸32,34的排气冲程交替地协作。这样，每一个动力汽缸32、34以交替的方式排放其排出气体至膨胀汽缸42中。如前所述，膨胀汽缸36优选地在容积上比各个动力汽缸32、34大得多。
该数据包括膨胀汽缸36(560)的容积排量，第一和第二动力汽缸32、34(540、550)的容积排量，包括进气阀512和排气阀514的打开(1)和关闭(0)及相关联的燃烧事件515的第一动力汽缸32(510)的运行，包括进气阀522和排气阀524的打开(1)和关闭(0)及相关联的燃烧事件525的第二动力汽缸34(520)的运行，包括第一进气阀532、第二进气阀531和排气阀534的打开(1)和关闭(0)的第一膨胀汽缸36(530)的运行，所有这些数据相对于在标称曲柄角度-360°和标称曲柄角度+720°之间的发动机曲柄角度505而被同时以图表绘出。
所示的构造采用了分别包括第一和第二动力汽缸32、34及第三膨胀汽缸36的复合汽缸构造。多连接连杆组件50包括刚性主连接臂52，该刚性主连接臂52包括第一枢轴销53、第二枢轴销54、第三枢轴销55以及机械联接至发动机缸体12的安装销58的摆臂56。多连接连杆组件50将第一和第二动力活塞42、44的气缸内平移与膨胀活塞46的汽缸内平移机械联接。
这种布置允许膨胀汽缸36和相关联的膨胀活塞46显著偏离曲轴中心线24，而没有通常与活塞侧加载相关联的运行问题。这种布置允许膨胀活塞46的冲程相对于第三曲柄销28的曲柄行程而被选择，但不限于该冲程与该曲柄行程相等。
这种构造允许单轴双膨胀内燃发动机10的实施例的更紧凑的设计，其包括总体更短的发动机长度，更短的发动机高度，通过减少的气体传递损失而得以改善的发动机性能，该减少的气体传递损失与膨胀汽缸36的进气流道73、77的长度的最小化相关联。
尽管实施本教程的多个方面的最佳模式已被详细描述，然而那些熟悉与本教程相关的技术领域的人将意识到在所附权利要求范围内实践本教程的多个替代方面。

Claims (10)

1.一种单轴双膨胀内燃发动机，其包括：
发动机缸体、气缸盖、单个曲轴及多连接连杆组件；
所述发动机缸体包括第一和第二动力汽缸及膨胀汽缸；
所述气缸盖流体联接第一和第二动力汽缸及膨胀汽缸；
第一和第二动力活塞分别在所述第一和第二动力汽缸中往复运动，并连接至曲轴的径向重合的相应的第一和第二曲柄销；
所述多连接连杆组件包括刚性主臂，该刚性主臂垂直于曲轴的纵向轴线延伸，并支撑位于所述主臂的第一端部上的第一枢轴销、位于所述主臂的中部部分的第二枢轴销以及位于所述主臂的第二端部上的第三枢轴销；
所述第一枢轴销经连杆连接至在第三汽缸中往复运动的膨胀活塞；
所述第二枢轴销连接至曲轴的第三曲柄销，该第三曲柄销具有位于自第一和第二曲柄销的行程围绕曲轴的纵向轴线旋转180度处的行程；且
所述第三枢轴销连接至摆臂，所述摆臂连接到发动机缸体。
2.如权利要求1所述的单轴双膨胀内燃发动机，其中，多连接连杆组件的第一枢轴销和第二枢轴销限定了第一直线距离，多连接连杆组件的第二枢轴销和第三枢轴销限定了第二直线距离，且其中，基于所述第一直线距离和第二直线距离限定了在第三汽缸中往复运动的膨胀活塞的直线行程的幅度。
3.如权利要求1所述的单轴双膨胀内燃发动机，其中，第一和第二动力活塞分别在第一和第二动力汽缸中同步地往复运动，且所述膨胀活塞以与第一和第二动力活塞具有180°的相位差在所述膨胀汽缸中往复运动。
4.如权利要求1所述的单轴双膨胀内燃发动机，其中，多连接连杆组件的第一枢轴销和第二枢轴销限定了第一直线距离，多连接连杆组件的第二枢轴销和第三枢轴销限定了第二直线距离，且其中，基于所述第一直线距离、第二直线距离、在第三枢轴销和发动机缸体之间连接的摆臂的直线长度、以及将所述摆臂连接至发动机缸体的第三枢轴销的位置，限定了在第三汽缸中往复运动的膨胀活塞的直线行程的幅度。
5.如权利要求1所述的单轴双膨胀内燃发动机，其中，所述第一和第二动力汽缸和所述膨胀汽缸具有平行的纵向中心轴线，且其中，所述膨胀汽缸的纵向中心轴线偏离在第一和第二动力汽缸的纵向中心轴线之间形成的直线。
6.如权利要求1所述的单轴双膨胀内燃发动机，其中，所述气缸盖包括将第一动力汽缸流体连接至所述膨胀汽缸的第一排气口、第一排气流道和第一膨胀汽缸进气口，以及将第二动力汽缸流体连接至所述膨胀汽缸的第二排气口、第二排气流道和第二膨胀汽缸进气口。
7.如权利要求1所述的单轴双膨胀内燃发动机，其中，第一动力汽缸以四冲程燃烧循环运行，且第二动力汽缸以四冲程燃烧循环运行。
8.如权利要求7所述的单轴双膨胀内燃发动机，其中，所述第一动力汽缸的四冲程燃烧循环实行为与所述第二动力汽缸的四冲程燃烧循环具有360旋转角度的相位差。
9.如权利要求1所述的单轴双膨胀内燃发动机，其中，所述膨胀汽缸以二冲程燃烧循环运行。
10.一种内燃发动机，其包括：
发动机缸体，汽缸盖和单个曲轴；
所述发动机缸体包括第一和第二动力汽缸及膨胀汽缸；
所述气缸盖流体联接第一和第二动力汽缸及膨胀汽缸；
第一和第二动力活塞分别在第一和第二动力汽缸中往复运动，并连接至曲轴的径向重合的第一和第二曲柄销；
包括刚性主臂的多连接连杆组件，所述刚性主臂垂直于曲轴的纵向轴线延伸，并支撑位于所述主臂的第一端部上的第一枢轴销、位于所述主臂的中部部分上的第二枢轴销以及位于所述主臂的第二端部上的第三枢轴销，所述多连接连杆组件包括第一枢轴销、第二枢轴销、第三曲柄销以及第三枢轴销，所述第一枢轴销经连接杆连接至在第三汽缸中往复运动的膨胀活塞，所述第二枢轴销连接至曲轴的第三曲柄销，所述第三曲柄销具有位于自第一和第一曲柄销的行程围绕曲轴的纵向轴线旋转180度处的行程，所述第三枢轴销连接至摆臂，所述摆臂与发动机缸体相连接；
其中，所述膨胀汽缸和相关联的膨胀活塞偏移于所述曲轴的中心线。
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