CN1082139C - 双活塞式内燃机 - Google Patents

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Abstract

一种内燃机(1)包括至少两个可在其间形成燃烧空间(12)的气缸(4，8)，一第一活塞(3)适合在第一气缸(4)内往复运动而一第二活塞(7)适合在第二气缸(8)内往复运动。所述两个活塞通过连接它们各自曲轴的链驱动装置被驱动地联结和彼此相对地同步运动而使第二活塞以第一活塞频率的一半频率运动。空气燃油混合气进气孔(14)以及排气孔(15)设置在第二气缸(8)的壁上，通过第二活塞(7)的运动而开启或关闭。还有一个如旋转盘阀那样的排气密封阀(17)，使一将排气孔(15)与外部(或排气系统)相连的排气口(16)开启或关闭，所述密封阀(17)关闭排气口(16)，以便当发动机处于进气冲程和排气孔(15)未被第二活塞(7)复盖时阻止排气再进入燃烧室(12)。空气燃油混合气通过一单向阀(13)，通常为簧片阀进入燃烧室(12)中。

Description

双活塞式内燃机
技术领域
本发明涉及内燃机的一种改进。尤其本发明用于每气缸含有一个主活塞和一个副活塞的两个活塞的内燃机，其中副活塞循环的工作频率为主活塞工作频率的一半。
背景技术
目前的一些内燃机已经发展了许多年，它们通过多种燃料例如汽油、柴油和煤气提供能源并把它转变成一种形式通常为旋转或者直线的运动，这种运动再可被用作极大范围的不同应用例如船舶、汽车、摩托车、发电机以及甚至各种链锯的动力。在其基本的形式中，内燃机通过燃烧燃料而将化学能转变为动能。
大量的研究和开发已经花费在各种内燃机上，从而产生许多种不同的设计。其中的一些设计包括四冲程的、二冲程的、转子式和套筒滑阀式的发动机。所有这种研究和开发的目的是提高发动机的效率和增大功率重量比，从而使发动机更加可靠和耐用并且扩大其功率范围。
提高发动机功率的最容易的方法是直接增大其排量。然而，对于一个尺寸给定的发动机来说，存在着种种其它可以提高功率的因素。对于一具有特定尺寸的发动机来说可获得的功率是在作功冲程中的气缸内的压力、作功冲程速度(通常称为每分钟转速)、发动机中的摩擦力和容积效率的函数。因此，通过提高压力、提高每分钟转速、增加作功冲程的长度、减小摩擦力或者提高容积效率的任一种都可以使发动机的功率提高。在改变上述的某些参数时存在种种限制。例如，提高压力因需要考虑的热力问题和发动机在作功冲程之间对气缸补充新鲜的空气/燃油混合气的能力而受到限制。提高每分钟转速因机械限制例如作用在气门、轴承、杆件和活塞上的惯性负荷也受到限制，而增加作功冲程的长度则受到作用在曲轴上的惯性负荷的限制。
本发明的目的是通过改变共同决定发动机功率的上述参数中的一些参数来提高具有一给定额定功率的发动机的功率。本发明是针对一种四冲程发动机。
发明概述
因此本发明提出一种形式的内燃机，尽管这种形式并不是唯一的或者实际上并不是最广泛的形式，它包括：
两个满足其间可形成一个燃烧空间的气缸；
一适合于在第一气缸内往复运动的第一活塞；
一适合于在第二气缸内往复运动的第二活塞；
所述的两个活塞被驱动地相联结以便彼此相对地同步运动而使第二活塞以第一活塞频率的一半频率运动；其特点是，还包括：
通过在第二气缸的壁上的一第一孔或数个孔提供空气/燃油混合气的进口的装置；
通过在第二气缸的壁上的一第二孔或数个孔提供排气出口的装置；
设置在排气出口内一定时的排气密封阀以在发动机工作循环中所选定时刻使排气出口开启或关闭；以及
所述的孔被设置得可通过第二活塞的运动使它们被覆盖和暴露而开闭。
最好所述的两个活塞是彼此相对地同轴线对准。
最好在所述的排气出口内有一个同步定时的排气密封阀以在发动机工作循环中所选定的时刻使排气出口开启或者关闭。
最好所述的排气密封阀是一种盘式的旋转阀。
这种型式的排气阀布置省去一种提升阀。因为在排气流动方向上没有阀这就提高了容积效率。这还减小了阀的应力并消除了发生在提升阀上的由于热量只可沿着阀的细长杆部扩散而使杆受到热应力的那种阀局部过热。此外，提升阀是通过伸入所述的燃烧空间而工作的，这在燃烧室处在压缩的状态时需要动力。这种盘式的旋转阀由于在压缩时并不消耗任何动力而提高了机械效率。
所述的盘式旋转阀虽然可采用其它材料例如铝或者钛制造，但最好是用如陶瓷涂层塑料这样一种合适的材料制作成。所用的材料可根据发动机可能受到的应力和发动机可能达到的所要求的每分钟转速以及所用的燃料来决定，因为这些因素会对发动机的工作温度产生影响。当然，生产总成本将是一个决定因素，在某些情况下，这取决于发动机的预定用途。
为了克服由盘式旋转阀摩擦气缸外壁所产生的摩擦损失，排气口最好突出气缸体一些，其结果是所述的盘式旋转阀仅仅摩擦那个突出部。虽然这个突出部可采用其它材料例如黄铜但最好采用陶瓷。构成所述的突出部的材料只要根据其性能来选择。由于黄铜比较软而不会损坏盘式旋转阀，因此可以是一种较理想的材料。但是由于使旋转阀保持合适定位的作用力是离心力，并且盘只是刚好轻微触及所述的突出部，磨损就可以减小到最小程度。
由于在工作循环过程中有数次第一和第二孔都未被第二活塞覆盖，为了防止排气流经进气阀，所述的进气阀最好是单向阀例如一种簧片阀或者旋转盘阀。
排气和进气孔的形状较理想是圆形，虽然可以采用其它的形状例如椭圆形，所述的形状仅仅受到机械公差例如在第二活塞上的环的公差的限制。
最好至少有一个适合在所述燃烧空间内点燃空气/燃油混合气的火花塞，虽然可以将发动机改型成使用仅在压缩时点燃的柴油，或者在燃烧空间内使用一个以上的火花塞。
所述的空气/燃油进口孔最好有一个可对燃烧空间选择性地充气结构，例如分层充气结构。
分层充气是一种将空气引入所述燃烧空间(也称为燃烧室)以使空气被加热并使燃烧室的中央容积稀释的方法。一根小管或者一个通路可以在所述第二孔或者数个孔与所述旋转盘阀之间伸入排气出口中。该管或者通路是以可在排气出口壁周围产生空气涡流的方向上进入排气出口，以便当空气进入燃烧空间或者燃烧室中时使空气在与来自进口第一孔或者数个孔的空气/燃油混合气基本相反的方向上形成涡流。大部分空气/燃油混合气的喷流被引入基本贴附在燃烧室壁上并到达所述排气孔下面。而小部分空气然后从所述小管流向排气出口并在与空气/燃油主流相反的方向上在以低速形成涡流的空气/燃油混合气进气主流之上进入燃烧室。因此这小部分空气即使与一定百分比的空气/燃油混合气主流相混和而使它稀释，但基本上是在燃烧室或者燃烧空间的中央聚集。众所周知，被加热的稀释混合气可扩大其可燃性下限值，因而就可以减少在燃烧过程之后残余碳氢化合物的数量。就本发明来说其另外的好处在于所述的燃油/空气混合气还起着使旋转盘阀和排气出口的温度下降的作用。所述的小管或者通路还必须有一个可防止气体沿着排气出口回流的小阀，例如一个簧片阀。当旋转盘阀关闭排气出口时发动机进气冲程的负压就会通过簧片阀和该管吸入空气。
在该簧片阀的上游设有一个蝶阀，它可以用多种方法例如一根钢索以当主节气门的开度从怠速增大到全开时旋转至180度的这样一种方式来进行操作。因此在怠速时由于蝶阀基本上关闭，气流就被限制在该小管内。在节气门大约处于半开时蝶阀全开因而气流达到最大；这大致对应于车辆的常用行驶速度。然而，当需要最大功率而使节气门全开时通过小管的气流由于蝶阀关闭而被限制，从而可在燃烧室内得到均匀的混合气。增加蝶阀还意味着在怠速时由于关闭蝶阀而不使空气/燃油混合气过分稀释。
所述的第二活塞最好是圆筒形的以及其直径为所述第一活塞直径的百分之50至70之间。
所述第二活塞的冲程长度最好是在所述第一活塞冲程长度的百分之25至50之间。所述第一活塞的头部最好是平的以使热损失减小到最小程度，但它并不限于该形状因为为了改变各种发动机特性，例如压缩比，还可以采用其它的形状。所述第二活塞的头部最好是圆锥形的。这样一种形状帮助将引入的空气/燃油混合气的涡流始终向下螺旋形地维持在壁上。
所述第二活塞最好与位于该活塞裙部内的曲轴相连接。在这样一种布置中连杆就可以远离该活塞头部被连接。虽然这增加了第二活塞裙部的长度，但它使第二活塞曲轴的位置朝着燃烧室移动从而减小了所述的排气盘式旋转密封阀和进气旋转盘阀的直径的尺寸。
发动机的冷却、润滑和密封可以采用任何合适的方法较理想地完成。
所述的盘式旋转阀最好能够都用于进气和排气的出口。它们以2比1的直角驱动约与第二活塞曲轴成90度地设置在该曲轴的端部上。该横向轴被联结在排气旋转盘阀的一端上或者在多气缸的情况时用链条或者齿形带联结，而在其另一端上所述横向轴被联结于所述进气旋转盘阀或者在多气缸时的数个阀上。这种型式的布置的一个主要优点是因低速而对功率的要求低以及对直立式的例如6气缸或者4气缸或者V8型(且举几例)的发动机的适用性。为了增加平衡，可以将所述旋转盘阀的形状制成得可提供一平衡块。与旋转阀没有蝶阀布置时所采用的2比1传动相反，在该例子中驱动旋转盘阀的曲轴转速是采用4比1的传动。要提及的是簧片阀可非常适用于固定动力的发动机和柴油机而高性能的发动机较理想可以采用可获得理想的气体流动的旋转盘阀。
可以想象，标准的传统四冲程发动机可容易地改型成上述布置。这尤其令人感兴趣的是，可以使现有发动机采用无铅汽油工作，现有发动机为了解决爆震和压力升高过大的问题而使用含有四乙铅添加剂的液体燃料，例如石油。虽然发动机可以被改型成采用无铅燃油工作，但必需将提升阀改变成连带有淬硬密封的淬硬的型式。由于取消了提升阀即使压缩压力提高也可以采用无铅汽油。
在一种基本型式中，这种发动机所采用的对曲轴和第一活塞布置的基本设计与在一种传统的四冲程发动机中的基本设计相同。然而，不用如在一些具有每气缸一活塞的传统的四冲程发动机上所看到的常用的提升阀，气缸盖就适合采用一个具有这样一种布置方式的第二活塞：该第二活塞以主活塞频率的一半频率与主活塞相协调一致地运动。该第二活塞起着多种作用。它提高了压缩比并且因打开气缸上进排气口而起到气阀作用。提高压缩比的作用是增大功率输出。然而，由于不再需要用提升阀，不仅容积效率确实提高而且不再需要消耗在传统的四冲程发动机中用于驱动阀的能量。由于没有提升阀，发动机的声学特性也得到改变因而使发动机的声音更轻。由于两个活塞在作功冲程中都提供动力，因此活塞冲程的长度也有效地增大。
这种型式的发动机设计可以称为一种对置活塞六冲程发动机。
附图简要说明
为了能够完全理解本发明下面将参照附图来具体说明本发明的一个较佳实施例；其中：
图1是发动机的一个横剖视图，它示出第一(主)活塞和第二(上)活塞，此时主活塞正处在上止点(TDC)而第二活塞正处在上止点后约20度曲轴转角的位置上；
图2是如图1中所示发动机的横剖视图，但第一活塞或者曲轴处在约90度曲轴转角的位置上；
图3是如图1中所示发动机的横剖视图，但第一曲轴处在180度曲轴转角的位置上；
图4是如图1中所示发动机的横剖视图，但第一曲轴处在270度曲轴转角的位置上；
图5是如图1中所示发动机的横剖视图，但第一曲轴处在约360度曲轴转角的位置上；
图6是如图1中所示发动机的横剖视图，但第一曲轴处在490度曲轴转角的位置上；
图7是如图1中所示发动机的横剖视图，但第一曲轴处在约540度曲轴转角的位置上；
图8是如图1中所示发动机的横剖视图，但第一曲轴处在630度曲轴转角的位置上；
图9是如图1中所示发动机的横剖视图，但第一曲轴处在720度曲轴转角的位置上；
图10是气缸盖的一个横剖视图，它示出进排气道以及排气旋转盘阀；
图11是如图10中所示的气缸盖的一个横剖视图，但它组合有一个含有一蝶阀和小簧片阀的小管/通路；
图12是本发明发动机一些较佳实施例之一的等轴侧视图，它设有一个进气簧片阀和一个排气旋转盘阀；
图13是如图12所示的发动机的一个等轴侧视图，但设有用于进气阀和排气阀的经平衡的旋转盘阀；
图14是本发明发动机的一较佳实施例的一个横剖视图，它示出用于上部的第二活塞的一个典型的滑油供油结构；
图15是本发明被用在一柴油机型式的发动机上的一个横剖视图；以及
图16为第一和第二活塞相对位置与一个完整循环的函数关系图。
实施本发明的最佳方式
现请看这些附图，在图1-9中详细地示出本发明一较佳实施例的发动机在一个工作循环不同阶段上的横剖视图。本发明的这个实施例的特点在于发动机1是一个二缸对置式发动机，它带有一个气缸体2、合适的冷却和润滑通路(未图示)在第一气缸4内通过第一连杆5与第一曲轴6相连接的一个第一活塞3以及设置在第二气缸内通过第二连杆9与第二曲轴10相连接的第二活塞7。在燃烧空间中起作用的火花塞11将通过在第二气缸8上的进气阀13(此处为一个簧片阀)和一个进气孔14进入燃烧空间12的空气/燃油混合气(未图示)点燃。排气(未图示)通过在第二气缸8上的一个排气孔15然后通过可由旋转阀17选择性地关闭的排气道16排出。进气孔14和排气孔15都可通过在气缸8内滑动的第二活塞7选择性地关闭。该发动机可以通过冷却翅片18进行空气冷却。第一曲轴6和第二曲轴10通过链条传动机械地连接在一起(在图12、13中示出)并通过齿轮与链齿配合进行传动以使第二曲轴10以第一曲轴6角速度的一半旋转。采用这种方式在第一活塞3完成四个冲程时第二活塞7只完成二个冲程。发动机的进气孔13和排气孔14通过第二活塞的运动被覆盖和露出。
现在来看发动机循环的各个阶段的情况，在图1中表示第一活塞3处在上止点而第二活塞处在大约下止点前20度的情况。然而，第二活塞的相对位置并不是固定在相对于主活塞在上止点前的20度位置上，因其位置根据发动机的具体’调节’的情况可以变化。根据经验已经发现其第二活塞20相对在上止点时的主曲轴成具有20度曲轴转角偏置位置的发动机确实可提供良好的性能，但不同的应用可以要求该位置是不同的。
如图1中所示在0度时(除非另具体指明外，下面所述的所有转动一般都是参考第一曲轴的位置)燃烧空间12被充满空气/燃油混合气(未图示)并被火花塞11点燃。空气/燃油混合气的燃烧提高了在燃烧空间12中的压力，高压推动主活塞朝着下止点向下通过气缸4和推动第二活塞7朝着上止点向上通过气缸8。这个向下的运动使第一曲轴和第二曲轴10旋转，而第二曲轴10以曲轴6的角速度的一半旋转，两根曲轴是通过一根被齿轮传动的链条相联结。在工作循环开始时主活塞处于上止点而第二活塞是处于下止点前20度的位置上，尽管这可能并不是最佳的结构并且两个活塞的相对位置是可以改变的。然而，进气孔14和排气孔15都由第二活塞关闭同时旋转密封阀17也被关闭(虽然并不需要被关闭)。
图2示出发动机1处于完成第一冲程即作功冲程后的一半行程时的情形，第一曲轴6已旋转大约90度，而第二曲轴旋转了其一半角度即45度。排气密封阀17被关闭而在此时第二活塞7仍然覆盖着进气孔14和排气孔15。燃烧爆发力因此仍然作用于主活塞和第二活塞而产生发动机的功率。
图3示出发动机在第一曲轴现已旋转了180度而主活塞处于下止点时的情况。因此此时是作功冲程的终点和排气冲程的开始。第二曲轴只旋转了90度，第二活塞还处在其向上的行程中还并未到达其上止点。排气孔15是这样设置在第二气缸8上以使第二活塞此时已露出排气孔15。旋转密封阀17现也已开启，因而排气25现可以开始通过排气孔15和排气道16流出燃烧空间12。由于排气孔15的最下面部分构成得比进气孔14的最下面部分略低，进气孔14此时未被第二活塞7露出。
图4示出发动机1在第一曲轴6处在270度时的情况。第二曲轴10已旋转了135度，而此时进气孔14和排气孔15部分地被第二活塞7露出。主活塞大约通过其排气冲程的一半并通过排气孔将经燃烧的燃料/排气25从燃烧空间推出并进而从排气道16流出。该进气阀是一个单向阀例如一个簧片阀，它不会使任何的排气25通过进气孔流出。
图5示出发动机在第一曲轴已转过360度和主活塞再一次处于上止点而此时在排气冲程的终点和进气冲程的开始时的情况。第二曲轴现已转过180度而第二活塞大约处在其上止点前20度(当主活塞在作功冲程开始而处于上止点时主活塞是在其下止点前20度)。第二活塞最下面的表面大致与排气孔的最上面部分成水平以避免任何燃烧室产生吸收排气的情况。由于大部分排气25之前都已从燃烧室12排出，排气密封阀17也差不多关闭了排气道16。
图6示出发动机当在第一活塞通过进气冲程一半而第一曲轴转过490度时的情形。由于第一活塞3向下运动，就存在由燃烧室扩大而产生的吸入作用因而燃烧空间12充进通过进气簧片阀13吸入的新鲜的空气/燃油混合气26。在进气冲程开始的过程中进气孔14不同于传统的提升阀式发动机的情况它是全开的因此使容积效率得到提高。由于此时旋转排气密封阀17关闭就可以阻止已排出的排气重新进入燃烧空间12。这对于主活塞的运动使在燃烧室内的压力下降到大气压力之下这种情况是重要的，因而这种吸气运动通过进气阀将新鲜的燃油/空气混合气充入燃烧室。如果未设置旋转盘阀则一部分的已排出的排气也可能通过排气孔被吸回进燃烧室内。由于空气/燃油混合气会与经燃烧的排气相混和，这显然会导致效率的下降。因此在发动机处于进气冲程时通过任何措施关闭排气道从而避免燃烧过的排气再进入燃烧室中这一点是关键性的。
图7示出当第一活塞3处在下止点、进气冲程终点时的情形，此时第一曲轴6已旋转了540度，而第二曲轴10已转过了270度并且第二活塞7是处于朝着其下止点的向下行程内。主活塞3现处在压缩冲程的开始而旋转盘阀仍覆盖着排气道。
图8示出发动机当主活塞通过其压缩冲程一半时的情形，此时第一曲轴已转过630度，第二曲轴已转过315度，而第二活塞处于通过其向下行程的大约一半。第二活塞基本覆盖着排气孔和进气孔。由于第一活塞3向上运动而第二活塞向下运动，燃烧空间12的容积就减小从而使空气/燃油混合气被压缩以便在压缩冲程终点时，如图9所示，使燃烧空间12实质上减到最小。图9实质上同图1，此时主活塞3处在上止点而第二活塞是在下止点前20度。此时火花塞11点燃空气/燃油混合气以及又一次循环开始。
图10是通过第二气缸8的发动机的横剖视图，图中示出有进气孔14、排气孔15、簧片阀13和排气旋转阀17。进气孔14较理想可包括一个分开部分18，它用于将高速的涡流传递给围绕燃烧空间12的外部区域的空气/燃油混合气，将低速涡流传递给燃烧室的内部区域，从而促进燃烧过程。然而应当理解到发动机并不限于一种特定的空气/燃油供给方式，而是可以改变各种各样的特点来改善燃烧过程，例如燃油喷射或者采用旋转进气盘阀。
图11示出如图10所示的发动机的横剖视图，图中示出第二气缸8、进气孔14、排气孔15、簧片阀13、排气旋转阀17和燃烧室12。然而图11还包括一个可被用来改善发动机工作的附加特点。这就是，具有一个含有一小簧片阀41、蝶阀42的分层进气管道40，该分层进气管道可使空气/燃油混合气43以一种涡流运动44在与主空气/燃油混合气26相对的方向上进入燃烧空间。然而要理解到这仅仅是一个可以用来改善空气/燃油混合气均匀性的附加特点而并不是完成本发明所必需的。
图12是示出该发动机的立体视图，图中示出有第一曲轴6、第二曲轴10和将所述第一曲轴与所述第二曲轴相联结的传动链条、是一簧片阀的单向阀13、排气旋转密封阀17、排气道16和通过排气的固定盖(歧管)21。
旋转密封阀是通过一个压缩弹簧(未图示)作用将旋转阀推抵在排气口上而被固定在适当的位置上。为有助于此并减少摩擦损失，排气口可以设有一个微小的突起。因此该排气口的突起是排气道的一部分，它可以与旋转密封盘阀相接触，该盘阀仅仅是一块平板，其形状可使排气道根据第一和第二曲轴的转动而开启或关闭。应当理解到该旋转密封阀17的作用是防止排气通过发动机工作循环的进气部分回流进燃烧室。旋转盘阀可以由第二曲轴10直接驱动以微调排气道的开闭。旋转盘阀17的形状还可以根据特定要求而改变。因此，虽然在图12中该旋转盘阀17被表示为带有至少二条直线边30的一块平板，这二条直线边通过排气道16以将排气道开启和关闭，但是边的形状可以改变，并可包括但并不限于可动作得更快地覆盖和暴露排气道的曲线边。
为了适合特定的要求，进气孔14和排气孔15的位置和尺寸都可以改变。在图1-9中所示为进气孔14基本上与排气孔15相对。然而，这仅仅是为了示意的目的，比较合适的位置之一如在图10和11中所示，在这两个图中进气孔和排气孔的相对位置是这样布置即它们的中心线基本相互成90度。进气孔和排气孔还可以设置在气缸壁上相对于燃烧空间的不同的垂直位置上，从而改变气阀定时和压缩比。还应理解到，类似于大家所熟悉的传统的提升式多气门发动机那样，还可以有多于一个的进气孔或排气孔。
图13是如图12中所示但进气阀和排气阀都是旋转密封阀的发动机示意视图。这要求有一个可在发动机循环的合适部分时开启和关闭进气阀的附加旋转驱动机构(未图示)。图13还示出所述的旋转阀设有平衡块以使在发动机内的振动影响减小到最小程度。所述的旋转阀的实际形状是无关的，关键的是它们要在循环的准确时刻能够覆盖和暴露排气道。因此关于排气孔的设置要求排气道在整个排气循环中必须实质上开启，而此时是在曲轴旋转180至360度的范围内，并且在整个进气冲程中排气道必须实质上关闭，而此时曲轴转角是360至540度。当然，由于进气循环是在排气循环之后因此不可能在360度时立刻关闭排气道，而在这种情况时旋转盘阀的形状可以起到重要作用。或者相反，使排气道在进气循环开始时未露出甚至可能是有利的，然而，当为满足不同的工作要求而调整发动机时这些实际情况是可以改变的。这样，如下所述，一赛车发动机就难于调整成一普通的发动机。
应理解到密封阀的相对尺寸并不重要，因而可以采用适合于各种不同发动机设计的各种不同的尺寸。此外，当密封阀具有如图所示的采用平衡块的结构时，则与主曲轴转速相比的气阀的传动比可以是4∶1。
图14是用于第二活塞或者上活塞的一个润滑系统的典型例子。活塞在其中滑动的气缸8通常包括一个用耐磨材料例如铸铁制成的缸套60。有一个穿过缸套的压力油供给机构50，该机构将润滑油供给第二活塞和气缸以及上活塞的制转轭的滑动部分51。上活塞包括至少一个(但最好一个以上)刮油环，其作用是将油刮离缸套60。润滑油(未图示)采用在铸铁缸套60外侧的一个环形引出腔被排出。所述的刮油环52在第二活塞处在其上止点时与所述的刮油引出腔基本平齐。在缸套以及第二活塞上钻有一系列孔。一个抽吸泵(未图示)将被刮油环52收集的润滑油以及少量的来自活塞内部的空气抽出并使它返回油底壳或者固定的油箱(未图示)。
图15示出本发明用于柴油机型式的发动机时的情形。这些型式的发动机通常不需要借助于火花塞工作，而是取决于当压力达到特定值时柴油点燃进行工作。通常柴油机压缩空气而燃油是喷射进已被压缩的高压气体中。正因为空气/燃油混合气进入的容积是被压缩的，因此可以采用适当的结构将燃烧空间12设计得比较小就显得重要。在这个特殊的例子中，燃烧室是通过使活塞基本覆盖各气缸并在气缸盖与活塞之间只留有一个小的燃烧空间而使燃烧室比较小。借助于喷油器70将燃油喷入燃烧室，并且还可以设有一第二燃烧室71以帮助发动机有效地工作。
图16是一个示出当第二活塞被调整到下止点前20度而主活塞处在上止点时主活塞和第二活塞相对位置的曲线图。此外，图上还示出进气道和排气道两者开启和关闭的相对定时。该y轴是指试验研究尤其是一个摩托车发动机的具体的容积，以立方厘米为单位。然而这并不意味是对本发明的任何具体的尺寸以及主活塞与第二活塞或者冲程的相对尺寸的限制。这个曲线只是为了表示一个被认为可满意工作的发动机的典型例子。
这样，与每气缸一活塞的传统内燃机相比，本发明方案的发动机具有许多优点。在压缩和膨胀冲程中，作用在按本发明所揭示的方案构成的发动机第一曲轴或者主曲轴上的负荷，与作用在标准发动机曲轴上的负荷相比，总体上减少了。这样上止点压缩时的负荷在一定程度上较小，在上止点后10度较大，在上止点后20度时大约相等，而此后所述的负荷则较小。所述负荷的减小可导致在主曲轴总成上的摩擦力减小。因此假定这种发动机的摩擦特性与标准发动机的摩擦特性相比大致相同，则负荷的减少就会得到较高的机械效率。本发明的另一个优点是气缸盖吸收的热量比标准气缸盖的要少。明显的区域是排气。在传统的发动机中，提升式排气门直接处在气流的通路上，因而当排气流出气缸时就存在相当大的扰动。因此提升阀的温度就可达到摄氏1000度。由于在气流通过的通路上不存在金属突起，因此流出本发明所述的气缸盖的排气扰动就较小。这样形成的排气扰动较小因而损失的热量就比传统发动机的要小。这具有的另一个优点是对目前存在于大部分发动机上的催化转换器的点着时间得到减少。可能存在的另一个优点是由于扰动小，气缸盖吸收的热量就较少从而可使空气/燃油混合气的充量密度增大。扰动的减小还使泵气损失减小。
本发明的另一个优点是当旋转盘阀开始动作时排气道进一步持续暴露(扩大)并几乎持续到排气冲程的终点。这可以与标准发动机提升阀相比较，标准发动机的提升阀是在该排气冲程循环的大约600度时便减少排气流动量，而在600度这一点提升阀达到其最大升程。本发明可使最大排气道面积发生在710度时。另外，这种排气开启特性还有助于使任何的噪音声级降低。排气道开启较大就可以更多利用存在于排气柱中的动能并在燃烧室内产生负压。
在过量燃油消耗和过量碳氢化合物不作为问题的赛车发动机中，这种动能可以以类似的方式用于两冲程发动机上。为了加强这个过程，盘阀的关闭较理想一直持续到循环的后期，譬如说大约在进气冲程的上止点后70度时。在此例中，进气混合气的一部分跟随着排气柱并可充进排气管的起始端几厘米。这样在多进气道发动机中，上部气缸壁上就可以有基本上与一排气道相对设置的一个进气道，以在该排气道处引导进气流横穿过燃烧室而使其它的进气道沿着气缸引离排气道。
为了对该过程增添更多的动能，排气阀应在大约460度时较早地开启。而且为了扩大在进气道关闭和排气道关闭之间的可能的最佳时间，应在大约250至300度之间而不是250至270度之间。旋转盘阀的后边的定时应设定使排气道也在大约240度时开启，这就可以在排气道关闭前使来自两冲程型式的排气道的反向压力脉冲将排气管中最初的50-75毫米(2-3英寸)进气混合气压回燃烧室内。这种设计的发动机怠速可能并不十分理想，但在高转速时可获得理想的功率。
这种发动机的又一个优点是在排气阀开启前在气缸中有剩余压力。在标准发动机中是用凸轮使排气阀离座以克服这个压力(该压力通常是在每平方英寸50-70磅的范围内)。然而，在本发明的发动机中，这个压力通过上活塞用来作功。虽然由于膨胀冲程较长因此压力较低，该压力较可能是30000-34000，但如果上活塞的面积大约为3000平方毫米(4.5平方英寸)，则这会产生大到40000磅的一个力。然而，燃烧过程已略有改变从而在循环中较晚发生，因此实际的相位特性还要精确地予以确定。
现来说明簧片阀，使用它的优点是进气可发生在进气或者排气柱的压力或动能支配的无论何时。而且簧片阀使气流速度大于在小的油门调整时的正常气流速度，从而促进良好的涡流以进一步帮助燃油雾化。因此这有点象一个虚拟的文杜里喷嘴。
现来参看曲轴运动，在已有技术中上活塞先于主活塞之前到达其上止点。然而本发明揭示出，即使冲程是可变的上活塞也不会在主活塞之前到达其上止点。可以被采用来使对空间要求(具体说由第二活塞产生的垂向距离)减小到最小程度的这种发动机的另一个附加特点是上活塞头部表面远离主活塞头，该主活塞头在另一实施例中可以是一个止转轭。这两者提供给上活塞不同的运动(在其它已有技术中已经予以揭示)，并产生低于上述活塞头或者止转轭上的加速度的上活塞加速度。这样通过机械方法在主活塞已到达上止点之后使上活塞到达上止点是比较容易的。
要求主活塞在第二活塞之前到达上止点有三个理由。首先这可有利于开闭进排气道的定时。第二这可使容积保持相对不变(或接近不变)的时期更长，燃烧即发生在此期间。第三这可使最高气缸压力在膨胀阶段中的较晚时刻发生。
最大的优点是对于不同的发动机设计定时当然是可变化的。因此根据特定的发动机和特定的应用，定时变化范围可在上止点前的1至40度。
上述说明并不是为了限制本发明而仅仅是为了予以说明。因此在不违背本发明的精神的情况下还可以对已图示说明的上述实施例作出各种各样的变化。

Claims (29)

1.一种内燃机，它包括：
两个满足其间可形成一个燃烧空间的气缸；
一适合于在第一气缸内往复运动的第一活塞；
一适合于在第二气缸内往复运动的第二活塞；
所述的两个活塞被驱动地相联结以便彼此相对地同步运动而使第二活塞以第一活塞频率的一半频率运动；其特征在于，还包括：
通过在第二气缸的壁上的一第一孔或数个孔提供空气/燃油混合气的进口的装置；
通过在第二气缸的壁上的一第二孔或数个孔提供排气出口的装置；
设置在排气出口内一定时的排气密封阀以在发动机工作循环中所选定时刻使排气出口开启或关闭；以及
所述的孔被设置得可因第二活塞的运动使它们被覆盖和暴露而开闭。
2.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述的排气密封阀是一个盘式旋转阀。
3.如权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，所述第二孔或数个孔的至少一部分设置在第二气缸的壁上，因此当所述部分未被第二活塞覆盖时第二活塞复盖所有进气孔。
4.如权利要求3所述的内燃机，其特征在于，所述第二孔或数个孔的所述部分在第二气缸壁上设置得比所述第一孔或数个孔低。
5.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述的排气出口包括一个从气缸体略突出的突起部，它使所述的盘式旋转阀仅仅与它相接触。
6.如权利要求5所述的内燃机，其特征在于，所述的突起部是用陶瓷材料制成的，虽然还可用其它的合适材料例如黄铜制成。
7.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述的空气燃油混合气进口还包括一个单向阀。
8.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述的进气阀是一个簧片阀。
9.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述的排气孔和进气孔的形状基本上是圆形的。
10.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述的排气孔和进气孔的形状是非圆形的，例如是但不限于椭圆形。
11.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，它还包括有至少一个适合点燃在燃烧空间内的空气/燃油混合气的火花塞。
12.如述权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述的发动机适合于用柴油通过压缩点燃。
13.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，它有一个第二空气/燃油进入孔，所述孔设置得可使空气/燃油混合气以一涡流运动进入燃烧室因而可对所述的燃烧空间进行理想的供料，由此使来自第二空气/燃油进入孔所处的方向基本上不同于通过主空气/燃油进入孔进入燃烧室的方向。
14.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述的第二活塞是圆筒形的，其直径为第一活塞直径的百分之五十至七十。
15.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述的第二活塞的冲程长度为第一活塞冲程长度的百分之二十五至五十。
16.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述的第一活塞的头部是平的以将热损失减小到最小程度。
17.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述的活塞头部的形状影响压缩比。
18.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述第二活塞的头部基本呈圆锥形。
19.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述的第一活塞与第一曲轴相连接，所述的第二活塞与第二曲轴相连接，而第一曲轴和第二曲轴通过传动机构相互联结由此使第二曲轴以第一曲轴角速度的一半旋转。
20.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述的第二活塞与位于第二活塞裙部内的一根曲轴相连接。
21.如权利要求20所述的内燃机，其特征在于，所述第二活塞通过一朝着远离其头部方向的连杆与曲轴相连接。
22.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述的发动机的冷却是通过已有技术的措施例如水冷或者空冷来实现的。
23.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述的盘式旋转阀可被使用在进气和排气的出口中。
24.如权利要求19所述的内燃机，其特征在于，所述的排气旋转盘阀在排气冲程中第一曲轴通过180至360度之间转角大部分后基本开启。
25.如权利要求19所述的内燃机，其特征在于，所述的排气旋转盘阀在进气冲程中第一曲轴通过360至540度之间转角大部分后基本关闭。
26.如权利要求19所述的内燃机，其特征在于，排气道的最大面积基本是发生在第一曲轴旋转710度的位置上。
27.如权利要求19所述的内燃机，其特征在于，所述的旋转密封阀在第一曲轴的70度转角时完全关闭。
28.如权利要求19所述的内燃机，其特征在于，所述的第二气缸使进气孔在第一曲轴的250度的转角时被关闭。
29.如权利要求19所述的内燃机，其特征在于，所述的第二气缸在第一曲轴转角处在250至700度之间时使进气孔开启。
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