CN1303465A - 在两种或三种动力模式中用单能源或双能源工作的辅助压缩空气注入发动机的工作方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有通过往复式活塞工作的吸气—压缩室(1)和/或膨胀—排气室(4)和具有独立的、成双的压缩室的发动机方法,三个室是由控制冲程的装置分离开,该装置使活塞在上死点停止很长一段发动机旋转时间,在该位置的活塞将燃烧室和膨胀－排气室分开,还包括高压压缩空气室(23)和利用环境热能和补充加热的附加系统,能在单能源空气附加辅助压缩空气中或在双能源中工作,或采用内燃烧或外燃烧中的普通燃料,或通过注入一定量压缩空气,由此根据使用类型产生三种工作模式。本发明对所有类型发动机方法适用。

Description

在两种或三种动力模式中用单能源或双能源工作的 辅助压缩空气注入发动机的工作方法和装置

本发明涉及地面车辆，特别是使用注入辅助压缩空气工作的地面车辆，包括高压压缩空气罐。

如在法国专利FR2319769或FR2416344中公开的具有独立燃烧室和压缩膨胀室的循环内燃机提出了一些优于普通发动机的改进，但是气体传递和燃烧的时间非常短，不能获得高效率。

在公开的专利申请WO97/39232中，申请人公开了一种具有独立恒定容积燃烧室的循环内燃机的方法，其中吸气-压缩室、燃烧室和膨胀-排气室包括三个分离的、全部独立的部分，并且其中吸气-压缩室循环在膨胀-排气室之前，从而延长燃烧时间。与在普通发动机中相比，该方法的主要优点之一是混合物以实际恒定容积燃烧较长时间。

这种发动机的困难之一是，当在燃烧室和膨胀室之间传递气体时获得在膨胀室内形成压力的时间。

为了解决该问题，在另一法国专利FR97133313中，申请人公开了一种控制如发动机或压缩机等装置中活塞运动的方法，其特征在于：在上死点，活塞停止运动并在其上死点保持长时间间隔，因此，在旋转中转过大的角度区域，使得下述工作在恒定容积中进行：

就普通发动机来说，点火和燃烧工作，

就柴油发动机来说，注入燃料工作，

就具有独立燃烧和/或膨胀室来说，传递气体和/或压缩空气的工作，

就所有发动机和其它压缩机来说，在排气结束开始吸气时的工作，

该活塞可停止在上死点，并通过本领域技术人员公知的方法保持在此处，例如采用凸轮、小齿轮等，但是最好采用由连杆曲柄系统控制的压杆装置来控制活塞，使活塞停止在上死点。术语“压杆”是针对具有两个铰接臂的系统提出的，其中一个臂具有静止端，或枢轴，另一个臂可绕轴移动。当两臂成直线排列时，如果在与两臂轴大致成直角的方向对两臂之间关节施加力，则使自由端移动。该自由端可连接活塞并使活塞移动。当两铰接杆实际形成为一杆在另一杆的延长线上(处于约180°)时，活塞处于上死点。

曲轴通过控制连杆与两臂的铰接轴相连。各部件的空间位置和其尺寸可以改变该总成的动力学特性。静止端的位置限定了活塞移动轴和当两臂成直线排列时与两臂的轴之间的角度。曲轴的位置限定了控制连杆和当两臂成直线排列时与两臂的轴之间的角度。这些角度的大小的变化和连杆和臂长度的变化限定了活塞静止在上死点的曲轴旋转角。该曲轴旋转角相当于活塞停留时间。

在这种发动机中，从燃烧室到膨胀室的气体传递，特别是在热模式中燃烧气体的传递是在高温下进行，而制造在这些温度下打开和关闭的系统是很难的。

本发明的目的在于，通过提出一种包括分离的室的发动机方法，以不同方式解决从燃烧室到膨胀室压力传递的问题，以进行分离的吸气-压缩、膨胀-排气和在恒定容积的燃烧和/或膨胀，在该方法中，至少在膨胀-排气室上设置一装置，该装置用于控制活塞冲程以使活塞停止在上死点。燃烧和/或膨胀室成双的安装在膨胀-排气室上部，没有任何气门，在活塞上死点，该活塞实际将燃烧室与膨胀-排气室分离。此外，吸气-压缩气缸的工作循环相对于膨胀-排气气缸的循环有一些延迟，使得当发动机旋转时，膨胀-排气气缸活塞的上死点先于吸气-压缩气缸活塞的上死点。当膨胀气缸的活塞到达上死点时，在上活塞死点，部分关闭燃烧室，其上死点先于吸气-压缩室的活塞上死点，并在下述工作中保持在上死点：

燃烧室和吸气-压缩室之间的传递，

将由到达上死点的吸气-压缩室活塞压缩的空气-燃料混合物充入所述燃烧室，

封闭燃烧室和吸气-压缩室之间的传递，

点燃和燃烧混合物，使压力升高，接着，一开始下冲程，就通过压力升高而做功。由于混合物直接膨胀而不传递到膨胀室内，因此燃烧是在实际恒定容积下进行的，并正好从膨胀-排气活塞下冲程开始产生原动力。

回到本领域来说，虽然在普通发动机中，活塞总是在运动中，因此事实上容积永远不能是恒定的，但一般还是使用术语“在恒定容积燃烧”，所以，在此使用的术语“实际恒定”。

这些优点结合在紧凑的燃烧室中的长燃烧时间有可能获得远远低于普通发动机的污染排放。

根据本发明方法的特别实施例，可以在压缩室和燃烧室之间形成缓冲容积，在该缓冲容积中聚集压缩空气，这可避免由于在注入燃烧室时的固定传递容积和膨胀而产生的浪涌效应和压力降低，

吸气-压缩室的工作模式可以这样改变而不会以任何方式改变本发明原理：虽然在一般应用中看起来使用活塞式压缩机很方便，但是也可使用任何其它产生压缩空气的装置，如单级或多级活塞压缩机、旋转叶轮、齿轮(Roots,Lyshom)型或由废气驱动的涡轮压缩机；在某些应用中可以利用气缸(或任何其它容器)中的保留空气或来自网路的压缩空气(例如，在工厂中利用来自网路的压缩空气的固定发动机)，该保留空气会在燃烧室中膨胀。

最好，成双的燃烧室具有类似于不粗糙的或没有拐角的球的形状，以便进行更好燃烧，同样要通过用由陶瓷或其它隔热材料制成的隔热套来对燃烧室隔热，从而保证没有热能通过壁而损失，这样可使其保持在非常高的温度，由此保证火焰不在所述壁上熄灭，这样避免在废气中产生未燃烧的碳氢化合物。这样的组合可以显著改善污染气体的排放。

根据本发明的发动机工作方法可以使用均质空气-燃料混合物，可以通过在吸气-压缩阶段前的化油器获得该混合物，尽管最好使用注入系统(电子的或机械的)。但是，还可使用直接注入燃烧室，而不会以任何方式改变本发明的工作原理。

根据本发明的发动机工作方法还可以使用在柴油发动机中的非均质(heterogeneous)自点火混合物。在这种情况下，省去了设置在燃烧室内的火花塞，并在所述燃烧室中设置从泵供应燃料的直接喷嘴和在柴油发动机中一般使用的部件。

本发明可用于工作在根据两种供应模式的双能源工作中。在公开的专利申请WO9627737中，申请人公开了一种具有独立内燃烧室的发动机的方法，用两种类型能源以双模式原理工作，在高速路上(以在空气-燃料中的单模式下工作)采用普通燃料如汽油或柴油燃料，或者在低速，特别是在市区和市郊，除任何其他燃料外还将压缩空气(或任何其他非污染气体)注入燃烧室(以在空气附加辅助压缩空气中的第二模式下工作)。

根据本发明的另一方面，根据本发明的发动机工作方法采用双能源和双模式原理。在空气-燃料模式中，将空气-燃料混合物吸入独立吸气-压缩室中并在该室中压缩。然后将该还处于压力下的混合物传递到燃烧室内，燃烧室与膨胀-排气室是成双的。当膨胀-排气活塞停止在上死点时，燃烧室处于恒定容积下并点燃混合物，从而使其温度和压力升高。当活塞停止在上死点时继续燃烧，接着该混合物直接膨胀而不在膨胀排气室中传递，从而从该处做功。然后通过排气管将膨胀后的气体排入大气。

在空气附加辅助压缩空气模式，在低动力下，燃料喷嘴不再工作；当膨胀-排气活塞静止在上死点时，燃烧室处于恒定容积，在将来自吸气-压缩室的(无燃料)压缩空气吸入该室中后，所述燃烧室中从外部罐吸入一定量辅助压缩空气，其中该空气是在高压如200 bar下和环境温度下存储的。当这一定量处于环境温度的压缩空气接触此时成为膨胀室的燃烧室中的高温空气物质时，会被加热，会进行膨胀，两股空气物质的混合物在该室中压力上升，从而在膨胀中传递原动力。

本发明还应用于在单能源空气附加辅助压缩空气模式下的工作。在公开的专利申请WO974884中，申请人公开了在服务车辆例如城市公共汽车、运货车和类似车辆上的在单模式用空气辅助压缩空气工作的发动机类型的整套装置。

事实上，为在城市中进行择优使用，该类型双模式或双能源(空气和汽油或空气和辅助压缩空气)发动机可转换成在空气-辅助压缩空气单模式下，例如在所有车辆上，特别是在城市公共汽车或其他服务车辆(出租车、垃圾车等等)上，在空气-辅助压缩空气单模式中，省去所有特别用于使用普通燃料的发动机工作的部件，如油箱、燃料回路，喷嘴等等。

根据本发明的另一特征，根据本发明的发动机工作方法还可利用单能源单模式原理，将辅助压缩空气注入燃烧室，这样使该燃烧室变成膨胀室。此外，可以通过一个或多个活性炭过滤器或采用一些其它机械或化学方法或分子筛或一些其它过滤器将由发动机吸入的空气过滤和净化，从而制成低污染发动机。在本文中，使用的词“空气”应该理解为包括“任何非污染气体”。

为了在压缩-空气模式工作，本发明提出另一种压缩空气发动机工作方法，其中安装有一用于控制活塞冲程使活塞停止在上死点的装置。吸气-压缩汽缸是通过保持阀打开或关闭而断开或使其不工作，或者通过当发动机只在单模式压缩空气模式工作时将其省去这样来隔离的。该发动机以膨胀-排气汽缸工作，该汽缸具有排气口和成双的独立膨胀室。在所述膨胀-排气室活塞的上冲程中，在排气循环中，排气口关闭，以便在膨胀室中将一些膨胀气体压缩到高温高压，在活塞静止在上死点的同时，从存储罐向膨胀室中注入一定量辅助压缩空气，这样引起所述室中压力升高，通过在下冲程中驱动活塞返回而进行作功。

这样，该发动机通过在一次循环中靠每个曲轴旋转而执行一次膨胀(也是一次做功冲程)工作，尽管有根本的不同，仍然可以与每个发动机转数有一次膨胀的两冲程发动机相比较。

最好，根据本发明的发动机工作方法，包括由申请人在专利申请FR9700851公开的利用环境热能的系统，其中，在最终以低压30 bar使用之前，以高压如200 bar和环境温度如20°在存储罐中存储的压缩空气膨胀到压力接近需要在可变容积系统中，例如在气缸中的活塞中，最终使用的压力，可以通过任何公知方法如机械的、电子的或类似方法恢复和使用。该做功膨胀最终将已经膨胀到接近使用压力的压缩空气冷却到非常低的温度如-100度。接着将膨胀到使用压力的并处于低温下的压缩空气传递到交换器内，在该交换器内与环境空气进行热交换，并被加热到温度接近环境温度，因此提高温度和/或增大容积，从大气中重新获得热能。

最好，根据本发明的发动机工作方法包括由申请人在FR9800877中公开的加热器系统，其中，申请人提出可以使用和利用的提高热量的方法，其特征在于：压缩空气在吸入燃烧和/或膨胀室前，从储存罐直接或经空气-空气热交换器在吸入燃烧室前通过加热器，在该加热器中，压缩空气在吸入燃烧和/或膨胀室前的压力提高和/或容积增大，因此显著提高由发动机实现的性能。

使用加热器具有一个优点，即可以进行催化清洁连续燃烧，或者为获得无限度低污染排放起见，可通过任何公知方法降低污染。

根据本发明另一方面，提出另一种方法，该方法使当省去吸气-压缩室时，发动机工作在双能源模式，即在城市中靠空气附加辅助压缩空气工作，而在高速路上靠空气附加普通燃料工作，此时，省去了吸气-压缩室。在每次发动机循环的活塞上冲程部分打开和关闭排气阀的循环在工作中改变为在每两个周期的活塞上冲程中打开。除此之外，发动机具有空气和燃料，如汽油和柴油或类似燃料的进口，用于吸入一定量汽油等与空气的混合物，该混合物是在活塞下冲程中吸入然后在膨胀室中压缩的，该膨胀室随后变成燃烧室，混合物根据普通四冲程发动机循环，在膨胀室中燃烧然后膨胀，通过驱动活塞返回做功，接着排入到排气管内。

根据本发明另一方面，本发明提出一种三模式双能源工作方法，其中，在没有污染的城市中驱动时，发动机靠没有补充加热的压缩空气工作，在无限度低污染的郊区运行时，靠利用普通燃料的加热器中的外燃烧而加热的压缩空气来工作，在高速路上运行时，靠内燃烧和空气和汽油(或其它燃料)入口，该入口吸入一定量含汽油等和空气的混合物，使得在活塞下冲程中吸入该混合物，接着在变成燃烧室的膨胀室中将其压缩，根据普通四冲程发动机循环，混合物在燃烧室中燃烧，接着膨胀，进行做功，然后排入大气。

上述三模式工作-空气附加辅助压缩空气模式、由燃烧器加热的空气附加辅助压缩空气模式和空气附加燃料模式-可以分别或组合使用，可以由电子装置、机电装置、机械装置和类似装置控制打开和关闭排气管和进气管模式、控制用于从一种模式向另一种模式转换的方法和装置，可以改变使用的燃料或气体而不改变本发明的原理。同样地，进气阀和排气阀可以根据工作参数由电子计算机来方便地控制。

通过阅读对多个实施例的非限定性举例的方式的说明，使本发明的其他目的、优点和特征显而易见，该说明将参照附图给出，其中：

图1显示根据本发明的一个发动机实施例的横截面视图，其中膨胀-排气室由一控制活塞冲程的系统控制，该膨胀-排气室包括成双的燃烧室；

图2显示同一发动机处于空气一燃料混合物进入燃烧室后的点火时；

图3显示同一发动机处于膨胀阶段开始时；

图4显示同一发动机处于排气和压缩中；

图5显示由横截面视图看到的另一工作模式，其中在压缩机和燃烧室之间设置有用于蓄积压缩空气的缓冲容积，并处于压缩空气-燃料混合物进入燃烧室的时间；

图6显示同一发动机处于点火时间；

图7显示同一发动机处于膨胀中；

图8显示同一发动机处于排气结束时；

图9显示由横截面视图看到的根据本发明的发动机，装备有用于注入辅助空气的装置，用于在双模式、双能源方式下工作；

图10显示同一发动机处于排气阶段开始时的下死点；

图11显示从横截面视图看到的根据本发明处于上死点的压缩空气发动机；

图12显示该发动机处于排气中；

图13显示该发动机处于压缩中；

图14显示该发动机横截面视图，该发动机装备有利用环境热能的装置和连续燃烧加热装置；

图15显示根据本发明处于进气中的双能源内燃机的横截面视图；

图16显示该发动机处于点火时间；

图17显示该发动机处于膨胀中；

图18显示该发动机处于排气中；

图19显示根据本发明的发动机纵截面视图，该发动机可在双能源、三模式工作下工作。

图1至图4显示了由横截面所示的根据本发明的一个发动机实施例，其中进气、压缩、膨胀和排气室由连杆曲柄系统和在气缸中滑动的活塞控制，图中显示了压缩室1、与膨胀室4成双的恒定容积燃烧室2，燃烧室2中有火花塞3。压缩室1通过导管5与燃烧室2相连，其打开和关闭由密封气门6控制。燃烧室2与膨胀室4是成双的，并在膨胀室4上部开口。

由普通活塞压缩机总成向压缩室提供压缩空气：活塞9由连杆11和曲轴12控制而在气缸10中滑动。通过进气管13吸入新鲜的空气-燃料混合物，进气管13的打开由阀14控制。

膨胀室用活塞控制的发动机总成，该活塞装配有用于控制活塞冲程的装置，其中，在气缸16中滑动的活塞15(显示在上死点)由压杆控制。活塞15通过其轴与由臂17构成的压杆自由端15A相连，臂17与另一臂17B在公共轴17A铰接，固定臂17B使其可以绕静止轴17C旋转。与在轴18B上旋转的曲轴18的肘节18A相连的控制连杆17D连接到两臂17和17B的公共轴17A上。当曲轴旋转时，控制连杆17D向压杆的两臂17和17B的公共轴17A上施加力，因此使活塞15沿气缸16的轴移动，反过来在做功冲程，将该施加在活塞15上的力传递到曲轴18上，从而使曲轴18旋转。静止轴17C位于活塞15移动轴线的一侧，当两臂17和17B成直线排列时，在活塞移动轴线与两臂17和17B成一直线X’X的轴线之间限定了角度A。曲轴位于气缸和/或压杆的轴线一侧，当两臂17和17B成直线排列时，在控制连杆17D与两臂17和17B成直线X’X轴线之间限定角度B。通过改变角度A和B以及各连杆和臂的长度，可改变该总成的动力学特性，从而获得表示活塞1冲程的不对称曲线，由此限定活塞15静止在上死点的曲轴旋转角度。燃烧气体通过排气管19排出，排气管19由阀20控制打开。

曲轴18通过链条21以相同速度驱动压缩机，链条21在膨胀活塞上死点和压缩机活塞上死点之间偏移一角度，通过根据需要的燃烧时间选择的旋转角使压缩机活塞在上死点延迟。压缩机还可安装在相同曲轴，其中肘节的角度偏移使其有可能获得上死点偏移，而不以任何方式改变本发明装置的原理，为了简化视图，在此用链条21表示。

图1显示当压缩机活塞9接近上死点时的发动机，此时气门6刚刚打开以向恒定容积燃烧室2送入新鲜空气-燃料混合物，而膨胀室4的活塞15处于上死点，并在此处保持一段发动机旋转时间，例如110°。

在图2中，继续沿顺时针方向旋转，压缩机活塞9刚刚经过上死点并开始其下冲程：气门6刚刚关闭从而关闭导管5，进气阀14打开，从压缩机(进口)供入新鲜空气-燃料混合物。一关闭气门6，就由火花塞3开始点火，空气-燃料混合物在与膨胀-排气气缸成双的室中以恒定容积2燃烧，在燃烧期间膨胀活塞15保持在上死点。

曲轴12和18继续旋转，图3显示旋转100°后的位置，膨胀活塞15刚好开始其下冲程，成双的燃烧室2中的高压气体在膨胀室4中膨胀，推回活塞15，从而形成做功冲程，此时，压缩机活塞9处于完成新鲜汽化混合物吸入的过程中，进气阀14关闭。

图4，继续膨胀使曲轴旋转大约180°排气阀20打开，活塞15将燃烧过的已膨胀气体排入排气管19，压缩机活塞9压缩压缩室1中的空气-燃料混合物，气门6打开以再次使新鲜空气-燃料混合物进入恒定容积室2，使循环(图1)重新开始。

可以理解，曲轴(发动机和压缩机)每转一周，有一次相应的膨胀(或作功冲程)，压缩机活塞9的上死点和膨胀活塞15的上死点之间偏移的选择，以及膨胀活塞15静止在上死点的时间，决定了恒定容积燃烧室2中混合物的燃烧时间。

此外，由膨胀活塞15移置的膨胀容积可以大于由压缩机9移置的容积。为了在膨胀阶段结束时获得可能的最低压力，其差别可以根据多变压缩和膨胀曲线的差别来确定，这是高效率和低声发射的标志。

图5和8显示根据本发明另一实施例的横剖面视图，其中在压缩机和恒定容积燃烧室2之间，有压缩空气缓冲容积22，通过任何合适方法由导管22A向其供应压缩空气，该容积保持在实际恒定压力下并有避免由于在充入燃烧室2时固定的传递容积和膨胀产生的一定浪涌(surge)效应的作用和压力下降。导管5的打开和关闭由气门6控制，导管5将压缩空气缓冲容积22和与膨胀排气室4的成双的燃烧室2连接，并包括用于在产生空气-燃料混合物后将其注入燃烧室的燃料喷嘴24。安装在该导管上的气门25可调整(节流)注入燃烧室的燃料。

图5显示的发动机是，在气门6正好打开使经压缩的，由喷嘴雾化的空气燃料混合气通过导管5注入恒定容积室2中，此时的膨胀活塞15是在经过上冲程后而位于其上死点，驱动活塞在上冲程中通过导管19(排气阀20已经打开)将前一循环中已燃烧和膨胀的气体排入大气。

当混合物一进入成双的独立燃烧室2时，见图6，气门6就再次关闭，将独立燃烧室2隔离，然后由火花塞3进行点火，空气-燃料混合物在恒定容积燃烧室2中燃烧，同时膨胀活塞15保持在其上死点。

曲轴18继续旋转，见图7，膨胀活塞15进行下冲程，成双的燃烧室2中的高压气体在膨胀室4中膨胀，推动活塞15返回，因此实现作功冲程。

继续膨胀到曲轴18的旋转超过大约180°而到达下死点，接着排气阀20打开，见图8，在上冲程中的活塞15将已燃烧和膨胀气体排入排气管19，直到上死点为止。此后，气门6打开将新鲜空气-燃料混合物重新注入恒定容积室2，并开始新的循环(图5)。

可以看到，由于具有压缩空气缓冲容积，因此发电机的工作原理是相同的。但是，空气压缩机是完全独立的，不再需要关于发电机曲轴进行特定角度定时，因此选择的原理是很容易的，例如可以使用旋转压缩机。此外，缓冲容积越大，对因充入燃烧室时的传递容积和膨胀而产生的浪涌效应和压力下降的阻尼作用就越大。

图9和图10显示根据本发明的发电机，用于双能源双模式工作，装备有辅助空气喷嘴24A和非常高压力的压缩空气存储罐23，使其工作而不会在市区造成污染，其中发动机不通过注入燃料工作，而是通过将一定量的辅助压缩空气注入燃烧室2(其因此称为膨胀室)以便使压力升高。在循环式内燃机的这些图中，成双的燃烧室2由压缩空气缓冲容积22供气，以任何合适方法通过导管22A向压缩空气缓冲容积22提供压缩空气，并保持在实际恒定压力，其作用是避免由于固定传递容积和在注入燃烧室时膨胀而产生的浪涌效应和压力下降。导管5的打开和关闭由气门6控制，导管5将压缩空气缓冲容积22和与膨胀排气室4成双的燃烧室2连接，并包括燃料喷嘴24，喷嘴24是用来在产生合适的空气-燃料混合物而将其送入燃烧室2。气门25也安装在该导管上，气门25可调节进入燃烧室的燃料(节流)。

在图9和图10中，发电机还装备有用于控制活塞冲程的装置，在该装置中，在汽缸16中滑动的活塞15由压杆控制，其工作和说明与对图1的说明相同。

采用普通燃料在高速路上运转中，发电机的工作如图5至8所示。

在低动力下工作时，燃料喷嘴24不再工作，在旋转中，当发电机中膨胀汽缸16的活塞处于上死点时，见图9，只有辅助空气喷嘴24A工作并由高压存储罐23向燃烧室中送入一定量辅助压缩空气，膨胀到压力稍高于燃烧室2中的压力，从而使其转换，该辅助压缩空气物质接触燃烧室中的压缩空气时会温度升高，其这两种空气物质混合而使压力显著升高，从而在膨胀中作功。继续膨胀使曲轴18旋转超过大约180°直到下死点，接着排气阀20打开，活塞15进行上冲程，见图10，将膨胀气体排入排气管19，直到其到达上死点为止。

图11至13显示根据本发明的单能源空气发电机横截面视图，其装备有用于控制活塞冲程的装置，其中在汽缸16中滑动的活塞15(图11显示其处于上死点)由压杆控制。活塞15通过其轴与压杆自由端15A相连，压杆包括臂17，臂17在公共轴17A上与另一臂17B铰接，固定该臂17B使其可绕静止轴17C旋转。连接到绕轴18B旋转的曲轴18的肘节18A的控制连杆17D与两臂17和17B的公共轴17A相连。当曲轴旋转时，控制连杆17D在压杆的两臂17和17B的公共轴17A上施加力，因此使活塞15沿汽缸16的轴线移动，并在作功冲程中反过来将施加在活塞上的力传递给曲轴，由此使曲轴旋转。静止轴17C位于活塞15的移动轴线侧面，并当两臂17、17B成直线排列时，活塞移动轴线和两臂17、17B成一直线X’X的轴线之间限定了角度A。曲轴位于汽缸轴线和/或压杆轴线侧面，其位置使当两臂17、17B成直线排列时，控制连杆17D和17、17B成一直线X’X的轴线之间限定了角度B。通过改变角度A和B以及各个连杆和臂的长度而改变该总成的动力学特性，从而获得活塞15冲程的不对称曲线，并限定活塞位于上死点时的曲轴旋转角度。汽缸头11位于活塞、连杆和曲轴集合以上，一方面，汽缸头11包括排气口19，由排气阀20实现排气口19的打开和关闭，另一方面，汽缸头11包括膨胀室2，由喷嘴24A向膨胀室2中供应辅助压缩空气，膨胀室作用有压力，见图11。在旋转中，膨胀室2中的压缩空气膨胀，驱动活塞15返回，直到其到达下死点，这样形成作功冲程，排气阀20在该阶段保持关闭。在实际下死点，排气阀20打开，活塞15处于上冲程，见图12，将在前面循环中已膨胀的一些压缩空气通过排气管19排出到大气中。在活塞15的上行程中并在给定瞬时，例如通过一半所述冲程，见图13，排气阀再次关闭，活塞会再压缩留在汽缸中的剩余气体，在膨胀室14中产生高压、高温(热物质)。活塞一停止在如图11的其上死点，就启动喷嘴15从高压存储罐23中注入一定量的辅助压缩空气并使膨胀室中的压力升高，从而重复膨胀循环，产生动力。

本领域技术人员在不以任何方式改变本发明原理的条件下，可选择排气关闭时间以便得到适合需要的和选择的参数，如压缩结束时的最终温度和压力，。

图14显示根据本发明装备有利用环境热能和进行加热的系统的发动机。该发动机装备有用于利用环境热能的装置，其中在连杆53和工作活塞54总成中通过存储在罐23内的高压压缩空气作用而膨胀，连杆53和工作活塞54总成直接连接到通过传动装置21A与发动机曲轴18相连的曲轴18C上。活塞54在封闭汽缸55内滑动，并限定工作室35，一方面，高压进气导管37在工作室35内开口，导管37的打开和关闭由电控阀38控制，另一方面，排气导管39连接到空气-空气热交换器或放热器41，空气-空气热交换器或放热器41通过导管42与处于实际恒定使用压力下的缓冲容积相连。在工作中，当工作活塞54处于上死点时，电控阀38打开，接着再次关闭，从而供入非常高压力的压缩空气，该压缩空气会膨胀，驱动活塞54返回，直到到达下死点，并通过连杆53驱动曲轴18C，通过传动装置21A驱动发动机曲轴18。在活塞54的上冲程中，电控排气阀40接着打开，使工作室中的压缩空气膨胀到使用压力和非常低的温度，然后将该压缩空气排入(在箭头F所示方向)空气-空气交换器或放热器41。将空气加热到接近环境温度，当起进入缓冲容积43时，其容积增大，缓冲容积43已经利用来自大气的少量能量。

在空气-空气交换器41和缓冲容积43之间的导管42上还安装加热器56，加热器56包括燃烧器57，在压缩空气通过热交换线圈58时，燃烧器57大大提高由空气-空气交换器41(在箭头F方向)产生的压缩空气的温度，因此提高该压缩空气的压力和/或容积。

图15至18显示由横截面视图看到的根据本发明另一方面的发动机，是根据本发明在采用两种类型能源的双模式原理下工作的变形，这两种能源是在高速路上采用普通燃料如汽油或煤油(靠空气-燃料的单模式工作)，或在低速下特别是在市区和近郊区向燃烧室加入附加压缩空气，在汽缸16中滑动的活塞15由压杆控制，对其的说明和其工作与图1所示的相同。

位于活塞、连杆和曲轴集合之上的是汽缸头11，汽缸头11一方面包括排气口19和成双的燃烧室2，由排气阀20完成排气口19的打开和关闭，另一方面包括进气口13A，由阀14A控制进气口13A的打开和关闭。当发动机工作在空气附加辅助压缩空气模式时，不操作进气阀13A，使进气阀13A保持关闭，因此发动机如图11至13所示进行工作，超过一定速度后，例如60km/h，切换到具有空气-燃料混合物的热模式，改变控制阀20打开和关闭的循环，使得在只每隔两个发动机转数的活塞上冲程中打开该阀，同时还每隔两个发动机转数在活塞15的下冲程中打开进气阀13A，见图15，进气阀13A打开，活塞吸入空气和由喷嘴24注入的汽油的混合物，接着在活塞15的上冲程中在燃烧室2内压缩该混合物，见图16，由火花塞3开始点燃该混合物，混合物接着在做功冲程中膨胀，驱动活塞15返回到下死点，见图17，在下死点排气阀20打开，然后在活塞15的上冲程中通过排气管19将混合物排入大气，见图18。当活塞位于上死点时，进气阀13A打开，重新开始下一冲程(如图15)。这样，靠普通四冲程循环来使发动机工作。

图19显示根据本发明的双能源、三模式发动机总成，在轻载荷其可以靠空气附加辅助压缩空气来工作，或靠由加热器加热的空气附加辅助压缩空气工作，上述两种模式是在每个循环中每旋转一周具有一个做功冲程，或者还以具有每两个循环一个作功冲程的内燃烧热空气附加燃料模式工作。在该图中可能看到所有与一种工作即由压杆控制活塞在汽缸16中滑动相适应的部件，对其的说明和其工作与图1所示的相同。

汽缸头11位于活塞、连杆和曲轴之上，汽缸头11一方面包括排气口19，由排气阀20完成排气口19的打开和关闭，另一方面包括进气口13A，由阀14A控制进气口13A的打开和关闭。该发动机装备有利用环境热能的装置，其中在连杆53和工作活塞54总成中实现存储在罐23中的高压压缩空气膨胀做功，该总成直接与通过传动装置21A连接发动机曲轴18的曲轴18C结合。活塞54在封闭汽缸55中滑动并确定工作室35，一方面高压空气进气口37在工作室35内开口，由电控阀38控制进气口37的关闭，另一方面，排气管39与空气-空气热交换器或放热器41相连，由导管42将空气-空气热交换器或放热器41连接处于实际恒定使用压力下的缓冲容积43。在工作中，当工作活塞54处于上死点时，电控阀38打开接着再关闭，以便注入非常高压力的压缩空气，该压缩空气会膨胀，驱动活塞54返回，直到回到下死点，同时通过连杆53驱动曲轴18C并通过传动装置21A驱动曲轴18。在活塞的上冲程中，接着打开电控排气阀40，压缩工作室中压缩的并已膨胀的具有非常低温度的压缩空气(在箭头F所示的方向)排入空气-空气交换器或放热器41中。这样，将该空气加热到接近环境温度，并在进入利用来自大气的少量能量的缓冲容积43时增大容积。

安装在空气-空气交换器41和缓冲容积43之间的导管42A上的加热器56包括燃烧器57，当由空气-空气交换器41(在箭头F方向)产生的压缩空气通过热交换线圈58时，该燃烧器57会显著提高该压缩空气温度，因此提高该压缩空气的压力和/或容积。

此外，在该汽缸头11内还形成进气口13A，由阀14A控制进气口的打开和关闭。当发动机工作在空气附加辅助压缩空气模式时，不操作进气阀13A并使其保持关闭位置，因此发动机如图11至13所示进行工作，利用环境热能的装置最好工作在该模式。超过一定速度后，如50km/h，可通过点燃燃烧器57而使加热器装置工作，从而提高性能，同时由于连续催化燃烧，因此保持非常低的污染，此后，超过较高速时，例如70km/h，辅助压缩空气喷嘴24A不再工作，燃烧器57停止燃烧，并转换到采用空气-燃料混合物的热(内燃烧)模式，改变控制排气阀20打开和关闭的循环，使得每隔两个发动机转数在活塞上冲程打开该阀20，而进气阀13A也每隔两个循环在活塞15的下冲程中打开，这样，发动机可以改变循环，在活塞15的下冲程中，见图15，进气阀13A打开，吸入空气和汽油的混合物，接着在活塞15的下冲程中压缩该混合物，见图16，由火花塞3点燃燃烧室2中的该混合物，接着使其膨胀，在做功冲程驱动活塞15返回，见图17，直到回到下死点，在下死点，排气阀20打开，在活塞15的上冲程中混合物接着通过排气管19排入大气，见图18。进气阀接着打开，重新开始如图5所示的下一循环。这样，靠普通四冲程循环来使发动机工作。

当然本发明决不限于所述和所示的实施例；本领域技术人员很容易根据本申请做出多种改变，而且决不背离本发明的精神。

Claims (23)

1．一种发动机工作方法，所述发动机具有吸气-压缩室、膨胀-排气室，所述两个室均采用往复式活塞进行工作，所述发动机还具有燃烧室，所述三个室是分离的，其特征在于：至少在膨胀-排气室上设置一装置，所述装置用于控制所述室的活塞冲程，使活塞停止在上死点；并且所述燃烧室成双的安装在膨胀-排气汽缸上部，且其间没有气门，所述活塞位于上死点时实际将燃烧室与膨胀-排气室分离。

2．如权利要求1所述的发动机工作方法，其特征在于：吸气-压缩室的工作循环相对于膨胀-排气室的循环延迟，使得膨胀-排气室的活塞先于吸气-压缩室的活塞到达上死点而到达上死点，并在下述工作中保持在上死点：

燃烧室和吸闭燃烧室和吸气-压缩室之间的传递，

点燃和燃烧提高压力的混合物，接着，一旦开始下冲程，就通过压力升高而进行做功。

3．如权利要求1所述的发动机工作方法，其特征在于：用非均匀自点火混合物使发动机工作，在所述方法中，燃烧室一经与吸气-压缩室隔离，就启动燃料喷嘴以产生燃烧。

4．如权利要求1所述的发动机工作方法，其特征在于：燃烧室是与膨胀-排气室成双的球的一部分。

5．如权利要求1至4任一所述的发动机工作方法，其特征在于：燃烧和膨胀室中至少一个室覆盖有由隔热材料制成的隔热套。

6．如权利要求1至5任一所述的发动机工作方法，其特征在于：在用于吸入和压缩新鲜气体的室和成双的独立燃烧室之间设置所述压缩的气体的缓冲容积，该缓冲容积使得可避免由于所述室之间的固定传递容积和在对燃烧室充气时气体的部分膨胀而引起的浪涌效应和压力下降；以及设置位于缓冲容积和燃烧室之间的连通管和它的控制其开关的系统。

7．如权利要求1至6任一所述的在双能源和双模式下工作的发动机的工作方法，其特征在于：当处于低速时，例如在市区交通中，不再向吸气-压缩室供应燃料，并且就在来自吸气-压缩室的(无燃料)压缩空气已经进入燃烧室后，从外部罐向所述燃烧室中注入一定量辅助压缩空气，其中所述辅助压缩空气是在初始高压如200 bar和环境温度下存储的，所述一定量辅助压缩空气处于环境温度，当接触此时成为膨胀室的燃烧室中的高温空气物质时被加热、膨胀并且压力上升，从而在膨胀中传递原动力，并且当在高速路上的强动力下工作时，根据权利要求1至6任一所述的方法向所述发动机供应燃料并使其工作。

8．如权利要求1至6所述的发动机工作方法，是在单能源和单模式空气附加辅助压缩空气工作下使用的，其特征在于：省略所有需要向发动机供应普通燃料的部件，并且在来自吸气-压缩室的(无燃料)压缩空气已经进入燃烧室中后，所述燃烧室从外部罐吸入一定量辅助压缩空气，其中所述辅助压缩空气是在初始高压如200 bar和环境温度下存储的，所述一定量辅助压缩空气处于环境温度，当接触此时成为膨胀室的燃烧室中的高温空气物质时被加热、膨胀并且燃烧室中的压力显著上升，从而在膨胀中传递原动力。

9．发动机的单模式压缩空气工作方法，包括借助在汽缸中滑动的活塞工作的并装备有排气口和成双的独立膨胀室的膨胀-排气室，其特征在于：所述膨胀-排气室装备有用于控制活塞冲程使活塞停止在上死点的装置，其中省略了吸气-压缩汽缸，并且在膨胀-排气室的活塞上冲程时，在排气循环中，排气口关闭以将预先已膨胀的气体重新在膨胀室中压缩到高温和高压，而活塞静止在上死点，由存储罐注入一定量辅助压缩空气，因此引起膨胀室中压力上升，通过在下冲程驱动活塞返回而进行做功。

10．如权利要求7至9任一所述的发动机工作方法，其特征在于：在吸入膨胀室前，存储在高压存储罐中的压缩空气膨胀，随温度下降而做功，接着将其送入交换器而与环境空气进行热交换，对其加热，这样通过利用环境热能提高其压力和/或容积。

11．如权利要求7至10任一所述的发动机工作方法，其特征在于：在吸入膨胀室前，来自存储罐的压缩空气直接进入加热器，或通过空气一空气热交换器进入加热器，所述压缩空气在加热器中可以进一步提高其压力和/或其容积。

12．如权利要求9所述的在双能源工作中使用的发动机工作方法，其特征在于：打开和关闭排气阀的循环由在每个活塞上冲程部分上的发动机每一次循环中打开，在工作中改变成在每隔两个转数的活塞上冲程中打开，并且所述发动机装备有空气燃料进口，将汽油等与空气混合物在活塞下冲程中由所述进口吸入汽缸，然后在成双的膨胀室中压缩，接着所述膨胀室变成燃烧室，根据普通四冲程发动机循环，所述混合物在所述燃烧室中燃烧、接着膨胀、通过驱动活塞返回来进行作功以及接着排入排气管。

13．如权利要求1至11任一所述的在三模式中使用的发动机工作方法，其特征在于：发动机用冷压缩空气工作并且无污染，或用已经通过加热器中外部燃烧加热的压缩空气工作，其中向所述加热器供应实际无污染的普通燃料，或通过吸入空气和燃料的内部燃烧，将一定量的汽油等与空气混合物吸入膨胀室，根据普通四冲程发动机循环，所述混合物在所述膨胀室中燃烧、接着膨胀、做功以及排入排气管内，这样完成三模式工作。

14．如权利要求13所述的三种模式中的发动机工作方法，其特征在于：上述三工作模式，即，空气附加辅助压缩空气模式、由燃烧器加热空气附加辅助压缩空气模式和空气附加燃料模式，可分别使用或组合使用。

15．如权利要求7至13任一所述的发动机工作方法，其特征在于：通过由活性炭方法、机械方法、化学方法和分子筛选择中所选择的一级或多级过滤，对由发动机吸入的空气过滤和净化，从而获得低污染发动机。

16．实现如权利要求1或2所述的方法的发动机装置，其特征在于：包括与膨胀室(4)成双的燃烧室(2)，所述膨胀室(4)包括活塞(15)，所述活塞(15)由用于控制活塞冲程的装置控制，所述装置使活塞在上死点停止一段角度旋转时间，该旋转角度可以是150°，所述装置包括压杆(17、17A、17B、17C)，所述压杆由连杆(17D)控制，连杆(17D)连接到绕其轴(18B)旋转的发动机曲轴(18)的肘节(18A)上，并通过压缩曲轴(12)和连杆(11)驱动吸气-压缩活塞(9)，所述吸气-压缩活塞(9)位于通过导管(5)与燃烧室(2)相连的压缩室(1)内，所述导管(5)的打开和关闭由密封气门(6)控制；以及其特征在于：由发动机曲轴(18)通过机械链(21)驱动吸气-压缩室的曲轴(12)，并对循环中的延迟计时，使得膨胀-排气活塞(15)到达并保持在上死点，同时：

气门(6)打开，

向燃烧室充入由到达上死点的压缩活塞(9)压缩的混合物，

气门(6)关闭，

火花塞(3)进行点火，

燃烧开始，使室(2)中的压力升高，驱动膨胀活塞(15)返回，进行做功即所谓做功冲程。

17．实现如权利要求3所述方法的发动机装置，其特征在于：包括与膨胀室(4)成双的燃烧室(2)，所述膨胀室(4)包括由控制活塞冲程的装置控制的活塞(15)，使活塞在上死点停止很长一段角度旋转时间，所述控制装置包括压杆(17、17A、17B、17C)，所述压杆由连杆(17D)控制，连杆(17D)连接到绕其轴(18B)旋转的发动机曲轴(18)的肘节(18A)上，并通过压缩曲轴(12)和连杆(11)驱动吸气-压缩活塞(9)，所述吸气-压缩活塞(9)位于通过导管(5)与燃烧室(2)相连的压缩室(1)内，所述导管(5)的打开和关闭由密封气门(6)控制；以及其特征在于：缓冲容积(22)设置在压缩机内，所述压缩机通过导管(23)连接所述容积，节流阀(25)插在所述缓冲容积和包括燃料喷嘴(24)的导管之间，活塞(15)一到达上死点同时静止在该位置，气门(6)就打开并启动燃料喷嘴(24)向室(2)中注入一定量压缩混合物，接着气门再次关闭，并由火花塞(3)开始点火以进行燃烧，使室(2)中的压力升高，驱动膨胀活塞(15)返回，进行做功即所谓的做功冲程。

18、实现如权利要求7所述方法的发动机装置，其特征在于：燃烧室(2)装有由高压存储罐(23)供应空气的辅助压缩空气喷嘴(24A)，在低动力工作中，喷嘴(24A)注入一定量辅助压缩空气，同时不启动燃料喷嘴(24)，使室(2)中的压力升高，在活塞下冲程中通过膨胀进行做功。

19．实现如权利要求9所述方法的发动机装置，其特征在于：燃烧室(2)与膨胀室(4)成双，所述膨胀室(4)包括由控制活塞冲程的装置控制的活塞(15)，所述装置使活塞在上死点停止很长一段角度旋转时间，所述控制装置包括压杆(17、17A、17B、17C)，所述压杆由连杆(17D)控制，连杆(17D)连接到绕其轴(18B)旋转的发动机曲轴(18)的肘节(18A)上，由喷嘴(24A)从高压罐(23)向所述燃烧室供应辅助压缩空气，在活塞的实际下死点打开关闭排气管(19)的排气阀(20)，在所述活塞(15)上冲程再次关闭排气阀(20)，从而在膨胀室中再压缩剩余气体，产生热压缩空气物质，活塞一停止在上死点，就注入新鲜的一定量辅助压缩空气，使所述室中压力升高，在正好从活塞(15)下冲程开始的膨胀中进行做功。

20．实现如权利要求10至14所述方法的发动机装置，其特征在于：活塞(54)位于存储罐(23)和辅助压缩空气喷嘴(24A)之间，所述活塞(54)直接与驱动轴(18)结合并在形成工作室(35)的封闭汽缸(55)中滑动，一方面，高压空气进气管(37)在所述工作室(35)内开口，所述进气管(37)的打开和关闭由电控阀(38)控制，另一方面，排气管(39)在所述工作室(35)内开口，所述排气管(39)连接到空气-空气热交换器或放热器(41)，空气-空气热交换器或放热器(41)通过导管(42)连接处于实际恒定使用压力的缓冲容积(43)，并且非常高压力压缩空气进行膨胀，驱动活塞返回，通过降低温度进行做功，接着将其排入(F)空气-空气交换器(41)以加热和提高压力和/或容积。

21．实现如权利要求10至14所述方法的发动机装置，其特征在于：加热器(56)位于高压存储罐(23)和辅助压缩空气喷嘴(24A)之间，加热器(56)包括燃烧器(57)，当产生(F)于高压罐(23)的压缩空气通过交换线圈(58)时，所述燃烧器(57)提高压缩空气温度并因此提高压缩空气压力和/或容积。

22．如权利要求21所述的发动机装置，其特征在于：来自高压罐(23)的压缩空气经过根据权利要求20的空气-空气交换器。

23．实现如权利要求13或14所述方法的发动机装置，其特征在于：用于控制活塞冲程的、使活塞在上死点停止很长一段角度旋转时间的装置包括压杆(17、17A、17B、17C)，所述压杆由连杆(17D)控制，连杆(17D)连接到绕其轴(18B)旋转的发动机曲轴(18)的肘节(18A)上，压杆17在由汽缸头(11)盖住的汽缸(16)内滑动，汽缸头(11)包括成双的燃烧室(2)，一方面，进气管在燃烧室(2)内开口，进气管包括燃料喷嘴(24)，进气管的打开和关闭由阀(14A)控制，另一方面，排气管(19)在燃烧室(2)内开口，排气管(19)的打开和关闭由阀(20)控制，阀(20)会根据工作模式在每隔两个发动机转数的活塞上冲程中或在每个循环的活塞上冲程部分中打开，汽缸头(11)包括火花塞(3)和由高压压缩空气存储罐(23)供应压缩空气的辅助压缩空气喷嘴(24A)，该总成使发动机在两种模式工作，对于低动力可供应辅助压缩空气，对于高动力可供应采用普通燃料的汽油和空气混合物。

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