CN1319160A - 具有两个子腔室的往复式机器 - Google Patents

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Abstract

一种往复式机器,包括一壳体(22)和活塞装置(22),它们可沿一轴线(11)作循环相对运动以限定一可变容积工作腔室(50)。还设置用于使空气和燃料进入工作腔室以便在其中压缩空气后形成可燃性混合物的进气装置和燃料进入装置(100),及从工作腔室排出燃烧产物的装置。可变容积工作腔室(50)包括至少两个子腔室,一燃烧腔室(54)及一主腔室(52),它们可在轴线(11)上相互运动并在气体从燃烧腔室(54)流入主腔室(52)时,在燃烧腔室(54)中的气体可至少局部横向膨胀之处的横截面处连通。进气装置,排气装置及腔室(52,54)的设置应在机器工作期间,在两个腔室(52,54)中绕轴线(11)产生并保持气体涡流。燃烧腔室(54)由整体式耐热和/或低导热率壁结构(40)、在一端被横向密封和限定,所述壁结构具有一外层热绝缘套(48)和配套的散热装置(47,49),以便在机器工作期间,使限定燃烧腔室的壁结构表面(42a,44)保持在远高于限定主腔室(52)的壁表面(31)的温度。

Description

具有两个子腔室的往复式机器
发明领域
本发明通常涉及往复式机器，其包括那些可作为内燃机工作的机器，但在一特别理想的实施例中涉及一种改进的滑阀式发动机。
背景技术
近几十年来，已花费了相当大的研究努力来探求获得商业性绝热发动机。关于所研究问题的有用参考文献为作为Progress in TechnologySeries(NO.28)部分内容的、于1984年由Society of AutomotiveEngineers(SAE)发表的“绝热发动机(The Adiabatic Engineers)”。通过各种方案为研究目的制造的大量非冷却绝热发动机广泛将陶瓷绝缘插入件用作，例如汽缸和燃烧室衬套，活塞盖，端面板，阀座，阀壳体及阀导管。这些方案通常检验陶瓷衬里绝热发动机的可行性，且氧化钇部分稳定氧化锆(PSZ)被认为是适于此目的的特别理想的陶瓷材料。研究方案对改式发动机设计作出了非常大的贡献，但是实际情况是如今还没有成功的绝热正常系列发动机。主要的问题包括较短的陶瓷寿命，润滑剂在高温下不能令人满意地工作，在缸体内不能获得较大的膨胀能量，从而必须通过二次膨胀从排放气体中提取能量。另一个问题在于，由于热缸体/燃烧腔室表面在引入空气上的加热效应，因此大大降低了汽缸的容积效率。
上述所提到文献的几个研究者包括GM,Cummins和Komatsu，他们断定在没有高排气温度，涡轮排气或增压(最好通过中间冷却)和二次膨胀的情况下，不能实现可行的绝热发动机操作。由Kirloskar所作的设计取决于垂直匹配的汽缸散热片和对流空气冷却，但仅能够实现低水平的绝热操作。
早期，为了提高高速发动机性能，Sir Harry Ricardo提议邻近燃烧空间采用隔热件。在他的经典文章，即“The High Speed Internal-Combustion Engine”第4版1953(Blackie&Son Glasgow)中，Ricardo建议完全在进入空气通道外使用绝热件。他建议这种元件易用于压缩涡流式发动机，且能够用于滑阀式4-冲程或2-冲程型进气涡流发动机，但在开口室提升阀4冲程发动机中，它只能非常困难地被装配，或装配有通气节流阀。由Ricardo(在上面所述文章中的第26页)所提到的绝热件起到的功能是在不减小密度的情况下，能提高压缩温度，且如果作适宜的定位和配比以根据曲柄角度使滞后期保持恒定，那么在整个速度范围中允许固定时间的喷射。Ricardo还建议由于绝热件表面温度足以防止碳或灰渣的沉积，因此绝热件也是有用的，并且如果将燃料喷射流设置出能冲击在其上，则可完全消除沉积物在该区域的形成，特别是在使用高灰分含量燃料时。
在Ricardo的教科书中，在102-115页中，也在关于压缩涡流压缩腔室的文章中对绝热件作了论述。在关于滑阀式燃烧腔室的文章中，通过燃烧腔室壁的环形绝热衬里在图7.13中对一种特殊形式作出了描述。在除衬里以外的方面，这一说明为标准的滑阀式压燃发动机，通过直径远小于导引活塞和滑阀的主缸体壁的圆柱形壁在所谓汽缸盖中形成燃烧腔室。但是，由于预想到当工作温度改变时在汽缸盖体和衬里之间的不同膨胀会产生实际差异，因而导致密封和/或机械和/或疲劳断裂。因此在Ricardo文章的附图7.13中说明的结构并不实用，由于环形空间内填充有积碳和/或碳化油，因此随后会造成热绝缘失效。
在滑阀式压燃发动机中，套筒通常会沿纵向和圆周振动，且以在腔室中产生高速旋转空气涡流，从而增强混合和燃烧的方式导入空气。Sir Harry Ricardo描述了对于4-冲程操作(即，相对于曲柄轴RPM的涡流RPM)，最高制动平均有效压力和最低制动特定燃料消耗，标准的涡流比为大约10。
Ricardo也研制了一系列间接喷射燃烧腔室，例如在上述文章中，在图7.7和7.10中所说明的那样。在英国专利1046104，日本专利公开文献62-051718和德国专利公开文献1476351中披露了相似型式的发动机。这些间接喷射系统包括在通向主腔室的通行通道中产生的局部涡流。
在美国专利3815566,5778849和日本专利5-157002中披露了这样的发动机，其具有小于主腔室的同轴燃烧腔室。在美国专利3815566中，一多孔导流板将腔室隔开。
本发明的一个目的在于提供具有增高热效率的内燃机，并且在一个或多个实施例中提供一种改进式绝热发动机。
本发明的概述
本发明提供一种内燃机，其包括：
一壳体和活塞装置，它们可沿一轴线作循环相对运动，以限定出一可变容积的工作腔室；
用于使空气和燃料进入所述工作腔室的装置，其用于在空气压缩后形成可燃性混合物；及
从所述工作腔室排放燃烧产物的装置；
其中，所述可变容积的工作腔室包括至少两个子腔室，这两个子腔室在所述轴线上可相互运动并在气体从所述一个子腔室流入另一个子腔室时，在一个子腔室中的气体可至少局部横向膨胀之处的横截面处相互连通；
所述进气装置，所述排气装置及所述子腔室的设置使得在发动机工作期间，在两个所述子腔室中绕所述轴线产生并保持气体涡流；
所述一个子腔室由整体式耐热和/或低导热率壁结构、在一端被横向密封和限定，所述壁结构具有一外层热绝缘套和配套的散热装置，以便在发动机工作期间，使限定所述一个子腔室的壁结构表面保持在远高于限定所述另一个子腔室的壁表面的温度。
所述子腔室的结构最好使发动机能够以直接喷射方式工作。
所述燃料进入装置可包括一燃料喷射器，其具有穿过所述壁结构的流动通道，但是最好包括一燃料喷射器，其直接装配在所述整体壁结构的辅助开孔或凹槽中。所述燃料喷射器最好包括用于冷却所述喷嘴的通道。
所述流动通道最好在将所述一个子腔室分为一中央圆柱部分和一环形外侧部分的界限处通向所述工作腔室，这些部分具有大致相等的容积。
所述一个子腔室通常具有平均宽度D和离开所述横截面的平均长度L，在所述横截面处，当气体从一个子腔室流入另一个子腔室时，一个子腔室中的气体可至少局部横向膨胀。所述比例L/D最好为0.9或更大。在最简单且在最理想的实施例中，所述一个子腔室为圆柱形，其直径为D，轴向长度为L。所述横截面等于或小于所述一个子腔室。
通道或风道可设置在所述壳体的一个主缸体中，它们绕所述另一子腔室延伸，用于使润滑剂流过，因此润滑剂能够有效减小或控制横切或环绕汽缸的温度和/或温差，同时被加热至理想的工作粘度。
在所述另一个子腔室中的所述气体涡流最好应在该处形成涡流式更冷的界面层，且最好能有效地冷却所述另一子腔室的周壁和端壁。
较理想的是，所述气体涡流在所述一个子腔室中的涡流比为至少6∶1，更理想的是所述涡流比的范围为大约10∶1-大约25∶1。在所述另一个子腔室中，所述气体涡流的涡流比为至少3∶1。在所述一个腔室中的所述气体涡流可以是这样的，即通过一相对较热的芯体和一相对较冷的周边在所述一个子腔室的气流中形成径向温度梯度。
在一最佳实施例中，所述进气装置和所述排气装置包括在所述壳体中的口，及用于控制所述口的可往复运动的滑阀装置。所述一个子腔室优选设置在与所述活塞装置相对的汽缸盖装置内。
所述壳体和口最好允许通过热燃烧腔室壁不预加热吸入的空气进料或最小程度地预加热吸入的空气进料。
所述壳体可包括横向限定所述子腔室的各个圆柱体部分，及一环形台肩，其位于相对于所述活塞装置的所述圆柱部分之间。所述台肩最好由一环形顶端件形成。所述散热装置可包括跨接在所述壁结构的环形颈部装置，以减少所述壁结构到所述环形顶端件之间的热传导。所述台肩和所述颈部装置与限定了所述一个子腔室的所述壁结构整体形成。
最好在工作中，发动机能至少表现出近绝热工作过程。
在另一个实施例中，所述一个子腔室大体被限定在所述活塞装置内部。
所述子腔室最好大致相对于所述轴线轴向对称，所述轴线为所述壳体的纵向大致中心轴线。
本发明还提供了一种内燃机，其包括：
一壳体和活塞装置，它们可沿一轴线作周期性相对运动，以限定出一可变容积的工作腔室；
用于将空气和燃料供给至所述工作腔室的装置，其用于在空气压缩后形成可燃性混合物；及
从所述工作腔室排放燃烧产物的装置；
其中，所述可变容积的工作腔室包括至少两个子腔室，这两个子腔室在所述轴线上可相对移动且在当气体从所述一个子腔室流入另一个子腔室时，一个子腔室中的气体可至少局部横向膨胀的横截面处相通；
所述一个子腔室具有平均直径D和离开所述横截面的平均长度L，且所述比例L/D为0.9或更大；且
所述进气装置包括进气口，它们的位置和设置使所述腔室中的气体绕所述轴线作涡流运动，包括从所述一个子腔室流入所述另一个子腔室的横向膨胀气体，从而在发动机工作期间，能够在所述另一个子腔室中形成一涡流式更冷的边界层且在所述一个子腔室中形成一股涡流，在所述一个子腔室中的所述涡流的涡流比为至少6∶1，最好为10∶1-25∶1。
本发明还提供了一种以至少近绝热的方式使内燃机工作的方法，所述发动机具有限定了一个工作腔室的壳体和活塞装置，所述方法包括：
沿一轴线周期性地使所述壳体和活塞装置相对移动，以限定一可变容积的工作腔室；
使空气和燃料导入所述工作腔室；
压缩工作腔室中的空气以形成一种可燃性混合物；
使被压缩的空气/燃料混合物燃烧；
从工作腔室排出气体，包括当气体从所述工作腔室中的一个子腔室流入另一个子腔室时，使气体至少局部横向膨胀；及
当发动机工作时，在两个所述子腔室产生并保持气体绕所述轴线的涡流；
其中，限定所述一个子腔室的壁面被保持在远高于限定所述另一个子腔室的壁面的温度。
例如通过压燃或通过电火花或电热塞点火可点燃可燃性混合物。空气和燃料可在工作腔室中混合，或局部或完全在腔室外部混合。
通常，所述设备可实现发动机以外的功能，例如泵或压缩机。更一般地说，本发明提供了一种往复式运动机器，包括：
一壳体和活塞装置，它们可沿一轴线作周期性相对运动，以限定出一可变容积的工作腔室；
将流体供给至所述工作腔室的装置；及
从所述工作腔室排放流体产物的装置；
其中，所述可变容积的工作腔室包括至少两个子腔室，这两个子腔室可在所述轴线上相对移动，且在气体从所述一个子腔室流入另一个子腔室时，一个子腔室中的气体可至少局部横向膨胀的横截面之处相通；
所述流体进入装置，所述排放装置及所述子腔室的设置在机器工作期间，在两个所述子腔室中、绕所述轴线产生并保持流体涡流；
所述一个子腔室由一带有配套散热装置的壁结构在一端被横向限定，其设置使得在机器工作期间，限定所述一个子腔室的壁结构表面被保持在远高于限定所述另一个子腔室的壁面的温度。
在所述往复式机器中也可包括任意以上为发动机设定的相关优点及任选特征。
附图简述
下面参照附图，仅通过举例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明一个实施例中4-冲程单缸滑阀式近绝热柴油发动机工作端的横截面视图；
图2和3分别为在图1中线2-2和3-3所示的横截面；
图4为图1中发动机驱动端的局部横截面视图，其描述了活塞和套筒驱动连杆；及
图5-8为局部展开图，其描述了进气口和排气口的不同相对位置。
最佳实施例
所示4-冲程单缸滑阀式柴油发动机10为传统式发动机，即包括一由主缸体14和汽缸盖16构成的外壳12，一往复式活塞20，及一环形阀套筒30，阀套筒具有形成发动机结构轴线的轴线11。阀套筒30可沿缸体14的内表面15作轴向和圆周往复运动，同时活塞20本身可在套筒30的内圆柱面31内限定的空间中作轴向往复式运动。活塞的顶部21接近但不完全接触汽缸盖16的环形台肩41(所述最小间距通常是指上死点高度s)，且活塞装载有用于密封与套筒30界面的密封或活塞环23。在主缸体14内同轴伸出的部分汽缸盖与缸体表面15分离，以限定一能够接收往复式套筒的环形槽17。套筒和汽缸盖之间的界面本身由通过刚好由台肩41向外伸出的汽缸盖携带的一对环33密封。如所知道的那样，活塞顶部21可包括一绝热插入件。
活塞相对于缸体和汽缸盖的往复运动有效地限定了由环23，33密封并包括两个子腔室52,54的可变容积工作腔室50。子腔室54可以是非圆柱形的，或可在其口部53被限定，但是此处为在汽缸盖16内被限定的圆柱形子腔室，以便与轴线11同轴，并具有均匀的直径D和轴向长度L。为了直接喷射，如在所示实施例中的那样，口部53的横截面通常等于子腔室54的横截面。为了间接喷射，所述口部的横截面通常小于子腔室54的。子腔室52位于台肩41和活塞顶部21之间，且由这些表面和阀套筒30的内柱面31限定，从而将轴线11作为其自身轴线。在最小时，子腔室52的轴向距离等于上死点高度s。应理解，子腔室的结构使发动机能以直接喷射方式工作。
与常用的术语一致，在后文中，子腔室52是指主腔室52，而子腔室54是指燃烧腔室54，但应强调的是，后面的术语并未暗示燃烧只限于子腔室54。
参照附图4，活塞20以传统的方式、由曲柄轴25经曲柄26和连杆27被驱动，连杆通过活塞销28可旋转地被固定在活塞上。曲柄轴25被支承在轴承24中，同时连杆27能够在由曲26支承的轴承套29上转动。阀套筒30由曲柄轴(未示出)、经一下级轴34，轴承34a，曲柄35及销36驱动，所述销36被固定在套筒的下端并通过一球形安装轴承37被支承在曲柄35上。
进气和排气口作为缸体14的径向开孔绕主腔室52设置。在图3，及图5-8中描述了一种最佳结构。其包括总共五个类似的等角分离的口，这些口包括在径面63一侧对称的三个进气口60,61,62，及在面63另一侧的排气口64,65。匹配的控制口70-75被设置在套筒30中，且套筒的圆周运动会引发进气口微小的起始开启，由此在图3中、沿箭头D的方向将进入空气斜向导入主腔室52内，并相对于主腔室52的轴线11产生高速涡流效应。套筒30沿箭头C方向的运动将通过使控制口70,71,72与进气口60,61,62对准完成进气口的开启，但是在整个工作周期中将在主腔室52中及以高速在燃烧腔54内保持已在主腔室52周围产生的高速涡流，在该处涡流有效增强了混合，缩短了燃烧滞后期，并有助于简化喷射器使用。
由倾斜空气入口产生的涡流为滑阀式发动机的已知特性，且通常发现燃烧腔室涡流比(即，涡流RPM与曲柄轴RPM的比值)为大约8-10。但是，在本发明的上下文中，考虑到涡流可具有将在下文中作进一步说明的重要的新效果。
关于口结构和操作的更详细内容，以及涡流比将在后面的描述中给出。
现在将对汽缸盖16的结构作更详细地说明。主要中央元件为一整体件40，其由耐热，最好具有低导热率的材料构成。适宜的这种材料为不锈钢，但也可使用其它材料，例如特别是含有镍和/或铬的合金钢及陶瓷。整体件40具有限定了燃烧腔室54的较薄壁状侧缘部分42，及一加大的实心头43，其靠近燃烧腔室54的一端并为燃烧腔室提供了端壁和/或表面44。在整体件40的另一端，在燃烧腔54的开口端附近，整体件40具有一凸缘45，其提供了限定主腔室52的上述台肩41从而形成了主腔室的顶板。
汽缸盖16由一外侧环形顶盖18和一中间安装环19形成。从图1中能够清楚地看到，顶盖18的径向内侧部分被固定在环19的一端，且环19的另一端本身被固定在顶板45上，这两个连接是由螺栓，螺钉或双头螺栓39中相应的卡箍实现的。另一方面，可以使用热压或其它已知的装配方法。通过将顶盖18的外部固定至主缸体14的端部能实现装配。所述结构是这样的，即顶盖18和环19相对于耐热整体件40上的部分42,43延伸，且具有外匹配的圆柱面，其位置限定了容纳套筒30的环形空间17。顶盖18和安装环19通常由低成本铸造材料，如铝或铁制成。密封环33分别位于项板45中的一个周边插孔和安装环19的一个唇缘之间，且装在顶板45的一个槽内。
可设置用于循环顶板18和环19内冷却流体的通道或风道80，但是，用于从耐热整体件40驱散热量的装置应限制热流，从而允许整体件40的内表面42a,44在滑阀式发动机的汽缸盖燃烧空间内实现远高于传统的均衡温度。这一目标可由两种方式实现。第一，顶板45在46处具有周边切槽，以便使顶板45的主体仅通过一较窄的环形颈部47连接至圆柱体部分42。第二，切槽46在环19和圆柱体部分42之间形成有一环形空间48，且在头部43的下方，形成有保温空气套或幕，其经使耐热整体件40的实心头43与汽缸盖16的外层体分离的较小环形间隙49被吸至外部。另一方面，可通过一种适合的高温保温材料来填充环形空间48，以使由整体件的部分42表面产生的辐射和热对流损失降至最小。
耐热整体件40的实心头部分43形成有多个台阶孔82，以牢固固定和补设一燃料喷射器100。以这种方式，燃料喷射器100直接安装在开孔82中，以便在某种意义上与整体件40构成整体。喷射器100的喷嘴头102可与燃烧腔室54的端面44平齐。另一方面，其可被设置在端面44的之后或前方。任一喷射器最好设有标准的内部冷却通道，或可将冷却通道设置在耐热整体件40的实心头43内，以便在与这种情况相关的高温下能够保护喷嘴头通道和材料。
喷嘴头102的喷口，及平行于系统主轴线11延伸的喷射器轴线位于将燃烧腔室54分为一内圆柱形部分和一外环形部分的界限的中心，其中所述内圆柱形部分和外环形部分具有大致相等的容积。本申请人相信，与由Ricardo提倡的传统的位置相比，这是燃料喷射更适合的位置，即，通过使喷射器轴线尽可能地靠近腔室的侧圆柱表面，可使空气和燃料的混合达到最佳。
应强调的是，作为预防措施，可在原型体内设置用于循环顶盖18和环19内冷却流体的上述通道或风道80，以确保喷嘴头不会过热。试验表明，在实际中，正确的细节设计/选择为：
(1)喷射器及其在耐热整体件40内部的安装；
(2)燃烧腔室54的L/D；
(3)环形空间48的设计及其内部的保温的使用或选择；及
(4)顶盖18和耐热整体件40
将允许省略冷却风道80。如将进一步说明的那样，除了在由发动机外表面自然辐射或对流产生的很小热量外，其允许在无需任何其它特殊冷却装置的情况下，设计或操作发动机。
现在转入说明发动机的操作，关于所述活塞的连续运动和所述口打开和关闭的顺序，4-冲程柴油机或压燃循环通常是已知的。活塞在压缩冲程期间压缩气体，喷射燃料且在一段滞后期之后，开始燃烧且作功冲程驱动活塞下行。在压缩冲程的顶部上死点，活塞顶部21靠近台肩41，但由上死点高度分离，以使燃烧腔室主要包括燃烧腔室54和一最小化的主腔室52。活塞的第二上冲程在由套筒30纵向运动控制口的开启并由套筒圆周运动控制口关闭的情况下，通过口64,65排出气体，同时，第二活塞下冲程经口60,61,62吸入新鲜空气；此处，口的开启是由套筒30的圆周运动控制的，而口的关闭是由其纵向运动控制的。
图5,6,7和8为箭头E1和E2之间缸体14的圆柱形内表面15和套筒30外表面的局部展开视图(其是图1-4中尺寸或比例的两倍)，其描述了排气口64和进气口62的相对位置以及排气口74和进气口72的运动。
图5描述了图4中所示的在下死点处的套筒曲柄销36。
图6描述了在下死点后处于90 °处的套筒曲柄销36。
图7描述了在上死点处的套筒曲柄销36。
图8描述了在上死点后处于90°处的套筒曲柄销36。
在图5-8中，以虚线或断线描述了套筒口72和74，而以实线或连续线描述了汽缸筒口62和64。套筒的轨道或运动路径及其口由椭圆标记130绘出。椭圆130的长轴显然应为曲柄半径M的两倍(图4)，短轴由曲柄半径M，在主缸体轴线或中心线与部分球形轴承37的中心线之间的侧向距离N(图4)，以及套筒30外侧半径之间的关系或数值确定。
在图5中，套筒进气口72已露出汽缸筒进气口62中倾斜的“开启”边缘，从而打开口区域129。由于套筒轨道130的圆周速度分量处于最大，因此，开启区域129的横向宽度X迅速增加。同样，开启区域131的横向宽度Y则迅速减小，从而会导致排气口64和74的迅速关闭。
在图6中，套筒进气口72几乎处于关闭位置。由于套筒轨道130的垂直速度分量处于最大，因此开启区域132的垂直高度Z迅速减小。排气口74和72均被关闭。
在图7中，所有口均被关闭，套筒口72和74的下侧边缘在汽缸盖密封环33上方通过，且活塞20处于或接近燃烧行程的上死点。
在图8中，套筒排气口74的下侧边缘已暴露出汽缸筒口64上侧边缘。当套筒轨道130的垂直速度分量再次刚好达到最大值时，开启区域133的垂直高度W迅速增加。进气口62和72均被关闭。
所示理想的发动机及其操作与传统的滑阀式发动机有着重要的不同。首先，应发现由耐热材料及整体形式提供的整体件40的热阻的主要影响，由如窄颈47这样的装置实现最佳化的与其环境的绝热特性，使空气在这些空间形成的套内循环的、环绕切槽46和空间48的温度梯度，与如在表面44和活塞21处的、如末端损失这样的辅助效应以及进入的新鲜空气的影响一起确定了表面42a,44的均衡温度远高于传统的均衡温度。另外，表面42a,44的温度大大高于主腔室52中壁表面的温度。实际上，这一温度差的理想值为400℃-1000℃。
相信一种具有有助于燃烧腔室性能的所述设计的特别理想的实施例为喷射体整体装配在整体件40的固体耐热材料中。
通过提供热量以使注入喷射液滴迅速汽化，在燃烧腔室54中的高温还会缩短燃烧“滞后期”。这一效果增大了前面提到的通过增强燃料和空气迅速混合而缩短滞后期中涡流的已知效益。
还应认识到，由于在整体件部分42的纵向和侧向膨胀缺乏限制，因此能够将这一温差保持在更高的理想数值。特别的是，当内表面42a的温度升高时，整体件40自由沿纵向向外扩张以容纳部分42的纵向扩张，同时环绕整体件40的间隙49也同样会容纳侧向或径向扩张。间隙49通常为大约0.2mm，而由被加热部分42产生的头部43的最大径向扩张应略小于这一数值。
另外，当作功冲程开始且在与台肩41匹配的横截面53处气体向下并侧向膨胀进入主腔室54时，燃烧腔室54和台肩41之间的实际温度差，与气体膨胀及持续空气或绕腔室52,54公共轴线11的气体涡流的能级结合，导致产生了相对较冷气体的非常稳定的涡流界面层，所述较冷空气邻近套筒30的圆柱形壁31、沿活塞顶部向下流动。这被认为是对非常低的缸体壁温度的说明。另外，在吸入冲程期间，在主腔室52的孔腔31内侧形成相当高速涡流或螺旋层的吸入气体本身在表面31上以及汽缸盖45的下表面41上具有显著的冷却效果。尽管完全不存在由水或空气形成的任何强制流体冷却，在发动机以7巴的平均转动压力工作的情况下，测定汽缸14的稳定状态平均外壁温度为高于环境100℃。这一温度升高完全与发动机的工作速度无关，其产生的一个效果与传统发动机及在研制装有陶瓷的绝热发动机所观察的结果完全相反。或许，会产生这样的意想不到的结果，即当增大发动机工作速度时，也会增强上述“进气冷却效应”。
应强调的是，上述机制被认为是所观察到效果的合理解释，但本申请人并未阐明所观察到的较低缸体壁温度一定或完全由这一机制产生。也可能包括其它的机制。已测定所述发动机中燃烧室的涡流比在9.2的范围内，但本发明人认为，大于6∶1，如在10至25∶1范围内或更高的燃烧腔室中的涡流比有利于增强本发明的效果。其是通过传统方法为燃烧室测得的数值：应理解，虽然其它效果会影响确切的空气流速，特别是在相邻周边或端面，但是在主腔室中产生的涡流比应比较小，且与腔室直径成反比。最好主腔室52中的所述涡流比为最少3∶1。
涡流的另一个效应，被认为是由燃烧室54中空气涡流产生的、与传统普通型发动机的第三个不同点为从较热周边至较冷周边的温度梯度。即便本申请人不清楚这一效果所产生的程度，但是其还是有助于使可实现的燃烧室温度达到最大。
第四个不同点在于燃烧腔室54的比例。在上面提到的Ricardo的手册中，建议燃烧腔室中长度与直径的比例为0.842，所有研究以及在该手册中提到的正常系列发动机的这一比例范围为0.76-0.88。相反，本申请人建议比例L/D应为0.9或更大，较理想的是大于1.0，且显著增大也是有利的，如大约为2-4或更大，其中，L为燃烧腔室54的轴向长度，而D为燃烧腔室54的平均直径。如果燃烧腔室54比较狭长，那么应想到其会增强邻近圆柱面31的涡流稳定层的最终冷却效果。燃烧腔室中端面44以及朝向活塞顶部21的端面的面积相对于侧面面积减小，因此会减小端部损失。另外，可将由喷嘴头102产生的燃料喷射的距离或“射程”减小至小于L，从而保持燃烧腔室54中空气的最低处部分更加冷却。较高的L与D之比还有助于减小通过接触热燃烧腔室表面及随后容积效率减小所产生的吸入空气的初始加热效应。
主缸体和其余环境的低温表示近绝热工作过程。无需设置传统的空气或水冷却系统，实际上也没有设置任何装置。但是，系统中的较低温度通常具有另一个后果：大量常用润滑油的温度要求高于在该发动机曲轴箱中的温度，以实现正确的工作粘度。为了解决这一难题，最好首先使曲柄箱的润滑剂通过在进气口和排气口60-62,64,65之间的主汽缸体14中的通道或风道110进行循环，以便减小进气口和排气口之间的温度差，该温度差会在套筒界面引起过量“不圆”的变形，这后一个问题当然在使用传统循环冷却剂中会遇到。这一结构的第二个益处在于加热润滑油以实现工作粘度。
通常，应懂得将结构设计成允许不用或将通过热燃烧腔室壁对吸入空气的通道的预加热降至最小。
用于理想柴油机循环中空气标准热效率(ASTE)的理论值的已知公式为以下表示式：
ASTE=1-[{T4-T1}/k{T3-T2}]
其中，常量k为比热指数，此处为1.4。
在这一表示式中的温度参数包括环境温度T1，在压缩结束及在燃烧就要开始之前的温度T2，燃烧温度T3及在膨胀结束和排气开始时的温度T4。对于在最小制动马力燃油消耗点(此处，其通常大约与最大制动产生压力一致)处的所述发动机，通常在大范围试验期间，将超过环境的排气温度，即T4-T1始终调定为160℃-200℃，同时通过规定方法估算T3-T2为大约1900℃。
通过在以上表示式中的这些数值，可计算出ASTE为大约93％。对于具有与原型机相等的缸体尺寸的传统正常系列柴油机，ASTE计算值为大约69％。在下部的工作点处，在ASTE中的计算差值更大。
从以上论述应理解，所述发动机具有多个工作优点，其包括但不应限制在以下内容：
(ⅰ)由于所描述的耐热整体件40的性能及其环境特性，在燃烧腔室54中能获得较高的均衡工作温度，且在燃烧之前，期间和之后会减小热量损失。作为另一个结果，以远小于以前可能的较低压缩比便能够实现满意的工作效果。
(ⅱ)在作功过程中使圆柱壁的热损失降至最小，相信通过抵靠在表面31上的稳定高涡流稳定和低温气体层能产生这一效果。
(ⅲ)相信由于高涡流气体层和耐热整体件40的特性及其环境的结合效果，在压缩冲程期间热损失也最小。
(ⅳ)因此本发明的发动机表现出近绝热操作，故无需传统空气或水冷却系统。原型发动机的设计和结构通常如图1-4所示，且整个试验恒定以理想绝热操作的95％或接近该数值工作。对于试验结果的分析清楚地表明能够实现在接近绝热的98％的条件下进行工作。
在不需要活塞和缸体壁的高工作温度；涡流增压和预加压；混合；底循环；使用陶瓷；任意冷却汽缸盖或筒体的特定或常用装置；或高于正常排气温度的情况下，且无需辅助膨胀装置的情况下，可实现这种近绝热操作。缺少这些特征，但仍在近绝热工作，这与以前报道所预料的结果相反。
这一结论不同于在Diesel Engine Reference Book,eds.Chanllen&Baranescu，在107页(1999第2版)发表的“绝热发动机的使用当然会导致排气温度大大增加”的论点。
(ⅴ)由于这些影响，因此应严格遵守以上表示式中最佳ASTE所需的参数，即高T3-T2，低T4-T1。
(ⅵ)由于滑阀式发动机设计优先选用提升阀式发动机，不仅能实现并保持高涡流比，而且还能实现并保持非常高的容积效率，尽管存在燃烧腔室54的高工作温度。这后一个效果是由于这样的事实造成的，即引入空气不会有效地与热燃烧腔室54接触，直至在压缩冲程开始后，即在进气口的关闭之后且主腔室52中的空气开始转移至燃烧腔室54后。
(ⅶ)滑阀式发动机的已知高机械效率适用于所述系统。
(ⅷ)通过绕燃烧腔室54设置绝热层，且设置一低温主汽缸，本申请避免了在已知或推荐的装配陶瓷的绝热发动机设计中存在的问题或将其降至最小，这些问题的产生是由于汽缸，活塞和阀(通常为400-1000℃)，活塞环和润滑剂(通常达500℃)及排气(达1000℃)中的高温。
(ⅸ)通过缩短点火滞后期(由于在腔室54中的高温和强涡流的结果)，缩短了燃烧期间的总持续时间，且燃烧更密切地接近恒定容积(理想容积)而不是恒定压力。
(ⅹ)可达到的高涡流比有助于在高L/D环境中使用简单的喷射器。
(ⅹⅰ)所有这些效果结合大大提高了制动装置的有效压力(平均有效制动压力)。
(ⅹⅱ)可实现高工作速度。
(ⅹⅲ)多年来，在由Ricardo限定并研制的传统滑阀CI发动机和其他发动机中，空气涡流比的提高将会自动导致导热率的增加，特别是在远离燃烧腔室的情况下，从而大大减小了绝热工作的可能性。而在本申请中描述的发动机中，消除了基本的设计问题，妥协或连系，从而允许由高空气涡流比获得全部益处。
另外，本申请所给出的启示与上述“Diesel Engine ReferenceBook”，在第107页中所作的另一说明相反，“具有最小表面面积和最低气体速度的静态直接喷射[燃烧]腔室会提供最小[热]损失”。
(ⅹⅳ)在不产生另外由如涡流增压和预加压；第二级膨胀；在主工作腔室中的底循环或陶瓷的使用或高表面温度引起的性能恶化的情况下，能够实现这些益处。
发动机领域的技术人员当然会懂得本发明中任何具体的发动机设计在本发明的最佳实施例中均需要一系列的折衷方案，以便实现规定的性能标准。例如，包括L/D比的燃烧腔室54的比例会受到与主腔室52的尺寸关系的影响，这两者又确定了压缩比并与口的设计一起确定了两个腔室各自的涡流比。如以前讨论的那样，与喷射器的位置一样，L/D的数值也会影响其它的参数。
在另一个实施例中，燃烧腔室54可被设置在活塞而不是汽缸盖中。例如，由于增大了活塞的重量，活塞销轴线的移动或活塞的延长，因此这一方案并不能产生令人满意的效果，如果保证实现本申请，那么这些缺点并不是不可克服的。另一个缺点在于必须提供一隔离屏或防护装置，以防止润滑油和确定燃烧腔室的耐热整体件之间的接触。在这一可供选择的实施例中，应想到喷射器仍被设置在汽缸盖内，或在顶置式气门4-冲程或2-冲程气口型式中被设置在汽缸盖内。
所述的发动机为4-冲程滑阀式柴油发动机或压燃式发动机。但本发明的原理也适用于4-冲程滑阀式电火花或电热塞点火式发动机，4冲程提升阀式发动机，具有由活塞运动控制的滑阀和/或提升阀和/或汽缸口的2冲程发动机，也可适用于这些具有装配在活塞中的燃烧腔室的发动机，以及适用于通过气体或液体燃料或加注有柴油引燃剂的气体、利用电火花或电热塞点火的发动机。还应强调的是，本发明的原理在一个设备中可与本发明人的澳大利亚专利600913的可变时间滑阀结构一起使用。
在使用提升阀代替滑阀时，在Ricardo等人的上述文献的附图7.5和7.6(第4版的Ps100,101)中对一种用于形成理想型式涡流的适宜结构作了说明。
还应强调的是本发明不应局限于燃烧室54为圆柱形的情况。可采用任意其它的功能形状，其包括具有通向主腔室52的颈部或节流孔的结构。在这一节流部分为所述横截面的主要部分的情况下，发动机可作为一种间接喷射式发动机进行工作。
显然，本发明可扩展到功能不同于发动机的往复式机器，如压缩机或泵。

Claims (49)

1．一种内燃机，其包括：
一壳体和活塞装置，它们可沿一轴线作循环相对运动，以限定出一可变容积的工作腔室；
用于使空气和燃料进入所述工作腔室的装置，其用于在空气压缩后形成可燃性混合物；及
从所述工作腔室排放燃烧产物的装置；
其中，所述可变容积的工作腔室包括至少两个子腔室，这两个子腔室在所述轴线上可相互运动，并在气体从所述一个子腔室流入另一个子腔室时，在一个子腔室中的气体可至少局部横向膨胀之处的横截面处相互连通；
所述进气装置，所述排放装置及所述子腔室的设置使得在发动机工作期间，在两个所述子腔室中绕所述轴线产生并保持气体涡流；
所述一个子腔室由整体式耐热和/或低导热率壁结构、在一端被横向密封和限定，所述壁结构具有一外层热绝缘套和配套的散热装置，以便在发动机工作期间，使限定所述一个子腔室的壁结构表面保持在远高于限定所述另一个子腔室的壁表面的温度。
2．根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于：所述子腔室的布置结构使发动机能够以直接喷射方式工作。
3．根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于：所述子腔室的布置结构使发动机能够以间接喷射方式工作。
4．根据权利要求1,2或3所述的内燃机，其特征在于：所述燃料进入装置包括一燃料喷射器，其直接装配在所述整体壁结构的辅助开孔或凹槽中。
5．根据权利要求4所述的内燃机，其特征在于：所述燃料喷射器包括一喷嘴和用于冷却所述喷嘴的通道。
6．根据前面任一权利要求所述的内燃机，其特征在于：所述燃料进入装置包括一流动通道，其在将所述一个子腔室分为一中央圆柱部分和一环形外侧部分的界限处通向所述工作腔室，这些部分具有大致相等的容积。
7．根据前面任一权利要求所述的内燃机，其特征在于：所述一个子腔室具有平均宽度D和离开所述横截面的平均长度L，且比例L/D为0.9或更大。
8．根据权利要求7所述的内燃机，其特征在于：所述一个子腔室为圆柱形，其直径为D，轴向长度为L。
9．根据前面任一权利要求所述的内燃机，其特征在于：所述横截面等于或小于所述一个子腔室的。
10．根据前面任一权利要求所述的内燃机，其特征在于：所述壁结构可相对于所述轴线沿纵向和横向充分自由膨胀，以容纳由限定一个所述子腔室的壁结构表面的所述温度引起的热膨胀。
11．根据前面任一权利要求所述的内燃机，其还包括：在所述壳体的一个主缸体中的通道或风道，其绕所述另一子腔室延伸，用于使润滑剂流过，因此润滑剂能够有效减小或控制横切或环绕汽缸的温度和/或温差，同时被加热至理想的工作粘度。
12．根据前面任一权利要求所述的内燃机，其特征在于：在所述另一个子腔室中的所述气体涡流在该处形成涡流式更冷的界面层。
13．根据权利要求12所述的内燃机，其特征在于：所述更冷的界面层有效地冷却所述另一子腔室的周壁和端壁。
14．根据前面任一权利要求所述的内燃机，其特征在于：所述气体涡流在所述一个子腔室中的涡流比为至少6∶1。
15．根据权利要求14所述的内燃机，其特征在于：所述涡流比的范围为大约10∶1-大约25∶1。
16．根据前面任一权利要求所述的内燃机，其特征在于：所述气体涡流在所述另一个子腔室中的涡流比为至少3∶1。
17．根据前面任一权利要求所述的内燃机，其特征在于：在所述一个腔室中的所述气体涡流是这样的，即通过一相对较热的芯体和一相对较冷的周边在所述一个子腔室的气流中形成径向温度梯度。
18．根据前面任一权利要求所述的内燃机，其特征在于：所述进气装置和所述排放装置包括在所述壳体中的口，及用于控制所述口的可往复运动的滑阀装置。
19．根据权利要求18所述的内燃机，其特征在于：所述一个子腔室被设置在与所述活塞装置相对的汽缸盖装置内。
20．根据权利要求18或19所述的内燃机，其特征在于：所述壳体和口允许通过热燃烧腔室壁不预加热吸入的空气进料或最小程度地预加热吸入的空气进料。
21．根据前面任一权利要求所述的内燃机，其特征在于：所述壳体包括横向限定所述子腔室的各个圆柱形部分，及一环形台肩，其位于相对于所述活塞装置的所述圆柱形部分之间。
22．根据权利要求21所述的内燃机，其特征在于：所述台肩由一环形顶端件形成。
23．根据权利要求22所述的内燃机，其特征在于：所述散热装置包括跨接在所述壁结构的环形颈部装置，用于减小从所述壁结构至环形顶端件的热传导。
24．根据权利要求23所述的内燃机，其特征在于：所述台肩和所述颈部装置与限定了所述一个子腔室的所述壁结构整体形成。
25．根据前面任一权利要求所述的内燃机，其特征在于：其能至少表现出近绝热工作过程。
26．根据前面任一权利要求所述的内燃机，其特征在于：所述一个子腔室大体被限定在所述活塞装置内部。
27．根据前面任一权利要求所述的内燃机，其特征在于：所述子腔室大致相对于所述轴线轴向对称，所述轴线为所述壳体的纵向大致中心轴线。
28．根据前面任一权利要求所述的内燃机，其特征在于：所述可点燃混合物可通过压燃而被点燃。
29．根据权利要求1-27中任一条所述的内燃机，其特征在于：所述可点燃的混合物可通过电火花或电热塞点火而被点燃。
30．根据前面任一权利要求所述的内燃机，其特征在于：所述空气和燃料全部在所述工作腔室内被混合。
31．根据权利要求1-29之一所述的内燃机，其特征在于：所述空气和燃料至少局部在所述工作腔室外部被混合。
32．一种内燃机，其包括：
一壳体和活塞装置，它们可沿一轴线作周期性相对运动，以限定出一可变容积的工作腔室；
用于将空气和燃料供给至所述工作腔室的装置，其用于在空气压缩后形成可点燃性混合物；及
从所述工作腔室排放燃烧产物的装置；
其中，所述可变容积的工作腔室包括至少两个子腔室，这两个子腔室在所述轴线上可相对移动且当气体从所述一个子腔室流入另一个子腔室时，一个子腔室中的气体可至少局部横向膨胀的横截面处相通；
所述一个子腔室具有平均直径D和距所述横截面的平均长度L，且所述比例L/D为0.9或更大；且
所述进气装置包括进气口，它们的位置和设置使所述腔室中的气体绕所述轴线作涡流运动，气体包括从所述一个子腔室流入所述另一个子腔室的横向膨胀气体，从而在发动机工作期间，在所述另一个子腔室中形成一涡流式更冷的边界层，且在所述一个子腔室中形成一股回旋流，在所述一个子腔室中的所述回旋流的涡流比为至少6∶1，最好为10∶1-25∶1。
33．根据权利要求32所述的内燃机，其特征在于：所述更冷的边界层有效地冷却了所述另一个子腔室的周壁和端壁。
34．一种以至少近绝热的方式使内燃机工作的方法，所述发动机具有限定了一个工作腔室的壳体和活塞装置，所述方法包括：
沿一轴线周期性地使所述壳体和活塞装置相对移动，以限定一可变容积的工作腔室；
使空气和燃料导入所述工作腔室；
压缩工作腔室中的空气以形成一种可点燃性混合物；
使被压缩的空气/燃料混合物燃烧；
从工作腔室排出气体，包括当气体从所述工作腔室中的一个子腔室流入另一个子腔室时，使气体至少局部横向膨胀；及
当发动机工作时，在两个所述子腔室产生并保持气体绕所述轴线的涡流；
其中，限定所述一个子腔室的壁面被保持在远高于限定所述另一个子腔室的壁面的温度。
35．一种往复式机器，包括：
一壳体和活塞装置，它们可沿一轴线作周期性相对运动，以限定出一可变容积的工作腔室；
将流体供给至所述工作腔室的装置；及
从所述工作腔室排放燃烧产物的装置；
其中，所述可变容积的工作腔室包括至少两个子腔室，这两个子腔室最初可设在所述轴线上，且当气体从所述一个子腔室流入另一个子腔室时，在一个子腔室中的气体可至少局部横向膨胀的横截面之处相通；
所述流体进入装置，所述排放装置及所述子腔室的设置在机器工作期间，在两个所述子腔室中、绕所述轴线产生并保持流体涡流；
所述一个子腔室由一带有配套散热装置的壁结构在一端被横向限定，其设置使得在机器工作期间，限定所述一个子腔室的壁结构表面被保持在远高于限定所述另一个子腔室的壁面的温度。
36．一种内燃机，包括：
一壳体和活塞装置，它们可沿一轴线作周期性相对运动，以限定出一可变容积的工作腔室；
用于将空气和燃料供给至所述工作腔室的装置，其用于在空气压缩后形成可点燃性混合物；及
从所述工作腔室排放燃烧产物的装置；
其中，所述可变容积的工作腔室包括至少两个子腔室，这两个子腔室在所述轴线上可相对移动且当气体从所述一个子腔室流入另一个子腔室时，在一个子腔室中的气体可至少局部横向膨胀的横截面处相通；
所述进气装置，所述排放装置及所述子腔室的设置在发动机工作期间，在两个所述子腔室中、绕所述轴线产生并保持流体涡流；
所述燃料进入装置包括一流动通道，其在将所述一个子腔室分为一中央圆柱部分和一环形外侧部分的界限处通向所述工作腔室，这些部分具有大致相等的容积。
37．根据权利要求36所述的内燃机，其特征在于：所述一个子腔室具有平均宽度D和距所述横截面的平均长度L，且比例L/D为0.9或更大。
38．根据权利要求37所述的内燃机，其特征在于：所述一个子腔室为圆柱形，其直径为D，轴向长度为L。
39．根据权利要求36,37或38所述的内燃机，其特征在于：所述横截面等于或小于所述一个子腔室。
40．一种内燃机，包括：
一壳体和活塞装置，它们可沿一轴线作周期性相对运动，以限定出一可变容积的工作腔室；
用于将空气和燃料供给至所述工作腔室的装置，其用于在空气压缩后形成可点燃性混合物；及
从所述工作腔室排放燃烧产物的装置；
其中，所述可变容积的工作腔室包括至少两个子腔室，这两个子腔室在所述轴线上可相对移动，且当气体从所述一个子腔室流入另一个子腔室时，在一个子腔室中的气体可至少局部横向膨胀的横截面处相通；
所述进气装置，所述排放装置及所述子腔室的设置在发动机工作期间，在两个所述子腔室中、绕所述轴线产生并保持流体涡流；
在所述另一个子腔室中的所述气体涡流使得在该处形成一涡流式相对更冷的边界层。
41．根据权利要求40所述的内燃机，其特征在于：所述更冷的边界层有效冷却所述另一子腔室的周壁和端壁。
42．根据权利要求40或41所述的内燃机，其特征在于：所述气体涡流在所述另一子腔室中的涡流比为至少3∶1。
43．一种内燃机，包括：
一壳体和活塞装置，它们可沿一轴线作周期性相对运动，以限定出一可变容积的工作腔室；
用于将空气和燃料供给至所述工作腔室的装置，其用于在空气压缩后形成可点燃性混合物；及
从所述工作腔室排放燃烧产物的装置；
其中，所述可变容积的工作腔室包括至少两个子腔室，这两个子腔室在所述轴线上可相对移动，且当气体从所述一个子腔室流入另一个子腔室时，在一个子腔室中的气体可至少局部横向膨胀的横截面处相通；
所述进气装置，所述排放装置及所述子腔室的设置使得在发动机工作期间，在两个所述子腔室中、绕所述轴线产生并保持流体涡流；
在所述一个子腔室中的所述气体涡流通过一相对更热的芯体和一相对更冷的周边在所述一个子腔室的气流中存在径向温度梯度。
44．根据权利要求43所述的内燃机，其特征在于：所述气体涡流在所述一个子腔室中的涡流比为至少6∶1。
45．根据权利要求44所述的内燃机，其特征在于：所述涡流比的范围为大约10∶1-大约25∶1。
46．一种内燃机，包括：
一壳体和活塞装置，它们可沿一轴线作周期性相对运动，以限定出一可变容积的工作腔室；
用于将空气和燃料供给至所述工作腔室的装置，其用于在空气压缩后形成可点燃性混合物；及
从所述工作腔室排放燃烧产物的装置；
其中，所述可变容积的工作腔室包括至少两个子腔室，这两个子腔室在所述轴线上可相对移动，且当气体从所述一个子腔室流入另一个子腔室时，在一个子腔室中的气体可至少局部横向膨胀的横截面之处相通；
所述进气装置，所述排气装置及所述子腔室的设置使得在发动机工作期间，在两个所述子腔室中、绕所述轴线产生并保持气体涡流；及
所述一个子腔室具有平均直径D和距所述横截面的平均长度L，且所述比例L/D为0.9或更大。
47．根据权利要求46所述的内燃机，其特征在于：所述一个子腔室为圆柱形，其直径为D，轴向长度为L。
48．根据权利要求46或47所述的内燃机，其特征在于：所述横截面等于或小于所述一个子腔室的。
49．一种内燃机，包括：
一壳体和活塞装置，它们可沿一轴线作周期性相对运动，以限定出一可变容积的工作腔室；
用于将空气和燃料供给至所述工作腔室的装置，其用于在空气压缩后形成可点燃性混合物；及
从所述工作腔室排放燃烧产物的装置；
其中，所述可变容积的工作腔室包括至少两个子腔室，这两个子腔室在所述轴线上可相对移动，且当气体从所述一个子腔室流入另一个子腔室时，在一个子腔室中的气体可至少局部横向膨胀的横截面之处相通；
所述一个子腔室由壁结构限定，其相对于所述轴线可纵向和横向自由膨胀，足够容纳限定所述一个子腔室的壁结构表面处的温度产生的热膨胀。
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