本发明通常涉及发动机，尤其涉及高功率密度的柴油发动机及其工作 循环。

现在已经开发出多种不同的发动机设计方案，发动机的设计是一种成 熟的技术。两种最常用的用于操纵发动机的气体循环是内燃机所采用的 奥托循环和柴油发动机所采用的狄塞尔循环。

火花点火内燃机或者说SI发动机使用易挥发燃料，即汽油，并利用 火花在其缸内引起燃烧。循环中的压缩部分和膨胀部分都在同一气缸内 进行。在高功率密度(本文中的术语“高功率密度”是指马力与重量的 比值或马力与立方英寸的比值至少为1.0)的SI发动机的发展过程中， 遇到了两个主要问题，即燃料消耗和汽油的挥发。汽油的挥发已经有很 多文献证明，与储存、运输和远距离使用有关的问题将不在本文中过多 讨论。考虑到经济性和耐久性，近年来在SI发动机的燃料经济性和耐久 性方面有了重大突破，但是这些发动机还缺少其柴油发动机对应物的性 能。

与SI发动机不同，柴油压缩点火发动机，或者说CI发动机通过在气 缸内产生高压和到达自动点火温度来引起燃烧。当温度和压力足够高时， 燃料自动点燃而不需要火花。尽管在燃料经济性和柴油的较低挥发性上 优于SI发动机，但是CI发动机的功率密度比SI发动机低。以前对增加 功率密度、减小柴油发动机尺寸的努力受到下面问题的困扰，即：体积 庞大的两冲程增压器、有限的压力循环、由于过大的机械和热负载而引 起的结构耐久性的问题和极差的燃料消耗。

考虑到各种现有技术发动机的上述和其它限制，可以看出，需要一种 高功率密度的柴油发动机。因此，本发明的一个目的是提供这样一种发 动机。本发明还有一目的是提供一种用于使该发动机工作的新的气体循 环。

为了实现上述和其它目的，本发明提供了一种具有有吸引力的高功率 密度的潜力的柴油发动机设计方案，同时还保持理想的燃料经济性。该 发动机自身的基本原理的前提是：通过降低往复运动装置中的工作流体 的膨胀比，并利用回收系统收回排气能量和提供增压，可以增加平均有 效压力。不过，其与普通的柴油发动机不同，普通的柴油发动机在起动 时自动点火压力不够，需要很重的部件和延迟喷射技术来控制燃烧压力 峰值，而本发明的设计方案将压缩过程和膨胀过程分离，从而可以有独 立的压缩比和膨胀比，并且将端口控制的(port-controlled)膨胀与定 容燃烧相结合。这使得本发明优于现有的发动机和气体循环，并在较低 的膨胀压力峰值下进行工作，类似于汽油发动机。

本发明的气体循环在三个相互关联的腔室中同时进行，即压缩气缸、 燃烧室和膨胀气缸。起动时，压缩气缸通过底部进气口引入新鲜空气， 这类似于普通的两冲程柴油机。随后，压缩气缸内的物质通过压缩活塞 的向上或压缩冲程而被压缩，并通过进气口而输入燃烧室中。压缩活塞 到上死点(TDC)后稍微过一会，燃烧室和包含在其中的压缩物质突然与 压缩气缸分离。由于顶部空间很小，因此在压缩气缸中只留下最小的容 积。然后，压缩活塞向下运动进行其膨胀冲程，压缩气缸内的压力先快 速减小，然后缓慢降低直至接近真空。当压缩活塞继续其向下的冲程时， 底部进气口打开，新鲜气体涌入并充满该接近真空的区域。在压缩活塞 进行下一次向上或压缩冲程的过程中，半闭进气口后不久，压缩活塞开 始压缩第二物质。在到达上死点(BTDC)之前，第二燃烧室与第二压缩 物质连通，直到稍微过了TDC，这时该第二压缩室也突然与压缩气缸分离。 然后，压缩活塞开始其向下的冲程，并重复其循环。

与压缩气缸分离或隔开后，将燃料注入包含有压缩物质的燃烧室中。 该燃烧室自身可以有热线点火塞，最初燃料是直接喷射到热线点火塞上， 以点燃压缩物。燃料喷射继续进行时，热线点火塞从燃料喷射的位置移 开，导致燃料喷射冲过燃烧室，从而在燃烧室中产生良好的燃料分配。 在循环的这一时刻，在燃烧室内充分进行定容燃烧。

包含有部分燃烧的注入燃料的燃烧室再与膨胀气缸连通。在燃烧室对 着膨胀气缸打开之前，膨胀活塞开始其压缩冲程，并在其向上的运动过 程中盖住排气口和扫气(scavenging)口。当膨胀活塞靠近TDC时，气 缸内的扫气物质和残余物质的混合物被压缩。这时，燃烧气缸内的局部 燃烧的物质被引入到膨胀气缸内的压缩物质中。因为高压燃烧混合物从 燃烧室进入，因此膨胀气缸内的压力升高。然后，在由于新引入的氧气 而使燃烧继续时，膨胀气缸压缩所混合的物质。

在膨胀活塞的膨胀冲程中，膨胀活塞通过燃烧过程而输出功。当膨胀 活塞进行向下的冲程时，该活塞通向排气口，将残余物排出。当膨胀活 塞继续其向下的冲程时，膨胀活塞通向扫气口，新鲜的空气扫气在膨胀 气缸内进行。过了下死点(BDC)后，膨胀活塞关闭扫气口和排气口，开 始压缩其内的扫气物质和残余物的混合物，并准备与第二燃烧室内的燃 烧物质混合。在混合和进一步压缩和燃烧后，该膨胀活塞再开始其向下 的冲程，同时再次输出功。然后膨胀活塞重复其循环。

在向膨胀气缸排出后，燃烧室突然与膨胀气缸隔开，并打开开口以扫 除燃烧室内的残余燃烧产物。扫气后，燃烧室关闭，并准备通向压缩气 缸和重复燃烧室的循环。

通过下面对优选实施例的说明和附加的权利要求书，并结合附图，本 领域技术人员能够理解本发明的其它优点和好处。

附图简介

图1所示为体现本发明原理的发动机的示意图；

图2是图1所示发动机的示意图，还显示了本发明的主要部件和它们 彼此之间的联系，其中所示的压缩活塞靠近BDC；

图3a和3b是类似于图2的示意图，其中压缩活塞在TDC，并且还定 义了本发明的某些设计参数；

图4a、4b和4c示意表示了本发明的气体循环的不同气流状态；

图5a和5b是类似于图1的示意图，其分别表示本发明中进气口的关 闭和放气口的打开以及燃料进入燃烧室中；

图6a是表示用于确定压缩机的几何压缩比的活塞位置的示意图；

图6b是表示用于确定包括压缩气缸和燃烧室在内的几何压缩比的压 缩机活塞位置的示意图；

图6c是表示用于确定膨胀气缸的几何压缩比的膨胀活塞位置的示意 图；

图6d是表示用于确定膨胀气缸和燃烧室的几何压缩比的活塞位置的 示意图；

图7是用于本发明的旋转预燃室管的透视图，还表示了形成于其中的 一个燃烧室；

图8是图7所示管的剖视图，还显示了穿过该管的冷却剂通道和用于 确定燃烧室自身的可拆卸插入件；

图9是本发明的理想气体循环的曲线图；

图10和11是本发明另一实施例的示意图；

图12a、12b、13a和13b示意表示了可以用于本发明的调时(timing) 机构。

参考附图，图1示意地示出了体现本发明原理的发动机，其总体以标 号10表示。该发动机主要包括底部单元或发动机气缸体12、顶部单元或 壳体14、如图所示装在盖体16下面的调时皮带、排气总管18(该排气 总管可以随发动机10内的气缸数而变化)和如图所示与壳体14相连的 扫气总管20。在讨论发动机10的内部工作情况之前，先对图9所示的理 想气体循环进行说明。

如图9所示，理想气体循环实际包括两个相互联系的循环，一个用于 压缩气缸或压缩机，一个用于膨胀气缸或膨胀机。下面先介绍压缩气缸 循环。显然，在理想循环的说明中所说的容积只是为了说明的目的，它 实际上取决于发动机10的具体实施情况。

在冲程底部，如图所示，处于下死点或者BDC的压缩气缸的容积(VBDC) 刚好大于八立方英寸。当燃烧室通向压缩气缸时，组合容积增加到大约9 立方英寸。然后，压缩活塞进行向上或压缩冲程，在压缩气缸和燃烧室 的组合容积中对空气的质量或容积进行压缩，直到压力大于35大气压且 容积小于两立方英寸。当压缩活塞处于TDC时，燃烧室突然与压缩气缸 断开。因此，压缩气缸的容积减小到低于一立方英寸。压缩活塞再开始 向下或膨胀冲程，可以看出，压缩气缸内的压力先快速下降，然后越来 越慢，直到在BDC处接近真空。该循环自身再重复进行。

在膨胀气缸的理想循环中，当膨胀活塞处于BDC时，膨胀气缸的容积 刚好小于13立方英寸。当膨胀气缸开始它的压缩冲程时，首先，容积快 速减小，压力缓慢增加。当膨胀活塞接近TDC时，压力增加越来越快， 直到在体积大约2立方英寸时达到大约47大气压的峰值。这时，燃烧室 通向膨胀气缸，容积和压力都相应增加，这是由于在排出口对着膨胀气 缸打开以前在燃烧室内进行了等容加热。在离开TDC的最初阶段，组合 的燃烧室和膨胀气缸的容积增加，而其内的压力保持恒定。这是由于等 压加热。当容积大约为4立方英寸时，膨胀活塞继续向下的冲程导致压 力减小和容积增加。在膨胀冲程中，输出功。当膨胀活塞到达BDC时， 容积刚好小于14立方英寸，燃烧室突然与膨胀气缸断开，膨胀气缸的容 积减小。当压力接近大气压且容积刚好小于13立方英寸时，该膨胀气缸 重复其循环。

再参考图2，图中示意地示出了发动机10的内部工作情况。至少， 该发动机10包括两个气缸，即一个压缩气缸22和一个膨胀气缸24。曲 轴26和28分别通过连接杆30和32而与压缩活塞34和膨胀活塞36相 连。通常在朝着各气缸22和24的底端处有进气口38和40。当活塞34 和36靠近BDC时，该进气口露出或打开，使得新鲜空气进入压缩气缸22 中，并将燃烧的双重产物(bi-product)和残余物质从膨胀气缸24中扫 除。为了更有利于膨胀气缸24的扫气，膨胀气缸24还有排气口42。该 排气口42可以设置成在进气口40打开之前打开。

通常在压缩气缸22和膨胀气缸24的两顶端之间的中心处有旋转预燃 室管44。将该管44可旋转地安装并支承于壳体14内，以便绕纵向穿过 管44而延伸的管轴46旋转(在图2中大体延伸到纸页内)。如图7所示， 管44基本是圆柱形，在它的本体内还确定有两个预燃室或燃烧室48。

燃烧室48在管44内限定了基本上向外凹陷的碗状物，也可以进一步 由插入件50限定，该插入件50可拆卸地压配合到在管44内所形成的空 腔52中。这样的结构可以允许将该插入件50拆下并用另一个不同容积 的插入件替换。因此，本发明的发动机10能很容易地改变燃烧室48的 容积，从而改变该发动机10的压缩膨胀有效比。

还确定有基本上穿过管44的中心的通道54。冷却剂流体如油通过该 通道54循环，从而不仅冷却燃烧室48，还向管44自身和可以有一个或 多个轴向和径向槽56的密封件提供润滑。润滑油可以通过管44中的未 示出的离心管道而提供。

当管44旋转时，燃烧室48交替地与压缩气缸22和膨胀气缸24连通。 与压缩气缸22连通是通过进气口58而进行的，而与膨胀气缸24连通是 通过放气口60而进行的。

当燃烧室48在压缩气缸22和膨胀气缸24之间旋转时，燃料从燃料 注入器62注入燃烧室。

此外，在壳体14和发动机气缸体12中限定有冷却剂通道64。该通 道64使得冷却剂如水和乙二醇混合物循环，从而冷却整个发动机10。

再参考图3b，图中显示和定义了本发明的不同部件之间的一些相互 关系。由箭头66表示的倾斜角定义为压缩气缸22的中心轴与膨胀气缸 24的中心轴之间的夹角。优选是，压缩气缸22与膨胀气缸24之间的倾 斜角66的范围是从60度到90度。该范围使得两气缸22和24能用一个 管44。开口夹角由68表示，并定义为从管轴46引出并通过进气口58 中心的线与从管轴46引出并通过放气口60中心的线之间的夹角。优选 是，该开口夹角68的范围是从85度到95度，以便高速工作。这样的开 口夹角使得燃料在燃烧室48从两气缸22和24之间关闭时注入，并在燃 烧室48对着膨胀气缸24打开开口之前引起燃烧。由标号70表示的相位 角定义为在TDC位置时膨胀活塞36相对于压缩活塞34而超前的角度。 优选是，该相位角70范围在55度至65度内，从而能改变膨胀气缸的压 缩比。如图3b所示，以标号72表示的碗状物夹角定义为从管轴46和燃 烧室48前缘74引出的线与从管轴46和燃烧室48后缘76引出的线之间 的夹角。优选是，该碗状物夹角的范围是从45度到65度，与开口夹角 68类似，该碗状物夹角也可使燃料在燃烧室48从气缸22和24之间关闭 时注入，并在燃烧室48对着膨胀气缸24打开开口之前引起燃烧。

在发动机10的工作过程中，在TDC后大约120°时，压缩活塞34充 分退回，从而打开进气口38，使得以箭头78表示的新鲜空气进入压缩气 缸22。这时，可以看出，已经扫气的燃烧室48还没有与压缩气缸22连 通。

在TDC前大约120°时，压缩活塞34向上移动足够距离，从而关闭进 气口，燃烧室48通过进气口58而相对于压缩气缸22打开。当压缩活塞 34继续其向上的冲程时，如图4b所示，压缩气缸22内的质量/容积被压 缩，并通过进气口58进入燃烧室48，如箭头80所示。在压缩活塞34 到达TDC时，压缩气缸22内的顶部空间最小。再稍微过一会，燃烧室48 突然与压缩气缸分开，如图5a所示。然后，压缩活塞34开始其向下的 冲程或膨胀冲程，如图4c所示，导致压缩气缸的容积增加，压力减小(接 近真空)。此时，压缩活塞充分退回，从而打开进气口38，再次如图4a 所示。这时，该压缩活塞34重复上述循环，只是压缩气缸22内的质量/ 容积将被压缩到两个燃烧室48中的另外一个中。

如图5a所示，在离开压缩气缸22或与压缩气缸22隔开后，燃料马 上通过燃料注入器62而注入燃烧室48中。最初，燃料直接喷向热线点 火塞82上。在发动机10的起动操作过程中，该热线点火塞的作用是增 强燃烧室48内的定容燃烧的产生。不过，发动机10开始工作并暖机后， 燃烧室48内的温度和压力条件足以产生自动点火。另一方面，通过改变 预燃室管44与压缩气缸22之间的相对相位，可以在冷起动时采用较高 的压缩比，并在发动机10暖机后减小压缩比。

为了在冷起动时不需要流通塞，可以采用较高的起动压缩比，并采用 较低的工作时的有效压缩比。通过使管44延迟点火，发动机暖机时的有 效压缩比降低，从而减小了燃烧室48内的压力峰值。该管44相对压缩 气缸22的延迟点火或提前点火可以通过偏压该管的调时皮带或链条104 来实现。在图12a和12b中示意地示出了这一点，其中，由膨胀曲轴28 驱动的管44分别提前点火和延迟点火，在图13a和13b中，由压缩曲轴 26驱动的管44分别提前点火和延迟点火。调时件106可选择地偏压皮带 104，以便进行延迟点火和提前点火。

如图12a、12b、13a和13b所示，压缩曲轴和膨胀曲轴通过皮带/链 条108而变得相互不同步(time off)。通过采用类似的调时件110，气 缸彼此之间的相位关系同样可以改变，图12a和13a中相位提前，图12b 和13b中相位延迟。这样的可变性使得该发动机能在多种工作条件下优 化，这一点本领域技术人员可以理解。

因为管44绕其中心轴46旋转，同时由于发动机气缸体12中的燃料 注入器62的固定位置，因此燃料并不是持续喷射到同一位置82。而是， 在燃料注入过程中，燃料的喷射逐渐离开燃烧室48的前缘，使得注入燃 料的喷射冲过燃烧室48，如图5b所示。通过使注入燃料的喷射冲过燃烧 室48，可以使燃烧室48内的燃料分配良好，从而使得燃烧室48内的混 合和燃烧更完全。由于在固定容积的燃烧室内进行燃烧，因此燃烧室48 内的压力显著增加。在理想循环中，燃烧室48内的压力先于膨胀气缸24 和燃烧室48之间的放气口60的打开，使得小于一立方英寸的容积内的 压力大约为85个大气压。在图9的理想循环中，燃烧室的该状态总体上 以标号84表示。

在本发明的优选实施例中，采用了三个燃料注入器62。各注入器62 每到第三次喷射时工作一次，因此发动机10可以高速运转。因为相对较 长的定容喷射和物质由燃烧室48输送到膨胀气缸24时产生的湍流场， 注入器62可以是单孔低压部件，因此，本发明可以采用标准的注入器和 注射泵。

在燃烧室48中进行燃烧时，管44使燃烧室48旋转，从而有效地使 放气口60通向膨胀气缸24。这时，膨胀活塞36靠近TDC，如图4c所示， 在膨胀气缸24中的压缩物与燃烧室48内的燃烧物和残余物混合。新鲜 进气以及膨胀气缸24中的压缩物与燃烧室内的燃烧物和残余物的混合导 致二次放热，同时提高了发动机的燃烧效率。前述的将燃料注入燃烧室 48中是在富油的基础上进行的。通过富油注入，使得通过放气口60开始 放气和与新鲜扫气的膨胀气缸混合后产生二次放热。通过提供二次放热， 使燃烧效率增加，减少了NOx的形成。燃烧室48中的燃烧物和残余物与 膨胀气缸24中的压缩物的混合总体上以箭头86表示。当活塞到达TDC 时，对混合物的进一步压缩能保证自动点火的产生。

为了在通过放气口60从燃烧室48向膨胀气缸24内放气的过程中进 行散热，放气口60沿钢衬套(insert)100排列。该衬套100如图2所 示。当燃烧室48通过放气口60继续向膨胀气缸24内排放时，膨胀活塞 36开始其膨胀或向下冲程，同时继续燃烧且发动机10对外作功。随后， 排气和残余物通过排气口42排出，而最终产物从燃烧室48中排放，这 分别以箭头88和90表示。在膨胀活塞36到达BDC之前，进气口40打 开，并利用以箭头92表示的扫气空气而从膨胀气缸24中清除燃烧副产 品和残余物。膨胀气缸24的扫气如图4b所示。为了保证膨胀气缸24的 有效扫气，设有向进气口40提供扫气空气的正压源。该正压气源可以通 过多种方法提供，包括但不限于利用鼓风机、增压器或曲轴箱扫气技术。

在膨胀气缸24的压缩冲程中，膨胀活塞的继续前进使得扫气口和排 气口42关闭，在膨胀气缸24内重新充入的物质被压缩。之后，已进行 自身循环的第二燃烧室48通过放气口60而对着膨胀气缸24打开。然后 膨胀气缸24重复对于第二燃烧室48的上述循环。

图6a至6d分别表示了压缩气缸22和膨胀气缸24的几何压缩比。几 何压缩比和有效压缩比的区别在于，有效压缩比是以所有气缸孔刚好关 闭时的活塞位置为基准而确定的，而几何压缩比是以活塞在下死点时为 基准而确定的。而且，压缩比与膨胀比对于各气缸来说包含燃烧室容积 和其对压缩气缸22和膨胀气缸24的压缩比的影响。压缩机的压缩比和 膨胀机的膨胀比都包括燃烧室的容积，而压缩机的膨胀比和膨胀机的压 缩比都不包括燃烧室的容积。

为了调整压缩气缸22的运动与膨胀气缸24的运动之间的时间关系， 提供有与气缸22和24的曲轴26和28配合的调时链条或皮带。而且， 管44的旋转也能够通过与压缩气缸的曲轴26或膨胀气缸24的曲轴28 之一配合的类似的调时链条或皮带来控制。该管的转速是曲轴转速的一 半。

管44基本沿轴向装于由壳体14限定的圆柱形腔体94内。该管44 由轴承(未示出)支承，该轴承使得该管44能在腔体94内相对于壳体 14旋转。因为该管44与壳体14都受到极端的温度条件，为增强散热和 加强发动机10的结构完整性，可以提供作为腔体94衬里的钢衬套96。 而且，为了隔离和密封燃烧室48，防止燃烧过程中燃气泄漏，管44必须 有密封件(未示出)，该密封件在燃烧室48的两端环绕该管44而沿周向 延伸，并且该密封件在燃烧室48之间轴向沿管44延伸。为了安装该密 封件，管44形成有上面提到的径向和轴向槽56。本领域技术人员应当知 道，密封可以以多种结构实施。

在从膨胀气缸24关闭后并在通向压缩气缸22之前，对燃烧室48进 行扫气，以便从燃烧室48中除去残余物。燃烧室48的扫气可以通过多 种机构实现，这些机构包括但不限于曲轴箱扫气系统，或者是通过采用 正压扫气系统而实现。为了进行扫气，壳体14上有孔(未示出)，在利 用正压扫气的情况下，使用上游鼓风机(未示出)。

上述发动机10的模拟实验证明，该柴油发动机的总体功率密度能够 大于1.0。通过对基于下面设计参数的涡轮增压发动机的研究，功率密度 可以达到1.78马力/立方英寸。设计参数如下：     参数     压缩气缸     膨胀气缸 膨胀相位角     60°   气缸孔     5.72cm     7.54cm   曲轴冲程     4.83cm     5.59cm   连杆长度     12.12cm     11.68cm 几何膨胀比     90.16     12.50 有效膨胀比     76.86     8.33 几何压缩比     16.5     17.52 有效压缩比     14.19     11.53   余隙容积     1.39cc     15.12cc   排出容积     123.80cc     249.78cc

    管/燃烧室参数     燃烧室轴向长度     2.54cm     碗状物夹角     55°     开口夹角     92.77°     碗状物容积     6.60cc

    发动机性能结果     容积效率     58.4％     发动机指示功率     84.4hp     发动机制动功率     78.3hp     总制动功率     81.0hp

发动机10除了通过膨胀气缸24的曲轴28提供输出功率之外，因为 管44直接或间接与曲轴28配合，因此也可以以管44的输出端102为多 种装置提供动力，该管的输出端102从壳体14中伸出并穿过壳体14，并 且转速为发动机转速的一半。通过说明而不是限定，由管44的输出端102 提供动力的两个装置或元件包括向壳体14和发动机气缸体12提供冷却 剂的水泵104(见图1)和飞机螺旋桨。

虽然图示的发动机10采用双曲轴26和28，但是，通过改变压缩气缸 22和膨胀气缸24相对于管44的位置，可以很容易地将发动机10改成采 用单个的公共曲轴。当使用的气缸超过两个(一个压缩气缸和一个膨胀气 缸)时，既可以采用单曲轴，也可以采用双曲轴。当使用双曲轴时，可以 采用单个管44而气缸在内侧相对布置。当使用单曲轴时，可以提供在外 侧相对布置的四个气缸的发动机。在这样的结构中，可采用两个管，每个 管用于一对在外侧相对布置的气缸，这两个管能够使用公共曲轴并完全不 同步。四缸的、内侧相对布置的双曲轴单管的设计方案如图10所示，而 四缸的、外侧相对布置的、单曲轴双管的实施例如图11所示。

虽然上述说明介绍了本发明的优选实施例，但是应当知道，在不脱离 附加权利要求书的适当范围和清楚意义的情况下，可对本发明进行改进、 改变和变化。