本发明涉及内燃机。

内燃机系统可分成许多相互的子系统，这些子系统成一体就可产生有关速度、输出功率、燃油耗率及发动机系统之排放的理想性能。这些子系统是：

（a）点火装置，

（b）燃油输入控制，

（c）发动机气缸和燃烧室内气流的控制，

另外，对柴油发动机系统而言，还包括下列子系统：

（d）分离机构，

（e）燃烧室中燃油与空气的混合。

分离这一术语是用来描述在燃烧室中配置有连续操作的点火装置时在发动机进气压缩冲程期间为防止过早点火将燃油从发动机的燃烧室中排出的技术措施。由于下列原因，分离会使内燃机的燃油经济性带来很大的好处：

（ⅰ）由于可防止压缩自燃，故在选择发动机压缩比时可无需考虑所用燃油的种类;

（ⅱ）部分负荷时，可减少燃油输入，而无需相应减少空气的输入。这就使得发动机处于“过稀燃烧”状态下工作;

（ⅲ）部分负荷时，也不需要在进气过程中对气流作任何的机械式干涉，如不必用导致泵送损失的节流阀影响气流。

柴油发动机是现行唯一的在其工作时采用分离的内燃机。工作时，空气吸进发动机气缸并压缩到高的容积压缩比（14∶1到25∶1）， 由于这个结果，空气之温度提高到300℃和400℃之间。燃油直到压缩终了时才喷入气缸，由于高的空气温度，燃油就会自燃。然而，燃烧不是直接发生在燃油喷射阶段，燃油以液滴形式喷入气缸，在气缸中直接与空气混合并在点火燃烧之前蒸发。这种特有的燃烧滞后使燃烧过程表现为一个相当慢的过程，从而限制了柴油机的有效运行速度就相当低。上面所提到的分离在柴油机中是借助喷射泵机械方式实现的，该燃油喷射泵的喷油器针阀在喷射之前机械方式将燃油与气缸或燃烧室分离。

本发明是探求提供一种经改进的内燃机。

因此，本发明提供的内燃机包括有：

至少一对将其与燃烧室连通的第一和第二气缸，第一气缸的工作容积大于第二气缸的工作容积;

将大量的空气充量充入第一气缸中的第一装置;

将液态燃料充量充入第二气缸中的第二装置;

在各气缸中可运动的第一和第二活塞;

在燃烧室中可连续点火的点火装置;

第二活塞在第一位置和第二位置之间运动期间控制第二装置将燃油充量充入第二气缸的并且在第二活塞到达第三位置时停止燃油充量充入的控制装置，在所述第一位置时第二活塞处于其进气冲程之始端，在所述第二位置时第二活塞处于其压缩冲程之终点开始运动的角度少于10度处，所述第三位置的时刻是不晚于所述活塞在压缩冲程终端之内死点位置的时刻;

在第二活塞达到第四位置之前阻止燃油空气混合气从第二气缸向燃烧室运动的装置和在第一气缸充入燃烧室的空气中产生涡旋运动以 辅助从第二气缸来的燃油空气混合气与在燃烧期间从第一气缸来的空气在燃烧室中迅速混合的装置，在所述的第四位置时第二活塞处于其至少完成了压缩冲程80%处。

本发明还提供了一种压缩点火发动机，该压缩点火发动机包括有：

至少一对将其与燃烧室连通的第一和第二气缸，第一气缸的工作容积比第二气缸的工作容积大;

将大量的空气充量充入第一气缸的第一装置;

将液态燃料充量充入第二气缸的第二装置;

在各气缸中可运动的第一和第二活塞;

第二活塞在第一位置和第二位置之间运动期间控制第二装置将燃油充量充入第二气缸并在第二活塞到达第三位置时停止燃油充量充入的控制装置，在所述的第一位置时第二活塞处于其进气冲程之始端，在所述第二位置时第二活塞处于从其压缩冲程之终点开始运动的角度不少于10度处，所述第三位置的时刻是不晚于所述活塞在压缩冲程终端之内死点位置的时刻;

在第二活塞达到第四位置之前阻止燃油空气混合气从第二气缸向所述燃烧室运动的装置和在第一气缸充入燃烧室的空气中产生涡旋运动以辅助从第二气缸来的燃油空气混合气与在燃烧期间第一气缸来的空气在燃烧室中迅速混合的装置，在所述第四位置时所述第二活塞处于其至少完成了压缩冲程80%处。

本发明的内燃机依靠两个不相等工作容积气缸间的气体运动促使分离的，这两个不相等工作容积的气缸是由在其中产生点火的共同的燃烧室相互连接起来。当该发动机的两个活塞朝它们的内死点运动时，在大部分压缩冲程期间气体从大气缸通过燃烧室流入小气缸。在小气 缸吸气冲程期间和/或在压缩冲程的第一阶段到气流反向流动和小气缸中的充量进入燃烧室时的活塞位置这一期间燃油被导入小气缸。液体燃料能在第二气缸的活塞从进气冲程开始的第二活塞的内死点到压缩冲程终点内死点位置前不少于10%的这一段的全部冲程运动或部分冲程运动内的任何时刻或在从全负荷到怠速需加油的所有工况时开始喷入小气缸，并且不晚于压缩冲程之内死点时结束供油。

液态燃料在点火前在循环的预置区间导入小气缸使燃油有时间在小气缸中蒸发成气态，致使当其进入燃烧室点火时，随后之燃烧过程与气态燃料相关，且比起柴油发动机的燃烧过程要快得多。这就使本发明的发动机能有效地以比柴油发动机可能达到的转速高得多的转速运转。实际上，本发明的发动机兼有作为一种分离式发动机的柴油发动机的效率和汽油发动机的高速的性能。

本发明最佳机型的许多特性得归功于有效的分离，这些有效的分离措施是：

（a）只充有空气（或带有少量燃油使其不会由置于燃烧室中的点火装置而点燃，且燃油/空气混合气的比例上限处于这种混合气稀着火极限之下）的大工作容积的大气缸和燃油导入其中的小工作容积的气缸相组合，这两个气缸是通过共同的燃烧室相互连接的。

（b）以液态形式导入小气缸的燃油借助于蒸发冷却小气缸中的气体，从而降低其中的压力，该压力与在压缩冲程到压缩冲程终了期间在任何给定的活塞位置处的大气缸中的压力相关，从而有效地加快气流从大气缸经燃烧室向小气缸中的流动。

（c）一个可任意选择的特点在于大气缸和小气缸中的活塞位置间的相位差可有选择地调整曲柄转动角，使小气缸中的充量进入燃烧 室开始点火和燃烧过程在该曲柄转动角条件下进行。

（d）燃烧室借助于在吸气冲程期间限制气流向小气缸内流动的孔道与小气缸连通，这样，使小气缸内的压力在压缩冲程开始时起作用以便小气缸内的压力值比大气缸中的压力值小。

下面通过实施例并参照附图对本发明进一步予以说明。

图1是通过本发明内燃机的第一个实施例的一部分气道的局部剖视图。

图2是本发明内燃机的第二个实施例相似于图1的视图。

图3是本发明内燃机的第三个实施例与图1和图2类似的视图。

图4是本发明内燃机改进型燃烧室的剖面图。

首先参照图1，这是本发明内燃机最佳形式的一部分气道的剖视图。为了更好了解和全面描述该发动机及其运行，可参见现有的英国专利说明书2155546和2186913。本附图中与英国专利说明书中相同件的标号是相同的。

图1的发动机有一对或多对协同工作的分别配有第一和第二活塞16、18的第一和第二气缸12、14，气缸12、14由发动机缸头中的燃烧室20相互连通的。这两气缸由大气缸12构成，大气缸12的圆筒形延伸部分构成小气缸14。大气缸的工作容积比小气缸大，两个气缸的轴线相互平行，且尽管图中示出气缸14相对气缸12的中心偏置，但它可置于任何位置，包括气缸的中心线。大气缸12配置有第一活塞16，该活塞16在其头部也带有一圆柱形延伸体伸入小气缸14并构成小气缸的活塞18。第一活塞16冲程要使第二活塞18即使是在其外死点位置还能伸入气缸14中。

气缸12、14均通过各自的孔道40、44与燃烧室连通，该 燃烧室尽管可采用其它合适的形状，但最好是球形的并配有在下面所述那样的合适的点火装置。燃油借助于由控制装置37控制的燃油喷射器36喷入小气缸14中，而空气通过入口25吸入大气缸中。导入大气缸中的空气最好是未经节流的，即不受公知的汽油机中的蝶形阀那样的装置控制的。在小气缸14中配置有一个排气口27，作为一种替代方案，废气和空气进口27′、25′也可如图中虚线所示那样开在大气缸12中。气口之开闭可由各种阀如提升阀来实现，或当气口开在气缸侧壁时可由活塞本身来实现。发动机的起动可借助于举如火花塞或电极棒52那样的合适装置，火花塞或电极棒52可产生连续的火花束或电弧，或者利用热表面如炽热塞，或燃烧室中的预热表面以助起动。

图2是类似于图1的视图，它示出一种改进型的发动机。

在这个实施例中，燃烧室20实际上是在第二活塞18内部形成的。第二活塞18不需活塞环就可工作，因为当两个气缸之间存在小的压差时空气只会从大气缸12向小气缸14泄漏。

小气缸14的端壁上还设有一个伸突部100并在内死点或近内死点时占居孔道40的大部分体积。该突出部的位置在活塞18快到内死点时能伸入孔道40中。这在下面较详细地予以说明。

在图3所示的改进型发动机中，气缸12、14的头部是通过燃烧室20连续相通的。

这两个气缸内的活塞是用机械方法联接一起的，活塞可同相位联接并协调运动，即它们同时到达内死点和外死点，但发动机在第二活塞18稍稍落后或稍稍超前于第一活塞16时也可工作。最好是当发动机转速上升或下降时两个活塞的相位差不变。

进空气的气缸12分别与进、排气管的进、排气道相通（排气道28在附图中已示出）。

活塞18的顶部设有一伸突体100′，当活塞18处于或靠近内死点时，该伸突体占居孔道40的大部分体积。

每个实施例所述的燃烧室都有一个连续的点火装置，即可连续操作的点火装置。这里相对于点火装置所用的“可连续操作”这一概念是表示一种类型的点火装置，该种类型的点火装置具有在发动机整个循环期间或在整个预置的时间范围内随时有效触发的，预置的时间范围占该发动机完成一个循环所需时间的大部分（如大于25%）。下列形式的点火装置是可以采用的。

（1）燃烧室部分的或全部的壁可用陶瓷材料或用陶瓷材料覆盖，这种陶瓷材料是一种绝热体，可在发动机工作期间达到非常高的温度，以形成热表面点火装置。燃油/空气混合气在与热的陶瓷表面接触时点燃。

（2）作为陶瓷材料的一种替代物，燃烧室部分的或全部的壁可以是金属壁，这种金属壁在发动机工作期间也能达到适于点火的温度。

（3）点火装置可以是催化剂形式，典型的有铂和/或钯，最好是以薄膜或涂层的形式附着于燃烧室的部分或全部内壁或所有壁上。

（4）可以采用上述任何装置之间的组合。

（5）借助于或不借助于上述之点火装置的压缩点火，充入燃烧室中的热气体在压缩冲程终端时使燃油自燃。

在吸气冲程，空气通过进气口吸入大气缸12，并且部分吸入的空气通过燃烧室充入小气缸14，燃油也在预先置定的活塞运动角度（长度）期间喷入或导入气缸14。燃油是在压缩冲程终端的内死点 前足够的时间内喷入小气缸，使大部分燃油能在第二活塞到达内死点前蒸发。第二活塞运动的范围是从活塞在进气冲程始端的内死点到压缩冲程终端的内死点前大约10°的运动角范围，燃油在这一范围内开始喷射。燃油开始喷射的最佳范围是从进气冲程始端的内死点到活塞完成其压缩冲程长度90%的范围（相当于144°的运动角度）。燃油喷射结束不晚于压缩冲程终端的内死点。燃油喷射可在预先置定的角度范围内的任何时刻，但最好的喷射是尽可能早到在吸气冲程开始，使燃油有足够的时间蒸发。本发明的最佳方式是在进气冲程开始后立即喷射燃油。

当到达外死点后，两个活塞都开始压缩冲程。在压缩冲程期间，空气由活塞16被压入燃烧室20，并在燃烧室内被迫形成涡旋运动。

尽管附图示出的孔道40和44都是切向通向燃烧室以产生涡流的，但作为一种替换措施也可以是只有孔道44切向通向燃烧室。这里所用的“切向”这一术语并非是数学上那么严格的方向，而是包括这样的布置，即孔道沿具有很大切向分量的方向通向燃烧室。空气也流向气缸14，与气缸14中的燃油/空气混合气混合。

在压缩冲程期间，活塞16和18都将其气体压入燃烧室20，对活塞18来说，它是朝压缩冲程的终端压气的。最好的是通过合适的装置和前面提到的专利说明书中所述的装置的快速混合使浓燃油/空气混合气随之进入燃烧室。

在采用催化剂或热表面作为点火装置时，燃烧是在燃油/空气混合气与表面接触时在催化的或热的表面开始的。当点火装置为压缩点火时，燃烧室中燃油/空气混合气是自燃的。小气缸中的燃油/空气混合气在与大气缸内的空气混合之前因过浓（或过稀）的原因是不会 点燃的。由于燃油/空气混合气从小气缸14出来强迫压入燃烧室中，是部分地或全部地被蒸发，故不存在柴油机那样燃烧之前在内死点以油滴形式喷入之后，首先必须与燃烧室内的空气混合，然后加热蒸发所引起的滞燃期。

在本发明中，尽管燃油是以集中的方式（众所周知的分层方法）被导入燃烧室的，但由于燃油已事先被导入小气缸中，故当将其导入燃烧室时至少一部分是被蒸发了，这样就减少了滞燃期。燃烧使温度升高并有利于剩余气体的点燃。一旦开始燃烧，发生的化学反应能继续进行就需要额外的氧，这就导致更强的混合运动。用催化的或热的表面点火时，燃油是燃烧室表面点着的，而烧着的燃油引起气体膨胀并朝径向向内运动，在燃烧室中气流的强烈相互作用产生了一种强有力的混合作用。

在燃烧室中的这种涡旋运动在点火期间是连续的，且确保在促进迅速和完全燃烧的时期内气体与催化剂或热表面有较长的接触时间。接着，驱动两个活塞离开内死点使燃气膨胀并通过活塞向发动机的单个曲轴或多个曲轴输出功。

分别设置在活塞18和气缸壁（图2和3）上的伸突体100、100′保证当活塞18朝内死点运动时将小气缸14中的燃油/空气混合气传送到燃烧室20中。当活塞18接近内死点时，伸突体进入孔道40，以便使在活塞18头部和气缸14端壁之间被封住的燃油/空气混合气被迫通过孔道40的狭窄通道流入燃烧室，并且还增加了燃油/空气混合气的速度和加强燃烧室中的混合。

伸突体100、100′的形状要能在伸突体和孔道40的侧壁之间留一间隙102让封在活塞18头部和气缸14端壁之间的气体 流入燃烧室。该间隙102可沿伸突体100的整个周边或部分周边延伸。

伸突体100的横截面形状可相应于孔道40的横截面形状，或者是沿该伸突体长宽方向可变化的不同的截面形状。在后一种情况，将会使间隙102随活塞18朝内死点运动而变化。

孔道40可以是任何截面形状，例如长方形，举如圆形或椭圆形或不规则的形状，像伸突体100那样的横截面形状。

伸突体100的长度可以大于、等于或小于孔道40的长度。

如前面所述的专利说明书中所叙述的那样，在活塞16头部也可形成一个类似的伸突体，在图3中所示的伸突体66是在活塞16头部形成的，位于活塞一边附近。这样就允许在与气缸12相连接的缸头上配置大的进气道和排气道。

使用第二活塞的伸突体保证了几乎所有的燃油/空气混合气进入燃烧室。当两个活塞都采用伸突体时，就加长了近似等容积燃烧的时期，发动机可由快速燃烧过程加速近似等容燃烧，且在吸气冲程期间能用更大的孔道以加速从进气阀来的空气之传送，和通过燃烧室进入小气缸14。

现在参照图4，它示出了燃烧室20最佳形式的剖面。在该燃烧室中，燃烧室横截面的总体形状是半径为R1的圆形（尽管可用其它有效的曲线型）。进气孔道40和44均切向通向燃烧室，使气体在发动机压缩冲程期间在燃烧室中产生涡旋运动。然而，在孔道40和44前紧接的外围部分（气体在燃烧室中的运动方向），该燃烧室的曲率半径是减小的。在孔道40和44前紧接的曲率半径分别为R3和R2，该半径R2和R3可以是相同的或不一样的。

当然，人们会意识到半径R2和R3均与半径R1不同，或仅其中之一与半径R1不同。

这种曲率变化的作用在于将燃烧室中相对于通过孔道40和44进入该燃烧室的气流的气体环流移开。这就能改善气体的混合和减少燃烧室中气体环流的趋势，以阻碍气体通过孔道40和44进入燃烧室。

上述的分离式发动机具体实例较分离式柴油发动机的主要优点在于，液态燃料可非常早地喷入小气缸14中，比如说可以在从吸气冲程开始到压缩冲程终端的内死点前10°度之间的任何时刻喷入。这样就使得燃油在被压入燃烧室之前有充分的时间蒸发。气态燃料的点火和燃烧比液态燃料更快，消除了着火滞燃期和加长了柴油机的燃烧时间，从而使本发明的发动机具有能有效的高速工况运行的能力。

和柴油发动机相比，在吸气冲程期间喷射的液态燃料能在相当低的压力条件下来喷射。不易挥发的液态燃料还可先预热，例如用与发动机冷却水或废气的热交换预热。这种不易挥发的液态燃料也可采用高压喷射以达到燃油更细的雾化，以助于蒸发。

发动机可使用气态燃烧是以燃料竞争为条件的。大量的液态燃料喷入小气缸14时小量的气态燃料能与大气缸12空气进口中的空气相混合（这种混合气处于稀着火极限之下）。大量空气中的小量气态燃料能留在大气缸内而不受燃烧室中的点火装置影响。本技术领域的技术人员会意识到，在图1和图2中公开的实施例可在发动机中单独使用或结合使用，且可和在前面所述的专利说明书中公开的任一实施例相组合。

尽管上述的每个燃烧室都具有曲面或弯曲的横截面形状，但人们 会意识到“曲面”这一术语包括由众多直线或曲线部分或二者结合构成的面，如多面体形式的燃烧室。

第一活塞16的头部或其部分可带有陶瓷材料或由陶瓷材料制成，该陶瓷材料在发动机运行期间形成热表面并辅助燃烧。这种陶瓷材料最好是涂覆有催化材料。

如果对这种类型的多缸发动机加各种规格的燃料，一种在低负荷状态可能实现的条件是小气缸中混合气的燃油/空气的比例处在着火极限之内，通过压缩点火使小气缸中的混合气引燃。由控制喷射的燃油量能避免这种情况，例如，混合气的燃油/空气的比例处于浓着火极限以上的某一预定值时，喷入某些气缸中的燃油被增加保持混合气在浓着火极限以上的预定量，而喷入其它气缸中的燃油紧接着减小，使其混合气的燃油/空气的比例处于稀着火极限以下。这就能确保发动机在要求的负荷情况下连续运行而不产生在发动机循环期间不希望引燃的危险。一旦发动机的燃油使在每个气缸中混合气的燃油/空气的比例低于稀着火极限时，则喷入每个气缸中的燃油量就被调节到使每个气缸中的燃油/空气比例处在要求值的喷油量。人们会意识到该反向工作过程是发生在每个气缸中混合气的燃油/空气比例的增加处于低于稀着火极限以下的某一预定值范围之内的时刻。上述方法可应用于使用催化点火装置，它能够点着低于稀着火极限的混合气。