高效集成式热机
阅读：698发布：2021-01-10
专利汇可以提供高效集成式热机专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及带组合式热功转换过程的高效率 热机 ，尤其是集成了多种 做功冲程 和多种工质的热机。本发明具有双联复合式 气缸 结构，其第一气缸为一次燃烧/膨胀气缸，第二气缸则为二次燃烧/膨胀气缸。由多种工质膨胀所驱动的多种做功冲程在热机中被集成为一体。这些不同的工质包括空气－燃油燃烧产物、 蒸汽 和空气混合式 制动 能量 再生模式下的压缩空气。双联复合式气缸结构为三种不同工质的复合膨胀提供了场所，并且能够捕获工质排放和制动过程所损失的能量。这种结构使得本发明能够工作在由十二个冲程所组成的六个工作周期中。在这六个工作周期中，有四个周期包含了四种不同的做功冲程，但仅有一种做功冲程消耗燃油。所以，燃油转换效率就能够大为提高，甚至是比常规 内燃机 (ICE)翻一番。，下面是高效集成式热机专利的具体信息内容。
1、一种高效集成式热机，其特征在于：
含有组合式热功转换过程以及由多种工质膨胀所驱动的多种做功冲程，所述的多种不同 的工质至少包括空气—燃油燃烧产物、蒸汽和空气混合式制动能量再生模式下的压缩空气； 所述的多种做功冲程至少包含下列四种：
(a)一次空气—燃油燃烧/膨胀做功冲程，简称为一次空气—燃油做功冲程；
(b)二次空气—燃油燃烧/膨胀做功冲程，简称为二次空气—燃油做功冲程；
(c)一次蒸汽膨胀做功冲程，简称为一次蒸汽做功冲程；
(d)二次蒸汽膨胀做功冲程，简称为二次蒸汽做功冲程。
2、根据权利要求1所述的高效集成式热机，其特征在于具有：
双联复合式气缸结构，其中的双联复合式气缸结构至少包含一对双联气缸，即第一气缸 (11)和第二气缸(21)，它们同时被集成在同一汽缸体之中，并相互靠近，第二气缸(21) 的容积大于第一气缸(11)，两个气缸中轴线的夹角为0度至200度，第一气缸为空气燃 油混合气的一次燃烧/膨胀气缸，第二气缸为空气燃油混合气的二次燃烧/膨胀气缸，同时 第一气缸还为蒸汽的一次膨胀气缸，第二气缸为蒸汽的二次膨胀气缸；
所述的第一气缸(11)包含第一活塞(17)及其连杆(18)，第一气缸(11)的顶端至 少装有一具储气阀门(12)、充气阀门(15)、火花塞(13)以及流体注入器(14)，储气 阀门(12)与压缩空气存储容器(9)相连通；所述的第二气缸(21)包含第二活塞(20) 及其连杆(19)，第二气缸(21)的顶端至少装有一具增压阀门(22)、进气阀门(25)以 及火花塞(23)，进气阀门(25)与空气滤清器(6)或空气入口相连通；第一气缸(11) 与第二气缸(21)的燃烧室中都至少装有一具缸内催化金属网(48)；
所述第一气缸中的第一活塞与第二气缸中的第二活塞通过连杆(18)、(19)与曲轴(8) 相互交连，两个活塞在曲轴上相互交连的曲轴旋转角度差为0度至270度；
所述第一气缸(11)与第二气缸(21)之间至少装有一具缸间传输阀门(16)，其第二 气缸与排气口(7)之间至少装有具排气阀门(26)，缸间传输阀门和排气阀门是塞柱式阀 门或其它形式的阀门；
在所述增压阀门(22)的出口处装有蒸发式中间冷却器(4)和喷射式增压泵(2)，增 压阀门(22)的出口与蒸发式中间冷却器的入口相连接，蒸发式中间冷却器的出口与喷射式 增压泵的出口相连接，喷射式增压泵的出口则连通到充气阀门(15)的入口处；
在蒸发式中间冷却器(4)的内壁上安装燃油喷射器(5)，燃油被定时定量地喷射到蒸 发式中间冷却器中；
具有环绕于双联复合式气缸外围的使得两个气缸温度均匀的匀热水套(46)，载热流体 在匀热水套中循环流动，匀热水套内部具有斜向导流沟槽与导流传热栅条；
所述的匀热水套(46)中的载热流体为常规水质冷却液或耐热的导热油料；
所述双联复合式气缸的缸体(1)为绝热材料(43)所覆盖，其活塞腔体有绝热材料填充。
3、根据权利要求1所述的高效集成式热机，其特征在于它工作在由十二个冲程所组成 的六个工作周期中，每个工作周期中有两个冲程分别同时发生于第一气缸和第二气缸之中， 其六个工作周期中有四个周期包含了四种不同的做功冲程，但仅有一种做功冲程，即一次空 气—燃油做功冲程消耗燃油；其十二个冲程的全部工作时序包含了三次完整的曲轴回转，即 曲轴转角的1080度，覆盖六个工作周期，每个工作周期为180度曲轴转角；其六个工作周 期中的十二个冲程分别为：
(a)第一周期：0度至180度曲轴转角。第一气缸为充气冲程，第二气缸则为蒸汽排气 冲程；
(b)第二周期：180度至360度曲轴转角。第一气缸为压缩冲程，第二气缸则为进气冲 程；
(c)第三周期：360度至540度曲轴转角。第一气缸为一次空气—燃油做功冲程，第二 气缸则为增压冲程；
(d)第四周期：540度至720度曲轴转角。第一气缸为空气—燃油排气冲程，第二气缸 则为二次空气—燃油做功冲程；
(e)第五周期：720度至900度曲轴转角。第一气缸为一次蒸汽做功冲程，第二气缸则 为空气—燃油排气冲程；
(f)第六周期：900度至1080度曲轴转角，第一气缸为蒸汽排气冲程，第二气缸为二 次蒸汽做功冲程。
4、如权利要求2所述的高效集成式热机，其特征在于在曲轴转角为300度至400度的 范围内，第一气缸将进行第一次点火，在曲轴转角为720度至990度的范围内，第一气缸将 进行多次点火，在曲轴转角为900度至1080度的范围内，第二气缸将进行多次点火；在曲 轴转角为540度至900度的范围内，第一气缸中将进行一次或多次流体注入，注入第一气缸 中的流体为纯水、去离子水或蒸馏水、压缩空气或乙醇的水溶液。
5、根据权利要求1所述的高效集成式热机，其特征在于其双联复合式气缸中的空气— 燃油燃烧方式为分段燃烧，分段燃烧通过对双联复合式气缸施加先浓后稀的不同的空气—燃 油混合比来加以实现，在燃烧室中预留新鲜热空气作为第二气缸中二次燃烧的追加氧化剂， 以使得二次燃烧成为富氧贫油的稀质燃烧，在其一次燃烧膨胀冲程的末点在第一气缸中或第 二气缸中进行少量喷油，即排气前追加喷油，或工质传输时刻追加喷油。
6、根据权利要求1所述的高效集成式热机，其特征在于其中用压力室(10)相接的截止阀门 (24)对增压气流进行分流的方式实现可变压缩比；并采用压燃直喷来作为汽油燃料、柴油燃料或生 物柴油燃料的一次燃烧方式，即用燃油喷射器取代第一气缸的顶端的火花塞。
7、如权利要求1所述的高效集成式热机，其特征在于所述的塞柱式阀门用废气驱动阀门来实现， 所述的废气驱动阀门，其总成至少包括EAV压力室、EAV上压力缸(32)、EAV下气缸(35)、EAV 塞柱(33)及其承压头(36)与导气开口(34)、废气导管(27)、通风管(28)、废气排放通道(29)、 电磁截止阀门(31)以及单向阀门(30)，并至少装有一台微型控制计算机来根据曲轴转角进行废气 驱动阀门的复位操作。
8、根据权利要求1所述的高效集成式热机，其特征在于含有空气混合式动力系统，空 气混合式动力系统采用压缩空气作为工质，制动能量再生所回收的能量被存储在压缩空气容 器(9)和储热箱(41)之中，所述的具有制动能量再生功能的空气混合式动力系统，利用热 交换器(37)(38)来吸收制动能量再生时对空气进行压缩所产生的热能，并将载有热能的工 质存储在真空绝热的储热箱中以备后用，其工作过程包括空气压缩机模式和压缩空气发动机 模式；
所述的具有制动能量再生功能的空气混合式动力系统，在空气压缩机模式下将工作于二 级空气压缩机状态，其较大的第二气缸工作于一级压缩阶段，而较小的第一气缸则工作于二 级压缩阶段，所述的空气压缩机模式包含下列两个周期和四个冲程：
(a)空气压缩机模式的第一周期：180度至360度CA，第二气缸为空气压缩机模式的 进气冲程，第一气缸则为空气压缩机模式的压缩冲程；
(b)空气压缩机模式的第二周期：360度至450度CA，第二气缸为增压冲程，第一气 缸则为充气冲程；
所述的具有制动能量再生功能的空气混合式动力系统，在压缩空气发动机模式下将成为 二级压缩空气发动机，其较小的第一气缸工作于一级膨胀阶段，而较大的第二气缸则工作于 二级膨胀阶段，所述的压缩空气发动机模式包含下列两个周期和四个冲程：
(a)压缩空气发动机模式的第一周期，0度至180度CA，第一气缸为压缩空气发动机 模式的一级做功冲程，第二气缸则为压缩空气发动机模式排气冲程；
(b)压缩空气发动机模式的第二周期，180度至360度CA，第一气缸为排气冲程，第 二气缸则为压缩空气发动机模式的二级做功冲程。
9、根据权利要求8所述的高效集成式热机，其特征在于所述的具有制动能量再生功能 的空气混合式动力系统，其热循环系统采用两级热交换器在空气压缩机模式来冷却压缩空气， 而在压缩空气发动机模式则用来加热压缩空气，采用真空绝热的储热箱(41)来收集热量， 并在闲置模式下存储热量，然后在压缩空气发动机模式下再将热量释放出来，所述的储热箱 中的载热流体(40)采用常规水质冷却液或耐热的导热油料。
10、根据权利要求9所述的高效集成式热机，其特征在于所述的具有制动能量再生功能 的空气混合式动力系统，其热循环回路中载热流体在空气压缩机模式下的冷却循环路径为： 自储热箱底部——冷端，到载热流体泵、第二热交换器(38)、第一热交换器(37)，最后 再回到储热箱(41)顶部——热端，其热循环回路中载热流体在压缩空气发动机模式下的加 热循环路径为：自储热箱顶部——热端，到第一热交换器、第二热交换器、载热流体泵(39)， 最后再回到储热箱底部——冷端，所述的压缩空气容器和储热箱之中所充入的能量是来自家 用动力电网，是用电源提供能量的“插入式”混合动力系统。
发明领域
本发明涉及带组合式热功转换过程的高效率热机，尤其是集成了多种做功冲程和多种工 质的热机。
发明背景
内燃机发明于1876年，其典型四冲程往复式活塞结构迄今为止仍然是主要的发动机结 构。现代汽油内燃机的燃油转换效率为25％至30％。这意味着仅仅有25％至30％的燃油能量被 转换为机械能，其余部分则以摩擦和热量的形式而被损失掉了。由于世界上有成千上万的内 燃机在运行，内燃机燃油转换效率的改进将对能源消耗、燃油经济、燃油储备、对进口石油 的依赖和环境保护带来巨大影响。
内燃机的废气排放造成空气污染。成千上万车辆所排放的废气与阳光和水蒸气相互作用 产生温室效应。尽管各级政府都在制定反污染法案，各汽车生产厂家也在设计新型的低排放 车辆，石油公司也在改变燃料的配方以使得燃烧更为清洁，但是车辆排废所造成的污染依旧 是重大的环境问题。
内燃机废气的主要成分之一是二氧化碳。这是引起温室效应(全球变暖)的原因。不断 增加的二氧化碳含量将吸收太阳的热量从而使得大气温度上升，引起气候模式的恶化，甚至 导致极地冰冠融化，海水平面上升。
降低二氧化碳排放的唯一方法是采用效率更高的发动机，以减少石油的燃烧。即便是当 我们进入生物燃料和/或替代燃料的时代，甚至最终进入氢燃料时代，提高燃料转换效率， 降低燃料消耗，仍然是一个战略性的重要课题。因为在这个世界上既没有不要钱的燃料，也 没有免费的能源。
我们期待着一种具有更高燃油转换效率的新型热机，来满足当今对减少石油消耗、减少 温室气体排放和降低燃烧废气排放的急切需求。
尽管在过去100年间人类坚持不懈的努力，内燃机的燃油转换效率从理论到实践始终都 没有重大改进。过去一直被学术界普遍看好的内燃机均质压燃(HCCI)的理念经过多年研究， 进展盛少，几近无效。近来又有权威学者推出与此背道而驰的非均质燃烧的理念，这实际上 就是对多年来均质压燃理念的全盘否定。内燃机在基础理论上的南辕北撤，一波三折，导致 了它在实践上的无所作为，百年不变。
然而，改善热机的燃料转换效率并不是不可能。在19世纪，效率为6％至7％的蒸汽机已 经算是高效。直到20世纪中叶，时值蒸汽机即将被内燃机取代，法国机械工程师安德烈·钱 皮隆(Andre Chapelon)从热力学的角度对蒸汽机进行改造，通过复合式气缸和超级再热的 方法把蒸汽机的效率提高到了13％。这是个使热机效率翻倍的历史事实。20世纪末的现代综 合热电厂，利用组合式热功转换过程可以获得高达60％的综合热效率。在这种组合式热功转 换过程中，不同的工质用来驱动不同的做功过程，从而获得把每个做功过程组合起来的综合 热效率。这又是一个能够把现今传统内燃机30％效率再翻一番的有利证据。
所有上述线索都将有助于发动机燃油转换效率的改善。基于这样一种创造性的思维，我 们可以预见到由此带来的机遇和挑战。21世纪的发动机革命正在向我们招唤。
早在1954年，瑞士发明家汉斯·罗巴克(Hans Rohrbach)就在其美国第2,671,311号 专利中公开了具有燃烧室流体注入的六冲程发动机。该六冲程发动机基于传统的四冲程发动 机，在排气冲程完成之后对燃烧室进行流体注入，从而引发蒸汽膨胀与蒸汽排气两个附加冲 程。这种额外的蒸汽膨胀做功冲程势必带来热效率的增益。该发明甚至还带有对废蒸汽排放 进行回收的机外冷凝循环装置。其光辉的多工质组合式热功转换过程设计思想非常值得借鉴。 可惜该发明至今都未能得到实施。
直到2006年，美国发明家布鲁斯·克罗尔(Bruce Crower)首次在物理上实现了具有燃 烧室流体注入的六冲程发动机的样机，并将该技术刷新为美国专利申请第2007/0022977号。 据称这种采用燃烧室流体注入的六冲程结构能够获得40％的效率增益。
美国发明家卡米罗·史古德利(Carme lo Scuderi)的中国发明专利第ZL02814537.2号 (美国同等相关专利第6,543,225号)披露了一种具有分裂冲程的四冲程发动机。该发明利 用双联式气缸结构将传统的四冲程一分为二，旨在改善空气—燃油混合气燃烧膨胀的相位角， 以使之与机械力矩相位角相吻合。该发明虽然具有双联式气缸结构，但并不具备复合式二次 燃烧膨胀的机理。该发明在形式上如同一种带有超级增压泵的二冲程发动机。
内燃机的废气排放造成空气污染。成千上万车辆所排放的废气与阳光和水蒸气相互作用 产生温室效应。尽管各级政府都在制定反污染法案，各汽车生产厂家也在设计新型的低排放 车辆，石油公司也在改变燃料的配方以使得燃烧更为清洁，但是车辆排废所造成的污染依旧 是重大的环境问题。
内燃机废气的主要成分之一是二氧化碳。这是引起温室效应(全球变暖)的原因。不断 增加的二氧化碳含量将吸收太阳的热量从而使得大气温度上升，引起气候模式的恶化，甚至 导致极地冰冠融化，海水平面上升。
降低二氧化碳排放的唯一方法是采用效率更高的发动机，以减少石油的燃烧。即便是当 我们进入生物燃料和/或替代燃料的时代，甚至最终进入氢燃料时代，提高燃料转换效率， 降低燃料消耗，仍然是一个战略性的重要课题。因为在这个世界上既没有不要钱的燃料，也 没有免费的能源。
我们期待着一种具有更高燃油转换效率的新型热机，来满足当今对减少石油消耗、减少 温室气体排放和降低燃烧废气排放的急切需求。
尽管在过去100年间人类坚持不懈的努力，内燃机的燃油转换效率从理论到实践始终都 没有重大改进。过去一直被学术界普遍看好的内燃机均质压燃(HCCI)的理念经过多年研究， 进展盛少，几近无效。近来又有权威学者推出与此背道而驰的非均质燃烧的理念，这实际上 就是对多年来均质压燃理念的全盘否定。内燃机在基础理论上的南辕北撤，一波三折，导致 了它在实践上的无所作为，百年不变。
然而，改善热机的燃料转换效率并不是不可能。在19世纪，效率为6％至7％的蒸汽机已 经算是高效。直到20世纪中叶，时值蒸汽机即将被内燃机取代，法国机械工程师安德烈·钱 皮隆(Andre Chapelon)从热力学的角度对蒸汽机进行改造，通过复合式气缸和超级再热的 方法把蒸汽机的效率提高到了13％。这是个使热机效率翻倍的历史事实。20世纪末的现代综 合热电厂，利用组合式热功转换过程可以获得高达60％的综合热效率。在这种组合式热功转 换过程中，不同的工质用来驱动不同的做功过程，从而获得把每个做功过程组合起来的综合 热效率。这又是一个能够把现今传统内燃机30％效率再翻一番的有利证据。
所有上述线索都将有助于发动机燃油转换效率的改善。基于这样一种创造性的思维，我 们可以预见到由此带来的机遇和挑战。21世纪的发动机革命正在向我们招唤。
早在1954年，瑞士发明家汉斯·罗巴克(Hans Rohrbach)就在其美国第2,671,311号 专利中公开了具有燃烧室流体注入的六冲程发动机。该六冲程发动机基于传统的四冲程发动 机，在排气冲程完成之后对燃烧室进行流体注入，从而引发蒸汽膨胀与蒸汽排气两个附加冲 程。这种额外的蒸汽膨胀做功冲程势必带来热效率的增益。该发明甚至还带有对废蒸汽排放 进行回收的机外冷凝循环装置。其光辉的多工质组合式热功转换过程设计思想非常值得借鉴。 可惜该发明至今都未能得到实施。
直到2006年，美国发明家布鲁斯·克罗尔(Bruce Crower)首次在物理上实现了具有燃 烧室流体注入的六冲程发动机的样机，并将该技术刷新为美国专利申请第2007/0022977号。 据称这种采用燃烧室流体注入的六冲程结构能够获得40％的效率增益。
美国发明家卡米罗·史古德利(Carme lo Scuderi)的中国发明专利第ZL02814537.2号 (美国同等相关专利第6,543,225号)披露了一种具有分裂冲程的四冲程发动机。该发明利 用双联式气缸结构将传统的四冲程一分为二，旨在改善空气—燃油混合气燃烧膨胀的相位角， 以使之与机械力矩相位角相吻合。该发明虽然具有双联式气缸结构，但并不具备复合式二次 燃烧膨胀的机理。该发明在形式上如同一种带有超级增压泵的二冲程发动机。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种带组合式热功转换过程、尤其是集成了多种做功冲程和多种 工质的高效率热机。
本发明所述的高效集成式热机具有：
双联复合式气缸结构，其中的双联复合式气缸结构至少包含一对双联气缸，即第一气缸 和第二气缸，它们同时被集成在同一汽缸体之中，并相互靠近，第二气缸的容积大于第一气 缸，两个气缸中轴线的夹角为0度至200度，第一气缸为空气—燃油混合气的一次燃烧/膨胀 气缸，第二气缸为空气—燃油混合气的二次燃烧/膨胀气缸，同时第一气缸还为蒸汽的一次膨 胀气缸，第二气缸为蒸汽的二次膨胀气缸；
所述的第一气缸包含第一活塞及其连杆，第一气缸的顶端至少装有一具储气阀门、充气 阀门、火花塞以及流体注入器，储气阀门与压缩空气存储容器相连通；所述的第二气缸包含 第二活塞及其连杆，第二气缸的顶端至少装有一具增压阀门、进气阀门以及火花塞，进气阀 门与空气滤清器或空气入口相连通；第一气缸与第二气缸的燃烧室中都至少装有一具缸内催 化金属网；
所述第一气缸中的第一活塞与第二气缸中的第二活塞通过连杆与曲轴相互交连，两个活 塞在曲轴上相互交连的曲轴旋转角度差为0度至270度；
所述第一气缸与第二气缸之间至少装有一具缸间传输阀门，其第二气缸与排气口之间至 少装有一具排气阀门，缸间传输阀门和排气阀门可以是塞柱式阀门，也可以是其它形式的阀 门；
在所述增压阀门的出口处装有蒸发式中间冷却器和喷射式增压泵，增压阀门的出口与蒸 发式中间冷却器的入口相连接，蒸发式中间冷却器的出口与喷射式增压泵的出口相连接，喷 射式增压泵的出口则连通到充气阀门的入口处，蒸发式中间冷却器还起到对压缩空气的中间 暂时存储的作用；
在蒸发式中间冷却器的内壁上安装燃油喷射器，燃油被定时定量地喷射到蒸发式中间冷 却器中；
具有环绕于双联复合式气缸外围的使得两个气缸温度均匀的匀热水套，载热流体在匀热 水套中循环流动，匀热水套内部具有斜向导流沟槽与导流传热栅条，以便实现载热流体无源 自然对流循环，也可以在载热流体循环回路的低温区段加装循环泵来实现有源强制对流循环；
所述双联复合式气缸的缸体为绝热材料所覆盖，其活塞腔体有绝热材料填充。
本发明为一种带组合式热功转换过程的高效率集成式热机，简称为HEIHE。HEIHE由多 种工质膨胀所驱动的多种做功冲程在热机中被集成为一体。这些不同的工质包括空气—燃油 混合气、蒸汽和空气混合式制动能量再生模式下的压缩空气。双联复合式气缸结构为三种不 同工质的膨胀提供了场所，并且能够捕获工质排放和制动过程所损失的能量。这种结构使得 HEIHE能够工作在由十二个冲程所组成的六个工作周期中。在这六个工作周期中，有四个周 期包含了四种不同的做功冲程，但仅有一种做功冲程消耗燃油。所以，燃油转换效率就能够 大为提高，甚至是比普通内燃机(ICE)翻一番。
HEIHE机的组合式热功转换过程中包含下列四种做功冲程：
一次空气—燃油做功冲程——在第一气缸中的一次空气—燃油的燃烧与膨胀，这是与 普通内燃机相同的基本做功冲程；
二次空气—燃油做功冲程——在第二复合气缸中的二次空气—燃油的燃烧与膨胀；
一次蒸汽做功冲程——在第一气缸中的一次蒸汽产生与膨胀；
二次蒸汽做功冲程——在第二复合气缸中的二次蒸汽膨胀。
多种工质包括空气—燃料燃烧产物、蒸汽以及空气混合式制动能量再生模式下的压缩空 气。
除了上面四种做功冲程之外，下面一些效率改进措施也被集成到了HEIHE之中：
取消冷却系统：由于燃烧室流体注入的内部冷却效应以及双联气缸匀热水套的外部匀热 效应，对于常规内燃机必不可少的冷却系统就不再需要了。其中的载热流体既可以采用常规 水质冷却液，也可以采用耐热的导热油料，例如硅油、矿物油甚至发动机润滑油。因此就能 够减少散热器和水泵的重量，也可以消除水泵对于机械功率的消耗。
废气驱动阀门(EAV)：EAV是由废气的气动压力所驱动的废气排放阀门，它并不消耗 发动机的的机械功率，而是利用了废气中的剩余能量。
喷射式超级增压：在某个工作过程中，第二气缸可以被用来作为活塞式空气压缩机，以 通过一个中间空气存储容器来把新鲜空气增压到第一气缸之中。空气存储容器中的增压空气 可以被用来驱动喷射泵，在压缩空气冲向第一气缸之际，就能够把更多的凉爽新鲜空气送入 第一气缸。压缩空气通过喷射泵喷射时所产生的膨胀还能够起到降温的作用。
蒸发式中间冷却器：蒸发式中间冷却器可以安装于双联复合式气缸之间，上述空气存储 容器同样也将起到蒸发式中间冷却器的作用。在增压冲程中，液体燃料将被定时定量地注入 到蒸发式中间冷却器中。于是燃料就在蒸发式中间冷却器中进行蒸发，从而吸收压缩空气所 产生的热量，这种热量反过来又促使更多的燃油蒸发成为空气—燃油混合气。这种加热的蒸 发再加上喷射泵过程将导致均匀而细腻的空气—燃油混合气。
通过压缩空气进行的制动能量再生(空气混合式动力)：在车辆的减速和/或制动过程中 HEIHE将工作在空气压缩机模式(AC)，把车辆的动能分别转换成为气动能量和热能分别存 储起来。在车辆的加速和/或者起步过程中，HEIHE将工作于压缩空气发动机模式(CAE)， 把所存储的气动能量和热能转换成为机械动力，以便驱动车辆。这使得车辆省去了发动机的 起动机和起动电源。
另外还有一些改善效率的措施被集成到HEIHE之中：
缸内催化金属网：
在第一气缸中，安装在气缸内的催化金属网被用来增强蒸汽在燃烧室高温下裂解成为氢 气和氧气的过程，并且还促进未燃烧碳氢化合物的蒸汽裂变和/或蒸汽氢裂变过程。所有这些 裂变过程都将导致含有热能的可燃性气体的增加。
在第二气缸中，安装在气缸内的催化金属网被用来促进空气—燃油混合气及其废气的二 次燃烧，或者是用来促进废气在新鲜空气中的进一步氧化，以降低废气排放，并捕获空气— 燃油混合气及其废气的二次燃烧所释放的热能。其第二气缸将可用作特殊的带有催化转换媒 体的热反应器，用以消除或减少一次空气—燃油燃烧所产生的废气污染物。在上述第一气缸 中所发生的所有裂变过程在温度允许的情况下，都有可能在第二气缸中重复发生。
分段燃烧。分段燃烧可以通过对双联复合式气缸施加先浓后稀的不同的空气—燃油混合 比来加以实现。这有助于提高燃油的燃烧效率，并有助于降低废气排放。
环绕于气缸外围的水套可以用做工质的超级加热器，以便对将要注入气缸的工质进行预 热，同时还可对气缸进行冷却。
发动机缸体的绝热及活塞腔体的绝热。这将有助于减少从发动机缸体所丧失的热能。
热能回收。利用热交换器来吸收制动能量再生时对空气进行压缩所产生的热能，并将载 有热能的工质存储在真空绝热的储热箱中以备后用。
微型计算机以现有的弱电方式与本发明高效集成式热机中的无凸轮电磁驱动阀门相连 接，以控制无凸轮电磁驱动阀门的启闭。这种结构的阀门将有助于无限制的可变阀门定时， 从而使得本专利所披露的HEIHE能够通过编程来实现密勒过程(Miller Cycle)和/或阿金森 过程(Atkinson Cycle)，甚至是其它改善效率的过程。这种由微型计算机控制的阀门同样也 可以把HEIHE配置成为AC模式或者CAE模式来实现制动能量再生。
因此，可以预期高效集成式热机，即HEIHE机将会对未来的车辆和动力设备带来巨大的 社会效益与经济效益，并为消费者提供价廉物美且节能减排的动力机械。毫无疑问，本项发 明必将对传统的内燃机带来革命性的变革。
不言而喻，前面的概述以及后面的详述都是示范性以及解释性的文字叙述。然而对于一 项专利发明而言，仅仅靠文字叙述难免缺乏约束能力。本专利说明书所附带的设计图纸，是 本专利说明书中至关重要并且不可分割的组成部分。它们与文字叙述一起描绘出本发明的实 施实例，从而将更为详尽地阐明本发明的原理。
附图说明
本发明的特点及其优越性可以通过参考以下附图来获得更为深刻的理解。这对于那些熟 悉专业技术的内行人士来说就更为容易理解。
图1是与本发明相关的HEIHE基本结构图。
图2是与本发明相关的HEIHE时序波形图。
图3是与本发明相关的HEIHE的废气驱动阀门(EAV)工作原理图，其曲轴转角位于起 点后450度或810度。
图4是与本发明相关的HEIHE的废气驱动阀门(EAV)工作原理图，其曲轴转角位于起 点后540-x度或900-x度。
图5是与本发明相关的HEIHE的废气驱动阀门(EAV)工作压力差和垂直位移图。
图6是与本发明相关的HEIHE工作于空气压缩机(AC)模式的时序波形图。
图7是与本发明相关的HEIHE工作于压缩空气发动机(CAE)模式的时序波形图。
图8是与本发明相关的HEIHE的支持AC模式和CAE模式的气压存储和热存储系统结构 图。
图9是与本发明相关的HEIHE的热力学结构图，其发动机缸体与活塞腔具有绝热包装， 并附有水套作为流体超级加热器，以及缸内催化金属网。
图10A是与本发明相关的HEIHE的横向截面剖视图，图10B为纵向截面剖视图，双联 气缸匀热水套的结构原理图及其载热流体的流向示意图。
图11是与本发明相关的HEIHE的燃油转换效率综述表。
图12是与本发明相关的HEIHE的燃油转换效率图谱。
图中：1.发动机缸体，2.喷射式增压泵，3.单向阀，4.蒸发式中间冷却器，5.燃油喷射 器，6.空气滤清器，7.排气口，8.曲轴，9.空气存储容器，10.压力室，11.第一气缸，12.储 气阀，13.火花塞，14.流体注入器，15.充气阀，16.传输阀门，17.第一活塞，18.第一连杆， 19.第二连杆，20.第二活塞，21.第二气缸，22.增压阀，23.火花塞，24.截止阀，25.进气 阀，26.排气阀门，27.废气导管，28.通风管，29.废气排放通道，30.单向阀，31.截止阀， 32.EAV上压力缸，33.EAV塞柱，34.EAV塞柱导气开口，35.EAV下气缸，36.承压头，37.第 一热交换器，38.第二热交换器，39.热流体泵，40.载热流体，41.储热箱，42.载热流体 导管，43.绝热材料，44.电热元件，45.截止阀，46.水套，47.流体导管，48.缸内催化 金属网，TC：上止点，BC：下止点。
本发明所述的高效集成式热机具有：
双联复合式气缸结构，其中的双联复合式气缸结构至少包含一对双联气缸，即第一气缸 和第二气缸，它们同时被集成在同一汽缸体之中，并相互靠近，第二气缸的容积大于第一气 缸，两个气缸中轴线的夹角为0度至200度，第一气缸为空气—燃油混合气的一次燃烧/膨胀 气缸，第二气缸为空气—燃油混合气的二次燃烧/膨胀气缸，同时第一气缸还为蒸汽的一次膨 胀气缸，第二气缸为蒸汽的二次膨胀气缸；
所述的第一气缸包含第一活塞及其连杆，第一气缸的顶端至少装有一具储气阀门、充气 阀门、火花塞以及流体注入器，储气阀门与压缩空气存储容器相连通；所述的第二气缸包含 第二活塞及其连杆，第二气缸的顶端至少装有一具增压阀门、进气阀门以及火花塞，进气阀 门与空气滤清器或空气入口相连通；第一气缸与第二气缸的燃烧室中都至少装有一具缸内催 化金属网；
所述第一气缸中的第一活塞与第二气缸中的第二活塞通过连杆与曲轴相互交连，两个活 塞在曲轴上相互交连的曲轴旋转角度差为0度至270度；
所述第一气缸与第二气缸之间至少装有一具缸间传输阀门，其第二气缸与排气口之间至 少装有一具排气阀门，缸间传输阀门和排气阀门可以是塞柱式阀门，也可以是其它形式的阀 门；
在所述增压阀门的出口处装有蒸发式中间冷却器和喷射式增压泵，增压阀门的出口与蒸 发式中间冷却器的入口相连接，蒸发式中间冷却器的出口与喷射式增压泵的出口相连接，喷 射式增压泵的出口则连通到充气阀门的入口处，蒸发式中间冷却器还起到对压缩空气的中间 暂时存储的作用；
在蒸发式中间冷却器的内壁上安装燃油喷射器，燃油被定时定量地喷射到蒸发式中间冷 却器中；
具有环绕于双联复合式气缸外围的使得两个气缸温度均匀的匀热水套，载热流体在匀热 水套中循环流动，匀热水套内部具有斜向导流沟槽与导流传热栅条，以便实现载热流体无源 自然对流循环，也可以在载热流体循环回路的低温区段加装循环泵来实现有源强制对流循环；
所述双联复合式气缸的缸体为绝热材料所覆盖，其活塞腔体有绝热材料填充。
本发明为一种带组合式热功转换过程的高效率集成式热机，简称为HEIHE。HEIHE由多 种工质膨胀所驱动的多种做功冲程在热机中被集成为一体。这些不同的工质包括空气—燃油 混合气、蒸汽和空气混合式制动能量再生模式下的压缩空气。双联复合式气缸结构为三种不 同工质的膨胀提供了场所，并且能够捕获工质排放和制动过程所损失的能量。这种结构使得 HEIHE能够工作在由十二个冲程所组成的六个工作周期中。在这六个工作周期中，有四个周 期包含了四种不同的做功冲程，但仅有一种做功冲程消耗燃油。所以，燃油转换效率就能够 大为提高，甚至是比普通内燃机(ICE)翻一番。
HEIHE机的组合式热功转换过程中包含下列四种做功冲程：
一次空气—燃油做功冲程——在第一气缸中的一次空气—燃油的燃烧与膨胀，这是与 普通内燃机相同的基本做功冲程；
二次空气—燃油做功冲程——在第二复合气缸中的二次空气—燃油的燃烧与膨胀；
一次蒸汽做功冲程——在第一气缸中的一次蒸汽产生与膨胀；
二次蒸汽做功冲程——在第二复合气缸中的二次蒸汽膨胀。
多种工质包括空气—燃料燃烧产物、蒸汽以及空气混合式制动能量再生模式下的压缩空 气。
除了上面四种做功冲程之外，下面一些效率改进措施也被集成到了HEIHE之中：
取消冷却系统：由于燃烧室流体注入的内部冷却效应以及双联气缸匀热水套的外部匀热 效应，对于常规内燃机必不可少的冷却系统就不再需要了。其中的载热流体既可以采用常规 水质冷却液，也可以采用耐热的导热油料，例如硅油、矿物油甚至发动机润滑油。因此就能 够减少散热器和水泵的重量，也可以消除水泵对于机械功率的消耗。
废气驱动阀门(EAV)：EAV是由废气的气动压力所驱动的废气排放阀门，它并不消耗 发动机的的机械功率，而是利用了废气中的剩余能量。
喷射式超级增压：在某个工作过程中，第二气缸可以被用来作为活塞式空气压缩机，以 通过一个中间空气存储容器来把新鲜空气增压到第一气缸之中。空气存储容器中的增压空气 可以被用来驱动喷射泵，在压缩空气冲向第一气缸之际，就能够把更多的凉爽新鲜空气送入 第一气缸。压缩空气通过喷射泵喷射时所产生的膨胀还能够起到降温的作用。
蒸发式中间冷却器：蒸发式中间冷却器可以安装于双联复合式气缸之间，上述空气存储 容器同样也将起到蒸发式中间冷却器的作用。在增压冲程中，液体燃料将被定时定量地注入 到蒸发式中间冷却器中。于是燃料就在蒸发式中间冷却器中进行蒸发，从而吸收压缩空气所 产生的热量，这种热量反过来又促使更多的燃油蒸发成为空气—燃油混合气。这种加热的蒸 发再加上喷射泵过程将导致均匀而细腻的空气—燃油混合气。
通过压缩空气进行的制动能量再生(空气混合式动力)：在车辆的减速和/或制动过程中 HEIHE将工作在空气压缩机模式(AC)，把车辆的动能分别转换成为气动能量和热能分别存 储起来。在车辆的加速和/或者起步过程中，HEIHE将工作于压缩空气发动机模式(CAE)， 把所存储的气动能量和热能转换成为机械动力，以便驱动车辆。这使得车辆省去了发动机的 起动机和起动电源。
另外还有一些改善效率的措施被集成到HEIHE之中：
缸内催化金属网：
在第一气缸中，安装在气缸内的催化金属网被用来增强蒸汽在燃烧室高温下裂解成为氢 气和氧气的过程，并且还促进未燃烧碳氢化合物的蒸汽裂变和/或蒸汽氢裂变过程。所有这些 裂变过程都将导致含有热能的可燃性气体的增加。
在第二气缸中，安装在气缸内的催化金属网被用来促进空气—燃油混合气及其废气的二 次燃烧，或者是用来促进废气在新鲜空气中的进一步氧化，以降低废气排放，并捕获空气— 燃油混合气及其废气的二次燃烧所释放的热能。其第二气缸将可用作特殊的带有催化转换媒 体的热反应器，用以消除或减少一次空气—燃油燃烧所产生的废气污染物。在上述第一气缸 中所发生的所有裂变过程在温度允许的情况下，都有可能在第二气缸中重复发生。
分段燃烧。分段燃烧可以通过对双联复合式气缸施加先浓后稀的不同的空气—燃油混合 比来加以实现。这有助于提高燃油的燃烧效率，并有助于降低废气排放。
环绕于气缸外围的水套可以用做工质的超级加热器，以便对将要注入气缸的工质进行预 热，同时还可对气缸进行冷却。
发动机缸体的绝热及活塞腔体的绝热。这将有助于减少从发动机缸体所丧失的热能。
热能回收。利用热交换器来吸收制动能量再生时对空气进行压缩所产生的热能，并将载 有热能的工质存储在真空绝热的储热箱中以备后用。
微型计算机以现有的弱电方式与本发明高效集成式热机中的无凸轮电磁驱动阀门相连 接，以控制无凸轮电磁驱动阀门的启闭。这种结构的阀门将有助于无限制的可变阀门定时， 从而使得本专利所披露的HEIHE能够通过编程来实现密勒过程(Miller Cycle)和/或阿金森 过程(Atkinson Cycle)，甚至是其它改善效率的过程。这种由微型计算机控制的阀门同样也 可以把HEIHE配置成为AC模式或者CAE模式来实现制动能量再生。
因此，可以预期高效集成式热机，即HEIHE机将会对未来的车辆和动力设备带来巨大的 社会效益与经济效益，并为消费者提供价廉物美且节能减排的动力机械。毫无疑问，本项发 明必将对传统的内燃机带来革命性的变革。
不言而喻，前面的概述以及后面的详述都是示范性以及解释性的文字叙述。然而对于一 项专利发明而言，仅仅靠文字叙述难免缺乏约束能力。本专利说明书所附带的设计图纸，是 本专利说明书中至关重要并且不可分割的组成部分。它们与文字叙述一起描绘出本发明的实 施实例，从而将更为详尽地阐明本发明的原理。
附图说明
本发明的特点及其优越性可以通过参考以下附图来获得更为深刻的理解。这对于那些熟 悉专业技术的内行人士来说就更为容易理解。
图1是与本发明相关的HEIHE基本结构图。
图2是与本发明相关的HEIHE时序波形图。
图3是与本发明相关的HEIHE的废气驱动阀门(EAV)工作原理图，其曲轴转角位于起 点后450度或810度。
图4是与本发明相关的HEIHE的废气驱动阀门(EAV)工作原理图，其曲轴转角位于起 点后540-x度或900-x度。
图5是与本发明相关的HEIHE的废气驱动阀门(EAV)工作压力差和垂直位移图。
图6是与本发明相关的HEIHE工作于空气压缩机(AC)模式的时序波形图。
图7是与本发明相关的HEIHE工作于压缩空气发动机(CAE)模式的时序波形图。
图8是与本发明相关的HEIHE的支持AC模式和CAE模式的气压存储和热存储系统结构 图。
图9是与本发明相关的HEIHE的热力学结构图，其发动机缸体与活塞腔具有绝热包装， 并附有水套作为流体超级加热器，以及缸内催化金属网。
图10A是与本发明相关的HEIHE的横向截面剖视图，图10B为纵向截面剖视图，双联 气缸匀热水套的结构原理图及其载热流体的流向示意图。
图11是与本发明相关的HEIHE的燃油转换效率综述表。
图12是与本发明相关的HEIHE的燃油转换效率图谱。
图中：1.发动机缸体，2.喷射式增压泵，3.单向阀，4.蒸发式中间冷却器，5.燃油喷射 器，6.空气滤清器，7.排气口，8.曲轴，9.空气存储容器，10.压力室，11.第一气缸，12.储 气阀，13.火花塞，14.流体注入器，15.充气阀，16.传输阀门，17.第一活塞，18.第一连杆， 19.第二连杆，20.第二活塞，21.第二气缸，22.增压阀，23.火花塞，24.截止阀，25.进气 阀，26.排气阀门，27.废气导管，28.通风管，29.废气排放通道，30.单向阀，31.截止阀， 32.EAV上压力缸，33.EAV塞柱，34.EAV塞柱导气开口，35.EAV下气缸，36.承压头，37.第 一热交换器，38.第二热交换器，39.热流体泵，40.载热流体，41.储热箱，42.载热流体 导管，43.绝热材料，44.电热元件，45.截止阀，46.水套，47.流体导管，48.缸内催化 金属网，TC：上止点，BC：下止点。
具体实施方式
以下的发明详述将以本发明在近期的优先实施实例为准，各实施实例的详细结构请参见 附图。
本发明涉及高效率集成式热机(HEIHE)。HEIHE是集成了组合式热功转换过程的热机。 双联复合式气缸被用作HEIHE的基本结构，其第一气缸为一次燃烧/膨胀气缸，其第二气缸 为二次燃烧/膨胀气缸。由各种工质膨胀所驱动的做功冲程被集成到同一个发动机的缸体之 中。这些工质包括：空气—燃油燃烧产物、蒸汽以及在空气混合式制动能量再生模式下的压 缩空气。其它多种改善效率的方法也能够被集成到HEIHE之中，诸如废气驱动阀门(EAV)、 喷射式超级增压器、蒸发式中间冷却器和缸内催化金属网。其结果，HEIHE的运行包含了四 种不同的做功冲程，但是仅仅消耗一次空气—燃油做功冲程所需的燃料。
以下的发明详述将尽可能地深入具体细节，以便于人们对本发明有更为深刻的理解。对 于那些熟悉专业技术的内行人士来说，尤其值得卿佩的是他们无需知道太多的具体细节就能 够对本发明进行实施。而在某些场合，那些为公众所熟知的情节就将被一笔带过，以免暄宾 夺主。
参见图1。图为与本发明相关的HEIHE基本结构图。HEIHE基本上是一种往复式发动机 结构。其活塞在气缸中往复来回运动，通过连杆和曲轴机构来传输功率，从而获得动力输出。 HEIHE在同一个发动机缸体(1)中，包含了一对双联的复合式气缸。其中第一气缸(11)为 一次燃烧和/或膨胀气缸；第二气缸(21)则为二次燃烧和/或膨胀气缸。第一气缸与第一活 塞(17)相交连，而第二气缸则与第二活塞(20)相交连。这两个活塞在双联气缸中通过曲 轴(8)来进行机械连接，其曲轴的转角相差180度。于是当第一活塞位于上止点(TC)时， 第二活塞恰好位于下止点(BC)，反之亦然。第二气缸具有比第一气缸更大的容积，以使得 在工质从第一气缸传输到第二气缸时的复合持续膨胀得以发生。较大的气缸容积将导致较大 的活塞直径(缸径)和/或活塞位移(冲程)，如图1所示。
继续参见图1。第一连杆(18)将第一活塞(17)交连于曲轴(8)，而第二连杆(19) 也将第二活塞(20)交连于曲轴(8)。在第一气缸顶端，装有储气阀门(12)、火花塞(13)、 流体注入器(14)、以及充气阀门(15)。传输阀门(16)用来控制工质在双联气缸之间的 传输，该阀门可为塞柱式阀门，是由废气压力来进行纵向驱动的。压力室(10)保持和提供 了传输阀门(16)所需的工作压力，储气阀(12)用来控制第一气缸(11)与空气存储容器 (9)之间的气流。充气阀门(15)则用于控制喷射超级增压泵(2)与第一气缸(11)之间 的气流。
在第二气缸顶端，装有增压阀门(22)、火花塞(23)以及进气阀门(25)。排气阀门 (26)可为塞柱式阀门，用于控制从第二气缸(21)到排气口(7)的工质排放，该阀门是由 来自第二气缸(21)的废气压力所垂直驱动的。压力室(10)保持和提供了阀(26)所需的 工作压力。增压阀门(22)用于控制从第二气缸(21)到蒸发式中间冷却器(4)之间的气流。 进气阀门(25)用于控制第二气缸(21)和空气滤清器(6)之间的气流。燃油喷射器(5) 安装于蒸发式中间冷却器(4)的内壁上，以便于将燃油喷雾到蒸发式中间冷却器的腔体之中。 单向阀门(3)安装于喷射泵(2)的新鲜空气入口处，用以限制输入空气的流向。与压力室 (10)相接的截止阀门(24)用于控制将要进入压力室(10)的增压气流，以便维持其适当 的工作压力。
基于工质在双联气缸中的复合膨胀，两种不同的工质将导致两种不同的做功冲程：首先 是空气—燃油混合气的燃烧与膨胀，然后是蒸汽膨胀。蒸汽是在空气—燃油废气排气冲程完 成之后通过流体注入的方式而产生的，此举将吸收气缸内的残余热量，并导致气缸内的蒸汽 冷却效应。
两种不同的工质在两个不同的气缸中的膨胀，将可获得四种不同的做功冲程。这四种不 同的做功冲程是：
一次空气—燃油做功冲程——在第一气缸中的一次空气—燃油的燃烧与膨胀，这是与 普通内燃机相同的基本做功冲程；
二次空气—燃油做功冲程——在第二复合气缸中的二次空气—燃油的燃烧与膨胀；
一次蒸汽做功冲程——在第一气缸中的一次蒸汽产生与膨胀；以及
二次蒸汽做功冲程——在第二复合气缸中的二次蒸汽膨胀。
上述四种不同的做功冲程被巧妙地编排到六个周期之中，以获得最大的机械效率和热力 学效率。在每个周期都有两个不同的冲程分别同时发生于双联复合式气缸之中，从而导致 HEIHE的全部工作时序包含十二个冲程。这十二个冲程覆盖了HEIHE全部工作时序中三次完 整的曲轴回转，或说是曲轴转角(CA)转过1080度。换句话说，本发明所披露的HEIHE是 一种十二冲程的发动机。
参见图2。图为与本发明相关的HEIHE的时序波形图。其中活塞的位移量和阀门的动作 被显示在坐标中，横坐标的范围覆盖HEIHE全部工作时序的12个冲程，即三次完整的曲轴 回转，或曲轴转角的1080度。在这6个工作周期中，每个周期占据180度曲轴转角。下面 列出了分布于6个周期中相应的12个冲程：
第一周期：0度至180度曲轴转角。第一气缸为充气冲程，第一活塞从TC到BC向下运 动；第二气缸则为蒸汽排气冲程，第二活塞从BC到TC向上运动。充气阀门(15)和排气阀 门(26)在此周期中都是打开的。
第二周期：180度至360度曲轴转角。第一气缸为压缩冲程，第一活塞从BC到TC向上 运动；第二气缸则为进气冲程，第二活塞从TC到BC向下运动。在此周期中，进气阀门(25) 是打开的。
第三周期：360度至540度曲轴转角。第一气缸为一次空气—燃油做功冲程，第一活塞 从TC到BC向下运动；第二气缸则为增压冲程，第二活塞从BC到TC向上运动。在360度 曲轴转角时，第一气缸将进行点火。在此周期中，增压阀门(22)是打开的。
第四周期：540度至720度曲轴转角。第一气缸为空气—燃油排气冲程，第一活塞从BC 到TC向上运动；第二气缸则为二次空气—燃油做功冲程，第二活塞从TC到BC向下运动。 在此周期中，双联气缸之间的传输阀门(16)是打开的。
第五周期：720度至900度曲轴转角。第一气缸为一次蒸汽做功冲程，第一活塞从TC到 BC向下运动；第二气缸则为空气—燃油排气冲程，第二活塞从BC到TC向上运动。在720 度曲轴转角时，第一气缸中将进行流体注入。在此周期中，排气阀门(26)是打开的。
第六周期：900度至1080度曲轴转角，第一气缸为蒸汽排气冲程，第一活塞从BC到TC 向上运动；第二气缸为二次蒸汽做功冲程，第二活塞从TC到BC向下运动。在此周期中，气 缸之间的传输阀门(16)是打开的。
HEIHE的工作原理：
HEIHE的曲轴转角位于0度起点。第一活塞位于上止点TC，而第二活塞则位于下止点 BC。充气阀门是开启的，以便空气—燃油混合气能充入第一气缸。排气阀门(26)同样也是 开启的，以便于前一次工作时序中膨胀完毕的蒸汽排出第二气缸。其余阀门则保持关闭。
HEIHE的曲轴转角位于第一周期中点90度。第一活塞正在向下运动而第二活塞正在向上 运动。充气阀门是开启的，所以来自蒸发式中间冷却器预先备妥并带有压力的空气—燃油混 合气就会被充入到第一气缸。排气阀门同样也是开启的，所以前一次工作时序膨胀完毕的蒸 汽就会从第二气缸中排放出去。其它阀门则保持关闭。在此周期中，充气冲程和蒸汽排气冲 程分别发生于第一气缸和第二气缸。
HEIHE的曲轴转角位于第二周期中点270度。第一活塞正在向上运动而第二活塞正在向 下运动。充气阀门是关闭的，所以空气—燃油混合气在第一气缸中就会受到压缩。进气阀门 同样也是开启的，所以新鲜空气就会被吸入到第二气缸中。其它阀门则保持关闭。在此周期 中，压缩冲程和进气冲程分别发生于第一气缸和第二气缸。
HEIHE的曲轴转角位于点火点360度。第一活塞位于TC，而第二活塞则位于BC。所有 的阀门都是关闭的。第一气缸顶端的火花塞(13)对经过压缩的空气—燃油混合气进行点火， 从而在第一气缸中引发空气—燃油混合气的燃烧与膨胀过程。在此时刻，第二气缸中已经充 满了新鲜空气，以便在下面的增压冲程被打入到蒸发式中间冷却器中去。
HEIHE的曲轴转角位于第三周期中点的450度。第一活塞正在向下运动而第二活塞正在 向上运动。第一气缸内的所有阀门都将保持关闭，因而空气—燃油混合气可以在其中燃烧和 膨胀。燃烧和膨胀的结果使得第一气缸在第一活塞向下运动的同时做正功。这是与本发明相 关的HEIHE的第一种基本的做功冲程，可称为一次空气—燃油混合气燃烧和膨胀冲程，或一 次空气—燃油做功冲程。增压阀门同样也是开启的，所以新鲜空气可以从第二气缸打入到蒸 发式中间冷却器中。与此同时，燃油被喷射到蒸发式冷却器中。这些被喷射进去的燃油，伴 随着同时进入的增压空气，吸收空气被压缩所产生的热量，并在蒸发式中间冷却器中进行蒸 发。其它阀门将保持关闭。在此周期中，一次空气—燃油做功冲程和增压冲程分别发生于第 一气缸和第二气缸。
除了对压缩空气的中间冷却功能和对燃油的汽化功能之外，蒸发式中间冷却器同样还起 到对压缩空气的中间暂时存储的作用。燃油将在其中继续得到蒸发汽化，直到后来被排放出 去。结果所得到的空气—燃油混合气将被压缩在蒸发式中间冷却器之中，直到四个周期之后， 当下一个充气冲程到来之时。关于该周期请参见图4及其文字叙述。
HEIHE的曲轴转角位于第四周期中点的630度。第一活塞正在向上运动，而第二活塞正 在向下运动。气缸之间的传输阀门(16)是开启的，所以膨胀完毕的空气—燃油燃烧废气正 在从第一气缸被传输到第二气缸之中。其它阀门将保持关闭。由于第二气缸的容积比第一气 缸大，从第一气缸排出的空气—燃油废气仍然有进一步膨胀的空间。于是，第二气缸就会在 第二活塞向下运动的同时做正功。这是本发明中HEIHE的第二种重要的做功冲程，被称为二 次空气—燃油的燃烧和膨胀冲程，或二次空气—燃油做功冲程。在此周期中，空气—燃油排 气冲程和二次空气—燃油做功冲程分别发生于第一气缸和第二气缸。为增进空气—燃油混合 气的二次燃烧，可以在第二气缸中进行一次或多次点火。
HEIHE的曲轴转角位于流体注入点720度。第一活塞位于上止点(TC)而第二活塞位于 下止点(BC)。除了排气阀门(26)之外的所有阀门都将保持关闭。第一气缸顶端的流体注 入器(14)正在将流体注入到第一气缸的燃烧室中。与此同时，排气阀门(26)是开启的。 第二气缸充满了膨胀完毕的空气—燃油废气，这些废气即将通过排气口(7)排出到HEIHE 之外。水可以被用做注入到第一气缸中的流体。在此情况下，应当选用纯水、去离子水或蒸 馏水以避免在气缸中留下残余化学沉积物。在此还可以采用其它流体来达到同样目的，例如 压缩空气或乙醇的水溶液。前者绝无残余化学沉积物，后者还可同时起到防冻的作用。
HEIHE的曲轴转角位于第五周期中点的810度。第一活塞正在向下运动，而第二活塞正 在向上运动。第一气缸中所有阀门都将保持关闭。已经被注入的流体将吸收气缸壁内上次空 气—燃油混合气燃烧的残余热量，并且被急剧加热而产生蒸汽，在第一气缸中发生蒸汽膨胀。 于是第一气缸在第一活塞向下运动的同时做正功。这是与本发明相关的HEIHE的第三种重要 做功冲程，可称为一次蒸汽膨胀冲程，或一次蒸汽做功冲程。在第二气缸中，排气阀门(26) 是开启的，因而已经完成膨胀过程的二次空气—燃油废气能够从第二气缸中通过排气口(7) 被排放到HEIHE之外。在此周期内，第一气缸顶端的火花塞(13)针对正在膨胀的蒸汽进行 多次点火，以便点燃正在膨胀的蒸汽中可能含有的可燃/助燃性气体，诸如氢气、氧气、一氧 化碳、甲烷和其它未燃烧的碳氢化合物，从而使得第一气缸中的膨胀更强有力。在此周期中， 一次蒸汽做功冲程和二次空气—燃油排气冲程分别发生在第一气缸和第二气缸。
需要强调的是，上述周期中的可燃性气体将来自诸如蒸汽的热分解，以及未燃烧碳氢化 合物的蒸汽裂变和/或蒸汽氢裂变之类的化学过程。例如，在燃烧室的高温下，蒸汽将被热分 解为氢气和氧气。未燃烧的碳氢化合物也将在高温蒸汽作用下被化学分解为氢气、氧气、一 氧化碳、甲烷和其它小分子碳氢化合物。更进一步，未燃烧的碳氢化合物会发生氢裂变，从 而裂解成为更加轻小更为易燃的碳氢化合物。所有这些裂变产物都是可燃的，都包含了潜在 的热能。所以，必须对其进行燃烧以将其潜在能量转化成为热能。一旦热能在蒸汽做功冲程 期间在气缸中释放出来，就能产生额外的动力。
HEIHE的曲轴转角位于第六周期中点的990度。第一活塞正在向上运动，而第二活塞正 在向下运动。气缸之间的传输阀门(16)是开启的，已经膨胀完毕的废蒸汽正在从第一气缸 被传输到第二气缸之中。其它阀门将保持关闭。由于第二气缸的容积比第一气缸大，所以从 第一气缸排放出来的废蒸汽仍然有继续膨胀的空间，于是第二气缸随着第二活塞的向下运动 而做正功。这是与本发明相关的HEIHE的第四种重要做功冲程，可称为二次蒸汽膨胀冲程， 或二次蒸汽做功冲程。在此周期中，蒸汽排放冲程和二次蒸汽做功冲程分别发生与第一气缸 和第二气缸。基于与前一周期相同原理，两个气缸顶端的火花塞(13)和(23)在此期间将 针对正在膨胀中的蒸汽进行多次点火，这些蒸汽中可能含有可燃气体，诸如氢、氧、一氧化 碳、甲烷、未燃烧的碳氢化合物之类，从而使得第二气缸中的膨胀更加有力。
图1中所示与压力室(10)相接的截止阀门(24)是个特殊器件，它不仅用来调节将要 被充入到压力室(10)的增压气流，以维持其适当的工作压力，同时也可用来降低将要被注 入到蒸发式中间冷却器中的增压气流的流量。每当截止阀门(24)在电磁驱动下开启时，将 把一部分特定份量的增压气流分流到压力室(10)中。其结果就可以在压力室(10)中维持 恰当的工作压力。另一方面，减低增压气流的份量将改变充入到第一气缸之中的气体容积。 于是双联复合式气缸的最终复合压缩比就将发生改变，从而获得受控可变压缩比的效果。
可变压缩比是本发明所披露的HEIHE的特色之一，它将使得HEIHE在运行过程中根据负 载的变化改变压缩比成为可能。为实现在不增加速度的情况下提高功率，就必须多烧燃油， 因而就必须消耗更多的空气。由于超级增压器已经被集成到HEIHE之中以增加充气压力，显 然这将导致不必要的空气—燃油混合气的爆震。而避免这种爆震的方法只有降低压缩比。这 样做可以在必要时随心所欲地大幅度提高功率，结果可以导致体积轻巧的发动机也能够如同 大型发动机一样在需要时达到较大的功率。可变压缩比正在日益得到广泛运用，它将改善燃 油转换效率并提供更好的燃油经济性。
进一步讲，可变压缩比将使得HEIHE与多种燃料相兼容。许多替代燃料诸如甲醇、乙醇、 乙炔、液化石油气(LPG)、天然气以及氢气，它们与汽油相比具有较高的辛烷值。所以在 辛烷值许可的情况下，要想获得更高的燃油转换效率，就必须提高压缩比。在仍然采用汽油 做为HEIHE燃料的情况下，为获得更高的燃油转换效率，可以考虑采用压燃直喷(CIDI)来 作为HEIHE的一次燃烧方式。在此情形之下可变压缩比就是绝对必需的。这样一来，第一气 缸顶端的火花塞(13)就要被燃油喷射器所取代，以便于将汽油类的燃料直接注入第一气缸。 显而易见的是，压燃直喷(CIDI)的燃烧方式将使得HEIHE与柴油燃料或生物柴油燃料相兼 容。
在图1中，阀门(16)和(26)可以被命名为废气驱动阀门(EAV)。顾名思义，他们 是由废气来进行驱动的。废气驱动阀EAV(16)为例示出了废气驱动阀门(EAV)的工作原 理。废气驱动阀EAV(26)的工作原理与废气驱动阀EAV(16)完全相同。其唯一区别仅在 于直径，废气驱动阀EAV(26)由于第二气缸中的排气压力较低而需要较大的直径。
参见图3。图中所示为与本发明相关的HEIHE的废气驱动阀门(EAV)的工作原理图，其 中HEIHE的曲轴转角位于做功冲程的中点450度或810度CA。第一活塞(17)正在向下运 动。废气驱动阀EAV(16)在做功冲程期间保持关闭。EAV压力室(10)保持正压力Peav。 电磁截止阀门(31)在做功冲程之前曾经打开过，并已将EAV上压力缸(32)充气至正压力 Peav。在EAV塞柱(33)的底端，设有通向第一气缸(11)底部的废气导管(27)。在做功 冲程的绝大部分向下行程期间，废气导管(27)与曲轴箱相连通，其间的压力基本上相当于 大气压力。由于EAV上气缸的压力Peav高于大气压力，因为压力差的缘故，EAV塞柱(33) 就被下压到EAV下气缸(35)的底端。结果使得废气驱动阀EAV(16)关闭。废气排放通道 (29)被EAV塞柱(33)所截断。在大多数情况下，压力室(10)内的截止阀门(31)和单 向阀门(30)也是关闭的。
参见图4。图中所示为与本发明相关的HEIHE的废气驱动阀门(EAV)的工作原理图，其 中HEIHE的曲轴转角位于做功冲程末端的540-x度或900-x度CA，也就是BC之前的x 度。第一活塞(17)的向下运动刚好超过废气导管(27)的开口处。在此时刻，正在膨胀的 废气的压力高于EAV上压力缸(32)压力Peav。于是废气就会冲入废气导管(27)之中， 并将承压头(36)以及EAV塞柱(33)推向上方。这样EAV(16)就开始开启的动作。EAV 塞柱(33)上升的结果使得EAV上压力缸的压力高于Peav。所以单向阀门(30)就被冲开， 气流随之被从上压力缸(32)挤入到EAV压力室(10)中。通风管(28)用于将曲轴箱的 空气引入EAV下气缸(35)。
HEIHE的废气驱动阀门(EAV)的工作原理：
其中HEIHE的曲轴转角位于做功冲程的终点540度或900度CA。第一活塞(17)的向 下运动刚好到达下止点BC，使废气导管(27)朝着第一气缸(11)全部开放。在此时刻，正 在膨胀的废气已经将承压头(36)以及EAV塞柱(33)推举达到EAV上压力缸(32)的顶端。 结果使得EAV(16)全部打开。第一气缸(11)中的废气于是就通过废气排放通道(29)和 EAV塞柱开口(34)被排放出去。
HEIHE的曲轴转角位于排气冲程始端的540+x度或900+x度CA，也就是BC之后的x 度。第一活塞(17)的向上运动刚好要超越废气导管(27)的开口处。在此时刻，废气导管 (27)中压力逐渐降低到曲轴箱的压力。但EAV塞柱(33)仍将被真空吸持在EAV上压力缸 (32)的顶端。这种真空来自压力室(10)内截止阀门(31)以及单向阀门(30)的同时截 止。结果使得EAV(16)保持开启，以便于工质的传输。
HEIHE的曲轴转角位于排气冲程的中点630度或990度CA。第一活塞(17)正在向上运 动。在此时刻，废气导管(27)中压力的已经降低到曲轴箱的压力。但EAV塞柱(33)仍将 被真空吸持在EAV上压力缸(32)的顶端。压力室(10)内截止阀门(31)以及单向阀门(30) 都将保持截止。结果使得EAV(16)保持开启，以便于工质的继续传输。
HEIHE的曲轴转角位于排气冲程的终点720度或1080度CA。第一活塞(17)已经到达 上止点TC，完成排气冲程。在此时刻，微型控制计算机就会发出复位脉冲，以将截止阀门(31) 打开。结果使得EAV压力室(10)中带压力的气体充入到EAV上压力缸(32)之中，并将 EAV塞柱(33)向下推移。废气驱动阀门EAV(16)于是就重新关闭。一旦EAV塞柱(33) 下移到EAV下压力缸(35)的底端，施加在压力室(10)内截止阀门(31)上的复位脉冲就 被撤销。于是截止阀门(31)就重新关闭。然而正向压力Peav将使得EAV(16)继续保持 关闭，直到下一排气冲程。
参见图5。图中所示为与本发明相关的HEIHE的废气驱动阀门(EAV)控制过程的波形图。 图中示出了废气驱动阀门(EAV)工作压力差与EAV塞柱垂直位移的关系。
废气驱动阀门(EAV)并不像普通内燃机中机械举升式阀门那样消耗机械功率，也不像 电磁阀门那样消耗电能，而是利用了即将排放出去的废气能量，使得更多宝贵的发动机机械 功率能够用于驱动负载。无可置疑，这将有利于改善发动机的机械效率。进一步说，它被安 放在双联复合式气缸之间，从而缩短了工质的传输通道。其结果是发动机的热效率也将得到 提高。它所带来的唯一问题是，作为工质的废气将会被泄漏到曲轴箱中。然而，这种现象将 有利于废气循环利用(EGR)。在排气冲程期间，曾经驱动过废气驱动阀门(EAV)后再从中 排放出来的废气，将因发动机缸体的吸热作用而被冷却，从而可导致较低温度的废气循环利 用(EGR)。较低温度的废气循环利用(EGR)将大大有益于燃油转换效率以及废气排放控制。
尽管废气驱动阀门(EAV)高效节能，但它需要利用废气能量来驱动，所以它只能用于 排气阀门。其它非排气阀门就得采用其它方式驱动的阀门。在此情况下，电磁驱动的阀门将 是最佳选择。它们不仅能够被微型计算机所控制，而且也能提供快速的控制响应和灵活的阀 门定时。这种独特的优点将有利于动态地改善流体的体积效率。它们的无凸轮的阀门机构， 同样也能避免摩擦所引起的机械能量损失，从而提高HEIHE的机械效率。最后，还可以采用 普通的凸轮轴驱动阀门，然而阀门定时的灵活性及其机械效率将会受到影响。
参见图6。图中所示为与本发明相关的HEIHE工作于空气压缩机模式(AC)的时序波形 图，图中示出了活塞位移与阀门位置随着曲轴转角而变化的关系。在空气压缩机模式(AC) 下，HEIHE将工作于二级空压机状态。其较大的第二气缸工作于一级压缩阶段，而较小的第 一气缸则工作于二级压缩阶段。压缩空气的压力在一级压缩阶段较低，并将在二级压缩阶段 被提高。空气压缩机模式(AC)只需要四个冲程。这四个冲程可以编排成两个周期，覆盖360 度的曲轴转角。于是，在HEIHE的全部三个全圆周的1080度CA全工作时序中，空气压缩机 (AC)将重复性地完成三遍空气压缩机时序。下面列出了与此相关的四个冲程。
第一周期：180度至360度CA。第二气缸为空气压缩机模式(AC)的进气冲程，其第二 活塞从TC到BC向下运动；第一气缸则为空气压缩机模式(AC)的压缩冲程，其第一活塞从 BC到TC向上运动。进气阀门(25)以及储气阀门(12)在此周期都是开启的。
第二周期：360度至450度CA。第二气缸为增压冲程，其第二活塞从BC到TC向上运 动；第一气缸则为充气冲程，其第一活塞从TC到BC向下运动。增压阀门(22)以及充气阀 门(15)在此周期是开启的。
HEIHE的曲轴转角位于空气压缩机模式(AC)的第一周期的中点，即270度CA。第二活 塞正在向下运动，而第一活塞正在向上运动。进气阀门是开启的，于是新鲜空气可以被吸入 到第二气缸之中。储气阀门也是开启的，所以前一次工作时序所获得的压缩空气将通过第一 热交换器(37)从第一气缸中被进一步压缩到空气存储容器中。这样就完成了二级空气压缩 的第二级。其它阀门将保持关闭。在此周期中，进气冲程和压缩冲程分别发生于第二气缸和 第一气缸。
HEIHE的曲轴转角位于空气压缩机模式(AC)的第二周期的中点，即450度CA。第二活 塞正在向上运动，而第一活塞正在向下运动。增压阀门是开启的，第二气缸中的新鲜空气通 过第二热交换器(38)被压入到第一气缸。充气阀门也是开启的，所以第二气缸中正在被压 缩的增压空气被充入到第一气缸之中。由于第一气缸的容积小于第二气缸，所以从第二气缸 传输到第一气缸的新鲜空气就被压缩。至此就完成了二级空气压缩的第一级。其它阀门则保 持关闭。在此周期中，增压冲程和充气冲程分别发生于第二气缸和第一气缸中。
参见图7。图中所示为与本发明相关的HEIHE工作于压缩空气发动机模式(CAE)的时序 波形图，图中示出了活塞位移与阀门位置随着曲轴转角而变化的关系。在压缩空气发动机模 式(CAE)下，HEIHE将成为二级压缩空气发动机。其较小的第一气缸工作于一级膨胀阶段， 而较大的第二气缸则工作于二级膨胀阶段。压缩空气的压力在一级膨胀阶段较高，但到二级 膨胀阶段会有所降低。对于本发明中HEIHE来说，压缩空气发动机模式(CAE)基本上就是 空气压缩机模式(AC)的逆向机械运行过程。压缩空气发动机模式(CAE)模式只需要四个 冲程。这四个冲程可以编排为两个周期，覆盖360度的曲轴转角。于是，在HEIHE的三个全 圆周1080度CA的全工作时序中，压缩空气发动机模式(CAE)将重复性地完成三遍工作时 序。下面列出了这四个相关的工作冲程。
第一周期，0度至180度CA。第一气缸为压缩空气发动机模式(CAE)的一级做功冲程， 其第一活塞从TC到BC向下运动；第二气缸则为压缩空气发动机模式(CAE)排气冲程，其 第二活塞从BC到TC向上运动。储气阀门(12)以及排气阀门(26)在此周期是开启的。
第二周期，180度至360度CA。第一气缸为排气冲程，其第一活塞从BC到TC向上运 动；第二气缸则为压缩空气发动机模式(CAE)的二级做功冲程，其第二活塞从TC到BC向 下运动。充气阀门(15)以及增压阀门(22)在此周期都是开启的。缸间传输阀门(16)在 此期间保持关闭。
HEIHE的曲轴转角位于压缩空气发动机模式(CAE)的第一周期的中点，即90度CA。第 一活塞正在向下运动，而第二活塞正在向上运动。储气阀门是开启的，于是存储在空气存储 容器中的压缩空气将通过第一热交换器(37)被送入到第一气缸之中。压缩空气的膨胀使得 第一活塞向下运动而做功。至此就完成了二级压缩空气膨胀的第一级。排气阀门(26)也是 开启的，所以前一次工作时序在第二气缸中已经膨胀完毕的压缩空气就将被排出HEIHE机之 外。其它阀门将保持关闭。在此周期中，压缩空气发动机模式(CAE)的一次做功冲程和排 气冲程分别发生于第一气缸和第二气缸。
HEIHE的曲轴转角位于压缩空气发动机模式(CAE)的第二周期的中点，即270度CA。 第一活塞正在向上运动，而第二活塞正在向下运动。缸间传输阀门EAV(26)在此周期被禁 止开启，因而是关闭的。但充气阀门(15)和增压阀门(22)都是开启的。于是在第一气缸 中膨胀完毕的压缩空气就将通过第二热交换器(38)被传送到第二气缸之中。由于第二气缸 的容积比第一气缸大，从第一气缸排出到第二气缸的压缩空气就会进一步膨胀。压缩空气的 膨胀使得第二活塞向下运动而做功。至此就完成了二级压缩空气膨胀的第二级。其它阀门将 保持关闭。在此周期中，压缩空气发动机模式(CAE)的排气冲程和二次做功冲程分别发生 于第一气缸和第二气缸。
在空气压缩过程中，将会产生热量，压缩空气的温度也会上升。这就会降低压缩空气的 存储容量，降低空压机(AC)模式的效率。另一方面，在压缩空气膨胀过程中，将会吸收热 量，同时压缩空气的温度也会降低。这就会减少压缩空气的体积容量，降低压缩空气发动机 模式(CAE)的效率。所以两级热交换器(37)和(38)在空压机(AC)模式被用来冷却压 缩空气，而在压缩空气发动机模式(CAE)则被用来加热压缩空气。为了把在AC模式下产生 的热能存储起来以备在压缩空气发动机模式(CAE)下利用，可以采用真空绝热的储热箱来 收集热量，并在闲置模式下存储热量，然后在压缩空气发动机模式(CAE)下再将热量释放 出来。其结果，AC模式和CAE模式的热效率就能够双双得到改善，原先的热量损失就可以被 回收来供空气混合式制动能量再生系统使用。
参见图8。图中所示为与本发明相关的HEIHE的热循环原理图。第一热交换器(37)被 安装在空气存储器(9)和第一气缸(11)之间。第二热交换器(38)则被安装于第一气缸(11) 和第二气缸(21)之间。这两个热交换器(37)和(38)在热力学上是通过载热流体泵(39) 与储热箱(41)串联在一起的。储热箱(41)具有真空绝热结构，其中装有载热流体(40) 和电热元件(44)。它们通过载热流体导管(42)构成一个封闭的载热流体循环回路。载热 流体管路(42)的热端被绝热材料(43)所包裹。在AC模式下，载热流体泵(39)将迫使 载热流体顺时针方向循环，如图中载热流体导管附近的箭头所示。温度较低的载热流体(40) 从储热箱(41)的底部出来，通过载热流体泵(39)进入第二热交换器(38)，对第二气缸 (21)排出的压缩空气进行冷却。载热流体将继续流入到第一热交换器(37)之中，对第一 气缸(11)所排出的压缩空气进行冷却。最后，被加热的载热流体被送回到储热箱(41)进 行热量存储。在压缩空气被冷却的同时，热能将被回收、传输并存储到储热箱(41)中。在 CAE模式下，载热流体回路将逆向循环运行，载热流体泵(39)迫使载热流体顺时针方向运 行(无箭头显示)。温度较高的载热流体(40)将从储热箱(41)的顶部出来，进入第一热 交换器(37)，对将要送到第一气缸(11)去的压缩空气进行加热。载热流体然后继续流向 第二热交换器(38)，对即将送入第二气缸(21)的压缩空气进行加热。最后经过使用的载 热流体就通过载热流体泵(39)被回馈到储热箱(41)的底部。
在图8中，当系统运行温度低于120摄氏度时，可以采用常规水质冷却液作为载热流体。 而当系统运行温度高达250度摄氏时，耐热的导热油料，例如硅油、矿物油甚至发动机润滑 油都可用作为载热流体。储热箱(41)中的电热元件(44)用来对载热流体(40)进行加热， 以便将电能转变成为存储在储热箱(41)中的热能，从而实现“插入式”的充热蓄能。
作为热能存储设备，储热箱(41)还可以用来捕获和存储发动机废气的热能。与本发明 相关的HEIHE的CAE模式随后将会把这种存储起来的热能转变成为机械能。
仍参见图8。与第一热交换器(37)相接的截止阀门(45)用来调节压力室(10)与空 气存储容器(9)之间的压缩空气流。如前所述，压力室(10)需要一个适当的工作压力。如 果压力室(10)内部的压力高于所需要的压力，和/或当HEIHE不需要消耗绝大部分的增压 气流而要把更多的新鲜空气分流到压力室(10)中，那么与第一热交换器(37)相接的截止 阀门(45)就会在电磁控制下打开来释放压力，并且存储气动能量以备后用。在HEIHE从停 机开始起动的情况下，压力室(10)中没有足够的工作压力，于是截止阀门(45)也会开启， 把来自空气存储容器(9)中的压缩空气通入到压力室(10)中，以便快速建立起适当的工作 压力。
由上可见，用已经存储起来热能对压缩空气进行二级加热，就能够导致工质膨胀到更大 的体积，于是就能获得更大的潜能来进行膨胀做功。这将成为一种增进空气混合式制动能量 回收热效率的行之有效的方法。
把AC模式和CAE模式集成到HEIHE之中将使得空气混合式动力车辆的驱动系统成为可 能。HEIHE中所集成的空气混合式动力系统的优越性在于无须车载式可反复充电的能量存储 系统(RESS)。RESS在电力混合式动力系统中起着重要的作用，以至于电动发电机和蓄电池 在其中必不可少。空气混合式动力系统则无需此类设备。这不仅会大大减少电动发电机和蓄 电池所引起的重量和复杂性，还可以节省相当可观的成本。从技术上讲，蓄电池的能量密度 是有限的，而且其充放电速率也将会受到约束。所以，它很可能没有足够的能力来处置制动 能量再生所需的快速能量交换。蓄电池的使用寿命也是有限的，通常要短于车辆寿命。
电力混合式动力系统将需要进行五次相继的能量转换才能完成能量再生的循环——从机 械能到电能；从电能到化学能；从化学能到化学能(化学能量存储)；从化学能到电能；以 及从电能到机械能。假定上述每项转换的效率高达90％，于是能量再生环路的总效率就将是 90％的五次方，即59％。与此相反的是，空气混合式能量再生环路只需要两次转换——从机械 能到气动能和热能；以及从气动能和热能到机械能。在此气动能和热能将永远是相互平行同 时发生的。假设两次转换中每次转换的效率为81％，那么能量再生环路的总效率就将是81％ ×81％，即66％。所以我们能够得出这样的结论，空气混合式动力比电力混合式动力具有更高 的能量再生效率，两者之间的效率差额至少为10％。
更进一步说，HEIHE的再生能量被存储在空气容器和储热箱之中。这两种存储设备的组 合将能够提供较高的能量密度，与电力混合式动力系统中可充电蓄电池相比能量密度要高得 多。压缩空气在50个标准大气压下所具有的能量密度与当今最新式的锂离子电池相当。而把 空气压缩到四倍高的压力，即200个大气压，似乎是种寻常之举。另一方面，如果储热箱中 的载热流体温度能够上升53摄氏度，那么其能量密度就已相当于普通镍金属氢电池(NiMH 电池)。而要想把载热流体的温度升高四倍，即升高212摄氏度，那也是不难做到的。显而 易见，能量存储密度是电力混合式动力系统的瓶颈。在上述能量密度实例中，四倍的气动能 量，加上四倍的热能，将会使得HEIHE的再生能量存储系统的能量密度八倍于化学蓄电池的 能量密度。所以，HEIHE再生能量存储系统的可能达到的总能量存储密度，绝对要优越于电 力混合式系统。这种空气混合式动力系统的优越性使其一旦满充能量，就将会使得车辆能够 行驶更长的距离。如果所充入的能量来自家用动力电网，那么就可获得长距离的“插入式” 混合动力系统。空气混合式动力系统的另一特点是，它包含双份并联的能量存储设备，因而 能够支持双倍速率的能量交换，以较高的速率吸收突如其来的制动能量，然后又将这种能量 爆发性地释放出来，从而驱动汽车从静止起步或在行驶中加速。
为获得“插入式”混合动力系统，可以在压缩空气存储容器上加装外部充气接口，以便 利用车辆外部的压缩空气源及其能量来进行能量存储。同时还可以在图八的储热箱(41)中 加装电热元件(44)，以便利用家用动力电源来对载热流体进行直接加热与热能存储。采用 家用动力电源来实现的对HEIHE再生能量存储系统的充气与充热，不仅会使得HEIHE成为名 副其实的“插入式”混合动力系统，而且还将成为未来“插入式”混合动力车辆的能源注入 方式。如前所述，此举将比传统的化学蓄电池充电储能的方式效率更高、能源注入速度更快。
我们最后所要关心的集成到HEIHE中的设备是空气式混合动力系统中的热交换器。显然 热交换器的效率不是100％，但这是专门用来进行工质热交换的设备，其效率将足够地高，其 工作状态也将十分理想。因为它们天生就是用来处置热量的。与此相反，在电力混合式系统 中与此相对应设备的是电力逆变器，这种逆变器用来把蓄电池的直流电能转变成为驱动电机 所需要的交流电能。尽管电力逆变器的效率很高，但毕竟不是100％。假设其效率高达93％， 那么其余7％的能量就会以热量的形式而被散发掉。这种不需要的热量散发，不仅是一种我们 所不希望的能量损失，而且还会导致功率电子器件的过热甚至热崩溃。结果不得不采用专门 的冷却系统来对电力逆变器进行冷却，这又将引起额外的重量、成本和复杂性。如果设计者 打算十分聪明地将电力逆变器的冷却系统与内燃机中已有的冷却系统结合起来，那么电力逆 变器极其电子设备就得在高温下进行工作。这将引起更大的挑战，并带来更多的问题。显而 易见，热能管理是电力混合式动力系统的又一瓶颈。因而，HEIHE中所集成的空气混合式动 力系统的直截了当的能量形式将比电力混合式动力系统在本质上具有较大优势。
如上文所叙述，在蒸汽做功冲程中，气缸中存在着由于热分解和化学裂解过程所导致的 可燃性气体。这些裂解过程在蒸汽做功冲程中可能是慢速而逐渐发生的。所以在一次蒸汽做 功冲程和二次蒸汽做功冲程过程中，必须对两个气缸进行多次点火。至少是应该在蒸汽做功 冲程中可燃气体浓度达到最高点时进行点火。在进一步研发中，还可以将荧光放电施加于气 缸之中，以便在蒸汽做功过程中获得额外的体积膨胀。
如上文所叙述，二次空气—燃油燃烧将导致二次空气—燃油做功冲程而无需消耗额外的 燃料，所以燃油转换效率将大为提高。更有甚者，第二气缸将可用作一个特殊的热反应器， 该反应器足以用来消除一次空气—燃油燃烧所产生的废气污染物。众所周知，即便是在没有 反应催化剂参与的情况下，碳氢化合物在超过600摄氏度的温度下也将会被氧化，只要在此 温度的驻留时间足够长。在超过700摄氏度的温度下，一氧化碳也将被氧化。这种二次燃烧 温度对于以汽油为燃料的发动机的来说是非常容易获得的，因为一次空气—燃油燃烧的排气 温度在大功率状态下将会高达900摄氏度。
另一个众所周知的事实是，可燃性气体的氧化将会产生热量。例如：1.5％浓度的一氧化 碳的氧化将导致220摄氏度的温度上升。由于氧化及其伴随热量释放发生在第二气缸中，所 释放的热能就将被捕获而转换为有用的机械动力。为保持氧化过程的持续发生，不仅需要在 第二气缸中预先存储新鲜空气(事先发生的增压冲程提供了这一动作)；而且也要保持反应 温度足够的高。为了保持反应温度足够的高，在第一气缸中发生的一次燃烧过程期间，将需 要进行富油的浓质燃烧。所以，本发明期盼某种分段式的燃烧方法。与本发明相关的HEIHE 的双联复合式气缸结构将会成为用来实现这种分段燃烧的自然而然的热力学机构。无可质疑， 在热力学与机械学领域完美结合的机械结构将会获得更高的燃油转换效率，而HEIHE的双联 复合式气缸绝对就是这样一种机械结构。
参见图9。图中所示为与本发明相关的HEIHE的缸内催化金属网以及发动机缸体绝热的 结构原理图。HEIHE的两个双联气缸中都有催化金属网(48)被安装在其燃烧室中。在空气 —燃油做功冲程期间，它们被加热到燃烧室的温度。而在后来的蒸汽做功冲程中，它们继续 保持热度。被持续加热的催化金属网能够加速蒸汽在燃烧室高温下裂变成为氢气和氧气的过 程，同样也会增进未燃烧碳氢化合物的蒸汽裂变和/或蒸汽氢裂变。所有这些裂变过程都将导 致带有热能的可燃性气体。另一方面，被加热的催化金属同样还会促进空气—燃油混合气及 其废气的二次燃烧，或者会进一步促进废气在新鲜空气中的氧化，以便减少废气排放，同时 捕获取空气—燃油混合气及其废气的二次燃烧所产生的热能。只要温度许可，在第一气缸中 发生的所有裂变过程，都能够在第二气缸中重复发生。
换句话说，缸内催化金属网(48)是把催化转换器集成到本发明HEIHE中的结果，而催 化转换器则是普通内燃机外围必不可少的一种二次燃烧设备。这种完美的集成，不仅有助于 减少废气排放，而且还能够捕获二次燃烧以及催化转换所释放的热量。其结果会使HEIHE再 获得一项效率增益，废气排放也将降低到一个很低的水平，以至于安装在传统发动机之外的 催化转换器能够被大为缩小甚者不再需要。这也将有助于降低成本。
在双联复合式气缸中进行燃烧将有利于实现分段燃烧，这种分段燃烧通过对双联复合式 气缸施加先浓后稀的不同的空气—燃油混合比来加以实现。它故意使得第一气缸中的一次燃 烧为贫氧富油的浓质燃烧，然后将燃烧所得的产物送入到第二气缸中进行富氧贫油的稀质燃 烧。由图7与图8的文字叙述可知，第二气缸在进行二次空气—燃油做功冲程之前的周期就 已经完成了增压冲程。所以，第二气缸的燃烧室中预先已经充满了被压缩的新鲜空气，并且 这些新鲜空气已经被压缩过程以及气缸壁上的余热所加热。所以燃烧室中预留的新鲜热空气 自然而然就将成为第二气缸中二次燃烧的追加氧化剂，从而使得二次燃烧成为一种能够充分 氧化燃料的富氧贫油的稀质燃烧。二级分段燃烧于是乎就能够在双联复合式气缸中得以实现， 这又将进一步对HEIHE的燃油转换效率做出贡献。
本发明中所披露的HEIHE在使用柴油或生物柴油作为燃料的情况下，常规柴油内燃机所 遇到的那些令人头痛的烟烬和/或微粒，将会被分段燃烧所净化。每当烟烬和/或微粒在第一 气缸中的一次燃烧中被产生出来，他们就能与废气一起被传输到第二气缸中，并在第二气缸 中遇到预留的新鲜空气而被氧化。通常，柴油燃烧的微粒物质将在大约500到600摄氏度起 燃。这一温度高于第一气缸燃烧柴油的排气温度(200到500摄氏度)。然而，在缸内催化 金属网的协助下，柴油微粒物质的起燃温度将会降低到200摄氏度。以此方法，大部分的柴 油微粒物质就会被烧掉。为增进二次燃烧，还可以在一次燃烧膨胀冲程的末点在第一气缸中 进行少量喷油，即排气前喷油。其结果是，第一气缸排气温度升高，柴油燃烧的微粒物质将 会被充分氧化，而氧化所释放出的热能将会被第二气缸所捕获。
仍参见图9，水套(46)可以被安置在第一气缸的周围，以对将要注入第一气缸的流体 进行预热。流体导管(47)把水套(46)和流体注入器(14)连接起来。水套(46)将吸收 从气缸壁逃逸出来的热量，并把将要注入气缸的流体加热到临界超热状态。其结果，逃逸出 来的热能就会被重新捕获，并且被回馈到气缸中去进一步做功，从而获得临界超热蒸汽膨胀 做功。这又是另一项HEIHE燃油转换效率的增益因素。
仍参见图9。为了提高热效率，并减少发动机缸体的热量损失，发动机缸体的表面将被 绝热材料(43)所覆盖。超热的流体导管(47)也将被绝热材料(43)所包裹。更进一步， 两个活塞(17)和(27)的腔体也可填充入质地轻盈的绝热材料(43)，以防止热量从活塞 底部流失。最后，甚至连杆也应该用导热性较低的材料来制作。所有这些绝热措施，都必将 获得HEIHE燃油转换效率的增益。
参见图10。图中所示为与本发明相关的HEIHE的双联气缸匀热水套的结构原理图及其载 热流体的流向示意图。其中图10A为横向截面剖视图；图10B为纵向截面剖视图。图中 箭头所示方向即为载热流体的流动方向。载热流体在双联气缸匀热水套中从第一气缸(11) 的左边，即图十A中标有“UP”处往上流动，经过第一气缸(11)的上部和废气驱动阀门(EAV) (16)的上部水平地流向第二气缸(21)的上部，然后在靠近废气驱动阀门(EAV)(26) 处，即图10A中标有“DN”处转往下方流动。载热流体随后从第二气缸(21)的右边往下流 动，经过第二气缸(21)的下部和废气驱动阀门(EAV)(16)的下部水平地流回到第一气 缸(11)的下部，接之沿第一气缸(11)的左边往上流动，完成在其纵向剖视图中的顺时针 方向的循环回路。
双联气缸匀热水套环绕于双联复合式气缸的外围，用载热流体循环对流的方式使得两个 双联气缸的温度尽量均匀，从而把从有源一次气缸壁逃逸出来的热量馈送到无源二次气缸周 围。我们将此传热结构命名为双联气缸匀热水套。通过双联气缸的匀热水套，有源一次气缸 就将成为无源二次气缸的热源，结果有助于提高HEIHE系统的热效率，变废热为宝。反之， 无源二次气缸也将成为有源一次气缸的冷却器，结果是一举两得，省去了专门的冷却系统及 其散热器。为提高运行效率，双联气缸匀热水套内部具有斜向导流沟槽与导流传热栅条，以 便实现载热流体无源自然对流循环。双联气缸匀热水套中的载热流体既可以采用常规水质冷 却液，也可以采用耐热的导热油料，例如硅油、矿物油甚至发动机润滑油。载热流体在匀热 水套中的对流既可以是无源自循环，又可以是有源强制对流循环。甚至可以在循环回路的低 温区段加装循环泵来实现有源强制对流循环。
图11列出了与本发明相关的HEIHE的燃油转换效率的综述表。表中示出了十四项影响 HEIHE总效率的因素。在这十四项效率因素中，有四项与做功冲程相关，他们导致了正向机 械功率输出；另外四项是HEIHE相对于常规内燃机的结构改进；十四项中有一项独特而较大 的因素是空气混合式制动能量再生；十四项中最后较小的四项因素是HEIHE相对于常规内燃 机在燃烧学和热力学领域的改进；唯一的负增长因素是超级增压，它并不能太多地增进效率， 而是能提高HEIHE系统的功率密度。
仍参见图11，每一项效率因素都被列在一行之中，既有最低效率，又有最高效率，并且 还有平均效率。第一行是一次空气—燃油的燃烧和膨胀。它以常规内燃机仅有的做功冲程为 基础，也就是100％的相对效率起始点。基于现代常规汽油内燃机的效率，此项最低效率为 25％，最高效率为30％。第二行是二次空气—燃油的燃烧和膨胀，它对于基准点来说具有20％ 到22％的效率增益。第三行是一次蒸汽膨胀，它对于基准点来说具有35％到40％的效率增益。 第四行是二次蒸汽膨胀，它相对于第三行的一次蒸汽膨胀来说，具有20％到22％的效率增益。 第五行到第八行是取消水泵和散热器、废气驱动阀门(EAV)、喷射式超级增压器以及蒸发 式中间冷却器所分别带来的效率增益。它们每一项估计都将对总效率带来2％到3％的绝对增 益。第九行为空气混合式制动能量再生。基于现有的电力混合式动力系统比常规内燃机效率 高出20％到30％的增益，在此之上再增加10％作为HEIHE中空气混合式动力系统的效率增益 将是合理的，结果可使得这项效率增益比基准点高出22％到33％。第十行到第十三行分别列 出由缸内催化金属网、分段燃烧、匀热水套及其待注入流体预热，以及缸体与活塞腔体绝热 所带来的效率增益。估计它们每一项会对总效率提供1％到2％的绝对增益。第十四行是以上 十三项效率的合计，结果可以得到58.00％的最低合计效率，81.14％的最高合计效率，以及 69.57％的平均合计效率。第十五行反映了超级增压器的功率消耗所带来的负向效率增益，即 第十四行合计效率的—20％到—15％。第十六行是从第十四行减去第十五行所得到的HEIHE的 总效率，结果是最低总效率为46.60％，最高总效率为68.97％，平均总效率为57.68％。第十 七行把HEIHE的总效率与第一行的基准效率相比较，从而获得1.86倍的最低总效率比值，2.30 倍的最高总效率比值，以及2.08倍的平均总效率比值。第十八行示出了总效率相对于第一行 中常规内燃机基准效率的增长率，结果可获得85.60％的最低总效率增长率，129.90％的最高 总效率增长率，以及107.75％的平均总效率增长率。所以，我们可以确实地得到这样的结论： 高效集成式热机(HEIHE)的总燃油转换效率，顾名思义，至少是比常规内燃机翻一番，或者 说是常规内燃机的两倍。
参见图12。图中所示为与本发明相关的HEIHE的燃油转换效率图谱。在这张燃油转换效 率图谱中，图11中列出的所有效率因素都被用直方图的形式表示出来。所有效率因素的总和， 也就是HEIHE的总燃油转换效率，被显示在图表的最右侧。显而易见，本发明所涉及的HEIHE 与常规内燃机相比具有双倍的燃油转换效率。
由于技术上的优越性，本发明所披露的高效集成式热机(HEIHE)将使得我们习以为常的 传统内燃机焕然一新。首先，基于较高的燃油转换效率，本发明将会降低未来车辆和动力系 统的燃油消耗。其次，由于分段燃烧和二次催化转换燃烧，本发明将大大提高燃烧效率，并 显著降低发动机的废气排放。第三，由于多种做功冲程已经集成到同一台发动机缸体之中， 本发明将导致未来车辆和动力系统具有较高的功率密度。较高的功率密度意味着较小的发动 机体积和重量，或者说，在相同的体积和重量下具有较大的功率。第四，本发明将非常易于 实现。它只不过是采用了常规内燃机气缸加活塞的机械结构，并无复杂而异样的发动机构造。 第五，本发明将导致未来车辆和动力系统的低成本和低造价，这是由于HEIHE不涉及价格昂 贵的结构和部件。第六，本发明可以轻而易举地与“插入式”混合动力系统相互集成起来。 最后，本发明所涉及的HEIHE将与多种燃料相兼容。这是因为可变压缩比易于在其中实现， 并且分段燃烧将能容忍较宽的空气—燃油比范围。
总而言之，本发明所披露的高效集成式热机(HEIHE)将以双倍的发动机燃油转换效率对 人类做出巨大贡献。双倍效率意味着更低的燃油消耗。双倍效率意味着加倍的燃油经济性。 双倍效率意味着双倍能源。双倍效率意味着成倍的节能减排。双倍效率将使环境更为清洁。 双倍效率意味着更少的废气排放。双倍效率意味着更小的温室效应。双倍效率意味着更大的 能源自主性。双倍效率意味着更多的石油储备。无论是在石油经济时代，还是在其他能源经 济时代，乃至任何经济时代，双倍效率都意味着更强壮的经济。本发明将有益于世界上所有 涉及燃料燃烧动力装置的领域，从民用车辆到军需辎重，从工程动力机械到农业动力装置， 从发电厂到蓄能电站，从园林工具到远洋船舶。本发明甚至能够响应美国总统布什在其先进 能源倡议书(Advanced Energy Initiative)中所提出的挑战，同时还能够符合美国能源部自 由车辆技术(FCVT)研发计划所提出的指导方针。
本发明人确信以上的详尽阐述将有助于理解本发明所披露的高效集成式热机(HEIHE)及 其所具有的各种优越性。本发明人还相信，本发明的各组成部分在形式、结构与编排方面可 能发生各种变化，但都不至于会背离本发明的范畴与精神，也不会有损于本发明全部与生俱 来的优越性。也就是说，万变将不离其宗。迄今为止的文字表述内容仅仅是对本发明的一种 解释性的阐述，而本发明的各项权利要求则是用来包容和涵盖各种可能的千变万化的具体实 施方式。凡是本发明未提及的连接方式均为现有技术中的连接方式。
本发明涉及高效率集成式热机(HEIHE)。HEIHE是集成了组合式热功转换过程的热机。 双联复合式气缸被用作HEIHE的基本结构，其第一气缸为一次燃烧/膨胀气缸，其第二气缸 为二次燃烧/膨胀气缸。由各种工质膨胀所驱动的做功冲程被集成到同一个发动机的缸体之 中。这些工质包括：空气—燃油燃烧产物、蒸汽以及在空气混合式制动能量再生模式下的压 缩空气。其它多种改善效率的方法也能够被集成到HEIHE之中，诸如废气驱动阀门(EAV)、 喷射式超级增压器、蒸发式中间冷却器和缸内催化金属网。其结果，HEIHE的运行包含了四 种不同的做功冲程，但是仅仅消耗一次空气—燃油做功冲程所需的燃料。
以下的发明详述将尽可能地深入具体细节，以便于人们对本发明有更为深刻的理解。对 于那些熟悉专业技术的内行人士来说，尤其值得卿佩的是他们无需知道太多的具体细节就能 够对本发明进行实施。而在某些场合，那些为公众所熟知的情节就将被一笔带过，以免暄宾 夺主。
参见图1。图为与本发明相关的HEIHE基本结构图。HEIHE基本上是一种往复式发动机 结构。其活塞在气缸中往复来回运动，通过连杆和曲轴机构来传输功率，从而获得动力输出。 HEIHE在同一个发动机缸体(1)中，包含了一对双联的复合式气缸。其中第一气缸(11)为 一次燃烧和/或膨胀气缸；第二气缸(21)则为二次燃烧和/或膨胀气缸。第一气缸与第一活 塞(17)相交连，而第二气缸则与第二活塞(20)相交连。这两个活塞在双联气缸中通过曲 轴(8)来进行机械连接，其曲轴的转角相差180度。于是当第一活塞位于上止点(TC)时， 第二活塞恰好位于下止点(BC)，反之亦然。第二气缸具有比第一气缸更大的容积，以使得 在工质从第一气缸传输到第二气缸时的复合持续膨胀得以发生。较大的气缸容积将导致较大 的活塞直径(缸径)和/或活塞位移(冲程)，如图1所示。
继续参见图1。第一连杆(18)将第一活塞(17)交连于曲轴(8)，而第二连杆(19) 也将第二活塞(20)交连于曲轴(8)。在第一气缸顶端，装有储气阀门(12)、火花塞(13)、 流体注入器(14)、以及充气阀门(15)。传输阀门(16)用来控制工质在双联气缸之间的 传输，该阀门可为塞柱式阀门，是由废气压力来进行纵向驱动的。压力室(10)保持和提供 了传输阀门(16)所需的工作压力，储气阀(12)用来控制第一气缸(11)与空气存储容器 (9)之间的气流。充气阀门(15)则用于控制喷射超级增压泵(2)与第一气缸(11)之间 的气流。
在第二气缸顶端，装有增压阀门(22)、火花塞(23)以及进气阀门(25)。排气阀门 (26)可为塞柱式阀门，用于控制从第二气缸(21)到排气口(7)的工质排放，该阀门是由 来自第二气缸(21)的废气压力所垂直驱动的。压力室(10)保持和提供了阀(26)所需的 工作压力。增压阀门(22)用于控制从第二气缸(21)到蒸发式中间冷却器(4)之间的气流。 进气阀门(25)用于控制第二气缸(21)和空气滤清器(6)之间的气流。燃油喷射器(5) 安装于蒸发式中间冷却器(4)的内壁上，以便于将燃油喷雾到蒸发式中间冷却器的腔体之中。 单向阀门(3)安装于喷射泵(2)的新鲜空气入口处，用以限制输入空气的流向。与压力室 (10)相接的截止阀门(24)用于控制将要进入压力室(10)的增压气流，以便维持其适当 的工作压力。
基于工质在双联气缸中的复合膨胀，两种不同的工质将导致两种不同的做功冲程：首先 是空气—燃油混合气的燃烧与膨胀，然后是蒸汽膨胀。蒸汽是在空气—燃油废气排气冲程完 成之后通过流体注入的方式而产生的，此举将吸收气缸内的残余热量，并导致气缸内的蒸汽 冷却效应。
两种不同的工质在两个不同的气缸中的膨胀，将可获得四种不同的做功冲程。这四种不 同的做功冲程是：
一次空气—燃油做功冲程——在第一气缸中的一次空气—燃油的燃烧与膨胀，这是与 普通内燃机相同的基本做功冲程；
二次空气—燃油做功冲程——在第二复合气缸中的二次空气—燃油的燃烧与膨胀；
一次蒸汽做功冲程——在第一气缸中的一次蒸汽产生与膨胀；以及
二次蒸汽做功冲程——在第二复合气缸中的二次蒸汽膨胀。
上述四种不同的做功冲程被巧妙地编排到六个周期之中，以获得最大的机械效率和热力 学效率。在每个周期都有两个不同的冲程分别同时发生于双联复合式气缸之中，从而导致 HEIHE的全部工作时序包含十二个冲程。这十二个冲程覆盖了HEIHE全部工作时序中三次完 整的曲轴回转，或说是曲轴转角(CA)转过1080度。换句话说，本发明所披露的HEIHE是 一种十二冲程的发动机。
参见图2。图为与本发明相关的HEIHE的时序波形图。其中活塞的位移量和阀门的动作 被显示在坐标中，横坐标的范围覆盖HEIHE全部工作时序的12个冲程，即三次完整的曲轴 回转，或曲轴转角的1080度。在这6个工作周期中，每个周期占据180度曲轴转角。下面 列出了分布于6个周期中相应的12个冲程：
第一周期：0度至180度曲轴转角。第一气缸为充气冲程，第一活塞从TC到BC向下运 动；第二气缸则为蒸汽排气冲程，第二活塞从BC到TC向上运动。充气阀门(15)和排气阀 门(26)在此周期中都是打开的。
第二周期：180度至360度曲轴转角。第一气缸为压缩冲程，第一活塞从BC到TC向上 运动；第二气缸则为进气冲程，第二活塞从TC到BC向下运动。在此周期中，进气阀门(25) 是打开的。
第三周期：360度至540度曲轴转角。第一气缸为一次空气—燃油做功冲程，第一活塞 从TC到BC向下运动；第二气缸则为增压冲程，第二活塞从BC到TC向上运动。在360度 曲轴转角时，第一气缸将进行点火。在此周期中，增压阀门(22)是打开的。
第四周期：540度至720度曲轴转角。第一气缸为空气—燃油排气冲程，第一活塞从BC 到TC向上运动；第二气缸则为二次空气—燃油做功冲程，第二活塞从TC到BC向下运动。 在此周期中，双联气缸之间的传输阀门(16)是打开的。
第五周期：720度至900度曲轴转角。第一气缸为一次蒸汽做功冲程，第一活塞从TC到 BC向下运动；第二气缸则为空气—燃油排气冲程，第二活塞从BC到TC向上运动。在720 度曲轴转角时，第一气缸中将进行流体注入。在此周期中，排气阀门(26)是打开的。
第六周期：900度至1080度曲轴转角，第一气缸为蒸汽排气冲程，第一活塞从BC到TC 向上运动；第二气缸为二次蒸汽做功冲程，第二活塞从TC到BC向下运动。在此周期中，气 缸之间的传输阀门(16)是打开的。
HEIHE的工作原理：
HEIHE的曲轴转角位于0度起点。第一活塞位于上止点TC，而第二活塞则位于下止点 BC。充气阀门是开启的，以便空气—燃油混合气能充入第一气缸。排气阀门(26)同样也是 开启的，以便于前一次工作时序中膨胀完毕的蒸汽排出第二气缸。其余阀门则保持关闭。
HEIHE的曲轴转角位于第一周期中点90度。第一活塞正在向下运动而第二活塞正在向上 运动。充气阀门是开启的，所以来自蒸发式中间冷却器预先备妥并带有压力的空气—燃油混 合气就会被充入到第一气缸。排气阀门同样也是开启的，所以前一次工作时序膨胀完毕的蒸 汽就会从第二气缸中排放出去。其它阀门则保持关闭。在此周期中，充气冲程和蒸汽排气冲 程分别发生于第一气缸和第二气缸。
HEIHE的曲轴转角位于第二周期中点270度。第一活塞正在向上运动而第二活塞正在向 下运动。充气阀门是关闭的，所以空气—燃油混合气在第一气缸中就会受到压缩。进气阀门 同样也是开启的，所以新鲜空气就会被吸入到第二气缸中。其它阀门则保持关闭。在此周期 中，压缩冲程和进气冲程分别发生于第一气缸和第二气缸。
HEIHE的曲轴转角位于点火点360度。第一活塞位于TC，而第二活塞则位于BC。所有 的阀门都是关闭的。第一气缸顶端的火花塞(13)对经过压缩的空气—燃油混合气进行点火， 从而在第一气缸中引发空气—燃油混合气的燃烧与膨胀过程。在此时刻，第二气缸中已经充 满了新鲜空气，以便在下面的增压冲程被打入到蒸发式中间冷却器中去。
HEIHE的曲轴转角位于第三周期中点的450度。第一活塞正在向下运动而第二活塞正在 向上运动。第一气缸内的所有阀门都将保持关闭，因而空气—燃油混合气可以在其中燃烧和 膨胀。燃烧和膨胀的结果使得第一气缸在第一活塞向下运动的同时做正功。这是与本发明相 关的HEIHE的第一种基本的做功冲程，可称为一次空气—燃油混合气燃烧和膨胀冲程，或一 次空气—燃油做功冲程。增压阀门同样也是开启的，所以新鲜空气可以从第二气缸打入到蒸 发式中间冷却器中。与此同时，燃油被喷射到蒸发式冷却器中。这些被喷射进去的燃油，伴 随着同时进入的增压空气，吸收空气被压缩所产生的热量，并在蒸发式中间冷却器中进行蒸 发。其它阀门将保持关闭。在此周期中，一次空气—燃油做功冲程和增压冲程分别发生于第 一气缸和第二气缸。
除了对压缩空气的中间冷却功能和对燃油的汽化功能之外，蒸发式中间冷却器同样还起 到对压缩空气的中间暂时存储的作用。燃油将在其中继续得到蒸发汽化，直到后来被排放出 去。结果所得到的空气—燃油混合气将被压缩在蒸发式中间冷却器之中，直到四个周期之后， 当下一个充气冲程到来之时。关于该周期请参见图4及其文字叙述。
HEIHE的曲轴转角位于第四周期中点的630度。第一活塞正在向上运动，而第二活塞正 在向下运动。气缸之间的传输阀门(16)是开启的，所以膨胀完毕的空气—燃油燃烧废气正 在从第一气缸被传输到第二气缸之中。其它阀门将保持关闭。由于第二气缸的容积比第一气 缸大，从第一气缸排出的空气—燃油废气仍然有进一步膨胀的空间。于是，第二气缸就会在 第二活塞向下运动的同时做正功。这是本发明中HEIHE的第二种重要的做功冲程，被称为二 次空气—燃油的燃烧和膨胀冲程，或二次空气—燃油做功冲程。在此周期中，空气—燃油排 气冲程和二次空气—燃油做功冲程分别发生于第一气缸和第二气缸。为增进空气—燃油混合 气的二次燃烧，可以在第二气缸中进行一次或多次点火。
HEIHE的曲轴转角位于流体注入点720度。第一活塞位于上止点(TC)而第二活塞位于 下止点(BC)。除了排气阀门(26)之外的所有阀门都将保持关闭。第一气缸顶端的流体注 入器(14)正在将流体注入到第一气缸的燃烧室中。与此同时，排气阀门(26)是开启的。 第二气缸充满了膨胀完毕的空气—燃油废气，这些废气即将通过排气口(7)排出到HEIHE 之外。水可以被用做注入到第一气缸中的流体。在此情况下，应当选用纯水、去离子水或蒸 馏水以避免在气缸中留下残余化学沉积物。在此还可以采用其它流体来达到同样目的，例如 压缩空气或乙醇的水溶液。前者绝无残余化学沉积物，后者还可同时起到防冻的作用。
HEIHE的曲轴转角位于第五周期中点的810度。第一活塞正在向下运动，而第二活塞正 在向上运动。第一气缸中所有阀门都将保持关闭。已经被注入的流体将吸收气缸壁内上次空 气—燃油混合气燃烧的残余热量，并且被急剧加热而产生蒸汽，在第一气缸中发生蒸汽膨胀。 于是第一气缸在第一活塞向下运动的同时做正功。这是与本发明相关的HEIHE的第三种重要 做功冲程，可称为一次蒸汽膨胀冲程，或一次蒸汽做功冲程。在第二气缸中，排气阀门(26) 是开启的，因而已经完成膨胀过程的二次空气—燃油废气能够从第二气缸中通过排气口(7) 被排放到HEIHE之外。在此周期内，第一气缸顶端的火花塞(13)针对正在膨胀的蒸汽进行 多次点火，以便点燃正在膨胀的蒸汽中可能含有的可燃/助燃性气体，诸如氢气、氧气、一氧 化碳、甲烷和其它未燃烧的碳氢化合物，从而使得第一气缸中的膨胀更强有力。在此周期中， 一次蒸汽做功冲程和二次空气—燃油排气冲程分别发生在第一气缸和第二气缸。
需要强调的是，上述周期中的可燃性气体将来自诸如蒸汽的热分解，以及未燃烧碳氢化 合物的蒸汽裂变和/或蒸汽氢裂变之类的化学过程。例如，在燃烧室的高温下，蒸汽将被热分 解为氢气和氧气。未燃烧的碳氢化合物也将在高温蒸汽作用下被化学分解为氢气、氧气、一 氧化碳、甲烷和其它小分子碳氢化合物。更进一步，未燃烧的碳氢化合物会发生氢裂变，从 而裂解成为更加轻小更为易燃的碳氢化合物。所有这些裂变产物都是可燃的，都包含了潜在 的热能。所以，必须对其进行燃烧以将其潜在能量转化成为热能。一旦热能在蒸汽做功冲程 期间在气缸中释放出来，就能产生额外的动力。
HEIHE的曲轴转角位于第六周期中点的990度。第一活塞正在向上运动，而第二活塞正 在向下运动。气缸之间的传输阀门(16)是开启的，已经膨胀完毕的废蒸汽正在从第一气缸 被传输到第二气缸之中。其它阀门将保持关闭。由于第二气缸的容积比第一气缸大，所以从 第一气缸排放出来的废蒸汽仍然有继续膨胀的空间，于是第二气缸随着第二活塞的向下运动 而做正功。这是与本发明相关的HEIHE的第四种重要做功冲程，可称为二次蒸汽膨胀冲程， 或二次蒸汽做功冲程。在此周期中，蒸汽排放冲程和二次蒸汽做功冲程分别发生与第一气缸 和第二气缸。基于与前一周期相同原理，两个气缸顶端的火花塞(13)和(23)在此期间将 针对正在膨胀中的蒸汽进行多次点火，这些蒸汽中可能含有可燃气体，诸如氢、氧、一氧化 碳、甲烷、未燃烧的碳氢化合物之类，从而使得第二气缸中的膨胀更加有力。
图1中所示与压力室(10)相接的截止阀门(24)是个特殊器件，它不仅用来调节将要 被充入到压力室(10)的增压气流，以维持其适当的工作压力，同时也可用来降低将要被注 入到蒸发式中间冷却器中的增压气流的流量。每当截止阀门(24)在电磁驱动下开启时，将 把一部分特定份量的增压气流分流到压力室(10)中。其结果就可以在压力室(10)中维持 恰当的工作压力。另一方面，减低增压气流的份量将改变充入到第一气缸之中的气体容积。 于是双联复合式气缸的最终复合压缩比就将发生改变，从而获得受控可变压缩比的效果。
可变压缩比是本发明所披露的HEIHE的特色之一，它将使得HEIHE在运行过程中根据负 载的变化改变压缩比成为可能。为实现在不增加速度的情况下提高功率，就必须多烧燃油， 因而就必须消耗更多的空气。由于超级增压器已经被集成到HEIHE之中以增加充气压力，显 然这将导致不必要的空气—燃油混合气的爆震。而避免这种爆震的方法只有降低压缩比。这 样做可以在必要时随心所欲地大幅度提高功率，结果可以导致体积轻巧的发动机也能够如同 大型发动机一样在需要时达到较大的功率。可变压缩比正在日益得到广泛运用，它将改善燃 油转换效率并提供更好的燃油经济性。
进一步讲，可变压缩比将使得HEIHE与多种燃料相兼容。许多替代燃料诸如甲醇、乙醇、 乙炔、液化石油气(LPG)、天然气以及氢气，它们与汽油相比具有较高的辛烷值。所以在 辛烷值许可的情况下，要想获得更高的燃油转换效率，就必须提高压缩比。在仍然采用汽油 做为HEIHE燃料的情况下，为获得更高的燃油转换效率，可以考虑采用压燃直喷(CIDI)来 作为HEIHE的一次燃烧方式。在此情形之下可变压缩比就是绝对必需的。这样一来，第一气 缸顶端的火花塞(13)就要被燃油喷射器所取代，以便于将汽油类的燃料直接注入第一气缸。 显而易见的是，压燃直喷(CIDI)的燃烧方式将使得HEIHE与柴油燃料或生物柴油燃料相兼 容。
在图1中，阀门(16)和(26)可以被命名为废气驱动阀门(EAV)。顾名思义，他们 是由废气来进行驱动的。废气驱动阀EAV(16)为例示出了废气驱动阀门(EAV)的工作原 理。废气驱动阀EAV(26)的工作原理与废气驱动阀EAV(16)完全相同。其唯一区别仅在 于直径，废气驱动阀EAV(26)由于第二气缸中的排气压力较低而需要较大的直径。
参见图3。图中所示为与本发明相关的HEIHE的废气驱动阀门(EAV)的工作原理图，其 中HEIHE的曲轴转角位于做功冲程的中点450度或810度CA。第一活塞(17)正在向下运 动。废气驱动阀EAV(16)在做功冲程期间保持关闭。EAV压力室(10)保持正压力Peav。 电磁截止阀门(31)在做功冲程之前曾经打开过，并已将EAV上压力缸(32)充气至正压力 Peav。在EAV塞柱(33)的底端，设有通向第一气缸(11)底部的废气导管(27)。在做功 冲程的绝大部分向下行程期间，废气导管(27)与曲轴箱相连通，其间的压力基本上相当于 大气压力。由于EAV上气缸的压力Peav高于大气压力，因为压力差的缘故，EAV塞柱(33) 就被下压到EAV下气缸(35)的底端。结果使得废气驱动阀EAV(16)关闭。废气排放通道 (29)被EAV塞柱(33)所截断。在大多数情况下，压力室(10)内的截止阀门(31)和单 向阀门(30)也是关闭的。
参见图4。图中所示为与本发明相关的HEIHE的废气驱动阀门(EAV)的工作原理图，其 中HEIHE的曲轴转角位于做功冲程末端的540-x度或900-x度CA，也就是BC之前的x 度。第一活塞(17)的向下运动刚好超过废气导管(27)的开口处。在此时刻，正在膨胀的 废气的压力高于EAV上压力缸(32)压力Peav。于是废气就会冲入废气导管(27)之中， 并将承压头(36)以及EAV塞柱(33)推向上方。这样EAV(16)就开始开启的动作。EAV 塞柱(33)上升的结果使得EAV上压力缸的压力高于Peav。所以单向阀门(30)就被冲开， 气流随之被从上压力缸(32)挤入到EAV压力室(10)中。通风管(28)用于将曲轴箱的 空气引入EAV下气缸(35)。
HEIHE的废气驱动阀门(EAV)的工作原理：
其中HEIHE的曲轴转角位于做功冲程的终点540度或900度CA。第一活塞(17)的向 下运动刚好到达下止点BC，使废气导管(27)朝着第一气缸(11)全部开放。在此时刻，正 在膨胀的废气已经将承压头(36)以及EAV塞柱(33)推举达到EAV上压力缸(32)的顶端。 结果使得EAV(16)全部打开。第一气缸(11)中的废气于是就通过废气排放通道(29)和 EAV塞柱开口(34)被排放出去。
HEIHE的曲轴转角位于排气冲程始端的540+x度或900+x度CA，也就是BC之后的x 度。第一活塞(17)的向上运动刚好要超越废气导管(27)的开口处。在此时刻，废气导管 (27)中压力逐渐降低到曲轴箱的压力。但EAV塞柱(33)仍将被真空吸持在EAV上压力缸 (32)的顶端。这种真空来自压力室(10)内截止阀门(31)以及单向阀门(30)的同时截 止。结果使得EAV(16)保持开启，以便于工质的传输。
HEIHE的曲轴转角位于排气冲程的中点630度或990度CA。第一活塞(17)正在向上运 动。在此时刻，废气导管(27)中压力的已经降低到曲轴箱的压力。但EAV塞柱(33)仍将 被真空吸持在EAV上压力缸(32)的顶端。压力室(10)内截止阀门(31)以及单向阀门(30) 都将保持截止。结果使得EAV(16)保持开启，以便于工质的继续传输。
HEIHE的曲轴转角位于排气冲程的终点720度或1080度CA。第一活塞(17)已经到达 上止点TC，完成排气冲程。在此时刻，微型控制计算机就会发出复位脉冲，以将截止阀门(31) 打开。结果使得EAV压力室(10)中带压力的气体充入到EAV上压力缸(32)之中，并将 EAV塞柱(33)向下推移。废气驱动阀门EAV(16)于是就重新关闭。一旦EAV塞柱(33) 下移到EAV下压力缸(35)的底端，施加在压力室(10)内截止阀门(31)上的复位脉冲就 被撤销。于是截止阀门(31)就重新关闭。然而正向压力Peav将使得EAV(16)继续保持 关闭，直到下一排气冲程。
参见图5。图中所示为与本发明相关的HEIHE的废气驱动阀门(EAV)控制过程的波形图。 图中示出了废气驱动阀门(EAV)工作压力差与EAV塞柱垂直位移的关系。
废气驱动阀门(EAV)并不像普通内燃机中机械举升式阀门那样消耗机械功率，也不像 电磁阀门那样消耗电能，而是利用了即将排放出去的废气能量，使得更多宝贵的发动机机械 功率能够用于驱动负载。无可置疑，这将有利于改善发动机的机械效率。进一步说，它被安 放在双联复合式气缸之间，从而缩短了工质的传输通道。其结果是发动机的热效率也将得到 提高。它所带来的唯一问题是，作为工质的废气将会被泄漏到曲轴箱中。然而，这种现象将 有利于废气循环利用(EGR)。在排气冲程期间，曾经驱动过废气驱动阀门(EAV)后再从中 排放出来的废气，将因发动机缸体的吸热作用而被冷却，从而可导致较低温度的废气循环利 用(EGR)。较低温度的废气循环利用(EGR)将大大有益于燃油转换效率以及废气排放控制。
尽管废气驱动阀门(EAV)高效节能，但它需要利用废气能量来驱动，所以它只能用于 排气阀门。其它非排气阀门就得采用其它方式驱动的阀门。在此情况下，电磁驱动的阀门将 是最佳选择。它们不仅能够被微型计算机所控制，而且也能提供快速的控制响应和灵活的阀 门定时。这种独特的优点将有利于动态地改善流体的体积效率。它们的无凸轮的阀门机构， 同样也能避免摩擦所引起的机械能量损失，从而提高HEIHE的机械效率。最后，还可以采用 普通的凸轮轴驱动阀门，然而阀门定时的灵活性及其机械效率将会受到影响。
参见图6。图中所示为与本发明相关的HEIHE工作于空气压缩机模式(AC)的时序波形 图，图中示出了活塞位移与阀门位置随着曲轴转角而变化的关系。在空气压缩机模式(AC) 下，HEIHE将工作于二级空压机状态。其较大的第二气缸工作于一级压缩阶段，而较小的第 一气缸则工作于二级压缩阶段。压缩空气的压力在一级压缩阶段较低，并将在二级压缩阶段 被提高。空气压缩机模式(AC)只需要四个冲程。这四个冲程可以编排成两个周期，覆盖360 度的曲轴转角。于是，在HEIHE的全部三个全圆周的1080度CA全工作时序中，空气压缩机 (AC)将重复性地完成三遍空气压缩机时序。下面列出了与此相关的四个冲程。
第一周期：180度至360度CA。第二气缸为空气压缩机模式(AC)的进气冲程，其第二 活塞从TC到BC向下运动；第一气缸则为空气压缩机模式(AC)的压缩冲程，其第一活塞从 BC到TC向上运动。进气阀门(25)以及储气阀门(12)在此周期都是开启的。
第二周期：360度至450度CA。第二气缸为增压冲程，其第二活塞从BC到TC向上运 动；第一气缸则为充气冲程，其第一活塞从TC到BC向下运动。增压阀门(22)以及充气阀 门(15)在此周期是开启的。
HEIHE的曲轴转角位于空气压缩机模式(AC)的第一周期的中点，即270度CA。第二活 塞正在向下运动，而第一活塞正在向上运动。进气阀门是开启的，于是新鲜空气可以被吸入 到第二气缸之中。储气阀门也是开启的，所以前一次工作时序所获得的压缩空气将通过第一 热交换器(37)从第一气缸中被进一步压缩到空气存储容器中。这样就完成了二级空气压缩 的第二级。其它阀门将保持关闭。在此周期中，进气冲程和压缩冲程分别发生于第二气缸和 第一气缸。
HEIHE的曲轴转角位于空气压缩机模式(AC)的第二周期的中点，即450度CA。第二活 塞正在向上运动，而第一活塞正在向下运动。增压阀门是开启的，第二气缸中的新鲜空气通 过第二热交换器(38)被压入到第一气缸。充气阀门也是开启的，所以第二气缸中正在被压 缩的增压空气被充入到第一气缸之中。由于第一气缸的容积小于第二气缸，所以从第二气缸 传输到第一气缸的新鲜空气就被压缩。至此就完成了二级空气压缩的第一级。其它阀门则保 持关闭。在此周期中，增压冲程和充气冲程分别发生于第二气缸和第一气缸中。
参见图7。图中所示为与本发明相关的HEIHE工作于压缩空气发动机模式(CAE)的时序 波形图，图中示出了活塞位移与阀门位置随着曲轴转角而变化的关系。在压缩空气发动机模 式(CAE)下，HEIHE将成为二级压缩空气发动机。其较小的第一气缸工作于一级膨胀阶段， 而较大的第二气缸则工作于二级膨胀阶段。压缩空气的压力在一级膨胀阶段较高，但到二级 膨胀阶段会有所降低。对于本发明中HEIHE来说，压缩空气发动机模式(CAE)基本上就是 空气压缩机模式(AC)的逆向机械运行过程。压缩空气发动机模式(CAE)模式只需要四个 冲程。这四个冲程可以编排为两个周期，覆盖360度的曲轴转角。于是，在HEIHE的三个全 圆周1080度CA的全工作时序中，压缩空气发动机模式(CAE)将重复性地完成三遍工作时 序。下面列出了这四个相关的工作冲程。
第一周期，0度至180度CA。第一气缸为压缩空气发动机模式(CAE)的一级做功冲程， 其第一活塞从TC到BC向下运动；第二气缸则为压缩空气发动机模式(CAE)排气冲程，其 第二活塞从BC到TC向上运动。储气阀门(12)以及排气阀门(26)在此周期是开启的。
第二周期，180度至360度CA。第一气缸为排气冲程，其第一活塞从BC到TC向上运 动；第二气缸则为压缩空气发动机模式(CAE)的二级做功冲程，其第二活塞从TC到BC向 下运动。充气阀门(15)以及增压阀门(22)在此周期都是开启的。缸间传输阀门(16)在 此期间保持关闭。
HEIHE的曲轴转角位于压缩空气发动机模式(CAE)的第一周期的中点，即90度CA。第 一活塞正在向下运动，而第二活塞正在向上运动。储气阀门是开启的，于是存储在空气存储 容器中的压缩空气将通过第一热交换器(37)被送入到第一气缸之中。压缩空气的膨胀使得 第一活塞向下运动而做功。至此就完成了二级压缩空气膨胀的第一级。排气阀门(26)也是 开启的，所以前一次工作时序在第二气缸中已经膨胀完毕的压缩空气就将被排出HEIHE机之 外。其它阀门将保持关闭。在此周期中，压缩空气发动机模式(CAE)的一次做功冲程和排 气冲程分别发生于第一气缸和第二气缸。
HEIHE的曲轴转角位于压缩空气发动机模式(CAE)的第二周期的中点，即270度CA。 第一活塞正在向上运动，而第二活塞正在向下运动。缸间传输阀门EAV(26)在此周期被禁 止开启，因而是关闭的。但充气阀门(15)和增压阀门(22)都是开启的。于是在第一气缸 中膨胀完毕的压缩空气就将通过第二热交换器(38)被传送到第二气缸之中。由于第二气缸 的容积比第一气缸大，从第一气缸排出到第二气缸的压缩空气就会进一步膨胀。压缩空气的 膨胀使得第二活塞向下运动而做功。至此就完成了二级压缩空气膨胀的第二级。其它阀门将 保持关闭。在此周期中，压缩空气发动机模式(CAE)的排气冲程和二次做功冲程分别发生 于第一气缸和第二气缸。
在空气压缩过程中，将会产生热量，压缩空气的温度也会上升。这就会降低压缩空气的 存储容量，降低空压机(AC)模式的效率。另一方面，在压缩空气膨胀过程中，将会吸收热 量，同时压缩空气的温度也会降低。这就会减少压缩空气的体积容量，降低压缩空气发动机 模式(CAE)的效率。所以两级热交换器(37)和(38)在空压机(AC)模式被用来冷却压 缩空气，而在压缩空气发动机模式(CAE)则被用来加热压缩空气。为了把在AC模式下产生 的热能存储起来以备在压缩空气发动机模式(CAE)下利用，可以采用真空绝热的储热箱来 收集热量，并在闲置模式下存储热量，然后在压缩空气发动机模式(CAE)下再将热量释放 出来。其结果，AC模式和CAE模式的热效率就能够双双得到改善，原先的热量损失就可以被 回收来供空气混合式制动能量再生系统使用。
参见图8。图中所示为与本发明相关的HEIHE的热循环原理图。第一热交换器(37)被 安装在空气存储器(9)和第一气缸(11)之间。第二热交换器(38)则被安装于第一气缸(11) 和第二气缸(21)之间。这两个热交换器(37)和(38)在热力学上是通过载热流体泵(39) 与储热箱(41)串联在一起的。储热箱(41)具有真空绝热结构，其中装有载热流体(40) 和电热元件(44)。它们通过载热流体导管(42)构成一个封闭的载热流体循环回路。载热 流体管路(42)的热端被绝热材料(43)所包裹。在AC模式下，载热流体泵(39)将迫使 载热流体顺时针方向循环，如图中载热流体导管附近的箭头所示。温度较低的载热流体(40) 从储热箱(41)的底部出来，通过载热流体泵(39)进入第二热交换器(38)，对第二气缸 (21)排出的压缩空气进行冷却。载热流体将继续流入到第一热交换器(37)之中，对第一 气缸(11)所排出的压缩空气进行冷却。最后，被加热的载热流体被送回到储热箱(41)进 行热量存储。在压缩空气被冷却的同时，热能将被回收、传输并存储到储热箱(41)中。在 CAE模式下，载热流体回路将逆向循环运行，载热流体泵(39)迫使载热流体顺时针方向运 行(无箭头显示)。温度较高的载热流体(40)将从储热箱(41)的顶部出来，进入第一热 交换器(37)，对将要送到第一气缸(11)去的压缩空气进行加热。载热流体然后继续流向 第二热交换器(38)，对即将送入第二气缸(21)的压缩空气进行加热。最后经过使用的载 热流体就通过载热流体泵(39)被回馈到储热箱(41)的底部。
在图8中，当系统运行温度低于120摄氏度时，可以采用常规水质冷却液作为载热流体。 而当系统运行温度高达250度摄氏时，耐热的导热油料，例如硅油、矿物油甚至发动机润滑 油都可用作为载热流体。储热箱(41)中的电热元件(44)用来对载热流体(40)进行加热， 以便将电能转变成为存储在储热箱(41)中的热能，从而实现“插入式”的充热蓄能。
作为热能存储设备，储热箱(41)还可以用来捕获和存储发动机废气的热能。与本发明 相关的HEIHE的CAE模式随后将会把这种存储起来的热能转变成为机械能。
仍参见图8。与第一热交换器(37)相接的截止阀门(45)用来调节压力室(10)与空 气存储容器(9)之间的压缩空气流。如前所述，压力室(10)需要一个适当的工作压力。如 果压力室(10)内部的压力高于所需要的压力，和/或当HEIHE不需要消耗绝大部分的增压 气流而要把更多的新鲜空气分流到压力室(10)中，那么与第一热交换器(37)相接的截止 阀门(45)就会在电磁控制下打开来释放压力，并且存储气动能量以备后用。在HEIHE从停 机开始起动的情况下，压力室(10)中没有足够的工作压力，于是截止阀门(45)也会开启， 把来自空气存储容器(9)中的压缩空气通入到压力室(10)中，以便快速建立起适当的工作 压力。
由上可见，用已经存储起来热能对压缩空气进行二级加热，就能够导致工质膨胀到更大 的体积，于是就能获得更大的潜能来进行膨胀做功。这将成为一种增进空气混合式制动能量 回收热效率的行之有效的方法。
把AC模式和CAE模式集成到HEIHE之中将使得空气混合式动力车辆的驱动系统成为可 能。HEIHE中所集成的空气混合式动力系统的优越性在于无须车载式可反复充电的能量存储 系统(RESS)。RESS在电力混合式动力系统中起着重要的作用，以至于电动发电机和蓄电池 在其中必不可少。空气混合式动力系统则无需此类设备。这不仅会大大减少电动发电机和蓄 电池所引起的重量和复杂性，还可以节省相当可观的成本。从技术上讲，蓄电池的能量密度 是有限的，而且其充放电速率也将会受到约束。所以，它很可能没有足够的能力来处置制动 能量再生所需的快速能量交换。蓄电池的使用寿命也是有限的，通常要短于车辆寿命。
电力混合式动力系统将需要进行五次相继的能量转换才能完成能量再生的循环——从机 械能到电能；从电能到化学能；从化学能到化学能(化学能量存储)；从化学能到电能；以 及从电能到机械能。假定上述每项转换的效率高达90％，于是能量再生环路的总效率就将是 90％的五次方，即59％。与此相反的是，空气混合式能量再生环路只需要两次转换——从机械 能到气动能和热能；以及从气动能和热能到机械能。在此气动能和热能将永远是相互平行同 时发生的。假设两次转换中每次转换的效率为81％，那么能量再生环路的总效率就将是81％ ×81％，即66％。所以我们能够得出这样的结论，空气混合式动力比电力混合式动力具有更高 的能量再生效率，两者之间的效率差额至少为10％。
更进一步说，HEIHE的再生能量被存储在空气容器和储热箱之中。这两种存储设备的组 合将能够提供较高的能量密度，与电力混合式动力系统中可充电蓄电池相比能量密度要高得 多。压缩空气在50个标准大气压下所具有的能量密度与当今最新式的锂离子电池相当。而把 空气压缩到四倍高的压力，即200个大气压，似乎是种寻常之举。另一方面，如果储热箱中 的载热流体温度能够上升53摄氏度，那么其能量密度就已相当于普通镍金属氢电池(NiMH 电池)。而要想把载热流体的温度升高四倍，即升高212摄氏度，那也是不难做到的。显而 易见，能量存储密度是电力混合式动力系统的瓶颈。在上述能量密度实例中，四倍的气动能 量，加上四倍的热能，将会使得HEIHE的再生能量存储系统的能量密度八倍于化学蓄电池的 能量密度。所以，HEIHE再生能量存储系统的可能达到的总能量存储密度，绝对要优越于电 力混合式系统。这种空气混合式动力系统的优越性使其一旦满充能量，就将会使得车辆能够 行驶更长的距离。如果所充入的能量来自家用动力电网，那么就可获得长距离的“插入式” 混合动力系统。空气混合式动力系统的另一特点是，它包含双份并联的能量存储设备，因而 能够支持双倍速率的能量交换，以较高的速率吸收突如其来的制动能量，然后又将这种能量 爆发性地释放出来，从而驱动汽车从静止起步或在行驶中加速。
为获得“插入式”混合动力系统，可以在压缩空气存储容器上加装外部充气接口，以便 利用车辆外部的压缩空气源及其能量来进行能量存储。同时还可以在图八的储热箱(41)中 加装电热元件(44)，以便利用家用动力电源来对载热流体进行直接加热与热能存储。采用 家用动力电源来实现的对HEIHE再生能量存储系统的充气与充热，不仅会使得HEIHE成为名 副其实的“插入式”混合动力系统，而且还将成为未来“插入式”混合动力车辆的能源注入 方式。如前所述，此举将比传统的化学蓄电池充电储能的方式效率更高、能源注入速度更快。
我们最后所要关心的集成到HEIHE中的设备是空气式混合动力系统中的热交换器。显然 热交换器的效率不是100％，但这是专门用来进行工质热交换的设备，其效率将足够地高，其 工作状态也将十分理想。因为它们天生就是用来处置热量的。与此相反，在电力混合式系统 中与此相对应设备的是电力逆变器，这种逆变器用来把蓄电池的直流电能转变成为驱动电机 所需要的交流电能。尽管电力逆变器的效率很高，但毕竟不是100％。假设其效率高达93％， 那么其余7％的能量就会以热量的形式而被散发掉。这种不需要的热量散发，不仅是一种我们 所不希望的能量损失，而且还会导致功率电子器件的过热甚至热崩溃。结果不得不采用专门 的冷却系统来对电力逆变器进行冷却，这又将引起额外的重量、成本和复杂性。如果设计者 打算十分聪明地将电力逆变器的冷却系统与内燃机中已有的冷却系统结合起来，那么电力逆 变器极其电子设备就得在高温下进行工作。这将引起更大的挑战，并带来更多的问题。显而 易见，热能管理是电力混合式动力系统的又一瓶颈。因而，HEIHE中所集成的空气混合式动 力系统的直截了当的能量形式将比电力混合式动力系统在本质上具有较大优势。
如上文所叙述，在蒸汽做功冲程中，气缸中存在着由于热分解和化学裂解过程所导致的 可燃性气体。这些裂解过程在蒸汽做功冲程中可能是慢速而逐渐发生的。所以在一次蒸汽做 功冲程和二次蒸汽做功冲程过程中，必须对两个气缸进行多次点火。至少是应该在蒸汽做功 冲程中可燃气体浓度达到最高点时进行点火。在进一步研发中，还可以将荧光放电施加于气 缸之中，以便在蒸汽做功过程中获得额外的体积膨胀。
如上文所叙述，二次空气—燃油燃烧将导致二次空气—燃油做功冲程而无需消耗额外的 燃料，所以燃油转换效率将大为提高。更有甚者，第二气缸将可用作一个特殊的热反应器， 该反应器足以用来消除一次空气—燃油燃烧所产生的废气污染物。众所周知，即便是在没有 反应催化剂参与的情况下，碳氢化合物在超过600摄氏度的温度下也将会被氧化，只要在此 温度的驻留时间足够长。在超过700摄氏度的温度下，一氧化碳也将被氧化。这种二次燃烧 温度对于以汽油为燃料的发动机的来说是非常容易获得的，因为一次空气—燃油燃烧的排气 温度在大功率状态下将会高达900摄氏度。
另一个众所周知的事实是，可燃性气体的氧化将会产生热量。例如：1.5％浓度的一氧化 碳的氧化将导致220摄氏度的温度上升。由于氧化及其伴随热量释放发生在第二气缸中，所 释放的热能就将被捕获而转换为有用的机械动力。为保持氧化过程的持续发生，不仅需要在 第二气缸中预先存储新鲜空气(事先发生的增压冲程提供了这一动作)；而且也要保持反应 温度足够的高。为了保持反应温度足够的高，在第一气缸中发生的一次燃烧过程期间，将需 要进行富油的浓质燃烧。所以，本发明期盼某种分段式的燃烧方法。与本发明相关的HEIHE 的双联复合式气缸结构将会成为用来实现这种分段燃烧的自然而然的热力学机构。无可质疑， 在热力学与机械学领域完美结合的机械结构将会获得更高的燃油转换效率，而HEIHE的双联 复合式气缸绝对就是这样一种机械结构。
参见图9。图中所示为与本发明相关的HEIHE的缸内催化金属网以及发动机缸体绝热的 结构原理图。HEIHE的两个双联气缸中都有催化金属网(48)被安装在其燃烧室中。在空气 —燃油做功冲程期间，它们被加热到燃烧室的温度。而在后来的蒸汽做功冲程中，它们继续 保持热度。被持续加热的催化金属网能够加速蒸汽在燃烧室高温下裂变成为氢气和氧气的过 程，同样也会增进未燃烧碳氢化合物的蒸汽裂变和/或蒸汽氢裂变。所有这些裂变过程都将导 致带有热能的可燃性气体。另一方面，被加热的催化金属同样还会促进空气—燃油混合气及 其废气的二次燃烧，或者会进一步促进废气在新鲜空气中的氧化，以便减少废气排放，同时 捕获取空气—燃油混合气及其废气的二次燃烧所产生的热能。只要温度许可，在第一气缸中 发生的所有裂变过程，都能够在第二气缸中重复发生。
换句话说，缸内催化金属网(48)是把催化转换器集成到本发明HEIHE中的结果，而催 化转换器则是普通内燃机外围必不可少的一种二次燃烧设备。这种完美的集成，不仅有助于 减少废气排放，而且还能够捕获二次燃烧以及催化转换所释放的热量。其结果会使HEIHE再 获得一项效率增益，废气排放也将降低到一个很低的水平，以至于安装在传统发动机之外的 催化转换器能够被大为缩小甚者不再需要。这也将有助于降低成本。
在双联复合式气缸中进行燃烧将有利于实现分段燃烧，这种分段燃烧通过对双联复合式 气缸施加先浓后稀的不同的空气—燃油混合比来加以实现。它故意使得第一气缸中的一次燃 烧为贫氧富油的浓质燃烧，然后将燃烧所得的产物送入到第二气缸中进行富氧贫油的稀质燃 烧。由图7与图8的文字叙述可知，第二气缸在进行二次空气—燃油做功冲程之前的周期就 已经完成了增压冲程。所以，第二气缸的燃烧室中预先已经充满了被压缩的新鲜空气，并且 这些新鲜空气已经被压缩过程以及气缸壁上的余热所加热。所以燃烧室中预留的新鲜热空气 自然而然就将成为第二气缸中二次燃烧的追加氧化剂，从而使得二次燃烧成为一种能够充分 氧化燃料的富氧贫油的稀质燃烧。二级分段燃烧于是乎就能够在双联复合式气缸中得以实现， 这又将进一步对HEIHE的燃油转换效率做出贡献。
本发明中所披露的HEIHE在使用柴油或生物柴油作为燃料的情况下，常规柴油内燃机所 遇到的那些令人头痛的烟烬和/或微粒，将会被分段燃烧所净化。每当烟烬和/或微粒在第一 气缸中的一次燃烧中被产生出来，他们就能与废气一起被传输到第二气缸中，并在第二气缸 中遇到预留的新鲜空气而被氧化。通常，柴油燃烧的微粒物质将在大约500到600摄氏度起 燃。这一温度高于第一气缸燃烧柴油的排气温度(200到500摄氏度)。然而，在缸内催化 金属网的协助下，柴油微粒物质的起燃温度将会降低到200摄氏度。以此方法，大部分的柴 油微粒物质就会被烧掉。为增进二次燃烧，还可以在一次燃烧膨胀冲程的末点在第一气缸中 进行少量喷油，即排气前喷油。其结果是，第一气缸排气温度升高，柴油燃烧的微粒物质将 会被充分氧化，而氧化所释放出的热能将会被第二气缸所捕获。
仍参见图9，水套(46)可以被安置在第一气缸的周围，以对将要注入第一气缸的流体 进行预热。流体导管(47)把水套(46)和流体注入器(14)连接起来。水套(46)将吸收 从气缸壁逃逸出来的热量，并把将要注入气缸的流体加热到临界超热状态。其结果，逃逸出 来的热能就会被重新捕获，并且被回馈到气缸中去进一步做功，从而获得临界超热蒸汽膨胀 做功。这又是另一项HEIHE燃油转换效率的增益因素。
仍参见图9。为了提高热效率，并减少发动机缸体的热量损失，发动机缸体的表面将被 绝热材料(43)所覆盖。超热的流体导管(47)也将被绝热材料(43)所包裹。更进一步， 两个活塞(17)和(27)的腔体也可填充入质地轻盈的绝热材料(43)，以防止热量从活塞 底部流失。最后，甚至连杆也应该用导热性较低的材料来制作。所有这些绝热措施，都必将 获得HEIHE燃油转换效率的增益。
参见图10。图中所示为与本发明相关的HEIHE的双联气缸匀热水套的结构原理图及其载 热流体的流向示意图。其中图10A为横向截面剖视图；图10B为纵向截面剖视图。图中 箭头所示方向即为载热流体的流动方向。载热流体在双联气缸匀热水套中从第一气缸(11) 的左边，即图十A中标有“UP”处往上流动，经过第一气缸(11)的上部和废气驱动阀门(EAV) (16)的上部水平地流向第二气缸(21)的上部，然后在靠近废气驱动阀门(EAV)(26) 处，即图10A中标有“DN”处转往下方流动。载热流体随后从第二气缸(21)的右边往下流 动，经过第二气缸(21)的下部和废气驱动阀门(EAV)(16)的下部水平地流回到第一气 缸(11)的下部，接之沿第一气缸(11)的左边往上流动，完成在其纵向剖视图中的顺时针 方向的循环回路。
双联气缸匀热水套环绕于双联复合式气缸的外围，用载热流体循环对流的方式使得两个 双联气缸的温度尽量均匀，从而把从有源一次气缸壁逃逸出来的热量馈送到无源二次气缸周 围。我们将此传热结构命名为双联气缸匀热水套。通过双联气缸的匀热水套，有源一次气缸 就将成为无源二次气缸的热源，结果有助于提高HEIHE系统的热效率，变废热为宝。反之， 无源二次气缸也将成为有源一次气缸的冷却器，结果是一举两得，省去了专门的冷却系统及 其散热器。为提高运行效率，双联气缸匀热水套内部具有斜向导流沟槽与导流传热栅条，以 便实现载热流体无源自然对流循环。双联气缸匀热水套中的载热流体既可以采用常规水质冷 却液，也可以采用耐热的导热油料，例如硅油、矿物油甚至发动机润滑油。载热流体在匀热 水套中的对流既可以是无源自循环，又可以是有源强制对流循环。甚至可以在循环回路的低 温区段加装循环泵来实现有源强制对流循环。
图11列出了与本发明相关的HEIHE的燃油转换效率的综述表。表中示出了十四项影响 HEIHE总效率的因素。在这十四项效率因素中，有四项与做功冲程相关，他们导致了正向机 械功率输出；另外四项是HEIHE相对于常规内燃机的结构改进；十四项中有一项独特而较大 的因素是空气混合式制动能量再生；十四项中最后较小的四项因素是HEIHE相对于常规内燃 机在燃烧学和热力学领域的改进；唯一的负增长因素是超级增压，它并不能太多地增进效率， 而是能提高HEIHE系统的功率密度。
仍参见图11，每一项效率因素都被列在一行之中，既有最低效率，又有最高效率，并且 还有平均效率。第一行是一次空气—燃油的燃烧和膨胀。它以常规内燃机仅有的做功冲程为 基础，也就是100％的相对效率起始点。基于现代常规汽油内燃机的效率，此项最低效率为 25％，最高效率为30％。第二行是二次空气—燃油的燃烧和膨胀，它对于基准点来说具有20％ 到22％的效率增益。第三行是一次蒸汽膨胀，它对于基准点来说具有35％到40％的效率增益。 第四行是二次蒸汽膨胀，它相对于第三行的一次蒸汽膨胀来说，具有20％到22％的效率增益。 第五行到第八行是取消水泵和散热器、废气驱动阀门(EAV)、喷射式超级增压器以及蒸发 式中间冷却器所分别带来的效率增益。它们每一项估计都将对总效率带来2％到3％的绝对增 益。第九行为空气混合式制动能量再生。基于现有的电力混合式动力系统比常规内燃机效率 高出20％到30％的增益，在此之上再增加10％作为HEIHE中空气混合式动力系统的效率增益 将是合理的，结果可使得这项效率增益比基准点高出22％到33％。第十行到第十三行分别列 出由缸内催化金属网、分段燃烧、匀热水套及其待注入流体预热，以及缸体与活塞腔体绝热 所带来的效率增益。估计它们每一项会对总效率提供1％到2％的绝对增益。第十四行是以上 十三项效率的合计，结果可以得到58.00％的最低合计效率，81.14％的最高合计效率，以及 69.57％的平均合计效率。第十五行反映了超级增压器的功率消耗所带来的负向效率增益，即 第十四行合计效率的—20％到—15％。第十六行是从第十四行减去第十五行所得到的HEIHE的 总效率，结果是最低总效率为46.60％，最高总效率为68.97％，平均总效率为57.68％。第十 七行把HEIHE的总效率与第一行的基准效率相比较，从而获得1.86倍的最低总效率比值，2.30 倍的最高总效率比值，以及2.08倍的平均总效率比值。第十八行示出了总效率相对于第一行 中常规内燃机基准效率的增长率，结果可获得85.60％的最低总效率增长率，129.90％的最高 总效率增长率，以及107.75％的平均总效率增长率。所以，我们可以确实地得到这样的结论： 高效集成式热机(HEIHE)的总燃油转换效率，顾名思义，至少是比常规内燃机翻一番，或者 说是常规内燃机的两倍。
参见图12。图中所示为与本发明相关的HEIHE的燃油转换效率图谱。在这张燃油转换效 率图谱中，图11中列出的所有效率因素都被用直方图的形式表示出来。所有效率因素的总和， 也就是HEIHE的总燃油转换效率，被显示在图表的最右侧。显而易见，本发明所涉及的HEIHE 与常规内燃机相比具有双倍的燃油转换效率。
由于技术上的优越性，本发明所披露的高效集成式热机(HEIHE)将使得我们习以为常的 传统内燃机焕然一新。首先，基于较高的燃油转换效率，本发明将会降低未来车辆和动力系 统的燃油消耗。其次，由于分段燃烧和二次催化转换燃烧，本发明将大大提高燃烧效率，并 显著降低发动机的废气排放。第三，由于多种做功冲程已经集成到同一台发动机缸体之中， 本发明将导致未来车辆和动力系统具有较高的功率密度。较高的功率密度意味着较小的发动 机体积和重量，或者说，在相同的体积和重量下具有较大的功率。第四，本发明将非常易于 实现。它只不过是采用了常规内燃机气缸加活塞的机械结构，并无复杂而异样的发动机构造。 第五，本发明将导致未来车辆和动力系统的低成本和低造价，这是由于HEIHE不涉及价格昂 贵的结构和部件。第六，本发明可以轻而易举地与“插入式”混合动力系统相互集成起来。 最后，本发明所涉及的HEIHE将与多种燃料相兼容。这是因为可变压缩比易于在其中实现， 并且分段燃烧将能容忍较宽的空气—燃油比范围。
总而言之，本发明所披露的高效集成式热机(HEIHE)将以双倍的发动机燃油转换效率对 人类做出巨大贡献。双倍效率意味着更低的燃油消耗。双倍效率意味着加倍的燃油经济性。 双倍效率意味着双倍能源。双倍效率意味着成倍的节能减排。双倍效率将使环境更为清洁。 双倍效率意味着更少的废气排放。双倍效率意味着更小的温室效应。双倍效率意味着更大的 能源自主性。双倍效率意味着更多的石油储备。无论是在石油经济时代，还是在其他能源经 济时代，乃至任何经济时代，双倍效率都意味着更强壮的经济。本发明将有益于世界上所有 涉及燃料燃烧动力装置的领域，从民用车辆到军需辎重，从工程动力机械到农业动力装置， 从发电厂到蓄能电站，从园林工具到远洋船舶。本发明甚至能够响应美国总统布什在其先进 能源倡议书(Advanced Energy Initiative)中所提出的挑战，同时还能够符合美国能源部自 由车辆技术(FCVT)研发计划所提出的指导方针。
本发明人确信以上的详尽阐述将有助于理解本发明所披露的高效集成式热机(HEIHE)及 其所具有的各种优越性。本发明人还相信，本发明的各组成部分在形式、结构与编排方面可 能发生各种变化，但都不至于会背离本发明的范畴与精神，也不会有损于本发明全部与生俱 来的优越性。也就是说，万变将不离其宗。迄今为止的文字表述内容仅仅是对本发明的一种 解释性的阐述，而本发明的各项权利要求则是用来包容和涵盖各种可能的千变万化的具体实 施方式。凡是本发明未提及的连接方式均为现有技术中的连接方式。
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