本发明涉及一种内燃机。

内燃机可分为分离式或非分离式两种。所有这些发动机的压缩过 程都先于与空气相混合的燃料的点火和燃烧过程。

在非分离式发动机中，压缩冲程开始之前燃料与空气相混合，如 通常称之为SIGE发动机的火花点火汽油机。在一些现在并不常用 的分层进气的SIGE发动机中，燃料是在压缩过程中点火之前输入 空气中的。而点火是通过火花塞进行的。在所有的非分离式发动机中， 最大压缩压力是受到限制的，因为预先混合的燃一空混合气在点火发 生之前，由于压缩过程产生的高温可能被点燃。

SIGE发动机要求空一燃混合气近似按化学当量比进行修正。 由于受较低的压缩比和在部分负荷时对空气实行节流的限制(这些都 与燃烧系统有关)，从而导致了SIGE发动机的热效率相对较低。 它的主要优点是燃烧过程迅速，从而由于预混合的燃空混合气的迅速 燃烧，故可产生较高之转速及动力性。

分离式发动机压缩所有的或绝大部分的不含燃料的空气，并在接 近压缩冲程终点时向空气中喷入燃料，并在该压缩冲程终点开始点火。 常见的分离式发动机是柴油机，在该发动机中，在压缩冲程终点附近， 燃料以非常高之压力喷入燃烧室。

分离式发动机与SIGE发动机相比较具有较高的热效率，特别 是在部分负荷的情况下是如此。它的能提高热效率的压缩压力不受予 先点火的危险的限制。故在部分负荷时，不需要节流，从而可消除泵 气功损失，并可提高部分负荷贫混合气燃烧的燃烧效率。

柴油机分离方法之缺点是：在燃料迅速点火燃烧之前，为了喷射 所需之燃烧并使之蒸发，需要相当长的时间。因此，虽然柴油机之热 效率比SIGE发动机高，但不能象SIGE发动机那样在同样高的转速 下运行，在相同尺寸相同重量的情况下，产生之功率也比较小。本申 请人发明的各种类型的分离式发动机已为众所周知，如 GB-A-2155546,GB-A-2186913,GB-A-2218153及 GB-A-2238830中所述发动机。这些发动机现在在文献中称之为 Merritt发动机。

Merritt发动机包括：至少一套含有第一气缸和第二气缸的装 置；分别在所述气缸中可运动的第一和第二活塞；在每一套装置中， 第一气缸比第二气缸具有较大的排量，并具有一个与第一气缸连通的 空气进气阀和/或通道，一个与第一气缸连通的排气阀和/或通道及 一个用于向第二气缸输入燃料的燃料源；当活塞基本上处于内死点 时，形成燃烧室空间的装置；至少在膨胀冲程之早期与两气缸相连通 的燃烧室及用于限制燃料/空气混合气从第二气缸向燃烧空间中运动 进行预燃的限制装置。

如柴油机一样，Merritt发动机也是一种分离式发动机，其不同 之处在于少量空气与所有燃料一起在较小的第二气缸中压缩，而大部 分空气单独在较大的第一气缸中压缩。非常富的燃/空混合气由太 富，在压缩过程中，在第二气缸内不可能爆燃。众所周知，少量的燃 料也可以在第一气缸中与空气混合，由于太贫，其在压缩过程中也不 会发生爆燃。

附图1所示为一已知的Merritt发动机，该图为内燃机的局部 横剖面图。以下对该发动机予以简叙，读者欲知该发动机之详情请参 看GB-A-2218153。

发动机10包括一个第一气缸12和一个较小的第二气缸14。 第一活塞16通过活塞环16a被密封在第一气缸12中，并可在其 中运动。一个较小的第二活塞18从活塞16的头部伸出，并可在气 缸14内运动。可以看到，较大活塞16比较小活塞14具有较大的 排量。两个气缸的轴线是平行的。尽管在图中气缸14位于与大气缸 同心，但它可以位于任何适当的位置，即可与大气缸12偏心布置。 第一活塞16的冲程是这样设置，即当第一活塞处于外死点时，第二 活塞18仍伸入第二气缸14中。虽然在GB-A-2218153 中记载有两个独立的活塞和两个独立的曲轴，但活塞16和18可以 共用一个公用的曲轴和连杆机构。以燃烧室20的形式存在的燃烧空 间位于第二活塞18的内部，并通过通道28和29与第一气缸14 和第二气缸12相连通。通道28包括有一个前述的限制装置。将燃 烧室20与第二气缸14(其中含有以后要叙述的燃油)连通的通道 28，在Merritt发动机中影响所谓的“预燃”，进而影响点火定 时。在Merritt发动机中，术语“预燃”是指燃/空混合气从第二 气缸向燃烧空间的运动。

图1所述的发动机是一种四冲程Merritt发动机。在运行中， 绝大部分充气空气是从进气管25经进气阀门24进入第一气缸。其 中一些进气空气在吸气冲程经通道28和29吸入到第二气缸14中。 所需之液体燃料通过喷油器21喷到第二气缸14中。燃料输入可以 在吸气冲程进行，如需要也可以在压缩冲程初期进行。

与在压缩冲程结束时向发动机喷射燃料的分离式柴油机相比， Merritt发动机允许向该发动机输入燃料时间占更长的循环时间。换 句话说，燃料具有更长的时间从液态蒸发到汽态，但直到在燃烧室 20中开始燃烧之前，燃料与起初在第一气缸12中的大部分压缩空 气的混合并不充分。

由于采用了这样的气缸布置方案，即不同排量的气缸与一个共用 的燃烧室连通，并且燃料位于小气缸中，从而产生了一种称为“气体 动力分离”的过程，这些在本申请人以前的专利申请中已存在并已公 知。气体动力分离不同于柴油机的机械式分离。在机械式分离中，在 燃料喷出之前，机械阀门装置(典型地说即为喷油器的针阀)一直是 关闭的。但在Merritt发动机所产生的气体动力分离过程中，位于 较大的第一气缸和燃烧室中的空气，在压缩冲程的大部分过程中流到 较小的第二气缸中，这是公知的。如图1所示，这就形成了流径与燃 烧室20和第二气缸18连通的通道28的空气流动。而在气缸180 中含有全部或大部分燃料，从而停止了向燃烧室的燃料输入。在压缩 冲程终点附近，由于第二气缸14的压力大于燃烧室20中的压力， 从而气流反向流动，即由喷油器21喷入的燃料在较小气缸14中蒸 发，然后与一小部分空气一起进入燃烧室20中。

本发明之目的在于提供一种改进的内燃机。

根据本发明的一方面内容所提供的内燃机包括有：

至少一套带第一气缸和第二气缸的装置，第一气缸比第二气缸具 有大的排量；

分别在所述气缸中可运动的第一活塞和第二活塞；

与第一气缸连通的进气装置；

与第一气缸连通的排气装置；

用于向第二气缸提供燃料的第一燃料源；

当活塞基本上处于内死点时，构成燃烧空间的装置，在膨胀过程 中，该燃烧空间与两个气缸连通；

在第二活塞到达或接近它的内死点位置之前，限制燃料/空气 混合气自第二气缸进入燃烧空间的限制装置；

其中，将第一燃料源安排成在第二活塞顶上方把燃料输给第二 气缸；

其特征为所述第二活塞具有一个与第一活塞相隔开的，但又与 其相连接的头部，该头部具有一个至少沿头部周边部延伸的在轴向 比第一活塞头部与第二活塞头部轴向间的距离要相对小的边缘，并 在所述活塞头部和所述第二气缸的侧壁之间形成所述燃烧空间，其 中第二活塞头部的边缘与第二气缸的相邻壁径向间隔，在它们之间 形成一间隙，构成所述限制装置，所述间隔的尺寸定得基本上能阻 止在侧壁和第二活塞头部之间的燃气自第二气缸流入燃烧空间，直 至压缩冲程结束。

本发明的最佳实施例具有与第二气缸相连的通道装置，以便在压 缩冲程的初期将第二气缸中的压力控制在低于第一气缸中的压力值上。 从而在第二活塞到达或接近内死点位置前限制预燃。应该记住：压缩 冲程终点的第二气缸中的压力影响预燃定时，而通过控制预燃定时可 以提供最佳的点火定时。预燃可安排在接近压缩冲程的终点时发生， 如在内死点前25°范围内。

通道装置最好包括一个与第二气缸连通的第一通道装置和一个用 于控制该第一通道装置的第一阀门装置。该第一阀门装置最好在吸气 冲程开始时被打开，在压缩冲程早期能关闭。关闭时间对预燃定时有 直接的影响。最好阀门装置包括有一个由机械或电操纵的提升阀。采 用提升阀门可以容易地使用现有之阀门，并可使用电操纵之阀门，特 别是精确地控制阀门开启的持续期和关闭时间可控制混合气的进入。

该通道装置还包括一个可变流通面积的第一阀门装置，例如一个 最好位于所述第一阀门装置上游的蝶形阀和节流阀。由于采用了上述 可改变流通面积的阀门装置，故通过阀门装置的空气流可精确地控制， 从而加强了对预燃定时的控制。在吸气期间，带有或不带燃料的空 气，或带有或不带空气的气态燃料可经入口装置进入第二气缸。

燃料源可包括液体燃料喷油器，它最好位于第一阀门装置的上游。 为对燃料源来的燃料的开始喷射和喷射持续期进行定时，应该装备相 应的装置，从而在阀门装置打开或关闭期间内将燃料喷入。该通道装 置可以由例如发动机操纵系统的控制装置进行控制。

在图1所示的发动机中，燃烧室20形成于第二活塞内部，这种 方案在许多方面是可接受的，但这种燃烧室存在一些制造上的困难， 不过这些困难可以通过一个只是将部分燃烧室形成于第二活塞18内 部的方案克服。在上述方案中，第二活塞可能有一个与第一活塞头隔 开并与其连接的头部，该头部在轴向具有一个比第二活塞头部至第一 活塞头部之间的距离小的边缘。在轴向，第二活塞头部最好总是位于 第二气缸中。换句话说，有可能在两个活塞头部之间形成燃烧空间， 从而可避免完全在较小活塞内部形成燃烧空间的必要性。

第二气缸的构成要求便于提供一个突然或逐渐的顶燃特性。例如 第二气缸可以这样构成，即，当第二活塞位于或接近或基本上位于它 的内死点时，在它的远离第一气缸的一端具有一个在该第二活塞头部 边缘的周围形成的旁路装置。换句话说，第二活塞头部的周围边缘在 活塞冲程的绝大部分期间内，与第二气缸的壁处于密封状态。然后， 一旦第二活塞头部的边缘位于接近旁路的位置时，第二活塞头部周围 边缘与第二气缸壁之间的间隙显著增加，从而混合气经旁路迅速进入。 旁路的轴向长度大于第二活塞头部边缘的厚度。最好旁路是在第二气 缸壁内形成的槽的形式，该槽可以沿第二气缸的整个或部分圆周延伸。

设置该槽是极为有利的，它为第二气缸内的汽化燃料和空气提供 了一个余隙容积，它延迟了预燃，同时也提供一个火焰通道，使来自 燃烧空间的火焰在预燃后达到第二活塞头部上方的任何燃料。该槽之 设置还可以帮助位于第二活塞头部上面的残余废气在排气冲程终端排 出。

根据突然或逐渐顶燃之需要，旁路可由第二气缸腔的突然或逐渐 扩大所构成。

带薄的活塞头边缘的第二活塞与引起预燃的旁路装置结合使用可 以使活塞边缘与所用的第二气缸侧壁之间的间隙明显减小。可采用一 个非常小的间隙。在上述方案中，为了使空气进入到第二气缸中，有 必要使用通道装置，并且该通道装置也可以用于从第二气缸中排出废 气。

由于具有带小边缘的第二活塞头部，从而可通过旁路装置触发预 燃开始。该旁路装置与小活塞头部的薄边缘相互作用以构成旁路，并 使第二活塞在接近它的内孔点时，让第二活塞上方第二气缸中的气体 流过活塞头边缘。

第二活塞头部边缘与第二气缸壁之间合理设置的间隙，必须采 取措施控制第二活塞头部上方的第二气缸中气体的压力，使其低于 第二活塞头部另一侧的燃烧空间中的空气压力，直至预燃开始。这 种控制可由上述的通道装置实现。

在第二活塞边缘的周围构成限制装置是特别容易的，并且在这 方面本发明具有特殊的优点。

在一个实施例中，该间隙为一个在所述第二活塞头部边缘与邻近 的第二气缸壁之间的连续的环形间隙。在另一个实施例中，该间隙由 一个或多个位于第二活塞头部上的径向凸出部分隔断。其中一个或多 个这样的凸出部分最好能在邻近的第二气缸壁上滑动，以便第二活塞形 成侧边对侧边的支承。另外，该间隙可由两个或多个位于第二气缸壁 上的轴向延伸的径向凸出部分隔断，从而在活塞头部运动将对其进行 滑动支承。

活塞之结构可以是各种形式。

例如，第二活塞头部可以通过至少一个支柱，例如单个中心支柱， 与第一活塞头部隔开。

支柱之外形可以构成燃烧空间的曲线形壁面。该曲线形壁面的形 状要求能增加在压缩冲程期间进入的空气的涡流，从而当燃/空混合 气进入燃烧室预燃时，能加速上述空气与汽化的燃/空混合气的混合， 这是特别有利的。

如果需要，作为替换方案，第二活塞可以有一个在第二活塞头部 和第一活塞头部之间延伸的圆柱形的裙部，该裙部具有一组尺寸较大 的孔，该孔使第二活塞头部的各相关部分具有相对薄的头部边缘。

在膨胀冲程期间，燃烧空间完全与第一气缸连通之前，燃/空混 合气最好是在燃烧空间中尽可能进行充分燃烧。为了帮助取得这种效 果，第一活塞头部可具有一凸出部分或一个塞形部分，它与第二气缸 上的工作间隙相配合，从而当活塞达到或基本达到内死点位置时，几 乎完全使燃烧空间与第一气缸隔开。因第二活塞不必与装于其中的活 塞环密封配合，故它不必一定是圆柱形的。因此，基底可以是所选择 的第二气缸横截面形状的相应形状的。

当设有上述的凸出部分时，那么应该设置一个通道，以使第二活 塞头部上面的空间和第一气缸连接起来，从而当活塞接近内死点位置 时，使空气从第一气缸输入第二气缸，以帮助预燃。

在预燃之后，燃料最对能通过与燃烧空间中的高温压缩空气接触 而点火。

如果需要，燃料的点燃也可以通过火花塞，催化剂或其他与燃烧 空间相连通的或相关连的点火装置帮助点火。如果采用催化剂点火装 置，它可以放置在燃烧空间内，例如在第二活壁头部的下面，但不能 放置在第二气缸壁上。

在第二气缸最接近第一气缸的端部设置一个第二旁路装置，例如 类似于上述第一旁路装置中的槽。第二活塞头部位于其外死点位置时， 第二旁路装置允许燃气从旁路通过第二活塞头，这对在扫气阶段，在 排气过程开始时，平衡第二活塞头部两侧的压力是有利的。

在第二活塞头部具有一个薄的周围边缘，该边缘带有一个由第一 活塞头部和第二活塞头部的下表面之间确定形成的燃烧空间，具有这 样的活塞的优点之一是：允许将气体分离原理与人们熟悉的柴油机和 SIGE发动机(汽油机)的燃烧系统结合起来，从而，当按本发明 制造的Merritt发动机混合运行时，可给人们熟知的这两种发动机 系统都带来好处。

上述的柴油机混合系统允许一部分燃料按Merritt发动机原理 进行汽化，分离，然后点火，从而产生火焰，以帮助喷入柴油机中的 剩余燃油汽化与燃烧。

节流装置可以位于与所述第一气缸相连通的空气进气装置的上游， 从而可在发动机部分负荷时限制输入第一气缸的空气量。

在混合型SIGE发动机方案中，火花塞可以安装在第二气缸壁 上，因此，当第二活塞的头部处于或接近它的内死点位置时，火花塞 可帮助第二活塞头部后面的燃烧空间内的燃/空混合气点燃。

在第一种运动模式中，所述进气阀安装在第一气缸上，而节流阀 控制其中之可点燃的燃空混合气量。因而，由于所述的燃料源和空气 停止向第二气缸供应，当活塞位于内孔点位置时，进气阀门使空/燃 混合气进入第一气缸，通过火花塞点燃。而在第二种运动模式中，进 气阀门基本上只使空气进入第一气缸，燃料源和空气供应装置将燃料 和空气输入到按Merritt发动机模式工作的第二气缸中。

如果来自第一燃料源的燃料通过与第二气缸相连接的以前所述的 通道装置输入，则发动机可按两冲程循环运行。在上述方案的一个例 子中，所述的空气进气装置用于输入高于大气压，并基本上只输入到 第一气缸的空气。所述的排气装置是为第一气缸而设的。第二活塞装 在第一活塞上。空气也是以高于大气压之压力经所述的通道装置与来 自第一燃料源的燃料一起输入到第二气缸中。如果需要，空气可以以 同一气源，如发动机的曲轴箱输到两个气缸中。

Merritt发动机的分离原理特别适应于两冲程发动机，它可将 在四冲程循环中控制分离的任何特征与另外的节流阀结合起来或不需 与另外的节流阀相结合，这些特征比如是：第一旁路槽和第二旁路槽， 第二活塞的薄边缘的头部，用于在内死点封闭燃烧空间的凸出部分及 带有一个阀门的为第二气缸而设的通道装置。在这样的发动机中：

(a)由于不需要在第一活塞上方留出任何让阀空间，故第二活 塞可容易地与第一活塞同心安装；

(b)由于燃烧空间是开式的，在两冲程扫气期间，第二活塞头 部下面的废气的排出是很容易实现的。

(c)由于燃料由第二活塞头部与排气道隔开，故输入第二气缸 的燃料在膨胀冲程终点在换气阶段是不容易排入到排气道中去的。

现在参照附图，对本发明之内燃机予以说明：

图1所示是现有技术Merritt发动机的部分剖开的视图；显 示内燃机部分的剖面轮廓；

图2为经本发明内燃机的一部分的剖面示意图，其中第一活塞 头部和第二活塞头部是通过第二活塞的中心支柱装置连接在一起的；

图3为图2所示的气体运动部分的放大图；

图4为通过类似于图2所示的实际形式的发动机的局部剖面图；

图5为类似于图4的剖面图，但另外还示出了用于发动机起动和 怠速的火花塞和节流阀；

图6为类似于图4的剖面图，其示出了本发明所述的第一种形式 的柴油混合发动机；

图7为本发明所述的另一种柴油混合发动机的剖面图；

图8为类似图4之剖面图，但示出了本发明所述的火花点火混合 发动机；

图8A为图8所示发动机的剖面示意图；

图9为本发明所述的位于第一活塞上的凸出部分和通过第二活塞 的通道的剖面示意图；

图9A为图9所示活塞的另一种形式的剖面示意图；

图10为位于气缸内的改进的小活塞的局部视图；

图10A为图10所示方案的另一种改进的第二气缸的横剖面图；

图11为从图10中箭头Ⅺ方向所现的活塞的平面视图；

图12为第二活塞的进一步变形；

图13为图12中活塞沿图12中ⅩⅢ一ⅩⅢ线的剖面图；

图14为第二活塞另一种变形结构；

图15为本发明之两冲程发动机剖面示意图；

图15A为图15所示发动机的局部放大视图；

图16为类似图15中所示的实际形式的发动机；

图17为本发明所述内燃机改型的局部剖面示意图；

如上关于图1所述，由于小活塞18中的燃烧室20可能带来 一些制造上之困难。现参看图2，其示出了本发明具有另一种活塞 的发动机。这种活塞使燃烧室加工比较容易，并还有一些其它优点。 在图2中，与图1中所示部件相应的部件具有相同的标号。

在图2中，较小活塞18与较大活塞16同心(但同心并不是必 要的，活塞18和16可偏心放置)。活塞18包括一个支柱234 和一个凸出部分或基底84，通过该基底84，活塞18的头部连接 到活塞16上，或与活塞成一整体。连接可以是非刚性的，即柔性的 或弹性的，如用球形转动节连接。虽然所示的头部35和36是平的， 但它们中的一个或两个均可是曲面的，例如可以是与气缸顶部表面相 匹配的拱形或截锥形。从图2中可看出，支柱234的外形是曲线形 的。这种曲线形加强了从大气缸12进入燃烧空间20中的空气的涡 流及随后进入燃烧空间20的燃/空混合气的涡流。燃烧空间20位 于支柱234和通常用14a表示的小气缸14的壁之间。支柱之形 状和尺寸可以选择，以得到一个具有适当大小和形状的燃烧容积。

应该注意到活塞18的头部具有一个轴向厚度为t的边缘，t值 大大小于活塞18和16的头部35和36之间的轴向距离。头部 35有一个圆柱形或其他形状的圆周边缘37，它稍微离开第二气缸 壁14a，从而形成一环状间隙128形的限制装置，它起图1中的 限制通道28的作用，并构成了前述的整个或部分限制装置。如图所 示，小气缸14的顶部形成了任意的圆周槽39，它提供了一个旁路， 以便加速如下所述之预燃。小气缸14的顶端具有一个通常用30表 示的通道装置，它包括第二进气阀31和节流阀32。阀31布置 得便于接受从带有液体燃料喷油器34的进气管33中来的空气。 节流阀32控制通过进气管33的空气流量，但基本上不影响燃料 喷射器34喷入的燃料量。

在发动机的进气冲程期间，空气通过进气管25进入大气缸12 中。空气也与来自喷油器34的燃料一起，经过打开的阀门31进入 小气缸14中。在第二进气阀31打开期间，或当它关闭时或在打 开与关闭这两段时期内，来自喷油器34的燃料输入进气管33。 节流阀门32控制进入到小气缸14的空气流量，并可确保在发动 机进气冲程过程中，经过进气阀门31进入到小气缸14中的空气 燃料混合气的压力通常低于大气缸12中的压力。在压缩冲程初期 (在小于或等于最初一半的期间)，在进气阀关闭之后，阀31的 关闭定时也可以保证：当阀31关闭时第二气缸14中的压力低于 第一气缸12中的压力。可采用发动机控制装置M来控制在进气阀 24关闭后在预定活塞位置上阀31的关闭。在压缩冲程期间，活 塞18头部两侧的压力差，在压缩冲程终点接近活塞18内死点位置， 对将小气缸14中的容量充入到燃烧空间20中进行预燃的定时有影 响，因此，当气缸14中的燃/空混合气遇到在压缩冲程期间由大活 塞16输入的相对较热的空气时，可以由例如压缩点火来控制蒸发之 燃油的着火正时。

喷油器34安装在阀31的上游，以保护喷油器不受燃烧压力和温 度之危害，这样是有利的。

可由发动机控制系统M完成的节流阀32的位置的调节和/或阀 门31的关闭，可以用来控制发动机在全转速范围内和全燃料量范围 内的点火定时。燃料量通常由控制器根据功率输出而确定，如一般火 花点火发动机一样，不需要由节流阀32的位置来直接控制。

在压缩冲程过程中，来自较大气缸12的空气被压缩，由于压力 差，一些空气进入燃烧室20中。

在发动机的进气和压缩冲程期间，经过第二进气阀31进入到第 二气缸的燃料，在小气缸14中汽化。通过第二进气阀31输入的燃料 /空气混合气超过了富燃极限，从而只靠活塞18上面小气缸14中的 压缩温度是不能自行点火的。在接近内死点的位置，随着压缩冲程终 点靠近，活塞头35的周围边缘37达到如图所示的与旁路39邻接的 虚线位置。该旁路39有效地增大了限制装置的尺寸，气态的空/燃混 合气沿边缘37周围急速流过旁路39，并流入燃烧空间20。随着压缩 冲程终点之临近，基底84进入第二气缸14中，从而部分地将燃烧空 间20与第一气缸12隔开。燃烧空间中的空气被压缩并处于足够高的 温度，以使进入到燃烧空间的燃/空混合气自发点火，然后燃烧空间 中的燃气膨胀，迫使活塞16和18朝下运动，从而开始膨胀冲程，预 燃过程在小活塞18达到其内孔点时基本上完成。由于燃烧可能在内 孔点前开始，这就会引起大活塞12的头部36上过早的和所不希望的 压力增加。基底84的使用可以帮助将大活塞头部36上的压力增加推 迟到内孔点位置通过以后。基底84之详细情况以后叙述。如图3所 示，槽39的轴向长度L大于第二活塞头部35的厚度t，从而为燃/ 空混合气沿头部四周通过旁路槽 39进入燃烧空间提供了一个加大的间隙。

槽39的横截面形状可以与图2和图3所示不同。例如槽可以 有一倒锥形下壁，当活塞18逐渐接近其内死点时，该下壁39b 提供了一个逐渐增大而不是突然增加的间隙。

槽39还在第二气缸14中形成了一个余隙容积，这个容积不会 由于活塞18在第二气缸中的运动而减少。在压缩冲程期间，由于该 余隙容积在气缸12中为燃/空混合气提供了一个附加容积，从而有 效地推迟了预燃之时间，但预燃时，该余隙容积与燃烧空间20是连 通的。槽39的另一个作用是允许火焰及因火焰在燃烧空间中引起的 压力升高，也可传递至第二活塞头35上方的空间中。换句话说，火 焰可以烧掉经预热后仍留在第二活塞头部35上面的任何燃料。当第 二活塞头部35移动到旁路区域时，为了使它定位，槽39可以由连 续的气缸腔壁14a形成的众面积39a(见图16)隔开。

通过控制通道装置30，较小气缸14中的压力可以精确地控 制，从而提供预燃之最佳定时，进而控制点火定时，从而使发动机 在全速或全负荷范围内具有最佳的运行特性。

与图1所示的燃烧室20相比，这里的燃烧室20是一个“开式” 的燃烧空间；与图1所示的相对封闭式燃烧室比较，在该开式燃烧空 间中燃烧过的气体从燃烧空间向第一气缸12流动限制较小。

在排气冲程，由于第二活塞向上推移，聚集在第二活塞头部35 上面的废气通过间隙128输入到燃烧空间20和第一气缸12中， 这时，设置的旁路39在排气冲程终端将帮助这些废气加速排出。废 气从较大气缸12经排气阀门26和排气管27排出。

如图所示，当小气缸14在它的顶端设有旁路槽39时，可以看 到，间隙128的大小可以这样选择，即使预燃气进入燃烧空间，使 间隙128单独(即不包括旁路)构成完整的限制装置的通道。在这 种情况，间隙128应仔细选择，以保证在压缩冲程的大部分期间内， 在头部35的顶面和燃烧空间20之间产生足够的分离。

可以看出，在图2的实施例中，没有图1中的固定通道29，它 被一个第一活塞16的头部36与第二气缸14下端的边缘14b之 间的环状气体逸出面积129有效地代替。当活塞在膨胀冲程中下降 时，环形逸出面积129迅速增加，使燃气基本上无阻碍地从燃烧空 间20向第一气缸12输送。

由于压缩冲程期间空气中燃料汽化的作用和通过支柱234的传 热作用，头部35由进入的燃料和经第二进气阀31进入的空气冷却。

如图15和15A所示，在第二气缸14的下端设置一个旁路槽 135，这对排气过程有好处。槽135允许在第二气缸14中有一 个排气过程的放气阶段，将废气放入第一气缸12，然后从排气阀 26排出。在排气过程的放气阶段之后，在排气冲程的大部分时间 内，废气可从活塞头部35的上面经间隙128输入排气管27中。

在阀门31作为进气阀和排气阀使用的方案中，其优点是在排气 终点气缸14中的任何没有燃烧的燃料都不需离开发动机，从而减少 了排气污染。

现参看图4，其中示出了图2所示发动机的最佳实用方案。在图 4中，与图2中所示部分相对应的部分具有相同的标号，故不予详述。

参看图4，发动机气缸体40由冷却内腔41构成，并形成较大 的第一气缸12和较小的第二气缸14。主进气管25通过由位于凸轮 轮轴43上的凸轮42操纵的进气阀24打开和关闭。阀门24可滑 动地安装在一种常用型导管44中，并在阀的顶部有一锁块45， 以帮助将图中虚线所示的阀门弹簧46进行定位。

第二进气阀31通过摇臂48，由位于凸轮轴43的凸轮47进 行操纵。第二阀门31也可以包括有一个锁块装置49，以帮助将 图中虚线所示的阀门弹簧50定位。较小活塞18有一个曲线形外 形支柱，该曲线形外表面向外张开，并终止于在活塞头部正下方 的弯曲的上端部。排气阀26和排气通道27在图4中没有表示出 来，但其设于发动机中并与较大的气缸12连通。图4所示发动 机之运行与图2所示的发动机相同。在图4中活塞的最大行程位 置表明用虚线所表示的活塞的外死点的位置和接近内死点的位 置。

采用“开式”燃烧空间方案的另一个优点是允许用火花塞或热 线点火塞直接放入燃烧空间20点火。在这方面，请参看图5。 图5中除了上述的从第二气缸14的壁14a伸入气缸的火花塞52 之外，图5和图4完全相同。火花塞可以用于特别是冷起动和怠 速时激化点火。

如果需要，大气缸12可以具有一个流量控制装置23，例如 一个节流阀门或一个固定面积的开/关限制器，以便在部分负荷 进气冲程期间，减少进入到大气缸12中的空气量。类似的减少 进入到第二气缸14中的空气量也是必要的。为了保持气缸之间 的压力差，以促进分离，可以利用节流阀32，将进气管33和25 连接起来，也可以达到这种效果。对在部分负荷供应的给定燃料 量来说，这种进气节流将增加小气缸14中的燃/空混合气比， 从而可避免当小气缸中的燃/空混合气比接近着火极限时，由于 压缩，小气缸14中的燃/空混合气自发地点火。由于进入之流 量减少，最大之压缩压力和温度也将下降，故燃/空混合气进入 燃烧空间后，最终需要用火花塞52帮助点火。例如，当小气缸 14中的燃/空混合气通过化学当量比修正，即修正到化学当量 比左右时，发动机可怠速运行。节流过程可以使压缩压力降到足 够低，以防止自发压缩点火，然后可以利用火花塞在预燃之后将 进入燃烧空间20的经过化学当量比修正的混合气点燃。

从图5中可以看出，在火花塞52靠近气缸端部形成一个凹 腔52a。为避免燃气经起有害旁路作用的凹腔52a流过第二活塞 头部39，火花塞52最好是位于小气缸14中。换句话说，即尽 管减小凹腔52a的容积，例如可利用适当形式的火花塞。

利用“开式”燃烧室方案的另一个优点是：它使本发明所述的 混合发动机可制造成为吸入Merritt发动机分离系统的优点的发 动机。

第一台这种混合发动机的方案如图6所示，其中与图4所示 部分相对应的部分具有相同的标号。在图6中，该发动机带有喷 油器60形式的第二燃料源，而第一燃料源(喷油器34)如前述 用于将燃料输送到进气道33中。与图4和图6比较，应该注意 到：喷油器34移到发动机的通道33和摇臂盖之间的位置。

在进气冲程期间，阀门24和31打开，以使基本上没有节流的 空气进入大气缸12冲；经进气阀门31使燃料和空气进入小气缸14 中。但在图4中，喷油器34基本上提供了发动机燃烧所需的全部燃 料，而在图6所示的方案中，喷油器34只提供所需燃料的一部分。 当活塞18接近它的内止点位置时，如图6的点划线所示，顶部35移 过喷油器60的出口，在该点，在柴油机模式中，喷油器60直接把燃 油喷到顶部35正下方的燃烧室20中去。

当活塞18接近它的内止点位置时，在顶部35上的蒸发燃油 和空气的混合物通过由活塞边缘37和较小汽缸的壁14a之间所 确定的间隙128进入燃烧室，此时通过已扩大的旁通槽39。即 使间隙128很小，只要槽39存在，这种进入就是可能的。在压 缩行程中，从较大汽缸12来的空气已进入了燃烧室并将在温度 足够时以点燃已进入的燃油和空气的混合物。喷射器60定时释 放带有压力的燃油充入燃烧室20，以便在已进入的正在预燃的 混合物情况下极迅速地点燃。这样，该发动机不仅利用了典型柴 油机以喷油器60的燃油分离方法而且也利用这里所述的梅里特 (Morritt)发动机的燃油分离方法。这种柴油发动机和梅里特 (Merritt)发动机原理的组合将能实现一种柴油机在高供油率而 排烟很少的情况下(即使有点)还行，也可以实现柴油机在低压 缩比和较高的发动机转速下运行。这种组合同没有梅里特 (Merritt)发动机帮助下的柴油机相比大大增加了燃烧的速度。

由喷油器34和60所供给的燃油量和定时将通过一个装置。

如一台发动机的控制系统来控制，以便提供就给定的运转要 求所需在喷油器34和60之间准确的喷油比例，从而使排气中排 烟降到最低。

在图6和前述的各图中，其中喷油器34位于阀门31的上 游，输送到喷油器34的油管压力可以相对低一些，例如在10巴 以下，而喷油器60是典型的柴油机喷油器，为了克服燃烧压力 需要的燃油管压力值大的多。

第二种型式的柴油混合发动机表示在图7中，其中相应于图 4中所示部件的部件相应地用相同的标号表示，在此将不再详 述。图7中去掉了喷油器34，而在图6中喷油器60的位置上装 上一个单独的控制喷油器70以控制所需的金部油量。这个喷油 器70是一种高压型柴油发动机喷油器能以两个或多个不同的脉 冲排放燃油，比如，一个用电磁线圈控制的柴油机喷油器。该脉 冲可以有不同的持续时间并且在每一个脉冲中喷油器可以不同的 流量来排放。一个能连续供油的喷油器开始用一低流量排放，进 行当中以较高流量排放是合适的。在进气行程，空气通过进气阀 24进入大气缸12中，第二个进气阀31打开仅吸入大量的空 气，用喷油器70把一定比例的燃油量喷入小气缸14中活塞顶部 35上面。到了活塞18靠近它的内止点位置时，如点划线所示， 燃油和空气混合物中的燃油在顶部35上面蒸发并最后进入燃烧 室20，于是它由被压缩的热空气点燃。然后，喷油器70产生第 二次脉冲，排放剩余的燃油进入正在燃烧混合物的燃烧室中，于 是燃油急速燃烧，如图6所示的方案。如果需要，在压缩行程而 不是代替进气行程期间，或在进气和压缩两行程中，用喷油器 70的第一次脉冲将燃油喷入活塞顶部35上面的空间。

可以想象到，一个连续和较长时间的喷射是会有效的，而不 是每个循环喷射两次，因为小活塞的顶部35穿过喷油器，排放 的燃油量也能增加，使得更多的燃油直接排入燃烧室。而后，发 动机运转则具有如前述所的同样优点。

如图6和图7所示的柴油机/梅里特(Merritt)混合型， 人们将会懂得：两个燃烧系统在同时运行。在一个第三混合方案 中，梅里特(Merritt)分离系统能同火花塞点火的发动机原理 相结合，其中燃油和空气至少在压缩行程中预混合，利用火花塞 点火以产生动力。在这种混合方案中，它的一个例子表示在图8 中，两种燃烧方式 相继运行。

在图8和图8A中，各部分的标号与图4、图5中相应部分的标 号相同，这里不再详述。图8中的内燃机与图5所示的在结构形式上 相同，只是外加了一个燃油/空气操作系统80，它是典型的火花塞 点火的内燃机。该系统80包括一个油分配器，在这里它是一个低压 喷油器82(但它可能有一个燃油/空气配量装置如一个化油器)和 一个节流阀83。这个系统提供了燃油/空气成比例的封闭控制以简 化火花塞点火。

工作中，在具有燃油喷射器34的电火花点火的内燃机运行时， 内燃机被开动并加热，这是在系统80被断路的情况下和在进口导管 33中的节流阀32被关闭的情况下进行的。在进气行程，燃油/空 气混合物通过选气阀24进入大气缸12。在压缩行程期间，混合物 被压入燃烧室20，在那里被火花塞52的电火花点燃，点火定时发 生在内止点附近如点划线所示。通过部分地打开节流阀83和增加燃 油的供给，动力即可增加。然而节流阀开度有一个限度，燃油/空气 供给也有一个限度，这个限度以内燃机的压缩比能使它进入大气缸12 为准，其中，梅里特(Merritt)型(发动机)应当足够地高以允许压缩 点火，而对电火花点火型在运转中应当避免在气缸中压缩点火。

一旦发动机被加热，喷油器82应关闭，节流阀83打开，喷油 器34打开，节流阀32正常运行，从而内燃机将按图4所描述的方 式运转。开关转换可通过第二进气阀31增加电火花点燃混合物的吸 入量逐渐地完成。同时在一个内燃机操作系统控制下，通过进气阀 24减少吸入混合物的量。

除去对发动机的起动和加热是有用的而外，图8和图8a混合方 案也能提供具有选择方式的内燃机。当要求节省部分负荷时或当想用 不同的燃料运行时例如用酒精时，梅里特(Merritt)运转方式将 具有特殊的优点，它提供了喷油器34，梅里特(Merritt)型对 于燃油的改变和特别的辛烷值敏感减少。

点火以后，在大气缸12中的初期压力滞后增加，在进入预燃期 时，基座84进入小气缸14并保持直到膨胀行程初期为至。这样， 自燃烧室流入大汽缸12的外流气体受到限制直到活塞的膨胀行程开 始为止并且基座14清除了第二气缸14。应当意识到，一旦基座 84进入小气缸14，应在基座84侧面与气缸14的壁14a之间 留有一定的间隙，以允许留在大气缸12中的空气转移到燃烧室去。 该间隙应由带有锥形棱84a的基座离开壁14a来形成，如图9所 示或者在平行于基座84的表面与壁14a之间形成足够的间隙。

一个锥形实施例所用的锥形是沿轴向变化的，例如在轴向是曲线。 用85标号表示的间隙的尺寸是兼顾转移到大活塞滞后压力的作用直 到膨胀行程开始为止和接近压缩行程末端允许进入燃烧室20空气 有效的运动在两者之间。

如图9所示，基座84可有一个或几个槽86，该槽来自或接近 大活塞16的顶部36向上旋转并进入基座84的顶部。该槽84可 以倾斜的，例如如图所示的螺旋线的，也可以是具有切向分量形的以 促进气体通过该槽产生旋涡气体流动，这有助于燃烧效果。

当利用一个增高部分例如基座84时，一个连接于第二活塞顶部 35与第一气缸之间的通道87可以形成当基座84开始自第一气缸 关闭燃烧室时该通道能够转移来自第一气缸的空气到第二气缸中。它 可以帮助进入并且迫使更多的来自活塞顶部35上面的燃气混合物排 入燃烧室20里去的作用。通道87可从它的顶部穿过第二活塞，通 到或者靠近第一活塞顶部36基座84的侧壁，或者如图9A所示的 88在发动机缸体内穿过。通道的容积比起燃烧室来很小。通道87、 88的任何一个和槽86或其结合可用来当基座84阻碍空气流入 燃烧室时协助活塞16上部的空气排出。

在图2至图8所示的基座84，在这种情况下可以想到：延时点 火就推迟了压力在气缸12的建立，基座34的使用就不是必需的。

图9A显示了在活塞顶部36上形成的基座84的一种改进型， 用来获得同样的、如图9所示的目的并结合了图9中基座的各种特征， 如锥形的、槽形的等等。

在图10和图11中的小活塞18有四个从顶部径向伸出的凸出 部，提供了侧面支承用来与气缸14的14a滑动接触。间隔128 应当是断续的，象凸出部90按照所确定的尺寸一样大小。当凸出部 实际上作无润滑轴承元件用在活塞顶部时，应当选用适当耐高温材料 制造。

在图10A中第二气缸14的内壁14a径向向内直接形成轴向 延伸的凸出部900，在图10和图11中凸出部90的位置它也形 成用于活塞顶部的支撑。这样，凸出部有效地截断了间隔128。该 凸出部也可以倾斜于气缸轴线，但它应有其轴向部分。

在图3到图11中，小活塞大体上是蘑茹状，在它的上端有一个 带顶的中心柱状物。图12和13表示了一种替换结构，它的顶部由 几个在圆周排列并留有间隔的柱状物100来支撑。该柱状物从大活 塞16的顶部36向上延伸。如果需要，活塞18还可包括一个用点 划线表示的基座84。这种方案不仅提供了一个实际上打开的燃烧室 20，而且使薄边缘37脱离顶部35的基本部份，以便形成限制间 隔128，如图13所示。

在压缩行程中，为促使进入燃烧室20的气体打旋涡，在位于顶 部35的正下方设一个曲线凸状体101，例如在基座84上如点划 线所示的形状，该凸状件可以包括叶片来促使旋转气流围绕着活塞的 轴线。

图14表示用于小活塞的另一种结构，该活塞的裙部110连接 着顶部35和36，该裙部由一组大体上是窗口111组成，该窗口 的宽度最好是变化的，例如是一个倒置三角形，可以把顶部35的薄 边缘37的圆周长度增加最大限度，象图12所示的那样，一个凸状 件101和一个基座84都可以配置上。

在上述的实施例中，内燃机都是以四冲程循环运行的。图15表 示了本发明的内燃机的一种形式它能以两冲程循环工作。

在图15中，进气阀和排气阀分别由各自的进、排气口124和 126所代替，并且有一个火花塞或热线点火塞装在小气缸14的内 壁14a上，用来起动/或空运转。该内燃机配有一个通道装置30， 它包括带有或不带节流阀32的一进气阀31。该进气阀由一个凸轮 操纵或由电磁系统操作。一个燃油源例如低压喷油器34位于阀31 的上游并且当阀31打开或关闭时把燃油喷入进气管33中。

小活塞18是蘑茹状的，不过，图12、图13或图14也是一 种形式。

运行中，空气从一个合适来源132如曲轴箱或外部的泵以高于 大气压力送入进气管33和133。如果需要，进气管33可以供应 来自分离气源的空气。当进气口124(连接于管33上)被活塞顶 部36打开时，如图点划线所示位置，带压力的空气进入大气缸12 的同时从前一循环中排泄的气体通过排气口126排出。同时，阀 31打开允许空气从进气管33进入小气缸14顶部35上面。有些 空气将通过顶部35周围的抑制间隙128置换前一循环的排泄气体。 当顶部35处在外止点位置时，如图中点划线所示，一个或几个切断 装置135在小气缸14的内壁14a的下端形成，它绕过第二活塞 顶部25。该切断装置135协助来自小气缸14的运动的排出燃气 进入大气缸12并且允许利用活塞密封件38同时也在排泄过程开始 时进行排污。

切断装置135最好是间断地围绕在内壁14a的周围，以保证 活塞顶部配准在小气缸14的外止点正中位置上，这样的装置表示在 图16中，中断段135a在切断装置之间，如图所示。中断段 135a使第二气缸壁14a连续。

切断装置135具有一轴向长度“X”(见图15a)它比基座 84的轴向厚度“Y”小，可是比小活塞18顶部35的边缘大。

当阀门31刚一打开，带有空气的燃油就进入小气缸14，换句 话说，燃油开始供给可能延续直到活塞18从它的外止点正中位置上 升到盖住切断装置135为止，但又在排气孔126被大活塞盖住之 前。阀门31的关闭最好推迟到在大气缸中的压力、在排气口126 被关闭后、在压缩行程最初期开始上升。这样，梅里特(Merritt) 分离原理利用间隙128是有帮助的。如果阀门31是用电磁操作的， 那么，改变它的关闭时间可以用来控制进入量，以代替节流阀32。 到了压缩行程的末端，油、气混合物的进入是通过抑制间隔128进 行的，如果提供了旁通槽39。也可以通过它进行。如果象图18中 用了抑制密封环38，甚至也可以通过它来进行。当顶部35接近内 止点位置时，如图所示的点划线位置，通过接触燃烧室20中的热空 气，不管有没有火花塞的帮助，它都与顶部正下方的燃烧室直接连通， 随即点火。在膨胀过程结束时，排出的燃气从排出口126排出，并 且切断装置135将有助于均衡压力绕过小活塞顶部35。在图15 中，用实线和点划线表示了活塞18的各种位置。

应当懂得，当活塞18在它的内止点位置时，活塞18有一个基 座84，伸出于切断装置135之上，或者活塞顶部36有一凸台 84代替图9中的基座。两冲程循环的梅里特(Merritt)发动机 能在任何前述的具有柴油机和火花塞发动机循环的混合装置中运行。 发动机可利用如图2或图3中所示的旁路39。发动机也可利用图 15所示的间隔128的形式。不需要用进气阀31作为排气阀。

图16表示了两冲程发动机的一种实际的、对图15所示的一种 改进型。

在图16中，发动机气缸体40中有类似于图4中所示的冷却通 道41。气缸体确定着大气缸12和小气缸14、进气口124和排 出口126的位置。在这个例子中，进气阀31通过一个凸轮轴43 操纵，并可滑动地安装在一个传统的阀门导向装置44中。阀门31 用一个传统的阀门弹簧保持它在封闭位置，如图中点划线所示。

由来自一适当的气源如发动机的曲轴箱(图中未表示)供给空气 到进气口124和导管33。也可由压气机或其它类似装置提供空气。

活塞16、18连接在曲柄C上。

图16中表示的运行中的发动机等同于图15所表示的发动机， 相应部分给以相同的标号。

在前述的实施例中已经提到过的包括一个阀门31的通道装置的 用途，但在图17中已经省去了这通道装置。当用很高潜热容量的甲 醇作燃料时，因为它有能力冷却小气缸中活塞顶部35上面的空气， 即使没有通道装置帮助来控制进入的时间，也能有效地促进分离。

在图17中，活塞16、18分别布置在汽缸12、14中，类 似于前面所述的图2中的内容。提供了空气进入和排出阀24、26， 或者替代口124和126，小活塞18是蘑茹状的它有前述的活塞 的各种特征，例如一个基座84。换句话说，活塞18可以看作是图 10、11、10a、12、13或14中的任一种。具有耐燃烧压 力的一种燃料喷油器160，在进气行程或在进气和压缩行程时，把 燃油直接供入小气缸14中。

在进气行程期间，一些空气通过抑制间隔128进入小气缸顶部 35上面的空间。也可以设置另一个抑制通道128a，如在顶部的 一个孔。孔128a可由一个伸出的火花塞162或热线点火塞，或 由一个柴油机燃油喷油器来填补。同样活塞到达靠近它的内止点位置。 应当懂得，在这个实施例中，抑制装置必须有一个间隔128(或 128a)，以允许在进气行程以及排气转移期间让空气进入气缸 14。

接近压缩行程的末端，蒸发喷射的燃油和空气的进入将通过抑制 间隔128、旁路装置39以及在火花塞和孔128A之间的任一间 隔来形成。紧接着进入之后即开始点火，这方面已在前面相关的实施 例中描述过。

术语“阀门”用在这里是含有一个孔。

术语“空气”用在这里包括任何适当的氧气与其它通常的惰性气 体以及纯氧用于同气态的或液态的(蒸发的液体)燃油的混合物。它 可以包含再循环排出的燃气、曲轴箱气体和一小部分碳氢化合物物质， 和出现在再循环内燃机中的气体。

术语“进入”用在这里是指燃油/空气的混合物从第二气缸进 入燃烧室的运动。

应当懂得：利用所描述的实施例中的每个特征，可由熟炼本领域 的技术人员进行各种适当的交换。