CN1826459A - 停顿活塞运动的分隔周期发动机 - Google Patents

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Abstract

一种发动机包括具有曲轴行程的曲轴，该曲轴绕曲轴线旋转。压缩活塞可滑动地容设在压缩缸中，并可操作地连接曲轴，以使压缩活塞在曲轴的单个旋转过程中通过四冲程循环中的进气冲程和压缩冲程产生往复运动。膨胀活塞可滑动地容设在膨胀缸中。连杆枢接于膨胀活塞。机械联动装置将曲轴行程绕连杆/曲轴行程轴旋转地连接于连杆，以使膨胀活塞在曲轴的相同旋转过程中通过四冲程循环的膨胀冲程和排气冲程产生往复运动。通过连杆/曲轴行程轴线绕曲轴轴线运动的机械联动装置建立路径。在该路径的任何点上的连杆/曲轴行程轴线和曲轴轴线之间的距离限定了有效的曲轴半径。该路径包括从第一有效曲柄行程半径到第二有效曲柄行程半径的第一过渡区，连杆/曲轴行程轴线在膨胀缸中的至少一部分燃烧活动过程中穿过该第一过渡区。

Description

停顿活塞运动的分隔周期发动机
相关申请的交叉参考
本申请要求2003年7月23日提出的美国临时申请No.60/489,893、名称为“分隔周期发动机的凸轮角活塞运动”的优先权，其全部内容在此作引用参考。
发明领域
本发明涉及一种内燃机。更具体地说，本发明涉及一种具有一对活塞的分隔周期发动机，其中一个活塞用于吸入和压缩冲程，另一个活塞用于膨胀(或驱动)和排放冲程，四个冲程中的每个冲程在一个曲轴回转中完成。用于将膨胀活塞与曲轴相可操作地连接的机械联动在一部分燃烧周期的过程中，相对于使连杆通过固定销连接枢轴连接于曲轴的相同活塞的向下运动，提供一段非常缓慢的活塞向下运动。
背景技术
内燃机是这样任何一组设备，其中燃烧反应物，例如氧化剂和燃料，和燃烧产物用作发动机的工作流体。内燃机的基本成分在本领域内是人所周知的，它包括发动机组、气缸盖、气缸、活塞、阀门、曲轴和凸轮轴。气缸盖、气缸和活塞顶部通常形成燃烧室，燃料和氧化剂(例如，空气)进入该燃烧室，在该燃烧室中发生燃烧。这样的发动机从在未反应的工作流体，例如氧化剂—燃料混合物的燃烧过程中释放的热中获取能量。该过程在发动机内部发生，是该设备的热力循环的一部分。在所有内燃机中，从热中产生有用功，燃烧的气体产物直接作用于发动机的移动表面，如活塞顶或活塞头上。通常，活塞的往复运动通过连杆转换为曲轴的旋转运动。
内燃(IC)机可分为火花点火(SI)和压缩点火(CI)发动机。SI发动机，即，典型的汽油发动机使用火花点火空气/燃料混合物，而压缩的热点火CI发动机，即，典型的柴油发动机中的空气/燃料混合物。
最常用的内燃机是四冲程循环发动机，其基本设计理念100多年来没有改变。这是因为其在地面运输和其它工业中作为原动机具有结构简单和优越的性能。在四冲程循环发动机中，功率是从单活塞的四个独立的活塞移动(冲程)中的燃烧过程恢复的。因此，四冲程循环发动机在此定义为一种对每个膨胀(或动力)冲程，即，将功率发送给曲轴的每个冲程，需要多个活塞其中之一的四个完全冲程的发动机。
参考图1-4，用10表示现有技术常用的四冲程循环内燃机的典型实施例。发动机10包括发动机组12，气缸14延伸通过该发动机组12。气缸14的大小要能够容设在其内往复运动的活塞16。固定于气缸14顶部上的是气缸盖18，气缸盖18包括进气阀20和排气阀22。气缸盖18的底部、气缸14和活塞16的顶(或头24)形成燃烧室26。在进气冲程(图1)中，空气/燃料混合物通过进气通道28和进气阀20进入燃烧室26，其中混合物通过火花塞30点火。后来燃烧产物在排气冲程(图4)中通过排气阀22和排气通道32排出。连杆34在其顶部远端枢轴固定于活塞16上。曲轴38包括称为曲轴弯程40的机械偏移部，它枢轴连接于连杆34的底部远端42上。连杆34对活塞16和曲轴弯程40的机械连接用于将活塞16的往复运动(用箭头44表示)转换为曲轴38的旋转运动(用箭头46表示)。曲轴38机械地连接(未图示)进气曲轴48和排气曲轴50，它们分别精确地控制进气阀20和排气阀22的开、闭。气缸14设有中心线(活塞—气缸轴)52，它也是活塞16往复移动的中心线。曲轴38具有旋转中心(曲轴轴心)54。
参考图1，在进气阀20打开时，在进气冲程中活塞16首先下降(如箭头44方向所示)。预定质量的燃料(例如，汽油蒸汽)和空气的可燃混合物通过因此形成的部分真空进入燃烧室26。活塞16继续下降直到它到达其下止点(BDC)，即，活塞离气缸盖18的最远点。
参考图2，在进气阀20和排气阀22关闭时，在压缩冲程中混合物随着活塞16的上升(如箭头44的方向所示)而被压缩。由于冲程的端部接近上止点(TDC)，即，活塞16最接近于气缸盖18的点，在本实施例中混合物的容积就被压缩为其最初容积的八分之一(因为8∶1的压缩比率)。在活塞接近于TDC时，电火花就穿过火花塞(30)间隙而产生，启动燃烧。
参考图3，两个阀门20和22还处于关闭状态时，动力冲程就随后而来。由于燃烧其它的膨胀挤压活塞16的顶部24，活塞16就被向下驱动(如箭头44所示)至下止点(BDC)。在常用的发动机10中的燃烧开始通常会在活塞16到达TDC前以就稍许产生，以提高效率。在活塞16到达TDC时，在气缸盖18的底部和活塞16的顶部24之间会产生一个显著的余隙容积。
参考图4，在排气冲程中，上升的活塞16通过打开的出气(或排气)阀22推动废气的燃烧物。然后该循环重复进行。对于现有技术来说，四个冲程循环发动机10，每个活塞16的四冲程，即，进气、压缩、膨胀和排气，和曲轴38的两次旋转需要完成一个循环，即，提供一个工作行程。
问题是，典型的四冲程发动机10的全部热动力效率大约仅为三分之一(1/3)。即，燃料能量的大约1/3作为有用功发送给曲轴，1/3丧失在废热中，1/3从排气中丧失。
参考图5，上述常用四冲程发动机的另一种方案是分隔周期四冲程发动机。在美国专利No.6,543,225中公开了Scuderi于2001年7月20日提出的一种分隔周期发动机，其发明名称为“分隔四冲程内燃机”，其全部内容在此作参考引用。
分隔周期发动机概念的典型实施例通常用70进行显示。分隔周期发动机70用一个压缩缸72和一个膨胀缸74的组合代替常用四冲程发动机的两个相邻汽缸。一旦每个曲轴76旋转，这两个汽缸72、74就执行其相应的功能。充气通过典型的提升式阀门78进入压缩缸72。压缩缸活塞73通过交换通道80挤压充气和驱动该充气，交换通道80用作膨胀缸74的进气口。进气口的止回阀82用于防止交换通道80的回流。交换通道80的出气口中的阀门84可知受挤压的进气流入膨胀缸74中。火花塞86在进气进入膨胀缸74后不久就被点火，所产生的燃烧驱动膨胀缸活塞75下移。废气通过提升阀88从膨胀缸中排出。
对于分隔周期发动机原理来说，压缩和膨胀缸的几何发动机参数(即，气缸筒，冲程、连杆长度、压缩比等)通常相互是独立的。例如，每个气缸的曲柄行程90、92可具有不同的半径，并且发生在压缩缸活塞73的上止点(TDC)前用膨胀缸活塞75的上止点进行相互远离配合。这种独立性能够使分隔周期发动机可能比先前所述的多个典型四冲程发动机实现更高的效率。
但是，在分隔发动机中有许多几何参数和参数的组合。因此，这些参数的进一步优化是必须的以使发动机的性能和效率最大化。
发明内容
本发明通过提供一种具有机械连接的分隔周期发动机而对现有技术呈现出优点和可替换方案，机械联动装置用于将膨胀活塞和曲轴相连接以能相对于具有连杆的相同活塞的向下移动提供一段非常缓慢活塞向下移动或停顿动作的时间，连杆通过固定的销接枢接于曲轴。这种停顿移动在燃烧过程中导致较高的膨胀缸峰值压力而不会增加膨胀缸膨胀比或压缩缸的峰值压力。因此，期望停顿(dwell)型分隔周期发动机来提供改善的热效率增益。
这些和其它优点通过提供一种发动机来在本发明的典型实施例中得到实现，该发动机包括具有曲轴行程的曲轴，该曲轴绕曲轴线旋转。压缩活塞可滑动地容设在压缩缸中，并可操作地连接曲轴，以使压缩活塞在曲轴的单个旋转过程中通过四冲程循环中的进气冲程和压缩冲程产生往复运动。膨胀活塞可滑动地容设在膨胀缸中。连杆枢接于膨胀活塞。机械联动装置将曲轴行程绕连杆/曲轴行程轴旋转地连接于连杆以使膨胀活塞在曲轴的相同旋转过程中通过四冲程循环的膨胀冲程和排气冲程产生往复运动。通过连杆/曲轴行程轴线绕曲轴轴线运动的机械连接建立路径。在该路径的任何点上的连杆/曲轴行程轴线和曲轴轴线之间的距离限定了有效的曲轴半径。该路径包括从第一有效曲柄行程半径到第二有效曲柄行程半径的第一过渡区，连杆/曲轴行程轴在膨胀缸中的至少一部分燃烧活动过程中穿过该第一过渡区。
在本发明的一个可选典型实施例中，该路径起始于穿过上止点的预定度数CA，第一有效曲轴半径小于第二有效曲轴半径。
本发明的另一个可选典型实施例提供一种发动机，它包括具有曲轴行程的曲轴，该曲轴行程在其中设有槽，曲轴绕曲轴轴线旋转。压缩活塞滑动地容设在压缩缸中，并可操作地连接曲轴，以使压缩活塞在曲轴的单个旋转过程中通过四冲程循环中的进气冲程和压缩冲程产生往复运动。膨胀活塞可滑动地容设在膨胀缸中。连杆枢接于膨胀活塞。曲柄销绕连杆/曲轴行程轴线将曲轴行程旋转连接于连杆以允许膨胀活塞在曲轴的相同旋转过程中通过四冲程循环的膨胀冲程和排气冲程产生往复运动。曲柄销被曲轴行程中的槽滑动地接收以能允许曲柄销相对于曲轴产生径向移动。导板固定于发动机的固定部上。该导板包括曲柄销伸入其内的曲柄销径道。曲柄销径道移动地接收曲柄销以使连杆/曲轴行程轴线通过绕曲轴的路径进行引导。
附图说明
图1是在进气冲程期间现有技术的常用四冲程内燃机的大致视图；
图2是压缩冲程期间图1所示的现有技术中发动机的大致视图；
图3是膨胀冲程期间图1所示的现有技术中发动机的大致视图；
图4是排气冲程期间图1所示的现有技术中发动机的大致视图；
图5是现有技术分隔周期四冲程内燃机的大致视图；
图6A是在进气冲程期间根据本发明的基线型分隔周期四冲程内燃机的典型实施例的大致视图；
图6B是在进气冲程期间根据本发明的停顿型分隔周期四冲程内燃机的典型实施例的大致视图；
图7A是图6B中停顿(dwell)型发动机将膨胀活塞的连杆/曲柄行程联动装置连接的正视放大图；
图7A是图6B中停顿型发动机将膨胀活塞的连杆/曲柄行程联动装置连接的侧视放大图；图8是在压缩行程的部分压缩过程中图6B的停顿型分隔周期发动机的大致视图；
图9是在压缩行程的全压缩过程中图6B的停顿型分隔周期发动机的大致视图；
图10是在燃烧活动开始过程中图6B的停顿型分隔周期发动机的大致视图：
图11是在膨胀行程过程中图6B的停顿型分隔周期发动机的大致视图；
图12是在排气行程过程中图6B的停顿型分隔周期发动机的大致视图；
图13是图6B的停顿型发动机的曲柄销移动的大致视图；
图14是图6A基线型发动机和图6B停顿型发动机的曲柄销移动的曲线图；
图15是图6A基线型发动机和图6B停顿型发动机的膨胀活塞移动的曲线图；
图16是图6A基线型发动机和图6B停顿型发动机的膨胀活塞速度的曲线图；
图17A是图6A基线型发动机的压力与容积的图；
图17B是图6B停顿型发动机的压力与容积的图；和
图18是图6A基线型发动机和图6B停顿型发动机的膨胀缸与曲柄角的图。
具体实施方式
I.综述
Scuderi集团委托德克萨斯州(Texas)圣安东尼奥(San Antonio)的西南研究院_(SwRI_)执行配对计算机化研究。第一项研究涉及建构一种表示各种分隔周期发动机实施例的计算机化模型，该计算机化模型与每循环具有相同俘获质量的常用内燃机的计算机化模型相比较。第一项研究的最终报告(2003年6月24日提出的SwRI_项目No.03,05932，名称为“分隔周期四冲程发动机概念的评估”)其全部内容在此作引用参考。第一项研究导致了Branyon等人于2004年6月9日提出的美国专利申请No.10/864748，发明名称为“分隔周期四冲程发动机”，其全部内容在此作引用参考。第一项研究确定了具体的参数(例如，压缩比，膨胀比，转换阀持续时间，相位角和转换阀活动与燃烧活动之间的重叠)，应用在合适的结构中时，这些参数可对分隔周期发动机的效率产生重要影响。
第二项计算机化研究将具有通过第一项研究优化的参数的分隔周期发动机的模型，即基线型，与具有相同优化参数的分隔周期发动机加独立的活塞移动，即，停顿型，相比较。该停顿型用于表示可通过机械设备，如在本专利中表示的那些设备，获得的简单化移动。停顿型表示对基线型的4.4％指示热效率增益。(该研究中没有考虑摩擦效果)。第二项研究的最终报告(SwRI_项目No.03,05932，2003年7月11日提出的名称为“分隔周期四冲程发动机概念的停顿活塞移动的评估，相位801)，其全部内容在此作参考应用，并形成本发明的基础。
(在该报告中，根据“百分数”(或％)所述的效率增益表明一个值的三角百分类型，或者通过原效率划分的效率变化。根据“百分点”(或点)所述的效率增益表示以该量值在热效率中的实际变化，或者从一种结构到另一种结构简化热效率中的变化。对于30％的基本热效率来说，33％热效率的增加将是3个点或者增加10％。)
基线型和停顿型之间的基本热力差是处在活塞移动中，不再局限于滑块曲柄机构的移动中。这种移动是用来表示那种可通过膨胀活塞的连杆和曲柄行程之间的连接可实现的移动。在基线型中，这种移动表示通过标准的固定曲柄销枢接于连杆(即，连杆/曲柄行程连接)的曲柄行程，其中曲柄行程半径(即，连杆/曲柄行程轴和曲轴心之间的距离)基本是不变的。停顿型的移动需要连杆和曲柄行程之间的不同连接以能获得独特的移动外形。换句话说，曲柄销将会用机械联动装置替代，在曲柄行程通过上止点(TDC)转动预定数量的曲柄角度后，该机械联动装置能够使有效的曲柄行程半径从第一较小半径转变为第二较大半径。停顿型中的活塞移动在一部分燃烧周期(即，燃烧活动)过程中相对于基线型中膨胀活塞的向下移动提供一段非常缓慢的膨胀活塞向下移动。
通过使活塞移动缓慢下来，在燃烧过程中给于缸压更多的时间来增大。这就产生了更高的动力缸峰值压力而不会增加动力缸膨胀比或压缩缸峰值压力。因此，停顿型分隔周期发动机的总热效率被显著地提高了，例如，大致为4％。
II.术语汇编
本文下面提供的所使用的术语首字母缩写词和定义仅供参考：
空气/燃料比：进气中空气与燃料的比例。
下止点(BDC)：活塞离气缸盖的最远位置，产生了循环的最大燃烧室容积。
曲柄角(CA)：曲柄行程的旋转角，通常是指与缸膛准直时曲柄行程的位置。
曲柄销(或连杆轴颈)：绕连杆固定于其上面的曲轴中心线轨道运行的部分曲轴。在停顿型中，它实际上可能是一部分连杆而不是曲轴。
曲轴颈：是一部分在轴承上转动的旋转曲轴。
曲轴行程基线型：曲轴的臂和曲柄销，曲柄销支撑连杆的底端。
曲轴行程(或曲轴臂)—停顿型：在停顿型中，由于臂和曲柄销是分离的部件，因此这里是指表示臂的曲轴行程。
燃烧期：在本文中定义为从燃烧活动开始的10％和90％之间的曲柄角间隔。
燃烧活动：燃烧燃料的过程，通常是在发动机的膨胀室中。
压缩比：BDC中压缩缸容积与TDC中压缩缸容积之比。
转换阀关闭(XVC)
转换阀打开(XVO)
汽缸偏移：是指镗孔的中心线和曲轴轴心之间的线性距离。
工作容量：定义为活塞从BDC移位到TDC的容量。从算术上讲，如果冲程定义为从BDC到TDC的距离，那么工作容量就等于π/4*镗孔2*冲程。
有效的曲柄行程半径：曲柄行程的旋转轴(连杆/曲柄轴)和曲轴轴线之间的瞬时距离。在基线型发动机100中，膨胀活塞的有效曲柄行程半径基本上是不变的，在停顿型发动机中，膨胀活塞的有效曲柄行程半径是可变的。
排气阀关闭(EVC)
排气阀打开(EVO)
膨胀比：如果没有膨胀缸就是压缩比的等效术语。它是在BDC的汽缸容量与在TDC的汽缸容量的比值。
指示功率：在考虑摩擦损耗前，发送给活塞头的功率输出。
指示平均有效压力(IMEP)：在p-dv曲线内部中面积的积分，还等于工作容量划分的指示发动机转矩。事实上，所有指示转矩和功率值都是该参数的导数。该值还表示通过膨胀冲程的恒定压力级，膨胀冲程将提供相同的发动机输出作为实际压力曲线。虽然在没有明确规定时，但是可以规定为净指示(NIMEP)或总指示(GIMEP)，NIMEP是假设的。
指示热效率(ITE)：指示功率输出与燃料能输入速率的比值。
指示转矩：在考虑摩擦损耗前，发送给活塞头的转矩输出。
进气阀闭合(IVC)
进气阀打开(IVO)
峰值缸压(PCP)：在发动机循环过程中燃烧室内实现的最大压力。
火花点火(SI)：是指燃烧室中通过电火花进行点火的燃烧活动的发动机。
上止点(TDC)：全部循环过程中离活塞到达汽缸头的最近位置，在此提供了最低的燃烧室容量。
TDC定相(这里也称为压缩和膨胀缸之间的相位角(见图6的172项))：是两个汽缸曲轴行程之间的度数旋转偏移。零度偏移是指曲轴行程是共线的，而180°偏移是指它们处于曲轴的相对侧(即，一个曲柄销在顶端，另一个在底端)。
阀门开放期(或阀门动作开放期)：阀门打开和阀门关闭之间的曲柄角间隔。
阀门动作：打开和关闭阀门来执行任务的过程。
III.由第二计算机化研究产生的停顿型分隔周期发动机的具体实施方式
参考图6A和6B，根据本发明的基线型和停顿型分隔周期发动机的具体实施例通常分别用100和101表示。这两个发动机100和101包括具有膨胀(或动力)缸104和在其中延伸的压缩缸106的发动机组102。曲轴108被枢接以能绕曲轴轴心110(垂直于纸平面延伸)旋转。
发动机组102是发动机100和101的主要结构部件，从曲轴108到具有缸头112的接点向上延伸。发动机组102用作发动机100和101的结构框架，通常装载有安装垫片，发动机通过安装垫片支撑在底座(未图示)上。发动机组102通常是具有合适加工面和螺纹孔的铸件，这些加工面和螺纹孔用于固定发动机100和101的缸头112和其它部件。
汽缸104和106是大致为圆形截面的开口，延伸穿过发动机组102的顶部。汽缸104和106的直径与镗孔一样是公知的。汽缸104和106的内壁经过镗孔和磨孔以能形成平滑的精确轴承面，其大小适于分别容设第一膨胀(动力)活塞114和第二压缩活塞116。
膨胀活塞114沿着第一膨胀活塞缸轴113往复运动，压缩活塞116沿着第二压缩活塞缸轴线115往复运动。在这些实施例中，膨胀和压缩汽缸104和106相对于曲轴轴心110产生偏移。即，第一和第二活塞缸轴113和115穿过曲轴轴心110的相对侧而不与曲轴轴心110相交。但是，本领域技术人员将会认识到没有偏移活塞缸轴的分隔周期发动机也在本发明的保护范围内。
活塞114和116通常是圆柱形的铸件或铁、钢或铝合金的锻件。动力和压缩活塞114和116的上闭端，即，顶端，分别是第一和第二冠状物。活塞114和116的外表面通常经过加工以能紧密配合缸体镗孔，并通常经过开槽以能容设活塞环(未图示)，活塞环用于密封活塞和汽缸壁之间的缝隙。
汽缸头112包括内联膨胀和压缩缸104和106的气体跨接通道122。跨接通道包括设置在最接近压缩缸106的跨接通道122端部的进气止回阀124。提升阀型，排气转换阀126也设置在最接近膨胀缸104的跨接通道122的相对端部。止回阀124和转换阀126在它们之间限定了压力室128。止回阀124允许压缩气体从压缩缸106流向压力室128的一条路径。虽然止回和提升型阀分别被描述为进气止回和排气转换阀124和126，但是任何适于该应用的阀门设计都可以代替使用，例如，进气阀124也可以是提升型的。
缸头112还包括设置在压缩缸106顶部上的提升型进气阀130，和设置在膨胀缸104顶部上的提升型排气阀132。提升阀126、130和132通常在装配后用于阻挡阀门开口的一端设有具有盘形136的金属轴(或杆)134。提升阀130、126和132的轴134的另一端分别与凸轮轴138、140和142机械连接。凸轮轴138、140和142通常是具有椭圆形凸角的圆杆，其中椭圆形凸角位于发动机组102或缸头112中。
凸轮轴138、140和142通常通过齿轮、皮带或链接(未图示)与曲轴108机械连接。在曲轴108迫使凸轮轴138、140和142旋转时，凸轮轴138、140和142上的凸角就会使阀门130、126和132在发动机循环中以精确的移动打开和关闭。
压缩活塞116的冠状物120，压缩缸106的壁和缸头112形成压缩缸106的压缩室144。膨胀活塞114的冠状物118，膨胀活塞104的壁和缸头112形成膨胀缸104的独立燃烧室146。火花塞148设置在膨胀缸104上的缸头112中，并通过控制设备(未图示)进行控制，该控制设备精确地定时调节燃烧室146中压缩气体混合物的点火。
基线型发动机100和停顿型发动机101的构成在膨胀活塞的移动中热动力学上是不同的。这种移动是用于表示那种通过这里所讨论的膨胀活塞的连杆和曲柄行程之间连接可实现的移动。因此，每个发动机100和101的连杆/曲柄行程将分别进行讨论。
参考图6A，基线型分隔周期发动机100包括第一和第二压缩连杆150和152，它们通过活塞销154和156在其顶端分别枢轴地固定于动力和压缩活塞114和116上。曲轴108包括一对称为第一膨胀和第二膨胀曲柄行程158和160的机械偏移部，它们通过曲柄销162和164分别枢轴地固定于连杆150、152的底部相对端。活塞114、116和曲轴行程158、160的连杆150和152的机械联动装置用于将活塞的往复运动(如膨胀活塞114的方向箭头166和压缩活塞116的方向箭头168所示)转换为曲轴108的旋转运动(如方向箭头170所示)。
值得注意的是：与停顿发动机101不同，在基线型发动机100中的压缩活塞116和膨胀活塞114的曲柄行程半径，即曲柄销162、164和曲轴轴心110之间的中心到中心的距离基本上保持不变。因此，在基线型发动机100中曲柄销162和164绕曲轴轴心110移动的路径实质上是环形的。
参考图6B，在停顿型分隔周期发动机101中的压缩活塞116与曲轴108的连杆/曲柄行程连接与基线型发动机100中的相同。因此，在两个发动机100和101中对于相同的部件用相同的参考标号表示。即，停顿型发动机101包括压缩连杆152，通过压缩活塞销156在其顶端枢轴地固定于压缩活塞116上。曲轴108设有压缩曲柄行程160，通过压缩曲柄销164枢轴地固定于压缩连杆152的底部相对端上。因此，在停顿型发动机101中曲柄销164绕曲轴轴心110移动的路径实质上是环形的。
参考图7A和7B，在停顿型发动机101中的膨胀活塞114与曲轴108的连杆/曲柄行程联动装置的放大正视图和侧视图通常用200表示。联动装置200包括一对相对的主曲轴颈202，由曲轴108的分段组成，曲轴的主轴颈与曲轴轴心(或中心线)110准直。固定于每个主轴颈202的内端上的是曲柄行程(或臂部)206，通常是从主轴颈202径向突出的长方形板状附件。连杆轴颈(或曲柄销)210被滑动地俘获在一对位于曲柄臂(或行程)206中的径向槽212之间，以使曲柄销210平行于主轴颈202、204定位，但是径向偏离曲轴轴心110。槽212的大小要能允许曲柄销210相对于曲轴轴心110产生径向移动。
膨胀连杆214通过膨胀活塞销216在其顶端枢轴地固定于膨胀活塞114上。膨胀连杆214的底部相对端(或连杆头)枢轴地安装于曲柄销210上。另一种可选方案是，曲柄销210和膨胀连杆214可作为单个部件进行整体安装。
在与基线型发动机100进行显著对比时，由于曲轴108转动，停顿型发动机101的曲柄销210可自由地沿着曲柄行程206中的径向槽212移动，通过这样做，能够从曲轴轴心110改变曲柄销210的有效曲柄行程半径(双箭头218所示)。本实施例中的有效曲柄行程半径218是曲轴的旋转轴线110和曲柄销中心220的位置之间的瞬时距离。在基线型发动机100中，膨胀活塞114的有效曲柄行程半径基本是不变的，在停顿型发动机101中，膨胀活塞114的有效曲柄行程半径218是可变的。
即使有效曲轴行程半径218通过在曲柄行程206中的槽212设定为可变的，本领域的技术人员将会认识到也可用其他方式来改变半径218。例如，径向槽可设置在连杆214中，而曲柄销210可紧固于曲柄行程206上。
槽212中曲柄销210的位置通过一对导板222进行控制，这对导板222固定于发动机101的静止发动机结构(未图示)上。导板222通常是圆形板，从曲柄行程206轴向外伸。导板222相对于曲轴108定位为大致是径向平面，在其中部包括一个孔，孔的大小足以穿过曲轴108和相关的硬件(未图示)。
引导曲柄销210的曲柄销轨道224设置在导板222中，曲柄销210通过曲柄行程206突进导板222。轨道224限定了预定的路径(用箭头226表示)，该路径是曲柄销210在绕曲轴轴心110旋转时必经之路。
正如这里更详细地解释那样(参见分节VI.“通道活塞移动概念”)，与基线型分隔周期发动机100中膨胀活塞相比，在燃烧期过程中，机械连接200提供一段膨胀活塞非常缓慢下移或“通道”的移动。这种通道移动产生了更高的缸压而不会增加膨胀缸膨胀比或压缩缸峰值压力。因此，停顿型发动机101相对于基线型发动机100展示了大约为4％的热效率增益。
                IV.基线型和停顿型发动机工作
除了膨胀活塞114的连杆。曲柄行程连接200外，基线型发动机100和停顿型发动机101的工作基本上相同。因此，两个发动机100和101的工作仅参考停顿型发动机101进行说明。
图6B表示膨胀活塞114已经到达其下止点(BDC)位置和已经开始上升(用箭头166表示)进入其排气冲程。压缩活塞116通过其进气冲程下降(箭头168所示)，滞后于膨胀活塞114。
在工作过程中，膨胀活塞114超前压缩活塞116一个相位角172，该相位角通过曲柄角旋转的度数进行限定，在膨胀活塞114已经到达其上止点位置后，曲轴108必须旋转以便压缩活塞116到达其相应的上止点位置。正如第一计算机化研究(见分节I.“综述”)中确定，相位角172通常设定为大约20度。而且，相位角最好小于或等于50度，更佳的是小于或等于30度，最佳的是小于或等于25度。
进气阀130打开以允许预定量的燃料和空气的可燃混合物进入压缩室144中，并被收集在其中(即，收集物质在图6B中用圆点表示)。排气阀132也被打开以能允许活塞114迫使燃烧的剩余物排出燃烧室146。
转换通道122的止回阀124和转换阀126被关闭以防止在两个燃烧室144和146之间的可燃燃料和剩余燃烧物进行转换。此外，在排气和进气冲程中，止回阀124和转换阀126密封压力室128以能基本上维持从先前压缩和动力冲程中收集于此的任何气体的压力。
参考图8，所收集物质的部分压缩在进行中。即进气阀130被关闭，压缩活塞116上升(箭头168所示)到其上止点(TDC)位置以能压缩空气/燃料混合物。同时，排气阀132打开，膨胀活塞114也上升(箭头166所示)以能排出剩余的燃料物。
参考图9，所收集的物质(圆点)进一步进行压缩，开始通过止回阀124进入转换通道122。膨胀活塞114已经到达其上止点(TDC)位置，并准备下降到其膨胀冲程(如箭头166所示)，而压缩活塞116通过其压缩冲程还在下降(箭头168所示)。此时，止回阀124部分打开。转换排气阀126，进气阀130和排气阀132全部关闭。
在活塞114处于BDC时的膨胀缸容量(即，燃烧室146)与活塞处于TDC时的膨胀缸容量的比在此定义为膨胀比。正如在第一计算机化研究(参见分节I，名称为“综述”)中确定那样，为了维持有益的效率级，膨胀比通常设定为大约120∶1。而且，膨胀比最好等于或大于20∶1，更佳的是等于或大于40∶1，最佳的是等于或大于80∶1。
参考图10，显示的是开始燃烧所收集的物质(圆点部分)。曲轴108已经旋转附加的预定度数穿过膨胀活塞114的TDC位置而到达其点火位置。此时，火花塞148进行点火，开始燃烧。压缩活塞116正完成其压缩冲程，靠近其TDC位置。在旋转过程中，压缩缸116中的压缩气体达到迫使止回阀124充分打开的阈值压力，而凸轮140也定时地打开转换阀126。因此，在膨胀活塞114下降和压缩活塞116上升时，大致相同质量的压缩气体从压缩缸106的压缩室144转换到膨胀缸104的燃烧室146中。
较有益的是转换阀126的阀门开放期，即，转换阀打开(XVO)和转换阀关闭(XVC)之间的曲轴角间隔(CA)与进气阀130和排气阀132的阀门开放期相比是非常小的。阀门130和132的典型阀门开放期通常超过160度CA。正如在第一计算机化研究中确定那样，为了维持有益的效率级，转换阀门开放期通常设定在大约25度CA。而且，转换阀开放期最好等于或小于69度CA，更佳的是等于或小于59度CA，最佳的是等于或小于35度CA。
此外，正如还在第一计算机化研究中确定那样，如果转换阀开放期和燃烧期重叠预定的最小燃烧期的百分数，那么燃烧期实质上是下降的(即收集物质的燃烧率实质上在提高)。更具体地说，在转换阀关闭前，转换阀150应该最好为至少5％的全部燃烧活动(即，从燃烧的0％点到100％点)维持打开，更佳的是10％的全部燃烧活动，最佳的是15％的全部燃烧活动。转换阀126在空气/燃料混合物燃烧时间(即，燃烧活动)过程中保持打开的时间越长，燃烧率和效率级的提高就会越多，正如在第一计算机化研究中说明那样，假设有关避免火燃传播进入转换通道和/或由于在转换阀关闭前由于膨胀缸中压力显著增加从膨胀缸的物质损失返回到转换通道的其它预防措施已经采取。
在活塞116处于BDC时的压缩缸容量与活塞处于TDC时的压缩缸容量的比值在此定义为压缩比。再次，正如在第一计算机化研究中确定那样，为了维持有益的效率级，压缩比通常设定为大约100∶1，而且，压缩比最好等于或大于20∶1，更佳的是等于或大于40∶1，最佳的是等于或大于80∶1。
参考图11，显示的是收集物质的膨胀冲程。在空气/燃料混合物燃烧时，热气体驱动膨胀活塞下移。同时，在压缩缸中已经开始进气过程。
参考图12，显示的是收集物质的排气冲程。在膨胀缸到达BDC和再次上升时，燃烧气体排出打开阀132以便开始另一个循环。
虽然上述实施例显示膨胀和压缩活塞114和116分别通过连杆214和150直接与曲轴180相连接，但是在本发明的保护范围内其他方式也可用于将活塞114和116与曲轴108相连接。例如，第二曲轴可用于将活塞114和116与第一曲轴108机械连接。
虽然本实施例描述了火花点火(SI)发动机，但是本领域的技术人员将会认识到压缩点火(CI)发动机也处于这种类型发动机的范围中。此外，本领域的技术人员将会认识到根据本发明的分隔周期发动机能够用于除了汽油外的各种燃料，例如，柴油、氢气和天然气。
V.用于第二计算机化研究中的停顿型和基线型分隔周期发动机参数
通过使用美国伊利诺斯州韦斯特门特(Westmont，IL)的伽马技术有限公司(Gamma Technologies，Inc)拥有的称为GT-Power的商业可用软件包执行第一和第二计算机化研究。GT-Power是一个通常用于进行发动机仿真工业上的第一代计算流体—求解程序。
第二计算机化研究的主要目的是估算单个膨胀活塞“通道”移动(或运动)，与没有通道移动的基线型分隔周期发动机100相比，对停顿型分隔周期发动机101的性能的效果。在此的具体实施例中，通道移动通过机械联动装200产生，该机械联动装置200加在膨胀活塞114的连杆/曲轴组件上，即连杆/曲轴行程联动装置上。与基线型分隔周期发动机100的膨胀活塞相比，在燃烧期过程中，机械连接200提供一段膨胀活塞非常缓慢的向下移动或“通道”。通过使用用于表示这样的机构可提供的移动的独立活塞运动轮廓，在不会增加膨胀缸膨胀比或压缩缸峰值压力的情况下产生了更高的气缸峰值压力，以及更高的热效率级。
为了保证基线型和停顿型发动机100和101之间的有效对比，注意选择两个发动机的参数。表1表示用于基线型和停顿型发动机100、101比较的压缩参数(注意对停顿概念的压缩缸没有作出变化)。表2表示基线型发动机100中膨胀缸使用的参数。见表4，是在停顿型发动机101膨胀缸中使用的参数。
表1分隔周期基线和停顿型发动机参数(压缩缸)
  参数   值
  镗孔冲程连杆长度曲柄行程半径置换容量余隙容量压缩比气缸偏移TDC定相发动机速度   4.410英寸(112.0mm)4.230英寸(102.2mm)9.6英寸(243.8mm)2.000英寸(50.8mm)61.447英寸3(1.007L)0.621英寸3(0.010L)100∶11.6英寸(25.4mm)20度CA1400rpm
表2分隔周期基线型发动机参数(膨胀缸)
  参数   值
  镗孔冲程连杆长度曲柄行程半径   4.000英寸(101.6mm)5.557英寸(141.1mm)9.25英寸(235.0mm)2.75英寸(69.85mm)
  置换容量余隙容量膨胀比气缸偏移空气∶燃料比   69.831英寸3(1.144L)0.587英寸3(0.010L)120∶11.15英寸(29.2mm)18∶1
表3总结了有关膨胀活塞TDC的阀动作和燃烧参数，除了进气阀动作外，涉及压缩活塞的TDC。这些参数用于基线型和停顿型发动机100和101中。
表3.分隔周期基线和停顿型发动机进气和燃烧参数
  参数   值
  进气阀打开(IVO)进气阀关闭(IVC)峰值进气阀提升排气阀打开(EVO)排气阀关闭(EVC)峰值排气阀提升转换阀打开(XVO)转换阀关闭(XVC)峰值转换阀提升50％燃烧点(燃烧活动)燃烧期(10-90％)   2度ATDC170度ATDC0.412英寸(10.47mm)134.2度ATDC2度BTDC0.362英寸(9.18mm)5度BTDC22度ATDC0.089英寸(2.27mm)32度ATDC22度CA
                   VI.停顿活塞移动概念
参考图13，显示的是绕曲轴轴心110旋转的曲柄销210所经过路径226的放大视图。路径226通过机械联动装置200的曲柄销轨道224来限定，曲柄销轨道224引导停顿型发动机101的曲柄销210(最好见图7A和B)。
路径226包括第一过渡区228，将曲柄销210从具有第一内有效曲柄行程半径232的内圆230移动至具有第二外有效曲柄行程半径236的外圆234。过渡区228开始一个在上止点后的预定数量的度数CA，并在至少一部分燃烧活动过程中和膨胀活塞114的下移冲程过程中产生。然后路径226保持在膨胀活塞114的其余下移冲程和绝大多数上移冲程的外圆234上。然后路径226包括第二过渡区238，将曲柄销210从外圆234移动至靠近膨胀活塞114的上移冲程端部的内圆230。用于第二计算机化研究的基本停顿型发动机101膨胀活塞曲柄销210移动设定如下：
1.从活塞TDC直到TDC后的24度CA，曲柄销210将在内圆230上。
2.从TDC后的24度CA到TDC后的54度，曲柄销210将穿过第一过渡区228，与从内有效曲柄行程半径232到外有效曲柄行程半径236的曲柄角成线性比例。
3.从TDC后的54度CA经过其余下移冲程和绝大多数上移冲程直到TDC前的54度，曲柄销210将保持在外圆234上。
4.从TDC前的54度CA到TDC前的24度，曲柄销210将穿过第二过渡区238，与从外有效曲柄行程半径236到内有效曲柄行程半径232的曲柄角成线性比例。
5.从TDC前的24度CA直到TDC后的24度CA，曲柄销210将在内圆230上。
虽然上述路径226用于第二计算机化研究中，但是本领域的技术人员将会认识到各种分隔周期发动机的不同连杆/曲柄行程联动装置能被设计成提供任何数量的其它形状路径和停顿膨胀活塞移动。
为了维持与基线型发动机100相同的冲程和相关活塞位置，同时沿着路径226，内有效曲柄行程半径232就从2.75英寸的基线(如表2所示)下降到2.50英寸，外有效曲柄行程半径236就从2.75英寸增加到3.00英寸。此外，连杆长度从9.25英寸(表2)增加到9.50英寸。表4总结了停顿型发动机101中膨胀缸104使用的参数。
表4.分隔周期停顿型发动机参数(膨胀缸)
  参数   值
  镗孔冲程   4.000英寸(101.6mm)5.557英寸(141.1mm)
  连杆长度内曲柄行程半径外曲柄行程半径置换容量余隙容量膨胀比气缸偏移空气∶燃料比   9.50英寸(235.0mm)2.50英寸(63.5mm)3.00英寸(76.2mm)69.831英寸3(1.144L)0.587英寸3(0.010L)120∶11.15英寸(29.2mm)18∶1
参考图14，显示的是与基线型发动机100的曲柄行程移动相比的停顿型发动机101的最终得出的膨胀活塞曲柄细210移动。曲线240表示停顿发动机曲柄销移动，而曲线242表示基线型发动机曲柄销移动。
参考图15，显示的是与基线型发动机的膨胀活塞移动相比的停顿型发动机101的最终得出的膨胀活塞移动。曲线244表示停顿发动机膨胀活塞移动，曲线246表示基线型发动机膨胀活塞移动。
参考图16，显示的是与基线型发动机的膨胀活塞速度相比的停顿型发动机101的最终得出的膨胀活塞速度。曲线248表示停顿发动机膨胀活塞速度，曲线250表示基线型发动机膨胀活塞速度。
比较曲线248和250时，能够明白基线型膨胀活塞(基线活塞)和停顿型膨胀活塞(停顿活塞)在TDC点251和BDC点252必定以零速度移动。基线和停顿活塞从TDC开始以大约相同的速度下移(负号表示下移速度，正号表示上移速度)。但是，在缓停顿塞开始进入停顿曲线253的第一过渡区(大约24度ATDC)时，停顿活塞的下移速度迅速下降，正如停顿曲线第一过渡区253的绝大多数垂直部254所示。这是因为在停顿曲柄销210开始沿着曲柄行程槽212从内有效曲柄行程半径232径向移动至内有效曲柄行程半径236时，停顿活塞的下移实质上比较缓慢。而且，在整个过渡区253过程中，停顿活塞的下移速度实质上比基线活塞的下移速度慢。
由于第一过渡区253经过定时以能与至少一部分燃烧活动相一致，在第一过渡区253的过程中停顿活塞的较慢下移相对于燃烧室容量的增加提供了燃烧传播和建立压力更多的时间。结果是，在停顿型发动机101中比基线型发动机100中，能够达到较高的膨胀缸峰值压力，膨胀缸压力维持更长的时间。因此，停顿型发动机101相对于基线型发动机100在效率方面有着显著的增益，例如，大约为4％。
在第一过渡区253的端部(大约54度ATDC)，曲柄销210已经到达槽212的外径端，从内有效曲柄行程半径232到外有效曲柄行程半径236的过渡必定是完整的。此时，停顿活塞经历一个迅速加速过程(如几乎垂直线255所示)，于是其下移速度迅速达到并超过基线活塞。
对于具有外有效曲柄行程半径236的曲柄销的路径226那部分来说，停顿活塞速度必将保持大于基线活塞速度。但是，在停顿活塞开始进入停顿曲线256的第二过渡区(大约24度BTDC)时，停顿活塞上移速度迅速下降到基线活塞速度以下，正如第二过渡区256的几乎垂直部257所示。这是因为在停顿曲柄销210开始沿着曲柄行程槽212从外有效曲柄行程半径236到内有效曲柄行程半径234迅速移动时，停顿活塞的上移实质上是缓慢的。
在第二过渡区256的端部(大约54度BTDC)，曲柄销210已经到达槽21的内径端，从外有效曲柄行程半径236到内有效曲柄行程半径234的过渡必定是完整的。此时，停顿活塞再次经历一个迅速加速过程(如几乎垂直线258所示)，于是其上移速度几乎达到基线活塞。然后停顿和基线活塞在达到TDC开始又一个循环时，它们的上移速度减慢为零。
                        VII.总结结果
通过停顿活塞移动，在燃烧活动过程中相对于燃烧室容量的增大，给出更多的时间来增大缸压。这就产生了更高的膨胀缸峰值压力而不会增加膨胀缸膨胀比或者压缩缸峰值压力。因此，停顿型分隔周期发动机101的总热效率显著地提高了，例如，相对于基线分隔周期发动机100提高大约为4％。
表5总结了基线型发动机100和停顿型发动机101的工作性能的结果。停顿型发动机101的指示热效(ITE)在基线型发动机100的上面预计提高1.7点。即，与停顿型发动机101的预测40.5％ITE相比，基线型发动机100具有预测的38.8％ITE。这就表示相对于基线型发动机预测增加4.4％(即，1.7点/38.8％*100＝4.4％)。
表5预测基线型和停顿型发动机性能的总结
 参数   基线型   停顿型
 指示转矩(ft-lb)指示功率(hp)净IMEP(psi)ITE(点)峰值缸压，压缩缸(psi)峰值缸压，膨胀缸(psi)   94.025.154.438.8897868   96.625.855.540.5940915
参考图17A和B，显示的是缸压的变化对停顿活塞移动与基线活塞移动产生的容量的关系。图17A的曲线262和264分别表示基线压缩和膨胀活塞移动。图17B的曲线266和268分别表示停顿压缩和膨胀活塞移动。注意基线压缩(曲线262)和停顿压缩(曲线266)曲线实质上是相同的。
参考图18，基线型发动机100和停顿型发动机101的膨胀缸压力对曲柄角的关系分别显示在曲线270和272上。正如曲线270和272所示，停顿型发动机101比基线型发动机100能够获得更高的峰值膨胀缸压力，并在较大曲柄角范围之上维持这些压力。这有助于停顿型发动机的预测效率提高。
要说明的是：曲线270和272是用一个比先前测试更快的燃烧率(火焰速度)绘出的。即，曲线270和272是使用16度CA燃烧期绘制的，而第二计算机化研究的先前性能计算和曲线使用了22度CA燃烧期绘制的。这样做的原因，是因为预测分隔周期发动机潜在地可能获得这些更快的火焰速度。而且，没有显示基线型发动机100和停顿型发动机101之间的比较结果在更快的火焰速度时更少有效的。
虽然这里已经显示和描述了各种实施例，但是在不脱离本发明的精神和保护范围的情况下可对其作出各种修改和替换。因此，应该明白：本发明已经通过说明显示进行了描述，并没有受到限制。

Claims (20)

1.一种发动机，包括：
具有曲柄行程的曲轴，该曲轴绕曲轴轴线旋转；
压缩活塞，滑动地容设在压缩缸中，并可操作地连接曲轴，以使压缩活塞在曲轴的单个旋转过程中通过四冲程循环中的进气冲程和压缩冲程产生往复运动；
膨胀活塞，可滑动地容设在膨胀缸中；
连杆，枢接于膨胀活塞；
机械联动装置，将曲柄行程绕连杆/曲柄行程轴线旋转地连接于连杆，以使膨胀活塞在曲轴的相同旋转过程中通过四冲程循环的膨胀冲程和排气冲程产生往复运动；
路径，通过连杆/曲柄行程轴线绕曲轴线运动的机械联动装置建立，在该路径的任何点上的连杆/曲柄行程轴线和曲轴轴线之间的距离限定了有效的曲柄行程半径，该路径包括从第一有效曲柄行程半径到第二有效曲柄行程半径的第一过渡区，连杆/曲柄行程轴线在膨胀缸中的至少一部分燃烧活动过程中穿过该第一过渡区。
2.如权利要求1所述的发动机，其中：在所述连杆/曲柄行程轴线通过至少一部分第一过渡区移动时膨胀活塞的速度减低。
3.如权利要求2所述的发动机，其中：在所述连杆/曲柄行程轴线开始进入第一过渡区时膨胀活塞的速度减低，而在连杆/曲柄行程轴退出第一过渡区时膨胀活塞的速度升高。
4.如权利要求1所述的发动机，其中：所述第一有效曲柄行程半径小于第二有效曲柄行程半径。
5.如权利要求1所述的发动机，其中：所述第一过渡区开始于穿过上止点预定数量的曲柄角度数CA。
6.如权利要求1所述的发动机，其中：所述路径包括从第二有效曲柄行程半径到第一有效曲柄行程半径的第二过渡区。
7.如权利要求1所述的发动机，其中：所述机械联动装置包括：
曲柄销，固定于连杆上，曲柄销具有连杆/曲柄行程轴线作为其中心线；和
槽，其设置在滑动地俘获曲柄销的曲柄行程中，该槽的大小要能允许曲柄销相对于曲轴轴线产生径向运动。
8.如权利要求7所述的发动机，其中：所述机械联动装置包括：
导板，其固定于发动机的静止部分上，该导板包括曲柄销伸入其内的曲柄销轨道，曲柄销轨道可移动地俘获曲柄销，以使连杆/曲柄行程轴线通过该路径进行引导。
9.如权利要求8所述的发动机，其中：所述机械联动装置包括：
一对从曲轴的一对相对的曲轴颈延伸的曲柄行程，每个曲柄行程具有一个设在其中的槽；和
曲柄销，其可被槽滑动地俘获，以使曲柄销平行于但是偏移曲轴进行定位。
10.如权利要求9所述的发动机，其中：机械联动装置包括：
一对相对的导板，每个导板具有曲柄销轨道，以能移动地俘获曲柄销和通过该路径引导连杆/曲柄行程轴线。
11.一种发动机，它包括：
具有曲柄行程的曲轴，该曲轴绕曲轴线旋转；
压缩活塞，滑动地容设在压缩缸中，并可操作地连接曲轴，以使压缩活塞在曲轴的单个旋转过程中通过四冲程循环中的进气冲程和压缩冲程产生往复运动；
膨胀活塞，可滑动地容设在膨胀缸中；
连杆，枢接于膨胀活塞；
机械联动装置，将曲柄行程绕连杆/曲柄行程轴旋转地连接于连杆，以使膨胀活塞在曲轴的相同旋转过程中通过四冲程循环的膨胀冲程和排气冲程产生往复运动；
路径，通过连杆/曲柄行程轴线绕曲轴轴线运动的机械联动装置建立，在该路径的任何点上的连杆/曲柄行程轴和曲轴心之间的距离限定了有效的曲柄行程半径，该路径包括第一过渡区，该第一过渡区开始于穿过上止点的预定数量的度数CA，第一过渡区从第一有效曲柄行程半径过渡到较大的第二有效曲柄行程半径，连杆/曲柄行程轴线在膨胀缸中的至少一部分燃烧活动过程中穿过该第一过渡区。
12.如权利要求11所述的发动机，其中在所述连杆/曲柄行程轴线通过至少一部分第一过渡区移动时膨胀活塞的速度减低。
13.如权利要求11所述的发动机，其中：在所述连杆/曲柄行程轴线开始进入第一过渡区时膨胀活塞的速度减低，而在连杆/曲柄行程轴线退出第一过渡区时膨胀活塞的速度升高。
14.如权利要求11所述的发动机，其中：该路径包括从第二有效曲柄行程半径到第一有效曲柄行程半径的第二过渡区。
15.如权利要求11所述的发动机，其中：所述机械联动装置包括：
曲柄销，其固定于连杆上，曲柄销具有连杆/曲柄行程轴线作为其中心线；和
槽，其设置在滑动地俘获曲柄销的曲柄行程中，该槽的大小要能允许曲柄销相对于曲轴轴线产生径向运动；和
导板，其固定于发动机的静止部分上，该导板包括曲柄销伸入其内的曲柄销轨道，曲柄销轨道可移动地俘获曲柄销以使连杆/曲柄行程轴线通过该路径进行引导。
16.如权利要求15所述的发动机，其中：所述机械联动装置包括：
一对从曲轴的一对相对的曲轴颈延伸的曲柄行程，每个曲柄行程具有一个设在其中的槽；和
曲柄销，可被槽可滑动地俘获，以使曲柄销平行于但是偏移曲轴进行定位；和
一对相对的导板，每个导板具有曲柄销轨道，以可移动地俘获曲柄销和通过该路径引导连杆/曲柄行程轴线。
17.一种发动机，包括：
具有曲柄行程的曲轴，该曲轴具有设在其中的槽，曲轴绕曲轴线旋转；
压缩活塞，滑动地容设在压缩缸中，并可操作地连接曲轴，以使压缩活塞在曲轴的单个旋转过程中通过四冲程循环中的进气冲程和压缩冲程产生往复运动；
膨胀活塞，可滑动地容设在膨胀缸中；
连杆，枢接于膨胀活塞；
曲柄销，将曲柄行程绕连杆/曲柄行程轴线旋转地连接于连杆，以使膨胀活塞在曲轴的相同旋转过程中通过四冲程循环的膨胀冲程和排气冲程产生往复运动，曲柄销被曲柄行程中的槽可滑动地俘获，以能允许曲柄销相对于曲轴产生径向运动；和
导板，固定于发动机的静止部分上，该导板包括曲柄销伸入其内的曲柄销轨道，曲柄销轨道可移动地俘获曲柄销以使连杆/曲柄行程轴线通过该路径绕曲轴线进行引导。
18.如权利要求17所述的发动机，其中：在该路径的任何点上的连杆/曲柄行程轴线和曲轴轴线之间的距离限定了有效的曲柄行程半径，该路径包括从第一有效曲柄行程半径到第二有效曲柄行程半径的第一过渡区。
19.如权利要求18所述的发动机，其中；所述第一有效曲柄行程半径小于第二有效曲柄行程半径。
20.如权利要求19所述的发动机，其中：所述第一过渡区开始于穿过上止点的预定数量的曲柄角度数CA。
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