CN102182555A - 内燃发动机 - Google Patents

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CN102182555A CN2011100528042A CN201110052804A CN102182555A CN 102182555 A CN102182555 A CN 102182555A CN 2011100528042 A CN2011100528042 A CN 2011100528042A CN 201110052804 A CN201110052804 A CN 201110052804A CN 102182555 A CN102182555 A CN 102182555A
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Abstract

本发明涉及内燃发动机。具体地，提供了一种模块化的发动机系列，包括：发动机缸体组件，其具有以角度α从发动机缸体组件后部延伸至其前部的上端。发动机缸体封闭所述上端并且限定曲轴箱，该曲轴箱包括曲轴，该曲轴具有三个由轴颈轴承支撑的轴颈，用于在曲轴箱内旋转。第一和第二活塞销以及相关联的第一和第二活塞/杆组件都设置于第一气缸壳体组件的活塞气缸中，其中第一和第二活塞销位于曲轴上相同的径向位置处并且纵向隔开，以限定360度的着火间隔。气缸盖构造成封闭活塞气缸的开口端，从而与第一和第二活塞一起限定燃烧室；所述气缸壳体组件从竖直方向朝发动机缸体后部倾斜角度β。

Description

内燃发动机
相关申请的交叉参考
本专利申请要求于2010年1月15日提交的美国临时专利申请No.61/295,257的优先权，在此通过引用将该申请全文并入。
技术领域
本发明的示例性实施例涉及模块化发动机设计，更具体地，涉及直列式双缸发动机和相关的V型构造三缸发动机。
背景技术
环境可持续性、不断增长的全球能源需求和由此导致的燃料成本的增加、及在发展经济方面对于独立并且成本更低的运输工具的相对更新的要求，都驱使车辆和动力系的设计者们开发更小型和燃效更高的车辆。现在常常能够发现采用直列式三缸和四缸发动机来为许多中型和小型的车辆提供动力。但是，这些发动机会由于它们的直列式气缸构造而受到长度约束，所述直列式气缸构造用于限定可以在其中封装发动机的最小车辆结构空间。窄角度的V型构造发动机通过将活塞交错设置在偏置的排内、提供额外的活塞并得到动力，从而在不必增加发动机封装的长度的情况下提供了一些额外的封装优点。但是，发动机高度在这样的发动机中可能会由于使用了具有超出直列式发动机所需高度的单个气缸盖而受到不利影响。
发明内容
在一个示例性实施例中，一种通用系列(common family)的内燃发动机，包括：发动机缸体组件，该发动机缸体组件具有由油盘封闭的下端和以角度α从发动机缸体组件后部延伸至其前部的上端；发动机缸体，该发动机缸体封闭上端并且限定曲轴箱，该曲轴箱构造成容纳曲轴，以便在其中旋转。曲轴进一步包括三个由轴颈轴承支撑以便在曲轴箱内转动的曲轴轴颈。第和第二活塞销以及相关联的第一和第二活塞/杆组件都设置于第一气缸壳体组件的活塞气缸中，其中第一和第二活塞销纵向隔开。气缸盖构造成封闭活塞气缸的开口端，从而和第一和第二活塞一起限定燃烧室，气缸壳体组件从竖直方向朝发动机缸体后部倾斜β度。
本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点将参照附图并由以下对本发明的详细描述中而变得明显。
附图说明
在以下实施例的详细说明中，仅作为示例来说明其他目的、特征、优点和细节，详细的说明参照将附图进行，在附图中：
图1是具体实施了本发明特征的直列式双缸发动机的侧视图；
图2是具体实施了本发明特征的V型构造三缸发动机的侧视图；
图3是图1中的直列式双缸发动机的示意图；
图4是图1中的直列式双缸发动机的曲轴的示意图；
图5是图2中的V型构造三缸发动机的示意图；
图6是图2中的V型构造三缸发动机的曲轴的示意图；以及
图7是图2中的V型构造三缸发动机的后向透视图。
具体实施方式
以下说明在本质上仅仅是示例性的，而并不是为了限制本发明、其应用或用途。应该理解的是，在全部附图中相应的附图标记表示类似或相应的部件和特征。
参照图1和图2，在一个示例性的实施例中示出了包括图1中的直列式构造双缸发动机2和图2中的V型构造三缸发动机3的内燃发动机系列。在各附图中，在直列式双缸发动机2和V型构造三缸发动机3之间共享的特征都具有分配给其的相同附图标记。发动机2和3都包括发动机缸体组件12，发动机缸体组件12具有开口的下端或边缘14，所述开口的下端或边缘由油箱或油盘16封闭。发动机缸体组件12的上端18以角度α从发动机2、3的后部20延伸到这些发动机的前部22，并且被发动机缸体24封闭。所设想的是，角度α可以处于大约45°的范围内，但角度α也可以根据具体的车辆构造以及其他应用驱动的变量，在大约0°到大约45°的范围内变化。发动机缸体组件12、油盘16和发动机缸体24的组合限定了曲轴箱26，曲轴箱26容纳并且支撑曲轴28A或28B(28A＝双缸发动机2，而28B＝三缸发动机3)以及平衡轴27和29在其中旋转，如图3和图5中所示。曲轴28A或28B通过带、链或者齿轮驱动件耦接，以便可旋转地操作凸轮轴33，如图7所示。
如图1、图3和图4所示，在一个示例性实施例中，直列式构造双缸发动机2包括曲轴28A，曲轴28A在第一端包括曲柄头部(crank snout)30。曲柄头部30从发动机缸体组件12的前部向外伸出，并可在其上支撑曲轴带轮34。三个曲轴轴颈36、38和40由轴颈轴承42、44和46支撑，由此允许曲轴28A在曲轴箱26中自由转动。两个活塞销48和50分别支撑第一和第二气缸56和58中的相关联的第一和第二活塞/杆组件52和54。当曲轴28A旋转时，活塞/杆组件52、54以已知的方式在气缸56、58中往复运动。在图3和图4示出的示例性实施例中，活塞销48和50沿着曲轴28A以纵向隔开的关系而在径向上位于相同位置处，从而允许360度的着火间隔(4冲程发动机)。飞轮60设置在曲轴28A的第二端62，并且可以构造成接合相关联的传动组件(未示出)以及可能需要的其他相关发动机组件(例如，起动电动机)。齿轮驱动的平衡轴27和29可置于曲轴箱26内用于在其中旋转，并且可操作以减少由于双缸直列式设计中的固有不平衡引起的振动。再次参照图1，在一个示例性实施例中，发动机气缸56和58设置在发动机缸体24的第一气缸壳体组件72中，用于在其中的往复运动。第一气缸盖78闭合第一气缸壳体组件72的上端，其还封闭第一和第二活塞气缸56和58的开口端，如图3所示，并且与第一和第二活塞/杆组件52和54一起限定燃烧室(未示出)。
在一个示例性的实施例中，进气组件80构造为将燃烧空气引导到气缸56和58的进气端口(未示出)，以便与所喷射的燃料(未示出)混合并燃烧。进气组件80包括进气歧管82，进气歧管82具有入口流道84，入口流道84用于接收通过节气门体86计量供给的燃烧空气。入口流道84与进气歧管82的中央蓄气室(plenum)88流体连接，并且将燃烧空气输送到进气歧管82的中央蓄气室88，其中燃烧空气被分配到流体连接至每个气缸56和58的燃烧室的进气流道90。燃烧空气进入到各个气缸，与燃料喷射器92喷射出的燃料相混合并在其中燃烧，所述燃料喷射器92连接至燃料系统(未示出)。
在示例性的实施例中，排气歧管94也与气缸盖78流体连接，并且构造为从燃烧室中去除燃烧副产物。所述燃烧副产物流经排气系统导管96，排气系统导管96构造为从排气歧管94接收燃烧副产物并且将燃烧副产物传送至各种废气后处理装置，例如紧密耦接的催化转化器98，用于在把燃烧副产物释放到大气中之前对其中受到管理的废气成分进行氧化、还原或者其他的转化处理。
参照图2和图5-7，在一个示例性的实施例中V型构造三缸发动机3包括发动机缸体组件12，发动机缸体组件12具有开口的下端或边缘14，所述开口的下端或边缘14由油箱或油盘16封闭。发动机缸体组件12的上端18以角度α从发动机的后部20延伸到发动机的前部22并且被发动机缸体24封闭。所设想的是，角度α可以处于大约45°的范围中，但还可以设想的是，根据具体的车辆构造以及其他应用驱动的变量，角度α可以在大约0°到大约45°的范围内变化。发动机缸体组件12、油盘16和发动机缸体24的组合限定了曲轴箱26，曲轴箱26容纳并且支撑曲轴28B，如图5和图6所示。平衡轴27可以位于曲轴箱26中，用于在其中旋转。曲轴28B通过带、链或者齿轮驱动件耦接，以便可旋转地操作凸轮轴33。凸轮轴作用于延伸到气缸盖78和120中的推杆32以操作设置于其中的气门机构(未示出)。
如图6所示，在一个示例性的实施例中，曲轴28B在第一端包括曲柄头部30。曲柄头部30从发动机缸体组件12的前部向外延伸，并且在其上支撑曲轴带轮34，如图2所示。三个曲轴轴颈36、38和40由轴颈轴承42、44和46支撑，由此允许曲轴28B在曲轴箱26中自由旋转。三个活塞销100、102和104分别支撑在气缸112、114和116中的相关联的活塞/杆组件106、108和110。在所示出的示例性实施例中，活塞销102和104彼此靠近且相邻布置在曲轴轴颈38和40之间。这种构造与大多数直列式三缸发动机不同，在那些发动机中通常要求具有四个曲轴轴颈，这就增加了发动机封装的长度，增加了摩擦从而增加了油输送需求。当曲轴28B旋转时，活塞在气缸中以已知的方式往复运动。在图5和图6示出的实施例中，用于活塞/杆组件114和116的第一和第二活塞销102、104可以沿着曲轴28B以纵向隔开的关系而在径向上位于相同的位置。第三活塞销100可以在径向上定位成距离第一和第二活塞销102和104大约180度，从而允许240度的总的着火间隔(四冲程发动机)。当然，在不偏离本发明范围的情况下也可考虑其他的径向间隔。飞轮60设置在曲轴28B的第二端62并且可以构造成接合相关联的传动组件(未示出)，以及可能需要的其他相关的发动机组件(例如，起动电动机)。齿轮驱动的平衡轴27可设置成在曲轴箱26中旋转，并且可操作以减少由三缸V型构造设计的固有不平衡所引起的振动。
再次参照图2、图5和图6，在一个示例性实施例中，发动机气缸112和116布置于第一气缸壳体组件72中，用于在其中的往复运动。第三发动机气缸114布置于发动机缸体24的气缸壳体组件118中，用于在其中的往复运动。由于活塞销102和104的相邻位置，所以第三气缸114和气缸壳体组件118可以不相对于第一和第二气缸112和116居中，而是可以在活塞销104的方向上轴向偏移。V型构造三缸发动机3的这种构造允许在双缸发动机2和三缸发动机3中采用同样或类似的曲柄套件，而只需要对曲轴构造加以改变；具体地说，因为曲轴轴颈36、38和40以及相关联的轴颈轴承42、44和46都具有相同的几何形状(或构造)，并且对于在直列式构造双缸发动机2和V型构造三缸发动机3中的安装而言都类似地定位，因此只需添加第三径向隔开的活塞销100。第一气缸盖78封闭第一气缸壳体组件72的上端，其还封闭了活塞气缸112和116的开口端，并且与活塞106和110一起限定了燃烧室(未示出)。类似地，第二气缸盖120封闭第二气缸壳体组件118的上端，其还闭合第三活塞气缸114的开口端，并且与活塞108限定了燃烧室(未示出)。
在一个示例性的实施例中，低轮廓进气组件80构造为将燃烧空气引导到气缸112、114和116的进气端口(未示出)，以便与所喷射的燃料(未示出)混合以及燃烧。进气组件80包括进气歧管122，进气歧管122具有用于接收通过节气门体126计量供给的燃烧空气的入口流道124。入口流道124与进气歧管122的中央蓄气室88流体连接，并且将燃烧空气输送到进气歧管122的中央蓄气室88，其中燃烧空气被分配到流体连接至各气缸112、114和116的燃烧室的进气流道128、130、132，如图7所示。燃烧空气进入到各个气缸，与由燃料喷射器92喷射出的燃料相混合并在其中燃烧，所述燃料喷射器92连接至燃料系统(未示出)。第二排气歧管134也与气缸盖120流体连接，并且构造成从第三气缸114的燃烧室中去除燃烧副产物。该燃烧副产物流经排气系统导管136，排气系统导管136构造成从第二排气歧管134接收燃烧副产物并且引导废气穿过排气系统导管136，其中燃烧副产物被输送至各种废气后处理装置，例如紧密耦接的催化转化器98，用于在把燃烧副产物释放到大气中之前对其中受到管理的废气成分进行氧化、还原或者其他的转化处理。
在示例性实施例中，并且参见图1中直列式构造双缸发动机2，发动机缸体组件12的上端18的偏角调整有利于第一气缸壳体组件72的偏角调整和后置，从而达到以有效的方式在车辆中封装发动机2的目的。在图1示出的实施例中，第一气缸壳体组件72的后倾斜角β大约偏离竖直方向70°。但所设想的是，根据具体的车辆构造和其他应用驱动的变量，后倾斜角β可以从大约30°到大约90°变化。采用这样的构造，双缸发动机2实际上可封装于任何车辆平台或构造中。
在另一个示例性的实施例中，并且参见图2和图5中V型构造三缸发动机3，第二气缸壳组件118的发动机气缸114优选以与第一气缸壳体组件72中的两个直列式气缸112、116分别成大约90度的角度“γ”定向。然而能够想到的是，同样根据具体的车辆构造以及其他的应用驱动变量，角度“γ”可以在从大约25°到大约115°的范围内变化。如图2至图7中所示，这样的定向将允许V型构造三缸发动机3保持由直列式双缸发动机2实现的低轮廓，同时提供可能为某些应用所需的额外动力。单个的相对直立定向的第二气缸壳体组件118的单个发动机气缸114足够小并且相对居中地定位，从而部分地封装在车辆通道的一部分内，从而得到与可用上述直列式双缸发动机2实现的车辆封装和内部空间方面的优点相同的优点。
尽管已经参照示例性实施例介绍了本发明，但是本领域技术人员应该理解的是，可以进行各种变化并且可以用等同物来替换其中的元件，而并不背离本发明的保护范围。另外，可以进行各种修改以使具体情况或材料适用于本发明的教导而并不背离本发明的实质范围。因此，应该理解本发明并不局限于所公开的具体实施例，而是且本发明应该包括落入本申请保护范围内的所有实施例。

Claims (20)

1.一种通用系列的内燃发动机，包括：
发动机缸体组件，所述发动机缸体组件具有由油盘封闭的下端和以角度α从所述发动机缸体组件后部延伸至其前部的上端；
发动机缸体，所述发动机缸体封闭所述上端并且限定曲轴箱，所述曲轴箱构造成容纳曲轴在其中旋转，所述曲轴进一步包括：
三个曲轴轴颈，所述三个曲轴轴颈由轴颈轴承支撑，用于在所述曲轴箱内旋转；
设置在第一气缸壳体组件的活塞气缸中的第一和第二活塞销与相关联的第一和第二活塞/杆组件；以及
气缸盖，所述气缸盖构造成封闭所述活塞气缸的开口端，从而与所述第一和第二活塞/杆组件一起来限定燃烧室，所述气缸壳体组件从竖直方向朝所述发动机缸体后部倾斜，关于所述曲轴的轴线成β角。
2.如权利要求1所述的通用系列的内燃发动机，其中，所述第一和第二活塞销在所述曲轴上位于相同的径向位置处并且纵向隔开，以限定360度的着火间隔。
3.如权利要求1所述的通用系列的内燃发动机，其中，所述角度α在从大约0度到大约45度的范围内。
4.如权利要求3所述的通用系列的内燃发动机，其中，所述角度α在大约45度的范围内。
5.如权利要求1所述的通用系列的内燃发动机，其中，所述角度β在从大约30度到大约90度的范围内。
6.如权利要求5所述的通用系列的内燃发动机，其中，所述角度β在大约45度的范围内。
7.如权利要求1所述的通用系列的内燃发动机，其中，所述曲轴进一步包括：
设置在第二气缸壳体组件的活塞气缸中的第三活塞销以及相关联的活塞/杆组件，其中所述第三活塞销与所述第一或第二活塞销中的一个相邻设置并且位于两个曲轴轴颈之间；以及
第二气缸盖，所述第二气缸盖构造成封闭所述第三活塞气缸的开口端，由此和所述第三活塞/杆组件一起限定燃烧室，所述第二气缸壳体组件相对于所述第一气缸壳体组件关于所述曲轴的轴线以角度γ定向。
8.如权利要求7所述的通用系列的内燃发动机，其中，所述三个曲轴轴颈以及相关联的轴颈轴承都具有相同几何，并且对于在所述直列式构造双缸发动机和所述V型构造三缸发动机中的安装而言都被类似地定位。
9.如权利要求7所述的通用系列的内燃发动机，其中，所述第三活塞销定位成在径向上距离第一和第二活塞销大约180度，以便限定240度的着火间隔。
10.如权利要求7所述的通用系列的内燃发动机，其中，所述第三活塞气缸相对于所述第一和第二气缸不轴向居中。
11.如权利要求7所述的通用系列的内燃发动机，其中，所述角度γ在从大约25度到大约115度的范围内。
12.如权利要求11所述的通用系列的内燃发动机，其中，所述角度γ在大约90度的范围内。
13.一种具有直列式双缸发动机和V型构造三缸发动机的内燃发动机系列，所述直列式双缸发动机包括：
发动机缸体组件，所述发动机缸体组件具有由油盘封闭的下端和以角度α从所述发动机缸体组件后部延伸至其前部的上端；
发动机缸体，所述发动机缸体封闭所述上端并且限定曲轴箱，所述曲轴箱构造成容纳曲轴在其中旋转，所述曲轴进一步包括：
三个曲轴轴颈，所述三个曲轴轴颈由轴颈轴承支撑，用于在所述曲轴箱内的旋转；
第一和第二活塞销，所述第一和第二活塞销与第一和第二活塞/杆组件相关联，设置在第一气缸壳体组件的活塞气缸内，其中所述第一和第二活塞销纵向隔开；
气缸盖，所述气缸盖构造成封闭所述第一气缸壳体组件的活塞气缸的开口端，从而与所述第一和第二活塞/杆组件一起限定燃烧室，所述气缸壳体组件从竖直方向朝所述发动机缸体后部倾斜，关于所述曲轴的轴线成β角；以及
V型构造三缸发动机包括：
设置于第二气缸壳体组件的活塞气缸中的第三活塞销以及相关联的活塞/杆组件，其中所述第三活塞销与所述第一或第二活塞销中的一个相邻设置并且位于两个曲轴轴颈之间；以及
第二气缸盖，所述第二气缸盖构造成封闭所述第二气缸壳体组件的第三活塞气缸的开口端，由此和第三活塞/杆组件一起限定燃烧室，所述第二气缸壳体组件相对于所述第一气缸壳体组件关于所述曲轴的轴线以角度γ定向。
14.如权利要求13所述的内燃发动机系列，其中，所述三个曲轴轴颈以及相关联的轴颈轴承具有相同几何，并且对于在所述直列式构造双缸发动机和所述V型构造三缸发动机中的安装而言都类似地定位。
15.如权利要求13所述的内燃发动机系列，其中，所述角度α在从大约0度到大约45度的范围内。
16.如权利要求15所述的内燃发动机系列，其中，所述角度α在大约45度的范围内。
17.如权利要求13所述的内燃发动机系列，其中，所述角度β在从大约30度到大约90度的范围内。
18.如权利要求17所述的内燃发动机系列，其中，所述角度β在大约45度的范围内。
19.如权利要求13所述的内燃发动机系列，其中，所述角度γ在从大约30度到大约90度的范围内。
20.如权利要求19所述的内燃发动机系列，其中，所述角度γ在大约90度的范围内。
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