CN103334832A - 对置活塞两冲程内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对置活塞两冲程内燃机，属于内燃机，包括一发动机机架、设置在机架边沿的第一曲轴第二曲轴、气缸、设置于气缸内的一对对置式活塞、第一冷却管和第二冷却管、对置式活塞均和第一曲轴以及第二曲轴通过连杆连接；对置式活塞均在气缸内做循环往复运动，一段运动过程中有至少一部分伸出气缸；第一冷却管在气缸一侧设有第一歧管，第一冷却管的第一歧管设有位于气缸两端的喷头；第二冷却管在气缸的另一侧设有第一歧管，第二冷却管的第一歧管设有位于气缸两端的喷头。本发明的有益效果是：能够大幅提高发动机的平均有效压力并减少重量，在相同的速度条件下，本发明的发动机在平均有效压力和单位重量功率均要高于以前技术水平的发动机。

Description

对置活塞两冲程内燃机

技术领域

本发明涉及一种内燃机，尤其涉及一种对置活塞两冲程内燃机。 

背景技术

在传统的对置活塞发动机中，将两个曲轴布置在气缸的两旁，两个曲轴的旋转轴心线在一个平面内并且这个平面与气缸轴心线垂直。活塞和曲轴由连杆连接，这些连杆由活塞处伸出沿着气缸侧面连到对应的曲轴，连杆与气缸轴心成锐角。在这种布置中，连杆主要承受拉伸应力，这将消除作用在曲轴上的脉动力，在相同的拉伸应力和压缩应力条件下，连杆承受拉伸应力要比承受压缩应力时所要求的结构尺寸小，从而连杆结构的重量可以减少。连接连杆的活塞销被安装在活塞裙外侧的销座上。发动机中，每一个活塞都与两根曲轴连接，可以形成扭力平衡。这种平衡，曲轴之间距离较近，并减小了传动链的长度，具良好的扭转稳定性。为了保证发动机的动态平衡，每一个活塞通过一组连杆连接到一个曲轴上，同时，这个活塞通过另一组连杆连接到另一个曲轴上。此负载平衡基本上消除了侧向力，否则将会在活塞和气缸壁之间产生侧向力。然而，尽管如此，仍然有一些问题会影响发动机的性能和效率，比如简单的结构和单位质量功率。 

对置活塞发动机与其它二冲程和四冲程发动机相比，较高的单位质量功率特性归因于这些类型发动机的结构设计简单，它取消了气缸盖，气门机构和其它一些零部件。然而，单独通过减少发动机重量来增加单位重量功率和平均有效压力是有限的，对于给定的发动机重量，通过平均有效压力的提升来增加导致功率要受到发动机对活塞的冷却能力的限制。燃烧室主要的热量被活塞和气缸吸收。实际上，在两冲程、对置活塞和压燃式发动机中，活塞顶是最热的地方之一。过度的活塞高温会导致活塞抱缸。活塞必须被冷却以缓和这种危险。在所有高性能发动机中，活塞主要是由活塞环来冷却，活塞 环装在活塞靠近活塞顶的外表面上。活塞环接触气缸孔并把热量从活塞传到缸套，由此传入冷却水套中的冷却液或者气缸上的散热片。为了有效冷却活塞，活塞环与气缸孔之间的紧密接触是必须的。但是在两冲程,滑阀式发动机中，活塞环扫过气缸通道中的桥接区域时，活塞环会产生复杂的应力，活塞环此时承受的载荷必须轻。因此，活塞环冷却活塞的能力受到了限制，为了避免发动机出现故障，不得不限制发动机燃烧室的最高温度。很显然，在对置活塞发动机中，如果没有对活塞的有效冷却，在不危及到发动机运行的情况下，就不可能提升有效压力。 

之前的发动机包括一个发动机机体，在机体中，气缸和发动机轴承的安装位置和空间被铸造成型，成为了发动机机体的主体结构和基础。虽然发动机能够解决扭力不平衡的问题，消除了连杆上的压缩力和气缸孔中的侧向力，但是发动机机体仍然是其主体结构，如为气缸、歧管冷却水套和轴承气口提供基础支撑。机体受到的热应力和机械应力导致气缸和活塞不均匀变形，使得活塞和气缸之间的密封性能退化，因此降低了气缸中的压缩性能和限制了发动机性能。 

发明内容

针对以上所述现有技术中传统对置活塞发动机所存在的技术问题和不足，本发明公开了一种对置活塞两冲程内燃机，在保持扭力平衡的基础上，进一步提高发动机的平均有效压力并减少重量，进而提高发动机的性能。 

具体技术方案如下所示： 

对置活塞两冲程内燃机，其中， 

包括一个发动机机架、设置在所述机架边沿的第一曲轴第二曲轴、设置在所述机架上的气缸、设置于所述气缸内的一对对置式活塞、设置在所述机架上的第一冷却管和第二冷却管、所述对置式活塞均和所述第一曲轴以及所述第二曲轴通过连杆连接； 

所述对置式活塞均在所述气缸内做直线循环往复运动，并均在一段运动过程中有至少一部分伸出所述气缸； 

所述第一冷却管在所述气缸一侧设有第一歧管，所述第一冷却管的第一歧管设有位于所述气缸两端的喷头；所述第二冷却管在所述气缸的另一侧设 有第一歧管，所述第二冷却管的第一歧管设有位于所述气缸两端的喷头； 

一冷却液供给系统连接于所述第一冷却管和第二冷却管，并在压力下向所述第一冷却管和第二冷却管提供冷却液。 

上述的对置式活塞两冲程内燃机，其中， 

所述对置式活塞均为中空活塞； 

所述第一冷却管设有伸入一个所述对置式活塞中空内部的第二歧管，所述第二歧管设有对准所述活塞顶部内表面的喷头；所述第二冷却管设有伸入另一个所述对置式活塞中空内部的第二歧管，所述第二歧管设有对准所述活塞头部内表面的喷头。 

上述的对置活塞两冲程内燃机，其中， 

定义所述对置式活塞在相对距离最短时为上止点位置，在相对距离最长时为下止点位置； 

所述对置式活塞在到达上止点位置后，做相背运动；在到达下止点时，做相向运动。 

上述的对置式活塞两冲程内燃机，其中，所述对置式活塞在到达下止点位置时，所述对置式活塞均有至少50%的长度伸出所述气缸。 

上述的对置式活塞两冲程内燃机，其中，所述第一冷却管和所述第二冷却管于所述气缸的外侧轴向设置有多个喷头。 

上述的对置式活塞两冲程内燃机，其中，用于冷却所述对置式活塞内表面和冷却液为相同冷却液。 

上述的对置式活塞两冲程内燃机，其中，所述冷却液为润滑剂。 

上述的对置式活塞两冲程内燃机，其中，所述冷却系统包括泵和冷却液存储器。 

一种机器，其中，包括上述的对置式活塞两冲程内燃机。 

本发明的有益效果是： 

通过本发明的一种对置式活塞两冲程内燃机，能够大幅提高发动机的平均有效压力并减少重量，结果是在相同的速度条件下，本发明的发动机在平均有效压力和单位重量功率均要高于以前技术水平的发动机。 

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 

图1A和图1B为本发明实施例的结构示意图； 

图2A-2F为本发明实施例的一个活塞循环的原理示意图； 

图3为本发明实施例的当相位角接近运行周期180°时，气缸、对置活塞在各自位置的放大截面图； 

图4A和4B为本发明实施例的侧面透视图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。 

如图1A和图1B所示为本发明一种对置活塞两冲程内燃机的结构示意图，对置活塞12和14在气缸10中。活塞12和14在气缸10的同一轴线上做相互接近和离开的相对运动。图1A说明了活塞12和14运动到上止点，这是它们压缩冲程的顶点，接近点燃的瞬间。图1B说明了活塞接近下止点，接近膨胀或动力冲程的终点。气缸10是一根管，对置活塞12和14被装配在气缸里相互之间沿着气缸10的中心线做接近和远离的周而复始的相对运动。活塞12和14被连接到做相反旋转的第一曲轴30和第二曲轴32上，这些曲轴连接到一个共同的输出轴上（图中未示出） 

活塞12和14是中空圆柱状构件，有封闭的轴向端部12a和14a，终端在活塞顶12d和14d，开放轴向另一端12o和14o,以及活塞裙12s和14s,活塞裙从开放端轴向12o和14o延伸到活塞顶12d和14d。以开放式的环状结构活塞销座16和18被各自安装在活塞12和14的轴向开放端12o和14o。每一个活塞销座16、18连接了连杆的末端，活塞销又被各自安装在活塞上。这些透视图说明了一个活塞上有两根连杆，这里应该被理解的是增加一根或 多根连杆是可能的。连杆20a和20b被连接到靠近活塞12开放端的活塞销座16，连杆22a和连杆21B被连接到靠近活塞14开放端活塞销座18。因为活塞销座16和18在一个连接在活塞12、14和他们各自的连杆之间提供了连接器的作用，所以没有内活塞销。活塞销和活塞的开放结构允许冷却剂第二歧管24和26从开放端12o和14o沿轴向延伸进活塞12和14内部并瞄准各自的活塞顶和活塞裙进行冷却。 

两侧安装的曲轴30和32的旋转轴线相互平行，两个旋转轴线所决定的平面与气缸10轴心垂直，交点位于气缸长度方向的气缸中点位置。两个曲轴的旋转方向相反。连杆20a、20b和22a、21b被连接到曲轴的曲拐上。每一根连杆与气缸10的轴心或活塞12、14轴心之间形成锐角。连杆通过滚针轴承36被连接到活塞销座16和18上，通过滚子轴承38连接到曲拐上。当每一个活塞通过一个发动机周期循环的时候，安装在活塞销座上的连杆末端有一个角度振动，因为连杆末端与活塞销座部件之间没有完整的一周角度。滚针轴承具有足够小的直径的滚针，在每个振荡当中，滚针做整周旋转，从而减少了磨损的不对称性和延长轴承寿命。 

在图1A和1B中，当活塞12和14在气缸10中运动的时候，连杆、活塞销座和曲轴之间几何关系保证了连杆主要受拉伸应力，只有当发动机高速运行的情况下，活塞的惯性力使得连杆受到了很小的压缩应力。这种几何关系减少或充分的消除了在活塞和气缸孔之间侧应力。气缸10有一个进气口46，加压的空气通过进气口流进气缸10。气缸也有一个排气口48，燃烧产物通过排气口排出气缸10。因为进排气的位置原因，活塞12和14可以被称为“排气”和“进气”活塞，气缸10端部的位置也可以被相似的命名为“排气”和“进气”气缸。一种优先选用配置的进排气口46和48将在下面描述，但这种进排气口配置绝不是唯一的方案。当发动机在工作的时候，进排气口的工作是通过活塞在汽缸中运动来调节的。一个喷射部位（在图中未示出）至少有一个或多个喷油器把燃油喷进气缸10。 

进气和排气口46和48被放置在气缸的两端。活塞可以是相同的长度。每一个活塞12和14保持气缸10的进出气口46和48封闭关系一直到活塞到达下止点。相位补偿产生一个顺序，那就是当排气活塞运动到接近下止点时 排气口打开，接下来当进气活塞移动到下止点时进气口打开，再接下来排气活塞离开下止点时排气口关闭，最后进气活塞离开下止点时进气口关闭。 

图2A-2F是对图1A和1B中图解过的运行周期中气缸10、活塞12和14的详细图解。在这个图中，活塞在上止点，相互对置的连杆成大约120°，见图2A。这个几何关系仅仅是为了解释一个运行周期；这并不意味着排出了其他可能的运行周期下的几何关系。如图2A所示，为了方便起见，一个从活塞在上止点的曲柄角0°到活塞在下止点的360°的运行周期可以被测量。如图2A所示,术语“上止点”习惯于指活塞12和14相互靠近的地方，也就是活塞的封闭端点12a和14a与曲轴30和32之间距离最接近时的位置，在这两个活塞端部和气缸形成的封闭区域内42内空气被严重压缩。这是两个活塞压缩冲程的顶部。用一个简便的测量方法，上止点发生在运行周期的0°。此外，对于图2C和2E,术语下止点是指活塞12和14的封闭端12a和14a与曲轴30和32之间的距离最远的位置。活塞12的下止点发生在运行周期正好到180°之前。活塞14的下止点是指运行周期正好180°之后。 

使用360°来说明一个完整两冲程循环周期。如图2A所示，在运行周期中，在参考相位0°也就是活塞12和14到达上止点之前，燃油最初通过至少一个喷射部位被喷射进气缸。在刚开始燃烧之后燃油可以继续被喷射进气缸。压缩的燃油混合气体在封闭的活塞端部12a和14a之间点燃，在一个动力冲程中驱动活塞离开，随之驱动曲轴30和32以相反的方向旋转。在动力冲程当中，活塞12和14确保进排气口46和48是封闭的。如图2B所示，在运行周期达到90°，也就是活塞12和14在动力冲程接近一半的时候，活塞继续向离开气缸10的方向运动。进排气口46和48一直是封闭的。如图2C所示，在运行周期的167°，活塞12的封闭端已经远离气缸10从而打开了排气口，然而这时进气口46一直是封闭的。燃烧产物现在开始流出排气口48。循环中的这个口被称为排气口。如图2D所示，在运行周期的180°，进气口和排气口46和48是打开的，这时压缩空气通过进气口46流进气缸10，这时燃烧产物流出排气口。现在扫气开始了，新鲜的压缩气体取代燃烧残余气体。如图2E所示，在193°时排气口被活塞12关闭，这时进气口46还是打开的，这是由于有像上文中描述的相位补偿，更详细的解释和说明将在请 见下文。被增压的空气继续由进气口进入气缸10，直到进气口关闭，之后，压缩冲程开始。在运行周期到达270°的时候，如图2F所示，活塞12和14接近它们压缩冲程的一半，进排气口都是关闭的。活塞12和14又向它们的上止点的位置运动，这种循环将继续重复。 

如图3所示，当相位角接近运行周期的180°时，气缸10、对置活塞12和14在各自位置的放大截面图。活塞12和14没有装有活塞环。在这种发动机中活塞环可以作为选择使用主要有两个原因。第一，在发动机运行的时候，活塞环能够适应活塞和气缸的径向变差，这样助于控制气缸/活塞之间的密封。然而，在说明书中解释和说明的气缸不是铸造成的一个机体，因此由其他发动机零部件或不均匀冷却的冷却部件导致产生的任何热应力或者机械应力不会使气缸产生不均匀变形。结果，气缸和活塞可以被高精度加工来紧配合装配，所以会有封闭的燃烧和很少燃烧产物从活塞与气缸之间产生的间隙泄露出去。第二，在发动机的运行中，活塞环扮演着冷却活塞环的作用。然而，当发动机运行的时候，每一个活塞可以被冷却液冷却，因为每一个活塞会周期性的离开气缸并露出（或伸出）大部分的外表面，当活塞运动到下止点位置的时候，冷却液能够充分冷却活塞。当一个活塞运动进出气缸的时候，活塞的活塞裙外表面被冷却液喷淋（被喷嘴24和26）。另外，沿着活塞裙一直到活塞顶，冷却液一直可以喷淋到活塞的内表面。 

当一个活塞进出气缸的时候，活塞裙的外表面被冷却液冷却（被将要描述的喷嘴）。另外，冷却剂被喷嘴24和26沿着活塞裙一直到活塞顶喷射到活塞的内表面上。用来冷却活塞的内外表面的冷却液最好相同。如图3和4A所示，冷却喷嘴由钢管加工而成，在发动机运行的时候，喷射冷却剂到活塞12、14和气缸上。一根冷却喷管86沿着气缸轴线方向延伸到排气口72和进气口74。四个半圆形冷却喷嘴86a、86b、86c、86d围绕着气缸10从气缸的中间位置开始沿着轴线隔开分布。喷嘴86a被放置在排气歧管72中心的外边，同时接近72o的外边缘；喷嘴86b和86c被放置在气缸10的外面，位于歧管72和74之间，正好接近气缸10轴向的中间位置，这样对称的布置是为了有更多冷却剂冷却气缸最热的区域，冷却区域接近歧管72和74；喷嘴86d位于进气歧管74的中心的外面，接近74o的外边缘。第二根冷却喷管88沿着 气缸轴线方向延伸到进气口74和排气口72。四个半圆形冷却喷嘴88a、88b、88c、88d围绕着气缸10从气缸的中间位置开始沿着轴线隔开分布。喷嘴88a被放置在排气歧管72中心的外边，同时接近72o的外边缘；喷嘴88a和88b被放置在气缸10的外面，位于歧管72和74之间，正好接近气缸10轴向的中间位置，这样对称的布置是为了有更多冷却剂冷却气缸最热的区域，冷却区域接近歧管72和74；喷嘴88d位于进气歧管74的中心的外面，接近74o的外边缘。在本发明的另一种具体实施例中，可以不通过喷头来冷却气缸筒，而是气缸放入水套当中，沿着气缸分布有冷却液通道，冷却剂通过冷却液通道来循环。在这种情况下，伸入中空活塞内侧的冷却歧管仍一直被用来冷却活塞。 

图4A和4B是本发明实施例的侧面透视图，机械装置100包括一个气缸10，气缸10是在图3中解释说明过的结构，活塞12和14被放置在气缸内。对置活塞的活塞销座16和18是可以看见的。连杆20a和20c被连接到活塞销座16和曲轴30上，连杆20b被连接到活塞销座16和曲轴32上。第一冷却管96上设有第一歧管88和第二歧管24。第二冷却管98上设有第一歧管86和第二歧管26。冷却液供给系统（图中未示出）连接于第一冷却管96和第二冷却管98，并在压力作用下向第一冷却管和第二冷却管提供冷却液。冷却系统包括泵和冷却液存储器。在发动机的运行中为了气缸的稳定性，两个径向对置的定位销（其中的一根用99来代表）被装在气缸10上。如图4A所示，两根横梁110和112被显示出来。横梁110上有孔113和115，歧管84能够被连接到进气歧管通过孔113（图中未显示），通过孔115可以连接喷油器94到燃油歧管（图中未显示）。横梁112有一个孔117和119，歧管82能够被连接到一个排气歧管通过孔117（图中未显示），一根管子从另外一个喷油器（图中未显示）通过孔119连接到燃油歧管（图中未显示）。 

如图4B所示，发动机机械装置100的框架中包括两个支撑隔板120，隔板120被放置在气缸10的两侧，与横梁110和112连接在一起。隔板120支撑着曲轴30和32。每一个隔板120包括一个I形横梁122和横梁124。横梁110和112被连接到横梁124的末端。曲轴被装在I型横梁122上的轴承128中，曲轴在轴承128的支撑下旋转。一个短的富有弹性的圆孔用来安装 定位销99和调整气缸的位置。每一个隔板上的螺纹孔134用来连接一些附件，比如齿轮箱。 

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。 

Claims (9)

1.对置活塞两冲程内燃机，其特征在于，

包括一个发动机机架、设置在所述机架边沿的第一曲轴和第二曲轴、设置在所述机架上的气缸、设置于所述气缸内的一对对置式活塞、设置在所述机架上的第一冷却管和第二冷却管、所述对置式活塞均和所述第一曲轴以及所述第二曲轴通过连杆连接；

所述对置式活塞均在所述气缸内做直线循环往复运动，并均在一段运动过程中有至少一部分伸出所述气缸；

所述第一冷却管在所述气缸一侧设有第一歧管，所述第一冷却管的第一歧管设有位于所述气缸两端的喷头；所述第二冷却管在所述气缸的另一侧设有第一歧管，所述第二冷却管的第一歧管设有位于所述气缸两端的喷头；

一冷却液供给系统连接到所述第一冷却管和第二冷却管，并在压力下向所述第一冷却管和第二冷却管提供冷却液。

2.如权利要求1所述的对置式活塞两冲程内燃机，其特征在于，

所述对置式活塞均为中空活塞；

所述第一冷却管设有伸入一个所述对置式活塞中空内部的第二歧管，所述第二歧管设有对准所述活塞顶部内表面的喷头；所述第二冷却管设有伸入另一个所述对置式活塞中空内部的第二歧管，所述第二歧管设有对准所述活塞顶部内表面的喷头。

3.如权利要求1所述的对置活塞两冲程内燃机，其特征在于，

定义所述对置式活塞在相对距离最短时为上止点位置，在相对距离最长时为下止点位置；

所述对置式活塞在到达上止点位置后，做相背运动；在到达下止点时，做相向运动。

4.如权利要求1所述的对置式活塞两冲程内燃机，其特征在于，所述对置式活塞在到达下止点位置时，所述对置式活塞均有至少50%的长度伸出所述气缸。

5.如权利要求1所述的对置式活塞两冲程内燃机，其特征在于，所述第一冷却管和所述第二冷却管于所述气缸的外侧轴向设置有多个喷头。

6.如权利要求1所述的对置式活塞两冲程内燃机，其特征在于，用于冷却所述对置式活塞内表面的冷却液为相同冷却液。

7.如权利要求1所述的对置式活塞两冲程内燃机，其特征在于，所述冷却液为润滑剂。

8.如权利要求1所述的对置式活塞两冲程内燃机，其特征在于，所述冷却系统包括泵和冷却液存储器。

9.一种发动机，其特征在于，包括如权利要求1-8所述的对置式活塞两冲程内燃机。

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