CN103890329B - 旋转气门内燃发动机 - Google Patents
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Abstract
一种旋转气门内燃发动机具有连接到曲轴（3）并且可在气缸（2）内往复运动的活塞（1），燃烧室（4）部分地由该活塞限定。该发动机具有可在相对于气缸（2）被固定的气门壳体（8）中旋转的旋转气门（5），该旋转气门具有气门主体，该气门主体包含部分地限定出燃烧室（4）的容积（9）并且还在其壁部（11）中具有端口（12），该端口在气门旋转期间提供经由气门壳体中的进气端口和排气端口（13，14）相继进出于燃烧室的流体连通，其中该旋转气门可围绕与曲轴的旋转轴线（3a）平行的轴线（5a）旋转，该气门装设在轴承装置（7）中，该轴承装置约束气门沿轴向方向的移动，但允许沿径向方向的移动。
Description
技术领域
本发明涉及借助旋转气门来实现对燃烧气体的吸入和排出的控制的内燃发动机。
背景技术
此类旋转气门例如在申请人的共同未决申请No.GB 2467947 A中被公开。公知旋转气门发动机存在密封问题，因为与最大限度地减小相对旋转体之间的间隙存在冲突，最大限度地减小间隙提高了效率，但过热和抱死(seizing)的风险加大。多年来已尝试制造商业上可行的利用旋转气门的发动机，著名的是Aspin，但这些大部分是不成功的。在现有技术如DE 4217608 A1和DE 4040936 A1中，该冲突被认识到并且通过设置复杂的冷却装置来尝试解决该问题或者简单地说利用合适的材料来解决该问题。在实践中，设置比所期望的间隙大的间隙来降低抱死风险，其代价是降低了发动机的效率并且增加了排放。
本发明旨在通过利用旋转气门的固有简易性来提供重量轻和成本低的改进的内燃发动机。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种旋转气门内燃发动机，其具有：活塞，该活塞连接到曲轴并且可在气缸内往复运动；燃烧室，该燃烧室部分地由活塞限定；和旋转气门，该旋转气门可在相对于气缸被固定的气门壳体中旋转，该旋转气门具有气门主体，该气门主体包含部分地限定出燃烧室的容积并且还在其壁部中具有端口，该端口在气门旋转期间提供经由气门壳体中的进气端口和排气端口相继进出于燃烧室的流体连通，其中该旋转气门可围绕与曲轴的旋转轴线平行的轴线旋转，其中旋转气门主体中的容积通向一通道，该通道在气门中的容积与气缸之间引导燃烧气体流，该通道也部分地限定燃烧室。
根据本发明的第二方面，提供了一种旋转气门内燃发动机，其具有：活塞，该活塞连接到曲轴并且可在气缸内往复运动；燃烧室，该燃烧室部分地由活塞限定；和旋转气门，该旋转气门可在相对于气缸被固定的气门壳体中旋转，该旋转气门具有气门主体，该气门主体包含部分地限定出燃烧室的容积并且还在其壁部中具有端口，该端口在气门旋转期间提供经由气门壳体中的进气端口和排气端口相继进出于燃烧室的流体连通，其中气门装设在轴承装置中，该轴承装置约束气门沿轴向方向的移动但允许沿径向方向的移动。
根据本发明的另一方面，提供了一种旋转气门内燃发动机，其具有：活塞，该活塞连接到曲轴并且可在气缸内往复运动；燃烧室，该燃烧室部分地由活塞限定；和旋转气门，该旋转气门可在相对于气缸被固定的气门壳体中旋转，该旋转气门具有气门主体，该气门主体包含部分地限定出燃烧室的容积并且还在其壁部中具有端口，该端口在气门旋转期间提供经由气门壳体中的进气端口和排气端口相继进出于燃烧室的流体连通，其中进气端口和排气端口基本上是平行的，这些端口位于气门壳体的相对侧并且定位和确定尺寸成提供所需的气门正时。
根据本发明的又一方面，提供了一种旋转气门内燃发动机，其具有：活塞，该活塞连接到曲轴并且可在气缸内往复运动；燃烧室，该燃烧室部分地由活塞限定；和旋转气门，该旋转气门可在相对于气缸被固定的气门壳体中旋转，该旋转气门具有气门主体，该气门主体包含部分地限定出燃烧室的容积并且还在其壁部中具有端口，该端口在气门旋转期间提供经由气门壳体中的进气端口和排气端口相继进出于燃烧室的流体连通，气门壳体的基材为铝。
本发明还提供了一种旋转气门内燃发动机，其具有：活塞，该活塞连接到曲轴并且可在气缸内往复运动；燃烧室，该燃烧室部分地由活塞限定；和旋转气门，该旋转气门可在相对于气缸被固定的气门壳体中旋转，该旋转气门具有气门主体，该气门主体包含部分地限定出燃烧室的容积并且还在其壁部中具有端口，该端口在气门旋转期间提供经由气门壳体中的进气端口和排气端口相继进出于燃烧室的流体连通，其中该旋转气门可围绕与曲轴的旋转轴线平行的轴线旋转，其中旋转气门主体中的容积通向一通道，该通道在气门中的容积与气缸之间引导燃烧气体流，该通道也部分地限定燃烧室，其中该气门装设在轴承装置中，所述轴承装置约束气门沿轴向方向的移动但允许沿径向方向的移动，其中进气端口和排气端口基本上是平行的，这些端口位于气门壳体的相对侧并且定位和确定尺寸成提供所需的气门正时，气门壳体的基材为铝。
本发明还提供了一种旋转气门内燃发动机，其具有：活塞，该活塞连接到曲轴并且可在气缸内往复运动；燃烧室，该燃烧室部分地由活塞限定；和旋转气门，该旋转气门可在相对于气缸被固定的气门壳体中旋转，该旋转气门具有气门主体，该气门主体包含部分地限定出燃烧室的容积并且还在其壁部中具有端口，该端口在气门旋转期间提供经由气门壳体中的进气端口和排气端口相继进出于燃烧室的流体连通，其中气门主体具有环状的部分圆柱形密封套筒，该密封套筒被固定到主体上以随主体旋转但可相对于主体沿径向移动并且配置成使得燃烧气体进入主体与密封件之间以驱迫密封件与气门壳体接合。
在一优选实施例中，所述通道是相对于气门轴线朝向气缸倾斜的基本上楔形容积。优选地，通道的上表面与气门的旋转轴线成30到60度之间的角度。优选地，通道具有弯曲的上表面，该上表面在气门附近与气门轴线成较锐角度，该上表面在气缸附近相对于气门的旋转轴线成较钝角度。
当发动机是火花点火式发动机时，火花塞优选位于通道的上表面中并且可位于通道与可旋转气门中的容积交汇的区域附近。
优选地，在气缸的与旋转气门相反的一侧在活塞与气缸盖之间设置有挤气区域。
气门主体的包含限定出燃烧室的容积的部分可位于气缸周边的径向内侧以设置于活塞上方。这样，能提供不同的改进的燃烧室形状。
优选地，旋转气门由曲轴借助处于一个平面内的环形带或链被驱动。在一优选实施例中，环形带包括齿带，其中对气门的驱动经一对有齿带轮传递，所述一对有齿带轮包括位于曲轴上的驱动带轮和被固定到气门上的从动带轮，从动带轮在气门的远离燃烧室的一侧被固定到气门上。
在一优选实施例中，气门的旋转轴线经过气缸的轴线，但在一替换实施例中与气缸轴线偏置。
在一优选实施例中，该发动机包括也由所述环形带驱动的反转平衡轴，该带包括在其对向的内表面和外表面上都具有齿的双齿环形带，曲柄带轮和平衡轴带轮与位于带的相对侧的齿接合，由此沿相反的方向驱动平衡轴。
在一优选实施例中，该发动机包括均由所述环形带驱动的两个反转平衡轴，曲柄带轮和平衡轴带轮与位于带的相对侧的齿接合，由此沿相反的方向驱动平衡轴，平衡轴基本上等距地配置在曲轴的两侧，以使得偏置平衡重的质心位于气缸的轴线上，由此确保由平衡轴产生的净平衡力与由活塞产生的往复力作用于相同直线上。这消除了活塞力与平衡器力之间的任何力矩臂，因而最大限度地减少了发动机装设部位的振动。
在该发动机的一优选实施例中，在平衡轴上加入了反转飞轮，反转飞轮的总旋转惯性与发动机曲柄传动系和飞轮的总旋转惯性基本上相同。这最大限度地减小了发动机装设部位出现的转矩反冲力。转矩反冲力由于每次点火时的压缩力和作用力而发生，并且还在发动机加速或减速时发生。现将参考附图通过示例的方式说明本发明的优选实施例，附图中：
附图说明
图1示出了单缸风冷式发动机的剖视图，
图2示出了图1的发动机的剖视图，显示了旋转气门的更多细节，
图3A和3B示出了具有不同密封布置结构的旋转气门的两个实施例的剖视图，
图4A、4B和4C示出了图3A和3B所示的旋转气门的实施例的细节，
图5A和5B示意性地示出了图1的发动机的进气端口和排气端口的替换布置结构，
图6示出了用于具有反转平衡轴的发动机的驱动布置结构的正视图，
图7示出了图6所示的布置结构的侧视图，
图8A、8B和8C示出了图6和7所示的平衡轴的细节，
图9A和9B示出了具有双反转平衡轴的一实施例，以及
图10A和10B示出了具有均装有反转飞轮的双反转平衡轴的又一实施例。
具体实施方式
现在参照图1，示出了单缸风冷式发动机。气缸2具有以传统方式连接到曲轴3以沿气缸轴线2a在气缸2内往复运动的活塞1。如特别在图2中所示，气缸2的上部被燃烧室4封闭。进气/燃料混合物和排气的流入和流出燃烧室4由图2中以剖面图示出的旋转气门5控制。在本实施例中，气门可围绕与曲轴3的旋转轴线3a平行的轴线5a在燃烧室壳体中的气门壳体中旋转。
在其远离燃烧室4的一端，旋转气门5具有装设在其上的从动带轮17，该从动带轮通过带传动装置连接到发动机曲轴3上的驱动带轮18，所述带传动装置包括环形带19，该环形带在其内表面上具有与带轮17和18上对应的齿传动接合的齿廓。两个带轮——且因此环形带19也——处于公共平面20内。因而，曲轴3的旋转和因此活塞移动与旋转气门5的旋转协调，使得发动机以传统四冲程循环运转。为了实现这一点，从动带轮17的直径为驱动带轮18的直径的两倍，使得旋转气门5以发动机转速的一半旋转。
现在还参照图2，示出了旋转气门5的更多细节。旋转气门由普通的主动式气门组成，其具有形式为装设在单座圈滚珠轴承形式的滚珠轴承装置7上的轴6的第一圆柱形部分，该部分位于气门5的远离燃烧室4的一侧。该气门具有较大的圆柱形主体部分11，该主体部分延伸到燃烧室内且在其内部具有形成燃烧室4的一部分的容积9。圆柱形部分11可在气门壳体插入件8中的内孔中旋转，气门5的圆柱形部分11封闭滑动配合在所述内孔中，在旋转气门5与气门壳体插入件8的内孔之间仅设置有几个微米的最小间隙。气门壳体中的插入件8由轴承材料如磷青铜或具有高锡含量的类似铜基合金形成。或者，插入件可由具有良好散热特性的铝合金形成，该铝合金具有硬涂层如阳极氧化铝、陶瓷或硅碳化物涂层如Nikasil(注册商标)。或者，硬涂层材料可直接涂布于气缸体的材料。
轴6具有被固定成随轴6旋转的插入件或套筒21，并且在其外周上包含具有轴向延伸的周肋23的凸缘22。在旋转气门的较大直径部分11与轴6之间形成有台肩25，该台肩25在组装状态下贴靠轴承7的内圈24以防止气门在燃烧室压力为正时沿轴向方向移动离开气缸。在周肋23与轴承7的内圈24之间存在间隙。在由凸缘22和肋23形成的周槽中设有O形环43或波形垫圈形式的弹性装置，该弹性装置用于当在吸入冲程期间在燃烧室内形成负压时在轴向上保持气门并用于防止气门在作用于气门上的燃烧室压力由负变正和由正变负时在这种情况下轴向振动。
在轴承的内圈24与套筒21的周边之间形成有环状的间隙，以使旋转气门5能够响应于燃烧气体压力而径向移动。套筒21与轴承的内圈24之间存在明显的径向间隙，这允许旋转气门一定程度的径向移动。旋转气门5在其内部具有容积9，如图2且特别是图4A和4C所示，该容积形成燃烧室4的一部分。燃烧室4包括容积9中的封闭的部分半球形上端和形成倾斜通路的倾斜的楔形通路30，所述楔形通路通向活塞和气缸且其截面呈诺曼拱状，如在图5A和5B中可见的。楔形通路30通向气缸腔。在气缸腔中，活塞与燃烧室壳体32之间存在挤气区域31。楔形部分30中的通路的尺寸和形状被设计成既提供所需的压缩比又作为具有良好流动性能的通路，以在四冲程循环的进气阶段和排气阶段期间允许端口13、14与气缸容积之间有效的气体传送。在压缩冲程期间，空燃混合物经火花塞被压向气门，以确保点火发生时的最大燃烧效率。在一替换设计(未示出)中，活塞的顶部成形为突出到楔形腔室中以提供所需的压缩比。
如图所示，旋转气门的壁部11具有端口12(还参看图4A和4C)，该端口经特别是在图5A和5B的示意性剖视图中示出的气门壳体8中的进气端口13和排气端口14提供进出于燃烧室4的流体连通。附图还示出了火花塞15。旋转气门主体由钢如EN40B形成，所述钢在被提供PVD涂层如DLC(类金刚石碳)涂层或PVD陶瓷涂层之前已被等离子体氮化且然后研磨成其最终尺寸。进气端口13和排气端口14位于发动机的相对侧，它们的纵向轴线是平行的，如在大多数情况下有利的那样。如图5A所示，在端口在与曲轴相反的一侧位于旋转气门的上部附近并且旋转气门正在沿所示方向旋转的情况下，进气端口13位于右手侧且排气端口14位于左手侧。取决于安装和旋转方向的要求，端口可以位于旋转气门的下部，亦即气门的轴线与曲轴之间，这种情况下假定旋转气门正在沿所示方向旋转、进气端口13位于左手侧并且排气端口14位于右手侧，如图5B所示。
在运转中，在最大燃烧压力下，燃烧气体倾向于经旋转气门主体11与其座8之间的路径A泄漏到进气端口13和排气端口14中，从而对性能造成不利影响。本发明的该实施例旨在通过允许旋转气门的轻微径向移动来减少沿路径A的泄漏，所述径向移动通过插入件21与轴承的内圈24之间的间隙来允许，使得在最大燃烧室压力下气门径向移动并因而基本上封闭路径A。气门仅在燃烧循环的一个特定部分与壳体接触的事实以及如果它过热那么它可以稍微移动离开壳体的事实意味着由于局部过热而抱死的公知问题被克服。
在运转中，在最大燃烧压力下，燃烧气体还倾向于经气门主体11与其壳体8之间的路径B泄漏到容纳轴承7的腔内。本发明的该实施例旨在通过设置嵌入气门壳体插入件内的钢环8a或具有低膨胀系数的其它材料来减少沿路径B的泄漏。这控制了气门的该区域的热膨胀，减少了泄漏路径。气门的该区域从主燃烧区域移开并在低得多的温度下运行，因此可以在没有任何抱死风险的情况下实现更紧密的间隙。
现在另外参照图3A、3B、4A、4B和4C，示出了旋转气门的替换实施例，其中相似的部分具有相似的附图标记。在图3A和4C的实施例中，泄漏路径B由弹簧环32以处于气门主体11上的台肩25与轴承的内圈24之间的活塞环的方式封闭。将弹簧环32宽松地保持在气门与轴承之间的O形环的轻微压力允许弹簧环32向外移动以与气门壳体8的内径接合。弹簧环32向外弹起，以在环32的径向外表面与气门壳体8的径向内表面之间形成密封。
在燃烧室内的最大压力下，燃烧压力在气门上产生压缩力，该压缩力经弹簧环32传递到轴承装置，以驱迫弹簧环32的平坦表面与气门台肩25和内圈24更紧密地接触，由此减少该部位的泄漏。
现在参照图3B和4A，示出了设计成封闭泄漏路径B的密封环的一个替换实施例。这种情况下，弹簧环32位于气门主体11中的槽11内。其距离燃烧室最远的平坦表面贴靠槽11a的相邻平坦表面。它由在环的距燃烧室最近的平坦表面与槽11a的相邻平坦表面之间配合在槽11a内的波形弹簧32a或类似装置保持在该位置。这提供了平坦表面之间的初始密封接触。环32也轻微向外弹起，以提供环30的径向外表面与气门壳体8的径向内表面之间的初始密封力。在燃烧室内的最大压力下，燃烧气体在环的后方进入环32与气门主体之间的空间，以驱迫平坦密封面和径向密封面两者更紧密地接触，由此减少该部位的泄漏。
在以上两个实施例中，泄漏路径A由位于气门主体11的外部的环状的部分圆柱形套筒33密封，如图4A、4B和4C所示。套筒33具有开口34，该开口与气门主体中的端口12重合并通过栓柱(peg)35相对于气门主体定位，所述栓柱防止环相对于气门的旋转和轴向移动但使套筒33能够径向浮动和膨胀。部分圆柱形套筒33被弹性地向外偏压并以与传统内燃发动机的传统活塞环相似的方式操作，在传统内燃发动机中，燃烧气体进入环后方并驱迫环与气缸壁接触。在本实施例中，气体进入套筒33与气门主体11之间，以沿密封路径A的方向向外驱迫环。当气缸气体压力下降时，密封力相应减小，套筒的弹簧作用提供旋转气门与气门壳体之间的低接触压力以形成初始密封。在一种形式中，套筒具有比气门的直径略大的内径，从而提供使气体更容易地进入的初始间隙。
现在参照图6和7，分别示出了加入反转平衡轴的带传动装置的端视图和侧视图，其中相似的部分具有相似的附图标记。该带传动装置由曲轴上的有齿传动带轮17A和驱动旋转气门的有齿从动带轮18A组成，传动经扁平齿带19A传递。该传动装置包括由齿带19A驱动的又一个平衡轴有齿带轮38。齿带在其内表面和外表面上都具有齿以传递传动。为了实现反转，平衡轴由位于带的与和曲轴带轮接合的一侧相对的一侧的齿驱动。在图7中，可见全部三个带轮都处于公共的径向平面20内。
现在参照图8A、8B和8C，示出了反转平衡轴的细节。平衡轴40可旋转地装设在框架41中的轴承39中，所述框架适合与发动机的主壳体螺栓连接，该轴具有设计成提供所期望的平衡特性的偏置平衡重42。平衡轴驱动带轮38在框架41的外部被固定到轴40上。
现在参照图9A和9B，示出了具有双反转平衡轴的发动机的细节。平衡轴43均可旋转地装设在从曲柄箱46延伸的凸耳45中的轴承44中，轴43均具有设计成提供所期望的平衡特性的偏置平衡重47。平衡轴43配置在曲轴3的两侧，与气缸2的中心线48基本上等距，并由双面齿带49驱动。各偏置平衡重47的质心与气缸2的中心线对齐。该布置结构使两个偏置平衡重47的组合质心能够与气缸轴线48基本上对齐，所述布置结构确保了由平衡轴47所产生的净力基本上位于气缸轴线48上，并且因此与由活塞所产生的往复力作用于相同直线上，由此最大限度地减少发动机装设部位的振动。
现在参照图10A和10B，示出了具有双反转平衡轴的发动机的又一个实施例，该发动机在每个轴上加入了反转飞轮50，从而也减少了转矩反冲。两个反转飞轮50的总旋转惯性与发动机曲柄系和飞轮基本上相同，由此最大限度地减小了发动机装设部位的转矩反冲力。
应理解的是，也可在图6和7所示的单平衡轴构型内加入合适的反转飞轮。
虽然被描述为单缸发动机，但应理解的是，本发明同样适用于具有直列、V型或水平对置构型的多缸发动机。此外，虽然被描述为火花点火式发动机，但本发明同样适用于压燃式发动机。
Claims (3)
1.一种旋转气门内燃发动机，其具有：活塞，所述活塞连接到曲轴并且可在气缸内往复运动；燃烧室，所述燃烧室部分地由所述活塞限定；和旋转气门，所述旋转气门可在相对于所述气缸被固定的气门壳体中旋转，所述旋转气门具有气门主体，所述气门主体包含部分地限定所述燃烧室的容积，并且所述气门主体还在其壁部中具有端口，所述端口在气门旋转期间提供经由所述气门壳体中的进气端口和排气端口相继进出于所述燃烧室的流体连通，其中所述旋转气门可围绕与所述曲轴的旋转轴线平行的轴线旋转，其中所述旋转气门主体中的所述容积通向一通道，所述通道在所述气门中的所述容积与所述气缸之间引导燃烧气体流，所述通道也部分地限定所述燃烧室，所述通道是以与所述气门的旋转轴线成30到60度之间的角度相对于所述气门的轴线朝向所述气缸倾斜的基本上楔形容积，其中所述气门主体的包含限定出所述燃烧室的一部分的所述容积的部分至少部分地处于所述气缸的周边的径向内侧以设置于所述活塞上方。
2.根据权利要求1所述的旋转气门内燃发动机，其中，当所述发动机是火花点火式发动机时，火花塞位于所述通道的上表面中且邻近所述通道与所述旋转气门中的所述容积交汇的区域。
3.根据前述权利要求中任一项所述的旋转气门内燃发动机，其中，所述活塞具有在上止点突出到所述通道内的凸起区域，所述凸起区域增大所述发动机的压缩比。
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