CN105822449A - 高效二冲程发动机 - Google Patents

Abstract

一种二冲程发动机包括，限定汽缸孔的曲轴箱、在汽缸孔中可动地设置的活塞和覆盖汽缸孔的汽缸盖。汽缸孔的壁表面、活塞的活塞燃烧表面和汽缸盖，的汽缸盖燃烧表面协作，以限定用于在其中燃烧燃料的燃烧室。热传导性降低机构，设置为与曲轴箱、活塞和汽缸盖中的至少一个热连通，且用于降低从燃烧室中燃烧的燃料到曲轴箱、活塞和汽缸盖中的至少一个的热传递。热传导性降低机构可以包括低传导性材料层涂覆限定燃烧室的表面中之一，或可以包括邻近燃烧室的曲轴箱中和/或汽缸盖中的空穴。

Description

高效二冲程发动机

技术领域

本发明通常涉及二冲程发动机。

背景技术

二冲程或二循环发动机是这类内燃发动机，其在仅一个曲轴旋转中完成功率循环且具有活塞的两个冲程。这通过燃烧冲程的结束和同时发生的压缩冲程的开始以及通过执行同时执行进气和排出功能实现。二冲程发动机通常提供高功率重量比(power-to-weightratio)。二冲程发动机可以是汽油发动机、火花塞点火发动机、或柴油机、压缩点火发动机。

发明内容

提供一种二冲程发动机。二冲程发动机包括限定汽缸孔的曲轴箱和在汽缸孔中可动地设置的活塞。汽缸盖附接到曲轴箱且覆盖汽缸孔。汽缸孔的壁表面、活塞的活塞燃烧表面和汽缸盖，的汽缸盖燃烧表面协作，以限定用于在其中燃烧燃料的燃烧室。热传导性降低机构设置为与曲轴箱、活塞和汽缸盖中的至少一个热连通。热传导性降低机构可操作为降低从燃烧室中被燃烧燃料到曲轴箱、活塞和汽缸盖中的至少一个的热传递。

还提供一种用于二冲程发动机的汽缸盖。汽缸盖包括具有汽缸盖燃烧表面的结构，和设置在汽缸盖燃烧表面上的低传导性材料层。其中该结构用具有汽缸盖热传导性的材料制造，且低传导性材料层具有的热传导性小于汽缸盖热传导性。低传导性材料层的更低热传导性减少通过该结构从燃烧气体吸收的热量的量。

因而，热传导性降低机构减少曲轴箱、活塞、或汽缸盖中之一从燃烧气体吸收的热量的量。燃烧室中的燃料的燃烧产生大的热量，其可以用于做功。通过各种不同发动机部件(例如曲轴箱、活塞或汽缸盖)吸收的热量通常不可用于做功，且因此会损失能量。因而，通过各种发动机部件吸收的热量通常降低发动机的热效率。因为热传导性降低机构减少通过发动机的各种部件吸收的热量的量，所以更多的热能量保留在燃烧室中以用于做功，由此改善发动机的效率。

本发明提供一种二冲程发动机，包括：曲轴箱，限定汽缸孔；活塞，可动地设置在汽缸孔中；汽缸盖附接到曲轴箱且覆盖汽缸孔；其中汽缸孔的壁表面、活塞的活塞燃烧表面和汽缸盖的汽缸盖燃烧表面协作，以限定用于在其中燃烧燃料的燃烧室；和热传导性降低机构，设置为与曲轴箱、活塞和汽缸盖中的至少一个热连通，且可操作为使得从燃烧室中燃烧的燃料到曲轴箱、活塞和汽缸盖中的至少一个的热传递最小化。

在所述的二冲程发动机中，曲轴箱用具有曲轴箱热传导性的材料制造，活塞用具有活塞热传导性的材料制造，汽缸盖用具有汽缸盖热传导性的材料制造，热传导性降低机构具有的热传导性比曲轴箱热传导性、活塞热传导性和汽缸盖热传导性中的至少一个更低。

在所述的二冲程发动机中，热传导性降低机构包括设置在汽缸盖的汽缸盖燃烧表面上的低传导性材料层。

在所述的二冲程发动机中，低传导性材料层为铬镍铁合金材料、镍合金材料、青铜材料、陶瓷材料、氧化锆材料、或复合材料中之一。

在所述的二冲程发动机中，低传导性材料层呈现小于30Wm^-1K^-1的热传导性。

在所述的二冲程发动机中，低传导性材料层基本上延伸经过汽缸孔，以形成燃烧室和汽缸盖之间的阻隔。

在所述的二冲程发动机中，热传导性降低机构包括通过汽缸盖限定且通常设置在汽缸孔上方的至少一个空穴。

在所述的二冲程发动机中，至少一个空穴填充有气体。

在所述的二冲程发动机中，设置在空穴中的气体为空气、氮气或二氧化碳中之一。

在所述的二冲程发动机中，至少一个空穴为真空。

所述的二冲程发动机进一步包括燃料喷射器，通过汽缸盖支撑，且可操作为将燃料喷射到燃烧室中。

在所述的二冲程发动机中，汽缸盖不包括任何进气阀或排气阀。

在所述的二冲程发动机中，汽缸盖包括至少一个冷却套，其设置在燃料喷射器附近，且可操作为让冷却液体在其中流通，以用于冷却燃料喷射器。

在所述的二冲程发动机中，至少一个冷却套不可操作为显著冷却汽缸盖。

本发明提供一种用于二冲程发动机的汽缸盖，汽缸盖包括：一结构，具有汽缸盖燃烧表面；和低传导性材料层，设置在汽缸盖燃烧表面上；其中该结构用具有汽缸盖热传导性的材料制造，且低传导性材料层具有的热传导性小于汽缸盖热传导性，以使得通过该结构从燃烧气体吸收的热量的量最小化。

在所述的汽缸盖中，低传导性材料层呈现小于30Wm^-1K^-1的热传导性。

在所述的汽缸盖中，汽缸盖燃烧表面大小设置为覆盖汽缸孔，且其中低传导性材料层基本上延伸经过整个汽缸盖燃烧表面。

在所述的汽缸盖中，汽缸盖包括至少一个空穴，所述至少一个空穴设置为基本在汽缸盖燃烧表面上方且可操作为降低通过该结构从燃烧气体吸收的热量的量。

在所述的汽缸盖中，至少一个空穴填充有气体。

在所述的汽缸盖中，至少一个空穴为真空。

在下文结合附图进行的对实施本发明的较佳模式做出的详尽描述中能容易地理解上述的本发明的特征和优点以及其他的特征和优点。

附图说明

图1是显示了第一实施例的热传导性降低机构的示意性横截面视图。

图2是显示了第二实施例的热传导性降低机构的二冲程发动机的示意性横截面视图。

具体实施方式

本领域技术人员应理解术语例如“上”、“下”、“向上、“向下”、“顶”、“底”等是用于描述附图，而不代表对本发明范围的限制，本发明的范围通过所附权利要求限定。进而，在本文在可以以功能和/或逻辑模块部件和/或各种处理步骤的方式来描述本发明。应该理解，这种模块部件可以包括任何数量的硬件、软件和/或固件部件(其配置为执行具体功能)实现。

参见附图，其中相同的附标记在几幅图中指示相同的部件，二冲程发动机20通常在20示出。如本领域技术人员理解的，二冲程发动机20是这类内燃发动机，其在曲轴22的仅一个旋转中完成功率循环且具有活塞24的两个冲程，即一个向下冲程和一个向上冲程。这通过燃烧冲程的结束和同时发生的压缩冲程的开始以及通过同时执行进气和排出功能实现。二冲程发动机20可以是汽油发动机、火花塞点火发动机、或柴油机、压缩点火发动机。二冲程发动机20的运行是本领域技术人员通常理解的，且不在本发明中描述。因而，二冲程发动机20的运行不在本文详细描述。

参见图1和2，二冲程发动机20包括曲轴箱26。曲轴箱26限定至少一个汽缸孔28，但是可以限定多于一个的汽缸孔28。汽缸孔28通过曲轴箱26的内壁表面30限定。汽缸孔28沿中心轴线32延伸，且限定垂直于中心轴线32的圆形横截面。

优选地，曲轴箱26用金属制造，例如钢或铁。然而，应理解曲轴箱26可以用适用于内燃发动机的一些其他材料制造。制造曲轴箱26的材料具有用于曲轴箱26的热传导性。如在本文使用的，热传导性限定为用于传导热量的材料性质。如所知的，任何材料的热传导性随温度变化。与跨经具有低热传导性的材料相比，跨经具有高热传导性的材料将以更高速率发生热传递。例如，铝可以包括205到250瓦特每米每°开尔文(Wm^-1°K^-1)的热传导性。因而，如果曲轴箱26用铝制造，则曲轴箱26的热传导性为205到250Wm^-1°K^-1。钢可以包括35到54Wm^-1°K^-1的热传导性。因而，如果曲轴箱26用钢制造，则曲轴箱26的热传导性为35到54Wm^-1°K^-1。铁可以包括45到80Wm^-1°K^-1的热传导性。因而如果曲轴箱26用铁制造，则曲轴箱26的热传导性为45到80Wm^-1°K^-1。应理解，曲轴箱26的热传导性将根据用于制造曲轴箱26的具体材料变化，且如此，曲轴箱26的热传导性可以与如上所述的示例性实施例不同。

活塞24可动地设置在汽缸孔28中。如所知的，活塞24通过连接杆34连接到曲轴22。活塞24沿汽缸孔28的中心轴线32的往复运动使得曲轴22绕曲轴轴线36旋转。活塞24包括活塞燃烧表面38，其设置在图页所示的活塞24的上表面。

优选地，活塞24用金属制造，例如钢。然而，应理解活塞24可以用适用于内燃发动机的一些其他材料制造。制造活塞24的材料具有用于活塞24的热传导性。例如，如上所述，钢可以具有35到54Wm^-1°K^-1的热传导性。因而，如果活塞24用钢制造，则活塞24的热传导性为35到54Wm^-1°K^-1。应理解，活塞24的热传导性将根据用于制造活塞24的具体材料变化，且如此，活塞24的热传导性可以与如上所述的示例性实施例不同。

二冲程发动机20包括汽缸盖40，其附接到曲轴箱26且覆盖汽缸孔28。如本领域已知的，二冲程发动机20可以包括垫圈42(例如汽缸盖垫圈42)，其设置在汽缸盖40和曲轴箱26之间，以密封汽缸孔28。汽缸盖40包括具有汽缸盖燃烧表面46的结构44。汽缸盖燃烧表面46与活塞燃烧表面38相对，且大小设置为完全覆盖汽缸孔28。应理解汽缸盖垫圈42不延伸经过或以其他方式覆盖汽缸盖燃烧表面46。

优选地，汽缸盖40用金属制造，例如钢或铁或铝。然而，应理解汽缸盖40可以用适用于内燃发动机的一些其他材料制造。制造汽缸盖40的材料具有用于汽缸盖的热传导性。例如，铝可以具有205到250瓦特每米每°开尔文(Wm^-1°K^-1)的热传导性。因而，如果汽缸盖40用铝制造，则汽缸盖的热传导性为205到250Wm^-1°K^-1。钢可以具有35到54Wm^-1°K^-1的热传导性。因而，如果汽缸盖40用钢制造，则汽缸盖的热传导性为35到54Wm^-1°K^-1。铁可以具有45Wm^-1°K^-1到80Wm^-1°K^-1的热传导性。因而，如果汽缸盖40用铁制造，则汽缸盖的热传导性为45到80Wm^-1°K^-1。应理解，汽缸盖的热传导性将根据用于制造汽缸盖40的具体材料变化，且如此，汽缸盖的热传导性可以与如上所述的示例性实施例不同。

汽缸孔28的壁表面、活塞24的活塞燃烧表面38和汽缸盖40的汽缸盖燃烧表面46协作以限定燃烧室48。二冲程发动机20可以进一步包括被汽缸盖40支撑的燃料喷射器50。燃料喷射器50可操作为将燃料喷射到燃烧室48中。优选地，且如在二冲程发动机20中已知的，汽缸盖40可以不包括任何进气阀或排气阀。

如本领域已知的，在活塞24于活塞24的冲程中向上运动时燃料被压缩。在活塞24位于其冲程顶部附近时燃料被点燃或燃烧。燃料的燃烧释放大的热量，且在其冲程中让活塞24向下运动，这使得曲轴22绕曲轴轴线36旋转。来自燃烧的热量用于做功，让活塞24运动，热量通过排气排出，或被一个或多个发动机部件吸收。如果热量随排气排出，则排气中的热量可以用于在一些其他位置做功，例如通过在排气处理系统中加热催化器，或用于车厢加热。通过二冲程发动机20的各种部件吸收的热量必须被散耗，且通常会损失且不可用于做功，由此降低二冲程发动机20的效率。因而，限制或降低被二冲程发动机20的各种部件吸收的热量的量能增加可用于做功的热量的量，由此改善二冲程发动机20的效率。

为了限制或降低被二冲程发动机20的各种部件吸收的热量的量，二冲程发动机20包括热传导性降低机构52。热传导性降低机构52设置为与曲轴箱26、活塞24和汽缸盖40中的至少一个热连通。如在本文使用的，热连通被限定为部件之间的连接或接触，其允许热量在它们之间传递。热传导性降低机构52可操作为降低从燃烧室48中被燃烧燃料到曲轴箱26、活塞24和汽缸盖40中的至少一个的热传递。热传导性降低机构52具有的热传导性比曲轴箱26的热传导性、活塞24的热传导性和/或汽缸盖40的热传导性中的至少一个更低。因而，热传导性降低机构52用作绝热体，以防止热量的吸收。优选地，热传导性降低机构52具有小于30Wm-1K-1(瓦特/米/°K)的热传导性。应注意热传导性降低机构52不是热量散耗件，相反，其防止热量的吸收，即防止热量传递到一个或多个发动机部件。

如图1和2所示，热传导性降低机构52可以包括低传导性材料层54，其设置在汽缸盖40的汽缸盖燃烧表面46上。如图1所示，低传导性材料层54基本上跨过整个汽缸盖燃烧表面46和汽缸孔28延伸，以形成燃烧室48和汽缸盖40的汽缸盖燃烧表面46之间的阻隔。如图2所示，低传导性材料层54不一直延伸经过汽缸孔28，而是让汽缸盖40中的汽缸盖燃烧表面46的燃烧碗状部分56露出。应理解，低传导性材料层54不是垫圈42，即低传导性材料层54与在汽缸盖40和曲轴箱26之间密封的汽缸盖垫圈42分开且不是其一部分。另外，应理解低传导性材料层54可以设置在活塞24的活塞燃烧表面38和/或汽缸孔28的壁表面上。

低传导性材料层54可以包括但不限于铬镍铁合金、镍合金、青铜、制陶术、氧化锆、复合材料或一些其他有类似性能的材料。优选地，低传导性材料层54具有小于30Wm-1K-1(瓦特/米/°K)的热传导性。然而，应理解低传导性材料层54的热传导性取决于用于层54的具体材料，且可以与如上所述的示例性值不同。

除了低传导性材料层54以外或代替地，热传导性降低机构52可以包括通过二冲程发动机20的其中一个部件限定的至少一个空穴58。如所示的，空穴58通过汽缸盖40的结构44限定且通常设置在汽缸孔28上方。然而，可以想到，在与燃烧室48邻近的壁中，空穴58可以通过曲轴箱26限定。如图2所示，汽缸盖40为复合结构44，其中低传导性材料层54用于形成汽缸盖40的底部壁，以覆盖汽缸盖40的结构44中的空穴58和/或完成该空穴的形成，由此形成空穴58的下壁。

优选地，至少一个空穴58填充有具有低热传导性的气体。设置在空穴58中的气体可以包括但不限于空气、氮气、二氧化碳、或一些其他相似的气体空穴58中的气体用作绝热体，以防止从燃烧气体吸收热量，和/或限制汽缸盖40的可用于吸收热量的热质量。作为对填充有气体的空穴58的替换，可以想到的是空穴58可以替换地是真空。如在本文使用的，术语“真空”被限定为无物质的空间58，或作为气体压力小于大气压力的区域。

还可想到的是热传导性降低机构52通过一个或多个各种发动机部件实施，所述部件完全用具有低热传导性的材料制造。例如，汽缸盖40的整个结构44可以用具有低热传导性的材料制造，例如但不限于铬镍铁合金、镍合金、青铜、制陶术、氧化锆、复合材料或一些其他有类似能力的材料。

如图1和2所示，汽缸盖40可以可选地包括设置在燃料喷射器50附近的至少一个冷却套60。冷却套60可操作为让冷却液体循环流动通过汽缸盖40，用于冷却燃料喷射器50。冷却套60不可操作为极大地冷却汽缸盖40。进而，冷却套60不设计为限制或降低通过汽缸盖40吸收的热量，相反是将热量从汽缸盖40消散，以冷却燃料喷射器50。因而，应理解冷却套60不是热传导性降低机构52的一部分，而相反是热量消散机构。冷却套60可以是发动机冷却回路的一部分，其让冷却液体循环流动通过发动机以用于冷却发动机，如本领域已知的。

附图中的详细的描述和显示是对本发明的支持和描述，而本发明的范围仅通过权利要求限定。尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年1月22日提交的美国临时申请连续的No.62/106,335的权益，通过引用将其全部内容合并于此。

Claims (10)

1.一种二冲程发动机，包括：

曲轴箱，限定汽缸孔；

活塞，可动地设置在汽缸孔中；

汽缸盖，附接到曲轴箱且覆盖汽缸孔；

其中汽缸孔的壁表面、活塞的活塞燃烧表面和汽缸盖的汽缸盖燃烧表面协作，以限定用于在其中燃烧燃料的燃烧室；和

热传导性降低机构，设置为与曲轴箱、活塞和汽缸盖中的至少一个热连通，且可操作为使得从燃烧室中燃烧的燃料到曲轴箱、活塞和汽缸盖中的至少一个的热传递最小化。

2.权利要求1所述的二冲程发动机，其中曲轴箱用具有曲轴箱热传导性的材料制造，活塞用具有活塞热传导性的材料制造，汽缸盖用具有汽缸盖热传导性的材料制造，热传导性降低机构具有的热传导性比曲轴箱热传导性、活塞热传导性和汽缸盖热传导性中的至少一个更低。

3.权利要求2所述的二冲程发动机，其中热传导性降低机构包括设置在汽缸盖的汽缸盖燃烧表面上的低传导性材料层。

4.权利要求3所述的二冲程发动机，其中低传导性材料层为铬镍铁合金材料、镍合金材料、青铜材料、陶瓷材料、氧化锆材料、或复合材料中之一。

5.权利要求3所述的二冲程发动机，其中低传导性材料层呈现小于30Wm^-1K^-1的热传导性。

6.权利要求3所述的二冲程发动机，其中低传导性材料层基本上延伸经过汽缸孔，以形成燃烧室和汽缸盖之间的阻隔。

7.权利要求1所述的二冲程发动机，其中热传导性降低机构包括通过汽缸盖限定且通常设置在汽缸孔上方的至少一个空穴。

8.一种用于二冲程发动机的汽缸盖，汽缸盖包括：

一结构，具有汽缸盖燃烧表面；和

低传导性材料层，设置在汽缸盖燃烧表面上；

其中该结构用具有汽缸盖热传导性的材料制造，且低传导性材料层具有的热传导性小于汽缸盖热传导性，以使得通过该结构从燃烧气体吸收的热量的量最小化。

9.如权利要求8所述的汽缸盖，其中低传导性材料层呈现小于30Wm^-1K^-1的热传导性。

10.如权利要求8所述的汽缸盖，其中汽缸盖包括至少一个空穴，所述至少一个空穴设置为基本在汽缸盖燃烧表面上方且可操作为降低通过该结构从燃烧气体吸收的热量的量。