CN106030036B - 内燃机 - Google Patents

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Abstract

一种内燃机，包括：至少一对相对的往复活塞，在其之间形成燃烧室；以及曲轴，通过相应驱动联动装置被活塞驱动。离曲轴最远的外活塞包括裙部，裙部从其周界朝向曲轴延伸以形成汽缸，另一内活塞在汽缸内往复运动。

Description

内燃机
技术领域
本发明涉及内燃机。更具体地，涉及具有相对的活塞配置的内燃机。
背景技术
WO2008/149061(考克斯传动(Cox Powertrain))描述了2缸2冲程直喷式内燃机。两个汽缸水平相对且每个汽缸中都具有相对的往复活塞，各活塞之间形成燃烧室。活塞驱动两个汽缸之间的中央曲轴。每个汽缸中的内活塞(即，更靠近曲轴的活塞)通过一对平行的苏格兰轭(scotch yoke)机构驱动曲轴。每个汽缸中的外部活塞通过第三苏格兰轭经由驱动杆来驱动曲轴，其中，第三苏格兰轭位于内部活塞的两个苏格兰轭机构之间，驱动杆穿过内部活塞的中央。驱动杆具有空心的管状形式，燃料通过容纳在驱动杆内的燃料注入器注入到燃烧室中。驱动杆的壁具有一系列周向隔开的孔，燃料通过这些孔侧向向外喷射到燃烧室中。
WO2012/160378(考克斯传动)描述了WO2008/149061中所述的发动机配置的发展。在该文档所述的发动机中，每对相对的活塞中的外活塞通过汽缸外部的驱动联动装置来驱动曲轴，其中活塞在汽缸中往复运动。这避免了对任何驱动杆穿过燃烧室和内活塞的需求，并且还意味着燃料注入器可相对于活塞位于中央(或者接近活塞的中央)而没有阻碍。
发明内容
本发明是WO2008/149061和WO2012/160378中所述的发动机的配置的发展。
本发明提供了一种内燃机，该内燃机包括：至少一对相对的往复活塞，在其之间形成燃烧室；以及曲轴，通过相应驱动联动装置被活塞驱动，离曲轴最远的活塞(“外”活塞)包括裙部，裙部从周界朝向曲轴延伸以形成汽缸，另一活塞(最靠近曲轴的“内”活塞)在汽缸内往复运动。
外活塞本身可在汽缸内或在适于保持和引导活塞的运动的其他支撑结构内往复运动。
外活塞裙部可用作外活塞与曲轴之间的驱动联动装置的至少一部分。例如，裙部的内端可连接到苏格兰轭驱动装置的轭元件或者与之形成整体。裙部的内端可分叉，以在裙部的内端处形成在直径方向上相对的臂，每个臂连接到沿曲轴间隔开的相应苏格兰轭驱动装置的轭或者与之形成整体。
通过将外活塞裙部用作驱动联动装置的一部分，避免了对任何驱动杆穿过内部汽缸的需求，如WO2012/160378中的那样，从而在WO2008/149061之上提供与发动机利用其外部驱动联动装置所提供的益处相同的诸多益处，例如，更简单的传统燃烧室设计、消除了曲轴箱的漏气路径、以及相对于活塞自由地将燃料注入器定位在中央(或者接近活塞的中央)而没有阻碍。此外，通过以这种方式使用活塞裙部来驱动曲轴，当前的提议还无需WO2012/160378的外部驱动联动装置，从而可降低制造成本、更易于平衡发动机并且可减小发动机的重量和尺寸。另外，利用该布置，由燃烧压力产生的所有(或大体所有)力经由活塞及其到曲轴的连接件而直接传递到曲轴。与更传统的发动机不同，通过曲轴箱传递的燃烧压力很少或没有。反过来这意味着，曲轴箱可具有更轻的结构(例如，比传统曲轴箱更薄的壁和/或更轻质的材料)，因为其不需要承受这些力。
任何合适的驱动联动装置都可用来将活塞的相反的往复运动转换成曲轴的旋转运动。在一些实施方式中，如上所述，使用了苏格兰轭机构。在使用苏格兰轭机构的情况下，最少需要具有供内活塞(即，最靠近曲轴的活塞)驱动曲轴的至少一个苏格兰轭和供外活塞驱动曲轴的至少一个苏格兰轭。然而，为了避免外活塞上出现不期望的不平衡的力，在避免需要穿过汽缸的中央驱动杆的情况下，更优选的是，外活塞通过直接连接或经由相应连接构件连接到外活塞裙部相对侧的一对苏格兰轭来驱动曲轴。例如，连接构件可以是一个或多个驱动杆。
在其他实施方式中，驱动联动装置无需包括苏格兰轭机构，而是可替代地使用更传统的曲柄布置，其中，曲柄整体地形成于曲轴中，曲轴例如通过一个或多个连接杆或其他合适的连接连杆被活塞驱动，以将活塞的往复运动转化成曲轴的旋转。在一个示例中，内活塞经由枢转地连接到内活塞的传统连接杆来驱动曲轴上的一个曲柄。在该示例中，外活塞驱动与内活塞曲柄的任一侧间隔开的一对曲柄。外活塞经由枢转连接到内活塞的内端的相应连杆来驱动这些曲柄，两个连杆在活塞上彼此沿直径方向相对。
往复式外活塞的裙部(该裙部提供让内活塞在其中往复运动的汽缸)还可充当套筒阀。更具体地，裙部中可形成有进气口和排气口，以使得当外活塞往复运动时，这些端口与对应的进气口和排气口或者围绕结构中的腔室周期性地对准。端口的位置、形状和尺寸可配置成为汽缸提供所需的呼吸型式。
在一些实施方式中，外活塞经驱动使得在其执行线性往复循环时绕中心(纵向)轴线例如以往复方式旋转(即，交替地顺时针旋转和逆时针旋转)。外活塞的这种旋转可用来在进气口和排气口的打开和关闭中提供更大的不对称程度，并且其还显示出有助于保持外活塞裙部的外壁与供其在内部滑动的围绕结构之间的油润滑膜、以及外活塞裙部的内壁与在裙部内滑动的内活塞的侧壁之间的油润滑膜。
虽然单汽缸配置是可能的(即，一对相对的往复活塞，其中外活塞裙部为内活塞提供汽缸)，但根据本发明实施方式的优选发动机包括多个汽缸(即，多对相对的往复活塞)，例如，两个汽缸、四个汽缸、六个汽缸、八个汽缸或更多。在下文中，术语“汽缸”用来表示相对的往复活塞对，其中外活塞裙部为内活塞提供汽缸。
在使用多个汽缸的情况下，可在发动机的力的平衡、整体形状和尺寸等方面提供不同益处的各种配置都是可能的。示例性配置包括(但不限于)共轴且相对的汽缸对(例如，“卧(flat)式双缸”、“卧式四缸”等)、所有汽缸并排的“直式”配置、具有两个直排并排汽缸的“U”配置(例如，“方形四缸”)、“V”配置和“W”配置(即，两个相邻的“V”配置的汽缸排)以及放射状配置。根据配置，多个汽缸可驱动一个曲轴或多个曲轴。通常，“卧式”配置、“直列”配置、“V”配置和放射状配置将具有一个曲轴，而“U”配置和“W”配置将具有两个曲轴，每排汽缸一个曲轴。在本发明的一些实施方式中，可使用具有相反旋转的曲轴的两个发动机单元(每个都具有一个或多个汽缸)，相反旋转的曲轴通过锥齿轮箱来驱动共用的输出轴。这种布置具有平衡力矩反冲效应的优点。
通过将外活塞裙部用作外活塞的驱动联动装置的一部分，消除了外活塞对中央驱动杆的需求，如WO2008/149061中描述的布置中所使用的那样。因此，本发明的实施方式可包括设置在汽缸的中心轴线上或接近中心轴线的燃料注入器，如WO2012/160376中所述，该文献的全部内容通过引用并入本文。
如WO2012/160376中所阐述，燃料注入器的位置可固定，并且可延伸穿过外活塞的中央，外活塞配置成沿注入器的壳体往复运动。可替代地，燃料注入器可与外活塞一起运动经过活塞冲程的一部分或者活塞的整个冲程。在后一情况下，注入器可固定至活塞。
注入器可通过任何合适的联接装置固定到发动机结构的外部。在一些情况下，可能期望使用这样的联接装置，其允许注入器本身与汽缸的中心线平行地自对齐并且容许与之相关联的活塞的公差和热变形。例如，可使用欧氏(Oldham)联接装置(这类联接装置允许注入器在垂直于其轴线的平面中运动，以允许期望的对齐同时阻止沿其轴线运动)。
附图说明
下面参考附图，通过示例的方式来描述本发明的实施方式，在附图中：
图1是根据本发明实施方式的卧式四缸发动机配置的截面；
图2示出了根据本发明另一实施方式的单个汽缸的表示；以及
图3示出了图2的汽缸的竖直截面。
具体实施方式
参考图1，此处用来说明本发明的实施方式是二冲程直喷式四缸发动机。发动机配置有两对水平相对的汽缸。一对汽缸布置成与另一对汽缸并排以提供“卧式四缸”配置。这种配置为发动机提供了低剖面总包络线，该低剖面总包络线有利于一些应用，例如用作舷外船用发动机。根据本发明实施方式的发动机还可用作其他海上应用以及陆地车辆和飞行器的推进或功率生成单元。
更详细地，发动机10包括围绕中央曲轴14布置的四个汽缸12。朝向图1左侧的、位于曲轴任一侧的两个汽缸是一对相对的汽缸，朝向图1右侧的另外两个汽缸是另一对相对的汽缸。
每个汽缸内具有两个活塞：内活塞16和外活塞18。每个汽缸中的两个活塞彼此相对并且在相反的方向上往复运动，在该示例中为180度异相。
每个活塞具有冠部20、22，两个活塞的冠部彼此面对。在该示例中，外活塞的冠部22大体平坦，而内活塞的冠部20具有截面大体呈泪滴形的环形凹部。在上止点处，当活塞冠部最靠近彼此(并且几乎接触)时，相对的冠部20、22限定供燃料注入的燃烧室(在该示例中为环形燃烧室)28。
每个外活塞18具有从外活塞冠部22的周界伸出的圆柱形裙部30。该裙部30提供这样的汽缸，内活塞16在该汽缸内往复运动且充气和燃料输送到该汽缸中。
当活塞在循环中处于相应冠部彼此间隔最远以限定汽缸内的最大容纳容积的位置(“下止点”)时，如图1右上部的汽缸可见，内活塞冠部退回足够远，以暴露分别朝向外活塞的圆柱形裙部的内端和外端的进气口和排气口，在该位置处，外活塞裙部中的端口与活塞裙部壁外面的、例如位于汽缸体中的对应进气室和排气室对准。进气室可包括阀以防止汽缸回流。
随着活塞16、18在循环的压缩冲程中朝向彼此运动，外活塞裙部中的端口不再与进气室和排气室对准，实际上关闭这些端口。外活塞裙部中的端口的尺寸和位置可选择成提供“打开”和“关闭”端口的适当定时。排气口的轴向程度(即，汽缸的纵轴方向上的尺寸)大于进气口的轴向程度，以使得排气口比进气口打开得更早并且保持打开更久，以便对汽缸进行扫气。
每个汽缸12关联有燃料注入器34。燃料注入器34具有圆柱形壳体36且一端处具有注入器喷嘴38。燃料在压力下通过注入器壳体以传统方式供应到喷嘴。喷嘴38从注入器壳体36的端面突出，并且具有围绕周界等间隔的一系列孔，燃料通过这些孔在大体的径向方向上注入。喷嘴通过针阀(未示出)打开和关闭。当针阀打开时，燃料在压力下通过孔注入。针阀的打开和关闭可以传统的方式来控制。使用时，注入器壳体可通过供应冷却流体而冷却，该冷却流体例如可以是燃料本身或发动机冷却剂(虽然在一些情况下可能不需要冷却流体)。
燃料注入器34沿汽缸12的中心轴线安装。在该示例中，注入器34的外端在汽缸的外端(即，汽缸的与曲轴14相对的端部)处固定到部件40。注入器34延伸穿过外活塞冠部22中的中央开口42，以将注入器的内端定位在汽缸12的中央，其中喷嘴38从注入器的内端突出。更具体地，如图1右下部的汽缸中可见，当活塞16、18处于上止点时，燃料注入器34的喷嘴38直接位于燃烧室28内并且燃料可从喷嘴38侧向注入到燃烧室28中。
在此处描述的中央注入器布置中，注入器34固定在适当位置，并且在发动机10的操作期间外活塞18沿着注入器壳体36的外部行进。围绕外活塞冠部22中的开口42的周界提供适当的密封，以当活塞18沿着注入器壳体36来回往复运动时维持活塞冠部22与注入器壳体36之间的密封，从而避免加压气体从汽缸内渗漏或者至少使渗漏最少以及防止油进入燃烧室。
燃料注入器34本身可采用传统的构造，除了注入器壳体的外表面配置成允许与活塞18滑动接触之外。通常，燃料喷射将采用围绕注入器的喷嘴隔开并由单个阀装置(例如，包括针和底座的针阀装置，其中针与底座接合以关闭阀)控制的多个径向射流的形式。
在该示例中，活塞16、18通过安装在曲轴14上的相应偏心轮上的六个苏格兰轭布置50来驱动曲轴14。
在每对相对的汽缸中，两个内活塞16共用一个苏格兰轭，而两个外活塞共用位于内活塞轭任一侧(沿曲轴)的一对苏格兰轭。内活塞通过相应的中央驱动杆52来驱动其苏格兰轭。外活塞通过从外活塞裙部30的内(曲轴)端伸出的臂54、56来驱动其苏格兰轭。在该示例中，臂向外朝向曲轴张开，以使得外活塞苏格兰轭沿曲轴在往复活塞的任一侧向外隔开。
图2和图3示出了根据本发明实施方式的发动机的另一示例的单个汽缸组件110。此处示出的汽缸组件可用在单缸发动机配置中，或者所示配置的多个汽缸组件可用在多缸发动机中(例如，水平相对的“箱状(boxer)”配置、线性“直式”配置、“V形”配置等)。
汽缸组件110包括往复运动以驱动曲轴114的一对相对的活塞：内活塞116和外活塞118。与图1的示例一样，两个活塞的冠部彼此面对并在其之间形成燃烧室128，燃料注入到所述燃烧室128中。
与图1的示例类似，外活塞118具有提供汽缸的圆柱形裙部130，内活塞116在汽缸内往复运动且充气和燃料输送到汽缸中。此外，与图1的示例一样，裙部中形成有分别朝向裙部的内端和外端的进气口120和排气口122，进气口120和排气口122以与上述方式类似的方式进行操作。然而在该示例中，如下文进一步描述，随着外活塞118朝向和远离曲轴往复运动，外活塞118还以往复的方式绕其轴线旋转：当活塞朝向曲轴114运动时在一个方向上旋转而当活塞远离曲轴运动时在相反的方向上返回。在该示例中，汽缸组件110还包括围绕外活塞118的裙部130的固定圆柱形外壳160。该圆柱形外壳160具有分别围绕外壳的内端和外端周向间隔开的多个进气口162和排气口164。随着外活塞118往复运动(线性运动和旋转运动)，外活塞裙部中的端口120、122与外壳中的对应端口162、164周期性地对齐以控制端口的打开和关闭，从而使气体进入两个活塞之间的燃烧室以及使气体从该燃烧室排出。
外活塞和围绕外壳中的端口的位置和尺寸以及往复旋转运动的程度可设计成赋予端口期望的打开和关闭型式，因此为汽缸提供期望的呼吸型式。
内活塞通过连接杆172经由中央曲柄170驱动曲轴114。连接杆172的内端通过旋转支承连接到曲柄170，而连接杆172的外端利用另一旋转支承以传统方式连接到内活塞冠部的下侧。
外活塞通过与中央曲柄170的任一侧等距间隔开的一对曲柄174、176来驱动曲轴114。外活塞通过相应连杆臂178驱动这些曲柄174、176，连杆臂以与连接杆相同的方式工作。两个连杆臂通过旋转支承安装在外活塞的内端上且彼此在直径方向上相对。
为了使外活塞能够旋转运动，在该示例中，外活塞包括位于内端(即，最靠近曲轴)的环形支撑件180。该支撑件为外活塞裙部130的内端提供环形支承182，从而使得裙部能够围绕汽缸的中心轴线相对于环形支撑件180旋转。
利用该配置，连杆臂178安装在作为外活塞118的一部分的该环形支撑件180上。每个连杆臂178的外端部184在旋转连接之外远离曲轴地延伸到环形支撑件，以使得当臂178往复运动以驱动曲柄时，外端部(即，离曲轴最远端)也往复运动(在相反的方向上)。每个臂178的外端部184通过球接头186连接到裙部130的内端，以使得当臂178往复运动时，臂的外部184驱动裙部以使其在环形支撑件180上的支承182上反复地旋转运动。
图2和图3的示例还包括沿着汽缸组件110的中心轴线安装的燃料注入器134，燃料注入器从汽缸外端延伸穿过外活塞118的冠部。如图1的示例中的那样，外活塞118沿注入器134往复运动。
技术人员将理解，在不脱离本发明的情况下，可对具体描述的实施方式进行各种修改。例如，可使用传统的连接杆来代替苏格兰轭。技术人员将理解，本发明的实施方式可以是二冲程式或四冲程式，并且可以是压缩点火或火花点火。

Claims (8)

1.一种内燃机，包括：
至少一对相对的往复活塞，在其之间形成燃烧室；以及
曲轴，通过相应驱动联动装置被所述活塞驱动；
其中，离所述曲轴最远的外活塞包括裙部，所述裙部从其周界朝向所述曲轴延伸以形成汽缸，另一内活塞在所述汽缸内往复运动，
其中，所述外活塞的裙部包括一个或多个进气口以及一个或多个排气口，并且用作套筒阀以在活塞进行往复运动时使气体能够进入所述燃烧室以及从所述燃烧室排出；以及
其中，所述外活塞被驱动使得当其朝向和远离所述内活塞进行往复运动时绕其中心轴线旋转。
2.根据权利要求1所述的内燃机，其中，外活塞的裙部用作所述外活塞与所述曲轴之间的驱动联动装置的至少一部分。
3.根据权利要求2所述的内燃机，包括：供所述内活塞驱动所述曲轴的至少一个苏格兰轭；以及沿着所述曲轴隔开的、供所述外活塞通过所述外活塞的裙部来驱动所述曲轴的至少两个苏格兰轭。
4.根据权利要求2所述的内燃机，包括：供所述内活塞驱动所述曲轴的至少一个曲柄；以及沿着所述曲轴与所述内活塞曲柄任一侧间隔开的、供所述外活塞驱动所述曲轴的至少两个曲柄。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的内燃机，其中，所述旋转的运动是往复的旋转运动。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的内燃机，包括多对相对的往复活塞，每对活塞都在其间形成燃烧室。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的内燃机，包括至少一个燃料注入器，所述燃料注入器设置在由所述外活塞的裙部形成的汽缸的中心轴线上或者平行于所述中心轴线。
8.根据权利要求7所述的内燃机，其中，所述燃料注入器穿过所述活塞中的一个从所述汽缸的一端突出，当所述活塞往复运动时所述活塞沿着所述燃料注入器滑动。
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