CN107850000A - 用于对置活塞式发动机的气缸 - Google Patents

Abstract

一种用于对置活塞式发动机的气缸，其包含衬套，该衬套具有镗孔和靠近该衬套的相应端部的纵向移位的进气端口和排气端口。该衬套的位于排气端口和进气端口之间的中间部分包含燃烧室，当相对安置于镗孔中的一对活塞的端部表面紧密相互接近时形成该燃烧室。压缩套管包围并加固该衬套的中间部分。安置在中间部分与压缩套管之间的钉桩的环形栅抵靠衬套来支撑压缩套管，并界定沿着平行于衬套的纵向轴线的方向横跨中间部分延伸的湍流液体流动路径。

Description

用于对置活塞式发动机的气缸

相关申请

本申请包含与共同拥有的美国申请13/136,402、共同拥有的美国申请13/942,515以及共同拥有的美国申请14/255,756的主题有关的主题，其中标题为“对置活塞式发动机的气缸的冲击冷却(Impingement Cooling of Cylinders Opposed-Piston Engines)”的美国申请13/136,402于2011年7月29日提交，并在2013年1月31日公开为US 2013/0025548A1，现为2013年7月16日发布的美国专利8,485,147；标题为“对置活塞式发动机的气缸的冲击冷却(Impingement Cooling of Cylinders of Opposed-Piston Engines)”的美国申请13/942,515于2013年7月15日提交，并在2013年11月14日公开为US 2013/0298853 A1；以及标题为“对置活塞式发动机的气缸的衬套组件(Liner Component for a Cylinder of anOpposed-Piston Engines)”的美国申请14/255,756于2014年4月17日提交。

技术领域

本领域涉及用于对置活塞式发动机的气缸的结构。更确切地说，本领域是针对强化和冷却用于此类发动机的气缸衬套。

背景技术

对置活塞式发动机的气缸由衬套(有时称为“套管”)构成，所述衬套保持在形成于气缸体中的气缸道中。所述衬套包含镗孔、纵向移位的进气端口和排气端口，所述进气端口和排气端口在衬套中靠近衬套的相应端部处被机加工或形成。进气端口和排气端口中的每个包含开口的一个或更多个周向阵列，其中邻近开口由气缸壁的实心部分(也称为“桥”)隔开。在一些描述中，每个开口被称为“端口”；然而，此类“端口”的周向阵列的构造与本文中论述的端口构造没有不同。

两个活塞在对置活塞式发动机的气缸镗孔中相对安置。活塞在相应的上止点(TC)和下止点(BC)位置之间，在镗孔中沿着彼此相反的方向进行往复运动。气缸中处于进气端口和排气端口之间的中间部分界定燃烧室，所述燃烧室在活塞移动穿过它们的TC位置时界定于活塞的端部表面之间。此中间部分承受在发动机操作期间出现的最高水平的燃烧温度和压力，并且中间部分中的例如燃料喷射器、阀和/或传感器的装置存在开口减弱了中间部分的强度并使它容易开裂，特别是通过燃料和阀开口的开裂。

按照上文指出的相关美国申请的实践已经借助于压缩套管来强化和冷却气缸，所述压缩套管包围并加固衬套的中间部分。压缩套管包含冲击冷却构造，所述冲击冷却构造由围绕衬套径向布置的冷却液喷口构成。冷却液喷口通过穿过压缩套管钻出多个孔来形成。所述孔使液态冷却液加速，以使得它在最需要冷却的部位处撞击衬套。接着，冷却液流动穿过机加工的通道，所述机加工的通道切入衬套中且从中间部分离开，朝向气缸的两个端部。此构造有效地控制了衬套的中间部分的温度。

然而，尽管冷却效果很好，但冲击构造同样带来了挑战。例如，将液态冷却液输送到衬套的中间部分的冷却液路径直接分成两个单独的、方向相反的冷却液回流支路，各自包含从中间部分朝向衬套的相应端部延伸的多个细长通道。冷却液回流支路在衬套以外的某一部位处会聚，导致形成复杂的冷却液传送线路，并且常常导致在气缸体中形成复杂芯部。

针对冲击构造的另一反对意见是它极其重视气缸周围的发动机空间，特别是在其中必须存在用于冷却液喷口、燃料喷射器、阀以及可能出现的传感器的空间的衬套的中间部分。此外，由于具有压缩套管，中间部分通常具有气缸的最大直径，这导致在相邻气缸之间存在发动机空间竞争。这种竞争可使冷却液芯部形状和/或喷口之间的冷却液流动平衡受到破坏。

此外，冲击冷却构造的制造复杂且昂贵。穿过压缩套管钻出孔来产生喷口，并且气缸衬套经机加工以在衬套表面上形成界定冷却液回流通道的平台和沟槽。

发明内容

一种用于对置活塞式发动机的气缸包含衬套，所述衬套具有镗孔和靠近衬套的相应端部的纵向移位的进气端口和排气端口。衬套的位于排气端口和进气端口之间的中间部分包含燃烧室，所述燃烧室在相对安置于镗孔中的一对活塞的端部表面紧密相互接近时形成。压缩套管包围并加固衬套的中间部分。安置在中间部分与压缩套管之间的钉桩的环形栅抵靠压缩套管来支撑衬套，并界定沿着平行于衬套的纵向轴线的方向横跨中间部分延伸的湍流液体流动路径。

钉桩构造准许液态冷却液沿着单一纵向方向在衬套的中间部分的外部表面上流动。优选地，但并非必需地，所述方向是从进气端口到排气端口。因此，所引入的冷却液能够移动远离例如燃料喷射器、阀和/或传感器的装置的开口。降低了冷却液网路的复杂度，并且免去了昂贵且费时的机加工。同时，在气缸中燃烧热度最强的部分中提供了机械加固和有效冷却。钉桩栅易于制造，且其对对置活塞式发动机来说是一种尤其有效的气缸冷却构造。

附图说明

图1示出了对置活塞式发动机中的根据本公开的气缸的布置。

图2A是根据本公开的气缸构造的纵截面，其中相对的活塞被接收在衬套中。图2B是不具有活塞的图2A的气缸构造的纵截面。

图3是示出了图2A和图2B的气缸构造的元件的分解图。

图4是图2A和图2B的气缸构造的侧面视图，其剖示压缩套管的一部分以示出冷却液栅区域(coolant grid area)。

图5是示出了图2A和图2B的气缸构造的其它结构细节的放大透视图。

具体实施方式

附图说明了用于对置活塞式发动机的气缸结构，其包含衬套，所述衬套具有镗孔和纵向移位的进气端口和排气端口，所述进气端口和排气端口靠近衬套的相应端部。图1示出了具有气缸体12的对置活塞式发动机10，所述气缸体12具有三个构造相同的气缸14、15和16。去除了气缸体12的一部分以示出气缸16的构造，其包含形成于其中支撑气缸衬套20的气缸体中的气缸道18。发动机10包含两个曲轴22和23。气缸衬套20包含靠近第一衬套端部27的进气端口25、靠近第二衬套端部31的排气端口29，和位于进气端口和排气端口之间的中间部分34。根据图2A，一对活塞35和36安置于衬套的镗孔37中，其中它们的端部表面35e和36e相对。根据图1和图3，压缩套管40被接收在衬套20上方。燃料喷射器45被支撑在穿过气缸的侧壁的开口46中，以将燃料直接喷射到燃烧室中。

图2A、图2B、图3和图4示出了气缸16的结构的细节，所述气缸16包含衬套20，其中压缩套管40紧密包围并加固衬套20的从进气端口25延伸到中间部分34的部分。如图2A中所见，中间部分34包含燃烧室41，所述燃烧室41在相对安置于镗孔中的一对活塞35和36的端部表面35e和36e紧密相互接近时形成。形成压缩套管40以界定其自身和衬套的外部表面42之间的大体上圆柱形空间，液态冷却液可沿着轴线方向穿过所述空间从靠近进气端口处流向排气端口。通过在中间部分34和压缩套管40之间延伸的钉桩52的环形栅50来加强中间部分34的强度。栅50紧密包围经受较高燃烧压力和温度的中间部分34。钉桩52抵靠压缩套管40支撑衬套中间部分34。栅50还界定横跨中间部分34延伸的环形湍流液体流动路径。

大体上环形空间55在衬套的外部表面42和压缩套管40之间形成。此空间邻接衬套中间部分34的面对进气端口25的侧面，并且与由栅50界定的湍流液体流动路径流体连通。另一个大体上环形空间59在衬套的外部表面42和压缩套管40之间形成。此空间邻接衬套中间部分34的面对排气端口29的侧面；并且它与由栅50界定的湍流液体流动路径流体连通。在压缩套管40中形成的一个或更多个冷却液进入端口61定位在环形空间55上方且与所述环形空间55流体连通，并且在压缩套管中形成的一个或更多个冷却液离开端口63定位在环形空间59上方且与环形空间59流体连通。

根据图3和图5，可以足够的密度设置栅钉桩52，从而紧密围绕并加固中间部分的区段，凸台46定位在那些区段中且支撑喷射器喷嘴、阀等等。有利的是，栅钉桩52之间的间隙迷宫使得液态冷却液能够到达每个凸台46的整个外部表面和紧邻凸台的衬套的外部表面区域。

在对置活塞式发动机10的操作期间，通过将液态冷却液(例如，基于水的混合物)引入到界定于压缩套管40和衬套的外部表面42之间的空间中来冷却气缸16。冷却液经泵抽而穿过气缸体12中与环形空间55流体连通的冷却液通道。经泵抽冷却液通过冷却液进入端口61进入环形空间55，从而使冷却液在外部表面42上流向衬套20的中间部分34。泵压力使液态冷却液流动穿过栅50，其中钉桩52充当包围中间部分34并产生横跨中间部分的冷却液的湍流的湍流物的环形迷宫。湍流增加了液态冷却液流经中间部分34的热传递效率。流动穿过栅50的冷却液的压力使得液态冷却液从中间部分34流向排气端口29并且进入环形空间59。冷却液从环形空间59流到并穿过在气缸体12中形成的回流通道。在一些示例中，冷却液可从环形空间59穿过在排气端口桥上、在排气端口桥上方或穿过排气端口桥的通道70进行传送。

如最佳见于图5中，紧密包围中间区段34的钉桩的环形栅在中间部分34的外部表面42上包含多个钉桩，所述多个钉桩与衬套20一体形成。从外部表面42向外延伸的钉桩52具有三维形状，所述三维形状在图5中示出为圆柱形。然而，所示出的形状并不意在为限制性的，并且可选自包含以下的群组：圆柱形、圆锥形和多面体形状和/或其任何等效物。钉桩52可相对于衬套20的圆柱形形状径向形成。然而，通过浇铸过程使用可向外拉离衬套20的芯部可以更容易地形成钉桩。在此情况下，衬套的中间部分34可划分成一系列连续弓形区段。在每个区段中，钉桩形成为彼此平行。如图5中所见，钉桩52的环形栅50会因此包括在中间部分34的外部表面42上呈周向顺序的多个钉桩组70、71、72等，其中每个组(例如，70)的钉桩52在所述组内彼此平行，但不与邻近组(例如，71和72)的钉桩平行。在任何情况下，在最终制造步骤中，钉桩52的端部表面可进行机加工以便与套管的内表面紧密配合。

衬套和压缩套管由例如铸铁(衬套)和硬化钢(压缩套管)的相容性金属材料制成，并接着通过摩擦配合、通过将压缩套管缩小到衬套上或通过金属到金属结合或通过任何其它合适的手段来接合。

尽管本文中已经说明并描述用于对置活塞式发动机的气缸衬套结构的实施例，但是显而易见的是，此类实施例仅作为示例提供。体现但不改变本说明书中阐述的原理的变化、更改、添加和替代对于所属领域的技术人员来说应该是明显的。

Claims (12)

1.一种用于对置活塞式发动机的气缸(16)，其包括：

衬套(20)，其具有镗孔(37)和靠近所述衬套的相应端部的纵向移位的进气端口和排气端口(25、29)；

所述衬套包含位于所述排气端口和进气端口之间的中间部分(34)，其中当相对安置于所述镗孔中的一对活塞(35和36)的端部表面(35e和36e)紧密相互接近时形成燃烧室(41)；

其特征在于：

所述气缸进一步包括：

压缩套管(40)，其包围并加固所述衬套的所述中间部分；以及

钉桩(52)的环形栅(50)，其在所述中间部分和所述压缩套管之间延伸以抵靠所述压缩套管支撑所述衬套并且界定横跨所述中间部分延伸的环形湍流液体流动路径。

2.根据权利要求1所述的用于对置活塞式发动机的气缸，其进一步包含第一环形空间(55)，所述第一环形空间(55)位于所述衬套的外部表面(42)和所述压缩套管之间以及所述进气端口和所述中间部分之间，并且与所述湍流液体流动路径流体连通。

3.根据权利要求2所述的用于对置活塞式发动机的气缸，其进一步包含第二环形空间(59)，所述第二环形空间(59)位于所述衬套的所述外部表面和所述压缩套管之间以及所述排气端口和所述中间部分之间，并且与所述湍流液体流动路径流体连通。

4.根据权利要求3所述的用于对置活塞式发动机的气缸，其进一步包含所述压缩套管中的至少一个冷却液进入端口(61)和所述压缩套管中的至少一个冷却液离开端口(63)，所述冷却液进入端口(61)定位在所述第一环形空间上方且与所述第一环形空间流体连通，所述冷却液离开端口(63)定位在所述第二环形空间上方且与所述第二环形空间流体连通。

5.根据权利要求1所述的用于对置活塞式发动机的气缸，其中所述钉桩的环形栅在所述衬套的所述中间部分的所述外部表面上形成。

6.根据权利要求1所述的用于对置活塞式发动机的气缸，其中所述钉桩的环形栅由从所述衬套的所述中间部分的所述外部表面向外延伸的多个外部突出部构成。

7.根据权利要求6所述的用于对置活塞式发动机的气缸，其中所述钉桩具有三维形状，所述三维形状选自包含以下的群组：圆柱形、圆锥形和多面体形状。

8.根据权利要求1所述的用于对置活塞式发动机的气缸，其中所述钉桩的环形栅包括在所述衬套的所述中间部分的所述外部表面上呈周向顺序的多个钉桩组(70、71、72等)，并且其中每个组的所述钉桩彼此平行，但不与邻近组的所述钉桩平行。

9.一种对置活塞式发动机(10)，其包括具有多个气缸的气缸体(12)，其中每个气缸根据权利要求1到8中的任一项构造。

10.一种冷却根据权利要求9所述的对置活塞式发动机(10)的气缸的方法，所述方法包括：

使液态冷却液在所述气缸衬套的外部表面上流向所述衬套的在所述排气端口和所述进气端口之间的中间部分，其中形成所述燃烧室；

使所述液态冷却液流动穿过包围所述中间部分的湍流物钉桩的迷宫；以及

使所述液态冷却液从所述中间部分流向所述排气端口。

11.根据权利要求10所述的方法，其中使所述液态冷却液从包围所述衬套的所述外部表面且位于所述进气端口和所述中间部分之间的环形空间(55)流向所述中间部分。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述液态冷却液从所述中间部分流到包围所述衬套的所述外部表面且位于所述中间部分和所述排气端口之间的环形空间(59)中。