CN108350803B - 用于对置活塞发动机的紧凑型带端口的汽缸构造 - Google Patents

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Abstract

一种用于对置活塞发动机的紧凑型构造，其包括具有纵向间隔开的排气端口和进气端口的汽缸衬套，其中排气端口具有内边缘和外边缘，该内边缘和外边缘呈现端口高度，该端口高度使排气端口在与该排气端口相关联的活塞在膨胀冲程期间到达下止点之前完全打开，并且相关联活塞的端面在活塞位于下止点时与外边缘向外间隔开。

Description

用于对置活塞发动机的紧凑型带端口的汽缸构造
优先权
本国际申请要求于2015年11月4日提交的美国专利申请No.14/932,002的优先权。
技术领域
本发明的领域涉及用于对置活塞发动机的紧凑型带端口的汽缸构造。
背景技术
用于内燃机的汽缸可通过对发动机缸体进行镗孔或通过将衬套(也称为套筒)插入形成在发动机缸体中的圆柱形空间中来构造。以下描述假定具有衬套构造的汽缸；然而，基本原则也适用于镗孔的或打印的构造。
对置活塞发动机的汽缸衬套具有圆柱形内壁，该内壁提供具有纵向轴线的孔。进气端口和排气端口形成在衬套壁中并位于衬套的中央部分的相应侧上。每个端口包括沿衬套的相应圆周设置成环形阵列的多个端口开口，并且相邻开口由被称为“桥”或“棒”的衬套壁的固体部分隔开。(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描述的端口构造没有不同。)如此构造，当被接收在对置活塞发动机中时，衬套形成“带端口的汽缸”。
当考虑许多应用中的包装时，汽缸的长度为对置活塞发动机的主要挑战之一。这是因为在上止点位置(在下文称为“TDC”)和下止点位置(在下文称为“BDC”)之间的孔中存在两个同轴设置的进行相对滑动运动的活塞。因此，汽缸必须足够长以适应每个活塞至少两倍的长度；换句话说，汽缸的长度通常≥活塞长度的4倍。因此，在追求发动机轮廓的减少时，可期望这些基本长度限制的任何递减减少。
共同拥有的美国专利8,935,998描述了用于对置活塞发动机的紧凑型汽缸衬套构造。按照典型的包括带端口的衬套的对置活塞应用，汽缸中的每个活塞均与两个端口中的相应端口相关联。在大多数应用中，每个活塞具有与活塞冠的上部环槽岸相邻的用于制约燃烧的上部环组，以及在其下部裙部中的下部环组，通过该下部环组将润滑剂(发动机油)从孔中刮除。通常，活塞略长于环组之间的纵向距离。当活塞处于TDC时，油控制(下部)环组位于与活塞相关联的端口的外边缘附近。‘998专利描述了孔径的过渡模式，当活塞处于TDC时，该过渡模式允许油控制环组更紧密地接近端口的外边缘。这允许缩短活塞的长度，从而导致减小所需的汽缸长度。
已知的是，与其四冲程对应特征相比，二冲程循环对置活塞发动机提供优异的动力密度和制动热效率。然而，汽缸的长度在广泛接受对置活塞技术的道路上设置了障碍，特别是在发动机舱空间受限的运输应用中。因此，汽缸长度的进一步减小将扩大对置活塞技术的应用范围。
发明内容
本发明提供了一种用于对置活塞发动机的紧凑型带端口的汽缸，其中排气端口的高度使得其在与其相关联的活塞在膨胀冲程期间到达BDC之前完全打开。在这方面，排气端口的高度被认为是相对于现有技术的排气端口被截断的，在现有技术的排气端口中，排气端口仅在相关联的活塞到达BDC时才完全打开。
衬套孔具有中央部分，其中相对的活塞到达相应的上止点位置以形成燃烧室。孔的中央部分过渡到相应的端部部分，该端部部分从进气端口和排气端口延伸到衬套的相应打开端。相应的活塞下止点位置在每个端部部分中。端部部分还包括端口的桥和开口以及从端口到衬套的最近打开端的剩余衬套部分。
每个端口具有在衬套的纵向方向上间隔开的内边缘和外边缘，使得内边缘最靠近与孔的纵向轴线正交的喷射器平面，并且外边缘离喷射器平面最远。当处于BDC时，端口的外边缘在从相关联活塞的顶部在喷射器平面的方向上与衬套向内间隔开的位置处设置在孔中。因此，相关联的活塞的油控制环组可以位于更靠近上部环组的位置，由此减小了活塞的长度，这继而能够减小汽缸的长度。
附图说明
图1A是对置活塞发动机中的汽缸的侧面截面局部示意图，并且被适当地标记为“现有技术”，其中相对的活塞靠近相应的下止点(“BDC”)位置；图1B是对置活塞发动机中的汽缸的侧面截面局部示意图，并且被适当地标记为“现有技术”，其中相对的活塞靠近相应的上止点(“TDC”)位置。
图2A是示出图1A和图1B的汽缸衬套的排气端部部分的放大截面图，并且被适当地标记为“现有技术”，其中，相关联的活塞处于下止点(BDC)位置处；图2B是示出图1A和图1B的汽缸衬套的排气端部部分的放大截面图，并且被适当地标记为“现有技术”，其中，相关联的活塞处于上止点(TDC)位置处。
图3A是示出根据本发明构造的汽缸衬套的排气端部部分的放大截面图，其中排气端口在相关联的活塞到达BDC之前完全打开；图3B是示出根据本发明构造的汽缸衬套的排气端部部分的放大截面图，其中相关联的活塞处于BDC；图3C是示出根据本发明构造的汽缸衬套的排气端部部分的放大截面图，其中相关联的活塞处于TDC。
图4是示出排气曲柄的旋转角度相对于在发动机操作的一个完整循环期间打开的排气端口的总面积的时间曲线的图形，并且被适当地标记为“现有技术”。
图5是示出排气曲柄的旋转角度相对于根据本发明构造的在发动机操作的一个完整循环期间打开的排气端口的总面积的时间曲线的图形。
具体实施方式
图1A和图1B示出包括由衬套11表示的一个或多个带端口的汽缸的对置活塞式发动机10的横截面图。尽管这些图示出了垂直设置的汽缸，但这并非旨在为限制性的。实际上，根据应用，取向可在垂直和水平之间变化。衬套11具有圆柱形内壁，该圆柱形内壁提供具有纵向轴线AL的孔12。排气端口14和进气端口16形成在衬套壁中并位于衬套中央部分17的相应侧上。排气端口14和进气端口16位于衬套11的相应打开的排气端口18和进气端口19附近。活塞20和22在孔中相对放置；在发动机操作期间，活塞在孔12中相对移动，从而在TDC和BDC之间进行往复运动。活塞中的每个配备有连杆23，连杆23将每个活塞连接到两个曲轴中的相应的一个。活塞20和22分别与排气端口14和进气端口16相关联，并且它们在孔12中的运动打开和关闭这些端口。在图1A中，活塞20和22位于孔12中的它们的相应BDC位置处或附近。在该图中，端口14和16均完全打开；也就是说，它们不会被活塞20和22阻塞。图1B示出位于其相应的TDC位置处或附近的活塞。在二冲程循环操作中，活塞20和22在压缩冲程中在孔12中从BDC滑动到TDC，并且在膨胀冲程中从TDC返回到BDC。
每个活塞具有冠部20c、22c和裙部20s、22s。冠部具有上部环槽岸(land)20l、22l和圆形外围边缘20p、22p，其中上部环槽岸与冠部的端面20e、22e相接。在上部环槽岸的下方，在活塞侧壁中设置一系列周向环形凹槽以接收压缩环组20r、22r。压缩环组包括至少两个活塞环；在某些情况下，最顶端的活塞环(最靠近上部环槽岸的环)为密封燃烧室的压缩环。在活塞裙部的下部中的一系列圆周凹槽接收油控制环组20o、22o。油控制环组包括至少两个活塞环；在某些情况下，最上面的环(最靠近上部环组的环)为刮油环，该刮油环在打开端和端口之间保持一致的油厚度。汽缸衬套11的排气端口14和进气端口16被类似地构造。就此而言，每个端口包括沿汽缸11的相应圆周的至少一个环形阵列的开口28e、28i。为方便起见，端口开口被示出为具有相同的形状，但是通常情况是排气端口开口将具有与进气端口开口不同的形状并且更大。
在对置活塞发动机10的二冲程循环操作中，假设活塞端面20e和22e在燃烧时在TDC附近处于汽缸衬套11的中央部分中，如图1B所示。当发生燃烧时，活塞20和22在膨胀冲程期间朝向其在中央部分的相对侧上的相应排气端区段和进气端区段中的BDC位置被向外驱动。
在一些情况下，活塞可彼此异相。例如，与排气活塞20联接的曲轴1(“排气曲柄”)可以引导与进气活塞22联接的曲轴2(“进气曲柄”)，由此使得排气活塞20引导进气活塞22，在这种情况下，排气端口14将在进气端口16之前打开(和关闭)。当排气活塞20横穿排气端口14，朝向BDC移动时，燃烧气体将开始排出排气端口。当进气活塞22朝向BDC横穿进气端口16时，进气端口16然后将开始打开。加压新鲜空气(“增压空气”)将进入汽缸孔12并开始将任何残留的燃烧气体清除出排气端口14。当活塞20和22行进通过它们各自的BDC位置并开始在压缩冲程中返回到TDC时，增压空气继续流入孔中，直到排气端口14被排气活塞20关闭并且进气端口16被进气活塞22关闭。此时，随着排气活塞20和进气活塞22继续朝向TDC滑动，由于端口14和16的关闭而被截留在汽缸孔12中的增压空气被越来越多地压缩，这使增压空气的温度升高。当两个活塞的端面20e和22e如图1B所示相邻时，燃料通过一个或多个喷射器25喷射到加热的压缩空气中，并且空气/燃料混合物燃烧，从而开始膨胀冲程。
现在参考图2A和图2B，活塞20在现有技术中被示为相对于衬套11为“基线”关系。就此而言，与纵向轴线AL正交的喷射器平面PI表示沿轴线AL的位置，其中喷射器中心线被定位。开口28e的环形阵列的第一边缘呈现排气端口14的内边缘30，并且开口28e的第二边缘呈现出排气端口14的外边缘32，使得端口开口28e被容纳在内边缘和外边缘之间。根据附图，内边缘30比外边缘32更靠近喷射器平面PI。内边缘30和外边缘32在它们之间呈现被表示为端口高度HP的纵向间隔(距离)。环组20r的内边缘和油控制组20o的外边缘在它们之间呈现被表示为环间隔距离SR的纵向间隔(距离)。
如在图2A中最佳看到的那样，当活塞20处于BDC时，外围边缘20p与排气端口14的外边缘32相邻。就此而言，可以说外边缘32位于BDC处。此时，油控制组20o被完全容纳在孔中(因为它必须是为了使环保持在它们的凹槽中)，与打开的排气端部18相邻。因此排气端口14仅在活塞20到达BDC时才完全打开。
如在图2B中最佳看到的那样，当活塞20处于TDC时，外围边缘20p靠近喷射器平面。此时，油控制组20o的内边缘在边缘32的外侧上与排气端口14的外边缘32分隔小距离d，因为它必须是为了在活塞20覆盖端口时保持排气端口14和曲轴箱之间的密封。
如在图2A和图2B中最佳看到的那样，很明显，环间隔距离SR强烈影响活塞20的长度，这继而影响衬套11的长度。减小SR的一种方式是减小油控制环组20o在发动机操作的每个循环所扫过的距离。然而，在保持冲程长度和压缩比的同时寻求发动机高度减小的情况下，难以通过排气端口高度HP保持不变的衬套构造来减小SR。进一步地，为保持活塞冲程和压缩比，排气端口14的内边缘30必须保持在图2A和图2B的基线位置中。根据本发明，通过将排气端口14的外边缘32朝向TDC移动到内侧，使得油环组20o的冲程也可以定位在内侧，从而实现期望的减小。由此可以缩短部件的级联：活塞、衬套、杆、曲柄-喷射器的平面距离，并最终缩短整个发动机。
现在假设通过减小端口高度Hp而不改变活塞冲程和压缩比来修改图2A和图2B的汽缸衬套的构造。就此而言，通过排气端口高度减小的示例说明一种新颖的汽缸构造，但这并非旨在限制本发明的范围。通过在图3A至图3C中形成高度尺寸比图2A和图2B中的高度尺寸小的端口开口28e来实现排气端口高度减小，其中排气端口14的内边缘30保持与喷射器平面处于相同距离，如在图2A中那样。在这种情况下，通过在喷射器平面PI的方向上将外边缘32重新定位在内侧，从而缩短内边缘30和外边缘32之间的纵向距离并且提供排气端口的减小的高度HP'来实现端口高度减小。汽缸衬套的这种构造允许活塞20的相称的紧凑构造，其中油环组20o在压缩环组20c的方向上纵向地重新定位，其优点是提供减小的环间隔距离SR'。因此，由于减小排气端口的高度尺寸，活塞20和汽缸衬套11两者均可以缩短，从而与图2A和图2B所示的现有技术相比，提供了更紧凑的汽缸构造。
当活塞在TDC和BDC之间移动时，参考在发动机操作期间汽缸和活塞之间的位置关系，可以进一步理解根据本发明的紧凑的汽缸衬套构造。就此而言，参考图3A，在膨胀冲程期间，活塞的外围边缘20p到达外边缘32，以便在活塞20到达其BDC位置之前完全打开排气端口14。然后，当第一活塞到达BDC时，活塞20的外围边缘20p在打开的排气端18的方向上在排气端口的外侧间隔开。
如图3C所示，当活塞20处于TDC时，所得的端口高度HP'使得排气端口14位于活塞20的压缩(上部)环组20c和油控制(下部)环组20o之间，其中，油控制环组20o与排气端口14的外边缘32分隔相同的距离d，如在图2B中那样。
衬套长度的减小可以在图2A和图2B中看出，其中将HP缩短到HP'能够将SR缩短到SR'，这继而使得衬套的排气端区段LES的长度缩短到LES'。这继而使得对置活塞发动机的高度相应地减小，从而充分利用了本发明的紧凑型带端口的汽缸构造。
虽然通过减小排气端口高度来说明根据本发明的紧凑型汽缸构造，但这并非意味着排除通过以相同方式减小进气端口高度或通过如所公开的那样减小排气端口和进气端口高度两者来达到相同目标。
图4涉及图2A和图2B的基线端口几何构造。该图为排气曲柄的旋转角度(“曲柄角度”)相对于在发动机操作的一个完整循环期间打开的排气端口的总面积(曲线100)，以及在发动机操作的相同循环期间打开的进气端口的总面积(曲线102)的时间曲线。参考排气曲柄角度(“CA”)以便示出排气曲柄引导进气曲柄的典型情况，如在发动机以直流扫气(uniflow scavenging)模式操作时所提供的那样。根据曲线100，排气活塞20从其TDC位置到其BDC位置的运动呈现包括0°至180°的发动机曲轴旋转的膨胀冲程，并且排气活塞在膨胀冲程之后从其BDC位置到其TDC位置的运动呈现包括180°至360°的发动机曲轴旋转的压缩冲程。在膨胀冲程期间，排气端口首先被打开，并且加压排气通过排气端口排出。这产生了卸压(blow-down)事件。如参考图4可以理解的那样，在所示的基线配置的操作循环期间，排气端口区域连续打开和关闭，其中在BDC处发生全开(CA＝180°)。然而，如图5所示，其涉及图3A至图3C的高度减小的排气端口，曲线100'示出排气端口在大约135°的曲柄角度处完全打开并且保持完全打开直到曲柄角度为大约225°。当然，排气端口完全打开的范围可以根据实现其他设计目标而变化，但主要受排气端口的高度HP影响。
一旦根据本发明的端口高度被结合到用于减小汽缸长度的二冲程对置活塞发动机的设计中，则其他设计折衷也是可能的。例如，如果给定排量的二冲程对置活塞发动机的进气活塞和排气活塞的冲程长度相同，则在发动机性能受损之前端口可变得有多短存在极限。在此极限下，相对于进气端口缩短的排气端口缩短几乎总是相当更大的。在具有200mm组合冲程(100mm进气量和100mm排气量)的发动机的特定情况下，已经发现排气端口的缩短可在10mm至14mm的量级，而进气端口的缩短可在2mm至3mm的量级。因此，总缩短潜力为12mm至17mm。对于相同的200mm组合冲程，如果进气冲程减小到80mm，则排气冲程可增加到120mm。如果假定相同的比例，则汽缸的排气端可以减小12mm至16.8mm，并且进气端可以减小1.6mm至2.4mm。在该示例中，总缩短潜力可以为13.6mm至19.2mm。因此，如果应用不相等的冲程，则可能进一步地缩短给定排量的二冲程对置活塞发动机。
尽管已经参考目前优选的实施例描述了带端口的汽缸和活塞构造的原理，但是应该理解，可以在不脱离所述原理的精神的情况下进行各种修改。因此，符合这些原则的专利保护仅受随附权利要求的限制。

Claims (6)

1.一种二冲程对置活塞的活塞和汽缸组合，其包括：
汽缸(11)，其提供具有纵向轴线(AL)的孔(12)，所述汽缸包括在所述汽缸的中央部分(17)的相应侧上沿所述纵向轴线设置的间隔开的排气端口(14)和进气端口(16)，所述排气端口具有环形构造，所述环形构造正交于所述纵向轴线并且包括内边缘(30)和外边缘(32)，所述内边缘和所述外边缘在它们之间呈现端口高度(HP)；以及
第一活塞(20)和第二活塞(22)，所述第一活塞(20)和所述第二活塞(22)在所述孔中相对放置，所述第一活塞(20)被设置成打开和关闭所述排气端口，并且所述第二活塞(22)被设置成打开和关闭所述进气端口，所述第一活塞和所述第二活塞中的每个包括外围边缘(20p，22p)、上部环组(20r，22r)和下部环组(20o，22o)，所述上部环组和所述下部环组在它们之间呈现间隔距离(SR)，所述第一活塞和所述第二活塞中的每个可操作以在所述孔中在上止点(TDC)位置和下止点(BDC)位置之间进行往复运动；
其特征在于：
所述排气端口高度(H'P)的尺寸被设定为使得当所述第一活塞(20)到达其TDC位置时，所述排气端口(14)位于所述第一活塞的所述上部环组(20r)和所述下部环组(20o)之间，其中所述下部环组与所述排气端口的所述外边缘(32)相邻；
所述排气端口在所述第一活塞到达其BDC位置之前完全打开，并且当所述第一活塞到达其BDC位置时，所述第一活塞的所述外围边缘与所述排气端口的所述外边缘在外侧分隔开；以及
所述第一活塞从其TDC位置到其BDC位置的运动呈现包括0°至180°的发动机曲轴旋转的膨胀冲程，并且所述第一活塞在膨胀冲程之后从其BDC位置到其TDC位置的运动呈现包括180°至360°的发动机曲轴旋转的压缩冲程，以及所述排气端口高度(H'P)使得所述排气端口在第一曲轴旋转的135°至225°的范围内保持完全打开。
2.根据权利要求1所述的活塞和汽缸组合，其中所述排气端口包括沿所述汽缸的第一相应圆周设置成环形阵列的多个端口开口。
3.根据权利要求2所述的活塞和汽缸组合，其中所述进气端口包括沿所述汽缸的第二相应圆周设置成环形阵列的多个端口开口。
4.根据权利要求3所述的活塞和汽缸组合，其中，所述上部环组和所述下部环组各自包括至少两个活塞环。
5.根据权利要求3所述的活塞和汽缸组合，其中所述上部环组包括至少一个压缩环并且所述下部环组包括至少一个刮油环。
6.一种二冲程对置活塞发动机，其包括一个或多个根据前述权利要求中任一项所述的活塞和汽缸组合。
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