CN108699995A - 用于对置活塞发动机的汽缸的屏障环和组件 - Google Patents

Abstract

在限定燃烧室的汽缸衬套的容积中，用于对置活塞发动机的汽缸组件的屏障环装配到被制成为汽缸衬套的与活塞的端表面的上止点位置相邻的一部分的凹槽中。屏障环和凹槽是屏障组件的一部分，屏障组件防止在燃烧期间生成的热到达汽缸组件的外壁，从而减少对常规冷却系统的需要并且增加保持在燃烧室中的热量。由于燃烧室中保持的燃烧热，所以屏障组件允许发动机效率提高，而且由于所需的发动机冷却减少，所以屏障组件允许发动机的总尺寸减小。

Description

用于对置活塞发动机的汽缸的屏障环和组件

优先权

本申请要求于2016年3月4日向美国专利及商标局提交的美国申请序列号15/060,933的优先权。

相关申请

本公开包括与以下共同拥有的美国专利申请的公开内容有关的材料：2011年7月29日提交的美国专利申请13/136,402，现为美国专利8,485,147；2012年2月2日提交的美国专利申请No.13/385,127，现为美国专利8,851,029；2014年4月7日提交的美国专利申请No.14/255,756，现为美国专利9,121,365；2015年3月31日提交的未决美国专利申请No.14/675,340；以及2015年6月5日提交的未决美国专利申请No.14/732,496。

技术领域

本领域包括对置活塞发动机。更特别地，本领域涉及包括用于汽缸组件的屏障环的屏障组件，其被构造成减少来自对置活塞发动机中的汽缸组件的排热。

背景技术

对置活塞发动机汽缸组件的构造是很好理解的。汽缸组件包括保持在形成于汽缸体中的汽缸通道中的衬套(有时称为“套筒”)。衬套包括镗孔和在衬套中靠近衬套的相应端部加工或形成的纵向移位的进气口和排气口。进气口和排气口中的每个包括一个或多个周向开口阵列，其中相邻的开口由汽缸壁的实心部分(也称为“桥”)分隔开。衬套的中间部分存在于进气口和排气口之间。在对置活塞发动机中，在衬套的镗孔中设置两个对置的反向移动的活塞，其中这两个活塞的端表面彼此面对。在动力冲程开始时，对置活塞到达衬套的中间部分中的相应的上止点(TDC)位置，在该位置处对置活塞在汽缸中彼此相互最紧密接近。在动力冲程期间，活塞远离彼此移动，直到它们接近衬套的端部部分中的相应的下止点(BDC)位置，在该位置处活塞彼此相距最远。在压缩冲程中，活塞反转方向并且从BDC朝向TDC移动。

在活塞靠近其TDC位置时，位于进气口和排气口之间的汽缸的中间部分界定被限定在活塞的端表面之间的燃烧室。此中间部分承受发动机操作期间发生的最高水平的燃烧温度和压力。在中间部分中发动机部件(诸如燃料喷射器、阀和/或传感器)的开口的存在减小了汽缸组件的强度并且使汽缸衬套易于破裂，特别是通过燃料喷射器和阀开口。

通过汽缸衬套的热损失是在对置活塞发动机的整个操作循环中使发动机性能降低的因素。当燃料喷射到当活塞相互紧密接近时被压缩在活塞端表面之间的空气中时发生燃烧，从而形成燃烧室。通过衬套的燃烧热的损失减少了可用于在动力冲程中驱动活塞分开的能量的量。通过限制这种热损失，将提高燃料效率，将减小对冷却剂的排热，并且能够实现较高的排气温度。较小的冷却系统和较低的泵送损失只是限制通过汽缸组件的热损失的一些益处。因此可期望在汽缸组件内保持尽可能多的燃烧热。

根据本公开的对置活塞汽缸组件构造满足热隔离的目的，从而允许对置活塞发动机比现有技术的对置活塞发动机操作更高的保热性。

发明内容

在发生燃烧的活塞的上止点(TDC)位置之间的汽缸衬套的环形部分中出现对置活塞发动机汽缸组件中的最高浓度的热。进入衬套的总热通量的近一半出现在此环形部分中。因此，用于以产生高耐热性的方式插入到汽缸衬套中的屏障环的构造将减少通过环形衬套部分的热通量。

在某些实施方式中，本文提供一种屏障组件，该屏障组件包括屏障环、与靠近燃烧室的汽缸衬套部分相邻的凹槽以及在屏障环和凹槽的后壁之间的空间或空隙。在第一活塞和第二活塞在汽缸组件中靠近其上止点位置时，燃烧室由第一活塞上的第一端表面和第二活塞上的第二端表面部分地限定。在相关方面，本文提供用于屏障组件中的屏障环。屏障环包括端部开口的管，该管具有限定管内容积的壁。该管包括壁中的第一组开口和第二组开口，其中第一组开口允许在发动机硬件和燃烧室之间的连通，并且第二组开口允许由屏障环分隔开的两个容积之间的压力均衡。本文还提供制造和使用屏障环和屏障组件的方法。

附图说明

图1A示出来自具有压缩套筒和被容纳在衬套中的活塞的对置活塞发动机的汽缸组件的一部分的横截面。

图1B示出图1A的汽缸组件的外部。

图2A为汽缸衬套的一部分的三维视图，其中安装的屏障环以阴影示出。

图2B为根据本说明书的具有一个或多个汽缸组件的对置活塞发动机的示意图。

图3为在安装到汽缸镗孔中之前的屏障环的三维视图。

图4A为汽缸组件和具有在TDC处的相对活塞和屏障组件的发动机体的一部分的横截面图。

图4B为图4A的汽缸组件和活塞的局部分解图。

图4C为图4B中所示的汽缸组件和屏障组件的变型。

图5A至图5C为在安装到汽缸镗孔中之前被展开平放的屏障环的三个示例性配置。

图6示出用于汽缸组件中的示例性屏障环。

具体实施方式

图1A和图1B示出用于对置活塞发动机中的示例性汽缸组件。汽缸组件16包括衬套20、进气口25、排气口29、衬套的外表面42、压缩套筒40和镗孔37。两个活塞35和36设置在镗孔37内。活塞35和36分别具有端表面35e和36e，在活塞35、36处于或靠近其各自的上止点(TDC)位置时，端表面35e和36e部分地限定燃烧室41。燃烧室41还被汽缸的中间部分34中的汽缸衬套20部分地限定。中间部分34位于进气口25和排气口29之间。开口46位于中间部分中、在燃烧室41的周边处，燃料喷射部件45和其它发动机部件能够装配到开口46中。在相关美国专利申请No.14/675,340中详细描述了这种示例性汽缸组件。

压缩套筒40形成为限定在其自身和衬套的外表面42之间的大致圆柱形空间，液体冷却剂可通过该大致圆柱形空间在轴向方向上从靠近进气口处朝向排气口流动。如美国专利申请No.14/675,340中更详细地描述，中间部分34被压缩套筒40加强，并且冷却流体在大致环形空间55和59中在压缩套筒40中循环。在这些大致环形空间55、59中循环的冷却流体流向对置活塞发动机的允许热从冷却流体耗散到周围环境的其它部件(在图1A和图1B中未示出)，诸如散热器。

图2A为安装有屏障环200的汽缸衬套20的一部分的三维视图。屏障环200以阴影示出。屏障环200位于中间部分34中、与中间部分的包括用于喷射部件的一个或多个开口46的部分重叠以及与中间部分的环绕燃烧室的部分重叠。图2B示出具有三个汽缸组件101的对置活塞发动机100，其中每个汽缸包括汽缸体105中的汽缸通道103和根据本说明书的坐置在汽缸通道中的汽缸衬套107(图1A至图1C中的附图标记20)。当然，汽缸的数量并不意味着是限制性的。实际上，发动机100可具有少于或多于三个汽缸。每个汽缸组件101具有安装在汽缸组件101的中间部分中的屏障环200。屏障环200以阴影示出，如图2A中所示。

本文所讨论的屏障环200是屏障组件(例如，热屏障组件)的一部分，该屏障组件被插入到或位于汽缸组件的镗孔中并且防止从燃烧室入射在屏障环上的热传递到对置活塞发动机的其它部分。与汽缸组件的壁相比，屏障环能够为薄的，并且环中能够存在许多开口、穿孔或孔。屏障环的材料、屏障环形状、屏障环中的开口以及屏障环与隔热层或气隙的组合影响屏障组件阻止热逸出到发动机中的其它容积的能力。

图3为在安装到汽缸镗孔中之前的示例性屏障环200(例如，热屏蔽环)的三维视图。屏障环200为薄壁管或环，其具有折叠边缘210、用于在喷射/燃烧硬件和燃烧室之间连通的开口220以及允许在屏障环200内的空间和屏障环200外的汽缸环境之间的压力均衡的开口215。屏障环200坐置在汽缸衬套内侧上的周向凹槽中。凹槽位于燃烧室处或与燃烧室相邻。屏障环200形成为使得折叠边缘210允许在插入到凹槽中时屏障环200的内表面基本上与汽缸衬套的内壁基本齐平。屏障环200和周向凹槽以及环和凹槽后壁之间的空隙都是屏障组件的一部分。

图4A为汽缸组件16和发动机体的一部分的横截面图，其中相对的活塞35、36处于TDC处，从而形成燃烧室41，并且其中屏障环200安装到凹槽225中，如上所述。屏障环200的宽度近似是沿汽缸的中心轴线测量的从一个活塞端表面36e到另一个活塞端表面35e的燃烧室41的高度。图4B为图4A的汽缸套筒和活塞的局部分解图，该局部分解图更详细地示出包括凹槽225和屏障环200的屏障组件。图4B中还示出用于均衡凹槽225中的空隙230和燃烧室41之间的压力的屏障环中的开口215。空隙230有助于防止热流动远离燃烧室41。在图4B中，屏障环200位于凹槽225中并且被示出为与凹槽的侧面226齐平；屏障环200的折叠边缘210向上抵靠凹槽侧面226。屏障环的主要部分，即包括开口215的屏障环壁，通过屏障环的折叠边缘210与凹槽225的后壁227间隔开。在发动机已经预热并且屏障环200已经膨胀之后，屏障环200可具有图4B中所示的配置。当发动机是冷的时，在凹槽侧面226和屏障环的折叠边缘210之间的界面240中能够存在10微米至100微米之间的间隙。在某些实施方式中，凹槽侧面226和屏障环的边缘210之间的冷发动机中的间隙能够小于10微米，或者另选地，间隙能够为100微米或更大。另选地，或另外地，在凹槽侧面226处或在凹槽侧面226周围的材料能够足够柔顺或者被构造成适应屏障环200在汽缸组件16的轴向方向上的任何膨胀。

在大多数发动机中，在活塞和汽缸衬套内壁之间提供周向间隙空间以允许热膨胀。在长时间的操作之后，在活塞的顶部槽脊上，碳积聚在该间隙空间中，这能够导致摩擦和环磨损增加；在最坏的情况下，其能够引起环顶起。优选地，在端口所在的位置不发生碳去除。靠近端口的碳碎屑能够污染进入镗孔的增压空气或能够被扫入到在燃烧之后离开汽缸组件的气体流中，从而降低发动机的性能。

在图4A所示的配置中，屏障环200被示出为接触活塞35、36并且桥接汽缸镗孔和活塞35、36的侧面之间的空隙450。当活塞在汽缸中接近和/或离开TDC时，通过突出超过凹槽225，屏障环200能够接触并且刮擦活塞35、36的侧壁。这种接触和刮擦能够去除活塞35、36的侧壁上的碳积聚，同时避免刮擦的碳使进入的空气积垢或增加到排气排放的可能性。

另选地，在某些实施方式中，在发动机是冷的时，屏障环200可与凹槽的侧面226齐平。在发动机预热时，屏障环200能够弯曲远离汽缸衬套、进入燃烧室。当活塞朝向或远离TDC移动通过汽缸时，屏障环的弯曲部分能够与活塞35、36的侧壁摩擦。在此类实施方式中，在发动机是冷的时，可存在或可不存在上面讨论的在屏障环边缘和凹槽侧壁之间的界面240中的间隙。

图4C示出屏障环200和凹槽225的另选配置。图4C所示的屏障环200没有折叠边缘，并且屏障环200和凹槽225的后壁227由间隔件228分隔开。间隔件228被示出为从凹槽侧壁226和后壁227突出的一对凸缘。该间隔件228代替图4B所示的屏障环的折叠边缘210。在发动机是冷的时，在两个240之间的界面处的在屏障环200和凹槽侧壁226之间的间隙能够具有关于图4B所示的配置所讨论的间隙的特性。具有折叠边缘210的屏障环200能够与衬套(衬套的凹槽225包括间隔件228)一起使用，然而，这样做可导致屏障环200突出到汽缸的容积中太远的配置，并且不仅刮擦活塞的顶部槽脊，而且实际上可阻碍活塞的移动。

在任何情况下，不管间隔件228是作为凸缘(如图4C所示)存在，还是作为屏障环的折叠边缘210存在，还是以某些其它方式存在，屏障环200与凹槽225的后壁227分隔开在约0.5mm到约3mm范围内的距离。在某些实施方式中，将屏障环与凹槽的后壁分隔开的空隙能够为约0.5mm到约2.5mm，诸如约0.75mm到约2mm，包括约1.0mm到约1.5mm。

屏障环200能够由能够承受反复暴露于燃烧室中经历的温度和压力并且能够快速耗散热的任何合适的材料制成。在某些实施方式中，用于制造屏障环的材料将不同于用于形成汽缸衬套或镗孔的材料。用于屏障环的合适材料包括高温镍-铬基合金(诸如)、钴-铬合金(诸如合金6)、不锈钢等。屏障环200的厚度以及用于制作屏障环的材料和在屏障环中制成的开口的图案被选择成，使得屏障环200足够牢固，以便在发动机正运行时在暴露于汽缸组件内部的温度和压力时能够承受机械故障。屏障环的厚度能够在约0.5mm到约3.0mm的范围内，诸如约1.0mm到约2.5mm，包括约1.0mm到约2.0mm。

如上所述，屏障环中的开口能够允许发动机部件接触燃烧室的内部且/或允许汽缸中由屏障环分隔开的容积之间的压力均衡。屏障环被尺寸制定成装配到汽缸衬套的镗孔中的凹槽中，其中在活塞靠近其TDC位置时形成燃烧室。屏障环和凹槽(包括屏障环和凹槽的后壁之间的空间)一起形成屏障组件，该屏障组件防止从燃烧室到周围的汽缸组件和发动机的热损失。

屏障环中允许发动机部件到达燃烧室中的开口220能够位于燃料喷射喷嘴、压缩释放发动机破坏阀和传感器从汽缸凸出到燃烧室中的位置(例如，图2中的46)。这些开口被尺寸制定成仅允许发动机部件(例如，喷嘴和传感器)通过；太大的开口是不期望的，如将在下面进一步解释。然后，屏障环比最大开口的直径宽(高)约2mm至20mm。在某些实施方式中，屏障环具有比屏障环壁中的最大开口的直径宽约4.0mm到约20.0mm的高度，包括比最大开口的直径宽约2.0mm到4.0mm的高度，比最大开口的直径宽约5.0mm到约20.0mm，比屏障环壁中的最大开口的直径宽约6.0mm到约19.0mm、约7.0mm到约18.0mm以及约8.0mm到约16.0mm。

对于屏障环中的开口存在意味着允许在屏障环的任一侧上的空间之间的压力均衡的各种可能配置(例如，图3中的215)。这些开口允许气体在由屏障环包围的燃烧室中的空间与在屏障环和凹槽中的汽缸衬套之间的空隙之间移动。这允许压力均衡，这进而防止由于高机械应力造成的屏障环的过度变形。虽然较大的开口将允许屏障环两端/上(across)的压力快速均衡，但是太大的开口将不提供期望的热屏蔽特性。太大的开口将允许热通过汽缸衬套和汽缸组件的剩余部分逸出，而太小的开口将导致环上的压力不平等，并且进而导致屏障环的机械应力和变形。

屏障环中的所有开口的尺寸和形状被优化以实现最大的热损失减少，同时维持屏障环上的可接受的压力差。压力均衡开口能够具有任何形状，诸如圆形、椭圆形，三角形、矩形、正方形、狭缝状等。圆角能够用于消除屏障环中的应力集中。压力均衡开口的布置能够变化，以使热损失减少和屏障环上的压力均衡最大化。成组的压力均衡开口能够用于使开口的密度变化。在某些实施方式中，所选择的开口位置能够产生沿屏障环的中心或中线没有压力均衡开口的环。另选地，所选择的开口位置能够产生仅仅沿环的中线具有开口的屏障环，或者沿环的中线以及离开环的中线均具有开口的屏障环。另外，开口的位置能够针对特定的角节距(例如，沿环的开口的频率)。压力均衡开口的角节距能够在30°和45°之间。压力均衡开口能够随机定位或具有明确的图案。这些开口都能够具有相似的尺寸和形状，或者压力均衡开口的尺寸和形状能够变化，只要屏障环使汽缸的热损失减少最大化同时使环中能够引起故障的机械应力最小化即可。

通常，屏障环的总表面积能够由1％和5％之间的开口组成。在某些实施方式中，屏障环能够具有小于1％开口的表面积。在某些实施方式中，开口能够占屏障环的表面积的5％或更多。

图5A至图5C示出在安装到汽缸镗孔中之前屏障环被展开平放的示例性屏障环配置。图5A为具有折叠边缘210、用于喷射喷嘴和其它部件的开口220以及压力均衡开口215的屏障环200。在图5A所示的屏障环中，压力均衡开口215为圆形的并且被分组成使得这些类型的开口不沿环的中线260a定位。图5B示出具有折叠边缘210b、用于喷射喷嘴和其它部件的开口220b以及狭缝状压力均衡开口215b的屏障环200b。狭缝状开口215b在环的中线260b的任一侧上成对地均匀地间隔开。图5C示出具有折叠边缘210c、用于发动机部件的开口220c以及圆形压力均衡开口215c的屏障环200c。与狭缝状开口215b一样，圆形开口215c以避免沿屏障环的中线260c放置任何开口215c的图案定位。开口215c分组成交替的对和单个开口。如上所述，虽然图5A至图5C所示的屏障环配置不具有沿环的中线的开口，但是在某些实施方式中，屏障环能够包括沿中线的开口。

虽然图2示出屏障环200作为如图5A至图5C所示端部彼此粘附的连续环，但是端部事实上可不被密封或粘附。这能够便于将屏障环200安装到汽缸衬套中，以及允许环的大小随着汽缸组件中的温度改变而改变。如图5A至图5C所示，屏障环200能够被制作为材料带，其中开口和折叠边缘被机加工或铸造到材料中。然后材料带能够被加工成符合某一曲率半径。该曲率半径能够等于凹槽的曲率半径或略微大于，使得在屏障环200放置到凹槽225中时，屏障环200推靠在凹槽的边缘上并固定到适当位置。另选地屏障环200能够被制作成没有折叠边缘，并且因为环足够厚，所以屏障环能够保持其所加工成的曲率半径。没有折叠边缘的屏障环能够通过使用凹槽中的间隔件诸如唇缘或台阶(即，图4C中的凸缘228)维持环和汽缸衬套之间的凹槽中的空隙，其中所述间隔件支撑屏障环的边缘并且使边缘远离凹槽的后壁。

另外地，或另选地，使用具有屏障环的衬套的对置活塞发动机的汽缸组件能够与活塞结合使用，活塞在其端表面处均具有屏障层。此类活塞的端表面处的屏障层能够允许在燃烧室中达到较高的温度而不降低性能。具有防热损失屏障层的活塞和本文所述的汽缸组件的此类组合能够允许常规热管理系统减少、发动机效率更好和/或排放水平减少。

在对置活塞发动机中的燃烧事件期间，第一活塞和第二活塞将在汽缸组件中通过环形汽缸衬套的镗孔在沿汽缸衬套的长轴线的方向上从下止点(BDC)朝向上止点(TDC)移动。当第一活塞和第二活塞轴向移动，并且两个活塞都靠近它们的上止点位置时，这两个活塞将最终在它们的端表面之间产生燃烧室。当活塞朝向彼此移动以形成燃烧室时，汽缸组件中的在活塞端表面之间的空气变热。燃料被喷射到燃烧室中，并且燃料与加热的空气混合。在第一活塞的端表面和第二活塞的端表面之间发生燃烧，从而释放热并且产生压力。该压力推动第一活塞和第二活塞分开。包括如本文所述的屏障环和汽缸衬套中的凹槽的屏障组件防止一些燃烧热到达汽缸组件的外侧，其中该屏障组件位于环形汽缸衬套的镗孔内、在燃烧室的周边上(例如，在第一活塞和第二活塞的镗孔中的TDC位置之间)。

如本文所述，使用具有屏障环的衬套的对置活塞发动机的汽缸组件能够与常规热管理系统一起使用，以耗散通过汽缸壁损失的热。如上所述，通过使用具有屏障环的汽缸衬套，常规冷却系统可不必耗散燃烧室周围的来自汽缸组件的同样多的热。因此，冷却系统的尺寸能够较小，从而导致整体更紧凑和有效率的发动机。

示例1

图6示出用于对置活塞发动机的汽缸衬套的示例性屏障环600。屏障环600装配到汽缸衬套中的凹槽中。制造屏障环所针对的汽缸衬套具有98.25cm的内直径。屏障环600具有2.5mm直径和45°角节距的压力均衡开口615，该压力均衡开口615沿屏障环的中心线形成。屏障环600还具有折叠边缘610并且具有开口620以允许喷嘴将燃料喷射到由屏障环600围绕的燃烧室中。

根据本公开的实现对置活塞发动机的耐久性和耐热性的目的中的一个或多个的这些和其它屏障环实施例提供的专利保护范围仅受任何最终允许的专利权利要求的范围的限制。

Claims (8)

1.一种对置活塞发动机的汽缸组件(16)，所述汽缸组件包括：

在所述汽缸组件的镗孔中的凹槽(225)，所述凹槽定位在燃烧室的周边处,在第一活塞和第二活塞在所述对置活塞发动机中的所述汽缸组件中靠近它们的上止点位置时所述第一活塞上的第一端表面和所述第二活塞上的第二端表面部分地限定所述燃烧室，所述凹槽包括相对的侧壁(226)和后壁(227)；

进气口和排气口，所述进气口和排气口纵向置于所述凹槽的任一侧上；

屏障环(200、600)，所述屏障环坐置在所述凹槽中；

其中所述屏障环包括端部开口的管，所述管具有限定所述管内的容积的壁、被配置成接触所述凹槽的所述侧壁(226)的壁边缘(210)、在所述壁中的用于发动机硬件和所述燃烧室之间的连通的第一组开口(220)以及在所述壁中的被配置成允许在所述管内的所述容积和所述管外的容积之间的所述管上的压力均衡的第二组开口(215)；以及，

间隔件(228)，所述间隔件被配置成维持所述屏障环的所述壁不接触所述凹槽的所述后壁(227)。

2.根据权利要求1所述的汽缸，其中所述管具有比所述第一组开口的最大开口的直径大大约2mm到约20mm的高度。

3.根据权利要求1所述的汽缸组件，其中所述间隔件包括从所述凹槽的所述侧壁和后壁突出的一对凸缘。

4.根据权利要求1所述的汽缸组件，其中所述间隔件包括在所述屏障环上的折叠的壁边缘(210)。

5.根据权利要求1所述的汽缸组件，其中所述第二组开口具有在30°和45°之间的角节距。

6.根据权利要求1-5所述的汽缸组件，其中所述第二组开口包括圆形、椭圆形、三角形、矩形和/或正方形开口。

7.一种操作包括权利要求1-6所述的汽缸组件的对置活塞发动机的方法，所述方法包括：

使相对设置在所述汽缸组件的镗孔中的一对活塞运动；

其中所述一对对置活塞中的第一活塞的运动是在所述汽缸衬套的轴向方向上在第一下止点(BDC)位置和第一上止点(TDC)位置之间；

其中所述一对对置活塞中的第二活塞的运动是在所述汽缸的轴向方向上在第二下止点(BDC)位置和第二上止点(TDC)位置之间；

在所述第一活塞和第二活塞在所述发动机的压缩冲程期间靠近所述第一TDC位置和第二TDC位置时，燃烧在所述第一活塞和第二活塞的端表面之间的空气和燃料的混合物；

用嵌入所述第一TDC位置和第二TDC位置之间的所述镗孔中的屏障环防止来自所述燃烧的热损失；以及

均衡所述屏障环上的压力。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述屏障环被嵌入所述镗孔中的凹槽中，进一步其中在所述发动机是冷的时在所述屏障环的边缘和所述凹槽的侧壁之间存在10微米和100微米之间的间隙。