CN110392772B - 内燃发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内燃发动机，其包括容纳燃烧活塞的燃烧缸、容纳压缩机活塞的压缩机缸、容纳膨胀器活塞的膨胀器缸、以及由相应的连杆连接到所述燃烧活塞和膨胀器活塞的曲轴。该内燃发动机还包括连接元件，该连接元件将压缩机活塞和膨胀器活塞刚性地连接，使得压缩机活塞和膨胀器活塞一致地移动。

Description

内燃发动机

技术领域

本发明涉及一种内燃发动机。本发明适用于车辆，特别是重型车辆，例如卡车。然而，尽管将主要针对卡车来描述本发明，但该内燃发动机当然也适用于其它类型的车辆，例如轿车、工业建筑机械、轮式装载机等。

背景技术

多年来，对内燃发动机的需求一直在稳步增长，并且发动机不断发展以满足来自市场的各种要求。减少排气、提高发动机效率(即减少燃料消耗)和来自发动机的更低的噪声水平是在选择车辆发动机时变成了重要方面的一些标准。此外，在卡车领域，存在适用的法律指令，其例如已经确定了可允许的最大排气污染量。更进一步，降低车辆的总成本是重要的，并且由于发动机构成了总成本的相对大的部分，很自然的是也降低发动机部件的成本。

为了满足所描述的要求，多年来已经开发了各种发动机构思，其中传统的燃烧缸已经例如与预压缩级和/或膨胀级进行组合。

在四冲程发动机中，气缸在一个循环中执行四个冲程，即进气、压缩、做功和排气。例如，在例如通过传统的奥托循环或狄塞尔循环工作的四冲程内燃发动机中，发动机中的每个气缸在每个循环中执行四个冲程。因此，每个做功冲程导致曲轴的两圈旋转。相比之下，两冲程发动机仅在一圈曲轴旋转期间以气缸的两个冲程完成动力循环，这是因为做功冲程的结束和压缩冲程的开始同时发生，并且进气功能和排气功能在同一时刻发生。

US 967,828公开了一种内燃发动机，其目的是使执行发动机循环所需的气缸和活动部件的数量最少。US 967,828中的内燃发动机包括利用两个导管彼此连接的高压缸和低压缸。低压缸被配备成交替地执行压缩机的功能和膨胀器的功能。由此，减少了对单独的压缩机和单独的膨胀器的需求，并且能够使内燃发动机相对紧凑。

然而，今天的高功率效率发动机对内燃发动机的紧凑设计、更低摩擦和更低的散热提出了新的要求。因此，在工业上需要进一步的改进。

发明内容

鉴于现有技术的上述及其它缺点，本发明构思的目的是提供一种内燃发动机，该内燃发动机是紧凑的，同时仍提供相对高的功率效率，并且至少减轻了上述问题。该目的至少部分地通过根据本发明的第一方面的内燃发动机来实现。

根据本发明的第一方面，提供了一种内燃发动机，其包括：

-至少一个燃烧缸，该至少一个燃烧缸容纳燃烧活塞，所述燃烧缸被构造成由燃烧力(forces of combustion)激励；

-压缩机缸，该压缩机缸容纳压缩机活塞，所述压缩机缸被构造成压缩一定体积的空气并将压缩后的空气输送到所述至少一个燃烧缸；

-膨胀器缸，该膨胀器缸容纳膨胀器活塞，所述膨胀器缸被构造成接收来自所述至少一个燃烧缸的排气；

-曲轴，该曲轴由相应的连杆连接到所述至少一个燃烧活塞和所述膨胀器活塞，

其中，该内燃发动机还包括连接元件，该连接元件刚性地连接所述压缩机活塞和所述膨胀器活塞，使得所述压缩机活塞和所述膨胀器活塞一致地移动。

当所述膨胀器活塞和压缩机活塞由连接元件刚性地连接时，该内燃发动机能够被制造得更紧凑。更具体地，与膨胀器活塞和压缩机活塞彼此未刚性连接的设计相比，当膨胀器活塞和压缩机活塞彼此刚性地连接时，膨胀器活塞和压缩机活塞的总高度能够更低。此外，所述连接元件在膨胀器活塞和压缩机活塞之间提供了机械硬连接(mechanicallystiff connection)，因此提高了该内燃发动机的机械稳定性。在传统的活塞中，活塞的高度、即活塞裙部(通常具有与活塞的直径相同的尺寸)旨在防止活塞在气缸内部的不对准。通过具有将膨胀器活塞和压缩机活塞连接的连接元件，膨胀器活塞有助于使压缩机活塞在压缩机缸的内部对准，并且压缩机活塞有助于使膨胀器活塞在膨胀器缸的内部对准。由此，能够减小各个活塞的高度(或裙部)，从而导致例如更低的摩擦损失。

此外，与其中在活塞端(即连杆的小端)处联接的连杆的润滑难以实现的传统两冲程发动机相比，在本发明的内燃发动机中的膨胀器活塞连杆的润滑相对容易实施，这是因为压缩机活塞刚性地连接到膨胀器活塞且因此与膨胀器活塞一致地移动。更详细地，在传统两冲程发动机中，在连杆的小端处的轴颈轴承仅在曲轴旋转期间来回移动。非旋转的轴颈轴承难以润滑。此外，在四冲程发动机中，连杆的小端在排气冲程和进气冲程之间在上止点(TDC)处被润滑。由此，相对低的气体压力和活塞的加速度使活塞能够从活塞销“提升”，由此润滑油能够进入轴颈轴承。再次与传统两冲程发动机相比，TDC处的始终相对高的气体压力对于活塞加速度来说太高而无法克服，因此难以将润滑油送入到轴颈轴承中。本发明解决了此问题(对于四冲程发动机)，因为压缩机中的气体压力在膨胀器活塞上施加向上的力，并且因为在膨胀器做功冲程的第二半期间该力大于来自膨胀器缸中的气体的反作用力。由此，润滑油能够进入到膨胀器连杆的小端处的轴颈轴承中。

应该理解，至少一个燃烧活塞被布置在所述至少一个燃烧缸内部，且适于在其内往复运动。对应地，所述压缩机活塞和膨胀器活塞分别布置在压缩机缸和膨胀器缸内部，且适于在其内往复运动。此外，压缩机活塞的“向下”冲程是指压缩机缸中的空气被压缩的、压缩机活塞的冲程。对应地，压缩机活塞的“向上”冲程是指压缩机活塞在相反方向上的冲程。此外，由于膨胀器活塞由所述连接元件刚性地连接到压缩机活塞且因此与压缩机活塞一致地移动，所以压缩机活塞的向下冲程和向上冲程与膨胀器活塞的相应的冲程一致。

根据至少一个实施例，所述压缩机活塞经由所述膨胀器活塞连接到所述曲轴，使得所述曲轴的旋转运动经由膨胀器活塞连杆被转换成所述压缩机活塞的往复运动。

因此，根据至少一个实施例，膨胀器活塞和压缩机活塞被布置有共用的连杆。即，压缩机活塞经由膨胀器活塞连杆连接到曲轴。

换句话说，曲轴经由所述至少一个燃烧活塞的连杆(即，燃烧活塞连杆)由所述至少一个燃烧活塞驱动，并且经由膨胀器活塞的连杆(即，膨胀器活塞连杆)由膨胀器活塞驱动。

通过具有将膨胀器活塞与压缩机活塞刚性地连接的连接元件以及将膨胀器活塞和压缩机活塞二者的往复运动转换成曲轴的旋转运动的膨胀器活塞连杆，在压缩机活塞处产生的横向力非常小。更具体地，所述横向力由于连杆角度而产生，并且在膨胀器活塞销(将膨胀器活塞连接到连杆的活塞销)处被施加到膨胀器活塞。由于在压缩机活塞处没有活塞销，因为压缩机活塞不经由其自身的连杆连接到曲轴，所以横向力被主要分布到膨胀器活塞并被进一步传递到膨胀器缸的内表面。换句话说，所产生的力(例如源自通过所述连杆(即，这里是膨胀器活塞连杆)将活塞的往复运动转换成曲轴的旋转运动的、作用在活塞上的横向力)能够被主要地分布到其中来自曲轴的连杆在此处被联接的膨胀器活塞，并且无任何连杆将压缩机活塞直接连接到曲轴。因此，根据至少一个实施例，压缩机活塞是无连杆的压缩机活塞。

换句话说，膨胀器活塞连杆将压缩机活塞和膨胀器活塞的往复运动转换成所述曲轴的旋转运动。

根据一个实施例，所述曲轴通过燃烧活塞连杆由所述至少一个燃烧活塞驱动，并且通过所述膨胀器活塞连杆由所述膨胀器活塞驱动，其中，所述压缩机活塞通过所述膨胀器活塞由所述曲轴驱动。

也就是说，曲轴被驱动，即由于燃烧力而从燃烧缸和燃烧活塞接收动力并且由于膨胀力而从膨胀器缸和膨胀器活塞接收动力。此外，曲轴驱动所述压缩机活塞和压缩机缸，即向所述压缩机活塞和压缩机缸输送动力，以对空气进行压缩。因此，曲轴通过连杆由动力活塞(即，至少所述至少一个燃烧活塞和所述膨胀器活塞)以可旋转方式驱动，并且曲轴通过已经存在的且用于所述动力活塞的连杆来驱动动力消耗活塞(即，至少所述压缩机活塞)。换句话说，并且根据一个实施例，该内燃发动机包括仅直接连接到所述动力活塞(即，所述至少一个燃烧活塞和所述膨胀器活塞)的连杆。

根据一个实施例，所述膨胀器活塞具有膨胀器活塞高度和膨胀器活塞直径，并且其中，膨胀器活塞高度小于膨胀器活塞直径的1/3，优选小于膨胀器活塞直径的1/5，或者更优选小于膨胀器活塞直径的1/10或1/15。

通过具有将膨胀器活塞和压缩机活塞连接的连接元件，能够减小膨胀器活塞的高度或裙部。换句话说，该连接元件提供了机械稳定性，从而使膨胀器活塞的高度或裙部能够减小。根据一个示例实施例，相对于膨胀器活塞密封装置来设定膨胀器活塞的高度或裙部的大小和尺寸。

根据一个实施例，所述压缩机活塞具有压缩机活塞高度和压缩机活塞直径，并且其中，压缩机活塞高度小于压缩机活塞直径的1/3，优选小于压缩机活塞直径的1/5，或者更优选小于压缩机活塞直径的1/10或1/15。

通过具有将膨胀器活塞和压缩机活塞连接的连接元件，能够减小压缩机活塞的高度或裙部。换句话说，该连接元件提供了机械稳定性，从而使压缩机活塞的高度或裙部能够减小。根据一个示例实施例，相对于压缩机活塞密封装置来设定压缩机活塞的高度或裙部的大小和尺寸。

应该理解，各个活塞的高度经常被称为活塞的裙部，并且膨胀器活塞的直径通常是面向膨胀空间(expansion volume)的表面的直径，并且压缩机活塞的直径通常是面向压缩空间的表面的直径。

通过减小膨胀器活塞和/或压缩机活塞的高度或裙部，各个活塞能够以较小的摩擦在它们各自气缸的内部移动。

根据一个示例实施例，压缩机活塞的直径小于膨胀器活塞的直径。例如，压缩机活塞的直径在膨胀器活塞的直径的1/2至1/99之间，例如是膨胀器活塞的直径的大约2/3。

根据一个实施例，所述压缩机活塞、所述膨胀器活塞、以及所述曲轴的一部分被沿几何轴线布置，并且其中，所述曲轴的所述部分沿着所述几何轴线布置在所述压缩机活塞和所述膨胀器活塞之间。

由此，能够实现该内燃发动机的紧凑设计。曲轴的所述部分能够被描述为所述膨胀器活塞和所述压缩机活塞的中介(intermediary)。曲轴的所述部分例如可以是曲轴的沿着曲轴的纵向方向的部段。

根据一个实施例，所述膨胀器活塞在所述膨胀器缸内部的往复运动沿着膨胀器轴线发生，并且所述至少一个燃烧活塞在所述燃烧缸内部的往复运动沿着燃烧轴线发生。根据一个实施例，所述几何轴线与所述膨胀器轴线和所述压缩机轴线重合。

根据一个实施例，所述压缩机活塞、所述膨胀器活塞、以及所述曲轴的所述部分被布置在至少沿着膨胀器轴线和压缩机轴线之一延伸且垂直于曲轴的纵向轴线的几何平面内，其中，所述曲轴的所述部分在该几何平面内在垂直于曲轴的纵向轴线的方向上布置在所述压缩机活塞和所述膨胀器活塞之间。

根据一个实施例，所述压缩机活塞的至少一部分、所述膨胀器活塞的至少一部分和所述连接元件的至少一部分一起形成包围所述曲轴的所述部分的压缩机-膨胀器装置。根据一个实施例，所述压缩机-膨胀器装置包绕或包封所述曲轴的所述部分。

因此，能够实现该内燃发动机的紧凑设计。换句话说，膨胀器活塞的至少一部分、所述连接元件的至少一部分和压缩机活塞的至少一部分可以形成包围或容纳或包绕所述曲轴的所述部分的几何平截头体或几何圆柱体。换句话说，膨胀器活塞可以至少包括面向膨胀器空间的表面和面向曲轴的表面，并且对应地，压缩机活塞可以至少包括面向压缩机空间的表面和面向曲轴的表面，其中，所述曲轴的所述部分布置在相应的所述面向曲轴的表面之间。

根据一个实施例，所述膨胀器活塞具有在第一几何平面内延伸的圆形横截面，并且所述压缩机活塞具有在第二几何平面内延伸的圆形横截面，所述第一几何平面和第二几何平面以平行构造被定位在曲轴的纵向轴线的相反两侧上。

应该注意，由于考虑到活塞的热膨胀，这些活塞在它们各自的横截面中可能不是完全圆形的。因此，所述膨胀器活塞的横截面可以被称为圆形或椭圆形横截面，其垂直于膨胀器轴线延伸(即，膨胀器轴线垂直于该横截面延伸)，并且所述压缩机活塞的横截面可以被称为圆形或椭圆形横截面，其垂直于压缩机轴线延伸(即，压缩机轴线垂直于该横截面延伸)，并且其中，所述曲轴的所述部分布置在膨胀器活塞的横截面和压缩机活塞的横截面之间。

根据一个实施例，所述膨胀器缸和所述压缩机缸被同轴地布置。因此，促进了膨胀器缸和压缩机缸在相应的缸内部的对准。根据一个实施例，与膨胀器缸相比，曲轴被更靠近压缩机缸定位。根据一个实施例，与所述压缩机活塞相反，燃烧活塞连杆在与膨胀器连杆相同的曲轴侧上联接到曲轴(即，连杆的大端)。由此，降低了内部部件碰撞的风险。因此，能够实现该内燃发动机的紧凑设计。此外，先前描述的所产生的横向力能够被保持最小。

根据一个实施例，所述膨胀器缸和所述压缩机缸相对于彼此偏移。也就是说，膨胀器轴线和压缩机轴线平行，但不重合。

根据一个实施例，所述膨胀器活塞在所述膨胀器缸内部的往复运动沿着膨胀器轴线发生，并且所述至少一个燃烧活塞在所述燃烧缸内部的往复运动沿着燃烧轴线发生，并且其中，所述膨胀器缸和所述至少一个燃烧缸以如下方式布置在所述内燃发动机内部：所述膨胀器轴线相对于所述燃烧轴线成角度，该角度在40度和90度之间，优选在50度和75度之间，并且更优选在55度和65度之间，例如为大约60度。

因此，这些内部部件(例如各种活塞和对应的具有其往复运动和/或旋转运动的连杆)能够适于在它们在内燃发动机内部移动时保持互不妨碍。由此，可以将该内燃发动机制造得紧凑。因此，与所述膨胀器缸相比，所述至少一个燃烧缸可以被描述为从所述曲轴横向地突出。

根据一个实施例，膨胀器活塞连杆和燃烧活塞连杆由相应的曲柄销联接到曲轴。因此，膨胀器活塞和所述至少一个燃烧活塞可以相对于曲轴单独地相对于彼此定相。由此，能够实现扭矩脉冲的均匀分布。根据一个实施例，膨胀器活塞连杆和燃烧活塞连杆由同一个曲柄销联接到曲轴。

根据一个实施例，所述膨胀器活塞被至少部分地绝缘。由此，能够使该内燃发动机更有效率。例如，所述膨胀器活塞的至少一部分在外部配备有绝缘层。

根据一个实施例，该内燃发动机还包括膨胀器活塞密封装置和压缩机活塞密封装置，该膨胀器活塞密封装置将所述膨胀器活塞密封到所述膨胀器缸的内表面，该压缩机活塞密封装置将所述压缩机活塞密封到所述压缩机缸的内表面，其中，所述膨胀器活塞密封装置独立于所述压缩机活塞密封装置。

即，所述膨胀器缸和压缩机缸可以被单独地密封。即，膨胀器活塞密封装置可以被构造和布置成不与压缩机活塞密封装置适配或与其非常少地适配。换句话说，当膨胀器活塞由连接元件从压缩机活塞物理地分离时，膨胀器活塞可以独立于压缩机活塞的密封而被密封。

根据一个实施例，膨胀器活塞由连接元件从压缩机活塞物理地分离。即，膨胀器活塞和压缩机活塞不是一个公用的活塞，而是由连接元件刚性地连接的两个单独的活塞。因此，膨胀器活塞、压缩机活塞和该连接元件可以被称为压缩机-膨胀器装置，其中这两个活塞由连接元件刚性地彼此连接。根据一个实施例，膨胀器活塞、压缩机活塞和该连接元件可以被制成为一体，和/或被包括在单个单元中。

根据一个实施例，所述膨胀器活塞密封装置包括：衬里，例如在所述膨胀器缸的内表面中包含的珩磨衬里；和在所述膨胀器活塞的外表面中沿周向布置的至少一个金属环，并且其中，所述压缩机活塞密封装置包括：在所述压缩机缸的内表面中包含的抛光表面；和在所述压缩机活塞的外表面中沿周向布置的至少一个非金属和/或聚合物环。

由此，膨胀器活塞和压缩机活塞可以独立地通过例如各自的传统密封构造来密封。

根据一个实施例，所述至少一个燃烧缸是第一燃烧缸，并且所述燃烧活塞是第一燃烧活塞，并且所述内燃发动机还包括容纳第二燃烧活塞的第二燃烧缸，所述第二燃烧缸被构造成由燃烧力激励。

因此，所述至少一个燃烧缸可以被称为至少两个燃烧缸。根据一个实施例，第二燃烧活塞经由连杆被连接到所述曲轴。即，第一燃烧活塞和第二燃烧活塞连接到同一曲轴。

应该理解，根据一个实施例，所述至少一个燃烧缸或所述至少两个燃烧缸被至少部分地布置在所述膨胀器活塞和所述压缩机活塞之间。例如，所述燃烧缸的连杆可以布置在所述膨胀器活塞和所述压缩机活塞之间。

根据一个实施例，所述第一燃烧缸和第二燃烧缸以四冲程构造来运行，并且所述压缩机缸和膨胀器缸中的每一个以两冲程构造来运行。

根据一个实施例，所述第一燃烧缸和第二燃烧缸以四冲程构造共同运行。根据一个实施例，所述第一燃烧缸和第二燃烧缸均以两冲程构造来运行。根据一个实施例，所述第一燃烧缸和第二燃烧缸均以四冲程构造来运行。

因此，该内燃发动机的总冲程可以被称为八冲程发动机(膨胀器缸和压缩机缸各自的二冲程构造、以及燃烧缸的四冲程构造)。根据一个实施例，该内燃发动机被称为双压缩膨胀发动机(DCEE)。

根据一个实施例，所述压缩机缸是第一压缩机缸，并且所述压缩机活塞是第一压缩机活塞，所述膨胀器缸是第一膨胀器缸，并且所述膨胀器活塞是第一膨胀器活塞，并且所述连接元件是第一连接元件，所述内燃发动机还包括：

-第三燃烧缸和第四燃烧缸，该第三燃烧缸和第四燃烧缸容纳各自的第三燃烧活塞和第四燃烧活塞，这些燃烧缸被构造成由燃烧力激励；

-第二压缩机缸，该第二压缩机缸容纳第二压缩机活塞，所述第二压缩机缸被构造成压缩一定体积的空气并将压缩后的空气输送到第三燃烧缸和第四燃烧缸；

-第二膨胀器活塞缸，该第二膨胀器活塞缸容纳第二膨胀器活塞，所述第二膨胀器缸被构造成接收来自第三燃烧缸和第四燃烧缸的排气；

-第二连接元件，该第二连接元件将所述第二压缩机活塞和所述第二膨胀器活塞刚性地连接，使得第二压缩机活塞和第二膨胀器活塞一致地移动，

其中，所述曲轴由相应的连杆连接到所述第三燃烧活塞和第四燃烧活塞以及所述第二膨胀器活塞。

由此，提供了一种具有功率效率但又紧凑的内燃发动机。应该理解，至少所述第一燃烧缸和第二燃烧缸、所述第一压缩机缸、所述第一膨胀器缸和所述第一连接元件可以被称为该内燃发动机的第一发动机半部，并且至少所述第三燃烧缸和第四燃烧缸、所述第二压缩机缸、所述第二膨胀器缸和所述第二连接元件可以被称为该内燃发动机的第二发动机半部。该内燃发动机的所述第一发动机半部和第二发动机半部的尺寸和构造可以彼此相同或至少非常相似。因此，关于第一发动机半部提及的实施例同样适用于第二发动机半部，并且也适用于第二发动机半部中的部件。这两个发动机半部可以相对于曲轴彼此偏移例如180°。

根据一个可替代实施例，所述第三燃烧活塞和第四燃烧活塞及所述第二膨胀器活塞不连接到与第一燃烧活塞和第二燃烧活塞及所述第一膨胀器活塞相同的曲轴，而是连接到次级曲轴。

根据一个实施例，如本领域技术人员所理解的，该曲轴可以被构造为专门加重平衡(weighted balance)的轴以抵消振动。

根据本发明的至少第二方面，所述目的通过一种车辆来实现。该车辆包括根据本发明的第一方面的内燃发动机。

本发明的该第二方面的效果和特征在很大程度上类似于上文结合本发明构思的第一方面所描述的效果和特征。关于本发明的第一方面提及的实施例在很大程度上与本发明的第二方面相容。

根据本发明的第三方面，提供了一种曲轴组件。该曲轴组件包括：

-压缩机活塞，该压缩机活塞适于在压缩机缸中往复运动以压缩一定体积的空气，

-膨胀器活塞，该膨胀器活塞适于在膨胀器缸中往复运动以膨胀气体或空气；

-曲轴，该曲轴由连杆连接到所述膨胀器活塞，

其中，该曲轴组件还包括连接元件，该连接元件将所述压缩机活塞和所述膨胀器活塞刚性地连接，使得所述压缩机活塞和膨胀器活塞一致地移动。

因此，该曲轴组件可以分别用于空气和气体和/或空气的压缩和膨胀，并提供内部部件的紧凑构造。该曲轴组件可以例如用于改装根据本发明的第一方面和/或第二方面的内燃发动机。然而，该曲轴组件也可以用于其它目的，例如空气的压缩和膨胀，或者与其它能量驱动源(例如电动机或电池)组合。

在本发明的第一方面中提到的具有将所述压缩机活塞和所述膨胀器活塞刚性地连接的连接元件的优点同样适用于本发明的第三方面。此外，与关于本发明的第一方面提到的压缩机活塞、膨胀器活塞、连接元件和曲轴的构造有关的实施例也适用于本发明的第三方面。

因此，例如，并且根据至少一个实施例，所述压缩机活塞经由所述膨胀器活塞连接到所述曲轴，使得所述曲轴的旋转运动经由膨胀器活塞连杆被转换成所述压缩机活塞的往复运动。因此，根据至少一个实施例，所述膨胀器活塞和压缩机活塞被布置有共用的连杆。

例如，并且根据一个实施例，所述压缩机活塞的至少一部分、所述膨胀器活塞的至少一部分和所述连接元件的至少一部分一起形成包围所述曲轴的所述部分的压缩机-膨胀器装置。

根据一个实施例，该曲轴组件包括适于在燃烧缸内往复运动的至少一个燃烧活塞，所述至少一个燃烧缸被构造成由燃烧力激励。

例如，并且根据一个实施例，所述膨胀器活塞被构造成沿着膨胀器轴线在膨胀器缸的内部往复运动，并且所述至少一个燃烧活塞被构造成沿着燃烧轴线在燃烧缸的内部往复运动，其中，所述膨胀器轴线和所述燃烧轴线之间的角度在40度和90度之间，优选在50度和75度之间，并且更优选在55度和65度之间，例如为大约60度。

根据一个示例实施例，该曲轴组件还包括压缩机缸和膨胀器缸，该压缩机缸容纳所述压缩机活塞，该膨胀器缸容纳所述膨胀器活塞。根据一个示例实施例，该曲轴组件还包括至少一个燃烧缸，该至少一个燃烧缸容纳所述至少一个燃烧活塞。

在以下的描述中，公开了本发明的其它优点和有利特征。

附图说明

通过以下对本发明的示例性实施例的说明性而非限制性的详细描述，将更好地理解本发明的上述以及另外的目的、特征和优点，其中：

图1是包括根据本发明的示例实施例的内燃发动机的车辆的侧视图；

图2A和图2B是根据本发明的一个示例实施例的内燃发动机的透视图；

图3是根据本发明的又一示例实施例的内燃发动机的透视图；

图4概略地示意了根据本发明的示例实施例的内燃发动机；

图5概略地示意了图4的内燃发动机的多个部分。

具体实施方式

现在将在下文中参考附图更充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，且不应被解释为限于这里阐述的实施例；而是，提供所述实施例是为了彻底性和完整性。在整个说明书中，相同的附图标记指代相同的元件

尤其参考图1，提供了具有根据本发明的内燃发动机200的车辆1。图1中描绘的车辆1是卡车，将在下面详细描述的本发明的内燃发动机200特别适合于卡车。

转到图2A和图2B，图2A和图2B示意了根据本发明的示例实施例的内燃发动机200。为了简化对本发明和活塞构造的理解，已经从图2A和2B中省略了容纳相应活塞的气缸的完整示意。

内燃发动机200包括容纳第一燃烧活塞212的第一燃烧缸210，和容纳第二燃烧活塞216的第二燃烧缸214。内燃发动机200还包括容纳压缩机活塞222的压缩机缸220和容纳膨胀器活塞232的膨胀器缸230。应该理解，燃烧活塞212和第二燃烧活塞216分别被单独地布置在第一燃烧缸210和第二燃烧缸212内部，且适于在其内往复运动。相应地，压缩机活塞222和膨胀器活塞232分别被布置在压缩机缸220和膨胀器缸230内部，且适于在其内往复运动。

如图2A中所示，内燃发动机200包括曲轴240、以及将膨胀器活塞232连接到曲轴240的膨胀器活塞连杆234。对应地，第一燃烧活塞连杆213将第一燃烧活塞212连接到曲轴240，并且第二燃烧活塞连杆217将第二燃烧活塞214连接到曲轴240。因此，这些活塞的上述往复运动能够被转换成曲轴240的旋转运动。

在图2A中，膨胀器活塞232由连接元件250连接到压缩机活塞222。更具体地，在图2A中，膨胀器活塞232由布置在膨胀器缸232和压缩机缸222各自的外周部分中的三个连接臂252、254、256连接到压缩机活塞222。连接臂252、254、256中的每一个连接臂均从膨胀器活塞232延伸到压缩机活塞。尽管图2A中示出了三个连接臂252、254、256，但应理解，在本发明的构思内可以使用其它数量的连接臂，或者仅使用一个连接臂。因此，在至少一个实施例中，连接元件250包括至少一个连接臂252、254、256，例如三个连接臂252、254、256。此外，连接元件250可以布置成不具有连接臂，而是布置为例如从膨胀器活塞232延伸到压缩机活塞222的连接封套(connecting envelope)，使得膨胀器活塞232和压缩机活塞222一致地移动。因此，在以下描述中，将以单数方式提及该连接元件250。

连接元件250应被理解为将膨胀器活塞232刚性地连接到压缩机活塞222，使得膨胀器活塞232和压缩机活塞222一致地移动。膨胀器活塞232可以至少包括面向膨胀器空间的表面232A和面向曲轴的表面232B，并且对应地，压缩机活塞222可以至少包括面向压缩机空间的表面222A和面向曲轴的表面222B。因此，连接元件250将膨胀器活塞232与压缩机活塞222刚性地连接，使得相应的面向曲轴的表面232B、222B彼此面对。因此，当压缩机活塞222在向下冲程中移动时(即，为了压缩所述压缩机缸220中的空气)，膨胀器活塞232跟随着压缩机活塞222的运动而在一个冲程中移动。对应地，当膨胀器活塞232在向上冲程中移动时，压缩机活塞222跟随着膨胀器活塞232的运动而在一个冲程中移动。

如图2A中所示，压缩机缸220和膨胀器缸230位于曲轴240的相反两侧并且紧邻曲轴240。换句话说，所述曲轴240的一部分242布置在膨胀器活塞232和压缩机活塞222之间，使得该部分242布置在相应的面向曲轴的表面232B、222B之间。也就是说，压缩机活塞222、膨胀器活塞232和曲轴240的该部分242沿几何轴线GA布置，并且曲轴240的该部分242沿几何轴线GA在压缩机活塞222和膨胀器活塞232之间。内燃发动机200中的部件的内部位置可以以不同的方式描述：

压缩机活塞222的至少一部分(例如其面向曲轴的表面222B)、膨胀器活塞232的至少一部分(例如其面向曲轴的表面232B)和连接元件250的至少一部分一起形成包围曲轴240的该部分242的压缩机-膨胀器装置260。

在描述内燃发动机200中的部件的内部位置的至少第三种方式中，膨胀器活塞232具有在第一几何平面内延伸的圆形或圆状横截面，并且压缩机活塞222具有在第二几何平面内延伸的圆形或圆状横截面，该第一几何平面和第二几何平面以平行构造被定位在曲轴240的纵向轴线LA的相反两侧上。

如图2B中最佳地看到的，膨胀器活塞232被构造成沿着膨胀器轴线EA在膨胀器缸230的内部往复运动。对应地，压缩机活塞222被构造成沿着压缩机轴线CA在压缩机缸220的内部往复运动。对应地，第一燃烧活塞212被构造成沿着燃烧轴线CoA1在第一燃烧缸210的内部往复运动，并且第二燃烧活塞216被构造成沿着燃烧轴线CoA2在第二燃烧缸214的内部往复运动。如图2B中所见，膨胀器缸230和压缩机缸220同轴地布置，即，膨胀器轴线EA和压缩机轴线CA彼此对准。

回到图2A，其示出了第一燃烧缸210和第二燃烧缸214可以被描述为与膨胀器缸230相比从所述曲轴240横向地突出。因此，膨胀器缸230以及第一燃烧缸210和第二燃烧缸214以如下方式布置在内燃发动机200内：膨胀器轴线EA相对于燃烧轴线CoA1、CoA2中的每一个成角度，该角度在40度和90度之间，优选在50度和75度之间，并且更优选在55度和65度之间，例如为大约60度。

此外，膨胀器活塞230具有膨胀器活塞高度H2和膨胀器活塞直径D2，其中，膨胀器活塞高度H2小于膨胀器活塞直径D2的1/3，优选小于膨胀器活塞直径D2的1/5，或者更优选小于膨胀器活塞直径D2的1/10或1/15。在图2A中，作为一个示例示出了膨胀器活塞高度H2是膨胀器活塞直径D2的大约1/10。

对应地，压缩机活塞220具有压缩机活塞高度H1和压缩机活塞直径D1，其中，压缩机活塞高度H1小于压缩机活塞直径D1的1/3，优选小于压缩机活塞直径D1的1/5，或者更优选小于压缩机活塞直径D1的1/10或1/15。在图2A中，作为一个示例示出了压缩机活塞高度H1是压缩机活塞直径D1的大约1/12。还如图2A中所示，压缩机活塞直径D1小于膨胀器活塞直径D2。

现在将参考图2B进一步说明内燃发动机200的功能。压缩机缸220被构造成抽吸一定体积的环境空气，压缩该空气，并将压缩后的空气输送到第一燃烧缸210和第二燃烧缸214。第一燃烧缸210和第二燃烧缸214被构造成例如通过火花塞(例如用于汽油或汽油驱动的发动机)或通过由压缩产生的热量(例如用于柴油驱动的发动机)点燃燃料而引起的燃烧力激励。膨胀器缸230被构造成接收来自第一燃烧缸210和第二燃烧缸214的排气。空气、燃料和排气的输送通过入口阀、输送端口和出口阀来执行，所述入口阀、输送端口和出口阀是本领域技术人员已知的，并且它们将压缩机缸220、第一燃烧缸210和第二燃烧缸214以及膨胀器缸230流体地互连。

注意，在图2A中的内燃发动机200中，压缩机活塞222不是经由其自身的连杆直接连接到曲轴240，而是经由连接元件250、膨胀器活塞232和膨胀器活塞连杆234连接到曲轴240。由此，曲轴240的旋转运动(由旋转箭头指示)经由膨胀器活塞连杆234被转换成压缩机活塞220的往复运动。因此，曲轴240通过相应的燃烧活塞连杆213、217由第一燃烧活塞212和第二燃烧活塞216驱动，并且通过膨胀器活塞连杆234由膨胀器活塞232驱动，但是曲轴240通过膨胀器活塞230和膨胀器活塞连杆234驱动压缩机活塞222。

图3示出了包括第一发动机半部401和第二发动机半部402的内燃发动机400。第一发动机半部401和第二发动机半部402每一个都是相同的，并且包括与图2A和图2B中所示的内燃发动机相同的部件。由于已经参考图2A和图2B描述了这些部件及其各自的功能，这里不再对它们详细重复描述。然而，简要描述了内燃发动机400的主要部件。

图3中的内燃发动机400包括容纳第一燃烧活塞411的第一燃烧缸410、容纳第二燃烧活塞413的第二燃烧缸412、容纳第三燃烧活塞415的第三燃烧缸414和容纳第四燃烧活塞417的第四燃烧缸416。内燃发动机400还包括容纳第一压缩机活塞422的第一压缩机缸420、容纳第二压缩机活塞426的第二压缩机缸424、容纳第一膨胀器活塞432的第一膨胀器缸430和容纳第二膨胀器活塞436的第二膨胀器缸434。应当理解，这些活塞被单独地布置在各自的气缸内，且适于在其内往复运动。此外，图4的内燃发动机400包括第一连接元件450，该第一连接元件450刚性地连接第一压缩机活塞422和第一膨胀器活塞432，使得第一压缩机活塞422和第一膨胀器活塞432一致地移动，并且内燃发动机400包括第二连接元件452，该第二连接元件452刚性地连接第二压缩机活塞426和第二膨胀器活塞436，使得第二压缩机活塞426和第二膨胀器活塞436一致地移动。此外，曲轴440由相应的连杆连接到第一燃烧活塞411、第二燃烧活塞413、第三燃烧活塞415和第四燃烧活塞417，并且由相应的连杆连接到第一膨胀器活塞432和第二膨胀器活塞436。

图4概略地示意了根据本发明的示例实施例的内燃发动机500。内燃发动机500包括容纳燃烧活塞512的燃烧缸510、容纳压缩机活塞522的压缩机缸520和容纳膨胀器活塞532的膨胀器缸530。应当理解，燃烧活塞512布置在燃烧缸510内部，且适于在其内往复运动。对应地，压缩机活塞522和膨胀器活塞532分别布置在压缩机缸520和膨胀器缸530内部，且适于在其内往复运动。

如图4中所示，内燃发动机500包括曲轴540和膨胀器活塞连杆534，该膨胀器活塞连杆534将膨胀器活塞532连接到曲轴540。对应地，燃烧活塞连杆513将燃烧活塞512连接到曲轴540。因此，这些活塞的上述往复运动能够被转换成曲轴540的旋转运动。

在图4中，膨胀器活塞532由连接元件550连接到压缩机活塞522。更具体地，在图4中，膨胀器活塞532由两个连接臂552、554连接到压缩机活塞522。这些连接臂552、554中的每一个都从膨胀器活塞532延伸到压缩机活塞522。连接元件550应被理解为将膨胀器活塞532刚性地连接到压缩机活塞522，使得膨胀器活塞532和压缩机活塞522一致地移动。因此，当压缩机活塞522在向下冲程中移动时(即，为了压缩该压缩机缸520中的空气)，膨胀器活塞532跟随着压缩机活塞522的运动而在一个冲程中移动。对应地，当膨胀器活塞532在向上冲程中移动时，压缩机活塞522跟随着膨胀器活塞532的运动而在一个冲程中移动。

如图4中所示，压缩机缸520和膨胀器缸530位于曲轴540的相反两侧并且紧邻曲轴540。换句话说，所述曲轴540的一部分542布置在膨胀器活塞532和压缩机活塞522之间。

例如，图4中的内燃发动机500可以在串联式混合动力车辆(serial hybrid)中例如用作增程装置(range extender)。在这样的实施例中，曲轴540可以不直接联接到该车辆的驱动装置。

在图4中，压缩机活塞522、膨胀器活塞532、曲轴540、膨胀器活塞连杆534和连接元件550可以被称为根据本发明的第三方面的曲轴组件501。可选地，燃烧活塞512和燃烧活塞连杆513、和/或所述缸510、520、530中的任一个被包括在曲轴组件501中。

图5示出了图4的内燃发动机500的多个部分或曲轴组件501的多个部分。在图5中，示出了膨胀器活塞密封装置535和压缩机活塞密封装置525，该膨胀器活塞密封装置535将膨胀器活塞532密封到膨胀器缸530的内表面，该压缩机活塞密封装置525将压缩机活塞522密封到压缩机缸520的内表面(为了简化对密封装置535、525的理解，已经很大程度上从图5中省略了缸530、520，并且已经夸大了缸520、530的内表面与相应的活塞532、522之间的距离)。如从图5清楚可见的，膨胀器活塞密封装置535独立于压缩机活塞密封装置525，并且与压缩机活塞密封装置525在功能上是分开的。更具体地，在图5中，膨胀器活塞密封装置535包括在所述膨胀器缸530的内表面中包含的珩磨衬里536、以及在膨胀器活塞532的外表面中沿周向布置的至少一个金属环537(如图5中所示，更多个金属环(例如三个金属环)可以在膨胀器活塞532的外表面中沿周向布置)。此外，压缩机活塞密封装置525包括在所述压缩机缸520的内表面中包含的抛光表面526、以及在压缩机活塞525的外表面中沿周向布置的至少一个非金属或聚合物环527(如图5中所示，更多个非金属或聚合物环(例如两个环)可以在压缩机活塞522的外表面中沿周向布置)。

应该理解，本发明不限于上文所述并在附图中示出的实施例；而是，本领域技术人员将意识到，可以在所附权利要求书的范围内进行许多修改和变型。

Claims (23)

1.一种内燃发动机，包括：

-至少一个燃烧缸，所述至少一个燃烧缸容纳燃烧活塞，所述燃烧缸被构造成由燃烧力激励；

-压缩机缸，所述压缩机缸容纳压缩机活塞，所述压缩机缸被构造成压缩一定体积的空气并将压缩后的空气输送到所述至少一个燃烧缸；

-膨胀器缸，所述膨胀器缸容纳膨胀器活塞，所述膨胀器缸被构造成接收来自所述至少一个燃烧缸的排气；

-曲轴，所述曲轴由相应的连杆连接到所述燃烧活塞和所述膨胀器活塞，

其特征在于，所述内燃发动机还包括连接元件，所述连接元件将所述压缩机活塞和所述膨胀器活塞刚性地连接，使得所述压缩机活塞和所述膨胀器活塞一致地移动。

2.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中，所述压缩机活塞经由所述膨胀器活塞连接到所述曲轴，使得所述曲轴的旋转运动经由膨胀器活塞连杆被转换成所述压缩机活塞的往复运动。

3.根据权利要求1-2中的任一项所述的内燃发动机，其中，所述曲轴通过燃烧活塞连杆由所述燃烧活塞驱动，并且通过所述膨胀器活塞连杆由所述膨胀器活塞驱动，其中，所述压缩机活塞通过所述膨胀器活塞由所述曲轴驱动。

4.根据权利要求1或2所述的内燃发动机，其中，所述膨胀器活塞具有膨胀器活塞高度和膨胀器活塞直径，并且其中，所述膨胀器活塞高度小于所述膨胀器活塞直径的1/3。

5.根据权利要求4所述的内燃发动机，其中，所述膨胀器活塞高度小于所述膨胀器活塞直径的1/5。

6.根据权利要求5所述的内燃发动机，其中，所述膨胀器活塞高度小于所述膨胀器活塞直径的1/10或1/15。

7.根据权利要求1或2所述的内燃发动机，其中，所述压缩机活塞具有压缩机活塞高度和压缩机活塞直径，并且其中，所述压缩机活塞高度小于所述压缩机活塞直径的1/3。

8.根据权利要求7所述的内燃发动机，其中，所述压缩机活塞高度小于所述压缩机活塞直径的1/5。

9.根据权利要求8所述的内燃发动机，其中，所述压缩机活塞高度小于所述压缩机活塞直径的1/10或1/15。

10.根据权利要求1或2所述的内燃发动机，其中，所述压缩机活塞的至少一部分、所述膨胀器活塞的至少一部分和所述连接元件的至少一部分一起形成包围所述曲轴的一部分的压缩机-膨胀器装置。

11.根据权利要求1或2所述的内燃发动机，其中，所述膨胀器活塞具有在第一几何平面内延伸的圆形横截面，并且所述压缩机活塞具有在第二几何平面内延伸的圆形横截面，所述第一几何平面和所述第二几何平面以平行构造被定位在所述曲轴的纵向轴线的相反两侧上。

12.根据权利要求1或2所述的内燃发动机，其中，所述膨胀器缸和所述压缩机缸被同轴地布置。

13.根据权利要求1或2所述的内燃发动机，其中，所述膨胀器活塞在所述膨胀器缸内部的往复运动沿着膨胀器轴线发生，并且所述燃烧活塞在所述燃烧缸内部的往复运动沿着燃烧轴线发生，并且其中，所述膨胀器缸和所述至少一个燃烧缸以以下方式布置在所述内燃发动机内部：所述膨胀器轴线相对于所述燃烧轴线成角度，所述角度在40度和90度之间。

14.根据权利要求13所述的内燃发动机，其中，所述角度在50度和75度之间。

15.根据权利要求14所述的内燃发动机，其中，所述角度在55度和65度之间。

16.根据权利要求15所述的内燃发动机，其中，所述角度为60度。

17.根据权利要求1或2所述的内燃发动机，还包括：膨胀器活塞密封装置，所述膨胀器活塞密封装置将所述膨胀器活塞密封到所述膨胀器缸的内表面；和压缩机活塞密封装置，所述压缩机活塞密封装置将所述压缩机活塞密封到所述压缩机缸的内表面，其中，所述膨胀器活塞密封装置独立于所述压缩机活塞密封装置。

18.根据权利要求17所述的内燃发动机，其中，所述膨胀器活塞密封装置包括：在所述膨胀器缸的内表面中包含的衬里；和在所述膨胀器活塞的外表面中沿周向布置的至少一个金属环，并且其中，所述压缩机活塞密封装置包括：在所述压缩机缸的内表面中包含的抛光表面；和在所述压缩机活塞的外表面中沿周向布置的至少一个非金属和/或聚合物环。

19.根据权利要求18所述的内燃发动机，其中，所述衬里是珩磨衬里。

20.根据权利要求1或2所述的内燃发动机，其中，所述至少一个燃烧缸是第一燃烧缸，并且所述燃烧活塞是第一燃烧活塞，并且所述内燃发动机还包括第二燃烧缸，所述第二燃烧缸容纳第二燃烧活塞，所述第二燃烧缸被构造成由燃烧力激励。

21.根据权利要求20所述的内燃发动机，其中，所述第一燃烧缸和所述第二燃烧缸以四冲程构造运行，并且所述压缩机缸和所述膨胀器缸中的每一个均以两冲程构造运行。

22.根据权利要求20所述的内燃发动机，其中，所述压缩机缸是第一压缩机缸，并且所述压缩机活塞是第一压缩机活塞，所述膨胀器缸是第一膨胀器缸，并且所述膨胀器活塞是第一膨胀器活塞，并且所述连接元件是第一连接元件，所述内燃发动机还包括：

-第三燃烧缸和第四燃烧缸，所述第三燃烧缸和所述第四燃烧缸容纳各自的第三燃烧活塞和第四燃烧活塞，所述燃烧缸被构造成由燃烧力激励；

-第二压缩机缸，所述第二压缩机缸容纳第二压缩机活塞，所述第二压缩机缸被构造成压缩一定体积的空气并将压缩后的空气输送到所述第三燃烧缸和所述第四燃烧缸；

-第二膨胀器缸，所述第二膨胀器缸容纳第二膨胀器活塞，所述第二膨胀器缸被构造成接收来自所述第三燃烧缸和所述第四燃烧缸的排气；

-第二连接元件，所述第二连接元件将所述第二压缩机活塞和所述第二膨胀器活塞刚性地连接，使得所述第二压缩机活塞和所述第二膨胀器活塞一致地移动，

其中，所述曲轴由相应的连杆连接到所述第三燃烧活塞和所述第四燃烧活塞以及所述第二膨胀器活塞。

23.一种车辆，所述车辆包括根据前述权利要求中的任一项所述的内燃发动机。

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