CN110621856B - 内燃发动机 - Google Patents

Abstract

一种压燃式内燃发动机(1)，该发动机包括：缸(2)；活塞(3)，该活塞可往复运动地接纳在缸(2)内；一对反转的曲轴(4、5)，这些曲轴相对于缸(2)可旋转地安装；一对连杆(6、7)，每个连杆具有第一端部(61、71)和第二端部(62、72)，该第一端部连接到曲轴(4、5)中的相应曲轴的曲柄轴颈(41、51)，该第二端部连接到活塞(3)。发动机(1)被构造成使得活塞(3)在朝向曲轴(4、5)的第一方向上的冲程导致每个曲轴(4、5)旋转第一角度，并且在与第一方向相反的第二方向上的活塞冲程导致每个曲轴(4，5)旋转第二角度，第二角度与第一角度相差(β‑α)。

Description

内燃发动机

技术领域

本发明总体上涉及内燃发动机(internal combustion engine)。更具体地但非排他地，本发明涉及具有双曲柄装置的内燃发动机。

背景技术

内燃发动机是众所周知的，并且通常用作交通工具、设备和其他便携式机器或固定机器中的主动力源、辅助动力源或备用动力源。传统的内燃发动机包括可往复运动地接纳在活塞缸内的活塞。活塞缸在其端部处具有进给阀和排出阀，以用于分别向活塞缸喷射气体和燃料以及从活塞缸排出气体和燃料。典型地，单个连杆在偏离曲轴的旋转轴线的位置处将相应的活塞连接到单个曲轴，从而将活塞沿着活塞缸的往复运动转换成曲轴的旋转运动。曲轴被联接到负载(例如交通工具的动力传动系)，该负载从该曲轴的旋转运动中吸取动力。

已经观察到，随着活塞与连杆之间的角度的增加，施加在它们之间的力导致活塞抵靠缸壁。这种“侧向推力”产生摩擦并且能显著降低发动机的效率。这种效应在压燃式发动机中最为明显，在该压燃式发动机中，活塞缸内的并且作用在活塞上的压力最大。

在内燃发动机领域已经有许多研究，特别是为了提高发动机的效率。已经提出的一种方法涉及使用两个曲轴，即所谓的“双曲柄”装置。这种设计的目的是抵抗上述侧向推力的缺点。这种双曲柄方案包括一对曲轴，每个曲轴被定位在活塞中心线的相应侧上。提供了一对连杆，这些连杆中的每个连杆在其端部中的一个端部处被连接到曲轴中的相应曲轴并且在其另一个端部处被连接到共同的活塞。

已经提出，使用双曲柄装置可以减少活塞上的侧向推力和由此产生的摩擦损失。例如，US5682844提出了一种摩托车发动机，其中相应曲轴中的每个曲轴的旋转轴线与活塞中心线之间有偏移。US229788公开了一种双曲轴发动机，该双曲轴发动机具有共同作用部件的组合，这些共同作用部件允许连杆在发动机的动力冲程期间产生大于由点燃的燃料装料在活塞上产生的力的总力。

据信，尽管目前提出的设计可以减少由于传统内燃发动机中存在的侧向推力而导致的摩擦，但是这种装置会产生其他有害的影响，迄今为止，这些影响妨碍了它们的商业化实施。

发明内容

因此，本发明的第一个非排他的目的是提出一种双曲柄内燃发动机，其克服或至少减轻已知设计的问题。本发明的更一般的非排他的目的是提出一种改进的双曲柄内燃发动机。

因此，本发明的第一方面提出一种内燃发动机，例如压燃式发动机，包括：缸；可往复运动地接纳在缸内的活塞；一对曲轴；一对连杆，每个连杆具有第一端部和第二端部，该第一端部被连接(例如，例如通过该相应曲轴的曲柄轴颈枢转地连接)到曲轴中的相应曲轴，该第二端部被连接(例如，例如通过活塞连接器枢转地连接)到活塞，其中发动机被构造成使得在第一方向(例如朝向曲轴)上的活塞冲程导致每个曲轴旋转第一角度，并且在第二方向(例如与第一方向相反)上的活塞冲程导致每个曲轴旋转例如不同于第一角度的第二角度。

申请人已经观察到，双曲柄发动机提供向上冲程与向下冲程之间的不对称关系，这可以用于提高特定发动机构型的效率。更具体地，当与传统的内燃发动机相比时，可以通过仔细地选择曲轴的旋转轴线与活塞中心线之间的偏移来优化输出功。在向上冲程和向下冲程期间，曲轴旋转之间的不对称性被传递到发动机循环，使得用于进气冲程/动力冲程的曲轴的角位移不同于用于压缩冲程/排气冲程的曲轴的角位移。

据信，这种不对称性在压燃式发动机中特别有利。在实施方式中，发动机可以可操作或被构造成使用柴油燃料或生物柴油燃料或甚至喷气燃料、航空涡轮机燃料或任何其他合适的燃料来提供动力。发动机可以包括柴油发动机或生物柴油发动机。

然而，还设想的是内燃发动机包括火花点火发动机。发动机可以可操作或被构造为使用石油、汽油或任何其他合适的燃料，例如液化石油气(LPG)、甲醇、乙醇、生物乙醇、压缩天然气(CNG)、氢气或硝基甲烷。发动机可以包括石油发动机或汽油发动机。

在实施方式中，内燃发动机可以包括气体膨胀式发动机，例如蒸汽发动机。

如在本文中所使用的，术语“偏移”是指在垂直于缸和在缸中往复运动的活塞的中心轴线的方向上的距离。例如，发动机可以包括曲轴偏移，该曲轴偏移可以通过曲轴或每个曲轴的旋转轴线与缸和/或活塞的中心轴线或投影中心线之间的偏移来描述。该偏移对应于在垂直于中心轴线或投影中心线的方向上的距离。

类似地，发动机可以包括活塞连接偏移，该活塞连接偏移可以通过活塞连接或每个活塞连接与缸和/或活塞的中心轴线或投影中心线之间的偏移来描述。该偏移也对应于在垂直于中心轴线或投影中心线的方向上的距离。

此外，发动机可以包括有效曲轴偏移，该有效曲轴偏移可以对应于曲轴偏移与活塞连接偏移之间的差。相应地，有效曲轴偏移的另一个定义是，该有效曲轴偏移通过曲轴或每个曲轴的旋转轴线与该曲轴的连杆(即连接到该曲轴的连杆)连接到其上的活塞连接器之间的偏移来描述。

曲轴可以例如相对于缸可旋转地安装，并且优选地在相反的方向上旋转或反向旋转。曲轴可以包括反向旋转的曲轴。曲轴可以旋转，使得这些曲轴与连杆之间的连接在第一方向上的冲程的初始部分期间和/或在第二方向上的冲程最终部分期间会聚。曲轴可以旋转，使得这些曲轴与连杆之间的连接在第一方向上的冲程的最终部分期间和/或在第二方向上的冲程的最初部分期间分散。

第二角度可以比第一角度小18度与50度之间，例如比第一角度小20度与48度之间、24度与44度之间或26度与42度之间。优选地，第二角度比第一角度小28度与40度之间，例如30度与38度之间。更优选地，第二角度比第一角度小32度与36度之间，例如比第一角度小33度与35度之间或约34度。

活塞可以在上止点(top dead centre)位置与下止点(bottom dead centre)位置之间可移动。活塞的上止点位置和下止点位置可以包括活塞上止点位置和活塞下止点位置。上止点位置可以对应于活塞位于最高位置或者活塞位于其离曲轴最远位置的位置。下止点位置可以对应于活塞处于最低位置或者活塞处于其最靠近曲轴的位置的位置。

第一方向可以包括向下冲程或者对应于远离活塞上止点的移动。第二方向可以包括向上冲程或者对应于远离活塞下止点的移动。在第一方向上的冲程的初始部分可以包括从上止点的移动，和/或，在第二方向上的冲程的初始部分可以包括从下止点的移动。在第一方向上的冲程的最终部分可以包括向下止点的移动，和/或，在第二方向上的冲程的最终部分可以包括向上止点的移动。

第一角度可以是对应于活塞从其上止点位置行进到其下止点位置的曲轴的角度旋转。第二角度可以是对应于活塞从其下止点位置行进到其上止点位置的曲轴的角度旋转。

曲轴中的至少一个曲轴可以包括第一位置，该第一位置可以包括最上位置、上位置、原始位置、零度位置、零位置或曲轴上止点位置。曲轴中的至少一个曲轴可以包括第二位置，该第二位置可以包括最低位置、低位置、180度位置或曲轴下止点位置。第一位置可以包括或对应于当曲轴与连杆之间的连接处于最上位置、原始位置、零度位置或零位置时的曲轴的位置或取向。第二位置可以包括或对应于当曲轴与连杆之间的连接处于最低位置或180度位置时的曲轴的位置或取向。

每个连杆的第一端部可以被连接到曲轴中的相应曲轴的曲柄轴颈。发动机可以包括曲轴曲拐半径(crankshaft throw radius)，该曲拐半径可以包括或可以被描述为在曲轴或每个曲轴的旋转轴线与其曲柄轴颈或与连杆的连接之间(例如通过在曲轴或每个曲轴的旋转轴线与其曲柄轴颈或与连杆的连接之间的距离来描述)。

发动机可以被构造成使得有效曲轴偏移在曲轴曲拐半径的1.4倍与1.9倍之间。发动机可以被构造成使得曲轴偏移是曲轴曲拐半径和活塞连接偏移之和的1.4倍与1.9倍之间。替代地，这些比例中的任一个比例可以在1.5与1.8之间或者在1.6与1.7之间或者约为1.65。

优选地，曲轴与活塞之间的任何力的侧向推力分量不超过其中心线分量或竖直分量。这可以通过例如确保连杆相对于活塞和缸的中心线的取向不超过45°来实现。

发动机可以包括有效连杆长度，该有效连杆长度由从连杆与活塞之间的连接或其轴线延伸到连杆与曲轴之间的连接或其轴线的直线的长度来描述。

在实施方式中，有效连杆长度由C≥1.4142x(E+R)定义，其中C是有效连杆长度，R是曲轴曲拐半径，并且E是有效曲轴偏移。在实施方式中，C≥1.5x(E+R)或者甚至C≥1.6x(E+R)。

在实施方式中，例如当C＝1.4142x(E+R)时，第一角度与第二角度之间的差由以下公式定义：

其中：

R是曲轴曲拐半径；

C是每个曲柄轴颈与该曲柄轴颈经由连杆连接到其上的活塞连接器之间的距离；并且

E是有效曲轴偏移。

发动机可以包括第一活塞连接器和第二活塞连接器。一对曲轴可以包括第一曲轴和第二曲轴，和/或，一对连杆可以包括第一连杆和第二连杆。第一连杆可以在其第一端部处连接到第一曲轴(例如连接到其曲柄轴颈)，和/或在其第二端部处连接到活塞(例如第一活塞连接器)。第二连杆可以在其第二端部处连接到第二曲轴(例如其曲柄轴颈)，和/或在其第二端部处连接到活塞(例如第二活塞连接器)。

第一曲轴可以在活塞的第一侧上，和/或，第二曲轴可以在活塞的第二侧上。在一些实施方式中，第一活塞连接器在活塞的第一侧上，并且第二活塞连接器在活塞的第二侧上。在其他实施方式中，第一活塞连接器和第二活塞连接器是同轴的和/或与活塞中心线相交。在一些实施方式中，连杆中的一个连杆包括叉形端部，例如叉形的小端部和/或一对相对的环或衬套。另一个连杆可以包括端部，例如小端部和/或环或衬套，该另一个连杆的端部被叉形端部接纳或可被叉形端部接纳在例如叉形端部的相对的环或衬套之间。连杆可以例如包括或形成叉和叶片的布置，使得第一活塞连接器和第二活塞连接器是同轴的和/或与活塞中心线相交。

发动机可以包括曲轴箱和/或轴承架，该轴承架可以被安装到曲轴箱和/或包括不同于曲轴箱的材料或由不同于曲轴箱的材料形成。轴承架可以具有一个或更多个(例如一对)接纳部，该接纳部可以用于接纳轴承，例如相应的轴承。在实施方式中，轴承架具有一对接纳部，每个接纳部接纳轴承，曲轴中的一个曲轴安装到该轴承。

发动机或轴承架可以包括润滑剂端口，该润滑剂端口可以与一个或两个接纳部相关联，以例如用于将润滑剂引入一个轴承或多个轴承。在实施方式中，发动机或轴承架包括与每个接纳部相关联的润滑剂端口，以用于将润滑剂引入轴承，例如将润滑剂引入每个轴承。

发动机可以包括一对输出轴，至少一个输出轴或每个输出轴具有连接或联接到曲轴中的一个曲轴或相应曲轴的端部。替代地，发动机可以包括连接到两个曲轴的输出轴。

发动机可以包括进给阀，例如用于将空气和/或燃料引入到缸中。发动机可以包括排出阀，例如用于从缸中排出气体。发动机可以被构造成使得在活塞到达该上止点位置或上止点位置之前，进给阀打开在15度与25度之间，例如在18度与22度之间，例如约20度。发动机可以被构造成使得在活塞到达该下止点位置或下止点位置之后，进给阀关闭在40度与50度之间，例如约45度。发动机可以被构造成使得在活塞到达该下止点位置或下止点位置之前，排出阀打开在40度与50度之间，例如约45度。发动机可以被构造成使得在活塞到达该上止点位置或上止点位置之后，排出阀关闭在15度与25度之间，例如约20度。

替代地，前述进给阀和排出阀的打开位置和关闭位置可以关于曲轴的最上位置、上位置、原始位置、零度位置、零位置或曲轴的上止点位置和/或曲轴的最低位置、低位置、180度位置或曲轴的下止点位置来表示。应当理解，这些位置将取决于当活塞处于其上止点位置和下止点位置时曲轴的位置。

在一些实施方式中，曲轴通过一个或更多个(例如两个或更多个)或多个相互啮合的齿轮联接在一起。发动机可以包括第一齿轮，该第一齿轮可以被联接或被固定或被安装成用于与曲轴中的一个曲轴(例如第一曲轴)一起旋转。发动机可以包括第二齿轮，该第二齿轮可以被联接或被固定或被安装成用于与曲轴中的另一个曲轴(例如第二曲轴)一起旋转。发动机可以包括将第一齿轮和第二齿轮连接在一起的一个或更多个另外的齿轮。齿轮，例如相互啮合的齿轮或第一齿轮、第二齿轮和另外的齿轮，可以是可操作的或可以被构造或用于同步曲轴的旋转。

发动机可以包括曲轴稳定或同步装置。在一些实施方式中，曲轴通过同步带(timing belt)，例如双面同步带，联接在一起。曲轴同步装置可以被构造或被布置成同步第一曲轴和第二曲轴中的每个曲轴相对于彼此的移动或旋转。

发动机可以包括第一齿轮，该第一齿轮可以被联接或被固定或被安装成用于与曲轴中的一个曲轴(例如第一曲轴)一起旋转。发动机可以包括第二齿轮，该第二齿轮可以被联接或被固定或被安装成用于与曲轴中的另一个曲轴(例如第二曲轴)一起旋转。发动机可以包括至少一个张紧轮，该张紧轮可以包括张紧齿轮，该张紧齿轮被联接或被固定到该张紧轮或被安装成用于与该张紧轮一起旋转。

发动机可以包括第一张紧轮，该第一张紧轮可以位于曲轴的上方，例如在与曲轴的旋转轴线相交的平面的第一侧上。发动机可以包括第二张紧轮，该第二张紧轮可以位于曲轴的下方，例如在与曲轴的旋转轴线相交的平面的第二侧上。第一张紧轮可以包括第一张紧齿轮，该第一张紧齿轮被联接或被固定到该第一张紧轮或被安装成用于与该第一张紧轮一起旋转。第二张紧轮可以包括第二张紧齿轮，该第二张紧齿轮被联接或被固定到该第二张紧轮或被安装成用于与该第二张紧轮一起旋转。同步带可以至少部分地围绕第一齿轮和第二齿轮中的每个齿轮通过，并且至少部分地围绕该张紧齿轮或每个张紧齿轮(例如第一张紧齿轮和第二张紧齿轮中的每个张紧齿轮)通过。同步带可以被构造成同步曲轴的旋转。

发动机可以包括凸轮轴稳定或同步装置。凸轮轴稳定或同步装置可以包括同步带或由同步带提供。发动机可以包括凸轮轴驱动轮，该凸轮轴驱动轮可以包括齿轮，该齿轮被联接或被固定或被安装成用于与该凸轮轴驱动轮一起旋转。同步带例如可以至少部分地围绕凸轮轴驱动轮或齿轮通过，以便同步凸轮轴以及第一曲轴和第二曲轴的旋转。

同步带的第一侧可以接合或啮合第一齿轮，并且同步带的第二侧可以接合或啮合第二齿轮。替代地，双面同步带的第一侧可以接合第二齿轮，并且同步带的第二侧可以接合第一齿轮。

发动机可以包括活塞稳定或同步装置，该活塞稳定或同步装置可以包括组件。活塞稳定或同步装置可以被构造或被布置成抑制活塞在缸内的摆动。活塞稳定或同步装置可以被构造或被布置成减轻、平衡或适应由连杆施加的不对称力。活塞稳定或同步装置可以被构造或被布置成同步第一连接构件和第二连接构件中的每个相对于活塞和/或相对于彼此的移动或旋转。活塞稳定或同步装置可以被布置成使得在使用中，第一连杆和第二连杆的第二端部相对于彼此的运动受到限制。

第一连杆例如在其第二端部处或邻近其第二端部可以包括第一接合装置，和/或，第二连杆例如在其第二端部处或邻近其第二端部可以包括第二接合装置。第一接合装置和第二接合装置可以配合或相互接合，以提供活塞稳定或同步装置。

在一些实施方式中，活塞稳定或同步装置包括配合的齿或齿轮齿。例如，第一接合装置和第二接合装置可以各自包括一组齿。这些组齿可以被构造成相互啮合。

在一些实施方式中，活塞稳定或同步装置包括将第一连杆和第二连杆互连的偏压装置或偏压器，例如回弹性的偏压装置或偏压器。偏压装置或偏压器可以包括扭转弹簧。

第一连杆可包括第一保持销或栓(下文称为销)，并且第二连杆可包括第二保持销或栓(下文称为销)。在使用中，回弹性的偏压装置可以在第一保持销与第二保持销之间被保持在张力下。

在一些实施方式中，活塞稳定或同步装置可以包括万向节或转向节，例如万向节或转向节构件或壳体。第一连杆和第二连杆中的至少一个连杆或每个连杆的第二端部可以被连接或被安装(例如枢转地或可旋转地被连接或被安装)到万向节或转向节。万向节或转向节可以被安装(例如枢转地或可旋转地被安装)到活塞或安装在活塞上或至少部分地安装在活塞内。万向节或转向节可以被至少部分地接纳在活塞内，例如被接纳在该活塞的腔内。万向节或转向节可以被构造成使得在使用中，其旋转至少部分地独立于活塞的旋转。

连杆与万向节或转向节之间的连接(例如其旋转轴线)以及万向节或转向节相对于活塞的旋转轴线可以是三角形的或者可以形成三角形的布置。替代地，连杆与万向节或转向节(例如其旋转轴线)之间的连接以及万向节或转向节相对于活塞的旋转轴线可以是三角形的或者可以位于同一平面内。

万向节或转向节可以与活塞配合，以抑制活塞在缸内的摆动。万向节或转向节可以与活塞配合，以减轻、平衡或适应由连杆施加的不对称力。万向节或转向节可以与活塞配合，以阻止由连杆施加的不对称力被传递到活塞。

本发明的另一个方面提出一种内燃发动机，该内燃发动机包括曲轴箱和安装到曲轴箱的轴承架，轴承架由与曲轴箱不同的材料形成并且具有一个或更多个接纳部，该一个或更多个接纳部用于接纳旋转轴或旋转轴安装到其上的轴承。

旋转轴可以包括发动机的曲轴。发动机可以包括两个曲轴。发动机可以包括一对连杆，每个连杆具有第一端部和第二端部，该第一端部连接到曲轴中的相应曲轴(例如其曲柄轴颈)，该第二端部例如通过活塞连接器连接到发动机的活塞。发动机可以被构造成使得在第一方向(例如朝向曲轴)上的活塞冲程导致每个曲轴旋转第一角度和/或在第二方向(例如与第一方向相反)上的活塞冲程导致每个曲轴旋转例如不同于第一角度的第二角度。

本发明的另一个方面提出一种活塞稳定组件，该活塞稳定组件包括活塞、至少部分地被枢转地接纳在活塞内的万向节或转向节、以及一对连杆，该一对连杆被枢转地安装到转向节构件，以减轻由连杆施加的不对称力。

本发明的另一个方面提出一种包括如上所述的发动机的发电机。

本发明的另一个方面提出一种包括如上所述的发动机的交通工具。交通工具可以包括陆地交通工具(例如机动交通工具)、水上交通工具(例如船或轮船)、或者飞行交通工具(例如飞机、飞艇或齐柏林飞艇)。

为了避免质疑，本文中所描述的任何特征同等地适用于本发明的任何方面。在本申请的范围内明确的意图是，在前述段落中、在权利要求中和/或在以下描述和附图中所阐述的各个方面、实施方式、示例和可选方案以及特别是其独立的特征，可以被单独地采用或以任意的组合的方式采用。也就是说，所有的实施方式和/或任何实施方式的特征可以以任何方式和/或组合进行组合，除非这些特征是不兼容的。为了避免质疑，在本文中使用的术语“可以”、“和/或”、“例如”、“比如”和任何类似的术语应被解释为非限制性的，使得如此描述的任何特征不一定存在。实际上，在不脱离本发明的范围的情况下，明确地设想可选特征的任何组合，无论这些可选特征是否明确要求保护。申请人保留更改任何原始提交的权利要求或相应地提交任何新的权利要求的权利，包括修改任何原始提交的权利要求以从属于和/或包含任何其他权利要求的任何特征的权利，尽管这些特征并未以这种方式原始地要求保护。

附图说明

现在将仅通过示例的方式参考附图描述本发明的实施例，在附图中：

图1是根据本发明实施例的内燃发动机的示意图，其中活塞被示出为在上止点位置；

图2是类似于图1的示意图，其中活塞被示出为在下止点位置；

图3是类似于图1和图2的示意图，其中在下止点位置示出的活塞用上止点位置示出的活塞覆盖；

图4是类似于图1至图3的示意图，其中活塞被示出为在对应于连杆与活塞中心线之间的最大角度的中间位置；

图5是图1至图4的发动机的轴承架的透视图；

图6是用于根据本发明的实施例的发动机中使用的活塞稳定机构的示意图；

图7是用于根据本发明的实施例的发动机中使用的替代的活塞稳定机构的示意图；

图8是用于根据本发明的实施例的发动机中使用的另一个替代的活塞稳定机构的截面图；

图9是图8的活塞稳定机构的示意图；以及

图10是根据本发明的实施例的凸轮轴同步装置的示意图。

具体实施方式

现在参考图1至图4，示出了内燃发动机1，该内燃发动机在该实施例中是压燃式发动机。发动机1包括活塞缸2和活塞3，该活塞3以通常的方式可往复运动地接纳在缸2内。如本领域技术人员将会理解的，本发明的内燃发动机1遵循与传统的内燃发动机相似的操作原理，这在本文中不再明确地描述。

根据本发明，发动机1包括第一曲轴4和第二曲轴5，每个曲轴位于活塞3和缸2的相应侧上。更具体地，第一曲轴4位于活塞3的第一侧上，而第二曲轴5位于活塞3的第二侧上。发动机1还包括第一连杆6和第二连杆7，每个连杆均具有第一端部61、71和第二端部62、72，该第一端部连接到曲轴4、5中的相应曲轴的曲柄轴颈41、51，该第二端部连接到活塞3。发动机1的布置是对称的，使得与第一曲轴4相关联的组件的几何形状实际上被与第二曲轴5相关联的组件有效地镜像。

该实施例中的缸2限定大体圆柱形的腔，该腔具有缸盖21、侧壁22和用于接纳活塞3的开口端部23。活塞3具有与缸盖21相对的上表面31，使得缸盖21、侧壁22和活塞3的上表面31形成燃烧室24。燃烧室24的容积随着活塞3沿着活塞缸2的位置发生变化。活塞3和缸2的共同的中心线被投影以限定对应于活塞3的往复运动轴线的活塞中心线X。

活塞3也是大体圆柱形的并且具有一对销接纳孔32、33，该对销接纳孔接纳一对活塞销34、35，该对活塞销相对于活塞中心线X或往复运动轴线大致垂直地布置。每个相应的销接纳孔32、33与活塞中心线X等距并且被定位在活塞中心线X的相应侧上。更具体地，第一销接纳孔32在活塞3的第一侧上并且接纳第一活塞销34，而第二销接纳孔33在活塞3的第二侧上并且接纳第二活塞销35。活塞连接偏移P由每个销接纳孔32、33的中心轴线与活塞中心线X之间的偏移来描述。

该对曲轴4、5中的每个曲轴均包括主轴承42、52，并且在发动机1运行期间，每个曲柄轴颈41、51移动的路径由圆形路径44、54示出。圆形路径44、54的半径对应于曲柄曲拐半径R。曲轴4、5通过啮合齿轮(未示出)联接在一起，使得曲轴4、5保持同步，以避免任何负载不均匀分布。该实施例中的发动机1被构造成使得曲轴4、5反向旋转，如由箭头43、53所示。

如上面阐述的，曲轴4、5与活塞中心线X等距并且被定位在活塞中心线X的相应侧上。曲轴偏移A由主轴承42、52中的每个主轴承的中心轴线或每个曲轴4、5的旋转轴线与活塞中心线X之间的距离来描述。有效曲轴偏移E由相应的活塞销34、35的中心轴线与相应的主轴承42、52的中心轴线之间的偏移来描述。有效偏移E还可以描述为曲轴偏移A与活塞销偏移P之间的差。

在一些实施例中，通过将来自每个曲轴4、5的输出端连接或联接到一对输出轴(未示出)中的相应输出轴来递送从发动机1递送的动力。在其他实施例中，该对曲轴4、5连接到共同的输出端(未示出)，该共同的输出端进而被连接到单个输出轴(未示出)。

第一连杆6在其第一端部61处可旋转地连接到第一曲轴4的曲柄轴颈41并且在其第二端部62处可旋转地连接到第一活塞销34。第二连杆7在其第一端部71处可旋转地连接到第二曲轴5的曲柄轴颈51并且在其第二端部72处可旋转地连接到第二活塞销35。相应地，每个连杆6、7在活塞中心线X的相应侧上，使得这些连杆在发动机1的运行期间不会在沿着这些连杆的长度的任何点处彼此交叉。连杆6、7中的每个连杆具有长度C，该长度由相应的曲柄轴颈41、51的旋转轴线与相应的活塞销34、35的中心轴线之间的距离来描述。

申请人已经观察到，对于发动机1的有效运行而言重要的是，活塞销偏移P小于被描述为在活塞中心线X与到该活塞中心线的最近位置处的曲柄轴颈41、51之间的距离。这确保活塞3在施加力的情况下被支撑在三角结构上。

曲轴4、5中的每个曲轴具有曲轴上止点位置和曲轴下止点位置。曲轴上止点位置对应于曲轴4、5在其曲柄轴颈41、51处于最上位置或原始位置时的位置。曲轴下止点位置对应于曲轴4、5在其曲柄轴颈41、51处于最低位置或180度位置时的位置。

如图1所示，当曲柄轴颈41、51处于超过曲轴上止点位置的角度α时，出现活塞上止点位置。如图2所示，当曲柄轴颈41、51处于超过曲轴下止点位置的角度β时，出现活塞下止点位置。

图3示出了内燃发动机1，其中将图2的构型覆盖在图1的构型上。如示出的，活塞从活塞上止点行进到活塞下止点所需的曲轴4、5的角旋转大于活塞从活塞下止点行进到活塞上止点所需的曲轴4、5的角旋转。因此，不对称性δ由曲轴旋转的此差(β-α)来描述。

如上面阐述的，本发明基于这样的认识，即不对称性δ提供了提高发动机1的效率的机会。上述构型不对称性δ可以通过改变有效曲轴偏移E来进行控制。在本发明中，含有两个曲轴4、5(每个曲轴均具有连接到同一个活塞3的相应的连杆6、7)允许不对称性δ被赋予发动机1，同时抵抗原本会由单个曲轴装置产生的侧向推力的有害影响。

增加发动机1的不对称性δ增加了活塞从上止点行进到下止点所需的曲轴4、5的角位移。相反地，增加发动机1的不对称性δ减少了活塞从下止点行进到上止点所需的曲轴4、5的角位移。技术人员将理解，发动机1的不对称性δ导致在活塞3从上止点到下止点的下行冲程期间的曲轴4、5的旋转程度相比于该活塞从下止点到上止点的上行冲程期间的曲轴4、5的旋转程度之间相差2δ。

在四冲程循环中，这种不对称性δ导致进气和动力冲程与压缩和排气冲程相比被延长。虽然不希望受任何特定理论的限制，但据信，延长进气冲程提供了容积填充的改进，而延长动力冲程允许更多的能量作为有用功被传递到活塞3。还据信，缩短压缩和排气冲程减少了通过活塞3和阀(未示出)的泄漏。

将不对称性δ赋予发动机1同时优化其效率涉及到迄今为止尚未被领会或理解的设计参数之间的相互作用。申请人已经观察到，当发动机1的不对称性δ在9度与25度之间的情况下，发动机1的性能的前述改进是特别有利的。在柴油发动机中，发动机1的不对称性δ更优选地在14度与20度之间并且最优选地在16度与18度之间，例如约17度。据估计，与对称的发动机构型相比，17度的不对称性提供了近似10％的进气和动力冲程的增加。这进而导致，对于曲轴4、5的给定旋转速度，活塞3的下行冲程比其上行冲程长20％。

现在转到图4，在相应的连杆6、7中的每一个与活塞中心线X之间描述的是连杆角度

如果连杆角度

超过45°，则在活塞3上垂直于活塞中心线X作用的力的分量将会大于沿着活塞中心线X作用的力的分量。由于活塞3与活塞缸侧壁22之间的侧向推力增加，这对发动机效率具有有害影响，并且因此

是重要的。

已经发现，对于

连杆长度C、曲柄曲拐半径R和有效曲轴偏移E之间的关系可以定义如下：

C≥1.4142(E+R) (1)

此外，对于

不对称性δ可以使用以下公式计算：

技术人员将从上述示例中理解，不对称性δ可以使用类似的原理针对任何给定的发动机的几何形状来进行计算。

申请人还已经确定，曲柄曲拐半径R与有效曲轴偏移E之间的关系可以有利地由以下公式定义：

E＝F×R (3)

其中有效偏移系数F为1.65。然而优选地，有效曲轴偏移系数F在1.4与1.9之间，更优选地在1.5与1.8之间，并且最优选地在1.6与1.7之间。

在一个示例中，曲柄曲拐半径R是38mm。因此，根据等式3，有效曲轴偏移E为62.7mm。使用等式1，这要求有效连杆长度C至少为142.41mm。如果有效连杆长度C为142.41mm，则使用等式2提供16.56°的不对称性δ。

本领域技术人员将理解的是，设想前述示例的几种变型。例如，以下提供了根据本发明的示例性发动机1的设计参数：

在使用中以及在动力冲程期间，来自燃烧室24内的气体膨胀的输入力作用在活塞3上。该力作用在活塞3的上表面31上并且驱动下行冲程。力从活塞3经由活塞销34、35被传递到连杆6、7，并且由此传递到曲柄轴颈41、51和曲轴4、5。力的传递导致曲轴4、5围绕它们的相应的主轴承42、52大体对称地并且在相反的方向上旋转。

随着曲轴4、5旋转，曲柄轴颈41、51遵循由圆44、54限定的路径。由于连杆6、7的对称性并且由于啮合齿轮(未示出)，由连杆6、7中的每个连杆在活塞3上的反作用力是平衡的。活塞3沿着活塞缸2从上止点行进到下止点，并且曲轴4、5旋转通过对应于180°+δ的第一角度。因此在上述具体实施例中，第一角度是196.56°。

在排气冲程期间，曲轴4、5的动量驱动活塞3从下止点至上止点。该运动对应于曲轴旋转通过对应于180°-δ的第二角度。因此在上述具体实施例中，第二角度是163.44°。

现在参考图5，示出了安装在图1至图4的发动机1的曲轴箱(未示出)的轴承架8。轴承架8具有主体9和一对轴承盖10(仅示出其中一个)。轴承架8由与曲轴箱(未示出)不同的材料形成。在该实施例中，曲轴4、5由钢形成，曲轴箱(未示出)由铝合金形成，并且轴承架8由钢形成。轴承架8被设计成减轻曲轴箱的铝合金与曲轴4、5的钢之间的不同的热膨胀的影响。

主体9是立方体并且具有一对间隔开的半圆形切除部分91。每个半圆形切除部分91的大小和尺寸被设计成接纳相应的轴承42、52，曲轴4、5中的一个曲轴可旋转地安装到该相应的轴承。主体9还包括一对润滑端口92，每个润滑端口与切除部分91中的一个切除部分连通。主体9还包括被定位在半圆形切除部分91中的每个半圆形切除部分的两侧的一对螺纹轴承盖安装孔93、用于将轴承架8固定到发动机1的曲轴箱(未示出)的外部安装孔94和定位销孔95。定位销孔95被构造成接纳定位销，以相对于曲轴箱(未示出)定位主体9，并且外部安装孔94的横截面是椭圆形的，以允许轴承架8移动，从而适应轴承架8与曲轴箱(未示出)之间的不同的热膨胀。

轴承盖10是半圆形的并且被构造成与主体9的半圆形切除部分91相互配合，以将轴承42、52卡(captivate)在它们之间。每个轴承盖10还包括从其两侧垂直地突出的一对安装凸缘11。每个安装凸缘11具有延伸穿过其中的孔12，该孔用于接纳螺钉或螺栓(未示出)，该螺钉或螺栓用于螺纹地接合轴承盖安装孔93，以允许轴承盖10附接到主体9。

在使用中，曲轴4、5的主轴承42、52被卡在轴承盖10与半圆形切除部分91之间。每个润滑剂端口92在润滑剂供应部(未示出)与主轴承42、52之间形成流体连接，以能够对该主轴承施加润滑。

在该实施例中，主体9的下表面被高度抛光，并且润滑剂端口92与曲轴箱中的主油路的端口对准。其结果是，轴承架8适应轴承架8与曲轴箱(未示出)之间不同的热膨胀的移动导致少量泄漏，这润滑了相对的表面。然而还可以设想，润滑剂端口92与对准的曲轴箱(未示出)中的主油路的端口之间的连接可以被密封，例如通过在曲轴箱(未示出)或主体9的下表面中的凹槽中接纳的O形环可以被密封。在这样的实施例中，垫圈(未示出)可以被设置在主体9和曲轴箱(未示出)的面对的表面之间。

现在参考图6，示出了类似于上述发动机1的装置，其中与先前附图相似的特征由相似的附图标记表示并且不再进一步描述。该装置与先前附图的不同之处在于设置活塞稳定机构100，以通过平衡由连杆6、7施加的不对称力来抑制活塞3在缸2内的摆动。

连杆6、7中的每个连杆均具有包围相应的活塞销34、35的相应的轴承63、73(为简单起见示出为轴承表面)。轴承63、73被相应的轴承壳64、74包围。在本实施例中，活塞稳定机构100采用一组齿165、175的形式(为了简单起见，仅示出了其中的一些)，这些齿形成在轴承壳64、74中的每个轴承壳的外表面上并且从轴承壳64、74中的每个轴承壳的外表面突出。齿165、175被构造成当活塞3往复运动时一对连杆6、7的相应的第二端部62、72相对于彼此旋转时相互啮合。

相互啮合的齿165、175限制了当活塞3往复运动时这对连杆6、7可以相对于彼此移动的程度。这在使用中，在发动机的动力冲程期间尤其重要。作用在活塞3上的来自燃烧室(未示出)内的气体膨胀的任何不平衡力将经由相应的活塞销34、35传递到连杆6、7。相互啮合的齿165、175有助于保持平衡的活塞3，并且降低活塞3在缸(未示出)内摆动的可能性。

现在参考图7，示出了类似于图6的机构100的活塞稳定机构200，其中相似的特征由相似的附图标记表示并且不再进一步描述。在本实施例中，第一连杆6具有在与其第二端部62间隔开的位置处从该第一连杆突出的销266，并且第二连杆7具有在与其第二端部72间隔开的位置处从该第二连杆突出的销276。

在该实施例中，活塞稳定机构200采用回弹性偏压装置的形式，在该实施例中为弹簧280的形式。弹簧280具有绕着第一连杆6的销266钩住的第一端部281、绕着第二连杆7的销276钩住的第二端部282以及绕着第一活塞销34和第二活塞销35中的每个活塞销的一对中心绕线。弹簧280在连杆6、7中的每个连杆上施加扭转力，以推动它们分开。

在使用中并且在由于燃烧室内的气体膨胀或通过任何其他方式作用在活塞3上的不平衡力的情况下，弹簧280将有助于平衡活塞3，以减轻活塞3在缸(未示出)内的摆动。

应当理解，尽管图7示出了弹簧280绕着活塞销34、35缠绕，但情况不必是这样。相反，弹簧280可以绕着轴承壳64、74或轴承壳64、74处的特定的保持唇缘或成型件或连杆6、7的第二端部62、72缠绕。此外，应当理解，弹簧280可以用任何合适的回弹性偏压装置来代替。

现在参考图8和图9，示出了类似于图6的机构100的活塞稳定机构300，其中相似的特征由相似的附图标记表示并且不再进一步描述。根据该实施例的活塞稳定机构300包括被接纳在活塞303的腔336内的万向节或转向节壳体310。壳体310包围并且部分地封装相应的连杆6、7的第二端部62、72和活塞销34、35。

壳体310具有用于接纳相应的连杆6、7的第二端部62、72的狭槽311和一对间隔开的第二孔312a、312b，这些第二孔正交于狭槽311并与该狭槽相交。孔312a、312b被布置成一旦连杆6、7的第二端部62、72被接纳在第一狭槽311内则接纳相应的活塞销34、35。

壳体310具有一对间隔开的润滑剂端口313，该对间隔开的润滑剂端口穿过该壳体的上表面并与第一狭槽和第二狭槽311、312a、312b流体连通，以使得活塞销34、35和轴承63、73能够被润滑。活塞303包括从限定腔336的内表面突出的装载唇缘(loading lip)337。装载唇缘337被构造成限制壳体310能够进入腔336的程度。

活塞稳定机构300包括位于壳体310的相对侧上的一对短轴(stub axle)315。该实施例中，活塞303具有一对短轴孔338，该对短轴孔延伸穿过该活塞的侧壁并与腔336连通。短轴315穿过短轴孔338被插入并且收缩配合在其中。

活塞稳定机构300还包括一对轴承316，每个短轴315对应一个轴承，该轴承位于短轴孔338与短轴315之间。短轴315将活塞稳定机构300保持在活塞303内，并且允许该活塞稳定机构相对于活塞303绕着它们的共同轴线旋转。短轴315还将能量从活塞303传递到连杆6、7。

在使用中，当连杆6、7的端部62、72位于活塞稳定机构300内并且整个组件位于活塞303内时，连杆6、7之间的任何不平衡经由活塞稳定机构300向活塞303施加力。由于壳体310相对于活塞303绕短轴315能够自由旋转，任何不平衡的力导致活塞稳定机构300相对于活塞303旋转，并且因此活塞303保持平衡。

现在参考图10，示出了根据本发明的实施例的曲轴同步机构400，其中与图1-9相似的附图标记表示相似的特征。曲轴同步机构400具有双面同步带401，该双面同步带在同步带401的第一侧411和第二侧421二者上具有齿411a、421a。

如前面的实施例中，第一曲轴和第二曲轴4、5具有相应的主轴承42、52。第一曲轴4具有第一齿轮402，该第一齿轮被安装成用于与该第一曲轴一起旋转，该第一齿轮与同步带401的第一侧411上的齿轮齿411a配合并且在本实施例中被构造成沿顺时针方向412旋转。第二曲轴5具有第二齿轮403，该第二齿轮被安装成用于与该第二曲轴一起旋转，该第二齿轮与同步带401的第二侧421上的齿轮齿421a配合并且在本实施例中被构造成沿逆时针方向413旋转。因此，第一曲轴和第二曲轴4、5和其各自的齿轮402、403被构造成反向旋转。

同步机构400包括第一张紧轮404，该第一张紧轮具有在与第一曲轴和第二曲轴4、5的旋转轴线相交的平面的下侧上的位于下方的旋转中心。第一张紧轮404具有形成第一张紧齿轮424的带齿的外表面，该第一张紧齿轮被构造为与同步带401的第二侧421上的齿421a相互接合并且被构造为沿逆时针方向414旋转。

同步机构400还包括第二张紧轮和第三张紧轮405、406，该第二张紧轮和该第三张紧轮具有相应的旋转中心，这些旋转中心位于与第一曲轴和第二曲轴4、5的旋转轴线相交的平面的上侧上，与第一张紧轮404的旋转中心相对。在该实施例中，第二张紧轮405具有形成第二张紧齿轮425的带齿的外表面，该第二张紧齿轮被构造为与同步带401的第二侧421上的齿421a相互接合，并且被构造为沿逆时针方向415旋转。第三张紧轮406具有形成第三张紧齿轮426的带齿的外表面，该第三张紧齿轮被构造成与同步带401的第一侧411上的齿411a相互接合，并且被构造成沿顺时针方向416旋转。

同步机构400还包括具有旋转中心的凸轮轴驱动轮407，该凸轮轴驱动轮也位于曲轴4、5的上方。凸轮轴驱动轮407具有形成凸轮轴齿轮427的带齿的外表面，该凸轮轴齿轮被构造为与同步带401的第二侧421上的齿421a相互接合，并且被构造为沿逆时针方向417旋转。

在使用中，同步带401通过与第一齿轮和第二齿轮402、403以及凸轮轴齿轮427的接合来保持曲轴4、5相对于彼此之间的同步以及还保持曲轴4、5与凸轮轴驱动轮407之间的同步。

尽管凸轮轴驱动轮407沿逆时针方向旋转，但情况不必是这样。相反，凸轮轴驱动轮407可以沿顺时针方向旋转，同时保持第一齿轮402的顺时针旋转和第二齿轮403的逆时针旋转。技术人员将理解，在这种情况下，这可以通过重新配置曲轴同步机构400来实现，使得同步带401的第二侧421上的齿421a接合凸轮轴齿轮427和第一齿轮402二者，其中同步带401的第一侧411上的齿411a接合第二齿轮403。张紧轮404、405和406也需要被重新配置以适应这种重新配置。

还应当理解，替代于具有被配置成同步曲轴4、5两者和凸轮轴驱动轮407的曲轴同步机构，曲轴同步机构可以仅同步曲轴4、5的旋转。在这种情况下，可以存在一个或更多个张紧轮，其旋转中心位于与第一曲轴和第二曲轴4、5的旋转轴线相交的平面的一侧，以及存在一个或更多个另外的轮，其旋转中心位于与第一曲轴和第二曲轴4、5的旋转轴线相交的平面的另一侧。替代地，同步带401还可以驱动一个或更多个外围设备(未示出)，如本领域技术人员将理解的。

本领域技术人员应理解的是，设想多种变型而不脱离本发明的范围。例如，活塞缸2和活塞3的横截面形状可以是任何合适的形状，例如椭圆形或复杂多边形。本领域技术人员还应理解的是，前述特征和/或附图中所示的那些特征的任何数量的组合提供了优于现有技术的明显优点，并且因此处于本文所描述的本发明的范围内。

Claims (21)

1.一种压燃式内燃发动机，包括：

缸；

活塞，所述活塞可往复运动地接纳在所述缸内；

一对反转的曲轴，所述一对反转的曲轴相对于所述缸可旋转地安装；

一对连杆，所述一对连杆包括第一连杆和第二连杆，每个连杆具有第一端部和第二端部，所述第一端部连接到所述曲轴中的相应曲轴的曲柄轴颈，所述第二端部通过活塞连接器连接到所述活塞；

活塞稳定装置，所述活塞稳定装置被构造成通过平衡由所述连杆施加的不对称力来抑制所述活塞在所述缸内的摆动；

其中所述活塞稳定装置包括转向节壳体，所述第一连杆和所述第二连杆中的每个连杆的所述第二端部枢转地连接到所述转向节壳体，所述转向节壳体被枢转地安装到所述活塞并且被至少部分地安装在所述活塞内，使得所述转向节壳体的旋转至少部分地独立于所述活塞的旋转；

其中，所述连杆与所述转向节壳体之间的连接以及所述转向节壳体相对于所述活塞的旋转轴线形成三角形的布置；

并且其中所述发动机被构造成使得在朝向所述曲轴的第一方向上的活塞冲程导致每个曲轴旋转第一角度，并且在与所述第一方向相反的第二方向上的活塞冲程导致每个曲轴旋转不同于所述第一角度的第二角度。

2.根据权利要求1所述的发动机，其中所述第二角度比所述第一角度小20度与48度之间。

3.根据权利要求2所述的发动机，其中所述第二角度比所述第一角度小26度与42度之间。

4.根据权利要求3所述的发动机，其中所述第二角度比所述第一角度小32度与36度之间。

5.根据权利要求2至4中的任一项所述的发动机，所述发动机包括：

曲轴曲拐半径，其被描述为在每个曲轴的旋转轴线与其曲柄轴颈之间的距离；和

有效曲轴偏移，其由每个曲轴的旋转轴线与所述曲轴的连杆连接到其上的活塞连接器之间的偏移来描述；

其中所述有效曲轴偏移在所述曲轴曲拐半径的1.4倍与1.9倍之间。

6.根据权利要求5所述的发动机，其中所述有效曲轴偏移在所述曲轴曲拐半径的1.6倍与1.7倍之间。

7.根据权利要求5所述的发动机，其中每个连杆包括被描述为在所述曲柄轴颈与所述连杆连接到其上的活塞连接器之间的有效连杆长度C，所述有效连杆长度由C≥1.4142x(E+R)定义，其中R是所述曲轴曲拐半径并且E是所述有效曲轴偏移。

8.根据权利要求1所述的发动机，所述发动机包括第一活塞连接器和第二活塞连接器，其中所述曲轴包括第一曲轴和第二曲轴，并且所述一对连杆包括第一连杆和第二连杆，所述第一连杆在其第一端部处连接到所述第一曲轴的曲柄轴颈并且在其第二端部处连接到所述第一活塞连接器，所述第二连杆在其第一端部处连接到所述第二曲轴的曲柄轴颈并且在其第二端部处连接到所述第二活塞连接器。

9.根据权利要求8所述的发动机，其中所述第一曲轴和所述第一活塞连接器二者均在所述活塞的第一侧上，并且所述第二曲轴和所述第二活塞连接器均在所述活塞的第二侧上。

10.根据权利要求1所述的发动机，其中所述转向节壳体被接纳在活塞的腔内，并且包围并且部分地封装相应的连杆的所述第二端部和所述活塞连接器。

11.根据权利要求1所述的发动机，所述发动机进一步包括曲轴箱和安装到所述曲轴箱的轴承架，所述轴承架由与所述曲轴箱不同的材料形成并且具有一对接纳部，每个接纳部接纳轴承，所述曲轴中的一个曲轴安装到所述轴承。

12.根据权利要求11所述的发动机，其中所述轴承架包括与每个接纳部相关联的润滑剂端口，以用于将润滑剂引至所述轴承。

13.根据权利要求1所述的发动机，所述发动机包括一对输出轴，每个输出轴具有联接到所述曲轴中的相应曲轴的端部。

14.根据权利要求1所述的发动机，所述发动机包括联接到两个曲轴的输出轴。

15.根据权利要求1所述的发动机，所述发动机包括进给阀和排出阀，所述进给阀用于将空气和/或燃料引入所述缸，所述排出阀用于从所述缸排出气体，其中所述发动机被构造成使得所述进给阀在所述活塞到达上止点位置之前打开在15度与25度之间，并且在所述活塞到达下止点位置之后关闭在40度与50度之间，并且所述排出阀在所述活塞到达所述下止点位置之前打开在40度与50度之间，并且在所述活塞到达所述上止点位置之后关闭在15度与25度之间。

16.根据权利要求1所述的发动机，其中所述曲轴通过互相啮合的齿轮联接在一起。

17.根据权利要求1所述的发动机，其中所述曲轴通过双面同步带联接在一起。

18.根据权利要求1所述的发动机，所述发动机包括被安装成用于与所述曲轴中的一个曲轴一起旋转的第一齿轮、被安装成用于与另一个曲轴一起旋转的第二齿轮、以及将所述第一齿轮和所述第二齿轮连接在一起从而使它们的旋转同步的至少一个另外的齿轮。

19.根据权利要求1所述的发动机，其中所述发动机为柴油发动机。

20.一种发电机，所述发电机包括根据权利要求1所述的发动机。

21.一种交通工具，所述交通工具包括根据权利要求1所述的发动机。

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