CN110905678B - 用于内燃发动机的发动机缸体 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种用于内燃发动机的气缸体，气缸体具有第一气缸、第一气缸套、第二气缸和第二气缸套。第一气缸限定第一圆柱形壁，而第二气缸限定第二圆柱形壁。第一气缸套衬在第一圆柱形壁上，而第二气缸套衬在第二圆柱形壁上。所述第一气缸套和第二气缸套中的每一个都限定了推力套区域、与推力套区域相对的反推力套区域以及一对连体区域。第一气缸套和第二气缸套中的每一个的外壁朝向第一气缸套和第二气缸套中的每一个的顶套表面逐渐变宽。

Description

用于内燃发动机的发动机缸体

技术领域

本公开涉及一种专门用于内燃发动机的气缸体。

背景技术

在其最一般的形式中，内燃发动机或热力发动机包括发动机缸体，在该发动机缸体中形成了至少一个气缸，活塞可移动地安装在该气缸内，并通过连接元件(例如，连杆)连接到曲轴。发动机缸体包括三个主要部件，其中一个称为气缸体，因为它有一个或多个气缸。

气缸体的一侧覆盖有气缸盖(第二主要部件)，在气缸盖中布置有内部燃烧所需的装置：特别是进气装置、排气装置和可选的点火装置。在另一侧，气缸体被容纳了曲轴(第三主要部件)的发动机曲轴箱覆盖。

参考图2A和2B，当内燃发动机是线性运动活塞型时，与旋转活塞发动机相反，发动机缸体具有至少一个由直套120衬成的气缸112，活塞180可以在直套120内平移，通过连杆连接到曲轴。气缸孔112呈圆形，并且直套120在整个直套120中也具有连体区域宽度154。图2A和2B中该气缸体的气缸盖(未示出)包括用于气缸或每个气缸的分配装置：例如，至少一个进气阀、至少一个排气阀和可选的火花塞，以及用于控制阀门的机械装置。发动机曲轴箱包含曲轴和连杆以及润滑发动机所需的储油器。

密封垫片用于在内燃发动机的三个主要部件之间：即在气缸体和气缸盖之间，以及在气缸体和发动机曲轴箱之间，形成密封。更具体地说，上密封件—即气缸体和气缸盖之间的密封件—由专门为此目的开发的气缸盖垫圈形成。

无论这种内燃发动机使用什么操作模式—即二冲程或四冲程、压缩点火或火花点火—这种操作总是包括每个气缸的以下阶段：燃烧所需的燃料和空气的吸入、燃料/空气混合物的压缩、燃料/空气混合物的内部燃烧和燃料燃烧后的气体的排出。通过使用合适的内燃发动机结构，这四个阶段被组织成两个或四个循环。

很容易理解为什么内燃发动机的设计和用于制造它的材料的选择主要取决于发动机在燃烧阶段所承受的应力，这是一次真正的爆炸。

另一方面，在运行过程中能够充分抵抗所受到的静态和动态应力的发动机和尽可能轻的发动机之间寻求一种折衷。考虑到发动机在运行过程中承受静态应力和动态应力的能力，在以下两者之间寻求折衷：1)发动机有足够刚性，能够承受来自气缸盖和曲轴箱的夹紧载荷的预应力，加上由内部燃烧或爆炸阶段产生的膨胀力，这取决于热力循环；以及2)具有柔性或弹性以吸收膨胀力，从而最小化可能由力和其他应力产生的变形。

事实上，变形通常与热力循环的动态应力有关。但是它们也是由来自气缸盖和覆盖气缸盖的缸盖罩的夹紧载荷的预应力引起的。

结合了抗应力性和抗变形性的内燃发动机结构的大多数折衷与发动机设计有关，并且每个气缸都配备有由硬质材料制成的气缸套，该气缸套决定气缸孔的尺寸。

气缸套可以是固定的或可移动的，当它被固定时，它可以持久地连接在气缸体内部，或者它可以是可拆卸的。

发明内容

本公开提供了一种用于内燃发动机的气缸体，该气缸体具有第一气缸、第一气缸套、第二气缸和第二气缸套。第一气缸限定第一圆柱形壁，而第二气缸限定第二圆柱形壁。第一气缸套衬在第一圆柱形壁上，而第二气缸套衬在第二圆柱形壁上。第一和第二气缸套中的每一个都限定了推力套区域、与推力套区域相对的反推力套区域以及一对连体区域。第一和第二气缸套中的每一个的外壁朝向第一和第二气缸套中的每一个的顶套表面逐渐变宽。应当理解，内壁和外壁在每个相应的气缸内基本上是共圆柱形的。第一和第二气缸套的内壁和外壁限定了顶套表面，该顶套表面构造成容纳至少一部分气缸盖密封垫片。

在前述示例性、非限制性实施方案中，第一和第二气缸套中的每一个的推力套区域和反推力套区域可以与第一和第二气缸中的每一个中的相应推力区域和相应反推力区域对齐。第一和第二气缸中的一对连体区域也可以彼此相对地设置。然而，应当理解，由第一气缸限定的一对连体区域之一可以邻近第二气缸的连体区域设置。类似地，第一气缸套中的连体套区域可以设置成靠近第二气缸套中的另一连体套区域。

第一和第二气缸套中的每一个的外壁都可以限定椭圆形横截面，而第一和第二气缸套中的每一个的内壁限定圆形横截面。第一和第二气缸各自都限定椭圆形气缸孔，该椭圆形气缸孔被构造成与相应的第一和第二气缸套的外壁的椭圆形横截面对齐。还应当理解，第一和第二气缸套中的连体套区域被构造成当内部燃烧达到预定温度时承受热膨胀。此外，第一和第二气缸套中的每一个的顶套表面都可以被构造成支撑止动件。在前述示例性、非限制性实施方案中，燃烧珠也可以与第一和第二气缸套中的每一个间隔开，但是围绕第一和第二气缸套中的每一个。

也应当理解，推力套区域和反推力套区域各自在第一和第二气缸套的每个气缸套的顶套表面处限定厚处宽度，而第一和第二气缸套的一对连体区域中的每一个连体区域都在第一和第二气缸套的每个气缸套的顶套表面处限定连体区域宽度。每个厚处宽度都大于每个连体区域宽度。此外，还应注意，在第一和第二气缸套中的每一个的推力套区域和反推力套区域中气缸套厚度逐渐增大，气缸套宽度在每个连体区域中保持固定。因此，第一和第二气缸套中的每一个的顶套表面处的连体区域宽度等于沿着每个连体区域中的气缸套的纵向长度的套厚度。

因此，在前述非限制性、示例性实施方案中，第一和第二气缸套中的每一个的顶套表面限定椭圆形，而第一和第二气缸套中的每一个的底边限定圆形。类似地，第一和第二气缸中的每一个的顶部开口限定椭圆形，而第一和第二气缸中的每一个的底部表面限定圆形。最后，应当理解，本公开的气缸体可以可选地包括多组气缸总成，其中，每组气缸总成都包括第一气缸、第一气缸套、第二气缸和第二气缸套。

通过参考附图考虑以下详细描述，本公开及其特定特征和优点将变得更加明显。

附图说明

根据以下详细描述、最佳方式、权利要求和附图，本公开的这些和其他特征和优点将变得显而易见，其中：

图1是具有气缸室的发动机缸体的示意性局部图；

图2A是传统发动机气缸和套的示意性剖视图；

图2B是图2A中传统发动机气缸和套的示意性平面图；

图3A是根据本公开的发动机缸体的各种实施方案的，沿着线3A-3A(穿过推力和反推力区域)截取的，图3B中示例性，非限制性(第一或第二)发动机气缸和(第一或第二)套的示意性剖视图；

图3B是(第一或第二)发动机气缸和(第一或第二)气缸套的示意性平面图，示出了止动件和燃烧珠；

图3C是根据本公开的发动机缸体的各种实施方案的，沿着线3C-3C(穿过连体区域)截取的，图3B中示例性，非限制性(第一或第二)发动机气缸和(第一或第二)套的示意性剖视图；

图4示出了根据本公开的第一气缸套和第二气缸套的局部剖视图；

图5是实例(第一或第二气缸)及其对应的气缸套的平面图。

在附图的几个视图的描述中，相同的附图标记指代相同的部件。

具体实施方式

现在将详细参考本公开目前优选的组成、实施方案和方法，它们构成了发明人目前已知的实施本公开的最佳方式。这些图形不一定是按比例绘制的。然而，应当理解，所公开的实施方案仅仅是本公开的示例，本公开可以以各种替代形式来实施。因此，这里公开的具体细节不应被解释为限制性的，而仅仅是作为本公开任何方面的代表性基础和/或作为教导本领域技术人员以不同方式使用本公开的代表性基础。

除了在实例中，或者在另外明确指出的地方，在描述本公开的最宽范围时，本说明书中指示材料量或反应和/或使用条件的所有数字量应理解为由词语“大约”修饰。通常最好在规定的数值范围内实施。此外，除非有相反的明确说明：百分比、“份数”和比值是按重量计算的；对适合或优选用于与本公开相联系的给定目的的一组或一类材料的描述意味着该组或该类材料中任何两种或多种成员的混合物同样适合或优选；首字母缩略词或其他缩写词的第一定义适用于相同缩写词在本文中的所有后续使用，并且经过必要的修改后适用于最初定义的缩写词的正常语法变形；并且，除非有相反的明确说明，否则对某一特性的衡量是通过与之前或之后针对相同特性引用的相同技术来确定的。

还应当理解，本公开不限于下面描述的具体实施方案和方法，因为具体部件和/或条件当然可以变化。此外，这里使用的术语仅用于描述本公开的特定实施方案的目的，并不旨在以任何方式进行限制。

还必须注意的是，如说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一个(a)”、“一个(an)”、“所述”包括复数指代物，除非上下文另有明确指示。例如，以单数形式提及某一部件也旨在包括多个部件。

术语“包括”与“具有”、“包含”或“以……为特征”同义。这些术语是包含性和开放性的，并且不排除附加的、未列举的单元或方法步骤。

短语“由......组成”不包括权利要求中未指定的任何单元、步骤或成分。短语“基本上由……组成”将权利要求的范围限制在指定的材料或步骤，加上那些实质上不影响所要求保护的主题的基本和新颖特征的材料或步骤。

术语“包括”、“由...组成”和“基本由...组成”可以交替使用。在使用这三个术语之一的情况下，当前公开和要求保护的主题可以包括使用另外两个术语中的任何一个。

在整个本申请中，在引用了出版物之处，这些出版物的全部公开内容通过引用结合到本申请中，以更全面地描述本公开内容所属的技术状态。

以下详细描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本公开或本公开的使用和用途。此外，无意受前面背景或下面详细描述中提出的任何理论的约束。

具有带套气缸的气缸体的内燃发动机设计的优点是具有轻质、弹性的发动机和刚性气缸，尤其是足够坚硬以承受活塞摩擦的气缸。

然而，已经观察到，当传统气缸的圆柱形壁衬有直的气缸套时(参见图2A-2B)，这产生了一个主要在燃烧阶段出现的主要问题，即爆炸产生的应力和随之而来的热变化被加到压缩力对气缸体产生的应力上。因此，如上所述，气缸体设计必须解决在气缸体和气缸盖之间形成密封的必要性以及其他要求。例如，这种密封通过由多个叠加箔片制成的气缸盖密封垫片形成。这样，气缸盖密封垫片能够在气缸体和气缸盖之间形成密封，在气缸的轴向上具有预定的柔性。

然而，这种密封只有在面对气缸盖表面的气缸体表面在发动机运转的整个过程中表现出或多或少的均匀性时才能完全有效。很容易看出，用两种材料制造气缸体—即气缸体本身由轻的、相对软的合金制成，气缸套由重的、硬的材料制成—也会导致气缸体的两个部件具有不同的热行为。此外，在气缸体的设计中需要仔细考虑热行为，因为根据气缸体的尺寸和气缸的数量及其布置，为气缸体设计空气或液体冷却系统或多或少是困难的。

此外，在许多发动机中，气缸套的顶套表面低于由气缸体和气缸盖之间的接触表面确定的平面。因此，在这种情况下，气缸盖密封垫片主要或甚至完全靠在气缸体的轻金属体上。此外，在燃烧时—即燃料爆炸的时刻—每个气缸套的膨胀在由位于两个相邻气缸之间的气缸体部分形成的桥142(图2A)上产生非常大的压力。施加在气缸体这一部分上的压缩在增大气缸体的脆性方面发挥了自己的作用。

另一个主要缺点是在两个相邻气缸之间形成桥的这一部分的膨胀。这种膨胀首先对气缸盖密封垫片施加强大的压力，因为金属在气缸体的这一部分变成可塑的。这种膨胀也对两个相邻的套施加强大的压力，以“产生”膨胀所需的空间。所产生的气缸套的变形对气缸套内壁和相应活塞之间的接触非常不利。最后，当发动机冷却时，金属的塑性—特别是当它是铝时—会导致在套和气缸体之间形成裂缝，这会损害气缸盖密封垫片的密封。特别容易受到这些应力的影响，并且在确定气缸体是否能够承受热应力时特别关键的一个位置是两个相邻气缸之间的空间。

在具有至少两个套气缸112、114的气缸体的传统设计中，气缸套120具有直圆柱形管的一般形状，该直圆柱形管具有连体区域宽度154，其中，内壁平移地引导活塞180，外壁由形成气缸的凹槽的圆柱形壁支撑。(见图2A-2B)。套的内壁和外壁基本上是共圆柱形的，但不一定是旋转圆柱形的，并且它们在它们之间形成了套的顶套表面，该顶套表面旨在容纳气缸盖密封垫片的至少一部分。

在具有两个或多个气缸的传统气缸体上，每个气缸都配备有直的气缸套，在由气缸套形成的导热性较低的硬区域和由气缸体的本体的不同部分形成的导热性较软区域之间存在交替。由于两个相邻气缸之间的可用空间有限，因此，通常不可能插入冷却剂通道，以避免在燃烧阶段使两个相邻气缸之间的空间过热。这会导致高破裂风险，这会削弱气缸体对工作应力的抵抗力。

另一个缺点(通常是主要缺点)是两个气缸之间的空间桥142(图2A)中轻金属(例如铝)的热膨胀。这在气缸盖密封垫片上施加了非常大的压力(孔间区域变成可塑的)，并使孔间区域的套向气缸筒内部弯曲，这对活塞/套的适宜相互作用非常不利。因此，本公开提供了解决上述问题的气缸体10(图1)。

因此，本公开提供了一种用于内燃发动机的气缸体10，其中，气缸套20、22保持状态：在气缸内可旋转地(围绕图3A中的轴线25)和在气缸内轴向地(沿着图3A中的轴线25)。如本文所述，气缸套20、22包括沿着每个气缸的纵向轴线25的锥形横截面，这防止了气缸套20、22由于热膨胀而发生不期望的轴向运动。气缸套20、22还包括平面图(图1)中的椭圆形截面，以防止气缸内的旋转轴线(围绕图3A中的轴线25)。因此，根据本公开的气缸体包括第一气缸12、第一气缸套20、第二气缸14和第二气缸套22。第一气缸12限定第一圆柱形壁16，而第二气缸14限定第二圆柱形壁18。第一气缸套20衬在第一圆柱形壁16上，而第二气缸套22衬在第二圆柱形壁18上。第一和第二气缸套14、22中的每一个都限定了推力套区域28、与推力套区域28相对的反推力套区域30以及一对连体套区域32。第一和第二气缸套20、22中的每一个的外壁26沿着第一和第二气缸套20、22中的每一个的纵向轴线25(向顶套表面34)逐渐变宽。然而，推力和反推力套区域28、30处的厚处宽度52均大于连体套区域处的连体区域宽度52。

前述构造适应于可能会发生在第一和第二气缸套20、22中的热膨胀，该热膨胀发生在设置在每个气缸之间的区域(连体区域)中。应当理解，设置在推力和反推力区域附近的水套防止反推力套区域28和反推力套区域30过热并经历过度热膨胀。此外，第一和第二气缸套20、22中的每一个在每个顶套表面34处和其附近的椭圆形构造也防止第一和第二气缸套20、22中的每一个在每个气缸或气缸孔内旋转。如图3A-3C所示，内壁24和外壁26在每个相应的气缸内基本上是共圆柱形的。第一和第二气缸套的内壁和外壁20、22限定了顶套表面34，该顶套表面34构造成容纳至少一部分气缸盖密封垫片36。

在前述示例性、非限制性实施方案中，第一和第二气缸套20、22中的每一个的推力套区域28和反推力套区域30可以与第一和第二气缸12、14中的每一个中的相应推力区域29(图1)和相应反推力区域31(图1)对齐。第一和第二气缸12、14中的一对连体区域42、42’也可以彼此相对地设置。然而，应当理解，由第一气缸12限定的一对连体区域42中的一个连体区域42可以邻近第二气缸14的一对连体区域42’中的一个连体区域42’设置。类似地，第一气缸套20中的连体套区域32可以设置成靠近第二气缸套22中的另一连体套区域32。气缸体10在每个气缸12、14之间的连体区域42(和连体套区域32)中经历非常高的温度，而气缸体10的推力和反推力区域29、31(图1)由于邻近的水套82而经历相对较低的温度。此外，鉴于燃烧发生在更靠近每个气缸12、14的顶部21处，第一和第二气缸12、14中的每一个(以及第一和第二气缸套20、22中的每一个)的顶部部分21相对于第一和第二气缸12、14中的每一个以及第一和第二气缸套20、22中的每一个的底部部分23经历更高的温度梯度。参见图3A。

第一和第二气缸套20、22中的每一个的外壁26都可以限定椭圆形横截面，而第一和第二气缸套20、22中的每一个的内壁24限定圆形横截面46。第一和第二气缸12、14各自都限定锥形气缸孔47，该锥形气缸孔47被构造成与相应的第一和第二气缸套20、22的外壁26的椭圆形横截面44对齐。锥形气缸(或气缸孔)12、14沿着纵向轴线24逐渐变细(图3A)。还应当理解，第一和第二气缸套20、22中的连体套区域32被构造成当内部燃烧达到预定温度时承受热膨胀。然而，由于第一和第二气缸套20、22中的每一个沿着纵向轴线25的锥形特性，每个气缸套20、22都不会热膨胀到套20、22膨胀并破坏与气缸盖(未示出)接合的密封垫片36的程度。如图所示，第一和第二气缸套14、22中的每一个的顶套表面34都可以被构造成支撑气缸盖密封垫片36。在前述非限制性实施方案实例中，燃烧珠48也可以与第一和第二气缸套14、22中的每一个间隔开，但是围绕第一和第二气缸套14、22中的每一个。

还应当理解，推力套区域28和反推力套区域30各自在第一和第二气缸套20、22中的每一个气缸套的顶套表面处限定厚处宽度52，而第一和第二气缸套20、22的一对连体区域42、42’中的每一个连体区域都在第一和第二气缸套20、22的每个气缸套的顶套表面处限定连体区域宽度54。反推力套区域30和推力套区域28中的厚处宽度52各自都大于相应的连体区域宽度54中的每一个。因此，每个顶套表面34处的椭圆形构造56都防止每个气缸套20、22在每个气缸孔12、14内旋转。如图3A-3C所示，气缸套厚度52(厚处宽度52)在第一和第二气缸套20、22中的每一个的推力套区域28和反推力套区域30中沿着纵向轴线25逐渐增大，而气缸套宽度(连体区域宽度54)在每一个连体套区域32中也沿着纵向轴线25逐渐增大。然而，应当理解，沿轴线25的任何点处的厚处宽度52大于沿轴线25的任何相应连体区域宽度54。因此，如图3C所示，第一和第二气缸套14、22中的每一个的顶套表面34处的连体区域宽度54类似地沿着气缸套20、22的纵向长度/轴线25逐渐增大(类似于反推力区域和推力区域中的宽度)。

因此，现在参考图5，在前述非限制性、示例性实施方案中，第一和第二气缸套14、22中的每一个的顶套表面34限定椭圆形56，而第一和第二气缸套14、22中的每一个的底边58限定圆形60。类似地，第一和第二气缸12、14中的每一个的顶部开口62限定椭圆形构造66，而第一和第二气缸12、14中的每一个的底部表面64限定圆形构造68。最后，应当理解，本公开的气缸体10可以可选地包括多组50气缸总成(如图1所示)，其中，每组50气缸总成都包括第一气缸12、第一气缸套20、第二气缸14和第二气缸套22。

虽然在前面的详细描述中已经给出了至少一个非限制性实施方案实例，但是应当理解，存在大量的变型。还应当理解，一个或多个示例性实施方案仅仅是示例，并不旨在以任何方式限制本公开的范围、适用性或构造。相反，前述详细描述将为本领域技术人员提供实现一个或多个示例性实施方案的便利路线图。应当理解，在不脱离所附权利要求及其法律等同物中阐述的本公开的范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

Claims (10)

1.一种内燃发动机的气缸体，包括：

具有第一锥形壁的第一气缸；

衬在所述第一锥形壁上的第一气缸套；

具有第二锥形壁的第二气缸；以及

衬在所述第二锥形壁上的第二气缸套，所述第一气缸套和第二气缸套中的每一个都具有内壁和外壁，所述内壁和外壁限定推力套区域、与所述推力套区域相对的反推力套区域以及一对连体区域；

其中，所述第一气缸套和第二气缸套中的每一个的内壁分别在所述第一气缸和所述第二气缸内呈圆柱形，所述第一气缸套和第二气缸套中的每一个的外壁沿着纵向轴线朝向第一气缸套和第二气缸套中的每一个的顶套表面逐渐变宽，并且所述内壁和外壁中的每一个都限定顶套表面，所述顶套表面用于容纳至少一部分气缸盖密封垫片；所述第一气缸和所述第二气缸各自都限定锥形气缸孔，所述锥形气缸孔被构造成与相应的所述第一气缸套和所述第二气缸套的外壁的横截面对齐，所述锥形气缸孔沿着纵向轴线逐渐变细；所述第一和第二气缸套中的每一个的顶套表面限定椭圆形，而所述第一和第二气缸套中的每一个的底边限定圆形。

2.根据权利要求1所述的气缸体，其中，所述第一气缸套和第二气缸套中的每一个的推力套区域和反推力套区域与所述第一气缸和第二气缸中的每一个中的相应推力区域和相应反推力区域对齐。

3.根据权利要求2所述的气缸体，其中，所述第一气缸和第二气缸中的一对连体区域彼此相对设置，并且限定所述第一气缸的所述一对连体区域中的一个邻近所述第二气缸的连体区域设置。

4.根据权利要求3所述的气缸体，其中，所述第一气缸套和第二气缸套中的每一个的所述外壁限定椭圆形横截面，并且所述第一气缸套和第二气缸套中的每一个的所述内壁限定圆形横截面。

5.根据权利要求4所述的气缸体，其中，所述第一气缸和第二气缸各自都限定椭圆形气缸孔，所述椭圆形气缸孔构造成与相应的第一气缸套和第二气缸套的外壁的椭圆形横截面对齐。

6.根据权利要求5所述的气缸体，其中，所述第一气缸套和第二气缸套中的每一个连体套区域都构造成当所述内燃发动机达到预定温度时经历热膨胀。

7.根据权利要求6所述的气缸体，其中，所述第一气缸套和第二气缸套中的每一个的所述顶套表面都构造成支撑止动件。

8.根据权利要求7所述的气缸体，其中，燃烧珠与所述第一气缸套和第二气缸套中的每一个间隔开，但是围绕所述第一气缸套和第二气缸套中的每一个。

9.根据权利要求8所述的气缸体，还包括多组气缸总成，其中，每组气缸总成都包括所述第一气缸、所述第一气缸套、所述第二气缸和所述第二气缸套。

10.根据权利要求9所述的气缸体，其中，所述推力套区域和所述反推力套区域各自在所述第一气缸套和第二气缸套中的每一个的顶套表面处限定厚处宽度，而所述第一气缸套和第二气缸套中的一对连体区域中的每一个连体区域都在所述第一气缸套和第二气缸套中的每一个的顶套表面处限定连体区域宽度。

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