CN111108270A - 用于对置活塞发动机的包括热障涂层的排气室构造 - Google Patents

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Abstract

用于对置活塞发动机的带有热障涂层的排气室减少了排放到冷却剂的热，同时增加了排气温度、提高了燃料效率并加快了排气后处理起燃。排气室可包括在排气室的内表面上的涂层。具有结构性并提供冷却通道或通路的柱可以存在于排气室中并用热障涂层材料涂覆。

Description

用于对置活塞发动机的包括热障涂层的排气室构造
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年8月18日提交的标题为“用于对置活塞发动机的包括热障涂层的排气室构造”的美国临时专利申请62/547,379的优先权。
本申请包含与2014年8月4日提交的标题为“用于二冲程循环的直列对置活塞发动机的带有伴随点火顺序的排气布置(Exhaust Layout With Accompanying FiringSequence For Two-Stroke Cycle,Inline,Opposed-Piston Engines)”的共同拥有的美国专利申请14/450,808(现在是于2018年6月19日授权的专利号10,001,057)、2014年5月21日提交的标题为“用于对置活塞发动机的空气处理构造(Air Handling Constructions forOpposed-Piston Engines)”的共同拥有的美国专利申请14/284,058(现在是于2017年2月28日授权的专利号9,581,024)以及2014年5月21日提交的标题为“用于对置活塞发动机的空气处理系统的打开的进气室和排气室构造(Open Intake and Exhaust ChamberConstructions for an Air Handling System of an Opposed-Piston Engine)”的共同拥有的美国专利申请14/284,134(现在是于2017年1月24日授权的专利号9,551,220)的主题相关的主题。
技术领域
本领域涉及内燃发动机。具体地，本领域涉及可应用于车辆、船舶和固定动力源的对置活塞发动机。
背景技术
二冲程循环发动机是通过曲轴的单个完整旋转和连接到曲轴的活塞的两个冲程来完成操作循环的内燃发动机。冲程通常被表示为压缩冲程和做功冲程。二冲程循环发动机的一个示例是对置活塞发动机，其中两个活塞设置在气缸的镗孔中以用于沿着气缸的中心轴线在相反方向上往复移动。每个活塞在其最靠近气缸的一端的下止点(BDC)位置与最远离该一端的上止点(TDC)位置之间移动。气缸具有靠近相应BDC活塞位置的在气缸侧壁中形成的端口。对置活塞中的每个控制一个端口，从而在它移动到其BDC位置时打开该端口并且在它从BDC朝向其TDC位置移动时闭合该端口。端口中的一个用于允许增压空气进入镗孔，另一个端口提供使燃烧产物离开镗孔的通道；这些端口分别称为“进气”端口和“排气”端口(在一些描述中，进气端口被称为“空气”端口或“扫气”端口)。在直流扫气式对置活塞发动机中，随着排气从其排气端口流出，加压的增压空气通过其进气端口进入气缸，因此气体从进气端口到排气端口沿着气缸的长度在单个方向上(“直流”)流过气缸。
增压空气和排气产物经由空气处理系统(也称为“气体交换”系统)流过气缸。通过从燃料递送系统的喷射来递送燃料。随着发动机循环，控制机械化通过响应于发动机操作状况来操作空气处理和燃料递送系统来管理燃烧。空气处理系统可以被配备有排气再循环(“EGR”)系统以减小燃烧期间的不期望化合物的产生。
在对置活塞发动机中，空气处理系统将新鲜空气移动到发动机中并将燃烧气体(排气)从发动机运出，这需要泵送功。泵送功可以通过诸如压缩机(例如，涡轮增压器)的燃气轮机驱动的泵和/或通过诸如机械增压器的机械驱动的泵来完成。在一些情况下，涡轮增压器的压缩机单元可能以两级泵送构造位于机械增压器的上游或下游。泵送布置(单级、两级或其他方式)可以驱动扫气过程，其对于确保有效燃烧、增加发动机的指示的热效率以及延长发动机部件(诸如活塞、环和气缸)的寿命而言是至关重要的。另外，进气和排气中的压力波和吸力波也可以提供泵送功。泵送功还驱动排气再循环系统。
对置活塞发动机包括被设计为将发动机气体(增压空气、排气)运输到气缸中和从气缸运出的各种构造。例如，美国专利1,517,634描述了一种早期的对置活塞飞机发动机，该对置活塞飞机发动机使用多管排气歧管，该多管排气歧管具有与每个气缸的排气区域连通的管，该管与其他气缸的管汇合成一个排气管。歧管安装到发动机的一侧。
在1930年代，Jumo 205系列的对置活塞飞机发动机限定了双曲轴对置活塞发动机的基本空气处理架构。Jumo发动机包括具有六个气缸的直列气缸体。气缸体的构造包括用于排气端口和进气端口的单独隔室。被构造成服务于个体化端口的歧管和导管被附接到或形成在气缸体上。因此，发动机被配备有多管排气歧管，其螺栓连接到发动机的相反侧以将一对相应的相对管放置成与每个气缸的环形排气区域连通。每个排气歧管的输出管连接至涡轮的两个入口中的相应一个入口。发动机还被配备有位于发动机的相反侧上的进气导管，其将增压空气引导至气缸的单独进气区域。二级增压系统为进气导管提供加压的增压空气。
现有技术的排气歧管导致了增加发动机尺寸和重量的不利。每个单独管需要结构支撑以便将管开口与气缸的环形排气空间紧密联接。通常，支撑是在每个管的端部处的凸缘的形式，其面积足以接收用于将凸缘紧固至气缸体的侧面上的对应区域的螺纹紧固件。每个歧管的凸缘按行布置以便匹配气缸的直列布置。连接到这些凸缘的管道的宽度限制了气缸之间的间距，这要求发动机是相对较重且较大的。
在现代车辆发动机中，就功率和排放而言，尺寸、重量和性能都是在设计发动机部件时要平衡的因素。希望最小化在每次燃烧事件之后从气缸接收排气的发动机空间，以减小尺寸和重量并改善性能。在直流扫气式对置活塞发动机的现代设计中，这些目标是通过消除外部歧管来输送发动机气体来实现的。这些发动机可以包括所有气缸排气端口所处的打开的排气室(也称为排气箱)。从所有气缸排出的所有排气都被收集在排气室的内部空间中，并且然后将这些排气从气缸体输送到排气系统的下游部件。
期望在排放到排气室中的排气中保留尽可能多的热，以最大化下游提取的热能，以用于有用的目的，诸如驱动涡轮和给后处理设备充能(例如，提供用于催化的热)。然而，热能够因传导通过排气室的结构和表面以及下游的排气系统结构而损失。一旦被接收到周围的结构中，热就通过发动机冷却系统从气缸体传导出去，以限制气缸体上的热应力。以这种方式损失的热能被称为被“排放”到冷却剂中。冷却剂的循环增加了寄生的发动机损失。因此，期望减少从排气到围绕排气从排气端口所排放到的空间的排气室的结构和表面的热传递，从而提高发动机的热效率。
发明内容
在一些实施方式中，对置活塞发动机设置被配备有具有一个或多个热障涂层的打开的排气室构造。排气室可以包括内表面，并且热障涂层可以在内表面上。
在一些方面，对置活塞发动机具有形成或支撑在气缸体中的多个气缸，其具有从发动机的所有气缸接收排气的排气箱。排气箱包括热障涂层或层，该热障涂层或层被施加到排气室的至少一个内表面上，以便减少从排气到气缸体的热传递。
以下特征可以以任何合适的组合存在于排气室和/或发动机中。排气室可包括至少一个柱(例如，结构支腿柱)，用于在排气室的相对壁之间传递力。在一些实施方式中，所述至少一个柱可包括与发动机的冷却系统流体连通的大体轴向的导管或通路。热障涂层可以包括绝热材料，并且在一些实施方式中，绝热材料可以具有低的导热系数。该涂层可包括氧化锆、氧化铝、含铬组合物、含钴组合物、含镍组合物、含钇组合物及其任意组合中的任何一种。可以将涂层喷涂沉积或浸涂在排气箱(即排气室)的内表面上。在一些实施方式中，排气室可以包括含基础材料的金属表面，并且基础材料可以包括灰口铁。
在相关方面，一种制造用于直流扫气式对置活塞发动机的排气室的方法包括将低导热率的材料的涂层施加到排气室的内表面。排气室可包括用于在排气室的相对壁之间传递压缩力的至少一个柱。以下特征可以以任何合适的组合存在于该方法中。该方法可以包括制备排气室的内部表面以施加涂层。另外地或可替代地，该方法可以包括在施加涂层之后处理排气室。排气室也可以包括底板和顶板，并且至少一个支柱可以从底板延伸到顶板。
附图说明
在附图中，图1是对置活塞发动机和与该发动机一起使用的空气处理系统的示意图，并被适当地标记为“现有技术”。
图2A和图2B示出了示例性的对置活塞发动机，并且被适当地标记为“现有技术”。
图3A和图3B示出了与图1的对置活塞发动机一起使用的示例性气缸组件，并且被适当地标记为“现有技术”。
图4A和图4B示出了根据本公开的包括图3A和图3B所示的气缸组件的示例性排气室。
图4C是示出流体地联接至图4A和图4B的排气室中的支撑柱的冷却系统的示意图。
图5是示出流体地联接至图4A和图4B的排气室的排气通道的示意图。
图6示出图4A和图4B的排气室的内表面上的涂层的放大截面图。
图7示出根据本说明书的用于制造排气室的示例性方法。
图8是示出相对于没有涂层的排气室的热的百分比变化的曲线图。
具体实施方式
描述了一种具有气缸体的对置活塞发动机，该气缸体具有排气室和在排气室的内表面上的热障涂层。热障涂层或涂层能够用于提供较高的排气温度，减少对发动机中冷却剂的热排放，并允许排气室及其结构特征具有较高的疲劳强度。较高的排气温度能够通过增加驱动发动机涡轮增压器的排气焓来改善发动机的燃料效率。另外或者相反，较高的排气温度能够允许发动机的后处理系统更快速地起燃，并在发动机以较低速度或较低负荷运行时保持操作温度。本文还描述了涂层的细节，包括施加涂层材料的方法。
图1是示出根据现有技术的对置活塞发动机110和发动机的空气处理系统的一般示例的示意图100。所示对置活塞发动机110具有多个气缸111、进气室120和排气室115。空气处理系统与进气室120和排气室115流体连通，并且包括空气入口101、空气滤清器145、带有压缩机140和涡轮125的涡轮增压器121、增压空气冷却器150、排气再循环(EGR)混合器175、机械增压器160、中间冷却器165、再循环阀170、EGR阀130、EGR冷却器155、背压阀177、后处理系统135和排气出口199。后处理系统135可包括一个或多个后处理设备(例如，后处理系统、一个或多个微粒过滤器等)，其可包括与温度相关的部件，该部件在超过约150℃的温度下操作效果最佳。
图2A和图2B示出了包括气缸体202的组装形式的代表性对置活塞发动机200。该具体发动机示例对应于相关美国专利号9,581,024中描述的发动机。气缸体202是具有整体结构的单个整体式元件，其包括气缸、冷却剂和润滑通路、曲轴箱、打开的进气室和打开的排气室。气缸体202通过发动机缸体制造的已知方法制造，诸如铸造、机加工和/或打印。发动机被配置为紧凑的，以便在诸如车辆、机车、海上船舶、固定动力源等应用中占据最小的空间。发动机200的空气处理部件包括涡轮增压器210、机械增压器214、进气室240、排气室245以及各种管、歧管和导管。除了进气室和排气室之外，这些元件可以使用常规方法被支撑在气缸体上。当气缸体被制造时，进气室和排气室在气缸体内部形成为细长打开的槽道或箱。
涡轮增压器210包括排气驱动的涡轮211和压缩机213。优选地但非必要地，例如通过曲轴机械地驱动机械增压器214。压缩机213的出口经由导管217与机械增压器214的进气装置流体连通。在一些方面，增压空气冷却器215可以被放置在压缩机213和机械增压器214之间的气流路径中。机械增压器214的输出经由歧管与进气室流体连通，歧管的每个分支221通过盖联接到进气腔室的相应的细长开口。涡轮211的入口经由导管231与排气室流体连通，该导管231通过盖230联接到排气室的相应的细长开口。尽管在这些图中未示出，但是发动机200可以在排气室和机械增压器214之间配备有阀控制的导管以进行EGR(排气再循环)。
图2B示出了发动机200的一侧的正视图，其中诸如盖230和进气导管217的部件被移除以允许看到进气室240和排气室245。进气室240和排气室245通向气缸体202的可见侧，并且继续通向气缸体的相对侧，在该相对侧可以设置额外的开口。气缸体202由多个气缸构成；作为具体示例，在图2B中示出了三个气缸250，但这并不意味着是限制性的。在一些方面，气缸体202可以被制造为以与气缸体的纵向方向L对准的直列阵列布置气缸。
图3A和图3B示出了可以被设置在气缸体202中的气缸构造的具体示例。尽管气缸被示为将被保持在气缸体202中的隧道中的衬套(或套筒)，但是该图示不是意味着限制。实际上，气缸还可以包括在缸体的制造期间形成在气缸体中的镗孔或管子。在该特定示例中，气缸250(在图2B中)包括大体管状的衬套300，衬套300限定侧壁320和具有内部表面的镗孔337。排气端口326和进气端口325分别通过气缸的相应开口端的内侧的侧壁形成在气缸中。排气端口326和进气端口325沿气缸250的轴向方向分开。排气端口326包括穿过侧壁320的开口构成的至少一个大体圆周阵列或系列。进气端口325包括穿过侧壁320的开口构成的至少一个大体圆周的阵列或系列。开口端中的每个的特征在于在最近的端口中发生的气体输送活动。在这一点上，最靠近排气端口326的端部被称为气缸的“排气端”。类似地，最靠近进气端口325的端部被称为气缸的“进气端”。喷射器孔346形成在端口325和326之间的气缸侧壁的一部分中。两个活塞335和336相对地设置在镗孔337内。活塞335和336分别具有端面335e和336e，当活塞在其相应的上止点(TDC)位置处或附近时，端面335e和336e部分地限定燃烧室341。燃烧室341还部分地由位于进气端口325和排气端口326之间的气缸的中间部分中的气缸镗孔337限定。燃料喷射部件345被支撑在孔346中。在相关的美国专利申请号14/675,340(其公布为美国公布2016/0290277)中有详细描述具体气缸组件示例。
如图2B所示，气缸250相互定向，使得所有进气端口254都容纳在气缸体202的进气室240中，并且所有排气端口256都容纳在气缸体202的排气室245中。排气室245是单个容积，所有气缸的排气端口都连通到该单个容积，这与排气歧管相反。由燃烧产生的所有未保留在气缸中的排气直接流入排气室，并从排气室流向排气通道的下游元件(诸如涡轮和一个或多个后处理设备)。类似地，进气室240包含所有进气端口，也就是说，发动机的进气端口中的每一个仅从进气室接收增压空气。这种构造的一些优点是发动机的重量减轻以及构造更紧凑。
图4A以正视图示出了对置活塞发动机(例如发动机200)的气缸体400的一部分，从而看到气缸体中的排气室405。该发动机构造成具有三个气缸衬套320。通过排气室405的侧开口进行观看，已经从气缸体400上移除歧管盖以示出气缸衬套320的排气端口开口326。排气室405被限定在气缸体的两个相对的内部壁409和410之间。图4B示出了在正交于气缸300的纵向轴线的平面中在排气室405的相对的内部壁409和410之间的中间截取的排气室405的横截面。通过图4A所示的气缸体的取向，这些壁可以被称为排气室405的“顶板”409和“底板”410，但这仅出于说明的目的。顶板409和底板410中的每一个均包括表面；在图4B中可以看到底板410的表面。与气缸体一体形成的支撑柱415在顶板409和底板410之间延伸以提供结构支撑。顶板409、底板410和支撑柱415以及排气室405的其他元件的表面在发动机的操作期间暴露于从排气端口326流出的排气的热。为了减轻由于来自排气的热传递通过所述表面而引起的气缸体上的热应力，支撑柱415设置有用于输送液体冷却剂的轴向通路420。轴向通路420与冷却系统(未示出)流体连通。在美国专利9,581,024中示出和描述了这种布置。
图4C是示出排气室405中的从室顶板409延伸到室底板410的柱415的横截面的放大示意图，柱415包括穿过柱415和排气室405的内表面上的涂层425的轴向冷却剂通路420。图4C中的示意图还示出了流体地连接至冷却剂通路420的冷却系统495。冷却系统495包括液体冷却剂源。在发动机中，排气室405中的冷却剂通路420经由一个或多个返回通路496R和一个或多个供给通路496F连接。所述一个或多个返回通路496R和所述一个或多个供给通路496F可包括穿过气缸体的隧道、导管或其他通路以及配件、软管、管材等中的任何一个，以允许冷却剂流动通过排气室405的柱415中的通路420并且围绕发动机运动。
如图5的示意图中所示，图4A、图4B和图4C的排气室405包括与排气通道505流体连通的排气出口502，通过排气通道505能够传送排气，以供排气通道的下游部件使用。排气室405的一个或多个内表面上的涂层425减少了从排气到气缸体的热传递，从而向排气通道的下游部件提供了具有增加的焓的排气。在这方面，排气出口502使排气室405与涡轮入口和设置在排气通道505中的后处理设备中的一个或多个流体连通。在这种情况下，涡轮和排气后处理设备的顺序没有限制。排气室405还可通过单独的排气出口512或经由来自排气通道505的分支514与EGR系统510流体连通。
对置活塞发动机的缸体可以由各种材料构造。然而，为了易于制造以及由于在宽温度范围内具有合适的机械性能，铁和钢已成为制造发动机缸体的首选材料。尽管本文中描述的发动机缸体以及因此排气室被讨论为灰口铁，但是也可以使用其他材料，诸如铝。
用于排气室的基础金属的任何金属的疲劳强度可以随温度而变化。例如，《疲劳曲线图集》的图10-2(Boyer,Howard E.，“Atlas of Fatigue Curves”，ASM International；Materials Park，1986，图10-2，第246页)示出了灰口铁的疲劳极限强度与温度的关系。在600摄氏度，灰口铁的疲劳极限强度为近似5到7.5KSI(千磅/平方英寸)。如上所述，对置活塞发动机中的排气温度可以在500摄氏度到700摄氏度或更高的范围内。施加到灰口铁排气室的内表面的涂层(例如，热障涂层)能够将灰口铁所经历的温度降低至少100摄氏度。事实上，带有热障涂层的排气室的灰口铁可以具有更高的疲劳极限强度，其值在近似15KSI到近似23KSI之间。
图6示出了图4A和图4B的排气室的内表面上的涂层600的近距离截面图。示出了内表面的基础金属610(例如灰口铁)，其上具有涂层620且在二者之间具有界面625。涂层620可具有介于150微米与830微米之间的厚度，例如介于300微米与600微米之间。在一些实施方式中，排气室的内侧表面上的涂层可以具有在近似400微米与500微米之间的厚度。
一般而言，涂层的期望的热层特性可以包括低导热率、抗热疲劳性、抗热震性、抗高温氧化性和抗腐蚀性、将热量辐射回排气的能力以及降低排气室外部排热的能力中的任何一种。涂层可以包括绝热材料，其可以是低热容材料。在界面625处，基础金属610可具有允许涂层620的良好粘附的表面粗糙度。因此，当使用标准机械测试进行测试时，涂层620在基础金属上的粘附力可以具有在3000和5000PSI(磅/平方英寸)之间的值。
用于涂层的材料可以包括以下中的任意材料：金属、陶瓷、复合材料(例如、金属陶瓷)、聚合物、致密化材料以及浸渍有聚合物或陶瓷的多孔材料。示例性陶瓷材料可以包括氧化铝、氧化锆、镁橄榄石、莫来石、氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)。另外，用于涂层材料的金属可以包括硅、镍、钼、铬、钴、钇、铝及其合金。用于涂层的材料准备方法可以包括以下中的任意方法：喷涂沉积(例如，等离子喷涂)、电子束物理气相沉积(EB-PVD)、浆料涂覆(喷涂和浸涂)、电解工艺和溶胶-凝胶工艺。
涂层材料的孔隙率可以在10-15体积％之间。涂层可以具有在介于4和17×10-6cm/(cm·K)之间、诸如介于7.5和10.5×10-6cm/(cm·K)之间的热膨胀系数(α)。另一个可测量特性是材料的热导率。涂层的热导率值可以在约1和8W/(m·K)之间。在一些实施方式中，涂层可将下层基础金属所经历的温度降低约100摄氏度至约350摄氏度的量。
如上所述，特别是相对于Boyer的图10-2中所示的曲线图，涂层(例如，热障层)可以降低发动机操作期间排气室的基础金属所经历的温度，使得基础金属(例如灰口铁)的温度低于约450或500摄氏度。对于灰口铁，在约500摄氏度及以下的温度下，疲劳极限是在约600摄氏度时的疲劳极限的2或3倍。这意味着，通过将排气室的灰口铁保持在约500摄氏度以下，与在离开发动机气缸的排气温度(例如，约600摄氏度或更高)时相比，可以将排气室的结构完整性维持达更长的时间。
类似地，当发动机操作的同时，冷却剂在排气室周围并通过排气室的流动可以帮助将基础金属的温度保持在阈值点(例如，约500摄氏度)以下，以帮助保持所述室的疲劳强度和结构耐用性。在具有带用于传送冷却剂的通路的结构柱和热障涂层两者的排气室构造中，基础金属(例如灰口铁)的温度被保持在允许最佳疲劳强度的温度或低于该温度的可能性更大，从而维持排气室的完整性。与未涂覆的排气室相比，包含热障涂层可以将排放到冷却剂和油的热减少至少近似14％。与未涂覆的排气室相比，包含热障涂层还可以将通向发动机排气的热增加至少近似7％。发动机排气中热的增加可以将排气温度升高至少约9摄氏度，并且通向发动机排气的热的增加可以改善制动器马力小时比油耗(BSFC)。此外，在对置活塞发动机的排气室中存在热障涂层(例如，涂层)可以减少发动机的冷却需求。冷却需求的减少可以允许冷却系统采用较小的冷却系统，并相应地采用较小的冷却泵，从而减小泵送负荷。
图7示出了用于制造对置活塞式直流扫气式二冲程发动机的排气室的示例方法700。最初，该方法包括制备对置活塞发动机的排气室的内部表面以用于涂层，如710。内部表面的制备可以包括清洁、蚀刻、粗糙化、平滑、机械加工、化学活化以及施加粘结层中的任何一种。然后，该方法包括用热障涂层涂覆排气室的内部表面，如720。可选地，该方法还包括在施加热障涂层之后处理排气室，使得对置活塞发动机准备好供使用，如730。处理排气室可以包括热处理、表面精加工等。
实施例1
具有带热障涂层的排气室的对置活塞发动机运转了53小时，包括在高负荷额定功率条件下运转。测试的排气室包括两个柱，所述柱被定位为接收高速排污事件，并且冷却剂以每分钟10加仑的速度流动通过所述柱。排气室的后壁与发动机变速箱和变速箱油相邻。排气室的顶板和底板与发动机缸体的其余部分连通。在经过测试的排气室中，热障涂层的厚度从150微米到830微米不等。所使用的热障涂层具有在100至350摄氏度之间的规定的温度降低(即，排气室壁温度的降低)，并且具有在0.7至2.4W/m·K之间的规定的比导热率。
将从该排气室排放的热与包括未涂覆的排气室的类似发动机进行比较，并且结果示于图中8。该比较是通过在匹配的额定功率条件下获得的数据进行的。通过比较来自未涂覆的排气室和涂覆的排气室的数据，可以计算出，涂覆的排气室上的热障涂层将排放到冷却剂和机油的热减少了近似14％，并且将注入到排气的热增加了近似7％。还计算出排气温度升高了9.2摄氏度。
尽管附图(特别是图4A和图4B)示出了排气室包封处于直列构造的三个气缸并且借助于盖形成封闭空间，但是排气室的其他构造适合本文所述的涂层和涂覆方法。具有单个气缸、两个气缸或三个以上气缸的发动机可以具有如上所述的带有涂层的排气室。排气室可以在没有大的单个盖而是具有进入端口、多个较小的盖或仅气缸和发动机导管的开口的气缸体(或发动机缸体)中形成，并且仍适合本文所述的涂层和方法。
本领域技术人员将理解，在本说明书中阐述的特定实施例仅是说明性的，并且在不脱离由所附权利要求书限定的本发明的范围的情况下，可以对其进行各种修改。

Claims (19)

1.一种对置活塞发动机(200)，其包括：
气缸体(202、400)；
气缸(250)，其布置在所述气缸体(202、400)中，所述气缸(250)包括：气缸壁(320)，所述气缸壁(320)具有限定居中在所述气缸的纵向轴线上的镗孔(337)的内部表面；以及进气端口(325)和排气端口(326)，所述进气端口(325)和所述排气端口(326)在所述气缸(250)的相应相反端附近形成在所述气缸壁(320)中，所述进气端口(325)和所述排气端口(326)各自包括延伸穿过所述气缸壁(320)到所述镗孔(337)的端口开口阵列；
排气室(245、405)，其在所述气缸体(202、400)中，所述气缸(250)的所述排气端口(326)位于所述排气室(245、405)中，使得所述排气室(245、405)从所述气缸(250)接收所有排气；以及
涂层(425、620)，其在所述排气室(245、405)的内表面上，所述涂层(425、620)减少从所述排气到所述气缸体(202、400)的热传递。
2.根据权利要求1所述的对置活塞发动机(200)，其中，所述排气室(405)包括所述发动机缸体(202、400)的至少一个支撑柱(415)。
3.根据权利要求2所述的对置活塞发动机(200)，其中，所述支撑柱(415)包括冷却剂通路(420)。
4.根据权利要求3所述的对置活塞发动机(200)，其中，在所述发动机的操作期间，液体冷却剂流动通过所述冷却剂通路(420)。
5.根据权利要求1所述的对置活塞发动机(200)，其中，所述涂层(425、620)包括绝热材料。
6.根据权利要求5所述的对置活塞发动机(200)，其中，所述绝热材料具有低的导热系数。
7.根据权利要求5所述的对置活塞发动机(200)，其中，所述涂层(425、620)包括氧化锆、氧化铝、含铬组合物、含钴组合物、含镍组合物、含钇组合物及其任何组合中的任何一种。
8.根据权利要求5所述的对置活塞发动机(200)，其中，所述涂层(425、620)被喷涂沉积或浸涂沉积在所述排气室(405)的所述内表面上。
9.根据权利要求1所述的对置活塞发动机(200)，其中，所述排气室(405)包括包含灰口铁的基础金属(610)。
10.根据权利要求1所述的对置活塞发动机(200)，还包括在所述气缸体(202、400)中的多个气缸(250、300)，所述气缸(250、300)以直列阵列设置。
11.根据权利要求10所述的对置活塞发动机(200)，其中，每个气缸(250、300)包括保持在所述气缸体(202、400)的隧道中的衬套(320)。
12.根据权利要求1所述的对置活塞发动机(200)，其中，所述气缸(250、300)包括保持在所述气缸体(202、400)的隧道中的衬套(320)。
13.根据权利要求1、10或12中任一项所述的对置活塞发动机(200)，其中，所述排气室(245、405)还包括至少一个排气出口(502、512)，所述至少一个排气出口(502、512)与以下中的一个或多个流体连通：
涡轮入口；
EGR入口；以及
后处理设备。
14.根据权利要求1、10或12所述的对置活塞发动机(200)，其中，所述排气室(245、405)包括至少一个发动机缸体支撑柱(415)，所述至少一个发动机缸体支撑柱(415)具有流体地联接至液体冷却液源(495)的冷却剂通路(420)。
15.一种制造用于对置活塞发动机(200)的排气室(245、405)的方法，其包括将包含低导热率的材料的涂层(620)施加到所述排气室(245、405)的内表面，所述排气室包括至少一个柱(415)。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括制备所述排气室(245、405)的所述内表面的基础金属(610)以用于施加所述涂层(620)。
17.根据权利要求15或16所述的方法，还包括在施加所述涂层(620)之后处理所述排气室(245、405)。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述排气室(245、405)还包括底板(410)和顶板(409)，并且其中所述至少一个柱(415)从所述底板(410)延伸至所述顶板(409)。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述至少一个柱(415)包括穿过所述至少一个柱(415)的中心部分的导管或通路(420)，并且进一步地所述导管或通路(420)流体地连接到冷却液源(495)。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024139139A1 (zh) * 2022-12-30 2024-07-04 比亚迪股份有限公司 发动机、发动机控制方法以及车辆

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10941766B2 (en) * 2019-06-10 2021-03-09 Halliburton Energy Sendees, Inc. Multi-layer coating for plunger and/or packing sleeve

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1517634A (en) 1920-09-08 1924-12-02 Junkers Hugo Exhaust manifold
CA1200166A (en) * 1980-08-22 1986-02-04 Jay D. Rynbrandt Internal combustion engine having manifold and combustion surfaces coated with a foam
JPS613914U (ja) * 1984-06-14 1986-01-11 日産ディーゼル工業株式会社 内燃機関の排気通路構造
US5239956A (en) * 1991-06-07 1993-08-31 Detroit Diesel Corporation Internal combustion engine cylinder heads and similar articles of manufacture and methods of manufacturing same
JPH08189336A (ja) * 1995-01-04 1996-07-23 Isuzu Ceramics Kenkyusho:Kk ディーゼルパティキュレートフィルタを備えた遮熱エンジン
US20120048227A1 (en) * 2008-11-20 2012-03-01 Volvo Aero Corproation Method for coating an exhaust port and apparatus for performing the method
US9581024B2 (en) 2014-05-21 2017-02-28 Achates Power, Inc. Air handling constructions for opposed-piston engines
US9551220B2 (en) 2014-05-21 2017-01-24 Achates Power, Inc. Open intake and exhaust chamber constructions for an air handling system of an opposed-piston engine
US10001057B2 (en) 2014-08-04 2018-06-19 Achates Power, Inc. Exhaust layout with accompanying firing sequence for two-stroke cycle, inline, opposed-piston engines
US9845764B2 (en) 2015-03-31 2017-12-19 Achates Power, Inc. Cylinder liner for an opposed-piston engine
DE102016201166B3 (de) * 2016-01-27 2017-05-04 Ford Global Technologies, Llc Fremdgezündete flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit gekühltem Zylinderkopf

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024139139A1 (zh) * 2022-12-30 2024-07-04 比亚迪股份有限公司 发动机、发动机控制方法以及车辆

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