CN112673153B - 旋转气门内燃发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及旋转气门内燃发动机。一种旋转气门内燃发动机具有连接到曲轴(3)且在气缸(2)中往复运动的活塞(1)，燃烧室(4)部分地由该活塞限定。发动机具有能在相对于气缸(2)固定的气门壳体(8)中旋转的旋转气门(5)，该旋转气门具有气门主体并且还在其壁部(11)中具有端口(12)，该气门主体具有形成燃烧室(4)的一部分的内部容积(9)，该端口在气门旋转期间提供经由气门壳体中的进气口(13)和排气口(14)相继地进出燃烧室的流体连通。气门主体沿着其轴向长度和/或围绕其旋转轴线具有不均匀的径向轮廓，以适应工作期间气门主体的轮廓改变，由此在气门主体的整个连续长度上保持气门主体和壳体之间的基本恒定的间隙。

Description

旋转气门内燃发动机
技术领域
本发明涉及一种旋转气门内燃发动机，其中燃烧气体的吸入和排出的控制通过旋转气门(旋转阀)来实现。
背景技术
这种旋转气门例如在申请人的专利GB 2467947B中是已知的。已知旋转气门发动机存在密封问题，因为与最小化相对旋转体之间的间隙存在冲突，最小化相对旋转体之间的间隙提高了效率，但是增加了过热和卡住(seizing)的风险。多年来已经尝试制造一种商业上可接受的利用旋转气门的发动机，著名的是Aspin，但这些大多不成功。在现有技术如DE 4217608A1和DE 4040936A1中，认识到了这种冲突，并试图通过提供复杂的冷却装置来解决该问题，或者简单地说，通过使用合适的材料来解决该问题。实践中，提供比所期望的间隙大的间隙以降低卡住的风险，代价是降低了发动机的效率和增加了排放，这造成了难以满足当前法规和客户期望。
由于部分地由与气门壳体相比旋转气门体所达到的较高温度所引起的旋转气门体与气门壳体之间的不同热膨胀，在减小间隙方面存在固有问题。这部分地是由于气门主体位于燃烧室中产生最大温度的位置处，并且还具有较差的热通路，通过该热通路将热量传导至外界。相比而言，气门壳体具有的优点是，它能够通过提供外部冷却装置例如翅片或水冷却装置而直接将热量传导出去。
发明内容
本发明寻求提供克服已知问题的手段。
根据本发明，提供了一种旋转气门内燃发动机，包括：连接到曲轴的活塞，所述活塞在气缸中往复运动，所述气缸具有燃烧端；部分地由所述活塞和所述气缸的燃烧端限定的燃烧室；固定在所述气缸的燃烧端的外部并且限定孔的气门壳体；以及能够围绕旋转气门轴线旋转且紧密滑动配合在所述气门壳体中的孔中的大致圆筒形的旋转气门，所述旋转气门具有中空气门主体，所述中空气门主体具有形成所述燃烧室的一部分的内部容积，其中所述中空气门主体的内部容积在整个燃烧过程中受到燃烧气体的作用，并且所述中空气门主体还在其壁部中具有端口，所述端口在气门旋转期间提供经由所述气门壳体中的进气口和排气口相继进出所述燃烧室的流体连通，在所述旋转气门的主体的表面和所述气门壳体中的孔的邻接表面之间执行密封功能，其中所述密封功能仅在所述旋转气门的主体的表面和所述气门壳体的表面之间执行，其中气门主体沿其轴向长度或围绕其旋转轴线具有不均匀的径向轮廓，以适应工作期间由沿着所述气门主体的长度的温度梯度产生的所述气门主体的轮廓改变，由此在所述气门主体的整个连续长度上保持所述气门主体和所述壳体之间的基本恒定的间隙。
在优选实施例中，所述气门主体沿其轴向延伸范围逐渐变细，其中气门在其位于燃烧室中的开口端处的直径在环境温度下小于其远离燃烧室一端的直径，以适应工作期间所述气门主体的轮廓改变。
气门主体沿其长度的至少一部分可以是截锥形的。
优选地，在另一个实施例中，，所述气门具有安装在所述气门壳体中的同心驱动轴，以允许所述气门在所述气门壳体中的轻微程度的径向运动，使得所述气门用作主动密封式气门。
在该实施例中，气门驱动轴的与所述气门主体相邻的端部具有减小的直径，以允许所述气门在所述气门壳体中的所述轻微程度的径向运动。
在另一实施例中，示出了一种旋转气门内燃发动机，包括：连接到曲轴的活塞，所述活塞在气缸中往复运动；具有燃烧端的所述气缸；部分地由所述活塞和所述气缸的燃烧端限定的燃烧室；固定在所述气缸的燃烧端的外部并且限定孔的气门壳体；以及能够围绕旋转气门轴线旋转且紧密滑动配合在所述气门壳体中的孔中的大致圆筒形的旋转气门，所述旋转气门具有中空气门主体，所述中空气门主体具有形成所述燃烧室的一部分的内部容积，其中所述中空气门主体的内部容积在整个燃烧过程中受到燃烧气体的作用，并且所述中空气门主体还在其壁部中具有端口，所述端口在气门旋转期间提供经由所述气门壳体中的进气口和排气口相继进出所述燃烧室的流体连通，在所述旋转气门的主体的表面和所述气门壳体中的孔的邻接表面之间执行密封功能，其中所述密封功能仅在所述旋转气门的主体的表面和所述气门壳体的表面之间执行，其中气门主体沿其邻接所述气门壳体的长度具有恒定的直径，并且所述气门壳体沿其轴向长度或围绕其旋转轴线具有不均匀的径向轮廓，以适应工作期间由沿着所述气门主体的长度的温度梯度产生的所述气门主体的轮廓改变，由此在所述气门主体的整个连续长度上保持所述气门主体和所述壳体之间的基本恒定的间隙。
附图说明
现在将参照附图通过示例的方式描述本发明的优选实施例，其中：
图1示出了单缸空气冷却式发动机的横截面图，
图2是旋转气门体的一个实施例的示意图；
图3是根据另一个实施例的发动机的下侧的透视图。
具体实施方式
现在参考图1，示出了单缸空气冷却式发动机。发动机具有容纳气缸2的气缸壳体。活塞1以传统方式连接到安装成在曲轴箱14内旋转的曲轴3，以便在气缸2内往复运动。气缸2的上部由燃烧室外壳内的燃烧室4封闭。进气/燃料混合物和废气的流入和流出燃烧室4由旋转气门5控制。在该实施例中，气门5可在燃烧室外壳中的气门壳体8中绕与气缸2的轴线同轴的轴线5a旋转。在另外的实施例中，气门主体的旋转轴线偏离气缸2的轴线5a。
旋转气门5在其远离燃烧室4的一端具有同心的驱动轴6，该驱动轴带有单座圈球轴承7，该球轴承将气门5可旋转地支承在气门壳体8中。气门驱动轴6被固定于同轴的从动齿轮9，该从动齿轮与驱动装置11的驱动齿轮10啮合，从动齿轮9以及旋转气门5通过该驱动装置与曲轴3连接。驱动装置11包括驱动轴12，该驱动轴位于气缸壳体中的通道或管17中，并安装成在与驱动齿轮10相邻的上轴承18和与曲轴3相邻的下轴承13中旋转。驱动轴11带有锥齿轮15，该锥齿轮与固定在曲轴上以便与曲轴3一起旋转的相应锥齿轮16啮合。因此，曲轴3的旋转以及活塞运动与旋转气门5的旋转协调，从而发动机以传统的四冲程循环工作。为了实现这一点，从动齿轮9的直径是驱动齿轮10的直径的两倍，从而旋转气门5以发动机转速的一半旋转。
现在还参照图2，其更详细地示出了旋转气门5，该旋转气门包括可绕旋转气门轴线5a旋转的大致圆筒形的旋转气门主体5，该旋转气门主体紧密滑动配合在气门壳体8中的孔中，旋转气门5具有中空气门主体，该中空气门主体具有形成燃烧室的一部分的内部容积19。该气门具有大致圆筒形的主体部分，该主体部分包括直径稍大于轴6的气门主体19本身，该主体部分形成台肩14，球轴承7的内圈抵靠该台肩定位。气门主体19延伸到燃烧室中，并且在其内部具有容积20，该容积形成燃烧室4的一部分，并且在燃烧过程的所有阶段都经受燃烧气体。气门主体19可在气门壳体8的孔中以紧密滑动配合的方式旋转。气门主体沿其轴向长度和/或围绕其旋转轴线具有不均匀的轮廓，以适应工作期间气门主体轮廓的改变。在该实施例中，气门主体的直径以截锥形的方式逐渐变细，并且在环境温度下，在伸入燃烧室中的气门主体的壁23的下周缘22处具有较小的直径。该锥形设计成补偿在使用中主要由沿气门长度的温度梯度引起的气门沿其轴向长度的不同膨胀，该温度梯度在实践中发生。这样，在正常工作条件下，气门主体和其在其中旋转的孔之间的周边间隙在气门主体的整个长度上保持基本恒定。此外，气门主体的旋转横截面可以是不均匀的，以适应在气门直径上的温度变化，例如在端口21的周边边缘的区域中可能发生的温度变化。这些边缘可以具有稍小的直径范围，以补偿在这些边缘处不可避免地发生的热集中。这些措施有效地消除了由于例如在这些边缘处可能出现的局部热点而引起的发动机卡住的风险。尽管描述为具有锥形主体，但是该锥形在气门的整个长度上可以不是均匀的，而是将由在正常使用中出现的沿着气门的轴向范围的实际温度梯度来决定。
该实施例对于在气门主体上进行成形的壳体中的孔具有恒定的直径，但是应当理解，气门主体可以是圆柱形的，壳体中的孔具有成形轮廓。由于壳体与气门主体相比具有不同的散热特性，因此壳体的形状将不同于其在气门主体上时所要求的形状。目的是确保气门主体和壳体之间的间隙在其整个长度上保持尽可能恒定和尽可能小，以使最大功率的发动机效率最大化，同时使其排放最小化。气门5和气门壳体8由铝制成。
旋转气门5的轴6部分的直径仅略小于气门主体19以提供肩部14，该轴是实心的以提供用于将热量从气门主体19传导到外部的良好路径。在肩部14附近，轴6具有轻微的底切，以使气门主体能够轻微地径向移动，从而在燃烧阶段期间，当燃烧压力高时，该燃烧压力用于将气门端口朝向气门壳体中的出口偏置，从而该气门用作减少气体泄漏的主动密封件。
旋转气门体19具有端口21，在气门旋转期间，该端口能够实现相继地进出于气门的内部容积的流体连通，并因此实现经由气门壳体中的进气口和排气口的燃烧室的流体连通。在该实施例中，端口为形成在邻近燃烧室4的气门主体的壁23的下周缘22中的凹部的形式，该凹部从气门壁的该下缘向上延伸以在气门侧形成端口21。
在本实施例中，是气门主体的轮廓是非均匀的，该气门主体在气门壳体中的均匀的圆柱形孔中旋转。在一种替代的构造中，气门主体的轮廓可以是均匀的恒定直径的圆柱形形式，而在气门壳体的孔中形成不均匀的轮廓。
尽管描述为单缸发动机，但是应当理解，本发明同样适用于可以是直列、V形或水平对置构型的多缸发动机。此外，尽管描述为火花点火发动机，但是本发明同样适用于压缩点火发动机。
尽管给出的例子是用于旋转气门的旋转轴线与气缸的轴线同轴或平行的发动机，但是应当理解，气门的旋转轴线可以与气缸的轴线成角度地偏移。本发明同样适用于这样的旋转气门发动机，其中气门的旋转轴线平行于曲轴的旋转轴线，或者实际上处于任何中间角度。
根据另一实施例，提供了一种以四冲程循环工作的旋转气门内燃发动机，包括：连接到位于曲轴箱中的曲轴的活塞，所述活塞在气缸中往复运动；具有燃烧端的所述气缸；部分地由所述活塞和所述气缸的燃烧端限定的燃烧室；固定在所述气缸的燃烧端的外部并且限定孔的气门壳体；以及在所述气门壳体中的所述孔中围绕旋转气门轴线可旋转的旋转气门，所述旋转气门具有中空气门主体，所述中空气门主体具有形成所述燃烧室的一部分的内部容积，其中所述中空气门主体的内部容积在整个燃烧过程中受到燃烧气体的作用，并且所述旋转气门还在其壁部中具有端口，所述端口在所述气门的旋转期间经由所述气门壳体中的进气口和排气口相继地给出到燃烧室和来自燃烧室的流体连通，其中在所述进气口和所述曲轴箱之间设置有流体通道。优选地，汽化器连接到进气道以向所述进气道提供燃料空气混合物，所述流体通道连接到汽化器下游的进气道。流体通道可以包括管。
现在将参照图3通过示例的方式描述另一实施例，该图示出图1的发动机的下侧的透视图。
现在参照图3，示出了根据图1的发动机的透视仰视图，示出了曲轴箱3和汽化器26，该汽化器26连接到汽化器26下游的进气道52，并因此连接到发动机的进气口27的流体连接。在进气道52和曲轴箱3之间的流体连接通过管51形成，该管通过与驱动装置11的锥齿轮15、16相邻的连接器53连接到曲轴箱3。
曲轴箱和进气道之间的流体连接允许燃烧期间燃烧气体经过活塞泄漏而产生的曲轴箱中的窜气被排放到进气道中，并因此排放到进气口27。在工作中，在活塞的每个向上冲程期间，由于曲轴箱体积的增加而在曲轴箱中产生负压，这将从进气道将少量进气吸入曲轴箱中。该进气将与曲轴箱气体混合。在曲轴箱体积减小的活塞的每个向下冲程期间，少量曲轴箱气体将被排挤到进气道中。这将允许在曲轴箱内建立进气混合物和曲轴箱混合物之间的平衡，确保曲轴箱的润滑。

Claims (5)

1.一种旋转气门内燃发动机，包括：连接到曲轴的活塞，所述活塞在气缸中往复运动，所述气缸具有燃烧端；部分地由所述活塞和所述气缸的燃烧端限定的燃烧室；固定在所述气缸的燃烧端的外部并且限定孔的气门壳体；以及能够围绕旋转气门轴线旋转且紧密滑动配合在所述气门壳体中的孔中的大致圆筒形的旋转气门，所述旋转气门具有中空的气门主体，所述中空的气门主体具有形成所述燃烧室的一部分的内部容积，其中所述中空的气门主体的内部容积在整个燃烧过程中承受燃烧气体，并且所述中空气门主体还在其壁部中具有端口，所述端口在旋转气门旋转期间提供经由所述气门壳体中的进气口和排气口相继进出所述燃烧室的流体连通，其中在所述气门主体的表面和所述气门壳体中的孔的邻接表面之间仅通过使所述气门主体沿着其轴向长度和/或围绕其旋转轴线具有不均匀的径向轮廓而执行密封功能，所述气门主体的轮廓被确定成适应工作期间产生的沿着所述气门主体的长度的温度梯度的改变，由此在所述气门主体的整个连续长度上保持所述气门主体和所述气门壳体之间的基本恒定的间隙。
2.根据权利要求1所述的旋转气门内燃发动机，其中，所述气门主体沿其轴向延伸范围逐渐变细，其中所述旋转气门在其位于燃烧室中的开口端处的直径在环境温度下小于其远离燃烧室一端的直径，以适应工作期间所述气门主体的轮廓改变。
3.根据权利要求1或2所述的旋转气门内燃发动机，其中，所述气门主体沿着其长度的至少一部分是截锥形的。
4.根据权利要求1或2所述的旋转气门内燃发动机，其中，所述旋转气门具有安装在所述气门壳体中的同心的驱动轴，以允许所述旋转气门在所述气门壳体中的轻微程度的径向运动，使得所述旋转气门用作主动密封式气门。
5.根据权利要求4所述的旋转气门内燃发动机，其中，所述驱动轴的与所述气门主体相邻的端部具有减小的直径，以允许所述旋转气门在所述气门壳体中的所述轻微程度的径向运动。
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