CN112746898B - 具有苏格兰轭式活塞连杆和曲轴引导件的内燃发动机 - Google Patents

Abstract

一种具有苏格兰轭式活塞连杆和曲轴引导件的内燃发动机，包括一对对置活塞、一对对置气缸以及输出轴，其中每个活塞被布置成由燃烧驱动而在相应一个气缸内往复运动，并且所述活塞通过联接器联接到所述输出轴，使得活塞的所述往复运动驱动所述输出轴旋转，其中所述联接器包括联接到对置活塞的一体式连杆，该连杆具有侧引导件，其用于引导滑动支承件，而该滑动支承件被定位成相对于连杆往复运动，并且该联接器还包括可旋转地安装在滑动支承件内的曲轴，该曲轴具有至少一个引导肩，用于支撑相对于滑动支承件的轴向位置。

Description

具有苏格兰轭式活塞连杆和曲轴引导件的内燃发动机

技术领域

本发明涉及内燃发动机。更具体但非排他地，本发明涉及具有使得性能改进的活塞运动特性的内燃发动机。

背景技术

已知提供一种用于为诸如车辆、发电机、机械之类的设备提供动力的内燃发动机。传统的常规内燃发动机使用曲轴、曲柄销和连杆。然而，申请人已经发现，常规内燃发动机在噪声、平顺度、效率和排放方面存在限制。

本发明的示例试图避免或至少改善现有内燃发动机的缺点。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种内燃发动机，其包括一对对置活塞、一对对置气缸以及输出轴，其中每个活塞被布置成由燃烧驱动而在相应的气缸内往复运动，并且活塞通过联接器联接到输出轴，使得活塞的所述往复运动驱动输出轴旋转，其中该联接器包括联接到对置活塞的一体式连杆，该连杆具有侧引导件，其用于引导滑动支承件，而该滑动支承件被定位成相对于连杆往复运动，并且该联接器还包括可旋转地安装在滑动支承件内的曲轴，该曲轴具有至少一个引导肩，用于支撑相对于滑动支承件的轴向位置。

还公开了一种内燃发动机，其包括活塞、气缸和输出轴，其中活塞被布置成由燃烧驱动而在气缸内往复运动，并且活塞通过联接器联接到输出轴，使得活塞的所述往复运动驱动输出轴旋转，联接器被布置成使得对于输出轴的恒定旋转速度而言（或当相对于输出轴的旋转角绘制时），活塞具有正弦运动。

优选地，该发动机具有苏格兰轭式发动机的形式。

在优选形式中，联接器包括滑动支承件。更优选地，该发动机包括彼此相互刚性固定的一对对置活塞。

优选地，该发动机被布置成使得当与具有相同缸径和冲程的常规曲轴发动机相比较时，活塞在上止点之后的运动具有较低加速度，以使得与常规曲轴发动机相比，气缸中的容积差在上止点和下止点之间的10％至20％之间达到峰值。

更优选地，该发动机被布置成使得当与具有相同缸径和冲程的常规曲轴发动机相比较时，活塞在上止点之后的运动具有较低加速度，以使得气缸中的容积差在上止点和下止点之间的15％至17％之间达到峰值。

甚至更优选地，该发动机被布置成使得当与具有相同缸径和冲程的常规曲轴发动机相比较时，活塞在上止点之后的运动具有较低加速度，以使得气缸中的容积差在上止点之后输出轴旋转的40至80度之间达到峰值。

在一种形式中，该发动机被布置成使得当与具有相同缸径和冲程的常规曲轴发动机相比较时，活塞在上止点之后的运动具有较低加速度，以使得气缸中的容积差在上止点之后输出轴旋转的50至70度之间达到峰值。

优选地，该发动机被布置成使得当与具有相同缸径和冲程的常规曲轴发动机相比较时，活塞在上止点之后的运动具有较低加速度，以使得气缸中的容积差在上止点后输出轴旋转的50至60度之间达到峰值。

在一种形式中，该发动机包括燃烧室，并且与常规曲轴发动机相比，燃烧室和/或联接器被布置成实现目标容积差特性。

还公开了一种制造如上所述的发动机的方法，包括：

对气缸中的充气密度进行测量和/或建模以获得数据；和

使用所述数据来优化该发动机的一个或多个参数，从而提高对在上止点附近具有较高充气密度的气体状态的维持。

优选地，该方法包括以下步骤：使用所述数据来优化该发动机的一个或多个参数，所述一个或多个参数包括联接器、活塞、气缸、燃烧室和气门中的一个或多个。

更优选地，该方法包括以下步骤：使用所述数据来优化该发动机的一个或多个参数，以便提高对在上止点附近具有较高充气密度的气体状态的维持，以实现更好的燃料混合。

附图说明

通过仅参考附图的非限制性示例进一步描述本发明，在附图中：

图1示出了根据本发明的一个示例的发动机的透视图；

图2示出了在上止点处的零速度之前和之后，根据本发明的一个示例的发动机的活塞速度相对于常规发动机的活塞的运动的曲线图；

图3示出了描绘根据本发明的一个示例的发动机以及用于常规发动机的总工作单元气缸容积对曲柄角的曲线图；

图4示出了根据本发明的一个示例的发动机的建模结果；

图5至图17示出了用于解释根据本发明的一个示例的内燃发动机相对于常规内燃发动机的优点的表格和图表；

图18示出了图示组合的同心凸轮轴和平衡轴的示意图；

图19至图28示出了与角形滑块、油泵装置、活塞喷雾器和润滑油回路有关的示意图；

图29至图31示出了两级排放阀和排放（中间）调节器的示意图；

图32至35描绘了引导肩装置；

图36和37以等轴测图和分解图示出了曲柄组件；

图38和39以等轴测图和分解图示出了曲柄、滑块和连杆组件；

图40示出了包括进气系统的内燃发动机的分解图；和

图41示出了在稳压腔中借助于进气系统的布置的气旋气流的示意图。

具体实施方式

图1至图4描绘了根据本发明的一个示例的内燃发动机的操作。

更具体地，根据本发明的一个示例，申请人已经研发了内燃发动机10，该内燃发动机10包括气缸12、活塞14和输出轴16，其中活塞14被布置成由燃烧驱动而在气缸12内往复运动，并且活塞14通过联接器而与输出轴16联接。内燃发动机10被构造成使得活塞14的所述往复运动驱动输出轴16旋转。联接器被布置成使得当相对于输出轴16的旋转角度绘制时，活塞14具有正弦运动。

在附图所示的示例中，内燃发动机10具有苏格兰轭式发动机的形式（如图1所示）并且该联接器包括滑动支承件。该示例的内燃发动机10包括一对对置活塞14，其彼此相互刚性固定，使得一个活塞沿第一方向的运动引起另一个活塞沿与第一方向相反的第二方向的运动。

参考图2和图3，内燃发动机10被布置成使得当与具有相同缸径和冲程的常规曲轴发动机相比较时，活塞14在上止点之后的运动具有较低的位移、速度和加速度，以使得与常规曲轴发动机相比，气缸12的容积差在上止点和下止点之间的10％和20％之间达到峰值。在图2中，用线18示出了根据本发明的一个示例的内燃发动机10的活塞14的速度，而用线20示出了具有（与内燃发动机10）相同缸径和冲程的常规发动机的活塞的速度。在图3中，用线22示出了根据本发明的一个示例的内燃发动机10的总工作单元气缸容积，而用线24示出了具有（与内燃发动机10）相同缸径和冲程的常规发动机的总工作单元气缸容积。关于图3，活塞14的运动是正弦的，使得活塞14的速度在上止点26附近（比常规发动机）更大，而活塞14的速度在下止点28附近（比常规发动机）更小。

具体地看图3，内燃发动机10被布置成使得当与具有相同缸径和冲程的常规曲轴发动机相比较时，活塞14在上止点26之后的运动具有较低加速度，使得气缸12中的容积差在上止点26和下止点28之间的15％到17％之间达到峰值。在所示的示例中，内燃发动机10被布置成使得当与具有相同缸径和冲程的常规曲轴发动机相比较时，活塞14在上止点26之后的运动具有较低加速度，使得气缸12中的容积差在上止点26之后输出轴旋转的40至80度之间达到峰值。更具体地，该峰值可以介于上止点之后输出轴旋转的50至70度之间。甚至更具体地，该峰值可以介于上止点26之后输出轴旋转的50度至60度之间。

内燃发动机10包括用于充气燃烧的燃烧室30，并且与常规曲轴发动机相比，燃烧室30和/或联接器被布置成实现目标的容积差特性。

申请人已经有利地发现了一种制造（并且具体地设计）内燃发动机10的方法，该方法包括以下步骤：对气缸12中的充气密度进行测量和/或建模以获得数据；以及 使用该数据来优化内燃发动机10的一个或多个参数，以便提高对在上止点26附近具有较高充气密度的气体状态的维持。该方法可以包括使用该数据来优化内燃发动机10的一个或多个参数的步骤，该参数包括联接器、活塞14、气缸12、燃烧室30和气门32中的一个或多个。

该方法可以包括以下步骤：使用该数据来优化内燃发动机10的一个或多个参数，以便提高对在上止点26附近具有较高充气密度的气体状态的维持，从而实现更好的燃料混合。

如上所述，参考图3，活塞14在内燃发动机10中的运动是正弦的。如图3中线22的正弦曲线所示，活塞14相对于曲柄角在上止点（TDC）26和下止点（BDC）28上的运动是相同的。

相反，常规发动机的曲柄和连杆机构在TDC 26和BDC 28的区域中产生不相等的活塞运动（与线22相比较地参见线24）。在TDC 26的区域中，常规发动机的活塞运动比在本发明的内燃发动机10中更快，而在BDC 28的区域中，常规发动机的活塞运动比在本发明的内燃发动机10中更慢。对于给定的发动机冲程，这两个条件之间的差异取决于连杆的长度。连杆越短，这种差异越大。

给定活塞排量的功率水平很大程度上取决于每个循环捕获的空气量，该空气量影响发动机的容积效率。容积效率取决于若干发动机设计参数，即凸轮轮廓、气门正时、歧管调整长度、强制进气（涡轮增压/机械增压）等，它们针对由任何给定的活塞运动而设置的压力波动动态特性进行优化。因此，将要受活塞运动影响的过程可以分为两类：进气过程和进气后过程。

本发明关注进气后过程，即受活塞运动影响的压缩、燃烧和膨胀。申请人已经发现，注意在产生有用功时在燃烧过程和膨胀冲程（燃烧后）中产生的NOx排放特别有益。为了理解本发明的内燃发动机10的优点，特别是活塞14的运动相对于常规发动机的优点，我们必须首先比较相同容积效率和活塞孔和冲程，以对于本发明的内燃发动机10和常规发动机具有相同的进气条件。

在图2所示的图表中，在相同的发动机转速、负荷（全功率）和空燃比下比较了活塞运动不同但在其他方面相同（具有相同的容积效率以及相同的缸径和冲程）的两个发动机。

以（毫米/曲柄角度）为单位的活塞速度与发动机转速无关，因此是活塞运动在整个速度范围内的特征。显然，内燃发动机10的活塞14以比常规活塞低的加速度（速度变化率）接近和远离TDC 26。这意味着内燃发动机10将在TDC 26附近具有较低的气缸容积变化率，因此将有助于在TDC 26附近维持具有较高充气密度的气体状态。申请人已经发现，较高的充气密度有助于火焰加速。较低的活塞加速度在气体膨胀持续时间的相当长部分内延续。

当在整个速度范围上计算时，除了峰值压力非常相似的较低速度1500和2500r /min之外，发现在大多数速度下，内燃发动机10中的气缸峰值压力低于常规发动机中的气缸峰值压力。然而，与常规发动机相比，内燃发动机10中的气缸压力在气体膨胀过程期间（即，已燃质量分数已经达到1.0之后）保持较高，为内燃发动机10提供更多有用功（和更高IMEP）。

由于其他复杂的发动机相关参数，即挤压速度（包括挤压表面的几何形状）和通过表面的热量损失（受燃烧室几何形状、负责活塞顶部在接合面附近的温度的均匀性的活塞-连杆连接、冷却水回路等的影响），燃烧问题需要更深层次的处理。但重要的是，所有这些因素都有助于最终气缸压力（分布）的形成，而该最终气缸压力（分布）负责所达到的功率水平和排放。

如图4所示，示出了根据本发明的一个示例的内燃发动机10的建模结果，描绘了当其进入并填充气缸12时接近完美的气流滚流，从而导致产生更清洁的燃烧、高转矩和更低排放的均匀燃料混合。

在两个发动机具有相同的冲程和缸径的情况下，活塞14以比常规活塞更低的加速度接近和远离TDC 26。这意味着内燃发动机10将在TDC 26附近具有较低的气缸容积变化率，并且申请人已经发现这有助于在TDC 26附近维持具有较高充气密度的气体状态，从而导致产生更清洁的燃烧、更好发动机抗爆震性能、高EGR耐受性、高转矩和更低排放的均匀燃料混合。

在一个示例中，申请人已经发现内燃发动机10可以用于驱动混合动力车辆中的发电机。更具体地，申请人已经发现，内燃发动机10可以用于驱动串联混合动力车辆中的发电机，其中在发电机运行期间发动机可能以恒定的转速运行，所述发电机可以位于车辆的离散位置上，例如在后备箱/行李箱中。内燃发动机10的效率、平衡、低振动和安静性可以使内燃发动机10特别适合于这种应用。

有针对性的发动机润滑油和油泵装置

在许多常规的发动机中，由曲轴驱动的油泵产生油压。当油泵在较高的发动机转速下达到过高的油压和流量时，该过量的油会通过压力调节装置重新引导回到泵吸油口，或者通过排出通道返回到油底壳。通常，在增程器发动机中，当发动机处于低发动机转速时，发动机具有低油压但也处于低负荷下。当发动机转速增加时，负荷也随之增加，并且相应地，油压和流量也增加到泵产生过量的油的程度，所述过量的油通常不使用并重新引导回发动机油底壳或返回到泵吸油口。

参考图19至图31，以下发明概述了将润滑油有针对性地输送到发动机中最需要它的区域的若干方法，以及通过以下方式来有利于发动机地使用该过量油的方法：首先将过量油重新引导到发动机的其他区域，然后如果泵仍有可用的过量油，则只有这样才能将油重新引导返回到泵吸油口或油底壳。

本专利说明书的这一方面涵盖以下关键领域：

-使用角形滑块和支承件导致不间断滑动支承件表面

-将支承件型材料直接沉积到滑块的不间断滑动支承件表面上

-泵润滑油回路中的两级调节器，其具有主和副溢流功能，由此主溢流产生在高发动机负荷情况下以发动机的特定区域为目标的油压和流量

-使用滑块上的喷头的有针对性的活塞冷却

-经由发动机内部的喷头使用来自调节器的主溢流油的有针对性的活塞冷却

-经由连杆上的喷头使用活塞滑动支承件过量油的有针对性的活塞冷却

-使用凹口或压痕或者受控表面光洁度和泄漏的、从外壳支承件到滑块侧面的单独受控润滑

-润滑油回路中的预设调节器，其重新引导在高发动机负荷情况下以发动机的特定区域为目标的油

结果是：

-减少油泵中的油浪费

-将正常浪费的油以受控的方式重引导到可能有益的发动机关键区域

-少油起泡

-改进发动机效率

-改进发动机性能

-活塞冷却

-减少摩擦，因为有针对性的润滑可导致更小的轴承表面

另外，在苏格兰轭式发动机中使用滑块需要特定的有针对性的润滑，以在滑动支承件表面上保持油的边界层。

参考图25，在发动机缸体中的活塞喷射由来自滑块的过量油供给。滑块油道与喷嘴对准，并在每个冲程的上止点和下止点向喷嘴供油（此视图中的喷嘴关闭）。转到图26，在发动机缸体中的活塞喷射由来自滑块的过量油供给。滑块油道与喷嘴对准，并在每个冲程的上止点和下止点处向喷嘴供油（此视图中顶部喷嘴打开）。

图27示出了支承件表面边缘中的凹口（示出了6个），以允许油经过推力面泄漏到支承件的侧面外，以润滑支承件的侧面和相关的推力面。这也适用于曲柄凸缘引导面的侧面。

同心凸轮轴和平衡轴

在许多常规发动机中，平衡轴用于减少发动机振动。这些平衡轴以一定速度相对于发动机旋转，并由曲轴驱动。该速度通常是发动机转速的两倍，在四缸直列式常规发动机的情况下，需要两个平衡轴。这些轴通过引起与发动机引起的振动相反的不平衡（通常称为二阶力）而减弱发动机振动。

参考图18，借助于Sytech发动机设计，二阶力最小，因此仅需要一个平衡轴，并且该平衡轴以发动机转速而不是发动机转速的两倍来旋转。以下发明概述了位于发动机凸轮轴内部的平衡轴。作为参考，凸轮轴以发动机转速的一半旋转。这种同心组合的凸轮轴和平衡轴对发动机设计有很多好处，包括：

-如果凸轮轴和平衡轴反向旋转，则可降低组件的旋转惯量

-减少了空间需求，因为本发明允许凸轮轴和平衡轴在同一组件中有相同定位，从而实现最佳封装

-因为减少了对气缸体的加工，而降低了组装成本

-凸轮轴和平衡轴可以在组装到发动机中之前作为模块进行预组装

-在V型发动机中，可以使用气缸盖之间的凹处来定位组合的凸轮轴/平衡轴，从而减小发动机的尺寸，并将平衡轴重新定位在发动机油底壳之外，它在发动机油底壳中通常会导致油搅动和起泡

结果是：

-气缸体加工减少

-由于使用了低成本的轴承（降低了零件的速度差），从而降低了成本

-减小了针对气缸体叠加起来的对准公差，从而导致较低成本且更容易制造气缸体

-以前由平衡轴较高支承件速度引起的摩擦减小

-易于组装并降低组装成本

为了充分利用本发明，凸轮轴和平衡轴将沿相同的方向旋转，以使零件之间的轴承差速最小。

苏格兰轭式活塞连杆和曲轴引导件

参考图32至图35，Sytech发动机是水平对置直列气缸布置依靠苏格兰轭式工作原理的发动机。通常，这些发动机需要两个对置气缸在气缸体中具有非常接近的公差，以确保对准并且不会引起活塞的侧向负荷或滑块在曲轴上的过度约束和载荷。这导致对以下方面非常严格的公差和制造成本：

-气缸孔

-气缸体

-曲轴定位

-往复机构对准

常规发动机必须在连杆和活塞之间具有旋转接头，以允许连杆跟随曲轴大端轴颈作圆周运动。Sytech发动机通常不需要该旋转接头，因为活塞和连杆只在直线方向上移动，因此没有侧向力。

为了降低制造公差的敏感性并减少对“匹配”的半气缸体的需求，我们希望在连杆和活塞之间包括一个浮动连接，并将活塞的引导和对准从气缸孔转移到曲轴。

这意味着：

-利用止推环在曲轴上引导滑动支承件

-利用滑动支承件和侧面推力面在连杆内引导滑动支承件

-活塞可以自由地在气缸孔内找到自己的中心，而不受活塞和连杆之间的固定连接的约束

这将允许气缸体内的活塞孔具有公差并且相对于曲轴而不是对置气缸体对准。活塞本身将经由其自身的最小短活塞裙在气缸孔内自由居中，而不用由连杆保持在位置公差范围内。结果是：

-完全浮动的活塞可根据Sytech正弦活塞运动运行

-气缸体可以单独而不是成对地制造

-对置和相邻气缸之间的孔中心公差减小

-针对气缸体和相应气缸孔叠加起来的对准公差减小，使得以较低成本且更容易地制造气缸体

-减少先前因错位引起的摩擦

-易于组装

曲柄机构组件

参考图36至图39，示出了这样一种装置，其中内燃发动机的连杆由两个相似的部分形成，每个相似的部分均采用相同的C形爪的形式。更具体地，示出了这样一种内燃发动机，其包括一对对置活塞、一对对置气缸以及输出轴，其中每个活塞被布置成由燃烧驱动在相应一个气缸内往复运动，并且活塞通过联接器联接到输出轴，使得活塞的所述往复运动驱动输出轴旋转。该联接器包括联接到对置活塞的连杆，该连杆由紧固在一起的一对相似部件524、526形成，在紧固之前，所述相似部件中的一个部件526相对于所述相似部件中的另一个部件524反向。

连杆可具有用于引导滑动支承件的侧引导件，该滑动支承件定位成相对于连杆往复运动，并且联接器还可包括可旋转地安装在滑动支承件内的曲轴。

气旋气流

参考图40和图41，Sytech发动机可以具有进气系统530，该进气系统530促进稳压腔中的气旋气流，从而具有类似于脉冲进气效果那样的效果。特别是，示出了一种内燃发动机，包括一对对置活塞、一对对置气缸以及输出轴，其中每个活塞被布置成在相应的一个气缸内由燃烧驱动而往复运动，并且这些活塞通过联接器联接到输出轴，使得活塞的所述往复运动驱动输出轴旋转，其中该联接器包括与对置活塞联接的连杆，该连杆具有用于引导滑动支承件的侧引导件，该滑动支承件定位成相对于连杆往复运动。联接器还包括可旋转地安装在滑动支承件内的曲轴。该内燃发动机包括进气系统530，进气系统530被布置成在进气系统的稳压腔中引起气旋气流。

气缸的点火顺序可以是1-2-4-3。进气系统可以被布置成使得通向气缸的进气导管在稳压腔处相遇并且按照气缸的点火顺序以围绕稳压腔的大致圆形配置布置。

所描述的构造仅通过示例的方式进行了改进，并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以做出许多修改和变化，本发明的精神和范围包括本文公开的每个新颖特征和特征的组合。

在整个说明书和随后的权利要求书中，除非上下文另有要求，否则词语“包括”以及诸如“包括”和“包含”之类的变体将被理解为暗示包括所陈述的整数或步骤或者整数或步骤组，但不排除任何其他整数或步骤或者整数或步骤组。

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与本发明有关的好处

本发明可以用于各种各样的应用中，尤其是作为现代增程器的低成本和独特的解决方案。

发明人基于苏格兰轭式曲轴连接原理研发了新型现代对置活塞汽油发动机系列，称为SYTECH发动机。该发动机系列由2个模块化的气缸单元组成，这些单元结合在一起以形成一个发动机系列。由于发动机的构造，发动机可以模块化成偶数个气缸，即2个气缸、4个气缸、8个气缸等。通过这种方法，可以采用通用的发动机零件和架构来降低发动机成本和重量。本文主要关注该系列的第一台发动机，即被标识为415（其中4代表气缸数、15代表1.5升发动机排量）发动机的1.5升的四缸发动机。在燃烧系统分析阶段，FEV负责研发具有一组量身定制的发动机几何参数的最佳燃烧室概念，其能够最充分地利用苏格兰轭式原理的优势。为此，使用了1D发动机建模软件（GT-Power）和3D计算流体动力学软件Star CCM +来分别精确地模拟独特的活塞运动对所选燃烧室概念的影响。执行完此步骤并为发动机燃烧建模后，下一步是确定在使用苏格兰轭式原理为将来的立法和客户要求准备发动机时的必要技术和相关成本。本文简要介绍了ASFT的新发动机系列，重点是燃烧系统分析的详细结果以及引领原型制造阶段和即将进行的发动机测试的发动机建议。

1、现代SYTECH发动机新系列简介

新发动机系列的背景是在曲轴和活塞连接中研发了一种通用核心发动机结构，该结构可应用于多种发动机配置。这使发动机能够以最大的通用性来适应各种功率输出，同时保护将来的其他技术应用。这种策略的优势在于，它可以实现符合法律法规的各种发动机变体，同时尽可能多地使用所需技术包中的通用零件。

为了确定发动机的最佳架构，我们首先对发动机构造进行了建模。SYTECH发动机活塞运动与常规的曲柄/连杆发动机极其不同。由于连杆装置，SYTECH活塞以遵循纯正弦运动的均匀方式运动。图5示出了带有滑块的SYTECH连杆装置。

常规发动机的活塞运动在燃烧期间在冲程上止点非常短暂/剧烈，它是连杆和曲柄行程长度之间的关系的作用。SYTECH机构导致纯正弦波活塞运动，而与连杆长度无关，如图2和3所示。

尽管这种差异似乎很小，但最终的效果是燃烧过程在压缩冲程结束时有更多时间完成。从理论上讲，这将导致更多的燃料燃烧时间、更均匀的活塞运动、更均匀的活塞压力/力、更小的点火力峰值和更低的排放。

SYTECH活塞装置的下一个优点是两个对置活塞共享同一曲轴颈。这使得该发动机比常规发动机和常规的水平对置发动机短得多。当仅比较缸径间距而不考虑前后发动机配件时，四缸 SYTECH发动机比常规的直列四缸发动机最多达到短50％。当将四缸 SYTECH对置活塞发动机与四缸水平对置发动机进行比较时，SYTECH发动机最多达到短33％。这使得SYTECH发动机非常容易封装在大多数发动机舱中，并且在将发动机封装到车辆其他区域（像后排座椅后方、车辆下方等）时具有优势。

图6示出了A（直列4）、B（对置4）和C（Sytech 4）的发动机长度比较。

发动机的第三个优点是，由于采用了苏格兰轭式机构和滑块装置，而几乎没有失衡力，而且活塞侧力也很小。这得到了一个安静的、平衡良好的发动机。图7（用于失衡力比较）示出了SYTECH发动机与其他发动机相比的失衡力。图8A、图8B和图8C（用于NVH测试结果）示出了对几年前研发的发动机早期原型进行的测试结果。在这些结果中，NVH的优势非常明显，这对于增程器车辆至关重要，增程器车辆主要是带有车载发电机的电池电动车。发电机需要安静且无振动，以使其尽可能不引人注意，并且在运行时不会对车辆驾驶员的舒适性产生负面影响。

SYTECH发动机的优势使其成为增程器市场的有吸引力的解决方案，因此我们决定，我们希望制造一些发动机进行测试，但前提是该发动机能够满足性能和排放目标，尤其是满足中国市场和中国6b排放的性能和排放目标。

设计发动机的第一步是设定发动机性能的目标，然后对发动机建模，特别是在SYTECH的情况下，使用SYTECH活塞运动以及产生的燃烧对发动机建模，以优化缸径、冲程、压缩比率、气门尺寸、气门重叠、气门正时和喷射器要求，以满足目标性能和排放水平。基于1.5升低成本最小技术包发动机，为发动机设计和分析设定初始目标参数。

关键设计参数为：

•满足中国6b的排放输出

•RON 92燃料

•在4500 1 / min时，自然吸气额定功率为60 kW

•最佳燃料经济性

遵循的设计过程旨在提出一种燃烧系统概念，使我们能够拥有一系列基于相同核心内部设计的发动机，其中该系列中的所有发动机将共享相同的缸径、冲程、压缩比率、曲轴轴承直径、连杆、活塞、滑块、气门尺寸/角度，并且是模块化的。然后，预期输出将类似于图9的“发动机系列”表中所示。

结果，如果成功的话，这三种发动机变体将共享：

-相同的缸径

-相同的燃烧室

-相同的气门尺寸

-相同的喷油装置

-相同的活塞

-相同的连杆

-相同的正时传动器

-相同的滑块

以及许多其他基本发动机组件。这降低了生产复杂性，增加了通用零件量，提高了可靠性，减少了制造/加工成本，并降低了发动机总体成本。

2、SYTECH燃烧系统分析

常规的四缸发动机的点火顺序为1-3-4-2，而SYTECH对置活塞发动机的点火顺序为1-2-4-3。这种燃烧顺序变化在对单个燃烧室性能进行建模时并不是那么重要，但是在对进气歧管、稳压腔和排气系统进行建模以决定这些进气和排气系统的长度并调整它们来优化最终发动机性能时至关重要。

图10示出了SYTECH发动机的点火顺序为1-2-4-3。

3、经由FEV的充气运动设计过程进行燃烧评估

新发动机系列的概念和布局阶段由FEV的充气运动设计CFD流程支持。该过程分析并比较气缸盖和燃烧室中空气引导表面的几何形状，以预测发动机参数的最佳组合，来实现设计目标。它还考虑了缸内流场和燃料喷射之间的相互作用，以改善和优化燃料均质性。

概念研究模型被用于确定SYTECH发动机的最佳缸径和冲程。在模型中进行了数次早期运行后，确定最佳缸径和冲程为85mm冲程和75mm缸径，这使我们获得了1.5L 四缸发动机。然后，使用数据驱动的方法，对模型进行足够的迭代、修改和重复，以确定燃烧室的最佳布置。

在进行这些建模迭代之后，决定向前推动的发动机架构是：

-4个气门燃烧室、2个进气和2个排气，不用凸轮轴移相器

-居中放置的火花塞

-进气口燃料喷射（非DI）

-扁平活塞

-11.0:1压缩

进一步的建模迭代和发动机分析得出的气门尺寸和角度与SYTECH发动机的活塞运动最匹配，并且是下一步发动机建模的良好输入。最后，为发动机建议的参数如图11的表格中所示。

选择建议的参数后，使用详细的CFD建模方法进行几次迭代，以评估和优化燃烧系统中的导流面。经过这些分析后，我们确定了一次迭代，该迭代示出了充气运动和流量限制之间的良好折衷。

图4示出了静态进气口流量模拟结果，而图12示出了靠近居中定位火花塞而居中的充气。图4和12示出了充气运动设计过程的两个重要图示。图4描绘了1号气缸的气门切面中在进气冲程中间的模拟进气流场。可以看出，所施加的高充气运动滚流进气口产生了进入燃烧室的强劲气流（射流）。在燃烧室内，该射流由燃烧室顶板的排气侧引导而转变为滚流运动。活塞顶的平坦几何形状可确保进气和先前压缩冲程期间的干扰较小。这样就可以很好地保存滚流运动，直到压缩循环的后期为止，从而使充气能够很好地围绕中心定位火花塞而居中，如图12所示。

发动机上进行的所有建模都是在使用RON 92燃料的情况下进行的。已决定，对于增程器发动机而言，这是一个重要的考虑因素，因为增程器发动机必须具有灵活性，并且即使在最偏远的地方也能够加燃料。

图13示出了在两个进气门上的质量流量分布。

在比较发动机分析结果时，发现所选模型迭代位于FEV散射带中包括的其他30个类似发动机的性能线上方 ，如图14所示（充气运动与发动机散射带的评估）。这证明了在实现额定功率所需的流量性能与滚流以在整个发动机图中实现高效率的充气运动响应之间的一个最佳折衷。

图15中的表（发动机设计属性）示出了获得的技术的摘要，这些技术对于实现已经为发动机性能设定的发动机参数是必需的。可以看出，建议的SYTECH发动机系列的核心包括低成本，易于获得的通用发动机技术特性，例如固定的进气和排气凸轮轴正时（非常适合非瞬态REX应用），进气口燃料喷射和结合了GPF的催化转化器。结果，该发动机应该是具有最大可靠性的低成本发动机。

尽管发动机架构听起来相对简单，但根据建模，它仍然能够实现为REX应用程序设定的所有设计参数。此外，在设计和分析阶段，可以为DI喷射器合并空间并设计燃烧室，以保护涡轮增压器在未来的通用气缸盖基础设计。对于将来的任何增压应用，必须针对TC应用优化进气道，还必须考虑用于DI喷射器的加工，但重要的是气缸盖的设计考虑了这些选项。当我们将这些特征添加到发动机固有的尺寸、形状、重量和振动优势中时，申请人将为增程器车辆（尤其是需要高功率输出的增程器车辆）提供良好的解决方案。

借助相对基础（通常是现有技术）的技术，我们能够实现重量轻、成本效益高、风险低的发动机，并能够在以后安装DI喷射器和/或涡轮增压器时改变不大。

图16中的表格示出了1.5升SYTECH发动机的性能参数值，而图17示出了发动机性能。图16和图17示出了ASFT新型1.5升发动机在4500 RPM时峰值功率为62 kW的模型性能结果。如前所述，该发动机的设计可提供高功率输出，即使使用RON 92燃料自然吸气。该目标由在3000 rpm发动机转速下的140 Nm峰值转矩表示。

为了实现这一发展，FEV和ASFT应用了先进的工程方法，以确保快速、稳定和高效的燃烧，同时保持低摩擦、良好的NVH和轻巧的设计。

4、发动机基础设计

ASFT新型1.5升发动机的基础设计必须能够承受燃烧产生的力和负荷，同时要可靠、轻巧、低成本和低摩擦。在设计高效发动机时，摩擦是主要考虑因素。由于SYTECH活塞到曲柄的连接是独特的，因此在FEV分析和建模期间中，我们必须假定基于以前SYTECH发动机的摩擦水平。SYTECH发动机总体上应具有更低的摩擦等级，因为对于四缸来说它只有3个主轴承和2个连杆轴承，而与之相对，在大多数常规的直列四缸发动机的情况下有5个主轴承和4个连杆轴承。SYTECH发动机确实有一个附加的滑动支承件，但是滑动支承件使活塞几乎没有侧向力，因此总体活塞摩擦力更低。原型制造完成后，发动机研发的重点将是调整发动机的排放和功率，关联分析模型并分析整体发动机摩擦，这将提高我们的效率并减少损失。具有低预紧环组的小轴承直径与轻重量活塞组有助于减少曲柄传动机构中的摩擦，并且已经包含在发动机设计中。

已经为正时传动器选定了皮带来结合超强鲁棒性和最先进的NVH行为的好处以及良好耐用性。同时，在与皮带驱动系统供应商密切合作下，优化整个正时传动器的布局，以达到极低摩擦力并最大程度地减少皮带谐波和鞭打。

气门机构使用滚子摇臂（RFF）和液压间隙调节器（HLA）来实现低摩擦和免维护操作。通过运动学和动态气门机构仿真来对气门弹簧设计进行了详细分析和优化，以确保在整个速度范围内安全运行。SYTECH发动机上的平衡轴以发动机转速运行，并且直接由曲轴链驱动。油泵位于曲轴周围，因此无需考虑与驱动相关的摩擦损失。

5、燃烧研发

已经制造了几台发动机，目前正在制备、安装和准备这些发动机，以便在FEV的测试设施中进行测试，来验证概念、布局和设计步骤。该发动机将在所有气缸上配备水冷式缸内压力传感器，在1号气缸上配备排气和进气压力指示器，在发动机上所有相关位置是配备全面的废气分析和热电偶以及压力传感器。

概念设计研究中使用的燃烧模型将用于验证目的，并有助于在第一轮热力学测试之后进一步确定燃烧系统优化的任何领域。

6、总结与结论

澳大利亚ASFT技术公司（ASFT）与FEV成功地合作研发了新型现代SYTECH汽油发动机系列。该合作研发的主要发动机是ASFT的新型1.5升对置活塞发动机，该发动机使用RON92燃料以低成本提供了出色的性能和良好的燃料效率。

为了使用RON 92燃料达到目标性能，FEV和ASFT致力于研发具有稳定燃烧性能的现代SYTECH发动机。

•FEV的充气运动设计过程已成功应用于建立高充气运动水平、后期压缩之前的良好流量保持以及压缩结束时的优化湍流定位

•基础发动机经过优化，可以承受燃烧的负荷和力，同时实现了轻巧、紧凑的设计和低总摩擦

•建模结果表明SYTECH发动机应该是一种能够以最少的技术来达到中国6b的低成本解决方案。

•SYTECH发动机方法产生了模块化发动机，该发动机可以成对气缸地重复使用，以实现具有相同核心设计和组件的一系列发动机，从而最大程度地降低成本和基础设施。

ASFT的新发动机系列不仅以最少的技术提供了出色的性能，而且还为应用更复杂的未来技术，例如冷却式EGR、直接喷射和涡轮增压，提供了保护。

因此，根据本发明的一个示例的新型1.5升SYTECH发动机是现代增程器的低成本独特解决方案。

特征列表

10 内燃发动机

12 气缸

14 活塞

16 输出轴

18 本发动机的线（图2）

20 常规发动机的线（图2）

22 本发动机的线（图3）

24 常规发动机的线（图3）

26 上止点

28 下止点

30 燃烧室

32 气门

34 本发明的示例性“SYTech”和常规发动机两者具有相同的冲程和缸径

36 常规

38 SYTech

40 上止点之前（TDC）

42 下止点之后（TDC）

44 活塞速度，毫米/度

46 曲柄角，度

48 燃烧室容积（CV）

50 缸容积

52 扫气量（缸容量）

54 总工作单元气缸容积

56 曲柄（TDC之前的度数）

58 曲柄角，度

60 ％燃烧室速度差（常规>SYTech），（（常规– SY）/ CV）* 100

62 常规

64 正弦曲线（SYTech）

66 ％常规>SY，（（常规 - SY）/ SY）* 100

68 曲柄（TDC之后的度数）

70 ％容积差

72 Sytech与常规

74 水平任意截面

76 竖向任意截面

78 预览

80 截面气门1

82 截面气门2

84 预览

86 连杆

88 曲轴

90 滑块

92 活塞

94 常规发动机

96 对置发动机

98 多个失衡力

100多个失衡力

102 SYTech平坦对置发动机

104 几乎无失衡力

106 完全平衡的平顺安静操作

108 满负荷常规发动机

110 满负荷STTech发动机

112 加速度（米每秒每秒）

114 频率（Hz）

116运行噪音对比：SYTech发动机75-80db与常规发动机90-95db

118 节气门全开舱室噪声，二挡

120 常规发动机（四缸）

122 SYTech（四缸）

124 噪音水平（db）（A）

126 以RPM为单位的发动机转速

128 参数

130 缸数

132 发动机排量

134 功率估算

136 冲程

138 缸径

140 内角

142 内径

144 外角

146 外径

148 Dv / D

150 CR

152 Sierra FEV-3

154 Sierra FEV-4

156 TKE / m^2 / s^2

158 CA = TDC之后720度

160 出气口

162 进气口

164 出气口

166 进气口

168 质量流量分配进气门2 / [kg / h]

170 质量流量分配进气门1 / [kg / h]

172 端口流量系数

174 α K = 12.8％

176 充气运动产生的评估

178 所需的填充性能（额定功率）

180 关于IV角21度，S / D 1.14的CMD趋势线

182 Sierra FEV-2

184 Sierra FEV-4

186 散射NA

188 关于IV角16度，S / D 0.9，D 0.56的CMD趋势线

190 流量系数（α K）/ 1

192 第一滚流峰值/ 1

194 发动机技术

196 铝制曲轴箱

198 锻钢曲轴

200 有针对性的润滑

202 NVH优化的基础发动机

204 NVH和摩擦优化同步皮带

206 带免维护自动液压间隙调节功能的低摩擦滚子摇臂气门机构

208 固定的进气和排气正时

210 高充气运动滚流进气口

212 进气口燃料喷射

214 紧密偶联催化剂，包括GPF

216 电动水泵

218 优化的低摩擦活塞环

220 平衡轴（一阶）

222 技术保护

224 对于外部HP EGR的保护

226 对于涡轮增压的保护

228 对于ISG的保护

230 对于直接喷射的保护

232 SYTech

234 ASFT 1.5升发动机的性能值

236 额定功率@ 4500 rpm

238 低端转矩@ 1500 rpm

240 比功率输出

242 最低BSFC @ 3020 rpm和11.65 BMEP

244 排放水平

246 标称燃料

248 性能

250 新DoE

252 老DoE

254 制动功率/ kW

256 BSFC /克/千瓦时

258 发动机转速/ rpm

260 残余气体份额/％

262 制动转矩/ Nm

264 凸轮凸角

266 凸轮轴支承件

268 平衡轴

270 凸轮轴

272 平衡轴轴承（在凸轮轴和平衡轴之间）

274 凸轮轴驱动链轮

276 平衡轴驱动链轮

278 滑动支承件

280 螺栓

282 滑动支承件

284 曲轴轴承

286 螺栓

288 具有使用单独的滑动支承件的不间断滑动支承件表面的角形滑块

290 沉积在滑块上的滑动支承件材料

292 螺栓

294 沉积在滑块上的滑动支承件材料

296 曲轴轴承

298 螺栓

300 具有使用直接沉积在滑块面上的支承件材料的不间断滑动支承件表面的角形滑块

302 滤油器

304 送到发动机轴承等已滤油

306 已加压油

308 油泵

310 压力调节器

312 返回吸油口的过量油

314 吸油口

316 油底壳

318 滤油器

320 送到发动机轴承等的已滤油

322 已加压油

324 油泵

326 压力调节器

328 两级调节器将过量的油分流到活塞喷雾器或其他区域，然后再将油返回泵或油底壳

330 然后将任何其他过量的油返回吸油口或油底壳中

332 油底壳

334 滑块上的活塞喷雾器

336 活塞

338 连杆

340 滑块

342 连杆

344 活塞

346 发动机缸体中由两级压力调节器供给的活塞喷雾器

348 活塞

350 连杆

352 滑块

354 连杆

356 活塞

358 活塞

360 连杆

362 滑块

364 连杆

366 活塞

368发动机缸体中从滑块中供给过量油的活塞喷雾器。滑块油道与喷嘴对准，并在每个冲程的上止点和下止点处向喷嘴供油（此视图中的喷嘴关闭）

370发动机缸体中从滑块中供给过量油的活塞喷雾器。滑块油道与喷嘴对准，并在每个冲程的上止点和下止点处向喷嘴供油（此视图中顶部喷嘴打开）

372 活塞

374 连杆

376 滑块

378 连杆

380 活塞

382 支承件表面边缘的凹口（此处示出6个），用以允许油经过推力面泄漏到支承件的侧面外，以润滑支承件的侧面和相关的推力面。这也适用于曲柄凸缘面的侧面

384 滑动支承件

386 螺栓

388 滑动支承件

390 曲轴轴承

392 螺栓

394 在用于侧面润滑的所有支承件中具有侧凹口的角形滑块

396 润滑油回路中的预设调节器

398 滤油器

400 送到发动机轴承等的已滤油

402 预设调节器

404 在预设压力流量下，此调节器将已滤油分流到活塞喷雾器等中。

406 主压力调节器

408 返回吸油口的过量油

410 油底壳

412 已增压油

414 油泵

416 典型标准阀

418 润滑油至发动机零件

420 过滤器

422 压力

424 泵

426 抽吸

428 滤油器

430 返回

432 油底壳

434 调节阀

436 两级排放

438 润滑油至发动机零件

440 过滤器

442 压力

444 泵

446 抽吸

448 滤油器

450 油底壳

452 返回

454 至活塞喷嘴（主排放路径）

456 两级调节器

458 副排放路径

460 排放（中间）调节器

462 润滑油至发动机零件

464 过滤器

466 压力

468 泵

470 抽吸

472 滤油器

474 油底壳

476 返回

478 主调节器（45 psi）

480 至活塞喷嘴等

48230 psi

484 中间调节器

486 扭转

488 错位

490 轴向间距

492 销允许在所有方向上缸径错位和扭转，包括曲柄-缸径错位。曲轴肩允许活塞连杆自对中

494 曲柄上用于滑动支承件的引导肩（滑块的两端/侧面）

496 轴向间距

498 错位

500 扭转

502 连杆中的滑动支承件侧引导件

504 曲柄上的引导肩

506 曲柄组件

508 齿轮–曲轴

510 键

512 曲轴

514 塞子–曲轴

516 销–销钉

518 触发器–滚轮

520 销–销钉

522 螺钉–触发轮

524 连杆的C型爪

526 连杆的反C型爪

528 滑块组件

530 进气系统

532 喷射系统

534 冷却系统

536 缸盖

538 气门机构

540 正时传动

542 排气系统

544 冷却系统

546 节气门体

548 缸盖

550 缸盖

552 室中的气旋气流

554 进气

556 SYTech点火顺序

Claims (6)

1.一种内燃发动机，其包括一对对置活塞、一对对置气缸以及输出轴，其中每个活塞被布置成由燃烧驱动而在相应一个气缸内往复运动，并且所述活塞通过联接器联接到所述输出轴，使得活塞的所述往复运动驱动所述输出轴旋转，其中所述联接器包括联接到对置活塞的一体式连杆，该连杆具有侧引导件，其用于引导滑动支承件，而该滑动支承件被定位成相对于连杆往复运动，并且该联接器还包括可旋转地安装在滑动支承件内的曲轴，该曲轴具有至少一个引导肩，用于支撑相对于滑动支承件的轴向位置；

其中该内燃发动机包括进气系统，该进气系统被布置成在进气系统的稳压腔中引起气旋气流；

其中气缸的点火顺序是1-2-4-3；

所述进气系统被布置成使得通向气缸的进气导管在稳压腔处相遇，所述进气导管按照气缸的点火顺序以围绕稳压腔的大致圆形配置布置；所述气旋气流能够按照所述气缸的点火顺序依序流入各所述气缸。

2.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中所述引导肩通过给内燃发动机提供更多自由度而允许所述内燃发动机的自对准。

3.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中所述曲轴具有一对相对的引导肩，用于引导滑动支承件的相对侧面。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的内燃发动机，其中所述联接器被布置成使得当相对于所述输出轴的旋转角绘制时，对于所述输出轴的恒定旋转速度而言，所述活塞具有正弦运动。

5.根据权利要求1至3中的任意一项所述的内燃发动机，其中所述内燃发动机具有苏格兰轭式内燃发动机的形式。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的内燃发动机，其中所述联接器包括滑动支承件。