CN114508414A - 内燃发动机系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种内燃发动机(ICE)系统(100)，该内燃发动机系统包括二冲程活塞机(130)，该二冲程活塞机具有用于容纳往复式活塞(132)的气缸(131)以及用于调节流体介质流的至少一个气门(136)；该ICE系统还包括用于操作往复式活塞的可旋转曲轴(140)，其中，该可旋转曲轴包括一体式凸轮凸角(142)，该一体式凸轮凸角(142)被布置成操作二冲程活塞机的所述至少一个气门。

Description

内燃发动机系统
技术领域
本公开涉及一种包括二冲程活塞机的内燃发动机系统。本公开适用于车辆，尤其是重型车辆，例如卡车。然而，尽管本公开将主要针对卡车进行描述，但是内燃发动机系统也可以适用于通过内燃发动机推进的其它类型的车辆。特别地，本公开可以应用于重型车辆，例如卡车、公共汽车和建筑设备，但是也可以应用于轿车和其它轻型车辆等。此外，内燃发动机通常是氢内燃发动机。
背景技术
多年来，对内燃发动机的需求一直在稳步增长，并且发动机也在不断发展，以满足市场的各种需求。举例来说，当设计和选择合适的内燃发动机(IEC)系统及其发动机部件时，废气的减少、发动机效率的提高(即燃料消耗的降低)和较低的发动机噪音水平是变得更加重要方面的一些标准。此外，在重型车辆(例如卡车)的领域，有许多现行的环境法规对车辆提出了具体的要求，例如与废气污染的最大允许量有关的限制。
为了满足上述需求中的至少一些，多年来已经开发了各种发动机概念，其中常规的燃烧气缸例如与预压缩阶段和/或膨胀阶段相结合。
一种有可能满足当前和未来环境法规的ICE系统是氢ICE系统，其中氢与氧的燃烧产生水作为其唯一产物。在这种氢ICE系统中，通常有用于在空气进入燃烧气缸之前对空气加压的压缩机，以便在进行和完成燃烧反应时在燃烧气缸中提供氢气和空气的适当混合物。此外，这些氢ICE系统中的一些通常包括用于膨胀由燃烧反应产生的排气的膨胀机。
此外，对于不同类型的发动机概念，氢ICE系统中的发动机循环可能不同。在四冲程发动机中，气缸在一个循环中执行四个冲程，即进气、压缩、做功和排气。例如，在通过例如常规的奥托循环或柴油循环工作的四冲程内燃发动机中，发动机中的每个气缸每个循环执行四个冲程。因此，每个做功冲程导致曲轴旋转两圈。相比之下，二冲程发动机仅在一次曲轴旋转期间用气缸的两个冲程完成做功循环，因为做功冲程的结束和压缩冲程的开始同时发生，并且进气和排气功能同时发生。
希望使用二冲程机进一步改进ICE系统的操作，以满足工业上对高效ICE系统的普遍需求和日益增长的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种包括二冲程活塞机的改进的内燃发动机系统，其中二冲程活塞机的至少一个气门能够以有效的且响应的方式操作，而不会损害ICE系统的整体尺寸。该目的至少部分通过根据本公开的第一方面的系统来实现。
根据本公开的第一方面，提供了一种内燃发动机(ICE)系统，该内燃发动机系统包括二冲程活塞机，该二冲程活塞机具有用于容纳往复式活塞的气缸和用于调节流体介质流的至少一个气门。ICE系统还包括用于操作往复式活塞的可旋转曲轴。此外，可旋转曲轴包括一体式凸轮凸角，该一体式凸轮凸角被布置成操作二冲程活塞机的至少一个气门。
以这种方式，可以直接通过ICE系统的曲轴驱动二冲程活塞机的气门，从而提供一种与其它更先进的系统相比没有或至少有更少的液压或气动气门致动装置的系统。此外，根据本公开的ICE系统允许消除常规内燃发动机中通常使用的凸轮轴驱动的需要。本公开相对于用于具有更少的气缸和更快的气门动作的ICE系统的凸轮轴驱动系统特别有用，因为这可能产生高的正/负扭矩，这可能在这种现有技术系统的凸轮轴驱动中产生齿轮异响。因此，有可能减少ICE系统的部件数量，从而通常也减少ICE系统的重量。
为此，ICE系统可以做得更紧凑，特别是对于具有膨胀机的ICE系统。更具体地，由于可旋转曲轴可以通过一体式凸轮凸角操作膨胀机的至少一个气门，因此与现有技术系统相比，ICE系统的总高度可以降低，在现有技术系统中，诸如进气门的气门由位于ICE中的其它部件上的凸轮轴和凸轮控制和操作。
此外，因为与更常规的ICE系统相比，ICE系统可包括更少的可移动部件，这是由于一体式凸轮凸角设置在曲轴上并构造成操作二冲程活塞机的气门，所以根据本公开的ICE系统还可减少由于这种额外的可移动部件的使用和磨损而导致的ICE中的寄生损失。
典型地，一体式凸轮凸角可以布置成机械地操作二冲程活塞机的至少一个气门。举例来说，一体式凸轮凸角被布置成通过可移位地布置在一体式凸轮凸角和至少一个气门之间的中间构件来机械地操作至少一个气门。以这种方式，通过曲轴提供了气门的更简单、更稳健且紧凑的操作。该中间构件可以是例如常规的凸轮从动件、摇臂等。
一体式凸轮凸角可以与曲轴一体形成。替代地，一体式凸轮凸角可以安装在曲轴上。曲轴可以包括多个一体式凸轮凸角。在一个示例性实施例中，曲轴包括单个一体式凸轮凸角。曲轴的凸轮凸角通常布置在曲轴上，使得曲轴的旋转提供凸轮凸角以将气门相对于二冲程活塞机气缸在打开位置和关闭位置之间操作。此外，凸轮凸角布置在曲轴上，以曲轴速度旋转。
通常，曲轴可绕纵向轴线旋转，并具有布置在其上的至少一个一体式凸轮凸角，以与其一起旋转。这样，至少一个一体式凸轮凸角被驱动围绕曲轴的纵向旋转轴线旋转，并且还可与凸轮从动件形式的可移位中间构件接合，用于操作二冲程活塞机的气门。
本公开对于氢内燃系统特别有用。在这种氢ICE系统中，氢与氧的燃烧产生水作为其唯一产物。此外，氢可以在内燃发动机中以多种燃料-空气混合物燃烧。虽然氢ICE系统可以在某些条件下操作以产生低排放，但是NOX排放的量可以至少部分取决于空气/燃料比、发动机压缩比以及发动机速度和点火定时。此外，与例如传统汽油发动机相比，氢ICE系统中的空气/燃料的燃烧可能对发动机部件的强度和尺寸提出更高的要求。
流体介质的类型通常取决于二冲程机的类型。在一些示例中，由至少一个气门调节的流体介质可以是氧气，例如压缩空气。因此，举例来说，至少一个气门被布置成调节进入二冲程活塞机的气缸的流体介质(例如压缩空气)流。然而，由至少一个气门调节的流体介质也可以是排气。
虽然本公开可以用于包括二冲程活塞机的任何类型的ICE系统，但是本公开特别适用于包括膨胀机形式的二冲程活塞机的ICE系统。因此，根据一个示例性实施例，二冲程机是膨胀机。在一个示例性实施例中，ICE系统是氢ICE系统，并且二冲程机是膨胀机。因此，至少一个气门被布置成调节进入膨胀机气缸的排气流。
在带有膨胀机的ICE系统中，膨胀机可以例如具有四个进气门。进气门需要以快速响应的方式打开和关闭。这是因为它是膨胀机，其中膨胀机气缸通常在上止点(TDC)充满流体介质。随后，当膨胀机的活塞已经移位了其冲程的约10％时，气门通常被控制成设置在关闭位置。因此，活塞冲程的剩余90％是膨胀。在这种情况下，快速的气门运动产生很大的力，这进而在凸轮轴上产生很大的扭矩。首先，产生了打开气门的负扭矩，随后当气门关闭时，弹簧将在凸轮轴上产生正扭矩。凸轮轴上的这种正扭矩通常在驱动凸轮轴的齿轮中产生齿轮异响。因此，通过根据本公开的ICE系统，其中提供了用于操作膨胀机的至少一个进气门的具有至少一个一体式凸轮凸角的曲轴，正扭矩的问题可以被消除，因为不涉及齿轮。相反，气门弹簧能量通常直接耗散到ICE系统的飞轮。以这种方式，可以减少寄生损失，并且还可以提供比常规的带有凸轮轴的ICE系统更简单、更轻、更安静的ICE系统。
在二冲程活塞机是膨胀机的示例性实施例中，气缸是膨胀机气缸，并且往复式活塞是膨胀机活塞。通常，膨胀机包括二冲程膨胀气缸，该二冲程膨胀气缸具有驱动连接到发动机曲轴的膨胀活塞。在本公开的上下文中，术语“二冲程活塞机”通常指被布置成在一次曲轴旋转期间执行全冲程循环的机器。
根据至少一个实施例，曲轴的一体式凸轮凸角被布置成操作膨胀机的进气门。通常，曲轴的一体式凸轮凸角被布置成将膨胀机的进气门在打开位置和关闭位置之间操作，以便调节进入膨胀机气缸的流体介质流。进气门通常由弹簧朝向常闭气门位置偏置，并且可以通过曲轴上的凸轮凸角驱动，以便朝向打开气门位置克服弹簧的偏置力。如本领域公知的，气门相对于膨胀机气缸的布置可以以几种不同的方式提供。
根据至少一个实施例，曲轴的一体式凸轮凸角被布置成同时操作膨胀机的一对进气门。此外，如上所述，曲轴可以包括多个凸轮凸角，用于操作膨胀机的多对进气门。因此，根据至少一个实施例，曲轴包括多个一体式凸轮凸角。
根据至少一个实施例，曲轴包括布置成操作两对进气门的两个一体式凸轮凸角(即，两对进气门操作四个进气门)。
根据至少一个实施例，二冲程活塞机是侧气门二冲程活塞机。在这种布置中，进气门位于二冲程活塞机的气缸的侧部处。也就是说，进气门位于二冲程活塞机的气缸轴线的侧部处。此外，侧进气门由曲轴的一体式凸轮凸角打开和关闭，其中曲轴垂直于二冲程活塞机的气缸轴线延伸，并因此垂直于位于二冲程活塞机的气缸轴线的侧部处的进气门延伸。
类似地，在侧气门二冲程活塞机中，排气门也可以位于二冲程活塞机的气缸的侧部处。
根据至少一个实施例，膨胀机的进气门是布置在膨胀机活塞的一侧处的侧气门，由此，曲轴的一体式凸轮凸角被布置成驱动膨胀机的侧气门。通常，尽管不是严格要求的，但是侧气门是被构造成通过将气门从膨胀机移开而设置在打开位置的气门。替代地，侧气门是被构造成通过气门抵靠膨胀机的移位而设置在打开位置的气门。
如上所述，可旋转曲轴布置成操作二冲程机的往复式活塞。然而，如从以下公开内容中容易理解的，可旋转曲轴可以以几种不同的方式操作往复式活塞。通常，可旋转曲轴可以连接到二冲程机的往复式活塞的连杆。因此，可旋转曲轴被布置成操作二冲程机的往复式活塞的连杆。然而，可旋转曲轴也可以以其它方式操作往复式活塞，这将在下面进一步描述。
ICE系统通常可包括至少一个燃烧气缸，该燃烧气缸被构造成用于燃烧气缸组件的燃烧室中的气体燃料(例如氢气)的燃烧，以便驱动曲轴。因此，根据至少一个实施例，ICE系统还包括容纳燃烧活塞的至少一个燃烧气缸。在该实施例中，燃烧气缸被构造成由燃烧力供能。此外，ICE系统包括容纳压缩机活塞的压缩机气缸。通常，压缩机气缸被构造成压缩一定体积的空气并将压缩空气传递到至少一个燃烧活塞。此外，如果膨胀机气缸被构造成接收来自至少一个燃烧活塞的排气，为此，曲轴通常通过对应的连杆连接到至少一个燃烧活塞并且连接到膨胀机活塞和压缩机活塞中的任一个。例如，曲轴由至少一个燃烧活塞通过燃烧活塞连杆驱动，并且还由膨胀机活塞通过膨胀机活塞连杆驱动，而压缩机活塞由曲轴通过膨胀机活塞驱动。也就是说，在一个实施例中，曲轴通过相应的连杆连接到至少一个燃烧活塞和膨胀机活塞。换句话说，膨胀机活塞连杆将压缩机活塞和膨胀机活塞的往复运动转换成曲轴的旋转运动。
例如，曲轴由至少一个燃烧活塞通过燃烧活塞连杆驱动，并且由膨胀机活塞通过膨胀机活塞连杆驱动，其中压缩机活塞由曲轴通过膨胀机活塞驱动。
替代地，曲轴通过连杆连接到至少一个燃烧活塞，并且还通过连杆连接到压缩机活塞，而膨胀机活塞通过在压缩机活塞和膨胀机活塞之间延伸的连接元件组件连接到曲轴。
通常，曲轴由于燃烧力而被驱动，即从燃烧气缸和燃烧活塞接收动力，并由于膨胀力而从膨胀机气缸和膨胀机活塞接收动力。此外，曲轴驱动压缩机活塞和压缩机气缸，即向压缩机活塞和压缩机气缸输送动力，以便压缩空气。因此，曲轴由动力活塞(即所述至少一个燃烧活塞和所述膨胀机活塞)通过连杆可旋转地驱动，并且曲轴通过已经存在并用于动力活塞的连杆来驱动消耗动力的活塞(即至少所述压缩机活塞)。换句话说并且根据一个实施例，ICE系统包括仅直接连接到动力活塞(即所述至少一个燃烧活塞和所述膨胀机活塞)的连杆。
应当理解，至少一个燃烧活塞被布置在至少一个燃烧气缸内并适于在其内往复运动。对应地，压缩机活塞和膨胀机活塞分别布置在压缩机气缸和膨胀机气缸内并适于在其内往复运动。此外，压缩机活塞的“向下”冲程是指压缩机气缸中的空气被压缩的压缩机活塞的冲程。对应地，压缩机活塞的“向上”冲程是指压缩机活塞沿相反方向的冲程。此外，膨胀机活塞通常可以刚性地连接到压缩机活塞，从而允许膨胀机活塞能够与压缩机活塞一致地移动。在这种构造中，压缩机活塞的向下和向上冲程与膨胀机活塞的相应冲程一致。
根据至少一个实施例，压缩机活塞经由膨胀机活塞连接到曲轴，使得曲轴的旋转运动经由膨胀机活塞连杆转变成压缩机活塞的往复运动。因此，根据至少一个实施例，膨胀机活塞和压缩机活塞被布置有公共连杆。也就是说，压缩机活塞通过膨胀机活塞连杆连接到曲轴。换句话说，曲轴由至少一个燃烧活塞通过其连杆(即燃烧活塞连杆)驱动，并且由膨胀机活塞通过其连杆(即膨胀机活塞连杆)驱动。
根据至少一个实施例，膨胀机活塞具有在第一几何平面内延伸的圆形横截面，并且压缩机活塞具有在第二几何平面内延伸的圆形横截面。此外，第一和第二几何平面以平行配置定位在曲轴纵向轴线的相反两侧。
根据至少一个实施例，膨胀机气缸和压缩机气缸被同轴布置。
根据至少一个实施例，ICE系统还包括连接元件组件，该连接元件组件刚性地连接压缩机活塞和膨胀机活塞，使得压缩机活塞和膨胀机活塞能够一致地移动。通过连接元件组件，在膨胀机活塞和压缩机活塞之间提供了机械刚性连接，从而增加了内燃发动机的机械稳定性。由于膨胀机活塞和压缩机活塞彼此刚性连接，与膨胀机活塞和压缩机活塞彼此不刚性连接的设计相比，膨胀机活塞和压缩机活塞的总高度可以进一步降低。此外，由于膨胀机活塞通过连接元件组件刚性地连接到压缩机活塞，从而与压缩机活塞一致地移动，压缩机活塞的向下和向上冲程与膨胀机活塞的相应冲程一致。
根据一个实施例，膨胀机活塞具有膨胀机活塞高度和膨胀机活塞直径，并且其中膨胀机活塞高度小于膨胀机活塞直径的1/3，优选小于膨胀机活塞直径的1/5，或者更优选小于膨胀机活塞直径的1/10或1/15。根据一个实施例，压缩机活塞具有压缩机活塞高度和压缩机活塞直径，并且其中压缩机活塞高度小于压缩机活塞直径的1/3，优选小于压缩机活塞直径的1/5，或者更优选小于压缩机活塞直径的1/10或1/15。应当理解，相应活塞的高度通常被称为活塞的裙部，膨胀机活塞的直径通常是面向膨胀容积的表面的直径，并且压缩机活塞的直径通常是面向压缩容积的表面的直径。根据一个示例性实施例，压缩机活塞的直径比膨胀机活塞的直径小。例如，压缩机活塞的直径在膨胀机活塞直径的1/2到1/99之间，例如是膨胀机活塞直径的约2/3。
根据一个实施例，曲轴的一部分和压缩机活塞、膨胀机活塞沿着几何轴线布置，并且其中，曲轴的一部分沿着几何轴线布置在压缩机活塞和膨胀机活塞之间。因此，可以实现内燃发动机的更加紧凑的设计。曲轴的该部分可以描述为膨胀机活塞和压缩机活塞的中间部分。曲轴的该部分例如可以是曲轴的沿着曲轴纵向方向的区段。
根据一个实施例，膨胀机气缸内的膨胀机活塞的往复运动沿着膨胀机轴线发生，并且燃烧气缸内的至少一个燃烧活塞的往复运动沿着燃烧轴线发生。根据一个实施例，所述几何轴线与膨胀机轴线和压缩机轴线重合。
根据一个实施例，压缩机活塞、膨胀机活塞和曲轴的所述部分布置在如下的几何平面内：该几何平面至少沿着膨胀机轴线和压缩机轴线中的一个并且垂直于曲轴的纵向轴线延伸，其中曲轴的所述部分在压缩机活塞和膨胀机活塞之间在垂直于曲轴的纵向轴线的方向上布置在该几何平面内。
根据一个实施例，压缩机活塞的至少一部分、膨胀机活塞的至少一部分和连接元件的至少一部分一起形成围绕曲轴的部分的压缩机-膨胀机布置。根据一个实施例，该压缩机-膨胀机布置包围或包封曲轴的所述部分。
因此，可以实现内燃发动机的紧凑设计。换句话说，膨胀机活塞的至少一部分、连接元件的至少一部分和压缩机活塞的至少一部分可以形成几何平截头体或几何圆柱体，其围绕或容纳或包围曲轴的部分。换句话说，膨胀机活塞可以至少包括面向膨胀机容积的表面和面向曲轴的表面，并且对应地，压缩机活塞可以至少包括面向压缩机容积的表面和面向曲轴的表面，其中曲轴的所述部分布置在相应的面向曲轴的表面之间。
根据一个实施例，膨胀机活塞具有在第一几何平面内延伸的圆形横截面，并且压缩机活塞具有在第二几何平面内延伸的圆形横截面，第一几何平面和第二几何平面以平行配置定位在曲轴纵向轴线的相反两侧。
应注意的是，由于考虑到活塞的热膨胀，活塞在其相应的横截面中可能不是完全圆形的。因此，膨胀机活塞横截面可被称为垂直于膨胀机轴线延伸的圆或椭圆形横截面(即膨胀机轴线垂直延伸到横截面中)，并且压缩机活塞横截面可被称为垂直于压缩机轴线延伸的圆或椭圆形横截面(即压缩机轴线垂直延伸到横截面中)，并且其中曲轴的所述部分布置在膨胀机活塞的横截面和压缩机活塞的横截面之间。
根据一个实施例，膨胀机气缸和压缩机气缸同轴布置。因此，便于膨胀机气缸和压缩机气缸在相应气缸内的对准。根据一个实施例，与膨胀机气缸相比，曲轴更靠近压缩机气缸定位。根据一个实施例，燃烧活塞连杆在与膨胀机连杆相同的曲轴侧联接到曲轴(即连杆的大端)，与压缩机活塞相反。因此，降低了内部部件碰撞的风险。因此，可以实现ICE系统的更紧凑的设计。
根据一个实施例，膨胀机气缸和压缩机气缸相对于彼此偏移。也就是说，膨胀机轴线和压缩机轴线彼此平行，但不重合。
根据一个实施例，膨胀机气缸内的膨胀机活塞的往复运动沿着膨胀机轴线发生，并且燃烧气缸内的至少一个燃烧活塞的往复运动沿着燃烧轴线发生，并且其中膨胀机气缸和至少一个燃烧气缸以如下方式布置在内燃发动机内：膨胀机轴线相对于燃烧轴线成40度至90度之间的角度，优选在50度至75度之间，更优选在55度至65度之间，例如约60度。
因此，所述内部部件(例如具有其往复和/或旋转运动的各种活塞和对应的连杆)当它们在内燃发动机内运动时可以适于保持彼此远离。因此，内燃发动机可以制造得紧凑。因此，与膨胀机气缸相比，至少一个燃烧气缸可以被描述为从曲轴横向突出。
根据一个实施例，膨胀机活塞连杆和燃烧活塞连杆通过相应的曲柄销联接到曲轴。因此，膨胀机活塞和至少一个燃烧活塞可以相对于曲轴彼此单独定相。因此，可以实现扭矩脉冲的均匀分布。根据一个实施例，膨胀机活塞连杆和燃烧活塞连杆通过相同的曲柄销联接到曲轴。
根据一个实施例，膨胀机活塞通过连接元件与压缩机活塞物理分离。也就是说，膨胀机活塞和压缩机活塞不是共同的活塞，而是由连接元件刚性连接的两个独立的活塞。因此，膨胀机活塞、压缩机活塞和连接元件可以被称为压缩机-膨胀机布置，其中两个活塞通过连接元件彼此刚性连接。根据一个实施例，膨胀机活塞、压缩机活塞和连接元件可以制成一体，和/或包括在一个单一单元中。
根据一个实施例，至少一个燃烧气缸是第一燃烧气缸，并且燃烧活塞是第一燃烧活塞，并且内燃发动机还包括容纳第二燃烧活塞的第二燃烧气缸，第二燃烧气缸被构造成由燃烧力供能。因此，至少一个燃烧气缸可以被称为至少两个燃烧气缸。根据一个实施例，第二燃烧活塞通过连杆连接到曲轴。也就是说，第一和第二燃烧活塞连接到同一曲轴。应当理解，根据一个实施例，至少一个燃烧气缸或至少两个燃烧气缸至少部分地布置在膨胀机活塞和压缩机活塞之间。例如，燃烧气缸的连杆可以布置在膨胀机活塞和压缩机活塞之间。根据一个实施例，第一和第二燃烧气缸以四冲程配置运行，并且压缩机气缸和膨胀机气缸中的每一个以二冲程配置运行。根据一个实施例，第一和第二燃烧气缸以四冲程配置共同运行。根据一个实施例，第一和第二燃烧气缸各自以二冲程配置运行。根据一个实施例，第一和第二燃烧气缸各自以四冲程配置运行。
因此，ICE的总冲程可以称为八冲程发动机(膨胀机气缸和压缩机气缸的相应二冲程配置，以及燃烧气缸的四冲程配置)。根据一个实施例，内燃发动机被称为双压缩膨胀发动机，DCEE。
根据本公开的至少第二方面，该目的通过一种车辆来实现。该车辆包括根据本公开的第一方面的内燃发动机系统。
本公开的第二方面的效果和特征在很大程度上类似于上面结合本公开的第一方面描述的那些。关于本公开的第一方面提到的实施例在很大程度上与本公开的第二方面兼容。
在以下描述中公开了本公开的其它优点和有利特征。还应当容易理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以组合不同的特征来创建除了下文中描述的实施例以外的实施例。
这里使用的术语仅用于描述特定示例的目的，并非旨在限制本公开。如这里所使用的，单数形式“一(a)”、“一个(an)”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文明确另外指出。将进一步理解的是，当在此使用时，术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包含(includes)”和/或“包含(including)”指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。
除非另有定义，否则本文使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。还应当理解，这里使用的术语应被解释为具有与它们在本说明书和相关领域的环境中的含义一致的含义，并且，除非在此明确定义，否则不应以理想化或过于正式的意义来解释。
附图说明
通过以下对本公开的示例性实施例的说明性而非限制性的详细描述，将更好地理解本公开的上述以及附加目的、特征和优点，其中：
图1是包括根据本公开的示例性实施例的内燃发动机系统的车辆的侧视图；
图2是根据本公开的示例性实施例的内燃发动机系统的透视图；
图3是根据本公开的示例性实施例的图2的内燃发动机系统的侧视图；
图4是根据本公开的示例性实施例的图2的内燃发动机系统的截面透视图；
图5是根据本公开的示例性实施例的图2的内燃发动机系统的截面侧视图。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更全面地描述本公开，其中示出了本公开的示例性实施例。然而，本公开可以以许多不同的形式实施，并且不应被解释为限于这里阐述的实施例；相反，提供该实施例是为了彻底性和完整性。在整个说明书中，相同的附图标记指代相同的元件。
特别参考图1，提供了具有根据本公开的内燃发动机(ICE)系统100的车辆1。图1所示的车辆1是卡车，将在下面详细描述的内燃发动机系统100特别适合于该卡车。内燃发动机系统至少包括二冲程活塞机，如将结合图2至图5进一步描述的。此外，内燃发动机系统100包括内燃发动机(ICE)。在该示例中，ICE系统是氢活塞ICE系统。这种氢ICE系统中的燃烧基于空气和氢气的燃烧，这在本领域中是公知的。
转向图2和图3，示出了根据本公开的示例性实施例的内燃发动机系统100。应当注意，为了便于理解本公开和活塞构造，图2和图3中省略了容纳相应活塞的气缸的完整图示。
因此，虽然应注意到ICE系统可以包括几个气缸，但是内燃发动机系统100在这里至少包括活塞燃烧器组件110，该活塞燃烧器组件110具有容纳第一燃烧活塞112的至少一个燃烧气缸111和容纳第二燃烧活塞116的第二燃烧气缸114。内燃发动机系统100还包括压缩机120，压缩机120具有容纳压缩机活塞122的压缩机气缸121。同样，如图2所示，ICE系统100包括膨胀机130。在该示例性实施例中，膨胀机130对应于二冲程机。换句话说，膨胀机是二冲程活塞机的一个示例。膨胀机130包括容纳膨胀机活塞132的膨胀机气缸131。在这种情况下，应注意的是，术语“气缸”通常是指具有用于容纳往复式活塞的内部空间的部件，如本领域中所公知的。
再次转向燃烧器组件110，应当理解，第一燃烧活塞112和第二燃烧活塞116分别单独布置在第一燃烧气缸111和第二燃烧气缸114内并适于在其内往复运动。对应地，压缩机活塞122和膨胀机活塞132分别布置在压缩机气缸121和膨胀机气缸131内并适于在其内往复运动。
此外，如图2所示，ICE系统100包括曲轴140。如下文将进一步描述的，曲轴140被布置成操作膨胀机活塞132。该曲轴可以经由对应的活塞连杆直接操作膨胀机活塞或通过一个或多个连接元件间接操作膨胀机活塞。曲轴140布置成可绕旋转轴线旋转，该旋转轴线通常对应于曲轴140的纵向轴线LA(参见图2)。可旋转曲轴布置在ICE系统中，以便与膨胀机130(即二冲程活塞机)的至少一个气门协作。因此，膨胀机130包括至少一个气门136，用于调节流体介质(例如从燃烧气缸接收的排气)的流。
虽然气门可以以几种不同的方式设计成与曲轴协作，但是曲轴140通常具有凸轮凸角142，用于在曲轴140绕纵向轴线LA旋转时实现气门136的运动。在该示例中，如图2至图5所示，一体式凸轮凸角142与曲轴140一体形成。因此，该凸轮凸角通常可以被称为一体式凸轮凸角。凸轮凸角142通常布置在曲轴140上，使得曲轴的旋转允许该凸轮凸角将气门136相对于膨胀机130在打开位置和关闭位置之间操作。图5示出了气门136相对于膨胀机气缸131的打开位置。如从图5可以看出的，气门136在此包括两个常规的提升气门单元136A和136B。此外，气门136在此包括将气门136连接到所谓的凸轮从动件138的气门延伸构件137。换句话说，提供了一种气门136，其包括多个提升气门136A和136B以及气门延伸构件137，用于通过凸轮从动件138与曲轴140的凸轮凸角142协作。以这种方式，曲轴的凸轮凸角142被布置成同时操作膨胀机130的一对进气门136(136A和136B)。
虽然附图中没有明确示出，但曲轴140可以可选地具有多个一体式凸轮凸角，用于操作多个气门，例如膨胀机的多个进气门。
再次转到如图2至图5所示的曲轴140和膨胀机130的气门136的布置，一体式凸轮凸角142在此被布置成机械操作膨胀机130的气门136。气门136经由曲轴140的操作由曲轴140绕纵向轴线LA的旋转提供。通过将凸轮凸角142布置在曲轴140上以便与曲轴140一起旋转，凸轮凸角142被驱动以围绕曲轴140的纵向轴线旋转，并且随后与凸轮从动件138形式的中间可移位构件接合，该中间可移位构件实现气门136相对于膨胀机130(即相对于膨胀机气缸131)的移位。中间构件被构造成将凸轮凸角142的旋转运动转化成线性运动，从而实现气门136的致动。因此，举例来说，一体式凸轮凸角142被布置成通过旋转地布置在一体式凸轮凸角和气门之间的凸轮从动件138来机械地操作气门136。为此，通过曲轴提供了气门的简单、稳健且紧凑的操作。
典型地，如图2至图5所示，曲轴140的凸轮凸角142被布置成操作膨胀机130的进气门。也就是说，曲轴140的凸轮凸角142被布置成在打开位置和关闭位置之间操作膨胀机的进气门，以便调节进入膨胀机气缸的排气流。进气门通常由弹簧朝向常闭气门位置偏置，并且可以由曲轴上的凸轮凸角驱动，以便朝向打开气门位置克服弹簧的偏置力。
该气门相对于膨胀机气缸的布置可以以几种不同的方式来提供。举例来说，如图2至图5所示，ICE系统包括所谓的侧气门二冲程活塞机布置。也就是说，膨胀机130被布置成所谓的侧气门布置。在这种布置中，进气门和排气门位于膨胀机气缸131的轴线的侧部处。此外，进气门136由布置在曲轴上的凸轮凸角142打开和关闭。典型地，曲轴140垂直于膨胀机延伸，即纵向轴线LA垂直于膨胀机的轴线EA布置。
如从图2至图5中可以看出的，并且如果膨胀机130被认为相对于水平定向的曲轴140布置在竖直定向上，则膨胀机130的进气门136是布置在膨胀机130的竖直侧的侧气门，由此曲轴140的凸轮凸角142被布置成驱动膨胀机130的竖直侧气门。
在这种布置中，进气门位于膨胀机气缸131的侧部处。也就是说，进气门136位于膨胀机气缸轴线(通常对应于图2至图5中的轴线EA)的侧部处。此外，侧进气门136由曲轴140的一体式凸轮凸角142打开和关闭，其中曲轴140垂直于膨胀机气缸的轴线EA延伸，并因此垂直于位于膨胀机130的气缸轴线的侧部处的进气门136延伸。
类似地，在这种侧气门膨胀机布置中，膨胀机的排气门通常也位于膨胀机气缸的侧部处。
再次转向ICE系统的一些其它部件，ICE系统100通常包括压缩活塞连杆154(在图3中最清楚地示出)，压缩活塞连杆154将压缩活塞122连接到曲轴140，如图2至5所示。此外，如图2和图3所示，膨胀机活塞132通过连接元件组件150连接到压缩机活塞122。可选地，尽管未示出，但是ICE系统包括将膨胀机活塞132连接到曲轴140的膨胀机活塞连杆。在该示例中，膨胀机活塞132还可以通过类似的连接元件组件连接到压缩机活塞122。
对应地，如图2至图5所示，第一燃烧活塞连杆163将第一燃烧活塞112连接到曲轴140，并且第二燃烧活塞连杆164将第二燃烧活塞114连接到曲轴140。因此，活塞的上述往复运动可以转换成曲轴140的旋转运动。
举例来说，如图3所示，膨胀机活塞132通过连接元件组件150连接到压缩机活塞122，连接元件组件150为布置在膨胀机活塞132和压缩机活塞122的相应外围部分中的两个连接臂152、156的形式。连接臂152、156中的每一个通常分别从膨胀机活塞132延伸到压缩机活塞122。尽管图3中示出了两个连接臂152、156，但是应当理解，在本公开的概念内，可以使用其它数量的连接臂或者仅一个连接臂。此外，连接元件组件150可以布置成没有连接臂，而是例如作为从膨胀机活塞132延伸到压缩机活塞122的连接封套，使得膨胀机活塞132和压缩机活塞122一致地移动。这样，连接元件组件150应将膨胀机活塞132刚性连接到压缩机活塞122，使得膨胀机活塞132和压缩机活塞122一致地移动。举例来说，连接元件组件150将膨胀机活塞132与压缩机活塞122刚性连接，使得当压缩机活塞122在向下冲程中移动时(即，为了压缩压缩机气缸121中的空气)，膨胀机活塞132在跟随压缩机活塞122的运动的冲程中移动。对应地，当膨胀机活塞132在向上冲程中移动时，压缩机活塞122在跟随膨胀机活塞132的运动的冲程中移动。
如图2至图5所示，压缩机气缸121和膨胀机气缸131位于曲轴140的相反两侧上，并且非常接近曲轴140。换句话说，曲轴140的大部分通常布置在膨胀机活塞132和压缩机活塞122之间，使得曲轴的大部分布置在压缩活塞和膨胀机活塞的各自面向曲轴的表面之间，例如如图2所示。换句话说，压缩机活塞122、膨胀机活塞132和曲轴140的大部分沿着几何轴线GA布置，并且曲轴140的大部分沿着几何轴线GA布置在压缩机活塞122和膨胀机活塞132之间。以这种方式，提供了包围曲轴140的大部分的所谓压缩机-膨胀机布置。ICE系统100中的部件的内部位置可以以不同的方式描述。
在描述ICE系统100中的部件的内部位置的至少第三种方式中，膨胀机活塞132具有在第一几何平面内延伸的圆形或圆横截面，并且压缩机活塞122具有在第二几何平面内延伸的圆形或圆横截面，第一和第二几何平面以平行配置定位在曲轴140的纵向轴线LA的相反两侧上。
如图2或图3中最佳看到的，膨胀机活塞132被构造成在膨胀机气缸131内沿着膨胀机轴线EA往复运动。对应地，压缩机活塞122被构造成在压缩机气缸121内沿着压缩机轴线CA往复运动。对应地，第一燃烧活塞112被构造成在第一燃烧气缸111内沿着燃烧轴线CoA1往复运动，并且第二燃烧活塞116被构造成在第二燃烧气缸114内沿着燃烧轴线CoA2往复运动。如图2所示，膨胀机气缸131和压缩机气缸121同轴布置，即膨胀机轴线EA和压缩机轴线CA对齐。
回到图2，示出了第一燃烧气缸111和第二燃烧气缸114可以被描述为与膨胀机气缸131相比从曲轴140横向突出。因此，膨胀机气缸131以及第一和第二燃烧气缸111、114以如下方式布置在ICE系统100内：膨胀机轴线EA相对于燃烧轴线CoA1、CoA2中的每一个成40度至90度之间的角度，优选在50度至75度之间，更优选在55度至65度之间，例如约60度。
现在将参考图2进一步阐述ICE系统100的功能。压缩机气缸121被构造成抽取一定体积的环境空气，压缩该空气，并将压缩后的空气传送到第一和第二燃烧气缸111、114。第一和第二燃烧气缸111、114被构造成由燃烧力供能，例如通过借助于火花塞点燃燃料(例如对于石油或汽油驱动的发动机)或通过由压缩产生的热量(例如对于柴油驱动的发动机)。膨胀机气缸131被构造成接收来自第一和第二燃烧活塞112、116的排气。所产生的排气通常通过排气通道被供给到膨胀机，在膨胀机中，排气的压力和温度在其膨胀期间降低。空气、燃料和气体的输送是通过本领域技术人员已知的并且将压缩机气缸121、第一和第二燃烧气缸111、114以及膨胀机气缸131流体互连的进气门、传输口和排气门来实现的。
在一个示例中，曲轴通过对应的燃烧活塞连杆由燃烧活塞中的至少一个燃烧活塞驱动，并且通过对应的膨胀机活塞连杆由膨胀机活塞驱动，其中压缩机活塞通过膨胀机活塞由曲轴驱动。
然而，稍微相反的布置也是可能的，这也在图2至图5的ICE系统中示出。也就是说，膨胀机活塞132不是经由其自身的连杆直接连接到曲轴140，而是经由连接元件组件150、压缩机活塞122和压缩机活塞连杆154连接到曲轴140。因此，曲轴140的旋转运动通过压缩机活塞连杆154被转换成膨胀机活塞132的往复运动。因此，曲轴140由第一和第二燃烧活塞112、116通过相应的燃烧活塞连杆驱动，并且由压缩机活塞通过压缩机活塞连杆154驱动，但是曲轴140通过压缩机活塞122和压缩机活塞连杆154驱动膨胀机活塞132。
应当理解，本公开不限于上文所述和附图中示出的实施例；相反，本领域技术人员将认识到，在所附权利要求书的范围内可以进行许多修改和变型。

Claims (12)

1.一种内燃发动机(ICE)系统(100)，包括二冲程活塞机(130)，所述二冲程活塞机(130)具有用于容纳往复式活塞(132)的气缸(131)、以及用于调节流体介质流的至少一个气门(136)；所述内燃发动机系统还包括用于操作所述往复式活塞的可旋转曲轴(140)，其中，所述可旋转曲轴包括一体式凸轮凸角(142)，所述一体式凸轮凸角(142)被布置成操作所述二冲程活塞机的所述至少一个气门。
2.根据权利要求1所述的内燃发动机系统，其中，所述一体式凸轮凸角被布置成机械操作所述二冲程活塞机的所述至少一个气门。
3.根据权利要求1或2所述的内燃发动机系统，其中，所述二冲程机是膨胀机，其中，所述气缸是膨胀机气缸并且所述往复式活塞是膨胀机活塞。
4.根据权利要求3所述的内燃发动机系统，其中，所述至少一个气门是所述膨胀机的进气门，并且所述曲轴的所述一体式凸轮凸角被布置成操作所述膨胀机的所述进气门。
5.根据权利要求4所述的内燃发动机系统，其中，所述曲轴的所述一体式凸轮凸角被布置成同时操作所述膨胀机的一对进气门。
6.根据权利要求4所述的内燃发动机系统，其中，所述膨胀机的所述进气门是布置在所述膨胀机活塞的一侧处的侧气门，由此，所述曲轴的所述一体式凸轮凸角被布置成驱动所述膨胀机的所述侧气门。
7.根据权利要求3所述的内燃发动机系统，还包括：容纳燃烧活塞的至少一个燃烧气缸，所述燃烧气缸被构造成由燃烧力供能；容纳压缩机活塞的压缩机气缸，所述压缩机气缸被构造成压缩一定体积的空气并将压缩后的空气传送到至少一个燃烧活塞；所述膨胀机气缸被构造成接收来自所述至少一个燃烧活塞的排气；其中，所述曲轴通过相应的连杆连接到所述至少一个燃烧活塞并且连接到所述膨胀机活塞和所述压缩机活塞中的任一个。
8.根据权利要求7所述的内燃发动机系统，其中，所述曲轴由所述至少一个燃烧活塞通过燃烧活塞连杆驱动，并且由所述膨胀机活塞通过膨胀机活塞连杆驱动，其中，所述压缩机活塞由所述曲轴通过所述膨胀机活塞驱动。
9.根据权利要求7所述的内燃发动机系统，其中，所述膨胀机活塞具有在第一几何平面内延伸的圆形横截面，并且所述压缩机活塞具有在第二几何平面内延伸的圆形横截面，所述第一几何平面和所述第二几何平面以平行配置定位在所述曲轴的纵向轴线的相反两侧。
10.根据权利要求7所述的内燃发动机系统，其中，所述膨胀机气缸和所述压缩机气缸被同轴布置。
11.根据权利要求1或2所述的内燃发动机系统，其中，所述曲轴包括用于操作多个进气门的多个一体式凸轮凸角。
12.一种车辆(1)，其包括根据前述权利要求中的任一项所述的内燃发动机系统。
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