CN117980598A - 具有冷凝流体去除装置的内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内燃机，该内燃机包括：气缸，该气缸限定由气缸壁围合而成的燃烧室；活塞，该活塞布置在燃烧室内，并且能够以往复运动的方式远离曲轴和朝向曲轴移动；和至少一个第一刮环，该至少一个第一刮环限定刮油环，该刮油环布置在活塞与气缸壁之间，并且刮油环被构造成当活塞朝向曲轴移动时将油从气缸壁刮掉，其中，内燃机还包括至少一个第二刮环，该至少一个第二刮环限定刮冷凝流体环，该刮冷凝流体环布置在活塞与气缸壁之间，并且该刮冷凝流体环被构造成当活塞远离曲轴移动时将冷凝流体从气缸壁刮掉。

Description

具有冷凝流体去除装置的内燃机

技术领域

本发明涉及一种内燃机。

背景技术

在内燃机中，燃料与氧化剂的燃烧发生在内燃机的一个或多个燃烧室中。通常，氧化剂是来自进入燃烧室中的环境空气的氧气，且燃料通常为柴油或汽油形式。然后，燃料-空气混合物借助于向上移动的活塞被压缩，并借助于火花塞被点燃。点火后，膨胀的燃烧气体驱动活塞向下，从而为内燃机提供动力。

最近，对利用除石油基燃料(例如汽油和柴油)之外的这类燃料为内燃机提供燃料越来越感兴趣。此类燃料的示例包括天然气、LPG(丙烷)、可再生燃料(例如生物乙醇和生物柴油)以及氢气。还已知利用其中混合一种或多种此类燃料的燃料混合物。

上述燃料的一个特性是，由于该燃料的化学结构，水(H₂O)形成该燃料燃烧产物的相对较大的一部分。每次连续燃烧后，一部分水仍留在燃烧室中。随着时间的推移，该残留水可能会积聚并导致内燃机的磨损增加，并且干扰内燃机的运行，还可能会导致损坏。

在此参考EP2175107A1，其被认为构成本发明最接近的现有技术，并且公开了一种大型柴油发动机和用于润滑这种大型柴油发动机的方法。由该文件公开的柴油发动机包括多个活塞环。在这些活塞环中，只有一个是刮环。该单个刮环被设计和被布置成专门用于将油刮掉，所述油然后被收集在大型柴油发动机的气缸的下端处的收集装置中。

此外，DE4007922A1和US4614150A在此被认为是与本发明至少具有一些相关性的其他现有技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有避免或至少减轻上述问题的装置的内燃机。

本发明的目的通过以下所述的一种内燃机来实现，该内燃机包括：气缸，所述气缸限定由气缸壁围合而成的燃烧室；活塞，所述活塞布置在燃烧室内，并且能够以往复运动的方式远离曲轴和朝向曲轴移动；和第一刮环，所述第一刮环限定刮油环，所述刮油环布置在活塞与气缸壁之间，并且所述刮油环被构造成当活塞朝向曲轴移动时将油从气缸壁刮掉，其中该内燃机还包括至少一个第二刮环，所述至少一个第二刮环限定刮冷凝流体环，所述刮冷凝流体环布置在活塞与气缸壁之间，并且所述刮冷凝流体环被构造成当活塞远离曲轴移动时从将冷凝流体气缸壁刮掉。

在根据本发明的内燃机的运行期间，气态水(蒸气)可以是由燃料的燃烧产生的燃烧产物之一。该水蒸气的一部分将保持其气态并因此在内燃机的排气冲程期间容易被从燃烧室去除。然而，该水蒸气的另一部分与气缸的气缸壁接触。特别是当内燃机刚刚启动且尚未预热时，该气缸壁仍然相对较凉。在该相对较凉的气缸壁上，水蒸气凝结形成液态水膜，该液态水膜在气缸壁的表面上延伸。

根据本发明，借助于至少一个刮冷凝流体环将残留水形成的这种膜至少部分地从气缸壁刮掉，从而使该膜在不接触被第一(刮油)环刮掉的润滑油的情况下能够从内燃机的燃烧室被连续地去除。因此，对于如上文所限定的根据本发明的内燃机，不会发生润滑油和冷凝水蒸气的混合。

与从EP2175107A1已知的大型柴油发动机相反，根据本发明的内燃机包括限定刮冷凝流体环的至少一个第二刮环。该刮冷凝流体环被布置在活塞与气缸壁之间，并且被构造成当活塞远离曲轴移动时将冷凝流体从气缸壁刮掉。

在根据本发明的内燃机的优选实施例中，活塞包括排放通道，所述排放通道从刮冷凝流体环延伸以用于排放被刮冷凝流体环刮掉的冷凝流体。从刮冷凝流体环延伸以排放冷凝流体的该排放通道不同于排油通道，所述排油通道邻近刮油环布置并从刮油环延伸。这样，当刮掉的润滑油和刮掉的冷凝流体从活塞和气缸被排放时，这两种液体大体上保持彼此分离。

在根据本发明的内燃机的优选实施例中，排放通道还沿曲轴的方向从活塞延伸出来。

在根据本发明的内燃机的优选实施例中，排放通道与发动机润滑系统以流体连通的方式连接。

在根据本发明的内燃机的优选实施例中，流体-油分离器布置在排放通道的下游，并且被构造成将刮掉的冷凝流体与存在于该流体-油分离器中的残留润滑油分离。

在根据本发明的内燃机的优选实施例中，流体-油分离器被构造成基于冷凝流体的蒸发将冷凝流体与油分离。

在根据本发明的内燃机的优选实施例中，流体-油分离器包括控温件。

在根据本发明的内燃机的优选实施例中，流体-油分离器与内燃机的润滑系统以流体连通的方式连接。

在根据本发明的内燃机的优选实施例中，流体-油分离器被构造成将与冷凝流体分离的润滑油供给至油槽。

在根据本发明的内燃机的优选实施例中，流体-油分离器包括气体出口，所述气体出口与气缸的入口通道以流体连通的方式连接。

在根据本发明的内燃机的优选实施例中，内燃机还包括气体入口，所述气体入口被构造成将环境空气引入到流体-油分离器中。

在根据本发明的内燃机的优选实施例中，在流体-油分离器的气体出口通向气缸的入口通道的位置处设置收缩件。

在根据本发明的内燃机的优选实施例中，收缩件具有文丘里管状形状。

在根据本发明的内燃机的优选实施例中，刮油环和刮冷凝流体环在相反的方向上被定向。

在根据本发明的内燃机的优选实施例中，至少一个刮冷凝流体环被布置成比所述至少一个刮油环更靠近活塞的活塞冠。

上述目的还通过本文所公开的内燃机的活塞或用于本文所公开的内燃机的活塞来实现。这种活塞可以安装在现有技术的内燃机(改装)中，以实现根据本发明的至少一些优点。

附图说明

以下将参照附图对本发明进行说明，其中：

图1A、图1B、图1C和图1D示出根据本发明的内燃机所包括的活塞和气缸在示例性连续发动机冲程期间的横截面；

图2示出图1A至图1D的活塞的单独横截面；以及

图3示出根据本发明的内燃机的局部示意图。

具体实施方式

根据本发明的内燃机包括多个气缸，其中的一个示例性气缸1在图1A至图1D中示出。气缸1包括限定燃烧室3的气缸壁15，燃烧室3由所述气缸壁15围合而成。

活塞2容纳在气缸1的燃烧室3内。在内燃机的运行期间，活塞2在燃烧室3中进行远离曲轴22和朝向曲轴22的往复运动，曲轴22在位于气缸1下方的曲轴箱21中，如图3所示。

气缸1在其顶端处包括用于将燃料-氧化剂混合物引入到燃烧室3中的入口通道9、和用于在燃烧之后将废气引导出燃烧室3的排气出口10。入口通道9和排气出口10分别包括阀14和阀14'，以用于在连续的发动机冲程期间选择性地关闭和打开入口通道9和排气出口10。火花塞13被设置成点燃燃烧室3内的燃料混合物，以用于为内燃机提供动力。

在内燃机的运行期间，气缸1持续地执行多个连续发动机冲程之一，在此期间，活塞2在气缸1的燃烧室3内经历向上或向下运动。内燃机的工作循环由进气冲程、随后的压缩冲程、燃烧冲程和最后的排气冲程构成。

在附图中，图1A描述了在阀14处于打开状态以用于引入燃料-氧化剂混合物的情况下，在进气冲程期间活塞2经历朝向曲轴箱的向下运动。活塞2在气缸1内经历向下运动。阀14保持打开且阀14'保持关闭的情况下，燃料-氧化剂混合物经由入口通道9被引入燃烧室3中。一旦活塞2到达气缸1内部的预定最低点，阀14就关闭以阻止任何燃料-氧化剂混合物的进一步引入。

气缸1的进气冲程之后是如图1B所示的压缩冲程。在该进气冲程期间，阀14和14'都保持关闭，并且活塞2在气缸1的内部经历向上运动。燃烧室3的内部容积因此减小，从而压缩位于该燃烧室3内的燃料-氧化剂混合物。当活塞2已经到达气缸1的内部中的预定最高点时，在该点处，燃烧室3具有最小体积，压缩后的燃料-氧化剂混合物借助于火花塞13被点燃。

压缩冲程之后是如图1C所示的燃烧冲程。在燃烧冲程期间，燃烧室3内的燃料-氧化剂混合物燃烧且所产生的快速膨胀的燃烧气体沿向下的方向推动活塞2，从而为内燃机提供动力。活塞2持续在气缸1内向下行进，直到再次到达气缸1内部的前述预定最低点为止。

最后，在随后的如图1D所示的排气冲程期间，入口通道9的阀14保持关闭，这而与图1B相反，排气出口10的阀14'打开。活塞2再次在气缸1的内部向上移动，同时迫使燃烧室3内存在的燃烧气体经由排气出口10出来。一旦活塞2再次到达气缸1的内部中的前述预定最高点，排气冲程就完成。然后，排气出口10的阀14'可以关闭，并且入口通道9的阀14打开，之后活塞2可以执行如上所述的又一个进气冲程，从而随后重复内燃机的整个工作循环。

为了实现内燃机的上述运行，润滑油被提供以减少特别是气缸1与活塞2的接触表面之间的机械摩擦。例如，可以提供加油喷嘴(未示出)以持续地或周期性地将润滑油施加到气缸1的最靠近曲轴22的下段。

如图1A至图1D所示，多个活塞环4、5和6设置在活塞2与气缸壁15之间。在所示的实施例中，设置了四个活塞环4、5和6，但本发明不限于此。如图2中最佳所示，多个活塞环4、5和6中的每一个都可以布置在活塞2的外周上设置的相应凹槽4'、5'和6'之一中。

多个活塞环4、5和6包括压缩环6。压缩环6被构造成并适当地被布置成密封气缸1的(内)气缸壁15与活塞2之间的间隙，从而允许内燃机的上述操作。在所示的实施例中，示例性数量的两个压缩环6被布置在活塞2的顶部且最靠近活塞2的活塞冠7。

另外，限定刮油环4(也称为“控油环”)的第一刮环4设置在活塞2与气缸壁15之间，以用于调节润滑油的分配。第一刮环4(此后被称为刮油环4)被构造成在如上所述的活塞2的往复运动期间帮助将润滑油分布在气缸1的内气缸壁15上。同时，刮油环4被构造成刮掉任何多余的润滑油，否则这些多余的润滑油可能会干扰内燃机的运行。为此目的，刮油环4邻近活塞2中的至少一个排油通道16布置，该排油通道16可以至少部分地形成在凹槽4'中，其中刮油环4布置在所述凹槽4'中。排油通道16可以围绕活塞2的圆周的至少一部分延伸。此外，可以设置多个排油通道16。

在流动通过排油通道16之后，多余的润滑油可能会落入到曲轴箱21内的油槽23中，如图3所示。还可以设置润滑系统33，这将在下面参考图3进行说明。

根据本发明的某些实施例，刮油环4被构造成在活塞2朝向容纳在曲轴箱21中的曲轴22向下运动期间将润滑油从气缸壁15刮掉。也就是说，图1A和图1C中分别示出了内燃机的进气冲程或燃烧冲程期间。在这些图中，刮掉的润滑油的流动由箭头表示。

本领域技术人员熟知对刮油环4的实现在活塞2的向下运动期间将油从气缸壁15刮掉的形状和/或构造的要求。

如本发明上文的介绍部分中所述，某些燃料或燃料混合物在燃烧后可能会导致相对大量的水存在于燃烧室3中。与汽油和柴油燃料相比，已知特别是天然气、LPG(丙烷)、可再生燃料(例如生物乙醇和生物柴油)以及氢气的燃烧产物的相对大部分是气态水的形式。

这些气态水的相当大的一部分将保持其气态。因此，在上述内燃机的排气冲程期间，这些气态水容易被驱动出燃烧室3。然而，该气态水的一部分将与气缸的气缸壁15接触。通常，与由燃料混合物的燃烧产生的较热的燃烧气体相比，该气缸壁15的至少一部分相对较凉，特别是当内燃机刚刚启动、仅运行了短时间时或当内燃机的环境温度特别低时。因此，至少一些气态水(水蒸气)在相对较凉的气缸壁15上凝结以形成液态水。在本发明的意义上，该液态水被称为冷凝流体，该冷凝流体在气缸壁15上形成小液滴或流体薄膜。由于该冷凝流体处于液态，因此在内燃机的后续排气冲程期间，该冷凝流体不会被强制排出燃烧室3。

在几个发动机循环的过程中，该冷凝流体可能会积聚成抑制内燃机的上述正常工作循环的位置处。为了防止此类问题并将该冷凝流体从燃烧室3去除，多个活塞环4、5和6还包括限定刮冷凝流体环5的至少一个第二刮环5。

刮冷凝流体环5同样布置在活塞2与气缸壁15之间，并且被构造成在活塞2的往复运动期间，特别是在活塞远离曲轴22的向上冲程期间，将冷凝流体从气缸壁15刮掉。刮冷凝流体环5可以以与刮油环4在从气缸壁15刮掉润滑油类似的方式起作用。

刮冷凝流体环5可以在与刮油环4所定向的方向相反的方向上被定向，并且特别地可以被构造成当在气缸1内沿与刮油环4将油从气缸壁15刮掉的方向相反的方向移动时将冷凝流体从气缸壁15刮掉。更具体地，刮冷凝流体环5可以被构造成当活塞2向上移动远离曲轴箱21和曲轴22时，将冷凝流体从气缸壁15刮掉。换言之，刮冷凝流体环5优选地被构造成在气缸1的排气冲程和/或压缩冲程期间从气缸壁15刮掉冷凝流体，而相反刮油环4优选地被构造成在内燃机的进气冲程和/或燃烧冲程期间从气缸壁15刮掉润滑油。因此，刮油环4和刮冷凝流体环5优选地被构造成当沿相反方向移动时分别刮掉润滑油和冷凝流体。

刮油环4和刮冷凝流体环5中的每一个都可以包括各自的形状，该形状被构造成在活塞2的各自移动方向上充分地执行它们各自的刮削动作。或者，刮油环4和冷凝流体环5可以具有相同的形状，并且相对于彼此在相反的方向上被定向。根据另外的构造，刮油环4和刮冷凝流体环5可以是基本相同的，且刮油环4和刮冷凝流体环5依赖于气缸1内润滑油或冷凝流体的存在来执行各自的功能。

刮冷凝流体环5优选地被布置成比至少一个刮油环4更靠近活塞2的活塞冠7。此外，刮油环5优选地被布置在刮油环4与至少一个压缩环6之间。

现在参照图2，刮冷凝流体环5被设置在适当布置的凹槽5'中。凹槽5'可以围绕活塞2的外周延伸。邻近凹槽5'布置有冷凝流体排放通道17，该冷凝流体排放通道17从凹槽5'向内延伸至活塞2。由刮冷凝流体环5从气缸壁15刮掉的冷凝流体经由冷凝流体排放通道17被排放。

用于排放刮掉的冷凝流体的冷凝流体排放通道17不同于上文描述的排油通道16，这确保刮掉的油和刮掉的冷凝流体在分别被第一刮(油)环4和第二刮(冷凝流体)环5从气缸壁刮掉后不会混合。

在所示的实施例中，冷凝流体排放通道17通向限定活塞2的中空内部的腔室18。腔室18又与向下延伸出活塞2的排放通道12以流体连通的方式连接。因此，借助于刮冷凝流体环5从气缸壁15刮掉的冷凝流体经由流体排放通道17、腔室18和排放通道12流出气缸1。因此，可以避免或减轻与冷凝流体存在于燃烧室3内或燃烧室3附近相关的问题。另外，大体上防止了大量的液态水最终进入润滑油和/或油槽23中。

这里强调的是，附图中所示的实施例应当被解释为仅仅是示例性的，并且可以利用活塞2的不同但可替代的构造来实现相同或相似的结果。例如，虽然腔室18的存在包括重量和材料减少的优点，但是可以想到的是，该腔室18可以被省略，并且取而代之的是直接将冷凝流体排放通道17与排放通道12相连的更窄的导管(未示出)。

图3示出了内燃机的局部示意图，该内燃机至少包括气缸1，且该气缸1中具有如参照图1A、图1B和图2所述的活塞2。

如图3所示，活塞2容纳在气缸1中，从而限定前述附图中所示的燃烧室3。此外，活塞2通过连接至活塞2的连接装置8的连接杆连接至布置在曲轴箱21内的曲轴2。曲轴箱21还包括形成内燃机的润滑系统33的一部分的油槽23。

仍然参照图3，设置连接器20，连接器20以流体连通的方式连接至参照前述附图所述的排放通道12。连接器20还可以包括电机以用于实现充分的流体流动。替代地或附加地，为此目的，可以在连接器20的下游设置辅助泵24。连接器20将排放通道12与流体-油分离器26以流体连通的方式连接。

如参照前述附图所述，冷凝流体经由排放通道12流出活塞2。已经确定的是在实践中，不能完全防止该冷凝流体包括至少一些残留的润滑油。

润滑油和冷凝流体的混合物经由连接器20被供给至流体-油分离器26。流体-油分离器26被构造成将(残留的)润滑油与冷凝流体分离。根据某些实施例，这种分离可以至少部分地基于润滑油和冷凝流体的不混溶性，由于所述不混溶性，润滑油和冷凝流体倾向于在流体-油分离器26内形成两个单独且不同的冷凝流体层和油层，从而允许相对容易的分离。已经与冷凝流体分离的润滑油可以经由回油管道25返回至油槽23，其中该回油管道25将流体-油分离器26以流体连通的方式连接至油槽23。

根据更优选的实施例，流体-油分离器26替代地或附加地被构造成基于至少冷凝流体的蒸发来分离冷凝流体和润滑油。在这些实施例中，流体-油分离器26包括加热元件32，该加热元件32被构造成将冷凝流体和润滑油的混合物加热至升高的温度。在该升高的温度下，冷凝流体将蒸发，从而允许冷凝流体经由气体出口27离开流体-油分离器26。

流体-油分离器26优选地包括用于维持该流体-油分离器26中的预定温度的温控件。

虽然离开流体-油分离器26的蒸发的冷凝流体主要由水蒸气组成，但是一些残留的润滑油仍可能以蒸发状态存在。出于环境原因，离开流体-油分离器26的包括残留润滑油的蒸发的冷凝流体的气流优选地被返回至燃烧室3中，使得任何残留的润滑油在燃烧室3中被燃烧。

因此，流体-油分离器26的气体出口27延伸至入口通道9中。形状优选地类似于文丘里管的收缩件29可以布置在气体出口27通向入口通道9的部分处。收缩件29确保气体(包括水蒸气(冷凝流体)和气态润滑油)以相对增加的流速从流体-油分离器26经由气体出口27流入到入口通道9中，并最终流入到气缸1中。

此外，从图3可以看出，在收缩件29的上游设置气体入口28，并在流体-油分离器26与入口通道9之间设置又一个连接部。气体入口28提供了空气的恒定引入，该空气的恒定引入是发生上述从流体-油分离器26到入口通道9的气体流动所必需的。因此，气体入口28还防止来自曲轴箱21的空气被流体-油分离器26吸入。

气体入口28的更上游布置有空气过滤器30，空气过滤器30被构造成在任何环境空气被内燃机吸入之前过滤该环境空气。图3还示出了可选的燃料喷射器31，该燃料喷射器31被构造成将燃料混合物喷射至入口通道9中，燃料混合物可以从该入口通道9流入到气缸1的燃烧室3中。或者，内燃机可以包括化油器(未示出)。

这里需要注意的是，本发明中描述的改进的保护范围绝不限于上述和附图中示出的实施例的任何特定特征。

虽然已经参考四冲程点火发动机阐述了本发明，但是这些示例性实施例不应被理解为对本发明进行限制。事实上，完全可以想到的是，上文阐述的本发明的大致原理同样可以应用于二冲程发动机、六冲程发动机和压燃式发动机。鉴于此，本领域技术人员将认识到，根据本发明所应用的内燃机的类型，上文讨论的一些发动机部件可以省略，而其他发动机部件则可以存在。

保护范围完全基于所附独立权利要求的限制来确定，但在一些司法管辖区中，甚至可以涵盖独立权利要求中的特征的明显替代。还可以体现在本发明所附权利要求的范围内的针对具体描述的元件、组件和功能的其他变型至少已在上述实施例描述中暗示，或者可以认为本领域技术人员能够在本领域技术人员的常识范围内考虑这些变化。对替代实施例的示例性参考证实了对任何特定特征的任何限制(未限定为独立权利要求中的限制)都是不必要的。

Claims (17)

1.一种内燃机，包括：

气缸，所述气缸限定由气缸壁围合而成的燃烧室；

活塞，所述活塞布置在所述燃烧室内，并且能够以往复运动的方式远离曲轴和朝向曲轴移动；和

第一刮环，所述第一刮环限定刮油环，所述刮油环布置在所述活塞与所述气缸壁之间，并且所述刮油环被构造成当所述活塞朝向所述曲轴移动时将油从所述气缸壁刮掉；

其中，所述内燃机还包括：

至少一个第二刮环，所述至少一个第二刮环限定刮冷凝流体环，所述刮冷凝流体环布置在所述活塞与所述气缸壁之间，并且所述刮冷凝流体环被构造成当所述活塞远离所述曲轴移动时将冷凝流体从所述气缸壁刮掉。

2.根据权利要求1所述的内燃机，其中，所述活塞包括排放通道，所述排放通道从所述刮冷凝流体环延伸以用于排放被所述刮冷凝流体环刮掉的冷凝流体。

3.根据权利要求2所述的内燃机，其中，从所述刮冷凝流体环延伸以排放冷凝流体的排放通道不同于排油通道，所述排油通道邻近所述刮油环布置并从所述刮油环延伸。

4.根据权利要求2或3所述的内燃机，其中，所述排放通道还沿所述曲轴的方向从所述活塞延伸出来。

5.根据权利要求4所述的内燃机，其中，所述排放通道与发动机润滑系统以流体连通的方式连接。

6.根据权利要求4或5所述的内燃机，还包括流体-油分离器，所述流体-油分离器布置在所述排放通道的下游，并且被构造成将刮掉的所述冷凝流体与存在于所述流体-油分离器中的残留或剩余润滑油分离。

7.根据权利要求6所述的内燃机，其中，所述流体-油分离器被构造成基于所述冷凝流体的蒸发将冷凝流体与油分离。

8.根据权利要求7所述的内燃机，其中，所述流体-油分离器包括控温件。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的内燃机，其中，所述流体-油分离器与所述内燃机的润滑系统以流体连通的方式连接。

10.根据权利要求9所述的内燃机，其中，所述流体-油分离器被构造成将与所述冷凝流体分离的润滑油供给至油槽。

11.根据权利要求6至10中任一项所述的内燃机，其中，所述流体-油分离器包括气体出口，所述气体出口与所述气缸的入口通道以流体连通的方式连接。

12.根据权利要求11所述的内燃机，还包括气体入口，所述气体入口被构造成将环境空气引入到所述流体-油分离器中。

13.根据权利要求11或12所述的内燃机，其中，在所述流体-油分离器的所述气体出口通向所述气缸的所述入口通道的位置处设置收缩件。

14.根据权利要求13所述的内燃机，其中，所述收缩件具有文丘里管状形状。

15.根据前述权利要求中任一项所述的内燃机，其中，所述刮油环和所述刮冷凝流体环在相反的方向上被定向。

16.根据前述权利要求中任一项所述的内燃机，其中，所述至少一个刮冷凝流体环被布置成比所述至少一个刮油环更靠近所述活塞的活塞冠。

17.一种活塞，所述活塞是根据前述权利要求中任一项所述的内燃机的活塞或用于根据前述权利要求中任一项所述的内燃机的活塞。