CN202991218U - 内燃机系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开一种内燃机系统。具体地，一种对置活塞发动机具有围绕气缸壁的多个进气口。其旨在在于最小压降下获得具有高涡流比的流体。揭示了一种具有大致呈螺旋状的集气室的系统。螺旋形状的中心线向内螺旋。另外，螺旋形状的横截面面积沿着流动方向减小。随着流体从集气室进入进气口，面积减小，从而，集气室内的流体速度在接近下游端处不会急剧变小。进气系统可具有多个这样的螺旋状集气室，其与互不连通的多组进气口联接。螺旋形状产生高涡流比，且流动能量有限减少。

Description

内燃机系统
技术领域
本实用新型涉及内燃机系统。 
背景技术
附图1等比例地示出了对置活塞对置气缸(OPOC)发动机10。进气活塞12和排气活塞14在第一和第二气缸的每一个内(为了清楚地图示活塞，气缸未在图中示出)往复运动。排气活塞14通过推杆16与曲轴20的轴颈(未示出)联接。进气活塞12通过拉杆18与曲轴20的两个轴颈(未示出)联接，且每个进气活塞12都有两个拉杆18。 
对置活塞发动机110的一部分的横截面在附图2中示出。进气活塞112和排气活塞114在气缸116内往复运动。活塞114通过推杆122与曲轴120的轴颈联接，以及活塞112通过桥接部124和两个拉杆126与曲轴120的轴颈联接。因为发动机110是对置活塞对置气缸(OPOC)发动机，所以曲轴120也与推杆132和拉杆136联接，在远离活塞112和114的曲轴120的另一侧上，所述推杆132和拉杆136在另一气缸内(未示出)与其它的活塞(未示出)连接。US6170443中详细描述了OPOC发动机的代表例，因其整体性而在本文中用作参考。 
附图3作为示意图示出了穿过进气口的横截面。气缸壁26具有多个进气口24，进入的空气通过所述进气口24从集气室28被吸入。附图3中还示出了通道30，拉杆32设置在其中。通道30限制在区域34内的集气室28的尺寸，因此，其限制这些区域内的流体。拉杆32可向外偏离附图3中的位置。但是，这样会造成发动机更宽。需要有另外一种配置，至少可以部分减少在使所需流体进入发动机 和保持发动机的紧凑之间做出的折中。 
实用新型内容
为了克服已知系统中存在的至少一个问题，所揭示的内燃机包括：气缸壁，其具有沿着气缸壁以第一距离限定的多个进气口和沿着气缸壁以第二距离限定的多个排气口；曲轴；设置在气缸壁内的进气活塞，其中，所述进气活塞通过第一连接杆与曲轴联接并响应于曲轴的旋转在气缸内往复运动，从而遮盖和暴露进气口；以及联接到进气口的进气系统。进气系统包括：与进气口的第一部分流体连通的大致呈螺旋状的第一集气室，其中，第一集气室的横截面的几何中心的轨迹向内螺旋且半径沿着流动方向单向减小；以及与进气口的第二部分流体连通的大致呈螺旋状的第二集气室，其中，第二集气室的横截面的几何中心的轨迹向内螺旋且半径沿着流动方向大致减小。第一和第二集气室沿着各集气室内的具有相同取向的流动方向环绕气缸壁的外侧。进气系统还可包括过渡段，其与第一集气室流体连通并刚好位于第一集气室的上游。过渡段的横截面面积沿着流动方向大致增大。进气系统还可包括供给通道，其与过渡段联接并刚好位于过渡段的上游。供给通道具有大致恒定的横截面面积。 
发动机还可包括：与进气活塞联接的第二连接杆；在进气活塞和连接杆之间联接的桥接部，其中，连接杆在进气活塞的外侧在直径上对置地设置；用于容纳第一连接杆的第一连接杆通道；以及用于包围并容纳第二连接杆的第二连接杆通道，其中，第一连接杆通道设置在第二集气室和供给通道之间。在一些实施例中，第一和第二集气室、开口、气缸壁、连接杆通道、过渡段和供给通道在单一的铸件中形成。第一和第二集气室、过渡段和供给通道大致设置在与气缸壁的中心轴线垂直的平面内，或沿着气缸壁螺旋设置。 
第一和第二集气室在进气口的上游不流体连通。 
在一些实施例中，集气室的横截面形状包括至少一条大体上直的边。 
在与气缸壁的中心轴线相交的平面内截取的第一集气室的横截面面积沿着向气缸运动的方向减小。 
在邻近的进气口之间设置竖直桥接部，其为流向进气口的气体提供上游面和下游面，且至少一些上游面和下游面具有大致圆的角。所述圆角在图中示出，用于减少流过进气口的气体的压降，从而，改善进气系统的排气性能。 
此外，还揭示了用于二冲程内燃机的进气系统，包括：具有第一组和第二组进气口的气缸；在进气口的上游侧与第一组进气口流体连通的螺旋状第一集气室；和在进气口的上游侧与第二组进气口流体连通的螺旋状第二集气室，其中，第一和第二螺旋形状的横截面面积沿着流动方向大致减小，以及其中，第一和第二集气室在进气口的上游不流体连通。在与气缸的中心轴线相交的横截面内限定横截面面积。第一和第二集气室还包括与第一集气室流体连通的第一进气滑管，和与第二集气室流体连通的第二进气滑管。 
第一组进气口和第二组进气口互不连通。第一组进气口在约180度的圆周上周向地环绕气缸设置；以及第二组进气口在约180度的圆周上周向地环绕气缸设置。 
第一集气室的中心线向内螺旋，且半径单向减小。 
揭示的内燃机系统包括：气缸壁，其具有第一和第二组进气口和多个排气口；曲轴；设置在气缸壁内的进气活塞，所述进气活塞通过连接杆与曲轴联接并响应于曲轴的旋转在气缸内往复运动，从而遮盖和暴露进气口；在进气口的上游侧与第一组进气口流体连通的螺旋状第一集气室，第一集气室的横截面面积沿着流动方向单向减小；以及在进气口的上游侧与第二组进气口流体连通的螺旋状第二集气室，其中，第二集气室的横截面面积沿着第二集气室的一部分中的流动方向大致减小，以及其中，第一和第二集气室在进气口的上游不流体连通。 
多个进气口包括沿着气缸壁以第一距离限定的多个主要进气口和沿着气缸壁以第二距离限定的多个次要进气口；气缸壁包括在圆 周方向上相邻的进气口之间的竖直桥接部，和主要和次要进气口之间的水平桥接部。从上游边缘和/或下游边缘看，所述桥接部具有圆形边缘。 
在能达到目标涡流比的条件下，模拟和描述所揭示的进气系统具有显著的高排气比和比现有技术至少高出50％的空气输送率。 
本实用新型具体公开了如下内容： 
(1).一种内燃机系统，包括： 
气缸壁，具有沿着所述气缸壁以第一距离限定的多个进气口和沿着所述气缸壁以第二距离限定的多个排气口； 
曲轴； 
进气活塞，其设置在所述气缸壁内并通过连接杆与所述曲轴联接，所述活塞能够响应于所述曲轴的旋转在所述气缸内往复运动，从而遮盖和暴露所述进气口； 
与所述进气口联接的进气系统，所述进气系统包括： 
大致呈螺旋状的第一集气室，其与所述进气口的第一部分流体连通，所述第一集气室的横截面的几何中心的轨迹向内螺旋且半径在流动方向上单向减小； 
大致呈螺旋状的第二集气室，其与所述进气口的第二部分流体连通，所述第二集气室的横截面的几何中心的轨迹向内螺旋且半径在流动方向上大致减小，其中，所述第一集气室和第二集气室沿着各集气室内具有相同取向的流动方向环绕所述气缸壁的外侧。 
(2).根据第(1)项所述的发动机系统，其中，所述进气系统还包括： 
过渡段，与第一集气室流体连通并刚好位于所述第一集气室的上游，所述过渡段的横截面面积沿着流动方向大致增大。 
(3).根据第(2)项所述的发动机系统，其中，所述进气系统还包括： 
供给通道，与所述过渡段联接并刚好位于所述过渡段的上游，所述供给通道具有基本恒定的横截面面积。 
(4).根据第(3)项所述的发动机系统，还包括： 
与所述进气活塞联接的第二连接杆； 
在所述进气活塞和所述连接杆之间联接的桥接部，其中，所述连接杆在所述进气活塞外侧彼此直径上对置地布置； 
用于容纳所述第一连接杆的第一连接杆通道；以及 
用于包围并容纳所述第二连接杆的第二连接杆通道，其中，所述第一连接杆通道设置在所述第二集气室和所述供给通道之间。 
(5).根据第(4)项所述的发动机系统，其中，所述第一集气室和第二集气室、所述开口、所述气缸壁、所述连接杆通道、所述过渡段和所述供给通道在单一的铸件中形成。 
(6).根据第(4)项所述的发动机系统，其中，所述第一集气室和第二集气室、所述过渡段和所述供给通道大致设置在与所述气缸壁的中心轴线垂直的平面内，或沿着所述气缸壁螺旋设置。 
(7).根据第(1)项所述的发动机系统，其中，所述第一集气室和所述第二集气室在进气口的上游不流体连通。 
(8).根据第(7)项所述的发动机系统，其中，所述集气室的横截面形状包括至少一条大体上直的边。 
(9).根据第(7)项所述的发动机系统，其中，在与所述气缸壁的中心轴线相交的平面内截取的所述第一集气室的横截面面积沿着向气缸运动的方向减小。 
(10).根据第(1)项所述的发动机系统，其中，在邻近的所述进气口之间设置竖直桥接部，其为流向进气口的气体提供上游面和下游面，且至少一些所述上游面和下游面具有大致圆的角。 
(11).一种用于二冲程内燃机的进气系统，包括： 
气缸，其中限定有第一组进气口和第二组进气口； 
螺旋状的第一集气室，其在所述第一组进气口的上游侧与所述第一组进气口流体连通；以及 
螺旋状的第二集气室，其在所述第二组进气口的上游侧与所述第二组进气口流体连通，其中，第一螺旋状和第二螺旋状的横截面 面积沿着流动方向大致减小，并且其中，所述第一集气室和第二集气室在所述进气口的上游不流体连通。 
(12).根据第(11)项所述的进气系统，其中，所述横截面面积限定在与所述气缸的中心轴线相交的横截面处。 
(13).根据第(11)项所述的进气系统，其中，所述第一集气室和第二集气室还包括： 
与所述第一集气室流体连通的第一进气滑管；以及 
与所述第二集气室流体连通的第二进气滑管。 
(14).根据第(11)项所述的进气系统，其中： 
所述第一组进气口和所述第二组进气口互不连通； 
所述第一组进气口在约180度的圆周上周向地环绕所述气缸设置；以及 
所述第二组进气口在约180度的圆周上周向地环绕所述气缸设置。 
(15).根据第(12)项所述的进气系统，其中，所述第一集气室的中心线向内螺旋，且半径单向减小。 
(16).一种内燃机系统，包括： 
气缸壁，其中限定有第一组进气口和第二组进气口以及多个排气口； 
曲轴； 
进气活塞，设置在所述气缸壁内并通过连接杆与所述曲轴联接，所述活塞能够响应于所述曲轴的旋转在所述气缸内往复运动，从而遮盖和暴露所述进气口； 
螺旋状的第一集气室，其在所述第一组进气口的上游侧与所述第一组进气口流体连通，且所述第一集气室的横截面面积沿着流动方向单向减小；以及 
螺旋状的第二集气室，其在所述第二组进气口的上游侧与所述第二组进气口流体连通，所述第二集气室的横截面面积沿着所述第二集气室的一部分中的流动方向大致减小，其中，所述第一集气室 和第二集气室在所述进气口的上游不流体连通。 
(17).根据第(16)项所述的发动机系统，其中，所述集气室的横截面穿过所述气缸壁的中心轴线截取。 
(18).根据第(16)项所述的发动机系统，其中，在邻近的进气口之间设置桥接部，其为流向进气口的气体提供上游面，且所述上游面和下游面大致呈圆形。 
(19).根据第(16)项所述的发动机系统，其中，所述多个进气口包括沿着所述气缸壁以第一距离限定的多个主要进气口和沿着所述气缸壁以第二距离限定的多个次要进气口；所述气缸壁包括在圆周方向上相邻的进气口之间的竖直桥接部和主要进气口与次要进气口之间的水平桥接部；所述竖直桥接部和水平桥接部在上游边缘和下游边缘中的至少一个上具有圆形边缘。 
(20).根据第(16)项所述的发动机系统，其中，所述第一集气室的中心线向内环绕，且半径沿着所述流动方向单向减小。 
附图说明
附图1是OPOC发动机的等距视图，其中，进气和排气活塞不对称地设置； 
附图2是OPOC发动机的一部分的剖视图； 
附图3是OPOC发动机的等距视图，其中，进气和排气活塞对称地设置； 
附图4是根据本实用新型具体实施例的进气系统的剖视图； 
附图5是气缸壁的图示，用于说明进气和排气口； 
附图6-9是根据本实用新型具体实施例的集气室的剖面图； 
附图10是穿过气缸壁的一部分的进气口之间的桥接部的剖视图；以及 
附图11是根据本实用新型具体实施例的可替换的桥接部的横截面形状的图示。 
具体实施方式
本领域技术人员明白，参照任意附图所阐释及描述的具体实施例的不同特征可结合其它一个或多个附图中阐释的特征，而形成未明确被阐释或描述的其它具体实施例。综合阐释的特征提供了具有典型应用的代表性实施例。但是，对于具体的应用或实施过程，需要在实用新型的启示下用不同的方式综合和修饰上述特征。不管是否被明确地描述或阐释，本领域技术人员可识别相似的应用或实施过程。 
附图4中，发动机进气系统的横截面示出了本实用新型揭示的一个具体实施例，其中，进气输送系统围绕进气口并为容纳拉杆32的通道30留出空间。具有中心54的气缸壁50包括其中限定的多个开口52。第一大致成螺旋状的集气室60与进气口52的第一部分流体连通。集气室60具有中心线62，所述中心线62为集气室60的沿着横截面取的几何中心限定的点的轨迹。图中示出了两个这样的横截面64和66，所述横截面64和66与气缸50的中心54相交。沿着流动方向(箭头68所示)，中心线62向内螺旋。即，中心线62的曲率半径沿着下游方向变小。本领域技术人员知道，内燃机的进气系统中的流体是不稳定的，在特定的操作条件下，有可能发生瞬时倒流。此处，上游部、下游部、流动方向及此类术语指的是流动的主要方向或者净流量方向。 
集气室60的横截面面积沿着流动方向减小。流入与集气室60连通的开口52的第一部分的所有流体穿过集气室60的上游横截面69。但是，随着流体进入开口52，流过集气室60的气体质量减小。为了保持流入集气室60的气体的所需速度，使通流面积、即集气室60的横截面面积沿着流动方向减小。 
集气室60通过进气管88、进气滑管70、供给通道72和过渡段74(从上游部到下游部的顺序)与供给侧流体连通。进气管88和进气滑管牢固地连接在一起，如通过法兰连接(未示出)。滑管70和通道72的横截面面积沿着长度基本恒定。过渡段74的直径沿着流 动方向增加。在过渡段74的上游端76，所述横截面面积基本上与通道72一样大，且在过渡段74的下游端78，横截面面积基本上与集气室60的上游横截面69一样大。将滑管70和通道72的大小设计为，刚刚可以容纳在合理的压降下预测到的最大流量，从而，进气系统可以更为紧凑。 
在具体实施例中，集气室60、供给通道72和过渡段74在发动机缸体的铸件中形成，其中进气滑管70是铸件外部的管道。附图4中，69/78表示的双点划线表示与过渡段74接合的集气室60。事实上，在此位置上没有这样的联接件，而是平滑的内表面。为了讨论连续进气管不同部分的几何特征，而假象出上述双点划线。可以理解，仅为了讨论进气系统的特征，而标示这样的线条(其它例子，包括64，66和83表示的横截面)，但其不表示特征。 
第二集气室80与进气口52的第二部分联接。附图4的具体实施例中，集气室80包括大致呈螺旋状的第一部分82。在邻近通道30处，部分82略微远离集气室60的螺旋状。附图4是从垂直于气缸50的中心轴线的角度观测到的横截面视图。然而，大致垂直穿过集气室80的横截面揭示了，集气室80的横截面面积证明其具有中心线84，所述中心线84向内螺旋，并揭示了横截面面积在流动方向上单向减小。或者，部分82可略微偏离上述形状，用于容纳通道30。集气室80还包括第二部分84。由于在通道72附近没有空间容纳上述螺旋形状，因此部分84不具有期望的螺旋形状。集气室80在上游侧与进气管86流体连通。与集气室60具有过渡段74不同，集气室80没有过渡段。因此，向第二集气室80供给的进气管86的直径大于向第一集气室60供给的进气滑管70。替代地，进气管86可包括过渡段，使得进气管86的上游端的横截面面积类似于进气滑管70，同时具有较大的横截面直径，并且它联接到集气室80或中间通道(在具有中间通道的情况下)。 
供给通道72远离气缸壁50，从而，在通道72和第二集气室80之间具有容纳通道30的空间。 
附图4中示出了气缸壁100。壁100具有多个排气口150、多个主要进气口152和多个次要进气口154，主要开口152和次要开口154之间限定有水平桥接部156，圆周方向上邻近的开口之间限定有竖直桥接部158。替代地，较长的一组进气口(如排气口150)可替代主要和次要进气口。 
为了联接进气口，集气室60和80的几何形状从横截面角度考虑应是扁平的，至少在与进气口流体连通的一侧是扁平的。附图6和7示出了穿过集气室60的两个示例横截面164，166。横截面164通过进气口152和154与气缸壁150交接，在所述进气口152和154之间具有水平桥接部156。横截面164形成D状，在气缸壁150侧为扁平状且在远离气缸壁150侧成弧状。165表示横截面164所包围的面积的几何中心。附图7中，穿过竖直桥接部168得到横截面166。横截面166的D形状较宽，所述D形状的几何中心167比附图6中横截面164更远离气缸壁150。这些的点的轨迹限定附图4中的中心线62。基于集气室横截面面积的中心线62不能由诸如附图4所示的单个二维的横截面示例限定。而是由贯穿集气室与气缸的中心轴线相交的一系列横截面确定，其中，横截面164、166是这些横截面的示例。 
如上所述，集气室80的形状一定程度上与其它特征相适应，如用于拉杆的通道。但是，至少一些适应性的改变可通过改变集气室的横截面的形状达成。附图8和9分别示出了示例横截面190和200。横截面190在192附近被容纳拉杆的通道(未示出)限制。为了达到预期的面积，横截面180向上和向下凸出，在进气口152和154上方和下方的部分分别用194和193表示。几何中心用191表示。附图9中的横截面200的几何中心204远离气缸壁150，该横截面大部分面积向外远离气缸壁150且分别在区域202、203内向上和向下鼓出。附图6-9中的示例仅仅用于表示几种方案，在保证预期的面积且几何中心受控制的条件下，这些方案用于适应硬性限制。但附图6-9不限制其它可能性。 
参见附图3，相邻的进气口24之间的壁部是桥接部25。在一些发动机中，桥接部25可以成角度，使进入的气体涡旋。但是，与诸如附图4中所示的直的进气口52相比，成角度的开口24会导致较大的压降。即使在直的开口的条件下，由于集气室和其它供给管道的几何结构，附图4的进气系统产生的涡流比是附图3的进气系统产生的涡流比的两倍多。 
附图10示出了气缸壁10的一部分，该部分具有在开口222之间的桥接部224。涡流226从桥接部224的直角流出。附图11示出了改进后的桥接部230的形状，其中，流体232在桥接部230的下游部几乎没有产生急流。在具有附图4所示的集气室和留意开口之间的桥接部的形状的情况下，流动能量可用于形成大型结构，如产生高涡流比的结构，而不是小型结构，如涡流226。涡流226确实产生充量运动。但是，涡流226产生的这种充量运动很容易散热，且在压缩行程中产生多余的升温。另一方面，涡旋在压缩行程中持续，并且为了改善混合和燃烧效果，在即将点火时减弱为小型急流。此外，由于在点火时涡旋减弱，在有利的时间点散热导致循环内的温度升高。甚至可以通过设计开口之间的桥接部，进一步提高涡流比。在一些具体实施例中，为了将进入的流体有效地引导到各个位置，每个桥接部都是独特的。 
集气室60和80，以及通道72和过渡段74，位于附图4所示的横截面中。替代地，集气室和相应的供给管道可沿着气缸螺旋设置。在另外一个替代方案中，两个以上螺旋形状用于互不连通的开口部。附图4中的具体实施例示出了12个进气口的孔，其中，集气室60与六个开口联接，集气室80与六个开口联接。在另外一个替代方案中，其中一个集气室与多于半数的开口联接，即，在大于180度的圆周上与气缸壁上的进气口联接。 
在与具体实施例相关的最佳模式被详细描述的条件下，本领域技术人员将能识别所述权利要求的范围内的其它不同设计和实施例。当描述不同的实施例时，如相比其它实施例，描述与某个或某 些所需的特征相关其所具有的优点或优势，本领域技术人员明白，为了实现具体应用和实施过程要求的系统特性，可适应性地改变一个或多个特征。这些特性包括但不局限于以下方面：成本、强度、耐久性、使用寿命周期成本、适销性、外表、包装、尺寸、可用性、重量、可制造性、组装难度等。就某个或多个特征而言，此处描述的实施例相比其它具体实施例或本领域已知的实施过程并不令人满意，但这并不说明其超出本申请的范围，并能在特殊应用的下能达到理想效果。 

Claims (10)

1.一种内燃机系统，包括： 
气缸壁，具有沿着所述气缸壁以第一距离限定的多个进气口和沿着所述气缸壁以第二距离限定的多个排气口； 
曲轴； 
进气活塞，其设置在所述气缸壁内并通过第一连接杆与所述曲轴联接，所述活塞能够响应于所述曲轴的旋转在所述气缸内往复运动，从而遮盖和暴露所述进气口； 
与所述进气口联接的进气系统，所述进气系统包括： 
大致呈螺旋状的第一集气室，其与所述进气口的第一部分流体连通，所述第一集气室的横截面的几何中心的轨迹向内螺旋且半径在流动方向上单向减小； 
大致呈螺旋状的第二集气室，其与所述进气口的第二部分流体连通，所述第二集气室的横截面的几何中心的轨迹向内螺旋且半径在流动方向上大致减小，其中，所述第一集气室和第二集气室沿着各集气室内具有相同取向的流动方向环绕所述气缸壁的外侧。 
2.根据权利要求1所述的内燃机系统，其中，所述进气系统还包括： 
过渡段，与第一集气室流体连通并刚好位于所述第一集气室的上游，所述过渡段的横截面面积沿着流动方向大致增大。 
3.根据权利要求2所述的内燃机系统，其中，所述进气系统还包括： 
供给通道，与所述过渡段联接并刚好位于所述过渡段的上游，所述供给通道具有基本恒定的横截面面积。 
4.根据权利要求3所述的内燃机系统，其中，所述内燃机系统还包括： 
与所述进气活塞联接的第二连接杆； 
在所述进气活塞和所述连接杆之间联接的桥接部，其中，所述 连接杆在所述进气活塞外侧彼此直径上对置地布置； 
用于容纳所述第一连接杆的第一连接杆通道；以及 
用于包围并容纳所述第二连接杆的第二连接杆通道，其中，所述第一连接杆通道设置在所述第二集气室和所述供给通道之间。 
5.根据权利要求4所述的内燃机系统，其中，所述第一集气室和第二集气室、所述进气口、所述气缸壁、所述连接杆通道、所述过渡段和所述供给通道在单一的铸件中形成。 
6.根据权利要求4所述的内燃机系统，其中，所述第一集气室和第二集气室、所述过渡段和所述供给通道大致设置在与所述气缸壁的中心轴线垂直的平面内，或沿着所述气缸壁螺旋设置。 
7.根据权利要求1所述的内燃机系统，其中，所述第一集气室和所述第二集气室在进气口的上游不流体连通。 
8.根据权利要求7所述的内燃机系统，其中，所述集气室的横截面形状包括至少一条大体上直的边。 
9.根据权利要求7所述的内燃机系统，其中，在与所述气缸壁的中心轴线相交的平面内截取的所述第一集气室的横截面面积沿着向气缸运动的方向减小。 
10.根据权利要求1所述的内燃机系统，其中，在邻近的所述进气口之间设置竖直桥接部，其为流向进气口的气体提供上游面和下游面，且至少一些所述上游面和下游面具有大致圆的角。 
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