CN86106958A - 往复机 - Google Patents

Abstract

一种往复机，它具有一个气缸(12)，由至少一个活塞(18)限定一个工作室(13a)，活塞在缸内借助各自的曲轴(40)往复运动，该往复机的进排气口(26和27)配置在汽缸工作部分的对置端部并具有各自的气阀(10和11)和打开及关闭气口的活塞，气阀由曲轴(40)驱动且有能调节曲轴和气阀的位移之间正时关系进而调节各自气阀之间定时关系的机构(68)，在气缸工作部分的对置端部处的气口位置能使正时调节比用常规的靠近彼此隔开的气口布置的正时调节更大。

Description

本发明广义上说是属于往复式机械，但就其具体特性方面讲，它是一个具有二冲程，配有火花点火或者可压缩点火的内燃机。

众所周知，长期以来的经验表明，内燃机要实现协调的运转是很困难的。人们也都知道，对常规发动机和其它类型的发动机，改变进排气阀配气正时通常是借助于调节曲轴和气阀配气凸轮轴之角的转角关系来实现的。为调节曲轴和气阀配气凸轮轴之间的配气正时，人们已提出了一些内设措施，例如英国专利说明书2，109，858号中就公开了进排气阀分别配有各自的凸轮轴，进行各自的调节。据称这种调节可以实现进排气阀的气阀重叠角的任何需要的变化。

另一方面，在气口由各自的对置活塞作阀时，人们也采取措施来调节对置活塞之间的相位关系，德国专利016;451号、美国专利2，1133，480及2，401，188号和英国专利584，783中提出了这种措施。在后一种情况下，进气口装有一个增压器。在这些发动机中，活塞正时的调节，例如对应于发动机负荷，对改变压缩比有明显的效果，这就内在地意味着改变了气阀配气正时。然而，它显然不可能对气阀配气正时进行独立调节。此外，在曲轴和活塞存在相位时，改变活塞之间相位关系的过程会破坏或减低各气缸中原有的动力平衡性。

本发明的目的是为减缓上述的往复机的缺点。

根据本发明，已被认识到的是，内燃机配气正时调节所遇到的困难在于进排气口的位置，和/或相应的气阀间的位置，特别在于大多数发动机尤其是四冲程发动机中气口间或气阀间的距离离得太近。因此，在大多数情况下，进排气口都布置在缸头上，靠近上死点。这时的空间就非常重要，并且任何，哪怕是对活塞和气阀之间正时关系最小的调节都会引起活塞和气阀的干涉，从而损坏发动机的性能。即使进排气口所装的进排气阀之间能进行配气正时关系调节，但这种调节也会因需要避免进排气之间干涉而受到限制。

发明人还进一步认识到，对起阀装置作用的活塞之间的相位关系的调节，实现对阀装置之间相位调节的真实目的来说是一种不能令人满意的技术手段。

为此，本发明提供了一种往复机，它包括有能限定至少一个活塞能在其中作往复运动的工作室的机构，与一个活塞或多个活塞相关连并能使往复运动转换成旋转运动或反之亦然的转换机构，适合工作室换气用的进排气口以及进排口和活塞相对应的各自的气阀机构。进排气口布置在或靠近工作室的各自的端部，并配置有调节转换机构和气阀机构的位移之间配气正时关系并进而调节各自的气阀机构之间配气近时关系的机构。

这种往复机最好有能在工作室中工作的点火装置，从而使往复机构成为发动机，该发动机最好但并非一定是二冲程的。本发明也适于构成一台压缩机。

采用本发明，就有可能给出在一个宽的范围内配气正时基本上不受限制的变化，这是因为进排气口的间距能较精确地控制进排气流量，并且如果需要，可基本实现进排气的完全无回窜流动。此外，在或接近工作室各自端部的分开的气阀机构避免了它们的相碰击的危险，当然，这种活塞和其中一个气阀机构之间的碰击危险可以通过某种措施加以减轻，如利用其它处于全调节的气阀机构对上述气阀机构进行小的或者不加调节或者利用上述的一个不大可能发生碰击的一类如滑阀那样的气阀机构。一般说来，本发明适用于各种类型气阀机构的组合，其中包括滑阀、提升阀和回转分配阀，而进排气阀机构最好都能配气正时调节的。本发明易于采用的发动机实例是缸头有排气提升阀和靠近下死点的缸壁有若干进气口的德特罗特（Detroit）柴油发动机和吕卡多（Ricardo）滑阀发动机。

进排气阀配气正时在一个宽的范围内基本无限制的改变使进气正时，排气正时、有效压缩比、有效膨胀比、废气排放过程和增压过程都可发生显著的变化。这种变化范围使该往复发动机的特性可以发生总的改变，例如，从赛车用的发动机所具有的特性改变到路上行驶的家用小轿车的低功率发动机所具有的特性。其优点在于气阀配气正时能在运转过程中通过双凸轮、偏心轮和/或其它合适的操作机构进行调节，不仅能连续地而且能在每个循环中实现改变配气正时。

我们采用术语“有效压缩比”是指当工作室在一个循环过程中达到封闭这一时刻的体积除以该循环过程中工作室的最小体积，而“有效膨胀比”这一用语是指当工作室在一个循环过程中刚开始打开进行排气时的体积除以在该循环过程中工作室的最小体积。

本发明的一个突出优点，特别是在精确控制气阀配气正时能力方面的优点是能使二冲程发动机与增压器实现最优化的接合。增压器的有关好处是众所周知的，它已在四冲程发动机中获得多年成功的应用。然而，将增压器能成功地应用于二冲程发动机上被人们认为是很困难的。这在很大程度上是由于发动机要求歧管进气压力呈速度的三次方函数关系上升，这是与增压器极不同的排气压力特性相矛盾的。另外是由于二冲程发动机不可能具有象四冲程发动机那样完全的自然发生的进气冲程。

这些问题在本发明中都遇到了。两个气阀机构之间进行调节的技术措施使得下列二个值得注意的临时配气正时关系成为可能：

（ⅰ）当进行需要重新进行热起动时，排气阀早打开可利用缸内残余废气的压力和/或热能和/或动能来驱动增压器，从而易于再进气循环。

（ⅱ）对除特别冷的天气以外的通常情况下的起动，可将配气正时调节到致使压缩比提高以利起动，工作起来之后再将压缩比调低。

一般来说，气阀机构将由转换机构驱动，转换机构可以包括一个或多个曲轴，而驱动机构可以包括一个通称为同步带的内齿传动带或一个齿轮传动链，中介轴和销或偏心轮和随动机构。在最佳实施例中，调节气阀的驱动机构包括有一个斜齿轮传动链，而调节机构包括有变相位的机构、跨越齿轮传动链。调节气阀的齿轮传动链可以包括装在转换机构上和气阀驱动轴上的各自的斜齿轮，被捋入的斜齿轮机构与所述的斜齿轮啮合，其斜齿轮机构平行于斜齿轮轴作线性运动。

在早期的内燃机中，提升阀遇到的技术难题是过大的噪声和易于产生爆震和早期着火。取代提升阀的是滑阀，大量的早期商业性用的发动机，特别是航空发动机中得以采用。滑阀发动机的发展史在哈雷·吕卡多写的题为“高速内燃机发展”一书中（由伦敦布莱克·逊有限公司出版）作出了很好的概述。哈雷·吕卡多本人设计制造了许多成功的寿命长的滑阀发动机，并对这种发动机进行了广泛的性能研究及最优化设计。

滑阀发动机有很多突出的优点，其机械效率和燃油消耗给人留有深刻的印象，其中由氮化钢制成的往复式套筒和缸套及活塞之间磨擦造成的磨擦损失视想不到的低。假如套筒在纵向和周向均作往复运动，在套筒和缸套之间就会有极其好的润滑条件。这种吕卡多滑阀发动机能运行很多小时而套筒和活塞运动不会出现严重问题。这种发动机工作平稳且发现在液冷滑阀发动机中的活塞温度比同样容量和输出功率的提升阀发动机要略为低一点。显然，这是因为套筒和缸套之间运动着的油膜将活塞的热量传走，油膜成为有效的对流换热体。由于缸头不受气口和气阀的妨碍，人们在考虑燃烧室的形状和工作容量时就不受任何限制。

这些优点对二冲程发动机是特别适用的，但也还发现一些阻碍二冲程滑阀发动机不能广泛的商业性应用的显著缺点，特别是早期提升阀式发动机存在而后来被解决了的不好的性能。吕卡多看到了在其上述引用过的著作第387页中作了下列二个重要技术难题的简述：

“1.氮化钢套筒在其上端磨损到不能用之前的使用寿命大约为2000至4000小时。这对军用航空发动机是足够长了，但对普通商业性用的发动机来说是不够的。必须采取一些措施来减少这一部分的磨损速率。”

“2.尽管端部开口型套筒似乎较端部封闭型在所有的工况下都更为完善，但冷起动时，不能实现完全密封，必须采取某些措施，如喷射低粘度燃油，以实现冷起动的压缩点火：这是一个相当不好的特性。”

套筒顶端的磨损是因这部分完全暴露在排气之中和/或缸套或缸头上部的机械磨擦所造成的。滑阀发动机的第二个缺点是有庞大且昂贵的通称为气缸头的凹腔型缸头，因为增加了热量损失，在空气冷却的情况下要充分冷却是困难的。

在四冲程滑阀发动机中，吕卡多所注意到的二个技术难题并不明显，但庞大而昂贵的缸头仍然是达到商品化的一个重要的障碍。

未被吕卡多所偿识的在英国专利说明书497，300中由博克曼（Porkman）以及在英国专利1，015，189中由林德瑟（Lindsay）所公开的一种解决这些技术问题的技术方案是，采用滑阀与对置活塞发动机的基本原理，提供一种成对对置活塞，其各自的套筒配置有进排气口所需的气阀。获得成功的且能商业性用途的对置活塞发动机中的典型实例是琼克尔斯·玖英（Junkevs    Jumo）和罗茨（Roots）的柴油发动机以及拿皮尔·德尔狄克（Napier    Deltic）发动机，但所有这些都有赖于活塞控制气阀。到目前为止，申请人清楚的是，博克曼或林德瑟所设计的对置活塞发动机是绝对不能商品化的，而滑阀发动机尽管有吕卡多所指出的优点，但第二次世界大战后也仅仅作为历史文物而已。然而可以置信的是，本发明将会促使这些优点的实现，无论是非对置的还是对置的活塞发动机。

现在具体研究一种滑阀发动机，套筒最好既可纵向又可周向往复运动的。周向往复运动的冲程最好至少为纵向往复运动冲程的20%。

在工作室中有两个对置的活塞，且彼此间隔开的进排气口有各自的滑阀，这种滑阀便于相对各自的活塞往复运动。两个活塞最好配有各自的曲轴，套筒的往复运动由各自的曲轴分开的驱动机构带动。曲轴最好直接通过内齿轮传动带联系，传递负荷的驱动轴最好与其中一个曲轴呈平行或共轴联接。

进气口便于连接到增压器上，并且更适于安装由排出的废气驱动的增压器。

参照下例附图，通过一个实例，进一步阐明本发明的二个实施例。

图1是一台根据本发明的多轴二冲程对置活塞式滑阀发动机的截面示意图，其中所示的活塞靠近上死点。

图2是图1上半部的放大图。

图3是类似于图2所表示的上半部的运行图。

参照图1和图2，对置活塞二冲程发动机8相对于其中截面A-A是完全对称的，它有一个铸造机体9，该机体有一个缸套12，限定一个工作室和带有盖35的曲轴箱14、15。该发动机还有各自的曲轴组件16，17和一对通过连接杆20，21与曲轴组件16、17联接的对置的活塞18、19，对置的活塞18、19能在工作室内通过一个内齿轮传动带正时的相对往复运动。为了方便起见，缸套12和曲轴箱组件14，15以一个整体铸件示出。图1表示曲轴处于某一相位且活塞位于上死点，缸套12上各自的气口26、27的环槽指向中心。曲轴当然可以按所需相位布置，例如，为了达到二冲程发动机有好的换气要求的相位来布置曲轴。在运转时，气口26、27通向各自的环形歧管25、29，环形歧管包括一个进气歧管和一个排气歧管，依次与管道25a，29a相通。这些歧管和相关连管道的结构未详细说明，仅在图中示意的表示出来。进气管道25a，与包括有涡轮94驱动的压气机92在内的涡轮增压器组件90的出口相联接，涡轮94由沿管道29a排出的废气作为动力。

燃烧室13a基本上是一对在活塞18、19头部30、31内的半圆形腔室28。如图所示，该腔室28呈球状半圆形结构，但是，若需要别的结构形式，活塞头部或单独的顶面可以是平头或凸面形的。为了火花塞点火和/或向燃烧室喷射燃油，缸套12设置有周向彼此间隔开的点火口32，活塞头部30、31有定位槽32a。压缩点火的喷射装置1，1可按需要用火花塞代替。

曲轴箱和曲轴组件基本上是相同的，因此只对图1所示发动机的上半部结构予以详细的说明，在图2中加以放大。曲轴组件16包括一对共轴线的曲轴，一为驱动轴40，二为正时曲轴41。这二个曲轴通过彼此隔开的滚柱轴承42、44安装在曲轴箱14和曲轴箱盖35中。该曲轴组件按常规的基本布置形式与活塞联接，其中包括有一个管形的曲轴销46、一个装在活塞18中的配合孔51或横向孔51内的活塞销50和连接杆20。连接杆20将由轴销46和活塞销50安装在各自的衬套54、55内。

两个正时曲轴41通过曲轴40用链固定在定时传动带的各自的滑轮60、61上（图1）。如40a所示，采用锥形装配面不仅可以保证装配可靠，而且可以使正时传动带在没有中间滑轮情下张紧。

缸套12配置有一对类似的加长的滑阀10、11，为气口26、27提供了阀，借助于彼此隔开的环形隙缝26a、27a在套筒内相对于各自的活塞18、19往复运动。套筒10、11可以用铸铁、氮化钢或其它如陶瓷、高强度塑料等适合的材料制成。套筒10、11与缸套有适当的配合公差，各自能作纵向和周向的往复运动。在缸套中间壁上和活塞的柱表面上，例如在10a、11a处配量有O型密封环。运行时，在套筒和缸套之间有一层薄的油膜，这层油膜对于有周向振动的构件保持有适当的分配是必要的。

套筒10、11的往复运动是由各自的曲轴40通过单独的斜齿传动链68实现的。斜齿轮传动链大体相同并配量有通过套筒调节各自的活塞和相关连气口的气阀之间正时关系或相位进而调节根据本发明的套筒之间正时关系的机构。每个齿轮传动链68在曲轴41和轴74上有各自的斜齿轮72、73，这些齿轮与中间斜齿轮71啮合，齿轮71安装在一个捋入的中介轴75上且可滑动也可转动。因为所述的发动机是二冲程的，所以齿轮72、73的传动比为1∶1。

轴74安装在滚柱轴承74a中且带有能装入与突出部80相配合的球形轴承78的轴承座76，突出部80是与套筒成一体横向伸出的。不难理解这种布置达到了二种所需要的运动，正如上面所述，如果周向往复运动的冲程不少于纵向往复运动冲程的20%，那么这种运动对润滑而言就是最优化的方案。

相位调节是通过一个配置在中间齿轮71上的凸台82的环形槽81中的滑动推拉杆77实现的。推拉杆77穿过齿轮箱盖79且可滑动：齿轮71沿中介轴75稍一移动就会引起各齿轮的相对转动，因为这些齿轮都是斜齿轮，曲轴40和轴74之间就会引起相位的改变，继而改变上面所述的正时关系。这种布置能在180°范围不受限制的正时相位调节。

若不用通过轴74驱动每个套筒，也可以使用一个曲轴。这就提供一个附带的优点，即改变正时关系不仅可以通过推拉杆77，还可以在每个发动机冲程内采用一个选定形状的凸轮。

推拉杆77可以依据对歧管的进气压力、发动机转速、车速、节流调节和输出扭矩的监控实现手控或自动控制。

套筒10、11放置有按规定时间与喷射口32及活塞槽32a对准的互补凹坑32b。套筒中的26a、27a按要求与缸套气口26、27共同作用。不再需要考虑给出与发动机运行特性、气流和希望的相位特性范围有关连的气口结构形式方面的具体细节，发动机有关不同负荷条件下正时调节需要考虑的问题也是众所周知的，因为这样的调节技术属于现有技术。

图1和图中所公开的具有平稳且无故障运行的发动机的一个重要的最佳性能是在于采用了像曲轴之间直接驱动联轴器那样的正时传动带24。对于这种特殊用途最适用的正时传动带是由尤里罗叶尔公司（Uni    Royal    Company）出售的HTD设计的一种最新正时传动带，这种带也最适用于带负荷的输出轴的连接。

可以使人理解的是，图1和图2中所述的发动机可以根据其型式作出别的改型。例如，可以采用如凯敦斯（Kadency）和/或常规的正压式和/或机械式驱动的离心增压器。能够应用已建立的滑阀节流原理达到这样的优点：即缸套和套筒均能节流、套筒具有二种运动以及缸套气口之间无直接接触的优点。

将会进一步明白的是，上述引证过的吕卡多指出的二冲程滑阀发动机二个主要缺点是可以克服的：套筒端部不再有由于暴露在排出的废气流中引起的磨损，不再有冷起动时在套筒开口端缺乏密封的问题。图1和图2所示的发动机套筒外端是在曲轴箱内，而内端由缸套封住从而既不暴露在排气流中也不需要在起动时密封。这就使得能有效地利用滑阀发动机的特点，自动补偿在套筒与缸套间隙大小和通过该间隙热传递速率之间的关系。例如，当缸套和套筒的配合公差较大时，来自活塞表面的热传递通过油膜被制止了。这种热传递是会导致套筒的热膨胀使间隙减少，而这种现象直到油膜的热耗散率和热量确定套筒直径之间达到热平衡为止。

此外，取消气缸头意味着昂贵的耗热部件的消除。对于因具有庞大凹型腔式缸头造成气冷困难部件消除这一点来说，注意一下由布里斯托尔航空公司（Bristol    Aeroplane    Company）为解决空气冷却缸头而制造出的很昂贵的冷却铜材缸头是有意义。

将对置的活塞结构件作为图1和图2所示发动机的滑阀，不仅有可能克服滑阀发动机的显著缺点，而且对对置活塞发动机来说，又多了滑阀发动机的重要的众所周知的优点，尤其是机械效率和燃烧相对于现有的对置活塞发动机有显著的改善，功率重量比有显著的提高。因此，在某些关链性的应用方面，对置活塞发动机那种令人讨厌的外形结构上的缺点就能克服，使其结构紧凑又能获得给定的输出功率。

能有选择地改变每个套筒和相关连的活塞之间的正时关系是使得有效压缩比、膨胀比、正时时间和燃烧室工作容积在较宽的范围内无限制的改变成为可能。这些改变不仅可以从一个循环变为另一个循环，而且还可以在每个循环内的变动促使控制系统能按发动机负荷的需要敏感地变化。这种适应性对二冲程发动机的运行是特别有利的，它与大多数常规发动机选是折衷定时调节是相反的。该发动机能够通过一种简单的传动机构与可变的负荷力矩相匹配工作。这种通过连续改变力矩传动机构实现有效负荷最佳匹配可以由发动机应用本身所取代。将发动机的进排气阀26和27彼此分开的措施具有进一步的优点，其中之一就是在有效压缩比和/或膨胀比变化时实际上没有回窜流动。这对具有常规气阀的对置活塞发动机或是提升阀发动机都是不可能的。

根据本发明的改变气阀配气正时的技术解决方案是得提供一种多用途涡轮增压的二冲程发动机成为可能。常规的二冲程发动机一般来说是不适于采用增压器的，涡轮增压器就更少了。即使可以配装涡轮增压器，也不可能靠它为发动机起动时提供足够的进气量。因此，为克服这些不足一直要求有一种单独的机械增压器。

在人们试图找到一种配有涡轮增压器的二冲程发动机情况下，一直要求有一种适于起动要求的外部分开的机械压气机。

与此相反，本发明的发动机能使二冲程发动机在整个运行状态的范围内采用涡轮增压器成为可能，并且取消了外部分开的机械压气机。例如，当要求重新热起动时，提早打开排气口利用缸内剩余气体的压力和/或热能和/或动能来驱动涡轮增压器以利于再循环。对于平时起动，尤其是冷天气的起动，可以调节进排气阀的配气正时来提高压缩比，起动之后再降低。在满负荷状态下，改变进排气阀的配气正时来克服发动机的进气特性和涡轮增压器输出特性之间的内在的不相容性是可能的，一般来说，能使发动机的主要性能相协调。

改变燃烧室工作容积使得发动机在具有高热效率的测功器指示的平均有效压力下运行较长的时间。换句话说，发动机的输出主要不是通过改进其容积来控制的，而是改进测功器指示的远离有效状态的平均有效压力来控制的。

将会注意到的是，上述的布置能在每个缸内产生接近最理想的第一级和第二级动力平衡。相反，正如上面所提到的那样，壬企图改变压缩比方面改变生塞之间相关系的现有技术方案降低了这种高的动力平衡程度。

图3表明图2所示的仅运行方式作了改进的发动机。因为发动机108的运行方式与图2基本相同，所以对其不同之处作一下介绍。

图3中的机体9的改进部分限于有孔112和114的燃烧室头部110，其中孔内装有一个以116所示的喷射器或火花塞和一个提升阀118。该提升阀处于打开传置，它可以采取许多现有结构中的任何一种形式。另外，提升阀118的驱动机构未加以说明，可根据一般的标准不用调节。另一方面，为使其能配气正时，该提升阀最好是可调节的，例如在英国专利说明书2，109，858中所介绍的装置可供给出这种调节。此外，可以用本发明中所述的采用滑阀10的调节机构与提升阀的驱动机构相适应。因此，轴74可以通过齿轮传动链或齿轮带与装有能置换提升阀的克服弹簧偏压的凸轮轴相连接。调节斜齿轮71可以改变提升阀的相位。

图1和图2所述发动机采用的其它改型和优点可以用在发动机108上。

虽然本发明是参照内燃机作出的叙述，但本发明的有关原理同样对其他形式的往复机是可采用的，例如泵或者压缩机。

Claims (15)

1、一种往复机，它包括能限定至少一个活塞能在其中作往复运动的工作室机构，与所述活塞或多个活塞相关连并能使往复运动转换成旋转运动或反之亦然的转换机构，适合工作室换气用的进排气口以及进排气口和活塞所对应的各自的气阀机构，其中所述的进排气口配置在或接近工作室的各自的端部，在转换机构和气阀机构的位移之间配置有可调节配气正时关系和进而调节各自的气阀机构之间配气正时关系的机构。

2、一种根据权利要求1所述的往复机，其中进排气口的气阀机构由各自的驱动机构驱动，该驱动机构包括一个斜齿轮传动链，所述的调节机构包括通过齿轮传动链改变相位角的机构。

3、一种根据权利要求2所述的往复机，其中所述的每个气阀机构的齿轮传动链包括装在每个活塞的转换机构上和气阀机构的驱动轴上的各自的斜齿轮，插入的斜齿轮机构与所述的斜齿轮啮合，所述的齿轮机构与所述斜齿轮平行呈线性运动。

4、一种根据权利要求1或2或3所述的往复机，其中所述的进气口的联接要接受来自增压机构的气体。

5、一种根据权利要求4所述的往复机，其中所述的增压机构由所述排气口排出的废气驱动且有涡轮增压器。

6、一种根据权利要求1至5中任何一项所述的往复机，其中至少一个气阀机构为一个滑阀。

7、一种根据权利要求6所述的往复机，它包括一对在工作室内往复运动的对置的活塞，气阀机构有二个相对活塞往复运动的分开的滑阀。

8、一种根据权利要求7所述的往复机，其中所述的分开的滑阀相对各自所述的活塞往复运动。

9、一种根据权利要求7或8所述的往复机，还包括二个活塞各自的转换机构，其中滑阀通过由各自的转换机构的分开的驱动机构往复运动。

10、一种根据权利要求1所述的往复机，其中所述的转换机构直接通过内齿轮传动带驱动联接。

11、一种根据上述权利要求中任何一项所述的往复机，其中转换机构包括一个或多个曲轴。

12、一种根据权利要求7或从属于权利要求7的任何一项权利要求所述的往复机，其中滑阀可布置成沿纵向和周向往复运动。

13、一种根据权利要求12所述的往复机，其中每个滑阀的周向往复运动的冲程至少为纵向往复运动冲程的20%。

14、一种根据上述权利要求中任何一项所述的往复机，还包括在所述工作室中工作的点火装置使该往复机成一种发动机。

15、一种根据权利要求14所述的往复机为二冲程发动机。

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