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CN104641075B - 活塞装置以及内燃机 - Google Patents

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CN104641075B
CN104641075B CN201380033846.9A CN201380033846A CN104641075B CN 104641075 B CN104641075 B CN 104641075B CN 201380033846 A CN201380033846 A CN 201380033846A CN 104641075 B CN104641075 B CN 104641075B
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Abstract

一种活塞装置包括：活塞、第一腔室、第二腔室和动力传递组合件；其中所述活塞包括在所述第一腔室内可移动的第一活塞头以及在所述第二腔室内可移动的第二活塞头；其中，在操作中，所述活塞在沿着第一轴线往复运动时遵循线性路径；其中所述动力传递组合件包括轴杆，所述轴杆可旋转地耦合到往复式轴承上并且经布置以将所述活塞的所述往复运动转换成所述轴杆的旋转运动；其中所述往复式轴承在沿着基本上垂直于所述第一轴线的第二轴线往复运动时相对于所述活塞移动；以及其中所述往复式轴承经由非平面轴承面耦合到所述活塞上，由此允许所述往复式轴承的旋转。

Description

活塞装置以及内燃机
技术领域
本发明涉及一种活塞装置并且涉及一种内燃机。
背景技术
以二冲程循环或四冲程循环操作的常规内燃机通常使用曲轴和连杆装置，以将活塞的线性运动转换成输出轴处旋转运动。由于曲轴和连杆的几何结构，最大活塞加速度通常在活塞处于上止点(TDC)处时发生，在该上止点处的活塞加速度显著大于下止点(BDC)处的活塞加速度。
TDC处的高活塞加速度对发动机性能造成若干问题。例如，在火花点火式发动机中，由增加的TDC活塞加速度引起的减少的TDC停留时间(在TDC处或在TDC附近花费的时间)会增加所需的点火提前，由此特别是在在高发动机转速下降低效率。在压燃式发动机中，减少的TDC停留时间会减小由燃料的燃烧速度限制的发动机转速极限。当设计发动机平衡系统时，在TDC和BDC处的活塞加速度的差还需要折衷，使得发动机不会太好地垂直平衡。另外，在TDC处经受的高最大加速度力会对发动机组件造成巨大应力，因而增加发动机的设计要求以及重量，并且减少连杆和活塞的寿命。与TDC处的高加速度以及增加的组件负载相关联的问题并不局限于内燃机，而是通常适用于用于将往复线性运动转换成旋转运动或反之亦然的任何活塞装置，例如，泵。
已知将不同燃烧室应用到输出轴耦合机构的以减小最大活塞加速度并且增加TDC停留时间的若干替代的发动机装置。例如，帕塔肯格雷科(Pattakon Greco)发动机、伯克(Bourke)发动机、瑞沃特克(Revetec)发动机和汪克尔(Wankel)发动机都使用不同的机械耦合解决方案来解决上述问题。然而，这些替代耦合装置中的每一者具有若干缺点。例如，帕塔肯格雷科、伯克和瑞沃特克发动机都经由线接触片将驱动力从活塞传输到输出轴，从而引起高压力集中度以及增加的磨损率。帕塔肯格雷科、瑞沃特克和汪克尔发动机还需要复杂的高精度凸轮形状的机械加工，这制造起来困难且昂贵。
除了上述问题以外，常规的二冲程发动机还具有与曲轴和连杆组合件的润滑有关的问题。曲轴和连杆组合件通常容纳在形成部分吸气系统的曲轴箱中。润滑系统作为全损耗系统操作，其中润滑油被连续地注入到曲轴箱中并且被允许进入燃烧气缸中并且由此离开发动机。这种全损耗润滑系统由于需要不断替换润滑油而运行起来比较昂贵并且由于润滑油存在于废气中而对环境造成损害。将曲轴箱用作增压或吸气室还限制了发动机设计者将吸气室的体积和形状优化到发动机的最大性能和效率的能力。
发明内容
本发明的第一方面提供一种活塞装置，其包括：活塞、第一腔室、第二腔室以及动力传递组合件；其中所述活塞包括在第一腔室内可移动的第一活塞头以及在第二腔室内可移动的第二活塞头；其中，在操作中，活塞在沿着第一轴线往复运动时遵循线性路径；其中所述动力传递组合件包括轴杆，所述轴杆可旋转地耦合到往复式轴承上并且经布置以将活塞的往复运动转换成轴杆的旋转运动；其中往复式轴承在沿着基本上横向于第一轴线的第二轴线往复运动时相对于活塞移动；以及其中往复式轴承经由非平面轴承面而耦合到活塞上，由此允许往复式轴承的旋转。
活塞装置通常可以应用于需要将往复线性运动转换成旋转运动或反之亦然的任何发动机或泵或任何其他机械装置。
往复式轴承被定义为抵靠着另一组件且沿着往复运动时的移动路径相对于其所抵靠的组件移动的组件。移动路径可以基本上是线性的。
通过经由往复式轴承(相较于常规的曲轴和连杆装置)将轴杆连接到活塞上，动力传递组合件允许活塞运动的更好控制以及减小的加速度峰值。例如，TDC活塞加速度可以减小且TDC停留时间可以增加。减小TDC活塞加速度会降低传递组合件的最大负载，并且因此磨损率减小且动力传递组合件的重量可以被最小化。当本发明应用于内燃机时，增加TDC停留时间会提高燃烧效率并且允许用于火花点火式发动机的点火提前的减小或用于压燃式发动机的最大发动机转速的增加。减小或消除TDC加速度与BDC加速度之间的差还使平衡系统能够成为优化孔，由此有效地顶部控制TDC和BDC处的振动。
非平面轴承面可以经布置以允许往复式轴承围绕第二轴线和/或围绕第三轴线旋转，所述第三轴线基本上垂直于第一和第二轴线。
通过允许往复式轴承围绕第二轴线旋转，往复式轴承可以在动力传递组合件中的任何组件略微未对准的情况下与活塞维持良好接触。活塞装置因此更好地能够承受由于组件的制造误差和/或不均匀磨损造成的组件的未对准。活塞装置也更不易受磨损的影响。允许往复式轴承围绕第二轴线旋转的轴承面的曲率可以具有延伸穿过至少1°、或至少2°、或至少5°、或至少10°、或至少15°、或至少20°的角度的弧。弯曲的轴承面可以围绕整个往复式轴承延伸至多360°。当然，在发动机的操作期间，往复式轴承围绕第二轴线的旋转程度受动力传递组合件中的其他组件限制。
通过围绕第三轴线旋转往复式轴承，活塞移位可以受到控制。例如，围绕TDC的活塞加速度可以进一步减小，由此降低最大负载并且进一步增加TDC停留时间。允许往复式轴承围绕第三轴线旋转的轴承面的曲率可以具有延伸穿过至少1°、或至少2°、或至少5°、或至少10°、或至少15°、或至少20°的角度的弧。当然，在发动机的操作期间，往复式轴承围绕第三轴线的旋转度数受动力传递组合件中的其他组件限制。
往复式轴承可以包括一个或多个凸起的轴承面。
活塞可以包括与往复式轴承的一个或多个凸起的轴承面相对应的一个或多个凹入的轴承面。活塞的凹入的轴承面可以设置于活塞本身的主体中。或者，活塞的轴承面可以经由附接到活塞上的中间组件提供。
当在第二轴线的方向上和/或在第三轴线的方向上观察时，活塞与往复式轴承之间的界面可以呈圆形或部分圆形。例如，所述界面可以包含一个或多个圆的一个或多个弧。
活塞与往复式轴承之间的界面可以是圆柱形的或部分圆柱形的，使得往复式轴承可以在发动机的使用期间围绕单个轴线旋转。或者，所述界面可以是球形的或部分球形的，使得允许围绕两个不同的垂直轴线的旋转。
活塞可以包括在基本上平行于第二轴线的方向上延伸穿过其厚度的孔，并且往复式轴承可以接纳在所述孔中。所述孔可以是圆形的或基本上圆形的。或者，活塞可以包括在基本上平行于第二轴线的方向上延伸穿过其厚度的狭槽，并且往复式轴承可以接纳在所述狭槽中。所述狭槽可以包含在第二轴线的方向上延伸的一个或多个壁，所述壁是部分圆柱形的或部分球形的并且与往复式轴承接合，从而允许往复式轴承围绕一个或多个轴线旋转。
往复式轴承可以是基本上圆柱形的或部分圆柱形的并且具有平行于第二轴线的纵轴线。往复式轴承通常可以采用具有用于将往复式轴承耦合到活塞上的圆柱形或部分圆柱形或球形或部分球形的轴承面的任何形状。
活塞和/或往复式轴承的至少一个轴承表面可以包括形成于其中的一个或多个凹槽。所述凹槽可以基本上是直线的、弯曲的、V形或采用任何其他合适的形式。所述凹槽可以有助于流体动力润滑，从而改进往复式轴承与活塞之间的润滑剂的分布并且减小轴承面处的滑动摩擦和磨损。
润滑剂(例如，机油)可以被供应到往复式轴承与活塞之间的界面上。润滑剂例如可以经由穿过活塞装置的润滑剂管线被直接供应到轴承面上和/或经由喷雾器从外部供应。可以使用任何其他已知的发动机润滑系统。
轴杆可以在轴杆的偏心部分处可旋转地耦合到往复式轴承上。偏心部分可以例如包括曲轴的曲柄销或凸轮轴的凸轮凸角。偏心部分可以接纳在往复式轴承的孔中并且可以通过圆形轴承(例如，平面轴承或辊元件轴承)与往复式轴承接触。活塞可以经由往复式轴承向偏心部分施加力，由此在轴杆处产生扭矩，和/或响应于在轴杆处施加的扭矩，偏心部分可以经由往复式轴承将力传输到活塞。
第二活塞头可以与第一活塞头具有相同或不同的外径。第一和第二气缸因此可以在尺寸上单独地进行优化。
第二活塞头可以与第一活塞头刚性地保持固定关系。例如，第二活塞头可以与第一活塞头一体地形成。或者，第一和第二活塞头可以形成为离散组件并且附接在一起。第一和第二活塞头可以通过一个或多个连接元件或臂而接合。连接元件可以包含狭槽和/或被间隔开以接纳轴杆和/或往复式轴承。
第一活塞头和第二活塞头可以在相反方向上彼此相背。
第一活塞头和第二活塞头可以都居中于第一轴线上并且各自可以沿着第一轴线以往复运动来移动。
往复式轴承可以直接地或间接地与活塞接合。例如，往复式轴承可以与第一和/或第二活塞活塞头的背面滑动接触。或者，往复式轴承可以经由一个或多个中间组件(例如，一个或多个轴承元件或辊子)耦合到活塞上。
除了第一和/或第二活塞头以外，第一腔室和/或第二腔室可以包括可移动壁。
本发明的第二方面提供一种包括第一方面的活塞装置的内燃机。第一腔室可以是燃烧室。发动机可以使用燃料注入，例如，直接注入或端口注入，或者可以使用汽化器。内燃机可以包括一个或多个布置在任何已知方向上的活塞装置，例如，以“串联”或“V形”布置。
内燃机可以是二冲程发动机或四冲程发动机。发动机可以是火花点火式发动机或压燃式发动机。
第二腔室可以是经布置以将进气供应到燃烧室的增压室。或者，第二腔室可以是第二燃烧室。
内燃机可以包括在增压室与燃烧室之间延伸的传递端口。传递端口可以在燃烧室处具有出口，所述燃烧室通过第一活塞头的往复运动打开和闭合。
内燃机可以包括安装到第一腔室的气缸壁上的油封。油封可以在传递端口的与燃烧室相对的侧面上安装到气缸壁上。第一活塞头可以包括伸出的活塞裙，所述活塞裙在活塞的往复移动期间保持与油封连续接触。
第一活塞头替代地可以包括安装到伸出的活塞裙上的油封，所述活塞裙与圆柱形端口下方的气缸壁保持连续接触。
内燃机可以包括安装到第一活塞头上的气体密封件。气体密封件可以经定位，使得其在发动机的操作期间穿过传递端口的出口。
第二气缸中的增压活塞头可不需要伸出的活塞裙，并且可以包含安装到第二活塞头上的油封，所述第二活塞头维持与第二气缸的孔的基本上不间断部分的接触。或者，第二气缸可以是装有汽门的增压气缸，并且第二活塞头可以覆盖和揭开端口以充当进气定时阀。在这种情况下，第二活塞头也可以具有伸出的活塞裙。
动力传递组合件可以容纳在位于第一腔室与第二腔室之间的中间腔室内。中间腔室可以经密封以基本上防止流体通过第一和/或第二活塞头而进入或离开第一和/或第二腔室。
通过将动力传递机构在中间腔室中定位于工作活塞头轴杆之间并且从单独的增压室将进气供应到燃烧室，本发明消除了使用全损耗润滑系统对活塞与轴杆之间的耦合提供润滑的需要。运行发动机的成本因此可以减少，因为不必不断替换与废气一起被传递出发动机的润滑油。发动机还可以更环保，因为油未与废气一起传递出发动机。另外，发动机可以不易磨损，因为活塞与轴杆之间的机械耦合可以被更有效地润滑。
附图说明
现将参照附图描述本发明的实施例，在附图中：
图1示出根据本发明的实施例的发动机；
图2至图4示出用于图1的发动机的活塞装置；
图5示出图1的发动机的截面图；
图6a至6d示出在操作循环中处于不同点位处的图1的发动机的示意图；
图7示出用于若干不同活塞装置的活塞高度对输出轴角度的曲线图；
图8示出在本发明的替代实施例中用于发动机的活塞装置；
图9和10示出根据本发明的替代实施例的发动机，以及
图11示出根据本发明的另一替代实施例的发动机。
具体实施方式
图1示出根据本发明的一个实施例的单气缸火花点火式二冲程发动机1。以一个可能的朝向来示出和描述发动机，然而，设想发动机可以以任何角度操作，并且因此应相应地解释术语“上部”、“下部”以及“底部”等。发动机1包含壳体2(在图1中以部分剖切的方式示出)和活塞3，所述活塞在沿着其轴线3'的方向往复运动时在壳体2内是可移动的。发动机具有耦合到活塞上的线性到旋转动力传递机构，其包含往复式轴承4和凸轮轴5。在图2至图5中更详细地示出动力传递机构。
壳体2包含第一孔6以及部分界定工作缸或燃烧室8的上壁7。壳体2还包含第二孔9以及部分界定增压缸或增压室11的底壁10。中间腔室12界定在燃烧室8与增压室11之间。上壁7具有带螺纹的孔，火花塞40安装在所述带螺纹的孔中。底壁10向内弯曲到增压室11中。
燃烧室8通过传递端口15连接到增压室11上，所述传递端口具有在增压室处的入口16以及在燃烧室处的出口17。燃烧室8还具有连接到排气管道22上的排气口21，如图6a至6d中示出。增压室11具有连接到进气管道19上的进气口18，包含大致居中地位于其底壁10中的单向阀20，如图6a至6d的示意图中示出。
活塞3包含第一活塞头或工作活塞头23，所述第一活塞头或工作活塞头在第一孔6内是可移动的并且具有形成燃烧室8的下部边界的工作面24。工作活塞头23具有远离工作面24延伸的伸出的活塞裙。油封14安装到充分远离工作面24的活塞裙上，使得其在活塞3的往复运动期间不会通过进气口17和排气口21。或者，静态油封可以安装到燃烧室8的壁上，并且在活塞3的往复运动期间工作活塞头23的裙部可以维持与油封连续接触。工作活塞头具有安装在形成于其圆柱形外表面中的凹槽中的气体密封环26，所述气体密封环在工作活塞头与第一孔6之间提供气密密封。
活塞3还包含第二活塞头或增压活塞头27，所述第二活塞头或增压活塞头在第二孔9内是可移动的并且具有形成增压室11的可移动上部边界的工作面28。增压活塞头27具有安装在形成于其圆柱形外表面中的凹槽中的气体密封环31和第二油封环32，所述气体密封环和所述第二油封环在增压活塞头与第二孔9之间提供气密密封和防油密封。
活塞3进一步包含圆形孔30，所述圆形孔延伸穿过其区域并且具有基本上垂直于活塞轴线3'的轴线30'(第二轴线)。活塞3进一步包含狭槽38，所述狭槽在基本上垂直于活塞轴线3'以及第二轴线30'的方向上延伸穿过其区域。增压活塞头27通过四个连接元件29连接到工作活塞头23上，所述四个连接元件一起界定孔30和狭槽38。
往复式轴承4接纳在孔30内并且具有第一和第二部分圆柱形的轴承面33，所述轴承面与活塞3的孔接合。轴承面33配备有凹进的凹槽45a或45b(在图8中示出)，用于协助流体动力润滑。往复式轴承包含孔34，所述孔延伸穿过其厚度并且在垂直于活塞轴线3'以及第二轴线30'的方向上具有轴线(第三轴线)。
如图2至图4中最佳地示出，输出轴5具有主轴部分35和偏心部分36。主轴部分35可旋转地安装到壳体2中的轴承(未示出)上并且穿过活塞3的狭槽38。当在第三轴线的方向上观察时，偏心部分36呈圆形。在图1至图4中示出的实施例中，偏心部分36是实心的，但在替代实施例中，偏心部分可以包含挖空部分以减小重量。偏心部分36可旋转地安装在往复式轴承4的孔34中。
活塞3在上止点位置(TDC)(如图6c中示出)与下止点位置(BDC)(如图6a中示出)之间、在其轴线3'的方向上往复运动时相对于壳体2可移动。TDC和BDC是指在操作循环和应用期间活塞的特定位置，而不管发动机的朝向如何。当活塞3在TDC处时，工作活塞头23的工作面24处于其与上壁7最接近的位置，使得燃烧室8的体积处于其最小值，且增压活塞头27的工作面28处于其距离底壁10最远的位置，使得增压室11的体积处于其最大值。当活塞3处于BDC处时，工作活塞头23的工作面24处于其距离上壁7最远的位置，使得燃烧室8的体积处于其最大值，且增压活塞头27的工作面28处于其最接近底壁10的位置，使得增压室11的体积处于其最小值。
由于活塞3在TDC与BDC之间往复运动时沿着其轴线3'移动，因此往复式轴承4的部分圆柱形轴承面33保持与活塞3的孔30滑动接触，并且往复式轴承4在活塞轴线的方向上与活塞一起移动。另外，偏心部分36造成往复式轴承4沿着基本上与往复运动时的第二轴线30'对准的移动路径相对于活塞移动。往复式轴承4大致遵循围绕轴杆5的中心线的圆形路径39，并且与旋转的偏心部分36的中心点一起移动，如图3中所指示。往复式轴承4和活塞3相对于输出轴5的旋转角度在活塞轴线3'的方向上遵循简单的谐波运动，如图7中所指示。
线性到旋转动力传递机构(包含活塞3的孔30、往复式轴承4和输出轴5)位于中间腔室12内。中间腔室12并不形成发动机1的进气系统的一部分并且基本上通过气体密封环26、31和油封环14、32密封，以隔绝燃烧室8和增压室11。
发动机具有润滑系统，所述润滑系统润滑中间腔室内的动力传递机构。一部分润滑系统在沿着输出轴5的中心线截取的图5的截面图中示出。润滑系统包含穿过主轴部分35的供油管线50，所述主轴部分连接到径向向外穿过偏心部分36的给油管线51上。给油管线在偏心部分36的外径向表面处具有出口，通过所述出口供应润滑油以润滑偏心部分与往复式轴承4的孔34之间的界面。往复式轴承4具有在部分圆柱形的轴承面33中的至少一个与孔表面34之间延伸的至少一个油传递端口52，通过所述油传递端口供应润滑油以润滑轴承面33与活塞3的孔30之间的界面。油传递端口52在凹槽45a或45b处具有出口，如图8中示出。润滑系统是干油盘的且包含连接到中间腔室上的废油罐(未示出)。润滑系统还可以包含壁装式油喷雾器(未示出)，所述油喷雾器朝向动力传递机构喷射润滑油。
发动机1包含平衡系统(未示出)以消减由于在TDC和BDC处的活塞加速度引起的振动。平衡系统在中间腔室12外部位于在飞轮处或邻近飞轮。在替代实施例中，平衡系统可以位于中间腔室12内部。
从BDC开始，发动机如下操作：
a)随着活塞从BDC移动到TDC(图6a至图6c)，增压活塞头27的工作面28远离增压室11的底壁10移动，由此增加增压室的体积。增压室11体积的增加导致压力减小，这使得单向阀20打开并且从进气管道19将进气吸入增压缸中。进气包含进入的空气和燃料，所述燃料通过增压缸11上游的汽化器或节流阀体以及燃料喷射器(未示出)与进入的空气混合，以形成燃料/空气混合物。在活塞离开BDC之后不久，工作活塞头23的圆柱形外表面覆盖传递端口15的出口17，从而基本上防止气体通过传递端口15从增压室11移动到燃烧室8中。
b)随着活塞到达TDC(图6c)并且开始朝向BDC移动，增压活塞头27的工作面28朝向增压室11的底壁10移动，由此减小增压室的体积并且压缩进气。单向阀20闭合以基本上防止进气从增压室11流回到进气管道19中。
c)在活塞3到达BDC之前不久，工作活塞头23的活塞裙揭开传递端口15的出口17和排气口21。由于燃烧室8与增压室11之间的压差，因此进气流过传递端口15从增压室11进入到燃烧室中。活塞随后到达BDC(图6a)并且开始朝向TDC往回移动。
d)在活塞3离开BDC之后不久，工作活塞头23的活塞裙覆盖传递端口15的出口17和排气口21。随着活塞从BDC移动到TDC(图6a至图6c)，工作活塞头23的工作面24朝向燃烧室8的上壁7移动，由此压缩进气。
e)随着活塞接近TDC，火花塞40产生点燃进气的燃料/空气混合物的火花。进气随后在燃烧室内燃烧，从而引起压力增加。由于燃烧引起的增加的压力向工作活塞头23的工作表面24施加燃烧力，从而在动力冲程中迫使活塞朝向BDC向后移动，如图6c、6d和6a中示出。燃烧力从工作活塞头23传输通过背面，并且通过上部轴承面33传输到往复式轴承4中且因此传输到偏心部分36中，由此向输出轴5施加扭矩，使得活塞3的往复运动转换成输出轴的旋转运动。
f)随着活塞接近BDC，工作活塞头23的活塞裙揭开传递端口15的出口17和排气口21。经燃烧的气体或废气通过排气口21被排出燃烧室8进入到排气管道22中。已在动力冲程期间被压缩在增压室11中的新鲜进气随后通过传递端口15被吸入到燃烧室8中，从而取代废气。
本发明的往复式轴承和输出轴动力传递组合件提供一种比标准二冲程发动机的曲轴和连杆装置更紧凑、更稳固且更轻的线性到旋转运动耦合。本发明因此允许强度增加以及发动机的尺寸和重量减小，使得功率密度和可靠性被最大化。
图7示出常规发动机(具有曲轴和连杆耦合装置)和图1至图6中示出的发动机1的活塞高度对输出轴角度的曲线图。通过关于输出轴5a、5b的旋转角度以简单谐波运动相对于壳体2移动活塞3，与常规的曲轴和连杆驱动的发动机相比，所述发动机允许TDC停留时间增加以及TDC活塞加速度减小。
通过增加TDC停留时间，燃烧效率增加，例如，允许在燃烧室中发生更完全的燃料燃烧，使得燃料消耗减少并且未经燃烧的碳氢化合物的排放减少。另外，点火提前可以减少并且可以允许发动机以更高发动机转速运行。
通过减小TDC活塞加速度，发动机1在TDC处经历减少的活塞加速度峰值，并且因此经历减小的组件负载。因此设计要求减少，使得发动机的重量可以被最小化。减小组件负载还会降低磨损率并且降低早期组件故障的概率，使得发动机更可靠且具有减少的维护要求和维修成本。
以简单谐波运动移动活塞3还消除在TDC和BDC处的活塞加速度差，使得在TDC和BDC处的平衡要求均衡。以此方式，平衡系统可以提供用于发动机1，所述平衡系统使在TDC和BDC处的活塞加速度平衡，而不必在TDC和BDC处的平衡的不同加速度之间妥协。
通过用往复式轴承装置取代标准二冲程发动机的连杆，本发明消除了通常传递到常规二冲程发动机中的活塞上的活塞侧向负载。通过减小或消除活塞侧向负载，本发明降低发动机的摩擦损耗，使得效率增加并且降低活塞和气缸侧壁的磨损率，从而使可靠性提高且维护成本最小化。
由于与进气系统相隔离地对中间腔室12中的动力传递机构的润滑，因此发动机并不需要如操作用于常规的二冲程发动机的全损耗润滑系统。运行发动机1的成本因此减少，因为不必不断替换与废气一起被传递出发动机的润滑油。发动机1还可以更环保，因为油未与废气一起被传递出发动机。含四冲程类型的润滑系统还允许比常规二冲程发动机更有效的润滑，使得磨损率降低且可靠性增加，由此降低发动机的维护成本。
通过使用专用增压室11来将进气供应到燃烧室8，进气系统的尺寸不受动力传递机构的几何结构限制。增压室11的体积和形状因此可以自由地优化以将发动机性能最大化和/或将燃料消耗最小化和/或增加发动机转速的范围，发动机在所述范围内传递可接受性能。增压缸11可以与燃烧室8具有相同或不同孔直径。
增压室11提供比常规二冲程发动机的曲轴箱/进气腔室小得多又具有更高体积比的进气腔室。发动机1因此在进气输送到燃烧室之前允许进气的更大压缩，使得体积效率提高，由此提高发动机性能。
通过提供并不容纳动力传递组合件的单独的增压室，与常规二冲程发动机相比，进出增压室的进气路径被简化，而在常规二冲程发动机中，进气必须穿过曲轴、连杆和平衡块。发动机的体积效率因此提高。
通过大致居中于增压室11内地定位进气口18并且面向增压活塞头27，进气被吸入到增压室中的发动机效率被最大化，由此提高发动机的体积效率。由于上述增压室引起的益处而提高的发动机体积效率可以显著减少发动机对气体谐波的依赖性并且因此增加发动机的可用功率带的长度。因此，在不损失性能或燃料效率的情况下，包含排气口21下游的发动机排气系统的发动机的总体尺寸和重量可以显著减小。
较大接触面积提供于活塞3与往复式轴承4之间以及往复式轴承与偏心部分36之间。通过从活塞3施加到输出轴5上的燃烧力所跨越的面积最大化，动力传递机构中的组件经受的应力集中减小。减小的应力集中允许发动机的设计要求减少，使得发动机的重量可以被最小化。尤其与经由点接触或线接触而将负载从活塞传递到轴杆的发动机相比(例如帕塔肯格雷科、伯克或瑞沃特克)，减小的应力集中还降低组件磨损率，使得发动机更可靠且维护成本最小化。
活塞3、往复式轴承4和输出轴5都是使用标准制造技术和工具来机械加工的比较简单的组件。因此，与例如用于帕塔肯格雷科发动机、瑞沃特克发动机或汪克尔发动机中的凸轮相比，发动机组件制造起来不那么困难和昂贵，而帕塔肯格雷科发动机、瑞沃特克发动机或汪克尔发动机都需要复杂形状的非常精确的机械加工。
往复式轴承4与活塞3之间的部分圆柱形界面使往复式轴承能够围绕孔30内的第二轴线30'部分地旋转。这样使得在动力传递组合件中的任何组件略微未对准的情况下，往复式轴承能够与活塞维持良好接触。因此，动力传递组合件更耐受诸如轴线未对准之类的制造误差，所述轴线包含输出轴5和/或气缸孔6和/或通过活塞的孔30和/或通过往复式轴承的孔34的轴线。这些轴线因此可以在不损害发动机的耐久性和功能的情况下被机械加工成略微偏移。
为了准许输出轴、往复式轴承和活塞的组装，输出轴和/或活塞中的至少一个可以被设置为分离组件。为了清楚起见，图1至图7未示出分离，但技术人员应了解，如上述运作的活塞组合件可以以多种不同方式组装。例如，如果输出轴的偏心部分太大而无法穿过活塞中的槽(如图1至图7中示出)，则活塞可以是围绕输出轴和往复式轴承组装的分离组件，或者轴杆可以是组装在往复式轴承和活塞内部的分离组件。或者，所述狭槽足够大，以接纳输出轴的偏心部分，由此允许对非分离活塞和非分离输出轴的组装。
在图9和10所(其中相同参考标号已用于相同组件)示出的替代实施例中，两个往复式轴承4a、4b具有非平面轴承面33'，所述轴承面允许往复式轴承围绕第三轴线(即，穿过每个往复式轴承垂直于活塞轴3'以及垂直于往复式轴承的运动方向延伸的孔的轴线)旋转。当在输出轴5的轴线的方向上观察时，往复式轴承与活塞之间的界面呈部分圆柱形。通过提供允许往复式轴承围绕第三轴线旋转的非平面轴承面，活塞位移可以进一步受到控制。例如，围绕TDC的活塞加速度通过往复式轴承的旋转进一步减小，由此进一步减小最大负载并且进一步增加TDC停留时间，如图7中所指示。
在图9和图10的实施例中，往复式轴承各自仅具有一个轴承面33'，所述轴承面与工作活塞头23的背面接触。在这种情况下，活塞与往复式轴承之间的正面接触可以通过燃烧室中的正压以及轴杆的偏心部分的动作的组合来维持。在一些实施例中，往复式轴承可以通过互锁接合构件(例如，工作活塞头23中的对应凹口内的“T”形或“L”形突起部)耦合到工作活塞头上。在往复式轴承随着活塞3经过TDC而开始断开与工作活塞头23的背面的接触之前，互锁接合构件可以增加通过发动机可实现的最大发动机转速。在其他实施例中，往复式轴承可以包含在其下边缘处的第二弯曲轴承面，所述下边缘与也允许上述旋转的下部活塞活塞头27的背面上的对应轴承面接合。
在图9和图10的实施例中，动力传递组合件包含安装到偏心部分36上的共用输出轴5上的第一和第二往复式轴承4a和4b。第一和第二往复式轴承位于将工作活塞头23接合到增压活塞头27上的两个连接元件29的任一侧上。连接元件由接纳轴杆的狭槽间隔开。在替代实施例中，发动机可以仅具有适用于围绕第三轴线旋转的单个往复式轴承。
在图11中示出的另一替代实施例中，两个往复式轴承可以彼此异相地操作。图11的实施例类似于图9和图10中示出的实施例，除了两个往复式轴承4a和4b分别安装在同心的反向旋转的轴杆35a和35b上，每个轴杆具有偏心部分36a、36b，以与其相应的往复式轴承接合。通过彼此180度异相地操作第一和第二往复式轴承4a、4b，每个往复式轴承在横向方向上的往复运动通过另一往复式轴承的移动来平衡。因此，发动机基本上横向地自平衡且发动机振动减小。
在替代实施例中，往复式轴承可以具有一个或多个部分球形的轴承面，所述轴承面允许围绕与往复式轴承相对于活塞的运动方向平行的轴线以及垂直于活塞轴线且垂直于往复式轴承相对于活塞的移动方向的轴线旋转。这样提供以下组合优势：提高组件的未对准和磨损容限，以及此外增加TDC停留时间。
尽管上文已参考一个或多个优选实施例描述本发明，但是应了解，在不脱离如所附权利要求书界定的本发明的范围的情况下可以做出各种改变或修改。以上任何实施例的特征中的一者或多者可以与任何其他实施例的特征中的一个或多个相结合。

Claims (29)

1.一种活塞装置，所述活塞装置包括：活塞、第一腔室、第二腔室和动力传递组合件；其中所述活塞包括在所述第一腔室内可移动的第一活塞头以及在所述第二腔室内可移动的第二活塞头；其中，在操作中，所述活塞在沿着第一轴线往复运动时遵循线性路径；其中所述动力传递组合件包括轴杆，所述轴杆可旋转地耦合到往复式轴承上并且经布置以将所述活塞的所述往复运动转换成所述轴杆的旋转运动；其中所述往复式轴承在沿着基本上垂直于所述第一轴线的第二轴线往复运动时相对于所述活塞移动；以及其中所述往复式轴承经由非平面轴承面耦合到所述活塞上，由此允许所述往复式轴承的旋转。
2.根据权利要求1所述的活塞装置，其特征在于，所述非平面轴承面经布置以允许所述往复式轴承围绕所述第二轴线和/或围绕第三轴线旋转，所述第三轴线基本上垂直于所述第一和第二轴线。
3.根据权利要求1或2所述的活塞装置，其特征在于，所述往复式轴承包括一个或多个凸起的轴承面。
4.根据权利要求3所述的活塞装置，其特征在于，所述活塞包括与所述往复式轴承的所述一个或多个凸起的轴承面相对应的一个或多个凹入的轴承面。
5.根据权利要求1或2所述的活塞装置，其特征在于，当在所述第二轴线的方向上观察时，所述活塞与所述往复式轴承之间的界面呈圆形或部分圆形。
6.根据权利要求1或2所述的活塞装置，其特征在于，所述活塞与所述往复式轴承之间的界面为圆柱形或部分圆柱形或球形或部分球形。
7.根据权利要求1或2所述的活塞装置，其特征在于，所述活塞包括在基本上平行于所述第二轴线的方向上延伸穿过其厚度的孔，并且其中所述往复式轴承接纳在所述孔中。
8.根据权利要求1或2所述的活塞装置，其特征在于，所述活塞包括在基本上平行于所述第二轴线的方向上延伸穿过其厚度的狭槽，并且其中所述往复式轴承接纳在所述狭槽中。
9.根据权利要求1或2所述的活塞装置，其特征在于，所述往复式轴承基本上为圆柱形或部分圆柱形，并且具有平行于所述第二轴线的纵轴线。
10.根据权利要求1或2所述的活塞装置，其特征在于，所述活塞和/或往复式轴承的至少一个轴承面包括形成于所述轴承面中的一个或多个凹槽。
11.根据权利要求1或2所述的活塞装置，其特征在于，所述轴杆在所述轴杆的偏心部分处可旋转地耦合到所述往复式轴承上。
12.根据权利要求1或2所述的活塞装置，其特征在于，所述第二活塞头具有与所述第一活塞头相同或不同的外径。
13.根据权利要求1或2所述的活塞装置，其特征在于，所述第二活塞头与所述第一活塞头刚性地保持固定关系。
14.根据权利要求1或2所述的活塞装置，其特征在于，所述第二活塞头与所述第一活塞头一体地形成。
15.根据权利要求1或2所述的活塞装置，其特征在于，所述第一活塞头和所述第二活塞头在相反方向上彼此相背。
16.根据权利要求1或2所述的活塞装置，其特征在于，所述第一活塞头和所述第二活塞头都居中于所述第一轴线上，并且各自沿着所述第一轴线以往复运动来移动。
17.根据权利要求1或2所述的活塞装置，其特征在于，所述往复式轴承直接地或间接地与所述活塞接合。
18.根据权利要求1或2所述的活塞装置，其特征在于，所述往复式轴承接触所述第一活塞活塞头和/或所述第二活塞活塞头的背面。
19.一种内燃机，所述内燃机包括根据任一前述权利要求所述的活塞装置，其中，第一腔室是燃烧室。
20.根据权利要求19所述的内燃机，其特征在于，所述内燃机是二冲程或四冲程发动机。
21.根据权利要求19或20所述的内燃机，其特征在于，第二腔室是经布置以将进气供应到所述燃烧室的增压室。
22.根据权利要求21所述的内燃机，其特征在于，进一步包括在所述增压室与所述燃烧室之间延伸的传递端口，其中所述传递端口在所述燃烧室处具有出口，所述出口通过所述第一活塞头的往复运动打开和闭合。
23.根据权利要求22所述的内燃机，其特征在于，进一步包括安装到所述第一腔室的气缸壁上的油封。
24.根据权利要求23所述的内燃机，其特征在于，所述油封在所述传递端口的与所述燃烧室相对的侧面上安装到所述气缸壁上。
25.根据权利要求24所述的内燃机，其特征在于，所述第一活塞头包括伸出的活塞裙，所述活塞裙在所述活塞的往复移动期间保持与所述油封连续接触。
26.根据权利要求22所述的内燃机，其特征在于，进一步包括安装到所述第一活塞头上的气体密封件。
27.根据权利要求26所述的内燃机，其特征在于，所述气体密封件经定位，使得在所述内燃机的操作期间所述气体密封件通过所述传递端口的出口。
28.根据权利要求19或20所述的内燃机，其特征在于，所述动力传递组合件容纳在位于所述第一腔室与所述第二腔室之间的中间腔室中。
29.根据权利要求28所述的内燃机，其特征在于，所述中间腔室经密封以基本上防止流体通过所述第一和/或第二活塞头而进入或离开所述第一和/或第二腔室。
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