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CN111344476A - 具有对置缸体和中央驱动轴的内燃机 - Google Patents

具有对置缸体和中央驱动轴的内燃机 Download PDF

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CN111344476A
CN111344476A CN201880072614.7A CN201880072614A CN111344476A CN 111344476 A CN111344476 A CN 111344476A CN 201880072614 A CN201880072614 A CN 201880072614A CN 111344476 A CN111344476 A CN 111344476A
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Abstract

本发明提供一种内燃机，其包括：至少一个轴向几何缸体轴线和一个轴向几何中心轴线，这两个几何轴线相互正交；第一缸体，该第一缸体与缸体轴线同轴；第二缸体，该第二缸体与缸轴线同轴且与第一缸体对置；中央体，该中央体包括与中央轴轴向对准的穿孔、第一圆柱形凹部和配置成耦接第二缸体的第二圆柱形凹部；中央驱动轴，该中央驱动轴布置于中央体的穿孔中；设置于第一缸体中的第一活塞，该第一活塞借由第一对连杆连接到中央驱动轴；以及设置于第二缸体中且与第一活塞对置的第二活塞，该第二活塞借由第二对连杆连接到中央驱动轴。

Description

具有对置缸体和中央驱动轴的内燃机
技术领域
本发明涉及内燃机，特别是涉及具有对置缸体的内燃机，每个缸体均具有活塞，其中，活塞在其操作中相对于公共基准点或基准轴线对称移动。
背景技术
对置活塞发动机称为OP发动机，是具有高能量密度的热力机械。对置活塞(OP)发动机和对置活塞对置缸(OPOC)发动机可以是活塞冲程极长的发动机。因而，获得大型应用所需的动力远比简单增加活塞的直径和冲程来获得所需的运动复杂得多。而且，增加所述直径和活塞冲程会增大电动机的尺寸和重量以及与之相关的惯性和失衡。
为了响应增加OP发动机和OPOC发动机能量密度的需求，现有技术中已经提出不同的解决方案，请参阅下文。
专利文献GB1020150描述了一种对置缸往复式内燃机，其包括：第一缸体内的第一往复活塞，该第一缸体具有第一缸盖；第二缸体内的第二往复活塞，该第二缸体与第一缸体对置且具有第二缸盖；位于两个缸盖之间且与之相邻的公共凸轮轴，该公共凸轮轴操作成控制每个缸体盖中的空气和燃料混合物入口和排气出口；以及连杆，该连杆自每个活塞延伸出来，使得每个活塞的往复运动转换成曲轴的旋转运动。该文献的共通特征构成本发明独立权利要求的前序的一部分。
此外，专利文献GB531009描述了一种每个缸体中具有至少两个对置活塞的发动机，每对活塞更靠近发动机的曲轴并借由连杆连接到曲轴，这些连杆作用于公共连杆的螺栓，一对外活塞的冲程等于或小于内活塞的冲程并由将外活塞操作性连接到发动机曲轴的机构来控制。每个缸体的燃烧室由每个缸体中两个活塞之间的空间以公知的方式形成。使得外活塞操作性连接到发动机曲轴的控制机构能够包括撑架，这些撑架连接这对外活塞并由布置于公共曲轴的曲轴相反两侧上的一对偏心轴或曲轴来操作或控制。
Ecomotors INC.公司的美国专利US8757123B2提出了一种OPOC发动机，其中的活塞与内部排气活塞和外部进气活塞对称布置或不同放置。这种布置有助于将较短的排气管布置到涡轮增压器内。此外，进气活塞可以相同，排气活塞可以相同，并且左右缸体可以相同，以减少发动机中独特零件的数目，并减轻工程设计和验证工作。然而，如图3所示的活塞构型的一点缺陷在于，平衡稍受干扰。与常规的直列发动机相比，如图3所示的发动机构型中的失衡较轻。
参阅该现有技术文献可以看出，因进行燃烧的位置而造成失衡，此外，该文献虽提及减少独特零件的数目，但发动机复杂而难以制造。而且，增加功率密度也涵盖了增加活塞的尺寸及其冲程，这将导致发动机的整体尺寸增大。
另外，Peter Hofbauer的美国专利US6170443描述了一种二冲程内燃机，该内燃机具有对置缸体，每个缸体具有一对对置活塞，并且所有活塞都连接到公共中央曲轴。每个缸体的内侧活塞经由推杆连接到曲轴，而其外侧活塞经由拉杆连接到曲轴。这种构型获得轮廓极低的紧凑型发动机，其中自由质量力能够基本上完全平衡。该发动机构型还允许通过偏心轮成独立角度定位于曲轴上而实现进气阀与排气阀的非对称正时，从而使发动机适于增压。
尽管使用Hofbauer的发动机能够获得诸多优势，但其部件数目众多，并且发动机难以制造。
同样，Walter L.Blackburn的美国专利US3000366揭示了一种对置活塞发动机，其中缸体或缸盖保持静止，但其中设有阀机构，用于与活塞组合来开闭进气孔和排气孔，使孔快速开合。以此方式，有利地实现进气孔和排气孔的迅速开合，无需使缸体或用于控制这些动件开闭的其他机构进行往复运动，从而缸体作为静止单元冷却，避免移动具有热差的缸体元件和相关构件的固有缺陷。
根据前文所述的观点，显然需要提供一种自平衡式对置活塞(OP)发动机，与同尺寸的发动机相比，其功率密度有所增高，但其中零件的复杂度降低，从而促进生产并减少成本。
发明内容
为了克服上述缺陷并解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种内燃机，其包括：至少一个轴向几何缸体轴线和一个轴向几何中心轴线，这两个几何轴线相互正交；第一缸体，该第一缸体与缸体轴线同轴；第二缸体，该第二缸体与缸轴线同轴且与第一缸体对置；中央体，该中央体包括与中央轴轴向对准的穿孔、第一圆柱形凹部和配置成耦接第二缸体的第二圆柱形凹部；中央驱动轴，该中央驱动轴布置于中央体的穿孔中；设置于第一缸体中的第一活塞，该第一活塞借由第一对连杆连接到中央驱动轴；以及设置于第二缸体中且与第一活塞对置的第二活塞，该第二活塞借由第二对连杆连接到中央驱动轴。
在本发明的替选实施方案中，在所述内燃机中，第一对连杆和第二对连杆中的每一个连杆均包括偏心机构，该偏心机构将所述第一对连杆和第二对连杆以旋转方式连接到中央驱动轴，其中，所述偏心机构配置成将第一活塞和第二活塞的线性运动转换成中央驱动轴的圆周运动。
在所述内燃机的其他替选实施方案中，中央驱动轴包括：至少一个平滑的圆柱形部分，该圆柱形部分配置成位于中央体的穿孔中；以及至少两个连接部分，这些连接部分配置成连接到偏心机构并从该偏心机构接收扭矩。
优选地，所述内燃机的中央体额外包括沿平行于轴向缸体轴线的方向延伸并穿过中央体的进气通道、沿平行于轴向缸体轴线的方向延伸并穿过中央体的排气通道、与进气通道流体连通的进气口以及与排气通道流体连通的排气口。
在本发明的其他实施方案中，所述内燃机包括：至少一个进气歧管，该进气歧管与中央体的进气口连接；至少一个排气歧管，该排气歧管与中央体的排气口连接；至少一个进气阀，该进气阀操作性联接到进气口且配置成控制从进气歧管到进气口的进气；以及至少一个排气阀，该排气阀操作性连接到排气口且配置成控制从排气口到排气歧管的放气。
在其他替选实施方案中，所述内燃机包括支撑笼，该支撑笼配置成基于第一缸体与第二缸体的紧固来整体上支撑内燃机。
本发明实现的一项优势在于，两个活塞可以共享中央体(又称缸盖)，从而也能共享布置于该中央体中的通道，因此可以减少发动机的零件数目，发动机得以简化，使其生产更具经济效益且更加简易。
本发明的发动机所获的另一优势涉及进气阀和排气阀，鉴于它们并未组装在缸体上，则进气阀和排气阀的尺寸可以增大，这有利于吸入空气和/或空气与燃料的混合物以及排放燃烧废气，从而提高燃烧循环的效率。
本发明的另一显著优势在于，将往复直线运动转换成中央驱动轴的圆周运动。鉴于活塞的线性运动通过布置于连杆上的偏心机构传递到中央驱动轴，则所述中央驱动轴仅接受来自偏心机构的旋转扭矩，因而不会经历曲轴通常所受的往复作用力，这样就能减小所述轴的尺寸，减轻发动机的重量，并减小发动机的尺寸，使电动机更加固有地保持平衡。
本发明的发动机的显著优势在于其必须能够使用不同燃料的能力以及热循环功能的变化，换言之，能够以两冲程或四冲程运转，从而尽量减小发动机的结构变化，特别是中央体以及与之联接的元件上的结构变化，这就允许该发动机作为通用型发动机，易于适应任何特殊情况。
本发明所获的另一优势涉及活塞的冲程/直径关系。本发明要求保护的发动机具有大致正方体或超正方体的构型。鉴于活塞以相同的热循环冲程工作，则每循环的总冲程等于每一个活塞的冲程之和，因而增长每循环的组合冲程，输出扭矩增大，从而提高发动机的功率密度。
附图说明
参照附图，根据以下示例性实施方案的具体描述，尤应更全面地理解前述优势和特性，须以说明性而非限制性方式理解附图，其中：
图1是根据本发明包括至少两个活塞的内燃机的透视图；
图2是根据本发明包括至少两个活塞的内燃机的中央体的透视图；
图3是根据本发明的内燃机的剖视图；
图4是根据本发明的内燃机的活塞之一的透视图；
图5是示出中央驱动轴与连杆之一的透视图；
图6是具有四个中央体、八个缸体和八个活塞的内燃机的特定实施方案的视图。
具体实施方式
以下详细叙述举例说明若干具体细节来提供对相关教导的详尽理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，在不具备这些细节的情况下也能实施本发明的教导。
为简明起见，省略内燃机的某些元素和子系统。照此，仅示出审视新颖性技术元素并有助于理解这些元素所能实现的技术效果的必要发动机元素。不言而喻，内燃机的其他常规部件用于提供完整的发动机。鉴于这类部件的常规性，不必对其予以赘述。
根据一种优选实施方案，如图1所示，本发明提供一种内燃机(1)，其类型为具有相对于中央体(3)的对置活塞。
如图1所示，在内燃机(1)中限定至少一个轴向几何缸体轴线(A1)和轴向几何中心轴线(C1)，所述几何轴线相互正交。进一步如图所示，轴向几何缸体轴线(A1)已定义为表明第一缸体(2)的轴向轴线与第二缸体(2')的轴向轴线关于所述轴线(A1)同轴对齐，因此第一活塞(5)和第二活塞(5')在它们的往复运动中沿所述轴向几何缸体轴线(A1)线性移动。因而，根据本发明的内燃机(1)配置成关于中央体成对地耦接缸体和活塞。这样，为简化说明，图1所示的内燃机(1)包括一对关于轴向几何缸体轴线(A1)对准的缸体和活塞，但在其他优选实施方案中，根据每种特定应用的发动机要求，两对以上缸体和活塞关于它们对应的轴线(A2、A3、A4……)对准。
如前所述，内燃机(1)包括至少一个与缸体轴线(A1)同轴的第一缸体(2)以及至少一个与缸体轴线(A1)同轴并朝向第一缸体(2)的方向对置的第二缸体(2')。鉴于第一缸体(2)和第二缸体(2')在结构上基本相等，则仅描述第一缸体(2)，应当理解，第二缸体(2')呈现相同的特性。从图3可以看出，第一缸体(2)在其外表面上具有突出部(2A)，该突出部(2A)配置成容置支撑笼(15)的一部分，该部分抵靠该突出部。进一步如下所述，内燃机(1)整体上借由支撑笼(14)来支撑，其中，所述支撑笼保持缸体并将缸体固定到中央体(3)。
在优选实施方案中，如图1和图3所示，布置有第一补充缸体(2B)，其中插入第一缸体(2)，并且布置有第二补充缸体(2'B)，其中插入第二缸体(2')。所述补充缸体(2B、2'B)的主要功能是消除因燃烧产生的热量以及耦接用于发动机正常运行的附加元件。
如图1所示，并具体参阅图2，内燃机包括中央体(3)，其中限定第一圆柱形凹部(3B)，其配置成耦接第一缸体(2)，并限定第二圆柱形凹部(3B')，其配置成耦接第二缸体(2')。为了恰当地耦接缸体(2、2')，这些凹部(3B、3B')优选具有圆柱形，其轴向轴线与轴向几何缸体轴线(A1)同轴。因而，如图1所示，中央体(3)由第一缸体(2)和第二缸体(2')共享。另一方面，根据图2，中央体(3)额外包括沿平行于轴向缸体轴线(A1)的方向延伸并穿过中央体(3)的进气通道(3C)以及沿平行于轴向缸体轴线(A1)的方向延伸并穿过中央体(3)的排气通道(3D)。如前所述，本发明的内燃机(1)具有能够使用不同燃料并能够更改热循环运行(即能够以两冲程或四冲程运行)的能力，从而尽量减小所述发动机的结构变化。出于下述原因，这种优势主要得自中央体(3)。鉴于进气通道(3C)和排气通道(3D)穿过中央体(3)，则第一缸体(2)与第二缸体(2')借由所述通道(3C、3D)流体连通。因而，如图3所示，在上述通道(3C、3D)中完成压缩，而并非如同常规内燃机那样在缸盖与活塞之间完成压缩。因此，通过通道的形状和尺寸控制压缩比，这样适合能够适应所使用的燃料。中央体还包括与进气通道(3C)流体连通的进气口(3E)以及与排气通道(3D)流体连通的排气口(3F)，其中，借由至少一个操作性联接到所述进气口(3E)的进气阀(12)来调节通过进气口(3E)进入气体，诸如空气或空气与燃料的混合物，并借由操作性联接到所述进气口(3E)的排气阀(13)来调节作为燃烧产物的气体排放。鉴于进气口(3E)和排气口(3F)不受缸体(2、2')的尺寸限制，则可能改变缸体的尺寸，而且应能具有不同数目和不同构型的用于进气和/或排气的阀。中央体(3)的特殊布置还允许根据燃料类型以及发动机的功率和扭矩要求来合并喷油器、涡轮增压器等。本领域技术人员应当了解，这类元件可以涵属于本发明的范围内。
中央体(3)还包括穿孔(3A)，该穿孔(3A)穿过所述中央体(3A)且与轴向几何中心轴线(C1)轴向对准。该穿孔(3A)设置成容纳中央驱动轴(4)。鉴于中央体(3)由第一缸体(2)和第二缸体(2')共享，其中每一个缸体均面向中央体(3)的一侧，则该中央体居于发动机(1)的中央部分中，因此中央驱动轴(4)布置于发动机(1)的中央，这样代表的技术优势参阅下文的进一步分析。
如前所述，中央驱动轴(4)布置于中央体(3)的穿孔(3A)中并包括至少一个平滑的圆柱形部分(4A)和至少一个连接部分(4B、4C)，参阅图5。平滑的圆柱形部分(4A)是贯穿中央体(3)的穿孔(3A)的部分，而连接部分则在中央体(3)的外部且配置成连接到布置于第一对连杆(6、6')和第二对连杆(7、7')上的偏心机构(8、8'、9、9')并从所述偏心机构(8、8'、9、9')接收扭矩。下文详细说明偏心机构(8、8'、9、9')及其与连接部分(4B、4C)的相互作用。在替选实施方案中，中央驱动轴(4)具有中央通道(4D)，该中央通道配置成将润滑剂分配到与之连接的部件上，并且减轻重量。
另一方面，根据图1和图3，内燃机(1)包括：设置于第一缸体(2)中的第一活塞(5)，所述第一活塞(5)借由第一对连杆(6、6')连接到中央驱动轴(4)；以及设置于第二缸体(2')中且与第一活塞(5)对置的第二活塞(5')，所述第二活塞(5')借由第二对连杆(7、7')连接到中央驱动轴(4)。鉴于第一活塞(5)与第二活塞(5')具有等同的构型，则仅对前者予以描述。从图1、图3和图4可以看出，第一活塞(5)包括头部(5A)、裙部(5B)、布置于所述裙部(5B)一端的联轴器(5C)和螺栓(5D)，该螺栓将第一对连杆(6、6')以旋转方式耦接到所述活塞(5)。出于简述目的，省略诸如刮油环、挡油环、护圈等部件，但本领域技术人员应当了解，这类部件对于内燃机(1)的正常运转必不可少。
如图1所示，第一活塞(5)借由第一对连杆(6、6')连接到中央驱动轴(4)，而第二活塞(5')借由第二对连杆(7、7')连接到中央驱动轴(4)。组建成对连杆(6、6'、7、7')的连杆在结构上等同，因此仅对其中之一予以描述。如图5所示，第二连杆(6')包括配置成容置活塞(5)的螺栓(5D)的活塞连接端(6'A)以及设置有偏心机构(8')的中央轴连接端(6'B)。连杆作为成对的连杆(6、6')运行，其中的每一个连杆均位于其相应活塞、即第一活塞(5)的一侧，以便动态地平衡所述活塞。连杆负责基于偏心机构(8、8')传递燃烧引起的活塞(5、5')往复运动并将其转换成驱动轴(4)中扭矩的圆周运动。参照图5，偏心机构(8')由固定部分(8'A)和配置成相对于该固定部分(8'A)旋转的旋转部分(8'B)组成；其中，旋转部分(8'B)包括连接部分(8'C)，该连接部分(8'C)配置成连接到中央驱动轴(4)的连接部分(4C)。在图5所示的实施方案中，中央驱动轴(4)的连接部分(4B、4C)的多个部分示为锁定到设置于连接部分(8')中的平坦表面(未示出)中的平坦表面，使得中央驱动轴(4)不会相对于连接部分(8'C)转动。众所周知，旋转部分(8'B)的旋转中心与中央驱动轴(4)的旋转中心之间的距离、即相同的轴向几何中心轴线(C1)将导致往复运动反映在连杆(6')的活塞连接端(6'A)中；相互地，活塞连接端(6'A)的往复运动将借由偏心机构(8')产生中央驱动轴(4)围绕轴向几何中心轴线(C1)的圆周运动，这正是根据本发明的内燃机(1)的工作原理。
在优选实施方案中，活塞冲程(5)等于或小于其直径，因而发动机配置为正方体或超正方体的发动机。
如图3所示，该内燃机包括至少一个与中央体(3)的进气口(3E)相连的进气歧管(10)以及至少一个与中央体(3)的排气口(3F)相连的排气歧管(11)。如前所述，进气阀(12)操作性联接到进气口(3E)且配置成控制从进气歧管(10)到进气口(3E)的进气，而排气阀(10)操作性联接到排气口(3F)且配置成控制从排气口(3F)到排气歧管(11)释放作为燃烧产物的气体。
如图1和图3所示，为了能够支撑内燃机(1)，布置有支撑笼(15)，该支撑笼(15)配置成基于第一缸体(2)与第二缸体(2')的紧固而整体上支撑内燃机。支撑笼(15)包括至少一个配置成支撑第一缸体(5)的第一圆柱形支撑件(15A、15A')、配置成支撑第二缸体(5')的第二圆柱形支撑件(15B、15B')以及横梁件(15C、15C')，这些横梁件配置成保持第一缸体支撑件(15A、15A')和第二缸体支撑件(15B、15B')抵靠第一缸体(2)和第二缸体(2'A)的突出部(2A、2'A)，使得所述第一缸体(5)和第二缸体(5')牢固地固定到中央体(3)。为了将第一缸体支撑件(15A、15A')径向固定到第一缸体(2)，支撑笼包括第一外架(15D)。类似地，支撑笼(15)包括第二外架(15D')，该第二外架(15D')配置为沿直径方向固定第二缸体(2')。当支撑笼(15)的所有元件都已连结时，形成根据本发明的内燃机(1)的组件。
至此，本发明描述为具有单个主体(3)和两个缸体(5、5')的对置活塞内燃机(1)，但基于电动机的要求，可能放置几个中央体，它们各自具有一对缸体、活塞及其连杆，延伸并共享中央轴(3)。
参阅图6举例说明，所示的内燃机(100)具有四个中央体、八个缸体、八个活塞和十六个连接到单个中央驱动轴(40)的连杆。这种构型以及其他更长或更短的构型得益于内燃机相对于中央轴的自平衡配置。

Claims (5)

1.一种内燃机(1)，其包括：至少一个轴向缸体几何轴线(A1)和轴向几何中心轴线(C1)，所述几何轴线相互正交；第一缸体(2)，所述第一缸体与缸体轴线(A1)同轴；第二缸体(2')，所述第二缸体与缸体轴线(A1)同轴且至少与所述第一缸体(2)对置，其特征在于，所述内燃机包括：
-中央体(3)，所述中央体包括穿过所述中央体(3A)并与轴向几何中心轴线(C1)轴向对准的穿孔(3A)、配置成耦接第一缸体(2)的第一圆柱形凹部(3B)以及配置成耦接第二缸体(2')的第二圆柱形凹部(3B')；
-中央驱动轴(4)，所述中央驱动轴布置于中央体(3)的穿孔(3A)中；
-设置于第一缸体(2)中的第一活塞(5)，所述第一活塞(5)借由第一对连杆(6、6')连接到中央驱动轴(4)；以及
-设置于第二缸体(2')中且与第一活塞(5)对置的第二活塞(5')，所述第二活塞(5')借由第二对连杆(7、7')连接到中央驱动轴(4)；
所述中央体(3)包括：
-沿平行于轴向缸体轴线(A1)的方向延伸并穿过中央体(3)的进气通道(3C)；
-沿平行于轴向缸体轴线(A1)的方向延伸并穿过中央体(3)的排气通道(3D)；
-与进气通道(3C)流体连通的进气口(3E)；以及
-与排气通道(3D)流体连通的排气口(3F)。
2.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述第一对连杆(6、6')和第二对连杆(7、7')中的每一个连杆均包括偏心机构(8、8'、9、9')，该偏心机构将所述第一对连杆(6、6')和第二对连杆(7、7')以旋转方式连接到中央驱动轴(4)，其中，所述偏心机构(8、8'、9、9')配置成将第一活塞(5)和第二活塞(5')的线性运动转换成中央驱动轴(4)的圆周运动。
3.根据权利要求2所述的内燃机，其特征在于，所述中央驱动轴(4)包括：至少一个平滑的圆柱形部分(4A)，所述圆柱形部分配置成位于中央体的穿孔(3A)中；以及至少两个连接部分(4B、4C)，所述连接部分配置成连接到偏心机构(8、8'、9、9')并从所述偏心机构(8、8'、9、9')接收扭矩。
4.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述内燃机包括：
-至少一个进气歧管(10)，所述进气歧管与中央体(3)的进气口(3E)连接；
-至少一个排气歧管(11)，所述排气歧管与中央体(3)的排气口(3F)连接；
-至少一个进气阀(12)，所述进气阀操作性联接到进气口(3E)并配置为控制从进气歧管(10)到进气口(3E)的进气；以及
-至少一个排气阀(13)，所述排气阀操作性联接到排气口(3F)并配置为控制从排气口(3F)到排气歧管(11)的放气。
5.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述内燃机包括：
-支撑笼(15)，所述支撑笼配置成基于第一缸体(2)与第二缸体(2')的紧固而整体上支撑内燃机。
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