活塞式压缩机的制作方法

文档序号:5235695阅读:114来源:国知局
专利名称:活塞式压缩机的制作方法
技术领域
本发明涉及一种活塞式压缩机,其特别适合于用在内燃机中。
背景技术
内燃机增压不但是一种已被证明的提高扭矩和功率的途径,而且还能够使具有预定最大负荷的内燃机在以部分负荷运转时降低消耗。柴油机增压带来的特别益处是,火花点燃式发动机中存在的爆振问题不会出现在增压柴油机中。
现主要有两种不同的增压方法,二者也可以组合使用。在排气涡轮增压中,内燃机排气中包含的能量被用于向涡轮增压器提供动力,该涡轮增压器驱动一个用于将压缩空气供应给内燃机的涡轮。在所谓的独立增压中,压缩机被分设的驱动装置例如被增压内燃机的曲轴供应动力,或者被其它发动机例如电发动机供应动力,以压缩供应给内燃机的空气。现有各种已知类型的独立传动压缩机,例如Routs鼓风机、螺旋增压器、活塞式压缩机。

发明内容
本发明的目的是提供一种活塞式压缩机,其能够以简单的结构提供高效率,并且能够应用于各式各样的场合。
这个目的可以通过权利要求1中限定的活塞式压缩机实现。
从属权利要求中涉及根据本发明的各个优选实施例以及对活塞式压缩机的进一步改进。


下面将基于以示例的方式显示了细节的附图而更详细地描述本发明。
图1是活塞式压缩机的示意性剖视图;图2和3是活塞的不同透视图,其中曲轴穿过活塞;图4是用于双缸活塞式压缩机的两个曲轴的透视图。
图5是图4所示曲轴带着活塞的透视图;图6至8是位于曲轴一侧并且分配给活塞的曲柄/阀机构的不同透视图。
图9是与阀元件相互作用的进气阀的剖视图。
图10是与阀元件相互作用的排气阀的剖视图。
图11是滚轮式挺杆的透视图;图12是图11所示滚轮式挺杆的另一侧透视图;图13是凸轮可曲柄机构的详图。
图14是根据本发明的压缩机靠凸缘安装在内燃机缸盖上时的透视图。
具体实施例方式
在图1中,根据本发明的活塞压缩机具有一个气缸2,其在两侧被前壁封闭,一个活塞4可在所述气缸中前后移动。活塞4包含两个彼此相隔的活塞头6和8,它们优选在各自的外周边缘上装配有活塞环以实现密封的目的,并且在气缸2中分隔出两个工作腔10和12。所述两个活塞头6和8通过撑杆14而相互连接,例如螺纹连接。活塞头6和8的对置内侧设有导向表面16和17,用于引导滑环18。
气缸2的前壁具有开口,用于设置至少一个进气阀20和22和相应排气阀24或26。
气缸2通过安装装置设置在一个壳体32中,所述安装装置形成了分隔壁28和30。壳体32具有至少一个吸孔34和一个排孔36,其中,可以清楚地看到,一个形成在壳体32与气缸2之间的空间被分隔壁28和30分割,以形成一个引入通道38和一个排出通道40;该引入通道将吸孔34与进气阀20和22连通,或是选择性地打开或关闭通向工作腔10和12的进气口;该排出通道将排气阀24、26与排孔36连通,或是选择性地打开或关闭工作腔10和12的排气口。
活塞4沿图1中的水平方向移动。该方向在图2至8中为竖直方向,即在图2至8中相对于图1所示结构旋转了90°。
图2和3中的透视图示出了活塞4具有穿过活塞的相应的两个曲轴42和44。曲轴轴线相对于气缸2和/或壳体32是固定的,并且在图1中以A标记出来。每个曲轴分别具有相对于其轴线偏心安置的至少一个曲柄盘46和/或48,曲柄盘与滑环18相互作用,所述滑环可以垂直于曲轴轴线沿着活塞头6和8的导向表面16和17直线移动,从而产生滑环或曲柄导向件,通过该导向件,曲柄盘的旋转偏心运动可以通过公知的方式转化成在气缸2中按轨迹运行的振荡运动。滑环优选被分段化,以便于组装。
图4中示出了曲轴42和44,它们被设计成用于相应的两个气缸2,这两个气缸在壳体32中前后安置(图1),并且相应的活塞4在气缸中操作。在图示的实施例中,每个活塞配备有位于曲轴42上的两个曲柄盘46和位于曲轴44上的一个曲柄盘48,它们与相应的滑环18协作。可以清楚地看出,曲柄盘46和48彼此相对轴向偏置,以使它们的运动路径径向交叉,侧而可以在曲轴42和44之间实现减小的距离。通过以公知方式向曲轴42和44提供平衡重50和52,振动力被平衡。
作为示例,曲轴42和44可以分别安装在气缸2的壁上。
为了驱动阀20、22、24和26,曲轴具有凸轮54和56,它们通过作动元件驱动阀。齿轮58和/或60以抗扭的方式在相应曲轴的相应一端连接着该曲轴,从而曲轴42、44中只有一个需要从外界驱动。齿轮58和60具有相同的尺寸并且相互啮合,从而使曲轴42和44以相同的速度反向旋转。齿轮58、60优选被用作位于在压缩机中循环的冷却剂和/或润滑剂中的齿轮泵中的元件。
图5示出了活塞与根据图4的曲轴相组合。
图6示出了安置在图中曲轴42、44的左侧并且被配备给一个气缸的曲柄/阀机构的各部分的透视图。
在图示的例子中,每个曲轴42和/或44的两侧分别具有位于气缸外侧的凸轮54和/或56,它们与滚轮式挺杆62和/或64相互作用,每个滚轮式挺杆分别驱动一个阀元件66和/或68,所述阀元件跨接于一个气缸上方。图6中左侧的阀元件66驱动多个进气阀20(图1)。右侧的阀元件68驱动多个排气阀24。在图示的例子中,阀在相应的阀元件处被约束导向。可以清楚地看到,在图示的例子中,分别有四个进气阀和四个排气阀安置在气缸2的前壁上,并且分别被一个相应的阀元件驱动。
从图1中可以清楚地看到,进气阀20、22和排气阀24、26均彼此面对着安置,被安置在活塞的左侧和/或右侧(图1)或是上侧和/或下侧(图2至8)的阀机构具有相同的结构,或者呈现为镜像对称。
当压缩机以二冲程操作模式运行时,相对于驱动后曲轴的旋转,进气阀和排气阀分别具有大约180°的相移,从而在相邻曲轴42、44以相同的速度反向旋转的过程中,并且具有适宜设计的凸轮54、56的情况下,可实现各个阀的同相驱动。
下面根据图9至13详细描述阀机构。
阀元件66和/或68在固定于壳体上的导轨(未示出)中被以可直线移动的方式导向,并且抵抗着弹簧70和/或72施加的力在凸轮54和/或56中前后移动,所述弹簧被支撑在壳体32和相应的阀元件之间。
用于驱动排气阀20的桥状阀元件66(图9)中包含用于每个排气阀的导向通道74,排气阀20的轴延伸于所述导向通道中,并且导向通道通向凹槽76,阀轴即终止于此。阀弹簧80被支撑在阀轴的端部凸缘78与阀元件66之间,以迫使排气阀20处于关闭位置。一个螺柱82拧入阀元件66中并且面对着端部凸缘78,用以调节游隙。
用于驱动排气阀24的阀元件68也具有一个导向通道84(图10),阀杆延伸于该导向通道中。阀杆终止于一个挡块86,例如,挡块拧在阀杆上并且其与阀头之间的距离可调,以调节游隙。阀弹簧88支撑在阀元件68与阀之间。
作为图9和10所示结构(这种结构可以以多种方式修改)的结果,不需要为阀杆配备缸性壳体导向部;通过阀元件66向底部的移动,根据图9的进气阀20分别向下打开;通过阀元件68向顶部的移动,根据图10的排气阀24分别向上打开。此外,弹簧80和88可以以下述方式构造尺寸,即在相关工作腔内的强负压的作用下,进气阀20会打开,而不需要阀元件66移动,和/或在相关工作腔内的强过压的作用下,排气阀24会打开,而不需要阀元件68移动。
图11和12示出了具有容纳于其中的辊轮88的滚轮式挺杆,以及壳体固定的导向件90。
图13中示出了带有凸轮54和56的两个曲轴42和44的一部分。与根据图6至8的实施例不同,曲轴42只具有一个曲柄盘46,而曲轴44具有两个曲柄盘48。可以清楚地看到,用于驱动配备给进气阀的滚轮式挺杆或桥接阀元件66的凸轮被设计成“负凸轮”,其在常态下抵抗着弹簧70而将桥接阀元件66推压在图9所示位置,并且只在具有较小直径的凸轮区域中,启动阀元件66的向下运动,如图8所示,以打开进气阀20。配备给排气阀的曲轴44的凸轮56被设计为常规凸轮,其具有因直径增大而产生的凸轮行程。
下面描述活塞式压缩机的组装图5所示的实际驱动机构是这样被首先组装出来的,即曲轴和滑环被安置在两个相邻活塞头上,然后利用撑杆14安装相应的另外一侧活塞头,以产生图5中的模块。
然后,分别由两个对中分割的半体构成的气缸2被安装在活塞4上。然后,阀机构被安装在固定于气缸上的组装表面中,如此形成的整个结构被一起置于壳体32中,该壳体同样由两部分构成。气缸半体和壳体半体可以被设计为一体而成为单件。
图14中示出了根据本发明的活塞式压缩机92,其通过凸缘安装在内燃机的曲柄壳或缸盖94上。附图标记96表示用于驱动曲轴之一的皮带轮。
壳体32的吸孔34上也可以通过凸缘安装一个抽吸模块(未示出),例如节流阀和/或用于测量流入空气量的装置等等。
前面描述的压缩机以下述方式操作压缩机优选以二冲程操作模式运转。随着图1所示的活塞4从左向右移动,首先进气阀20和排气阀26被启动,以使新鲜气流进入工作腔10,并且压缩了的新鲜空气以实现目的所需的压力级别从工作腔20排出。在活塞4从左向右移动时,进气阀22和排气阀24优选关闭,在活塞从右向左移动时,这些阀以相反的方式操作,即通过进气阀22和排气阀24引入新鲜增压气流,同时阀20和26优选关闭。适宜的方式是,公知的相位调节和/或冲程调节装置当然可以被采用,以控制进气阀和排气阀,以使被输送的空气量(气体流率)可以被调节成适合于内燃机所需的相应操作条件,并且通过适宜地设置相对于活塞运动止点的相应阀开闭时间,可以使压缩机高效运转。
下面将描述所述活塞式压缩机的功能细节,其中可行的修改和附加特征也将被描述。
1.总体结构形状。
尽管进包含一个气缸和一个安置在其中的双作用活塞,根据本发明的活塞式压缩机也能够以高级别的效率和低压力脉冲操作。通过将活塞设计成具有两个相隔的活塞头,在活塞头之间安置着曲柄机构,不但能够获得使曲轴及其润滑部与工作空间完全分开的优点,而且能够毫无问题地将曲轴(n)安装在气缸壁中。根据需要,活塞式压缩机可以具有任何数量的气缸以及在气缸中操作的活塞。其中各个气缸在操作中可以实现相移,从而获得最小的压力脉冲。可能达到的冲程/孔径比允许具有低活塞速度,这对使用寿命具有有益的影响。
这种结构使得进气和排气阀可以相对于气缸横截面具有大横截面,因而压缩机可以以低流动阻力操作。
增压器可以在压力侧通过凸缘直接安装在缸盖或需要被增压的发动机的吸管上。如果通过凸缘直接安装在缸盖上,则壳体32可以在其长度方向上具有与壳体内部连通的若干排孔36,这些排孔36直接通向各个气缸的引入通道。位于压缩机前面的抽吸侧可以通过凸缘安装一个带有节流阀的抽吸部件,该抽吸部件装有一个用于排气再循环的连接件,或者具有一个从其分支出来的旁通管,该旁通管环绕着压缩机直接通向内燃机的吸管。
相对于排量(冲程容积)而言,这种结构可以实现大的表面积—容积比,从而可以实现大的排气阀。
壳体和气缸的壁之间的自由路径总体上较短,因此在冷却所述壁时压缩空气也会被有效地冷却。
2.曲柄机构。
曲柄机构可以包含一个或多个曲轴,其中曲轴(n)的旋转运动可以利用大多数类型的已知机构而转化为活塞的冲程运动。前面描述的具有滑环的机构容易安装,操作中几乎没有摩擦力,并且可以产生平缓的正弦曲线活塞运动。
前面描述的具有两个反向旋转曲轴的实施例可以被用作Lancester偏置结构,其中每个活塞的曲柄机构中的活塞和滑环的振动正弦重力完全相互偏置。此外,各个气缸被偏置,以使重力的动态力不会从任何气缸引入到壳体。此外,在壳体外侧具有外部作用的重力,因此根据本发明的压缩机能够以非常低的振动级别操作。
在前面描述的实施例中,曲柄销或曲柄盘沿轴向彼此错置,从而一方面可以产生紧凑的结构设计,另一方面可以具有低机械应力,并因此而使曲柄机构具有高抗扭强度。
另一个优点是活塞没有横向力,这可以降低摩擦损失并且延长使用寿命。活塞头不带护罩,也有助于降低重量。此外,不会遇到侧倾力。
位于曲轴端部的齿轮58和60(图4)用于实现曲轴之间的同步化和动力传输。齿轮也可以被替换为卷扬装置,例如齿形带。只需要从一端驱动一个曲轴,例如利用带轮96(图14)驱动。
3.冷却/润滑。
齿轮58和60(图4)可以被用作齿轮泵中的元件,齿轮泵可以输送冷却/润滑流体,使之在压缩机或增压器的通道中循环。至少与工作腔10和12邻接的气缸壁优选被冷却,其中端的热传导路径可以确保高效冷却。增压器可以附加具有一个位于排孔36前面的内部热交换器。作为一种替代或附加,压缩了的空气可以在进入内燃机之前流经一个外部热交换器。
增压器的优选的集成润滑剂/冷却剂循环系统可以连接着内燃机或者与之分离。
根据本发明的压缩机的一个重要方面主要基于这样的事实,即流经排孔36的压缩空气一方面不带润滑剂,另一方面其尽可能冷。在这两种情况下,均为凸轮轴的两个曲轴穿过活塞头并且借助于容易密封的轴承安装在气缸2中,因此在活塞中形成一个相对于外界密封的润滑剂空间,同时用作冷却剂的液体润滑剂可以通过曲轴供应到该空间。润滑剂/冷却剂可以从内侧有效地冷却活塞头。当然,穿过气缸壁、气缸与壳体之间的空间、壳体的通道,构成了流体循环系统,以使冷却剂/润滑剂循环。
滚轮式挺杆64的柄杆可以通过曲轴而被湿润滑,以使润滑剂不接触新鲜空气。非常硬的挺杆端部或接触表面的组合结构是有益的。
可实现低摩擦和高耐磨性的材料的连接件优选被用于将阀连接到阀杆,或者在图示的例子中,连接到桥状阀元件。
以公知的方式带有固体润滑剂或者浸透了润滑剂的材料的连接件优选用作滚轮式挺杆和阀的导向件。还可以为各种环件(座环等)提供固体润滑剂或者使它们浸透润滑剂。
低操作温度使得带有固体润滑剂或者浸透了润滑剂的导套可以被使用,从而使得液体润滑剂或冷却剂的循环可以局限在活塞中的润滑剂空间内。
陶瓷材料可以被使用,以使液体润滑剂的需求量最小化。
4.增压交换过程。
如前面所解释,根据本发明的增压器优选以二冲程模式操作。进气和排气阀可以以多种不同的方式驱动。在代表性的实施例中,它们不但可以被带有适宜给定尺寸弹簧的阀元件驱动,而且可以被用作单向阀,其中在相应工作腔具有负压的情况下进气阀打开,在相应工作腔具有过压的情况下排气阀打开。在替代性的实施例中,只有进气阀或只有排气阀可以被设计成单向阀,另一个阀可以被曲轴(s)驱动。
即使是在阀特别是排气阀的Desmodromic操作中,如果阀的压降超过预定值,则也可以实现自我控制功能。
进气和/或排气阀可以利用已知的阀作动机构驱动,例如通过切换截止杠杆(pick-off lever)和/或截止角度而实现驱动,从而使得它们的开闭功能是可变的,和/或将它们保持在打开或关闭位置。
5.开环或闭环压缩机控制压缩机曲轴的转速可以刚性传递到内燃机曲轴。在被增压的内燃机与压缩机之间,可以安置具有步进或连续可调变速比的齿轮机构。可以用一个联轴器将压缩机与内燃机完全脱离。
压缩机的输送量可以通过可变作动阀来改变,其中在阀处于打开位置时,可形成吸孔34至排孔36(图1)的低流率路径。
作为一种替代,在压缩机不运转时,新鲜空气可以通过旁通管供应给内燃机。
根据需要,可以关闭单个气缸。
利用分隔壁28和30中的可控开口,增压器的输送量可以改变。节流阀可以设在吸孔34的上游。
多个压缩机可以并联或串联于一个内燃机中。
为了向活塞头施加更小的应力,在每个活塞中,每个曲轴可以设有两个或更多个曲柄盘。
阀还可以通过单独的驱动装置例如电磁、液压或其它适宜的驱动装置而被相对于曲轴的旋转完全独立地驱动。也可以只有一个曲轴穿过每个活塞,而不是两个曲轴,等等。
总而言之,本发明的压缩机能够提供多种渠道来调节空气的最大压缩、轻微压缩、没有压缩,甚至是压缩机用于制动时的往复压缩。
根据本发明的压缩机和/或增压器适用于为所有类型的内燃机包括二冲程发动机、四冲程发动机或以不同冲程次序运转的发动机、火花点燃式发动机、柴油机、燃气发动机等增压。
附图标记清单2气缸 50 平衡重4活塞 52 平衡重6活塞头 54 凸轮8活塞头 56 凸轮10 工作腔 58 齿轮12 工作腔 60 齿轮14 撑杆 62 滚轮式挺杆16 导向表面 64 滚轮式挺杆17 导向表面 66 阀元件18 滑环 68 阀元件20 进气阀 70 弹簧22 进气阀 72 弹簧24 排气阀 74 导向通道26 排气阀 76 凹槽28 分隔壁 78 端部凸缘30 分隔壁 80 阀弹簧32 壳体 82 螺柱34 吸孔 84 导向通道36 排孔 86 挡块38 引入通道 88 滚轮40 排出通道 90 导向件42 曲轴 92 活塞式压缩机44 曲轴 94 缸盖46 曲柄盘 96 皮带轮48 曲柄盘
权利要求
1.一种活塞式压缩机,其特别适用于为内燃机增压,包括至少一个气缸(2),在所述气缸中,往复运动的活塞(4)形成了位于活塞两侧的两个工作腔(10,12),每个工作腔具有至少一个进气口和相应排气口,相应的进气阀(20,22)或排气阀(24,26)在所述进气口和排气口中操作;壳体(32),其围绕着气缸,并且具有吸孔(34)和排孔(36);其中,位于气缸和壳体之间的空间被分隔壁(28,30)以下述方式分割,即所述吸孔与进气口连接而所述排孔与排气口连接;驱动结构(42,44),其用于前后移动活塞,通过使一个工作腔的进气阀打开而另一个工作腔的进气阀关闭,同时所述一个工作腔的排气阀关闭而所述另一个工作腔的排气阀打开,可以实现活塞的冲程。
2.如权利要求1所述的活塞式压缩机,其特征在于,所述驱动结构包括曲轴(42,44),其安装在气缸(2)和/或壳体(32)内并且驱动活塞(4)。
3.如权利要求1或2所述的活塞式压缩机,其特征在于,通过在活塞上滑动的滑环(18),实现活塞(4)和曲轴(42,44)之间的运动传递。
4.如权利要求1至3中任一所述的活塞式压缩机,其特征在于,所述驱动结构具有两个曲轴(42,44),它们以相等的速度反向旋转。
5.如权利要求4所述的活塞式压缩机,其特征在于,所述曲轴(42,44)中的一个可从外部驱动,并且其以抗扭方式啮合和另一个曲轴。
6.如权利要求1至5中任一所述的活塞式压缩机,其特征在于,所述活塞(4)被设计为包含有两个彼此相隔的活塞头(6,8)的双活塞,并且曲轴(42,44)在所述活塞头之间与所述双活塞接合。
7.如权利要求4至6中任一所述的活塞式压缩机,其特征在于,冲程驱动装置(18,46;18,48)在曲轴(42,44)和活塞(4)彼此轴向偏置设置,并且沿径向相互重叠。
8.如权利要求1至7中任一所述的活塞式压缩机,其特征在于,至少一个所述阀(20,22,24,26)由曲轴(42,44)驱动。
9.如权利要求1至7中任一所述的活塞式压缩机,其特征在于,至少一个所述阀(20,22,24,26)被设计成单向阀。
10.如权利要求1至7中任一所述的活塞式压缩机,其特征在于,至少一个所述阀(20,22,24,26)配备有相对于活塞运动独立操作的作动机构。
11.如权利要求1至10中任一所述的活塞式压缩机,其特征在于,形成在曲轴(42,44)上的至少一个凸轮(54,56)带动由壳体(32)导向的阀元件(66,68)移动,其中至少一个进气或排气阀(20,22)的阀轴被引导于该壳体中,该阀被弹簧(80,88)以下述方式支撑着抵靠在阀元件上,即可被阀元件驱动并且可以相对于阀元件独立移动。
12.如权利要求1至11中任一所述的活塞式压缩机,其特征在于,与抗扭的方式连接着曲轴(42,44)的齿轮(58,60)构成了压缩机冷却和/或润滑系统中的泵元件。
13.如权利要求1至12中任一所述的活塞式压缩机,其特征在于,多个气缸(2)组合在一个公用壳体(32)内,壳体中容纳着多个活塞(4),这些活塞被至少一个公用曲轴(42,44)前后移动。
全文摘要
一种活塞式压缩机包括至少一个气缸(2),在所述气缸中,往复运动的活塞(4)形成了位于活塞两侧的两个工作腔(10,12),每个工作腔具有至少一个进气口和相应排气口,相应的进气阀(20,22)或排气阀(24,26)在所述进气口和排气口中操作;壳体(32),其围绕着气缸,并且具有吸孔(34)和排孔(36);其中,位于气缸和壳体之间的空间被分隔壁(28,30)以下述方式分割,即吸孔与进气口连接而排孔与排气口连接;驱动结构(42,44),其用于前后移动活塞,通过使一个工作腔的进气阀打开而另一个工作腔的进气阀关闭,同时所述一个工作腔的排气阀关闭而所述另一个工作腔的排气阀打开,可以实现活塞的冲程。
文档编号F02B33/06GK1637281SQ20041010482
公开日2005年7月13日 申请日期2004年12月23日 优先权日2003年12月23日
发明者彼得·克罗伊特尔, 阿明·措施克 申请人:Meta发动机和能量技术公司
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