内燃发动机的制作方法

专利名称：内燃发动机的制作方法
技术领域：
该发明涉及内燃发动机。更具体地，该发明涉及具有活塞对置、气缸对置("P0C0")
配置的内燃发动机。
背景技术：
内燃发动机自第二次世界大战结束起几乎没有改变过，并且可以争论的是，目前 几乎通用的活塞式发动机与二战爆发时的设计实践相比二战期间进行的发展更具共性。
随着战争结束，需求生产便宜且简单的物品和不要求特别先进的加工技术或外来 材料的物品。当时，在另一项技术取代前内燃发动机仅被视作一种权宜之选，在其间的几十 年中，这种假设一次又一次的重复。 回转发动机是众多战后发展中的一个。回转发动机的基本几何形状自蒸汽时代起 就已经是圆形的，但是Felix Wankel所完成的工作使其到达看起来是可以提供可行方案的 地步。相比传统的内燃发动机，Wankel发动机对于给定容量而言小得多，并提供近乎于无 振动运转的附加优点。在十年间，几乎每个主要的发动机生产商都从Wankel研究所购买许 可来生产回转发动机，但是问题不久就变得明显。第一个问题，即转子末端的恶劣密封，仅 仅在许多产品召回和保证声明已使先锋制造商们接近破产之后才最终被解决。第二个问题 是基本设计中的固有问题。Wankel发动机中的旋转转子和燃烧室壁的几何形状迫使燃烧容 积在接近燃烧时残留在转子与燃烧室壁之间。这样因大的面积/容积比和低效的形状而导 致不完全燃烧。虽然直到1974年的第一次能源危机到来前，恶劣的油耗还被认为是可以接 受的，但是几乎是一夜之间，除马自达(Mazda)外的所有主要参与者都放弃了 Wankel发动 机。由于目前排放与油耗同样重要，因此Wankel发动机的低效燃烧难以使其在将来起到任 何重要的作用，除了在使用者为了换得其小尺寸和平顺性而能够承受这些缺陷的应用中。
制造商们在吃了苦头后又回到传统的发动机并等待在被认为是未来动力源的燃 料电池中的进步。先进的电池中的发展还正在进行，但是具有讽剌意味的是，就在可以现实 地预期第一辆商用电动汽车机器时，越来越多的现实是，作为自身的高效单元或作为混合 动力传动系统的一部分，内燃发动机将具有了许多年的重要未来。 在某些方面，商用柴油发动机的设计者更具冒险性，德国在20世纪30年代开发 出了 Junkers Jumo活塞对置2冲程发动机，并在20世纪50和60年代开发出了 Napier Deltic和Commer TS3活塞对置2冲程发动机 既然已经产生了对现代的活塞式发动机的要求，那么问题是这种发动机应该具有 什么特性。 为了制造效率和使用可靠性，发动机应尽可能简单，具有最少量的运动部件。
发动机应尽可能小，使其可容易地容纳在其驱动的任何设备中，从而改善车辆的装配性
(packaging)、提高行人的安全性并使其更简单地结合在混合动力传动系统中。 发动机应轻量，从而在使其自身质量运动中使用最少的能量，同时可以在一定的
车辆总重量内实现更大的有效负载。
发动机应该比同期的发动机更加有效地使用其燃油，这意味着更好的燃烧、更低 的内部摩擦和减小的往复运动质量。 如果可能，发动机应是无振动的，以改善车辆乘员的舒适性并降低底盘中的应力。 理论上，2冲程发动机在对于其尺寸获得更大输出方面具有优势，因为对每一旋
转，每个气缸产生都动力。然而，过度的进排气时间重叠以及活塞对置2冲程发动机通常不
具有最佳的对称布置以获得最有效燃烧的事实使该潜力受到危害。燃料、喷射系统和发动
机管理中的进步意味着可以克服大部分的问题以及实现更清洁的发动机。 Hofbauer在文献US 6， 170， 443中公开了一种气缸对置的2冲程内燃发动机，其中
每个气缸均具有连接至公共中央曲轴的相对的一对活塞。曲轴上的偏心部的独立的角定位
允许进气口和排气口的非对称正时，从而优化了进口和排气口重叠。通过以复杂的方式对
运动部件的几何配置和质量进行控制使产生的主动态不平衡的影响最小化。 对所产生的排放和传统的发动机的总体低效的另一贡献是由因连杆/曲轴的几
何配置所产生的活塞侧的推力所产生的，同时因直接作用在大端和主轴承上的燃烧力所引
起的摩擦损失是显著的。 在所有这些方面的改进可仅是有益的。

发明内容
本发明一般涉及2缸2冲程内燃发动机。 本发明的目的是提供一种2缸2冲程内燃发动机，因具有提高的效率、降低的高度
轮廓和减少的质量以改善安装、对先进的增压和燃油喷射方法的适应性、动态平衡和机械
简单性以降低生产成本，从而具有优于目前的4缸4冲程发动机的性能。 因此，一般地，本发明提供了包括曲轴和两个同轴的相对的气缸的2冲程内燃发动机。 每个气缸优选地包含相对的内部活塞和外部活塞，该内部活塞和外部活塞可往复 运动地布置以在二者之间形成燃烧室。优选地提供刚性地联接外部活塞的止转轭机构，以 将外部活塞驱动地联接于曲轴。优选地，提供两个平行的止转轭机构以刚性地联接内部活 塞，从而将其驱动地联接于曲轴，这两个平行的止转轭机构关于气缸的中心线同等地布置 并在二者之间存在刚刚充分的空间，以可滑动地容纳上述外部活塞的单一止转轭。
在某些实施方式中，在每个内部活塞的顶部中设置具有密封装置的孔以提供空 间，用于将外部活塞连接于其止转轭机构的杆的运动。因此，外部活塞的止转轭机构被嵌套 在内部活塞的两个止转轭机构内。 为了便于内部活塞和外部活塞的组装，本发明的优选特征是沿着通过气缸的轴线 并垂直于曲轴的轴线的平面剖分内部活塞。接着，通过紧固件将内部活塞的两个半部重新 连接。应当认识到，可以采用可替换的组装方法以获得相同的效果。 而且，根据本发明，曲轴优选地具有至少3个单独的轴颈以接收来自各自止转轭
机构的驱动力。每个气缸均具有在其各自端部附近形成的排气口和空气进入口 。 本发明的优选特征在于提供了通过多个径向布置的喷嘴输送燃油的燃油喷射装
置，多个径向布置的喷嘴的布置轴线与气缸同轴。在喷射期间，位于外部活塞的管形杆中的
等数量的径向布置的气口对准并包围燃油喷射流，从而允许燃油喷射流进入燃烧室。
本发明的重要优选特征在于，内部和外部刚性的活塞/止转轭/活塞组件(API和
APO)被选择为使发动机的主动态不平衡消除或最小化。采用止转轭机构的发动机以理想简
谐运动的方式驱动其活塞并因此不具有任何第二阶或更高阶简谐运动分量。更特别地，优
选地将API选择为使其质量与其驱动曲轴轴颈的半径的乘积等于APO的质量与其驱动曲轴
轴颈的半径的乘积。这种配置消除了动态不平衡，除非引入曲轴轴颈的非对称。 根据本发明的另一优选特征，曲轴上的、驱动API和APO轴颈被非对称地布置而非
直径相对，使得相关联的气缸的排气口在其空气进入口打开之前打开并在其空气进入口关
闭之前关闭。这种非对称气口正时使改善排气扫气和采用增压以提供发动机效率成为可能。 —旦将非对称活塞运动引入活塞对置发动机中，就有必要对绝大多数发动机设计 中与包含在气缸中的最小容积和最大容积相应的上死点(TDC)和下死点(BDC)的意义进行 重新定义。在其活塞异相(180+a)°角的活塞对置发动机中，其中a被称为异相角(OOP), 最小包含容积的位置被称为内死点(IDC)，最大包含容积的位置被称为外死点(ODC)。
本发明的另一优选特征是使用包含进气口和排气口并形成活塞在其中往复运动 的气缸的两个套筒气门。本发明的优选特征在于，位于曲轴的一端的偏心的球轴颈驱动一 个套筒气门，而位于曲轴的另一端的类似的同轴的轴颈驱动第二套筒气门。在某些实施方 式中，偏心轴颈的最大偏心距滞后APO曲轴轴颈(90+a /2) ° 。 几何三角学可以表明，当上述动力学布置具有OOP角a时，产生滞后APO轴颈位 置(90+ a /2) °并具有API或APO的质量/曲轴半径乘积乘以2sing( a /2)的幅值的主不 平衡力。为了实现理想的动态平衡，有必要的是将两个套筒气门的质量和与其偏心轴颈的 半径的乘积设置为等于之前所描述的不平衡力的幅值。从而，所得到的发动机实质上处于 完全动态平衡。这里应当注意，套筒气门的运动的旋转分量方向相反且彼此完全抵消。而 且，由于相对的气缸是同轴的，因此没有产生摆动力偶，并且相比传统的水平相对的、交错 的气缸布置节省了空间。 本发明的该特征的另一重要原因在于，使套筒气门的运动滞后排气活塞的运动 (90+a /2) °的作用使气口正时非对称乘以3或更大的系数，这样允许使活塞非对称最小 化，这又接着使损失的发动机容积和内部不平衡分量最小化——工程设计中罕见的良性循 环。 在文献中良好记载的另一希望的效果在于，由套筒气门的偏心部给予套筒气门的 圆周运动因活塞环相对于其气缸的速度从不为零而极大地减小了活塞摩擦和气缸磨损。因 而使液力润滑最大化。同时，润滑油分布更均匀，从而通过降低润滑失效的可能性以及引起 热点(hotspots)和温度梯度(temperature gradients)减少的改善的热传递而导致更高 的可靠性。 可以通过将加压空气应用于每个气缸的进气口实现根据本发明的发动机的最大 动力效率。因此，根据本发明的具有非对称正时的发动机的本优选形式包括两个增压器，每 个增压器联接于相关联的气缸的排气口以从该气缸接收排出气体并将加压的空气应用于 该相关联的气缸的进气口 。单独的增压器与每个排气口环的紧密联接通过采用来自任何活 塞式发动机中固有的气体动态脉动的额外能量而产生更高的效率。


现在通过参照附图以示例的方式对本发明的实施方式进行描述，在附图中
图1是通过根据该发明的实施方式的发动机配置的横截面，该横截面位于经过左 手气缸和右手气缸的轴线并垂直于曲轴的轴线的竖直面； 图2是通过根据该发明的实施方式的发动机配置的横截面，该横截面位于经过左 手气缸和右手气缸的轴线和曲轴的轴线的水平面；以及 图3(a)至(m)示出了在一个完整的曲轴旋转中图1和2的发动机配置的部件的 相对位置 图3(a)示出了处于起始位置的曲轴，并且在右手气缸中，进气(IN)和排气(EX) 口打开； 图3(b)示出了逆时针旋转30度后所有部件的相对位置；以及 图3(c)至3(m)分别示出了60。 、90° 、120° 、150° 、180° 、210° 、240° 、270° 、
300° 、330° 、360°后所有部件的相对位置。 详细描述 以下是对优选实施方式的描述，但是在本发明的范围内可以进行多种变化。
如图1和2所示，本发明的发动机配置包括右气缸7、左气缸8和位于气缸之间的 单一中央曲轴112 (为了清晰，发动机的大部分支撑结构除1和2外已从图1和2中省去)。
右气缸7具有分别带燃烧面23和25的外部活塞(PK。)3和内部活塞(P^5，两个 活塞在其之间形成燃烧室27。类似地，左气缸8具有带燃烧面24和26和燃烧室28的外部 活塞4(PM)和内部活塞(Pu)6。两个外部活塞3和4通过止转轭101刚性地连接在一起。 两个上部的内部活塞半部5a和6a通过上部止转轭103刚性地连接在一起，两个下部的内 部活塞半部5b和6b通过下部止转轭104刚性地连接在一起。在优选的实施方式中，为了 能够进行组装，其剖分线通过气缸的轴线并垂直于曲轴的轴线的两个得到的内部活塞/止 转轭/活塞的半部被刚性地紧固在一起，同时固位活塞环形密封组17和18。
外部活塞/止转轭/活塞系统3、101和4经由滑件102附接于曲轴112上的5个 偏心部的中间偏心部115。内部活塞/止转轭/活塞系统经由滑件105和106附接于曲轴 112上的5个偏心部的内侧的一对偏心部114和116。 4个活塞3、4、5(a+b)和6 (a+b)被示 出为分别具有位于燃烧面后侧的多个活塞环19、20、21和22。在发动机的其它实施方式中， 可以进一步沿着活塞主体或在相配的气缸壁中采用额外的活塞环，以使气体从气口到曲轴 箱118的离开最小化。在优选的实施方式中，在外部区域31和32中采用额外的活塞环。
气缸包括套筒气门7和8及其各自的轴承盖110和109，轴承盖110和109分别由 偏心部113和117从曲轴驱动。套筒气门7和8均具有排气口 35、34和进气口 33(未示出 左手套筒气门8的进气口 )。在右气缸的套筒气门7上，外部活塞3打开和关闭排气口 33， 内部活塞5(a+b)打开和关闭进入口35。多个径向燃油喷射口37穿透外部活塞的管形附接 件并提供路径用于仅当喷射阶段期间气口 37对准并包围径向燃油喷嘴39时、来自喷射器 9的多个径向燃油喷嘴39的燃油进入燃烧室27。类似地，在左气缸的套筒气门8上，外部 活塞4打开和关闭排气口 34，内部活塞6(a+b)打开和关闭进入口 36。多个径向燃油喷射 口 38穿透外部活塞的管形附接件并提供路径用于仅当喷射阶段(如图l和2所示，发生在 左气缸中)期间气口 38对准并包围径向燃油喷嘴40时、来自喷射器10的多个径向燃油喷
8嘴40的燃油进入燃烧室28。 5个曲轴偏心部113U14、115、116和117中的每一个都相对于曲轴旋转轴线111 被独特地定位。在所示出的实施方式中，用于外部排气活塞115的偏心部和用于内部进气 活塞的同轴的偏心部114和116与曲轴旋转轴线111的径向距离相同。在优选的实施方式 中，止转轭101交替地容纳在内部进气活塞5(a+b)和6(a+b)的裙部内，因此偏心部115的 半径受到了限制。然而，对同轴的偏心部114和116的半径没有等效的限制，因此可以延长 这些偏心部的半径，这样可以具有增加内部进气活塞的冲程的作用。根据文献，先前的活塞 对置2冲程发动机具有约为曲轴旋转110。的进气期和约为曲轴旋转130。的排气期。由 于最大可获得的气口面积随相关联的活塞的冲程线性变化，因此额外的进气活塞的冲程可 以恢复进气口和排气口的面积的相等性。任意给定发动机实施方式根据其尺寸和工作量是 否需要这样，将取决于对具体情况为优化而进行的进一步的计算机分析和测试。
用于在两个气缸中打开和关闭排气口的外部排气活塞的偏心部115在优选的实 施方式中角度提前4。，而用于在两个气缸中打开和关闭进气口的内部进气活塞的同轴的 偏心部114和116角度滞后4。(在具有对称的气口正时的发动机实施方式中，相对于其理 论上的180°相对的位置)，并且驱动气缸套筒气门运动的同轴的偏心部113和117相对于 偏心部115的位置角度滞后(90+4° )(注意，如箭头所示，曲轴旋转的方向是逆时针的)。
如下面所讨论地，偏心部的独特位置有助于关于对来自排出废气的能量进行增压 和回收的发动机平衡和发动机操作。也如下面所讨论地，发动机平衡导致作用在曲轴上的 所有非旋转力抵消，从而允许简化的曲轴设计。对置活塞的使用实现每个气缸的更大排量， 而同时减小了曲轴半径，从而减小了发动机高度。嵌套的止转轭配置允许非常短、紧凑的发 动机，同时极大地减小了来自经过活塞/气缸交界面的反作用力的摩擦损失。
相比具有可比性能的、当前的现有技术产品的、4缸4冲程直列式发动机，本发明 的发动机在安装适应性、减小摩擦损失和消除振动方面提供了实质性的改进。对置活塞、对 置气缸的发动机的高度主要由曲轴的最大扫过和最小可获得离合器直径并由飞轮的要求 决定。采用活塞对置设计，对于相同的气缸排气量，可将曲轴半径大致减半。因此相比4缸 4冲程直列式发动机的450mm的高度，可以将高度降低到约200mm。作为说明，具有46. 6mm 缸径的体现本发明的发动机可产生158cm3的排气量。单一的中央曲轴和嵌套的止转轭配 置允许独特紧凑的发动机，在原型设计中具有约720mm宽度的这种发动机处于用于汽车、 商用车辆和轻型飞机等的可获得安装宽度内。采用152x83. 5mm的缸径和冲程，得到5. 5升 的排气量。可以期待带增压器和附件的约130kg的质量。对于用于大多数量产应用而言需 要更小的版本。 通过该发明，极大地减小了因经过活塞/气缸交界面的反作用力而产生的摩擦。
现有技术的4缸4冲程直列式发动机具有约0.25的曲轴半径与连杆中心间距比(A)。由
于存在止转轭机构，从而获得无穷大的A值并产生了全部活塞的理想简谐运动。 尽管对于可比的功率输出，本发明的2缸发动机具有与传统的4缸4冲程直列式
发动机相同的活塞总数量，但是由于每个活塞行进更短的距离，因此实质性地降低了平均
活塞速度。 由于来自外部活塞的拉力抵消来自内部活塞的推力，因此活塞对置配置实质上消 除了作用在主轴承上的非旋转燃烧力。这些较大的力主要以双剪切方式作用应力于曲轴并在曲轴上施加近似的纯扭矩。因此，可将主轴承的数量减少到两个，并且可使曲轴和支撑发动机的结构相应地更轻。 如下所讨论地，可以对本发明的发动机进行完全动态平衡，甚至存在排气口和进气口正时中的实质上的非对称。这是通过用套筒气门的质量/偏心部半径乘积精确地抵消两个活塞/止转轭/活塞系统的质量/偏心部半径乘积中的不平衡分量实现的。此外，可以衬套气门的运动通过这样的方式改变排气口和进气口正时，即，使得气口正时的非对称可以是曲轴偏心部的非对称的至少3倍。 本发明的发动机配置很适合增压。如图l和2所示，在优选的实施方式中，发动机的每个气缸均具有单独的增压器29和30。由于仅存在两个气缸，因此可经济地将增压器分配用于每一个气缸，从而使如脉冲涡轮增压的技术更加实用。增压器优选是电机辅助涡轮增压器，其用于改进扫气、改进低发动机速度下的发动机性能同时如下所述地避免涡轮迟滞并回收来自发动机排气的能量(组合)、以及对进气进行预热以便于冷发动。
^纖白勺船乍 图3图示了在一个完整的曲轴旋转中本发明的发动机的操作。图3(a)至3(m)以30°的增量图示了活塞位置、套筒气门和相关联的排气口和进气口位置(注意，如箭头所示，图3中的曲轴旋转是逆时针的)。由于左气缸和右气缸中的活塞同时分别处于IDC(内死点)和ODC(外死点)，因此曲轴角度小被示出在附图号的右侧并标记为ADC(死点后)。进口 IN和出口 EX处的箭头表示气口是打开的。 处于0° ADC的图3(a)示出了处于0。曲轴位置(在左气缸中任意地限定为IDC)的发动机。在该位置，左外部活塞Pw和左内部活塞Pu处于其最靠近的点。发动机的直喷版本中，大约在该曲轴旋转角度，燃油供给将被喷射到左气缸中，并且燃烧开始。此时，左气缸的排气口和进气口 (EX和IN)分别由P^。和Pu完全关闭。由于活塞致动出气口的正时提前4° ，且活塞致动进气口的正时滞后4。，因此活塞Pw和Pu均具有向左的微小速度，并且Pw刚刚改变方向。在右气缸中，右外部活塞P^和右内部活塞PM处于其最远离的点。如箭头所示，右气缸的排气口EX和进气口 IN打开，之前燃烧循环的废气被单流扫气(单向流动而非环流)。由于PK。和PKI与左气缸中的活塞通过嵌套的止转轭机构刚性连接，因此PK。和PKI与左气缸中的活塞相同，一定也具有向左的微小速度，并且P^。刚刚改变方向。 一体移动而且滞后活塞Pw和PK。的运动(90+4) °并领先活塞Pu和PKI的运动(90+4) °的两个套筒气门以向右的最大速度处于中段冲程，从而对气口正时不产生任何影响。
在处于30° ADC的图3(b)中，在动力冲程开始时，左气缸的活塞Pw和Pu分离，并且Pu刚刚改变其行进方向。P^。由于其领先Pu8。而以高于Pu的速度移动。在右气缸中，两组气口 EX和IN如箭头所示地保持打开，但是气口 EX开始关闭。两个套筒气门均以其偏心部半径的50%处于中段冲程位置右侧并仍向右移动，从而在右气缸中增加进气口 IN的开度并减小排气口 EX的开度。 在处于60° ADC的图3(c)中，左气缸继续其动力冲程，并且两个活塞P工。和Pu具有更近于相等但方向相反的速度。在右气缸中，外部活塞P^。已经关闭了排气口 EX，而进气口 IN如箭头所示地仍保持部分打开以接收增压。两个套筒气门均以其偏心部半径的87%处于中段冲程位置右侧并仍向右移动，从而在右气缸中增加进气口 IN的开度并加速排气口 EX的关闭。
在处于90° ADC的图3(d)中，左气缸继续其动力冲程，而在右气缸中，PKI已经关闭了进气口 IN，并且两个活塞Pw和PM朝向彼此移动，从而压縮二者之间的空气。两个套筒气门均以其偏心部半径的100%处于中段冲程位置右侧且静止，并在右气缸中延迟了进气口 IN的关闭。 在处于12(T ADC的图3(e)中，左气缸的活塞PM已如箭头所示地打开了排气口EX，而进气口保持关闭。在这种"排出"状况下，来自燃烧室的膨胀气体的动能的一部分可在外部由涡轮增压器("脉冲"涡轮增压)回收，以压縮下一次充气和/或产生可存储和/或反馈回发动机的曲轴中(组合)的电能。在右气缸中，活塞P^和PM继续压縮冲程。两个套筒气门均以其偏心部半径的87%处于中段冲程位置右侧并向左移动，从而在左气缸中增加排气口 EX的开度并延迟了进气口 IN的打开。 在处于150° ADC的图3(f)中，左气缸的活塞P^。已经打开了进气口 IN，如箭头所示，气缸正在被单流扫气。右气缸正在接近压縮冲程结束，并且"挤压"阶段正在开始。这时，如带虚线尾部的箭头所示，活塞P^。和PKI的外部的、环形的相对的面开始从二者之间排出空气。两个套筒气门均以其偏心部半径的50%处于中段冲程位置右侧并仍向左移动，从而在左气缸中增加排气口 EX的开度并减小进气口 IN的开度。 在处于180° ADC的图3(g)中，左气缸的活塞P^。和Pu使气口EX和IN均如箭头所示地保持打开，并且继续单流扫气。外部活塞P^。刚刚改变其行进方向。右气缸已到达IDC位置，在该位置活塞PK。和PKI处于其最靠近的点，并且PK。刚刚改变方向。如带虚线尾部的箭头所示，"挤压"阶段继续，从而强化了叠加在已经存在的气缸轴涡流上的"烟圈"效应，气缸轴涡流由部分切向的进气口 IN引起。当燃烧室最像超环体并具有最小容积时，这种组合的气体运动在IDC处于其最大强度。此时，如带点区域所示，多个径向燃油射流从中央燃油喷射器散出，到达几乎全部可获得空气并使非常有效的燃烧以组合方式产生同类最佳的特定油耗。两个套筒气门均以向左的最大速度处于中段行程，从而对气口正时不产生任何有效改变。 在处于210° ADC的图3(h)中，在左气缸中，如箭头所示，两组气口 EX和IN保持打开，但是气口 EX开始关闭。在动力冲程开始时，右气缸的活塞PK。和PM分离，并且P^改变了其行进方向。Pk。因其領先Pm8。而以高于P^的速度移动。两个套筒气门均以其偏心部半径的50%处于中段冲程位置左侧并仍向左移动，从而在左气缸中增加进气口 IN的开度并减小排气口EX的开度。 在处于240° ADC的图3(i)中，在左气缸中，外部活塞P^。已关闭了排气口 EX，而进气口 IN如箭头所示地保持部分打开以接收增压。右气缸继续其动力冲程，并且两个活塞Pk。和Pki具有更近于相等但方向相反的速度。两个套筒气门均以其偏心部半径的87%处于中段冲程位置左侧并仍向左移动，从而在左气缸中增加进气口 IN的开度并加速排气口 EX的关闭。 在处于270° ADC的图3(j)中，在左气缸中，Pu已经关闭了进气口 IN，并且两个活塞PM和Pu朝向彼此移动从而压縮二者之间的空气，而右气缸继续其动力冲程。两个套筒气门均以其偏心部半径的100%处于中段冲程位置左侧并静止、且在左气缸中延迟了进气口 IN关闭。 在处于300° ADC的图3(k)中，在左气缸中，活塞PM和Pu继续压縮冲程。如箭
11头所示，右气缸的活塞Pw已经打开了排气口 EX，而进气口保持关闭。在该"排出"状况下，燃烧室的膨胀气体的动能的一部分可在外部由涡轮增压器("脉冲"涡轮增压)回收，用于压縮下一次充气和/或产生可存储和/或反馈回发动机的曲轴中(组合)的电能。两个套筒气门均以其偏心部半径的87%处于中段冲程位置左侧并向右移动，从而在右气缸中增加排气口 EX的开度并延迟了进气口 IN的打开。 在处于330° ADC的图3(1)中，左气缸正在接近压縮冲程结束，并且"挤压"阶段正在开始。这时，如带虚线尾部的箭头所示，活塞Pw和Pu的外部的、环形的相对的面开始从二者之间排出空气。右气缸的活塞PRO已经打开了进气口 IN，如箭头所示，气缸正在被单流扫气。两个套筒气门均以其偏心部半径的50%处于中段冲程位置左侧并仍向右移动，从而在右气缸中增加排气口 EX的开度并减小进气口 IN的开度。 在处于36(T ADC的图3(m)中，位置与图3(a)中的相同。左气缸已到达IDC位置，在该位置活塞PM和Pu处于其最靠近的点，并且Pw刚刚改变方向。如带虚线尾部的箭头所示，"挤压"阶段继续，从而强化了叠加在已经存在的气缸轴涡流上的"烟圈"效应，气缸轴涡流由部分切向的进气口 IN引起。当燃烧室最像超环体并具有最小容积时，这种组合的气体运动在IDC处于其最大强度。此时，如带点区域所示，多个径向燃油射流从中央燃油喷射器散出，到达几乎全部可获得空气并使非常有效的燃烧以组合方式产生同类最佳的特定油耗。右气缸的活塞PK。和PKI使气口 EX和IN均如箭头所示地保持打开，并且继续单流扫气。外部活塞PRO刚刚改变其行进方向。两个套筒气门均以向右的最大速度处于中段行程，从而对气口正时不产生任何有效改变。 特定角度和正时依据曲轴的几何配置和气口的尺寸和位置；以上描述仅旨在对本
发明的理念进行说明。 排气口和进气口的非对称|H时 2冲程发动机中的排气口和进气口的非对称正时产生众多重要优点。如果排气口在进气口之前打开，那么排出气体中的能量可更有效地由增压器回收，并且如果排气口在进气口之前关闭，那么气缸可更有效地被增压。 在本发明的发动机配置中，如上所述，排气口由每个气缸中的外部活塞控制，而进气口由内部活塞控制。这种配置不仅允许有效的扫气("单流"扫气)，还允许排气口和进气口的独立非对称正时。 通过改变对应曲轴轴颈的相对角位置实现每个气缸中的两个活塞的非对称正时。将用于排气和进气活塞的轴颈定位为分离180°会导致两个活塞同时到达其最大和最小偏移(对称正时)。在本发明的优选实施方式中，用于排气活塞的轴颈角度提前4。，用于进气活塞的轴颈角度滞后4° (因此内死点和外死点仍出现在与对称正时的发动机中相同的曲轴角度，但是两个活塞具有关于气缸的小的共同速度)。除此之外是两个套筒气门的共同速度的贡献，两个套筒气门包含全部排气口和进气口 ，并且两个套筒气门的运动滞后排气活塞的内死点90。。在优选实施方式中，这种运动将有效排气活塞领先增加到12.5° ，并将有效进气活塞滞后增加到12.5。。因此，排气口在进气口之前打开以进行"排出"并在进气口之前关闭以进行增压。 可对套筒气门的质量/偏心部半径乘积进行匹配以完全消除由活塞轴颈的非对称所引起的主不平衡。因此，该发明描述可以主阶次和所有更高阶次实现理想平衡的2缸2冲程发动机。此外，只要相对的活塞/止转轭/活塞系统的质量/偏心部半径乘积保持相等，那么排气活塞和进气活塞的冲程就可以不同，从而允许对最大可获得气口面积进行优化以实现最佳性能。 織X憎气層罾配,歡样^纖白勺i細牛 在许多发动机配置中，平衡取决于将4、6、8或更多气缸布置为使由单个活塞所贡献的自由质量力抵消。还经常采用反转配重，但这样会给发动机增添复杂性、质量和摩擦损失。本发明的优点是可仅通过两个气缸在紧凑的发动机中实现整体平衡。从而，可通过将多个2缸发动机并排布置并将其曲轴联接在一起而制成更大的多缸发动机。可通过受到操作者或逻辑控制的如离合器的装置进行该联接，从而允许当在低负载情况下不需要的时候将成对的气缸脱开。目前存在这样的发动机，这种发动机当在部分负载下运行时使用其全部气缸的一部分，但是气缸保持与曲轴连接，并且活塞继续在气缸内移动并因此继续成为作用在发动机上的附加摩擦负载。
獵 以上是对本发明的具体实施方式
的详细描述。应当认识到，对所公开实施方式的偏离可能仍处于本发明的范围内，并且本领域技术人员可以进行显而易见的修改。该说明书不应被理解为对本发明所要保护的全部范围进行不适当地縮小。 以下权利要求中的所有装置或步骤的相应结构、材料、动作及等效以及功能元素旨在包括用于与所具体宣称的其它所宣称的元素相结合实现功能的任何结构、材料或动作。
权利要求
一种2冲程内燃发动机，包括两个相对的气缸，每个气缸均容纳两个相对的活塞并具有至少一个排气口和至少一个进气口；以及曲轴，具有非对称布置的轴颈和用于从所述活塞驱动所述轴颈的止转轭机构，其中，每个气缸中的所述活塞操作以在所述气缸的进气口之前打开所述气缸的排气口，并在所述气缸的进气口之前关闭所述气缸的排气口。
2. 根据权利要求1所述的发动机，其中，所述活塞的几何配置和质量被选择为使所述 发动机在其操作过程中的动态不平衡最小化。
3. —种2冲程内燃发动机，包括 曲轴，具有多个轴颈；两个相对的气缸，其内端邻近所述曲轴，每个气缸均具有能够往复运动地置于其中的 内部活塞和外部活塞，并在所述内部活塞和所述外部活塞之间形成燃烧室；第一止转轭机构和第二止转轭机构，刚性地附接于所述内部活塞并以同时作用的方式 将所述内部活塞驱动地联接于所述内部活塞的、在所述曲轴上的对应轴颈；以及第三止转轭机构，刚性地附接于所述外部活塞并将所述外部活塞驱动地联接于所述外 部活塞的、在所述曲轴上的对应轴颈。
4. 根据权利要求3所述的发动机，其中，所述活塞和止转轭机构的几何配置被选择为 使所述发动机在其操作过程中的动态不平衡最小化。
5. 根据权利要求3或4所述的发动机，其中，所述第三止转轭机构经由穿过位于所述内 部活塞的燃烧面中的孔的杆而刚性地附接于所述外部活塞。
6. 根据权利要求3至5任一项所述的发动机，其中，包括所述外部活塞和所述第三止转 轭的第一系统的有效质量与相关联的曲轴轴颈的半径的乘积实质上等于包括所述内部活 塞和第一止转轭和第二止转轭的第二系统的有效质量与相关联的曲轴轴颈的半径的乘积， 使得因所述第一系统产生的动态不平衡实质上抵消因所述第二系统产生的动态不平衡。
7. 根据权利要求3至5任一项所述的发动机，其中，所述曲轴具有至少3个轴颈，一个 轴颈用于包括所述外部活塞和第三止转轭的第一系统，一个轴颈用于包括所述内部活塞和 第一止转轭和第二止转轭的第二系统，所述第一系统和第二系统中每一个的有效质量和其 相关联的曲轴轴颈的半径被选择为使得所述发动机实质上动态平衡。
8. 根据权利要求3至7任一项所述的发动机，其中，每个气缸均具有在其对应端部附近 形成的排气口和进气口和与所述气缸的燃烧室相连通的燃油喷射装置。
9. 根据权利要求8所述的发动机，其中，每个气缸的与所述止转轭机构相关联的曲轴轴颈被非对称地布置为使相关联的气缸的排气口在所述相关联的气缸的进气口打开之前 打开并在所述相关联的气缸的进气口关闭之前关闭。
10. 根据权利要求1至9任一项所述的发动机，其中，由所述止转轭曲轴轴颈所对的、合 计为360°的两个角度中较小的角度约为155度。
11. 根据前述权利要求任一项所述的发动机，其中，每个气缸均包括套筒气门，所述套 筒气门在一端具有一个或多个排气口 ，在另一端具有一个或多个进气口 。
12. 根据权利要求11所述的发动机，其中，延伸到所述套筒气门的、邻近所述曲轴的端 部的刚性延伸部包含孔，所述孔在所述曲轴的一端驱动地联接于第一偏心球轴颈，所述延伸部在所述孔的直径处通过垂直于所述气缸的轴线的平面被剖切并形成固定于所述延伸 部能够拆除的盖，以能够进行组装。
13. 根据权利要求12所述的发动机，其中，所述第二气缸的套筒气门在所述曲轴的所 述另一端驱动地联接与所述第一偏心球轴颈同轴的第二偏心球轴颈，从而迫使所述套筒气 门在一个阶段往复运动但在相反的阶段旋转。
14. 根据权利要求11至13任一项所述的发动机，其中，由所述套筒气门的相关联的曲 轴轴颈给予所述套筒气门的复杂运动包括沿气缸的轴线的线性简谐运动分量和关于所述 气缸的轴线的旋转分量。
15. 根据权利要求13或14所述的发动机，其中，驱动所述套筒气门的所述轴颈被定位成平分两个角度中、由所述止转轭的曲轴轴颈所对的较大角度。
16. 根据权利要求11至15任一项所述的发动机，其中，两个套筒气门的质量乘以所述 两个套筒气门的相关联的轴颈之一的半径实质上等于包括所述外部活塞和第三止转轭的 系统或包括所述内部活塞和第一止转轭和第二止转轭的系统的质量乘以所述包括所述外 部活塞和第三止转轭的系统或包括所述内部活塞和第一止转轭和第二止转轭的系统的相 关联的曲轴轴颈的半径乘以2sin(a/2)，其中，a是180°减去由与所述套筒气门相关联 的轴颈所对的较小的角度。
17. 根据权利要求16所述的发动机，其中，由所述止转轭的曲轴轴颈所对的较小的角 度约为172度(a = 8° )。
18. 根据权利要求11至17任一项所述的发动机，其中，两个气缸在其最靠近所述曲轴 的内端具有其排气口并在其最远离所述曲轴的外端具有其进气口 。
19. 根据权利要求11至17任一项所述的发动机，其中，两个气缸在其最远离所述曲轴 的外端具有其排气口并在其最靠近所述曲轴的内端具有其进气口 。
20. 根据前述权利要求任一项所述的发动机，其中，所述气缸的轴线平行但在相反方向 偏离于所述曲轴的轴线。
21. 根据前述权利要求任一项所述的发动机，其中，包括将加压空气应用于每个气缸的 进气口的装置。
22. 根据权利要求21所述的发动机，其中，包括两个增压器，每个增压器均联接于相关 联的气缸的排气口以接收从所述相关联的气缸排出的气体，并且每个增压器联接于该相关 联的气缸的进气口以将加压的空气应用于该相关联的气缸。
23. 根据前述权利要求任一项所述的发动机，其中，在远离所述曲轴的位置为每个气 缸提供燃油喷射装置，所述燃油喷射装置能够往复运动地容纳在管形件内，所述管形件将 所述外部活塞附接于所述外部活塞的相关联的止转轭，在喷射阶段期间，大约当所述相关 联的气缸的所述内部活塞和外部活塞处于其最靠近的位置时，多个径向高压燃油射流被释 放在所述管形件中，所述射流经由穿过所述管形件而制成的小的径向孔进入相关联的燃烧 室，并且所述小的径向孔在喷射期间对准并包围所述射流。
24. 根据权利要求23所述的发动机，其中，在所述气缸中对燃油空气混合物的压縮导 致所述燃油空气混合物点燃。
25. —种两冲程内燃发动机，包括两个相对的气缸和曲轴，每个气缸均容纳两个相对的 活塞并具有一个或多个进气口和一个或多个排气口 ，所述曲轴用于驱动所述活塞，其中，每个气缸均包括能够由所述曲轴驱动的套筒气门以控制所述进气口和排气口的打开和关闭。
26. —种两冲程内燃发动机，包括两个相对的气缸和曲轴，每个气缸均容纳两个相对的 活塞并具有一个或多个进气口和一个或多个排气口 ，所述曲轴具有非对称布置的轴颈以从 所述活塞驱动所述轴颈，其中，每个气缸今年包括能够由所述曲轴驱动的套筒气门以控制 所述进气口和排气口的打开和关闭。
27. 根据权利要求25或26所述的发动机，其中，所述曲轴具有非对称布置的轴颈以驱 动所述气缸的套筒气门。
28. 根据权利要求23至25任一项所述的发动机，其中，所述套筒气门的几何配置和质 量被选择为抵消由所述活塞的非对称运动引起的动态不平衡。
29. —种两冲程内燃发动机，包括曲轴和两个相对的气缸，所述两个相对的气缸的内端 最靠近所述曲轴，每个气缸均具有置于其中的内部活塞和外部活塞并在所述内部活塞和外 部活塞之间形成燃烧室，其中，每个外部活塞均通过各自的管形件驱动地联接于所述曲轴， 所述管形件一般地轴向延伸穿过所述燃烧室，并且容纳在所述管形件内的燃油喷射装置被 布置为将燃油径向向外地喷射到所述燃烧室中。
30. —种两冲程内燃发动机，包括 曲轴，具有多个轴颈；两个相对的气缸，其内端邻近所述曲轴，每个气缸均具有置于其中的内部活塞和外部 活塞并在所述内部活塞和外部活塞之间形成燃烧室；第一止转轭机构和第二止转轭机构，刚性地附接于所述内部活塞并以同时作用的方式 将所述内部活塞驱动地联接于所述内部活塞的、在所述曲轴上的对应轴颈；以及第三止转轭机构，刚性地附接于所述外部活塞并将所述外部活塞驱动地联接于所述外 部活塞的、在所述曲轴上的对应轴颈。
全文摘要
本发明提供了一种2冲程内燃发动机，包括两个相对的气缸，每个气缸均容纳两个相对的活塞并具有至少一个排气口和至少一个进气口；以及曲轴，具有非对称布置的轴颈和用于从所述活塞驱动所述轴颈的止转轭机构。每个气缸中的所述活塞操作以在所述气缸的进气口之前打开所述气缸的排气口并在所述气缸的进气口之前关闭所述气缸的排气口。
文档编号F02B75/02GK101765699SQ200880023022
公开日2010年6月30日 申请日期2008年5月28日 优先权日2007年6月6日
发明者大卫·考克斯 申请人:考克斯传动有限公司