活塞裝置以及內(nèi)燃機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種活塞裝置并且涉及一種內(nèi)燃機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]以二沖程循環(huán)或四沖程循環(huán)操作的常規(guī)內(nèi)燃機(jī)通常使用曲軸和連桿裝置，以將活塞的線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成輸出軸處旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于曲軸和連桿的幾何結(jié)構(gòu)，最大活塞加速度通常在活塞處于上止點(diǎn)(TDC)處時(shí)發(fā)生，在該上止點(diǎn)處的活塞加速度顯著大于下止點(diǎn)(BDC)處的活塞加速度。
[0003]TDC處的高活塞加速度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能造成若干問(wèn)題。例如，在火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)中，由增加的TDC活塞加速度引起的減少的TDC停留時(shí)間(在TDC處或在TDC附近花費(fèi)的時(shí)間)會(huì)增加所需的點(diǎn)火提前，由此特別是在在高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降低效率。在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中，減少的TDC停留時(shí)間會(huì)減小由燃料的燃燒速度限制的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速極限。當(dāng)設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)平衡系統(tǒng)時(shí)，在TDC和BDC處的活塞加速度的差還需要折衷，使得發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)太好地垂直平衡。另外，在TDC處經(jīng)受的高最大加速度力會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)組件造成巨大應(yīng)力，因而增加發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求以及重量，并且減少連桿和活塞的壽命。與TDC處的高加速度以及增加的組件負(fù)載相關(guān)聯(lián)的問(wèn)題并不局限于內(nèi)燃機(jī)，而是通常適用于用于將往復(fù)線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或反之亦然的任何活塞裝置，例如，泵。
[0004]已知將不同燃燒室應(yīng)用到輸出軸耦合機(jī)構(gòu)的以減小最大活塞加速度并且增加TDC停留時(shí)間的若干替代的發(fā)動(dòng)機(jī)裝置。例如，帕塔肯格雷科(Pattakon Greco)發(fā)動(dòng)機(jī)、伯克(Bourke)發(fā)動(dòng)機(jī)、瑞沃特克(Revetec)發(fā)動(dòng)機(jī)和汪克爾(Wankel)發(fā)動(dòng)機(jī)都使用不同的機(jī)械耦合解決方案來(lái)解決上述問(wèn)題。然而，這些替代耦合裝置中的每一者具有若干缺點(diǎn)。例如，帕塔肯格雷科、伯克和瑞沃特克發(fā)動(dòng)機(jī)都經(jīng)由線接觸片將驅(qū)動(dòng)力從活塞傳輸?shù)捷敵鲚S，從而引起高壓力集中度以及增加的磨損率。帕塔肯格雷科、瑞沃特克和汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)還需要復(fù)雜的高精度凸輪形狀的機(jī)械加工，這制造起來(lái)困難且昂貴。
[0005]除了上述問(wèn)題以外，常規(guī)的二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)還具有與曲軸和連桿組合件的潤(rùn)滑有關(guān)的問(wèn)題。曲軸和連桿組合件通常容納在形成部分吸氣系統(tǒng)的曲軸箱中。潤(rùn)滑系統(tǒng)作為全損耗系統(tǒng)操作，其中潤(rùn)滑油被連續(xù)地注入到曲軸箱中并且被允許進(jìn)入燃燒氣缸中并且由此離開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)。這種全損耗潤(rùn)滑系統(tǒng)由于需要不斷替換潤(rùn)滑油而運(yùn)行起來(lái)比較昂貴并且由于潤(rùn)滑油存在于廢氣中而對(duì)環(huán)境造成損害。將曲軸箱用作增壓或吸氣室還限制了發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)者將吸氣室的體積和形狀優(yōu)化到發(fā)動(dòng)機(jī)的最大性能和效率的能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的第一方面提供一種活塞裝置，其包括:活塞、第一腔室、第二腔室以及動(dòng)力傳遞組合件；其中所述活塞包括在第一腔室內(nèi)可移動(dòng)的第一活塞頭以及在第二腔室內(nèi)可移動(dòng)的第二活塞頭；其中，在操作中，活塞在沿著第一軸線往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)遵循線性路徑；其中所述動(dòng)力傳遞組合件包括軸桿，所述軸桿可旋轉(zhuǎn)地耦合到往復(fù)式軸承上并且經(jīng)布置以將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成軸桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；其中往復(fù)式軸承在沿著基本上橫向于第一軸線的第二軸線往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)相對(duì)于活塞移動(dòng)；以及其中往復(fù)式軸承經(jīng)由非平面軸承面而耦合到活塞上，由此允許往復(fù)式軸承的旋轉(zhuǎn)。
[0007]活塞裝置通?？梢詰?yīng)用于需要將往復(fù)線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或反之亦然的任何發(fā)動(dòng)機(jī)或泵或任何其他機(jī)械裝置。
[0008]往復(fù)式軸承被定義為抵靠著另一組件且沿著往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的移動(dòng)路徑相對(duì)于其所抵靠的組件移動(dòng)的組件。移動(dòng)路徑可以基本上是線性的。
[0009]通過(guò)經(jīng)由往復(fù)式軸承(相較于常規(guī)的曲軸和連桿裝置)將軸桿連接到活塞上，動(dòng)力傳遞組合件允許活塞運(yùn)動(dòng)的更好控制以及減小的加速度峰值。例如，TDC活塞加速度可以減小且TDC停留時(shí)間可以增加。減小TDC活塞加速度會(huì)降低傳遞組合件的最大負(fù)載，并且因此磨損率減小且動(dòng)力傳遞組合件的重量可以被最小化。當(dāng)本發(fā)明應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)時(shí)，增加TDC停留時(shí)間會(huì)提高燃燒效率并且允許用于火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火提前的減小或用于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的最大發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加。減小或消除TDC加速度與BDC加速度之間的差還使平衡系統(tǒng)能夠成為優(yōu)化孔，由此有效地頂部控制TDC和BDC處的振動(dòng)。
[0010]非平面軸承面可以經(jīng)布置以允許往復(fù)式軸承圍繞第二軸線和/或圍繞第三軸線旋轉(zhuǎn)，所述第三軸線基本上垂直于第一和第二軸線。
[0011]通過(guò)允許往復(fù)式軸承圍繞第二軸線旋轉(zhuǎn)，往復(fù)式軸承可以在動(dòng)力傳遞組合件中的任何組件略微未對(duì)準(zhǔn)的情況下與活塞維持良好接觸。活塞裝置因此更好地能夠承受由于組件的制造誤差和/或不均勻磨損造成的組件的未對(duì)準(zhǔn)。活塞裝置也更不易受磨損的影響。允許往復(fù)式軸承圍繞第二軸線旋轉(zhuǎn)的軸承面的曲率可以具有延伸穿過(guò)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。彎曲的軸承面可以圍繞整個(gè)往復(fù)式軸承延伸至多360°。當(dāng)然，在發(fā)動(dòng)機(jī)的操作期間，往復(fù)式軸承圍繞第二軸線的旋轉(zhuǎn)程度受動(dòng)力傳遞組合件中的其他組件限制。
[0012]通過(guò)圍繞第三軸線旋轉(zhuǎn)往復(fù)式軸承，活塞移位可以受到控制。例如，圍繞TDC的活塞加速度可以進(jìn)一步減小，由此降低最大負(fù)載并且進(jìn)一步增加TDC停留時(shí)間。允許往復(fù)式軸承圍繞第三軸線旋轉(zhuǎn)的軸承面的曲率可以具有延伸穿過(guò)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。當(dāng)然，在發(fā)動(dòng)機(jī)的操作期間，往復(fù)式軸承圍繞第三軸線的旋轉(zhuǎn)度數(shù)受動(dòng)力傳遞組合件中的其他組件限制。
[0013]往復(fù)式軸承可以包括一個(gè)或多個(gè)凸起的軸承面。
[0014]活塞可以包括與往復(fù)式軸承的一個(gè)或多個(gè)凸起的軸承面相對(duì)應(yīng)的一個(gè)或多個(gè)凹入的軸承面?；钊陌既氲妮S承面可以設(shè)置于活塞本身的主體中?；蛘?，活塞的軸承面可以經(jīng)由附接到活塞上的中間組件提供。
[0015]當(dāng)在第二軸線的方向上和/或在第三軸線的方向上觀察時(shí)，活塞與往復(fù)式軸承之間的界面可以呈圓形或部分圓形。例如，所述界面可以包含一個(gè)或多個(gè)圓的一個(gè)或多個(gè)弧。
[0016]活塞與往復(fù)式軸承之間的界面可以是圓柱形的或部分圓柱形的，使得往復(fù)式軸承可以在發(fā)動(dòng)機(jī)的使用期間圍繞單個(gè)軸線旋轉(zhuǎn)?；蛘?，所述界面可以是球形的或部分球形的，使得允許圍繞兩個(gè)不同的垂直軸線的旋轉(zhuǎn)。
[0017]活塞可以包括在基本上平行于第二軸線的方向上延伸穿過(guò)其厚度的孔，并且往復(fù)式軸承可以接納在所述孔中。所述孔可以是圓形的或基本上圓形的?；蛘撸钊梢园ㄔ诨旧掀叫杏诘诙S線的方向上延伸穿過(guò)其厚度的狹槽，并且往復(fù)式軸承可以接納在所述狹槽中。所述狹槽可以包含在第二軸線的方向上延伸的一個(gè)或多個(gè)壁，所述壁是部分圓柱形的或部分球形的并且與往復(fù)式軸承接合，從而允許往復(fù)式軸承圍繞一個(gè)或多個(gè)軸線旋轉(zhuǎn)。
[0018]往復(fù)式軸承可以是基本上圓柱形的或部分圓柱形的并且具有平行于第二軸線的縱軸線。往復(fù)式軸承通?？梢圆捎镁哂杏糜趯⑼鶑?fù)式軸承耦合到活塞上的圓柱形或部分圓柱形或球形或部分球形的軸承面的任何形狀。
[0019]活塞和/或往復(fù)式軸承的至少一個(gè)軸承表面可以包括形成于其中的一個(gè)或多個(gè)凹槽。所述凹槽可以基本上是直線的、彎曲的、V形或采用任何其他合適的形式。所述凹槽可以有助于流體動(dòng)力潤(rùn)滑，從而改進(jìn)往復(fù)式軸承與活塞之間的潤(rùn)滑劑的分布并且減小軸承面處的滑動(dòng)摩擦和磨損。
[0020]潤(rùn)滑劑(例如，機(jī)油)可以被供應(yīng)到往復(fù)式軸承與活塞之間的界面上。潤(rùn)滑劑例如可以經(jīng)由穿過(guò)活塞裝置的潤(rùn)滑劑管線被直接供應(yīng)到軸承面上和/或經(jīng)由噴霧器從外部供應(yīng)?？梢允褂萌魏纹渌阎陌l(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)。
[0021]軸桿可以在軸桿的偏心部分處可旋轉(zhuǎn)地耦合到往復(fù)式軸承上。偏心部分可以例如包括曲軸的曲柄銷或凸輪軸的凸輪凸角。偏心部分可以接納在往復(fù)式軸承的孔中并且可以通過(guò)圓形軸承(例如，平面軸承或輥元件軸承)與往復(fù)式軸承接觸?；钊梢越?jīng)由往復(fù)式軸承向偏心部分施加力，由此在軸桿處產(chǎn)生扭矩，和/或響應(yīng)于在軸桿處施加的扭矩，偏心部分可以經(jīng)由往復(fù)式軸承將力傳輸?shù)交钊?br>[0022]第二活塞頭可以與第一活塞頭具有相同或不同的外徑。第一和第二氣缸因此可以在尺寸上單獨(dú)地進(jìn)行優(yōu)化。
[0023]第二活塞頭可以與第一活塞頭剛性地保持固定關(guān)系。例如，第二活塞頭可以與第一活塞頭一體地形成。或者，第一和第二活塞頭可以形成為離散組件并且附接在一起。第一和第二活塞頭可以通過(guò)一個(gè)或多個(gè)連接元件或臂而接合。連接元件可以包含狹槽和/或被間隔開(kāi)以接納軸桿和/或往復(fù)式軸承。
[0024]第一活塞頭和第二活塞頭可以在相反方向上彼此相背。
[0025]第一活塞頭和第二活塞頭可以都居中于第一軸線上并且各自可以沿著第一軸線以往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)移動(dòng)。
[0026]往復(fù)式軸承可以直接地或間接地與活塞接合。例如，往復(fù)式軸承可以與第一和/或第二活塞活塞頭的背面滑動(dòng)接觸。或者，往復(fù)式軸承可以經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)中間組件(例如，一個(gè)或多個(gè)軸承元件或輥?zhàn)?耦合到活塞上。
[0027]除了第一和/或第二活塞頭以外，第一腔