[发明专利]对置活塞发动机

说明书

相关申请

[0001]本申请要求依照35 U.S.C.§119享有作为2005年6月10日提交 的PCT专利申请PCT/US2005/020553标题为《改进的二冲程对置活塞内燃 机》的部分延续案的优先权，并要求依照35 U.S.C.§120享有作为2004 年6月10提交的美国专利申请第10/865,707号《二冲程对置活塞内燃机》 的部分延续案的优先权，其公开均全文结合于此以供参考。

背景技术

[0002]本发明涉及内燃机。更具体地，本发明涉及冷却适合汽缸和活 塞各具体要求的二冲程对置活塞发动机，其中单个活塞销连接各活塞至 相关连接杆，且顺应式活塞连接器保持各活塞及相关汽缸间的准直。

[0003]对置活塞发动机由Hugo Junkers在十九世纪末发明。Junkers的 发动机使用的两个活塞顶对顶位于普通汽缸内，进气端口和排气端口位 于各活塞下死点附近，活塞用作各端口的阀。发动机具有两个曲轴，汽 缸各端各一个。沿相同方向旋转的曲轴通过连接杆连至各活塞。活塞内 的活塞销将杆连接至活塞。曲轴齿轮连接在一起以控制端口的定相并提 供发动机输出。在一般Junkers发动机中，增压器由进气曲轴传动，且相 连的压缩机用于在发动机每次旋转时排除汽缸内的废气并冲入新的空 气。非必须地，也可使用涡轮增压器。Junkers的对置活塞发动机胜过传 统二冲程和四冲程发动机的优势在于换气性能优越、零件数量减少、可 靠性增强、热效率高且功率密度高。1936年，当时最成功的柴油机Junke rs Jumo飞机发动机可达到以前任何柴油发动机无法相比的功率密度。根 据C.F.Taylor(The Internal-Combustion Engine in Theory and Pr actice：Volume II，revised edition《理论与实践的内燃机》：第二 卷，修订版；MIT Press，Cambridge，Mass.，1985)：“目前已过时的 Junkers飞机柴油机发动机仍保持着实际使用中柴油机发动机单位输出 的记录(第一卷，图13-11)”。

[0004]但是，Junkers的基本设计中含有多种缺陷。发动机较高，要求 较长的齿轮传动链连接两个曲轴的输出至输出驱动器。各活塞通过伸出 活塞的杆连至曲轴。连接杆较重以适应活塞和曲轴之间的高压缩力。压 缩力以及活塞销的振动运动和活塞加热导致活塞销过早故障。由连接杆 与活塞轴成角度施于各活塞的压缩力在活塞和汽缸孔之间产生径向力 (侧力)。该侧力产生的摩擦力通过汽缸和活塞之间的润滑膜减轻，但 超过特定温度和侧力时膜会破裂。由于汽缸/活塞接触面的温度主要由燃 烧的热确定，所以润滑膜破损的温度限制了发动机的燃烧温度，进而限 制了发动机可达到的平均有效制动压力(BMEP，发动机功率的一个指标)。 一曲轴仅连至排气侧活塞，另一曲轴仅连至进气侧活塞。在Jumo发动机 中，排气侧活塞占高达70％的扭矩，且排气侧曲轴支承较重的扭矩负载。 扭矩不平衡、曲轴分离较远以及齿轮传动链的长度的结合在齿轮传动链 中产生扭力共振效应(振动)。要求较重的发动机组来抑制燃烧期间活 塞对曲轴施加的实际要分开发动机的高排斥力。

[0005]在Bird的英国专利558,115所述对置活塞发动机中，反向旋转的 曲轴位于汽缸旁边使得其旋转轴位于与汽缸相交并垂直汽缸孔的轴的平 面内。侧面安装的曲轴比Jumo发动机中的曲轴位置更靠近，因而与Jumo 发动机相比，Bird发动机的高度减少。Bird的曲轴由要求4个齿轮的较短 齿轮传动链连接，Jumo发动机要求5个。Bird发动机的活塞和曲轴由从各 活塞与汽缸侧面成锐角沿汽缸侧面延伸至各曲轴的杆连接。在此结构中， 杆主要受张力作用，这去除了曲轴上的排斥力，使得重量大幅减小，因 为与相同级主要压缩负载作用下的杆相比，负载主要张力的杆所需杆结 构重量较小。Bird设计的发动机通过将各活塞连接至两个曲轴而获得扭 力平衡。扭力平衡、曲轴邻近且齿轮传动链长度减小产生了较好的扭力 稳定性。为平衡动态发动机力，各活塞由一组杆连至一曲轴并通过另一 组杆连至另一曲轴。活塞负载平衡大幅地减少了作用于活塞和汽缸内孔 之间的侧力。但是，即使做了这些改进，传统发动机结构和常规冷却使 得Bird设计的发动机难以被完全地简化并达到可能的功率重量比(PWR， 以马力每磅hp/lb计量)。