[发明专利]活塞装置以及内燃机

说明书

技术领域

本发明涉及一种活塞装置并且涉及一种内燃机。

背景技术

以二冲程循环或四冲程循环操作的常规内燃机通常使用曲轴和连杆装置，以将活塞的线性运动转换成输出轴处旋转运动。由于曲轴和连杆的几何结构，最大活塞加速度通常在活塞处于上止点(TDC)处时发生，在该上止点处的活塞加速度显著大于下止点(BDC)处的活塞加速度。

TDC处的高活塞加速度对发动机性能造成若干问题。例如，在火花点火式发动机中，由增加的TDC活塞加速度引起的减少的TDC停留时间(在TDC处或在TDC附近花费的时间)会增加所需的点火提前，由此特别是在在高发动机转速下降低效率。在压燃式发动机中，减少的TDC停留时间会减小由燃料的燃烧速度限制的发动机转速极限。当设计发动机平衡系统时，在TDC和BDC处的活塞加速度的差还需要折衷，使得发动机不会太好地垂直平衡。另外，在TDC处经受的高最大加速度力会对发动机组件造成巨大应力，因而增加发动机的设计要求以及重量，并且减少连杆和活塞的寿命。与TDC处的高加速度以及增加的组件负载相关联的问题并不局限于内燃机，而是通常适用于用于将往复线性运动转换成旋转运动或反之亦然的任何活塞装置，例如，泵。

已知将不同燃烧室应用到输出轴耦合机构的以减小最大活塞加速度并且增加TDC停留时间的若干替代的发动机装置。例如，帕塔肯格雷科(Pattakon Greco)发动机、伯克(Bourke)发动机、瑞沃特克(Revetec)发动机和汪克尔(Wankel)发动机都使用不同的机械耦合解决方案来解决上述问题。然而，这些替代耦合装置中的每一者具有若干缺点。例如，帕塔肯格雷科、伯克和瑞沃特克发动机都经由线接触片将驱动力从活塞传输到输出轴，从而引起高压力集中度以及增加的磨损率。帕塔肯格雷科、瑞沃特克和汪克尔发动机还需要复杂的高精度凸轮形状的机械加工，这制造起来困难且昂贵。

除了上述问题以外，常规的二冲程发动机还具有与曲轴和连杆组合件的润滑有关的问题。曲轴和连杆组合件通常容纳在形成部分吸气系统的曲轴箱中。润滑系统作为全损耗系统操作，其中润滑油被连续地注入到曲轴箱中并且被允许进入燃烧气缸中并且由此离开发动机。这种全损耗润滑系统由于需要不断替换润滑油而运行起来比较昂贵并且由于润滑油存在于废气中而对环境造成损害。将曲轴箱用作增压或吸气室还限制了发动机设计者将吸气室的体积和形状优化到发动机的最大性能和效率的能力。

发明内容

本发明的第一方面提供一种活塞装置，其包括：活塞、第一腔室、第二腔室以及动力传递组合件；其中所述活塞包括在第一腔室内可移动的第一活塞头以及在第二腔室内可移动的第二活塞头；其中，在操作中，活塞在沿着第一轴线往复运动时遵循线性路径；其中所述动力传递组合件包括轴杆，所述轴杆可旋转地耦合到往复式轴承上并且经布置以将活塞的往复运动转换成轴杆的旋转运动；其中往复式轴承在沿着基本上横向于第一轴线的第二轴线往复运动时相对于活塞移动；以及其中往复式轴承经由非平面轴承面而耦合到活塞上，由此允许往复式轴承的旋转。

活塞装置通常可以应用于需要将往复线性运动转换成旋转运动或反之亦然的任何发动机或泵或任何其他机械装置。

往复式轴承被定义为抵靠着另一组件且沿着往复运动时的移动路径相对于其所抵靠的组件移动的组件。移动路径可以基本上是线性的。

通过经由往复式轴承(相较于常规的曲轴和连杆装置)将轴杆连接到活塞上，动力传递组合件允许活塞运动的更好控制以及减小的加速度峰值。例如，TDC活塞加速度可以减小且TDC停留时间可以增加。减小TDC活塞加速度会降低传递组合件的最大负载，并且因此磨损率减小且动力传递组合件的重量可以被最小化。当本发明应用于内燃机时，增加TDC停留时间会提高燃烧效率并且允许用于火花点火式发动机的点火提前的减小或用于压燃式发动机的最大发动机转速的增加。减小或消除TDC加速度与BDC加速度之间的差还使平衡系统能够成为优化孔，由此有效地顶部控制TDC和BDC处的振动。

非平面轴承面可以经布置以允许往复式轴承围绕第二轴线和/或围绕第三轴线旋转，所述第三轴线基本上垂直于第一和第二轴线。