CN105793528A - 用于维持二冲程循环、对置活塞式发动机中的活塞销油压的润滑配置 - Google Patents

用于维持二冲程循环、对置活塞式发动机中的活塞销油压的润滑配置 Download PDF

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Abstract

本公开提供一种用于活塞的活塞销的在二冲程循环对置活塞发动机内的润滑配置。当活塞接近下止点时，用于活塞活塞销的二冲程循环、对置活塞式发动机中的润滑配置最小化活塞销处的油压损失，并且减少到发动机的所需供油压力。活塞销被构造成当在活塞销处的油压高时吸收并储存油压能量，并且当连杆油压低时释放该储存能量以使油在活塞销处加压。

Description

用于维持二冲程循环、对置活塞式发动机中的活塞销油压的润滑配置
技术领域
本申请包含的主题涉及2011年8月15日提交的名为“PistonConstructionsforOpposed-PistonEngines”的在2012年3月29日公布为US2012/0073526的美国专利申请13/136,955的主题，和2013年2月25日提交的名为“RockingJournalBearingsforTwo-StrokeCycleEngines”的在2014年8月28日公布为US2014/0238360A1的美国专利申请13/776,656的主题。
背景技术
本领域是用于二冲程循环发动机的润滑管理。更具体地，本申请涉及用于二冲程循环、对置活塞式发动机的活塞的活塞销油压恢复装置的实施方式。
在往复式发动机中的活塞销必须被润滑，以减轻在接合部中的高载荷粗糙面接触的风险。如果在接合部中的粗糙面接触维持在高载荷、过多摩擦，那么磨损以及甚至灾难性损坏是可能的。导致该粗糙面接触的施加载荷随发动机转速和载荷的改变而不断改变。
在二冲程循环对置活塞式发动机操作的一些方面，循环的性质呈现给活塞销耐久性两种不同的威胁：连续压缩载荷和油压变化。
连续压缩载荷的结果是因为二冲程发动机的活塞销轴承上的载荷反向可以从不发生在发动机的正常转速和负载范围操作期间。在二循环发动机的操作期间，每个循环发生燃烧事件，并且几乎总是存在加载在邻近上止点(TC)的活塞冠部(crown)的气体压力，甚至在高活塞速度下所述气体压力仍然大于活塞销轴承上的活塞组件的惯性力。在循环的另一端、下止点(BC)处，活塞组件的惯性力还保持轴承的加载状态。结果，轴承在整个循环中几乎总是在正载荷下，并且难以用油将其再装满。此外，给定轴承的有限角振动，轴承表面之间引入的油不完全填充轴承。最终轴承开始在边界层润滑模式中操作，这导致过量摩擦、磨损，并且然后轴承损坏。
第一个问题的解决方案包括响应于轴承旋转导致轴承零件分离的轴承构造。一个此类解决方案公开于相关的美国专利申请13/776,656中：耦连对置活塞式发动机的活塞的活塞销构造有提供轴承零件的双轴旋转的摇摆轴颈轴承，其分离零件，以允许轴承表面之间的油的引入。该轴承构造包括在摇摆轴颈中的贮存器，其充当累积器以接收和维持通过轴颈经由出口通道递送到轴承零件的加压油的体积。在轴颈中用于递送油到累积器的入口通道从相关连杆内的高压油通道供给。加压油从在发动机缸体中的主油道输送到连杆的油通道。这里，第二个问题变得明显。
当一对活塞在汽缸孔中相对移动时，供给到其相应活塞销的加压油经受惯性载荷，当活塞在其上止点(TC)和下止点(BC)位置处的反向区中改变方向时，所述惯性载荷最明显。考虑到在动力冲程期间从TC到BC的运动的方向，当活塞在BC处反转方向时，惯性载荷可导致连杆油通道中的油压下降到低于用于有效活塞销润滑的最低水平。在整个对置活塞式发动机的操作循环期间提供足够的油压以润滑活塞销，特别是面对非反向载荷，可要求到主油道的供应压力随着发动机转速而增加，以克服在连杆中油柱上的惯性力。通常，主油道从正压泵供给，并且可能控制泵以便随着发动机的转速改变供应压力。然而，当发动机的转速增加时，增加发动机全油压以仅用于活塞销润滑，可导致油压超过发动机润滑***的其余部分所需的油压。这将导致用于润滑***的较高附加载荷(parasiticload)和用于发动机的较高摩擦平均有效压力(FMEP)。
因此，有必要在发动机操作期间维持在二冲程循环、对置活塞式发动机的活塞销的油贮存器中的油压。特别期望的是，将油压维持在所有发动机转速下的整个操作循环期间可以保证有效润滑的水平，而无需对发动机性能施加过多泵送损失。
发明内容
为了最小化活塞接近BC时活塞销处的油压损失，并且减少所需供应压力，活塞销被构造成当在活塞销处的油压高时吸收并储存油压能量，并且当连杆油压低时释放该储存能量以使油在活塞销处加压。
附图说明
图1是具有泵供应的油道的现有技术的对置活塞式发动机并且适当地标记为“现有技术”的示意图。
图2是针对不同油道油压显示了压缩-点火、二冲程循环、对置活塞式发动机的一个从TC到BC到TC周期的活塞销油供应压力的图。
图3是根据详细描述用于二冲程循环、对置活塞式发动机的活塞/连杆组件的透视侧视图。
图4A是示出活塞销润滑配置的沿图3中活塞和连杆的线A-A截取的轴向剖面图。图4B是沿图3的线B-B截取的剖面图。
图5是示出活塞销润滑配置的元件的活塞和连杆的分解图。
图6是示出部分拆开的活塞销的放大的透视剖面图。
图7是示出被配置成可将连杆中的油递送通道与活塞销中的进油口通道耦连的压力响应控制装置的元件的活塞和连杆的分解图。
具体实施方式
二冲程循环发动机是用曲轴的单个完整旋转和连接到曲轴的活塞的两个冲程完成动力循环的内燃机。二冲程循环发动机的一个示例是对置活塞式发动机，其中一对活塞在汽缸的孔中相对设置。
如图1中看出，对置活塞式发动机49具有至少一个装有端口(ported)的汽缸50。例如，发动机可具有一个装有端口的汽缸、二个装有端口的汽缸、三个装有端口的汽缸，或四个或更多个装有端口的汽缸。为了说明的目的，发动机49被假定为具有多个装有端口的汽缸。每个汽缸50具有孔52：排气口54和进气口56在其相应端形成。排气口54和进气口56各自包括一个或多个圆周开口阵列。排气活塞60和进气活塞62可滑动地设置在孔52中，其中排气活塞60和进气活塞62的端表面61和端表面63彼此相对。排气活塞60耦连到曲轴71，并且进气活塞耦连到曲轴72。活塞中的每个通过活塞销74和连杆76耦连到其相关曲轴。当汽缸50的活塞60和活塞62是在或邻近相应TC位置时，燃烧室限定在活塞的端表面61和端表面63之间的孔52中。燃料通过定位在通过汽缸的侧壁的开口中的至少一个燃料喷射器喷嘴100直接喷射到燃烧室中。
供应油以润滑发动机49的移动零件的润滑***包括油贮存器80，从所述油贮存器80中加压油通过泵82泵送到主油道84。主油道通常通过到主轴承的钻孔(不可见)将加压油供应到曲轴71和曲轴72。加压油从主轴承中的沟槽被提供到连杆76的大端轴承内的沟槽。加压油从连杆76的大端轴承中的沟槽通过在连杆中的钻孔77流向活塞销74。
发动机49装备有空气管理***51，其包括机械增压器110和涡轮增压器120。涡轮增压器具有在共同的轴123上旋转的涡轮121和压缩机122。涡轮121耦连到排气子***，并且压缩机122耦连到增压空气子***。从排气口54排空到管道125中的排气使涡轮121旋转。这种转动使压缩机122旋转，从而导致压缩机通过压缩吸入空气而产生增压空气。通过压缩机122输出的增压空气流过管道126，所述增压空气从所述管道126通过机械增压器110泵送到进气端口56的开口。
对置活塞式发动机的操作循环是很好理解的，响应于对置活塞60，62的端表面61与端表面63之间发生的燃烧，对置活塞60、对置活塞62从其在汽缸中的TC位置移开。在从TC移动时，活塞保持其相关端口闭合，直到它们接近相应BC位置为止。活塞同相地(inphase)移动，以便在排气端口54与进气端口56一致打开和闭合；另选地，一个活塞同相地领先于另一个活塞，在这种情况下，进气端口和排气端口具有不同的打开时间和闭合时间。当活塞移动通过其BC位置时，流出排气端口54的排气产物被通过进气口56流入到汽缸中的增压空气替代。在达到BC之后，活塞反转方向，并且端口被活塞再次闭合。在活塞继续朝向TC移动时，汽缸50中的增压空气在端表面61与端表面63之间被压缩。当活塞前进到其在汽缸孔中的相应TC位置时，燃料通过喷嘴100喷射到增压空气中，并且增压空气和燃料的混合物在活塞60与活塞62之间被压缩。当混合物达到点火温度时，燃料点燃。燃烧的结果是驱动活塞朝向其相应BC位置分开。
图2是针对若干主油道压力示出在发动机从TC处的0°曲柄角(CA)到BC(180°CA)并且回到TC(360°CA)的整个发动机循环期间代表性的对置活塞式发动机的活塞销处的油压的图。如图2中可以看出，对于给定的油道压力，在活塞销处的油压在TC处在其最高位并且在BC处在其最低位。如果主油道压力低于发动机特定的阈值，那么在连杆钻孔中供应活塞销的油柱的压力将变为负，并且活塞销将不具有可用的加压油，直到循环中油柱压力再次为正的此类时间为止。按照图2，对于给定的发动机几何形状和曲轴转速，主油道压力低于五巴可导致活塞销处的油压在180°CA(BC)处为负。在五巴的主油道压力处，活塞销油压稍微为正，并且在六巴处，活塞销油压在稍高于一巴处，而一巴是期望的最小压力。三巴的主油道油压对于在发动机中的所有其它润滑***可以是足够的，但要求有两倍于所述量的油道油压才可以在整个发动机循环期间充分地润滑活塞销组件。参考图2，期望对置活塞式发动机的润滑***被配置成可以递送足以保证在整个二冲程发动机循环期间对活塞销可用的油的量的润滑油。
图3是用于对置活塞式发动机内的活塞组件的透视图，其示出了活塞200以及相关连杆210。活塞200具有附接到裙部207的冠部206。当两个活塞在或邻近TC时，冠部的端表面208被配置以与相对活塞的端表面协作地形成燃烧室。例如，参见在美国公布号2011/0271932和WO公布号2012/158756中所述和所示的活塞配置，以及在美国申请号13/843,686和美国申请号14/026,931中所述和所示的活塞配置。连杆210具有用于耦连到曲轴的曲拐(未示出)的大端212。在大端中的油槽214输送油到连杆的轴中的钻孔。根据图4A、图4B和图5，活塞200还包括轴承支撑结构219，其固定到冠部206的下表面并且设置在通过裙部207形成的凹座内。轴承支撑结构219包括总体圆柱形轴承表面220，其接收安装到连杆210的小端215的活塞销221(也称为“轴颈”)。活塞销221包括内部油贮存器222，其与一个或多个油出口通道225连通，所述一个或多个油出口通道225通过活塞销221钻孔得出并且可操作以从贮存器传递油通过活塞销并且进入活塞销与轴承表面之间的界面。在一些方面，在图4A中最清楚地看出，油贮存器222可以被配置为具有相对端和对应于活塞销221在其上振动的轴的轴的圆柱形凹口。加压油通过在连杆210中的油递送通道216从用于递送的沟槽214输送到油贮存器222。
用于维持活塞销油压的润滑配置
用于将活塞销油压维持在足以保证在整个二冲程发动机循环期间对对置活塞式发动机的活塞销的可用的油的水平的润滑配置通过图4A、图4B图5和图6所示的实施例示出。然而，应该理解，实施例中没有一个方面旨在具体地进行限制。
在该示例中，润滑配置包括设置在油贮存器222中的至少一个油压吸收器250、与油贮存器222连通的活塞销油进口通道223、在连杆210中的油递送通道216，以及压力响应控制装置260。压力响应控制装置260可以被配置成当油递送通道216中的油压稍微超过油贮存器222中的油压时将油递送通道216与活塞销油进口通道223耦连用于将油输送到贮存器222中，并且被配置成当油递送通道216中的油压相对于油贮存器222中的油压降低时断开油递送通道216与活塞销油进口通道223，以便阻断油从贮存器222到油递送通道的输送。因此，当活塞200从BC移动到TC并且惯性力导致油递送通道216中的油压上升并达到峰值时，油递送通道216与活塞销油进口通道223耦连，并且到来的油压陡增能量由油压吸收器250吸收。响应于所述陡增，油压吸收器250以在油贮存器222中产生附加空间以用于更多加压油的这种方式来吸收能量。当活塞200从TC返回到BC时，在油递送通道216中油柱上的惯性力反转，由此油递送通道216中的油压下降。当油递送通道216中的油压开始相对于贮存器中的油压下降时，油递送通道216从活塞销油进口通道223中断开，以便阻断油从贮存器到油递送通道216的输送。存储在油压吸收器250中的能量被释放，导致吸收器通过减少附加空间来作用于存储在油贮存器222中的油，这将贮存器中的油压维持在足以继续分离和润滑活塞销/轴承表面界面的水平，直到活塞200反转方向并且油递送通道216再次与活塞销油进口通道耦连为止。
在优选实施例中，油压吸收器250被构造为通过压缩吸收能量，并且通过扩张来释放储存能量。在一些方面，在图4A、图5和图6中看出，油压吸收器250被配置为活塞251，其具有闭合端253和设置在活塞251的轴向空间中的弹簧256。形成贮存器222的圆柱形凹口包括具有与由压配合塞276闭合的活塞销221的端部274相对的环形表面273的凸缘272。环形表面273位于垂直于由活塞销和圆柱形凹口共享的轴270的平面中。活塞251设置在环形表面273与端部274之间，用于响应于贮存器222中油压的变化而沿轴270在环形表面273与端部274之间进行移动。活塞251的运动由弹簧256控制，所述弹簧在闭合端253与塞276之间起作用。当零件221、零件251、零件256和零件276被组装时，弹簧256被压缩足以推动活塞朝向(如果不抵靠)环状表面273。当贮存器中的油压增加并超过弹簧256的压力时，活塞251被油压推动远离表面273，朝向塞276，从而进一步压缩弹簧256；当油压下降时，压缩的弹簧256推动活塞251再次返回表面273。
在图4A、图5和图6中示出两个油压吸收器，在活塞销221的两端各有一个。然而，应该理解，该数目并非旨在进行具体限制；相反，一个吸收器250可以被提供在活塞销的任一端。另外，油压吸收器被配置为活塞/弹簧的组合。然而，应该理解，该配置并非旨在进行具体限制。相反，吸收器可以被配置为囊状物、风箱(bellow)，或响应于油压变化能够吸收、存储和释放能量的另一种等效结构。
参考图4B和图7，压力响应控制装置260可以被配置成响应于通道中油压差将油递送通道216与活塞销油进口通道223耦连。例如，装置可以被配置为止回阀282，其通过螺纹或压配合塞286安置在连杆210内的凹口284中，所述螺纹或压配合塞286可以与止回阀分离或与止回阀一体形成。止回阀282被定位在油递送通道216和与油进口通道223成一条直线的在连杆210中形成的辅助油通道288之间。止回阀282是被动阀，其对油递送通道216中的油压做出反应。当通道216中的油压高时，如当活塞200接近TC时，阀球按下弹簧，这打开止回阀282以允许加压油进入到活塞销油贮存器222中。当活塞200反转并在燃烧循环期间加速时，在活塞销贮存器222中的油将开始向下沿油递送通道216移动，这导致止回阀282两端的压差。该压差导致止回阀282闭合，从而闭合辅助油通道288。因此，贮存器222中的加压油停留在其高压力水平用于润滑活塞销的界面。
压力响应控制装置260被配置为球形止回阀。然而，应该理解，该配置并非旨在进行具体限制。相反，压力响应控制装置260可以被配置为隔膜阀、回转阀或倾斜圆盘阀、提升阀或管道阀(in-linevalve)、簧片阀，或另一种单向装置，所述单向装置通常允许油或润滑剂仅在一个方向流过它。
在任一发动机循环期间的TC处，在活塞销组件处存在充足的可用油道压力。通过当高油压可用时捕获活塞销处的高油压并存储它，直到在发动机循环期间当可用油道压力在最小值时需要高油压为止，可以在整个发动机循环期间维持更恒定的油压以用于活塞销。
本文所述的润滑配置实施例，以及实施该实施例所用的装置和程序是说明性的，并不旨在限制。

Claims (11)

1.一种在二冲程循环发动机(49)中的润滑配置，其中活塞(60、62、200)包括具有轴承表面(220)的轴承支撑结构(219)，和固定到连杆(210)的小端(215)的活塞销(221)，并且所述轴承支撑结构保持所述活塞销在所述轴承表面上振动，所述润滑配置包括：
所述活塞销(221)中的内部油贮存器(222)，其与一个或多个活塞销油出口通道(225)连通，所述一个或多个活塞销油出口通道(225)可操作以传递油通过所述活塞销到所述活塞销与所述轴承表面之间的界面中；
设置在所述油贮存器中的至少一个油压吸收器(250)；
与所述油贮存器连通的活塞销油进口通道(223)；
在所述连杆(210)中的油递送通道(216)；以及，
压力响应控制装置(260)，其将所述油递送通道(216)与所述活塞销油进口通道(223)耦连；
其中所述压力响应控制装置(226)被取向，以便当所述油递送通道(216)中的油压超过所述油贮存器(222)中的所述油压时，打开油进入所述油贮存器(222)的通道，并且否则闭合。
2.根据权利要求1所述的润滑配置，其中所述轴承是摇摆活塞销轴承、梯形轴承、压销轴承和全浮式活塞销轴承中的一个。
3.根据权利要求1所述的润滑配置，其中所述贮存器是在相对端处闭合的所述活塞销中的总体圆柱形凹口，并且所述油压吸收器(250)靠近所述圆柱形凹口的一端安置。
4.根据权利要求3所述的润滑配置，其中所述圆柱形凹口具有轴(270)和带有与在垂直于所述轴的平面中的所述一端相对的环形表面(273)的凸缘(272)，并且所述油压吸收器(250)包括：
活塞(251)，所述活塞(251)设置在所述环形表面(273)与在所述一端中的塞(276)之间，用于响应于所述油贮存器(222)中的油压变换而沿所述轴(270)在所述环形表面(273)与所述塞(276)之间进行移动；以及
弹簧(256)，所述弹簧(256)被压缩在所述活塞(251)与所述塞(276)之间，推动所述活塞朝向所述环形表面。
5.根据权利要求4所述的润滑配置，其中所述压力响应控制装置是邻近所述小端(215)安装到所述连杆(210)的止回阀(282)。
6.根据权利要求1所述的润滑配置，其中所述贮存器(222)是在相对端处闭合的所述活塞销(221)中的总体圆柱形凹口，第一油压吸收器(250)靠近所述圆柱形凹口的第一端安置，并且第二油压吸收器(250)靠近所述圆柱形凹口的第二端安置。
7.根据权利要求6所述的润滑配置，其中所述圆柱形凹口具有轴线(270)、带有在垂直于所述轴线(270)的平面中的与所述第一端相对的环形表面(273)的第一凸缘(272)、带有在垂直于所述轴线(270)的平面中的与所述第二端相对的环形表面(273)的第二凸缘(272)，并且每个油压吸收器包括：
活塞(251)，所述活塞(251)设置在相应端内相应的环形表面(273)和塞(276)之间，用于响应于所述贮存器中的油压变化而沿所述轴(270)在所述相应环形表面(273)与所述塞(276)之间进行移动；以及
弹簧(256)，所述弹簧(256)被压缩在所述活塞(251)与所述塞(276)之间，推动所述活塞(251)朝向所述相应环形表面(273)。
8.根据权利要求7所述的润滑配置，其中所述压力响应控制装置是安装到邻近所述小端(215)的所述连杆(210)的止回阀(282)。
9.根据权利要求1所述的润滑配置，其中所述压力响应控制装置(260)是止回阀、隔膜阀、回转阀或倾斜圆盘阀、提升阀或管道阀，以及簧片阀中的一个。
10.一种对置活塞式发动机(49)，所述对置活塞式发动机(49)包括具有纵向分隔的排气端口(54)和进气端口(56)的至少一个汽缸(50)、彼此相对设置在所述汽缸的孔(52)中的一对活塞(60，62)，以及一对连杆(76，210)，每个活塞通过活塞销(221)被连接到相应连杆(210)的小端(215)，其中每个活塞销包括根据权利要求1-9中任一项所述的润滑配置。
11.一种使用根据权利要求1-9中任一项所述的润滑配置润滑对置活塞式发动机的活塞销与轴承表面之间的界面的方法，所述方法通过以下步骤进行：
当所述连杆(210)的所述油通路(215)中的所述油压超过所述内部油贮存器中的所述油压时，通过所述连杆(210)中的所述油通路(216)输送油到在所述活塞销中的所述内部油贮存器(222)；
当将油输送到所述内部油贮存器中时，将能量累积在设置在所述油贮存器(222)中的油压吸收器(250)中；
响应于将油输送到所述内部油贮存器中，从所述内部油贮存器(222)传导油通过所述一个或多个活塞销油出口通道(225)到所述活塞销与所述轴承表面之间的所述界面中；
当在所述油通路中的所述油压等于或小于在所述内部油贮存器(222)中的所述油压时，防止油从所述内部油贮存器(222)到所述油通路(215)的所述输送；
当防止油被输送到所述油通路(215)时，从设置在所述油贮存器中的所述油压力吸收器(250)释放能量；和，
响应于来自所述油压吸收器(250)的能量的释放，从所述内部油贮存器(222)传导油通过所述一个或多个活塞销油出口通道(225)到所述活塞销与所述轴承表面之间的所述界面中。
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