本發(fā)明的各個方面涉及活塞對置式發(fā)動機，更具體地，涉及具有特定的活塞面幾何形狀的活塞對置式發(fā)動機。

背景技術(shù)：

在常規(guī)的單活塞發(fā)動機中，燃料或多或少地從封閉氣缸端部的氣缸蓋軸向地噴射到氣缸內(nèi)。在常規(guī)的發(fā)動機中，燃燒室由氣缸蓋和活塞頂部之間的空間形成，并且通常具有在氣缸蓋表面中、活塞頂表面中或二者中的凹部的形式。對于常規(guī)的發(fā)動機，已很好地建立了產(chǎn)生用于良好燃燒的燃料和空氣的有效混合的燃燒室設計。

活塞對置式發(fā)動機是兩個活塞容納在一個氣缸內(nèi)的發(fā)動機(其中，燃燒室形成在兩個活塞之間)，因此不存在氣缸蓋。當用于壓燃式發(fā)動機時，燃料從形成在兩個活塞之間的空間處從氣缸壁中的或多或少地徑向定位的位置噴射。這被稱為“側(cè)噴射”。通常，活塞對置式發(fā)動機傳統(tǒng)地存在燃燒較差的問題，因為更難以形成將燃料和空氣有效地混合的室，從而導致不良的碳煙排放、冒煙以及比預期差的效率。

對置式活塞柴油發(fā)動機的一個主要挑戰(zhàn)是燃料噴射必須從氣缸的側(cè)面進入氣缸，典型地大致垂直于氣缸軸線。這與常規(guī)發(fā)動機不同，在常規(guī)發(fā)動機中，噴霧或多或少地與氣缸軸線對齊，并且這允許軸對稱的燃燒室。

歷史上，大多數(shù)活塞對置式發(fā)動機將噴射器放置在發(fā)動機的相反兩側(cè)，以使燃燒在氣缸內(nèi)相對居中地發(fā)生。然而，噴射器在氣缸的相反兩側(cè)的這種設計有若干缺點。存在來自兩個噴射器的噴射羽霧(spray plumes)彼此撞擊的危險，在現(xiàn)代柴油燃燒理論中，已知這種狀況會導致高的碳煙生成。試圖保持良好居中的燃燒的大多數(shù)設計在或大或小的程度上有此缺點。

另一個缺點涉及如下事實：即，高壓燃料系統(tǒng)由在發(fā)動機的壽命期間可能需要維修的部件形成。在發(fā)動機的兩側(cè)具有燃料系統(tǒng)意味著維修技師必須靠近發(fā)動機的兩側(cè)，并從該應用場所的一側(cè)移動到另一側(cè)以執(zhí)行維修工作，這對于大發(fā)動機或在商用車輛固定安裝應用中可能是困難的，或至少是耗時的。

此外，現(xiàn)代高壓燃料系統(tǒng)包含許多精密部件，包括燃料噴射器中的導線連接、高壓流體連接和電子部件。所有這些對于高熱都是敏感的，并且可能在維修期間或在機械故障的情況下泄漏燃料。當噴射器位于發(fā)動機的兩側(cè)時，非常難以使燃料通道及電特征件與排氣歧管附近位置隔開，該排氣歧管是高熱來源和可能的點火源。

希望提供如下一種活塞對置式發(fā)動機，該活塞對置式發(fā)動機允許以能夠避免燃料噴射羽霧彼此撞擊的方式噴射燃料。還希望避免噴射器在氣缸的相反兩側(cè)時的缺點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種活塞對置式發(fā)動機包括：具有氣缸壁的氣缸；一對對置式活塞，所述一對對置式活塞中的每個活塞均具有一個面，所述一對活塞布置在氣缸內(nèi)并能夠在氣缸內(nèi)的第一位置和氣缸內(nèi)的第二位置之間移動，在所述第一位置，對置式活塞的所述面和氣缸壁限定最大容積，而在所述第二位置，對置式活塞的所述面和氣缸壁限定最小容積，其中，所述一對對置式活塞中的每個活塞的所述面各自具有頂平面和形成在所述面中的凹部，每個凹部包括限定錐形部的一部分的第一表面，由所述凹部中的至少一個凹部的第一表面限定的所述錐形部具有縱向軸線，該縱向軸線與所述頂平面限定等于所述錐形部的錐角的至少一半的角度。

附圖說明

通過結(jié)合附圖來閱讀以下的詳細描述，將很好地理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點，在這些附圖中，相同的附圖標記表示相同的元件，其中：

圖1A是根據(jù)本發(fā)明一個方面的活塞對置式發(fā)動機的截面示意圖，其中，氣缸內(nèi)的兩個活塞處于彼此間隔開的第一位置；

圖1B是圖1A的活塞對置式發(fā)動機的截面示意圖，其中，氣缸內(nèi)的兩個活塞處于彼此最靠近的第二位置；

圖1C是圖1A的活塞對置式發(fā)動機的活塞沿圖1A的截面1C-1C截取的剖視圖；

圖1D是圖1A的活塞對置式發(fā)動機的一部分沿圖1A的截面1D-1D截取的剖視圖；

圖2A至圖2D是本發(fā)明的另外方面的活塞對置式發(fā)動機的截面示意圖，其中，氣缸內(nèi)的活塞處于彼此最靠近的第二位置并且錐形凹部相對于活塞的所述面的平面具有不同的角度；

圖3A至圖3B是本發(fā)明的另一方面的活塞對置式發(fā)動機的頂視截面示意圖和側(cè)視截面示意圖，其中，氣缸內(nèi)的活塞處于彼此最靠近的第二位置；

圖4A至圖4B是本發(fā)明的另一方面的活塞對置式發(fā)動機的頂視截面示意圖和側(cè)視截面示意圖，其中，氣缸內(nèi)的活塞處于彼此最靠近的第二位置；

圖5A至圖5B是本發(fā)明的另一方面的活塞對置式發(fā)動機的頂視截面示意圖和側(cè)視截面示意圖，其中，氣缸內(nèi)的活塞處于彼此最靠近的第二位置；

圖6A是本發(fā)明的另一方面的活塞對置式發(fā)動機的一部分的側(cè)視截面示意圖，其中，氣缸內(nèi)的活塞處于彼此最靠近的第二位置，并且圖中示出了活塞的凹部中的錐形燃料噴射羽霧；

圖6B是本發(fā)明的另一方面的活塞對置式發(fā)動機的一部分的局部分解側(cè)視示意圖，其中，氣缸內(nèi)的活塞相對于彼此傾斜，以示出活塞的凹部中的錐形燃料噴射羽霧；

圖6C是本發(fā)明的另一方面的活塞對置式發(fā)動機的燃料噴射器的側(cè)視圖，示出了錐形燃料噴射羽霧；并且

圖6D是本發(fā)明的另一方面的活塞對置式發(fā)動機的燃料噴射器的側(cè)視圖，圖中從與圖6D不同的角度示出了錐形燃料噴射羽霧。

具體實施方式

在圖1A-1B中可以看到根據(jù)本發(fā)明一個方面的活塞對置式發(fā)動機21，該活塞對置式發(fā)動機21包括(至少一個)具有氣缸壁25的氣缸23和一對對置式活塞27和29。例如，如圖1A可見，這一對對置式活塞中的每個活塞27和29各具有一個面31和33。這一對活塞27和29布置在氣缸23內(nèi)并能夠在氣缸內(nèi)的第一位置(圖1A)和氣缸內(nèi)的第二位置(圖1B)之間移動，在第一位置，該對置式活塞的面31、33和氣缸壁25限定最大容積，在第二位置，該對置式活塞的所述面和氣缸壁限定最小容積。當提到活塞27和29的特征件的結(jié)構(gòu)在其他特征件“上方”或“下方”時，所提到的該特征件在其他特征件“上方”通常是指該特征件更靠近這兩個活塞之間的中心位置CP，而在其他特征件“下方”的特征件通常更遠離所述中心點?；钊?7和29中的一個活塞通常被稱為“進氣”活塞，因為它更靠近氣缸壁25中的進氣開口且打開和關(guān)閉該進氣開口，而另一個活塞通常被稱為“排氣”活塞，因為它更靠近氣缸壁中的排氣開口且打開和關(guān)閉該排氣開口。

例如，如圖1A可見，這一對對置式活塞中的每個活塞27和29各自的面31和33具有頂平面31P和33P以及形成在所述面31和33中的凹部(或燃燒碗)35和37。在圖1A至圖1B所示的實施例中，每個凹部35和37包括限定錐形部的一部分的第一表面39和41(圖1A)，并且，由凹部35和37中的至少一個凹部(在圖1A至圖1B中為兩個凹部)的第一表面限定的錐形部C1和C2具有縱向軸線AC1和AC2，所述縱向軸線AC1、AC2與所述頂平面限定等于該錐形部的錐角的至少一半的角度Θ1和Θ2。雖然每個錐形部C1和C2能夠具有與所述頂平面限定等于錐形部的錐角的至少一半的角度的縱向軸線AC1和AC2，如圖1A和圖1B所示，但也能夠使所述錐形部中的一個或兩個具有與所述頂平面限定小于錐形部的錐角的至少一半的角度的縱向軸線AC1'和/或AC2'，如圖2A、圖2B和圖2D可見，或者，具有與頂平面限定大于錐形部的錐角的至少一半的角度的縱向軸線AC1”和/或AC2”，如圖2C和圖2D可見。

如圖1C和圖1D可見，每個凹部35和37通常包括在錐形部C1和C2的最寬端部處的U形基部表面43和45(活塞29的圖示同樣適用于活塞27的圖示，其附圖標記在圖1C和圖1D中在括號中示出)?；勘砻?3和45能夠垂直于錐形部C1和C2的縱向軸線AC1和AC2，如圖2A-2D可見，并且如圖1A和圖1B中以假想線示出的?？商娲?，基部表面43和45可具有一些其他適當?shù)男螤睿绨枷莸?、局部的環(huán)面部分47和49，如圖1A至圖1B可見，并能夠包括在由該環(huán)面部分限定的環(huán)面(toroid)的中心處的“凸端”或中心凸起51和53。

如圖3A中可見，當沿氣缸25的軸線AC觀察時(圖3B是從側(cè)面觀察)，所述一對對置式活塞中的第一活塞27的凹部35的第一表面39的錐形部C1的縱向軸線AC1能夠與所述一對對置式活塞中的第二活塞29的凹部37的第一表面41的錐形部C2的縱向軸線AC2限定非零角度α。然而，如圖1A-2D和圖4A-4B可見，在其他實施例中，當沿氣缸25的軸線AC觀察時，所述一對對置式活塞中的第一活塞27的凹部35的第一表面39的錐形部C1的縱向軸線AC1也可與所述一對對置式活塞中的第二活塞29的凹部37的第一表面39的錐形部C2的縱向軸線AC2對齊。如圖4A至圖4B中可見，第一活塞27的凹部35的第一表面39的錐形部C1能夠在與第二活塞29的凹部37的第一表面41的錐形部C2相反的方向上擴寬(widen)，或如圖1A至圖2D中可見，能夠在與第二活塞的所述凹部的第一表面的所述錐形部相同的方向上擴寬。

凹部35和37的第一表面39和41能夠限定錐形部C1和C2的一半，或者如所希望地限定該錐形部的更小的部分。例如，如果凹部35和37的第一表面39和41限定錐形部C1和C2的一半，那么，高于第一表面且延伸到活塞27和29的面31和33的壁部能夠彼此平行且平滑地匯聚到第一表面中，如圖1C中可見。如圖1C中的假想線可見，凹部35和37可以基本完整地限定具有朝向活塞27和29的面31和35的最小開口O的錐形形狀，然而，為了易于制造，在該錐形部的下半體上方的壁部通常將豎直向上延伸到活塞的所述面，特別當在鑄造所述活塞時形成該凹部時。如果凹部35和37的第一表面39和41限定了錐形部C1和C2的一半以下，那么，在第一表面上方且延伸到活塞27和29的面31和33的壁部都是平的且平滑地匯聚到第一表面中，這些壁部將彼此不平行。

如圖2A-2B和圖2D中可見，在活塞對置式發(fā)動機中，由活塞27’中的凹部35的第一表面限定的錐形部C1’中的一個(圖2A和圖2D)或兩個(圖2B)能夠具有與所述頂平面限定小于錐形部的錐角的一半的角度的縱向軸線AC1’。在圖2A中，錐形部C1’的一部分布置在活塞27的面31的頂平面31P上方。對于所述一對對置式活塞中的活塞29，由凹部37的第一表面41限定的錐形部C2被布置成與該活塞的面33的頂平面33P相切或位于該頂平面33P下方。替代地，由凹部35和37的第一表面39和41限定的錐形部C1”和C2”中的一個(圖2D)或兩個(圖2C)能夠完全布置在活塞27和29的面31和33的頂平面31P和33P下方。替代地，如圖2B中可見，由凹部35和37的第一表面39和41限定的錐形部C1’和C2’中的兩個能夠部分地布置在活塞27和29的面31和33的頂平面31P和33P上方。雖然圖2A-2D中的錐形部被示出為使得它們的縱向軸線在沿氣缸的縱向軸線AC觀察時對齊，但所述錐形部(尤其是在所述錐形部的一部分布置在活塞的所述面的頂平面上方的任何實施例中)通常將被定向成使得所述錐形部的縱向軸線彼此成非零的角度，以便噴射到所述錐形部的形狀范圍內(nèi)的燃料羽霧不相交。

如圖5A至圖5B中可見，由所述一對對置式活塞中的第一活塞27a中的凹部35a的第一表面39a限定的錐形部C1a能夠與由所述一對對置式活塞中的第二活塞29a中的凹部37a的第一表面41a限定的錐形部C2a具有不同的形狀。例如，由所述一對對置式活塞中的第一活塞27a中的凹部35a的第一表面39a限定的錐形部C1a能夠具有與由所述一對對置式活塞中的第二活塞29a中的凹部37a的第一表面41a限定的錐形部C2a的錐角CA2a不同的錐角CA1a，和/或該錐形部C1a可以比錐形部C2a長或短。

如圖1A至圖1B和圖2A至圖6D中所示，發(fā)動機21能夠包括在氣缸壁25中的一對燃料噴射器55和57。每個燃料噴射器55和57能夠構(gòu)造成將燃料以燃料噴射錐(fuel jet cones)的形狀噴射到氣缸23中，該燃料噴射錐的燃料噴射錐角大致等于錐角CA1和CA2。通常，燃料噴射器55和57將布置成當活塞27和29處于使燃料噴射錐與錐形部C1和C2重合的位置時將燃料噴射到氣缸23中，然而，每個活塞能夠在不同的時間到達其最靠近氣缸中心CP的點。所述一對燃料噴射器中的每個燃料噴射器55和57能夠布置成沿著所述一對對置式活塞中的各個活塞27和29的凹部35和37的第一表面39和41的錐形部C1和C2的縱向軸線AC1和AC2以燃料噴射錐的形狀噴射燃料。

如圖6A至圖6D中可見，每個燃料噴射器55和57能夠包括多個噴霧開孔，所述噴霧開孔適于產(chǎn)生多個噴射羽霧61a、61b、61c，以形成燃料噴射包絡錐(fuel jet envelope cones)FJC1和FJC2。替代地，如圖2A至圖2D中的假想線可見，每個燃料噴射器55和57能夠包括單個噴霧開孔，該噴霧開孔適于形成作為中空或?qū)嶓w錐的燃料噴射錐。

燃料噴射器57和59能夠被設計和控制成實現(xiàn)不同的燃燒目標。例如，如圖5A至圖5B中可見，所述一對燃料噴射器55和57可具有不同的尺寸。另外，所述燃料噴射器能夠布置成供給不同量的燃料。這一對燃料噴射器55和57還可布置成在不同的時間供給燃料，例如，燃料噴射器55在活塞27到達其最接近氣缸中心CP的點時首先噴射，然后，噴射器57隨后在活塞29到達其最接近氣缸中心的點時噴射。

無論噴射器55和57是多孔型還是中空或?qū)嶓w錐型的噴射器，通常希望防止不同的噴霧部分(spray elements)相互碰撞，因為這會導致燃料小滴聚集并導致形成更多碳煙。任何噴霧圖案(spray pattern)的目的應是允許任何小滴路徑在空間內(nèi)持續(xù)擴展，直至所述小滴完全氣化或在火焰中被消耗掉為止。總的來看，多孔噴霧圖案(multi-hole spray pattern)也形成了中空的包絡錐，如圖6A至圖6D中可見，其中，多個噴射羽霧形成該包絡錐的多個部分。當然，單獨的噴射羽霧也擴展為較小的錐，因此，通常選擇噴霧孔的數(shù)目、包絡錐角、以及噴射器到活塞碗腔體的距離來最小化小滴的彼此作用。請注意，凹部35和37中的錐形形狀的基部通常包含中心“凸端”或中心凸起51和53，它們有助于使多個噴霧/火焰部分(spray/flame elements)徑向分離。

本發(fā)明的各個方面的優(yōu)點包括：兩個噴射器55和57能夠放置在發(fā)動機21的同一側(cè)，這能夠使維修更容易，并能夠便于將諸如燃料通道和電氣特征件的精密部件從排氣歧管附近隔離，例如通過將排氣歧管僅放置在發(fā)動機的與燃料系統(tǒng)相反的一側(cè)。另外，通過將每個噴射器噴霧朝向不同的活塞27和29引導，本發(fā)明能夠與在任何位置(即使如所期望地在發(fā)動機的相反兩側(cè))上的噴射器一起使用，而不會使其噴射羽霧相互碰撞。然而，目前優(yōu)選的實施例是將兩個噴射器放置在發(fā)動機的同一側(cè)。在此構(gòu)思的是：在實踐中，噴射器之間的間隔通常被限制為沿氣缸的圓周間隔開小于90度，以避免干涉相鄰氣缸的噴射器。

每個噴射器55和57通常是成角度的，使得整個噴霧圖案基本被包括在活塞27或29中的一個活塞的凹部35或37內(nèi)。典型地，如圖1A至圖1B的實施例中，此角度大約為噴射器噴霧包絡錐角CA1和CA2的一半，但該角度可以變化。通常，對置式活塞的噴射器的噴霧包絡錐將遠窄于常規(guī)發(fā)動機中使用的噴霧包絡錐，典型地約為30°至90°(對比于常規(guī)發(fā)動機中的典型的120°)。因此，噴射器55和57的基本目標角度將典型地大致為與氣缸軸線垂直的平面成15°至45°。然而，因為活塞27和29在燃料噴射期間相對于噴射器55和57的位置移動，所以此角度可以被修改以實現(xiàn)對于活塞位置范圍的更有利的目標。能夠在仍維持噴射器本體的軸線與氣缸壁垂直的同時通過噴射器噴嘴的適當設計來實現(xiàn)上述成角度的噴霧圖案。

為了實現(xiàn)特定發(fā)動機中的最優(yōu)燃燒，每個活塞中的凹部35和37可以具有不同的尺寸并具有不同的形狀細節(jié)。指向每個活塞27和29的噴射器55和57可以具有不同的流速、噴霧圖案和不同的目標包絡角，并可以在不同的時間噴射燃料。提供不同尺寸的噴射器例如能夠允許一個小的噴射器，該噴射器能夠?qū)τ诙啻螄娚?特別是先導噴射或后噴射)精確地計量非常小的燃料量，而較大的噴射器能夠在短時間內(nèi)供給所期望的動力所需的主噴射量。在兩沖程發(fā)動機中，該主噴射能用的時間段比四沖程發(fā)動機短，因此，主噴射器必須相對大。

通過不同的噴射器55和57提供不同的燃料量可以是有用的。例如，在一些活塞對置式發(fā)動機中，進氣曲軸幾乎總是在相位上滯后于排氣曲軸。這導致其循環(huán)中的最小容積點(類似于常規(guī)發(fā)動機中的上止點)在排氣活塞向外移動之后而進氣活塞仍向內(nèi)移動時出現(xiàn)。在現(xiàn)代的排放受控制的柴油燃燒中，噴射的開始通常被定時為在快接近最小容積時開始，而主噴射延伸到最小容積之后很久。因此，在活塞對置式發(fā)動機中，排氣活塞相對于噴射器非?？斓匾苿与x位，而進氣活塞以非常小的移動在最小容積之后駐留一定時間。為了將噴射噴霧保持限制在其相應的室內(nèi)，被導向排氣活塞的噴射必須在最小容積之前被切斷，因此可能在活塞移動離位之前僅噴射少量燃料。另一方面，進氣活塞在噴射的早期階段移動到位，但在進行主噴射的時間期間基本不動。因此，通常，使朝向排氣引導的噴射小于朝向進氣引導的噴射可以是有用的。

來自噴射器55和57的不同的噴霧圖案可以是有用的，因為排氣活塞將主要用于預噴射和早期噴射，而進氣活塞將主要用于主噴射和后噴射，所述兩個凹部35和37和相關(guān)的噴射器可以具有不同的尺寸，因此在細節(jié)上也略微不同。進氣活塞上的較大凹部可以被展平，例如以限制凹部到活塞本體內(nèi)的深度，或排氣活塞腔體可被展平或外擴，使得活塞表面中的開口更好地匹配。這些細節(jié)能夠被略微改變，以解決具體的設計問題而基本上不改變構(gòu)思。

在本申請中，所使用的例如“包括”的術(shù)語是開放式的，并且旨在與例如“包含”的術(shù)語具有相同的意義，而不排除其他結(jié)構(gòu)、材料或行為的存在。類似地，雖然所使用的例如“能夠”或“可以”的術(shù)語旨在是開放性的并且旨在表明結(jié)構(gòu)、材料或行為不是必需的，但不使用此術(shù)語并不意味著表明該結(jié)構(gòu)、材料或行為是必不可少的。對于結(jié)構(gòu)、材料或行為被考慮為必不可少的程度，它們被認為如此。

雖然已根據(jù)優(yōu)選實施例圖示和描述了本發(fā)明，但應認識到，在不偏離如權(quán)利要求中限定的本發(fā)明的情況下，可以對本發(fā)明進行各種修改和變型。