摆动式活塞发动机 |
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| 申请号 | CN200780005163.7 | 申请日 | 2007-02-09 | 公开(公告)号 | CN101384795B | 公开(公告)日 | 2012-06-06 |
| 申请人 | 阿诺德·瓦格纳; | 发明人 | 阿诺德·瓦格纳; | ||||
| 摘要 | 一种用于摆动式 活塞 发动机 (100)的 流体 系统，该摆动式活塞发动机具有至少两个设置在球形的壳体(19)中并共同围绕安装在壳体中部的旋 转轴 线(23)旋转的双臂的摆动活塞(4)，其中，摆动活塞在旋转时围绕垂直于 旋转轴 (23)的摆动轴线(24)方向相反地进行往复摆动运动，并且安装在至少两个活塞(4)上的导向件(5)接合到至少一个形成在壳体(19)中、用于控制摆动运动的导向槽(17)中。流体系统(70)包括：至少一个用于流体的在中部的靠近旋转轴线(23)的端部 定位 的注入口(1)；用于该流体的、在活塞(4)中的贯通的空腔和/或开孔(10)；以及在每个活塞的外侧(3)上的流体排放口。活塞(4)围绕旋转轴线(23)的旋转导致一个压 力 差，该压力差在注入口(1)处产生抽吸的作用并且在排放区域(16)中产生压力，并进而可以实现无 泵 驱动的或者以较低的供给压力的流体循环。流体系统例如用于润滑摆动式活塞发动机(100)并且可以在使用燃油作为流体的情况下与燃油的供应和摆动式活塞发动机的冷却一同被供应来自燃油箱的燃油。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种摆动式活塞发动机(100)，包括：至少两个设置在球形的壳体(19)中的双臂的摆动活塞(4)以及可围绕设置在壳体中部的旋转轴线(23)旋转的旋转-摆动轴(25)，其中，所述摆动活塞(4)围绕垂直于所述旋转轴线(23)的摆动轴线(24)这样可摆动地固定在所述旋转-摆动轴(25)上，即在所述旋转-摆动轴(25)围绕所述旋转轴线(23)旋转时所述摆动活塞一起围绕所述旋转轴线(23)旋转，并且在旋转时围绕所述摆动轴线(24)方向相反地进行往复摆动运动，其中，安装在至少两个活塞上的导向件(5)接合到至少一个形成在所述壳体(19)中的、用于控制摆动运动的确定的导向槽(17)中，所述摆动式活塞发动机包括用于供应流体的流体系统(60、70)，其中，所述活塞分别具有至少一个可由流体充注的通道(30)，其特征在于， |
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| 说明书全文 | 摆动式活塞发动机技术领域[0001] 本发明涉及一种摆动式活塞发动机，该发动机具有至少两个设置在球形的壳体中并共同环绕安装在壳体中部的旋转轴线的摆动活塞，中部该摆动活塞分别具有两个相对设置的活塞臂并且这两个活塞臂在旋转时围绕垂直于旋转轴线的摆动轴线反向地进行往复摆动运动，其中，安装在至少两个活塞臂上的导向件接合到至少一个形成在壳体中的、用于控制摆动运动的、确定的导向槽中。 [0002] 背景技术 [0003] 这种摆动式活塞发动机属于内燃机的一种类型，在这种摆动式活塞发动机中，可燃混合物的进气、压缩、膨胀和排气的工作冲程根据汽油或者柴油四冲程的方法利用外部点火或者自动点火通过在两个端部位置之间旋转的活塞的摆动运动而引起。 [0004] 由WO 2005/098202 A1中公开的这种类型的摆动式活塞发动机具有从活塞侧的内部通至作为导向件使用的活动的球形或者椭圆形的旋转体的流体供应管道。替代这种活动的导向件也可以存在一种例如在US 3 075 506和WO 03/067033中描述的、固定地连接至活塞的、可径向旋转的辊。为该导向件设置了润滑装置，或者对于该导向件来说润滑装置也是必须的。此外，在第一种上述摆动式活塞发动机中提出了一种通过流体实现的内制冷，其方式是，在包围工作腔的侧表面和内部活塞表面之后都设置有由流体填充的空腔， 流体通过来自于工作腔的内表面的热传递来加热并通过流体循环将该热量传递给容器以及可能传递给流体冷却装置。为此，旋转-摆动轴的轴承以及在壳体的内侧面上运行的密封件必须被润滑。流体系统应该通过适当的润滑来防止彼此摩擦的机器部件的过度磨损，通过降低旋转阻力来改善效率，以及如果可能通过利用加热流体并从发动机中排导出去而实现的热排放来附加地确保冷却。 发明内容[0005] 本发明的目的在于提出一种分别用于摆动式活塞发动机的不同应用范围和设计方案的流体系统，其特征在于，简单性、最小的流体损失或者流体损耗、合适的流体介质和最小的摩擦，也就是说实现了较小的磨损以及较长的使用寿命，并且充分利用润滑系统、燃油供给系统和发动机冷却系统的流体系统之间的协同作用。 [0006] 本发明的目的通过一种摆动式活塞发动机由此实现，即所述摆动式活塞发动机包括：至少两个设置在球形的壳体中的双臂的摆动活塞以及可围绕设置在壳体中部的旋转轴线旋转的旋转-摆动轴，其中，所述摆动活塞围绕垂直于所述旋转轴线的摆动轴线这样可摆动地固定在所述旋转-摆动轴上，即在所述旋转-摆动轴围绕所述旋转轴线旋转时所述摆动活塞一起围绕所述旋转轴线旋转，并且在旋转时围绕所述摆动轴线方向相反地进行往复摆动运动，其中，安装在至少两个活塞上的导向件接合到至少一个形成在所述壳体中的、用于控制摆动运动的确定的导向槽中。摆动式活塞发动机包括用于供应流体的流体系统，活塞分别包括至少一个可由流体充注的通道，该通道构成流体系统的组成部分。 [0007] 根据本发明，各个可充注的通道包括至少一个在各个活塞中或者在各个活塞上形成的空腔和/或至少一个在各个活塞中形成的孔，其中，流体从容器中出来穿过所述壳体引入到所述旋转-摆动轴的至 少一个端部，并且可通过在该旋转-摆动轴中的孔充注在各个所述活塞中或上的各个空腔和/或充注在各个所述活塞中的各个孔，其中，从各个所述空腔和/或从各个所述孔中出来，流体在朝向壳体的内侧面的活塞表面的方向上排导，从而通过所述旋转-摆动轴旋转时产生的离心力引起在所述注入口处的抽吸作用和在所述活塞表面附件引起在所述排放中的压力，由此使得进行通过所述排放口至所述容器的自动的流体循环。 [0008] 流体的引入有利地通过校准喷嘴来执行，该校准喷嘴在容积方面确定流体的通路。为此，止回阀可以被连接在注入点的上游，该止回阀防止流体从发动机回流，例如在汽化而导致压力上升时。此外，这适合于通过在中部十字交叉的旋转-摆动轴中的孔在发动机内部中进行分配。注入到旋转-摆动轴中的可以或者通过在轴端部的至少一个轴向孔或者在轴承中的至少一个径向孔来执行。在此，在旋转轴线上的旋转-摆动轴上设置滚柱轴承、尤其是滚针轴承以及在摆动轴的摆动轴线侧面上的活塞外侧面上设置滚针保持座是有利的，因为这样仅需要较少量的用于润滑的流体。用于这些轴承的流体需求通过密封和持续润滑甚至可以完全避免。从旋转-摆动轴中出来，可以通过至少一个径向孔来润滑在与注入端端部相对设置的轴部件上的轴承。流体由摆动轴部件分别通过在活塞中的至少一个径向孔和一个环型槽和/或一个轴向延伸的润滑槽导入到活塞中以及通过优选形成为滚针保持座的轴向轴承(其承受活塞的离心力)导入到空腔中，该空腔例如可由在各个活塞上的球形的、固定在各个活塞上的半球盖(以下称为“截球盖”)形成。在这种与工作腔相邻的、通过活塞侧面分开的空腔实现对流体的加热并进而实现对其进行的热传递。 [0009] 此外，工作腔-内面通过从这些空腔出发的孔或者腔来在后部被供给，这些孔或者腔同样由流体充注并且传递来自工作腔-内面的热 量。在高功率发动机中，这种热传递可以导致流体汽化并因此从活塞中排导出非常大量的热量，这些活塞具有至少一个通到在活塞外侧面中的导向件内侧面的排放管道。通过活动的导向件的旋转或者通过在固定滚柱导向时的间隙损耗产生从注入口穿过内部发动机的流体循环，在流体循环时，轴承和活塞轴承以及导向件和导向槽被连续润滑，并且通过循环进一步排放至在导向槽中的排放口，热量被持续地传递至燃油箱并通过燃油箱的外部壳体面或者如果可能通过流体冷却器排散。为了润滑密封环和密封条，有利地是从截球盖的空腔或者在工作腔-内面的后面的孔的空腔开始设置到密封环或者密封条的保持槽中的校准用连接孔(以下称为“校准孔”)。因此，一方面通过流体充注保持槽而改善了密封件相对于工作腔或者前腔的密封以及改善了液体接触压力，另一方面通过间隙损耗确保了在密封件和球形内壳之间的润滑。 [0010] 通常可以考虑将例如用于往复式活塞发动机的发动机润滑油作为流体。也可以考虑尤其用于自动点火发动机的柴油，或者例如在简单的、小型的发动机中通过将油混合到汽油中来实现润滑。在这种情况中，这些流体在所述的循环方面替代发动机润滑油穿过内部的发动机并且接下来输送至燃油箱或者至喷射装置或者汽化器。 [0011] 此外根据本发明，例如在自点火发动机中，对于发动机壳体流体制冷也可以分别使用柴油而取代诸如水和防冻剂的冷却混合剂，该柴油由燃油箱导入到壳体的冷却套中，而后通过利用空气流通的冷却器而被再次冷却，并且回流到燃油箱中。在流体系统的这种类型的实施方式中，对于润滑、冷却和燃油供应也仅仅需要单一的一个容器，在该容器中，用于燃油供应的出口优选地在对于冷却和润滑来说足够的备用量上取下，从而可靠地润滑和冷却发动机直至缺少燃油时。附图说明 [0012] 接下来，根据附图进一步说明本发明。图中示出： [0013] 图1是具有两个设置在旋转-摆动轴上的活塞以及根据本发明的流体系统的摆动式活塞发动机的单侧总体视图； [0014] 图2是在旋转轴线的方向上截取的根据图1的摆动式活塞发动机； [0015] 图3是在摆动周线的方向上截取的根据图1的摆动式活塞发动机，其中，在发动机的内部，以沿着摆动轴线的截面图示出了活塞； [0016] 图4是摆动式活塞发动机的整个系统的示意图/透视图，该系统包括与发动机燃油喷射系统和发动机冷却系统相结合的根据本发明的流体系统的另一实施例，所有上述系统优选都通过相同的燃油容器来供应柴油，其中，喷射系统、流体供应和冷却系统分别配备有特有的供给泵，并且润滑系统和冷却系统的回流管道分别配备有特有的冷却体。 具体实施方式 [0017] 图1-3示出了具有根据本发明的流体系统60的摆动式活塞发动机100。 [0018] 除了别的以外，摆动式活塞发动机100包括：球形的壳体19；可围绕设置在壳体中部的旋转轴线23旋转的、在其端部支承在壳体壁中的旋转-摆动轴25；以及两个固定在旋转-摆动轴25上的摆动活塞4。每个摆动活塞4都具有两个相对于旋转轴线23设置在直径的两相对端上的活塞臂4.1和4.2，并且每个摆动活塞可围绕垂直于旋转轴线23的摆动轴线24这样地可摆动地固定在旋转-摆动轴 25上，即在旋转-摆动轴25围绕旋转轴线23旋转时摆动活塞4共同围绕旋转轴线23旋转，并且在旋转时附加地围绕摆动轴线24反向地进行往复摆动运动。为了控制活塞相对于旋转轴线23以及相对于摆动轴线24的各个位置，在至少两个活塞4上安装导向件5，该导向件接合到至少一个形成在壳体19中的、用于控制摆动运动的、确定的导向槽17中。 [0019] 在这种情况下，导向件5分别为活动的球形旋转体，其分别在活塞侧安装在形成在其中一个活塞4上的保持座39中，其中，保持座39(根据各个旋转体39的形状)被设计成半球形的。可选地，导向件5也可以实现为径向的辊，其中，这些辊可以被保持在形成在各个活塞4上的辊轴承件或者滑动轴承件中。以旋转体或者辊的形式的导向件的这种类型的设置例如在WO 2005/098202或者WO03/067033中公开。 [0020] 在两个活塞4的(相邻的)活塞臂4.1和壳体19的内侧面2之间的空隙形成工作腔4.1′并且在两个活塞4的(相邻的)活塞臂4.2和壳体19的内侧面2之间的(相对于旋转-摆动轴25相对设置的)空隙形成工作腔4.2′。各个工作腔4.1′或者4.2′的容积取决于活塞4的当前位置并且在旋转-摆动轴25或者活塞4围绕旋转轴线23旋转时周期性地在最小值和最大值之间摆动。 [0021] 为了使摆动式活塞发动机100作为内燃机运行，燃油可以通过穿过壳体19的喷射阀20(视活塞4的位置而定)选择性地喷射到工作腔4.1′或者工作腔4.2′中，并接下来在各个工作腔中被点燃，其中燃油的燃烧引起活塞4在各自相对的方向上围绕摆动轴线24以及根据活塞4或者旋转-摆动轴25的旋转围绕旋转轴线23的摆动运动。 [0022] 为了密封工作腔4.1′或者4.2′，密封件6被设置在各个活塞4和壳体19或者旋转-摆动轴25的内侧面2之间，其中，密封件6被分别保持在相应的、形成在活塞4中的保持槽7中。 [0023] 摆动式活塞发动机100可以(如在图1-3中所示出的)作为自动点火的来运行。可选地，摆动式活塞发动机100也可以设计具有火花塞(未在图中示出)，用于点燃引入到工作腔4.1′或者4.2′中的燃油，从而使摆动式活塞发动机100作为外部点火的来运行。 [0024] 流体系统60包括：用于流体的容器15(在这种情况中以法兰连接方式连接在壳体 19上)；通道系统(将在接下来进一步说明)，其被设置在摆动式活塞发动机100的内部并且可用流体充注以及用于流体流通；管道61，用于将流体从容器15导入到所述通道系统中以及使流体从所述的通道系统通过形成在壳体19中的用于流体的排放口16回流到容器15中，从而实现流体的封闭循环。 [0025] 流体如下安排地流经摆动式活塞发动机100的内部(沿着所述通道系统)。 [0026] 如图1所示，在管道61中安装用于调节流体流量的校准喷嘴9和止回阀37(用于阻止流体回流到容器15中)，其中，在图1中，在管道61上的箭头表示流体的流动方向。管道61通入到壳体19的壁中的用于流体的注入口1中。注入口1向着旋转-摆动轴25的一个端部27打开并且可以将管道61中的流体导入到(分别在两个端部打开的)孔26中，这些孔在旋转-摆动轴25中沿着旋转轴线23(见图2)和摆动轴线24(见图3)延伸，并且分别在其纵向延伸的中部交叉。通过这种方式实现了流体在旋转-摆动轴25中沿着旋转轴线23和摆动轴线24的流动。 [0027] 从在旋转-摆动轴25中的孔26开始，流体可以在朝向壳体内侧面2的活塞表面3的方向上以不同的方式流动。 [0028] 在各个活塞4的侧面上，分别借助(固定在各个活塞4上的)截球盖29形成空腔28(具有截球段的形状)，该空腔可通过在孔26的端部上开口或者在旋转-摆动轴25的摆动轴部件上的孔26的端部封闭时通过轴向轴承50以流体来充注。在此应该注意的是，在图3中示出的、设置在旋转-摆动轴25的相对设置的端部上的两个空腔28分别形成在不同的活塞4上，并因此在摆动运动时两个活塞4分别彼此相对地分别执行围绕摆动轴线24的旋转运动。 [0029] 每个活塞4分别在活塞臂4.1和4.2中在工作腔内侧面14附近具有多个孔30，这些孔可分别由其中一个空腔28充注流体。相反，从孔30开始，不同的校准孔10通向用于密封件6的保持槽7以及通向在各个导向件5之下的排出管道31。 [0030] 流体可以由保持槽7(通过间隙，其分别形成在一个密封件6和相应的保持槽7之间)以及由排出管道31(通过间隙，其分别形成在一个导向件5和相应的保持座39之间)从各个活塞4泄漏到壳体的内侧面2中并且例如到达导向槽17。沿着每个导向槽17分别形成一个排出槽51，在该排出槽中，流体可以流经各个导向件5到达已经提及的排出口16并从那里流入到容器15中。 [0031] 此外，如在图2中所示，摆动式活塞发动机100在壳体19的外侧面具有用于冷却流体的空腔18，其中，冷却流体可以通过冷却流体注入口34(见图3和4)注入空腔18中并且可以通过冷却流体排出口35(见图1和3)离开空腔18。 [0032] 图4示出了已经参考图1-3描述的、与另一根据本发明形成的流体系统70相连的摆动式活塞发动机100。该系统70在这种情况 中与燃油喷射系统和冷却系统相结合，其中，流体系统70用于将流体通过(连接)管道32注入到注入口1中，冷却系统用于将(冷却)流体通过(连接)管道42注入到冷却流体注入口34中，并且燃油喷射系统用于将燃油通过(连接)管道52注入到喷射阀20中。(连接)管道32、42和52全部与燃油箱11连接，该燃油箱向流体系统70、冷却系统和燃油喷射系统供应流体，优选供应柴油。 [0033] 流体系统70还包括在容器15和燃油箱11之间的(连接)管道33，从而确保通过注入口1输送的流体向着燃油箱11回流。在(图4中不可见而在图3中可见的)冷却流体排出口35和燃油箱11之间的(连接)管道43相应地用于使注入到冷却流体注入口34中的流体向燃油箱11回流。管道32、42和52分别配备有特有的(供给)泵8、36或38。管道33和43分别设计有用于回流到燃油箱11的流体的特有的冷却体21或22。在图4中的管道32、33、42、43和52上的箭头分别示出了流体的流动方向。 [0034] 通过根据本发明的注入口1在中部或者靠近旋转轴线23的侧面的布置和设计方案、在旋转-摆动轴的其中一个端部27上充注在旋转-摆动轴25中的孔26、以及逆着朝向壳体内侧面2的壳体表面3进行穿流，在摆动式活塞发动机运行时，从内到外流经旋转的摆动活塞4时，流体受到逐渐增大的离心力，该离心力与转速成平方地增长。由此而产生压力差，该压力差不仅在注入口1处起到抽吸作用，而且在导向件5和保持槽7中的密封件6之下起到压力的作用。因此，在根据本发明的摆动式活塞发动机的流体供应的情况中仅需要较小的或者甚至完全不需要输送供应压力。在较小的抽吸高度的情况下，在无输送压力且无泵的情况下，或者当由于高度且由于止回阀37或者由于过滤器的较大的抽吸阻力时，例如利用在壳体19中的压力波动来操作的简单的薄膜泵8足够将润滑流体以大 约0.2巴(20kPa)的压力向注入口1输送，从而实现流体循环的可靠功能。 [0035] 流体流动速度通过到注入口1的流体预压力、可调节的或者可替换的校准喷嘴9、流体的粘度、壳体19的内径、摆动式活塞发动机100的转速以及用于密封件6和导向件5的校准孔10的横截面来确定。通过精确地调节这些调节件可以实现非常简单的润滑系统和最小的流体损耗。 [0037] 可以考虑通常的发动机润滑油作为流体，在自动点火发动机中，柴油也可以用于润滑并且例如根据图4中的流体系统被连接至燃油箱11。出于防火的目的，在该种情况中，连接管道32、33通过细网12隔开，以防止渗透。 [0038] 在较小的、简单的外部点火发动机中，也可以使用例如在二冲程发动机中的隔离润滑或者损耗润滑(Trenn-oder Verlust-schmierung)。在此，例如通过校准喷嘴9(该校准喷嘴用于精确地确定定量分配的混合比)将自混合的油料从供应容器15中抽吸出来，并且进流量通过发动机转速利用与之相关的离心力自动地取决于负荷地调节，或者将来自燃油箱11的预混和的燃油作为流体使用，然后作为燃油通过喷射系统或者汽化器使用。在具有定量分配的、自混合的油料的变型中，分别通过在预腔13或者工作腔内侧面14上的密封件6中的流体间隙损耗，而引起与通过燃油系统供应的汽油的混合，并实现如在二冲程发动机中的用于润滑密封件6的损耗润滑，而轴承46、轴向轴承50和导向件5通过穿过 排出口16进入导向槽17的流体循环来供应。可以利用在燃油箱11中预先混合和/或在通至校准喷嘴9和注入口1的独立的供应管道32中混合，由汽油和1-5％的自混合油料构成的二冲程混合物进行润滑，或者在密封件6与内部壳体表面2和密封的轴承的合适材料组合时也可以使用纯汽油润滑，其中由排出口16回流的燃油被分别排至喷射系统或者汽化器。 [0039] 此外，流体系统也可用于摆动式活塞发动机的外部冷却，其方式是，在球形壳体19的外部的冷却空腔18通过冷却流体注入口34被充注流体，并且通过冷却流体排出口35利用或者不利用中间连接的主冷却器22实现通至燃油箱11的回流管道43。为此，自点火发动机是尤其合适的，这是因为柴油不仅适合于作为在内部发动机润滑的润滑流体也适合于作为用于发动机的外部冷却的冷却流体，尤其是柴油特别具有对于这些应用来说适合的、在润滑能力、粘度和沸点方面的特性。在该种情况中，由燃油箱11开始，当需要必要的输送量和压力比时，通过部分共同的或者分开的供应管道，利用共同的或者特有的供给泵8、36、38，不仅燃油喷射阀20如流体系统通过注入口1来供给并且外部冷却系统通过冷却流体注入口34来供给。流体的回流通过直接连接或者通过通向燃油箱11的流体冷却器21实现，而用于外部冷却的燃油的回流管道在多数情况下需要在其之间连接的主冷却器22。在此，出于防火的目的，在发动机侧面和燃油箱之间的合适位置上还设置有细网12。 [0040] 这种组合式的燃油润滑冷却系统的应用也可以用于利用汽油驱动的外部点火发动机。然而，不仅对于发动机润滑而且对于外部冷却都以超压来工作，从而在希望的冷却剂温度范围内提高汽油的沸点。然而，由此对供应管道、供给泵、压力条件的控制以及冷却器和回流管道的要求被极大地提高。此外，由于汽油的降低的润滑能力，利用自润滑的密封的轴承46、50应用在旋转-摆动轴25上。 |
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