活塞式壓縮機的製作方法

2023-09-21 13:27:10

專利名稱：活塞式壓縮機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種活塞式壓縮機，其特別適合於用在內燃機中。
背景技術：
內燃機增壓不但是一種已被證明的提高扭矩和功率的途徑，而且還能夠使具有預定最大負荷的內燃機在以部分負荷運轉時降低消耗。柴油機增壓帶來的特別益處是，火花點燃式發動機中存在的爆振問題不會出現在增壓柴油機中。
現主要有兩種不同的增壓方法，二者也可以組合使用。在排氣渦輪增壓中，內燃機排氣中包含的能量被用於向渦輪增壓器提供動力，該渦輪增壓器驅動一個用於將壓縮空氣供應給內燃機的渦輪。在所謂的獨立增壓中，壓縮機被分設的驅動裝置例如被增壓內燃機的曲軸供應動力，或者被其它發動機例如電發動機供應動力，以壓縮供應給內燃機的空氣。現有各種已知類型的獨立傳動壓縮機，例如Routs鼓風機、螺旋增壓器、活塞式壓縮機。

發明內容
本發明的目的是提供一種活塞式壓縮機，其能夠以簡單的結構提供高效率，並且能夠應用於各式各樣的場合。
這個目的可以通過權利要求1中限定的活塞式壓縮機實現。
從屬權利要求中涉及根據本發明的各個優選實施例以及對活塞式壓縮機的進一步改進。


下面將基於以示例的方式顯示了細節的附圖而更詳細地描述本發明。
圖1是活塞式壓縮機的示意性剖視圖；圖2和3是活塞的不同透視圖，其中曲軸穿過活塞；圖4是用於雙缸活塞式壓縮機的兩個曲軸的透視圖。
圖5是圖4所示曲軸帶著活塞的透視圖；圖6至8是位於曲軸一側並且分配給活塞的曲柄/閥機構的不同透視圖。
圖9是與閥元件相互作用的進氣閥的剖視圖。
圖10是與閥元件相互作用的排氣閥的剖視圖。
圖11是滾輪式挺杆的透視圖；圖12是圖11所示滾輪式挺杆的另一側透視圖；圖13是凸輪可曲柄機構的詳圖。
圖14是根據本發明的壓縮機靠凸緣安裝在內燃機缸蓋上時的透視圖。
具體實施例方式
在圖1中，根據本發明的活塞壓縮機具有一個氣缸2，其在兩側被前壁封閉，一個活塞4可在所述氣缸中前後移動。活塞4包含兩個彼此相隔的活塞頭6和8，它們優選在各自的外周邊緣上裝配有活塞環以實現密封的目的，並且在氣缸2中分隔出兩個工作腔10和12。所述兩個活塞頭6和8通過撐杆14而相互連接，例如螺紋連接。活塞頭6和8的對置內側設有導向表面16和17，用於引導滑環18。
氣缸2的前壁具有開口，用於設置至少一個進氣閥20和22和相應排氣閥24或26。
氣缸2通過安裝裝置設置在一個殼體32中，所述安裝裝置形成了分隔壁28和30。殼體32具有至少一個吸孔34和一個排孔36，其中，可以清楚地看到，一個形成在殼體32與氣缸2之間的空間被分隔壁28和30分割，以形成一個引入通道38和一個排出通道40；該引入通道將吸孔34與進氣閥20和22連通，或是選擇性地打開或關閉通向工作腔10和12的進氣口；該排出通道將排氣閥24、26與排孔36連通，或是選擇性地打開或關閉工作腔10和12的排氣口。
活塞4沿圖1中的水平方向移動。該方向在圖2至8中為豎直方向，即在圖2至8中相對於圖1所示結構旋轉了90°。
圖2和3中的透視圖示出了活塞4具有穿過活塞的相應的兩個曲軸42和44。曲軸軸線相對於氣缸2和/或殼體32是固定的，並且在圖1中以A標記出來。每個曲軸分別具有相對於其軸線偏心安置的至少一個曲柄盤46和/或48，曲柄盤與滑環18相互作用，所述滑環可以垂直於曲軸軸線沿著活塞頭6和8的導向表面16和17直線移動，從而產生滑環或曲柄導向件，通過該導向件，曲柄盤的旋轉偏心運動可以通過公知的方式轉化成在氣缸2中按軌跡運行的振蕩運動。滑環優選被分段化，以便於組裝。
圖4中示出了曲軸42和44，它們被設計成用於相應的兩個氣缸2，這兩個氣缸在殼體32中前後安置(圖1)，並且相應的活塞4在氣缸中操作。在圖示的實施例中，每個活塞配備有位於曲軸42上的兩個曲柄盤46和位於曲軸44上的一個曲柄盤48，它們與相應的滑環18協作。可以清楚地看出，曲柄盤46和48彼此相對軸向偏置，以使它們的運動路徑徑向交叉，側而可以在曲軸42和44之間實現減小的距離。通過以公知方式向曲軸42和44提供平衡重50和52，振動力被平衡。
作為示例，曲軸42和44可以分別安裝在氣缸2的壁上。
為了驅動閥20、22、24和26，曲軸具有凸輪54和56，它們通過作動元件驅動閥。齒輪58和/或60以抗扭的方式在相應曲軸的相應一端連接著該曲軸，從而曲軸42、44中只有一個需要從外界驅動。齒輪58和60具有相同的尺寸並且相互嚙合，從而使曲軸42和44以相同的速度反向旋轉。齒輪58、60優選被用作位於在壓縮機中循環的冷卻劑和/或潤滑劑中的齒輪泵中的元件。
圖5示出了活塞與根據圖4的曲軸相組合。
圖6示出了安置在圖中曲軸42、44的左側並且被配備給一個氣缸的曲柄/閥機構的各部分的透視圖。
在圖示的例子中，每個曲軸42和/或44的兩側分別具有位於氣缸外側的凸輪54和/或56，它們與滾輪式挺杆62和/或64相互作用，每個滾輪式挺杆分別驅動一個閥元件66和/或68，所述閥元件跨接於一個氣缸上方。圖6中左側的閥元件66驅動多個進氣閥20(圖1)。右側的閥元件68驅動多個排氣閥24。在圖示的例子中，閥在相應的閥元件處被約束導向。可以清楚地看到，在圖示的例子中，分別有四個進氣閥和四個排氣閥安置在氣缸2的前壁上，並且分別被一個相應的閥元件驅動。
從圖1中可以清楚地看到，進氣閥20、22和排氣閥24、26均彼此面對著安置，被安置在活塞的左側和/或右側(圖1)或是上側和/或下側(圖2至8)的閥機構具有相同的結構，或者呈現為鏡像對稱。
當壓縮機以二衝程操作模式運行時，相對於驅動後曲軸的旋轉，進氣閥和排氣閥分別具有大約180°的相移，從而在相鄰曲軸42、44以相同的速度反向旋轉的過程中，並且具有適宜設計的凸輪54、56的情況下，可實現各個閥的同相驅動。
下面根據圖9至13詳細描述閥機構。
閥元件66和/或68在固定於殼體上的導軌(未示出)中被以可直線移動的方式導向，並且抵抗著彈簧70和/或72施加的力在凸輪54和/或56中前後移動，所述彈簧被支撐在殼體32和相應的閥元件之間。
用於驅動排氣閥20的橋狀閥元件66(圖9)中包含用於每個排氣閥的導向通道74，排氣閥20的軸延伸於所述導向通道中，並且導向通道通向凹槽76，閥軸即終止於此。閥彈簧80被支撐在閥軸的端部凸緣78與閥元件66之間，以迫使排氣閥20處於關閉位置。一個螺柱82擰入閥元件66中並且面對著端部凸緣78，用以調節遊隙。
用於驅動排氣閥24的閥元件68也具有一個導向通道84(圖10)，閥杆延伸於該導向通道中。閥杆終止於一個擋塊86，例如，擋塊擰在閥杆上並且其與閥頭之間的距離可調，以調節遊隙。閥彈簧88支撐在閥元件68與閥之間。
作為圖9和10所示結構(這種結構可以以多種方式修改)的結果，不需要為閥杆配備缸性殼體導向部；通過閥元件66向底部的移動，根據圖9的進氣閥20分別向下打開；通過閥元件68向頂部的移動，根據圖10的排氣閥24分別向上打開。此外，彈簧80和88可以以下述方式構造尺寸，即在相關工作腔內的強負壓的作用下，進氣閥20會打開，而不需要閥元件66移動，和/或在相關工作腔內的強過壓的作用下，排氣閥24會打開，而不需要閥元件68移動。
圖11和12示出了具有容納於其中的輥輪88的滾輪式挺杆，以及殼體固定的導向件90。
圖13中示出了帶有凸輪54和56的兩個曲軸42和44的一部分。與根據圖6至8的實施例不同，曲軸42隻具有一個曲柄盤46，而曲軸44具有兩個曲柄盤48。可以清楚地看到，用於驅動配備給進氣閥的滾輪式挺杆或橋接閥元件66的凸輪被設計成「負凸輪」，其在常態下抵抗著彈簧70而將橋接閥元件66推壓在圖9所示位置，並且只在具有較小直徑的凸輪區域中，啟動閥元件66的向下運動，如圖8所示，以打開進氣閥20。配備給排氣閥的曲軸44的凸輪56被設計為常規凸輪，其具有因直徑增大而產生的凸輪行程。
下面描述活塞式壓縮機的組裝圖5所示的實際驅動機構是這樣被首先組裝出來的，即曲軸和滑環被安置在兩個相鄰活塞頭上，然後利用撐杆14安裝相應的另外一側活塞頭，以產生圖5中的模塊。
然後，分別由兩個對中分割的半體構成的氣缸2被安裝在活塞4上。然後，閥機構被安裝在固定於氣缸上的組裝表面中，如此形成的整個結構被一起置於殼體32中，該殼體同樣由兩部分構成。氣缸半體和殼體半體可以被設計為一體而成為單件。
圖14中示出了根據本發明的活塞式壓縮機92，其通過凸緣安裝在內燃機的曲柄殼或缸蓋94上。附圖標記96表示用於驅動曲軸之一的皮帶輪。
殼體32的吸孔34上也可以通過凸緣安裝一個抽吸模塊(未示出)，例如節流閥和/或用於測量流入空氣量的裝置等等。
前面描述的壓縮機以下述方式操作壓縮機優選以二衝程操作模式運轉。隨著圖1所示的活塞4從左向右移動，首先進氣閥20和排氣閥26被啟動，以使新鮮氣流進入工作腔10，並且壓縮了的新鮮空氣以實現目的所需的壓力級別從工作腔20排出。在活塞4從左向右移動時，進氣閥22和排氣閥24優選關閉，在活塞從右向左移動時，這些閥以相反的方式操作，即通過進氣閥22和排氣閥24引入新鮮增壓氣流，同時閥20和26優選關閉。適宜的方式是，公知的相位調節和/或衝程調節裝置當然可以被採用，以控制進氣閥和排氣閥，以使被輸送的空氣量(氣體流率)可以被調節成適合於內燃機所需的相應操作條件，並且通過適宜地設置相對於活塞運動止點的相應閥開閉時間，可以使壓縮機高效運轉。
下面將描述所述活塞式壓縮機的功能細節，其中可行的修改和附加特徵也將被描述。
1.總體結構形狀。
儘管進包含一個氣缸和一個安置在其中的雙作用活塞，根據本發明的活塞式壓縮機也能夠以高級別的效率和低壓力脈衝操作。通過將活塞設計成具有兩個相隔的活塞頭，在活塞頭之間安置著曲柄機構，不但能夠獲得使曲軸及其潤滑部與工作空間完全分開的優點，而且能夠毫無問題地將曲軸(n)安裝在氣缸壁中。根據需要，活塞式壓縮機可以具有任何數量的氣缸以及在氣缸中操作的活塞。其中各個氣缸在操作中可以實現相移，從而獲得最小的壓力脈衝。可能達到的衝程/孔徑比允許具有低活塞速度，這對使用壽命具有有益的影響。
這種結構使得進氣和排氣閥可以相對於氣缸橫截面具有大橫截面，因而壓縮機可以以低流動阻力操作。
增壓器可以在壓力側通過凸緣直接安裝在缸蓋或需要被增壓的發動機的吸管上。如果通過凸緣直接安裝在缸蓋上，則殼體32可以在其長度方向上具有與殼體內部連通的若干排孔36，這些排孔36直接通向各個氣缸的引入通道。位於壓縮機前面的抽吸側可以通過凸緣安裝一個帶有節流閥的抽吸部件，該抽吸部件裝有一個用於排氣再循環的連接件，或者具有一個從其分支出來的旁通管，該旁通管環繞著壓縮機直接通向內燃機的吸管。
相對於排量(衝程容積)而言，這種結構可以實現大的表面積—容積比，從而可以實現大的排氣閥。
殼體和氣缸的壁之間的自由路徑總體上較短，因此在冷卻所述壁時壓縮空氣也會被有效地冷卻。
2.曲柄機構。
曲柄機構可以包含一個或多個曲軸，其中曲軸(n)的旋轉運動可以利用大多數類型的已知機構而轉化為活塞的衝程運動。前面描述的具有滑環的機構容易安裝，操作中幾乎沒有摩擦力，並且可以產生平緩的正弦曲線活塞運動。
前面描述的具有兩個反向旋轉曲軸的實施例可以被用作Lancester偏置結構，其中每個活塞的曲柄機構中的活塞和滑環的振動正弦重力完全相互偏置。此外，各個氣缸被偏置，以使重力的動態力不會從任何氣缸引入到殼體。此外，在殼體外側具有外部作用的重力，因此根據本發明的壓縮機能夠以非常低的振動級別操作。
在前面描述的實施例中，曲柄銷或曲柄盤沿軸向彼此錯置，從而一方面可以產生緊湊的結構設計，另一方面可以具有低機械應力，並因此而使曲柄機構具有高抗扭強度。
另一個優點是活塞沒有橫向力，這可以降低摩擦損失並且延長使用壽命。活塞頭不帶護罩，也有助於降低重量。此外，不會遇到側傾力。
位於曲軸端部的齒輪58和60(圖4)用於實現曲軸之間的同步化和動力傳輸。齒輪也可以被替換為卷揚裝置，例如齒形帶。只需要從一端驅動一個曲軸，例如利用帶輪96(圖14)驅動。
3.冷卻/潤滑。
齒輪58和60(圖4)可以被用作齒輪泵中的元件，齒輪泵可以輸送冷卻/潤滑流體，使之在壓縮機或增壓器的通道中循環。至少與工作腔10和12鄰接的氣缸壁優選被冷卻，其中端的熱傳導路徑可以確保高效冷卻。增壓器可以附加具有一個位於排孔36前面的內部熱交換器。作為一種替代或附加，壓縮了的空氣可以在進入內燃機之前流經一個外部熱交換器。
增壓器的優選的集成潤滑劑/冷卻劑循環系統可以連接著內燃機或者與之分離。
根據本發明的壓縮機的一個重要方面主要基於這樣的事實，即流經排孔36的壓縮空氣一方面不帶潤滑劑，另一方面其儘可能冷。在這兩種情況下，均為凸輪軸的兩個曲軸穿過活塞頭並且藉助於容易密封的軸承安裝在氣缸2中，因此在活塞中形成一個相對於外界密封的潤滑劑空間，同時用作冷卻劑的液體潤滑劑可以通過曲軸供應到該空間。潤滑劑/冷卻劑可以從內側有效地冷卻活塞頭。當然，穿過氣缸壁、氣缸與殼體之間的空間、殼體的通道，構成了流體循環系統，以使冷卻劑/潤滑劑循環。
滾輪式挺杆64的柄杆可以通過曲軸而被溼潤滑，以使潤滑劑不接觸新鮮空氣。非常硬的挺杆端部或接觸表面的組合結構是有益的。
可實現低摩擦和高耐磨性的材料的連接件優選被用於將閥連接到閥杆，或者在圖示的例子中，連接到橋狀閥元件。
以公知的方式帶有固體潤滑劑或者浸透了潤滑劑的材料的連接件優選用作滾輪式挺杆和閥的導向件。還可以為各種環件(座環等)提供固體潤滑劑或者使它們浸透潤滑劑。
低操作溫度使得帶有固體潤滑劑或者浸透了潤滑劑的導套可以被使用，從而使得液體潤滑劑或冷卻劑的循環可以局限在活塞中的潤滑劑空間內。
陶瓷材料可以被使用，以使液體潤滑劑的需求量最小化。
4.增壓交換過程。
如前面所解釋，根據本發明的增壓器優選以二衝程模式操作。進氣和排氣閥可以以多種不同的方式驅動。在代表性的實施例中，它們不但可以被帶有適宜給定尺寸彈簧的閥元件驅動，而且可以被用作單向閥，其中在相應工作腔具有負壓的情況下進氣閥打開，在相應工作腔具有過壓的情況下排氣閥打開。在替代性的實施例中，只有進氣閥或只有排氣閥可以被設計成單向閥，另一個閥可以被曲軸(s)驅動。
即使是在閥特別是排氣閥的Desmodromic操作中，如果閥的壓降超過預定值，則也可以實現自我控制功能。
進氣和/或排氣閥可以利用已知的閥作動機構驅動，例如通過切換截止槓桿(pick-off lever)和/或截止角度而實現驅動，從而使得它們的開閉功能是可變的，和/或將它們保持在打開或關閉位置。
5.開環或閉環壓縮機控制壓縮機曲軸的轉速可以剛性傳遞到內燃機曲軸。在被增壓的內燃機與壓縮機之間，可以安置具有步進或連續可調變速比的齒輪機構。可以用一個聯軸器將壓縮機與內燃機完全脫離。
壓縮機的輸送量可以通過可變作動閥來改變，其中在閥處於打開位置時，可形成吸孔34至排孔36(圖1)的低流率路徑。
作為一種替代，在壓縮機不運轉時，新鮮空氣可以通過旁通管供應給內燃機。
根據需要，可以關閉單個氣缸。
利用分隔壁28和30中的可控開口，增壓器的輸送量可以改變。節流閥可以設在吸孔34的上遊。
多個壓縮機可以並聯或串聯於一個內燃機中。
為了向活塞頭施加更小的應力，在每個活塞中，每個曲軸可以設有兩個或更多個曲柄盤。
閥還可以通過單獨的驅動裝置例如電磁、液壓或其它適宜的驅動裝置而被相對於曲軸的旋轉完全獨立地驅動。也可以只有一個曲軸穿過每個活塞，而不是兩個曲軸，等等。
總而言之，本發明的壓縮機能夠提供多種渠道來調節空氣的最大壓縮、輕微壓縮、沒有壓縮，甚至是壓縮機用於制動時的往復壓縮。
根據本發明的壓縮機和/或增壓器適用於為所有類型的內燃機包括二衝程發動機、四衝程發動機或以不同衝程次序運轉的發動機、火花點燃式發動機、柴油機、燃氣發動機等增壓。
附圖標記清單2氣缸 50 平衡重4活塞 52 平衡重6活塞頭 54 凸輪8活塞頭 56 凸輪10 工作腔 58 齒輪12 工作腔 60 齒輪14 撐杆 62 滾輪式挺杆16 導向表面 64 滾輪式挺杆17 導向表面 66 閥元件18 滑環 68 閥元件20 進氣閥 70 彈簧22 進氣閥 72 彈簧24 排氣閥 74 導向通道26 排氣閥 76 凹槽28 分隔壁 78 端部凸緣30 分隔壁 80 閥彈簧32 殼體 82 螺柱34 吸孔 84 導向通道36 排孔 86 擋塊38 引入通道 88 滾輪40 排出通道 90 導向件42 曲軸 92 活塞式壓縮機44 曲軸 94 缸蓋46 曲柄盤 96 皮帶輪48 曲柄盤
權利要求
1.一種活塞式壓縮機，其特別適用於為內燃機增壓，包括至少一個氣缸(2)，在所述氣缸中，往復運動的活塞(4)形成了位於活塞兩側的兩個工作腔(10，12)，每個工作腔具有至少一個進氣口和相應排氣口，相應的進氣閥(20，22)或排氣閥(24，26)在所述進氣口和排氣口中操作；殼體(32)，其圍繞著氣缸，並且具有吸孔(34)和排孔(36)；其中，位於氣缸和殼體之間的空間被分隔壁(28，30)以下述方式分割，即所述吸孔與進氣口連接而所述排孔與排氣口連接；驅動結構(42，44)，其用於前後移動活塞，通過使一個工作腔的進氣閥打開而另一個工作腔的進氣閥關閉，同時所述一個工作腔的排氣閥關閉而所述另一個工作腔的排氣閥打開，可以實現活塞的衝程。
2.如權利要求1所述的活塞式壓縮機，其特徵在於，所述驅動結構包括曲軸(42，44)，其安裝在氣缸(2)和/或殼體(32)內並且驅動活塞(4)。
3.如權利要求1或2所述的活塞式壓縮機，其特徵在於，通過在活塞上滑動的滑環(18)，實現活塞(4)和曲軸(42，44)之間的運動傳遞。
4.如權利要求1至3中任一所述的活塞式壓縮機，其特徵在於，所述驅動結構具有兩個曲軸(42，44)，它們以相等的速度反向旋轉。
5.如權利要求4所述的活塞式壓縮機，其特徵在於，所述曲軸(42，44)中的一個可從外部驅動，並且其以抗扭方式嚙合和另一個曲軸。
6.如權利要求1至5中任一所述的活塞式壓縮機，其特徵在於，所述活塞(4)被設計為包含有兩個彼此相隔的活塞頭(6，8)的雙活塞，並且曲軸(42，44)在所述活塞頭之間與所述雙活塞接合。
7.如權利要求4至6中任一所述的活塞式壓縮機，其特徵在於，衝程驅動裝置(18，46；18，48)在曲軸(42，44)和活塞(4)彼此軸向偏置設置，並且沿徑向相互重疊。
8.如權利要求1至7中任一所述的活塞式壓縮機，其特徵在於，至少一個所述閥(20，22，24，26)由曲軸(42，44)驅動。
9.如權利要求1至7中任一所述的活塞式壓縮機，其特徵在於，至少一個所述閥(20，22，24，26)被設計成單向閥。
10.如權利要求1至7中任一所述的活塞式壓縮機，其特徵在於，至少一個所述閥(20，22，24，26)配備有相對於活塞運動獨立操作的作動機構。
11.如權利要求1至10中任一所述的活塞式壓縮機，其特徵在於，形成在曲軸(42，44)上的至少一個凸輪(54，56)帶動由殼體(32)導向的閥元件(66，68)移動，其中至少一個進氣或排氣閥(20，22)的閥軸被引導於該殼體中，該閥被彈簧(80，88)以下述方式支撐著抵靠在閥元件上，即可被閥元件驅動並且可以相對於閥元件獨立移動。
12.如權利要求1至11中任一所述的活塞式壓縮機，其特徵在於，與抗扭的方式連接著曲軸(42，44)的齒輪(58，60)構成了壓縮機冷卻和/或潤滑系統中的泵元件。
13.如權利要求1至12中任一所述的活塞式壓縮機，其特徵在於，多個氣缸(2)組合在一個公用殼體(32)內，殼體中容納著多個活塞(4)，這些活塞被至少一個公用曲軸(42，44)前後移動。
全文摘要
一種活塞式壓縮機包括至少一個氣缸(2)，在所述氣缸中，往復運動的活塞(4)形成了位於活塞兩側的兩個工作腔(10，12)，每個工作腔具有至少一個進氣口和相應排氣口，相應的進氣閥(20，22)或排氣閥(24，26)在所述進氣口和排氣口中操作；殼體(32)，其圍繞著氣缸，並且具有吸孔(34)和排孔(36)；其中，位於氣缸和殼體之間的空間被分隔壁(28，30)以下述方式分割，即吸孔與進氣口連接而排孔與排氣口連接；驅動結構(42，44)，其用於前後移動活塞，通過使一個工作腔的進氣閥打開而另一個工作腔的進氣閥關閉，同時所述一個工作腔的排氣閥關閉而所述另一個工作腔的排氣閥打開，可以實現活塞的衝程。
文檔編號F02B33/06GK1637281SQ20041010482
公開日2005年7月13日 申請日期2004年12月23日 優先權日2003年12月23日
發明者彼得·克羅伊特爾, 阿明·措施克 申請人:Meta發動機和能量技術公司