对置活塞发动机包括带有开放的排气室的直列汽缸体，该排气室包含该发动机的所有排气道。排气出口从排气室贯通汽缸体的相对侧。涡轮增压器被定位在汽缸体的每一侧上并且具有与相应的排气出口紧密耦接的入口。排气室被划分为独立的收集器部分，每个收集器部分包含一个或多个汽缸的排气道，并且每个涡轮增压器具有与第一收集器部分紧密耦接的第一入口和与第二收集器部分紧密耦接的第二入口。该发动机具有在第一和第二收集器部分中的汽缸之间交替的汽缸点火次序。
1.一种空气处理系统，用于具有汽缸体(300)的对置活塞发动机(200)，所述汽缸体带有第一侧(302)和第二侧(303)和在所述第一侧(302)和所述第二侧(303)之间以直列阵列布置的多个汽缸(206)，其中所述第一侧和所述第二侧在所述汽缸体的相对侧上，其中所述多个汽缸中的每个汽缸包括在所述汽缸的轴向方向上与排气道隔开的进气道，所述系统包括：在所述汽缸体中的排气室(202)，所述排气室包括贯通所述汽缸体(300)的所述第一侧(302)和所述第二侧(303)的排气出口(207，208)；
所述多个汽缸中的所有的所述排气道被包含在所述排气室(202)中，以将排气排放至其中；
形成在所述汽缸体(300)中的所述排气室(202)中的第一收集器部分(220)和第二收集器部分(221)，所述第一收集器部分和所述第二收集器部分由壁(218)分隔开；
第一涡轮增压器(211)，其被定位在所述汽缸体(300)的所述第一侧(302)上；以及第二涡轮增压器(212)，其被定位在所述汽缸体(300)的所述第二侧(303)上。
2.根据权利要求1所述的空气处理系统，其中每个收集器部分包含至少两个汽缸的所述排气道，并且进一步包括：在所述汽缸体的所述第一侧(302)上的第一排气出口适配器(371a)和第二排气出口适配器(371b)，其中所述第一排气出口适配器(371a)紧密耦接所述第一涡轮增压器的第一涡轮入口(209a)和所述第一收集器部分(220)，并且进一步其中所述第二排气出口适配器(371b)紧密耦接所述第一涡轮增压器的第二涡轮入口(209b)和所述第二收集器部分(221)；以及在所述汽缸体的所述第二侧(303)上的第三排气出口适配器(372a)和第四排气出口适配器(372b)，其中所述第三排气出口适配器(372a)紧密耦接所述第二涡轮增压器的第一涡轮入口(210a)和所述第一收集器部分(220)，并且进一步其中所述第四排气出口适配器(372b)紧密耦接所述第二涡轮增压器的第二涡轮入口(210b)和所述第二收集器部分(221)。
3.根据权利要求2所述的空气处理系统，其中所述多个汽缸包括2N个汽缸(N＝2，3，…，n)，其中N个第一汽缸的排气道被包含在所述第一收集器部分中，并且N个第二汽缸的排气道被包含在所述第二收集器部分中，并且所述发动机具有点火顺序，其中：具有在所述第一收集器部分中的排气道的所述N个第一汽缸中的任意汽缸的点火之后首先总是具有在所述第二收集器部分中的排气道的所述N个第二汽缸中的一个汽缸的点火，并且具有在所述第二收集器部分中的排气道的所述N个第二汽缸中的任意汽缸的点火之后首先总是具有在所述第一收集器部分中的排气道的所述N个第一汽缸中的一个汽缸的点火。
第一涡轮增压器(211)是双涡形装置，并且第二涡轮增压器(212)是双涡形装置。
5.根据权利要求4所述的空气处理系统，其中所述多个汽缸包括2N个汽缸(N＝2，3，…，n)，其中N个第一汽缸的排气道被包含在所述第一收集器部分中，并且N个第二汽缸的排气道被包含在所述第二收集器部分中，并且所述发动机具有点火顺序，其中：具有在所述第一收集器部分中的排气道的所述N个第一汽缸中的任意汽缸的点火之后首先总是具有在所述第二收集器部分中的排气道的所述N个第二汽缸中的一个汽缸的点火；并且具有在所述第二收集器部分中的排气道的所述N个第二汽缸中的任意汽缸的点火之后首先总是具有在所述第一收集器部分中的排气道的所述N个第一汽缸中的一个汽缸的点火。
6.一种用于操作权利要求1的对置活塞发动机的方法，该方法包括：
使第一汽缸点火，所述第一汽缸具有定位在第一排气收集器部分(220)中的排气道；
将来自所述第一汽缸的排气排放到所述第一排气收集器部分中；
将来自所述第一排气收集器部分的所述排气的一部分运送至第一涡轮增压器(211)的第一涡轮入口(209a)；以及将来自所述第一排气收集器部分的所述排气的一部分运送至第二涡轮增压器(212)的第一涡轮入口(210a)；以及随后使第二汽缸点火，所述第二汽缸具有定位在所述汽缸体中的第二排气收集器部分(221)中的排气道，所述第二排气收集器部分与所述第一排气收集器隔开；
将来自所述第二汽缸的排气排放到所述第二排气收集器中；
将来自所述第二排气收集器的所述排气的一部分运送至所述第一涡轮增压器的第二涡轮入口(209b)；以及将来自所述第二排气收集器的所述排气的一部分运送至所述第二涡轮增压器的第二涡轮入口(210b)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述多个汽缸包括2N个汽缸(N＝2，3，…，n)，其中N个第一汽缸的排气道被包含在所述第一排气收集器中，并且N个第二汽缸的排气道被包含在所述第二排气收集器中，所述方法进一步包括根据点火顺序操作所述发动机，其中：具有在所述第一收集器部分中的排气道的所述N个第一汽缸中的任意汽缸的点火之后首先总是具有在所述第二收集器部分中的排气道的所述N个第二汽缸中的一个汽缸的点火；并且具有在所述第二收集器部分中的排气道的所述N个第二汽缸中的任意汽缸的点火之后首先总是具有在所述第一收集器部分中的排气道的所述N个第一汽缸中的一个汽缸的点火。
用于二冲程循环的直列对置活塞发动机的带有伴随点火顺序
的排气布置
[0001] 相关申请
[0002] 本申请包含涉及2014年5月21日提交的题为“Air Handling Construction For Opposed-Piston Engines”的共同所有的美国申请序列号14/284,058和2014年5月21日提交的题为“Open Intake and Exhaust Chamber Construction for Air Handling System of an Opposed-Piston Engine”的共同所有的美国申请序列号14/284,134的主题。
背景技术
[0003] 本领域是二冲程内燃对置活塞发动机。具体地，本领域涉及考虑到运送来自对置活塞发动机的汽缸的排气的空气处理系统。
[0004] 二冲程循环发动机是以曲轴转动完整一圈和连接至该曲轴的活塞运动两个冲程来完成一个工作循环的内燃发动机。这两个冲程通常被表示为压缩冲程和做功冲程。二冲程循环发动机的一个示例是对置活塞发动机，其中两个活塞被布置在汽缸的膛孔中，用于沿着汽缸的中心轴线在相反方向上做往复运动。每个活塞在其最靠近汽缸的一端的下止点(BC)位置与其最远离这一端的上止点(TC)位置之间运动。汽缸具有形成在汽缸侧壁中靠近相应的BC活塞位置的气道(port)。每个对置活塞控制这些气道中的一个，当活塞移动到其BC位置时打开该气道，并且当活塞从BC位置朝向其TC位置移动时关闭该气道。所述气道中的一个用于允许增压空气进入膛孔中，另一个为燃烧产物提供离开膛孔的通道。这些分别被称为“进气”道和“排气”道(在一些描述中，进气道被称作“空气”气道或“扫气”(scavenge)气道)。在直流扫气对置活塞发动机中，随着排气流出汽缸的排气道，加压的增压空气通过汽缸的进气道进入汽缸，因此，气体沿单一方向(“直流”)流动穿过该汽缸—从进气道至排气道。
[0005] 在图1中，具有至少一个气道式汽缸50的对置活塞发动机10具体表现为二冲程循环内燃发动机。每个气道式汽缸50具有膛孔52和成形或机加工在汽缸壁的相应末端的纵向间隔开的进气道54和排气道56。进气道54和排气道56中的每一个包括开口的一个或多个圆周阵列，其中相邻的开口被实心桥分开。在一些描述中，各开口被称作“气道”；然而，这种“气道”的圆周阵列的构造与图1中所示的气道构造没有区别。在示出的示例中，发动机10进一步包括以平行阵列布置的两个间隔开的曲轴71和72。进气活塞60和排气活塞62可滑动地布置在膛孔52中，其中它们的端表面61和63彼此相对。进气活塞60耦接至曲轴71，并且排气活塞耦接至曲轴72。
[0006] 当活塞60和62在汽缸50中靠近TC时，燃烧室被限定在膛孔52中活塞的端表面61与63之间。燃烧正时通常被指定到压缩循环中出现最小燃烧室容积的点；这一点被称作“最小容积”。燃料被直接喷射到位于端表面61与63之间的汽缸空间中。在一些实例中，喷射发生在最小容积处或接近最小容积时；在其他实例中，喷射可以发生在最小容积之前。燃料通过燃料喷射器喷嘴70喷射，燃料喷射器喷嘴70被定位在穿过汽缸50的侧壁的相应开口中。优选地，燃料喷射器喷嘴70被定位以沿着膛孔52的直径在相反方向上喷射各自的燃料喷雾。
燃料与通过进气道54接纳到膛孔52中的增压空气混合。随着空气燃料混合物在端表面61与
63之间被压缩，压缩空气达到引起燃料点火的温度。随后发生燃烧。
[0007] 在有两个曲轴的多缸对置活塞发动机中，这些曲轴用如下方式进行配置：使得在指定的一个曲轴的每次整转过程中最小容积条件(MV)以预定次序在汽缸之间发生。例如，在汽缸以线性顺序被编号为1-4的四缸发动机中，一个顺序可以使汽缸2在90°时实现MV，汽缸4在180°时实现MV，汽缸1在270°时实现MV，并且汽缸3在360°时实现MV。燃料喷射操作被正时成使点火和燃烧与MV顺序同步。每次燃烧发生被称为“汽缸点火”，并且发动机被视为具有符合MV(或喷射)顺序的“汽缸点火顺序”(也称作“汽缸点火次序”)。
[0008] 根据图1，发动机10包括空气处理系统80，该空气处理系统包括涡轮增压器120，该涡轮增压器带有在共同的轴123上旋转的涡轮121和压缩机122。涡轮121与排气通道124流体连通，并且压缩机122与增压空气通道126流体连通。从排气道56排放的排气被排气收集器125接收并从这里流入排气通道124内。穿过涡轮的排气的流体压力使涡轮121旋转。这使压缩机122旋转，使其通过压缩新鲜空气而产生增压空气。由压缩机122产生的增压空气穿过增压空气通道126流动至冷却器127，并从这里被机械增压器110泵送至进气道。被机械增压器110压缩的增压空气能够穿过冷却器129被输出至进气分配器130。进气道54经由进气分配器130接收加压的增压空气。
[0009] 许多应用需要将二冲程循环的对置活塞发动机集成到为传统四冲程发动机设计的发动机空间中，并且减小发动机的尺寸而不牺牲发动机效率和性能特征是至关重要的。当设计用于配合到传统发动机空间中的紧凑的对置活塞发动机构造时，增压空气和排气子系统的定位、布置和集成带来严峻挑战。例如，参见共同所有的题为“Placement of an Opposed-Piston Engine in a Heavy-Duty Truck”的美国专利申请13/891,466。
[0010] 相关申请14/284,058和14/284,134描述了在带有直列安排在汽缸体中的多个汽缸的对置活塞发动机构造中如何满足这些紧凑性挑战中的一些挑战。汽缸体内的单个排气室包含所有的汽缸排气道，从而消除了对带凸缘的多管歧管构造的需要。由所有排气道排放的排气被收集在单个排气室中，而不是用专用的多组管收集和运输从各个排气道排放的排气。被排放的排气通过贯通汽缸体的至少一个排气出口离开该室。有利地，只需要单个管道运送来自该排气出口的排气，从而消除了常规排气歧管的独立管道之间的凸缘到凸缘的间距。因此，消除了多管歧管的重量，可以减少汽缸间的间距，并且发动机可以制作得更紧凑。
[0011] 开放的排气室构造与消除了多管排气歧管的结合减少了从排气道到涡轮增压器的排气流动中的尖峰、喘振、波动以及其他不对称性。平稳的排气流有助于稳定、可靠的燃烧和扫气。然而，对置活塞发动机的直列构造能够对发动机的封装空间产生明显的限制，这种限制阻碍了排气室与涡轮增压器之间的紧密、平滑连接，这可能限制利用开放的排气室构造可获得的益处。例如，贯通直列式汽缸体的相对侧的排气出口可以提供来自开放的排气室的直、短、平滑的运送路径。但是在沿汽缸体的侧面没有用于直短通道的封装空间的情况下，到涡轮增压器的运送路径可能变得反常(eccentric)，从而将紊流引入到排气流中。
[0012] 因此，需要进一步改善涡轮增压的直流扫气的对置活塞发动机，以便通过保留或提高紧凑性目标的构造进一步促进稳定、可靠的燃烧和平顺的气体流动。
发明内容
[0013] 一种对置活塞发动机包括带有开放的排气室的直列汽缸体，该排气室包含发动机的所有排气道。排气出口从排气室贯通汽缸体的相对侧面。涡轮增压器被定位在汽缸体的每一侧上并且具有与相应的排气出口紧密耦接的入口。
[0014] 在一些方面中，排气室被划分为独立的收集器部分。每个收集器部分包含一个或多个汽缸的排气道，并且每个涡轮增压器具有与第一收集器部分紧密耦接的第一入口和与第二收集器部分紧密耦接的第二入口。
[0015] 在一些附加方面中，发动机具有点火顺序，其中第一汽缸的点火之后是第二汽缸的点火，第二汽缸具有在不包含第一汽缸的排气道的收集器部分中的排气道。
附图说明
[0016] 图1是配备有空气处理系统的对置活塞发动机的示图，并被恰当地标注为“现有技术”。
[0017] 图2是一个示意图，示出了根据此说明书的用于对置活塞发动机的空气处理系统的特征。
[0018] 图3是对置活塞发动机的发动机缸体的等距视图，示出了根据此说明书的在该汽缸体的各个相对侧上的涡轮增压器。
[0019] 图4A是图3的发动机缸体的侧视图，其中一个涡轮增压器耦接至该侧面上的排气室出口；图4B是图4A的侧视图，其中一些零件被移除以示出该排气室出口。
[0020] 图5是沿图4的线A-A截取的图3的发动机缸体的剖视图。
具体实施方式
[0021] 参考图2，一种用于二冲程循环的对置活塞发动机的空气处理系统200包括开放的排气室202，该发动机的汽缸206的排气道被定位在该排气室中。在发动机运行过程中，这些排气道将排气排放到该排气室202中。被排放的排气从排气室202流动穿过相对的排气出口207和208。排气被运送至与该排气室流体连通的各个涡轮209和210。优选地，涡轮209和210中的每一个常规地耦接至涡轮增压器组件中的相应的压缩机。排气的流体流动压力促使涡轮增压器211和212生成增压空气。
[0022] 根据图2，排气室202被壁218划分为至少两个独立的收集器部分220和221。每个收集器部分包含至少一个汽缸206的排气道。在所示的示例中，发动机具有六个汽缸206，并且每个收集器部分220和221包含三个汽缸的排气道。每个涡轮机209和210都是双入口装置，并且涡轮的每个入口通过相对的排气出口207和208中的相应一个与收集器部分220和221中的相应一个流体连通。因此，涡轮209的入口209a和209b经由排气出口207分别与收集器部分220和221流体连通。类似地，涡轮210的入口210a和210b通过排气出口208分别与收集器部分220和221流体连通。空气处理系统的剩余附加部件被有意地从此说明书中省略，对此的理解是排气通道和增压空气通道可以包括用于排气的受控运送以及增压空气的递送的各种后处理装置、阀门、一个或多个机械增压器和冷却器。任选地，可以设置EGR子系统。
[0023] 如图2所示，该发动机包括以直列构型安排的多个汽缸206。优选地，该发动机包括2N个汽缸，其中(N＝1，2，3，…，n)，其中N个第一汽缸的排气道被包含在第一收集器部分中，并且N个第二汽缸的排气道被包含在第二收集器部分中。在图2所展示的示例性实施例中，存在被编号为1、2、3、4、5、6的六个汽缸。汽缸1、2、3的排气道被包含在收集器部分220中，并且汽缸4、5、6的排气道被包含在收集器部分221中。汽缸点火顺序被限制成使得排气仅按照交替的汽缸点火被排放到任一收集器部分中。换言之，图2的示例性实施例中的任何点火顺序使得汽缸1、2、3中的一个在收集器部分220中点火，接着汽缸4、5、6中的一个在收集器部分221中点火，再接着汽缸1、2、3中的另一个在收集器部分220中点火，以此类推。例如，点火顺序可以理解为次序为1、4、2、5、3、6的等间隔点火事件；另一个示例可以是2、5、1、6、4、3。
显然，点火顺序可以在任一收集器部分中开始；例如：4、1、5、2、6、3。
[0024] 应当明显看出，将排气室202划分成独立的收集器部分允许在每个收集器部分内的相继汽缸点火之间有较长间隔。进一步，相对的排气出口的设置减少了在收集器部分中产生的反射。这些特征总体来说减少了排放的排气中的紊流并且实现双重的双涡形涡轮增压器的使用。所有这些益处都在紧凑的对置活塞发动机中实现。
[0025] 现参见图3、图4A、图4B和图5，以便理解结合了根据图2的空气处理系统的代表性对置活塞发动机构造。对置活塞发动机被示出，其中数个部件被移除以便更加清晰地展示优选的空气处理构造，该构造包括涡轮209和210与开放的排气室202的紧密耦接。该发动机包括汽缸体300。尽管这些附图示出了在直立、竖直位置中的汽缸体300，但是这只用于说明的目的；实际上，该汽缸体可以布置在倾斜或水平位置中。汽缸体300具有相对的面朝外的侧面302和303。排气出口207和208包括穿过汽缸体300的相对侧的相应的长缝隙状开口。如这些附图中所示，汽缸体300包括多个汽缸。为了进行说明，示出了六个汽缸206，但是可以预想更多或更少的汽缸。在此说明书中，“汽缸”由被保持在形成于汽缸体300中的汽缸通道中的内衬(有时称作“套筒”)构成。每个内衬具有包括汽缸进气道的环形进气部分，该进气部分与包括汽缸排气道的环形排气部分纵向分隔开。两个逆向移动的活塞(未示出)在每个内衬的孔中相对地布置。汽缸206被直列安排在汽缸体300中，其中进气道和排气道在汽缸体300的分开的水平高度上被对齐。虽然这些附图示出了排气道被设置在进气道之上的水平高度，但是这仅用于说明。
[0026] 汽缸体300被示出为带有一对双涡形涡轮增压器211和212，这对双涡形涡轮增压器是相同的、镜像对称的，并且经由适配器371和372附连至汽缸体300的相对侧。每个涡轮增压器具有一对入口。因此，涡轮增压器209具有入口209a和209b，并且涡轮增压器210具有入口210a和210b。在这个构型中，涡轮增压器211和212将反向旋转，也就是说，一个可以是右旋组件，而另一个可以是左旋机器。这是一种设计选择，因为这些涡轮增压器可以被定向成同向旋转。尽管涡轮增压器211和212被示出为从汽缸体300水平地向外延伸，但这也是一种设计选择，因为它们可以被定位成朝上取向或朝下取向或在任一方向上成角度，以便适应各种车辆发动机舱室轮廓。
[0027] 每个涡轮增压器借助于汽缸体的相应侧上的相应排气出口与排气室的收集部分流体连通。这在图4A和图4B中结合涡轮增压器212和侧面302进行图示说明，应当理解该描述同样适用于涡轮增压器211和侧面303。涡轮增压器212被安置以便接收从汽缸206的排气道256排放到排气室202的收集器部分220和221中的排气。为此目的，适配器372在排气出口208上方配合至汽缸体的侧面302。
[0028] 图5示出了形成在汽缸体300中的排气室202，其带有贯穿相对侧302和303的排气出口207和208。继续看图2中示出的示例，汽缸体300支撑六个汽缸206，依次编号为1、2、3、4、5、6。这些汽缸206被定位在该汽缸体内，以便将它们的排气道置于排气室202中。排气室
202被包含在汽缸体300中并且被壁218划分为独立的收集器部分220和221。
[0029] 收集器部分220和221中的每一个借助适配器371和372与涡轮增压器211和212两者紧密耦接地流体连通。每个适配器被划分为独立的部分，并且每个适配器部分被安排成用于将排气从相应的收集器部分运送至相应的涡轮增压器入口。因此，适配器371具有独立的部分371a和371b，并且适配器372具有独立的部分372a和372b。排气从收集器部分220经由运送路径371a、209a被运送至涡轮增压器209，并且经由运送路径372a、210a被运送至涡轮增压器210。排气从收集器部分221经由运送路径371b、209b被运送至涡轮增压器209，并且经由运送路径372b、210b被运送至涡轮增压器210。
[0030] 分开的收集器部分和紧密耦接至这些收集器部分的双重的双涡形涡轮增压器允许对置活塞发动机涡轮增压器轮廓很好地适应发动机舱室空间有限的车辆。当与选定的汽缸点火顺序结合时，此构造还通过减少汽缸点火之间的气体波干涉提供了从汽缸排气道流出的平顺排气流，并确保了进入涡轮增压器的恒定、平顺的排气流，同时仍然保留二冲程对置活塞燃烧点火发动机中固有的发动机效率和性能特征。
[0031] 虽然已经展示并描述了由所附权利要求书限定的本发明的各种实施例，但应理解的是，可以做出不偏离本发明的精神和范围的改变和修改。
