專利名稱：內燃機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種內燃機，特別是以四沖程循環(huán)操作的內燃機。
背景技術：
大多數在驕車、卡車和摩托車中使用的內燃機是以四沖程循環(huán)操作的。四沖程循環(huán)內燃機已經廣泛地應用于20世紀。很多年來，發(fā)動機設計師一直努力改善這種發(fā)動機的效率。在當代，這種效率的改善要求需要同時考慮發(fā)動機的環(huán)境效應，即包括通過廢氣泄露的有害氣體在內的污染物的產生。已經達成了一種折衷，其中，發(fā)動機的總體效率由于需要引入凈化廢氣的動力吸收設備如催化轉換器而下降。環(huán)境問題還要求對燃油的控制，因此，在高壓內燃機中加入鉛作為抗爆介質隨著無鉛汽油的引入而終止了，導致了發(fā)動機設計的進一步折衷。
四沖程發(fā)動機通常每個氣缸包括至少一個進氣門和一個排氣門。在某些精巧的發(fā)動機中，每個氣缸會配有多個排氣門和進氣門。氣門通常被凸輪軸的凸起部驅動到打開位置。這種驅動可以是直接的或間接的。氣門通常通過使用簡單地迫使已經打開的氣門返回關閉位置的金屬螺旋彈簧返回到關閉位置。螺旋彈簧彈力的大小設計成在最大要求賦予彈簧時適應發(fā)動機，最大要求通常發(fā)生在發(fā)動機以最高的每分鐘轉數(RPM)運轉時。因此，氣門彈簧必須具有足夠大的尺寸、重量和彈力系數以在最高RPM下有效運轉。這意味著，在較低的RPM時，氣門彈簧過于強大，因此，不必要的功被用來克服彈簧，導致了發(fā)動機在其正常運作范圍內的效率的急劇下降。氣門彈簧在啟動過程中還必須受到壓縮，因此增加了使發(fā)動機運轉來啟動它所要求的動力，要求大的鉛酸電池和充電系統(tǒng)。
很多年來，人們知道，燃燒過程可以通過對進入的空氣燃油混合物增壓得到改善，然而，增壓器消耗了能量并反過來降低了發(fā)動機的效率。大多數四沖程發(fā)動機具有往復活塞，它的頂壓縮氣缸蓋中的空氣/燃油混合物以便爆燃并從而膨脹。在四沖程發(fā)動機中通常不將活塞的往復運動設計用來壓縮曲軸箱，雖然過去曾提出過建議，利用活塞的向下沖程引起曲軸箱的壓縮以改善發(fā)動機的效率。
導致本發(fā)明的正是以上討論的這些考慮和許多問題。

發(fā)明內容
根據本發(fā)明，提供了一種內燃機，包括至少一對在由曲軸箱連接的各氣缸組件中旋轉、擺動或往復運動的活塞，每個活塞都由裝在曲軸箱中的曲軸來驅動，曲軸箱包括一用于空氣燃油混合物進入的進氣口和一個用于傳送壓縮的空氣燃油混合物的出氣口，每個氣缸具有一個燃燒室和與燃燒室連通的至少一個排氣門孔和至少一個進氣門孔，所述進氣門孔經由曲軸箱出氣口與曲軸箱連通，從而發(fā)動機適于以四沖程循環(huán)操作，活塞的下側壓縮曲軸箱中的空氣燃油混合物，并導致壓縮的空氣燃油混合物經由曲軸箱的出氣口和進氣門孔傳送到燃燒室。


以下將僅通過實例的方式并參考附圖對本發(fā)明的實施例進行描述，其中圖1是根據本發(fā)明的發(fā)動機的示意端視圖；圖2是圖1中所示的發(fā)動機的示意下側視圖；圖3是氣體氣門控制機構的示意圖示；圖4是發(fā)動機的頂視透視圖；圖5是發(fā)動機的底視透視圖；圖6是省略了曲軸箱和氣缸壁的發(fā)動機的透視圖；圖7是凸輪軸和氣門組件的透視圖。
具體實施例方式
圖紙OP1至OP4.5利用圖1至3來說明發(fā)動機的整個四沖程循環(huán)。每張圖紙以90°間隔表明720°四沖程循環(huán)的圖1至3。標明“起動操作循環(huán)”的圖紙包括圖1至3以說明發(fā)動機的起動循環(huán)。
附圖示意表明了發(fā)動機，以說明運作方法。可以理解的是，實際發(fā)動機可以在結構細節(jié)方面有很大的不同，可以設想的是，那些業(yè)內有經驗的人士將領會并理解將發(fā)動機的示意圖示付諸實際實施所需其他細節(jié)。
優(yōu)選實施例的各

了水平相對的雙缸對置結構形式的發(fā)動機。發(fā)動機10包括從中央曲軸箱13向外徑向延伸的氣缸11和12。曲軸箱13裝有支持氣缸11和12中的往復活塞20和21的曲軸25。每個活塞20和21都通過連桿23和連桿大端軸承24與曲軸25連接。各活塞/氣缸水平間隔開，如圖2所示。每個氣缸11和12的端面被支撐火花塞31的氣缸蓋30封蓋。氣缸蓋30的內部和活塞頂22之間的空間界定了燃燒室35。進氣和排氣門孔36和37沿氣缸11或12的壁與燃燒室35連通，以構成側置氣門結構。每個氣門孔支撐具有一氣門頭51和氣門桿53的氣門50。氣門頭51密封由所述孔的口限定的氣門座52。各氣門由凸輪從動件42驅動，凸輪從動件直接接觸由曲軸25通過鏈條、齒輪或帶齒皮帶驅動的凸輪軸40的凸起部41。
對置的各氣缸的殼體界定了兩端被封閉的中心曲軸箱13。曲軸25安裝用來在曲軸箱中圍繞主軸承(未表明)軸向旋轉。曲軸25包括一個圓形密封凸起部60，帶有弧形切除部分61、62，它們通過在曲軸箱13頂部處的曲軸箱13進口69打開和關閉空氣/燃油進氣通道63，并通過曲軸箱13底部處的曲軸箱13出口70打開和關閉排氣通道65?？諝馊加突旌衔飶挠蓚鹘y(tǒng)節(jié)氣門68控制的進氣通道63處適當設置的燃油噴射器66、67獲取。排氣通道65通過凸輪軸室39供氣給進氣口36。在上述發(fā)動機中，進和排氣門通過經由凸輪隨動件與凸輪軸直接接觸受到控制，但由一氣體驅動裝置(gasdrive)關閉，后者由在燃燒沖程期間來自燃燒室35的氣壓和在起動操作循環(huán)期間來自曲軸箱的氣壓來控制。該配置結構在本說明書中后面討論。
實質上，發(fā)動機以四沖程循環(huán)操作，但利用曲軸箱壓力增壓每個氣缸。空氣燃油混合物在曲軸箱內被壓縮，用于隨后經由進氣口36從凸輪軸室39傳送到每個氣缸的燃燒室。側置進和排氣門50控制空氣/燃油混合物的進入和燃爆氣體的排出。這些氣門，不是利用傳統(tǒng)的彈簧返回關閉位置，而是利用其壓力與發(fā)動機的RPM成正比的氣體驅動裝置。
現(xiàn)在對參考編號為OP1至4.5的九張圖紙對發(fā)動機的點火周期進行描述。如圖紙1所示，活塞設置得同步，這樣，兩個活塞同時處在上死點處。另外，結構配置可以為“V”形結構并在同一扇面上處于上死點處。左側氣缸中的空氣燃油混合物已被壓縮且剛被點燃。右氣缸剛剛完成排氣沖程。在上死點處，曲軸箱進氣口69是打開的，但出進口70是關閉的，空氣燃油混合物被吸入曲軸箱中。這樣，曲軸箱充注大氣壓力的空氣燃油混合物。
當活塞沿氣缸(90°位置，圖紙1.5)移動時，左側氣缸中壓縮空氣燃油混合物的燃爆導致活塞沿氣缸被驅動。旋轉的曲軸又拉回右側活塞。進氣通道63正好被曲軸箱進氣口69關閉，且曲軸箱被壓縮，導致裝在曲軸箱中的空氣燃油混合物經由曲軸箱出氣口70和排出通道65通過凸輪軸室39排出而經由該氣缸的進氣口36和進氣門50進入右側活塞的燃燒室。
當活塞下降到下死點時，曲軸轉過180°，如圖紙2所示，左手側的燃燒沖程已經完成，排氣門稍微打開以允許活塞再一次沿氣缸上升。在手側，進氣門關閉，而空氣燃油混合物的壓縮開始。
隨著左手側活塞的返回(見圖紙2.5)，燃耗的混合物經由目前充分打開的排氣門排出。隨著兩個活塞上升，曲軸箱由于曲軸閥的旋轉再次打開，吸入更多的空氣燃油混合物，而右側活塞在進和排氣門兩者均關閉的情況下壓縮空氣燃油混合物。
當活塞到達上死點時(圖紙3所示)，左側活塞/氣缸已經完成了排氣沖程并準備吸入新鮮的混合物，而右側活塞/氣缸準備點燃?？諝馊加突旌衔锝浻蛇M氣通道63繼續(xù)進入曲軸箱。圖紙3.5表明的情形是，左側活塞現(xiàn)在吸入取自曲軸箱并經由進氣門傳送的新一批壓縮空氣/燃油，右側活塞現(xiàn)在通過火花塞引燃的空氣燃油混合物向下驅動。這反過來壓縮曲軸箱，因為曲軸現(xiàn)在已經關閉了進氣通道63而打開了出氣通道65。
接下來的圖紙4然后表明了下死點處的兩個活塞，左側活塞已經充分吸入空氣燃油混合物，右側活塞已經完成了膨脹或燃燒沖程。在這個階段，排氣門打開且所圖紙4.5所示，左側活塞開始壓縮空氣燃油混合物，同時右側活塞通過排氣口排出燃耗混合物，當兩個活塞上升時，更多的空氣燃油混合物通過進氣通道63被吸入曲軸箱以便當活塞返回時被壓縮。該循環(huán)于是已經完成了720°(四沖程發(fā)動機循環(huán))，如此，操作按圖紙1所描述的左側活塞的點燃重復。
排和進氣門的打開是通過作用于凸輪從動件的凸輪軸上的凸起部仔細控制的。而關閉是由早些時候描述的氣壓彈簧實現(xiàn)的，氣壓彈簧由在燃燒沖程期間來自燃燒室以及在啟動程序期間來自曲軸箱的氣壓加壓。
每個氣缸的氣壓氣門彈簧包括一個氣門壓力室80，它可滑動地支撐著與進和排氣門50的氣門桿53的端部分別連接的復位活塞81和82。如圖2所示，各氣門桿53以隔開平行陣列的是方式進入殼體80，而各復位活塞81、82形成本身被凸輪軸40的凸起部41驅動打開的凸輪從動件42的一部分。每個氣門桿53伸出氣門壓力室80之外，以與通過上述側置進和排氣口36和37與燃燒室35連通的氣門頭51連接。在一個實施例中，氣門壓力室80在啟動時由經由第一通道88來自曲軸箱13的壓力源加壓。在起動中，單向控制球閥90受到一線圈彈簧92或片簧閥(未表示)控制。一旦發(fā)動機已經起動，該閥保持關閉。
用于氣門壓力室80的主氣壓源來自從燃燒室35經由氣門壓力控制組件114通向氣門壓力室80的第二通道89。一雙向控制球閥91浮置在兩個封閉座之間，一側是燃燒壓力，另一側是氣門壓力。允許進入氣門壓力室80的氣體容積由一量孔111(jet)來控制。儲存罐113提高氣門壓力容積。這個額外的容積阻尼壓力輸入脈沖，并供熄火沖程之用。儲存罐113從氣門壓力室80接收氣體。進入由片簧閥115單向控制。氣門壓力室80通過使氣體從儲存罐113通過雙向閥91返回來平衡。儲存罐113還可以有一個壓力釋放閥101，由為發(fā)動機的定時和燃油噴射特地設置的電子控制裝置(ECU)來控制。在這種情況下，還與儲存罐113連接的是將與氣壓成正比的信號送到ECU的壓力感應器105。這樣，氣門壓力室80和儲存罐113中的壓力可由ECU來控制。
氣體氣門壓力控制組件114還包括一第三潤滑通道110，它連通在進氣門口和兩個氣門的氣門桿之間，以通過將未燃空氣燃油混合物引向氣門桿為氣門提供冷卻和潤滑源。復位活塞81和82的橫截面積足夠大，使得由壓力殼體中的氣壓引起的力迫使復位活塞向凸輪軸40滑動，因此關閉氣門。在這種方式下，氣門是被氣壓而不是被金屬螺旋彈簧關閉。復位活塞81和82需要一鑄鐵或TeflonTM的密封。ECU可以保證壓力與關閉力與發(fā)動機的RPM成正比，如機械控制系統(tǒng)所作到的那樣。
雖然氣門壓力室由較熱的廢氣加壓，傳送的容積和第二通道的尺寸如此確定使得組件不過熱。此外，在一個實施例中，氣門壓力室由冷卻水套(未表示)環(huán)繞。
上面描述的結構配置有幾個優(yōu)勢。各活塞以一個水平對置結構同時升降這個事實實現(xiàn)了最優(yōu)平衡，免除了對單獨平衡軸的需要。由曲軸限定的回轉閥實現(xiàn)了最小重量和最少部件的閥。回轉閥允許壓縮混合物引入和傳送到經由進氣門為各氣缸燃燒室供氣的進口腔。進和排氣門是側置氣門這個事實是一較之頂置氣門更簡單、更輕巧、更精致的結構，是由總重量低的很小的傳送容積實現(xiàn)的。然而，不言而喻，傳統(tǒng)頂置氣門和凸輪軸結構以及對角變化也可以使用。
曲軸箱由空氣燃油混合物加壓這一事實免除了對潤滑組件的單獨機油盤的需要。此外，單個或雙壓縮環(huán)可以設置在活塞上而無需潤滑環(huán)。曲軸箱壓力的利用具有對空氣燃油混合物的進入增壓的效應，并顯著地增加發(fā)動機的總體效率。
不言而喻，發(fā)動機可以由適當的輕質鋁制作，雖然優(yōu)選實施例說明了雙氣缸結構，應當認識到，這些氣缸可對置成排設置，以便2，4，6，8，10或12氣缸結構根據所需動力輸出來得到。同樣不言而喻的是，發(fā)動機可以將傳統(tǒng)的水冷卻散熱器和風扇與傳統(tǒng)的水冷卻通道相結合。也可以設想一種氣冷發(fā)動機。冷空氣燃油混合物(即氣化燃油)被吸入曲軸箱這一事實意味著，曲軸箱比通常情況更冷，由此減少了對冷卻系統(tǒng)的要求。發(fā)動機的低壓縮比側置氣門結構中的自增壓意味著，不需要帶有鉛之類的添加劑的高質量、高辛烷值燃料。對于包括植物油在內的低質燃油，發(fā)動機仍將有效運轉。
利用氣壓彈簧來控制和關閉進和排氣門是另一個優(yōu)勢，因為氣壓彈簧的壓力與發(fā)動機的RPM成比例。因此，壓力總是與發(fā)動機的需求相適應。這同用于關閉氣門的傳統(tǒng)螺旋彈簧形成了對比。這些彈簧設計得提供高RPM下必要的力，因此，在較低的轉數下，彈簧過于強大，因而吸收了相當量的動力。彈簧還有其他由其質量引起的問題，導致了有損于發(fā)動機性能的氣門彈跳和其他周期振動。氣壓彈簧的精巧在于，系統(tǒng)壓力實際上由燃燒周期時產生的燃燒壓力供應。另外，由于在發(fā)動機RPM增加時泄壓是壓力室所需要的，氣壓彈簧組件使排氣門能夠稍后打開，減輕了加速期間向燃燒沖程下死點的燃燒壓力。這使得活塞頂獲得了較長的推壓。當發(fā)動機減速時，在節(jié)氣門關閉的情況下，發(fā)動機自然地降低燃燒壓力。不能得到壓力來提高氣門彈簧，但并不需要，并且從氣門壓力室的壓力泄漏可以通過一電控閥門減小，電控閥門結合燃油噴射和點燃系統(tǒng)或其內部自然泄漏由ECU控制。
然而，使用氣壓關閉發(fā)動機氣門存在著一個問題。在起動時，沒有氣體關閉氣門，這將意味著不可能給氣缸加壓。在一實施例中，起動循環(huán)在標示為“起動操作循環(huán)”的圖1至3圖紙中做了說明。
氣門是未彈簧式安裝的這一事實意味著，只需很少的動力來旋轉曲軸并使發(fā)動機運轉，這樣，就減小了對起動機的要求。
在由起動機驅動的最初幾轉以啟動發(fā)動機之后，吸入的空氣燃油混合物在曲軸箱中受到壓縮，并通過非彈簧式安裝進氣門傳送到凸輪軸進口腔和各燃燒室中。曲軸箱壓力也通過氣門壓力控制組件114中的單向閥門90經由一通道傳送到各氣門壓力室。此時，除了排氣口以外的所有發(fā)動機各腔中的壓力都已被均衡。進和排氣門現(xiàn)在有了有效的氣門定時。氣門壓力室80中的壓力將使排氣門復位，因為只有環(huán)境壓力存在于氣門頭下方，進氣門將復位，因為面向進氣口的進氣門頭的面積小于復位活塞表面面積。
在獲得氣門控制、可燃燒混合物被壓縮以及點火已經發(fā)生之后，活塞沿氣缸驅動，燃燒壓力首次通過雙向閥門91(片簧或球閥)經由通道被供應到各氣門室。這將氣門壓力室中的壓力提高到能夠進行氣門控制以進行正常運轉的水平，關閉的各單向閥門90阻止曲軸箱壓力的泄露。在此階段，發(fā)動機呈現(xiàn)正常的運轉循環(huán)。
關閉氣門以便起動的另一個選擇是將一小的起動氣泵偶聯(lián)于起動機，它向氣門室提供空氣壓力以關閉氣門并允許發(fā)動機起動。該配置結構將取代上面描述的壓力閥。
雖然在優(yōu)選實施例中，發(fā)動機使用了空氣彈簧來關閉進和排氣門，應當理解，發(fā)動機可以用關閉進和排氣門的傳統(tǒng)的氣門彈簧操作?？諝馊加突旌衔锟梢允请娍氐?，氣門定時可以由電子調節(jié)的凸輪軸來控制。
權利要求
1.一種內燃機，包括至少一對在由曲軸箱連接的各氣缸組件中旋轉、擺動或往復運動的活塞，每個活塞都由裝在曲軸箱中的曲軸來驅動，曲軸箱包括一用于空氣燃油混合物進入的進氣口和一個用于傳送壓縮的空氣燃油混合物的出氣口，每個氣缸具有一個燃燒室和與燃燒室連通的至少一個排氣門孔和至少一個進氣門孔，所述進氣門孔經由曲軸箱出氣口與曲軸箱連通，從而發(fā)動機適于以四沖程循環(huán)操作，活塞的下側壓縮曲軸箱中的空氣燃油混合物，并導致壓縮的空氣燃油混合物經由曲軸箱的出氣口和進氣門孔傳送到燃燒室。
2.如權利要求1所述的內燃機，其中，至少兩個活塞在軸向相對的各氣缸中往復運動。
3.如權利要求1所述的內燃機，其中，至少兩個活塞在呈傾斜結構的各對置氣缸中一致往復運動。
4.如權利要求1至3中任一項所述的內燃機，其中，每個活塞和氣缸之間的界面是單一一個壓縮環(huán)。
5.如權利要求1至4中任一項所述的內燃機，其中，所述曲軸包括一個隨著曲軸旋轉打開和關閉所述曲軸箱進氣口和出氣口的回轉閥。
6.如上述權利要求任何一項所述的內燃機，其中，各氣門孔和燃燒室之間的連通由被凸輪軸驅動打開的閥關閉。
7.如權利要求6所述的內燃機，其中，凸輪軸設置用來在凸輪軸室中旋轉，凸輪軸室經由曲軸箱出氣口與各氣缸進氣門孔和曲軸箱流體連通。
8.如上述權利要求任何一項所述的內燃機，包括關閉每一氣門孔中的氣門的裝置。
9.如權利要求8所述的內燃機，其中，所述進和排氣門由具有與發(fā)動機轉速成正比的關閉力的氣壓彈簧關閉。
10.如權利要求9所述的內燃機，其中，每個氣門都與由來自燃燒室的氣體加壓的氣門壓力室連通。
11.如權利要求10所述的內燃機，其中，各氣門壓力室通過流體控制裝置流體連通。
12.如上述權利要求任何一項所述的內燃機，其中，曲軸箱由進入的空氣燃油混合物冷卻。
13.如上述權利要求任何一項所述的內燃機，其中，曲軸箱只由空氣燃油混合物潤滑。
全文摘要
一種內燃機包括至少一對在由曲軸箱(13)連接的氣缸組件(11，12)中旋轉、搖擺、往復的活塞(20，21)，每個活塞(20，21)都由裝在曲軸箱(13)中的曲軸來驅動，曲軸箱(13)包括一個空氣燃油混合物能源的入口(63)和一個受壓空氣燃油混合物轉移的出口(65)，每個氣缸(11，12)都有一個燃燒室(35)和與燃燒室(35)連接的至少一個進氣(36)與至少一個排氣(36)閥門口，進氣閥門口(36)通過曲軸箱排氣口(65)與曲軸箱(13)連接，由此，發(fā)動機適用于以四沖程循環(huán)操作，活塞(20，21)的下側壓縮曲軸箱(13)中的空氣燃油混合物，導致受壓空氣燃油混合物通過曲軸箱的出口(65)和進氣口(36)向燃燒室(35)轉移。
文檔編號F02F1/00GK1437678SQ00819238
公開日2003年8月20日 申請日期2000年12月29日 優(yōu)先權日1999年12月30日
發(fā)明者保羅·W·哈勒姆 申請人:伊科福斯有限公司