专利名称：内燃机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种内燃机，特别是以四冲程循环操作的内燃机。
背景技术：
大多数在骄车、卡车和摩托车中使用的内燃机是以四冲程循环操作的。四冲程循环内燃机已经广泛地应用于20世纪。很多年来，发动机设计师一直努力改善这种发动机的效率。在当代，这种效率的改善要求需要同时考虑发动机的环境效应，即包括通过废气泄露的有害气体在内的污染物的产生。已经达成了一种折衷，其中，发动机的总体效率由于需要引入净化废气的动力吸收设备如催化转换器而下降。环境问题还要求对燃油的控制，因此，在高压内燃机中加入铅作为抗爆介质随着无铅汽油的引入而终止了，导致了发动机设计的进一步折衷。
四冲程发动机通常每个气缸包括至少一个进气门和一个排气门。在某些精巧的发动机中，每个气缸会配有多个排气门和进气门。气门通常被凸轮轴的凸起部驱动到打开位置。这种驱动可以是直接的或间接的。气门通常通过使用简单地迫使已经打开的气门返回关闭位置的金属螺旋弹簧返回到关闭位置。螺旋弹簧弹力的大小设计成在最大要求赋予弹簧时适应发动机，最大要求通常发生在发动机以最高的每分钟转数(RPM)运转时。因此，气门弹簧必须具有足够大的尺寸、重量和弹力系数以在最高RPM下有效运转。这意味着，在较低的RPM时，气门弹簧过于强大，因此，不必要的功被用来克服弹簧，导致了发动机在其正常运作范围内的效率的急剧下降。气门弹簧在启动过程中还必须受到压缩，因此增加了使发动机运转来启动它所要求的动力，要求大的铅酸电池和充电系统。
很多年来，人们知道，燃烧过程可以通过对进入的空气燃油混合物增压得到改善，然而，增压器消耗了能量并反过来降低了发动机的效率。大多数四冲程发动机具有往复活塞，它的顶压缩气缸盖中的空气/燃油混合物以便爆燃并从而膨胀。在四冲程发动机中通常不将活塞的往复运动设计用来压缩曲轴箱，虽然过去曾提出过建议，利用活塞的向下冲程引起曲轴箱的压缩以改善发动机的效率。
导致本发明的正是以上讨论的这些考虑和许多问题。
发明内容
根据本发明，提供了一种内燃机，包括至少一对在由曲轴箱连接的各气缸组件中旋转、摆动或往复运动的活塞，每个活塞都由装在曲轴箱中的曲轴来驱动，曲轴箱包括一用于空气燃油混合物进入的进气口和一个用于传送压缩的空气燃油混合物的出气口，每个气缸具有一个燃烧室和与燃烧室连通的至少一个排气门孔和至少一个进气门孔，所述进气门孔经由曲轴箱出气口与曲轴箱连通，从而发动机适于以四冲程循环操作，活塞的下侧压缩曲轴箱中的空气燃油混合物，并导致压缩的空气燃油混合物经由曲轴箱的出气口和进气门孔传送到燃烧室。
以下将仅通过实例的方式并参考附图对本发明的实施例进行描述，其中图1是根据本发明的发动机的示意端视图；图2是图1中所示的发动机的示意下侧视图；图3是气体气门控制机构的示意图示；图4是发动机的顶视透视图；图5是发动机的底视透视图；图6是省略了曲轴箱和气缸壁的发动机的透视图；图7是凸轮轴和气门组件的透视图。
具体实施例方式
图纸OP1至OP4.5利用图1至3来说明发动机的整个四冲程循环。每张图纸以90°间隔表明720°四冲程循环的图1至3。标明“起动操作循环”的图纸包括图1至3以说明发动机的起动循环。
附图示意表明了发动机，以说明运作方法。可以理解的是，实际发动机可以在结构细节方面有很大的不同，可以设想的是，那些业内有经验的人士将领会并理解将发动机的示意图示付诸实际实施所需其他细节。
优选实施例的各
了水平相对的双缸对置结构形式的发动机。发动机10包括从中央曲轴箱13向外径向延伸的气缸11和12。曲轴箱13装有支持气缸11和12中的往复活塞20和21的曲轴25。每个活塞20和21都通过连杆23和连杆大端轴承24与曲轴25连接。各活塞/气缸水平间隔开，如图2所示。每个气缸11和12的端面被支撑火花塞31的气缸盖30封盖。气缸盖30的内部和活塞顶22之间的空间界定了燃烧室35。进气和排气门孔36和37沿气缸11或12的壁与燃烧室35连通，以构成侧置气门结构。每个气门孔支撑具有一气门头51和气门杆53的气门50。气门头51密封由所述孔的口限定的气门座52。各气门由凸轮从动件42驱动，凸轮从动件直接接触由曲轴25通过链条、齿轮或带齿皮带驱动的凸轮轴40的凸起部41。
对置的各气缸的壳体界定了两端被封闭的中心曲轴箱13。曲轴25安装用来在曲轴箱中围绕主轴承(未表明)轴向旋转。曲轴25包括一个圆形密封凸起部60，带有弧形切除部分61、62，它们通过在曲轴箱13顶部处的曲轴箱13进口69打开和关闭空气/燃油进气通道63，并通过曲轴箱13底部处的曲轴箱13出口70打开和关闭排气通道65。空气燃油混合物从由传统节气门68控制的进气通道63处适当设置的燃油喷射器66、67获取。排气通道65通过凸轮轴室39供气给进气口36。在上述发动机中，进和排气门通过经由凸轮随动件与凸轮轴直接接触受到控制，但由一气体驱动装置(gasdrive)关闭，后者由在燃烧冲程期间来自燃烧室35的气压和在起动操作循环期间来自曲轴箱的气压来控制。该配置结构在本说明书中后面讨论。
实质上，发动机以四冲程循环操作，但利用曲轴箱压力增压每个气缸。空气燃油混合物在曲轴箱内被压缩，用于随后经由进气口36从凸轮轴室39传送到每个气缸的燃烧室。侧置进和排气门50控制空气/燃油混合物的进入和燃爆气体的排出。这些气门，不是利用传统的弹簧返回关闭位置，而是利用其压力与发动机的RPM成正比的气体驱动装置。
现在对参考编号为OP1至4.5的九张图纸对发动机的点火周期进行描述。如图纸1所示，活塞设置得同步，这样，两个活塞同时处在上死点处。另外，结构配置可以为“V”形结构并在同一扇面上处于上死点处。左侧气缸中的空气燃油混合物已被压缩且刚被点燃。右气缸刚刚完成排气冲程。在上死点处，曲轴箱进气口69是打开的，但出进口70是关闭的，空气燃油混合物被吸入曲轴箱中。这样，曲轴箱充注大气压力的空气燃油混合物。
当活塞沿气缸(90°位置，图纸1.5)移动时，左侧气缸中压缩空气燃油混合物的燃爆导致活塞沿气缸被驱动。旋转的曲轴又拉回右侧活塞。进气通道63正好被曲轴箱进气口69关闭，且曲轴箱被压缩，导致装在曲轴箱中的空气燃油混合物经由曲轴箱出气口70和排出通道65通过凸轮轴室39排出而经由该气缸的进气口36和进气门50进入右侧活塞的燃烧室。
当活塞下降到下死点时，曲轴转过180°，如图纸2所示，左手侧的燃烧冲程已经完成，排气门稍微打开以允许活塞再一次沿气缸上升。在手侧，进气门关闭，而空气燃油混合物的压缩开始。
随着左手侧活塞的返回(见图纸2.5)，燃耗的混合物经由目前充分打开的排气门排出。随着两个活塞上升，曲轴箱由于曲轴阀的旋转再次打开，吸入更多的空气燃油混合物，而右侧活塞在进和排气门两者均关闭的情况下压缩空气燃油混合物。
当活塞到达上死点时(图纸3所示)，左侧活塞/气缸已经完成了排气冲程并准备吸入新鲜的混合物，而右侧活塞/气缸准备点燃。空气燃油混合物经由进气通道63继续进入曲轴箱。图纸3.5表明的情形是，左侧活塞现在吸入取自曲轴箱并经由进气门传送的新一批压缩空气/燃油，右侧活塞现在通过火花塞引燃的空气燃油混合物向下驱动。这反过来压缩曲轴箱，因为曲轴现在已经关闭了进气通道63而打开了出气通道65。
接下来的图纸4然后表明了下死点处的两个活塞，左侧活塞已经充分吸入空气燃油混合物，右侧活塞已经完成了膨胀或燃烧冲程。在这个阶段，排气门打开且所图纸4.5所示，左侧活塞开始压缩空气燃油混合物，同时右侧活塞通过排气口排出燃耗混合物，当两个活塞上升时，更多的空气燃油混合物通过进气通道63被吸入曲轴箱以便当活塞返回时被压缩。该循环于是已经完成了720°(四冲程发动机循环)，如此，操作按图纸1所描述的左侧活塞的点燃重复。
排和进气门的打开是通过作用于凸轮从动件的凸轮轴上的凸起部仔细控制的。而关闭是由早些时候描述的气压弹簧实现的，气压弹簧由在燃烧冲程期间来自燃烧室以及在启动程序期间来自曲轴箱的气压加压。
每个气缸的气压气门弹簧包括一个气门压力室80，它可滑动地支撑着与进和排气门50的气门杆53的端部分别连接的复位活塞81和82。如图2所示，各气门杆53以隔开平行阵列的是方式进入壳体80，而各复位活塞81、82形成本身被凸轮轴40的凸起部41驱动打开的凸轮从动件42的一部分。每个气门杆53伸出气门压力室80之外，以与通过上述侧置进和排气口36和37与燃烧室35连通的气门头51连接。在一个实施例中，气门压力室80在启动时由经由第一通道88来自曲轴箱13的压力源加压。在起动中，单向控制球阀90受到一线圈弹簧92或片簧阀(未表示)控制。一旦发动机已经起动，该阀保持关闭。
用于气门压力室80的主气压源来自从燃烧室35经由气门压力控制组件114通向气门压力室80的第二通道89。一双向控制球阀91浮置在两个封闭座之间，一侧是燃烧压力，另一侧是气门压力。允许进入气门压力室80的气体容积由一量孔111(jet)来控制。储存罐113提高气门压力容积。这个额外的容积阻尼压力输入脉冲，并供熄火冲程之用。储存罐113从气门压力室80接收气体。进入由片簧阀115单向控制。气门压力室80通过使气体从储存罐113通过双向阀91返回来平衡。储存罐113还可以有一个压力释放阀101，由为发动机的定时和燃油喷射特地设置的电子控制装置(ECU)来控制。在这种情况下，还与储存罐113连接的是将与气压成正比的信号送到ECU的压力感应器105。这样，气门压力室80和储存罐113中的压力可由ECU来控制。
气体气门压力控制组件114还包括一第三润滑通道110，它连通在进气门口和两个气门的气门杆之间，以通过将未燃空气燃油混合物引向气门杆为气门提供冷却和润滑源。复位活塞81和82的横截面积足够大，使得由压力壳体中的气压引起的力迫使复位活塞向凸轮轴40滑动，因此关闭气门。在这种方式下，气门是被气压而不是被金属螺旋弹簧关闭。复位活塞81和82需要一铸铁或TeflonTM的密封。ECU可以保证压力与关闭力与发动机的RPM成正比，如机械控制系统所作到的那样。
虽然气门压力室由较热的废气加压，传送的容积和第二通道的尺寸如此确定使得组件不过热。此外，在一个实施例中，气门压力室由冷却水套(未表示)环绕。
上面描述的结构配置有几个优势。各活塞以一个水平对置结构同时升降这个事实实现了最优平衡，免除了对单独平衡轴的需要。由曲轴限定的回转阀实现了最小重量和最少部件的阀。回转阀允许压缩混合物引入和传送到经由进气门为各气缸燃烧室供气的进口腔。进和排气门是侧置气门这个事实是一较之顶置气门更简单、更轻巧、更精致的结构，是由总重量低的很小的传送容积实现的。然而，不言而喻，传统顶置气门和凸轮轴结构以及对角变化也可以使用。
曲轴箱由空气燃油混合物加压这一事实免除了对润滑组件的单独机油盘的需要。此外，单个或双压缩环可以设置在活塞上而无需润滑环。曲轴箱压力的利用具有对空气燃油混合物的进入增压的效应，并显著地增加发动机的总体效率。
不言而喻，发动机可以由适当的轻质铝制作，虽然优选实施例说明了双气缸结构，应当认识到，这些气缸可对置成排设置，以便2，4，6，8，10或12气缸结构根据所需动力输出来得到。同样不言而喻的是，发动机可以将传统的水冷却散热器和风扇与传统的水冷却通道相结合。也可以设想一种气冷发动机。冷空气燃油混合物(即气化燃油)被吸入曲轴箱这一事实意味着，曲轴箱比通常情况更冷，由此减少了对冷却系统的要求。发动机的低压缩比侧置气门结构中的自增压意味着，不需要带有铅之类的添加剂的高质量、高辛烷值燃料。对于包括植物油在内的低质燃油，发动机仍将有效运转。
利用气压弹簧来控制和关闭进和排气门是另一个优势，因为气压弹簧的压力与发动机的RPM成比例。因此，压力总是与发动机的需求相适应。这同用于关闭气门的传统螺旋弹簧形成了对比。这些弹簧设计得提供高RPM下必要的力，因此，在较低的转数下，弹簧过于强大，因而吸收了相当量的动力。弹簧还有其他由其质量引起的问题，导致了有损于发动机性能的气门弹跳和其他周期振动。气压弹簧的精巧在于，系统压力实际上由燃烧周期时产生的燃烧压力供应。另外，由于在发动机RPM增加时泄压是压力室所需要的，气压弹簧组件使排气门能够稍后打开，减轻了加速期间向燃烧冲程下死点的燃烧压力。这使得活塞顶获得了较长的推压。当发动机减速时，在节气门关闭的情况下，发动机自然地降低燃烧压力。不能得到压力来提高气门弹簧，但并不需要，并且从气门压力室的压力泄漏可以通过一电控阀门减小，电控阀门结合燃油喷射和点燃系统或其内部自然泄漏由ECU控制。
然而，使用气压关闭发动机气门存在着一个问题。在起动时，没有气体关闭气门，这将意味着不可能给气缸加压。在一实施例中，起动循环在标示为“起动操作循环”的图1至3图纸中做了说明。
气门是未弹簧式安装的这一事实意味着，只需很少的动力来旋转曲轴并使发动机运转，这样，就减小了对起动机的要求。
在由起动机驱动的最初几转以启动发动机之后，吸入的空气燃油混合物在曲轴箱中受到压缩，并通过非弹簧式安装进气门传送到凸轮轴进口腔和各燃烧室中。曲轴箱压力也通过气门压力控制组件114中的单向阀门90经由一通道传送到各气门压力室。此时，除了排气口以外的所有发动机各腔中的压力都已被均衡。进和排气门现在有了有效的气门定时。气门压力室80中的压力将使排气门复位，因为只有环境压力存在于气门头下方，进气门将复位，因为面向进气口的进气门头的面积小于复位活塞表面面积。
在获得气门控制、可燃烧混合物被压缩以及点火已经发生之后，活塞沿气缸驱动，燃烧压力首次通过双向阀门91(片簧或球阀)经由通道被供应到各气门室。这将气门压力室中的压力提高到能够进行气门控制以进行正常运转的水平，关闭的各单向阀门90阻止曲轴箱压力的泄露。在此阶段，发动机呈现正常的运转循环。
关闭气门以便起动的另一个选择是将一小的起动气泵偶联于起动机，它向气门室提供空气压力以关闭气门并允许发动机起动。该配置结构将取代上面描述的压力阀。
虽然在优选实施例中，发动机使用了空气弹簧来关闭进和排气门，应当理解，发动机可以用关闭进和排气门的传统的气门弹簧操作。空气燃油混合物可以是电控的，气门定时可以由电子调节的凸轮轴来控制。
权利要求
1.一种内燃机，包括至少一对在由曲轴箱连接的各气缸组件中旋转、摆动或往复运动的活塞，每个活塞都由装在曲轴箱中的曲轴来驱动，曲轴箱包括一用于空气燃油混合物进入的进气口和一个用于传送压缩的空气燃油混合物的出气口，每个气缸具有一个燃烧室和与燃烧室连通的至少一个排气门孔和至少一个进气门孔，所述进气门孔经由曲轴箱出气口与曲轴箱连通，从而发动机适于以四冲程循环操作，活塞的下侧压缩曲轴箱中的空气燃油混合物，并导致压缩的空气燃油混合物经由曲轴箱的出气口和进气门孔传送到燃烧室。
2.如权利要求1所述的内燃机，其中，至少两个活塞在轴向相对的各气缸中往复运动。
3.如权利要求1所述的内燃机，其中，至少两个活塞在呈倾斜结构的各对置气缸中一致往复运动。
4.如权利要求1至3中任一项所述的内燃机，其中，每个活塞和气缸之间的界面是单一一个压缩环。
5.如权利要求1至4中任一项所述的内燃机，其中，所述曲轴包括一个随着曲轴旋转打开和关闭所述曲轴箱进气口和出气口的回转阀。
6.如上述权利要求任何一项所述的内燃机，其中，各气门孔和燃烧室之间的连通由被凸轮轴驱动打开的阀关闭。
7.如权利要求6所述的内燃机，其中，凸轮轴设置用来在凸轮轴室中旋转，凸轮轴室经由曲轴箱出气口与各气缸进气门孔和曲轴箱流体连通。
8.如上述权利要求任何一项所述的内燃机，包括关闭每一气门孔中的气门的装置。
9.如权利要求8所述的内燃机，其中，所述进和排气门由具有与发动机转速成正比的关闭力的气压弹簧关闭。
10.如权利要求9所述的内燃机，其中，每个气门都与由来自燃烧室的气体加压的气门压力室连通。
11.如权利要求10所述的内燃机，其中，各气门压力室通过流体控制装置流体连通。
12.如上述权利要求任何一项所述的内燃机，其中，曲轴箱由进入的空气燃油混合物冷却。
13.如上述权利要求任何一项所述的内燃机，其中，曲轴箱只由空气燃油混合物润滑。
全文摘要
一种内燃机包括至少一对在由曲轴箱(13)连接的气缸组件(11，12)中旋转、摇摆、往复的活塞(20，21)，每个活塞(20，21)都由装在曲轴箱(13)中的曲轴来驱动，曲轴箱(13)包括一个空气燃油混合物能源的入口(63)和一个受压空气燃油混合物转移的出口(65)，每个气缸(11，12)都有一个燃烧室(35)和与燃烧室(35)连接的至少一个进气(36)与至少一个排气(36)阀门口，进气阀门口(36)通过曲轴箱排气口(65)与曲轴箱(13)连接，由此，发动机适用于以四冲程循环操作，活塞(20，21)的下侧压缩曲轴箱(13)中的空气燃油混合物，导致受压空气燃油混合物通过曲轴箱的出口(65)和进气口(36)向燃烧室(35)转移。
文档编号F02F1/00GK1437678SQ00819238
公开日2003年8月20日 申请日期2000年12月29日 优先权日1999年12月30日
发明者保罗·W·哈勒姆 申请人:伊科福斯有限公司