包括由锂离子电池供电的电启动系统的内燃式发动机的制作方法
【专利说明】包括由锂离子电池供电的电启动系统的内燃式发动机
[0001 ] 相关专利申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年10月17提交的美国临时申请61/892，346的权益和2013年6月20日提交的美国临时申请61 /837，539的权益，这两件申请的全部内容通过弓I用并入本文。
技术领域
[0003]本发明大体上涉及一种包括电启动系统的内燃式发动机和由该内燃式发动机驱动的室外动力设备，例如割草机，除雪机，便携式发电机等。更具体地，本发明涉及一种小型内燃式发动机，其包括由可移除、可充电锂离子电池供电的电启动系统。
【背景技术】
[0004]室外动力设备包括割草机、乘坐式拖拉机、除雪机、压力清洗机、便携式发电机、微耕机、劈木机、零转向半径(zero-turn radius)割草机、自行式割草机、乘坐式割草机、工业车辆，例如叉车、多用途运载车等。举例来说，室外动力设备可以使用内燃式发动机来驱动工具，例如割草机的旋转叶片，压力清洗机的栗，除雪机的螺旋钻，发电机的交流电机，和/或室外动力设备的传动系统。
[0005]许多室外动力设备包括利用反冲启动器手动启动的发动机。为启动发动机，用户必须用手拉动反冲启动器绳。
[0006]其他室外动力设备包括电启动系统，其中电池供电的启动马达使发动机启动。通常，所述电启动系统还包括由用户开动的启动器开关(例如，按钮或钥匙开关)以及启动器螺线管。启动器螺线管是包括启动器开关的低电流电路和包括启动马达的高电流电路之间的连接件。为启动发动机，用户开动启动器开关，引起启动器螺线管关闭，由此电池向启动马达提供启动电流，从而启动发动机。
[0007]电池是铅酸电池。电池固定至室外动力设备，与发动机分开。例如，电池可以固定至割草机或压力清洗机的安装板或甲板，或固定至乘坐式割草机或便携式发电机的框架。电池的外壳通过紧固件固定至室外动力设备，紧固件需要使用工具(例如，扳手或套筒)将电池连接至室外动力设备，并移除或拧松紧固件，由此电池可以从室外动力设备上移除。此夕卜，电池包括一对端子，电导线连接至该一对端子。还需要使用工具将电导线连接至端子和从端子拆掉。铅酸电池填充有液体电解质，通常是水和硫酸的混合物。电解质有腐蚀性。铅酸电池对温度敏感，这导致发动机在寒冷天气难以启动或根本无法启动。此外，铅酸电池会随时间推移变弱，无法提供电力(即，失去电量或完全放电)。铅酸电池可能需要季度性地更换，从室外动力设备拆下并储存在室内，或者需要用户维护或维修。
【发明内容】
[0008]本发明的一种实施方式涉及内燃式发动机，该内燃式发动机包括机体，所述机体包括气缸，位于所述气缸内的活塞，其中所述活塞设置为沿着气缸轴在所述气缸中往复运动，设置为由所述活塞驱动的曲柄轴，向所述气缸供应空气-燃料混合物的燃料系统，以及电启动系统，该电启动系统包括启动马达，电池容纳装置，以及可移除地连接至所述电池容纳装置的锂离子电池，其中所述锂离子电池设置为对所述启动马达供电以启动发动机，其中所述锂离子电池包括具有电池单元轴的至少一个锂离子电池单元，并且其中所述电池容纳装置的位置设置为使得当所述锂离子电池连接至所述电池容纳装置时，所述气缸轴和所述电池单元轴互相不平行。
[0009]本发明的另一种实施方式涉及包括内燃式发动机的室外动力设备，所述内燃式发动机包括机体，该机体包括气缸，位于所述气缸内的活塞，设置为由所述活塞驱动的曲柄轴，向所述气缸供应空气-燃料混合物的燃料系统，以及电启动系统，该电启动系统包括启动马达，电池容纳装置，以及可移除地连接至所述电池容纳装置的锂离子电池，其中所述锂离子电池设置为对所述启动马达供电以启动发动机，并且其中所述锂离子电池包括具有电池单元轴的至少一个锂离子电池单元，以及与所述曲柄轴联接的工具。在发动机驱动工具运行时，室外动力设备沿主振动轴产生振动。电池容纳装置的位置设置为使得当锂离子电池连接至所述电池容纳装置时，所述主振动轴和所述电池单元轴互相不平行。
[0010]本发明的另一种实施方式涉及内燃式发动机和电池充电系统，其包括内燃式发动机，所述内燃式发动机包括机体，该机体包括气缸，位于所述气缸内的活塞，其中所述活塞设置为沿着气缸轴在所述气缸中往复运动，设置为由所述活塞驱动的曲柄轴，向所述气缸供应空气-燃料混合物的燃料系统，以及电启动系统，该电启动系统包括启动马达，电池容纳装置，电池充电器，以及可移除地连接至所述电池容纳装置和所述电池充电器的锂离子电池，其中所述锂离子电池包括具有电池单元轴的至少一个锂离子电池单元，其中当所述锂离子电池连接至所述电池容纳装置时，所述锂离子电池设置为对所述启动马达供电以启动发动机，并且其中所述电池容纳装置的位置设置为使得当所述锂离子电池连接至所述电池容纳装置时，所述气缸轴和所述电池单元轴互相不平行，并且其中当所述锂离子电池连接至所述电池容纳装置时，所述电池充电器设置为对所述锂离子电池充电。
[0011 ]替代示例性实施方式涉及大致会在权利要求中描述的其他特征及特征组合。
【附图说明】
[0012]通过以下结合附图进行的详细描述，可以更彻底地理解本发明。
[0013]图1是根据本发明的一种示例性实施方式的内燃式发动机的透视图，该内燃式发动机包括锂离子电池供电的电启动系统。
[0014]图2是图1所示发动机的透视图。
[0015]图2A是图1所示发动机的分解图。
[0016]图3是图1所示发动机的俯视图。
[0017]图4是图1所示发动机的右侧视图。
[0018]图5是图1所示发动机的后视图。
[0019]图6是图1所示启动系统的电池容纳装置的透视图。
[0020]图7是图6所示电池容纳装置的一部分的细节图。
[0021]图8是图6所示电池容纳装置的透视图。
[0022]图9是图8所示电池容纳装置的一部分的细节图。
[0023]图10是图6所示电池容纳装置的左侧视图。
[0024]图11是图6所示电池容纳装置的右侧视图。
[0025]图12是图6所示电池容纳装置的后视图。
[0026]图13是图6所示电池容纳装置的正视图。
[0027]图14是图13所示电池容纳装置的一部分的细节图。
[0028]图15是图6所示电池容纳装置的俯视图。
[0029]图16是图15所示电池容纳装置的一部分的细节图。
[0030]图16A是根据一种示例性实施方式，用于启动系统的电池容纳装置的透视图。
[0031]图17是根据本发明的一种示例性实施方式的内燃式发动机的透视图，该内燃式发动机包括由锂离子电池供电的电启动系统。
[0032]图18是根据本发明的一种示例性实施方式的内燃式发动机的透视图，该内燃式发动机包括由锂离子电池供电的电启动系统。
[0033]图19是根据本发明的一种示例性实施方式，与内燃式发动机的电启动系统一起使用的锂离子电池的透视图。
[0034]图20是图19所示锂离子电池的分解图。
[0035]图21是从图19所示锂离子电池上方看的透视图。
[0036]图22是从图19所示锂离子电池下方看的透视图。
[0037]图23是从图19所示锂离子电池下方看的透视图。
[0038]图24是从图19所示锂离子电池下方看的透视图。
[0039]图25是图19所示锂离子电池的正视图。
[0040]图26是图19所示锂离子电池的后视图。
[0041 ]图27是图19所示锂离子电池的左侧视图。
[0042]图28是图19所示锂离子电池的右侧视图。
[0043]图29是图19所示锂离子电池的俯视图。
[0044]图30是图19所示锂离子电池的仰视图。
[0045]图31是根据本发明的一种示例性实施方式，与锂离子电池一起使用的电池充电器的透视图。
[0046]图32是与图31所示电池充电器连接的图19所示的锂离子电池的透视图。
[0047]图33是根据本发明的一种示例性实施方式，用于发动机的启动系统的原理图。
[0048]图34是根据本发明的一种示例性实施方式，用于发动机的启动系统的原理图。
[0049]图35是根据本发明的一种示例性实施方式，用于发动机的启动系统的原理图。
[0050]图36是根据本发明的一种示例性实施方式，用于发动机的启动系统的原理图。
[0051]图37是根据本发明的一种示例性实施方式，用于电池的控制系统的电路图。
[0052]图38是根据一种示例性实施方式，从鼓风机外壳上方看的透视图。
[0053]图39是从图22所示鼓风机外壳下方看的透视图。
[0054]图40是从图22所示鼓风机外壳下方看的另一个透视图。
[0055]图41是根据一种示例性实施方式的割草机的透视图。
[0056]图42是根据一种示例性实施方式，用于发动机的启动系统的原理图。
[0057]图43是根据一种示例性实施方式，用于室外动力设备的启动系统的组件的透视图。
[0058]图44是根据一种示例性实施方式的发动机总成的透视图。
[0059]图45是根据一种示例性实施方式的电池充电站的透视图。
[0060]图46是根据一种示例性实施方式，与发动机连接的电池的透视图。
[0061]图47是根据一种示例性实施方式，用于图44所示发动机总成的启动系统的透视图。
[0062]图48是根据一种示例性实施方式，用于启动系统的电池的正视图。
[0063]图49是图48所示电池的俯视图。
[0064]图50是图48所示电池的仰视图。
[0065]图51是图48所示电池的左侧视图。
[0066]图52是图48所示电池的右侧视图。
[0067]图53是图48所不电池的仰视图，该电池的一部分外壳被移除，从而显不电池的内部。
[0068]图54是根据一种示例性实施方式，用于启动系统的电池容纳装置的正视图。
[0069]图55是图54所示容纳装置的俯视图。
[0070]图56是图54所示容纳装置的仰视图。
[0071 ]图57是沿直线57-57截取的图54所示容纳装置的横截面图。
[0072]图58是沿直线58-58截取的图54所示容纳装置的横截面图。
[0073]图59是根据本发明的一种示例性实施方式的压力清洗机的透视图。
[0074]图60是根据本发明的另一种示例性实施方式，用于发动机的启动系统的原理图。
【具体实施方式】
[0075]在转向详细阐明示例性实施方式的附图之前，应该理解，本申请不限于在说明书中描述或在附图中阐明的细节或方法。还应该理解，术语只用于描述目的，不应被视为是限制性的。
[0076]与手动启动发动机和包括由铅酸电池供电的电启动系统的发动机相比，这里所描述的包括由可移除，可充电锂离子电池供电的电启动系统的内燃式发动机具有许多优点。电启动系统消除了对手动反冲启动器的需要，以及用户拉动启动器绳以启动发动机的需要。通过使用可移除，可充电锂离子电池来为电启动系统供电，消除了由铅酸电池供电的系统的诸多麻烦，不便和缺点。如本发明所述，可以在不使用工具的情况下将锂离子电池从电池容纳装置移除。很容易用手将重量相对较轻的锂离子电池连接至电池容纳装置或从电池容纳装置移除。这极大地简化了将铅酸电池从室外动力设备上移除的过程。用户必须安全地断开与铅酸电池上的端子连接的电导线，这需要使用工具。随后必须将铅酸电池从其安装位置移除，该安装位置通常是与发动机分开的框架，板，或其他安装位置。这也需要使用工具。在多种优选实施方式中，电池容纳装置自身是发动机的一个组件，因此，锂离子电池安装到发动机上，而不是像铅酸电池那样安装到远离发动机的位置上。使用铅酸电池的系统可能将铅酸电池遮盖起来，或者以其他方式处于视线之外(例如，在乘坐式拖拉机的座位下面)，需要用户移除或移开组件以接触铅酸电池，这个步骤也可能需要使用工具。由于移除锂离子电池的便利性，与铅酸电池(例如，冬季存放在车库中的室外动力工具上的铅酸电池)相比，能够更容易地限制电池在低温下的暴露。用户可以轻易地移除锂离子电池并将其存放在温暖的场所(例如，用户家内)，或在温暖的场所中保持第二锂离子电池，由此在低温影响第一锂离子电池运行的情况下可以使用第二锂离子电池。在类似寒冷天气操作条件下使用工具断开，移除，重新安装并重新连接铅酸电池，是典型用户无法完成的繁重任务。此夕卜，对季节性使用的室外动力工具(例如，在温暖月份使用割草机和压力清洗机，在寒冷月份使用除雪机)而言，在一个季度都没有使用之后，铅酸电池可能变弱，没电，或电量水平不足以启动发动机(例如，在冬季过后第一次启动割草机)。用户可以将锂离子电池存放在室内的电池充电器上，保持其充电并处于合适的工作温度，或者在不使用工具的情况下方便地将锂离子电池从电池容纳装置移除，在电池充电器中对其快速充电，并在不使用工具的情况下将其与电池容纳装置重新连接，从而为电启动系统供电并启动室外动力设备的发动机。
[0077]本发明所述锂离子电池即使在电量完全耗尽时也可快速充电。在测试中，本发明所述完全耗尽电量的锂离子电池充电一分钟，能够提供足以启动两次随后与其连接的发动机的电力。本发明所述锂离子电池能够在六十分钟内完全充满，并能在完全充电的情况下启动发动机五十次或更多。本发明所述锂离子电池能够在充电十分钟后启动发动机十次以上。
[0078]本发明所述锂离子电池消除了与铅酸电池腐蚀性电解质相关的担忧，简化了用户对电池的处理。
[0079]由于能够在不使用工具的情况下安装锂离子电池，并且电池容纳装置作为发动机自身的一个组件，因此简化了原始设备制造商(OEM)将发动机安装到一室外动力设备中的工作。OEM不需要使用工具将锂离子电池连接至室外动力工具，这与铅酸电池不同，此外还不需要使用工具将电导线连接至电池的端子。此外，所需部件较少。例如，包括电导线、与铅酸电池连接的线束的设计和/或布线可以消除或简化。
[0080]如本文所述的使锂离子电池移除和充电的便利性还提高了终端用户使用不包括手动启动系统(例如，反冲启动器)的室外动力设备的舒适性。由于可以在不使用工具的情况下方便地移除锂离子电池，并快速充电至足以启动发动机的充电状态，因此终端用户有信心能够在绝大多数情况下(例如，无与启动系统和其他发动机组件相关的任何问题，除了电池电量耗尽)启动发动机。在优选实施方式中，本文所述的锂离子电池包括显示器，该显示器视觉上向用户指示电池的电量水平。对于终端用户而言，由不能启动发动机的铅酸电池供电的电启动系统是非常令人沮丧的(例如，因为铅酸电池的电量不足以启动发动机)。没有能够快速、方便地确定铅酸电池电量水平的方法，并且在必要时，没有快速、方便地对铅酸电池进行替换或充电的方法。需要利用工具将耗尽的铅酸电池从电导线断开，利用工具从室外动力设备移除，并妥善处置。终端用户然后必须获得新的铅酸电池，为此几乎必定需要去商店一趟，使用工具安装新的铅酸电池，并使用工具将电导线连接至新的铅酸电池。
[0081]参考图1至5，显示了根据一种示例性实施方式的内燃式发动机1000。内燃式发动机1000包括机体1002，该机体1002包括气缸1004，活塞1006，以及曲柄轴1008。活塞1006沿着气缸轴1010在气缸1004中往复，从而驱动曲柄轴1008。曲柄轴1008围绕曲柄轴的轴1012旋转。如图2A所示，发动机1000包括向气缸1004供应空气-燃料混合物的燃料系统1001 (例如，化油器，电子燃料喷射系统等)，空气过滤器组件1003，气缸盖组件1005，消声器组件1007，燃料箱组件1009，以及飞轮和风扇组件1011。在所示实施方式中，气缸1004和气缸轴1010水平取向(S卩，卧式气缸发动机)。在某些实施方式中，气缸1004和气缸轴1010可以竖直取向(即，立式气缸发动机)或按一定角度取向(即，倾斜式发动机)。在某些实施方式中，发动机包括多个气缸，例如，采用V形双缸配置的双气缸发动机。
[0082]发动机1000还包括电启动系统1014。电启动系统1014包括启动马达1016，电池容纳装置1018，和可移除、可充电锂离子电池1020。启动马达1016与锂离子电池1020电联接，从而由锂离子电池1020供电。当响应于用户输入(例如，通过钥匙开关，按扭，把手(bail)启动系统，压力清洗机的触发启动系统，其他自动启动系统等)而激活时，启动马达1016使曲柄轴1008旋转，从而启动发动机。启动马达1016选择性地与曲柄轴1008联接(例如，通过与飞轮齿圈选择性接合的活动小齿轮)，从而启动马达1016可以从曲柄轴1008分离(S卩，在发动机1000成功启动之后不与曲柄轴1008—起旋转)。如图所示，启动马达1016连接至机体
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[0083]参考图6至18，显示了根据一种示例性实施方式的电池容纳装置1018。电池容纳装置1018包括设置为接收锂离子电池1020的容器1022(端口，插座，口袋等)。容器1022包括设三个公端子1024，1026和1028，它们设置为与锂离子电池1020的相应母端子联接。容器1022包括第二组三个公端子1030，1032和1034，它们设置为与线束的相应端子联接，