专利名称：包括具有两个凸起的排气凸轮的四冲程内燃机的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种包括具有两个凸起的排气凸轮的、燃烧气体膨胀比高于新鲜空气压缩比的四冲程内燃机，特别地，本发明涉及一种四冲程柴油发动机以及一种直喷型的四冲程汽油发动机。
背景技术：
四冲程柴油发动机是ー种公知的内燃机，其中，柴油在气缸内燃烧时释放的热能被转换成机械能。在柴油发动机内，纯净的空气在气缸内被压缩，在压缩行程结束时，柴油燃料被喷入燃烧室并且遇到高温的压缩空气被点燃。柴油燃料在热空气中燃烧产生的高温高压气体急剧膨胀，推动活塞下行。通过连杆作用，活塞推动曲轴作旋转运动。在活塞运行至下止点·时，燃烧气体必须被排出气缸，然后再把新鲜空气引入气缸，从而使下一个新的周期得以开始。为实现エ质在气缸内的这种变化，所需要的能量由飞轮提供，而飞轮内储存的能量由气缸内的燃烧气体的能量转化而来。额外的能量可由发动机曲轴的两端输出并加以利用。四冲程缸内直喷汽油(DIG)发动机是ー种公知的内燃机,其中，汽油在气缸内燃烧时释放的热能被转换成机械能。在缸内直喷汽油发动机内，纯净的空气被吸入气缸，汽油燃料直接喷入气缸内，由此汽油与空气的混合气被压缩后被火花塞发出的电火花点燃。混合气燃烧产生的高温高压气体急剧膨胀，推动活塞下行。通过连杆作用，活塞推动曲轴作旋转运动。在活塞运行至下止点时，燃烧气体必须被排出气缸，然后再把新鲜空气引入气缸，使下一个新的周期得以开始。为实现エ质在气缸内的这种变化，所需要的能量由飞轮提供，而飞轮内储存的能量由气缸内的燃烧气体的能量转化而来。额外的能量可由发动机曲轴的两端输出并加以利用。在以上两种内燃机中，气缸内进入了多少体积的新鲜空气(被压缩前)，则燃烧后的高温高压气体也只能膨胀到同样的体积，之后就要被排出气缸之外。具体来说，四冲程柴油发动机的ー个工作循环通常包括以下步骤第一冲程，进气进气门打开，排气门关闭，活塞下降，将新鲜空气吸入气缸。第二冲程，压缩进气门和排气门均关闭，活塞上升，空气被压缩到原来体积的14至25倍。第三冲程，做功进气门和排气门均处于关闭状态。柴油通过燃料喷射器被喷入燃烧室内，并且遇到被压缩的高温高压空气后燃烧。温度和压カ进一歩上升，推动活塞向下移动。当活塞下行到下止点时，高温气体膨胀到空气被压缩前的体积。第四冲程，排气排气门打开，进气门仍处于关闭状态。上升的活塞从气缸排出已做功的气体。四冲程缸内直喷汽油发动机的ー个工作循环通常包括以下步骤第一冲程，进气进气门打开，排气门关闭，活塞下降，将新鲜空气吸入气缸。汽油可在此时由燃料喷射器喷入气缸，形成汽油和空气的混合气。第二冲程，压缩进气门和排气门均关闭，活塞上升，空气被压缩到原来体积的8至10倍左右。汽油可在此时由燃料喷射器喷入气缸，由此形成汽油和空气的混合气。第三冲程，做功进气门和排气门均处于关闭状态。混合气经火花塞发出的电火花点燃后燃烧。温度和压カ迅速上升，推动活塞向下移动。当活塞下行到下止点时，高温气体膨胀到空气被压缩前的体积。第四冲程，排气排气门打开，进气门仍处于关闭状态。上升的活塞从气缸排出已做功的气体。从以上运行过程可见，因为动カ只是在其中的ー个冲程过程中产生，其他三个冲程不但不产生动力，而且还要消耗ー些动力。所以单缸四冲程内燃机的转动均匀性很差。相对地，多缸发动机则可以实现更均匀或更平顺的运转。因为多缸机曲轴的曲柄彼此交错，因此各个气缸并不同时做功，而是顺次进行。有时两个先后做功的缸的做功冲程还有一定重叠。根据实际需要，可以使用不同数量的气缸组合。在以上所述的四冲程内燃机中，有效压缩比大致等于几何压缩比，也就是燃烧的工作气体的膨胀比。例如在ー种压缩比为20 I的柴油发动机中，新鮮的空气进入气缸后，被压缩到其初始体积的二十分之一，然后柴油燃料被喷入燃烧室燃烧， 进而膨胀的高温气体产生高压推动活塞下行。例如在ー种压缩比为10 : I的缸内直喷汽油发动机中,在缸汽油和空气的混合物压缩到其初始体积的十分之ー时，火花塞发出电火花将其点燃，进而膨胀的高温气体产生高压推动活塞下行。然而无论在上述两种内燃机中的哪ー种中，高温工作气体的体积都只能膨胀到进入气缸的纯空气在被压缩前的体积。然后在排气冲程中，排气门被打开，已燃烧做功后的エ作气体通过排气门排出。尽管此时工作气体的温度仍然很高，携帯了大量的能量，但当活塞被推至下止点后，工作气体必须被排出，由此在之后才能开始下ー个工作循环。在这种情况下，由排放气体所帯走的能量约占之前燃烧所产生的能量的三分之一，因此造成了巨大的浪费。在某些情况下，这样的高温气体还可能会损坏排气门和阀座，以及其他内燃机部件。因此内燃机的排气歧管多采用厚重的铸铁制成。该高温废气的排放有时会使排气门与排气门座过热，妨碍了内燃机转速的进ー步提高，从而导致内燃机无法提高功率。另外，由于缸内的平均温度很高，因此必须要有容量相当大的水冷却系统将热量从缸壁和缸盖带走。这些被冷却系统所带走的能量也约占燃料燃烧所产生的能量的三分之一，又造成了巨大的浪费。因此现有内燃机的热效率相对较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种四冲程内燃机，其可以克服以上所述的现有技术中的缺陷。根据本发明，提供了一种四冲程内燃机，其包括气缸盖和气缸体，所述气缸盖中设有燃料喷射器以及包括进气系统和排气系统的配气机构，所述气缸体中设有多个气缸，每个气缸内设有ー个活塞，所述活塞可沿所述气缸内的气缸壁进行往复运动。所述排气系统包括排气门、传动件和凸轮轴，所述凸轮轴上设有可经由所述传动件驱动所述排气门打开的排气凸轮。其中，每个所述排气凸轮具有一个主凸起和一个副凸起。所述主凸起在内燃机运行的排气冲程中驱动所述排气门打开以排出燃烧气体，所述副凸起在内燃机运行的压缩冲程的开始阶段中驱动所述排气门打开以排出一部分未參与燃烧的空气。所述主凸起使所述排气门产生的最大升程量比所述副凸起使所述排气门产生的最大升程量大，并且所述燃烧气体排出的时间比所述未參与燃烧的空气排出的时间长。根据上述四冲程内燃机，有效压缩在压缩冲程的后半阶段中产生，即排气门关闭之后才产生。因此其有效压缩比低于本领域中通常应用的几何压缩比。所谓几何压缩比等于气缸在包括燃烧室容积的情况下的最大容积与最小容积的比值，其中当活塞处于气缸中的下止点处时气缸具有最大容积，而当活塞处于气缸中的上止点处时气缸具有最小容积。根据上述四冲程内燃机，当其被实施为四冲程柴油发动机时，可以在保持14 I至25 : I的常规有效压缩比的前提下，使喷入柴油燃烧的气体的膨胀率达到15至50倍，然后才从排气门排放出去。当其被实施为四冲程缸内直喷汽油发动机时，可以在保持8 I至11 I的正常的有效压缩比的前提下，使经压缩的汽油和空气的混合气的膨胀率达到9至22倍，然后才从排气门排放出去。由此可见，工作气体的能量较充分地转换成内燃机的机械能，内燃机的热效率可提高很多。燃料得以较充分的燃烧，排放气体的温度比现有技术中要降低很多，排放的气体也更为环保。另外，在经历了多个工作循环之后，在进气冲程中，热量由燃烧室壁向气体传递。 而在压缩冲程的前半段，活塞上行，将部分纯空气经排气门排出，由此也起到了从内部冷却的效果。因此，使用本发明的内燃机的缸内平均温度大大降低，由水冷系统从缸盖和缸壁带走的热量也大为減少，也就是说，冷却系统的负载得以减小。这样既提高了内燃机的热效率，也减小了水冷系统的设计容量。甚至可以省去整个水冷系统，包括内燃机缸体和缸盖的冷却水套、散热器和冷却水，从而进一歩降低内燃机的制造成本和提高内燃机的可靠性。根据需要，本发明的四冲程内燃机还可以提高内燃机的设计转速，提高内燃机的功率。根据本发明的另一方面，所述主凸起和所述副凸起一体成型在所述排气凸轮上。根据本发明的另一方面，所述主凸起和所述副凸起分别与所述排气凸轮的基圆平滑连接。根据本发明的另一方面，所述内燃机中的进气门在内燃机运行的压缩冲程中保持关闭。根据本发明的另一方面，所述主凸起使所述排气门产生的最大升程量是所述副凸起使所述排气门产生的最大升程量的倍数由发动机其他设计參数而定。根据本发明的另一方面，在所述内燃机的一个完整工作循环中，从所述未參与燃烧的空气的排出开始至排出结束，所述排气凸轮旋转度数由发动机其他设计參数而定。根据本发明的另一方面，所述四冲程内燃机中可省去水冷系统。根据本发明的另一方面，所述燃料喷射器是用于喷射柴油的柴油喷嘴，所述四冲程内燃机的几何压缩比为14 : I至25 : 1，并且燃烧气体的膨胀率大于其几何压缩比、优选为15至50倍。根据本发明的另一方面，所述燃料喷射器是用于喷射汽油的汽油喷嘴，所述气缸盖中还设有火花塞，所述四冲程内燃机的几何压缩比为8 I至11 1，并且燃烧气体的膨胀率大于其几何压缩比、优选为9至22倍。根据本发明的另一方面，所述内燃机的进气系统包括进气凸轮，所述进气凸轮与所述排气凸轮设置在相同的凸轮轴上。
下面将參照附图描述本发明的优选实施方式，其中
图1A-1E示出了根据本发明的第一实施方式的四冲程缸内直喷汽油发动机，其分别处于ー个工作循环的不同阶段中；图2A-2E示出了根据本发明的第二实施方式的四冲程柴油发动机，其分别处于一个工作循环的不同阶段中；图3A-3E分别示出了相应的图1A-1E和图2A-2E中的不同阶段；图4以立体图的形式示出了根据本发明的第三实施方式的单凸轮轴的一部分凸轮轴；以及图5以横截面图的形式示出了图4中的单凸轮轴。
具体实施例方式參见图1A-1E，其中示出了根据本发明的第一实施方式，该实施方式涉及ー种四冲 程缸内直喷汽油发动机，其包括气缸盖和气缸体，所述气缸盖中设有燃料喷射器40和火花塞30，并且还设有包括进气系统和排气系统的配气机构。所述气缸体中设有多个气缸48，每个气缸48内设有ー个活塞44，所述活塞44可沿气缸内的气缸壁进行往复运动。所述进气系统包括进气门36、进气门传动件33和凸轮轴11，所述凸轮轴11上设有可经由进气门传动件33驱动进气门36打开的进气凸轮13。类似地，所述排气系统包括排气门37、排气门传动件39和凸轮轴12，所述凸轮轴12上设有可经由排气门传动件39驱动排气门37打开的排气凸轮16。其中，每个排气凸轮16均具有一个主凸起18和一个副凸起20，主凸起18在内燃机运行的排气冲程中驱动排气门37打开以排出燃烧气体，而副凸起20在内燃机运行的压缩冲程的开始阶段中驱动排气门37打开以排出一部分未參与燃烧的空气。下面參照图1A-1E和3A-3E详细说明根据本发明的四冲程缸内直喷汽油发动机的工作过程，其中图3A-3E示出了相应的图1A-1E中的发动机在ー个工作循环中所处的位置。汽油发动机的进气冲程如图IA所示。此时，活塞44向下运动，进气门36打开。发动机缸盖42中安装有汽油喷嘴40和火花塞30，在进气冲程过程中，该汽油喷嘴40不喷射燃料，并且火花塞30不产生电火花。在这ー过程中，进气门36被旋转的凸轮轴11上的凸轮13顶开。具体来说，凸轮13上的凸起17顶向进气门36的进气门传动件33的杆端，使进气门36克服进气门弹簧31的弹カ而向下移动，从而打开进气通道35。在进气冲程结束吋，凸起17离开进气门传动件33的杆端，进气门弹簧31的弾力使进气门36向上运动以关闭进气道35。在进气冲程中排气门37处于关闭状态。汽油发动机的压缩冲程前阶段如图IB所示。此时，活塞44向上运动，进气门36处于关闭状态，排气门37打开。此时汽油发动机的汽油喷嘴40及火花塞30仍然都不工作。在压缩冲程中进气门36处于关闭状态。在这ー过程中，排气门3被旋转的凸轮轴12上的凸轮16顶开。具体来说，凸轮16上较小的副凸起20顶向排气门37的排气门传动件39的杆端，使排气门37克服排气门弹簧38的弹カ而向下移动，从而排气通道55打开。在压缩冲程的前阶段结束时，副凸起20离开排气门传动件39的杆端，排气门弹簧38的弾力使排气门37向上运动重新关闭排气道55。此后压缩冲程的后阶段开始。
汽油发动机的压缩冲程后阶段如图IC所示。此时，活塞44继续向上运动，进气门36和排气门37仍处于关闭状态，并且汽油喷嘴40向气缸内喷射汽油，由此产生汽油空气混合气。火花塞30开始并不产生电火花，但当活塞44上升到接近上止点的位置时，火花塞30发出电火花，点燃汽油空气混合气。在此之后，一旦活塞44经过上止点，做功冲程随即开始。汽油发动机的做功冲程如图ID所示。此时，活塞44受高温高压燃气膨胀的推力向下运动，进气门36与排气门37均处于关闭状态，火花塞30此时不工作。汽油喷嘴40在做功冲程中可以根据需要喷射汽油。一旦活塞到达下止点附近，排气冲程随即开始。汽油发动机的排气冲程如图IE所示。此时，活塞44向上运动，排气门37打开。汽油喷嘴40在排气冲程中不喷油，并且火花塞30在排气冲程中不产生电火花。在这ー过程中，排气门37被旋转的凸轮轴12上的凸轮的主凸起18顶开。具体来 说，凸轮轴12上的排气凸轮16的主凸起18顶向排气门37的排气门传动件39的杆端，使排气门37克服排气门弹簧38的弹カ向下移动，从而打开了排气通道55。在排气冲程结束时，主凸起18离开排气门37的排气门传动件39的杆端，排气门弹簧38的弹カ使排气门37向上运动以关闭排气道55。在排气冲程中，进气门36处于关闭状态。然后，一旦向上运动的活塞44经过上止点，其重新开始向下运动。这样，又开始执行下ー个进气冲程。也就是说，发动机运行的ー个新的循环由此开始。參见图2A-2E，其中示出了根据本发明的第二实施方式，该实施方式涉及ー种四冲程柴油发动机，相对于以上所述的汽油发动机来说，本实施方式中的柴油发动机具有类似的大部分结构，但并不包括火花塞。因此，为简明起见，在这两个实施方式中将采用相同的附图标记表示类似的构件，并且部分类似的描述将在下文中省去。特别地，在所述四冲程柴油发动机中，每个排气凸轮16同样具有一个主凸起18和一个副凸起20，主凸起18在柴油发动机运行的排气冲程中驱动排气门37打开以排出燃烧气体，而副凸起20在压缩冲程的开始阶段中驱动排气门37打开以排出一部分未參与燃烧的空气。下面參照图2A-2E和3A-3E详细说明根据本发明的四冲程柴油发动机的工作过程，其中图3A-3E示出了相应的图2A-2E中的发动机在ー个工作循环中所处的位置。柴油发动机的进气冲程如图2A所示。此时，活塞44向下运动，进气门36打开。发动机缸盖42中安装有柴油喷嘴40，在进气冲程过程中，该柴油喷嘴40不喷射燃料。在这ー过程中，进气门36被旋转的凸轮轴11上的凸轮13经由进气门传动件33顶开。在进气冲程结束吋，凸起17离开进气门传动件33的杆端，进气道35关闭。在进气冲程中排气门37处于关闭状态。柴油发动机的压缩冲程前阶段如图2B所示。此时，活塞44向上运动，进气门36关闭，排气门37打开，并且柴油喷嘴40仍然不工作。在压缩冲程中进气门36处于关闭状态。在这ー过程中，排气门3被旋转的凸轮16经由排气门传动件39顶开。具体来说，凸轮16上较小的副凸起20顶向排气门37的排气门传动件39的杆端，使排气门37克服排气门弹簧38的弹カ而向下移动，从而排气通道55打开。在压缩冲程的前阶段结束时，副凸起20离开排气门传动件39的杆端，排气门弹簧38的弾力使排气门37向上运动重新关闭排气道55。此后压缩冲程的后阶段开始。
柴油发动机的压缩冲程后阶段如图2C所示。此时，活塞44继续向上运动，进气门36、排气门37和柴油喷嘴41仍然关闭。但当活塞44上升到接近上止点的位置吋，柴油喷嘴41开始向气缸内喷射柴油燃料，由此柴油与热空气一起燃烧。一旦活塞经过上止点，做功冲程随即开始。柴油发动机的做功冲程如图2D所示。此时，活塞44受高温高压燃气膨胀的推力向下运动，进气门36与排气门37均关闭，柴油喷嘴41在做功冲程的初始阶段仍然喷射柴油燃料。一旦活塞到达下止点附近，排气冲程随即开始。柴油发动机的排气冲程如图2E所示。此时，活塞44向上运动，排气门37打开，并且柴油喷嘴40在排气冲程中不喷油。在这ー过程中，排气门37被凸轮的主凸起18经由排气门传动件39顶开。在排气冲程结束时，主凸起18离开排气门传动件39的杆端，排气道55关闭。在排气冲程中，进气门36处于关闭状态。最后，柴油发动机运行的ー个新的循环重新开始。
·
尽管在以上实施方式中，内燃机被示出为具有双顶置凸轮轴的形式，但本发明并不限于此，相反，根据本发明的内燃机也可以采取单凸轮轴、侧置凸轮轴或下置凸轮轴的形式。另外，本领域技术人员可以理解，以上所述的进、排气门传动件可以包括推杆、挺杆、摇臂等部件。图4和图5示出了根据本发明的另ー个实施方式，其中，根据本发明的四冲程内燃机具有单凸轮轴10的设计，在其上设有进气凸轮13和排气凸轮16。每个进气凸轮13具有一个凸起17，而每个排气凸轮16具有一个主凸起18和一个相对较小的副凸起20。类似地，主凸起18在内燃机运行的排气冲程中驱动排气门37打开以排出燃烧气体，而副凸起20在内燃机运行的压缩冲程的开始阶段中驱动排气门37打开以排出一部分未參与燃烧的空气。本领域技术人员可以理解，以上所述的实施方式中的各个技术特征可以分别地或组合地应用于与上述结构不同的内燃机。此外，虽然在以上说明和附图中均以水冷形式的柴油发动机和缸内直喷汽油发动机为例来描述本发明，但是这不等于将本发明限制于这些细节之内。因为本领域技术人员可以在本发明教导的基础上，应用本发明的思想针对示例的各个装置及其工作方法进行各种形式和细节上的精简、改进、替换和更改。
权利要求
1.一种四冲程内燃机，其包括气缸盖和气缸体，所述气缸盖中设有燃料喷射器以及包括进气系统和排气系统的配气机构，所述气缸体中设有多个气缸，每个气缸内设有ー个活塞，所述活塞可沿所述气缸内的气缸壁进行往复运动，其中所述排气系统包括排气门、传动件和凸轮轴，所述凸轮轴上设有可经由所述传动件驱动所述排气门打开的排气凸轮， 其特征在于，每个所述排气凸轮具有一个主凸起和一个副凸起，所述主凸起在内燃机运行的排气冲程中驱动所述排气门打开以排出燃烧气体，所述副凸起在内燃机运行的压缩冲程的开始阶段中驱动所述排气门打开以排出一部分未參与燃烧的空气， 其中所述主凸起使所述排气门产生的最大升程量比所述副凸起使所述排气门产生的最大升程量大，并且所述燃烧气体排出的时间比所述未參与燃烧的空气排出的时间长。
2.根据权利要求I所述的四冲程内燃机，其特征在于，所述主凸起和所述副凸起一体成型在所述排气凸轮上。
3.根据权利要求I或2所述的四冲程内燃机，其特征在于，所述主凸起和所述副凸起分别与所述排气凸轮的基圆平滑连接。
4.根据权利要求I或2所述的四冲程内燃机，其特征在于，所述进气系统包括进气门，并且所述进气门在内燃机运行的压缩冲程中保持关闭。
5.根据权利要求I或2所述的四冲程内燃机，其特征在于，所述四冲程内燃机中省去了水冷系统。
6.根据权利要求I或2所述的四冲程内燃机，其特征在于，所述燃料喷射器用于喷射柴油，所述四冲程内燃机的几何压缩比为14 : I至25 : I，并且燃烧气体的膨胀率大于其几何压缩比。
7.根据权利要求6所述的四冲程内燃机，其特征在于，所述燃烧气体的膨胀率为15至50倍。
8.根据权利要求I或2所述的四冲程内燃机，其特征在于，所述燃料喷射器用于喷射汽油，所述气缸盖中还设有火花塞，所述四冲程内燃机的几何压缩比为8 : I至11 : 1，并且燃烧气体的膨胀率大于其几何压缩比。
9.根据权利要求8所述的四冲程内燃机，其特征在于，所述燃烧气体的膨胀率为9至22倍。
10.根据权利要求I或2所述的四冲程内燃机，其特征在于，所述进气系统包括进气凸轮，所述进气凸轮与所述排气凸轮设置在相同的凸轮轴上。
全文摘要
本发明提供了一种包括具有两个凸起的排气凸轮的四冲程内燃机，其排凸轮轴上设有可经由所述传动件驱动所述排气门打开的排气凸轮。每个排气凸轮具有一个主凸起和一个副凸起。所述主凸起在内燃机运行的排气冲程中驱动所述排气门打开以排出燃烧气体，所述副凸起在内燃机运行的压缩冲程的开始阶段中驱动所述排气门打开以排出一部分未参与燃烧的空气。所述主凸起使所述排气门产生的最大升程量比所述副凸起使所述排气门产生的最大升程量大，并且所述燃烧气体排出的时间比所述未参与燃烧的空气排出的时间长。特别地，所述四冲程内燃机是一种四冲程缸内直喷汽油发动机，或者是一种四冲程柴油发动机。
文档编号F01L1/08GK102852577SQ20111018952
公开日2013年1月2日 申请日期2011年6月29日 优先权日2011年6月29日
发明者周同庆 申请人:周同庆