四冲程发动机及其润滑方法与流程

本发明涉及发动机技术领域，具体涉及一种四冲程发动机及其润滑方法。

背景技术：

发动机工作时，各运动零件均以一定的力作用在另一个零件上，并且发生高速的相对运动，有了相对运动，零件表面必然要产生摩擦，加速磨损。因此，为了减轻各摩擦副间的磨损，减小摩擦阻力，延长使用寿命，发动机上都必须有润滑系统。润滑系统的功用就是在发动机工作时连续不断地把数量足够、温度适当的洁净机油输送到全部传动件的摩擦表面，并在摩擦表面之间形成油膜，实现液体摩擦，从而减小摩擦阻力、降低功率消耗、减轻机件磨损，以达到提高发动机工作可靠性和耐久性的目的。现有技术中四冲程发动机通常通过液体机油润滑，将清洁的、具有一定压力的、温度适宜的液体机油不断供给运动零件的摩擦表面，使发动机能够正常工作。为此，润滑系统中需要具有为进行压力润滑和保证机油循环而建立足够油压的机油泵、贮存机油的容器(一般利用油底壳贮油)、由润滑油管以及在发动机机体上加工出来的一系列润滑油道组成的循环油路。油路中还必须有限制最高油压的限压阀，同时会设置很多密封结构，例如密封圈、油封、纸垫等。因此四冲程发动机的润滑系统大大增加了发动机重量，功重比低，传统的四冲程发动机应用于无人机上时使无人机的续航能力无法满足使用者的需求。

因此，为解决以上问题，需要一种四冲程发动机及其润滑方法，通过使用混合工质进行燃烧、润滑，能够在压缩冲程活塞组件上行时，合理分配部分燃烧室中的混合工质进入曲轴箱中，通过持续流动的混合工质对发动机的活塞组件、连杆、曲轴以及配气机构等部件进行润滑，不需要通过机油泵将液体机油供给入发动机中，减少了发动机零部件是数量，并减少了密封结构的设置，从而简化发动机结构，大大减轻发动机重量，提升发动机功重比；同时混合工质中的汽油成分易挥发，可以吸取周边热量，流动的混合工质也能持续带走零件表面处的热量，具有一定的冷却效果；此外，持续流动的混合工质还能够带走发动机中细小的粉尘颗粒，起到了清洁的作用。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是改善现有技术中的技术劣势，提供四冲程发动机及其润滑方法，能够在压缩冲程活塞组件上行时，合理分配部分燃烧室中的混合工质进入曲轴箱中，通过持续流动的混合工质对发动机的活塞组件、连杆、曲轴以及配气机构等部件进行润滑，不需要通过机油泵将液体机油供给入发动机中，减少了发动机零部件是数量，并减少了密封结构的设置，从而简化发动机结构，大大减轻发动机重量，提升发动机功重比；同时混合工质中的汽油成分易挥发，可以吸取周边热量，流动的混合工质也能持续带走零件表面处的热量，具有一定的冷却效果；此外，持续流动的混合工质还能够带走发动机中细小的粉尘颗粒，起到了清洁的作用。

本发明的四冲程发动机，包括气缸、曲轴箱、活塞组件、曲轴和连杆，在压缩冲程时，燃烧室中的部分混合工质由活塞组件的活塞环与气缸之间的间隙下窜至所述曲轴箱中；所述混合工质中含有雾化润滑油，所述混合工质能对所述四冲程发动机中运动副进行润滑。通过混合工质中的雾化润滑油直接润滑各运动副，不需要通过机油泵将液体机油供给入发动机中，减少了密封结构(如密封圈、油封、纸垫等)的设置数量，从而简化发动机结构，大大减轻发动机重量，提升功重比，这种高功重比四冲程发动机非常适合运用在无人机上；同时混合工质中的汽油成分易挥发，可以吸取周边热量，流动的混合工质也能持续带走零件表面处的热量，具有一定的冷却效果；此外，流动的混合工质还能够带走发动机中细小的粉尘颗粒，起到了清洁的作用。

进一步的，还包括配气机构，所述配气机构包括与曲轴联动的凸轮轴；所述活塞组件下行时，所述曲轴箱中混合工质由曲轴和连杆连接一端流向所述凸轮轴。在吸气冲程和做功冲程时，活塞组件下行，曲轴箱内压力增大，混合工质会从高压向低压流动，曲轴上设置有啮合段，凸轮轴上设置有与该啮合段啮合的斜齿，曲轴啮合段与凸轮轴通过交错斜齿传动，凸曲轴转动带动凸轮轴转动，雾化润滑油对此处的运动副进行润滑和冷却。

进一步的，还包括气缸头盖和挺杆保护套管；所述配气机构还包括挺杆和气门摇臂；所述气缸头盖与气缸密封连接并形成与大气连通的气缸头盖腔室；所述挺杆保护套管一端与曲轴箱内部相连通且两者连接处密封，另一端与气缸头盖腔室内部相连通且两者连接处密封；所述凸轮轴通过挺杆驱动位于气缸头盖腔室内的气门摇臂。由于采用了形成混合工质流动通道的方式进行润滑，所以挺杆和挺杆保护套管能够设置在四冲程发动机气缸之外，减少了气缸整体体积，从而减轻四冲程发动机重量，进一步提升发动机功重比。

进一步的，所述气缸头盖上远离与挺杆保护套管连接一端设置有排气嘴。排气嘴内腔与大气以及气缸头盖腔室腔室贯通，使得废气可排出这种设计使混合工质在从排气嘴排出之前，会先流过气门摇臂、气门弹簧和气门，对这些发动机零部件进行润滑和冷却。

进一步的，所述曲轴通过沿曲轴轴向间隔设置在曲轴箱内的多个支撑轴承固定，位于凸轮轴与连杆之间的支撑轴承无轴向密封，其余支撑轴承轴向密封。支撑轴承沿曲轴的轴向分别为支撑轴承ⅰ、支撑轴承ⅱ、支撑轴承ⅲ和支撑轴承ⅳ，支撑轴承ⅳ设置在曲轴输出端一侧，支撑轴承ⅲ设置在连杆与凸轮轴之间，支撑轴承ⅰ和支撑轴承ⅱ设置在不同于曲轴输出端的一端，支撑轴承ⅰ、支撑轴承ⅱ和支撑轴承ⅳ均轴向密封，防止混合工质泄露；支撑轴承ⅲ无轴向密封，混合工质能够通过支撑轴承ⅲ从曲轴箱流向凸轮轴。

进一步的，所述气缸与曲轴箱连接处、曲轴箱与挺杆保护套管连接处、挺杆保护套管与气缸头盖腔室连接处以及气缸头盖与气缸连接处均为承压式密封结构。承压式密封的方式有很多，本发明选用连接处通过橡胶密封圈密封，防止混合工质泄露导致润滑不充分。

进一步的，所述活塞组件上设置有活塞环，所述活塞环顶部形成锥面，所述锥面的锥度为1.8°-2.2°，所述锥面高度占活塞环总高度的75％-82％。锥面部分与燃烧室的缸壁形成一个斜角缺口，活塞组件上行时燃烧室内气压增大，斜角缺口形成油楔，部分混合工质会从压力高的燃烧室内被挤压入曲轴箱中。圆环部分是为了保证活塞环与燃烧室的缸壁保持良好的接触，活塞组件下行时能够刮油。此处的锥度是指锥面与燃烧室的缸壁的夹角β。锥面的锥度、锥面高度h1占活塞环总高度h2比这两个参数影响分配进入曲轴箱中的混合工质量，分配的混合工质量过多会浪费汽油和机油，同时排入大气还会污染环境，但是如果分配的混合工质量过少又不能满足发动机各零部件的冷却和润滑效果，优选值方案为：锥面的锥度为2°，锥面高度占活塞环总高度的79％。

进一步的，所述活塞组件上仅设置一道所述活塞环，在压缩冲程时活塞组件上行，通过活塞环下窜使部分混合工质进入曲轴箱中。二冲程发动机混合式润滑方式是将二冲程专用润滑油和汽油按一定比例预先混合，拌匀后装入汽油箱，润滑油随汽油经化油器进入曲轴箱和气缸，二冲程发动机零部件的润滑是靠润滑油与汽油、空气一起混合形成的雾状可燃混合工质，去渗入、附着于曲轴轴承、连杆大、小头轴承、缸体和活塞等各个运动件表面，对其进行润滑。本发明借鉴了二冲程发动机混合式润滑方式，但是又与二冲程发动机混合式润滑方式不同，混合工质是先通过进气门进入燃烧室，然后在压缩冲程活塞组件上行时通过活塞环下窜，分配部分混合工质进入所述曲轴箱中，然后从曲轴箱中排出，单活塞环集合气环和油环的功能。

进一步的，所述混合工质包括空气、雾化汽油和雾化机油。为了提高润滑效果，混合工质优选采用空气、雾化汽油和雾化机油的混合，雾化和混合通过化油器混合，雾化机油还能够促进雾化汽油燃烧，使发动机动力更加强劲。为了防止发射发动机火花塞结垢、燃烧室沉积、提前点火、沉积物增多以及冒黑烟，影响发动机运行，甚至发生发动机损坏等故障，机油采用二冲程专用机油，汽油与机油比值为15:1混合后加入油箱。

本发明还提供了一种四冲程发动机的润滑方法，在压缩冲程中活塞组件上行，混合工质部分由活塞组件的活塞环与气缸之间的间隙下窜至所述曲轴箱中，在吸气冲程和做功冲程中，活塞组件下行，曲轴箱中气压增大，曲轴箱中混合工质通过无轴向密封的支撑轴承依次流向凸轮轴→挺杆保护套管内部→气缸头盖腔室→大气，在这个过程中混合工质中的雾化润滑油对经过的零件进行润滑，混合工质流动和汽油挥发会带走零件表面的温度。

本发明的有益效果是：本发明公开的一种四冲程发动机及其润滑方法，通过将机油混合在汽油中，然后通过化油器形成包括雾化机油、雾化汽油和空气的混合工质并使混合工质进入燃烧室中，在压缩冲程中活塞组件上行，通过活塞环下窜分配部分混合工质进入曲轴箱中，再通过气流由高压流向低压的原理使混合工质依次流向凸轮轴→挺杆保护套管内部→气缸头盖腔室→大气，这种方式主要有以下五处优势：

(1)无机油泵，简化发动机结构，大大减轻发动机重量，提升发动机功重比，便于四冲程发动机在无人机上的应用；

(2)发动机内无液体机油，减轻发动机重量，减少了发动机的零部件数量，同时减少密封结构的使用，如密封圈、油封、纸垫等，进一步减轻发动机重量，提升发动机功重比，便于四冲程发动机在无人机上的应用；

(3)在发动机工作过程中，持续流动的混合工质能够持续对发动机各部分零部件进行润滑；

(4)具有一定的冷却功能；在发动机工作过程中，持续流动的混合工质能够不断对零件表面的进行冷却，另一方面混合工质中有着雾化汽油，汽油易挥发，挥发也能吸取热量；

(5)在发动机工作过程中，持续流动的混合工质能够将细小的粉尘颗粒排出发动机。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的a处局部放大示意图；

图3为本发明的凸轮轴的结构示意图；

图4为本发明的凸轮轴与曲轴啮合的结构示意图。

具体实施方式

图1为本发明的结构示意图，图2为图1的a处局部放大示意图，图3为本发明的凸轮轴的结构示意图，图4为本发明的凸轮轴与曲轴啮合的结构示意图(曲轴4上的螺纹未示出)。如图1-图2所示，本实施例中的四冲程发动机，包括气缸1、曲轴箱14、活塞组件2、曲轴4和连杆3，在压缩冲程时，燃烧室中的部分混合工质由活塞组件2的活塞环与气缸之间的间隙下窜至所述曲轴箱14中；所述混合工质中含有雾化润滑油，所述混合工质能对所述四冲程发动机中运动副进行润滑。气缸1与曲轴箱14连为一体，连接处承压式密封，承压式密封的方式有很多，本发明选用连接处通过橡胶密封圈密封。活塞组件2在气缸1内往复运动，连杆3连接曲轴4和活塞组件2，曲轴4能够将活塞组件2的往复运动转换成旋转运动。在压缩冲程时，活塞组件2上行，燃烧室中活塞组件2与气门之间的腔室中混合工质被压缩，部分混合工质被分配窜入曲轴箱14中，混合工质中的雾化润滑油能够对发动机中各运动副进行润滑，本实施例中的发动机运动副包括活塞组件2与燃烧室缸壁间的移动副、连杆3与活塞组件2间以及连杆3与曲轴4间的转动副、曲轴4与凸轮轴5间的斜齿轮副、凸轮轴5与挺杆形成的凸轮推杆机构以及气门摇臂8铰接处的转动副，不同结构的发动机各部件会有所区别，其包括的运动副也会存在差别，此处列举的运动副仅是为了便于说明，而不是对本发明中四冲程发动机中的运动副进行限定。通过混合工质中的雾化润滑油直接润滑各运动副，不需要通过机油泵将液体机油供给入发动机中，减少了密封结构(如密封圈、油封、纸垫等)的设置数量，从而简化发动机结构，大大减轻发动机重量，提升功重比，这种高功重比四冲程发动机非常适合运用在无人机上；同时混合工质中的汽油成分易挥发，可以吸取周边热量，流动的混合工质也能持续带走零件表面处的热量，具有一定的冷却效果；此外，流动的混合工质还能够带走发动机中细小的粉尘颗粒，起到了清洁的作用。

本实施例中，还包括配气机构，所述配气机构包括与曲轴4联动的凸轮轴5；所述活塞组件2下行时，所述曲轴箱14中混合工质由曲轴4和连杆3连接一端流向所述凸轮轴5。在吸气冲程和做功冲程时，活塞组件2下行，曲轴箱14内压力增大，混合工质会从高压向低压流动，曲轴4上设置有啮合段，凸轮轴5上设置有与该啮合段啮合的斜齿，曲轴啮合段与凸轮轴通过交错斜齿传动，曲轴4转动带动凸轮轴5转动，雾化润滑油对此处的运动副进行润滑和冷却。

本实施例中，还包括气缸头盖9和挺杆保护套管7；所述配气机构还包括挺杆6和气门摇臂8；所述气缸头盖9与气缸1密封连接并形成与大气连通的气缸头盖腔室；所述挺杆保护套管7一端与曲轴箱14内部相连通且两者连接处密封，另一端与气缸头盖腔室内部相连通且两者连接处密封；所述凸轮轴5通过挺杆6驱动位于气缸头盖腔室内的气门摇臂8。曲轴4带动凸轮轴5转动，凸轮轴5上的凸轮与挺杆6形成凸轮推杆机构，气门摇臂8中部铰接固定，凸轮远毂与挺杆6接触时，挺杆6推动气门摇臂8一端使气门摇臂8转动，因此另一端按压气门12使气门12打开，凸轮与挺杆6接触位置由凸轮远毂变为凸轮近毂时，气门弹簧11使气门摇臂8复位。由于挺杆保护套管7两端分别与曲轴箱14和气缸头盖腔室相连通，气缸头盖腔室与大气相连通，所以混合工质流经凸轮轴5后，会向低气压处流动，所以混合工质会流入挺杆保护套管7，进而流向气缸头盖腔室，最终排入大气。由于采用了形成混合工质流动通道的方式进行润滑，所以挺杆6和挺杆保护套管7能够设置在四冲程发动机气缸1之外，减少了气缸1整体体积，从而减轻四冲程发动机重量，进一步提升功重比。

本实施例中，所述气缸头盖9上远离与挺杆保护套管7连接一端设置有排气嘴10。排气嘴内腔与大气以及气缸头盖腔室腔室贯通，使得废气可排出，这种设计使混合工质在从排气嘴10排出之前，会先流过气门摇臂8、气门弹簧11和气门12，对这些发动机零部件进行润滑和冷却。

本实施例中，所述曲轴4通过沿曲轴4轴向间隔设置在曲轴箱14内的多个支撑轴承固定，位于凸轮轴5与连杆3之间的支撑轴承无轴向密封，其余支撑轴承轴向密封。支撑轴承沿曲轴4的轴向分别为支撑轴承ⅰ13a、支撑轴承ⅱ13b、支撑轴承ⅲ13c和支撑轴承ⅳ13d，支撑轴承ⅳ13d设置在曲轴4输出端一侧，支撑轴承ⅲ13c设置在连杆3与凸轮轴5之间，支撑轴承ⅰ13a和支撑轴承ⅱ13b设置在不同于曲轴4输出端的一端，支撑轴承ⅰ13a、支撑轴承ⅱ13b和支撑轴承ⅳ13d均轴向密封，防止混合工质泄露；支撑轴承ⅲ13c无轴向密封，混合工质能够通过支撑轴承ⅲ13c从曲轴箱14流向凸轮轴5。

本实施例中，所述气缸1与曲轴箱14连接处、曲轴箱14与挺杆保护套管7连接处、挺杆保护套管7与气缸头盖腔室连接处以及气缸头盖9与气缸1连接处均为承压式密封结构。承压式密封的方式有很多，本发明选用连接处通过橡胶密封圈密封，防止混合工质泄露导致润滑不充分。

本实施例中，所述活塞组件2上设置有活塞环201，所述活塞环201顶部形成锥面，所述锥面的锥度为1.8°-2.2°，所述锥面高度h1占活塞环201总高度h2的75％-82％。活塞环201的锥面部分201a与活塞环201的圆环部分201b分隔位置为图2中的虚线处，虚线仅是为了便于说明，实际产品不存在此虚线。锥面部分201a与燃烧室的缸壁形成一个斜角缺口，活塞组件2上行时燃烧室内气压增大，斜角缺口形成油楔，部分混合工质会从压力高的燃烧室内被挤压入曲轴箱14中。圆环部分201b是为了保证活塞环201与燃烧室的缸壁保持良好的接触，活塞组件2下行时能够刮油。此处的锥度是指锥面与燃烧室的缸壁的夹角β。锥面的锥度、锥面高度h1占活塞环201总高度h2比这两个参数影响分配进入曲轴箱14中的混合工质量，分配的混合工质量过多会浪费汽油和机油，同时排入大气还会污染环境，但是如果分配的混合工质量过少又不能满足发动机各零部件的冷却和润滑效果，优选值方案为：锥面的锥度为2°，锥面高度占活塞环201总高度的79％。

本实施例中，所述活塞组件2上仅设置一道所述活塞环201，在压缩冲程时活塞组件2上行，通过活塞环201下窜使部分混合工质进入曲轴箱14中。二冲程发动机混合式润滑方式是将二冲程专用润滑油和汽油按一定比例预先混合，拌匀后装入汽油箱，润滑油随汽油经化油器进入曲轴箱和气缸，二冲程发动机零部件的润滑是靠润滑油与汽油、空气一起混合形成的雾状可燃混合工质，去渗入、附着于曲轴轴承、连杆大、小头轴承、缸体和活塞等各个运动件表面，对其进行润滑。本发明借鉴了二冲程发动机混合式润滑方式，但是又与二冲程发动机混合式润滑方式不同，混合工质是先通过进气门进入燃烧室，然后在压缩冲程活塞组件2上行时通过活塞环201下窜，分配部分混合工质进入所述曲轴箱14中，然后从曲轴箱14中排出，单活塞环201集合气环和油环的功能。

本实施例中，所述混合工质包括空气、雾化汽油和雾化机油。为了提高润滑效果，混合工质优选采用空气、雾化汽油和雾化机油的混合，雾化和混合通过化油器混合，雾化机油还能够促进雾化汽油燃烧，使发动机动力更加强劲。为了防止发射发动机火花塞结垢、燃烧室沉积、提前点火、沉积物增多以及冒黑烟，影响发动机运行，甚至发生发动机损坏等故障，机油采用二冲程专用机油，汽油与机油比值为15:1混合后加入油箱。

本发明还提供了一种四冲程发动机的润滑方法，在压缩冲程中活塞组件2上行，混合工质部分由活塞组件的活塞环与气缸之间的间隙下窜至所述曲轴箱14中，在吸气冲程和做功冲程中，活塞组件2下行，曲轴箱14中气压增大，曲轴箱14中混合工质通过无轴向密封的支撑轴承依次流向凸轮轴5→挺杆保护套管7内部→气缸头盖腔室→大气(如图1中箭头所示)，在这个过程中混合工质中的雾化润滑油对经过的零件进行润滑，混合工质流动和汽油挥发会带走零件表面的温度。将机油混合在汽油中，然后通过化油器形成包括雾化机油、雾化汽油和空气的混合工质并使混合工质进入燃烧室中，在压缩冲程中活塞组件2上行，通过活塞环201下窜分配部分混合工质进入曲轴箱14中，再通过气流由高压流向低压的原理使混合工质依次流向凸轮轴5→挺杆保护套管7内部→气缸头盖腔室→大气，这种方式主要有以下五处优势：

(1)无机油泵，简化发动机结构，大大减轻发动机重量，提升功重比，便于四冲程发动机在无人机上的应用；

(2)发动机内无液体机油，减轻发动机重量，减少了发动机的零部件数量，同时减少密封结构的使用，如密封圈、油封、纸垫等，进一步减轻发动机重量，提升发动机功重比，便于四冲程发动机在无人机上的应用；

(3)在发动机工作过程中，持续流动的混合工质能够持续对发动机各部分零部件进行润滑；

(4)具有良好的冷却功能；在发动机工作过程中，持续流动的混合工质能够不断对零件表面的进行冷却，另一方面混合工质中有着雾化汽油，汽油易挥发，挥发也能吸取热量；

(5)在发动机工作过程中，持续流动的混合工质能够将细小的粉尘颗粒排出发动机。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。