CN100501147C - 具有形成有水套的气缸的内燃机和设置有该内燃机的车辆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内燃机，包括：气缸盖；气缸，该气缸具有与气缸盖相对的相对表面并包括在气缸轴向上凹入的水套；和设置在气缸中的活塞。油环在最远离气缸盖的一侧设置在活塞上。至少气缸中位于气缸内表面与水套之间的部分由比铁具有更高导热率的材料制成。水套的底壁在气缸轴向上定位在气缸的相对表面与当活塞置于上止点位置时油环的下端之间。

Description

具有形成有水套的气缸的内燃机和设置有该内燃机的车辆

技术领域

本发明涉及具有形成有水套的气缸的内燃机和设置有该内燃机的车辆。

背景技术

在气缸和气缸盖结合的发动机中，气缸以与气缸盖相同的方式暴露于高温燃烧气体。常规地，具有气缸的水冷型发动机经常设置有水套。

近年来，为了实现发动机的轻重量，已经提出由铝合金制成的气缸来代替铸铁制成的气缸。铝合金在导热性上优于铁。因此，基于用相同的水套可以实现充分冷却的考虑，常规上在铝合金制成的气缸中设置与铸铁制成的常规气缸中的水套具有相同形状和尺寸的水套。例如，参见国际公开WO2002/053899的小册子的摘要。

本申请的发明人已经发现，当使用具有优良导热性的材料作为气缸的材料时，用与常规铸铁气缸相同的水套不一定能实现内燃机的总体期望性能。

发明内容

为了解决上述问题，为实现高性能的内燃机，本发明的优选实施例提供了一种水套，它适用于由具有优良导热性的材料制成的气缸。

根据本发明优选实施例的一种内燃机包括：气缸盖；具有相对表面的气缸，所述相对表面形成有开口并与所述气缸盖相对；气缸内表面，所述气缸内表面从所述开口的周缘在预定的气缸轴向上延伸以界定燃烧室；凹形水套，所述水套基本在气缸轴向上绕所述相对表面上的所述开口布置并具有界定了凹形底部的底壁；设置在所述气缸中的活塞，所述活塞具有活塞体和安装到所述活塞体的周界以在气缸轴向上对准的多个环；所述多个环包括底环，所述底环定位在最远离所述气缸盖的一侧并具有构成向着所述气缸盖的端部的上端和构成与所述气缸盖相反的端部的下端；至少所述气缸中位于所述气缸内表面与所述水套之间的部分由比铁具有更高导热率的材料制成；且所述水套的底壁在气缸轴向上定位在所述相对表面与当所述活塞置于上止点位置时所述底环的下端之间。

根据本发明优选实施例的一种内燃机包括：气缸盖；具有相对表面的气缸，所述相对表面形成有开口并与所述气缸盖相对；气缸内表面，所述气缸内表面从所述开口的周缘在预定的气缸轴向上延伸以界定燃烧室；凹形水套，所述水套基本在气缸轴向上绕所述相对表面上的所述开口布置并具有界定了凹形底部的底壁；布置在所述气缸中以能够往复移动的活塞，所述活塞包括活塞体和安装到所述活塞体的周界以在气缸轴向上对准的多个环；随着所述活塞往复移动而旋转的曲轴；所述多个环包括顶环，所述顶环定位在最靠近所述气缸盖的一侧并具有构成向着所述气缸盖的端部的上端和构成与所述气缸盖相反的端部的下端；至少所述气缸中位于所述气缸内表面与所述水套之间的部分由比铁具有更高导热率的材料制成；且所述水套的底壁在气缸轴向上定位在当曲轴转角是约0°时所述顶环的所述上端与当曲轴转角是约60°时所述顶环的所述上端之间，其中当所述活塞置于上止点位置时曲轴转角为0°。

根据本发明优选实施例的一种内燃机包括：气缸盖；具有相对表面的气缸，所述相对表面形成有开口并与所述气缸盖相对；气缸内表面，所述气缸内表面从所述开口的周缘在预定的气缸轴向上延伸以界定具有预定直径的燃烧室；和凹形水套，所述水套基本在气缸轴向上绕所述相对表面上的所述开口布置；设置在所述气缸中的活塞；至少所述气缸中位于所述气缸内表面与所述水套之间的部分由比铁具有更高导热率的材料制成；且所述水套的距所述相对表面的深度最大是所述燃烧室的直径的约0.33倍。

对于根据本发明优选实施例的内燃机，至少气缸中位于气缸内表面与水套之间的部分由比铁具有更高导热率的材料制成，且水套形成得相对较浅。因此，在由水套中的冷却水有效地冷却气缸的同时，还可以防止过度冷却。因此，可以在保持冷却能力的同时实现改善的发动机性能。

从参考附图对优选实施例的以下详细说明中，本发明的其它特征、要素、特性和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是示出摩托车的侧视图；

图2是示出发动机构造的视图；

图3是示出发动机主要部件的剖视图；

图4是示出气缸盖的仰视图；

图5是沿着图4的线V-V所取的剖视图；

图6是以放大比例示出气缸的水套区域的剖视图；

图7是示出气缸盖的仰视图；

图8是示出垫圈的仰视图；

图9是解释曲轴转角与燃烧质量率之间关系的图线图；且

图10是示出根据本发明优选实施例的修改方案的气缸的局部剖视图。

具体实施方式

如图1所示，根据优选实施例的车辆包括摩托车1。但是，根据本发明优选实施例的车辆不限于摩托车1。根据本发明的车辆可以是其它的跨乘式车辆或其它非跨乘式车辆的车辆。此外，除所谓机动自行车之外，“摩托车”还包括小型摩托车等。

摩托车1包括车体2、安装到车体2上的前轮3和后轮4、以及通过驱动链条等(未示出)驱动后轮4的发动机5。在本优选实施例中，发动机5优选地包括单缸四冲程内燃机。但是，发动机5在气缸的数量等上不受限制。

如图2所示，发动机5包括发动机主体10、进气通道11和排气通道12。发动机主体10包括容纳曲轴42(见图3)等的曲轴箱21、与曲轴箱21结合的气缸22、以及安装到气缸22上的气缸盖23。根据本优选实施例，曲轴箱21和气缸22结合在一起形成气缸体。但是，曲轴箱21和气缸22可以分离地形成并互相组装在一起。

进气通道11包括连接到空气滤清器(未示出)的进气管15、节气门体16和形成在气缸盖23中的进气孔54。进气管15的下游端连接到节气门体16的上游端，且节气门体16的下游端连接到气缸盖23。节气门13设置在节气门体16内。喷射器14安装到气缸盖23。即，喷射器14布置在进气通道11中节气门13的下游。因此，喷射器14在节气门13与如下所述的进气口52(见图3)之间喷射燃料。

排气通道12包括布置在气缸盖23上的排气孔55、连接到气缸盖23的排气管17、设置在排气管17上的催化剂箱18、和设置在排气管17的末端处的消音器19。三元催化剂7容纳在催化剂箱18中。

如图3所示，气缸内表面31在气缸22内界定了柱状气缸室32，而活塞40容纳在气缸室32中。如图3所示的上侧设置在气缸盖23上，而如图3所示的下侧设置在气缸22上。但是，气缸盖23与气缸22之间的竖直关系实际取决于发动机5在安装时的位置和方向。这里，所提及的“上侧”和“下侧”不一定表示在发动机5安装好的状态下的上侧和下侧。

活塞40包括基本圆筒形的活塞体43、安装到活塞体43的侧表面即外周表面的顶环45、第二环46、以及油环47。多个活塞环即顶环45、第二环46和油环47以此顺序从上向下布置。

活塞体43连接到连杆41的上端，且连杆41的下端连接到曲轴42。活塞40在气缸22内预定的上止点位置(由图3中的实线指示的位置)和下止点位置(由图3中的虚线指示的位置)之间往复移动。曲轴42随着活塞40往复移动而旋转。

气缸22优选地由比铁具有更高导热率的材料制成。优选地，气缸22的材料具有在例如约0℃时至少约90W/(m·K)的导热率。根据本优选实施例，气缸22优选地由铝合金形成。但是，气缸22的材料可以是另一种铝基材料或由其它材料制成。

如图3所示，水套34形成在气缸22的上表面上，即形成在与气缸盖23相对的表面33上。水套34由在气缸22的轴向(图3中的竖直方向)——此后简称为“气缸轴向”——上凹入的凹槽形成。而且，水套34布置为从气缸轴向观察时围绕气缸室32的整个周界(见图8)。气缸22包括形成有开口35(见图5)的相对表面33和绕相对表面33上的开口35布置的水套34，气缸内表面31从开口35的周缘沿气缸轴向延伸。

在本申请的说明书中，将水套34的最深部分即最下壁表面称作“底壁”36。将在下文详细描述水套34。

单坡屋顶式凹部51优选地形成在气缸盖23的下表面60上以覆盖气缸室32的上部区域。但是，凹部51在形状上不受限制，而可以是例如半球形或多球形。由凹部51、气缸内表面31和活塞40的上表面界定了燃烧室44。

如图4所示，凹部51优选地形成有例如两个进气口52和两个排气口53。进气口52设置在车体2的后侧(图4中的左侧)上以布置在车体2的左右方向(图4中的竖直方向)上。排气口53设置在车体2的前侧(图4中的右侧)上以布置在车体2的左右方向上。

如图3所示，气缸盖23形成有通过各个进气口52与燃烧室44连通的进气孔54、以及通过各个排气口53与燃烧室44连通的排气孔55。如图4所示，进气孔54接合在一起而与节气门体16连通。而且，排气孔55接合在一起而与排气管17连通(见图2)。

如图3所示，气缸盖23设置有打开和关闭进气口52的进气门56、以及打开和关闭排气口53的排气门57。进气门56和排气门57分别在其中进气口52和排气口53被关闭的方向上被偏压。而且，气缸盖23设置有分别周期性地打开和关闭进气门56和排气门57的摇臂58、59。但是，打开和关闭进气门56和排气门57的阀门操作机构不受限制。

如图5所示，气缸盖23设置有火花塞63。火花塞63包括塞体66、设置在塞体66的末端处的中央电极64、和侧向电极65。中央电极64和侧向电极65从气缸盖23的凹部51向着燃烧室44突出。

环形水套61布置在气缸盖23中。水套61布置在与气缸22中的水套34对应的位置处以在从气缸轴向上观察时基本围绕燃烧室44的整个周界。

如图7所示，气缸盖23的下表面60设置有与水套61连通的多个开口67。开口67也设置在与气缸22中的水套34相对的位置上并以一定间隔环绕地布置以在从气缸轴向上观察时围绕燃烧室44的周界。

气缸盖23还设置有用于引入冷却水的入口61b和用于排出冷却水的出口61a。在气缸盖23中形成引入通道69b和返回通道69a，冷却水从入口61b通过引入通道69b被引导到水套61，水套61中的冷却水通过返回通道69a被引导到出口61a。此外，虽然省略了图示，但是水泵安装到气缸盖23，且从水泵供应的冷却水通过入口61b和引入通道69b被引入到水套61中。

如图5所示，垫圈62插入在气缸盖23与气缸22之间。如图8所示，垫圈62优选地形成有两个引入连通孔68b并优选地形成有单个返回连通孔68a。引入连通孔68b设置在气缸盖23的引入通道69b(见图7)附近而与位于引入通道69b附近的开口67在气缸轴向(垂直于图7平面的方向)上重叠。返回连通孔68a设置在气缸盖23的返回通道69a(见图7)附近而与位于返回通道69a附近的开口67在气缸轴向上重叠。但是，引入连通孔68b和返回连通孔68a在位置、形状和数量上不受限制。

随后，将描述冷却水的流动。已经从气缸盖23的入口61b引入的冷却水通过引入通道69b流动到水套61中。然后水套61中的一些水通过引入连通孔68b和与该引入连通孔对应的开口67流动到气缸22中的水套34中。已经流动到水套34中的冷却水流动经过水套34并接着通过返回连通孔68a和与该返回连通孔对应的开口67返回到气缸22的水套61。从水套34返回到水套61的水汇合到已经流动经过水套61的水以通过返回通道69a从出口61a排出。这样，冷去水流动经过水套61和水套34从而冷却气缸盖23和气缸22。

随后，将详细描述气缸22的水套34。

图9中的曲线表示曲轴转角与燃烧室44中燃烧进行的程度之间的关系。在图9中，横轴表示以压缩的上止点位置作为基准(曲轴转角＝0)的曲轴转角，而纵轴表示燃烧质量率。此外，即使当发动机转速改变时，该曲线也基本保持不变。这里，发动机转速是约3,000rpm至约5,000rpm的量级。

如图9所示，当曲轴转角是约-10°到约30°时，燃烧迅速进行，并在曲轴转角是约30°时燃烧质量率成为约90％。当曲轴转角转过约30°时，燃烧温和地进行，而当曲轴转角是约60°时，燃烧基本完全停止。这样，燃烧室44中的燃烧主要在曲轴转角成为约30°之前的阶段产生。因此，在曲轴转角成为约30°之前使发热量增多，并在曲轴转角成为约30°之后使发热量减少。而且当曲轴转角转过约60°时，与曲轴转角成为约30°之前的阶段相比，发热量显著减少。

由于燃烧室44的容积随着活塞40的位置而变化，所以它的容积随着曲轴转角而变化。具体地，当曲轴转角约0°时，燃烧室44的容积成为最小，此后容积随着曲轴转角的增大而增大，并在曲轴转角约180°时成为最大。这里，燃烧气体在温度上随着燃烧室44的容积的变化而变化，并随着燃烧室44的容积的增大而降低。因此，燃烧气体的温度随着曲轴转角的增大而降低。从而在燃烧基本停止之后，燃烧气体的温度随着曲轴转角的增大而迅速降低。

结果，气缸内表面31的发热量被迅速耗散。更具体地，气缸内表面31的主要产生燃烧处的上部接收了大量的热，而气缸内表面31的停止大部分燃烧处的下部接收少量的热。

因为由铸铁制成的常规气缸的导热率较低，所以热在气缸内部传递的速度(即，热通量)较低。因此，气缸中的水套形成得相对较深以均匀地冷却整个气缸。但是，在气缸由比铁具有更高导热率的材料制成的情况下，热在气缸内部传递的速度升高。因此，气缸被水套中的冷却水迅速冷却，使得当水套形成得太深时，会担心气缸被超过需要地局部冷却。

但是，当气缸温度较低时，在一些情况下活塞与气缸之间的润滑油的温度变得较低，使得粘度的增大抑制了润滑性能。因此，活塞的摩擦变得较大而引起对发动机输出减小的担心。

根据本优选实施例，气缸22的需要较高程度冷却的那些部分被特别冷却，同时避免在需要较低程度冷却的那些部分中的过度冷却。基于气缸22不应该被局部冷却过多也不应该局部冷却过少，水套34形成为相对较浅。具体地，如图6所示，水套34的底壁36定位在当活塞40置于上止点位置时油环47的下端47b之上。根据本优选实施例，水套34的深度L1小于气缸22的相对表面33与当活塞40置于上止点位置时油环47的下端47b之间的距离L2。

此外，水套34的深度优选地大于气缸22的相对表面33与当活塞40置于上止点位置时顶环45的上端45a之间的距离。即，水套34的底壁36优选地定位在当活塞40置于上止点位置时顶环45的上端45a与油环47的下端47b之间。

根据本优选实施例，水套34的底壁36在气缸轴向上定位在当曲轴转角是约0°时顶环45的上端45a与当曲轴转角是约60°时顶环45的上端45a之间。将顶环45的上端45a作为基准点的原因在于，活塞体43和气缸22通过活塞环45到47互相接触，而顶环45的上端45a是热从活塞体43传递到气缸22所通过的这些部分(即，活塞环45到47)中的最上端部分。

而且，根据本优选实施例，当曲轴转角是约60°时气缸22的相对表面33和顶环45的上端45a之间的距离是燃烧室44的气缸孔径D(见图5)的约0.33倍。水套34的深度L1最大是燃烧室44的直径D的约0.33倍。虽然直径D在数值上不受具体限制，但是根据本优选实施例的直径D是约50mm到约60mm。

如上所述，燃烧室44中的燃烧主要发生在曲轴转角是约30°之前。水套34可以制造得更浅以将底壁36定位在当曲轴转角是约0°时的顶环45的上端45a与当曲轴转角是约30°时的顶环45的上端45a之间。这里，当曲轴转角是约30°时气缸22的相对表面33与顶环45的上端45a之间的距离是燃烧室44的直径的约0.09倍。因此，水套34距相对表面33的深度L1可以优选地是燃烧室44的直径的约0.09到约0.33倍。

水套34从相对表面33基本在气缸轴向上凹入，并在具体形状上不受特别限制。根据本优选实施例，如图6所示，水套34的底部优选地具有拱形横截面，但底部可以形成例如其它曲线或多边曲线。水套34的横截面可以是基本矩形或基本倒三角形的，或可以是其它合适的形状。根据本优选实施例，水套34在除其底部之外的部分中具有基本恒定的横向宽度，但这些部分的横向宽度可以在气缸轴向上变化。根据本优选实施例，水套34在周向上具有基本恒定的深度，但水套34可以在不同位置具有不同深度。

利用根据本优选实施例的发动机5，可以根据气缸22的材料属性和燃烧室44中的燃烧属性进行冷却。即，气缸22的上部可以被水套34中的冷却水主动冷却。另一方面，可以避免气缸22的下部中的其它冷却。因此，可以防止气缸22中的温度升高并防止润滑油的温度降低以维持油的良好润滑性能。因此，可以防止活塞40的摩擦增大以实现改善的发动机性能。

如上所述，根据本优选实施例，可以不仅简单地冷却气缸22，而且可以获得有助于发动机5总体性能改善的水套34。因此，可以提高发动机性能并因此提高摩托车性能。

此外，气缸22的材料或构造不限于上述优选实施例中的那些，而容易进行各种修改。例如，气缸22可以由具有设置在气缸内表面31上的镀层的铝合金形成，或可以由具有沉积在气缸内表面31上的硅树脂的铝合金等形成。

气缸22可以包括气缸主体和装配到气缸主体中的套筒。水套34不限于其中冷却水直接通过气缸主体冷却套筒的所谓干式构造，而可以具有其中冷却水直接冷却套筒的湿式构造。例如，如图10所示，气缸22可以包括气缸主体22b和套筒22a，而水套34的一部分可以由套筒22a的外周表面界定。

在此情况下，以下设置也是足够的，即至少套筒22a由比铁具有更高导热率的材料形成而气缸主体22b可以由铁或比铁具有更低导热率的材料形成。当然，气缸主体22b也可以由比铁具有更高导热率的材料形成。这样，对于根据本发明优选实施例的发动机5，至少气缸22中位于气缸内表面31与水套34之间的部分由比铁具有更高导热率的材料形成就足够了。即使在这样的优选实施例中，也可以获得与前述优选实施例相同的效果。

而且，以下情况也是足够的，在气缸22中位于气缸内表面31与水套34之间的部分在导热率上高于铁(例如，在约0°时至少为约90W/(m·K))，或者气缸可以由在导热率上局部不同的材料形成。

此外，气缸22的制造方法不受限制。气缸22可以通过公知的制造方法制造或者通过例如JP-A-2002-180104、国际公开WO2002/053899的小册子或国际公开WO2004/002658的小册子中公开的方法或材料制造。这些文献的内容引入本文作为参考。

在本优选实施例中，活塞环的数量优选地是例如三个，但活塞环在数量上不受限制。

本发明不限于上述优选实施例，而可以进行各种变化和修改而不偏离本发明的范围。现在公开的优选实施例因此在所有方面都应该被认为是解释性的而非限制性的。本发明的范围由所附权利要求而非前述说明来表示，且落在权利要求的等同方案的含义和范围内的所有改变都将包括在内。

Claims (5)

1.一种内燃机，包括：

气缸盖；

具有相对表面的气缸，所述相对表面包括开口并与所述气缸盖相对；

气缸内表面，所述气缸内表面从所述开口的周缘在预定的气缸轴向上延伸以界定燃烧室；

水套，所述水套基本在所述气缸轴向上绕所述相对表面上的所述开口布置并包括界定了凹形底部的底壁；和

设置在所述气缸中的活塞，所述活塞包括活塞体和安装到所述活塞体的周界以在所述气缸轴向上对准的多个环；其中

所述多个环包括底环，所述底环定位在最远离所述气缸盖的一侧并具有构成向着所述气缸盖的端部的上端和构成与所述气缸盖相反的端部的下端；

至少所述气缸中位于所述气缸内表面与所述水套之间的部分由比铁具有更高导热率的材料制成；且

所述水套的所述底壁在所述气缸轴向上定位在所述相对表面与当所述活塞置于上止点位置时所述底环的所述下端之间。

2.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述多个环包括顶环，所述顶环定位在最靠近所述气缸盖的一侧并具有构成向着所述气缸盖的端部的上端和构成与所述气缸盖相反的端部的下端，且所述水套的所述底壁在所述气缸轴向上定位在当所述活塞置于所述上止点位置时所述顶环的所述上端与所述底环的所述下端之间。

3.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，至少所述气缸中位于所述气缸内表面与所述水套之间的部分由具有至少约90W/(m·K)的导热率的材料制成。

4.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，至少所述气缸中位于所述气缸内表面与所述水套之间的部分由铝合金制成。

5.一种车辆，包括：

车体；

安装到所述车体的车轮；和

驱动所述车轮的内燃机，其中所述内燃机包括：

气缸盖；

具有相对表面的气缸，所述相对表面包括开口并与所述气缸盖相对；

气缸内表面，所述气缸内表面从所述开口的周缘在预定的气缸轴向上延伸以界定燃烧室；

水套，所述水套基本在所述气缸轴向上绕所述相对表面上的所述开口布置并具有界定了凹形底部的底壁；

设置在所述气缸中的活塞，所述活塞包括活塞体和安装到所述活塞体的周界以在所述气缸轴向上对准的多个环；其中

所述多个环包括底环，所述底环定位在最远离所述气缸盖的一侧并具有构成向着所述气缸盖的端部的上端和构成与所述气缸盖相反的端部的下端；

至少所述气缸中位于所述气缸内表面与所述水套之间的部分由比铁具有更高导热率的材料制成；且

所述水套的所述底壁在所述气缸轴向上定位在所述相对表面与当所述活塞置于上止点位置时所述底环的所述下端之间。

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