CN113167142A - 改进的内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种四冲程内燃机，其包括：进气凸轮，所述进气凸轮被配置以打开和关闭进气门；1号排气凸轮，所述1号排气凸轮被配置以打开和关闭排气门；2号排气凸轮，所述2号排气凸轮被配置以打开和关闭同一排气门，其中所述2号排气凸轮可响应于操作者的输入相对所述1号排气凸轮有角度地调节，使得所述2号排气凸轮能够被选择性地接合；其中所述1号排气凸轮被配置以在压缩冲程期间打开和关闭所述排气门，使得在进气冲程期间吸入的选定量的空气在所述压缩冲程期间被排出；并且其中所述2号排气凸轮被配置以在被接合时可选地关闭所述排气门。

Description

改进的内燃机
技术领域
本发明涉及一种改进的内燃机。尤其涉及用于四冲程内燃机的改进的凸轮和气门布置。
背景技术
传统类型的四冲程内燃机包括燃烧室，该燃烧室具有安装在其中的活塞，该活塞在燃烧室具有最大容积的第一位置和燃烧室具有最小容积的第二位置之间往复运动。活塞与燃烧室的壁密封接合。
发动机功率输出由操作员以此方式控制：通过“节流”允许进入发动机的空气来控制进入发动机的空气和燃料量，进而调节与空气混合的燃料量。小节气门开度提供低功率输出，大节气门开度提供高功率输出。
本质上，在进气冲程期间一定量的空气被吸入燃烧室，大约等于活塞的排量。然后，空气在随后的压缩冲程期间被压缩，并且在压缩冲程期间的某一点喷射测定量的燃料，使得可燃混合物的装料在燃烧室中处于压力下。
可燃材料的装料由火花塞点燃。这是在活塞的第二位置的活塞处或附近完成的。这导致可燃混合装料的燃烧，并产生热的燃烧气体，这些气体迅速膨胀并对活塞施加力。该力将活塞推回其第一位置，该运动被定义为燃烧冲程。活塞用于在随后的排气冲程中从燃烧室排出用过的可燃混合物。
为了让空气进入燃烧室，并从燃烧室排出用过的可燃混合物，燃烧室装有气门。通常，在四冲程发动机的情况下，这包括进气门和排气门，或者多个气门设置有致动机构，该致动机构布置成使得气门在发动机循环的适当点打开和关闭。
凸轮装置传统上用作致动机构，包括至少一个安装在旋转凸轮轴上的凸轮，以驱动气门朝向打开或关闭位置，由此凸轮的角位置(或正时)用于确定在每个冲程期间气门可以打开和关闭的时间。
可变气门正时是已知的，其中凸轮在凸轮轴上的角位置确定了在循环过程中凸轮与气门接合的点，并因此确定了气门可以打开或关闭的点。
存在许多机构来改变气门的正时，其中正时可以根据发动机的需求来调整，因此行为根据功率需求而改变。
改变气门打开和关闭正时的一种常见方式是通过使用一对凸轮来提供与凸轮相关联的气门的可选择的打开和关闭时间，这对凸轮相对于彼此是角度可调的。
发动机被配置成可选地选择这些凸轮中的哪一个用于打开气门，从而提供改变气门正时的装置。
两个凸轮相对于彼此设置的角度具有改变气门可以打开或关闭的时间的效果。
可选地，可以改变气门的持续时间，其中两个凸轮被调节为一致地工作，并且两个凸轮的组合提供了气门可以打开的延伸部分。
例如，在四冲程发动机中，进气门和排气门在循环的某个时刻同时都打开。这就是所谓的气门重叠，对于在发动机高速旋转时排出用过的可燃混合物的同时实现可燃混合物装入燃烧室的经济程度是必要的。然而，据发现，这种气门重叠导致一部分新装载的燃料直接流出排气门装置。这导致废气中含有比所需更多的没用完的碳氢化合物。
气门重叠的持续时间通常是可变气门正时的传统机构的重点，因为较少的重叠对于低速应用可能是有益的，而较多的重叠对于较高的功率要求是有益的。
然而，可变气门正时机构仍然遵循以特定顺序打开和关闭气门的传统模式，这些事件的正时有所变化。
例如，通常在进气冲程期间，进气门打开，排气门关闭，以允许较冷的环境空气被吸入室内。
在压缩冲程期间，进气门和排气门都传统地关闭，以允许吸入的空气被压缩。
点火使活塞在燃烧冲程中被迫向下运动，进气门和排气门在大部分冲程中都保持关闭。
最后，在进气门关闭和排气门打开的情况下，排气冲程完成，以允许燃烧后的气体通过排气系统排出。
热废气通过排气门装置导致排气门在使用中变热。这导致废气中氮氧化物含量增加。
因此，高工作温度会导致发动机产生不良排放。
此外，更高的工作温度由于其他原因是不希望的，尤其是发动机作为一个整体的功能性，以及部件按要求运行的能力。例如，由于温度较高，发动机机油和密封件等部件可能会更快降解。
燃烧循环可以在空气以最小阻力被吸入燃烧室和从燃烧室排出的情况下有效地运行。因此，当处于打开位置时限制气流的气门是不理想的。
气流受限意味着活塞吸入空气和排出废气所需的力更大，导致提供给驱动轴的可利用功率更小。
气门通常是提升阀，其被弹簧偏置远离燃烧室，使得它们固定在关闭位置，除非使用力将它们驱动到打开位置。
提升阀的使用有许多限制。
提升阀的一个固有问题是，空气通过的喉部或孔部分受到阀本身的限制，阀沿着与孔中心重合的轴线移动。
此外，如果希望使用高压缩比来提高效率，热排气门装置可以独立于点火装置而引起装料爆炸。
这对发动机部件极其有害，并导致效率下降，在没有火花塞点火的情况下发生的爆炸称为自燃。
更高的压缩比可以获得更大的燃料总燃烧量，从而减少排放并提高效率，尽管由更高的压缩比导致的增加的压力是自燃的促成因素。
此外，众所周知，当发生低效燃烧时，结果，可燃混合物中的如碳氢化合物的有机化合物仅部分燃烧，废气中的一氧化碳含量增加。这通常是不希望的。
本发明试图通过提供一种发动机来至少部分地克服先前内燃机的上述缺点，该发动机具有能够在某些条件下提供更冷的操作环境的凸轮装置，以及能够在提高的压缩比下工作并降低自燃可能性的气门，和/或能够提供进出燃烧室的增加的气流。
发明内容
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种四冲程内燃机，其包括：
燃烧室；
活塞，其安装在燃烧室中并配置为与燃烧室的壁密封接合，该活塞布置成沿轴线在燃烧室具有最大容积的第一位置和燃烧室具有最小容积的第二位置之间往复运动；
其中，活塞在一个循环中完成四个冲程，这些冲程被定义为进气冲程、压缩冲程、燃烧冲程和排气冲程；
燃料喷射装置，其位于由处于其第二位置的活塞限定的最小容积内的燃烧室区域中；
气缸盖，其包括点火装置；
进气凸轮，其被配置以打开和关闭进气门；
1号排气凸轮，其配置以打开和关闭排气门；
2号排气凸轮，其被配置以打开和关闭同一排气门；且
其中，2号排气凸轮响应于来自操作者的输入相对于1号排气凸轮角度可调，使得2号排气凸轮能够选择性地接合；
其中，1号排气凸轮配置为在压缩冲程期间打开和关闭排气门，使得在进气冲程期间吸入的选定量的空气在压缩冲程期间排出；
其中，2号排气凸轮配置为在接合时可选地关闭排气门；且
其中，所述燃料喷射装置被配置为根据压缩冲程期间保留的空气量来调节喷射的燃料量。
优选地，进气凸轮键接至进气凸轮轴。
优选地，1号排气凸轮键接至排气凸轮轴。
优选地，2号排气凸轮可围绕排气凸轮轴的轴线旋转。
优选地，进气门和排气门是活塞阀。
优选地，发动机包括键接到控制轴的2号排气凸轮驱动齿轮；其中2号排气凸轮驱动齿轮与键接到2号排气凸轮的2号排气凸轮从动齿轮啮合。
优选地，发动机还包括动力控制驱动齿轮，该动力控制驱动齿轮具有平行于排气凸轮轴并且与排气凸轮轴重合的轴线，并且配置为与键接到控制轴的动力控制从动齿轮接合；其中动力控制驱动齿轮可响应于操作者的输入沿其轴线移动。
优选地，2号排气凸轮相对于1号排气凸轮的角度调节是使用角度调节机构来实现的，该角度调节机构配置为在动力控制驱动齿轮轴向运动时能够实现动力控制驱动齿轮相对于主排气凸轮轴的角度调节；其中，动力控制驱动齿轮的轴向运动导致2号排气凸轮相对于1号排气凸轮的角度调节，使得排气门保持打开或关闭的持续时间可以根据操作者的输入来调节。
角度调节机构可以包括与笼式滚珠轴承接合的螺旋槽。
优选地，进气门配置为与进气门套筒密封接合，而排气门配置为与排气门套筒密封接合。
优选地，进气门和排气门布置成在关闭位置和打开位置之间往复运动。
优选地，进气门布置成当处于打开位置时提供从进气口到燃烧室的流体流动路径；并且被布置成当处于关闭位置时覆盖进气口，从而防止流动；并且排气门布置成当处于打开位置时提供从排气口到燃烧室的流体流动路径；并且布置成当处于关闭位置时覆盖排气口，从而防止流动。
优选地，进气门和排气门朝向它们各自的打开位置偏置。
优选地，进气门和排气门各自使用气门弹簧偏置。
优选地，气门弹簧位于气门内部。
优选地，使用气门弹簧锚定件来保持气门弹簧。
优选地，气门弹簧锚定件是Y形或叉骨形，使得气门弹簧的锚定不会阻碍凸轮和凸轮轴。
优选地，进气口布置成当处于打开位置时将气流引向排气门，使得排气门被进入进气口的空气冷却。
优选地，进气门套筒包括进气门套筒壁上的孔，以允许流体在进气口和燃烧室之间流动。
优选地，进气门套筒壁上的孔成形为引导流体从进气口流向排气活塞阀。
优选地，排气门套筒包括排气门套筒壁上的孔，以允许流体在燃烧室和排气口之间流动。
优选地，排气门套筒壁上的孔被成形为引导流体从燃烧室流向排气口。
优选地，进气门套筒和排气门套筒都包括接合特征，该接合特征配置为仅允许进气门套筒和排气门套筒在气缸盖内最小的轴向运动。
优选地，接合特征包括安装在进气门套筒和排气门套筒壁中的凹槽内的阻尼器。
优选地，阻尼器被配置为被压缩，以使得能够将进气门套筒和排气门套筒安装到气缸盖中，并且一旦安装，就将径向力施加到气缸盖上，以控制进气门套筒和排气门套筒在气缸盖内的运动。
优选地，进气门和排气门彼此相对设置，并且相对于活塞的轴线具有径向运动方向。
优选地，进气门和排气门是中空的，偏压装置位于中空部分内。
附图说明
现在将参照附图，以举例的方式描述本发明，其中：
图1是示出现有技术中已知的传统正时的气门正时图，其中进气门和排气门的打开和关闭事件的大致正时相对于活塞的四个冲程中的每一个示出。
图2是根据本发明实施例的气门正时图，其中进气门和排气门的打开和关闭事件的大致正时相对于活塞的四个冲程中的每一个示出。
图3是根据本发明实施例的横截面图，示出了气缸体和活塞布置，气缸盖包括处于关闭配置的进气门和处于关闭配置的排气门。为了清楚起见，1号排气凸轮和2号排气凸轮并排显示，尽管实际上它们将沿着共同的中心线叠加。
图4是气缸盖的横截面，示出了处于打开位置的进气门和处于关闭位置的排气门。
图5是气缸盖的横截面，示出了处于关闭位置的进气门和处于打开位置的排气门。
图6是根据本发明实施例的气缸体和气缸盖的剖视图，描绘了进气冲程开始时的气门和凸轮布置。为了清楚起见，1号排气凸轮和2号排气凸轮并排显示，尽管实际上它们将沿着共同的中心线叠加。
图7a是根据本发明实施例的气缸体和气缸盖的剖视图，描绘了压缩冲程早期的气门和凸轮装置，其中曲轴图示为在下止点后大约45度。在此视图中，2号排气凸轮在中等功率条件下部分接合，因此排气门将在压缩冲程的大部分时间内保持关闭，但会短暂打开。为了清楚起见，1号排气凸轮和2号排气凸轮并排显示，尽管实际上它们将沿着共同的中心线叠加。
图7b是根据本发明实施例的气缸体和气缸盖的剖视图，描绘了压缩冲程早期的气门和凸轮布置，其中曲轴图示为在下止点后大约45度。在该视图中，2号排气凸轮在低功率条件下未接合，使得排气门将被允许在压缩冲程的大部分时间内打开。为了清楚起见， 1号排气凸轮和2号排气凸轮并排显示，尽管实际上它们将沿着共同的中心线叠加。
图7c是根据本发明实施例的气缸体和气缸盖的剖视图，描绘了压缩冲程早期的气门和凸轮布置，其中曲轴图示为在下止点后大约45度。在此视图中，2号排气凸轮在高功率条件下完全接合，使得排气门在整个压缩冲程中保持关闭。为了清楚起见，1号排气凸轮和2号排气凸轮并排显示，尽管实际上它们将沿着共同的中心线叠加。
图7d是根据本发明实施例的气缸体和气缸盖的截面图，描绘了压缩冲程大约一半时的气门和凸轮布置，其中曲轴图示为在下止点后几乎90度。在该视图中，2号排气凸轮在低功率条件下未接合，因此排气门在压缩冲程的大部分时间内被允许打开。为了清楚起见，1号排气凸轮和2号排气凸轮并排显示，尽管实际上它们将沿着共同的中心线叠加。
图8a是根据本发明实施例的气缸体和气缸盖的剖视图，描绘了压缩冲程开始时的气门和凸轮布置。在此视图中，2号排气凸轮在高功率条件下完全接合，使得排气门在整个压缩冲程中保持关闭。1号排气凸轮和2号排气凸轮沿着共同的中心线叠加显示，以说明这是如何实现的。
图8b是根据本发明实施例的气缸体和气缸盖的剖视图，描绘了压缩冲程早期的气门和凸轮布置，曲轴图示在下止点后约45度。在该视图中，2号排气凸轮在大约75％的功率条件下部分接合，使得排气门在压缩冲程期间短暂打开。1号排气凸轮和2号排气凸轮沿共同的中心线叠加显示，以说明这是如何实现的。
图8c是根据本发明实施例的气缸体和气缸盖的剖视图，描绘了压缩冲程早期的气门和凸轮装置，其中曲轴图示为在下止点后大约62度。在该视图中，2号排气凸轮在大约50％的功率条件下部分接合，使得排气门在压缩冲程期间打开的时间稍长。1号排气凸轮和2号排气凸轮沿共同的中心线叠加显示，以说明这是如何实现的。
图8d是根据本发明实施例的气缸体和气缸盖的剖视图，描绘了压缩冲程早期的气门和凸轮布置，其中曲轴图示为在下止点后接近90度。在此视图中，2号排气凸轮在大约25％的功率条件下仅轻微接合，使得排气门在压缩冲程期间打开的时间更长。1号排气凸轮和2号排气凸轮沿共同的中心线叠加显示，以说明这是如何实现的。
图8e是根据本发明实施例的气缸体和气缸盖的剖视图，描绘了压缩冲程后期的气门和凸轮布置，其中曲轴图示为在下止点后接近120度。在该视图中，2号排气凸轮在低功率条件下(例如在发动机怠速期间)没有接合，使得排气门在压缩冲程的最大持续时间内打开。1号排气凸轮和2号排气凸轮沿共同的中心线叠加显示，以说明这是如何实现的。
图9是根据本发明实施例的气缸体和气缸盖的剖视图，描绘了压缩冲程结束和做功冲程开始时的气门和凸轮布置，气缸接近上止点。为了清楚起见，1号排气凸轮和2号排气凸轮并排显示，尽管实际上它们将沿着共同的中心线叠加。
图10是根据本发明实施例的气缸体和气缸盖的剖视图，描绘了燃烧冲程中途的气门和凸轮布置。为了清楚起见，1号排气凸轮和2号排气凸轮并排显示，尽管实际上它们将沿着共同的中心线叠加。
图11是根据本发明实施例的气缸体和气缸盖的剖视图，描绘了燃烧冲程结束时的气门和凸轮布置。为了清楚起见，1号排气凸轮和2号排气凸轮并排显示，尽管实际上它们将沿着共同的中心线叠加。
图12示出了沿着进气门和排气门的轴线看的剖视图，示出了根据本发明实施例的燃料喷射器和点火装置的布置，如图所示，燃料可以被引向点火点。
图13是图示本发明的实施例的等轴视图，其中进气门和排气门被图示为具有它们各自的气门套筒、凸轮和从动销。
图14是示出了气缸盖的等轴视图，并且进一步示出了进气口的流体流动路径，该进气口被配置为将气流导向相对的排气门的端部。
图15和16示出了进气门套筒和排气门套筒，包括它们各自的阻尼器。
图17示出了根据本发明实施例的排气门分解布置，示出了排气门套筒、排气门、气门弹簧、从动销、1号排气凸轮和气门弹簧锚定件。
图18和19示出了根据本发明一个实施例的排气门布置，示出了排气门套筒、排气门、气门弹簧、从动销、1号排气凸轮和气门弹簧锚定件。附图显示了处于关闭配置(图 18)和打开配置(图19)的排气门。
该描述涉及2号排气凸轮12被接合、未接合或部分接合，其中接合用于指示，2号排气凸轮12相对于1号排气凸轮13以防止排气门16在压缩冲程期间打开的方式定位。
未接合用于指示，2号排气凸轮12相对于1号排气凸轮13以不作用于排气门16的方式定位，使得1号排气凸轮13允许排气门16在压缩冲程期间打开一段时间。
部分接合用于指示，2号排气凸轮12相对于1号排气凸轮13以这种方式定位：允许排气门16在压缩冲程期间打开更短的时间，其中2号排气凸轮12未接合。
在整个描述中，应使用以下术语，并未描述所有整数:
1)内燃机
4)排气凸轮轴
5)进气凸轮轴
6)动力控制驱动齿轮
7)动力控制从动齿轮
8)控制轴
9)2号排气凸轮驱动齿轮
10)汽缸盖
11)2号排气凸轮从动齿轮
12)2号排气凸轮
13)1号排气凸轮
14)气门弹簧锚定件
15)从动销
16)排气门
18)排气门套筒
19)进气门套筒
20)进气门
21)气门弹簧
24)进气凸轮
25)燃烧室
26)进气口
27)排气口
29)活塞
30)连杆
31)曲柄销
32)汽缸体
33)动力控制杆(节流阀)
34)燃料喷射器
35)点火装置
40)排气门套筒阻尼器
41)进气门套筒阻尼器
42)气门卡簧
43)气门夹头
具体实施方式
参阅附图，图中示出了四冲程内燃机1，其包括：
燃烧室25；
活塞29，其安装在燃烧室25内并配置为与燃烧室25的壁密封接合，活塞29布置成沿着轴线在燃烧室25具有最大容积的第一位置和燃烧室25具有最小容积的第二位置之间往复运动；
其中，活塞29在一个循环中完成四个冲程，这些冲程被定义为进气冲程、压缩冲程、燃烧冲程和排气冲程；
燃料喷射器34，其位于燃烧室25中由活塞29在其第二位置限定的最小容积内的区域中；
气缸盖10，其包括点火装置35；
进气凸轮24，其被配置以打开和关闭进气门20；
1号排气凸轮13，被配置以打开和关闭排气门16；
2号排气凸轮12，被配置以打开和关闭同一排气门16；
并且，其中响应于来自操作者的输入，2号排气凸轮12相对于1号排气凸轮13可角度调节，使得2号排气凸轮12能够选择性地接合；
其中，1号排气凸轮13配置为在压缩循环期间打开和关闭排气门16，使得在进气冲程期间吸入的选定量的空气在压缩冲程期间排出；
其中，2号排气凸轮12配置为在接合时可选地关闭排气门16；且
其中，燃料喷射器34配置为根据压缩冲程期间排出的空气量来调节喷射的燃料量。
进气凸轮24可以键接到进气凸轮轴5上。
1号排气凸轮13可以键接到排气凸轮轴4上。
2号排气凸轮12可以围绕排气凸轮轴4的轴线旋转。
进气门20和排气门16都可以是活塞阀。
发动机1可以包括键接到控制轴8的2号排气凸轮驱动齿轮9；其中2号排气凸轮驱动齿轮9与2号排气凸轮从动齿轮11啮合，2号排气凸轮从动齿轮11键接到2号排气凸轮12上。
发动机1还可以包括动力控制驱动齿轮6，该动力控制驱动齿轮6具有平行于排气凸轮轴4并与其重合的轴线，并且配置为与键接到控制轴8的动力控制从动齿轮7啮合；其中动力控制驱动齿轮6可响应操作者的输入沿其轴线移动。
2号排气凸轮12相对于1号排气凸轮13的角度调节可以使用角度调节机构来实现，该角度调节机构被配置为在动力控制驱动齿轮6轴向移动时能够实现动力控制驱动齿轮6相对于排气凸轮轴4的角度调节；其中动力控制驱动齿轮6的轴向移动导致动力控制从动齿轮7 的角度调节，从而导致动力控制轴8的角度调节，使得排气活塞阀16保持打开或关闭的持续时间可以根据操作者的输入来调节。
角度调节机构可以包括与笼式滚珠轴承接合的螺旋槽。
螺旋槽可以加工在排气凸轮轴4中，滚珠轴承可以包含在动力控制驱动齿轮6中。
排气门16可被偏压向打开位置，使得排气门16保持打开，直到被压向关闭位置。
进气门20可被偏压向打开位置，使得进气门20保持打开，直到被压向关闭位置。
偏压装置可以包括气门弹簧21。
气门弹簧21可以位于气门16、20内部。
气门弹簧21可以由气门弹簧锚定件14保持。
气门弹簧锚定件14可以是Y形或叉骨形，使得气门弹簧21的锚定不会妨碍凸轮12、13、 24和凸轮轴4、5。
参阅图1，图中示出了描绘本领域已知的传统正时布置的气门正时图，其中进气门和排气门的打开和关闭正时相对于活塞的四个冲程中的每一个示出。
在开始进气冲程之前，可以看到进气门在活塞到达上止点(‘TDC’)前不久打开。在完成进气冲程并开始压缩冲程后，进气门在活塞经过下止点(‘BDC’)后不久关闭。
虽然可以看到排气门在进气冲程开始时是打开的，但是它在此后不久关闭，并且在进气和压缩冲程期间保持关闭，并且对于燃烧冲程的大部分，在燃烧冲程接近结束时打开以开始排出燃烧后的气体。
排气门在整个排气冲程中保持打开，在随后的进气冲程开始时，在活塞经过上止点(TDC) 后不久关闭。
从图1和描述中可以看出，进气门的关闭和排气门的打开之间有一些重叠。
用于可变气门正时的传统机构被设计成调节进气门/排气门重叠的持续时间，使得由于气门重叠的持续时间更长，活塞可以在更高的转速下吸入和排出更多的空气，或者更好地呼吸。
参阅图2，图2示出了根据本发明实施例的气门正时图，其中示出了进气门20和排气门 16相对于活塞29的四个冲程中的每一个的打开和关闭时间。
该图描绘了由不同轨道代表的不同凸轮控制的事件的正时，进气凸轮24被示为外轨道， 1号排气凸轮13为中间轨道，2号排气凸轮12为内轨道。
图例标识了在四冲程循环的不同点上，每个气门是打开、关闭还是根据功率要求可选地打开/关闭。
事件由圆圈标识，四冲程循环中的各种事件描述如下。
与传统布置一样，在开始进气冲程之前，可以看到进气门20在活塞29到达上止点(TDC) 之前不久打开。当进气冲程结束，压缩冲程开始时，进气门20在活塞29经过下止点(BDC) 时关闭。
排气门16被描绘为随着进气冲程开始而关闭，如传统机构的情况。
然而，排气门16随后被描绘为在压缩冲程期间可选地打开然后关闭，这是非传统的，因为排气门16通常在整个压缩冲程期间保持关闭。
然后，排气门16图示为以传统方式运行，在燃烧冲程的大部分时间保持关闭，并在燃烧冲程接近结束时打开，在整个排气冲程保持打开，并在随后的进气冲程开始时当活塞29到达上止点时关闭。
不同凸轮的不同轨道图示了作为中间轨道的1号排气凸轮13如何允许排气门16在压缩冲程期间打开，但是作为内轨道的2号排气凸轮12被配置成可选地保持排气门16关闭，这是在更高的功率需求下完成的。
交叉阴影线表示本发明的实施例所指向的区域，该区域是在压缩冲程期间排气门16的可选可变打开和关闭。
参阅图3，图中示出了根据本发明实施例的内燃机1的气缸体32。
气缸体32容纳活塞29，活塞29可在第一位置和第二位置之间移动，并配置为驱动连接到曲柄销31的连杆30，引起曲轴(未标号)的旋转运动并向发动机1传递动力。
活塞29上方示出了气缸盖10，其容纳位于进气门套筒19内的进气门20和位于排气门套筒18内的排气门16。
进气口26限定了从气缸盖10的外部经由进气门套筒19中的孔到燃烧室25的通道。
排气口27限定了从气缸盖10的外部经由排气门套筒18中的孔到燃烧室25的通道。
为了清楚起见，1号排气凸轮13和2号排气凸轮12图示为彼此相邻，以及它们各自的子图；然而，两个凸轮12、13实际上沿着所描绘的中心线(被认为是同心的)重叠。
参阅图4，排气门16可在打开配置和关闭配置之间移动，排气门16图示为关闭配置，其中排气门套筒18中的孔被覆盖，从而防止气流从燃烧室25穿过排气口27。
参阅图5，进气门20可在打开配置和关闭配置之间移动，进气门20图示为关闭配置，其中进气门套筒19中的孔被覆盖，从而防止气流通过进气口26进入燃烧室25。
参阅描述进气冲程开始时的布置的图6，这图示了进气门20开始打开，排气门16刚刚关闭。
参阅图7a，其描绘了在中等功率条件下，当2号排气凸轮12部分接合时，朝向压缩冲程开始的布置。这显示了进气门20在进气冲程的大部分时间打开后关闭。排气门16已经在进气冲程中关闭，并且在随后的大部分压缩冲程中保持关闭，但是短暂打开。
参阅图7b，该图描绘了当2号排气凸轮12未接合，并且排气门16仅由1号排气凸轮13 作用时，朝向压缩冲程开始的布置。这图示了进气门20在进气冲程的大部分时间打开后关闭。排气门16已经在进气冲程中关闭，并且当允许由1号排气凸轮打开时，在随后的压缩冲程中打开，如这里所示。
参阅图7c，该图描绘了在最大功率状态下，当1号排气凸轮13和2号排气凸轮12都接合时，朝向压缩冲程开始的布置。进气门20和排气门16在压缩冲程中都保持关闭。
参阅图7d，图7d描绘了在最小功率条件下，当2号排气凸轮12未接合，并且排气门16 仅由1号排气凸轮13作用时，压缩冲程中间周围的布置。这图示了进气门20在压缩冲程的剩余时间内是关闭的，排气门16在压缩冲程的一部分时间内被允许打开，从而允许大量空气被排出。
参阅图8a至图8e，图中进一步描绘了压缩冲程期间不同位置的布置，以及处于不同结构的2号排气凸轮12。
图8a至8e示出了叠加的凸轮，它们在使用中被布置，以图示1号排气凸轮13和2号排气凸轮12之间的角度调节如何允许排气门在压缩冲程期间可选地打开。
参阅图9，图中描绘了在燃料喷射点的布置，进气门20和排气门16都关闭。
参阅图10，图中描绘了燃烧冲程中途的布置，进气门20和排气门16都关闭。
参阅图11，其描绘了燃烧冲程结束时的布置，其中进气门20关闭，排气门16打开。
参阅图12，其示出了根据本发明实施例的燃料喷射器和点火装置的布置，如图所示，燃料可以被导向点火装置35的点火点。
参阅图13，该图示出了进气门20和排气门16，示出了它们各自的气门套筒19、18、凸轮24、12、13和从动销15。
参阅图14，该图示出了图示气缸盖10的等轴视图，并进一步图示了进气口26的流体流动路径，进气口26被配置为将气流导向相对的排气门16的端部。
参阅图15和16，图中示出了进气门套筒19和排气门套筒18，包括它们各自的阻尼器 41、40。
参阅图17，该视图图示了根据本发明一个实施例的排气门布置，图示了排气门套筒18、排气门16、气门弹簧21、从动销15、排气凸轮13和气门弹簧锚定件14。
该视图还示出了气门弹簧21在排气门16内的外端由卡簧42限制，而在另一端被气门弹簧锚定件14限制。
气门弹簧21的端部也可以使用夹头43来限制。
参阅图18和19，这些视图图示了根据本发明一个实施例的排气门16的布置，图示了排气门套筒18、排气门16、气门弹簧21、从动销15、排气凸轮13和气门弹簧锚定件14。附图图示了处于关闭配置(图18)和打开配置(图19)的排气门16。
在图17、18和19所示的实施例中，偏压装置包括气门弹簧21，其一端保持在活塞阀的内表面上，另一端由气门弹簧锚定件14保持。在这些图中仅示出了一对排气凸轮13，其轮廓是说明性的，以指示可以驱动气门关闭和打开的方式，并不一定代表本发明的凸轮13的轮廓。
图17、18和19所示的气门布置也可应用于进气活塞阀20。
在所有附图中，凸轮12、13和24的轮廓以示意性的方式示出，以图示气门16、20可以打开和关闭的方式。凸轮12、13、24的轮廓不应该被认为是执行本发明功能所需的凸轮的明确描述。
在使用中，燃烧室25和活塞29以传统方式起作用。
进气凸轮24以传统方式起作用，并使进气门20打开，以允许空气在进气冲程期间被吸入。进气门20可以在活塞29到达上止点前不久打开。
然后关闭进气门20，以压缩燃烧室25内的空气。进气门20可以在活塞29经过下止点后关闭，以允许压缩冲程期间的压缩。
进气门20然后在燃烧冲程和排气冲程期间保持关闭，再次打开以允许空气在下一个进气冲程期间被吸入。
1号排气凸轮13的功能不同寻常，其特征在于排气门16的额外打开，除了排气冲程之外，排气门16还在压缩冲程期间打开。
传统的机构将在压缩冲程期间保持进气门20和排气门16关闭，以在点火之前实现空气的最大压缩。
由于压缩损失，在压缩冲程期间排出的空气通常被认为对本发明有害。
在压缩冲程期间，在任何燃料喷射或点火之前，空气通过排气门16排出的一个好处是排气门16和点火装置35被排出的多余空气冷却。
此外，排气门16下游的任何元件也随后被冷却，特别是这包括排气系统本身。除了延长其中包含的催化转化器的寿命之外，更冷的排气还提供了性能和效率方面的益处。
重要的是，燃料喷射器34可喷射较低体积的燃料，其中2号排气凸轮12配置为在压缩冲程期间打开排气门16。
1号排气凸轮13可被配置为在压缩冲程期间在期望的点关闭排气门16。
1号排气凸轮13被配置为关闭排气门16的点可被选择成保持最小空气量，以使发动机1 能够怠速而不失速。
可以选择压缩冲程期间排气门16关闭的点，以在压缩冲程的剩余部分保持燃烧室25中用于压缩的期望空气体积。
喷射的燃料量可以电子方式选择，以适合燃烧室25中的空气量。
可选地，可以选择在压缩冲程期间排气门16打开的持续时间，以允许发动机1提供足够的动力来巡航，例如在高速公路速度下，而不失速。
减少的空气体积和减少的燃料喷射量相结合的结果是，燃烧室25中可燃装料的体积更小。
结果是发动机1具有燃烧室25，当排气门16在压缩冲程期间被允许打开时，燃烧室25 显示出小得多的容积的特征。
2号排气凸轮12被配置为响应于操作者的输入而可选地接合。
排气门16在压缩冲程期间打开是与传统内燃机的主要区别。
操作员的输入可能要求额外动力，以压低加速踏板的形式。
2号排气凸轮12可被配置为在压缩循环期间保持排气门16关闭，并因此允许活塞29以相对传统的方式完成四个冲程。
1号排气凸轮13的非常规轮廓和可选地接合的2号排气凸轮12，允许发动机以常规方式运行，或者以显示小得多的发动机的特征的方式运行，因此更经济。
这是通过在压缩冲程期间排出一些空气以及相应地减少喷射的燃料量来实现的。
1号排气凸轮13和2号排气凸轮12之间的角度可以改变，使得排气门16在压缩冲程期间可以打开的持续时间可以改变。
角度变化的结果是发动机的功率可以根据需要进行调整。
在不需要额外动力的情况下，2号排气凸轮12不接合，活塞29在最小操作条件下工作，空气量被压缩，并且被喷射以与空气燃烧的燃料量小于在2号排气凸轮12接合的情况下操作时的量。
在活塞29在最小运行条件下运行的情况下，燃料节省有助于效率的提高，在这种情况下，传统的发动机需要喷射足够的燃料来与大量被压缩的空气燃烧。
此外，由于吸入燃烧室25的空气的一部分在压缩冲程期间被排出，该空气进一步冷却发动机1，特别是排气门16和点火装置35以及下游排气系统。
活塞阀的使用可以通过改善阀冷却来进一步提高效率，这反过来导致自动点火的可能性更低，因此允许更高的压缩比。
由本发明的发动机1实现的压缩比可以超过15∶1。
由本发明的发动机1实现的压缩比可以超过18∶1。
进气门20被进气凸轮24逆着偏压向内推向关闭位置。
到达关闭位置时，进气门20向内移动经过形成进气口26的孔，因此进气口26被进气门 20覆盖。气体密封可以通过最向内倾斜的气门座来实现，气门座可以成45度角。
当进气凸轮24转到打开配置时，进气凸轮24允许偏压向外移动进气门20，经过形成进气口26的孔，因此进气口26打开且不受限制，根据进气口26的尺寸提供喉部以允许空气被吸入燃烧室25。
使用进气口26的整个区域将空气吸入燃烧室25是与传统发动机的主要不同之处，在传统发动机中使用蝶形阀或提升阀。根据蝶阀和提升阀的结构，即使在打开位置，它们也能抑制气流。
使用在套筒18、19和汽缸盖10的壁上具有端口的活塞阀能够使更大的气流通过不受限制的端口。
关于排气门16、排气凸轮12、13和排气口27提供相应的布置。
进气门20和排气门16可以定位成使得经由进气口26吸入燃烧室25的空气被导向排气门16，这有利地为排气门16提供冷却。
进气口26和排气口27的配置进一步使得进入燃烧室25的气流能够被导向并越过排气门16的端部，进一步提供有利的冷却。
进气门套筒19可以包括在进气门套筒19的壁中的孔，以允许流体在进气口26和燃烧室 25之间流动。
进气门套筒19的壁上的孔可以成形为引导流体从进气口26流向排气门16。
排气门套筒18可以包括排气门套筒18的壁中的孔，以允许流体在燃烧室和排气口27之间流动。
排气门套筒18的壁上的孔可以成形为引导流体从燃烧室流向排气口27。
进气门套筒19和排气门套筒18都可以包括阻尼器40、41，阻尼器40、41配置为限制和减缓进气门套筒19和排气门套筒18在气缸盖10内的轴向运动。
阻尼器40、41可以是安装在进气门套筒19和排气门套筒18的壁中的凹槽内的保持夹。
阻尼器40、41可以被配置为被压缩，以使得能够将进气门套筒19和排气门套筒18安装到气缸盖10中，并且一旦安装就赋予作用在气缸盖10上的径向力，以限制和减缓进气门套筒19和排气门套筒18在气缸盖10内的运动。
由于气缸盖10、进气门套筒19和排气门套筒18的热膨胀不同，阻尼器40、41也可有助于限制运动。
阻尼器40、41可以与套筒18、19紧密配合安装，使得当从燃烧室内部施加力时，阻尼器40、41和套筒18、19之间的相对运动是可能的。
可以允许套筒18、19轴向移动，以更好地实现与气门16、20的端部的密封。
在套筒18、19移出燃烧室25的情况下，凸轮24、12、13的动作将推动套筒18、19回到原位。阻尼器40、41用于分散由凸轮24、12、13施加的载荷，使得套筒18、19被均匀地朝向它们的优选位置驱动。
套筒18、19和阻尼器40、41的布置起到自调节机构的作用，将套筒18、19保持在气缸盖10中的适当位置，并通过确保气门总是到达其相应的气门座来确保充分的密封。
进气门20和排气门16可以位于燃烧室25的上部，并且可以具有相对于活塞29的轴线径向定向的轴线。
传统的向内打开的提升阀在向外的行程范围内落座或关闭，这是有利的，因为燃烧的力赋予向外的力，因此燃烧有助于阀的落座。
具有指向燃烧室的行进轴线的向外打开的气门的问题在于，燃烧的力作用以迫使气门朝向打开位置，因此，为了有效的性能，气门必须通过合适的相反力保持关闭。
本发明解决了这个问题，因为燃烧的力迫使套筒座抵靠气门座，形成气密密封。
气门16、20的径向取向是有利的，因为由于气门16、20的轴线不与它们各自的端口27、26对齐，通向端口的流体流动路径不一定打开，直到气门到达循环中的期望点。
因此，如果气门16、20由于燃烧的力而部分离开气门座，在端口27、26没有暴露的地方不需要损失压力。
进气门20的端部和排气门16的端部之间的距离可以相对较小。
进气门20的端部和排气门16的端部之间的距离可以小于50毫米。
进气门20的端部和排气门16的端部之间的距离可以小于20毫米。
进气门20的端部和排气门16的端部之间的距离可以在10毫米和15毫米之间。
当考虑经过排气活塞阀16端部的进气气流时，气门16、20的相对端的紧密接近是有利的。
当气门16、20被向外偏压时，进气口26和排气口27的喉部在默认位置处于最大值，并且燃烧能不会损失以克服气门弹簧21的偏压。
可以使用容纳在气门16、20内的气门弹簧21来偏置气门。
为了将气门弹簧21保持在向外端的位置，可以使用气门弹簧锚定件14。
在一个实施例中，气门弹簧锚定件14采取Y形或叉骨形的形式，以允许气门弹簧锚定件14的外端固定到气缸盖10上，同时不妨碍凸轮的操作。
为了操作，气门16、20的打开和关闭的正时由凸轮24、12、13的布置控制。
该正时在燃烧循环期间的不同点打开和关闭气门16、20，该燃烧循环包括四个冲程，即进气冲程、压缩冲程、燃烧冲程和排气冲程。
正时可以使得进气门20在发动机的进气冲程期间打开，并且在压缩、燃烧和排气冲程期间保持关闭。
排气活塞阀16可在进气和燃烧冲程中关闭，在压缩和排气冲程中打开。
排气活塞阀16可以在一些或所有压缩冲程中关闭。
在进气冲程期间，空气通过进气口26的整个喉部被吸入燃烧室25，并经过排气门16，降低了排气门16和下游排气系统的温度。
在压缩冲程开始时，进气门20可以关闭，排气门16可以根据功率需求打开。
可选地，如果需要低功率输出的话，排气门16可以在压缩冲程期间的某个阶段打开，允许一部分冷的进气在进气冲程结束之后并且在压缩冲程的第一部分期间通过排气口27。这样做可以冷却排气口27和排气门16。
排气门16打开的点可以根据功率需求而变化，因为打开气门16较短的时间，或者在整个压缩冲程中保持气门16关闭，导致可用于燃烧的更大的充气量，但是通过排气口27的冷却空气的量减少。
当发动机1怠速运转时，唯一的负载是发动机自身的内摩擦，在进气门20关闭后，在进气冲程期间引入的大部分总空气可以通过排气口27从燃烧室25排出，并且在最佳时间通过喷射器34喷射少量燃料。由于油耗降低和温度降低，这有助于提高效率。
当需要更大的功率值时(即，用于使车辆从静止加速)，排气门16可以保持在关闭位置更长时间，这将防止一部分最初吸入的空气在上止点之前或之后逸出，并且将保留最大量的可燃装料用于燃烧，以便产生所需的功率。
通过使用两个排气凸轮12、13来实现排气门16可以打开的时间的这种变化。定义为1 号排气凸轮13和2号排气凸轮12。
1号排气凸轮13连续运行，并且被正时以在压缩冲程的大部分时间打开排气门16，从而允许更多的冷却空气通过，并且需要最少的燃料喷射。
2号排气凸轮12配置为在压缩循环的更大部分时间内保持排气门16关闭，从而允许更大体积的可燃混装料，并因此允许更大的功率。
2号排气凸轮12可被控制以允许一定量的相对冷的空气在发动机运行的每个循环中通过排气口27逸出一次，从而在其整个寿命期间保持排气门16和排气口27更冷。排气口27通过排气系统的其余部分供给空气，这也得益于保持冷却。
2号排气凸轮12的控制可以通过平行于主排气凸轮轴4延伸的第二控制轴8来实现。在这个实施例中，动力控制驱动齿轮6键接至控制轴8，并与相应的动力控制从动齿轮7啮合，动力控制从动齿轮7键接至安装在主排气凸轮轴4上的2号排气凸轮12。2号排气凸轮12可以在主排气凸轮轴4上自由旋转。
控制轴8可以通过一对啮合控制齿轮、键接到控制轴8前端的动力控制从动齿轮7和在主排气凸轮轴4前端上自由运转的动力控制驱动齿轮6与主排气凸轮轴4以严格连续的关系旋转。尽管自由运转，但动力控制驱动齿轮6由其中的滚珠轴承和排气凸轮轴4上的螺旋槽控制。
安装在主排气凸轮轴4前端上的动力控制驱动齿轮6可以通过沿主排气凸轮轴4轴向移动控制杆33而被致动标称距离。
主排气凸轮轴4的端部可以具有三个螺旋槽，每个槽包含合适尺寸的滚珠轴承。滚珠轴承可以装在动力控制驱动齿轮6的孔内，并与主排气凸轮轴4端部的螺旋槽啮合。
通过沿着主排气凸轮轴4的轴线移动动力控制驱动齿轮6，动力控制驱动齿轮6在主排气凸轮轴4的设定正时之前或之后相对于主排气凸轮轴4旋转齿轮所需的量。标称选择器臂 (如在传统齿轮箱中使用的)用于无缝地轴向移动动力控制驱动齿轮6。
曲轴施加的功率由2号排气凸轮12控制。如果需要低功率输出，它允许在进气冲程结束之后和压缩冲程的第一部分期间，已经在进气冲程期间吸入的过量空气通过排气口27排出。
进气门20和排气门16使用活塞式阀允许进出燃烧室25的气流增加，结合阀的设计和配置，允许更高的压缩比。
在使用较高压缩比的情况下，自燃的风险增加，而在部件处于高温的情况下，这种风险进一步加剧。
排气门16可被认为具有较高的工作温度，这可通过相对较冷的进气口空气流向排气门 16的端部来缓解。这降低了由于温度引起的自燃风险，因此有助于实现高压缩比。
两个排气凸轮12、13的配置允许在怠速时向系统供应额外的冷却空气，但是在需要时可利用额外的功率。
对于技术人员来说显而易见的修改和变化被认为在本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种四冲程内燃机，包括：
燃烧室；
活塞，其安装在所述燃烧室中并被配置以与所述燃烧室的壁密封接合，所述活塞布置成沿轴线在燃烧室具有最大容积的第一位置和燃烧室具有最小容积的第二位置之间往复运动；
其中，所述活塞在一个循环中完成四个冲程，这些冲程被定义为进气冲程、压缩冲程、燃烧冲程和排气冲程；
燃料喷射装置，其位于由处于其第二位置的活塞限定的最小容积内的燃烧室区域中；
气缸盖，其包括点火装置；
进气凸轮，其被配置以打开和关闭进气门；
1号排气凸轮，其被配置以打开和关闭排气门；
2号排气凸轮，其被配置以打开和关闭同一排气门；且
其中，2号排气凸轮响应于操作者的输入相对于1号排气凸轮角度可调，使得2号排气凸轮能够被选择性地接合，
其中，1号排气凸轮被配置以在压缩冲程期间打开和关闭排气门，使得在进气冲程期间吸入的选定量的空气在压缩冲程期间排出；
其中，2号排气凸轮被配置以在接合时可选地关闭排气门；且
其中，所述燃料喷射装置被配置以根据压缩冲程期间保留的空气量来调节喷射的燃料量。
2.根据权利要求1所述的四冲程内燃机，其中，
所述进气凸轮键接至进气凸轮轴；
所述1号排气凸轮键接至排气凸轮轴；且
所述2号排气凸轮可绕所述排气凸轮轴的轴线旋转。
3.根据权利要求1或2所述的四冲程内燃机，其中，所述进气门和排气门是活塞阀。
4.根据任一前述权利要求所述的四冲程内燃机，其中，所述发动机包括键接至控制轴的2号排气凸轮驱动齿轮，并且所述2号排气凸轮驱动齿轮与键接至所述2号排气凸轮的2号排气凸轮从动齿轮啮合。
5.根据权利要求4所述的四冲程内燃机，其中，所述发动机还包括动力控制驱动齿轮，所述动力控制驱动齿轮具有平行于所述排气凸轮轴且与所述排气凸轮轴重合的轴线，并且配置为与键接至所述控制轴的动力控制从动齿轮接合；其中，所述动力控制驱动齿轮可响应于操作者的输入沿其轴线移动。
6.根据权利要求5所述的四冲程内燃机，其中，所述2号排气凸轮相对于所述1号排气凸轮的角度调节是使用角度调节机构来实现的，所述角度调节机构被配置为在所述动力控制驱动齿轮轴向移动时能够实现所述动力控制驱动齿轮相对于所述主排气凸轮轴的角度调节；其中，动力控制驱动齿轮的轴向移动导致所述1号排气凸轮相对于2号排气凸轮的角度调节，使得排气活塞阀保持打开或关闭的持续时间可以根据操作者的输入来调节。
7.根据权利要求6所述的四冲程内燃机，其中，所述角度调节机构包括与笼式滚珠轴承接合的螺旋槽。
8.根据任一前述权利要求所述的四冲程内燃机，其中，所述进气门配置为与进气门套筒密封接合，并且所述排气门配置为与排气门套筒密封接合。
9.根据任一前述权利要求所述的四冲程内燃机，其中，
所述进气门布置成当处于打开位置时提供从进气口到燃烧室的流体流动路径；并且被布置成当处于关闭位置时覆盖所述进气口，从而防止流动；并且所述排气门布置成当处于打开位置时提供从排气口到燃烧室的流体流动路径；并且布置成当处于关闭位置时覆盖所述排气口，从而防止流动。
10.根据任一前述权利要求所述的四冲程内燃机，其中，所述进气门和所述排气门朝向它们各自的打开位置偏置。
11.根据任一前述权利要求所述的四冲程内燃机，其中，所述进气门和所述排气门各自使用气门弹簧偏置。
12.根据权利要求11所述的四冲程内燃机，其中所述气门弹簧位于所述气门内部。
13.根据权利要求11或12所述的四冲程内燃机，其中，使用气门弹簧锚定件保持所述气门弹簧。
14.根据权利要求13所述的四冲程内燃机，其中，所述气门弹簧锚定件是Y形或叉骨形，使得所述气门弹簧的锚定不会阻碍所述凸轮和凸轮轴。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的四冲程内燃机，其中，所述进气口被布置成当处于打开位置时将气流引向所述排气门，使得所述排气门被进入所述进气口的空气冷却。
16.根据权利要求15所述的四冲程内燃机，其中，所述进气门套筒包括在所述进气门套筒的壁中的孔，以允许流体在所述燃烧室和所述进气口之间流动。
17.根据权利要求16所述的四冲程内燃机，其中，所述进气门套筒的壁中的孔被成形为引导流体从所述进气口流向所述排气活塞阀。
18.根据权利要求8至17中任一项所述的四冲程内燃机，其中，所述进气门套筒和排气门套筒都包括接合特征，所述接合特征配置为控制所述进气门套筒和排气门套筒在所述气缸盖内的轴向移动。
19.根据权利要求18所述的四冲程内燃机，其中，所述接合特征包括安装在所述进气门套筒和排气门套筒的壁中的凹槽内的阻尼器；其中所述阻尼器被配置为被压缩以使得能够将进气门套筒和排气门套筒安装到所述气缸盖中，并且一旦安装，就将径向力施加到气缸盖上，以控制进气门套筒和排气门套筒在气缸盖内的运动。
20.根据任一前述权利要求所述的四冲程内燃机，其中，所述进气门和排气门彼此相对设置，并且相对于所述活塞的轴线具有径向移动方向。
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