CN1244751C - 带有气门控制的内燃机 - Google Patents

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Abstract

一种内燃机包括至少一个在气缸组件(11，12)中旋转、摇摆、往复的活塞(20，21)，每个活塞(20，21)与气缸组件(11，12)限定燃烧室(35)，每个燃烧室(35)至少一个进气门(36)和出气门(37)，装置(40)阶段性地打开进和出气门，特征在于：阀门由具有与发动机速度相适应的关闭力量的气压弹簧(80，82)关闭。

Description

带有气门控制的内燃机
技术领域
本发明涉及内燃机，特别是以四冲程循环操作的内燃机的气门控制。
背景技术
大多数在轿车、卡车和摩托车中使用的内燃机是以四冲程循环操作的。四冲程循环内燃机已经广泛地应用于20世纪。很多年来，发动机设计师一直努力改善这种发动机的效率。在当代，这种效率的改善要求需要同时考虑发动机的环境效应，即包括通过废气泄露的有害气体在内的污染物的产生。已经达成了一种折衷，其中，发动机的总体效率由于需要引入净化废气的动力吸收设备如催化转换器而下降。环境问题还要求对燃油的控制，因此，在高压内燃机中加入铅作为抗爆介质随着无铅汽油的引入而终止了，导致了发动机设计的进一步折衷。
四冲程发动机通常每个气缸包括至少一个进气门和一个排气门。在某些精巧的发动机中，每个气缸会配有多个排气门和进气门。气门通常被凸轮轴的凸起部驱动到打开位置。这种驱动可以是直接的或间接的。气门通常通过使用简单地迫使已经打开的气门返回关闭位置的金属螺旋弹簧返回到关闭位置。螺旋弹簧弹力的大小设计成在最大要求赋予弹簧时适应发动机，最大要求通常发生在发动机以最高的每分钟转数(RPM)运转时。因此，气门弹簧必须具有足够大的尺寸、重量和弹力系数以在最高RPM下有效运转。这意味着，在较低的RPM时，气门弹簧过于强大，因此，不必要的功被用来克服弹簧，导致了发动机在其正常运作范围内的效率的急剧下降。气门弹簧在启动过程中还必须受到压缩，因此增加了使发动机运转来启动它所要求的动力，要求大的铅酸电池和充电系统。
导致本发明的正是以上讨论的这些考虑和许多问题。
发明内容
根据本发明提供了一种内燃机，包括至少一个在气缸中旋转、摆动或往复的活塞，各活塞与气缸限定一燃烧室，各燃烧室至少有一进气门和一出气门，和周期性地打开进和排气门的装置，各气门由气压弹簧关闭，气压弹簧由取自各燃烧室的气压源加压并受监控，使得关闭力与发动机的RPM成比例。
附图说明
以下将仅通过实例的方式并参考附图对本发明的实施例进行描述，其中：
图1是根据本发明一实施例的发动机的示意端视图；
图2是图1中所示的发动机的示意下侧视图；
图3是气体气门控制结构的示意图示；
图4是发动机的顶视透视图；
图5是发动机的底视透视图；
图6是省略了曲轴箱和气缸壁的发动机的透视图；
图7是凸轮轴和阀组件的透视图，
图8是使用根据第二实施例的气体阀门组件的传统直列式发动机的横断面视图，
图9A-9C、图10A-10C、图11A-11C、图12A-12C、图13A-13C、图14A-14C、图15A-15C、图16A-16C和图17A-17C分别对应于图1至图3的视图，示出了发动机的整个四冲程循环。
具体实施方式
图1至7所示的发动机是同一日期的同样未定的专利申请的主体。发动机使用气体控制的阀门弹簧，其详情下面进行描述。图8表明了一个更传统的使用气体控制的阀门弹簧的发动机。
附图中的图9A-17C示意表明了发动机，以说明运作方法。可以理解的是，实际发动机可以在结构细节方面有很大的不同，可以设想的是，那些业内有经验的人士将领会并理解将发动机的示意图示付诸实际实施所需其他细节。
优选实施例的各附图(图1至7)说明了水平相对的双缸对置结构形式的发动机。发动机10包括从中央曲轴箱13向外径向延伸的气缸11和12。曲轴箱13装有支持气缸11和12中的往复活塞20和21的曲轴25。每个活塞20和21都通过连杆23和连杆大端轴承24与曲轴25连接。各活塞/气缸水平间隔开，如图2所示。每个气缸11和12的端面被支撑火花塞31的气缸盖30封盖。气缸盖30的内部和活塞顶22之间的空间界定了燃烧室35。进气和排气门孔36和37沿气缸11或12的壁与燃烧室35连通，以构成侧置气门结构。每个气门孔支撑具有一气门头51和气门杆53的气门50。气门头51密封由所述孔的口限定的气门座52。各气门由凸轮从动件42驱动，凸轮从动件直接接触由曲轴25通过链条、齿轮或有带齿皮带驱动的凸轮轴40的凸起部41。
对置的各气缸的壳体界定了两端被封闭的中心曲轴箱13。曲轴25安装用来在曲轴箱中围绕主轴承(未表明)轴向旋转。曲轴25包括一个圆形密封凸起部60，带有一弧形切除部分62，它们通过在曲轴箱13顶部处的曲轴箱13进口69打开和关闭空气/燃油进气通道63，并通过曲轴箱13底部处的曲轴箱13出口70打开和关闭通道85。空气燃油混合物从由传统节气门68控制的进气通道63处适当设置的燃油喷射器66、67获取。排气通道85通过凸轮轴室39供气给进气口36。在上述发动机中，进和排气门通过经由凸轮随动件与凸轮轴直接接触受到控制，但由一气体驱动装置(gas drive)关闭，后者由在燃烧冲程期间来自燃烧室35的气压和在起动操作循环期间来自曲轴箱的气压来控制。
发动机以四冲程循环操作，但利用曲轴箱压力增压每个气缸。空气燃油混合物在曲轴箱内被压缩，用于随后经由进气口36从凸轮轴室39传送到每个气缸的燃烧室。侧置进和排气门50控制空气/燃油混合物的进入和燃爆气体的排出。这些气门，不是利用传统的弹簧返回关闭位置，而是利用具有与发动机的RPM成正比的压力的气体驱动装置。
排和进气门的打开是通过作用于凸轮从动件的凸轮轴上的凸起部仔细控制的。而关闭是由气压弹簧实现的，气压弹簧由在燃烧冲程期间来自燃烧室以及在启动程序期间来自曲轴箱的气压加压。
每个气缸的气压气门弹簧包括一个气门压力室80，它可滑动地支撑着与进和排气门50的气门杆53的端部分别连接的复位活塞81和82。如图2所示，各气门杆53以隔开平行阵列的方式进入壳体80，而各复位活塞81、82形成本身被凸轮轴40的凸起部41驱动打开的凸轮从动件42的一部分。每个气门杆53伸出气门压力室80之外，以与通过上述侧置进和排气口36和37与燃烧室35连通的气门头51连接。在一个实施例中，气门压力室80在启动时由经由第一通道88来自曲轴箱13的压力源加压。在起动中，单向控制球阀90受到一线圈弹簧92或片簧阀(未表示)控制。一旦发动机已经起动，该阀保持关闭。
用于气门压力室80的主气压源来自从燃烧室35经由气门压力控制组件114通向气门压力室80的第二通道89。一双向控制球阀91浮置在两个封闭座之间，一侧是燃烧压力，另一侧是气门压力。允许进入气门压力室80的气体容积由一量孔111(jet)来控制。储存罐113提高气门压力容积。这个额外的容积阻尼压力输入脉冲，并供熄火冲程之用。储存罐113从气门压力室80接收气体。进入由片簧阀115单向控制。气门压力室80通过使气体从储存罐113通过双向阀91返回来平衡。储存罐113还可以有一个压力释放阀101，由为发动机的定时和燃油喷射特地设置的电子控制装置(ECU)来控制。在这种情况下，还与储存罐113连接的是将与气压成正比的信号送到ECU的压力感应器105。这样，气门压力室80和储存罐113中的压力可由ECU来控制。
气体气门压力控制组件114还包括一第三润滑通道110，它连通在进气门口和两个气门的气门杆之间，以通过将未燃空气燃油混合物引向气门杆为气门提供冷却和润滑源。复位活塞81和82的横截面积足够大，使得由压力壳体中的气压引起的力迫使复位活塞向凸轮轴40滑动，因此关闭气门。在这种方式下，气门是被气压而不是被金属螺旋弹簧关闭。复位活塞81和82需要一铸铁或TeflorTM的密封。ECU可以保证：压力与关闭力与发动机的RPM成正比，如机械控制系统所作到的那样。虽然气门压力室由较热的废气加压，传送的容积和第二通道的尺寸如此确定使得组件不过热。此外，在一个实施例中，气门压力室由液体冷却套(未表示)环绕。
不言而喻，发动机可以由适当的轻质铝制作，虽然优选实施例说明了双气缸结构，应当认识到，这些气缸可对置成排设置，以便2，4，6，8，10或12气缸结构根据所需动力输出来得到。同样不言而喻的是，发动机可以将传统的水冷却散热器和风扇与传统的液体冷却通道相结合。
利用气压弹簧来控制进和排气门的关闭提供了一个重要的优势，因为气压弹簧的压力与发动机的RPM成比例。因此，压力总是与发动机的需求相适应。这同用于关闭气门的传统螺旋弹簧形成了对比。这些弹簧设计得提供高RPM下必要的力，因此，在较低的发动机转数下，弹簧过于强大，因而吸收了相当量的动力。弹簧还有其他由其质量引起的问题，导致了有损于发动机性能的气门弹跳和其他周期振动。气压弹簧的精巧在于，系统压力实际上由燃烧周期时产生的燃烧压力供应。另外，由于在发动机RPM增加时泄压是压力室所需要的，气压弹簧组件使排气门能够稍后打开，减轻了加速期间向燃烧冲程下死点的燃烧压力。这使得活塞顶获得了较长的推压。当发动机减速时，在节气门关闭的情况下，发动机自然地降低燃烧压力。不能得到压力来提高气门弹簧，但并不需要，并且从气门压力室的压力泄漏可以通过一电控阀门减小，电控阀门结合燃油喷射和点燃系统或其内部自然泄漏由ECU控制。
然而，使用气压关闭发动机气门存在着一个问题。在起动时，没有气体关闭气门，这将意味着不可能给气缸加压。起动循环在图9A、B和C中做了说明。
气门是未弹簧式安装的这一事实意味着，只需很少的动力来旋转曲轴并使发动机运转，这样，就减小了对起动机的要求。
在由起动机驱动的最初几转以启动发动机之后，吸入的空气燃油混合物在曲轴箱中受到压缩，并通过非弹簧式安装进气门传送到凸轮轴进口腔和各燃烧室中。曲轴箱压力也通过气门压力控制组件114中的单向阀门90经由一通道传送到各气门压力室。此时，除了排气口以外的所有发动机各腔中的压力都已被均衡。进和排气门现在有了有效的气门定时。气门压力室80中的压力将使排气门复位，因为只有环境压力存在于气门头下方，进气门将复位，因为面向进气口的进气门头的面积小于复位活塞表面面积。
在获得气门控制、可燃烧混合物被压缩以及点火已经发生之后，活塞沿气缸驱动，燃烧压力首次通过双向阀门91(片簧或球阀)经由通道被供应到各气门室。这将气门压力室中的压力提高到能够进行气门控制以进行正常运转的水平，关闭的各单向阀门90阻止曲轴箱压力的泄露。在此阶段，发动机呈现正常的运转循环。
关闭气门以便起动的另一个选择是将一小的起动气泵偶联于起动机，它向气门室提供空气压力以关闭气门并允许发动机起动。
图8说明了一个典型的直列式四或六气缸发动机200，备有顶置双凸轮轴240，驱动每个气缸的进气门241和排气门242。每个气缸280包括一个由曲轴222通过连杆223驱动的活塞221。气门头251、252属于常规设计，座靠于气缸盖225上的气门座253、254。各气门241、242有气门杆265、266，在气门导引件267、268中轴向滑动。每个气门杆的与气门头相对的端部装接于一气门活塞244，它设置得滑动配装在气门压力室236中形成的气圆柱孔243中。气门活塞244有一个头部217，由凸轮轴240的凸起部248接合，以向下驱动气门活塞并打开气门241、242。气门压力室236由废气加压，废气通过位于气缸壁280中的排放通道275从燃烧室235取得。
如图8所示，气门压力室236有一个横向通路(feed)281，由气缸壁上的排放通道275供气。横向通路281位于气缸盖的一侧，而在对置一例有一个来自压力室236的出口供给通道282，它反过来向储存罐213供气，储存罐包括一个单向阀门215，一个压力感应器201和一个压力排放阀205。压力储存罐213有一个输出管216，与横向通路281连接。在此方式下，形成了一个向气门压力室236持续加压的封闭环路。关闭阀门的气压力从而直接取决于发动机的RPM，气压在运转和起动时以与结合第一实施例所描述的同样的方式进行控制。

Claims (11)

1、一种内燃机，包括至少一个位于气缸中的旋转、摆动或往复活塞，每个活塞与气缸限定一燃烧室，每个燃烧室具有至少一个进气门和一个排气门，以及周期性地打开进和排气门的装置，其特征在于：所述各气门由一气压弹簧关闭，所述气压弹簧由取自各燃烧室的气压源加压并受监控，使得所述关闭力与所述发动机的RPM成正比。
2、如权利要求1所述的内燃机，其中，所述发动机包括多个在由曲轴箱连接的各气缸中往复运动的活塞。
3、如权利要求1所述的内燃机，其中，在起动时，所述气压弹簧由取自曲轴箱或来自装接于起动机或同起动机协同操作的起动泵的压力源加压。
4、如权利要求1所述的内燃机，其中，周期性地打开进和排气门的装置包括一个凸轮轴。
5、如权利要求4所述的内燃机，其中，气压弹簧包括一个适于接合各气门的气门复位活塞，所述气门复位活塞在一气门压力室中可轴向移动，气门复位活塞的一侧承受取自燃烧室的气体的压力以迫使气门关闭。
6、如权利要求5所述的内燃机，其中，所述气门复位活塞的相对侧由所述凸轮轴驱动以打开气门。
7、如权利要求6所述的内燃机，其中，每个气缸都有一个气门压力室，装有分别驱动进和排气门的气门复位活塞。
8、如权利要求7所述的内燃机，其中，所述各气门压力室与一储存箱流体连通，所述连通由阀门控制。
9、如权利要求1所述的内燃机，其中，一对活塞在由一曲轴箱连接的各气缸中往复运动，每个活塞由装在曲轴箱中的一曲轴驱动，曲轴箱包括一个用于使空气燃油混合物进入的进气口和用于传送压缩的空气燃油混合物的出气口，进和排气门位于与燃烧室连通的进气门和排气门室之中，进气门室经由所述出气口与曲轴箱连通，从而发动机适于以四冲程循环操作，所述活塞的下侧压缩曲轴箱中的空气燃油混合物，并导致压缩的空气燃油混合物经由所述出气口和进气门室传送到燃烧室。
10、如权利要求9所述的内燃机，其中，曲轴包括一个在曲轴旋转时打开和关闭所述进气口和排气口的回转阀。
11、如权利要求10所述的内燃机，其中，一凸轮轴设置用来在一经由所述出气口与各气缸的所述进气门室和所述曲轴箱流体连通的凸轮轴室中旋转。
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