CN1918366A - 内燃发动机和发动机头部 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内燃发动机(1)，该发动机包括至少一个发动机机体(2)和至少一个连接于机体(2)的发动机头部(3)。机体(2)包括至少一个设有接纳一曲轴的第一腔体(5)的第一端部(4)、至少一个连接于头部(3)的第二端部(6)以及至少一个第一通道(7)，第一通道(7)具有设在第一腔体(5)里的一第一端(7’)以及设在第二端部(6)里的一第二端(7”)。头部(3)包括至少一个第一端部(11)、与第一端部相反的一第二端部(12)以及至少一个用于安装各机械组件的第二腔体(9)。头部(3)和机体(2)通过头部3的第一端部(11)和机体(2)的第二端部(6)之间的相配而连接起来，头部(3)附加地具有至少一个第二通道(10)，第二通道(10)具有设在第一端部(11)的一第一端(10’)以及一第二端(10”)，第二通道(10)的第一端(10’)可与机体(2)的第一通道(7)的第二端(7”)相配，第二通道(10)的第二端(10”)不与第二腔体(9)相通。

Description

内燃发动机和发动机头部
本发明涉及一种内燃发动机，尤其涉及一种具有往复运动活塞的、包括一创新的正压曲轴箱通气系统的四冲程发动机，这种正压通气系统能够降低发动机的润滑油消耗以及降低发动机排出气体的毒性，并且本发明还涉及用于四冲程发动机的一发动机头部。
现有技术的说明
具有往复运动活塞的四冲程(进气、压缩、爆发和排气)内燃发动机需要一个内压释放系统来使其工作最佳化。
众所周知，按照奥托循环或狄塞尔循环工作的四冲程发动机具有一个设置在其底部一端的润滑油池，它是盛装发动机润滑油的容器。润滑油被用油泵或者在许多古老而简单的发动机上是用安装在曲轴上的送油盘输送到发动机的各个零件。润滑油在润滑了发动机的各个零组件之后依靠重力流回曲轴箱下部的润滑油池。
某些发动机上采用一种不是很普遍的作法，其中润滑油池不是被构造成集油的容器。在这种情况中，仅有一个发动机下盖以及设置一个用软管连接的外部容器将润滑油存在其中，并且用一个润滑油泵使润滑油从这个外部存油容器流到发动机的各个需要润滑的组件而后回到这个容器里。以这种方式构造的发动机被称为干油池发动机。
但是，不管采用那种作法，发动机的紧靠润滑油池的下部区域(称为曲轴箱区域)里总是具有一内部压力，这个压力是由发动机活塞的往复运动和进入气缸的油气混合物通过密封环漏泄到发动机的下部区域里的一部分引起的。发动机的磨损量越大(相应地，活塞/活塞环/气缸套之间的间隙增大)，这种情况就会变得更加严重。曲轴箱的这一区域里存在正压的最重要的缺点是容易引起通过安装在发动机的那个区域的垫片和密封件的漏泄，例如通过润滑油池垫片、曲轴密封件等等的漏泄。除此之外，还可能造成润滑油被燃油稀释的情况。所以，发动机的内部正压的明显增大会引起润滑油的漏泄。这种漏泄的后果是使发动机润滑油的液位降低并且污染环境。
在极端情况下，发动机曲轴箱区域里的内压增高可能导致发动机产生的功率下降，这是因为活塞在朝向曲轴箱方向作直线运动时会受到该内压施加的阻力。
为了防止曲轴箱内压的这种增高，四冲程发动机可设置一个正压通气系统和可使发动机曲轴箱的内压与外界均衡或略微变成负压的压力释放阀门。
在1970年左右之前生产的发动机中，正压通气系统基本上是由一个使曲轴箱与外界相通的管子构成，这样可使引起超压的气体从管子逸出。这些气体基本上包含燃烧了的或未燃烧的油气混合物和被挟带在气体中的润滑油滴，这些气体会造成严重的环境污染。
由于各个国家都针对车辆的污染制订了环境保护法，现在必须把这些气体引入发动机的燃烧室中以被烧掉。
由于由把曲轴箱里的气体直接排放到大气中去引起的污染问题已经解决，这种污染现已不再发生，但是，使来自曲轴箱的挟带具有润滑油颗粒的气体在燃烧室里燃烧也有缺点，这就是润滑油液位将会降低。该缺点仍未解决，并且会使车辆排气中的各种污染物的量增大。
为了降低来自曲轴箱的气体所挟带的润滑油量，US Patent 4,501,234提出了一种解决办法，该办法揭示了一种用于使来自内燃发动机的曲轴箱内的气体从其中通过的系统，其中发动机机体具有几个起始于它的润滑油池所在的下部的导管，并且这些导管与设置在发动机头部的上部的一个腔室连通，各导管中的至少一个连接于一个润滑油分离室。
在发动机工作的某些决定性工况中，特别是在低转速工作时，由发动机在这些状态下的吸气引起的高真空可抽吸曲轴箱的气体，并且可由润滑油分离室来除去气体中的润滑油滴，然后由发动机把润滑油滴烧掉。另一方面，在高速工作时，来自曲轴箱的气体不是进入润滑油分离室而是可流过位于机体里的导管，一直流到发动机头部的上部并被引入发动机的进气总管。按照那一专利，由于润滑油在润滑了发动机头部的各组件之后返回曲轴箱时不是同样地利用气体流过的两个导管，可降低润滑油的消耗量。
但是，气体达到发动机头部的上部时会遇到在润滑其中的机械组件(阀门和/或阀杆和/或凸轮轴等等)的润滑油。这时，这些气体会挟带走各机械组件上的润滑油颗粒，这些润滑油颗粒将被无用地烧掉。
由于US Patent4,501,234是在1983.11.08提交的，人们可以认为：对于那时的技术状态，被来自曲轴箱的气体挟带到发动机燃烧室的润滑油的量是可以接受的。但是，随着环境保护法律变得越来越严格，必须开发更有效的系统。
US Patent 5,542,402揭示了可降低润滑油消耗的另一个解决办法。按照那一办法开发了一个曲轴箱正压通气系统，该系统设置了一个离心式润滑油分离机，该分离机借助传动皮带与曲轴相联。在离心分离机运转时，它可从气体中分离出润滑油，随后，把被分离的气体引入发动机的进气总管并使之随油气混合物一起燃烧。把分离出来的润滑油引回曲轴箱。
尽管能够降低在发动机里燃烧的润滑油的量，但是这种装置还是具有许多缺点，即：
●由于这是运动的机械件，其结构复杂，制造成本高；
●随着使用时间的增加，轴承会出现磨损，所以有可能发生故障；
●需要传动组件(例如皮带、链条、齿轮等等)；
●需要相当大的安装空间，在新的车辆设计中空间是很苛刻的，其中用于机械组件的空间要用于安装用皮带联接于曲轴的其它辅助系统，诸如空调压缩机、压缩空气发电机、液压方向盘系统的泵、容积式压缩机、风机等等，所以空间变得越来越不够用；
●车辆上安装了这种装置时，其工作要消耗车辆发动机的功率，使车辆的性能下降和油耗增加，从车辆的承重来考虑，在装有小尺寸发动机的车辆上这尤其是不希望的。
此外，迄今还提出了一些其它不大贴切的解决办法，但是由于受诸如发动机的工作状态、所用的润滑油的量和种类、环境温度等等无数变量的影响，来自曲轴箱的气体所挟带的润滑油颗粒的尺寸变化非常之大，那些办法都没能发挥作用。那些办法包括采用波浪形分离板、纤维过滤器、静电放电等等。
最后，应该注意到：就采用更先进的技术的更现代的各种发动机而言，如果来自曲轴箱的气体中挟带有润滑油颗粒，其还会造成其它缺点，即：
●如果这些发动机的空气进入管路(air-inlet circuit)的容积式压缩机或压缩管(如果具有的话)和其他组件例如进入空气换热器(也称为中间冷却器)里存在有润滑油，将导致效率下降，在极端情况下甚至可导致这些组件的机械故障；
●由于润滑油的不完全燃烧，发动机的污染物，即主要是一氧化碳(CO)、各种氮氧化物(NOx)和颗粒物的排放量会增加；
●会使车辆的排气系统中的排气净化触媒的使用寿命降低，使净化触媒失去对由发动机排出的各种燃烧产物之间的化学反应起催化作用的能力，而设置净化触媒是为了降低燃烧产物的有害性；
●与上一项相关，短时间使用的车辆可能出现气体排放物中的各种成份高于法律允许的量的情况，为了避免在检查过程中受罚和限制车辆的使用，更换净化触媒的事将变得很紧迫，而车辆排气检查在许多国家是一个例行的过程。由于更换排气净化触媒的费用很高，这是一个很大的缺点。
迄今，还没有任何四冲程发动机研制成并设有这样的曲轴箱正压通气系统，该系统能够大大降低来自曲轴箱的气体所挟带的润滑油量并且没有诸如费用高和受到其它限制而难以应用于发动机的许多缺点。
本发明的目的
本发明的一个目的是提供一种内燃发动机，尤其是具有至少一个往复运动的活塞的四冲程发动机，它设有一个曲轴箱正压通气系统，由于这个系统包括多个用于使来自曲轴箱的气体流动的通道，而且在这些通道里气体不会遇到润滑油，所以这种系统能够使来自曲轴箱的气体挟带的润滑油颗粒大大减少。以这种方式，这些气体在随油气混合物一起被发动机吸入时只挟带非常少量的润滑油。
本发明的另一个目的是提供一种发动机头部，尤其是用于四冲程内燃发动机的头部，它包括多个用于使来自曲轴箱的气体流动的通道，在这些通道里气体不会遇到发动机润滑油。
本发明的简要说明
本发明的这些目的将用一种包括至少一个发动机机体(engine block)和至少一个连接于机体的发动机头部来达到。
机体包括至少一个设有用于接纳一曲轴的一第一腔体的第一端部、至少一个连接于头部的第二端部以及至少一个第一通道，该第一通道具有设在第一腔体里的一第一端以及设在第二端部里的一第二端；
发动机头部包括至少一个第一端部、与第一端部相反的一第二端部以及至少一个用于安装各机械组件的第二腔体；
发动机头部和机体通过头部的第一端部和机体的第二端部之间的相配而连接起来；
发动机头部附加地具有至少一个第二通道，该第二通道具有设在头部的第一端部里的一第一端以及一第二端，该第二通道的第一端可与机体的第一通道的第二端相配，第二通道的第二端不与第二腔体相通。
而且，本发明的这些目的将用一种配用于一种内燃发动机的机体的发动机头部来实现，这种发动机头部包括至少一个第一端部、一与第一端部相反的第二端部以及至少一个用于安装各机械组件的第二腔体，发动机头部附加地具有至少一个第二通道，该第二通道具有设在头部的第一端部里的一第一端以及不与第二腔体连通的一第二端。
本发明具有下列优点：
●可避免需要例如US Patent 5,542,402所揭示的那种复杂、昂贵且不可靠的润滑油分离系统；
●能够大大地降低润滑油的消耗量；
●能够降低浸渗在进气总管、压缩机和中间冷却器(如果具有)里的润滑油量；
●能够减少各种污染物，主要是由润滑油的不完全燃烧产生的一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)和颗粒物的排放；
●能够延长放置在车辆的排气系统里的净化触媒的使用寿命。
附图的简要说明
下面参照各附图中表示的实施例更详细地说明本发明。
图1是本发明的内燃发动机的机体和头部的示意剖视图；
图2是是本发明的内燃发动机的阀门盖板的示意剖视图；
图3是本发明的内燃发动机的头部的剖视图；以及
图4是本发明的内燃发动机的机体的剖视图
附图的详细说明
按照一个较佳实施例，并且如图1所示，本发明涉及一种内燃发动机，尤其是四冲程发动机。
现在设计的四冲程发动机1具有包括至少一个气缸8的发动机机体2和至少一个连接于机体2的头部3。
通常，一台发动机只有一个机体2，但是有些发动机具有两个或多个连接起来的机体2，不过，这样的发动机绝对是罕见的。
至于气缸数目，一台发动机可以具有1到16个以上的气缸，具有1到8个气缸的发动机是最常见的。
一般地说，至少就用于车辆而言，内燃发动机的构造可能具有布置成一列或V形的8个气缸，当然还有其它应用较少的方案。
发动机机体2包括至少一个第一端部4，其设有用于接纳曲轴的第一腔体(称为曲轴箱)5和至少一个连接于发动机头部3的端部6。
关于头部3，通常，具有布置成一列的几个气缸8的发动机具有一单个连接于机体2的头部3，而具有布置成V形的几个气缸8的发动机的每一列气缸具有一个头部3，但是很明显，这一规则可以改变，因为有些发动机的每个气缸各有一个头部2，而且与气缸数目和它们的布置无关。同样，制造每两个气缸具有一个头部2的发动机或者做出其它必要的或希望的方案，在技术上也是可能的和可行的。
头部3包括至少一个连接于机体2的第二端部6的第一端部11、一个与第一端部11相反的第二端部12以及至少一个通常是位于第二端部区域的第二腔体9。第二腔体9设置成允许各个机械组件例如阀门和/或阀杆和阀门弹簧和/或凸轮轴和/或摇臂等等(都没有表示出来)的安装和工作。
首先，应该注意到：现在设计的内燃发动机1可以具有任何所需要的结构配置，只要它能工作。
此外，四冲程发动机1具有一个位于机体2的第一端部4的润滑油池(未示)，其被构造成能够盛装发动机润滑油的容器。润滑油应该用泵来泵送，使之达到发动机1的全部运动件并起润滑作用，以使各运动件不会因摩擦力增大和随之产生的热而发生过度磨损，也就是说，把各运动组件之间的摩擦保持在很低的数值。
为此目的，应该由油泵或者在较老和较简单的发动机上由安装在曲轴上的送油盘使润滑油达到发动机的各个运动件，在润滑了发动机的各个运动件之后，润滑油依靠重力通过回油集油通道(未示)回到曲轴箱。
在某些发动机上具有一种不是很普遍的方案，其中润滑油池被构造成一个集油容器。在这种情况中，只有一个发动机下盖，还设置一个用软管连接于发动机的外部容器，其中装有润滑油，并且是用一个油泵把润滑油从外部容器送到发动机和从发动机抽回到外部容器。这样构造的发动机被称为干油池发动机，在现有的内燃发动机中属少数。
为把燃油所含有的化学能转变成机械能，内燃发动机1包括在每个气缸8里运动的活塞(未示)，活塞铰接于连杆(未示)，而连杆又铰接于曲轴(也未示)。
如其名称所示，四冲程发动机的工作是基于其四个工作冲程，即：
●进气冲程，在这一冲程中，由于活塞的运动使气缸里出现真空度，油气混合物通过当时开着的进气阀进入燃烧室(由气缸8的上部、发动机头部3和活塞顶面限定的空间)；
●压缩冲程，在这一冲程中，油气混合物被活塞压缩；
●爆发冲程，在这一冲程中，由一个或多个火花塞发出的火花点燃油气混合物，发生激烈的爆炸，爆炸生成物使活塞快速运动；
●排气冲程，在这一冲程中，活塞的运动迫使气态的爆炸生成物通过当时开着的排气阀流出。
重要的是应该注意到：爆发冲程是唯一的产生可使发动机工作的能量的冲程。此外，活塞—活塞杆—曲轴组件还由于惯性而运动。进气阀和排气阀(未示)由至少一个与曲轴同步运动的凸轮轴驱动(未示)。
还应清楚：以上解释是指按照奥托循环工作的四冲程发动机，而在按照狄塞尔循环工作的发动机中有某些微小的差别，这些差别表现在这种工作循环的特性，即：
●在进气阶段，只有大气空气进入气缸；
●在压缩阶段，空气被在燃烧室内以极高的压缩比(通常大于15∶1)压缩并达到很高的温度，这时柴油被喷入气缸，而柴油一接触高热的空气就立即着火(构成爆发冲程)并推动活塞。
不管内燃发动机的型式如何，其活塞具有至少两个活塞环，它们的作用是实现活塞的侧壁和气缸壁之间的密封以及刮掉气缸壁上可能有的润滑油。
在压缩油气混合物(就奥托循环发动机而言)或大气空气(就狄塞尔循环发动机而言)的阶段中，这些气体中的某些，尽管可能非常少，会穿过活塞环建立的密封屏障而进入第一腔体5。随着发动机的连续工作，气体在第一腔体5里的累积会使这一区域里的正压升高(由活塞的往复运动引起)，这可能带来前面已经提到的那些缺点，诸如气体通过设置在发动机的那一区域的垫片和密封件(例如润滑油池垫片和曲轴密封件)的漏泄，此外还会造成润滑油被燃油稀释。
当发动机已经承受了磨损以至活塞/活塞环/气缸之间的间隙增大时，这种漏泄情况会变得更加严重。
为了克服这些缺点，这种四冲程内燃发动机设置了一个正压通气系统，该系统可使第一腔体5里的压力变成略微负压或等于大气压力，这在本说明书中给出的现有技术概况中已经详述了。
本发明的内燃发动机1的创新之处就在于第一腔体5的正压通气系统，它众所周知为曲轴箱正压通气系统，这一系统没有现在现有系统的那些缺点，而且还能带来许多优点，这将在下文说明。
为此目的，发动机机体2设置有至少一个第一通道7，第一通道7的第一端7’在第一腔体5里，而其第二端7”在第二端6里。
第一通道7没有能限制气体从第一端7’通向第二端7”的任何零件。
很明显，机体2可以具有不只一个第一通道7，通道的数目可由发动机制造厂家来选择。并且，第一通道7的尺度可以是任意的，只要能起作用就行。
头部3另外包括至少一个第二通道10，其第一端10’在其端部11里，而其第二端10”较佳地设在第二端部12里。
或者，第二通道10的第二端10”可设在头部3的其它部位，例如在其侧壁上或其它地方。
但是，不管第二端10”定位在什么地方，都不要使它与第二腔体9连通，就是说，它不要终止于第二腔体9所在的区域，其原因下文将说明。
在装配本发明的发动机1时，通过使头部3的第一端部11和机体2的第二端部6相配把头部3和机体2连接起来。此外，必须把头部3的第二通道10的第一端10’与机体2的第一通道7的第二端7”互相对准，使它们互相配接/连通。
所以，头部3的第二通道10的数目应该等于机体2的第一通道7的数目，通道的尺寸应保证其能起作用。
较佳的是，内燃发动机1具有作为头部3的第一端部11和机体2的第二端部6之间的一接触界面的一头部垫片(未示)。很明显，该头部垫片上具有使第一和第二通道7和10之间连通的诸开孔。
最后，发动机1包括用于控制曲轴箱内部压力的一阀门13，它连接于头部3的第二通道10的第二端10”。
在本发明的第一较佳实施例中，头部3的第二通道10的第二端10”直接连接于阀门13，而在图1到4中表示的第二较佳实施例中，发动机1的头部3包括至少一阀门盖板14，该盖板14包括一内部管路(未示)，这个内部管路的第一端连接于第二通道10的第二端10”，而其第二端连接于阀门13。
用于控制曲轴箱内部压力的阀门13也连接于发动机的进气总管(一个空间，发动机从这个空间吸入油气混合物或大气空气)。
本发明的功用
不管本发明的发动机1的配置是怎样的，由于油气混合物或被压缩的大气空气的漏泄(取决于发动机是以奥托循环还是以狄塞尔循环工作)以及由于发动机活塞的往复运动，发动机的工作总是要使第一腔体5里的内部压力增高。随着那一区域里的内部压力增高，其中的气体首先通过第一通道7(如图1中的黑体箭头所示)并随后通过第二通道10(如图1中的白色箭头所示)直至到达第二通道10的第二端10”。然后，气体遇到直接连接于第二通道10的第二端10”的曲轴箱内压控制阀门13，或者，气体在通过阀门盖板14的内部管路之后遇到阀门13。
接下去，可能发生两种情况，即：
●如果气体作用在阀门13上的压力不是很高(根据设计参数，而设计参数可能需要随发动机1的配置改变)，阀门13就不打开，气体继续占据第一腔体5里的整个空间、第一通道7和第二通道10以及阀门盖板14里的管路(如果有的话)；
●如果气体作用于阀门13的压力高于设定的允许值，阀门13将打开，于是气体将进入进气总管；以及，可把这些气体引导到或超过通常都有的并且连接于车辆的加速踏板(用于控制发动机1的加速/转速)的节流板。
本发明的发动机1的重大创新在于第一通道7和第二通道10两者都不与发动机的被润滑的机械的运动件相通，所以气体在任何时候都不会遇到正在润滑发动机或正在流回曲轴箱的润滑油，这可以大大地降低气体挟带的润滑油滴的量。以这种方式，几乎没有润滑油在燃烧室里燃烧，这可带来许多工作上的优点。
对比之下，现有的正压通气系统会使来自曲轴箱的气体有时通过发动机的存在有润滑油的空间(一般是在头部3的第二腔体9里)，以至气体会带走大量的润滑油滴，其结果，润滑油滴被在燃烧室里烧掉。
本发明的内燃发动机1具有下列优点：
●可避免需要例如US Patent5,542,402所揭示的那种复杂、昂贵且不可靠的润滑油分离系统；
●能够大大地降低润滑油的消耗量；
●能够降低浸渗在进气总管、压缩机和中间冷却器(如果有)里的润滑油量；
●能够减少各种污染物，主要是由润滑油的不完全燃烧产生的一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)和颗粒物的排放；
●能够延长放置在车辆的排气系统里的净化触媒的使用寿命。
应该注意到：按照发动机头部3的上述结构，该发动机头部3也是一个发明。这是因为它附加地具有至少一个第二通道10，该通道具有设在头部3的第一端部11里的第一端10’以及第二端10”，该通道不与第二腔体9相通。
尽管已经说明了一个较佳实施例，但是应该理解，本发明的范围可以涵盖其它可能的变化方案，本发明的范围只由后附权利要求的内容限定，而权利要求包括可能的等同方案。

Claims (8)

1.一种内燃发动机(1)，它包括至少一个发动机机体(2)和至少一个连接于所述机体(2)的发动机头部(3)；
所述机体(2)包括至少一个设有用于接纳一曲轴的一第一腔体(5)的第一端部(4)、至少一个连接于所述头部(3)的第二端部(6)以及至少一个第一通道(7)，所述第一通道(7)的第一端(7’)设在所述第一腔体(5)里以及其第二端(7”)设在所述第二端部(6)里；
所述头部(3)包括至少一个第一端部(11)、与所述第一端部相反的一第二端部(12)以及至少一个用于安装各机械组件的第二腔体(9)；
所述头部(3)和所述机体(2)通过所述头部(3)的所述第一端部(11)和所述机体(2)的所述第二端部(6)的相配而连接起来；
所述发动机(1)的特征在于：所述头部(3)附加地具有至少一个第二通道(10)，所述第二通道(10)具有设在所述第一端部(11)里的一第一端(10’)以及一第二端(10”)，所述第二通道(10)的所述第一端(10’)可与所述机体(2)的所述第一通道(7)的所述第二端(7”)相配，所述第二通道(10)的所述第二端(10”)不与所述第二腔体(9)相通。
2.如权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述第二通道(10)的所述第二端(10”)连接于一用于控制曲轴箱内部压力的阀门(13)。
3.如权利要求1所述的发动机，其特征在于，它还包括至少一个设有内部管路的阀门盖板(14)，所述第二通道(10)的所述第二端(10”)连接于所述内部管路。
4.如权利要求3所述的发动机，其特征在于，所述曲轴箱内部压力控制阀门(13)连接于所述阀门盖板(14)的所述内部管路。
5.一种配用于一种内燃发动机(1)的一机体(2)的发动机头部(3)，它包括至少一个第一端部(11)、与所述第一端部相反的一第二端部(12)以及至少一个用于安装各机械组件的第二腔体(9)，所述发动机头部(3)的特征在于：它附加地具有至少一个第二通道(10)，所述第二通道(10)具有设在所述头部(3)的所述第一端部(11)里的一第一端(10’)以及不与所述第二腔体(9)连通的一第二端(10”)。
6.如权利要求5所述的发动机头部，其特征在于，所述第二通道(10)的所述第二端(10”)连接于一曲轴箱内部压力控制阀门(13)。
7.如权利要求5所述的发动机头部，其特征在于，它附加地包括至少一个设有一内部管路的阀门盖板(14)，所述第二通道(10)的所述第二端(10”)可连接于所述阀门盖板(14)的所述内部管路。
8.如权利要求7所述的发动机头部，其特征在于，所述曲轴箱内部压力控制阀门(13)连接于所述阀门盖板(14)的所述内部管路。
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