CN86101292A - 四冲程内燃机 - Google Patents

Abstract

内燃发动机的气缸有非圆形的截面，该截面弧线由法向向外以固定距离离开一个闭合弧线的弧线形成。闭合弧线是一个没有突变曲率的弧线，在两条互相垂直的轴线两侧对称。有若干气门装置，有四个进气孔和四个排气孔。孔口的特点包括较小的孔靠近气缸的端部，气门杆和相关的凸轮轴正对，并相对于气缸的长轴线放置。

Description

本发明的领域是有非圆形截面气缸的四冲程内燃机。

用非圆形截面气缸的发动机已有发展。这种发动机有扁圆形的截面，可以比圆形截面气缸的发动机，有更大的进气孔和排气孔面积。对这种发动机的气门安排已经有设计，以提高进气效率。在颁发给shiochiro    lrimajiri的美国专利（No4，256，068），发明名称为“内燃机扁圆形活塞及气缸”的专利中，已对这种发动机有所表述。

这种已有的，气缸截面为非圆形的四冲程内燃机，其气缸是根据图1，2及3中所示的形状设计的。图1中的气缸H，有两个半圆形截面，中间用两根直线段连接。半圆形截面的半径为r，在p₁点之间有一直线段相连。图2表示气缸H的另一实施方案，有短半径r₁的圆弧段S₁和长半径r₂的圆弧段S₂。线段S₁和S₂在P₂点处连接。图1及2中所示的发动机气缸，由明显不同的弧线线段构成，要求有曲率的突变点，如图中点P₁和P₂所表示。有了这种突变点，用于加工这种气缸表面的刀具，不能平滑地从这些点上通过。结果便不能达到高精度，加工气缸要求过多的工时，刀具也提早磨损。虽然按图1及图2中的气缸设计的发动机能提高燃气流动的效率，可以使用小量生产技术，但大批生产则困难。

过去考虑非圆形截面气缸时的另一种气缸H，如图3所示。圆3为一个正椭圆形。这种形状比较易于采用大批生产技术。由于没有曲率突变点，因此可达到高精确度，减少加工工时，延长刀具的使用寿命。但是，这种椭圆形造成气缸两端的面积D，比气缸的中部窄很多。由于这个面积不够放置气门，因而成为死区。此外，由于气缸端部的弧线形状，与这气缸形状相配的活塞的活塞环制造困难，且不易于在这个区域中装配。

有非圆形截面的这种气缸所使用的活塞环已有设计。这种类型的活塞环中的一种是“膨胀型”，由一个安装在活塞和活塞环之间的装置，把活塞环压在气缸的内表面上。在颁发给shoichiro    Irmajiri的美国专利第4，362，135号中描述了这种装置中的一种。该专利的发明名称为“内燃机活塞环”。另一种用于这种气缸中的活塞环类型属自伸张型，由于活塞环本身的抗拉伸强度，放松时比把它压入的气缸大，所以可以紧靠在气缸的内壁上。这种自伸张型活塞环趋向于被广泛采用，因为在良好密封和降低成本方面，有较多的优点。

如上所述，这种安装在与非圆形气缸形状相符的活塞上的活塞环，附带有制造和安装上的某些问题。在图1及图2中所示的每一种气缸的截面形状，也要求活塞环在P₁点和P₂点有曲率的突变，于是在使用时就会造成应力集中。在制造这种弧线时，困难也可能很多，采用直线线段时，在松弛状态时最好向里弯曲，在放进气缸内时可以克服弯曲负荷。制造这种复杂的弯弧时保持精度会是很困难的。

因此，在制造和组装如图1及图2所示的，有非圆形气缸的发动机另件是困难的。图3中所示的结构形状，可以克服在制造图1及图2中的结构形状方面所遇到的的某些问题。但是，把活塞环向活塞上组装是困难的，并且在椭圆形气缸的狭窄端部中可能产生死区。

本发明针对有非圆形截面气缸的发动机。根据本发明，气缸和形状与之配合的活塞及活塞环的形状，有一个弧线连续的对称椭圆截面。在本发明的第一个方面，气缸的弧线是这样产生的，即该弧线与一个闭合弧有预定的恒定法向上向外的距离。闭合弧线有连续的曲率，有两个在气缸截面的一条轴线上互相分开的点，和两个在两个点之间的弧线段，从轴线向外弯曲。因此闭合弧线可以是没有曲率突变的椭圆形。

上述的安排可以消除形成气缸截面的弧线的曲率突变。通过这种曲率可以提高生产率，降低另件上的应力，加宽气缸截面的狭窄端，以容纳气门消除死区。

在本发明的另一个方面中，气门可以在气缸椭圆的短轴两侧对称设置。在气门的安排方面，可以在气缸的狭窄部份中设置较小的气门和气门孔，在短轴的附近设置较大的气门和门孔。这些气门的中心也可以随与气缸椭圆短轴距离的变化而变化，这种气门可以倾斜，使所有的进气气门指向第一凸轮轴中线，全部排气气门指向第二凸轮轴的中线。

因此，本发明的目的是提出一种非圆形气缸的改进结构形状。本发明的另一个目的，是提出一种与这种非圆形气缸关连的有利的气口安排方法。关于其它的和进一步的目的和优点，下文中将有叙述。

图1是先有技术中的非圆形气缸结构形状的示意图。

图2是第二种先有技术中的非圆形气缸结构的形状示意图。

图3是第三种先有技术中的非圆形气缸形结构形状的示意图。

图4是本发明的第一实施方案的俯视示意图，示出一种非圆形截面的气缸。

图5是沿图4中Ⅴ-Ⅴ线的截面剖视图。

图6是沿图4中Ⅵ-Ⅵ线的截面剖视图。

图7是本发明第二实施方案的俯视示意图。

图8是沿图7中Ⅷ-Ⅷ线的截面剖视图。

图9沿图7中Ⅸ-Ⅸ线的截面剖视图。

图10是本发明的另一个实施方案的俯视示意图。

图11是沿图10中Ⅺ-Ⅺ线的截面剖视图。

图12是一个可以在图4，7及10中的实施方案中使用活塞环的俯视图，实线圆形活塞环被压缩的状态，虚线圆形表示相关状态。

图13表示本发明所提出的气缸的构造，以及相应的曲率半径与沿气缸长轴线的轴向位置的关系曲线图。

图14表示非圆形截面气缸的另一个实施方案，以小相应的曲率半径与气缸长轴线上的轴向位置的关系曲线形状。

图15为一曲线图，表示标注的轴线的相互关系。

图16为一曲线图，表示标注的轴线的相互关系。

现转向说明本发明第一实施方案的图4，5及6的细节。图中的发动机包括一个气缸盖1和气缸体2。气缸体2中有一个气缸3。图4所示的气缸3有一个弧线连续的对称椭圆形截面，其对称长轴沿线L₁伸展，对称短轴沿线L₂伸展。气缸盖把气缸的一端关闭，并固定在气缸体2上。气缸盖1有一块顶板4，形成燃烧室的一部份。有两条进气通道5，把吸入的混合气向燃烧室引导，而排气通道6，在燃烧室的另一侧，把废气从燃烧室中引出。图中每一条进气通道5和每一条排气通道6有支管伸向分别的的孔口。大进气口7设放在长对称轴L₁的一侧，靠近短对称轴L₂。小进气孔8的位置，比大吸气孔7离短对称轴L₂较K远，而离长对称轴L₁则较近。排气孔9和10的安排也与此相似。排气孔9比排气孔10大，离短对称轴L₂较近。而离长对称轴L₁则较远。两个火花塞孔11，在图中沿长对称轴L₁有互相间隔距离。

图中活塞12，形状和气缸3的弧线连续的对称截面形状一致。活塞环和刮油环在活塞12和周围的气缸壁3之间，形成密封。活塞被约束在气缸3中作往复运动，活塞由活塞销14固定在双连杆15上。

从化油器16通过进气通道5进入的气流，由进气气门17及18在进气口7及8处控制。在这第一实施方案中，进气气门17及18互相倾斜，以求更加符合气缸盖1的弧形顶板结构4。与此相似，排气气门19及20控制排气孔9及10，分别把废气通过排气通道6，排入图中未示的排气系统。

孔口7至10的安排使气缸的结构形状可以作有利的利用。小孔口8及10可以放得互相靠近，因此，比较靠近气缸截面的狭窄端部。把它们放在较近气缸截面长对称轴L的地方，还可以使它们处在比较接近端部的地方。在某些条件下只用中央孔7和9较为有利。已经有人设计了在某些运转条件下使气门失效的机构。火花塞11的位置有助于在点火时缩短火焰路程的长度，并防止对气门及气门孔区的干扰。

上述安排说明了一种非圆形的气缸，在气缸长对称轴的一侧，有四个吸气气门，在长对称轴的另一侧，有四个排气气门。气门的安排在短对称轴两侧对称。然而，在需要时可以用不同数目的气门，和其他的安排方式。例如，在短对称轴上增加一个进气气门，以改善进气。在其他的结构形式中，还可以把第三个火花塞放在截面的中心。

本发明的第二实施方案在图7至9中示出。在第二实施方案中，相同的或等同的零件，用相同的号码标注。两个实施方案中的主要改变，在于进气孔21和排气孔22的尺寸和方向。在这个实施方案中，两组孔口都沿平行于气缸长对轴L的直线放置。所有的孔21的尺寸都和孔22的尺寸相同。根据孔21及22的尺寸和方向，进气气门23互相平行排列，排气气门24也一样。

第三实施方案在图10及11中示出。相同或等同的零件，也是用相同的号码标注。在图11中所示的气门的方向，是每一个进气气门25，和每一个排气气门26，分别朝向进气凸轮轴27和排气凸轮轴28。这样，气门25及26，可以直接由这些凸轮驱动。如从图10中可见，在气缸外端的气门25及26被放在比较近气缸长对称轴的地方。

图12中所示的活塞环，可用于图4，7及10中的气缸和活塞上。活塞环13的一端有一个开口。自由状态时活塞环的结构，在图中用虚线表示，可以看到活塞环连续弯曲在任何点上没有相反的曲率。因此，法向外延伸的法线29都不相交。活塞13的压紧状态用实线表示。

参看图13可以最清楚了解有弧线连续的对称椭圆截面的气缸的结构。形成气缸壁的弧线，是与一个闭合弧线有预定的恒定法向上向外的距离的弧线。在图13中闭合弧线用X标注，气缸的弧线由它的法线生成。对这个法线最好理解为是一个有给定半径r的圆上的最外面的一个点的轨迹，这个圆的圆心沿闭合弧线X向前移动。弧线X在两个间隔的点C₁和C₂之间，对称沿气缸的长对称轴伸展。弧线X在长轴的两侧这两个点之间，从长轴向外弯曲。可以从图13中的曲线看出，在整个气缸内曲率连续，该曲线表示沿气缸3的位置和曲率半径的关系。通过对于弧线X的选择的设计达到这样的结果。

假如选择一个正椭圆形作闭合弧线X，就可以产生一个没有突变点的连续变化的曲率。用于生成气缸弧线的闭合弧线X的性质，决定了所要求的刀具的行程，行程的半径为r，以切出适当的气缸壁。例如，假使闭合弧线X是一个正椭圆形，刀具则不需作任何不连续的动作。这样就有利于加工，降低切削工时，延长刀具的使用寿命并可提高精度。这样形成的气缸的曲率，相关的活塞和及活塞环，也可以防止突变点上的高应力点和热应力集中。使用这样技术生成的气缸，可以产生加宽的端部，而用椭圆形气缸是无法做到的。因此，进气孔和排气孔的位置可以深入到气缸的狭窄部份里面，避免产生死区。

可以选用形成气缺壁的各种不同弧形。图14表示利用相同手段产生的另一种形式的气缸布置。虽然这种弧线有明显陡峭的斜率，但是仍是连续的弧线。这些斜率反映弧线X在C₁及C₂点处很紧密，并在这些点附近过渡到比较直的部份。当然弧线越陡直，刀具切削气缸时越难于循弧线X加工。弧线X也可以为一个正椭圆形，典型反映在弧线有比较平缓的斜率，结果刀具在切削相关的气缸时，有比较少的突变动作。

再参看图15及16，按照较佳的实施方案，说明气缸的特点时，假定图13中的进气孔及排气孔h的直径是18mm，弧线生成圆的半径r是20mm，气缸的截面积固定。图15表示当进气孔及排气孔按照图7安排时，气缸弧线长直径A和短直径B的比例与距离最运的进气孔或排气孔h的圆心距离的关系（这距离在图13中用L表示）。假设有四个进气孔和四个排气孔，直径为18mm，则图13中所示的孔圆心的距离L，必须至少为54mm。在这情况下，按照图15，A/B大于1.6。参看图16，前述比例A/B与闭合弧线X的长轴a和短轴b的比例之间的关系，在这图里示出。从图16中可见，A/B的任何数值都不超过2.3。因此，从图15及16可见，在上述假设中的上述与各气口的关系下，A/B的比例大于或等于1.6，而小于或等于2.3。结果，在组成部份的理想关系中，最好能符合上述的限制。

于是，这里公开了可以在大规模条件下制造有非圆形截面的气缸，这种气缸避免了在靠近扁圆形气缸端部的燃烧室中产生静区，提供了改进的气门结构形状，也改进了活塞环的结构形状。在对本发明的实施和应用作了上述的公开和说明后，对于本技术领域的技术人员来说，可以作出许多修改形式，而不超越本发明概念的范畴。因此除在后附的权利要求书中的精神有所规定外，本发明不应受上述文字的限制。

Claims (18)

1、一种内燃机其特征为包括

有弧线连续对称的椭圆形截面的气缸，截面有一长对称轴线和一短对称轴线；

上述气缸中的椭圆形活塞；

气缸盖盖在上述气缸的一端，在上述气缸盖中有若干气门孔，相对于上述短轴线对称布置，上述若干孔中的一部分，与上述短轴线的距离，和上述若干孔中之另一些孔不同，最接近上述短轴线的上述孔的面积，大于最远离上述短轴线的上述孔的面积。

2、如权利要求1的内燃机，其特征为另外还有一个活塞环套在上述活塞上，向着上述气缸扩张。

3、如权利要求1的内燃机，其特征为上述若干孔中有进气孔，位于上述长轴线的一侧，而排气孔则在上述长轴线的另一侧。

4、如权利要求3中的内燃机，其特征为有四个进气孔。

5、如权利要求3中的内燃机，其特征为有四个排气孔。

6、如权利要求3中的内燃机，其特征为有相同数目的进气孔和排气孔。

7、如权利要求1中的内燃机，其特征为上述离上述短轴线最远的孔，比最靠近上述短轴线的孔靠近上述长轴线。

8、一种内燃机，其特征为，包括

有弧线连续对称的椭圆形截面的气缸，截面有一长对称轴线和一短对称轴线;

上述气缸中的椭圆形活塞;

套在上述活塞上的活塞环，向着上述气缸扩张;

盖在上述气缸一端上的气缸盖，在上述气缸盖上有若干带气门的进气孔和若干带气门的排气孔，上述进气孔在上述长轴线的一侧，相对于上述短轴线对称布置，与上述短轴线各有不同的距离，最接近上述短轴线的上述进气孔，比离上述短轴线最远的进气孔有较大的孔口面积，上述排气孔在上述长轴线的另一侧，相对于上述短轴线对称布置，与上述短轴各有不同的距离，最接近上述短轴线的上述排气孔，比最远离上述短轴线的上述排气孔有较大的孔口面积。

9、如权利要求8中的内燃机，其特征为另有两个火花塞，位于上述长轴线上，放置在上述短轴线的两侧。

10、如权利要求8中的内燃机，其特征为有四个进气孔和四个排气孔。

11、如权利要求8中的内燃机，其特征为离上述短轴线最远的上述孔，比离上述短轴线最近的上述孔靠近上述长轴线。

12、一种内燃机，其特征为，包括

有弧线连续对称的椭圆形截面的气缸，截面有一长对称轴线和一短对称轴线;上述椭圆形截面的结构形状，是由在法向上向外按一个恒定的预定距离，离开一个闭合的弧线的一条弧线形成，上述闭合弧线中有在上述轴线上的两个互相有间距的点，和两个在上述点之伸展的连续弧线部分，这两弧线从上述长轴线向外弯曲;

在上述气缸内的椭圆形活塞;

装在上述活塞上活塞环，向着上述气缸扩张，在上述活塞和上述气缸之间密封，上述活塞环在无约束时的形状是弧形的，在上述活塞环法向上向外伸出的线条不相交。

13、如权利要求12中的内燃机，其特征为上述弧线的形状曲率变化连续，在曲率变化中没有突然变化。

14、一种内燃机，其特征为，包括：

有弧线连续的对称椭圆形截面的气缸，截面有一长对称轴线和一条短对称轴线;

在上述气缸内的椭圆形活塞;

盖在上述气缸一端上的气缸盖，上述气缸盖上有若干进气孔和排气孔，相对于上述短轴线对称布置，上述孔中之一些孔，与上述孔中之另外一些孔，距离上述短轴线有不同的距离，最靠近上述短轴线的上述孔，与最远离上述短轴线的上述孔，离开上述长轴线有不同的距离;

上述进气孔中的进气气门;

上述排气孔中的排气气门;

与上述进气气门连接的第一凸轮轴;

与上述排气气门连接的第二凸轮轴;

15、如权利要求14中的内燃机，其特征为上述进气气门在上述长轴线的一侧，朝向上述第一凸轮的中心线，上述排气气门在上述长轴线的另一侧，朝向上述第二凸轮轴的中心线。

16、一种内燃机，其特征为包括

有弧线连续的对称椭圆形截面的气缸，截面有一第一对称轴线，和一与上述第一对称轴线垂直的第二对称轴线，上述椭圆形截面的弧线，由法向上向外，按一个预定的恒定距离、离开一个闭合弧线的一条弧线形成，上述闭合弧线有上述第一轴线上的两个互相有间距的点，和两个在上述点之间伸展的弧线部份，从上述第一轴线向外弯曲，上述闭合弧线的形状有一无突变点的曲率;

在上述气缸中的椭圆形活塞;

盖在上述气缸一端上的气缸盖，其上有若干带气门的进气孔和若干带气门的排气孔。

17、如权利要求16中的内燃机，其特征为上述第一轴线是上述对称椭圆形截面的长对称轴。

18、如权利要求16中的内燃机，其特征为上述闭合弧线是一个椭圆。

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