CN1003880B - 四冲程内燃机 - Google Patents
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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r1,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。
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。
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。
关于本发明其它的和进一步的目的及优点,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,以及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***。
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。
可以选用形成气缸壁的各种不同弧形。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 (16)
1、一种内燃机,包括有弧线连续的对称椭圆形截面的气缸,该截面有一长对称轴线,和一与上述长对称轴线垂直的短对称轴线,还装有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,且其上有若干装有气门的进气孔和排气孔。,其特征为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长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分,从上述长轴线向外弯曲,上述闭合弧线的形状有一无突变点的曲率。
2、如权利要求1所述的内燃机,其特征为上述闭合弧线是一个正椭圆。
3、如权利要求1所述的内燃机,其特征为上述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孔比最远离上述短轴线的孔有较大的孔口面积。
4、如权利要求1所述的内燃机,其特征为上述进气孔和排气孔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,上述进气孔在上述长轴线的一侧,上述排气孔在上述长轴线的另一侧,最接近上述短轴线的进气孔,比最远离上述短轴线的进气孔有较大的孔口面积。
5、如权利要求1所述的内燃机,其特征为上述闭合弧线的形状曲率连续地变化。
6、如权利要求3所述的内燃机,其特征为还包括有一个活塞环套在上述活塞上,向着上述气缸扩张。
7、如权利要求3所述的内燃机,其特征为上述若干进气孔,位于上述长轴线的一侧,而若干排气孔则在上述长轴线的另一侧。
8、如权利要求7所述的内燃机,其特征为有四个上述进气孔。
9、如权利要求7所述的内燃机,其特征为有四个上述排气孔。
10、如权利要求7所述的内燃机,其特征为上述进气孔和排气孔的数目相同。
11、如权利要求3所述的内燃机,其特征为上述离短轴线最远的孔比离短轴线最近的孔靠近长轴线。
12、如权利要求11所述的内燃机,其特征为还包括有装在上述进气孔中的进气门,装在上述排气孔中的排气门,与上述进气门相连的第一凸轮轴和与上述排气门相连的第二凸轮轴。
13、如权利要求4所述的内燃机,其特征为还包括有两个火花塞,设置在上述长短轴线两侧的长轴线上。
14、如权利要求4所述的内燃机,其特征为有四个上述进气孔和四个上述排气孔。
15、如权利要求4所述的内燃机,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。
16、如权利要求12所述的内燃机,其特征为上述进气门在上述轴线的一侧,朝向上述第一凸轮轴的中心线,上述排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。
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