四冲程发动机的整体部件和配气机构 【技术领域】
本发明主要涉及一种内燃机，具体地，涉及一种四冲程发动机的汽缸曲轴箱组件。
背景技术
以前，小型的手持式草坪园艺工具、链锯以及微型车辆通常使用二冲程发动机技术供给动力。但是，由于日益严格的环境排放控制，在这些器械以及车辆中使用四冲程发动机已经变得较为普遍。与二冲程发动机不同，四冲程发动机在排出前一冲程的燃烧产物时，并不向燃烧室供应新燃料。因而，四冲程发动机的碳氢化合物排放较低。
典型地，二冲程发动机和四冲程发动机均包括曲轴箱、气缸体以及气缸盖。通常，曲轴箱、气缸体以及气缸盖需要使用机械紧固件连接在一起，因此必须有额外的紧固件和精确加工的紧固件孔。此外，由分离的曲轴箱、气缸体以及气缸盖组成的发动机还需要密封衬垫。这些额外的部件使得发动机增加了额外的重量，同时也由于密封衬垫失效而存在更大的风险。
为消除由分离的部件制成的发动机的缺点，并改善发动机的排放，需要制造一种整体式的四冲程曲轴箱、气缸体以及气缸盖。但是，因为四冲程发动机需要额外的配气机构和气门机构，因此铸造这种整体式发动机比铸造相应的二冲程发动机更困难。为克服这些困难，整体式的气缸体和曲轴箱已经被设计为具有单臂曲柄式曲轴并带有L头(平头)配气机构，或者具有全曲柄式曲轴并带有由湿式或干式皮带驱动的顶置气门。正如本领域所公知的，L头气门结构具有较差的燃料经济性，而全曲柄式曲轴则增加了发动机的重量。
【发明内容】
本发明提供一种整体式的四冲程曲轴箱、气缸体以及气缸盖(整体式四冲程气缸曲轴箱)。该整体式四冲程气缸曲轴箱可以包括使用具有干式皮带的单臂曲柄式曲轴和顶置气门。一个优点是单臂曲柄式曲轴能够减小气缸曲轴箱的重量和尺寸。以下描述另外的细节和优点。
本发明可以包括以多种方式结合的下列方面中的任何方面，也可以包括在下面的书面说明中描述的或在附图中显示的任何其它方面。
本发明的一个方面包括四冲程发动机，该四冲程发动机包括整体式的气缸盖、气缸体以及曲轴箱，该曲轴箱包括曲柄臂。所述发动机包括在所述气缸内往复运动的活塞，该活塞通过连杆连接于单臂曲柄式曲轴。所述发动机还包括：进气门和排气门，该进气门和排气门分别成形为打开和关闭燃料进口和排气口；以及皮带，该皮带连接所述曲轴和凸轮轴，并驱动该凸轮轴，从而使得该凸轮轴驱动所述进气门和排气门。
本发明的另一个方面包括具有整体式气缸曲轴箱的四冲程发动机的制造方法。该制造方法包括以整体铸造的方式铸造气缸盖、气缸体以及曲轴箱，该曲轴箱包括包含有套口的曲柄臂。将单臂曲柄式曲轴插入所述曲轴箱和所述曲柄臂内。通过所述套口使得皮带环绕所述曲轴，并使得所述皮带环绕所述气缸盖上的凸轮轴。
【附图说明】
通过阅读下列结合附图的说明，可以更全面地理解本发明：
图1是装配的具有偏置的顶置凸轮轴的整体式四冲程气缸曲轴箱的立体图；
图2是装配的整体式四冲程气缸曲轴箱的剖视图；
图3是整体式四冲程气缸曲轴箱的一个实施方式的气门和凸轮轴的布置结构的剖视图；
图4A是整体式四冲程气缸曲轴箱的一个实施方式的气门室内部的俯视图；
图4B是与图4A相同的实施方式的曲柄室内部地仰视图；
图5是没有另外安装任何部件的整体式四冲程气缸曲轴箱的一个可选择的实施方式的立体图；
图6是装配的具有居中布置的顶置凸轮轴的整体式四冲程气缸曲轴箱的另一个实施方式的立体图；
图7具有偏置的顶置凸轮轴的整体式四冲程气缸曲轴箱的另一个实施方式的立体图；
图8是用于整体式四冲程气缸曲轴箱中的具有摇臂和单独凸轮的布置结构的实施方式的隔离图。
【具体实施方式】
现在参照附图，应当注意地是，在整个具体实施方式中，相同的部件将使用相同的附图标记表示。
图1显示具有整体式气缸曲轴箱10的发动机的实施方式的外形图。整体式四冲程气缸曲轴箱10包括曲轴箱20、气缸体50以及气缸盖80。如图1所示，曲轴箱20包括：整体铸造的曲柄臂21，该曲柄臂21成形为支撑曲轴22；多个指状件(finger)24，该多个指状件24连接于外框架25；套口(pocket)26，皮带30穿过该套口26；以及外轴承28，所述曲轴22支承在该外轴承28内。气缸体50包括多个冷却叶片54以及至少一个用于安装点火模块的凸起部52。如图2所示，气缸体50还包括气缸51，该气缸51基本限定了从曲轴箱20到气缸盖80的气缸轴线方向53。气缸盖80包括具有凸轮轴齿轮84的凸轮轴82、气门盖86、排气通道88、燃料通道90以及火花塞92。如图1所示，机械固定于气缸盖80的气门盖86的高度是不一致的。而是，在气缸轴线方向上，气门盖86的一侧高于另一侧。这对应于一侧比另一侧矮的气缸盖80。通常，气门盖86在具有进气门98和排气门100的一侧会较高，以在移除该气门盖86时允许气门98、100有更大的接近通道和气门间隙。
图2显示图1所示的整体式四冲程气缸曲轴箱10的横截面图。曲轴22在内轴承40和外轴承28内可以旋转。在曲柄室48内，曲轴22连接有平衡块32。曲柄销36将曲轴22和平衡块32连接于连杆34。连杆34的另一端通过连接销60连接于活塞56。皮带30通过形成在曲柄臂21上的套口26进入曲柄臂21内。皮带在套口26内绕过安装在曲轴22上的曲轴齿轮42，再从套口26的另一侧出来。曲轴箱20通过曲轴箱盖44和密封衬垫46密封。曲轴箱20和曲轴箱盖44限定有曲柄室48，该曲柄室48兼作储油器。在曲柄销36上，甩油环38与连杆34相对布置。当活塞56在气缸51内往复运动时，甩油环38从曲柄室48向气缸51分配润滑油。
气缸体50还包括通道58，该通道58使得气缸盖80内的气门室108与曲柄室48连通，从而使得润滑油可以被供给到气门室106并可以从气门室106返回。在一些实施方式中，通道58内可以包括止回阀，以防止在倒转位置运转发动机时气门室106内充满润滑油。气缸盖80包括进气门98的进气门座94和排气门100的排气门座96。进气门98连接于进气摇臂102，而排气门100则连接于排气摇臂104。弹簧101将进气摇臂102和排气摇臂104偏压到关闭位置。进气摇臂102和排气摇臂104均位于气门室106内，该气门室106由在气门盖86和气缸盖80之间形成的空腔限定。
图3是显示凸轮轴82、进气摇臂102和排气摇臂104的附近区域的放大剖视图。如图所示，皮带30连接于设置在凸轮轴82上的凸轮轴齿轮84上。凸轮轴82包括进气凸轮凸齿108和排气凸轮凸齿110。根据凸轮轴82的旋转位置，进气凸轮凸齿108推压进气摇臂102以打开进气门98。当凸轮轴82从打开进气气门98起再旋转大约四分之三圈时，排气凸轮凸齿110推压排气摇臂104以打开排气门100。在该具体实施方式中，凸轮轴82的轴承83被限制为完全位于气缸盖80内，但是应当理解的是，凸轮轴轴承83可以被定位为使得该凸轮轴轴承83部分容纳在气门盖86内，部分容纳在气缸盖80内。此外，还应当理解的是，配气相位(valve timing)可以通过调节所述凸轮轴上的进气凸轮凸齿108和排气凸轮凸齿110的位置来改变。
当图1至图3所示的实施方式运转时，气缸51内的活塞56的往复运动通过连杆34驱动单臂曲柄式曲轴22。在内轴承40和外轴承28之间的曲柄臂21上的套口26内，曲轴22上安装有曲轴齿轮42。该曲轴齿轮42驱动皮带30。进而，该皮带30驱动凸轮轴齿轮84。凸轮轴齿轮84和曲轴齿轮42具有1∶2的传动比，从而曲轴齿轮42每转一圈使得凸轮轴齿轮84转动半圈。因此，在活塞56处在第一下行程时，进气门98通过进气凸轮凸齿108和进气摇臂102打开，以允许新鲜进气进入气缸51。随后，进气门98关闭并且活塞56返回上行程，在此之后火花塞点火器和火花塞92点火而形成燃烧并使得活塞56处于第二下行程。进而，排气凸轮凸齿110和排气摇臂104打开排气门100，并且在随后的上行程过程中，活塞56将废气从发动机内驱除。
在图1至图3所示的实施方式中，皮带30穿过的套口26是在铸造整体式四冲程气缸曲轴箱10的过程中同时形成的铸造特征。在该实施方式中，曲柄臂21包括内轴承40和外轴承28。这些轴承40、28可以被压进到曲柄臂21内，并为曲轴22和平衡发动机的平衡块提供支撑。内部设置有内轴承42和外轴承28的轴承孔优选是通过铸造形成的；但是，这些轴承孔也可以是通过机械加工形成。铸造的套口26允许使用具有干式皮带30的单臂曲柄式曲轴22。在使用干式皮带的情形下，可以使用护带罩，但不要求必须使用护带罩。有利地，在单臂曲柄式曲轴上使用干式皮带，这不需要增大气缸曲轴箱的铸造件以在气缸体中形成皮带室，从而降低了气缸曲轴箱的重量和成本。
在图1至图3所示的整体式四冲程气缸曲轴箱10的实施方式中，发动机通过甩油环38润滑。在活塞往复运动时，位于曲柄室48内的甩油环38旋转，以使得该甩油环38浸入润滑油中并吸出一定量的润滑油。在曲柄销36围绕曲轴22的轴线旋转时，甩油环38将润滑油抛甩进气缸51内。从而，在发动机10内形成油雾。如图4A所示，气门室包括两个通道58、59。如图4B所示，通道59沿着由连杆34的旋转所限定的中心平面35布置，并在曲柄室48内邻近于连杆34开口。由甩油环38形成的油雾可以通过通道59进入气门室106。随着油雾在气门室106内凝聚并聚集，该油雾可以通过通道58、59中的一个或两个流回曲轴箱。应当理解的是，可以采用一个连接气门室106和曲柄室48的通道59，或者可以采用两个以上的通道。此外，还应当理解的是，油雾可以通过通道58或通道59，并且凝聚的润滑油可以通过任一通道返回。
如图4A所示，排气通道88可以设置为与由连杆34的旋转限定的平面35成一角度。在该实施方式中，排气通道88允许火花塞插座93邻近于该排气通道设置。通过该布置，可以更容易接触火花塞92。但是，本领域的技术人员应当明白，还可以采用其它的火花塞插座93和排气通道88的布置结构。
为了有助于冷却整体式四冲程气缸曲轴箱10，在所述多个指状件24中的两个之间设置有至少一个开口。如图所示，所述多个指状件24将曲柄臂21连接于外框架25。图6中所示的飞轮31邻近于外框架25连接到曲轴22上。飞轮31可以包括风扇件以帮助抽吸冷却空气，使得冷却空气从与曲轴22相对的一侧，通过所述至少一个开口，围绕曲轴箱20，环绕外框架25，并到达包括多个冷却叶片54的气缸体50。
整体式四冲程气缸曲轴箱10还可以包括各种发动机部件的附属装置。气缸盖80包括燃料供应系统的连接件90，该燃料供应系统可以包括汽化器。排气通道88还可以连接有排气管或消声器。此外，在该实施方式中，在具有曲轴22的一侧的气缸体50上，设置有至少一个凸起部52以连接诸如点火模块之类的火花塞点火器(未显示)。理想地，可以将凸起部52设置得尽可能靠近飞轮31，以更好地冷却火花塞92和火花塞点火器。
在本发明的一种可选择的实施方式中，如图5所示，曲柄臂21上的套口26可以包括一对槽27。该对槽27通过铸造形成在曲柄臂21上。槽27设置有开口，从而使得皮带30可以通过一个槽27进入，环绕曲轴齿轮42并进而通过另一个槽27离开套口26。有利地，槽27可以简化整体式四冲程气缸曲轴箱10的铸造。图5还显示了气缸盖80内的凸轮轴82的轴承81。此外，火花塞的插座93显示为邻近于排气通道88。
如图6所示，凸轮轴82可以设置在气缸盖80内的由气缸51的轴线53和曲轴22的轴线23限定的平面上，这与图1至图3中所示的偏离该平面的情形相反。此外，如图所示，凸轮轴轴承83可以被定位为使得这些凸轮轴轴承83部分地位于气缸盖83内，并且部分地位于气门盖86内。在该实施方式中，进气凸轮凸齿108和排气凸轮凸齿110与凸轮轴82整体形成。但是，凸轮凸齿108、110不是必须整体地形成为凸轮轴82的一部分，而是可以连接于凸轮轴82。可以采用进气凸轮随动件103和排气凸轮随动件105来代替进入摇臂102和排气摇臂104。在运转时，如上所述，通过皮带30驱动凸轮轴82。进气凸轮凸齿108压下进气凸轮随动件103，进而在凸轮轴82旋转大约四分之三圈后，排气凸轮凸齿110压下排气凸轮随动件105。通过该方式，进气门98和排气门100在适当的时刻打开和关闭。应当理解的是，配气相位可以通过调节凸轮凸齿108、110的位置而改变。
图7和图8显示一种可选择的实施方式。在该实施方式中，整体式四冲程气缸曲轴箱10具有供皮带30通过的开放的套口26。此外，整体式四冲程气缸曲轴箱10具有偏置的凸轮轴82，该偏置的凸轮轴82仅具有一个凸轮凸齿116。进气摇臂112和排气摇臂114均由该凸轮凸齿116驱动。图8显示凸轮凸齿116、进气摇臂112、排气摇臂114、进气门98和排气门100的隔离图。进气摇臂112包括靠近于凸轮凸齿116的进气接触件120，同时排气摇臂114包括靠近于凸轮凸齿116的排气接触件122。进气摇臂112和排气摇臂114可以由多种材料制成，例如冲压金属(stamped metal)。在图7和图8所示的实施方式中，凸轮轴82每旋转半圈，凸轮凸齿116驱动排气摇臂114向上运动或驱动进气摇臂112向下运动。当进气摇臂112被凸轮凸齿116推动时，进气摇臂112绕摇臂枢转销118旋转。该旋转导致进气摇臂112向下推动进气门98并打开进气门98。类似地，当排气摇臂112被凸轮凸齿116接触时，排气摇臂114围绕摇臂枢转销118枢转，从而推动排气门100并打开排气门100。有利地，该摇臂结构相对于传统的凸轮轴去除了其中一个凸轮凸齿。应当理解的是，配气相位能够通过调节进气接触件120和排气接触件122相对于彼此的位置以及在环绕凸轮凸齿116的外周上的位置而改变。
上述整体式四冲程气缸曲轴箱可以整体铸造为单一件。典型地，该整体式四冲程气缸曲轴箱采用压铸注模工艺进行制造。但是，也可以采用其它铸造方法。在一个实施方式中，整体式四冲程气缸曲轴箱由铝合金制成，更具体地，由高硅铝合金制成。但是，整体式四冲程气缸曲轴箱可以由能够承受高燃烧温度的任何适合的金属制成，例如，钢、铝、铁或镁。根据使用的材料，气缸可以进行镀，例如使用铬或镍银(镍黄铜)进行镀。可选择地，可以不对气缸进行镀，而对活塞进行镀。
以上说明了本发明的多个实施方式，与此同时，应当理解的是，本发明并不局限于此，在不脱离本发明的前提下可以进行多种变型。本发明的范围由附带的权利要求进行限定。在权利要求含义之内的所有装置，无论是字面意义上的，还是等同意义上的，均应包含在权利要求的范围内。此外，上述优点并不一定是本发明的唯一优点，同时也不能认为通过本发明的每个实施方式必定会实现所述的全部优点。