CN100507228C - 二冲程发动机 - Google Patents

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Abstract

一种曲轴箱扫气式二冲程发动机(1)，包括汽缸(15)，所述汽缸(15)包括：扫气口(31，31′)和至少一个排气口；活塞(13)；连杆(17)；曲轴(18)和总体是密封的曲轴箱(16)。曲轴箱引入燃料/空气混合物，并通过转移管道(3，3′)连接到扫气口(31，31′)上，当活塞(13)从一较低位置朝向一较高位置行进时，上述转移管道引入从汽缸(15)的扫气口(31，31′)附近的连接口(8，8′)放进的纯空气。转移管道(3，3′)容积小于在曲轴(18)整个转一圈期间活塞(13)掠过容积的20%。凹槽(10，10′)形成在活塞(13)的外圆周，上述凹槽(10，10′)与汽缸壁中连接口(8，8′)协同工作，用于控制空气充装转移管道(3，3′)。汽缸壁中的进气管(22)供给空气/燃料混合物，上述进气管(22)连接到曲轴箱(16)上，并且当活塞(13)处于较低位置时被活塞(13)盖住，而当活塞(13)处于较高位置时通向曲轴箱(16)。

Description

二冲程发动机
发明领域
本发明涉及一种曲轴箱扫气式二冲程发动机，所述二冲程发动机包括一个汽缸，汽缸包括若干扫气口和至少一个排气口，一个活塞，一个连杆，一个曲轴和一个通常是密封的曲轴箱。曲轴箱引入燃料/空气混合物，并通过若干转移管道连接到各扫气口上。随着活塞从一较低位置朝向较高位置行进，转移管道将从在汽缸扫气口附近的连接口放进的纯空气引入。
本发明还涉及一种用于上述类型曲轴箱扫气式二冲程发动机的扫气方法。
发明背景
小型化油器式二冲程发动机主要是用于一些手持式工具，像比如链锯，杂草切除机(weed cutter)，剪草机(trimmer)，割草机(lawnmower)等。对这些工具/机械使用二冲程发动机的主要原因是价格低廉，和它们具有高的功率—重量比。与其它发动机方案相比，二冲程发动机的另一个优点是机械设计很简单，原则上只包含三个移动部件(活塞，连杆和曲轴)。
用小型曲轴箱扫气式化油器二冲程发动机存在的主要问题是未燃烧的碳氢化合物(uHC)和一氧化碳(CO)的排放水平。在过去的十年里，立法机关和管理机构已要求降低这些排放物的水平。立法机关还要求低氮氧化物(NOx)量，但由于二冲程发动机的一般功能，NOx的排放本来就低。下面，将简要说明上述排放物的形成过程。
一氧化碳是当在太少量的氧存在下燃烧碳氢化合物如汽油，液化石油气(LPG)，柴油燃料，或任何含碳的化合物，以致不能完成燃烧形成二氧化碳(CO2)时而产生。减少CO排放的唯一方法是使燃烧稀薄，亦即将含碳燃料与更多的氧气(亦即在大多数情况下与更多的空气)混合。然而使燃料/空气混合物稀薄化有某些严重的缺点，所述这些缺点涉及到发动机冷却、润滑作用和发动机性能。
NOx无论何时都是在加热含氮和氧的气体时，比如在内燃机的燃烧室中形成。NOx的形成取决于温度、加热气体混合物的时间，氮和氧的浓度，及温度降低速率。如上所述，NOx形成在二冲程发动机中不是严重的问题。其理由是：
·燃烧室中的温度达不到高水平，因为是富含燃料燃烧和可燃的燃料/空气混合物用排出的废气过度稀释。
·由于是富含燃料混合物，所以实际上是在燃烧之前燃烧室中所存在的所有氧在燃烧期间都耗尽。这样没有留下氧供形成NOx。
形成未燃烧的碳氢化合物排放物(uHC)比形成NOx和CO排放物更复杂一点儿：
·uHC排放物的一个主要来源是在活塞环组件上方的间隙容积，因为未燃烧的空气/燃料混合物被向下压入到这个容积中，并因此逃避了燃烧。
·壁急冷是排放uHC的另一个主要原因。壁急冷意味着燃烧火焰不能一直移动到燃烧室壁，同时在靠近燃烧室壁处留下未燃烧区。
·不完全燃烧是uHC排放物的第三个来源。不完全燃烧主要是当燃料/空气混合物用过多的空气或排出的废气量太过稀释，以致不能燃烧时发生。
·短路是二冲程发动机中uHC排放物的主要来源，并且因为排气口在用未燃烧的燃料/空气混合物给汽缸扫气期间排气口打开而发生。
为了减少二冲程发动机中uHC的排放，在过去曾采取了许多措施。在大多数情况下，那些努力都是针对重新设计所谓的转移通道，亦即未燃烧的空气/燃料混合物进入汽缸的通道；不同的转移通道设计在汽缸中产生不同的扫气流模式。
在过去十年里，老式的扫气方法即所谓的“空气压头(air-head)”扫气法，作为一种降低二冲程发动机中uHC排放的手段已赢得科学家和发动机研究者的兴趣。在空气压头发动机背后的基本思想是通过转移通道进入汽缸的第一空气—燃料混合物很可能短路。因此，空气压头扫气系统通过让纯空气流经转移通道来开始，这增加了纯空气短路的几率。
如上所述，空气压头扫气法背后的思想不是新东西。实际上，Dugald Clerk，一般认为是二冲程发动机的发明人，他早在1881年就介绍了一种空气压头系统(见GB-B-1089)，但他不是用空气压头扫气作为用来减少短路损失的措施，而是作为用于避免新鲜充气由于与热的废气接触而过早点火的措施。更近来的发展表明，未经压缩的新鲜空气/燃料混合物在热的燃烧气体上点火没有危险或者危险很小。另外，Clerk介绍了在动力缸的直流式扫气系统情况下，使用空气压头扫气在双活塞发动机中。
在GB 1089中所介绍的发动机与按照本发明所述的发动机很少相同。GB 1089具有比如两种不同的活塞/汽缸布置。其中一个汽缸的唯一任务是为另一个汽缸提供对新鲜进气的扫气作用，而另一个汽缸是发生燃烧的动力缸。
稍微更近的公报(1910年的US-A-968200)介绍了一种空气压头扫气法，所述空气压头扫气法用于一种带十分复杂设计的曲轴箱扫气式二冲程发动机。亦即将活塞分成两部分，其中动力缸部分具有比扫气部分小得多的直径。这意味着扫气容积比汽缸容积大得多，同时使未燃烧的燃料/空气混合物短路不可避免。因此，用于US-A-968200空气压头扫气法的主要原因也许是在放入未燃烧的燃料/空气混合物之前用将排出的废气扫出汽缸。按照US-A-968200，利用一个活塞受控的管道系统来使曲轴箱装满燃料/空气混合物，和使唯一的转移通道装满纯空气。这样，空气将只在扫气的初始阶段期间进入汽缸。为了使纯空气与燃料/空气混合物分开，US-A-968200的转移通道很长，并包含一个螺旋形路线，以便增加流动通路的长度。
另外，按照US-A-968200的设计采用横流扫气法，亦即把转移通道在与排气口相反的位置处连接到汽缸上。利用活塞顶部的导流板来避免过度的短路。
F.W LanChester和R.H.pearsall(The institution of automobileengineers，“用于汽车的二冲程发动机某些方面研究”，pp.55-62，1922.2)介绍了一种用于空气压头扫气式二冲程发动机的另一种布置。在该出版物中所介绍的思想也使用很大的转移通道，以便避免在曲轴箱中纯空气与燃料/空气混合物的混合。Lanchester和Pear Sall甚至介绍在转移通道中使用蜂窝状结构，以便减少曲轴箱中纯空气与燃料/空气混合物的混合。另外，在上述报告中所介绍的发动机采用一种类似于上述参照US-A-968200所述类型的横流扫气法。
SAE论文980761(Society of automotive engineers，Inc，1998)介绍了一种带簧片阀(比如，单向阀)控制装置的空气压头发动机，用于进来的空气压头空气和用于空气燃料混合物。按照SAE 980761所述的汽缸扫气模式是所谓的环流扫气法，亦即来自转移通道的扫气流朝向汽缸中与排气口相反侧上的一点导向。
WO-A-00/40843说明了一种改进的空气压头扫气法，其中在整个扫气阶段，靠近排气口的两个转移通道用纯空气给汽缸扫气，而远离排气口的两个转移通道用富含燃料的燃料/空气混合物给汽缸扫气。利用簧片阀来控制从空气扫气转移通道中而来的气流，所述空气扫气转移通道具有很大的内部容积。
WO-A-99/18338说明了一种空气压头发动机，所述空气压头发动机带有空气压头空气流和燃料/空气混合物流的簧片阀控制装置。这种发动机的转移通道也很大，实际上在该文献第2页第34-47行“扫气孔和扫气通道的总容积如此设定，即，大于冲程容积的20％”。
先有技术设计中有下列严重的问题：
·在所有先有技术设计中，转移通道的长度都很大。这导致高速动力比在较短转移通道的情况下的高速动力低。直到现在，长通道还认为是必要的，以便获得空气压头发动机令人满意的功能。长转移通道还导致把更大的容积连接到曲轴箱上，同时导致较低的曲轴箱压缩比，所述较低的曲轴箱压缩比又导致较低的扫气效率。另外，长而容积庞大的通道都加到发动机的总尺寸和容积上。
·上述包括环流扫气法的设计全都利用簧片阀作为通往曲轴箱和通往转移通道的气流控制装置。这是控制气流的一种价高而复杂的方式。
与先有技术设计有关的另一个问题涉及化油器的特性。为了获得发动机令人满意的怠速运转，化油器通常调整到提供很富含燃料的混合物。如上所述，富含燃料的混合物导致过量的CO排放。CO排放对所有动物都很有害，并且当然是通常在用户呼吸器官附近使用的一些手持式工具的主要问题。对于目前主要是短路空气的空气压头发动机，汽缸中的燃料一空气比即使在高负荷下也保持很富含燃料。显然，这会提高CO排放水平。
发明概述
本发明通过提供一种曲轴箱扫气式二冲程发动机解决了这些和其它一些问题，在上述曲轴箱扫气式二冲程发动机中，转移管道的容积小于在曲轴转动整一圈期间活塞掠过容积的20％。另外，发动机设有在活塞外圆周中所形成的若干凹槽，所述若干凹槽与汽缸壁中的连接口协同工作，用于控制空气对转移管道的充填，发动机还设有位于汽缸壁中的进气管用于供给空气/燃料混合物。进气管连接到曲轴箱上，并且当活塞处于较低位置时被活塞盖住，而当活塞处于较高位置时通向曲轴箱。
此外，通过本发明的扫气方法解决了上述问题和其它一些问题，在本发明扫气方法中，一部分通过转移管道引入的空气与曲轴箱中的燃料/空气混合物混合。
附图说明
下面，将参照唯一的附图更详细地说明本发明，其中图1是按照本发明所述二冲程发动机的示意图。
具体实施方式
在本说明书中，同样的标号只示出了一个，但意味着在发动机的相对侧上还有相同的部件。由于清楚的原因，图中只示出这些部件的其中一个。
在图1中，示出一种利用“空气压头(air-head)”扫气系统的化油器式二冲程发动机1。发动机包括气缸15和活塞13，所述活塞13通过连杆17连接到曲轴18，活塞与气缸协同工作限定形成燃烧室32。活塞还设置有流动通路10，10′，上述流动通路10，10′采用凹槽形式。这些凹槽的功能将在后面说明。另外，发动机包括进气口22，进气口22通过进气口导管23连接到化油器，或者燃料定量机构37上。活塞、汽缸的下端和曲轴限定形成一大体密封的曲轴箱容积16，进气口22通入所述曲轴箱容积16中。曲轴箱通过转移管道3，3′连接到气缸上，上述转移管道3，3′开口于换气口31，31′。
另外，按照本发明所述的发动机包括空气进气口2，所述空气进气口2通过连接管道6，6′连接到连接口8，8′上，上述连接口8，8′开口于汽缸壁上。
另外，按照本发明所述的发动机包括排气口(未示出)，所述排气口位于汽缸壁中。排气口连接到某种消音器(未示出)上，用于降低噪音。在某些情况下，如果消音器包括用于减少废气排放的催化装置，则可能是有利的。这个课题将在后面更详细地说明。
按照本发明所述的发动机也包括空气进气口2，所述空气进气口2连接到连接口8，8′上，而连接口8，8′开口在汽缸壁上。
在发动机工作期间，曲轴18将旋转，根据所用的地方，曲轴18可以顺时针或反时针旋转。曲轴18的回转运动通过汽缸中的连杆17迫使活塞13在汽缸壁所限制的路线中上下移动。如先前所述，连接口8，8′、进气口22、换气口31，31′、和排气口全都开口在汽缸壁上，这意味着它们将取决于是否被活塞盖住而打开或关闭。
下面，将参照上述部件说明发动机的功能。
当活塞是在它的最高位置处(一般称之为上死点，TDC)时，排气口被活塞壁关闭，并且没有连接到发动机的内部容积上。曲轴箱被未燃烧的燃料和空气混合物填充，所述燃料和空气混合物一部分是通过进气口22从化油器吸入，另一部分(只适用于空气)通过转移管道3，3′进入。通过转移管道进入的空气供空气进气口2吸入，经由连接口8，8′通过活塞壁中的流动通路10，10′，最后进入换气口31，31′并因此进入转移管道3，3′。
随着活塞向下移动(借助于燃烧室32中热燃烧气体所施加的力的帮助)，活塞将关闭连接口8，8′，换气口31，31′(由于流动通路10，10′移动经过各连接口和换气口)，和进气口22。这导致随着活塞向下移动曲轴箱中的压力增加，因为自由曲轴箱容积16减少。在进气口，换气口和连接口被活塞关闭之后不久，排气口将打开。排气口的打开使汽缸中的废气排出离开汽缸并进入大气，同时也留下供未燃烧的充气进入汽缸的空间。
当活塞13进一步向下行进时，它将不盖住换气口31，31′，所述换气口31，31′通过转移管道3，3′与曲轴箱16成流体连通。由于曲轴箱中较高的压力，所以曲轴箱中的燃料/空气混合物将开始通过转移管道3，3′流入汽缸32中，并将废气扫出气缸。然而主要问题是，排气口在燃料/空气混合物进入汽缸时处于打开状态；无可避免地是，一部分燃料/空气混合物通过排气口跑出汽缸。然而在按照本发明所述的发动机中，这个问题大为减少，因为汽缸中燃料/空气混合物的最初部分实际上是纯空气，因为只让空气经由连接口8，8′通过流动通路10，10′进入转移管道3，3′。可能最初进入汽缸的最初部分气体最有可能通过排气口跑出。因为进入汽缸的燃料/空气混合物的最初部分是纯空气，所以与稍后阶段进入汽缸的燃料/空气混合物相比，这种空气有很高的几率跑出汽缸。
在用燃料/空气混合物对汽缸扫气之后，或在此扫气期间，活塞将到达它的最低位置，所述最低位置常常称之为下死点，BDC。在BDC之后，由于系统的惯性力(经常，把增加惯性力的飞轮连接到曲轴上)，活塞开始向上行进。随着活塞向上行进，它关闭换气口和排气口。这导致汽缸中的燃料/空气混合物受压，而位于曲轴箱中的其余燃料/空气混合物减压。曲轴箱容积的减压导致一较低的压力。随着活塞继续上升，进气口22及由空气进气口2、连接口8，8′，活塞壁中的流动通路10，10′，换气口31，31′和转移管道3，3′形成的流动通路全都通向曲轴箱容积16。由于曲轴箱中较低的压力，所以燃料/空气混合物和纯空气将分别从进气口22和从输入管道3，3′引入曲轴箱中。
随着活塞到达一接近上死点TDC的位置，燃料/空气混合物将点火，优选的是通过火花塞点火。然而有其它可能的点火方案，比如HCCI(均匀充气压缩点火)，预热塞诸如此类。
在点火之后，上述过程再次重新开始。
按照本发明，转移管道3，3′从换气口31，31′到曲轴箱的容积应小于活塞掠过容积的20％。这意味着将让一定量纯空气通过转移管道3，3′进入曲轴箱，并与曲轴箱中的燃料/空气混合物混合。这与工知常识相反；因为在先有技术中可以看到，所要达到的主要目标总是使转移管道的容积足够大，以便让从换气口31，31′进入的纯空气整个容积容放在转移管道3，3′中。
按照本发明所述的实施例与先有技术相比具有许多优点：
·通过使用具有较小容积的转移管道使高速动力大为改善；
·在汽缸的每次燃料/空气混合物扫气之后，转移管道壁将被燃料和油滴润湿(假如发动机是“汽油”润滑式，见下面)。在先有技术设计中，这种燃料和油将保持在位于曲轴箱附近这部分转移管道内的“纯空气”中。这意味着实际上它不是具有较大转移管道容积的优点；该最后被迫进入汽缸的“纯空气”仍然被燃料和油玷污。
优选的是，按照本发明所述的二冲程发动机是“汽油”润滑式。汽油润滑意味着把润滑油加到汽油中。汽油是润滑问题一种很简单、安全和低成本的解决方案。然而本发明不限于这种类型润滑。例如，具有基于油压力的润滑系统或者油雾系统可能是可有用的。
按照本发明所述的扫气系统是一种所谓的“环流扫气”(或Shnürle)设计。流扫气意味着转移通道设计成用于使燃料/空气混合物朝向远离排气口的方向流动，以便避免短路。环流扫气是小的单缸发动机中最常见的扫气类型，但遗憾的是对多缸发动机来说空间不够。
对本发明来说，关键是活塞控制各个口(进气口，连接口，和换气口)。在另一些实施例中，各个口可以用独立的阀结构比如簧片阀控制，但这些解决方案很复杂并且费用高。
按照本发明所述的发动机使用氧化催化剂是很有益的。在“标准”二冲程发动机亦即非本发明所述扫气系统的二冲程发动机中，由于燃料/空气混合物的短路，所以有一个主要问题与催化产生过量的热有关。这个问题对按照本发明所述的发动机来说大为减少，因为短路的气体用空气“稀释”了。
如上所述，对本发明来说，关键是转移管道容积小于活塞掠过容积的20％，这样导致一部分引入转移管道的空气在曲轴箱中与燃料/空气混合物混合。这对催化工作是有利的，因为在曲轴箱中的空气/燃料比将从很富含燃料的水平用空气稍微稀释了。如燃烧技术中的本领域技术人员所知的，富含燃料的混合物将导致未燃烧的碳氢化合物(uHC)和一氧化碳(CO)的高排放水平。在采用类似空气压头扫气技术但用较大转移管道的先有技术发动机上，通过转移管道引入的空气不与曲轴箱中的燃料/空气混合物混合。因此，它们从这种操作得不到好处。
催化剂可以是一种普通的设计，包括金属或陶瓷基体，所述基体涂覆有主修补基面涂层和二次贵金属涂层。贵金属涂层可以比如由钯(pd)，铑(Rh)，铂(pt)，或它们的混合物组成。涂覆了主修补基面涂层和贵金属涂层的基底可以具有各种形状和结构。一种优选的设计是金属丝绕组，其中金属丝涂覆有主修补基面涂层和贵金属。这种类型催化剂通常称之为“金属丝网催化剂”。另一种优选的设计是螺旋缠绕式薄金属板基体，其中将两个薄金属板条之一制成波纹状，两个薄金属条卷绕成螺旋形，同时在波纹状薄金属条和平的薄金属条之间形成通道。为了获得催化效果，薄金属条上涂覆主修补基面涂层和贵金属。
还有另一种设计可能性或催化剂，亦即把整块薄金属板放在消音器的中心。废气流应导向薄金属板，所述薄金属板应涂覆有催化材料。
在上述实施例说明中，假定发动机的加注燃料已通过化油器完成。然而本发明也适用于与其它加燃料装置，比如喷射系统相结合应用。

Claims (7)

1.一种曲轴箱扫气式二冲程发动机(1)，包括：汽缸(15)，所述汽缸(15)包括扫气口(31，31′)和至少一个排气口；活塞(13)；连杆(17)；曲轴(18)和大体密封的曲轴箱(16)，所述曲轴箱(16)用于从燃料计量装置(37)引入燃料/空气混合物并通过转移管道(3，3′)连接到扫气口(31，31′)，上述转移管道(3，3′)用于引入从位于汽缸(15)扫气口(31，31′)附近的连接口(8，8′)放进的纯空气，其特征在于，转移管道(3，3′)容积小于在曲轴(18)整个转一圈期间活塞(13)所掠过容积的20％，凹槽(10，10′)形成在活塞(13)的外圆周，该凹槽(10，10′)与汽缸壁中的连接口(8，8′)协同工作用于控制空气充填所述转移管道(3，3′)，及汽缸壁中的进气管(22)，用于供给空气/燃料混合物，上述进气管(22)连接到曲轴箱(16)，并且当活塞(13)处在较低位置时被活塞(13)盖住，而当活塞(13)处在较高位置时通向曲轴箱(16)。
2.按照权利要求1所述的二冲程发动机，其中排气口连接到一个包括催化装置的消音器上。
3.按照权利要求2所述的二冲程发动机，其中催化装置是金属丝网催化剂，所述金属丝网催化剂包括涂覆有催化组合物的金属丝绕组。
4.按照权利要求3所述的二冲程发动机，其中催化组合物是贵金属。
5.按照权利要求4所述的二冲程发动机，其中所述贵金属选自铂，钯，铑，或它们的混合物。
6.按照上述权利要求其中之一所述的二冲程发动机，其中燃料计量装置(37)是化油器。
7.按照上述权利要求1-5其中之一所述的二冲程发动机，其中燃料计量装置(37)是一喷射系统。
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