CN1012913B - 两冲程发动机换气阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一用于在气缸中的空气一燃料混合物燃烧前、控制两冲程发动机气缸(12)中排出的流体量的阀门，尤其在发动机处于低负荷工况时。该系统包括一设在进口(14)逆流方向并在运行期间维持其开启状态的节流阀(26)、可连通一换气口(30)的阀门(32)，它包括一可相对一孔(76)移动的活塞(80)，以感应组合电磁阀(54)动作而产生的压差，这样，当活塞被移开而不挡住孔时，气缸中预定数量的工作流体随着气缸活塞移动经过压缩周期时排出。

Description

本发明涉及一种用于两冲程发动机上的电磁控制阀，这种阀门装在气缸换气口内以控制发动机的动作;本发明尤其涉及一种可清除气缸中一定量流体，从而维持适当的空气/燃料比率的阀门。

两冲程发动机的优点是制造成本低、结构简单。然而，这种发动机有重大缺点，即在气缸中始终残留有一定数量的燃烧过的气体，这些残留气体与气缸中新鲜的空气燃料冲量相混合，这样就必然导致该两冲程发动机功率比假如所有废气能被清除时能达到的功率小。另外，因为普通发动机中进口和出口构造的原因，排除的气体含有大量碳氢化合物，并且对于两冲程压燃式发动机而言，新鲜气体直接进入排泄系统中。

而且，两冲程发动机的性能，特别是处在诸如低速运行、海岸巡航的低负荷工况下不够理想，如运行不稳定乃至熄火。这些缺点将可在后述部分看到，当发动机处于低速运行状态时，也就是节流阀实际上关闭时，仅有相当少量的新鲜空气可进入燃烧室中，因此，接着进行点火时燃烧室中空气与废气的比率不足以促成燃料的燃烧。在低要求状态时两冲程发动机五次之中往往就有四次会熄火。

本发明的目的是改善两冲程发动机的性能，本发明的另一个目的是有选择地控制留存在两冲程发动机燃烧室中的废气量，以便能适当地进行点火;本发明的目的还在于有选择地清除气缸中一定量的工作流体以便调整空气/燃油之间的有效比率;本发明的目的还在于提供一种用于调整两冲程发动机性能的换气阀。

因此，本发明包括：一用以控制燃烧前从发动机气缸中清除出 的工作流体数量的阀门，其包括：一安放在位于外壳中的腔室内并构成腔室一部分的活塞;外壳沿腔室周围有一个孔以及在该孔逆流方向有一进口，这个活塞可在第一位置和第二位置之间移动，以打开和关闭该孔和进口之间的联通，该进口用以接受压力流体。阀门还包括第一装置，用以有选择地建立和终止腔室与一出口之间的联通，该出口与比提供至活塞的逆流面压力低的压力相通，因此当联系形成时，通过活塞产生一压力差以推进其沿顺流方向朝第一位置移动，不盖住孔以允许流体从进口流过孔;用于平衡施加在活塞的逆流表面和顺流表面的压力的装置，各行程期间该平衡装置在第一装置终止腔室与出口的联系时起作用;以及将处于逆流方向的活塞推进到第二位置，从而阻止流体从进口流过孔的装置。

本发明的许多目的和任务将从以下对附图的详细说明中变得更为清楚。

附图中：

图1是一两冲程发动机中进口和排气口的动作示意图;

图2是一用在两冲程发动机上的换气阀剖视图。

图1a-d表示两冲程发动机的单一汽缸不同的动作形式，尽管图中只示出一个气缸，发动机可以包含有若干个这样的气缸。标号10表示的发动机，它包含一具有一进口14和排气口16的气缸12，该气缸12中滑动地安装一活塞20，该活塞20用连杆22安装在发动机曲轴24上，排气口16与已知的多种排泄系统之一相通，流过进口14的空气受节流阀26控制，一鼓风机27可选择地与节流阀26连通，以给输入空气增压;设置在气缸12上端的是一燃油喷嘴28及一火花塞29，位于气缸上部还设置一与阀门、如换气阀或导向阀32相连的换气口30，换气阀或导向阀出口通过通道34与排泄系统相连。本发明较佳实施例中，阀门32是一电子启动、压力平衡的换气阀。

在叙述本发明之前，先回顾普通两冲程发动机的动作过程。这种普通两冲程发动机没有换气口30，以下讨论就是在假设它不存在的情况下进行。参见图1a，活塞20已降至低点，并暴露出进口和排气口，在此状态下，新鲜洁净的空气在节流阀26和/或鼓风机27的控制下传输到气缸12中，图1b表示燃烧周期的压缩区段的开始。活塞20向上运动，如图示，并封闭排气口，随着曲轴继续转动，活塞继续朝上运动，压缩气缸中的气体（工作流体）。如图1c所示燃料被输入气缸口中并由火花塞29点火引起燃烧。图1d表示排泄周期区段，此时活塞位于气缸下段，放开排气口16使废气退出排泄系统。

如上所述，两冲程发动机的特点之一是气缸12中残留有大量废气，这从图1a（不考虑鼓风机27）上可很容易地看到，图中当活塞20退到其最低位置时，在气缸中形成一局部真空。随着排泄口与大气压连通，废气将试图停留或流返气缸中，工作流体中的废气比例在节流阀关闭或部分节流的情况下会更大，这时只有较少量的新鲜空气能通过进口14进入气缸中。因此，在压缩周期过程中，作为残留废气导致的结果是空气与废气间的比率将不足以引起燃烧。正如前面所提到的，这一不恰当的比率使发动机运行不稳并熄火。

现参见图2所示的换气阀32横剖面详图，阀门32包括第一壳件40，其中有一阶梯形腔42，腔42的出口端43与排泄系统44连通。外壳40上一中空的狭窄部分或凸台48内加工有一横向空腔46，该空腔46包括有一狭窄通道46a，其与一直径比阶梯形空腔42的上部分52直径稍大的环状通道或开口50相通。位于阶梯形空腔42的上段部分52内的是一电磁启动阀门54。该阀门优先采用正常情况下关闭的类型。该阀门相应包括一进口、出口装置56和58。如图2所示，进口包括多个设置在阀门54圆周上的通孔，这些通孔与放大的通道或开口50相通。对阀门54进行专门介绍与本发明无关， 只要说明电磁阀门54包含有一可移动的阀门装置就可以了，该阀门装置正常情况下处于关闭状态，当其开启时允许流体从进口56流过阀门54到达出口58。这种阀门装置可以含有一偏置于阀座中的加强弹簧。任何在自动化工艺中使用、为人们广泛所知的电磁阀门均可用作阀门54。

凸台48周围螺旋连接一护圈66，其包括构成进口69的一狭窄部分68，该部分穿过气缸12的壁体70螺旋连接在换气口30上。护圈66的内壁与壳件40的一狭窄部分或凸台48组合形成一腔室74。护圈66还开有若干个孔76a-n，通过这些孔使腔室74与排泄系统44相通。正如将从本发明的动作描述中看到的一样，孔76并不一定只需要与排泄系统44相通，也可以直接与大气相通。

腔室74中置有一阶梯形活塞80，其由带轴向伸出的壁体82的杯状件81构成，壁体82的外缘有一凹槽83，形成两个间隔的沿径向伸展的部分84和86，其顶端可滑动地安置在护圈66的内径88之内。对凹槽83而言，应正确估价到，这种凹槽对本发明的动作并不很紧要。然而凹槽83的优点在于减少壁体82与护圈内壁86相接触的表面积，从而减少了滑动摩擦。如图2所示，底部或横梁94偏离于伸展部分84和86的二侧面106a、106b，在这种构形情况下，伸展部分84和86的二侧面决定了相反方向的环状压力接受表面106a和106b。显然，横梁94不一定需凹陷入两个表面106a、106b而可以与顺流表面106a平行。

由于横梁94相对顺流表面106b偏移，形成一杯状套，在该杯状套内壁体82的内径90可与凸块48的外径92滑动配合。另外，壁体82的尺寸大小，使得活塞处于最右侧位置时，壁体82套住凹块48的一部分，这样就将腔室74分隔成两部分74a、74b，两分室74a、74b之间的联系通过在凸块48上开一个或若干个径向缝槽78而实现。活塞80被一设在通道46内的弹簧100迫至最左方，也即 靠在护圈66上的一肩102。活塞80还有一从横梁94沿顺流方向凸出的阶梯形部分95，该部分可滑动地装在换气口30的内壁上。如图2所示的可选择方案，凸出部分95可滑动地装置在护圈66的壁体69内。该部分顺流方向的端面107决定一环状压力接受表面，阶梯形部分95周围的横梁区域决定一环状压力接受表面108a。假如横梁不象图2所示一样凹入端面106a，而是与其处于同一平面，则环状表面108a和106a成为一个或同一平面。正如下面将要进行讨论的，阶梯形部分95的端面107的面积最好比活塞前表面即106a和108a的面积小。

从以下讨论将可以看到，提供以上压力承受表面的目的是：a）辅助活塞80的压力平衡以及b）提供一增加施加在活塞上的逆流方向的压力、充当活塞80的位移功能的装置。

尽管本发明的较佳实施例设想一个压力敏感活塞80，它充当与发动机换气口联通的阀门32的部件，但本发明并不因此而受到限制。例如，活塞80、弹簧100、通道40.46、孔76可以作为发动机构成总体的必要部件制造。在此结构下，发动机还将设置一阀门装置，如控制活塞80的顺流面与排泄系统之间的联系电磁阀54。

本发明的目的之一是控制气缸中，尤其在低负荷工况期间工作流体（空气和废气）的数量，这一目的以下述方式完成。参见附图可更为清楚。参见图1-c，其表示燃烧周期的点火区段，可以看到活塞20已全部封闭换气口30，从而隔绝阀门32使之不受燃烧影响。这一布置有一重大优点，即热的具有腐蚀性的废气不流过活塞80和阀门54，这就是有效地延长了上述构件的使用寿命。另外，因这些构件不一直与废气接触，所以可采用非贵重材料制造，从而达到经济效果。在这一点火区段内，电磁阀门54从控制器100获得信号而预先关闭。当活塞20如图1-d所示经过燃烧周期排泄区段尤其在活塞20已打开排泄口16之前，电磁阀可按指令开启。

从图2可看到，由于换气口和排气口在近似相等的压力时联通，故只有一很小流量通过阀门32。

如图1-a所示循环的进气区段内，洁净的新鲜空气通过进口14进入气缸12，在这一区段期间内，电磁阀54保持其开启状态。当曲轴继续转动，气缸活塞20将如图1-b所示开始其向上运动，活塞20将开始轻微压缩气缸内的工作流体（空气和废气）在阀门32两侧造成一压差，这一压差的方向和大小迫使活塞80克服弹簧100的反力向右运动，如图2所示。一开始气缸12中流体的压力仅作用在露出的环状表面107上，当活塞80移动到右侧，使得表面107已越过肩102时，表面108a及106a就暴露在气缸压力之下，在这一位置上所提供的压力施加在107、108a以及106a各个表面上，迫使活塞在此时较大的推力下向右移动，从而打开孔76。随着通孔76被打开，活塞20的向上继续运动使气缸中的工作流体在活塞20向上运动时穿过孔76而被排除。这一状态一直持续到预定量的工作流体（与活塞20的运动比例对应）从气缸12中排出为止。应该考虑到，当发动机处于低负荷工况期间，节流阀26将被打开，使足够数量的清洁空气进入气缸12。依据不同的性能特点，节流阀26在低需求期间可保持部分或完全打开，一鼓风机27可选择地用来辅助输入新鲜空气。这样，进入的新鲜空气将有效地稀释残留在气缸12中的废气，使从气缸中清除的工作流体能通过孔76直接与大气，而不是如图2所示与排泄系统相通。节流阀的位置可以按人们熟知的多种方式控制，如采用机械连杆和/或电机式执行机构。

通过排气减少，点火前吸入气缸12中的工作流体量，在一调整得很小的燃料量时，使燃烧可在正常的空气/燃料比率小于20∶1的情况下发生，这就保证了燃烧将可在低负荷工况下进行。

在压缩冲程的预定点上，电磁阀54被关闭，从而终止排气系统44与压力室74之间的联通。当活塞20继续向上运动，气缸12中作 用在逆流表面（106a、107、108a）上的压缩工作流体也传递到顺流表面（106b、108b），更具体地说，压缩流体首先通过通道96传至表面108b，然后通过凸台48上的横孔或缝槽78进入室74b传至沿径向伸展的壁体82的顺流端面106b。在这一状态下，同样压力被供应到活塞80的逆流顺流表面，又因为逆流表面面积等于顺流面面积，因此形成一压力平衡状态。如图2所示的本发明实施例中，表面106a、106b面积相等，107与108a表面积之和等于108b表面积。随着活塞80压力的平衡，弹簧100迫其向左移动，封闭孔76并阻止进一步清除工作流体。活塞20将继续向上运动盖住换气口30并保护阀门32不受燃烧过的空气燃料混合物的影响。燃料进入发动机的数量可用已知方式控制，达到适当的发动机速度、输出功率等。

应该记住，在刚开启电磁阀54前，有少许或无流体压力将作用在其可动的内部零件即（电扭、关闭元件等）上，因此这种电磁阀能较慢地动作，并且功率小，设计成本低。另外，当压力传至阀门54之瞬间压差方向加快封闭速度、提高阀门内阀件密封质量。

电磁阀54动作以及此后阀门32的动作可由任一定时循环，曲轴角度百分值或开启、关闭曲轴的具体组合来控制，从而可将发动机功率控制在要求的水准上。

另外，尽管本发明较佳实施例表示一电磁阀54，它有选择地开启或关闭一连接排泄系统的通道，但一机械启动阀可取代之。这种机械阀门由连接曲轴的连杆操纵。

此外，尽管本发明较佳实施例叙述本发明在一燃料喷射式发动机中的运行，这也不是本发明所要求。燃料喷射式发动机允许以适当方式，单独控制气缸排气量以及燃料输入量。

本发明所述的也可在带装有化油器的发动机上采用。然而，因进入进气口的流体是空气与燃料的混合物，因此在该流体从气缸清除期间，即在点火前，未充分燃烧的碳氢化合物被迫使从气缸排放 入大气之中。应该注意到，不是所有发动机均要求满足自动化发动机空气污染规定的限值。用在发电机或船只上的发动机是未加调整的发动机一个例子，两者在发动机低负荷工况下的性能皆不理想，当其与本发明装置组合后，这一性能可以得到改善。

本发明上述实施例的许多变化和改进当然可以在未超出上述范围内实现，因此，其范围将靠所附各权项的范围进行限定。

Claims (13)

1、一种在燃烧前控制从发动机气缸中清除工作流体数量的阀门，包括一供工作流体流过的通道装置及装在其中并受到控制地开闭的阀装置，其特征在于：

所述通道装置为设在气缸壁上的进口69，所述阀装置包括第一装置和第二装置，后者带有与所述进口69连通的支承壳体66；

所述壳体66中设有腔室74，并通过装在其中的阶梯活塞80与所述进口69连通或关闭；所述壳体还带有围绕所述腔室74由所述活塞80控制其开闭的孔76，且该孔76与排气道44相通；

所述活塞80的逆流表面为阶梯状且其突出部95可滑动地设于壳体66中邻近进口69；

所述活塞还带有一与进口69连通的通道；

活塞的逆流、顺流表面的面积的设计得当所述第一装置关闭时，作用于两表面上的压力保持平衡；

所述第一装置包括一外壳40，其上设有与第二装置相连接的部分和与排气道44相通并容纳阀门装置54的腔室42；

所述阀门54包括一进口装置56和一出口装置58及一可移动的阀装置；

所述进口装置56和出口装置58分别与设在第二装置相连接的部分内的通道46和排气道44相连通；

所述可移动阀装置受控地开闭，使进口装置56和出口装置58受控地断通；

一弹簧装置100设在通道46中，使活塞在顺逆流两面压力平衡时回复到关闭状态。

2、如权利要求1所述的阀门，其进一步特征在于所述壳体66包括一与所述进口呈顺流的较大直径部分88的阶梯形空腔、以及一接合进口及大直径部分的肩102;所述活塞是阶梯形的、装在所述阶梯形空腔中，它包括一杯状构件81，该杯状构件有一滑动套装在所述较大直径部分88内的轴向壁体82和一连接所述轴向壁体82的横梁94，所述部分95从横梁94沿逆流方向凸出并可滑动地套装在所述进口内，一通道穿过所述凸出部分95及横梁94，所述横梁从所述轴向壁体82有顺流端106b处凹入并贴连腔室74。

3、如权利要求2所述的阀门，其进一步特征在于所凸出部分的端面107面积小于所述活塞80的其余逆流面面积总和。

4、如权利要求3所述的阀门，其进一步特征在于所述外壳40、66有一可滑动地接装所述轴向壁体的顺流部分的装置48，它与所述活塞共同组合，将所述腔室划分成与所述横梁的一顺流表面108b相通的第一部分74a和与所述轴向壁体的顺流端面106b相通的第二部分74b，所述装置48还包括一联系第一和第二腔室部分的第二通道78。

5、如权利要求4所述的阀门，其进一步特征在于所述与第二装置连接的外壳部分有一轴向伸出的凸台48。

6、如权利要求5所述的阀门，其进一步特征所述移动开闭阀为电磁感应阀54。

7、如权利要求6所述的阀门，其进一步特征在于当所述活塞的凸出部分95可滑动地套装在所述壳体66壁中邻近进口69中时，所述凸出部分的端面107就能暴露在进口处的压力中，当活塞沿顺流方向被推越肩102时，所述活塞的其余逆流表面均暴露在进口压力下;当所述活塞已移动所述第二位置时，活塞不再挡住所述孔而使流体从进口流过所述孔。

8、如权利要求1所述的阀门，其进一步特征在于所述活塞80有压力第一接收表面107，其受供应压力作用和压力第二接收表面106a，其分布在所述第一表面107四周。

9、如权利要求8所述的阀门，其进一步特征在于所述活塞还包括有第一构件94，其有一径向伸出、围绕所述第一构件的壁体82以及一决定所述第二表面106a的逆流端、以及作为决定第三压力接受表面106b有顺流端;所述第一构件94凹入所述顺流端面。

10、如权利要求9所述的阀门，其进一步特征在于：当所述活塞位于第二位置时，所述第二表面106a与所述外壳的一部分相接触，因此供应压力不作用其上;当所述活塞沿顺流方向移动时，所述供应压力施加在第一和第二表面上。

11、如权利要求10所述的阀门，其进一步特征在于所述阀门还包括一第四压力接受表面108b，其与所述第一表面相对，和呈顺流方向、并位于所述第一构件94的顺流侧面上;

所述壁体82的顺流部分可滑动地套装在所述外壳的一中空的伸出部分48，所述伸出部分传递流体从所述通孔96与所述第三表面106b间的联系的装置;所述传递联系的装置包括一在所述伸出部分48形成的缝槽78。

12、如权利要求11所述的阀门，其进一步特征在于所述阀门装置包括一正常情况下关闭的电磁阀54。

13、如权利要求12所述的阀门，其进一步特征在于所述活塞80包括一围绕所述壁体82边缘、将壁体分成两部分84、86的凹槽83。

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