CN1023826C - 两冲程往复式内燃机 - Google Patents

Abstract

带有进、排气阀的两冲程循环内燃机包括燃烧和换气预燃室，该预燃室环绕一轴线成形，并安置有进气阀座。在进气管设置在偏斜装置式叶片，并尽可能直接设置在阀座气流流动的侧边，从而使气流以旋流形式进入燃烧室。

Description

本发明涉及两冲程循环的往复式内燃机，该种发动机具有进气阀，排气阀，燃烧和换气燃室，这种发动机可以是受控制的点燃式或者是压燃式。

为了改进这种发动机的运转性能，一般是进行如下方面的改进：

（a）提高气缸的透气性，即利用进排气之间的压力差和/或进排气门同时开启的时间，允许发动机所要求的空气流流过;当然，进排气阀同时开启的时间要尽可能的短。

（b）减小进气门和排气门之间空气流的短路循环，这是通过对进入气缸的空气流定向，从而防止气流从进气阀直接流向排气阀，从而改善换气效率。

（c）尽可能的防止在循环中吸入气缸的新鲜空气。在换气过程中与上一个循环的正从气缸向排气孔流动的燃烧废气相混合。

（d）对于非均匀燃烧或压燃式发动机，设法在燃烧室产生强烈的空气运动，这种强烈的空气运动是与燃料的喷射同步的，因此可以改善燃料与空气的混合。

为了保证离心分层的燃烧，美国专利No.4，224，905中提出了使进入气缸的空气以这样的方式来流动，即每一循环进入气缸的空气绕基本与气缸轴线一致的轴线作螺旋运动，但是，为实现这一方式在该专利文献中提出的结构十分复杂，因为它要求预燃室的开口呈切线方向通入气缸，这样所引入的空气与气缸头的平面呈切线，同进，还要装有中央排气阀和直接供给预燃室空气的进气阀，并且一般还要有两个开口向着气缸的进气阀，它们位于中央排气阀的两侧。

本发明的目的是提供一种使进入气缸的空气产生螺旋流动，同时减小进排气阀之间空气的短路流动，保证在燃烧室中旋流的形成的两冲程内燃机。本发明的另一个目的是按上述准则（b）来设计一台带有阀的两冲程往复式内燃机，即使得进入气缸的新鲜空气运离排气孔，要注意的是，空气流是被迫按定向路径移动。本发明还有一个目的是改善美国专利No.4，854，280中所述的两冲程发动机，并在下面选定作为最接近的现有技术。

为此目的，本发明提供了两冲程循环内燃机，它包括：

至少一个没有横向孔口的气缸;燃烧室，它由相对于气缸固定的缸头以及在气缸中往复运动的活塞限定于所述气缸中;设置在缸头上的燃烧和换气预燃室，它包括进气阀座，并通过带有出口的传递通道与燃烧室相通，该出口开向燃烧室并具有垂直于气缸轴线的横截面，该横截面为椭圆形，该出口与气缸内壁大致呈切线方向;进 气阀，该阀的轴线至少大致上与气缸轴线正交，最好是相对于气缸轴线正割，该阀的安置要使阀杆比阀头更远地离开气缸轴线，所述阀头在所述预燃室内可移动，以便从所述进气阀座上升起或落座;将气流直接引导到所述阀座周侧的进气管;至少一个排气阀，它的布置使其轴线至少大致平行于气缸轴线，它可以进行协同操作，并且至少其周围的主要部分可以作为废气的排气通路，排气阀座安置 在缸头下平面，与传递通道相对，排气阀座的设置最好是使活塞头的横向表面在上死点时与排气阀和缸头底平面之间只留下运转所要求的间隙;其特征在于，所述预燃室除了与传递通道连通外，其基本的形状是绕平行于所述进气阀的轴线的轴线旋转成形，并且最好是大致与该进气阀轴线一致或稍微偏离谝轴线;偏斜装置，它设置于进气管的端部之内，即尽可能直接在该进气阀座的进气侧边，这样的安置是为了在进气阀开启时，通过进气管而来的空气流可以产生对所述进气阀轴线单方向的偏斜;传递通道，它具有这样的形状，一方面，在换气阶段由于偏斜装置所产生的偏斜在气缸中产生大致为螺旋形旋流，另一方面，当活塞上升时，所述基本为螺旋形旋流又在预燃室中产生同方向的旋流。

换句话说，在换气阶段引入气缸的旋流，在压缩阶段在预燃室产生旋流。因此，压缩阶段在预燃室中产生的旋流，在膨胀阶段并不改变方向，这一点与已知的RICARDO预燃室正好相反。

所述的偏斜装置，可以在进气阀座的上游侧通过特殊设计的进气管来实现，但是，最好是利用叶片装置，该装置可连接到进气阀，或者连接到进气阀座上。当连接到进气阀时，叶片装置带有间隙地设置在进气管端部内侧，进气管要设有导向装置，以防止进气管绕自身旋转。当设置在进气阀座上时，叶片装置带有间隙地环绕进气阀阀杆。

预燃室的高度（即平行于所述轴线的尺寸）最好大致等于进气阀开启移动的路程。虽然不一定必要，但是给出预燃室和传递通道总的形状以及传递通道的形状还是有利的。前者的形状相对于包含 气缸轴线和进气阀轴线的平面大致对称，后者的形状在预燃室中易于进入旋流。

应当指出，与所述的美国专利No.4，224，905相反，引入气缸的空气对于中央进气阀并不成切线方向，而是向下斜交，从而偏斜气流的路径，远离排气管的附近。

本发明的目的还可以通过以下措施表达：

所述偏斜装置包括环绕进气阀阀杆的叶片。所述叶片连接到进气阀上，并带有间隙地设置在进气管的端部内侧，该进气阀包括导向装置，防止其绕自身转动。所述叶片连接到进气阀座上，并带有间隙地环绕进气阀杆。预燃室的高度大致等于进气阀开启的升程。传递通道的形状是在朝向气缸的出口处收敛，并且最好是相对于与气缸轴线平行的平面大致对称，该平面包含进气阀轴线。预燃室和传递通道整体的形状是相对于与气缸轴线平行的平面大致对称，该平面包含进气阀轴线。该气缸仅有一个排气阀。该发动机通过至少一个朝向预燃室的喷油孔供给燃料，一个或几个喷油孔位于预燃室的侧壁，与进气阀相对，最好是与进气阀同轴。所述一个或几个喷油孔的定向是朝向预燃室的四周。多个燃油喷射孔间置在以预燃室轴线为中心的至少一个圆周上。多个喷油孔被间置在一个圆周上，该圆周的直径是预燃室直径的一半。所述的发动机由一个开口通向预燃室的燃油喷孔供给燃料，该燃油喷孔位于与传递通道相对的预燃室周壁上，最好指向传递通道。活塞的横面和缸头底面基本为平面，并垂直于气缸轴线。传递通道的唇口这样安排，当发动机的冲程和缸径比为1.25时，使得从预燃室向气缸的气流的喷流与一 个平面呈30度角，该平面平行于气缸轴线并包含进气阀轴线。发动机包括至少一个槽，该槽位于活塞上或最好位缸头上，在通道出口的外侧，在此处传递通道口朝向气缸，传递通道还与排气阀座外侧连通，该槽引导到该出口处，并且随着离开所述出口的距离，该槽的横截面和/或深度逐渐减小。一个阀壳设置在进气阀和进气阀阀座处。所述的发动机，发动机是增压发动机。

下面将要参照附图进行更为详细的描述，按照本发明的发动机可以完成后来所述的几个目的。

结合附图，将会对本发明作更详细的说明，该发动机可以实现本发明的目的。

下面参照附图对本发明作详细说明。图1到图3是按照本发明发动机的示意图，其中图1中分别以透视方式显示出活塞和气阀在换气过程中的位置;图2是一缩小尺寸的图，显示出含有气缸轴线和进排气阀的通过P平面的截面;图3也缩小了尺寸，显示出与所述P平面垂直的平面;

图4到图6是与图1相似的视图，分别表示出压缩、燃烧和膨胀过程;

图7是发动机气缸头从图2下部向上看的示意图;

图8和图9是根据本发明的第一种变型的燃料供给系统的示意图，其中图8是类似于图2的视图，图9是图8中自Ⅸ-Ⅸ线的截面视图;

图10和图11是根据本发明的第二种变型的燃料供给系统的示意图，其中图8是类似于图8和图9的视图，图11是图10中 取自Ⅺ-Ⅺ截面视图。

图1到图3中的发动机包括：

至少一个没有横向孔口的气缸1;

燃烧室2，它由相对于气缸1固定连接的缸头3，以及在气缸1内作往复运动的活塞4的横向表面5而限定在气缸内。

燃烧和换气预燃室6，该预燃室形成在气缸头3上，带有进气阀座7（图2），并通过带有出口的传递通道8与燃烧室2连通。该出口与燃烧室2相通，并有一个与气缸1的X-X轴线相垂直的截面，该截面为椭圆形表面9，向内基本与气缸1的内壁相切，气缸的内壁大致平行于椭圆面的长轴（如图7所示）。

进气阀10，它的轴线Y-Y至少大致上与气缸1的轴线X-X正交，最好相对于轴线X-X正割，进气阀10的设置要使其阀杆11比阀头12离开轴线X-X远。阀头12可在预燃室6中移动，从而使阀落在阀座7上或开启。

进气管13，直接将进气流引导到阀座7的周侧。

至少一个排气阀15，它的轴线Z-Z至少大致平行于气缸1的轴线X-X，它可以协同操作，并且至少其周围的主要部分作为废气排气通道。阀15带有阀座16，并设置在缸头3的下部顶平面上，与传递通道8对置。阀座16的安置最好是活塞4的活塞头横表面5在上死点（图5）时，只留下排气阀15和缸头3的下部顶平面所要求的工作间隙。排气阀15或者所有的排气阀（当不止一个排气阀时，最好相对于平面P（图3）至少大致对称的设置，该平面含有气缸1的X-X轴线以及进气阀10的Y-Y轴线。应 当指出，平面P是与图2示图的平面一致。

以上参照附图所描述的发动机已于前述的美国专利No.4，854，280中公开。

按照本发明，设置有预燃室6，它除了与传递通道8相连外，有一个大致围绕一个轴旋转的形状，该轴平行于进气阀10的轴线Y-Y，最好是大致上与轴Y-Y重合或稍微偏离Y-Y轴线。偏斜装置17设置于进气阀13的端部内侧，亦即尽可能地位于阀座7的上游侧。这样的设置是为了当进气阀10开启时，使来自进气管13的在围绕Y-Y轴线的单方向上产生偏斜。

传递通道8具有这样的形状，一方面，在发动机换气阶段，通过偏斜装置17在预燃室6中产生的偏斜在气缸1中产生了大致呈螺旋状的漩流，另一方面，随着活塞4的上升，上述大致呈螺旋状漩流又在预燃室6中产生同方向的漩流。

虽然这种漩流可由特殊几何形状的进气管13（例如螺旋状或旋状）而产生，但是，偏斜装置17一般由叶片组成，在所述的情况下可以或者与阀10相连接（未示出），这样的装置有间隙地设置于进气管13的端部，此时，阀10包含导向装置，用来防止它自身旋转，或者与阀座7相连接，图2示意的显示了带有间隙地环绕阀10的杆11的偏斜装置。

预燃室6和传递通道8的整体相对一个平面有大致对称的形状，所说平面平行于气缸1的轴线X-X，并包含进气阀10的轴线Y-Y。所说平面最好是P平面。

最好是气缸1只有一个排气阀15。活塞4的横表面5和缸头 3的下部顶表面最好是平面（除了下面将叙述的槽20），并且垂直于气缸1的X-X轴线。

传递通道8的唇部最好是使从预燃室6中向气缸1喷出的气体射流与一个平面呈角度A（角度A为30°），所说平面平行于气缸1的X-X轴线，并含有进气阀10的Y-Y轴线（见图3）。显然，角度A有赖于气流偏斜率以及传递通道8的形状。所说气流是流过偏斜装置17后，流过进气阀10的阀座7的气流。角度A大小的变化最好与冲程/缸径比成反比关系。如果角度A过大，气体流路将不能向着活塞4足够深的进入燃烧室2，从而使气体流路与排气阀太近，从而导致进气到排气的直接的通路，这将降低换气质量。另一方面，如果角度A过小，气流有被活塞4送回排气口的倾向，同样对发动机换气产生有害的影响。最佳的情况是在冲程/缸径比为1.25时，角度A约为30度左右。

正如图3所示，传递通道8的形状最好是向出口的方向收缩，出口与气缸1相通，并且最好相对于所述的平面对称，该平面平行于气缸1的X-X轴线并包含进气阀10的Y-Y轴线。并且在与气缸1连接处成喇叭形扩张，最好形成Ω形截面。

进气阀10的几何形状不利于气阀10通过缸头的下部顶平面就位。因此建议使用一种已知方式，即进气阀10采用一个阀壳体或阀套21，该壳体或阀套穿过缸头3，使阀10就位在其阀座7上（即图2所示从右向左的移动就位）。

如图7所示，在出口（或椭圆形面）9处传递通路8与气缸相通，出口9的外侧，以及排气阀15的阀座16的外侧，至少有一 条槽20，它通向出口9，槽20的断面和/或深度随着离开出口9的距离而减小。该槽可以成形于活塞4上，但最好成形于缸头3上。该槽（图中实线所示），或每一个槽（实现所示的和虚线所示的）作成半月牙形是有利的。

对于后燃式发动机，喷油孔或多个喷油孔18可以安置在预燃室6或者在它的横壁上，设置于进气阀10的前面，最好安置在以预燃室6的轴线为中心的至少一个圆周上，或者在预燃室的周壁上。

在第一个实施例中，仅有一个以预燃室轴线为中心的环状燃油喷孔18（如图2所示），或者是以预燃室轴线为中心的一个圆周上的多个燃油喷射孔，这些孔径向指向预燃室的四周（如图5所示）。然而，为了增加燃油喷射孔18和预燃室壁之间的距离（如图8和图9所示），最好是设置一组燃油喷射孔18（例如8个孔）;从而有利于这些孔最好是沿以预燃室6轴线为中心的一个圆周（如图所示）或一组圆周C间隔设置。这些喷射孔以旋转双曲面族中之一的形式指向预燃室6的四周是比较有利的（如图8所示），在如图所示的情况下，孔18沿单个圆周C间置，圆周C的直径d最好是预烯室6直径D尺寸的一半。

图10和11示意地显示了第二个实施例，在这个实施例中，最好是只设置一个薄层型喷孔18（Mipple喷油器），该孔位于预燃室6的顶部，即在预燃室周壁相对于传递通道8的位置。喷射孔18喷油的方向是朝向传递通道8，它以这样的方式定向，即从该孔喷出的燃料流或燃料流面（层）成为大致与预燃室6的轴线相垂直的平面。

按照这些实施例中任一个（图8到图11所示），都可以改善空气，燃料混合的均匀性。这就有利于预燃室6周围最初的燃料的燃烧，从而避免了在邻近喷射孔形成有害的热区。

按照这种方式设计的发动机，其运转方式是这样的。图1到图6中的箭头示意性地表示了气缸1中以及在进气口和排气口处流体的运动路线。在换气阶段（图1到图3），活塞4首先邻近下死点位置，然后，随着活塞的上升，通过阀座7的空气由偏斜装置17所偏斜，并通过进气阀10，预燃室6的壁，并以喷射的形式进入气缸1，该喷射入气缸的气流相对于气缸1的X-X轴线倾斜（以一种漩流的方式）。由于气缸是圆柱形的，来自预燃室6的空气流路径在气缸1中呈倾斜状态，并呈螺旋状卷曲。这种形态的空气流有效地防止了气流靠近排气阀15的阀座16，因为排气阀随后就要开启。由于不存在进气流到排气阀的短路循环，气流利用效率提高，并使活塞4和气缸1（或缸套）获得较好的热均匀性。

在压缩阶段（图4），换气阶段以螺旋旋转运动吸入气缸1的气流保持其这种运动，活塞4上升时，使螺旋状气流螺距变小。

由活塞4上升推入预燃室6的空气保持着被活塞运转所引入的切线速度，这使在预燃室6中空气的旋转与所述预燃室同轴，而这一点是重要的，因为在换气过程中引入预燃室6的气流无需再颠倒旋转方向。

在燃烧阶段（图5），封闭在气缸1中的准总量的空气被活塞以及缸头3的底平面和就座在阀座16上的排气阀的作用所挤压，气流在预燃室6之内也保持与所述预燃室同轴的旋转运动。对于柴 油机的优选的实例中，从喷油孔18喷出的燃料19与气流的旋转运动相互干扰，这种情况有利于空气和燃料的混合。要限制气体从主燃室2向预燃室6的传递速度，或者反之，为此目的，所述的槽20最好设置在缸头3上而不是设置在活塞4上，如图7所示，特别是活塞4在运转中有可能围绕其轴线转动的情况下更是这样（例如在这种情况下活塞与连杆之间为球形铰接）。

在膨胀阶段（图6），会产生与压缩阶段相反的情况，即气体与在换气时所产生相同的偏斜离开预燃室6。

由于这样的机构设计，在气缸1中和在预燃室6中的空气流和气体流保持旋转而又并不倒转方向。

在每一次换气循环，由偏斜装置17使吸入的新鲜空气产生旋转运动。由于每循环的气流的重新加速不用倒转流动方向，因此，这种方式可获得气动损失在最小限度的效果。

以上的叙述是假定发动机为单缸机，然而很显然，上面的描述对于了动机为两缸或多缸的情况仍然有效。同样，上面按照本发明所描述的发动机只包含一个排气阀15，但它也可以有两个或多个排气阀。虽然图3中显示的预燃室6具有一个围绕与进气阀10的轴线Y-Y一致的轴线的旋转形状，但是，预燃室6的轴线也可以稍微偏离Y-Y轴线。

本发明尤其适用于由废气驱动的透平增压器的透平增压动机。

Claims (19)

1、两冲程循环内燃机，包括：

至少一个没有横向孔口的气缸；燃烧室，它由相对于气缸固定的缸头以及在气缸中往复运动的活塞限定于所述气缸中；设置在缸头上的燃烧和换气预燃室，它包括进气阀座，并通过带有出口的传递通道与燃烧室相通，该出口开向燃烧室并具有垂直于气缸轴线的横截面，该横截面为椭圆形，该出口与气缸内壁大致呈切线方向；进气阀，该阀的轴线至少大致上与气缸轴线正交，最好是相对于气缸轴线正割，该阀的安置要使阀杆比阀头更远地离开气缸轴线，所述阀头在所述预燃室内可移动，以便从所述进气阀座上升起或落座；将气流直接引导到所述阀座周侧的进气管；至少一个排气阀，它的布置使其轴线至少大致平行于气缸轴线，它可以进行协同操作，并且至少其周围的主要部分可以作为废气的排气通路，排气阀座安置在缸头下平面，与传递通道相对排气阀座的设置最好是使活塞头的横向表面在上死点时与排气阀和缸头底平面之间只留下运志所要求的间隙；其特征在于，所述预燃室除了与传递通道外，其基本的形状是绕平行于所述进气阀的轴线的轴线旋转成形，并且最好是大致与该进气阀轴线一致或稍微偏离该轴线；偏斜装置，它设置于进气管的端部之间，即可能直接在该进气阀阀座的进气侧边，这样的安置是为了在进气阀开启时，通过进气管而来的空气流可以产生对所述进气阀轴线单方向的偏斜；传递通道，它具有这样的形状，一方向，在换气阶段由于偏斜装置所产生的偏斜在气缸中产生大致为螺旋形旋流，另一方法，当活塞上升时，所述基本为螺旋形旋流又在预燃室中产生同方向的旋流。

2、按照权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述偏斜装置包括环绕进气阀阀杆的叶片。

3、按照权利要求2所述的内燃机，其特征在于，所述叶片连接到进气阀上，并带有间隙地设置在进气管的端部内侧，该进气阀包括导向装置，防止其绕自身转动。

4、按照权利要求2所述的内燃机，其特征在于，所述叶片连接到进气阀座上，并带有间隙地环绕进气阀杆。

5、按照权利要求1至4中任一项所述的内燃机，其特征在于，预燃室的高度大致等于进气阀开启的升程。

6、按照权利要求1至4中任一项所述的内燃机，其特征在于，传递通道的形状是在朝向气缸的出口处收敛，并且最好是相对于与气缸轴线平行的平面大致对称，该平面包含进气阀轴线。

7、按照权利要求1至4中任一项所述的内燃机，其特征在于，预燃室和传递通道整体的形状是相对于与气缸轴线平行的平面大致对称，该平面包含进气阀轴线。

8、按照权利要求1至4中任一项所述的内燃机，其特征在于该气缸仅有一个排气阀。

9、按照权利要求1至4中任一项所述的内燃机，其特征在于，该发动机通过至少一个朝向预燃室的喷油孔供给燃料，一个或几个喷油孔位于预燃室的侧壁，与进气阀相对，最好是与进气阀同轴。

10、按照权利要求9所述的内燃机，其特征在于，所述一个或几个喷油孔的定向是朝向预燃室的四周。

11、按照权利要求10所述的内燃机，其特征在于，多个燃油喷射孔间置在以预燃室轴线为中心的至少一个圆周上。

12、按照权利要求10所述的内燃机，其特征在于，多个喷油孔被间置在一个圆周上，该圆周的直径是预燃室直径的一半。

13、按照权利要求1至4中任一项所述的内燃机，其特征在于，由一个开口通向预燃室的燃油喷孔供给燃料，该燃油喷孔位于与传递通道相对的预燃室周壁上，最好指向传递通道。

14、按照权利要求1至4中任一项所述的内燃机，其特征在于，活塞的横面和缸头底面基本为平面，并垂直于气缸轴线。

15、按照权利要求1至4中任一项所述的内燃机，其特征在于，传递通道的唇口这样安排，当发动机的冲程和缸径比为1.25时，使得从预燃室向气缸的气流的喷流与一个平面呈30度角，该平面平行于气缸轴线并包含进气阀轴线。

16、按照权利要求1至4任一项所述的内燃机，其特征在于，它包括至少一个槽，该槽位于活塞上或最好位于缸头上，在通道出口的外侧，在此处传递通道口朝向气缸，传递通道还与排气阀座外侧连通，该槽引导到出口处，并且随着离开所述出口的距离，该槽的横截面和深度逐渐减小。

17、按照权利要求1至4任一项所述的内燃机，其特征在于，它包括至少一个槽，该槽位于活塞上或最好位于缸头上，在通道出口的外侧，在此处传递通道口朝向气缸，传递通道还与排气阀座外侧连通，该槽引导到出口处，并且随着离开所述出口的距离，该槽的横截面或深度逐渐减小。

18、按照权利要求1至4中任一项所述的内燃机，其特征在于，一个阀壳设置在进气阀和进气阀阀座处。

19、按照权利要求1至4中任一项所述的内燃机，其特征在于发动机是增压发动机。

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