CN102892993B - 低消耗、低排放两冲程发动机 - Google Patents

Abstract

两冲程发动机(10)包括一个发动机气缸(18)，一个在所述发动机气缸(18)内滑行的活塞(20)，一个气泵(9)，一个连接于所述气泵(9)由多个扫气管(28)通过各自刚好置于活塞(20)上部的扫除端口在活塞位于其下止点位置通向所述气缸与所述发动机气缸(18)相接触的主管(32)，通过一个刚好置于活塞(20)上部排气端口在活塞位于其下止点位置通向开口进入所述气缸(18)的排气管，一个从主管(32)分支且开口进入所述气缸(18)的辅助管(29)在一定水平上高于所述扫气管(28)和排气管(33)，和一个能够选择性打开和关闭所述辅助管(29)的阀(30)且在所述发动机启动阶段时被配置以对所述发动机气缸(18)增压和减压。

Description

低消耗、低排放两冲程发动机

技术领域

本发明涉及一种二冲程发动机，特别是机动车用二冲程发动机。

背景技术

众所周知，二冲程发动机主要限于摩托车使用，这主要是由于零部件数量的减少以及随之带来的结构的简化。

    与四冲程发动机相比，二冲程发动机的其它优势，在相同排放量下产生的提升的动力和更规律的扭矩，这是由于传动轴每次革新所带来的一个动力冲程的可用性。

然而在机动车领域，消极方面战胜了这些优势：与四冲程发动机相比二冲程发动机更耗能，有更多的污染物排放，需要更频繁的维修。

特别是耗油和排放，会受到日益严格的法规和来自民众更多的关注所影响。

所有制造商基本上都通过两条路线致力于提高四冲程发动机这种工作性能：一方面试图使燃烧室（因此为了最大的效率使用具有小燃烧室的小发动机，直喷和增压）中的燃料物尽其用，另一方面通过减少摩擦和减少冲击损耗来提高机械效率，通过使用有效但是昂贵的改变相位和气门升程的装置；值得一提的是一种标准的四冲程发动机在最大功率下力学损耗大约达到这个发动机最大功率的20%。

对于为城市交通设计的一种发动机，主要是在中低速使用，且其MEP值约为最大MEP值的20-30%，摩擦和冲击损耗严重影响消耗。

一种MEP值在30%的二冲程发动机具有一种四冲程发动机一半的摩擦和三分之一的冲击损耗；MEP值在100%的二冲程发动机的摩擦损耗将会保持在约20%。

当分析这些城市交通中带有小发动机汽车的典型的工作范围时，具体的消耗表明对于一种靠直喷式汽油推动的二冲程发动机其油耗比四冲程发动机在相同工作条件下大约低30%。

在这一点上似乎合乎逻辑的提出了一个问题，一种新概念的二冲程发动机在轻便运输领域对于一种四冲程发动机是否是一种有效的选择，特别在一种城市主导的环境中。

发明内容

本发明目的是提供一种消除了与传统的两冲程发动机相关的缺点的改进的二冲程发动机，但是利用了积极的方面以便它能有效的被用于机动车领域。

本发明的另一目的是提供一种二冲程发动机特别是适合于电力驱动或者混合驱动应用中。

以上所述目的是根据权利要求1所述的一种二冲程发动机来获得的。

附图说明

为了更好地理解本发明，参考附图，提供了两个优选实施例的描述，这些实施例不是限制性实例，图中：

图1示出了根据本发明制造的一种二冲程单缸发动机的部分，基于一个表面垂直于曲轴轴线，且包含气缸轴线；

图2至图8说明在一次循环中相对于转动轴不同角度下发动机主要零部件位置的原理图和局部视图；

图9是沿一个包含曲轴轴线和气缸轴线的表面的图1 中发动机的一个部分；

图10是基于一个垂直于气缸轴线的表面的发动机截面部分；

图11是图1中用于发动机计时的可变凸轮轴的一个部分，根据本发明的实施例之一；

图12是根据本发明另一个不同的实施例的一种三缸发动机的截面部分；且

图4A是一个图12中发动机的主要部件的示意图；在相对于图4的一个位置，根据另外一个实施例；

本发明的最佳实施方式

图1，图9和图10示出的一种新概念的单缸发动机由数字10所指的整体部件所表示，尤其适用于但不完全适用于电力或者混合装置。

发动机10包括一个由两个半曲轴箱12,13组成的曲轴箱11和由在曲轴11上的两个轴承2,3所支撑的曲轴14。所述曲轴箱11形成于发动机气缸18的一边，有一个轴A，它包含由一个轨道部分21和控油环22完成的滑动发动机活塞20，设于活塞底部。活塞20用一个钉子19铰接与一个连接杆15。

在曲轴箱11的另外一边有一个含有一个泵缸23的气泵9，有一个垂直于所述轴A 的轴B，含有一个由轨道部分25和控油环26完成的滑动泵活塞24。泵活塞24用一个钉子27铰接于一个连接杆16。

曲轴14有一个曲柄销83，连接杆15，16通过球轴承4,5铰接于曲柄销83。出于经济原因，曲轴14最好是由三部分内连接而成：两个半轴14a,14b和连接14a与14b的曲柄销83(图9)。

气泵9沿其轴线垂直于发动机气缸18的位置放置这样放置具有第一定律中力平衡的优势：当反旋转部件反向于所述发动机且使它无束缚力时旋转部件可以由曲轴14的对抗力来平衡。

曲轴14的主轴承2,3和球轴承4,5通过安装在曲轴14上的一个泵17的压力油来润滑；这种选择旨在实现低噪音水平。

泵缸23和发动机气缸18通过一个主管32连接，主管32通过一组带有板条37的单向阀与进气歧管34相通。主管32与发动机气缸18内部通过多个扫气口28相通，所述的移除口开口形成各自的端口，这些端口刚好置于活塞20在下止点的上部。具有明显矩形截面的扫气口28，从主管32向发动机气缸18方向倾斜向上，且除了与主管32截然相反的区域外沿着后者（图10）周围分布，其中包含了一个排气管33的出气口。排气管33的端口，同样具有一个明显的矩形截面，刚好设置在在下止点处活塞上面。

主管32通过一个辅助管29与发动机气缸18连接，所述辅助管29分支从扫气口28逆流而上，倾斜向上并流入发动机气缸18，在一定水平上比扫气管28和排气管33高。辅助管29起增压和分压作用。

辅助管29通过一个圆柱座38相交，使其与气缸璧18内成切线方向，它设有一个与曲轴14具有相同速度的旋转阀30，但是在相反的方向，且由两个球轴承85,86支撑；旋转阀30是圆柱形且密封耦合于圆柱座38用来关闭管道29，但是当它们对齐时它有一个为打开增压管29而配置的环槽31。

旋转阀30的弯曲形状带来一个静态和动态的不平衡可以通过所述阀上的适当调节77来完全平衡，在这个区域外面与管道29相临。

尽管旋转阀30与圆柱座38之间精确耦合，为了消除连接中渗漏的风险，可以在阀31上的槽边上设立两个插槽用来容纳两个活塞环78，它们之间通过一个弹性预警与圆柱座38的表面静态配合。

正如已经提到的，因为它们特殊的配合方式，旋转阀30必须相对于发动机沿相反的方向旋转。这个运动传输位于曲轴箱11外表面，正如图9所示，在一个曲轴箱39的里面和盖子40边上也设有油泵17。一个链条42传递从一个键接于曲轴14小齿轮43到空载的装在一个空载的轴41上的小齿轮44的运动；一对齿轮45和46用于反转这种运动，第一整体带有链轮44另一整体键接于旋转阀30的轴。

这种传输，完全通过机油润滑，同样通过一个推杆48驱动高压汽油泵47，所述推杆48与安装在一个偏心座59上的一个轴承49配合，所述的偏心座59设在齿轮46上，键接于旋转阀30的轴。

图1,9和10 示出了一个旋转阀30的简化图，设定发动机10只在增压模式下的操作；因此除管29外不可见。

发动机10的模式特别适用于一种电发动机，这种电发动机用于电动车（“范围-扩展”）电池的二次充电。在这种情况下，电机如图9所示位于发动机的一侧，带有键接于曲轴14上的转轮88且定子81插入到这个发动机的半曲轴箱12的一个座上。

一个头部74安装于这个发动机气缸18上其将燃烧室7划界且设有一个注射器58和一个火花塞36，所述注射器58定位于产生一个与扫除流，且和一个火花塞36明显相反方向的直喷注射。

排气管33相交于一个圆柱孔50，所述的圆柱孔50设有一个为了控制这个排气管有用部分的阀51。这种装置用于减少发动机功率，从而促进气缸内的燃烧气体持续燃烧，稳定填充，提高低容量下发动机的规律性，特别是在空闲状态下，肯定减少发动机大部分不规律循环，还有在排放量和消耗上的优势。

阀51集成于一个排气歧管组62中通过气缸螺丝69关联于气缸18，由图1和图10清楚示出。排气歧管组62包括一个歧管60，歧管60有一个内部空腔将排气管33延伸直至其与排气系统61交接，并设有阀51。

阀51由一个带有圆柱部分表面79的一个形状元件组成，其与存在于气缸18上的一个支座50相配合。这个元件用螺丝89阻接于一个主轴90经适当的变形以促进散热。在阀51的两侧，在主轴90的圆柱部分的开始部分，设有活塞环91工作时预装在外壳的一个圆柱座92的里面，形成防止泄露的一个有效屏障。在主轴90的末端有密封件93和支撑轴承94,95。

歧管60有一个宽的腔室63用于冷却，它的大型换热面可以防止组件过热。在主轴90的末端，有一个位置感应器64和另一个用于改变阀51位置的双向电机65。

这个装置是由电子控制且，在这种类型的发动机内，它必须与一个安装在进入管34里的节流阀87结合。

发动机10通过一个位于电机关闭盖上的离心泵70用液体冷却，在这个位置上由曲轴14驱动的泵轮提前装配。冷却剂由泵70送入开设于发动机内的含有定子81的半曲轴箱12的一个空腔71中，用来冷却电机；从这里冷却剂退出自一个狭缝72且进入到气缸的地方它找到一个通道73，这个通道73强制让冷却剂掠过排气管33和排气歧管组62的设有阀51的冷却腔室63的外表面，然后继续前进到头部74且从恒温器75退出并进入到散热器中（没有示出）。

当恒温器关闭处于暖机过程中时，这个系统也配备了一个使发动机里面的液体再循环的回路。

发动机10的操作可以从图2中位置开始描述，当发动机活塞20处于下止点时，移除口与排气口完全打开同时泵活塞24处于完全压缩状态因此通过主管32和扫气口28排放空气进入发动机18，开始清理阶段以除去燃烧残留。旋转阀30的环槽31准备打开增压管29。

图3示出发动机活塞20它已经提升到上止点（TDC），减少传输口和排气口，同时旋转阀30迅速打开增压管29且泵活塞24，同时提升，刚刚超过其最高时速。

图4示出发动机活塞20已经关闭了扫气口28的传输口从而终止清扫阶段同时正准备关闭排气管33，同时旋转阀30的环槽31继续保持增压管29完全打开，通过活塞泵24上升至末端来提供能量，同时将要开始通过注射器58注射燃料。

图5再次示出增压管29和已经到达上止点（TDC）活塞泵24同时打开且发动机活塞20正关闭增压管29的端口从而终止气缸的填充阶段且逆着清除流开始混合由注射器58注入的燃料和空气。正好在发动机活塞20关闭增压管29的同时，气泵的活塞24逆转它的运动且走向其下止点，通过阀组合通过能允许空气进入主管32的单向带35引起摄入阶段；同时发动机活塞20靠近燃点且燃油喷射停止，其次是点火和燃烧。

图6示出了发动机活塞20由于在燃烧室内的火花塞36将燃烧混合物预先压缩且点燃从TDC降低，开始打开增压管29（在排出之前）的由旋转阀30的圆柱表面所关闭的细缝。

如果有需要的话，一个合适厚度和长度的槽35可以开设于旋转阀30上，（如图所示），在打开排气管33内的细缝之前，它可以允许一部分的燃烧气体进入主管32，这样当需要的时候可以允许一定量的废气进行循环（EGR）,当泵活塞24到达它的下止点且完成它的摄入量时。

图7示出了发动机活塞20已经开始打开排气管33的端口，废气由于它们自身的压力将会开始流出。同时泵活塞24，之前已经与发动机活塞成90°，已经完成其压缩的一个初始部分，将空气送入主管32然后通过扫气口28送入气缸以除去来自之前燃烧时燃烧残留，当另一个向下的部分运行时会引起扫气口28打开，同时如图8所示泵的活塞24处于输送阶段。

这些完成了完整的整个周期，在曲轴的每个回合下重复。

图2至图8中，旋转阀30总是处于增压器位置。

如果发动机不需要产生最大功率，阀30可以被置于与旋转相反的方向大约转90°的一个位置，使用如图11所示适设于轴末端的移动旋转阀的一个相转换器76。

一个闲置齿轮52（其用于替换图1,9和10中的齿轮46）被安装于阀30上且由曲轴14通过一个齿轮，链条或者其它的驱动。在阀30的圆柱部分的末端，另一个元件53由一个圆球54逐步分阶段的被塞入其中。齿轮52和元件53之间的连接是由一个带有内部扩展对称螺旋槽短管55获得，从管中心相反方向倾斜。与齿轮52成一定角度连接的短管55和通过圆球56的元件53被设置在齿轮52的合适辊道和与阀30构成整体的元件53上，且能在短管55的螺旋管道里面滑行。

短管55能用一个岔口57轴向移动通过一个电子控制驱动器（没有示出）管理。当短管轴向安装时，圆球56用力推动齿轮52和其它元件53进入到一个不同的相对位置，从而改变计时。

再一次检查示意图3至图8，就假定阀30在部分负载（由虚线显示）的位置而论，我们从图4中可以发现，开始其示出了一个满增压的管29，但在图6和图7中，这个管子是关闭的，其描述了在阀的表面上创建一个槽35的可能性，用于在满功率时重新循环废气，这个选择仍然可用，如果需要的话，通过一个适于减少的气体模型的部分来创造连续性，如果需要的话，一定比在满功率下获得的少，只要记住这个功率是通过塞住排气管上的阀51来实现的，其已经加载了一定公平数量的废气。

总而言之有了这种装置就有可能单独校正槽35其依靠发动机负载短循环废气。

旋转阀30，其许多功能中，也包含减压以减少在发动机启动时的抵抗扭矩，如图5所示；需要考虑的是气泵的效率在启动加速时减少了，因此不能通过进料管来压缩空气。当旋转阀30处于增压位置时，发动机活塞20在排气管33关闭前开始压缩阶段，但是在进料管29关闭后；因此压缩将会被延迟，带来双重优势：当曲柄半径的杠杠臂最大时（如图5所示的位置）气缸中的压力低且因此这里有小阻力。接着这个压力会增加当发动机活塞20接近TDC时，这个点的力臂减小带来的结果是这里将会有非常小的抵抗扭矩。

减少启动时的抵抗扭矩对于那些需要于频繁启动发动机的应用中特别具有优势，比如起止系统。

图12阐明了本发明的第二个实施例，由一个三缸发动机组成其整体用数字100表示且特别适用于汽车领域的驱动。

在描述图12中，为了方便，能实现相同功能的部件已经用同样的参考标号在对于单缸发动机的描述中示出。

为了将空气送入发动机100最好使用一个与发动机的特点兼容连续输送泵，代替如在单缸中的一个活塞泵因为，如果这个三倍容量分裂的话，这个解决办法将不再在成本和尺寸上有优势。

为了减少在部分负载下的气流，一个发动机泵输送可以用一个连续的高速转换器进行使用，或者一个简单办法是用固定比率传输且一个泵入口上的气开关来实现，电子操作，取代节气蝶阀的功能。这种装置必须结合主要负责处理部分负载的排气口的减少来控制。

空气阀，没有示出，从的进气口66往发动机里填料，进气口与一个分支扫气口28的腔室82相联系；然而发动机100继续以用于描述单缸发动机模式描述的相同的方式运行。

图12示出了一个在扫气口28高度且通过旋转阀30的轴和排气管33的节流阀51的轴90的部件。不同于单缸气缸模式，在这种三缸发动机模型中，因为需要增压和操作部分气体，因此旋转阀30做成可以完成这种装置能处理的所有功能的形状，且其已经在单缸模型中被描述。总之，这个旋转阀30有槽31用来控制这些各自增压作用的管子29，槽77以平衡阀30，且带有区分部件的管道35用于根据不同发动机运行条件处理再循环中一定量的燃烧气体。

即使在发动机100中，正如已经在单缸中阐述的一样，在增压模式，例如，当，如图4所示，在发动机活塞20上升过程中扫气口28现在已经被关闭了，槽31保持管子29打开用于增压；这样当使用高辛烷值燃料时对增加填料有用，同时在启动时延迟压缩，因此减少了花费在这个功能上的工作，正如单缸模式中的解释一样。

另一种用于这种多缸模式的供气方法可从图4A中示出，这里有两条供气线，一个主要低压管66通过腔室82送入扫气口28，和另一个分支或者单独的管子84，通过螺丝68形成于应用在发动机18的一个收集器67中且送入更高的气压，其与管子29相联系。旋转阀30，如描述带有槽31，设于管子29上以便继续通过这个增压管29填充这个关闭的排气发动机18。在平均功率到低功率下用于低压填充时，这个系统旨在获得较高的有效功率的同时具有优异的性能。

同样也可以预见一个时钟变速器76将会被安装于阀30的末端，运动从末端开始被传输到齿轮52，与图11所描述的相似。

同样在发动机上，功率主要由于塞了排气管33而减少，以同样的方式且具有同样的优势已经在单缸模式中描述。在排气歧管组62中阀51的圆柱部分工作面（没有在图12中示出）和由缸体80上存在的支座50相对峙且适用于恰当形状的带有支座93的定子90且支撑位于末端轴承94和95。这个阀单元安装于一个收集器60内周围一圈围绕冷却液，其，在被安装于气缸上之后，连接排气管33到排气系统（没有示出）。在定子90的两端，有一个位置传感器64和一个用于改变节流阀51的位置的双向电机65。

当检查根据本发明制备的发动机10和100的性能时，所提供的优势是显而易见的。

首先，有了多功能阀30可以既简单又高效的管理增压，以及通过减压气缸来减少启动时的抵抗扭矩。更优选的是，同样的阀也能处理废气的再循环。

由本发明所制备的这些发动机所提供的另外的优势，如下所述：

-通过排放消除新鲜混合气体损失，由于气体扫除和通过安装于头部且置于与扫除流相反方向的位置的注射器将燃料直喷进入气缸；

-与传统二冲程发动机相比扫除更高效；

-投加用于再循环的适量废气的可能性；

-润滑油泄露的消除，具有在减少污染物排放方面的优势，减少碳沉积且相继减少维护工作；

-增加压缩率的可能性，因此为循环获得一个较高的平均气压；这是由气缸中汽油的增发和化油器空气的间接冷却成为可能；由于有一个小的燃烧室，即使在部分负载下这种优势也可以持续；

-使用替代燃料的可能性。

以上益处由这些二冲程发动机带来，与四冲程发动机相比：

-更轻和更小的外形尺寸；

-用节流气体减少了特定消耗量；

-由于在同样的时间间隔里完成的有用循环是那些由一个四冲程发动机完成有的两倍因此具有更大的扭矩；

-减少了连杆之间的机械应力，因为在同样的扭矩下循环的平均有效压力是四冲程的一半；

-由于没有阀有了用高效率燃烧室的可能性；

-减少混合且因此易于维护。

最后，在不背离本权利要求的范围内，可以清楚的看出由本发明描述的发动机10，100能被修改或者变化。

Claims (15)

1.两冲程发动机由一形成于至少一个发动机气缸（18）上的曲轴箱（11），一用于将燃料直喷进入发动机气缸（18）的注射器（58），一在发动机气缸（18）内部在一上止点和一下止点之间移动的发动机活塞（20），一支撑于所述曲轴箱（11）内带有至少两个轴承（2,3）且包含至少一个曲柄销（83）的曲轴（14），至少一个铰接于所述发动机活塞（20）和所述曲轴（14）的所述曲柄销（83）的第一杆（15），一气泵（9），一连接于气泵（9）上并通过多个各自的刚好设置在活塞（20）处于下止点位置时其上方的扫气口通向所述气缸的扫气管（28）与发动机气缸（18）相交流的主管（32），和一通过一刚好置于活塞（20）处于下止点位置时其上方的排气端口通向所述气缸（18）的排气管（33），其特征在于：包括至少一个在高于扫气管（28）和排气管（33）的位置连接于压缩空气源且通向所述气缸（18）的辅助管（29），和一选择性打开和关闭所述辅助管（29）用于在操作过程中增压和用于在发动机启动时减压以减少抵抗扭矩的阀（30）。

2.根据权利要求1所述发动机，其特征在于所述辅助管（29）起于主管（32）且所述气泵（9）是压缩空气源。

3.根据权利要求1所述发动机，其特征在于所述阀（30）是一与所述辅助管（29）相交并密封耦合于一圆柱支座（38）的旋转阀且具有至少一能够选择性将自身相对于与所述主管（32）进行定位的切向槽（31）。

4.根据权利要求1或2所述发动机，其特征在于所述阀（30）包括一被配置以允许来自所述气缸（18）的废气在排气端口打开前通过辅助管（29）再循环的沟槽（35）。

5.根据权利要求4所述发动机，其特征在于包含一个与所

述阀（30）相结合的相转换器（76）且该转换器被配置以使所述阀（30）转动一个给定的角度，以在部分负载条件下排除增压。

6.根据权利要求1-3任一所述发动机，其特征在于包括一个用于减少在部分负载下的所述排气管（33）的节流阀（51），所述节流阀（51）优选为被置于一多歧管（60）内与一和所述发动机冷却线路相连接的冷却腔（63）相接触。

7.根据权利要求1-3任一所述发动机，其特征在于所述发动机是一单缸发动机（10）。

8.根据权利要求5所述发动机，其特征在于所述气泵包括一置于所述发动机（10）内的泵缸（24），一在所述泵缸（24）里滑行的泵活塞（23），和一铰接于所述曲轴（14）的相同曲柄销（83）的第二连接杆（16）。

9.根据权利要求8所述发动机，其特征在于所述发动机气缸（18）和所述泵缸（24）各自的轴（A,B）大致成90°。

10.根据权利要求9所述发动机，其特征在于包括一带设于所述曲轴箱（11）内的一定子（81）和与所述曲轴（14）连接的一转子（88）的集成电机。

11.根据权利要求1至3任一所述发动机，其特征在于所述的发动机是一多缸发动机（100）。

12.根据权利要求11所述发动机，其特征在于包括至少一代替所述气泵（9）输送气体进入所述气缸的连续输送泵。

13.根据权利要求12所述发动机，其特征在于它包括一连接于每个气缸（18）的扫气口（28）的腔室（82）和一个连接所述腔室和所述连续输送泵的主管（66）。

14.根据权利要求13所述发动机，其特征在于包括一在压力高于连接所述腔室和所述连续输送泵的所述主管（66）内气体压力时向每个气缸（18）的辅助管（29）提供气体的装置。

15.根据权利要求1-3任一所述发动机，其特征在于包括一用于强制润滑所述轴承（2,3）和曲柄销（83）的油泵（17）。