CN103038464A - 具有冷却、非接触密封以及自洁功能的两冲程发动机用排气阀组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于两冲程内燃机(200)的排气阀组件(100)，包括圆柱形活门(7)，该活门旋转地安装于壳体(5)内。在活门(7)的外表面和壳体(5)的内表面之间留有通路(8)，以避免两个表面的接触且确保阀的密封。

Description

具有冷却、非接触密封以及自洁功能的两冲程发动机用排气阀组件

技术领域

本工业发明的专利申请涉及一种两冲程发动机用排气阀组件。

背景技术

众所周知，两冲程发动机是一种内燃机，用于做功阶段，也被定义为膨胀，其中将化学能转化成热能，并继而转化为动能。两冲程发动机与多数流行的四冲程发动机的不同主要在于，根据驱动轴的旋转，做功阶段的不同交替。实际上，四冲程发动机具有用于驱动轴每两次旋转的一个做功阶段，而两冲程发动机具有用于驱动轴每一次完整旋转的一个做功阶段。

图1A~1F示意性地阐述了不同工作阶段的两冲程内燃机。该内燃机包括缸盖(1)、安装在缸盖上的气缸(2)、滑动地安装在气缸内的活塞(3)，以及将活塞(3)连接到驱动轴的曲柄机构(4)。

进气室(10)限定于活塞下的缸盖(1)内，同时燃烧室(20)限定于活塞上的气缸内。

气缸(1)具有三个口：

-进气口(A)，该进气口将燃料吸入缸盖的进气室(10)中；

-排气口(S)，该排气口将燃烧过的气体从气缸的燃烧室(20)中排出；以及

-传输口(T)，该传输口从缸盖的进气室(10)将燃料传输至气缸的燃烧室(20)。

活塞(3)在气缸(2)内运动期间，所述进气口、排气口、传输口(A、S、T)被交替地打开和关闭。

参考图1A，在进气阶段，活塞(2)提升，使缸盖的进气室(10)减压。这种减压将来自进气口(A)的空气/燃料混合气吸入，该进气口(A)通常与化油器直接连接。

参考图1B，在预压缩/传输阶段，活塞(3)下行，且在进气口(A)关闭之后，活塞在缸盖的进气室(10)中产生压力，其决定了当传输口(T)打开时混合气体的继续传输。

参考图1C，在活塞上升移动期间，当关闭传输口(T)和排气口(S)之后，发生压缩，在燃料燃烧前立即达到最大值。

参考图1D，在点燃混合气体之后，发生气体膨胀且通过活塞/曲柄机构组件，随后压力波在驱动轴上以旋转移动的方式进行传递。

参考图1E，在活塞下降移动期间，当排气口(S)被打开，膨胀阶段结束，排气阶段开始。通过利用气体能量，气体从燃烧室(20)(排气箱)喷射出来。

参考图1F，当活塞进一步下降，其打开传输口(T)，随后在这个阶段，通过传输口(T)进入到燃烧室(20)中的燃料(M)与通过排气口(S)必须离开燃烧室(20)的排放的气体(G)相交杂。

上述传输/排气阶段是这种两冲程发动机公知的一个问题。实际上，在这种情况下，部分排放的气体(G)残留在燃烧室(20)中，而部分新鲜的混合气体(M)(来自于传输口(T))从排气口(S)排出。由此导致很高的发动机消耗。

而且，这样的发动机要求在燃烧室内有油存在。因此当前的结构不能阻止用来润滑曲柄机构和热组件的油在随后相同的过程中作为燃料与其混合，即被燃烧并喷出。上述结果会导致严重的环境污染。

通过在排气口和排气箱之间设置排气阀，这些缺陷至少能部分地加以解决。所述排气阀与活塞的运动同步，这样在气缸的装载阶段，其保证与排气口相连的气缸侧关闭，避免了混合气体以及未燃烧气体(HC未被燃烧的碳氢化合物)的泄漏。

此外，相对于标准发动机，所述排气阀同时提供了如下的益处：减少排放污染(NOx)；增加能效；以及提高功率。

US5,267,535公开了一种由封闭机构构成的排气阀，其设有用于排放气体的轴向通道，且旋转地安装在气缸的底座中。封闭机构的外表面与底座的内表面紧密接触。因此，在发动机的高运转温度下排气阀和底座产生热膨胀，由此将阀卡于底座中。

WO99/0169公开了一种用于内燃机的旋转阀，其具有密封件以使阀的鼓形转子周围的气体泄漏最小，所述鼓形转子在阀的底座内以具有径向间隙的方式转动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于两冲程内燃机的高性能排气阀，适于控制通过排气口排放气体的泄漏，同时将空气/燃料混合气体保持在燃烧室内部。

本发明的另一个目的是提供一种用于两冲程发动机的排气阀组件，其可靠、高效、通用且易于安装和调整。

本发明的上述目的通过后附的独立权利要求1中列出的特征来实现。

有益的实施例对应于从属权利要求。

根据本发明的用于两冲程内燃机的排气阀组件包括：

-壳体，安装在所述内燃机外壳的固定位置，在所述内燃机的排气口的下游，所述壳体包括一个与内燃机的所述排气口连接的入口，以及一个用于与排放箱连接的出口，

-活门，旋转地安装在所述壳体的内部，并具有通道，用于排放来自内燃机所述排气口的气体；所述活门用于从打开阀的位置旋转到关闭阀的位置，在位于打开阀的位置时，所述通道与壳体的入口和出口连通，以允许排放的气体通过，在旋转至关闭阀的位置时，所述通道不与壳体的入口和出口连通，从而阻止来自内燃机的排气口的流体通过，

-驱动和同步部件，用于驱动所述活门，使其以同步方式相对于所述内燃机的活塞的交替运动进行旋转。

在所述活门的外表面和所述壳体的内表面之间留有通路。有益地，该通路的最小尺寸为活门直径的0.0025倍，这样可避免上述两个表面之间的接触且保证阀的运转。这意味着，通路具有大于或等于活门直径0.0025倍的尺寸。

本发明的阀组件用于废气排放，具有非接触密封、阀冷却和自洁的功能。这样的阀能够增加气缸里的“新鲜充量”，且旋转阀的创新的冷却系统和阀体能够消除部件的热学问题。阀组件温度的降低能够积极地影响NOx污染物的减少，从而减少堆积物并增加部件的寿命。

排气阀从技术上被证明有可能减少内燃机排放的污染物。两冲程发动机的参照市场目前仅由于污染的原因而衰退。这个问题的解决方案将恢复该市场并创造新的应用领域。

本发明的排气阀还可以与“具有从传输通道的直接入口(在气缸壁上具有排放口)”的涡轮增压发动机一起工作。在这种情况下，由于相对低的压力，本发明的排气阀能够对(不同)燃料的直接或间接喷射发挥作用。在一些应用中，上面的发动机可以避免使用燃烧室中的油，从而避免大部分的污染。

附图说明

本发明进一步的特征通过下面附图中的详细描述将会更清楚，该描述仅是为了说明，而并非用于对实施例的限定，其中：

图1A~1F为6个示意性的剖视图，该剖视图示出了根据现有技术的两冲程内燃机的6个工作阶段；

图2为根据本发明的具有排气箱和排气阀组件的两冲程内燃机的示意图；

图3为沿图2的剖面III-III的本发明阀组件的截面图，其中阀未被切开；

图4为沿着图3的剖面IV-IV的阀组件的轴向截面图，其中阀处于打开的位置；

图4A与图4相同，其中阀处于关闭的位置；

图5为本发明的阀组件的活门的立体图；

图6为详细地显示图3的阀组件的第一种改进的放大视图；

图6A为阀通路内的颗粒离心速度和压力的示意图；

图7为图3的阀组件的第二种改进的放大视图；

图8A和图8B为图3的阀组件的两个变体的放大视图；以及

图9为本发明的阀组件的附加实施例的部分剖视图。

具体实施方式

参考前面提到的附图，对本发明的排气阀组件进行描述，通常由附图标记(100)来表示。

图2示出了与排气箱(300)连接的两冲程内燃机(200)。内燃机(200)的部件在用于对图1A~1F的描述中使用相同的附图标记来表示，因此省略对它们的详细描述。

排气阀组件(100)安装于发动机的气缸(2)的排气口(S)的下游。阀组件(100)能够与发动机(200)的外壳一体成型，或者作为一个独立的部件，设置在发动机(200)的外壳与排气箱(300)之间。

参考图3和图4，阀组件(100)包括壳体(5)和旋转地安装在壳体(5)上的活门(7)。

参考图5，活门(7)基本上呈圆柱形状，并且包括一个中央圆柱体(70)和两个基本上圆柱形的横向体(71)，该横向体的直径大于中央体(70)直径，该横向体设置在中央体(70)的两端。中央体(70)和横向体(71)具有相同的轴(X)，该轴与活门的旋转轴相一致。

圆柱形柄部(72)从每个横向体(71)的外表面轴向地向外突出，用于由合适的支撑体(图中未示出)进行旋转地支撑，例如与阀的壳体(7)或发动机的外壳连接的轴瓦或轴承(C)。密封件(T)围绕着轴承(C)和阀体之间的轴(72)设置，两个圆柱形柄部(72)构成活门的驱动轴。

活门的中央体(70)由基本具有椭圆形轮廓的径向通道(73)穿过，该径向通道的中心位于(O)活门的旋转轴(X)上。

参考图3，壳体(5)包括设置在两个端板(6)之间的基本呈圆柱形的中央部分(50)。端板(6)具有轴向孔(60)，活门的柄部(72)穿过该轴向孔，所述柄部与适当的支撑体旋转地连接。因此，活门(7)能很好地被定心到壳体(5)中，这样活门(7)的外表面不与壳体(5)的内表面相接触，在活门(7)的外表面和壳体(5)的内表面之间留有通路(8)。

通路(8)的尺寸必须合适以便提供一个很好的协调且避免表面之间的摩擦以及通过通路(8)的流体的渗漏。因此，阀密封是一个非接触密封，出现这种密封的原因在于由通路(8)产生的流体负载损耗。

实际上，发明人惊奇地发现并不需要紧紧地密封，这是由于在高压条件下，发现阀自身是通路打开，并且气体离开通路的状况。

由于排放的气体已经离开并在结束行程内充入新鲜气体，当活门关闭阀时，在通路中没有气体通路且压力是低的。而且，必须考虑的是即使在最低运转条件下，活门的旋转速度也是相当高的。

因此，在低压的情况下，气体围绕活门并从排气装置中逃逸的时间不多。

根据技术、工程和测试的要求，通路的最小尺寸必须大于下面的和：

-材料的热膨胀，

-氧化和堆积，

-机械间隙，

-前述参数的偶然因素和恶化变化的安全余量。

考虑所述参数，阀被设计为包括具有依据下面公式的尺寸的通路(8)：

d≥25*D*10^-4

其中

d=通路(8)的尺寸

D=活门的中央部分(70)的直径

通路(8)必须大于或等于活门直径的0.0025倍。

只有在特殊使用情况下(如竞赛)，其中时间减少或者材料特殊(如陶瓷)，其需要很精确的表面加工，才有可能以低于这样的值运转。

壳体的中央部分(50)具有圆柱形轴套(51)，该轴套向内突出，这样能够在活门的两个横向体(71)之间显露出来。因此，如图3所示，通路(8)限定出一个阶梯状或方波状的路径，与壳体的中央部分(50)一致，以增加流体从活门的中央部分(70)流向壳体的端板的孔(60)的难度。

参考图4，壳体的中央部分(50)在沿直径相对的位置具有入口(53A)和出口(53B)，用于连接到发动机的排气口(S)和排气箱(300)。

入口和出口(53A、53B)具有穿过活门的通道(73)的中心(O)的轴线。当阀打开(图4)时，活门的通道(73)的轴线与壳体的入口和出口(53A、53B)的轴线相一致，从而允许来自排气口(S)的所排放的气体通过，反之，当阀关闭(图4A)时，活门的通道(73)的轴线与壳体的入口和出口(53A、53B)的轴线基本垂直，从而阻止了来自排气口的流体的通过。

壳体的中央部分(50)可选地具有向外突出的散热片(54)和多个用于冷却液循环的冷却通道(55)，这样就能冷却阀的壳体，避免热膨胀问题的出现。

参考图6，有益地，活门的两个横向体(71)具有直径向外逐渐增加的截顶圆锥形或锥形的外侧表面(75)。同样地，壳体的中央部分(50)具有锥形的内表面(56)，其遵循活门的横向体的外表面(75)，这样，即使活门的横向体(71)的直径向外逐渐增加，也能保持通路(8)的宽度的尺寸基本恒定。

为了产生离心驱逐效应，用于活门的横向体(71)的圆锥角能够从几度的很小值到很大值，例如大于30°。

需要考虑的是在阀的运转期间，活门(7)以高速旋转。

如图6A所示，活门的横向体(71)的这种具有逐渐增加的直径的锥形结构产生了向外增加的离心力。因此，流体的被传送的颗粒通过自离心聚集在活门的横向体(71)的外侧，并且它们的离心速度(V)向外逐渐增加。随后，通路内部的压力(Ps)向外逐渐减小。因此，通路(8)的大部分外部(即与横向体(71)相对应的部分)相对于通路的中央部分被减压(即与中央体(70)对应的部分)。

通路周围部分的这种减压有助于流体的固体部分的分离，并且能够提供通路的自洁，避免固体部分堆积的可能。

图7示出了通过从外侧抽空气的冷却系统的改进。在这种情况下，活门(7)的柄部(72)以一定的间隙设置在壳体(5)的端板(6)的孔(60)中。

这样，来自外面的冷却气流通过轴向孔(60)沿箭头F1的方向进入到通路(8)中。

壳体的端板(6)可以在中央孔(60)的附近具有另外的轴向孔(61)，用于空气沿箭头F2的方向进入。

壳体(50)的中央部分具有至少一个设置在周边的径向孔(57)，靠近端板(6)，用于从外面抽入的空气沿箭头F3的方向的排出，以及来自通路(8)的中央部分的燃料颗粒沿箭头F4的方向的排出。

由于活门旋转所施加的离心作用，空气被喷射到外面，排出热气和灰尘，以及吸除来自阀的中央部分的灰尘。

这种冷却系统能够通过以类似迷宫的表面、旋转扇、孔或者它们的组合的方式来增加活门的横向体(71)和阀体的端板(6)的热交换表面以进行优化。

例如，图8A示出了一个实施例，其中活门的横向体(71)的外侧面具有凹槽(79)，而壳体的端板(6)的内表面是光滑的。相反地，图8B示出了另一个实施例，其中壳体的端板的内表面也具有凹槽(69)。

将从壳体的径向孔(57)流出的流体和固体物质进行收集、处理并传送给发动机吸入的入口或直接进行排放。这两种方案有助于保持部件清洁，从而延长它们的寿命并减少维护工作。

清洁和冷却系统都能够单独或结合使用。

图9示出了一个实施例，其中压痕(9)设置在阀体的入口和出口(53A、53B)以及活门的通道(73)中，以增加热交换表面，这样排放的气体能够散发出更多的热量，由此对于污染方面有所改善。

压痕(9)能够是凹入的(凹槽、通道以及类似物)或者是突出的(肋、翼、隆起以及类似物)。有益地，压痕(9)能够是以与气体相同的方向设置的通道或者肋，这样不会干扰气流。

阀组件的活门(7)能够通过电动机进行旋转，该电动机驱动活门的轴(72)进行旋转。在这种情况下，电动机必须具有编码器以便与气缸内的活塞(2)的运动同步。

除了电动机，还能够设置机械传输结构，其与驱动活塞的曲柄机构连接，用于旋转活门(7)。如果本申请从技术和经济的角度考虑，还可以相对于驱动轴设置电子、液压或机械类型的控制系统，用来调节调谐预期或延迟，从而提高性能。尺寸、几何特点和相对于驱动轴的调谐将决定最好的结果。

本发明的阀组件(100)具有如下的优点：

-易于制造且价廉(使用“流体通路”密封能够允许几何学上具有大的间隙，能够使结构简单，无需使用进行特殊表面抛光或处理的材料)。

-高性能和延长的寿命(由于自洁系统，不需要任何工艺上的改进就能获得理想的环境，确保清洁、保护环境和部件的寿命延长，避免堆积或类似的问题)。

-由于简单、廉价方式的冷却方式，减少了排放污染，因此使其能够使用于较低的温度下工作的标准部件。

本领域的专家能够对本发明的现有实施例进行各种变形和修改，但是其仍将落入后附的权利要求保护的本发明的范围内。

Claims (9)

1.用于两冲程内燃机(200)的排气阀组件(100)，包括：

-壳体(5)，安装在所述内燃机(200)外壳的固定位置，在所述内燃机(200)的排气口(S)的下游，所述壳体包括一个与内燃机的所述排气口(S)连接的入口(53A)，以及一个用于与排气箱(300)连接的出口(53B)，

-活门(7)，旋转地安装在所述壳体(5)内，并具有通道(73)，用于排放来自内燃机的所述排气口(S)的气体；所述活门(7)用于从打开阀的位置向关闭阀的位置旋转，其中在位于打开阀的位置时，所述通道(73)与壳体的入口(53A)和出口(53B)连通，以允许排放的气体通过，在旋转至关闭阀的位置时，所述通道不与壳体的入口(53A)和出口(53B)连通，从而阻止来自内燃机排气口(S)的流体通过，

-驱动和同步部件，用于驱动所述活门，使其以同步的方式相对于所述内燃机的活塞的交替运动进行旋转，

其中，

在所述活门(7)的外表面和所述壳体(5)的内表面之间留有通路(8)，其尺寸为大于或等于活门直径的0.0025倍，这样以避免上述两个表面间的接触，并保证阀的密封，

所述活门(7)基本呈圆柱的形状，并且具有两个柄部(72)，该柄部从活门的两端轴向地突出，

所述活门包括圆柱形中央体(70)和两个基本呈圆柱形的横向体(71)，所述横向体的直径大于中央体(70)的直径，以及

所述壳体(5)具有基本呈圆柱形的中央部分(50)和两个端板(6)，所述端板具有用于活门的所述柄部(72)通过的轴向孔(60)；所述中央部分(50)包括圆柱形轴套(51)，该轴套向内突出并且设置在活门的所述两个横向体(71)之间，以限定出具有阶梯状或方波状路径的外围通路(8)。

2.如权利要求1所述的阀组件(100)，其特征在于所述柄部(72)由安装于壳体(5)的外部位置或内燃机外壳内的支撑体(C)旋转地支撑。

3.如权利要求2所述的阀组件(100)，其特征在于所述通道(73)径向地穿过所述活门的所述中央体(70)。

4.如前面任意一项权利要求所述的阀组件(100)，其特征在于活门的所述横向体(71)具有直径向外增加的锥形或截顶圆锥形状。

5.如前面任意一项权利要求所述的阀组件(100)，其特征在于所述壳体(5)基本呈圆柱的形状，并且包括至少一个位于壳体轴线附近的轴向入口孔(60、61)，用于来自外部的冷却气流进入到通路(8)的内部的入口，以及至少一个轴向出口孔(57)，该出口孔位于壳体的外周部分，用于来自通路(8)的热气和灰尘的排出。

6.如权利要求5所述的阀组件(100)，其特征在于所述至少一个壳体的出口孔(57)与内燃机的一个入口或排气口连接。

7.如前面任意一项权利要求所述的阀组件(100)，其特征在于活门(7)的外侧表面和/或壳体(5)的内侧表面具有凹槽(79;69)，以最大化热传递表面。

8.如前面任意一项权利要求所述的阀组件(100)，其特征在于所述壳体(5)具有向外突出的散热片(54)。

9.如前面任意一项权利要求所述的阀组件(100)，其特征在于所述壳体(5)具有通道(55)，用于冷却液的通过。

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