CN103670721B - 一种二冲程发动机扫气背压阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种二冲程发动机用扫气背压阀，该背压阀与发动机的排气总管相连接，并且串联在发动机的排气管路中，包括背压阀本体、控制系统和冷却系统。背压阀本体设计有排气通道、阀轴、阀片、连接法兰等，阀轴沿阀体直径方向由阀体的一端插入并穿过冷却水腔和排气通道的侧壁进入到排气通道内部；控制系统主要包括阀片开度控制电机和阀片开度位置传感器，配合控制器实现阀片开度大小自动调节；冷却系统包括冷却水腔和进出水接口，冷却水腔设置在阀体的内外层之间，并通过冷却水进出口与发动机的冷却系统连接实现冷却。该发明可以根据发动机运行工况自动调节最佳的扫气背压，实现较高的扫气效率，具有调节精度高、结构简单、可靠性高等特点。

Description

一种二冲程发动机扫气背压阀

技术领域

本发明涉及一种二冲程发动机扫气背压阀，属于发动机技术领域。

背景技术

在四冲程发动机中，一个工作循环要用四个冲程来完成。新鲜充量由活塞自行吸入，排气由活塞自行排出，实现换气过程所需要的能量(即泵气功)由发动机气缸自行排出。同样的工作循环在二重程发动机中是由两个冲程，即压缩(及换气)冲程与燃烧膨胀(及换气)冲程来完成的。

二冲程的换气过程是在膨胀行程后期，排气口打开，缸内已燃气体首先开始排出。当活塞向下运动到某一位置后，扫气口开启，具有足够高压力的新鲜充量由扫气口流入气缸，并强迫废气排出，进行充量更换。活塞向下运动，通过下止点后上行，依次将排气口和扫气口关闭，换气过程结束。在二冲程内燃机中，废气的排出和新鲜充量的进入时重叠在一起进行的，这一复合换气过程叫做二冲程内燃机的扫气。由于扫气口打开时缸内压力较高，要顺利完成扫气过程，必须对新鲜充量进行增压。

因此，二冲程发动机没有专门的配气机构，其换气过程主要依靠活塞的运动配合气口的开闭来实现。在二冲程发动机发展的历史过程中，由于各种不同的目的和要求，曾经出现过多种多样的换气方案，主要有以下三类。

(1)横流扫气方案，属于二冲程发动机最早的扫气方案，采用排气口和扫气口排列在气缸相对两壁上，气口的中心线相互平行或者通过气缸中心，结构简单、缺点甚多。

(2)回流扫气方案，其扫气口不正对排气口设置，通过扫气口的设计实现扫气空气的主流在气缸内沿着气缸壁流动时转弯而形成迥线，再将废气挤出。

(3)直流扫气方案，其扫气空气的主流沿着气缸轴线运动，换气品质最好。直流扫气以“气口-气口”式直流扫气为多见进、排气口分布在气缸套的两端，气口的开闭由活塞控制，扫气正时、时面值以及扫气过程中缸内气体的流动均受气口结构的影响。为提高扫气效率，直流扫气系统往往选择排气口高度大于进气口高度，排气口流通面积大于进气口流通面积的方案，以保证排气口较进气口提起打开，实现较高的扫气效率。

随着发动机技术不断发展，增压技术、缸内直喷技术以及快速燃烧技术等在二冲程发动机广为应用，在提高扫气压力的同时，更关注换气过程缸内的换气品质。因此，针对二冲程发动机不同扫气方案，其扫气背压对扫气过程有着不同程度的影响。低转速时，扫气背压对扫气过程的给气比和捕获率的影响较大；背压太大会导致给气比下降，使得扫除废气效果变差，缸内残余废气比例增大；背压太小导致捕获率的降低，缸内封存的新鲜充量比例减少。高转速时，换气时间短，需要更高的进排气压差来完成换气。但是进排气压差太大，直接导致扫气泵耗功增加；当压差太小，排除废气的能力下降。因此，在不同的工况下，应该选择合适的扫气压差。通常采用改变扫气背压，实现不同的扫气压差，以提高捕获率和给气比从而实现较高的扫气效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二冲程发动机扫气背压阀，安装在发动机排气管路中，以通过改变扫气背压阀的阀轴与阀片旋转角度，从而控制背压阀的开度大小，实现扫气背压的调节，满足不同工况下较高的扫气效率。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种二冲程发动机扫气背压阀，串联安装在排气管路中，包括背压阀本体、控制系统和冷却系统，具体如下：

(1)背压阀本体，构成扫气背压阀的主体部分，并承载整个装置的其它部件。背压阀本体设置有排气通道、阀轴、阀片、连接法兰。排气通道，贯穿于背压阀的阀体，承担发动机排气管路的一部分；阀轴，沿阀体直径方向由阀体的一端插入并穿过冷却水腔和排气通道的侧壁，并与阀体的侧壁相铰接；阀轴通过阀体，在阀体上装有空心螺栓套，保证冷却水腔的密封，阀轴与空心螺栓内孔滑动配合，阀体的内外两层与空心螺栓外壁由螺纹密封配合；阀片，与阀轴相固定并同时旋转，可改变排气流通面积和流动阻力，实现扫气背压的调节；阀轴与阀片的连接固定可通过铰接或螺栓连接，保证二者一致运动；连接法兰，通过两端连接法兰串联在排气管路。此外，背压阀本体的外围还设计有阀片开度控制电机和阀片开度位置传感器的安装平台，保证二者与阀轴两端的可靠连接。

(2)控制系统：通过采集扫气压力、扫气背压力、阀片开度和发动机转速，结合阀片位置的标定MAP图，由阀片开度控制电机进行自动调节。控制系统的主要部件包括阀片开度控制电机和阀片开度位置传感器，二者分别安装在阀轴的两端，配合控制器实现阀片开度大小的自动调节；阀轴两端分别与阀片开度控制电机和阀片开度位置传感器的连接并采用方轴-方孔配合方式，方便拆卸；阀片开度控制电机和阀片开度位置传感器安装在阀体上，并用螺栓固定。

(3)冷却系统：在阀体的内外层之间设计冷却水腔可实现背压阀本体的冷却，保护控制系统中的阀片开度控制电机和位置传感器。冷却系统主要包括冷却水腔和进出水接口等，冷却水腔设置在阀体的内外层之间，冷去水腔的壁面可适当增设散热片，提高冷却能力，同时通过冷却水进出口与发动机的冷却系统连接实现背压阀本体的冷却；冷却水的进出口通过法兰与冷却系统管路连接，进出口的连接法兰设计在阀体的外围。

本发明的二冲程发动机用可控扫气背压阀，安装在发动机的排气管路，从发动机排气口扫出的废气流经扫气背压阀，通过改变阀轴与阀片的旋转角度可以控制扫气过程的背压。背压的调节主要通过控制系统进行自动调节，由连接在阀轴一端的步进电机进行阀片开度的自动调节，阀片开度的大小主要由扫气压力、扫气背压以及发动机转速来决定。为保证背压阀本体和控制系统的可靠运行，对阀体设计成内外两层结构，中间为冷却水腔，并设有进出水口，连接在发动机的冷却管路中。

该发明的有益效果在于：

(1)该装置工作原理类似于节气门，采用步进电机驱动以控制其开度的大小，实现扫气背压的可调；

(2)结合发动机不同工况下对扫气背压的不同需求，通过控制系统进行自动调节；

(3)该装置设计有冷却系统，并与发动机的冷却管路连接，确保系统工作的可靠性；

(4)该装置具有调节精度高、结构简单、可靠性高、便于安装等特点。

附图说明

图1是本发明实施例的二冲程发动机扫气背压阀的整体前视图。

图2是本发明实施例的二冲程发动机扫气背压阀的整体后视图。

图3是本发明实施例的背压阀本体的结构示意图。

图4是本发明实施例的背压阀本体的结构横剖视图。

图5是本发明实施例的背压阀本体的结构纵剖视图。

图6是本发明实施例的控制电机结构示意图。

图7是本发明实施例的传感器结构示意图。

图8是本发明实施例的控制系统原理图。

图中标记说明：1、阀体；2、阀片开度位置传感器；3、废气入口侧连接法兰；4、废气入口；5、阀片开度控制电机；6、阀轴；7、阀片；8、废气出口；9、废气出口侧连接法兰；10、进水口；11、出水口；12、冷却水腔；13、空心螺栓；14、阀体内层；15、阀体外层；16、控制电机安装平台；17、传感器安装平台；18、冷却水连接法兰；19、控制电机安装法兰；20、控制电机连接轴；21、传感器接口；22、传感器连接轴；23、传感器安装法兰。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发明。

实施例

图1是本发明实施例的二冲程发动机扫气背压阀的整体前视图。图2是本发明实施例的二冲程发动机扫气背压阀的整体后视图。图3是本发明实施例的背压阀本体的结构示意图。图4是本发明实施例的背压阀本体的结构横剖视图。图5是本发明实施例的背压阀本体的结构纵剖视图。图6是本发明实施例的控制电机结构示意图。图7是本发明的传感器结构示意图。图8是本发明的控制系统原理图。

如图1、图2所示，该二冲程发动机扫气背压阀总体包括：阀体1，构成扫气背压阀的主体结构，承载背压阀的其它部件；阀片开度位置传感器2，测试背压阀的开度大小，并将信号输入控制器，实现背压阀的精确控制；废气入口4和废气出口8组成排气通道，贯通扫气背压阀的阀体1，构成发动机排气管路的一部分；阀片开度控制电机5，接受控制器的控制信号并对阀片7的开度进行调节，是控制系统的执行机构。

同时，图1、图2显示扫气背压阀阀体的部分详细结构，阀体1设有进水口10和出水口11，阀体1两端设有废气入口侧连接法兰3和废气出口侧连接法兰9，并且串联在发动机的排气管路中；阀轴6和阀片7安装在一起，安装排气通道内，控制流通面积。

如图3、图4和图5所示，扫气背压阀本体结构中除图1和图2所示的以外，还设计有冷却水腔12对阀体1冷却确保可靠工作；空心螺栓13用以支撑阀轴6并保证阀体1冷却水腔12的密封；阀体1采用双层结构设计，包括阀体内层14和阀体外层15共同构成冷却水腔12；背压阀本体的外围还设计有：控制电机安装平台16、传感器安装平台17、冷却水连接法兰18。

如图6所示，控制电机5结构示意包括控制电机安装法兰19和控制电机连接轴20。

如图7所示，传感器结构示意包括传感器接口21、传感器连接轴22和传感器安装法兰23。

如图8所示，控制系统原理为通过采集扫气压力、扫气背压力、阀片开度和发动机转速，结合阀片7位置的标定MAP图，由阀片开度控制电机5进行自动调节，同时阀片7位置传感器在此采集阀片7开度进行反馈，实现背压阀开度的精确控制。

该二冲程发动机扫气背压阀串联安装在发动机的排气管路，根据发动机运行工况自动调节最佳的扫气背压，实现较高的扫气效率。从发动机排气口扫出的废气流经扫气背压阀，通过改变阀轴6与阀片7的旋转角度可以控制扫气过程的背压。背压的调节主要通过控制系统进行自动调节，由连接在阀轴6一端的步进电机进行阀片7开度的自动调节，阀片7开度的大小通过主要由扫气压力、扫气背压以及发动机转速来决定。为保证背压阀本体和控制系统的可靠运行，对阀体1设计成内外两层结构，中间为冷却水腔12，并设有进出水口，连接在发动机的冷却管路中。

背压阀本体构成扫气背压阀的主体部分，并承载整个装置的其它部件。背压阀本体设有排气通道、阀轴6、阀片7、连接法兰等。排气通道，贯穿于背压阀的阀体1，承担发动机排气管路的一部分；阀轴6，沿阀体1直径方向由阀体1的一端插入并穿过冷却水腔12和排气通道的侧壁，并与阀体1的侧壁相铰接，阀轴6与阀体1之间设计有空心螺栓13，保证冷却水腔12的密封；阀片7，与阀轴6相固定并同时旋转，可改变排气流通面积和流动阻力，实现扫气背压的调节；连接法兰，通过入口侧连接法兰3和废气出口侧连接法兰9串联在排气管路。

控制系统主要用来采集扫气压力、扫气背压力、阀片7开度和发动机转速，结合阀片7位置的标定MAP图，由阀片开度控制电机5进行自动调节。控制系统的主要部件包括阀片开度控制电机5和阀片开度位置传感器2，二者分别安装在阀轴6的两端，配合控制器实现阀片7开度大小的自动调节。

阀体1的冷却系统主要依靠设计在阀体1的内外层之间设计冷却水腔12保护控制系统中的阀片开度控制电机5和阀片开度位置传感器2。冷却系统主要包括冷却水腔12和进出水接口等，冷却水腔12设置在阀体1的内外层之间，并通过冷却水进出口与发动机的冷却系统连接实现背压阀本体的冷却。

阀轴6从背压阀阀体1的侧壁并沿排气通道的直径方向插入，通过排气通道后；阀片7，与阀轴6相固定随阀轴6同时旋转，阀片7的形状和大小与排气通道的横截面的形状和大小行对应，通过改变阀片7的旋转角度实现不同扫气背压的调节。

阀轴6通过阀体1时，在阀体1上装有空心螺栓13，阀轴6与空心螺栓13内孔滑动配合，阀体1与空心螺栓13外壁由螺纹密封配合。

阀轴6与两端的空心螺栓13的滑动配合需要定期的添加油脂润滑。

阀轴6与阀片7通过铰接或螺栓连接固定于一起，保证二者运动一致。

阀片7与背压阀本体的排气通道的形状应该一致，保证二者的匹配。

阀轴6两端分别与阀片开度控制电机5和阀片开度位置传感器2连接，并采用“方轴-方孔”配合方式，便于拆卸。

冷却水腔12的壁面可适当增设散热片，提高冷却能力。

冷却水腔12可以串联或并联在发动机的冷却管路中。

阀体1与排气管路和冷却系统管路的连接均采用法兰连接。

阀体1与阀片开度位置传感器2和阀片开度控制电机5的连接均采用设计在阀体1的安装平台与二者的安装定位相配合。

阀体1的总体结构尺寸应与排气管路尺寸相适应，可以进行系列化的设计，以满足不同发动机的应用。

阀片7位置的标定MAP图可以通过实验或仿真进行标定，满足不同转速和扫气压力下的背压阀最佳流通面积，达到最佳的扫气背压，实现较高的扫气效率。

背压阀阀片7位置控制系统由控制器采集发动机运行工况，结合阀片7位置的标定MAP图来实现。

阀片开度控制电机5可采用现成的步进电机或伺服电机等，需要考虑与阀轴6的联接和在阀体1上的定位。

阀片7位置传感器可采用接触式的角位移传感器，包括电位计式角位移传感器、应变片式角位移传感器等，需要考虑与阀轴6的联接和在阀体1上的定位。

控制系统中关于扫气压力传感器、背压传感器和发动机转速传感器直接借用原机的传感器，并安装在发动机上，不属于本发明专利所包括的内容。

控制系统中的控制器部分可以在原机的控制器中加入控制模块，增设输入和输出通道，不属于本发明专利所包括的内容。

本发明的二冲程发动机用扫气背压阀串联安装在发动机的排气管路中，从发动机排气腔排出的废气首先要流经扫气背压阀，通过控制阀轴6和阀片7的旋转角度控制排气腔的压力，调节扫气背压，以提高扫气效率。

本发明的二冲程发动机扫气背压阀在实现扫气(或排气)背压可控已达到扫气效率提高的同时，还可以用作通过调节扫气(或排气)背压来实现发动机残余废气的调节，以便改善燃烧过程等其它功用。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种二冲程发动机扫气背压阀，串联安装在排气管路中，其特征在于：包括背压阀本体、控制系统和冷却系统，具体如下：

所述背压阀本体，构成扫气背压阀的主体部分，并承载整个装置的其它部件；所述背压阀本体设置有排气通道、阀轴、阀片、连接法兰；所述排气通道贯穿于背压阀的阀体，承担发动机排气管路的一部分；所述阀轴沿阀体直径方向由阀体的一端插入并穿过冷却水腔和排气通道的侧壁，并与阀体的侧壁相铰接；所述阀轴通过阀体，在阀体上装有空心螺栓套，保证冷却水腔的密封，阀轴与空心螺栓内孔滑动配合，阀体的内外两层与空心螺栓外壁由螺纹密封配合；所述阀片与阀轴相固定并同时旋转，以改变排气流通面积和流动阻力，实现扫气背压的调节；所述阀轴与阀片的连接固定可通过铰接或螺栓连接，保证二者一致运动；所述连接法兰，通过两端连接法兰串联在排气管路；所述背压阀本体的外围还设计有阀片开度控制电机和阀片开度位置传感器的安装平台，保证二者与阀轴两端的可靠连接；

所述控制系统采集扫气压力、扫气背压力、阀片开度和发动机转速，结合阀片位置的标定MAP图，由阀片开度控制电机进行自动调节；控制系统的主要部件包括阀片开度控制电机和阀片开度位置传感器，二者分别安装在阀轴的两端，配合控制器实现阀片开度大小的自动调节；所述阀轴两端分别与阀片开度控制电机和阀片开度位置传感器的连接并采用方轴一方孔配合方式，方便拆卸；阀片开度控制电机和阀片开度位置传感器安装在阀体上，并用螺栓固定；

所述冷却系统是在阀体的内外层之间设计冷却水腔实现背压阀本体的冷却，保护控制系统中的阀片开度控制电机和位置传感器；所述冷却系统主要包括冷却水腔和进出水接口，冷却水腔设置在阀体的内外层之间，冷去水腔的壁面可适当增设散热片，提高冷却能力，同时通过冷却水进出口与发动机的冷却系统连接实现背压阀本体的冷却；冷却水的进出口通过法兰与冷却系统管路连接，进出口的连接法兰设计在阀体的外围。

2.根据权利要求1所述的一种二冲程发动机扫气背压阀，其特征在于：所述扫气背压阀，安装在发动机的排气管路，从发动机排气口扫出的废气流经扫气背压阀，通过改变阀轴与阀片的旋转角度可以控制扫气过程的背压；背压的调节主要通过控制系统进行自动调节，由连接在阀轴一端的步进电机进行阀片开度的自动调节，阀片开度的大小主要由扫气压力、扫气背压以及发动机转速来决定；为保证背压阀本体和控制系统的可靠运行，对阀体设计成内外两层结构，中间为冷却水腔，并设有进出水口，连接在发动机的冷却管路中。