CN1045217C - 双冲程内燃机 - Google Patents

Abstract

一种双冲程内燃机，其包括一在加压室6内往复运动的活塞8，一允许扫气空气以高压供应给加压室的进气阀5，一与加压室6具有有限的连通9的小容积外部燃烧室3，一允许将一种混燃料/空气混合料喷射入燃烧室的阀2，一部分这种混合料流入加压室与其中的扫气空气形成一种燃料稀混合料，和点燃在燃烧室内的燃料浓混合料的点火装置1，接着使燃着的燃料再点燃加压室内的燃料稀混合料，这样使加压室内的运转温度保持足够的低，以抑制在其内生成氮的氧化物。

Description

双冲程内燃机

本发明涉及一种内燃机，特别涉及一种按照双冲程循环运转的内燃机。本发明可以应用于任何双冲程内燃机，诸如那些具有一个常规曲柄轴和连杆的内燃机以及无曲柄式发动机。

虽然双冲程内燃机已经问世一个多世纪，但它们仍具有严重的缺陷并且用途有限。双冲程内燃机通常会遇到加热问题。此外，从这种发动机排出的废气中包含好几种大气污染物，例如一氧化碳，碳氢化合物和氮的氧化物。

一氧化碳是无色、无臭的有毒气体，较空气稍轻。废气排出物中存在这种有害气体是燃料未完全燃烧的结果，其中一部分碳被氧化成一氧化碳，而不是被完全氧化成二氧化碳。这是由于燃烧室内的氧气不足导致的。大部分常规的燃烧室对氧的过多供应或者对一种通常称为“稀混合料”的燃料起着不良的反应。

废气排出物中存在碳氢化合物还说明燃料未烧尽和浪费。一般地说，在两冲程发动机的排出物中，其含碳氢化合物的百分比都是较高的，这特别是由于发动机进行扫气的性质情况。虽然在大气中通常发现的具有浓度的气态碳氢化合物是非毒性的，但由于它们在形成光化学烟雾中的作用，它们还是一种主要的污染物。

当在存在氧的情况下以非常高的温度燃烧燃料时就会产生氮的氧化物。氮的氧化物与碳氢化合物化合形成一种对浓雾形成有作用的称作光化学氧化剂的复杂品种二次污染物。在废气排出物中存在氮的氧化物已成为所有的常规双冲程内燃机的一个主要问题，尤其是在努力以燃烧稀混合料来减少一氧化碳的场合中。有些试验单位曾经成功地燃烧稀混合料，但是多余的氧在燃烧室中变成了氮的氧化物，这种氮的氧化物在过去只有建立起一个昂贵的催化转换器才能将其除去。

在形成空气污染物的氮的氧化物中，最经常出现的是一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO)。一氧化氮是一种由氮和氧在高温下形成的无色的有毒气体。它在内燃机的排气中转化为二氧化氮，一种刺激物和有毒物。

氮的氧化物的形成是由过多的氧，燃烧室的温度高过摄氏1650度及活塞在上死点的停止期导致的。在一个常规的活塞式发动机中，停止期是不能缩短的。然而，据发现，如果高温区离开存在过多氧的位置，则可以防止氮的氧化物产生。

U.S Patent No.2,285,671提供一种可充分燃烧燃料的二冲程内燃机。该专利公开的这种二循环内燃机包括一个汽缸，在该汽缸上端具有主燃烧室，在该汽缸中有一往复运动的活塞，一个与主汽缸连通的初级点火腔，在活塞作下行冲程接近端部时，所述汽缸的排气孔和进气孔打开；还包括用于向进气孔提供压力气体以及向初级点火腔提供足以点燃内燃机的一定量的碳化混合物质的装置，该装置包括用于在开动内燃机时向主燃烧室注入液体燃料的喷嘴，用于增加向初级点火腔增加碳化混合物以及通过进气孔提供一定比例的空气、以确保初级点火腔和汽缸之间压力平衡的中间联通装置，由此减小点火前两者间的流动，和用于点燃初级点火腔中的碳化混合物并由此引燃主汽缸中的燃料而激发内燃机的电子装置。

与该现有技术在点火前减小初级点火腔和汽缸之间的流动不同，本发明是将一些燃料引入加压室，由此则产生一些燃料烯混合料。但是这些燃料稀混合料含有充足的氧，以确保所有燃料完全地燃烧。

本发明的一个目的是尽量减少双冲程内燃机的有害排出物。

本发明另一个目的是尽量减少一般关连到现有双冲程内燃机的加热问题。

本发明提出一种双冲程内燃机，它包括一个汽缸，一个在汽缸内的加压室，至少一个适于在加压室中作往复运动的活塞，至少一个与加压室相连通的进气口，通过进气口将扫气空气供应给加压室的装置，至少一个用于将扫气空气和燃烧的产物从加压室中排出的排气口，一个与加压室有限地连通的小容积外部燃烧室，向燃烧室内供给一种浓的燃料/空气混合料的装置和安装在燃烧室内对该室内的浓的燃料/空气混合料点火的装置，其特征在于：小容积外部燃烧室位于汽缸之外并与加压室间隔设置，当排气口关闭之后，在点燃部分进入燃烧室的燃料/空气混合料之前使所述燃料/空气混合料的一部分从燃烧室通过进入加压室与其中的扫气空气形成一种燃料稀混合料，该稀混合料接着通过点燃燃烧室来的燃料的方式而点燃，所述燃料稀混合料包含充足的氧，以确保所有燃料完全燃烧，并且以足以从加压室清除所有的燃烧产物并且可对汽缸进行冷却的量以高压提供扫气空气，由此使加压室内的运转温度维持在低于1650℃度以下，以防止在其中生成氧化氮。

这样不仅防止了氮的氧化物的生成，而且由于燃烧室内氧的充份供应，燃料也基本上完全燃烧了，因而使一氧化碳和碳氢化合物的排放也减到了最小。通过加压室的大容量扫气空气足以能有效地请洗和冷却气缸。由于将燃料分成在小容积燃烧室内的燃料浓混合料和在加压室内的燃料稀混合料，本发明的双冲程内燃机具有显著节省燃料的特点。

下面参照附图对本发明的两个实施例予以说明，附图中：

图1是按照本发明一个实施例的单活塞双冲程内燃机的汽缸组件的截面图；

图2是按照本发明第二个实施例的具有对置活塞的双冲程内燃机的汽缸组件的截面图；

图3是垂直于图1和2的截面图；和

图4是垂直于图2的另一个截面图。

图1所示的是一个具有一个适于在一个汽缸4中作往复运动的单活塞8的双冲程内燃机的汽缸组件。活塞8连接到一个常规的连杆和曲轴(未显示)上。在汽缸4外还形成一个附属于主加压室6的一个小容积外燃烧室3。燃烧室3与加压室6是相隔开的，但能沿着一条狭窄的通道9与其受限地相连通。如图3所示，通道9是偏斜的，因此它基本上以切线的方向进入加压室6。

火花塞1安装在外燃烧室3上用以对其中的燃料/空气混合料点火。燃料/空气混合料是通过一个由提升阀2控制的进气口喷射入燃烧室3的。空气由一个鼓风机(未显示)供应。

一股高压扫气空气通过一个由一个提升阀5控制的进气口被压入加压室6内。扫气空气连同燃烧的产物通过一个或多个排气口7被排出加压室6。排气口7的开启和关闭是由活塞8当其在汽缸4内作往复运动时实现的。

为了供应大容量的高压扫气空气，设置有一个鼓风机(未显示)。该同一鼓风机也可以用来供应为混合燃料而用的空气，，以及为扫气目的和，如果需要，为了增压而用的空气。鼓风机可以由发动机驱动，如果需要，也可借助于涡轮排气机。大量的高压空气进料的供应保证了扫气空气的适当通过量，不仅请洗了气缸也对其进行冷却。有效的冷却部分地是由于扫气空气以高的速度沿着大体上为螺旋形的路径在加压室6的内壁上向下流动导致。扫气空气在加压室6中的这种涡流式运动是由扫气空气进气口的适当设计结构所促成的。只要进气口是由提升阀控制的，就可以设置诸如翅片(未显示)的装置以便在扫气空气进入加压室6时可以适当地使其偏转。

空气/燃料混合料的进气口与其它的气口相比是比较小的。最好是，扫气空气的进气口和排气口7要比相同大小的常规发动机所用的要大一些。较大的进气口和排气口有利于供应适当通过量的扫气空气。

发动机以如下的方式完成一个完全的双冲程循环运转。假定该循环是以活塞8在其下死点处起始并开始在汽缸4内上升。提升阀5被关闭以将扫气空气的进路切断。加压室6内于是将充满基本上清洁的空气。提升阀2将是或者开启或者即将开启。为了在扫气时防止燃料逸出至大气中，在活塞8完全关闭或几乎完全关闭排气口7之前，提升阀2不会开启。

当提升阀2开启时，一种稍浓的燃料/空气混合料被喷射至外燃烧室3内。一部份的燃料/空气进料从外室3沿着通道9进入加压室6内。如图3中所示的通道9的切线布置使进入加压室6的进料与其中的空气的旋涡运动为同一方向并由此而扩散开。允许进入加压室6的进料的数量取决于在发动机运转时所要求的功率和转数。然而，当活塞8上升而燃料混合料还未能下降到达加压室6内排气口7的位置之前，排气口7即关闭了。在任何情况下，也没有必要一定要使燃料混合料下降超过至该位置的一半路径，因为让燃料进入加压室6的唯一目的是与其余的扫气空气进行稀释以提供一种稀混合料。在加压室6内的稀混合料和超量的氧促使所有燃料完全燃烧。如果需要增压，提升阀2必须一直开启直至活塞8完全关闭排气口7时为止。

在提升阀2关闭后，活塞8继续在汽缸4内上升进行其压缩冲程。汽缸4内的空气在加压室6，通道9和燃烧室3内被压缩。然而，通道9的尺寸要使得邻近火花塞1的燃料/空气混合料保持足够的浓度使其能被火花点燃随之发生爆炸该爆炸会迫使燃着的燃料沿着通道9进入加压室6。与扫气空气混合而变稀的剩下来的进料为浓的进料燃烧所点燃，不需引爆即开始燃烧。当燃烧的燃料以与其内的空气的旋涡运动相同的方向被压入加压室6时，空气流动的速度增加了并促进了燃烧。

燃烧室3和加压室6之间的关系是这样的，即它们造成两个其温度显著不同的分开的区。首先，在燃烧室3内靠近爆炸的中心产生一个高温区。其次，在加压室6内有一个温度明显较低的区。其结果是，燃烧室3的高温区与加压室6内稀混合料的超量氧被有效地分开。超量氧的温度低于1650℃以防止抑制氮氧化物的生成。此外，由于超量氧的存在，基本上达到完全燃烧，从而使废气排出物中不含一氧化碳和碳氢化合物。另一个后果是活塞8在汽缸4内的往复运动是一项较凉的操作，因而发动机就避免了通常与双冲程发动机有关的传统加热问题。

动力冲程于是接着进行排气，这时活塞8露出排气口7。提升阀5这时开启着，而扫气空气被压入加压室6以便用干净空气对其进行撤底清洗，并冷却气缸4。

图2所示的汽缸结构是为了用于水平对置的活塞。该图中所用的标号和运转原理与图1中的保持一样，除了图1的提升阀5被开启着的气口15所代替，而该气口是由往复运动的活塞8中的一个予以打开和关闭的。气口15是这样设置在汽缸4上的，即排气口7正好在气口15之前露出以便于排气。如图4中所示，扫气空气的进气口15是成斜角的，因而空气是以切线方向进入加压室6的，以便在其内产生一种扫气空气的旋涡运动。

这种发动机的一个优点是排气口7可以在汽缸4的周边四周不受到限制。这是因为没有输气孔的原因，而这种输气孔在大部分常规的双冲程发动机的排气口上都是必要的，但是在本发明设计中它并不需要。这样就允许更多的有效的通气。

本发明装置还允许常规的双冲程发动机在运转时使用湿油槽供油润滑法，因为燃料中并不需要润滑油。这样可以使发动机的大小尺寸能与四冲程发动机相竞争。

上面描述的双冲程发动机可适合于使用大范围的各种燃料中的一种，例如汽油、煤气和柴油而不需要任何特殊的添加剂。

根据图1所描述的实施例可以将排气口7和进气阀5互换，从而使扫气空气的流谱反转。这一安排的优点在于任何剩余的废气和任何在膨胀冲程中可能通过活塞8逸出的气体都可以再回到燃烧室3内去。

在另一种改良型中，图1和2的实施例可以配置一个由一个提升阀控制的另外的进气口用以使扫气空气进入燃烧室3中。这可以使燃烧室3和通道9得到扫气。这种安排适合于大型发动机。

在又一种改良型中，燃烧室中另加的气口可以用作排气口。这样在膨胀中通过活塞8逸出的任何气体可以再回到燃烧室3中。此外，任何未燃烧的碳氢化合物在经过热的燃烧室3时将会被氧化。

在再一个实施例中，加压室6可以配备一个由一个提升阀控制的大的排气口，因而加压室6的其它气口，以及，如果有的话，燃烧室3的另加的气口，可以安排作为扫气空气的进气口用。

在上述任何的实施例中，都可以配置多于一个的外部燃烧室3，在大型发动机中尤其如此。燃烧室3各带有一条通道9，并可以相间隔开地围绕在加压室6的周围。此外，发动机可以使用多于一个的汽缸4。

如前所述，通道9为切线位置的布置，如图3所示，使进入加压室6的燃料进料与其内空气的旋涡运动处于同一方向并由以扩散开。这是一般的情况。然而，对于某种工作容量的发动机，可能有必要使燃料进料逆着旋涡的方向进入加压室6以便减弱空气过强的旋涡运动。在那种情况下，仍旧会有燃料进料的有效扩散作用。

上述细节的其它改良型式对于业内熟悉技术的人员都是极易明了的并且都可以做出各种变化而不脱离这里所叙述的概括发明构思。例如，汽缸的外表面上可以配置散热片以协助冷却。

Claims (11)

1.一种双冲程内燃机，它包括一个汽缸，一个在汽缸内的加压室，至少一个适于在加压室中作往复运动的活塞，至少一个与加压室相连通的进气口，通过进气口将扫气空气供应给加压室的装置，至少一个用于将扫气空气和燃烧的产物从加压室中排出的排气口，一个与加压室有限地连通的小容积外部燃烧室，向燃烧室内供给一种浓的燃料/空气混合料的装置和安装在燃烧室内对该室内的浓的燃料/空气混合料点火的装置，其特征在于：小容积外部燃烧室位于汽缸之外并与加压室间隔设置，当排气口关闭之后，在点燃部分进入燃烧室的燃料/空气混合料之前使所述燃料/空气混合料的一部分从燃烧室通过进入加压室与其中的扫气空气形成一种燃料稀混合料，该稀混合料接着通过点燃燃烧室来的燃料的方式而点燃，所述燃料稀混合料包含充足的氧，以确保所有燃料完全燃烧，并且以足以从加压室清除所有的燃烧产物并且可对汽缸进行冷却的量以高压提供扫气空气，由此使加压室内的运转温度维持在低于1650℃度以下，以防止在其中生成氧化氮。

2.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于：其中，空气进气口设计成能造成加压室内扫气空气的旋涡运动。

3.如权利要求2所述的内燃机，其特征在于：其中，一个空气进气口上配置一个翅片以使进入的扫气空气偏转造成旋涡运动。

4.如权利要求2所述的内燃机，其特征在于：其中，一个空气进气口设置成偏角的，从而使空气进入加压室基本上成切线方向以产生漩涡运动。

5.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于：其中，一条狭窄的通道在燃烧室和加压室之间提供有限的连通。

6.如权利要求5所述的内燃机，其特征在于：其中，通道是偏置的，使得其以切线方向进入加压室。

7.如权利要求2或6所述的内燃机，其特征在于：其中，通道设置成使燃料以与加压室中空气旋涡运动相同的方向进入加压室。

8.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于：它具有一个在燃烧室内另加的气口以进行其扫气工作。

9.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于：其中，设置有一个外部鼓风机向加压室供应高压的扫气空气。

10.如权利要求9所述的内燃机，其特征在于：其中，鼓风机也向喷射入燃烧室内的燃料混合料供应空气。

11.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于：它具有多个外部燃烧室，该些燃烧室相间隔开地分布在加压室的四周并与其相连通。

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