CN107420195B - 一种基于四冲程发动机结构的二冲程发动机及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于四冲程发动机的新型二冲程发动机及方法。其技术方案是：进、排气系统均位于气缸盖上，所述的进气门头部采用纵置流线型进气门头部，进气门的气门座环和进气管的末段部分形成纵置进气管，气门座环位于纵置进气管内部的中段，此气门座环的最狭窄处成为纵置进气管的喉部，纵置进气管及其内部的纵置流线型进气门头部和两者之间形成的环形缝隙、其内部的部分进气门杆共同构成以纵置进气管为管壁的纵置进气喷管。有益效果是：同时具有四冲程发动机和二冲程发动机的所有优点，又可以克服其各自的缺陷，相对于传统的二冲程发动机能够提高排放标准和使用寿命，相对于传统的四冲程发动机能够提高功率密度和输出扭矩。

Description

一种基于四冲程发动机结构的二冲程发动机及方法

技术领域

本发明涉及一种往复活塞式二冲程内燃发动机（简称二冲程发动机），特别涉及一种基于四冲程发动机结构的二冲程发动机及方法。

背景技术

往复活塞式发动机应用极为广泛，是目前最为常用的动力机械。主要用于各种车辆、船舶、飞行器上。其中最主要是四冲程发动机和二冲程发动机。这些发动机具有庞大的数量和极高的使用率，因此提高其功率密度、提高其排放标准、延长其使用寿命、提高其燃烧效率有极高的意义。

现有的四冲程发动机技术成熟应用最广泛，其进气、排气装置均在气缸盖上，工作循环包括独立的进气、压缩、做功、排气四个冲程，具有燃烧效率高、润滑良好、排放标准高、使用寿命长等优点，但和同一功率的二冲程发动机相比其缺点是功率密度低、重量和体积均较大、扭矩低、转动不平稳震动大。

相对于四冲程发动机，现有的二冲程发动机具有功率密度高、结构简单、重量和体积均较小、转动平稳震动小、扭矩大、升功率大等优点。二冲程发动机曲柄连杆机构旋转360°完成一个完整的工作循环，四冲程发动机曲柄连杆机构旋转720°才能完成一个完整的工作循环，所以二冲程发动机的输出扭矩较四冲程发动机均匀；在相同曲轴转速和相同工作容积的情况下，二冲程发动机的功率密度比四冲程发动机高一倍，但因二冲程发动机有扫气损失，并且换气时减少了有效工作行程，所以它的实际输出功率仅比四冲程发动机高50%～70%。二冲程发动机的进气、排气装置多有在气缸壁上（包括进气、排气装置都在气缸壁上、没有凸轮轴，或进气、排气装置之一在气缸壁上、有一根凸轮轴控制另一气门），依靠活塞的往复运动关闭和开启其位于气缸壁上的进气、排气装置，二冲程发动机一般采用混合润滑方式或分离润滑方式，而四冲程发动机一般都采用压力润滑与飞溅润滑相结合润滑方式。因此，二冲程发动机就不能同四冲程发动机那样重复循环使用储存于曲轴箱内的润滑油润滑，其气缸壁结构不完整不能在活塞和气缸壁之间形成完整的可以循环使用的润滑油膜，二冲程发动机必须在燃油内混入润滑油或单独向气缸壁持续添加润滑油，其润滑油只能随废气排出；二冲程发动机的活塞环只有气环，没有油环，所以润滑不良并且容易出现拉缸，而四冲程发动机的活塞环既有气环，也有油环，润滑良好。二冲程发动机的工作过程中其进气时排气口尚未关闭，有部分未燃烧的燃气混合物直接从进气口进入排气口排出。混合在燃料中的润滑机油燃烧不充分，使排气中的碳氢化合物增多。二冲程发动机在高速运转时其进气不良，排气不畅，燃烧不完全，二冲程发动机的运动部件润滑效果较差，所以二冲程发动机一般只有四冲程发动机寿命的1/3～1/2，其缺点是燃烧效率低、润滑不良、排放标准低、使用寿命短等。

综合上述优缺点分析，理论上如果能够最大限度的采用四冲程发动机的原有结构，通过对四冲程发动机结构上的尽可能小的改进，改变或调整四冲程发动机的配气机构、燃料供给系统、点火系统使其能够按照二冲程发动机的工作模式工作即曲轴与凸轮轴的传动比为1比1，而且采用纯空气扫气、气缸内直喷技术的顶进顶排式二冲程发动机（即同四冲程发动机一样，此种二冲程发动机的进、排气门均位于气缸盖上）具有较好的前途。这样的二冲程发动机在结构上与四冲程发动机结构高度相似，而且能够采用与四冲程发动机完全相同的润滑模式和活塞总成，既具有四冲程发动机结构成熟和使用寿命长、润滑良好、可靠性好的优点，又具有二冲程发动机工作平稳、扭矩大、功率密度大的优点，同时不需要燃油内混入润滑油或单独持续添加润滑油，能够使二冲程发动机的排放达到四冲程发动机的水平。但是这样的二冲程发动机仍然有缺陷，具体表现在其配气机构上：顶进顶排式二冲程发动机其进气门（16）、排气门（4）均位于燃烧室顶部的气缸盖（7）上，如果使用与四冲程发动机完全相同的进气门（16）、排气门（4）结构，由于四冲程发动机常规的进气门（16）、排气门（4）的气门头部与气缸（6）的纵轴基本垂直、与活塞（8）往复运动的轨迹基本垂直（即横置式，如附图6），当其按照二冲程发动机的工作模式工作时，由于二冲程发动机没有完全独立的进气冲程和排气冲程，二冲程发动机排气和进气基本同时进行，在此过程中排气门（4）、进气门（16）同时处于开放状态的时间必须较长（即二冲程发动机必须有很大的气门叠开角）以使扫气正常进行，由于进气门（16）、排气门（4）之间距离很近，而且此时二冲程发动机的活塞（8）正处于下止点附近，远离位于气缸盖（7）处的进气门（16）、排气门（4），这样扫气时大部分新鲜空气从进气门（16）处进入气缸（6）内后不是射入远处正处于下止点附近的燃烧室底部扫除废气，而是直接在气缸盖（7）附近的常规进气门（16）、排气门（4）之间产生气流“短路”，大部分新鲜空气从进气门（16）进入气缸（6）内后在气缸（6）内的顶部直接进入排气门（4）后进入排气管（5）排出，使此时正处于活塞（8）下止点附近的燃烧室底部的废气无法被充分排出，成为扫气死腔，气缸（6）内残余废气比例高，进入气缸（6）内的新鲜空气比例不高，发动机处于缺氧状态，甚至能因为缺氧而熄火，这正是目前与四冲程发动机结构上最为相似的常规气门式顶进顶排式二冲程发动机不能投入实际运用的关键原因（如附图6）。现在有多个相关专利设想解决上述问题，例如：公开号为CN101660461的顶置外开配气二冲程发动机，采用全顶置气门结构且具有导流体结构来进行二冲程发动机的扫气，但如果导流体结构过大则影响压缩比，过小则不能解决气流“短路”问题。申请号为201310184706.3的应用二冲程阿特金森循环的多模全顶置气门二冲程内燃机，在普通二冲程内燃机的基础上，采用了顶置大斜度的嵌入式进气门和普通排气门的汽缸盖结构，进气门在打开的时候，自身充当了临时的隔离板，并利用成型顶活塞上凸起的导流作用，实现了“更高效率”的扫气结构，但进气时进气气流冲击顶置大斜度的嵌入式进气门自身形成的临时的隔离板后，进气气流的方向虽然产生了有益改变，进气气流产生“折射”方向改变大，使部分气流转向对准处于下止点附近的活塞顶部，能够部分解决扫气时气流“短路”问题，但进气气流冲击隔离板后动能反而大幅减少、气流流速降低、产生气流发散效应，由于没有很好的根据流体动力学原理使用高效低阻的喷管技术对进气气流进行有效加速和约束形成射流，因此其进气气流“射程”有限，而且扫气时二冲程发动机的活塞顶正处于下止点附近，远离位于气缸盖处的进气门，特别是当此种结构应用在较大型的二冲程发动机时，其气缸盖上的顶置大斜度的嵌入式进气门到正处于下止点附近的活塞顶之间的距离较大，“射程”有限的低速发散进气气流很难对位于下止点附近的燃烧室底部的已燃废气进行有效扫除，其扫气效率不高，有扫气死腔；同时大斜度的嵌入式进气门其进气门的气门杆和进气门的头部之间存在较大的倾斜角度而不是垂直“⊥”，由于气门杆的横截面为圆形，发动机工作时气门杆能以气门杆的纵轴线为轴心产生旋转，所以大斜度的嵌入式进气门的气门头部就会与其配合的同样存在大斜度的固定不能同步旋转的进气门的气门座环之间产生不匹配导致密封不良漏气问题，此申请没有提及解决此问题的方式。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种基于四冲程发动机结构的二冲程发动机及方法。

本发明提到的一种基于四冲程发动机结构的二冲程发动机，包括曲柄连杆机构、润滑系统、冷却系统、起动系统、燃料供给系统、配气机构和点火系统，进、排气系统均位于气缸盖（7）上，所述的进气门（16）头部采用纵置流线型进气门头部（2），进气门（16）的气门座环（12）和进气管（11）的末段部分形成纵置进气管（3），气门座环（12）位于纵置进气管（3）内部的中段，此气门座环（12）的最狭窄处成为纵置进气管（3）的喉部，纵置流线型进气门头部（2）的大部分位于纵置进气管（3）内部的气门座环（12）的下方，与位于纵置进气管（3）内部的气门座环（12）下方的纵置流线型进气门头部（2）的顶端连接的气门杆（9）从中央向上穿过此气门座环（12），纵置进气管（3）的上段与进气管（11）相连接，纵置进气管（3）的下段固定在气缸盖（7）上并与气缸（6）内相通，纵置流线型进气门头部（2）顶部的部分环形区域的密封面与气门座环（12）下方对应位置的环形区域密封面在进气门（16）处于闭合状态时接触并形成密封，纵置进气管（3）内部位于气门座环（12）密封面以下的部分水平环绕其内部的纵置流线型进气门头部（2）且与在其内部的纵置流线型进气门头部（2）之间形成连续的环形缝隙，环形缝隙与气缸（6）内相通，纵置进气管（3）及其内部的纵置流线型进气门头部（2）和两者之间形成的环形缝隙、其内部的部分进气门杆（9）共同构成以纵置进气管（3）为管壁的纵置进气喷管（1）。

优选的，纵置进气喷管（1）的管壁纵置进气管（3）的内壁的上段形成自上而下逐渐收敛至中段以气门座环（12）的最狭窄处成为其喉部、喉部以下部分段自上而下逐渐扩张，形成收敛扩张形喷管即拉瓦尔喷管，当进气门（16）开启时纵置进气喷管（1）的内部整体上形成扩张段内有纵置流线型进气门头部（2）和部分进气门杆（9）的收敛扩张形的纵置进气喷管（1）。

优选的，纵置进气喷管（1）的纵置流线型进气门头部（2）的内部是中空的。其目的是减少此种进气门（16）的重量和质量，减少在气门开启、闭合往复运动过程中的惯性冲击从而减少进气门（16）闭合时对气门座环（12）与纵置流线型进气门头部（2）之间的密封接触面的冲击，延长气门组的使用寿命。

优选的，纵置流线型进气门头部（2）下端的尖端部分采取截去部分尖端的处理方式以减少纵置流线型进气门头部（2）的纵向长度，其最下端在活塞（8）处于上止点时不接触活塞（8）顶面；截去部分尖端的处理方式所形成的下端面到纵置流线型进气门头部（2）的最大横径处的距离与纵置流线型进气门头部（2）的最大横径处到纵置流线型进气门头部（2）的顶端的距离之比不小于1，纵置流线型进气门头部（2）的纵向长度与纵置流线型进气门头部（2）的最大横径之比不小于1；所述中空的的纵置流线型进气门头部（2）下端的尖端部分采取截去部分尖端的处理所形成的下端面设置向下的开口，使纵置流线型进气门头部（2）内的中空部分与气缸（6）内连通。爆发冲程即气缸（6）内燃烧产生后活塞（8）向下止点运动的过程中，以提高从纵置流线型进气门头部（2）的中空部分内喷出的气体的流速，有助于增强从纵置流线型进气门头部（2）的中空部分内喷出的气体与气管内气体的掺混和挤对，增强气缸（6）内涡流以利于更加充分燃烧。

优选的，纵置进气喷管（1）的环形缝隙内有支撑架片（17），在进气门（16）处于闭合状态时成为纵置进气喷管（1）内壁与纵置流线型进气门头部（2）之间的支撑。每个支撑架片（17）的一端固定在纵置流线型进气门头部（2）外壁上，另一端指向纵置进气喷管（1）的内壁并在进气门（16）处于闭合状态时与之接触形成支撑，或反之每个支撑架片（17）的一端固定在纵置进气喷管（1）的内壁上，另一端指向纵置流线型进气门头部（2）外壁并在进气门（16）处于闭合状态时与之接触形成支撑，支撑架片（17）在进气门（16）处于关闭状态时成为纵置进气喷管（1）与纵置流线型进气门头部（2）之间的支撑（如附图7）。其作用是防止流线型进气门头部（2）在发动机工作时特别是爆发冲程时在纵置进气喷管（1）内产生横向摆动（如附图7）。

优选的，纵置进气喷管（1）的管壁即所述的纵置进气管（3）可以从气缸盖（7）下方贯穿气缸盖（7）后固定安装在气缸盖（7）上；纵置进气管（3）和气缸盖（7）的冷却方式可以是液冷式也可以是风冷式。

优选的，所述的进气管（11）的上游连接空气增压系统（15），进气时增压的空气通过进气管（11）和进气门（16）处于开启状态时的纵置进气喷管（1）喷入气缸（6）内；所述的空气增压系统（15）主要由各种形式的空气增压器（包括各种机械增压、电动风扇增压、废气涡轮增压等）和中冷储气室（未画出）组成，以冷却并储存增压后的空气。发动机工作时增压后的空气通过进气管（11）和处于开启状态时的纵置进气喷管（1）喷入气缸（6）内（如附图1）。

本发明提到的一种基于四冲程发动机结构的二冲程发动机的工作方法，包括以下步骤：

在纵置进气喷管（1）内部的进气门（16）开启时，进气气流通过纵置进气喷管（1）进入气缸（6）内对准活塞（8）顶部喷射，纵置流线型进气门头部（2）的最下端在活塞（8）处于上止点时不接触活塞（8）顶面，进气管（11）、纵置进气喷管（1）和同样位于气缸盖（7）上的与四冲程发动机在结构和组成上完全相同的常规排气门（4）、排气管（5）共同构成其进、排气系统的主体；曲轴与凸轮轴的传动比为1比1，即活塞（8）在气缸（6）内每完成往复运动一次带动曲柄连杆机构转动一周，曲轴通过凸轮轴传动机构带动凸轮轴也转动一周，凸轮（10）使进气门（16）、排气门（4）各完成一次开启、闭合过程，而进气门（16）的开启、闭合导致纵置进气喷管（1）的开启、闭合，燃料供给系统完成一次气缸（6）内的燃料喷射过程，对于点燃式发动机其点火系统在压缩过程末期完成一次点火过程，二冲程发动机完成一次爆发、排气、进气、压缩的工作循环过程；通过转动的凸轮（10）使排气门（4）的开启先于纵置进气喷管（1）的开启，并且在排气门（4）、纵置进气喷管（1）的开启的初期活塞（8）都处于下止点附近，纵置进气喷管（1）的闭合不早于排气门（4）的闭合，使用在凸轮轴上处于不同相位的凸轮（10）可以完成不同的配气过程，成为一种基于四冲程发动机结构的发动机。

优选的，本发明可以应用现有四冲程发动机上的连续可变气门正时机构，通过改变凸轮轴的角度从而改变凸轮轴上凸轮（10）的相位来控制其驱动的进气门（16）、排气门（4）的开启、闭合的正时，进而可以改变发动机的压缩比和膨胀比，能够使发动机实现从等膨胀模式到多种超膨胀模式之间的多模态连续转换。

本发明的有益效果是：同时具有四冲程发动机和二冲程发动机的所有优点，又可以克服其各自的缺陷，能够采用同四冲程发动机完全相同的活塞总成和润滑方式，不需要在燃料油中混合润滑油，相对于传统的二冲程发动机能够提高排放标准和使用寿命，相对于传统的四冲程发动机能够提高功率密度和输出扭矩，成为一种理想的二冲程发动机，从而达到节能减排的目的，扫气后气缸内仍然残留有少部分的已燃废气，正好不需要现有四冲程发动机的废气再循环系统（EGR），可降低系统的复杂程度，进一步提高其可靠性和排放标准。

附图说明

附图1是本发明的一种进气时的剖面示意图；

附图2是本发明的等膨胀模式配气过程示意图和两种超膨胀模式配气过程示意图；

附图3是本发明的第一种纵置进气喷管的剖面示意图；

附图4是本发明的第二种纵置进气喷管的剖面示意图；

附图5是本发明的第三种纵置进气喷管的剖面示意图；

附图6是直接由现有四冲程发动机改进而来的顶进、顶排式二冲程发动机进气时的剖面示意图；

附图7是本发明的第四种纵置进气喷管的剖面示意图及A-A剖面示意图；

上述附图中：（1）纵置进气喷管，（2）纵置流线型进气门头部，（3）纵置进气管，（4）排气门，（5）排气管，（6）气缸，（7）气缸盖，（8）活塞，（9）气门杆，（10）凸轮，（11）进气管，（12）气门座环，（13）喷油嘴，（14）火花塞（或电热塞），（15）空气增压系统，（16）进气门，（17）支撑架片。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：（如附图1，其中纵置进气喷管部分如附图4，附图只表示出发动机单缸的工作过程）采用一个现有的汽车用机械增压式（空气增压系统（15））多缸液冷式气缸（6）内直喷（FSI）四冲程汽油发动机，去掉其原有的整体式气缸盖（7），改用较为平整的整体式气缸盖（7），以减少气缸盖（7）内燃烧室的容积，将本发明的整体模块形式的纵置进气喷管（1）的管壁即所述的纵置进气管（3）（内有一体成型的气门座环（12））从汽缸盖（7）的下方穿出并用螺母固定在气缸盖（7）上，安装好本发明的进气门（16），形成纵置进气喷管（1），空心的纵置流线型进气门头部（2）的下端采取截去尖端的处理方式，其下端面有向下的开口与气缸（6）内空间相通。纵置流线型进气门头部（2）的最下缘能够在活塞（8）运动到上止点时不与活塞（8）顶接触。截去部分尖端的处理方式所形成的下端面到纵置流线型进气门头部（2）的最大横径处的距离与纵置流线型进气门头部（2）的最大横径处到纵置流线型进气门头部（2）的顶端（即纵置流线型进气门头部（2）与气门杆（9）相连接处）的距离之比不小于1，纵置流线型进气门头部（2）的纵向长度与纵置流线型进气门头部（2）的最大横径之比不小于1（如附图4）。每个气缸（6）相应的气缸盖（7）区域有两个本发明的纵置进气喷管（1）和两个常规排气门（4）。其压缩比为8-11:1，并使配气系统使之满足二冲程发动机的工作循环，即曲柄连杆机构旋转一周并带动配气机构完成一次完整的工作循环，曲轴带动双顶置凸轮轴（DOHC）各旋转一周，进、排气凸轮（10）也同时旋转一周并带动纵置进气喷管（1）、排气门（4）各完成一次开、闭过程，活塞（8）从上止点到下止点再从下止点回到上止点的过程中发动机完成一次爆发、排气、进气、压缩过程，实现周而复始的二冲程发动机的工作循环（曲轴与凸轮轴的传动比为1比1），并完成如图显示的配气过程（如附图2a），发动机工作时每当活塞（8）运动到接近下止点前，转动的排气凸轮（10）使排气门（4）最先开启，排气过程开始排气压力减低，然后转动的进气凸轮（10）使纵置进气喷管（1）开启，排气的惯性吸引和来自曲轴带动的机械增压器及储气室的增压空气（空气增压系统（15））使进气过程开始，由于使用收敛扩张形的纵置进气喷管（1），进气气流高速平稳绕过纵置流线型进气门头部（2）而且基本不产生紊流和涡流，使进气空气呈射流状直达此时正位于下止点附近“远处”的活塞（8）顶部，大幅减少了进气气流的纵向能量损失，新鲜空气流从活塞（8）顶部自下而上驱除已燃废气，曲柄连杆机构带动凸轮轴进一步转动凸轮（10）控制排气门（4）闭合，最后纵置进气喷管（1）闭合，排、进气过程完成。纵置进气喷管（1）闭合后曲柄连杆机构带动活塞（8）继续向上止点运动开始压缩过程，其压缩比或压缩过程是指从进气结束纵置进气喷管（1）闭合至活塞（8）运动到上止点时为止的过程，在压缩过程中位于气缸盖（7）上的电喷高压喷油嘴（13）在其控制系统的控制下向气缸（6）内适时喷入适量的雾化的汽油，雾化的汽油与压缩过程中的空气在燃烧室内掺混，在活塞（8）运动到上止点附近时，点火控制系统使火花塞（14）点火，燃烧传播波及整个燃烧室，气缸（6）内压力温度急剧升高，气体膨胀推动活塞（8）向下止点方向运动，此时在压缩过程中储存于纵置进气喷管（1）的环缝中和空心的纵置流线型进气门头部（2）中的气体不断向下喷出与燃烧室内的气体混合参与进一步燃烧及膨胀，推动活塞（8）带动曲柄连杆机构旋转并输出扭矩做功，每次活塞（8）达到上止点后都会产生一次点火爆发的做功冲程，其膨胀比或膨胀过程是指从压缩过程结束活塞（8）处于上止点开始爆发膨胀至活塞（8）运动到接近下止点前排气门（4）开启时为止的过程（如附图2a），显然其处于等膨胀状态。此发动机通过曲柄连杆机构带动多个活塞（8）在各自的气缸（6）内工作，有些气缸（6）内的工作循环相位相差180度曲轴转角，即有些气缸（6）内的活塞（8）处于上止点时，在另一些气缸（6）内的活塞（8）正处于下止点的位置，使发动机平稳工作（附图中未画出）。曲轴带动的机械增压器转动，增压空气进入储气室（空气增压系统（15））与下游的纵置进气管（3）相通，当纵置进气喷管（1）开启时可以向纵置进气喷管（1）不断提供增压空气。最终形成一台本发明的基于机械增压缸内直喷的四冲程汽油发动机的等膨胀模式结构的汽油发动机，其配气过程（如附图2a）。

此实施例发动机还可以应用现有四冲程发动机上常用的连续可变气门正时机构（CVVT）：当连续可变气门正时机构（CVVT）同时在其进气、排气两根凸轮轴上应用时，使进气、排气凸轮轴同步在一定曲轴转角角度的范围内向前或向后旋转，从而改变进气、排气凸轮（10）的相位来控制其驱动的进气门（16）（等同于纵置进气喷管（1））、排气门（4）的开启、闭合的时间，达到连续改变气门正时的目的，而进气门（16）（等同于纵置进气喷管（1））、排气门（4）的开启、闭合的正时同步改变，导致其压缩比和膨胀比的连续改变，能够使发动机实现从等膨胀模式（启动或低速时）到多种超膨胀模式（高速时）之间的多模态连续可逆转换，使本发明的一种基于四冲程发动机结构的二冲程发动机成为一种连续可变压缩比和膨胀比的新型二冲程发动机，其配气过程能够实现多模态连续转换（如附图2中由a→b→c→b→a的变化过程）。

上述相同的方式（没有采用CVVT技术），采用一台现有的汽车、坦克常用的机械增压（空气增压系统（15））的多缸液冷式四冲程柴油发动机（采用高压共轨技术），去掉其原有的整体式或分体式气缸盖（7），改用较为平整的制整体式或分体式气缸盖（7），减少气缸盖（7）内燃烧室的容积，每个气缸（6）相应的气缸盖（7）区域有两个本发明的纵置进气喷管（1）（如附图4）和两个常规排气门（4）。其压缩比为16-22:1（从进气门（16）闭合算起至活塞（8）运动到上止点结束），压缩过程末期位于气缸盖（7）上的高压喷油嘴（13）在其控制系统的控制下向气缸（6）内喷入适量的柴油，柴油与压缩过程末的高温空气接触后立即燃烧或在接近持续通电炽热的电热塞（14）附近首先燃烧爆发，此时而压缩过程中储存于纵置进气喷管（1）的环缝中和空心的纵置流线型进气门头部（2）中的空气不断向下喷出与燃烧室内的气体混合参与进一步燃烧及膨胀，并完成如图显示的配气过程（如附图2b），形成一台本发明的基于机械增压高压共轨四冲程柴油发动机的超膨胀模式的新型二冲程柴油发动机。

实施例2：（如附图1，没有空气增压系统（15），附图只表示出发动机单缸的工作过程）类似于实施例1，采用一台现有的汽车用的自然吸气四缸或六缸液冷式气缸（6）内直喷四冲程汽油发动机（FSI），去掉其原有的整体式气缸盖（7），改用较为平整的制整体式气缸盖（7），安装好本发明的进气门（16），形成纵置进气喷管（1），空心的纵置流线型进气门头部（2）的下端未采取截去尖端的处理方式，其下端面没有向下的开口与气缸内空间相通（如附图3）。纵置流线型进气门头部（2）的最下缘能够在活塞（8）运动到上止点时不与活塞（8）顶接触。每个气缸（6）相应的气缸盖（7）区域有两个纵置进气喷管（1）和两个常规排气门（4），其压缩比达到8-11:1（从进气门（16）闭合算起至活塞（8）运动到上止点结束），并使其配气系统满足二冲程发动机的工作循环，完成如图显示的配气过程（如附图2a），发动机工作时每当活塞（8）运动到接近下止点前，曲柄连杆机构带动双顶置凸轮轴转动，排气凸轮（10）使排气门（4）最先开启，排气过程开始，在纵置进气喷管（1）开启之前大部分的高温高压废气通过陡扩形的排气管（5）高速排出，然后进气凸轮（10）使纵置进气喷管（1）开启，废气排出的惯性形成负压吸引使进气过程开始，由于使用收敛扩张形的纵置进气喷管（1），使进气空气容易达到此时正位于下止点附近“远处”的活塞（8）顶部，曲柄连杆机构带动凸轮轴转动其上的凸轮（10）进一步转动后排气门（4）闭合，最后纵置进气喷管（1）闭合，排、进气过程完成，曲柄连杆机构带动活塞（8）继续向上止点运动开始压缩过程，在压缩过程中位于气缸盖（7）上的电喷高压喷油嘴（13）在其控制系统的控制下向气缸（6）内适时喷入适量的雾化的汽油，雾化的汽油与压缩过程中的空气在燃烧室内掺混形成适燃混气体，每当活塞（8）运动到接近上止点时火花塞（14）放电点火，燃烧传播波及整个燃烧室，气缸（6）内压力温度急剧升高，气体膨胀推动活塞（8）向下止点方向运动，在压缩过程中储存于纵置进气喷管（1）的环缝中的压缩气体不断喷出与燃烧室内的已经处于燃烧状态的气体混合参与进一步燃烧及膨胀。推动活塞（8）向下止点运动带动曲柄连杆机构旋转并输出扭矩做功，每次活塞（8）达到上止点以后都会产生一次做功冲程，膨胀比等于压缩比。形成一台基于自然吸气四冲程汽油发动机的等膨胀模式的新型二冲程汽油发动机。

实施例3：（如附图1，没有空气增压系统（15），附图只表示出发动机单缸的工作过程）类似于实施例1，由一个现有的无人机使用的双缸风冷式四冲程汽油发动机，去掉其原有的气缸盖（7），改用较为平整的制整体式气缸盖（7），以减少气缸盖（7）内燃烧室的容积，将本发明的整体模块的形式的纵置进气喷管（1）的管壁即所述的纵置进气管（3）（内有一体成型的气门座环（12））从汽缸盖（7）的下方穿出并用螺母固定在气缸盖（7）上，安装好本发明的纵置进气喷管（1），空心的纵置流线型进气门头部（2）的下端未采取截去部分尖端的处理方式其下端封闭（如附图3），纵置流线型进气门头部（2）的下端在活塞（8）运动到上止点时接近活塞（8）的顶面但不与之接触（如附图1），此气缸盖（7）上使用两个本发明的纵置进气喷管（1），两个常规排气门（4），其压缩比达到8-11:1，完成其配气过程（如附图2b），发动机工作时每当活塞（8）运动到接近下止点前排气门（4）最先开启，排气过程开始，已然高温高压废气进入陡扩形排气管（5），排气压力减低后纵置进气喷管（1）开启，排气的惯性及负压吸引使进气过程开始，由于使用收敛扩张形的纵置进气喷管（1），使进气空气能够直达此时正位于下止点附近“远处”的活塞（8）顶部，曲柄连杆机构带动凸轮轴进一步转动后凸轮（10）使排气门（4）闭合、最后纵置进气喷管（1）闭合，排、进气过程完成，曲柄连杆机构带动活塞（8）继续向上止点运动开始压缩过程，此时位于气缸盖（7）上的高压喷油嘴（13）在其控制系统的控制下向气缸（6）内喷入适量的雾化的汽油，雾化的汽油与压缩过程中的空气在燃烧室内掺混形成适燃混气体，当活塞（8）运动到接近上止点时，火花塞（14）放电点火，点燃汽油与压缩空气的适燃混气体，燃烧传播波及整个燃烧室，气缸（6）内压力温度急剧升高，气体膨胀推动活塞（8）向下止点方向运动，带动曲柄连杆机构旋转并输出扭矩做功，每次活塞（8）达到上止点后都会产生一次做功冲程，形成完整的二冲程发动机的工作循环。当发动机工作无人机升空后，冲压进气道可以向纵置进气喷管（1）不断提供大流量的空气（附图未画出），冲压进气道内的气流还可以给发动机的风冷散热片降温；发动机的排气管（5）呈陡扩形，并位于无人机向后的排气道内。形成一台基于四冲程汽油发动机的超膨胀模式的新型二冲程汽油发动机。

实施例4：（如附图1，其中纵置进气喷管部分如附图7，附图只表示出发动机单缸的工作过程）类似于实施例1，采用一个现有的船舶常用的低速或中速大、中型多缸液冷式四冲程柴油发动机，其进气系统上游加装电动离心式或电动风扇轴流式空气增压装置（空气增压系统（15）），发动机的进气管（11）与空气增压装置（空气增压系统（15））相通，进气时可以向纵置进气喷管（1）不断提供大流量的增压空气，使发动机在低速或中速运转时扫气充分甚至存在过度扫气有利于发动机的散热。去掉其原有的分体式气缸盖（7），改用平整的分体式气缸盖（7），以减少气缸盖（7）内燃烧室的容积，将本发明的整体模块的形式的纵置进气喷管（1）的管壁即所述的纵置进气管（3）（内有一体成型的气门座环（12））从汽缸盖（7）的下方穿出并固定在气缸盖（7）上，安装好本发明的纵置进气喷管（1），纵置进气喷管（1）的纵置流线型进气门头部（2）的中空部分下端面的开口在流线型进气门头部的中空部分之内形成收敛扩张喷管即拉瓦尔喷管（如附7），爆发冲程中有助于增强从的纵置流线型进气门头部（2）的中空部分内喷出的空气与气缸（6）内气体的掺混和挤对，增强气缸（6）内涡流以利于更加充分燃烧。纵置进气喷管（1）的环形缝隙内有四个支撑架片（17），每个支撑架片（17）的一端固定在纵置流线型进气门头部（2）外壁上，另一端指向纵置进气喷管（1）的内壁并在进气门（16）处于关闭状态时与纵置进气喷管（1）的内壁接触形成支撑，其作用是防止纵置流线型进气门头部（2）在发动机工作时特别是爆发冲程时在纵置进气喷管（1）内产生横向摆动（如附图7），支撑架片（17）纵截面呈流线型以减少气流阻力。空心的纵置流线型进气门头部（2）的下端面向下的拉瓦尔喷管处的最下缘能够在活塞（8）运动到上止点时不与活塞（8）的顶面接触。每个气缸（6）相应的气缸盖（7）区域有两个本发明的纵置进气喷管（1）和两个常规排气门（4），使其压缩比达到18-22:1，并使与四冲程柴油发动机原有的配气系统结构相似的配气系统能满足二冲程发动机的工作循环，并完成如图显示的配气过程（如附图2b），发动机工作时每当活塞（8）运动到接近下止点前转动的排气凸轮（10）使排气门（4）最先开启，排气过程开始，排气压力减低后转动的进气凸轮（10）使纵置进气喷管（1）开启，来自空气增压装置（相当于空气增压系统（15））的大流量增压空气使进气过程开始，由于使用收敛扩张形的纵置进气喷管（1），进气气流高速平稳绕过纵置流线型进气门头部（2）而且基本不产生紊流和涡流，使进气空气呈射流状直达此时正位于下止点附近“远处”的活塞（8）顶部，新鲜空气流驱除已燃废气，曲柄连杆机构带动凸轮轴进一步转动后排气凸轮（10）使排气门（4）闭合，最后进气凸轮（10）使纵置进气喷管（1）闭合，排、进气过程完成，曲柄连杆机构带动活塞（8）继续向上止点运动开始压缩过程，压缩过程即将结束时喷油嘴（13）在其控制系统的控制下向与气缸（6）相连通的预燃室（附图中未画出）内适时喷入适量的柴油，柴油与压缩过程末的部分高温空气接触后立即在预燃室内预燃烧（压燃）后，高温富燃气体高速喷入气缸（6）内与气缸（6）内的高温压缩空气掺混并进一步燃烧，燃烧传播波及整个燃烧室，气缸（6）内压力温度急剧升高，气体膨胀推动活塞（8）向下止点方向运动，此时在压缩过程中储存于纵置进气喷管（1）的环缝中和空心的纵置流线型进气门头部（2）中的压缩空气（未与柴油掺混）不断向下喷出与燃烧室内的已经处于燃烧状态的气体混合、挤对、参与进一步燃烧及膨胀，每次活塞（8）达到上止点后都会产生一次做功冲程，最终形成一台基于低速、中速四冲程柴油发动机的船用超膨胀模式的新型二冲程柴油发动机。

实施例5：（如附图1，其中纵置进气喷管部分如附图3，附图只表示出发动机单缸的工作过程）类似于实施例1，采用一台现有的汽车常用的废气涡轮增压（空气增压系统（15））四缸或六缸液冷式气缸（6）内直喷四冲程汽油发动机，去掉其原有的整体式气缸盖（7），改用较为平整的制整体式气缸盖（7），以减少气缸盖（7）内燃烧室的容积，将本发明的整体模块的形式的纵置进气喷管（1）的管壁即所述的纵置进气管（3）从汽缸盖（7）的下方穿出并用固定在气缸盖（7）上，安装好本发明的纵置进气喷管（1），空心的纵置流线型进气门头部（2）的下端未采取截去尖端的处理方式，其下端面没有向下的开口（如附图3）。采用单顶置凸轮轴（SOHC），每个气缸（6）相应的气缸盖（7）区域有两个本发明的纵置进气喷管（1）和一个常规排气门（4），使其压缩比达到8-11:1，并使配气系统满足二冲程发动机的工作循环，并完成如图显示的配气过程（如附图2a），发动机工作时每当活塞（8）运动到接近下止点前，曲柄连杆机构带动凸轮轴转动，排气凸轮（10）使排气门（4）最先开启，排气过程开始，在纵置进气喷管（1）打开之前为主排气段，汽油机的排气温度高排气能量大，大部分的高温高压废气冲击增压器的涡轮使废气涡轮增压器转动工作，排气压力迅速减低后进气凸轮（10）使纵置进气喷管（1）开启，由于排气的惯性吸引及涡轮转动的惯性使涡轮增压器继续转动，来自增压器及储气室（空气增压系统（15））的增压空气使进气过程开始，由于使用收敛扩张形的纵置进气喷管（1），使进气空气呈射流状直达此时正位于下止点附近“远处”的活塞（8）顶部，新鲜空气流驱除剩余的已燃废气，曲柄连杆机构凸轮（10）轴进一步转动后排气门（4）闭合，最后纵置进气喷管（1）闭合，排、进气过程完成。纵置进气喷管（1）闭合后曲柄连杆机构带动活塞（8）继续向上止点运动开始压缩过程，在压缩过程中位于气缸盖（7）上的高压喷油嘴（13）在其控制系统的控制下向气缸（6）内适时喷入适量的雾化的汽油，雾化的汽油与压缩过程中的空气在燃烧室内掺混形成适燃混气体，每当活塞（8）运动到上止点时火花塞（14）放电点火（可以有点火提前角），点燃汽油与压缩空气的适燃混气体，燃烧传播波及整个燃烧室，气缸（6）内压力温度急剧升高，气体膨胀推动活塞（8）向下止点方向运动，推动活塞（8）向下止点运动带动曲柄连杆机构旋转并输出扭矩做功，形成一台基于废气涡轮增压四冲程汽油发动机的汽车用废气涡轮增压等膨胀模式的新型二冲程汽油发动机。

此实施例发动机还可以应用现有四冲程发动机上常用的连续可变气门正时机构（CVVT）：当连续可变气门正时机构（CVVT）在单顶置凸轮轴（SOHC）上应用时，使凸轮轴在一定曲轴转角角度的范围内向前或向后旋转，从而同步改变同一凸轮轴上的进气、排气凸轮（10）的相位来控制其驱动的进气门（16）（等同于纵置进气喷管（1））、排气门（4）的开启、闭合的时间，达到连续同步改变气门正时的目的，而进气门（16）（等同于纵置进气喷管（1））、排气门（4）的开启、闭合的时间同步改变，导致其压缩比和膨胀比的连续改变，能够使发动机实现从等膨胀模式（启动或低速时）到多种超膨胀模式（高速时）之间的多模态连续可逆转换，使本实施例的发动机成为一种连续可变压缩比和膨胀比的新型二冲程发动机，其配气过程能够实现多模态连续转换（如附图2中由a→b→c→b→a的变化过程）。

以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种基于四冲程发动机结构的二冲程发动机，包括曲柄连杆机构、润滑系统、冷却系统、起动系统、燃料供给系统、配气机构和点火系统，其特征是：进、排气系统均位于气缸盖（7）上，进气门（16）头部采用纵置流线型进气门头部（2），进气门（16）的气门座环（12）和进气管（11）的末段部分形成纵置进气管（3），气门座环（12）位于纵置进气管（3）内部的中段，此气门座环（12）的最狭窄处成为纵置进气管（3）的喉部，纵置流线型进气门头部（2）的大部分位于纵置进气管（3）内部的气门座环（12）的下方，与位于纵置进气管（3）内部的气门座环（12）下方的纵置流线型进气门头部（2）的顶端连接的气门杆（9）从中央向上穿过此气门座环（12），纵置进气管（3）的上段与进气管（11）相连接，纵置进气管（3）的下段固定在气缸盖（7）上并与气缸（6）内相通，纵置流线型进气门头部（2）顶部的部分环形区域的密封面与气门座环（12）下方对应位置的环形区域密封面在进气门（16）处于闭合状态时接触并形成密封，纵置进气管（3）内部位于气门座环（12）密封面以下的部分水平环绕其内部的纵置流线型进气门头部（2）且与在其内部的纵置流线型进气门头部（2）之间形成连续的环形缝隙，环形缝隙与气缸（6）内相通，纵置进气管（3）及其内部的纵置流线型进气门头部（2）和两者之间形成的环形缝隙、其内部的部分进气门杆（9）共同构成以纵置进气管（3）为管壁的纵置进气喷管（1）。

2.根据权利要求1所述的基于四冲程发动机结构的二冲程发动机，其特征是：纵置进气喷管（1）的纵置进气管（3）的内壁的上段形成自上而下逐渐收敛至中段以气门座环（12）的最狭窄处成为其喉部、喉部以下部分段自上而下逐渐扩张，形成收敛扩张形喷管即拉瓦尔喷管，当进气门（16）开启时纵置进气喷管（1）的内部整体上形成扩张段内有纵置流线型进气门头部（2）和部分进气门杆（9）的收敛扩张形的纵置进气喷管（1）。

3.根据权利要求1所述的基于四冲程发动机结构的二冲程发动机，其特征是：纵置进气喷管（1）的纵置流线型进气门头部（2）的内部是中空的。

4.根据权利要求3所述的基于四冲程发动机结构的二冲程发动机，其特征是：纵置流线型进气门头部（2）下端的尖端部分采取截去部分尖端的处理方式以减少纵置流线型进气门头部（2）的纵向长度，其最下端在活塞（8）处于上止点时不接触活塞（8）顶面；截去部分尖端的处理方式所形成的下端面到纵置流线型进气门头部（2）的最大横径处的距离与纵置流线型进气门头部（2）的最大横径处到纵置流线型进气门头部（2）的顶端的距离之比不小于1，纵置流线型进气门头部（2）的纵向长度与纵置流线型进气门头部（2）的最大横径之比不小于1；所述中空的纵置流线型进气门头部（2）下端的尖端部分采取截去部分尖端的处理所形成的下端面设置向下的开口，使纵置流线型进气门头部（2）内的中空部分与气缸（6）内连通。

5.根据权利要求1所述的基于四冲程发动机结构的二冲程发动机，其特征是：纵置进气喷管（1）的环形缝隙内有支撑架片（17），在进气门（16）处于闭合状态时成为纵置进气喷管（1）内壁与纵置流线型进气门头部（2）之间的支撑。

6.根据权利要求1所述的基于四冲程发动机结构的二冲程发动机，其特征是：纵置进气喷管（1）的管壁即所述的纵置进气管（3）可以从气缸盖（7）下方贯穿气缸盖（7）后固定安装在气缸盖（7）上。

7.根据权利要求1所述的基于四冲程发动机结构的二冲程发动机，其特征是：所述的进气管（11）的上游连接空气增压系统（15），进气时增压的空气通过进气管（11）和进气门（16）处于开启状态时的纵置进气喷管（1）喷入气缸（6）内。

8.一种如权利要求1-7中任一项所述的基于四冲程发动机结构的二冲程发动机的工作方法，其特征是：包括以下步骤：

在纵置进气喷管（1）内部的进气门（16）开启时，进气气流通过纵置进气喷管（1）进入气缸（6）内对准活塞（8）顶部喷射，纵置流线型进气门头部（2）的最下端在活塞（8）处于上止点时不接触活塞（8）顶面，进气管（11）、纵置进气喷管（1）和同样位于气缸盖（7）上的与四冲程发动机在结构和组成上完全相同的常规排气门（4）、排气管（5）共同构成其进、排气系统的主体；曲轴与凸轮轴的传动比为1比1，即活塞（8）在气缸（6）内每完成往复运动一次带动曲柄连杆机构转动一周，曲轴通过凸轮轴传动机构带动凸轮轴也转动一周，凸轮（10）使进气门（16）、排气门（4）各完成一次开启、闭合过程，而进气门（16）的开启、闭合导致纵置进气喷管（1）的开启、闭合，燃料供给系统完成一次气缸（6）内的燃料喷射过程，对于点燃式发动机其点火系统在压缩过程末期完成一次点火过程，二冲程发动机完成一次爆发、排气、进气、压缩的工作循环过程；通过转动的凸轮（10）使排气门（4）的开启先于纵置进气喷管（1）的开启，并且在排气门（4）、纵置进气喷管（1）的开启的初期活塞（8）都处于下止点附近，纵置进气喷管（1）的闭合不早于排气门（4）的闭合，使用在凸轮轴上处于不同相位的凸轮（10）可以完成不同的配气过程，成为一种基于四冲程发动机的新型二冲程发动机。

9.根据权利要求8所述的基于四冲程发动机结构的二冲程发动机的工作方法，其特征是：可以应用现有四冲程发动机上的连续可变气门正时机构，通过改变凸轮轴的角度从而改变凸轮轴上凸轮（10）的相位来控制其驱动的进气门（16）、排气门（4）的开启、闭合的正时，进而可以改变发动机的压缩比和膨胀比，能够使发动机实现从等膨胀模式到多种超膨胀模式之间的多模态连续转换。