CN1092756C - 二冲程循环内燃机用的空气和废气处理系统 - Google Patents

Abstract

用于二冲程内燃机的空气和废气管理(除垢)系统可使该发动机的性能相当于四冲程的发动机，并且比四冲程的要轻、简单，而且费效比较好。除垢工作是通过在气缸(2)的顶部至少装一个，最好是多个空气进气阀门(1)和在气缸下壁上至少装一个，最好是多个废气排气口(51)，并配装一个吹风机(4)，当活塞下冲程时废气排气口被打开，吹风机使除垢空气穿过气缸来实现的。

Description

二冲程循环内燃机用的空气和废气处理系统

本发明所属技术领域

本发明涉及一种二冲程循环内燃机，特别涉及一种二冲程循环内烯机用的改进的燃烧空气供应和废气排出系统。

背景技术

二冲程循环内燃机的一个主要问题是清除废气和在同一冲程中提供燃烧空气的方法。这种清除废气的方法通常称作“除垢”。尽管燃料喷射系统在某种程度上减轻了这个问题，但是为了取得高功率和低废气除垢是必不可少的。

发明的公开

鉴于上述原因，本发明的一个目的是为二冲程循环内燃机提供一种空气供应和废气处理(除垢)系统，使这种发动机的功效与四冲程循环发动机的不相上下，并且比四冲程循环发动机轻、简单，而且费效比较好。

本发明的再一个目的是为这种系统提供特殊性能，包括特殊系统部件和部件结构。

在本发明中，除垢是通过在每个气缸头至少安装一个，最好是装多个空气进气阀门和在下气缸壁上至少设一个，最好是设多个废气排出口来实现的。这些空气进气阀门完全由空气压力差来控制，压力差是由阀门一侧的气缸内压力的升降和阀门的另一侧空气供应室内压力的升降产生的。当活塞轮缘清除下冲程的废气排出口时，气缸内的压力下降到低于空气供应室内的压力，这样便使空气进气阀门打开让除垢空气进来。用一个吹风机强制使空气进入空气供应室，然后穿过阀门，以便在活塞下降时更有效地将废气从气缸中清除。这种方法可用于柴油或四冲程内燃机。

本发明的最佳实施例旨在提供一种潜在的功率输出为100马力至300马力的内燃机，例如采用一种组合设计的发动机，根据需要可装2、3、4或6个气缸，排气量在1.0至3.0升之间。但是本发明并不局限在特定的气缸数目或大小，或特定的功率输出。

本发明的其它特征通过下文的详细描述将会显得更清楚。

附图的简要说明

为使人们对本发明有更清晰地了解，现以最佳实施例及附图作详细地举例描述。

图1是本发明的一个实施例的简略示意图；

图2是本发明的实施例的空气供应室的透视图，示出装在气缸头同心圆内的一组空气进气阀门；

图3是发动机本体的一个气缸的上部的剖面透视图；

图4是进气阀门使用的一种阻逆件的透视图；

图5是另一种型式的阻逆件的透视图；

图6是再一种型式的阻逆件的透视图；

图7是空气进气阀门另一种实施例的透视图，每个气缸的全部阀门都装在唯一的一个可更换的组件内；

图8是图7中的组件从底部看的透视图；

图9是装在可更换的组件中的几种形状的阻逆件的剖面透视图；

图10是图9的横截面图；

图11是本发明的装有可更换阀门装置的一个二冲程发动机的透视图；

图12是一个防止润滑油滞留在废气中的废气-油分离器的透视图。

实现本发明的最佳方式本发明的空气供应部分

图1简略地示出了本发明的一个实施例。除空气进气阀门结构外，该实施例是目前的最佳者。图2和图3或图7至图10所示是目前最佳的进气阀门结构。随着发动机的进步和发展，本发明原理的其它实施例可能会更优于本文描述的具体范例。

本发明中的空气进气阀门1，下面将详细描述，为每一个气缸提供通向空气供应室3的通道。空气进气阀门完全由阀门一侧的气缸内的压力升降和阀门另一侧的空气供应室内的压力升降所产生的压力差来驱动和控制。

本发明的一个主要特征是装有一个除垢吹风机4，用来清除废气，同时向发动机充空气。根据发动机的特性，除垢吹风机可以是低压型的，只是为了适当的除垢，它只能克服空气和废气在管道内流动的阻力。另一种是高压除垢吹风机，可以用来提供气缸内的预压力，以提高功率输出。这种高压除垢吹风机可以连装一个常规的中间冷却器5以提高预充气效应。

由于膨胀阶段必须提供二冲程发动机的工作冲程，最好是让废气口关闭，以便使活塞下降行程尽量长。采用吹风机除垢提高了性能，因为这样可以推迟废气口的开启时间而且不影响除垢效果。

除垢吹风机4是用一个电动伺服马达9驱动的，使除垢吹风机能够立即响应发动机的变化的工作环境，而不依赖于发动机的工作环境，如曲轴的转数或废气的含能量。因此，除垢吹风机采用伺服马达驱动并由一个使除垢吹风机功能最佳化的计算机程序本控制吹风机。该伺服马达向计算机程序提供必要的电子反馈。

如图1所示，被吸进除垢吹风机的空气最好先通过一个常规的空气过滤器6和一个防逆阀7。在空气到达三通分流阀门8(下面将详细描述)之前，如果需要提高发动机的功率输出，可让空气通过一个常规的中间冷却器5。

在中间冷却器5与空气供应室3之间装有一个三通分流阀门8，另外，如果发动机没有包括一个中间冷却器，则三通分流阀门将装在吹风机4的出口和空气供应室之间。三通分流阀门可以更有效地控制除垢吹风机与内燃机之间的相互作用。

三通分流阀门与加速器10相连，这样当加速器减压而又需要满功率时，三通分流阀门向空气供应室不受限制地提供空气流，而当发动机空转时，部分空气流返回到除垢吹风机的吸入侧。另外，装有几个空气压力和空气流动转换器(图中未示出)，作为空气供应系统的一部分，向电子控制系统提供反馈。在另一个实施例中，三通分流阀门的位置变动可用一个小的辅助伺服马达(未示出)来控制。该辅助伺服马达控制系统接受来自一个用来测定加速器状态的电子状态编码器的反馈。

图2示出的空气供应室3装有多个相同的空气进气阀门1，这些阀门同心圆地环每个气缸的顶部安装。空气进气阀门穿过处于空气供应室和气缸之间的气缸头内的分隔器壁15。从图3中可以清楚地看到，空气进气阀门环绕着位于每个气缸中心部位的燃烧室20。

图3示出空气进气阀门的一个进气管21和一个出气管24，以及环进气管周边的管缘22。在本最佳实施例中，进气管的直径为7毫米，出气管的直径为11毫米。在靠近气管的出气管内装有一个环形座23。一个阻逆件25在出气管内自由浮动，向上被环座23止动，向下被同心止动环26止动。阻逆件可以离开环形座轴向地自由运动足够的距离，以打开一个让空气流动的通道。在闭合位置上，阻逆件靠在环形座上，基本上切断了气流。止动环与气缸轴同心，横截面为梯形，装在气缸头的下平面内的互补梯形槽中。管27和28穿过空气供应室和气缸之间的隔板，分别装有火花塞和燃料喷嘴。

可以采用各种形状的阻逆件，最好是用钢制作的，当然也可以使用其它材料，如陶瓷和铝合金制作的。为了提供最大工作效率，阻逆件的高度最好是8.5毫米，而靠近进气管的表面与远离进气管的表面的阻力系数之比为1∶4。如图4所示，阻逆件的最有效外形是蘑菇状，而对进气管的一面是一个半球形头30，连接在一个圆锥形的裙筒31上。在圆锥形的裙筒上最好有许多个孔32，它们绕裙筒间隔开设置，以改进环绕和穿过裙筒的气流，并减少气流的堆积和惰性。如前所述，这种阻逆件结构提供的阻力系数比为1∶4，当空气进气阀门处于闭合位置时，它确保具有可靠的阻逆功能。

出于成本或其它原因，也可以采用其它形状的阻逆件。图5所示是一种带三个圆顶凸起35的近似圆盘状的阻逆件。三个凸起起着定向作用保持该盘处于阀门管的中心，并具有足够的径隙，使阻逆件可在气流中轴向运动，以完成开关阀门的功能。图6所示是一种四角为圆状的方形盘状阻逆件。虽然这些形态的阻逆件都不具备上述1∶4的最佳阻力系数比，因此，它们的气动力外形较差，但是它们的优点是可以较便宜的大量生产。为了弥补它们的气动力方面的缺陷，可对上述除垢吹风机作调整，在不花费过多的额外成本的情况下，略微提高吹风机的空气压力。

图7和图8是空气进气阀门装置的另一种实施例，其中每一个气缸的全部相同的空气进气阀门都装在一个可更换的组件40中。该可更换组件有一个锥形圆周壁45，连接较大的底面42和较小的顶面43。可更换组件有螺纹管27和28，分别盛装火花塞或热线点火塞和燃料喷嘴。用十字件阻止阻逆件向下掉出来，显然熟知此项技术的人们还有其它保证阻逆件不向下脱落的办法。

图9和图10示出的是其它形状的阻逆件，它们可以与可更换组件合用。示出三种不同形状的阻逆件只是为了说明起见，但是任何一种组件中通常只能生产使用一种形状的。图11为根据本发明的一个装有可更换组件的二冲程循环发动机的透视图。

将一个气缸的全部空气进气阀门组合在单个可更换组件内有其优越性，因为只有空气进气阀门是气缸头的遭受损耗的部分。把空气进气阀门集装在一个可更换组件内可以迅速而简便地对气缸的全部阀门进行更换，只要取下旧的可更换组件，换上新的即可。

这种可更换组件还有另一些优点。气缸头的平低形和燃烧室的平滑圆筒形，在压缩方面有助于分层燃烧，这是低毒性排出物的先决条件，特别是发动机以低负载方式工作时。

另外，可更换组件有利于改变发动机的压缩比，从而使本发明能够容易地装进奥托或狄赛尔型的二冲程发动机。本发明的废气排气部分

除了上述将空气进气阀门装在气缸头之外，废气口必须设在靠近气缸的底部，以便获得直流的除垢系统。如图1概略地描绘的那样，当曲轴52绕底部死点时，废气排气口51位于穿过靠近活塞上轮缘的最低位置的气缸下壁。废气排气口最好是径向槽型的，图1中末专门示出。

当活塞上轮缘清除下冲程上的这些废气排气口时，气缸的压力将降低到低于空气供应室的压力，使空气进气阀门打开，让除垢空气进入气缸。除垢空气把废气从废气排气口吹出气缸。由于至少气缸周边的一半可以除垢，即便是装有一个以上气缸的发动机也是这样，因此与常规的二冲程循环发动机不一样，废气排气口的高度可以很小，这样便几乎不需要牺牲曲轴角度来满足除垢。从而全面地改进了发动机的性能。

由于空气进气阀门是由气流驱动的，而空气流又是由除垢吹风机和三通分流阀门的工作状况来控制，所以发动机中不需要废气再循环阀门。

本发明的另一特点是发动机的润滑可以用四冲程循环发动机同样的方式来完成。这样便可以不受常规的二冲程循环发动机的限制，对曲轴的轴承和活塞杆的设计可以自由选择。

虽然采用本文公开的系统的二冲程循发动机可以像常规的四冲程发动机一样润滑而且不燃烧油，但是仍可能有小油滴被废气带走。当活塞53正在清扫废气排气口51，而除垢工作开始时，气缸壁上的和活塞环上的薄油膜可能产生微小的油滴堆积在废气排气口的轮缘上。当这些油滴增大到一定大小时，它们会被正在排除的废气带走而进入催化转换器。

图12所示为一个废气油的分离装置，它防止润滑油残留在废气中，避免对汽车的催化转换器的工作带来不利影响。该分离装置有一个螺旋室，可用为废气涡轮机60的一部分，下文将描述，也可以作为单独的一个部件，如果装有一个分离装置时。螺旋室的螺旋外壁的一部分被许多窄的径向隙66隔断，这些径向隙从螺旋室外壁导向一个集油盒64。

根据本发明，废气流中的任何残油被甩在螺旋室外壁上并形成薄膜，薄膜慢慢地沿螺旋壁向下移动直到达到径向隙。螺旋室内的气体静压将驱动油穿过窄的径向隙进入毗连的集油盒64。一个毛细管65把油从集油盒再循环回到发动机的油槽(图中未示出)。

如果发动机装有一个常规的涡轮增压器，则涡轮室将起废气-油分离器的作用。如果发动机没有装涡轮增压器，则使用一个没有涡轮机转轮的空涡轮机壳体。

为了部分地回收废气的残能，图1中概略示出的最佳实施例装有一个常规的膨胀式涡轮60，与废气排气口51周围的废气管相接。但是，在最佳实施例中，膨胀式涡轮不像在常规涡轮增压器中那样，它不跟吹风机部件机械相接。如上所述，除垢吹风机由一个电动伺服马达驱动，使得这两个部件完全独立，并使它们各自在任何给定的工作环境下都能最佳地工作。特别重要的是除垢吹风机立即响应加速器运转状态的能力，它能消除车辆提高加速的滞后现象，通常称作“涡轮滞后”。在最佳实施例中，膨胀式涡轮与交流发电机相连，使常规蓄电池(未示出)成为主要能源装置。

高速压缩比，最好是10∶1，涡轮与交流发电机61之间的连接是用一个多-微齿形皮带传动装置(未示出)、一个装在涡轮轴上的小的多-凹槽皮带轮，以及交流发电机上的一个大皮带轮(未示出)来实现的。因此，膨胀式涡轮和除垢吹风机只是通过蓄电池间接相连的，而且它们各自在其最佳范围内工作。它们适应变化的工作条件的能力要比任何常规直接相连的强。

膨胀式涡轮不是交流发电机唯一的动力源，因为在轻负载工作期间，它无能力向交流发电机提供足够的能量。因此，本发明的交流发电机，像在常规发动机的中的做法一样，还用第二组皮带轮(未示出)和另一条传动皮带(也未示出)连接到由轴上，皮带轮的直径与交流发电机和曲轴的转数范围相适合。装在交流发电机轴上的两个皮带轮，每一个装有一个整体的自由转动的毂，使交流发电机随发动机工作的负载情况，既可由膨胀式涡轮带动，也可由曲轴带动。当发动机以满功率工作而且需要最大功率输出时交流发电机最好是由废气涡轮驱动，而在发动机空转时，交流发电机最好是由曲轴带动。

在另一个实施例中，可以用电磁激发的遥控离合器来取代自由转动毂。这些离合器可以使整个空气和废气管理系统能够微调控制。

整个废气排放装置63还包括一个常规的催化转换器和排气消声器，以及检测废气温度和化学成分的传感器。这种电子控制反馈装置是废气管理系统的一个重要部分。

关于上文对最佳实施例的描述仅是举例而已。熟悉本技术领域的人可根据本发明做出许多改型，而这些明显的改型都在本发明的说明书和权利要求范围内，不管本文是否已表述过。

工业应用性

本发明使一个二冲程循环发动机达到相当于四冲程循环发动机的功率、节油和排放质量，但是却比四冲程的较小、较轻、较简单和更经济。

Claims (15)

1、一种二冲程内燃机，至少有一个气缸，内装一个活塞，在气缸的顶部和底部之间往复运动，其特征在于

每个气缸有多个单向空气进气阀门，设置在气缸顶部的上方并以任何形式放置在唯一的可更换部件中，使空气进入气缸顶部，在气缸的下方，即刚好在活塞底部略上一点，至少有一个废气排气口，有一个吹风机，当活塞在底部位置活动时，吹风机使空气经过每一进气阀门进入气缸，当活塞向上运动时，吹风机不供应足够的压力保持每个进气阀门敞开，因此当活塞向上运动时，气缸内产生空气压缩，而当活塞向下运动时，吹风机迫使空气经过进气阀门进入气缸，从而使每个废气排气口敞开，将废气从每个排气口排出气缸。

2、根据权利要求1所述的二冲程内燃机，其特征在于所述的进气阀门完全是用气压差进行控制的。

3、根据权利要求1所述的二冲程内燃机，其特征在于所述的吹风机是一个电动伺服马达驱动的，该伺服马达用计算机控制装置进行控制，使其在发动机的不同工作状态下都能达到最佳效能。

4、根据权利要求1所述的二冲程内燃机，其特征在于在吹风机和气缸之间装有一个三通分流阀门，该分流阀门与一个加速器相连，因此当加速器减压而又需要满功率时，三通分流阀门便无限制地让空气进入气缸，而当发动机空转时，空气便部分地回到吹风机的进气一侧。

5、根据权利要求4所述的二冲程内燃机，其特征还在于在吹风机和三通分流阀门之间连接有一个中间冷却器。

6、根据权利要求4所述的二冲程内燃机，其特征在于三通分流阀门由一个伺服马达控制，马达接受来自测定加速器状态的一个电子状态编码器的反馈。

7、据权利要求2所述的二冲程内燃机，其特征在于每个进气阀门都有一个阻逆件，其靠近进气管的表面与远离进气管的表面的阻力系数比约为1∶4。

8、根据权利要求1所述的二冲程内燃机，其特征还在于它接有一个膨胀涡轮，通过一个通道接收来自废气排气口的废气，该涡轮不与吹风机机械相连，因此吹风机和涡轮都是独立工作的，这样它们的工作在任何给定的工作条件下都可能是最佳的。

9、根据权利要求1所述的二冲程内燃机，其特征还在于它装有一个油一废气分离装置，该装置有一个螺旋室用来接收从废气排气口出来的废气，螺旋室的外壁上有许多窄的横槽，靠近这些槽有一个盒，用来接收这些槽流出来的油。

10、根据权利要求1所述的二冲程内燃机，其特征在于其中所述的唯一的可更换组件包括：

多个空气进气通道，每个空气进气通道都有一个与空气供应室相同的进气端和一个与气缸室相通的出气端；一组自由浮动的阻逆件，其层叠地装在出气端与止动装置形成的空腔内，每个阻逆件可定位在开和关的位置上，这种定位是通过气缸室和空气供应室之间的空气压力差来控制的。

11、根据权利要求10所述的二冲程内燃机，其特征在于空气压力差由一个除垢吹风机和一个三通阀门装置来控制。

12、根据权利要求10所述的二冲程内燃机，其特征在于所述的组件为唯一的可拆卸地装在气缸头上的可更换的组件。

13、根据权利要求12所述的二冲程内燃机，其特征在于止动装置是一块板，与可更换组件的下端连接，它有许多成型的开口，以便把阻逆件滞留在空腔内，可更换组件还适合装一个火花塞或热线点火塞和一个油喷嘴。

14、根据权利要求13所述的二冲程内燃机，其特征在于每个阻逆件的靠近进气端的表面与远离进气端的表面的阻力系数比约为1∶4。

15、根据权利要求14所述的二冲程内燃机，其特征在于吹风机由一个电动伺服马达驱动，该伺服马达是由计算机装置控制的，使其在发动机的不同工作状态下都能达到最佳效果。

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