CN113915037A - 一种具有双喷射系统的二冲程发动机 - Google Patents

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谢莲
杨延相
张平
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Abstract

一种具有双喷射系统的二冲程发动机，采用曲轴箱扫气方式工作，包括气缸、活塞、曲轴箱、进气道、扫气口和排气口，以及燃油供给装置和火花点火装置。所述燃油供给装置包括一个燃油缸内直喷（DI）系统和一个燃油进气道喷射（PFI）系统。所述缸内直喷系统将燃油喷射到所述气缸内部，所述进气道喷射系统将燃油喷射到所述气缸外部，两个喷射系统共有一个发动机控制单元（ECU），根据发动机燃烧及动力需求的不同，控制各喷射系统的燃油喷嘴喷出一定的燃油量，或者使用其中之一个燃油喷射系统供油。

Description

一种具有双喷射系统的二冲程发动机
技术领域
本发明创造属于内燃机技术领域，具体涉及进气管喷射方式(Port FuelInjection System) 的喷射系统和缸内直喷方式(Direct Injection System) 的喷射系统的双系统燃料喷射式二冲程内燃机。
背景技术
二冲程发动机以动力性好、重量轻、体积小、应用灵活等优点，使其关注度日益上升，特别是在无人机、农业机械等领域应用广泛。
对于发动机燃油供给方式，包括进气管喷射方式(Port Fuel lnjection system，以下称为“PFI 方式”)和缸内直喷方式(Direct Injection System，以下称为“DI 方式”)。
PFI方式具有燃料和空气容易形成均匀混合的状态，即便在低旋转时也可以充分发挥发动机性能的优点，且在高转速高负荷时容易实现较高的动力性能，但在扫气过程中存在扫气短路而造成的燃油损失。
而采用DI方式的喷射系统，会大大减少短路损失，提高燃油经济性，但因为混合气形成时间较进气道喷射短且缸内流场流速较低，所以直喷系统的雾化、混合以及控制精度要求更高，特别是大功率高转速情况下，混合不充分会造成空气利用率下降、燃烧不充分甚至冒黑烟，功率下降。
发明内容
本申请针对上述问题，之目的在于提供一种将进气管喷射和缸内直喷结合起来的二冲程系统，系统可以灵活调用两种喷射方式，根据发动机的燃烧和负荷需求来改变两个喷射器的工作情况，适应性强，改善发动机经济性能，提高动力性能，尤其对于以火花点火燃烧方式燃用重油的二冲程发动机，具有更显著的优势。
为实现上述目的，本发明创造采取以下技术方案：一种具有双喷射系统的二冲程发动机，采用曲轴箱扫气方式工作，包括发动机控制单元（ECU）、气缸、活塞、燃烧室、曲轴箱、曲柄连杆机构、进气道、连接缸外进气道的进气口、扫气口和排气口，以及燃油供给装置和火花点火装置。所述活塞安装于气缸内，活塞与曲柄连杆机构连接，并随连杆机构往复运动。活塞与气缸内壁配合，进而控制进气口、扫气口和排气口的开闭。所述进气口也可以通过进气单向阀控制开闭，所述进气单向阀为一个簧片阀。所述扫气口设置于气缸内，用于将曲轴箱气体引入燃烧室，进行扫气。
所述燃油供给装置包括一个燃油缸内直喷（DI）系统和一个燃油进气道喷射（PFI）系统。
所述燃油缸内直喷（DI）系统包括第一燃油喷嘴，并通过第一燃油喷嘴将燃油喷射到所述气缸内部。所述进气道喷射（PFI）系统包括第二燃油喷嘴，并通过第二燃油喷嘴将燃油喷射到所述气缸外部的发动机进气或扫气中。
两个喷射系统共用一个发动机控制单元（ECU），根据发动机燃烧及动力需求的不同，控制各喷射系统的燃油喷嘴喷出一定的燃油量或者使用其中之一个燃油喷射系统供油。
进一步，上述具有双喷射系统的二冲程发动机还包括一个压力供油系统。所述压力供油系统为两个喷射系统分别提供相等或者不相等但恒定的供油压力，所述缸内直喷（DI）系统的喷射压力远高于所述进气道喷射（PFI）系统的喷射压力。所述恒定油压可通过一个调压阀实现。
一种可供选择的为所述燃油供给装置提供压力燃油的方式为：
所述压力供油系统为所述缸内直喷（DI）系统提供压力不低于5MPa的喷射压力，所述缸内直喷（DI）系统的回油为所述进气道喷射（PFI）系统提供不高于0.8MPa的喷射压力。
在该方式系统中，所述缸内直喷（DI）系统之第一燃油喷嘴为一个电磁阀式高压燃油喷嘴。所述高压燃油喷嘴安装于气缸头部，向由发动机气缸体、气缸盖和活塞组成的燃烧室内直接喷射高压燃油喷雾。所述电磁阀式高压燃油喷嘴通过调节所述电磁阀的打开时间长度进行喷射量控制。
另一种可供选择的为所述燃油供给装置提供压力燃油的方式为：
所述压力供油系统直接供油，为所述缸内直喷（DI）系统和所述进气道喷射（PFI）系统都提供不高于0.8MPa的供油压力。
在该方式系统中，所述缸内直喷（DI）系统之第一燃油喷嘴为一个能够进一步增加喷射压力的高压燃油喷射器。
所述高压燃油喷射器为一个螺线管脉冲型喷油泵，包括一个外开式直喷喷嘴。所述高压燃油喷射器通过调节所述螺线管脉冲脉宽进行喷射压力及喷射量控制，所述直喷喷嘴安装于气缸头部，向由发动机气缸体、气缸盖和活塞组成的燃烧室内直接喷射雾化燃油。
所述螺线管脉冲型喷油泵，基于音圈直线电机的原理产生对泵柱塞的驱动力和回位力，充分利用发动机工作循环时间，实现与发动机工作循环同步的喷射脉冲。
上述方案中，用于进气道喷射（PFI）系统喷射的第二燃油喷嘴为一个电磁阀式低压燃油喷嘴，通过调节所述电磁阀式低压燃油喷嘴的打开时间长度进行喷射量控制。
所述电磁式低压燃油喷嘴包括以下可供选择的安装位置：
安装位置之一：所述低压燃油喷嘴安装于进气道上，燃油喷出后在进气道内与空气混合蒸发，然后进入气缸并在气缸内形成基本均匀的混合气，再在扫气过程中通过所述扫气口进入所述气缸，扫除缸内已燃烧的废气进入所述排气口，同时在所述排气口关闭后留在所述气缸内。
安装位置之二：所述低压燃油喷嘴安装于所述曲轴箱上，燃油喷出后在所述曲轴箱内与空气混合蒸发，形成基本均匀的混合气，再在扫气过程中通过所述扫气口进入所述气缸，扫除缸内已燃烧的废气进入所述排气口，同时在所述排气口关闭后留在所述气缸内。
此外，上述具有双喷射系统的二冲程发动机，所燃用的燃油可以为汽油、航空煤油或者其他重油。所述燃油缸内直喷（DI）系统单独喷射燃油和缸内空气可形成非均质或者准均质的可点燃混合气，在中小负荷中低转速工况实现无燃油扫气损失的高热效率。而在大负荷高转速工况配合所述燃油进气道喷射（PFI）系统一起喷油，更容易形成均质的可点燃混合气，提高缸内空气利用率，实现大扭矩高功率无黑烟工作。
本发明的效果：
如上技术方案所述，本发明采用PFI喷射和DI喷射的混合喷射系统，混合喷射系统综合了缸内直喷和进气道喷射的优点，同时还淡化了两者缺点。
1.在经济工况下，采用缸内直喷，实现较好的经济性。
2.在启动工况下，采用缸内直喷，可以实现良好启动性能，尤其是使用重油情况下。
3.在加速或者大负荷时，需要较大功率输出时，采用缸内直喷与缸外喷射相结合，有缸外喷射可以充分混合后进入气缸，因此可以充分利用缸内空气发出最大功率。
4.进气道喷射器与直喷喷嘴形成冗余设计
对于混合喷射系统，无论是直喷还是进气道喷射，均可单独作为发动机喷射系统，当其中任一出现故障时，其余均可单独工作。而对于工作环境更加恶劣的直喷喷嘴，增加进气道喷嘴，进一步保证系统正常工作，提高使用寿命。
下面的技术方案，对本申请作进一步的限定或优化。
附图说明
图1为本发明所提供的具有双喷射系统的二冲程发动机之实施例结构示意图之一。
图2为本发明所提供的具有双喷射系统的二冲程发动机之实施例结构示意图之二。
图3为本发明所提供的具有双喷射系统的二冲程发动机之高压燃油喷射器之螺线管脉冲型喷油泵结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
本申请所提供的有双喷射系统的二冲程发动机实施例结构示意图之一，如图1所示，包括发动机控制单元（ECU）100、气缸116、活塞107、燃烧室111、曲轴箱108、曲柄连杆机构109、角标装置117、进气道105、连接缸外进气道105的进气口106、扫气口110和排气口115，以及压力供油系统118、燃油供给装置119和火花点火装置113。
所述活塞107安装于气缸116内，并与气缸内壁116a配合，活塞107与曲柄连杆机构109连接，并随连杆机构109往复运动，进而控制进气口106、扫气口110的开闭。所述排气口115通过活塞107阀控制开闭，所述扫气口110设置于气缸116内，用于将曲轴箱108气体引入燃烧室111，进行排气清扫。
所述压力供油系统118供给压力燃油，压力油路上设置有稳压表102，为燃油供给装置119提供压力恒定的燃油。所述压力供油系统118包括第一输送油路121和第二输送油路120。
所述燃油供给装置119包括一个燃油缸内直喷（DI）系统122和一个燃油进气道喷射（PFI）系统123。所述第一输送油路121连接燃油缸内直喷（DI）系统122，第二输送油路120连接燃油进气道喷射（PFI）系统123。所述压力供油系统118为燃油供给装置119直接供油，提供不高于0.8MPa的供油压力。所述燃油缸内直喷（DI）系统122包括第一燃油喷嘴114，并通过第一燃油喷嘴114将燃油喷射到所述气缸116内部。所述进气道喷射（PFI）系统123包括第二燃油喷嘴103，并通过第二燃油喷嘴103将燃油喷射到所述气缸116外部。
所述第一燃油喷嘴114为一个能够进一步增加喷射压力的高压燃油喷射器，如图3所示。所述高压燃油喷射器为一个螺线管脉冲型喷油泵，包括一个外开式直喷喷嘴300。所述高压燃油喷射器通过调节所述螺线管脉冲脉宽进行喷射压力及喷射量控制。
所述螺线管脉冲型喷油泵，基于音圈直线电机的原理产生对泵柱塞的驱动力和回位力，充分利用发动机工作循环时间，实现与发动机工作循环同步的喷射脉冲。
所述气缸116头部包括一个喷嘴安装孔114a和一个火花塞安装孔114a，所述第一燃油喷嘴114和火花点火装置113分别安装于安装孔中。第一燃油喷嘴114通过直喷喷嘴300，向由发动机气缸体124、气缸盖112和活塞107组成的燃烧室111内直接喷射雾化燃油，并在做功行程时由火花点火装置113进行点燃。
所述第二燃油喷嘴103为一个电磁阀式低压燃油喷嘴，通过调节所述电磁阀式低压燃油喷嘴的打开时间长度进行喷射量控制。
所述低压燃油喷嘴安装于进气道105上，其上游安装有控制气量的电子节气门体104，燃油喷出后在进气道105内与空气混合蒸发，然后进入气缸116并在气缸116内形成基本均匀的混合气，再在扫气过程中通过所述扫气口110进入所述气缸116，扫除缸内已燃烧的废气进入所述排气口115，并在所述排气口115关闭后留在所述气缸116内。
上述燃油供给装置119、压力供油系统118、火花点火装置113等均由发动机控制单元（ECU）100控制，ECU（100）根据角标装置117确定活塞107位置，从而控制喷油时刻，同时根据发动机燃烧及动力需求的不同，控制各喷射系统的燃油喷嘴喷出一定的燃油量或者使用其中之一个燃油喷射系统供油，同时控制点火，进行做功。
上述有双喷射系统的二冲程发动机主要工作过程如下。
（1）第一行程：活塞107在曲柄连杆机构109带动下由下止点B移至上止点A。
当活塞107还处于下止点B时，进气口106被活塞107关闭，排气口115和扫气口110开启。燃烧室111的废气排出，曲轴箱108内的气体经扫气口110进入气缸116，扫除其中的残余废气。随着活塞107向上止点A运动，曲轴箱108容积增大，活塞107继续运动，其头部将扫气口110关闭，曲轴箱108内产生真空度。此后燃烧室111内仍有部分气体被压出，随着排气口115关闭，扫气过程终止。燃烧室111内的可燃混合气开始被压缩。在活塞107运动至上行冲程后段时，进气口106被打开，进气道105气体通过节气门体104，从进气口106进入曲轴箱108。当活塞107到达上止点A，压缩过程结束。进气过程持续至下一个活塞107行程中进气口106被关闭时为止。
ECU（100）根据发动机工况需求选择喷油方式，在仅缸内直喷系统工作时，燃料在燃烧室111与空气混合。ECU判断活塞107位置，控制喷射相位，第一燃油喷嘴114喷射时刻设置在判断扫气口110关闭后的某个时间点，避免直喷燃油的扫气短路损失，同时保证火花点火时刻缸内的燃油喷雾和空气在火花点火装置113周围形成可点燃的混合气，从而实现较高的发动机热效率。在选择进气道喷射系统123参与时，第二燃油喷嘴103工作，燃油和空气在进气道105混合，进入曲轴箱108的为可燃混合气，可燃混合气在曲轴箱108中基本混合均匀，形成可传播火焰的偏稀或者理论当量比混合气，通过扫气口110进入燃烧室111。进气道喷射（PFI）系统123作为缸内直喷（DI）系统122的冗余设计可以单独工作。在与缸内直喷（DI）系统122协同时，进一步，通过缸内直喷燃油形成火花点火装置113周围或者整个燃烧室111内最容易点燃的稍微偏浓的局部混合气，从而保证缸内所有氧气能够全部燃烧消耗掉发出最大扭矩功率，同时也不会因为局部过浓而生产严重的碳烟。
（2）第二行程：活塞107由上止点A移至下止点B。
在压缩过程终了时，排气口115和扫气口110处于被关闭状态，进气口106处于被开启状态。此时，火花点火装置113产生电火花，将燃烧室111内的可燃混合气点燃，燃烧气体膨胀作功。随着活塞107下移，活塞107裙部将进气口106关闭，当活塞107继续向下止点B运动，曲轴箱108容积缩小，其中的气体被预压缩。同时，排气口115打开，膨胀后的燃烧气体已成废气，经排气口115排出，至此作功过程结束，开始排气过程。随后活塞107头部将扫气孔开启，经过预压缩的气体从曲轴箱108经扫气口110进入燃烧室111，扫除其中剩余废气。这一过程将持续到下一个活塞107行程中排气口115被关闭时为止。
所述具有双喷射系统的二冲程发动机，所燃用的燃油可以为汽油、航空煤油或者其他重油。所述燃油缸内直喷（DI）系统122单独喷射燃油和缸内空气可形成非均质或者准均质的可点燃混合气，在中小负荷中低转速工况实现无燃油扫气损失的高热效率。而在大负荷高转速工况配合所述燃油进气道喷射（PFI）系统123一起喷油，更容易形成均质的可点燃混合气，提高缸内空气利用率，实现大扭矩高功率无黑烟工作。
本申请所提供的有双喷射系统的二冲程发动机实施例结构示意图之二，如图2所示，本结构实施例示意图与本发明所提供的图1实施例结构之区别之一在于，所述压力供油系统118为所述燃油缸内直喷（DI）系统122提供压力燃油，其油压不低于5MPa，所述缸内直喷（DI）系统122的回油，通过回油道200为所述进气道喷射（PFI）系统123提供不高于0.8MPa的喷射压力。
所述燃油缸内直喷（DI）系统122之第一燃油喷嘴114为电磁阀式高压燃油喷嘴。所述高压燃油喷嘴安装于气缸116头部，向燃烧室111内直接喷射高压燃油喷雾。所述电磁阀式高压燃油喷嘴通过调节所述电磁阀的打开时间长度进行喷射量控制。
本结构实施例示意图与本发明所提供的图1实施例之区别之二在于，所述低压燃油喷嘴103安装于所述曲轴箱108上，燃油喷出后在所述曲轴箱108内与空气混合蒸发， 再在扫气过程中通过所述扫气口110进入所述气缸116，扫除缸内已燃烧的废气进入所述排气口115，同时在所述排气口115关闭后留在所述气缸116内。
本结构实施例示意图与本发明所提供的图1 实施例之区别之三在于，该方案进气控制通过进气单向阀201实现，所述进气单向阀201为一个簧片阀式结构。
本结构实施例之工作过程与本发明所提供的第一实施例之工作过程基本相同。
在选择进气道喷射（PFI）系统123喷射时，第二燃油喷嘴103工作，燃料和空气在进气口106处混合，可进一步减少燃料损失。
上述实施例仅用于说明本发明的实质，但并不限制本发明。在未背离本发明原理的情况下，所作的任何修改，简化等替换方式，都包括在本发明的保护范围之内。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (11)

1.一种具有双喷射系统的二冲程发动机，采用曲轴箱扫气方式工作，包括气缸、活塞、曲轴箱、进气道、扫气口和排气口，以及燃油供给装置和火花点火装置，其特征在于，
所述燃油供给装置包括一个燃油缸内直喷（DI）系统和一个燃油进气道喷射（PFI）系统；所述缸内直喷系统将燃油喷射到所述气缸内部，所述进气道喷射系统将燃油喷射到所述气缸外部，两个喷射系统共用一个发动机控制单元（ECU），根据发动机燃烧及动力需求的不同，控制各喷射系统的燃油喷嘴喷出一定的燃油量，或者使用其中之一个燃油喷射系统供油。
2.如权利要求1所述的具有双喷射系统的二冲程发动机，其特征在于，包括一个压力供油系统，为两个喷射系统分别提供相等或者不相等但恒定的供油压力，所述缸内直喷（DI）系统的喷射压力远高于所述进气道喷射（PFI）系统的喷射压力。
3.如权利要求2所述的具有双喷射系统的二冲程发动机，其特征在于，所述压力供油系统为所述缸内直喷（DI）系统提供压力不低于5MPa的喷射压力，所述缸内直喷（DI）系统的回油为所述进气道喷射（PFI）系统提供不高于0.8MPa的喷射压力。
4.如权利要求3所述的具有双喷射系统的二冲程发动机，其特征在于，所述缸内直喷（DI）系统包括一个电磁阀式高压燃油喷嘴，通过调节所述电磁阀式高压燃油喷嘴的打开时间长度进行喷射量控制，所述高压燃油喷嘴安装于气缸头部，向由发动机气缸体、气缸盖和活塞组成的燃烧室内直接喷射高压燃油喷雾。
5.如权利要求2所述的具有双喷射系统的二冲程发动机，其特征在于，所述压力供油系统为所述缸内直喷（DI）系统和所述进气道喷射（PFI）系统都提供不高于0.8MPa的供油压力，所述缸内直喷（DI）系统包括一个能够进一步增加喷射压力的高压燃油喷射器。
6.如权利要求5所述的具有双喷射系统的二冲程发动机，其特征在于，所述高压燃油喷射器为一个螺线管脉冲型喷油泵，包括一个外开式直喷喷嘴，所述高压燃油喷射器通过调节所述螺线管脉冲脉宽进行喷射压力及喷射量控制，所述直喷喷嘴安装于气缸头部，向由发动机气缸体、气缸盖和活塞组成的燃烧室内直接喷射雾化燃油。
7.如权利要求6所述的具有双喷射系统的二冲程发动机，其特征在于，所述螺线管脉冲型喷油泵，基于音圈直线电机的原理产生对泵柱塞的驱动力和回位力，充分利用发动机工作循环时间，实现与发动机工作循环同步的喷射脉冲。
8.如权利要求1至7所述的任一具有双喷射系统的二冲程发动机，其特征在于，所述进气道喷射（PFI）系统包括一个电磁阀式低压燃油喷嘴，通过调节所述电磁阀式低压燃油喷嘴的打开时间长度进行喷射量控制。
9.如权利要求8所述的具有双喷射系统的二冲程发动机，其特征在于，所述低压燃油喷嘴安装于进气道上，燃油喷出后在进气道内与空气混合蒸发，然后进入曲轴箱并在曲轴箱内形成基本均匀的混合气，再在扫气过程中通过所述扫气口进入所述气缸，扫除缸内已燃烧的废气进入所述排气口，其中绝大部分混合气在所述排气口关闭后留在所述气缸内。
10.如权利要求8所述的具有双喷射系统的二冲程发动机，其特征在于，所述低压燃油喷嘴安装于所述曲轴箱上，燃油喷出后在所述曲轴箱内与空气混合蒸发，形成基本均匀的混合气，再在扫气过程中通过所述扫气口进入所述气缸，扫除缸内已燃烧的废气进入所述排气口，其中绝大部分混合气在所述排气口关闭后留在所述气缸内。
11.如权利要求1至10之任一所述的具有双喷射系统的二冲程发动机，其特征在于，所燃用的燃油可以为汽油、航空煤油或者其他重油，所述燃油缸内直喷（DI）系统单独喷射的燃油和缸内空气可形成非均质或者准均质的可点燃混合气，在中小负荷中低转速工况实现无燃油扫气损失的高热效率，而在大负荷高转速工况配合所述燃油进气道喷射（PFI）系统一起喷油，更容易形成均质的可点燃混合气，提高缸内空气利用率，实现大扭矩高功率无黑烟工作。
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