CN1290324A - 分隔燃料喷射二冲程发动燃烧室的凸塞 - Google Patents

Abstract

一种利用活塞顶上的弧形凸塞和在气缸盖凹腔内形成的互补弧形凸塞将燃烧室分隔为两个区的内燃机。当活塞处在上止点时,该燃烧室被有效地分隔为两部分,该燃烧室的约10%处在燃料喷射器和火花塞附近。借助于该结构,该发动机将在怠速或极低功率值时所耗用的燃料量降至最少,而在较高功率值时的发动机性能还不受影响。

Description

分隔燃料喷射二冲程发动燃烧室的凸塞

发明背景

本发明涉及一种内燃机，尤其涉及一种具改进燃烧室结构的内燃机，以及当活塞处在其行程的顶点时有效地将该燃烧室分隔成具有容积比约9∶1的两部分的方法，因而，该方法在怠速和极低的功率调正下能获得较高的燃料经济性。

相关技术说明

人们一直在作出长期不懈的努力来设计内燃机，使其更节省燃料，并增进环境保护。例如，参阅美国专利1，434，448；2，632，432；4，235，203；4，359，027；4，788，942；5，163，395和5，195，486。所有这些专利都公开了由从活塞顶面的凸台或在活塞项面上的凹口和／或由气缸头上各种壁结构形成的各种不同形状的燃烧室。

在广泛用于船舶内和弦外机、摩托车、个人水筏和雪车的二冲程发动机中，动力产生包括一个压缩冲程，在压缩冲程内活塞行至气缸上部，从而将空气或预混合的空气和燃料压缩。若压缩的仅是空气，则随后喷射燃料。点火通常出现在活塞到达其行程的顶点、称作上止点(TDC)之前，或在上止点。同时，在活塞、曲柄箱以下的区域便能抽吸新鲜空气或空气燃料混合物充量。点火后，爆炸混合物使气缸内的温度和压力升高，迫使活塞向下运动。该向下运动转动了该曲轴，并还压缩活塞下面的曲轴箱中的充量。当活塞接近其最低位置，即下止点(BTC)时，一排气口露出，允许在燃烧过程中新形成的废气离开气缸，而稍后片刻，输气或进气口露出，允许空气或空气燃料混合物的新鲜充量进入气缸。该新鲜充量为下一动力冲程提供了燃烧物质，也有助于将气缸内的废气排出。二冲程发动机的活塞顶常常包括一导流板，将新鲜充量向下导入气缸，并围绕常称之为“回流扫气”的流动机构的相反侧。

对于以特定转速运转的给定尺寸发动机，二冲程发动机比回冲程发动机更有有力，因为二冲程发动机每单位时间内也有那么多的二次动力冲程。不幸的是，二冲程发动机的燃料经济性很可能低于四冲程发动机。自从20世纪20年代以来，为使二冲程发动机的效率最佳化，已作出了种种尝试，并且已采用了许多不同的技术。

多年来，虽然二冲程发动机的效率已得到改善，然而在为制造一种最佳发动机的尝试中还在作不懈的努力来进一步改善效率。

发明概述

本文提出一种改进的二冲程内燃机，它包括在其内形成气缸的一发动机体；一个在气缸内可移动的活塞；和一个具有一凹腔的气缸盖，该凹腔连于发动机体，与其一起构成一燃烧室，该活塞具有一普通圆柱体，一顶面和在顶面上形成的一偏心凸塞，该气缸盖包含一个通常配置在活塞凸塞相反侧的凸塞，当活塞在气缸内处于上止点时与其一起形式燃烧室的第一部分和第二部分，其中第一部分约为燃烧室总容积的10％。

本发明还包括在怠速或怠速附近改善内燃机燃料经济性的一种方法，包括如下步骤：提供一个具有一气缸的发动机体，一个适于在气缸内以往复方式移动的活塞和一个具有一凹腔的气缸盖，其中，该发动机体、气缸盖和活塞构成一燃烧室；将该燃烧室分隔成二个部分，其容积比约为9∶1；在该二部分的较小部分中安置喷射装置和点燃燃料的装置。

本发明的一个目的是要提供一种二冲程内燃机，它在怠速或极低功率值时具有燃料／空气充量的物理分层。本发明的另一方面是要提供一种具有改进的燃料经济性的二冲程内燃机。本发明的还有一个方面是要提供这样一种二冲程内燃机，它在怠速和极低功率调整下改善发动机效率，同时在高功率调整时对发动机性能没有有害的影响。本发明再一个目的是要提供一种有效的二冲程内燃机，它工作可靠，且相当便宜。本发明的再一个目的是要提供一种具有一分隔燃烧室的二冲程发动机，其容积比约为9∶1，在怠速和极低功率调整时，燃料被限制在该较小的容积内。

根据下面对优先实施例的说明和附各一起考虑，可更完整地理解本发明及其它的目的、方面和优点。

附图简述

图1是二冲程内燃机一部分的剖视图，简明表示本发明的气缸内部；

图2是本发明活塞的放大简明侧视图；

图3是图2中所示活塞的顶视图；

图4是图2、3中所示活塞的正视图；

图5是图1中所示气缸盖的放大的局部剖视图；

图6是本发明的气缸的简明顶视图，表示本发明内燃机的输气口和排气口。

优先实施例说明

虽然本发明对于各种改进和替代结构是相通的，然而对附图中所示的优先实施例下文要作详细说明。应当理解，不打算将本发明限制在该公开的特定结构形式内。相反，本发明要覆盖凡落在如所附权利要求书中所表达的本发明的精神和范围内的所有改进、等同构件和工艺方法及替代结构。

要说明的是一种改进了二冲程内燃机在怠速或在极低功率调整下的效率的燃烧室构形。在怠速时，发动机通常只需足够的功率来克服其自身的摩擦。然而，内燃机通常在其燃烧室内的空气在怠速或低功率调整下通常多于为有效运行的燃烧所需的空气。空气的数量通常决定了所需燃料的数量，因为燃料量的不充分意味着供燃烧的充量太稀薄。本发明总的构思是限制在火花塞附近存在的空气量，使较少量的燃料在火花塞点火之前用于与所述空气混合。由于在活塞顶或冠部上采用了竖直的凸塞，并由于具有作为气缸盖一部分的互补的朝下的凸塞，当活塞到达燃烧室容积处于最小值的最上延伸位置、即上止点时，总是将燃烧室有效地分隔成二部分空间或容积，紧靠火花塞的较小部分处在该凸塞的一侧，而较大的部分处在该凸塞的相反侧。

本文所用的确定该二空间的相对容积的方法要求计算在怠速和在极低功率值时为有效且平稳运转所需的燃料流量率。接着，确定该燃烧室内的空气量。随后，确定在怠速和在低功率调整时为该燃料所需的空气量，此后，确定该空气量代表整个百分比的多少。业已发现，为了产生足够的动力来保持发动机平稳地怠速运转，需要燃烧室内空气的大约10％来与所需的燃料量混合。除了以怠速或极低功率调整逆转外，还须防止在较高功率调整或甚至在全节气阀时对发动机运转的干扰。例如，在活塞上具有较高的凸塞在怠速时可能是希望的，但在高功率调整时，可能变得太热而烧毁。

正如下文所说明的，适当高度的凸塞，燃料喷射器和火花塞都集中在远离排气口的气缸的大致四分之一圆周内。本发明的内燃机在怠速和极低功率调整下能平稳和经济地运转，而不影响发动机的可靠性，也不影响在高功率调整时发动机的运转。该发动机还具有改善的燃料经济性，并允许燃料早喷以改善燃烧。

现在参照图1，它表示具有一发动机缸体12的内燃机10的一部分，在该缸体内制有气缸14。一活塞16在气缸内沿平行于气缸纵轴线15的方向前后移动。具有凹腔19的气缸盖18固定于该缸体的气缸顶面上，一气缸垫20将气缸盖和发动机缸体隔开。活塞上部的空间和所述凸腔构成燃烧室22。安装燃料喷咀25的第一开口24和安装火花发生元件，诸如火花塞27的第二开口26在气缸盖内形成，并与燃烧室连通。

简单地参照图6，它以简明方式表示气缸内3个输气通道30，32，34和相应的输气口31，33，35和一个排气通道36和一个排气口37，也与气缸连通。

现在参照图2，3和4，较详细地图示3活塞16。该活塞包括一个大致圆柱体40，它经一安装在开孔44内的活塞销(未示出)连接于一连杆42。活塞的顶部或冠部有一大致凸面47，一周边49，并包含一竖直的偏心弧形活塞凸塞48。活塞的纵轴线和中心在图2和4中以点划线50绘出，而在图3中用点52绘出。

在一个优先实施例中，活塞的直径约为3．60英寸，高约3．213英寸，凸面47的半径约为5．79英寸。活塞稍开孔44的中心51与由直线64代表的平分该活塞和凸塞并与排气口中心线相交的平面的夹角约为55°。该凸塞偏离活塞中心点52，从而面背该中心。该凸塞有一面向活塞周边49的内凹面56，其半径约为0．65英寸。该凸塞包含一外表面58，其半径约为0．9英寸。这些半径的中心偏离该中心52约1．04英寸。凸塞的厚度约为0．25英寸。该凸塞具有二个相反的端壁60，62，各端壁由大约1．14英寸的半径形成，该半径中心点在与凸塞内、外表面的半径的中心点相反的方向上偏离活塞中心52约0．06英寸。该凸塞的圆弧长度约在140°至160°之间延伸，如图3中清楚表示的。自凸塞顶面54至活塞表面47的最上部分的凸塞高度约为0．35英寸，或大致为活塞直径的10％。过渡面57，59，61的半径约为0．125英寸，而各壁端60，62的上部的半径约为0．5英寸，半径的中心点离周边49约为0．54英寸。活塞的冲程为2．588英寸，因此，凸塞的高度冲程比约处于1∶7至1∶8的范围内。

现在参照图5和6，其中详细图示了气缸盖。包含燃料喷咀的开孔24，该开孔的中心轴线70偏离气缸纵轴线约16°。火花塞开孔的纵轴线69平行于气缸的轴线15，但自气缸轴线至开孔26轴线测量偏离约0．68英寸。当用一根与气缸盖上表面72重合的直线测量时，喷咀开孔24的中心轴线偏离约气缸中心线约1．972英寸。

气缸盖内部或凹腔由深凹面74和次深凹面76分隔成2部分空间或容积，深凹面74当在图5中看时处在左侧，而次深凹面76处在右侧。在这两表面之间的是一向下延伸的气缸盖圆弧凸塞78，它与活塞凸塞48互为镜影。

凹面74离气缸盖底面80的最大尺寸约1．00英寸；表面76离底面80的最大尺寸约为0．875英寸。底面80和凸塞78底面82之间的距离约0．625英寸。气缸盖内部的周边部由一弧环形表面84构成，后者的直径自点87(表面84和80的交点)至点89(相同表面在该腔相反侧的交点)，约3．609英寸。表面84的圆弧由约为5．79英寸的半径产生。该表面84以图6中用点划线表示的两圆91和93为界。过渡面86的半径约0．5英寸，而三个其它的过渡面88、90和92各有约0．125英寸的半径。气缸盖凹腔的直径自燃烧室一侧上的垂直面83至相反一侧上的垂直面，由圆91代表，约为2．36英寸。气缸盖凸塞部分78，如内壁、外壁和宽度厚度相同于活塞凸塞48的尺寸。

现在参照图1，用实线和虚线表示活塞16处在两个位置上，其实线位置表示活塞处在其上，下止点之间部分行程上，而虚线位置表示活塞处在其上止点(TDC)位置。可以看出，活塞凸塞48非常接近气缸盖凸塞78，从而将燃烧室22有效地分隔成两部分98，100。该设计距离为0．05英寸。怠速时所需的燃料流量率约为每次喷射3至3．5毫克，这刚够为活塞克服发动机内部摩擦力提供足够的能量。此后，计算为支持燃料所需的空气量。业已确定，在怠速时为燃烧所需的仅约10％的空气。为分流燃烧室内空气的10％，该凸塞将燃烧室分隔成一个小的区域或部分98和一个大的区域或部分100。该效果有些和在燃烧时将燃烧室减小到其实际尺寸的约1／10相类似。

本发明的一个主要优点是将燃料经济性提高而对发动机在较高功率值时的运转没有任何有害的影响。另一优点是燃料会有效地燃烧，从而减少分散在废气中的未燃燃料量。借助于该凸塞，燃料可很快喷入该圆周内，从而赋以燃料更多的时间蒸发。本发明构件的再一个优点是该凸塞的高度足以拦住燃料，但不那么高的过度加热和烧掉或对冷却需要高昂的付出。

可以设想，燃料开始喷射将发生在曲轴处于活塞在TDG之前约30°至15°之间。这便允许燃料完成喷射，行至活塞顶面和蒸发。然而，燃料喷射可发生在TDC之前曲轴转角50°至60°之间。火花塞点火约在TDC前10°和TDC之间。希望将活塞凸塞的顶面54在燃料开始喷射时配置在气缸盖凹腔内，即在气缸盖的底面80之外，这样，燃料往往会保持阻拦在小区98内。该凸塞构件的另一优点是定时。现有的定时是基于直至发动机每分钟转速超过2000的情况。此后，定时基于曲轴位置。利用凸塞构件，在整个功率标订范围内定时可基于曲轴转角。

可以理解，该凸塞并不是用来与习用的Schnurle或回流扫气发生干扰的，其尺寸和位置定得对气缸内的扫气流的任何有害影响减至最小。将燃料喷射器配置得向活塞和活塞凸塞48的内表面56喷雾燃料。活塞凸塞防止燃料向排气口飞溅或漂掠。随着活塞上升，活塞凸塞将有助于将形成的燃料蒸气保持在气缸的进气或输气侧。随着活塞接近上止点和在气缸盖的表面84与活塞周边之间开始出现挤压，该燃烧室便被明显地分隔为两部分98，100，结果大部分的燃料蒸气处在较小部分98内。这样就形成了一个在其中进行燃烧的富油区。

具有按所述构造的燃烧室的主要优点是最少量的燃料从排气口被带走，而燃烧充量的分层导致点火的改善和燃烧效率的提高。用于获得刚才所述的某些效果的其它一些技术包括一种杯形活塞表面，但那种接近模式并不导致相同的挤压作用，因而它可能难于对该杯子内部进行扫气。

本说明书详细说明了本发明的一个实施例。在等同的原则下，其它的修改和变更将落在所附权利要求书的范围内。例如，改变活塞凸塞圆弧的长度，使凸塞加厚或加高，或改变内、外表面的半径都被视为等同物结构。将凸塞的形状从圆弧改变为直线部也会被视为是一种等同物结构。其它的替代方案和许多新技术依然同样会是等同物。本申请不希望或不想以任何方式限制等同物原则应用于本发明。

Claims (18)

1．一种内燃机，包括：

一个在其内形成气缸的气缸体；

一个在所述气缸内可移动的活塞；

一个气缸盖，其凹腔与所述发动机缸体连通，一起构成燃烧室；

所述活塞具有一大致圆柱体，一顶面和一个在所述顶面内形成的偏心凸塞；

所述气缸盖包含一个凸塞，与所述活塞凸塞配置成大致对置，当活塞在气缸内处于上止点时，与所述活塞凸塞一起形成所述燃烧室中的第一和第二部分，其中第一部分约为燃烧室总容积的10％。

2．一种如权利要求1所述的装置，其特征在于包括：

一个在所述气缸盖内的第一开孔，用以安装一燃料喷咀，当所述活塞处于或接近上止点时，将燃料喷入所述第一部分内；

一个在所述气缸盖内的第二开孔，用以安装一火花产生元件，当所述活塞处于或接近上止点时，点燃所述第一部分内的燃料。

3．一种如权利要求2所述的装置，其特征在于包括：

所述第一和第二开孔彼此相邻，并和所述燃烧室的第一部分连通。

4．一种如权利要求2所述的装置，其特征在于包括：

所述活塞具有一顶面，在平面视图中为圆形，具有一中心和一周边；

所述活塞的凸塞配置在所述中心和周边之间；

所述凸塞在一面背所述中心的凹面。

5．一种如权利要求4所述的装置，其特征在于包括：所述活塞的凸塞为弓弧形，沿大约从140℃至160℃弧长延伸。

6．一种如权利要求5所述的装置，其特征在于包括：所述活塞的弓弧形凸塞的内半径大约是所述活塞半径的36％。

7．一种如权利要求6所述的装置，其特征在于包括：所述活塞的弓弧形凸塞的外半径大约是所述活塞半径的50％。

8．一种如权利要求1所述的装置，其特征在于包括：高于所述活塞顶面的所述活塞的凸塞高度大约是所述活塞直径的10％。

9．一种如权利要求1所述的装置，其特征在于包括：高于所述活塞顶面的所述活塞的凸塞高度与所述活塞冲程相比，大致处在1至7到1至8的范围内。

10．一种如权利要求1所述的装置，其特征在于包括：在所述气缸壁内的一个排气口，其中所述活塞的凸塞与所述气缸排气口相反侧对准。

11．一种内燃机活塞，包括：

一个适于在由发动机气缸体形成的气缸内以往复方式移动气缸体和一个气缸盖，所述气缸体和气缸盖形成一燃烧室；

在所述气缸体上的一个顶面；

安装在所述顶面上的凸塞，适于将具有所述气缸盖一部分的燃烧室分隔为两个区域，其比例为9∶1。

12．按权利要求11所述的装置，其特征在于：

所述活塞有一顶面，在平面图上为圆形，具有一中心和周边；

所述凸塞处在所述中心和周边之间；

所述凸塞为圆弧形，其凹面背向所述中心。

13．一种如权利要求12所述的装置，其特征在于包括：

所述圆弧凸塞沿一段大约自140°至160°圆弧长度延伸。

14．一种如权利要求13所述的装置，其特征在于包括：

所述圆弧凸塞的内半径约为所述活塞半径的36％；

所述圆弧凸塞的外半径约为所述活塞半径的50％。

15．一种如权利要求14所述的装置，其特征在于包括：

在所述顶面以上的所述圆弧凸塞的高度约为所述活塞直径的10％。

16．一种如权利要求11所述的装置，其特征在于包括：

在所述顶面以上的所述圆弧凸塞的高度与所述活塞冲程相比，约处在1∶7至1∶8的范围内。

17．改善内燃机在怠速或接近怠速时的燃料经济性的方法，包括如下步骤：

提供一个具有一气缸的发动机气缸体，一个适于在所述气缸体内以往复方式移动的活塞和一个带有一凹腔的气缸盖，其中，

所述发动机气缸体，气缸盖和活塞构成一燃烧室；

将所述燃烧室分隔为两部分，其容积比约为9∶1。

将燃料喷射装置和点燃该燃料的装置安置在所述两部分的较小一部分中。

18．按权利要求17所述的分法，其中：

所述分隔的步骤通过在所述活塞上安置一偏心凸塞，并通过在所述气缸盖凹腔内安置一相应的凸塞来实现的。

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