CN1376233A - 两冲程内燃发动机 - Google Patents

Abstract

一种两冲程内燃发动机(1),主要用于作业工具中,最好是用于链锯或者整修机中,并且带有一个消声装置(2)。一根既可以平直也可以弯曲的导管(3)被布设成与该发动机的废气排放口(5)及一个排气口(6)相连通,其中导管(3)具有合适或者经过调节的长度以及一个外端部(4),所述排气口(6)用于将废气导入到周围的空气中。利用由导管(3)和排气口(6)构成的装置,净化损耗量得以降低,并且从而降低了具体的燃油消耗量,而且获得了更为洁净的废气。

Description

两冲程内燃发动机

技术领域

本发明涉及一种两冲程类型的内燃发动机，主要用于作业工具中，最好是用于链锯或者整修机中，并且带有一个消声装置。

背景技术

对于由内燃发动机带动的作业工具来说，通常使用两冲程发动机，这主要是因为两冲程发动机的重量较小并且结构简单。另外，曲柄箱换气法使得润滑系统不再受到姿态的约束，在该换气法中，发动机由通过曲柄箱添加到净化后的气/油混合物中的润滑油进行润滑。这种全方位润滑系统比如对于链锯来说是必要的，因为诸如链锯这样的装置需要以多种不同的工作姿态来使用。用于机动自行车和摩托车中的两冲程内燃发动机通常具有一个所谓的调谐式废气排放系统(a socalled tuned exhaust system)。从所述废气排放系统上反馈回来的压力脉冲将迫使净化气体被压回到气缸中，以便降低该发动机的净化损耗。总体来说这就意味着与非调谐式废气排放系统相比，调谐式废气排放系统的功率输出量及燃油消耗量可以得以改善。但是，为了良好地运转，调谐式废气排放系统需要很长的导管，并且需要横截面积较大的废气排放管道。用于链锯中的这种消声器至少需要半米长，并且由一个大约为8度的第一锥形延展管道部分和一个大约为12度的第二锥形延展管道部分构成。在这些锥形部件之间，必须设置一个具有一定直径的平直部件，或者说具有一定的横截面积，所述直径或者横截面积是废气排放管道的很多倍。比如，如果废气排放管道的直径为30毫米，那么所述平直部件的直径大约为60至100毫米，也就是说其横截面积差不多增大了10倍。此后，为了达到合理的低噪音水平，还需要连接一个吸收式消声器。正如前面所述那样，这种消声器是基于反馈压力脉冲和较低的总体压降来进行工作的。对于作业工具来说，已经发现尽管导管系统已经进行了多次弯曲，但是这种消声器仍然太大并且太笨重。这些主要是由于较大的横截面积造成的。因为对于作业工具来说，为了便于使用必须非常轻、小巧和便于携带。因此，调谐式废气排放系统通常不会被用到作业工具中。代替它们的是重量轻并且小巧的消声器，在该消声器中，声音主要通过在该消声器中发生扼流现象而受到抑制。为了达到较好的效果，需要使用一个较大容积的气缸。由于带有调谐式废气排放系统与不带调谐式废气排放系统的两冲程发动机的结构设计存在较大差异，因此难以将一个领域中的经验应用到另外一个领域中。

两冲程发动机的一个公知问题在于，由于较高的净化损耗量而导致燃油的消耗量相对较高，也就是说直接流入废气排放系统中的净化气体较多。这还会导致废气排放量较高，尤其是碳氢化合物的排放量较高。如前所述，对于带有轻质并且小巧的消声器的两冲程发动机来说，即对于带有非调谐式废气排放系统的两冲程发动机来说，克服该问题的困难尤其巨大。碳氢化合物的排放量较高还会在使用一个具有催化转换作用的消声器时带来一定的问题。因为，废气中非常高的能量组分会导致在催化转换器中及周围的消声器内产生非常高的热量。这种较高的发热量就意味着催化转换器中的转换率必然很低。因此，在它们与废气催化转换器相互作用的同时，较高的净化损耗量会增大燃油的消耗量。

本发明的目的

本发明的目的在于，明显地减少与带有一个消声装置的两冲程内燃发动机相关的前述问题。

本发明的概述

前述目的由一种根据本发明的装置来实现，其中该装置具有在所附权利要求中所描述的技术特征。

因此，根据本发明的两冲程内燃发动机的主要区别技术特征在于：一根导管，该导管要么平直要么弯曲，并且具有一个合适的或者经过调节的长度和一个封闭的外端部，该导管被布设成与该发动机的废气排放口和一个排气口相连通，该排气口用于将废气导入到周围的空气中。当废气排放口被打开时，在所述导管内产生一个强有力的压力脉冲，该压力脉冲由该导管的封闭外端部进行反馈。如果对于一个给定的转速来说，比如最大的功率转速，导管具有经过合适调节的长度，那么来自于该导管的反馈压力脉冲将在废气排放口关闭之前增大该废气排放口外部的废气压力，从而使得废气压力大于气缸内部的压力。从而，可以阻止更多的净化气体被排出，并且甚至会迫使某些净化气体被压回到气缸内。从而净化损耗量得以降低，并且该发动机的功率可以提高，具体的燃油消耗量得以下降。

废气排放量，尤其是碳氢化合物的排放量将会明显减少，同时还会使得在最终流过废气催化剂时所产生的热应力降低，从而使得催化剂与该发动机的协作关系得以简化。

尽管本发明主要用作一个用于作业工具中的发动机，但是其也可以被用于其它种类的马达应用领域。

通过对优选实施例的详细描述并且借助于所附附图，本发明的其它特征及优点将会更为清楚明了。

附图简述

下面，将参照所附附图对本发明的若干个实施例进行详细描述，其中，不同附图内的相同附图标记用于指代相应的部件。

附图1以剖视图形式示意性地图示出了一个根据本发明的两冲程内燃发动机。在该附图中还图示出了一个消声装置，该消声器根据本发明包括有一根导管和一个排气口。该排气口穿过一个常规的消声器。

附图2示出了根据附图1的发动机上部的剖视图，但是在该发动机上装配有一个稍微有些不同的消声装置，该消声装置仅由一根导管和一个排气口构成。该导管上位于纸平面上方的那部分由虚线示出。

附图3示出了所述消声装置的第三实施例，其中排气口穿过一个带有催化转换器的消声器。

对优选实施例的描述

在示意图1中，附图标记1用于指代一个两冲程类型的内燃发动机。该发动机具有一个带有活塞10的缸体9，一个曲柄箱11，一个带有燃油供送设备的进气管12，比如带有一个化油器13，以及净化管道14和一个火花塞15。所有这些均为常规部件，因此将不再予以详细描述。一根废气排放导管16在其内端部处与内燃发动机的废气排放口5相连通，而在其外端部处被连接到一个消声器7上。其独特之处在于：一根导管3被布设成与内燃发动机的废气排放口5相连通，该导管3具有合适的或者经过调节的长度，和一个封闭的外端部4。由于外端部4被封闭，所以废气将无法流过导管3。相反，废气将通过一个排气口6而排出，该排气口6被布设成穿过所述的传统消声器7。在排气口6中还可以包含有一个催化转换器8，该催化转换器8在附图3中示出，或者如附图2中所示出的那样，是一个没有任何环绕其上的消声器并且直接与外界空气相连通的排气口。所述导管可以被布设成能够在没有任何中间部件的条件下直接连接到废气排放口5上，正如在附图2和3中所示出的那样。但是，也可以如附图1中所示出的那样，在它们中间设置一根废气排放导管16或者类似物。对于所述功能来说关键之处在于，导管3以及排气口6均被布设成与该内燃发动机的废气排放口5相连通。从而，在该导管中产生强有力的反馈压力脉冲。因为，当废气排放口被打开时所产生的压力波将向前行进，并且在导管中迂回。通过将导管调节到合适的长度，压力波将恰好在废气排放口关闭之前以合适的转速返回到该废气排放口中，并且将抑制流出量，甚至会将净化气体推压回气缸中，即将气/油混合物推压回气缸中。所述装置可以被认为是一个与内燃发动机废气排放口5相连接的三脚交叉装置，其中一个分支被连接到所述废气排放口上，一个分支被向外连接到导管3上，并且一个分支穿过排气口6。分支之间的角度可以大幅度变化，比如导管3可以从所述废气排放口以180度的角度平直向外延伸，或者交叉延伸，即成90度的角度。因此，当对导管的长度进行计算时，还必须考虑废气排放口与导管口部之间的距离。如果该部件必须具有一个与导管的横截面积不同的横截面积，那么必须将其作为一个带有协作振荡导管的导管来进行计算。另外，排气口6的长度将会多少影响所述振荡效果，并且可以将此作为整体振荡效果的一个参数。所述排气口还可以由若干个下述部件构成，这些部件的延伸量将会影响所述导管的振荡效果。

排气口6必须具有一个小于导管3的横截面积。最好是导管3的横截面积的0.1至0.7倍。为了在导管3中获得令人满意的压力脉冲，这是很重要的。排气口6可以被布设成一个腔体或者一根管道，并且被连接到外界空气或者一个消声器上。导管3将会改变气流的流动状况，从而使得在不增大消声装置上压降的条件下，可以利用一个具有较小横截面积的腔体或者管道。可以说，具有阻尼功能的所述导管一方面改变了一定时间段上的废气排放量，另一方面降低了净化气体的排出量。如果排气口6中的最小横截面积位于该排气口6的开始端处，那么将大有裨益。最好，如附图1中所示出的那样，排气口6中的三个扼流部位必须具有差不多相同的尺寸。对于所述功能来说，将排气口6紧邻废气排放口5进行定位也非常重要。最好，排气口6被定位成与废气排放口5间隔开一定的距离，该距离小于导管3的长度的一半，并且最好是小于其长度的四分之一。借助于一个接近废气排放口5的位置，回转的压力脉冲在到达废气排放口5之前发生弱化的可能性会减小。另外一个优点是，对于最接近废气排放口5的那段较短导管来说，导管中的所有废气流量都将减小。

最好，所述导管沿其整个长度具有基本上恒定的横截面积。但是，也可以具有一些局部的横截面积变化，比如呈锥形剖面，或者在其整个长度上具有略微锥形的剖面。也可以想象得到，所述导管带有一个被连接在其外端部上的容积，并且该导管的长度和所述容积的大小适合于获得合适的调节。最好，所述导管的横截面积与废气排放口的面积之比与其尺寸之比具有相同的数量级，即为废气排放口的横截面积的0.3至3.0倍。从而，导管的横截面积也可以大幅度地变化，并且该横截面积对于能够产生多大的回转压力脉冲是十分重要的。一个非常小的横截面积将产生微不足道的影响，但是该影响将随着面积增大至最大值而得以增强。因此，具有非常大的横截面积并不是一个优点，并且所述导管在两个完全具有决定性的方面与调谐式废气排放系统中的所谓调谐导管存在差异。在调谐式废气排放系统中存在有穿过导管的气流，并且该导管具有一个非常大的横截面积，以使得即使在带有一个通流孔(a through-flow aperture)的条件下也能够从该导管的外端部产生一个强有力的反馈压力脉冲。显然，所述通流孔的尺寸不可能太小，以致于由消声器产生一个无法接受的较大通流阻力。因此，这也就意味着导管3上基本上不带有通流孔，并且其横截面积明显小于调谐式废气排放系统中的导管横截面积。因此，结构设计和实现功能的方式均有很大区别。

通常，所希望的是使得导管3的长度能够在最大功率条件下明显地节省燃油。这尤其适用于链锯或者类似工具，因为它们在大部分运转时间中均以最大功率运转。对于这种高速发动机来说，导管的长度要短于低速发动机中的导管长度。因为，转速越高，废气排放口的开启与关闭之间的时间段越短。在这种高速发动机中，导管的长度大约为4至5分米，并且其横截面积大约等于废气排放口的横截面积。这就意味着导管3的总容积相对有限，从而可以将该导管卷绕起来，以便使得其仅占据一个非常有限的空间，比如，导管根据附图1可以被卷绕成一个环绕废气排放导管16的绕组。该绕组也可以被置于消声器7内部，比如通过将该绕组拖拽至比附图所示更接近内燃发动机缸体的位置处来实现。所述绕组既可以在一个平面中进行卷绕，也可以被卷绕成具有一定的间距，比如被卷绕成一根螺线，在附图2和3中示出了被卷绕成一根螺线的导管。在这里，为了清楚起见多少将间距进行了放大。决定性因素是必须使得导管具有合适的长度。

利用本发明所获得的测试结果非常有意思.由于净化气体的流出量减少，所以在内燃发动机输出功率增大的同时燃油消耗量及废气排放量得以减少。这适用于对导管的长度进行调节所希望获得的速度范围，比如发动机的最大功率下的速度范围。利用这种发动机进行测试可以看出，燃油的具体消耗量可以减少大约10％，而该发动机的输出功率可以增加大约10％，与此同时碳氢化合物的排放量大约减少一半，而氮氧化物的排放量也明显减少。

但是，除此之外还明显地降低了所述发动机的噪音水平。导管3仅仅用于明显地减低发动机的噪音。导管3中的容积作为一个阻尼容积，就静音作用而言，这是很有益处的。导管3可以以不同的方式使用。一种方式是利用与没有带导管3的相应发动机中的消声器相同的消声器7来明显地降低该发动机的噪音水平。另外一种方式是减小消声器7的容积，但是仍旧能够获得等于或者低于带有一个传统消声器的相应发动机的噪音水平。这种解决方案的一个示例在附图3中示出。在这里，消声器7具有非常有限的容积。附图2示出了一个具有深远意义的示例，在该示例中消声器7完全消失，从而使得导管3直接用作消声装置2。必须要指出的是，在导管3中基本上没有气流，这是因为排气口6在上游被置于非常接近废气排放口5的位置处。这就意味着导管3将明显比排气口6或者消声器7的温度要低。通过将导管3缠绕在热的部件上，将可以防止与这些部件发生接触。为了清楚起见，在附图2和3中所示出的导管3仅有非常少的缠绕匝数。

因此，借助于导管3，尤其是未燃烧的碳氢化合物的排放量可以明显减少。这种现象最好在发动机具有最大功率速度时发生。从而，在催化转换元件8和安装有该元件8的消声器7上所产生的热应力将会明显降低。这就意味着，可以在温度不会太高的条件下高效地进行转换作用。因此，本发明改善了废气催化剂的工作状况。也可以将一个催化转换元件置于导管3中，以便由该导管3或者与排气口6内的至少一个催化转换元件相结合来对排出的废气进行净化。

另外，由于来自于导管3的回转压力脉冲，在废气排放导管16中会产生搅动作用。这对于所有的两冲程发动机来说是非常有意义的，但是如果发动机1是所谓的气-头型(so called air-head type)发动机，那么将尤其有益。在这种发动机中，净化管道14中将填充新鲜空气，这些空气首先经过净化被送入燃烧腔室中，并且随后迫使废气通过废气排放口而排出。这就意味着在废气排放导管16中：首先是废气，接着是空气，并且此后是通过废气排放口排出的气/油混合物。因此，本发明一方面可以减少通过废气排放口排出的气/油混合物的流失量，另一方面能够在消声器中的废气内更均匀地分配所述气/油混合物和空气，从而使得后续的催化剂更好地发挥作用。

另外，在实际上所述导管还用于多少对废气进行冷却。这就意味着废气混合物的温度将会降低。这对于一个气-头型发动机(air-head-engine)来说尤其有益，这是因为这种发动机比传统的两冲程发动机更为需要废气的均质化作用和温度更低且更为洁净的废气。因为，对于这种发动机来说，增大废气中氧气的余量，将会比传统的两冲程发动机更易于在消声器中产生再次氧化现象(after-oxidation)。如果为消声器中的全部废气流或者废气流的一部分而使用催化剂时，这种再次氧化现象将尤其明显。在消声器中发生再次氧化现象会导致所有的可燃烧废气组分将被氧化，从而产生所不希望产生的热量。

正如前面所提及的那样，导管可以被调节成使得发动机具有合适的转速，通常是该发动机的最大功率速度。但是，就一个气-头型发动机而言，对导管进行调节以获得较低的旋转速度也是有意义的。因为，这种气-头型系统的目的是为了减少发动机的排放量，并且最好对其进行调节以便在该发动机具有最大功率速度时大幅度减少该发动机的废气排放量。为了在相当低的转速条件下获得最大的废气排放减少量而进行的调节操作，将导致该发动机的性能下降。在这方面，所述导管非常柔软，并且就气-头型发动机来说，导管可以被调节成使得该发动机具有一个低于该发动机的最大功率转速的转速。这就意味着在该较低的转速条件下，所述发动机将达到明显地降低了的废气排放水平。例如，借助于一根导管，在每秒100转的速度条件下废气排放量将差不多减少一半，其中所述导管被调节成使得最大功率速度约为每秒160转的气-头型发动机具有每秒100转的速度。在较高的转速条件下，导管在废气排放度上的影响将非常小，甚至为负作用，这是因为其压力脉冲将过于滞后，但是在较低的转速条件下，所述导管将能够发挥相当明显的作用。因此，大范围的转速条件下的发动机特性将得以增强，其中气-头技术在较高的转速条件下所带来的改善作用最为明显，而导管则在较低的转速条件下进一步改善其工作状况。显然，除了经过调节的转速之外，这两种技术都将改善废气排放量的降低程度。以这种方式，就废气排放量而言，该发动机因此可以覆盖更宽的速度范围。

但是，从协调的观点来看也可以利用这种影响。比如，一个被调节成具有每秒160转较高速度的气-头型链锯发动机，可以带有一根导管，该导管比如被调节成使得该链锯发动机具有每秒100转的速度，来用作一个以非常稳定的较低转速运转的增压发动机。因此，即使该发动机在其它方面没有完全得以调节，但在该较低的转速条件下仍然能够获得较低的废气排放量。最好，在这种情况下，所述导管的长度被调节成使得发动机的转速基本上低于该发动机的最大功率速度，即为最大功率速度的50％至90％，并且最好是该最大功率速度的55％至75％。

必须指出的是，在大多数便携式作业工具中，极其难以或者几乎不可能为40至70厘米长的导管提供一个空间。尤其是，在增压器(ablower)中更易于看出这一点。

Claims (11)

1.一种两冲程内燃发动机(1)，主要用于作业工具中，尤其是用于链锯或者整修机中，并且带有一个消声装置(2)，其特征在于：一根导管(3)被布设成与该发动机的废气排放口(5)和一个排气口(6)相连通，其中所述导管(3)既可以平直也可以弯曲，并且具有适合的或者经过调节的长度和一个封闭的外端(4)，所述排气口(6)用于将废气导入到周围空气中。

2.根据权利要求1所述的内燃发动机(1)，其特征在于：所述排气口(6)被定位成与所述废气排放口间隔一定的距离，该距离小于导管(3)的长度的一半，并且最好小于其长度的四分之一。

3.根据权利要求1或2所述的内燃发动机(1)，其特征在于：所述排气口(6)被设置成一个消声器(7)的形式。

4.根据任一前述权利要求所述的内燃发动机(1)，其特征在于：所述导管沿其长度具有基本上恒定的横截面积。

5.根据任一前述权利要求所述的内燃发动机(1)，其特征在于：所述导管(3)的横截面积与所述废气排放口的面积之比与它们的尺寸之比具有相同的数量级，即为所述废气排放口的横截面积的0.3至3.0倍。

6.根据任一前述权利要求所述的内燃发动机(1)，其特征在于：所述排气口(6)的最小横截面积小于所述导管(3)，即为该导管(3)的横截面积的0.1至0.7倍。

7.根据任一前述权利要求所述的内燃发动机(1)，其特征在于：所述导管被排布成一个绕组形式，环绕所述排气口(6)或者消声器(7)进行延伸。

8.根据任一前述权利要求所述的内燃发动机(1)，其特征在于：所述导管被排布成一个绕组形式，并且被置于一个适用的消声器(7)内。

9.根据任一前述权利要求所述的内燃发动机(1)，其特征在于：所述排气口(6)或者消声器(7)带有至少一个催化转换元件(8)。

10.根据任一前述权利要求所述的内燃发动机(1)，其特征在于：所述发动机是一种所谓的气-头型发动机。

11.根据权利要求10所述的内燃发动机(1)，其特征在于：所述导管的长度被调节到能够使得该发动机的转速基本上低于该发动机的最大速度，即为该最大速度的50％至90％，最好是该最大速度的55％至75％。

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