专利名称：具有增强扫气的二冲程内燃发动机的制作方法
具有增强扫气的二冲程内燃发动机发明领域本发明涉及二冲程内燃发动机，且尤其涉及空气供给和废气排放(扫 气)系统。本发明M于相同发明者的现有美国专利NO.6,170,444("已有发明") 的改进。
背景技术：
二冲程发动机的一个主要问题是清除废气和在同一冲程中提供燃烧 空气的过程。清除废气的过程通常被称为"扫气"。尽管燃料喷射系统在 某种程度上緩和了这个问题，但是为了实现高效率和低排放，适当的扫气 是必不可少的。常规二沖程发动机中扫气存在的问题是防止这两种气体物质混合，且 所引起的所有公认缺陷都与燃油效率和排放有关。该问题由已有发明得到 解决。在已有发明中，扫气是通过在每个汽缸盖中设置至少一个且优选地设 置若干个空气进口阀以及在下汽缸壁中设置至少一个且优选地设置若干 个废气排放口 ( exhaust gas discharge opening)来实现的。这些空气进口阀 完全由一侧的汽缸内的脉动压力和另一侧的空气供给室(air supply chamber)中的脉动压力所产生的空气压力差来控制。当活塞边缘(piston rim)清扫其下行冲程上的排气开口 (exhaust opening)时，汽缸中的压力 降低到低于空气供给室中的压力，从而使空气进口阀打开，允许流入扫气 玄 气。扫气l支风才几( scavenging blower)用来迫使玄气进入玄气供给室并 由此通过阀，以便当活塞下降时更有效地从汽缸清除废气。这种配置可运用在利用柴油机或四冲程过程的内燃发动机中。根据已有发明的原型发动机的试验结果是非常鼓舞人心的。然而，已 经意识到，虽然到目前为止仍然是极好的结果，但是进一步的改进也是可 能的。尤其是，已经意识到，促使已有发明的被动的阀防逆件(valve check body)在向上移动的活塞封闭排气口之后更加迅速地闭合是有益的。这会 增加可用来压缩的曲轴角度，并因此有助于燃烧室中的更高效的压缩比。发明内容由上述看来，本发明的目的是提供一种用于二冲程内燃发动机的改进 的扫气系统，包括详细的系统部件和部件构型。更具体地，本发明的目的 是对已有发明中所描述的发动机提供一定的改进，尤其是对扫气提供一定 的改进，同时保持二冲程发动机的大部分或所有传统优点。本发明者已经认识到，控制防逆件的及时关闭能改进已有发明，提高 发动机的燃油效率并增加其具体的功率输出。当然，最好能这样做而不牺 牲二冲程发动机的固有优点，例如简单性、较小的尺寸和质量、成本有效 的制造等等。使用单流扫气体系形式的二冲程发动机是已知的，但其优点由于结合 了如四沖程发动机中的凸轮轴所控制的排气阀而被部分地牺牲掉了 。在根据已有发明的发动机中，尽管机械地致动防逆件在技术上是可行 的，但由于失去了简单性且成本较高，因此通常是绝对做不到的。虽然可 以考虑致动防逆件的其他方法，例如通过单个电》兹线圏，但还是会再次失 去简单性并提高成本。因此，在本发明中运用了气动致动系统(pneumatic actuating system), 其使用了已有发明的原理和某些特征，例如经由鼓风机从外面产生扫气空 气，同时对已有发明的其他部件包括防逆件和汽缸盖的某些特征进行了具 体改进。因此，本发动机具有至少一个汽缸，而活塞则安装在其中以用于在顶 部位置和底部位置之间往复运动。每个汽缸具有进入到汽缸之内以允许空 气进入汽缸顶部的至少一个且优选地多个空气进口阀，以及在活塞底部位 置之上的下部位置处的至少一个排气口 。鼓风机设置成当活塞在底部位置 附近移动时迫使空气经由每个进口阀进入每个汽缸，在活塞向上运动期 间，鼓风机不供应充足的压力来保持每个进口阀打开，使得在活塞向上运 动期间，在每个汽缸内形成压缩，并使得在活塞向下运动期间，鼓风机迫 使空气经由每个进口阀进入每个汽缸， 一旦每个排气口被向下的运动打 开，鼓风机就迫使空气经由每个排气口排出每个汽缸。在本发明中，空气 进口阀由受控的空气压差强制驱动。本发明的优选实施方案旨在提供具有100HP-300HP的可能功率输出 的内燃发动机，例如按照要求，使用具有1.0L至3.0L位移的2、 3、 4或6 汽缸的模块化发动机设计。然而，本发明并不局限于汽缸的具体数量或尺 寸或者具体输出功率。理想情况是，本发明允许二冲程发动机比得上相似 的四沖程发动机，同时比四沖程对应物保持更轻、更简单且费用更低廉。本发明的优选实施方案不仅降低了压缩过程中阀防逆件的响应时间， 而且便于形成具有与活塞对应的汽缸盖的光滑表面的更干净的燃烧室，从 而排除了围绕防逆件的小空腔，这种小空腔提供了部分不希望的死空间。作为实施例，在以下详细描述过程中和在本发明的具体实施方案的附 图中将描述本发明进一步的细节或者本发明进一步的细节将变得显而易 见。
现仅以举例的方式参考附图来描述本发明的优选实施方案，其中图1 (已有技术)是已有发明的实施方案的示意图；图2 (已有技术)是显示已有发明的空气供给室的透;f见图，其中，在 汽缸盖的同心圓中设置有大量的空气进口阀；图3 (已有技术)是已有发明的发动机体在一个汽缸的上面的区域中的剖浮见透^L图；图4是根据本发明的发动机中的汽缸盖和辅助装置的半示意图； 图5是根据本发明的阀中的一个的侧视图。发明的详细描述 已有发明在本发明者的已有专利NO.6,170，444中充分描述了已有发明，对于额 外的信息也可参照该已有专利。然而，为了方便起见，以下概括了已有发 明。图l-3显示了已有发明的实施方案。在已有发明中，空气进口阀l提供了每个汽缸2和空气供给室3之间 的通^各。空气进口阀完全由阀一侧的汽缸内的脉动压力和阀另 一侧的空气 供给室中的脉动压力所产生的空气压力差来开启和控制。提供了扫气鼓风机4来清除废气，同时用空气填充汽缸。根据发动机 的期望特性，扫气鼓风机可以是仅能够克服空气阻力和气流通道阻力以便 只提供适当的扫气的低压类型。可供选择地，高压扫气鼓风机可用来提供 汽缸中的预加压，以提高功率l叙出。这种高压扫气鼓风^/L可与常^L的中间 冷却器5连接以提高预加压效果。因为膨胀阶段必须提供二冲程发动机的工作冲程，所以最好让排气口 关闭，以便使活塞下降冲程尽量长。扫气鼓风机的使用提高了性能，因为 这可以推迟排气口的打开，而且不会导致无效的扫气。扫气鼓风机4由电伺服马达9来驱动，电伺服马达9允许扫气鼓风机 立刻响应发动机的变化的工作条件，而不依赖于发动机的工作条件，例如 曲轴的转数或废气的含能量。因此，扫气鼓风机是由伺服马达来驱动的， 并由例如设计成优化扫气鼓风机的功能的计算机程序来控制。伺服马达给 计算机程序提供必要的电子反馈。如图l所显示的，被吸入扫气鼓风机中的空气优选地首先通过常规的空气过滤器6和防逆阀(checkvalve) 7。在空气到达三通分流阀8之前， 如果希望增加发动机的功率输出，那么可让空气通过常规的中间冷却器5。三通分流阀8设置在中间冷却器5和空气供给室3之间。可供选辨:地， 如果发动机不包括中间冷却器，那么三通分流阀将设置在鼓风机4的出口 和空气供给室之间。三通分流阀允许更有效地管理扫气鼓风机和内燃发动 机之间的相互作用。三通分流阀连接到加速器10，使得当加速器被压下而又需要满功率 时，三通分流阀对空气供给室提供不受限制的空气流，而当发动机空转时， 空气流被部分地引导返回到扫气鼓风机的吸入侧。可供选择地，空气压力 和空气流的转换器(未显示)可被结合为空气供给系统的一部分以给电子 控制系统提供反馈。在可供选择的实施方案中，三通分流阀的可变位置可 通过第二小伺服马达(未显示)来控制。这种第二伺服马达的控制系统接 收来自 一设置来检测加速器位置的电子位置编码器的反馈。图2显示了空气供给室3，带有多个相同的空气进口阀1，这些阀设 置在围绕每个汽缸顶部的同心圆中。空气进口阀穿透处于空气供给室和汽 缸之间的汽缸盖中的分隔器壁(divider wall) 15。如图3所看到的，空气 进口阀围绕着位于每个汽缸中心的燃烧室20。图3也显示，空气进口阀由具有倒圆孔边缘22的入口孔21和出口孔 24组成。在优选的实施方案中，入口孔具有7mm的直径，且出口孔具有 llmm的直径。环形座23位于出口孔中且邻近入口孔。防逆件25在出口 孔中自由浮动，且在向上的方向上由座圏23止动，在向下的方向上由同 心止动环(retainerring) 26止动。防逆件可轴向自由移动离开环形座足够 距离，以打开允许空气流动的通道。在闭合位置，防逆件倚靠在环形座上， 基本上切断了空气流动。与汽缸轴同心的止动环具有梯形截面，且装配在 汽缸盖的下部平面中的互补梯形槽内。两个孔27和28穿透空气供给室和 汽缸之间的隔离壁以分别容纳火花塞和燃料喷嘴。已有发明中的防逆件25具有蘑菇形状，带有面向入口孔、连接到锥 形柄的半球形头部。除了如以上所描述的将空气进口阀设置在汽缸盖中之外，废气口必须 设置在接近汽缸的底部，以便实现直流扫气系统。如图l所示意描述的，当曲轴52在底部死点周围时，排气口 51穿过下汽缸壁位于活塞53的上 边缘54的最下部位置附近。排气口优选地是径向切口形状，但在图1中 没有专门示出。当上活塞边缘清扫活塞下行沖程上的这些排气口时，汽缸中的压力降 到低于空气供应室中的压力，从而导致空气进口阀打开，允许扫气空气进 入汽缸。扫气空气经由排气口将废气驱出汽缸。因为汽缸圆周的至少50% 可用于扫气，即使是带有一个以上汽缸的发动机也是这样，所以与常规的 二冲程发动机不一样，排气口的高度可以非常小，以便不必要为扫气而牺 牲曲轴角度。这同样也有助于改进发动机的总体性能。如以上所提到的，本发明者的已有专利提供了额外的细节。 本发明在已有发明中，在发动机的汽缸盖中有多个阀防逆件。例如，在根据 已有发明所制造的单缸试验机中，有十六个阀防逆件。假定它们的位置和 它们的布置是在两个同心圆中，那么机械控制它们将是十分复杂且昂贵 的。在本发明中，认为由真空提供的助推器足以在循环的最佳时刻来帮助 关闭阀。在优选的实施方案中，真空助推器是通过^^改已有发明的部分部件来 提供的，以额外地利用其鼓风机来产生真空。当然，也可增加单独的真空 泵，尽管更昂贵，但是也是一种代替使用鼓风机的可行的解决办法。图4展示了相对于已有发明由本发明所完成的修改。主要部件列举如下进口过滤器(intake filter) 6 扫气鼓风机4文丘里喷嘴(Venturi nozzle)70文丘里喷嘴压力室71文丘里喷嘴环形室72文丘里喷嘴扩散器73黑箭头75，表示加压空气的流动亮箭头76，表示"真空"的流动方向真空管道77空气供给管道78转换阀8电,兹线圈80电子控制单元81多阀模块、部分截面；"可替换的单元"40 覆盖盖(cover lid) 83 真空增压室(vacuum plenum ) 84 空气供给室3 阀孔和座1 防逆件25,阀盘(valve disk) 85 阀轴(valve shaft) 86 下部导向盘和上部导向盘87、 88 导向孔89定位器销(locatorpin) 90空气进口过滤器6和扫气鼓风机4的作用是显而易见的。可使用各种鼓风机类型，例如，如已有发明中所最初建议的，涡轮增 压器中的但却是由DC电动机供电的高速径流式风机(high speed radial fan), 或电动寸则通道盡支风才几(electrically-powered side channel blower )。 其他选择是标准的废气驱动涡轮增压器或罗茨型鼓风机(Roots-type blower)等等。后者已经有约IOO多年了，且就可行的尺寸、可靠性、效率和最后但 并非最不重要的价格而言已经取得了很大进展。此外，有两个具体特征使 罗茨型鼓风机成为了最优选择第一，其没有固定的压缩比且只在"提出 要求时"对空气进行加压，这意味着其可对发动机中所产生的阻力进行自 动地调整；第二，其可经由如带传动的简单的装置通过发动机自身来供电。加压空气管道由黑箭头75表示，表示流动方向。"真空"管道，实际上是压力低于大气的空气，由亮箭头76表示， 也表示流动方向。文丘里型喷嘴70是简单的、成本有效的产生真空的方式。在其压力 室71之后的最狭窄区域，其以真空管道77连接到的环形室72为特征。扩散器73部分地重建流过且经由空气供给管道78继续流向为多阀模 块40的一部分的空气供给室3的空气的超压。多阀模块40进一步容纳防逆件25，(对应于已有发明中的防逆件25, 但配置不同)、阀孔和座l、导向孔89、定位器销90、建立真空增压室84 的覆盖盖83。图4中未显示，多阀模块40还以用于火花塞和燃料喷嘴的螺紋孔27、 28为特征。然而，燃料喷射器也可设置成从汽缸顶部的侧面到达燃烧室， 从而不通过阀模块。为了进一步展示，图4中描述了在两个位置的防逆件25，，但工作时， 与给定汽缸相关联的所有防逆件在给定的任意时间里当然会处于相同的 位置。两个显示为封闭的，而另两个显示为打开的，其中，箭头75表示 扫气阶段的空气流。图5展示了单个防逆件25，。辅助这些位置改变的主要部件是转换阀8。转换阀8是由电磁线圈80 驱动的三通双位阀，而电磁线圈80是由电子控制单元(ECU) 81来控制的。三通构型使其有可能以受控且甚至可编程的方式来#:纵阀的打开。根据本发明，优选的防逆件具有微型菌形阀(mini poppet valve )的形 状，分别具有球形段阀盘85、阀杆86以及下部导向盘和上部导向盘87、 88，导向盘也如致动气动活塞一样成对作用。导向孔89充当气动汽缸。 由于阀盘85的自行对准作用， 一对导向盘87、 88和导向孔89之间的间 隙可做得非常宽大，从而允许在空气供给室3和真空增压室84之间存在 部分少量空气泄漏。这同时又由导向盘87、 88的空气^^供了润滑，从而 允许它们的简单和低成本设计。本发明的操作可描述如下扫气鼓风机4自始至终与发动机一起运转，产生扫气空气流。如果被 直接驱动，扫气鼓风机4的传送由发动机来控制；如果净皮间接驱动，例如 通过DC电动机驱动，那么其由ECU81来控制速度。文丘里喷嘴70以及其环形室72产生所要求的真空。扩散器73部分地恢复空气超压，并经由管道7将空气输送到空气供 给室3。当防逆件25打开时，扫气空气流入汽缸，如箭头75所展示的。当然， 事件的顺序由ECU81来控制，其中具体事件、参数或设定点是可编程的。 因此，例如打开和关闭阀的计时以及燃料喷射和点燃的次数可进行优化以 便功率输出、燃料经济性和排;^得到优化。在防逆件25，的阀盘85的形状如球形段的情况下，可实现自行对准效 果，这便于已经提到的低成本设计。同时，获得了汽缸盖的理想光滑表面， 从而当阀被关闭时有助于"清洁的，，燃烧室。当定位器销90受到上部导向盘88沖击时，它们限制防逆件25，的下 行行程。防逆件25，的最上端位置通过阀盘85固定在它们的座1中来界定， 同时阀杆86提供必要的牢固连接。在单缸发动机中，除了大量的防逆件25，以外，仅有如以上所列举的 每个项目中的一个。在X数量汽缸的发动机中，除了进口过滤器6、鼓风 机4、文丘里喷嘴70和ECU81以外，将有以上所列举的X数量的每个项 目。对于本发明领域中的技术人员来说，进一步的变化是显而易见的或将 变得显而易见，且在如所附权利要求所界定的本发明的范围内。本发明将有助于形成二冲程发动机，其在性能、排放标准、具体燃料 消耗和其他相关参数方面应当能够与最现代的四冲程发动机进行竟争，同时保留二冲程发动机的传统优点更小、更轻、更筒单、费用更低廉。根 据本发明，对已有发明增加受控且可编程的阀起动系统将有助于可变的阀 计时(variable valve timing)和部分选择的汽缸截流。具有非常灵活的阀 计时的发动机也能够在根据载荷条件的可变位移下来工作，从而进一步改 进总体燃料经济性。为了在极低载荷应用中节省燃料，其也能够从二冲程 转换到四冲程模式来工作，使其比目前由大位移四冲程发动机开发/实现的 单个汽缸切断方法更占优势。可编程防逆阀起动将提供显著的发动机适应 性。工业应用本发明允许二沖程发动机达到可比的四沖程发动机的效率、燃料经济 性和排放质量水平，且具有更小、更简单、更轻和更经济的动力设备。
权利要求
1.在二冲程内燃发动机中，具有至少一个汽缸(2)，所述汽缸(2)带有安装在其中的活塞(53)以用于在顶部位置和底部位置之间往复运动，其中每个所述汽缸具有进入所述汽缸之内的允许空气进入所述汽缸的顶部的至少一个空气进口阀(1、25’)，以及在所述活塞的所述底部位置之上的下部位置处的至少一个排气口(51)；且具有设置成当所述活塞在所述底部位置附近移动时迫使空气经由每个所述进口阀进入每个所述汽缸的鼓风机(4)，在所述活塞向上运动期间，所述鼓风机不供应充足的压力来保持每个所述进口阀打开，使得在所述活塞向上运动期间，在所述汽缸内形成压缩，且使得在所述活塞向下运动期间，所述鼓风机迫使空气经由每个所述进口阀进入每个所述汽缸，一旦每个所述排气口被所述向下运动打开，所述鼓风机就迫使空气经由每个所述排气口排出每个所述汽缸；其中改进为，每个所述空气进口阀(1)由受控空气压力差强制驱动。
2. 如权利要求1所述的发动机，其中每个所述发动机具有多个所述 空气进口阀。
3. 如权利要求2所述的发动机，其中多个空气进口阀设置在可替换 的单元中。
4. 如权利要求1至3中任一项所述的发动机，其中所述空气压力差 的一部分依靠部分真空。
5. 如权利要求4所述的发动机，其中所述部分真空由连接到所述鼓 风机的文丘里喷嘴产生。
6. 如权利要求1至5中任一项所述的发动机，其中所述空气压力差 由电子控制单元(81)来控制，所述电子控制单元(81)根据期望的汽缸 阀计时来操作电磁转换阀(8)以施加所述空气压力差。
7. 如权利要求1至6中任一项所述的发动机，其中每个所述空气进 口阀(25，)包括顶着阀座(1)关闭的阀盘(85)、阀杆(86)以及下部导 向盘和上部导向盘(87、 88)，所述下部导向盘和上部导向盘延伸进导向孔(89)且起驱动气动活塞的作用，所述导向孔在接纳来自所述鼓风机的空气的空气供给室(3)和真空增压室(84)之间延伸，所述导向盘因此响应于所述真空增压室和所述空气供给室之间的压力差来驱动所述阀。
全文摘要
发动机具有至少一个汽缸(2)，每个汽缸(2)具有进入汽缸之内的至少一个且优选的多个空气进口阀(25’、1)，以及在活塞(53)底部位置之上的下部位置处的至少一个排气口(51)。鼓风机(4)设置成当活塞在底部位置附近移动时迫使空气经由每个进口阀进入每个汽缸，在活塞向上运动期间，鼓风机不供应充足的压力来保持每个进口阀打开，使得在活塞向上运动期间，在每个汽缸内形成压缩，并使得在活塞向下运动期间，鼓风机迫使空气经由每个进口阀进入每个汽缸，一旦每个排气口被向下运动打开，鼓风机就迫使空气经由每个排气口排出每个汽缸。进口阀由受控空气压力差强制驱动，例如通过具有顶着阀座(1)关闭的阀盘(85)、阀杆(86)以及下部导向盘和上部导向盘(87、88)的每个进口阀来驱动。下部导向盘和上部导向盘插入导向孔(89)中且起驱动气动活塞的作用，导向孔在接纳来自鼓风机的空气的空气供给室(3)和真空增压室(84)之间延伸。因而，导向盘响应真空增压室和空气供给室之间的空气压力差来驱动阀。
文档编号F02B25/00GK101223341SQ200680025700
公开日2008年7月16日 申请日期2006年7月14日 优先权日2005年7月15日
发明者汉斯-阿明·奥尔曼 申请人:汉斯-阿明·奥尔曼