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CN101432511A - 外压缩式二冲程发动机 - Google Patents

外压缩式二冲程发动机 Download PDF

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CN101432511A
CN101432511A CNA2007800015255A CN200780001525A CN101432511A CN 101432511 A CN101432511 A CN 101432511A CN A2007800015255 A CNA2007800015255 A CN A2007800015255A CN 200780001525 A CN200780001525 A CN 200780001525A CN 101432511 A CN101432511 A CN 101432511A
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CN
China
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air
scavenging
piston
stroke engine
air inlet
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CNA2007800015255A
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许凡
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Abstract

本发明涉及发动机技术领域，具体涉及一种外压缩二冲程发动机。本外压缩式二冲程发动机，包括气缸、活塞、曲轴、喷油器、点火器及气缸盖，气缸盖上设有由进气管和进气阀门组成的进气系、由扫气管和扫气阀门组成的扫气系及由排气管和排阀门组成的排气系，还包括一与进气管及扫气管连接用以提供低温压缩空气的空气压缩储存系统。本发明采用外置的二级空气压缩储存系统对进入气缸的气体进行预压缩和预冷却储存，高效提高压缩比和降低进气、排气温度，升功率高，大幅提高热效率和节约燃料。

Description

外压縮式二冲程发动机 本发明所属技术领域
本发明涉及发动机技术领域， 具体涉及一种新型的点燃式外压缩 二冲程发动机， 其无压缩冲程， 只有做功和排气两个冲程， 气体在气 缸外完成压縮并冷却。 在本发明之前的现有技术
当今， 要提高发动机的性能， 主要是利用以下两个基本手段： 提 高燃烧时气缸的工作压力或提高发动机的转数。 现在， 这两个手段， 设计师们在设计四冲程发动机时都充分的运用了。例如， 许多大公司已 经将汽车发动机的转数提至 8000转 /分钟， 但转数的提高并不是无限 的， 现在的四冲程汽车发动机的转数几乎到了极限。 又如， 在提高燃 烧时的汽缸工作压力方面， 使用涡轮增压换气的发动机可以提高汽缸 压力并产生更强的功率， 但爆震又给设计师们增加了难题， 而且这样 又增加废气中氮氧化物的含量， 而这些氮氧化物又正是所有污染物中 最难控制与滤除的。 三元催化剂可以对尾气起到一定的净化作用， 但 其制造、 反馈控制设备及维护成本又大大增加。 因此， 为摆脱上述困 境， 发动机工程师正在寻找一条新的途径来引导今后的设计， 而改进 二冲程发动机就是日后一个趋势， 因为二冲程发动机的活塞每次上行 到上止点 （ TDC ) 时均点火做功， 而不像四冲程发动机那样每隔一 次点火一次。 也就是说二冲程发动机的做功行程比四冲程发动机整整 多一倍， 做功行程多一倍的收益可被用在很多方面， 例如： 输出功率 与四冲程发动机一样功率的新型二冲程发动机， 其体积和重量只有四 冲程发动机的一半； 或者换句话说， 如果功率和扭矩是设计时追求的 目标， 那么与四冲程发动机等重量体积的新型二冲程发动机， 将有更 强劲的动力。 因此二冲程发动机比四冲程发动机有更大的开发潜力。
目前， 四冲程点燃发动机 （奥托机 Otto) 有容易发生爆震， 压缩 比低等缺点； 四冲程压然机 （狄塞尔 Diesel) 有燃烧温度低等缺点； 而现有二冲程发动机 （克拉克） 有压縮油耗大、 扫气不彻底等缺点。 再者， 上述几种发动机都是在气缸内进行气体压缩， 因而会产生高温， 而且排气温度和压力都高， 导致效率下降。 发明目的
本发明的目的在于针对上述问题不足之处， 提供一种进气温度低， 燃烧温度高， 压缩比大， 排气温度低， 升功率高， 大幅度提高热效率， 节约燃料的外压缩式二冲程发动机。 本发明采用的技术方案
为了达到上述目的， 本发明采用以下技术方案- 外压缩式二冲程发动机， 包括气缸、 活塞、 曲轴、 喷油器、 点火 器及气缸盖， 气缸盖上设有由进气管和进气阀门组成的进气系、 由扫 气管和扫气阀门组成的扫气系及由排气管和排阔门组成的排气系， 其 特征在于： 还包括一与进气管及扫气管连接用以提供低温压縮空气的 空气压缩储存系统。
其运行原理为： 当活塞做功冲程向下运行接近下止点时， 排气阀 门开启， 当活塞越过下止点进入排气冲程时， 扫气阀门短暂开启， 然 后关闭， 活塞继续上升超过冲程一半时， 点火器点火之前的适当时刻 排气阀门关闭， 随后进气阀门、 喷油器开启， 同时点火器也开启， 在 气缸内输入经过冷却且已经达到或接近发动机所需压缩比的高压空气 或可燃气， 随后燃料点燃， 达到发动机所需的压缩比后， 进气阀门关 闭， 随后活塞越过上止点进入做功冲程。
上述空气压縮储存系统为二〜三级空气压縮储存系统， 该二〜三 级空气压縮储存系统由串联二〜三级压缩泵， 中间冷却器和带有循环 水冷却器的压缩空气储存瓶组成； 上述串联二〜三级压缩泵包括第一 级与排气管连接由发动机尾气驱动的增压涡轮式空气压縮机及第二〜 三级与曲轴的动力输出轴连接并由其驱动的机械式空气压缩机， 气体 通过每一级压缩后都经过冷却； 上述压缩空气储存瓶的输入端与机械 式空气压缩机的输出端连接， 且其输出端与进气管及扫气管连接。
上述进气系的数目为 2〜4个且均匀设在气缸盖上。
上述扫气系的数目为 1〜2个， 且其设置在接近气缸壁的气缸盖边 缘上形成涡流扫气， 或设置在活塞下止点以上的气缸下方而形成直流 扫气。
上述排气系的数目为 2〜4个且均匀设在气缸盖上。
进一步， 其还包括一设于气缸盖中部上方的副燃烧室， 其通过管 道与气缸盖下方的燃烧室相通， 所述副燃烧室上设有进气系、 扫气系 及点火器， 且进气管上或副燃烧室内设有喷油器。
上述进气阀门、扫气阀门及排气阀门与一联动控制传动机构连接， 且该联动控制传动机构与曲轴的动力输出轴连接并由其驱动， 通过联 动控制传动机构实现进气阀门、 扫气阀门、 排气阀门、 喷油器、 点火 器及活塞联动协调工作。
上述进气阔门、 扫气阀门与一电子控制装置连接； 所述排气阀门 与一联动控制传动机构连接， 且该联动控制传动机构与曲轴的动力输 出轴连接并由其驱动， 通过该电子控制装置及联动控制传动机构实现 进气阔门、 扫气阀门、 排气阀门、 喷油器、 点火器及活塞联动协调工 作。
上述联动控制传动机构为联动控制齿轮链条传动机构， 或为联动 控制齿轮皮带传动机构。
上述喷油器设在气缸盖上， 或设在进气管内。
更进一步， 在活塞下止点至活塞上止点之间的气缸容积约为活塞 上止点至气缸盖之间的容积的 16〜24倍。
上述点火器为电火花塞， 或为电热丝； 当点火器为电热丝时， 电 热丝持续加热， 其通过进气阀门、 喷油器的开启时间来控制点火正时。
本发明采用外置的空气压縮储存系统对进入气缸的气体进行预压 缩和预冷却储存， 高效提高压缩比和降地进气温度， 升功率高， 大幅 提高热效率和节约燃料。 附图说明
图 1为本发明的实施例 1结构示意简图；
图 2为本发明的实施例 1气缸盖顶部示意图；
图 3为本发明实施例 1当做功冲程结束， 排气阀门开启， 高压废 气排出时的工作状态示意图； 图 4为本发明实施例 1当活塞越过下止点， 进入排气冲程， 扫气 阀门开启， 低压废气排出时的工作状态示意图；
图 5为本发明实施例 1当扫气阀门关闭， 活塞上行， 继续排气冲 程的工作状态示意图；
图 6为本发明实施例 1当排气阀门关闭， 进气阀门、 扫气阀门及 喷油器开启， 随后电火花塞开启时的工作状态示意图；
图 7为本发明实施例 1在当达到发动机所需压缩比后，进气阀门， 扫气阀门及喷油器关闭时的工作状态示意图；
图 8为本发明实施例 1活塞越过上止点， 进入做功冲程时的工作 状态示意图；
图 9为本发明实施例 4中增加副燃烧室的技术方案结构示意图。 以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述， 但本发明 的实施方式不限于此。 具体实施方式
实施例 1
如图 1和 2所示， 本发明的外压缩式二冲程发动机， 包括气缸 1、 活塞 2、 曲轴 3及气缸盖， 气缸盖上设有喷油器 7、 电火花塞 8、 由进 气管和进气阀门组成的进气系 6、 由扫气管和扫气阔门组成的扫气系 4 及由排气管和排阀门组成的排气系 5， 活塞 2通过活塞连杆 15与曲轴 3连接，. 上述喷油器 7为电控燃油喷雾器。 本发明还包括一设于气缸 1 外且与进气管及扫气管连接用以提供低温压縮空气的空气压縮储存系 统， 具体是， 该空气压縮储存系统为二级空气压缩储存系统， 其由串 联二级压缩泵， 中间冷却器和带有循环水冷却器 13的压缩空气储存瓶 12组成， 气体通过每一级压缩后都经过冷却； 所述串联二级压缩泵包 括第一级与排气管 5连接由发动机尾气驱动的增压涡轮式空气压缩机 11及第二级与曲轴的动力输出轴 9连接并由其驱动的机械式空气压缩 机 10; 所述压缩空气储存瓶 12的输入端与机械式空气压缩机 10的输 出端连接， 且其输出端与进气管及扫气管连接。 进一步， 曲轴 3 的动 力输出轴 9与机械式空气压缩机 10的连接处设有电磁离合器， 当压缩 空气储存瓶 12压力超过允许值时， 该离合器自动断开。 所述压缩空气 储存瓶 12开始就储满高压空气， 以后一直保持一定的压力， 其设有高 压泄气保护阀门， 进气口装有单向止回阀， 进、 出气口都安装有自动 锁死装置， 停机时自动关闭， 以防漏气。 所述压缩空气储存瓶具有储 压、 调压、 冷却和防漏功能。
进一步如图 2所示， 上述进气系 6的数目为 2〜4个且均匀设在气 缸盖上， 其最佳为 2个； 上述扫气系 4的数目为 1〜2个且其设置在接 近气缸壁的气缸盖边缘上， 其最佳为 2个， 且必要时扫气系 4也可以 兼做进气系 6， 实现进气功能； 上述排气系 5的数目为 2〜4个且均匀 设在气缸盖上， 其最佳为 4个。 其中， 进气阀门和扫气阀门是电子控 制开关， 排气阀门是机械控制开关， 具体是， 进气阀门、 扫气阀门与 一电子控制装置连接， 而排气阀与联动控制传动机构连接， 通过该电 子控制装置及联动控制传动机构实现进气阀门、 扫气阀门、 排气阀门、 喷油器 7、 电火花塞 8及活塞联动协调工作。进一步， 上述联动控制传 动机构为联动控制齿轮链条传动机构， 或为联动控制齿轮皮带传动机 构。 由于阀门的控制为现有公知技术， 在此不再详述。 更进一步， 在 活塞下止点至活塞上止点之间的气缸容积约为活塞上止点至气缸盖之 间的容积的 16〜24倍， 最佳为 20倍， 即活塞冲程容积约为燃烧室容 积的 20倍。
以下通过工作过程和工作原理对本发明做进一步描述- 如图 3至 8所示， 当气缸中的活塞处于爆发做功冲程时， 活塞向 下运动， 当活塞运动到接近下止点时， 排气阀门开启， 气缸内的高压 废气排出 （如图 3所示）， 活塞继续运动， 当活塞通过下止点时， 扫气 阀门开启， 高压空气冲向气缸下方的活塞表面， 扫气喷口设计成特定 的口径、 数量和角度， 能形成强烈的涡流， 将气缸中的低压剩余废气 推出气缸（如图 4所示）， 在通入足够的扫气空气量后， 扫气阀门关闭 (如图 5所示）， 活塞继续上行， 开始排气冲程， 当活塞上行距离超过 冲程的一半距离时， 电火花塞点火之前的适当时刻排气阀门关闭， 随 后进气阀门和喷油器开启， 同时点火花塞也开启， 由于喷入的气体是 高压气体， 加上采用电子控制的进气阀门其体积和口径都很小， 可以 做到多个进气阀门同时开启， 高压空气的强大动能以及进气阀门的口 径、 开口数量、 角度及位置的精心设计使之产生强烈的涡流， 使燃料 与空气在极短的时间内充分混合， 并很快达到发动机所需的压缩比， 紧接着电火花塞点火（如图 6所示)， 再者点火时进气、 喷油可以同时 进行， 直到达到发动机所需的压縮比， 在活塞到达上止点之前完成点 火过程（如图 7所示）， 由于喷入气体在气缸内停留的时间极短又很少 气缸内的气体压缩， 所以可燃气温度升高很少， 这就降低了爆震的可 能性， 加上高压气体输入的压力大、 速度快所以不会出现回火现象， 可以做到像燃气轮机一样边燃烧边喷油、 喷气， 当活塞越过上止点后， 进入做功冲程， 可燃气进入急燃期， 在最佳扭矩点达到爆发顶点 （如 图 8所示）， 然后下行重复同样过程。
当本发明的发动机只需小功率运转时， 活塞运动 2个往复冲程， 进气、 喷油开启一次， 点火一次， 变成四冲程发动机。 具体过程是， 做功 （爆发） 冲程结束时， 活塞接近下止点， 进气阀门、 喷油器及电 火花塞关闭， 排气阀门开启， 活塞越过下止点后扫气阀门开启， 随后 关闭， 活塞继续上行， 接近上止点时， 排气门关闭， 此时依靠发动机 飞轮惯性， 活塞越过上止点然后下行， 活塞下行到接近下止点时， 排 气阀门开启， 活塞越过下止点后， 扫气阀门开启， 随后关闭， 活塞上 升， 当超过活塞冲程一半以上距离时， 排气阀门关闭， 进气阀门、 扫 气阀门及喷油器开启， 电火花塞随后开启， 燃料点火后， 活塞越过上 止点， 进入做功 （爆发） 冲程。 在这种小功率运行的工作状况下， 扫 气更彻底。
本发明的技术设计方案有以下优点：
1 )降低进气（空气或可燃气）的初始温度， 降低排气压力和温度: 由卡诺循环效率可知：
效率 = 1一低温 /高温 （ n = i— T∞ld/Th。t)
因此， 在其它条件不变的情况下 （包括压缩比）， 降低进气初始温 度和排气温度或提高爆发时的温度都可以提高发动机的效率。 现代汽 油机之所以效率高是因为其间断性燃烧而从高温热源吸热爆发时产生 高温， 但燃烧初始温度高排气温度高导致其效率降低， 效率不能进一 步提高， 奥托汽油机进气在气缸内停留时间长， 经过气缸壁传热和气 体压縮后升温， 在压縮冲程结束时可燃气温度达 750k， 气缸爆发冲程 中最高温度达 2700k。 而本发明的发动机气体在气缸内停留的时间极 短， 而且气缸内基本无气体压缩过程， 所以温度上升很少， 点火燃烧 时气体温度约 330k， 这样在其它条件不变的情况下热效率可提高。
而且本发动机压缩比与气缸容积无关， 可以通过加大气缸容积的 方法降低排气压力和温度。 而柴油机压缩结束时的温度更高达 1000k, 而且爆发时最高温度低， 约 2100k左右， 因此从这方面来看柴油机在 同样压缩比时热效率不如奥托汽油机。 因此本发明的外压縮式二冲程 发动机由于可以降低进气温度和排气温度， 在相同的压缩比下， 其热 效率比现有的奥托汽油机和柴油机都要高。
2)提高压缩比：
现代柴油机之所以效率较高是因为其压缩比较大。 每增加一个大 气压的压缩比， 热效率可提高 4%〜5%， 上述虽然在相同的压缩比下 柴油机的热效率比汽油机低， 但是柴油机可以达到更高的压缩比， 因 此柴油机综合效率更高。
而限制汽油机提高压缩比的主要因素是爆震， 爆震产生的原因是 可燃气的高温和高压， 尤其是高温， 本发明的发动机输入的是经过压 缩和冷却的气体（空气或可燃气）， 输入的气体已达到或接近所需压缩 比， 气缸内基本无气体压缩的过程的升温及极少的气缸壁传热， 点火 燃烧时， 气体温度在 330k左右， 加上高压气体具有强大的动能， 可以 形成剧烈的涡流， 因而可以大幅度提高压缩比。
因此本发明的发动机可以同时从降低进气排气温度和提高压缩比 两个方面提高热效率， 较之现有汽油机和柴油机都有更高的效率和优 势。 应该指出的是， 上述空气压縮储存系统也可以为三级空气压縮储 存系统， 其由串联三级压缩泵， 中间冷却器和带有循环水冷却器的压 縮空气储存瓶组成； 所述串联三级压缩泵包括第一级与排气管连接由 发动机尾气驱动的增压涡轮式空气压缩机及第二、 三级与曲轴的动力 输出轴连接并由其驱动的机械式空气压缩机； 所述压缩空气储存瓶的 输入端与机械式空气压缩机的输出端连接， 且其输出端与进气管及扫 气管连接。进一步所述点火花塞也可以用电热丝来代替实现点火功能， 当实用电热丝点火时， 电热丝持续加热， 其通过进气阀门、 喷油器的 开启时间来控制点火正时。 所述扫气系也可以是设置在活塞下止点以 上的气缸下方而形成直流扫气。
实施例 2
本发明所述的外压缩式二冲程发动机， 其排气阀门、 进气阀门及 扫气阀门可以全是机械控制开关， 具体结构是， 排气阀门、 进气阀门 及扫气阔门与一联动控制传动机构连接， 且该联动控制传动机构与曲 轴的动力输出轴连接并由其驱动， 通过联动控制传动机构实现进气阀 门、 扫气阀门、 排气阀门、 喷油器、 电火花塞及活塞联动协调工作。 进一步， 上述联动控制传动机构为联动控制齿轮链条传动机构， 或为 联动控制齿轮皮带传动机构。 上述进气阀门和排气阀门都可以采用传 统的菌型（蘑菇状）气门，本实施例采用 2个进气系， 2个排气系， 1〜 2个扫气系，其阀门都采用机械控制开关，喷油器将燃料喷射在进气阀 门的背面使之气化（喷油方式跟四气门的奥托机大致相同）， 由于阀门 的控制为现有公知技术， 在此不再详述。 本实施例其它结构和工作过 程如实施例 1所述。 本发明所述的外压缩式二冲程发动机， 其喷油器可安装在进气管 上， 进气阀门开启时可直接喷入预混合的可燃气。 本实施例的喷油器 没有安装在气缸盖上对燃烧室进行喷油， 而是直接安装在进气管上， 在进气阀门开启之前（或同时)， 喷油器喷油与进气管内的高压空气形 成可燃气， 然后在排气冲程的后半冲程进入燃烧室， 可燃气进入气缸 时火花塞点火。本实施例的其它结构和工作运行过程如实施例 1所述。 实施例 4
如图 9所示， 本发明所述的外压缩式二冲程发动机， 其还可以增 加一设于气缸盖中部上方的副燃烧室， 副燃烧室通过管道与气缸盖下 方的燃烧室 （定义其为主燃烧室）相通， 所述副燃烧室上设有进气系、 扫气系及电火花塞， 且进气管上设有喷油器， 进气管的喷油部位周围 可被气缸壁或尾气加热， 副燃烧室内通入均匀混合的可燃气， 副燃烧 室有至少一条的火焰喷射管道主燃烧室相通， 主燃烧室进气阀门通入 高压空气， 燃料由喷油器在主燃烧室内直喷， 由副燃烧室的火焰点燃 主燃烧室的可燃气， 本实施例其它结构和工作运动过程如实施例 1 所 述。

Claims (13)

  1. 权 利 要 求
    1. 外压缩式二冲程发动机， 包括气缸、 活塞、 曲轴、 喷油器、 点火器 及气缸盖， 气缸盖上设有由进气管和进气阀门组成的进气系、 由扫 气管和扫气阀门组成的扫气系及由排气管和排阀门组成的排气系， 其特征在于： 还包括一与进气管及扫气管连接用以提供低温压縮空 气的空气压縮储存系统。
  2. 2. 根据权利要求 1所述的外压缩式二冲程发动机， 其特征在于： 当活 塞做功冲程向下运行接近下止点时， 排气阀门开启， 当活塞越过下 止点进入排气冲程时， 扫气阀门短暂开启， 然后关闭， 活塞继续上 升超过冲程一半时， 点火器点火之前的适当时刻排气阀门关闭， 随 后进气阀门、 喷油器开启， 同时点火器也开启， 在气缸内输入经过 冷却且已经达到或接近发动机所需压縮比的高压空气或可燃气， 随 后燃料点燃， 达到发动机所需的压缩比后， 进气阀门关闭， 随后活 塞越过上止点进入做功冲程。
  3. 3. 根据权利要求 1所述的外压缩式二冲程发动机， 其特征在于： 所述空气压缩储存系统为二〜三级空气压缩储存系统， 该二〜 三级空气压缩储存系统由串联二〜三级压縮泵， 中间冷却器和带 有循环水冷却器的压缩空气储存瓶组成；
    所述串联二〜三级压缩泵包括第一级与排气管连接由发动机尾 气驱动的增压涡轮式空气压缩机及第二〜三级与曲轴的动力输出 轴连接并由其驱动的机械式空气压缩机， 气体通过每一级压缩后 都经过冷却；
    所述压缩空气储存瓶的输入端与机械式空气压缩机的输出端连 接， 且其输出端与进气管及扫气管连接。
  4. 4. 根据权利要求 1所述的外压缩式二冲程发动机， 其特征在于： 所述 进气系的数目为 2〜4个且均匀设在气缸盖上。
  5. 5. 根据权利要求 1所述的外压缩式二冲程发动机， 其特征在于： 所述 扫气系的数目为 1〜2个， 且其设置在接近气缸壁的气缸盖边缘上， 或设置在活塞下止点以上的气缸下方。
  6. 6. 根据权利要求 1所述的外压缩式二冲程发动机， 其特征在于： 所述 排气系的数目为 2〜4个且均匀设在气缸盖上。
  7. 7. 根据权利要求 1所述的外压缩式二冲程发动机， 其特征在于： 还包 括一设于气缸盖中部上方的副燃烧室， 其通过管道与气缸盖下方的 燃烧室相通， 所述副燃烧室上设有进气系、 扫气系及点火器， 且进 气管上或副燃烧室内设有喷油器。
  8. 8. 根据权利要求 1 所述的外压缩式二冲程发动机， 其特征在于： 所 述进气阀门、 扫气阀门及排气阀门与一联动控制传动机构连接， 且 该联动控制传动机构与曲轴的动力输出轴连接并由其驱动， 通过联 动控制传动机构实现进气阀门、 扫气阀门、 排气阀门、 喷油器、 点 火器及活塞联动协调工作。
  9. 9. 根据权利要求 1 所述的外压縮式二冲程发动机， 其特征在于： 所 述进气阀门、 扫气阀门与一电子控制装置连接； 所述排气阀门与一 联动控制传动机构连接， 且该联动控制传动机构与曲轴的动力输出 轴连接并由其驱动， 通过该电子控制装置及联动控制传动机构实现 进气阀门、 扫气阀门、 排气阀门、 喷油器、 点火器及活塞联动协调 工作。
  10. 10.根据权利要求 8或 9所述的外压缩式二冲程发动机， 其特征在于： 所述联动控制传动机构为联动控制齿轮链条传动机构， 或为联动控 制齿轮皮带传动机构。
  11. 11.根据权利要求 1所述的外压缩式二冲程发动机， 其特征在于： 所述 喷油器设在气缸盖上， 或设在进气管内。
  12. 12.根据权利要求 1所述的外压缩式二冲程发动机， 其特征在于： 在活 塞下止点至活塞上止点之间的气缸容积约为活塞上止点至气缸盖 之间的容积的 16〜24倍。
  13. 13.根据权利要求 1所述的外压缩式二冲程发动机， 其特征在于： 所述 点火器为电火花塞， 或为电热丝； 当点火器为电热丝时， 电热丝持 续加热， 其通过进气阀门、 喷油器的开启时间来控制点火正时。
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