專利名稱:設(shè)有直接燃料注入燃燒系統(tǒng)的二沖程內(nèi)燃機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種設(shè)有直接燃料注入燃燒系統(tǒng)的二沖程內(nèi)燃機(jī)。
背景技術(shù):
往復(fù)式二沖程內(nèi)燃機(jī)獲全球公認(rèn)為設(shè)計(jì)最簡單的內(nèi)燃機(jī),因此除了設(shè)有發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)組、鏈鋸、割草機(jī)、水中使用的舷外發(fā)動(dòng)機(jī)等的所謂四輪電動(dòng)車外,活塞排量介乎50cc至125cc的摩托車及小摩托車等小型汽車亦采用此類內(nèi)燃機(jī)作為推進(jìn)器。采用設(shè)計(jì)「簡單」的推進(jìn)系統(tǒng),是由于此類汽車屬于低增值制品,因此推進(jìn)系統(tǒng)及其它組件的工業(yè)成本需要維持于低水平。其它因素包括低重量(高功率重量比)及有限維修。
雖然二沖程內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)簡單、低成本,但存在一系列缺點(diǎn),包括高度重迭進(jìn)氣及排氣相。使用時(shí),許多曲柄轉(zhuǎn)角的新鮮充氣口及燃?xì)馀艢饪诰蜷_,估計(jì)超過40%的新鮮空氣泄漏,引致廢氣中含有高比例的未燃碳?xì)?,難以符合現(xiàn)時(shí)及未來采用的「反污染」標(biāo)準(zhǔn)。
另一產(chǎn)生污染物的重要原因是有關(guān)把潤滑劑與燃料混合的潤滑方法。
此方法指,一旦蒸發(fā)了汽油,潤滑劑會(huì)形成一層薄水滴,與新鮮空氣一同輸送到燃燒室,并按比例排放,因而產(chǎn)生黑煙(燃油未完成燃燒過程)、污染排氣管及阻塞滅音器。潤滑劑被燃料稀釋并降低其效用,因此必須保持汽油中高濃度的潤滑劑,令情況惡化。
從上述可見,有關(guān)缺點(diǎn)是由空氣進(jìn)入燃燒室前空氣與燃料混合而成的進(jìn)料種類而造成的。為減少上述缺點(diǎn),已采取各種方法,一般是把燃料直接輸送到燃燒室。其中的例子是大型二沖程柴油推進(jìn)系統(tǒng),但有別于柴油推進(jìn)系統(tǒng),二沖程柴油推進(jìn)系統(tǒng)存在不少缺點(diǎn),包括混合燃料的困難,導(dǎo)致異常的燃燒及操作。事實(shí)上,在二沖程及四沖程柴油推進(jìn)系統(tǒng)中,混合燃料的問題是通過準(zhǔn)確設(shè)計(jì)設(shè)有旋渦的進(jìn)氣管及燃燒室而解決,尤其是通過在高壓下操作的精密注入系統(tǒng),壓力在純機(jī)械系統(tǒng)下可達(dá)至1000bar,在所謂的「共同軌道」系統(tǒng)下更可達(dá)至更高的壓力。通過有關(guān)的燃料注入壓力水平,燃料被分散成水滴般的大小(極高的燃料霧化程度),能在極短的時(shí)間內(nèi)與新鮮空氣完全混合。只有高潤滑能力的柴油才可達(dá)至如此高的壓力(高黏度)。不含潤滑能力的汽油(低黏度)并不能達(dá)至高壓力,因?yàn)闀?huì)引致壓力系統(tǒng)(泵)與噴射器的磨擦(金屬與金屬的直接磨擦)。
在各種解決上述問題的方法中,只有奧比度發(fā)動(dòng)機(jī)公司(Orbital Engine Corp.Ltd.)所開發(fā)的系統(tǒng)能達(dá)至正面效果。通過采用特別精密的注入技術(shù),成功發(fā)展汽車專用的二沖程推進(jìn)系統(tǒng),效能令人滿意,與四沖程推進(jìn)系統(tǒng)比較,污染排放度較低。事實(shí)上,奧比度發(fā)動(dòng)機(jī)(Orbital Engine)開發(fā)并完善了稱為「空氣輔助注入」的注入技術(shù),通過以低氣壓壓縮空氣的輔助,大小為10bar左右,能增加燃料霧化(減少水滴的平均直徑,又稱為沙德直徑(SMD))。奧比度發(fā)動(dòng)機(jī)通過利用壓縮空氣的膨脹能力,以輸送液態(tài)燃料,并提供所需的分散能量,達(dá)至低沙德直徑的燃料注入,純機(jī)械注入系統(tǒng)的能量則由上述高壓注入提供。通過此類注入系統(tǒng),奧比度發(fā)動(dòng)機(jī)能發(fā)展汽車專用的二沖程推進(jìn)系統(tǒng),從污染排放度的角度看,其效能可與四沖程推進(jìn)系統(tǒng)相比擬。
奧比度發(fā)動(dòng)機(jī)最近此技術(shù)應(yīng)用到一部擁有50cc活塞排量的二沖程內(nèi)燃機(jī)中。此項(xiàng)產(chǎn)品大大減少燃料與潤滑劑的耗用,以及污染物的排放。從前,以上結(jié)果需要使用復(fù)雜的裝置才能做到(試想象采用大型壓縮機(jī)生產(chǎn)50cc發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮空氣)。事實(shí)上,除大型壓縮機(jī)外,此技術(shù)提供不少于兩個(gè)「噴射器」,一個(gè)把汽油注入到預(yù)備混合室,另一個(gè)把混合室與燃燒室連接。兩個(gè)「氣閥」均由控制器管理,可見有關(guān)技術(shù)的復(fù)雜性,引致生產(chǎn)成本及維修成本上升,因此奧比度的技術(shù)極少應(yīng)用于低增值的小摩托車中。
用于此類推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)必須成本低廉(整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)增值有限),并可在減少污染物方面改善推進(jìn)系統(tǒng)的「效能」,藉以符合現(xiàn)時(shí)及未來的法律。
本發(fā)明的一般用途為改善上述缺點(diǎn),使現(xiàn)有的二沖程推進(jìn)系統(tǒng)較傳統(tǒng)二沖程推進(jìn)系統(tǒng)擁有至少以下其中一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)-有限的未燃碳?xì)渑欧帕浚?大大減少相同能量下的燃料及潤滑油消耗,-有限成本,及-有限的維修需要。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過低成本或極低成本的注入裝置,采用純機(jī)械方式直接注入燃料至燃燒室內(nèi),以達(dá)至上述優(yōu)點(diǎn)。
有關(guān)裝置需要采用大批生產(chǎn)的商用汽車噴射器,確保工業(yè)成本低廉。
尤其是,本發(fā)明的二沖程內(nèi)燃機(jī)包括以下特征-一個(gè)氣缸(2),-一個(gè)附有連接桿的活塞(4),
-一個(gè)氣缸蓋(3),其在燃燒室的一邊封閉所述氣缸(2),-一個(gè)曲軸箱(12),其在所述燃燒室的對(duì)邊封閉所述氣缸(2),-一個(gè)插入所述氣缸蓋的火花塞(5),及-一條燃?xì)馀欧殴?8),其進(jìn)氣口設(shè)于所述氣缸(2)接近所述活塞(4)下止點(diǎn)的內(nèi)表面;其特征在于它還設(shè)有-一條進(jìn)氣管(6),其設(shè)有設(shè)于接近所述活塞(4)下止點(diǎn)的燃燒室進(jìn)氣口(13)(后稱為《換氣口》),以及其它設(shè)于所述氣缸(2)中接近所述曲軸箱(12)的位置或所述曲軸箱中的進(jìn)氣口,-一條把潤滑油輸送到所述進(jìn)氣管(6)的管道(7),-一個(gè)感應(yīng)驅(qū)動(dòng)軸的旋動(dòng)速率及角位的傳感器(9),-一個(gè)傾斜地插入氣缸壁(2)的燃料噴射器(1),其傾斜角度令注入所述燃燒室的燃料噴流沖擊所述火花塞(5)旁的氣缸蓋(3)壁,其安裝位置使所述活塞(4)在上止點(diǎn)時(shí)置于所述噴射器(1)及所述燃燒室之間,及-一個(gè)控制器(10),其根據(jù)所述傳感器(9)的輸出訊號(hào),所述控制器(10)將所述火花塞(5)的點(diǎn)火時(shí)間、所述噴射器(1)的開啟時(shí)間與及驅(qū)動(dòng)軸的循環(huán)活動(dòng)互相協(xié)調(diào),并根據(jù)使用者設(shè)定的旋動(dòng)速率、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷及加速規(guī)定,調(diào)整所述內(nèi)燃機(jī)每個(gè)周期的燃料注入量。
以下附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作出說明,并解釋本發(fā)明裝置的目的及特征。
圖1是本發(fā)明設(shè)有直接燃料注入系統(tǒng)的二沖程內(nèi)燃機(jī)的部件分解圖;圖2是根據(jù)圖1實(shí)現(xiàn)的內(nèi)燃機(jī)(上半部)側(cè)面剖視圖;及圖3是圖2內(nèi)燃機(jī)的仰視圖。
具體實(shí)施例方式
如上圖所示,圖1內(nèi)燃機(jī)的各個(gè)部件有下列意義。
1噴射器,2二沖程往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)氣缸,3同一內(nèi)燃機(jī)的氣缸蓋,4活塞及與其相連的連接桿,5火花塞,6進(jìn)氣管(不設(shè)蝶形或門式氣閥),7潤滑油輸入管道,
8排氣管,9rpm或驅(qū)動(dòng)軸定位傳感器(感測(cè)器),10用以協(xié)調(diào)噴射器及火花塞的電子控制器,11確??諝鈫蜗蛄鲃?dòng)的單向葉片閥,12內(nèi)燃機(jī)曲軸箱(槽)在建議附圖中,當(dāng)更清楚描述本發(fā)明時(shí),通過已知方式實(shí)現(xiàn)壓力化系統(tǒng)及潤滑系統(tǒng)的部分一概省略。
圖2的實(shí)施例剖視圖顯示模型噴射器及氣缸蓋壁的建議傾斜角度(并非必須遵守)(圖中標(biāo)號(hào)為13的進(jìn)氣管及標(biāo)號(hào)為8的管道,其入口看似伸進(jìn)燃燒室,與現(xiàn)實(shí)不符,實(shí)是視覺效果)。
本發(fā)明的操作方式如下當(dāng)活塞(4)剛封閉換氣口(13)(空氣輸入),燃料會(huì)通過噴射器(1)注入到氣缸(2)中。在這情況下,由于氣缸及燃燒室的氣壓低,噴射器(1)只需低氣壓便可噴注入其中。燃料噴流注入燃燒室,并沖擊位于火花塞(5)旁氣缸蓋(3)上的燃燒室壁。受沖擊后,將產(chǎn)生兩個(gè)綜合效應(yīng)。首先是起動(dòng)了所謂的次級(jí)霧化,亦即是在燃料點(diǎn)滴在主要燃料噴流沖擊燃燒室壁后,燃料點(diǎn)滴將會(huì)從燃燒室壁分離并散布在燃燒室內(nèi)。第二個(gè)效應(yīng)是燃料沖擊射流產(chǎn)生液體與固體的高對(duì)流熱能交換系數(shù),因此沖擊在氣缸蓋壁(一般位于吸熱機(jī)較高溫度組件之間)的燃料射流吸收熱量,從而提升熱含量,并促使燃料快速蒸發(fā)。以上效應(yīng),配合燃料長期處于燃燒室(在首次壓縮沖程中注入燃料)、錐形的燃燒室,以及火花室置于受沖擊區(qū)旁的中央位置,確保在所有內(nèi)燃機(jī)的操作速率下,混合物均不能燃燒。因此,只需根據(jù)旋動(dòng)速率和發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷調(diào)整燃料注入量(以及注入位置及點(diǎn)燃程序),便可調(diào)整內(nèi)燃機(jī),更可以強(qiáng)力空氣輸入燃燒,大大減少未燃碳?xì)浼耙谎趸嫉漠a(chǎn)生。
另一優(yōu)點(diǎn)是,即使在最緩慢的運(yùn)作下,廢氣中常有大量分子氧,因?yàn)樵趦?nèi)燃機(jī)缺乏節(jié)氣閥的情況下,會(huì)有最多的空氣流過,造成氧化催化器的有效運(yùn)作,氧化催化器通常安裝于此類內(nèi)燃機(jī)的排氣管中。大量空氣減低高峰期的燃燒溫度,從而減少氧化氮的產(chǎn)生。
關(guān)于「靜態(tài)」操作情況,在內(nèi)燃機(jī)操作初期,氣缸蓋的內(nèi)壁溫度與四周溫度相近,需要指示噴射器注入更多燃料(增加燃料)。由大量燃料注入引致初級(jí)及次級(jí)霧化增加,藉以彌補(bǔ)受「熱」氣缸蓋壁引致的燃料蒸發(fā)減少,并開始啟動(dòng)內(nèi)燃機(jī)及逐步加熱。在傳感器(為更清晰的描述而省略)偵測(cè)內(nèi)燃機(jī)加熱期間,控制器(10)將逐步減少燃料的大量注入,直至達(dá)到穩(wěn)定的階段。由于在此期間活塞是位于噴射器及燃燒室之間,氣缸上的噴射器位置可避免其受到高氣壓及燃燒所產(chǎn)生的溫度所影響。
從上述描述可推斷以下優(yōu)點(diǎn)。
在使用上,本發(fā)明采用汽車專用的噴射器注入燃料。噴射器可輕易安裝于小型二沖程內(nèi)燃機(jī)的氣缸壁上,并以合乎其設(shè)計(jì)的方式操作。由于噴射器是在壓縮沖程初期用作噴射燃料,因此噴射器把燃料輸送到低氣壓的環(huán)境中,而所有的注入壓力是用作向注入燃料提供能量。液體從小孔中流出時(shí),「逆流-順流」壓力同樣重要,而并非只靠逆流(注入)壓力。
通過把噴射器安裝于氣缸壁上,可實(shí)現(xiàn)保護(hù)噴射器免受壓力及燃燒期間的高峰期溫度所影響,實(shí)現(xiàn)方式是使接近上止點(diǎn)的活塞置于燃料泄孔及噴射器的前面,以確保噴射器更耐用。與安裝于氣缸蓋上的噴射器或氣閥比較,安裝于氣缸上的噴射器有較少的碳質(zhì)燃燒殘?jiān)?br>
本發(fā)明采用噴射器及機(jī)械汽油泵以取代汽化器。組件的更替只涉及有限的成本增長,合乎經(jīng)濟(jì)效益。通過直接注入,廢氣中的未燃碳?xì)鋾?huì)因輸入箱及排氣箱重迭而大大減少。
純機(jī)械注入(在沒有壓縮空氣的輔助下以低壓注入汽油)需要采用有效的控制器,能根據(jù)使用者當(dāng)時(shí)控制的變速器調(diào)整內(nèi)燃機(jī)的速率、溫度等,從而調(diào)整注入的燃料。
就潤滑方式的問題而言,二沖程內(nèi)燃機(jī)一般在潤滑的情況下操作。潤滑劑是通過量泵與汽油混合或輸送到輸入器中,然后再輸送到干燥的曲軸箱中,成為吸入空氣的氣泵。通過采用直接注入的方式,汽油并不流過曲軸箱,令潤滑油不再添加到曲軸箱中,因此本發(fā)明可把汽油直接注入輸入器并滲入曲軸箱。由于汽油不再「流過」曲軸箱,因此只需小量的潤滑油,約減少50%。
其它的任何未背離本實(shí)用新型的精神下所作的實(shí)質(zhì)或原理上的改變、修飾、替代、組合、簡化,均應(yīng)為等效的置換或替換方式,都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
其中一個(gè)改變是把管道(6)的進(jìn)氣口安裝于較低的位置。除了安裝于圖1所示曲軸箱旁的氣缸氣缸蓋外,管道亦可安裝于曲軸箱內(nèi),而無須改變內(nèi)燃機(jī)的操作。
權(quán)利要求
1.一種二沖程內(nèi)燃機(jī),它包括-一個(gè)氣缸(2),-一個(gè)附有連接桿的活塞(4),-一個(gè)氣缸蓋(3),其在燃燒室的一邊封閉所述氣缸(2),-一個(gè)曲軸箱(12),其在所述燃燒室的對(duì)邊封閉所述氣缸(2),-一個(gè)插入所述氣缸蓋的火花塞(5),及-一條燃?xì)馀欧殴?8),其進(jìn)氣口設(shè)于所述氣缸(2)接近所述活塞(4)下止點(diǎn)的內(nèi)表面;其特征在于它還設(shè)有-一條進(jìn)氣管(6),其設(shè)有設(shè)于接近所述活塞(4)下止點(diǎn)的燃燒室進(jìn)氣口(13)(后稱為《換氣口》),以及其它設(shè)于所述氣缸(2)中接近所述曲軸箱(12)的位置或所述曲軸箱中的進(jìn)氣口,-一條把潤滑油輸送到所述進(jìn)氣管(6)的管道(7),-一個(gè)感應(yīng)驅(qū)動(dòng)軸的旋動(dòng)速率及角位的傳感器(9),-一個(gè)傾斜地插入氣缸壁(2)的燃料噴射器(1),其傾斜角度令注入所述燃燒室的燃料噴流沖擊所述火花塞(5)旁的氣缸蓋(3)壁,其安裝位置使所述活塞(4)在上止點(diǎn)時(shí)置于所述噴射器(1)及所述燃燒室之間,及-一個(gè)控制器(10),其根據(jù)所述傳感器(9)的輸出訊號(hào),所述控制器(10)將所述火花塞(5)的點(diǎn)火時(shí)間、所述噴射器(1)的開啟時(shí)間與及驅(qū)動(dòng)軸的循環(huán)活動(dòng)互相協(xié)調(diào),并根據(jù)使用者設(shè)定的旋動(dòng)速率、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷及加速規(guī)定,調(diào)整所述內(nèi)燃機(jī)每個(gè)周期的燃料注入量。
2.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī),其特征在于它還包括一個(gè)置于所述進(jìn)氣管(6)內(nèi)使空氣只可單向流動(dòng)的單向氣閥(11)。
3.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī),其特征在于所述控制器(10)在每個(gè)周期控制所述噴射器(1)的開啟,開啟時(shí)間為所述活塞(4)在壓縮沖程開始時(shí)剛封閉所述換氣口(13)之后。
4.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī),其特征在于它還包括一個(gè)內(nèi)燃機(jī)溫度傳感器,所述控制器(10)根據(jù)所述溫度傳感器偵測(cè)出的溫度調(diào)整所述內(nèi)燃機(jī)每個(gè)周期的燃料注入量;在所述內(nèi)燃機(jī)操作初期,若未達(dá)到操作溫度,則增加所述燃料注入量。
5.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī),其特征在于所述氣缸蓋(3)的內(nèi)表面呈錐形,所述火花塞(5)位于其中央。
6.如權(quán)利要求5所述的內(nèi)燃機(jī),其特征在于所述氣缸蓋內(nèi)表面與一面對(duì)所述氣缸口的平面相互之間呈33.1度角。
7.如權(quán)利要求6所述的內(nèi)燃機(jī),其特征在于所述噴射器(1)與所述平面相互之間呈32.5度角。
8.如權(quán)利要求2所述的內(nèi)燃機(jī),其特征在于所述曲軸箱(12)與所述活塞(4)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)用作一吸氣泵。
全文摘要
一種二沖程內(nèi)燃機(jī),其特征在于它包括一個(gè)氣缸(2),一個(gè)附有連接桿的活塞(4),一個(gè)氣缸蓋(3),其在燃燒室的一邊封閉所述氣缸(2),一個(gè)曲軸箱(12),其在所述燃燒室的對(duì)邊封閉所述氣缸(2),一個(gè)插入所述氣缸蓋的火花塞(5),及一條燃?xì)馀欧殴?8),其進(jìn)氣口設(shè)于所述氣缸(2)接近所述活塞(4)下止點(diǎn)的內(nèi)表面;其特征在于它還設(shè)有一條進(jìn)氣管(6),其設(shè)有設(shè)于接近所述活塞(4)下止點(diǎn)的燃燒室進(jìn)氣口(13)(后稱為“換氣口”),以及其它設(shè)于所述氣缸(2)中接近所述曲軸箱(12)的位置或所述曲軸箱中的進(jìn)氣口,一條把潤滑油輸送到所述進(jìn)氣管(6)的管道(7),一個(gè)感應(yīng)驅(qū)動(dòng)軸的旋動(dòng)速率及角位的傳感器(9),以及一個(gè)傾斜地插入氣缸壁(2)的燃料噴射器(1)。
文檔編號(hào)F01M3/02GK1798914SQ200480014940
公開日2006年7月5日 申請(qǐng)日期2004年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月29日
發(fā)明者安力高·利路 申請(qǐng)人:安力高·利路