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(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)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_(kāi)，估計(jì)超過(guò)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(lái)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(rùn)滑劑與燃料混合的潤(rùn)滑方法。
此方法指，一旦蒸發(fā)了汽油，潤(rùn)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(guò)程)、污染排氣管及阻塞滅音器。潤(rùn)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(rùn)滑劑，令情況惡化。
從上述可見(jiàn)，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(wèn)題是通過(guò)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(guò)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(guò)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(rùn)滑能力的柴油才可達(dá)至如此高的壓力(高黏度)。不含潤(rùn)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(wèn)題的方法中，只有奧比度發(fā)動(dòng)機(jī)公司(Orbital Engine Corp.Ltd.)所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)能達(dá)至正面效果。通過(guò)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(kāi)發(fā)并完善了稱為「空氣輔助注入」的注入技術(shù)，通過(guò)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(guò)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(guò)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(rùn)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(jiàn)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(lái)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(rùn)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(guò)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(rùn)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(kāi)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(shuō)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(rùn)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(guò)已知方式實(shí)現(xiàn)壓力化系統(tǒng)及潤(rùn)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(jué)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(guò)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(zhǎng)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(guò)，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(kāi)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(guò)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(zhǎng)，合乎經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)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(méi)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(rùn)滑方式的問(wèn)題而言，二沖程內(nèi)燃機(jī)一般在潤(rùn)滑的情況下操作。潤(rùn)滑劑是通過(guò)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(guò)采用直接注入的方式，汽油并不流過(guò)曲軸箱，令潤(rùn)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(guò)」曲軸箱，因此只需小量的潤(rùn)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(jiǎn)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(wú)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(rùn)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(kāi)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(kāi)啟，開(kāi)啟時(shí)間為所述活塞(4)在壓縮沖程開(kāi)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(rùn)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(kāi)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