專利名稱:對兩沖程內(nèi)燃機的改進及其操縱方法
本發(fā)明涉及的是內(nèi)燃機，該機至少包括一個由活塞限定的容積可變的工作室(燃燒室)，并至少有一個進氣口和一個排氣口。該機按兩沖程進行工作。
本發(fā)明涉及的發(fā)動機最好(但并不一定要求)是用渦輪增壓器進行增加。增壓器由兩部分組成一個由發(fā)動機排氣驅(qū)動的渦輪和一個與之機械相連的壓縮器，該壓縮器的出口與各個工作室的進氣口相通。
眾所周知，一臺內(nèi)燃機由至少一個容積可變的燃燒室組成，即一個由一個活動物(如活塞)和一個固定件(如氣缸)限定的燃燒室，該內(nèi)燃機工作總有兩個明顯的階段，即一個封閉階段，在該階段中由于正時機構(gòu)使進、排氣同時處于關(guān)閉狀態(tài)，使燃燒室與進、排氣系統(tǒng)隔離。
一個換氣的開放階段，在該階段，燃燒室與進氣和/或排氣系統(tǒng)相通。
在所有這類發(fā)動機中，這個開放階段都有一段除去在每個燃燒室中壓力的階段，這個排放期是在封閉階段和膨脹沖程最后，僅將排氣系統(tǒng)由排氣正時元件打開，使燃燒室與之相通。這個排放期在英語中常常被稱作“排氣沖擊”或“排氣脈沖”。由于由燃燒產(chǎn)生熱氣使得燃燒室內(nèi)壓力大大高于排氣系統(tǒng)內(nèi)的壓力(其比值在2或3之間)，在這期間產(chǎn)生膨脹，開始時可達音速后來為亞音速，在此過程中燃燒室中的大部分氣體都被送入排氣系統(tǒng)。
在四沖程發(fā)動機中，在排放期之后，至少有一部分剩余的燃氣被活塞推到排氣系中去，而新鮮空氣則在以后的工作容積增加階段被吸入。另一方面，在一臺兩沖程的發(fā)動機中，排氣期過后殘留在工作室中的廢氣則是在掃氣階段，即進排氣元件同時打開時，被高速運動的新鮮空氣逐出燃燒室。掃氣的有效程度是兩沖程發(fā)動機的效率和性能的一個決定因素。在這方面已經(jīng)有各種推薦的掃氣系統(tǒng)，特別是在兩沖程發(fā)動機中使用氣門作為進、排氣元件。
然而，要使掃氣取得顯著效果，工作室上游(即進氣系統(tǒng))的壓力總地來說無論何種發(fā)動機在掃氣過程中都要高于下游一側(cè)(即排氣系統(tǒng))的壓力。因此，時至今日所有兩沖程發(fā)動機，在上述掃氣過程中，都需要一種加壓手段以保持這一壓力差平均為正值。
這種產(chǎn)生壓力的方法，或是采用移動的活塞作為雙作用零件，例如與在其下部的空室相配合，或與主軸箱體相配合，并與合適的延時元件相連，以保證空氣在進入工作室前的預(yù)壓縮，或是采用一個與主軸機械連接的輔助調(diào)壓裝置，比如葉輪或壓縮器或ROOTS式壓縮機，或不由主軸驅(qū)動而用電動。
從經(jīng)濟觀點出發(fā)，采用這些產(chǎn)生壓力的不同方法，增加發(fā)動機附件，影響發(fā)動機尺寸及能耗，因而都有缺點。
在增壓兩沖程發(fā)動機中，發(fā)動機在大功率工作狀態(tài)下，掃氣過程中掃氣所必要的燃燒室上游和下游兩端正壓力差自然可以由渦輪增壓器保證。的確，當壓縮機以足夠的壓力比工作時，穩(wěn)定驅(qū)動渦輪增壓器所需的渦輪的膨脹比總是比較小，因為此時增壓器的總效率和在工作室出口處的排氣溫度會較高。因此，對一個現(xiàn)代的渦輪增壓器來說，如果其總效率為60%，其渦輪端進氣溫度為600℃，壓力為4巴，增壓器端則可將20℃的空氣壓力增至5個巴，這樣工作室自然就得到1巴的正壓力差。
然而，當這些增壓兩沖程發(fā)動機在低功率工作時，工作室出口處的氣體焓不足以保證增壓渦輪達到使上述壓力差為正的轉(zhuǎn)速。結(jié)果是，如果沒有輔助設(shè)備，由于這種反向的壓力差會阻止新鮮空氣進入工作室，而使發(fā)動機停止運轉(zhuǎn)。同樣，要想起動發(fā)動機也會極其困難。
這些輔助設(shè)備也許是上面提到的產(chǎn)生壓力那類型，也許是一種能夠獨立于發(fā)動機的渦輪增壓器，并能夠以防止在工作室上游、下游兩端產(chǎn)生反向壓差的速度運轉(zhuǎn)。例如，用一個旁通導(dǎo)管將增壓器的出口與渦輪的進口連通，并與一個輔助燃燒室相連，再用一個調(diào)速器以防止渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速掉到預(yù)定門限值之下。另一種選擇，可以是把渦輪增壓器附加一個渦輪，該渦輪可輸入有壓力的液體，比如一種Pelton式水力渦輪器。
然而，這些已知的輔助設(shè)備都較復(fù)雜，成本也高，而且當使用時，其結(jié)果是油耗增加。
因此本發(fā)明的一個目的就是提供一種使用渦輪增壓器，而在起動時和低功率工作時不需要外部掃氣裝置的發(fā)動機。
本發(fā)明的另一個目的則是當沒有上述附加設(shè)備二沖程發(fā)動機，特別但不僅僅是增壓發(fā)動機在低功率工作和起動時保證新鮮空氣以一種自然的方式進入兩沖程發(fā)動機的每個工作室。
本發(fā)明的另一個目的是為了有利于吸入新鮮空氣，利用或至少是部分利用在工作室出口處的氣體能量。
本發(fā)明的另一個目的是，如使用渦輪增壓器，當排氣正時元件打開時增加在每個工作室出口處的氣體能量，以促使渦輪增壓器轉(zhuǎn)子的加速。
本發(fā)明的另一個目的是改善發(fā)動機的扭矩特性曲線。
發(fā)明所提出的一臺內(nèi)燃機有至少一個由沒有橫向氣道的氣缸和其中的活塞限定的容積可變的工作室，并按兩沖程循環(huán)工作。該發(fā)動機最好是由(但不僅限于)渦輪增壓器增壓，該渦輪增壓器廢氣渦輪進口與工作室的出口相連，其增壓器的空氣出口與工作室的進氣口相通。增壓器被廢氣渦輪機械驅(qū)動，發(fā)動機工作室的進氣口和排氣口均有與發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)動同步動作的進、排氣門。其特點是，由于發(fā)動機沒有為起動和低功率運轉(zhuǎn)的外部掃氣裝置，上述進、排氣門由控制裝置驅(qū)動，控制裝置能根據(jù)發(fā)動機工作中的至少一個參數(shù)的變化，而改變進排氣門開啟和關(guān)閉所對應(yīng)的發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)角位置，當啟動時和低功率運轉(zhuǎn)時，上述控制裝置對上述發(fā)動機的工作參數(shù)變化作出反應(yīng)，可使進氣門相對于正常運轉(zhuǎn)工況提前開啟，同時保持進氣門比排氣門至少晚開啟20°。保證充足的空氣進入工作室。
按本發(fā)明，控制進、排氣門的裝置允許在很大曲軸轉(zhuǎn)角范內(nèi)對其開始開啟及關(guān)閉的角度位置進行調(diào)整。
本發(fā)明的領(lǐng)域因此不包括在大多數(shù)兩沖程發(fā)動機中可見到的那種由設(shè)在固定氣缸壁上并當活塞在運行過程中周期性地露出的氣口組成的固定式正時元件。對固定式正時元件來說，氣口相對于活塞運動位置打開和/或關(guān)閉的角度位置一但確定就不可改變，而且相對于對應(yīng)工作室最大容積的活塞位置(被稱為下止點)對稱，上述進氣口保證工作室與外部的溝通。
如氣門按1976年1月15日在法國專利中所述方法布置，則更為優(yōu)越。
在本發(fā)明中，發(fā)動機運轉(zhuǎn)參數(shù)意思是一個與發(fā)動機運轉(zhuǎn)相關(guān)而且至少可取兩個值的可探測的參數(shù)。其中一個值對應(yīng)于發(fā)動機的正常運轉(zhuǎn)工況。在這個運轉(zhuǎn)工況期間燃燒室上游即進氣口側(cè)與下游即排氣口側(cè)的壓力差保持為正，足以保證一臺常規(guī)兩沖程發(fā)動機的正常運轉(zhuǎn)。而另一個值則對應(yīng)發(fā)動機的另一個工況，即在此時上述的壓力差不夠大或為負值或根本不存在壓力差，也就是發(fā)動機停止運轉(zhuǎn)的情況。
該參數(shù)可以是增壓兩沖程發(fā)動機的增壓壓力值。
每循環(huán)進入工作室的燃油量。
發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)速。
排氣歧管中的溫度進、排氣壓力差的有效值，或最好是工作室上游側(cè)和下游側(cè)的直接壓力差。
控制裝置可以是各種形式，對由傳感器測得的上述參數(shù)做出反應(yīng)，而且控制進、排氣門的動作。比如它們可以是機械式的，通過象凸輪軸等傳動鏈直接由曲軸驅(qū)動，在這種情況下就需要提供機械或其它方式的調(diào)節(jié)裝置，以便修正進排氣門開啟和關(guān)閉的曲軸轉(zhuǎn)角位置。
上面提到的控制裝置也可以是電機，液力或是氣動式的，并且與發(fā)動機曲軸的轉(zhuǎn)動同步，響應(yīng)上述參數(shù)變化的調(diào)節(jié)裝置也允許對進、排氣門開啟及關(guān)閉的曲軸轉(zhuǎn)角位置進行修正。
因此，基于本發(fā)明，發(fā)動機可以以各種已知形式的兩種程發(fā)動機(可以是增壓也可不是增壓)在正常運轉(zhuǎn)的范圍內(nèi)工作。同時，如果在正常運轉(zhuǎn)范圍外工作可對其運行進行調(diào)整以保證或代替掃氣。
這是通過用對應(yīng)的方式改變進排氣門開啟和關(guān)閉角度位置以主要利用每個工作室容積不斷增大的進氣行程而取得的。
為達此目的，至少進氣門的開啟在循環(huán)中要明顯提前，例如，對應(yīng)于活塞運動到工作室中間附近的時刻，并且對排氣門的正時也要相應(yīng)修正。
更進一步，排氣在循環(huán)中的提前可增加以更高溫度和壓力形式出現(xiàn)的排氣能量。在渦輪增壓兩沖程發(fā)動機中，驅(qū)動增壓器的渦輪本身由廢氣驅(qū)動，在這種情況下，排氣系統(tǒng)在排氣門與渦輪之間最好直接連接。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)速較低時，排氣脈沖會使渦輪增壓器產(chǎn)生低速轉(zhuǎn)動，這不會產(chǎn)生發(fā)動機空氣的增壓，但卻可引起工作室內(nèi)空氣流通。這對排出燃燒廢氣是足夠了，而且可讓新鮮空氣取而代之。
用常規(guī)方法彎成排氣管并通入排氣歧管就可保證這種直連接。流通截面與高速、大流量相適應(yīng)的排氣歧管在歧管軸向?qū)ε艢饷}沖不產(chǎn)生任何阻力，歧管與渦輪相通，其中間沒有分流器。
本發(fā)明的一個特定實施例中，把進排氣門開閉的曲軸轉(zhuǎn)角位置調(diào)整為使進排氣門基本上不會同時處于同時開啟的狀態(tài)。
本發(fā)明另一個實施例中，進、排氣門可以有同時開啟狀態(tài)，為了限速或防止排氣系統(tǒng)中的廢氣返流到工作室中去，就需要提供一種單向節(jié)流裝置。
在本發(fā)明上述第二個實例中，可以在排氣道中使用單向閥或其它機械式的止回閥。也可以利用廢氣從連接工作室出氣口到排氣歧管的管道中運動時氣柱的慣性效應(yīng)。或當有多個，最好三個以上工作室時，利用從一個工作室出來的廢氣脈沖對另一個在掃氣階段的工作室排氣所產(chǎn)生的噴射效應(yīng)。
當利用廢氣慣性時，在排氣系統(tǒng)中，特別是工作室排氣口和排氣歧管的連接管中，最好有單向流動的裝置上述單向流動裝置可由足夠長的固定排氣管組成，其出口最好和排氣歧管中排氣流動的方向同向布置。
也可利用由廢氣脈沖產(chǎn)生的噴射效應(yīng)，特別是當工作室超過三個時。為了保證工作室的廢氣出口與排氣歧管的連接，連接管的形狀應(yīng)是縮放管式，其出口應(yīng)布置成與排氣歧管中氣流的流向相同，最好和歧管同心。
在后一個情形中，排氣歧管可以有一個足夠小的等截面通道，這樣在正常運轉(zhuǎn)的條件下，在上述排氣管中下游端氣流速度要超過0.4馬赫數(shù)。排氣歧管出口處與增壓發(fā)動機的渦輪增壓器的廢氣渦輪進口相連，通過一個擴散器將流速降到0.4馬赫數(shù)以下。另一種選擇，排氣歧管的出口可以直接與渦輪增壓器的渦輪進口相連，渦輪增壓器的分流渦殼布置得使排氣歧管出口處與渦輪轉(zhuǎn)子進口處氣體的速度不會降低。
本發(fā)明也提供了上面定義的兩沖程發(fā)動機的操縱方法。
第一種操縱方法有下列特征a)當上面提過的參數(shù)值對應(yīng)于發(fā)動機的正?；驑朔Q運轉(zhuǎn)工況條件時，發(fā)動機就以下列已知的兩沖程方式運轉(zhuǎn)當進、排氣都關(guān)閉時的壓縮-燃燒-膨脹階段;
當只有排氣門打開時，在膨脹末期的排氣階段;
進氣門和排氣門同時打開時的掃氣期，在這期間，在每工作室各方正的壓力差的作用下，至少有一部分廢氣為新鮮空氣所代替;
b)另一方面，當運轉(zhuǎn)參數(shù)值表示發(fā)動機處于不能或不適于運轉(zhuǎn)的工況條件時，要將氣門開啟的角度位置相對于各工作室達到最大容積的位置而提前，這樣使發(fā)動機進氣系統(tǒng)與工作室在工作室容積增加的過程中，或基本上在此過程中互相連通。可以布置工作室和排氣歧管之間的連接管道，特別是當有進、排氣門同時打開的階段時，以阻止從排氣歧管方向向工作室大量反流的現(xiàn)象出現(xiàn)。
當參數(shù)超過一個預(yù)先定好的門限值時，進排氣門動作的曲軸轉(zhuǎn)角位置便突然得到修正?？梢赃x則方式的是，設(shè)置多個接續(xù)性的門限值，以與氣門位置的多個突變修正值相對應(yīng)。
另一種選擇是，上述角度位置按上面提到的參數(shù)的連續(xù)性或準連續(xù)性變化提前進行修正。該參數(shù)是按在最佳工況與最壞工況之間連續(xù)變化的。
請注意，現(xiàn)在已經(jīng)知道也有這樣的二沖程發(fā)動機，其中僅進氣或排氣是通過一個可調(diào)節(jié)正時的氣門進行的，而其排氣或進氣則是通過活塞經(jīng)過后所露出的固定式氣口而獲得的。
與此相反，本發(fā)明中進氣門開啟可提前，并在排氣門打開之后隨即開啟，可以暫時獲得由進氣門開啟引起的四沖程效應(yīng)。對于帶固定開啟位置的進氣口的發(fā)動機，(如U、S、-A-2，097，883，除圖6)這種效應(yīng)就不可能了。而對于帶有其進氣的打開的確可以提前，但卻不是跟隨排氣門開啟進氣口的發(fā)動機(如U、S-A-2，097，883，圖6)，這種效應(yīng)也是不可能的。
更精確地說，根據(jù)本發(fā)明，在發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)條件下，發(fā)動機有用(壓縮)沖程至少是每個活塞沖沖程的50%。在起動或小功率工況運轉(zhuǎn)時，進氣沖程至少是總沖程的50%。而壓縮沖程可以是該沖程的100%，排、進氣門開啟錯開角度為大于或等于20°(發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)角)。
對于已有的帶進氣口和可變正時排氣門的二沖程發(fā)動機，由于進氣口是固定的，就不可能增加進氣沖程。而且由于同樣的原因，壓縮沖程只可部分的增加，即不可能達到100%。
對于已有的有著排氣口和可調(diào)正時的進氣門的二沖程發(fā)動機，有可能增加進氣沖程但卻犧牲了進、排氣開啟間隔，因此排氣就會排到進氣道中去，結(jié)果使發(fā)動機熄火，進一步說，由于排氣口固定，壓縮沖程不可能達到100%。
更進一步，有人提出使發(fā)動機按兩沖程和四沖程輪換工作，即在兩種模式之間沒有連續(xù)或逐漸的變化(見JP-A-58，152179)本發(fā)明也涉及到起動這樣一臺發(fā)動機的方法，在該方法中，當起動時，發(fā)動機按上述過程之一運行，其特點是當發(fā)動機是增壓型時，渦輪增壓器在發(fā)動機起動之前便起動起來了。
本發(fā)明的其它優(yōu)點及特性從下面的例示中將很明顯。例示是用非限制性的，而且伴有參考圖。這些圖是圖1表示根據(jù)本發(fā)明的兩沖程發(fā)動機的工作室示意圖;
圖2表示本發(fā)動機兩沖程循環(huán)進、排氣門開啟及關(guān)閉的角度圖。
圖3表示根據(jù)本發(fā)明的一實例當發(fā)動機在低功率運轉(zhuǎn)時的圖解。
圖4表示根據(jù)本發(fā)明的另一實例發(fā)動機在低功率運轉(zhuǎn)時的圖解。
圖5表示一臺為按圖4工況運轉(zhuǎn)而設(shè)計發(fā)動機的視圖。
圖6表示另一臺為按圖4工況運轉(zhuǎn)而設(shè)計的發(fā)動機的視圖。
首先看圖1和圖2
本發(fā)明將涉及的發(fā)動機是一臺有一個或多個工作室的發(fā)動機，如法國專利第2，338，385號中所述。圖1所示該工作室由下列件組成1運動部分，即滑動的活塞1和連桿2，和一個固定部分，即氣缸3和在其上的缸蓋4，后者有一個進氣道5和一個排氣道6，進氣道由進氣門7與氣門座8配合而能開啟和關(guān)閉，而排氣側(cè)則有排氣門9和氣門9和氣門座10相配合。因此氣缸3缸壁上沒有氣口，氣門座8和10鑲在缸蓋4中。
發(fā)動機的其它零件，如曲軸，凸輪軸，搖臂將不再詳細描述，因為它們都是常規(guī)件，氣門升程及其尺寸也按最佳值布置，如上述法國專利第2，338，385號中一樣，以便在正常運轉(zhuǎn)條件下盡可能取得好性能。
圖2表示該發(fā)動機的已知工況，該圖為順時針轉(zhuǎn)動，其起點為下止點(BDC)，角度位置如下排氣門開(EO) -60°排氣門關(guān)(EC) +100°排氣門開(IO) -30°進氣門關(guān)(IC) +100°這樣可見，從上止點下行120°排氣門打開而進氣門仍關(guān)閉30°，在這30°內(nèi)為排氣期。在進氣門打開后，排氣期就變?yōu)殡S后而來的130°的掃氣期，在此期間，燃氣在工作室進氣道5與排氣道6兩側(cè)正壓力差的空氣動力作用下而更新。關(guān)閉階段此后延續(xù)200°，而且在此例中按不對稱方式分為對應(yīng)容積壓縮比為8/1的80°的壓縮沖程和與容積膨脹比為12.9/1相符的120°的燃燒一膨脹沖程。
這個極不對稱的循環(huán)可按已知的方法獲得較高的比功率和高效率。
這類正時圖可以用已知的方法得到實現(xiàn)，特別是在與曲軸機械連接的凸輪軸幫助下，凸輪軸直接或間接與氣門及其回位裝置配合。凸輪軸與氣門的共同工作可以是機械式的(如推桿、搖臂等)也可用如液壓傳動的方式得到。
這也可以用其它易于改變角度位置的控制裝置所取得，如用液壓或氣壓開關(guān)或電磁開關(guān)。
根據(jù)本發(fā)明，這些控制裝置都布置得可以在發(fā)動機運行過程中使進、排氣門的角度位置得到較大的變化。
例如，凸輪軸與每個氣門的連接可以包括可變調(diào)節(jié)裝置(如間隙的液壓調(diào)節(jié)，或搖臂軸線的移位)。
或者凸輪與凸輪軸，或者凸輪與發(fā)動機曲軸的連接也可以按已知的方法改變。
也可使用有兩種型線的凸輪，而且能夠在運轉(zhuǎn)過程中通過改變凸輪軸將一種型線換成另一種型線。
在直接用液壓、氣壓或電磁開關(guān)控制時，氣門開關(guān)的角度位置可以用輔助裝置改變，例如用發(fā)動機曲軸位置傳感器。
現(xiàn)在看第3圖，該圖涉及實施本發(fā)明的第一種方法，描述如下根據(jù)本發(fā)明，例子中所說的發(fā)動機只要其運轉(zhuǎn)的一個參數(shù)高于一定的門限值便按圖2兩沖程循環(huán)工作。該參數(shù)可以是曲軸的轉(zhuǎn)速。當該轉(zhuǎn)速降到門限值之下時，根據(jù)本發(fā)明，控制氣門的裝置立即會依照圖3修正進、排氣門開啟和關(guān)閉的角度位置。在后者中，發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)角如下排氣門開(EO)-120°排氣門關(guān)(EC)-90°進氣門開(IO)-90°進氣門關(guān)(IC)+20°這樣，可見排氣門開啟向上止點方向提前了60°，而且只持續(xù)30°，在此期間，隨排氣門9開啟后膨脹引起的排氣期中，燃氣以爆炸的形式被部分排出。在這30°的最后，排氣門9關(guān)閉。
在任何情況下，進氣門開與排氣門開的角度差(曲軸轉(zhuǎn)角)是大于前面規(guī)定的20°的限值，在本例中角度差為30°。
因此，掃氣過程被排氣門9關(guān)閉同時出現(xiàn)的進氣門開啟的吸進新鮮空氣過程所代替并被消除了，這個吸氣過程持續(xù)110°，從容積上講就滿足了為最大工作室容積一半的條件，從質(zhì)量上說達到了新鮮空氣的比例為2/3，這足以使怠速工況供入的油燃燒。
進氣門關(guān)閉后，就是壓縮階段，接近上止點時，燃燒，循環(huán)重新開始。
由于進、排氣門決不會同時開啟，排氣歧管中的壓力就不起作用了。按這種方法設(shè)計出的發(fā)動機，盡管不是增壓型的，同樣可以起動或在怠速條件下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。
再者，值得注意的是壓縮沖程在下止點附近開始，結(jié)果是容積壓縮比可達到15.6/1(而不是8/1)，這樣即便是象柴油機一樣常壓下進氣也可保證油氣混合氣自燃。
在上述的第一個實例中，如果使用液力閥或電磁閥來直接控制氣門，圖3中的正時圖就會很容易實現(xiàn)。的確，當曲軸的轉(zhuǎn)速低于上述門限值時，也有可能獲得氣門，特別是排氣門9的高角速度開啟和關(guān)閉。當在氣門和液壓閥之間使用液壓元件，這一開關(guān)的速度還可進一步提高。這些與已知的液壓正時裝置相連的連接件允許縮短或減少氣門的升程。
如果使用常規(guī)的氣門控制件(凸輪軸與彈性控制裝置相配合)，圖3的正時圖有時可能較難實現(xiàn)，特別是轉(zhuǎn)速較高時，因為關(guān)閉氣門的凸輪升降段就不得不設(shè)計的很陡。
在發(fā)動機有一根凸輪軸的情況，較好的實例可參見圖4，下面參見圖4進行解釋。
在該實例中，當轉(zhuǎn)速降到固定門限值之下時，凸輪軸向后，即逆時針方向偏置60°，這樣得到的正時圖為排氣門開(EO)-120°排氣門關(guān)(EC)+40°進氣門開(IO)-90°進氣門關(guān)(IC)+40°在圖3實例中，進、排氣開啟角度差為30°，然而與圖3所示相反，排氣階段后就是進氣門開啟開始的混合期，在此期間進、排氣門同時打開。
在活塞下行的期間，如果排氣歧管內(nèi)的壓力高于進氣壓力，就會影響發(fā)動機穩(wěn)定的怠速運行，為了避免從排氣歧管而來的廢氣倒流，在本實例中，在連接工作室和排氣歧管的排氣門下流側(cè)管道中都布置了諸如排氣單向閥等裝置。
這些閥可以用任何相當?shù)难b置來代替，比如;在上述管道中設(shè)空氣動力二極管。
本發(fā)明的另一個實例中，進、排氣門正時圖與圖4一樣，即在活塞下行時，它有這樣一個進、排氣門同時打開的階段。
上述實例的第一選擇為，利用連接工作室排氣出口和排氣歧管的排氣道中處于運動狀態(tài)氣柱的慣性效應(yīng)，或用在下行沖程末期排氣門9開啟產(chǎn)生的排氣脈沖來避免倒流。
該效應(yīng)，也就是眾所周知的凱弟納西(Kadenacy)效應(yīng)，要求排氣管(在直徑和長度上)有特別的布置，達到最佳效果。
如果排氣管11布置得使排氣流出的方向與排氣歧管12的方向是在一直線上(見圖5)，這樣盡管在低速時，凱弟納西效應(yīng)不足，同樣可以得到使排氣以脈沖的形式自由地通過排氣歧管12。在發(fā)動機的排氣歧管后帶有如圖6所示的渦輪增壓器28～29的渦輪29的情況下，如果沒有諸如彎管、集氣環(huán)或分流器這樣的阻礙物放置在渦輪前，則排氣沖擊足以按皮爾頓(Pelton)效應(yīng)使渦輪增壓器產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，這就保證在進氣管27中的新鮮氣進入工作室3，保證了發(fā)動機在最惡劣條件下特別是起動時可靠和靈活的運轉(zhuǎn)。
從圖5中見，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動機由下列件組成在缸體13中有可轉(zhuǎn)動的曲軸14，三個工作室或氣缸3，它靠進氣歧管15和進氣系統(tǒng)中的空氣濾清器16進氣。進氣門17和排氣門18由凸輪軸19、20通過控制裝置21驅(qū)動。該發(fā)動機還包括曲軸14轉(zhuǎn)速傳感器22，空氣進氣壓力傳感器23，燃料引入裝置25，探測每一循環(huán)進入工作室3燃油量的傳感器24，還可有排溫傳感器34。調(diào)節(jié)控制裝置21的電子裝置26接收傳感器22和/或23和/或24和/或34所測得的簡單或復(fù)雜的參數(shù)值，和控制裝置21調(diào)節(jié)正常兩沖程工況或按發(fā)明的修正工況的門限值進行比較，并據(jù)此作出反應(yīng)。
本發(fā)明該實例的另一選擇中在掃氣時利用從一個工作室或氣缸3出來的氣流脈沖產(chǎn)生的噴射效應(yīng)來清除另一缸中廢氣?？紤]到在此過程中角度持續(xù)的時間工作室的數(shù)量要大于3。
圖6就是表示這樣一臺發(fā)動機，其中凡與圖5相同的元件除特別指明外均標有相同的號。
所示發(fā)動機由五個工作室5構(gòu)成。廢氣驅(qū)動增壓器的渦輪29，空氣由渦輪增壓器中的壓縮機28以一定壓力送到進氣歧管27，再被送進工作室，壓縮空氣首先被一個空氣冷卻器30冷卻。排氣系統(tǒng)31使用了燃氣噴射效應(yīng)。
這種噴射效應(yīng)可以從法國專利2378178，2415200，2478736所示的方法中得到。
圖6所示的布置需要下列結(jié)構(gòu)特點A-工作室出口到排氣歧管31只有容積很小的極短連接管32，這些管32或是漸縮管或是縮放管，其出口與排氣歧管的流向一致。
管32非常小的容積和通道截面的限制非常有助于恢復(fù)排氣開始階段在工作室內(nèi)存在的能量。當排氣門打開時排氣道里的壓力迅速提高，而且接近燃燒室內(nèi)的壓力，這樣便可大大減少廢氣通過上述排氣門時由于喉口作用生產(chǎn)的能量損失。
這樣，在膨脹結(jié)束時工作室內(nèi)存在的有效能量可被保持到最大限度。
漸縮管32的氣流加速作用和其順排氣管流向的布置使得該勢能有效地轉(zhuǎn)換為促進在上述歧管31中流動的氣柱加速的動能。
B-在一個排氣歧管31中匯合從幾個工作室排出的廢氣，與活塞相比排氣歧管直徑較小(只有其一半大小)歧管的尺寸可表示如下Se=(n·SP)× (VP)/(Ve) × (P′)/(P5) ×α其中Se＝排氣歧管的截面積Sp＝每個活塞橫向表面積n＝活塞數(shù)n·Sp＝與同一排氣歧管相通的氣缸中全部活塞的表面積。
Vp＝活塞平均速度Ve＝在排氣歧管下游端處的排氣速度。
P1＝進氣密度P5＝排氣密度α＝發(fā)動機的流量系數(shù)(在0.5到1.2之間)在排氣歧管下游端處排氣流速的馬赫數(shù)為m= (Ve)/(a5)
其中 a5＝1.33×287×T5T5＝排氣溫度°K如果T5＝873°K(600℃)，a5＝577m/s，m＝0.3，而Ve＝177m/sC-對與同一排氣歧管相連各缸的點火順序的調(diào)節(jié)，應(yīng)使從各工作室出來的一定量的噴射順序合適，并使之盡可能均勻，使一缸的排氣不會干擾另一缸的排氣。
D-在排氣歧管下游端(沿排氣流動方向)和渦輪29進口處之間的連接管33要盡可能的簡短，以盡量避免，由于阻力或通道的變化(彎管或截面突變)引起高速氣流總壓力下降。例如，在馬赫數(shù)為0.7時，由流動阻力引起單位長度上的氣流壓力下降應(yīng)為歧管直徑1%。
E-選擇插入件在排氣歧管的下游端和渦輪進口之間加一個擴散器，將氣流流速降到0.25馬赫數(shù)。
但考慮到氣流在進入渦輪之前會又被加速到馬赫數(shù)1(通常在一個稱為分氣環(huán)的帶噴嘴的固定環(huán)中)，很明顯最好可以取消在擴散器中減速又在分氣環(huán)中加速，而用下列方法代替EE′-排氣進入渦輪處的外殼設(shè)計，應(yīng)保證在氣流進入膨脹渦輪前，其速度基本保持不變。
應(yīng)注意的是當按本發(fā)明的發(fā)動機處于低功率工況時，排氣門的提前開-如前面例子所述的提前60°，即在遠離活塞的膨脹沖程結(jié)束的下止點前120°排氣門開，-有下列許多優(yōu)點由于排氣門打開時工作室內(nèi)的壓力和溫度以及排氣的質(zhì)量都較高，則排氣沖擊比較大增壓渦輪的驅(qū)動和加速將大大得到改善，特別是如果排氣系統(tǒng)是按本發(fā)明剛才描述的第二個實例布置的話。
同理，發(fā)動機小功率運轉(zhuǎn)時，二沖程發(fā)動機的自掃氣會得到改善。
對給定發(fā)動機輸出軸功率，膨脹行程的減少意味著油耗增加，因此廢氣離開工作室時的溫度也增加，這一因素也有利于增壓渦輪驅(qū)動。
在最低轉(zhuǎn)速時，在直線型排氣歧管和渦輪29進口間的直通管33可以在噴射或慣性效應(yīng)不足時利用排氣沖擊產(chǎn)生的脈沖，以保證由渦輪增壓器產(chǎn)生的工作室的空氣流通足以取得良好掃氣。
本發(fā)明當然還可以有許多修改，前面說到的各種進、排氣正時圖主要已用舉例的方式提到過，在本發(fā)明范圍內(nèi)，這些圖還可有其它變化。
權(quán)利要求
1.至少有一個工作室(3)的內(nèi)燃機，該工作室由氣缸筒和活塞限定，其容積可變，該氣缸筒上沒有橫向氣口，發(fā)動機按二沖程循環(huán)工作，工作室的進氣和排氣由與發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)動同步動作的進氣門(7)和排氣門(9)控制；這種發(fā)動機的特征是為了保證發(fā)動機起動和低速運轉(zhuǎn)，發(fā)動機沒有外部掃氣裝置，進、排氣門(7、9)由控制裝置驅(qū)動，該控制裝置能根據(jù)至少一個發(fā)動機運轉(zhuǎn)參數(shù)的變化改變氣門的開啟及關(guān)閉所對應(yīng)的發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)角；上述控制系統(tǒng)對上述的發(fā)動機運轉(zhuǎn)工況參數(shù)的變化作出反應(yīng)，在起動和小功率運轉(zhuǎn)時，將進氣門相對正常工況提前打開，并保持其開啟晚于排氣門開啟時刻，以便在各種工況下在各工作室獲得充足的新鮮空氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1的內(nèi)燃機，特點是在起動和低功率工作時，進氣門開啟點與排氣門開啟點的曲軸轉(zhuǎn)角差至少是30°。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2的發(fā)動機，特點是由渦輪增壓器增壓，其渦輪的進氣口與工作室的排氣系統(tǒng)相連，由渦輪機械驅(qū)動的增壓器的出口與工作室的進氣口連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1的發(fā)動機，其中具有探測裝置，以測量下列與發(fā)動機運轉(zhuǎn)工況相關(guān)的參數(shù)增壓二沖程發(fā)動機的增壓壓力;或每循環(huán)進入工作室的燃油量;或是發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)速;或是排氣溫度;或是進、排氣壓力差的有效值。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1的發(fā)動機，特點是其中的控制裝置是機械式的，通過傳動裝置如凸輪軸由發(fā)動機曲軸直接驅(qū)動，還帶有可調(diào)節(jié)氣門(7、9)的開啟及/或關(guān)閉曲軸轉(zhuǎn)角位置的機械式調(diào)節(jié)裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1的發(fā)動機，特點是氣門(7、9)控制組件是電動、液壓或氣動型的，帶有根據(jù)上述發(fā)動機運轉(zhuǎn)參數(shù)作出反應(yīng)的調(diào)節(jié)裝置，以改變氣門(7、9)的開啟和/或關(guān)閉的曲軸轉(zhuǎn)角位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求
1的發(fā)動機，特點在于上述控制裝置把進排氣門(7、9)的開啟和/或關(guān)閉調(diào)整為使進氣門(7)主要在工作室容積增大沖程的至少一部分行程中保持開啟，以利于吸進空氣。
8.根據(jù)權(quán)利要求
7的發(fā)動機，特點是當使用上述控制裝置時，壓縮比與各活塞氣壓縮沖程相符。
9.根據(jù)權(quán)利要求
7的發(fā)動機，特點是進氣門的開啟位置是在每個活塞下行行程的中點附近。
10.根據(jù)權(quán)利要求
9的發(fā)動機，特點是上述控制裝置使得進、排氣門(7、9)基本不同時處于開啟狀態(tài)。
11.根據(jù)權(quán)利要求
7的發(fā)動機，特點是排氣系統(tǒng)中有單流向裝置防止排氣系統(tǒng)的廢氣倒流，上述控制裝置使進排氣門(7、9)在發(fā)動機部分循環(huán)中處于同時開的狀態(tài)。
12.根據(jù)權(quán)利要求
11的發(fā)動機，特點是其中的單流向裝置由機機式單向閥裝置組成。
13.根據(jù)權(quán)利要求
11的發(fā)動機，特點是上述單流向裝置包括足夠長度的固定排氣管以利用在排氣管中運動廢氣管中運動廢氣柱的慣性效應(yīng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求
11的發(fā)動機，特點是發(fā)動機包括三個以上的工作室，及利用噴射效應(yīng)的裝置，可在掃氣狀態(tài)下利用從一個工作室出來的排氣脈沖來排除另一工作室的廢氣。
15.根據(jù)權(quán)利要求
14的發(fā)動機，特點是工作室出口與排氣歧管之間連通的管道的形狀為漸縮管形或為縮放管形，其出口與排氣歧管氣流流向一致。
16.根據(jù)權(quán)利要求
12的發(fā)動機，特點是排氣道出口的方向與排氣歧管中氣流方向一致，特別是最好與其同心。
17.根據(jù)權(quán)利要求
3的發(fā)動機，特點是其排氣系統(tǒng)在排氣門(9)和增壓渦輪(29)的轉(zhuǎn)子之間直接連通，以在很低功率的工況下只靠排氣沖擊驅(qū)動渦輪增壓器。
18.根據(jù)權(quán)利要求
15的發(fā)動機，特點是排氣歧管通道截面基本不變而且足夠小，排氣歧管下游端的排氣流速在正常工況超過0.4個馬赫數(shù)。
19.根據(jù)權(quán)利要求
18的發(fā)動機，特點在于排氣歧管的下游出口與渦輪增壓器的渦輪的進口通過一個擴散器相通，擴散器將流速降到0.4馬赫數(shù)以下。
20.根據(jù)權(quán)利要求
17的發(fā)動機，特點是排氣歧管的下游出口直接與渦輪增壓器的進口相通，后者的分流集氣環(huán)布置得使排氣歧管出口與渦輪轉(zhuǎn)子間的氣流速度沒有明顯降低。
21.操縱根據(jù)權(quán)利要求
1到20中任何一條的發(fā)動機的方法，其特點為a)當參數(shù)具有與發(fā)動機正常工況相符的數(shù)值時，發(fā)動機便按二沖程循環(huán)的方式工作。該循環(huán)包括-在進、排氣門(7、9)處于關(guān)閉位置時的一個壓縮-燃燒-膨脹階段。-一個只有排氣門打開的在膨脹末期的脈沖排氣期。-一個掃氣期，在此期間進氣門(7)與排氣門(9)同時打開，由于工作室兩側(cè)正壓力差的作用至少有一部分已燃氣體為新鮮空氣所代替，b)另一方面，當運轉(zhuǎn)參數(shù)出現(xiàn)表示發(fā)動機不能轉(zhuǎn)動或不適宜運行的值時，使氣門(7，9)開啟的角度位置相對于工作室最大容積的位置而提前，以使工作室與進氣系統(tǒng)至少在工作室容積增加的一部分過程中相連通。
22.根據(jù)權(quán)利要求
21的方法，特點是將上述進、排氣門的開啟時刻提前以利用在吸氣過程中工作室容積增加的一部分沖程。
23.根據(jù)權(quán)利要求
22的方法，特點是在排氣系統(tǒng)中，特別是在排氣道中使用單流向裝置，以防止排氣系統(tǒng)中廢氣向工作室倒流。
24.根據(jù)權(quán)利要求
22的方法，特點是使排氣門的關(guān)閉與進氣打開的角度位置彼此錯開以避免進氣門(7)與排氣門(9)有同時打開的狀態(tài)。
25.根據(jù)權(quán)利要求
21-24中任何一條的方法，特點是使進排氣門的打開與關(guān)閉的所有位置在角度上錯開，特別是用凸輪軸的相位角變換。
26.按照權(quán)利要求
21-24中任何一條的方法，其特點在于使用不對稱的進排氣門開啟與關(guān)閉正時圖，其中進氣門關(guān)閉和排氣門關(guān)閉距下止點(BDC)的角度位置較上述進、排氣門開啟的角度位置更遠。
27.按照權(quán)利要求
1-20任何一條的發(fā)動機的起動方法，其特點為對用渦輪增壓器增壓的發(fā)動機，在發(fā)動機起動之前，先行使渦輪增壓器加速。
專利摘要
對二沖程內(nèi)燃機的改進及其操縱方法該發(fā)動機按二沖程循環(huán)工作，并具有以下特點進排氣正時元件是氣門(7，9)，其控制機構(gòu)對諸如發(fā)動機轉(zhuǎn)速，燃油消耗，增壓值，進、排氣壓力差這樣的參數(shù)作出反應(yīng)，改變氣門(7，9)打開和關(guān)閉的位置，以便在最不利的工況使工作室有充足的新鮮空氣進入，特別是在工作室容積增加時，將進氣門打開，使新鮮空氣進入工作室。
文檔編號F02D23/00GK87103277SQ87103277
公開日1988年11月23日 申請日期1987年5月3日
發(fā)明者讓·弗萊德里克·梅爾希奧爾 申請人:讓·弗萊德里克·梅爾希奧爾導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan