專利名稱：分隔燃料噴射二沖程發(fā)動燃燒室的凸塞的制作方法
背景技術：
本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃機，尤其涉及一種具改進燃燒室結構的內(nèi)燃機，以及當活塞處在其行程的頂點時有效地將該燃燒室分隔成具有容積比約9∶1的兩部分的方法，因而，該方法在怠速和極低的功率調(diào)正下能獲得較高的燃料經(jīng)濟性。
在廣泛用于船舶內(nèi)和弦外機、摩托車、個人水筏和雪車的二沖程發(fā)動機中，動力產(chǎn)生包括一個壓縮沖程，在壓縮沖程內(nèi)活塞行至氣缸上部，從而將空氣或預混合的空氣和燃料壓縮。若壓縮的僅是空氣，則隨后噴射燃料。點火通常出現(xiàn)在活塞到達其行程的頂點、稱作上止點(TDC)之前，或在上止點。同時，在活塞、曲柄箱以下的區(qū)域便能抽吸新鮮空氣或空氣燃料混合物充量。點火后，爆炸混合物使氣缸內(nèi)的溫度和壓力升高，迫使活塞向下運動。該向下運動轉動了該曲軸，并還壓縮活塞下面的曲軸箱中的充量。當活塞接近其最低位置，即下止點(BTC)時，一排氣口露出，允許在燃燒過程中新形成的廢氣離開氣缸，而稍后片刻，輸氣或進氣口露出，允許空氣或空氣燃料混合物的新鮮充量進入氣缸。該新鮮充量為下一動力沖程提供了燃燒物質(zhì)，也有助于將氣缸內(nèi)的廢氣排出。二沖程發(fā)動機的活塞頂常常包括一導流板，將新鮮充量向下導入氣缸，并圍繞常稱之為“回流掃氣”的流動機構的相反側。
對于以特定轉速運轉的給定尺寸發(fā)動機，二沖程發(fā)動機比回沖程發(fā)動機更有有力，因為二沖程發(fā)動機每單位時間內(nèi)也有那么多的二次動力沖程。不幸的是，二沖程發(fā)動機的燃料經(jīng)濟性很可能低于四沖程發(fā)動機。自從20世紀20年代以來，為使二沖程發(fā)動機的效率最佳化，已作出了種種嘗試，并且已采用了許多不同的技術。
多年來，雖然二沖程發(fā)動機的效率已得到改善，然而在為制造一種最佳發(fā)動機的嘗試中還在作不懈的努力來進一步改善效率。
本發(fā)明還包括在怠速或怠速附近改善內(nèi)燃機燃料經(jīng)濟性的一種方法，包括如下步驟提供一個具有一氣缸的發(fā)動機體，一個適于在氣缸內(nèi)以往復方式移動的活塞和一個具有一凹腔的氣缸蓋，其中，該發(fā)動機體、氣缸蓋和活塞構成一燃燒室；將該燃燒室分隔成二個部分，其容積比約為9∶1；在該二部分的較小部分中安置噴射裝置和點燃燃料的裝置。
本發(fā)明的一個目的是要提供一種二沖程內(nèi)燃機，它在怠速或極低功率值時具有燃料／空氣充量的物理分層。本發(fā)明的另一方面是要提供一種具有改進的燃料經(jīng)濟性的二沖程內(nèi)燃機。本發(fā)明的還有一個方面是要提供這樣一種二沖程內(nèi)燃機，它在怠速和極低功率調(diào)整下改善發(fā)動機效率，同時在高功率調(diào)整時對發(fā)動機性能沒有有害的影響。本發(fā)明再一個目的是要提供一種有效的二沖程內(nèi)燃機，它工作可靠，且相當便宜。本發(fā)明的再一個目的是要提供一種具有一分隔燃燒室的二沖程發(fā)動機，其容積比約為9∶1，在怠速和極低功率調(diào)整時，燃料被限制在該較小的容積內(nèi)。
根據(jù)下面對優(yōu)先實施例的說明和附各一起考慮，可更完整地理解本發(fā)明及其它的目的、方面和優(yōu)點。
圖2是本發(fā)明活塞的放大簡明側視圖；圖3是圖2中所示活塞的頂視圖；圖4是圖2、3中所示活塞的正視圖；圖5是

圖1中所示氣缸蓋的放大的局部剖視圖；圖6是本發(fā)明的氣缸的簡明頂視圖，表示本發(fā)明內(nèi)燃機的輸氣口和排氣口。
優(yōu)先實施例說明雖然本發(fā)明對于各種改進和替代結構是相通的，然而對附圖中所示的優(yōu)先實施例下文要作詳細說明。應當理解，不打算將本發(fā)明限制在該公開的特定結構形式內(nèi)。相反，本發(fā)明要覆蓋凡落在如所附權利要求書中所表達的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有改進、等同構件和工藝方法及替代結構。
要說明的是一種改進了二沖程內(nèi)燃機在怠速或在極低功率調(diào)整下的效率的燃燒室構形。在怠速時，發(fā)動機通常只需足夠的功率來克服其自身的摩擦。然而，內(nèi)燃機通常在其燃燒室內(nèi)的空氣在怠速或低功率調(diào)整下通常多于為有效運行的燃燒所需的空氣?？諝獾臄?shù)量通常決定了所需燃料的數(shù)量，因為燃料量的不充分意味著供燃燒的充量太稀薄。本發(fā)明總的構思是限制在火花塞附近存在的空氣量，使較少量的燃料在火花塞點火之前用于與所述空氣混合。由于在活塞頂或冠部上采用了豎直的凸塞，并由于具有作為氣缸蓋一部分的互補的朝下的凸塞，當活塞到達燃燒室容積處于最小值的最上延伸位置、即上止點時，總是將燃燒室有效地分隔成二部分空間或容積，緊靠火花塞的較小部分處在該凸塞的一側，而較大的部分處在該凸塞的相反側。
本文所用的確定該二空間的相對容積的方法要求計算在怠速和在極低功率值時為有效且平穩(wěn)運轉所需的燃料流量率。接著，確定該燃燒室內(nèi)的空氣量。隨后，確定在怠速和在低功率調(diào)整時為該燃料所需的空氣量，此后，確定該空氣量代表整個百分比的多少。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，為了產(chǎn)生足夠的動力來保持發(fā)動機平穩(wěn)地怠速運轉，需要燃燒室內(nèi)空氣的大約10％來與所需的燃料量混合。除了以怠速或極低功率調(diào)整逆轉外，還須防止在較高功率調(diào)整或甚至在全節(jié)氣閥時對發(fā)動機運轉的干擾。例如，在活塞上具有較高的凸塞在怠速時可能是希望的，但在高功率調(diào)整時，可能變得太熱而燒毀。
正如下文所說明的，適當高度的凸塞，燃料噴射器和火花塞都集中在遠離排氣口的氣缸的大致四分之一圓周內(nèi)。本發(fā)明的內(nèi)燃機在怠速和極低功率調(diào)整下能平穩(wěn)和經(jīng)濟地運轉，而不影響發(fā)動機的可靠性，也不影響在高功率調(diào)整時發(fā)動機的運轉。該發(fā)動機還具有改善的燃料經(jīng)濟性，并允許燃料早噴以改善燃燒。
現(xiàn)在參照圖1，它表示具有一發(fā)動機缸體12的內(nèi)燃機10的一部分，在該缸體內(nèi)制有氣缸14。一活塞16在氣缸內(nèi)沿平行于氣缸縱軸線15的方向前后移動。具有凹腔19的氣缸蓋18固定于該缸體的氣缸頂面上，一氣缸墊20將氣缸蓋和發(fā)動機缸體隔開?；钊喜康目臻g和所述凸腔構成燃燒室22。安裝燃料噴咀25的第一開口24和安裝火花發(fā)生元件，諸如火花塞27的第二開口26在氣缸蓋內(nèi)形成，并與燃燒室連通。
簡單地參照圖6，它以簡明方式表示氣缸內(nèi)3個輸氣通道30，32，34和相應的輸氣口31，33，35和一個排氣通道36和一個排氣口37，也與氣缸連通。
現(xiàn)在參照圖2，3和4，較詳細地圖示3活塞16。該活塞包括一個大致圓柱體40，它經(jīng)一安裝在開孔44內(nèi)的活塞銷(未示出)連接于一連桿42?；钊捻敳炕蚬诓坑幸淮笾峦姑?7，一周邊49，并包含一豎直的偏心弧形活塞凸塞48?；钊目v軸線和中心在圖2和4中以點劃線50繪出，而在圖3中用點52繪出。
在一個優(yōu)先實施例中，活塞的直徑約為3．60英寸，高約3．213英寸，凸面47的半徑約為5．79英寸?；钊蚤_孔44的中心51與由直線64代表的平分該活塞和凸塞并與排氣口中心線相交的平面的夾角約為55°。該凸塞偏離活塞中心點52，從而面背該中心。該凸塞有一面向活塞周邊49的內(nèi)凹面56，其半徑約為0．65英寸。該凸塞包含一外表面58，其半徑約為0．9英寸。這些半徑的中心偏離該中心52約1．04英寸。凸塞的厚度約為0．25英寸。該凸塞具有二個相反的端壁60，62，各端壁由大約1．14英寸的半徑形成，該半徑中心點在與凸塞內(nèi)、外表面的半徑的中心點相反的方向上偏離活塞中心52約0．06英寸。該凸塞的圓弧長度約在140°至160°之間延伸，如圖3中清楚表示的。自凸塞頂面54至活塞表面47的最上部分的凸塞高度約為0．35英寸，或大致為活塞直徑的10％。過渡面57，59，61的半徑約為0．125英寸，而各壁端60，62的上部的半徑約為0．5英寸，半徑的中心點離周邊49約為0．54英寸?；钊臎_程為2．588英寸，因此，凸塞的高度沖程比約處于1∶7至1∶8的范圍內(nèi)。
現(xiàn)在參照圖5和6，其中詳細圖示了氣缸蓋。包含燃料噴咀的開孔24，該開孔的中心軸線70偏離氣缸縱軸線約16°?；鸹ㄈ_孔的縱軸線69平行于氣缸的軸線15，但自氣缸軸線至開孔26軸線測量偏離約0．68英寸。當用一根與氣缸蓋上表面72重合的直線測量時，噴咀開孔24的中心軸線偏離約氣缸中心線約1．972英寸。
氣缸蓋內(nèi)部或凹腔由深凹面74和次深凹面76分隔成2部分空間或容積，深凹面74當在圖5中看時處在左側，而次深凹面76處在右側。在這兩表面之間的是一向下延伸的氣缸蓋圓弧凸塞78，它與活塞凸塞48互為鏡影。
凹面74離氣缸蓋底面80的最大尺寸約1．00英寸；表面76離底面80的最大尺寸約為0．875英寸。底面80和凸塞78底面82之間的距離約0．625英寸。氣缸蓋內(nèi)部的周邊部由一弧環(huán)形表面84構成，后者的直徑自點87(表面84和80的交點)至點89(相同表面在該腔相反側的交點)，約3．609英寸。表面84的圓弧由約為5．79英寸的半徑產(chǎn)生。該表面84以圖6中用點劃線表示的兩圓91和93為界。過渡面86的半徑約0．5英寸，而三個其它的過渡面88、90和92各有約0．125英寸的半徑。氣缸蓋凹腔的直徑自燃燒室一側上的垂直面83至相反一側上的垂直面，由圓91代表，約為2．36英寸。氣缸蓋凸塞部分78，如內(nèi)壁、外壁和寬度厚度相同于活塞凸塞48的尺寸。
現(xiàn)在參照圖1，用實線和虛線表示活塞16處在兩個位置上，其實線位置表示活塞處在其上，下止點之間部分行程上，而虛線位置表示活塞處在其上止點(TDC)位置。可以看出，活塞凸塞48非常接近氣缸蓋凸塞78，從而將燃燒室22有效地分隔成兩部分98，100。該設計距離為0．05英寸。怠速時所需的燃料流量率約為每次噴射3至3．5毫克，這剛夠為活塞克服發(fā)動機內(nèi)部摩擦力提供足夠的能量。此后，計算為支持燃料所需的空氣量。業(yè)已確定，在怠速時為燃燒所需的僅約10％的空氣。為分流燃燒室內(nèi)空氣的10％，該凸塞將燃燒室分隔成一個小的區(qū)域或部分98和一個大的區(qū)域或部分100。該效果有些和在燃燒時將燃燒室減小到其實際尺寸的約1／10相類似。
本發(fā)明的一個主要優(yōu)點是將燃料經(jīng)濟性提高而對發(fā)動機在較高功率值時的運轉沒有任何有害的影響。另一優(yōu)點是燃料會有效地燃燒，從而減少分散在廢氣中的未燃燃料量。借助于該凸塞，燃料可很快噴入該圓周內(nèi)，從而賦以燃料更多的時間蒸發(fā)。本發(fā)明構件的再一個優(yōu)點是該凸塞的高度足以攔住燃料，但不那么高的過度加熱和燒掉或?qū)鋮s需要高昂的付出。
可以設想，燃料開始噴射將發(fā)生在曲軸處于活塞在TDG之前約30°至15°之間。這便允許燃料完成噴射，行至活塞頂面和蒸發(fā)。然而，燃料噴射可發(fā)生在TDC之前曲軸轉角50°至60°之間。火花塞點火約在TDC前10°和TDC之間。希望將活塞凸塞的頂面54在燃料開始噴射時配置在氣缸蓋凹腔內(nèi)，即在氣缸蓋的底面80之外，這樣，燃料往往會保持阻攔在小區(qū)98內(nèi)。該凸塞構件的另一優(yōu)點是定時。現(xiàn)有的定時是基于直至發(fā)動機每分鐘轉速超過2000的情況。此后，定時基于曲軸位置。利用凸塞構件，在整個功率標訂范圍內(nèi)定時可基于曲軸轉角。
可以理解，該凸塞并不是用來與習用的Schnurle或回流掃氣發(fā)生干擾的，其尺寸和位置定得對氣缸內(nèi)的掃氣流的任何有害影響減至最小。將燃料噴射器配置得向活塞和活塞凸塞48的內(nèi)表面56噴霧燃料。活塞凸塞防止燃料向排氣口飛濺或漂掠。隨著活塞上升，活塞凸塞將有助于將形成的燃料蒸氣保持在氣缸的進氣或輸氣側。隨著活塞接近上止點和在氣缸蓋的表面84與活塞周邊之間開始出現(xiàn)擠壓，該燃燒室便被明顯地分隔為兩部分98，100，結果大部分的燃料蒸氣處在較小部分98內(nèi)。這樣就形成了一個在其中進行燃燒的富油區(qū)。
具有按所述構造的燃燒室的主要優(yōu)點是最少量的燃料從排氣口被帶走，而燃燒充量的分層導致點火的改善和燃燒效率的提高。用于獲得剛才所述的某些效果的其它一些技術包括一種杯形活塞表面，但那種接近模式并不導致相同的擠壓作用，因而它可能難于對該杯子內(nèi)部進行掃氣。
本說明書詳細說明了本發(fā)明的一個實施例。在等同的原則下，其它的修改和變更將落在所附權利要求書的范圍內(nèi)。例如，改變活塞凸塞圓弧的長度，使凸塞加厚或加高，或改變內(nèi)、外表面的半徑都被視為等同物結構。將凸塞的形狀從圓弧改變?yōu)橹本€部也會被視為是一種等同物結構。其它的替代方案和許多新技術依然同樣會是等同物。本申請不希望或不想以任何方式限制等同物原則應用于本發(fā)明。
權利要求
1．一種內(nèi)燃機，包括一個在其內(nèi)形成氣缸的氣缸體；一個在所述氣缸內(nèi)可移動的活塞；一個氣缸蓋，其凹腔與所述發(fā)動機缸體連通，一起構成燃燒室；所述活塞具有一大致圓柱體，一頂面和一個在所述頂面內(nèi)形成的偏心凸塞；所述氣缸蓋包含一個凸塞，與所述活塞凸塞配置成大致對置，當活塞在氣缸內(nèi)處于上止點時，與所述活塞凸塞一起形成所述燃燒室中的第一和第二部分，其中第一部分約為燃燒室總容積的10％。
2．一種如權利要求1所述的裝置，其特征在于包括一個在所述氣缸蓋內(nèi)的第一開孔，用以安裝一燃料噴咀，當所述活塞處于或接近上止點時，將燃料噴入所述第一部分內(nèi)；一個在所述氣缸蓋內(nèi)的第二開孔，用以安裝一火花產(chǎn)生元件，當所述活塞處于或接近上止點時，點燃所述第一部分內(nèi)的燃料。
3．一種如權利要求2所述的裝置，其特征在于包括所述第一和第二開孔彼此相鄰，并和所述燃燒室的第一部分連通。
4．一種如權利要求2所述的裝置，其特征在于包括所述活塞具有一頂面，在平面視圖中為圓形，具有一中心和一周邊；所述活塞的凸塞配置在所述中心和周邊之間；所述凸塞在一面背所述中心的凹面。
5．一種如權利要求4所述的裝置，其特征在于包括所述活塞的凸塞為弓弧形，沿大約從140℃至160℃弧長延伸。
6．一種如權利要求5所述的裝置，其特征在于包括所述活塞的弓弧形凸塞的內(nèi)半徑大約是所述活塞半徑的36％。
7．一種如權利要求6所述的裝置，其特征在于包括所述活塞的弓弧形凸塞的外半徑大約是所述活塞半徑的50％。
8．一種如權利要求1所述的裝置，其特征在于包括高于所述活塞頂面的所述活塞的凸塞高度大約是所述活塞直徑的10％。
9．一種如權利要求1所述的裝置，其特征在于包括高于所述活塞頂面的所述活塞的凸塞高度與所述活塞沖程相比，大致處在1至7到1至8的范圍內(nèi)。
10．一種如權利要求1所述的裝置，其特征在于包括在所述氣缸壁內(nèi)的一個排氣口，其中所述活塞的凸塞與所述氣缸排氣口相反側對準。
11．一種內(nèi)燃機活塞，包括一個適于在由發(fā)動機氣缸體形成的氣缸內(nèi)以往復方式移動氣缸體和一個氣缸蓋，所述氣缸體和氣缸蓋形成一燃燒室；在所述氣缸體上的一個頂面；安裝在所述頂面上的凸塞，適于將具有所述氣缸蓋一部分的燃燒室分隔為兩個區(qū)域，其比例為9∶1。
12．按權利要求11所述的裝置，其特征在于所述活塞有一頂面，在平面圖上為圓形，具有一中心和周邊；所述凸塞處在所述中心和周邊之間；所述凸塞為圓弧形，其凹面背向所述中心。
13．一種如權利要求12所述的裝置，其特征在于包括所述圓弧凸塞沿一段大約自140°至160°圓弧長度延伸。
14．一種如權利要求13所述的裝置，其特征在于包括所述圓弧凸塞的內(nèi)半徑約為所述活塞半徑的36％；所述圓弧凸塞的外半徑約為所述活塞半徑的50％。
15．一種如權利要求14所述的裝置，其特征在于包括在所述頂面以上的所述圓弧凸塞的高度約為所述活塞直徑的10％。
16．一種如權利要求11所述的裝置，其特征在于包括在所述頂面以上的所述圓弧凸塞的高度與所述活塞沖程相比，約處在1∶7至1∶8的范圍內(nèi)。
17．改善內(nèi)燃機在怠速或接近怠速時的燃料經(jīng)濟性的方法，包括如下步驟提供一個具有一氣缸的發(fā)動機氣缸體，一個適于在所述氣缸體內(nèi)以往復方式移動的活塞和一個帶有一凹腔的氣缸蓋，其中，所述發(fā)動機氣缸體，氣缸蓋和活塞構成一燃燒室；將所述燃燒室分隔為兩部分，其容積比約為9∶1。將燃料噴射裝置和點燃該燃料的裝置安置在所述兩部分的較小一部分中。
18．按權利要求17所述的分法，其中所述分隔的步驟通過在所述活塞上安置一偏心凸塞，并通過在所述氣缸蓋凹腔內(nèi)安置一相應的凸塞來實現(xiàn)的。
全文摘要
一種利用活塞頂上的弧形凸塞和在氣缸蓋凹腔內(nèi)形成的互補弧形凸塞將燃燒室分隔為兩個區(qū)的內(nèi)燃機。當活塞處在上止點時,該燃燒室被有效地分隔為兩部分,該燃燒室的約10%處在燃料噴射器和火花塞附近。借助于該結構,該發(fā)動機將在怠速或極低功率值時所耗用的燃料量降至最少,而在較高功率值時的發(fā)動機性能還不受影響。
文檔編號F02B19/04GK1290324SQ99802810
公開日2001年4月4日 申請日期1999年2月2日 優(yōu)先權日1998年2月11日
發(fā)明者T·J·霍爾特曼 申請人:舷外發(fā)動機公司