專利名稱：設有直接燃料注入燃燒系統(tǒng)的二沖程內(nèi)燃機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種設有直接燃料注入燃燒系統(tǒng)的二沖程內(nèi)燃機。
背景技術：
往復式二沖程內(nèi)燃機獲全球公認為設計最簡單的內(nèi)燃機，因此除了設有發(fā)動機、發(fā)電機組、鏈鋸、割草機、水中使用的舷外發(fā)動機等的所謂四輪電動車外，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)燃機作為推進器。采用設計「簡單」的推進系統(tǒng)，是由于此類汽車屬于低增值制品，因此推進系統(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)燃機設計簡單、低成本，但存在一系列缺點，包括高度重迭進氣及排氣相。使用時，許多曲柄轉(zhuǎn)角的新鮮充氣口及燃氣排氣口均打開，估計超過40％的新鮮空氣泄漏，引致廢氣中含有高比例的未燃碳氫，難以符合現(xiàn)時及未來采用的「反污染」標準。
另一產(chǎn)生污染物的重要原因是有關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，有關缺點是由空氣進入燃燒室前空氣與燃料混合而成的進料種類而造成的。為減少上述缺點，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系統(tǒng)，但有別于柴油推進系統(tǒng)，二沖程柴油推進系統(tǒng)存在不少缺點，包括混合燃料的困難，導致異常的燃燒及操作。事實上，在二沖程及四沖程柴油推進系統(tǒng)中，混合燃料的問題是通過準確設計設有旋渦的進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)，壓力在純機械系統(tǒng)下可達至1000bar，在所謂的「共同軌道」系統(tǒng)下更可達至更高的壓力。通過有關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)并不能達至高壓力，因為會引致壓力系統(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)動機公司(Orbital Engine Corp.Ltd.)所開發(fā)的系統(tǒng)能達至正面效果。通過采用特別精密的注入技術，成功發(fā)展汽車專用的二沖程推進系統(tǒng)，效能令人滿意，與四沖程推進系統(tǒng)比較，污染排放度較低。事實上，奧比度發(fā)動機(Orbital Engine)開發(fā)并完善了稱為「空氣輔助注入」的注入技術，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)動機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，達至低沙德直徑的燃料注入，純機械注入系統(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)動機能發(fā)展汽車專用的二沖程推進系統(tǒng)，從污染排放度的角度看，其效能可與四沖程推進系統(tǒng)相比擬。
奧比度發(fā)動機最近此技術應用到一部擁有50cc活塞排量的二沖程內(nèi)燃機中。此項產(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)果需要使用復雜的裝置才能做到(試想象采用大型壓縮機生產(chǎn)50cc發(fā)動機的壓縮空氣)。事實上，除大型壓縮機外，此技術提供不少于兩個「噴射器」，一個把汽油注入到預備混合室，另一個把混合室與燃燒室連接。兩個「氣閥」均由控制器管理，可見有關技術的復雜性，引致生產(chǎn)成本及維修成本上升，因此奧比度的技術極少應用于低增值的小摩托車中。
用于此類推進系統(tǒng)的技術必須成本低廉(整個推進系統(tǒng)增值有限)，并可在減少污染物方面改善推進系統(tǒng)的「效能」，藉以符合現(xiàn)時及未來的法律。
本發(fā)明的一般用途為改善上述缺點，使現(xiàn)有的二沖程推進系統(tǒng)較傳統(tǒng)二沖程推進系統(tǒng)擁有至少以下其中一項優(yōu)點-有限的未燃碳氫排放量，-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，采用純機械方式直接注入燃料至燃燒室內(nèi)，以達至上述優(yōu)點。
有關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)燃機包括以下特征-一個氣缸(2)，-一個附有連接桿的活塞(4)，
-一個氣缸蓋(3)，其在燃燒室的一邊封閉所述氣缸(2)，-一個曲軸箱(12)，其在所述燃燒室的對邊封閉所述氣缸(2)，-一個插入所述氣缸蓋的火花塞(5)，及-一條燃氣排放管(8)，其進氣口設于所述氣缸(2)接近所述活塞(4)下止點的內(nèi)表面；其特征在于它還設有-一條進氣管(6)，其設有設于接近所述活塞(4)下止點的燃燒室進氣口(13)(后稱為《換氣口》)，以及其它設于所述氣缸(2)中接近所述曲軸箱(12)的位置或所述曲軸箱中的進氣口，-一條把潤滑油輸送到所述進氣管(6)的管道(7)，-一個感應驅(qū)動軸的旋動速率及角位的傳感器(9)，-一個傾斜地插入氣缸壁(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)在上止點時置于所述噴射器(1)及所述燃燒室之間，及-一個控制器(10)，其根據(jù)所述傳感器(9)的輸出訊號，所述控制器(10)將所述火花塞(5)的點火時間、所述噴射器(1)的開啟時間與及驅(qū)動軸的循環(huán)活動互相協(xié)調(diào)，并根據(jù)使用者設定的旋動速率、發(fā)動機負荷及加速規(guī)定，調(diào)整所述內(nèi)燃機每個周期的燃料注入量。


以下附圖對本發(fā)明的實施例作出說明，并解釋本發(fā)明裝置的目的及特征。
圖1是本發(fā)明設有直接燃料注入系統(tǒng)的二沖程內(nèi)燃機的部件分解圖；圖2是根據(jù)圖1實現(xiàn)的內(nèi)燃機(上半部)側(cè)面剖視圖；及圖3是圖2內(nèi)燃機的仰視圖。
具體實施例方式
如上圖所示，圖1內(nèi)燃機的各個部件有下列意義。
1噴射器，2二沖程往復式內(nèi)燃機氣缸，3同一內(nèi)燃機的氣缸蓋，4活塞及與其相連的連接桿，5火花塞，6進氣管(不設蝶形或門式氣閥)，7潤滑油輸入管道，
8排氣管，9rpm或驅(qū)動軸定位傳感器(感測器)，10用以協(xié)調(diào)噴射器及火花塞的電子控制器，11確?？諝鈫蜗蛄鲃拥膯蜗蛉~片閥，12內(nèi)燃機曲軸箱(槽)在建議附圖中，當更清楚描述本發(fā)明時，通過已知方式實現(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)(圖中標號為13的進氣管及標號為8的管道，其入口看似伸進燃燒室，與現(xiàn)實不符，實是視覺效果)。
本發(fā)明的操作方式如下當活塞(4)剛封閉換氣口(13)(空氣輸入)，燃料會通過噴射器(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)生兩個綜合效應。首先是起動了所謂的次級霧化，亦即是在燃料點滴在主要燃料噴流沖擊燃燒室壁后，燃料點滴將會從燃燒室壁分離并散布在燃燒室內(nèi)。第二個效應是燃料沖擊射流產(chǎn)生液體與固體的高對流熱能交換系數(shù)，因此沖擊在氣缸蓋壁(一般位于吸熱機較高溫度組件之間)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，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)燃機的操作速率下，混合物均不能燃燒。因此，只需根據(jù)旋動速率和發(fā)動機負荷調(diào)整燃料注入量(以及注入位置及點燃程序)，便可調(diào)整內(nèi)燃機，更可以強力空氣輸入燃燒，大大減少未燃碳氫及一氧化碳的產(chǎn)生。
另一優(yōu)點是，即使在最緩慢的運作下，廢氣中常有大量分子氧，因為在內(nèi)燃機缺乏節(jié)氣閥的情況下，會有最多的空氣流過，造成氧化催化器的有效運作，氧化催化器通常安裝于此類內(nèi)燃機的排氣管中。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。
關于「靜態(tài)」操作情況，在內(nèi)燃機操作初期，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及次級霧化增加，藉以彌補受「熱」氣缸蓋壁引致的燃料蒸發(fā)減少，并開始啟動內(nèi)燃機及逐步加熱。在傳感器(為更清晰的描述而省略)偵測內(nèi)燃機加熱期間，控制器(10)將逐步減少燃料的大量注入，直至達到穩(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。
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)燃機的氣缸壁上，并以合乎其設計的方式操作。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，「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，可實現(xiàn)保護噴射器免受壓力及燃燒期間的高峰期溫度所影響，實現(xiàn)方式是使接近上止點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)燃燒殘渣。
本發(fā)明采用噴射器及機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)濟效益。通過直接注入，廢氣中的未燃碳氫會因輸入箱及排氣箱重迭而大大減少。
純機械注入(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)使用者當時控制的變速器調(diào)整內(nèi)燃機的速率、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用新型的精神下所作的實質(zhì)或原理上的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換或替換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
其中一個改變是把管道(6)的進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)燃機的操作。
權利要求
1.一種二沖程內(nèi)燃機，它包括-一個氣缸(2)，-一個附有連接桿的活塞(4)，-一個氣缸蓋(3)，其在燃燒室的一邊封閉所述氣缸(2)，-一個曲軸箱(12)，其在所述燃燒室的對邊封閉所述氣缸(2)，-一個插入所述氣缸蓋的火花塞(5)，及-一條燃氣排放管(8)，其進氣口設于所述氣缸(2)接近所述活塞(4)下止點的內(nèi)表面；其特征在于它還設有-一條進氣管(6)，其設有設于接近所述活塞(4)下止點的燃燒室進氣口(13)(后稱為《換氣口》)，以及其它設于所述氣缸(2)中接近所述曲軸箱(12)的位置或所述曲軸箱中的進氣口，-一條把潤滑油輸送到所述進氣管(6)的管道(7)，-一個感應驅(qū)動軸的旋動速率及角位的傳感器(9)，-一個傾斜地插入氣缸壁(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)在上止點時置于所述噴射器(1)及所述燃燒室之間，及-一個控制器(10)，其根據(jù)所述傳感器(9)的輸出訊號，所述控制器(10)將所述火花塞(5)的點火時間、所述噴射器(1)的開啟時間與及驅(qū)動軸的循環(huán)活動互相協(xié)調(diào)，并根據(jù)使用者設定的旋動速率、發(fā)動機負荷及加速規(guī)定，調(diào)整所述內(nèi)燃機每個周期的燃料注入量。
2.如權利要求1所述的內(nèi)燃機，其特征在于它還包括一個置于所述進氣管(6)內(nèi)使空氣只可單向流動的單向氣閥(11)。
3.如權利要求1所述的內(nèi)燃機，其特征在于所述控制器(10)在每個周期控制所述噴射器(1)的開啟，開啟時間為所述活塞(4)在壓縮沖程開始時剛封閉所述換氣口(13)之后。
4.如權利要求1所述的內(nèi)燃機，其特征在于它還包括一個內(nèi)燃機溫度傳感器，所述控制器(10)根據(jù)所述溫度傳感器偵測出的溫度調(diào)整所述內(nèi)燃機每個周期的燃料注入量；在所述內(nèi)燃機操作初期，若未達到操作溫度，則增加所述燃料注入量。
5.如權利要求1所述的內(nèi)燃機，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.如權利要求5所述的內(nèi)燃機，其特征在于所述氣缸蓋內(nèi)表面與一面對所述氣缸口的平面相互之間呈33.1度角。
7.如權利要求6所述的內(nèi)燃機，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.如權利要求2所述的內(nèi)燃機，其特征在于所述曲軸箱(12)與所述活塞(4)的往復運動用作一吸氣泵。
全文摘要
一種二沖程內(nèi)燃機，其特征在于它包括一個氣缸(2)，一個附有連接桿的活塞(4)，一個氣缸蓋(3)，其在燃燒室的一邊封閉所述氣缸(2)，一個曲軸箱(12)，其在所述燃燒室的對邊封閉所述氣缸(2)，一個插入所述氣缸蓋的火花塞(5)，及一條燃氣排放管(8)，其進氣口設于所述氣缸(2)接近所述活塞(4)下止點的內(nèi)表面；其特征在于它還設有一條進氣管(6)，其設有設于接近所述活塞(4)下止點的燃燒室進氣口(13)(后稱為“換氣口”)，以及其它設于所述氣缸(2)中接近所述曲軸箱(12)的位置或所述曲軸箱中的進氣口，一條把潤滑油輸送到所述進氣管(6)的管道(7)，一個感應驅(qū)動軸的旋動速率及角位的傳感器(9)，以及一個傾斜地插入氣缸壁(2)的燃料噴射器(1)。
文檔編號F01M3/02GK1798914SQ200480014940
公開日2006年7月5日 申請日期2004年5月21日 優(yōu)先權日2003年5月29日
發(fā)明者安力高·利路 申請人:安力高·利路