CN1125238C - 压力空气辅助燃料喷射*** - Google Patents

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Abstract

一种内燃机，其具有一压缩空气辅助燃料喷射***(20)。该喷射***具有一个带有一个进入该发动机气缸的第一孔(30)和一个进入该发动机曲轴箱(18)的第二孔(38)的压缩空气储存器(34)。这两个孔位于该储存器的相对端，该储存器的形状为管形。每当进入该气缸的一个孔关闭时，该储存器泄掉压力。该储存器的管形形成了气缸来的一压缩波用的调节过的反射管，从而形成一反射压缩波，以便帮助将燃料和空气输送入该气缸中。该两个孔适合于由该发动机的活塞头开启和关闭。

Description

压力空气辅助燃料喷射***
本发明涉及内燃机用燃料喷射***，更具体地说，涉及一二冲程发动机的控制***。
压力空气用在喷射***中公知的有几种替换方案；即；可利用一单独的空气泵，空气源可来源于压缩或膨胀冲程期间发动机的气缸；或空气也可来源于具有泵作用的发动机的曲轴箱。在低成本的使用场合，都希望将曲轴箱或气缸用作空气源，以便避免单独的空气泵的复杂性和附加成本。在大气缸(通常排量大于50cc)发动机使用气动喷射的使用场合中，理想的是利用来源于气缸压力的喷射压力进行喷射，因为可获得高压喷射气体。在更小的发动机中，这种换气与气缸充量不成比例，因此对发动机性能存在不利影响。故在这种情况下，利用曲轴箱泵压气源更实际。
最有利的是在活塞的下死点附近或之后将燃料喷射入气缸中。这种喷射正时可避免喷入的燃料进入气缸扫气的早期状态，从而避免燃料产生短路损失给废气。此外，当气缸压力接近大气压时将燃料喷射气缸，从而允许充分利用有限的喷射压力来喷射并雾化燃料充量。因此理想的是具有一个在该活塞下死点附近的气动喷射正时，并且该正时相对发动机运行参数，例如速度和节流位置或负荷的变化是相对恒定的。
在现有技术中公开了几种控制一喷射阀的方法。US4693224教导人们利用一电磁阀来控制该喷射阀。通常这对于小型高速发动机的应用场合是不可接受的，原因是它需要具有一发动机的控制单元来控制该电磁阀，并且驱动该电磁阀需要相当大的功率，这两点增加了发动机的成本。如现有技术教导的那样，控制该阀的最常用方法是利用某种由该发动机曲轴驱动的动力阀连动形式。如由在Universita diPisa发表在SAE上的论文SAE940397“二冲程发动机用的空气辅助燃料喷射***”中描述的被称之为“喷射”的一***所述的那样，和如由Duret等人在L’Institut Francais du Petrole发表在SAE上的论文SAE880176“一种带有压缩空气辅助燃料喷射***并用于高效率低排放场合的二冲程发动机”中所述的一***所述那样，这些阀采取摆动阀的形式，或由Honda(本田)公司的Ishibashi发表在SAE上的论文SAE972077“分层扫气活化原子团燃烧发动机的实验研究”中所述的旋转型阀。所有这些动力驱动阀都都存在一个问题，即阀的密封件和驱动装置的运动部分都需要精确的表面和高质量的材料。装备的各个阀，例如暴露给燃烧气体的各阀还必须由昂贵的耐热材料制成。另外，许多零部件要求的润滑在这种简单的二冲程发动机中不可能获得。因此这种机械型阀布置显著增加了该发动机结构方面的成本和复杂性。所以，理想的是制造一种由便宜的材料制成且不需要高精度公差的喷射控制阀，该阀和驱动机构最好不要求耐高温能力或不需要额外的润滑。
此外，在该摆动阀应用于高速发动机中公知的是还存在另外的问题。该问题是大大地增加了发动机转速增加所需要的驱动力。对一个开度或升程固定的阀来说，该阀要求的加速度增加与该阀的开启频率的平方成正比，因此与发动机的速度成正比。此外，需要驱动该阀的力的增加与该发动机的速度的平方成正比。对单一作用的，即该阀只在一个方向被有效驱动的阀链来说，这些高的驱动力导致使用大的回位弹簧来克服该阀的惯性力并防止该阀浮动，结果甚至要更高的驱动力。理想的是在两个方向，即开启和关闭的方向驱动该阀，从而避免使用大的弹簧元件和相应的大的驱动力，同时仍可进行高速运行。可使用机械装置在两个方向驱动该阀，但这要求更高的精确性，并导致更高的发动机成本和复杂性。
驱动该喷射阀的最后一种方法是对该阀进行气动控制。通过在活塞相对的两侧使用不同的气压来驱动该活塞可影响该气动控制。该活塞倒过来驱动该阀。使用气动控制在气流控制中，例如在流动调节阀和诸如滑阀之类的流动控制阀中是常用的。在发动机运行中，气动控制阀通常使用在用于流动控制的化油器控制，压力调节和诸如驱动液体喷射并开启另外的流动通道的各种控制中。这种应用的示例表示在US5377637，5353754，5197417，5197418，4846119和4813391中。在它们用在要求限制运动的发动机中时，该活塞通常是一膜板形的，用作活塞密封件，且该膜板的作用是作为驱动活塞。
用驱动阀来控制一气动喷射***可从WO96/07817和EP0789138A中得到教导。这些***使用一个设置在燃烧室的气缸盖上并根据发动机各位置产生的压力来影响该阀的运动进行控制的喷射阀。
利用一凸轮控制从一曲轴箱来的扫气压缩空气的引入的IAPAC型燃料直接喷射***在过去已经在二冲程发动机中用来降低污染物的排放和燃料消耗。欧洲专利EP0789138一种不带凸轮的IAPAC***(现在称之为SCIP)，该***利用一个连接到一阀上的膜，一弹簧，从发动机曲轴箱来的压力，和燃烧室中燃烧膨胀气体的压力来使该阀的运动延迟。
该凸轮驱动的IAPAC***存在的问题是附加的零部件使该发动机的成本增加。该SCIP***存在的问题是燃烧室中的熄火导致没有燃烧膨胀气体来使该阀的运动延迟。二冲程发动机的熄火经常发生，每三个活塞循环就发生一次。因此，利用一SCIP***将燃料和空气喷入该燃烧室中会产生大量的早喷，即喷射次数的大约三分之一。
WO96/07817给出了一种气动阀，当从发动机曲轴箱中产生的喷射压力克服闭阀弹簧的压力并且从曲轴箱中产生一延迟的压力波时，该气动阀开启。在这种***中存在一个问题，即从曲轴箱中产生的喷射压力在很大程度上取决于发动机运行工况。在小型二冲程发动机中，由曲轴箱获得的峰值压力因节流位置而改变。在宽的节流位置(WOT)时，该峰值压力可高于大气压(psig)达到每平方英尺6-7磅，而在低的节流位置时，该峰值压力只有1.5-2psig。因此，可获得用来开启该阀的喷射压力在很大程度上取决于运行工况，因此喷射正时取决于运行工况。此外，在一小型高速发动机中，该阀的面积由该发动机中的可用空间严格限制。这个小的面积和可获得的作用于该面积上的喷射压力形成了一个小的可获得的并用于开启该阀的力。这与在高速时要求较高的力的前述运动现象的配合严重限制了其使用在小型高速发动机中。因此理想的是提供一种阀驱动***，该***在很大程度上与喷射压力无关，此外理想的是该原动力来源于该膜或驱动活塞，因此该阀的控制在很大程度上与该阀的面积无关。
WO96/07817还存在另一个问题。用于控制该喷射的波动通过一长的“延迟”线路起源于曲轴箱压力。该延迟线路用于控制压力波到达阀处的时间。按秒计的压力波传递时间基本上是一个常数，然而有关曲轴位置，即活塞位置的传递时间和到达时间在很大程度上取决于发动机速度。因此，喷射正时在很大程度上取决于发动机速度。此外，该延迟线路也可用来抑制该压力波，这种抑制相对发动机的转速的增加更敏捷。这种与相对较弱的曲轴箱波动相关的抑制使得高速/高负荷运行时的压力控制不充分。理想的是提供一种在很大程度上独立于发动机转速的阀控制***。
现有技术的其他实施例揭示了应用曲臂“侧面”控制和另外的延迟线路进一步控制该压力波。这些控制曲臂侧面必须制造作为精确的阀表面，以便控制与该阀控制相关的小股流动，从而使发动机成本明显增加。该另外的延迟线路进一步影响取决于该喷射正时的速度。
WO96/07817中公开的这些不足在EP0789138A1中也指出了。EP0789138A1揭示了一个如前述专利所述的阀的应用，此时用来使喷射延迟的波动来源于气缸膨胀气体。该膨胀波通过一延迟线路又来源于该阀控膜。在某些实施例中，可获得的开启力利用加长的延迟线路从该气缸膨胀气体或曲轴箱波动中增加，并输送到该驱动膜的相对侧。尽管该实施例确实增加了开启压力并改善了曲轴箱低压时的问题，但喷射正时高度依耐于发动机速度的缺点仍然存在。因此，只能优化发动机某些具体转速时的喷射特性。
通过使用膨胀气体控制阀的运动还会产生一个另外且是关键的问题。即小型二冲程发动机最可能表现出恶劣的燃烧特性，并在每两个冲程都会产生熄火或局部燃烧。在熄火期间，不存在燃烧膨胀气体用来使该喷射正时延迟。此外，由于密封环的泄漏，熄火后正常膨胀冲程期间的压力经常低于大气压，因此这进一步使喷射正时提前。所以，常常在每三个冲程时，在气缸的新鲜空气开始扫气时或之前产生喷射，因此没有熄火冲程中燃烧的充量和早期喷射用于后续冲程的充量的大部分，这两者都产生短路。故理想的是制造出一种在很大程度上独立于单个活塞循环的燃烧的燃烧膨胀气体的喷射控制***。
在前述的两个出版物中，关闭该阀的原动力是一个设置于该膜腔中的弹簧。该弹簧必须具有足够低的力以便允许该阀由低的喷射压力或可获得的膜驱动力开启。这个低的力与高速时增加的惯性力结合产生延迟，并且使阀的关闭延迟，最终使阀的浮动延迟。此外，理想的是制造出一种可按有效的方式驱动该阀开闭的双向作用阀驱动***。
小型二冲程发动机的常规特征是缺少单独的润滑***。润滑剂通常通过与燃料混合输送给曲轴箱部件和活塞-气缸单元。在现有技术的直喷式发动机，包括气动喷射发动机中，不带润滑剂的燃料输送到燃烧室中。因此这就要求具有曲轴箱和活塞-气缸单元用的另外单独的润滑剂供给泵和***，从而增加了发动机成本和复杂性。故理想的是具有这样的喷射***，即该***可提供一有限的但有意义的燃料润滑油混合量给该曲轴箱，以便满足该发动机的润滑要求，同时只附加有限的复杂性或成本。
由Rochelle发表的题为“延迟充量：一种改善二冲程发动机特性的措施”的SAE论文941678和题为“在二冲程发动机中利用延迟充量降低排放和燃料消耗”的SAE论文951784都公开了使用一调压腔，这一措施使活塞和气缸之间的燃料泄漏增加，这会增加碳氢化合物的排放。Rochelle的措施还具有一条在曲轴箱和燃烧室之间通过该调压腔的物理通道，这在本发明是要避免的。Rochelle的措施还忽视了声学影响。
根据本发明的一个实施例，提供一种内燃机，该内燃机具有一曲轴箱，一个连接到该曲轴箱上的气缸，和一个连接在该曲轴箱和气缸之间的压缩空气辅助喷射燃料***。一往复式活塞头设置于该气缸中。该压缩空气辅助燃料喷射***具有一管路***，该管路***带有一个通入气缸中并形成为一燃料和压缩空喷射口的第一孔和一个通入曲轴箱中并形成压缩空气进入和排出通道的第二孔。当活塞头在该气缸中往复运动时，它关闭和开启该两通道。该第一孔和第二孔相互隔开，并且活塞的大小和形状是如此确定的，以致于该活塞头实质上同时开启该压缩空气进入和排出通道和关闭该压力和压缩空气喷射口，并且当活塞头运动到上死点并通过上死点时，该排出通道仍保持开启。
根据本发明的另一个实施例，其提供了一种内燃机，该内燃机具有一个连接到一压缩空气源和一发动机气缸之间的压缩空气辅助燃料喷射***。该喷射***具有一个压缩空气储存器，和在该喷射***的燃料和压缩空气喷射口由该发动机的活塞头关闭时，该活塞头朝该上死点运动的大部分时间期间用于释放该储存器中的压缩空气的压力的装置。
根据本发明另一个实施例，其提供一内燃机，该内燃机具有一个连接到一压缩空气源和一发动机气缸之间的压缩空气辅助燃料喷射***。该喷射***包括：一个用于提供压缩空气充量的储存器和一个从该储存器通入该气缸中的孔。该孔的大小和形状如此地限制该充量流入该气缸中，以致于在该发动机的整个燃料和压缩空气喷射期间使整个充量加压。
根据本发明另一个实施例，其提供一内燃机，该内燃机具有一个连接到一压缩空气源和一发动机气缸之间的压缩空气辅助燃料喷射***。该喷射***具有一个该压缩空气源和该气缸之间的管路***。该管路具有一个通入该气缸中的第一孔和一个第二孔。该发动机具有用于开启并关闭该第一和第二孔的装置。当该第一孔开启时该第二孔关闭，在该第一孔关闭的大部分时间内，该第二孔开启。
根据本发明的另一个实施例，其提供一内燃机，该内燃机具有一个连接到一曲轴箱和一发动机气缸之间的压缩空气辅助燃料喷射***。该喷射***具有一个在该曲轴箱和气缸之间的管路。该喷射***还具有一个对排入该管路中燃料进行计量的燃料计量装置。该发动机的一活塞头开启和关闭从气缸和曲轴箱到该管路的通道。在曲轴箱处于真空压力以致于在活塞头的前进(上升)冲程期间燃料由真空吸入该管路，在活塞头的向后(下降)冲程期间空气被压入该管路期间，该气缸和管路之间的通道关闭，而该气缸和该管路之间的通道开启。
根据本发明的另一个实施例，其提供一内燃机，该内燃机具有一个连接到一压缩空气源和一发动机气缸之间的压缩空气辅助燃料喷射***。该喷射***具有储存器管路，同时其喷射口通入该气缸。该储存器管路的长度和形状如此设计，以致于便于形成一个用于反射一个在该气缸中燃烧后因该喷射口的开启而进入该喷射口，并在预定的时期将该反射的压缩波输送给该喷射口从而帮助燃料从该喷射口内喷出并喷入该气缸中的压缩波的调节反射管。
根据本发明的另一个实施例，一内燃机的压缩空气辅助燃料喷射***设置有一个带有两个分别处于该发动机的一气缸和一曲轴箱处的孔的储存器管，该储存器管具有一预定的长度，并且该孔可有选择地关闭，以致于气缸中燃烧产生并在该孔的第一个处进入该管路的压缩波运动通过该管路，并反射到该第一孔处，其中该管路形成一个用于该第一孔的调节反射管，以致于反射的压缩波可帮助燃料从该第一孔中喷出并喷入该气缸中。
根据本发明的一种方法，其提供了一种将空气和燃料喷射入一内燃机的一气缸中的方法，该方法包括下列步骤：将空气压缩入一储存器；使通入该气缸中的一喷射口开启，并使压缩空气从储存器中，使燃料从该喷射口中喷入该气缸；关闭该喷射口；开启该储存器的一排出通道，泄除该储存器中的残余压缩空气压力。
根据本发明的另一种方法，其提供一种制造一内燃机的方法，该方法包括下列步骤：设置一个带有一喷射口的气缸；将该压缩空气辅助燃料喷射***连接到该气缸上。该喷射***具有一燃料计量装置和一压缩空气储存器。该压缩空气储存器的长度和形状设置得便于在该发动机的活塞头运动通过下死点后将该喷射口处接收到的压缩波反射到该喷射口中。
根据本发明的另一种方法，其提供了一种将空气从一压缩空气辅助燃料喷射***中输送到一内燃机的一气缸中的方法，该方法包括下列步骤：将空气压缩入该喷射***的一储存器中；将第一量的压缩空气从该储存器中释放出来，并以一第一压力通过一喷射口进入该气缸；随后从该储存器中释放出一第二量的压缩空气，并以一个高于该第一压力的第二压力通过该喷射口进入该气缸。
根据本发明的另一种方法，其提供了一种将燃料和空气从一压缩空气辅助燃料喷射***中输送到一内燃机的一气缸中的方法，该方法包括下列步骤：使带有一压缩空气储存器的喷射***具有一个处于该发动机的曲轴箱和该气缸之间的通道；从该通道中将第一量的燃料和压缩空气输送入该气缸中；以更高的速率从该通道中接着将一第二量的燃料和压缩空气输送到该气缸中；其中输送该第一量和第二量的步骤发生在单个的喷射循环中。
本发明的上述内容和其他特性可参考各附图在下面的说明书中进行说明，其中：
图1A-1E是一台具有本发明的特性且其活塞头处于不同的运行位置的局部示意图；
图2是表示储存器的两个孔的关闭和开启的示意图，其取决于曲轴箱旋转并随之造成的活塞头定位；
图3是曲轴箱，燃烧室和储存器中的压力相对于活塞头在气缸中的位置的曲线图；
图4A-4D是类似于图1A中活塞处于图2中1B和1C之间的位置并表示压缩波和反射压缩波运动的示意图；
图5A-5C是该储存器管路的长度上的三个点处的压力曲线图；
图6是图3所述的曲线发生熄火时的曲线图；
图7是如图2所示的该发动机的替换实施例的示意图；
图8是一个替换实施例类似于图1D所示的局部示意图，但其中带有对活塞头的局部剖视；
图9是带有该储存器的替换实施例的发动机的局部示意图；
图10是带该储存器的另一替换实施例的发动机的局部示意图。
参见图1A，其表示具有本发明的特性的内燃机的示意图。尽管本发明将参照各附图中所示实施例进行描述，但应该懂得本发明也可具体实现为许多替换形式的实施例。此外，任何合适的尺寸，形状或类型的元件或材料都可使用。
发动机10是一台二冲程发动机，其具有一个气缸12，一个活塞14，一个曲轴16，一个曲轴箱18和一个具有一燃料计量***20的燃料喷射***22。本发明涉及一内燃机中低压喷射的控制。本发明的具体应用领域是二冲程内燃机。所述的具体应用是一台小型高速二冲程发动机，例如用在手持式动力设备中，例如叶片鼓风机，弦线修剪机和栅栏修剪机，也可用在轮式车辆中，例如机动自行车，摩托车和小型摩托车及小型舷外发动机中。该小型二冲程发动机具有许多理想的特性，这些特性使它们可用在上述应用中。这些特性包括：结构简单，制造成本低，高的功率一重量比，高速运行能力，及在世界的许多地方容易用简单的设备维修。
该简单的二冲程发动机突出的缺点是在扫气期间从气缸中损失了一部分新鲜未燃烧的燃料充量。这就导致了低的燃料经济性，最重要的是导致了未燃烧的碳氢化合物的排放很高，因此使该简单的二冲程发动机不能满足日益严格的政府排放标准的要求。这个缺点可借助于将带有新鲜空气的气缸充量与带有燃料的气缸充量分离得到解决。这种分离借助于将燃料充量喷射入该气缸中来实现，或者更好的是利用与新鲜空气扫气分开的压力空气源来使该燃料充量呈雾状喷射入该气缸中来实现。在本发明的一个优化实施例中，发动机的排量大小是大约16CC-大约100CC，但可以更大或更小。这些发动机的大小便于用在弦线修剪机，链式锯，叶片鼓风机和其他手持式动力工具中。该发动机也可用在诸如割草机，扫雪机或摩托艇舷外发动机之类的器具中。气缸12具有一个与其头部相连的火花塞(未示出)，一个连接到曲轴箱18上的底部，一个空气进口24，一燃烧室26，一排气口28，和一个通入该燃烧室的喷射口或进口30。该燃料计量装置20可以是任何合适于该***的类型的，例如化油器或电子燃料喷射器。然而，本发明的***的一个优点是对该燃料计量***来说，不需要具有高精度的正时或喷射质量。可以使用一个输送滴状燃料的简单计量***。在图1A所示的实施例中，该喷射口30是常开式通道；即没有单向阀连通到该燃烧室26中。然而，可以提供一替换实施例，该实施例中具有一个设置在其喷射口处的单向阀，例如如美国专利申请NO.09/065374公开的那样，该专利整体在本发明中作为参考。但也可使用任何合适的单向阀。该喷射口30位于该气缸12的一侧壁中，并且其形状便于朝气缸盖顶部方向朝上输入燃料和空气。但在一个替换实施例中，该进口也可位于气缸盖顶部中，或其形状便于直接将燃料导流至活塞14的头部。
该燃料喷射***22是一个压缩空气辅助喷射***。该喷射***22包括一个储存器34。在该实施例中，该储存器34具有一个可连接到曲轴箱18内进行加压的进口38和一个处于该喷射口30处的出口。该储存器34的作用是用作压缩空气的收集器和临时储存区。在该实施例中，压缩空气源是从曲轴箱18中来的扫气空气。活塞14在其向下运动时压缩曲轴箱中的空气。在一优化实施例例中，在气缸12中设置两个孔30，38；一个设置在空气进口24上方，一个设置在空气进口下方。在一优化实施例中，该两个孔都是由活塞控制的。换句话说，活塞头40的大小和形状设计得当其在气缸12中往复运动时便于通过孔30，38使通道开启和关闭。在该实施例中，该储存器34是一条位于该两个孔30，38之间的简单通道。然而，在一替换实施例中，如可从以下说明中懂得的那样，也可设置更复杂的形状。该通道34可进行部分机加工进入该气缸12的外表面，并且然后使一盖连接到该气缸上，以便只与这两个孔30，38形成并围成该通道34。然而，该储存器也可设置为一个连接到该气缸12上的单独件。在该优化实施例中，从该燃料计量***20引出的出口设置在该通道34中，靠近该喷射口30。
如下面进一步描述所述，该燃料喷射***22具有最少的运动件；仅仅只有燃料计量装置20中的运动件。否则该燃料喷射***20使用活塞头40来开启和关闭其口30，38。口30，38的开启和关闭正时取决于该通道沿气缸12的长度设置的位置。参照图1A-1E和图2，现在描述该喷射***的工作。希望用图2来说明在活塞单一的整个循环期间(其产生于曲轴16的360°转角)，该孔30，38的开启和关闭情况，其根据从活塞14上死点(TDC)位置处开始的曲轴16的转角位置，对应于活塞头的位置在360°内的情况。面积A表示当活塞头40挡住孔30时的面积。面积B表示活塞头40挡住孔38时的面积。在TDC处进口30由活塞头40的侧面挡住。此时孔38开启。空气进口24在上死点后(ATDC)大约60°的位置IC由活塞头40挡住。图1A表示如图2中1A位置所示处于大约90°ATDC处的活塞头40朝由箭头C示出的方向在气缸12中向下运动离开该活塞头的上死点位置的情况。该活塞头40正挡住该进口30，排气口28和空气进口24，但孔38开启。当活塞头40朝曲轴箱18运动时，曲轴箱18内的空气人箭头D所示通过通道38压入储存器34中。再参照图3，其为单一活塞循环期间相对表压为0，即一个大气压时的压力曲线图。在TDC处，曲轴箱18中的压力E和储存器34中的压力F在进口30处是基本相同的。它们基本上保持与活塞头通过位置1A时的压力相同。当活塞头40继续在气缸12中朝向运动时，排气口28在E0处开启。燃烧室26内燃烧产生的膨胀气体形成的压力G开始下降。
当活塞头40朝1B点运动时，如图1B所示，孔30开始开启，当活塞头40打开该孔30时，并开始挡住该孔38时，孔38开始关闭。该活塞头40在上死点后(ATDC)大约100°曲柄转角处打开进口30。在该实施例中，活塞头40在其打开到传送通道42(参见图1C)的通道的几乎同时，在该传送通道42开启时的位置TO处，完全关闭该孔38。
参照附图4A-4D来进一步描述在1B和1C之间的时期内该储存器34中气体的压力和运动。图4A-4D示意性地示出该储存器34作为具有一封闭端的管。这是因为在孔30开启的同时，孔38可由活塞头40基本上全部有效地关闭。图4A大致对应于位置1B。在该位置，该储存器34具有一个压缩空气体积44，压缩的空气和燃料的体积46，和燃烧气体的轻微阻尼器48的开始。此外，压缩波50从孔30进入该储存器34，并如图中箭头H所示的那样以音速朝该储存器下游朝此时被封闭的孔38closed传递。如图3中所示，进口30处的压力因燃烧气体进入该进口30及压力波50的进入在1B处朝上到达最大值。
图4B对应于一个短的正时延迟。燃烧气体的阻尼器48被被更进一步地推入该进口30中。该阻尼器48帮助加热该进口30，并帮助防止该储存器中的燃料直接短路循环到排气口28中。压缩波50进一步该储存器34下游传递。图4C对应于在TO处该传送通道42开启后的一短的时间。如图3所示，此时由于气体排出排气口28，因此进口30处的压力F高于燃烧室中的压力G。因此，阻尼器48被推入气缸12中(在空气和燃料46进入之前用于产生一延迟)，同时空气和燃料46开始进入该气缸。压缩波50已经反射离开该封闭孔孔38closed，更具体地说，已经反射离开盖住的孔38的该活塞头40的侧面。因此，该压缩波50已经变成反射压缩波50’。该反射压缩波50’如图中箭头H’所示通过该储存器30折回朝进口30传递。图4D大约对应于活塞头处于下死点(BDC)位置时的位置1C。这个位置基本上对应于图1C中所示的BDC位置。反射压缩波50’到达进口30处并进入气缸12中。这将在该进口30处产生一第二最大压力F，如图3所示。该第二最大压力帮助将燃料和空气以一加速速率推入该气缸12中。该压缩波主要是一声波。因此该波以音速传递。反射压缩波返回传递到进口30中的传送正时可借助于改变该储存器管的长度来改变。一根较短的储存器管将更快地传递该反射压力波，而一更长的储存器管将更晚地传递该反射压力波。因此可选择储存器管34的长度以便在任何合适的时间都可将该反射压力波输送回该喷射口30中。如图3所示，从进口30进入气缸中的空气和燃料压力通常为三组F1，F2，F3，并且在该三组压力期间具有三个对应的流量。因此一第一体积将从该进口30以一第一速率进入该气缸12，后续的第二体积将以一更高的第二速率进入该气缸，一后续的第三体积将以一第三低的速率进入该气缸。然而，在一替换实施例中，该储存器的结构可制造得便于在该进口30将要关闭时在更接近1D的时期内输送该反射压缩波。因此，只需要提供两个速率不同的时期。另外，该储存器的结构也可制造得便于将至少一个反射压缩波输送回该进口30中，例如借助于使该储存器设置有多级通道或多级反射表面。实际上，借助于关闭该孔38并利用该关闭的孔作为一反射区域，该储存器34可用作一压缩波50用的反射调节管。
参见图5A-5C，示出了按一参考标准图4A-4D中1，2和3点处压力与时间的关系图。在压缩波进入该进口30时，在1点处的压力在对应于图4A的时间4A处增加。1点处的压力封闭在对应于图B和4C的时间4B和4C处减弱。然后当反射压缩波到达1点处时，1点处的压力在对应于图4D中的4D时间处迅速增加，并随后在4D时间后降低。图5B表示在2点处正好在时间4B前当压缩波50通过2点时，压力是如何增加，再下降的，然后正好在时间4C前当反射压缩波50’通过时，压力是如何再一次增加，并再一次下降的。图5C表示3点处如何只有一个因压缩波的和该封闭的孔38closed反射作用产生的最大压力。
当该反射压缩波50’从该进口30传递出去时，它使气缸12中空气和燃料产生很大的扰动；实际上其作用就如一激波那样。这一点可帮助使燃料雾化并使燃料更好地在空气中分布。此外，该反射压缩波可以帮助消除因表面粘性或表面张力而粘接在该进口30的顶点或边缘上的油滴。该压缩波使燃料受冲击而离开该表面并进入气缸12中。该压缩空气44继续退出该进口30直到该进口如图1D所示由该活塞头再关闭为止。在进口30关闭后，即正好1D处后，该储存器34中剩余的空气继续加压。当排气口28在EC处完全关闭前，进口30短暂地完全关闭。孔38基本上在孔30关闭的同时开启。然而，在替换实施例中，孔38的开启将设置在孔30关闭之前，或作为替换设置在孔30关闭之后。孔38的开启是用作一个从该储存器34中的压缩空气中将残余压力按图1D箭头所示方向泄压到该曲轴箱18中的泄压孔。当进口30关闭时从储存器34中泄除的压力可防止过多的燃料量在活塞头40和气缸内壁之间被推压，否则会提高碳氢化合物的排放量。
随着活塞头40沿图1D中箭头J所示朝TDC位置上升，曲轴箱压力E降低到低于一个大气压，如图3所示。因此当孔38开启时，不仅储存器34中的压力释放，而且在该储存器34中产生一真空压力。这个真空压力用于将燃料从燃料计量装置20吸出，并帮助将燃料输送给储存器。如图3所示，储存器34中的压力F此时与曲轴箱18中的压力再一次匹配。参见图1E，其中示出了处于TDC位置的活塞头40。该空气进口24在IO点处开启。在该实施例中，该气缸12的内壁具有一条处于该进口30和进口24之间的槽60。这为一少量的燃料(含有润滑剂)沿图中箭头K所示方向流过该槽60提供了一通道，并润滑该活塞和曲轴箱中的轴承。然而，也可以不设置槽。在一替换实施例中，一孔可设置在进口24和进口30之间，这些进口相对于该气缸的内壁隔开，以便输送该活塞头后面的润滑剂。该发动机10可以具有一个另外的或替换的润滑***。
如小型二冲程发动机的现有技术所述，熄火(即：在燃烧室中没有燃烧)可能在多达三分之一的时间内发生。如果在发动机10中发生熄火，则一燃烧波将不会传递到该储存器34中。参见图6，其示出了在存在熄火时类似于图3所述的压力E和F的曲线。L表示当进口30开启时的喷射时期。压力F增加到该进口30开启为止，然后随着该储存器34中的压缩空气从该进口30排入该气缸，压力F恢复到与曲轴箱18内的压力基本上相同的压力E。本发明的一个特征是进口孔30的大小设计得便于防止该储存器34中被完全排净到该气缸12中。换句话说，该储存器34在该进口30开启的整个期间都加压，以致于在该进口30开启时，该压缩空气继续施加压力流出该进口30。不管是否存在燃烧或熄火，这种现象都发生。由于活塞头40开启，并关闭各种口/通道24，28，30，38和42，因此借助于改变各口/通道24，28，30，38和42相对于该气缸长度方向的位置和/或沿气缸长度方向相对于彼此的位置，该发动机10可设计得提供不同的性能特性。这就可改变该储存器从曲轴箱中充满压缩空气的时间长度，储存器扫气的时间长度，储存器喷射入该气缸中的时间长度等等。例如如果该传送通道，排气口或空气进口在活塞循环中或早或晚地开启的话，这也可改变压力变化率。
本发明上述各实施例的特性已经在一台25cc发动机上被实验验证了，该发动机具有一个75°角并位于该传送通道42的顶部下方0.1英寸的喷射孔，一复合充量和排出孔位于该传送通道上方0.05英寸处，一敞开的空气进口，利用一单膜燃料泵产生的一psi的燃料压力。对平均速度为2430rpm的低速而言，生产的发动机如下：
燃料(g/hr)    修正动力(kw)    HC FID(ppm)    HC(g/hr)
  64.466           0           28410.03       26.81
其中HC是碳氢的排放；HC FID是由火焰离子探测器测量到的等价于C1H1.85中总的碳氢排放。对7487rpm的平均高速来说，生产的发动机如下：
燃料(g/hr)    修正动力(kw)    HC FID(ppm)     HC(g/hr)
  332.448         0.728         8438.31        26.97
这导致总的HC排放为31.59g/bhp*hr(克/制动马力*小时)，总的CO排放为77.25g/bhp*hr(克/制动马力*小时)，总的NOx排放为1.41g/bhp*hr(克/制动马力*小时)。对平均高速(敞开节流阀)来说，平均HC排放是28.38g/bhp*hr；平均FC是0.731 lb/hr；平均BSFC是0.769lb/bhp*hr，其中FC是燃料消耗，BSFC是制动比油耗。
在同一台发动机上按富油区设置进行了另一个实验。对3513rpm的平均低速而言，生产的发动机如下：
燃料(g/hr)    修正动力(kw)    HC FID(ppm)    HC(g/hr)
  79.534           0           37947.69       34.46
对7496rpm的平均高速而言，生产的发动机如下：
燃料(g/hr)    修正动力(kw)    HC FID(ppm)    HC(g/hr)
 391.192         0.800         13146.97       42.05
这导致总的HC排放为44.18g/bhp*hr。此外，总的CO排放是198.1g/bhp*hr，总的NOx排放是1.098g/bhp*hr。在稀薄区情况下，获得的总HC排放是28.69g/bhp*hr。
另外的实验数量记录如下：
发动机速度   燃料   观测值   进气   点火    CO    CO2     O2    NOx      HC
   rpm      lb/hr     hp     F(度)  F(度)   ％     ％     ％    ppm      ppm
   7460     0.609    0.74     88     441   0.44   8.48   9.00   99.9    8581.9
   7478     0.668    0.85     90     457   1.02   9.30   7.51   133.9   8263.4
   7494     0.699    0.89     93     469   1.54   9.42   6.91   140.8   8796.4
   7495     0.722    0.90     93     475   1.94   9.40   6.60   144.5   10426.8
   7503     0.753    0.93     95     477   2.53   9.15   6.43   136.9   11374.2
   7511     0.795    0.98     100    475   3.16   8.91   6.28   132.1   12067.9
   7512     0.817    0.98     108    475   3.61    8.69  6.17   118.7   13004.9
现在参见图7，其表示类似于图2所述该发动机的一替换实施例的两个储存器孔开启和关闭时的情况。在该发动机的该实施例中，压缩空气和燃料喷射孔比图1A所示的更离开该气缸的顶部。因此，该压缩空气和燃料喷射孔在接近该活塞头的BDC的区域A’和A″开启和关闭。该传送通道在该喷射口在A’处开启前在TO处关闭，并且该传送通道在该喷射口在A″处关闭后在TC处关闭。如图6所示，这提供了一个喷射时期L’。利用本发明，选择A处还是B处关闭只根据各自的孔沿该气缸长度方向的位置确定。然而，在替换实施例中，可用替换的或另外的装置来开启和/或关闭该两个储存器孔。
选择参见图8，其示出了发动机用的一润滑***的替换实施例。在该实施例中，活塞头62具有一个穿过其侧壁到其内部的孔64。该孔64可与进口30对齐，因此燃料(带有润滑剂)可从该孔30中流过孔64进入该活塞头62的内壁。该活塞头62由一轴承68连接到一活塞杆66上。流入活塞头62内部的润滑剂也可直接润滑该曲轴和活塞杆66之间的轴承。尽管这种形式的润滑将增加碳氢的排放，但增加量是非常少的，因此仍能使该发动机满足新的政府碳氢排放标准。
现在参见图9，所示发动机带有一个储存器管70的替换实施例。如上所述，该储存器即可用作一压缩空气储存器又可用作一调节反射管。在该实施例中，该储存器管70具有一个膨胀腔部分72，相对该初始压缩波的长度而言，该腔适合于加大该反射压缩波的长度。因此该反射压缩波可在用于一第二最高压力的更长时期内传播，该时期比图3所示时期更长。该储存器管的结构可以提供任何合适的调节管来使原始压缩波加强。
现在参见图10，其中所示的发动机带有该储存器80的另一替换实施例。在该实施例中，该储存器80设置一长度可连续变化的调节管，该调节管根据发动机的速度可连续变化。该储存器80具有一个可旋转的内管件82，一滑动密封装置84，一个处于该喷射孔30和内管件82之间的第一管段86，和一个处于该孔38和内管件82之间的第二管段88。该内管件82如箭头M所示可旋转，从而改变该两孔30，38之间的有效管长。可用任何合适的装置来根据发动机转速使该内管件82旋转，例如可用一个连接到一节流阀上的机械装置，或一电子控制装置。在另一个替换实施例中，可利用一滑动的U形波导节形可变长度储存器管。
上述***具有许多新特性。不管是否正好在该喷射循环前发生燃烧，该小尺寸的喷射孔30都允许产生一持续喷射。在反射目的的喷射循环期间，该储存器是一个一端封闭的***。在燃料被引入该燃烧室中之前，该传送通道开启。在活塞的每个循环中，储存器中的压力释放或排掉，因此在活塞头和气缸壁之间从该喷射口中产生燃料泄漏。在该喷射孔30附近的并将燃料吸入该储存器中的真空可用来简化所用的燃料泵的形式，例如可用一简单的膜片燃料泵。该储存器管***的长度和形状可利用压缩波来输送一反射压缩波，以便增加通过该进口30输送的燃料和压缩空气量。该反射压缩波可在该进口30中使燃料雾化，使通过该进口30的喷射更快进行，也可相对所有准备在气缸中并基本上静止的空气使燃料雾化。因此，对一部分燃料充量产生了一加速的后期输送，该燃料充量是该***固有的。该后期输送降低了未燃烧的燃料直接短路到排气口28中的量和可能性。因此，碳氢排放减少了。该反射压缩波在BDC后扫气结束时可传递给该喷射孔。该储存器管具有两个可变的开启和封闭端，从而提供一封闭端调节管功能以及一压缩空气储存器功能和一储存器排出压力泄压功能。由于孔30，38的关闭和开启特性，在该气缸和曲轴箱之间不存在由该储存器提供的常开通道。该储存器管的调节管特性可被调节，例如利用膨胀腔调节，从而传递反射压缩波，以便补偿发动机的速度变化。燃料收集提高到80％-95％。因此，燃料收集损失低达只有5％。在老式***中，燃料收集只有60％-70％。由于降低了燃烧损失，又因反射压缩波的作用使燃料更好地混合而减少了熄火，因此本发明的***具有更好的燃料效率。由于该储存器管的调节管特性在过高的速度时失去调节作用，因此使该反射压缩波的燃料冲击特性的适当定时输送损失，从而本发明也可用作一自调速作用，防止一发动机，例如一链式锯用的发动机超速。
应该懂得：前述说明书只是为了对本发明进行说明。在不脱离本发明的情况下，本技术领域的普通技术人员可作出各种替换和修改。因此本发明应该包括处于所附的各权利要求的范围内的所有这些替换，修改和变型。

Claims (22)

1.一种内燃机，其具有一个连接在一压缩空气源和该发动机的一气缸之间的一压缩空气辅助燃料喷射***，包括：
该压缩空气辅助燃料喷射***具有一个处于一通入该气缸中的第一孔和一较低的第二孔之间的管路，并且该发动机具有一直接开启和关闭该第一孔和第二孔的活塞，其中该第二孔在该第一孔开启的大部分时间内由该活塞关闭，以及该第二孔在该第一孔由该活塞关闭的大部分时间内开启；
该通入该气缸的一第一孔形成一燃料和压缩空气喷射口，第二孔形成一压缩空气进口和排出口，其中所述活塞包括一个活塞头，当活塞头在气缸中作往复运动时，该活塞头开启和关闭这两个口，其中该第一孔和第二孔相互隔开，并且活塞头的大小和形状如此设计，以致于该活塞头基本上同时开启该压缩空气进入和排出口并关闭该燃料和压缩空气喷射口，当活塞头运动到并通过一上死点位置时，该排出口保持开启状态，所述管路构成用于投送燃料给所述气缸的管路***的一部分；
所述喷射口的尺寸便于限制空气流过该喷射口，以致于在单一的喷射循环中流出该喷射口的总空气量被压缩，并且当该喷射口关闭后，压缩空气离开该管路***。
2.如权利要求1所述内燃机，还包括一个活塞头中的孔，该孔可与该喷射口对齐，从而允许该燃料中的润滑剂从该喷射口流到该孔中，从而润滑将该活塞头与一活塞杆连接的轴承。
3.如权利要求1所述内燃机，其中当活塞头处于上死点位置时，该气缸包括一个沿一内壁从该喷射口到该活塞头后端之后的一位置设置的润滑通道。
4.如权利要求3所述内燃机，其中该润滑通道开通入一空气进口中。
5.如权利要求1所述内燃机，其中在曲轴箱中存在真空压力期间，气缸和该管路***之间的通道关闭，曲轴箱和该管路***之间的通道开启，以致于在活塞头朝上死点位置上升的前进冲程期间，燃料由真空作用吸入该管路***中，在活塞头向下冲程期间，空气被压缩入该管路***中。
6.如权利要求1所述内燃机，其中该管路***形成一个喷射口用的调节过的反射管，该管路***的调节过的管的长度便于在从该喷射口中将后一半燃料输送入该气缸中期间，将燃烧产生的压缩波反射输送回该喷射口中。
7.如权利要求1所述内燃机，其中该管路形成一个压缩空气储存器，其中该压缩空气辅助燃料喷射***还包括当所述活塞关闭该第一孔并且活塞正在朝上死点位置运动时的大部分时间内释放该储存器内压缩空气的压力的装置。
8.如权利要求7所述内燃机，其中所述第一孔形成一喷射口，该喷射口的尺寸便于限制空气流从该储存器流过该喷射口，以致于从该喷射口流出的总空气量都被加压，并且在该喷射口关闭后压缩空气离开该管路***。
9.如权利要求7所述内燃机，其中还包括一个活塞头中的孔口，该孔可与该第一孔对齐，从而允许该燃料中的润滑剂从所述第一孔流到该孔口中，从而润滑将该活塞头与一活塞杆连接的轴承。
10.如权利要求7所述内燃机，其中当活塞头处于上死点位置时，该气缸包括一个沿一内壁从该第一孔到该活塞头后端之后的一位置设置的润滑通道。
11.如权利要求10所述内燃机，其中该润滑通道开通入一空气进口中。
12.如权利要求7所述内燃机，其中在曲轴箱中存在真空压力期间，气缸和该储存器之间的通道关闭，曲轴箱和该储存器之间的通道开启，一燃料计量装置具有一个连接到该储存器上的出口，所以在活塞头朝上死点位置上升的前进冲程期间，燃料由真空作用吸入该储存器中，在活塞头朝远离上死点位置的方向运动期间，空气被压缩入该储存器中。
13.如权利要求7所述内燃机，其中该储存器形成一个第一孔用的调节过的反射管，同时该调节过的管的长度便于在从该第一孔中将后一半燃料输送入该气缸中期间，将燃烧产生的压缩波反射输送回该第一孔中。
14.如权利要求1所述内燃机，其中所述管路形成一储存器管，该储存器管的长度和形状便于形成一个调节过的反射管，来反射一个在该气缸中燃烧后因该第一孔的开启而进入该第一孔的压缩波，并在预定的时期将该反射压缩波输送给该第一孔，从而帮助燃料从该第一孔喷出并喷入该气缸中。
15.如权利要求14所述内燃机，其中该第二孔可开启，从而将该储存器管与该发动机的一曲轴箱压力相连。
16.如权利要求14所述内燃机，其中该储存器管包括一个使该反射压缩波加强的膨胀腔段。
17.如权利要求14所述内燃机，其中该预定时期发生在该第一孔开启的后一半时间中。
18.如权利要求14所述内燃机，其中该具有该储存器管和波动力学的喷射***适合于在一单一喷射循环中，将第一体积的燃料和压缩空气以一第一压力喷射入该气缸，并将一后续的第二体积的燃料和压缩空气以一更高的第二压力喷射入该气缸。
19.如权利要求14所述内燃机，其中该喷射口关闭后，压缩空气保留在该储存器管中，并且该储存器管具有一个随后开启以便释放该储存器管内的压力的排出口。
20.一种制造一内燃机的方法，其包括下列步骤：
提供一个带有一喷射口的气缸；
将一压缩空气辅助燃料喷射***连接到该气缸上，该喷射***具有一燃料计量装置和一压缩空气储存器，其中该压缩空气储存器的长度和形状设计得便于在该发动机的一活塞头运动通过一下死点位置后，将该喷射口处接收到的一压缩波反射回该喷射口中；
设置带有一充量口的储存器，并设置用于关闭该充量口的装置。
21.如权利要求20所述方法，其中用于关闭该充量口的装置包括如此地设置该充量口，使该发动机的一活塞头能盖住该充量口。
22.如权利要求20所述方法，还包括设置带有用于使该反射压缩波加强的一膨胀腔段的储存器。
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