一种高效率低排放的时间分层扫气小型二冲程汽油机
阅读说明：本技术 一种高效率低排放的时间分层扫气小型二冲程汽油机 (High-efficiency low-emission time-stratified scavenging small two-stroke gasoline engine ) 是由 刘永根 杨慧明 刘运申 秦义明 姜雪琨 宋雄伟 于 2021-07-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高效率低排放的时间分层扫气小型二冲程汽油机,包括相互连通的曲轴箱室、气缸,气缸内有活塞,活塞侧面有储气型腔,活塞内纯空气通道一端设于活塞侧面、另一端连通储气型腔；气缸缸壁设有混合气进气口、纯空气进气口、扫气口、排气口,还包括进气管、双腔化油器,进气管一端连接于混合气进气口、纯空气进气口所在的气缸缸壁位置,进气管另一端连接双腔化油器,气缸外壁对应扫气口位置分别设有扫气室,扫气室底部连通于气缸内部。本发明能够有效减少排放尾气污染。(The invention discloses a time-layered scavenging small two-stroke gasoline engine with high efficiency and low emission, which comprises a crankcase chamber and a cylinder which are mutually communicated, wherein a piston is arranged in the cylinder, a gas storage cavity is arranged on the side surface of the piston, one end of a pure air channel in the piston is arranged on the side surface of the piston, and the other end of the pure air channel is communicated with the gas storage cavity; the cylinder wall of the cylinder is provided with a mixed gas inlet, a pure air inlet, a scavenging port and an exhaust port, and the cylinder further comprises an air inlet pipe and a double-cavity carburetor, one end of the air inlet pipe is connected to the position of the cylinder wall where the mixed gas inlet and the pure air inlet are located, the other end of the air inlet pipe is connected with the double-cavity carburetor, the positions of the outer wall of the cylinder, which correspond to the scavenging port, are respectively provided with a scavenging chamber, and the bottom of the scavenging chamber is communicated with the inside of the cylinder. The invention can effectively reduce the pollution of the discharged tail gas.)
技术领域
本发明涉及小型二冲程汽油机领域，具体是一种高效率低排放的时间分层扫气小型二冲程汽油机。
背景技术
小型二冲程汽油机由于其结构紧凑、操作轻便、功重比高、生产和维护成本低等特点，广泛应用于农林机械、园艺绿化、航模发动机等需要动力性能强劲并且轻巧便于携带使用的领域。经过几十年的发展，目前国内通用小型二冲程汽油机年产量约占同期全球同类发动机总产量的40％以上。
当前市场上一般普通的二冲程汽油机是在气缸上按顺序布置排气口、扫气口和进气口,利用活塞向上运动在曲轴箱中产生负压，利用这个负压将可燃混合气引入曲轴箱；当活塞下行时，曲轴箱内的可燃混合气受到压缩，分别利用活塞顶部及裙部底面的上下往复运动来控制排气口、扫气口及进气口的开关；它的特点是扫气道位于排气口的两侧,从扫气口流出的二股新鲜可燃混合气(经化油器产生汽油与空气的混合气体)扫气气流,首先冲向排气口对面的气缸壁,在缸壁的导引下折向向上,沿着缸盖的燃烧室,然后折转向下,流向排气口。新鲜可燃混合气不可避免的会与燃烧后的废气产生混合，未经燃烧就与废气一起通过排气口流出机器。其扫气过程中短路损失造成大量的新鲜混合气直接从排气流失，造成二冲程汽油机油耗升高并且排放尾气中含有大量的碳氢化合物HC和一氧化碳CO等有害物质，已成为大气的主要污染源之一。
欧美发达国家不断实施日益严格的排放法规，美国EPA早在上世纪九十年代就最先实施了通用小型汽油机的排放法规，目前已是第三阶段要求；欧盟也在2017年实施了第五阶段排放法规；国内在2013年颁布实施了非道路机械排放第二阶段标准，目前在布局第三阶段排放法规；由此可见，普通的小型二冲程汽油机尾气排放已很难满足不日益严苛的法规要求。
同时，现有的普通二冲程汽油机为了减少换气损失，扫气口设计的比排气口低很多，然而当活塞上行时，先关闭扫气口，后关闭排气口，在此段时间内，即扫气后期，气缸内一部分可燃混合气由排气口被挤出机外，这样不仅浪费了燃料，又加重了污染。因此，市场需要一种结构简单、经久耐用同时又具备高功率、低排放的小型二冲程汽油发动机。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效率低排放的时间分层扫气小型二冲程汽油机，以解决现有技术小型二冲程汽油机由于气路不合理导致的排放尾气污染大的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种高效率低排放的时间分层扫气小型二冲程汽油机，包括曲轴箱室和连接于曲轴箱室顶部的轴向竖直的气缸(6)，曲轴箱室、气缸(6)内部连通，曲轴箱室内转动安装有轴向水平的曲轴(3)，气缸(6)内同轴滑动安装有活塞(13)，所述曲轴(3)通过连杆(4)与活塞(13)连接，气缸(6)顶部安装向气缸(6)内点火的火花塞(15)，所述活塞(13)两对称侧面分别设有储气型腔(12)，活塞(13)内设有纯空气通道(11)，纯空气通道(11)的进口端道口设于两储气型腔(12)之间的活塞(13)侧面，纯空气通道(11)的出口端道口连通两储气型腔(12)；
纯空气通道(11)进口端方向对应的气缸(6)一侧缸壁设有混合气进气口(5)、纯空气进气口，其中混合气进气口(5)位于纯空气进气口下方，还包括进气管(7)、双腔化油器(9)，所述进气管(7)内具有两个气道，所述双腔化油器(9)内具有纯空气腔室和新鲜混合气腔室，所述进气管(7)一端连接于混合气进气口(5)、纯空气进气口所在的气缸(6)缸壁位置，且进气管(7)内两个气道各自一端一一对应连通于所述混合气进气口(5)、纯空气进气口，所述双腔化油器(9)连接于进气管(7)另一端，且进气管(7)内两个气道各自另一端一一对应连通于双腔化油器(9)中的纯空气腔室和新鲜混合气腔室；
储气型腔(12)方向对应的气缸(6)两侧缸壁分别设有扫气口，两侧扫气口所在位置高度均高于所述纯空气进气口，气缸(6)外壁对应每个扫气口位置分别设有扫气室，由扫气口连通气缸内部与对应位置的扫气室，每个扫气室底部分别连通于所述混合气进气口(5)下方的气缸(6)内部；两扫气口之间的气缸(6)缸壁还设有排气口(17)，所述扫气口的上沿所在高度低于所述排气口(17)的上沿所在高度，且排气口(17)上沿与气缸(6)顶部之间距离为扫气口上沿与排气口(17)上沿之间距离的8.5-9倍。
进一步的，所述活塞内有两组纯空气通道(11)，两组纯空气通道(11)的出口端道口一一对应连通两储气型腔(12)，两组纯空气通道(11)的进口端道口分别设于两储气型腔(12)之间的活塞(13)侧面。
进一步的，所述双腔化油器(9)包括化油器本体，化油器本体进口端安装有阻风门(10)，化油器本体出口端安装有油门(8)，阻风门(10)、油门(8)之间设有隔板，所述隔板一端伸入油门(8)中将油门(8)分隔成两部分，隔板另一端伸入阻风门(10)中将阻风门(10)分隔为两部分，由此通过隔板将化油器本体内部整个隔分为纯空气腔室、新鲜混合气腔室两部分。
进一步的，所述气缸(6)外壁对应每个扫气口位置分别盖罩固定有盖板，由盖板与气缸(6)外壁围成的空间构成所述扫气室，所述气缸(6)底部对应每个扫气室位置分别设有开口，每个扫气室底部分别敞口并连通于气缸(6)底部对应位置的开口，由此使每个扫气室分别连通于混合气进气口(5)下方的气缸(6)内部。
进一步的，每个扫气口轴向分别相对于气缸(6)轴向倾斜，且每个扫气口倾斜高端位于气缸(6)缸壁内侧，每个扫气口倾斜低端位于气缸(6)缸壁外侧。
进一步的，每个扫气口轴向与气缸(6)轴向形成110°～130°的夹角。
进一步的，所述气缸(6)外壁对应于排气口(17)位置固定有消音器(18)，所述排气口(17)连通于消音器(18)。
进一步的，所述排气口(17)上沿与气缸(6)顶部之间距离为扫气口上沿与排气口(17)上沿之间距离的8.75倍。
本发明利用纯空气在空间上先行扫气，然后新鲜混合气依次跟进扫气。通过组织合理的进扫气流，首先把进气系统分成两部分，一路纯空气通过双腔化油器(9)的纯空气腔室和进气管(7)对应气道被吸入活塞(13)的储气型腔(12)，另一路新鲜混合气通过双腔化油器(9)的新鲜混合气腔室和进气管(7)对应气道直接进入曲轴箱。
换气过程开始后，位于活塞(13)的储气型腔(12)的纯空气进入扫气室，并被曲轴箱室内预压缩的新鲜混合气先挤压流入气缸(6)内清扫废气，而后新鲜混合气才流入气缸(6)。利用时间上的先后在缸内形成分层流动，即利用纯空气将新鲜混合气与废气隔离开，阻止新鲜混合气直接从排气口(17)流出，这样大大减少了新鲜混合气的逃逸；同时优化了减少了扫气口与排气口(17)的高度差，排气口(17)与扫气口高度齐平或略高于扫气口，在避免废气从扫气口倒流入曲轴箱室的情况下，增加有效行程，来提高功率以及减少有害物排放。
另一方面，汽油机在怠速工况时，双腔化油器(9)的纯空气腔室始终处于关闭状态，只打开新鲜混合气腔室，保持了怠速性能稳定，加速性能好。在此基础上降低了二冲程汽油机的HC和CO排放值，最终实现节能减排的目的。同时，整机结构紧凑、经久耐用。
位于活塞(13)上方的气缸(6)上部作为燃烧室，当活塞(13)向上止点运动时，气缸(6)上部作为燃烧室里的混合气开始受压，活塞(13)下部封闭的曲轴箱室容积增大，曲轴箱室内压力迅速下降，当上行到某一位置时，首先纯空气依次通过双腔化油器(9)的纯空气腔室和进气管对应气道由纯空气进气口进入气缸(6)，然后通过活塞(13)裙部的纯空气通道(11)进入储气型腔(12)；储气型腔(12)与气缸(6)两侧的扫气口联通，实现了纯空气通过扫气口进入扫气室。其次活塞(6)下边缘脱离混合气体进气口(5)使混合气体进气口(5)打开，在内外压差的作用下，新鲜混合气通过双腔化油器(9)的新鲜混合气腔室和进气管的对应气道直接进入曲轴箱，曲轴箱开始进新鲜混合气。经过上止点，到进气开始的对称位置关闭为止。
在上止点附近，火花塞(15)点火，引燃压缩后的新鲜混合气开始膨胀做功；在活塞(13)运动至边缘关闭纯空气进气口、混合气体进气口(5)后，活塞(13)再下行便开始压缩，使曲轴箱室内进入的新鲜混合气压力提高；活塞(13)下行到某一位置时，其脱离排气口(17)使排气口(17)打开，由于这时气缸(6)内新鲜混合气已经完成燃烧做功，产生的废气压力高达0.3MPa，废气以声速从排气口(17)排出，排气过程开始；活塞(13)继续下行使扫气口打开，当曲轴箱室压力大于气缸(6)内废气压力时，预先储存在扫气室内的纯空气首先进入气缸(6)，它与燃烧室内的废气进行掺混吹扫后由排气口(17)进入消音器(18)后再排出机外，紧接着扫气室内下部的新鲜混合气从曲轴箱室通过扫气口再进入气缸(6)，驱赶废气继续排出。由此可以减低未燃烧的混合气随废气逃逸的现象，有效降低尾气中HC和CO等化合物排放，同时实现高低速状态下的稳定性，可提高小型汽油机的功率。
本发明优点如下：
(1)双腔化油器由化油器本体和设于化油器本体喉口部位的隔板等构成，隔板连接油门和阻风门，在保证足够的流通截面积的基础上将喉口处圆形进气通道分割为互不干涉的纯空气腔室和新鲜混合气腔室两部分，形成双腔化油器结构。
(2)与双腔化油器对应，进气管也一分为二，形成彼此独立的上、下型腔两个通道，分别用于通过纯空气和新鲜混合气。
(3)活塞区别传统的光滑圆柱型式，在满足结构强度的基础上，活塞裙部两侧分别设计专门的纯空气通道和储气型腔，并与扫气口及双腔化油器及进气管配合形成纯空气通道。
(4)气缸内壁区别传统的一个进气口，专门设计两个进气口，即双腔进气系统，一个为纯空气进气口，另一个为混合气进气口，增加了进气量，提高了换气效率。
(5)排气口高度略高于扫气口的高度。当活塞上行时，气缸内壁从扫气口关闭到排气口关闭这段距离，它是靠活塞上行强制把充量排出，若排气口高度远远高于扫气口高度，这时由于进气已结束，气缸中大量的新鲜混合气也随废气一起被排出，导致油耗增加，同时使HC排放增加，因此气缸内壁从扫气口关闭到排气口关闭这段距离愈小愈好。
附图说明
图1是本发明的侧向立体剖示图。
图2是本发明的上止点侧向平面剖示图。
图3是本发明的下止点侧向平面剖示图。
图4是本发明的正向立体剖示图。
图5是本发明的正向平面剖示图。
图6是本发明的外观结构图。
图7是本发明的活塞平面示意图。
图8是本发明的排气口和扫气口相对位置示意图。
图9是本发明的排气相位角示意图。
图10是本发明的扫气相位角示意图。
图中附图标记：1右曲轴箱；2左曲轴箱；3曲轴；4连杆；5混合气进气口；6气缸；7进气管；8油门；9双腔化油器；10阻风门；11纯空气通道；12储气型腔；13活塞；14活塞销；15火花塞；16消音器垫片；17排气口；18消音器；19轴承；20油封；21左扫气盖板；22右扫气盖板；23左扫气口；24右扫气口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1-图7所示，本发明一种高效率低排放的时间分层扫气小型二冲程汽油机,包括右曲轴箱1、左曲轴箱2、曲轴3、连杆4、气缸6、进气管7、油门8、双腔化油器9、阻风门10、纯空气通道11、储气型腔12、活塞13、活塞销14、火花塞15、消音器垫片16、排气口17、消音器18、轴承19、油封20、左扫气盖板21、右扫气盖板22、左扫气口23、右扫气口24。
首先由右曲轴箱1和左曲轴箱2拼合构成具有内腔的曲轴箱室，把轴向呈左右水平的轴承19和油封20分别压装曲轴箱室内，再将轴向呈左右水平的曲轴3转动安装于轴承19。轴向竖直的气缸6底部固定连接于曲轴箱室顶部，并且气缸6内与曲轴箱室内连通，将活塞13同轴滑动安装于气缸6内，并且在活塞13和曲轴3之间设置一个连杆4，连杆4一端连接于曲轴3，连杆4另一端连接于活塞13中的活塞销14。
气缸6的左、右侧缸壁上部位置分别对应设置左扫气口23、右扫气口24，气缸6左、右侧缸壁外侧面上部对应左扫气口23、右扫气口24位置分别盖罩固定有左扫气盖板21和右扫气盖板22，由每侧的扫气盖板和气缸6对应侧壁之间围成的空间作为扫气室，并且扫气室的底部与气缸6内下部空间连通。
在气缸6的缸壁中部后侧位置设置纯空气进气口，气缸6的缸壁下部后侧位置位于纯空气进气口下方设置混合气进气口5。气缸6的缸壁后侧依次连接进气管7和双腔化油器9。进气管7具有上、下两个气道，上、下气道各自前端一一对应连通于缸6的缸壁的纯空气进气口、混合气进气口5。双腔化油器9包括化油器本体，化油器本体进口端安装有阻风门10，化油器本体出口端安装有油门8，阻风门10、油门8之间设有隔板，隔板一端伸入油门8中将油门8分隔成两部分，隔板另一端伸入阻风门10中将阻风门10分隔为两部分，由此通过隔板将化油器本体内部整个隔分为纯空气腔室、新鲜混合气腔室两部分，进气管7上气道另一端连通于纯空气腔室，进气管7下气道另一端连通于新鲜混合气腔室。
气缸6缸壁上部前侧位置设有排气口17，排气口17的高度略高于左、右扫气口23、24。气缸6缸壁外侧面对应排气口17位置通过消音垫片16连接安装有消音器18，由排气口17连通气缸6内部和消音器18。气缸6顶部安装火花塞15，由火花塞15向气缸6内部点火。
气缸6内的活塞13左、右侧面分别设有储气型腔12，活塞13内设有左、右两个纯空气通道13，两个纯空气通道13出口端道口一一对应连通于左、右侧储气型腔12，两个纯空气通道13进口端道口分别设于气缸6后侧面。由此，气缸6在上下运动时，可由气缸6的缸壁封闭储气型腔12和纯空气通道13进口端；活塞6运动至储气型腔12到达对应侧扫气口位置时，左、右侧储气型腔12对应于左、右侧扫气口23、24连通；活塞6运动至纯空气通道13进口端道口与气缸6的缸壁中部后侧位置的纯空气进气口位置对应时，纯空气通道13进口端道口可与纯空气进气口连通。
双腔化油器9通过连接油门8和阻风门9形成上下两个互不干涉的独立腔室，即纯空气腔室、新鲜混合气腔室。同理，进气管7也分为彼此独立的上、下气道。活塞13的左右对称的两个储气型腔12能够与气缸6内壁配合形成密封空间，并与其中左右各两个纯空气通道11互相联通。汽油机工作时，依靠活塞13上行在曲轴箱室内产生的负压，促使纯空气通过双腔化油器9的纯空气腔室流入进气管7的上气道并通过纯空气通道11进入储气型腔12。另一方面，新鲜混合气通过双腔化油器9的新鲜混合气腔室流入进气管7的下气道并进入曲轴箱室内的封闭空间，并在此利用负压继续充分雾化混合，提高新鲜混合气燃烧效率。
气缸6左、右两侧装配有左扫气盖板21和右扫气盖板22，分别与气缸6外壁形成左、右扫气室，左、右扫气室对应于气缸6缸壁上部的左、右扫气口23、24连通。并且扫气口的扫气路线与气缸轴线形成一定的夹角，在110°～130°之间，可使扫气流沿气缸6缸壁流动，防止了扫气短路现象，可减少短路损失，达到节油减排的效果。
活塞13继续上行一小段，此时左、右储气型腔12空间刚好对应与左扫气口23、右扫气口24位置对应，纯空气马上进入左扫气盖板21和右扫气盖板22分别形成的左、右扫气室上部，而新鲜混合气则继续进入曲轴箱室内的封闭空间。活塞13继续上行到上止点附近，火花塞15开始点火，气缸6上部燃烧室的可燃混合气燃烧做功，推动活塞13下行，此时曲轴箱室内的封闭空间里的新鲜混合气开始受压，当活塞13继续下行打开排气口17，燃烧后的废气通过排气口17，高速流入消音器18后排出机外。
本发明中，气缸6内壁上从左、右扫气口23、24关闭到排气口17关闭这段距离尽可能减少。利用活塞13的顶面开关排气口17和左扫气口23、右扫气口24,所以这两种类型的气口的开关时间只与它们的上沿位置有关。排气口17、左扫气口23、右扫气口24距离气缸6顶面的距离十分重要，在保证有效压缩比的情况下，距离越短越有利于提高发动机的转速，因为在高速时，清除废气的时间变短，提前开启，也就加长了排气和扫气的时间。本发明设计中，，左扫气口23、右扫气口24的上沿所在高度低于排气口17的上沿所在高度，且排气口17上沿与气缸6顶部之间距离为扫气口上沿与排气口17上沿之间距离的8.5-9倍，最优值为8.75倍。例如，若排气口17上沿与气缸6顶面的距离为21mm，则左扫气口23、右扫气口24上沿与排气口17上沿的距离为2.4mm(如图8所示)，排气相位角127.3°(如图9所示)，扫气相位角88.9°(如图10所示)。
防止扫气口打开时新鲜混合气的逃逸。当活塞13运动至使左扫气口23和右扫气口24打开时，储存在左扫气盖板21和右扫气盖板22分别形成的左、右扫气室上部的纯空气被预压缩的新鲜混合气推压入气缸6的燃烧室里进行先行扫气，之后新鲜混合气再进入燃烧室进行扫气。使用纯空气先行扫气，由此可以降低未燃新鲜混合气的逃逸，降低尾气中有害成分(HC+CO)等的排放，减少油耗，增加功率，提高其经济性。同时，在怠速工况下，纯空气通道11一直处于关闭状态，而只使新鲜混合气进入气缸6内；使得汽油机怠速稳定，加速性能好，可有效提高汽油机的功率。
本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
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