活塞进气式二冲程发动机的制作方法

1.本发明属于发动机领域，具体涉及一种活塞进气式二冲程发动机。


背景技术：

2.二冲程发动机具有机械效率高、比功率大和成本低等优点，在军用、民用、科研等领域占据着巨大的市场空间。但近年来，在能源和环境问题的双重压力下，各国政府分别出台了越来越严格的排放法规，二冲程汽油机由于受到经济性和排放性能较差等因素的影响，特别是nox和co的排放，造成严重的环境污染，其发展受到了一定的限制。造成二冲程汽油机排放差的主要原因是换气过程不彻底：一方面，新鲜混合气直接流入排气道，造成短路损失；另一方面，上一个循环的燃烧产物仍有部分残留在气缸内。
3.cn 104500211 a专利公开了一种二冲程分层扫气发动机，主要包括空气扫气部件及混合气扫气部件，具有独立空气扫气道的分层扫气技术方案，大幅度减少新鲜混合气的短路损失，降低发动机的有害排放。cn 103046998 b提供了一种废气扫气发动机，实现了利用废气对发动机进行扫气，降低发动机的原排，从而控制了发动机的排放指标。cn 103061864 b公开了一种多层扫气发动机，能够降低燃油的损失率，减少其尾气污染物的排放。
4.现有技术方案多采用横置扫气口，采取分层扫气或废气扫气的方式辅助进去过程，现有技术一定程度上保证了气缸内然后的充分燃烧，但是，分层扫气发动机将冷空气直接引入高温的燃烧室与高温高压的废气碰撞，生成no2和co，增加了废气排放中不良的燃烧污染物；另一方面，待燃的混合油气进入汽缸随燃烧后的废气排出，进而影响了尾气排放，也损失了燃油。
5.基于前述分析，本发明提出采用活塞开口的垂直进气方式的二冲程发动机，气流沿缸体运动方向进入燃烧室，一方面，能够增加湍流度，使空气与燃料充分混合，另一方面，空气没有直接进入排气口，减少短路损失且利于废气排出。


技术实现要素：

6.要解决的技术问题：
7.为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种活塞进气式二冲程发动机，采用开口式进气活塞，在其周向外缘开设置进气口，通过相对进气开关的相对位置来控制气流流动与阻滞，开口式进气活塞设计避免横置式进气的二冲程发动机的空气短路损失，同时，增加了缸内气流的湍流度，有利于缸内气体与燃油充分浑身，提高燃油利用率。
8.本发明的技术方案是：一种活塞进气式二冲程发动机，包括燃烧室、火花塞、进气口、排气口、气缸壁、活塞、散热片、扫气箱和飞轮；所述飞轮通过曲轴、连杆与活塞连接；所述气缸内的活塞上方为燃烧室，其顶部安装有火花塞；其特征在于：所述活塞为开口式进气活塞，其周向外缘处开有多个轴向通槽，所述轴向通槽作为活塞的开口；所述气缸的上部内壁沿周向设置有与轴向通槽一一对应的凸起，构成进气开关；所述凸起与凹槽形状互补，当
开口式进气活塞运动至进气开关时，两者配合将气缸的燃烧室与扫气箱隔断；
9.所述开口式进气活塞在上下运动过程中，通过与进气开关的接触、分离实现控制进气；当开口式进气活塞下行且低于进气开关时，气缸的燃烧室与扫气箱连通，扫气箱气体进入气缸，扫气箱通过进气口吸入外部空气；当开口式进气活塞上行至进气开关时，气缸的燃烧室与扫气箱隔断，所述开口式进气活塞塞压缩气缸内气体并进行燃烧；如此往复运动，实现扫气箱吸气、缸内吸气、缸内封闭、缸内压缩、缸内燃烧、膨胀做功、活塞下行、扫气箱吸气的全工作流程。
10.本发明的进一步技术方案是：所述进气开关的径向截面形状为长方形或半椭圆形，其最大长度为活塞圆盘半径的1/4至1/3，其宽度为自身长度的1/3至1/2。
11.本发明的进一步技术方案是：所述进气开关的数量为4-8个，能够保证通气流量。
12.本发明的进一步技术方案是：所述开口式进气活塞上的轴向通槽沿周向均布，数量为6个。
13.有益效果
14.本发明的有益效果在于：本发明的垂直进气方式，能够避免横置式进气的二冲程发动机的空气短路损失，同时，由于多气口进气，增加了缸内气流的湍流度，有利于缸内气体与燃油充分浑身，提高燃油利用率与废气排放率。以下参照附图进行说明：
15.(1)在附图3的速度对比中可以得出，传统横置式扫气孔，缸内气体流动马赫数范围为0.02-0.1，但垂直进气方式的气缸内，流动马赫数范围为0.12-0.24，垂直进气方式使得缸内气流更加顺畅，流动能量耗散小；
16.(2)从附图4的压力分布对比可知，垂直进气方式缸内气体流动更加顺畅，缸内气体压力更高，更有助于燃烧与做功；
17.(3)从附图5的湍动能对比可知，横置式进气的缸内气体湍动能的范围为0-200，而垂直进气方式的缸内气体湍动能的范围为70-700，由此可知，垂直进气有利于增加缸内气体的湍流度，更加利于油气混合与充分燃烧，附图6、附图7同理；
18.结合本发明实施例可以得出，垂直进气的活塞进气式二冲程发动机，通过活塞开口以及活塞相对进气开口的相对关系来控制扫气箱与气缸内的联通，当活塞下行且开口式进气活塞低于进气开关时，气缸的燃烧室与扫气箱联通，扫气箱气体进入气缸，扫气箱吸入外部空气。当活塞上行且开口式进气活塞高于进气开关时，气缸的燃烧室与扫气箱隔断，活塞压缩气缸内气体并进行燃烧。如此往复运动，实现吸气与排气巡航。实施例研究结果表明，本发明能够减弱缸内气体流动阻力，使得进气过程更加顺畅，缸内气体流向与出口垂直，短路损失减少。缸内气体湍流度提高，更有利于油气混合与充分燃烧，能够降低有害物质的产生与排放。
19.在进一步限定中将所述进气开关的径向截面形状限定为长方形或椭圆形，其最大长度为圆盘半径的1/4至1/3，其宽度约为自身长度的1/3至1/2，数量设置则需保证通气流量，可以设置为4至8个。首先，数量设置应兼顾通气需求以及结构使用需求，设置过少，易导致通气流量不足，设置过多，易导致活塞外缘开口过多，自身结构强度减弱，另一方面也容易导致活塞与刚体接触面积减少。其次，最大长度为圆盘半径的1/4至1/3，能够保证开口横截面积满足通气需求，过小会导致通气不足，过大容易导致活塞与曲轴接触的承力区域减小。宽度约为自身长度的1/3至1/2，适当的长宽比能够保证结构刚度，使得气缸运动过程中
不会发生挠曲变形，影响正常工作过程。
附图说明
20.图1为本发明活塞进气式二冲程发动机示意图；
21.图2为本发明垂直进气示意图；(1)为活塞下行示意图；(2)为活塞上行示意图；
22.图3为本发明气缸速度分布对比图；(1)为横置进气速度云图；(2)为垂直进气速度云图；
23.图4为气缸压力分布对比图；(1)为横置进气压力云图；(2)为垂直进气压力云图；
24.图5为气缸湍动能分布对比图；(1)为横置进气湍动能云图；(2)为垂直进气湍动能云图；
25.图6为气缸涡粘性分布对比图；(1)为横置进气涡粘性云图；(2)为垂直进气涡粘性云图；
26.图7为气缸涡空间流线对比图；(1)为横置进气空间流线；(2)为垂直进气空间流线。
27.附图标记说明：1-燃烧室；2-火花塞；3-1-进气口；3-2-排气口；3-3-侧壁导气口；4-1-气缸壁；4-2-进气开关；4-3-开口式进气活塞；5-散热片；6-扫气箱；7-飞轮。
具体实施方式
28.下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
29.本发明公开了一种活塞进气式二冲程发动机，采用活塞开口垂直进气方式，减小进气的短路损失且提高空气湍流度，使得燃油燃烧更加充分，从而减少其尾气污染物的排放。参照图1所示，包括燃烧室1、火花塞2、进气口3-1、排气口3-2、气缸壁4-1、进气开关4-2、开口式进气活塞4-3、散热片5、扫气箱6、飞轮7。
30.所述飞轮7通过曲轴、连杆与活塞连接；所述气缸壁4-1内的活塞上方为燃烧室1，其顶部安装有火花塞2；所述活塞为开口式进气活塞4-3，其周向外缘处开有多个轴向通槽，所述轴向通槽作为活塞的开口；气缸的上部内壁沿周向设置有与轴向通槽一一对应的凸起，构成进气开关4-2；所述凸起与凹槽形状互补，当开口式进气活塞运动至进气开关时，两者配合将气缸的燃烧室与扫气箱隔断。所述气缸下方侧壁开有侧壁导气口3-3，与扫气箱6连通。
31.所述燃烧室1内包含燃油与空气的混合物，在火花塞点燃下，产生燃烧化学反应，缸内气体膨胀做功，推动活塞进行往复运动，产生的废气经由排气口3-2排出。
32.参照图2所示，燃烧室1内的空气来源于活塞开口，当开口式进气活塞4-3向下运动至低于进气开关时，气缸与扫气箱直接连通，扫气箱内气体进入气缸内部。当飞轮7在惯性作用下，推动开口式进气活塞4-3向上运动至进气开关，则进气过程结束，开口式进气活塞4-3向上运动压缩气体，在燃烧室内完成燃烧过程。
33.本实施例的气缸几何半径为20mm，高度为32mm，汽缸壁厚度为2mm，活塞厚度为3mm。所述气缸内壁连接着六个进气开关，每个进气开关的径向截面为半椭圆形，截面平面形状外边界线几何参数如下表所示。活塞的凹槽与进气开关相对应的装配间隙为0.5mm。
34.当活塞下行且开口式进气活塞低于进气开关时，气缸与扫气箱联通，扫气箱气体进入气缸，扫气箱吸入外部空气。当活塞上行且开口式进气活塞高于进气开关时，气缸与扫气箱隔离，上行活塞压缩气缸内气体并进行燃烧。如此往复运动，实现扫气箱吸气、缸内吸气、缸内封闭、缸内压缩、缸内燃烧、膨胀做功、活塞下行、扫气箱吸气的全工作流程。
35.以本发明实施例为例，采用cfd方法对流动效果进行对比，网格划分均采用非结构网格，计算工具均采用基于rans方程的cfx商业软件，计算输入设置如下：
36.(1)空气压强为101325pa，空气密度为1.225kg/m3；
37.(2)入口边界条件(进气口3-1)采用压力面设置，设置为0.1atm相对压强，即气流从该口流入且气流压强高于大气压强0.1atm；
38.(3)出口边界条件(排气口3-2)设置为-0.1atm相对压强，采用压力面设置，即气流从该口流出且气流压强低于大气压强0.1atm；
39.(4)气缸外壁设置无滑移边界条件；
40.计算结果如附图3至附图7所示，分别给出横置式扫气装置与本发明的垂直进气方式的流场对比。
41.流体力学仿真结果表明，本发明能够降低缸内气体流动阻力，使得进气过程更加顺畅，缸内气体流向与出口垂直，短路损失减少，缸内气体湍流度增加，更有利于油气混合与充分燃烧，能够降低有害物质的产生与排放。
42.本实施例设置了6个进气开关，能够兼顾通气流量与结构强度，过少导致通气不畅，过多则到时活塞周边开口过多，引发接触减弱以及活塞结构强度减弱。进一步的，根据技术方案设计原则，设置单个进气活塞为最大长度为5mm，是最大半径的1/4,宽度为2mm,保证长宽比为2/5，在头部设置一个2mm的圆弧倒角，增加接触变长，表1给出了本实施例中的根据前述生产规则所产生的进气开关横截面坐标列表。
43.表1 进气开关横截面几何参数表(单位：mm)
44.45.46.47.48.49.[0050][0051]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。