CN100458132C - 气缸头 - Google Patents

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Abstract

一种气缸头，其在连通内燃机的燃烧室的多个吸气孔各自安装有与吸气阀接触的座环，其中，安装有内径中心相对外径中心偏心的偏心座环的吸气孔和安装有内径中心与外径中心一致的标准座环的吸气孔的混合设置。其结果，可利用安装有标准座环的吸气孔确保流量系数，同时，利用安装有偏心座环的吸气孔强化涡流，可同时实现作为相反要素的流量系数的确保和涡流的强化。

Description

气缸头
技术领域
本发明涉及气缸头，其可改善稀燃气发动机的燃烧性能，可维持低NOx并维持高的发动机热效率。
背景技术
在燃气发动机等内燃机中，将座环安装在与燃烧室连通的吸气孔的开口，并提供与开闭该开口的吸气阀接触的密封面。
现有座环的形状例如图11所示。该座环(以下称标准座环)呈环状，其内径
Figure C0280819400031
和外径F形成同心圆。也就是说，内径
Figure C0280819400032
和外径F具有同一圆心a。
燃气发动机中，利用火焰传播进行燃气和空气的混合气的燃烧。因此，空气流动的积极利用可缩短燃烧时间，从而提高热效率。
但是，由于标准座环内径
Figure C0280819400033
和外径F形成同心圆，故安装标准座环的燃气发动机涡流比小，难于利用空气流动改善燃烧性能。
最近的柴油发动机设计为与发动机尺寸比可以得到相对较高的输出。也就是说，要求高BMEP(Brake Mean Effective Pressure制动平均有效压力)发动机。因此，为了确保燃烧所需的空气量，采用高压力比型的增压器，气缸头的吸排气孔也有设计为断面积大且弯曲等少的形状的倾向。这种形状的孔虽然流量系数高，但不会产生强的涡流。
另外，正在开发以完全燃烧产生的排气的净化和高输出、高热效率为目的的引燃油点火燃气发动机。该引燃油点火燃气发动机通过使主要部件与柴油发动机通用，来抑制生产成本。
该引燃油点火燃气发动机的气缸头由于与柴油发动机通用，故流量系数高，但涡流比为零，不能实现利用空气流动改善燃烧性能。
因此，在上述引燃油点火燃气发动机的开发中，为了提高热效率，最好将流量系数的降低抑制为最小，并提高涡流比。
本发明就是鉴于上述问题而开发的，其目的在于，提供一种气缸头，其可同时实现作为相反要素的流量系数的维持和涡流比的强化，使热效率提高。
发明内容
下面参照与实施例对应的附图说明用于解决上述问题的装置。
本发明提供一种气缸头，其在连通内燃机的燃烧室的多个吸气孔各自安装有与吸气阀接触的座环，其安装有内径中心相对外径中心偏心的偏心座环的吸气孔和安装有内径中心与外径中心一致的标准座环的吸气孔的混合设置，安装有内径中心相对外径中心偏心的偏心座环的所述吸气孔和安装有内径中心与外径中心一致的标准座环的所述吸气孔的混合设置，其中，沿着自吸气管侧夹着所述气缸头向相反侧的方向设置两个所述吸气孔，并在一个所述吸气孔上安装所述标准座环，在另一所述吸气孔上安装所述偏心座环，所述偏心座环安装在自所述吸气管侧看处于相对远位置的所述吸气孔上。
在该气缸头中，安装有偏心座环的吸气孔和安装有标准座环的吸气孔的混合设置，其结果，利用安装有标准座环的吸气孔确保流量系数，同时，利用安装有偏心座环的吸气孔强化涡流。由此，可同时实现作为相反要素的流量系数的确保和涡流的强化。与仅安装标准座环的情况或仅安装偏心座环的情况相比，可得到高的热效率。利用自吸气管侧看处于相对远位置的气缸套的壁面，可产生高效的涡流。作为其具体例，可以自吸气管侧夹着气缸头在相反侧设置凸轮轴，在气缸头的吸气管侧和凸轮轴侧之间设置两个吸气孔，在一个吸气孔上安装标准座环，在另一吸气孔上安装偏心座环。
在该气缸头中，形成设置两个吸气孔的结构，即具有实施本发明所需最小限度的吸气孔的结构，在其中一个吸气孔上安装标准座环，在另一吸气孔上安装偏心座环。其结果，即使在设置两个吸气孔的情况下，也可同时实现作为相反要素的流量系数的确保和涡流的强化，与在该两个吸气孔上仅安装标准座环的情况或仅安装偏心座环的情况相比，可得到高的热效率。
这种情况下，更理想的是，在气缸头上并设两个与两个吸气孔平行的排气孔，使偏心座环的边缘的狭窄的部分以相对自管侧朝向凸轮轴侧的方向大致成45°的角度朝向排气孔侧。
在该气缸头中，通过将偏心座环安装在自吸气管侧看处于相对远位置的吸气孔上，并使该偏心座环的边缘的狭窄的部分以相对自管侧朝向凸轮轴侧的方向大致成45°的角度朝向排气孔侧，可有效地利用气缸套的壁面，可对燃烧室有效地产生涡流。
由于吸气导入方向为沿气缸套的壁面且对来自安装有标准座环的吸气孔的吸气干扰小的方向，故可强化涡流并确保流量系数。
附图说明
图1是用于本发明的气缸套的偏心座环的剖面图；
图2是图1所示的偏心座环的平面图；
图3A是表示安装在气缸头上的座环的组合的变化(第一号)的平面图；
图3B是表示安装在气缸头上的座环的组合的变化(第二号)的平面图；
图3C是表示安装在气缸头上的座环的组合的变化(第三号)的平面图；
图4A是表示安装在气缸头上的座环的组合的变化(第四号)的平面图；
图4B是表示安装在气缸头上的座环的组合的变化(第五号)的平面图；
图4C是表示安装在气缸头上的座环的组合的变化(第六号)的平面图；
图5A是表示安装在气缸头上的座环的组合的变化(第七号)的平面图；
图5B是表示安装在气缸头上的座环的组合的变化(第八号)的平面图；
图5C是表示安装在气缸头上的座环的组合的变化(第九号)的平面图；
图6A是表示安装在气缸头上的座环的组合的变化(第十号)的平面图；
图6B是表示安装在气缸头上的座环的组合的变化(第十一号)的平面图；
图6C是表示安装在气缸头上的座环的组合的变化(第十二号)的平面图；
图7A是表示安装在气缸头上的座环的组合的变化(第十三号)的平面图；
图7B是表示安装在气缸头上的座环的组合的变化(第十四号)的平面图；
图7C是表示安装在气缸头上的座环的组合的变化(第十五号)的平面图；
图8是表示图3A～图7C所示座环的组合变化中流量系数和无量纲涡流数的曲线图；
图9是具有相当于图6B所示的第十一号组合的座环结构的气缸头的平面图；
图10是比较具有图9所示的气缸头的发动机和仅安装了标准座环的发动机的热效率的曲线图；
图11是用于现有气缸头的标准座环的剖面图。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明气缸头的最佳实施形态。
本发明适当选择安装在燃气发动机的气缸头上的吸气孔用座环的安装部位及偏心方向，在不降低流量系数的情况下强化涡流，促进燃烧时的空气流动，改善燃烧性能。本发明可应用于通过火焰传播进行混合气燃烧的发动机即引燃油点火燃气发动机、火花点火发动机及火花点火汽油发动机等。采用本发明技术的发动机用于例如产业用或民生用定置型发电设备。
图1是用于本发明的气缸头的座环(以下称偏心座环)的剖面图，图2是图1所示的偏心座环的平面图。
图1所示的偏心座环1安装在开口于气缸头的吸气孔的开口上。偏心座环1由具有开口于吸气孔侧的孔部3的入口部5、设于燃烧室侧具有吸气阀接触的密封面7的阀座部9和用于向气缸头的开口安装的嵌入部11等构成。
偏心座环1的外径中心与孔部3的内径中心不一致。也就是说，在偏心座环1中，孔部3的内径中心相对于外径中心偏心。具体地说，具有自外径中心a仅偏心E的中心b的内径
Figure C0280819400061
的周面形成孔部3的内周面。这里，将自外径中心a向内径中心b的方向称作偏心座环1的偏心方向。
为了得到上述偏心的孔部3，在形成与外径具有同一中心a的内径
Figure C0280819400062
的周面后，将其周面切削加工形成内径
Figure C0280819400063
的周面。其结果，如图1所示，使孔部3的内周面中与偏心座环1的偏心方向相反侧的部分与形成内径
Figure C0280819400064
的周面时的凸状周面3a接触，而其余的部分朝向偏心座环1的偏心方向上下逐渐加宽，形成平坦周面3b。平坦周面3b的上下宽度在偏心座环1的偏心方向侧(图1的左侧)成为最宽。
另外，在吸气孔的开口，在该偏心座环1之外，安装有外径中心a和孔部3的内径
Figure C0280819400065
的中心一致的图11所示的标准座环。该标准座环中，孔部3和外径形成同心圆。
也就是说，在本实施形态的气缸头中，安装有偏心座环1的吸气孔和安装有标准座环的吸气孔的混合设置。
在本实施形态中，通过恰当地选择这些偏心座环1及标准座环的安装部位及偏心方向，可同时实现确保流量系数和强化涡流这两个相反要素。下面参照图3～图7说明其例子。
图3A～图7C是示意性显示气缸头的平面图。该气缸头相对一个气缸来说各自具有两个开口A、B和开口C、D。在这些图中，左侧为凸轮轴侧，右侧为管侧(吸气管和排气管两者处于同一侧)。
在该气缸头中，图3A虚线所示的两个吸气孔13、14的一端通过开口A、B与燃烧室连通。这些开口A、B分别利用吸气阀(未图示)开闭。而未图示的这些吸气孔13、14的另一端相互连结，相对于吸气气流形成上流、下流的关系。
另外，开口A、B配置为通过各开口A、B中心的线段自管侧夹着气缸头向相反侧(图例中的凸轮轴侧)延伸。
而与燃烧室连通的排气孔(未图示)的开口C、D相对于上述吸气孔13、14的各开口A、B平行配置。这些开口C、D分别由排气阀(未图示)开闭。
然后，利用使用了叶轮的稳定流试验装置比较图3A～图7C所示的气缸头的流量系数和涡流强度，参照图3A～图8说明其结果。
图3A～图7C所示的15个图表示稳定流试验中安装在各开口A～D的标准座环和偏心座环的位置及偏心座环的偏心方向的组合。另外，在图3A～图7C中，偏心座环外径的中心与安装该偏心座环的开口的中心一致。在图3A～图7C中，箭头d表示偏心座环的偏心方向。
流量系数和涡流以与现有燃气发动机同程度的流量系数0.51和无量纲涡流数0.134为目标。
这些目标值根据以下理由采用。也就是说，现有燃气发动机单位气缸容积的输出低，用BMEP表示为小于1.23MPa即使大的话也小于1.47MPa的小输出，故不需要大量的燃烧用空气。在设计这种现有燃气发动机中气缸头的吸气孔时，即使不用特殊技术，也可以使流量系数和涡流这两个相反的要素为恰当的值。但是，在为了降低原始成本、提高发动机发电效率，谋求降低运行成本，以追求经济性能为目的，而使每气缸容积的输出以BMEP计算为1.47MPa以上，理想的是1.72MPa以上，更理想的是1.96MPa以上的高输出的情况下，就需要比目前更多的空气量，因此就不得不重视流量系数来设计吸气孔。
而为了促进在燃气发动机的气缸内以点火源为起点的混合气的火焰传播，确保混合气的可靠燃烧，必须将涡流设定为恰当值。但是通常在提高单位容积的输出的情况下，将流量系数确保为与现有燃气发动机相同时，涡流就不能形成与现有燃气发动机相同的强度。
因此，在本实施形态中，为了在高输出发动机中也能维持上述作为相反要素的流量系数和涡流，以与现有燃气发动机同等程度的流量系数0.51和无量纲涡流数0.134为目标。换言之，本实施形态利用标准座环和偏心座环的组合维持与现有燃气发动机同等程度的流量系数和无量纲涡流数，从而使每个气缸的输出为高于现有技术的输出，降低了原始成本、提高了发动机发电效率，从而降低了运行成本，提高了经济性能。另外，即使将本实施形态适用于BMEP为1.23MPa以下的发动机，也可强化涡流，改善热效率。
图8表示图3A～图7C所示的各种座环的组合中、最大阀升力时的流量系数和无量纲涡流数。另外，图8的纵轴中无量纲涡流数的+-表示涡流的方向，如图3A所示，自气缸头的爆面看，逆时针方向为+，顺时针方向为-。
如图3A(第一号座环组合)所示，在将标准座环安装在开口A、B两侧的情况下，如图8所示，流量系数很高为0.6以上，而无量纲涡流数为0。
与此相对，如图3B、图3C、图4A、图4B、图4C、图5A所示，当将偏心座环安装在开口A、B两侧时(第二～第七号组合)，如图8所示，而无量纲涡流数提高为0.15～0.2，而流量系数降低为0.45～0.48左右。
另外，如图5B、图5C、图6A、图6B、图6C、图7A图、7B和图7C所示，将标准座环安装在开口A、B的一侧，将偏心座环安装在另一侧(第八～第十五号组合)，评价偏心座环的方向和空气流动性的关系。
其结果，在如图6B所示，将偏心座环安装在开口B，使其方向自套壁面以45°朝向内侧的情况下(第十一号组合)，显示形成目标特性。
可以认为是，由于开口B位于自吸气管侧看相对远的位置，故可得到利用气缸套的壁面产生涡流的效果。即使在这种情况下，通过将标准座环安装在开口A也可确保0.54～0.55左右的流量系数。
也就是说，通过使安装有具有偏心的孔部3的偏心座环1的吸气孔和安装有具有未偏心的孔部3的标准座环的吸气孔的混合设置，利用安装有标准座环的吸气孔确保流量系数，利用安装有偏心座环1的吸气孔强化涡流。
由此，可同时实现作为相反要素的流量系数的确保和涡流的强化，与仅安装标准座环的情况或仅安装偏心座环的情况相比，可得到高的热效率。
实施例
下面就制作具有相当于第十一号组合(图6B)的座环结构的发动机，并实施其运行性能试验所得的结果进行说明。
图9是表示具有相当于第十一号组合的座环结构的气缸头的平面图，图10是比较具有图9所示的发动机和安装标准座环的发动机的热效率的曲线图。
本实施例的发动机是在气缸直径为220mm的6缸发动机的气缸头上安装了具有第十一号组合(图6B)的座环结构的座环的发动机。也就是说，在自吸气管侧看位于相对远位置的吸气孔上设置偏心座环，且该偏心座环的边缘狭窄部分如图中箭头d所示，自凸轮轴侧以约45°的角度朝向排气孔侧配置。
其结果可知，如图10所示，在本实施例的座环结果的情况下，热效率比安装标准座环的情况下高0.2～0.5点。
由该实施例的结果还可知，通过在自吸气管侧看位于相对远位置的吸气孔上设置偏心座环，且使该偏心座环的边缘狭窄部分自凸轮轴侧以约45°的角度朝向排气孔侧配置，可有效利用气缸套的壁面，可有效地对燃烧室产生涡流。另外，由于其吸气导入方向为沿气缸套的壁面且对自安装了标准座环的吸气孔进行的吸气干扰小的方向，故可强化涡流同时确保流量系数。
另外，在上述实施例中，如图1所示，就具有左右非对称形状的偏心座环1如下形成的例子进行了说明，即，在形成与外径中心a具有同一中心的内径
Figure C0280819400091
的凸状周面3a之后，利用切削加工形成位于偏心位置的内径的周面。但本发明不限于此，例如，也可以将内周整周形成凸状周面或将内周整周形成平坦周面等，形成壁厚不同但左右形状大致类似的偏心座环。
在上述实施例中，就偏心座环1具有大于标准座环的内径
Figure C0280819400093
的内径
Figure C0280819400094
的情况进行了说明，但为了强化涡流，偏心座环的内径不限于大于标准座环。对流量系数大的气缸头的气孔，有时也使偏心座环1的内径小于标准座环的内径。不过，在现实设计中，由于流量系数和涡流是相反的特性，故最好使偏心座环的内径大于标准座环的内径。
在上述实施例中，如图3A的虚线所示，就两个吸气孔13、14分别向燃烧室开口，各吸气孔13、14的另一端部相对吸气流为上流、下流的关系而相互连结的例子进行了说明，但是也可以采用各吸气孔各自独立地与吸气管连通的结果。
另外，在上述实施例中，就在图3A～图7C中左侧为凸轮轴、右侧为管侧(吸气管和排气管两侧位于同一侧)的例子进行了说明，但是，也可以采用将吸气管置于相反侧而设置于凸轮轴侧，使吸气管和排气管介由气缸相对的结构。

Claims (3)

1、一种气缸头，其在连通内燃机的燃烧室的多个吸气孔各自安装有与吸气阀接触的座环，其中，安装有内径中心相对外径中心偏心的偏心座环的所述吸气孔和安装有内径中心与外径中心一致的标准座环的所述吸气孔的混合设置，其中，沿着自吸气管侧夹着所述气缸头向相反侧的方向设置两个所述吸气孔，并在一个所述吸气孔上安装所述标准座环，在另一所述吸气孔上安装所述偏心座环，所述偏心座环安装在自所述吸气管侧看处于相对远位置的所述吸气孔上。
2、如权利要求1所述的气缸头，其中，所述吸气孔在所述吸气管侧和凸轮轴侧之间设置两个。
3、如权利要求1所述的气缸头，其中，在所述气缸头上并设两个与所述两个吸气孔平行的排气孔，使所述偏心座环的边缘的狭窄的部分以相对自所述管侧朝向所述凸轮轴侧的方向大致成45°的角度朝向所述排气孔侧。
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