CN102312750A - 汽油机风冷缸头及其汽油机 - Google Patents

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刘兵
谢育明
陈宏波
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    • F02F1/06—Shape or arrangement of cooling fins; Finned cylinders

Abstract

本发明公开了一种汽油机风冷缸头及其汽油机，缸头本体上与进气通道轴线和排气通道轴线的共面平行设有纵向贯通的风冷通道I，与进气通道轴线和排气通道轴线的共面垂直设有横向贯通的风冷通道II；本发明冷却空气可以从不同的方向经过燃烧室壁外表面，通道壁通过热传导将热量传出，增加了传导和对流面积，使燃烧室温度充分降低，从而使缸头具有较好的散热效果，有效地降低尾气中的碳氢化合物，并提高汽油机功率，以最大功率(转速3060rpm)7.5kW的汽油机为例，功率可提高到8.1kW，排放由8.0g/kW.h降低到6.0g/kW.h，满足并超过EPA3阶段8g/kW.h的标准。

Description

汽油机风冷缸头及其汽油机
技术领域
本发明涉及一种动力机部件及其应用，特别涉及一种汽油机部件及其应用。
背景技术
汽油机是用汽油作燃料的一种动力机械。由气缸、曲柄连杆机构、配气系统、供油系统、润滑系统和点火系统等部分组成；气缸头设置有进气通道和排气通道，并与气缸共同组成燃烧室，因而，属于汽油机较为重要的部件。汽油作为燃料与空气的混合物在燃烧室内燃烧，产生大量的热量，用于作为驱动能量。热量不可避免的要通过缸体和缸盖通过热传导传递至外表面并通过其它冷却方式带走热量至外界，并且需要散热较快，以维持燃烧室面的正常工作；否则，会导致燃烧室面壁温度无限升高，最终会影响尾气排放，影响缸盖的使用性能，甚至会出现活塞粘缸、拉缸现象。
现有技术中，缸头的散热措施普遍采用在外表面设有散热片，燃烧室内的热量通过缸头传导至散热片，利用空气对流带走热量，达到散热的目的。散热片散热效果较好且较为轻便，能够满足散热要求。但是，在汽油机长时间运行时，散热片热传导以及对流面积有限，无法充分散热，热量积聚后会影响缸头的物理性能，从而汽油机的运行性能，甚至会出现安全事故，造成汽油机报废。
因此，需要对汽油机风冷缸头进行改进，具有较好的散热效果，保证缸盖的物理性能，降低缸温，使汽油机能够长时间稳定运行，有效地降低尾气中的碳氢化合物，不会产生由温升导致的活塞粘缸、拉缸现象。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种汽油机风冷缸头及其汽油机，缸头具有较好的散热效果，保证缸盖的物理性能，降低缸温，使汽油机能够长时间稳定运行，有效地降低尾气中的碳氢化合物，不会产生由温升导致的活塞粘缸、拉缸现象。
本发明的汽油机风冷缸头，包括缸头本体和设置于缸头本体的进气通道、排气通道及火花塞安装孔，缸头本体外表面设有散热片，缸头本体内侧形成燃烧室面，所述缸头本体上位于进气通道和排气通道的同侧设有纵向贯通的风冷通道I，位于进气通道和排气通道之间设有横向贯通的风冷通道II，所述风冷通道I和风冷通道II均避开缸头本体上的功能孔。
进一步，所述进气通道轴线和排气通道轴线共面，所述风冷通道I平行于进气通道轴线和排气通道轴线的共面且与火花塞安装孔分列于进气通道轴线和排气通道轴线共面的两侧，所述风冷通道II垂直于进气通道轴线和排气通道轴线共面；利用缸头原有结构即能实现上述风冷通道的设计，且冷却通道互相垂直，利于从各个方向接受冷却风的通过，不影响各部件的安装，节约制作成本；同时，本结构风冷通道的设计有利于提高缸头抵抗弯矩的能力，结合散热效果的增强，使缸头轻量化，提高机器整体的经济性。
进一步，所述散热片延伸至风冷通道I内并连通形成散热桥，所述散热桥将风冷通道I分隔成平行的纵向多通道结构；散热桥结构利于在开通风冷通道I后保证缸头的强度，同时，散热桥增加了散热时的热辐射和传导面积，进一步利于散热。
进一步，所述缸头本体上位于火花塞安装孔侧设有贯通的火花塞风冷通道；通过风冷使得火花塞得到较好的冷却，避免出现现有技术中火花塞由于高温而降低使用寿命的问题。
进一步，所述缸头上的散热片延伸至排气通道外壁；能够有效降低排气温度，利于保护排气系统内的尾气处理部件，进一步降低排放，利于环保。
进一步，所述燃烧室面为复合球面结构，由底部到顶部依次为球面I、平滑曲面和球面II，所述球面II的半径大于球面I的半径；球面I和球面II之间通过平滑曲面平滑过渡；由于球面燃烧室面容比最小，提高汽油机工作效率，但是由于采用球形结构不利于燃烧气体的充分混合，则会降低混合率，影响燃烧和排放；采用复合球面结构，不但进一步减小面容比，还因为曲面过渡利于燃烧气的混合，从而更利于燃烧和降低排放，增加汽油机动力；同时，进排气门与进排气气道之间的夹角比其它结构燃烧室面小，有效的减小进排气的阻力，使进排气更顺畅，有效地提高汽油机功率，进一步利于降低燃油消耗率和排放。
进一步，所述缸头本体上与进气通道对应设有进气门，与排气通道对应设有排气门，所述进气门由底部至顶部向进气通道侧倾斜，排气门由底部至顶部向排气通道侧倾斜；适应于复合球面燃烧室，进排气门与进排气气道之间的夹角比现有结构燃烧室面小，便于组织进气，提高进气效率，便于在气缸内组织进气滚流和进气涡流，增加缸内气流扰动，加快燃烧；减小进排气的阻力，使进排气更顺畅，利于提高汽油机功率，利于提高功率，降低燃油消耗，降低尾气排放，保护环境。
同时，由于气门斜置，可以使进排气通道中间的鼻梁区更宽，利于冷却，增加抗变形能力，配合以完全畅通的冷却风道II，极大的提高了鼻梁区的冷却效果，减小了缸头在高温下的变形，提高了可靠性。
所述进气门和排气门分别设有摇臂，所述缸头本体上与摇臂对应设置有摇臂座，所述摇臂固定设置有摇臂轴，所述摇臂轴以可绕自身轴线转动的方式单自由度设置于摇臂座，两个摇臂轴沿径向向内相对于缸头本体安装面向顶部倾斜设置，所述摇臂轴的倾斜角度与进气门和排气门的倾斜角度对应相同；所述摇臂形成以摇臂轴为支点的杠杆结构；
倾斜设置的摇臂轴能够适应于斜置气门结构且适应于复合球面燃烧室的几何形状，利于保证摇臂带动气门动作的协调性和密封性，固定式摇臂在运行过程中，其各个方向的窜动或晃动量小，能有效的降低摇臂的故障率，降低维护成本。
适应于进排气的位置来合理布置摇臂，还利于保证气门正时，保证配气相位，从而提高性能和降低排放。
进一步，所述摇臂座为开口结构，所述摇臂轴两端对应穿入摇臂座的开口两侧并以可绕自身轴线转动的方式配合，所述摇臂位于摇臂座的开口内固定设置于摇臂轴；所述摇臂座开口结构向外的一侧为分体式轴承座结构，包括压盖和座体，所述压盖和座体之间可拆卸式固定连接；采用分体式轴承座结构，利于摇臂轴的安装，并减小摩擦面积，增加摇臂运动的灵活性，结构简单紧凑，节约空间；
所述进气门轴线和排气门轴线分别垂直于燃烧室面与其相交点的切面，与燃烧室的进排气方向相适应，减小阻力，增加汽油机的动力性。
进一步，所述燃烧室面位于进气门和排气门之间形成鼻梁区，所述鼻梁区位于燃烧室面的宽度大于8mm；进气门的座圈外圆和排气门的座圈外圆与燃烧室面底部边缘相切；增加进气门和排气门之间的距离，适当增加鼻梁区厚度，增加其抵抗热变形量的能力，有效改善气门密封性能，能有效避免气门出现漏气现象；同时，避免进排气之间出现的瞬间干扰，保证充分燃烧，提高汽油机动力；所述进气门的座圈内侧端部和排气门的座圈内侧端部与燃烧室面相适形，减小对进气和排气的干扰，降低阻力，消除死角和形状突变，保证混合气体的充分燃烧，提高汽油机效率。
本发明还公开了一种应用汽油机风冷缸头的汽油机，所述汽油机风冷缸头安装于汽油机。
本发明的有益效果：本发明的汽油机风冷缸头及其汽油机，汽油机风冷缸头进排气方向以及与进排气垂直方向分别有中空的风冷通道，冷却空气可以从不同的方向经过燃烧室壁外表面，同时，通道壁通过热传导将热量传出，增加了传导和对流面积，使燃烧室温度充分降低，从而使缸头具有较好的散热效果，降低缸温，有效地降低尾气中的碳氢化合物，提高汽油机功率，以最大功率(转速3060rpm)7.5kW的汽油机为例，功率可提高到8.1kW，排放由8.0g/kW.h降低到6.0g/kW.h，满足并超过EPA3阶段8g/kW.h的标准，由此可见，本发明的汽油机功率提高和排放降低较为明显；且不会产生由温升导致的活塞粘缸、拉缸现象，保证汽油机性能的同时使其能够长时间稳定运行；由于设置了风冷通道，可增加缸头本身的抗弯矩能力，加上散热效果好，则有效保证缸头的抗变形等物理性能，可以适当减小缸头重量，利于实现汽油机的轻量化。
本发明的缸头用于汽油机，用于摩托车能够加速风冷通道内空气的流动，更有利于散热；用于普通通用机械，暴露于空气中，利用外界强制空气对流，利于散热。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1的A向视图；
图3为图2沿B-B向视图；
图4为火花塞风冷通道正面视图；
图5为本发明摇臂安装结构示意图；
图6为摇臂轴与摇臂座的配合截面图。
具体实施方式
图1为本发明的结构示意图，图2为图1的A向视图，图3为图2沿B-B向视图，图4为火花塞风冷通道正面视图，图5为本发明摇臂安装结构示意图，图6为摇臂轴与摇臂座的配合截面图，如图所示：本实施例的汽油机风冷缸头，包括缸头本体1和设置于缸头本体的进气通道3、排气通道2及火花塞安装孔6，缸头本体1外表面设有散热片4，缸头本体1内侧形成燃烧室面5，所述缸头本体1上位于进气通道3和排气通道2的同侧设有纵向贯通的风冷通道I8，位于进气通道3和排气通道2之间设有横向贯通的风冷通道II7，所述风冷通道I8和风冷通道II7均避开缸头本体上的功能孔，功能孔是指用于安装部件的孔，包括火花塞孔、进气门孔、排气门孔以及螺栓孔等；纵向是指与缸头本体进排气方位大致相同的方向；横向是与缸头本体进排气方位大致垂直的方向。
本实施例中，所述进气通道3轴线和排气通道2轴线共面(也就是进气通道3轴线和排气通道2轴线位于同一平面)，所述风冷通道I8平行于进气通道3轴线和排气通道2轴线的共面且与火花塞安装孔6分列于进气通道3轴线和排气通道2轴线共面的两侧，所述风冷通道II7垂直于进气通道3轴线和排气通道2轴线共面；利用缸头原有结构即能实现上述风冷通道的设计，且冷却通道互相垂直，利于从各个方向接受冷却风的通过，不影响各部件的安装，节约制作成本；同时，本结构风冷通道的设计有利于提高缸头抵抗弯矩的能力，结合散热效果的增强，使缸头轻量化，提高机器整体的经济性。
本实施例中，所述散热片4延伸至风冷通道I8内并连通形成散热桥81，所述散热桥81将风冷通道I8分隔成平行的纵向多通道结构；散热桥81结构利于在开通风冷通道I8后保证缸头的强度，同时，散热桥81增加了散热时的热辐射和传导面积，进一步利于散热。
本实施例中，所述缸头本体1上位于火花塞安装孔6侧设有贯通的火花塞风冷通道9；图5中箭头所示即为火花塞冷却风流方向；通过风冷使得火花塞得到较好的冷却，避免出现现有技术中火花塞由于高温而降低使用寿命的问题。
本实施例中，所述缸头上的散热片4延伸至排气通道2外壁；能够有效降低排气温度，利于保护排气系统内的尾气处理部件，进一步降低排放，利于环保。
所述燃烧室面5为复合球面结构，由底部到顶部依次为球面Ia、平滑曲面b和球面IIc，所述球面IIc的半径大于球面Ia的半径；球面Ia和球面IIc之间通过平滑曲面b平滑过渡；所述平滑曲面b可以为双曲面或抛物面等；由于球面燃烧室面容比最小，提高汽油机工作效率，但是由于采用球形结构不利于燃烧气体的充分混合，则会降低混合率，影响燃烧和排放；采用复合球面结构，不但进一步减小面容比，还因为曲面过渡利于燃烧气的混合，从而更利于燃烧和降低排放，增加汽油机动力；同时，进排气门与进排气气道之间的夹角比其它结构燃烧室面小，有效的减小进排气的阻力，使进排气更顺畅，有效地提高汽油机功率，进一步利于降低燃油消耗率和排放。
本实施例中，所述缸头本体1上与进气通道3对应设有进气门31，与排气通道2对应设有排气门21，所述进气门31由底部至顶部向进气通道侧倾斜，排气门21由底部至顶部向排气通道侧倾斜；适应于复合球面燃烧室，进排气门与进排气气道之间的夹角比现有结构燃烧室面小，便于组织进气，提高进气效率，便于在气缸内组织进气滚流和进气涡流，增加缸内气流扰动，加快燃烧；减小进排气的阻力，使进排气更顺畅，利于提高汽油机功率，利于提高功率，降低燃油消耗，降低尾气排放，保护环境。
同时，由于气门斜置，可以使进排气通道中间的鼻梁区更宽，利于冷却，增加抗变形能力，配合以完全畅通的冷却风道II，极大的提高了鼻梁区的冷却效果，减小了缸头在高温下的变形，提高了可靠性。
所述进气门31和排气门21分别设有摇臂，如图所示：进气门31的摇臂13，排气门21的摇臂11；所述缸头本体1上与摇臂(摇臂13和摇臂11)对应设置有摇臂座(图中为摇臂座15和摇臂座12)，所述摇臂(摇臂13和摇臂11)分别固定设置有摇臂轴(摇臂轴14和摇臂轴10)，所述摇臂轴(摇臂轴14和摇臂轴10)以可绕自身轴线转动的方式单自由度对应设置于摇臂座(摇臂座15和摇臂座12)，两个摇臂轴(摇臂轴14和摇臂轴10)沿径向向内相对于缸头本体安装面向顶部倾斜设置，径向是指缸头的径向；所述摇臂轴(摇臂轴14和摇臂轴10)的倾斜角度与进气门31和排气门21的倾斜角度对应相同；所述摇臂(摇臂13和摇臂11)形成以摇臂轴(摇臂轴14和摇臂轴10)为支点的杠杆结构，与摇臂轴一起形成斜置固定式摇臂；
倾斜设置的摇臂轴能够适应于斜置气门结构且适应于复合球面燃烧室的几何形状，利于保证摇臂带动气门动作的协调性和密封性，固定式摇臂在运行过程中，其各个方向的窜动或晃动量小，能有效的降低摇臂的故障率，降低维护成本。
适应于进排气的位置来合理布置摇臂，还利于保证气门正时，保证配气相位，从而提高性能和降低排放。
本实施例中，所述摇臂座(摇臂座15和摇臂座12)为开口结构，所述摇臂轴(摇臂轴14和摇臂轴10)两端对应穿入摇臂座(摇臂座15和摇臂座12)的开口两侧并以可绕自身轴线转动的方式配合(单自由度配合指的是摇臂轴14和摇臂轴10轴向自由度被限制，可采取在摇臂轴上设置分别靠在摇臂座开口两侧的周肩的结构，还可以是现有技术中任何能够限制轴向移动且圆周方向可滑动的方式)，所述摇臂(摇臂13和摇臂11)位于摇臂座(摇臂座15和摇臂座12)的开口内固定设置于摇臂轴(摇臂轴14和摇臂轴10)；所述摇臂座(摇臂座15和摇臂座12)开口结构向外的一侧为分体式轴承座结构，如图6所示，摇臂座15的开口结构向外的一侧包括压盖151a和座体151，所述压盖151a和座体151之间可拆卸式固定连接，图中采用螺钉连接，还可设置用于减小摩擦的轴瓦101(摇臂座15和摇臂座12开口结构向内的一侧也设置轴瓦)；摇臂座12的开口结构向外的一侧与摇臂座15的开口结构向外的一侧结构相同；采用分体式轴承座结构，利于摇臂轴的安装，并减小摩擦面积，增加摇臂运动的灵活性，结构简单紧凑，节约空间；
本实施例中，所述进气门31轴线和排气门21轴线分别垂直于燃烧室面5与其相交点的切面，即进气门31轴线和排气门21轴线分别与燃烧室面5相交，该交点的切面，也就是进气门和排气门的轴线相交于燃烧室的中心，与燃烧室的进排气方向相适应，减小阻力，增加汽油机的动力性。
本实施例中，所述燃烧室面5位于进气门31和排气门21之间形成鼻梁区，所述鼻梁区位于燃烧室面的宽度L大于8mm；进气门31的座圈31a外圆和排气门21的座圈21a外圆与燃烧室面5底部边缘相切；增加进气门31和排气门21之间的距离，适当增加鼻梁区厚度，增加其抵抗热变形量的能力，有效改善气门密封性能，能有效避免气门出现漏气现象；同时，避免进排气之间出现的瞬间干扰，保证充分燃烧，提高汽油机动力；所述进气门的座圈内侧端部和排气门的座圈内侧端部与燃烧室面相适形(适形即适应形状，气门的座圈内侧端部和排气门的座圈内侧端部的端面形状与燃烧室面形状相适应，消除台阶)，减小对进气和排气的干扰，降低阻力，消除死角和形状突变，保证混合气体的充分燃烧，提高汽油机效率。
本发明还公开了一种应用汽油机风冷缸头的汽油机，前述实施例的缸头安装于汽油机。
该汽油机可以用于摩托车或通用机械，通用机械包括泵、风机、压缩机、减变速机、发电机等等。具有较好的冷却效果；图3中箭头所示即为风流过方向。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种汽油机风冷缸头，包括缸头本体和设置于缸头本体的进气通道、排气通道及火花塞安装孔，缸头本体外表面设有散热片，缸头本体内侧形成燃烧室面，其特征在于：所述缸头本体上位于进气通道和排气通道的同侧设有纵向贯通的风冷通道I，位于进气通道和排气通道之间设有横向贯通的风冷通道II，所述风冷通道I和风冷通道II均避开缸头本体上的功能孔。
2.根据权利要求1所述的汽油机风冷缸头，其特征在于：所述进气通道轴线和排气通道轴线共面，所述风冷通道I平行于进气通道轴线和排气通道轴线的共面且与火花塞安装孔分列于进气通道轴线和排气通道轴线共面的两侧，所述风冷通道II垂直于进气通道轴线和排气通道轴线共面。
3.根据权利要求2所述的汽油机风冷缸头，其特征在于：所述散热片延伸至风冷通道I内并连通形成散热桥，所述散热桥将风冷通道I分隔成平行的纵向多通道结构。
4.根据权利要求3所述的汽油机风冷缸头，其特征在于：所述缸头本体上位于火花塞安装孔侧设有贯通的火花塞风冷通道。
5.根据权利要求4所述的汽油机风冷缸头，其特征在于：所述缸头上的散热片延伸至排气通道外壁。
6.根据权利要求1至5任一权利要求所述的汽油机风冷缸头，其特征在于：所述燃烧室面为复合球面结构，由底部到顶部依次为球面I、平滑曲面和球面II，所述球面II的半径大于球面I的半径；球面I和球面II之间通过平滑曲面平滑过渡。
7.根据权利要求6所述的汽油机风冷缸头，其特征在于：所述缸头本体上与进气通道对应设有进气门，与排气通道对应设有排气门，所述进气门由底部至顶部向进气通道侧倾斜，排气门由底部至顶部向排气通道侧倾斜；
所述进气门和排气门分别设有摇臂，所述缸头本体上与摇臂对应设置有摇臂座，所述摇臂固定设置有摇臂轴，所述摇臂轴以可绕自身轴线转动的方式单自由度设置于摇臂座，两个摇臂轴沿径向向内相对于缸头本体安装面向顶部倾斜设置，所述摇臂轴的倾斜角度与进气门和排气门的倾斜角度对应相同；所述摇臂形成以摇臂轴为支点的杠杆结构。
8.根据权利要求7所述的汽油机风冷缸头，其特征在于：所述摇臂座为开口结构，所述摇臂轴两端对应穿入摇臂座的开口两侧并以可绕自身轴线转动的方式配合，所述摇臂位于摇臂座的开口内固定设置于摇臂轴；所述摇臂座开口结构向外的一侧为分体式轴承座结构，包括压盖和座体，所述压盖和座体之间可拆卸式固定连接；
所述进气门轴线和排气门轴线分别垂直于燃烧室面与其相交点的切面。
9.根据权利要求8所述的汽油机风冷缸头，其特征在于：所述燃烧室面位于进气门和排气门之间形成鼻梁区，所述鼻梁区位于燃烧室面的宽度大于8mm；进气门的座圈外圆和排气门的座圈外圆与燃烧室面底部边缘相切；所述进气门的座圈内侧端部和排气门的座圈内侧端部与燃烧室面相适形。
10.一种应用权利要求1至8任一权利要求所述的汽油机风冷缸头的汽油机，其特征在于：汽油机风冷缸头安装于汽油机。
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