CN102518527B - 小型通用汽油机缸头及其汽油机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型通用汽油机缸头及其汽油机，缸头本体内侧形成拱形平滑曲面构成的燃烧室面，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，进气门轴线与排气门轴线之间的夹角为24±5°；本发明使燃烧室以及进气门和排气门之间的参数之间相互协调配合，提高汽油机的运行效率，节约燃料，降低排放，不需使用催化转化器等机外净化手段，使其排放指标达到并远高于EPA3阶段标准要求，同时是汽油机能够保持低价格、低成本以及灵活轻便的优势，功率可提高250W以上，燃油消耗率降低9％，排放最低为达到排放达到5g/kW.h，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。

Description

小型通用汽油机缸头及其汽油机
技术领域
本发明涉及一种通用动力机部件及其应用，特别涉及一种通用汽油机部件及其应用。
背景技术
通用汽油机指除车用、航空用以外，具有广泛用途的往复活塞式汽油机，一般功率在20kW以内为小型通用汽油机，具有较强的通用性，其特点是体积小和质量小、使用操作简便，价格便宜。通用汽油机作为动力源之一来驱动通用机械，通用机械包括农林植保机械、园林机械、发电机组、建筑机械等。通用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面，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。燃烧室进气、排气以及燃烧室的参数是保证汽油机高效运行的必要条件。
现有技术中，缸头的燃烧室面普遍采用楔形结构，具有较大的面容同比，但是该结构有利于其它附属结构的安装，比如气门组件；如果改变燃烧室面结构，则会影响进、排气门组件的布置。为解决以上问题，出现了一种球形燃烧室结构，具有较小的面容比，对汽油机的性能具有较好的影响；为了适应球面燃烧室结构，进气门和排气门均采用斜置；然而，燃烧室结构仅仅是影响汽油机运行的关键结构之一，进排气门的进气和排气参数也对汽油机的工作效率以及排放有着重要影响，仅仅采用球面燃烧室并结合斜置气门结构并不必然使汽油机的效率或排放得到改善，
现阶段，随着全球环保要求要求越来越高，如：在美国对于小型通用汽油机要求排放就要求达到美国环境保护署第3阶段(以下简称EPA3)的标准，而为达到该标准，按照现有的缸头技术条件，则需使用催化转化器，才能达到该排放标准。对于小型通用汽油机来说，结构轻便灵活、制造成本和使用成本低是其占领市场所应该具有的优势，而使用催化转化器等机外净化手段对于中小型汽油机来说会明显造成汽油机成本增加，失去市场竞争优势，同时，会导致体积和重量的增加，而失去轻便灵活的优势；并且，对于催化转化器这种机外净化手段来说，不会提高发动机本身的燃烧效率，属于被动的处理废气，对于能源来说并没达到节约或者合理使用的目的，还会造成使用成本以及维修成本较大幅度的增加。
因此，需要对汽油机缸头的燃烧室进行改进，改变现有技术中燃烧室以及进气门和排气门之间的参数对应关系，并使参数之间相互协调配合，更利于燃烧气的混合和燃烧，提高汽油机的运行效率，节约燃料，降低排放，不需使用催化转化器等机外净化手段，使其排放指标达到并远高于EPA3阶段标准要求，同时是汽油机能够保持低成本以及灵活轻便的优势，符合市场需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种小型通用汽油机缸头及其汽油机，改变现有技术中燃烧室以及进气门和排气门之间的参数对应关系，并使参数之间相互协调配合，更利于燃烧气的混合和燃烧，提高汽油机的运行效率，节约燃料，降低排放，不需使用催化转化器等机外净化手段，使其排放指标达到并远高于EPA3阶段标准要求，同时是汽油机能够保持低成本以及灵活轻便的优势，符合市场需求。
本发明的小型通用汽油机缸头，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，缸头本体内侧形成燃烧室面，所述燃烧室面为拱形平滑曲面，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；所述进气门轴线与排气门轴线之间的夹角为24±5°。
进一步，所述燃烧室面边缘为与缸径直径相同且同心的圆形；与缸体的内径相对，结合燃烧室面结构和进气门轴线与排气门轴线之间的夹角，可进一步加强混合气体的混合及燃烧，提高燃烧效率，并降低排放；并与平滑曲面燃烧室及进排气门与进排气气道之间的夹角相适应，便于组织进气和排气，消除死角和积炭，提高进排气效率，消除现有的燃烧室结构不利于燃烧气体的充分混合，降低混合率，影响燃烧和排放的弊端。
进一步，所述燃烧室面横向中心线和燃烧室面纵向中心线均为弧度为68±2°的弧线，位于燃烧室面横向中心线、燃烧室面纵向中心线、进气门与燃烧室面的交线、排气门与燃烧室面的交线和燃烧室面的端面线之间的曲面通过扫掠形成；所述进气门轴线与排气门轴线之间的夹角为24°，本夹角与上述结构的燃烧室面结构相结合，相互影响，形成较佳的参数配比，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，且燃烧更加充分，利于燃烧和降低CH+NO排放，增加汽油机动力；同时，使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，节约驱动能源，功率可提高250W以上，燃油消耗率降低8％左右，排放达到5.5g/kW.h，超过EPA3阶段的标准。
进一步，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，也就是进气门和排气门的轴线相交于燃烧室面与缸径中心线重合的中心线，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，利于进一步降低排放该结构的燃烧室面与上述进排气门角度相结合的汽油机动力试验效率高，减少残余气体的产生，从而排放低，降低燃油消耗达到9％以上，汽油机功率提升比现有的球面燃烧室超过250W以上。
进一步，所述进气门和排气门分别设有摇臂，所述缸头本体上与两个摇臂一一对应设置有两个摇臂座，所述两个摇臂分别设有供对应的摇臂座顶部嵌入的嵌合槽，两个摇臂分别由穿过嵌合槽两侧壁的摇臂轴单自由度铰接于与其对应的摇臂座顶部形成以摇臂轴为支点的杠杆结构；通过摇臂上设有嵌合槽的结构铰接摇臂，可以大大减小摇臂座的横向尺寸，占有较小的空间，适用于小体积、小排量发动机使用，避免因为发动机缸头面积小不适用于安装固定摇臂座铰接摇臂的结构；摇臂在运行过程中，其各个方向的窜动或晃动量小，保证进、排气门组件关闭后密封性好，动作顺畅，从而保证汽油机的正常运行，不会出现气门开闭时受力与运行方向不一致的情况，保证密封效果，从而提高效率，节约能源，并节约布置空间，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，所述燃烧室面上位于进气门的座圈周围和位于排气门的座圈周围分别为与进气门的座圈内端部和排气门的座圈内端部平齐的平面，且燃烧室面边缘与进气门和排气门的近点相适应形成局部凹陷；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；且由于进气门和排气门的安装结构，并具有相应的角度，因而位于燃烧室面边缘的近点需下沉，则位于燃烧室面适应性形成凹陷。
进一步，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；倾斜设置的摇臂轴能够适应于斜置气门结构且适应于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，且驱动顺畅。
进一步，所述进气门轴线和排气门轴线相对于燃烧室面沿缸体轴向的中心线对称，进气门和排气门的分布结构与燃烧室面相适应，达到最佳结构参数的配合，该比例的燃烧室面与上述进排气门角度相结合的汽油机动力试验效率最高，排放最低，降低燃油消耗达到9％以上，汽油机功率提升比现有的球面燃烧室超过250W以上，排放达到5.3g/kW.h。
进一步，所述两个摇臂上的嵌合槽均为通槽，两个摇臂座的顶部通过与其对应的嵌合槽外露并分别设有贯通至摇臂轴的润滑油孔。
本发明还公开了一种应用小型通用汽油机缸头的汽油机，所述小型通用汽油机缸头安装于汽油机。
本发明的有益效果：本发明的小型通用汽油机缸头及其汽油机，采用包括球面或多球面的拱形平滑曲面结构燃烧室面，减小面容比的同时，改变现有技术中燃烧室以及进气门和排气门之间的参数对应关系，并使参数之间相互协调配合，合理选择面容比，更利于燃烧气的混合和燃烧，提高汽油机的运行效率，节约燃料，降低排放，不需使用催化转化器等机外净化手段，使其排放指标达到并远高于EPA3阶段标准要求，同时是汽油机能够保持低成本以及灵活轻便的优势，符合市场需求；
本发明在燃烧室面容比进一步减小的同时，合理匹配进气门和排气门的角度，使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，功率可提高250W以上，燃油消耗率降低9％，排放最低为达到排放达到5g/kW.h，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。
本发明的缸头用于小型通用汽油机，节约能源并降低消耗。
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为本发明缸头燃烧室及气门布置结构示意图；
图2为本发明缸头摇臂布置结构示意图；
图3为本发明摇臂座布置结构示意图；
图4为摇臂轴与摇臂座的配合横向截面图；
图5为缸头燃烧室面示意图。
具体实施方式
图1为本发明缸头燃烧室及气门布置结构示意图，图2为本发明缸头摇臂布置结构示意图，图3为本发明摇臂座布置结构示意图，图4为摇臂轴与摇臂座的配合横向截面图，图5为缸头燃烧室面示意图，如图所示：本实施例的小型通用汽油机缸头，包括缸头本体1和设置于缸头本体1的进气通道9、排气通道5及火花塞安装孔8，缸头本体内侧形成燃烧室面7，所述燃烧室面7为拱形平滑曲面，这里的拱形平滑曲面包括球形面以及复合球形面构成的拱形面，也包括抛物线、双曲线等平滑曲线构成的拱形面；所述缸头本体1上与进气通道9对应设有进气门11，与排气通道5对应设有排气门4，所述进气门11由底部至顶部向进气通道9侧倾斜，排气门4由底部至顶部向排气通道5侧倾斜；所述进气门11轴线与排气门4轴线之间的夹角α为24±5°。
本实施例中，所述燃烧室面7边缘为与缸径直径相同且同心的圆形，边缘是指燃烧室面与缸头本体与缸体连接的端面的交线；与缸体的内径相对，结合燃烧室面7结构和进气门11轴线与排气门4轴线之间的夹角，可进一步加强混合气体的混合及燃烧，提高燃烧效率，并降低排放；并与平滑曲面燃烧室及进排气门与进排气气道之间的夹角相适应，便于组织进气和排气，消除死角和积炭，提高进排气效率，消除现有的燃烧室结构不利于燃烧气体的充分混合，降低混合率，影响燃烧和排放的弊端。
本实施例中，所述燃烧室面7横向中心线d和燃烧室面7纵向中心线c均为弧度为68±2°的弧线，横向中心线d是指与进气门11中心线和排气门4中心线连线相同的方向，纵向中心线c使指位于与进气门11中心线和排气门4中心线连线垂直的方向；位于燃烧室面横向中心线d、燃烧室面纵向中心线c、进气门11与燃烧室面的交线e、排气门4与燃烧室面的交线f和燃烧室面的端面线g之间的曲面通过扫掠形成；所述进气门轴线与排气门轴线之间的夹角为24°，扫掠是指利用制图软件(比如三维软件)的扫掠功能得到所期待的曲面；本夹角与上述结构的燃烧室面结构相结合，相互影响，形成较佳的参数配比，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，且燃烧更加充分，利于燃烧和降低CH+NO排放，增加汽油机动力；同时，使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，节约驱动能源，功率可提高250W以上，燃油消耗率降低8％左右，排放达到5.5g/kW.h，超过EPA3阶段的标准。。
本实施例中，所述进气门11轴线和排气门4轴线分别垂直于燃烧室面7与其相交点的切面，也就是进气门11和排气门4的轴线相交于燃烧室面与缸径中心线重合的中心线，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，利于进一步降低排放该结构的燃烧室面与上述进排气门角度相结合的汽油机动力试验效率高，减少残余气体的产生，从而排放低，降低燃油消耗达到9％以上，汽油机功率提升比现有的球面燃烧室超过250W以上。
本实施例中，所述进气门11和排气门4分别设有摇臂(如图所示的进气门摇臂13和排气门摇臂16)，所述缸头本体1上与两个摇臂(进气门摇臂13和排气门摇臂16)一一对应设置有两个摇臂座(进气门摇臂座12和排气门摇臂座17)，所述两个摇臂(进气门摇臂13和排气门摇臂16)分别设有供对应的摇臂座顶部嵌入的嵌合槽，两个摇臂(进气门摇臂13和排气门摇臂16)分别由穿过嵌合槽两侧壁的摇臂轴(进气门摇臂轴14和排气门摇臂轴15)单自由度铰接于与其对应的摇臂座(进气门摇臂座12和排气门摇臂座17)顶部，形成以摇臂轴(进气门摇臂轴14和排气门摇臂轴15)为支点的杠杆结构，如图所示，两个杠杆结构的动力点由各自对应的顶杆驱动，两个杠杆结构的阻力点分别对应用于开启或关闭进气门11或排气门4，形成稳定的驱动结构，为减小转动阻力，所述两个摇臂(进气门摇臂13和排气门摇臂16)上的嵌合槽均为通槽，两个摇臂座(进气门摇臂座12和排气门摇臂座17)的顶部通过与其对应的嵌合槽外露并分别设有贯通至摇臂轴的润滑油孔(图中为进气摇臂座润滑油孔18和排气摇臂座润滑油孔19)；所述进气门摇臂座12和排气门摇臂座17上的润滑油孔(进气摇臂座润滑油孔18和排气摇臂座润滑油孔19)用于使润滑油进入进气门摇臂轴14和排气门摇臂轴15与进气门摇臂座12和排气门摇臂座17之间的摩擦面，减小摩擦系数，增大摇臂的运行精度和稳定性；通过摇臂上设有嵌合槽的结构铰接摇臂，可以大大减小摇臂座的横向尺寸，占有较小的空间，适用于小体积、小排量发动机使用，避免因为发动机缸头面积小不适用于安装固定摇臂座铰接摇臂的结构；本发明的摇臂在运行过程中，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，所述燃烧室面7上位于进气门11的座圈10周围和位于排气门4的座圈3周围分别为与进气门11的座圈10内端部和排气门4的座圈3内端部平齐的平面；且燃烧室面边缘与进气门11和排气门4的近点之间的曲面相适应形成局部凹陷，如图所示的凹陷a和凹陷b；近点是指接近点；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；且由于进气门和排气门的安装结构，并具有相应的角度，因而位于燃烧室面边缘的近点需下沉，则位于燃烧室面适应性形成凹陷。
本实施例中，两个摇臂轴(进气门摇臂轴14和排气门摇臂轴15)沿径向向内相对于缸头本体安装面向顶部倾斜设置，沿径向向内是指由缸头的周围向其径向中心线的方向；所述摇臂轴(进气门摇臂轴14和排气门摇臂轴15)的倾斜角度与进气门和排气门的倾斜角度对应相同；倾斜设置的摇臂轴(进气门摇臂轴14和排气门摇臂轴15)能够适应于斜置气门结构且适应于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，且驱动顺畅；同时为了适应于进气门和排气门的倾斜角度，两个摇臂座(进气门摇臂座12和排气门摇臂座17)沿径向相对倾斜设置，具有较好的适应性，使缸头结构更为紧凑。
本实施例中，所述进气门11轴线和排气门4轴线相对于燃烧室面沿缸体轴向的中心线对称，进气门和排气门的分布结构与燃烧室面相适应，达到最佳结构参数的配合，该比例的燃烧室面与上述进排气门角度相结合的汽油机动力试验效率最高，排放最低，降低燃油消耗达到9％以上，汽油机功率提升比现有的球面燃烧室超过250W以上，排放达到5.3g/kW.h。
本实施例中，所述缸头本体1上位于火花塞安装孔8侧设有贯通的火花塞风冷通道2；通过风冷使得火花塞以及缸体本身得到较好的冷却，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，所述缸头本体1外表面设有散热片6，所述散热片6延伸至排气通道5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。
本发明还公开了一种应用小型通用汽油机缸头的汽油机，所述小型通用汽油机缸头安装于汽油机，所述汽油机应用于通用机械，通用机械包括农林植保机械、园林机械、发电机组、建筑机械等。
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 (8)

1.一种小型通用汽油机缸头，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，缸头本体内侧形成燃烧室面，其特征在于：所述燃烧室面为拱形平滑曲面，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；所述进气门轴线与排气门轴线之间的夹角为24±5°；
所述燃烧室面横向中心线和燃烧室面纵向中心线均为弧度为68±2°的弧线，位于燃烧室面横向中心线、燃烧室面纵向中心线、进气门与燃烧室面的交线、排气门与燃烧室面的交线和燃烧室面的端面线之间的曲面通过扫掠形成；
所述进气门和排气门分别设有摇臂，所述缸头本体上与两个摇臂一一对应设置有两个摇臂座，所述两个摇臂分别设有供对应的摇臂座顶部嵌入的嵌合槽，两个摇臂分别由穿过嵌合槽两侧壁的摇臂轴单自由度铰接于与其对应的摇臂座顶部形成以摇臂轴为支点的杠杆结构；
所述两个摇臂上的嵌合槽均为通槽，两个摇臂座的顶部通过与其对应的嵌合槽外露并分别设有贯通至摇臂轴的润滑油孔。
2.根据权利要求1所述的小型通用汽油机缸头，其特征在于：所述燃烧室面边缘为与缸径直径相同且同心的圆形。
3.根据权利要求1或2所述的小型通用汽油机缸头，其特征在于：所述进气门轴线与排气门轴线之间的夹角为24°。
4.根据权利要求3所述的小型通用汽油机缸头，其特征在于：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。
5.根据权利要求4所述的小型通用汽油机缸头，其特征在于：所述燃烧室面上位于进气门的座圈周围和位于排气门的座圈周围分别为与进气门的座圈内端部和排气门的座圈内端部平齐的平面，且燃烧室面边缘与进气门和排气门的近点相适应形成局部凹陷。
6.根据权利要求5所述的小型通用汽油机缸头，其特征在于：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。
7.根据权利要求6所述的小型通用汽油机缸头，其特征在于：所述进气门轴线和排气门轴线相对于燃烧室面沿缸体轴向的中心线对称。
8.一种应用权利要求1至7任一权利要求所述的小型通用汽油机缸头的汽油机，其特征在于：所述小型通用汽油机缸头安装于汽油机。
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