CN1035545A - 内燃机 - Google Patents

Abstract

一种双管道进气口配置系统有一对并列弯曲的侧面进入的管道(14、15)，该对管道合并成一个单一的供气通道(16)，通道(16)包围气门杆(13)。每个供气管道(14、15)在该管道弯头径向内部区域配置有涡流生成装置(20)，在该管道弯头径向外部区域配置有一个向外凸起部分(21)，以便使合并成的通道(16)内气流较均匀过气门头，并从气门成均布的环形涡流离开。

Description

本发明涉及到内燃机，特别是内燃机进气口配置系统。

在传统的发动机中，无论是配置有一个或二个进气门和甚至效率具有现有技术水平的发动机，都要求进口空气流转过120°～160°使气流集中在气门头的一侧并受到气门杆及其导管的阻碍，致使只能将燃油混合气绕过平均为200°的气门头圆周面。

英国专利GB-A-971211公开了一种气缸进气口配置系统，该系统包括有一对合并为一个单一内供气管道的外供气管道，内供气管道围住提升型气门杆控制气缸进气口使气流与气门杆轴线平行。这一系统下面称之为“双管道进气口配置系统”。这种系统使单一供气管道具有较高的容积效率，至少可以与双进气门系统相当，并具有其他技术上的优点，例如易于制造，只需为一个气门而不是二个气门配置气门操纵机构。最理想的是希望气流绕过整个气门头的圆周面，使涡状气流绕过气门头的整个圆周面离开进入燃烧室，以获得一种有效制备的可燃混合气均布于气门头周围。这就是众所周知的环形涡流吸入且只能通过一种双或多进气口管道系统实现。

但是，将这样的进气口配置系统应用于从侧面进入一对外供气管道的气缸盖时，由于为适应侧面进气，对应于外供气管道中的各自气流有从弯头内侧面脱离的倾势并朝弯头外侧面部分流动，继而形成一股绕气门头的圆周面大约200°的合并气流。这就不会形成均布的环形涡流离开气门头进入燃烧室。

本发明的目的在于提供一种适于侧面进气的双管道进气口配置系统，气流在其中通过形成一股相当均匀分布于相关气门头的流动。

本发明提供的适于内燃机的双管道进气口配置系统，包括一对并置的弯头，合并为单一供气通道的侧面进入的供气管道，单一供气通道为一文杜里形结构段并与气门口连通，单一供气通道围住与气门口相关的一个提升型气门杆，其中每个弯曲的侧面进入的供气管道配置的产生气流旋涡的装置位于该管道径向内部区域的某一特定位置，而向外凸起部分位于该管道弯头径向外部区域。

在使用时，产生旋涡的装置使管道弯头内侧面的气流附面层被控分离造成一个低压区域，与旋涡的涡动方向一致使气流按某一被控方式吸回和管道径向内壁接触，管道弯头外侧面的向外凸起使气流转回到上述的区域。这些作用的组合结果使弯头下游的各自管道内的气流矫直，致使管道下游段更接近于均布的轴向流动。这样，从外部供气管道出来的气流合并形成一股通过单一供气通道大致成轴向流动的气流基本上呈均匀散布于提升型气门头上并成均布的以环形涡流离开气门头。

所述的产生旋涡装置可以采用各种结构形式。例如，在各个供气管道的弯头处或弯头后面的壁上形成一个向内凹进部分。在另一实施例中，是在弯头内侧面处的管道壁上形成一个向内的凸缘。单凸缘也可以改成适于产生附面层被控分离的一系列不连续的凸缘或其它向内的凸起。

该对供气管道的横截面面积最好但并非必需在朝其合并位置是逐渐减小的，以便使通过其中的气流加速。

在某些实施例中，至少可以在其中的一个供气管道中配置控制气流通过的装置，也就是说，允许一个供气管道在发动机较轻负荷运行时不进气（deactivation）。

根据本发明的双管道进气口配置系统可方便地应用于带有可变气门升程机构的内燃机，可变气门升程是发动机在各种运行负荷和转速时有理想的燃烧循环所要求的。尽管这样的调节通常会减小发动机的性能，但是，对于具有本发明的进气口配置系统是有生命力的。因为本发明的进气口配置系统会产生额外的效能。它还能在发动机转速较低时保持高的气流速度。气流的速度对于环形旋涡的“强度”而言是很重要的因素，借以提高低速运行性能和经济性。

而且，根据本发明的双管道进气口配置系统可以应用于具有能使活塞保压于上死点机构的内燃机中，活塞的这种作用比起传统的发动机能使燃烧在更为恒定的容积条件下进行以提高发动机的热效率。具有本发明的进气口配置系统的发动机只所以能提高这种作用，其原因在于环形旋涡式吸入具有优越的混合气制备而不容易产生暴震。

本发明的有关实施例将通过参照附图的实例予以说明。

图1为本发明的进气口配置系统的第一个实施例的截面示意图。

图2为图1所示的进气口配置系统的端面示意图。

图3为第二个实施例的截面示意图。

图4为本发明的进气口配置系统的第三个实施例的截面示意图。

图5为可变气门升程机构的截面示意图。

图6为适于产生活塞保压于上死点的活塞连杆机构的透视分解图。

图7为另一种双管道进气口配置系统的侧面示意图。

图8为又一种双管道进气口配置系统的侧面示意图。

图9-13表示依据对气门吸入口配置系统所作的各个实验气门头流动分布的示意图。

图14为适用于各种进气口配置系统实验模型的实验设备的示意图。

参照图1和图2，进入燃烧室（12）内的气缸盖（10）的进气口（11）是由任一种常用气门机构操纵的轴向提升滑阀控制的，气缸盖（10）的侧面进气的进气口包括一对沿其长度方向弯曲的能使侧面进入空气或燃油混合气供入气缸盖的分支供气管道（14，15）。该供气管道（14、15）一般呈并排关系从一侧面伸到气缸盖并在弯头之后立即朝彼此分出支路合并成一个单一的通道（16），该通道（16）与气门口（11）连通。供气通道（16）轴向延伸包住气门杆（13）并在气门头上游立即形成文杜里型结构（17）。在这个实施例中，供气管道（14、15）具有一个一般为带有圆角的长方形横截面，该管道的横截面面积朝它们的合并位置方向减小以便在管道中产生适当的压力分布来控制其中的气体附面层。供气管道（14、15）的弯头在它们的合并位置平滑地相结合，为了在合并处的下游立即得到对称围住气门杆（13）的合并成的供气通道（16）的横截面呈圆形，供气管道（14、15）在合并处的横截面是D字形的。

现在参照图8，它示出了一个分成二个支路的进气口配置系统。其中，分支路供气管道（14A、15A）沿它们的长度方向一般是直的，并在气门（13A）的气门头后面立即合并为一个单一供气的文杜里结构段（16A）。该系统的二股气流在文杜里结构段（16A）合并为一股单一气流。这股合并成的气流一般围住气门杆成轴向流动，以均匀分布的环形流动平稳通过气门头并均布于气门头上。这种平稳流过整个气门头的结果是，从气门头整个圆周面上离开的旋流在气门下面产生一连串的环形涡流依次以高湍流状态射入气缸内。这种流动具有很多的优点。流动分布基本上为无回转的和平稳的特点能使加于空气流动管道的燃油仍保持在半个燃烧室内。因此，气流将方便地靠近于火花塞的位置，有可能产生不均匀的或分层进气的效果，以便能以非常不好的空燃比条件下燃烧。气流成环形涡流从气门头离开还能产生极细的燃油雾化颗粒，致使在非常不好的空燃比条件下的混合气能很快燃烧。由此产生的极快燃烧速率减小了对点火提前和改进暴震容许极限的要求。而且，气门头的整个圆周面都加以利用预料不到的获得高的容积效率，这种高容积效率或者能产生较高的比功，或者通过改变气门进口尺寸或调节气门升程或二者均改变的办法能使通过气门的气流速度有利的增加从而又进一步改善燃油的燃烧制备。而且，通过对各供气管道的进气口和/或角度或不对称位置的不同控制，可以在被吸入到燃烧室的气流诱导成涡流。

这种同心的轴向流动是能够通过图8所示的装置实现的。但是，把该原理应用于如图1和图2中所示的侧面进入气门进气口配置系统是存在技术问题的。参照图1和图2，通过弯曲的双供气管道（14、15）的各气流使供气通道（16）内的已供入的合并成的气流聚集在气门头的半个圆周面上，其原因是因为在管道（14、15）内的围绕其弯曲段内侧面的气流分离使从这些管道进入共同供气通道（16）的气流聚集在弯曲部分外侧面的区域位置，所以在文杜里结构段中就形不成理想的环形的轴向流动的气流，致使涡流就只能在气门头的一部分圆周面上离开。

申请人公开的一种改进过的由下列结构特性实现来自侧面进入进气口系统的气流。这些结构特性的作用在于能使已经离开各管道（14、15）弯头内侧面的气流重新接近并使弯头外侧面的气流矫直。在弯头的内侧面，配置有附面层被控分离并在那里产生低压区域形成旋涡的装置，与涡流的涡动方向一致将气流吸回和该处的管道壁相接触。在图1所示的实施例中，上述装置是在各管道（14、15）弯头内侧面处构成的凹进区域（20），促使进入该区域的旋动涡流被控分离。在该凹进区域（20）中建立的低压区使气流吸回和该区域的管道壁相接触。

管道（14、15）还在其弯头的外侧面上朝弯头的出口端有向外凸起部位（21）。已经发现，这种凸起或球形区域提供了一个能接收各管道弯头外侧面的气流区域且利于气流相对气门轴线矫直以促使弯头外侧面的气体呈直线流动，弯头是为在气流进入燃烧室（12）之前通过文杜里结构段（17）将通道合并的。已经发现，涡流生成装置（20）和凸起（21）有助于在气体通道（16）中形成一股合并的气流，更加均匀分布于气门（13）轴线的周围，以实现涡流基本上围绕整个气门头的圆周面离开。

图3所示的另一实施例，它基本上类似于图1和图2所示的实施例，不同的是图1所示实施例中弯头内侧面的凹进区域（20）由位于管道（14、15）中弯头内侧面的锐缘（22）所取代。锐缘（22）同样在弯头内侧面处产生附面层的被控分离，并在那里产生的低压区形成涡流，使附面层在文杜里结构段（17）前重新附着。

图4所示的实施例大体上与图1所示实施例相似，不同的是管道（14B、15B）的横截面为圆形，而不是一般的长方形。

图5示出了操作上述任一种双管道进气口配置系统气门（13）用的可变气门升程机构。该机构能使气门升程改变到与理想燃烧循环相适合。该机构包括一个凸轮随动机构（30）和一个将凸轮随动机构的运动传道给气门的摇杆。气缸盖（10）上装有从中伸出的短轴（32），摇杆夹持枢轴（33）可滑动地安装在短轴（32）上并有一个向下对着半球形的密封面（34），与摇杆（31）本体上的同样形状的密封面（35）相配合。一个偏置的压缩弹簧（35）作用在摇杆夹持枢轴（33）的上表面和可滑动地安装在短轴（32）的突出部分上的圆形盘（36）之间。杯状可控制柱塞（37）与圆盘（36）的上表面相配合受轴向力的作用。当柱塞（37）向上或向下调整时。弹簧（35）的载荷发生变化。当弹簧（35）的载荷小于封闭弹簧（38）的载荷时，凸轮提升运动的部分成为摇杆（31）和夹持枢轴（33）的组件沿短轴（32）向上位移的运动。这样，气门的升程可能根据柱塞（37）的位置而改变。

在另一实施例中，弹簧（35）能用液压机械组件取代，该种组件不仅能够调节气门的升程而且能成液压耦合调整。这样的配置方式将能根据液压伺服系统的压力变化改变气门升程。这种改变气门升程的系统允许的调节范围能实现进气门升程的节流。而且能实现气门的可变定时。因此，打开气门的时间能够在气门打开和关闭的一个操作过程中根据不同的量和时间以及关闭周期通过柱塞（37）的动程予以改变。

根据与图1至图4和图8有关的上述进气口配置系统的可变气门升程的机构实现环形涡流围绕气门头圆周面离开对于取得最佳燃烧循环是特别有利的。具有传统的进气口配置系统的可变升程机构能导致发动机性能减小到不能接受的程度。但是，如各附图中所示的双管道进气口配置系统由于其具有优越的容积效率而并非是有害的。

图6示出了一种能用于具有上述的双管道吸入口配置系统的活塞式气门的连杆系统。这种吸入系统的混合气制配的快速燃烧和良好的暴震容许极限是与采用活塞保压于上死点相适应的，允许比传统的发动机更能在恒定容积条件下燃烧，从而提高了发动机的热效率。

图6所示的机构能使活塞保压在上死点和下死点。该机构包括两个安装在一双曲柄短轴（42）上的部件（40、41），这些部件安装在连杆（45）下端的各自的滑道通道（43、44）中，在相互垂直的方向上滑动。当双曲柄短轴（42）在所述部件内部转动时，连杆大端的运动轨迹大致为椭圆而不是正规圆。通过双曲短轴（42）的恰当外形，活塞可保压在上、下死点的前后。

图7示出了图8所示的相类似的双管道进气配置系统，其不同的是朝它们的进口端的管道（50）稍有弯曲，以便与气缸盖（51）的倾斜表面（52）相连通。

根据本发明的双管道进气口配置系统适用于不同的节流或不同的燃油。

在发动机低速运转和轻负载情况下，为了提高这种发动机的混合气速度和提高部分载荷的经济性，在四气门单缸发动机上（具有不相连的进气口）采用进气口不进气是常见的做法。进气口不进气的常用办法是用一个辅助蝶阀将缸盖的进气口封住。这些蝶阀或者由多用途的真空系统或者由发动机的操作系统来操纵。

上述系统是能方便地应用到本发明的双管道进气口配置系统之中，以便再次产生较高的混合气速度。而且，在这种情况下，这些好处的获得又无需花去第二个进气口的额外费用。流动区域也改变以便利用其优越的混合气制备产生更完整的环形涡流。

通常的吸气口在燃烧室和气缸中产生复杂的气体流动图型，这些流动区域包括围绕一个或两个气缸轴线或垂直轴线的转动流型、涡流运动的强度是发动机转速的函数。这样，如果吸入的是不均匀的混合气，在点火时相对火花塞，混合气的可燃区的位置是不确定的。通常的吸气口要求均匀的混合气。

非均匀的或层状混合气的燃烧能使发动机的燃烧空燃比比均匀混合气燃烧的空燃比差一些，这对提高发动机部分载荷的经济性是有利的。

根据本发明的双管道进气口配置系统引成了一个相对于火花塞明显稳定的基本上为不转动的流动区域。另外，轴对称的双进口管道装置在其接合部之后每个管道出来的空气流之间发生极小混合。这些特性使燃油便于只被吸入到其中的一个管道中，该管道使燃油充分混合气位于接近所选择的火花塞的位置。这样，这种双管道能产生具有上述好处的层状燃油分布。

申请人对本发明的双管道进气系统的性能进行了实验，与类似的系统进行比较，所述的类似系统不包括前面所述的涡流生成装置和管道弯曲部分位置的向外凸起。该实验用的进气系统的细节和尺寸如下：

实验1（图9）

一种具有单一侧面进口管道的传统的吸入口配置系统，其中：

进口管道直径    34mm

进口管道长度    100mm

管道弯头半径    50mm

气门座直径    40.5mm

实验2（图10）

一种双管道进气口配置系统，其中：

进口管直径    31.6mm

进口管长度    115mm

管道弯头半径    50mm

气门座直径    40.5mm

文杜里管喉部直径    30mm

合并管道部分的长度    32mm

实验3（图11）

一种与实验2类似的双管道进气口配置系统，其不同的是在每个进口管道中配置了一个深度为5mm和长度为25mm的向外凹槽。

实验4（图12）

一种与实验3类似的双管道进气口配置系统，其不同的是每个进口管道附加有一个深为5mm和长度为15mm的凹下去的涡流生成区。

实验5（图13）

一种与实验4类似的双管道进气口配置系统，其不同的是通过一个进口管道的气流被阻塞住。

实验1～5是利用图14所示的设备进行的。该设备包括有一个大容积室（60），该室配有与其连接的可控节流的抽风系统（61）。水压计（62）记录运行时室（60）内的真空度。组件（63）安装在室（60）的外侧壁上，并设置有欲实验的管道进气口配置系统的模型，其中还包括提升气门。模型（63）可以更换成如实验1～5所要求那样的其它管道进气口配置系统的模型。模型（63）上的气门进口与一个位于室（60）内侧面的相应尺寸的气缸（65）连通。气悬体（64）将雾化颗粒吸入到相应组件（63）的单一进口管道或双进口管道的进入端或各进入端。

在实验过程中，气悬体的定时雾化爆裂是为了将某种适当的物质（如裂纹检测显示剂）吸入到供气管道。所述物质是轻质物，因此就能合理而精确地跟随着管道中空气流的流线。被雾化过的介质集中气门头的背部，其颜色的深度成为气流分布情况一种指示器。

空气是以预先规定的进气口压力差的条件下流过进气口的，这个条件对上述所有实验都是一致的，空气的流量是由配置在抽风系统中的节流装置来控制。

图9～13分别示意说明了气流绕过气门头的分布情况。在这些图中，气流绕过气门头的分布情况用圆点和用气门头每个象限中的百分率表示出来。在实验1中，气流的容积效率为80%。在与双管道进气口配置系统相关的实验2～4中，整个气流量超过100%，这是因为计算数值是以RICARDO流量系数计算值为基础取了传统单一管道进气口配置系统中最大可能的理论流量。

在采用传统的单一管道进气口配置系统的图9中将会看到的是，气门杆抑制了在该图上部右边四分之一圆中的气流量和在该图下部气流很小或者没有。这种现象是由于通过管道弯头的气流聚集于管道弯头径向外部区域的缘故。

图10示出的气流分布情况，它克服了气门杆的遮蔽作用是因为采用了双管道进气口配置系统。但管道的弯头效应未能克服。

图11示出了改进的气流绕过气门头分布情况，但仍有朝其一侧偏置。这是因为进口管道外部区域凹进的结果。

图12示出了气流绕过气门头较为均匀的分布情况，它除了采用双管道进气口配置系统，在进口管道有凹进的外部区域外，在进口管道弯曲部位径向内侧面处有凹进区域。图13表示怎样通过将其一个进口管道阻塞住以更变气流的流道。

虽然由附图简要示出的双管道进气口配置系统是就吸入系统而言的，但它们也能适用于排出系统。文杜里结构和增加双管道横截面面积给出了进气口的顺压力分布和使气流平稳绕过气门背部产生低湍流度的流动区域以及改善排气过程。

Claims (8)

1、一种适于内燃机用的双管道进气口配置系统，该系统包括有一对并列的供气管道，该对供气管道合并为构成文杜里形结构的单一供气的且与气门口连通的通道，该单一供气通道包围与气门口相联系的提升气门杆，本发明的特征是，每个供气管道包括有一个弯曲的侧面供气的管道，每个弯曲侧面进气的管道配置有用于在沿该管道弯头径向内部区域特定位置处的气流生成涡流的装置和位于该管道弯头径向外部区域的向外凸起部分。

2、根据权利要求1的系统，其特征是所述的涡流生成装置是一个在各供气管道弯头径向内侧面上形成的向内凸缘。

3、根据权利要求1的系统，其特征是所述的涡流生成装置是一个在各供气管道弯头处的壁上或紧接弯头之后的壁上构成的内部凹进部分。

4、根据权利要求1的系统，其特征是所述的一对供气管道的横截面面积在朝它们的合并位置的方向是逐渐减小的。

5、根据权利要求1的系统，其特征是至少在所述的一个供气管道中配置有控制气流通过其中的装置，以便在轻负荷运行时将进气口关闭或受限制。

6、一种具有权利要求1的双管道进气口配置系统的内燃机。

7、一种根据权利要求6的内燃机，该内燃机具有一个能使气门升程可变的气门操纵机构。

8、一种根据权利要求6的内燃机，该内燃机具有一个适于活塞保压于上死点的连杆机构。

Images