CN104583545A - 具有埋头孔的气缸盖 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种静态火花点火式气体发动机的气缸盖(1)。该气缸盖可包括至少两个排气口(7.1、7.1’)和延伸到气缸盖(1)的底侧(1.3)的至少两个进气口(1.1、1.1’)。气缸盖(1)具有至少一个气缸轴线(9)并且每个进气口(1.1、1.1’)可具有用于进气阀的阀座(2、2’)。所述阀座(2、2’)中的每个均可具有中心轴线(2.1、2.1’)，并且至少一个进气口(1.1、1.1’)在气缸盖(1)的底侧(1.3)的边界区域中具有埋头孔(3、3’)。埋头孔(3、3’)可具有产生旋流的从所述中心轴线(2.1、2.1’)移位的偏移轴线(3.1、3.1’)。所述埋头孔(3、3’)的半径RF、RF’可具有点M、M’，所述点M、M’是相对于中心轴线(2.1、2.1’)的径向最大处。半径RF、RF’和直线MG、MG’可包括角度φ。直线MG、MG’可连接气缸轴线(9)与所述进气口(1.1、1.1’)的所述阀座(2、2’)的中心轴线(2.1、2.1’)。角度φ可满足下列条件：70°<＝φ<＝110°。本发明还涉及一种制造本文所公开的类型的气缸盖(1)的方法和一种操作静态火花点火式气体发动机的方法。

Description

具有埋头孔的气缸盖
技术领域
本发明一般地涉及一种静态火花点火式气体发动机的气缸盖。特别地，本发明涉及一种包括至少两个排气口和至少两个进气口的气缸盖。气缸盖还可包括至少一个气缸轴线，并且每个进气口可具有用于进气阀的阀座(气门座)，其中所述阀座中的每个均具有中心轴线。至少一个进气口可在气缸盖的底侧的边界区域中具有埋头孔。埋头孔可具有产生旋流的从所述中心轴线移位的偏移轴线，其中所述埋头孔的半径RF、RF’具有点M、M’，所述点M、M’是相对于中心轴线的径向最大处。
此外，本发明涉及一种制造气缸盖的方法和一种静态火花点火式气体发动机。
另外，本发明涉及一种运行本文所公开的类型的静态火花点火式气体发动机的方法。
背景技术
发动机中的燃烧过程决定性地受到气缸中的流的影响。在这里，在宏观流(旋流、翻滚流)和微观流(湍流)之间作出区分。旋流是一种具有平行于气缸轴线的旋转轴线的湍流，翻滚流是一种具有垂直于气缸轴线的旋转轴线的湍流。
火花点火式气体发动机通常使用旋流式燃烧过程。旋流大部分由切向进气口和螺旋进气口的组合产生。切向进气口被布置成使得气体-空气混合物与气缸轴线相切地流入气缸并沿气缸壁引导。这产生充气(charge)的旋转。然而，需要大的阀升程(气门升程)来产生明显的旋流水平。螺旋进气口的操作原理基于在气缸内延伸的螺旋状进气口中产生涡流。螺旋进气口的缺点包括由于高的流动损失而引起的差的气缸充气以及相当大的设计努力。
现有技术解决方案，即切向进气口和螺旋进气口的组合，产生可与最佳水平有所偏离的某种旋流水平。寻求一种用于微调旋流水平的解决方案，该解决方案可以在无大的设计工作和气缸盖的相关联重新设计情况下实现。
EP1167700B1公开了一种包括布置在气缸盖中的两个吸气阀和两个排气阀的内燃式柴油发动机的阀装置，所述吸气阀具有与气缸轴线平行定向的相应轴线，其中在每个所述吸气阀的阀座的抽吸空气出口端处的边缘部分在沿所述发动机的燃烧室内的涡流的方向上扩展，其中所述在每个所述吸气阀阀座的抽吸空气出口端处的边缘部分扩展成绕从吸气阀的所述轴线移位的偏移轴线延伸过一半圆周。
EP1493910A1公开了一种用于内燃机的气缸盖，该气缸盖包括从第一进气口延伸到第一出气口的第一进气导管和从第二进气口延伸到第二出气口的第二进气导管，其中第一进气导管和第二进气导管被成型成使得气体流围绕燃烧室的主轴线形成旋流运动，其中至少第一进气导管的第一出气口的边缘包括相对于旋流运动延伸过位于出口孔的主轴线下游的弧的凹口部分，该凹口部分为大致月牙形，所述大致月牙形关于穿过相关联的出口孔的中心且与旋涡运动相切地取向的轴线(C)对称。
本发明至少部分地旨在改善或克服现有系统的一个或多个方面。
发明内容
根据本发明的第一方面，一种静态火花点火式气体发动机的气缸盖可包括至少两个排气口和至少两个进气口。气缸盖还可包括至少一个气缸轴线，并且每个进气口可具有用于进气阀的阀座，所述阀座中的每个均具有中心轴线。至少一个进气口可在气缸盖的底侧的边界区域中具有埋头孔。埋头孔可具有产生旋流的从所述中心轴线移位的偏移轴线，其中所述埋头孔的半径RF、RF’具有点M、M’，所述点M、M’是相对于中心轴线的径向最大处。直线MG、MG’可假想地连接气缸轴线与每个进气口阀座的中心轴线。半径RF、RF’和直线MG、MG’可包括(形成)角度φ，其中所述角度φ可满足下列条件：70°<＝φ<＝110°。这样的一种静态火花点火式气体发动机的气缸盖可在气缸中产生更强烈的旋流运动。
根据本发明的另一方面，一种制造静态火花点火式气体发动机的气缸盖的方法可包括以下步骤：提供具有工具轴线和圆锥角α的切削工具，其中圆锥角α在45°和70°之间；接合切削工具与进气口，用于使埋头孔成形；以及使工具轴线相对于中心轴线倾斜约设定角度β，其中设定角度β在2°和5°之间。
根据进一步的方面，一种静态火花点火式气体发动机可包括如本文所公开的气缸盖。
最后，根据另一方面，一种运行如本文所公开的静态火花点火式气体发动机的方法可包括施加高扫气压力ΔpE-A的步骤，其中ΔpE-A满足下列条件：500mbar<＝ΔpE-A<＝1000mbar。
本发明的其他特征和方面从下列描述和附图来看将是显而易见的。
附图说明
本发明的其他潜在优点和进一步的细节在权利要求书和描述中阐明并在附图中示出，在附图中：
图1示出具有旋流埋头孔的气缸盖的示意图；
图2示出沿图1中的II-II的横截面视图；
图3示出活塞的侧视图；
图4示出具有活塞、曲轴和凸轮轴的火花点火式内燃机的示意图。
具体实施方式
图1中所示的气缸盖1包括两个进气口1.1、1.1’和两个排气口7.1、7.1’。各个口1.1-7.1’通向气缸盖1的底侧1.3内，气缸盖1的底侧1.3的直径DCyl对应于在这里未示出的燃烧室10.3的直径并且覆盖此燃烧室10.3。
各个进气口1.1、1.1’包括阀座2、2’和对应于在这里未示出的阀轴线的中心轴线2.1、2.1’。各个进气口1.1、1.1’包括在进气口1.1、1.1’和所述底侧1.3之间的边界区域1.6、1.6’中的埋头孔3、3’。各个埋头孔3、3’包括在径向方向上以一间距从中心轴线2.1、2.1’偏移的偏移轴线3.1、3.1’。该间距因此相对于阀座2、2’的中心轴线2.1、2.1’在埋头孔3、3’上限定偏心距E。
因此形成的埋头孔3、3’具有镰刀的形状且包括构成距中心轴线2.1、2.1’的最大距离的点M。连接中心轴线2.1、2.1’和点M、M’的直线将在下文称为半径RF。
气缸盖1的底侧1.3包括形成气缸轴线9的中心轴线。连接气缸轴线9和各个中心轴线2.1、2.1’的直线将在下文称为直线MG。
各个半径RF、RF’和各条直线MG、MG’包括角度φ、φ’，所述角度φ、φ’从直线MG、MG’逆时针方向绘制，使得第一埋头孔3或半径RF相对于直线MG位于相邻排气口7.1的一侧上，而连接的半径RF’相对于直线MG’位于相邻进气口1.1的一侧上。因此，相对于反映气缸形状的圆底侧1.3的圆周方向U相切地布置各个半径RF、RF’。
这两个角度φ、φ’均可具有高达20°的角度变化Δφ、Δφ’。优选的是角度φ、φ’是90°。
通过较小开式阀进入进气口1.1、1.1’的气体流由埋头孔3、3’在圆周方向U上转向。
各个排气口7.1、7.1’包括用于在这里未示出的排气阀的阀座的中心轴线8.1、8.1’。
根据图1所示的气缸盖1打算用于单个气缸。可能的是，在本发明的范围内设计具有多个底侧1.3的气缸盖1，其中每个底侧1.3覆盖气缸或燃烧室10.3。
根据图2所示的横截面视图II-II示出了具有中心轴线2.1的进气口1.1的区域，该中心轴线2.1相对于所示的对准与气缸轴线9叠合。为了产生埋头孔3，使用像铣削工具一样埋头孔工具6，其工具轴线6.1相对于中心轴线2.1倾斜约设定角度β。埋头孔工具6本身包括圆锥角α。上面提到的偏心距E由埋头孔工具6约设定角度β的倾斜引起，如在图2中可以看到。替代地，不需要约设定角度β的倾斜，埋头孔工具6可以仅通过将其以对应于偏心距E的与中心轴线2.1的偏移放置来定位，其中工具轴线6.1平行于中心轴线2.1。
根据图3，火花点火式气体发动机中使用的活塞5包括罐状活塞顶碗状部5.1。活塞顶碗状部5.1具有直径d5，直径d5约为活塞直径DCyl的50％。活塞顶碗状部5.1相对于活塞轴线5.2同轴地布置。这导致出现活塞边界5.3，其中如果直径d5是如上所提到的，则活塞边界5.3的宽度约为直径DCyl的25％。
根据图4，这里在示意图中示出的火花点火式气体发动机10包括多个活塞5、5’，其具有与相应气缸或气缸盖1一起限定燃烧室10.3的在具有气缸盖1、1’的多个单独气缸中引导的活塞轴线5.2、5.2’。设计为燃烧室塞的火花塞4、4’定位于燃烧室10.3中，其中所述火花塞通常关于活塞轴线5.2或气缸轴线9、9’对称放置。图4中的第二气缸盖1示出了进气阀2.2的实例，燃料-空气混合物可以经由进气阀2.2进入燃烧室10.3。燃料-空气混合物在共同进气管(中央进料和混合管线)2.3内混合。外部协作的位置p在共同进气管2.3内。通过分别捕获曲轴10.1的曲轴角度KW由相应曲轴10.2执行或施加阀定时(配气正时)。
工业实用性
根据本发明，通过在两个进气口下方设置偏心埋头孔可以在气缸中实现更强烈的旋流运动。这些埋头孔的取向可以是这样的，使得产生气缸中的充气旋转，所述充气旋转加强在进气口中产生的旋流运动。倒角的埋头孔将在本文称为“旋流埋头孔”。
一个特点可以是所述旋流埋头孔以上面提到的角度φ朝向气缸壁的取向，这使得通过与气缸壁的弯曲相互作用产生旋流运动。如果埋头孔与气缸壁相距一使得相应地要引入的流或空气-气体混合物不会贴着气缸壁运行的特定最小距离，可能是有利的。
以下可更详细地描述旋流埋头孔的作用。旋流埋头孔对于小的阀升程或许是显著有效的，也就是说，当阀打开和关闭时，由于从进气口的流出被强迫朝向在此阀位置中的埋头孔。这导致了在较低阀区域中转化为高旋流数的高圆周速度分量。如果阀升程大，则从进气口的流出主要沿阀轴线流动并且可能几乎不受该埋头孔影响。
旋流埋头孔可能仅对于阀凹部才是可行的，即阀头(气门头)不与气缸盖底部齐平，而是在某种程度上沉入到其中。
旋流埋头孔的优点可包括如下：埋头孔实现改进燃烧，改进燃烧可本身呈现在效率增加、贫混合物操控性提高、爆震倾向减少、自燃倾向降低和气缸具体控制改善中。
测量的效率可能是好的，并且充气运动可大大增加，而无输送比率的不可接受损害。埋头孔可以引入成批生产中，而不要求气缸盖的任何其他重新设计。偏心埋头孔可以在几乎无额外制造成本下实现。
如果φ＝90°或80°<＝φ<＝100°，也可以是有利的。
如果两个进气口都具有埋头孔，则可以实现旋流的另一个增加，其中所述半径RF’和所述直线MG’之间的φ’角度满足下列条件：70°<＝φ’<＝110°，所述半径RF指向相邻排气口并且所述半径RF’指向相邻进气口，这两个均相对于气缸轴线的圆周方向U。
如果80°<＝φ’<＝100°或φ’＝90°，也可能是有利的。这些角度已被证明非常好。
根据本发明，仅一个进气口包括旋流埋头孔或两个进气口都包括旋流埋头孔。至少进气口可以被设计成切向端口，使得流到燃烧室中的流动在与气缸的中心轴线相切的方向上发生。然后旋流埋头孔支持或推动此切向流动。
两个进气口中的一个可被设计成螺旋端口，该螺旋端口产生限于各自进气口的区域的至少局部旋流运动。埋头孔可以将后者扩大到整个燃烧室。
有利地，所述偏移轴线和所述中心轴线之间的偏心距E可满足下列条件：0.005<＝E/DCyl<＝0.05，其中DCyl是燃烧室壁的直径，所述燃烧室壁部分地由气缸盖的所述底侧组成。旋流埋头孔的偏心距E帮助实现旋流的相当大的强化，而无需不可接受地损害进气口的通气量。考虑到气缸壁的距离，不应该选择太大的偏心距E。
如果偏心距E与燃烧室壁的直径的比为0.01<＝E/DCyl<＝0.04，也可以是有利的。
如果|φ|＝|φ'|或|φ-φ'|<＝20°或|φ-φ'|<＝15°，也可以是有利的。两个角度可以从彼此偏移高达20°，而不给该流带来巨大不利影响。优选的是它们约是相同大小的角度。
此外，用于制造如上所述的静态火花点火式气体发动机的气缸盖的过程可以是有利的，其中切削工具用于制造埋头孔，该切削工具具有工具轴线和圆锥角α，所述工具与进气口接合用于使埋头孔成形，所述工具轴线相对于所述中心轴线倾斜约设定角度β，所述圆锥角α在45°和70°之间并且所述设定角度β在2°和5°之间。此组合已被证明非常有利。
根据本发明的优点也可以使用如上所述的具有气缸盖的静态火花点火式气体发动机来实现。
如果存在至少一个活塞，其中所述活塞具有活塞轴线和罐状活塞顶碗状部，则实现特别高的旋流。如果罐状活塞顶碗状部与活塞轴线同轴放置，则有对称条件，尤其就在活塞顶碗状部和活塞的边界之间产生的挤流而言。如果发动机包括如上所述的产生挤流的活塞顶碗状部，则在进气侧上产生的旋流可以特别最佳地用于在火花点火式气体发动机中燃烧。
如果所述活塞顶碗状部的直径d5在DCyl的40％和60％之间或在DCyl的45％和56％之间，则可以实现优异的结果，其中DCyl是燃烧室壁的直径，所述燃烧室壁部分地由气缸盖的所述底侧组成。
如果有带有预燃室的火花塞，即预燃室火花塞或燃烧室塞，则也可以是有利的。可能发生的是，火花塞电极之间的中心火焰被增加的旋流和挤流扑灭。但是这可以通过使用所述燃烧室塞来避免。燃烧室塞保护点火位置免受燃烧室中的气流流过并且创建其自己限定的点火条件。高旋流和挤流主要影响主燃烧室中的燃烧并且不影响火花塞预燃室中的敏感点火阶段。因此对于燃烧室中更激烈充气运动不设置限制。
如果有气体和空气的外部汽化的位置p，其中所述位置p在所述阀座的上游，也可以是有利的。旋流仅需确保在燃烧室中的分布。气体-空气混合物在进入燃烧室时已经混合了。
还有利的是一种用于运行如前面描述的静态火花点火式气体发动机的过程，在该过程中施加了高扫气压力ΔpE-A，其中ΔpE-A满足下列条件：500mbar<＝ΔpE-A<＝1000mbar。进气口和排气口之间的高扫气压力降对静态充气气体发动机是有利的。这确保当进气阀打开时产生强流，直到压力比已经平衡。旋流埋头孔在这种情况下具有特别强的效果。
如果施加米勒阀定时，即米勒循环定时，其中在进气阀几乎关闭时的曲轴角度KW满足下列条件：KW>＝BDC前20°，其中阀升程是1mm，则可实现良好的旋流。在带有米勒阀定时的气体发动机中，进气阀已经关闭，而活塞仍然正在朝向下死点移动。当阀正在关闭时，这再次在进气口出口中产生强流。这就是旋流埋头孔和米勒阀定时的组合特别有效的原因。
总之，高扫气压力下降、米勒阀定时的使用、产生挤流的活塞顶碗状部和/或燃烧室塞确保了旋流埋头孔的最佳作用以及充气火花点火式气体发动机中的燃烧过程的改善。
虽然本发明的优选实施例已经在本文进行了描述，但在不背离随附权利要求书的范围的情况下可以加入改进和修改。

Claims (15)

1.一种静态火花点火式气体发动机的气缸盖(1)，包括：
至少一个气缸轴线(9)；
底侧(1.3)；
至少两个排气口(7.1、7.1’)；
延伸到所述气缸盖(1)的底侧(1.3)的至少两个进气口(1.1、1.1’)，每个进气口(1.1、1.1’)具有用于进气阀的阀座(2、2’)，
所述阀座(2、2’)中的每个均具有中心轴线(2.1、2.1’)，并且至少一个进气口(1.1、1.1’)在所述气缸盖(1)的底侧(1.3)的边界区域中具有埋头孔(3、3’)，所述埋头孔(3、3’)具有产生旋流的从所述中心轴线(2.1、2.1’)移位的偏移轴线(3.1、3.1’)，其中，所述埋头孔(3、3’)的半径RF、RF’具有点M、M’，所述点M、M’是相对于所述中心轴线(2.1、2.1’)的径向最大处，所述半径RF、RF’和直线MG、MG’包括角度φ，所述直线MG、MG’连接所述气缸轴线(9)与所述进气口(1.1、1.1’)的所述阀座(2、2’)的所述中心轴线(2.1、2.1’)，其中，所述角度φ满足下列条件：70°<＝φ<＝110°。
2.根据权利要求1所述的气缸盖，其中：
80°<＝φ<＝100°或φ＝90°。
3.根据权利要求1或2所述的气缸盖，其中，两个进气口(1.1、1.1’)具有埋头孔(3、3’)，其中，所述半径RF’和所述直线MG’之间的角度φ’满足下列条件：
70°<＝φ‘<＝110°，
所述半径RF指向相邻排气口(7.1’)并且所述半径RF’指向相邻进气口(1.1’)，这两个都相对于所述气缸轴线(9)的圆周方向U。
4.根据权利要求3所述的气缸盖，其中
80°<＝φ‘<＝100°或φ‘＝90°。
5.根据权利要求1-4中的一项所述的气缸盖，其中，所述偏移轴线(3.1、3.1’)和所述中心轴线(2.1、2.1’)之间的偏心距E满足下列条件：
0.005<＝E/DCyl<＝0.05，
其中，DCyl是燃烧室壁的直径，所述燃烧室壁部分地由所述气缸盖(1)的所述底侧(1.3)组成。
6.根据权利要求1-5所述的气缸盖，其中
0.01<＝E/DCyl<＝0.04。
7.根据权利要求6所述的气缸盖，其中
|φ|＝|φ'|或|φ-φ'|<＝20°或|φ-φ'|<＝15°。
8.一种制造根据权利要求1-7中任一项所述的气缸盖(1)的方法，所述方法包括以下步骤：
提供切削工具(6)，所述切削工具(6)具有工具轴线(6.1)和圆锥角α；所述圆锥角α在45°和70°之间；
接合所述切削工具(6)与所述进气口(1.1、1.1’)，用于使所述埋头孔(3、3’)成形；
使所述工具轴线(6.1)相对于所述中心轴线(2.1、2.1’)倾斜约设定角度β，所述设定角度β在2°和5°之间。
9.一种具有根据权利要求1-7中任一项所述的气缸盖(1)的静态火花点火式气体发动机(10)。
10.根据权利要求9所述的静态火花点火式气体发动机(10)，所述发动机(10)具有至少一个活塞(5)，所述活塞(5)具有活塞轴线(5.2)和罐状活塞顶碗状部(5.1)。
11.根据权利要求9或10所述的静态火花点火式气体发动机(10)，其中，所述活塞顶碗状部(5.1)的直径d5在DCyl的40％和60％之间，其中，DCyl是所述燃烧室壁的直径，所述燃烧室壁部分地由所述气缸盖(1)的所述底侧(1.3)组成。
12.根据权利要求9、10或11所述的静态火花点火式气体发动机(10)，所述发动机(10)具有预燃室火花塞(4)。
13.根据权利要求9、10、11或12所述的静态火花点火式气体发动机(10)，所述发动机(10)具有气体和空气的外部汽化的位置p，所述位置p在所述阀座(2)的上游。
14.一种运行根据权利要求9-13中的一项所述的静态火花点火式气体发动机(10)的方法，所述方法包括施加高扫气压力ΔpE-A的步骤，其中，ΔpE-A满足下列条件：
500mbar<＝ΔpE-A<＝1000mbar。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，在所述方法中施加了米勒循环定时，其中，在所述进气阀几乎关闭时的曲轴角度KW满足下列条件：KW>＝BDC前20°，其中，阀升程为1mm。
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