CN107701338B - 一种适用于高速发动机的高效进气系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种适用于高速发动机的高效进气系统，包括凸轮、活塞套、活塞、气缸盖和气门；气门杆上端分别穿过气缸盖和活塞和滚轮连接；凸轮的外轮廓面上沿旋转方向设有一圈与滚轮配合的倒T字形导向槽；活塞套内壁与活塞底端以及气缸盖顶端之间围成活塞腔；气门杆内部设有第一通道，可在气门运动过程中实现活塞腔与发动机进气气道的相通与相断。本发明所述的适用于高速发动机的高效进气系统，结构简单紧凑，有利于工程化应用。通过取消传统的气门弹簧，可以有效降低凸轮与气门之间的接触应力，从而可以提高凸轮的加速度，增大凸轮的丰满系数。在气门上升过程中可进行额外增压，从而有效降低泵气损失，最终实现发动机充气效率的提高。

Description

一种适用于高速发动机的高效进气系统
技术领域
本发明属于发动机技术领域，尤其是涉及一种高效进气系统。
背景技术
内燃机至今仍然是热效率最高、单位体积和单位重量功率最大的原动机，应用非常广泛，然而随着世界能源的逐渐短缺以及环境资源的不断恶化，我们需要内燃机满足更严格的油耗标准和排放法规。
传统发动机的气门都带有气门预紧弹簧，这使得发动机的气门机构设计要考虑运动学设计以及应力设计，避免因转速过高导致气门飞脱以及因接触应力过大导致凸轮磨损破坏。
已经公知的是，在整个气门开启过程中，气门开启前半程对发动机的泵气损失影响最大，如能在开启阶段实现迅速进气可以有效降低泵气损失。
如何在高转速下保证气门机构可靠性的同时尽可能提高凸轮的丰满系数以及降低发动机泵气损失，成为发动机设计者们孜孜不倦的追求。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种适用于高速发动机的高效进气系统，以实现更高凸轮丰满系数以及更低泵气损失。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种适用于高速发动机的高效进气系统，包括凸轮，其外轮廓壁上周圈设有导向槽；活塞套，其一端的内部沿其轴向滑动连接有活塞；活塞套的另一端固接有气缸盖，气缸盖内设有连通外界的进气气道；活塞套的内部，活塞与气缸盖之间的部分为活塞腔；气门杆，其穿过气缸盖和活塞，并沿活塞套的轴向与两者滑动连接；气门杆的一端伸入导向槽内，另一端固接有气门，气门控制进气气道其中一端开合；气门杆带动活塞往复滑动；第一通道，其设于气门杆内；当活塞相对于气门杆处于最高位置时，第一通道通过第一开口与活塞腔连通；当气门闭合时，第一通道通过第二开口与活塞腔连通；第一通道通过第三开口与进气气道连通。
进一步，所述导向槽为T形槽，所述气门杆的端部固接有一个“T”型的导向短杆，导向短杆竖直的一端与气门杆的端部固接，水平的两端分别转动连接有一个滚轮，两个滚轮置于所述导向槽内。
进一步，所述滚轮与所述导向槽之间设有气门间隙。
进一步，所述气门杆上还设有第一挡圈和第二挡圈，两者分别位于所述活塞的上方和下方。
进一步，在所述气门关闭时，所述第二开口的下沿与所述气缸盖的顶端齐平。
进一步，所述活塞内设有第二通道，当活塞相对于所述气门杆处于最高位置时，第二通道的连通所述第一开口与所述活塞腔。
进一步，所述活塞的横截面面积大于所述气门的横截面面积。
进一步，所述活塞、气门杆、气门与活塞套同轴。
相对于现有技术，本发明所述的适用于高速发动机的高效进气系统具有以下优势：
本发明所述的适用于高速发动机的高效进气系统，结构简单紧凑，有利于工程化应用。通过取消传统的气门弹簧，可以有效降低凸轮与气门之间的接触应力，从而可以提高凸轮的加速度，增大凸轮的丰满系数。除此之外，本发明在气门上升过程中可进行额外增压，从而有效降低泵气损失，最终实现发动机充气效率的提高。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的适用于高速发动机的高效进气系统处于气门即将开启状态的主视向剖视图；
图2为本发明实施例所述的适用于高速发动机的高效进气系统处于气门最大升程状态的主视向剖视图；
图3为本发明实施例所述的适用于高速发动机的高效进气系统处于气门回落状态的主视向剖视图；
图4为本发明实施例所述的适用于高速发动机的高效进气系统处于气门即将关闭状态的主视向剖视图；
图5为本发明实施例所述的适用于高速发动机的高效进气系统的凸轮与滚轮相配合的主视图；
图6为图5的左视向剖视图；
图7为本发明实施例所述的适用于高速发动机的高效进气系统的气门杆的主视向剖视图。
附图标记说明：
1-凸轮；2-活塞套；3-活塞；4-活塞腔；5-气缸盖；6-气门；601-第一挡圈；602-第二挡圈；603-第三开口；604-第二开口；605-第一开口；606-气门杆；607-导向短杆；7-进气气道；701-倒角；8-第一通道；9-第二通道；10-滚轮；11-导向槽。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1-7，本发明提出一种适用于高速发动机的高效进气系统，包括凸轮1，其外轮廓壁上周圈设有导向槽11；活塞套2，其一端的内部沿其轴向滑动连接有活塞3；活塞套2的另一端固接有气缸盖5，气缸盖5内设有连通外界的进气气道7；活塞套2的内部，活塞3与气缸盖5之间的部分为活塞腔4；气门杆606，其穿过气缸盖5和活塞3，并沿活塞套2的轴向与两者滑动连接；气门杆606的一端伸入导向槽11内，另一端固接有气门6，气门6控制进气气道7其中一端开合；气门杆606带动活塞3往复滑动；第一通道8，其设于气门杆606内；当活塞3相对于气门杆606处于最高位置时，第一通道8通过第一开口605与活塞腔4连通；当气门6闭合时，第一通道8通过第二开口604与活塞腔4连通；第一通道8通过第三开口603与进气气道7连通。
活塞3可沿活塞套2内壁上下间隙滑动。气门杆606与气缸盖5和活塞3间隙滑动配合。第一开口605、第二开口604和第三开口603从上到下依次设置。
上述导向槽11为T形槽，上述气门杆606的端部固接有一个“T”型的导向短杆607，导向短杆607竖直的一端与气门杆606的端部固接，水平的两端分别转动连接有一个滚轮10，两个滚轮10置于上述导向槽11内。
上述滚轮10与上述导向槽11之间设有气门间隙。该结构一方面可避免气门6受热膨胀被凸轮1顶开，另一方面可避免滚轮10与上述导向槽11之间卡死。
上述气门杆606上还设有第一挡圈601和第二挡圈602，两者分别位于上述活塞3的上方和下方。该结构用以限定活塞3相对上述气门6(气门杆606)滑动的最高位置与最低位置。
在上述气门6关闭时，上述第二开口604的下沿与上述气缸盖5的顶端齐平。
上述活塞3内设有第二通道9，当活塞3相对于上述气门杆606处于最高位置时，第二通道9的连通上述第一开口605与上述活塞腔4。
第二通道9一端与活塞腔4相通，另一端连通至活塞3内回转表面。
上述活塞3的横截面面积大于上述气门6的横截面面积。
上述活塞3、气门杆606、气门6与活塞套2同轴。
上述位于气缸盖(5)外端的进气气道(7)端口处设有倒角(701)；上述气门(6)的侧壁倾斜设置，并与倒角(701)相配合。
本发明的工作过程为：
本发明中的凸轮1是顺时针转动。
如图1，滚轮10位于导向槽11的基圆部分，导向槽11未提供给滚轮10向下作用力。此时，发动机增压气流依次通过进气气道7、第三开口603、第一通道8和第二开口604进入活塞腔4。一方面活塞3的横截面面积大于所述气门6的横截面面积，进入活塞腔4的发动机增压气流对活塞3向上的作用力大于进气气道7中的发动机增压气流对气门6向下的作用力；另一方面发动机缸内高压气体也对气门6提供向上的作用力，最终导致气门6处于关闭状态。由于无需传统的气门弹簧即可以使气门6自行关闭，因此可以提高导向槽11、活塞3和气门6的加速度，进而实现更大的丰满系数，有利于高速进气。此外，由于发动机增压气流对活塞3向上的作用力大于大气环境压力对活塞3向下的作用力，所述活塞3由第一挡圈601限制在最高位置，第一开口605与第二通道9相通。
如图2，随着凸轮1的转动，滚轮10移动到导向槽11的凸起部分，导向槽11给滚轮10提供向下作用力，气门6以及活塞3同时向下移动。此时，气门6开启，活塞腔4的容积达到最小。同时，活塞腔4中的高压气体分别通过第二通道9、第一开口605、第一通道8以及第三开口603进入发动机气缸内；在气门6向下开启过程中实现迅速进气，可以有效降低泵气损失。
在气门6开启过程中，由于第二开口604下沿与气缸盖5顶端齐平，因此在气门6向下移动过程中，第二开口604逐渐被气缸盖5封闭，活塞腔4中的高压气体只能通过第二通道9、第一开口605进入第一通道8中。
如图3，凸轮1继续旋转，滚轮10开始向导向槽11的基圆部分移动，气门6从最大升程处进入回落阶段。当气门6从最大升程处(如图2中，气门6移动的下极限位)开始向上移动时，由于高速发动机转速很高，活塞3的运动惯性使得活塞3继续向下移动，直至活塞3与第二挡圈602接触。此时，第一开口605与第二通道9断开，活塞腔4封闭。在此过程中，活塞腔4的体积逐渐增大，活塞腔4内部压力迅速下降甚至有可能低于大气环境压力。
如图4，凸轮1继续旋转，气门6闭合。由于考虑气门6机构的可靠性，所有发动机的气门落座速度都要控制在一定范围内，这使得气门6将关闭时活塞3运动惯性降低，特别是当活塞腔4内部压力低于大气环境压力时，活塞3有可能仍与第二挡圈602接触，使得第一开口605与第二通道9封闭，导致下一工作循环中活塞腔4难以进气。此时，由于留存第二开口604，以及第二开口604下沿与气缸盖5顶端齐平，一方面可以保证进气气道7内的高压气流通过第三开口603、第一通道8以及第二开口604进入活塞腔4中，进而提高活塞腔4中的气体压力，使活塞3重新由第一挡圈601限制在最高位置，并由此周而复始；另一方面也可以在气门6开启过程中避免高压流体从缸内回流进活塞腔4，导致充气效率降低。
本发明所述的适用于高速发动机的高效进气系统，结构简单紧凑，有利于工程化应用。通过取消传统的气门弹簧，可以有效降低凸轮1与气门6之间的接触应力，从而可以提高凸轮1的加速度，增大凸轮1的丰满系数。除此之外，本发明在气门6上升过程中可进行额外增压，从而有效降低泵气损失，最终实现发动机充气效率的提高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于高速发动机的高效进气系统，其特征在于，包括：
凸轮(1)，其外轮廓壁上周圈设有导向槽(11)；
活塞套(2)，其一端的内部沿其轴向滑动连接有活塞(3)；活塞套(2)的另一端固接有气缸盖(5)，气缸盖(5)内设有连通外界的进气气道(7)；活塞套(2)的内部，活塞(3)与气缸盖(5)之间的部分为活塞腔(4)；
气门杆(606)，其穿过气缸盖(5)和活塞(3)，并沿活塞套(2)的轴向与两者滑动连接；气门杆(606)的一端伸入导向槽(11)内，另一端固接有气门(6)，气门(6)控制进气气道(7)其中一端开合；气门杆(606)带动活塞(3)往复滑动；
第一通道(8)，其设于气门杆(606)内；当活塞(3)相对于气门杆(606)处于最高位置时，第一通道(8)通过第一开口(605)与活塞腔(4)连通；当气门(6)闭合时，第一通道(8)通过第二开口(604)与活塞腔(4)连通；第一通道(8)通过第三开口(603)与进气气道(7)连通；
第一开口(605)、第二开口(604)和第三开口(603)从上到下依次设置在气门杆(606)上；
所述活塞(3)内设有第二通道(9)，当活塞(3)相对于所述气门杆(606)处于最高位置时，第二通道(9)连通所述第一开口(605)与所述活塞腔(4)。
2.根据权利要求1所述的适用于高速发动机的高效进气系统，其特征在于：所述导向槽(11)为T形槽，所述气门杆(606)的端部固接有一个“T”型的导向短杆(607)，导向短杆(607)竖直的一端与气门杆(606)的端部固接，水平的两端分别转动连接有一个滚轮(10)，两个滚轮(10)置于所述导向槽(11)内。
3.根据权利要求2所述的适用于高速发动机的高效进气系统，其特征在于：所述滚轮(10)与所述导向槽(11)之间设有气门间隙。
4.根据权利要求3所述的适用于高速发动机的高效进气系统，其特征在于：所述气门杆(606)上还设有第一挡圈(601)和第二挡圈(602)，两者分别位于所述活塞(3)的上方和下方。
5.根据权利要求1-4任一项所述的适用于高速发动机的高效进气系统，其特征在于：在所述气门(6)关闭时，所述第二开口(604)的下沿与所述气缸盖(5)的顶端齐平。
6.根据权利要求1所述的适用于高速发动机的高效进气系统，其特征在于：所述活塞(3)的横截面面积大于所述气门(6)的横截面面积。
7.根据权利要求6所述的适用于高速发动机的高效进气系统，其特征在于：所述进气气道(7)的一端开口位于所述气缸盖(5)的侧壁，另一端开口位于气缸盖(5)的外端中心位置；
所述气缸盖(5)、活塞(3)、气门杆(606)、气门(6)与活塞套(2)同轴。
8.根据权利要求7所述的适用于高速发动机的高效进气系统，其特征在于：所述位于气缸盖(5)外端的进气气道(7)端口处设有倒角(701)；所述气门(6)的侧壁倾斜设置，并与倒角(701)相配合。
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