CN108518272A - 发动机总成 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种发动机总成。该发动机总成包括气缸体、活塞组件和气缸盖，活塞组件活动设置在气缸体内，气缸盖设置在气缸体的顶部，活塞组件包括活塞，活塞顶部具有燃烧室壁，燃烧室壁、气缸盖和气缸体围成燃烧室，气缸盖上设置有连通至燃烧室的进气口和出气口，进气口设置有进气阀，出气口设置有排气阀，燃烧室壁包括从周侧向中间依次设置的顶面、第一圆锥面、第二圆锥面和凹坑，第二圆锥面从凹坑的开口处外扩，第一圆锥面从第二圆锥面远离凹坑的开口处外扩，第一圆锥面的斜角小于第二圆锥面的斜角。根据本发明的发动机总成，能够避免油束撞击气缸壁，减小狭缝效应，降低发动机排放，减少热量损失，提升发动机效率。
Description
技术领域
本发明属于发动机技术领域，具体涉及一种发动机总成。
背景技术
发动机包括机体、缸盖、燃烧室、活塞等。活塞是发动机的核心元件，燃烧发生在活塞的燃烧室内，燃烧产生的爆发压力推动活塞沿缸孔轴线方向做往复直线运动。当活塞位于上止点时，由气缸盖、气缸体及活塞顶部形成的空间称为燃烧室。燃烧室的形状已经成为影响柴油机性能的重要因素。众所周知，发动机做功过程中需要尽量避免不必要的热量损失，在燃烧过程中，燃烧室内的温度明显高于活塞及缸盖，热量会传递到缸盖及活塞，造成热量损失，降低燃烧的有效功，如何减小这种不必要的热量损失成为提高发动机效率的关键技术。同时，活塞的设计，特别是燃烧室结构及火力岸形状的设计，对日趋严格的柴油机排放要求，都有着重要的影响。
现有直喷式柴油发动机活塞燃烧室多采用ω型燃烧室，其凹坑多由圆形凹腔，斜锥面及顶端的凸起的平台组成，燃烧室的喉口部位多设计为挤流式，也有部分设计为直流式。现有技术活塞火力岸高度较大，活塞整体高度较高。
燃烧瞬时产生较高的温度，其中一部分热量直接传递给活塞及缸盖，造成热损失，同时，使活塞顶面温度升高，增加了活塞的热负荷。现有技术方案，可燃混合气体在缸内，尤其是在活塞上表面与缸盖之间的小区域及喉口部位，会形成较强烈的湍流，这种湍流一方面促进了燃油的雾化、蒸发，但另一方面尖角扰流会造成此处传热热流密度较大，此外，由于活塞与气缸盖之间形成有间隙，因此油束在流动过程中，可以沿着燃烧室的侧壁导向，经由活塞与气缸盖之间的间隙撞击气缸壁，容易形成狭缝效应，造成火焰瞬间熄灭，产生堆积的碳烟及燃料未燃烧产生的HC，增加了发动机的排放。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种发动机总成，能够避免油束撞击气缸壁，减小狭缝效应，降低发动机排放，减少热量损失，提升发动机效率。
为了解决上述问题，本发明提供一种发动机总成，包括气缸体、活塞组件和气缸盖，活塞组件活动设置在气缸体内，气缸盖设置在气缸体的顶部，活塞组件包括活塞，活塞顶部具有燃烧室壁，燃烧室壁、气缸盖和气缸体围成燃烧室，气缸盖上设置有连通至燃烧室的进气口和出气口，进气口设置有进气阀，出气口设置有排气阀，燃烧室壁包括从周侧向中间依次设置的顶面、第一圆锥面、第二圆锥面和凹坑，第二圆锥面从凹坑的开口处外扩，第一圆锥面从第二圆锥面远离凹坑的开口处外扩，第一圆锥面的斜角小于第二圆锥面的斜角。
优选地，气缸体内套设有气缸套，活塞组件滑动设置在气缸套内；和/或，活塞远离燃烧室壁的一端设置有连杆。
优选地，发动机总成包括EGR系统，气缸盖包括进气通道，新鲜空气和EGR系统排出的部分气体混合后经进气通道进入所述燃烧室。
优选地，活塞上设置有活塞销孔，活塞销孔的第二中心轴线相对于活塞的第一中心轴线偏心设置。
优选地，在经过活塞的第一中心轴线的截面内，第一圆锥面与顶面之间的夹角α为70°到80°；和/或，第二圆锥面与顶面之间的夹角β为10°到20°。
优选地，顶面与第一圆锥面之间、和/或第一圆锥面与第二圆锥面之间、和/或第二圆锥面与凹坑之间通过圆弧面过渡连接。
优选地，凹坑包括相连接的弧形凹槽和中间凸起，弧形凹槽与第二圆锥面衔接，中间凸起位于凹坑的中心。
优选地，在经过活塞的第一中心轴线的截面内，凹坑靠近第二圆锥面一侧边缘的切线与第二圆锥面的母线延长线的交点相对于活塞的第一中心轴线之间的距离为R1，第二圆锥面的母线延长线与顶面的交点相对于活塞的第一中心轴线之间的距离为R2，活塞的火力岸外圆面的延长线与顶面的延长线的交点相对于活塞的第一中心轴线之间的距离为R3，其中，R1是R3的60％-80％，R2是R3的85％-97％。
优选地，在经过活塞的第一中心轴线的截面内，中间凸起的最高点为P1，凹坑靠近第二圆锥面一侧边缘的切线与第二圆锥面的母线延长线的交点为P2，第一圆锥面的母线与顶面的交点为P3，其中P1的高度高于P2的高度，低于P3的高度。
优选地，第二圆锥面与顶面之间的夹角β为15°。
本发明提供的发动机总成，包括气缸体、活塞组件和气缸盖，活塞组件活动设置在气缸体内，气缸盖设置在气缸体的顶部，活塞组件包括活塞，活塞顶部具有燃烧室壁，燃烧室壁、气缸盖和气缸体围成燃烧室，气缸盖上设置有连通至燃烧室的进气口和出气口，进气口设置有进气阀，出气口设置有排气阀，燃烧室壁包括从周侧向中间依次设置的顶面、第一圆锥面、第二圆锥面和凹坑，第二圆锥面从凹坑的开口处外扩，第一圆锥面从第二圆锥面远离凹坑的开口处外扩，第一圆锥面的斜角小于第二圆锥面的斜角。由于在活塞的顶面与凹坑之间设计了第一圆锥面和第二圆锥面，因此可以通过第二圆锥面和第一圆锥面降低活塞上表面与缸盖之间的小区域及喉口部位的尖角扰流，降低了大量热传递，尤其是在上止点，从火力面到活塞及从火力面到缸盖的热量传递。由于第一圆锥面的斜角小于第二圆锥面的斜角，因此可以通过第一圆锥面的锥形沿阻止油束直接通过活塞顶撞击到气缸壁，防止狭缝效应造成火焰瞬间熄灭，产生堆积的碳烟及燃料未燃烧产生的HC，降低发动机的排放，减少热量损失，提升发动机效率。
附图说明
图1为本发明实施例的发动机总成的立体剖视结构图；
图2为本发明实施例的发动机总成的剖视结构图；
图3为本发明实施例的发动机总成的活塞的结构尺寸图；
图4为本发明实施例的发动机总成的活塞燃烧室壁的结构尺寸图；
图5为本发明实施例的发动机总成的活塞燃烧室壁的第一结构图；
图6为本发明实施例的发动机总成的活塞燃烧室壁的第二结构图；
图7为本发明实施例的发动机总成的活塞燃烧室壁的第三结构图；
图8为本发明实施例的发动机总成的活塞燃烧室壁的第四结构图。
附图标记表示为：
1、燃烧室壁；2、顶面；3、第一圆锥面；4、第二圆锥面；5、凹坑；6、弧形凹槽；7、中间凸起；8、第一中心轴线；9、火力岸外圆面；10、气缸体；11、气缸盖；12、活塞；13、进气阀；14、排气阀；15、气缸套；16、第二中心轴线；17、燃油喷嘴；18、连杆。
具体实施方式
结合参见图1至图8所示，根据本发明的实施例，发动机总成包括气缸体10、活塞组件和气缸盖11，活塞组件活动设置在气缸体10内，气缸盖11设置在气缸体10的顶部，活塞组件包括活塞12，活塞12顶部具有燃烧室壁1，燃烧室壁1、气缸盖11和气缸体10围成燃烧室，气缸盖11上设置有连通至燃烧室的进气口和出气口，进气口设置有进气阀13，出气口设置有排气阀14，燃烧室壁1包括从周侧向中间依次设置的顶面2、第一圆锥面3、第二圆锥面4和凹坑5，第二圆锥面4从凹坑5的开口处外扩，第一圆锥面3从第二圆锥面4远离凹坑5的开口处外扩，第一圆锥面3的斜角小于第二圆锥面4的斜角。
由于在顶面2与凹坑5之间设计了第一圆锥面3和第二圆锥面4因此可以通过第二圆锥面4和第一圆锥面3降低活塞上表面与缸盖之间的小区域及喉口部位的尖角扰流，降低了大量热传递，尤其是在上止点，从火力面到活塞及从火力面到缸盖的热量传递。由于第一圆锥面3的斜角小于第二圆锥面4的斜角，因此可以通过第一圆锥面3的锥形沿阻止油束直接通过活塞顶撞击到气缸壁，防止狭缝效应造成火焰瞬间熄灭，产生堆积的碳烟及燃料未燃烧产生的HC，降低发动机的排放，减少热量损失，提升发动机效率。
活塞12具有第一中心轴线8，活塞12的燃烧室壁1的结构相对于第一中心轴线8中心对称。燃烧室壁1的第二圆锥面4由凹坑5的开口向外扩张，第二圆锥面4位于第一圆锥面3和凹坑5之间，第一圆锥面3由第二圆锥面4的开口向外扩张并与顶面2连接，顶面2与火力岸外圆面9连接，火力岸外圆面9与发动机总成的气缸体10配合，使得活塞12在燃烧产生的气体压力推动作用下，在气缸体10内往复运动。优选地，凹坑5的中心轴线与第一中心轴线8重合。
在另外一些实施例中，气缸体10内还可以套设有气缸套15，活塞组件滑的一端还设置有连杆18，活塞12通过连杆18与发动机的曲轴连接，从而通过活塞12的往复运动带动发动机的曲轴转动。
气缸盖11上还设置有燃油喷嘴17，该燃油喷嘴17用于向燃烧室内喷射燃油，同时进入活塞12的气体在活塞12的燃烧室壁1所形成的腔室内经过涡流作用，实现油气的混合，进而完成撞击、破碎、雾化、燃烧的过程。
活塞组件还包括活塞环组，活塞环组套设在活塞12的外周侧，能够在活塞12与气缸体10的内周壁之间形成密封，保证燃烧室内油气混合物的燃烧效果。活塞环的位置及数量不被限制，其他位置和数量的活塞环槽活塞也在本专利保护范围内。
发动机总成包括排气再循环(EGR，Exhaust Gas Recirculation)系统，气缸盖11包括进气通道，新鲜空气和EGR系统排出的部分气体混合后经进气通道进入所述燃烧室。此处的新鲜空气是未经燃烧的空气。
发动机总成包含进气系统，进气系统包含完成发动机进气过程的零部件，例如进气通道。在活塞12的进气冲程，进气阀13打开，可以使新鲜空气和EGR系统的废气所形成的混合气沿着进气通道进入燃烧室。发动机总成还包括排气系统，排气系统包含完成发动机排气过程的零部件，在活塞12的排气冲程，进气阀13关闭，排气阀14打开，使废气沿着排气通道方向排出，通常排出的废气流经后处理系统，后处理系统对废气中的化学混合物及颗粒进行控制以达到法规要求。在本实施例中，采用了EGR系统，引出部分废气与新鲜空气混合，重新进入气缸参与燃烧，此方案可以降低缸内氧气的浓度，同时，更低含氧量造成燃烧温度降低，抑制氮氧化物NOx产生。
活塞12上设置有活塞销孔，活塞销孔的第二中心轴线16相对于活塞12的第一中心轴线8偏心设置。活塞销孔偏心设计可以改善活塞运动平稳性、降低发动机噪声、降低摩擦损失，减小活塞侧向力。
发动机总成可以包括一个进气阀13和一个排气阀14，在气缸盖11上还设置有与进气阀13相配合的进气阀座以及与排气阀14相配合的排气阀座。
对于进气阀13而言，在气门全闭时，进气阀13与进气阀座贴合；气门打开时，进气阀13从进气阀座移开，从而允许新鲜空气通过进气阀座流向燃烧室。气缸盖11的底部平面与进气阀13的中心线相互垂直，在沿着进气阀13的中心线的方向，进气阀13的进气门表面必须至少包含第二圆锥面4和顶面2的一部分，从而保证进气阀13打开进气口时，新鲜空气可以顺利进入到燃烧室内，与燃油进行充分混合。对于排气阀14而言，在气门全闭时，排气阀14与排气阀座贴合；气门打开时，排气阀14从排气阀座移开，从而允许燃烧后的废气通过排气阀座流出燃烧室。气缸盖11的底部平面与排气阀14的中心线相互垂直，在沿着排气阀14的中心线的方向，排气阀14的进气门表面必须至少包含第二圆锥面4和顶面2的一部分，从而保证排气阀14打开排气口时，燃烧后的废气可以彻底排出燃烧室。
气缸盖11上也可以设置两个进气阀13和/或两个排气阀14，当气缸盖11上同时设置两个进气阀13和两个排气阀14时，可以最大化的产生能量，并且能够同时达到最小的热量浪费。多气门可以有效降低进气/排气损失，增加发动机效率。
发动机总成还包括一个控制器，该控制器用于控制燃油喷嘴17在活塞运动到上止点之前喷射一定量的燃油进入燃烧室内。具体的位置为，当活塞12运动到上止点前10度时，控制器控制燃油喷嘴17向燃烧室内喷射燃油。该10°为喷射燃油的提前角。合适的提前角可以获得良好的动力性及经济性。当然，此处的提前角可以根据具体的发动机型号和设计要求进行调整。
在经过活塞的第一中心轴线8的截面内，第一圆锥面3与顶面2之间的夹角α为70°到80°；和/或，第二圆锥面4与顶面2之间的夹角β为10°到20°。优选地，第二圆锥面4与顶面2之间的夹角β为15°。第一圆锥面3和第二圆锥面4配合，能够降低大量到活塞及缸盖的火焰传递。由于第一圆锥面3与顶面2之间的夹角大于第二圆锥面4与顶面2之间的夹角，因此，能够通过第一圆锥面3进一步对沿着第二圆锥面4流动的火焰形成阻碍，从而更加有效地阻止油束直接通过活塞顶，撞击到气缸壁，防止狭缝效应。
顶面2与第一圆锥面3之间、和/或第一圆锥面3与第二圆锥面4之间、和/或第二圆锥面4与凹坑5之间通过圆弧面过渡连接。圆弧面过渡结构的设置，便于气体逆流，提升了燃烧室壁1内的涡流速度，促进了油气混合，提升了发动机燃烧效率。
涡流速度的加大，同时会加剧在活塞上表面与缸盖之间的小区域及喉口部位的尖角扰流，第一圆锥面3和第二圆锥面4的设置，降低了这部分扰流，其结果是降低了大量热传递，尤其是在上止点，从火力面到活塞及从火力面到缸盖的热量传递。这些热量的降低，带来的最终结果是燃烧室壁1内用于压缩及推动活塞往复运动的动能增加。而热传递的减少必然带来活塞顶部的温度降低，这样便能够设计很小的火力案高度，火力案高度减小的情况下，同样的裙部高度下，压缩高减小，活塞整体高度减小，气缸体高度减小，发动机重量降低，有利于降低燃油消耗。同样，火力案高度减小，对狭缝效应也是有利的，可以降低碳烟及HC的排放。
凹坑5包括相连接的弧形凹槽6和中间凸起7，弧形凹槽6与第二圆锥面4衔接，中间凸起7位于凹坑5的中心。
该中间凸起7为锥形凸起或者弧形凸起。在经过活塞的第一中心轴线8的截面内，凹坑5靠近第二圆锥面一侧边缘的切线与第二圆锥面4的母线延长线所形成的夹角为锐角或钝角。
结合参见图5至图6所示，为燃烧室的四种结构。
其中图5和图6是中间凸起7为锥形凸起的结构，其中图5中凹坑5靠近第二圆锥面一侧边缘的切线与第二圆锥面4的母线延长线所形成的夹角为锐角，图6中凹坑5靠近第二圆锥面一侧边缘的切线与第二圆锥面4的母线延长线所形成的夹角为钝角。
图7和图8是中间凸起7为弧形凸起的结构，其中图7中凹坑5靠近第二圆锥面一侧边缘的切线与第二圆锥面4的母线延长线所形成的夹角为锐角，图8中凹坑5靠近第二圆锥面一侧边缘的切线与第二圆锥面4的母线延长线所形成的夹角为钝角。
优选地，在经过活塞的第一中心轴线8的截面内，凹坑5靠近第二圆锥面一侧边缘的切线与第二圆锥面4的母线延长线的交点相对于活塞的第一中心轴线8之间的距离为R1，第二圆锥面4的母线延长线与顶面2的交点相对于活塞的第一中心轴线8之间的距离为R2，活塞的火力岸外圆面9的延长线与顶面2的延长线的交点相对于活塞的第一中心轴线8之间的距离为R3，其中，R1是R3的60％-80％，R2是R3的85％-97％。
采用该种结构能够使得燃烧室壁1内的燃料燃烧效率更高，燃烧更加充分。
进一步地，在经过活塞的第一中心轴线8的截面内，中间凸起7的最高点为P1，凹坑5靠近第二圆锥面一侧边缘的切线与第二圆锥面4的母线延长线的交点为P2，第一圆锥面3的母线与顶面2的交点为P3，其中P1的高度高于P2的高度，低于P3的高度。
燃烧室壁1的设计主要考虑性能表现的同时需要与油束相配合，使燃料尽量分布在整个燃烧室，不喷到气缸壁，同时控制P1的高度高于P2的高度，低于P3的高度，且R1是R3的60％-80％，R2是R3的85％-97％，是为了获得油束与燃烧室结构的最佳配合，同时控制缸内的挤流，使燃料与空气混合的更加均匀，更加有效地改善空气利用率，提高燃烧效率。
上述的活塞，可以装配在发动机总成中，可广泛应用于中重型卡车，工程机械，船舶用动力总成，发电机组，汽车，农用装备及休闲车等。
上述的活塞，可以是各种不同的形式，包括但不限于铰接式活塞，整体式活塞，锻造活塞，组合活塞，以及本领域其他公知的通用技术。活塞可以采用一种金属，金属间化合物，陶瓷或复合材料制成，以便活塞禁得起活塞燃烧室壁1内燃料燃烧时的温度和压力的综合考验。
根据本发明的实施例，发动机总成包括机体、缸盖和活塞，该活塞为上述的活塞，活塞滑动设置在机体内。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种发动机总成，其特征在于，包括气缸体(10)、活塞组件和气缸盖(11)，所述活塞组件活动设置在所述气缸体(10)内，所述气缸盖(11)设置在所述气缸体(10)的顶部，所述活塞组件包括活塞(12)，所述活塞(12)顶部具有燃烧室壁(1)，所述燃烧室壁(1)、所述气缸盖(11)和所述气缸体(10)围成燃烧室，所述气缸盖(11)上设置有连通至所述燃烧室的进气口和出气口，所述进气口设置有进气阀(13)，所述出气口设置有排气阀(14)，所述燃烧室壁(1)包括从周侧向中间依次设置的顶面(2)、第一圆锥面(3)、第二圆锥面(4)和凹坑(5)，所述第二圆锥面(4)从所述凹坑(5)的开口处外扩，所述第一圆锥面(3)从所述第二圆锥面(4)远离所述凹坑(5)的开口处外扩，所述第一圆锥面(3)的斜角小于所述第二圆锥面(4)的斜角。
2.根据权利要求1所述的发动机总成，其特征在于，所述气缸体(10)内套设有气缸套(15)，所述活塞组件滑动设置在所述气缸套(15)内；和/或，所述活塞(12)远离所述燃烧室壁(1)的一端设置有连杆(18)。
3.根据权利要求1所述的发动机总成，其特征在于，所述发动机总成包括EGR系统，所述气缸盖(11)包括进气通道，新鲜空气和EGR系统排出的部分气体混合后经所述进气通道进入所述燃烧室。
4.根据权利要求1所述的发动机总成，其特征在于，所述活塞(12)上设置有活塞销孔，所述活塞销孔的第二中心轴线(16)相对于所述活塞(12)的第一中心轴线(8)偏心设置。
5.根据权利要求1所述的发动机总成，其特征在于，在经过所述活塞(12)的第一中心轴线(8)的截面内，
所述第一圆锥面(3)与所述顶面(2)之间的夹角α为70°到80°；和/或，
所述第二圆锥面(4)与所述顶面(2)之间的夹角β为10°到20°。
6.根据权利要求1所述的发动机总成，其特征在于，所述顶面(2)与所述第一圆锥面(3)之间、和/或所述第一圆锥面(3)与所述第二圆锥面(4)之间、和/或所述第二圆锥面(4)与所述凹坑(5)之间通过圆弧面过渡连接。
7.根据权利要求1所述的发动机总成，其特征在于，所述凹坑(5)包括相连接的弧形凹槽(6)和中间凸起(7)，所述弧形凹槽(6)与所述第二圆锥面(4)衔接，所述中间凸起(7)位于所述凹坑(5)的中心。
8.根据权利要求1所述的发动机总成，其特征在于，在经过所述活塞(12)的第一中心轴线(8)的截面内，
所述凹坑(5)靠近第二圆锥面一侧边缘的切线与所述第二圆锥面(4)的母线延长线的交点相对于所述活塞(12)的第一中心轴线(8)之间的距离为R1，
所述第二圆锥面(4)的母线延长线与所述顶面(2)的交点相对于所述活塞(12)的第一中心轴线(8)之间的距离为R2，
所述活塞(12)的火力岸外圆面(9)的延长线与所述顶面(2)的延长线的交点相对于所述活塞(12)的第一中心轴线(8)之间的距离为R3，
其中，R1是R3的60％-80％，R2是R3的85％-97％。
9.根据权利要求7所述的发动机总成，其特征在于，在经过所述活塞(12)的第一中心轴线(8)的截面内，
所述中间凸起(7)的最高点为P1，
所述凹坑(5)靠近第二圆锥面一侧边缘的切线与所述第二圆锥面(4)的母线延长线的交点为P2，
所述第一圆锥面(3)的母线与所述顶面(2)的交点为P3，
其中P1的高度高于P2的高度，低于P3的高度。
10.根据权利要求5所述的发动机总成，其特征在于，所述第二圆锥面(4)与所述顶面(2)之间的夹角β为15°。
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