CN111287863B - 一种气缸盖与一种燃气发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气缸盖与一种燃气发动机，其中，气缸盖包括两个进气喉口和两个进气道，两个进气喉口的中心连线与曲轴轴线的夹角为70°~110°，进气道包括沿进气方向顺序连通的直向气道和滚流生成气道，直向气道的延伸方向与两个进气喉口的中心连线的延伸方向一致，滚流生成气道为由直向气道向下方的进气喉口弯曲的弯曲型气道，滚流生成气道包括沿进气方向顺序连通的弯曲过渡段和滚流生成段，滚流生成段的轴线相对于气缸盖底面垂直或倾斜布置，滚流生成段的相对远离排气门的一侧内壁设有凹陷的鱼肚型特征。本发明仅需要对现有柴油机气缸盖的进气道结构进行更改设计，即可使进气产生燃气发动机所需的滚流效果。

Description

一种气缸盖与一种燃气发动机

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种气缸盖与一种燃气发动机。

背景技术

随着燃气发动机技术的发展，目前越来越多的发动机厂商开始在柴油发动机的基础上开发设计燃气发动机。由于柴油发动机的燃烧方式的特殊性，需要发动机气缸盖中的进气道在进气的过程中组织气流产生足够的涡流。传统柴油机气缸盖的进气流动形式如图1所示，进气气流沿进气方向04进入进气道02，再经进气喉口进入到气缸01中，由于进气道02为切向、螺旋组合气道，进气的方向和涡流的产生方向一致，因此，十分有利于进气在气缸01内产生涡流，涡流运动方向如图1中的涡流示意03所示。

传统柴油机的气道设计使得两个进气门的中心连线与曲轴轴线的夹角在70°~110°之间，该结构使得进气方向与涡流产生方向一致，但是进气方向与滚流所需的产生方向是接近垂直的，该结构有利于气体产生涡流，而如需产生滚流则十分困难。其中，涡流是指气体绕气缸轴线有组织的旋流运动，滚流是指旋转中心轴线和气缸套中心轴线垂直的旋流运动。然而，燃气发动机并不需要过多的涡流，而是需要组织滚流，燃气发动机只有有效地产生滚流，才能达到优化燃烧的目的。

因此，如何在现有柴油机的基础上通过结构设计以利于产生燃气发动机所需的滚流，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种气缸盖，用于在现有柴油机的基础上通过更改气缸盖中进气道结构的方式，使进入气缸内的气体产生燃气发动机所需的滚流效果。本发明的另一个目的在于提供一种包括上述气缸盖的燃气发动机。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种气缸盖，包括两个进气喉口和两个进气道，两个所述进气喉口的中心连线与曲轴轴线的夹角为70°~110°，所述进气道包括沿进气方向顺序连通的直向气道和滚流生成气道，所述直向气道的延伸方向与两个所述进气喉口的中心连线的延伸方向一致，所述滚流生成气道为由所述直向气道向下方的所述进气喉口弯曲的弯曲型气道，所述滚流生成气道包括沿进气方向顺序连通的弯曲过渡段和滚流生成段，所述滚流生成段的轴线相对于气缸盖底面垂直或倾斜布置，所述滚流生成段的相对远离排气门的一侧内壁设有凹陷的鱼肚型特征。

优选地，所述鱼肚型特征沿所述进气喉口的轴向在所述进气喉口的下端口所在圆面的投影跨过的圆弧部分为鱼肚型特征控制圆弧，所述鱼肚型特征控制圆弧的中点与所述进气喉口的中心的连线与两个所述进气喉口的中心连线之间的夹角为70°~110°。

优选地，所述鱼肚型特征控制圆弧的中点与所述进气喉口的中心的连线与两个所述进气喉口的中心连线之间的夹角为90°。

优选地，所述鱼肚型特征控制圆弧的弧度为1/6π~4/3π。

优选地，所述进气喉口的下端口设有偏心倒角，且所述偏心倒角的偏心方向为由所述进气喉口至相邻的排气喉口的方向偏移，所述进气喉口与所述偏心倒角的中心连线与所述曲轴轴线之间的夹角为160°~200°。

优选地，所述进气喉口与所述偏心倒角的中心连线与所述曲轴轴线之间的夹角为180°。

优选地，所述进气喉口内圈设有进气门座圈，所述进气门座圈的下端面至所述气缸盖底面的距离大于2mm。

优选地，所述进气道在所述弯曲过渡段的靠近所述气缸盖底面的一侧曲面为进气道下曲面，位于所述气缸盖底面的且与所述进气喉口同心的圆面为进气道下曲面高度控制圆，所述进气道下曲面高度控制圆的直径为气缸套的直径的0.6倍以上，在所述进气道下曲面高度控制圆的投影范围内，所述进气道下曲面到所述气缸盖底面的最大距离为所述气缸套的直径的0.25倍以上。

优选地，所述气缸盖底面在所述进气喉口与排气喉口之间以及两个所述排气喉口之间的部位设计有减薄加工特征。

本发明的工作原理如下：

发动机气缸吸气时，进气门打开，进气道中的进气气流依次经过直向气道和滚流生成气道，最终经进气喉口进入到气缸中。当进气气流经过直向气道时，进气方向与两个进气喉口的中心连线的延伸方向一致；当进气气流经过滚流生成气道的弯曲过渡段时，进气方向发生改变并向下弯曲；当进气气流经过滚流生成段时，相对远离排气门的一侧内壁处的鱼肚型特征使得气流产生翻滚运动，且该翻滚运动的气流经过进气喉口后射入气缸内，并最终在气缸内产生滚流的效果。

由此可见，本发明在现有柴油机的基础上，通过在进气道下游设计滚流生成气道改变进气方向，并通过设计凹陷的鱼肚型特征使进气产生燃气发动机所需的滚流效果；同时，本发明仅需要对现有柴油机气缸盖的进气道结构进行更改，大大降低了产品的改动设计成本，提高了产品可行性。

另外，在发动机压缩冲程末期，气缸内的滚流被挤压破碎成小尺度湍流，使气体产生更高湍动能，从而加快火焰传播速度，满足燃气发动机的燃烧需求，并提升燃气发动机的热效率。

本发明还提供了一种包括上述气缸盖的燃气发动机。该燃气发动机产生的有益效果的推导过程与上述气缸盖带来的有益效果的推导过程大体类似，故本文不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统柴油机气缸盖中进气流动形式的示意图；

图2为本发明具体实施例中的气缸盖的仰视图；

图3为本发明具体实施例中的气缸盖的纵向剖视图；

图4为本发明具体实施例中的进气道下曲面高度控制圆的位置示意图；

图5为本发明具体实施例中的进气射入气缸时产生滚流效果的示意图；

图6为本发明具体实施例中的进气道的仰视图；

图7为现有燃气发动机的进气稳态流动仿真试验效果图；

图8为本发明具体实施例中的燃气发动机的进气稳态流动仿真试验效果图。

图1中的附图标记的含义如下：

01-气缸、02-进气道、03-涡流示意、04-进气方向；

图2至图8中的各附图标记的含义如下：

1-气缸套，其直径为DL；

2-气缸盖底面；

3-进气喉口中心；

4-两进气喉口中心连线；

5-进气方向：垂直于进气法兰面6；

6-进气法兰面：用于安装进气管；

7-滚流产生方向；

8-排气喉口中心；

9-滚流示意；

10-曲轴轴线方向；

11-进气道方向角：两进气喉口中心连线4与曲轴轴线方向10之间的夹角β；

12-进气道；

13-进气道下曲面：进气道12在弯曲过渡段的靠近气缸盖底面2的一侧曲面；

14-进气道下曲面高度控制圆，以进气喉口中心3为圆心；

15-进气道下曲面高度控制圆的直径D；

16-进气道下曲面到气缸盖底面的最大距离L；

17-减薄加工特征；

18-进气门座圈；

19-进气门座圈到气缸盖底面的距离H；

20-偏心倒角；

21-偏心倒角回转中心；

22-鱼肚型特征：用于改变进气气流方向，并在气缸内生成滚流；

23-鱼肚型特征控制圆弧：鱼肚型特征沿进气喉口的轴向在进气喉口的下端口所在圆面的投影跨过的圆弧部分；

24-鱼肚型特征控制圆弧特征角：鱼肚型特征控制圆弧23的中点与进气喉口中心3的连线与两进气喉口中心连线4之间的夹角θ。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图2至图6，图2和图3分别为本发明具体实施例中的气缸盖的仰视图和纵向剖视图；图4为本发明具体实施例中的进气道下曲面高度控制圆的位置示意图；图5为本发明具体实施例中的进气射入气缸时产生滚流效果的示意图；图6为本发明具体实施例中的进气道的仰视图。

如图2至图6所示，本发明提供了一种气缸盖，包括两个进气喉口和两个进气道12，两个进气喉口中心3的连线（即两进气喉口中心连线4）与曲轴轴线方向10之间的夹角为进气道方向角11（如图2中所示的夹角β），该进气道方向角11的取值范围为70°~110°，由于两进气喉口中心连线4与曲轴轴线方向10接近垂直布置，因此，这种进气道布置结构也称为垂直气道。进气道12包括沿进气方向顺序连通的直向气道和滚流生成气道，直向气道的延伸方向与两进气喉口中心连线4的延伸方向一致，该直向气道采用传统气道布置结构，该结构使得进气方向5与涡流产生方向一致，但是进气方向5与本方案中的滚流所需的产生方向是接近垂直的。请参照图2，图2是从气缸套1的内侧沿轴向向上观察气缸盖的仰视图，图2中气缸盖的左侧设有用于安装进气管的进气法兰面6，进气方向5以垂直角度进入进气道12的直向气道中，因此，进气方向5与曲轴轴线方向10也是接近垂直布置的，本方案中的滚流产生方向7（即图2中向下指示的黑色实心箭头所示）为由进气喉口至排气喉口方向。由此可见，进气方向5与本方案中的滚流产生方向7是接近垂直的，传统的燃气发动机中几乎不可能直接利用气门的速度使进气气流在气缸内翻转而生成滚流。而本发明则针对这一缺陷在较大幅度上改变进气气流的方向，并使进气气流在进入气缸内时产生滚流的效果，即，本发明要在与进气方向5接近垂直或垂直的方向上产生滚流。

另外，本发明提供的气缸盖还包括两个排气喉口和两个排气道，排气喉口中心8如图2所示。

为了使进气气流的方向发生改变，本发明将进气道12的直向气道下游的滚流生成气道设计为由直向气道向下方的进气喉口弯曲的弯曲型气道，滚流生成气道包括沿进气方向顺序连通的弯曲过渡段和滚流生成段，滚流生成段的轴线相对于气缸盖底面2垂直或倾斜布置，滚流生成段的相对远离排气门的一侧内壁设有凹陷的鱼肚型特征22。

本发明的工作原理如下：

发动机气缸吸气时，进气门打开，进气道12中的进气气流依次经过直向气道和滚流生成气道，最终经进气喉口进入到气缸中。当进气气流经过直向气道时，进气方向5与两进气喉口中心连线4的延伸方向一致；当进气气流经过滚流生成气道的弯曲过渡段时，进气方向发生改变并向下弯曲；当进气气流经过滚流生成段时，相对远离排气门的一侧内壁处的鱼肚型特征22使得气流产生翻滚运动，且该翻滚运动的气流经过进气喉口后射入气缸内，并最终在气缸内产生滚流的效果，滚流效果如图5中的滚流示意9所示。

需要说明的是，本发明方案中的鱼肚型特征22是位于滚流生成段的内壁的凹陷曲面结构，且鱼肚型特征22的内凹面朝向排气门方向布置，其具体可以设计为凹陷的圆弧面、椭圆弧面等曲面结构，其作用是将流经的进气气流的流向改变为朝向排气门方向流动，并利用凹陷的曲面结构将气体抛起、翻滚，进而形成滚流，优选地，本方案中采用了圆弧面结构。请参照图6，本方案中鱼肚型特征22沿进气喉口的轴向在进气喉口的下端口所在圆面的投影跨过的圆弧部分为鱼肚型特征控制圆弧23，鱼肚型特征控制圆弧23的中点与进气喉口中心3的连线与两进气喉口中心连线4之间的夹角为鱼肚型特征控制圆弧特征角24（如图6所示的夹角θ），本方案中的鱼肚型特征控制圆弧特征角24的取值范围为70°~110°。

更进一步地，上述鱼肚型特征控制圆弧特征角24为90°。如此设置，就可以使鱼肚型特征22的内凹面与排气门尽量保持正对的位置，从而能够在此处大幅度地改变进气气流的流向，即，将冲向气缸套1内壁的气流方向改变为朝向排气喉口中心8流动，而由进气喉口中心3至排气喉口中心8的方向与上文所述的滚流产生方向7一致，因此，本方案将鱼肚型特征控制圆弧特征角24的取值范围设计为90°左右，就进一步保证了气流产生的滚流效果。

需要说明的是，上述鱼肚型特征控制圆弧23的宽度或弧度大小决定了鱼肚型特征22的大小，本发明可以根据不同燃气发动机进气道的具体规格或进气喉口直径大小等参数，来具体设计鱼肚型特征控制圆弧23的弧度大小。优选地，本方案中鱼肚型特征控制圆弧23的弧度为1/6π~4/3π。

本方案通过对鱼肚型特征控制圆弧23和鱼肚型特征控制圆弧特征角24进行限定，目的是为了限制鱼肚型特征22不能太大或太小，太小不能生成滚流，太大则影响气道的流通能力。

请参照图2，优选地，进气喉口的下端口设有偏心倒角20，且偏心倒角20的偏心方向为由进气喉口至相邻的排气喉口的方向偏移，该偏心倒角20结构在进气喉口的下端口靠近排气喉口的一侧边缘形成向下倾斜的引导面，从而能够将鱼肚型特征22处形成的翻滚气流进一步向下方引导并使气流在气缸内形成大尺度的弱滚流运动。进气喉口中心3与偏心倒角回转中心21的连线与曲轴轴线方向10之间的夹角，决定了气流进入气缸的角度，本方案中优选将该夹角的取值范围限定在160°~200°之间。

进一步优选地，进气喉口中心3与偏心倒角回转中心21的连线与曲轴轴线方向10之间的夹角为180°，即，进气喉口中心3与偏心倒角回转中心21的连线与曲轴轴线方向10平行。如此设置，就可以使偏心倒角20的引导方向尽量与曲轴轴线方向10保持一致，即，与滚流产生方向7保持一致，从而保证气流产生的滚流效果。

需要说明的是，进气喉口内圈设有进气门座圈18，进气门座圈18的下端面至气缸盖底面2的距离定义为进气门座圈到气缸盖底面的距离19（如图5中所示的距离H），优选地，本方案将距离H设计为大于2mm。本方案将进气门座圈18的高度提升，配合上述偏心倒角20的结构设计，可以进一步增加对气流的导向作用，具体的，当进气门座圈18高度提升后，进气门座圈18与进气喉口的下端口之间就会预留出一段导向距离，该导向距离可以减小进气门本体对气流的扰动作用，并使气流能够顺畅地过渡到偏心倒角20的倾斜导向面位置，进而增加对气流的导向作用。理论上，进气门座圈18越高，对气流的导向效果越好。

请参照图3和图4，进气道12在弯曲过渡段的靠近气缸盖底面2的一侧曲面为进气道下曲面13，位于气缸盖底面2的且与进气喉口同心的圆面为进气道下曲面高度控制圆14，进气道下曲面高度控制圆14的直径为气缸套1的直径的0.6倍以上，即，进气道下曲面高度控制圆14以进气喉口中心3为圆心，且进气道下曲面高度控制圆的直径15（记为D）与气缸套1的直径（记为DL）之间的关系为：D≥0.6DL ；在进气道下曲面高度控制圆14的投影范围内（即，进气道下曲面高度控制圆14在沿进气喉口的轴向投影的范围内），进气道下曲面到气缸盖底面的最大距离16（如图3中所示的距离L）为气缸套1的直径的0.25倍以上，即，L≥0.25DL。

在原柴油机的进气道结构中，原进气道包括沿进气方向顺序连通的直向气道和弯曲型气道，其弯曲型气道相当于本发明中的滚流生成气道的弯曲过渡段，其弯曲型气道的下侧面相当于本发明中的进气道下曲面13，用于控制气道进入气缸之前的部分的高度。为了使气道保持一定的流通能力，需要将弯曲型气道的下侧面与气缸盖底面之间保持一定的距离，而为了保证进气道的流通能力，就无法在该下侧面设计鱼肚型特征以产生滚流，因此，现有技术中无法在保证流通能力的前提下产生滚流效果。

为了克服现有技术中存在的上述困难，本发明使进气道下曲面13与气缸盖底面2之间保持一定的距离，即，L≥0.25DL，距离L越高，气道的流通能力越好，从而保证不会降低进气道的流通能力。为了使进气气流产生滚流效果，本方案将鱼肚型特征22设置在了弯曲过渡段下游的滚流生成段，并且使鱼肚型特征22朝向排气门方向布置，结合图3和图6所示，可以看到，在沿进气喉口的轴向的投影中，鱼肚型特征22位于进气喉口与排气喉口的中心连线延伸方向上，而进气道下曲面13位于两进气喉口中心连线4的延伸方向上，鱼肚型特征22和进气道下曲面13相当于分布在进气喉口的不同的周向位置，因此，本方案将鱼肚型特征22和进气道下曲面13这两个特征进行解耦，使进气气流先后经过弯曲过渡段和滚流生成段，就可以实现在生成滚流的同时不降低进气道的流通能力。另外，本方案中还具体限定了进气道下曲面高度控制圆的直径15（记为D）与气缸套1的直径（记为DL）之间的关系为：D≥0.6DL，如此设置，是为了保证进气道下曲面13在直向气道与滚流生成段之间具有足够大的过渡弯曲半径，保证气流能够平顺地通过弯曲过渡段，减小气体流动损失。

优选地，气缸盖底面2在进气喉口与排气喉口之间以及两个排气喉口之间的部位设计有减薄加工特征17，即，用于减薄气缸盖底板厚度的凹槽特征，设计减薄加工特征17的目的是为了将燃烧室的热量快速传导，从而降低气缸盖底板的温度，本方案没有在两个进气喉口之间设计该减薄加工特征17，目的是防止该特征破坏气流的一致性。

由此可见，本发明在现有柴油机的基础上，通过在进气道下游设计滚流生成气道改变进气方向，并通过设计凹陷的鱼肚型特征22使进气产生燃气发动机所需的滚流效果；同时，本发明仅需要对现有柴油机气缸盖的进气道结构进行更改，进气门、排气门及排气道等结构均无需更改，气缸盖与发动机机体的紧固螺栓孔位置以及所有的外部接口保持不变，因此，可确保配气机构和空气系统等维持原样，从而大大降低产品的改动设计成本，提高产品可行性。

另外，在发动机压缩冲程末期，气缸内的滚流被挤压破碎成小尺度湍流，使气体产生更高湍动能，从而加快火焰传播速度，满足燃气发动机的燃烧需求，并提升燃气发动机的热效率。

请参照图7和图8，图7为现有燃气发动机的进气稳态流动仿真试验效果图；图8为本发明具体实施例中的燃气发动机的进气稳态流动仿真试验效果图。图7和图8中的圆形区域代表试验观察的截面区域，该截面区域具体为利用圆形观察窗在气缸纵向截面上靠近气缸盖底面位置截取的圆形截面区域，圆形区域内的许多小箭头代表气体的流动形式。通过对比可见，本发明使气流在气缸内形成了十分明显的滚流特征，而现有方案在相同位置没有形成有效的滚流。

本发明还提供了一种包括上述气缸盖的燃气发动机。该燃气发动机产生的有益效果的推导过程与上述气缸盖带来的有益效果的推导过程大体类似，故本文不再赘述。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种气缸盖，包括两个进气喉口和两个进气道（12），两个所述进气喉口的中心连线与曲轴轴线的夹角为70°~110°，其特征在于，所述进气道（12）包括沿进气方向顺序连通的直向气道和滚流生成气道，所述直向气道的延伸方向与两个所述进气喉口的中心连线的延伸方向一致，所述滚流生成气道为由所述直向气道向下方的所述进气喉口弯曲的弯曲型气道，所述滚流生成气道包括沿进气方向顺序连通的弯曲过渡段和滚流生成段，所述滚流生成段的轴线相对于气缸盖底面（2）垂直或倾斜布置，所述滚流生成段的相对远离排气门的一侧内壁设有凹陷的鱼肚型特征（22）；

所述进气道（12）在所述弯曲过渡段的靠近所述气缸盖底面（2）的一侧曲面为进气道下曲面（13），位于所述气缸盖底面（2）的且与所述进气喉口同心的圆面为进气道下曲面高度控制圆（14），所述进气道下曲面高度控制圆（14）的直径为气缸套（1）的直径的0.6倍以上，在所述进气道下曲面高度控制圆（14）的投影范围内，所述进气道下曲面（13）到所述气缸盖底面（2）的最大距离为所述气缸套（1）的直径的0.25倍以上。

2.根据权利要求1所述的气缸盖，其特征在于，所述鱼肚型特征（22）沿所述进气喉口的轴向在所述进气喉口的下端口所在圆面的投影跨过的圆弧部分为鱼肚型特征控制圆弧（23），所述鱼肚型特征控制圆弧（23）的中点与所述进气喉口的中心的连线与两个所述进气喉口的中心连线之间的夹角为70°~110°。

3.根据权利要求2所述的气缸盖，其特征在于，所述鱼肚型特征控制圆弧（23）的中点与所述进气喉口的中心的连线与两个所述进气喉口的中心连线之间的夹角为90°。

4.根据权利要求2或3所述的气缸盖，其特征在于，所述鱼肚型特征控制圆弧（23）的弧度为1/6π~4/3π。

5.根据权利要求1所述的气缸盖，其特征在于，所述进气喉口的下端口设有偏心倒角（20），且所述偏心倒角（20）的偏心方向为由所述进气喉口至相邻的排气喉口的方向偏移，所述进气喉口与所述偏心倒角（20）的中心连线与所述曲轴轴线之间的夹角为160°~200°。

6.根据权利要求5所述的气缸盖，其特征在于，所述进气喉口与所述偏心倒角（20）的中心连线与所述曲轴轴线之间的夹角为180°。

7.根据权利要求5或6所述的气缸盖，其特征在于，所述进气喉口内圈设有进气门座圈（18），所述进气门座圈（18）的下端面至所述气缸盖底面（2）的距离大于2mm。

8.根据权利要求1所述的气缸盖，其特征在于，所述气缸盖底面（2）在所述进气喉口与排气喉口之间以及两个所述排气喉口之间的部位设计有减薄加工特征（17）。

9.一种燃气发动机，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一项所述的气缸盖。

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