CN113404609B - 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，气缸盖包括至少两个进气喉口，每个所述进气喉口内设置有一个进气门座圈，每个所述进气门座圈的内壁在靠近相邻进气门座圈的位置设有朝向进气门座圈中心线凸出的导流凸起。本发明在现有柴油机的气缸盖结构基础上，仅通过更改进气门座圈结构，就能够避免进气气流相互干扰、维持进气能量，不仅达到了优化燃烧的目的，而且改动成本极低，具有很高的可行性。

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制造商开始在柴油发动机的基础上设计开发燃气发动机。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组织气流产生足够的涡流比。但是，燃气发动机并不需要过多的涡流，而是需要组织气流更多的形成旋转中心轴线和缸套中心轴线垂直的滚流。也就是说，对于燃气发动机，只有有效的产生足够的滚流，才能达到优化燃烧的目的。

对于四气门发动机，现有技术方案中，气缸盖下方在两个进气门02中间的区域是通过两个进气道支路流出的高速射流相互冲撞的区域，即，两股进气气流在该区域会相互干扰，合成的高速射流区01来回摆动，如图1所示，时刻a、时刻b和时刻c对应的进气气流方向存在不同，导致进气气流的流动能量大幅损失，不利于大尺度滚流运动的维持，在压缩冲程的末期，大尺度流动破碎成小尺度流动，从而使得湍动能处于较低水平，很难达到加速燃烧的效果。

因此，如何避免进气气流相互干扰、维持进气能量，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与一种燃气发动机，本发明在现有柴油机气缸盖结构基础上通过结构改进，能够避免两个进气门中间区域的气流干扰，维持较高的进气能量，有利于维持大尺度滚流运动，进而有利于燃气发动机的快速燃烧。

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，包括至少两个进气喉口，每个所述进气喉口内设置有一个进气门座圈，每个所述进气门座圈的内壁在靠近相邻进气门座圈的位置设有朝向进气门座圈中心线凸出的导流凸起。

优选地，所述导流凸起朝向所述进气门座圈中心线一侧的边缘为导流凸起边缘，所述导流凸起包括由所述进气门座圈的上端面向下延伸至所述导流凸起边缘的上导流斜面以及由所述导流凸起边缘向下延伸至所述进气门座圈的密封锥面的下导流斜面，所述导流凸起边缘与所述进气门座圈的纵截面的交线为圆弧线。

优选地，所述导流凸起边缘在气缸盖底面的轴向投影为导流凸起特征线，所述导流凸起特征线为直线，曲轴轴线在所述气缸盖底面的投影为曲轴轴线方向线，位于所述气缸盖底面的并且与所述曲轴轴线方向线垂直的直线方向为参考方向，所述导流凸起特征线与所述参考方向的夹角为导流凸起特征角，所述导流凸起特征角为60°~120°。

优选地，所述导流凸起特征线到所述进气门座圈中心线的最小距离大于0并且小于等于所述进气门座圈的外径0.5倍。

优选地，相邻两个所述进气喉口的中心的连线与所述曲轴轴线方向线的夹角为60°~90°。

优选地，所述上导流斜面与所述进气门座圈的上端面的夹角为30°~60°，所述下导流斜面与所述进气门座圈的下端面的夹角为30°~60°。

优选地，所述圆弧线的半径小于等于所述进气门座圈的外径的0.2倍。

优选地，所述圆弧线的圆心与所述进气门座圈的上端面的距离小于等于所述进气门座圈的外径的0.2倍。

优选地，每个所述进气喉口所在的分支进气道还设有滚流生成尖角，所述滚流生成尖角位于所述分支进气道远离排气喉口的一侧壁面并且位于所述进气门座圈的上方，所述滚流生成尖角相对所述分支进气道的壁面向所述进气门座圈中心线凸出。

优选地，所述滚流生成尖角在所述进气门座圈的上端面的轴向投影为尖角投影，所述尖角投影为由所述进气门座圈的内侧边缘沿径向向所述进气门座圈的中心凸出的凸出区域，且所述尖角投影在沿所述进气门座圈的周向方向上的中部的宽度大于其两端的宽度。

优选地，所述尖角投影为内凹侧朝向所述进气门座圈的中心布置的月牙形区域。

优选地，所述滚流生成尖角到所述进气门座圈中心线的最小距离大于0并且小于等于所述进气门座圈的密封锥面的最小直径的0.5倍。

本发明提供的气缸盖包括至少两个进气喉口，每个所述进气喉口内设置有一个进气门座圈，每个所述进气门座圈的内壁在靠近相邻进气门座圈的位置设有朝向进气门座圈中心线凸出的导流凸起。

本发明的工作原理如下：

发动机气缸吸气时，进气门打开，进气气流由进气门座圈和进气门之间的缝隙进入气缸内，进气门座圈内侧设置的导流凸起迫使进气气流向远离相邻进气门座圈的方向流动，即，大部分气流从进气门座圈环向的其他区域流出，而两个进气门座圈中间区域的气流比例则大大降低，这样可以避免两个进气门中间区域的气流干扰，从而使进气气流维持较高的进气能量，有利于维持大尺度滚流运动，在压缩冲程的末期更容易提升湍动能，进而有利于燃气发动机的快速燃烧。

由此可见，本发明在现有柴油机的气缸盖结构基础上，仅通过更改进气门座圈结构，就能够避免进气气流相互干扰、维持进气能量，不仅达到了优化燃烧的目的，而且改动成本极低，具有很高的可行性。

本发明提供的气缸盖具有以下有益效果：

1）本发明具有较高的可行性，降低了改动成本；

2）本发明通过在进气门座圈的内壁设计导流凸起，并合理安排相邻的导流凸起的布置结构，避免了气流冲撞，减小了能量损失；

3）本发明还在分支进气道内设计有滚流生成尖角的特征，从而能够进一步引导气流向排气侧流动，有助于在缸内生成大尺度滚流运动，有利于压缩末期湍动能的提升。

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为现有技术中不同时刻的高速进气射流相互冲撞示意图；

图2为本发明具体实施例中的气缸盖的纵截面示意图；

图3为本发明具体实施例中的进气门座圈及其导流凸起的结构示意图；

图4为本发明具体实施例中的导流凸起特征角的示意图；

图5为本发明具体实施例中的进气喉口位置示意图；

图6为本发明具体实施例中的进气门座圈及其导流凸起的纵截面示意图；

图7为本发明具体实施例中的尖角投影的形状示意图；

图8为本发明方案与现有方案的气道流量系数的对比曲线图；

图9为本发明方案与现有方案的滚流比的对比曲线图。

图1至图7中的各项附图标记的含义如下：

01-高速射流区、02-进气门；

1-进气门座圈、2-滚流生成尖角、3-进气门座圈中心线、4-气缸、5-导流凸起、6-导流凸起特征线、7-进气门座圈中心、8-参考方向、9-曲轴轴线方向线、10-进气喉口、11-进气喉口中心连线、12-排气喉口、13-圆弧线、14-上导流斜面、15-下导流斜面、16-密封锥面、17-进气门座圈上端面、18-尖角投影。

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7，图2为本发明具体实施例中的气缸盖的纵截面示意图；图3为本发明具体实施例中的进气门座圈及其导流凸起的结构示意图；图4为本发明具体实施例中的导流凸起特征角的示意图；图5为本发明具体实施例中的进气喉口位置示意图；图6为本发明具体实施例中的进气门座圈及其导流凸起的纵截面示意图；图7为本发明具体实施例中的尖角投影的形状示意图。

为了解决现有燃气发动机存在的问题，本发明提供了一种用于燃气发动机的气缸盖，该气缸盖与现有的弱滚流快速燃烧系统组合使用，可以进一步提高气缸内的滚流稳定性，其中，弱滚流快速燃烧系统请参照发明专利（“一种弱滚流快速燃烧系统与一种燃气发动机”，公开号为CN111287860A）中所述的缸盖，该气缸盖结构由柴油机气缸盖改造而成，其形成的燃烧室顶面为平顶型结构，即，该气缸盖的气门杆沿活塞轴向布置，该气缸盖的进气道为弱滚流气道，具体是指气缸盖的进气道可以使进气气流在气缸内生成大尺度弱滚流运动，本文不再赘述其具体的弱滚流结构设计特征。

本发明提供的气缸盖包括至少两个进气喉口10，每个进气喉口10内设置有一个进气门座圈1，每个进气门座圈1的内壁在靠近相邻进气门座圈1的位置设有朝向进气门座圈中心线3凸出的导流凸起5。

本发明的工作原理如下：

发动机气缸吸气时，进气门打开，进气气流由进气门座圈1和进气门之间的缝隙进入气缸4内，进气门座圈1内侧设置的导流凸起5迫使进气气流向远离相邻进气门座圈1的方向流动，即，大部分气流从进气门座圈1环向的其他区域流出，而两个进气门座圈1中间区域的气流比例则大大降低，这样可以避免两个进气门中间区域的气流干扰，从而使进气气流维持较高的进气能量，有利于维持大尺度滚流运动，在压缩冲程的末期更容易提升湍动能，进而有利于燃气发动机的快速燃烧。

请参照图8，与现有方案（即现有技术中没有在进气门座圈设计导流凸起的气缸盖方案）相比较，在小气门升程阶段，由于进气气流主要靠负压作用由进气门与进气门座圈1之间的环形间隙吸入缸内，且本方案在进气门座圈1的内壁设计了导流凸起5结构，因此，使得气流流通面积相较于现有方案变小，因此，本方案在小气门升程阶段的流量系数相较于现有方案变低；在大气门升程阶段，缸内负压作用减弱，气流主要靠流动惯性进入缸内，现有方案中由于两个进气门之间存在高速射流冲撞区域，因此，该冲撞区域削弱了一部分气流的进气能量，进而导致整体流量系数变小，而本方案通过导流凸起5的结构将大部分气流引导至沿进气门周向其他区域流动，由于避免两个进气门中间区域的冲撞干扰，因此使得大部分气流可以更加平稳地从周向其他间隙流入缸内，进而保持了较高的进气能量，最终表现的流量系数比现有方案更高。请参照图9，与现有方案相比较，在气门升程由小变大的过程中，由于本方案始终由小避免两个进气门中间区域的气流冲撞和干扰，因此，使得进气气流在缸内形成的滚流运动就能保持稳定并且强度逐渐加强。

由此可见，本发明在现有柴油机的气缸盖结构基础上，仅通过更改进气门座圈1的结构，就能够避免进气气流相互干扰、维持进气能量，不仅达到了优化燃烧的目的，而且改动成本极低，具有很高的可行性。

优选地，导流凸起5朝向进气门座圈中心线3一侧的边缘为导流凸起边缘，导流凸起5包括由进气门座圈1的上端面（即图6中的进气门座圈上端面17）向下延伸至导流凸起边缘的上导流斜面14以及由导流凸起边缘向下延伸至进气门座圈1的密封锥面16的下导流斜面15，导流凸起边缘与进气门座圈1的纵截面的交线为圆弧线13。上导流斜面14用于引导气流进入进气门座圈1的中间通孔。本方案将导流凸起边缘的纵截面设计为圆弧线13，相当于将上导流斜面14的下端与下导流斜面15的上端的相接处设计成过渡的圆角结构，其目的是使气流顺利过渡至下导流斜面15，进一步减小流动阻力。下导流斜面15则用于将气流引导至密封锥面16，从而能够在进气门打开时，使进气气流顺利通过进气门座圈1与进气门之间的间隙。

优选地，导流凸起边缘在气缸盖底面的轴向投影为导流凸起特征线6，导流凸起特征线6优选为直线，曲轴轴线在气缸盖底面的投影为曲轴轴线方向线9，位于气缸盖底面的并且与曲轴轴线方向线9垂直的直线方向为参考方向8，导流凸起特征线6与参考方向8的夹角为导流凸起特征角，导流凸起特征角为60°~120°，进一步优选设计为90°。如图4所示，两个进气喉口10对应的第一导流凸起特征角θ1和第二导流凸起特征角θ2均为60°~120°。如此设置，可以使导流凸起5将进气气流向远离相邻的进气喉口10的方向引导，从而避免相邻两个进气喉口10的进气气流发生冲撞，保持较高的进气能量。

优选地，导流凸起特征线6到进气门座圈中心线3（对应于图3中的进气门座圈中心7）的最小距离h大于0并且小于等于进气门座圈1的外径d的0.5倍，具体的，其最小距离h可以为进气门座圈1的外径d的0.1倍或0.2倍或0.3倍或0.4倍或0.5倍。如此设置，不仅能够对进气气流引导，而且还能够保证足够的气道流量系数。

优选地，相邻两个进气喉口10的中心的连线（即图5中的进气喉口中心连线11）与曲轴轴线方向线9的夹角θ3为60°~90°。如此设置，两个进气喉口10对应的分支进气道则形成了垂直型进气道结构，即，进气喉口中心连线11与曲轴轴线方向线9垂直布置或接近垂直布置的进气道结构。

优选地，上导流斜面14与进气门座圈1的上端面（即图6中的进气门座圈上端面17）的夹角θ4为30°~60°，下导流斜面15与进气门座圈1的下端面的夹角θ5为30°~60°。

优选地，圆弧线13的半径R大于0并且小于等于进气门座圈1的外径d的0.2倍，具体的，圆弧线13的半径R可以为进气门座圈1的外径d的0.1倍或0.2倍。如此设计，可以进一步减小流动阻力。

进一步优选地，如图6所示，圆弧线13的圆心与进气门座圈上端面17的距离a大于0并且小于等于进气门座圈1的外径d的0.2倍，具体的，距离a可以为进气门座圈1的外径d的0.1倍或0.2倍。如此设置，可以保证上导流斜面14具有足够的导向距离。

优选地，如图2所示，每个进气喉口10所在的分支进气道还设有滚流生成尖角2，滚流生成尖角2位于分支进气道远离对应的排气喉口12的一侧壁面并且位于进气门座圈1的上方，滚流生成尖角2相对分支进气道的壁面向进气门座圈中心线3凸出。当进气气流流经滚流生成尖角2时，滚流生成尖角2将大部分气流挤向对侧，即，朝靠近排气喉口12的方向引导，因此，进气气流在滚流生成尖角2和进气门座圈1内圈的导流凸起5的两次导流作用下向着靠近排气喉口12并且远离相邻进气喉口10的方向运动，进气气流在运动至排气喉口12的下方区域之后，最终在气缸壁和活塞的进一步引导作用下，更容易形成大尺度滚流运动。对于具有两个进气喉口10的气缸盖来说，两个进气喉口10的进气气流在进入缸内时会形成两股大尺度滚流运动，具有较高的进气能量和稳定性。

优选地，滚流生成尖角2在进气门座圈上端面17的轴向投影为尖角投影18，尖角投影18为由进气门座圈1的内侧边缘沿径向向进气门座圈1的中心凸出的凸出区域，且尖角投影18在沿进气门座圈1的周向方向上的中部的宽度大于其两端的宽度。

需要说明的是，滚流生成尖角2朝向进气门座圈中心7的一侧边缘为滚流尖角特征边，滚流尖角特征边具体可以设计为直线形边缘或曲线形边缘，其形成的尖角投影18也就有多种形状，优选地，本方案中将滚流尖角特征边设计成曲线形边缘，其对应的尖角投影18为内凹侧朝向进气门座圈中心7布置的月牙形区域，如图7所示。

优选地，如图2所示，滚流生成尖角2到进气门座圈中心线3的最小距离L大于0并且小于等于进气门座圈1的密封锥面16的最小直径Dv的0.5倍，具体的，最小距离L可以为密封锥面16的最小直径Dv的0.1倍或0.2倍或0.3倍或0.4倍或0.5倍。

本发明提供的气缸盖具有以下有益效果：

1）本发明在传统的柴油机发动机缸盖的基础上，仅通过更改进气道及进气门座圈1的结构，就可以实现组织一定强度的滚流运动，同时也能维持一部分涡流强度，因而具有较高的可行性，降低了改动成本；

2）本发明通过在进气门座圈1的内壁设计导流凸起5，并合理安排相邻的导流凸起5的布置结构，使得进气气流从两相邻进气喉口10之间区域流出的比例降低，加大了气流从环向其他区域流出的比例，避免了气流冲撞，减小了能量损失；

3）本发明还在分支进气道内设计有滚流生成尖角5的特征，从而能够进一步引导气流向排气侧流动，有助于在缸内生成大尺度滚流运动，有利于压缩末期湍动能的提升。

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。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

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，包括至少两个进气喉口，每个所述进气喉口内设置有一个进气门座圈，其特征在于，每个所述进气门座圈的内壁在靠近相邻进气门座圈的位置设有朝向进气门座圈中心线凸出的导流凸起，所述导流凸起朝向所述进气门座圈中心线一侧的边缘为导流凸起边缘，所述导流凸起包括由所述进气门座圈的上端面向下延伸至所述导流凸起边缘的上导流斜面以及由所述导流凸起边缘向下延伸至所述进气门座圈的密封锥面的下导流斜面，所述导流凸起边缘与所述进气门座圈的纵截面的交线为圆弧线，所述圆弧线的半径小于等于所述进气门座圈的外径的0.2倍，所述圆弧线的圆心与所述进气门座圈的上端面的距离小于等于所述进气门座圈的外径的0.2倍，所述导流凸起边缘在气缸盖底面的轴向投影为导流凸起特征线，所述导流凸起特征线为直线，曲轴轴线在所述气缸盖底面的投影为曲轴轴线方向线，位于所述气缸盖底面的并且与所述曲轴轴线方向线垂直的直线方向为参考方向，所述导流凸起特征线与所述参考方向的夹角为导流凸起特征角，所述导流凸起特征角为60°~120°。

2.根据权利要求1所述的气缸盖，其特征在于，所述导流凸起特征线到所述进气门座圈中心线的最小距离大于0并且小于所述进气门座圈的外径0.5倍。

3.根据权利要求1所述的气缸盖，其特征在于，相邻两个所述进气喉口的中心的连线与所述曲轴轴线方向线的夹角为60°~90°。

4.根据权利要求1所述的气缸盖，其特征在于，所述上导流斜面与所述进气门座圈的上端面的夹角为30°~60°，所述下导流斜面与所述进气门座圈的下端面的夹角为30°~60°。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的气缸盖，其特征在于，每个所述进气喉口所在的分支进气道还设有滚流生成尖角，所述滚流生成尖角位于所述分支进气道远离排气喉口的一侧壁面并且位于所述进气门座圈的上方，所述滚流生成尖角相对所述分支进气道的壁面向所述进气门座圈中心线凸出。

6.根据权利要求5所述的气缸盖，其特征在于，所述滚流生成尖角在所述进气门座圈的上端面的轴向投影为尖角投影，所述尖角投影为由所述进气门座圈的内侧边缘沿径向向所述进气门座圈的中心凸出的凸出区域，且所述尖角投影在沿所述进气门座圈的周向方向上的中部的宽度大于其两端的宽度。

7.根据权利要求6所述的气缸盖，其特征在于，所述尖角投影为内凹侧朝向所述进气门座圈的中心布置的月牙形区域。

8.根据权利要求5所述的气缸盖，其特征在于，所述滚流生成尖角到所述进气门座圈中心线的最小距离大于0并且小于等于所述进气门座圈的密封锥面的最小直径的0.5倍。

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。

Images