CN113404613A - 一种气缸盖及燃气发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气缸盖及燃气发动机，应用于柴油发动机的基础上改造而成的燃气发动机，包括形成于气缸盖的第一进气喉口和第二进气喉口，第一进气喉口内设置有第一进气门座圈，第二进气喉口内设置有第二进气门座圈，且第一进气门座圈距气缸盖底面的高度H1大于第二进气门座圈距气缸盖底面的高度H2。该气缸盖，相比于传统的两个进气门座圈对称布置的方式而言，能够有效降低两个进气门中心连线方向上的气流对冲干扰，继而减少气流动能损失，更加有利于提升燃烧室内的滚流效果。

Description

一种气缸盖及燃气发动机
技术领域
本发明涉及发动机进气技术领域，尤其涉及一种气缸盖及燃气发动机。
背景技术
随着燃气发动机技术的发展，目前，越来越多的燃气发动机是在柴油发动机的基础上改造而成的。对于柴油机而言，其燃烧模式为扩散燃烧，一定程度的涡流有助于油束与空气混合，从而改善燃烧过程，因此，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比。其中，涡流是指气体绕气缸轴向有组织的旋流运动。
然而，燃气发动机的燃烧模式为预混燃烧，对涡流强度要求不高，而需要小尺度的湍流运动来形成火焰褶皱面，从而加快火焰传播速度，提升热效率，其中，湍流是指气流速度较高时在流场中产生的许多方向不固定的小旋流，区别于层流运动。对于燃气发动机而言，并不需要提高涡流强度，而提高气缸内的滚流强度可以有利于在压缩末期形成湍流，在活塞上行到上止点时产生足够的湍动能，进而达到优化燃烧的目的。其中，滚流是指旋转中心轴线与缸套轴向垂直的气体旋流运动。
由此可见，对于现有由柴油机气缸盖集成改造设计而成的燃气发动机气缸盖，很难在气缸内产生燃气发动机所需要的滚流。
综上所述，如何提升柴油发动机的基础上改进开发的燃气发动机的燃烧室内的滚流效果已成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种气缸盖及燃气发动机，以提升柴油发动机的基础上改进开发的燃气发动机的燃烧室内的滚流效果。
为了实现上述目的，本发明提供了一种气缸盖，应用于柴油发动机的基础上改造而成的燃气发动机，包括形成于气缸盖的第一进气喉口和第二进气喉口，所述第一进气喉口内设置有第一进气门座圈，所述第二进气喉口内设置有第二进气门座圈，且所述第一进气门座圈距所述气缸盖底面的高度H1大于所述第二进气门座圈距所述气缸盖底面的高度H2。
优选地，所述第一进气门座圈距所述气缸盖底面的高度H1与所述第二进气门座圈距所述气缸盖底面的高度H2的高度差H3满足关系：0＜H3≤0.2D，其中，D为其中，D为所述第一进气门座圈处所安装的第一进气门的阀盘直径，或所述第二进气门座圈处所安装的第二进气门的阀盘直径。
优选地，H3满足关系为： 0＜H3≤6mm。
优选地，所述第一进气喉口与缸盖进气口的距离小于所述第二进气喉口与所述缸盖进气口的距离，所述第一进气喉口对应所述第一进气座圈的下方形成有第一进气倒角，所述第二进气喉口对应所述第二进气座圈的下方形成有第二进气倒角。
优选地，所述第一进气倒角的中心相对所述第一进气喉口的中心向所述第一进气喉口所对应的第一排气喉口方向偏移第一预设距离；所述第二进气倒角的中心相对所述第二进气喉口的中心向所述第二进气喉口所对应的第二排气喉口方向偏移第二预设距离。
优选地，所述第一预设距离与所述第二预设距离相等或不等。
优选地，所述第一进气倒角和所述第二进气倒角为回转倒角。
优选地，所述回转倒角的导向壁面的纵截面为直线或曲线。
优选地，所述回转倒角的导向壁面的纵截面为朝气缸内部方向凸出的曲线。
优选地，所述第一进气倒角的回转中心线相对所述第一进气喉口的轴线平行；所述第二进气倒角的回转中心线相对所述第二进气喉口的轴线平行。
优选地，所述第一进气倒角的回转中心线相对所述第一进气喉口的轴线倾斜布置并且使所述第一进气倒角的下端开口朝向其对应的所述第一排气喉口方向布置。
优选地，所述第一进气倒角的回转中心线相对所述第一进气喉口的轴线倾斜小于等于30°。
优选地，所述第二进气倒角的回转中心线相对所述第二进气喉口的轴线倾斜布置并且使所述第二进气倒角的下端开口朝向其对应的所述第二排气喉口方向布置。
优选地，所述第二进气倒角的回转中心线相对所述第二进气喉口的轴线倾斜小于等于30°。
优选地，所述第一进气倒角与所述第二进气倒角相同。
优选地，所述第一进气倒角的导向壁面的长度大于所述第二进气倒角的导向壁面长度。
优选地，所述缸盖进气口布置于所述气缸盖的侧面或顶面或底面。
相比于背景技术介绍内容，上述气缸盖，应用于柴油发动机的基础上改造而成的燃气发动机，包括形成于气缸盖的第一进气喉口和第二进气喉口，第一进气喉口内设置有第一进气门座圈，第二进气喉口内设置有第二进气门座圈，且第一进气门座圈距气缸盖底面的高度H1大于第二进气门座圈距气缸盖底面的高度H2。该气缸盖，实际工作过程中，发动机气缸吸气时，第一/第二进气门打开，气流自气缸盖的第一进气门座圈和第二进气门座圈进入气缸，由于第一进气门座圈距气缸盖底面的高度H1大于第二进气门座圈距气缸盖底面的高度H2，因此两个进气门中心连线方向上的对冲气流为一上一下的非对称结构，相比于传统的两个进气门座圈对称布置的方式而言，能够有效降低两个进气门中心连线方向上的气流对冲干扰，继而减少气流动能损失，更加有利于提升燃烧室内的滚流效果。
另外，本发明还提供了一种燃气发动机，包括气缸盖，该气缸盖为上述任一方案所描述的气缸盖，由于该气缸盖具有上述技术效果，因此具有该气缸盖的燃气发动机也应具有相应的技术效果，在此不再赘述。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的两个进气门座圈布置于不同高度的结构示意图；
图2为本发明实施例中提供的两个进气喉口与缸盖进气口不同间距布置示意图；
图3为本发明实施例中提供的第一进气倒角为例采用偏心倒角的结构示意图；
图4为本发明实施例中提供的进气气流由进气喉口向排气喉口方向流动的示意图；
图5为本发明实施例中提供的两个不同高度的进气门座圈分别安装有进气门的结构示意图；
图6为传统的两个进气门座圈对称布置结构的燃烧室内气流运动模拟仿真示意图；
图7为本发明实施例中提供的两个进气门座圈一高一低的布置结构的燃烧室内气流运动的模拟仿真示意图；
图8为本发明方案与现有方案的滚流比的对比曲线图。
图1-图7中，
第一进气喉口1、第二进气喉口2、第一进气门座圈3、第二进气门座圈4、第一进气倒角5、第二进气倒角6、第一排气喉口7、第二排气喉口8、第一进气喉口轴线9、第一进气倒角回转中心线10。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种气缸盖及燃气发动机，以提升柴油发动机的基础上改进开发的燃气发动机的燃烧室内的滚流效果。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明提供的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
如图1-图5所示，本发明实施例提供了一种气缸盖，应用于柴油发动机的基础上改造而成的燃气发动机，包括形成于气缸盖的第一进气喉口1和第二进气喉口2，第一进气喉口1内设置有第一进气门座圈3，第二进气喉口2内设置有第二进气门座圈4，且第一进气门座圈3距气缸盖底面的高度H1大于第二进气门座圈4距气缸盖底面的高度H2。
该气缸盖，实际工作过程中，发动机气缸吸气时，第一/第二进气门打开，气流自气缸盖的第一进气门座圈和第二进气门座圈进入气缸，由于第一进气门座圈距气缸盖底面的高度H1大于第二进气门座圈距气缸盖底面的高度H2，因此两个进气门中心连线方向上的对冲气流为一上一下的非对称结构，相比于传统的两个进气门座圈对称布置的方式而言，能够有效降低两个进气门中心连线方向上的气流对冲干扰，继而减少气流动能损失，更加有利于提升燃烧室内的滚流效果。
请参照图8，与现有方案（即现有技术中没有对进气门座圈进行高低设计的气缸盖方案）相比较，在气门升程逐渐变大的过程中，由于本方案利用高低不同的两个进气门座圈避免了两进气门中间区域的气流冲撞作用，因此，可以维持更高的进气能量，从而使滚流运动更加稳定并且强度更高，尤其在大气门升程阶段中，较高的第一进气门座圈3可以利用下方更长的导向距离对气流进行组织，进而使得在缸内形成的滚流比更大。
为了本领域技术人员更好的理解本发明技术方案所达到的技术效果，如图6所示对传统的两个进气门座圈对称布置结构的燃烧室内气流运动进行模拟仿真，如图7所示对本发明所采用的两个进气门座圈一高一低的布置结构的燃烧室内气流运动进行模拟仿真，通过仿真计算可以观察到，在采用进气门座圈高度差异设置后，从气门进入气缸盖的气流呈现明显的大尺度滚流效果。
在一些具体的实施方案中，上述第一进气门座圈3距气缸盖底面的高度H1与第二进气门座圈4距气缸盖底面的高度H2的高度差H3具体可以满足关系：0＜H3≤0.2D，其中，D为第一进气门座圈3处所安装的第一进气门的阀盘直径，或第二进气门座圈4处所安装的第二进气门的阀盘直径。通过模拟仿真测试发现将H3设定为上述关系，可以使得大部分发动机机型均能够产生较好的滚流效果。
当然可以理解的是，上述关系式仅仅是本发明通过对主流发动机机型模拟仿真后所给出的优选取值方式，实际应用过程中，还可以根据具体的发动机机型选择对应的其他数值取值范围，比如，H3还可以根据不同的机型的配置需求选择满足关系为：0＜H3≤1mm；或0＜H3≤2mm；或0＜H3≤3mm；或0＜H3≤4mm；或0＜H3≤5mm；或0＜H3≤6mm等。实际应用过程中，可以根据实际需求进行选择，在此不做具体的限定。
需要说明的是，本领域技术人员都应该能够理解的是，第一进气喉口1通过气缸盖内的第一进气道与气缸盖外侧的进气口连通，第二进气喉口2通过气缸盖内的第二进气道与气缸盖外侧的进气口连通，其中第一进气道与第二进气道主要用于引导气流。第一进气喉口1内安装有第一进气门座圈3，用于与第一进气门配合开闭以实现进气的开关控制；第二进气喉口2内安装有第二进气门座圈4，用于与第二进气门配合开闭以实现进气的开关控制。
另外，本领域技术人员都应该能够理解的是，发动机气缸盖一般具有进气道和排气道，进排气道分别位于气缸盖长度方向上的两侧，在发动机进气过程中进气道负责组织气流。而一般对于柴油发动机来说，两个进气门中心的连线和发动机曲轴中心的连线成一定的角度α，这就必然导致两个进气门中的一个距离进气侧距离更小，另一个气门到进气侧的距离更大。由于进气门到进气侧的距离不同，距离进气侧近的进气道一般会设计的更加短粗，由于该进气道的空间有限，仅通过更改进气道的内壁形状来增加滚流比受到一定的限制。
因此，如图1和图2所示，当第一进气喉口1与缸盖进气口的距离L1小于第二进气喉口2与缸盖进气口的距离L2时，将距离缸盖进气口更近的第一进气门座圈3距气缸盖底面的高度H1设计为高于第二进气门座圈4距气缸盖底面的高度H2，能够在保证气道滚流比的前提下最大程度地提高气道的流通能力。其基本原理是，由于第一进气门座圈3相对气缸盖底面的高度较高，因此，第一进气门在开启的过程中，第一进气门座圈3下方的导向壁的导流长度能够得到进一步延长，从而更有利于产生滚流。与此同时，由于气流通过导向壁的引导，并且随着第一进气门座圈的增高，第一进气门开启时，对应第一进气门的阀盘更加靠近气缸盖底面，使得气流更有利于向目标方向（朝向第一排气喉口7的方向）运动，同时减小两个进气门中心连线方向上的气流干扰。其中，进气座圈下方的导流结构的具体形式，可以为第一进气喉口1对应第一进气座圈3的下方形成有第一进气倒角5，第二进气喉口2对应第二进气座圈4的下方形成有第二进气倒角6。
在一些具体的实施方案中，第一进气倒角5和第二进气倒角6具体可以设计成如下结构形式：第一进气倒角5的中心相对第一进气喉口1的中心向第一进气喉口1所对应的第一排气喉口7方向偏移第一预设距离；第二进气倒角6的中心相对第二进气喉口2的中心向第二进气喉口2所对应的第二排气喉口8方向偏移第二预设距离。由于第一/第二进气倒角具有明显的导流作用，同时如图3，由于本发明中将第一进气倒角5设计为向第一排气喉口7方向偏移，使得靠近第一排气喉口7一侧的缝隙宽度较大，因此，大部分进气气流从靠近第一排气喉口7一侧的缝隙中进入气缸，而远离第一排气喉口7一侧的气流则减小，这两侧气流在进入气缸后更容易形成大尺度的滚流运动。同理，将第二进气倒角6设计为向第二排气喉口8方向偏移，使得靠近第二排气喉口8一侧的缝隙宽度较大，因此，大部分进气气流从靠近第二排气喉口8一侧的缝隙中进入气缸，而远离第二排气喉口8一侧的气流则减小，这两侧气流在进入气缸后更容易形成大尺度的滚流运动。
由此可见，本发明在现有柴油机的基础上，通过在第一/第二进气倒角设计成偏心倒角，实现了对进气气流的有效导流，有利于增强滚流强度，有利于在压缩末期形成湍流，提升燃气发动机的热效率。
需要说明的是，实际应用过程中，前述第一预设距离与第二预设距离可以设计成相等的，也可以设计成不等的，可以根据实际需求进行选择。
另外需要说明的是，上述第一进气倒角5和第二进气倒角6具体可以均为回转倒角，也可以为非回转倒角结构，实际应用过程中，可以根据实际需求进行选择，一般来说，为了便于加工，优选采用回转倒角的结构，即，回转倒角为回转特征去除气缸盖材料后加工所得的倒角结构。
进一步的实施方案中，根据不同的回转加工面，可以得到纵截面形状不同的倒角结构，例如，采用圆锥形回转加工面去除气缸盖材料后，得到的倒角结构的导向壁面的纵截面为直线形结构。实际应用过程中，该倒角结构的导向壁面的纵截面可以为直线或曲线。
进一步，该倒角结构的导向壁面的纵截面优选为朝气缸内部方向凸出的曲线，如图3所示，在该方案中，向气缸内凸出的倒角面可以防止气流在流经倒角时发生流动分离，有利于提升气流的滚流效果。
需要说明的是，第一进气倒角5的回转中心线10相对第一进气喉口1的轴线9可以选择平行布置，也可以选择倾斜布置；同理，第二进气倒角6的回转中心线相对第二进气喉口2的轴线同样可以选择平行布置，也可以选择倾斜布置。实际应用过程中，可以根据具体需求进行配置，本发明中优选采用第一进气倒角与第二进气倒角选用相同的布置方式进行布置。
比如，第一进气倒角5的回转中心线10相对第一进气喉口1的轴线9倾斜布置并且使第一进气倒角5的下端开口朝向其对应的第一排气喉口7方向布置；同样地，第二进气倒角6的回转中心线相对第二进气喉口2的轴线倾斜布置并且使第二进气倒角6的下端开口朝向其对应的第二排气喉口8方向布置。如此设置，可以使进气喉口靠近排气喉口一侧的边缘加工出更宽的倒角面，同时，该侧的倒角面与气缸盖底面以及进气喉口的壁面之间的过渡也更加平滑，从而减小了气流流经进气倒角时的动能损失。
需要说明的是，第一进气倒角的回转中心线相对于第一进气喉口轴线的倾斜角度，与第二进气倒角的回转中心线相对于第二进气喉口轴线的倾斜角可以设计为相等或不等。进一步的实施方案中，针对不同的发动机机型，第一进气倒角5的回转中心线相对第一进气喉口1的轴线倾斜的可选取值范围设定会有所不同，比如，可以是0~30°或0~20°或0~10°或0~5°；与第一进气倒角回转中心线的倾斜角度类似，第二进气倒角6的回转中心线相对第二进气喉口2的轴线倾斜的可选取值范围设定，可以是0~30°或0~20°或0~10°或0~5°。
还需要说明的是，第一进气倒角5与第二进气倒角6可以设计成相同的结构及尺寸；也可以设计成不同的结构及尺寸，实际应用过程中，可以根据实际需求进行选择。比如，可以设计成如图1所示，第一进气倒角5的导向壁面的长度大于第二进气倒角6的导向壁面长度的结构形式，当第一进气喉口1与缸盖进气口的距离L1小于第二进气喉口2与缸盖进气口的距离L2时，这样布置有利于增加导流长度，从而更有利于产生滚流。
进一步的实施方案中，上述缸盖进气口具体可以布置于气缸盖的侧面或顶面或底面，实际应用过程中，可以根据实际需求进行选择布置，从而实现不同型号的发动机的安装布置。
另外，本发明还提供了一种燃气发动机，包括气缸盖，该气缸盖为上述任一方案所描述的气缸盖，由于该气缸盖具有上述技术效果，因此具有该气缸盖的燃气发动机也应具有相应的技术效果，在此不再赘述。
以上对本发明所提供的气缸盖及燃气发动机进行了详细介绍。需要说明的是，本说明书中的各个实施例均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的部分互相参见即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (18)

1.一种气缸盖，应用于柴油发动机的基础上改造而成的燃气发动机，其特征在于，包括形成于气缸盖的第一进气喉口（1）和第二进气喉口（2），所述第一进气喉口（1）内设置有第一进气门座圈（3），所述第二进气喉口（2）内设置有第二进气门座圈（4），且所述第一进气门座圈（3）距所述气缸盖底面的高度H1大于所述第二进气门座圈（4）距所述气缸盖底面的高度H2。
2.如权利要求1所述的气缸盖，其特征在于，所述第一进气门座圈（3）距所述气缸盖底面的高度H1与所述第二进气门座圈（4）距所述气缸盖底面的高度H2的高度差H3满足关系：0＜H3≤0.2D，其中，D为所述第一进气门座圈（3）处所安装的第一进气门的阀盘直径，或所述第二进气门座圈（4）处所安装的第二进气门的阀盘直径。
3.如权利要求1所述的气缸盖，其特征在于，H3满足关系为： 0＜H3≤6mm。
4.如权利要求1所述的气缸盖，其特征在于，所述第一进气喉口（1）与缸盖进气口的距离小于所述第二进气喉口（2）与所述缸盖进气口的距离，所述第一进气喉口（1）对应所述第一进气座圈（3）的下方形成有第一进气倒角（5），所述第二进气喉口（2）对应所述第二进气座圈（4）的下方形成有第二进气倒角（6）。
5.如权利要求4所述的气缸盖，其特征在于，所述第一进气倒角（5）的中心相对所述第一进气喉口（1）的中心向所述第一进气喉口（1）所对应的第一排气喉口（7）方向偏移第一预设距离；所述第二进气倒角（6）的中心相对所述第二进气喉口（2）的中心向所述第二进气喉口（2）所对应的第二排气喉口（8）方向偏移第二预设距离。
6.如权利要求5所述的气缸盖，其特征在于，所述第一预设距离与所述第二预设距离相等或不等。
7.如权利要求6所述的气缸盖，其特征在于，所述第一进气倒角（5）和所述第二进气倒角（6）为回转倒角。
8.如权利要求7所述的气缸盖，其特征在于，所述回转倒角的导向壁面的纵截面为直线或曲线。
9.如权利要求7所述的气缸盖，其特征在于，所述回转倒角的导向壁面的纵截面为朝气缸内部方向凸出的曲线。
10.如权利要求7所述的气缸盖，其特征在于，所述第一进气倒角（5）的回转中心线相对所述第一进气喉口（1）的轴线平行；所述第二进气倒角（6）的回转中心线相对所述第二进气喉口（2）的轴线平行。
11.根据权利要求7所述的气缸盖，其特征在于，所述第一进气倒角（5）的回转中心线相对所述第一进气喉口（1）的轴线倾斜布置并且使所述第一进气倒角（5）的下端开口朝向其对应的所述第一排气喉口（7）方向布置。
12.根据权利要求11所述的气缸盖，其特征在于，所述第一进气倒角（5）的回转中心线相对所述第一进气喉口（1）的轴线倾斜小于等于30°。
13.根据权利要求7所述的气缸盖，其特征在于，所述第二进气倒角（6）的回转中心线相对所述第二进气喉口（2）的轴线倾斜布置并且使所述第二进气倒角（6）的下端开口朝向其对应的所述第二排气喉口（8）方向布置。
14.根据权利要求13所述的气缸盖，其特征在于，所述第二进气倒角（6）的回转中心线相对所述第二进气喉口（2）的轴线倾斜小于等于30°。
15.如权利要求4所述的气缸盖，其特征在于，所述第一进气倒角（5）与所述第二进气倒角（6）相同。
16.如权利要求4所述的气缸盖，其特征在于，所述第一进气倒角（5）的导向壁面的长度大于所述第二进气倒角（6）的导向壁面长度。
17.如权利要求4所述的气缸盖，其特征在于，所述缸盖进气口布置于所述气缸盖的侧面或顶面或底面。
18.一种燃气发动机，包括气缸盖，其特征在于，所述气缸盖为如权利要求1-17中任一项所述的气缸盖。
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