CN113482765A - 一种天然气发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种天然气发动机，包括缸体，缸体包括排气系统，其包括进气门和排气门，进气门与排气门之间的夹角为41°，且进气门的夹角为18°，排气门的夹角为23°；进气门和排气门与发动机缸盖的结合处设有气门座圈，气门座圈面向缸盖的一侧设有三处压紧面，三处压紧面构成连续性的阶梯结构；进气门的进气口处还连接有进气歧管，进气歧管整体为阿基米德螺旋线结构；燃气系统，其包括燃烧室与活塞，燃烧室面向活塞的一面为倒扣的弧面，活塞面向燃烧室的顶面设有凹陷部，凹陷部与弧面相配合。本发明是一种大动力大排量的燃气发动机，其缸径较大，缸套较长。从燃烧系统、点火系统等方面解决了大缸径发动机所必然存在易爆震、燃烧困难的情况。

Description

一种天然气发动机
技术领域
本发明涉及汽车燃气动力技术领域，更具体地，涉及一种天然气发动机。
背景技术
在各种汽车代用燃料中，天然气因其清洁、储量大、热值高、排污低、使用经济性好而备受关注。发展天然气汽车对于改善城市空气质量，缓解我国能源压力有着重要的现实意义。随着西气东输工程的全面贯通和海外油气大规模登陆，天然气正逐渐成为目前最重要的能源转型支撑。
随着国家战略规划对于天然气的促进，近几年天然气产品占比从逐步提升。同时随着柴油国六排放实施，天然气产品相对易于排放升级、使用成低等优势，天然气市场存在新的机遇。缺少一款具有良好的环境适应性，兼顾成本低、布置紧凑、动力强、经济性好等优点的大排量动力产品。目前，国内外汽车行业内缺少3L以上的直列燃气机产品，六缸机无论是成本还是紧凑性上均无法满足商用车需求。
因此，如何提供一种可有效避免因缸径较大，燃烧困难易爆震的大动力大排量的燃气发动机成为本领域亟需解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种天然气发动机，排量大，低端转速动力强(1000rpm的扭矩达到250Nm以上)，结构简单，直列四缸无增压，可靠性高。
根据本发明的一方面，提供了一种天然气发动机，包括缸体，所述缸体内包括有：
排气系统，其包括进气门和排气门，所述进气门与所述排气门之间形成夹角，所述夹角为41°，所述夹角包括进气门的夹角和排气门的夹角，其中，所述进气门的夹角为18°，排气门的夹角为23°；所述进气门和所述排气门与发动机缸盖的结合处设有气门座圈，所述气门座圈面向所述缸盖的一侧设有三处压紧面，三处压紧面构成连续性的阶梯结构；所述进气门的进气口处还连接有进气歧管，所述进气歧管整体为阿基米德螺旋线结构；
燃气系统，其包括燃烧室与活塞，所述燃烧室面向所述活塞的一面为倒扣的弧面，所述活塞面向所述燃烧室的顶面设有凹陷部，所述凹陷部与所述弧面相配合。
可选地，根据本发明的天然气发动机，位于所述气门座圈中间的压紧面为倾斜式结构、另外两侧的压紧面为平面结构。
可选地，根据本发明的天然气发动机，相邻的压紧面之间以及所述压紧面与其他连接面之间均做倒角处理。
可选地，根据本发明的天然气发动机，所述排气系统还包括进气阀和排气阀，所述进气阀的阀径与缸径之比为0.396，所述排气阀的阀径与缸径之比为0.33。
可选地，根据本发明的天然气发动机，所述进气歧管的稳压腔为半圆块结构，且所述进气歧管连接所述稳压腔的直线端。
可选地，根据本发明的天然气发动机，所述活塞与所述燃烧室的接触面做表面光滑的机加工处理。
可选地，根据本发明的天然气发动机，还包括空气泵，所述空气泵设置在发动机后端的飞轮壳上，并通过曲轴驱动。
可选地，根据本发明的天然气发动机，所述飞轮壳由铸铝制成。
可选地，根据本发明的天然气发动机，所述缸盖上设有缸盖护罩，所述缸盖护罩由铸铝制成。
可选地，根据本发明的天然气发动机，所述天然气发动机为直列四缸式燃气发动机。
本发明所公开的天然气发动机是一种大动力大排量的燃气发动机，其缸径较大，缸套较长。同时，本发明从燃烧系统、点火系统及热管理系统方面解决了大缸径发动机所必然存在易爆震、燃烧困难的情况。通过增大进气门与排气门的夹角，使得提高湍流强度，进而加快火焰传播速度，减少爆震倾向；另外，调整气门座圈的结构，使得与缸盖的配合性更佳。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1为本发明所公开的天然气发动机的缸体的立体图；
图2为本发明所公开的进气门与排气门的立体图；
图3为本发明所公开的气门座圈的装配示意图；
图4为本发明所公开的气门座圈的结构示意图；
图5为本发明所公开的进气阀的结构示意图；
图6为本发明所公开的排气阀的结构示意图；
图7为本发明所公开的活塞的顶面示意图；
图8为本发明所公开的天然气发动机的侧视图(一)；
图9为本发明所公开的天然气发动机的侧视图(二)；
图10为本发明所公开的进气歧管的示意图。
附图标记说明：1-缸体；2-进气门；21-进气阀；3-排气门；31-排气阀；4-气门座圈；41-压紧面；5-缸盖；6-缸盖护罩；7-空气泵；8-飞轮壳；10-进气歧管。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
根据图1至图10所示，本发明提供了一种天然气发动机，包括缸体1，所述缸体1内包括有：排气系统，其包括进气门2和排气门3，所述进气门2与所述排气门3之间形成41°的夹角，且该夹角包括进气门2的夹角和排气门3的夹角；其中，所述进气门2与竖直平面之间的夹角为18°，排气门3与竖直平面之间的夹角为23°；所述进气门2和所述排气门3与发动机缸盖5的结合处设有气门座圈4，所述气门座圈4面向所述缸盖5的一侧设有三处压紧面41，三处压紧面41构成连续性的阶梯结构；所述进气门2的进气口处还连接有进气歧管9，所述进气歧管9整体为阿基米德螺旋线结构。在实施时，进气门2和排气门3之间采用41°气门夹角设计，大气门夹角可提高湍流强度，进而加快火焰传播速度，减少爆震倾向。大进气门2夹角有利于高滚流气道设计,但是对于过大的气门夹角不利于滚流破碎与提高压缩比，结合气道结构，进行CAE分析，并进行气道试验，确定发动机气门夹角定为41°，进气夹角定为18°(夹角再大会导致发动机过宽，不利于发动机的布置。且影响进气门2布置及气门座圈4的压装)，排气夹角定为23°。
燃气系统，其包括燃烧室与活塞10，所述燃烧室面向所述活塞10的一面为倒扣的弧面，所述活塞10面向所述燃烧室的顶面设有凹陷部，所述凹陷部与所述弧面相配合。在实施时，活塞10顶部采用倒扣的弧面，缸盖5部分燃烧室采用创新蓬型结构(如图7所示)，减小无效容积，并通过活塞10顶部和缸盖5机加工工艺(各两个加工面)，提升光洁度，易形成滚流，摩擦系数更低，湍动能可达380m2/s2以上。相对于铸造结构，机加工的精度较高，发动机压缩比公差较小，发动机性能一致性较好，且减少发动机爆震。
进一步地，位于所述气门座圈4中间的压紧面41为倾斜式结构、另外两侧的压紧面41为平面结构。在实施时，为了实现高滚流比气道设计，配合41°气门夹角设计，采用异形气门座圈4结构。由于气门夹角较大，且要保证高滚流比气道结构的设计，气门座圈4预留空间减小，常规座圈无法保证合格的压装力，采用异形座圈结构可增大与缸盖5的过盈配合长度。为了提高滚流比，进气道结构与燃烧室的夹角尽量减小，从而导致气门座圈4的空间较小，若常规结构的座圈，座圈与缸盖5底座接触面较小，容易脱落，本发明采用异形双阶梯结构，增加两个台阶状结构，如图4所示，将其与缸盖5的配合面由一个面增多至三个，在有限的空间内气门座圈4和缸盖5的接触面可以增大30％(常规座圈结构，接触面积仅4.5mm，而此结构可达6.0mm)。
进一步地，相邻的压紧面41之间以及所述压紧面41与其他连接面之间均做倒角处理，防止在压装过程中座圈与底座挤压变形压裂。
进一步地，所述排气系统还包括进气阀21和排气阀31，所述进气阀21的阀径与缸径之比为0.396，所述排气阀31的阀径与缸径之比为0.33。在实施时，本发明还采用大尺寸进排气门3阀径设计：根据公式Q＝ν·π·Dv 2/4/，为了提高进气流量，大排量目标发动机的进气阀21径直径设计为38mm，排气阀31径直径为31.7mm，进气Dv/D(阀径/缸径)达到0.396，排气Dv/D达到0.33，均处于世界先进水平，大尺寸的进排气门3阀径有利于大流量系数的形成。
进一步地，所述进气歧管9的稳压腔91为半圆块结构，且所述进气歧管9连接所述稳压腔91的直线端。根据CAE计算分析：按照普通样条线结构设计，各缸流量系数均值为0.676，均匀性最大-1.24％，歧管进气阻力为268Pa。遵循阿基米德螺旋原理设计(如图10所示)，各缸流量系数均值为0.7473(提高10.55％)，均匀性最大0.37％，歧管进气阻力仅为234Pa。因此选择阿基米德螺旋线结构方案，为实现高滚流比及高流量系数的气道设计提供技术条件。同时稳压腔91的结构由类长方体优化为类圆柱体结构，对降低噪声也有利。
进一步地，所述活塞10与所述燃烧室的接触面做表面光滑的机加工处理。在实施时，通过活塞10顶部和燃烧室机加工工艺，提升光洁度，易形成滚流，摩擦系数更低，湍动能可达380m2/s2以上。相对于铸造结构，机加工的精度较高，发动机压缩比公差较小，发动机性能一致性较好，且减少发动机爆震。
进一步地，还包括空气泵7，所述空气泵7设置在发动机后端的飞轮壳8上，并通过曲轴驱动，可以提供高效可靠的制动动力源。
再进一步地，所述飞轮壳8由铸铝制成，通过调整飞轮壳8即可适应不同大小、形式的变速箱，缸体1不需要修改。
进一步地，所述缸盖5上设有缸盖护罩6，所述缸盖护罩6由铸铝制成，具备布置紧凑的优点。
进一步地，所述天然气发动机为直列四缸式燃气发动机。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种天然气发动机，其特征在于，包括缸体，所述缸体内包括：
排气系统，其包括进气门和排气门，所述进气门与所述排气门之间形成夹角，所述夹角为41°，所述夹角包括进气门的夹角和排气门的夹角，其中，所述进气门的夹角为18°，排气门的夹角为23°；所述进气门和所述排气门与发动机缸盖的结合处设有气门座圈，所述气门座圈面向所述缸盖的一侧设有三处压紧面，三处压紧面构成连续性的阶梯结构；所述进气门的进气口处还连接有进气歧管，所述进气歧管整体为阿基米德螺旋线结构；
燃气系统，其包括燃烧室与活塞，所述燃烧室面向所述活塞的一面为倒扣的弧面，所述活塞面向所述燃烧室的顶面设有凹陷部，所述凹陷部与所述弧面相配合。
2.根据权利要求1所述的天然气发动机，其特征在于，位于所述气门座圈中间的压紧面为倾斜式结构、另外两侧的压紧面为平面结构。
3.根据权利要求2所述的天然气发动机，其特征在于，相邻的压紧面之间以及所述压紧面与其他连接面之间均做倒角处理。
4.根据权利要求1所述的天然气发动机，其特征在于，所述排气系统还包括进气阀和排气阀，所述进气阀的阀径与缸径之比为0.396，所述排气阀的阀径与缸径之比为0.33。
5.根据权利要求1所述的天然气发动机，其特征在于，所述进气歧管的稳压腔为半圆块结构，且所述进气歧管连接所述稳压腔的直线端。
6.根据权利要求1所述的天然气发动机，其特征在于，所述活塞与所述燃烧室的接触面做表面光滑的机加工处理。
7.根据权利要求1所述的天然气发动机，其特征在于，还包括空气泵，所述空气泵设置在发动机后端的飞轮壳上，并通过曲轴驱动。
8.根据权利要求7所述的天然气发动机，其特征在于，所述飞轮壳由铸铝制成。
9.根据权利要求1所述的天然气发动机，其特征在于，所述缸盖上设有缸盖护罩，所述缸盖护罩由铸铝制成。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的天然气发动机，其特征在于，所述天然气发动机为直列四缸式燃气发动机。
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