CN113969846B - 发动机气缸盖及其装配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发动机气缸盖，包括气缸盖本体和设置于气缸盖本体上的预燃室镶块，气缸盖本体内设置第一预燃室腔体，预燃室镶块内设置第二预燃室腔体以及与第二预燃室腔体和发动机的主燃烧室连通的喷射通道，喷射通道位于第二预燃室腔体和主燃烧室之间，第一预燃室腔体与第二预燃室腔体连通形成球形涡流燃烧室。本发明的发动机气缸盖，可以改善压燃式二冲程活塞发动机的扫气性能以降低预燃烧室内残余废气系数，还可以使新鲜空气与喷入预燃室的燃料充分混合形成接近化学当量比的燃气混合气，提高预燃室的点火可靠性，从而提升发动机的动力性和经济性。本发明还公开了一种发动机气缸盖的装配方法。

Description

发动机气缸盖及其装配方法
技术领域
本发明属于航空发动机技术领域，具体地说，本发明涉及一种发动机气缸盖及其装配方法。
背景技术
二冲程发动机以其结构简单、零件数少，运动件少，机械损失少、制造成本低、功重比高，并且相较四冲程机做工次数多的特点被广泛应用于链锯、移动式小发电机组、等领域。而为了提升产品在市场竞争力，二冲程发动机也不断在燃油经济性、适应排放法规及性能方便进行技术提升。小型二冲程活塞式发动机按可燃混合气在燃烧系统内的点火方式可分为点燃式和压燃式。对于应用于航空领域的小型二冲程活塞式发动机，出于对燃料通用化考虑，其点火方式常采用压燃式。
燃烧室是组织混合气形成和进行燃烧的地方。燃烧室的结构、尺寸大小对加快混合气形成速度，提高空气利用率和完善燃烧过程起着重要作用。燃烧系统可以由各种不同类型燃烧室、结合燃油喷射方式和气流运动形式组成。燃烧系统不仅影响二冲程发动机整机性能，同样也会影响到发动机的热负荷与可靠性。
作为压燃式回流扫气形式二冲程发动机常采用分割式燃烧室，即燃烧室被明显地分割成两部分：一部分由活塞顶面和气缸盖底面组成，称为主燃烧室；另一部分作为预燃烧室设置在气缸盖内，通过在气缸盖下结合面和预燃烧室内设置一个倾斜通道将预燃烧室和主燃烧室上的导流槽相连接。连接预燃烧室与主燃烧室的倾斜通道，在压缩行程中，由于涡流室形状、倾斜通道的配合，进入涡流室的空气形成强烈的旋转运动(通常称为压缩涡流)。当活塞接近上止点时，喷油器顺着气流旋转方向将柴油喷入涡流室，并与其内的空气混合。由于涡流室内温度较高，使柴油迅速着火燃烧，随着涡流室内气体压力升高，并超过主燃烧室。于是燃烧的与尚未燃烧的可燃混合气一起通过倾斜通道冲入主燃烧室。倾斜通道的截面尺寸、形状及倾斜角度不仅影响扫气阶段预燃烧室内废气的顺利排出，更会影响发动机压缩比，以及预燃室火焰在主燃烧室的落点，从而影响发动机动力性和经济性。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种发动机气缸盖，目的是提升发动机的动力性和经济性。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：发动机气缸盖，包括气缸盖本体和设置于所述气缸盖本体上的预燃室镶块，气缸盖本体内设置第一预燃室腔体，预燃室镶块内设置第二预燃室腔体以及与第二预燃室腔体和发动机的主燃烧室连通的喷射通道，喷射通道位于第二预燃室腔体和主燃烧室之间，第一预燃室腔体与第二预燃室腔体连通形成球形涡流燃烧室。
所述气缸盖本体内设置与所述第一预燃室腔体连通的喷油器孔，喷油器孔的轴线与扫气气流运动方向相切。
所述第一预燃室腔体和所述第二预燃室腔体的直径大小相同，第一预燃室腔体和第二预燃室腔体的球心重合。
所述喷射通道为倾斜设置，喷射通道的倾斜方向与所述球形涡流燃烧室相切。
所述喷射通道的轴向与所述气缸盖本体的结合面之间的夹角控制在45°～60°。
所述喷射通道的横截面的长度与宽度之间的比值控制在1.5～2.0。
所述喷射通道的横截面包括两个第一轮廓线和两个第二轮廓线，第一轮廓线和第二轮廓线均为圆弧形，两个第一轮廓线为对称布置，两个第二轮廓线为对称布置且两个第二轮廓线同轴，两个第一轮廓线之间的距离大于两个第二轮廓线之间的距离。
所述喷射通道的横截面还包括四个第三轮廓线，各个所述第一轮廓线的两端分别通过两个第三轮廓线与两个所述第二轮廓线连接。
本发明还提供了一种发动机气缸盖的装配方法，采用装配工装将镶块坯件安装在气缸盖本体上，镶块坯件包括底座和与底座固定连接预燃室镶块。
所述装配工装包括用于对所述气缸盖本体进行定位的第一定位机构和用于对所述镶块坯件进行定位第二定位机构，第一定位机构包括第一定位座和设置于第一定位座上的第一定位销，第二定位机构包括第二定位座和设置于第二定位座上的第二定位销。
本发明的发动机气缸盖，可以改善压燃式二冲程活塞发动机的扫气性能以降低预燃烧室内残余废气系数，还可以使新鲜空气与喷入预燃室的燃料充分混合形成接近化学当量比的燃气混合气，提高预燃室的点火可靠性，从而提升发动机的动力性和经济性。
附图说明
本说明书包括以下附图，所示内容分别是：
图1是本发明发动机气缸盖的剖视图；
图2是预燃室镶块的结构示意图；
图3是喷射通道的横截面示意图；
图4是本发明发动机气缸盖的装配过程示意图；
图中标记为：1、主燃烧室；2、喷射通道；3、预燃室镶块；4、涡流预燃室中心；5、喷油器孔；6、预热塞孔；7、第二定位座；8、第一定位座；9、气缸盖本体；10、气缸盖成品；11、第一轮廓线；12、第二轮廓线；13、第三轮廓线；14、镶块坯件。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。
需要说明的是，在下述的实施方式中，所述的“第一”、“第二”和“第三”并不代表结构和/或功能上的绝对区分关系，也不代表先后的执行顺序，而仅仅是为了描述的方便。
如图1至图3所示，本发明提供了一种发动机气缸盖，包括气缸盖本体9和设置于气缸盖本体9上的预燃室镶块3，气缸盖本体9内设置第一预燃室腔体，预燃室镶块3内设置第二预燃室腔体以及与第二预燃室腔体和发动机的主燃烧室1连通的喷射通道2，喷射通道2位于第二预燃室腔体和主燃烧室1之间。第一预燃室腔体为在气缸盖本体9内部设置的半球形腔体，第二预燃室腔体为在预燃室镶块3内部设置的半球形腔体，第一预燃室腔体与第二预燃室腔体连通形成球形涡流燃烧室。
具体地说，如图1所示，发动机为压燃式二冲程活塞发动机，预燃室镶块3固定安装在气缸盖本体9的底部，气缸盖本体9内设置与第一预燃室腔体连通的喷油器孔5和预热塞孔6。喷油器孔5中安装喷油器，喷油器孔5的轴线与扫气气流运动方向相切喷油嘴在预燃室内的突出高度需满足喷油器相关要求，除此之外，喷油器孔5的位置需满足发动机总体布置要求。预热塞孔6中安装预热塞，预热塞在预燃室的布置同样也要考虑上述要求以满足发动机在低温下的启动性能。喷油器孔5和预热塞孔6与第一预燃室腔体连通，第一预燃室腔体位于预热塞孔6的下方，第二预燃室腔体位于第一预燃室腔体的下方。第一预燃室腔体和第二预燃室腔体的直径大小相同，第一预燃室腔体和第二预燃室腔体的球心重合。
如图1所示，球形涡流燃烧室的一部分腔体设置在气缸盖本体9内部，另一部分腔体设置在预燃室镶块3的内部，第一预燃室腔体偏置设置于气缸盖本体9内，第一预燃室腔体的球心与预热塞孔6的轴线之间具有一定的距离。考虑气流在预燃室内的运动形态和强度而形成足够涡流强度的气流，预燃室采用球形涡流燃烧室。为了减少流动损失和算热损失，提高经济性，改善启动性能，球形涡流预燃室容积与总燃烧室容积的比值需控制在50％左右。
如图1所示，喷射通道2为倾斜设置，喷射通道2的倾斜方向与球形涡流燃烧室相切，喷射通道2的倾斜方向与预热塞孔6的轴线之间具有夹角且该夹角为锐角。第二预燃室腔体位于第一预燃室腔体和喷射通道2之间，喷射通道2的横截面的长度和宽度小于第二预燃室腔体的直径，喷射通道2的进气口位于第二预燃室腔体的底部，喷射通道2的出气口设置在预燃室镶块3的底面上，预燃室镶块3的底面与气缸盖本体9的结合面平齐，气缸盖本体9的结合面为气缸盖与缸体的结合面相接触的平面，喷射通道2的出气口与主燃烧室1连通，喷射通道2的出气口正对活塞上的燃烧室的导流槽，在球形涡流燃烧室中已燃烧的与尚未燃烧的可燃混合气通过喷射通道2的气流方向朝向活塞上的燃烧室上涡流凹坑。
考虑增强预燃室内涡流流速，喷射通道2的轴向与气缸盖本体9的结合面之间的夹角控制在45°～60°。如图2和图3所示，为进一步改善涡流预燃室内气流的涡流强度，连接球形涡流燃烧室与主燃烧室1的喷射通道2的截面形状使用四边圆弧的类马蹄形，喷射通道2的横截面的长度a与宽度b之间的比值控制在1.5～2.0，喷射通道2的横截面积与活塞上涡流通道面积比应控制在1.2％～1.5％。
如图2和图3所示，喷射通道2的横截面包括两个第一轮廓线11和两个第二轮廓线12，第一轮廓线11和第二轮廓线12均为圆弧形，两个第一轮廓线11为对称布置，两个第二轮廓线12为对称布置且两个第二轮廓线12同轴，两个第一轮廓线11之间的距离大于两个第二轮廓线12之间的距离。两个第一轮廓线11处于与第一方向相平行的同一直线上，两个第二轮廓线12处于与第二方向相平行的同一直线上，第一方向和第二方向相垂直且第一方向和第二方向与预燃室镶块3的轴线相垂直，两个第一轮廓线11和第二轮廓线12的圆心处于与第一方向相平行的同一直线上，第二轮廓线12的圆心位于两个第一轮廓线11的圆心的中间位置处，两个第一轮廓线11的圆心也位于两个第一轮廓线11之间。喷射通道2的横截面的长度a是指连接两个第一轮廓线11上的两个点所能获得的最长线段的长度，喷射通道2的横截面的宽度b是指连接两个第二轮廓线12上的两个点所能获得的最长线段的长度。
如图2和图3所示，第一轮廓线11的直径小于第二轮廓线12的直径，喷射通道2的横截面还包括四个第三轮廓线13，其中一个第一轮廓线11的弧长方向上的两端分别通过两个第三轮廓线13与两个第二轮廓线12的弧长方向上的一端连接，另一个第一轮廓线11的弧长方向上的两端分别通过另外两个第三轮廓线13与两个第二轮廓线12的弧长方向上的另一端连接，第三轮廓线13用于第一轮廓线11与第二轮廓线12之间的平滑过渡。
为满足发动机功重比要求，气缸盖本体9采用铝合金铸造而成，考虑发动机运行过程中高温对不同材料热膨胀系数的影响，预燃室镶块3同样采用铝合金铸造而成，气缸盖成品的结构强度可通过结构优化及降低排温从而降低气缸盖成品热负荷来达到可靠性要求。
本发明还提供了一种发动机气缸盖的装配方法，采用装配工装将镶块坯件14安装在气缸盖本体9上，镶块坯件14包括底座和与底座固定连接预燃室镶块3。
如图4所示，装配工装包括用于对气缸盖本体9进行定位的第一定位机构和用于对镶块坯件14进行定位第二定位机构。第一定位机构包括第一定位座8和设置于第一定位座8上的第一定位销，气缸盖本体9具有让第一定位销插入的第一定位孔，第一定位孔设置多个。第二定位机构包括第二定位座7和设置于第二定位座7上的第二定位销，镶块坯件14具有让第二定位销插入的第二定位孔，第二定位孔设置在底座上，第二定位孔设置多个。
压装前预先将镶块坯件14用液氮浸泡约5分钟，然后使用装配工装分别对气缸盖本体9和镶块坯件14进行定位，最后采用压装设备对气缸盖本体9和镶块坯件14进行压装，保证镶块坯件14与气缸盖本体9的完全贴合；气缸盖本体9的结合面预留一定的余量，气缸盖本体9与镶块坯件14压装完成后，形成组合件，使用机床对组合件进行机加工，去除镶块坯件14上的底座，也即使底座与预燃室镶块3分离，保留预燃室镶块3，最后对气缸盖本体9的结合面进行加工，去掉多余余量，使气缸盖本体9的结合面燃烧室镶块的底面平齐，形成气缸盖成品。
上述装配方法可以确保燃烧室镶块与气缸盖本体9的准确装配，提高产品质量。
以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.发动机气缸盖，包括气缸盖本体，其特征在于，还包括设置于所述气缸盖本体上的预燃室镶块，气缸盖本体内设置第一预燃室腔体，预燃室镶块内设置第二预燃室腔体以及与第二预燃室腔体和发动机的主燃烧室连通的喷射通道，喷射通道位于第二预燃室腔体和主燃烧室之间，第一预燃室腔体与第二预燃室腔体连通形成球形涡流燃烧室；
所述喷射通道的横截面的长度与宽度之间的比值控制在1.5~2.0；
所述喷射通道的横截面包括两个第一轮廓线和两个第二轮廓线，第一轮廓线和第二轮廓线均为圆弧形，两个第一轮廓线为对称布置，两个第二轮廓线为对称布置且两个第二轮廓线同轴，两个第一轮廓线之间的距离大于两个第二轮廓线之间的距离；
所述喷射通道的横截面还包括四个第三轮廓线，各个所述第一轮廓线的两端分别通过两个第三轮廓线与两个所述第二轮廓线连接。
2.根据权利要求1所述的发动机气缸盖，其特征在于，所述气缸盖本体内设置与所述第一预燃室腔体连通的喷油器孔，喷油器孔的轴线与扫气气流运动方向相切。
3.根据权利要求1所述的发动机气缸盖，其特征在于，所述第一预燃室腔体和所述第二预燃室腔体的直径大小相同，第一预燃室腔体和第二预燃室腔体的球心重合。
4.根据权利要求1所述的发动机气缸盖，其特征在于，所述喷射通道为倾斜设置，喷射通道的倾斜方向与所述球形涡流燃烧室相切。
5.根据权利要求4所述的发动机气缸盖，其特征在于，所述喷射通道的轴向与所述气缸盖本体的结合面之间的夹角控制在45°~60°。
6.根据权利要求1至5任一所述的发动机气缸盖，其特征在于，所述喷射通道的横截面积与活塞上涡流通道面积比应控制在1.2%~1.5%。
7.根据权利要求1至5任一所述的发动机气缸盖，其特征在于，所述第一轮廓线的直径小于所述第二轮廓线的直径。
8.根据权利要求7所述的发动机气缸盖，其特征在于，所述气缸盖本体采用铝合金铸造而成。
9.权利要求1至8任一所述的发动机气缸盖的装配方法，其特征在于，采用装配工装将镶块坯件安装在气缸盖本体上，镶块坯件包括底座和与底座固定连接预燃室镶块。
10.根据权利要求9所述的发动机气缸盖的装配方法，其特征在于，所述装配工装包括用于对所述气缸盖本体进行定位的第一定位机构和用于对所述镶块坯件进行定位第二定位机构，第一定位机构包括第一定位座和设置于第一定位座上的第一定位销，第二定位机构包括第二定位座和设置于第二定位座上的第二定位销。
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