CN116104629A - 一种凸轮驱动式点火室发动机 - Google Patents

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葛平淑
张涛
宫长明
赵秀春
岑英伟
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Abstract

本发明提供一种凸轮驱动式点火室发动机，属于内燃机领域。凸轮驱动式点火室发动机包括缸盖、进气系统、排气系统、用于控制点火室机构内点火室换气气门打开的点火室换气凸轮和点火室机构。点火室换气凸轮设置在进气凸轮轴或排气凸轮轴或单独设置的换气凸轮轴上；在进气冲程，点火室换气凸轮直接或通过点火室换气摇臂驱动点火室换气气门打开，使储气罐或进气道的新鲜空气或可燃气体进入点火室，使点火室内残余废气有效排出，新鲜空气或可燃气体通过点火室换气气门有效充入点火室，从而大幅提高点火室着火稳定性，有效拓展稀薄燃烧极限，达到提高发动机热效率的目的。

Description

一种凸轮驱动式点火室发动机
技术领域
本发明涉及一种凸轮驱动式点火室发动机，属于内燃机领域。
背景技术
点火室点火能量高，多应用于稀薄燃烧发动机，可有效提高热效率。火花塞点燃点火室内适于点燃和火焰传播的稍浓混合气，点火室内浓混合气快速燃烧使得点火室与主燃室间形成短时的高压差和温差。此时点火室内火焰会由于压差作用通过点火室喷孔快速射入主燃室内，引燃主燃室内的混合气，国内外关于凸轮驱动式点火室发动机进行了许多的研究。名古屋工业大学的Yamaguchi等人研究了点火室喷孔参数对于过程的影响，指出喷孔直径较小的复合引燃点火模式是最有利的燃烧方式。然而，由于点火室喷孔直径较小，存在排气过程中点火室内残余废气无法有效排出，进而进气过程中发动机主燃室内新鲜空气无法充分进入点火室，造成点火室内残余废气浓度过大，从而造成下一循环时点火室内燃料无法有效着火，严重影响点火室的着火稳定性。此外，大连理工大学孙奇在《点火室式JCCI发动机燃料喷射策略研究》中指出导致点火室燃烧失败的主要因素是点火室进气与燃烧废气清扫不彻底。因此，通过设计可灵活换气的凸轮驱动式点火室发动机对于其推广应用极为重要。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明公开了一种凸轮驱动式点火室发动机。通过在点火室上设置点火室换气气门，采用点火室换气凸轮在发动机进气冲程驱动点火室换气气门打开，进而使新鲜空气或可燃气体通过点火室换气气门有效充入点火室，残余废气再由排气道有效排出，往复不断循环，从而大幅提高点火室着火稳定性。
本发明采用的技术方案是：一种凸轮驱动式点火室发动机，包括缸盖、进气系统、排气系统、用于控制点火室机构内点火室换气气门的点火室换气凸轮和点火室机构；所述的点火室机构包括点火室、点火室喷射器、点火室火花塞、点火室换气气门、点火室换气气门复位弹簧、点火室进气口、点火室喷孔；点火室换气凸轮设置在进气凸轮轴或排气凸轮轴或单独设置的换气凸轮轴上；所述位于缸盖顶部的点火室伸入缸盖的内部，点火室喷射器、点火室火花塞、点火室换气气门均伸入点火室的内部，点火室喷射器和点火室火花塞位于点火室换气气门的两侧，点火室进气口通过点火室换气气门与点火室连通，点火室换气气门与点火室换气气门复位弹簧机械连接，点火室换气气门复位弹簧底端安装在点火室换气气门复位弹簧座上，点火室换气气门复位弹簧座设置在点火室上，点火室通过点火室喷孔与主燃室相连通。
进气系统包括进气道、进气凸轮、进气凸轮轴、进气摇臂、第一进气门、第二进气门、第一进气门复位弹簧、第二进气门复位弹簧；进气凸轮设置在进气凸轮轴上；进气凸轮与进气摇臂接触，第一进气门复位弹簧和第二进气门复位弹簧分别与第一进气门和第二进气门机械连接，另外第一进气门和第二进气门与进气摇臂均可分离式接触，所述的进气凸轮通过进气摇臂间接驱动第一进气门和第二进气门。
排气系统包括排气道、排气凸轮、排气凸轮轴、排气摇臂、第一排气门、第二排气门、第一排气门复位弹簧、第二排气门复位弹簧；排气凸轮设置在排气凸轮轴上；排气凸轮与排气摇臂接触，第一排气门复位弹簧和第二排气门复位弹簧分别与第一排气门和第二排气门机械连接，另外第一排气门和第二排气门与排气摇臂均可分离式接触，所述的排气凸轮通过排气摇臂间接驱动第一排气门和第二排气门。
点火室换气凸轮通过点火室换气摇臂或换气凸轮轴驱动点火室换气气门。即所述的点火室换气凸轮设置在进气凸轮轴或排气凸轮轴时，点火室换气凸轮通过点火室换气摇臂驱动点火室机构内的点火室换气气门；或者点火室换气凸轮单独设置在换气凸轮轴上，点火室换气凸轮通过换气凸轮轴驱动点火室机构内的点火室换气气门。
所述的进气道位于缸盖的一侧，进气道一端与发动机进气管连通，另一端通过进气门与主燃室连通。
所述排气道位于缸盖的另一侧，排气道一端与主燃室连通，另一端通过排气门与排气管连通。
进气系统包括进气道、进气凸轮、进气凸轮轴、第一进气门、第二进气门、第一进气门复位弹簧、第二进气门复位弹簧；进气凸轮设置在进气凸轮轴上；第一进气门复位弹簧和第二进气门复位弹簧分别与第一进气门和第二进气门机械连接，第一进气门和第二进气门位于缸盖两侧，所述的进气凸轮直接驱动第一进气门和第二进气门。
排气系统包括排气道、排气凸轮、排气凸轮轴、第一排气门、第二排气门、第一排气门复位弹簧、第二排气门复位弹簧；排气凸轮设置在排气凸轮轴上；第一排气门复位弹簧和第二排气门复位弹簧分别与第一排气门和第二排气门机械连接，第一排气门和第二排气门位于缸盖两侧，所述的排气凸轮直接驱动第一排气门和第二排气门。
进一步地，所述的点火室进气口与外部储气罐相连接，或与进气道相连接；所述储气罐内可为压缩空气或氢气、天然气、醚类等可燃气体；进入点火室进气口的气体为助燃气体和引燃气体；所述的助燃气体为空气，所述的引燃气体为氢气、天然气、甲烷中的一种或多种；发动机主燃料为柴油、汽油、天然气、氨气、甲醇、乙醇中的一种或多种，点火室可燃燃料为液体燃料或气体燃料，所述液体燃料为甲醇或乙醇或汽油，所述气体燃料为醚类、天然气、氢气、重整气中的一种或多种。
进一步的，所述的点火室可燃燃料的进入方式为从点火室喷火器喷入，或从点火室进气口喷入，或从点火室喷射器和点火室进气口一同喷入。
所述的点火室换气气门与点火室换气气门复位弹簧机械连接，在点火室换气凸轮处于零升程时确保点火室换气气门关闭。
在进气冲程，进气凸轮直接或间接通过进气摇臂向下推开第一进气门和第二进气门，进气道中新鲜空气通过第一进气门和第二进气门进入气缸，此时第一进气门复位弹簧和第二进气门复位弹簧被压缩，进气道中的新鲜空气通过第一进气门和第二进气门进入气缸，同时发动机的曲轴通过皮带轮或齿轮带动进气凸轮轴或排气凸轮轴，进而带动点火室换气凸轮转动，或发动机的曲轴通过皮带轮或齿轮带动点火室换气凸轮进行转动，使点火室换气气门向下移动，此时点火室换气气门复位弹簧被压缩，使得点火室换气气门打开，进而使进气道中的新鲜空气或可燃混合气进入点火室，推动点火室内残余废气通过点火室喷孔进入主燃室，有效稀释点火室内残余废气，从而保障点火室在做功冲程的稳定燃烧。
在压缩冲程，进气凸轮、排气凸轮、点火室换气凸轮均处于零升程位置，第一进气门、第二进气门、点火室换气气门、第一排气门和第二排气门均保持关闭状态。在压缩上止点附近，通过点火室喷射器或点火室进气口喷入燃料；在随后的做功冲程中，点火室火花塞点燃可燃燃料，被点燃的火焰通过点火室喷孔喷入主燃室，触发缸内燃料燃烧。在排气冲程中，排气凸轮直接或间接通过排气摇臂向下推开第一排气门和第二排气门，此时第一排气门复位弹簧和第二排气门复位弹簧被压缩，主燃室内的残余废气再由排气道有效排出，并在随后的进气冲程点火室及主燃室内及时充入新鲜空气，从而保障燃料在气缸内的稳定燃烧，往复不断循环，达到大幅度提高点火室着火稳定性的目的。
针对点火室式发动机点火室喷孔直径较小，排气过程中点火室内残余废气无法有效排出，进气过程中发动机主燃室内新鲜空气无法充分进入点火室，造成点火室内残余废气浓度过大，从而造成下一循环点火室内燃料无法有效着火的问题，本发明公开一种凸轮驱动式点火室发动机，其有益效果是：
(1)通过在点火室上设置点火室换气气门，在发动机进气冲程驱动点火室换气气门打开，使点火室内残余废气有效排出，新鲜空气或可燃气体通过点火室换气气门有效充入点火室，从而大幅提高点火室着火稳定性，从而有效拓展稀薄燃烧极限，达到提高发动机热效率的目的。
(2)采用点火室换气凸轮直接或通过点火室换气摇臂驱动点火室换气气门，结构简单，系统可靠，成本低。
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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为凸轮驱动式点火室发动机实施例1的结构图视图1
图2为凸轮驱动式点火室发动机实施例2的结构图视图2
图3为凸轮驱动式点火室发动机的点火室机构结构图
图4为凸轮驱动式点火室发动机的点火室机构剖面图
图5为凸轮驱动式点火室发动机实施例3的结构图视图
图6为凸轮驱动式点火室发动机实施例4的结构图视图
图中：1、缸盖，2、进气道，3、排气道，4、进气凸轮轴，5、排气凸轮轴，6、进气凸轮，7、点火室换气凸轮，8、进气摇臂，9、点火室换气摇臂，10、第一进气门，11、第二进气门，12、第一进气门复位弹簧，13、第二进气门复位弹簧，14、点火室，15、点火室喷射器，16、点火室火花塞，17、点火室换气气门，18、点火室换气气门复位弹簧，19点火室进气口，20、点火室喷孔，21、排气凸轮，22、排气摇臂，23、第一排气门，24、第二排气门，25、第一排气门复位弹簧，26、第二排气门复位弹簧，27、换气凸轮轴,28、点火室换气气门复位弹簧座。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。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。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。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
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。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、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授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，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示例可以具有不同的值。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。
为能进一步了解本发明的发明内容，结合附图对本发明详细说明如下：
实施例1：
如图1～4所示，一种凸轮驱动式点火室发动机，包括缸盖1、进气道2、排气道3、进气凸轮轴4、排气凸轮轴5、进气凸轮6、点火室换气凸轮7、进气摇臂8、点火室换气摇臂9、第一进气门10、第二进气门11、第一进气门复位弹簧12、第二进气门复位弹簧13、点火室14、点火室喷射器15、点火室火花塞16、点火室换气气门17、点火室换气气门复位弹簧18、点火室进气口19、点火室喷孔20、排气凸轮21、排气摇臂22、第一排气门23、第二排气门24、第一排气门复位弹簧25和第二排气门复位弹簧26。点火室换气凸轮7设置在进气凸轮轴4；所述位于缸盖1顶部的点火室14伸入缸盖1的内部，点火室喷射器15、点火室火花塞16、点火室换气气门17均伸入点火室14的内部，点火室喷射器15和点火室火花塞16位于点火室换气气门17的两侧，点火室进气口19通过点火室换气气门17与点火室14连通，点火室换气气门17与点火室换气气门复位弹簧18机械连接，点火室换气气门复位弹簧18底端安装在点火室换气气门复位弹簧座28上，点火室换气气门复位弹簧座28设置在点火室14上，点火室14通过点火室喷孔20与主燃室相连通。
进气凸轮6通过进气摇臂8驱动第一进气门10和第二进气门11，点火室换气凸轮7通过点火室换气摇臂9驱动点火室换气气门17，排气凸轮21通过排气摇臂22驱动第一排气门23和第二排气门24；第一进气门复位弹簧12与第一进气门10机械连接，第二进气门复位弹簧13与第二进气门11机械连接，在进气凸轮6处于零升程时确保第一进气门10和第二进气门11关闭；点火室换气气门复位弹簧18与点火室换气气门17机械连接，在点火室换气凸轮7处于零升程时确保点火室换气气门17关闭；第一排气门复位弹簧25与第一排气门23机械连接，第二排气门复位弹簧26与第二排气门24机械连接，在排气凸轮21处于零升程时确保第一排气门23和第二排气门24关闭；点火室喷射器15喷入引燃燃料，点火室火花塞16点燃引燃燃料，被点燃的火焰通过点火室喷孔20喷入主燃室，触发缸内燃料燃烧。
点火室进气口19与进气道2相连接，发动机主燃料为柴油、汽油、天然气、氨气、甲醇、乙醇等，点火室燃料可为甲醇、乙醇等液体燃料或醚类、天然气、氢气、重整气等气体燃料；
在进气冲程，进气凸轮6间接通过进气摇臂8向下推开第一进气门10和第二进气门11，进气道2中新鲜空气通过第一进气门10和第二进气门11进入气缸，此时第一进气门复位弹簧12和第二进气门复位弹簧13被压缩，进气道2中的新鲜空气通过第一进气门10和第二进气门11进入气缸，同时发动机的曲轴通过皮带轮或齿轮带动进气凸轮轴，进而带动点火室换气凸轮转动，使点火室换气气门向下移动，此时点火室换气气门复位弹簧18被压缩，使得点火室换气气门17打开，进而使进气道2中的新鲜空气或可燃混合气进入点火室14，推动点火室14内残余废气通过点火室喷孔20进入主燃室，有效稀释点火室14内残余废气，从而保障点火室14在做功冲程的稳定燃烧。
在压缩冲程，进气凸轮6、排气凸轮21、点火室换气凸轮7均处于零升程位置，第一进气门10、第二进气门11、点火室换气气门17、第一排气门23和第二排气门24均处于关闭状态；在压缩上止点附近，通过点火室喷射器15喷入燃料；在随后的做功冲程中，点火室火花塞16点燃可燃燃料，被点燃的火焰通过点火室喷孔20喷入主燃室，触发缸内燃料燃烧。在排气冲程中，排气凸轮21间接通过排气摇臂22向下推开第一排气门23和第二排气门24，此时第一排气门复位弹簧25和第二排气门复位弹簧26被压缩，主燃室内的残余废气再由排气道3有效排出，并在随后的进气冲程点火室14和主燃室及时充入新鲜空气，从而保障燃料在气缸内的稳定燃烧，往复不断循环，达到大幅度提高点火室着火稳定性的目的。
实施例2：
如图1～4所示，与实例1不同的是，与实例1不同的是，点火室进气口19与储气罐相连接，在进气冲程，点火室进气口19喷入可燃燃料，点火室火花塞16点燃可燃燃料，被点燃的火焰通过点火室喷孔21喷入主燃室，触发缸内燃料燃烧，从而提高点火室点火稳定性。
实施例3：
如图5所示，与实施例1不同的是，点火室换气凸轮7设置在排气凸轮轴5上，点火室换气凸轮7通过点火室换气摇臂9驱动点火室换气气门17。
实施例4：如图6所示，与实施例1不同的是，
进气系统不包括进气摇臂8；进气凸轮6设置在进气凸轮轴4上，进气凸轮6直接驱动第一进气门10和第二进气门11；
排气系统不包括排气摇臂22；排气凸轮21设置在排气凸轮轴5上，排气凸轮21直接驱动第一排气门23和第二排气门24；
点火室换气凸轮7设置在单独的换气凸轮轴27上，点火室换气凸轮7驱动点火室换气气门17。在进气冲程，进气凸轮6驱动第一进气门10和第二进气门11打开，进气道2中新鲜空气通过第一进气门10和第二进气门11进入气缸，同时发动机的曲轴通过皮带轮或齿轮带动点火室换气凸轮7进行转动，使点火室换气气门17向下移动，使进气道2或储气罐的新鲜空气或可燃气体进入点火室14，在压缩上止点附近，点火室进气口19和点火室喷射器15一同喷入可燃燃料，点火室火花塞16点燃可燃燃料，被点燃的火焰通过点火室喷孔21喷入主燃室，触发缸内燃料燃烧，从而提高点火室点火稳定性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种凸轮驱动式点火室发动机，包括缸盖(1)、进气系统、排气系统、用于控制点火室机构内点火室换气气门的点火室换气凸轮(7)和点火室机构；所述的点火室机构包括点火室(14)、点火室喷射器(15)、点火室火花塞(16)、点火室换气气门(17)、点火室换气气门复位弹簧(18)、点火室进气口(19)、点火室喷孔(20)；所述位于缸盖(1)顶部的点火室(14)伸入缸盖(1)的内部，点火室喷射器(15)、点火室火花塞(16)、点火室换气气门(17)均伸入点火室(14)的内部，点火室喷射器(15)和点火室火花塞(16)位于点火室换气气门(17)的两侧，点火室进气口(19)通过点火室换气气门(17)与点火室(14)连通，点火室换气气门(17)与点火室换气气门复位弹簧(18)机械连接，点火室换气气门复位弹簧(18)底端安装在点火室换气气门复位弹簧座(28)上，点火室换气气门复位弹簧座(28)设置在点火室(14)上，点火室(14)通过点火室喷孔(20)与主燃室相连通。
2.根据权利要求1所述的一种凸轮驱动式点火室发动机，其特征在于，所述的进气系统包括进气道(2)、进气凸轮(6)、进气凸轮轴(4)、进气摇臂(8)、第一进气门(10)、第二进气门(11)、第一进气门复位弹簧(12)、第二进气门复位弹簧(13)；进气凸轮(6)设置在进气凸轮轴(4)上；进气凸轮(6)与进气摇臂(8)接触，第一进气门复位弹簧(12)和第二进气门复位弹簧(13)分别与第一进气门(10)和第二进气门(11)机械连接，第一进气门(10)和第二进气门(11)与进气摇臂(8)均可分离式接触，所述的进气凸轮(6)通过进气摇臂(8)间接驱动第一进气门(10)和第二进气门(11)。
3.根据权利要求1所述的一种凸轮驱动式点火室发动机，其特征在于，所述的排气系统包括排气道(3)、排气凸轮(21)、排气凸轮轴(5)、排气摇臂(22)、第一排气门(23)、第二排气门(24)、第一排气门复位弹簧(25)、第二排气门复位弹簧(26)；排气凸轮(21)设置在排气凸轮轴(5)上；排气凸轮(21)与排气摇臂(22)接触，第一排气门复位弹簧(25)和第二排气门复位弹簧(26)分别与第一排气门(23)和第二排气门(24)机械连接，第一排气门(23)和第二排气门(24)与排气摇臂(22)均可分离式接触，所述的排气凸轮(21)通过排气摇臂(22)间接驱动第一排气门(23)和第二排气门(24)。
4.根据权利要求1所述的一种凸轮驱动式点火室发动机，其特征在于，所述的点火室换气凸轮(7)设置在进气凸轮轴(4)上，点火室换气凸轮(7)通过点火室换气摇臂(9)驱动点火室机构内的点火室换气气门(17)。
5.根据权利要求1所述的一种凸轮驱动式点火室发动机，其特征在于，所述的点火室换气凸轮(7)设置在排气凸轮轴(5)上，点火室换气凸轮(7)通过点火室换气摇臂(9)驱动点火室机构内的点火室换气气门(17)。
6.根据权利要求1所述的一种凸轮驱动式点火室发动机，其特征在于，所述的点火室换气凸轮(7)设置在换气凸轮轴(27)上，点火室换气凸轮(7)通过换气凸轮轴(27)驱动点火室机构内的点火室换气气门(17)。
7.根据权利要求1所述的一种凸轮驱动式点火室发动机，其特征在于，所述的进气系统包括进气道(2)、进气凸轮(6)、进气凸轮轴(4)、第一进气门(10)、第二进气门(11)、第一进气门复位弹簧(12)、第二进气门复位弹簧(13)；进气凸轮(6)设置在进气凸轮轴(4)上；第一进气门复位弹簧(12)和第二进气门复位弹簧(13)分别与第一进气门(10)和第二进气门(11)机械连接，第一进气门(10)和第二进气门(11)位于缸盖(1)两侧，所述的进气凸轮(6)直接驱动第一进气门(10)和第二进气门(11)。
8.根据权利要求1所述的一种凸轮驱动式点火室发动机，其特征在于，所述的排气系统包括排气道(3)、排气凸轮(21)、排气凸轮轴(5)、第一排气门(23)、第二排气门(24)、第一排气门复位弹簧(25)、第二排气门复位弹簧(26)；排气凸轮(21)设置在排气凸轮轴(5)上；第一排气门复位弹簧(25)和第二排气门复位弹簧(26)分别与第一排气门(23)和第二排气门(24)机械连接，第一排气门(23)和第二排气门(24)位于缸盖(1)两侧，所述的排气凸轮(21)直接驱动第一排气门(23)和第二排气门(24)。
9.根据权利要求1所述的一种凸轮驱动式点火室发动机，其特征在于，所述的点火室进气口(19)与外部储气罐相连接；所述储气罐内为压缩空气或可燃气体；进入点火室进气口(19)的气体为助燃气体和引燃气体；发动机主燃料为柴油、汽油、天然气、氨气、甲醇、乙醇中的一种或多种，点火室可燃燃料为液体燃料或气体燃料。
10.根据权利要求9所述的一种凸轮驱动式点火室发动机，其特征在于，点火室可燃燃料的进入方式为从点火室进气口(19)喷入,或从点火室喷射器(15)喷入，或从点火室进气口(19)和点火室喷射器(15)一同喷入。
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