CN116964305A - 一种用于车辆的燃烧系统及车辆 - Google Patents

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王瑞平
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Abstract

一种燃烧系统(100)及车辆，所述燃烧系统(100)可以包括进气道(10)、排气道(20)、进气门(30)和排气门(40)，所述进气门(30)轴线与排气门(40)的轴线的夹角为预设角度，且在进气门(30)关闭进气道(10)以及排气门(40)关闭排气道(20)时，进气门(30)的中心位置高于排气门(40)的中心位置。该燃烧系统(100)将进气门(30)的轴线和排气门(40)的轴线之间的夹角固定，再将进气门(30)的中心位置的高度设计为高于排气门(40)的中心位置的高度，使进气门(30)上部气流沿燃烧室(50)内部壁面和排气门(40)壁面进入燃烧室(50)内，减少排气门(40)附近流速死区，实现气体在燃烧室(50)内高滚流情况，提高发动机的燃烧系统(100)内气体的燃烧速度，提高发动机效率，同时满足发动机动力性需求。

Description

一种用于车辆的燃烧系统及车辆 技术领域
本发明涉及车辆技术领域，特别是涉及一种用于车辆的燃烧系统及车辆。
背景技术
随着油耗排放法规越来越严苛及混合动力技术的推广，越来越多主机厂开始开发混动专用汽油机，以实现更低油耗、更低排放和更好的驾驶性，而需要达到这些性能就需要有更高效燃烧系统的支撑。
现有的小缸径(缸径70～75mm)发动机中采用的燃烧系统，因其具有的进气门、排气门、进气道和燃烧室的结构导致气体由燃烧系统的进气道进入燃烧室后，气体的流量系数下降的幅度较大，进而导致燃烧室内的燃烧效率较低。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的用于车辆的燃烧系统及车辆。
本发明的一个目的在于提供一种解决现有技术中燃烧系统无法同时满足缸内高滚流性能的问题的燃烧系统。
本发明的一个进一步的目的在于解决现有技术中发动机的燃烧效率较低的问题。
本发明的另一个目的在于提供一种包含上述燃烧系统的车辆。
特别地，根据本发明实施例的一方面提供了一种用于车辆的燃烧系统，包括：
进气道、排气道、进气门和排气门，所述进气门的一端穿过所述进气道的一端以开启或关闭所述进气道，所述排气门的一端穿过所述排气道以开启或关闭所述排气道的一端；其中，
所述进气门的轴线与所述排气门的轴线的夹角为预设角度；且
在所述进气门关闭所述进气道同时所述排气门关闭所述排气道时，所述进气门的中心位置高于所述排气门的中心位置。
可选地，所述进气门的中心位置与所述排气门的中心位置的高度差为0.5-1mm。
可选地，所述预设角度为35～50°。
可选地，还包括燃烧室，所述进气道和所述排气道均与所述燃烧室连通；
所述进气门的端部通过所述进气道的出口伸入到所述燃烧室，并且所述燃烧室的内壁在靠近所述进气道的出口位置处构造成部分包裹所述进气门的端部的遮蔽结构。
可选地，所述遮蔽结构位于所述进气门远离所述排气门的一侧。
可选地，所述遮蔽结构包括导气壁和抵接台，在沿着所述进气门的轴线所在平面进行剖切的截面为台阶状结构；所述导气壁构造成与所述进气门的轴线平行；且
所述抵接台构造成与所述进气门的端部的轮廓相适应的结构，并且在所述进气门关闭所述进气道时，所述进气门抵接在所述抵接台处。
可选地，所述遮蔽结构在沿着垂直所述进气门的轴线进行剖切所形成的截面为与所述进气门的端部结构相适应的圆弧形，所述圆弧形的所对应的圆心角为110°～180°。
可选地，所述遮蔽结构还构造成，在所述进气门关闭所述进气道时，所述进气门与所述导气壁的最小距离为0.6-1mm。
可选地，所述遮蔽结构的所述导气壁在沿着所述进气门的轴线方向上的高度为3-5mm。
可选地，所述进气道的中轴线与水平面的夹角为15-20°。
可选地，还包括活塞；
所述活塞的顶部中间位置设置有凹坑，所述凹坑的底端与顶端的垂直距离为0.5-1mm。
可选地，所述活塞顶端设置有避让槽，所述避让槽的位置与所述进气门和所述排气门的位置相匹配。
可选地，所述进气门的数量为两个，共用一个所述进气道；
所述排气门的数量为两个，共用一个所述排气道；
所述避让槽的数量为所述进气门和所述排气门的数量的总和。
可选地，所述燃烧室内设置有挤气结构；
所述活塞的顶部的所述凹坑的外周设置有挤气面；
所述挤气结构和所述挤气面相互匹配。
可选地，还包括火花塞和喷油嘴，
所述火花塞和所述喷油嘴均设置在所述进气门和所述排气门之间。
可选地，两个所述进气门和两个所述排气门顶端中心的连线形成长方形；
所述火花塞和所述喷油嘴并排设置在所述长方形的其中一条中线上，并且所述火花塞和所述喷油嘴位于所述长方形的另一条中线的两侧。
特别地，本发明还提供一种车辆，包括上面所述的用于车辆的燃烧系统。
本发明的燃烧系统将进气门的轴线和排气门的轴线之间的夹角固定，再将进气门的中心位置的高度设计为高于排气门的中心位置的高度，使进气门上部气流沿燃烧室内部壁面和排气门壁面进入燃烧室内，减少排气门附近流速死区，实现气体在燃烧室内高滚流情况，提高发动机的燃烧系统内气体的燃烧速度，提高发动机效率，同时满足发动机动力性需求。
进一步地，本发明的燃烧系统在进气门下部设计遮蔽结构，可减少进气门下部气流，尤其是减少低升程(升程<3～5mm)时进气门下部气流，促使流动分离，使大部分气流从进气门上部进入燃烧室，低升程滚流比大幅提高，加快油气混合，提高混合气分布均匀程度，加快燃烧速度。同时本实施例中燃烧系统在进气门下部设计遮蔽结构，可减少进气门下部气流，引导气流流向排气侧，减少进气冲程初期反向滚流，有利于燃烧室内形成大尺度正向滚流。
进一步地，按照本发明的进气道设置的角度，使得本发明的进气道的入口较低。由于高滚流气道内部大部分气流经进气门上部进入燃烧室，进气道的入口降低后，进气道能够引导大部分气流流向进气门上部，有效提高高滚流进气道的流量系数。
进一步地，本发明的活塞的四个避让槽以及中心大凹坑设计，在气体 由进气道的进气门端部的右上方进入燃烧室内后，会沿着燃烧室内壁形成滚流，而活塞上部浅凹坑的设计可以保证在该滚流气体流向活塞时可以沿着浅凹坑流动，使进气冲程滚流更易保持，活塞到达压缩上止点时较强气流破碎，产生较强湍动能，避免火焰初期传播时与活塞的顶面接触产生淬熄，改善燃烧效率。
本发明的喷油嘴采用中间布置，使得燃烧控制策略更灵活。在实际使用过程中，可采用多次喷油策略，在火花塞中心形成较浓混合气，提高燃烧稳定性。同时在起燃工况下，能加速三元催化器起燃。同时，喷油嘴和火花塞保持适当的距离可以防止因油束和火花塞电极接触，在火花塞电极上产生油膜，导致火花塞积碳等问题。
进一步地，本发明中燃烧室内的挤气结构可将气体流动挤向气缸中心，活塞运动到上止点时，通过挤气结构和挤气面的配合，可以使气体的滚流破碎，在燃烧室中间位置形成较强湍流强度，提高火焰传播速度，降低爆震倾向。此外，活塞周围挤气面和燃烧室的挤气结构匹配设计，有利于缸内滚流保持，形成较高湍流强度，同时可以避免火焰初期传播时与活塞顶面接触产生淬熄，改善燃烧效率。
此外，本发明的燃烧系统的喷油嘴在喷油时，按照本实施例的燃烧系统的结构，油束会在活塞顶部形成空气层，减少油束和活塞顶接触碰壁，降低碳烟排放风险。提高燃烧效率。最终，在使用了本发明的燃烧系统后，燃烧系统的最高热效率可提升2％～3％。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一个实施例的燃烧系统的示意性截面图；
图2是根据本发明一个实施例的燃烧系统的示意性俯视图；
图3是根据本发明一个实施例的燃烧系统的遮蔽结构的放大示意图；
图4是根据本发明一个实施例的燃烧系统的活塞的示意性俯视图；
图5是根据本发明一个实施例的燃烧系统的示意性截面简图。
图6是按照图2中的剖切线A-A进行剖切后的示意性截面图；
图7是按照图2中的剖切线B-B进行剖切后的示意性截面图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
作为本发明一个具体的实施例，如图1和图2所示，本实施例的燃烧系统100可以包括进气道10、排气道20、进气门30、排气门40、燃烧室50、喷油嘴60、火花塞70和活塞80。进气道10位于进气门30的侧边。具体地，如图1所示，进气道10可以位于进气门30的左侧边。排气道20位于排气门40的侧边，并且进气门30的一个端部穿过进气道10的出口11，以开启和关闭进气道10。具体地，排气道20可以位于排气门40的右侧边，且排气门40的一个端部穿过排气道20的入口21以开启和关闭排气道20。并且具体地，本实施例中的进气门30和排气门40均可以包含两个。进气道10和排气道20均与燃烧室50连通，气体由进气道10的入口12进入进气道10，再由进气道10的出口11进入到燃烧室50内燃烧，气体燃烧后再由排气道20的入口21进入排气道20，再由排气道20的出口22排出，进气门30和排气门40则用来开启和关闭对应的进气道10和排气道20。具体地，本实施例的燃烧系统100更适用于小缸径(缸径70～75mm)的发动机。
具体地，如图1所示，由于进气门30的轴线与排气门40的轴线的夹角会影响气体进入到燃烧室50内的滚流大小，本实施例的燃烧系统100的进气门30的轴线与排气门40的轴线的夹角为预设夹角θ，且在进气门30关闭(或者称堵住)进气道10同时排气门40关闭(或者称堵住)排气道20时，进气门30的中心位置高于排气门40的中心位置。本实施例中，进气门30 的中心位置可以是指进气门30的几何中心位置。同样地，排气门40的中心位置可以是指排气门40的几何中心位置。当然，在进气门30和排气门40分别堵住进气道10和排气道20时，进气门30和排气门40的几何中心的位置的高度差与进气门30和排气门40的最低点位置的高度差相同。在实际设计该高度差时，可以将进气道10的出口11位置与排气道20的入口21位置设计出高度差，使得在进气门30关闭进气道10同时排气门40关闭排气道20时，进气门30的中心位置高于排气门40的中心位置。
本实施例中将进气门30的轴线和排气门40的轴线之间的夹角固定，再将进气门30的中心位置的高度设计为高于排气门40的中心位置的高度，使进气门30上部气流沿燃烧室50内部壁面和排气门40壁面进入燃烧室内，减少排气门40附近流速死区，实现气体在燃烧室50内高滚流情况，提高发动机的燃烧系统内气体的燃烧速度，提高发动机效率，同时满足发动机动力性需求。
具体地，本实施例中的预设角度θ可以是35～50°。例如θ可以是35°、40°或50°。本实施例中进气门30的中心位置与排气门40的中心位置的高度差a为0.5-1mm。例如a可以是0.5mm、0.8mm或1mm。本实施例的进气门30的轴线与排气门40的轴线的该夹角设计结合进气门30的中心位置与排气门40的中心位置的该高度差可以保证气体在由进气门30上部气流沿燃烧室50内部壁面和排气门40壁面进入燃烧室内时，减少排气门40附近流速死区，实现气体在燃烧室50内高滚流情况。
作为一个实施例，如图1和图3所示，本实施例中进气门30的端部穿过进气道10的出口11伸入到燃烧室50内，并且燃烧室50的内壁在靠近进气道10的出口位置处构造成部分包裹进气门30的端部的遮蔽结构90。
具体地，本实施例的遮蔽结构90仅仅设置在沿着进气门30的端部的远离排气门40一侧的燃烧室50内壁处。具体地，按照图1和图3中所示，本实施例的遮蔽结构90位于进气门30的左下部位置处。在进气门30的端部的右上部位置处不包含遮蔽结构。由于遮蔽结构90的存在，使得从进气道10流向燃烧室50的气体大部分从进气门40的端部的右上部位置处流进燃烧室50。又因为进气门30的中心位置的高度高于排气门40的中心位置的高度，使得从进气门30右上方进入到燃烧室50内的气体会沿着燃烧室50的内壁进行流动，进而更容易形成湍流。
具体地，本实施例的遮蔽结构90可以包括导气壁91和抵接台92，并且在沿着进气门30的轴线所在平面进行剖切的截面为台阶状结构。导气壁91构造成基本上与进气门30的中轴线平行，而抵接台92构造成基本上与进气门30的端部的靠近进气道10一侧的轮廓结构相适应，并且在进气门30堵住进气道10时，进气门30抵接在抵接台92处。
具体地，遮蔽结构90在沿着垂直进气门30的轴线进行剖切所形成的截面为与进气门30的端部结构相适应的圆弧形(如图2所示)，该段圆弧对应的圆心角(即，圆弧形的中心与圆弧形所形成的扇形的角度)β为110°～180°。例如β可以是110°、120°、150°或180°。
更为具体地，本实施例的遮蔽结构90构造成在进气门30堵住进气道10时，进气门30与导气壁91的最小距离为b，其中b可以为0.6-1mm。例如b可以是0.6mm、0.8mm或1mm。此外，遮蔽结构90的导气壁91在沿着进气门30的轴线方向上的高度c可以为3-5mm。例如c可以是3mm、4mm或5mm。
本实施例的燃烧系统100在进气门30下部设计遮蔽结构90，可减少进气门30下部气流，尤其是减少低升程(升程<3～5mm)时进气门30下部气流，促使流动分离，使大部分气流从进气门30的右上部进入燃烧室50，低升程滚流比大幅提高，加快油气混合，提高混合气分布均匀程度，加快燃烧速度。同时，本实施例中燃烧系统100在进气门30的左下部设计遮蔽结构90，可减少进气门30下部气流，引导气流流向排气侧，减少进气冲程初期反向滚流，有利于燃烧室50内形成大尺度正向滚流。
作为一个具体的实施例，进气道10的中轴线与水平面的夹角α为15-20°(如图1所示)。例如α可以是15°、16°或20°。按照本实施例的进气道10设置的角度，使得本实施例的进气道10的入口12较低。由于高滚流气道内部大部分气流经进气门30的右上部进入燃烧室50，将进气道10的入口12降低后，导致进气道10能够引导更大部分气流流向进气门30的右上部，有效提高高滚流进气道10的流量系数。
基于本实施例将进气门30中心高度高于排气门40中心高度，结合将进气道10的入口12设计的较低，使得本实施例的燃烧系统100保证了气体进入到燃烧室50内时气体处于高滚流和高流量系数的状态。
作为一个实施例，如图4和图5所示，燃烧系统100还可以包括活塞80。 活塞80可在发动机的气缸内往复运行，活塞80的顶面构成燃烧室50的底面。活塞80在发动机的气缸内往复运动使得燃烧室50的容积相应地变化。
作为一个实施例，本实施例的活塞80的顶部中间位置还设置有凹坑82，该凹坑82由活塞80的接近侧壁位置为起点向内凹陷，形成一个大的浅凹坑。具体地，凹坑82的底部的高度低于其它位置的高度。凹坑82的底端与顶端的垂直距离d可以为0.5-1mm。例如，d可以是0.5mm、0.8mm或1mm。
作为一个具体的实施例，活塞80顶端设置有避让槽81，避让槽81的位置与进气门30和排气门40的位置相匹配。具体地，本实施例中包含一个进气道10、两个进气门30、一个排气道20和两个排气门40。两个进气门30共用一个进气道10，两个排气门40共用一个排气道20。避让槽81的数量与进气门30和排气门40的数量总和相同。具体地，本实施例中活塞80顶部的避让槽81设计有四个，并且四个避让槽81的尺寸和位置分别与对应的进气门30和排气门40相适应。
本实施例的活塞80的四个避让槽81以及中心大凹坑82设计，在气体由进气道10的进气门30端部的右上方进入燃烧室50内后，会沿着燃烧室50内壁形成滚流，而活塞80上部浅凹坑82的设计可以保证在该滚流气体流向活塞80时可以沿着浅凹坑82流动，使进气冲程滚流更易保持。在活塞80到达压缩上止点时，燃烧室内的较强气流被破碎，产生较强湍动能，避免火焰初期传播时与活塞80的顶面接触产生淬熄，改善燃烧效率。
作为一个实施例，如图2、图6和图7所示，燃烧室50内设置有挤气结构51(图2所示)。活塞80的顶部的凹坑82的外周设置挤气面83，挤气结构51和挤气面83相互匹配。具体地，燃烧室50内的挤气结构51位于燃烧室上部的侧壁位置处。该挤气结构51设置为台阶状挤气结构或者向内收的斜面挤气结构。例如图6中左边为台阶状挤气结构511，右边为斜面挤气结构512，也就是说，燃烧室50的左侧设置有台阶状挤气结构511，右侧设置有斜面挤气结构512。而图7中，则两边都为台阶状挤气结构511，也就是说，燃烧室50的前侧和后侧均设置有台阶状挤气结构511。活塞80上部的浅凹坑82的外周的挤气面83为平面。该平面与台阶状挤气结构511相互平行。本实施例中燃烧室50内的挤气结构51可将气体流动挤向气缸中心，活塞80运动到上止点时，通过挤气结构51和挤气面83的配合，可以使气体的滚流破碎，在燃烧室50中间位置形成较强湍流强度，提高火焰传播速 度，降低爆震倾向。此外，活塞80周围挤气面83和燃烧室50的挤气结构51匹配设计，有利于缸内滚流保持，形成较高湍流强度，同时可以避免火焰初期传播时与活塞80顶面接触产生淬熄，改善燃烧效率。
作为一个具体的实施例，本实施例的燃烧系统100的火花塞70和喷油嘴60均设置在进气门30和排气门40之间(如图2所示)。具体地，两个进气门30和两个排气门40顶端中心的连线形成长方形。火花塞70和喷油嘴60并排设置在长方形的其中一条中线上，并且火花塞70和喷油嘴60位于长方形的另一条中线的两侧。
本实施例的喷油嘴60采用中间布置，使得燃烧控制策略更灵活。在实际使用过程中，可采用多次喷油策略，在火花塞70中心形成较浓混合气，提高燃烧稳定性。同时在起燃工况下，加速三元催化器起燃。同时，喷油嘴60和火花塞70保持适当的距离可以防止因油束和火花塞70电极接触，在火花塞70电极上产生油膜，导致火花塞70积碳等问题。
此外，由于挤气结构51和挤气面83的配合可以使气体的滚流破碎，在燃烧室50中间位置也就是火花塞70的周围形成较强湍流强度，可以提高火焰传播速度，降低爆震倾向。
此外，本实施例的燃烧系统100的喷油嘴在喷油时，按照本实施例的燃烧系统100的结构，油束会在活塞80顶部形成空气层，减少油束和活塞顶接触碰壁，降低碳烟排放风险，提高燃烧效率。最终，在使用了本实施例的燃烧系统后，燃烧系统的最高热效率可提升2％～3％。
作为一个具体的实施例，本实施例还提供一种车辆，该车辆包括上面的燃烧系统100。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (17)

  1. 一种用于车辆的燃烧系统，包括：
    进气道、排气道、进气门和排气门，所述进气门的一端穿过所述进气道的一端以开启或关闭所述进气道，所述排气门的一端穿过所述排气道以开启或关闭所述排气道的一端；其中，
    所述进气门的轴线与所述排气门的轴线的夹角为预设角度；且
    在所述进气门关闭所述进气道同时所述排气门关闭所述排气道时，所述进气门的中心位置高于所述排气门的中心位置。
  2. 根据权利要求1所述的用于车辆的燃烧系统，其中，
    所述进气门的中心位置与所述排气门的中心位置的高度差为0.5-1mm。
  3. 根据权利要求1所述的用于车辆的燃烧系统，其中，
    所述预设角度为35～50°。
  4. 根据权利要求1所述的用于车辆的燃烧系统，还包括燃烧室；其中，
    所述进气道和所述排气道均与所述燃烧室连通；
    所述进气门的端部通过所述进气道的出口伸入到所述燃烧室，并且所述燃烧室的内壁在靠近所述进气道的出口位置处构造成部分包裹所述进气门的端部的遮蔽结构。
  5. 根据权利要求4所述的用于车辆的燃烧系统，其中，
    所述遮蔽结构位于所述进气门远离所述排气门的一侧。
  6. 根据权利要求4所述的用于车辆的燃烧系统，其中，
    所述遮蔽结构包括导气壁和抵接台，在沿着所述进气门的轴线所在平面进行剖切的截面为台阶状结构；
    所述导气壁构造成与所述进气门的轴线平行；且
    所述抵接台构造成与所述进气门的端部靠近所述进气道一侧的轮廓结构相适应，并且在所述进气门关闭所述进气道时，所述进气门抵接在所述抵接台处。
  7. 根据权利要求4所述的用于车辆的燃烧系统，其中，
    所述遮蔽结构在沿着垂直所述进气门的轴线进行剖切所形成的截面为与所述进气门的端部结构相适应的圆弧形，所述圆弧形所对的圆心角为110°～180°。
  8. 根据权利要求6所述的用于车辆的燃烧系统，其中，
    所述遮蔽结构还构造成，在所述进气门关闭所述进气道时，所述进气门与所述导气壁的最小距离为0.6-1mm。
  9. 根据权利要求6所述的用于车辆的燃烧系统，其中，
    所述遮蔽结构的所述导气壁在沿着所述进气门的轴线方向上的高度为3-5mm。
  10. 根据权利要求1-9中任一项所述的用于车辆的燃烧系统，其中，
    所述进气道的中轴线与水平面的夹角为15-20°。
  11. 根据权利要求4所述的用于车辆的燃烧系统，还包括活塞；
    所述活塞的顶部中间位置设置有凹坑，所述凹坑的底端与顶端的垂直距离为0.5-1mm。
  12. 根据权利要求11所述的用于车辆的燃烧系统，其中，
    所述活塞顶端设置有避让槽，所述避让槽的位置与所述进气门和所述排气门的位置相匹配。
  13. 根据权利要求12所述的用于车辆的燃烧系统，其中，
    所述进气门的数量为两个，共用一个所述进气道；
    所述排气门的数量为两个，共用一个所述排气道；
    所述避让槽的数量为所述进气门和所述排气门的数量的总和。
  14. 根据权利要求11所述的用于车辆的燃烧系统，其中，
    所述燃烧室内设置有挤气结构；
    所述活塞的顶部的所述凹坑的外周设置有挤气面；
    所述挤气结构和所述挤气面相互匹配。
  15. 根据权利要求13所述的用于车辆的燃烧系统，还包括火花塞和喷油嘴，
    所述火花塞和所述喷油嘴均设置在所述进气门和所述排气门之间。
  16. 根据权利要求15所述的用于车辆的燃烧系统，其中，
    两个所述进气门和两个所述排气门顶端中心的连线形成长方形；
    所述火花塞和所述喷油嘴并排设置在所述长方形的其中一条中线上，并且所述火花塞和所述喷油嘴位于所述长方形的另一条中线的两侧。
  17. 一种车辆，包括权利要求1-16中任一项所述的用于车辆的燃烧系统。
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