CN1291257A - 内燃机 - Google Patents
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Abstract
一种内燃机,其进气道侧角(B)大于60°,并最好为101°±3°。排气门侧角(C)最好为93°±3°。进气门座(3)比排气门座(4)更靠近汽缸的纵轴线(8),连接气门座(3、4)几何中心点的假设线(16)偏离汽缸的直径线(7)。这些技术特征的结合使得发动机具有很高的功率输出比、低的燃油消耗率、低的一氧化碳和不完全燃烧碳氢化合物排放、以及低的排气温度,并在排气中具有很高的氧浓度。
Description
本发明涉及一种内燃机,并在本发明的一优选实施例中提供了一种高效率的单缸内燃机,这种发动机例如适于用在摩托车上、或用来驱动小型发电机、泵等类似的机械。尽管本发明的优选实施例是只涉及这样的小型发动机、更具体来讲是涉及小型单缸发动机的设计,但应当指出的是:本发明并不仅限于这样的设计,它的技术特征可应用在多缸发动机和较大型发动机的设计中。
考虑到这些应用条件,此处假设所讨论的发动机是这样进行定位的:汽缸的纵轴线处于垂直方向,曲轴的转动轴线为水平,这两条轴线相交在活塞几何中心正下方的某一个点处。在这样的定位布置中,汽缸盖位于活塞的上方,当由汽缸盖上方看下去时,气缸盖位于观察点和活塞顶之间。可以理解:在实际应用中,根据本发明实施方式的发动机并不需要一定这样进行定位,但由于将发动机布置成这样便于确定发动机各个零部件间的相对位置,所以在本文的描述中采用这样的定位形式。
在普通的顶置气门发动机中,每个汽缸都具有一个进气门和一个排气门。每个气门都和一个气门座配套。一个进气道将一个燃烧用空气(一般在其中混合了燃料)气源引接到进气门座部位,一个排气道将排气门座和一个排气口相连,排气口通常被连接到一个排气管和消音装置上。当从上方看时,进气道和排气道的纵向中心线一般为直线。从侧面看时,进气道和排气道的主体部分一般也是直的,只是在紧邻气门座的区段上气道方向可能发生一些变化。尽管气道的形状在靠近气门座的地方存在某些局部的变化,但从进气道和排气道的主体长度来看时,其纵向中心线的侧视结构也基本为直的。
进气道和排气道的纵向中心线的姿态可由两个夹角来确定,第一夹角(下文将称作为侧角)是将纵向中心线投影到一个垂直于汽缸纵轴线的平面上时、并将一条连接进/排气门座几何中心的假设线也投影到该平面内、两条投影线所成的角。另一个角(下文将称作为仰角)是气道的纵向中心线和所说平面所成的角。为了便于描述,当气道纵向中心线在所说平面上的投影线和连接进气门座和排气门座几何中心的假设线在该平面内的投影线方向一致、并且和假设线上与该气道连接的气门座那一侧的射线重合时,就定义该气道的侧角为零度,其中所讨论的气道远离另一个气门座。侧角都表示成正角的形式,也就是说,如果气道从0°位置顺时针转动X度或逆时针转动X度,气道的侧角都表示成X°。由此推导,侧角的最大可能值为180°,这个数值对应的情况是气道纵向中心线在垂直于汽缸纵轴线的平面上的投影和通过气门座几何中心的假设线上位于气门座几何中心之间的线段一致且重合。
为了对业已达成共识的小型内燃机的各个技术参数能产生怎样的技术效果有一个大体上的了解,可去查阅由P.E Irving所著、美国加利福尼亚州洛杉矶市的Clymer出版社出版的《摩托车工程》(国际标准书号ISBN 0-85113-075-5)一书中的第九章。从该书可看出,公认的是:要在摩托车用发动机大小的内燃机中实现燃料的充分燃烧,就要尽量在燃烧室内产生强烈的湍流或涡流。另一点公认的是:理想的涡流强度可通过将进气道相对于通过进气门座和排气门座几何中心的假设线的夹角调整到某一数值来实现,在该夹角状态下能产生所需的涡流强度,即:使进气道的侧角大于0°。另一点获得公认的是:尽管增加进气道的侧角能加剧旋流的程度,从而使发动机在中低转速时有较大扭矩,但另一方面,随着涡流的加剧,发动机的容积效率下降,导致在高转速时性能受到影响,相应限制了最大输出功率。事实上,在许多新型的发动机上,例如本田公司的GX160型发动机,尽管使进气道的侧角大于0°将增加缸内涡流这一公认的优点,其仍然采用了基本为0°的进气道侧角。一般公认的是:进气道的侧角不要超过18°。
下文,本文将公开如何在进气道侧角远大于在普通发动机设计中的可接受上限值的条件下,实现发动机性能的改善。
相应地,本发明的一个方面是提供一种内燃机,具有一个汽缸;一个在该汽缸内作往复运动的活塞;一个盖在汽缸上部的汽缸盖;一个安装在汽缸盖中的进气门;一个进气门座,进气门在关闭时顶靠在该气门座上;一个安装在汽缸盖中的排气门;一个排气门座,排气门在关闭时顶靠在该气门座上;一个燃烧气源;一个将燃烧气源连接到进气门座处的进气道;其中进气道的侧角大于60°。
汽缸盖可以和汽缸体分开制造,然后通过常见的措施固定在一起,汽缸盖也可以和汽缸体一起来整体制造。
在本发明的一优选实施例中,进气道侧角在60°到160°之间。为了避免产生疑义,此处公开的角度范围60°-160°可被看作是公开了此间任何一个下限在60°到160°之间、上限也在60°到160°之间的角度区间。
已经发现进气道侧角的最优值是在90°到112°之间,更具体来说是在95°到107°之间,最佳的角度值为101°±3°。进气道仰角的具体变化取决于发动机所希望的最大转速。对低速发动机而言,一个相对较小的仰角将产生最好的效果,而在高转速时大仰角则会表现出良好的性能。最佳仰角是在10°到60°之间。已经发现本发明不同实施方式的发动机在进气道仰角为24°±3°和55°±3°时均有满意的工作性能。
排气道的角度比起进气道角度来说,对发动机性能的影响就不是那么致关重要了。在本发明的优选实施方式中,排气道侧角在90°到95°之间,最佳值为93°,排气道仰角在3°到23°之间,其最佳值为13°。
已经发现,如果进气门座和排气门座相对于汽缸的纵轴线是非对称布置的,则发动机的性能还能得以增强。具体来讲,在一种推荐的布置中,进气门比排气门更靠近汽缸的纵长轴线。在本发明一种特别推荐的实施例中,进气门是这样布置的:使得进气门座的大部分中央部位基本落在汽缸的投影纵长轴线上,而排气门座最靠近所说的投影纵长轴线的点也偏离该投影纵轴线一段距离。还已发现如果进气门偏离汽缸的直径线的话,其中该直径线穿过排气门的几何中心,发动机的性能也能增强。这样布置的结果是:通过进气门座和排气门座的假设线平行于汽缸的一条参考直径线,二者间却相距一定距离。进气道最好是从进气门座远离该参考直径线的一侧连接到进气门座上。结合本发明大的进气道侧角,这样布置的效果是:燃烧用空气一般是从汽缸壁的切线方向进入汽缸,这将产生强烈的涡流,从而可以相信,这将会出现燃料-空气分层混合现象,从而在汽缸的中心部位形成了高浓度混合气,该高浓度区域由一个燃油稀薄区、甚至是基本没有燃油成分的气体区包围。可以相信,这样的分层混合效果至少部分促成了本发明发动机的实施例具有优异的工作特性。
如果的确实现了推断的分层效果,且火花塞布置得尽量靠近高浓区域的几何中心,就可以实现增强的燃烧效果。火花塞一般是靠近汽缸的纵向轴线。将火花塞布置在上述位置处将减小燃料的起燃时间,从而减小所要求的点火提前角,减少发动机的氮氧化物排放量。
当发动机是“径超程”(over square)类型时,也就是说汽缸的直径大于活塞冲程时,本发明的优点特别显著。本发明的布置使得在不需要必须将气门相对于汽缸的纵向轴线倾斜一定角度的条件下,采用较大尺寸的气门。换句话说,在径超程发动机中气门可将其纵长气门杆平行于汽缸的纵向轴线安装。按照本发明设计的气道产生了强烈的涡流,并具有高的容积效率,使发动机无须像通常情况那样倾斜气门就能让高效率地工作。这就使汽缸盖的制造简单,并降低了成本。如果进气门和排气门是相同的,生产成本还可以进一步降低。
已经发现,根据本发明制造的发动机实现了非常低的一氧化碳排放。例如,在一台试验发动机中,实现了0.06%的一氧化碳排放值。这样低的一氧化碳排放量同时还伴随着非常低的不完全燃烧碳氢化合物排放,例如只有百万分之四,而排气中的二氧化碳的含量则很高。由于该发动机具有很好的抗爆燃能力,因而对低辛烷值的燃油并不敏感。该试验的排气中发现了高浓度的氧气,这证实了所推荐的进气道几何布置产生了一定程度的分层混合现象,使燃料集中在燃烧室的中央部位。还发现该试验机的排气温度也很低,试验发动机具有很好的功率输出,并具有低的燃油消耗率。
从下文参照附图对优选实施例的描述,可对本发明有更好的理解,该实施例只是示例性的,在附图中:
图1示意地表示了普通单缸内燃机中的进气门、排气门以及进气道、排气道的布置;
图2类似于图1,表示了按照本发明设计的发动机的一种实施方式的示意图;
图3是沿图2中的Ⅲ-Ⅲ线所作的剖视图;
图4是沿图2中的Ⅳ-Ⅳ线所作的剖视图;以及
图5对应于图2中的布置,表示了在汽缸中所推断的分层充气现象。
首先参见图1和图2,附图1、2示意地表示了一个发动机从上方所见的结构。在这两个图都表示出了汽缸2、进气门座3和排气门座4外边缘的位置。图中也表示出了火花塞5的位置。当然,可以理解:现实中当从上方观察一台发动机时,无论是汽缸2还是气门座3、4都是不可见的。
在图1中表示了一种典型的常规设计,可以看到气门座的几何中心点5、6位于汽缸的一条直径线7上,并距离汽缸的纵长轴线8相同的距离,一个进气道9贯通汽缸盖1从进气口10延伸到一个腔室中,该腔室位于进气门座3的上方。同样,一个排气道11贯通汽缸盖,从一个位于排气门座4上方的腔室延伸到一个汽缸盖侧面的排气口12处。在实际应用中,通常安装一个化油器来向进气口10供应燃气混合气,而一个排气管和一个消音装置被连接到排气口12上。
进气道9和排气道11的位置可方便地用它们的纵向中心线来确定。当投影到图1所在纸面的平面(该平面垂直于纵轴线8)、且连接进气门和排气门的几何中心点5、6的直线14也同样投影到该纸平面内时,进气道9的纵向中心线13和直线14形成了夹角A。该夹角被称作为进气道侧角。在图1所示的情况中,进气道侧角大约为18°。按照惯例,进气道侧角的测量时从假设线14位于进气门座3一侧、并远离排气门座4的那一段算起的,并始终表示成正角的形式,而不管纵向中心线13在纸平面上的投影是位于直线14在纸平面上投影线的顺时针方向还是逆时针方向。
在图1所示的发动机中,排气道11的纵向中心线15当投影到纸平面上时,直接和假设线14位于排气门座4一侧、并与远离进气门座3的那一段射线重合。排气道11的侧角相应为0°。
进气道和排气道的纵向中心线13、15还分别对纸平面成一夹角。该夹角被称为仰角,其通常接近于0°。
在普通的发动机设计中(参见上述的《摩托车工程》一书),公知的常识是:增加进气道侧角A将伴随这涡流作用的增强。然而,工程人员同样清楚:增加侧角A将导致发动机容积效率下降,并严重降低发动机的最大输出功率。相应地,一般认为侧角A在12°到18°之间为最优。
下面参见图2,该附图和图1对应,但该图表示的是本发明的优选实施例。
在图2所示的发动机中,可以注意到气门座3、4的位置和图1所示气门座的位置有所不同。更具体来讲,通过图2中的发动机气门座3、4几何中心点的假设线16偏离了直径线7一定距离,其中直径线7平行于假设线16。此外,相比于图1中的进气门座3的位置,图2中的进气门座3偏向于汽缸的纵轴线8。相比于图1的发动机的对应距离,图2中气门座3和汽缸最近点之间的间距17也相应地增加了。
然而,更显著的区别是,图2发动机中的进气道18的侧角B显著地大于图1所示的发动机的侧角A。和预计的刚好相反,已经发现这样大的侧角并没有明显地降低发动机的容积效率,反而,使发动机工作效率显著提高,具体表现在高的功率输出、低的燃油消耗率、以及在尾气中非常低的一氧化碳和不完全燃烧碳氢化合物排放量。可以相信,能产生希望的良好技术效果的进气道侧角B范围是很宽的,本发明所涵盖的最大的侧角范围是60°到160°。但是,推断最优的侧角B范围在90°到112°的区间内,并最好是在95°到107°的范围内。在一台具体的试验发动机上,发现最优的侧角为101°±3°。
可以注意到图2中的发动机的侧角B具有使进气混合气(其通常是从一个固定在汽缸盖上的化油器获得的)基本沿汽缸壁上某一点的切线方向进入到燃烧室中,该点是汽缸壁上最靠近进气门座3的一点。这样的布置将在燃烧室中产生强烈的涡流作用。还已发现,假设节气门的开度很大时,当空气在进气道中的平均流动速度大约为61米/秒(200英尺/秒)时,发动机可获得最佳的排放效果。在这样的气流速度下,可以推断燃烧室中的涡流强度形成了分层充气的现象,即一个相对较高浓度的区域位于汽缸的中央位置,其由一个相对贫油混合气区域包围着。这样的现象表示在图5中,但要理解:图5仅是一个示意图,在实际条件下,高浓度区20和低浓度区21的实际形状和尺寸范围将随发动机几何参数和进气道平均流速的变化而变化。此外,在高浓度混合气区20和低浓度混合气区21内部燃料的混合浓度也有变化。还可注意到本发明的火花塞5靠近高浓度混合气区的一个边缘。相信如果将火花塞布置在靠近高浓度混合气区中心的位置时,会进一步提高发动机的效率,因为这样将缩短燃料燃烧前沿蔓延到整个高浓度混合气区20的扩展时间。将火花塞布置在该位置上将减小燃料的起燃时间,从而减小所需的点火提前量,减少发动机的氮氧化物排放量。
还注意到,在一台所讨论类型的典型内燃机中,当进气道中的平均气流速度在大约91m/s(300英尺/秒)时,发动机具有最大输出扭矩。尽管本发明所采用的进气道侧角要远超出通常被认为是可行的进气道侧角上限,在本发明的发动机中情况仍然是这样。
在一种典型的小型发动机中,其缸径为65.1毫米,活塞冲程为44.4毫米(即发动机排气量为148cc),其配套化油器的阻风门直径为14毫米,发现最好的排放情况出现在大约2400转/分的转速时,而最大输出扭矩则出现在大约3600rpm时。虽然在2500rpm以上的转速时,发动机的排放效率略有降低,但在达到并超过3600转的最大扭矩速度时,排放量仍然是很低的。这种发动机的最大功率发生在5700转/分时。
在图2所示的发动机中,排气道19的侧角C也远大于图1所示的排气道11的侧角0°。但一般认为,排气道侧角C相对于进气道侧角B而言,对本发明优选实施例的发动机的性能改善并无太大的影响。
图3中的Ⅲ-Ⅲ线剖面图和图4中的Ⅳ-Ⅳ线剖面图分别表示了进气道18和排气道19的仰角。进气道仰角D一般在0°-48°之间,而最佳范围是16°-32°,特别推荐的夹角值为24°±3°。类似地,排气门的仰角E可在0°-22°范围内选择,最好是在5°-17°范围内,最佳值为11±3°。
可以注意到,在上述的发动机中,无论是进气道还是排气道,从汽缸盖外表面到紧邻对应气门的某一点之间的区段都基本是直线型,其中的对应气门连接到该气道。气道最好是恒定的圆形截面。这样的结构意味着汽缸盖可较为容易地进行加工。结合本发明的最佳侧角和仰角,直线气道使发动机的工作特性达到上文简述的那些优点。
可以注意到:在上述的发动机的优选实施例中,排气道的方向是从排气门座附近区域延伸向汽缸盖侧面上的排气口,该方向基本平行于进气道方向,并且当进气道的延伸方向定义在从进气口引向进气门座的附近时,二者指向同一方向,其中。相应地,由进气道侧角产生的缸内气体旋流的运动方向和气体要排入到排气道的方向相反。可以假设:在通常的发动机设计中,是非常不希望这样来布置排气道的,会认为正确的排气道侧角应当是从图中实际侧角方向转过大约180°的位置。但实验发现,图中所示布置的效果令人非常满意,并具有使汽缸盖的浇铸和加工简单的优点。
还可注意到在图示的实施例中,分别靠近进气门座和排气门座的进气道和排气道端部基本对着进气门杆和排气门杆的中央部位。换句话讲,进气门和排气门的阀杆分别布置在进气道和排气道的中央部位。
最后,应注意到本发明的发动机具有改善的工作特性完全是新型汽缸盖结构的结果。相应地,只要在现有发动机上安装这种具备本发明设计结构的新型汽缸盖,发动机的工作特性也能得以提高。相应地,本发明也包括用一种满足必需设计的新型汽缸盖来提高现有发动机工作性能的方法。
Claims (10)
1.一种内燃机,具有一个汽缸;一个在该汽缸内作往复运动的活塞;一个盖在汽缸上部的汽缸盖;一个安装在汽缸盖中的进气门;一个进气门座,进气门在关闭时顶靠在该气门座上;一个安装在汽缸盖中的排气门;一个排气门座,排气门在关闭时顶靠在该气门座上;一个燃烧气源;一个将燃烧气源连接到进气门座处的进气道;其中进气道的侧角大于60°。
2.根据权利要求1所述的内燃机,其特征在于:进气道侧角是在90°到112°之间,并最好是在95°到107°之间。
3.根据权利要求1所述的内燃机,其特征在于:所说侧角的角度值为101°±3°。
4.根据上述权利要求之一所述的内燃机,其特征在于:排气门的侧角在83°-103°之间,并最好为93°±3°。
5.根据上述权利要求之一所述的内燃机,其特征在于:进气道的仰角在10°到60°之间,并最好是在21°到58°之间。
6.根据上述权利要求之一所述的内燃机,其特征在于:进气道的仰角为24°±3°。
7.根据上述权利要求之一所述的内燃机,其特征在于:进气门座的边缘要比排气门座的边缘更靠近汽缸的纵轴线。
8.根据权利要求7所述的内燃机,其特征在于:其中汽缸纵轴线基本在进气门座的边缘线上。
9.根据上述权利要求之一所述的内燃机,其特征在于:连接进气门座和排气门座几何中心点的假设线平行于汽缸的一条直径线,并偏离该直径线一定距离。
10.根据权利要求9所述的内燃机,其特征在于:进气道从进气门座远离所述直径线的一侧连接到进气门处。
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