CN202417728U

CN202417728U - 连接至汽缸的发动机汽缸盖

Info

Publication number: CN202417728U
Application number: CN2011205254754U
Authority: CN
Inventors: T·A·麦卡锡; 易建文
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2010-12-13
Filing date: 2011-12-13
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2021-12-13
Also published as: US20120145121A1; DE102011087629A1; US8430074B2; RU124318U1

Abstract

本实用新型公开一种连接至汽缸的发动机汽缸盖，该汽缸为用于发动机的火花点火直接喷射燃料汽缸，其包括在进气道的弯曲壁处的可旋转阀。该可旋转阀提供可变的台阶以调节滚动气流的程度，同时减少流动限制以在所有工况中改进发动机性能。

Description

连接至汽缸的发动机汽缸盖

技术领域

本申请涉及用于经由空气进气道中的可旋转阀调节车辆发动机汽缸例如火花点火直接喷射式汽缸中的滚动气流模式(tumbleairflow pattern)的方法和系统。

背景技术

具有直接喷射式发动机的车辆采用各种方法来混合发动机汽缸中的燃料和空气。高效的混合增加燃烧速度，这改进燃烧稳定性并抑制爆燃。火花点火发动机可以利用滚动气流运动产生包括大致垂直于汽缸轴线的旋转运动的湍流，以改进空气和燃料的混合。根据工况，或多或少的滚动气流可以是有利的。

美国专利5,718,198提供利用通过多个进气流道(intakerunner)中的每一个的中间滑板调节滚动气流的一种示例方法。该滑板包括多个孔，其尺寸和形状与每个进气流道的横截面的尺寸和形状互补。该滑板上下运动以便通过部分地阻挡空气流动或允许全部空气流动同时调节通过所有进气流道的气流的量/速度。例如，对于高负荷和/或发动机速度，滑板与进气流道对齐以便空气通道完全打开并且气流不受阻挡。在另一个例子中，在慢速空转期间，滑板移动到进气流道沿着流道的顶部仅部分地打开的位置。这沿着空气通道的顶部形成偏心开口并且使流过该开口的空气开始滚动型的气流模式。

此处发明人认识到利用这种结构产生滚动气流带来的潜在问题。作为一个例子，当滑板部分地关闭时，流过进气流道的空气在该气流改变方向时可能撞击滑板的陡壁以便通过开口。当空气从滑板的进气侧向滑板的汽缸侧流动时，这种方法可能产生明显的流动阻力并且不必要地减小空气速度。作为第二个例子，由于板的竖直运动，发动机必需在进气流道的上方和下方为滑板提供空间。在结构紧凑的发动机设计中，在这个区域中可用的空间非常有限。

实用新型内容

因此，上面的一些问题通过连接至汽缸的发动机汽缸盖至少可以部分地解决，其包括具有壁的进气道和可旋转阀，其中该阀的横截面具有其曲率大于第二表面的第一表面。在第一位置，该第二表面与壁的弯曲部分对齐，并且在第二位置，该第一表面和第二表面伸出到进气道中并且在该壁处形成台阶。在一个例子中，由于第二表面与进气道的弯曲的壁对齐，第一位置允许气流通过具有减小的障碍的进气道。在发动机的高负荷/速度期间可以利用阀的这个第一位置以增加气流效率，并且因此增加发动机的峰值转矩。在第二位置，第一表面和第二表面通过它们伸出到该进气道中可以在进气道中产生下游台阶，这能够增加进气和汽缸中的滚动气流模式。因此，在低发动机负荷/速度期间可以利用第二位置以增加滚动气流。而且，由于阀能够在这些位置之间以及这些位置之间或之后的其他潜在位置之间旋转，能够实现紧凑的发动机汽缸盖设计。

在一个具体的例子中，可旋转阀位于空气进气道的弯曲处，其靠近进气道和汽缸盖之间的连接处。而且可旋转阀绕位于进气道外面的旋转轴线是可旋转的。因此，可旋转阀位于气流被低发动机负荷/速度影响的位置。

应当理解，提供以上概述以便以简单的形式引进在具体实施方式中进一步描述的一系列概念。这并不意味着确定要求保护的主题的关键或基本特征，其范围由所附权利要求唯一地限定。而且，要求保护的主题不限于解决在上面或本发明的任何部分中所指出的任何缺点的实施方式。

附图说明

图1包括火花点火直接喷射燃料汽缸的示例实施例的横截面。

图2示出进气道和处于第一位置的可旋转阀的详细视图。

图3示出进气道和处于第二位置的可旋转阀的详细视图。

图4示出进气道和处于第三位置的可旋转阀的详细视图，第三位置在第一位置和第二位置之间的中间。

图5A和5B分别示出在低滚动比例期间的示例气流模式和高滚动比例期间的示例气流模式。

图6是描述可旋转阀位置和滚动比例之间的关系的曲线图。

图2-4近似按比例画出。

具体实施方式

下面的描述涉及用于车辆发动机(例如火花点火直接喷射式汽油发动机)的包括具有可旋转阀的进气道的汽缸盖。火花点火发动机可以利用滚动气流运动以在燃料汽缸中产生湍流，该湍流包括大致垂直于汽缸轴线的旋转运动，其中角速度与发动机速度成比例。滚动比例被定义为由发动机速度规范化的角速度。因此，滚动比例可以用来表示汽缸中的气流运动的强度。当滚动比例低时，滚动气流运动可能不足以提供用于高效混合空气和燃料的湍流。导致发动机性能下降。为了在以高负荷/速度和低负荷/速度运行的发动机的汽缸中提供空气和燃料的高效混合，进气道中的可旋转阀可以在第一位置(低负荷/速度)和第二位置(高负荷/速度)之间旋转。

该可旋转阀包括第一弯曲表面和第二弯曲表面。该第一弯曲表面具有大于第二弯曲表面的曲率。第二弯曲表面设置在进气道中并且在第一位置与进气道的壁对齐。

在第一位置，气流是无阻碍的，由于在上下口区域之间比较均匀的气流分布，较多的空气流过阀区域。当发动机以满负荷工况运行时较高的气流提高发动机转矩和功率。在第二位置，气流受到比第一位置多的阻碍，并且旋转装置伸出(进一步)到气流路径中。在这种情况下，流动方向较多的突然改变导致气流分离，其中该气流将遵循第一弯曲表面的轨迹，气流较多地偏向该口的上部。一旦这个气流到达汽缸，将产生较强的旋转流动(滚动)。较高的滚动流动促进燃料-空气混合均匀性。它也能够包含较高的湍流强度并且因此提高发动机燃烧速度。增加的混合均匀性和较高的燃烧速度在部分负荷运行下提供改进的性能，改进之处在于能够改进发动机的燃烧效率和燃料经济性。图1示出火花点火直接喷射式燃料汽缸的示例性实施例。火花点火直接喷射式燃料汽缸部分地包括燃烧室、具有可旋转阀的进气道、火花塞、燃料喷射器和排气管道。图2示出包括处于第一位置的可旋转阀的图1的进气道的详细视图。在第一位置，第一弯曲表面与进气道的壁对齐，并且滚动比例没有被可旋转阀增加。如图3所示，在第二位置中，第一弯曲表面和第二弯曲表面每个部分地设置在进气道中，使得可旋转阀基本上伸出到气流路径中并且经由急变的有台阶的气流路径增加滚动比例。而且可旋转阀可以根据发动机负荷/速度被旋转到多个中间位置。可旋转阀的中间位置的一个例子示于图4。图5A示出在图1的示例性燃料汽缸中在低滚动比例期间的示例气流模式。图5B示出在图1的示例性燃料汽缸中在高滚动比例期间的示例气流模式。图6包括描述可旋转阀位置和滚动比例之间的关系的曲线图。

现在看图1，图1示出示例性火花点火直接喷射式燃料汽缸100，其包括连接至汽缸体104的汽缸盖102。燃烧室108设置在汽缸盖102、汽缸体104和活塞122之间空间中。汽缸盖102包括将燃料喷射到燃烧室108中的燃料喷射器106。而且，汽缸盖102包括使燃烧室108中的燃料和空气点火的火花塞110。在燃烧室108中燃烧的燃料和空气可以提供动力以驱动和/或运行车辆。在本实施例中，火花塞110直接设置在燃烧室108的上方。燃料喷射器106连接至汽缸盖102的侧面，使得能够以一定角度喷射燃料射流。在可替换实施例中，火花塞和燃料喷射器可以在可替换位置处安装至汽缸盖。例如，火花塞和燃料喷射器可以直接设置在燃烧室的上方。

汽缸盖102还包括进气道112和排气管道114。进气道112和排气管道114的打开和关闭分别由进气阀116和排气阀118控制。进气道112将空气引导到燃烧室108中。进气道112可以连接至空气入口(未示出)。例如，进气道可以连接至对大气敞开的入口。排气管道114将废气引导出燃烧室108并且可以连接至排气处理装置，并且还可以连接至排气出口。在可替换实施例中，车辆可以不包括排气处理系统。

排气管道114和进气道112均包括弯曲部分(分别是124和126)，靠近管道和汽缸盖102之间的连接部位。如图1-4所示，进气道112的弯曲部分126的剖视图示出该弯曲部分具有第一面202，第一面202具有比第二面204小的曲率。可旋转阀120位于第二面204。该可旋转阀包括与第二面204的曲率匹配的第一弯曲表面206。在图1中，可旋转阀120被示出在第一位置，其中第一弯曲表面206与第二面204对齐。与第一弯曲表面206相对，可旋转阀120包括第二弯曲表面208。该第二弯曲表面具有大于第一弯曲表面206的曲率。第一弯曲表面206和第二弯曲表面208之间的相交在可旋转阀120的每侧上形成弯曲的台阶302和304。

可旋转阀120还包括旋转轴线240。该可旋转阀120可以绕该旋转轴线240从如图1和图2所示的示例中的第一位置200旋转到如在图3所示的示例中的第二位置300。在第一位置200，可旋转阀120具有最小的旋转度(Θ＝Θmin)。在第二位置300，可旋转阀120具有最大的旋转度(Θ＝Θmax)。可旋转阀120可以旋转到中间位置，在中间位置旋转度大于最小旋转度但小于最大旋转度(Θmax＞Θ＞Θmin)。中间位置400的示例示于图4。

示例性的车辆可以在高发动机负荷/速度工况或低发动机负荷/速度工况下运行。而且，发动机可以在中间发动机负荷/速度工况下运行。在车辆的高发动机负荷/速度运行期间，用于充分混合燃烧室中空气和燃料的足够的滚动气流模式(高滚动比例)可以由发动机运行单独产生。具有高滚动比例的示例气流模式示于图5A中。如图5A所示，提供空气和燃料的高效混合的滚动气流模式在整个燃烧室中是大致均匀间隔的并且横向分布的。

在低和/或中等发动机负荷/速度期间，发动机的单独运行可以提供用于高效混合燃烧室中空气和燃料的不足够的滚动气流模式(低滚动比例)。具有低滚动比例的示例气流模式示于图5B中。如图5B所示，提供空气和燃料的不充分混合的滚动气流模式在整个燃烧室中是较不均匀地间隔的并且在其横向分布中是更可变的。

一般而言，在低发动机负荷/速度期间，当可旋转阀达到最大旋转度时，滚动比例增大，并且当可旋转阀达到最小旋转度时，滚动比例减小。因此，在车辆的低发动机速度/负荷运行期间可旋转阀的旋转度可以用来控制滚动比例和滚动气流模式。

回到图2-4，设置可旋转阀120，以便当空气从空气进入口(未示出)和可旋转阀120之间的上游区220流向可旋转阀120和燃烧室108之间的下游区230时，调节气流模式。如图2-4所示，气流的方向用箭头指示。可旋转阀可以旋转使得它部分地伸出到气流路径中，并且引起气流模式中的湍流，产生高滚动比例。可替换地，可旋转阀可以旋转使得它基本上与进气道的面齐平，并且不引起气流模式中另外的湍流。因此，在高发动机负荷/速度工况期间，可旋转阀可以旋转成与进气道和空气路径对齐，并且在低发动机速度/负荷运行期间，可旋转阀可以旋转成伸出到空气路径中。因此，利用示例性的可旋转阀，甚至在车辆的低发动机负荷/速度运行期间，也可以为燃烧室提供足够的滚动气流模式。而且，在中等发动机负荷/速度运行期间，可旋转阀可以调节到中等伸出位置，以提供期望的滚动气流模式。

在图2详细示出的示例性第一位置200，第一弯曲表面206与进气道112的壁(第二面204)对齐/汇合，并且不伸出到进气道112中。第二弯曲表面208设置在进气道的外面。因此，在这个示例中，通过进气道的气流不受可旋转阀的影响，气流平稳地流过可旋转阀，并且滚动比例不增加。

在图3所示的示例性第二位置，可旋转阀进一步逆时针方向旋转到等于最大旋转度的程度。在这个位置，弯曲的台阶302伸到进气道112中一个距离A。距离A的示例为大约5mm+/-1mm。当在中间位置时，第二弯曲表面208暴露于上游220的气流，而第一弯曲表面206暴露于下游230的气流。第二弯曲表面208和第二面204之间的相交具有大小为a的角度。第一弯曲表面206和第二面204之间的相交具有大小为b的角度。在图3的例子中，a大于b。因此可旋转阀120在弯曲台阶302的下游侧230提供比上游侧220更陡的气流障碍。在示例第二位置，可旋转阀可以提供更高程度的滚动气流并且滚动比例可以增大到最大滚动比例。

在如图4所示的示例性中间位置，可旋转阀逆时针方向旋转到小于最大旋转度但是大于最小旋转度的程度。在这个位置，弯曲的台阶302伸到进气道112中一个距离B，距离B小于距离A。距离B的示例为大约3mm+/-1mm。第二弯曲表面208暴露于上游220的气流，而第一弯曲表面206暴露于下游230的气流。第二弯曲表面208和第二面204之间的相交具有大小为c的角度。第一弯曲表面206和第二面204之间的相交具有大小为d的角度。在图4的示例中，c小于d。

因此，可旋转阀120在弯曲台阶302的上游侧220提供比下游侧230更陡的气流障碍。在示例性的中间位置，上游气流在第一弯曲表面的位置处具有比较平滑的路径，并且气流的速度和方向最少地受到影响。而且，在第二弯曲表面的位置处在其路径中具有陡台阶的下游气流具有增加的滚动气流模式。可旋转阀可以提供中等程度的湍流以产生滚动气流模式和增加滚动比例。

图6用曲线示出在低发动机负荷/速度运行工况期间滚动比例和示例性可旋转阀120的旋转度之间的关系。线600表示可旋转阀位置和对应的滚动比例。当旋转度从最小旋转度增加到最大旋转度时，滚动比例增加。当旋转度从最大旋转度减小到最小旋转度时，滚动比例减小。如果可旋转阀旋转到比最大旋转度更远，则滚动比例再一次减小。

以这种方式，描述了对通过进气道到燃烧室的气流提供附加的湍流调节的系统和方法。在进气道中设置具有曲率大于第二弯曲表面的第一弯曲表面的可旋转阀。第一弯曲表面和第二弯曲表面之间的相交形成弯曲的台阶。该可旋转阀可以旋转到该可旋转阀的弯曲台阶部分地伸出到进气道和气流路径中的位置，以引起气流分开并且因此引起较高的滚动气流和该气流中的较高的湍流。在车辆的低或中等发动机负荷/速度运行期间，附加的湍流通过滚动气流模式(具有高滚动比例)有助于空气和燃料的充分混合；然而，由于台阶是弯曲的，它减小了对气流方向和速度的影响。很好地混合的空气和燃料增加燃烧速度，提高燃烧稳定性并抑制爆燃。而且，在高发动机负荷/速度运行期间，可旋转阀可以运动到可旋转阀基本与进气道的壁齐平的另一个位置。在这个位置，可旋转阀不影响气流模式，并且可以通过发动机运行提供足够的滚动气流模式(具有高滚动比例)。

应当意识到，这里公开的结构在性质上是示例性的，并且这些具体的实施例不被认为是限制的意思，因为许多变化是可能的。例如，上面的技术可以应用于诸如小汽车或卡车的各种车辆。在另一个例子中，该技术可以应用于混合动力车辆或仅内燃发动机车辆。而且，该技术可以应用于固定式发动机。本发明的主题包括这里公开的各种系统和结构以及其他特征、功能和/或性质的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合。

所附权利要求具体指出被认为是新颖的并且非显而易见的某些组合和子组合。这些权利要求可能涉及“一个”元件或“第一”元件或其等同物。这些权利要求应当理解为包括一个或多个这种元件的组合，既不要求也不排除两个或更多个这种元件。所公开的特征、功能、元件和/或性质的其他组合和子组合可以通过在这个申请或相关申请中的权利要求的修改或通过提出新的权利要求来要求保护。这些权利要求，对于原权利要求在范围上无论是更宽、更窄、相等或不同，也都认为包含在本发明的主题内。

Claims

1.一种连接至汽缸的发动机汽缸盖，包括：

具有壁的进气道；和

可旋转阀，所述阀的横截面具有曲率大于第二表面的第一表面，其中在第一位置，所述第二表面与所述壁的弯曲部分对齐，并且在第二位置，所述第一表面和所述第二表面伸出到所述进气道中并且在所述壁处形成弯曲的台阶。

2.根据权利要求1的发动机汽缸盖，其特征在于，所述进气道的弯曲部分靠近所述汽缸盖，所述弯曲部分的横截面具有曲率大于第二弯曲面的第一弯曲面，并且所述可旋转阀设置在所述第一弯曲面。

3.根据权利要求1的发动机汽缸盖，其特征在于，所述进气道连接至空气入口，所述空气入口和所述可旋转阀之间的气流是上游气流，所述可旋转阀和所述汽缸之间的气流是下游气流，并且当所述可旋转阀处于所述第二位置时，所述第一表面暴露于上游气流，而所述第二表面暴露于下游气流。

4.根据权利要求3的发动机汽缸盖，其特征在于，在所述第二位置，所述第一表面和所述壁之间的第一角度具有第一值，而所述第二表面和所述壁之间的第二角度具有第二值，所述第一值大于所述第二值。

5.根据权利要求1的发动机汽缸盖，其特征在于，在第三位置，所述第一表面和所述第二表面部分地伸出到所述进气道中并且在所述壁处形成弯曲的台阶，所述第三位置相对于所述第一位置和所述第二位置在中间。

6.根据权利要求5的发动机汽缸盖，其特征在于，在所述第三位置，所述第一表面和所述壁之间的第三角度具有第三值，而所述第二表面和所述壁之间的第四角度具有第四值，所述第三值大于所述第四值。

7.根据权利要求1的发动机汽缸盖，其特征在于，所述可旋转阀具有旋转轴线，所述旋转轴线位于所述第一表面和所述第二表面之间。

8.根据权利要求7的发动机汽缸盖，其特征在于，所述旋转轴线安装至所述进气道外面的车辆部件。

9.一种连接至汽缸的发动机汽缸盖，包括：

设置成将燃料直接喷射到所述汽缸中的燃料喷射器；

火花塞；

具有带有弯曲部分的壁的进气道，所述进气道的一端连接至所述发动机汽缸盖，所述进气道的相对端连接至空气入口；和

设置在所述壁中的可旋转阀，其中在第一位置，所述阀与所述壁的所述弯曲部分对齐，并且在第二位置，所述阀在所述壁的所述弯曲部分处形成台阶。

10.根据权利要求9的发动机汽缸盖，其特征在于，所述可旋转阀包括第一弯曲表面和第二弯曲表面，所述第一弯曲表面具有比所述第二弯曲表面大的曲率，并且所述台阶形成在所述第一弯曲表面和所述第二弯曲表面的相交处。

11.根据权利要求10的发动机汽缸盖，其特征在于，所述可旋转阀具有旋转轴线，所述旋转轴线设置在所述第一弯曲表面和所述第二弯曲表面之间。