CN101173627B - 涵道副燃烧室四冲程发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涵道副燃烧室四冲程发动机，为解决现有发动机燃燃烧、排气、工作效率低的问题，其包括凸轮轴、气门、活塞、燃烧室，燃烧室分为主燃烧室和通过一个主副室通道与主燃烧室相连的副燃烧室，排气门配置在主燃烧室顶部，进气门配置在副燃烧室。主副室通道口位于主燃烧室顶部的排气口一侧，并且主副室通道与主燃烧室顶面斜交配置。主副室通道与气缸轴线为中心的圆周相切。副燃烧室位于主副室通道的延伸线上，进气门配置在副燃烧室的上面，副燃烧室一侧配装火花塞。主燃烧室和副燃烧室上面分别制有排气道和进气道。副燃烧室为配置两个进气门的中间联通的并列双圆室。所述双圆室为双涡流旋转室。进气门和排气门都配有上部单凸轮轴无摇臂的配气驱动机构，进气门和排气门配用同轴凸轮。因此，其具有点燃燃烧效率高、换气效率、工作效率高的优点。

Description

涵道副燃烧室四冲程发动机

技术领域

本发明涉及一种内燃机，特别是涉及一种涵道副燃烧室四冲程发动机。

技术背景

在以往的活塞式四冲程内燃机都是连续执行着吸气、压缩、做功、排气四个冲程。

在以往的四冲程内燃发动机中，进气冲程是：进气门打开后气体通过进气道、进气口后，进入燃烧室；做功之后排气冲程是：排气门打开后，废气通过排气口排气管排出。

在排气的后期进气开始，也就是排气门未关闭的时候进气门已经打开，已经是一个普及的技术，也称做气门叠开角。燃烧室内换气效率越高越好，但是，活塞上行至上止点时，燃烧室内仍然有一定的容积，存在一定量的废气。

目前的四冲程汽油机由于转速较高，每分钟数千转至上万转，需要让燃油与空气在较短的时间内更好地混合，增加混合气体的流动有利于汽油与空气的混合效果。

在以往的四冲程柴油机中，进入燃烧室的气体为空气，尤其目前增压中冷柴油机的增压技术已经成熟，并得到广泛的应用，在排气后期进入燃烧室的空气可以通过此刻进入燃烧室的增压空气推动废气的排除，同时也利于燃烧室的冷却降温，加强此时的进气气体流动有利于废气排除和降温冷却。

在以往的四冲程汽油机中，如果将进入燃烧室的气体分成两部分，先进入空气推动废气排除和降温冷却，然后再进入混合气，目前电喷技术已经成熟，而且已有在缸内直接喷射的技术，因此将进入燃烧室的气体分成两部分或只进入空气然后直喷时，如果此时增压后的进气有一定的导向，有利于汽油机的废气排除和降温冷却。

在做功阶段，先是燃烧室内燃烧，尤其在以往的汽油机点火时，混合气所在的容积尺寸越小越好，因为点燃后燃烧也存在速度，那么燃烧的传播距离越小，完全燃烧或大部分燃烧的所用时间越少，因此混合气与点火点(火花塞)的最大距离越小越有利于提高点燃速度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种涵道副燃烧室四冲程发动机。

为实现上述目的，本发明涵道副燃烧室四冲程发动机包括凸轮轴、气门、活塞、燃烧室，其特别之处在于燃烧室分为主燃烧室和通过一个主副室通道与主燃烧室相连的副燃烧室，排气门配置在主燃烧室顶部，进气门配置在副燃烧室。通道与副燃烧室的结构利于气体的流动。燃烧室内具有通道形式的副燃烧室，要进入燃烧室的气体通过进气通道导向进入主燃烧室，该通道同时作为燃烧室的一部分。上述导气通道被称为涵道，涵道的功用一方面是将通过气体进气门的气体送入燃烧室，同时作为燃烧室的一部分，相当于将活塞上部的燃烧室做主燃烧室，而通道的进气门侧部分的燃烧室为涵道副燃烧室。其具有点燃燃烧效率、排气效率，工作效率高的优点。

作为优化，主副室通道口位于主燃烧室顶部的排气口一侧，并且主副室通道与主燃烧室顶面斜交配置。这个通道与发动机轴线有夹角以便气流的旋转，使气体在进入主燃烧室和压缩入副燃烧室时利于流动。同时该通道式副燃烧室斜向突出于普通燃烧室的形状，以便加大气门直径、提高排气效率、提高燃烧速度。

作为优化，主副室通道与气缸轴线为中心的圆周相切。其是在以往的四冲程发动机的基础上，在燃烧室顶部设置一个涵道：在涵道上一侧设置进气口，安装进气门，其后连接进气管，使气体先进入通道涵道副燃烧室，然后通过主燃烧室的通道使气体通过，将开口偏转，以及设置导向装置，使气体按所需的方向流动。这个流动，在进气时可以将新鲜气体吹向活塞顶部以及缸壁；由于主副燃烧室的开口偏转以及设置导向装置，在压缩时可以将气体从主燃烧室赶至副燃烧室，为旋转进入副燃烧室，类似柴油机的涡流室。为了在点燃时，将更多的气体集中在通道副燃烧室内，活塞顶部与缸头底部间隙尽量地小。

作为优化，副燃烧室位于主副室通道的延伸线上，进气门配置在副燃烧室的上面，副燃烧室一侧配装火花塞。在副燃烧室一侧安装火花塞可以提高点火效果和速度，可以采用两个火花塞。因为大量的可燃气体集中在副燃烧室内，火花塞配置在副燃烧室内有利于快速点燃和充分燃烧。

作为优化，主燃烧室和副燃烧室上面分别制有排气道和进气道。有利于充分排气。

作为优化，活塞顶部与缸头之间距离小于0.5厘米。这种发动机的活塞顶面与缸头之间的间隙，因为热胀冷缩、机械加工精度等原因，不得不留有间隙，但间隙越小越好，在为一个单缸排量为250cc发动机设计时，这个间隙为0.5mm。

作为优化，副燃烧室为配置两个进气门的中间联通的并列双圆室。进气效率高。

作为优化，所述双圆室为双涡流旋转室。进气效率高。

作为优化，进气门和排气门都配有上部单凸轮轴无摇臂的配气驱动机构，进气门和排气门配用同轴凸轮。这种发动机的配气机构采用一副凸轮轴，不用摇臂驱动气门。与SOHC相比，这种发动机没有摇臂，减少了往复运动的零件，有利于提高发动机的性能和舒适性。与DOHC相比，少用了一副凸轮轴。DOHC是用两副凸轮轴，每个凸轮轴上各有一对轴承、一个小链凸轮轴齿盘，共计两对轴承两个小链凸轮轴齿盘。而这种发动机只用一副凸轮轴，只有一对轴承一个小链凸轮轴齿盘。凸轮轴上链条的长度明显缩短，配气小链抻长量减小，因为抻长量与总长度成正比，链条越长越容易抻长，因此链条越短越好。在图2和图3对比中可以看出，这种发动机(图2)的小链的长度明显短于DOHC(图3)的配气结构的小链长度。

作为优化，进气门和排气门配有在排气阶段将进气门打开使空气通过副燃烧室、主副室通道压入燃烧室，再从排气门排出的增压配气机构。有利于充分排气。

工作原理与过程：

其结构组成与普通发动机的组成部分相似，主要是由曲轴、缸体、活塞、连杆、缸头、配气机构等组成，但其缸头与配气结构与普通发动机有明显不同之处。不同点为：

这种发动机的燃烧室由主燃烧室和副燃烧室组成，主燃烧室即由缸体上部，活塞顶面与缸头底面之间组成，副燃烧室是位于缸头的进气侧如图1所示，在进气门和进气门座下边从主燃烧室凸出一个通道性空间，让进入燃烧室的气体先到这个通道空间内，然后气体再从这个通道进入缸头和活塞之间的燃烧室，主燃烧室与副燃烧室是相通的。

这种发动机的排气门垂直于活塞顶部平面，而排气门的气门杆向进气门杆倾斜；

这种发动机推动气门的方式是通过凸轮转动直接推下气门杆进行进气、排气，气门的回位是靠弹簧回位，采用一副凸轮轴无摇臂的配气控制方式，相对于DOHC配气结构来说，这种发动机少了一副凸轮轴，相对于SOHC配气结构来说，这种发动机没有摇臂。

曲轴旋转带动连杆驱动活塞，同时曲轴上的小链齿盘带动小链同步旋转，小链旋转通过缸头上齿盘带动缸头上凸轮轴旋转，由于缸头上凸轮轴齿盘的齿数是曲轴上齿盘齿数的2倍，因此曲轴旋转2周，凸轮轴旋转1周。四冲程发动机工作的顺序依次四吸气、压缩、做功、排气。

吸气冲程，曲轴旋转带动活塞由上止点向下止点移动的过程。在吸气冲程中，排气门为关闭状态，先是当活塞到达上止点时凸轮轴上的对应进气门的突起部位转到进气门杆上端，将进气门推下，使进气门打开，在活塞下行的过程中，气体被吸入，先是通过气门进入通道型的副燃烧室，然后再进入主燃烧室，当活塞下行至下止点时，凸轮轴上的对应进气门的突起部位离开进气门杆上端，进气门关闭，一个吸气冲程完毕。

压缩冲程，曲轴继续旋转，带动连杆将活塞推向缸头底部方向移动的过程，在压缩冲程中，进气门和排气门都是关闭状态，燃烧室内的气体随着活塞的上行，当活塞上行止上止点时，活塞与缸头底部间距理论上近似于零，被压缩的气体被压入到主燃烧室之上的，副燃烧室。

做功冲程，在压缩冲程完成时，进气门排气门为关闭状态，活塞位于上止点，气体被压缩在副燃烧室，此时副燃烧室上的火花塞点火(柴油机为喷油)，气体在副燃烧室点燃并燃烧，随着曲轴旋转带动活塞下行，副燃烧室内燃烧膨胀的气体进入主燃烧室，未彻底燃烧的气体可以继续在主燃烧室内燃烧，燃烧的气体急剧膨胀，高温高压气体推动活塞下行。做功冲程的压力远远高于压缩冲程的阻力，所以发动机才能连续运转，压力与阻力的差值是教科书所忽视的。

这种发动机推动气门的方式是通过凸轮转动直接推下气门杆进行进气、排气，气门的回位是靠弹簧回位，当然也可以采用压缩气体、液力等方式回位。

众所周知，多数小型高速柴油机那样，提高燃烧效率，在高转速的情况下，柴油机采用副燃烧室是最常用的办法，在小容积的副燃烧室内点燃并进行燃烧，主要的燃烧在副燃烧室进行，有利于提高燃烧效率。第一，副燃烧室的最大投影小于普通燃烧室的最大投影，从副燃烧室中心线上到副燃烧室远端的距离，明显小于普通的燃烧室的中心线上到燃烧室远端的距离，因此点燃燃烧的速度快于普通的发动机。

为了进一步提高气体的点燃燃烧效率，将进气口作成产生涡流的形状，使气体在活塞上行压缩、气体进入封闭的副燃烧室的时候，随着副燃烧室的形状而旋转成为涡流。

这种发动机提高了点燃燃烧效率。

这种发动机的气门座/气门，由于结构的特点，比普通发动机要大。因为这种发动机的排气门的气门座向进气门座方向平移延伸，使排气门的气门座可以设计制作得比普通发动机的直径加大；这种发动机的进气门座不象普通发动机气门座那样受燃烧室顶部的限制，而是安装在副燃烧室的通道侧壁上，根据需要的尺寸设计，因此可以设计制造得比普通发动机的进气门的尺寸大。

在实际上排气门的气体流通量远远高于进气门，因为排气门排放的是经过燃烧高温高压急剧膨胀的气体，这种发动机的排气门明显要大于普通发动机的排气门，就是有利于发动机的工作。

这种发动机一进一排两气门的进、排气门直径大于普通发动机一进一排两气门的进排气门直径；这种发动机两进两排四气门的进、排气门直径大于普通发动机两进两排四气门的进排气门直径。

如4-6所示，左侧、中间为普通发动机，右侧为这种发动机，它们都是相同的缸径、活塞，只是缸头不同。图中测量得：

A1：为普通发动机平顶燃烧室的排气门最大理论直径55；

A2：为普通发动机平顶燃烧室的排气门最大理论直径55；

B1：为普通发动机球顶燃烧室的排气门最大理论直径59；

B2：为普通发动机球顶燃烧室的排气门最大理论直径59；

C1：为这种发动机的排气门最大理论直径73；

C2：为这种发动机的进气门最大理论直径64。

可以看出，这种发动机的气门座/气门大于普通发动机的气门座/气门，是显而易见的。

涵道副燃烧室发动机的下部如变速器、离合器等部位与以往发动机相类同，在这里不再说明。这种发动机的活塞顶面采用平面结构，主燃烧室与副燃烧室的通道，是为了提高效率、减少容积要求，采用的结构。

采用上述技术方案后，本发明涵道副燃烧室四冲程发动机具有点燃燃烧效率高、换气效率、工作效率高的优点。

附图说明

图1是本发明涵道副燃烧室四冲程发动机的结构示意图；

图2是本发明涵道副燃烧室四冲程发动机的配气小链凸轮部分的结构示意图；

图3是现有DOHC发动机的配气小链凸轮部分的结构示意图；

图4是现有普通发动机平顶燃烧室及气门结构示意图；

图5是现有普通发动机球顶燃烧室及气门结构示意图；

图6是本发明涵道副燃烧室四冲程发动机燃烧室及气门结构示意图；

图7是本发明涵道副燃烧室四冲程发动机燃烧室气门侧内部结构示意图；

图8是本发明涵道副燃烧室四冲程发动机燃烧室进气时气体流动方向示意图；

图9是本发明涵道副燃烧室四冲程发动机的活塞上行将主燃烧室内气体压入副燃烧室时气体流动方向示意图；

图10是本发明涵道副燃烧室四冲程发动机火花塞配置方式的结构示意图；

图11是本发明涵道副燃烧室四冲程发动机在副燃烧室配置火花塞时的排气状态结构示意图；

图12是本发明涵道副燃烧室四冲程发动机在副燃烧室配置火花塞时的吸气状态结构示意图。

图中：1，缸壁；2，活塞；3，曲轴；4，连杆；5，副燃烧室；6，主燃烧室；7，进气管；8，排气管；9，进气门；10，排气门；11，凸轮轴；12，进气凸头；13，排气凸头；14，火花塞；15，进气方向；16，排气方向；17，凸轮轴齿盘；18，主副室通道；19，通道口；21，曲轴上小链齿盘；22配气小链；23小链导向/涨紧轮。

本发明涵道副燃烧室四冲程发动机包括凸轮轴、气门、活塞、燃烧室，燃烧室分为主燃烧室和通过一个主副室通道与主燃烧室相连的副燃烧室，排气门配置在主燃烧室顶部，进气门配置在副燃烧室。主副室通道口位于主燃烧室顶部的排气口一侧，并且主副室通道与主燃烧室顶面斜交配置。主副室通道与气缸轴线为中心的圆周相切。副燃烧室位于主副室通道的延伸线上，进气门配置在副燃烧室的上面，副燃烧室一侧配装火花塞。主燃烧室和副燃烧室上面分别制有排气道和进气道。活塞顶部与缸头之间距离小于0.5厘米。副燃烧室为配置两个进气门的中间联通的并列双涡流旋转室。进气门和排气门都配有上部单凸轮轴无摇臂的配气驱动机构，进气门和排气门配用同轴凸轮。

对于增压式的柴油发动机，还可以进一步采用如下技术方案，即：进气门和排气门配有在排气阶段将进气门打开使空气通过副燃烧室、主副室通道压入燃烧室，再从排气门排出的增压配气机构。

如图1所示，这种发动机主要由曲轴、缸体、活塞、缸头配气机构组成，其曲轴、缸体、活塞等与普通的发动机相同，其缸头的排气道、排气门与普通的发动机排气道原理相似，但没有常见的排气门与活塞平面的缸头的进气道、进气门。

在进气的时候，由于涵道副燃烧室连接并通向主燃烧室的涵道口，在进气压力的作用下，气体由副燃烧室进入主燃烧室，流速快，形成气流，就象消防水龙带放入游泳池打开水阀，水进入水池后形成一股水流，这股水流到达池壁后并不停止，而是沿着池壁继续流动，水龙带出水速度越快，流动的距离越远。当气流的方向朝向缸壁、活塞时，新鲜的未燃烧气体比废气温度低得多，也比发动机缸壁、活塞、燃烧室顶部温度低得多等，就有了冷却发动机缸壁、活塞、燃烧室顶部的作用。而倾斜向下的气流方向，使新鲜的气体进入主燃烧室后流向缸壁和活塞顶部继续流动，堆积后只能从排气门流出。

在进气时，进气门被凸轮压下打开进气口同时排气门关闭，活塞下行，混合气从进气管15进入涵道副燃烧室，然后通过通道导向口进入到主燃烧室。当活塞到下止点后，进气门关闭，活塞向上止点上行，将刚进入主燃烧室内的气体压缩入涵道副燃烧室后旋转流动，火花塞点火后涵道副燃烧室的气体被点火燃烧，同时活塞下行，燃烧了的气体进入主燃烧室推动活塞下行。

因此，参见图7-9中：

a，涵道副燃烧室在进气时，气体通过进气门打开，排气门关闭，随着活塞下行负压，气体通过进气门进入副燃烧室，然后再进入主燃烧室；

b，涵道副燃烧室在压缩时，进气门关闭，排气门关闭，随着活塞上行，气体由主燃烧室进入副燃烧室；

c，燃烧过程中，进气门关闭，排气门关闭，被压缩的气体被点燃，副燃烧室内充满高温高压气体，随着活塞下行，高温高压的气体从副燃烧室进入主燃烧室，推动活塞下行。

d，排气时排气门打开，进气门关闭，活塞上行，气体排出。

名义上是涵道副燃烧室，但在燃烧做功阶段，主要的燃烧过程大部分在涵道副燃烧室内完成，而主燃烧室的主要作用是利于燃烧了的高温高压气体推动活塞下行。毕竟有了高压气体推动，还需要足够的活塞受力面积才能得到曲轴的推动力。燃烧时的气体所在的容积尺寸越小越好，而将大多数等待参与燃烧的气体最大限度地汇聚在涵道副燃烧室，使点火后的燃烧传播的速度比以往提高。

点燃燃烧过程是以火花塞点火点为开始。在活塞上行至上止点区域时，大部分混合气集中在涵道副燃烧室，安装在通道上的火花塞点火，由于此时通道内的尺寸比主燃烧室要小得多，因此火花塞到达副燃烧室内各处的最大距离要比以往在主燃烧室内火花塞到达缸壁的距离小得多，因此点燃燃烧速度比以往要快。

对于柴油机，尤其是增压柴油机：首先这个涵道副燃烧室还要起到的涡流室作用，可以借助阔口涡流室技术减小通过通道口时的阻力。其中在排气门打开排气的后期，排除废气的后期，进气门打开，在活塞上行的同时，新的空气进入，把燃烧室内废气有效地排出，而且因为从涵道进入主燃烧室产生旋转，使废气的排出达到最大限度；新的空气比需要排除的废气温度低，通过被压入燃烧室后能够降低一些燃烧室的温度。

例如对于增压电喷的四冲程汽油机，从做功后说起，先是打开排气门排气，在排气后期打开进气门，将空气吹入，通过涵道副燃烧室，经过通道口以气流形式进入主燃烧室，这个空气气流吹向缸壁，又到达活塞，当活塞接近上止点的时候，气流又流过缸头底部，也就是说对缸壁、活塞、汽缸底部有一定的冷却作用，然后又从排气门排除，有利于废气排除的效率。在进气过程中，排气门打开，进气门未关闭的时候，气体通过排气门跑出去了，然后当活塞过了上止点后下行的时候，逐渐关闭排气门，此时喷油器喷出雾状汽油，随着活塞下行，雾化汽油随着增压空气进入涵道副燃烧室，最后到达主燃烧室，活塞过了上止点，关闭进气门，同时活塞上行，将刚刚进入的混合气再推回进入通道涵道副燃烧室，使其旋转。经过雾化汽油和空气的混合气，经过通道副燃烧室、进入主燃烧室，再压回到副燃烧室，并形成旋转气流，使得汽油和空气更好地混合，有利于充分燃烧。

在进气阶段，打开进气门，新鲜气体通过副燃烧室进入主燃烧室，如图11和图12所示，在压缩阶段，进气门关闭，活塞上行，将主燃烧室内气体推入通道副燃烧室。从图中可以看出，图8为双旋转方向副燃烧室。气道扁窄利于气体进入后的旋转，但扁窄阻碍气体的流动，双旋转方向可以减少对副燃烧室容积的要求，在平行两个进气门对称的平面上可以扩大长度，以增加通道在副燃烧室端的截面面积，利于气体的快速流动。

采用单凸轮轴无摇臂的气门驱动，不仅方便这种发动机的结构特点，而且单凸轮轴无摇臂的气门驱动的效率要高于以往的单凸轮轴通过摇臂的气门驱动，省略了摇臂；同时也高于双凸轮轴无摇臂的气门驱动，省略了一个凸轮。

这种发动机适用于单缸、双缸以及多缸发动机；也适合风冷和水冷的发动机；适合非增压，更适合与增压、增压中冷发动机。

这种发动机适用于单缸发动机，也适合于多缸发动机，特别对于高转速汽油机、以及电喷的汽油发动机提高了油气的良好混合、提高了燃烧效果、对于发动机内部也进行了一定的冷却，以及对今后发动机的设计制造，提供了便利，必然在发动机设计制造上开辟新的一页。

Claims (1)

1.一种涵道副燃烧室四冲程发动机，包括凸轮轴、气门、活塞、燃烧室，燃烧室分为主燃烧室和通过一个主副室通道与主燃烧室相连的副燃烧室，排气门配置在主燃烧室顶部，进气门配置在副燃烧室；主副室通道口位于主燃烧室顶部的排气口一侧，并且主副室通道与主燃烧室顶面斜交配置；副燃烧室位于主副室通道的延伸线上，融燃烧室一侧配装火花塞；其特征在于主副室通道与气缸轴线为中心的圆周相切；进气门配置在副燃烧室的上面；活塞顶部与缸头之间距离小于0.5厘米；副燃烧室为配置两个进气门的中间联通的并列双涡流旋转室；进气门和排气门都配有上部单凸轮轴无摇臂的配气驱动机构，进气门和排气门配用同轴凸轮；进气门和排气门配有在排气阶段将进气门打开使空气通过副燃烧室、主副室通道压入燃烧室，再从排气门排出的增压配气机构；

在燃烧做功阶段，主要的燃烧过程大部分在涵道副燃烧室内完成，而主燃烧室的主要作用是利于燃烧了的高温高压气体推动活塞下行；

所述副燃烧室是的最大投影小、从副燃烧室中心线上到副燃烧室远端距离小的点燃燃烧速度快的小容积副燃烧室；

将进气口作成产生涡流的形状，使气体在活塞上行压缩、气体进入封闭的副燃烧室的时候，随着副燃烧室的形状而旋转成为涡流；

其做功冲程为：在压缩冲程完成时，进气门排气门为关闭状态，活塞位于上止点，气体被压缩在副燃烧室，此时副燃烧室上的火花塞点火或者柴油机喷油嘴喷油，气体在副燃烧室点燃并燃烧，随着曲轴旋转带动活塞下行，副燃烧室内燃烧膨胀的气体进入主燃烧室，未彻底燃烧的气体可以继续在主燃烧室内燃烧，燃烧的气体急剧膨胀，高温高压气体推动活塞下行。

Images