CN110030077B - 高滚流比发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高滚流比发动机，包括进气***和气缸组件，进气***包括位于缸头的进气道以及进气门，进气道的上型线向进气门方向倾斜，倾斜的斜率使得进气道利于引导进气流向进气门靠近燃烧室中心的一侧，本发明改变现有技术中进气道仅仅充当管道的结构，适当增加上型线斜率，从方向上顺畅引导混合气进入进气门靠近燃烧室中心的一侧，有利于气流进入气缸之后的流动状态的保持，使缸内的气流运动强度一直维持在较高的水平，保证燃油与空气的混合，进气门处的速度较大，可使缸内的气流运动更剧烈，燃油与空气的混合更好，利于提高发动机的滚流比，从而有效改善发动机的燃烧状态，提高燃烧速度，放热更集中，有利于提高循环热效率和燃烧效率，降低油耗。

Description

高滚流比发动机

技术领域

本发明涉及发动机，特别涉及一种高滚流比发动机。

背景技术

发动机的效率以及动力释放取决于燃烧室内的混合气的滚流比，滚流比决定了混合气的燃烧状况，从而决定发动机的能耗以及动力；而滚流比的决定因素包括燃烧室结构、进气条件等等诸多因素，进气***的进气状态属于决定滚流比大小的因素之一；现有技术中，进气道的设计并没有过多的考虑分析进气道本身对气体进入到燃烧室后产生的滚流比具有何种影响，而较多的考虑的是流量的影响；由此，忽略了进气道对混合气的引导对发动机滚流比的影响，也就直接忽略了进气道的结构对于发动机效率的影响。

因此，需要从进气***上考虑进气对于滚流比的影响，对现有的进气道进行改进，能够从进气上决定发动机增加滚流比，大大改善燃烧速度和效率，从而增加发动机动力，达到节能降耗的目的。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种高滚流比发动机，对现有的进气道进行改进，能够从进气上决定发动机增加滚流比，大大改善燃烧速度和效率，从而增加发动机动力，达到节能降耗的目的。

本发明的高滚流比发动机，包括进气***和气缸组件，所述进气***包括位于缸头的进气道以及进气门，所述进气道的上型线向进气门方向倾斜，倾斜的斜率使得进气道利于引导进气流向进气门靠近燃烧室中心的一侧；这里的上型线指的是进气道位于燃烧室上方的相对结构中位于进气道上方的型线，与使用时的发动机状态无关，即使用时该上型线可能位于左、右甚至下部，均不影响本发明中对该结构的描述；且本发明中的上型线、下型线均指的是沿气流方向的线，在此不再赘述；实际上该结构由于引导进气利于向进气门靠近燃烧室中心的一侧流动，形成较高的滚流比，改善发动机的工作状态，上型线的斜率需要大于现有技术，保证具有明显的约束引导，而现有技术则按照传统的进气道进行设计，转角处易于形成反冲，造成燃烧室边缘进气较多，不利于改善燃烧。

进一步，所述进气道在进气门的一端具有向进气门的转角，所述上型线的斜率使得上型线位于所述转角处平缓过渡；平缓过渡的转角利于平缓引导进气，从而避免进气被反冲形成紊流，进一步利于气流从进气门靠近燃烧室中心的一侧进入燃烧室，从而利于改善燃烧状况。

进一步，所述上型线与水平方向倾角范围为10.5°—12.5°，现有技术一般为8°左右,该倾角范围高于现有技术，利于进一步约束混合气体较合理的分配流动，从而保证了燃烧速率。

进一步，所述上型线位于所述转角处的曲率范围为12—13mm，现有技术中一般为5mm左右,该曲率半径范围与现有技术相比增加2倍以上，避免进气反冲，保证足够的混合气相对平顺的流向燃烧室中心，利于形成较高的滚流，从而保证燃烧效果。

进一步，所述气缸组件包括缸体和活塞，所述活塞的顶面与发动机燃烧室相对应的部分下沉形成内凹，与进气道对于混合气的引导相配合，形成合理的滚流空间，从而大大提高滚流比，提高发动机效率以及增强动力，达到节能降耗的目的；实际上，进气道和活塞顶面形状对缸内气流运动有很大的影响，本发明的进气道使气缸内的气流具有较高运动强度，加速燃油与空气的混合，而本发明的活塞顶面形状，对缸内气流运动的维持有积极的作用，这样可以加速点火后的火焰传播，加快燃烧，提高循环热效率。

进一步，所述活塞的顶面的内凹结构为活塞的顶面与燃烧室相对应的部位等尺寸下沉形成；加工较容易，且利于形成均匀的滚流空间，保证对混合气运动的维持。

进一步，所述活塞的顶面的内凹结构为活塞的顶面与燃烧室相对应的部位等尺寸下沉0.4-0.6mm形成，改尺寸范围能够保证较好的滚流效果，又不至于降低发动机动力。

进一步，所述进气道的宽高比为：0.8—0.85，现有技术中一般为0.7左右；由于提高了上型线的斜率，保证了对混合气的有效引导，却降低了气道的横截面积，因此，设定的宽高比能够保证不较多的降低进气流量，从而利于保证充足的混合气流量。

进一步，所述进气道与进气门的导管的安装相适应具有相对于上型线下沉的斜面，该斜面在气流方向上的中心线与水平方向倾角范围为28—31°，现有技术一般为32.5°左右；该中心线倾角的减小，使得进入进气道的混合气体能够顺畅的被引导至转角处，从而顺利进入燃烧室中心，从源头上保证了进气状态，进而提高了发动机的滚流比。

进一步，所述上型线位于所述转角处平缓过渡后还形成平缓的引导段，如图所示，该引导段实际上是转角平缓过渡后的进一步平缓延伸，该引导段从方向上进一步引导混合气，从而增加混合气从进气门靠近燃烧室中心的一侧流入。

本发明的有益效果：本发明的高滚流比发动机，改变现有技术中进气道仅仅充当管道的结构，适当增加上型线斜率，从方向上顺畅引导混合气进入进气门靠近燃烧室中心的一侧，有利于气流进入气缸之后的流动状态的保持，使缸内的气流运动强度一直维持在较高的水平，保证燃油与空气的混合，进气门处的速度较大，可使缸内的气流运动更剧烈，燃油与空气的混合更好，利于提高发动机的滚流比，从而有效改善发动机的燃烧状态，提高燃烧速度，放热更集中，有利于提高循环热效率和燃烧效率，降低油耗。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明的结构原理图；

图2为图1的俯视图；

图3为发动机燃烧室及活塞示意图；

图4本发明混合气进气示意图；

图5为X方向滚流比对比图；

图6为Y方向滚流比对比图；

图7为湍动能曲线对比图；

图8为燃烧进程对比图；

图9燃烧的放热率曲线对比图。

具体实施方式

如图所示：本实施例的高滚流比发动机，包括进气***和气缸组件，所述进气***包括位于缸头的进气道1以及进气门3，所述进气道1的上型线101向进气门3方向倾斜，倾斜的斜率使得进气道1利于引导进气流向进气门3靠近燃烧室4中心的一侧；这里的上型线101指的是进气道位于燃烧室上方的相对结构中位于进气道上方的型线(图中所示的虚线)，与使用时的发动机状态无关，即使用时该上型线可能位于左、右甚至下部，均不影响本发明中对该结构的描述；且本发明中的上型线、下型线均指的是沿气流方向的线，在此不再赘述；实际上该结构由于引导进气利于向进气门靠近燃烧室中心的一侧流动(如图4所示，a所指的颜色较深的为气流较为集中流动)，形成较高的滚流比，改善发动机的工作状态，上型线的斜率需要大于现有技术，保证具有明显的约束引导，而现有技术则按照传统的进气道进行设计，转角处易于形成反冲，造成燃烧室边缘进气较多，不利于改善燃烧。

本实施例中，所述进气道1在进气门3的一端具有向进气门3的转角102，所述上型线的斜率使得上型线位于所述转角处平缓过渡(图1中的102处的虚线所指即为平缓过渡的转角)；平缓过渡的转角利于平缓引导进气，从而避免进气被反冲形成紊流，进一步利于气流从进气门靠近燃烧室中心的一侧进入燃烧室，从而利于改善燃烧状况。

本实施例中，所述上型线101与水平方向倾角范围为10.5°—12.5°，优选12°；而现有技术一般为8°左右，该倾角范围高于现有技术，利于进一步约束混合气体较合理的分配流动，从而保证了燃烧速率。

本实施例中，所述上型线101位于所述转角102处的曲率半径范围为为12—13mm，优选13,现有技术一般为5mm左右，该曲率范围为现有技术的2倍以上，避免进气反冲，保证足够的混合气相对平顺的流向燃烧室中心，利于形成较高的滚流，从而保证燃烧效果。

本实施例中，所述气缸组件包括缸体和活塞2，所述活塞2的顶面与发动机燃烧室4相对应的部分下沉形成内凹结构201，与进气道对于混合气的引导相配合，形成合理的滚流空间，从而大大提高滚流比，提高发动机效率以及增强动力，达到节能降耗的目的；实际上，进气道和活塞顶面形状对缸内气流运动有很大的影响，本发明的进气道使气缸内的气流具有较高运动强度，加速燃油与空气的混合，而本发明的活塞顶面形状，对缸内气流运动的维持有积极的作用，这样可以加速点火后的火焰传播，加快燃烧，提高循环热效率。

本实施例中，所述活塞2的顶面的内凹结构201为活塞的顶面与燃烧室相对应的部位等尺寸下沉形成；加工较容易，且利于形成均匀的滚流空间，保证对混合气运动的维持。

本实施例中，所述活塞2的顶面的内凹结构201为活塞的顶面与燃烧室相对应的部位等尺寸下沉0.4-0.6mm形成，改尺寸范围能够保证较好的滚流效果，又不至于降低发动机动力。

本实施例中，所述进气道1的宽高比为：进气道的宽高比为：0.8—0.85，现有技术一般为0.7；由于提高了上型线的斜率，保证了对混合气的有效引导，却降低了气道的横截面积，因此，设定的宽高比能够保证不较多的降低进气流量，从而利于保证充足的混合气流量；如图所示，进气道1由上型线、下型线和左型线105以及右型线106(左右方位根据进气方向，在此不再赘述)根据设定的形状过渡形成，本发明的结构须将进气道加宽，则须将左型线105和右型线106分别向两侧外移加宽进气道1。

本实施例中，所述进气道1与进气门3的导管的安装相适应具有相对于上型线下沉的斜面，该斜面在气流方向上的中心线与水平方向倾角范围为28—31°，优选28°，现有技术一般为32.5°左右；该中心线倾角的减小，使得进入进气道的混合气体能够顺畅的被引导至转角处，从而顺利进入燃烧室中心，从源头上保证了进气状态，进而提高了发动机的滚流比；进气门3的导管为发动机进气门安装必备的部件，安装结构属于现有技术，在此不再赘述。

本实施例中，所述上型线101位于所述转角处平缓过渡后还形成平缓的引导段104，如图所示，该引导段104实际上是转角平缓过渡后的进一步平缓延伸，该引导段从方向上进一步引导混合气，从而增加混合气从进气门靠近燃烧室中心的一侧流入。

本发明用于发动机实际使用进气道进气在6mm和3mm升程时的流动情况，从6mm升程时的进气道流场图(图4所示，颜色越深为气流越集中)来看，本发明大的气流运动速度，会使缸内的气流运动更剧烈，燃油与空气的混合更好，对燃烧有利，本发明的结构对气流的导向作用，使得气体流进缸内时，气流偏向于一侧(靠近燃烧室中心)，这更有利于气流进入气缸之后的流动状态的保持，使缸内的气流运动强度一直维持在较高的水平，保证燃油与空气的混合，加速燃烧。

图5、图6、图7是表征缸内流动情况的流动特性曲线的对比图，图例中original代表现有技术的相关特性曲线，opt4代表仅进气道改进后的相关曲线特性，opt4_piston05mm是进气道和活塞顶面形状均改进过后的相关曲线特性。对比缸内的滚流比变化曲线，主要对比在点火上止点前的流动性能，本发明缸内的X方向和Y方向的滚流比均要强于现有技术，在650℃A时，只改进进气道的X方向滚流比提升了43.5％，Y方向的滚流比提升了25.3％，进气道和活塞都改进后的X方向滚流比提升了74.3％，Y方向的滚流比提升了40.5％。湍动能(TKE)是综合评价缸内气流运动情况的一个参数，湍动能会对点火后火焰传播速率有影响，所以此次分析主要对比了点火前后湍动能的大小，在700℃A时，只改进进气道的湍动能提升了26.1％，进气道和活塞都改进后的本发明湍动能提升了43.5％。

表征缸内燃烧特性的一些特征参数对比如表1所示，从燃烧持续期的对比可以看出，优化过后的燃烧持续期明显要短于原机，说明进气道、活塞优化过后缸内燃烧速率越快，放热更集中，有利于提高循环热效率和燃烧效率，降低油耗。对比只改进进气道和进气道加活塞一起改进发现，虽然进气道加活塞一起改进后在燃烧持续期没有明显优势，但在从图8的燃烧进程对比曲线可以直观的看出，进气道和活塞一起改进后着火更快，说明缸内的气流运动强度更大，因为燃烧仿真计算时设置的相同的点火提前角，但发动机在实际运行时可对点火提前角作调整，进气道和活塞都改进的结构的调整空间更大。

表1缸内燃烧特征参数对比

	AI10％(℃A)	AI50％(℃A)	AI90％(℃A)	燃烧持续期(℃A)
					现有技术	-0.8	15.7	32	32.8
改进进气道	-4.7	10	23.9	28.6
					改进进气道和活塞	-7.4	7	22	29.4

从放热率曲线的对比(图9所示)也可以看出，本发明燃烧更靠前，放热也更集中，对比中也可以看出，既改进进气道又改进活塞顶面的结构放热是最靠前的，说明本发明缸内的气流运动更有利于火焰的传播、加快燃烧速率，从而提高循环热效率和燃烧效率，来降低燃油消耗率。

由此可见，本发明旨在提高缸内的气流运动强度，来加快发动机点火后缸内的火焰传播速度和燃烧速率，使得燃烧的放热更集中，循环热效率和燃烧效率更高，来达到降低油耗的目的。

本发明的气门导管侧面结构对气流有导向作用，气体流进缸内时，气流会偏向于一侧，这更有利于气流进入气缸之后的流动状态的保持，使缸内的气流运动强度一直维持在较高的水平，保证燃油与空气的混合，加速燃烧。

本发明进气门处的速度较大，可使缸内的气流运动更剧烈，燃油与空气的混合更好，对燃烧有利。

本发明的缸内气流运动均要强于现有技术，滚流比在650℃A时，X方向滚流比提升了74.3％，Y方向的滚流比提升了40.5％；湍动能在700℃A时，本发明提升了43.5％。

本发明着火更早，燃烧持续期也明显短于现有技术，说明进气道、活塞改进过后缸内燃烧速率越快，放热更集中，有利于提高循环热效率和燃烧效率，降低油耗。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种高滚流比发动机，其特征在于：包括进气***和气缸组件，所述进气***包括位于缸头的进气道以及进气门，所述进气道的上型线向进气门方向倾斜，倾斜的斜率使得进气道利于引导进气流向进气门靠近燃烧室中心的一侧；所述进气道在进气门的一端具有向进气门的转角，所述上型线的斜率使得上型线位于所述转角处平缓过渡；所述上型线与水平方向倾角范围为10.5°—12.5°；所述上型线位于所述转角处的曲率半径范围为12—13mm。

2.根据权利要求1所述的高滚流比发动机，其特征在于：所述气缸组件包括缸体和活塞，所述活塞的顶面与发动机燃烧室相对应的部分下沉形成内凹。

3.根据权利要求2所述的高滚流比发动机，其特征在于：所述活塞的顶面的内凹结构为活塞的顶面与燃烧室相对应的部位等尺寸下沉形成。

4.根据权利要求3所述的高滚流比发动机，其特征在于：所述活塞的顶面的内凹结构为活塞的顶面与燃烧室相对应的部位等尺寸下沉0.4-0.6mm形成。

5.根据权利要求1所述的高滚流比发动机，其特征在于：所述进气道的宽高比为：0.8—0.85。

6.根据权利要求1所述的高滚流比发动机，其特征在于：所述进气道与进气门的导管的安装相适应具有相对于上型线下沉的斜面，该斜面在气流方向上的中心线与水平方向倾角范围为28—31°。

7.根据权利要求1所述的高滚流比发动机，其特征在于：所述上型线位于所述转角处平缓过渡后还形成平缓的引导段。

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