一種分區分層稀薄燃燒發動機用汽缸蓋的製作方法

2023-08-03 06:39:36

一種分區分層稀薄燃燒發動機用汽缸蓋的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種分區分層稀薄燃燒發動機用汽缸蓋，連接在發動機的氣缸上使用,汽缸蓋上設置有汽缸蓋分區隔板，汽缸蓋分區隔板將氣缸的燃燒室隔離成小燃燒區和大燃燒區；本發明的發動機燃燒室結構，實現了發動機在汽車怠速、小負荷、中等負荷時，提高了發動機內燃油的燃燒效率，降低了發動機排除的廢氣和油耗，並保證了發動機在大負荷時的安全使用，從而提高汽車在行駛時的環保性能和減少其使用成本。
【專利說明】一種分區分層稀薄燃燒發動機用汽缸蓋

【技術領域】
[0001]本發明涉及發動機【技術領域】，特別是涉及一種分區分層稀薄燃燒發動機用汽缸至
ΠΠ O

【背景技術】
[0002]目前，汽車發動機用途最廣泛的是往復式活塞發動機，該種發動機在高轉速大負荷時通過渦輪增壓實現了燃油經濟性，但是在怠速和小負荷時沒能達到燃油經濟性，因此在市區低速行駛時燃油消耗明顯過高。
[0003]其原因有以下幾個方面:(I)在怠速時完全關閉節氣門，只有很少空氣通過節氣門怠速通道進入氣缸，使吸氣時形成很大的真空度，必然會使進氣消耗的能量增大，增大泵氣損失；同時由於此時進氣管的真空度很大，在進氣門開啟時，氣缸內的壓力高於進氣管壓力，廢氣膨脹進入進氣管，在吸氣衝程時，這些廢氣和新混合氣同時吸入氣缸，為了保證這種經廢氣稀釋過的混合氣能正常燃燒，就必須供給更多的燃油，把混合氣加濃，必然增大油耗；(2)在小負荷時，節氣門的開度很小，使吸氣時形成較大的真空度，在進氣門開啟時，氣缸內的壓力同樣高於進氣管壓力，在吸氣衝程時，同樣有部分廢氣膨脹進入進氣管，為了保證這種經廢氣稀釋過的混合氣能正常燃燒，同樣要供給較多的燃油，增大了油耗，這就是汽車在市區行駛油耗高的重要原因之一；(3)在怠速、小負荷、中等負荷時都採用進氣管節流方式對混合氣充量進行量調節，節氣門沒有完全打開，形成一定的真空度，使得泵氣損失增大，特別是怠速和小負荷時，使得泵氣損失明顯增大，在中等負荷時，節氣門開度較大，形成的真空度較小，儘管每個吸氣衝程的損失不大，但是，發動機60%以上處於該工況，因此造成的泵氣損失增大總量還是很大的；(4)常規汽油機其混合氣是均質，一般只能在空燃比12?17範圍內工作，在化學計量比附近燃燒，使得NOx排放較高。為了防止發生爆燃，採用較低的壓縮比，尤其在怠速和小負荷時，空燃比更是遠遠小於理論空燃比，導致熱效率較低。


【發明內容】

[0004]為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種分區分層稀薄燃燒發動機用汽缸蓋，其目的在於實現發動機在汽車怠速、小負荷時，提高發動機內燃油的燃燒效率，降低發動機排除的廢氣和油耗，從而提高汽車在行駛時的環保性能和減少其使用成本。
[0005]本發明所採用的技術方案是:一種分區分層稀薄燃燒發動機用汽缸蓋，連接在發動機的氣缸上使用，汽缸蓋上設置有汽缸蓋分區隔板，汽缸蓋分區隔板將氣缸的燃燒室隔離成小燃燒區和大燃燒區。
[0006]優選地，汽缸蓋分區隔板雙側設置有球形弧面；兩個球形弧面與活塞、氣缸圍成兩個半橄欖球形大、小燃燒區。小燃燒區和大燃燒區對應的汽缸蓋上分別依次設置有一個進氣門、一個火花塞、一個排氣門。汽缸蓋分區隔板沿其板體的豎直方向設置有若干槽。每一個槽在其所附著的汽缸蓋分區隔板不貫通。
[0007]優選地，大燃燒區和小燃燒區的容積比為51:49至70:30。
[0008]優選地，大燃燒區和小燃燒區的容積比為60:40o
[0009]與現有技術相比，本發明的有益效果是:1、在怠速時，連接大燃燒區的進氣轉換閥門打開廢氣回流管，同時關閉空氣進氣管，向大燃燒區提供廢氣，該進氣道噴油器不噴油；連接小燃燒區的進氣轉換閥門打開空氣進氣管，同時關閉廢氣回流管，向小燃燒區提供新鮮空氣，該進氣道噴油器噴油，這時只在小燃燒區形成可燃混合氣，相對傳統發動機有以下幾個優點(I)只需要更少量的燃油就能達到點火的濃度，達到節油的目的；(2)可以適當調大節氣門怠速通道，使整個氣缸充量增加，既可以降低泵氣損失，又適當提高空燃比，提高熱效率；(3)只有小燃燒區工作產生廢氣，因此排除的廢氣比傳統發動機少很多。
[0010]2、在小負荷時，與怠速一樣只使用小燃燒區工作，可以加大節氣門開度，在提高整個氣缸的充量時也能在小燃燒區形成可靠的點火濃度，既減少了泵氣損失，又提高了空燃比，提高了熱功轉化率，尤其是在小負荷的最大狀況時，就可以使進氣門處於最大開度，熱功轉化率能達到最佳；事實上:如果是2.0排量的發動機，在小負荷時，本發動機實際相當於2.0Χ40%=0.8排量的發動機滿負荷工作，油耗當然大大減少。
[0011]3、在中等負荷時，連接小燃燒區的進氣轉換閥門打開廢氣回流管，同時關閉空氣進氣管，向小燃燒區提供廢氣，該進氣道噴油器不噴油；連接大燃燒區的進氣轉換閥門打開空氣進氣管，同時關閉廢氣回流管，向大燃燒區提供新鮮空氣，該進氣道噴油器噴油，這時只在大燃燒區形成可燃混合氣，採用渦輪增壓器提高壓縮比至11?12，在中等負荷就能夠實現空燃比25?50範圍內穩定工作，大大提高熱效率；事實上:如果是2.0排量的發動機，在小負荷時，本發動機實際相當於2.0Χ60%=1.2排量的發動機滿負荷工作，油耗當然大大減少。
[0012]4、在大負荷和滿負荷時，大、小二個燃燒區都充入可燃混合氣，二個火花塞都點火，發動機達到最大功率輸出，由於是二個火花塞點火，火焰傳播距離短，即使在很高壓縮比時也能有效防止爆燃。
[0013]5、由於是二個火花塞點火，火焰傳播距離短，燃燒完成需要的時間大大縮短，因此可以減小點火提前角，提高了點火時的溫度和壓強，使著火性能得到改善，同時也減少了負功；事實上:如果是2.0排量的發動機，在大負荷和滿負荷時，本發動機才以2.0排量工作，因此，本發動機實際有三種排量:0.8、1.2,2.0，在不同工況時適用不同排量，油耗當然大大減少；從另一個角度看:怠速時是一個4缸0.8排量的發動機，中等負荷時增加4缸，排量增大到1.2，大負荷和滿負荷時再增加4缸，排量增大到2.0，因此本發動機相當於12缸發動機，能更好適應不同工況要求。
[0014]6、在怠速、小負荷、中等負荷時，由於是只使用其中一個燃燒區工作，該工作燃燒區與另一個不工作燃燒區是分隔開的，工作燃燒區容積小，從點火到燃燒完成時間裡，產生的熱量能使氣體只在小容積燃燒區內膨脹，因此比傳統發動機的壓力大大高，壓力升高率大大提尚，使熱功轉化率有很大的提尚。
[0015]7、在怠速、小負荷、中等負荷時，不點火做功的燃燒區充入的是廢氣，即使氣缸內處於高溫，也不易使這些廢氣再產生NOx，比其它稀燃發動機大大減少了汙染氣體的排放。
8、汽缸蓋分區隔板在活塞壓縮衝程時，活塞接近上止點時與活塞之間形成一個擠氣作用，在大燃燒區形成一定強度的氣體流動，形成快速燃燒，降低對辛烷值的要求；活塞頂部分區隔板在活塞接近上止點時與汽缸蓋之間形成一個擠氣作用，在小燃燒區形成一定強度的氣體流動，形成快速燃燒，同樣降低對辛烷值的要求。
[0016]9、本發動機是在現有四氣門發動機成熟技術上的改進，因此研發試驗成本低，資金投入少，開發風險小。
[0017]本發明的發動機燃燒室結構，實現了發動機在汽車怠速、小負荷、中等負荷時，提高了發動機內燃油的燃燒效率，降低了發動機排除的廢氣和油耗，並保證了發動機在大負荷時的安全使用，從而提高汽車在行駛時的環保性能和減少其使用成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發明發動機汽缸蓋的內部設置有汽缸蓋分區隔板構造示意圖；
圖2為本發明發動機設置的活塞頂部分區隔板構造示意圖；
圖3為活塞到達上止點時二個隔板分隔形成二個燃燒區剖視示意圖；
圖4為本發明發動機的火花塞分布示意圖；
圖5為本發明發動機的氣缸、渦輪增壓器、廢氣儲存容器、排氣口控制閥門、空氣濾清器、節氣門體、廢氣回流管、進氣轉換閥門、空氣進氣管、氣缸進氣管連接順序示意圖；
圖6為本發明發動機的吸氣衝程時形成四股滾流示意圖；
圖7為本發明發動機小燃燒區吸入可燃混合氣時各種氣體分層示意圖；
圖8為本發明發動機壓縮衝程完成時不同氣體的分層示意圖；
圖9為本發明大燃燒區吸入可燃混合氣時各種氣體分層示意圖；
圖10為本發明大、小燃燒區都吸入可燃混合氣時各種氣體分層示意圖；
其中:1.汽缸蓋、2.汽缸蓋分區隔板、201.小球形弧面、3.槽、4.進氣門、5.排氣門、6、火花塞1、7、活塞、8、活塞頂部分區隔板、9.小燃燒區、10.大燃燒區、11.渦輪增壓器、
12.廢氣儲存容器、13.排氣口控制閥門、14、空氣濾清器、15.節氣門體、16.節氣門、17.廢氣回流管、18.進氣轉換閥門1、19.空氣進氣管、20.氣缸進氣管、21.噴油器1、22.氣缸進氣管分道板、23.大進氣道、24.小進氣道、25.可燃混合氣滾流、26、空氣滾流、27廢氣滾流、28.電子控制單元、29.廢氣儲存容器的排氣口、30.空氣燃油混合氣、31.小燃燒區內的擠氣氣流、32.大燃燒區內的擠氣氣流、36.火花塞I1、38.進氣轉換閥門I1、41.噴油器I1、42.氣缸。

【具體實施方式】
[0019]為了加深對本發明的理解，下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明，該實施例僅用於解釋本發明，並不對本發明的保護範圍構成限定。
[0020]如圖1所示，一種分區分層稀薄燃燒發動機用汽缸蓋，連接在發動機的氣缸42上使用，汽缸蓋I上設置有汽缸蓋分區隔板2，汽缸蓋分區隔板2將氣缸42的燃燒室隔離成小燃燒區9和大燃燒區10。
[0021]在本發明中，汽缸蓋分區隔板2雙側設置有球形弧面201 ;兩個球形弧面201與活塞7、氣缸42圍成兩個半橄欖球形大、小燃燒區10，9。小燃燒區9和大燃燒區10對應的汽缸蓋I上分別依次設置有一個進氣門4、一個火花塞、一個排氣門5。汽缸蓋分區隔板2沿其板體的豎直方向設置有若干槽3。每一個槽3在其所附著的汽缸蓋分區隔板2不貫通。大燃燒區10和小燃燒區9的容積比為51:49至70:30?大燃燒區10和小燃燒區9的容積比為60:40o
[0022]如圖1所示，該發動機的汽缸蓋I的半球形燃燒室內部有一個汽缸蓋分區隔板2，它將燃燒室分成二個半橄欖球形燃燒區，其中一個是小燃燒區9，其容積約佔氣缸燃燒室總容積的40%，另一個是大燃燒區10，其容積約佔氣缸燃燒室總容積的60% ;汽缸蓋分區隔板2連接汽缸蓋處向著大燃燒區10—側逐漸變寬，形成一個弧面，使大燃燒區10成為半橄欖球形；汽缸蓋分區隔板2有幾個槽3，使隔板在高溫時膨脹有伸展空間，不至於變形；汽缸蓋分區隔板2的高度約為1~2釐米，汽缸蓋分區隔板2有一定寬度，形成的上表面具有一定的面積，該表面大小以擠氣需要的面積大小為準；小燃燒區9有一個進氣門4和一個排氣門5，火花塞I 6位於進氣門與排氣門之間；大燃燒區10也有一個進氣門4和一個排氣門5，火花塞II 36同樣位於進氣門與排氣門之間，因此本發動機是一個四氣門雙火花塞發動機。
[0023]如圖2所示，該發動機的活塞頂部設置有一個活塞頂部分區隔板8，該活塞頂部分區隔板8與有幾個槽3，使隔板在高溫時膨脹有伸展空間，不至於變形；該隔板接近活塞外沿時向著小燃燒區9 一側逐漸變寬，形成一個弧面，大燃燒區10成為半橄欖球形，當活塞運動到上止點時，該活塞頂部分區隔板8處於小燃燒區9裡，使小燃燒區9裡成為一個半橄欖球形燃燒區；該活塞頂部分區隔板8有一定寬度，形成的上表面具有一定的面積，該表面大小同樣以擠氣需要的面積大小為準；該活塞頂部分區隔板8的高度與汽缸蓋分區隔板2的高度一樣。
[0024]如圖3所示，當活塞運動到上止點時，汽缸蓋分區隔板2的背面與活塞頂部分區隔板8的背面緊貼在一起，汽缸蓋分區隔板2的另一弧面使大燃燒區成半橄欖球形；活塞頂部分區隔板8的另一弧面使小燃燒區成半橄欖球形，因此本發動機有二個面容比小的緊湊燃燒區。
[0025]如圖4所示，當活塞進行壓縮衝程接近上止點時，活塞頂部分區隔板8的上表面與汽缸蓋之間形成擠氣，形成小燃燒區內的擠氣氣流31，該擠氣氣流31能加快小燃燒區9的火焰傳播，形成快速燃燒；與此同時汽缸蓋分區隔板2的上表面與活塞之間形成擠氣，形成大燃燒區內的擠氣氣流32，該擠氣氣流32能加快大燃燒區10的火焰傳播，形成快速燃燒。
[0026]如圖5所示，發動機排出的廢氣經渦輪增壓器11後進入廢氣儲存容器12，該廢氣儲存容器設置有冷卻系統，將廢氣冷卻，使廢氣的密度增大接近空氣密度；在廢氣儲存容器12的上側面設置有一個.排氣口控制閥門13，該排氣口控制閥門13利用自身重量下壓在廢氣儲存容器的排氣口 29上，當廢氣儲存容器內的壓強略高於外界大氣壓時，氣體會自動頂起排氣口控制閥門13，排出多餘的廢氣，廢氣儲存容器內一部分廢氣在怠速、小負荷、中等負荷時回流到氣缸不工作的燃燒區，提高整個氣缸的充量；經過廢氣儲存容器12冷卻了的廢氣通過空氣濾清器14再到節氣門體，經過廢氣回流管17達到進氣轉換閥門18 ;進氣轉換閥門18受ECU28控制；當發動機處於怠速和小負荷時，ECU28通過電磁控制器使進氣轉換閥門I 18打開與小燃燒區9連通的空氣進氣管19，同時關閉與小燃燒區連通的廢氣回流管17，與此同時進氣轉換閥門II 38打開與大燃燒區10連通的廢氣回流管17，同時關閉與大燃燒區連通的空氣進氣管19，這樣以來，進入小燃燒區9的是新鮮空氣，噴油器I 21噴油形成可燃混合氣；進入大燃燒區10的是廢氣，噴油器II 41不噴油，因此，在怠速和小負荷時，將要進入下一步做功的只有小燃燒區；噴油器I 21和噴油器II 41都受E⑶28控制；當發動機處於中等負荷時，ECU28通過電磁控制器使進氣轉換閥門I 18打開與小燃燒區9連通的廢氣回流管17，同時關閉與小燃燒區連通的空氣進氣管19，與此同時進氣轉換閥門II 38打開與大燃燒區10連通的空氣進氣管19，同時關閉與大燃燒區連通的廢氣回流管17，這樣以來，進入小燃燒區9的是廢氣，噴油器I 21不噴油；進入大燃燒區10的是新鮮空氣，噴油器II 41噴油形成可燃混合氣，因此，在中等負荷時，將要進入下一步做功的只有大燃燒區；當發動機處於大負荷和滿負荷時，ECU28通過電磁控制器使進氣轉換閥門I 18和進氣轉換閥門II 38都打開空氣進氣管19 ;同時都關閉廢氣回流管17，這樣以來進入二個燃燒區的都是新鮮空氣，二個噴油器都噴油形成可燃混合氣，因此在大負荷和滿負荷時，二個燃燒區都將進入下一步做功。
[0027]如圖6所示，氣缸進氣管分道板22將進入管分成大小不同的進氣道，進氣道24較小，進氣道23較大，進氣道23的上側安裝有噴油器，噴入的燃油只與大進氣道的氣體混合；進入氣缸的氣體被分成四股獨立的滾流；二邊的二個滾流較大，中間的二個滾流較小；獨立的滾流能較好地形成分層，有效地抑制不同氣流的相互擴散；當發動機怠速或者小負荷工況時，活塞下行吸氣，進入氣缸下燃燒區的是空氣，噴油器21噴出燃油，形成的滾流25是可燃混合氣，可燃混合氣用「.」表示，滾流26是沒有燃油的空氣，用「〇」表示，進入大燃燒區的是廢氣，用「 X 」表示，形成的滾流27是廢氣滾流。
[0028]如圖7所不，表不吸氣衝程時的不同成分氣體的分布情況，圖7表不的是發動機處於怠速時，噴油器21噴油，與大進氣道23裡的空氣混合後形成可燃混合氣滾流25，用「.」表示，可燃混合氣進入小燃燒區9，另外從小進氣道進24入的是空氣滾流24，用「〇」表示，進入大燃燒區10的是廢氣滾流27，用「 X 」表示，由於廢氣儲存容器12的廢氣壓強略高於外界大氣壓，因此進入氣缸的廢氣滾流壓強較大，會有少部分廢氣越過活塞頂部隔板8，進入小燃燒區，與小氣道24進入的空氣混合分布在氣缸的左下角；形成這樣的氣體分布的好處是:既能實現分層燃燒，又能讓廢氣抑制產生NOx的可逆反應，減少汙染氣體的排放。
[0029]如圖8所示，汽缸蓋分區隔板2與活塞頂部分區隔板8在上止點時完全咬合，形成小燃燒區9和大燃燒區10，在怠速和小負荷時，小燃燒區裡的氣體有:(I)可燃混合氣，用「.」表示，(2)空氣，用「〇」表示，(3)廢氣，用「 X 」表示，它們在小燃燒區裡分層分布，大燃燒區全部是廢氣；二個隔板的分隔作用從上止點前30° ~60°曲軸轉角開始到下止點30° ~60°曲軸轉角結束，分隔作用曲軸轉角的大小與分區隔板的高度有關，高度達到I釐米時就能在上止點前30°曲軸轉角時開始實現分隔；根據發動機燃燒情況，一般在上止點前15°曲軸轉角時開始點火，混合氣燃燒在下止點前20°曲軸轉角時結束，因此本發動機的二個分區隔板有I釐米高度時就能滿足燃燒期的分區要求，當然，分區隔板的高度越高，分隔時間越長，其好處是:工作燃燒區的壓力升高率保持的時間越長，燃油經濟性越好。
[0030]如圖9所示，表示的是發動機處於中等負荷時，二個燃燒區進入的都是新鮮空氣，噴油器41噴油，燃油在大進氣道23裡與空氣混合後形成可燃混合氣25，用「.」表示，可燃混合氣進入大燃燒區10，另外從小進氣道進24是空氣26，用「〇」表示，進入小燃燒區9的是廢27，用用「 X 」，由於廢氣儲存容器12的廢氣壓強略高於外界大氣壓，因此進入氣缸的廢氣滾流壓強較大，會有少部分廢氣越過活塞頂部隔板8，進入大燃燒區，與小氣道24進入的空氣混合分布在氣缸的右下角；形成這樣的氣體分布的好處是:既能實現分層燃燒，又能讓廢氣抑制產生NOx的可逆反應，減少汙染氣體的排放。
[0031]如圖10所示，表示的是發動機處於大負荷和滿時，噴油器22和噴油器41都噴油，燃油在大進氣道23裡與空氣混合後形成可燃混合氣25，用「.」表示，可燃混合氣25分別進入大燃燒區10和小燃燒區9，從小進氣道24進入的是空氣26，用「〇」表示，空氣與可燃混合氣分層分布，壓縮後實現分層燃燒。
[0032]附註:在本發明中所述的電子控制單元為ECU，又稱「行車電腦」、「車載電腦」等。從用途上講則是汽車專用微機控制器。它和普通的電腦一樣，由微處理器(CPU)、存儲器(ROM、、RAM)、輸入/輸出接口(I/O)、模數轉換器(A/D)以及整形、驅動等大規模集成電路組成。
[0033]本發明的發動機燃燒室結構，實現了發動機在汽車怠速、小負荷、中等負荷時，提高了發動機內燃油的燃燒效率，降低了發動機排除的廢氣和油耗，並保證了發動機在大負荷時的安全使用，從而提高汽車在行駛時的環保性能和減少其使用成本。
[0034]本發明的實施例公布的是較佳的實施例，但並不局限於此，本領域的普通技術人員，極易根據上述實施例，領會本發明的精神，並做出不同的引申和變化，但只要不脫離本發明的精神，都在本發明的保護範圍內。
【權利要求】
1.一種分區分層稀薄燃燒發動機用汽缸蓋，連接在發動機的氣缸(42)上使用，其特徵在於:所述汽缸蓋(I)上設置有汽缸蓋分區隔板(2 )，所述汽缸蓋分區隔板(2 )將氣缸(42 )的燃燒室隔離成小燃燒區(9)和大燃燒區(10)。
2.根據權利要求1所述的一種分區分層稀薄燃燒發動機用汽缸蓋，其特徵在於:所述汽缸蓋分區隔板(2)雙側設置有球形弧面(201);兩個所述球形弧面(201)與活塞(7)、氣缸(42 )圍成兩個半橄欖球形大、小燃燒區(10，9 )。
3.根據權利要求1或2所述的一種分區分層稀薄燃燒發動機用汽缸蓋，其特徵在於:所述小燃燒區(9 )和大燃燒區(10 )對應的汽缸蓋(I)上分別依次設置有一個進氣門(4 )、一個火花塞、一個排氣門(5 )。
4.根據權利要求1或2所述的一種分區分層稀薄燃燒發動機用汽缸蓋，其特徵在於:所述汽缸蓋分區隔板(2 )沿其板體的豎直方向設置有若干槽(3 )。
5.根據權利要求4所述的一種分區分層稀薄燃燒發動機用汽缸蓋，其特徵在於:每一個所述槽(3)在其所附著的汽缸蓋分區隔板(2)不貫通。
6.根據權利要求3所述的一種分區分層稀薄燃燒發動機用汽缸蓋，其特徵在於:所述大燃燒區(10)和小燃燒區(9)的容積比為51:49至70:30。
7.根據權利要求6所述的一種分區分層稀薄燃燒發動機用汽缸蓋，其特徵在於:所述大燃燒區 (10)和小燃燒區(9)的容積比為60:40o
【文檔編號】F02F1/18GK104500252SQ201410784209
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月18日 優先權日:2014年12月18日
【發明者】汪輝 申請人:汪輝