一种气缸盖与一种燃气发动机的制作方法

1.本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种气缸盖与一种燃气发动机。


背景技术：

2.随着燃气发动机技术的发展，目前，越来越多的燃气发动机是在柴油发动机的基础上改造而成的。对于柴油机而言，其燃烧模式为扩散燃烧，一定程度的涡流有助于油束与空气混合，从而改善燃烧过程，因此，需要发动机气缸盖中的进气道在进气的过程中组织气流产生足够的涡流比。其中，涡流是指气体绕气缸轴向有组织的旋流运动。
3.然而，燃气发动机的燃烧模式为预混燃烧，对涡流强度要求不高，而需要小尺度的湍流运动来形成火焰褶皱面，从而加快火焰传播速度，提升热效率，其中，湍流是指气流速度较高时在流场中产生的许多方向不固定的小旋流，区别于层流运动。对于燃气发动机而言，并不需要提高涡流强度，而提高气缸内的滚流强度可以有利于在压缩末期形成湍流，在活塞上行到上止点时产生足够的湍动能，进而达到优化燃烧的目的。其中，滚流是指旋转中心轴线与缸套轴向垂直的气体旋流运动。
4.可见，对于现有由柴油机气缸盖集成改造设计而成的燃气发动机气缸盖，很难在气缸内产生燃气发动机所需要的滚流。
5.因此，如何提高燃气发动机气缸内的滚流强度，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种气缸盖，该气缸盖在现有柴油机的基础上通过结构改进，使进入气缸内的气体产生燃气发动机所需的滚流运动，进而提升燃气发动机的热效率。本发明的另一个目的在于提供一种包括上述气缸盖的燃气发动机。
7.为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种气缸盖，包括进气喉口和排气喉口，所述进气喉口内设置有进气门座圈，所述进气门座圈内远离所述排气喉口的一侧设有滚流尖角，所述滚流尖角在所述进气门座圈的上端面的轴向投影为尖角投影，所述尖角投影形成由所述进气门座圈内侧边缘沿径向向所述进气门座圈的中心凸出的凸出区域，所述尖角投影的中部的宽度大于其两端的宽度。
8.优选地，所述尖角投影为内凹侧朝向所述进气门座圈的中心布置的月牙形区域。
9.优选地，所述尖角投影朝向所述进气门座圈的中心一侧的边缘为尖角特征线，所述尖角特征线的中点与所述进气门座圈的中心的连线为尖角方向线，所述尖角方向线与曲轴轴线的夹角为尖角方向角，所述进气喉口的中心与所述排气喉口的中心的连线与所述曲轴轴线的夹角为进排气喉口连线方向角，所述进排气喉口连线方向角小于等于所述尖角方向角的2倍。
10.优选地，所述滚流尖角与所述进气门座圈的中心线的最小距离大于0并且小于等于进气门座圈内径的0.5倍。
11.优选地，所述进气喉口连接有进气道，所述进气道靠近所述滚流尖角一侧的壁面为第一壁面，所述第一壁面上设置有导流曲面部，所述导流曲面部为相对所述第一壁面向气缸盖底面方向凹陷的弧形凹坑面。
12.优选地，所述进气喉口的底孔设有进气倒角，所述进气倒角的中心相对所述进气喉口的中心向所述排气喉口方向偏移。
13.优选地，本发明的气缸盖包括第一进气喉口和第二进气喉口，所述第一进气喉口与缸盖进气口的距离小于所述第二进气喉口与所述缸盖进气口的距离，所述第一进气喉口内设置有第一进气门座圈，所述第二进气喉口内设置有第二进气门座圈，所述第一进气门座圈距气缸盖底面的高度大于所述第二进气门座圈距所述气缸盖底面的高度。
14.优选地，所述第一进气门座圈与所述第二进气门座圈的高度差大于0并且小于等于进气门直径的0.2倍。
15.优选地，所述进气喉口的数量为一个或两个或三个。
16.优选地，本发明的气缸盖包括至少两个进气道，且各个所述进气道分隔布置。
17.优选地，所述进气喉口的数量为至少两个，且至少两个所述进气喉口的所述滚流尖角不同。
18.优选地，本发明的气缸盖包括缸盖进气口，所述缸盖进气口布置于所述气缸盖的侧面或顶面或底面。
19.本发明提供的气缸盖，包括进气喉口和排气喉口，所述进气喉口内设置有进气门座圈，所述进气门座圈内远离所述排气喉口的一侧设有滚流尖角，所述滚流尖角在所述进气门座圈的上端面的轴向投影为尖角投影，所述尖角投影形成由所述进气门座圈内侧边缘沿径向向所述进气门座圈的中心凸出的凸出区域，所述尖角投影的中部的宽度大于其两端的宽度。
20.本发明的工作原理如下：发动机气缸吸气时，进气门打开，进气气流由进气门座圈和进气门之间的缝隙进入气缸内，进气门座圈内侧设置的滚流尖角使进气气流向排气喉口的方向挤压抛射，从而使大部分进气气流从靠近排气喉口一侧的缝隙中进入气缸，而远离排气喉口一侧的气流则被减小，这两侧的气流在进入气缸后更容易形成大尺度的滚流运动。
21.本发明在现有柴油机的基础上，通过在进气门座圈内设置滚流尖角结构，使得进气气流在经过进气门座圈时能够向排气喉口方向抛射，从而有利于增强气缸内的滚流强度，有利于在压缩末期形成湍流，进而提升燃气发动机的热效率。
22.本发明在进气门座圈上设置滚流尖角结构，可以通过一体加工进气门座圈的方式来保证滚流尖角特征的精度，并且具有更高的形态自由度，在开发和组装产品时，可以通过旋转进气门座圈在气缸盖上的相对位置，实现更加方便地调整滚流强度的功能。
23.本发明还提供了一种包括上述气缸盖的燃气发动机。该燃气发动机产生的有益效果的推导过程与上述气缸盖带来的有益效果的推导过程大体类似，故本文不再赘述。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本发明具体实施例中的一种气缸盖的纵向剖面示意图；图2为本发明具体实施例中的滚流尖角布置结构示意图；图3为本发明具体实施例中的第二种气缸盖的气道内布置弧形凹坑面的结构示意图；图4为本发明具体实施例中的第三种气缸盖的偏心倒角的布置结构示意图；图5为本发明具体实施例中的第四种气缸盖的两个进气门座圈布置于不同高度的结构示意图；图6为本发明具体实施例中的第四种气缸盖的两个进气门座圈与缸盖进气口不同间距布置示意图。
26.图1至图6中的各项附图标记的含义如下：1
‑
进气道、2
‑
进气门座圈、3
‑
气缸盖底面、4
‑
滚流尖角、5
‑
曲轴轴线、20
‑
进气门座圈中心线、21
‑
第一进气门座圈、22
‑
第二进气门座圈、23
‑
第一排气门座圈、24
‑
第二排气门座圈、41
‑
尖角特征线、6
‑
弧形凹坑面、71
‑
第一进气倒角、72
‑
第二进气倒角、211
‑
第一进气喉口中心、221
‑
第二进气喉口中心、231
‑
第一排气喉口中心、241
‑
第二排气喉口中心、11
‑
第一进气道、12
‑
第二进气道、13
‑
缸盖进气口。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.请参照图1至图6，图1为本发明具体实施例中的一种气缸盖的纵向剖面示意图；图2为本发明具体实施例中的滚流尖角布置结构示意图；图3为本发明具体实施例中的第二种气缸盖的气道内布置弧形凹坑面的结构示意图；图4为本发明具体实施例中的第三种气缸盖的偏心倒角的布置结构示意图；图5为本发明具体实施例中的第四种气缸盖的两个进气门座圈布置于不同高度的结构示意图；图6为本发明具体实施例中的第四种气缸盖的两个进气门座圈与缸盖进气口不同间距布置示意图。
29.本发明提供了一种气缸盖，包括进气喉口和排气喉口，进气喉口内设置有进气门座圈2，进气门座圈2内远离排气喉口的一侧设有滚流尖角4，滚流尖角4在进气门座圈2的上端面的轴向投影为尖角投影，尖角投影形成由进气门座圈2内侧边缘沿径向向进气门座圈2的中心凸出的凸出区域，尖角投影在沿进气门座圈2的周向方向上的中部的宽度大于其两端的宽度。
30.本发明的工作原理如下：发动机气缸吸气时，进气门打开，进气气流由进气门座圈2和进气门之间的缝隙进入气缸内，进气门座圈2内侧设置的滚流尖角4使进气气流向排气喉口的方向挤压抛射，从而使大部分进气气流从靠近排气喉口一侧的缝隙中进入气缸，而远离排气喉口一侧的气流则被减小，这两侧的气流在进入气缸后更容易形成大尺度的滚流运动。
31.本发明在现有柴油机的基础上，通过在进气门座圈2内设置滚流尖角4结构，使得进气气流在经过进气门座圈2时能够向排气喉口方向抛射，从而有利于增强气缸内的滚流强度，有利于在压缩末期形成湍流，进而提升燃气发动机的热效率。
32.滚流尖角4是生成滚流的关键特征，现有方案是通过铸造方式在气道内形成滚流尖角4，受限于铸造偏差，不同发动机或者同一发动机不同缸的一致性无法保证，并且，考虑到铸造拔模等因素，滚流尖角4的形态自由度也受限制，另外，铸造加工的滚流尖角4不具备调整滚流强度的功能。而本发明在进气门座圈2上设置滚流尖角4结构，不仅降低了滚流尖角4的加工难度，而且还可以通过一体加工进气门座圈2的方式来保证滚流尖角4特征的精度，并且具有更高的形态自由度，在开发和组装产品时，可以通过旋转进气门座圈2在气缸盖上的相对位置，实现更加方便地调整滚流强度的功能。
33.需要说明的是，本方案中的滚流尖角4可以与进气门座圈2一体加工成型，例如一体铸造、锻造或机加工形成等。通过在进气门座圈2的远离排气喉口一侧的内壁上加工滚流尖角4，可以使得进气气流在进气路径的最末端实现导流抛射作用，从而最大限度地将进气气流向排气侧引导，有利于在气缸内形成滚流运动。
34.需要说明的是，本方案中的滚流尖角4的作用是将进气气流在射入气缸之前，将大部分气流向排气喉口一侧挤压，能够实现上述功能的滚流尖角4可以设计为多种结构形状，例如将滚流尖角4朝向进气门座圈2的中心的一侧边缘设计为弧线形、直线形、折线形或其他曲线形结构。优选地，本方案中的尖角投影为月牙形区域，且月牙形区域的内凹侧朝向进气门座圈2的中心布置，即，滚流尖角4朝向进气门座圈2的中心的一侧边缘设计为内凹的弧形，如图2所示。
35.优选地，尖角投影朝向进气门座圈2的中心一侧的边缘为尖角特征线，尖角特征线的中点与进气门座圈2的中心的连线为尖角方向线，尖角方向线与曲轴轴线5的夹角为尖角方向角，进气喉口的中心与排气喉口的中心的连线与曲轴轴线5的夹角为进排气喉口连线方向角。在一种具体实施例方案中，气缸盖具有两个进气门座圈和两个排气门座圈，如图2所示，第一进气门座圈21的中心（即第一进气喉口中心211）和第一排气门座圈23的中心（即第一排气喉口中心231）的连线与曲轴轴线5的夹角为第一进排气喉口连线方向角θ1，第二进气门座圈22的中心（即第二进气喉口中心221）和第二排气门座圈24的中心（即第二排气喉口的中心241）的连线与曲轴轴线5的夹角为第二进排气喉口连线方向角θ3，第一进气门座圈21内的尖角特征线41的中点与第一进气门座圈21的中心的连线与曲轴轴线5的夹角为第一尖角方向角θ2，第二进气门座圈22内的尖角特征线41的中点与第二进气门座圈22的中心的连线与曲轴轴线5的夹角为第二尖角方向角θ4，优选地，进排气喉口连线方向角小于等于尖角方向角的2倍，即，θ1（或θ3）小于等于θ2（或θ4）的2倍，具体的，θ1（或θ3）可以为θ2（或θ4）的2倍或1.5倍或1.2倍或1.1倍或0.9倍或0.8倍或0.5倍，如此可以进一步控制滚流尖角导向气流的方向，其中，θ1（或θ3）为θ2（或θ4）的0.8~1.2倍时的导向效果最佳。
36.优选地，滚流尖角4与进气门座圈2的中心线（进气门座圈中心线20）的最小距离l1大于0并且小于等于进气门座圈内径d（进气门座圈2与进气门密封锥面的最小直径）的0.5倍，具体的，最小距离l1可以为进气门座圈内径d的0.1倍或0.2倍或0.3倍或0.4倍或0.5倍，滚流尖角4与气缸盖底面3的距离h1大于0并且小于等于进气门座圈内径d，具体的，距离h1可以为进气门座圈内径的0.1倍或0.2倍或0.3倍或0.4倍或0.5倍或0.6倍或0.7倍或0.8倍
或0.9倍或1倍。
37.需要说明的是，滚流尖角4具体包括上侧导流面和下侧加工面，上侧导流面和下侧加工面的交界处即为滚流尖角4朝向进气门座圈2的中心凸出的边缘，滚流尖角4可以设计为不同结构，下侧加工面具体可以设计为回转加工面、或多个顺序相接的平面、或其他曲面结构等。优选地，本方案中滚流尖角4的下侧加工面为环绕加工轴线的回转加工面，加工轴线可以设计为与进气门座圈中心线20重合、平行、或相对倾斜布置，回转加工面的母线为直线、折线或曲线。
38.需要说明的是，根据不同的母线形状，上述回转加工面具体可以设计为多种不同的锥形面结构，优选地，本方案中的回转加工面为圆锥形加工面，圆锥形加工面的加工轴线与进气门座圈轴线20重合，且圆锥形加工面的顶点位于进气门座圈2的上方。滚流尖角4的具体形状取决于圆锥形加工面的圆锥角的大小，圆锥角越大时，滚流尖角4越尖。优选地，本方案中的圆锥形加工面的圆锥角的取值范围为60
°
~160
°
，在此范围内，可以保证滚流尖角4具有足够尖锐的角度，从而进一步强化对进气气流产生的流速突变和挤压效果。
39.如图3所示，在一种优选方案中，进气喉口连接有进气道1，进气道1靠近滚流尖角4一侧的壁面为第一壁面，进气道1内与第一壁面相对布置的壁面为第二壁面，第一壁面上设置有导流曲面部，导流曲面部为相对第一壁面向气缸盖底面3方向凹陷的弧形凹坑面6。在本方案中，当进气气流流经弧形凹坑面6后，弧形凹坑面6将气流向对侧的进气道壁面抛射，位于进气门座圈2内的滚流尖角4进一步使得气流向排气喉口方向挤压，从而增强了流向排气喉口方向的气流，减小了进气喉口远离排气喉口一侧的气流，这两侧气流在进入气缸后形成较强的滚流运动，从而满足燃气发动机的燃烧需求。
40.优选地，弧形凹坑面6相对第一壁面凹陷的最深处为凹坑位置点，凹坑位置点与进气门座圈中心线20的距离l2为进气门座圈内径d的0.5~3倍，具体的，距离l2可以为进气门座圈内径的0.5倍或0.8倍或1倍或1.5倍或2倍或2.5倍或3倍。凹坑位置点与气缸盖底面3的距离h2大于0并且小于等于进气门座圈内径d，具体的，距离h2可以为进气门座圈内径的0.1倍或0.2倍或0.3倍或0.4倍或0.5倍或0.6倍或0.7倍或0.8倍或0.9倍或1倍。
41.在另一种优选实施例方案中，进气喉口的底孔设有进气倒角，进气倒角的中心相对进气喉口的中心向排气喉口方向偏移，即，将进气倒角设计为相对于进气喉口的偏心倒角。如此设置，使得进气喉口与进气门之间靠近排气喉口一侧的缝隙大于远离排气喉口一侧的缝隙，从而可以引导大部分进气气流向排气喉口方向运动，同时，还由于进气门座圈2内设置有用于挤压气流的滚流尖角4结构，使得进气气流的导向效果进一步提升，进而有利于气缸内形成大尺度的滚流运动。
42.优选地，进气喉口的中心与排气喉口的中心的连线与曲轴轴线5的夹角为进排气喉口连线方向角，进气倒角的中心与进气喉口的中心的连线与曲轴轴线5的夹角为倒角方向角，进排气喉口连线方向角小于等于倒角方向角的2倍。在一种具体实施例方案中，气缸盖具有两个进气喉口和两个排气喉口，如图4所示，第一进气喉口中心211与第一排气喉口中心231的连线与曲轴轴线5的夹角为第一进排气喉口连线方向角θ1，第二进气喉口中心221与第二排气喉口中心241的连线与曲轴轴线5的夹角为第二进排气喉口连线方向角θ3，第一进气倒角71的中心与第一进气喉口中心211的连线与曲轴轴线5的夹角为第一倒角方向角θ5，第二进气倒角72的中心与第二进气喉口中心221的连线与曲轴轴线5的夹角为第二
倒角方向角θ6，优选地，进排气喉口连线方向角小于等于倒角方向角的2倍，即，θ1（或θ3）小于等于θ5（或θ6）的2倍，具体的，θ1（或θ3）可以为θ5（或θ6）的2倍或1.5倍或1.2倍或1.1倍或0.9倍或0.8倍或0.5倍。
43.需要说明的是，本发明中的进气倒角可以设计为圆形回转倒角或非圆形倒角结构，为了便于加工，优选地，进气倒角为圆形回转倒角，即，进气倒角为回转特征去除气缸盖材料后加工所得的倒角结构。
44.根据不同的回转加工面，可以得到纵截面形状不同的倒角结构，例如，采用圆锥形回转加工面去除气缸盖材料后，得到的倒角结构的纵截面为直线形结构。优选地，进气倒角的纵截面为直线或曲线。
45.进一步优选地，进气倒角的纵截面为朝气缸内部方向凸出的曲线，在该方案中，向气缸内凸出的倒角面可以防止气流在流经倒角时发生流动分离。
46.需要说明的是，进气倒角的回转中心线可以相对进气喉口轴线平行布置，也可以相对进气喉口轴线倾斜布置。
47.优选地，进气倒角的回转中心线相对进气喉口轴线倾斜布置并且使进气倒角的下端开口朝向排气喉口方向布置，如此设置，可以使进气喉口靠近排气喉口一侧的边缘加工出更宽的倒角面，同时，该侧的倒角面与气缸盖底面以及进气喉口的壁面之间的过渡也更加平滑，从而减小了气流流经进气倒角时的动能损失。
48.优选地，进气倒角回转中心线相对进气喉口轴线倾斜的角度大于0
°
并且小于等于30
°
，具体可以为30
°
或20
°
或10
°
或5
°
。
49.需要说明的是，本发明提供的气缸盖可以适用于两气门发动机或多气门发动机，即，进气喉口的数量可以为一个或两个或三个或更多个，排气喉口的数量也可以为一个或两个或更多个，本文不再一一赘述。
50.在一种优选实施例方案中，如图5和图6所示，本发明的气缸盖包括第一进气喉口和第二进气喉口，第一进气喉口与缸盖进气口13的距离l5小于第二进气喉口与缸盖进气口13的距离l6，第一进气喉口内设置有第一进气门座圈21，第二进气喉口内设置有第二进气门座圈22，第一进气门座圈21距气缸盖底面3的高度h4大于第二进气门座圈22距气缸盖底面3的高度h5。第一进气喉口连接有第一进气道11，第二进气喉口连接有第二进气道12，第一进气道11和第二进气道12均连接于缸盖进气口13。
51.进气喉口内安装有进气门座圈，用于与进气门配合开闭以实现进气的开关控制，进气喉口连接有进气道用于引导进气气流，缸盖进气口13是进气道的进气口，第一进气喉口的中心和第二进气喉口的中心的连线与发动机曲轴轴线呈一定的角度，必然导致其中一个进气喉口与缸盖进气口13的距离大于另一个进气喉口与缸盖进气口13的距离，本方案中第二进气喉口与缸盖进气口13的距离l6大于第一进气喉口与缸盖进气口13的距离l5，如图6所示。本方案将距离缸盖进气口13更近的第一进气门座圈21距气缸盖底面3的高度h4设计为高于第二进气门座圈22距气缸盖底面3的高度h5，其作用是在保证气道滚流比的前提下最大程度地提高气道的流通能力。其原理是，由于两个进气门座圈到缸盖进气口13的距离不同，第一进气喉口连接的第一进气道11设计的更加短粗，从而没有空间来更改气道的形状以使其更有利的产生滚流。因此，本方案将第一进气门座圈21距气缸盖底面3的高度h4增加，使气门在开启的过程中，第一进气门座圈21下方的导向壁的导流长度进一步延长，从而
更有利于产生滚流。与此同时，由于气流通过导向壁的引导，更有利于向目标方向（朝向排气喉口的方向）运动，从而可以减小两个进气门中心连线方向上的气流干扰。
52.优选地，第一进气门座圈21与第二进气门座圈22的高度差大于0并且小于等于进气门直径的0.2倍。
53.需要说明的是，对于具有两个或三个或更多个进气喉口的气缸盖，进气道1的数量为两个或三个或更多个，各个进气道1之间可以相互分隔布置，也可以将各个进气道1的上游部分（即靠近缸盖进气口13的一段）相互连通成一个总的进气段。
54.需要说明的是，本发明中的进气喉口的数量为两个或三个或更多个时，可以将各个进气喉口或对应的进气门座圈或进气道设计为相同的结构，也可以将至少两个进气喉口或至少两个进气门座圈设计为非对称结构，也可以将至少两个进气喉口对应的进气道设计为非对称结构。每个进气门座圈内的滚流尖角可以均采用同样的结构或布置方式，也可以采用不同的结构或布置方式，例如，对于具有两个进气喉口的气缸盖结构，其中一个进气门座圈2的滚流尖角4的尖角特征线41为弧线形，另一个进气门座圈2的滚流尖角4的尖角特征线41设计为折线形。
55.优选地，本发明的气缸盖包括缸盖进气口13（即进气道的进气口），缸盖进气口13一般布置于气缸盖的侧面，当然，本发明提供的气缸盖也可以将缸盖进气口13布置于气缸盖的顶面或底面，从而便于不同型号的发动机的安装布置。
56.本发明还提供了一种包括上述气缸盖的燃气发动机。该燃气发动机产生的有益效果的推导过程与上述气缸盖带来的有益效果的推导过程大体类似，故本文不再赘述。
57.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。