專利名稱：氣缸頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣缸頭，其可改善稀燃氣發(fā)動機的燃燒性能，可維持低NOx并維持高的發(fā)動機熱效率。
背景技術(shù)：
在燃氣發(fā)動機等內(nèi)燃機中，將座環(huán)安裝在與燃燒室連通的吸氣孔的開口，并提供與開閉該開口的吸氣閥接觸的密封面。
現(xiàn)有座環(huán)的形狀例如圖11所示。該座環(huán)(以下稱標準座環(huán))呈環(huán)狀，其內(nèi)徑A和外經(jīng)F形成同心圓。也就是說，內(nèi)徑A和外經(jīng)F具有同一圓心a。
燃氣發(fā)動機中，利用火焰?zhèn)鞑ミM行燃氣和空氣的混合氣的燃燒。因此，空氣流動的積極利用可縮短燃燒時間，從而提高熱效率。
但是，由于標準座環(huán)內(nèi)徑A和外經(jīng)F形成同心圓，故安裝標準座環(huán)的燃氣發(fā)動機渦流比小，難于利用空氣流動改善燃燒性能。
最近的柴油發(fā)動機設(shè)計為與發(fā)動機尺寸比可以得到相對較高的輸出。也就是說，要求高BMEP(Brake Mean Effective Pressure制動平均有效壓力)發(fā)動機。因此，為了確保燃燒所需的空氣量，采用高壓力比型的增壓器，氣缸頭的吸排氣孔也有設(shè)計為斷面積大且彎曲等少的形狀的傾向。這種形狀的孔雖然流量系數(shù)高，但不會產(chǎn)生強的渦流。
另外，正在開發(fā)以完全燃燒產(chǎn)生的排氣的凈化和高輸出、高熱效率為目的的引燃油點火燃氣發(fā)動機。該引燃油點火燃氣發(fā)動機通過使主要部件與柴油發(fā)動機通用，來抑制生產(chǎn)成本。
該引燃油點火燃氣發(fā)動機的氣缸頭由于與柴油發(fā)動機通用，故流量系數(shù)高，但渦流比為零，不能實現(xiàn)利用空氣流動改善燃燒性能。
因此，在上述引燃油點火燃氣發(fā)動機的開發(fā)中，為了提高熱效率，最好將流量系數(shù)的降低抑制為最小，并提高渦流比。
本發(fā)明就是鑒于上述問題而開發(fā)的，其目的在于，提供一種氣缸頭，其可同時實現(xiàn)作為相反要素的流量系數(shù)的維持和渦流比的強化，使熱效率提高。

發(fā)明內(nèi)容
下面參照與實施例對應(yīng)的


用于解決上述問題的裝置。
本發(fā)明提供一種氣缸頭，其在連通內(nèi)燃機的燃燒室的多個吸氣孔各自安裝有與吸氣閥接觸的座環(huán)，其安裝有內(nèi)徑中心相對外經(jīng)中心偏心的偏心座環(huán)的吸氣孔和安裝有內(nèi)徑中心與外經(jīng)中心一致的標準座環(huán)的吸氣孔的混合設(shè)置。
在該氣缸頭中，安裝有偏心座環(huán)的吸氣孔和安裝有標準座環(huán)的吸氣孔的混合設(shè)置，其結(jié)果，利用安裝有標準座環(huán)的吸氣孔確保流量系數(shù)，同時，利用安裝有偏心座環(huán)的吸氣孔強化渦流。由此，可同時實現(xiàn)作為相反要素的流量系數(shù)的確保和渦流的強化。與僅安裝標準座環(huán)的情況或僅安裝偏心座環(huán)的情況相比，可得到高的熱效率。
這種情況下，理想的是，沿著自吸氣管側(cè)夾著氣缸頭向相反側(cè)的方向設(shè)置兩個吸氣孔，并在一個吸氣孔上安裝標準座環(huán)，在另一吸氣孔上安裝偏心座環(huán)。作為其具體例，可以自吸氣管側(cè)夾著氣缸頭在相反側(cè)設(shè)置凸輪軸，在氣缸頭的吸氣管側(cè)和凸輪軸側(cè)之間設(shè)置兩個吸氣孔，在一個吸氣孔上安裝標準座環(huán)，在另一吸氣孔上安裝偏心座環(huán)。
在該氣缸頭中，形成設(shè)置兩個吸氣孔的結(jié)構(gòu)，即具有實施本發(fā)明所需最小限度的吸氣孔的結(jié)構(gòu)，在其中一個吸氣孔上安裝標準座環(huán)，在另一吸氣孔上安裝偏心座環(huán)。其結(jié)果，即使在設(shè)置兩個吸氣孔的情況下，也可同時實現(xiàn)作為相反要素的流量系數(shù)的確保和渦流的強化，與在該兩個吸氣孔上僅安裝標準座環(huán)的情況或僅安裝偏心座環(huán)的情況相比，可得到高的熱效率。
更理想的是，將偏心座環(huán)安裝在自吸氣管側(cè)看處于相對遠位置的吸氣孔上。
這樣，利用自吸氣管側(cè)看處于相對遠位置的氣缸套的壁面，可產(chǎn)生高效的渦流。
這種情況下，更理想的是，在氣缸頭上并設(shè)兩個與兩個吸氣孔平行的排氣孔，使偏心座環(huán)的邊緣的狹窄的部分以相對自管側(cè)朝向凸輪軸側(cè)的方向大致成45°的角度朝向排氣孔側(cè)。
在該氣缸頭中，通過將偏心座環(huán)安裝在自吸氣管側(cè)看處于相對遠位置的吸氣孔上，并使該偏心座環(huán)的邊緣的狹窄的部分以相對自管側(cè)朝向凸輪軸側(cè)的方向大致成45°的角度朝向排氣孔側(cè)，可有效地利用氣缸套的壁面，可對燃燒室有效地產(chǎn)生渦流。
由于吸氣導(dǎo)入方向為沿氣缸套的壁面且對來自安裝有標準座環(huán)的吸氣孔的吸氣干擾小的方向，故可強化渦流并確保流量系數(shù)。

圖1是用于本發(fā)明的氣缸套的偏心座環(huán)的剖面圖；圖2是圖1所示的偏心座環(huán)的平面圖；圖3A是表示安裝在氣缸頭上的座環(huán)的組合的變化(第一號)的平面圖；圖3B是表示安裝在氣缸頭上的座環(huán)的組合的變化(第二號)的平面圖；圖3C是表示安裝在氣缸頭上的座環(huán)的組合的變化(第三號)的平面圖；圖4A是表示安裝在氣缸頭上的座環(huán)的組合的變化(第四號)的平面圖；圖4B是表示安裝在氣缸頭上的座環(huán)的組合的變化(第五號)的平面圖；圖4C是表示安裝在氣缸頭上的座環(huán)的組合的變化(第六號)的平面圖；圖5A是表示安裝在氣缸頭上的座環(huán)的組合的變化(第七號)的平面圖；圖5B是表示安裝在氣缸頭上的座環(huán)的組合的變化(第八號)的平面圖；圖5C是表示安裝在氣缸頭上的座環(huán)的組合的變化(第九號)的平面圖；圖6A是表示安裝在氣缸頭上的座環(huán)的組合的變化(第十號)的平面圖；圖6B是表示安裝在氣缸頭上的座環(huán)的組合的變化(第十一號)的平面圖；圖6C是表示安裝在氣缸頭上的座環(huán)的組合的變化(第十二號)的平面圖；圖7A是表示安裝在氣缸頭上的座環(huán)的組合的變化(第十三號)的平面圖；圖7B是表示安裝在氣缸頭上的座環(huán)的組合的變化(第十四號)的平面圖；圖7C是表示安裝在氣缸頭上的座環(huán)的組合的變化(第十五號)的平面圖；圖8是表示圖3A～圖7C所示座環(huán)的組合變化中流量系數(shù)和無量綱渦流數(shù)的曲線圖；圖9是具有相當(dāng)于圖6B所示的第十一號組合的座環(huán)結(jié)構(gòu)的氣缸頭的平面圖；圖10是比較具有圖9所示的氣缸頭的發(fā)動機和僅安裝了標準座環(huán)的發(fā)動機的熱效率的曲線圖；圖11是用于現(xiàn)有氣缸頭的標準座環(huán)的剖面圖。
具體實施例方式
下面參照

本發(fā)明氣缸頭的最佳實施形態(tài)。
本發(fā)明適當(dāng)選擇安裝在燃氣發(fā)動機的氣缸頭上的吸氣孔用座環(huán)的安裝部位及偏心方向，在不降低流量系數(shù)的情況下強化渦流，促進燃燒時的空氣流動，改善燃燒性能。本發(fā)明可應(yīng)用于通過火焰?zhèn)鞑ミM行混合氣燃燒的發(fā)動機即引燃油點火燃氣發(fā)動機、火花點火發(fā)動機及火花點火汽油發(fā)動機等。采用本發(fā)明技術(shù)的發(fā)動機用于例如產(chǎn)業(yè)用或民生用定置型發(fā)電設(shè)備。
圖1是用于本發(fā)明的氣缸頭的座環(huán)(以下稱偏心座環(huán))的剖面圖，圖2是圖1所示的偏心座環(huán)的平面圖。
圖1所示的偏心座環(huán)1安裝在開口于氣缸頭的吸氣孔的開口上。偏心座環(huán)1由具有開口于吸氣孔側(cè)的孔部3的入口部5、設(shè)于燃燒室側(cè)具有吸氣閥接觸的密封面7的閥座部9和用于向氣缸頭的開口安裝的嵌入部11等構(gòu)成。
偏心座環(huán)1的外經(jīng)中心與孔部3的內(nèi)徑中心不一致。也就是說，在偏心座環(huán)1中，孔部3的內(nèi)徑中心相對于外經(jīng)中心偏心。具體地說，具有自外徑中心a僅偏心E的中心b的內(nèi)徑B的周面形成孔部3的內(nèi)周面。這里，將自外徑中心a向內(nèi)徑中心b的方向稱作偏心座環(huán)1的偏心方向。
為了得到上述偏心的孔部3，在形成與外經(jīng)具有同一中心a的內(nèi)徑A的周面后，將其周面切削加工形成內(nèi)徑B的周面。其結(jié)果，如圖1所示，使孔部3的內(nèi)周面中與偏心座環(huán)1的偏心方向相反側(cè)的部分與形成內(nèi)徑A的周面時的凸狀周面3a接觸，而其余的部分朝向偏心座環(huán)1的偏心方向上下逐漸加寬，形成平坦周面3b。平坦周面3b的上下寬度在偏心座環(huán)1的偏心方向側(cè)(圖1的左側(cè))成為最寬。
另外，在吸氣孔的開口，在該偏心座環(huán)1之外，安裝有外經(jīng)中心a和孔部3的內(nèi)徑A的中心一致的圖11所示的標準座環(huán)。該標準座環(huán)中，孔部3和外經(jīng)形成同心圓。
也就是說，在本實施形態(tài)的氣缸頭中，安裝有偏心座環(huán)1的吸氣孔和安裝有標準座環(huán)的吸氣孔的混合設(shè)置。
在本實施形態(tài)中，通過恰當(dāng)?shù)剡x擇這些偏心座環(huán)1及標準座環(huán)的安裝部位及偏心方向，可同時實現(xiàn)確保流量系數(shù)和強化渦流這兩個相反要素。下面參照圖3～圖7說明其例子。
圖3A～圖7C是示意性顯示氣缸頭的平面圖。該氣缸頭相對一個氣缸來說各自具有兩個開口A、B和開口C、D。在這些圖中，左側(cè)為凸輪軸側(cè)，右側(cè)為管側(cè)(吸氣管和排氣管兩者處于同一側(cè))。
在該氣缸頭中，圖3A虛線所示的兩個吸氣孔13、14的一端通過開口A、B與燃燒室連通。這些開口A、B分別利用吸氣閥(未圖示)開閉。而未圖示的這些吸氣孔13、14的另一端相互連結(jié)，相對于吸氣氣流形成上流、下流的關(guān)系。
另外，開口A、B配置為通過各開口A、B中心的線段自管側(cè)夾著氣缸頭向相反側(cè)(圖例中的凸輪軸側(cè))延伸。
而與燃燒室連通的排氣孔(未圖示)的開口C、D相對于上述吸氣孔13、14的各開口A、B平行配置。這些開口C、D分別由排氣閥(未圖示)開閉。
然后，利用使用了葉輪的穩(wěn)定流試驗裝置比較圖3A～圖7C所示的氣缸頭的流量系數(shù)和渦流強度，參照圖3A～圖8說明其結(jié)果。
圖3A～圖7C所示的15個圖表示穩(wěn)定流試驗中安裝在各開口A～D的標準座環(huán)和偏心座環(huán)的位置及偏心座環(huán)的偏心方向的組合。另外，在圖3A～圖7C中，偏心座環(huán)外經(jīng)的中心與安裝該偏心座環(huán)的開口的中心一致。在圖3A～圖7C中，箭頭d表示偏心座環(huán)的偏心方向。
流量系數(shù)和渦流以與現(xiàn)有燃氣發(fā)動機同程度的流量系數(shù)0.51和無量綱渦流數(shù)0.134為目標。
這些目標值根據(jù)以下理由采用。也就是說，現(xiàn)有燃氣發(fā)動機單位氣缸容積的輸出低，用BMEP表示為小于1.23MPa即使大的話也小于1.47MPa的小輸出，故不需要大量的燃燒用空氣。在設(shè)計這種現(xiàn)有燃氣發(fā)動機中氣缸頭的吸氣孔時，即使不用特殊技術(shù)，也可以使流量系數(shù)和渦流這兩個相反的要素為恰當(dāng)?shù)闹?。但是，在為了降低原始成本、提高發(fā)動機發(fā)電效率，謀求降低運行成本，以追求經(jīng)濟性能為目的，而使每氣缸容積的輸出以BMEP計算為1.47MPa以上，理想的是1.72MPa以上，更理想的是1.96MPa以上的高輸出的情況下，就需要比目前更多的空氣量，因此就不得不重視流量系數(shù)來設(shè)計吸氣孔。
而為了促進在燃氣發(fā)動機的氣缸內(nèi)以點火源為起點的混合氣的火焰?zhèn)鞑?，確?；旌蠚獾目煽咳紵仨殞u流設(shè)定為恰當(dāng)值。但是通常在提高單位容積的輸出的情況下，將流量系數(shù)確保為與現(xiàn)有燃氣發(fā)動機相同時，渦流就不能形成與現(xiàn)有燃氣發(fā)動機相同的強度。
因此，在本實施形態(tài)中，為了在高輸出發(fā)動機中也能維持上述作為相反要素的流量系數(shù)和渦流，以與現(xiàn)有燃氣發(fā)動機同等程度的流量系數(shù)0.51和無量綱渦流數(shù)0.134為目標。換言之，本實施形態(tài)利用標準座環(huán)和偏心座環(huán)的組合維持與現(xiàn)有燃氣發(fā)動機同等程度的流量系數(shù)和無量綱渦流數(shù)，從而使每個氣缸的輸出為高于現(xiàn)有技術(shù)的輸出，降低了原始成本、提高了發(fā)動機發(fā)電效率，從而降低了運行成本，提高了經(jīng)濟性能。另外，即使將本實施形態(tài)適用于BMEP為1.23MPa以下的發(fā)動機，也可強化渦流，改善熱效率。
圖8表示圖3A～圖7C所示的各種座環(huán)的組合中、最大閥升力時的流量系數(shù)和無量綱渦流數(shù)。另外，圖8的縱軸中無量綱渦流數(shù)的+-表示渦流的方向，如圖3A所示，自氣缸頭的爆面看，逆時針方向為+，順時針方向為如圖3A(第一號座環(huán)組合)所示，在將標準座環(huán)安裝在開口A、B兩側(cè)的情況下，如圖8所示，流量系數(shù)很高為0.6以上，而無量綱渦流數(shù)為0。
與此相對，如圖3B、圖3C、圖4A、圖4B、圖4C、圖5A所示，當(dāng)將偏心座環(huán)安裝在開口A、B兩側(cè)時(第二～第七號組合)，如圖8所示，而無量綱渦流數(shù)提高為0.15～0.2，而流量系數(shù)降低為0.45～0.48左右。
另外，如圖5B、圖5C、圖6A、圖6B、圖6C、圖7A圖、7B和圖7C所示，將標準座環(huán)安裝在開口A、B的一側(cè)，將偏心座環(huán)安裝在另一側(cè)(第八～第十五號組合)，評價偏心座環(huán)的方向和空氣流動性的關(guān)系。
其結(jié)果，在如圖6B所示，將偏心座環(huán)安裝在開口B，使其方向自套壁面以45°朝向內(nèi)側(cè)的情況下(第十一號組合)，顯示形成目標特性。
可以認為是，由于開口B位于自吸氣管側(cè)看相對遠的位置，故可得到利用氣缸套的壁面產(chǎn)生渦流的效果。即使在這種情況下，通過將標準座環(huán)安裝在開口A也可確保0.54～0.55左右的流量系數(shù)。
也就是說，通過使安裝有具有偏心的孔部3的偏心座環(huán)1的吸氣孔和安裝有具有未偏心的孔部3的標準座環(huán)的吸氣孔的混合設(shè)置，利用安裝有標準座環(huán)的吸氣孔確保流量系數(shù)，利用安裝有偏心座環(huán)1的吸氣孔強化渦流。
由此，可同時實現(xiàn)作為相反要素的流量系數(shù)的確保和渦流的強化，與僅安裝標準座環(huán)的情況或僅安裝偏心座環(huán)的情況相比，可得到高的熱效率。
實施例下面就制作具有相當(dāng)于第十一號組合(圖6B)的座環(huán)結(jié)構(gòu)的發(fā)動機，并實施其運行性能試驗所得的結(jié)果進行說明。
圖9是表示具有相當(dāng)于第十一號組合的座環(huán)結(jié)構(gòu)的氣缸頭的平面圖，圖10是比較具有圖9所示的發(fā)動機和安裝標準座環(huán)的發(fā)動機的熱效率的曲線圖。
本實施例的發(fā)動機是在氣缸直徑為220mm的6缸發(fā)動機的氣缸頭上安裝了具有第十一號組合(圖6B)的座環(huán)結(jié)構(gòu)的座環(huán)的發(fā)動機。也就是說，在自吸氣管側(cè)看位于相對遠位置的吸氣孔上設(shè)置偏心座環(huán)，且該偏心座環(huán)的邊緣狹窄部分如圖中箭頭d所示，自凸輪軸側(cè)以約45°的角度朝向排氣孔側(cè)配置。
其結(jié)果可知，如圖10所示，在本實施例的座環(huán)結(jié)果的情況下，熱效率比安裝標準座環(huán)的情況下高0.2～0.5點。
由該實施例的結(jié)果還可知，通過在自吸氣管側(cè)看位于相對遠位置的吸氣孔上設(shè)置偏心座環(huán)，且使該偏心座環(huán)的邊緣狹窄部分自凸輪軸側(cè)以約45°的角度朝向排氣孔側(cè)配置，可有效利用氣缸套的壁面，可有效地對燃燒室產(chǎn)生渦流。另外，由于其吸氣導(dǎo)入方向為沿氣缸套的壁面且對自安裝了標準座環(huán)的吸氣孔進行的吸氣干擾小的方向，故可強化渦流同時確保流量系數(shù)。
另外，在上述實施例中，如圖1所示，就具有左右非對稱形狀的偏心座環(huán)1如下形成的例子進行了說明，即，在形成與外經(jīng)中心a具有同一中心的內(nèi)徑A的凸狀周面3a之后，利用切削加工形成位于偏心位置的內(nèi)徑B的周面。但本發(fā)明不限于此，例如，也可以將內(nèi)周整周形成凸狀周面或?qū)?nèi)周整周形成平坦周面等，形成壁厚不同但左右形狀大致類似的偏心座環(huán)。
在上述實施例中，就偏心座環(huán)1具有大于標準座環(huán)的內(nèi)徑A的內(nèi)徑B的情況進行了說明，但為了強化渦流，偏心座環(huán)的內(nèi)徑不限于大于標準座環(huán)。對流量系數(shù)大的氣缸頭的氣孔，有時也使偏心座環(huán)1的內(nèi)徑小于標準座環(huán)的內(nèi)徑。不過，在現(xiàn)實設(shè)計中，由于流量系數(shù)和渦流是相反的特性，故最好使偏心座環(huán)的內(nèi)徑大于標準座環(huán)的內(nèi)徑。
在上述實施例中，如圖3A的虛線所示，就兩個吸氣孔13、14分別向燃燒室開口，各吸氣孔13、14的另一端部相對吸氣流為上流、下流的關(guān)系而相互連結(jié)的例子進行了說明，但是也可以采用各吸氣孔各自獨立地與吸氣管連通的結(jié)果。
另外，在上述實施例中，就在圖3A～圖7C中左側(cè)為凸輪軸、右側(cè)為管側(cè)(吸氣管和排氣管兩側(cè)位于同一側(cè))的例子進行了說明，但是，也可以采用將吸氣管置于相反側(cè)而設(shè)置于凸輪軸側(cè)，使吸氣管和排氣管介由氣缸相對的結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種氣缸頭，其在連通內(nèi)燃機的燃燒室的多個吸氣孔各自安裝有與吸氣閥接觸的座環(huán)，其中，安裝有內(nèi)徑中心相對外經(jīng)中心偏心的偏心座環(huán)的所述吸氣孔和安裝有內(nèi)徑中心與外經(jīng)中心一致的標準座環(huán)的所述吸氣孔的混合設(shè)置。
2.如權(quán)利要求1所述的氣缸頭，其中，沿著自吸氣管側(cè)夾著所述氣缸頭向相反側(cè)的方向設(shè)置兩個所述吸氣孔，并在一個所述吸氣孔上安裝所述標準座環(huán)，在另一所述吸氣孔上安裝所述偏心座環(huán)。
3.如權(quán)利要求2所述的氣缸頭，其中，所述吸氣孔在所述吸氣管側(cè)和凸輪軸側(cè)之間設(shè)置兩個。
4.如權(quán)利要求2所述的氣缸頭，其中，所述偏心座環(huán)安裝在自所述吸氣管側(cè)看處于相對遠位置的所述吸氣孔上。
5.如權(quán)利要求3所述的氣缸頭，其中，所述偏心座環(huán)安裝在自所述吸氣管側(cè)看處于相對遠位置的所述吸氣孔上。
6.如權(quán)利要求4所述的氣缸頭，其中，在所述氣缸頭上并設(shè)兩個與所述兩個吸氣孔平行的排氣孔，使所述偏心座環(huán)的邊緣的狹窄的部分以相對自所述管側(cè)朝向所述凸輪軸側(cè)的方向大致成45°的角度朝向所述排氣孔側(cè)。
7.如權(quán)利要求5所述的氣缸頭，其中，在所述氣缸頭上并設(shè)兩個與所述兩個吸氣孔平行的排氣孔，使所述偏心座環(huán)的邊緣的狹窄的部分以相對自所述管側(cè)朝向所述凸輪軸側(cè)的方向大致成45°的角度朝向所述排氣孔側(cè)。
全文摘要
一種氣缸頭，其在連通內(nèi)燃機的燃燒室的多個吸氣孔各自安裝有與吸氣閥接觸的座環(huán)，其中，安裝有內(nèi)徑中心相對外經(jīng)中心偏心的偏心座環(huán)的吸氣孔和安裝有內(nèi)徑中心與外徑中心一致的標準座環(huán)的吸氣孔的混合設(shè)置。其結(jié)果，可利用安裝有標準座環(huán)的吸氣孔確保流量系數(shù)，同時，利用安裝有偏心座環(huán)的吸氣孔強化渦流，可同時實現(xiàn)作為相反要素的流量系數(shù)的確保和渦流的強化。
文檔編號F01L3/06GK1522338SQ0280819
公開日2004年8月18日 申請日期2002年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月14日
發(fā)明者后藤悟, 中山貞夫, 夫, 小野善治, 治 申請人:新瀉原動機株式會社