一种进、排气门一体的发动机及工作方法

1.本发明涉及发动机技术领域，尤其是涉及一种进、排气门一体的发动机及工作方法。


背景技术：

2.四冲程发动机的一个完整的工作循环分为进气行程、压缩行程、燃烧(做功)行程及排气行程。发动机在工作时,在进气行程将新鲜工质吸入气缸,在压缩行程对新鲜工质进行压缩，在燃烧(做功)行程使气缸内被压缩的新鲜工质燃烧膨胀做功,在排气行程将燃烧后的高温废气排出气缸。
3.传统结构的发动机，其气门分为进气门及排气门，分别控制缸盖进气道与燃烧室、缸盖排气道与燃烧室的连通或闭合。为了提高进气效率及排气效率，大多数传统结构发动机都采用了四气门结构，包括两个进气门和两个排气门。进气门控制新鲜工质进入气缸，排气门控制高温废气流出气缸，二者功能各不相同，进气门打开时排气门闭合，新鲜工质通过缸盖进气道及进气门流入燃烧室。排气门打开时进气门闭合，气缸内高温废气通过排气门及缸盖排气道流出气缸(只在排气行程末期，排气门还未完全关闭时进气门开始打开，存在一定的气门重叠角)。进气门尺寸一般大于排气门，进气时新鲜工质压力远小于排气时高温废气压力，进气需要更大的进气截面积保证足够的进气量。
4.现有发动机通过进气门控制进气，通过排气门控制排气，进气门与排气门作用各不相同。为了让发动机有更好的性能，需要有足够的进气量且排气充分。提高发动机进气量可通过提高进气压力或增加进气截面积实现，现有的涡轮增压或机械增压是为了提高进气压力，提高进气截面积只能增大进气门尺寸或增加进气门数量，由于进气门、排气门(汽油机的火花塞或柴油机的喷油嘴、直喷汽油机的喷油嘴)等都布置在燃烧室上，现有发动机大多采用两进气门、两排气门结构，已无法增大进气门尺寸或增加进气门数量(部分厂家使用过三进气门两排气门的结构，结构很复杂，成本高，目前基本不采用)。排气充分只有增大排气门尺寸或增加排气门数量，同上原因，现有的发动机已无法增大排气门尺寸或增加排气门数量。


技术实现要素：

5.为克服现有技术缺点，本发明目的在于提供一种进、排气门一体的发动机及工作方法，以解决现有发动机效率低、成本高的问题。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.一种进、排气门一体的发动机，包括缸盖，所述缸盖内设有缸盖进气道、缸盖排气道和燃烧室，所述缸盖进气道、缸盖排气道和燃烧室不直接相通，所述缸盖内还设有主气道，所述主气道和缸盖进气道、缸盖排气道连通，所述主气道和燃烧室相通；还包括气门和气道控制机构，所述气门装配在缸盖内且设于主气道与燃烧室的相交截口处，通过所述气门的移动控制主气道与燃烧室相通或闭合；所述气道控制机构装配在主气道内，通过所述
气道控制机构的移动控制主气道与缸盖进气道、主气道与缸盖排气道之间连通或闭合。
8.进一步地，所述气道控制机构至少包括下圆台；所述下圆台用于对缸盖进气道与主气道的相交截口、缸盖排气道与主气道的相交截口进行遮挡。
9.更进一步地，所述下圆台的高度不小于缸盖进气道与主气道的相交截口、缸盖排气道与主气道的相交截口的高度。
10.更进一步地，所述气道控制机构还包括上圆台；所述上圆台用于隔离主气道与外界空气，防止新鲜工质或高温废气通过主气道流到缸盖上方外部空间。
11.更进一步地，所述主气道与上圆台及下圆台配合部分的内径大于或等于上圆台和下圆台的外径。主气道下方与燃烧室相连部分可以是不规则的形状，考虑到热胀冷缩，圆台的外径可稍微小于主气道内径，同时如果圆台外有密封环或密封圈，圆台的外径也可稍微小于主气道内径。
12.更进一步地，所述主气道的内径、上圆台和下圆台的外径相同。
13.一种进、排气门一体的发动机的工作方法，包括上述任意一种进、排气门一体的发动机，步骤如下：
14.s1.进气行程开始：所述气门处于打开状态，燃烧室与缸盖主气道连通，气道控制机构在主气道内处于主气道与缸盖进气道连通，主气道与缸盖排气道闭合的位置；新鲜工质通过所述缸盖进气道、主气道流入燃烧室；
15.s2.进气行程结束，压缩行程开始：所述气门关闭，主气道与燃烧室之间由连通状态变为闭合状态；所述气道控制机构在主气道内运动，从主气道与缸盖进气道连通且主气道与缸盖排气道闭合位置向主气道与缸盖进气道闭合且主气道与缸盖排气道连通位置运动；
16.s3.压缩行程结束，燃烧行程开始：所述气门仍处于关闭状态，主气道与燃烧室闭合；在压缩行程结束前，所述气道控制机构移动到主气道与缸盖进气道闭合且主气道与缸盖排气道连通的位置；
17.s4.燃烧行程结束，排气行程开始：所述气门打开，燃烧室与主气道从闭合状态变为连通状态；气道控制机构已处于主气道与缸盖排气道连通、主气道与缸盖进气道闭合的位置，所述缸盖排气道与主气道相通，气缸内高温废气通过燃烧室、主气道、缸盖排气道流出气缸。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
19.传统结构发动机的进气门及排气门功能各不相同，分别在进气或排气时打开。为了保证进气及排气充分，需要有足够的进气截面积及排气截面积，传统结构发动机大多采用四气门结构，两个进气门、两个排气门。而本发明的气门不再区分为进气门或排气门，气门在发动机进气及排气时均打开。在与传统结构发动机进气截面积及排气截面积相同的情况下，气门数量可减少为传统结构的一半(四气门结构变为两气门结构)，若本发明采用三气门结构，进气截面积及排气截面积是传统发动机结构的1.5倍。
20.传统结构发动机的进气门与排气门之间尺寸不同(进气压力低于排气压力，需要进气门尺寸较大以增大进气截面积，提高进气效率)。而本发明的气门在发动机进气及排气时均处于打开状态，气门尺寸完全相同。相比传统结构，本发明减少了零部件种类。本发明的气门数量也少于传统结构，挺柱、气门弹簧、锁夹、气门油封等零部件数量也相应减少。
21.本发明若采用两气门结构，可采用单凸轮轴结构即可满足发动机工作需求，而传统结构发动机大多采用双凸轮轴结构。与传统结构相比，本发明可减少凸轮轴数量，加上上述减少的零部件，可大幅降低零部件数量、发动机重量及成本。
22.本发明的核心在于在缸盖内新增气道(气腔)，新增气道与缸盖进气道及缸盖排气道连通，新增气道与燃烧室相通；通过装配气门可控制新增气道与燃烧室相通或闭合，通过装配气道控制机构可控制新增气道与缸盖进气道、新增气道与缸盖排气道之间连通或闭合。通过气门、气道控制机构的工作，满足发动机工作过程进气及排气的需求。优点在于可大幅增加进气截面积，提高进气效率；增加排气截面积，可使排气顺畅，降低排气背压(需同时对发动机及排气系统其他部件进行设计变更)。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对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。
24.图1为传统发动机的发动机缸盖示意图；
25.图2为传统发动机的发动机进气门及排气门在燃烧室上的布置方式；
26.图3为本发明的发动机缸盖未装配气门、气道控制机构的示意图；
27.图4为本发明的发动机处于排气行程时的示意图；
28.图5为本发明的发动机处于进气行程时的示意图；
29.图6为本发明的气道控制机构的结构示意图。
30.图中，各附图标记为：
31.1-缸盖；2-进气门；3-排气门；4-缸盖进气道；41-缸盖进气道与主气道的相交截口；5-缸盖排气道；51-缸盖进气道与主气道的相交截口；6-燃烧室；7-气门；8-主气道；9-气道控制机构；91-上圆台；92-下圆台；10-气门导管；11-气门座圈。
具体实施方式
32.为了更清楚地说明本发明，下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
33.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，可以是可拆卸连接，也可以是一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
34.实施例：
35.如图1-2所示的传统结构发动机，当进气门2与排气门3均处于密闭状态时，此时燃
烧室6与缸盖进气道4及缸盖排气道5均未连通，燃烧室6及气缸处于密闭状态，气缸处于压缩行程或燃烧行程。当气缸处于进气行程时，进气门2处于打开状态，排气门3处于关闭状态，燃烧室6与缸盖进气道4相通，新鲜工质通过缸盖进气道4及进气门2流入燃烧室6及气缸中。当气缸处于排气行程时，排气门3处于打开状态，进气门2处于关闭状态，燃烧室6与缸盖排气道5相通，燃烧室6及气缸中的高温废气通过排气门3及缸盖排气道5排出气缸。
36.如图3-6所示的一种进、排气门一体的发动机，包括缸盖1，缸盖1内设有缸盖进气道4、缸盖排气道5和燃烧室6，缸盖进气道4、缸盖排气道5和燃烧室6不直接相通，缸盖1内还设有主气道8，主气道8和缸盖进气道4、缸盖排气道5连通，主气道8和燃烧室6相通；还包括气门7和气道控制机构9，气门7装配在缸盖1内且设于主气道8与燃烧室6的相交截口处，通过气门7的移动来控制主气道8与燃烧室6相通或闭合；气道控制机构9装配在主气道8内，通过气道控制机构9的上下滑动控制主气道8与缸盖进气道4、主气道8与缸盖排气道5之间连通或闭合。
37.气道控制机构9至少包括下圆台92；下圆台92用于对缸盖进气道与主气道的相交截口41、缸盖排气道与主气道的相交截口52进行遮挡。下圆台92的高度不小于缸盖进气道与主气道的相交截口41、缸盖排气道与主气道的相交截口51的高度。并通过加装在缸盖1上的密封板，实现对主气道8的密封。本实施例中通过气道控制机构9的上下滑动，改变连通的气道。作为一种选择，也可以将下圆台92设置成空心管状，并在侧壁上错位设置开槽，通过控制气道控制机构沿轴线旋转，控制主气道8与缸盖进气道4，主气道8与缸盖排气道5的连通或闭合。
38.在本实施例中，气道控制机构9还包括上圆台91，上圆台91的直径和主气道8的内径相同，上圆台91用于隔离主气道8与外界空气，防止新鲜工质或高温废气通过主气道8流到缸盖1上方外部空间，上圆台91可以代替上述密封板。上圆台91的上沿高于缸盖进气道与主气道的相交截口41、缸盖排气道与主气道的相交截口51的上沿。主气道8与上圆台91及下圆台92配合部分的内径(主气道8下方与燃烧室6相连部分可以是不规则的形状)大于或等于上圆台91和下圆台92的外径(考虑到热胀冷缩，圆台的外径可稍微小于主气道8的内径，同时如果圆台外有密封环或密封圈，圆台的外径也可稍微小于主气道8的内径)。
39.本发明还设有气门导管10和气门座圈11。气门导管10镶嵌在缸盖上，对气门7进行导向，同时由于缸盖1的材料大多为铝合金，气门7为合金钢，若气门7上下运动时直接与缸盖1接触，很容易产生铝屑。同时最上方的气门导管11安装了气门油封，对气门7起密封作用，防止机油渗入气道。气门座圈11页镶嵌在缸盖1上，与气门7配合，确保在发动机压缩及燃烧行程，燃烧室6封闭。
40.在本实施例中，气门7的驱动方式与传统结构相同(通过凸轮轴及气门弹簧等零部件使气门运动)，在此未对气门驱动方式做描述。气道控制机构9可采用与气门驱动类似的结构(通过凸轮轴及弹簧等零部件使气道控制机构运动)或其他结构进行驱动，在此未对气道控制机构驱动方式做描述。
41.同时，本实施例中描述的气道控制机构9仅是一种控制主气道8与缸盖进气道4、主气道8与缸盖排气道5连通或闭合的一种结构，并不是限定的唯一一种结构(比如实例中气道控制机构的上圆台91，可以用安装在主气道8上方的密封板代替，同样可以对主气道起密封作用),同时为了保证密封效果,气道控制机构9、主气道8内可装有密封用的油封或密封
环等部件。
42.一种进、排气门一体的发动机的工作方法如下：
43.当发动机开始进气行程时，如图5所示，此时缸盖1上的气门7处于打开状态，燃烧室6与缸盖主气道8处于连通状态，气道控制机构9的上圆台91的上沿高于缸盖排气道与主气道的相交截口51的上沿，上圆台91的侧壁贴合着主气道8的内壁，上圆台91对主气道8起到密封作用，防止主气道8内的新鲜工质通过主气道8流入缸盖1上方的外部空间。此时气道控制机构9的下圆台92处于主气道8与缸盖进气道4连通，主气道8与缸盖排气道5闭合的位置，气道控制机构9的下圆台92的侧壁完全包裹住了缸盖排气道与主气道的相交截口51，同时下圆台92的侧壁与相交截口51周边的主气道8内壁贴合，下圆台92的侧壁完全遮挡住了缸盖排气道与主气道的相交截口51，缸盖排气道与主气道的相交截口51被关闭，缸盖排气道5与主气道8处于闭合状态，缸盖进气道与主气道的相交截口41未被下圆台92遮挡，处于打开状态，缸盖进气道4与主气道8相通。新鲜工质通过缸盖进气道4、主气道8流入燃烧室6。
44.当发动机进气行程结束，开始压缩行程时，此时气门7关闭，主气道8与燃烧室6之间由连通状态变为闭合状态。气道控制机构9在主气道8内向下运动，从主气道8与缸盖进气道4连通，主气道8与缸盖排气道5闭合位置向主气道8与缸盖进气道4闭合，主气道8与缸盖排气道5连通位置运动。气道控制机构9的上圆台91的上沿仍然高于缸盖排气道与主气道的相交截口51的上沿，上圆台91的侧壁贴合着主气道8的内壁，上圆台91对主气道8起到密封作用，防止主气道8内的新鲜工质通过主气道8流入缸盖1上方的外部空间。
45.当发动机压缩行程结束，开始燃烧行程时，此时气门7不运动，仍处于关闭状态，主气道8与燃烧室6闭合。在发动机压缩行程结束前，气道控制机构9到达主气道8与缸盖进气道4闭合，主气道8与缸盖排气道5连通的位置。此时下圆台92的侧壁完全遮挡住了缸盖进气道与主气道的相交截口41，下圆台92的侧壁与相交截口41周边的主气道8内壁贴合，下圆台92的侧壁完全遮挡住了缸盖进气道与主气道的相交截口41，缸盖进气道与主气道的相交截口41被关闭，缸盖进气道4与主气道8从连通变为闭合，缸盖排气道与主气道的相交截口51未被下圆台92遮挡，缸盖排气道5与主气道8相通。气道控制机构9的上圆台91的上沿仍然高于缸盖排气道与主气道的相交截口51的上沿，上圆台91的侧壁贴合着主气道8的内壁，上圆台91对主气道8起到密封作用，防止主气道8内的新鲜工质通过主气道8流入缸盖1上方的外部空间。
46.当发动机燃烧行程结束，开始排气行程时。如图4所示，此时气门7打开，燃烧室6与主气道8从闭合状态变为连通状态。气道控制机构9处于主气道8与缸盖排气道5连通，主气道8与缸盖进气道4闭合的位置，缸盖排气道5与主气道8相通。气缸内高温废气通过燃烧室6-主气道8-缸盖排气道5流出气缸，气道控制机构9的上圆台91的上沿仍然高于缸盖排气道与主气道的相交截口51的上沿，上圆台91的侧壁贴合着主气道8的内壁，上圆台91对主气道8起到密封作用，防止主气道8内的高温废气通过主气道8流入缸盖1上方的外部空间。在发动机排气行程结束前，气道控制机构9在主气道8内开始向上运动，从主气道8与缸盖进气道4闭合，主气道8与缸盖排气道5连通位置向主气道8与缸盖进气道4连通，主气道8与缸盖排气道5闭合位置运动。在发动机排气行程结束时，气道控制机构9到达主气道8与缸盖进气道4连通，主气道8与缸盖排气道5闭合位置。此时下圆台92的侧壁完全遮挡住了缸盖排气道与主气道的相交截口51，同时下圆台92的侧壁与相交截口51周边的主气道8内壁贴合，缸盖排
气道与主气道的相交截口51被关闭，缸盖排气道5与主气道8从连通状态变为闭合状态，缸盖进气道与主气道的相交截口41未被遮挡，缸盖进气道4与主气道8相通。
47.发动机排气行程结束，开始进气行程，此时发动机完成一个完整的工作循环。
48.本实施例中缸盖进气道与主气道的相交截口41低于缸盖排气道与主气道的相交截口51并不是唯一方式,缸盖进气道与主气道的相交截口41高于缸盖排气道与主气道的相交截口51的方式也可行,其工作过程与上述过程相似,不再重复描述。
49.显然，本发明的上述实施例仅仅是为更清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方法予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。