CN101737145B - 分卷流燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可以在一种双卷流燃烧室基础上改造的分卷流燃烧室结构，包括：基础双卷流燃烧室和斜坡形状的结构。采用本发明一方面利用双卷流燃烧室结构特性使燃油在燃烧室中内、外室形成方向相反的卷流，另一方面利用斜坡结构使部分外室燃油扩散到燃烧室挤流区内，理论上燃油在尽量短的时间内扩散到燃烧室全空间内，油、气混合较均匀，燃烧速度也相应提高，发动机动力性和排放性有一定程度上的改善。斜坡结构和基准双卷流燃烧室的几何尺寸、喷油夹角、喷油器的喷油特性之间的匹配是本发明的关键。该发明可在双卷流燃烧室的基础上进行加工，简便易行。

Description

分卷流燃烧室

技术领域

本发明涉及一种特殊设计及加工的柴油机燃烧室，此燃烧室可以由一种基准双卷流燃烧室的基础上加工出多个斜坡形状的结构即可，该燃烧室提高了包括挤流区在内的燃烧室全空间内的空气利用率，加速油气混合速率，从而达到优化柴油机燃烧性能及排放的目的。

背景技术

现代柴油机的燃油破碎、油气混合过程直接影响着燃烧性能及排放特性。因此，使燃油尽早雾化、在燃烧室空间范围内分布更广，提高与空气的混合速度，减少燃烧室中出现燃油的极浓极稀区，都可以明显改善柴油机的动力性、经济性及排放性能。

现代柴油机中应用了各种不同的手段来提高发动机燃烧及排放性能，但这些技术路线在一定程度上造成燃油、空气与燃烧室不匹配。为了更好的说明，下面结合图1分别分析几种典型的技术手段的缺陷。图1是典型的ω型燃烧室的造型，1、2、3、4区分别为燃烧室中的不同空间位置。燃油高压喷射技术可使燃油喷出后在2区内快速雾化，更好的解决油气混合速度问题，但是燃烧室远端的3、4区及油束下面的1区空间仅有少量燃油，空气利用率偏低，即使利用增大喷孔直径来增加燃油贯穿度，也仅会使得3、4区空气利用率有所提高；燃烧室与涡流优化匹配技术虽然可综合优化2、3、4区的油、气混合，但上止点附近时1区内燃油几乎无法达到，活塞下移的过程中只靠燃油的扩散依然无法充分利用该区的空气；而涡轮增压中冷技术实际上依靠提高进气密度、供油系统增加循环喷油量从而达到增加功率、降低燃油消耗率等目的，空气密度的增加会导致燃油贯穿度的减小，从而燃烧室中远端及挤流区3、4区内的空气利用率下降，同样1区内由于燃油到达量很少、油气混合很差。综上所述，目前这些技术手段只注重在燃烧室某一空间内的油、气混合，而没有办法周全的考虑燃烧室全空间内的平均燃油分布。本发明的目的就是通过在一种可充分利用燃烧室空间内的空气的双卷流燃烧室的基础上，加工多个斜坡形状的结构，使得双卷流燃烧室外室卷出的油束一旦碰撞到该结构，燃油会被带入挤流区内，这样挤流区内的空气利用率也得到提高，燃烧室全空间内的燃油分布更趋均匀，理论上燃烧室全空间内空气得到最好的利用，油、气混合及燃烧速度加快，发动机动力、排放性能得到改善。

本发明涉及的分卷流燃烧室通过部分燃油通过加工出的具有导流作用的斜坡形状结构，当喷油器喷孔中喷出的燃油撞击双卷流燃烧室的弧脊形成燃油的双卷流形态，向外室方向卷出的燃油如通过斜坡结构时会向挤流区扩散燃油，而如果外室燃油前方没有斜坡结构时仍保持双卷流燃油运动状态，这样就形成了分别发生卷流的燃油运动规律，称之为分卷流运动状态，基于此造型得到的燃烧室即为分卷流燃烧室。

该燃烧室设计方式，提高了燃烧室挤流区内的空气利用率，理论上燃油在燃烧室空间内分布较均匀，加快了其在上止点附近的做功速率，排放性也得到提高。该燃烧室的加工方便，在现有的双卷流燃烧室的基础上加工出多个斜坡形状的结构即可实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种可使燃油雾注与双卷流燃烧室弧脊碰撞后卷起的部分外室油束通过斜坡形状结构向挤流区内运动、另外部分外室油束不通过斜坡形状结构而在燃烧室空间范围内运动的柴油机分卷流燃烧室，以达到提高挤流区内空气利用率、促进油气混合进而提高动力及排放性能的目的。

为了实现本发明的目的，提出了一种可以在某特殊结构的燃烧室基础上改造的燃烧室结构，其中：燃烧室为双卷流燃烧室，在其上加工出的为一种斜坡形状的结构。在合适的曲轴转角时，油嘴喷孔中喷出的油束与双卷流燃烧室的弧脊位置相撞击，油束被一分为二，内室形成顺时针方向的燃油运动方向，外室形成逆时针方向的燃油运动方向，这样燃油形成两个方向上的卷流，燃烧室内空间空气利用的效果好，这是双卷流燃烧室优点。

斜坡形状结构为在双卷流燃烧室基础上，在燃烧室口径处特殊设计和加工出的。当部分外室卷流出的燃油逆时针转动通过该结构时，燃油被带入挤流区内，此时该结构起到了导流燃油运动的效果，挤流区内空气利用率得到明显提高，另外部分外室卷流的燃油前方没有该结构时，燃油依旧在外室内与空气混合和燃烧。

本发明中，双卷流燃烧室的设计和斜坡结构是设计的关键。为了达到双卷流燃烧室充分利用燃烧室内空气的目的，燃烧室内、外室圆弧半径、内外室容积比、弧脊的位置以及燃油油束与弧脊连线夹角与喷油夹角的匹配都是应该考虑的问题。当燃油油束在合适的发动机曲轴转角位置喷出撞击弧脊时，并有一个合理的内外室燃油分配比例时，才是双卷流燃烧室的最佳工作状态，而过早或过晚的时间完成上述动作时，会造成内外室油量比例失衡，局部过浓的现象则无法避免。而斜坡结构的几何尺寸、数量和位置在一定程度上决定了分卷流运动的比例大小。当几何尺寸较大、数量较多、空间位置在喷油器喷孔油束的包角范围内出现的较多时，外室燃油通过斜坡结构后向上运动到挤流区的燃油越多，剩余在燃烧室空间内的燃油浓度下降，挤流区内燃油过浓也是不利的，相反挤流区内燃油过稀必然将同时造成燃烧室外室部分燃油过浓，同样是要避免的。因此，合理分配外室卷出的燃油比例也是非常重要的。综上所述，本发明的关键是通过双卷流燃烧室的弧脊合理分配内外室燃油比例，再通过斜坡结构合理分配挤流区和燃烧室远端空间所占外室卷出来的燃油比例。

采用本发明可使柴油机油气混合及燃烧加快，在原有双卷流燃烧室的基础上加工斜坡结构后，在燃烧室内空间空气的利用率提高的基础上，挤流区内空气利用率得到加强，理论上在燃烧室全空间范围内燃油分布较大，是对双卷流燃烧室的扩展和延伸。该发明可在原有双卷流燃烧室的基础上进行加工，简便易行。

附图说明

图1为普通ω型燃烧室空间分区图。

图2为双卷流燃烧室示意图。

图3为分卷流燃烧室示意图。

图4为具体实施例中的分卷流燃烧室一般视图。

图5为具体实施例中的分卷流燃烧室仰视图。

图6为具体实施例中的分卷流燃烧室正视图。

图7为具体实施例中的分卷流燃烧室对应单喷嘴时的三维模型。

图8为CFD软件中的分卷流燃烧室对应单喷嘴时的网格造型。

图9为CFD软件中的ω型燃烧室对应单喷嘴时的网格造型。

图10为CFD软件中的双卷流燃烧室对应单喷嘴时的网格造型。

图11为缸内平均压力曲线。

图12为缸内平均温度曲线。

图13为瞬时放热率曲线。

图14为累积放热率曲线。

图15为未燃当量比曲线。

图16为分卷流燃烧室的未燃当量比云图。

图17为分卷流燃烧室的速度场云图。

图中：1为双卷流燃烧室中的弧脊位置，2为双卷流燃烧室中的内室空间，3为双卷流燃烧室中的外室空间，4为分卷流燃烧室中的导流斜坡结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图2所示，为该发明中的基础燃烧室，双卷流燃烧室的边界。图中，1为双卷流燃烧室的弧脊位置，将弧脊与喷油孔用直线连接起来，可以发现燃烧室被分成两个区域，其中2为内室空间，3为外室空间。当喷油夹角与喷油提前角、弧脊位置相互匹配时，燃油可以在适当的发动机曲轴转角撞击弧脊，燃油被一分为二，一部分燃油在内室以顺时针方向运动，另外一部分燃油在外室以逆时针方向运动，这样就形成两个方向的燃油卷动方向，双卷流燃烧室因此而得名。两个方向的燃油卷动，可以将燃油以一定的比例分配到燃烧室的内外室，燃烧室空间内的空气利用率大幅提高，油、气混合和燃烧速率提高，但如果喷油系统与燃烧室匹配不当时，双卷流燃烧室的效果将大为削弱。

图3为分卷流燃烧室示意图，在双卷流燃烧室的基础上加工而成，图中4为斜坡结构，斜坡结构可以在双卷流燃烧室的外室出口处加工得到。斜坡结构在发明中可以有多个，斜坡结构之间有间隙，即后面叙述的燃油运动方向前有时将没有斜坡结构出现。当燃油油束撞击弧脊位置，部分燃油在外室位置以逆时针方向运动，当其前方是斜坡结构时，外室燃油将会沿斜坡结构方向进入燃烧室的挤流区，这样挤流区内的空气利用率会有提高；而如果外室运动的燃油前方没有斜坡结构时，燃油将依旧按照其原先的逆时针方向在外室空间内运动。也就是说，燃油在撞击弧脊后，按照一定的比例分配到内、外室中，外室中的燃油由于有遇到斜坡结构的差别，因此又被按照一定的比例分配到挤流区和外室中，两次燃油的分配比例和发生时间决定分卷流燃烧室组织燃油运动形式的好坏。

具体实施例

分别建立相同压缩比条件下的分卷流燃烧室、ω型燃烧室及双卷流燃烧室的CFD三维网格模型，进行仿真计算对比。

燃烧室设计参数及计算设置为：六孔喷油器适用，缸径110mm，冲程110mm，连杆长度200mm，余隙高度1mm。

按照压缩比15.5计算，分卷流燃烧室体积应为49381mm³。实际造型体积为48875mm³，偏差率为1％。几何尺寸中，锥尖高度为6mm，弧脊深度为7.5mm，弧脊直径为57mm，内室半径为4mm，外室半径为5mm，基础燃烧室双卷流燃烧室的燃烧室直径为74mm，斜坡结构三角形径向边长5mm，角度为45°，对于每个喷油孔的60°轴向空间中间布置有一个该斜坡结构，轴向旋转角度为20°。与其相比较的普通ω型燃烧室造型体积为49518mm³，偏差率为0.28％。几何尺寸中，燃烧室直径为80mm，锥尖高度为6mm，圆弧半径为10mm，中心锥尖角为157°。双卷流燃烧室造型体积为49285mm³，偏差率为0.19％。锥尖高度为6mm，弧脊深度为9mm，弧脊直径为60mm，燃烧室直径为80mm，图4、图5和图6分别为分卷流燃烧室在Pro/E软件中的一般视图、仰视图、正视图。图7为分卷流燃烧室在Pro/E软件中对应单喷嘴时的三维造型。

三维建模中力图建立近乎同等网格条件下的三种燃烧室进行计算加以比较，计算设置相同。图8、图9、图10分别为分卷流燃烧室、ω型燃烧室、双卷流燃烧室在三维流体仿真软件中的体网格造型。下止点时三种燃烧室的网格数同为41920个。

计算要求：过量空气系数为1.8，循环供油量为26.7mg/cyc。转速为4200转/分，进气始点压力为3.74bar，进气温度为333K，喷油从350°CA到380°CA，喷油夹角为160°。计算中经过多次计算比对，此提前角和喷油夹角对于该双卷流燃烧室是比较理想的。

图11-15分别为三种燃烧室的二维计算结果图线，依次为缸内平均压力、缸内平均温度、瞬时放热率、累积放热率、未燃当量比。

从图11中可以看出，双卷流燃烧室可达到最大的缸内平均压力21.8MPa，侧卷流燃烧室和ω型燃烧室分别可达到21.6、21.5MPa。从开始燃烧到380°CA时，双卷流燃烧室的缸内平均压力始终处于最高的位置，但分卷流燃烧室在380°CA后的缸内平均压力在三种燃烧室中处于最高的位置。ω型燃烧室的缸内平均压力在三种燃烧室中处于最低的位置。

从图12中可以看出，380°CA前的缸内平均温度相差不大且在380°CA时基本达到缸内平均温度最大值，但380°CA后分卷流燃烧室缸内平均温度下降缓慢，但在排气门打开时缸内平均温度与另两者相差不大，说明分卷流燃烧室没有明显后燃现象发生。

由图13可知，分卷流燃烧室在365°CA和372°CA出现主燃期内的双峰放热率特征，由于主燃期内第二个峰值的出现，瞬时放热率在主燃期中期前呈现较高的放热速率，双峰规律的成因将在后面的三维结果截图中阐述。双卷流燃烧室的最高瞬时放热率点与分卷流燃烧室的最高值接近，但双卷流燃烧室的瞬时放热率曲线在主燃期期间只有一个峰值点，在达到最大放热率点后开始下降，ω型燃烧室与双卷流燃烧室同理，但最大放热率数值与两种卷流的燃烧室相比要小一些，因此总体来说，ω型燃烧室放热速率最慢。

由图14可知，双卷流燃烧室和分卷流燃烧室的累积放热率相差不大，而ω型燃烧室始终处于最低的位置，说明其放热速率始终是最慢的。

图15中，分卷流燃烧室的未燃当量比在开始燃烧后的曲轴转角内始终处于最低的位置，其他两种燃烧室未燃当量比相差不大，且都高于分卷流燃烧室。可见，分卷流燃烧室燃烧速度最快，当排气门打开时，未燃燃料最少，热效率最高。

排气门打开时，分卷流燃烧室、ω型燃烧室和双卷流燃烧室的NOx排放质量分数分别为2.67‰、2.52‰、2.87‰，Soot排放质量分数为137‰、180‰、149‰。分卷流燃烧室由于其特殊造型的引入，燃油油束分别撞击弧脊及斜坡结构时扩大了燃油在燃烧室空间范围内的分布，减少了燃油极浓区，在碳烟排放方面是最少的，而NOx排放在三种燃烧室中处于中间位置。

从进气门关闭到排气门打开的计算时间段内，分卷流燃烧室、ω型燃烧室和双卷流燃烧室的指示功率经计算，分别为105.6kW、102.9kW、103.4kW。

分卷流燃烧室的功率比ω型燃烧室高2.6％，比双卷流燃烧室高2.1％。分卷流燃烧室瞬时放热率主燃期内出现的双峰规律是其功率提高的主要影响因素。

图16、图17分别为分卷流燃烧室在372°CA时的燃空当量比和速度场云图，由图可见，燃油射流在撞击到燃烧室中的弧脊位置时，燃油一分为二，内室燃油形成顺时针卷流，外室燃油形成逆时针卷流，并且部分外室燃油沿斜坡结构扩散到燃烧室逆挤流区，这样就扩大了燃油分布，提高了燃烧室内的空气利用率，这也是分卷流燃烧室的瞬时放热率曲线上的主燃期内出现第二个峰值的曲轴转角，说明斜坡结构的引入增加了燃油更快扩散到燃烧室空间上的机会，燃油的二次分流加快了混合速度并因此提高了综合燃烧速度。

但要想使得该燃烧室发挥最大作用，这就要求燃油在恰当的时刻撞击到弧脊位置，燃油以一定的比例分配到内外室中形成卷流方向相反的两束卷流燃油，并且斜坡结构的设计也要保证一定比例的外室燃油扩散到燃烧室的挤流区内。当燃油射流撞击弧脊后分配到内室的比例偏多时，外室空气得不到更多的利用；比例偏少时，外室的局部燃空比偏高，而内室的空气利用率下降，对油、气的混合和燃烧都是不利的；而斜坡结构设计不佳时，过多或过少的燃油进入挤流区也是不利的。因此，燃烧室中弧脊位置和斜坡结构的合理设计是本发明的关键。

Claims (2)

1.一种柴油机分卷流燃烧室，用于扩大燃油空间分布、提高燃烧室全空间范围内的空气利用率，其特征在于：在一种基础双卷流燃烧室上加工出斜坡形状的结构，基础双卷流燃烧室可保证燃油撞击弧脊，形成两个相反方向的气流运动，斜坡结构可在双卷流燃烧室的外室出口处加工得到，斜坡结构的长度和角度分别为5mm和45°。

2.根据权利要求1所述的斜坡结构，其特征在于，燃烧室外室卷流的部分燃油通过斜坡结构，扩散到燃烧室的挤流区中，提高了挤流区内空气利用率。

Images