CN103089416A - 一种天然气转子发动机的引火槽 - Google Patents

Abstract

一种天然气转子发动机的引火槽，包括前壁面、后壁面，和前后壁面之间的槽道；前、后壁面分别由圆弧段和嵌有碳化硅薄片的非圆弧段组成，自底部向气缸型面平行延伸，在靠近气缸型面处分别向外侧延展形成弧形壁面，其中前壁面一侧的弧形半径小于后壁面一侧的弧形半径；在槽道的非弧形壁面上留有矩形凹坑，凹坑内镶嵌碳化硅薄片，碳化硅薄片上附有铂催化剂涂层，其中凹坑深度与碳化硅薄片厚度相同，以使前后壁面的圆弧段和嵌有碳化硅薄片的非圆弧段分别能平顺的连接。本发明可以使得发动机点火方便并且利于点火后火焰后锋面稳定，从而促进和加快了燃烧，提高燃烧效率，提升发动机的整体性能。

Description

一种天然气转子发动机的引火槽

技术领域

本发明属于微燃烧技术和动力机械系统点火技术相结合的领域，具体涉及一种天然气转子发动机缸体上的引火槽。

背景技术

随着经济的发展，能源危机和环境污染问题的日益加剧，人们越来越重视天然气等新能源的利用。转子发动机是一种新型的发动机，它具有质量轻、体积小、运行平稳、噪声小、高速性能好等许多往复式发动机无法比拟的优点。转子发动机由于其燃烧室内部整体的单向流动，使其更适合燃烧气体燃料。因而天然气转子发动机以其高效、清洁等优点，已成为内燃机的重要研究方向。但是由于转子发动机单向转动，导致其内部流场为随转子运动方向的单向流动，并且流速很大。这同时会带来两方面的缺陷：第一，缸内混合气气体迁移速度过大造成火花塞附近气流流速也很大，点火能量容易散失而导致点火不易成功，为了点火成功，发动机需要安装高能的点火系统，这不但增加发动机成本而且发动机点火系统工作的可靠性较低；第二，并且点火成功后，由于混合气流速较大，整个火焰面会不断向前移动，即火焰后锋面很难固定在火花塞附近，而是不断被高速气流带向燃烧室前部，这样燃烧室后部的未燃混合气必须运动到火焰后锋面才能被点燃，所以燃烧期就长了，而且气体迁移速度越大，火花点火后的时间越长，火焰后锋面位置越往前而远离火花塞，由此，使燃烧期延长，燃气得不到充分膨胀，这不仅大大提高了燃料的消耗率，还导致排放物的未燃烃含量大为增加。

为了克服转子发动机的上述缺点，在转子发动机上设计引火槽并把火花塞装在引火槽的底部，由于引火槽底部的气流速度较小，有利于点火成功，并且点火成功后，已燃混合气会在槽内产生气旋，火焰后锋面就滞留于引火槽处，起到了稳定火焰的作用，保证从燃烧室后部来的混合气到达引火槽就被点燃，有效地缩短了燃烧持续期，提高热效率，降低排放物的含量。其中由于设置引火槽的目的是让气流流经引火槽时槽内形成气漩，以降低气流速度，使火花塞易于点火和稳定火焰后缘，因此引火槽应该有足够的深度，但是在满足深度较深的情况下，其宽度的设计面临两个互相矛盾的问题即：如果宽度较小，可能会造成火焰在槽内的淬熄，而同时如果宽度较大又不利于气漩的形成，并且当转子的密封片经过引火槽时，会引起较大漏气量，这不利于转子发动机性能的提高。

已有引火槽装置，是在缸体型面上与火花塞相应的位置开设矩形引火槽。为了产生气漩其深度一般为6mm，其长度大约等于转子凹坑的宽度，但是引火槽的宽度无法同时满足防止火焰淬熄和防止漏气的要求，一般同时考虑这两方面的问题，而只采用一个中间的折中值，一般设置为4mm，这样在很大程度上限制发动机性能的提高。

发明内容

本发明目的是设计一种全新的引火槽，使其起到火花塞易于点火和稳定火焰后缘的作用，并同时满足防止火焰淬熄和防止漏气的要求。槽道的形状设计不再是矩形槽，而是为了使气流平顺的进入以在其内部产生合理的气漩，槽道前后壁面的与气缸型面的连接处设计为圆弧连接，同时为防止漏气，槽道的宽度仅为3mm。为了使火花塞易于点火和防止火焰传播过程中淬熄，把表面附有催化剂（铂）的碳化硅薄片镶嵌在引火槽槽道内的前后壁面上。

本发明通过如下技术方案得以实现：一种天然气转子发动机的引火槽，包括前壁面、后壁面，和前后壁面之间的槽道；所述前、后壁面自底部向气缸型面平行延伸，在靠近气缸型面处分别向外侧延展形成弧形壁面，其中前壁面一侧的弧形半径小于后壁面一侧的弧形半径。这样，槽道与气缸型面的连接端就形成了不对称的喇叭口形状。

在槽道的非弧形壁面上设有碳化硅薄片，碳化硅薄片上有催化剂（铂）涂层，形成带有催化剂的通道。

作为一个具体的实例，上述方案中所述槽道深度为6mm，槽道的宽度为3mm，前壁面一侧的圆弧半径为0.5mm，后壁面一侧的大圆弧半径为1mm。

本发明与现有的引火槽相比，其有益效果有：

1.引火槽前壁面与气缸型面用小圆弧连接，后壁面与气缸型面用大圆弧连接，使引火槽槽道内部产生合理的气漩，极大提高了点火的成功率，并有利于火焰面后缘的稳定，有利于提高整体燃烧速度；并且槽道的宽度仅为3mm，极大改善了漏气现象。

2.把引火槽表面镶嵌附有催化剂（铂）的碳化硅薄片，在催化剂--铂的催化作用下，

可以使得天然气的燃烧所需点火能量降低，并且能够使燃烧过程在微尺度下可以稳定进行，使火花塞更易于点火并防止火焰传播过程中淬熄。

本发明之所以能能有上述的技术效果主要原因是以下二个方面：

1.转子发动机工作过程中由于转子连续地单向转动，使其内部气体整体是沿转子运动方向单向流动，使高速的气流沿引火槽后壁面的大圆弧此平顺地进入槽道内部，并且引火槽前壁面小圆弧与气缸型面连接，使气流流出槽道的阻力增加，这样气流在槽道内部容易形成稳定的气漩，有利于对火花塞的冷却和清扫废气，提高了点火成功率并降低了对点火系统的要求，降低了成本并提高了点火系统高效稳定工作的可靠性；并且槽道内稳定的气漩有利于火焰面后缘的稳定，有利于提高整体燃烧速度；槽道的宽度仅为3mm，当转子的密封片经过引火槽时，由于密封片两端气流流通的截面积很小，所以只有很小的漏气量，基本保证了很好的密封性。

2.在槽道的前后壁面镶嵌都有催化剂（铂）的碳化硅薄片，这种带有催化剂的通道，可以降低天然气燃烧所需温度并扩大高流速混合气的燃烧极限，使得燃烧能够在微尺度下稳定进行，提高点火成功率并防止槽道内火焰的淬熄。

附图说明

图1和图2是本发明安装位置示意图的正视图和俯视图。

图中：1缸体；2火花塞安装孔；3碳化硅薄片；4引火槽槽道；5碳化硅薄片上的铂催化剂涂层；6气流流动方向

图3是引火槽结构正视图，

图4是引火槽结构左视图，

图5是引火槽结构俯视图

图中：7引火槽前壁面；8引火槽后壁面；9引火槽前壁面圆弧段；10引火槽后壁面圆弧段；11引火槽前壁面非圆弧段的矩形凹坑；12引火槽后壁面非圆弧段的矩形凹坑；13碳化硅薄片；14碳化硅薄片上的铂催化剂涂层；

具体实施方式

参见图1和2，在缸体1上开设火花塞安装孔2，把火花塞安装在引火槽的底部，由于把引火槽设计为适宜产生稳定气漩的形状，槽道4形状必须较好的耦合缸内气流的方向6，使气流平顺的进入槽道，即把引火槽前壁面与气缸型面用小圆弧连接，后壁面与气缸型面用大圆弧连接，具体加工方法是随缸体铸造而成，铸造时前后壁面留出矩形的凹坑来镶嵌碳化硅薄片3；为了防止发动机工作过程中漏气而把槽宽设计为3mm，在这种槽道很窄的情况下，为防止火焰在狭窄的槽道内传播的淬熄现象，在引火槽槽道壁面上镶嵌附有铂催化剂涂层5的碳化硅薄片，在催化作用下，稳定火焰传播,并且固定火焰面的后缘，极大的提高了发动机整个燃烧过程，有力提升了发动机的效率。

具体地，为了使引火槽槽道内部产生稳定的气漩，其形状设计为如图3－5所示：前、后壁面7，8分别由圆弧段9,10和嵌有碳化硅薄片的非圆弧段组成，其自底部向气缸型面平行延伸，在靠近气缸型面处分别向外侧延展形成弧形壁面，其中前壁面一侧的弧形半径小于后壁面一侧的弧形半径；在槽道的非弧形壁面上留有矩形凹坑11,12，凹坑内镶嵌碳化硅薄片13，碳化硅薄片上有铂催化剂涂层14，其中凹坑深度与碳化硅薄片厚度相同，以使前后壁面的圆弧段和嵌有碳化硅薄片的非圆弧段分别能平顺的连接。

引火槽前壁面的圆弧段9半径为0.5mm，后壁面的圆弧段10半径为1mm，引火槽深度为6mm，同时为防止漏气，槽道的宽度仅为3mm。具体为：转子发动机工作过程中由于转子连续地单向转动，使其内部气体整体是沿转子运动方向单向流动，把引火槽前壁面与气缸型面用小圆弧连接，后壁面与气缸型面用大圆弧连接，使高速的气流沿引火槽后壁面的大圆弧此平顺地进入槽道内部，有利于对火花塞的冷却和清扫废气，并且引火槽前壁面小圆弧与气缸型面连接，使气流流出槽道的阻力增加，这样气流在槽道内部容易形成稳定的气漩，这样火花塞很容易点火成功，大大减小对点火系统的要求。槽道的宽度仅为3mm，当转子的密封片经过引火槽时，密封片两端的流通面积很小，所以只有很小的漏气量，基本保证了很好的密封性，同时为了防止在这种狭小的槽道内火焰传播的淬熄现象产生，在槽道的四周镶嵌都有催化剂（铂）的碳化硅薄片，这种带有催化剂的通道，可以使得天然气的燃烧能够在微尺度下稳定进行，提高点火成功率并防止槽道内火焰的淬熄。其中带有催化剂薄片的具体要求是：利用铂做催化剂，铂要形成方片的形状，然后均匀的分布在碳化硅辐射材料上，这样就形成了带有催化剂的薄片。实现方法是：制作方法为浸渍法。将碳化硅薄片浸渍在六氯铂酸和丙酮配成的溶液中约六小时，取出之后在70摄氏度下干燥，即可实现催化剂材料以方片形状均匀的分布在碳化硅薄片上。

Claims (2)

1. 一种天然气转子发动机的引火槽，包括前壁面、后壁面，和前后壁面之间的槽道；前、后壁面分别由圆弧段和嵌有碳化硅薄片的非圆弧段组成，自底部向气缸型面平行延伸，在靠近气缸型面处分别向外侧延展形成弧形壁面，其中前壁面一侧的弧形半径小于后壁面一侧的弧形半径；在槽道的非弧形壁面上留有矩形凹坑，凹坑内镶嵌碳化硅薄片，其中碳化硅薄片上附有铂催化剂涂层，其中凹坑深度与碳化硅薄片厚度相同，以使前后壁面的圆弧段和嵌有碳化硅薄片的非圆弧段分别能平顺的连接。

2.根据权利要求1所述的天然气转子发动机的引火槽，其特征在于所述槽道深度为6mm，槽道的宽度为3mm，前壁面一侧的圆弧半径为0.5mm，后壁面一侧的大圆弧半径为1mm。

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