CN1033766C - 低排污高性能汽油机新型射流燃烧系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽油机的射流燃烧系统。其射流燃烧室之横截面为一个异形截面，其容积比现有射流燃烧室大10～12%；射流孔为圆形，孔的中心与横轴夹角为45～55°，与纵轴夹角为55～60°；在射流孔的主燃烧室出口处至进气门下方设有一线凹坑；进气道设置成与纵轴成15～20°偏斜结构。

本发明可用在四冲程和二冲程汽油机上，不仅可以减少排气污染，并可使功率提高8-10%，扭矩提高6-8%，比油耗降低10-15%。

Description

低排污高性能汽油机新型射流燃烧系统

本发明属于汽油机燃烧系统的创新。

现代汽车除了对汽油机的动力性、经济性和可靠性要求不断提高外，对排气中的有害气体的含量限制也越来越严格。传统燃烧室的汽油机，混合气的燃烧速度较慢，又不适应燃烧稀混合气，因而难以获得高的性能和低的排污。

为结合我国燃用低辛烷值汽油的国情，来提高国产汽油机的性能，本发明者多年从事汽油机燃烧系统及其燃烧技术的研究与开发，并在先后已获得了“汽油机射流燃烧室”的专利成果(CN85203240U)。这种偏置于排气门下方，带有射流孔的燃烧室，在燃烧前后产生强烈的紊流来加快燃烧速度，使混合气得到更充分的燃烧，又由于射流孔喷射火焰对爆燃的产生起到抑制作用，可在燃用低辛烷值汽油条件下把压缩比提高，使热效率得到提高，因此汽油机获得了先进的经济性、动力性，排放指标也得到了一定的改善，但该原型射流燃烧室还存在下列不足之处：1)发动机性能对工况变化比较敏感，即在全工况运转时的适应性不够理想，中速、中负荷以上，节油率高，而低速、低负荷时，节油率减少，高速、高负荷时，燃烧的最高爆发压力增长较快，影响机器的使用寿命，进气门与射流燃烧室间的“鼻梁”区曾出现过热断裂现象；2)大负荷工况时，由于燃烧最高温度偏高，排气中的氮氧化物(NOx)含量偏高，低速、低负荷工况时，排气中的一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)含量偏高。

我们采用燃烧分析仪、离子探针测燃速和光纤传像摄影等先进手段，对原型射流燃烧室的燃烧机理进行大量更深入的实验工作和理论研究，发现了以下问题：1)压缩比在10以上的射流燃烧室汽油机可以燃用国产70号汽油，但对电火角较敏感，燃烧的最高爆发压力，压力升高率以及最高燃烧温度比原机有较大的提高，使机械负荷、热负荷增高，这会降低发动机工作的可靠性；2)低速、低负荷工况时，节油降低，CO、HC排放含量增加，其原因在于，火焰不能从射流孔及时喷出，主燃烧室内形成两个燃烧区的时间较晚，火焰传播速度变慢，燃烧持续时间拖长，混合气燃烧不够充分。而火焰不能从射流孔及时喷向主燃烧室的原因在于火焰传播的熄火距离变大所造成。那么火焰的传播与其熄火距离关系是怎样的呢？由大量实验研究表明：火焰在两平面狭缝之间传播，当其燃烧产生的热量少于向壁面散失的热量时，火焰就会熄灭，其临界值用熄火距离表示，而熄火距离与火焰的温度、压力和流动能量的函数有正比关系。因而火焰经射流孔喷往主燃烧室，在缸盖低面和活塞顶面之间的余隙间隙内传播，其熄火距离是随着汽油机运转工况的变化而改变的，在高速、高负荷工况时，燃烧燃料多，放热量大，经射流孔喷出火焰的温度、压力高，能量也大，故熄火距离小，活塞处在上止点时余隙间隙虽窄(只有气缸垫片厚度，一般为1.2-1.5毫米)，但火焰也能及时喷出和点燃主燃烧室的混合气，在燃烧容积变化很小的情况下，形成双燃烧区，加快火焰传播速度，使混合气燃烧得更充分，获得好的性能，在低速、低负荷工况时，燃烧燃料少，放热量少，射流孔喷出的火焰温度、压力较低，能量也小，熄火距离变大。因此，活塞处在上止点附近时，火焰不能及时喷出并在余隙间隙中传播，等到活塞下行至缸盖低面与活塞顶面的距离大于此时火焰的熄火距离后，火焰才能喷出并点着主燃烧室的混合气进行燃烧传播，这样，由于能量转换效率降低，火焰传播速度变慢，混合气不能有效燃烧致使节油率下降，CO、HC含量增高。

本发明的目的，在于克服原型射流燃烧室的上述不足，而提供一种新型射流燃烧系统，从而使汽油机达到低排污和高性能使用要求。

本发明低排污高性能汽油机新型射流燃烧系统，由一个射流燃烧室(A)及它下面的主通道(B)，和主燃烧室(G)及一端与射流燃烧室(A)相通，另一端与主燃烧室(G)相通的射流孔(C)，还有进气道(E)及在射流燃烧室与进气道之间的水冷通道(F)所构成，其特征在于：射流燃烧室A的横截面为一个异形截面，在相同排量条件下，其容积比现有射流燃烧室大10-12％；射流孔C的横截面为圆形，面积大小为活塞面积的2-2.5％，开孔方位为，孔的中心线与横轴夹角为45-55°，与纵轴夹角为55-60°；在射流孔的主燃烧室出口处至进气门下方，开设一个深度为2-3.5毫米的浅凹坑D；进气道设置成与纵轴成15-25°偏斜形结构。

1.改变了射流燃烧室A(见附图)的容积，在相同排量条件下，使其较原燃烧室增大了10-12％。这样可达到下述的燃烧技术目的：由于合理地调整了压缩比，提高了燃烧和点火的适应性，从而可使燃烧的最高爆发压力、压力升高率、最高燃烧温度均可适度降低，减少了汽油机的机械负荷、热负荷，提高了工作可靠性。压缩比适当降低后，在高速、大负荷工况时，最高燃烧温度又减少了，所以排气中的氮氧化物(NOx)含量也将减少。并增大了火焰向主燃烧室喷射的能量，加快燃烧的中、后期火焰传播速度。

2.将现有的射流燃烧室的形状，改变成其横截面为异形，例如改成扁圆形，或“跑道”形，或“D”字形。这样可达到如下燃烧技术目的：有利于挤压产生各种不同标度的紊流，适应各个不同燃烧阶段的燃烧要求。并且也有利于自身的按排布置，改善冷却效果及铸造、加工的工艺性。

3.将射流孔C的形状，改为其横截面为圆形，横截面积为活塞面积的2-2.5％，孔位方向，一端与射流燃烧室A相通，一端与主燃烧室G相通孔中心线与横轴夹角为45-55°，与纵轴夹角为55-60°。这样可达到下述燃烧技术目的：a.压缩终了前由主燃烧室经射流孔进入射流燃烧室的气体射流，在靠近火花塞处与室内大标度滚动气流相撞，保证在火花跳火前后，火花塞电极周围形成一定容积的微涡流流场，场内形成大量高速旋转的混合气薄壁涡管，一旦被点着，就以极高的速度燃烧，放出较多的热量和活性核心，并不断积累及时形成火核中心迅速点燃周围的混合气，形成火焰前锋向外传播。其它部位的大标度滚流加大火焰前锋面积，使射流燃烧室内火焰传播速度加快，然后经射流孔C和主通道B传至主燃烧室G，保证了在各种工况下都能稳定地点着和快速燃烧较稀的混合气，弥补了因压缩比降低致使混合气密度减少而导致不易点着的不足。b.射流孔的形状尺寸的改变，不但有利于减少了孔道的流动阻力，而且又保证了孔的两端有足够的喷射压差。

4.在射流孔主燃烧室的出口处至进气门下方，开设了一个深度为2-3.5mm的浅凹坑D。为的是实现下面燃烧技术目的：在留有足够的挤气面积，保证产生足够的挤压能量，使射流燃烧室内能够形成包括有大量微涡流的强烈紊流的前提下，使活塞处于上止点附近时，射流孔在主燃烧室端口处的余隙间隙始终大于汽油机在任何工况下运转时火焰传播的熄火距离，使火焰能够及时地喷向主燃烧室，形成双燃烧区，加速燃烧的中、后期火焰传播速度，使混合气得以更有效的燃烧，在低速、低负荷工况时，节油率提高，使排气中的CO、HC含量降低。

5.本发明对于汽油机射流燃烧室的进气道E，改变成偏斜形结构，与纵轴夹角为15-25°，这不但保证了在“鼻梁”区处有足够的承载宽度，还可降低此处的冷却水道，强化了冷却效果，减小此处热负荷，提高了工作可靠性，并通过气道试验，使气道的进气效率有所改善。

通过对现有射流燃烧室结构所做上述五点重要的改进，构成了本发明的新型射流燃烧系统，该燃烧系统具有明显的稀燃速燃和充分燃烧的特点，从而保证汽油机实现低排污、高性能的使用要求。

图1是本发明结构示意图的纵剖面图，图2是图1的仰视图，图3是射流孔C的纵向剖面图。其中A为射流燃烧室，B为主通道，C为射流孔，D为浅凹坑，E为进气道，F为“鼻梁”区水冷通道，G为主燃烧室。

本发明实现的燃烧过程是，汽油机吸气过程时，活塞下行，把汽油与空气混合气经进气门吸入气缸内，在压缩过程时气门关闭活塞上行，把压缩终了前10°曲轴转角左右，其挤压能量最大。由于管道效应作用，经射流孔进入射流燃烧室的气流形成高速射流与室内的大标度滚流在火花塞附近相碰撞，形成一定容积的微涡流流场，保证在任何工况下，火花跳火后都能稳定地点着较稀的混合气，并积累起足够的热量和强烈的活性核心，及时地形成火核中心，点燃周围的混合气并以火焰前锋的形式向外传播，由于大标度滚流加大了火焰前锋面积，使火焰传播速度加快，火焰很快传遍射流燃烧室。由于火焰的加热和膨胀，室内气体压力迅速增高，在压差的作用下，火焰从主通道B和射流孔C进入主燃烧室G，由于管道效应的作用，火焰经射流孔C以80-100米/秒极高速度喷出，又在主燃烧室内形成了两个先是独立，继而汇合的燃烧区，这样，大大地加快了燃烧的中、后期火焰传播速度，使燃烧持续时间缩短，混合气得到充分的燃烧；有由于射流孔把火焰高速喷向远离火花塞的末端混合气区域，末端混合气来不及形成爆燃中心就被正常的火焰传播燃烧完了，抑制了有害的爆燃的产生，因此可以在较高压缩比下，燃用低辛烷值的汽油，获得高的热效率，使汽油机获得先进的性能和低的排气污染。

本发明的射流燃烧系统与原型射流燃烧室的燃烧技术相比，其优点和进步性是：1)压缩比较高但适中；2)可燃用13∶1-20∶1浓度较稀的混合气；3)燃烧速度加快，其中火焰平均传播速度比原机提高30％以上，射流孔喷射速度可达80-100米/秒；4)燃烧温度只比原机升高了10-12％；5)工作可靠性高；6)排放中CO、HC和NOx含量均达到新国标排放要求。采用(GB11642-89)15工况法国家新排放法规(是参照欧共体ECE-04法规制订的，该法规具有世界性权威)，多次检测的结果，CO、HC和NOx三项指标全部达到标准，成为目前国产汽油机唯一能通过此项新法规检测的燃烧系统。

本发明可以在四冲程和二冲程汽油机上采用，不仅可以大大减少排气污染，并可使功率提高8-10％，扭矩提高6-8％，比油耗降低10-15％。

Claims (3)

1.一种低排污高性能汽油机新型射流燃烧系统，该系统由一个射流燃烧室(A)及它下面的主通道(B)，和主燃烧室(G)及一端与射流燃烧室(A)相通，另一端与主燃烧室(G)相通的射流孔(C)，还有进气道(E)及在射流燃烧室与进气道之间的水冷通道(F)所构成，其特征在于：

a.射流燃烧室A的横截面为一个异形截面，在相同排量条件下，其容积比现有射流燃烧室大10-12％，

b.射流孔C的横截面为圆形，面积大小为活塞面积的2-2.5％，开孔方位为，孔的中心线与横轴夹角为45-55°，与纵轴夹角为55-60°，

c.在射流孔的主燃烧室出口处至进气门下方，开设一个深度为2-3.5毫米的浅凹坑D，

d.进气道设置成与纵轴成15-25°偏斜形结构

2.按权利要求1所说的低排污高性能汽油机新型射流燃烧系统，其特征在于：射流燃烧室A的横截面形状可为扁圆形，或为“跑道”形，或为“D”字形。

3.按权利要求书所说的低排污高性能汽油机新型射流燃烧系统，其特征在于：所开设的浅凹坑D，可为豆形或为圆盘形。