CN104763551A - 双燃料发动机中加工有燃烧室的活塞 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双燃料发动机中加工有燃烧室的活塞，即燃烧室式活塞(1)，旨在克服天然气/柴油双燃料发动机小负荷下HC排放过高，天然气燃烧不完全的缺点。燃烧室式活塞(1)的顶端设置一个八瓣哑铃形燃烧室，八瓣哑铃形燃烧室与燃烧室式活塞(1)的对称轴线共线；八瓣哑铃形燃烧室由上部的八瓣形柱体孔(2)、下部的哑铃形回转腔(3)及过度圆环曲面(4)连接而成。八瓣形柱体孔(2)是由八段向内凸起的等半径的内圆柱面和八段向外凸起的等半径的外圆柱面组成，八段内圆柱面与八段外圆柱面相间布置，哑铃形回转腔(3)由外圆环圆弧面、凸台圆台面与底圆环圆弧面构成，凸台圆台面位于八瓣哑铃形燃烧室中哑铃形回转腔(3)的中心处。

Description

双燃料发动机中加工有燃烧室的活塞

技术领域

本发明涉及一种用于发动机中的活塞，更具体地说，本发明涉及一种用于天然气/柴油双燃料发动机中加工有燃烧室的活塞。

背景技术

石油资源的日益匮乏与环境污染的日益严重是制约汽车行业发展的主要因素。在这种趋势下，天然气以其资源丰富和排放友好得到了广泛应用。按照目前天然气发动机的使用状况来看，主要分为天然气点燃式和天然气/柴油双燃料压燃式两类。天然气/柴油双燃料发动机虽然目前还没得到广泛应用，但在节能与环保方面均体现出了优势，具有良好的发展前景。它与传统的柴油机相比，天然气/柴油发动机可以同时降低NO和碳烟排放，使用天然气还可以降低对石油的依赖性；与天然气点燃式发动机相比，引燃柴油较多的火源加快了火焰的传播速度，采用较大压缩比，提高热效率。

但是，天然气/柴油双燃料发动机不可避免的存在一些问题，其中较为突出的问题是在小负荷下HC排放过高，天然气燃烧不完全，尤其在高替代率下问题更加严重。为了解决这一问题，可以通过优化设计燃烧室的形状来改善天然气/柴油双燃料发动机的燃烧过程。目前国内外没有专门为天然气/柴油双燃料发动机专门设计的燃烧室，最常见的为沿用适用于柴油机的缩口ω形燃烧室。而天然气/柴油双燃料发动机既有扩散燃烧又有预混燃烧，兼具点燃式和压燃式发动机两方面特点，单纯适用于汽油机、柴油机的燃烧室显然不是双燃料发动机的最佳选择，因而需要重新设计燃烧室。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了天然气/柴油双燃料发动机小负荷下HC排放过高，天然气燃烧不完全的缺点，提供了一种用于天然气/柴油双燃料发动机中加工有燃烧室的活塞。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的双燃料发动机中加工有燃烧室的活塞即燃烧室式活塞顶端的中心处设置一个八瓣哑铃形燃烧室，八瓣哑铃形燃烧室的对称轴线与燃烧室式活塞的对称轴线共线。

所述的八瓣哑铃形燃烧室是由上部的八瓣形柱体孔、下部的哑铃形回转腔及两者之间采用的过度圆环曲面连接而成。

技术方案中所述的八瓣形柱体孔是由八段向内凸起的等半径的内圆柱面和八段向外凸起的等半径的外圆柱面组成，八段内圆柱面与八段外圆柱面相间布置，八段内圆柱面的回转中心线与八段外圆柱面的回转中心线相互平行，八段内圆柱面的回转中心线与燃烧室式活塞的回转中心线平行且距离相等，八段外圆柱面的回转中心线与燃烧室式活塞的回转中心线平行且距离相等，相邻的内圆柱面与外圆柱面圆滑连接。

技术方案中所述的八段内圆柱面直径为57～59mm，八段外圆柱面的直径为17～19mm，八段外圆柱面距离燃烧室式活塞的回转中心线最近距离为25～27mm，八瓣形柱体孔的高度为3～4mm。

技术方案中所述的哑铃形回转腔由外圆环圆弧面、凸台圆台面与底圆环圆弧面构成；其中：凸台即凸台圆台面位于八瓣哑铃形燃烧室中哑铃形回转腔的中心处，凸台圆台面的回转轴线、八瓣哑铃形燃烧室中哑铃形回转腔的回转轴线与燃烧室式活塞的回转轴线共线。外圆环圆弧面的顶端采用过度圆环曲面与上部的八瓣形柱体孔的底端圆滑连接，外圆环圆弧面的底端与底圆环圆弧面的一端圆滑连接，底圆环圆弧面的另一端与凸台圆台面的底端连接，确切地说，底圆环圆弧面的另一端和凸台圆台面底端之间采用小圆环圆弧面将底圆环圆弧面和凸台圆台面底端圆滑连接。

技术方案中所述的哑铃形回转腔的外圆环圆弧面的半径为10～11mm，凸台圆台面的底端直径为48～50mm，凸台圆台面的顶端直径为10～12mm，凸台圆台面的顶端面距八瓣哑铃形燃烧室顶部距离为3～4mm，底圆环圆弧面的半径为50～52mm，小圆环圆弧面的半径为5～6mm。

技术方案中所述的过度圆环曲面即连接上部的八瓣形柱体孔与下部的哑铃形回转腔中的外圆环圆弧面的过度圆环曲面的曲面半径为5～6mm。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的双燃料发动机中加工有燃烧室的活塞可以改变引燃柴油的着火位置，从而使柴油的着火点分布合理。

2.本发明所述的八瓣哑铃形燃烧室在火焰传播阶段，一方面由于可以产生较强的逆挤流，另一方面上部八瓣形、下部哑铃形截面变化引起的较强的涡流，两者共同作用造成湍动能分布范围广，并且长时间保持较高的水平，从而使天然气火焰迅速传播。

3.本发明所述的双燃料发动机中加工有燃烧室的活塞的八瓣哑铃形燃烧室在1335r/min、等能量25％负荷(与原柴油机25％负荷释放的能量相同)与90％替代率(天然气占总质量的90％)工况下进行数值模拟时，缸内压力峰值比原机缩口ω形燃烧室缸内压力峰值高13％左右，动力性提高约38％，这说明八瓣哑铃形燃烧室有利于天然气/柴油双燃料发动机作为主要燃料的天然气的燃烧。

4.本发明所述的双燃料发动机中加工有燃烧室的活塞的八瓣哑铃形燃烧室在1335r/min、等能量25％负荷与90％替代率工况下进行数值模拟时，第二放热率峰值比第一放热率峰值还要高，八瓣哑铃形燃烧室相比于原机可以促使天然气完全燃烧，充分发挥天然气主要燃料的作用，提高经济性。

5.本发明所述的双燃料发动机中加工有燃烧室的活塞的八瓣哑铃形燃烧室在1335r/min、等能量25％负荷与90％替代率工况下进行数值模拟时，原机天然气剩余量接近30％，而用八瓣哑铃形燃烧室天然气剩余量不到1％，大大降低了由于天然气未完全燃烧引起的HC排放。

6.本发明所述的双燃料发动机中加工有燃烧室的活塞的八瓣哑铃形燃烧室在1335r/min、等能量25％负荷与90％替代率工况下进行数值模拟时，soot相比于原机降低了十倍，NO只提高了1.5倍。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为现有技术中加工有燃烧室的活塞的顶端中心处所设置的原机缩口ω形燃烧室的主视图；

图2为现有技术中加工有燃烧室的活塞的顶端中心处所设置的原机缩口ω形燃烧室的的俯视图；

图3为本发明所述的双燃料发动机中加工有燃烧室的活塞的顶端中心处所设置的八瓣哑铃形燃烧室结构组成的轴测投影图；

图4为本发明所述的双燃料发动机中加工有燃烧室的活塞的顶端中心处所设置的八瓣哑铃形燃烧室的主视图；

图5为本发明所述的双燃料发动机中加工有燃烧室的活塞的顶端中心处所设置的八瓣哑铃形燃烧室的俯视图；

图6为本发明所述的双燃料发动机中加工有燃烧室的活塞的顶端所设置的八瓣哑铃形燃烧室与原机缩口ω形燃烧室的缸内平均压力随曲轴转角的变化曲线；

图7为本发明所述的双燃料发动机中加工有燃烧室的活塞的顶端所设置的八瓣哑铃形燃烧室与原机缩口ω形燃烧室的缸内平均温度随曲轴转角的变化曲线；

图8为本发明所述的双燃料发动机中加工有燃烧室的活塞的顶端所设置的八瓣哑铃形燃烧室与原机缩口ω形燃烧室放热率随曲轴转角的变化曲线；

图9为本发明所述的双燃料发动机中加工有燃烧室的活塞的顶端所设置的八瓣哑铃形燃烧室与原机缩口ω形燃烧室燃料剩余百分比随曲轴转角的变化曲线；

图10为本发明所述的双燃料发动机中加工有燃烧室的活塞的顶端所设置的八瓣哑铃形燃烧室与原机缩口ω形燃烧室NO生成量示意图；

图11为本发明所述的双燃料发动机中加工有燃烧室的活塞的顶端所设置的八瓣哑铃形燃烧室与原机缩口ω形燃烧室碳烟生成量示意图；

其中：1.燃烧室式活塞，2.八瓣形柱体孔，3.哑铃形回转腔，4.过度圆环曲面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

参阅图1至图2，图中为目前双燃料发动机广泛采用的加工有燃烧室的活塞的顶端所设置的缩口ω形燃烧室，该燃烧室上部为渐缩圆柱体，底部为ω形回转腔，两者之间采用圆环曲面过度。

参阅图3，本发明所述的双燃料发动机中加工有燃烧室的活塞即燃烧室式活塞1与现有技术所采用的活塞结构形状和尺寸是基本相同的,所不同的是现有技术所采用活塞头部加工一个缩口ω形燃烧室，而在本发明所述的双燃料发动机中加工有燃烧室的活塞即燃烧室式活塞1顶端的中心处设置一个八瓣哑铃形燃烧室，八瓣哑铃形燃烧室的对称轴线与燃烧室式活塞1的对称轴线共线。

参阅图3与图4，本发明所述的双燃料发动机中加工有燃烧室的活塞即燃烧室式活塞1上的八瓣哑铃形燃烧室是由上部的八瓣形柱体孔2、下部的哑铃形回转腔3及两者之间采用的过度圆环曲面4连接而成。

参阅图5，所述的上部的八瓣形柱体孔2是由八段向内凸起的等半径的内圆柱面和八段向外凸起的等半径的外圆柱面组成，八段内圆柱面与八段外圆柱面相间布置，八段内圆柱面的回转中心线与八段外圆柱面的回转中心线相互平行，八段内圆柱面的回转中心线与燃烧室式活塞1的回转中心线平行且距离相等，八段外圆柱面的回转中心线与燃烧室式活塞1的回转中心线平行且距离相等，相邻的内圆柱面与外圆柱面圆滑连接。

实施例中八段内圆柱面直径为57～59mm，对应的圆心角相等，构成八瓣形凸起，八段直径为57～59mm的内圆柱面的回转中心在八瓣形凸起的外侧；八段外圆柱面的直径为17～19mm，对应的圆心角相等，构成八瓣形凹坑，八瓣形的凸起与八瓣形的凹坑相间布置构成上部的八瓣形柱体孔。凹坑距离燃烧室式活塞1的回转中心线最近距离为25～27mm，八段直径为17～19mm的外圆柱面的回转中心在八瓣形凹坑的内侧，且所对应的圆心角相等。八段凸起和凹坑可以产生小尺度的微涡流。

所述的上部的八瓣形柱体孔2高为3～4mm，过高对涡流抑制作用过强，过低发挥不了上部八瓣形柱体孔的作用。

所述的连接上部的八瓣形柱体孔2与下部的哑铃形回转腔3的过度圆环曲面4的曲面半径为5～6mm，这样不产生尖点，可以减轻热负荷，同时还可以实现从上部的八瓣形柱体孔2到下部的圆形变截面的过度。

参阅图4，所述的下部的哑铃形回转腔3由外圆环圆弧面、凸台圆台面与底圆环圆弧面构成；其中：凸台即凸台圆台面位于八瓣哑铃形燃烧室中哑铃形回转腔3的中心处，凸台圆台面的回转轴线、八瓣哑铃形燃烧室中哑铃形回转腔3的回转轴线与燃烧室式活塞1的回转轴线共线。

外圆环圆弧面的顶端采用过度圆环曲面4与上部的八瓣形柱体孔2的底端圆滑连接，外圆环圆弧面的底端与底圆环圆弧面的一端圆滑连接，底圆环圆弧面的另一端与凸台圆台面的底端连接，确切地说，底圆环圆弧面和凸台圆台面底端之间采用小半径圆环圆弧面将底圆环圆弧面和凸台圆台面底端圆滑连接，防止热负荷过重。

实施例中下部的哑铃形回转腔3的外圆环圆弧面的半径为10～11mm，凸台圆台面的顶端宽度为10～12mm，凸台圆台面的底端宽度为48～50mm，凸台圆台面的顶端面距八瓣哑铃形燃烧室顶部距离为3～4mm，这样大的凸台圆台面占据混合气运动的死区，增加了混合气的利用率，同时这样大的凸台圆台面还迫使燃烧室内涡流运动加强，引导柴油火核向八瓣哑铃形燃烧室底部运动，改变着火点位置。外圆环圆弧面和凸台圆台面之间用半径为50～52mm的底圆环圆弧面连接。半径为50～52mm的底圆环圆弧面的半径回转中心在哑铃形回转腔3的内侧。半径为50～52mmm的底圆环圆弧面和凸台圆台面之间采用半径为5～6mm小圆环圆弧面将两者圆滑连接。

模拟试验：

通过对CA6DL2-35E5RB天然气/柴油双燃料发动机进行试验研究，对原机ω形燃烧室和本发明所述的八瓣哑铃形燃烧室在1335r/min,等能量25％负荷，90％替代率工况下的工作过程进行了模拟分析。分析结果表明，采用原机缩口ω形燃烧室使得燃烧末期燃烧室底部和气缸中心附近剩余大量的天然气。八瓣哑铃形燃烧室底部没燃烧主要由于柴油在八瓣哑铃形燃烧室上部着火，八瓣哑铃形燃烧室底部湍动能弱，引燃柴油火核不能向八瓣哑铃形燃烧室底部传播。而气缸中心为火焰传播末端，还没来得及燃烧即排出缸外，两者共同作用导致了大量的HC排放。总之，原机天然气未完全燃烧是由于着火点分布不合理和燃烧室内湍动能太弱的缘故。

本发明所述的八瓣哑铃形燃烧室即可同时实现理想的着火点分布和较强的湍动能分布。

本发明所述的八瓣哑铃形燃烧室在着火阶段，哑铃形凸台占据混合气运动的死区，增加了混合气的利用率，同时大的凸台还迫使燃烧室内涡流向外运动，速度增大，较强的涡流引导柴油火核向燃烧室底部运动，改变着火点位置，从而使着火点分布合理。

本发明所述的八瓣哑铃形燃烧室在火焰传播阶段，一方面由于八瓣形柱体孔可以产生较强的逆挤流和小尺度涡流，另一方面上部的八瓣形柱体孔、下部的哑铃形回转腔3圆形截面变化引起的较强的涡流，两者共同作用造成湍动能分布范围广，并且长时间保持较高的水平，从而使天然气火焰迅速传播。

模拟试验结果：

1.参阅图6至图8，所述的八瓣哑铃形燃烧室比原机缩口ω形燃烧室缸内压力峰值高13％左右，动力性提高约38％；缸内平均温度峰值比原机缩口ω形燃烧室缸内平均温度峰值高26％左右；

所述的八瓣哑铃形燃烧室出现了两个明显的放热率峰值，且第二放热率峰值比第一放热率峰值还要高。主要原因为八瓣哑铃形燃烧室在火焰传播的过程中缸内产生较大的湍动能促进了天然气火焰的传播速度，使天然气作为主要燃料燃烧更完全。

2.参阅图9，所述的八瓣哑铃形燃烧室柴油滞燃期长，参加预混的柴油量多，混合的更加均匀，柴油燃烧的更为完全。同时柴油着火后引燃天然气的火源多，分布在八瓣哑铃形燃烧室的各个角落，较强的湍动能提高天然气火焰传播速度，促使原来燃烧室中未燃的天然气完全燃烧，剩余量不到1％，提高了经济性，大大降低了由于天然气未完全燃烧引起的HC排放。

3.参阅图10与图11，所述的八瓣哑铃形燃烧室soot相比于原机降低了十倍，NO只提高了1.5倍。

Claims (6)

1.一种双燃料发动机中加工有燃烧室的活塞，其特征在于，所述的双燃料发动机中加工有燃烧室的活塞即燃烧室式活塞(1)顶端的中心处设置一个八瓣哑铃形燃烧室，八瓣哑铃形燃烧室的对称轴线与燃烧室式活塞(1)的对称轴线共线；

所述的八瓣哑铃形燃烧室是由上部的八瓣形柱体孔(2)、下部的哑铃形回转腔(3)及两者之间采用的过度圆环曲面(4)连接而成。

2.按照权利要求1所述的双燃料发动机中加工有燃烧室的活塞，其特征在于，所述的八瓣形柱体孔(2)是由八段向内凸起的等半径的内圆柱面和八段向外凸起的等半径的外圆柱面组成，八段内圆柱面与八段外圆柱面相间布置，八段内圆柱面的回转中心线与八段外圆柱面的回转中心线相互平行，八段内圆柱面的回转中心线与燃烧室式活塞(1)的回转中心线平行且距离相等，八段外圆柱面的回转中心线与燃烧室式活塞(1)的回转中心线平行且距离相等，相邻的内圆柱面与外圆柱面圆滑连接。

3.按照权利要求2所述的双燃料发动机中加工有燃烧室的活塞，其特征在于，所述的八段内圆柱面直径为57～59mm，八段外圆柱面的直径为17～19mm，八段外圆柱面距离燃烧室式活塞(1)的回转中心线最近距离为25～27mm，八瓣形柱体孔(2)的高度为3～4mm。

4.按照权利要求1所述的双燃料发动机中加工有燃烧室的活塞，其特征在于，所述的哑铃形回转腔(3)由外圆环圆弧面、凸台圆台面与底圆环圆弧面构成；其中：凸台即凸台圆台面位于八瓣哑铃形燃烧室中哑铃形回转腔(3)的中心处，凸台圆台面的回转轴线、八瓣哑铃形燃烧室中哑铃形回转腔(3)的回转轴线与燃烧室式活塞(1)的回转轴线共线；

外圆环圆弧面的顶端采用过度圆环曲面(4)与上部的八瓣形柱体孔(2)的底端圆滑连接，外圆环圆弧面的底端与底圆环圆弧面的一端圆滑连接，底圆环圆弧面的另一端与凸台圆台面的底端连接，确切地说，底圆环圆弧面的另一端和凸台圆台面底端之间采用小圆环圆弧面将底圆环圆弧面和凸台圆台面底端圆滑连接。

5.按照权利要求4所述的双燃料发动机中加工有燃烧室的活塞，其特征在于，所述的哑铃形回转腔(3)的外圆环圆弧面的半径为10～11mm，凸台圆台面的底端直径为48～50mm，凸台圆台面的顶端直径为10～12mm，凸台圆台面的顶端面距八瓣哑铃形燃烧室顶部距离为3～4mm，底圆环圆弧面的半径为50～52mm，小圆环圆弧面的半径为5～6mm。

6.按照权利要求1所述的双燃料发动机中加工有燃烧室的活塞，其特征在于，所述的过度圆环曲面(4)即连接上部的八瓣形柱体孔(2)与下部的哑铃形回转腔(3)中的外圆环圆弧面的过度圆环曲面(4)的曲面半径为5～6mm。