CN105134370A - 一种分卷流燃烧系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种分卷流燃烧系统，包括分卷流燃烧室以及与之对应的喷油器，所述分卷流燃烧室在双卷流燃烧室基础上加工得到，具体为在双卷流燃烧室的外室出口处设置分卷室。本发明一方面利用双卷流燃烧室结构特性使部分燃油在燃烧室内、外室形成方向相反的卷流，另一方面利用分卷室使其余燃油发生了分流，使燃油在更短的时间内扩散到燃烧室全空间内，油、气混合较均匀，燃烧速度相应提高，可改善燃烧效率及排放性能。

Description

一种分卷流燃烧系统

技术领域

发明涉及一种燃烧系统，具体涉及一种分卷流燃烧系统。

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方法来改善燃油、空气、燃烧室的匹配，从而提高发动机燃烧及排放性能，但这些技术在一定程度上仍存在油气分布不均、空气利用率不高等问题。为了更好地说明，下面结合图1和图2分别分析几种典型燃烧室存在的问题。图1是ω型燃烧室的造型，A、B、C、D区分别为燃烧室的不同空间位置；采用燃油高压喷射技术可使燃油在B、C区内快速雾化，提高油气混合速度，但是燃烧室远端的D区及油束下面的A区空间仅有少量燃油，空气利用率较低。图2是双卷流燃烧室造型，油束虽然在弧脊位置处分开形成双卷流，改善了图1中A区的燃油分布，但D区仍然存在燃油分布较少的问题，特别是活塞下行时，这部分的空间也迅速扩大，但燃油却较少。

综上所述，这些技术虽然注重了燃烧室部分空间内的油气混合，但没有办法实现整个燃烧室空间内燃油的均匀分布及空气的充分利用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种分卷流燃烧系统，通过在双卷流燃烧室的基础上，增加分卷室，并设置对应的喷油孔，能够提高燃烧室远端的空气利用率，充分利用燃烧室整个空间内的空气，改善发动机经济性、动力性和排放性能。

该分卷流燃烧系统，包括燃烧室和喷油器；所述燃烧室的基础为双卷流燃烧室，所述双卷流燃烧包括内室、外室和顶隙区域；所述内室和外室之间过渡的圆弧为第一弧脊；其特征在于，在所述外室与顶隙区域之间设置环形凸起，形成分卷室；所述分卷室与外室之间过渡的圆弧为第二弧脊。

所述喷油器上设置有两排喷油孔，分别为上喷孔和下喷孔，所述上喷孔和下喷孔沿圆周方向均匀间隔分布，其中所述上喷孔与第二弧脊对应，所述下喷孔与第一弧脊对应。

所述分卷室长度L1＝(0.076-0.087)D，分卷室最低点距活塞顶的距离H1＝(0.047-0.062)D，分卷室与内室之间的过渡圆弧R1＝(0.013-0.021)D，分卷室与顶隙区域之间的过渡圆弧R2＝(0.012—0.019)D，分卷室的底面锥角α＝8°-14°；其中D为活塞直径。

上喷孔喷孔径d₁与下喷孔孔径d₂之间的比例关系为d₁ ²/d₂ ²＝(1.16—1.19)。

有益效果：

通过在双卷流燃烧室的基础上，增加分卷室，由此形成两个弧脊，每个弧脊对应一排喷油孔，使得一部分燃油在第一弧脊作用下在内、外室形成方向相反的卷流，在燃烧室内空间空气的利用率提高的基础上，另一部分燃油由于第二弧脊的作用下发生了分流，使燃油在更短的时间内扩散到燃烧室全空间内，这样燃烧室远端的空气利用率提高，充分地利用燃烧室整个空间内的空气，能够有效改善发动机经济性、动力性和排放性能。且由于本发明可在原有双卷流燃烧室的基础上进行匹配，简便易行。

附图说明

图1为现有的ω型燃烧室空间分区图；

图2为现有的双卷流燃烧室示意图；

图3为本发明提供的分卷流燃烧室示意图；

图4为喷油器喷孔的布局示意图；

图5为分卷流燃烧室对应一对喷孔时气体的运动示意图；

图6为双卷流燃烧室和分卷流燃烧室指示功率对比图；

图7为双卷流燃烧室和分卷流燃烧室缸内平均压力曲线；

图8为双卷流燃烧室和分卷流燃烧室缸内平均温度曲线；

图9为双卷流燃烧室和分卷流燃烧室瞬时放热率曲线；

图10为双卷流燃烧室和分卷流燃烧室累计放热量曲线；

图11为双卷流燃烧室和分卷流燃烧室未然当量比曲线；

图12为双卷流燃烧室和分卷流燃烧室Soot质量分数对比曲线。

其中：1-内室，2-外室，3-分卷室，4-顶隙区域，5-第一弧脊，6-第二弧脊，7-上喷孔，8-下喷孔

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供一种分卷流燃烧系统，在双卷流燃烧室的基础上，增加分卷室，当喷油器中的上喷孔喷出的燃油撞击到分卷室后，形成分流，使燃烧室远端的空气利用率得到提高；该种结构的燃烧室能够充分利用燃烧室整个空间内的空气，改善发动机经济性、动力性和排放性能。

该分卷流燃烧系统包括燃烧室和喷油器，燃烧室为由活塞顶部、缸盖和缸壁围成的空间，该燃烧室的基础为双卷流燃烧室，如图2所示，所述双卷流燃烧室包括内室和外室，内室和外室之间相连的部位为弧脊，当喷油孔夹角与弧脊位置相互匹配时，燃油油束在合适的发动机曲轴转角位置喷出并撞击弧脊，燃油油束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。为改善双卷流燃烧室顶隙区域的燃油分布，在其外室出口处加工环形凸起，作为分卷室，如图3所示，由此形成的分卷流燃烧室包括内室1、外室2和分卷室3，其中内室1和外室2之间的弧脊为第一弧脊5，外室2与分卷室3之间的弧脊为第二弧脊6。

针对该双弧脊结构形式的燃烧室，在与之对应的喷油器上设置两排喷油孔，如图4所示，分别为上喷孔7和下喷孔8，所述上喷孔7和下喷孔8沿圆周方向均匀间隔分布，其中上喷孔7与第二弧脊6对应，下喷孔8与第一弧脊5对应，即当上喷孔7在合适的发动机曲轴转角位置喷出燃油油束时撞击第二弧脊6，当下喷孔8在合适的发动机曲轴转角位置喷出燃油油束时撞击第一弧脊5。

要使得燃烧室发挥最大作用，这就要求燃油以一定的比例分配到燃烧室内外室中形成卷流方向相反的两束卷流燃油。当燃油射流撞击第一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。分卷室距离燃烧室中心过近会使得喷油器上喷孔喷出的燃油过早地撞击分卷室，对燃烧不利；而分卷室距离燃烧室中心过远时，喷油器上喷孔喷出的燃油不能尽快地撞击分卷室形成分流，无法发挥该燃烧室的优势，因此，应合理确定分卷室结构及上喷孔喷油量和下喷孔喷油量之间的比例。

本实施例中分卷室的尺寸为：分卷室长度L1＝(0.076-0.087)D(D为活塞直径)，分卷室最低点距活塞顶的距离H1＝(0.047—0.062)D，分卷室底面圆弧(即分卷室与内室之间的过渡圆弧)R1＝(0.013—0.021)D，分卷室上面圆弧(即分卷室与顶隙区域之间的过渡圆弧)R2＝(0.012—0.019)D，分卷室的底面锥角α＝8°-14°。

为合理分配内室1、外室2和分卷室3的燃油比例，使分卷流燃烧室处于较佳的工作状态，上喷孔喷油量d₁ ²与下喷孔喷油量d₂ ²之间的比例关系为d₁ ²/d₂ ²＝(1.16—1.19)，其中d₁为上喷孔孔径，d₂为下喷孔孔径。

喷油器上喷孔7喷出的燃油撞击到第二弧脊6后，在第二弧脊6的作用下，形成分流，燃烧室远端的燃油扩散得到加强，空气利用率得到提高；喷油器下喷孔8喷出的燃油撞击第一弧脊5后，在第一弧脊5的作用下，形成卷流，燃油扩散到更大的空间内，对发动机的性能将有一定程度的改善。

分别建立相同压缩比条件下的分卷流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，三维建模中建立近乎同等网格条件下的两种燃烧室进行计算以便加以比较，其他计算设置相同。由此得到两种燃烧室指示功率、缸内平均压力、缸内平均温度、瞬时放热率、累积放热量、未燃当量比、双卷流燃烧室和分卷流燃烧室的Soot质量分数对比图。

其中图6为双卷流燃烧室和分卷流燃烧室指示功率对比图。经计算，从进气门关闭到排气门打开的计算时间段内，分卷流燃烧室和双卷流燃烧室的指示功率分别为74.0kW和73.06kW，分卷流燃烧室的功率比双卷流燃烧室高1.29％。

图7为双卷流燃烧室和分卷流燃烧室缸内平均压力图，从图中可以看出，分卷流燃烧室最大缸内平均压力可达到17.0MPa，而双卷流燃烧室为16.8MPa。在整个燃烧过程中，分卷流燃烧室的缸内平均压力比双卷流燃烧室缸内平均压力高。

图8为双卷流燃烧室和分卷流燃烧室缸内平均温度图，从图中可以看出，370℃A前的缸内平均温度相差不大，370℃A到410℃A时，分卷流燃烧室平均温度稍高于双卷流燃烧室，但410℃A后其燃烧平均温度低于双卷流燃烧室，说明分卷流燃烧室前期燃烧快。

图9和图10分别为两种燃烧室的瞬时放热率及累积放热量曲线，在燃烧放热初期双卷流燃烧室的燃烧瞬时放热率偏高，而从365℃A开始分卷流燃烧室有一段较高的燃烧放热率，使其在累计放热量上高于双卷流燃烧室，从累计放热量上看分卷流燃烧室大于双卷流燃烧室。

图11为两种燃烧室未燃当量比的计算结果，燃烧初期双卷流燃烧室未燃当量比较低，燃烧速度稍快，到中后期，分卷流燃烧室燃烧速度有所提高，燃烧速度较快。较快的燃烧速度使燃料在相同时间内放出更多热量。

图12为两种燃烧室的的Soot质量分数曲线，从图中可以看出，在整个燃烧过程中，分卷流燃烧室排放的Soot比双卷流燃烧室排放的Soot低，说明分卷流燃烧室燃烧的比较充分。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种分卷流燃烧系统，包括燃烧室和喷油器；所述燃烧室的基础为双卷流燃烧室，所述双卷流燃烧包括内室(1)、外室(2)和顶隙区域(4)；所述内室(1)和外室(2)之间过渡的圆弧为第一弧脊(5)；其特征在于，在所述外室(2)与顶隙区域(4)之间设置环形凸起，形成分卷室(3)；所述分卷室(3)与外室(2)之间过渡的圆弧为第二弧脊(6)；

所述喷油器上设置有两排喷油孔，分别为上喷孔(7)和下喷孔(8)，所述上喷孔(7)和下喷孔(8)沿圆周方向均匀间隔分布，其中所述上喷孔(7)与第二弧脊(6)对应，所述下喷孔(8)与第一弧脊(5)对应。

2.如权利要求1所述的分卷流燃烧系统，其特征在于，所述分卷室长度L1＝(0.076-0.087)D，分卷室最低点距活塞顶的距离H1＝(0.047-0.062)D，分卷室与内室之间的过渡圆弧R1＝(0.013-0.021)D，分卷室与顶隙区域之间的过渡圆弧R2＝(0.012—0.019)D，分卷室的底面锥角α＝8°-14°；其中D为活塞直径。

3.如权利要求1或2所述的分卷流燃烧系统，其特征在于，上喷孔喷孔径d₁与下喷孔孔径d₂之间的比例关系为d₁ ²/d₂ ²＝(1.16—1.19)。