CN1059254C - 一种双燃烧室内燃机燃烧系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于内燃机技术领域，所提出的一种双燃烧室内燃机燃烧系统需要解决的技术问题是使内燃机具有降低燃料消耗、减少排气污染和适于燃用多种石油和非石油燃料的性能。此燃烧系统具有一个涡流燃烧室和一个开式燃烧式，采取壁面油膜式混合与空间油雾式混合相结合的复合式混合方式和压燃式着火与火焰点燃式着火相结合的复合式着火方式。本发明可用于节约能源、保护环境和扩大内燃机的燃料来源，并可为内燃机改用非石油燃料作准备。

Description

一种双燃烧室内燃机燃烧系统

本发明属于内燃机技术领域，涉及内燃机的高效率低污染燃烧系统，并涉及多种燃料内燃机。

内燃机的燃烧系统对内燃机各方面的性能有重要的影响。为了使内燃机降低燃料消耗、减少排气污染、适于燃用多种燃料和改善其它方面的性能，曾经提出过各种型式的内燃机燃烧系统，其中有一些已研制成功并取得一定效果。曾经出现过采取壁面油膜式混合和空间油雾式混合相结合的复合式混合方式的柴油机燃烧系统，例如我国天津大学史绍熙等人发明的柴油机“复合式”燃烧系统，有关论文发表于一九八一年第十四届国际内燃机会议。这种燃烧系统在结构上属于单燃烧室燃烧系统，具有一个喷油系统。柴油机采用这种燃烧系统后能够燃用多种石油燃料，但是在降低燃油消耗和减少排气污染方面投有取得实际的效果。此外，这种燃烧系统中形成壁面油膜和形成空间油雾的两部分燃油之间的相对数量虽能在柴油机转速变化时利用随燃烧室中空气涡流一起运动的燃油颗粒离心力的变化而得到某些调节，但是由于这两部分燃油是用同一个喷油系统的同一个喷油器喷入燃烧室的，因此它们之间的相对数量不可能准确地加以控制，而且不能根据柴油机运行过程中的多方面要求加以合理调节，以改善柴油机在不同运行条件下的性能。也曾经出现过采取压燃式着火和电火花点燃式着火相结合的复合式着火方式的柴油机燃烧系统，例如德国MAN公司的FM型柴油机的燃烧系统，有关论文发表于一九七二年八月的德国MTZ第33卷第8期上。这种燃烧系统也是具有一个喷油系统的单燃烧室燃烧系统。柴油机采用这种燃烧系统后也能够燃用多种石油燃料，并且克服了冷态启动困难的缺点，但是在降低燃油消耗和减少排气污染方面投有取得明显效果。此外，为了实现电火花点火，在采用这种燃烧系统的柴油机上需要设置专门的电火花点火系统，引起柴油机结构和使用管理的复杂化。不久前还出现过具有双燃烧室的柴油机燃烧系统，例如日本阪神柴油机厂6MUH28型柴油机的燃烧系统，有关论文发表于一九七九年第十三届国际内燃机会议。这种燃烧系统具有主副两个燃烧室，两燃烧室各有自己的喷油系统。其中的主燃烧室与普通开式燃烧室投有任何不同；副燃烧室中的燃烧过程比主燃烧室中的燃烧过程开始得较晚，它在主燃烧室中已经着火燃烧后产生一种喷入主燃烧室的扰动气流，以此来加速主燃烧室中燃烧过程后期的燃烧，除此以外没有别的作用。柴油机采用这种燃烧系统后，其排气中的某些污染成分有所减少，但其它各种性能并未得到改善，而且不能够燃用多种燃料。

本发明提出一种与现有各种内燃机燃烧系统都不同的新燃烧系统，其目的在于弥补现有内燃机燃烧系统的不足，使内燃机在降低燃料消耗、减少排气污染、适于燃用多种燃料以及改善其它性能方面能取得更全面和更明显的效果，并且克服现有内燃机燃烧系统存在的一些缺点。

本发明的技术方案可结合附图加以说明。图1为本发明所提出的这种双燃烧室内燃机燃烧系统的简图，用以表示这种燃烧系统的结构和工作原理；图2为这种燃烧系统中构成开式燃烧室下壁的活塞顶部的剖视和俯视图，用以表示此活塞顶部的结构形状。从图1可以看到，在气缸盖中有一个球形的涡流燃烧室，在气缸盖底部和活塞顶部之间有一个开式燃烧室，它的上壁和下壁即由气缸盖底部和活塞顶部构成。两燃烧室之间以一个通道相连接。上述涡流燃烧室和开式燃烧室各有自己的喷油系统。图中只表示出两个燃烧室的喷油系统中的两个喷油器。这两个喷油器都是轴针式的单孔喷油器，一个装在涡流燃烧室右侧的喷油器座孔中，其中心线与燃烧室球形空间的中心之间有较大的偏距，另一个装在开式燃烧室的喷油器座孔中(此座孔的位置在气缸盖上与涡流燃烧室相对的一侧)，其中心线气与气缸盖底面之间采取较小的夹角。在内燃机的压缩行程后期，涡流燃烧室的喷油系统开始喷油。由于喷油器的中心线偏离燃烧室球形空间的中心，因此大部分燃油被喷射到燃烧室壁面上，并借助于燃烧室中的空气涡流而在壁面上展开，形成油膜。少量燃油喷散在此燃烧室的空间中，形成油雾。在燃烧室壁面具有足够高温度的情况下，壁面上的油膜逐渐蒸发并在燃烧室中涡流的帮助下与此室中的空气混合。在这一喷油系统把燃油喷入涡流燃烧室后的某一适当时刻，另一喷油系统把数量相对较少的燃油喷入开式燃烧室。由于此喷油器是轴针式单孔喷油器，因此喷出的油束比较密集。然而，当此燃油喷束撞击到活塞顶部的斜面凸台[2]后，它就被进一步粉碎，并改变方向，被折射到位于活塞顶部的凹坑[3]中，在其中扩散开来，形成油雾。在活塞上行时，两个腰形顶面[1]把它们上方的空气挤入凹坑[3]中，由此造成的挤压涡流有利于燃油与此凹坑中的空气混合。(上面提到的腰形顶面[1]、斜面凸台[2]、凹坑[3]参看图2)。在压缩行程末气缸内空气的高温作用下，喷入开式燃烧室内的这部分燃油在上死点附近的某一时刻首先着火，使此燃烧室内的压力和温度上升。本来在一定的压差下从开式燃烧室流入涡流燃烧室的气体，因开式燃烧室内压力的进一步提高而加速流入涡流燃烧室。随高速气流一起进入涡流燃烧室的火焰把此室中燃油蒸汽与空气的混合气点着。因开式燃烧室中已燃气体的进入和涡流燃烧室中燃油的着火燃烧而提高了的温度使涡流燃烧室壁面上尚处于油膜状态的燃油加速蒸发，参加燃烧。这样就提高了涡流燃烧室中的燃烧速度，使此室中的压力较快上升。这时开式燃烧室中数量相对较少的燃油大部分已燃烧完毕，室中的压力上升较慢。当涡流燃烧室中迅速上升的压力超过开式燃烧室中的压力时，气体转而从涡流燃烧室流向开式燃烧室，带着在涡流燃烧室中尚未完全燃烧的燃油一起进入开式燃烧室，并在此燃烧室中造成扰动气流。此气流的扰动作用能使开式燃烧室中燃烧过程的后期进行得更为完善和迅速。

开式燃烧室的燃烧空间形状应当有利于喷入此室的燃油与其中的空气混合，并有利于从涡流燃烧室流入此室的气流在其中产生合理的流动，以使燃烧过程后期的燃烧得到改善和加速。这部分燃烧空间的形状主要决定于活塞顶部的结构。根据这些要求，本发明所提出这种燃烧系统中的活塞顶部采取如图2所示的结构。活塞顶中部有一凹坑[3]，其宽度和深度自左至右(从图面看)逐渐扩大，以利于燃油喷雾在其中扩散。凹坑的左方有一斜面凸台[2]，其作用除使喷油器喷出的油束受到撞击而得到进一步的雾化外还能使油束折射到上述凹坑中去。凹坑的右方有一导流槽[5]，槽底的倾角与涡流燃烧室连接通道相适应，以引导从涡流燃烧室喷出的气流在开式燃烧室中合理流动。凹坑的两旁有两个腰形顶面[1]，两顶面的外周各有一个边槽[4]。从涡流燃烧室进入开式燃烧室的气流在自右至左通过凹坑后向两边分开，流入两个边槽中，通过这两个边槽后又从右方回入凹坑。这样就可以使气体在边槽和凹坑中循环流动，以促进开式燃烧室中燃料与空气的混合和燃烧。此两边槽的另一作用是使活塞上方余隙空间(两个腰形顶面与气缸盖底面之间的空间)的外周开放，使原来被拦阻在此空间中的一部分空气被凹坑中压力较高的气体驱入两槽，随槽中气体流动，并与其中未完全燃烧的燃料混合，以改善和加速它的燃烧。

由以上所述可见，这种双燃烧室内燃机燃烧系统采取在涡流燃烧室中实现的壁面油膜式混合与在开式燃烧室中实现的空间油雾式混合相结合的复合式混合方式，并采取在开式燃烧室中实现的压燃式着火与在涡流燃烧室中现实的火焰点燃式着火相结合的复合式着火方式。

涡流燃烧室和开式燃烧室的两个各自独立的喷油系统中除有喷油器外还有喷油泵、油箱、滤油器(或者还有输油泵)以及它们之间的连接管，这些设备在图1中设有画出。它们的布置和连接需根据内燃机的具体结构来确定。

由于两个燃烧室各有独立的喷油系统，因此有可能对供入两燃烧室的两部分燃油之间的相对数量进行准确的控制，也可以由此而对形成油雾和形成油膜的两部分燃油之间的相对数量进行控制。这样就可以根据内燃机运行过程中的不同要求对这两部分燃油之间的相对数量进行合理调节，以达到优化内燃机在不同运行情况下的性能的目的。同样地，由于两个燃烧室各有独立的喷油系统，因此可以在必要时用它们向两个燃烧室供给不同的燃油。为使供入开式燃烧室的燃油易于在压缩行程末气缸中空气的高温下着火燃烧，可以选用着火性能较好的燃油供入此燃烧室。

在本发明提出的这种燃系统中，大部分燃油被喷入采取壁面油膜式混合的涡流燃烧室中。此燃烧室所采取的这种混合方式能使燃油与空气的混合获得良好的质量，因此能使这些燃油的燃烧过程进行得比较完善和迅速；又由于两个燃烧室之间具有以上所述互相促进的作用，因此可使两燃烧室中的混合和燃烧过程得到进一步的改善和加速；此外，活塞顶部结构的上述优化也能使混合和燃烧过程得到一定程度的改善和加速。这些因素都能导致内燃机燃油消耗率的降低，从而使采用这种燃烧系统的内燃机在降低燃油消耗的性能方面优于采用常规燃烧系统的同类型内燃机。

在本发明所提出的这种燃烧系统中，大部分燃油是在涡流燃烧室中燃烧的。众所周知，涡流室式内燃机的排气中所含氮的氧化物(NOx)、未燃烃(HC)、一氧化碳(CO)等污染成分的数量比绝大多数其它型式内燃机(指少数预燃室式内燃机除外的其它型式内燃机)都要低。采用本发明所提出这种的燃烧系统的内燃机，其排气中所含上述各种污染成分的数量估计将与涡流室式内燃机接近，也就是说将比绝大多数其它型式内燃机都要低。此外，由于这种燃烧系统中大部分燃油采取壁面油膜式混合方式，而这种混合方式能有效地减少燃油因热分解而产生的碳烟，因此采用这种燃烧系统的内燃机，其排气的烟度将比其它型式内燃机低，排气中所含碳烟微粒(以碳烟粒子为主要成分而形成的微粒)的数量也将比其它型式内燃机低。根据以上所述，采用这种燃烧系统的内燃机在减少排气污染的性能方面将优于绝大多数其它型式内燃机。

在本发明所提出的这种燃烧系统中，大部分燃油是在采取壁面油膜式混合的条件下燃烧的。众所周知，在现有的各种内燃机中，采取壁面油膜式混合方式的内燃机具有最好的燃用多种燃料的性能，也就是说这种内燃机适于燃用着火性能和其它质量指标差异较大的各种石油和非石油燃料。在本发明所提出的这种燃烧系统中除采取壁面油膜式混合方式外还采取火焰点燃式着火方式，因此采用这种燃烧系统的内燃机，其适于燃用多种燃料的性能将比采取壁面油膜式混合方式的其它各种内燃机还要好。

在本发明提出的这种燃烧系统中，涡流燃烧室采取壁面油膜式混合并且用开式燃烧室提供的火源和能量(即从开式燃烧室流入涡流燃烧室的高温气体所具有的热能和动能)来点燃其中已形成的油汽与空气的混合气并加速其壁面油膜的蒸发和油汽与空气的混合，因此能克服采取一般壁面油膜式混合的内燃机所存在的冷态启动困难(因处于冷态的内燃机，其燃烧室壁面的温度低，壁面上的油膜不易蒸发)和低负荷、低转速运行下的性能不良(因内燃机低负荷、低转速运行时燃烧室壁面的温度和燃烧室内涡流的速度不够高，壁面上的油膜蒸发速度慢)等缺点。如前所述，这种燃烧系统还可以根据内燃机运行过程中的不同要求对供入开式燃烧室和供入涡流燃烧室的两部分燃油之间的相对数量进行合理调节。利用这一有利条件还能进一步提高内燃机在不同运行条件下的性能。具体地说，如在内燃机冷态启动时只向开式燃烧室供给燃油而不向涡流燃烧室供给燃油，则能进一步提高内燃机的冷态启动性能，使之接近一般采用开式燃烧室的内燃机的冷态启动性能。此外，如在内燃机低负荷、低转速运行时相对地增加向开式燃烧室供给的燃油数量而减少向涡流燃烧室供给的燃油数量，则能进一步提高内燃机在低负荷、低转速下运行的性能。

迄今为止出现的其它各种燃烧系统没有那一种能使内燃机同时在降低燃料消耗、减少排气污染和适于燃用多种燃料这三个方面都具有良好的性能。本发明提出的这种燃烧系统能使内燃机具有这种多方面的性能，这就使采用这种燃烧系统的内燃机既能符合近期的需要又能符合远期的需要，既有广阔的适用范围又有长远的应用前景。在当前石油燃料尚能得到正常供应的情况下，推广应用这种内燃机可以达到节约能源和保护环境的目的。推广应用这种内燃机还可以达到扩大内燃机燃料来源的目的，并且为将来石油资源渐趋枯竭而石油燃料供不应求的时候使内燃机改用各种非石油燃料作必要的准备。

关于实现本发明的方式，专利申请人认为当前应以按本发明提出的技术方案来改造现有的涡流室式柴油机作为主要的方式。采取这种方式可使本发明更容易实现，更早得到应用。在积累一定经验后，再把本发明应用于设计制造新的内燃机。在现有国产柴油机中，属于涡流室式柴油机的有气缸直径65～105毫米的九种型号单缸柴油机和气缸直径75～105毫米的九种型号多缸柴油机。其中多数用作农用动力机和汽车拖拉机发动机。这些柴油机都对降低燃油消耗有迫切的要求。其中的汽车用柴油机对减少排气污染也提出了越来越高的要求。此外，其中某些在农村和边远地区应用的柴油机，根据当地的燃料来源，可能对燃用煤焦油和植物油等多种燃料有特别的需要。因此，用本发明提出的技术方案对这些柴油机加以改造，使之能降低燃料消耗、减少排气污染、适于燃用多种燃料，是使这项发明得到推广应用的重要途径。

考虑到195型单缸柴油机是国内各种类型的柴油机中产量最多、应用最广的一种产品，因此专利申请人首先选择了这种柴油机作为按本发明的技术方案来进行改造的对象。图3为改造后的195型柴油机燃烧系统主要部件的结构图，其中没有示出喷油系统的各种设备和连接管。与该柴油机的原结构相比，在图中所示的各部件中在结构上有改动的只有气缸盖和活塞两个部件，而且所作的改动不大。在气缸盖上只是把原有的吊钟形涡流燃烧室改成球形涡流燃烧室，把涡流燃烧室喷油器座孔的位置从气缸盖的顶部移到了气缸盖的侧部，此外在气缸盖的另一侧(与涡流燃烧室相对的一侧)增加了一个装开式燃烧室喷油器的座孔。在活塞上需要改动的只是活塞顶部的结构，也就是把原来的活塞顶部改成图2所示的结构。在喷油系统方面，原有的涡流燃烧室喷油系统除喷油器的位置作如上所述的改变外不需要作其它任何改动。为开式燃烧室增加的另一个喷油系统由喷油器、喷油泵、高压油管及喷油泵的传动机构组成其中的喷油器、喷油泵、高压油管与原195型柴油机所用的完全相同，在市场上能买到。只有喷油泵传动机构需要自己设计制造。它由一个凸轮片、一段凸轮轴和一个凸轮箱组成。凸轮片在市场上能买到(或可委托专业厂制造)，它装在凸轮轴上后用键固定。凸轮轴是一段直轴，制成后连接于柴油机原凸轮轴的前端。凸轮箱是一个外形不大的简单铸铁箱体，凸轮片及其轴装在其中，由凸轮驱动的喷油泵装在其上。这样的喷油泵传动机构已制成，使用情况良好。上述实例表明，按本发明的技术方案对现有柴油机进行的改造是可行的。

Claims (3)

1.一种双燃烧室内燃机燃烧系统，它具有两个相对独立又互有联系的燃烧室，两燃烧室各有自己的喷油系统，两燃烧室之间以一个通道相连接，其特征是：此燃烧系统的两个燃烧室是一个位于气缸盖中的涡流燃烧室和一个位于气缸盖底部与活塞顶部之间的开式燃烧室，此燃烧系统采取在涡流燃烧室中实现的壁面油膜式混合与在开式燃烧室中实现的空间油雾式混合相结合的复合式混合方式，并采取在开式燃烧室中实现的压燃式着火与在涡流燃烧室中实现的火焰点燃式着火相结合的复合式着火方式。

2.按权利要求1所述的双燃烧室内燃机燃烧系统，其特征是：此燃烧系统所具有的涡流燃烧室，其内部空间呈球形，喷油器装在燃烧室侧部的喷油器座孔中，喷油器及其座孔的中心线与燃烧室球形空间的中心之间有较大的偏距，以使喷油器能把燃油喷到燃烧室壁面上，形成壁面油膜。

3.按权利要求1所述的双燃烧室内燃机燃烧系统，其特征是：此燃烧系统所具有的开式燃烧室，其上下壁分别由气缸盖底部和活塞顶部构成，喷油器装在气缸盖上与涡流燃烧室相对一侧的喷油器座孔中，喷油器及其座孔的中心线与气缸盖底面之间采取较小的夹角，使得从喷油器喷出的燃油喷束与活塞顶部的斜面凸台[2]撞击后折射到活塞顶中部的凹坑[3]中，并使因受撞击而得到进一步雾化的燃油在此凹坑中扩散，形成空间油雾。

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