CN106285912B - 一种对置活塞发动机的侧卷燃烧系统 - Google Patents

一种对置活塞发动机的侧卷燃烧系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种对置活塞发动机的侧卷燃烧系统，该系统包括喷油器、进气活塞、排气活塞，所述进气活塞和排气活塞的顶面对称地设有径向的下凹部，下凹部在进气活塞和排气活塞上形成一个与外柱周面相贯后形成的弧形缺口，弧形缺口的底面为锥形面，锥形面朝向进气活塞和排气活塞顶面的方向；弧形缺口的侧面为连续内凹的圆弧面组成的侧卷型面，侧卷型面与锥形面之间为圆弧过渡；喷油器设置在进气活塞和排气活塞之间且对应下凹部锥形面的顶点处。本发明通过进、排气活塞上的侧卷型面来提高空气利用率，加快燃油和空气的混合速度，以此来改善对置活塞发动机的燃烧及排放性能。

Description

一种对置活塞发动机的侧卷燃烧系统
技术领域
本发明涉及一种内燃机的燃烧系统，具体涉及一种对置活塞发动机的燃烧系统，属于内燃机结构技术领域。
背景技术
对置活塞柴油机可以有效地改善燃烧性能和排放特性。与传统柴油机相比，对置活塞柴油机突出的问题依然是燃油的分布、扩散和混合。提高燃烧室空间的利用率、加快燃油和空气的混合速度都可以有效地改善柴油机的动力性、经济性和排放性。
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。现有的对置活塞柴油机中的进气活塞和排气活塞顶面均为内凹的球面，其结构如图3所示，由进气活塞和排气活塞的顶面合围而成的燃烧室则形成了扁球型结构，如图1所示，燃烧室分成A区和B区，A区为燃烧室的中心区域，B为燃烧室的边缘区域。从图2中可以看出，B区域的体积约占到燃烧室体积的0.25～0.5倍。由于对置活塞柴油机从侧面喷射使得油束在轴向截面的分布范围一般为0°～60°，因而导致B区域的空气利用率下降。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种对置活塞发动机的侧卷燃烧系统，能够通过进、排气活塞上的侧卷型面来提高空气利用率，加快燃油和空气的混合速度，以此来改善对置活塞发动机的燃烧及排放性能。
一种对置活塞发动机的侧卷燃烧系统，该系统包括喷油器、进气活塞、排气活塞，所述进气活塞和排气活塞的顶面对称地设有径向的下凹部，下凹部在进气活塞和排气活塞上形成一个与外圆柱面相贯后形成的弧形缺口，弧形缺口的底面为锥形面，锥形面朝向进气活塞和排气活塞顶面的方向；弧形缺口的侧面为连续内凹的圆弧面组成的侧卷型面，相邻的两个圆弧面组成一个侧卷型面单元，侧卷型面与锥形面之间为圆弧过渡；喷油器设置在进气活塞和排气活塞之间且对应下凹部锥形面的顶点处。
进一步地，所述喷油器的喷射距离R满足：0.45D>R>0.85L，D为活塞直径，L为燃油喷雾的液相贯穿距离；侧卷型面的高度h＝(0.045～0.083)D,圆弧面r1＝(0.038～0.114)D,圆弧面包角β＝20°～30°，单侧侧卷型面中侧卷型面单元的数目n＝4～6。
进一步地，所述侧卷型面根据喷油器喷出的油束的数量和分布情况为对称式或非对称式。
进一步地，所述锥形面的圆锥高度H2＝(0.027～0.053)D，圆锥底边长度L2满足：R>L2>0.292D，燃烧室深度H1＝(0.091～0.129)D，燃烧室半径L1＝R+h，δ为活塞余隙。
进一步地，所述喷油器的喷孔为两排，一排对应进气活塞的侧卷型面，一排对应的排气活塞的侧卷型面，喷油器的喷孔数为：n/2，n为单侧侧卷型面中侧卷型面单元的数目；油束夹角：横向截面两个油束间的夹角为2×β；纵向截面油束夹角为α＝70°～82°。
有益效果：
本发明通过侧卷型面促使燃油向两侧卷动，有利于提高燃烧室空间的利用，以及加快燃烧室内空气的流动。锥形面有助于缩小无燃油空间容积，使得空气集中到燃油分布较多的位置。上述两方面的结构改进有效改善了燃烧过程，提高了发动机的经济性、动力性和排放性能。
附图说明
图1为现有扁球型燃烧室及其活塞结构示意图；
图2为扁球型燃烧室中心区域和边缘区域的划分示意图；
图3为扁球型燃烧室中进气活塞和排气活塞的三维结构示意图
图4为本发明提供的对置侧卷燃烧室及其活塞示意图；
图5为本发明排气活塞的俯视图；
图6为本发明进气活塞或排气活塞或的三维结构示意图；
图7为对置侧卷燃烧室结构参数的示意图；
图8为对置侧卷燃烧室的三维模型；
图9为扁球型燃烧室和对置侧卷燃烧室指示功率对比图；
图10为扁球型燃烧室和对置侧卷燃烧室缸内平均压力曲线；
图11为扁球型燃烧室和对置侧卷燃烧室缸内平均温度曲线；
图12为扁球型燃烧室和对置侧卷燃烧室瞬时放热率曲线；
图13为扁球型燃烧室和对置侧卷燃烧室累计放热量曲线；
图14为扁球型燃烧室和对置侧卷燃烧室Soot质量分数对比曲线。
其中，1-喷油器、2-进气活塞、3-排气活塞、4-侧卷型面、5-锥形面、
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。
如附图4所示，本发明提供了一种对置活塞发动机的侧卷燃烧系统，该系统包括喷油器1、进气活塞2和排气活塞3，进气活塞2和排气活塞3的顶面对称地设有径向的下凹部，下凹部在进气活塞2和排气活塞3上形成一个与外圆柱面相贯后形成的弧形缺口，弧形缺口的底面为锥形面5，锥形面朝向进气活塞2和排气活塞3顶面的方向；如附图5所示，弧形缺口的侧面为连续内凹的圆弧面组成的侧卷型面4，每相邻的两个圆弧面组成一个侧卷型面单元，图中共有六个圆弧面，共形成五个侧卷型面单元；如附图6所示，侧卷型面4与锥形面5之间为圆弧过渡；喷油器1设置在进气活塞和排气活塞之间且对应下凹部锥形面的顶点处，附图8为对置侧卷燃烧室的三维模型，对应从进气活塞2和排气活塞3加工掉的多余部分。
如附图7所示，侧卷型面4要求喷油器1喷出的每一个油束对应一个侧卷型面单元的中心凸起部分，并且两个油束之间有一个空余的侧卷型面单元以防止相邻的油束出现过度重叠集中。
喷油器的喷射距离R满足：0.45D>R>0.85L，D为活塞直径，L为燃油喷雾的液相贯穿距离；侧卷型面的高度h＝(0.045～0.083)D，圆弧面r1＝(0.038～0.114)D,圆弧面包角β＝20°～30°，单侧侧卷型面中侧卷型面单元的数目n＝5。侧卷型面根据喷油器喷出的油束的数量和分布情况为对称式。
锥形面的圆锥高度H2＝(0.027～0.053)D，圆锥底边长度L2满足：R>L2>0.292D，燃烧室深度H1＝(0.091～0.129)D，燃烧室半径L1＝R+h，δ为活塞余隙。
喷油器的喷孔为两排，一排对应进气活塞的侧卷型面，一排对应的排气活塞的侧卷型面；喷油器的喷孔数为：n/2，由于单侧侧卷型面中侧卷型面单元的数目为5个，所以喷孔数取3；油束夹角：横向截面两个油束间的夹角为2×β；纵向截面油束夹角为α＝70°～82°。
分别建立相同压缩比条件下的对置侧卷燃烧室及扁球型燃烧室的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的指示功率、缸内平均压力、缸内平均温度、瞬时放热率、累积放热量、Soot质量分数对比图。
其中附图9为对置侧卷燃烧室和扁球型燃烧室的指示功率对比图。经计算，从进气口关闭到排气口打开的计算时间段内，对置侧卷燃烧室和扁球型燃烧室的指示功率分别为72.18kW和71.43kW，对置侧卷燃烧室的功率比扁球型燃烧室高1.05％。
附图10为对置侧卷燃烧室和扁球型燃烧室缸内平均压力图，从图中可以看出，对置侧卷燃烧室最大缸内平均压力可达到77.9bar，而扁球型燃烧室为70.2bar。在整个燃烧过程中，对置侧卷燃烧室的缸内平均压力比扁球型燃烧室缸内平均压力高。
附图11为对置侧卷燃烧室和扁球型燃烧室缸内平均温度图，从图中可以看出，170℃A前的缸内平均温度相差不大，170℃A到217℃A时，对置侧卷燃烧室平均温度高于扁球型燃烧室，但217℃A后其燃烧平均温度低于扁球型燃烧室，说明对置侧卷燃烧室前期燃烧快。
附图12和图13分别为两种燃烧室的瞬时放热率及累积放热量曲线，在燃烧放热初期扁球型燃烧室的燃烧瞬时放热率基本一致，而从172℃A开始挤流燃烧室放热较快出现高于扁球型燃烧室的放热峰值。随后挤流燃烧室在169℃A到182℃A这段时间内有较高的燃烧放热率，使其在累计放热量上高于扁球型燃烧室，从累计放热量上看对置侧卷燃烧室大于扁球型燃烧室。
附图14为对置侧卷燃烧室和扁球型燃烧室的Soot质量分数曲线，从图中可以看出，在整个燃烧过程中，对置侧卷燃烧室的Soot比扁球型燃烧室排放的Soot低，说明对置侧卷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)

1.一种对置活塞发动机的侧卷燃烧系统，其特征在于，该系统包括喷油器、进气活塞、排气活塞，所述进气活塞和排气活塞的顶面对称地设有径向的下凹部，下凹部在进气活塞和排气活塞上形成一个与外圆周面相贯后形成的弧形缺口，弧形缺口的底面为锥形面，锥形面朝向进气活塞和排气活塞顶面的方向；弧形缺口的侧面为连续内凹的圆弧面组成的侧卷型面，相邻的两个圆弧面组成一个侧卷型面单元，侧卷型面与锥形面之间为圆弧过渡；喷油器设置在进气活塞和排气活塞之间且对应下凹部锥形面的顶点处；
所述喷油器的喷射距离R满足：0.45D>R>0.85L，D为活塞直径，L为燃油喷雾的液相贯穿距离；侧卷型面的高度h＝(0.045～0.083)D,圆弧面半径r1＝(0.038～0.114)D,圆弧面包角β＝20°～30°，单侧侧卷型面中侧卷型面单元的数目n＝4～6；所述锥形面的圆锥高度H2＝(0.027～0.053)D，圆锥底边长度L2满足：R>L2>0.292D，燃烧室深度H1＝(0.091～0.129)D，燃烧室半径L1＝R+h。
2.如权利要求1所述的对置活塞发动机的侧卷燃烧系统，其特征在于，所述侧卷型面根据喷油器喷出的油束的数量和分布情况为对称式或非对称式。
3.如权利要求1所述的对置活塞发动机的侧卷燃烧系统，其特征在于，所述喷油器的喷孔为两排，一排对应进气活塞的侧卷型面，另一排对应的排气活塞的侧卷型面；喷油器的喷孔数为：n/2，n为单侧侧卷型面中侧卷型面单元的数目；油束夹角：横向截面两个油束间的夹角为2×β；纵向截面油束夹角为α＝70°～82°。
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