CN110173341A - 一种点火室式发动机旋转射流燃烧系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种点火室式发动机旋转射流燃烧系统，包括气缸、活塞、缸盖，所述气缸、活塞和缸盖围成的空间构成主燃烧室，所述缸盖上安装有至少一个点火室，所述点火室由一个壳体和壳体盖内部的空腔构成，所述壳体盖上安装有点火装置和燃料供给装置，所述点火室通过若干条通道与主燃烧室连通，所述通道使发动机工质在点火室与发动机主燃烧室之间流动；所述通道采用圆锥形结构，所述圆锥形结构的横截面从点火室端到主燃烧室端逐渐缩小；至少有一条圆锥形通道的内壁上设置了若干条螺旋槽。本发明的目的是进一步提高点火室式发动机工作过程中湍流火焰射流的湍流强度，从而改善缸内燃烧和发动机性能。

Description

一种点火室式发动机旋转射流燃烧系统
技术领域
本发明属于发动机技术领域，具体涉及一种点火室式发动机旋转射流燃烧系统。
背景技术
采用稀燃是提高点燃式发动机热效率并降低有害排放物的一种重要途径。为大缸径的发动机(例如缸径大于150mm)使用LNG、LPG等高燃点燃料而开发稀燃技术时，为了提高点火可靠性和燃烧稳定性，通常采用点火室系统，形成浓稀分层的混合气。具体而言，在小容积的点火室内形成接近化学计量比的适宜点燃的混合气，而绝大部分燃料在主燃烧室内形成稀薄混合气。点火室内的混合气由火花塞点燃着火燃烧后，形成湍流火焰射流，点燃主燃烧室内的稀薄混合气，并在主燃烧室内形成湍流扰动，加速稀薄混合气燃烧过程的火焰传播博，使主燃烧室内的稀薄混合气快速、充分燃烧。
在此类点火室式发动机中，点火室系统的设计对发动机性能具有重要影响。例如，连接点火室与主燃烧室的通道，其几何结构的一些微小改变就可能使发动机缸内流动和燃烧特性产生很大的变化，进而影响发动机热效率等性能指标。就目前而言，现有点火室式发动机系统的通道主要采用圆柱形结构，这种结构工艺简单，但也存在一定的局限性，比如预燃室内的燃料燃烧后产生的射流的湍流强度较低、主燃烧室内燃烧不够充分、热效率较低等。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种点火室式发动机旋转射流燃烧系统，目的是进一步提高点火室式发动机工作过程中湍流火焰射流的湍流强度，从而改善缸内燃烧和发动机性能。
为此，本发明采用了以下技术方案：
一种点火室式发动机旋转射流燃烧系统，包括气缸、活塞、缸盖，所述气缸、活塞和缸盖围成的空间构成主燃烧室，所述缸盖上安装有至少一个点火室，所述点火室由一个壳体和壳体盖内部的空腔构成，所述壳体盖上安装有点火装置和燃料供给装置，所述点火室通过若干条通道与主燃烧室连通，所述通道使发动机工质在点火室与发动机主燃烧室之间流动；所述通道采用圆锥形结构，所述圆锥形结构的横截面从点火室端到主燃烧室端逐渐缩小；至少有一条圆锥形通道的内壁上设置了若干条螺旋槽。
优选地，在设置有螺旋槽的圆锥形通道与主燃烧室的交界处，所有螺旋槽的横截面积之和占所述通道横截面积的比例在0.5％-10％范围内。
优选地，所述设置螺旋槽的圆锥形通道中，螺旋槽的数量为3-18条，螺旋槽的螺距与通道长度的比值在2-10的范围内。
优选地，所述设置螺旋槽的圆锥形通道中，其主燃烧室端的流通面积与发动机活塞横截面积的比值在0.0004-0.002的范围内。
优选地，所述点火室的容积与气缸压缩容积的比值在0.5％-5.0％的范围内，气缸压缩容积表示活塞在上止点位置时主燃烧室的容积。
优选地，所述点火室内供给燃料的比例为总燃料的1％-4％，所述点火室内形成的适宜点燃的浓混合气的过量空气系数的范围为0.8-1.2；所述主燃烧室内高压喷射燃料的比例为总燃料的96％-99％，所述主燃烧室内形成的稀薄混合气的过量空气系数的范围为1.8-2.2。
优选地，所述设置螺旋槽的圆锥形通道中，所述螺旋槽包括设在通道内壁上的凹槽或凸槽。
优选地，所述设置螺旋槽的圆锥形通道及相应的点火室组件采用3D打印技术进行加工。
优选地，所述点火室采用绝热技术，包括点火室采用绝热材料制作，或在点火室和通道内壁进行绝热材料涂覆。
优选地，所述点火室系统应用于四冲程和二冲程的点燃式发动机，对于缸径大于500mm的二冲程点燃式发动机，每个气缸配备2-4套点火室系统。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)由于点火室式发动机采用了带螺旋槽的圆锥形通道，流体由点火室流向主燃烧室或由主燃烧室流向点火室时，螺旋槽内旋转流动的流体，在惯性力作用下形成旋转射流，并诱导主燃烧室和点火室内的流体也产生一定长度的旋转，从而产生更高的湍流强度，强化点火室内的混合气形成，以及加速主燃烧室内稀薄混合气的火焰传播与燃烧过程。
(2)带螺旋槽的圆锥形通道结构使点火室内混合气燃烧后射流在通道内流动时不断加速，有利于强化主燃烧室内的湍流扰动；旋转射流进一步加强了主燃烧室内的湍流扰动，促进火焰传播，改善了燃烧过程，提高了发动机效率。
(3)在一台缸径为320mm的天然气燃料发动机上采用本发明所述的一种点火室式发动机旋转射流燃烧系统，与采用常规圆柱形点火室通道相比，同等射流速率条件下射流的湍动提高22％，发动机热效率提高4.7％，可稳定运行的过量空气系数提高5.3％。
附图说明
图1是本发明所述的一种点火室式发动机旋转射流燃烧系统的结构示意图。
图2是本发明所述的一种点火室式发动机旋转射流燃烧系统中圆锥形通道内部空间的结构示意图，其中螺旋槽为开设在通道内壁上的凹槽。
图3是本发明所述的一种点火室式发动机旋转射流燃烧系统中圆锥形通道内部空间的结构示意图，其中螺旋槽为开设在通道内壁上的凸槽。
附图标记说明：1、气缸；2、活塞；3、缸盖；4、主燃烧室；5、壳体；51、壳体盖；6、点火室；7、通道；71、螺旋槽；8、燃料供给装置；9、点火装置；10、旋转射流。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明公开了一种点火室式发动机旋转射流燃烧系统，包括气缸1、活塞2和缸盖3，在活塞2的顶部设有凹坑，其与气缸1和缸盖3之间围成的空间构成主燃烧室4，在缸盖3上安装有一个空心的壳体5和壳体盖51，所述壳体5和壳体盖51内部的空间构成点火室6，在所述壳体盖51上安装了点火室燃料供给装置8和点火装置9，在壳体5的底部设置若干条带螺旋槽71的圆锥形通道7，连通点火室6与主燃烧室4，使流体可以在点火室6与主燃烧室4之间自由流动。
如图2所示，一种点火室式发动机旋转射流燃烧系统中带螺旋槽71的圆锥形点火室通道7的内部空间，其中螺旋槽71为开设在通道内壁上的凹槽，螺旋槽71的数量为7条，螺旋槽71的螺距为通道7长度的2倍。
如图3所示，另一种点火室式发动机旋转射流燃烧系统中带螺旋槽71的圆锥形点火室通道7的内部空间，其中螺旋槽71为在通道内壁上凸起的槽，螺旋槽71的数量为7条，螺旋槽71的螺距为通道7长度的2倍。
实施例
下面以采用天然气作为燃料的发动机为例，说明本发明所述一种点火室式发动机旋转射流燃烧系统的工作过程。
在内燃机的进气和/或压缩冲程中，通过合适的燃料喷射策略，在主燃烧室4内形成稀薄混合气，所述主燃烧室4内稀薄混合气的过量空气系数λ的范围为1.8-2.2。
在压缩冲程中，主燃烧室4内的稀薄混合气受活塞2挤压，使主燃烧室4内的压力高于点火室6内的压力，因此，主燃烧室4内的稀薄混合气经带螺旋槽71的通道7流入点火室6。
在进气冲程晚期或压缩冲程早期，通过点火室燃料供给装置8向点火室6供给适量的天然气，使点火室6内在压缩冲程的后期形成适宜点燃的浓混合气，所述浓混合气的过量空气系数λ的范围为0.9-1.2。
在压缩冲程后期，例如上止点前25°曲轴转角，通过点火装置9点燃点火室6内的适宜点燃的浓混合气，使点火室内的压力迅速升高，从而驱使点火室6内包含未然混合气、燃烧中间产物活性自由基和高温燃烧产物的流体经若干条带螺旋槽71的圆锥形通道7高速流入主燃烧室4，形成湍流火焰旋转射流10，点燃主燃烧室4内的稀薄混合气。由于螺旋槽71内的作螺旋运动的流体的惯性作用，使得由点火室6经通道7喷出的湍流火焰旋转射流10外围仍保留部分旋转特征，并诱导主燃烧室4内在射流边缘的稀薄混合气也产生旋转运动，从而进一步提高主燃烧室4内的湍流扰动，加速主燃烧室4内的火焰传播，以改善发动机的燃烧，提高发动机的热效率。
在一台缸径为320mm的天然气燃料发动机上采用本发明所述的一种点火室式发动机旋转射流燃烧系统，与采用常规圆柱形点火室通道相比，同等射流速率条件下射流的湍动能提高22％，发动机热效率提高4.7％，可稳定运行的过量空气系数提高5.3％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种点火室式发动机旋转射流燃烧系统，包括气缸、活塞、缸盖，所述气缸、活塞和缸盖围成的空间构成主燃烧室，所述缸盖上安装有至少一个点火室，所述点火室由一个壳体和壳体盖内部的空腔构成，所述壳体盖上安装有点火装置和燃料供给装置，所述点火室通过若干条通道与主燃烧室连通，所述通道使发动机工质在点火室与发动机主燃烧室之间流动，其特征在于：所述通道采用圆锥形结构，所述圆锥形结构的横截面从点火室端到主燃烧室端逐渐缩小；至少有一条圆锥形通道的内壁上设置了若干条螺旋槽。
2.根据权利要求1所述的一种点火室式发动机旋转射流燃烧系统，其特征在于：在设置有螺旋槽的圆锥形通道与主燃烧室的交界处，所有螺旋槽的横截面积之和占所述通道横截面积的比例在0.5％-10％范围内。
3.根据权利要求1所述的一种点火室式发动机旋转射流燃烧系统，其特征在于：所述设置螺旋槽的圆锥形通道中，螺旋槽的数量为3-18条，螺旋槽的螺距与通道长度的比值在2-10的范围内。
4.根据权利要求1所述的一种点火室式发动机旋转射流燃烧系统，其特征在于：所述设置螺旋槽的圆锥形通道中，其主燃烧室端的流通面积与发动机活塞横截面积的比值在0.0004-0.002的范围内。
5.根据权利要求1所述的一种点火室式发动机旋转射流燃烧系统，其特征在于：所述点火室的容积与气缸压缩容积的比值在0.5％-5.0％的范围内，气缸压缩容积表示活塞在上止点位置时主燃烧室的容积。
6.根据权利要求1所述的一种点火室式发动机旋转射流燃烧系统，其特征在于：所述点火室内供给燃料的比例为总燃料的1％-4％，所述点火室内形成的适宜点燃的浓混合气的过量空气系数的范围为0.8-1.2；所述主燃烧室内高压喷射燃料的比例为总燃料的96％-99％，所述主燃烧室内形成的稀薄混合气的过量空气系数的范围为1.8-2.2。
7.根据权利要求1所述的一种点火室式发动机旋转射流燃烧系统，其特征在于：所述设置螺旋槽的圆锥形通道中，所述螺旋槽包括设在通道内壁上的凹槽或凸槽。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的一种点火室式发动机旋转射流燃烧系统，其特征在于：所述设置螺旋槽的圆锥形通道及相应的点火室组件采用3D打印技术进行加工。
9.根据权利要求8所述的一种点火室式发动机旋转射流燃烧系统，其特征在于：所述点火室采用绝热技术，包括点火室采用绝热材料制作，或在点火室和通道内壁进行绝热材料涂覆。
10.根据权利要求9所述的一种点火室式发动机旋转射流燃烧系统，其特征在于：所述点火室系统应用于四冲程和二冲程的点燃式发动机，对于缸径大于500mm的二冲程点燃式发动机，每个气缸配备2-4套点火室系统。
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