CN110206630A - 一种具备点火室复合通道的发动机燃烧系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具备点火室复合通道的发动机燃烧系统，包括气缸、活塞和缸盖，并在缸盖上设置有点火室，在点火室内设置有点火装置和燃料供给装置，点火室通过若干路通道与主燃烧室连通；上述通道中，至少有一路通道采用复合通道结构，复合通道采用至少两条子通道汇聚合并而成；复合通道内各条子通道分离的一端朝向点火室，复合通道内各条子通道汇聚合并的一端朝向主燃烧室；各条子通道分离的区域构成复合通道的分流区，各条子通道汇聚的区域构成复合通道的汇流区。本发明的目的是为大缸径发动机提供一种新的点火室式发动机燃烧系统，提高点火室射流对主燃烧室的湍流扰动，用于加速主燃烧室的燃烧，从而改善发动机性能和排放。

Description

一种具备点火室复合通道的发动机燃烧系统
技术领域
本发明属于内燃机技术领域，具体涉及一种具备点火室复合通道的发动机燃烧系统。
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。但是，稀薄混合气的燃烧存在这样两个问题：其一，混合气越稀薄，点火越困难，因而需要采用高能点火装置；其二，混合气越稀薄，火焰传播速率越低，使发动机效率降低，甚至导致不完全燃烧，增加未燃碳氢排放。尤其是对于大缸径的发动机而言，如缸径大于150mm的发动机，由于其所需的火焰传播距离更长，这些非正常燃烧现象出现的可能性大大增加。
为了解决发动机尤其是大缸径发动机稀薄燃烧实施困难的问题，一种可行的方法是，在发动机的气缸盖中设置一种通常被称为点火室或预燃室的小容量副室，由若干通道与主燃烧室连通，使流体工质可以在主燃烧室和点火室之间自由流动。发动机工作时，在点火室中通过独立的燃料供给形成适宜点燃的浓混合气，而在气缸内形成稀薄混合气，在压缩上止点之前，由火花塞点燃点火室内的浓混合气，随着点火室内的燃烧和热量释放，点火室内工质的压力迅速升高，明显高于依赖压缩而提升的缸内压力，驱使点火室内的未燃的、部分燃烧的和已燃的工质经通道流入主燃烧室，形成湍流火焰射流，起到高能点火装置的作用，点燃主燃烧室内的稀薄混合气，并在主燃烧室内形成一定程度的湍流激扰，促进主燃烧室内火焰的传播，从而实现快速而充分的燃烧。这种方式在以LNG、CNG和LPG等燃料的大缸径的固定电站用发动机和船用发动机上已经得到了成功的应用。
在这些点火室式发动机中，连接点火室与主燃烧室的通道通常采用圆柱形的孔状结构。该类结构工艺性好，但也存在一些问题。例如，点火可靠性和燃烧速率难以兼顾，具体而言，如果采用较大的通道直径，火焰比较容易进入主燃烧室，点火能量较高，点火可靠性很好，但是射流速率相对较慢，对主燃烧室的湍流扰动比较弱，不利于稀薄混合气的快速燃烧；而采用较小的通道直径，可以显著提高对主燃烧室的湍流扰动，但是火焰容易在通道处淬熄，点火能量下降，影响点火可靠性，甚至会出现主燃烧室点火失效的现象。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种具备点火室复合通道的发动机燃烧系统，目的是为大缸径发动机(缸径大于150mm)提供一种新的点火室式发动机燃烧系统，在一定的点火室射流速率下，提高点火室射流对主燃烧室的湍流扰动，用于加速主燃烧室的燃烧，从而改善发动机性能和排放。
为此，本发明采用了以下技术方案：
一种具备点火室复合通道的发动机燃烧系统，包括气缸、活塞和缸盖，所述气缸和缸盖之间围成的空间构成主燃烧室，所述缸盖上设置有一个空心的壳体，所述壳体内部的空间构成点火室，在点火室内设置有点火装置和燃料供给装置，所述点火室通过若干路通道与主燃烧室连通；上述通道中，至少有一路通道采用复合通道结构，所述复合通道采用至少两条子通道汇聚合并而成；所述复合通道内各条子通道分离的一端朝向点火室，复合通道内各条子通道汇聚合并的一端朝向主燃烧室；各条子通道分离的区域构成所述复合通道的分流区，各条子通道汇聚的区域构成所述复合通道的汇流区。
优选地，通过分别控制两套燃料供给装置的燃料喷射策略，在所述主燃烧室内形成稀薄混合气，在点火室内形成适宜点燃的浓混合气。
优选地，在压缩冲程后期，通过点火装置点燃点火室内的浓混合气，驱使点火室内的未燃混合气、燃烧中间产物自由基以及高温燃烧产物经过复合通道的分流区和汇流区，以较高速率流入主燃烧室，点燃主燃烧室内的稀薄混合气。
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；所述主燃烧室内供给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，所述复合通道的主燃烧室端的总流通面积与点火室端的总流通面积的比值为0.2-0.9。
优选地，所述点火室的容积与气缸压缩容积的比例为0.5％-5.0％，所述气缸压缩容积为活塞在上止点位置时主燃烧室的容积。
优选地，所述点火室所有通道的主燃烧室端的流通面积之和与活塞横截面面积的比值为0.0004-0.002。
优选地，所述复合通道的子通道采用圆柱形结构，子通道的轴线之间的夹角在5°-90°的范围内。
优选地，所述点火装置采用火花塞、等离子体点火器或激光点火器；所述燃料供给装置采用单向阀、电磁控制阀或低压喷嘴。
优选地，所述点火室保持绝热，包括点火室采用绝热材料制作，或在点火室和复合通道内壁进行绝热陶瓷涂覆。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)利用复合通道结构，加强点火室火焰射流的湍流强度，促进点火室火焰射流对主燃烧室内的湍流扰动，加速火焰传播与燃烧过程，改善了发动机性能。
(2)在一台缸径为320mm的天然气燃料发动机上采用本发明所述点火室燃烧系统，在合适的点火室复合通道设计下，与采用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16％，发动机热效率提高5.2％，可稳定运行的过量空气系数提高6.3％。
(3)不仅能够点燃主燃烧室内的稀薄混合气，而且改善了主燃烧室内的燃烧进程，提高了发动机的效率。
(4)提高了点火的可靠性。
附图说明
图1是本发明所提供的一种具备点火室复合通道的发动机燃烧系统的结构示意图，其中8路点火室通道均采用复合通道结构。
图2是本发明所提供的一种具备点火室复合通道的发动机燃烧系统中复合通道的局部放大图。
图3是本发明所提供的一种具备点火室复合通道的发动机燃烧系统的结构示意图，具有8路点火室通道，其中4路点火室通道采用复合通道结构，4路点火室通道采用单通道结构，单通道与复合通道间隔布置。
图4是一种由2个子通道组成的点火室复合通道的结构示意图。
图5是一种由3个子通道组成的点火室复合通道的结构示意图，其中3个子通道的轴线同面。
图6是一种由3个子通道组成的点火室复合通道的结构示意图，其中3个子通道的轴线异面。
附图标记说明：1、气缸；2、活塞；3、缸盖；4、主燃烧室；5、壳体；6、点火室；7、复合通道；7a、汇流区；7b、分流区；7A、第一流通区域；7B、第二流通区域；7D、单通道；7R、子通道交界处的过渡圆角；71、第一子通道；72、第二子通道；73、第三子通道；8、进气道；9、第一燃料供给装置；10、第二燃料供给装置；11、点火装置。
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，本发明公开了一种具备点火室复合通道的发动机燃烧系统，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，壳体5内部的空间构成点火室6，在壳体5的底部设置若干复合通道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。此外，本发明所述燃烧系统还包括至少一套第一燃料供给装置9，设置在缸盖3上或设置在进气道8上；第二燃料供给装置10，设置在点火室6内；点火装置11，设置在点火室6内。
如图2所示，复合通道7由2条子通道、即第一子通道71和第二子通道72交叉汇聚而构成，所述第一子通道71和第二子通道72的壁面交界处采用圆角7R过渡，第一子通道71和第二子通道72交叉汇聚的部分构成复合通道7的汇流区7a，第一子通道71和第二子通道72各自分离的区域构成复合通道7的分流区7b。
图3是另一种具备点火室复合通道的发动机燃烧系统示意图，具有8路通道，其中4路点火室通道采用复合通道7，4路点火室通道采用单通道7D，单通道7D与复合通道7间隔布置。
图4是一种由2个子通道组成的点火室复合通道的结构示意图。第一子通道71和第二子通道72交叉汇聚构成复合通道7，子通道汇聚合并的部分构成汇流区7a，子通道相互分离的部分构成复合通道7的分流区7b。第一子通道71和第二子通道72的轴线C1和C2同面。
图5是一种由3个子通道组成的点火室复合通道的结构示意图。第一子通道71、第二子通道72和第三子通道73交叉汇聚构成复合通道7，3个子通道汇聚合并的部分构成汇流区7a，子通道相互分离的部分构成复合通道7的分流区7b。第一子通道71、第二子通道72和第三子通道73的轴线C1、C2和C3同面。
图6是另一种由3个子通道组成的点火室复合通道的结构示意图。第一子通道71、第二子通道72和第三子通道73交叉汇聚构成复合通道7，3个子通道汇聚合并的部分构成汇流区7a，子通道相互分离的部分构成复合通道7的分流区7b。第一子通道71、第二子通道72和第三子通道73的轴线C1、C2和C3异面。
实施例
下面以采用天然气作为燃料的发动机为例，说明本发明所述发动机燃烧系统的工作过程。
在发动机的进气冲程中，通过第一燃料供给装置9向进气道8或/和主燃烧室4供给适量的天然气，在主燃烧室4内形成稀薄的混合气。
在压缩冲程中，主燃烧室4内的稀薄混合气受活塞挤压，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内的稀薄混合气经复合通道7的汇流区7a和分流区7b，流入点火室6。
在进气冲程和/或压缩冲程早期，通过第二燃料供给装置10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。
在压缩冲程后期，例如25°CA BTDC，通过点火装置11点燃点火室6内的适宜点燃的浓混合气，使点火室6内的压力迅速升高，显著高于主燃烧室4内的压力，从而驱使点火室6内包含未燃混合气、燃烧中间产物活性自由基和高温燃烧产物的流体经若干个复合通道7分流区7b和汇流区7a，高速流入主燃烧室4，形成湍流火焰射流，点燃主燃烧室4内的稀薄混合气。在每一个复合通道7中，由于来自分流区7b的多股流体在汇流区7a掺混碰撞，使射流产生了高强度的湍流扰动，这种高湍流扰动的射流，有助于提高主燃烧室4内的稀薄混合气的火焰传播速率，从而改善发动机的燃烧，提高发动机的热效率。
所述复合通道7的主燃烧室端和点火室端的流通面积比在0.2-0.9的范围内。
所述点火室6的容积占气缸压缩容积(活塞2在上止点位置时燃烧室的容积)的比例在0.5％-5.0％范围内。
所述点火室6的所有通道的主燃烧室端流通面积之和与活塞横截面积之比在0.0004-0.002的范围内。
所述点火室6内供给天然气燃料的比例为总燃料的1％-4％，所述点火室6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4内高压喷射天然气燃料的比例为总燃料的96％-99％，所述主燃烧室4内形成的稀薄混合气的过量空气系数的范围为1.8-2.2。
构成所述复合通道7的第一子通道71、第二子通道72采用圆柱形结构，所述圆柱形第一子通道71、第二子通道72的轴线的夹角在5°-90°的范围内。
所述第二燃料供给装置10可采用单向阀、电磁控制阀或低压喷嘴。所述点火装置11可以采用火花塞、等离子体点火器或激光点火器。
所述点火室6采用绝热技术，点火室6采用绝热材料制作，或在所述点火室6和复合通道7内壁进行绝热陶瓷涂覆。
在一台缸径为320mm的天然气燃料发动机上，将原机点火室的圆柱形通道改为本发明所述复合通道，设计时确保复合通道的数目和主燃烧室端的流通面积与原机的通道数和流通面积相等。研究发现，同等射流速率条件下射流的湍动能提高16％，发动机热效率提高5.2％，可稳定运行的过量空气系数提高6.3％。
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)

1.一种具备点火室复合通道的发动机燃烧系统，包括气缸、活塞和缸盖，所述气缸和缸盖之间围成的空间构成主燃烧室，所述缸盖上设置有一个空心的壳体，所述壳体内部的空间构成点火室，在点火室内设置有点火装置和燃料供给装置，所述点火室通过若干路通道与主燃烧室连通，其特征在于：上述通道中，至少有一路通道采用复合通道结构，所述复合通道采用至少两条子通道汇聚合并而成；所述复合通道内各条子通道分离的一端朝向点火室，复合通道内各条子通道汇聚合并的一端朝向主燃烧室；各条子通道分离的区域构成所述复合通道的分流区，各条子通道汇聚的区域构成所述复合通道的汇流区。
2.根据权利要求1所述的一种具备点火室复合通道的发动机燃烧系统，其特征在于：通过分别控制两套燃料供给装置的燃料喷射策略，在所述主燃烧室内形成稀薄混合气，在点火室内形成适宜点燃的浓混合气。
3.根据权利要求2所述的一种具备点火室复合通道的发动机燃烧系统，其特征在于：在压缩冲程后期，通过点火装置点燃点火室内的浓混合气，驱使点火室内的未燃混合气、燃烧中间产物自由基以及高温燃烧产物经过复合通道的分流区和汇流区，以较高速率流入主燃烧室，点燃主燃烧室内的稀薄混合气。
4.根据权利要求2所述的一种具备点火室复合通道的发动机燃烧系统，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；所述主燃烧室内供给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。
5.根据权利要求1所述的一种具备点火室复合通道的发动机燃烧系统，其特征在于：所述复合通道的主燃烧室端的总流通面积与点火室端的总流通面积的比值为0.2-0.9。
6.根据权利要求1所述的一种具备点火室复合通道的发动机燃烧系统，其特征在于：所述点火室的容积与气缸压缩容积的比例为0.5％-5.0％，所述气缸压缩容积为活塞在上止点位置时主燃烧室的容积。
7.根据权利要求1所述的一种具备点火室复合通道的发动机燃烧系统，其特征在于：所述点火室所有通道的主燃烧室端的流通面积之和与活塞横截面面积的比值为0.0004-0.002。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的一种具备点火室复合通道的发动机燃烧系统，其特征在于：所述复合通道的子通道采用圆柱形结构，子通道的轴线之间的夹角在5°-90°的范围内。
9.根据权利要求8所述的一种具备点火室复合通道的发动机燃烧系统，其特征在于：所述点火装置采用火花塞、等离子体点火器或激光点火器；所述燃料供给装置采用单向阀、电磁控制阀或低压喷嘴。
10.根据权利要求8所述的一种具备点火室复合通道的发动机燃烧系统，其特征在于：所述点火室保持绝热，包括点火室采用绝热材料制作，或在点火室和复合通道内壁进行绝热陶瓷涂覆。
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