CN110630400A - 用于气体发动机的活塞及具有其的气体发动机 - Google Patents

Abstract

本发明属于发动机技术领域，具体涉及提出了一种用于气体发动机的活塞、及具有其的气体发动机，所述活塞包括设于所示活塞的顶部的燃烧室，所述燃烧室为圆柱腔形结构，并且所述燃烧室设有向远离所述活塞的轴线的方向延伸的内凹部。本发明提出的用于气体发动机的活塞在燃烧室的内部增加一个内凹部，对进入气缸的气流进行引导，在局部形成较强的湍流，提高火焰传播速度，改善当量气体机燃烧性能。同时，通过非对称的结构产生挤流，抵消一部分滚流对火花塞附近的影响，降低火花塞附近的气流速度，减小了失火的风险。

Description

用于气体发动机的活塞及具有其的气体发动机

技术领域

本发明属于发动机技术领域，具体涉及一种用于气体发动机的活塞。本发明还涉及一种气体发动机。

背景技术

本部分提供的仅仅是与本公开相关的背景信息，其并不必然是现有技术。

天然气发动机由于燃烧中不含C-C链，燃烧过程中生成的碳烟排放很低，同时天然气中的碳含量比例低，放出同样的热量碳排放低于柴油和汽油燃料，因此机动车采用天然气为燃料可以有效控制排放，对缓解环境污染和降低碳排放具有重要意义。

但是，由于甲烷层流火焰的传播速度慢，导致现有的天然气发动机燃烧速度慢，排气温度高。特别是天然气发动机升级到国六排放标准后，采用当量燃烧技术，燃烧速度慢导致容易爆震、排气温度过高等问题。较强的缸内气流运动可以增加火焰的传播速度，但是随着缸内气流运动的增强，点火过程中从火花塞周围带着的热量增加，致使发动机失火，燃烧循环变动增加。

发明内容

本发明的目的是至少解决现有技术中气体发动机的燃烧性能较差和缸内气流较强致使发动机失火，燃烧循环变动增加的问题，该目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的第一方面提出了一种用于气体发动机的活塞，所述活塞的顶部设有燃烧室，所述燃烧室为筒形结构，并且所述燃烧室的部分区域设有内凹部，所述内凹部的底部距所述活塞的轴线的距离大于所述内凹部的顶部距所述活塞的轴线的距离。

本发明提出的用于气体发动机的活塞在燃烧室的内部增加内凹部，对进入燃烧室的气流进行引导，在局部形成较强的湍流，提高火焰传播速度，改善当量气体机燃烧性能。同时，通过非对称的结构产生挤流，抵消一部分滚流对火花塞附近的影响，降低火花塞附近的气流速度，减小了失火的风险。

另外，根据本发明的用于气体发动机的活塞，还可具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述内凹部沿所述燃烧室的周向方向延伸所述燃烧室的半周或少于半周。

在本发明的一些实施例中，所述燃烧室未设有所述内凹部的部分呈直筒型。

在本发明的一些实施例中，所述内凹部的径向方向截面呈弧形。

在本发明的一些实施例中，所述活塞的顶面周向均匀设有若干导流槽，所述若干导流槽沿所述活塞的径向方向设置。

在本发明的一些实施例中，所述若干导流槽的宽度沿所述活塞的径向方向逐渐缩小。

在本发明的一些实施例中，所述若干导流槽的侧壁面为弧形面。

在本发明的一些实施例中，所述燃烧室的底面与所述燃烧室的侧面的连接处设有圆角。

在本发明的一些实施例中，所述内凹部由所述燃烧室的部分侧壁面构成，所述部分侧壁面与所述燃烧室的其他侧壁面平滑过渡。

本发明的第二方面提出了一种气体发动机，所述气体发动机包括：

缸体，所述缸体设有若干气缸孔；

若干活塞，所述若干活塞为本发明的第一方面提出的一种用于气体发动机的活塞，所述若干活塞装配在所述缸体的所述若干气缸孔中。

本发明提出的气体发动机具有设有内凹部的非对称燃烧室，能够对进入气缸的气流进行引导，在局部形成较强的湍流，提高火焰传播速度，改善当量气体机燃烧性能。同时，通过非对称结构产生挤流，抵消一部分滚流对火花塞附近的影响，降低火花塞附近的气流速度，减小了失火的风险。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明实施方式的用于气体发动机的活塞的顶部结构示意图；

图2示意性地示出了根据本发明实施方式的用于气体发动机的活塞的俯视图；

图3示意性地示出了图2的A-A向剖视图；

图4示意性地示出了图2的B-B向剖视图；

图5示意性地示出了应用本发明实施方式的气体发动机的燃烧室的缸内湍动能分布示意图；

图6示意性地示出了应用本发明实施方式的气体发动机的火花塞附近的气流速度分布示意图；

图7示意性地示出了应用本发明实施方式的气体发动机与原机型的缸内平均湍动能对比图；

图8示意性地示出了应用本发明实施方式的气体发动机与原机型的放热率对比图；

图9示意性地示出了应用本发明实施方式的气体发动机与原机型的缸内平均压力对比图；

附图中各标记表示如下：

10：活塞、11：导流槽；

20：燃烧室、21：内凹部、211：内凹部的底部、212：内凹部的顶部、22：圆角；

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向（旋转90度或者在其它方向）并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。

如图1至图4所示，本发明的第一方面提出了一种用于气体发动机的活塞，活塞10的顶部设有燃烧室20，燃烧室20为筒形结构，并且燃烧室20的部分区域设有内凹部21，内凹部的底部211距活塞10的轴线的距离大于内凹部的顶部212距活塞10的轴线的距离。

本发明提出的用于气体发动机的活塞10在传统气体发动机盆形燃烧室的基础上增加斜口结构，斜口结构是指盆形燃烧室的底部圆面的轴线与燃烧室开口的轴线不一致，具体地，将燃烧室20的开口的某一端沿活塞10的某一径向方向向活塞10的轴线偏移，并且将此端与燃烧室20下部通过圆弧面过渡，以使燃烧室20的内部形成一个内凹部21，此类倾斜的燃烧室20结构即为斜口结构。另一种实施方案是燃烧室20的开口不向一端偏移，直接在燃烧室20的侧壁加工出内凹部21。内凹部21能够对进入燃烧室的气流进行引导，在局部形成较强的湍流，提高火焰传播速度，改善当量气体机燃烧性能。通过优化燃烧室20的开口的倾斜角度、内凹部21的过渡圆弧等关键参数，能够改善缸内气体流动速度，获得缸内最佳气体流动，实现燃烧速度的提升和燃烧性能的优化。通过优化斜口的开口位置和开口角度，实现对缸内不对称气体流动的优化，减小火花塞附近的气流速度，改善燃烧稳定性。

如图5所示，图5是本发明实施方案在发动机点火时刻的缸内湍动能分布图，虽然缸内平均湍动能低于原机水平，但湍流分布区域集中在图3中颜色较深的区域，所以局部湍动能密度并不低，能够支持局部区域较高的燃烧速度。从而提高缸内整体的燃烧速度。

如图6所示，通过燃烧室20的非对称的结构产生挤流，抵消一部分滚流对火花塞附近的影响，降低火花塞附近的气流速度，减小了失火的风险。用活塞边缘不对称的挤气面积从而实现不对称的挤流效果，产生的挤流能够用来抵消滚流对火花塞附近气流速度的影响，同时降低了火花塞周边的宏观气流运动速度，由图6可看出火花塞附近颜色较浅表示速度降低，为火焰的焰团的建立提供相对稳定的条件。因此燃烧相位相比现有的机器提前。

如图7所示，曲线的波峰处为点火时刻的缸内湍动能数据，由此可以看出应用本发明的新型斜口燃烧室的活塞后，气体发动机的缸内湍动能在压缩点火时刻附近相比原机型得到明显提升，如图8所示，缸内的燃烧速率也得到明显提升，爆压也随之增大。如图9所示，应用本发明的新型斜口燃烧室的活塞后，缸内平均压力较原机型有一定程度的提升，爆发压力增大，优化了燃烧性能。

在本发明的一些实施例中，内凹部21沿燃烧室20的周向方向延伸燃烧室20的半周或少于半周。通过调整内凹部21的设置区域，改善缸内气体流动速度，获得缸内最佳气体流动，实现燃烧速度的提升和燃烧性能的优化。

在本发明的一些实施例中，燃烧室20未设有内凹部21的部分呈直筒型。通过将燃烧室20设置为非对称结构，即一部分为直筒型，另一部分为内凹型，以提高缸内湍动能并产生挤流，改善缸内气体流动，提高燃烧性能。

在本发明的一些实施例中，内凹部21的径向方向的截面呈弧形。将内凹部21设置为弧形凹坑，减少燃烧室20内气流的流动阻力，提高燃烧室20内的气流的流动速度，改善燃烧性能。

在本发明的一些实施例中，活塞10的顶面周向均匀设有若干导流槽11，若干导流槽11沿活塞10的径向方向设置。通过在活塞10的顶部设置导流槽，合理组织缸内气流运动，提高燃烧的效率。

在本发明的一些实施例中，若干导流槽11的宽度沿活塞10的径向方向逐渐缩小。通过设计导流槽11内宽外窄的结构能够促使燃烧室内的燃气在燃烧过程产生较强的气流运动，增强燃气的湍流、碰撞等机械作用，加强燃料的充分燃烧。

在本发明的一些实施例中，若干导流槽11的侧壁面为弧形面。这样导流槽11可以更好地组织气流，减少气流流动阻力，增强燃气的湍流。

在本发明的一些实施例中，活塞20的顶面周向均匀设有四个沿活塞20的径向方向延伸的导流槽11。通过轴向均匀对称设置的四个导流槽11使缸内气流得到有效阻止，提高缸内气流的流动速度，并在局部产生较强的湍流，改善了燃烧效率。

在本发明的一些实施例中，燃烧室20的底面与燃烧室20的侧面的连接处设有圆角22。通过在燃烧室20底部设置圆角22对燃烧室20内气流进行引导，提高气流的运动速度，进而提高湍流的强度。

在本发明的一些实施例中，内凹部21由燃烧室20的部分侧壁面构成，部分侧壁面与燃烧室20的其他侧壁面平滑过渡。通过设置平滑过渡的内凹部21对进入气缸的气流进行引导，提高气流的速度，在局部形成较强的湍流，提高火焰传播速度，改善当量气体机燃烧性能。

本发明的第二方面提出了一种气体发动机，气体发动机包括：

缸体，缸体设有若干气缸孔；

根据本发明的第一方面提出的活塞10，活塞10装配在缸体的气缸孔中；

本发明提出的气体发动机的活塞10具有设置内凹部21的非对称燃烧室20，能够对进入气缸的气流进行引导，在局部形成较强的湍流，提高火焰传播速度，改善当量气体机燃烧性能。同时，通过非对称结构产生挤流，抵消一部分滚流对火花塞附近的影响，降低火花塞附近的气流速度，减小了失火的风险。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于气体发动机的活塞，其特征在于，所述活塞的顶部设有燃烧室，所述燃烧室为筒形结构，并且所述燃烧室的部分区域设有内凹部，所述内凹部的底部距所述活塞的轴线的距离大于所述内凹部的顶部距所述活塞的轴线的距离。

2.根据权利要求1所述的用于气体发动机的活塞，其特征在于，所述内凹部沿所述燃烧室的周向方向延伸所述燃烧室的半周或少于半周。

3.根据权利要求2所述的用于气体发动机的活塞，其特征在于，所述燃烧室未设有所述内凹部的部分呈直筒型。

4.根据权利要求2所述的用于气体发动机的活塞，其特征在于，所述内凹部的径向方向截面呈弧形。

5.根据权利要求1所述的用于气体发动机的活塞，其特征在于，所述活塞的顶面周向均匀设有若干导流槽，所述若干导流槽沿所述活塞的径向方向设置。

6.根据权利要求5所述的用于气体发动机的活塞，其特征在于，所述若干导流槽的宽度沿所述活塞的径向方向逐渐缩小。

7.根据权利要求5所述的用于气体发动机的活塞，其特征在于，所述若干导流槽的侧壁面为弧形面。

8.根据权利要求1至7任一项所述的用于气体发动机的活塞，其特征在于，所述燃烧室的底面与所述燃烧室的侧面的连接处设有圆角。

9.根据权利要求1至7任一项所述的用于气体发动机的活塞，其特征在于，所述内凹部由所述燃烧室的部分侧壁面构成，所述部分侧壁面与所述燃烧室的其他侧壁面平滑过渡。

10.一种气体发动机，其特征在于，所述气体发动机包括：

缸体，所述缸体设有若干气缸孔；

若干活塞，所述若干活塞为根据权利要求1至9任一项所述的活塞，所述若干活塞装配在所述缸体的所述若干气缸孔中。

Images