CN111022210B - 柴油天然气双燃料用高湍流活塞燃烧室 - Google Patents

柴油天然气双燃料用高湍流活塞燃烧室 Download PDF

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Abstract

本发明涉及柴油天然气双燃料发动机技术领域，具体的说是一种能够有效提高燃烧效率，降低碳氢化合物排放量的柴油天然气双燃料用高湍流活塞燃烧室，其特征在于：所述燃烧室空腔由活塞凹坑(11)与缸盖(3)形成的中央空腔以及与中央空腔相连通的负压腔组成，所述负压腔位于中央空腔外侧，且负压腔与中央空腔连通处具有高度小于负压腔腔体高度的缩口，本发明与现有技术相比，具有以下优点：在不改动原发动机结构的前提下，仅通过更换活塞，实现增加燃烧湍动能，加快火焰传播速度，降低未燃碳氢排放，提高热效率。

Description

柴油天然气双燃料用高湍流活塞燃烧室
技术领域：
本发明涉及柴油天然气双燃料发动机技术领域，具体的说是一种 能够有效提高燃烧效率，降低碳氢化合物排放量的柴油天然气双燃料 用高湍流活塞燃烧室。
背景技术：
柴油天然气双燃料发动机在进气行程时，将进气道内预先混合的 天然气和空气的混合气注入气缸，压缩行程时压缩该混合气；在压缩 行程末期喷入少量柴油，柴油自燃，点燃天然气空气混合气。现阶段， 当此类设备低负荷工况下，天然气火焰传播速度慢，气缸壁周围的天 然气来不及燃烧而排出气缸，致使碳氢化合物排放高、燃烧效率低， 制约双燃料发动机的实际应用。
根据现有研究，采用高压柴油喷射技术、多段柴油喷射、柴油提 前喷射、废气再循环、新型燃烧模式等手段均能够有效的提高低负荷 工况下天然气燃烧效率，但采用新技术增加了发动机结构的复杂性， 成本也大幅增加。考虑到燃烧室结构对缸内湍流影响较大，进而影响 火焰传播速度，研究者致力于设计新型燃烧室结构以期增加缸内湍流， 加快双燃料发动机中的天然气火焰传播速度。目前研究较多的有浴盆 形燃烧室、十字形燃烧室、顶蓬式燃烧室及阶梯形ω燃烧室和敞口ω 燃烧室等，但由于柴油机缸径较大，天然气火焰传播速度提高有限， 未燃碳氢化合物和燃烧效率仍待进一步改善。
发明内容：
本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种能够显著 增加天然气火焰传播速度，进而能够提高天然气燃烧效率，达到低负 荷工况最高燃烧效率的柴油天然气双燃料用高湍流活塞燃烧室。
本发明通过以下措施达到：
一种柴油天然气双燃料用高湍流活塞燃烧室，包括缸盖(3)和气 缸(2)，其中缸盖(3)上设有进气道(4)、进气门(5)、排气道(8)、 排气门(6)，气缸(2)内设有活塞(1)，活塞(1)顶部与缸盖(3) 之间形成燃烧室空腔，其中活塞(1)顶部中央开设活塞凹坑(11)， 其特征在于：所述燃烧室空腔由活塞凹坑(11)与缸盖(3)形成的 中央空腔以及与中央空腔相连通的负压腔组成，所述负压腔位于中央 空腔外侧，且负压腔与中央空腔连通处具有高度小于负压腔腔体高度 的缩口。
本发明所述缩口，在活塞上止点位置处，高度范围为2.5-3.5mm 缩口。
本发明所述负压腔由活塞(1)顶面活塞凹坑(11)的外侧部分与 缸盖(3)扣合形成，为了保证负压效果，可以在活塞(1)顶面对应 负压腔与中央空腔的连通处设置环形凸台，进一步所述环形凸台的高 度范围可以为1-2mm，以减小负压腔与中央空腔连通处的高度，使 气体或火焰能够在负压作用下快速由中央空腔进入负压腔；进一步， 所述环形凸台具有半圆形外轮廓，用于在活塞上止点位置处，使负压 腔与中央空腔的连通处形成圆滑缩口。
本发明所述活塞(1)的顶面对应活塞凹坑(11)外侧可以开设环 形凹坑，用于在活塞(1)与缸盖(3)之间形成负压腔，进一步所述 环形凹坑的深度可以为3-5mm；此时由于负压腔的高度为环形凹坑 底部至缸盖(3)的高度，负压腔与中央空腔连通处自然形成缩口，进一步，也可以在负压腔与空腔连通处设置环形凸台，进一步降低缩 口处高度，提高负压效果。
本发明所述活塞凹坑(11)采用截面为ω型凹坑，活塞凹坑(11) 的中央采用圆锥形凸台(13)。
本发明缸盖(3)中央开设喷油器安装孔，安装喷油器(7)，喷 油器(7)位于活塞凹坑(11)的中轴线上；喷油器(7)是高压共轨 多孔喷嘴，进一步，喷油器(7)轨压≥100MPa，孔数6-8个，喷雾 锥角2θ为150°。
本发明所述活塞凹坑(11)的深度H为15-20mm，活塞凹坑(11) 缩口直径Da为72-78mm，活塞凹坑(11)最大直径Ds为82-88mm， 活塞凸台(13)上端直径Dt为2-4mm，ω型凹坑的底部圆弧半径R 为10-12mm。
本发明中活塞边缘凹坑(14)深度h为3-5mm，最大深度处与 活塞边缘距离为15-20mm，活塞边缘凹坑(14)最大深度处与活塞边缘 呈圆滑过渡相连。
本发明中活塞凸台(13)下方直线段与垂直方向呈75°夹角， 直线段长度d为12-14mm，与活塞凹坑(11)为圆弧连接，圆弧直径为 22mm。
本发明采用四气门结构，进气门(5)和排气门(6)各两个，进 一步，进气门倾角为0°，排气门倾角为0°，进一步，气道涡流比≥1.1。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：在不改动原发动机结构 的前提下，仅通过更换活塞，实现增加燃烧湍动能，加快火焰传播速 度，降低未燃碳氢排放，提高热效率。
附图说明：
附图1是本发明的系统结构图。
附图2是本发明活塞轴向剖视图。
附图3是本发明的系统俯视图。
附图标记：1-活塞；11-活塞凹坑；12-活塞半圆凸起；13-活塞凸台； 14-活塞边缘凹坑；2-气缸；3-缸盖；4-进气道；5-进气门；6-排气门； 7-喷油器；8-排气道；2θ-喷雾锥角；Rt-活塞半圆凸起半径；Dt-活塞 凸台直径；d-活塞凸台直线段长度；Da-活塞凹坑缩口直径；Ds-活塞 凹坑最大直径；H-活塞凹坑深度；h-活塞边缘凹坑深度；θ-活塞直线 段与垂向夹角。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如附图1至图3所示，本发明包括缸盖(3)和气缸(2)，气缸 内设有活塞(1)，活塞顶部与缸盖(1)之间形成燃烧室的空腔，包 括活塞(1)顶部设置的活塞凹坑(11)，活塞凹坑(11)边缘设有半 径为1-2mm的半圆凸起(12)，活塞边缘设有活塞边缘凹坑(14)如 图1所示。活塞边缘凹坑(14)在活塞半圆凸起(12)之后，半圆凸 起(12)在压缩上止点附近与缸盖(3)之间形成2.5-3.5mm的缩口， 由于结构特征形成负压区，使活塞凹坑(11)中的高温燃气以较高的 速度射流进入活塞边缘凹坑(14)，活塞边缘凹坑(14)内湍动能提 高，从而起到加快火焰传播速度的作用。
活塞凹坑(11)位于活塞顶部，形状为缩口ω型凹坑。ω型凹坑 的中央是圆锥形的凸台(13)，活塞凸台(13)下方直线段与垂直方 向呈75°夹角，直线段长度d为12-14mm，如图2所示。本实施例中， 凸台上端直径为2-4mm，ω型凹坑深度H为15-20mm。ω型凹坑的缩 口直径Da为72-78mm，活塞凹坑(11)最大直径Ds为82-88mm。 活塞凹坑(11)与喷油器(7)关于气缸中心线对称。燃烧室空腔的 关键参数为：口径比(活塞凹坑(11)缩口直径和活塞直径之比)为 0.56-0.61，径深比(凹坑深度H与活塞直径之比)为0.118-0.157。 缸盖(3)上装有喷油器(7)。喷油器中心线与气缸中心轴线重合。 喷油器7是高压多孔喷嘴，轨压≥100MPa，喷雾锥角150度。 如图3所示，该燃烧装置采用4气门结构，进排气门各2个。
本发明中，柴油-天然气双燃料发动机与现有技术相比，具有以下 优点：活塞凹坑边缘设置半圆凸起，在上止点附近与缸盖形成缩口， 增加气流湍动能，并加快了活塞凹坑向活塞边缘的火焰传播速度，明 显改善低负荷未燃碳氢化合物排放，提高燃烧效率。经试验统计，采 用该燃烧装置，天然气排放降低36％，CO和颗粒物排放分别减少25.37％ 和39.13％，NO排放减少2.6％。

Claims (4)

1.一种柴油天然气双燃料用高湍流活塞燃烧室，包括缸盖（3）和气缸（2），其中缸盖（3）上设有进气道（4）、进气门（5）、排气道（8）、排气门（6），气缸（2）内设有活塞（1），活塞（1）顶部与缸盖（3）之间形成燃烧室空腔，其中活塞（1）顶部中央开设活塞凹坑（11），其特征在于：所述燃烧室空腔由活塞凹坑（11）与缸盖（3）形成的中央空腔以及与中央空腔相连通的负压腔组成，所述负压腔位于中央空腔外侧，且负压腔与中央空腔连通处具有高度小于负压腔腔体高度的缩口；
活塞边缘设有活塞边缘凹坑（14），活塞凹坑（11）边缘设有半径为1-2mm的半圆凸起（12），半圆凸起（12）在压缩上止点与缸盖（3）之间形成2.5-3.5mm的缩口，形成负压区，使活塞凹坑（11）中的高温燃气高速度射流进入活塞边缘凹坑（14），活塞边缘凹坑（14）的内湍动能提高，起到加快火焰传播的作用，活塞边缘凹坑（14）最大深度处与活塞周向边缘呈圆滑过渡相连。
2.根据权利要求1所述的一种柴油天然气双燃料用高湍流活塞燃烧室，其特征在于活塞边缘凹坑（14）深度h为3-5mm，最大深度处与活塞边缘距离为15-20mm。
3.根据权利要求1所述的一种柴油天然气双燃料用高湍流活塞燃烧室，其特征在于所述活塞凹坑（11）采用截面为ω型凹坑，活塞凹坑（11）的中央采用圆锥形凸台（13）。
4.根据权利要求3所述的一种柴油天然气双燃料用高湍流活塞燃烧室，其特征在于缸盖（3）中央开设喷油器安装孔，安装喷油器（7），喷油器（7）位于活塞凹坑（11）的中轴线上；喷油器（7）是高压共轨多孔喷嘴，喷油器（7）轨压≥100MPa，孔数6-8个，喷雾锥角2θ为150°。
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