CN111486019B - 一种燃烧室与一种燃气发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃烧室与一种燃气发动机，燃烧室包括位于活塞的顶部并相对活塞上顶面向下凹陷的燃烧室凹坑，燃烧室凹坑包括由排气门至进气门方向依次布置的入流导向坑、中间导向坑和抛射导向坑，三个导向坑的底面依次为入流引导面、中间引导面、抛射引导面，入流导向坑和抛射导向坑对称布置，入流引导面在由燃烧室凹坑的上沿至中间引导面的方向上逐渐向下延伸并形成内凹的曲面，入流引导面和抛射引导面的下端分别与中间引导面的两侧圆滑过渡连接，中间引导面为平面或内凹的曲面。本方案利用各引导面的导流作用，使气流向上翻转形成滚流。燃烧室凹坑在滚流运动方向具有对称特征，从而确保涡流和滚流都维持在较高水平，进而提高发动机的热效率。

Description

一种燃烧室与一种燃气发动机

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种燃烧室与一种燃气发动机。

背景技术

目前，天然气发动机一般在柴油发动机基础上进行改造。对柴油机而言，旋流气道产生的涡流在一定程度上有助于油束与空气混合，从而实现高效率燃烧以及低污染物排放。而气体机多为预混燃烧，燃料在进气过程已经与空气混合，火花塞点火生成火核之后，理想状态是在燃烧过程中缸内存在较高的湍动能。湍动能的提升会加快火焰传播速度，这对于改善气体机燃烧过程，降低循环变动意义重大。如果气体机中继续存在涡流这种大尺寸流动，在压缩末期，火花塞附近流速偏低，纵向流速也偏低，涡流无法破碎成小尺度湍流，进而无法提升湍动能。

现有气体机的活塞一般在柴油机的活塞的基础上改造而成，活塞的燃烧室01多采用浅盆形结构，如图1所示。同时，现有的进气道多为旋流气道，在进气过程中形成较强的绕气缸中心轴线的涡流运动。由于存在大尺度涡流，可以近似为刚体圆周运动，确保缸内湍动能维持在较高水平，但是大尺度流动会影响火焰发展形态，循环变动高。挤流是指活塞表面的某一部分和气缸盖彼此靠近时产生的纵向和横向气流运动。得益于压缩末期的挤流运动，火焰横向传播速度较快，但是燃烧室01内的火焰纵向传播速度慢，不利于气体燃料的预混燃烧，如图1所示，位于火花塞03附近的矩形虚线框区域为火焰传播低速区02，本文中所述的横向是指沿气缸径向，纵向是指沿气缸轴向。另外，活塞顶上沿区域04冷却差，是爆震风险高的区域。在高速高负荷区域，挤流有可能会吹灭火核，对点火稳定性造成不利影响。

另外，由柴油机改造的气体机，中间进气方式和铸造偏差会导致涡流比一致性差，进而导致各缸进气一致性差。而在气门杆无法倾斜的前提下，尽管可以对进气道进行改进，使气缸内产生大尺度的弱滚流运动，然而，由于无法做到类似汽油机的蓬顶型燃烧室，所以，气缸内的滚流强度偏低，不利于气体燃料的预混燃烧。

因此，如何进一步改善燃气燃烧特性、提高气体机的热效率，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种燃烧室，该燃烧室可以使燃气混合气在燃烧室内翻滚运动形成滚流，加快火焰传播速度，提高湍动能，从而改善燃气燃烧特性，提高燃气发动机的热效率。本发明的另一个目的在于提供一种包括上述燃烧室的燃气发动机。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种燃烧室，包括位于活塞的顶部并相对活塞上顶面向下凹陷的燃烧室凹坑，所述燃烧室凹坑包括由排气门至进气门方向依次布置的入流导向坑、中间导向坑和抛射导向坑，所述入流导向坑的底面为入流引导面，所述中间导向坑的底面为中间引导面，所述抛射导向坑的底面为抛射引导面，所述进气门的中心与所述排气门的中心的连线为参考方向线，经过所述活塞的轴线并且和所述参考方向线垂直的平面为第一活塞纵向对称面，所述入流导向坑和所述抛射导向坑相对所述第一活塞纵向对称面对称布置，所述入流引导面在由所述燃烧室凹坑的上沿至所述中间引导面的方向上逐渐向下延伸并形成内凹的曲面，所述入流引导面和所述抛射引导面的下端分别与所述中间引导面的两侧圆滑过渡连接，所述中间引导面为平面或内凹的曲面。

优选地，所述入流引导面和所述抛射引导面均为圆弧面，经过所述活塞的轴线并且与所述参考方向线平行的平面为第二活塞纵向对称面，所述入流导向坑与所述第二活塞纵向对称面的交线为入流导向圆弧线，所述抛射导向坑与所述第二活塞纵向对称面的交线为抛射导向圆弧线，所述入流导向圆弧线及其曲率中心位于所述第一活塞纵向对称面的同一侧，所述抛射导向圆弧线及其曲率中心位于所述第一活塞纵向对称面的另一侧。

优选地，所述中间引导面为圆弧面，所述入流引导面和所述抛射引导面的下端分别与所述中间引导面的两侧相切连接，所述中间导向坑与所述第二活塞纵向对称面的交线为中间导向圆弧线，所述中间导向圆弧线的曲率中心位于所述活塞的轴线上并且位于所述活塞上顶面的上方。

优选地，所述中间导向圆弧线的直径为气缸的直径的0.8~1.5倍。

优选地，所述中间导向圆弧线的曲率中心到所述活塞上顶面的距离为气缸的直径的0.15~0.45倍。

优选地，所述入流导向圆弧线的直径为气缸的直径的0.2~0.6倍。

优选地，所述入流导向圆弧线的曲率中心到所述活塞的轴线的距离为气缸的直径的0.05~0.25倍。

优选地，所述入流导向圆弧线的曲率中心位于所述活塞上顶面上方20mm至下方20mm的空间区域内。

优选地，所述入流导向圆弧线的曲率中心位于所述活塞上顶面上方2mm至下方2mm的空间区域内。

本发明方案的工作原理如下：

燃气与空气的混合气由进气门进入气缸内，气流的大部分向下进入入流导向坑，并依次经过入流引导面、中间引导面和抛射引导面，最后从燃烧室凹坑的另一侧上沿向上抛射流出，由于各个引导面的导流作用，使得大部分气流向上翻转，从而形成滚流运动。由于燃烧室凹坑在滚流运动方向具有对称特征，可以在保证强化滚流的同时进一步减小对涡流的弱化，从而确保涡流和滚流都维持在较高的水平。在压缩末期，较强的涡流可以通过与挤流相互作用，提升燃烧室壁面附近的湍动能；而滚流可以加快火焰横向和纵向的传播速度，提升燃烧室中心区域的湍动能，从而实现整个燃烧区域内的快速燃烧过程，进而改善燃气燃烧特性，提高燃气发动机的热效率。

本发明具有以下有益效果：

1）与现有直口型浅盆形活塞相比，本方案可以进一步提升滚流比，降低爆震倾向，使活塞的压缩比进一步提升，进而提升热效率；

2）与现有其他异形活塞相比，本方案将燃烧室凹坑设计为对称形状的凹坑结构，从而改善了加工工艺，改善了冷却效果；

3）本方案对垂直型进气道和倾斜型进气道适应性好、敏感度低，对两种类型的进气道都可以起到强化滚流，同时维持较高涡流的目的。

本发明还提供了一种包括如上所述的燃烧室的燃气发动机。该燃气发动机产生的有益效果的推导过程与上述燃烧室带来的有益效果的推导过程大体类似，故本文不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的浅盆形燃烧室的结构示意图；

图2为本发明具体实施例中的燃烧室的纵向剖面示意图；

图3为本发明具体实施例中的滚流示意图；

图4为本发明具体实施例中的燃烧室的另一纵向剖面示意图；

图5为本发明具体实施例中的活塞的整体结构示意图；

图6为标定点缸内滚流及涡流强度变化曲线；

图7为标定点放热率变化曲线；

图8为本发明提供的对称形燃烧室与现有技术中的浅盆形燃烧室的压缩气流速度场对比图。

图1中的附图标记的含义如下：

01-燃烧室、02-火焰传播低速区、03-火花塞、04-活塞顶上沿区域；

图2至图7中的附图标记的含义如下：

1-中间导向圆弧线、2-入流导向圆弧线、3-抛射导向圆弧线、4-活塞轴线、5-活塞上顶面、6-燃烧室凹坑、7-滚流示意、8-入流引导面、9-中间引导面、10-抛射引导面、11-原活塞滚流比曲线、12-本方案滚流比曲线、13-原活塞涡流比曲线、14-本方案涡流比曲线、15-原活塞瞬时放热率曲线、16-本方案瞬时放热率曲线、17-原活塞累积放热量曲线、18-本方案累积放热量曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图2至图5，图2为本发明具体实施例中的燃烧室的纵向剖面示意图；图3为本发明具体实施例中的滚流示意图；图4为本发明具体实施例中的燃烧室的另一纵向剖面示意图；图5为本发明具体实施例中的活塞的整体结构示意图。

为了解决现有气体机燃烧系统中存在的问题，本发明提供了一种燃烧室，该燃烧室与弱滚流气缸盖结构组合使用，可以进一步提高气缸内的滚流强度，其中，弱滚流气缸盖结构具体是指气缸盖的进气道有弱滚流结构设计，即，可以使进气气流在气缸内生成大尺度弱滚流运动，本文不再赘述具体的弱滚流结构设计。具体的，该燃烧室包括位于活塞的顶部并相对活塞上顶面5向下凹陷的燃烧室凹坑6，燃烧室凹坑6包括由排气门至进气门方向依次布置的入流导向坑、中间导向坑和抛射导向坑，入流导向坑的底面为入流引导面8，中间导向坑的底面为中间引导面9，抛射导向坑的底面为抛射引导面10，进气门的中心与排气门的中心的连线为参考方向线，经过活塞的轴线（即图2和图3中的活塞轴线4）并且和参考方向线垂直的平面为第一活塞纵向对称面，入流导向坑和抛射导向坑相对第一活塞纵向对称面对称布置，入流引导面8在由燃烧室凹坑6的上沿至中间引导面9的方向上逐渐向下延伸并形成内凹的曲面，入流引导面8和抛射引导面10的下端分别与中间引导面9的两侧圆滑过渡连接，中间引导面9为平面或内凹的曲面。

本发明方案的工作原理如下：

燃气与空气的混合气由进气门进入气缸内，气流的大部分向下进入入流导向坑，并依次经过入流引导面8、中间引导面9和抛射引导面10，最后从燃烧室凹坑6的另一侧上沿向上抛射流出，由于各个引导面的导流作用，使得大部分气流向上翻转，从而形成滚流运动（如图3中的滚流示意7）。由于燃烧室凹坑6在滚流运动方向具有对称特征，可以在保证强化滚流的同时进一步减小对涡流的弱化，从而确保涡流和滚流都维持在较高的水平。在压缩末期，较强的涡流可以通过与挤流相互作用，提升燃烧室壁面附近的湍动能；而滚流可以加快火焰横向和纵向的传播速度，提升燃烧室中心区域的湍动能，从而实现整个燃烧区域内的快速燃烧过程，进而改善燃气燃烧特性，提高燃气发动机的热效率。

本发明采用弱滚流气道，并对燃烧室加以改造，弱滚流气道使得进气气流在气缸内形成大尺度滚流运动，改造后的对称形状的燃烧室凹坑6可以进一步加强滚流强度，从而进一步提高气流的湍动能，有利于气体燃料的预混燃烧。

需要说明的是，本方案中的入流引导面8是引导气流向下进入燃烧室凹坑6的主要引导面，入流引导面8具体由燃烧室凹坑6的上沿至中间引导面9的方向上逐渐向下延伸并形成内凹的曲面，其具体可以设计为圆弧曲面或椭圆弧曲面等。抛射引导面10是引导气流向上翻滚抛射并形成滚流的主要引导面，其形状结构与入流引导面8对称布置，本文不再赘述。中间引导面9用于连接两侧的入流引导面8和抛射引导面10，使气流在入流引导面8和抛射引导面10之间平滑过渡。

优选地，入流引导面8和抛射引导面10均为圆弧面，经过活塞轴线4并且与参考方向线平行的平面为第二活塞纵向对称面，入流导向坑与第二活塞纵向对称面的交线为入流导向圆弧线2，抛射导向坑与第二活塞纵向对称面的交线为抛射导向圆弧线3，入流导向圆弧线2及其曲率中心位于第一活塞纵向对称面的同一侧，图2可见，入流导向圆弧线2及其曲率中心均位于排气门下方（即图2中第一活塞纵向对称面的左侧）；抛射导向圆弧线3及其曲率中心位于第一活塞纵向对称面的另一侧，图2可见，抛射导向圆弧线3及其曲率中心均位于进气门下方（即图2中第一活塞纵向对称面的右侧）。请参照图4，图4为燃烧室沿第一活塞纵向对称面剖切的剖视图，由图4可见，入流引导面8由燃烧室凹坑6的上沿的下方向下延伸。

需要说明的是，中间引导面9可以为平面或内凹的曲面，两者均能够对入流引导面8与抛射引导面10进行光滑过渡连接。优选地，中间引导面9为圆弧面，入流引导面8和抛射引导面10的下端分别与中间引导面9的两侧相切连接，中间导向坑与第二活塞纵向对称面的交线为中间导向圆弧线1，中间导向圆弧线1的曲率中心位于活塞轴线4上并且位于活塞上顶面5的上方。

需要说明的是，中间引导面9的大小决定了气流从入流引导面8过渡到抛射引导面10的平滑程度，还影响到燃烧室的容积。为了进一步优化气流的过渡流动效果以及优化燃烧室的容积，优选地，中间导向圆弧线1的直径（如图2中的D1所示）为气缸的直径的0.8倍~1.5倍。

需要说明的是，活塞的压缩比与燃烧室凹坑6的形状有关，为了使活塞的压缩比更有利于燃气的预混燃烧，进一步优选地，中间导向圆弧线1的曲率中心到活塞上顶面5的距离（如图2中的H1所示）为气缸的直径的0.15倍~0.45倍。该特征用于控制中间引导面9在燃烧室凹坑6中的深度方向上的位置，进而控制燃烧室的容积。

优选地，入流导向圆弧线2的直径（如图2中D2所示）和抛射导向圆弧线3的直径（如图2中的D3所示）均为气缸的直径的0.2倍~0.6倍。如此设置，不仅使燃烧室的容积得到进一步优化，而且还使气流能够以更适合的入射角度进入燃烧室凹坑6并且以更好的角度抛射出燃烧室凹坑6，从而更易于生成滚流运动。

进一步优选地，入流导向圆弧线2的曲率中心到活塞轴线4的距离（如图2中的L1所示）为气缸的直径的0.05倍~0.25倍，抛射导向圆弧线3的曲率中心到活塞轴线4的距离（如图2中的L2所示）也为气缸的直径的0.05倍~0.25倍。如此设置，可以通过控制入流导向圆弧线2和抛射导向圆弧线3在水平方向上的位置来进一步优化燃烧室的容积，从而获得更加合适的压缩比。

优选地，入流导向圆弧线2的曲率中心位于活塞上顶面5上方20mm至下方20mm的空间区域内，抛射导向圆弧线3的曲率中心也位于活塞上顶面5上方20mm至下方20mm的空间区域内。

进一步优选地，入流导向圆弧线2的曲率中心位于活塞上顶面5上方2mm至下方2mm的空间区域内，抛射导向圆弧线3的曲率中心也位于活塞上顶面5上方2mm至下方2mm的空间区域内。入流导向圆弧线2的曲率中心到活塞上顶面5的距离（如图2中的H2所示）为-2mm~2mm，也就是说，入流导向圆弧线2的曲率中心可以位于活塞上顶面5以上，也可以位于活塞上顶面5以下，也可以位于活塞上顶面5内。抛射导向圆弧线3与入流导向圆弧线2对称布置，因此，抛射导向圆弧线3的曲率中心到活塞上顶面5的距离（如图2中的H3所示）也为-2mm~2mm，本文不再赘述。该特征用于控制入流引导面8和抛射引导面10在燃烧室凹坑6中的深度方向上的位置，进而控制燃烧室的容积。

需要说明的是，为了保证活塞的挤流强度，优选地，本方案将燃烧室凹坑6的上沿内圈的侧壁部分设计为与活塞上顶面5垂直布置。

下面，通过试验仿真来对比原方案与本发明方案，选择标定点为计算工况，利用三维仿真计算软件对比两个方案的仿真结果。请参照图6和图7，图6为标定点缸内滚流及涡流强度变化曲线，其中，原活塞滚流比曲线11代表原气体机中的浅盆形结构的燃烧室的滚流比强度变化曲线，本方案滚流比曲线12代表本方案对称形燃烧室的滚流比强度变化曲线，原活塞涡流比曲线13代表原气体机中的浅盆形结构的燃烧室的涡流比强度变化曲线，本方案涡流比曲线14代表本方案对称形燃烧室的涡流比强度变化曲线。通过对比可见，本方案滚流比强度得到显著提高。图7为标定点放热率变化曲线，原活塞瞬时放热率曲线15代表原气体机中的浅盆形结构的燃烧室的瞬时放热率变化曲线，本方案瞬时放热率曲线16代表本方案对称形燃烧室的瞬时放热率变化曲线，原活塞累积放热量曲线17代表原气体机中的浅盆形结构的燃烧室的累积放热量变化曲线，本方案累积放热量曲线18代表本方案对称形燃烧室的累积放热量变化曲线。通过对比可见，标定点在点火时刻（-25°CA）时，本发明方案的滚流比明显高于原方案，放热率曲线明显提前，这是因为本发明方案的燃烧室凹坑6的三个引导面能够有效增强缸内滚流，并有助于将气流破碎成小尺度湍流，对于火焰传播和燃烧速度均能够起到积极有效的提升效果，从而提高气体机的热效率。

请参照图8，图8为本发明提供的对称形燃烧室与现有技术中的浅盆形燃烧室的压缩气流速度场对比图。图8中的左侧一列由上而下的三个图为现有技术中的浅盆形燃烧室的气流速度场随压缩冲程的进行而变化的示意图，图8中的右侧一列由上而下的三个图为本方案提供的对称形燃烧室的气流速度场随压缩冲程的进行而变化的示意图。图8中的气缸内的许多小箭头表示气流速度场。由图8可见，现有技术中的浅盆形燃烧室在压缩冲程的开始、中期和末期都未能形成大尺度的滚流，而本发明提供的对称形燃烧室在压缩冲程的开始即在气缸内形成大尺度滚流，并且在压缩冲程的中期加强滚流强度，在压缩冲程的末期进一步加强滚流强度，将气流破碎成小尺度湍流，从而能够加快火焰传播速度，提高燃气的燃烧性能。

本发明具有以下有益效果：

1）与现有直口型浅盆形活塞相比，本方案可以进一步提升滚流比，降低爆震倾向，使活塞的压缩比进一步提升，进而提升热效率；

2）与现有其他异形活塞相比，本方案将燃烧室凹坑6设计为对称形状的凹坑结构，从而改善了加工工艺，改善了冷却效果；

3）本方案对垂直型进气道和倾斜型进气道适应性好、敏感度低，对两种类型的进气道都可以起到强化滚流，同时维持较高涡流的目的。本文中所述的垂直型进气道具体是指，两进气门中心连线与曲轴轴线方向垂直布置或接近垂直布置；倾斜型进气道具体是指，两进气门中心连线与曲轴轴线方向存在一定的夹角。

本发明还提供了一种包括如上所述的燃烧室的燃气发动机。该燃气发动机产生的有益效果的推导过程与上述燃烧室带来的有益效果的推导过程大体类似，故本文不再赘述。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种燃烧室，其特征在于，包括位于活塞的顶部并相对活塞上顶面（5）向下凹陷的燃烧室凹坑（6），所述燃烧室凹坑（6）包括由排气门至进气门方向依次布置的入流导向坑、中间导向坑和抛射导向坑，所述入流导向坑的底面为入流引导面（8），所述中间导向坑的底面为中间引导面（9），所述抛射导向坑的底面为抛射引导面（10），所述进气门的中心与所述排气门的中心的连线为参考方向线，经过所述活塞的轴线并且和所述参考方向线垂直的平面为第一活塞纵向对称面，所述入流导向坑和所述抛射导向坑相对所述第一活塞纵向对称面对称布置，所述入流引导面（8）在由所述燃烧室凹坑（6）的上沿至所述中间引导面（9）的方向上逐渐向下延伸并形成内凹的曲面，所述入流引导面（8）和所述抛射引导面（10）的下端分别与所述中间引导面（9）的两侧圆滑过渡连接，所述中间引导面（9）为平面或内凹的曲面；

所述入流引导面（8）和所述抛射引导面（10）均为圆弧面，经过所述活塞的轴线并且与所述参考方向线平行的平面为第二活塞纵向对称面，所述入流导向坑与所述第二活塞纵向对称面的交线为入流导向圆弧线（2），所述抛射导向坑与所述第二活塞纵向对称面的交线为抛射导向圆弧线（3），所述入流导向圆弧线（2）及其曲率中心位于所述第一活塞纵向对称面的同一侧，所述抛射导向圆弧线（3）及其曲率中心位于所述第一活塞纵向对称面的另一侧；

所述中间引导面（9）为圆弧面，所述入流引导面（8）和所述抛射引导面（10）的下端分别与所述中间引导面（9）的两侧相切连接，所述中间导向坑与所述第二活塞纵向对称面的交线为中间导向圆弧线（1），所述中间导向圆弧线（1）的曲率中心位于所述活塞的轴线上并且位于所述活塞上顶面（5）的上方；所述中间导向圆弧线（1）的直径为气缸的直径的0.8~1.5倍；所述入流导向圆弧线（2）的直径和所述抛射导向圆弧线（3）的直径均为气缸的直径的0.2~0.6倍。

2.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述中间导向圆弧线（1）的曲率中心到所述活塞上顶面（5）的距离为气缸的直径的0.15~0.45倍。

3.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述入流导向圆弧线（2）的曲率中心到所述活塞的轴线的距离为气缸的直径的0.05~0.25倍。

4.根据权利要求3所述的燃烧室，其特征在于，所述入流导向圆弧线（2）的曲率中心位于所述活塞上顶面（5）上方20mm至下方20mm的空间区域内。

5.根据权利要求4所述的燃烧室，其特征在于，所述入流导向圆弧线（2）的曲率中心位于所述活塞上顶面（5）上方2mm至下方2mm的空间区域内。

6.一种燃气发动机，其特征在于，包括如权利要求1至5中任一项所述的燃烧室。

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