CN111734522B - 一种燃用正辛醇内燃机的燃烧室 - Google Patents
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Abstract
本发明针对生物燃料正辛醇的物理化学特性提供了一种燃用正辛醇内燃机的燃烧室结构和喷油器，在活塞顶部设置“ω”型凹坑，形成燃烧室，将喷油器置于活塞正上方中央处，所述喷油器的喷油轨迹与燃烧室形状相匹配。“ω”型凹坑顶部的直径为喉道直径；底部碗状最长的直径为碗状直径；燃烧室深度，为“ω”型凹坑顶端至碗状低端的高度；缩口角，为碗状轮廓与口径处的夹角θ；所述喷射正时，为燃料开始燃烧时，曲轴转角所在角度；所述喷射锥角，为喷射方向在XZ平面内与气缸轴线所形成的夹角α。结合燃烧室形状和喷油器控制喷油轨迹，使得所喷射的燃油能够最大限度的燃烧。
Description
技术领域
本发明属于内燃机领域，具体涉及为生物燃料正辛醇量身设计的一套压燃内燃机燃烧室。
背景技术
化石燃料由于自身的不可再生性、储备有限以及环境污染较大等问题，促使高效的替代性燃料得以广泛的研究。其中多数研究可分为对燃料特性研究和内燃机可控参数对燃烧排放特性的研究两大类，力求提高燃烧效率，降低污染物排放。
虽然有不少对生物燃料可控参数的研究在柴油机或者汽油机中进行，但是生物燃料和柴油、汽油毕竟存在性质上的差异。本发明针对环保型生物燃料正辛醇的物理化学特性，开发出一种符合其自身形状的燃烧室形状，与合适的燃烧室相匹配形成气流运动，可进一步促进燃料迅速均匀地与空气混合，使燃烧过程更加完善。内燃机的燃烧从燃油开始喷入燃烧室到燃烧结束，整个过程只需要千分之几秒，燃油要在极短时间内完成良好的混合和燃烧，需要对燃烧室结构形状、喷射策略进行系统的研究和设计。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种针对生物燃料正辛醇的物理化学特性所设计的燃用正辛醇内燃机的燃烧室结构和喷油器，目的是为了提高燃烧效率，降低污染物排放。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种燃用正辛醇内燃机的燃烧室，活塞顶部设置“ω”型凹坑，形成燃烧室；还包括喷油器，所述喷油器的喷油轨迹与燃烧室形状相匹配。
进一步的，所述“ω”型凹坑上部分为圆柱形槽；下部分为横截面为圆弧形槽；所述圆弧形槽外边缘凸出于所述圆柱形槽，且所述圆弧形槽上口处形成缩口，所述圆弧形槽与所述圆柱形槽所成的角度为缩口角θ。缩口处有明显的的回缩趋势，可以增强挤流效果，但不能过度回缩，导致喷射的燃料无法充分燃烧，优选范围为：110°＜缩口角θ＜118°。
进一步的，所述“ω”型凹坑中部设有微尖凸起。凹坑中部的这种凸起，为助其形成涡流以及将中心区运动效果较弱的空气排出。
进一步的，所述圆柱形槽直径为喉道，所述喉道范围为：39.0mm＜喉道D＜40.0mm；活塞向上运动，缸内空气通过“喉道”被挤压进燃烧室凹坑由挤压产生涡流；活塞向下运动，凹坑内燃烧气体流通过“喉道”向活塞外部与空气混合燃烧形成逆涡流，“喉道”的长短直接决定了所形成的涡流，从而影响吸入的空气和喷入燃烧室的燃料的混合；
所述圆弧形槽最凸部位直径为碗状直径，所述碗状直径范围为：47.5mm＜碗状直径T＜48.0mm；
所述燃烧室深度为所述圆柱形槽口处至所述圆弧形槽底部所达距离，其中14.5mm＜燃烧室深度H＜17.5mm；在设置所述喉道和所述燃烧室深度时，保持压缩比不变的前提下，保持1.2＜喉道半径/深度＜2.2。在保证压缩比不变的前提下，喉道与深度成反比，略深的燃烧室会产生气流，从碗腔向上推至高温区进行燃烧，从而减少碳烟(soot)的形成
进一步的，所述喷油器布置在燃烧室中央部位的上方，所述喷油器上设有喷嘴，所述喷嘴喷射范围为45°；所述喷射锥角为生物燃料正辛醇喷射方向在XZ平面内与气缸轴线所形成的夹角α，喷射锥角为实心或者是空心。空心喷射锥角，外圈有喷雾，内圈中空，这样更有利于喷雾的雾化和燃料的均匀混合。结合燃烧室形状和喷油器控制喷油轨迹，使得所喷射的燃油能够最大限度的燃烧。利用高压的方式直接将燃油喷入气缸内形成混合燃烧气，喷油器的喷孔数量可以通过改变喷入气缸的燃油量来调节内燃机的负荷。
进一步的，所述喷油器包括置于燃烧室中央部位上方的的喷嘴，所述喷嘴共均匀分布有8个。喷射正时为生物燃料正辛醇喷射时的曲轴转角，其中-10℃A＜喷射正时＜-20℃A；过早过晚的正射正时，会影响缸内燃烧速率，从而导致燃油消耗量的增加。所述喷射锥角的范围为：150°＜喷射锥角α＜160°。适当的喷射锥角，可使燃料与空气的混合空间也越多，燃料空气混合更充分，进而促进了燃料雾束的燃烧，加快了反应的进行。
进一步的，为产生最合适的挤流强度，活塞运动到上止点时与气缸顶部形成间隙1.4mm＜间隙S＜1.5mm。在活塞向上运动时，其中产生的挤流强度与上止点活塞顶部间隙相关，间隙过大导致气门关闭不严密，影响内燃机运行、造成进气不足和排气不全等现象，严重时会造成冲撞发生意外；间隙不足导致气门关闭不严实，对活塞造成磨损并产生噪音，严重是会导致内燃机供力不足等现象。
本发明具有以下有益效果：本发明的内燃机使得喷射的燃油在合适的燃烧室口径和燃烧室深度下，直接喷入燃烧室内快速与空气混合形成混合燃烧气，避免将燃油喷射到活塞顶部和气缸壁上，保持燃油的温度并最大限度的燃烧。
燃烧室“喉道”的设计在排出气流运动较弱的中心区的空气时可以促进涡流的形成，使得燃烧前混合气形成的速度提高，改善扩散燃烧阶段的混合速度；燃烧室深度的设计在于其可以促进混合气的形成，还可以影响空气的流动，从而使得燃油混合更为充分，燃烧效率更高；结合喷射正时和喷射锥角的设计，使得喷油轨迹可以完美的喷入燃烧室内充分燃烧，实现更高的燃烧效率，并降低污染物的排放。
附图说明
图1为本发明实施例的燃用正辛醇内燃机的燃烧室结构尺寸图。
图2为本发明实施例的燃烧室形状俯视图。
图3为本发明实施例的喷射部分单孔喷射简图。
图4为本发明实施例的内部气流运动简图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明。
实施例：参见图1、2、4，一种燃用正辛醇内燃机的燃烧室结构尺寸图，气体在燃烧室内运动，主要是空气的运动和混合燃烧气的形成，在活塞直径1的顶部设置较深的“ω”型凹坑，形成喉道D 2，燃烧室深度H 8，碗状直径T 9和缩口角θ6。燃烧室“喉道”的设计直接与燃烧室深度挂钩。“喉道”宽，燃烧室过深导致最大燃烧压力和压力升高率较低，且工作“粗暴”，较多的噪声、振动以及氮氧化物的排放，对机械整体的负荷较大；“喉道”窄，燃烧室过潜则无法应用于高速内燃机中，适用面狭隘。
活塞直径1设计为75mm，“ω”型凹坑上部分为圆柱形槽；下部分为横截面为圆弧形槽；所述圆弧形槽外边缘凸出于所述圆柱形槽，且所述圆弧形槽上口处形成缩口，所述圆弧形槽与所述圆柱形槽所成的角度为缩口角θ6。缩口处有明显的的回缩趋势，可以增强挤流效果，但不能过度回缩，导致喷射的燃料无法充分燃烧。在设计“喉道”与深度时，参照柴油机的最优压缩比＝15，来控制“喉道”与深度的范围，使其达到最优点。在保证压缩比不变的前提下，设置喉道D 2在39.0mm＜喉道D 2＜40.0mm之间，燃烧室深度H 8控制在14.5mm＜燃烧室深度H 8＜17.5mm之间，圆弧形槽最凸部位直径为碗状直径T 9，所述碗状直径范围为：47.5mm＜碗状直径T 9＜48.0mm；在设置所述喉道和所述燃烧室深度时，保持压缩比不变的前提下，保持1.2＜喉道半径/深度＜2.2，其中，所述圆弧形槽与所述圆柱形槽所成的角度为缩口角θ6，110°＜缩口角θ6＜118°，所获得的缸压峰值在最合适的范围内取到最大值，缸压过低导致机动性能不足，污染物排放增多等问题；缸压过高导致内燃机启动困难，造成一定量的磨损。
喷油器3固定在气缸顶端的中部，燃油受高压力进入喷油器3，喷油器3上均匀设置8个喷射孔，每个喷孔的喷射面积5覆盖45°；喷油器3通过8个喷油孔360°喷射燃油，为了使它可以直接将燃油喷入燃烧室内，控制燃油喷射的喷射正时和喷射锥角，在上述喉道D 2、燃烧室深度H 8、碗状直径T 9和缩口角θ6的范围值下，使其直接喷入燃烧室内，避免将燃油喷射到活塞顶部和气缸壁上，保持燃油的温度并最大限度的燃烧；在活塞顶端的挤压面设有较深的“ω”型凹坑，以便使火焰燃烧，凹坑中部微尖凸起，为助其形成涡流以及将中心区运动效果较弱的空气排出；活塞向上运动，缸内空气被挤压进燃烧室凹坑由挤压产生涡流；活塞向下运动，凹坑内燃烧气体流向活塞外部与空气混合燃烧形成逆涡流，气体在燃烧室内运动，燃烧室的深度H 8可影响混合气的形成和空气运动的方向，其中产生的挤流强度与上止点活塞顶部间隙S 7相关；活塞向上运动到上止点时，压力增大，温度瞬间升高使得混合燃烧气着火，其中，范围在0.14mm＜间隙S 7＜0.15mm，间隙过大导致气门关闭不严密，影响内燃机运行、造成进气不足和排气不全等现象，严重时会造成冲撞发生意外；间隙不足导致气门关闭不严实，对活塞造成磨损并产生噪音，严重是会导致内燃机供力不足等现象。
结合所述燃烧室形状和喷射策略相互配合，使得内燃机燃烧室内部的气流运动呈左右两部分，右侧的碗状部分，因喉道较窄，燃烧室较深可提高碗状部分的空气流动速度，从而形成较强的挤压流；左侧的微凸部分，与右侧形成的环形流域相互挤压，形成反向的左侧流域，燃烧室设计部分提及，微凸部分可帮助燃烧室内形成涡流以及将中心区运动效果较弱的空气排出，促进空气流动。
参考图3，整个燃烧室的喷射简图，本实施例针对正辛醇压燃内燃机燃烧室和喷射策略进行相互匹配设计，其中涉及到喷射部分中对喷射正时和喷射锥角的控制，是通过数值模拟的形式来实现的。喷射正时在提高缸压的同时，也会提高缸内压力的压力增长率，过高的压力增长率会给燃烧带来许多不利的，甚至会影响到内燃机的寿命。过早的喷射时刻会使燃料不能完全喷射到活塞内，一部分将喷入燃烧室的底面，这将不利于混合燃料的形成和充分燃烧。本实施例中喷射范围为45°，喷射锥角4是喷射方向在XZ平面内与气缸轴线所形成的夹角α，其中150°＜喷射锥角α＜160°；喷射正时为生物燃料正辛醇喷射时的曲轴转角，其中-10℃A＜喷射正时＜-20℃A；过早过晚的正射正时，会影响缸内燃烧速率，从而导致燃油消耗量的增加。喷射锥角的喷雾可设计为实心和空心两种，所述空心喷射锥角10，外圈有喷雾，内圈中空，这样更有利于喷雾的雾化和燃料的均匀混合；喷射锥角设计的过大，喷射的燃油雾束可能直接击中气缸的壁面；喷雾锥角过小，喷射的燃油雾束可能会碰撞到活塞的底部，这两种情况都会直接影响燃料的燃烧和排放特性。
以上的实施例仅为说明本发明的技术思想和所阐述的参数保护，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (3)
1.一种燃用正辛醇内燃机的燃烧室，其特征在于：
活塞顶部设置“ω”型凹坑，形成燃烧室；
所述“ω”型凹坑上部分为圆柱形槽；下部分为横截面为圆弧形槽；所述圆弧形槽外边缘凸出于所述圆柱形槽，且所述圆弧形槽上端开口处形成缩口，所述圆弧形槽与所述圆柱形槽所成的角度为缩口角θ；
所述圆柱形槽直径为喉道，所述喉道范围为：39.0mm＜喉道直径D＜40.0mm；
所述圆弧形槽最凸部位直径为碗状直径，所述碗状直径范围为：47.5mm＜碗状直径T＜48.0mm；
所述燃烧室深度为所述圆柱形槽口处至所述圆弧形槽底部所达距离，其中15.5mm＜燃烧室深度H＜16.5mm；
在设置所述喉道和所述燃烧室深度时，保持压缩比不变的前提下，保持1.2＜喉道半径/燃烧室深度＜2.2；
所述燃烧室的缩口角为碗状轮廓与口径处的夹角θ，其中110°＜夹角θ＜118°；
还包括喷油器，所述喷油器的喷油轨迹与燃烧室形状相匹配；所述喷油器布置在燃烧室中央部位的上方，所述喷油器上设有喷嘴，喷射锥角为所述喷嘴的喷射方向在XZ平面内与气缸轴线所形成的夹角α，其中150°＜夹角α＜160°；所述喷射锥角为实心或者是空心；
喷射正时为生物燃料正辛醇喷射时的曲轴转角，其中-10°CA＜喷射正时＜-20°CA；
活塞运动到上止点时与气缸顶部形成间隙，所述间隙的范围：1.4mm＜间隙S＜1.5mm。
2.根据权利要求1所述的燃用正辛醇内燃机的燃烧室，其特征在于：
所述“ω”型凹坑中部设有微尖凸起。
3.根据权利要求1所述的燃用正辛醇内燃机的燃烧室，其特征在于：
所述喷嘴共均匀分布有8个，所述喷嘴喷射范围为45°。
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