CN112196661B - 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顶部的活塞上顶面以及相对活塞上顶面向下凹陷的且中心相对活塞中心线向排气门方向偏移的燃烧室凹坑，经过活塞中心线并且与进排气门中心连线垂直的活塞截面为第一活塞纵截面，燃烧室凹坑包括位于第一活塞纵截面两侧的排气侧凹坑和进气侧凹坑，排气侧凹坑的侧壁与第一活塞纵截面的最大距离大于进气侧凹坑的侧壁与第一活塞纵截面的最大距离，排气侧凹坑的侧壁和进气侧凹坑的侧壁在活塞上顶面的轴向投影分别为第一弧线和第二弧线，第一弧线的两端间距小于第二弧线的两端间距，第一弧线的两端分别与第二弧线的两端过渡相接。本方案能够增强滚流强度，加快火焰传播速度，提高发动机热效率。

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，燃气发动机一般是在柴油发动机的基础上改造而成的。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的目标。而气体机多为预混燃烧，对涡流强度要求不高，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度流动，那么，在压缩末期，火花塞附近的气体流速偏低，纵向流速也偏低，涡流便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多采用直口型的浅盆形结构，如图1所示，同时，现有的气体机的进气道多为旋流气道，因此，在进气过程中容易形成较强的绕气缸中心轴线旋转的涡流运动。由于存在大尺度涡流，会影响火焰发展形态，导致循环变动较高。气缸内压缩末期的挤流运动（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），使得火焰横向传播速度较快，但是燃烧室01内火焰的纵向传播速度慢，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方向，纵向是指沿气缸轴向方向。另外，活塞顶上沿区域04以及排气门侧附近区域的火焰燃烧速度较慢，冷却较差，导致爆震风险较高，对点火稳定性造成不利影响。

发动机气缸内一般存在三种气流流动形式：涡流、滚流和挤流，其中，滚流是指气体绕与气缸中心轴线垂直的方向的旋流运动；挤流是指在压缩冲程末期，活塞将位于气缸边缘附近的气体挤入燃烧室内部而形成的向心气流运动。通过在进气过程增强滚流运动可以使得气流在压缩冲程末期快速形成小尺度湍流，进而加快火焰传播速度。为了改善气体机的燃烧特性，现有技术通过改造气缸盖的进气道结构来产生相应弱滚流，然而，由于其仍沿用柴油机的燃烧室结构，气门杆无法倾斜，故无法实现类似于汽油机的蓬顶型燃烧室，且其与弱滚流气道配合的活塞仍为传统的直口型活塞，因此，现有技术中无法进一步提高滚流强度，最终导致燃气发动机的热效率较低。

因此，如何进一步改善燃气发动机的燃烧特性，提高燃气发动机的热效率，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，该燃烧室可以增强燃气发动机气缸内的滚流强度，加快火焰传播速度，提高湍动能，从而改善燃气发动机燃烧特性，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，用于燃气发动机，包括位于活塞顶部的活塞上顶面以及相对所述活塞上顶面向下凹陷的燃烧室凹坑，进气门的中心线在所述活塞上顶面的轴向投影为进气门中心，排气门的中心线在所述活塞上顶面的轴向投影为排气门中心，所述进气门中心与所述排气门中心的连线为进排气门中心连线，经过活塞中心线并且与所述进排气门中心连线垂直的活塞截面为第一活塞纵截面，位于所述第一活塞纵截面朝向所述排气门一侧的燃烧室凹坑为排气侧凹坑，位于所述第一活塞纵截面朝向所述进气门一侧的燃烧室凹坑为进气侧凹坑，所述排气侧凹坑的侧壁与所述第一活塞纵截面的最大距离大于所述进气侧凹坑的侧壁与所述第一活塞纵截面的最大距离，所述排气侧凹坑的侧壁在所述活塞上顶面的轴向投影为第一弧线，所述进气侧凹坑的侧壁在所述活塞上顶面的轴向投影为第二弧线，所述第一弧线的两端间距小于所述第二弧线的两端间距，所述第一弧线的两端分别与所述第二弧线的两端过渡相接，所述燃烧室凹坑的中心相对所述活塞中心线向所述排气门方向偏移。

优选地，位于所述第一活塞纵截面朝向所述排气门一侧的活塞上顶面为排气侧活塞上顶面，位于所述第一活塞纵截面朝向所述进气门一侧的活塞上顶面为进气侧活塞上顶面，所述排气侧活塞上顶面的面积为整个所述活塞上顶面的面积的46%~50%。

优选地，所述第一弧线为椭圆弧线，所述第二弧线为圆弧线，所述椭圆弧线（即第一弧线）的短轴沿平行于所述第一活塞纵截面的方向延伸布置，所述圆弧线（即第二弧线）的圆心相对所述活塞中心线向所述排气门方向偏移第一预设距离，所述椭圆弧线（即第一弧线）的形心相对于所述圆弧线（即第二弧线）的圆心向所述排气门方向偏移第二预设距离。

优选地，所述圆弧线（即第二弧线）的半径为所述活塞的半径的0.5~0.75倍。

优选地，所述椭圆弧线（即第一弧线）的短轴长度为所述活塞的半径的0.8~1.5倍，所述椭圆弧线（即第一弧线）的长轴长度为所述活塞的半径的0.9~1.6倍。

优选地，所述第一预设距离为所述活塞的半径的0.02~0.2倍。

优选地，所述第二预设距离为所述活塞的半径的0~0.02倍。

优选地，所述燃烧室的挤流比为50%~55%。

优选地，所述燃烧室凹坑的周向壁面与底面之间通过第一倒圆角相接，所述燃烧室凹坑的周向壁面与所述活塞上顶面之间通过第二倒圆角相接。

优选地，经过所述活塞中心线并且与所述进排气门中心连线平行的活塞截面为第二活塞纵截面，所述燃烧室凹坑为以所述第二活塞纵截面为对称面的对称形凹坑结构。

优选地，所述排气侧凹坑的周向壁面与所述进气侧凹坑的周向壁面通过圆滑过渡面相接。

本发明提供的燃烧室，用于燃气发动机，包括位于活塞顶部的活塞上顶面以及相对活塞上顶面向下凹陷的燃烧室凹坑，经过活塞中心线并且与进排气门中心连线垂直的活塞截面为第一活塞纵截面，位于第一活塞纵截面朝向排气门一侧的燃烧室凹坑为排气侧凹坑，位于第一活塞纵截面朝向进气门一侧的燃烧室凹坑为进气侧凹坑，排气侧凹坑的侧壁与第一活塞纵截面的最大距离大于进气侧凹坑的侧壁与第一活塞纵截面的最大距离，排气侧凹坑的侧壁在活塞上顶面的轴向投影为第一弧线，进气侧凹坑的侧壁在活塞上顶面的轴向投影为第二弧线，第一弧线的两端间距小于第二弧线的两端间距，第一弧线的两端分别与第二弧线的两端过渡相接，燃烧室凹坑的中心相对活塞中心线向排气门方向偏移。

本发明的工作原理如下：

该燃烧室结构配合弱滚流快速燃烧系统的缸盖结构（请参照中国发明专利“一种弱滚流快速燃烧系统与一种燃气发动机”，公开号CN111287860A，公开日2020.06.16），在进气过程中，使得进气气流在气缸内同时形成大尺度的涡流与滚流运动；在压缩过程中，通过偏心布置的燃烧室凹坑以及非圆形的凹坑壁面结构，滚流可以继续强化，并使涡流强度小幅减弱，保持进气能量；在压缩冲程的末期，由于燃烧室空间迅速变小，使得滚流剧烈破碎成湍流，因此，使得湍动能提升，进而加快火焰传播速度，改善燃烧，并提升热效率。

本发明具有以下有益效果：

1）本方案将燃烧室凹坑设计为偏向排气门一侧的偏心特征，能够在进气初期使更多气体通过进气门进入到燃烧室凹坑内，少部分气体撞击到活塞表面，对进气能量的积攒和维持有利；

2）由于排气侧凹坑的边缘相对于进气侧凹坑更加靠近活塞边缘，因此，使得排气门下方的活塞上顶面宽度相较于进气门下方的活塞上顶面宽度更窄，在压缩过程中，可以减小气体流入排气侧凹坑时的阻力，从而更有利于滚流的强化；

3）本方案将燃烧室凹坑设计为偏向排气门一侧，从而使燃烧初期的火焰发展偏向排气门附近，进而加快排气门侧附近的燃烧速度，降低爆震风险。

本发明还提供了一种包括如上所述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活塞的整体结构斜视图；

图3为本发明具体实施例中的活塞上端的俯视图；

图4为本发明具体实施例中的燃烧室凹坑的结构特征示意图；

图5为本发明具体实施例中的第二活塞纵截面结构示意图；

图6为本发明与现有技术的标定点缸内滚流强度变化曲线；

图7为本发明与现有技术的标定点缸内涡流强度变化曲线；

图8为本发明与现有技术的标定点放热率变化曲线；

图9为本发明与现有技术的标定点缸压变化曲线；

图10为本发明与现有技术的燃烧室压缩过程的气流速度场对比图；

图11为本发明与现有技术的燃烧室内点火后的火焰面变化对比图。

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11中的附图标记的含义如下：

1-活塞中心、11-第一活塞对称线、12-第二活塞对称线、3-活塞上顶面、20-燃烧室凹坑中心线、21-排气侧凹坑、22-进气侧凹坑、23-底面、24-第一倒圆角、25-周向壁面、26-第二倒圆角、31-排气侧活塞上顶面、32-进气侧活塞上顶面、33-排气避阀坑、4-圆弧线圆心、5-椭圆弧线形心、6-第一弧线、7-第二弧线、10-活塞中心线。

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活塞的整体结构斜视图；图3为本发明具体实施例中的活塞上端的俯视图；图4为本发明具体实施例中的燃烧室凹坑的结构特征示意图；图5为本发明具体实施例中的第二活塞纵截面结构示意图。

为了解决现有燃气发动机中存在的问题，本发明提供了一种用于燃气发动机的燃烧室，该燃烧室与弱滚流快速燃烧系统的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，弱滚流快速燃烧系统的气缸盖结构请参照发明专利（“一种弱滚流快速燃烧系统与一种燃气发动机”，公开号为CN111287860A）中所述的缸盖，该气缸盖结构由柴油机气缸盖改造而成，其形成的燃烧室顶面为平顶型结构，即，该气缸盖的气门杆沿活塞轴向布置，该气缸盖的进气道为弱滚流气道，具体是指气缸盖的进气道可以使进气气流在气缸内生成大尺度弱滚流运动，本文不再赘述其具体的弱滚流结构设计特征。具体的，本发明提供的燃烧室包括位于活塞顶部的活塞上顶面3以及相对活塞上顶面3向下凹陷的燃烧室凹坑，活塞上顶面3还设置有两个与排气门位置对应的排气避阀坑33，进气门的中心线在活塞上顶面3的轴向投影为进气门中心，排气门的中心线在活塞上顶面3的轴向投影为排气门中心，进气门中心与排气门中心的连线为进排气门中心连线，经过活塞中心线10并且与进排气门中心连线垂直的活塞截面为第一活塞纵截面，如图3所示，第一活塞纵截面在活塞上顶面3的轴向投影为第一活塞对称线11，位于第一活塞纵截面朝向排气门一侧的燃烧室凹坑为排气侧凹坑21，位于第一活塞纵截面朝向进气门一侧的燃烧室凹坑为进气侧凹坑22，排气侧凹坑21的侧壁与第一活塞纵截面的最大距离大于进气侧凹坑22的侧壁与第一活塞纵截面的最大距离，排气侧凹坑21的侧壁在活塞上顶面3的轴向投影为第一弧线6，进气侧凹坑22的侧壁在活塞上顶面3的轴向投影为第二弧线7，第一弧线6的两端间距小于第二弧线7的两端间距，第一弧线6的两端分别与第二弧线7的两端过渡相接，燃烧室凹坑的中心相对活塞中心线10向排气门方向偏移。

本发明的工作原理如下：

该燃烧室结构配合弱滚流快速燃烧系统的气缸盖结构，在进气过程中，使得进气气流在气缸内同时形成大尺度的涡流与滚流运动；在压缩过程中，通过偏心布置的燃烧室凹坑以及非圆形的凹坑壁面结构，滚流可以继续强化，并使涡流强度小幅减弱，保持进气能量；在压缩冲程的末期，由于燃烧室空间迅速变小，使得滚流剧烈破碎成湍流，因此，使得湍动能提升，进而加快火焰传播速度，改善燃烧，并提升热效率。

需要说明的是，发动机气缸内部的气流一般存在三种大尺度的流动形式：滚流、涡流与挤流，其中，涡流是指气体绕气缸的轴线方向有组织的旋流运动，滚流是指旋转中心轴线和气缸轴线方向垂直的气体旋流运动，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的气流运动。这三种流动形式在进气组织及燃烧过程中相互影响，对燃烧过程都有不同程度的影响。本发明通过合理分配不同的流动形式来达到改善燃烧、提升热效率的目的。相对于现有的直口型燃烧室结构，本发明提供的燃烧室结构维持挤流强度基本不变，挤流比（活塞上顶面3的面积与气缸横截面面积的比值）维持在50%~55%。

相比于现有的弱滚流气道配合直口型燃烧室结构的技术方案，本发明在维持挤流强度基本不变的情况下，通过改变滚流及涡流的强度分配来加速燃烧，具体分为以下三个阶段进行：

第一阶段，在进气过程中形成大尺度的涡流与弱滚流，具体的，在弱滚流气道的导向作用下，进气气流的大部分流向排气门下方的排气侧凹坑21，形成的大尺度弱滚流运动偏向排气门一侧；

第二阶段，在压缩过程中，通过偏心布置的燃烧室凹坑以及非圆形的凹坑壁面结构，滚流可以继续强化，并使涡流强度小幅减弱，保持进气能量；具体的，随着活塞上行，气缸内的空间逐渐变小，由于燃烧室凹坑偏向排气门一侧布置，使得排气门侧的挤流面积减小，因此，可以减小气体流入排气侧凹坑21时的阻力，进而有利于滚流强度的提升，能够维持较高的进气能量；

第三阶段，在压缩过程的末期，滚流、涡流剧烈破碎，具体的，燃烧室空间迅速变小，燃烧室凹坑的非圆形的周向壁面结构使得涡流和滚流剧烈破碎成小尺度湍流，接近活塞下表面处的涡流也会剧烈破碎，因此，湍动能得以提升，对于加快前期燃烧非常有利。

另外，请参照图10，图10为本发明与现有技术的燃烧室压缩过程的气流速度场对比图，图10左侧的一列由上而下的三个图为现有技术中的浅盆形燃烧室配合弱滚流气道结构时（即原方案）的气流速度场随压缩冲程的进行而变化的示意图，图10右侧的一列由上而下的三个图为本发明提供的偏心燃烧室凹坑配合弱滚流气道结构时（即本方案）的气流速度场随压缩冲程的进行而变化的示意图，图10中每个燃烧室纵截面的右侧为进气侧，左侧为排气侧，燃烧室内的许多小箭头表示气流速度场。图10中由上而下的三行图分别表示压缩开始阶段（压缩上止点前150°CA）的气流速度场、压缩过程前中期（压缩上止点前90°CA）的气流速度场以及压缩末期（压缩上止点前24°CA）的气流速度场。由图10可见，在压缩开始阶段，本方案的滚流中心（燃烧室内的圆点）相对原方案更加居中，尤其是在纵向方向更加居中。而且，在压缩开始阶段的气流速度场的虚线框区域内，本方案由于排气侧挤流面宽度较小，使得大尺度滚流运动趋势更加明显，对于进气能量的维持至关重要。在压缩过程前中期的气流速度场的虚线框区域内，原方案存在局部的旋流运动，这部分旋流运动使得气缸爆震风险升高，加剧了循环变动，而本方案在该区域内的旋流运动明显减弱，且与燃烧室内整体滚流流动趋势更加一致，降低了爆震风险，同时，本方案的滚流中心相对更加居中。在压缩末期，由于燃烧室内空间迅速变小，本方案和原方案的滚流运动趋势受活塞挤压而变弱，滚流中心不明显。但是在压缩末期的气流速度场的虚线框区域内，由于本方案偏心布置的燃烧室凹坑的作用，使得排气侧挤流作用变弱，气体从上侧罅隙中挤入凹坑内，与向下运动的滚流方向一致，没有过多地能量浪费；而原方案中排气侧挤流强度高，活塞上顶面反推气流并导致该部分气流与滚流方向相冲突，能量被耗散，导致排气侧燃烧室避免气流速度降低，不利于火焰在排气侧近壁处的扩散。

需要说明的是，由于燃烧室凹坑向排气门一侧偏移后，会使得进气门侧与排气门侧的挤流面积产生差异，在燃烧前期会加快排气门侧区域的燃烧速度，而在燃烧后期，火焰才会进入到进气门侧下方区域进行燃烧，由此产生后燃迟滞。为了减小后燃迟滞影响，本方案将进气门侧和排气门侧的挤流面积分配差异尽量缩小，具体的，位于第一活塞纵截面朝向排气门一侧的活塞上顶面为排气侧活塞上顶面31，位于第一活塞纵截面朝向进气门一侧的活塞上顶面为进气侧活塞上顶面32，即，活塞上顶面3在第一活塞纵截面朝向排气门一侧的部分为排气侧活塞上顶面31，活塞上顶面3在第一活塞纵截面朝向进气门一侧的部分为进气侧活塞上顶面32，排气侧活塞上顶面31和进气侧活塞上顶面32共同组成完整的活塞上顶面3，排气侧活塞上顶面31的面积为整个活塞上顶面3的面积的46%~50%，相应地，进气侧活塞上顶面32的面积为整个活塞上顶面3的面积的50%~54%。如此设置，在活塞下行的燃烧过程中，火焰受挤流影响进入进气门侧下方的挤流区域，加快后期燃烧速度，从而缩短整个燃烧持续期，对于降低CH4有利。

需要说明的是，本方案中的第一弧线6和第二弧线7可以设计成多种形状，例如椭圆弧线、圆弧线或两者的组合，或者其他曲线，优选地，第一弧线6为椭圆弧线，第二弧线7为圆弧线，椭圆弧线的短轴沿平行于第一活塞纵截面的方向延伸布置，圆弧线的圆心（图4中示出的圆弧线圆心4）相对活塞中心线10向排气门方向偏移第一预设距离，活塞中心线10在活塞上顶面3的轴向投影为活塞中心1，圆弧线圆心4相对活塞中心1向排气门方向偏移的第一预设距离为图4中示出的距离L3；椭圆弧线的形心（图4中示出的椭圆弧线形心5）相对于圆弧线圆心4向排气门方向偏移第二预设距离（图4中示出的距离L4）。如图5所示，燃烧室凹坑中心线20相对活塞中心线10向排气门侧偏移一定距离，如此设置，可以在进气和压缩过程中加强排气门侧的滚流强度，使燃烧初期的火焰发展偏向排气门方向，有利于排气门侧区域的加速燃烧，降低爆震风险。

优选地，圆弧线的半径（图4中示出的圆弧线半径R2）为活塞的半径（图4中示出的活塞半径R1）的0.5~0.75倍，即，R2=（0.5~0.75）R1。优选地，椭圆弧线的短轴长度（图4中示出的长度L2）为活塞半径R1的0.8~1.5倍，即，L2=（0.8~1.5）R1，椭圆弧线的长轴长度（图4中示出的长度L1）为活塞半径R1的0.9~1.6倍，即，L1=（0.9~1.6）R1。如此设计，可以进一步优化燃烧室凹坑的整体形状，更好地引导气流在燃烧室内流动，配合活塞上行，能够使气流在活塞上止点充分翻滚、破碎。

优选地，第一预设距离L3为活塞半径R1的0.02~0.2倍，即，L3=（0.02~0.2）R1。优选地，第二预设距离L4为活塞半径R1的0~0.02倍，即，L4=（0~0.02）R1。如此设计，可以进一步优化控制排气侧凹坑21和进气侧凹坑22的容积，同时也起到了控制压缩比的目的。

优选地，燃烧室凹坑的周向壁面25与底面23之间通过第一倒圆角24相接，燃烧室凹坑的周向壁面25与活塞上顶面3之间通过第二倒圆角26相接，如图2所示。如此设置，可以使得气流进入排气侧凹坑21时以及从进气侧凹坑22向上抛出时尽量减小流动阻力，有利于气流产生翻滚，从而在压缩前中期进一步加强滚流强度；同时，在发生挤流时，便于气体从活塞上方的燃烧室空间流入燃烧室凹坑内，减小流动阻力，另外，通过设置第一倒圆角24和第二倒圆角26还可以避免燃烧室凹坑的上下两端产生应力集中。

优选地，经过活塞中心线10并且与进排气门中心连线平行的活塞截面为第二活塞纵截面，如图3所示，第二活塞纵截面在活塞上顶面3的轴向投影为第二活塞对称线12，燃烧室凹坑为以第二活塞纵截面为对称面的对称形凹坑结构，如此设置，更加便于加工制造。

优选地，排气侧凹坑21的周向壁面与进气侧凹坑22的周向壁面通过圆滑过渡面相接。如此设置，当气流从排气侧凹坑21流向进气侧凹坑22时，能够通过圆滑过渡面进一步减小流动阻力，有利于压缩前中期滚流强度的进一步提高。

需要说明的是，图2至图5中所示的位于燃烧室凹坑内侧的线条中，除了各截面图中或俯视图中示出的燃烧室凹坑的轮廓线，其他线条是为了表示各个面之间的交界线，例如图3中所示的位于活塞中心1右侧的最近的一段圆弧线条是底面23与第一倒圆角24的交界线。

下面通过试验仿真来对比原方案与本发明方案的技术效果，选择标定点（点火时刻为-25°CA）为计算工况，利用三维仿真计算软件对比原方案与本发明方案的仿真结果，请参照图6至图9，图6为本发明与现有技术的标定点缸内滚流强度变化曲线，图7为本发明与现有技术的标定点缸内涡流强度变化曲线，图8为本发明与现有技术的标定点放热率变化曲线，图9为本发明与现有技术的标定点缸压变化曲线。图6至图9中用带有圆点的实线或虚线代表本发明方案（即本方案）的变化曲线，另一种不带有圆点的实线或虚线则代表现有技术（即原方案）的变化曲线。

由图6可见，在进气冲程以及压缩冲程的前中期，本方案的滚流比明显高于原方案，压缩冲程的后期，滚流破碎，滚流比急剧降低，与原方案对应的滚流比趋于一致。由图7可见，在进气阶段，本方案的涡流比与原方案相近，在压缩阶段，尤其是压缩阶段的末期，本方案的涡流比相较于原方案则急剧降低。

由图8可见，本方案在燃烧初期的瞬时放热率明显高于原方案，即，本发明可以在燃烧初期提高燃烧速度，这是因为本发明增强的滚流以及弱化的涡流在压缩末期能够有效增加缸内的小尺度湍流，同时，由于本发明将进气门侧和排气门侧的挤流面积差异控制在较小范围，这样就确保在活塞下行时的燃烧过程中，火焰受挤流影响进入进气门下方区域附近的挤流区域，有利于加速后燃，缩短整个燃烧持续期，对于火焰传播速度及燃烧速度的提升更加有利，而燃烧初期放热率的提升又直接提高了燃料总能量的利用率，即，本发明使得燃烧的主要放热阶段更多地处于做功过程。另外，请参照图11，图11为本发明与现有技术的燃烧室内点火后的火焰面变化对比图。图11中的火焰为1500K温度等值面的火焰示意，左侧一列为现有技术的浅盆形燃烧室方案（即原方案）的俯视燃烧室所得的火焰面变化示意，右侧一列为本发明偏心燃烧室凹坑方案（即本方案）的俯视燃烧室所得的火焰面变化示意，图11中每个燃烧室俯视图中的上侧为进气侧，且下侧为排气侧，图中的Crank_angle为曲轴转角。由图11对比可见，在曲轴转角为10°CA-25°CA时，本方案燃烧速度相较于原方案更快，即，本方案在燃烧初期火焰先扫略排气侧区域。

由图9可见，本方案的缸压可达到13.2MPa（132bar），明显高于原方案的12.306MPa（123.06bar），这表示本发明可以进一步提升燃烧过程释放的压力，改善燃烧特性，提高发动机效率。

本发明具有以下有益效果：

1）本方案将燃烧室凹坑设计为偏向排气门一侧的偏心特征，能够在进气初期使更多气体通过进气门进入到燃烧室凹坑内，少部分气体撞击到活塞表面，对进气能量的积攒和维持有利；

2）由于排气侧凹坑的边缘相对于进气侧凹坑更加靠近活塞边缘，因此，使得排气门下方的活塞上顶面宽度相较于进气门下方的活塞上顶面宽度更窄，在压缩过程中，可以减小气体流入排气侧凹坑时的阻力，从而更有利于滚流的强化；

3）本方案将燃烧室凹坑设计为偏向排气门一侧，从而使燃烧初期的火焰发展偏向排气门附近，进而加快排气门侧附近的燃烧速度，降低爆震风险；

4）本方案将进气门侧的挤流面积和排气门侧的挤流面积差异控制在较小范围内，在活塞下行的燃烧过程中，火焰受挤流影响进入进气门侧下方的挤流区域，加快后期燃烧速度，从而缩短整个燃烧持续期，对于降低CH4有利。

本发明还提供了一种包括如上所述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 (11)

1.一种燃烧室，用于燃气发动机，其特征在于，包括位于活塞顶部的活塞上顶面（3）以及相对所述活塞上顶面（3）向下凹陷的燃烧室凹坑，进气门的中心线在所述活塞上顶面（3）的轴向投影为进气门中心，排气门的中心线在所述活塞上顶面（3）的轴向投影为排气门中心，所述进气门中心与所述排气门中心的连线为进排气门中心连线，经过活塞中心线（10）并且与所述进排气门中心连线垂直的活塞截面为第一活塞纵截面，位于所述第一活塞纵截面朝向所述排气门一侧的燃烧室凹坑为排气侧凹坑（21），位于所述第一活塞纵截面朝向所述进气门一侧的燃烧室凹坑为进气侧凹坑（22），所述排气侧凹坑（21）的侧壁与所述第一活塞纵截面的最大距离大于所述进气侧凹坑（22）的侧壁与所述第一活塞纵截面的最大距离，且所述排气门下方的所述活塞上顶面（3）的宽度相较于所述进气门下方的所述活塞上顶面（3）的宽度更窄，所述排气侧凹坑（21）的侧壁在所述活塞上顶面（3）的轴向投影为第一弧线（6），所述进气侧凹坑（22）的侧壁在所述活塞上顶面（3）的轴向投影为第二弧线（7），所述第一弧线（6）的两端间距小于所述第二弧线（7）的两端间距，所述第一弧线（6）的两端分别与所述第二弧线（7）的两端过渡相接，所述燃烧室凹坑的中心相对所述活塞中心线（10）向所述排气门方向偏移；

所述第一弧线（6）为椭圆弧线，所述第二弧线（7）为圆弧线，所述第一弧线（6）的短轴沿平行于所述第一活塞纵截面的方向延伸布置，所述第二弧线（7）的圆心相对所述活塞中心线（10）向所述排气门方向偏移第一预设距离，所述第一弧线（6）的形心相对于所述第二弧线（7）的圆心向所述排气门方向偏移第二预设距离。

2.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，位于所述第一活塞纵截面朝向所述排气门一侧的活塞上顶面（3）为排气侧活塞上顶面（31），位于所述第一活塞纵截面朝向所述进气门一侧的活塞上顶面（3）为进气侧活塞上顶面（32），所述排气侧活塞上顶面（31）的面积为整个所述活塞上顶面（3）的面积的46%~50%。

3.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述第二弧线（7）的半径为所述活塞的半径的0.5~0.75倍。

4.根据权利要求3所述的燃烧室，其特征在于，所述第一弧线（6）的短轴长度为所述活塞的半径的0.8~1.5倍，所述第一弧线（6）的长轴长度为所述活塞的半径的0.9~1.6倍。

5.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述第一预设距离为所述活塞的半径的0.02~0.2倍。

6.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述第二预设距离为所述活塞的半径的0~0.02倍。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的燃烧室，其特征在于，所述燃烧室的挤流比为50%~55%。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的燃烧室，其特征在于，所述燃烧室凹坑的周向壁面（25）与底面（23）之间通过第一倒圆角（24）相接，所述燃烧室凹坑的周向壁面（25）与所述活塞上顶面（3）之间通过第二倒圆角（26）相接。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的燃烧室，其特征在于，经过所述活塞中心线（10）并且与所述进排气门中心连线平行的活塞截面为第二活塞纵截面，所述燃烧室凹坑为以所述第二活塞纵截面为对称面的对称形凹坑结构。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的燃烧室，其特征在于，所述排气侧凹坑（21）的周向壁面与所述进气侧凹坑（22）的周向壁面通过圆滑过渡面相接。

11.一种燃气发动机，其特征在于，包括如权利要求1至10中任一项所述的燃烧室。

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