CN112211715B - 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，应用于燃气发动机，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，燃烧室凹坑内的周向侧壁设有两个向燃烧室凹坑内侧凸出的导流凸出部，两个导流凸出部分别位于两个进气门的下方，导流凸出部的上端面与活塞上顶面相接且下端与燃烧室凹坑的底面相接，燃烧室凹坑包括位于排气门下方的第一导流坑以及位于两个导流凸出部之间的第二导流坑，第一导流坑与第二导流坑连通，导流凸出部的侧表面形成第一导流坑与第二导流坑之间的圆滑过渡面。本方案能够在压缩过程中增强滚流强度，并在压缩末期使滚流剧烈破碎成湍流，从而加快火焰传播速度，提升湍动能和热效率。本发明还公开了一种燃气发动机。

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，所述燃烧室凹坑内的周向侧壁设有两个向所述燃烧室凹坑内侧凸出的导流凸出部，两个所述导流凸出部分别位于两个进气门的下方，所述导流凸出部的上端面与所述活塞上顶面相接且下端与所述燃烧室凹坑的底面相接，所述燃烧室凹坑包括位于排气门下方的第一导流坑以及位于两个所述导流凸出部之间的第二导流坑，所述第一导流坑与所述第二导流坑连通，所述导流凸出部的侧表面形成所述第一导流坑与所述第二导流坑之间的圆滑过渡面。

优选地，所述燃烧室凹坑所处的活塞部分的横截面为凹坑横截面，所述导流凸出部与所述凹坑横截面的交线为导流凸出线，所述导流凸出线为圆弧线。

优选地，所述进气门的中心线在所述凹坑横截面的投影为进气门中心，所述导流凸出线的曲率中心与所述进气门中心的距离为所述进气门的直径的0~0.35倍。

优选地，两个所述导流凸出线的曲率中心的距离为所述进气门的直径的1~1.5倍。

优选地，所述导流凸出线的半径为所述进气门的直径的0.25~0.4倍。

优选地，所述排气门的中心线在所述凹坑横截面的投影为排气门中心，所述导流凸出线的曲率中心位于两个所述进气门中心的连线与两个所述排气门中心的连线之间的区域。

优选地，所述活塞的中心线在所述凹坑横截面的投影为活塞中心，所述第二导流坑与所述凹坑横截面的交线为第二导流坑边界线，所述活塞中心与所述第二导流坑边界线的距离为所述进气门的直径的0.6~1.4倍。

优选地，所述活塞的中心线在所述凹坑横截面的投影为活塞中心，所述进气门的中心线在所述凹坑横截面的投影为进气门中心，经过活塞中心并且与两个所述进气门中心的连线垂直的线为第一参考线，两个所述导流凸出线对称分布于所述第一参考线的两侧。

优选地，所述第一导流坑与所述凹坑横截面的交线为第一导流坑边界线，所述第一导流坑边界线关于所述第一参考线对称。

优选地，所述第一导流坑边界线为圆弧线，所述第一导流坑边界线的曲率中心与所述活塞中心重合。

优选地，所述燃烧室凹坑的深度为所述进气门的直径的0.5~1.2倍。

优选地，所述燃烧室凹坑的周向壁面与所述燃烧室凹坑的底面之间通过第一倒圆角相接，所述第一倒圆角的半径为所述进气门的直径的0.2~0.6倍。

优选地，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，所述燃烧室的挤流比为50%~55%。

本发明提供的燃烧室，应用于燃气发动机，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，燃烧室凹坑内的周向侧壁设有两个向燃烧室凹坑内侧凸出的导流凸出部，两个导流凸出部分别位于两个进气门的下方，导流凸出部的上端面与活塞上顶面相接且下端与燃烧室凹坑的底面相接，燃烧室凹坑包括位于排气门下方的第一导流坑以及位于两个导流凸出部之间的第二导流坑，第一导流坑与第二导流坑连通，导流凸出部的侧表面形成第一导流坑与第二导流坑之间的圆滑过渡面。

本方案的工作原理如下：

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弱滚流运动；在压缩过程中，随着活塞上行，燃烧室凹坑不断组织气流，使得气流由较宽的第一导流坑向较窄的第二导流坑汇聚流动，然后，汇聚后的气流从第二导流坑向上抛出，从而进一步强化滚流运动，涡流因受到两个导流凸出部的阻碍而迅速弱化；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类似于船锚型的结构，能够在燃烧室内形成多个非同轴的滚流运动，不同流层间的滚流相互剪切，可以在压缩过程中增加湍动能；

2）本方案通过在进气门下方设计两个导流凸出部，可以使燃烧室凹坑的主要凹坑部分偏向排气门侧，从而能够使得燃烧初期的火焰发展偏向排气门附近，进而加快排气门侧的火焰燃烧速度，降低爆震风险；

3）本方案通过在燃烧室凹坑内侧设计两个导流凸出部，可以使得涡流在压缩阶段快速破碎，增加气缸内的湍动能，加速燃烧；

4）两个导流凸出部的设计使得燃烧室内表面面积增加，从而增加了活塞传导散失的热量，进而在排气过程中降低高负荷工况的排气温度，对改善排气管可靠性有利。

本发明还提供了一种包括上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为图2中活塞的纵向剖视图；

图4为本发明具体实施例中的活塞的俯视图；

图5为本发明具体实施例中的凹坑横截面的特征图；

图6为本发明具体实施例中的凹坑横截面示意图；

图7为本发明具体实施例中的活塞的纵截面示意图；

图8为本发明具体实施例中的气流在燃烧室凹坑内形成滚流的示意图；

图9为本发明具体实施例中的进气门的局部结构示意图；

图10为本发明具体实施例中的气缸内的滚流示意图；

图11为本发明与现有技术的标定点缸内滚流强度变化曲线；

图12为本发明与现有技术的标定点缸内涡流强度变化曲线；

图13为本发明与现有技术的标定点放热率变化曲线；

图14为本发明与现有技术的标定点缸压变化曲线；

图15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16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16中的附图标记的含义如下：

100-活塞、200-进气门、300-气缸、400-进气道、101-活塞中心线、1-活塞中心、2-导流凸出线、3-导流凸出线圆心、4-导流凸出线位置控制圆、5-进气门中心、6-第一导流坑边界线、7-第二导流坑边界线、8-第一参考线、9-活塞外圆、10-排气门中心、11-第一导流坑、12-第二导流坑、13-排气避阀坑、14-导流凸出部、15-活塞上顶面、16-燃烧室凹坑、17-周向壁面、18-第一倒圆角、19-底面、20-第二倒圆角。

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10，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为图2中活塞的纵向剖视图；图4为本发明具体实施例中的活塞的俯视图；图5为本发明具体实施例中的凹坑横截面的特征图；图6为本发明具体实施例中的凹坑横截面示意图；图7为本发明具体实施例中的活塞的纵截面示意图；图8为本发明具体实施例中的气流在燃烧室凹坑内形成滚流的示意图；图9为本发明具体实施例中的进气门的局部结构示意图；图10为本发明具体实施例中的气缸内的滚流示意图。

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400为弱滚流气道，具体是指气缸盖的进气道400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100顶部的活塞上顶面15以及相对活塞上顶面15向下凹陷的燃烧室凹坑16，活塞上顶面15还设置有与两个排气门位置对应的排气避阀坑13，燃烧室凹坑16内的周向侧壁设有两个向燃烧室凹坑16内侧凸出的导流凸出部14，两个导流凸出部14分别位于两个进气门200的下方，导流凸出部14的上端面与活塞上顶面15相接且下端与燃烧室凹坑16的底面19相接，燃烧室凹坑16包括位于排气门下方的第一导流坑11以及位于两个导流凸出部14之间的第二导流坑12，第一导流坑11与第二导流坑12连通，导流凸出部14的侧表面形成第一导流坑11与第二导流坑12之间的圆滑过渡面。本发明中的燃烧室凹坑16的横截面结构类似于船锚形状，如图5和图6所示。

本方案的工作原理如下：

该燃烧室结构配合弱滚流快速燃烧系统的缸盖结构，在进气过程中，使得进气气流在气缸300内同时形成大尺度的涡流与弱滚流运动；在压缩过程中，随着活塞100上行，燃烧室凹坑16不断组织气流，使得气流由较宽的第一导流坑11向较窄的第二导流坑12汇聚流动，然后，汇聚后的气流从第二导流坑12向上抛出，从而进一步强化滚流运动，涡流因受到两个导流凸出部14的阻碍而迅速弱化；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，挤流比维持在50%~55%，挤流比是指活塞上顶面15的面积（图6中的面积S2）与气缸横截面面积（图6中的面积S1+S2）的比值，即S2/（S1+S2）=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，在进气过程中强化滚流，且涡流维持原水平，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第一导流坑11，气流进入第一导流坑11之后继续向第二导流坑12流动，如图8所示，图8中的箭头表示气体进入燃烧室凹坑16后由第一导流坑11向第二导流坑12运动以生成滚流的示意，由于两个导流凸出部14使得进气门200下方的燃烧室凹坑宽度变窄，因此，气流逐渐向第二导流坑12汇聚，最后，汇聚后的气流从第二导流坑12向上抛出，并在气缸内形成大尺度的滚流运动，在此过程中，两个导流凸出部14对气流有汇聚和加强的引导作用，因此，使得气缸内的滚流强度得以提升，同时，由于进气过程中使得气缸内空间变大，不会对涡流的形成产生较大影响，因此，涡流能够维持原水平；

第二阶段，在压缩过程中，使涡流迅速弱化，滚流继续强化，具体的，在压缩过程中，随着活塞不断上行，气缸内的空间逐渐变小，与此同时，在气缸内形成的大尺度滚流运动也在不断流经燃烧室凹坑16，与上述第一阶段类似，流入第一导流坑11的气流在受到两个导流凸出部14的引导作用后再次向第二导流坑12汇聚并加强，因此，活塞上行过程中会不断组织气流通过第二导流坑12，矫正并加强了气缸内原本可能倾斜的滚流运动；同时，由于气缸内的空间随着活塞上行而不断变小，气缸内在第一阶段形成的大尺度涡流运动不断被压缩至燃烧室凹坑16内部，而本发明中两个导流凸出部14的设计使得原有的回转体凹坑结构变为非回转体结构的凹坑，不利于维持绕气缸轴线方向的涡流运动，因此，进入燃烧室凹坑16内的涡流与导流凸出部14撞击后就会快速破碎，增加缸内的湍动能；

第三阶段，在压缩过程的末期，滚流剧烈破碎，提升湍动能，具体的，经过第一和第二阶段的滚流强化过程，燃烧室内的滚流趋势依然明显，而在活塞上行至上止点的过程中，燃烧室空间逐渐压缩至最小，此时，滚流剧烈破碎成湍流，湍动能提升，有利于点火后加快火焰传播速度。

另外，请参照图15，图15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15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15右侧的一列由上而下的三个图为本发明提供的船锚形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15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15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15可见，在压缩开始阶段，原方案燃烧室内气流也形成了大尺度滚流运动，但是不如本方案的滚流运动更加明显，原方案排气侧下方区域滚流不明显，且燃烧室凹坑内滚流运动很小，表明燃烧室凹坑对滚流的生成帮助不大；在压缩过程中期，原方案排气侧下方区域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，而本方案形成的大尺度滚流运动偏向排气侧，消除了排气侧下方的局部旋流运动，大大降低了爆震风险；在压缩末期，本方案的滚流趋势仍然明显，在火焰传播过程中，滚流可以进一步持续破碎，对于加快火焰传播速度有利。

另外，请参照图10，在进气和压缩过程中，进气气流在经过活塞100的引导作用后生成大尺度滚流运动，而燃烧室凹坑16设计为类似于船锚形的结构，因此，当气流经过第一导流坑11后，有部分气流从导流凸出部14的侧表面向上抛出形成一部分滚流（如图10中位于两侧的箭头所示），还有一部分气流从第二导流坑12向上抛出形成另一部分滚流（如图10中位于中间的箭头所示），由于燃烧室凹坑16在排气门侧至进气门侧方向的非对称特征，使得上述两部分滚流的旋转轴线为非同轴布置，因此，不同流层间的滚流相互剪切，进而增加湍动能。

需要说明的是，本方案中通过在进气门200下方的燃烧室凹坑内壁设计两个导流凸出部14，使得燃烧室凹坑16的整体中心偏向排气门侧，如图4至图6所示，由活塞100的俯视图和凹坑横截面都可以看出，燃烧室凹坑16的大部分位于排气门下方，如此设置，能够使滚流偏向排气门侧，从而使得排气门侧的湍动能提升，在燃烧初期，火焰发展偏向排气门附近，进而加快排气门侧的火焰燃烧速度，降低爆震风险。

优选地，燃烧室凹坑16所处的活塞部分的横截面为凹坑横截面，即，用垂直于活塞中心线101的平面去切割燃烧室凹坑16所处的活塞部分产生的横截面，如图5和图6所示，活塞100的外壁面与凹坑横截面的交线则为活塞外圆9，燃烧室凹坑16与凹坑横截面的交线即为燃烧室凹坑边界线，也即燃烧室凹坑16的周向壁面17与凹坑横截面的交线，其中，导流凸出部14与凹坑横截面的交线为导流凸出线2，由于导流凸出部14的侧表面形成第一导流坑11与第二导流坑12之间的圆滑过渡面，因此，导流凸出线2为圆滑过渡的曲线，其具体可设计成圆弧线或椭圆弧线等，对应的，导流凸出部14的侧表面为圆柱形、或圆锥形、或椭圆柱形、或椭圆锥形等形状的一部分侧面。优选地，为了便于加工，本方案中的导流凸出线2设计为圆弧线。如图5所示，第一导流坑11与凹坑横截面的交线为第一导流坑边界线6，第二导流坑12与凹坑横截面的交线为第二导流坑边界线7，第一导流坑边界线6、第二导流坑边界线7和两个导流凸出线2共同组成了整个燃烧室凹坑16与凹坑横截面的交线（即燃烧室凹坑边界线）。

需要说明的是，本发明中的两个导流凸出部14可以设计为形状、尺寸一样的结构，例如将两者都设计为圆柱面凸出结构；也可以设计为不同形状、尺寸的圆滑凸出结构，例如将其中一个导流凸出部14设计为部分圆柱面凸出结构，而将另一个导流凸出部14设计为部分椭圆柱面凸出结构，等等。这些设计方案都能够实现对气流进行组织以强化滚流和破碎涡流的作用。为了降低加工难度，本方案将两个导流凸出部14设计为一样的且对称布置的结构，具体的，如图5所示，活塞100的中心线（即图7中的活塞中心线101）在凹坑横截面的投影为活塞中心1，进气门200的中心线在凹坑横截面的投影为进气门中心5，经过活塞中心1并且与两个进气门中心5的连线垂直的线为第一参考线8，如图5所示，两个导流凸出线2对称分布于第一参考线8的两侧。如此设计，也使得第二导流坑12将汇聚强化后的气流集中向上抛出，并在燃烧室的中部形成滚流的主要部分。

本方案中的第一导流坑边界线6可以设计为圆弧线或椭圆弧线等形状，也可以设计为多种弧线形状的组合，优选地，第一导流坑边界线6也设计为关于第一参考线8对称，如图5所示，进一步地，第一导流坑边界线6设计为圆弧线，第一导流坑边界线6的曲率中心与活塞中心1重合。图5中连接于第一导流坑边界线6右侧的一段同心的虚线圆弧线为燃烧室凹坑加工为完整圆形时对应于进气门侧的边界，由此可见，相对于现有的圆形燃烧室凹坑，本发明将进气门侧下方的部分燃烧室凹坑内壁设计为向排气门侧偏移凸出，因此，燃烧室凹坑16的整体中心也向排气门侧偏移。

需要说明的是，图2、图3、图4、图7、图8和图10中所示的位于燃烧室凹坑16内侧的线条中，除了各截面图中示出的燃烧室凹坑16和导流凸出部14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4中所示的位于活塞中心1左侧的最近的一段圆弧线条是第一倒圆角18与燃烧室凹坑16的底面19的交界线，图4中所示的位于活塞中心1右侧最近的两段向内凸出的圆弧线条是导流凸出部14的下端与底面19的圆滑过渡面与底面19的交界线，等等。

为了使滚流运动明显偏向排气门侧，进一步优选地，本方案还具体限定了第二导流坑12的导流长度，请参照图5，第二导流坑边界线7与第一导流坑边界线6相对的一段明显比第一导流坑边界线6更加靠近活塞中心1，由于导流凸出线2为圆弧过渡线，燃烧室凹坑内的气流在运动至导流凸出部14的时候就会沿其侧表面逐渐流入第二导流坑12内，因此，第二导流坑12的导流段可认为是自导流凸出部14的侧表面开始并且至第二导流坑12远离活塞中心1的一侧为止，而第二导流坑12远离活塞中心线101的一侧的位置决定了气流抛出燃烧室凹坑16的位置，并决定了滚流在气缸内的主要分布区域，也决定了滚流主要部分的旋转轴线位置，因此，为了便于对第二导流坑12的导流长度进行限定，本方案通过限定活塞中心1与第二导流坑边界线7的距离来反应第二导流坑12的导流长度，具体的，活塞中心1与第二导流坑边界线7的距离（图5中所示的距离L）为进气门200的直径（即进气门直径D）的0.6~1.4倍，即L=（0.6~1.4）D。另外，本方案通过限定距离L的大小，还间接控制了两个导流凸出部14之间的活塞上顶面15部分的宽度。

优选地，导流凸出线2的曲率中心（图5中所示的导流凸出线圆心3）与进气门中心5的距离为进气门直径D的0~0.35倍，即，导流凸出线圆心3在以进气门中心5为圆心的圆形范围内，该圆形为导流凸出线位置控制圆4，且导流凸出线位置控制圆4的半径R1=（0~0.35）D。在本方案优选的两个导流凸出线2对称分布的情况下，两个导流凸出线位置控制圆4的半径R1设计为相等，当然，在其他可行的实施例中，也可以将两者设计为不等。

优选地，两个导流凸出线2的曲率中心的距离（图5中所示的两个导流凸出线圆心3的距离H1）为进气门直径D的1~1.5倍，即，H1=（1~1.5）D。

进一步优选地，导流凸出线2的半径（图5中所示的R2）为进气门直径D的0.25~0.4倍，即，R2=（0.25~0.4）D。为便于加工，本方案中优选将两个导流凸出线2的半径设计为相等。导流凸出线2的半径R2与上述两个导流凸出线圆心3的距离H1共同限定了滚流加强部分的第二导流坑12的宽度，而上述导流凸出线位置控制圆4的半径R1大小则控制导流凸出线圆心3相对进气门中心5偏移的距离。

优选地，排气门的中心线在凹坑横截面的投影为排气门中心10，导流凸出线2的曲率中心位于两个进气门中心5的连线与两个排气门中心10的连线之间的区域。如此设置，可以使两个导流凸出部14更加靠近排气门侧。

通过上述特征限定，本方案可以进一步加大进气门侧的挤流面积，在活塞上行的过程中可以将更多气体挤向排气门侧，进而加快排气门侧的燃烧速度，降低爆震风险。

需要说明的是，本发明中可以将燃烧室凹坑16的底面19设计为平面或凹陷的曲面等，如图7所示，图7为活塞100的纵截面示意图，具体的，该纵截面为经过活塞中心线101的活塞纵截面，本方案中的燃烧室凹坑16的底面19为平面，该平面可设计为与活塞中心线101垂直的平面，优选地，燃烧室凹坑16的深度（图7所示的活塞上顶面15与底面19之间的距离H2）为进气门直径D的0.5~1.2倍，即，H2=0.5D~1.2D。通过限定燃烧室凹坑16的深度，可以使活塞100的压缩比处于合理且高效的范围。

如图7所示，优选地，燃烧室凹坑16的周向壁面17与燃烧室凹坑16的底面19之间通过第一倒圆角18相接，第一倒圆角18的半径（图7中所示的半径R3）为进气门直径D的0.2~0.6倍，即，R3=0.2D~0.6D。如此设置，第一倒圆角18可以避免燃烧室凹坑16的周向壁面17与底面19相接处的死角，从而为气流提供圆滑过渡的导向面。在压缩过程中活塞上行，当进气气流进入第一导流坑11时，就会依次沿周向壁面17、第一倒圆角18、底面19顺利地流向第二导流坑12，在第一倒圆角18的导向作用下更有利于气体翻滚并强化滚流，第一倒圆角18的半径大小影响气流翻滚的方向和强度。

优选地，燃烧室凹坑16的周向壁面17与活塞上顶面15之间通过第二倒圆角20相接。通过设置第二倒圆角20，可以在压缩过程中，使气缸内的挤流更加顺利地进入燃烧室凹坑16内，同时，还避免燃烧室凹坑16与活塞上顶面15相接处的应力集中。

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11至图14，图11为本发明与现有技术的标定点缸内滚流强度变化曲线，图12为本发明与现有技术的标定点缸内涡流强度变化曲线，图13为本发明与现有技术的标定点放热率变化曲线，图14为本发明与现有技术的标定点缸压变化曲线。图11至图14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11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12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13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，对于火焰传播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。由图13还可见，在后期燃烧阶段（曲轴转角20°CA之后），本发明方案的瞬时放热率和累积放热量相比于原方案有所降低，这是因为本发明方案中的燃烧室内表面面积相比于原方案有所增加，使得更多的热量能够通过活塞散失掉，所以，本发明有利于降低高负荷工况的排气温度以及改善排气管可靠性。另外，请参照图16，图16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16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）的火焰面变化示意，右侧一列为本发明船锚形燃烧室凹坑方案（即本方案）的火焰面变化示意。由图16可见，在曲轴转角为0°CA时，原方案排气侧下方区域还在燃烧，而本方案排气侧下方区域已经燃烧完，即，燃烧初期火焰先扫略排气侧下方区域；在曲轴转角为10°CA-20°CA时，原方案的火焰刚刚向进气侧下方区域蔓延，而本方案火焰已经在进气侧下方区域燃烧完毕。可见，本方案较原方案的燃烧速度更快，这样就使得燃烧的主要放热阶段处于做功过程。

由图14可见，本方案的缸压可达到13.12MPa（131.2bar），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类似于船锚型的结构，能够在燃烧室内形成多个非同轴的滚流运动，不同流层间的滚流相互剪切，可以在压缩过程中增加湍动能；

2）本方案通过在进气门下方设计两个导流凸出部，可以使燃烧室凹坑的主要凹坑部分偏向排气门侧，从而能够使得燃烧初期的火焰发展偏向排气门附近，进而加快排气门侧的火焰燃烧速度，降低爆震风险；

3）本方案通过在燃烧室凹坑内侧设计两个导流凸出部，可以使得涡流在压缩阶段快速破碎，增加气缸内的湍动能，加速燃烧；

4）两个导流凸出部的设计使得燃烧室内表面面积增加，从而增加了活塞传导散失的热量，进而在排气过程中降低高负荷工况的排气温度，对改善排气管可靠性有利。

本发明还提供了一种包括上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 (15)

1.一种燃烧室，用于燃气发动机，其特征在于，包括位于活塞（100）顶部的活塞上顶面（15）以及相对所述活塞上顶面（15）向下凹陷的燃烧室凹坑（16），所述燃烧室凹坑（16）内的周向侧壁设有两个向所述燃烧室凹坑（16）内侧凸出的导流凸出部（14），两个所述导流凸出部（14）分别位于两个进气门（200）的下方，所述导流凸出部（14）的上端面与所述活塞上顶面（15）相接且下端与所述燃烧室凹坑（16）的底面（19）相接，所述燃烧室凹坑（16）的所述底面（19）为平面或凹陷的曲面，所述燃烧室凹坑（16）包括位于排气门下方的第一导流坑（11）以及位于两个所述导流凸出部（14）之间的第二导流坑（12），所述第一导流坑（11）与所述第二导流坑（12）连通，所述导流凸出部（14）的侧表面形成所述第一导流坑（11）与所述第二导流坑（12）之间的圆滑过渡面。

2.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述燃烧室凹坑（16）所处的活塞部分的横截面为凹坑横截面，所述导流凸出部（14）与所述凹坑横截面的交线为导流凸出线（2），所述导流凸出线（2）为圆弧线。

3.根据权利要求2所述的燃烧室，其特征在于，所述进气门（200）的中心线在所述凹坑横截面的投影为进气门中心（5），所述导流凸出线（2）的曲率中心与所述进气门中心（5）的距离为所述进气门（200）的直径的0~0.35倍。

4.根据权利要求3所述的燃烧室，其特征在于，两个所述导流凸出线（2）的曲率中心的距离为所述进气门（200）的直径的1~1.5倍。

5.根据权利要求4所述的燃烧室，其特征在于，所述导流凸出线（2）的半径为所述进气门（200）的直径的0.25~0.4倍。

6.根据权利要求3所述的燃烧室，其特征在于，所述排气门的中心线在所述凹坑横截面的投影为排气门中心（10），所述导流凸出线（2）的曲率中心位于两个所述进气门中心（5）的连线与两个所述排气门中心（10）的连线之间的区域。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的燃烧室，其特征在于，所述活塞（100）的中心线在所述凹坑横截面的投影为活塞中心（1），所述第二导流坑（12）与所述凹坑横截面的交线为第二导流坑边界线（7），所述活塞中心（1）与所述第二导流坑边界线（7）的距离为所述进气门（200）的直径的0.6~1.4倍。

8.根据权利要求2至6中任一项所述的燃烧室，其特征在于，所述活塞（100）的中心线在所述凹坑横截面的投影为活塞中心（1），所述进气门（200）的中心线在所述凹坑横截面的投影为进气门中心（5），经过活塞中心（1）并且与两个所述进气门中心（5）的连线垂直的线为第一参考线（8），两个所述导流凸出线（2）对称分布于所述第一参考线（8）的两侧。

9.根据权利要求8所述的燃烧室，其特征在于，所述第一导流坑（11）与所述凹坑横截面的交线为第一导流坑边界线（6），所述第一导流坑边界线（6）关于所述第一参考线（8）对称。

10.根据权利要求9所述的燃烧室，其特征在于，所述第一导流坑边界线（6）为圆弧线，所述第一导流坑边界线（6）的曲率中心与所述活塞中心（1）重合。

11.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述燃烧室凹坑（16）的深度为所述进气门（200）的直径的0.5~1.2倍。

12.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述燃烧室凹坑（16）的周向壁面（17）与所述燃烧室凹坑（16）的所述底面（19）之间通过第一倒圆角（18）相接，所述第一倒圆角（18）的半径为所述进气门（200）的直径的0.2~0.6倍。

13.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述燃烧室凹坑（16）的周向壁面（17）与所述活塞上顶面（15）之间通过第二倒圆角（20）相接。

14.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述燃烧室的挤流比为50%~55%。

15.一种燃气发动机，其特征在于，包括如权利要求1至14中任一项所述的燃烧室。

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