CN112879148A - 一种适用于高功率密度柴油机的非对称燃烧室系统 - Google Patents

一种适用于高功率密度柴油机的非对称燃烧室系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于高功率密度柴油机的非对称燃烧室系统，属于柴油机相关技术领域，包括燃烧室、竖直设置于气缸盖中心的主喷油器和倾斜设置于气缸盖的副喷油器，所述燃烧室与所述活塞为偏心设置，所述燃烧室喉口圆心位于所述副喷油器一侧，以使所述燃烧室在所述副喷油器一侧的第一凹坑的容积大于远离所述副喷油器一侧的第二凹坑容积。本发明可以调节其副喷油一侧和远离副喷油器一侧的空气量的比例，使之与主副喷油器系统中副喷油器一侧的燃油较多，远离副喷油器一侧的燃油较少的特征适配，从而解决所述主副喷油器系统中因为燃油分布不均匀、不对称而导致的当量比分布的不均匀、不对称的问题。

Description

一种适用于高功率密度柴油机的非对称燃烧室系统
技术领域
本发明属于柴油机相关技术领域，更具体地，涉及一种适用于高功率密度柴油机的非对称燃烧室系统。
背景技术
为了满足特种车辆(如坦克)动力舱体积不断缩小的要求，发动机的强化程度越来越高，其升功率指标已经突破了100～110kW/L，并且正在朝着120kW/L甚至更高的目标发展。出于安全性和动力性考虑，特种发动机一般为柴油机。而柴油机的燃料是以喷雾混合为主导的扩散燃烧。要提高柴油机的升功率，相应地，就要提高柴油机的喷油量和喷油速率。为此，可以在缸内设置一主一副两支喷油器，主喷油器在气缸盖中心竖着安装，副喷油器在气缸盖外侧倾斜安装，两支喷油器同时可以增大总体喷油速率，缩短喷油持续期，满足高功率密度柴油机关于喷油速率的要求。
但是，主副喷油系统中副喷油器的燃油雾束关于气缸中心轴线是不对称的，使得总体燃油分布式不对称的，副喷油器一侧的燃油较多，远离副喷油器一侧的燃油较少，从而导致总体当量比分布不均匀、不对称，影响燃烧性能。
综上所述，在这种高功率密度柴油机主副喷油系统中，改善当量比分布的不均匀性、不对称性是优化其燃烧性能的关键。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于高功率密度柴油机的非对称燃烧室系统，其目的在于通过燃烧室与活塞为偏心设置，燃烧室喉口圆心位于副喷油器一侧，以使燃烧室在副喷油器一侧的第一凹坑的容积大于远离副喷油器一侧的第二凹坑容积，可以调节其副喷油一侧和远离副喷油器一侧的空气量的比例，使之与主副喷油器系统中副喷油器一侧的燃油较多，远离副喷油器一侧的燃油较少的特征适配，从而解决现有技术中燃烧室系统中因为燃油分布不均匀、不对称而导致的当量比分布的不均匀、不对称的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种适用于高功率密度柴油机的非对称燃烧室系统，包括设置在活塞中的燃烧室、竖直设置于气缸盖中心的主喷油器和倾斜设置于气缸盖的副喷油器，
所述燃烧室与所述活塞为偏心设置，所述燃烧室喉口圆心位于所述副喷油器一侧，以使所述燃烧室在所述副喷油器一侧的第一凹坑的容积大于远离所述副喷油器一侧的第二凹坑容积。
优选地，所述燃烧室侧壁中部设置有向内的燃烧室环形凸起，以把所述燃烧室分为燃烧室上层凹坑和燃烧室下层凹坑；
所述主喷油器喷出的燃油雾束指向所述燃烧室环形凸起，燃油雾束的末端与所述燃烧室环形凸起发生碰撞，被分成向上和向下的两股卷流，并以壁面射流方式进入所述燃烧室上层凹坑和所述燃烧室下层凹坑。
优选地，所述燃烧室下层凹坑的型线呈缩口状，以增强进入所述燃烧室下层凹坑的卷流强度，从而使进入所述燃烧室下层凹坑卷流的流量大于进入燃烧室上层凹坑卷流的流量，以促进油气混合。
优选地，所述燃烧室环形凸起为圆弧结构，所述圆弧结构分别与所述燃烧室上层凹坑和所述燃烧室下层凹坑的型线相连。
优选地，所述主喷油器喷出的燃油雾束指向所述燃烧室环形凸起的中点。
优选地，所述燃烧室下层凹坑沿所述活塞的中心轴线对称设置。
优选地，所述主喷油器沿其喷油嘴圆周方向均匀分布多个喷油孔，所述副喷油器设有多个喷油孔，且所述主喷油器的一个喷油孔与所述副喷油器的一个喷油孔相对设置。
优选地，所述副喷油器的喷油孔的数量为单数，且所述副喷油器的喷油孔以其中间喷油孔为参照对称分布。
优选地，所述副喷油器的燃油雾束指向所述燃烧室中心。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提出的一种适用于高功率密度柴油机的非对称燃烧室系统，燃烧室与活塞为偏心设置，燃烧室喉口圆心位于副喷油器一侧，以使燃烧室在副喷油器一侧的第一凹坑的容积大于远离副喷油器一侧的第二凹坑容积，可以调节其副喷油一侧和远离副喷油器一侧的空气量的比例，使之与主副喷油器系统中副喷油器一侧的燃油较多，远离副喷油器一侧的燃油较少的特征适配，从而解决所述主副喷油器系统中因为燃油分布不均匀、不对称而导致的当量比分布的不均匀、不对称的问题。
2、本发明提出的一种适用于高功率密度柴油机的非对称燃烧室系统，通过燃烧室侧壁中部设置向内的燃烧室环形凸起，燃烧室环形凸起将燃烧室凹坑分为燃烧室上层凹坑和燃烧室下层凹坑，燃烧室下层凹坑是燃烧发生的主要区域，燃烧室下层凹坑的型线呈缩口状，可以增强燃烧室下层凹坑中的湍流强度；主喷油器的燃油雾束末端与燃烧室环形凸起发生碰撞后形成向上和向下的两股卷流，分别进入燃烧室上层凹坑和燃烧室下层凹坑，促进油气混合，提高空气利用率，改善低空燃比条件下的燃烧效果。
3、本发明提出的一种适用于高功率密度柴油机的非对称燃烧室系统，燃烧室系统包括一支主喷油器和一支副喷油器，主喷油器在气缸盖中心竖直安装，副喷油器在气缸盖外侧倾斜安装，两支喷油器同时喷油可以增大总体喷油速率，缩短喷油持续期，有效解决高功率密度柴油机中单喷油器喷油速率不足的问题。
附图说明
图1是本发明适用于高功率密度柴油机的非对称燃烧室系统的结构示意图；
图2是本发明适用于高功率密度柴油机的非对称燃烧室系统中主喷油器燃油雾束与燃烧室环形凸起的匹配关系示意图；
图3是本发明适用于高功率密度柴油机的非对称燃烧室系统中非对称燃烧室的剖面图；
图4是本发明适用于高功率密度柴油机的非对称燃烧室系统中非对称燃烧室非对称区域的等高线图；
图5是本发明适用于高功率密度柴油机的非对称燃烧室系统中主副喷油器燃油雾束分布的示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-气缸盖；2-主喷油器；3-副喷油器；4-主喷油器的燃油雾束；5-副喷油器的燃油雾束；6-燃烧室；7-燃烧室环形凸起；8-燃烧室上层凹坑；9-燃烧室下层凹坑；10-第一凹坑；11-第二凹坑；12-气缸；13-活塞。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1，本发明提供了一种适用于高功率密度柴油机的非对称燃烧室系统，包括一支主喷油器2、一支副喷油器3和燃烧室6，所述主喷油器2在气缸盖1中心竖直安装，所述副喷油器3在所述气缸盖1外侧倾斜安装，所述主喷油器2和所述副喷油器3同时喷油可以增大总体喷油速率，缩短喷油持续期，有效解决高功率密度柴油机中单喷油器喷油速率不足的问题。但是在燃烧室系统中，所述副喷油器3的燃油雾束关于气缸12中心轴线是不对称的，使得总体燃油分布也是不对称的，所述副喷油器3一侧的燃油较多，远离所述副喷油器3一侧的燃油较少，从而导致总体当量比分布不均匀、不对称，从而影响燃烧性能。因此，本发明提供了一种非对称燃烧室结构，通过在所述燃烧室6侧壁中部设置向内的燃烧室环形凸起7，所述主喷油器的燃油雾束4末端与所述燃烧室环形凸起7发生碰撞后形成双卷流，与燃烧室6内的空气充分混合；通过适当地非对称设计，调节所述副喷油器3一侧和远离所述副喷油器3一侧的空气量的比例，使之与所述副喷油器3一侧的燃油较多，远离副喷油器3一侧的燃烧较少的特征相适配，从而解决高功率密度柴油机因为燃油分布不均匀、不对称从而导致的当量比分布不均匀、不对称的问题。
具体的，如图1所示，本发明的实施例中，所述非对称燃烧室系统包括主喷油器2、副喷油器3和燃烧室6，所述主喷油器2和所述副喷油器3均设置在气缸盖1上，并且均为缸内直接喷射，并且公共一个燃烧室6。
进一步地，所述主喷油器2在气缸盖1上竖直安装，其中心轴线与气缸12的中心轴线重合，所述副喷油器3在所述气缸盖1上倾斜安装，其中心轴线与所述气缸12的中心轴线在一个平面上。所述副喷油器3的中心轴线与所述气缸12的中心轴线之间的夹角为α，所述副喷油器3的中心轴线与所述气缸盖1底面的交点为A，所述交点A与所述主喷油器2的中心轴线之间的径向距离为L，所述夹角α与所述径向距离L根据目标机型具体确定。
作为本发明的一个优选实施例，所述夹角α与所述径向距离L的参考值分别为25°，36mm。
更进一步的说明，如图5所示，所述主喷油器2的中心轴线与所述副喷油器3的中心轴线延展构成平面S，所述主喷油器2其中一个喷油孔的中心轴线位于平面S上，且指向所述副喷油器3一侧，所述副喷油器3的喷油孔的数量一般为单数，且中间喷油孔的中心轴线也位于平面S上，所述副喷油器3的喷油孔以其中间喷油孔为参照对称布置；所述主喷油器2承担主要的喷油量，所述副喷油器3起到辅助喷油的作用，但是所述副喷油器的燃油雾束5主要分布在副喷油器3一侧的燃烧室中，使得副喷油器3一侧的燃油较多，远离副喷油器3一侧的燃油较少。
作为本发明的一个优选实施例，所述主喷油器2的喷油孔的数量的参考值为8；所述副喷油器3的喷油孔的数量的参考值为3，且所述副喷油器3左右喷油孔与其中间喷油孔的夹角的参考值为47°。
作为本发明进一步地优选实施例，所述主喷油器2的喷油量与所述副喷油器3的喷油量之比的参考值为8：2，由此可知所述燃烧室6中副喷油器3一侧与远离副喷油器3一侧的喷油量之比为3:2，因此所述燃烧室6内的燃油分布是不均匀、不对称。
为了解决燃油分布是不均匀、不对称从而导致的当量比分布不均匀不、不对称的问题，本发明的实施例提出一种非对称燃烧室结构，具体如下：
如图1-3所示，所述燃烧室6侧壁中部设置有向内的燃烧室环形凸起7，所述燃烧室环形凸起7将所述燃烧室6分为燃烧室上层凹坑8和燃烧室下层凹坑9，所述燃烧室环形凸起7为一段半径为r的圆弧结构，所述圆弧结构分别与所述燃烧室上层凹坑8和所述燃烧室下层凹坑9的型线相连，起到过渡作用。
更进一步的说明，所述燃烧室下层凹坑9为燃烧发生的主要区域，所述燃烧室下层凹坑9的型线呈缩口状，便于增强燃烧室下层凹坑9中的湍流强度，促进混合和燃烧。所述主喷油器的燃油雾束4指向所述燃烧室环形凸起7，即所述圆弧结构的中点，所述主喷油器的燃油雾束4末端与所述燃烧室环形凸起7发生碰撞，形成向上和向下的两股卷流，并且分别以壁面射流的运动方式进入所述燃烧室上层凹坑8和所述燃烧室下层凹坑9，其中向下进入所述燃烧室下层凹坑9的壁面射流占主导。
作为本发明的一个优选实施例，所述圆弧结构的半径r为1mm。
更进一步的说明，如图3所示，所述燃烧室6的喉口圆心为O′，所述圆心O′不在所述气缸12的中心轴线上，所述圆心O′与所述气缸12的中心轴线，以及所述副喷油器3的中心轴线在一个平面上，所述圆心O′位于所述副喷油器3一侧，与所述气缸12中心轴线的距离为S，其结果是所述燃烧室6在所述副喷油器3一侧的第一凹坑容积10较大，在远离所述副喷油器3一侧的第二凹坑容积11较小。相应地，所述燃烧室6在所述副喷油器3一侧的空气量也更多，并且可以通过调节偏心距离S的大小来控制所述燃烧室6在所述副喷油器3一侧和远离所述副喷油器3一侧的空气量的比例，使之与所述非对称燃烧室系统中所述副喷油器3一侧的燃油较多，远离所述副喷油器3一侧的燃油较少的特征适配，从而解决所述燃烧室系统中因为燃油分布不均匀、不对称而导致的当量比分布的不均匀、不对称的问题。所述燃烧室6喉口圆心O′偏心设置后，所述燃烧室6喉口的非对称面需要连续光滑过渡，其等高线示意图如图4所示。
更进一步的说明，图3中细实线所示为对称喉口型线，其圆心O位于所述气缸12的中心轴线上，图3中实线所示为非对称型喉口型线，其圆心O′不在所述气缸12的中心轴线上，所述圆心O和所述圆心O′的距离为S，二者对比可以看出，相较于所述对称喉口型线，所述非对称喉口型线在所述副喷油器3一侧的第一凹坑容积10较大，所述远离副喷油器3一侧的第二凹坑11容积较小。
更进一步的说明，如图3、图4所示，F(F′)点所在喉口的轮廓线为圆形，其圆心为O′，C(C′)点所在喉口的轮廓线为圆形，其圆心为OC，OC和O在同一条竖直线上，与所述气缸12的中心轴线重合；F(F′)与C(C′)之间任意高度的水平切面的轮廓线均为圆形，其圆心位置(比如图3所示OD和OE)均位于O′-OC所示的直线上。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种适用于高功率密度柴油机的非对称燃烧室系统，包括设置在活塞(13)中的燃烧室(6)、竖直设置于气缸盖(1)中心的主喷油器(2)和倾斜设置于气缸盖(1)的副喷油器(3)，其特征在于：
所述燃烧室(6)与所述活塞(13)为偏心设置，所述燃烧室(6)喉口圆心位于所述副喷油器(3)一侧，以使所述燃烧室(6)在所述副喷油器(3)一侧的第一凹坑(10)的容积大于远离所述副喷油器(3)一侧的第二凹坑(11)容积。
2.根据权利要求1所述的一种高功率密度柴油机的非对称燃烧室系统，其特征在于，所述燃烧室(6)侧壁中部设置有向内的燃烧室环形凸起(7)，以把所述燃烧室(6)分为燃烧室上层凹坑(8)和燃烧室下层凹坑(9)；
所述主喷油器(2)喷出的燃油雾束指向所述燃烧室环形凸起(7)，主喷油器的燃油雾束(4)末端与所述燃烧室环形凸起(7)发生碰撞，被分成向上和向下的两股卷流，并以壁面射流方式进入所述燃烧室上层凹坑(8)和所述燃烧室下层凹坑(9)。
3.根据权利要求2所述的一种高功率密度柴油机的非对称燃烧室系统，其特征在于，所述燃烧室下层凹坑(9)的型线呈缩口状，以增强进入所述燃烧室下层凹坑(9)的卷流强度，从而使进入所述燃烧室下层凹坑(9)卷流的流量大于进入燃烧室上层凹坑(8)卷流的流量，以促进油气混合。
4.根据权利要求3所述的一种高功率密度柴油机的非对称燃烧室系统，其特征在于，所述燃烧室环形凸起(7)为圆弧结构，所述圆弧结构分别与所述燃烧室上层凹坑(8)和所述燃烧室下层凹坑(9)的型线相连。
5.根据权利要求4所述的一种高功率密度柴油机的非对称燃烧室系统，其特征在于，所述主喷油器的燃油雾束(4)指向所述燃烧室环形凸起(7)的中点。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种高功率密度柴油机的非对称燃烧室系统，其特征在于，所述燃烧室下层凹坑(9)沿所述活塞(13)的中心轴线对称设置。
7.根据权利要求6所述的一种高功率密度柴油机的非对称燃烧室系统，其特征在于，所述主喷油器(2)沿其喷油嘴圆周方向均匀分布多个喷油孔，所述副喷油器(3)设有多个喷油孔，且所述主喷油器(2)的一个喷油孔与所述副喷油器(3)的一个喷油孔相对设置。
8.根据权利要求7所述的一种高功率密度柴油机的非对称燃烧室系统，其特征在于，所述副喷油器(3)的喷油孔的数量为单数，且所述副喷油器(3)的喷油孔以其中间喷油孔为参照对称分布。
9.根据权利要求8所述的一种适用于高功率密度柴油机的非对称燃烧室系统，其特征在于，副喷油器的燃油雾束(5)指向所述燃烧室(6)中心。
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