CN113389651B - 活塞和发动机 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例提供一种活塞和发动机，涉及发动机技术领域。本申请实施例提供的活塞包括活塞头，活塞头的一端具有活塞顶，活塞头内设有燃烧室腔体，燃烧室腔体由燃烧室内腔壁与燃烧室底壁围合而成，活塞顶上设有连通燃烧室腔体的开口；燃烧室内腔壁具有多个依次首尾相接的旋转曲面，部分旋转曲面朝开口逐渐收缩。本申请实施例提供的发动机，至少包括上述活塞。活塞的燃烧室内腔壁具有多个旋转曲面，且部分旋转曲面朝开口逐渐收缩，使燃烧室腔体内的挤气气流强度和湍流强度增强，天然气气流的运动速度提高，天然气燃烧火焰的传播速率加快，从而提高发动机的热效率。

Description

活塞和发动机
技术领域
本申请涉及发动机技术领域，尤其涉及一种活塞和发动机。
背景技术
随着国内汽车行业的快速发展，我国面临能源紧张与环境污染等问题，越来越多的人们将目光投放在天然气这种替代能源上。天然气是发动机的主要替代能源之一，凭借着价格低廉，燃烧清洁等特点，在清洁代用燃料中显现出强大的优势。
相关技术中，天然气发动机包括缸体和设置在缸体内的活塞，活塞的顶面设有燃烧室，天然气在燃烧室内燃烧，生成高温气体，通过高温气体推动活塞运动以向外输出动力。
然而，相关技术中，天然气气流在燃烧室内的运动速度慢，天然气燃烧所产生的火焰的传播速率慢，导致天然气发动机的热效率低。
发明内容
本申请实施例提供一种活塞和发动机，活塞的燃烧室内腔壁具有多个旋转曲面，且部分旋转曲面朝所述开口逐渐收缩，使燃烧室腔体内的挤气气流强度和湍流强度增强，天然气气流的运动速度提高，天然气燃烧火焰的传播速率加快，从而提高发动机的热效率。
本申请实施例提供一种活塞，包括圆筒状的活塞头，所述活塞头的一端具有活塞顶，所述活塞头内设有燃烧室腔体，所述燃烧室腔体由燃烧室内腔壁与燃烧室底壁围合而成，所述活塞顶上设有连通所述燃烧室腔体的开口；
所述燃烧室内腔壁具有多个依次首尾相接的旋转曲面，部分所述旋转曲面朝所述开口逐渐收缩。
通过燃烧室内腔壁具有多个依次首尾相接的旋转曲面，部分旋转曲面朝开口逐渐收缩，使燃烧室内腔壁形成缩口，从而对进入到燃烧室腔体内的天然气滚流进行阻挡，可减少气门对燃烧室腔体内天然气滚流的扰动，并防止天然气滚流耗散，进而增大燃烧室腔体内天然气的密度，提高挤气气流的强度。
挤气气流强度的提高，引起天然气气流的运动速度加快以及天然气燃烧时的火焰传播速度的加快。使燃烧室腔体内的未燃天然气被火焰迅速点燃，加快天然气的燃烧速度，提高天然气发动机的热效率。
另外，天然气气流在燃烧室腔体内流动时，燃烧室内腔壁上的多个旋转曲面对天然气气流产生扰动作用，使天然气气流不再围绕燃烧室内腔壁的表面作圆周运动，而是分成多股支气流沿各旋转曲面的表面运动。各支气流之间相互碰撞，在燃烧室腔体内产生大量小尺度的湍流，同时叠加了天然气滚流的作用，使燃烧室腔体内的湍流强度增大，进而使天然气气流的运动速度以及天然气燃烧时的火焰传播速度的加快，使天然气发动机的热效率提高。
在一种可能的实施方式中，本申请实施例提供的活塞，所述旋转曲面包括第一旋转曲面，所述第一旋转曲面的纬线的半径朝所述开口逐渐减小。
第一旋转曲面对应旋转曲面上朝开口逐渐收缩的部分，第一旋转曲面的纬线的半径朝开口逐渐减小，使第一旋转曲面越靠近开口越向燃烧室腔体内收缩。多个旋转曲面上的第一旋转曲面依次首尾相接，从而在燃烧室内腔壁靠近开口的区域形成缩口。
在一种可能的实施方式中，本申请实施例提供的活塞，所述旋转曲面还包括第二旋转曲面，所述第二旋转曲面位于所述第一旋转曲面与所述燃烧室底壁之间；
所述第二旋转曲面的纬线的半径朝所述开口逐渐增大。
在一种可能的实施方式中，本申请实施例提供的活塞，所述旋转曲面还包括第三旋转曲面，所述第三旋转曲面位于所述第一旋转曲面与所述开口之间；
所述第三旋转曲面的纬线的半径朝所述开口逐渐增大；
所述第一旋转曲面、所述第二旋转曲面和所述第三旋转曲面沿所述活塞头的延伸方向依次连接。
在一种可能的实施方式中，本申请实施例提供的活塞，所述第三旋转曲面的纬线的最大半径为所述活塞头的直径的0.13-0.15倍。
在一种可能的实施方式中，本申请实施例提供的活塞，所述旋转曲面的纬线的最大半径为所述活塞头的直径的0.19-0.21倍。
在一种可能的实施方式中，本申请实施例提供的活塞，所述燃烧室底壁为平面；
所述开口至所述燃烧室底壁之间的距离为所述活塞头的直径的0.25-0.27倍。
在一种可能的实施方式中，本申请实施例提供的活塞，所述旋转曲面的数量为4个，4个所述旋转曲面依次首尾连接，且呈阵列排布，4个所述旋转曲面的旋转中心均位于所述旋转曲面的靠近所述燃烧室腔体的中心的一侧；
相邻的两个所述旋转曲面之间具有连接边界，所述连接边界朝所述燃烧室腔体的内部凸出。
在一种可能的实施方式中，本申请实施例提供的活塞，所述旋转曲面的旋转中心线与所述活塞头的中心线在第一投影面上的距离为所述活塞头的直径的0.16-0.17倍；
所述旋转曲面的旋转中心线与所述活塞头的中心线在第二投影面上的距离为所述活塞头的直径的0.12-0.13倍；
所述第一投影面和所述第二投影面均穿过所述活塞头的中心线，且所述第一投影面与所述第二投影面垂直。
本申请实施例还提供一种发动机，至少包括上述活塞。
本申请实施例的发动机，该发动机通过上述活塞，使发动机燃烧室内挤气气流强度和湍流强度提高，天然气燃烧所产生的火焰的传播速率加快，使发动机的热效率提高。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的活塞的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的活塞的俯视示意图；
图3为本申请实施例提供的活塞的侧视示意图；
图4为图2中A-A截面的示意图。
附图标记说明：
10-活塞头；
11-活塞顶；
12-开口；
20-燃烧室腔体；
21-燃烧室内腔壁；
211-旋转曲面；
2111-第一旋转曲面；
2112-第二旋转曲面；
2113-第三旋转曲面；
22-燃烧室底壁。
具体实施方式
相关技术中，天然气发动机的燃烧室通常为碗型燃烧室，碗型燃烧室的侧壁为直筒状，使燃烧室中靠近进气门处的天然气进气滚流容易受进气门的扰动，使靠近进气门处的天然气进气滚流过早耗散，造成燃烧室内的挤气气流强度低，且直筒状侧壁使得燃烧室内的湍流强度较低，导致天然气气流的运动速度慢、天然气燃烧所产生的火焰的传播速率慢，天然气发动机的热效率低。
有鉴于此，本申请实施例提供一种活塞，其燃烧室内腔壁具有多个旋转曲面，且部分旋转曲面朝开口逐渐收缩，使燃烧室腔体内的挤气气流强度和湍流强度增强，天然气气流的运动速度提高，天然气燃烧火焰的传播速率加快，从而提高发动机的热效率。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请的优选实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
实施例一
图1为本申请实施例提供的活塞的结构示意图；图2为本申请实施例提供的活塞的俯视示意图；图3为本申请实施例提供的活塞的侧视示意图；
图4为图2中A-A截面的示意图。
本申请实施例提供一种活塞，包括活塞头10，活塞头10的一端具有活塞顶11，活塞头10内设有燃烧室腔体20，燃烧室腔体20由燃烧室内腔壁21与燃烧室底壁22围合而成，活塞顶11上设有连通燃烧室腔体的开口12。燃烧室内腔壁21具有多个依次首尾相接的旋转曲面211，各旋转曲面211上靠近开口12的部分曲面朝开口12逐渐收缩。
通过燃烧室内腔壁21具有多个依次首尾相接的旋转曲面211，各旋转曲面211上靠近开口12的部分曲面朝开口12逐渐收缩，使燃烧室内腔壁21形成缩口，从而对进入到燃烧室腔体20内的天然气滚流进行阻挡，可减少气门对燃烧室腔体20内天然气滚流的扰动，并防止天然气滚流耗散，进而增大燃烧室腔体内天然气的密度，提高挤气气流的强度。
挤气气流强度的提高，引起天然气气流的运动速度加快以及天然气燃烧时的火焰传播速度的加快。使燃烧室腔体20内的未燃天然气被火焰迅速点燃，加快天然气的燃烧速度，提高天然气发动机的热效率。
另外，天然气气流在燃烧室腔体20内流动时，燃烧室内腔壁21上的多个旋转曲面211对天然气气流产生扰动作用，使天然气气流不再围绕燃烧室内腔壁21的表面作圆周运动，而是分成多股支气流沿各旋转曲面211的表面运动。各支气流之间相互碰撞，在燃烧室腔体20内产生大量小尺度的湍流，同时叠加了天然气滚流的作用，使燃烧室腔体20内的湍流强度增大，进而使天然气气流的运动速度以及天然气燃烧时的火焰传播速度的加快，使天然气发动机的热效率提高。
具体的，活塞头10为圆筒状，旋转曲面211的数量为4个，4个旋转曲面211依次首尾连接且呈整列排布，4个旋转曲面211的旋转中心均位于旋转曲面211的靠近燃烧室腔体20的中心的一侧；
相邻的两个旋转曲面211之间具有连接边界，连接边界朝燃烧室腔体20的内部凸出。呈矩形整列排布4个旋转曲面211围合成形似十字并具有缩口的燃烧室腔体20。
具体的，燃烧室底壁22为平面，开口12至燃烧室底壁22之间的距离H为活塞头10的直径D的0.25-0.27倍。例如，H可以等于0.25D、0.26D或者0.27D。
具体的，第一投影面和第二投影面均穿过活塞头10的中心线E，且第一投影面与第二投影面垂直。
旋转曲面211的旋转中心线C与活塞头10的中心线E在第一投影面上的距离B1为活塞头10的直径D的0.16-0.17倍。例如，B1可以等于0.16D、0.165D或者0.17D。
旋转曲面211的旋转中心线C与活塞头10的中心线E在第二投影面上的距离B2为活塞头10的直径D的0.12-0.13倍。例如，B2可以等于0.12D、0.125D或者0.13D。
本申请实施例中，旋转曲面211包括第一旋转曲面2111，第一旋转曲面2111的纬线的半径朝开口逐渐减小。
第一旋转曲面2111对应旋转曲面21上朝开口逐渐收缩的部分，第一旋转曲面211的纬线的半径朝开口12逐渐减小，使第一旋转曲面2111越靠近开口12越朝燃烧室腔体20内收缩。多个旋转曲面211上的第一旋转曲面2111依次首尾相接，从而在燃烧室内腔壁21形成缩口。
本申请实施例中，旋转曲面211还包括第二旋转曲面2112，第二旋转曲面2112位于第一旋转曲面2111与燃烧室底壁22之间，第二旋转曲面2112的纬线的半径朝开口逐渐增大。
第二旋转曲面2112位于第一旋转曲面2111与燃烧室底壁22之间，第二旋转曲面2112的纬线的半径朝开口逐渐增大。多个旋转曲面211上的第二旋转曲面2112依次首尾相接，使位于缩口下方的燃烧室内腔壁21在水平方向上外扩，从而增大燃烧室腔体20的体积，形成更大的天然气容纳空间，使更多的天然气能够进入到燃烧室腔体20内进行燃烧。
并且，第一旋转曲面2111与第二旋转曲面2112组合，使燃烧室内腔壁21在靠近开口12的位置逐渐收缩，使燃烧室内腔壁21靠近燃烧室底壁22的区域逐渐外扩，进一步防止进入燃烧室腔体20内的天然气进气滚流朝开口回流，避免天然气进气滚流离开燃烧室腔体20而耗散，从而能进一步增大燃烧室腔体20内天然气的密度，提高挤气气流的强度。
具体的，第一旋转曲面2111与第二旋转曲面2112之间平滑过渡。
这样能够减少天然气气流沿第一旋转曲面2111向第二旋转曲面2112流动时受到的阻力，减少天然气气流的动能损失，使天然气气流更快速由第一旋转曲面2111流向向第二旋转曲面2112。
本申请实施例中，旋转曲面211的纬线的最大半径所在的位置位于第二旋转曲面2112上，旋转曲面211的纬线的最大半径即为第二旋转曲面2112的纬线的最大半径。
具体的，第二旋转曲面2112的纬线的最大半径R2为活塞头的直径D的0.19-0.21倍。R2可以等于0.19D、0.2D或者0.21D。
本申请实施例中，旋转曲面211还包括第三旋转曲面2113，第三旋转曲面2113位于第一旋转曲面2111与开口12之间；第三旋转曲面2113的纬线的半径朝开口逐渐增大。
第三旋转曲面2113位于第一旋转曲面2111与开口12之间，第三旋转曲面2113的纬线的半径朝开口逐渐增大。多个旋转曲面211上的第三旋转曲面2113依次首尾相接，在燃烧室内腔壁21连接开口12所在的区域形成扩口，对途径开口12进入燃烧室腔体20内的天然气气流起到导流的作用，并能减少天然气气流在开口12处的阻力，降低天然气气流的动能损失，使天然气气流更快速的由开口12进入燃烧室腔体20内。
具体的，第三旋转曲面2113的纬线的最大半径R1为活塞头的直径D的0.13-0.15倍。R1可以等于0.13D、0.14D或者0.25D。
具体的，第一旋转曲面2111与第三旋转曲面2113之间平滑过渡。
这样能够减少天然气气流沿第三旋转曲面2113向第一旋转曲面2111流动时受到的阻力，减少天然气气流的动能损失，使天然气气流更快速由第三旋转曲面2113流向向第一旋转曲面2111。
实施例二
本申请实施例提供一种发动机，至少包括实施例一中的活塞。通过实施例一中的活塞，使发动机燃烧室内挤气气流强度和湍流强度提高，天然气燃烧所产生的火焰的传播速率加快，使发动机的热效率提高。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种活塞，其特征在于，包括圆筒状的活塞头，所述活塞头的一端具有活塞顶，所述活塞头内设有燃烧室腔体，所述燃烧室腔体由燃烧室内腔壁与燃烧室底壁围合而成，所述活塞顶上设有连通所述燃烧室腔体的开口；
所述燃烧室内腔壁具有多个依次首尾相接的旋转曲面，每个所述旋转曲面中的一部分朝所述开口逐渐收缩；
所述旋转曲面包括第一旋转曲面，所述第一旋转曲面的纬线的半径朝所述开口逐渐减小；
所述旋转曲面还包括第二旋转曲面，所述第二旋转曲面位于所述第一旋转曲面与所述燃烧室底壁之间；
所述第二旋转曲面的纬线的半径朝所述开口逐渐增大；
所述旋转曲面还包括第三旋转曲面，所述第三旋转曲面位于所述第一旋转曲面与所述开口之间；
所述第三旋转曲面的纬线的半径朝所述开口逐渐增大；
所述第二旋转曲面、所述第一旋转曲面和所述第三旋转曲面沿所述活塞头的延伸方向依次连接；
所述旋转曲面的数量为4个，4个所述旋转曲面依次首尾连接，且呈阵列排布，4个所述旋转曲面的旋转中心均位于所述旋转曲面的靠近所述燃烧室腔体的中心的一侧；相邻的两个所述旋转曲面之间具有连接边界，所述连接边界朝所述燃烧室腔体的内部凸出；
所述燃烧室底壁为平面；所述开口至所述燃烧室底壁之间的距离为所述活塞头的直径的0.25-0.27倍；
所述旋转曲面的旋转中心线与所述活塞头的中心线在第一投影面上的距离为所述活塞头的直径的0.16-0.17倍；
所述旋转曲面的旋转中心线与所述活塞头的中心线在第二投影面上的距离为所述活塞头的直径的0.12-0.13倍；
所述第一投影面和所述第二投影面均穿过所述活塞头的中心线，且所述第一投影面与所述第二投影面垂直；所述第一投影面与所述第二投影面均穿过两个所述连接边界；
所述第三旋转曲面的纬线的最大半径为所述活塞头的直径的0.13-0.15倍。
2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述旋转曲面的纬线的最大半径为所述活塞头的直径的0.19-0.21倍。
3.一种发动机，其特征在于，至少包括权利要求1或2所述的活塞。
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