CN113685264A - 一种重型天然气发动机燃烧系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种重型天然气发动机燃烧系统，包括气缸和盖在气缸上的缸盖，缸盖上设置有涡流进气道与直滚流进气道组成的复合进气道并通过安装有进气阀的进气门与气缸内部相连通，进气阀安装在气门座上，进气门位于整个气门座内，两个排气道入口通过安装在缸盖上的排气阀与气缸内部相连通，缸盖底面中心位置装有火花塞装置，缸盖内设置有钢活塞，缸盖底面、气缸内壁面和活塞顶面围成空间作为缩口型燃烧室，燃气供给与喷射系统分别安装在两个进气道上或缸盖底面。本发明结构简单紧凑，制作装配方便，在采用钢活塞实现低散热同时，又可通过复合进气道使进气气流形成围绕气缸中心轴线的斜轴涡流，提高缸内湍动能，进而提高热效率。
Description
技术领域
本发明涉及发动机燃烧系统，更确切的说，是涉及一种重型天然气发动机燃烧系统。
背景技术
重型天然气发动机在实现低碳清洁燃烧方面具有优势，但由于重型发动机燃烧室空间尺度相对较大、天然气火焰传播速率较低，加大了爆震倾向，使得压缩比提升受到限制，这些因素对热效率带来不利影响。同时，由于通常采用化学计量空燃比或略稀的混合气，缸内燃烧温度高，一方面传热损失大，影响热效率，另一方面发动机热负荷高，影响可靠性。此外，重型天然气发动机多采用铝合金活塞，传热损失大，机械负荷和热负荷承受能力差，难以满足可靠性要求。
发明内容
本发明的目的是在于克服现有技术中的不足，提供一种提高缸内湍动能，加快火焰的传播速度，降低爆震倾向，提高热效率的重型天然气发动机燃烧系统。
为实现上述目的，本发明实施方式提供如下技术方案：
本发明的一种重型天然气发动机燃烧系统，包括气缸和盖在气缸上的缸盖，在所述缸盖上设置有两个进气道并通过安装有进气阀的进气门与气缸内部相连通，两个排气道入口通过安装在缸盖上的排气阀与气缸内部相连通，在所述缸盖的底面中心位置装有火花塞装置，在所述气缸内设置有钢活塞，所述缸盖底面、气缸内壁面和活塞顶面围成的空间作为缩口型燃烧室,所述的两个进气道分别为涡流进气道和直滚流进气道，所述的涡流进气道包括依次相连的直流段和螺旋形气门腔和进气门，所述的螺旋形气门腔的出气口和进气门入口连通，所述的螺旋形气门腔的出气口能够使进气气流在进气门处形成围绕气缸竖向中心轴线的横向涡流；
所述直滚流进气道的出气口端沿进气门入口端切向设置，所述的直滚流进气道的出气口能够使进气气流在进气门处形成围绕气缸竖向中心轴线的垂直轴方向的纵向涡流,燃气供给与喷射系统安装在涡流进气道与直滚流进气道上,或安装在缸盖底面上。
与现有技术相比，本发明的技术方案带来的有益效果是：
本发明提供的重型天然气发动机燃烧系统在采用钢活塞实现低散热同时，通过涡流和直滚流进气道实现横向和纵向涡流协同的气流运动与缩口型燃烧室结构耦合，利用横向涡流具有更好的宏观大尺度流动保持能力，可持续到膨胀行程，促进大尺度火焰面扩展；利用纵向气流在压缩过程破碎成小尺度湍流，加快小尺度火焰传播。通过ECU调整转动阀片轴改变导流阀板角度，引导缸内横向和纵向涡流运动方向，使进气气流方向尽量朝向气缸中心，形成围绕气缸中心轴线的斜轴涡流，提高缸内湍动能，加快火焰的传播速度，降低爆震倾向，提高热效率。
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附图。
图1是本发明重型天然气发动机燃烧系统中进排气道整体结构及布置示意图；
图2是横向涡流在缸盖顶面俯视示意图；
图3是纵向涡流在气缸中正视示意图；
图4是各进气道中阀片轴与导流阀板结构示意图；
图5是本发明实例压缩行程气流流动状况正视剖面示意图。
附图标记：1-涡流进气道，1-1-螺旋形气门腔，2-直滚流进气道，3-阀片轴，3-1-导流阀板，3-2-电动执行器，4-进气门，5-进气阀，6-缸盖，7-排气道入口，8-排气阀，9-火花塞，10-气缸，11-缩口型燃烧室，12-钢活塞，L-轴线，a-直流段。
具体实施方式
为进一步阐述本发明的功能结构，下面结合附图和优选的实施例对本发明作详细说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
如图1所示，本发明提供的重型天然气发动机燃烧系统，包括气缸10和盖在气缸上的缸盖6，在所述缸盖6上设置有两个进气道并通过安装有进气阀5的进气门4与气缸10内部相连通，所述的进气阀5安装在气门座上，所述的进气门4位于整个气门座内，两个排气道入口7通过安装在缸盖6上的排气阀8与气缸10内部相连通，在所述缸盖6的底面中心位置装有火花塞装置9，在所述气缸10内设置有钢活塞12，所述缸盖底面、气缸内壁面和活塞顶面围成的空间作为缩口型燃烧室11。
以上结构为发动机现有结构，本发明的改进之处如下：
所述的两个进气道分别为涡流进气道1和直滚流进气道2。所述的涡流进气道1包括依次相连的直流段a和螺旋形气门腔1-1，所述的螺旋形气门腔1-1的出气口和进气门4入口连通，所述的螺旋形气门腔1-1的出气口可使进气气流在进气门4处形成围绕气缸10竖向中心轴线的横向涡流，如图2所示。
为形成横向涡流，所述的螺旋形气门腔1-1的结构可以为：所述螺旋形气门腔1-1的蜗壳外半径R1与进气门4入口端半径r的比值为1.1-1.2，所述螺旋形气门腔1-1的蜗壳内半径R2与进气门4入口端半径r的比值为0.5-0.6，本段涉及的各个参数的定义具体参见2021年出版的《汽车工程》期刊中的337-344页。
所述直滚流进气道2的出气口端沿进气门4入口端切向设置，即直滚流进气道2的出气口端与进气门4入口端光滑连接设置，所述的直滚流进气道2的出气口可使进气气流在进气门4处形成围绕气缸10竖向中心轴线的垂直轴方向的纵向涡流，如图3所示。
在所述的涡流进气道1和直滚流进气道2内分别安装有一个与电动执行器3-2相连的阀片轴3，所述的电动执行器3-2与ECU通过控制线相连，所述的阀片轴3与各个对应进气道中直流段a的轴线L垂直，所述的阀片轴3上固定有导流阀板3-1，如图4所示，每个进气道内设有的阀片轴3靠近进气门4一侧，所述的导流阀板3-1在阀片轴3的带动下能够在进气道中转动。初始状态下所述导流阀板3-1处于平行于进气道直流段a轴线L的位置，通过ECU调控沿扇形轨迹转动到设定角度后停止，停止转动后的导流阀板3-1与进气道轴线L垂直平面呈锐角夹角A，锐角夹角A取值范围为45°-60°,使进气气流在导流阀板3-1的导流作用下，气体流速提高，形成强涡流运动。
燃气供给与喷射系统分别安装在涡流进气道1与直滚流进气道2上或缸盖6底面均可以。燃气供给与喷射系统采用现有结构即可。
涡流进气道1满足在没有阀片轴3的情况下，初始气流可在螺旋形进气通道内形成一定强度的旋转，在进气门4处形成横向涡流。所述涡流进气道1内设置的阀片轴3，通过ECU调整转动可改变阀片轴3上导流阀板3-1的角度，使进气气流进入气缸10时进气气流入口方向尽量朝向气缸中心，形成围绕气缸10竖向中心轴线的横向涡流运动。
直滚流进气道2满足在没有阀片轴3的情况下，可引导初始气流通过气道的切向连接口进入气缸10，在进气门4处形成纵向涡流。所述直滚流进气道2内设置的阀片轴3，通过ECU调整转动可改变阀片轴3上导流阀板3-1的角度，使进气气流进入气缸10时进气气流入口方向尽量朝向气缸中心，形成围绕气缸10竖向中心轴线的垂直轴方向的纵向涡流运动。
如图5所示，使用涡流进气道1产生的横向涡流和使用直滚流进气道2产生的纵向涡流，通过ECU调整转动阀片轴3改变导流阀板3-1的角度改变气流入口位置，使进气气流入口方向尽量朝向气缸中心。使用钢活塞12在提升活塞整体抗压性能同时，保障了内冷油腔的有效运行，散热冷却。在钢活塞压缩上行中，横向与纵向涡流相结合成偏向缩口型燃烧室11中心的斜轴涡流，从而使进气道通入缩口型燃烧室11内的横向和纵向涡流在近上止点位置在火花塞9电极中心附近形成高湍动能区域，在采用钢活塞12实现低散热同时，进一步提高热效率。
本装置的控制方法采用现有装置确定控制方法的过程进行标定即可。
测试效果：
本发明采用钢活塞，使得活塞整体强度提高，热膨胀小，可靠性能得到提升的同时更好实现散热冷却效果，此外复合进气道匹配缩口型燃烧室，使得进气气流通过ECU调控导流阀板角度引导缸内横向和纵向涡流方向尽量朝向气缸中心，形成围绕气缸中心轴线的斜轴涡流，增加点火时刻火花塞附近的湍流强度，加快火焰的传播速度，明显降低爆震倾向，提高热效率。
最后应说明的是：尽管上述结合图对本发明进行了描述，但以上针对本发明方法的燃烧系统的设计仅为一种较佳的实施方式，并不局限于上述技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意的，而不是强制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (3)
1.一种重型天然气发动机燃烧系统，包括气缸和盖在气缸上的缸盖，在所述缸盖上设置有两个进气道并通过安装有进气阀的进气门与气缸内部相连通，两个排气道入口通过安装在缸盖上的排气阀与气缸内部相连通，在所述缸盖的底面中心位置装有火花塞装置，在所述气缸内设置有钢活塞，所述缸盖底面、气缸内壁面和活塞顶面围成的空间作为缩口型燃烧室,其特征在于：
所述的两个进气道分别为涡流进气道和直滚流进气道，所述的涡流进气道包括依次相连的直流段和螺旋形气门腔和进气门，所述的螺旋形气门腔的出气口和进气门入口连通，所述的螺旋形气门腔的出气口能够使进气气流在进气门处形成围绕气缸竖向中心轴线的横向涡流；
所述直滚流进气道的出气口端沿进气门入口端切向设置，所述的直滚流进气道的出气口能够使进气气流在进气门处形成围绕气缸竖向中心轴线的垂直轴方向的纵向涡流,燃气供给与喷射系统安装在涡流进气道与直滚流进气道上,或安装在缸盖底面上。
2.根据权利要求1所述的重型天然气发动机燃烧系统，其特征在于：在所述的涡流进气道和直滚流进气道内分别安装有一个与电动执行器相连的阀片轴，所述的电动执行器与ECU通过控制线相连，所述的阀片轴与各个对应进气道中直流段的轴线垂直，所述的阀片轴上固定有导流阀板，每个进气道内设有的阀片轴靠近进气门一侧，所述的导流阀板在阀片轴的带动下能够在进气道中转动，所述的导流阀板与进气道轴线垂直平面呈锐角夹角A，锐角夹角A取值范围为45°-60°。
3.根据权利要求1或者2所述的重型天然气发动机燃烧系统，其特征在于：所述的螺旋形气门腔的结构为：所述螺旋形气门腔的蜗壳外半径与进气门入口端半径的比值为1.1-1.2，所述螺旋形气门腔的蜗壳内半径与进气门入口端半径的比值为0.5-0.6。
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2021
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