CN113738498A - 燃烧系统及具有其的燃气发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明属于燃气发动机技术领域，本发明提出了一种燃烧系统和一种具有其的燃气发动机，本发明的第一方面提出了一种燃烧系统，用于燃气发动机，包括缸盖、缸套和设于缸套中的活塞，活塞的顶面、缸套的内壁面和缸盖的底面之间形成有燃烧室，活塞的顶面设有凹坑，凹坑的至少部分轴向截面为半椭圆形，当活塞运行至上止点时，活塞的顶面所在的平面与缸盖的底面之间形成燃烧腔，燃烧腔的至少部分轴向截面为梯形，凹坑的半椭圆形轴向截面的外切六边形与半椭圆形轴向截面相切的部分为第一平面，燃烧腔的梯形轴向截面与第一平面能够组合形成六边形平面。该燃烧系统具有根据滚流流动最外围椭圆迹线设计燃烧室，便于滚流的形成，提高了发动机的热效率。

Description

燃烧系统及具有其的燃气发动机
技术领域
本发明属于燃气发动机技术领域，具体涉及一种燃烧系统。本发明还涉及一种燃气发动机。
背景技术
本部分提供的仅仅是与本公开相关的背景信息，其并不必然是现有技术。
随着全球资源短缺以及环境问题的日益突出，当今世界对汽车行业的要求逐渐提高，如何提高资源利用率，如何降低排放成为首要问题。为了降低汽车对日益短缺的石油基燃料的依赖，我国正在实施能源多元化战略，天然气作为一种清洁燃料正在发动机上大量使用。但是天然气存在着火温度高、火焰传播速度慢等缺点，使得天然气发动机的燃烧持续期较长，造成排温高、热效率低及燃烧循环变动大等问题，因而优化缸内燃烧过程、提高燃烧速度对于火花点火式天然气发动机至关重要。传统的天然气发动机多在柴油机基础上更改，其进气多形成涡流，而涡流在压缩终了难以形成缸内湍动能，使得此种天然气发动机的热效率提升有限。而滚流在压缩过程中动量衰减较少，并可以保存到压缩行程末期，当活塞接近上止点时，大尺度的滚流将破裂成众多小尺度的涡，使湍流强度和湍流动能增加，有利于提高火焰传播速率，改善发动机性能。现有的加强燃气发动机滚流的燃烧系统虽然能够在不对发动机结构进行较大改动的前提下，一定范围内增加滚流、加快燃烧速度，但是由于结构受限，并不能对滚流的形成带来明显得改善，所以其对燃烧系统带来的增益有限。
发明内容
本发明的目的是至少解决现有技术中燃气发动机生成滚流的效果较差的问题，该目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的第一方面提出了一种燃烧系统，用于燃气发动机，包括缸盖、缸套和设于所述缸套中的活塞，所述活塞的顶面、所述缸套的内壁面和所述缸盖的底面之间形成有燃烧室，所述活塞的顶面设有凹坑，所述凹坑的至少部分轴向截面为半椭圆形，当所述活塞运行至上止点时，所述活塞的顶面所在的平面与所述缸盖的底面之间形成燃烧腔，所述燃烧腔的至少部分轴向截面为梯形，所述凹坑的半椭圆形轴向截面的外切六边形与所述半椭圆形轴向截面相切的部分为第一平面，所述燃烧腔的梯形轴向截面与所述第一平面能够组合形成六边形平面。
本发明提出的燃烧系统具有根据滚流流动最外围椭圆迹线设计燃烧室，燃烧室根据滚流流动最外围椭圆迹线开展缸盖以及活塞之间的燃烧室设计，以虚拟的椭圆为设计基准，保证了进入气缸内的气体的流动顺畅，便于滚流的形成，同时降低了壁面传热，提高了热效率，燃烧室结构紧凑，散热面积小，有利于组织缸内的气流运动，实现燃料快速完全燃烧，最终达到实现提高气体机燃烧速度，提升热效率的目的。
另外，根据本发明的燃烧系统，还可具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述燃烧腔的梯形轴向截面与所述凹坑的半椭圆形轴向截面关于所述活塞的顶面对称。
在本发明的一些实施例中，所述凹坑的半椭圆形轴向截面的长轴的长度为所述缸套的内径的0.7至0.9倍。
在本发明的一些实施例中，所述燃烧腔的梯形轴向截面的高度与所述凹坑的半椭圆形轴向截面的高度之和为所述缸套的内径的0.5至0.75倍。
在本发明的一些实施例中，所述燃烧腔包括第一腔体和第二腔体，所述第一腔体的轴向截面与所述第一平面关于所述活塞的顶面对称，所述第二腔体的底部与所述第一腔体连通，所述缸盖对应所述第二腔体的顶部的位置设有火花塞安装孔。
在本发明的一些实施例中，所述第一腔体的轴向长度与所述第二腔体的轴向长度之差大于3毫米。
在本发明的一些实施例中，所述缸盖的底面上设有一个或两个进气道口和一个或两个排气道口，所述进气道口和所述排气道口的数量相等，所述进气道口和所述排气道口分别设于所述活塞的轴线的两侧，所述进气道口和所述排气道口关于所述活塞的轴线对称，所述凹坑与所述活塞的顶面的连接处设有弧形过渡结构，所述弧形过渡结构对应所述排气道口设置，所述弧形过渡结构与所述凹坑相切。
在本发明的一些实施例中，所述弧形过渡结构的圆弧半径为所述凹坑的直径的0.2至1.2倍。
在本发明的一些实施例中，所述活塞的顶面对应所述进气道口的部分为平面。
本发明的第二方面提出了一种燃气发动机，其特征在于，包括燃烧系统，所述燃烧系统为根据本发明第一方面提出的发动机水套。
本发明第二方面提出的燃气发动机具有和本发明第一方面提出的燃烧系统相同的有益效果，在此不再赘述。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
图1示意性地示出了根据本发明实施方式的燃烧系统的结构示意图；
附图中各标记表示如下：
10：缸套、11：活塞、12：凹坑、13：燃烧腔、14：火花塞、15：进气道口、16：排气道口、17：进气门、18：排气门、19：弧形过渡结构。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
尽管可以在文中使用术语、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。
为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。
如图1所示，本发明的第一方面提出了一种燃烧系统，用于燃气发动机，包括缸盖、缸套10和设于缸套10中的活塞11，活塞11的顶面、缸套10的内壁面和缸盖的底面之间形成有燃烧室，活塞11的顶面设有凹坑12，凹坑12的至少部分轴向截面为半椭圆形，当活塞11运行至上止点时，活塞11的顶面所在的平面与缸盖的底面之间形成燃烧腔13，燃烧腔13的至少部分轴向截面为梯形，凹坑12的半椭圆形轴向截面的外切六边形与半椭圆形轴向截面相切的部分为第一平面，燃烧腔13的梯形轴向截面与第一平面能够组合形成六边形平面。
可以理解的是，凹坑12可以是椭球形凹坑12，也可是沿活塞11的轴向方向的截面为半椭圆的柱形凹坑12，即凹坑12的两端为平面，燃烧腔13对应凹坑12的部分的轴向截面为梯形，根据燃气发动机的特点，燃烧室可采用四气门(或两气门)蓬顶型燃烧室，进气门和排气门分别位于轴线两侧。由于燃气发动机是进气道喷射，所以可以不考虑喷油器的布置，进气道口15和排气道口16所在的端面构成燃烧腔13的部分侧壁，综上，燃烧腔13和凹坑12的结构形成接近椭圆的导流结构，使得燃烧室内的气流形成滚流。
本发明提出的燃烧系统具有根据滚流流动最外围椭圆迹线设计燃烧室，燃烧室根据滚流流动最外围椭圆迹线开展缸盖以及活塞11之间的燃烧室设计，以虚拟的椭圆为设计基准，保证了进入气缸内的气体的流动顺畅，便于滚流的形成，同时降低了壁面传热，提高了热效率，燃烧室结构紧凑，散热面积小，有利于组织缸内的气流运动，实现燃料快速完全燃烧，最终达到实现提高气体机燃烧速度，提升热效率的目的。
在本发明的一些实施例中，燃烧腔13的梯形轴向截面与凹坑12的半椭圆形轴向截面关于活塞11的顶面对称，活塞11与缸盖的底部形状配合，使得燃烧室整体形状接近于椭球形，在切向进气道的作用下，将产生的滚流在传播过程中的损耗降低，在上止点滚流破碎形成更强的湍流运动，提高燃烧速率。
在本发明的一些实施例中，凹坑12的半椭圆形轴向截面的长轴的长度为缸套10的内径的0.7至0.9倍，燃烧腔13的梯形轴向截面的高度与凹坑12的半椭圆形轴向截面的高度之和为缸套10的内径的0.5至0.75倍，优化凹坑12和燃烧腔13的尺寸设计，提高燃烧室的燃烧效果。
在本发明的一些实施例中，燃烧腔13包括第一腔体和第二腔体，第一腔体的轴向截面与第一平面关于活塞11的顶面对称，第二腔体的底部与第一腔体连通，缸盖对应第二腔体的顶部的位置设有火花塞14安装孔，在蓬顶型燃烧室基础上将其顶部削平，首先便于火花塞14安装在中央布置的火花塞14安装孔中，其次减少此处滚流流动死区，并且火花塞14处气流扰动不至于过强以保证可靠点火，火花塞14外围是高滚流区以保证火焰传播。
进一步地，第一腔体的轴向长度与第二腔体的轴向长度之差大于3毫米，使得火花塞14处气流扰动不至于过强以保证可靠点火。
在本发明的一些实施例中，缸盖的底面上设有一个或两个进气道口15和一个或两个排气道口16，进气门17安装在进气道口15内，排气门18安装在排气道口16内，进气道口15和排气道口16的数量相等，进气道口15和排气道口16分别设于活塞11的轴线的两侧，进气道口15和排气道口16关于活塞11的轴线对称，凹坑12与活塞11的顶面的连接处设有弧形过渡结构19，弧形过渡结构19对应排气道口16设置，弧形过渡结构19与凹坑12相切，上述结构能够减少顺时针流动时气流死区的面积，并且减少流动过程中的能量损耗。
进一步地，弧形过渡结构19的圆弧半径为凹坑12的直径的0.2至1.2倍。
在本发明的一些实施例中，活塞11的顶面对应进气道口15的部分为平面，上述结构可以对顺时针流动的滚流起到导向作用，并且会阻碍从进气门下端进入缸内的气体的流动，抑制反向滚流的形成，相对加强了顺时针的正向滚流。
本发明的第二方面提出了一种燃气发动机，包括燃烧系统，燃烧系统为根据本发明第一方面提出的发动机水套。
本发明第二方面提出的燃气发动机具有和本发明第一方面提出的燃烧系统相同的有益效果，在此不再赘述。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种燃烧系统，用于燃气发动机，其特征在于，包括缸盖、缸套和设于所述缸套中的活塞，所述活塞的顶面、所述缸套的内壁面和所述缸盖的底面之间形成有燃烧室，所述活塞的顶面设有凹坑，所述凹坑的至少部分轴向截面为半椭圆形，当所述活塞运行至上止点时，所述活塞的顶面所在的平面与所述缸盖的底面之间形成燃烧腔，所述燃烧腔的至少部分轴向截面为梯形，所述凹坑的半椭圆形轴向截面的外切六边形与所述半椭圆形轴向截面相切的部分为第一平面，所述燃烧腔的梯形轴向截面与所述第一平面能够组合形成六边形平面。
2.根据权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，所述燃烧腔的梯形轴向截面与所述凹坑的半椭圆形轴向截面关于所述活塞的顶面对称。
3.根据权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，所述凹坑的半椭圆形轴向截面的长轴的长度为所述缸套的内径的0.7至0.9倍。
4.根据权利要求2所述的燃烧系统，其特征在于，所述燃烧腔的梯形轴向截面的高度与所述凹坑的半椭圆形轴向截面的高度之和为所述缸套的内径的0.5至0.75倍。
5.根据权利要求2所述的燃烧系统，其特征在于，所述燃烧腔包括第一腔体和第二腔体，所述第一腔体的轴向截面与所述第一平面关于所述活塞的顶面对称，所述第二腔体的底部与所述第一腔体连通，所述缸盖对应所述第二腔体的顶部的位置设有火花塞安装孔。
6.根据权利要求5所述的燃烧系统，其特征在于，所述第一腔体的轴向长度与所述第二腔体的轴向长度之差大于3毫米。
7.根据权利要求1至6任一项所述的燃烧系统，其特征在于，所述缸盖的底面上设有一个或两个进气道口和一个或两个排气道口，所述进气道口和所述排气道口的数量相等，所述进气道口和所述排气道口分别设于所述活塞的轴线的两侧，所述进气道口和所述排气道口关于所述活塞的轴线对称，所述凹坑与所述活塞的顶面的连接处设有弧形过渡结构，所述弧形过渡结构对应所述排气道口设置，所述弧形过渡结构与所述凹坑相切。
8.根据权利要求7所述的燃烧系统，其特征在于，所述弧形过渡结构的圆弧半径为所述凹坑的直径的0.2至1.2倍。
9.根据权利要求1至6任一项所述的燃烧系统，其特征在于，所述活塞的顶面对应所述进气道口的部分为平面。
10.一种燃气发动机，其特征在于，包括燃烧系统，所述燃烧系统为根据权利要求1至9任一项所述的燃烧系统。
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