CN113803150B - 速响应分隔式燃烧系统及发动机 - Google Patents

Abstract

本发明属于发动机技术领域，具体涉及一种速响应分隔式燃烧系统及发动机。本发明中的速响应分隔式燃烧系统包括气缸盖、活塞和点火组件，活塞位于气缸盖的下部，活塞内设有主燃烧室，点火组件穿设于气缸盖并延伸至主燃烧室内，点火组件包括火花塞和火花塞衬套，火花塞安装在火花塞衬套内且与火花塞衬套之间构成预燃室，火花塞衬套和气缸盖之间还设有冷却水套，火花塞衬套底面设有喷孔组，喷孔组沿底面的周向非对称布置，预燃室和主燃烧室通过喷孔组相连通。通过使用本技术方案中的速响应分隔式燃烧系统，可强化点火组件散热性能，提高结构可靠性，并能组织具有偏向性的大回转滚流，提升系统换气性能、燃烧响应性以及抗爆震性能。

Description

速响应分隔式燃烧系统及发动机

技术领域

本发明属于发动机技术领域，具体涉及一种速响应分隔式燃烧系统及发动机。

背景技术

传统天然气发动机结构是在燃烧室顶部布置火花塞并点燃混合气，该种方案，火焰只能从火花塞处逐步向外扩散，燃烧速度慢。在火花塞外增加包裹结构(火花塞衬套)，将原燃烧室分隔成两部分，被包裹部分称为预燃室，其余部分称为主燃烧室，两部分燃烧室通过衬套上的小孔连通，两部分燃烧室共同组成分隔式燃烧室。

常规技术中，当喷嘴与燃烧室配合不当时，预燃室与主燃烧室内气体交换受阻，不利于主燃烧室内的新鲜燃气混合气进入预燃室，导致扫气效果不佳，同时也不利于预燃室内燃烧后的高温高压混合气进入主燃烧室，导致主燃烧室内燃气混合气燃烧滞后，降低分隔式燃烧室燃烧响应性。火花塞附近产生火焰，火焰需要沿垂直方向向下扩散进入主燃烧室，对称式的喷嘴结构易形成垂直向上的气流，且气流流速高，阻碍火焰扩散，混合气燃烧后横向扩展火焰发展缓慢，甚至引起失火，降低了分隔式燃烧室的燃烧响应性，如图20所示。另外，常规圆柱形中间孔的火焰贯穿距离过长，容易引起活塞可靠性问题，如图21所示。

发明内容

本发明的目的是至少解决发动机点火组件燃烧室响应性较低的问题。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速响应分隔式燃烧系统，包括：

气缸盖；

活塞，所述活塞位于所述气缸盖的下部，所述活塞内设有主燃烧室；

点火组件，所述点火组件穿设于所述气缸盖并延伸至所述主燃烧室内，所述点火组件包括火花塞和火花塞衬套，所述火花塞安装在所述火花塞衬套内且与所述火花塞衬套之间构成预燃室，所述火花塞衬套和所述气缸盖之间还设有冷却水套，所述火花塞衬套底面设有喷孔组，所述喷孔组沿所述底面的周向非对称布置，所述预燃室和所述主燃烧室通过所述喷孔组相连通。

通过使用本技术方案中的速响应分隔式燃烧系统，在火花塞衬套和气缸盖设有冷却水套，在点火组件作业时，能够稳定的将火花塞衬套进行冷却，避免火花塞衬套过热产生烧结，提升了可靠性，另外，速响应分隔式燃烧系统的非对称布置的喷孔组，可强化点火组件散热性能，提高结构可靠性，并能组织具有偏向性的大回转滚流，提升系统换气性能、燃烧响应性以及抗爆震性能。

另外，根据本发明的发动机点火组件，还可具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施方式中，所述喷孔组包括若干喷孔，若干所述喷孔沿所述火花塞的轴线的周向间隔设置。

在本发明的一些实施方式中，所述若干喷孔的孔径不全相同。

在本发明的一些实施方式中，若干所述喷孔的中心线与所述轴线呈锐角设置。

在本发明的一些实施方式中，火花塞衬套为分体式结构，包括第一衬套部和第二衬套部，第二衬套部位于第一衬套部的底端设置，所述第一衬套部和所述第二衬套部为焊接或过盈配合或间隙配合的连接方式，所述第一衬套部为耐热件。

在本发明的一些实施方式中，所述火花塞衬套底面设有中间孔，所述中间孔位于所述喷孔组内。

在本发明的一些实施方式中，所述中间孔的中心线与所述火花塞衬套的轴线不重合设置。

在本发明的一些实施方式中，所述中间孔的形状为锥形结构。

在本发明的一些实施方式中，所述中间孔的形状为阶梯结构，所述阶梯结构包括圆柱部和圆锥部，所述圆柱部位于所述圆锥部的顶端。

本发明还提出了一种发动机，具有上述的速响应分隔式燃烧系统。

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速响应分隔式燃烧系统的整体剖面结构示意图；

图2为图1中速响应分隔式燃烧系统的点火组件和气缸盖的配合剖面结构示意图；

图3为图2中速响应分隔式燃烧系统的点火组件的火花塞衬套的剖面结构示意图；

图4为图1中速响应分隔式燃烧系统的第一种实施方式(即中心孔偏置)的火花塞衬套的结构示意图；

图5为图4中火花塞衬套的仰视结构示意图；

图6为图4中火花塞衬套的主视结构剖面示意图；

图7为图1中速响应分隔式燃烧系统的第二种实施方式(即喷孔孔径大小不对称)的火花塞衬套的结构示意图；

图8为图7中火花塞衬套的仰视结构示意图；

图9为图7中火花塞衬套的主视结构剖面示意图；

图10为图1中速响应分隔式燃烧系统的第三种实施方式(即喷孔分布不对称)的火花塞衬套的结构示意图；

图11为图10中火花塞衬套的仰视结构图；

图12为图10中火花塞衬套的主视结构剖面示意图；

图13为图1中速响应分隔式燃烧系统的第四种实施方式(即喷孔锥角不对称)的火花塞衬套的结构示意图；

图14为图13中火花塞衬套的仰视结构示意图；

图15为图13中火花塞衬套的主视结构剖面示意图；

图16为图1中速响应分隔式燃烧系统的火花塞衬套第一种实施方式的中间孔的剖面结构示意图；

图17为图1中速响应分隔式燃烧系统的火花塞衬套第二种实施方式的中间孔的剖面结构示意图；

图18为图1中速响应分隔式燃烧系统的火花塞衬套第三种实施方式的中间孔的剖面结构示意图；

图19为图1中速响应分隔式燃烧系统的火花塞衬套第四种实施方式的中间孔的剖面结构示意图；

图20示意性地示出了常规分隔式燃烧系统气体流动和火焰扩散效果示意图；

图21示意性地示出了常规分隔式燃烧系统圆柱形中间孔和周向喷孔火焰喷射效果示意图；

图22为图4中速响应分隔式燃烧系统火花塞衬套的中间孔偏置结构的气体流动和火焰扩散效果示意图；

图23为图16和图17中火花塞衬套的锥形中间孔和常规圆柱形式的中间孔喷射火焰的对比效果图。

附图中各标号表示如下：

10：气缸盖、11：冷却水套；

20：活塞、21：主燃烧室；

31：火花塞、32：火花塞衬套、321：第一衬套部、3211：中间孔、3212：喷孔组、32121：喷孔、321211：圆锥部、321212：圆柱部、322：第二衬套部、 323：预燃室。

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一、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“第一”、“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，以下讨论的第一元件、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”、“外侧”、“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。

图1示意性地示出了根据本发明实施方式的速响应分隔式燃烧系统的整体剖面结构示意图。图2为图1中速响应分隔式燃烧系统的点火组件和气缸盖的配合剖面结构示意图。图3为图2中速响应分隔式燃烧系统的点火组件的火花塞衬套的剖面结构示意图。如图1、2和3所示，本发明提出了一种发动机点火组件及发动机。本发明中的发动机点火组件包括气缸盖10、活塞20和点火组件，活塞20位于气缸盖10的底端，活塞20 内设有主燃烧室21，点火组件穿设于气缸盖10并延伸至主燃烧室21内，点火组件包括火花塞31和火花塞衬套32，火花塞31安装在火花塞衬套 32内且与火花塞衬套32之间构成预燃室323，火花塞衬套32和气缸盖 10之间还设有冷却水套11，火花塞衬套32底面设有喷孔组3212，喷孔组3212沿底面的周向非对称布置，预燃室323和主燃烧室21通过喷孔组 3212相连通。

通过使用本技术方案中的速响应分隔式燃烧系统，在火花塞衬套32 和气缸盖10设有冷却水套11，在点火组件作业时，能够稳定的将火花塞衬套32进行冷却，避免火花塞衬套32过热产生烧结，提升了可靠性，另外，在火花塞衬套32底面设有非对称结构的喷孔组3212，如现有技术的图20、21和本发明技术的图21进行对比可知，图中箭头为火焰流动方向，非对称式的喷嘴组能够使新鲜燃气混合气在通过喷孔组3212时产生具有偏向性的不对称流动，促使预燃室323内形成旋转滚流，旋转滚流有利于新鲜燃气混合气进入预燃室323，增强换气能力，同时改善火花塞31附近扫气，提升一定的燃烧响应性和抗爆震能力。

在本发明的一些实施方式中，如图10、11、12、13、14和15所示，喷孔组3212包括若干喷孔32121，若干喷孔32121沿火花塞31的轴线的周向间隔设置。本实施方式中喷孔组3212的若干喷孔32121采用沿火花塞31的轴线非对称间隔设置，非对称式结构的喷孔组3212能够使得火焰在预燃室323内形成大滚流，火焰发展速度快于使用对称式喷孔组3212的预燃室323，另外非对称式喷孔组3212加快了预燃室323内的火焰传播，同时继承了加速主燃烧室21燃烧的优势，能够提高分隔式燃烧室(即预燃室323的主燃烧室21的组合结构)燃烧响应性和抗爆震能力。

在本发明的一些实施方式中，如图7、8和9所示，若干喷孔32121 的孔径不全相同。本实施方式中设有六个喷孔32121，六个喷孔32121能够设计为各个孔径均不相同，也能够设计为三个相邻喷孔32121的孔径一样，另外三个相邻喷孔32121的孔径一样，以上形式的喷孔32121结构均属于若干喷孔32121的孔径不全相同的范围。本实施方式中采用孔径不全相同的喷孔32121结构，即不对称的喷孔组3212的结构，能够形成具有偏向性的不对称流动，加强预燃室323与主燃烧室21气体交换，并促使预燃室323内形成较为大尺度的旋转滚流，旋转滚流与火焰发展方向协调，能够缩短预燃室323内火焰发展期，提高分隔式燃烧室燃烧响应性。

在本发明的一些实施方式中，如图2所示，若干喷孔32121的中心线与轴线呈锐角设置。本实施方式中喷孔32121的中心线与火花塞31的轴线呈锐角设置，能够使得火花塞31衬套喷出的火焰的面积更大，从而提高分隔式燃烧室燃烧响应性。

在本发明的一些实施方式中，火花塞衬套32为分体式结构，包括第一衬套部321和第二衬套部322，第二衬套部322位于第一衬套部321的底端设置，第一衬套部321和第二衬套部322为焊接或过盈配合或间隙配合的连接方式，第一衬套部321为耐热件。本实施方式采用分体式结构并且第二衬套部322采用高强度耐热材料进行制作，能够在火花塞31和火花塞31衬套进行作业时提升耐久度，从而提升火花塞31衬套的使用寿命。

具体地，在本发明的其他实施方式中，喷孔32121为圆形或椭圆形或其他对称形结构。

在本发明的一些实施方式中，如图4、5和6所示，火花塞衬套32 底面设有中间孔3211，中间孔3211位于喷孔组3212内。本实施方式中采用中间孔3211和喷孔组3212相结合的方式，能够进一步地将预燃室 323内的火焰传递到主燃烧室21内，从而能够使火焰能够快速的在预燃室323和主燃烧室21中扩散，从而提高燃烧响应性。

在本发明的一些实施方式中，如图4、5和6所示，中间孔3211的中心线与火花塞衬套32的轴线不重合设置。中间孔3211与火花塞31的轴线平行设置，即中间孔3211偏置设置，中间孔3211偏置的方式能够形成具有偏向性的不对称流动，加强预燃室323与主燃烧室21气体交换，并促使预燃室323内形成较大尺度的旋转滚流，旋转滚流与火焰发展方向协调，能够缩短预燃室323内火焰发展期，提高分隔式燃烧室燃烧响应性。

在本发明的一些实施方式中，如图18、19和23所示，中间孔3211 的形状为锥形结构。本实施方式中的锥形结构的锥角需要具体的结构和实施方式进行具体的分析，图18和图19例举出了两种不同锥角形式的实施例。现有技术中的中间孔3211是沿垂直方向布置的，当预燃室323内高温高压混合气喷射到主燃烧室21时，从中间孔3211喷射出的高温高压混合气的速度要高于周边孔，导致中间孔3211喷射贯穿距离较大，此外中间孔3211与活塞20表面距离较小，高温气体能够直接冲击到活塞20表面，使活塞20承受较大的热负荷，活塞20可靠性大大降低。本实施方式中的喷孔32121为锥形结构，也可以成为喇叭形结构，锥形结构的喷孔 32121能够使中间孔3211的出口处面积增大，降低中间孔3211出口速度，减少高温高压气体喷射的贯穿距离，高温高压混合气对活塞20面的冲击减小，活塞20表面热负荷降低。

在本发明的一些实施方式中，如图16和17所示，中间孔3211的形状为阶梯结构，阶梯结构包括圆柱部321212和圆锥部321211，圆柱部 321212位于圆锥部321211的顶端。阶梯结构的中间孔3211同样能够使中间孔3211的出口处面积增大，降低中间孔3211出口速度，减少高温高压气体喷射的贯穿距离，高温高压混合气对活塞20面的冲击减小，活塞 20表面热负荷降低。另外，本实施方式中的阶梯结构由于顶端为圆柱形结构，能够一定程度上对由预燃室323进入中间孔3211的火焰进行一定的加压作用，能够使火焰能够快速的在预燃室323和主燃烧室21中扩散，从而提高燃烧响应性。

具体地，如图3所示，本实施方式的火花塞31衬套为分体式结构，包括第一衬套部321和第二衬套部322，第二衬套部322位于第一衬套部 321的底端设置。本实施方式采用分体式结构并且第二衬套部322采用高强度材料进行制作，能够在火花塞31和火花塞31衬套进行作业时提升耐久度，从而提升火花塞31衬套的使用寿命。

本发明还提出了一种发动机，具有上述的速响应分隔式燃烧系统。

通过使用本技术方案中的发动机，在火花塞衬套32和气缸盖10设有冷却水套11，在点火组件作业时，能够稳定的将火花塞衬套32进行冷却，避免火花塞衬套32过热产生烧结，提升了可靠性，另外，在火花塞衬套 32底面设有非对称结构的喷孔组3212，非对称式的喷嘴组能够使新鲜燃气混合气在通过喷孔组3212时产生具有偏向性的不对称流动，促使预燃室323内形成旋转滚流，旋转滚流有利于新鲜燃气混合气进入预燃室323，增强换气能力，同时改善火花塞31附近扫气，提升一定的燃烧响应性和抗爆震能力。

以上所述，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 (5)

1.一种速响应分隔式燃烧系统，其特征在于，包括：

气缸盖；

活塞，所述活塞位于所述气缸盖的下部，所述活塞内设有主燃烧室；

点火组件，所述点火组件穿设于所述气缸盖并延伸至所述主燃烧室内，所述点火组件包括火花塞和火花塞衬套，所述火花塞安装在所述火花塞衬套内且与所述火花塞衬套之间构成预燃室，所述火花塞衬套和所述气缸盖之间还设有冷却水套，所述火花塞衬套底面设有喷孔组，所述喷孔组沿所述底面的周向非对称布置，所述预燃室和所述主燃烧室通过所述喷孔组相连通；

火花塞衬套为分体式结构，包括第一衬套部和第二衬套部，第二衬套部位于第一衬套部的底端设置，所述第一衬套部和所述第二衬套部为焊接或过盈配合或间隙配合的连接方式，所述第一衬套部为耐热件；

所述火花塞衬套底面设有中间孔，所述中间孔位于所述喷孔组内；

所述中间孔的形状为阶梯结构，所述阶梯结构包括圆柱部和圆锥部，所述圆柱部位于所述圆锥部的顶端；

所述中间孔的中心线与所述火花塞衬套的轴线不重合设置。

2.根据权利要求1所述的速响应分隔式燃烧系统，其特征在于，所述喷孔组包括若干喷孔，若干所述喷孔沿所述火花塞的轴线的周向间隔设置。

3.根据权利要求2所述的速响应分隔式燃烧系统，其特征在于，所述若干喷孔的孔径不全相同。

4.根据权利要求2所述的速响应分隔式燃烧系统，其特征在于，若干所述喷孔的中心线与所述轴线呈锐角设置。

5.一种发动机，其特征在于，具有根据权利要求1-4中任一项所述的速响应分隔式燃烧系统。

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