CN113982740A - 一种用于发动机燃烧系统的预燃室、燃烧系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

本公开提出了一种用于发动机燃烧系统的预燃室、燃烧系统及工作方法，包括加速段、过渡段和混合燃烧段；所述加速段和所述混合燃烧段均为圆筒结构，所述混合燃烧段的直径大于所述加速段的直径；所述加速段的一端与所述混合燃烧段的一端通过所述过渡段连接；所述加速段和所述混合燃烧段偏心设置，所述过渡段为周向方向上具有不同半径的过渡弧面结构；本公开中采用偏心圆筒结构的预燃室结构设计，引导压入预燃室的主燃烧室稀混合气在预燃室内形成纵向旋转滚流，促进稀混合气与预燃室内浓混合气的混合，增加预燃室内湍流强度，使点火时预燃室内混合气状况和流动情况满足可靠点火和快速燃烧的要求。

Description

一种用于发动机燃烧系统的预燃室、燃烧系统及工作方法

技术领域

本公开属于气体发动机技术领域，尤其涉及一种用于发动机燃烧系统的预燃室、燃烧系统及工作方法。

背景技术

主动预燃室具有独立的辅助燃料供应系统，通过向预燃室额外供应燃料，以在预燃室内形成浓于主燃烧室内稀混合气的可燃混合气，增加预燃室内混合气具有的化学能，增强预燃室内混合气燃烧后释放的能量，提高预燃室射流的点火能量，从而可靠引燃主燃烧室内稀混合气。

本公开发明人发现，现有的主动预燃室和发动机燃烧系统存在以下问题：

1.在压缩冲程中，主燃烧室内过量空气系数大于1的稀混合气被上行活塞挤入预燃室，稀释了预燃室内原有过量空气系数小于1的浓混合气，并且在预燃室内形成了不均匀的混合气浓度分布，对预燃室内混合气点火燃烧产生不利影响；

2.发动机燃烧系统存在扫气效果差以及射流点火能力差的问题。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种用于发动机燃烧系统的预燃室、燃烧系统及工作方法。

为了实现上述目的，第一方面，本公开提供了一种用于发动机燃烧系统的预燃室，采用如下技术方案：

一种用于发动机燃烧系统的预燃室，包括加速段、过渡段和混合燃烧段；

所述加速段和所述混合燃烧段均为圆筒结构，所述混合燃烧段的直径大于所述加速段的直径；所述加速段的一端与所述混合燃烧段的一端通过所述过渡段连接；

所述加速段和所述混合燃烧段偏心设置，所述过渡段为周向方向上具有不同半径的过渡弧面结构。

进一步的，所述加速段远离所述过渡段的一端的周向上，倾斜设置有多个连接通道。

进一步的，所述过渡段靠近所述加速段的一端倾斜设置有火花塞安装孔，所述火花塞安装孔位于所述过渡段弧面直径较大的一侧。

进一步的，所述火花塞安装孔的开口方向倾向于所述加速段。

进一步的，所述混合燃烧段远离所述过渡段的一端倾斜设置有气体喷射阀，所述气体喷射阀位于所述过渡段弧面直径较大的一侧。

进一步的，所述气体喷射阀的安装平面垂直于所述混合燃烧段轴线相对于所述加速段轴线的水平偏置平面，所述气体喷射阀轴线的水平分量与所述混合燃烧段的周向方向相切，所述气体喷射阀轴线的垂直分量平行于所述混合燃烧段轴线。

进一步的，所述气体喷射阀的倾斜方向为远离所述过渡段方向。

为了实现上述目的，第二方面，本公开还提供了一种用于发动机燃烧系统，采用如下技术方案：

一种用于发动机燃烧系统，包括主燃烧室以及设置在所述主燃烧室一端的如第一方面所述的用于发动机燃烧系统的预燃室。

进一步的，所述加速段远离所述过渡段的一端与所述主燃烧室连接，多个连接通道位于所述主燃烧室内。

为了实现上述目的，第三方面，本公开还提供了一种用于发动机燃烧系统工作方法，采用如下技术方案：

一种用于发动机燃烧系统的预燃室工作方法，采用了如第一方面所述的用于发动机燃烧系统的预燃室；包括：

气体喷射阀以纵向切入的方向安装在预燃室上，进气冲程将混合气喷入预燃室，喷射气流沿预燃室壁面旋转运动，形成旋转中心与预燃室轴线成一定夹角的斜轴滚流，斜轴滚流运动驱使残余废气经连接通道从预燃室流出；斜轴滚流运动增加了喷射气流在预燃室内的流动阻力，阻碍喷入预燃室的混合气经连接通道泄漏到主燃烧室；

加速段和混合燃烧段偏心设置，引导由主燃烧室压入预燃室的混合气在预燃室内形成纵向旋转滚流，增加预燃室内湍流强度；同时，形成的压缩滚流运动促进被压入的混合气与预燃室内的浓混合气的混合，改善预燃室内可燃混合气的浓度分布；

火花塞安装在火花塞安装孔内，火花塞电极设置在压缩滚流的偏转起点处，火花塞点火后，火焰顺压缩滚流运动向预燃室上部传播。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

1.本公开中，采用偏心圆筒结构的预燃室结构设计，引导压入预燃室的主燃烧室稀混合气在预燃室内形成纵向旋转滚流，促进稀混合气与预燃室内浓混合气的混合，增加预燃室内湍流强度，使点火时预燃室内混合气状况和流动情况满足可靠点火和快速燃烧的要求；

2.本公开中，气体喷射阀以纵向切入的方向安装在预燃室上，在进气冲程将浓混合气喷入预燃室，喷射气流沿预燃室壁面旋转运动，形成旋转中心与预燃室纵轴线成一定夹角的斜轴滚流，该滚流运动驱使残余废气经连接通道从预燃室流出，提升扫气效果；斜轴滚流运动增加了喷射气流在预燃室内的流动阻力，阻碍喷入预燃室的浓混合气经连接通道泄漏到主燃烧室，保证加浓效果；

3.本公开中，火花塞电极设置在压缩滚流的偏转起点处，火花点火后，火焰顺压缩滚流运动向预燃室上部快速传播，快速消耗预燃室上部未燃混合气，加快预燃室内燃烧速度，使预燃室内燃烧压力迅速上升，提高射流喷出时的所包含的能量，增强射流点火能力。

附图说明

构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。

图1为本公开实施例1的某一方向的正视图；

图2为本公开实施例1的相对于图1的左视图；

图3为本公开实施例1的相对于图1的俯视图；

图4为本公开实施例1的相对于图1的仰视图；

图5为本公开实施例1的图1方向上的预燃室内气流运动规律的示意图；

图6为本公开实施例1的图2方向上的预燃室内气流运动规律的示意图；

图7为本公开实施例1的图3方向上的预燃室内气流运动规律的示意图；

图8为本公开实施例2的结构示意图；

其中，1、预燃室，11、火花塞，12、气体喷射阀，13、连接通道，2、主燃烧室，21、进气道，22、进气门，23、排气道，24、排气门，3、斜轴滚流，4、压缩滚流；A、加速段，B、过渡段，C混合燃烧段。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

实施例1：

如图1所示，本公开提供了一种用于发动机燃烧系统的预燃室，包括加速段A、过渡段B和混合燃烧段C；

所述加速段A和所述混合燃烧段C均为圆筒结构，所述混合燃烧段C的直径大于所述加速段A的直径；所述加速段A的一端与所述混合燃烧段C的一端通过所述过渡段B连接；

所述加速段A和所述混合燃烧段B偏心设置，所述过渡段C为周向方向上具有不同半径的过渡弧面结构。

在本实施例中，所述加速段A远离所述过渡段B的一端的周向上，倾斜设置有多个连接通道13。

在本实施例中，所述过渡段B靠近所述加速段A的一端倾斜设置有火花塞安装孔，所述火花塞安装孔位于所述过渡段B弧面直径较大的一侧。

在本实施例中，所述火花塞安装孔的开口方向倾向于所述加速段。

在本实施例中，所述混合燃烧段C远离所述过渡段B的一端倾斜设置有气体喷射阀12，所述气体喷射阀12位于所述过渡段B弧面直径较大的一侧。

在本实施例中，所述气体喷射阀12的安装平面垂直于所述混合燃烧段C轴线相对于所述加速段A轴线的水平偏置平面，所述气体喷射阀12轴线的水平分量与所述混合燃烧段C的周向方向相切，所述气体喷射阀12轴线的垂直分量平行于所述混合燃烧段C轴线。

在本实施例中，所述气体喷射阀12的倾斜方向为远离所述过渡段B方向。

实施例2：

如图8所示，本实施例一种用于发动机燃烧系统，包括主燃烧室2以及设置在所述主燃烧室一端的如实施例1中所述的用于发动机燃烧系统的预燃室1。

在本实施例中，所述加速段A远离所述过渡段B的一端与所述主燃烧室2连接，多个连接通道13位于所述主燃烧室2内。

本实施例的具体实现方式为：

一种主动预燃室式燃烧系统，包括预燃室1、火花塞11、气体喷射阀12、主燃烧室2，进气道21，进气门22，排气道23和排气门24；所述预燃室1和所述主燃烧室2通过加工在所述预燃室1底部的连接通道13相连通，所述火花塞11和所述气体喷射阀12安装于所述预燃室1上，所述气体喷射阀12用于向所述预燃室1提供额外的气体喷射，所述火花塞11用于在点火定时点燃所述预燃室1内可燃混合气；所述主燃烧室2与所述进气道21和所述排气道相23连通，所述进气门22和所述排气门24用于控制进气过程和排气过程。

在本实施例中，具有两种供气气源，过量空气系数大于1的稀混合气被供给至所述主燃烧室2，过量空气系数小于1的浓混合气作为所述预燃室1的额外供气；在进气冲程中，稀混合气(过量空气系数大于1的稀混合气)通过所述进气道21和所述进气门22流入所述主燃烧室2，所述气体喷射阀12控制浓混合气(过量空气系数小于1的浓混合气)流入所述预燃室1；压缩冲程中，主燃烧室2内稀混合气在上行活塞作用下，经连接通道13流入所述预燃室1，与预燃室1内浓混合气混合，稀释了预燃室1内浓混合气浓度；点火时，所述预燃室1和所述主燃烧室2内形成分层混合气，所述主燃烧室2内为稀混合气，所述预燃室1内为浓度浓于主燃烧室2内稀混合气的混合气。

具体地，主动预燃室包括所述预燃室1、安装在所述预燃室1上的所述火花塞11和所述气体喷射阀12。

如图1所示，在本实施例中，所述预燃室1形状为偏心圆筒结构，根据所述预燃室1轴线方向上几何结构尺寸的差别，所述预燃室被分为3段，分别为加速段A、过渡段B和混合燃烧段C。

如图1所示，在本实施例中，所述加速段A是半径为R₁₀的圆筒结构，位于所述预燃室1下部，所述混合燃烧段C是半径为R₁₁的圆筒结构，位于所述预燃室1顶部，所述混合燃烧段C的轴线相对于所述加速段A的纵轴线在水平方向上存在距离为S的偏置。

在本实施例中，所述过渡段B是具有不同半径的所述加速段A和所述混合燃烧段C的过渡弧面结构，过渡弧面结构的圆弧半径在纵轴线方向上是变化的，并且由于所述加速段A和所述混合燃烧段C存在水平方向的偏心，所述过渡段B上过渡圆弧的半径沿周向方向也是变化的。

在本实施例中，所述加速段A的半径R₁₀和所述混合燃烧段C的半径R₁₁的数值大小关系可以设置为2R₁₀≤R₁₁≤3R₁₀，所述混合燃烧段C轴线相对于所述加速段A轴线的偏置距离S与所述加速段A的半径R₁₀的数值大小关系可以设置为1/5R₁₀<S<1/2R₁₀。

在本实施例中，所述混合燃烧段C的高度h₂的取值可以为h₂＝1.5R₁₁，所述过渡段B的高度h₁的取值可以为h₁＝R₁₁，所述加速段A的高度h₀的取值可以为h₀＝1.125R₁₁，R₁₁是混合加速段的半径。

具体地，所述预燃室1的底部加工有与所述主燃烧室2相通的连接通道13，所述预燃室1与所述主燃烧室2之间的物质流动均流经该连接通道13。

在本实施例中，所述连接通道13的个数可选为四个到八个，所述连接通道13沿所述预燃室1的径向均匀分布。

所述连接通道13的中心线(轴线)与所述预燃室1轴线的夹角θ的取值范围可以为45°-60°，所述连接通道13的设置要保证从所述预燃室1喷入所述主燃烧室2的湍流射流之间不发生干涉。

具体地，所述预燃室1上加工有所述气体喷射阀12的安装孔。

在本实施例中，所述气体喷射阀12设置在所述混合燃烧段C的上部，所述预燃室1供气经过所述气体喷射阀12喷入所述预燃室1，气体喷射方向指向所述预燃室1下部，所述气体喷射阀12中心线与所述预燃室混合燃烧段C中心线的夹角α的取值范围可以为30°-60°，所述气体喷射阀12的安装平面垂直于所述混合燃烧段C轴线相对于所述加速段A轴线的水平偏置平面，所述气体喷射阀12中心线的水平分量与所述预燃室混合燃烧段C的周向方向相切，所述气体喷射阀12中心线的垂直分量平行于所述预燃室混合燃烧段C的中心线，所述气体喷射阀12位于所述混合燃烧段C轴线相对于所述加速段A轴线的水平偏置方向的反方向上。

在本实施例中，进气冲程中所述气体喷射阀12将预燃室1供气沿壁面喷入所述预燃室1，在所述预燃室1内形成斜轴滚流3，喷入的气体一方面扫除所述预燃室1内燃烧残余废气，另一方面浓混合气的流入增加了所述预燃室1内的燃料质量组分，进而优化了所述预燃室1内混合气质量。

在本实施例中，受喷入气体的斜轴滚流3运动影响，预燃室1额外供气结束时，所述预燃室1内形成不均匀的混合气浓度空间分布，壁面处的混合气略浓于所述混合燃烧段C中心处的混合气。

在本实施例中，压缩冲程中所述主燃烧室2内稀混合气在上行活塞作用下经所述连接通道13流入所述预燃室1，在所述预燃室1的偏心圆筒几何结构引导下，在所述混合燃烧段C形成了旋转中心线垂直于所述预燃室混合燃烧段C轴线的纵向滚流气流4。

在本实施例中，压缩进入所述预燃室1的主燃烧室2稀混合气在所述预燃室1内形成强烈的有组织的压缩滚流4，所述预燃室1内壁面处的气流速度大于预燃室1中心区域的流速。

在本实施例中，压缩滚流4的形成增加了所述预燃室1内湍流强度，促进稀混合气与所述预燃室1内壁面处原有浓混合气的混合，有利于在所述预燃室1内形成混合均匀的浓于主燃烧室2内稀混合气的可燃混合气，有助于点火时火核的形成和发展，加快火焰传播速度。

具体地，所述预燃室1上加工有所述火花塞11的安装孔。

在本实施例中，所述火花塞11设置在所述过渡段B上，所述火花塞11安装在所述混合燃烧段C轴线相对于所述加速段B轴线的水平偏置平面上，所述火花塞11位于所述混合燃烧段C轴线相对于所述加速段A轴线的水平偏置方向的反方向上，所述火花塞11的点火电极指向所述预燃室1的上部，所述火花塞11中心线与所述预燃室1轴线的夹角β的取值可以选为45°，所述火花塞11的点火电极探入所述预燃室1内。

在本实施例中，点火时，所述火花塞11电极处的压缩滚流4沿所述预燃室1壁面向上运动，所述火花塞11电极放电点火后，电极间隙处的可燃混合气被引燃形成火核，强烈的压缩滚流4促进火核的发展传播，向上的气流运动使火焰面快速向上传播，将所述预燃室1上部的未燃混合气阻挡在预燃室1内，从而使更多的可燃混合气参与所述预燃室1内燃烧。

实施例3：

本实施例提供了一种用于发动机燃烧系统的预燃室工作方法，采用了如实施例1中所述的用于发动机燃烧系统的预燃室；包括：

气体喷射阀12以纵向切入的方向安装在预燃室1上，进气冲程将混合气喷入预燃室1，喷射气流沿预燃室1壁面旋转运动，形成旋转中心与预燃室1轴线成一定夹角的斜轴滚流3，斜轴滚流3运动驱使残余废气经连接通道13从预燃室1流出；斜轴滚流3运动增加了喷射气流在预燃室1内的流动阻力，阻碍喷入预燃室1的混合气经连接通道13泄漏到主燃烧室2；

加速段A和混合燃烧段C偏心设置，引导由主燃烧室2压入预燃室1的混合气在预燃室1内形成压缩滚流4，被压入的混合气与预燃室1内的混合气的混合，增加预燃室1内湍流强度；

火花塞安11装在火花塞安装孔内，火花塞11电极设置在压缩滚流4的偏转起点处，火花塞11点火后，火焰顺压缩滚流4运动向预燃室1上部传播。

以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于发动机燃烧系统的预燃室，其特征在于，包括加速段、过渡段和混合燃烧段；

所述加速段和所述混合燃烧段均为圆筒结构，所述混合燃烧段的直径大于所述加速段的直径；所述加速段的一端与所述混合燃烧段的一端通过所述过渡段连接；

所述加速段和所述混合燃烧段偏心设置，所述过渡段为周向方向上具有不同半径的过渡弧面结构。

2.如权利要求1所述的一种用于发动机燃烧系统的预燃室，其特征在于，所述加速段远离所述过渡段的一端的周向上，倾斜设置有多个连接通道。

3.如权利要求1所述的一种用于发动机燃烧系统的预燃室，其特征在于，所述过渡段靠近所述加速段的一端倾斜设置有火花塞安装孔，所述火花塞安装孔位于所述过渡段弧面直径较大的一侧。

4.如权利要求3所述的一种用于发动机燃烧系统的预燃室，其特征在于，所述火花塞安装孔的开口方向倾向于所述加速段。

5.如权利要求1所述的一种用于发动机燃烧系统的预燃室，其特征在于，所述混合燃烧段远离所述过渡段的一端倾斜设置有气体喷射阀，所述气体喷射阀位于所述过渡段弧面直径较大的一侧。

6.如权利要求5所述的一种用于发动机燃烧系统的预燃室，其特征在于，所述气体喷射阀的安装平面垂直于所述混合燃烧段轴线相对于所述加速段轴线的水平偏置平面，所述气体喷射阀轴线的水平分量与所述混合燃烧段的周向方向相切，所述气体喷射阀轴线的垂直分量平行于所述混合燃烧段轴线。

7.如权利要求5所述的一种用于发动机燃烧系统的预燃室，其特征在于，所述气体喷射阀的倾斜方向为远离所述过渡段方向。

8.一种用于发动机燃烧系统，其特征在于，包括主燃烧室以及设置在所述主燃烧室一端的如权利要求1-7任一项所述的用于发动机燃烧系统的预燃室。

9.如权利要求8所述的一种用于发动机燃烧系统，其特征在于，所述加速段远离所述过渡段的一端与所述主燃烧室连接，多个连接通道位于所述主燃烧室内。

10.一种用于发动机燃烧系统的预燃室工作方法，其特征在于，采用了如权利要求1-7任一项所述的用于发动机燃烧系统的预燃室；包括：

气体喷射阀以纵向切入的方向安装在预燃室上，进气冲程将混合气喷入预燃室，喷射气流沿预燃室壁面旋转运动，形成旋转中心与预燃室轴线成一定夹角的斜轴滚流，斜轴滚流运动驱使残余废气经连接通道从预燃室流出；斜轴滚流运动增加了喷射气流在预燃室内的流动阻力，阻碍喷入预燃室的混合气经连接通道泄漏到主燃烧室；

加速段和混合燃烧段偏心设置，引导由主燃烧室压入预燃室的混合气在预燃室内形成纵向旋转滚流，增加预燃室内湍流强度；同时，形成的压缩滚流促进被压入的混合气与预燃室内的混合气的混合，改善预燃室内可燃混合气的浓度分布；

火花塞安装在火花塞安装孔内，火花塞电极设置在压缩滚流的偏转起点处，火花塞点火后，火焰顺压缩滚流运动向预燃室上部传播。

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