CN114109584A - 火花塞辅助高辛烷值燃料压燃开式燃烧室 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了火花塞辅助高辛烷值燃料压燃开式燃烧室，主要包括有：缸盖下壁面、喷油器安装孔、火花塞安装孔、火花塞、活塞、气缸缸壁等。本发明以传统的重型柴油机燃烧室为基础，在柴油机气缸缸盖任意一侧的进气门与排气门之间开有火花塞安装孔，并在活塞顶壁上开有用于放置火花塞深入缸内部分的让位凹槽结构，在保持与原有活塞高几何压缩比水平相当的基础上，便于火花塞快速点燃周围适宜的燃油混合气。通过火花塞辅助点火可以控制燃烧，同时使得高辛烷值燃料可以在较低负荷下(全局过量空气系数大于1)稳定压燃。本发明对燃烧室的改动相对较小，在有利于火花塞点火的同时可以保持柴油机平台高热效率的特点。

Description

火花塞辅助高辛烷值燃料压燃开式燃烧室
技术领域
本发明涉及往复活塞式发动机，尤其涉及高辛烷值燃料压燃燃烧室结构。
背景技术
高辛烷值燃料压燃是一种清洁高效的发动机燃烧技术。基于柴油机平台的高辛烷值燃料压燃燃烧模式既继承了柴油机的高热效率又继承了汽油燃料混合气均匀性好的优点，同等负荷下的碳烟、NOx等有害排放物远低于传统柴油机。与柴油相比，汽油因其反应活性低，高辛烷值燃料压燃低负荷时循环油量小、全局过量空气系数大，燃烧稳定性差是制约高辛烷值燃料压燃技术应用的关键技术瓶颈之一。火花辅助高辛烷值燃料压燃是一种潜在的满足发动机冷启动需要的低负荷燃烧稳定性拓展的技术手段，是当前高辛烷值燃料压燃技术亟待研究的关键技术。现代柴油机近压缩上止点喷油会使燃烧室内的燃料、空气混合气分布多位于活塞凹坑内部，传统活塞型线很难使火花塞电极到达较浓混合气分布区域。而采用较大凹坑直径的活塞在保证火花塞电极处于适合浓度的混合气分布区域时，发动机的几何压缩比无法保证现代柴油机高压缩比的水平，这会制约高辛烷值燃料压燃全工况热效率的提升。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种既满足火花塞点火混合气浓度需求，进而提高低负荷高辛烷值燃料压燃稳定性的燃烧室结构，同时可以保证几何压缩比处于现代柴油机相当的水平的火花塞辅助高辛烷值燃料压燃开式燃烧室。
本发明通过如下技术方案予以实现。
本发明一种火花塞辅助高辛烷值燃料压燃开式燃烧室，包括ω型活塞，在每个柴油机气缸缸盖任意一侧的进气门与排气门之间开有一个火花塞安装孔或者在每个柴油机气缸缸盖两侧的进气门与排气门之间分别设置一个火花塞安装孔且两个火花塞安装孔关于柴油机气缸缸盖的中心线形成对称布置，在与每一个火花塞安装孔相对位置的ω型活塞顶壁上分别开有用于放置火花塞深入缸内部分的让位槽，所述让位槽为向活塞内凹进的凹槽结构，所述的凹槽结构顶部通过上部过渡圆弧段与活塞顶面平滑过渡连接，所述的凹槽结构底部通过下部过渡圆弧段与ω型活塞的第一底部圆弧上部平滑过渡连接，与下部过渡圆弧段相连的ω型活塞的第一底部圆弧形成第二底部圆弧，所述的凹槽结构、下部过渡圆弧段以及第二底部圆弧上下依次平滑相连形成波浪线结构。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明在保证改进后活塞的几何压缩比与现代柴油机相当水平的前提下，保障火花塞电极附近的混合气浓度分布，可以在全局过量空气系数大于现有汽油机水平下实现有效点火。可以有效拓展高辛烷值燃料压燃的低负荷稳定运行边界。本发明对燃烧室的改动相对较小，在中高负荷下高辛烷值燃料的燃烧及排放情况可以保持与原柴油机燃烧室基本相当的水平。
附图说明
图1为火花塞(单火花塞时)位于气缸盖一侧的进气门与排气门中间时，采用本发明结构的燃烧室结构示意图；
图2为单火花塞时采用本发明结构的活塞顶面俯视图；
图3为图2所示的活塞沿A-A的燃烧室剖面示意图；
图4为图2所示的活塞沿B-B的燃烧室剖面示意图；
图5为火花塞(双火花塞)安装位置分别位于气缸盖两侧的进排气门之间，采用本发明结构时的燃烧室结构示意图；
图6为双火花塞时采用本发明结构的活塞顶面俯视图。
具体实施方式
为了使发明所述的案例更易于理解，列举以下具体实施例，但是本发明的权利要求范围不受这些实施例的限制。基于本发明的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明是在现有重型柴油机ω型活塞基础上的改进，以现有的柴油机燃烧室为基础。本发明的适用范围为缸径70-150mm发动机所用活塞。本发明描述的火花塞辅助高辛烷值燃料压燃开式燃烧室，主要涉及：缸盖下壁面、火花塞安装孔、喷油器安装孔、活塞等。
现有的柴油机燃烧室的结构为：每个柴油机气缸缸盖1中央设置有喷油器安装孔3，同时喷油器安装孔设置在两个进气门、两个排气门的中央位置，喷油器竖直安装固定在喷油器安装孔处。现有的ω型活塞包括中心凸台10，所述的中心凸台10的侧面母线与第一底部圆弧11、缩口圆弧12、倾斜直线段13以及活塞顶面依次平滑连接，现有活塞的剖面图如图4所示。
如附图所示，基于原柴油机燃烧室，即ω型高压缩比燃烧室，本发明的一种火花塞辅助高辛烷值燃料压燃开式燃烧室，包括ω型活塞，在每个柴油机气缸缸盖任意一侧的进气门与排气门之间开有一个火花塞安装孔4。在与每一个火花塞安装孔4相对位置的ω型活塞顶壁上分别开有用于放置火花塞深入缸内部分的让位槽，所述让位槽为向活塞内凹进的凹槽结构6，所述的凹槽结构顶部通过上部过渡圆弧段5与活塞顶面平滑过渡连接，所述的凹槽结构底部通过下部过渡圆弧段7与ω型活塞的第一底部圆弧11上部平滑过渡连接，与下部过渡圆弧段7相连的ω型活塞的第一底部圆弧11形成第二底部圆弧8。所述的凹槽结构、下部过渡圆弧段7以及第二底部圆弧8上下依次平滑相连形成波浪线结构，所述的平滑过渡连接可以采用相切结构实现。所述的第二底部圆弧8为已有的第一底部圆弧11的部分结构，其余中心凸台10连接部分没有变化。
如附图2所示，安装火花塞位置的下方有让位结构，其余位置保持原有ω型的型线不变。上部过渡圆弧段5和凹槽结构6在活塞顶面的俯视正投影形成圆弧状让位圆弧14，所述的圆弧状让位圆弧向活塞外壁面凸起；让位圆弧14的半径R1为8～30mm；缩口圆弧12与让位圆弧14的过渡连接部分在活塞顶面的俯视正投影形成连接过渡圆弧15，所述的连接过渡圆弧向喷油器安装孔方向凹进；所述的连接过渡圆弧15的半径R2＝10～60mm。
让位圆弧14距活塞外壁面的最小距离X1＝10～20mm。活塞位于压缩上止点位置时凹槽结构6的底部与火花塞电极底端之间的竖直距离Y为1～5mm，让位凹槽结构与原活塞的连接均为光滑过渡。
优选的，火花塞安装孔中心线至喷油器安装中心线的距离X为30～50mm，可以使得火花塞安装孔与进排气门位置距离合理，从而保证气缸缸盖的结构强度。
中心凸台沿喷油器中心轴线对称的两侧母线的夹角α为115～135°；
所述的第二底部圆弧8最底部到活塞顶面的竖直距离H1为14～20mm；
所述的凹槽结构6底部到活塞顶面的竖直距离H2为7～14mm。
图1的虚线代表喷油器的喷油油束方向，θ为喷油器喷油包角的一半。优选的，火花塞侧电极与最接近该火花塞的喷油器喷孔的连线与竖直方向形成的夹角等于θ，可以使得火花塞电极位置更快接触到适宜的燃油混合气，从而有利于点火。
本发明结构中为使火花塞可以伸入混合气浓区点燃浓混合气，在相应火花塞伸入位置增设让位凹槽结构，整体的ω型线保持不变，可以使得改进后的发动机几何压缩比处于和原柴油机基本相当的水平，同时由于在混合气浓区引入了火花塞便于点火，使得油气混合气在全局过量空气系数大于1的情况下可以顺利点火，大幅提升了小负荷高辛烷值燃料压燃的燃烧稳定性，燃烧效率及热效率达到较高水平。
采用本装置的使用方法如下：通过柴油机现有的燃油喷射系统，控制喷油器在上止点前时刻喷油，之后通过点火控制单元实现火花塞点火时刻的精确控制，从而实现火花辅助稳定燃烧的效果。点火控制单元引入原发动机的曲轴信号，具体点火控制控制方法采用现有的汽油机点火技术即可。
如附图5、图6所示，为进一步增强低负荷下高辛烷值燃料压燃的稳定着火能力，在每个柴油机气缸缸盖两侧的进气门与排气门之间分别设置一个火花塞安装孔4且两个火花塞安装孔关于柴油机气缸缸盖的中心线形成对称布置；在双火花塞作用下，可以在两处分别点火，以增强点火后火焰传播对压燃稳定燃烧的促进作用。此外，双火花塞的点火时刻可以不同，通过双火花点火以及喷油正时的耦合控制，可以增强低负荷燃烧稳定性，进一步拓展高辛烷值燃料压燃低负荷稳定运行的边界，有利于高辛烷值燃料压燃全工况稳定运行的实现。

Claims (7)

1.一种火花塞辅助高辛烷值燃料压燃开式燃烧室，包括ω型活塞，其特征在于：在每个柴油机气缸缸盖任意一侧的进气门与排气门之间开有一个火花塞安装孔或者在每个柴油机气缸缸盖两侧的进气门与排气门之间分别设置一个火花塞安装孔且两个火花塞安装孔关于柴油机气缸缸盖的中心线形成对称布置，在与每一个火花塞安装孔相对位置的ω型活塞顶壁上分别开有用于放置火花塞深入缸内部分的让位槽，所述让位槽为向活塞内凹进的凹槽结构，所述的凹槽结构顶部通过上部过渡圆弧段与活塞顶面平滑过渡连接，所述的凹槽结构底部通过下部过渡圆弧段与ω型活塞的第一底部圆弧上部平滑过渡连接，与下部过渡圆弧段相连的ω型活塞的第一底部圆弧形成第二底部圆弧，所述的凹槽结构、下部过渡圆弧段以及第二底部圆弧上下依次平滑相连形成波浪线结构。
2.根据权利要求1所述的火花塞辅助高辛烷值燃料压燃开式燃烧室，其特征在于：所述的上部过渡圆弧段和凹槽结构在活塞顶面的俯视正投影形成圆弧状让位圆弧，所述的圆弧状让位圆弧向活塞外壁面凸起，所述的让位圆弧的半径为8～30mm；缩口圆弧与让位圆弧的过渡连接部分在活塞顶面的俯视正投影形成连接过渡圆弧，所述的连接过渡圆弧向喷油器安装孔方向凹进，所述的连接过渡圆弧的半径为10～60mm。
3.根据权利要求1或者2所述的火花塞辅助高辛烷值燃料压燃开式燃烧室，其特征在于：所述的让位圆弧距活塞外壁面的最小距离为10～20mm，活塞位于压缩上止点位置时凹槽结构的底部与火花塞电极底端之间的竖直距离为1～5mm。
4.根据权利要求3所述的火花塞辅助高辛烷值燃料压燃开式燃烧室，其特征在于：所述的火花塞安装孔中心线至喷油器安装中心线的距离为30～50mm。
5.根据权利要求4所述的火花塞辅助高辛烷值燃料压燃开式燃烧室，其特征在于：所述的中心凸台沿喷油器中心轴线对称的两侧母线的夹角为115～135°。
6.根据权利要求5所述的火花塞辅助高辛烷值燃料压燃开式燃烧室，其特征在于：所述的第二底部圆弧最底部到活塞顶面的竖直距离为14～20mm。
7.根据权利要求6所述的火花塞辅助高辛烷值燃料压燃开式燃烧室，其特征在于：所述的凹槽结构底部到活塞顶面的竖直距离为7～14mm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115853632A (zh) * 2023-02-27 2023-03-28 潍柴动力股份有限公司 一种燃烧室以及气体发动机

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