CN114320573B - 用于气阀式二四冲程可变换高功率柴油机的活塞燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于气阀式二四冲程可变换高功率柴油机的活塞燃烧室，尤其涉及发动机领域。包括：中心平台a、圆锥面b、圆弧c、直线段d、直线段f、圆弧e、燃烧室侧壁及梅花瓣结构，燃烧室侧壁顶部开设有梅花瓣结构，中心平台a的高度与原燃烧室相同，局部梅花式燃烧室的压缩比与原燃烧室相同，与圆锥面b连接的圆弧c形状和尺寸与原燃烧室相同。在二、四冲程变换柴油机上兼顾二冲程和四冲程两种模式，保证四冲程模式下原有的低油耗和低排放特性的同时又在不改变活塞材料的基础上缓解了二冲程模式下活塞高热负荷问题。

Description

用于气阀式二四冲程可变换高功率柴油机的活塞燃烧室

技术领域

本发明涉及发动机领域的装置，尤其涉及用于气阀式二四冲程可变换高功率柴油机的活塞燃烧室。

背景技术

为了提升柴油机的功率密度，通常使用的技术措施是提升发动机的循环进气量和喷油量，进而提升柴油机的燃烧爆发压力。然而，受限于增压器的能力和发动机材料可承受的强度，爆发压力的提升空间越来越小。相同转速下，二冲程工作模式下的柴油机做功频率比四冲程高一倍，因此，在提高升功率时不需要过高的爆发压力，可以在发动机原有材料和结构的基础上实现提高功率密度的目的。二、四冲程可变换柴油机依靠灵活的气门控制技术，在不改变四冲程发动机基础结构的情况下，根据应用工况的需要在一台发动机上进行二、四冲程工作模式的变换，充分发挥不同冲程工作模式在其工作范围下的优势，拓宽了发动机的运行工况范围，强化了发动机动力。但由于二冲程工作模式下的柴油机由于换气时间短、气门叠开角较大等原因，缸内气流运动更加复杂，更容易出现缸内混合气分布不均匀等问题，再加上二冲程工作模式下发动机燃烧和做功频率增加一倍，单位时间内缸内释放的热量也大幅增加，如果将应用于四冲程柴油机的活塞燃烧室直接用于二、四冲程可变换柴油机，很容易由于过高的热负荷导致活塞烧蚀和拉缸故障。

发明内容

本发明的目的在于提供用于气阀式二四冲程可变换高功率柴油机的活塞燃烧室，以解决上述背景技术提出的问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供的用于气阀式二四冲程可变换高功率柴油机的活塞燃烧室，包括：中心平台a、圆锥面b、圆弧c、直线段d、直线段f、圆弧e、燃烧室侧壁及梅花瓣结构，所述燃烧室侧壁顶部开设有所述梅花瓣结构，所述中心平台a的高度与原燃烧室相同，局部梅花式燃烧室的压缩比与原燃烧室相同，与所述圆锥面b连接的所述圆弧c形状和尺寸与原燃烧室相同，燃烧室凹坑深度H1与原燃烧室相同，所述直线段d与所述圆弧c相切且与垂直面成不为零的角度θ₃，所述直线段d和所述直线段f衔接处设置有光滑过渡的所述圆弧e，局部梅花式燃烧室的所述梅花瓣结构位于活塞的排气侧，所述圆锥面b的锥角θ₂小于原燃烧室的锥角且角度变化小于1°。

优选地，所述角度θ₃的范围为0°～(90°-θ₁)，其中θ₁为油束夹角的一半。

优选地，所述圆弧e的尺寸为R1.5～R2.5之间。

优选地，所述梅花瓣结构偏向于四分之一区，所述梅花瓣结构数量为多个时，扇形展开角θ₅≈θ_6。

优选地，所述梅花瓣结构的扇形中心线与油束中心线夹角θ₄范围为(60/n*ω)°～(80/n*ω)°，其中n为喷油器孔数，ω为涡流比。

本发明提供的用于气阀式二四冲程可变换高功率柴油机的活塞燃烧室有益效果是：在二、四冲程变换柴油机上兼顾二冲程和四冲程两种模式，保证四冲程模式下原有的低油耗和低排放特性的同时又在不改变活塞材料的基础上缓解了二冲程模式下活塞高热负荷问题；局部梅花式活塞燃烧室以原四冲程活塞燃烧室形状为基础，大部分参数不变或者变化较小，既保证了工装和工艺的通用性，又保证了在发动机四冲程模式下低油耗和低排放特性；局部梅花式燃烧室能够有效降低发动机在二冲程模式下运行时活塞顶面过高的热负荷，降低活塞烧蚀和拉缸风险；局部梅花式燃烧室的设计考虑了与之配合使用的喷油器孔数和油束夹角，与之组成的燃烧系统具有更广的适应性；该燃烧系统考虑了换气过程、涡流比等对燃油喷雾的影响，使局部梅花式燃烧室结构设计更加合理。

附图说明

图1是本发明用于气阀式二四冲程可变换高功率柴油机的活塞燃烧室的原四冲程柴油机活塞。

图2是本发明用于气阀式二四冲程可变换高功率柴油机的活塞燃烧室的原四冲程柴油机燃烧系统示意图。

图3是本发明用于气阀式二四冲程可变换高功率柴油机的活塞燃烧室的二、四冲程变换柴油机活塞。

图4是本发明用于气阀式二四冲程可变换高功率柴油机的活塞燃烧室的二、四冲程变换柴油机燃烧系统示意图(侧视图)。

图5是本发明用于气阀式二四冲程可变换高功率柴油机的活塞燃烧室的二、四冲程变换柴油机燃烧系统示意图(俯视图)。

图6是本发明用于气阀式二四冲程可变换高功率柴油机的活塞燃烧室的喷油前缸内气流运动方向。

图7是本发明用于气阀式二四冲程可变换高功率柴油机的活塞燃烧室的缸内燃烧温度分布(颜色越深代表温度越高)。

图8是本发明用于气阀式二四冲程可变换高功率柴油机的活塞燃烧室的喷油落点分布。

图9是本发明用于气阀式二四冲程可变换高功率柴油机的活塞燃烧室的燃烧系统喷油器最大油束夹角示意图(活塞上止点)。

图10是本发明用于气阀式二四冲程可变换高功率柴油机的活塞燃烧室的燃烧系统喷油器最小油束夹角示意图(喷油结束时)。

图11是本发明用于气阀式二四冲程可变换高功率柴油机的活塞燃烧室的局部梅花式燃烧室与原四冲程柴油机活塞燃烧室在二冲程工作模式下缸压和放热率对比。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

下面参照附图详细地说明本发明的具体实施方式。在各附图中，相同的附图标记表示相同或相应的技术特征。各附图仅作为示意图，并非一定按实际比例绘制的。

参见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10及图11，如图所示用于气阀式二四冲程可变换高功率柴油机的活塞燃烧室，图1为原四冲程柴油机的活塞，图2为其燃烧系统示意图。活塞运动到上止点附近时，燃油喷射，撞击到活塞燃烧室壁面上凸起处。凸起起到了分流卷吸的作用，将燃油分成上下两部分，一方面增加了湍流度，另一方面也提高了燃烧室的空气利用率。这种燃烧系统是目前四冲程柴油机最常用的燃烧系统。然而，这种燃烧系统在二冲程模式下使用时，相同转速下，发动机燃烧和做功频率翻倍，活塞顶面会因热负荷激增而发生烧蚀故障。

本发明实施例公开了一种适用于二、四冲程变换柴油机燃烧系统的局部梅花式活塞燃烧室，实现了在保持四冲程模式下优良的燃油经济性和低排放特性的同时，有效降低二冲程模式下活塞高热负荷的效果。

该燃烧室以原四冲程柴油机的活塞燃烧室为基础，保证了工装和工艺的通用性，其中，

1)中心平台a的高度与原燃烧室相同，但宽度略有增加，目的是保证局部梅花式燃烧室的压缩比与原燃烧室相等，具体宽度可根据“梅花瓣”切除的体积计算得到；

2)由于中心平台a宽度增加，圆锥面b的锥角θ₂和原燃烧室相比略有减小，但角度变化较小(<1°)，从而保证燃油油束喷射时与圆锥面b的相对位置基本不变，因此，发动机在四冲程模式下运行时油束与圆锥面的相互作用不变；

3)与b连接的圆弧c形状和尺寸与原燃烧室保持一致，燃烧室凹坑深度H₁与原燃烧室保持一致，保证了局部梅花式燃烧室在四冲程模式下运行时性能变动较小；

4)直线段d与圆弧c相切，并且与垂直面成一定角度θ₃，为了让尽量多的燃油撞壁后向燃烧室底部卷吸，要求0°<θ₃<(90°-θ₁)，其中，θ₁为油束夹角的一半，这样可以减少蹿向活塞顶部的燃油质量，有效降低活塞顶面燃烧放热，降低活塞顶烧蚀风险；

5)直线段f是原活塞避阀坑位置，本发明不做更改，但需要指出的是，如果活塞没有避阀坑，或者“梅花瓣”不在避阀坑上，直线段f高于图示位置，燃油喷雾g更容易进入到燃烧室凹坑内，即燃烧室凹坑对燃油喷雾的包裹效果会更好；

6)圆弧e是直线段d和直线段f的过渡圆角，一方面，圆角尺寸不宜过大，防止降低局部梅花式燃烧室凹坑对燃油喷雾的包裹效果；另一方面，圆角尺寸也不宜过小，防止二冲程模式下高热负荷在此处产生过高的热应力，导致烧蚀故障。推荐圆弧e的尺寸为R1.5～R2.5之间，视具体情况确定具体数值。

7)局部梅花式燃烧室的“梅花瓣”位于活塞的排气侧，实际上会偏向于四分之一区。因为发动机在二冲程工作模式下，进气门和排气门叠开角很大，一方面，在缸内形成了自进气门向排气门运动的气流，容易将油气混合气吹向排气侧，增加排气侧热负荷，如图6和图7所示；另一方面，由于进气温度较低，对进气侧的冷却作用强于排气侧。图8案例燃油被吹向了左上方四分之一区(颜色越深，燃油质量越多)，因此，“梅花瓣”布置在了左上方四分之一区；

8)燃烧室“梅花瓣”的数量与喷油器孔数(示意图8中为12孔喷油器)和位置相关，如果油束延长线落在了左上四分之一区，则需要在对应位置布置“梅花瓣”；

9)如果燃烧室有多个“梅花瓣”，则它们的扇形展开角要相当(θ₅≈θ₆)，这样燃油在燃烧室凹坑内部和外部的比例更容易精确计算和控制；

10)“梅花瓣”的扇区中心线位置与喷油器中心线及涡流比有关，对于涡流比较低的机型，缸内涡流对油束的作用较弱，油束不容易被气流吹偏，“梅花瓣”扇形中心线与油束中心线夹角θ₄设计小一些；对于中等涡流比的机型，油束会被气流吹偏一定角度，“梅花瓣”扇形中心线与油束中心线夹角θ₄设计大一些；对于高涡流比的机型，油束会被气流吹得更偏，“梅花瓣”扇形中心线与油束中心线夹角θ₄设计更大一些，具体为(60/n*ω)°≤θ₄≤(80/n*ω)°，其中n为喷油器孔数，ω为涡流比。

第二方面，本发明实施例还公开了一种配合该局部梅花式活塞燃烧室使用的喷油器方案，如图9和图10所示。其中，

活塞位于上止点时，油束夹角(2*θ₈)不能大于喷油孔-凸台中心连线形成的锥角(2*θ₇)，即θ₈≤θ₇，否则会有大量燃油蹿向活塞顶，导致活塞顶热负荷过高；

喷油结束时刻，油束夹角(2*θ₉)不能小于喷油孔-凸台中心连线形成的锥角(2*θ₁₀)，即θ₉≥θ₁₀，否则燃油大部分在燃烧室凹坑内燃烧，导致活塞上部空气利用率较低，燃烧恶化；

喷油器孔数根据缸内和涡流比确定，原则是燃油扩散雾化后覆盖面尽量大，以充分利用缸内空气，同时不能有重叠区，避免燃烧恶化。

图11是局部梅花式燃烧室与原四冲程柴油机活塞燃烧室在二冲程工作模式下缸压和放热率对比，可以看出，缸压和放热率几乎重合，说明发动机性能几乎不变，功率未损失。实验中通过局部梅花式燃烧室与原四冲程柴油机活塞燃烧室在二冲程工作模式下缸内燃空当量比的分布对比，可以看出，局部梅花式燃烧室明显减少了蹿向活塞顶面的燃油量。通过原四冲程柴油机活塞燃烧室在二冲程工作模式下活塞顶气侧温度分布及局部梅花式燃烧室在二冲程工作模式下活塞顶气侧温度分布，可以看出局部梅花式燃烧室减少了活塞顶的高温区域，有利于降低活塞顶的温度，从而降低活塞顶烧蚀风险。

在二、四冲程变换柴油机上兼顾二冲程和四冲程两种模式，保证四冲程模式下原有的低油耗和低排放特性的同时又在不改变活塞材料的基础上缓解了二冲程模式下活塞高热负荷问题；局部梅花式活塞燃烧室以原四冲程活塞燃烧室形状为基础，大部分参数不变或者变化较小，既保证了工装和工艺的通用性，又保证了在发动机四冲程模式下低油耗和低排放特性；局部梅花式燃烧室能够有效降低发动机在二冲程模式下运行时活塞顶面过高的热负荷，降低活塞烧蚀和拉缸风险；局部梅花式燃烧室的设计考虑了与之配合使用的喷油器孔数和油束夹角，与之组成的燃烧系统具有更广的适应性；该燃烧系统考虑了换气过程、涡流比等对燃油喷雾的影响，使局部梅花式燃烧室结构设计更加合理。

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

Claims (1)

1.用于气阀式二四冲程可变换高功率柴油机的活塞燃烧室，其特征在于，其为局部梅花式燃烧室，位于活塞本体的活塞顶面的中心或非中心且位于销孔的上方，包括：中心平台a、圆锥面b、圆弧c、直线段d、直线段f、圆弧e、燃烧室侧壁及梅花瓣结构，其中，

所述燃烧室侧壁顶部开设有所述梅花瓣结构，所述中心平台a的高度与原四冲程柴油机的活塞燃烧室相同，局部梅花式燃烧室的压缩比与原四冲程柴油机的活塞燃烧室相同，与所述圆锥面b连接的所述圆弧c形状和尺寸与原四冲程柴油机的活塞燃烧室相同，燃烧室凹坑深度H1与原四冲程柴油机的活塞燃烧室相同，所述直线段d与所述圆弧c相切且与垂直面成不为零的角度θ₃，所述直线段d和所述直线段f衔接处设置有光滑过渡的所述圆弧e，局部梅花式燃烧室的所述梅花瓣结构位于活塞的排气侧，所述圆锥面b的锥角θ₂小于原四冲程柴油机的活塞燃烧室的锥角且角度变化小于1°；

所述直线段d与垂直面的角度θ₃的范围为0°～(90°-θ₁)，其中θ₁为油束夹角的一半；所述圆弧e的尺寸为R1.5～R2.5之间；

所述梅花瓣结构偏向于四分之一区，所述梅花瓣结构数量为多个时，梅花瓣的扇形展开角θ₅≈θ₆；

所述梅花瓣结构的扇形中心线与油束中心线夹角θ4范围为(60/n*ω)°～(80/n*ω)°，其中n为喷油器孔数，ω为涡流比。