CN114810329B - 一种燃烧室及气体发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃烧室及气体发动机，其中，燃烧室用于由柴油机改造成的气体发动机，燃烧室与弱滚流气缸盖结构组合使用，燃烧室包括位于活塞的顶部的燃烧室凹坑，燃烧室凹坑的周向壁面包括沿周向依次交替且平滑相接的两个主滚流导向壁面和两个交叉滚流导向壁面，两个主滚流导向壁面与燃烧室凹坑的底面共同形成敞口凹坑结构，两个交叉滚流导向壁面与燃烧室凹坑的底面共同形成缩口凹坑结构。本发明在主滚流方向设计敞口凹坑结构，在进气和压缩过程中，有利于促进前期滚流进一步强化，加快前期燃烧速度；在交叉滚流方向设计缩口凹坑结构，相较于直口型活塞凹坑，可以有效增大挤流强度，促进后期火焰传播速度，进而缩短整个燃烧持续期，提升热效率。

Description

一种燃烧室及气体发动机

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种燃烧室及气体发动机。

背景技术

目前，天然气发动机的设计开发一般是在柴油发动机的基础上进行改造，对柴油机而言，旋流气道产生的涡流在一定程度上有助于油束与空气混合，从而实现高效率燃烧以及低污染物排放。而气体机为预混燃烧，燃料在进气过程已经与空气混合，火花塞点火生成火核之后，理想状态是在燃烧过程中缸内存在较高的湍动能。湍动能的提升会加快火焰传播速度，这对于改善气体机燃烧过程，降低循环变动意义重大。如果气体机中继续存在涡流这种大尺寸流动，在压缩末期，火花塞附近流速偏低，纵向流速也偏低，涡流无法破碎成小尺度湍流，导致湍动能较低，因此，大尺度涡流运动不利于气体机的预混燃烧，并且循环变动大。对于气体机，适当提高混合气的滚流强度可以提升湍动能，进而改善燃气燃烧特性。其中，涡流是指气体绕气缸中心轴线有组织的大尺度旋流运动；滚流是指气流绕与气缸中心轴线垂直轴线有组织的大尺度的旋流运动；另外，湍流与层流不同，湍流是指气流速度较高时在流场中产生的许多方向不固定的小尺度旋流。

由于柴油机的中间进气方式和铸造偏差，会导致涡流比一致性差，进而导致各缸一致性差。在柴油机的气门杆无法倾斜的前提下，无法做到类似汽油机的蓬顶型燃烧室，所以，滚流强度偏低，为了配合滚流，气体机通常采用直口活塞，而当前气体机燃烧速度仍较慢，需要对活塞进一步优化，加强滚流程度，提高火焰传播速度，提升发动机热效率。

现有的气体机活塞一般是在柴油机活塞基础上改造而成，活塞的燃烧室01多采用直口的盆形结构，如图1所示，由于存在大尺度涡流运动，会影响火焰发展形态，导致循环变动较高，另外，在挤流运动的影响下，火焰横向传播速度较快，但是火花塞03附近区域的火焰纵向传播速度则较慢，湍动能较低且分布不合理，导致点火初期火焰传播速度较慢。如图1所示，位于火花塞03附近示意的虚线框区域为火焰传播低速区域02。与此同时，活塞顶部的上沿区域冷却较差，是爆震风险高的区域，在高速高负荷工况下，挤流有可能会吹灭火核，对点火稳定性造成不利影响。其中，挤流是指活塞表面的某一部分和气缸盖彼此靠近时产生的纵向和横向气流运动；爆震是指燃烧室内燃气点火后，火焰波尚未完全扩散，远处未燃的燃气即因为高温或者高压而自燃，其火焰波与正常燃烧的火焰波撞击而产生极大压力，使得发动机产生不正常的敲击声。本文中所述的横向是指沿气缸径向方向，纵向是指沿气缸轴向方向。

因此，如何优化气体机燃烧室以改善燃气燃烧过程，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种燃烧室及气体发动机，本发明通过优化燃烧室结构，并结合现有的弱滚流气道，有利于气缸内合理组织气流，从而有利于提高火焰传播速度，提升热效率。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种燃烧室，用于由柴油机改造成的气体发动机，所述燃烧室与弱滚流气缸盖结构组合使用，所述燃烧室包括位于活塞的顶部的燃烧室凹坑，所述燃烧室凹坑的周向壁面包括沿周向依次交替且平滑相接的两个主滚流导向壁面和两个交叉滚流导向壁面，两个进气门的中心的连线方向为进气门连线方向，经过所述活塞的轴线并且与所述进气门连线方向垂直的平面为第一活塞对称面，经过所述活塞的轴线并且与所述进气门连线方向平行的平面为第二活塞对称面，两个所述主滚流导向壁面相对布置并且分别与所述第一活塞对称面存在交线，两个所述交叉滚流导向壁面相对布置并且分别与所述第二活塞对称面存在交线，两个所述主滚流导向壁面与所述燃烧室凹坑的底面共同形成敞口凹坑结构，两个所述交叉滚流导向壁面与所述燃烧室凹坑的底面共同形成缩口凹坑结构。

优选地，两个所述主滚流导向壁面相对所述第二活塞对称面对称布置，和/或，两个所述交叉滚流导向壁面相对所述第一活塞对称面对称布置。

优选地，所述敞口凹坑结构与所述第一活塞对称面的交线包括敞口凹坑底部型线以及分别连接于所述敞口凹坑底部型线两端的主滚流导向型线，所述缩口凹坑结构与所述第二活塞对称面的交线包括缩口凹坑底部型线以及分别连接于所述缩口凹坑底部型线两端的交叉滚流导向型线，所述主滚流导向型线包括由所述敞口凹坑结构的上端边缘至所述敞口凹坑底部型线依次平滑相接的直线段和圆角过渡段，所述交叉滚流导向型线包括由所述缩口凹坑结构的上端边缘至所述缩口凹坑底部型线依次平滑相接的颈部圆弧段和腹部圆弧段，所述颈部圆弧段沿所述活塞的径向向内凸出，所述腹部圆弧段沿所述活塞的径向向外凸出。

优选地，所述圆角过渡段的半径为活塞半径的0.15倍～0.3倍，所述颈部圆弧段的半径为所述活塞半径的0.05倍～0.15倍，所述腹部圆弧段的半径为所述活塞半径的0.15倍～0.3倍。

优选地，所述敞口凹坑底部型线的长度为活塞半径的0.3倍～0.9倍，所述缩口凹坑底部型线的长度为所述活塞半径的0.8倍～1.5倍。

优选地，所述腹部圆弧段距离所述活塞的轴线最远的点为腹部圆弧凸出点，经过所述腹部圆弧凸出点并且垂直于所述活塞的轴线的平面为活塞横向特征面，所述燃烧室凹坑的周向壁面与所述活塞横向特征面的交线为燃烧室凹坑横向特征线，所述燃烧室凹坑横向特征线包括与主滚流导向壁面对应的两段主滚流导向特征线、与交叉滚流导向壁面对应的两段交叉滚流导向特征线以及用于连接所述主滚流导向特征线和所述交叉滚流导向特征线的四段过渡特征线。

优选地，所述主滚流导向特征线的两端分别与所述活塞的中心的连线所形成的夹角为主滚流导向特征角，所述交叉滚流导向特征线的两端分别与所述活塞的中心的连线所形成的夹角为交叉滚流导向特征角，所述过渡特征线的两端分别与所述活塞的中心的连线所形成的夹角为过渡特征角，其中，所述主滚流导向特征角为50°～70°，所述交叉滚流导向特征角为60°～80°，所述过渡特征角为15°～35°。

优选地，所述燃烧室凹坑的上边缘的轮廓形状为圆形。

优选地，所述燃烧室凹坑的上边缘的半径为活塞半径的0.5倍～0.75倍，和/或，所述燃烧室凹坑的深度为所述活塞半径的0.3倍～0.6倍。

本发明提供的燃烧室综合了敞口活塞与缩口活塞的优点，将燃烧室凹坑设计为敞口凹坑与缩口凹坑的耦合结构，具体而言，由于气体机燃烧室内的滚流主要是从进气门一侧向排气门一侧流动的，该滚流运动的旋转中心线与进气门连线方向平行，该滚流运动称为主滚流，而旋转中心线与进气门连线方向垂直的滚流运动称为交叉滚流。由于气缸内的主滚流较强而交叉滚流较弱，因此，本发明将燃烧室凹坑在主滚流方向设计为敞口凹坑结构，在进气和压缩过程中，敞口凹坑结构有利于促进前期滚流进一步强化，加快前期燃烧速度；而将燃烧室凹坑在交叉滚流方向设计为缩口凹坑结构，相较于传统直口型活塞凹坑，可以有效增大挤流面积，通过增强挤流强度来促进后期火焰传播速度，进而缩短整个燃烧持续期，提升热效率。

本发明还提供了一种包括上述任一种燃烧室的气体发动机。该气体发动机产生的有益效果的推导过程与上述燃烧室带来的有益效果的推导过程大体类似，故本文不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的直口盆形燃烧室的结构示意图；

图2为本发明具体实施例中的活塞及燃烧室的结构示意图；

图3为本发明具体实施例中的活塞及燃烧室的第一活塞对称面剖视图；

图4为本发明具体实施例中的活塞及燃烧室的第二活塞对称面剖视图；

图5本发明具体实施例中的活塞及燃烧室的活塞横向特征面剖视图；

图6为本发明具体实施例中燃烧室截面位置示意图；

图7为本发明具体实施例中截面D处进气过程的流场示意图；

图8为本发明具体实施例中截面D处压缩过程的流场示意图；

图9为本发明具体实施例中截面E处压缩过程的流场示意图。

图1中：01为燃烧室；02为火焰传播低速区域；03为火花塞

图2至图9中：1为活塞；2为主滚流导向壁面；3为交叉滚流导向壁面；4为燃烧室凹坑的底面；5为排气门避阀坑。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。

请参照图2至图9，本发明提供了一种燃烧室，用于由柴油机改造成的气体发动机，所述燃烧室与弱滚流气缸盖结构组合使用，其中，弱滚流气缸盖结构请参照发明专利(“一种弱滚流快速燃烧系统与一种燃气发动机”，公开号为CN111287860A)中所述的缸盖，该气缸盖结构由柴油机气缸盖改造而成，其形成的燃烧室顶面为平顶型结构，即，该气缸盖的气门杆沿活塞轴向布置，该气缸盖的进气道为弱滚流气道，具体是指气缸盖的进气道可以使进气气流在气缸内生成大尺度弱滚流运动，本文不再赘述其具体的弱滚流结构设计特征。

上述燃烧室包括位于活塞1的顶部的燃烧室凹坑，燃烧室凹坑的周向壁面包括沿周向依次交替且平滑相接的两个主滚流导向壁面2和两个交叉滚流导向壁面3，两个进气门的中心的连线方向为进气门连线方向，经过活塞1的轴线并且与进气门连线方向垂直的平面为第一活塞对称面A，经过活塞的轴线并且与进气门连线方向平行的平面为第二活塞对称面B，两个主滚流导向壁面2相对布置并且分别与第一活塞对称面A存在交线，两个交叉滚流导向壁面3相对布置并且分别与第二活塞对称面B存在交线，两个主滚流导向壁面2与燃烧室凹坑的底面4共同形成敞口凹坑结构，两个交叉滚流导向壁面3与燃烧室凹坑的底面4共同形成缩口凹坑结构。

本发明提供的燃烧室综合了敞口活塞与缩口活塞的优点，将燃烧室凹坑设计为敞口凹坑与缩口凹坑的耦合结构，具体而言，由于气体机燃烧室内的滚流主要是从进气门一侧向排气门一侧流动的，该滚流运动的旋转中心线与进气门连线方向平行，该滚流运动称为主滚流，而旋转中心线与进气门连线方向垂直的滚流运动称为交叉滚流。由于气缸内的主滚流较强而交叉滚流较弱，因此，本发明将燃烧室凹坑在主滚流方向设计为敞口凹坑结构，在进气和压缩过程中，敞口凹坑结构有利于促进前期滚流进一步强化，加快前期燃烧速度；而将燃烧室凹坑在交叉滚流方向设计为缩口凹坑结构，相较于传统直口型活塞凹坑，可以有效增大挤流面积，通过增强挤流强度来促进后期火焰传播速度，进而缩短整个燃烧持续期，提升热效率。

作为优选地，在本发明实施例中，两个主滚流导向壁面2相对第二活塞对称面B对称布置，和/或，两个交叉滚流导向壁面3相对第一活塞对称面A对称布置。

作为优选地，敞口凹坑结构与第一活塞对称面A的交线包括敞口凹坑底部型线以及分别连接于敞口凹坑底部型线两端的主滚流导向型线，缩口凹坑结构与第二活塞对称面B的交线包括缩口凹坑底部型线以及分别连接于缩口凹坑底部型线两端的交叉滚流导向型线，主滚流导向型线包括由敞口凹坑结构的上端边缘至敞口凹坑底部型线依次平滑相接的直线段和圆角过渡段，交叉滚流导向型线包括由缩口凹坑结构的上端边缘至缩口凹坑底部型线依次平滑相接的颈部圆弧段和腹部圆弧段，颈部圆弧段沿活塞的径向向内凸出，腹部圆弧段沿活塞的径向向外凸出。

作为优选地，圆角过渡段的半径R3为活塞半径R2的0.15倍～0.3倍，即，R3＝(0.15～0.3)R2，颈部圆弧段的半径R4为活塞半径R2的0.05倍～0.15倍，即，R4＝(0.05～0.15)R2，腹部圆弧段的半径R5为活塞半径R2的0.15倍～0.3倍，即，R5＝(0.15～0.3)R2。

作为优选地，敞口凹坑底部型线的长度L1为活塞半径R2的0.3倍～0.9倍，即，L1＝(0.3～0.9)R2，缩口凹坑底部型线的长度L2为活塞半径R2的0.8倍～1.5倍，即，L2＝(0.8～1.5)R2。

作为优选地，腹部圆弧段距离活塞的轴线最远的点为腹部圆弧凸出点，经过腹部圆弧凸出点并且垂直于活塞的轴线的平面为活塞横向特征面C，燃烧室凹坑的周向壁面与活塞横向特征面C的交线为燃烧室凹坑横向特征线，燃烧室凹坑横向特征线包括与主滚流导向壁面对应的两段主滚流导向特征线、与交叉滚流导向壁面对应的两段交叉滚流导向特征线以及用于连接主滚流导向特征线和交叉滚流导向特征线的四段过渡特征线。

作为优选地，主滚流导向特征线的两端分别与活塞的中心的连线所形成的夹角为主滚流导向特征角α2，交叉滚流导向特征线的两端分别与活塞的中心的连线所形成的夹角为交叉滚流导向特征角α1，过渡特征线的两端分别与活塞的中心的连线所形成的夹角为过渡特征角α3，其中，主滚流导向特征角α2为50°～70°，交叉滚流导向特征角α1为60°～80°，过渡特征角α3为15°～35°。

作为优选地，燃烧室凹坑的上边缘的轮廓形状为圆形。

作为优选地，燃烧室凹坑的上边缘的半径R1为活塞半径R2的0.5倍～0.75倍，即，R1＝(0.5～0.75)R2，和/或，燃烧室凹坑的深度H为活塞半径R2的0.3倍～0.6倍，即，H＝(0.3～0.6)R2。

如图7和图8所示，图7为图6中截面D处的进气过程流场示意图，图8为图6中截面D处的压缩过程流场示意图，滚流主要是从进气门到排气门方向的漩涡运动，该方向活塞采用敞口设计，在进气和压缩冲程，敞口活塞有利于形成滚流，使滚流得以强化，有利于前期快速燃烧。

如图9所示，图9为图6中截面E处的压缩过程流场示意图，与进、排气门连线相垂直方向的交叉滚流强度较弱，使用缩口活塞，虽降低了该方向的滚流强度，但对主滚流影响较弱，且有效增大了挤流强度，能够加快后期火焰传播速度，进而缩短整个燃烧持续期。

本发明还提供了一种包括上述任一种燃烧室的气体发动机。该气体发动机产生的有益效果的推导过程与上述燃烧室带来的有益效果的推导过程大体类似，故本文不再赘述。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种燃烧室，用于由柴油机改造成的气体发动机，所述燃烧室与弱滚流气缸盖结构组合使用，其特征在于，所述燃烧室包括位于活塞的顶部的燃烧室凹坑，所述燃烧室凹坑的周向壁面包括沿周向依次交替且平滑相接的两个主滚流导向壁面和两个交叉滚流导向壁面，两个进气门的中心的连线方向为进气门连线方向，经过所述活塞的轴线并且与所述进气门连线方向垂直的平面为第一活塞对称面，经过所述活塞的轴线并且与所述进气门连线方向平行的平面为第二活塞对称面，两个所述主滚流导向壁面相对布置并且分别与所述第一活塞对称面存在交线，两个所述交叉滚流导向壁面相对布置并且分别与所述第二活塞对称面存在交线，两个所述主滚流导向壁面与所述燃烧室凹坑的底面共同形成敞口凹坑结构，两个所述交叉滚流导向壁面与所述燃烧室凹坑的底面共同形成缩口凹坑结构，两个所述主滚流导向壁面相对所述第二活塞对称面对称布置，和/或，两个所述交叉滚流导向壁面相对所述第一活塞对称面对称布置。

2.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述敞口凹坑结构与所述第一活塞对称面的交线包括敞口凹坑底部型线以及分别连接于所述敞口凹坑底部型线两端的主滚流导向型线，所述缩口凹坑结构与所述第二活塞对称面的交线包括缩口凹坑底部型线以及分别连接于所述缩口凹坑底部型线两端的交叉滚流导向型线，所述主滚流导向型线包括由所述敞口凹坑结构的上端边缘至所述敞口凹坑底部型线依次平滑相接的直线段和圆角过渡段，所述交叉滚流导向型线包括由所述缩口凹坑结构的上端边缘至所述缩口凹坑底部型线依次平滑相接的颈部圆弧段和腹部圆弧段，所述颈部圆弧段沿所述活塞的径向向内凸出，所述腹部圆弧段沿所述活塞的径向向外凸出。

3.根据权利要求2所述的燃烧室，其特征在于，所述圆角过渡段的半径为活塞半径的0.15倍～0.3倍，所述颈部圆弧段的半径为所述活塞半径的0.05倍～0.15倍，所述腹部圆弧段的半径为所述活塞半径的0.15倍～0.3倍。

4.根据权利要求2所述的燃烧室，其特征在于，所述敞口凹坑底部型线的长度为活塞半径的0.3倍～0.9倍，所述缩口凹坑底部型线的长度为所述活塞半径的0.8倍～1.5倍。

5.根据权利要求2所述的燃烧室，其特征在于，所述腹部圆弧段距离所述活塞的轴线最远的点为腹部圆弧凸出点，经过所述腹部圆弧凸出点并且垂直于所述活塞的轴线的平面为活塞横向特征面，所述燃烧室凹坑的周向壁面与所述活塞横向特征面的交线为燃烧室凹坑横向特征线，所述燃烧室凹坑横向特征线包括与主滚流导向壁面对应的两段主滚流导向特征线、与交叉滚流导向壁面对应的两段交叉滚流导向特征线以及用于连接所述主滚流导向特征线和所述交叉滚流导向特征线的四段过渡特征线。

6.根据权利要求5所述的燃烧室，其特征在于，所述主滚流导向特征线的两端分别与所述活塞的中心的连线所形成的夹角为主滚流导向特征角，所述交叉滚流导向特征线的两端分别与所述活塞的中心的连线所形成的夹角为交叉滚流导向特征角，所述过渡特征线的两端分别与所述活塞的中心的连线所形成的夹角为过渡特征角，其中，所述主滚流导向特征角为50°～70°，所述交叉滚流导向特征角为60°～80°，所述过渡特征角为15°～35°。

7.根据权利要求1-6任一项所述的燃烧室，其特征在于，所述燃烧室凹坑的上边缘的轮廓形状为圆形。

8.根据权利要求7所述的燃烧室，其特征在于，所述燃烧室凹坑的上边缘的半径为活塞半径的0.5倍～0.75倍，和/或，所述燃烧室凹坑的深度为所述活塞半径的0.3倍～0.6倍。

9.一种气体发动机，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一项所述的燃烧室。