CN115075934A - 一种预燃室系统及其预燃室射流扰动强化燃烧系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种预燃室系统和预燃室射流扰动强化燃烧系统，包括预燃室适配套，以及从上向下依次设置在其内部的预燃室副喷油器和预燃室，所述预燃室下端有预燃室通道通向主燃室；所述预燃室适配套的内壁轮廓与所述预燃室副喷油器、预燃室和预燃室通道的外轮廓适配；所述预燃室适配套与发动机缸盖螺纹连接形成密封结构；且所述预燃室适配套的外壁上周向的设置有第一凹槽，所述第一凹槽靠近预燃室适配套的上端部，用于安装密封圈，从而与发动机本体缸盖形成密封；所述预燃室副喷油器外壁上周向的设置有第二凹槽，所述第二凹槽位于所述预燃室适配套内，用于安装密封圈。所述预燃室系统内部的形状和通道结构能够根据实际需要进行配置，促进燃烧。

Description

一种预燃室系统及其预燃室射流扰动强化燃烧系统

技术领域

本发明涉及一种燃烧系统，更具体的说，涉及一种预燃室系统及利用该预燃室系统的预燃室射流扰动强化燃烧系统。

背景技术

柴油机作为重型卡车、工程机械、船舶舰艇、军用动力的核心部件，相对于汽油机，具有排放清洁，燃油经济性好，动力强劲，可靠性高等优点。因此，柴油机被广泛应用于各种动力运输、电力、石化行业中。

传统柴油机燃烧属于喷雾扩散燃烧，在大负荷工况下，喷油量增大，喷油持续期延长，燃油与空气的混合速率不能满足高升功率强化燃烧的需要，如何促进柴油机大负荷工况下的油气混合速率，缩短燃烧持续期，是实现发动机高升功率、快速强化燃烧的关键。

CN 201910957218.9公开了一种预燃室射流扰动强化燃烧系统，包括主燃烧室和主喷油器，所述主喷油器的喷油嘴下端位于主燃烧室内部，所述主燃烧室外设置有预燃室，所述预燃室和主燃烧室之间通过预燃室通道连接，每个预燃室外均设置有副喷油器，每个所述副喷油器的喷油嘴下端分别位于其所对应的预燃室内部。但是这种系统仅是提出了预燃室燃烧系统的设计概念，对预燃室的具体结构和布局停留在理论说明阶段，未给予公开。

CN111894726A公开了柴油机冷启动射流火焰辅助着火装置及其控制方法，该发明中的预燃室由小型预燃室主体与预燃室喷嘴共同围成，预燃室的密封通过预燃室密封圈实现，预燃室喷嘴上的喷孔的气流通道喷嘴轴向之间形成夹角使得喷孔的喷射方向为斜向。这种装置通过调整预燃室密封圈的数量调整喷嘴的旋入角度，但仅调整喷射方向无法提升初始热力学条件，增加湍流强度以及提升工质反应活性。

为此，需要一种与传统柴油机缸头适配且能够增设在现有的发动机缸头的预燃室系统，从而通过预燃室的高强度射流提高主燃室的油气混合速率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种预燃室系统及利用该预燃室系统的预燃室射流扰动强化燃烧系统，所述预燃室系统包括一预燃室适配套，所述适配套能够与发动机缸盖螺纹连接形成密封结构，其内部的预燃室形状和通道结构能够根据实际需要进行配置从而更好地与主燃室内的油气混合进行耦合，促进燃烧。

一种预燃室系统，包括预燃室适配套，以及从上向下依次设置在所述预燃室适配套内部的预燃室副喷油器和预燃室，所述预燃室下端有预燃室通道通向主燃室；所述预燃室副喷油器伸入所述预燃室适配套内部，且所述预燃室副喷油器的喷油嘴伸入所述预燃室的内部；所述预燃室适配套的内壁轮廓与所述预燃室副喷油器、预燃室和预燃室通道的外轮廓适配；

其中，所述预燃室适配套与发动机缸盖螺纹连接形成密封结构；且所述预燃室适配套的外壁上周向的设置有第一凹槽，所述第一凹槽靠近预燃室适配套的上端部，用于安装密封圈，从而与发动机本体缸盖形成密封；

所述预燃室副喷油器外壁上周向的设置有第二凹槽，所述第二凹槽位于所述预燃室适配套内，用于安装密封圈；

所述预燃室适配套和预燃室副喷油器通过一卡具卡扣连接，且所述卡具具有向外伸出的外缘，其上有孔用于与发动机缸盖螺纹连接，保证预燃室副喷油器与预燃室适配套在工作过程中的稳定紧密。

进一步的，所述预燃室适配套包括柱形本体、上端部和下端部，所述上端部为六边形结构，下端设置有预燃室通道通向主燃室，其位置和形状与所述预燃室对应；所述预燃室适配套的下端还设置螺纹结构，用于与发动机缸盖螺纹连接。

进一步的，所述卡具包括上压块和下压块，所述下压块紧密包裹并固定在预燃室副喷油器的外壁上，一上压块套设在所述下压块外壁并夹紧，所述上压块上有向外伸出的外缘，所述外缘上具有三个沿外缘周向均匀设置的通孔。

进一步的，所述预燃室的内部形状为圆柱形，所述预燃室容积选取范围在发动机余隙容积的3％-5％。

进一步的，所述预燃室的高度分别是10mm、15mm、25mm和35mm。

进一步的，所述预燃室在距离其顶面20mm处设有凸台。

进一步的，所述预燃室适配套的通道与朝向活塞中心的方向的夹角为10°，15°或30°。

进一步的，所述预燃室适配套下方的预燃室通道选自三通道、两通道或单通道的布置方式；所述单通道位于预燃室与活塞中心面上。

利用所述预燃室系统的预燃室射流扰动强化燃烧系统，包括发动机本体、主喷油器、预燃室系统、高压油泵和控制系统；

所述预燃室系统包括预燃室适配套、预燃室副喷油器和预燃室；所述预燃室副喷油器和预燃室设置在预燃室适配套内，所述预燃室适配套与所述发动机本体的缸盖螺纹连接；

所述主喷油器的喷油嘴伸入发动机本体的主燃室内部，所述预燃室副喷油器的喷油嘴伸入主燃室内部；

所述主喷油器的进油口通过高压油路与共轨管的一个出油口连接，所述预燃室系统中的预燃室副喷油器通过高压油路与共轨管的另一出油口连接，所述共轨管具有两个入油口分别通过管路与所述高压油泵连接；

所述控制系统用于控制流入共轨管的两路高压油路的压力，以及控制所述主喷油器和预燃室副喷油器的喷油量和喷油时刻。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1、本发明的预燃室系统，在不改变传统柴油机结构的前提下，通过设计预燃室适配套与缸头安装配合，实现了预燃室射流扰动强化燃烧的目的，结构简单，便于加工安装；

2、预燃室适配套内部的形状结构和预燃室的高度根据能够根据射流扰动强化燃烧的目的进行设置，用于实现不同的预燃室射流的目的，便于后期的加工更换；

3、预燃室适配套中设置有预燃室副喷油器，可以通过控制系统ECU控制喷油器的喷油时刻和喷油量，进而实现预燃室射流的时间、动量强度的灵活控制，更广泛的适配主燃室缸内的燃烧状况；

4、预燃室适配套下方的通道数量、各通道间的夹角均可以根据设计需求进行改变，可以更好地与主燃室内的油气混合进行耦合，促进燃烧；通过预燃室燃烧产生的高压气体喷射进入主燃室，对主燃室内的油气混合气进行扰动，提高油气混合速率，缩短燃烧持续期，强化燃烧，提高发动机功率密度。

附图说明

图1是本发明所述一种柴油机单边主动式预燃室射流扰动强化燃烧系统结构示意图。

图2是本发明预燃室副喷油器、预燃室适配套、缸头的装配位置关系图；

图3示出各种预燃室布局，(a)、(b)、(c)、(e)分别是高度为10mm、15mm、25mm和35mm的预燃室示意图；(d)和(f)分别是高度为25mm和35mm且具有BUMP结构的预燃室结构示意图；

图4示出预燃室适配套下端的通道截面布局示意图，(a)和(b)分别示出三通道结构示意图；(c)、(d)、(e)、(f)、(g)分别示出具有不同夹角的二通道结构示意图；以及(h)示出单通道结构示意图；

图5示出预燃室适配套的通道与朝向活塞中心的方向的夹角，(a)、(b)、(c)分别为10°，15°和30°；

图6示出上压块和下压块的结构，其中(a)是上压块示意图；(b)是下压块示意图；

图7示出预燃室适配套和预燃室副喷油器的结构示意图。

其中，

1：发动机本体 2：活塞

3：预燃室适配套 4：预燃室

5：主喷油器 6：预燃室副喷油器

7：共轨管 8：高压油泵

9：控制系统ECU 10：进气道

11：排气道 12：废气涡轮增压器

13：进气中冷器 14：第二凹槽

15：第一凹槽 16：下压块

17：上压块 18：六角螺栓

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述，所描述的具体的实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

实施例1

如图1所示，一种单边主动式预燃室射流扰动强化燃烧系统，包括发动机本体1、主喷油器5、预燃室系统、高压油泵8和控制系统ECU9。所述发动机本体1包括六个缸体、主燃室、活塞2和缸压传感器。发动机本体1的进气通过废气涡轮增压器12增压和进气中冷器13冷却之后经过进气道10分配到发动机的六个缸体内参与燃烧做功，所述发动机本体1的排气通过管路汇聚至排气道11后再通过废气涡轮增压器12排出。

所述控制系统ECU9用于控制流入共轨管7的两路高压油路的压力，以及控制所述主喷油器5和预燃室副喷油器6的喷油量和喷油时刻。所述主喷油器5的喷油嘴伸入发动机本体1的主燃室内部，所述预燃室副喷油器6的喷油嘴伸入主燃室内部；所述主喷油器5的进油口通过高压油路与共轨管7的一个出油口连接，所述预燃室系统中的预燃室副喷油器6通过高压油路与共轨管7的另一出油口连接，所述共轨管7具有两个入油口分别通过管路与所述高压油泵8连接。高压燃油通过副喷油器6喷入预燃室4中进行燃烧，产生的高压混合气体通过预燃室4下方的通道喷至活塞2，预燃室射流扰动促使主燃室内产生强烈的湍流运动，改善主燃室内油气混合过程，大幅度提高燃烧速率，从而实现高热效率以及低碳烟排放。

如图2所示，所述预燃室系统包括预燃室适配套3，以及从上向下依次设置在所述预燃室适配套3内部的预燃室副喷油器6和预燃室4，所述预燃室4下端有预燃室通道通向主燃室。所述预燃室副喷油器6竖直伸入所述预燃室适配套3内部，且所述预燃室副喷油器6的喷油嘴伸入所述预燃室的内部；所述预燃室适配套3的内壁轮廓与所述预燃室副喷油器6、预燃室4和预燃室通道的外轮廓适配。

所述预燃室适配套3包括柱形本体、上端部和下端部，所述上端部为六边形结构，便于使用扳手等工具进行拆装。所述预燃室适配套3的下端设置有预燃室通道通向主燃室，其位置和形状与所述预燃室4对应；所述预燃室适配套3的下端还设置螺纹结构，并在发动机缸盖对应位置设置同样规格的螺纹结构，保证预燃室适配套3通过螺纹连接与发动机缸盖形成密封结构，防止发动机冷却液进入主燃室内。所述预燃室适配套3的外壁上周向的设置有第一凹槽15，所述第一凹槽15靠近预燃室适配套3的上端部，用于安装密封圈，从而与发动机本体1缸盖形成密封，防止发动机冷却液泄漏至缸盖外部。所述预燃室副喷油器6外壁上周向的设置有第二凹槽14，所述第二凹槽14位于所述预燃室适配套3内，用于安装密封圈，防止摇臂飞溅进气门室罩的机油进入预燃室4中，同时防止预燃室4中产生的高压气体泄漏。

所述预燃室适配套3和预燃室副喷油器6的连接如下：

如图7所示，一下压块16(如图6(b)所示)紧密包裹并固定在预燃室副喷油器6的外壁上；一上压块17(如图6(a)所示)套设在所述下压块16外壁并夹紧，所述上压块17上有向外伸出的外缘，其上有三个沿外缘周向均匀设置的通孔用于通过六角螺栓18固定在发动机缸盖上，同时所述预燃室副喷油器6的喷油嘴处端面与预燃室适配套3同位置端面处紧密贴合，利用上压块17和下压块16对所述预燃室副喷油器6的固定进一步对所述预燃室适配套3进行固定，保证预燃室副喷油器6与预燃室适配套3在工作过程中的稳定紧密。可选的，所述下压块16为外壁带有凸起的垫圈，所述上压块17为法兰卡环。

所述预燃室4的内部形状可依据副喷油器喷雾形态进行匹配选取，考虑实际应用中加工难度，预燃室形状建议采用圆柱形结构，预燃室容积大小建议选取范围在发动机余隙容积3％-5％；预燃室通道形状与个数依据主燃室内混合气分布选取。

图3(a)-(f)示出各种布局的预燃室4，所述预燃室4内部均采用圆柱形，图3(a)、图3(b)、图3(c)和图3(e)示出的所述预燃室4的高度分别是10mm、15mm、25mm和35mm。图3(d)和图3(f)示出的高度为25mm和35mm的预燃室，且所述预燃室4在距离其顶面20mm处有凸台BUMP。图3(a)示出的高度为10mm的预燃室内由于空间小，预燃室内压力上升更快，能在短时间内与主燃室形成压差，使得预燃室内的高温高压气体迅速喷射进入主燃室中，对主燃室的油气混合气进行扰动，促进燃烧。高度为15mm、25mm、35mm的预燃室，随着高度增加，预燃室容积增大，在预燃室相同喷油量的情况下形成压差的时间要逐渐滞后一些，但是预燃室内油气混合效果随着预燃室高度的增加(空间增大)而变的更好，使得预燃室的射流能够保持更长时间，且射流动量更大。图3(d)和图3(f)示出的带有BUMP结构的预燃室4，能够对预燃室内的附壁燃油起到剥离作用，在预燃室内形成二次射流，相对于无BUMP结构预燃室，有BUMP结构预燃室内的油气混合效果更好，使得预燃室内的燃烧效果更好，产生的射流动量更高。

图4(a)-(h)示出所述预燃室适配套3下方的通道剖面图，示出通道的不同布置方案，预燃室适配套3下方采用三通道、两通道、单通道三种布置方式；其中(a)和(b)分别示出三通道结构示意图，其中三通道布置可以同时对主燃室产生三束射流，作用面积更大，对靠近预燃室一侧的主燃室内的油气混合气扰动效果良好；(c)、(d)、(e)、(f)、(g)分别示出具有不同夹角的二通道结构示意图，该布局舍弃了中间通道，只对活塞的两侧产生射流进行扰动，这种布置方案由于通道数量减少，使得预燃室内的高温高速射流可以维持更长的时间，对活塞远离预燃室的一侧可以产生扰动效果，促进该区域的油气混合速率；以及(h)示出单通道结构示意图，该布局仅仅保留了中间通道，这种布置方法可以进一步延长预燃室的射流持续时间，对活塞中心处的油气混合浓区扰动效果更加明显，同时，射流到达远离预燃室一侧的缸壁之后沿缸壁向两侧分流，对活塞两侧的油气混合浓区进行扰动，促进混合。

如图4(a)所示，预燃室适配套的三通道结构中的两个边缘通道的夹角为110°，边缘通道与中心通道的夹角分别为55°；如图4(b)所示，两个边缘通道夹角为70°，边缘通道与中心通道的夹角分别为35°。如图4(c)、图4(d)、图4(e)、图4(f)、图4(g)所示，预燃室适配套的二通道结构中的通道夹角可以设置为110°，90°，70°，45°，30°；，如图4(h)所示，预燃室适配套的单通道位于预燃室与活塞中心面上。

预燃室适配套的通道竖直夹角针对于三通道、两通道、单通道三种布置方案，水平方向与朝向活塞中心的方向的夹角设置为10°，15°，30°，分别如图5(a)、图5(b)、图5(c)所示。

所述单边主动式预燃室射流扰动强化燃烧系统的工作原理和工作过程如下：

如图1所示，当发动机本体1正常运行时，由于预燃室适配套3底部设置有通道，因此主燃室内的压缩空气可以进入预燃室4内，预燃室4与主燃室中不存在压差，当需要预燃室副喷油器6喷油时，燃油进入所述高压油泵8后分为两路流入共轨管7中，控制系统ECU9输出喷油信号给预燃室副喷油器6，预燃室副喷油器6针阀提升，所述控制系统ECU9控制共轨管7内的两路高压油路的压力增至目标压力后，一路通过高压油管运输至主喷油器5喷至活塞2进行燃烧，另一路通过高压油管流入所述预燃室副喷油器6最终通过喷嘴喷射进入预燃室4中进行燃烧，由于预燃室4的空间很小，燃烧产生的高温高压混合气迅速使得预燃室4内压强上升，使得预燃室4与主燃室中形成较高压差，混合气通过预燃室适配套3下方的通道喷射进入主燃室内，预燃室射流扰动促使主燃室内产生强烈的湍流运动，改善主燃室内油气混合过程，大幅度提高燃烧速率，从而实现高热效率以及低碳烟排放，实现发动机本体1的强化燃烧，提升发动机功率密度。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种预燃室系统，其特征在于包括预燃室适配套(3)，以及从上向下依次设置在所述预燃室适配套(3)内部的预燃室副喷油器(6)和预燃室(4)，所述预燃室(4)下端有预燃室通道通向主燃室；所述预燃室副喷油器(6)伸入所述预燃室适配套(3)内部，且所述预燃室副喷油器(6)的喷油嘴伸入所述预燃室的内部；所述预燃室适配套(3)的内壁轮廓与所述预燃室副喷油器(6)、预燃室(4)和预燃室通道的外轮廓适配；

其中，所述预燃室适配套(3)与发动机缸盖螺纹连接形成密封结构；且所述预燃室适配套(3)的外壁上周向的设置有第一凹槽(15)，所述第一凹槽(15)靠近预燃室适配套(3)的上端部，用于安装密封圈，从而与发动机本体(1)缸盖形成密封；

所述预燃室副喷油器(6)外壁上周向的设置有第二凹槽(14)，所述第二凹槽(14)位于所述预燃室适配套(3)内，用于安装密封圈；

所述预燃室适配套(3)和预燃室副喷油器通过一卡具卡扣连接，且所述卡具具有向外伸出的外缘，其上有孔用于与发动机缸盖螺纹连接，保证预燃室副喷油器(6)与预燃室适配套(3)在工作过程中的稳定紧密。

2.根据权利要求1所述的预燃室系统，其特征在于所述预燃室适配套(3)包括柱形本体、上端部和下端部，所述上端部为六边形结构，下端设置有预燃室通道通向主燃室，其位置和形状与所述预燃室(4)对应；所述预燃室适配套(3)的下端还设置螺纹结构，用于与发动机缸盖螺纹连接。

3.根据权利要求1所述的预燃室系统，其特征在于所述卡具包括上压块(17)和下压块(16)，所述下压块(16)紧密包裹并固定在预燃室副喷油器(6)的外壁上，一上压块(17)套设在所述下压块(16)外壁并夹紧，所述上压块(17)上有向外伸出的外缘，所述外缘上具有三个沿外缘周向均匀设置的通孔。

4.根据权利要求1所述的预燃室系统，其特征在于所述预燃室(4)的内部形状为圆柱形，所述预燃室容积选取范围在发动机余隙容积的3％-5％。

5.根据权利要求4所述的预燃室系统，其特征在于所述预燃室(4)的高度分别是10mm、15mm、25mm和35mm。

6.根据权利要求4所述的预燃室系统，其特征在于所述预燃室(4)在距离其顶面20mm处设有凸台。

7.根据权利要求2所述的预燃室系统，其特征在于所述预燃室适配套3下方的预燃室通道选自三通道、两通道或单通道的布置方式；所述单通道位于预燃室与活塞中心面上。

8.根据权利要求2所述的预燃室系统，其特征在于所述预燃室适配套的通道与朝向活塞中心的方向的夹角为10°，15°或30°。

9.利用权利要求1所述预燃室系统的预燃室射流扰动强化燃烧系统，包括发动机本体(1)、主喷油器(5)、预燃室系统、高压油泵(8)和控制系统(9)；

所述预燃室系统包括预燃室适配套(3)、预燃室副喷油器(6)和预燃室(4)；所述预燃室副喷油器(6)和预燃室(4)设置在预燃室适配套(3)内，所述预燃室适配套(3)与所述发动机本体(1)的缸盖螺纹连接；

所述主喷油器5的喷油嘴伸入发动机本体(1)的主燃室内部，所述预燃室副喷油器(6)的喷油嘴伸入主燃室内部；

所述主喷油器5的进油口通过高压油路与共轨管(7)的一个出油口连接，所述预燃室系统中的预燃室副喷油器(6)通过高压油路与共轨管(7)的另一出油口连接，所述共轨管7具有两个入油口分别通过管路与所述高压油泵(8)连接；

所述控制系统(9)用于控制流入共轨管(7)的两路高压油路的压力，以及控制所述主喷油器(5)和预燃室副喷油器(6)的喷油量和喷油时刻。

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