CN115234359A - 燃烧设备及具有其的汽油机 - Google Patents

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刘耀东
白洪江
李显
李金成
韩令海
赵川
宫艳峰
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Abstract

本发明提供了一种燃烧设备及具有其的汽油机，燃烧设备包括主燃室和预燃室，预燃室内设置有火花塞，燃烧设备还包括：防护壳，预燃室设置在防护壳内；多个连通通道，设置在防护壳上，连通通道分别与主燃室和预燃室连通，连通通道的延伸方向与水平面之间具有夹角，多个连通通道沿防护壳的周向间隔设置；预燃室的底部设置有凹陷部，凹陷部相对于预燃室的底壁面凹陷，连通通道的至少部分与凹陷部相对设置。本发明解决了现有技术中的汽油与预燃室的燃烧速度慢且点火初期的滞燃期较长的问题。

Description

燃烧设备及具有其的汽油机
技术领域
本发明涉及汽油机预燃室技术领域，具体而言，涉及一种燃烧设备及具有其的汽油机。
背景技术
近年来，传统内燃机不断受到油耗法规、排放法规和新能源发展的挑战。汽油机利用预燃室能够实现多点/面、快速而稳定的燃烧，弥补米勒循环、EGR(废弃再循环系统)和稀燃等技术在燃烧上的劣势，配合使用可以显著地降低泵气、燃烧和传热的损失。随着有效热效率目标的不断提升，预燃室在汽油机上的研究和应用逐渐广泛，被认为是未来汽油机最有希望的技术路线之一。
预燃室一般位于气缸盖内，通过一个或数个喷孔与主燃室相连。预燃室内安装有火花塞，火花塞点燃的高温高压气体从喷孔喷入主燃室，引燃其中的混合气进行燃烧。早期的预燃室主要应用在柴油机和气体发动机上，它们都具有较大的预燃室容积和较大的预燃室喷孔直径。
目前，预燃室技术逐渐应用于赛车的汽油机，它具有较小的预燃室容积和较小的预燃室喷孔直径。一方面，汽油机预混燃烧需要较强的滚流进行燃油雾化，以及滚流破碎形成的湍动能进行稳定点火，但预燃室汽油机的火花塞被包裹在预燃室内，汽油机预燃室内的湍动能强度往往受到预燃室容积较小的限制，阻碍了火花塞附近的湍动能生成，加之预燃室外壳对主燃室滚流的阻碍效应，其点火初期的滞燃期较长，抗废气能力较差，降低了预燃室射流火焰的空间利用率和全局燃烧速度。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种燃烧设备及具有其的汽油机，以解决现有技术中的汽油与预燃室的燃烧速度慢且点火初期的滞燃期较长的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种燃烧设备，包括主燃室和预燃室，预燃室内设置有火花塞，燃烧设备还包括：防护壳，预燃室设置在防护壳内；多个连通通道，设置在防护壳上，连通通道分别与主燃室和预燃室连通，连通通道的延伸方向与水平面之间具有夹角，多个连通通道沿防护壳的周向间隔设置；预燃室的底部设置有凹陷部，凹陷部相对于预燃室的底壁面凹陷，连通通道的至少部分与凹陷部相对设置。
进一步地，燃烧设备还包括：凸起部，相对于预燃室的底壁面朝向靠近火花塞的方向凸出，凹陷部为环形并环绕凸起部设置；凸起部具有凸起端面，凸起端面的至少部分相对于水平面倾斜设置；凸起端面与水平面之间的夹角α的范围为15°至45°。
进一步地，凹陷部具有凹陷端面，凹陷端面的两端分别与凸起端面和预燃室的侧壁面连接；凹陷端面上设置有介质出口，介质出口与连通通道连通。
进一步地，凹陷端面为圆弧面，凹陷端面所在圆弧的半径R1的范围为1mm至5mm。
进一步地，凸起部的顶端设置有顶出端面，凸起端面环绕顶出端面设置并与顶出端面连接；顶出端面为圆弧面，顶出端面所在圆弧的半径R2的范围为1mm至5mm；其中，凸起端面的至少部分为圆锥面。
进一步地，预燃室包括：相互连通的第一腔室和第二腔室，火花塞设置在第一腔室内；由第二腔室内介质流通的方向，第二腔室的流通截面积逐渐减小。
进一步地，第二腔室的最大内径D2的范围为12mm至18mm；和/或，第二腔室的最小内径D1的范围为8mm至14mm；和/或，第二腔室的高度h1的范围为10mm至30mm。
进一步地，凹陷部的凹陷端面上设置有多个介质出口，防护壳的外壁面上设置有多个介质入口，连通通道分别与介质出口和介质入口连通，多个连通通道与多个介质出口和多个介质入口分别一一对应地设置；多个介质入口与多个介质出口沿防护壳的周向方向依次交错设置。
根据本发明的另一方面，提供了一种汽油机，包括机体和燃烧设备，燃烧设备设置在机体内，燃烧设备为上述的燃烧设备。
进一步地，汽油机还包括发动机缸体，发动机缸体的内径为D/mm，预燃室的容积为Vpc/mm3，多个连通通道的流通截面的总面积为A/mm2，其中，预燃室的容积Vpc/mm3与发动机缸体的内径D/mm和多个连通通道的流通截面的总面积A/mm2的比值Vpc/(A×D)的范围为3至7。
应用本发明的技术方案，燃烧设备包括主燃室和预燃室，预燃室内设置有火花塞，其中，燃烧设备还包括防护壳和多个连通通道，预燃室设置在防护壳内，多个连通通道设置在防护壳上，连通通道分别与主燃室和预燃室连通，连通通道的延伸方向与水平面之间具有夹角，多个连通通道沿防护壳的周向间隔设置；预燃室的底部设置有凹陷部，凹陷部相对于预燃室的底壁面凹陷，连通通道的至少部分与凹陷部相对设置。在使用过程中，在发动机的压缩冲程、混合气体由主燃室经过多个连通通道进入预燃室时，混合气体由凹陷部喷出，在凹陷部对气流的导向作用下，多个连通通道内的气流在喷出后形成螺旋状轨迹，当混合气体逐渐上升遇到火花塞的阻挡时，加速过的气流收到挤压而破碎成湍动能，起到稳定点火，缩短滞燃期的作用。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明的燃烧设备的实施例的结构示意图；
图2示出了根据本发明的燃烧设备的预燃室的第一视角的结构示意图；
图3示出了根据本发明的燃烧设备的预燃室的第二视角的结构示意图；
图4示出了根据本发明的燃烧设备的预燃室中介质流动变化示意图；
图5示出了根据本发明的燃烧设备中第n个射流火焰占据主燃室区域的示意图；
图6示出了根据本发明的汽油机中预燃室的容积与多个连通通道的流通截面的总面积乘以发动机缸体的内径之间的比值与燃烧持续期的关系曲线图；
图7示出了根据本发明的汽油机中预燃室的容积与多个连通通道的流通截面的总面积乘以发动机缸体的内径之间的比值与燃烧重心的关系曲线图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
100、主燃室；200、预燃室；300、火花塞；400、机体；500、发动机缸体；600、端盖；
1、防护壳；2、连通通道；3、凹陷部；4、凸起部；40、凸起端面；41、顶出端面；30、凹陷端面；301、介质出口；201、第一腔室；202、第二腔室；
11、主燃室区域；12、射流火焰。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
请参考图1至图7，本发明提供了一种燃烧设备，包括主燃室100和预燃室200，预燃室200内设置有火花塞300，燃烧设备还包括：防护壳1，预燃室200设置在防护壳1内；多个连通通道2，设置在防护壳1上，连通通道2分别与主燃室100和预燃室200连通，连通通道2的延伸方向与水平面之间具有夹角，多个连通通道2沿防护壳1的周向间隔设置；预燃室200的底部设置有凹陷部3，凹陷部3相对于预燃室200的底壁面凹陷，连通通道2的至少部分与凹陷部3相对设置。
根据本发明提供的燃烧设备，包括主燃室100和预燃室200，预燃室200内设置有火花塞300，其中，燃烧设备还包括防护壳1和多个连通通道2，预燃室200设置在防护壳1内，多个连通通道2设置在防护壳1上，连通通道2分别与主燃室100和预燃室200连通，连通通道2的延伸方向与水平面之间具有夹角，多个连通通道2沿防护壳1的周向间隔设置；预燃室200的底部设置有凹陷部3，凹陷部3相对于预燃室200的底壁面凹陷，连通通道2的至少部分与凹陷部3相对设置。在使用过程中，在发动机的压缩冲程、混合气体由主燃室100经过多个连通通道2进入预燃室200时，混合气体由凹陷部3喷出，在凹陷部3对气流的导向作用下，多个连通通道2内的气流在喷出后形成螺旋状轨迹，当混合气体逐渐上升遇到火花塞300的阻挡时，加速过的气流收到挤压而破碎成湍动能，起到稳定点火，缩短滞燃期的作用。
具体地，燃烧设备还包括：凸起部4，相对于预燃室200的底壁面朝向靠近火花塞300的方向凸出，凹陷部3为环形并环绕凸起部4设置；凸起部4具有凸起端面40，凸起端面40的至少部分相对于水平面倾斜设置；凸起端面40与水平面之间的夹角α的范围为15°至45°。当气流由连通通道2喷出之后，直接流至凸起端面40上，在凸起端面40的导向作用下，避免了各个连通通道2喷出的气流之间发生相互碰撞阻挡，优化了混合气体在预燃室200内形成的旋转流场的轨迹。
其中，凹陷部3具有凹陷端面30，凹陷端面30的两端分别与凸起端面40和预燃室200的侧壁面连接；凹陷端面30上设置有介质出口301，介质出口301与连通通道2连通。优选地，凹陷端面30为圆弧面，凹陷端面30所在圆弧的半径R1的范围为1mm至5mm。R1优选为3mm。这样设置能够便于设置介质出口301的同时，能够在混合气体由介质出口301喷出之后，直接与凸起端面40接触，在凸起端面40的导流作用下形成稳定的螺旋状气流轨迹。
在具体实施时，凸起部4的顶端设置有顶出端面41，凸起端面40环绕顶出端面41设置并与顶出端面41连接；顶出端面41为圆弧面，顶出端面41所在圆弧的半径R2的范围为1mm至5mm；其中，凸起端面40的至少部分为圆锥面。优选地，R2为2mm。这样设置能够避免在凸起部4的顶端产生尖角结构，在凸起端面40对混合气体进行导流的过程中，避免了各路气体之间相互冲撞进而导致的气流的轨迹发生改变，影响点火效果。
在本申请中，预燃室200包括：相互连通的第一腔室201和第二腔室202，火花塞300设置在第一腔室201内；由第二腔室202内介质流通的方向，第二腔室202的流通截面积逐渐减小。这样设置当混合气体在第二腔室202逐渐向第一腔室201流动的过程中，由于流通截面积逐渐减小，混合气体形成的旋流不断渐缩上升，提高流速，缩短了滞燃期。
在本发明提供的实施例中，第二腔室202的最大内径D2的范围为12mm至18mm；和/或，第二腔室202的最小内径D1的范围为8mm至14mm；和/或，第二腔室202的高度h1的范围为10mm至30mm。优选地，D1为10mm，D2为14mm，h1为15mm，这样设置既能够保证混合气体在第二腔室202内形成预定的旋流轨迹，又能够保证混合气体在流动过程中流速的增大以及对滞燃期的有效把控。
在具体实施的过程中，凹陷部3的凹陷端面30上设置有多个介质出口301，防护壳1的外壁面上设置有多个介质入口，连通通道2分别与介质出口301和介质入口连通，多个连通通道2与多个介质出口301和多个介质入口分别一一对应地设置；多个介质入口与多个介质出口301沿防护壳1的周向方向依次交错设置。这样使多个连通通道2共同配合形成螺旋状结构，以使混合气体在流经各个连通通道2之后形成旋流轨迹。
如图4所示，在混合气体由多个连通通道2喷出至预燃室200之后，在连通通道2与凸起部4的合力作用下，在预燃室200内产生旋转流场，该旋流随着预燃室下容积腔自下而上减小的径向截面而不断渐缩上升，进而提高流速，直到进入预燃室的第一腔室内并遇到火花塞的阻挡，此时加速过的旋流受到挤压而破碎成湍动能，起到稳定点火、缩短滞燃期、提高抗废气能力的作用。
本发明还提供了一种汽油机，包括机体400和燃烧设备，燃烧设备设置在机体400内，燃烧设备为上述实施例的燃烧设备。
汽油机还包括发动机缸体500，发动机缸体500的内径为D/mm，预燃室200的容积为Vpc/mm3，多个连通通道2的流通截面的总面积为A/mm2，其中，预燃室200的容积Vpc/mm3与发动机缸体500的内径D/mm和多个连通通道2的流通截面的总面积A/mm2的比值Vpc/(A×D)的范围为3至7。如图6和图7所示，实线表示Vpc＝1000mm3，虚线表示Vpc＝1200mm3，点状线表示Vpc＝2000mm3，通过对比能够得出燃烧重心和燃烧持续期在最优区间。
根据预燃室的燃烧原理和过程，预燃室的容积Vpc可以表征其内部油气混合气燃烧所释放的能量，多个连通通道2的流通截面的总面积A可以表征预燃室内的燃烧能量注入主燃室的流通能力，则Vpc与A的比率Vpc/A(单位mm)表征了预燃室内的燃烧能量注入到主燃室的量。
优选地，当Vpc＝1870mm3，A＝7mm2，D＝84mm时，Vpc/(A×D)＝3.18。
优选地，当Vpc＝1650mm3，A＝6.3mm2，D＝82.5mm时，Vpc/(A×D)＝3.1746。
优选地，当Vpc＝1960mm3，A＝7.9mm2，D＝82.5mm时，Vpc/(A×D)＝3.011。
优选地，当Vpc＝1406mm3，A＝4.7mm2，D＝74mm时，Vpc/(A×D)＝4.043。
由于汽油机端盖600燃烧室具有平面对称的特性(非中心对称)，中心对称的n束射流火焰在主燃室100内所占据的每一区域的容积很难相等，所以如果所有的连通通道2的流通截面积都相等，那么必将导致某一束射流火焰几乎燃尽时，其它射流火焰仍然有大面积未燃尽的情况。所以为了避免这种情况，还需要进一步地具体设计每一个预燃室连通通道2的流通截面。如图5所示，记连通通道2的数量为n，由于每个连通通道2喷出一束射流火焰12，则来自于n个连通通道2的n束射流火焰将主燃室的缸径周向平均分为n个区域，射流火焰为其中的一束，占据了主燃室区域11，且位于该区域的中间位置。记第n个连通通道2的流通截面积为An(单位mm2)，其喷射的射流火焰实际所占据的主燃室区域11容积为Vn(单位mm3)，主燃室容积为Vcc(单位mm3)，在满足参数Vpc/(A×D)的范围为3至7的前提下(即多个连通通道2的流通截面的总面积满足该条件)，进一步确定第n个连通通道2的流通截面An。
多个连通通道2的流通截面的总面积A与连通通道2数量n的比率A/n表征了平均每个预燃室喷孔的截面积，主燃室容积Vcc与连通通道2数量n的比率Vcc/n表征了平均每个射流火焰所占据的区域容积，第n束射流火焰实际所占据的主燃室区域容积Vn与Vcc/n的比率Vn/(Vcc/n)表征了第n个预燃室喷孔截面积An的修正系数，所以，可以得到第n个预燃室喷孔的截面积An＝(Vn/(Vcc/n))·(A/n)，即An＝(Vn/Vcc)×A。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
根据本发明提供的燃烧设备，包括主燃室100和预燃室200，预燃室200内设置有火花塞300，其中，燃烧设备还包括防护壳1和多个连通通道2，预燃室200设置在防护壳1内，多个连通通道2设置在防护壳1上，连通通道2分别与主燃室100和预燃室200连通，连通通道2的延伸方向与水平面之间具有夹角，多个连通通道2沿防护壳1的周向间隔设置；预燃室200的底部设置有凹陷部3，凹陷部3相对于预燃室200的底壁面凹陷，连通通道2的至少部分与凹陷部3相对设置。在使用过程中，在发动机的压缩冲程、混合气体由主燃室100经过多个连通通道2进入预燃室200时，混合气体由凹陷部3喷出，在凹陷部3对气流的导向作用下，多个连通通道2内的气流在喷出后形成螺旋状轨迹，当混合气体逐渐上升遇到火花塞300的阻挡时，加速过的气流收到挤压而破碎成湍动能，起到稳定点火，缩短滞燃期的作用。
以上所述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 (10)

1.一种燃烧设备，包括主燃室(100)和预燃室(200)，所述预燃室(200)内设置有火花塞(300)，其特征在于，所述燃烧设备还包括：
防护壳(1)，所述预燃室(200)设置在所述防护壳(1)内；
多个连通通道(2)，设置在所述防护壳(1)上，所述连通通道(2)分别与所述主燃室(100)和所述预燃室(200)连通，所述连通通道(2)的延伸方向与水平面之间具有夹角，多个所述连通通道(2)沿所述防护壳(1)的周向间隔设置；
所述预燃室(200)的底部设置有凹陷部(3)，所述凹陷部(3)相对于所述预燃室(200)的底壁面凹陷，所述连通通道(2)的至少部分与所述凹陷部(3)相对设置。
2.根据权利要求1所述的燃烧设备，其特征在于，所述燃烧设备还包括：
凸起部(4)，相对于所述预燃室(200)的底壁面朝向靠近所述火花塞(300)的方向凸出，所述凹陷部(3)为环形并环绕所述凸起部(4)设置；
所述凸起部(4)具有凸起端面(40)，所述凸起端面(40)的至少部分相对于水平面倾斜设置；
所述凸起端面(40)与所述水平面之间的夹角α的范围为15°至45°。
3.根据权利要求2所述的燃烧设备，其特征在于，所述凹陷部(3)具有凹陷端面(30)，所述凹陷端面(30)的两端分别与所述凸起端面(40)和所述预燃室(200)的侧壁面连接；
所述凹陷端面(30)上设置有介质出口(301)，所述介质出口(301)与所述连通通道(2)连通。
4.根据权利要求3所述的燃烧设备，其特征在于，所述凹陷端面(30)为圆弧面，所述凹陷端面(30)所在圆弧的半径R1的范围为1mm至5mm。
5.根据权利要求2所述的燃烧设备，其特征在于，所述凸起部(4)的顶端设置有顶出端面(41)，所述凸起端面(40)环绕所述顶出端面(41)设置并与所述顶出端面(41)连接；
所述顶出端面(41)为圆弧面，所述顶出端面(41)所在圆弧的半径R2的范围为1mm至5mm；
其中，所述凸起端面(40)的至少部分为圆锥面。
6.根据权利要求1所述的燃烧设备，其特征在于，所述预燃室(200)包括：
相互连通的第一腔室(201)和第二腔室(202)，所述火花塞(300)设置在所述第一腔室(201)内；
由所述第二腔室(202)内介质流通的方向，所述第二腔室(202)的流通截面积逐渐减小。
7.根据权利要求6所述的燃烧设备，其特征在于，
所述第二腔室(202)的最大内径D2的范围为12mm至18mm；和/或，
所述第二腔室(202)的最小内径D1的范围为8mm至14mm；和/或，
所述第二腔室(202)的高度h1的范围为10mm至30mm。
8.根据权利要求1所述的燃烧设备，其特征在于，所述凹陷部(3)的凹陷端面(30)上设置有多个介质出口(301)，所述防护壳(1)的外壁面上设置有多个介质入口，所述连通通道(2)分别与所述介质出口(301)和所述介质入口连通，多个所述连通通道(2)与多个所述介质出口(301)和多个所述介质入口分别一一对应地设置；
多个所述介质入口与多个所述介质出口(301)沿所述防护壳(1)的周向方向依次交错设置。
9.一种汽油机，包括机体(400)和燃烧设备，所述燃烧设备设置在所述机体(400)内，其特征在于，所述燃烧设备为权利要求1至8中任一项所述的燃烧设备。
10.根据权利要求9所述的汽油机，其特征在于，所述汽油机还包括发动机缸体(500)，所述发动机缸体(500)的内径为D/mm，所述预燃室(200)的容积为Vpc/mm3，所述多个连通通道(2)的流通截面的总面积为A/mm2，
其中，所述预燃室(200)的容积Vpc/mm3与所述发动机缸体(500)的内径D/mm和所述多个连通通道(2)的流通截面的总面积A/mm2的比值Vpc/(A×D)的范围为3至7。
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