CN115324722A - 一种燃烧系统以及气体发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃烧系统以及气体发动机，该燃烧系统包括主燃室及预燃室，主燃室包括活塞顶部设置的燃烧室凹坑，燃烧室凹坑的周向侧壁依次设置的第一环形台阶及第二环形台阶，两环形台阶之间形成第一凹坑，第二环形台阶与燃烧室凹坑的底部之间形成第二凹坑；预燃室设置与第一凹坑相对设置的第一喷孔组及与第二凹坑相对设置的第二喷孔组；上述预燃室的第一喷孔、第二喷孔朝向不同，两股气流互不干涉，喷孔总数多，使主燃室进入到预燃室的可燃混合气更均匀，预燃室内着火更稳定，从预燃室喷射到主燃室的火焰分布更均匀，并可利用凹坑形状卷吸火焰传播，加快火焰传播，提高热效率，实现分层燃烧，使缸内的火焰传播更均匀。

Description

一种燃烧系统以及气体发动机

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，特别涉及一种燃烧系统以及气体发动机。

背景技术

预燃室燃烧系统对加速燃烧、改善燃烧稳定性以及降低排温和气耗有巨大潜力。预燃室燃烧系统是在发动机主燃室的基础上加装一个预燃室，并在预燃室内布置火花塞，火花塞点燃预燃室内的混合燃料，其内部压力升高，与主燃室之间产生压力差，射流火焰在压力差的作用下通过射流喷孔喷入主燃室内，从而引燃主燃室内的未燃混合气。因此，预燃室内部的混合气流动组织以及与主燃室的匹配对快速燃烧起着重要的作用。

现有的预燃室燃烧系统适用于柴油机，而不适用于气体发动机，因此如何提供一种适用于气体发动机的预燃室燃烧系统，使可燃混合气在燃烧系统内混合的更均匀，点火更稳定，具有较快的火焰传播，使缸内的火焰传播更均匀，热效率更高，成为本领域技术人员亟待解决的重要技术问题。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种燃烧系统，以使可燃混合气在燃烧系统内混合的更均匀，点火更稳定，具有较快的火焰传播，使缸内的火焰传播更均匀，热效率更高。

本发明的第二个目的在于提供一种包括上述燃烧系统的气体发动机。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种燃烧系统，包括：

主燃室，所述主燃室由活塞以及气缸盖围成，所述活塞顶部设置燃烧室凹坑，所述燃烧室凹坑的底部设置中心凸台，所述燃烧室凹坑围绕所述中心凸台的周向侧壁沿所述燃烧室凹坑的开口至所述燃烧室凹坑的底部方向依次设置的第一环形台阶以及第二环形台阶，所述第一环形台阶与所述第二环形台阶之间形成第一凹坑，所述第二环形台阶与所述燃烧室凹坑的底部之间形成第二凹坑；

预燃室，所述预燃室设置于所述气缸盖并伸入所述主燃室内，所述预燃室沿所述预燃室轴向上下间隔设置第一喷孔组以及第二喷孔组，所述第一喷孔组包括多个绕所述预燃室周向间隔分布的第一喷孔，所述第二喷孔组包括多个绕所述预燃室周向间隔分布的第二喷孔，所述预燃室能够通过各个所述第一喷孔以及各个所述第二喷孔与所述主燃室流体连通，位于上层的各个所述第一喷孔与所述第一凹坑相对设置，位于下层的各个所述第二喷孔与所述第二凹坑相对设置。

可选地，各个所述第一喷孔绕所述预燃室的周向均匀分布，各个所述第二喷孔绕所述预燃室的周向均匀分布，各个所述第一喷孔与各个所述第二喷孔交错分布。

可选地，所述第一喷孔组包括3~5个所述第一喷孔，所述第二喷孔组包括3~5个所述第二喷孔。

可选地，所述第一喷孔的轴线与所述预燃室轴线的夹角α满足α=（0.35~0.45）×π，所述第二喷孔的轴线与所述预燃室轴线的夹角β=（0.3~0.4）×π。

可选地，经过所述活塞的轴线的平面为主燃室纵向对称面，所述第一环形台阶与所述主燃室纵向对称面的交线包括沿所述燃烧室凹坑的开口至所述燃烧室凹坑的底部方向依次平滑连接的第一弧线、第二弧线以及第一垂直连接线，所述第一弧线的开口朝向所述活塞的轴线，所述第二弧线的开口背向所述活塞的轴线。

可选地，所述第一弧线的半径R1与所述活塞的直径D满足R1=（0.01~0.025）×D。

可选地，所述第二弧线的半径R2与所述活塞的直径D满足R2=（0.015~0.03）×D。

可选地，所述第一垂直连接线至所述活塞的轴线之间的距离Z1与所述活塞的直径D满足Z1=（0.3~0.4）×D。

可选地，所述第二环形台阶与所述主燃室纵向对称面的交线包括沿所述燃烧室凹坑的开口至所述燃烧室凹坑的底部方向依次平滑连接的第一直线、第三弧线以及第二垂直连接线，所述第一直线与所述第一垂直连接线之间圆滑过渡连接，所述第二垂直连接线与所述燃烧室凹坑的底部圆滑过渡连接，所述第三弧线的开口背向所述活塞的轴线。

可选地，所述第一直线与水平面之间的夹角θ满足θ=（0.04~0.08）×π。

可选地，所述第一直线与所述第一垂直连接线之间通过第一圆弧过渡线连接，所述第一圆弧过渡线的半径R3与所述活塞的直径D满足R3=（0.025~0.035）×D。

可选地，所述第三弧线的半径R4与所述活塞的直径D满足R4=（0.015~0.03）×D。

可选地，所述第二垂直连接线至所述活塞的轴线之间的距离Z2与所述活塞的直径D满足Z2=（0.25~0.35）×D。

可选地，所述第二垂直连接线与所述燃烧室凹坑的底部之间通过第二圆弧过渡线连接，所述第二圆弧过渡线的半径R5与所述活塞的直径D满足R5=（0.05~0.08）×D。

一种气体发动机，所述气体发动机包括如上任意一项所述的燃烧系统。

由以上技术方案可以看出，本发明中公开了一种燃烧系统，该燃烧系统包括主燃室以及预燃室，其中，主燃室由活塞以及气缸盖围成，活塞顶部设置燃烧室凹坑，燃烧室凹坑的底部设置中心凸台，燃烧室凹坑围绕中心凸台的周向侧壁沿燃烧室凹坑的开口至燃烧室凹坑的底部方向依次设置的第一环形台阶以及第二环形台阶，第一环形台阶与第二环形台阶之间形成第一凹坑，第二环形台阶与燃烧室凹坑的底部之间形成第二凹坑；预燃室设置于气缸盖并伸入主燃室内，预燃室沿预燃室轴向上下间隔设置第一喷孔组以及第二喷孔组，第一喷孔组包括多个绕预燃室周向间隔分布的第一喷孔，第二喷孔组包括多个绕预燃室周向间隔分布的第二喷孔，预燃室能够通过各个第一喷孔以及各个第二喷孔与主燃室流体连通，位于上层的各个第一喷孔与第一凹坑相对设置，位于下层的各个第二喷孔与第二凹坑相对设置；上述燃烧系统，上层第一喷孔的轴线与预燃室的轴线的夹角以及下层第二喷孔的轴线与预燃室的轴线的夹角不同，从而使上下层布置的第一喷孔组以及第二喷孔组分别朝向不同的位置，两股气流相互不干涉，同时喷孔总数多，使主燃室进入到预燃室的可燃混合气更均匀，预燃室内着火更稳定，从预燃室喷射到主燃室的火焰分布更均匀，第一喷孔组以及第二喷孔组喷出的火焰分别喷射到第一凹坑和第二凹坑内，不仅可以利用凹坑形状卷吸火焰传播，从而使火焰传播加快，提高热效率，还可以实现分层燃烧，使缸内的火焰传播更均匀。

本发明还公开了一种气体发动机，该气体发动机包括上述燃烧系统，由于该气体发动机采用了上述燃烧系统，因此发动机理应具有与燃烧系统相同的有益效果，在此不再赘述。

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为本发明实施例提供的燃烧系统的预燃室的俯视图；

图2为本发明实施例提供的燃烧系统的预燃室的剖视图；

图3为本发明实施例提供的燃烧系统的活塞的剖视图；

图4为本发明实施例提供的燃烧系统的火焰喷射方向示意图。

图中：

100为预燃室；101为第一喷孔；102为第二喷孔；

200为活塞；201为第一弧线；202为第二弧线；203为第一垂直连接线；204为第一直线；205为第三弧线；206为第二垂直连接线；207为第一圆弧过渡线；208为第二圆弧过渡线；209为中心凸台。

具体实施方式

本发明的核心之一是提供一种燃烧系统，该燃烧系统的结构设计能够使可燃混合气在燃烧系统内混合的更均匀，点火更稳定，具有较快的火焰传播，使缸内的火焰传播更均匀，热效率更高。

本发明的另一核心在于提供一种包括上述燃烧系统的气体发动机。

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。

请参阅图1至图4，图1为本发明实施例提供的燃烧系统的预燃室的俯视图，图2为本发明实施例提供的燃烧系统的预燃室的剖视图，图3为本发明实施例提供的燃烧系统的活塞的剖视图，图4为本发明实施例提供的燃烧系统的火焰喷射方向示意图。

本发明实施例中公开了一种燃烧系统，该燃烧系统包括主燃室以及预燃室100。

其中，主燃室由活塞200以及气缸盖围成，活塞200顶部设置燃烧室凹坑，燃烧室凹坑的底部设置中心凸台209，中心凸台209采用锥台形，以使燃烧室凹坑的表面的纵截面形成ω形结构，燃烧室凹坑围绕中心凸台209的周向侧壁沿燃烧室凹坑的开口至燃烧室凹坑的底部方向依次设置的第一环形台阶以及第二环形台阶，第一环形台阶与第二环形台阶之间形成第一凹坑，第二环形台阶与燃烧室凹坑的底部之间形成第二凹坑；预燃室100设置于气缸盖并伸入主燃室内，预燃室100沿预燃室100轴向上下间隔设置第一喷孔组以及第二喷孔组，第一喷孔组包括多个绕预燃室100周向间隔分布的第一喷孔101，第二喷孔组包括多个绕预燃室100周向间隔分布的第二喷孔102，预燃室100能够通过各个第一喷孔101以及各个第二喷孔102与主燃室流体连通，位于上层的各个第一喷孔101与第一凹坑相对设置，位于下层的各个第二喷孔102与第二凹坑相对设置，第一喷孔组中第一喷孔101的数量与第二喷孔组中第二喷孔102的数量可以相同或不同。

可以看出，与现有技术相比，本发明实施例提供的燃烧系统的上层第一喷孔101的轴线与预燃室100的轴线的夹角以及下层第二喷孔102的轴线与预燃室100的轴线的夹角不同，从而使上下层布置的第一喷孔组以及第二喷孔组分别朝向不同的位置，两股气流相互不干涉，同时喷孔总数多，在活塞上行过程中，使主燃室进入到预燃室100的可燃混合气更均匀，预燃室100内着火更稳定，在活塞下行过程中，从预燃室100喷射到主燃室的火焰分布更均匀，第一喷孔组以及第二喷孔组喷出的火焰分别喷射到第一凹坑和第二凹坑内，不仅可以利用凹坑形状卷吸火焰传播，从而使火焰传播加快，提高热效率，还可以实现分层燃烧，使缸内的火焰传播更均匀。

作为优选地，在本发明实施例中，第一喷孔组包括3~5个第一喷孔101，第二喷孔组包括3~5个第二喷孔102，具体地，如图1所示，第一喷孔组包括4个第一喷孔101，第二喷孔组包括4个第二喷孔102。

进一步地，各个第一喷孔101绕预燃室100的周向均匀分布，各个第二喷孔102绕预燃室100的周向均匀分布，各个第一喷孔101与各个第二喷孔102交错分布，以使可燃混合气更均匀，点火更加稳定，如图1所示，四个第一喷孔101与四个第二喷孔102交错45°设置。

作为优选地，如图2所示，第一喷孔101的轴线A与预燃室100轴线的夹角α满足α=（0.35~0.45）×π，第二喷孔102的轴线B与预燃室100轴线的夹角β=（0.3~0.4）×π，上述π为180°，即夹角α为63°~81°，夹角β为54°~72°。

请参阅图3，在本发明实施例中，经过活塞200的轴线的平面为主燃室纵向对称面，第一环形台阶与主燃室纵向对称面的交线包括沿燃烧室凹坑的开口至燃烧室凹坑的底部方向依次平滑连接的第一弧线201、第二弧线202以及第一垂直连接线203，第一弧线201的开口朝向活塞200的轴线，第二弧线202的开口背向活塞200的轴线，第一垂直连接线203与活塞200的轴线平行。

具体地，第一弧线201的半径R1为活塞200的直径D的0.01倍~0.025倍，即第一弧线201的半径R1与活塞200的直径D满足R1=（0.01~0.025）×D。

第二弧线202的半径R2为活塞200的直径D的0.015倍~0.03倍，即第二弧线202的半径R2与活塞200的直径D满足R2=（0.015~0.03）×D。

第一垂直连接线203至活塞200的轴线之间的距离Z1为活塞200的直径D的0.3倍~0.4倍，即第一垂直连接线203至活塞200的轴线之间的距离Z1与活塞200的直径D满足Z1=（0.3~0.4）×D。

进一步地，如图3所示，第二环形台阶与主燃室纵向对称面的交线包括沿燃烧室凹坑的开口至燃烧室凹坑的底部方向依次平滑连接的第一直线204、第三弧线205以及第二垂直连接线206，第一直线204与第一垂直连接线203之间圆滑过渡连接，第二垂直连接线206与燃烧室凹坑的底部圆滑过渡连接，第三弧线205的开口背向活塞200的轴线，第二垂直连接线206与活塞200轴线平行。

第一直线204倾斜设置，且如图3所示，第一直线204与水平面之间的夹角θ满足θ=（0.04~0.08）×π，即夹角θ为7.2°~14.4°。

作为优选地，如图3所示，第一直线204与第一垂直连接线203之间通过第一圆弧过渡线207连接，第一圆弧过渡线207的半径R3为活塞200的直径D的0.025倍~0.035倍，即第一圆弧过渡线207的半径R3与活塞200的直径D满足R3=（0.025~0.035）×D。

第三弧线205的半径R4为活塞200的直径D的0.015倍~0.03倍，即第三弧线205的半径R4与活塞200的直径D满足R4=（0.015~0.03）×D。

作为优选地，上述第二垂直连接线206至活塞200的轴线之间的距离Z2为活塞200的直径D的0.25倍~0.35倍，即第二垂直连接线206至活塞200的轴线之间的距离Z2与活塞200的直径D满足Z2=（0.25~0.35）×D。

进一步地，如图3所示，上述第二垂直连接线206与燃烧室凹坑的底部之间通过第二圆弧过渡线208连接，第二圆弧过渡线208的半径R5为活塞200的直径D的0.05倍~0.08倍，即第二圆弧过渡线208的半径R5与活塞200的直径D满足R5=（0.05~0.08）×D。

综上所述，本发明预燃室100与主燃室连接通道采用双层交叉孔设计，两股气流相互不干涉，同时喷孔数多，在活塞上行过程中，使主燃室进入到预燃室100的可燃混合气更均匀，预燃室100内着火更稳定。在活塞下行过程中，从预燃室100喷射到主燃室的火焰分布均匀，同时火焰射流与燃烧室形状相匹配，火焰要尽可能分布到整个燃烧室空间。燃烧室凹坑的两个台阶位置为竖直设计，喷孔夹角与台阶位置相匹配，两层喷孔喷出的火焰互不干涉地喷射到两个台阶下部竖直位置，两层交叉喷孔与活塞200轴线的夹角不同，对应不同的台阶位置，从而达到分层燃烧，使缸内的火焰传播更均匀。

本发明实施例还提供了一种气体发动机，该气体发动机包括如上述实施例所述的燃烧系统，由于该气体发动机采用了上述实施例中的燃烧系统，因此该发动机的技术效果请参考上述实施例。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

应当理解，本申请中如若使用了“系统”、“装置”、“单元”和/或“模块”，仅是用于区分不同级别的不同组件、元件、部件、部分或装配的一种方法。然而，如果其他词语可实现相同的目的，则可通过其他表达来替换该词语。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

其中，在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“/”表示或的意思，例如，A/B可以表示A或B；本文中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，在本申请实施例的描述中，“多个”是指两个或多于两个。

以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

本申请中如若使用了流程图，则该流程图是用来说明根据本申请的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或后面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各个步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

还需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (15)

1.一种燃烧系统，其特征在于，包括：

主燃室，所述主燃室由活塞以及气缸盖围成，所述活塞顶部设置燃烧室凹坑，所述燃烧室凹坑的底部设置中心凸台，所述燃烧室凹坑围绕所述中心凸台的周向侧壁沿所述燃烧室凹坑的开口至所述燃烧室凹坑的底部方向依次设置的第一环形台阶以及第二环形台阶，所述第一环形台阶与所述第二环形台阶之间形成第一凹坑，所述第二环形台阶与所述燃烧室凹坑的底部之间形成第二凹坑；

预燃室，所述预燃室设置于所述气缸盖并伸入所述主燃室内，所述预燃室沿所述预燃室轴向上下间隔设置第一喷孔组以及第二喷孔组，所述第一喷孔组包括多个绕所述预燃室周向间隔分布的第一喷孔，所述第二喷孔组包括多个绕所述预燃室周向间隔分布的第二喷孔，所述预燃室能够通过各个所述第一喷孔以及各个所述第二喷孔与所述主燃室流体连通，位于上层的各个所述第一喷孔与所述第一凹坑相对设置，位于下层的各个所述第二喷孔与所述第二凹坑相对设置。

2.根据权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，各个所述第一喷孔绕所述预燃室的周向均匀分布，各个所述第二喷孔绕所述预燃室的周向均匀分布，各个所述第一喷孔与各个所述第二喷孔交错分布。

3.根据权利要求2所述的燃烧系统，其特征在于，所述第一喷孔组包括3~5个所述第一喷孔，所述第二喷孔组包括3~5个所述第二喷孔。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的燃烧系统，其特征在于，所述第一喷孔的轴线与所述预燃室轴线的夹角α满足α=（0.35~0.45）×π，所述第二喷孔的轴线与所述预燃室轴线的夹角β=（0.3~0.4）×π。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的燃烧系统，其特征在于，经过所述活塞的轴线的平面为主燃室纵向对称面，所述第一环形台阶与所述主燃室纵向对称面的交线包括沿所述燃烧室凹坑的开口至所述燃烧室凹坑的底部方向依次平滑连接的第一弧线、第二弧线以及第一垂直连接线，所述第一弧线的开口朝向所述活塞的轴线，所述第二弧线的开口背向所述活塞的轴线。

6.根据权利要求5所述的燃烧系统，其特征在于，所述第一弧线的半径R1与所述活塞的直径D满足R1=（0.01~0.025）×D。

7.根据权利要求5所述的燃烧系统，其特征在于，所述第二弧线的半径R2与所述活塞的直径D满足R2=（0.015~0.03）×D。

8.根据权利要求5所述的燃烧系统，其特征在于，所述第一垂直连接线至所述活塞的轴线之间的距离Z1与所述活塞的直径D满足Z1=（0.3~0.4）×D。

9.根据权利要求5所述的燃烧系统，其特征在于，所述第二环形台阶与所述主燃室纵向对称面的交线包括沿所述燃烧室凹坑的开口至所述燃烧室凹坑的底部方向依次平滑连接的第一直线、第三弧线以及第二垂直连接线，所述第一直线与所述第一垂直连接线之间圆滑过渡连接，所述第二垂直连接线与所述燃烧室凹坑的底部圆滑过渡连接，所述第三弧线的开口背向所述活塞的轴线。

10.根据权利要求9所述的燃烧系统，其特征在于，所述第一直线与水平面之间的夹角θ满足θ=（0.04~0.08）×π。

11.根据权利要求9所述的燃烧系统，其特征在于，所述第一直线与所述第一垂直连接线之间通过第一圆弧过渡线连接，所述第一圆弧过渡线的半径R3与所述活塞的直径D满足R3=（0.025~0.035）×D。

12.根据权利要求9所述的燃烧系统，其特征在于，所述第三弧线的半径R4与所述活塞的直径D满足R4=（0.015~0.03）×D。

13.根据权利要求9所述的燃烧系统，其特征在于，所述第二垂直连接线至所述活塞的轴线之间的距离Z2与所述活塞的直径D满足Z2=（0.25~0.35）×D。

14.根据权利要求9所述的燃烧系统，其特征在于，所述第二垂直连接线与所述燃烧室凹坑的底部之间通过第二圆弧过渡线连接，所述第二圆弧过渡线的半径R5与所述活塞的直径D满足R5=（0.05~0.08）×D。

15.一种气体发动机，其特征在于，所述气体发动机包括如权利要求1-14任意一项所述的燃烧系统。

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