CN115324723A - 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，主燃室在活塞顶部设置燃烧室凹坑，燃烧室凹坑包括进气侧凹坑及排气侧凹坑，进气侧凹坑与活塞横截面的交线包括第一弧线及连接于第一弧线两端的圆滑过渡线，排气侧凹坑与活塞横截面的交线包括第二弧线，第一弧线两端的间距小于第二弧线两端的间距，进气侧凹坑的容积大于排气侧凹坑的容积；预燃室的进气侧喷孔的数量大于排气侧喷孔的数量；上述燃烧系统喷孔不对称预燃室匹配容积不对称主燃室，可保证预燃室的进气量，使扫气更充分，降低滚流对单侧扫气的影响，同时排气侧火焰中心位置到燃烧室凹坑壁面位置距离较短，因此火焰传播距离也短，有利于降低爆震的发生。

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

国六天然气发动机通常采用火花塞点火方式，燃烧速度慢，燃烧等容度差，导致排温和气耗高，同时燃烧不稳定，循环变动大，而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。活塞上行时，主燃室内的燃气混合物在活塞推动下，从主燃室经预燃室喷孔进入预燃室内，火花塞点燃预燃室内的燃气混合物，预燃室内部压力升高，与主燃室之间产生压力差，射流火焰在压力差的作用下从预燃室通过喷孔喷入主燃室内，从而引燃主燃室内的未燃燃气混合物，现有的预燃室燃烧系统的预燃室在活塞上行过程中进气量不足，扫气效果较差，且容易产生爆震。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种燃烧系统，以改善活塞上行时预燃室的进气量不足，扫气效果差，容易产生爆震的问题。

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，用于由柴油机改造成的气体发动机，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，经过所述活塞的中心线且垂直于进气门至排气门方向的活塞纵截面为活塞中心面，位于所述活塞中心面朝向所述进气门一侧的所述燃烧室凹坑为进气侧凹坑，位于所述活塞中心面朝向所述排气门一侧的所述燃烧室凹坑为排气侧凹坑，所述进气侧凹坑与垂直于所述活塞的中心线的活塞横截面的交线包括第一弧线以及连接于所述第一弧线两端的圆滑过渡线，所述排气侧凹坑与垂直于所述活塞的中心线的活塞横截面的交线包括第二弧线，所述第一弧线的两端分别通过所述圆滑过渡线与所述第二弧线的两端圆滑过渡连接，所述第一弧线两端的间距小于所述第二弧线两端的间距，所述进气侧凹坑的容积大于所述排气侧凹坑的容积；

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，所述预燃室设置多个喷孔，所述预燃室能够通过所述喷孔与所述主燃室流体连通，所述预燃室朝向所述进气侧凹坑的喷孔为进气侧喷孔，所述预燃室朝向所述排气侧凹坑的喷孔为排气侧喷孔，所述进气侧喷孔的数量大于所述排气侧喷孔的数量。

可选地，所述第一弧线以及所述第二弧线均为圆弧线，且所述第一弧线与所述第二弧线共圆心，所述圆心相对于所述活塞的中心线向进气门方向偏移。

可选地，所述活塞的半径R1与所述第一弧线的半径R2满足R2=（0.5~0.65）×R1。

可选地，所述活塞的半径R1与所述第二弧线的半径R3满足R3=（0.6~0.75）×R1。

可选地，所述第一弧线以及所述第二弧线的圆心与所述活塞的中心线之间的距离L满足L=（0.01~0.04）×R1。

可选地，相邻两个所述进气侧喷孔的轴线的夹角α=（0.2~0.35）×π。

可选地，相邻两个所述排气侧喷孔的轴线的夹角β=（0.25~0.5）×π。

可选地，经过所述活塞的中心线且与所述活塞中心面垂直的活塞纵截面为活塞对称面，所述进气侧凹坑关于所述活塞对称面对称，所述排气侧凹坑关于所述活塞对称面对称，所述进气侧喷孔关于所述活塞对称面对称分布，所述排气侧喷孔关于所述活塞对称面对称分布。

可选地，所述进气侧凹坑的表面与所述活塞对称面的交线包括第一过渡型线、第一导向壁面型线、第二过渡型线以及第一底面型线，所述第一导向壁面型线与所述活塞的中心线平行。

可选地，所述排气侧凹坑的表面与所述活塞对称面的交线包括第三过渡型线、第二导向壁面型线、第四过渡型线以及第二底面型线，所述第二导向壁面型线与所述活塞的中心线平行。

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，该燃烧系统用于由柴油机改造成的气体发动机，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，经过活塞的中心线且垂直于进气门至排气门方向的活塞纵截面为活塞中心面，位于活塞中心面朝向进气门一侧的燃烧室凹坑为进气侧凹坑，位于活塞中心面朝向排气门一侧的燃烧室凹坑为排气侧凹坑，进气侧凹坑与垂直于活塞的中心线的活塞横截面的交线包括第一弧线以及连接于第一弧线两端的圆滑过渡线，排气侧凹坑与垂直于活塞的中心线的活塞横截面的交线包括第二弧线，第一弧线的两端分别通过圆滑过渡线与第二弧线的两端圆滑过渡连接，第一弧线两端的间距小于第二弧线两端的间距，进气侧凹坑的容积大于排气侧凹坑的容积；预燃室设置于气缸盖并伸入主燃室内，预燃室设置多个喷孔，预燃室能够通过喷孔与主燃室流体连通，预燃室朝向进气侧凹坑的喷孔为进气侧喷孔，预燃室朝向排气侧凹坑的喷孔为排气侧喷孔，进气侧喷孔的数量大于排气侧喷孔的数量。

上述燃烧系统中作为预燃室与主燃室之间的连接通道的喷孔在进气侧与排气侧的数量不同，进气侧喷孔数量多于排气侧喷孔数量。由于两侧喷孔数量不对称，火焰传播也不对称，因此匹配不对称主燃室。主燃室内燃烧室凹坑的进气侧凹坑容积大于排气侧凹坑容积，相当于将整个燃烧室凹坑的中心向进气侧偏置。在工作过程中，随着活塞上行，主燃室与预燃室之间存在压差，主燃室内可燃混合气经喷孔进入到预燃室内，进气侧可燃混合气顺应气流运动方向经进气侧喷孔进入预燃室内，进气侧喷孔孔数多，可保证预燃室的可燃混合气的进气量，使扫气更充分，同时进气侧凹坑的容积更大，使进入预燃室的可燃混合气量更充足。排气侧可燃混合气逆向气流运动方向进入预燃室内，减少排气侧喷孔数量，可降低滚流对单侧扫气的影响。排气侧温度较高，是爆震发生高风险区，火焰向外传播时，排气侧喷孔喷射的火焰与气流方向一致，火焰传播更快，由于整个燃烧室凹坑的中心向进气侧偏置，使排气侧火焰中心位置到燃烧室凹坑壁面位置距离较短，因此火焰传播距离也短，有利于降低爆震的发生。

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俯视图；

图2为本发明实施例提供的燃烧系统的侧视图。

图1和图2中：

1为活塞；2为进气侧凹坑；201为第一过渡型线；202为第一导向壁面型线；203为第二过渡型线；204为第一底面型线；3为排气侧凹坑；301为第三过渡型线；302为第二导向壁面型线；303为第四过渡型线；304为第二底面型线；4为预燃室；5为进气侧喷孔；6为排气侧喷孔；X为活塞中心面；Y为活塞对称面。

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使其能够改善活塞上行时预燃室的进气量不足，扫气效果差，容易产生爆震的问题。

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和图2，图1为本发明实施例提供的燃烧系统的俯视图，图2为本发明实施例提供的燃烧系统的侧视图。

本发明实施例中公开了一种燃烧系统，该燃烧系统用于由柴油机改造成的气体发动机，该燃烧系统包括主燃室以及预燃室4。

其中，主燃室由活塞1以及气缸盖围成，活塞1顶部设置燃烧室凹坑，经过活塞1的中心线且垂直于进气门至排气门方向的活塞纵截面为活塞中心面X，位于活塞中心面X朝向进气门一侧的燃烧室凹坑为进气侧凹坑2，位于活塞中心面X朝向排气门一侧的燃烧室凹坑为排气侧凹坑3，进气侧凹坑2与垂直于活塞1的中心线的活塞横截面的交线包括第一弧线以及连接于第一弧线两端的圆滑过渡线，排气侧凹坑3与垂直于活塞1的中心线的活塞横截面的交线包括第二弧线，第一弧线的两端分别通过圆滑过渡线与第二弧线的两端圆滑过渡连接，第一弧线两端的间距小于第二弧线两端的间距，进气侧凹坑2的容积大于排气侧凹坑3的容积；预燃室4设置于气缸盖并伸入主燃室内，预燃室4设置多个喷孔，预燃室4能够通过喷孔与主燃室流体连通，预燃室4朝向进气侧凹坑2的喷孔为进气侧喷孔5，预燃室4朝向排气侧凹坑3的喷孔为排气侧喷孔6，进气侧喷孔5的数量大于排气侧喷孔6的数量。

可以看出，与现有技术相比，本发明实施例提供的燃烧系统中作为预燃室4与主燃室之间的连接通道的喷孔在进气侧与排气侧的数量不同，进气侧喷孔5数量多于排气侧喷孔6数量。由于两侧喷孔数量不对称，火焰传播也不对称，因此匹配不对称主燃室。主燃室内燃烧室凹坑的进气侧凹坑2容积大于排气侧凹坑3容积，相当于将整个燃烧室凹坑的中心向进气侧偏置。

在工作过程中，随着活塞1上行，主燃室与预燃室4之间存在压差，主燃室内可燃混合气经喷孔进入到预燃室4内，进气侧可燃混合气顺应气流运动方向经进气侧喷孔5进入预燃室4内，进气侧喷孔5孔数多，可保证预燃室4的可燃混合气的进气量，使扫气更充分，同时进气侧凹坑2的容积更大，使进入预燃室4的可燃混合气量更充足。排气侧可燃混合气逆向气流运动方向进入预燃室4内，减少排气侧喷孔6数量，可降低滚流对单侧扫气的影响。排气侧温度较高，是爆震发生高风险区，火焰向外传播时，排气侧喷孔6喷射的火焰与气流方向一致，火焰传播更快，由于整个燃烧室凹坑的中心向进气侧偏置，使排气侧火焰中心位置到燃烧室凹坑壁面位置距离较短，因此火焰传播距离也短，有利于降低爆震的发生。

作为优选地，在本发明实施例中，如图1所示，第一弧线以及第二弧线均为圆弧线，且第一弧线与第二弧线共圆心，圆心相对于活塞1的中心线向进气门方向偏移。

具体地，在本发明实施例中，上述第一弧线的半径R2是活塞1半径R1的0.5倍~0.65倍，活塞1的半径R1与第一弧线的半径R2满足R2=（0.5~0.65）×R1。

第二弧线的半径R3是活塞1的半径R1的0.6倍~0.75倍，即活塞1的半径R1与第二弧线的半径R3满足R3=（0.6~0.75）×R1。

如图1所示，第一弧线以及第二弧线的圆心向进气侧方向偏移的偏移量，即第一弧线以及第二弧线的圆心与活塞1的中心线之间的距离L是活塞1的半径R1的0.01倍~0.04倍，即第一弧线以及第二弧线的圆心与活塞1的中心线之间的距离L与活塞1的半径R1满足L=（0.01~0.04）×R1。

如图1所示，在本发明实施例中，相邻两个进气侧喷孔5的轴线的夹角α=（0.2~0.35）×π，相邻两个排气侧喷孔6的轴线的夹角β=（0.25~0.5）×π。

进一步优化上述技术方案，在本发明实施例中，经过活塞1的中心线且与活塞中心面X垂直的活塞纵截面为活塞对称面Y，进气侧凹坑2关于活塞对称面Y对称，排气侧凹坑3关于活塞对称面Y对称，进气侧喷孔5关于活塞对称面Y对称分布，排气侧喷孔6关于活塞对称面Y对称分布。

具体地，如图2所示，进气侧凹坑2的表面包括第一导向壁面与活塞1顶面之间的第一过渡面，第一导向壁面与凹坑底面之间的第二过渡面，进气侧凹坑2的表面与活塞对称面Y的交线包括第一过渡型线201（第一过渡面与活塞对称面Y的交线）、第一导向壁面型线202（第一导向壁面与活塞对称面Y的交线）、第二过渡型线203（第二过渡面与活塞对称面Y的交线）以及第一底面型线204（进气侧凹坑2底面与活塞对称面Y的交线），其中，第一导向壁面型线202与活塞1的中心线平行。

排气侧凹坑3的表面包括第二导向壁面与活塞1顶面之间的第三过渡面，第二导向壁面与凹坑底面之间的第四过渡面，排气侧凹坑3的表面与活塞对称面Y的交线包括第三过渡型线301（第三过渡面与活塞对称面Y的交线）、第二导向壁面型线302（第二导向壁面与活塞对称面Y的交线）、第四过渡型线303（第四过渡面与活塞对称面Y的交线）以及第二底面型线304（排气侧凹坑3底面与活塞对称面Y的交线），其中，第二导向壁面型线302与活塞1的中心线平行。

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，因此该气体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 (11)

1.一种燃烧系统，用于由柴油机改造成的气体发动机，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，经过所述活塞的中心线且垂直于进气门至排气门方向的活塞纵截面为活塞中心面，位于所述活塞中心面朝向所述进气门一侧的所述燃烧室凹坑为进气侧凹坑，位于所述活塞中心面朝向所述排气门一侧的所述燃烧室凹坑为排气侧凹坑，所述进气侧凹坑与垂直于所述活塞的中心线的活塞横截面的交线包括第一弧线以及连接于所述第一弧线两端的圆滑过渡线，所述排气侧凹坑与垂直于所述活塞的中心线的活塞横截面的交线包括第二弧线，所述第一弧线的两端分别通过所述圆滑过渡线与所述第二弧线的两端圆滑过渡连接，所述第一弧线两端的间距小于所述第二弧线两端的间距，所述进气侧凹坑的容积大于所述排气侧凹坑的容积；

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，所述预燃室设置多个喷孔，所述预燃室能够通过所述喷孔与所述主燃室流体连通，所述预燃室朝向所述进气侧凹坑的喷孔为进气侧喷孔，所述预燃室朝向所述排气侧凹坑的喷孔为排气侧喷孔，所述进气侧喷孔的数量大于所述排气侧喷孔的数量。

2.根据权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，所述第一弧线以及所述第二弧线均为圆弧线，且所述第一弧线与所述第二弧线共圆心，所述圆心相对于所述活塞的中心线向进气门方向偏移。

3.根据权利要求2所述的燃烧系统，其特征在于，所述活塞的半径R1与所述第一弧线的半径R2满足R2=（0.5~0.65）×R1。

4.根据权利要求2所述的燃烧系统，其特征在于，所述活塞的半径R1与所述第二弧线的半径R3满足R3=（0.6~0.75）×R1。

5.根据权利要求2-4任意一项所述的燃烧系统，其特征在于，所述第一弧线以及所述第二弧线的圆心与所述活塞的中心线之间的距离L满足L=（0.01~0.04）×R1。

6.根据权利要求1-4任意一项所述的燃烧系统，其特征在于，相邻两个所述进气侧喷孔的轴线的夹角α=（0.2~0.35）×π。

7.根据权利要求1-4任意一项所述的燃烧系统，其特征在于，相邻两个所述排气侧喷孔的轴线的夹角β=（0.25~0.5）×π。

8.根据权利要求1-4任意一项所述的燃烧系统，其特征在于，经过所述活塞的中心线且与所述活塞中心面垂直的活塞纵截面为活塞对称面，所述进气侧凹坑关于所述活塞对称面对称，所述排气侧凹坑关于所述活塞对称面对称，所述进气侧喷孔关于所述活塞对称面对称分布，所述排气侧喷孔关于所述活塞对称面对称分布。

9.根据权利要求8所述的燃烧系统，其特征在于，所述进气侧凹坑的表面与所述活塞对称面的交线包括第一过渡型线、第一导向壁面型线、第二过渡型线以及第一底面型线，所述第一导向壁面型线与所述活塞的中心线平行。

10.根据权利要求8所述的燃烧系统，其特征在于，所述排气侧凹坑的表面与所述活塞对称面的交线包括第三过渡型线、第二导向壁面型线、第四过渡型线以及第二底面型线，所述第二导向壁面型线与所述活塞的中心线平行。

11.一种气体发动机，其特征在于，所述气体发动机包括如权利要求1-10任意一项所述的燃烧系统。

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