CN115419502A - 复合进气道与燃烧室协同的发动机燃烧系统 - Google Patents

复合进气道与燃烧室协同的发动机燃烧系统 Download PDF

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CN115419502A CN202211278466.9A CN202211278466A CN115419502A CN 115419502 A CN115419502 A CN 115419502A CN 202211278466 A CN202211278466 A CN 202211278466A CN 115419502 A CN115419502 A CN 115419502A
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陈勇
王浒
张守振
李元昊
刘恒
郑尊清
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Abstract

本发明公开了一种复合进气道与燃烧室协同的发动机燃烧系统，包括：气缸；缸盖，水平地安装在气缸的顶部；活塞，设置在气缸内部，活塞的顶面、气缸的内壁以及缸盖的底面共同围设出燃烧室；火花塞，安装在缸盖的底面的中心位置；复合进气道，包括：第一进气管道，设置在缸盖上方且与燃烧室连通，被构造成使得外部气流经第一进气管道在燃烧室内形成涡流气流；第二进气管道，设置在缸盖上方且与燃烧室连通，被构造成使得外部气流经第二进气管道在燃烧室内形成滚流气流；进气入口，分别连通第一进气管道和第二进气管道；排气管路，设置在缸盖上方，排气管路被构造成与燃烧室连通；以及燃油供给喷射装置，设置在复合进气道上或者缸盖的底面。

Description

复合进气道与燃烧室协同的发动机燃烧系统
技术领域
本发明的至少一种实施例涉及发动机技术领域，尤其涉及一种复合进气道与燃烧室协同的发动机燃烧系统。
背景技术
在中重型车平台中搭载天然气发动机燃烧系统可利用其高机体强度的特征克服爆压限值以提高动力输出，但是，现有的发动机燃烧系统为增强燃料和空气的混合程度及混合速率，大多采用双螺旋气道、平底缸盖及"ω"形燃烧室，缸内流场以强涡流为主。由此，现有的发动机燃烧系统并不适用于以天然气为燃烧介质，现有的发动机燃烧系统以天然气为燃烧介质存在不能满足加快天然气燃烧火焰传播速度以及抑制爆震需要的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种复合进气道与燃烧室协同的发动机燃烧系统，通过在缸盖上方设置与燃烧室连通的复合进气道，在燃烧室内形成与缸盖的轴线相倾斜并朝向气缸底部流动的斜轴涡流气流，加快天然气燃烧火焰在燃烧室内的传播速度。
根据本发明的实施例，提供了一种复合进气道与燃烧室协同的发动机燃烧系统，包括：气缸；缸盖，水平地安装在所述气缸的顶部；活塞，设置在所述气缸内部，所述活塞的顶面、所述气缸的内壁以及所述缸盖的底面共同围设出燃烧室；火花塞，安装在所述缸盖的底面的中心位置，适用于点燃所述燃烧室内的燃烧介质；复合进气道，包括：第一进气管道，设置在所述缸盖上方且与所述燃烧室连通，被构造成使得外部气流经所述第一进气管道在所述燃烧室内形成涡流气流；第二进气管道，设置在所述缸盖上方且与所述燃烧室连通，被构造成使得外部气流经所述第二进气管道在所述燃烧室内形成滚流气流；进气入口，分别连通所述第一进气管道和所述第二进气管道，使得外部气流从所述进气入口分别流入所述第一进气管道和所述第二进气管道；其中，所述涡流气流和所述滚流气流在所述燃烧室内混合后形成与所述缸盖的轴线相倾斜并朝向所述气缸底部流动的斜轴涡流气流；排气管路，设置在所述缸盖上方，所述排气管路被构造成与所述燃烧室连通，以将来自于所述燃烧室的气流从所述燃烧室排出；以及燃油供给喷射装置，设置在所述复合进气道上或者所述缸盖的底面。
根据本发明的实施例，所述第一进气管道包括依次连接的螺旋部和圆筒部，外部气流通过所述进气入口经所述螺旋部以及所述圆筒部流入所述燃烧室，以在所述燃烧室内形成涡流气流。
根据本发明的实施例，所述第二进气管道被构造成朝向所述进气入口方向弯曲的圆筒，外部气流通过所述进气入口经所述圆筒流入所述燃烧室，以在所述燃烧室内形成滚流气流。
根据本发明的实施例，所述第一进气管道位于所述缸盖上的第一进气口与所述第二进气管道位于所述缸盖上的第二进气口关于所述缸盖的第一径向中心线对称设置。
根据本发明的实施例，所述排气管路包括第一排气管道、第二排气管道以及排气口，所述排气口分别连通所述第一排气管道和所述第二排气管道，使得来自于所述燃烧室的气流分别从所述第一排气管道和所述第二排气管道流入所述排气口，并经所述排气口排出；所述第一排气管道的位于所述缸盖上的第一入气口以及所述第二排气管道的位于所述缸盖上的第二入气口关于所述缸盖的所述第一径向中心线对称设置，且所述复合进气道和所述排气管路位于与所述第一径向中心线垂直的第二径向中心线的两侧。
根据本发明的实施例，所述第一进气管道的顶部和所述第二进气管道的顶部分别设置有用于安装进气阀杆的第一导气孔和第二导气孔，所述第一导气孔和所述第二导气孔分别位于在所述第一进气口和所述第二进气口的中心轴线上；并且/或者，所述第一排气管道的顶部和所述第二排气管道的顶部分别设置有用于安装排气阀杆的第三导气孔和第四导气孔，所述第三导气孔和所述第四导气孔分别位于在所述第一排气管道的第一入气口与所述第二排气管道的第二入气口的中心轴线上。
根据本发明的实施例，所述缸盖的底面被构造成沿水平方向设置的平面，所述进气入口所在的平面和所述排气口所在的平面分别与所述缸盖底面所在的平面垂直，所述进气入口的水平轴线与所述缸盖顶面的距离H1等于所述排气口的水平轴线与所述缸盖顶面的距离H2。
根据本发明的实施例，所述进气入口的水平轴线与所述缸盖顶面的距离H1为所述气缸内径D的160％-170％。
根据本发明的实施例，所述活塞的顶面被构造成凹向所述气缸底部的圆弧面。
根据本发明的实施例，所述圆弧面的最低位置与所述圆弧面的最高位置之间的距离H3为所述气缸内径D的5％-10％。
根据本发明的上述实施例的复合进气道与燃烧室协同的发动机燃烧系统，通过在缸盖上方分别设置与燃烧室连通的第一进气管道和第二进气管道，且进气入口分别连通第一进气管道和第二进气管道，其中，第一进气管道被构造成使得外部气流经第一进气管道在燃烧室内形成涡流气流，第二进气管道被构造成使得外部气流经第二进气管道在燃烧室内形成滚流气流，该涡流气流和该滚流气流在燃烧室内混合后形成与缸盖的轴线相倾斜并朝向气缸底部流动的斜轴涡流气流，加快天然气燃烧火焰在燃烧室内的传播速度，降低爆震倾向，提高气缸内最大爆发压力，使得发动机燃烧系统以天然气为燃料仍可实现相对较高的热效率及升功率。
附图说明
图1是本发明的复合进气道与燃烧室协同的发动机燃烧系统的俯视图；
图2是本发明的复合进气道与燃烧室协同的发动机燃烧系统的主视图；
图3是本发明的复合进气道与燃烧室协同的发动机燃烧系统的左视图；以及
图4是第一进气管道的示意图。
图中：
1-气缸；
2-缸盖；21-第一径向中心线；22-第二径向中心线；
3-活塞；31-圆弧面；
4-燃烧室；
5-火花塞；
6-复合进气道；
61-第一进气管道；611-螺旋部；612-圆筒部；613-第一进气口；614-第一导气孔；
62-第二进气管道；621-圆筒；622-第二进气口；623-第二导气孔；
63-进气入口；
7-排气管路；
71-第一排气管道；711-第一入气口；712-第三导气孔；
72-第二排气管道；721-第二入气口；722-第四导气孔；
73-排气口。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
根据本发明一个方面的发明构思，提供一种复合进气道与燃烧室协同的发动机燃烧系统，包括：气缸；缸盖，水平地安装在气缸的顶部；活塞，设置在气缸内部，活塞的顶面、气缸的内壁以及缸盖的底面共同围设出燃烧室；火花塞，安装在缸盖的底面的中心位置，适用于点燃燃烧室内的燃烧介质；复合进气道，包括：第一进气管道，设置在缸盖上方且与燃烧室连通，被构造成使得外部气流经第一进气管道在燃烧室内形成涡流气流；第二进气管道，设置在缸盖上方且与燃烧室连通，被构造成使得外部气流经第二进气管道在燃烧室内形成滚流气流；进气入口，分别连通第一进气管道和第二进气管道，使得外部气流从进气入口分别流入第一进气管道和第二进气管道；其中，该涡流气流和该滚流气流在燃烧室内混合后形成与缸盖的轴线相倾斜并朝向气缸底部流动的斜轴涡流气流；排气管路，设置在缸盖上方，排气管路被构造成与燃烧室连通，以将来自于燃烧室的气流从燃烧室排出；以及燃油供给喷射装置，设置在复合进气道上或者缸盖的底面。
图1是本发明的复合进气道与燃烧室协同的发动机燃烧系统的俯视图；图2是本发明的复合进气道与燃烧室协同的发动机燃烧系统的主视图；图3是本发明的复合进气道与燃烧室协同的发动机燃烧系统的左视图。
根据本发明的示例性实施例，请参照图1-图3，提供一种复合进气道与燃烧室协同的发动机燃烧系统，包括气缸1、缸盖2、活塞3、火花塞5、复合进气道6、排气管路7以及燃油供给喷射装置(图中未示出)。缸盖2水平地安装在气缸1的顶部。活塞3设置在气缸1内部，活塞3的顶面、气缸1的内壁以及缸盖2的底面共同围设出燃烧室4。火花塞5安装在缸盖2的底面的中心位置，适用于点燃燃烧室4内的燃烧介质。复合进气道6包括第一进气管道61、第二进气管道62以及进气入口63。第一进气管道61设置在缸盖2上方且与燃烧室4连通，被构造成使得外部气流经第一进气管道61在燃烧室4内形成涡流气流。第二进气管道62设置在缸盖2上方且与燃烧室4连通，被构造成使得外部气流经第二进气管道62在燃烧室4内形成滚流气流。进气入口63分别连通第一进气管道61和第二进气管道62，使得外部气流从进气入口63分别流入第一进气管道61和第二进气管道62。其中，该涡流气流和该滚流气流在燃烧室4内混合后形成与缸盖2的轴线相倾斜并朝向气缸1底部流动的斜轴涡流气流。排气管路7设置在缸盖2上方，排气管路7被构造成与燃烧室4连通，以将来自于燃烧室4的气流从燃烧室4排出。燃油供给喷射装置设置在复合进气道6上或者缸盖2的底面。
在本实施例中，通过在缸盖2上方分别设置与燃烧室4连通的第一进气管道61和第二进气管道62，且进气入口63分别连通第一进气管道61和第二进气管道62，其中，第一进气管道61被构造成使得外部气流经第一进气管道61在燃烧室4内形成涡流气流，第二进气管道62被构造成使得外部气流经第二进气管道62在燃烧室4内形成滚流气流，该涡流气流和该滚流气流在燃烧室4内混合后形成与缸盖2的轴线相倾斜并朝向气缸1底部流动的斜轴涡流气流，加快天然气燃烧火焰的传播速度，降低爆震倾向，提高气缸1内最大爆发压力，使得发动机燃烧系统以天然气为燃料仍可实现相对较高的热效率及升功率。
需要说明的是，在本实施例中，燃油供给喷射装置用于向燃烧室4内部喷射天然气，外部气流指的是空气。
图4是第一进气管道的示意图。
在一些示例性实施例中，参照图2-图4，第一进气管道61包括依次连接的螺旋部611和圆筒部612，外部气流通过进气入口63经螺旋部611以及圆筒部612流入燃烧室4，以在燃烧室4内形成涡流气流。
需要说明的是，在本实施例中，外部气流进入第一进气管道61后，沿螺旋部611流动，并经圆筒部612流入燃烧室4，在燃烧室4内形成涡流气流。其中，外部气流在第一进气管道61中的流动方向如图3中箭头C所指的方向，该涡流气流的流动方向如图2中箭头B所指的方向。
在一些示例性实施例中，参照图2-图3，第二进气管道62被构造成朝向进气入口63方向弯曲的圆筒621，外部气流通过进气入口63经圆筒621流入燃烧室4，以在燃烧室4内形成滚流气流。
需要说明的是，在本实施例中，将第二进气管道62构造成朝向进气入口63方向弯曲的圆筒621以形成切向进气管道，外部气流进入第二进气管道62，在该切向进气管道的作用下，外部气流在第二进气管道62内的流动方向始终与第二进气管道62的管壁相切，使得当气流流入燃烧室4后形成滚流气流。其中，该滚流气流的流动方向如图2中箭头A所指的方向。
进一步地，外部气流经第一进气管道61在燃烧室4内部形成的涡流气流与外部气流经第二进气管道62在燃烧室4内部形成的滚流气流混合后形成与缸盖2的轴线相倾斜并朝向气缸1底部流动的斜轴涡流气流。
在一些示例性实施例中，参照图1，第一进气管道61位于缸盖2上的第一进气口613与第二进气管道62位于缸盖2上的第二进气口622关于缸盖2的第一径向中心线21对称设置。
在一些示例性实施例中，参照图1-图2，排气管路7包括第一排气管道71、第二排气管道72以及排气口73，排气口73分别连通第一排气管道71和第二排气管道72，使得来自于燃烧室4的气流分别从第一排气管道71和第二排气管道72流入排气口73，并经排气口73排出。第一排气管道71的位于缸盖2上的第一入气口711以及第二排气管道72的位于缸盖2上的第二入气口721关于缸盖2的第一径向中心线21对称设置，且复合进气道6和排气管路7位于与第一径向中心线21垂直的第二径向中心线22的两侧。
在一些示例性实施例中，参照图1，第一进气管道61的顶部和第二进气管道62的顶部分别设置有用于安装进气阀杆的第一导气孔614和第二导气孔623，第一导气孔614和第二导气孔623分别位于在第一进气口613和第二进气口622的中心轴线上。
参照图1，第一排气管道71的顶部和第二排气管道72的顶部分别设置有用于安装排气阀杆的第三导气孔712和第四导气孔722，第三导气孔712和第四导气孔722分别位于在第一排气管道71的第一入气口711与第二排气管道72的第二入气口721的中心轴线上。
在一些示例性实施例中，参照图3，缸盖2的底面被构造成沿水平方向设置的平面，进气入口63所在的平面和排气口73所在的平面分别与缸盖2底面所在的平面垂直，进气入口63的水平轴线与缸盖2顶面的距离H1等于排气口73的水平轴线与缸盖2顶面的距离H2。
在一些示例性实施例中，参照图2-图3，进气入口63的水平轴线与缸盖2顶面的距离H1为气缸1内径D的160％-170％。
在一些示例性实施例中，参照图2，活塞3的顶面被构造成凹向气缸1底部的圆弧面31。
在一些示例性实施例中，参照图2，圆弧面31的最低位置与圆弧面31的最高位置之间的距离H3为气缸1内径D的5％-10％。
在本实施例中，通过在缸盖2上方分别设置与燃烧室4连通的第一进气管道61和第二进气管道62，且进气入口63分别连通第一进气管道61和第二进气管道62，以在气缸1内形成与缸盖2的轴线相倾斜并朝向气缸1底部流动的斜轴涡流气流，并结合活塞3顶面的圆弧面31对气流流动的引导，有效提高气缸1内纵向的滚流强度及保持能力，进而通过压缩冲程末期大尺度滚流破碎增加近上止点气缸1内的湍流强度，尤其是火花塞5点火位置的湍流强度，从而加快火焰的传播速度，降低爆震倾向，提高气缸1内最大爆发压力，使得发动机燃烧系统以天然气为燃料仍可实现相对较高的热效率及升功率，保证发动机燃烧系统以天然气为燃料仍具有较好的动力性及经济性，以满足在中重型商用车或增程式混合动力系统的应用要求。
进一步地，以天然气为燃料，本实施例的复合进气道与燃烧室协同的发动机燃烧系统与现有的发动机燃烧系统相比，气缸1内的最大滚流强度增加了0.83倍，在上止点前11°点火，气缸1内平均湍动能增加20.0％，以加快火焰的传播速度，降低爆震倾向，提高气缸1内最大爆发压力，使得发动机燃烧系统以天然气为燃料仍可实现相对较高的热效率及升功率。
需要说明的是，为满足发动机燃烧系统的压缩比的要求，在本实施例中，进气入口63的水平轴线与缸盖2顶面的距离H1为气缸1内径D的160％-170％，圆弧面31的最低位置与圆弧面31的最高位置之间的距离H3为气缸1内径D的5％-10％。
进一步地，在本实施例中，气缸1的内径D优选为123mm，发动机燃烧系统的压缩比优选为11.5，基于气缸1的内径D以及发动机燃烧系统的压缩比的限制，进气入口63的水平轴线与缸盖2顶面的距离H1以及排气口73的水平轴线与缸盖2顶面的距离H2优选为55mm，圆弧面31的半径优选为128.4mm，圆弧面31的最低位置与圆弧面31的最高位置之间的距离H3优选为16.5mm。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合进气道与燃烧室协同的发动机燃烧系统，其特征在于，包括：
气缸(1)；
缸盖(2)，水平地安装在所述气缸(1)的顶部；
活塞(3)，设置在所述气缸(1)内部，所述活塞(3)的顶面、所述气缸(1)的内壁以及所述缸盖(2)的底面共同围设出燃烧室(4)；
火花塞(5)，安装在所述缸盖(2)的底面的中心位置，适用于点燃所述燃烧室(4)内的燃烧介质；
复合进气道(6)，包括：
第一进气管道(61)，设置在所述缸盖(2)上方且与所述燃烧室(4)连通，被构造成使得外部气流经所述第一进气管道(61)在所述燃烧室(4)内形成涡流气流；
第二进气管道(62)，设置在所述缸盖(2)上方且与所述燃烧室(4)连通，被构造成使得外部气流经所述第二进气管道(62)在所述燃烧室(4)内形成滚流气流；
进气入口(63)，分别连通所述第一进气管道(61)和所述第二进气管道(62)，使得外部气流从所述进气入口(63)分别流入所述第一进气管道(61)和所述第二进气管道(62)；
其中，所述涡流气流和所述滚流气流在所述燃烧室(4)内混合后形成与所述缸盖(2)的轴线相倾斜并朝向所述气缸(1)底部流动的斜轴涡流气流；
排气管路(7)，设置在所述缸盖(2)上方，所述排气管路(7)被构造成与所述燃烧室(4)连通，以将来自于所述燃烧室(4)的气流从所述燃烧室(4)排出；以及
燃油供给喷射装置，设置在所述复合进气道(6)上或者所述缸盖(2)的底面。
2.根据权利要求1所述的复合进气道与燃烧室协同的发动机燃烧系统，其特征在于，所述第一进气管道(61)包括依次连接的螺旋部(611)和圆筒部(612)，外部气流通过所述进气入口(63)经所述螺旋部(611)以及所述圆筒部(612)流入所述燃烧室(4)，以在所述燃烧室(4)内形成涡流气流。
3.根据权利要求2所述的复合进气道与燃烧室协同的发动机燃烧系统，其特征在于，所述第二进气管道(62)被构造成朝向所述进气入口(63)方向弯曲的圆筒(621)，外部气流通过所述进气入口(63)经所述圆筒(621)流入所述燃烧室(4)，以在所述燃烧室(4)内形成滚流气流。
4.根据权利要求3所述的复合进气道与燃烧室协同的发动机燃烧系统，其特征在于，所述第一进气管道(61)位于所述缸盖(2)上的第一进气口(613)与所述第二进气管道(62)位于所述缸盖(2)上的第二进气口(622)关于所述缸盖(2)的第一径向中心线(21)对称设置。
5.根据权利要求3所述的复合进气道与燃烧室协同的发动机燃烧系统，其特征在于，所述排气管路(7)包括第一排气管道(71)、第二排气管道(72)以及排气口(73)，所述排气口(73)分别连通所述第一排气管道(71)和所述第二排气管道(72)，使得来自于所述燃烧室(4)的气流分别从所述第一排气管道(71)和所述第二排气管道(72)流入所述排气口(73)，并经所述排气口(73)排出；
所述第一排气管道(71)的位于所述缸盖(2)上的第一入气口(711)以及所述第二排气管道(72)的位于所述缸盖(2)上的第二入气口(721)关于所述缸盖(2)的所述第一径向中心线(21)对称设置，且所述复合进气道(6)和所述排气管路(7)位于与所述第一径向中心线(21)垂直的第二径向中心线(22)的两侧。
6.根据权利要求5所述的复合进气道与燃烧室协同的发动机燃烧系统，其特征在于，所述第一进气管道(61)的顶部和所述第二进气管道(62)的顶部分别设置有用于安装进气阀杆的第一导气孔(614)和第二导气孔(623)，所述第一导气孔(614)和所述第二导气孔(623)分别位于在所述第一进气口(613)和所述第二进气口(622)的中心轴线上；并且/或者，
所述第一排气管道(71)的顶部和所述第二排气管道(72)的顶部分别设置有用于安装排气阀杆的第三导气孔(712)和第四导气孔(722)，所述第三导气孔(712)和所述第四导气孔(722)分别位于在所述第一排气管道(71)的第一入气口(711)与所述第二排气管道(72)的第二入气口(721)的中心轴线上。
7.根据权利要求5所述的复合进气道与燃烧室协同的发动机燃烧系统，其特征在于，所述缸盖(2)的底面被构造成沿水平方向设置的平面，所述进气入口(63)所在的平面和所述排气口(73)所在的平面分别与所述缸盖(2)底面所在的平面垂直，所述进气入口(63)的水平轴线与所述缸盖(2)顶面的距离H1等于所述排气口(73)的水平轴线与所述缸盖(2)顶面的距离H2。
8.根据权利要求7所述的复合进气道与燃烧室协同的发动机燃烧系统，其特征在于，所述进气入口(63)的水平轴线与所述缸盖(2)顶面的距离H1为所述气缸(1)内径D的160％-170％。
9.根据权利要求7所述的发动机燃烧系统，其特征在于，所述活塞(3)的顶面被构造成凹向所述气缸(1)底部的圆弧面(31)。
10.根据权利要求9所述的复合进气道与燃烧室协同的发动机燃烧系统，其特征在于，所述圆弧面(31)的最低位置与所述圆弧面(31)的最高位置之间的距离H3为所述气缸(1)内径D的5％-10％。
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