CN116146328A - 发动机燃烧系统 - Google Patents

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CN116146328A CN202310293076.7A CN202310293076A CN116146328A CN 116146328 A CN116146328 A CN 116146328A CN 202310293076 A CN202310293076 A CN 202310293076A CN 116146328 A CN116146328 A CN 116146328A
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李元昊
张守振
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Abstract

本发明公开了一种发动机燃烧系统，包括：主燃烧室；进气管道，设置在主燃烧室上方，主燃烧室被构造成使得外部气流经进气管道进入主燃烧室内形成滚流气流，进气管道上设置有用于连接进气控制组件的第一通孔；排气管道，设置在主燃烧室上方且与进气管道邻近设置；以及预燃室，设置在进气管道与排气管道之间，且与主燃烧室连通，预燃室的底部靠近进气管道的一侧设置有第一开孔且远离进气管道的一侧设置有多个第二开孔，第一开孔的中心线与水平面的夹角β等于垂直于第一通孔的中心线的平面与水平面的夹角α，使得外部气流经第一开孔对预燃室进行扫气，并在预燃室内的燃烧介质被点燃后经第二开孔向主燃烧室喷射射流火焰，以点燃主燃烧室内的燃烧介质。

Description

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，具体涉及一种发动机燃烧系统。
背景技术
天然气以其价格低廉、储量丰富和燃烧清洁成为内燃机的理想替代燃料之一，尤其是在重型船用发动机和大功率非移动式发动机应用场景下有独特的优势。但是，天然气燃烧同时也存在着燃烧速度慢、火焰传播速度慢、易发生爆震等问题。
由此，提高天然气发动机的燃气混合气的燃烧速度是目前需要解决的问题，而提升缸内着火时刻的湍动能可以有效提高火焰的传播速度，加快缸内的燃烧，提高发动机的性能。燃烧室在压缩上止点时刻附近的湍动能主要由滚流破碎转换而来，因此需要提高缸内的进气滚流强度，而进气道、缸盖和燃烧室的结构都对缸内滚流强度的大小有重要的影响。
现有的发动机燃烧系统，特别是大缸径重型天然气发动机系统，由于其主燃烧室结构尺寸偏大，火焰传播距离偏长，缸内燃烧组织偏差，通常会采用预燃室的方式来提高缸内的点火能量，加快缸内混合气的燃烧速度，但是通常存在被动式预燃室的扫气不够充分，预燃室内上一循环的残余废气过多的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种发动机燃烧系统，通过将预燃室设置在进气管道与排气管道之间，且预燃室底部的第一开孔的中心线与水平面的夹角β等于垂直于第一通孔的中心线的平面与水平面的夹角α，使得外部气流经第一开孔对预燃室进行扫气，以减少预燃室内的残余废气。
根据本发明的实施例，提供了一种发动机燃烧系统，包括：主燃烧室；进气管道，设置在所述主燃烧室上方，所述主燃烧室被构造成使得外部气流经所述进气管道进入所述主燃烧室内形成滚流气流，所述进气管道上设置有用于连接进气控制组件的第一通孔；排气管道，设置在所述主燃烧室上方且与所述进气管道邻近设置，适用于排出所述主燃烧室内的气流；以及预燃室，设置在所述进气管道与所述排气管道之间，且与所述主燃烧室连通，所述预燃室的底部靠近所述进气管道的一侧设置有第一开孔且远离所述进气管道的一侧设置有多个第二开孔，所述第一开孔的中心线与水平面的夹角β等于垂直于所述第一通孔的中心线的平面与水平面的夹角α，使得外部气流经所述第一开孔对所述预燃室进行扫气，并在所述预燃室内的燃烧介质被点燃后经所述第二开孔向所述主燃烧室喷射射流火焰，以点燃所述主燃烧室内的燃烧介质。
根据本发明的实施例，所述主燃烧室由活塞的顶面、气缸的侧壁以及缸盖的底部共同围成；其中，所述缸盖安装在所述气缸的顶部，所述缸盖包括一体成型的且分别与水平面倾斜设置的第一盖体和第二盖体；所述活塞被构造成倒楔形，设置在所述气缸内部；使得外部气流经所述进气管道进入所述主燃烧室形成滚流气流。
根据本发明的实施例，所述进气管道包括两个进气支管，分别设置在所述第一盖体上方，每个所述进气支管被构造成相对于所述进气支管的进气口弯曲；所述排气管道包括两个排气支管，分别设置在所述第二盖体上方，每个所述排气支管被构造成相对于所述排气支管的排气口弯曲；其中，两个所述进气支管分别与两个所述排气支管相对设置，所述预燃室设置在相对设置的一个所述进气支管与一个所述排气支管之间，每个所述进气支管上均设置有所述第一通孔。
根据本发明的实施例，所述预燃室在竖直方向的中心线、与所述预燃室相邻的所述进气支管在竖直方向的中心线以及与所述预燃室相邻的所述排气支管在竖直方向的中心线共平面。
根据本发明的实施例，每个所述进气支管包括沿进气方向依次连接的第一管段和第二管段，所述第一管段水平设置，所述第二管段与水平方向倾斜设置，所述第一通孔设置在所述第二管段远离所述主燃烧室的一侧；所述进气控制组件包括：进气阀杆，经所述第一通孔伸入所述第二管段；以及进气门，连接在所述进气阀杆伸入所述第二管段的一端，以在所述进气阀杆的驱动下，连通或者阻断所述进气支管与所述主燃烧室。
根据本发明的实施例，所述第二管段的中心线与水平面的夹角γ为30-50°。
根据本发明的实施例，所述预燃室的顶部安装有火花塞，以点燃所述预燃室内的燃烧介质，形成射流火焰，经所述第二开孔向所述主燃烧室喷射射流火焰，以点燃所述主燃烧室内的燃烧介质。
根据本发明的实施例，所述第一开孔的直径大于所述第二开孔的直径，使得外部气流能够顺畅地流入所述预燃室，以及使得所述预燃室内形成的射流火焰快速喷向所述主燃烧室。
根据本发明的实施例，每个所述排气支管包括沿排气方向依次连接的第三管段和第四管段，所述第三管段与水平方向倾斜设置，所述第四管段水平设置，所述第三管段远离所述主燃烧室的一侧设置有用于连接排气阀杆的第二通孔，所述排气阀杆经所述第二通孔伸入所述第三管段，所述排气阀杆伸入所述第三管段的一端连接有排气门，以在所述排气阀杆的驱动下，连通或者阻断所述排气支管与所述主燃烧室。
根据本发明的实施例，所述第二管段的横截面形状呈圆形或者不规则圆形；并且/或者，所述第三管段的横截面形状呈圆形或者不规则圆形；并且/或者，沿外部气流流入所述主燃烧室的方向，所述第二管段的横截面积逐渐减小或者大致不变；并且/或者，沿气流从所述主燃烧室向外部流出的方向，所述第三管段的横截面积逐渐减小或者大致不变；并且/或者，两个所述进气支管关于所述缸盖顶部的第一中心线对称设置，两个所述排气支管关于所述第一中心线对称设置。
根据本发明的上述实施例的发动机燃烧系统，通过将预燃室设置在进气管道与排气管道之间，且预燃室底部靠近进气管道一侧的第一开孔的中心线与水平面的夹角β等于垂直于第一通孔的中心线的平面与水平面的夹角α，使得外部气流经第一开孔对预燃室进行扫气，并在预燃室内的燃烧介质被点燃后经第二开孔向主燃烧室喷射射流火焰，以点燃主燃烧室内的燃烧介质，一方面能够提高发动机燃烧系统的点火能量，加快缸内的燃烧速度，另一方面利用外部气流对预燃室进行充分扫气，以减少预燃室内的残余废气，有利于预燃室内的燃烧介质充分燃烧。
附图说明
图1是本发明的发动机燃烧系统沿预燃室轴线剖开的剖视图；
图2是图1沿A-A方向的剖视图；以及
图3是图1沿A-A方向剖开的预燃室的剖视图。
图中：
1-主燃烧室；
11-活塞；
12-气缸；
13-缸盖；131-第一盖体；132-第二盖体；133-第一中心线；
2-进气管道；
21-第一通孔；
22-进气支管；221-第一管段；222-第二管段；223-进气口；
3-进气控制组件；31-进气阀杆；32-进气门；
4-排气管道；
41-排气支管；411-第三管段；412-第四管段；413-排气口；414-排气阀杆；415-第二通孔；416-排气门；
5-预燃室；51-第一开孔；52-第二开孔；53-火花塞。
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，提供了一种发动机燃烧系统，包括：主燃烧室；进气管道，设置在主燃烧室上方，主燃烧室被构造成使得外部气流经进气管道进入主燃烧室内形成滚流气流，进气管道上设置有用于连接进气控制组件的第一通孔；排气管道，设置在主燃烧室上方且与进气管道邻近设置，适用于排出主燃烧室内的气流；以及预燃室，设置在进气管道与排气管道之间，且与主燃烧室连通，预燃室的底部靠近进气管道的一侧设置有第一开孔且远离进气管道的一侧设置有多个第二开孔，第一开孔的中心线与水平面的夹角β等于垂直于第一通孔的中心线的平面与水平面的夹角α，使得外部气流经第一开孔对预燃室进行扫气，并在预燃室内的燃烧介质被点燃后经第二开孔向主燃烧室喷射射流火焰，以点燃主燃烧室内的燃烧介质。
图1是本发明的发动机燃烧系统沿预燃室轴线剖开的剖视图；图2是图1沿A-A方向的剖视图。
根据本发明的示例性实施例，请参照图1-图2，提供一种发动机燃烧系统，包括主燃烧室1、进气管道2、排气管道4以及预燃室5。进气管道2设置在主燃烧室1上方。主燃烧室1被构造成使得外部气流经进气管道2进入主燃烧室1内形成滚流气流，进气管道2上设置有用于连接进气控制组件3的第一通孔21。排气管道4设置在主燃烧室1上方且与进气管道2邻近设置，适用于排出主燃烧室1内的气流。预燃室5设置在进气管道2与排气管道4之间，且与主燃烧室1连通，预燃室5的底部靠近进气管道2的一侧设置有第一开孔51且远离进气管道2的一侧设置有多个第二开孔52，第一开孔51的中心线与水平面的夹角β等于垂直于第一通孔21的中心线的平面与水平面的夹角α，使得外部气流经第一开孔51对预燃室5进行扫气，并在预燃室5内的燃烧介质被点燃后经第二开孔52向主燃烧室1喷射射流火焰，以点燃主燃烧室1内的燃烧介质。
在本实施例中，通过将预燃室5设置在进气管道2与排气管道4之间，且预燃室5底部靠近进气管道2一侧的第一开孔51的中心线与水平面的夹角β等于垂直于第一通孔21的中心线的平面与水平面的夹角α，使得外部气流经第一开孔51对预燃室5进行扫气，并在预燃室5内的燃烧介质被点燃后经第二开孔52向主燃烧室1喷射射流火焰，以点燃主燃烧室1内的燃烧介质，一方面能够提高发动机燃烧系统的点火能量，加快缸内的燃烧速度，另一方面利用外部气流对预燃室5进行充分扫气，以减少预燃室5内的残余废气，有利于预燃室5内的燃烧介质充分燃烧。
需要说明的是，在本实施例中，外部气流为天然气与空气的混合气；燃烧介质为天然气。
在一些示例性实施例中，参照图1-图2，主燃烧室1由活塞11的顶面、气缸12的侧壁以及缸盖13的底部共同围成。其中，缸盖13安装在气缸12的顶部，缸盖13包括一体成型的且分别与水平面倾斜设置的第一盖体131和第二盖体132；活塞11被构造成倒楔形，设置在气缸12内部；使得外部气流经进气管道2进入主燃烧室1形成滚流气流。该滚流气流的流动方向如图1中箭头方向所示。
在一些示例性实施例中，参照图1-图2，进气管道2包括两个进气支管22，分别设置在第一盖体131上方，每个进气支管22被构造成相对于进气支管22的进气口223弯曲。排气管道4包括两个排气支管41，分别设置在第二盖体132上方，每个排气支管41被构造成相对于排气支管41的排气口413弯曲。其中，两个进气支管22分别与两个排气支管41相对设置，预燃室5设置在相对设置的一个进气支管22与一个排气支管41之间，每个进气支管22上均设置有第一通孔21。
通过上述设置方式，外部气流经进气管道2进入主燃烧室1，能够增强缸内的湍流强度，提高缸内的湍动能，加快火焰传播速度，提高缸内的燃烧速度，从而提高发动机燃烧系统的热效率。
在一些示例性实施例中，参照图1-图2，预燃室5在竖直方向的中心线、与预燃室5相邻的进气支管22在竖直方向的中心线以及与预燃室5相邻的排气支管41在竖直方向的中心线共平面。
通过上述设置方式，使得与预燃室5相邻的进气支管22中的外部气流能够顺畅地流入预燃室5中，并且使得气流能够在与预燃室5相邻的进气支管22、预燃室5、主燃烧室1以及与预燃室5相邻的排气支管41之间顺畅流通。
在一些示例性实施例中，参照图1，每个进气支管22包括沿进气方向依次连接的第一管段221和第二管段222，第一管段221水平设置，第二管段222与水平方向倾斜设置，第一通孔21设置在第二管段222远离主燃烧室1的一侧。
需要说明的是，在本实施例中，第一管段221与第二管段222之间通过圆角光滑过渡。
进气控制组件3包括进气阀杆31以及进气门32。进气阀杆31经第一通孔21伸入第二管段222。进气门32连接在进气阀杆31伸入第二管段222的一端，以在进气阀杆31的驱动下，连通或者阻断进气支管22与主燃烧室1。
在一些示例性实施例中，参照图1，第二管段222的中心线与水平面的夹角γ为30-50°。
在一些示例性实施例中，参照图1，预燃室5的顶部安装有火花塞53，以点燃预燃室5内的燃烧介质，形成射流火焰，经第二开孔52向主燃烧室1喷射射流火焰，以点燃主燃烧室1内的燃烧介质。
图3是图1沿A-A方向剖开的预燃室的剖视图。
在一些示例性实施例中，参照图2-图3，第一开孔51的直径大于第二开孔52的直径，使得外部气流能够顺畅地流入预燃室5，以及使得预燃室5内形成的射流火焰快速喷向主燃烧室1。
在一些示例性实施例中，参照图1，每个排气支管41包括沿排气方向依次连接的第三管段411和第四管段412，第三管段411与水平方向倾斜设置，第四管段412水平设置，第三管段411远离主燃烧室1的一侧设置有用于连接排气阀杆414的第二通孔415，排气阀杆414经第二通孔415伸入第三管段411，排气阀杆414伸入第三管段411的一端连接有排气门416，以在排气阀杆414的驱动下，连通或者阻断排气支管41与主燃烧室1。
需要说明的是，在本实施例中，第三管段411与第四管段412之间通过圆角光滑过度。
在一些示例性实施例中，参照图1-图2，第二管段222的横截面形状呈圆形或者不规则圆形。第三管段411的横截面形状呈圆形或者不规则圆形。
沿外部气流流入主燃烧室1的方向，第二管段222的横截面积逐渐减小或者大致不变。沿气流从主燃烧室1向外部流出的方向，第三管段411的横截面积逐渐减小或者大致不变。
两个进气支管22关于缸盖13顶部的第一中心线133对称设置，两个排气支管41关于第一中心线133对称设置。
需要说明的是，本实施例的发动机燃烧系统的工作原理如下：首先活塞11从上止点向下运动，此时进气阀杆31驱动进气门32打开，排气门416处于关闭状态，外部气流(即天然气与空气的混合气)通过进气管道2流入由活塞11的顶面、气缸12的侧壁以及缸盖13的底部共同围成的主燃烧室1，并在主燃烧室1内形成缸内强滚流。由于预燃室5底部靠近进气管道2一侧的第一开孔51的中心线与水平面的夹角β等于垂直于第一通孔21的中心线的平面与水平面的夹角α，使得进气管道2中的天然气与空气的混合气流入预燃室5内，加强对预燃室5的扫气。当活塞11越过下止点向上运动时，进气阀杆31驱动进气门32关闭，活塞11压缩缸内天然气与空气的混合气，缸内强滚流可以继续通过预燃室5底部的第一开孔51对预燃室5进行扫气，同时滚流破碎转换成缸内的湍动能。在活塞11运动到接近上止点时，预燃室5内的火花塞53点燃预燃室5内的燃烧介质，燃烧介质燃烧放热使得预燃室5内的温度和压力急剧增加，在压差作用下，预燃室5内形成的射流火焰会从预燃室5底部的第二开孔52喷入主燃烧室1，该射流火焰引燃主燃烧室1内燃烧介质，由于主燃烧室1内天然气与空气的混合气具有高湍动能，可以加快火焰传播，主燃烧室1内燃烧介质燃烧释放大量的热量，缸内压力增大，推动活塞11向下运动，通过曲柄连杆结构对外做功。活塞11运动到接近下止点时，排气阀杆414驱动排气门416开启，活塞11向上运动排除主燃烧室1内的废气，发动机燃烧系统完成一个循环的工作过程。
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)

1.一种发动机燃烧系统，包括：
主燃烧室(1)；
进气管道(2)，设置在所述主燃烧室(1)上方，所述主燃烧室(1)被构造成使得外部气流经所述进气管道(2)进入所述主燃烧室(1)内形成滚流气流，所述进气管道(2)上设置有用于连接进气控制组件(3)的第一通孔(21)；
排气管道(4)，设置在所述主燃烧室(1)上方且与所述进气管道(2)邻近设置，适用于排出所述主燃烧室(1)内的气流；以及
预燃室(5)，设置在所述进气管道(2)与所述排气管道(4)之间，且与所述主燃烧室(1)连通，所述预燃室(5)的底部靠近所述进气管道(2)的一侧设置有第一开孔(51)且远离所述进气管道(2)的一侧设置有多个第二开孔(52)，所述第一开孔(51)的中心线与水平面的夹角β等于垂直于所述第一通孔(21)的中心线的平面与水平面的夹角α，使得外部气流经所述第一开孔(51)对所述预燃室(5)进行扫气，并在所述预燃室(5)内的燃烧介质被点燃后经所述第二开孔(52)向所述主燃烧室(1)喷射射流火焰，以点燃所述主燃烧室(1)内的燃烧介质。
2.根据权利要求1所述的发动机燃烧系统，其中，所述主燃烧室(1)由活塞(11)的顶面、气缸(12)的侧壁以及缸盖(13)的底部共同围成；
其中，所述缸盖(13)安装在所述气缸(12)的顶部，所述缸盖(13)包括一体成型的且分别与水平面倾斜设置的第一盖体(131)和第二盖体(132)；所述活塞(11)被构造成倒楔形，设置在所述气缸(12)内部；使得外部气流经所述进气管道(2)进入所述主燃烧室(1)形成滚流气流。
3.根据权利要求2所述的发动机燃烧系统，其中，所述进气管道(2)包括两个进气支管(22)，分别设置在所述第一盖体(131)上方，每个所述进气支管(22)被构造成相对于所述进气支管(22)的进气口(223)弯曲；
所述排气管道(4)包括两个排气支管(41)，分别设置在所述第二盖体(132)上方，每个所述排气支管(41)被构造成相对于所述排气支管(41)的排气口(413)弯曲；
其中，两个所述进气支管(22)分别与两个所述排气支管(41)相对设置，所述预燃室(5)设置在相对设置的一个所述进气支管(22)与一个所述排气支管(41)之间，每个所述进气支管(22)上均设置有所述第一通孔(21)。
4.根据权利要求3所述的发动机燃烧系统，其中，所述预燃室(5)在竖直方向的中心线、与所述预燃室(5)相邻的所述进气支管(22)在竖直方向的中心线以及与所述预燃室(5)相邻的所述排气支管(41)在竖直方向的中心线共平面。
5.根据权利要求3所述的发动机燃烧系统，其中，每个所述进气支管(22)包括沿进气方向依次连接的第一管段(221)和第二管段(222)，所述第一管段(221)水平设置，所述第二管段(222)与水平方向倾斜设置，所述第一通孔(21)设置在所述第二管段(222)远离所述主燃烧室(1)的一侧；
所述进气控制组件(3)包括：
进气阀杆(31)，经所述第一通孔(21)伸入所述第二管段(222)；以及
进气门(32)，连接在所述进气阀杆(31)伸入所述第二管段(222)的一端，以在所述进气阀杆(31)的驱动下，连通或者阻断所述进气支管(22)与所述主燃烧室(1)。
6.根据权利要求5所述的发动机燃烧系统，其中，所述第二管段(222)的中心线与水平面的夹角γ为30-50°。
7.根据权利要求1所述的发动机燃烧系统，其中，所述预燃室(5)的顶部安装有火花塞(53)，以点燃所述预燃室(5)内的燃烧介质，形成射流火焰，经所述第二开孔(52)向所述主燃烧室(1)喷射射流火焰，以点燃所述主燃烧室(1)内的燃烧介质。
8.根据权利要求7所述的发动机燃烧系统，其中，所述第一开孔(51)的直径大于所述第二开孔(52)的直径，使得外部气流能够顺畅地流入所述预燃室(5)，以及使得所述预燃室(5)内形成的射流火焰快速喷向所述主燃烧室(1)。
9.根据权利要求5所述的发动机燃烧系统，其中，每个所述排气支管(41)包括沿排气方向依次连接的第三管段(411)和第四管段(412)，所述第三管段(411)与水平方向倾斜设置，所述第四管段(412)水平设置，所述第三管段(411)远离所述主燃烧室(1)的一侧设置有用于连接排气阀杆(414)的第二通孔(415)，所述排气阀杆(414)经所述第二通孔(415)伸入所述第三管段(411)，所述排气阀杆(414)伸入所述第三管段(411)的一端连接有排气门(416)，以在所述排气阀杆(414)的驱动下，连通或者阻断所述排气支管(41)与所述主燃烧室(1)。
10.根据权利要求9所述的发动机燃烧系统，其中，所述第二管段(222)的横截面形状呈圆形或者不规则圆形；并且/或者，
所述第三管段(411)的横截面形状呈圆形或者不规则圆形；并且/或者，
沿外部气流流入所述主燃烧室(1)的方向，所述第二管段(222)的横截面积逐渐减小或者大致不变；并且/或者，
沿气流从所述主燃烧室(1)向外部流出的方向，所述第三管段(411)的横截面积逐渐减小或者大致不变；并且/或者，
两个所述进气支管(22)关于所述缸盖(13)顶部的第一中心线(133)对称设置，两个所述排气支管(41)关于所述第一中心线(133)对称设置。
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