CN1423039A - 燃烧室系统 - Google Patents

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Abstract

具有与终端燃烧室相通的预燃室的燃烧室系统,其中,所述预燃室的长度比它的宽度要大得多。预燃室沿它的全部或部分长度可以是弯曲的,而且这种弯曲的腔室部分可以是相互嵌套的。

Description

燃烧室系统
                      技术领域
本发明为间歇型直线马达设计的预燃烧和终端燃烧室系统。
                      背景技术
本发明人在用于间歇型直线马达中的初始和终端燃烧室系统的应用方面一直处于领先地位。在这些系统中，燃烧在初始燃烧室中开始并形成焰锋，后者将未燃烧的燃料和空气驱赶并压入终端燃烧室中。这大大地提高了系统的功率输出。本发明人以前的专利，特别是美国专利4,365,471和4,510,748，和4,665,868代表了本发明人在这个领域中的一些成果。
运行中，这类系统中的两个燃烧室首先被充以燃烧材料和空气的混合物。然后，预燃室中的混合物被点燃。所形成的焰锋穿过预燃室，同时将其前面的未燃燃料和空气推入终端燃烧室。然后，焰锋通过这两个燃烧室之间的一个检查阀并在终端燃烧室内点燃压缩的混合物。这个过程增强了终端燃烧室中的燃烧压力，使终端燃烧室内的燃烧效率更高。这种更高的压力可更有效和强有力地实现有用的功率，如用来驱动固定件。
                      发明内容
本发明人已经发现，增加预燃室的长宽比能明显改进其性能。将预燃室做得特别长，会抵销将燃烧系统设计得尽量紧凑时所获得的明显好处。但本发明人发现，长而窄的预燃室与普通短而宽的预燃室相比，可将更多的焰锋前未燃烧的燃料和空气推入终端燃烧室中。本发明人还发现，特殊加长的预燃室既可以是直而大致光滑的，也可以是弯曲或迭合成非直线型路径的。本发明人用多种性能改变参数做过能在终端燃烧室中产生压缩明显增强，因而大大提高了功率输出的试验。虽然本发明人更原意使未燃烧的燃料和空气相对不受阻碍地从预燃室进入终端燃烧室，但本发明人发现，阻止任何高压回流从燃烧室返回到预燃室的检查阀对提高性能是非常重要的。
                     附图说明
图1给出本发明第一个实施方案的侧视剖面示意图。
图2给出本发明第二个实施方案的侧视剖面示意图，其中，预燃室是弯曲的。
图3A给出本发明第三个实施方案的侧视剖面示意图，其中，为紧凑起见，弯曲预燃室的各分段是按串联和嵌套方式布置的。
图3B给出了图3A所示预燃室弯曲和嵌套的分段的顶视剖面示意图。
图4给出本发明第四个实施方案的侧视剖面示意图，其中，预燃室和终端燃烧室的体积基本相同，而预燃室的长宽比则约为四比一。
图5A给出本发明第五个实施方案的侧视剖面示意图，它的预燃室具有环绕直型终端燃烧室的二个弯曲分段。
图5B给出第一个预燃室分段的顶视剖面示意图。
图5C给出第二个预燃室分段的顶视剖面示意图。
图6A-C是与图5A-C的视图相似的示意图，但它的燃烧室和预燃室的布置略有不同，即包括了一个进气阀和一个排气阀。
图7A-C示意性地给出了有一个围绕园筒形终端燃烧室的环形预燃室的另一个优选实施方案，图7A是垂直剖面图，而图7B和7C则是水平剖视图。
                   具体实施方式
对紧凑机械设计的兴趣导致了包括本发明人的设计在内的已有燃烧系统，它们的长度很短，直径或宽度一般要比它们的长度大得多。在加长预燃室，它们的长宽比大大增高的试验显示，有较高长宽比的预燃室在迫使前行焰锋前的未燃烧燃料和空气进入终端燃烧室方面要有效得多。这种改进增高了终端燃烧室内在点火前的压力，因此，它大大提高了因终端燃烧室内的燃烧而可获得的功率。
为什么加长的预燃室能取得这种效果的原因尚不清楚，但实验结果证实了加长的预燃室的确能成功地强制更多未燃烧的燃料和空气进入终端燃烧室，因而提高了功率输出。有理由设想，被加长的预燃室泵入终端燃烧室的更多燃料和空气是发生在焰锋从预燃室的点火端向与终端燃烧室相连的预燃室排气端推进之前的。单靠将预燃室增长至一个最优的长宽比，就可使终端燃烧室的功率输出提高达50％。
本发明人曾经对有很大范围长宽比的直筒加长型预燃室的燃烧室系统做过试验。当长宽比达到2∶1时，出现了若干性能改善。在4∶1至16∶1的范围内出现了更好的性能，而最佳性能则出现在大约10∶1处。这些结果表示，加长的直筒型预燃室的性能改进趋向于具有其峰值处于大约10∶1长宽比处的钟形曲线。
此外，本发明人还发现，会在直筒型预燃室内造成扰动的任何不均匀性或边缘都应避免，因为它们会降低输出功率。本发明人还确定了，只要它们长度比它们的平均宽度大得多，则具有园形、椭园形、矩形，或其他截面的预燃室都可运行良好。能获得此类改进的预燃室的各种加长形状还有另一个优点，即更容易清扫排出的气体。
本发明人还发现，能明显提高活塞功率输出的加长型预燃室可以是弯曲或折迭的。本发明人的试验表明，对弯曲或折迭的预燃室来说，较高的长宽比能导致相似的性能利益。此外，在此类加长的弯曲预燃室中生成的焰锋蔓延得快得多。将加长的预燃室沿其长度弯曲，看来会使上段中所提到的钟形曲线偏移，并会缩短在预燃室中总的燃烧时间。于是本发明人通过将一个加长的预燃室弯曲或折迭而发现了，在更高得多的长宽比，例如15∶1至30∶1的范围内，本发明人可以获得相似的功率增高和较短的燃烧时间。这些燃烧室可以是由串联联接，嵌套在一起和/或与直筒型燃烧室或燃烧室分段组合在一起的多个弯曲分段所形成，从而形成获得本发明优越性的紧凑型装配体。
本发明人还发现，加长型预燃室的宽与厚度之比也会影响其性能。例如，一个本可表现良好的矩形截面加长型预燃室，当它的宽与厚度之比很高时，会失去其良好的性能。换言之，当一个加长型预燃室趋近于薄的，长条形状时，它会变得过于狭窄而无法顺利地将未燃的燃料和空气抽入终端燃烧室中。本发明人的试验表明，对加长型预燃室来说，宽与厚之比最好维持为4∶1或更低。
在图1的实施方案中，与在其他所示各种实施方案中一样，燃烧室系统(通常用箭头1表示)具有用燃烧控制墙4隔开的一个预燃室或喷混室2和一个终端燃烧室或喷混室3。终端燃烧室3与预燃室2的第二端(用箭头2B表示)相邻。有一个墙孔(用箭头4A表示)提供了在预燃室2中由点火器5生成的焰锋通过控制墙4并进入终端燃烧室3的通道。随后，燃料与空气混合物在终端燃烧室3中的点燃则将驱动活塞7。
在本实施方案中，不同于已有的各种实施方案，预燃室2的长度“B”比它的宽度“A”要大得多。长度B与宽度A之比，或即预燃室2的长宽比，至少是2比1。检查阀6被安排在墙孔4A的旁边，使来自预燃室2的燃料和空气混合物能畅通地流入终端燃烧室3。为此目的，检查阀6最好能安排得使对从燃烧室2至燃烧室3前进的气流所造成的障碍为最小。当终端燃烧室中的燃烧点燃时，那里的压力迅速升高，它使检查阀6关闭，以限制从燃烧室3向燃烧室2的回流。
界定预燃室2的内表面(用箭头2C表示)一般是光滑而无隆起物或粗糙边缘的。横跨燃烧室2或相对二个墙表面2C之间的平均距离构成宽度A。
因提高燃烧系统1的长宽比所能提供的改进可使活塞7的功率输出提高50％。图4给出了图1实施方案的一种变异，其中的预燃室2与终端燃烧室是对齐排列的。图4实施方案的预燃室和燃烧室的体积大致相等。本发明人们知道这可使功率输出得到相当满意的提高，所示预燃室2的长宽比大约为4∶1。
图2所示实施方案中的预燃室2是弯曲的。已经查明，这种形状是一种可节省空间的方法。它允许使用具有较高长度宽度比的燃烧室获得用较小长宽比的加长型直筒燃烧室相似的效果。在该实施方案和其他所示弯曲型实施方案中，燃烧室的长度是从一个端面至另一个端面，等距于内表面2C穿过燃烧室的内部所测量到的。
作为一种进一步节约空间的措施，示于图3A和B中的实施方案的特点是，它的预燃烧室2包括多个串联联接并嵌套在一起的弯曲分段(用箭头2D表示)。然而，整个预燃室2也可以形成“S”形或螺旋线形，或具有某种直筒和曲线分段的组合。诸如图3A和B中所示的弯曲型预燃室通常是由同轴排列的多个不同直径的园筒形成的。
如图3A中所示在预燃室2D外面部分的区域2A中由点火器引燃的焰锋首先绕外周边行进，然后进入内周边。围绕内周边2D行进的焰锋在内燃烧室2B处进入预燃室的第二端，在这里，它穿过检查阀6进入终端燃烧室3。另一方面，点火也可以起始于中心燃烧室内，于是焰锋从这里绕内周边行进，然后，在进入终端燃烧室之前进入外周边。不论是上述那一种方式，焰锋在预燃室部分2D中的弯曲、折迭式的行进都将迫使未燃烧的燃料和空气穿过检查阀6并进入终端燃烧室3，从而增高终端燃烧室3中未燃烧燃料和空气的压力。这样的压力增高显著地提高了燃烧室3中用来驱动活塞7的燃烧功率。
图5A-C给出的实施方案中，预燃室2是由通过壁孔2E相接的内部和外部弯曲分段2D形成的。中心点火器5所起燃的焰锋绕内周边2D，然后又绕外周边2D行进至检查阀6，并在该处进入终端燃烧室3。燃烧室3也是由通向安排于中心位置的活塞7的弯曲内部和外部分段3D形成的。
图6A-C给出的预燃室和终端燃烧室具有相同的布置，但增添了安排在预燃室2D外壁中的进气阀8和安排在终端燃烧室3外壁中的排气阀9。它紧凑地提供了排气清扫和燃料与空气进气的需要。
弯曲和重迭式预燃室和燃烧室的另一种变型示于图7A-C中。通过这种布置，点火器5引发燃烧，火头绕环形上部预燃室2D，通过孔口3C进入下部预燃室2D，并通往检查阀6和进入园筒形终端燃烧室3。在终端燃烧室3从预燃室2D获得更多未燃的燃料和空气后，预燃焰锋在活塞7附近进入终端燃烧室3。筒状燃烧室3的排气是通过处于燃烧室3一端的阀9排出的，而进入预燃室2D的进气则是通过最好是安排在点火器5附近的阀8进入的。
正如上述各种不同实施方案所启示的，实现加长型预燃室，以有效提高从终端燃烧室可获取的功率输出的各种结构形式是无究的。很多不同的几何形状和比例都可达到显著提高功率输出的此类布置。
正如前面已提到的，检查阀6应尽可能流动通畅。本发明人曾令人满意地测试过正常情况下是打开的检查阀和正常情况下是关闭的检查阀。在这两种情况下，检查阀6都能优先地使来自预燃室2的气流比较顺畅地流入终端燃烧室3，而在终端燃烧室3中的燃料和空气混合物发火后，检查阀则关阀了。在某些应用中，为了清除排气或使未燃的燃料和空气散布至整个系统，希望将检查阀6做成在低压下为双向通畅流通的。紧随终端燃烧室3中发火的压力增高，会迅速关门任何检查阀6，从而限制了进入预燃室2的回流。
检查阀6也可安排成在允许未燃的燃料和空气进入终端燃烧室后去熄灭预燃室焰锋。此后，终端燃烧室中的点火器可在那里引发燃烧。

Claims (32)

1.一种燃烧室系统，包括：
一个预燃室，它包括一个第一端壁，一个布置在该第一端壁对面的第二端壁，这里，所述第一和第二端壁之间所限定的距离定义了该预燃室的长度，一个第一侧壁，和一个布置在该第一侧壁对面的第二侧壁，并且，第一和第二侧壁之间所限定的距离定义了该预燃室的宽度，其中，预燃室的长度比预燃室的宽度大得多，并且，预燃室至少包括二个分段，其中，至少二个分段中的第一个分段相对于至少二个分段中的第二个分段是以嵌套方式布置的；
一个终端燃烧室，它与所述预燃室是流体上相连接的；和
一个点火装置，它可运转地联接于所述预燃室，以便在该预燃室内引发可燃混合物的燃烧。
2.按照权利要求1所述的燃烧室系统，其中，所述预燃室的长宽比，定义为预燃室的长度与预燃室的宽度之比，至少等于2∶1。
3.按照权利要求2所述的燃烧室系统，其中，所述预燃室的长宽比处于4∶1至16∶1的范围内。
4.按照权利要求2所述的燃烧室系统，其中，所述长宽比最好等于10∶1。
5.按照权利要求1所述的燃烧室系统，其中，所述预燃室的二个分段中的第一个分段与预燃室的二个分段中的第二个分段是流体上串联联接的，并且，该预燃室的二个分段中的第二个分段与所述终端燃烧室是流体上串联联接的。
6.按照权利要求5所述的燃烧室系统，其中，所述预燃室的至少二个分段中的第一分段是环绕该预燃室的至少二个分段中的第二分段的。
7.按照权利要求5所述的燃烧室系统，其中，所述至少二个分段中的第一分段是同轴布置于所述预燃室的至少二个分段中的第二分段内的。
8.按照权利要求1所述的燃烧室系统，其中，所述终端燃烧室布置于一个与所述平面是轴分离的平面中，在所述平面中布置有所述预燃室。
9.按照权利要求1所述的燃烧室系统，其中，所述预燃室的至少二个分段是弯曲的。
10.按照权利要求9所述的燃烧室系统，其中，所述预燃室的至少二个弯曲分段相互间是同轴对齐的。
11.按照权利要求9所述的燃烧室系统，其中，所述预燃室的至少二个弯曲分段是布置在同一个平面内的。
12.按照权利要求1所述的燃烧室系统，其中，所述点火装置可运转地联接至所述预燃室的二个分段的第一分段的第一端面部分，该预燃室的二个分段的第一分段的第二端面部分流体上联接至预燃室的二个分段的第二分段的第一端面部分，预燃室的二个分段中的第二分段的第二端面部分流体上联接至所述终端燃烧室，预燃室的二个分段中的第一分段环绕着预燃室的二个分段的第二分段。
13.按照权利要求1所述的燃烧室系统，其中，所述点火装置可运转地联接至所述预燃室的二个分段的第一分段的第一端面部分，预燃室的二个分段的第一分段的第二端面部分流体上联接至预燃室的二个分段的第二分段的第一端面部分，预燃室的二个分段的第二分段的第二端面部分流体上联接至所述终端燃烧室，预燃室的二个分段中的第一个分段是同轴布置在预燃室的二个分段的第二分段内的。
14.按照权利要求1所述的燃烧室系统，其中，所述预燃室的至少二个分段包括构成一个三级预燃室的三个分段。
15.按照权利要求14所述的燃烧室系统，其中，所述预燃室的三个分段中的第一分段与预燃室的三个分段中的第二分段流体上串联联接，预燃室的三个分段中的第二分段与预燃室的三个分段中的第三分段流体上串联联接。
16.按照权利要求14所述的燃烧室系统，其中，所述点火装置可运转地联接于所述预燃室的三个分段中的第一分段的第一端面部分，预燃室的三个分段中的第一分段的第二端面部分流体上联接至预燃室的三个分段中的第二分段的第一端面部分，预燃室的三个分段中的第二分段的第二端面部分流体上联接至预燃室的三个分段中的第三分段的第一端面部分，预燃室的三个分段中的第三分段的第二端面部分流体上联接至所述终端燃烧室，所述预燃室的三个分段中的第一分段围绕着预燃室的三个分段中的第二分段，预燃室的三个分段中的第二分段围绕着预燃室的三个分段中的第三分段。
17.按照权利要求14所述的燃烧室系统，其中，所述点火装置可运转地联接于所述预燃室的三个分段中的第一分段的第一端面部分，预燃室的三个分段中的第一分段的第二端面部分流体上联接至预燃室的三个分段中的第二分段的第一端面部分，预燃室的三个分段中的第二分段的第二端面部分流体上联接至预燃室的三个分段中的第三分段的第一端面部分，预燃室的三个分段中的第三分段的第二端面部分流体上联接至所述终端燃烧室，所述预燃室的三个分段中的第一分段同轴布置于预燃室的三个分段中的第二分段内，预燃室的三个分段中的第二分段同轴布置于预燃室的三个分段中的第三分段内。
18.按照权利要求14所述的燃烧室系统，其中，所述终端燃烧室布置在轴分离于所述公共平面的一个平面内，在所述公共平面内布置了所述预燃室的三个分段。
19.按照权利要求1所述的燃烧室系统，其中，所述终端燃烧室包括至少二个弯曲的分段，其中，该至少二个弯曲分段中的第一分段相对于至少二个弯曲分段中的第二分段是以嵌套方式布置的。
20.按照权利要求19所述的燃烧室系统，其中，所述终端燃烧室的至少二个弯曲分段包括构成一个三级终端燃烧室的三个弯曲分段。
21.按照权利要求20所述的燃烧室系统，其中，所述终端燃烧室的三个分段中的第一分段的第一端面部分流体上连接至所述预燃室的三个分段中的第三分段的第二端面部分，终端燃烧室的三个分段中的第一分段的第二端面部分流体上连接至终端燃烧室的三个分段中的第二分段的第一端面部分，终端燃烧室的三个分段中的第二分段的第二端面部分流体上联接至终端燃烧室的三个分段中的第三分段的第一端面部分，和终端燃烧室的三个分段中的第三分段的第二端面部分流体上联接至排气孔。
22.按照权利要求20所述的燃烧室系统，其中，所述终端燃烧室的三个分段中的第一分段围绕该终端燃烧室的三个分段中的第二分段，终端燃烧室的三个分段中的第二分段围绕终端燃烧室的三个分段中的第三分段。
23.按照权利要求20所述的燃烧室系统，其中，所述终端燃烧室的三个分段中的第一分段同轴布置于该终端燃烧室的三个分段中的第二分段内，终端燃烧室的三个分段中的第二分段同轴布置于终端燃烧室的三个分段中的第三分段内。
24.其用途与驱动一个工作活塞有关的燃烧室系统，包括：
一个预燃室，它包括一个第一端面壁，一个与该第一端面壁相对布置的第二端面壁，第一和第二端面壁间所限定的距离定义了预燃室的长度，一个第一侧面壁，和一个与该第一侧面壁相对布置的第二侧面壁，第一和第二侧面壁间所限定的距离定义了预燃室的宽度，其中，预燃室的长度比预燃室的宽度大得多，预燃室包括至少二个分段，其中，至少二个分段中的第一分段相对于至少二个分段中的第二分段是以嵌套方式布置的；
一个流体上联接至所述预燃室的终端燃烧室；和
一个以可运转方式与所述预燃室接联的点火装置，用来在预燃室内引发可燃混合物的燃烧。
25.按照权利要求24所述的燃烧室系统，其中，所述预燃室的长宽比，定义为预燃室的长度与预燃室的宽度之比，至少等于2∶1。
26.按照权利要求24所述的燃烧室系统，其中，所述预燃室的二个分段中的第一分段与该预燃室的二个分段中的第二分段流体上串联联接，该预燃室的二个分段中的第二分段与所述终端燃烧室流体上串联联接。
27.按照权利要求26所述的燃烧室系统，其中，所述预燃室的至少二个分段中的第一分段围绕该预燃室的至少二个分段中的第二分段。
28.按照权利要求26所述的燃烧室系统，其中，所述至少二个分段中的第一分段同心布置于所述预燃室的至少二个分段中的第二分段内。
29.按照权利要求26所述的燃烧室系统，其中，所述终端燃烧室布置于与所述平面是轴分离的一个平面内，在所述平面内布置了所述预燃室。
30.按照权利要求24所述的燃烧室系统，其中，所述预燃室的至少二个分段是弯曲的。
31.按照权利要求30所述的燃烧室系统，其中，所述预燃室的至少二个分段是相互同轴对齐的。
32.按照权利要求30所述的燃烧室系统，其中，所述预燃室的至少二个弯曲分段是布置在一个公共平面内的。
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