CN1717537A - 直接喷射式燃烧室的几何结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在内燃机燃烧室中使用的障碍物,障碍物被提供且位于燃烧室内,以产生紊流和破坏或干扰正在燃烧的直接喷射量的燃料内的富黑烟区。更具体地,公开了一个环,其干扰直接喷射到燃烧室中的燃料射流,燃料射流冲击到环上或被环所影响。该环自活塞或火力板悬挂下来。公开的是若干障碍物,它们是帮助产生紊流的立柱,其目标也是干扰正在燃烧的燃料射流的富黑烟区。公开了一种方法,用来通过使燃料射流冲击到燃烧室内的障碍物上,干扰富黑烟区或减少燃烧室内产生的黑烟,并增加燃烧率。

Description

直接喷射式燃烧室的几何结构
技术领域
本发明涉及一种用来减少在内燃机燃烧室内的燃烧活动期间产生的微粒的方法和装置。
背景技术
通过快速的上止点附近燃料射流喷射能实现高效和低速高转矩的优点,这种直接喷射造成其固有的紊流,以在特性上受紊流限制的燃烧率燃烧。柴油机用这个策略运行,传统柴油机的缺点是由于燃料的不完全氧化而有产生黑烟的趋势。在本公开中,术语“黑烟”通常包括微粒物质。另一个趋势是由于扩散燃烧——一种方式,直接喷射的柴油通过该方式燃烧,而产生过多的氮氧化物(NOX)。扩散燃烧发生在化学计算温度附近,温度越高,就趋向于形成越多的NOX
此外,长期已知的是,趋向于减少产生NOX的措施也趋向于增加黑烟的产生,反之亦然。然而,如果能抑制黑烟的产生,就也能减少NOX的产生。而且,减少黑烟还能增加功率密度。
影响黑烟形成和管理柴油机中NOX的灵活性的相关问题涉及部分的废气再循环(EGR)。EGR有助于减小燃烧温度,结果,减少NOX。然而,燃烧温度的减小对黑烟形成产生不利的影响。此外,实验测量表明EGR还趋向于减小燃烧率。EGR导致的不完全燃烧减小了发动机整体效率,因而,由于黑烟的产生和不完全燃烧限制了能使用EGR的范围,所以增加燃烧率和黑烟氧化率的优点是很明显的。
发动机技术上的发展表明可以用气体燃料给柴油机加燃料,这些发展中的一些表明这可以在不对功率和/或效率产生真正影响的情况下实现。这种气体燃料的例子包括天然气、甲烷、丙烷、乙烷、气态易燃的碳氢化合物衍生物和氢。然而,在本公开的上下文中将描述天然气,因为本领域技术人员将理解,所提及的其它气体燃料也是适合的。用这种天然气代替柴油产生优于柴油的排放好处,具体地说,在废气中发现较低的NOX和黑烟水平。
用来确保天然气在极大程度上与在柴油点燃发动机中发现的功率和效率相匹配的方法依靠高压直接喷射,所述高压直接喷射随后是扩散燃烧。即,在高压下将天然气直接喷射到燃烧室中,在燃烧室中,引火源通常用来点燃天然气。由于这种直接喷射和扩散燃烧,该燃料通常会遭遇到上面提及的关于产生黑烟和NOX的相同的问题,虽然其水平比用柴油的情况低得多。结果被认为是关于由供给柴油压燃策略引起的燃烧所发现的相同的不完全氧化区。照这样,当天然气使得微粒和NOX被相当大地减少时,这些直接喷射的燃料被一些在供给柴油的发动机中发现的相同物理过程所支配。因而,在供给天然气和柴油的直接喷射发动机中都具有管理黑烟和微粒产生的余地。
Dec,J.E.,“A conceptual Model of DI Diesel Combustion based on Laser-Sheet Imaging”,SAE 970873,1997对于燃烧的准稳定时期提供了一种传统柴油燃烧的物理认识,看起来燃烧在两个阶段中发生。第一个出现在浓混合气中,浓混合气由于空气被带入燃料射流中形成。这里当量比是如此的高,以致火焰温度很低(大约1600K),由于缺氧而通过热解形成黑烟,产生富黑烟区,其被一个稀薄区所包围,在该稀薄区中,发生最终混合和所有剩余的化学反应。懂得该富黑烟区的特征提供了在上述柴油和天然气发动机中减少黑烟产生的起点。
在“The Rotating Injector as a Tool for Exploring DI Diesel combustionand Emissions Formation Processes”,2001,ISSN 1400-1179中的Sjoeberg提供了一种旋转式喷射器,通过移动燃料射流使其遍及燃烧室,旋转式喷射器实际上产生冲击到富黑烟区的紊流。然而,这种策略难以实施,旋转式喷射器将容易受到磨损且具有耐用性问题的移动部分引入到发动机。
本发明处理上述与在内燃机中使用的直接喷射燃料相关的问题。
发明内容
本发明介绍了与干扰直接喷射燃料相关的燃烧室几何结构,以有助于减小由直接喷射燃料引起的黑烟形成的净速率。该几何结构采用了一种结构,其设计成“破坏”富黑烟区且还造成紊流以帮助黑烟氧化过程,其中富黑烟区在直接喷射量的燃料被引入燃烧室的地方出现。
本发明的一个方面提供了一种减少由直接喷射到内燃机燃烧室中的燃料的燃烧产生的黑烟的方法,该方法包括在内燃机活塞的进气冲程期间将进气吸入燃烧室,活塞部分地限定燃烧室。在活塞的压缩冲程期间对进气进行压缩,然后将燃料作为燃料射流直接喷射到燃烧室中,用燃烧室点燃燃料射流且使其燃烧,并将燃料射流对准燃烧室内的障碍物或将燃料射流引导到燃烧室内的障碍物上。
在优选实施方式中,通过使燃料射流冲击到障碍物上,障碍物打断燃料射流内的富黑烟区。
障碍物可以包括一环。在一些实施方式中,该环自火力板(fire deck)悬挂下来,火力板可以部分地限定燃烧室,该环以喷射器为中心。在一些实施方式中,该环自活塞悬挂下来,该环可以是炽热环(glow ring),障碍物可以包括一个或多个立柱。
在本发明一些实施方式中,通过提供自火力板悬挂下来的立柱来在燃烧室内产生紊流。
燃料射流可以被引导以使OSA∶SV比增加。
燃料可以是气体燃料,燃料可以包括天然气。
障碍物还可以充当点燃辅助装置。
本发明另一个方面提供了一种内燃机,包括气缸、布置在气缸中的活塞,在发动机运行期间,活塞在燃烧室中在上止点和下止点之间往复运动。发动机具有火力板,火力板、气缸和活塞限定了燃烧室。还包括进气门和排气门,能够将燃料作为燃料射流直接喷射到燃烧室中的燃料喷射器与悬挂的障碍物一起包含在燃烧室中,障碍物应该放置成干扰燃料射流。障碍物可以包括一环,其可以自活塞或火力板悬挂下来,并可以以喷射器为中心。障碍物还可以包括一个或几个自火力板悬挂下来的立柱,立柱可以定位成产生紊流以干扰燃料射流。
本主题发明的发动机燃料可以是由电热塞帮助点燃的天然气,障碍物也可以是用来帮助点燃的炽热环或热表面。
本发明另一个方面提供一种构形成干扰燃烧室中燃烧的燃料射流的障碍物,障碍物限定了一容器和一孔口,其中通过在活塞的作功冲程期间将进气射流从容器引导到燃烧室中,孔口能在燃烧室中产生紊流。所述具有进气的障碍物还可以给系统提供点燃辅助。
下面描述本发明其它方面和本发明具体实施方式的特征。
附图说明
在表示本发明非限制性实施方式的图中:
图1表示在射流燃烧期间直接喷射的燃料射流的横截面,示范关于黑烟怎样在燃料射流中积聚和在哪儿积聚的现有技术的理解;
图2a和2b表示本主题发明第一实施方式的燃烧室的两个图,其中障碍物固定到燃烧室的火力板,图2a表示示范主题几何结构的燃烧室的俯视图,图2b表示横穿图2a的线A-A的燃烧室横截面图,示范本主题几何结构和其与火力板的连接;
图3a和3b表示示范本主题发明第一实施方式的变型的燃烧室的两个图,其中障碍物固定到燃烧室的火力板,图3a表示示范该实施方式的主题几何结构的燃烧室的俯视图,图3b表示横穿图3a的线B-B的燃烧室横截面图,示范本主题几何结构和该实施方式的与火力板的连接;
图4表示从图3a的线B-B横穿的涉及图3b的一半燃烧室的特写横截面图;
图5表示横穿图3a的线B-B的一半燃烧室的横截面图,画出本主题发明第一实施例的变型对燃料射流的影响;
图6a和6b表示示范本主题发明第二实施方式的燃烧室的两个图,其中障碍物固定到布置于燃烧室中的活塞上,图6a表示示范第二实施例的主题几何结构的燃烧室的俯视图,图6b表示横穿图6a的线C-C的燃烧室横截面图,示范本主题几何结构和第二实施例的与活塞的连接;
图7a和7b表示表示示范本主题发明第三实施方式的燃烧室的两个图,其中立柱障碍物固定到燃烧室的火力板,图7a表示示范第三实施例的主题几何结构的燃烧室的俯视图,图7b表示横穿图7a的线D-D的燃烧室横截面图,示范第三实施例的主题几何结构;
图8表示本主题发明第三实施例的俯视图,其中模拟了当活塞位于上止点或上止点附近时由障碍物引起的燃烧室内的紊流。
具体实施方式
在本发明中,燃烧室几何结构被提供成物理地干扰直接喷射到内燃机燃烧室中的一定量的气体或液体燃料。
参考图1,表示了关于黑烟怎样在燃料射流中积聚和在哪儿积聚的现有技术的了解。燃料射流10通过喷射孔15很小紊流地喷射到隔离环境中,这里,在将燃料射流喷射到有助于所选燃料的点燃和燃烧的环境中之后,燃料射流被点燃并燃烧。在燃烧区24在一侧上被黑烟氧化区20部分地限定的情况下,示出黑烟氧化区20和富黑烟区22。
通常,当进气被吸入燃烧室并在发动机的压缩冲程期间压缩时,产生点燃和燃烧环境。取决于燃料,可能需要一些类型的点燃辅助装置,例如电热塞或点燃燃料或其它为本领域技术人员所知的点燃辅助装置。如果天然气是燃料,这种点燃辅助装置通常是需要的。通常,无论它得到帮助还是由进气的特性单独引起,这都被称为所选燃料特有的在燃烧室内建立的点燃环境。
参考图1,在燃烧期间,直接喷射的燃料射流将在燃烧区24内燃烧,燃烧区24由燃料射流10和周围的燃烧环境之间的边界层确定。沿着该区交界的是包围富黑烟区22的黑烟氧化区20。富黑烟区22是燃料和空气不充分混合的区域,微粒在其中形成并累积起来。如果失去氧气,该相对大的区22趋向于将这里产生的黑烟驱逐到排气系统中,黑烟可以包括在燃料燃烧期间在燃烧室中产生的微粒物质。
当燃烧室内的障碍物干扰一个或多个燃料射流时,它破坏富黑烟区,使得氧气与该富黑烟区混合并减少产生黑烟排放的倾向。通过干扰富黑烟区,该障碍物使得氧化区的表面积(OSA)与富黑烟区的体积(SV)之比(OSA∶SV比)增加,因而,被驱逐到排气系统中的微粒数量减少。
下面论述的实施方式提供了一种由活塞部分地限定的燃烧室,当发动机运行时,活塞在气缸内在上止点和下止点之间往复运动。在运行过程中,在进气冲程期间通过进气门将进气吸入到燃烧室中,然后,在压缩冲程中对该进气进行压缩,然后,在压缩冲程完成时或接近完成时,在燃烧室内建立点燃环境。如上所述,在所有实施例中,可以包括诱发点火的引燃或热表面的点燃环境。如关于供给气体燃料的柴油冲程发动机中通常的情况那样,在进气内独自建立的环境,即进气的温度和/或压力,不足以点燃燃料。就这一点而论,可以补充点燃环境,例如通过点燃少量较容易自燃的燃料或通过在燃烧室中放置电热塞。这种点燃辅助装置连同进气一起包含在燃烧室内的点燃环境的讨论中。无论如何,实施例假定所讨论的燃料在其直接喷射到燃烧室之后被点燃。
所有的实施例都考虑使用直接喷射的气体燃料和直接喷射的柴油或其它液体燃料的发动机。
总的来说,全部的实施例都示出燃烧室内的物理结构,其定位成有助于在曾经点燃的喷射的燃料射流和障碍物之间产生干扰。具体地说,障碍物干扰或破坏富黑烟区。
考虑到下面在图2到5中描述的本发明第一实施例的两个变型,将障碍物连接到火力板上。
参考图2,示出了本主题发明第一实施方式的俯视图和横截面图,还示出了进气门50和排气门52、环54、喷射器56和燃料射流58。通常,还提供燃烧室60和活塞62,其中活塞62位于上止点,火力板63也与立柱65一起示出。
参考图3,提供了第一实施方式的变型的俯视图和横截面图,其中障碍物固定到火力板83。还示出了进气门70和排气门72、环74、喷射器76和燃料射流78。再次示出了活塞位于上止点时的燃烧室80和活塞82,设置了立柱85。
参考图4,提供了四分之一的燃烧室80的横截面特写,其中排气门72的轮廓表示为处于打开位置中,由于它看来是在活塞82的进气冲程的开始或接近开始。燃料射流78和环74被示出,活塞82在上止点。
参考图5,作为“破坏”一个燃料射流78的例子,示出了环74的影响。
注意,在所有的图中,燃料射流在没有障碍物的情况下示出,障碍物是本发明的主题。障碍物被添加,示范了障碍物产生的干涉。
参考图2到5中所示的第一实施例的两个变型,障碍物包括固定到火力板63和83的环54和74、部分地限定燃烧室60和80的活塞62和82,每个环的直径和其离火力板的距离允许环干扰每个燃料射流。两个实施例的不同在于环54的直径小于环74的直径,就这一点而论,同环74和火力板83相比,环54离火力板63的相应距离被调节,以便通过两个环的干扰提供紊流。
作为例子,在图2中提供的实施方式的环的相关尺寸范围可以通过下列公式提供:
D=(0.2-0.35)*B
d=(0.1-0.25)*B
h=(0.01-0.1)*B
其中D是环的外径,d是环的内径,h是支承立柱的高度,B是气缸的直径。对于图3,下面的尺寸范围是例证性的:
D=(0.45-0.95)*B
d=(0.35-0.85)*B
h=(0.1-0.2)*B
图2、3和4中所示的两个环提供了考虑在每个实施例中出现的排气门和进气门的灵活性。图3中提供的实施方式需要离开火力板一个距离,以在进气门和排气门打开时,允许排气门72和进气门70的间隙。然而,还参见图4,该限制可以被采用更靠近富黑烟区的更大干扰面积所带来的好处弥补。另外,参考图2,环54也可以设置一外径,该外径不接触进气门和排气门50和52,关于环54距火力板53的位移提供更大的灵活性。
参考图5,燃料射流78在环74上和周围被撕裂,增大了只通过不中断地引导喷射形成的黑烟氧化区的面积,这引起OSA∶SV比的相应增加。
图6提供了本主题发明的第二实施例,其中障碍物固定到活塞。该实施方式示出了带有活塞90的燃烧室96,活塞90包括固定到其上的环92和立柱93。再次描绘出喷射到燃烧室96中的燃料射流94,燃烧室96由位于上止点的活塞90确定,以示范障碍物、环92怎样干扰燃料射流。进气门98和排气门100也被示出,喷射器102也被描绘出来。
本主题发明的该第二实施例与第一实施例不同在于它提供了一种结构或障碍物,在该例子中是环92固定到活塞90而不是固定到火力板上。因而,当环定位成干扰射流94时,只要在活塞位于上止点或上止点附近时直接喷射燃料,环92就干扰直接喷射的燃料。优选地,在环亦即活塞位于上止点或上止点附近时喷射燃料射流。
该实施方式的优点在于它在活塞内移动环,在作功冲程期间当活塞远离火力板而被拉过富黑烟区22时,引起额外的紊流。在活塞位于上止点时——即,在环最靠近进气门和排气门的场合,由于进气门和排气门趋向于关闭,该实施例对于进气门和排气门需要的间隙的敏感性较小。
作为例子,在图6中提供的实施方式的环的相关尺寸范围可以通过下
列公式提供:
D=(0.45-0.95)*B
d=(0.35-0.85)*B
h=(0.02-0.2)*B
同样,其中D是环的外径,d是环的内径,h是支承立柱的高度,B是气缸的直径。
在本主题发明中采用环的场合(图2到6),射流动量直接冲击在环上,破坏缺氧区域,并紧跟在环的后面产生紊流。立柱65、85和93也具有一些影响。尽管它们仅仅以次要的方式与射流动量相互影响,但它们在发动机内以更加有影响的方式与涡流相互影响。这些立柱在相当早的阶段与燃烧的燃料射流相互影响,立柱的有益效果可以随着燃料射流喷射压力的增加而增加。
两个第一实施例的环具有干扰喷射器提供的全部燃料射流的优点。通常是这样,燃料喷射器通过分布在喷射器尖端周围的几个孔将燃料喷射到燃烧室中,这些孔中的每个都迫使燃料射流进入燃烧室中,导致大量燃料被引导到整个燃烧室中。因而,在这些实施方式中提供的近似以喷射器尖端为中心的环使得每个射流都受到障碍物的影响。
其它障碍物应该可以有助于干扰黑烟区,增加OSA∶SV比。图7表示在涡流燃烧的情况下使用的本主题发明的替换实施例的另一个例子。立柱120设置在燃烧室122中,同样,与进气门130和排气门132一起提供了燃料射流124、喷射器126和活塞128。
参考图8,其表示基本上总的涡流运动135,障碍物立柱120分布在整个燃烧室中,自火力板123悬挂下来。如上所述,这些立柱分布成与提供给活塞的碗形状一同起作用,该碗形状设计成产生气流并在整个燃烧室122中形成涡流,这由流线134示出,流线134是干扰涡流运动135的立柱的实体存在的结果。即,如上所述,关于用于悬挂环54、74和92的立柱,立柱的效果是产生混合物紊流,以及破坏可以冲击在这些立柱上的黑烟形成区,这减少在射流124内形成黑烟并将黑烟驱逐到排气系统中的可能性。这些连同碗状几何结构或没有连同碗状几何结构的立柱120产生紊流,该紊流扭曲且破坏射流124。
如本领域技术人员懂得的,对于立柱120的径向位置、横截面形状和长度有相当大的自由度。并且,优选地,将几个立柱分布在整个燃烧室中,以便产生紊流。单个或几个立柱很可能产生一些紊流,然而,更多的紊流很可能是所希望的。
在通常位于活塞或火力板上的燃烧室内能采用其它障碍物。
障碍物不局限于上面披露的三个优选实施例,障碍物应该干扰直接喷射的射流并提供额外的紊流,以帮助破坏富黑烟区。作为例子,喷射器可以由穿孔结构象盒子一样被围起来(box in),穿孔结构将妨碍燃料射流的流动。
三个实施例和任何其它障碍物需要高温材料,例如电热塞防护材料,如关于其它的内燃机应用一样,其用途对于本领域技术人员是众所周知的。
此外,存储在高温结构中的能量也可以可观地加强燃料射流的点燃。例如,如果燃料是需要较高的点燃温度环境的天然气,则仔细选择的用于立柱或环的材料可以有助于加热该环境。材料能充当被动的炽热环,炽热环保留先前的燃烧活动期间产生的热量,以提供更有助于燃料点燃的燃烧室,从而有助于点燃用来驱动发动机的燃料。作为例子,这种材料包括耐热钢或耐热陶瓷,环和/或立柱表面的催化覆盖层可以用来促进点燃。
如本领域技术人员能理解的,用螺钉或焊接法或其它方法紧固障碍物是合适的。
而且,可以在环内提供容器,环带有用来在容器和燃烧室之间提供流体连通的孔口,孔口允许一些进气在压缩冲程期间积聚在容器内。在作功冲程期间,通过在容器和燃烧室之间建立的压力梯度,这些进气可以通过孔口从容器喷出并进入燃烧室。孔口形成合适尺寸以限制流动,从而建立压力梯度。如果该“进气射流”被引向或引出富黑烟区,则能形成额外的紊流以破坏该富黑烟区并增加OSA∶SV比。
尽管本公开集中于四冲程发动机,但如本领域技术人员能理解的那样,障碍物的使用可以适合于两冲程发动机。
尽管已经示出和描述了本发明的具体元件、实施方式和应用,但当然应该了解,本发明不局限于这些,因为在不背离本公开范围的情况下,特别是根据前还教导,本领域技术人员能作出改变。

Claims (26)

1.一种减少由直接喷射到内燃机燃烧室中的燃料的燃烧产生的黑烟的方法,该方法包括:
a.在活塞的进气冲程期间将进气吸入所述燃烧室,所述活塞部分地限定所述燃烧室,
b.在所述活塞的压缩冲程期间对进气进行压缩,
c.将所述燃料作为燃料射流直接喷射到所述燃烧室中,
d.点燃所述燃料射流且使其燃烧,
e.将所述燃料射流引导到所述燃烧室内的障碍物上。
2.如权利要求1所述的方法,其中将所述燃料射流对准所述障碍物,使得所述燃料射流内的富黑烟区冲击到所述障碍物上。
3.如权利要求1所述的方法,其中所述障碍物是环。
4.如权利要求3所述的方法,其中所述环自火力板悬挂下来,所述火力板部分地限定所述燃烧室。
5.如权利要求4所述的方法,还包括用立柱在所述燃烧室内产生紊流,所述立柱用来从火力板悬挂所述环。
6.如权利要求3中所述的减少微粒的方法,其中所述环以燃料喷射器为中心,所述燃料喷射器将所述燃料射流提供给所述燃烧室。
7.如权利要求3中所述的减少微粒的方法,其中所述环自所述活塞悬挂下来,其中当所述活塞位于上止点或上止点附近时,所述燃料直接喷射到所述燃烧室中。
8.如权利要求1中所述的减少微粒的方法,其中所述障碍物是至少一个立柱。
9.如权利要求1到3中任一项所述的减少微粒的方法,其中引导所述燃料射流使OSA∶SV比增加。
10.如权利要求3所述的方法,其中所述环是炽热环。
11.如权利要求1到10中任一项所述的方法,其中所述燃料是气体燃料。
12.如权利要求11所述的方法,其中所述燃料是天然气。
13.如权利要求12所述的方法,其中通过保留在所述障碍物中的热量来帮助点燃所述燃料。
14.一种内燃机,包括
a.气缸,
b.布置在所述气缸中的活塞,在所述发动机运行期间,所述活塞在所述燃烧室中在上止点和下止点之间往复运动,
c.火力板,所述气缸、活塞和火力板限定了燃烧室,
d.进气门和排气门,
e.燃料喷射器,所述燃料喷射器能够将燃料作为燃料射流直接喷射到所述燃烧室中,
f.障碍物,其悬挂在所述燃烧室中,并定位成干扰所述燃料射流。
15.如权利要求14所述的内燃机,其中所述障碍物是环。
16.如权利要求15所述的内燃机,其中所述环自所述火力板悬挂下来。
17.如权利要求16所述的内燃机,还包括至少一个立柱,该至少一个立柱从所述火力板悬挂所述环结构,所述立柱用来在所述燃烧室内产生紊流。
18.如权利要求15所述的内燃机,其中所述环以所述喷射器为中心。
19.如权利要求15所述的内燃机,其中所述环自所述活塞悬挂下来。
20.如权利要求14中所述的内燃机,其中所述障碍物是至少一个立柱。
21.如权利要求14到20中任一项所述的内燃机,其中所述燃料是气体燃料。
22.如权利要求21所述的内燃机,其中所述燃料是天然气。
23.如权利要求21所述的内燃机,其中所述障碍物是炽热环。
24.如权利要求21所述的内燃机,其中所述障碍物是能够帮助点燃所述燃料的隔热体。
25.如权利要求14、21或24中任一项所述的内燃机,其中所述障碍物限定了一容器和一孔口,其中通过在所述活塞的作功冲程期间将进气射流从所述容器引导到所述燃烧室中,所述孔口能够在所述燃烧室中产生紊流。
26.一种减少由直接喷射到两冲程内燃机燃烧室中的燃料的燃烧而产生的黑烟的方法,该方法包括:
a.在活塞远离火力板移动时将进气吸入所述燃烧室,所述活塞和所述火力板部分地限定所述燃烧室,
b.在所述活塞移向所述火力板时压缩所述进气,
c.将所述燃料作为燃料射流直接喷射到所述燃烧室中,
d.点燃所述燃料射流且使其燃烧,
e.将所述燃烧的燃料射流引导到所述燃烧室内的障碍物上。
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