CN213016533U - 适用于低蒸发特性燃料的发动机快速燃烧装置 - Google Patents

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刘娜
宋玺娟
杜春媛
张振东
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Abstract

一种适用于低蒸发特性燃料的发动机快速燃烧装置，包括主燃烧室、火花塞、副燃烧室和火焰喷孔，其中，初始火焰通过火花塞在副燃烧室内放电产生，随后火焰在副燃烧室内生成并迅速发展，进而通过连接副燃烧室与主燃烧室的多个火焰喷孔产生多股射流火焰，多股射流火焰同时喷射进入主燃烧室，相当于主燃烧室的高能多核点火源，主燃烧室内的混合气被多处大面积火焰同时点燃。本实用新型实现了加快混合气燃烧速度，提高点火稳定性及可靠性，并且可以有效抑制爆震现象。

Description

适用于低蒸发特性燃料的发动机快速燃烧装置
技术领域
本实用新型涉及能源利用技术领域，具体涉及一种适用于低蒸发特性燃料的发动机快速燃烧装置。
背景技术
低蒸发特性燃料由于其自身理化特性的原因，存在饱和蒸气压低、蒸发速度慢等特性，而当其应用到点燃式活塞发动机中则会普遍造成混合气形成质量差，燃烧过程不稳定，火焰传播速度较慢等问题，进而会造成发动机冷起动困难，容易爆震，功率输出不足等现象。而传统的火花塞点火方式则仅依靠提升点火能量来达到提升点火可靠性以及稳定性的目的，但点火能量的提升的同时也会加剧火花塞电极的磨损，点火线圈自身重量体积以及成本电会增加，同时，传统火花塞式点火通过提升点火能量对于大缸径发动机燃烧速度的提升效果并不明显，因此，加快低蒸发特性燃料发动机的燃烧速度，提升燃烧稳定性，存在着较大的技术壁垒。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种适用于低蒸发特性燃料的发动机快速燃烧装置，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本实用新型的一方面，提供了一种发动机燃烧装置，包括主燃烧室、火花塞、副燃烧室和火焰喷孔，其中，初始火焰通过火花塞在副燃烧室内放电产生，随后火焰在副燃烧室内生成并迅速发展，进而通过连接副燃烧室与主燃烧室的多个火焰喷孔产生多股射流火焰，多股射流火焰同时喷射进入主燃烧室，相当于主燃烧室的高能多核点火源，主燃烧室内的混合气被多处大面积火焰同时点燃。
其中，所述副燃烧室结构体下方周向的火焰喷孔的数量为五个，这五个火焰喷孔是非对称布置的，与主燃烧室结构相匹配。
其中，所述发动机燃烧装置上设计有定位凸起结构，保证五个火焰喷孔的非对称布置所产生的五个射流火焰点与主燃烧室相匹配。
其中，所述五个火焰喷孔中的每个孔的倾斜和布置角度都不一样。
其中，所述火焰喷孔的直径、布置位置和角度是由与燃烧室优化匹配计算出来的。
其中，所述火焰喷孔的具体尺寸参数范围如下：
喷孔直径范围：1.0～1.5mm；
喷孔倾斜角度：相对于装置中心线20～90°。
基于上述技术方案可知，本实用新型的发动机燃烧装置相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：
1、加快混合气燃烧速度。副燃烧室通过火焰喷孔射流进入主燃烧室内的多股射流火焰，相当于主燃烧室内的多个大面积高能点火源，进而使得主燃烧室内的点火分布面更加的广泛，相对于传统火花塞单个点火源，能够极大地加快混合气的起燃以及火焰的传播速度，进而有效缩短急燃期，提升发动机效率。
2、提高点火稳定性及可靠性。副燃烧室内的空间相对于主燃烧室更不易受到发动机缸内较大气流扰动的影响，同时也能够有效防止发动机火花塞被燃油喷雾打湿，提升了点火的可靠性，使副燃烧室内的混合气更易起燃，进而保证了主燃烧室内的混合气燃烧稳定性，降低燃烧循环波动率。
3、有效抑制爆震现象。副燃烧室射流进入主燃烧室内的多股射流火焰广泛的分布在主燃烧室的各个空间范围，能够使主燃烧室内的混合气达到多点同时点火效果，极大地加快了主燃烧室内的混合气燃烧火焰传播速度，减小了主燃烧室内的末端混合气自燃的可能性，进而有效消除爆震区域，抑制爆震现象的发生，同时，火焰传播速度的加快，也有效的提高了燃烧等容度，进而提升发动机做功能力。
附图说明
图1是本实用新型适用于低蒸发特性燃料的发动机快速燃烧装置的基本结构示意图；
图2是本实用新型实施例中的副燃室装置的具体二维尺寸图；
图3是本实用新型实施例中的副燃烧室装置与发动机缸头安装方式示意图；
图4是本实用新型实施例中的定容燃烧室计算模型示意图；
图5是本实用新型实施例中的有/无副燃烧室方案点火位置示意图，其中，图5(a)为有副燃烧室方案的点火位置，图5(b)为无副燃烧室方案的点火位置；
图6是本实用新型实施例中的有/无副燃室两种方案燃烧仿真分析结果对比，其中，图6(a)为放热率对比，图6(b)为压力及压力升高率对比；
图7是本实用新型实施例中的副燃烧室射流点火方案，其中，图7(a)为对称布置方案一的点火示意图，图7(b)为非对称布置方案二的点火示意图；
图8是本实用新型实施例中的对称与非对称布置小孔预燃室两种方案燃烧反应进程对比图；
图9是本实用新型实施例中的不同喷孔直径火焰喷射速度仿真结果对比图；
图10是本实用新型实施例中的试验缸压结果对比图。
具体实施方式
为提升低蒸发特性燃料发动机的燃烧速度以及燃烧稳定性，促进大缸径发动机的快速燃烧，进而提升其做功能力，现拟采用一种适用于低蒸发特性燃料的发动机快速燃烧装置的方案，其基本原理为：在原火花塞处形成一个副燃烧室，副燃烧室通过定位凸起与压片装置与发动机进行定位与连接，初始火焰通过原火花塞在副燃室内放电产生，随后火焰在副燃室内生成并迅速发展，进而通过连接副燃室与主燃室的多个火焰喷孔产生多股射流火焰，多股射流火焰同时喷射进入主燃烧室，相当于主燃室的高能多核点火源，主燃室内的混合气被多处大面积火焰同时点燃。在这种点火模式下，该装置的副燃烧室结构能够保障初始火核的稳定发展，而由火焰喷孔产生的多股射流火焰为主燃室提供了多个空间分布的大面积点火源，使发动机缸内火焰传播距离缩短，同时加强了主燃烧室内部的湍流强度，极大地加快了主燃烧室内的火焰传播速度，发动机点火稳定性以及可靠性也得到较大提升，因此，该装置具有加快低蒸发特性燃料发动机的燃烧速度、提升发动机做功能力的潜力。
为使本实用新型的目的、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，对本实用新型作进一步的详细说明。
一、方案装置结构
1.1装置具体结构
该装置具体结构如图1所示，其基本结构原理为中空的圆柱形结构套件，内部的圆柱形空间即为副燃烧室空间，火花塞通过螺纹与副燃烧室结构体进行连接。发动机燃烧装置上设计有定位凸起结构，保证五个火焰喷孔的非对称布置所产生的五个射流火焰点与主燃烧室相匹配。同时，副燃烧室结构体下方周向分布着五个倾斜一定角度的小孔，非对称布置的五个小孔的倾斜以及布置角度都不一样，孔的直径、布置位置及角度是与燃烧室优化匹配计算出来的，具体结构尺寸参数示意图如图2所示。其中螺纹外径
Figure BDA0002531001480000041
为22mm，螺纹内径
Figure BDA0002531001480000042
为10mm，小孔直径
Figure BDA0002531001480000043
为1.25mm，小孔倾斜角度
Figure BDA0002531001480000044
为20～90°。
1.2装置与发动机装配结构示意图
副燃烧室装置与发动机安装示意图如图3所示，副燃烧室装置通过定位凸起与发动机缸头进行定位匹配，确保五个火焰喷孔的非对称布置所产生的五个射流火焰点与主燃烧室相匹配，通过压片装置将副燃室压紧固定在发动机缸头上。
副燃烧室内的火焰通过下端周向分布的5个非对称布置并倾斜一定角度的火焰喷孔喷射进入主燃烧室内，快速点燃主燃烧室内的低蒸发特性燃料混合气，相对于传统单个火花塞放电点火形式，极大地加快了混合气的燃烧速度。
二、副燃室快速燃烧装置仿真计算分析
2.1有无副燃室燃烧仿真分析对比
为了验证副燃烧室快速燃烧装置的燃烧优化效果，构建定容燃烧室计算模型如图4所示。计算持续3ms，在6500rpm相当于117°CA。有无副燃烧室方案点火位置如图5(a)和图5(b)所示。
从图6(a)和图6(b)可以看出，两种方案中，有副燃室装置的方案燃烧速度最快，放热率和压力升高率先达到峰值。无副燃室的燃烧速度较慢，特别是起燃过程，有副燃室结构反应5％所耗时间比无副燃室结构要快38％左右。(副燃室内的燃烧时间不计，从主燃室开始燃烧的时刻对比)，因此，从计算结果可以说明，副燃室快速燃烧装置能够有效加快发动机的燃烧速度。
2.2副燃室孔的角度与主燃烧室优化匹配
副燃烧室快速燃烧装置是一个圆柱形结构套件，内部的圆柱形空间就是副燃烧室。为了使小孔的火焰喷射角度与主燃烧室结构空间优化匹配，使副燃室快速燃烧装置发挥更大优势，我们设计了在副燃烧室前端周向均匀对称布置五个小圆孔与非对称布置五个小圆孔，分别为方案一、方案二，如图7(a)对称布置方案和图7(b)非对称布置方案所示。
2.3副燃室孔的角度与主燃烧室优化匹配计算结果分析
从图8可以看出，两种方案的燃烧速率进程基本相同，在1.2～2.0ms方案二的反应进程较方案一快。故方案二的燃烧效果更好，燃烧速度更快，因此也证明了非对称布置的五个小孔方案能够使主燃烧室内的火焰分布更加均匀，使主燃烧室内的混合气更快速的燃烧，大大加快了燃烧反应速率。
2.4副燃室孔的直径大小仿真计算分析
副燃室快速燃烧装置的小孔的直径大小与射流火焰的喷射速度有着重要的关系，因此也影响着发动机混合气的燃烧速度。如图9所示为副燃室上不同直径小孔的仿真模拟计算分析。
从图9中的不同小孔直径火焰喷射速度可知，直径为1.25mm的小孔直径在模拟仿真计算组中火焰喷射速度最快，因此，该直径的小孔也能够利于更快速的点燃主燃烧室内的混合气，达到更快的混合气燃烧速度的效果。
三、副燃室快速燃烧装置试验验证
基于仿真模拟计算结果，又进行了相关试验验证，试验发动机燃料采用的是RP-3航空煤油，其饱和蒸气压较低，约为汽油的1/10，蒸发特性较差。
由图10所示的试验结果缸压曲线可以看出，有副燃室快速燃烧装置方案的燃烧速度更快，压力升高率更高，压力率先达到峰值，最大爆发压力也更大，进而提升了发动机功率。
综上，经过模拟仿真计算分析与试验结果综合验证，副燃室快速燃烧装置能够在一定程度上有效提升低蒸发特性燃料的发动机燃烧速度，进而提升发动机工作效率，同时也充分证明了该装置对于提升低蒸发特性燃料燃烧速度的可行性。
以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适用于低蒸发特性燃料的发动机快速燃烧装置，其特征在于，包括主燃烧室、火花塞、副燃烧室和火焰喷孔，其中，初始火焰通过火花塞在副燃烧室内放电产生，随后火焰在副燃烧室内生成并迅速发展，进而通过连接副燃烧室与主燃烧室的多个火焰喷孔产生多股射流火焰，多股射流火焰同时喷射进入主燃烧室，相当于主燃烧室的高能多核点火源，主燃烧室内的混合气被多处大面积火焰同时点燃。
2.根据权利要求1所述的发动机快速燃烧装置，其特征在于，所述副燃烧室结构体下方周向的火焰喷孔的数量为五个，这五个火焰喷孔是非对称布置的，与主燃烧室结构相匹配。
3.根据权利要求2所述的发动机快速燃烧装置，其特征在于，所述发动机燃烧装置上设计有定位凸起结构，保证五个火焰喷孔的非对称布置所产生的五个射流火焰点与主燃烧室相匹配。
4.根据权利要求3所述的发动机快速燃烧装置，其特征在于，所述五个火焰喷孔中的每个孔的倾斜和布置角度都不一样。
5.根据权利要求4所述的发动机快速燃烧装置，其特征在于，所述火焰喷孔的直径、布置位置和角度是由与燃烧室优化匹配计算出来的。
6.根据权利要求5所述的发动机快速燃烧装置，其特征在于，所述火焰喷孔的具体尺寸参数范围如下：
喷孔直径范围：1.0～1.5mm；
喷孔倾斜角度：相对于装置中心线20～90°。
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