CN114856799A - 一种燃烧室以及气体发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃烧室以及气体发动机，该燃烧室包括位于活塞的顶部的燃烧室凹坑以及环绕燃烧室凹坑的周向的活塞顶面，经过活塞的轴线的任一平面为活塞纵向中心面，燃烧室凹坑与活塞纵向中心面的交线为燃烧室凹坑型线，燃烧室凹坑型线包括一段圆滑曲线或多段依次圆滑过渡相接的圆滑曲线，各个圆滑曲线的曲率中心均位于活塞上顶面的上方，活塞顶面为锥面，锥面沿从燃烧室凹坑向活塞的顶部边缘的方向倾斜向下设置；本发明克服了现有设计中沿用柴油机小压缩余隙的设计理念，采用了圆滑曲面凹坑适当增大压缩余隙对燃烧有利的新设计理念，提升了压缩余隙内的火焰传播速度，进而有利于提升燃气燃烧特性。

Description

一种燃烧室以及气体发动机

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，特别涉及一种燃烧室以及气体发动机。

背景技术

目前，重型天然气发动机的设计开发一般是在柴油发动机的基础上进行改造，对柴油机而言，旋流气道产生的涡流在一定程度上有助于油束与空气混合，从而实现高效率燃烧以及低污染物排放。而气体机为预混燃烧，燃料在进气过程已经与空气混合，火花塞点火生成火核之后，理想状态是在燃烧过程中缸内存在较高的湍动能。湍动能的提升会加快火焰传播速度，这对于改善气体机燃烧过程，降低循环变动意义重大。如果气体机中继续存在涡流这种大尺寸流动，在压缩末期，火花塞附近流速偏低，纵向流速也偏低，涡流无法破碎成小尺度湍流，导致湍动能较低，因此，大尺度涡流运动不利于气体机的预混燃烧，并且循环变动大。对于气体机，适当提高混合气的滚流强度可以提升湍动能，进而改善燃气燃烧特性。其中，涡流是指气体绕气缸中心轴线有组织的大尺度旋流运动；滚流是指气流绕与气缸中心轴线垂直轴线有组织的大尺度的旋流运动；另外，湍流与层流不同，湍流是指气流速度较高时在流场中产生的许多方向不固定的小尺度旋流。

由于柴油机的中间进气方式和铸造偏差，会导致涡流比一致性差，进而导致各缸一致性差。在柴油机的气门杆无法倾斜的前提下，无法做到类似汽油机的蓬顶型燃烧室，所以，滚流强度偏低，为了配合滚流，气体机通常采用直***塞，而当前气体机燃烧速度仍较慢，需要对活塞进一步优化，加强滚流程度，提高火焰传播速度，提升发动机热效率。

现有的气体机活塞一般是在柴油机活塞基础上改造而成，活塞的燃烧室01多采用直口的盆形结构，如图1和图2所示，由于存在大尺度涡流运动，会影响火焰发展形态，导致循环变动较高，另外，活塞顶部高度相同，进气门、排气门两侧产生挤流强度相近，使火花塞03附近速度较低，湍动能较低且分布不合理，导致点火初期火焰传播速度较低。如图1所示，位于火花塞03附近示意的虚线框区域为火焰传播低速区域02。与此同时，排气门侧较低的火焰传播速度会使爆震倾向增大。其中，挤流是指活塞表面的某一部分和气缸盖彼此靠近时产生的纵向和横向气流运动；爆震是指燃烧室内燃气点火后，火焰波尚未完全扩散，远处未燃的燃气即因为高温或者高压而自燃，其火焰波与正常燃烧的火焰波撞击而产生极大压力，使得发动机产生不正常的敲击声。本文中所述的横向是指沿气缸径向方向，纵向是指沿气缸轴向方向。

现有技术在柴油机的设计过程中，普遍认为压缩余隙(活塞处于上止点时，活塞顶与气缸盖之间的间隙)为有害容积，因此，柴油机的压缩余隙都设计得很小(通常只有1～2mm)，在柴油机改为气体机的设计过程中，也深受这种设计理念的影响，所以，当前气体机压缩余隙也设计得很小。

因此，如何优化气体机的燃烧室结构以改善燃气燃烧特性，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种燃烧室，以通过优化燃烧室结构，并结合现有的弱滚流气道，有利于气缸内滚流的组织，进而有利于提高火焰传播速度，改善燃气燃烧特性。

本发明的第二个目的在于提供一种包括上述燃烧室的气体发动机。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种燃烧室，用于由柴油机改造成的气体发动机，所述燃烧室与弱滚流气缸盖结构组合使用，所述燃烧室包括位于活塞的顶部的燃烧室凹坑以及环绕所述燃烧室凹坑的周向的活塞顶面，经过所述活塞的轴线的任一平面为活塞纵向中心面，所述燃烧室凹坑与所述活塞纵向中心面的交线为燃烧室凹坑型线，所述燃烧室凹坑型线包括一段圆滑曲线或多段依次圆滑过渡相接的圆滑曲线，各个所述圆滑曲线的曲率中心均位于活塞上顶面的上方，所述活塞顶面为锥面，所述锥面沿从所述燃烧室凹坑向所述活塞的顶部边缘的方向倾斜向下设置。

可选地，所述燃烧室凹坑的表面为球形曲面的一部分，或者，所述燃烧室凹坑的表面为椭球形曲面的一部分，或者，所述燃烧室凹坑的表面为球形曲面的一部分与椭球形曲面的一部分的组合。

可选地，所述燃烧室凹坑的表面为球形曲面的一部分。

可选地，所述活塞的直径D1与所述燃烧室凹坑的曲率直径D2满足D2＝(0.5～0.75)×D1。

可选地，所述活塞的直径D1与所述燃烧室凹坑的开口的半径R1满足R1＝(0.2～0.3)×D1。

可选地，所述活塞顶面与水平面之间的夹角θ满足0＜θ≤20°。

可选地，所述活塞顶面与所述燃烧室凹坑之间通过圆角过渡面圆滑过渡连接。

可选地，所述圆角过渡面的半径R2与所述燃烧室凹坑的曲率直径D2满足R2＝(0.025～0.05)×D2。

可选地，所述活塞的直径D1与所述燃烧室凹坑的深度H满足H＝(0.2～0.5)×D1。

一种气体发动机，包括如上任意一项所述的燃烧室。

由以上技术方案可以看出，本发明中公开了一种燃烧室，该燃烧室用于由柴油机改造成的气体发动机，燃烧室与弱滚流气缸盖结构组合使用，燃烧室包括位于活塞的顶部的燃烧室凹坑以及环绕燃烧室凹坑的周向的活塞顶面，经过活塞的轴线的任一平面为活塞纵向中心面，燃烧室凹坑与活塞纵向中心面的交线为燃烧室凹坑型线，燃烧室凹坑型线包括一段圆滑曲线或多段依次圆滑过渡相接的圆滑曲线，各个圆滑曲线的曲率中心均位于活塞上顶面的上方，活塞顶面为锥面，锥面沿从燃烧室凹坑向活塞的顶部边缘的方向倾斜向下设置；本发明将原气体发动机顶部水平搭配直口燃烧室活塞顶部改造为锥面搭配圆滑凹曲面，提高进气及压缩过程中的滚流强度，增强活塞运行至上止点附近时的湍动能，进而提高火焰传播速度，同时，本发明克服了现有设计中沿用柴油机小压缩余隙的设计理念，发现过小的压缩余隙会导致气体机的压缩余隙内火焰发生淬熄效应，并基于柴油机改为气体机时压缩余隙不是有害容积，采用了圆滑曲面凹坑适当增大压缩余隙对燃烧有利的新设计理念。当活塞运行至上止点附近时，压缩余隙内的气流仍会受到滚流作用进而提高压缩余隙内的气流速度，与此同时，克服了过窄的压缩余隙引起的火焰淬熄效应，提升了压缩余隙内的火焰传播速度，进而有利于提升燃气燃烧特性。

本发明还提供了一种包括上述燃烧室的气体发动机。该气体发动机产生的有益效果的推导过程与上述燃烧室带来的有益效果的推导过程大体类似，故本文不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为构成现有技术中的直口盆形燃烧室的活塞的结构示意图；

图2为现有技术中的采用较小压缩余隙的燃烧室布置结构示意图；

图3为构成本发明实施例提供的燃烧室的活塞的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的燃烧室的截面位置示意图；

图5为本发明实施例提供的燃烧室内的进气气流运动形式示意图；

图6是传统活塞与本发明实施例提供的活塞的缸内滚流强度变化曲线的对比示意图；

图7是传统活塞与本发明实施例提供的活塞的放热率变化曲线的对比示意图。

图1和图2中：

01为燃烧室、02为火焰传播低速区域、03为火花塞；

图3至图5中

1为活塞；2为燃烧室凹坑；3为活塞顶面；4为圆角过渡面；5为进气门；6为排气门。

具体实施方式

本发明的核心之一是提供一种燃烧室，该燃烧室的结构设计通过优化燃烧室结构，并结合现有的弱滚流气道，有利于气缸内滚流的组织，进而有利于提高火焰传播速度，改善燃气燃烧特性。

本发明的另一核心在于提供一种包括上述燃烧室的气体发动机。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图3至图5，图3为构成本发明实施例提供的燃烧室的活塞的结构示意图，图4为本发明实施例提供的燃烧室的截面位置示意图，图5为本发明实施例提供的燃烧室内的进气气流运动形式示意图。

本发明实施例中公开了一种燃烧室，该燃烧室用于由柴油机改造成的气体发动机，燃烧室与弱滚流气缸盖结构组合使用，其中，弱滚流气缸盖结构请参照发明专利(“一种弱滚流快速燃烧***与一种燃气发动机”，公开号为CN111287860A)中所述的缸盖，该气缸盖结构由柴油机气缸盖改造而成，其形成的燃烧室顶面为平顶型结构，即，该气缸盖的气门杆沿活塞1轴向布置，该气缸盖的进气道为弱滚流气道，具体是指气缸盖的进气道可以使进气气流在气缸内生成大尺度弱滚流运动，本文不再赘述其具体的弱滚流结构设计特征。

上述燃烧室包括位于活塞1的顶部的燃烧室凹坑2以及环绕燃烧室凹坑2的周向的活塞顶面3，经过活塞1的轴线的任一平面为活塞1纵向中心面，燃烧室凹坑2与活塞1纵向中心面的交线为燃烧室凹坑2型线，燃烧室凹坑2型线包括一段圆滑曲线或多段依次圆滑过渡相接的圆滑曲线，各个圆滑曲线的曲率中心均位于活塞1上顶面的上方，活塞顶面3为锥面，锥面沿从燃烧室凹坑2向活塞1的顶部边缘的方向倾斜向下设置。

可以看出，与现有技术相比，本发明实施例提供的燃烧室将原气体发动机顶部水平搭配直口燃烧室活塞1顶部改造为锥面搭配圆滑凹曲面，提高进气及压缩过程中的滚流强度，增强活塞1运行至上止点附近时的湍动能，进而提高火焰传播速度，同时，本发明克服了现有设计中沿用柴油机小压缩余隙的设计理念，发现过小的压缩余隙会导致气体机的压缩余隙内火焰发生淬熄效应，并基于柴油机改为气体机时压缩余隙不是有害容积，采用了圆滑曲面凹坑适当增大压缩余隙对燃烧有利的新设计理念。当活塞1运行至上止点附近时，压缩余隙内的气流仍会受到滚流作用进而提高压缩余隙内的气流速度，与此同时，克服了过窄的压缩余隙引起的火焰淬熄效应，提升了压缩余隙内的火焰传播速度，进而有利于提升燃气燃烧特性。

作为优选地，上述燃烧室凹坑2的表面可以为球形曲面的一部分，或者，燃烧室凹坑2的表面也可以为椭球形曲面的一部分，或者，燃烧室凹坑2的表面还可以为球形曲面的一部分与椭球形曲面的一部分的组合。

具体地，在本发明实施例中，燃烧室凹坑2的表面为球形曲面的一部分，且该球形曲面的球心位于活塞1的轴线上。

进一步地，如图3所示，当燃烧室凹坑2的表面为球形曲面的一部分时，燃烧室凹坑2的曲率直径D2为活塞1的直径D1的0.5～0.75倍，即活塞1的直径D1与燃烧室凹坑2的曲率直径D2满足D2＝(0.5～0.75)×D1，通过优化活塞1直径与燃烧室凹坑2的曲率直径的比例关系，有利于合理划分燃烧室凹坑2和活塞顶面3的区域，确保燃烧室内滚流气体的强度；并且，还可保证活塞1的强度，确保其使用可靠性，可以保证燃烧室凹坑2的整体呈流线型较好的浅盆形凹坑结构，可以使燃烧室内的气流更容易形成滚流。

需要说明的是，本方案中的燃烧室凹坑2的表面为回转形的球面结构，因此燃烧室凹坑2的开口边缘则呈圆形边缘，在一种具体实施例方案中，燃烧室凹坑2的开口的半径R1为活塞1的直径D1的0.2～0.3倍，即活塞1的直径D1与燃烧室凹坑2的开口的半径R1满足R1＝(0.2～0.3)×D1。

如图3所示，在本发明实施例中，上述活塞顶面3与水平面之间的夹角θ满足0＜θ≤20°，当θ过小时，活塞顶面3容易与滚流气体碰撞而削弱滚流强度，且不利于气流在此位置形成局部滚流；当θ过大时，不利于活塞顶面3对气流的挤流，且不利于气流沿活塞顶面3向燃烧室凹坑2的流动；通过设计活塞顶面3与水平面形成的夹角，即设计活塞顶面3的倾斜程度，一方面为了确保该活塞顶面3对气体挤压时引导气体形成滚流、或引导气体形成多向湍流，另一方面为了确保一部分气体能够顺利沿活塞顶面3流向燃烧室凹坑2的位置，从而确保燃烧室内气体流动形成多向扰动，以便加强该空间火焰燃烧效果。

作为优选地，在本发明实施例中，如图2所示，活塞顶面3与燃烧室凹坑2之间通过圆角过渡面4圆滑过渡连接，由于活塞顶面3位置的一部分气体可沿活塞顶面3流向燃烧室凹坑2，通过使活塞顶面3与燃烧室凹坑2之间通过圆角过渡面4圆滑过渡连接，可确保气体流动顺畅，并且可避免由于活塞顶面3与燃烧室凹坑2的过渡位置较尖锐而容易出现热点导致不正常点火的问题。

进一步优化上述技术方案，上述圆角过渡面4的半径R2为燃烧室凹坑2的曲率直径D2的0.025倍～0.05倍，即，R2＝(0.025～0.05)×D2。

作为优选地，在本发明实施例中，燃烧室凹坑2的深度H为活塞1的直径D1的0.2倍～0.5倍，即，H＝(0.2～0.5)×D1。

如图2、图4和图5所示，其截面位置为如图4所示的A-A截面，可见，其应用的发动机气缸对应设置有两个进气门5和两个排气门6，图5中的两个空心箭头分别代表总进气方向和总排气方向。

活塞1运行至上止点附近位置时，传统活塞1顶部与缸盖之间空间内的气流向气缸中心运动，气流扰动程度较弱，导致该区域火焰传播速度较低。而本发明实施例提供的活塞1对气流的挤压作用是向活塞1外侧倾斜的，除了使该空间内气流向气缸中心运动外，还会引导该空间气流产生局部小尺度滚流，加强该空间内气流的扰动，进而加强该空间内火焰传播速度。此外，本发明实施例提供的活塞1更有利于进气及压缩过程中滚流的形成，增大滚流强度，加快本发明实施例提供的燃烧室内火焰传播速度。

选择常用工况区为计算工况，利用三维仿真计算软件对比传统活塞1与本发明实施例中的活塞1的缸内滚流强度变化曲线，如图6所示(其中，进气冲程中后期和压缩冲程，本申请的燃烧室设计使得滚流得以强化，在压缩冲程后期，滚流破碎，滚流比急剧降低，与传统活塞1对应滚流比趋于一致)。根据仿真结果，在点火时刻(-21°)，使用本发明实施例的活塞1的滚流比明显高于使用传统活塞1，放热率提前，并且放热加快，这是因为本申请中增强的滚流在压缩末期破碎成小尺度湍流，能够有效增强缸内湍动能，增大火花塞附近气流速度，对于火焰传播及燃烧速度均能起到积极有效的提升，从而可提高气体机热效率。

进一步地，图7示出了传统活塞1与本发明实施例的活塞1的放热率变化曲线，由图可知，使用本发明实施例的活塞1前期燃烧速度明显提升、后期燃烧较慢，对于维持低负荷排气温度有利，同时有利于降低NOx生成量。

总而言之，气体机缸内流动存在三种大尺度流动形式：滚流、涡流与挤流，三种流动方式在进气组织及燃烧过程中相互影响，对燃烧过程都有不同程度的影响。本发明设计大压缩余隙活塞1形状，核心思想有三个：1)在弱滚流气道保持不变的情况下，增强缸内滚流及上止点附近压缩余隙内气流扰动强度来加速燃烧，具体而言，增大压缩余隙，减少直接冲击到活塞1顶部的气流，使更多气流进入到燃烧室中，进而形成更强的滚流，加速前期火焰传播速度，此外，在上止点附近，大压缩余隙使余隙内气流产生更强的扰动，加快余隙内火焰传播速度，缩短燃烧整体持续期；2)采用燃烧室凹坑2与锥面活塞顶面3的燃烧室线型，与传统直***塞1相比，流线型更佳，在引导气流产生滚流时能量损失更小；3)增大压缩余隙，不需要避阀坑设计，没有任何尖角特征，提升整体抗爆震性能。

本发明还提供了一种包括上述燃烧室的气体发动机。该气体发动机产生的有益效果的推导过程与上述燃烧室带来的有益效果的推导过程大体类似，故本文不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种燃烧室，用于由柴油机改造成的气体发动机，所述燃烧室与弱滚流气缸盖结构组合使用，其特征在于，所述燃烧室包括位于活塞的顶部的燃烧室凹坑以及环绕所述燃烧室凹坑的周向的活塞顶面，经过所述活塞的轴线的任一平面为活塞纵向中心面，所述燃烧室凹坑与所述活塞纵向中心面的交线为燃烧室凹坑型线，所述燃烧室凹坑型线包括一段圆滑曲线或多段依次圆滑过渡相接的圆滑曲线，各个所述圆滑曲线的曲率中心均位于活塞上顶面的上方，所述活塞顶面为锥面，所述锥面沿从所述燃烧室凹坑向所述活塞的顶部边缘的方向倾斜向下设置。

2.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述燃烧室凹坑的表面为球形曲面的一部分，或者，所述燃烧室凹坑的表面为椭球形曲面的一部分，或者，所述燃烧室凹坑的表面为球形曲面的一部分与椭球形曲面的一部分的组合。

3.根据权利要求2所述的燃烧室，其特征在于，所述燃烧室凹坑的表面为球形曲面的一部分。

4.根据权利要求3所述的燃烧室，其特征在于，所述活塞的直径D1与所述燃烧室凹坑的曲率直径D2满足D2＝(0.5～0.75)×D1。

5.根据权利要求3所述的燃烧室，其特征在于，所述活塞的直径D₁与所述燃烧室凹坑的开口的半径R1满足R1＝(0.2～0.3)×D1。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的燃烧室，其特征在于，所述活塞顶面与水平面之间的夹角θ满足0＜θ≤20°。

7.根据权利要求1-5任意一项所述的燃烧室，其特征在于，所述活塞顶面与所述燃烧室凹坑之间通过圆角过渡面圆滑过渡连接。

8.根据权利要求7所述的燃烧室，其特征在于，所述圆角过渡面的半径R2与所述燃烧室凹坑的曲率直径D2满足R2＝(0.025～0.05)×D2。

9.根据权利要求1-5及8任意一项所述的燃烧室，其特征在于，所述活塞的直径D1与所述燃烧室凹坑的深度H满足H＝(0.2～0.5)×D1。

10.一种气体发动机，其特征在于，包括如权利要求1-9任意一项所述的燃烧室。

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