CN115405409A - 一种燃烧室及气体发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃烧室及气体发动机，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由缸盖底平面与缸套包围的燃烧室上部区域，燃烧室凹坑的底部包括向上凸起的回转形的中央凸起部以及环绕中央凸起部的周向的环形凹坑。本发明通过将燃烧室凹坑设计成ω型结构，增强燃烧室内的滚流强度，并且通过环形凹坑充分利用涡流能量，在压缩阶段改变了湍动能的分布，使得湍动能分布在中央凸起部的两侧，且能够提高湍动能的强度。本发明通过增大压缩余隙，加快了混合气后燃速率，改善了燃烧过程，降低了热负荷。同时，本发明还在燃烧室内设置两个火花塞，加快了火焰传播速率，提高了热效率。

Description

一种燃烧室及气体发动机
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种燃烧室及气体发动机。
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。
因此，如何优化气体机燃烧室以改善燃气燃烧过程，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种燃烧室及气体发动机，本发明通过优化燃烧室结构，并结合现有的弱滚流气道，有利于气缸内组织形成滚流，并能够改变湍动能的分布，从而有利于提高火焰传播速度，提升热效率。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
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由缸盖底平面与缸套包围的燃烧室上部区域，所述燃烧室凹坑的底部包括向上凸起的回转形的中央凸起部以及环绕所述中央凸起部的周向的环形凹坑，所述缸盖底平面设有两个火花塞，两个所述火花塞分别位于所述中央凸起部的两侧且均位于所述环形凹坑的上方，所述中央凸起部的表面为向上凸起的圆滑曲面，所述环形凹坑的表面为由所述中央凸起部的外周至所述燃烧室凹坑的侧壁延伸的且向下凹陷的圆滑曲面，所述环形凹坑的底部与活塞上顶面的距离为活塞直径的0.15～0.3倍，所述中央凸起部的顶部与所述活塞上顶面的距离为5～7mm，所述燃烧室的压缩余隙为所述活塞的半径的0.05～0.2倍。
优选地，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中央凸起部型线以及两段分别与所述中央凸起部型线的两端相接的环形凹坑型线，所述环形凹坑型线与所述中央凸起部型线圆滑相接。
优选地，所述中央凸起部型线为圆弧线，和/或，所述环形凹坑型线为圆弧线。
优选地，所述中央凸起部型线的半径为所述活塞直径的0.8～2倍，和/或，所述环形凹坑型线的半径为所述活塞直径的0.3～0.6倍。
优选地，所述燃烧室凹坑型线相对所述活塞的轴线呈对称布置。
优选地，所述燃烧室凹坑的上边缘的直径为所述活塞直径的0.6～0.9倍。
优选地，两个所述火花塞对称分布于所述中央凸起部的两侧。
优选地，所述缸盖底平面设有两个进气喉口和两个排气喉口，两个所述进气喉口之间和两个所述排气喉口之间分别设置有一个所述火花塞。
优选地，所述火花塞位于所述环形凹坑的最低凹陷处的正上方。
本发明通过将燃烧室凹坑设计成ω型结构，可以增强燃烧室内的滚流强度，并且能够利用环形凹坑充分利用涡流能量，在压缩阶段改变了湍动能的分布，使得湍动能分布在中央凸起部的两侧，且能够提高湍动能的强度。本发明通过增大压缩余隙，加快了混合气后燃速率，改善了燃烧过程，降低了热负荷。同时，本发明还在燃烧室内设置两个火花塞，加快了火焰传播速率，提高了热效率。
本发明还提供了一种包括上述任一种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为现有技术中的直口盆形燃烧室的结构示意图；
图2为本发明具体实施例中的燃烧室的结构示意图；
图3为现有技术燃烧室与本发明燃烧室的标定点缸内滚流强度变化曲线；
图4为现有技术燃烧室与本发明燃烧室的标定点缸内涡流强度变化曲线；
图5为现有技术燃烧室与本发明燃烧室的标定点放热率变化曲线；
图6为本发明具体实施例中燃烧室截面位置示意图；
图7为压缩开始时刻现有技术与本发明的缸内气体速度场示意图；
图8为压缩过程中现有技术与本发明的缸内气体速度场示意图；
图9为点火时刻现有技术与本发明的缸内气体速度场示意图；
图10为现有技术与本发明的燃烧室内的湍动能的分布示意图。
图中：
1为火花塞；2为燃烧室凹坑；3为活塞上顶面；4为环形凹坑；5为活塞；6为中央凸起部。
具体实施方式
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。
请参照图2至图10，本发明提供了一种燃烧室，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。该燃烧室包括位于活塞的顶部的燃烧室凹坑以及由缸盖底平面与缸套包围的燃烧室上部区域，燃烧室凹坑的底部包括向上凸起的回转形的中央凸起部6以及环绕中央凸起部的周向的环形凹坑4，缸盖底平面设有两个火花塞，两个火花塞分别位于中央凸起部6的两侧且均位于环形凹坑4的上方，中央凸起部6的表面为向上凸起的圆滑曲面，环形凹坑4的表面为由中央凸起部6的外周至燃烧室凹坑的侧壁延伸的且向下凹陷的圆滑曲面，环形凹坑4的底部与活塞上顶面的距离H1为活塞直径D1的0.15～0.3倍，中央凸起部6的顶部与活塞上顶面的距离H2为5～7mm，燃烧室的压缩余隙为活塞的半径的0.05～0.2倍。
需要说明的是，活塞上顶面为平面结构，如此可以保证活塞压缩过程中保证活塞四周的挤流强度一致。
与现有技术相比，本发明实施例提供的燃烧室的活塞顶面设计有ω型凹坑，这样可以使更多气体进入到流线型较好的燃烧室凹坑中，进而增大滚流强度，并且能够利用环形凹坑4充分利用涡流能量，在压缩阶段改变了湍动能的分布，使得湍动能分布在中央凸起部5的两侧，且能够提高湍动能的强度。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，采用了适当增大压缩余隙对燃烧有利的新设计理念，通过增大压缩余隙，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，加快了混合气后燃速率，改善了燃烧过程，降低了热负荷。同时，本发明还在燃烧室内设置两个火花塞1，加快了火焰传播速率，提高了热效率。
需要说明的是，在本发明实施例中，经过活塞的轴线的任一平面为活塞纵向中心面，燃烧室环形凹坑4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中央凸起部型线以及两段分别与中央凸起部型线的两端相接的环形凹坑型线，环形凹坑型线与中央凸起部型线圆滑相接。
上述中央凸起部型线可以为圆弧线，或椭圆弧线，或圆弧线与椭圆弧线的组合形式，和/或，环形凹坑型线可以为圆弧线，或椭圆弧线，或圆弧线与椭圆弧线的组合形式，在本发明一种具体实施例中，中央凸起部型线以及环形凹坑型线均为圆弧线。
进一步地，如图2所示，中央凸起部型线的半径R2为活塞直径D1的0.8～2倍，即R2＝(0.8～2)D1，和/或，环形凹坑型线的半径R1为活塞直径D1的0.3～0.6倍，即R1＝(0.3～0.6)D1，如此设置，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。
进一步优化上述技术方案，在本发明实施例中，燃烧室凹坑型线相对活塞的轴线呈对称布置，即燃烧室凹坑型线的曲率中心位于活塞的轴线上。当然，本方案也可以将燃烧室凹坑型线的曲率中心设计为相距活塞轴线的一定距离位置上。
作为优选地，燃烧室凹坑的上边缘的直径D2为活塞直径D1的0.6～0.9倍，即燃烧室凹坑的上边缘的直径D2＝(0.6～0.9)D1。
如图2所示，在本发明实施例中，两个火花塞1对称分布于中央凸起部6的两侧。进一步地，如图2所示，火花塞1位于环形凹坑4的最低凹陷处的正上方。
进一步优化上述技术方案，在本发明实施例中，缸盖底平面设有两个进气喉口和两个排气喉口，两个进气喉口之间和两个排气喉口之间分别设置有一个火花塞1。
请参照图3至图5，进气冲程后期和压缩冲程前期，本方案的滚流得以强化，在压缩冲程后期，滚流破碎，滚流比急剧降低，与原活塞对应滚流比趋于一致。进气阶段和压缩冲程前期，新方案涡流比略高于原活塞，压缩冲程后期新方案涡流比小于原活塞。由图5可见，本发明的燃烧速度明显加快。
请参照图7至图10，压缩开始时刻(压缩上之点前180度)速度场，原方案气缸中部没有明显的大尺度，而新方案在气缸中部有明显的滚流运动，对于进气能量的维持至关重要。压缩过程(压缩上之点前100度)速度场，在压缩过程的前中期，新方案滚流中心相对更加靠近缸盖，整体滚流半径更大。点火时刻(-23度)湍动能及流场分布，原方案由于进、排气门两侧挤流强度相同，两侧挤流向活塞凹坑内流动，在凹坑底部产生明显滚流，导致在凹坑底部湍动能较大，而火花塞附近的湍动能较低。新方案由于燃烧室中间凸起，导致挤流分别向两个凹坑中心流动，分别在两个凹坑中心交汇，形成较高的湍动能，两个火花塞分别在两个凹坑中心上方，则火花塞附近的湍动能较大，有利于火焰的快速传播。
本发明还提供了一种包括上述任一种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。
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，所述燃烧室包括位于活塞的顶部的燃烧室凹坑以及由缸盖底平面与缸套包围的燃烧室上部区域，其特征在于，所述燃烧室凹坑的底部包括向上凸起的回转形的中央凸起部以及环绕所述中央凸起部的周向的环形凹坑，所述缸盖底平面设有两个火花塞，两个所述火花塞分别位于所述中央凸起部的两侧且均位于所述环形凹坑的上方，所述中央凸起部的表面为向上凸起的圆滑曲面，所述环形凹坑的表面为由所述中央凸起部的外周至所述燃烧室凹坑的侧壁延伸的且向下凹陷的圆滑曲面，所述环形凹坑的底部与活塞上顶面的距离为活塞直径的0.15～0.3倍，所述中央凸起部的顶部与所述活塞上顶面的距离为5～7mm，所述燃烧室的压缩余隙为所述活塞的半径的0.05～0.2倍。
2.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，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中央凸起部型线以及两段分别与所述中央凸起部型线的两端相接的环形凹坑型线，所述环形凹坑型线与所述中央凸起部型线圆滑相接。
3.根据权利要求2所述的燃烧室，其特征在于，所述中央凸起部型线为圆弧线，和/或，所述环形凹坑型线为圆弧线。
4.根据权利要求3所述的燃烧室，其特征在于，所述中央凸起部型线的半径为所述活塞直径的0.8～2倍，和/或，所述环形凹坑型线的半径为所述活塞直径的0.3～0.6倍。
5.根据权利要求2所述的燃烧室，其特征在于，所述燃烧室凹坑型线相对所述活塞的轴线呈对称布置。
6.根据权利要求1-5任一项所述的燃烧室，其特征在于，所述燃烧室凹坑的上边缘的直径为所述活塞直径的0.6～0.9倍。
7.根据权利要求1-5任一项所述的燃烧室，其特征在于，两个所述火花塞对称分布于所述中央凸起部的两侧。
8.根据权利要求7所述的燃烧室，其特征在于，所述缸盖底平面设有两个进气喉口和两个排气喉口，两个所述进气喉口之间和两个所述排气喉口之间分别设置有一个所述火花塞。
9.根据权利要求7所述的燃烧室，其特征在于，所述火花塞位于所述环形凹坑的最低凹陷处的正上方。
10.一种气体发动机，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的燃烧室。
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