CN115853632B - 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顶面的燃烧室凹坑，燃烧室凹坑底部设置中心凸台，燃烧室凹坑围绕中心凸台的周向侧壁沿活塞顶面至燃烧室底部方向依次设置波浪形连阶段及环形凸台段，波浪形连阶段与环形凸台段之间通过环形锥面连接，环形锥面与环形凸台段及波浪形连阶段圆滑过渡连接，环形锥面及波浪形连阶段沿活塞顶面至燃烧室底部方向渐缩，波浪形连阶段由至少两个环状圆弧曲面圆滑过渡连接构成；该燃烧室利用环形凸台段与波浪形连阶段的设计，控制燃气沿着波浪形连阶段合理分配和导流，改善了燃气与空气混合过程，进而改善整个燃烧过程，提高燃烧效率，降低燃气消耗率和碳烟排放，同时通过降低面容比降低了传热损失。

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

与传统的预混燃烧的天然气发动机不同，缸内高压直喷天然气发动机是通过布置在气缸顶部的喷射器，将燃气通过高压喷入气缸内完成与空气的混合和燃烧做功的过程，其工作过程更接近与柴油机。但由于喷射燃料由液体变为气体，其喷射特性发生一定的变化，所以对燃烧室形状的需求与柴油机不同。

现有技术中，如图1所示为一种具有双台阶的ω形燃烧室，该种燃烧室通过靠近燃烧室凹坑01的底部的第一台阶02对喷射的燃气束进行分割，保证燃气与整个燃烧室空间内所有新鲜空气的接触和混合，改善混合过程，进一步优化燃烧过程，同时在第一台阶02与第二台阶03之间增加一定倾斜角度的导流斜坡04，结合靠近燃烧室凹坑01的开口处的第二台阶03来实现对分流的燃气的进一步引导和撞击分离，保证燃烧室上部空间空气的利用，进一步改善了整个燃烧室空间的空气利用率。

上述双台阶方案的燃烧室结构虽然能够部分适应高压气体的流动特性，实现对于燃料的合理分配，以达到均匀的油气混合过程，但是在部分区域，比如两个台阶之间以及周边区域，还存在着燃气过浓的区域，不利于燃气与空气的混合，从而不利于整个燃烧过程的改善。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种燃烧室，以使其避免形成燃气过浓区域，改善燃气与空气的混合效果，进而实现燃烧过程的改善，提高燃烧效率。

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，所述燃烧室包括位于活塞顶面的燃烧室凹坑，所述燃烧室凹坑的底部设置中心凸台，所述燃烧室凹坑围绕所述中心凸台的周向侧壁沿所述活塞顶面至所述燃烧室的底部方向依次设置波浪形连阶段以及环形凸台段，所述波浪形连阶段与所述环形凸台段之间通过环形锥面连接，所述环形锥面的两端分别与所述环形凸台段以及所述波浪形连阶段圆滑过渡连接，所述环形锥面以及所述波浪形连阶段沿所述活塞顶面至所述燃烧室的底部方向渐缩，所述波浪形连阶段由至少两个环状圆弧曲面依次连接构成，所述环状圆弧曲面向所述中心凸台方向凸出，各所述环状圆弧曲面之间圆滑过渡连接。

可选地，所述环状圆弧曲面与经过所述活塞的中轴线的活塞对称面的交线为圆弧曲面特征线，所述圆弧曲面特征线的半径r满足2mm≤r≤10mm。

可选地，所述环形凸台段与所述燃烧室凹坑的底部之间沿所述活塞顶面至所述燃烧室的底部方向依次设置第一导向壁面以及第二导向壁面，所述第一导向壁面以及所述第二导向壁面之间圆滑过渡连接，所述第一导向壁面沿所述活塞顶面至所述燃烧室的底部方向渐扩，所述第二导向壁面沿所述活塞顶面至所述燃烧室的底部方向渐缩。

可选地，所述第一导向壁面远离所述第二导向壁面的一端与所述活塞的中轴线之间的距离为所述第一导向壁面的最小半径R1，所述第一导向壁面的最小半径R1满足10mm≤R1≤85mm，所述第一导向壁面远离所述第二导向壁面的一端与所述活塞顶面之间的距离H1满足5mm≤H1≤35mm。

可选地，所述第二导向壁面连接所述第一导向壁面的一端与所述活塞的中轴线之间的距离为所述第二导向壁面的最大半径R2，所述第二导向壁面的最大半径R2满足15mm≤R2≤70mm。

可选地，所述波浪形连阶段由第一环状圆弧曲面、第二环状圆弧曲面以及第三环状圆弧曲面依次连接构成，所述第一环状圆弧曲面的下端与所述活塞顶面之间的距离为H2，所述第二环状圆弧曲面的下端与所述活塞顶面之间的距离为H3，所述第三环状圆弧曲面的下端与所述活塞顶面之间的距离为H4，且满足2mm＜H2≤15mm，5mm≤H3≤18mm，5mm≤H4≤20mm。

可选地，所述第一环状圆弧曲面的最小半径为R3，所述第二环状圆弧曲面的最小半径为R4，所述第三环状圆弧曲面的最小半径为R5，且满足15mm≤R3≤75mm，15mm≤R4≤50mm，15mm≤R5≤48mm。

可选地，所述燃烧室凹坑的底部与所述活塞顶面之间的距离H5满足5mm≤H5≤35mm。

可选地，所述中心凸台朝向所述燃烧室凹坑的开口的端面与所述活塞顶面之间的距离H6满足5mm≤H6≤30mm，所述中心凸台朝向所述燃烧室凹坑的开口的端面为圆形面，所述中心凸台朝向所述燃烧室凹坑的开口的端面的半径R6满足5mm≤R6≤20mm。

可选地，所述中心凸台朝向所述燃烧室凹坑的开口的端面与所述燃烧室凹坑的底部之间通过导向锥面连接，所述导向锥面与经过所述活塞的中轴线的活塞对称面的交线为导向锥面特征线，所述导向锥面特征线与所述活塞的中轴线之间的夹角α满足40°≤α≤80°。

可选地，所述环形锥面与经过所述活塞的中轴线的活塞对称面的交线为环形锥面特征线，所述环形锥面特征线与水平面之间的夹角β满足0°＜β≤20°。

一种气体发动机，所述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，该燃烧室包括位于活塞顶面的燃烧室凹坑，燃烧室凹坑的底部设置中心凸台，燃烧室凹坑围绕中心凸台的周向侧壁沿活塞顶面至燃烧室的底部方向依次设置波浪形连阶段以及环形凸台段，波浪形连阶段与环形凸台段之间通过环形锥面连接，环形锥面的两端分别与环形凸台段以及波浪形连阶段圆滑过渡连接，环形锥面以及波浪形连阶段沿活塞顶面至燃烧室的底部方向渐缩，波浪形连阶段由至少两个环状圆弧曲面依次连接构成，环状圆弧曲面向所述中心凸台方向凸出，各环状圆弧曲面之间圆滑过渡连接，每个环状圆弧曲面的高度与圆弧半径根据燃气喷射的形态进行设计，环状圆弧曲面的个数包括但不限于两个，根据实际喷射特性进行设计。

在应用时，通过环形凸台段对喷射的燃气束进行分割，保证燃气与整个燃烧室空间内所有新鲜空气的接触和混合，改善混合过程，进一步优化燃烧过程，利用波浪形连阶段来实现对分流的燃气的进一步引导和撞击分离，保证燃烧室上部空间空气的利用，进一步改善整个燃烧室空间的空气利用率，实现了对燃气流动的合理引导，避免了流动死区；综上所述，上述燃烧室利用环形凸台段与波浪形连阶段的设计，控制燃气沿着波浪形连阶段合理分配和导流，改善了燃气与空气混合过程，进而改善整个燃烧过程，提高燃烧效率，降低燃气消耗率和碳烟排放，同时通过降低面容比降低了传热损失。

本发明还公开了一种气体发动机，该气体发动机包括上述燃烧室，由于该气体发动机采用了上述燃烧室，因此该气体发动机理应具有与燃烧室相同的有益效果，在此不再赘述。

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为现有技术中双台阶ω形燃烧室的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的燃烧室的结构示意图；

图3为图2中的A处局部放大示意图。

图1中：

01为燃烧室凹坑；

02为第一台阶；

03为第二台阶；

04为导流斜坡；

图2和图3中：

1为燃烧室凹坑；

2为中心凸台；

3为第一环状圆弧曲面；

4为第二环状圆弧曲面；

5为第三环状圆弧曲面；

6为环形凸台段；

7为环形锥面；

8为第一导向壁面；

9为第二导向壁面；

10为端面；

11为导向锥面。

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使其能够避免形成燃气过浓区域，改善燃气与空气的混合效果，进而实现燃烧过程的改善，提高燃烧效率。

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2，图2为本发明实施例提供的燃烧室的结构示意图。

本发明实施例中公开了一种燃烧室，该燃烧室包括位于活塞顶面的燃烧室凹坑1，燃烧室凹坑1的底部设置中心凸台2，燃烧室凹坑1围绕中心凸台2的周向侧壁沿活塞顶面至燃烧室的底部方向依次设置波浪形连阶段以及环形凸台段6。

其中，波浪形连阶段与环形凸台段6之间通过环形锥面7连接，环形锥面7的两端分别与环形凸台段6以及波浪形连阶段圆滑过渡连接，环形锥面7以及波浪形连阶段沿活塞顶面至燃烧室的底部方向渐缩，波浪形连阶段由至少两个环状圆弧曲面依次连接构成，环状圆弧曲面向中心凸台2方向凸出，各环状圆弧曲面之间圆滑过渡连接，每个环状圆弧曲面的高度以及圆弧半径根据燃气喷射的形态进行相应设计，环状圆弧曲面的个数包括但不限于两个，根据实际喷射特性进行设计。

需要说明的是，环形锥面7与波浪形连阶段之间以及波浪形连阶段的各个环状圆弧曲面之间应当采用与经过活塞的中轴线的活塞对称面的交线的圆弧线段的圆弧曲面进行过渡连接，根据设置位置的不同，不同位置处的圆弧曲面与活塞对称面的交线的圆弧线段的半径可以采用不同的取值，在本发明实施例中，不同位置处的圆弧曲面与活塞对称面的交线的圆弧线段的半径的取值范围为2mm-8mm。

在应用时，通过环形凸台段6对喷射的燃气束进行分割，保证燃气与整个燃烧室空间内所有新鲜空气的接触和混合，改善混合过程，进一步优化燃烧过程，利用波浪形连阶段来实现对分流的燃气的进一步引导和撞击分离，保证燃烧室上部空间空气的利用，进一步改善整个燃烧室空间的空气利用率，实现了对燃气流动的合理引导，避免了流动死区。

可以看出，与现有技术相比，本发明实施例提供的燃烧室利用环形凸台段与波浪形连阶段的设计，控制燃气沿着波浪形连阶段合理分配和导流，改善了燃气与空气混合过程，进而改善整个燃烧过程，提高燃烧效率，降低燃气消耗率和碳烟排放，同时通过降低面容比降低了传热损失。

作为优选地，如图2所示，环状圆弧曲面与经过活塞的中轴线的活塞对称面的交线为圆弧曲面特征线，圆弧曲面特征线的半径r满足2mm≤r≤10mm。

环形凸台段6与燃烧室凹坑的底部之间沿活塞顶面至燃烧室的底部方向依次设置第一导向壁面8以及第二导向壁面9，第一导向壁面8以及第二导向壁面9之间圆滑过渡连接，第一导向壁面8沿活塞顶面至燃烧室的底部方向渐扩，第二导向壁面9沿活塞顶面至燃烧室的底部方向渐缩，上述第一导向壁面8构成了环形凸台段6的下半部分，第一导向壁面8可以为锥面也可以为圆滑的曲面，即第一导向壁面8与活塞对称面的交线形成第一导向特征线，该第一导向特征线为相对活塞的中轴线倾斜的直线段或者圆弧线段，第二导向壁面9为圆滑的曲面，从图2中可以看出，第二导向壁面9与活塞对称面的交线形成第二导向特征线，该第二导向特征线为圆弧线段。

具体地，在本发明实施例中，第一导向壁面8远离第二导向壁面9的一端与活塞的中轴线之间的距离为第一导向壁面8的最小半径R1，第一导向壁面8的最小半径R1满足10mm≤R1≤85mm，第一导向壁面8远离第二导向壁面9的一端与活塞顶面之间的距离H1满足5mm≤H1≤35mm。

进一步地，第二导向壁面9连接第一导向壁面8的一端与活塞的中轴线之间的距离为第二导向壁面9的最大半径R2，第二导向壁面9的最大半径R2满足15mm≤R2≤70mm，通过对上述参数的设计，能够对进入燃烧室底部的气流进行更好的导向，从而实现对整个燃烧室内部的空气的利用，达到整个燃烧室内部较理想的当量比。

作为优选地，在本发明实施例中，如图2所示，波浪形连阶段由第一环状圆弧曲面3、第二环状圆弧曲面4以及第三环状圆弧曲面5依次连接构成，第一环状圆弧曲面3的下端与活塞顶面之间的距离为H2，第二环状圆弧曲面4的下端与活塞顶面之间的距离为H3，第三环状圆弧曲面5的下端与活塞顶面之间的距离为H4，且H2、H3以及H4满足2mm＜H2≤15mm，5mm≤H3≤18mm，5mm≤H4≤20mm。

进一步地，如图2所示，第一环状圆弧曲面3的最小半径为R3，第二环状圆弧曲面4的最小半径为R4，第三环状圆弧曲面5的最小半径为R5，即第一环状圆弧曲面3、第二环状圆弧曲面4以及第三环状圆弧曲面5最靠近活塞的中轴线的一端与活塞的中轴线之间的距离，且R3、R4以及R5满足15mm≤R3≤75mm，15mm≤R4≤50mm，15mm≤R5≤48mm。

作为优选地，在本发明实施例中，如图2所示，燃烧室凹坑1的深度，燃烧室凹坑1的底部与活塞顶面之间的距离H5满足5mm≤H5≤35mm。

进一步优化上述技术方案，在本发明实施例中，如图2所示，中心凸台2朝向燃烧室凹坑1的开口的端面10与活塞顶面之间的距离H6满足5mm≤H6≤30mm，中心凸台2朝向燃烧室凹坑1的开口的端面10为圆形面，中心凸台2朝向燃烧室凹坑1的开口的端面10的半径R6满足5mm≤R6≤20mm。

作为优选地，如图2所示，在本发明实施例中，中心凸台2朝向燃烧室凹坑1的开口的端面10与燃烧室凹坑1的底部之间通过导向锥面11连接，导向锥面11与经过活塞的中轴线的活塞对称面的交线为导向锥面特征线，导向锥面特征线与活塞的中轴线之间的夹角α满足40°≤α≤80°，这样，通过优化导向锥面特征线与活塞的中轴线之间的夹角和第一导向壁面8远离第二导向壁面9的一端与活塞顶面之间的距离来满足不同喷射角度对燃气与空气混合的需求，结合环形凸台段6将喷射出的燃气分为上下两部分，进而实现对整个燃烧室内的空气利用，达到整个燃烧室内部较理想的当量比。

如图3所示，在本发明实施例中，环形锥面7与经过活塞的中轴线的活塞对称面的交线为环形锥面特征线，环形锥面特征线与水平面之间的夹角β满足0°＜β≤20°。

本发明实施例还提供了一种气体发动机，该气体发动机包括如上述实施例所述的燃烧室，由于该气体发动机采用了上述实施例中的燃烧室，因此该气体发动机的技术效果请参考上述实施例。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均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的部分互相参见即可。

应当理解，本申请中如若使用了“***”、“装置”、“单元”和/或“模块”，仅是用于区分不同级别的不同组件、元件、部件、部分或装配的一种方法。然而，如果其他词语可实现相同的目的，则可通过其他表达来替换该词语。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

其中，在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“/”表示或的意思，例如，A/B可以表示A或B；本文中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，在本申请实施例的描述中，“多个”是指两个或多于两个。

以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

本申请中如若使用了流程图，则该流程图是用来说明根据本申请的实施例的***所执行的操作。应当理解的是，前面或后面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各个步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

还需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种燃烧室，其特征在于，所述燃烧室包括位于活塞顶面的燃烧室凹坑，所述燃烧室凹坑的底部设置中心凸台，所述燃烧室凹坑围绕所述中心凸台的周向侧壁沿所述活塞顶面至所述燃烧室的底部方向依次设置波浪形连阶段以及环形凸台段，所述波浪形连阶段与所述环形凸台段之间通过环形锥面连接，所述环形锥面的两端分别与所述环形凸台段以及所述波浪形连阶段圆滑过渡连接，所述环形锥面以及所述波浪形连阶段沿所述活塞顶面至所述燃烧室的底部方向渐缩，所述波浪形连阶段由至少两个环状圆弧曲面依次连接构成，所述环状圆弧曲面向所述中心凸台方向凸出，各所述环状圆弧曲面之间圆滑过渡连接；

所述环形凸台段与所述燃烧室凹坑的底部之间沿所述活塞顶面至所述燃烧室的底部方向依次设置第一导向壁面以及第二导向壁面，所述第一导向壁面以及所述第二导向壁面之间圆滑过渡连接，所述第一导向壁面沿所述活塞顶面至所述燃烧室的底部方向渐扩，所述第二导向壁面沿所述活塞顶面至所述燃烧室的底部方向渐缩，所述第一导向壁面远离所述第二导向壁面的一端与所述活塞的中轴线之间的距离为所述第一导向壁面的最小半径R1，所述第一导向壁面的最小半径R1满足10mm≤R1≤85mm，所述第一导向壁面远离所述第二导向壁面的一端与所述活塞顶面之间的距离H1满足5mm≤H1≤35mm，所述第二导向壁面连接所述第一导向壁面的一端与所述活塞的中轴线之间的距离为所述第二导向壁面的最大半径R2，所述第二导向壁面的最大半径R2满足15mm≤R2≤70mm。

2.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述环状圆弧曲面与经过所述活塞的中轴线的活塞对称面的交线为圆弧曲面特征线，所述圆弧曲面特征线的半径r满足2mm≤r≤10mm。

3.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述波浪形连阶段由第一环状圆弧曲面、第二环状圆弧曲面以及第三环状圆弧曲面依次连接构成，所述第一环状圆弧曲面的下端与所述活塞顶面之间的距离为H2，所述第二环状圆弧曲面的下端与所述活塞顶面之间的距离为H3，所述第三环状圆弧曲面的下端与所述活塞顶面之间的距离为H4，且满足2mm＜H2≤15mm，5mm≤H3≤18mm，5mm≤H4≤20mm。

4.根据权利要求3所述的燃烧室，其特征在于，所述第一环状圆弧曲面的最小半径为R3，所述第二环状圆弧曲面的最小半径为R4，所述第三环状圆弧曲面的最小半径为R5，且满足15mm≤R3≤75mm，15mm≤R4≤50mm，15mm≤R5≤48mm。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的燃烧室，其特征在于，所述燃烧室凹坑的底部与所述活塞顶面之间的距离H5满足5mm≤H5≤35mm。

6.根据权利要求1-4任意一项所述的燃烧室，其特征在于，所述中心凸台朝向所述燃烧室凹坑的开口的端面与所述活塞顶面之间的距离H6满足5mm≤H6≤30mm，所述中心凸台朝向所述燃烧室凹坑的开口的端面为圆形面，所述中心凸台朝向所述燃烧室凹坑的开口的端面的半径R6满足5mm≤R6≤20mm。

7.根据权利要求1-4任意一项所述的燃烧室，其特征在于，所述中心凸台朝向所述燃烧室凹坑的开口的端面与所述燃烧室凹坑的底部之间通过导向锥面连接，所述导向锥面与经过所述活塞的中轴线的活塞对称面的交线为导向锥面特征线，所述导向锥面特征线与所述活塞的中轴线之间的夹角α满足40°≤α≤80°。

8.根据权利要求1-4任意一项所述的燃烧室，其特征在于，所述环形锥面与经过所述活塞的中轴线的活塞对称面的交线为环形锥面特征线，所述环形锥面特征线与水平面之间的夹角β满足0°＜β≤20°。

9.一种气体发动机，其特征在于，所述气体发动机包括如权利要求1-8任意一项所述的燃烧室。

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