CN218669553U - 一种燃烧室及气体发动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型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，该燃烧室与弱滚流气缸盖结构组合使用，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，活塞顶面包括进气侧活塞顶面和排气侧活塞顶面，所述进气侧活塞顶面高于所述排气侧活塞顶面，且所述进气侧活塞顶面与所述排气侧活塞顶面之间通过顶部平滑过渡面相接，所述燃烧室凹坑的周向侧壁与底壁之间通过底部圆滑曲面相接。本实用新型通过将活塞顶面设计为进气侧高于排气侧的非对称结构，在压缩过程中能够引导气流从进气门一侧向排气门一侧流动，进而加强滚流强度，还能优化点火时刻火花塞附近的湍动能分布，加快火焰传播速度，降低爆震风险。

Description

一种燃烧室及气体发动机

技术领域

本实用新型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，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。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种燃烧室及气体发动机，本实用新型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，本实用新型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环绕所述燃烧室凹坑的周向的活塞顶面，所述活塞顶面包括进气侧活塞顶面和排气侧活塞顶面，所述进气侧活塞顶面高于所述排气侧活塞顶面，且所述进气侧活塞顶面与所述排气侧活塞顶面之间通过顶部平滑过渡面相接，所述燃烧室凹坑的周向侧壁与底壁之间通过底部圆滑曲面相接。

优选地，所述活塞上方的气缸盖底面设有两个进气喉口，经过所述活塞的轴线并且与两个所述进气喉口的中心连线垂直的平面为活塞对称面，所述燃烧室与所述活塞对称面的交线包括依次相连的进气侧活塞顶面型线、燃烧室凹坑型线和排气侧活塞顶面型线，所述进气侧活塞顶面型线和所述排气侧活塞顶面型线均与所述活塞的轴线垂直。

优选地，所述顶部平滑过渡面在所述活塞对称面上的投影为顶部平滑过渡面型线，所述底部圆滑曲面与所述活塞对称面的交线为底部圆滑曲面型线，所述顶部平滑过渡面型线和/或所述底部圆滑曲面型线为圆弧线。

优选地，所述底部圆滑曲面型线的半径为活塞半径的0.15～0.3倍，所述顶部平滑过渡面型线的半径为活塞半径的0.3～0.6倍。

优选地，所述进气侧活塞顶面和所述顶部平滑过渡面的相接处在所述活塞对称面上的投影位于所述活塞的轴线上。

优选地，所述进气侧活塞顶面设有两个分别位于对应的所述进气喉口的下方的进气门避阀坑，所述进气侧活塞顶面和所述顶部平滑过渡面的相接处与所述活塞的轴线的连线为相接处方向线，所述进气门避阀坑的中心与所述活塞的轴线的连线为进气门避阀坑方向线，所述相接处方向线与所述进气门避阀坑方向线的夹角为45°。

优选地，所述进气侧活塞顶面与所述排气侧活塞顶面的高度差为活塞半径的0.05～0.2倍；

和/或，所述燃烧室凹坑的底部与所述进气侧活塞顶面的距离为活塞半径的0.3～0.6倍。

优选地，所述燃烧室凹坑的上边沿的半径为活塞半径的0.5～0.75倍。

优选地，所述燃烧室凹坑的上边沿与所述活塞顶面之间通过圆角过渡面相接。

优选地，所述圆角过渡面的半径为活塞半径的0.05～0.1倍。

本实用新型的工作原理如下：

本实用新型在弱滚流气缸盖结构不变的情况下，通过将活塞顶面设计为进气侧高于排气侧的非等高结构，在压缩过程中，活塞顶面的非等高结构可以使进、排气两侧区域产生的挤流强度不同，从而引导气流从进气门一侧向排气门一侧流动，进而加强燃烧室内的滚流强度。同时，活塞顶面的非等高设计可以使进气侧与排气侧的压缩余隙不同，使气流从进气门一侧向排气门一侧流动，增大火花塞附近的气流速度，优化点火时刻火花塞附近的湍动能分布，加快火焰传播速度，同时加快排气门侧附近区域的燃烧速度，能够有效降低爆震风险。另外，活塞顶面不同高度部分之间采用大圆角过渡的特征，不仅能够减少由于顶部非等高产生的涡流强度损失，而且能够有效降低过渡部分的热负荷，降低爆震风险，提升活塞可靠性。

本实用新型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实用新型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实用新型的一些实施例，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为本实用新型具体实施例中的活塞及燃烧室的结构示意图；

图3为本实用新型具体实施例中的活塞及燃烧室的活塞对称面剖视图；

图4为现有技术燃烧室与本实用新型燃烧室的标定点缸内滚流强度变化曲线；

图5为现有技术燃烧室与本实用新型燃烧室的标定点缸内涡流强度变化曲线；

图6为现有技术燃烧室与本实用新型燃烧室的标定点放热率变化曲线；

图7为本实用新型具体实施例中燃烧室截面位置示意图；

图8为压缩开始时刻现有技术与本实用新型的缸内气体速度场示意图；

图9为压缩过程中现有技术与本实用新型的缸内气体速度场示意图；

图10为点火时刻现有技术与本实用新型的缸内气体速度场示意图；

图11为现有技术与本实用新型的燃烧室内的湍动能的分布示意图。

图1至图7中的附图标记的含义如下：

01-燃烧室、02-火焰传播低速区域、03-火花塞；

1-燃烧室凹坑、2-进气侧活塞顶面、3-排气侧活塞顶面、4-顶部平滑过渡面、5-进气门避阀坑、6-活塞轴线、7-进气门、8-排气门、9-相接处方向线、10-进气门避阀坑方向线。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

请参照图2至图11，本实用新型提供了一种燃烧室，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实用新型专利(“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1以及环绕燃烧室凹坑1的周向的活塞顶面，活塞顶面包括进气侧活塞顶面2和排气侧活塞顶面3，其中，进气侧活塞顶面2是指位于进气门7下方区域的活塞顶面部分，排气侧活塞顶面3是指位于排气门8下方区域的活塞顶面部分，本实用新型方案将进气侧活塞顶面2设计为高于排气侧活塞顶面3，且进气侧活塞顶面2与排气侧活塞顶面3之间通过顶部平滑过渡面4相接，燃烧室凹坑1的周向侧壁与底壁之间通过底部圆滑曲面相接。

本实用新型的工作原理如下：

本实用新型在弱滚流气缸盖结构不变的情况下，通过将活塞顶面设计为进气侧高于排气侧的非等高结构，在压缩过程中，活塞顶面的非等高结构可以使进、排气两侧区域产生的挤流强度不同，从而引导气流从进气门7一侧向排气门8一侧流动，进而加强燃烧室内的滚流强度。同时，活塞顶面的非等高设计可以使进气侧与排气侧的压缩余隙不同，使气流从进气门7一侧向排气门8一侧流动，增大火花塞附近的气流速度，优化点火时刻火花塞附近的湍动能分布，加快火焰传播速度，同时加快排气门侧附近区域的燃烧速度，能够有效降低爆震风险。另外，活塞顶面不同高度部分之间采用大圆角过渡的特征，不仅能够减少由于顶部非等高产生的涡流强度损失，而且能够有效降低过渡部分的热负荷，降低爆震风险，提升活塞可靠性。

需要说明的是，活塞上方的气缸盖底面设有两个进气喉口，经过活塞的轴线(即活塞轴线6)并且与两个进气喉口的中心连线垂直的平面为活塞对称面(即图2中所示的A-A剖面)，燃烧室与活塞对称面的交线包括依次相连的进气侧活塞顶面型线、燃烧室凹坑型线和排气侧活塞顶面型线，进气侧活塞顶面型线和排气侧活塞顶面型线均与活塞轴线6垂直，如图3所示。当然，本实用新型还可以将进气侧活塞顶面2和/或排气侧活塞顶面3设计为倾斜平面或弯曲的弧面结构等，相应的，进气侧活塞顶面型线和/或排气侧活塞顶面型线设计为与活塞轴线6相对倾斜的直线形，或者设计为弧线形，本文不再一一赘述。

优选地，顶部平滑过渡面4在活塞对称面上的投影为顶部平滑过渡面型线，底部圆滑曲面与活塞对称面的交线为底部圆滑曲面型线，顶部平滑过渡面型线和/或底部圆滑曲面型线为圆弧线，如此设置，可以使活塞顶面上方区域的气流在运动过程中减小阻力，使燃烧室凹坑1内部的气流更易形成滚流。当然，本实用新型还可以将顶部平滑过渡面型线设计为相对活塞轴线6倾斜的直线形，本文不再赘述。

优选地，如图3所示，底部圆滑曲面型线的半径R3为活塞半径R1的0.15～0.3倍，即，R3＝(0.15～0.3)R1；顶部平滑过渡面型线的半径R4为活塞半径R1的0.3～0.6倍，即，R4＝(0.3～0.6)R1。

优选地，进气侧活塞顶面2和顶部平滑过渡面4的相接处在活塞对称面上的投影位于活塞轴线6上，如图3所示，进气侧活塞顶面2占据活塞顶面的左半侧区域，即进气门7下方对应的区域。排气侧活塞顶面3则占据活塞顶面右半侧的部分区域。这样有助于大部分气流在进气侧活塞顶面2的推动作用下流向排气门侧，有助于滚流的形成和加强。

优选地，进气侧活塞顶面2设有两个分别位于对应的进气喉口的下方的进气门避阀坑5，进气侧活塞顶面2和顶部平滑过渡面4的相接处与活塞轴线6的连线为相接处方向线9，进气门避阀坑5的中心与活塞轴线6的连线为进气门避阀坑方向线10，相接处方向线9与进气门避阀坑方向线10的夹角α为45°。

优选地，如图3所示，进气侧活塞顶面2与排气侧活塞顶面3的高度差ΔH为活塞半径R1的0.05～0.2倍，即，ΔH＝(0.05～0.2)R1；

和/或，燃烧室凹坑1的底部与进气侧活塞顶面2的距离，即，燃烧室凹坑1的深度H1为活塞半径R1的0.3～0.6倍，即，H1＝(0.3～0.6)R1。

需要说明的是，燃烧室凹坑1设计为以燃烧室凹坑中心线为回转中心线的回转形曲面结构，燃烧室凹坑中心线优选设计为与活塞轴线6重合布置，燃烧室凹坑1的上边沿则为圆形边缘，优选地，燃烧室凹坑1的上边沿的半径R2为活塞半径R1的0.5～0.75倍，即，R2＝(0.5～0.75)R1。

优选地，燃烧室凹坑1的上边沿与活塞顶面之间通过圆角过渡面相接。进一步优选地，圆角过渡面的半径R5为活塞半径R1的0.05～0.1倍，即，R5＝(0.05～0.1)R1。

选择常用工况区为计算工况，利用三维仿真计算软件对比原方案(活塞顶面等高结构方案)与本方案(活塞顶面非等高结构方案)的滚流比、涡流比和瞬时放热率，对比结果如图4至图6所示。根据仿真结果，在点火时刻(曲轴转角-23°)，本方案的滚流比明显高于原方案，放热率提前，并且放热加快，这是因为本方案中增强的滚流以及弱化的涡流在压缩末期能够有效增强缸内湍流，并有助于破碎成小尺度湍流，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，从而提高气体机热效率。

具体的，如图4所示，在进气冲程中后期和压缩冲程，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，与原方案活塞对应滚流比趋于一致。如图5所示，进气阶段本方案的涡流比与原方案基本无差异，在压缩冲程，本方案由于挤流作用变弱，涡流比明显低于原方案。如图6所示，本方案与原方案燃烧始点相同，但本方案前期燃烧速度明显加快，燃烧相位AI50提前。

下面结合图7至图11，详细介绍一下本实用新型的活塞压缩过程：

图8至图10示出了燃烧室在压缩过程不同阶段的流场分布，其截面位置为如图7所示的B-B向截面，可见，其应用的发动机气缸对应设计有两个进气门7和两个排气门8，图7中的两个空心箭头分布代表总进气方向和总排气方向。如图8所示，在压缩开始时刻(压缩上止点前180度)速度场，原方案气缸中部没有明显的大尺度滚流运动，而本方案在气缸中部有两个明显的滚流运动，这对于进气能量的维持至关重要。如图9所示，压缩过程(压缩上之点前100度)速度场，在压缩过程的前中期，本方案的滚流中心相对更加靠近气缸盖。请参照图10和图11，在点火时刻(曲轴转角为-23°)流场分布及湍动能分布，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；本方案进气门侧挤流强于排气门侧，进气门侧挤流朝向火花塞流动，与排气侧活塞顶面3上行产生的流动在火花塞附近交汇，使火花塞附近的湍动能较大，有利于火焰的快速传播。

总而言之，气体机气缸内的气体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。本实用新型设计活塞顶面非等高的结构，使活塞顶面的排气门一侧高度低于进气门一侧高度，核心思想有三点：1)在弱滚流气道不变的情况下，本方案通过加强缸内滚流强度来加速燃烧，具体而言，降低排气门一侧活塞顶面高度，在压缩过程中，活塞顶面的非等高结构可以使进气和排气两侧区域产生的挤流强度不同，从而引导气流从进气门一侧向排气门一侧流动，进而加强燃烧室内的滚流强度；2)进气门侧与排气门侧的压缩余隙设计不相等，使得气流从进气门一侧向排气门一侧流动，增大火花塞附近的气流速度，优化点火时刻火花塞附近的湍动能分布，加快火焰传播速度，同时加快排气门侧附近区域的燃烧速度，能够有效降低爆震风险；3)活塞顶面在不同高度部分之间采用大圆角的过渡面特征相接，不仅能够减少由于顶部非等高产生的涡流强度损失，而且能够有效降低过渡部分的热负荷，降低爆震风险，提升活塞可靠性。

本实用新型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实用新型。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实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型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，所述活塞顶面包括进气侧活塞顶面和排气侧活塞顶面，所述进气侧活塞顶面高于所述排气侧活塞顶面，且所述进气侧活塞顶面与所述排气侧活塞顶面之间通过顶部平滑过渡面相接，所述燃烧室凹坑的周向侧壁与底壁之间通过底部圆滑曲面相接；

所述活塞上方的气缸盖底面设有两个进气喉口，经过所述活塞的轴线并且与两个所述进气喉口的中心连线垂直的平面为活塞对称面，所述燃烧室与所述活塞对称面的交线包括依次相连的进气侧活塞顶面型线、燃烧室凹坑型线和排气侧活塞顶面型线，所述进气侧活塞顶面型线和/或所述排气侧活塞顶面型线为与活塞轴线相对倾斜的直线形或者弧线形。

2.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述顶部平滑过渡面在所述活塞对称面上的投影为顶部平滑过渡面型线，所述底部圆滑曲面与所述活塞对称面的交线为底部圆滑曲面型线，所述顶部平滑过渡面型线和/或所述底部圆滑曲面型线为圆弧线。

3.根据权利要求2所述的燃烧室，其特征在于，所述底部圆滑曲面型线的半径为活塞半径的0.15～0.3倍，所述顶部平滑过渡面型线的半径为活塞半径的0.3～0.6倍。

4.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述进气侧活塞顶面和所述顶部平滑过渡面的相接处在所述活塞对称面上的投影位于所述活塞的轴线上。

5.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述进气侧活塞顶面设有两个分别位于对应的所述进气喉口的下方的进气门避阀坑，所述进气侧活塞顶面和所述顶部平滑过渡面的相接处与所述活塞的轴线的连线为相接处方向线，所述进气门避阀坑的中心与所述活塞的轴线的连线为进气门避阀坑方向线，所述相接处方向线与所述进气门避阀坑方向线的夹角为45°。

6.根据权利要求1-5任一项所述的燃烧室，其特征在于，所述进气侧活塞顶面与所述排气侧活塞顶面的高度差为活塞半径的0.05～0.2倍；

和/或，所述燃烧室凹坑的底部与所述进气侧活塞顶面的距离为活塞半径的0.3～0.6倍。

7.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沿的半径为活塞半径的0.5～0.75倍。

8.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沿与所述活塞顶面之间通过圆角过渡面相接。

9.根据权利要求8所述的燃烧室，其特征在于，所述圆角过渡面的半径为活塞半径的0.05～0.1倍。

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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