一种螺旋涡流预燃室点火系统的制作方法

1.本发明涉及到一种内燃机点火技术，尤其涉及一种火花塞点燃预燃室稀薄混合气的点火技术，并通过预燃室稀薄混合气燃烧所产生的高温高压气体高速喷射进入主燃烧室，最终引燃稀薄主混合气的点火技术。


背景技术：

2.预燃室点火能够明显缩短主燃烧室混合气燃烧持续期，且能够点燃稀薄混合气，降低燃烧温度，减少nox的排放，提高燃烧效率，降低内燃机油耗，这是全球对其展开研究的主要原因。
3.预燃室点火是指在内燃机预燃室中采用火花塞点燃先导混合气，并将高温高压气体通过预燃室与主燃烧室间的通道，形成射流气体，通过射流孔喷入主燃烧室，引燃主燃烧室混合气。预燃室点火包括主动式预燃室和被动式预燃室点火，其中，主动式预燃室是指预燃室内的混合气由独立管道从内燃机外部送入；被动式预燃室是指预燃室内的混合气被活塞从主燃烧室压入。
4.谈到稀薄混合气，主要有两种状态：一种混合气是远大于理论空气/燃料比，其过量空气系数λ远大于1，这种情况属于富氧燃烧，其产生的nox化合物需要复杂而昂贵的后处理系统。另一种混合气是恒等于理论空气/燃料比，其过量空气系数λ恒等于1，但加入较多的已经燃烧的气体，这种气体通过废气再循环系统(egr)加入到混合气中。其产生的nox可以通过目前大量使用的低成本的三元催化器来处理。
5.对于被动式预燃室，其进入预燃室的先导混合气成分、浓度、气体流速、气体流动方向、温度和压力等受到主混合气的成分、浓度、气体流速、气体流动方向、温度和压力影响。为了提高内燃机效率，希望采用稀薄气体燃烧做功，这样的好处是可以极大地降低内燃机的热损失。但是困难随之而来：一是主燃烧室气体稀薄，在火花塞附近的燃料浓度难以达到一致性，火花塞难以对混合气进行有效点燃，并产生稳定的火核。二是主燃烧室空间较大，由气道和进气门形状形成的进气涡流和滚流在上止点附近破碎，导致混合气流动方向和速度发生不确定性变化，难以将已经生成的火核进行特定模式的生长和发展。三是随着稀薄程度的加深，主混合气燃烧速度大大降低，容易形成较大的燃烧循环波动。
6.简述之，预燃室稀薄混合气点火技术在以下方面都存在困难：形成火核、火核的生长、火核的发展、以及具有足够高焓能量喷射进入主燃烧室，使稀薄混合气加快完成燃烧等等。
7.因此，亟需提供一种能够对稀薄先导混合气进行点火，使其产生火核以后，以特定的模式促使火核生长和发展，顺利完成预燃室稀薄混合气的燃烧，产生预燃室高温高压气体对主燃烧室稀薄混合气执行射流点火的方式，从而实现主燃烧室稀薄混合气点火和燃烧。


技术实现要素：

8.本发明提供了一种螺旋涡流预燃室点火系统，试图在预燃室中建立一个稳定的螺旋涡流模型，所述模型使得火核产生、成长和火焰发展得到充分的保证，因而解决了预燃室点火，特别是稀薄充量预燃室点火的稳定性、可控性和鲁棒性，防止早燃、熄火事件的发生，并减少燃烧循环波动。
9.本发明的技术方案是提供了一种螺旋涡流预燃室点火系统，其包括预燃室、火花塞、射流阀、主燃烧室、至少一个进气孔和至少一个射流孔；所述预燃室设置在气缸中心附近的主燃烧室上方的缸盖中；所述主燃烧室由气缸、缸盖的下部底面和活塞的顶面构成；所述预燃室具有上部空间和下部空间；其特征在于：
10.上部空间内壁和下部空间内壁的形状是沿所述预燃室中轴线旋转而成的旋转体，所述上部空间的内壁直径φ自上而下逐渐减小并与所述下部空间的内壁直径ψ相连接，所述下部空间的内壁直径ψ为一个固定值或者自上而下逐渐减小，火花塞正负电极暴露于所述上部空间，所述进气孔布置于所述下部空间的轴向中间位置，所述进气孔沿下部空间的内壁圆周切线方向接入，所述进气孔能够使主燃烧室与所述预燃室之间气体通讯；所述下部空间的下端面设置一个压差控制的射流阀，所述射流孔设置在所述射流阀外周附近，所述射流孔能够将所述预燃室内的气体在所述射流阀开启后引入所述主燃烧室；
11.所述预燃室为被动式预燃室，在压缩冲程中，当活塞上行时，气缸内气体压力高于所述预燃室内气体压力，所述射流阀在压差作用下关闭同时，活塞压迫气缸内的主混合气沿所述进气孔，流入所述预燃室下部空间，所述气流沿所述下部空间的内壁圆周切线方向高速喷入，在所述下部空间内形成螺旋涡流；所述螺旋涡流前锋沿螺旋升角从所述下部空间向上部空间逐渐扩大的内壁圆周中旋转向上并逐渐减速，直至到达火花塞电极端面，然后所述螺旋涡流前锋反向流入所述窝心，转变为从上往下的轴向气流，所述火花塞正负电极之间的跳火位置设置在所述窝心位置，所述向下流动的轴向气流随着内壁圆周直径减小，流动速度加快，在到达所述下部空间的沿途，不断有轴向气流加入到其外周的螺旋涡流中，形成气流在所述预燃室内壁螺旋而上，在所述预燃室中轴线附近自窝心轴流而下，封闭的周而复始的气流运动模型，即螺旋涡流模型。
12.进一步地，在所述螺旋涡流模型的先导混合气中，所有气体成分，包括二氧化碳、氧气和氮气，以及燃料呈现均匀的分布，并构成均质混合气。
13.进一步地，在所述螺旋涡流模型中先导混合气的气流速度分布和气流运动方向分布稳定，不因内燃机的转速变化而变化。
14.进一步地，在所述预燃室中具有一个火核产生区f，所述火核产生区f为球体，所述球体位于所述螺旋涡流模型的窝心，所述窝心的区域的气流速度为所述预燃室内气流速度的最低区域，其气流速度不超过15米/秒，保证火花塞顺利点燃稀薄先导混合气，并成功形成火核，而不被气流吹熄。
15.进一步地，在所述预燃室中具有一个火核成长区g，所述火核成长区g处于火核产生区f的下方，在火核成长区g，气流速度由慢变快，从靠近火核产生区f的15米/秒加速到靠近所述下部空间的80米/秒以上，气体轴向加速向下流动，将火核的火焰前锋快速引导到更大的区域，并保证火核不会被气流吹熄，同时促使火核快速生长。
16.进一步地，在所述预燃室中具有一个火焰发展区d内壁的区域即为火焰发展区d；
在火焰发展区d，随着所述上部空间的内壁直径φ的减小，火焰前锋向下的速度进一步加快，更多气流裹挟火焰前锋加入外周螺旋上升的高速涡旋中，此时气流速度高达100米/秒至1000米/秒，导致火焰前锋快速占领整个预燃室的空间。
17.进一步地，所述预燃室的进气孔的总流通面积在数值上等于所述缸径的0.5％至2％；在所述火花塞点火时，其预燃室压力为主燃烧室压力的25％至50％；所述主燃烧室与所述预燃室的高压差导致进气气流的高速度，所述进气气流速度为200米/秒至1000米/秒。
18.进一步地，所述射流孔总流通面积是进气孔总流通面积的3.5至6倍。
19.进一步地，所述预燃室喷射进入主燃烧室形成的射流火炬均布于主燃烧室的空间，使主混合气在多点同时引燃，缩短主混合气的燃烧持续期。
20.进一步地，所述系统适合于以下两种状态的混合气：第一种是所述混合气过量空气系数λ恒等于，而egr率为0％至50％；第二种是或者所述混合气为过量空气系数λ远大于1的混合气。
21.进一步地，所述预燃室的墙壁是所述缸盖的组成部分，或者是火花塞外壳的组成部分，或者是所述火花塞与所述缸盖之间相连接的中间零件的组成部分。
22.进一步地，预燃室上部空间的内壁形状为直径逐步减小的其旋转体的母线为一条上凸曲线，其旋转产生上凸曲面；或者预燃室上部空间的内壁形状为直径逐步减小的其旋转体的母线为一条下凸曲线，其旋转产生下凸曲面；或者预燃室上部空间和下部空间合并为一体，其内壁形状为直径逐步减小的倒圆锥体形状；或者预燃室上部空间为一个直径较大的圆柱体，下部空间为一个直径较小的圆柱体，在两个圆柱体之间用一个倒圆锥体连接起来，形成母线为近似的u形形状的内壁曲面。
23.进一步地，在气缸中增加一个面向主燃烧室的火花塞，用于冷启动和在小负荷时稳定内燃机的运行。
24.进一步地，其能够用于单缸或直列多缸内燃机，也能够用于v型、w型、对置型或者转子内燃机上。
25.进一步地，其使用的燃料能够是汽油、天然气、汽油和乙醇的混合物、和/或其它物质燃料化合物或混合物。
26.本发明的有益效果在于：
27.(1)通过螺旋涡流预燃室点火系统对稀薄混合气进行点火燃烧，降低了燃烧温度，减少了热损失，防止早燃事件发生，提高了所述内燃机效率。
28.(2)通过螺旋涡流预燃室点火系统的螺旋涡流模型，使得火核产生、成长和火焰发展得到充分的保证，因而解决了预燃室点火，特别是稀薄充量预燃室点火的稳定性、可控性和鲁棒性，防止熄火事件的发生，并减少燃烧循环波动。
29.(3)通过螺旋涡流预燃室点火系统提高了抵抗爆震的能力，能够提高内燃机压缩比，进一步提高所述内燃机的效率。
30.(4)所述预燃室点火系统对现有内燃机的修改极小，因而开发成本很低。
31.(5)控制系统修改极少，能够使用原有内燃机的ecu，电控系统修改方便。
32.(6)所述内燃机的改进发生在缸盖上，但缸盖生产线只需要增加一个火花塞孔的加工工序，生产线所需投入的成本很低，便于推广。
33.(7)本发明技术预期的油耗降低能够达到15％以上。
34.(8)降低油耗，能够提高内燃机的燃烧效率，对于改善车辆的经济性和降低二氧化碳排放具有十分重要的意义。
附图说明
35.图1是本发明一种螺旋涡流预燃室点火系统示意图；
36.图2是预燃室纵剖面图；
37.图3是图2的a
‑
a剖面图；
38.图4是螺旋涡流模型示意图；
39.图5是图4的b
‑
b剖面图；
40.图6是火核产生区、火核成长区和火焰发展区分布示意图；
41.图7是射流气体流动示意图；
42.图8是预燃室上部空间为上凸曲面形状的剖面图；
43.图9是预燃室上部空间为下凸曲面形状的剖面图；
44.图10是预燃室上部空间和下部空间为整体倒圆锥体形状的剖面图；
45.图11是预燃室上部空间为圆柱体形状的剖面图。
46.其中：
[0047]1‑
预燃室；2
‑
火花塞；3
‑
射流阀；4
‑
主燃烧室；5
‑
进气孔；6
‑
射流孔；7
‑
气缸；8
‑
缸盖；9
‑
上部空间内壁；10
‑
预燃室中轴线；11
‑
上部空间；12
‑
下部空间；13
‑
正负电极；14
‑
下部空间内壁；15
‑
活塞；16
‑
螺旋涡流；17
‑
火花塞电极端面；18
‑
窝心；19
‑
轴向气流；20
‑
靠近外圆周的气体流速；21
‑
靠近内圆周的气体流速；22
‑
射流火炬；23
‑
上凸曲面；24
‑
下凸曲面；25
‑
倒圆锥体；f
‑
火核产生区；g
‑
火核成长区；d
‑
火焰发展区；
具体实施方式
[0048]
以下将结合附图1至图10对本发明的实施例进行详细说明。
[0049]
实施例1:
[0050]
图1所示，该实施例提供了一种螺旋涡流预燃室点火系统，其具有一个预燃室1、一个火花塞2、一个射流阀3、一个主燃烧室4、至少一个进气孔5和至少一个射流孔6。所述预燃室1设置在气缸7中心附近的主燃烧室4上方的缸盖8中。所述主燃烧室4由气缸7、缸盖8的下部底面和活塞15的顶面构成。
[0051]
图2所示，所述预燃室1具有上部空间11和下部空间12。上部空间内壁9和下部空间内壁14的形状是沿所述预燃室中轴线10旋转而成的旋转体，所述上部空间11的内壁直径φ自上而下逐渐减小并与所述下部空间12的内壁直径ψ相连接，所述下部空间12的内壁直径ψ为一个固定值或者自上而下逐渐减小，火花塞正负电极13面对所述上部空间11。所述进气孔5垂直于所述预燃室中轴线10，布置于所述下部空间12的轴向中间位置，从俯视图3观察，所述进气孔5沿下部空间12的内壁14圆周切线方向接入，所述进气孔5能够使主燃烧室7与所述预燃室1之间气体通讯。
[0052]
所述下部空间12的下端面设置一个压差控制的射流阀3，所述射流孔6设置在所述射流阀3外周附近，所述射流孔6能够将所述预燃室1内的气体在所述射流阀3开启后引入所述主燃烧室7。
[0053]
图3和图4所示，所述预燃室1为被动式预燃室，在压缩冲程中，当活塞15上行时，气缸7内气体压力(以下简称“气缸压力”)高于所述预燃室1内气体压力(以下简称预燃室压力)，所述射流阀3在压差作用下关闭，气体不能从所述射流阀3进入所述预燃室1。同时，活塞15压迫气缸内的主混合气沿所述进气孔5，流入所述预燃室下部空间12，所述气流沿所述下部空间12的内壁14圆周切线方向高速喷入，在所述下部空间12内形成螺旋涡流16。
[0054]
见图4，所述螺旋涡流16前锋沿螺旋升角从所述下部空间12向上部空间11逐渐扩大的内壁9圆周中旋转向上并逐渐减速，直至到达火花塞电极端面17，然后所述螺旋涡流16前锋反向流入所述窝心18，转变为从上往下的轴向气流19，所述火花塞正负电极13之间的跳火位置设置在所述窝心18位置，即平面b
‑
b与中轴线10的交点，所述向下流动的轴向气流19随着内壁9圆周直径越来越小，流动速度越来越快，在到达所述下部空间12的沿途，不断有轴向气流19加入到其外周的螺旋涡流16中，形成气流在所述预燃室内壁9螺旋而上，在所述预燃室中轴线10附近自窝心18轴流而下，封闭的周而复始的气流运动模型，简称螺旋涡流模型。
[0055]
图5为图4的b
‑
b剖面图，其中气体流速分布为，靠近外圆周的气体流速20比靠近内圆周的气体流速21高，在c
‑
c剖面和a
‑
a剖面中的气体流速分布与b
‑
b剖面的流动分布相似。
[0056]
在所述预燃室螺旋涡流模型的先导混合气中，所有气体成分，包括二氧化碳、氧气和氮气，以及燃料都呈现均匀的分布，其气体浓度总体分布不均匀度不超过5％，可以认定为均质混合气。
[0057]
图6所示，所述螺旋涡流模型具有几个气流速度和流动方向不同的空间，每个空间都具有十分显著的特点，其中：
[0058]
第一、窝心区域气流速度最低，大约为15米/秒以下，非常适合安置火花塞电极，是一个理想的火核产生区f。火核产生区f的空间大小以火花塞电极跳火点为中心大约2至4毫米直径的球体；
[0059]
第二、在窝心下方，气体轴向加速向下流动，将火核的火焰前锋快速引导到更大的区域，在这个区域中，气流速度由慢变快，大约从靠近火核产生区的15米/秒加速到靠近所述下部空间的100米/秒以上，保证火核不会被气流吹熄，同时促使火核快速生长，是一个理想的火核成长区g。所述火核成长区g为底径4至6毫米、高度为8至12毫米的倒圆锥体，所述倒圆锥体的轴线与所述预燃室轴线10重合；
[0060]
第三、在火核成长区g的径向和轴向进一步扩大直至所述预燃室1内壁的区域定义为火焰发展区d。在这个区域，随着所述上部空间11的内壁直径φ的减小，火焰前锋向下的速度进一步加快，更多气流裹挟火焰前锋加入外周螺旋上升的高速涡旋中，此时气流速度高达200米/秒至1000米/秒，导致火焰前锋快速占领整个预燃室1的空间。
[0061]
所述预燃室容积为气缸单缸容积的0.1％至0.5％。一般而言，所述预燃室1的容积越大，进入所述预燃室1混合气质量越多，所述混合气中的燃料质量也越多，燃烧产生的热量增加，使所述预燃室1内壁温度升高，容易诱发早燃的不利后果。因此，如果可能应该尽量减小所述预燃室1的容积。
[0062]
进一步地，所述进气孔5的总流通面积在数值上等于所述缸径的0.5％至2％。在所述火花塞2点火时其预燃室压力大约为主燃烧室压力的25％至50％。同理，所述预燃室1的压力越大，进入所述预燃室1混合气质量越多，所述混合气中的燃料质量也越多，燃烧产生
的热量增加，使所述预燃室1内壁温度升高，容易诱发早燃的不利后果。因此，如果可能应该尽量减小所述预燃室1的压力，但其压力不能过小，至少所述先导混合气燃烧以后的气体压力应该超过主燃烧室气体压力10％，最好是20％。
[0063]
所述射流孔6的总流通面积是进气孔5的总流通面积的3.5至6倍。这样保证在较少的曲轴转角时间内具有较多的高温高压气体射流喷入主燃烧室4，保证在稀薄条件下具有较高的主混合气引燃能量。
[0064]
图7所示，所述的高温高压气体推开所述射流阀3以后，沿图中箭头方向从所述预燃室1喷射进入主燃烧室4，形成喷射火炬22。
[0065]
现有技术的预燃室压力通常与主燃烧室压力大体相等，当火花塞点火点燃先导混合气后，由于先导混合气被点燃而升高压力，预燃室混合气立即由于压差的存在而流入主燃烧室，此时流入主燃烧室的气体温度和压力都不高，没有对主混合气点火的作用，反而降低了预燃室混合气燃烧以后的最终压力和温度，导致最终气体射流的速度和温度降低，形成的射流火炬短而温度不足，对主混合气的引燃不利。为了到达对主混合气引燃的效果，必需增加预燃室的容积，增加进入预燃室的燃料，最终增加射流气体的温度和射流速度，这显然是不利的结果。
[0066]
本发明提供的点火系统，其在点火以前的预燃室压力显著低于主燃烧室压力，在先导混合气点火并燃烧一段时间以内，预燃室压力低于主燃烧室，先导混合气不但不能流入主燃烧室4，主混合气反而不断流入预燃室1，导致在先导混合气燃烧和不断流入的混合气的共同作用下，使预燃室压力进一步升高，因而促使先导混合气加快燃烧速度，并且已经燃烧的高温先导混合气由于压力没有超过主燃烧室压力而不能够流入主燃烧室4。混合气燃烧通常一开始燃烧放热速度较低，在燃烧一段时间以后，燃烧速度急速增加，使预燃室压力和温度加速提升，并在一瞬间(1～2曲轴转角以内)超越主燃烧室压力，之后，由于预燃室压力高于主燃烧室压力，所述射流阀3在压差作用下被强迫开启，形成大的射流流通面积，先导混合气以高温高压状态转而向主燃烧室4高速喷射，在少数几度曲轴转角的时间内，将较多的预燃室空间内的高温高压气体射流进入主燃烧室。这是保证稀薄混合气能否被点燃和顺利完成燃烧的关键步骤之一。
[0067]
所述的稀薄混合气具有两种状态。一是所述混合气过量空气系数λ恒等于1，而egr率为0％至50％。这种状态的混合气燃烧以后的废气非常方便采用三元催化器处理，成本低廉。二是所述混合气为过量空气系数λ远大于1的混合气，这种混合气由于是富氧燃烧，多余的氧气与氮气燃烧中形成氮氧化合物nox，其尾气处理成本较高。
[0068]
可替代地，所述预燃室墙壁是火花塞2外壳的组成部分，或者是所述火花塞2与所述缸盖8之间相连接的中间零件的组成部分。
[0069]
可替代地，在气缸7中增加一个面向主燃烧室4的火花塞(图中未显示)，用于冷启动和在小负荷时稳定内燃机的运行。
[0070]
实施例2
[0071]
图8所示，本发明的实施例2提供了一种螺旋涡流预燃室点火系统，所示预燃室上部空间的内壁形状为直径逐步减小的其旋转体的母线为一条上凸曲线，其旋转产生上凸曲面23。所述上凸曲面23导致气流在预燃室1内的流场与图4所示的流场发生变化，改变了火核产生区f、火核成长区g和火焰发展区d的气流的运动方向和速度。总体而言，进入所述预
燃室的先导混合气，在最开始的时候，其螺旋涡流的速度将比实施例1减小得更慢一些，其余的内容与实施例1相同。
[0072]
实施例3
[0073]
图9所示，本发明的实施例3提供了一种螺旋涡流预燃室点火系统，所示预燃室上部空间的内壁形状为直径逐步减小的其旋转体的母线为一条下凸曲线，其旋转产生下凸曲面24。所述下凸曲面24导致气流在预燃室1内的流场与图4所示的流场发生变化，改变了火核产生区f、火核成长区g和火焰发展区d的气流的运动方向和速度。总体而言，进入所述预燃室的先导混合气，在最开始的时候，其螺旋涡流的速度将比实施例1减小得更快一些，其余的内容与实施例1相同。
[0074]
实施例4
[0075]
图10所示，本发明实施例4还提供了一种螺旋涡流预燃室点火系统，所示预燃室上部空间11和下部空间12合并为一体，其内壁形状为直径逐步减小的倒圆锥体25形状。所述倒圆锥体25导致气流在预燃室1内的流场与图4所示的流场发生变化，改变了火核产生区f、火核成长区g和火焰发展区d的气流的运动方向和速度。总体而言，进入所述预燃室的先导混合气，在最开始的时候，其螺旋涡流升角会比实施例1的升角大一些，因而气流沿轴线10上升的速度快一些，其余的内容与实施例1相同。
[0076]
实施例5
[0077]
图11所示，本发明实施例5还提供了一种螺旋涡流预燃室点火系统，所示预燃室上部空间11为一个直径较大的圆柱体，下部空间为一个直径较小的圆柱体，在两个圆柱体之间用一个倒圆锥体连接起来，形成母线为近似的u形形状的内壁曲面26。所述曲面26导致气流在预燃室1内的流场与图4所示的流场发生变化，改变了火核产生区f、火核成长区g和火焰发展区d的气流的运动方向和速度。总体而言，进入所述预燃室的先导混合气，在最开始的时候，其螺旋涡流的速度将比实施例3减小得更快一些，其余的内容与实施例1相同。
[0078]
本发明提供的一种螺旋涡流预燃室点火系统，能够用于单缸或直列多缸内燃机，也能够用于v型、w型、对置型或者转子内燃机上。
[0079]
本发明提供的一种螺旋涡流预燃室点火系统，能够使用的燃料包括汽油、天然气、汽油和乙醇的混合物、和/或其它物质燃料化合物或混合物。
[0080]
本发明提供的一种螺旋涡流预燃室点火系统，其预燃室内壁能够具有更多的形状，无论进气孔5是否垂直中轴线10，只要进气气流在所述预燃室1的内壁产生具有螺旋升角的涡旋气流，并形成在所述螺旋涡流模型内的火核产生区f、火核成长区g和火焰发展区d等不同空间之气流速度和气流方向符合所述螺旋涡流模型的特征，均应属于本发明的保护范围以内。
[0081]
此外，在本说明书中提到主燃烧室混合气、主混合气都是指主燃烧室内的混合气，预燃室混合气、先导混合气均指预燃室内的混合气，主燃烧室不限于活塞15到达上止点的位置，主燃烧室混合气压力、气缸压力、主燃烧室气体压力和主燃烧室压力均指主燃烧室内气体压力，预燃室混合气压力、预燃室先导混合气压力、预燃室气体压力和预燃室压力均指预燃室内气体压力。