一种燃烧室及气体发动机的制作方法

1.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：

2.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。
3.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，气体机通常采用直口活塞，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。
4.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，火焰横向传播速度较快，但是火花塞03附近区域的纵向速度较低，湍动能较低且分布不合理，导致点火初期火焰传播速度较慢。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。
5.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。


技术实现要素：

6.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。
7.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，所述燃烧室凹坑的表面为椭球形曲面的一部分，所述燃烧室凹坑在沿所述活塞的轴向的横截面为椭圆形横截面。
8.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。
9.优选地，所述椭圆形横截面的长轴方向与两个所述进气喉口的中心连线方向平行，所述燃烧室凹坑型线为圆弧线。
10.优选地，所述燃烧室凹坑与所述进气侧活塞顶面相接处对应的椭圆为进气侧凹坑椭圆，所述燃烧室凹坑的底部与所述进气侧活塞顶面的距离为所述进气侧凹坑椭圆的短轴长度的一半。
11.优选地，所述进气侧凹坑椭圆的长轴长度为活塞半径的1.4倍~1.6倍，所述进气侧凹坑椭圆的短轴长度为所述活塞半径的1.2倍~1.4倍。
12.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，所述顶部平滑过渡面型线为圆弧线。
13.优选地，所述顶部平滑过渡面型线的半径为活塞半径的0.3倍~0.6倍。
14.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。
15.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倍~0.2倍。
16.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。
17.优选地，所述圆角过渡面的半径为活塞半径的0.05倍~0.1倍。
18.本发明通过将燃烧室凹坑设计为半椭球形凹坑形状，且燃烧室凹坑的横截面为椭圆形横截面，在进气过程中，可以使更多的气流进入到燃烧室凹坑内，进而使主滚流方向滚流强化。本发明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，活塞顶面的非等高特征可以使进、排气两侧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。
19.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
20.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。
21.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活塞及燃烧室的结构示意图；图3为本发明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发明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发明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发明燃烧室的标定点放热率变化曲线。
22.图1中：01为燃烧室；02为火焰传播低速区域；03为火花塞；图2至图6中：1为燃烧室凹坑；2为活塞半径；3为凹坑椭圆的长轴；4为凹坑椭圆的短轴；5为燃烧室凹坑的底部与进气侧活塞顶面的距离；6为顶部平滑过渡面型线；7为圆角过渡面的半径；8为进、排气门两侧活塞顶部高度差。
具体实施方式
23.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。
24.请参照图2至图6，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，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系统与一种燃气发动机”，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。
25.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和排气侧活塞顶面，进气侧活塞顶面高于排气侧活塞顶面，且进气侧活塞顶面与排气侧活塞顶面之间通过顶部平滑过渡面相接，燃烧室凹坑1的表面为椭球形曲面的一部分，燃烧室凹坑1在沿活塞的轴向的横截面为椭圆形横截面。
26.本发明通过将燃烧室凹坑1设计为半椭球形凹坑形状，且燃烧室凹坑1的横截面为椭圆形横截面，在进气过程中，可以使更多的气流进入到燃烧室凹坑1内，进而使主滚流方向滚流强化。本发明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，活塞顶面的非等高特征可以使进、排气两侧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。
27.作为优选地，上述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，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1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的轴线垂直。
28.进一步地，在本发明实施例中，椭圆形横截面的长轴方向与两个进气喉口的中心连线方向平行（截面a方向），燃烧室凹坑1型线为圆弧线，通过进气侧活塞顶面高于排气侧活塞顶面、活塞顶面设置半椭球形凹坑形状且椭圆长轴与进排气门连线垂直，使进气过程更多的气流进入到燃烧室凹坑1内，进而使主滚流方向滚流强化。
29.燃烧室凹坑1与进气侧活塞顶面相接处对应的椭圆为进气侧凹坑椭圆，燃烧室凹坑1的底部与进气侧活塞顶面的距离h1为进气侧凹坑椭圆的短轴长度l2的一半，即h1=0.5l2。
30.进一步地，进气侧凹坑椭圆的长轴长度l1为活塞半径r1的1.4倍~1.6倍，即，l1=（1.4~1.6）r1，进气侧凹坑椭圆的短轴长度l2为活塞半径r1的1.2倍~1.4倍，即l2=（1.2~1.4）r1。
31.作为优选地，上述顶部平滑过渡面在活塞对称面（截面b）上的投影为顶部平滑过渡面型线，顶部平滑过渡面型线为圆弧线。
32.进一步地，在本发明实施例中，上述顶部平滑过渡面型线的半径r2为为活塞半径r1的0.3倍~0.6倍，即，r2=（0.3~0.6）r1。
33.作为优选地，在本发明实施例中，进气侧活塞顶面和顶部平滑过渡面的相接处在活塞对称面上的投影位于活塞的轴线上。
34.进一步优化上述技术方案，在本发明实施例中，进气侧活塞顶面与排气侧活塞顶面的高度差h2为活塞半径r1的0.05倍~0.2倍，即h2=（0.05~0.2）r1。
35.如图3所示，在本发明实施例中，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。具体地，上述圆角过渡面的半径r3为活塞半径r1的0.05倍~0.1倍。
36.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与新设计方案，结果如图4至图6所示，根据仿真结果，在点火时刻（-23度），新方案的滚流比明显高于原方案，二者涡流比差异不大，放热率提前，并且放热加快，这是因为新方案中增强的滚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。
37.本发明还提供了一种气体发动机，该气体发动机包括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。
38.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。
39.应当理解，本技术中如若使用了“系统”、“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。
40.如本技术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。
41.其中，在本技术实施例的描述中，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，在本技术实施例的描述中，“多个”是指两个或多于两个。
42.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。
43.本技术中如若使用了流程图，则该流程图是用来说明根据本技术的实施例的系统所执行的操作。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。
44.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。
45.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。