一种柴油机用疏导型超临界燃烧系统

1.本发明涉及发动机燃烧技术领域，具体涉及一种柴油机用疏导型超临界燃烧系统。


背景技术：

2.液滴发生超临界相变后会转变为超临界态，超临界态具有类液相超临界态和类气相超临界态，类液相超临界态密度接近液相，但输运性质更快。而类气相超临界态具有接近气相的输运性质，但密度更大。总的来说，超临界态具有接近液相的密度，但同时又具有接近气相的输运性质，是类似于稠密气团的一种状态，且没有表面张力的束缚，因此超临界态燃油与空气混合是一种受湍流主导的扩散混合。
3.现代柴油机持续向高强化方向发展，即高工质密度、高喷油压力，从而达到高功率密度的目的。工质密度持续升高导致缸内处于高温高压条件下，这时燃料可能会发生超临界相变，发生超临界相变的液滴转化为稠密的超临界态后，其贯穿能力大幅削弱，阻碍了油气混合，另一方面，随着工质密度提高，喷雾大幅回缩，喷雾对缸内全空间空气的利用率下降，两者共同作用直接对热功转换产生影响，导致预混燃烧阶段几乎消失，且燃烧持续期增长，最终导致燃烧恶化。
4.综上所述，高强化柴油机存在燃烧室全空间空气利用不足、油气混合恶化、后燃加剧的问题，制约了重型柴油机进一步强化。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种柴油机用疏导型超临界燃烧系统，该燃烧系统能够提高燃烧室内的全空间空气利用率，改善油气混合质量，加快燃烧速度，实现高强化柴油机燃烧性能优化。
6.本发明采用以下具体技术方案：
7.一种柴油机用疏导型超临界燃烧系统，该燃烧系统包括疏导型燃烧室和超临界燃油喷嘴；
8.所述疏导型燃烧室由活塞、缸盖和气缸壁围成的空间构成；所述活塞的顶面设置有环形疏导弧脊、形成于所述环形疏导弧脊外侧的上卷流引导壁面、以及形成于所述环形疏导弧脊内侧的下卷流引导壁面；
9.所述超临界燃油喷嘴设置于所述疏导型燃烧室内，所述超临界燃油喷嘴的喷射轴线与所述环形疏导弧脊相对设置，用于向所述疏导型燃烧室喷射超临界态燃油喷雾。
10.更进一步地，在所述疏导型燃烧室的截面中，所述环形疏导弧脊包括由圆弧段形成的尖端、连接于所述尖端与所述上卷流引导壁面之间且沿水平方向延伸的直线段、以及连接于所述尖端与所述下卷流引导壁面之间且朝向所述尖端外侧斜下方延伸的第一斜线段；
11.所述第一斜线段与所述喷射轴线之间形成30
°
～60
°
的夹角。
12.更进一步地，所述上卷流引导壁面包括与所述直线段的外端部连接的凹形弧线、以及与所述凹形弧线连接且位于所述直线段外侧斜上方的第二斜线段。
13.更进一步地，所述下卷流引导壁面包括从所述第一斜线段的端部朝向所述活塞的中心方向依次连接的第一弧线段、第二弧线段以及第三弧线段构成；
14.所述第一弧线段的曲率半径介于所述第二弧线段的曲率半径与所述第三弧线段的曲率半径之间；
15.所述第二弧线段的曲率半径远大于所述第三弧线段的曲率半径。
16.更进一步地，所述圆弧段的曲率直径为0.75mm；
17.所述夹角为45
°
；
18.所述凹形弧线的曲率半径为3.5mm；
19.所述第一弧线段的曲率半径为4mm；
20.所述第二弧线段的曲率半径为20mm；
21.所述第三弧线段的曲率半径为1mm。
22.有益效果：
23.(1)本发明的疏导型超临界燃烧系统在活塞的顶面设置有环形疏导弧脊、形成于环形疏导弧脊外侧的上卷流引导壁面、以及形成于环形疏导弧脊内侧的下卷流引导壁面；超临界燃油喷嘴的喷射轴线与环形疏导弧脊相对设置，用于向疏导型燃烧室喷射超临界态燃油喷雾；上述疏导型超临界燃烧系统运用超临界燃油喷嘴喷射超临界态燃油喷雾，利用超临界态燃油喷雾的湍流主导扩散混合机制，其油气混合速度比传统蒸发速度更快；由于超临界燃油喷嘴的喷射轴线与环形疏导弧脊相对设置，使得超临界燃油喷嘴喷射的超临界态燃油喷雾与环形疏导弧脊碰撞，引导超临界态燃油喷雾产生两股油束，通过上卷流引导壁面和下卷流引导壁面疏导两股油束形成两束超临界态燃油卷流，扩大了燃油喷雾与空气接触的面积，使两束超临界态燃油卷流能够与燃烧室全空间内的空气进行混合，使得燃烧室内的油气混合气浓度更均匀，提高燃烧室全空间空气利用率，加速其油气混合速度，改善油气混合质量，加快燃烧速度，有效改善高强化柴油机的燃烧性能。
24.(2)本发明疏导型超临界燃烧系统的环形疏导弧脊包括由圆弧段形成的尖端、连接于尖端与上卷流引导壁面之间且沿水平方向延伸的直线段、以及连接于尖端与下卷流引导壁面之间且朝向尖端外侧斜下方延伸的第一斜线段；形成尖端的圆弧段在燃烧室内形成周向的圆弧面，直线段在燃烧室内周向上形成环形平面，第一斜线段在燃烧室内周向上形成圆锥面，从而形成于燃烧室内的圆弧面、环形平面以及圆锥面能够在超临界态燃油喷雾与圆弧面碰撞后主动引导超临界态燃油向燃烧室的径向和周向方向上输运，避免燃油喷雾在环形疏导弧脊处形成燃油卷流，从而进一步提高燃油喷雾在燃烧室内的扩散面积。
25.(3)由于上卷流引导壁面包括与直线段的外端部连接的凹形弧线、以及与凹形弧线连接且位于直线段外侧斜上方的第二斜线段，凹形弧线在燃烧室内的周向上形成弧形面，第二斜线段在燃烧室内的周向上形成圆锥面，通过上卷流引导壁面的弧形面和圆锥面扩大燃油喷雾在燃烧室内的扩散面积，并使燃油喷雾在圆锥面处形成卷流；下卷流引导壁面包括从第一斜线段的端部朝向活塞的中心方向依次连接的第一弧线段、第二弧线段以及第三弧线段构成，依次连接的第一弧线段、第二弧线段以及第三弧线段在燃烧室的周向上形成环形的弧形面，并且由于第二弧线段的曲率半径远大于第三弧线段的曲率半径，使得
通过下卷流引导壁面的环形的弧形面扩大燃油喷雾在燃烧室内的扩散面积，并在第三弧线段形成的弧形面处进行卷流；通过上述上卷流引导壁面和下卷流引导壁面的结构设计，使得超临界燃油喷嘴喷射的超临界态燃油喷雾能够在燃烧室内进行上、下分层，并形成上层卷流和下层卷流，使燃油喷雾不仅能够在燃烧室径向空间内进行扩散混合，还能在燃烧室内的竖直空间上进行扩散混合，使燃油喷雾能够充分扩散到燃烧室的各个角落，实现在燃烧室全空间内的油气混合，使燃烧室内的空气利用率达到最大化。
附图说明
26.图1为本发明疏导型超临界燃烧系统的燃烧室的半剖结构示意图。
27.其中，1-疏导型燃烧室，2-活塞，3-缸盖，4-气缸壁，5-尖端，6-直线段，7-第一斜线段，8-喷射轴线，9-凹形弧线，10-第二斜线段，11-第一弧线段，12-第二弧线段，13-第三弧线段，14-超临界态燃油喷雾
具体实施方式
28.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
29.现有技术中高强化柴油机存在燃烧室全空间空气利用不足、油气混合恶化、后燃加剧的问题，制约了重型柴油机进一步强化。
30.本发明实施例提供了一种柴油机用疏导型超临界燃烧系统，该燃烧系统包括疏导型燃烧室1和超临界燃油喷嘴(图中未示出)；
31.如图1结构所示，疏导型燃烧室1由活塞2、缸盖3和气缸壁4围成的空间构成；
32.如图1结构所示，活塞2的顶面设置有环形疏导弧脊、形成于环形疏导弧脊外侧的上卷流引导壁面、以及形成于环形疏导弧脊内侧的下卷流引导壁面；
33.超临界燃油喷嘴设置于疏导型燃烧室1内，如图1结构所示，超临界燃油喷嘴的喷射轴线8与环形疏导弧脊相对设置，用于向疏导型燃烧室1喷射超临界态燃油喷雾14。
34.上述疏导型超临界燃烧系统在活塞2的顶面设置有环形疏导弧脊、形成于环形疏导弧脊外侧的上卷流引导壁面、以及形成于环形疏导弧脊内侧的下卷流引导壁面；超临界燃油喷嘴的喷射轴线8与环形疏导弧脊相对设置，用于向疏导型燃烧室1喷射超临界态燃油喷雾14；上述疏导型超临界燃烧系统运用超临界燃油喷嘴喷射超临界态燃油喷雾14，利用超临界态燃油喷雾14的湍流主导扩散混合机制，其油气混合速度比传统蒸发速度更快；由于超临界燃油喷嘴的喷射轴线8与环形疏导弧脊相对设置，使得超临界燃油喷嘴喷射的超临界态燃油喷雾14与环形疏导弧脊碰撞，引导超临界态燃油喷雾14产生两股油束，通过上卷流引导壁面和下卷流引导壁面疏导两股油束形成两束超临界态燃油卷流，扩大了燃油喷雾与空气接触的面积，使两束超临界态燃油卷流能够与燃烧室全空间内的空气进行混合，使得燃烧室内的油气混合气浓度更均匀，提高燃烧室全空间空气利用率，加速其油气混合速度，改善油气混合质量，加快燃烧速度，有效改善高强化柴油机的燃烧性能。
35.一种具体的实施方式中，在疏导型燃烧室1的截面中，环形疏导弧脊包括由圆弧段形成的尖端5、连接于尖端5与上卷流引导壁面之间且沿水平方向延伸的直线段6、以及连接于尖端5与下卷流引导壁面之间且朝向尖端5外侧斜下方延伸的第一斜线段7；圆弧段的曲率直径r1可以为0.75mm；第一斜线段7与喷射轴线8之间形成30
°
～60
°
的夹角θ，夹角θ优选
45
°
。
36.上述疏导型超临界燃烧系统的环形疏导弧脊包括由圆弧段形成的尖端5、连接于尖端5与上卷流引导壁面之间且沿水平方向延伸的直线段6、以及连接于尖端5与下卷流引导壁面之间且朝向尖端5外侧斜下方延伸的第一斜线段7；形成尖端5的圆弧段在燃烧室内形成周向的圆弧面，直线段6在燃烧室内周向上形成环形平面，第一斜线段7在燃烧室内周向上形成圆锥面，从而形成于燃烧室内的圆弧面、环形平面以及圆锥面能够在超临界态燃油喷雾14与圆弧面碰撞后主动引导超临界态燃油向燃烧室的径向和周向方向上输运，避免燃油喷雾在环形疏导弧脊处形成燃油卷流，从而进一步提高燃油喷雾在燃烧室内的扩散面积。
37.更进一步地，上卷流引导壁面包括与直线段6的外端部连接的凹形弧线9、以及与凹形弧线9连接且位于直线段6外侧斜上方的第二斜线段10；凹形弧线9的曲率半径r2可以为3.5mm；
38.下卷流引导壁面包括从第一斜线段7的端部朝向活塞2的中心方向依次连接的第一弧线段11、第二弧线段12以及第三弧线段13构成；第一弧线段11的曲率半径介于第二弧线段12的曲率半径与第三弧线段13的曲率半径之间；第二弧线段12的曲率半径远大于第三弧线段13的曲率半径。第一弧线段11的曲率半径r3可以为4mm；第二弧线段12的曲率半径r4可以为20mm；第三弧线段13的曲率半径r5可以为1mm。
39.由于上卷流引导壁面包括与直线段6的外端部连接的凹形弧线9、以及与凹形弧线9连接且位于直线段6外侧斜上方的第二斜线段10，凹形弧线9在燃烧室内的周向上形成弧形面，第二斜线段10在燃烧室内的周向上形成圆锥面，通过上卷流引导壁面的弧形面和圆锥面扩大燃油喷雾在燃烧室内的扩散面积，并使燃油喷雾在圆锥面处形成卷流；下卷流引导壁面包括从第一斜线段7的端部朝向活塞2的中心方向依次连接的第一弧线段11、第二弧线段12以及第三弧线段13构成，依次连接的第一弧线段11、第二弧线段12以及第三弧线段13在燃烧室的周向上形成环形的弧形面，并且由于第二弧线段12的曲率半径远大于第三弧线段13的曲率半径，使得通过下卷流引导壁面的环形的弧形面扩大燃油喷雾在燃烧室内的扩散面积，并在第三弧线段13形成的弧形面处进行卷流；通过上述上卷流引导壁面和下卷流引导壁面的结构设计，使得超临界燃油喷嘴喷射的超临界态燃油喷雾14能够在燃烧室内进行上、下分层，并形成上层卷流和下层卷流，使燃油喷雾不仅能够在燃烧室径向空间内进行扩散混合，还能在燃烧室内的竖直空间上进行扩散混合，使燃油喷雾能够充分扩散到燃烧室的各个角落，实现在燃烧室全空间内的油气混合，使燃烧室内的空气利用率达到最大化。
40.具体实施例：
41.由于柴油组分复杂，临界属性变化范围较大，参照正庚烷的临界压力2.74mpa和临界温度540.2k进行说明，将喷油温度提高至550k，喷油压力提高至100mpa，从而实现正庚烷从超临界燃油喷嘴喷出前变为超临界态，高喷油压力确保超临界正庚烷喷雾的贯穿距恰当，能与环形疏导弧脊造型的凹形弧线9合理的撞击。如图1所示，环形疏导弧脊的圆弧段，曲率半径r1为0.75mm，环形疏导弧脊的第一斜线段7与喷雾轴线成夹角θ，角度为45
°
，确保油束下部分顺壁面向下流动。上卷流引导壁面的凹形弧线9的曲率半径r2为3.5mm，油束上部分在此引导壁面下形成一束超临界油束卷流。下卷流引导壁面由三段弧线构成，第一弧
线段11的曲率半径r3为4mm，第二弧线段12的曲率半径r4为20mm，第三弧线段13的曲率半径r5为1mm。油束下部分在第一弧线段11和第二弧线段12的疏导下，流经下部燃烧室更大的空间，并在第三弧线段13处形成另一束超临界油束卷流，从而提高燃烧室内全空间空气利用率，加速超临界态正庚烷与空气的混合，提升后续燃烧速度，有效改善高强化柴油机的燃烧性能。
42.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。