一种燃烧室以及气体发动机的制作方法

1.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：

2.天然气发动机多为预混燃烧模式，性能会受爆震限制。天然气燃烧速度慢，燃烧等容度差，因此排温高、热效率低。天然气的自燃温度远高于汽油，在国六egr（exhaust gas recirculation，废气再循环）技术路线下，燃烧稳定性差，循环变动大。
3.采用预燃室点火技术方案，通过火花塞电极在预燃室内预先点火，混合气在预燃室内形成爆燃，爆燃火焰通过连接预燃室与主燃室的小孔形成高压射流贯穿到主燃室内，火焰射流再引燃主燃室内的混合气。相对于常规设置，火花塞点火燃烧可以加速燃烧，改善燃烧稳定性同时提高热效率降低排温。
4.被动式预燃室点火技术，面临的一个核心问题就是预燃室内的换气。被动式预燃室内的可燃混合气是活塞上行时通过连接预燃室与主燃室的小孔压入的，因此主燃室与预燃室的匹配会影响预燃室内可燃混合气的浓度。由于天然气着火界限较窄，因此预燃室内换气会影响燃烧稳定性和发动机性能。
5.现有的气体发动机的活塞一般在柴油机活塞基础上改造，燃烧室多采用浅盆形结构，如图1所示。由于存在大尺度涡流，可以近似为刚体圆周运动，确保缸内湍动能维持在较高水平，但是大尺度流动会影响火焰发展形态，循环变动高。得益于挤流运动，火焰横向传播速度较快，但是燃烧室内纵向速度偏低，火焰纵向传播速度慢。图1中燃烧室凹坑01中位于火花塞03下方的矩形框区域为低速区02。另外，活塞顶上沿区域冷却差，是爆震风险高的区域。在高速高负荷区域，挤流有可能会吹灭火核，对点火稳定性造成不利影响。


技术实现要素：

6.本发明的第一个目的在于提供一种燃烧室，以使其用于由柴油机改造成的气体发动机时能够适应预混燃烧模式，提高燃烧室内的火焰传播速度，降低爆震风险，提高点火稳定性。
7.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。
8.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种燃烧室，用于由柴油机改造成的气体发动机，包括：主燃室，所述主燃室由活塞以及气缸盖围成，所述活塞顶部设置燃烧室凹坑，所述燃烧室凹坑的底部设置敞口凹槽；预燃室，所述预燃室设置于所述气缸盖并伸入所述主燃室内，所述预燃室包括设置于所述预燃室底部的中心喷孔以及设置于所述预燃室周向侧壁的周向喷孔，所述预燃室能够通过所述中心喷孔以及各所述周向喷孔与所述主燃室流体连通，所述敞口凹槽与所述中心喷孔相对设置。
9.可选地，所述燃烧室凹坑的表面为圆滑曲面，和/或，所述敞口凹槽的表面为圆滑
曲面。
10.可选地，所述燃烧室凹坑的表面为球面或椭球面，所述敞口凹槽的表面为球面或椭球面。
11.可选地，所述燃烧室凹坑的表面为球面，所述燃烧室凹坑的半径r1与所述活塞的直径d满足：r1=（0.15~0.2）
×
d。
12.可选地，所述敞口凹槽的表面为球面，所述敞口凹槽的半径r2与所述活塞的直径d满足：r2=（0.15~0.2）
×
d。
13.可选地，所述燃烧室凹坑的表面与所述敞口凹槽的表面圆滑过渡连接，所述燃烧室凹坑的表面与所述活塞的顶面圆滑过渡连接。
14.可选地，所述燃烧室凹坑为关于所述活塞的纵向对称面对称的对称结构，和/或，所述敞口凹槽为关于所述活塞的纵向对称面对称的对称结构。
15.可选地，所述燃烧室凹坑以及所述敞口凹槽与所述活塞的纵向对称面的交线包括依次平滑连接的第一过渡型线、第一凹坑壁面型线、第二过渡型线、凹槽型线、第三过渡型线、第二凹坑壁面型线以及第四过渡型线，所述第一过渡型线、所述第一凹坑壁面型线、所述第二过渡型线、所述凹槽型线、所述第三过渡型线、所述第二凹坑壁面型线以及所述第四过渡型线均为圆弧线段。
16.可选地，所述第一凹坑壁面型线以及所述第二凹坑壁面型线对称设置。
17.可选地，所述第一凹坑壁面型线以及所述第二凹坑壁面型线的圆心不重合。
18.可选地，所述周向喷孔的射流出口沿所述周向喷孔的轴线方向至所述燃烧室凹坑的表面的距离小于所述中心喷孔的射流出口沿所述中心喷孔的轴线方向至所述敞口凹槽的表面的距离。
19.可选地，所述活塞顶面至所述燃烧室凹坑的底部的直线距离h1与所述活塞的直径d满足：h1=（0.15~0.25）
×
d。
20.可选地，所述活塞顶面至所述敞口凹槽的底部的直线距离h2与所述活塞的直径d满足：h2=（0.2~0.3）
×
d。
21.一种气体发动机，所述气体发动机包括如上任意一项所述的燃烧室。
22.由以上技术方案可以看出，本发明中公开了一种燃烧室，该燃烧室用于由柴油机改造成的气体发动机，该燃烧室包括主燃室以及预燃室，其中，主燃室由活塞以及气缸盖围成，活塞顶部设置燃烧室凹坑，燃烧室凹坑的底部设置敞口凹槽；预燃室设置于气缸盖并伸入主燃室内，预燃室包括设置于预燃室底部的中心喷孔以及设置于预燃室周向侧壁的周向喷孔，预燃室能够通过中心喷孔以及各周向喷孔与主燃室流体连通，敞口凹槽与中心喷孔相对设置。
23.上述燃烧室在保证原气体发动机改动不大的情况下，采用弱滚流气道方案，预燃室与主燃室连接通道设计有中心喷孔，匹配在活塞顶部燃烧室凹坑的底部设置敞口凹槽，并且该敞口凹槽与预燃室的中心喷孔相对设置，在应用过程中，活塞上行过程中起到压缩的作用，将主燃室内的燃气混合物经中心喷孔以及各周向喷孔挤入预燃室，直至活塞达到上止点位置，火花塞在预燃室内进行点火，燃气混合物点燃形成的火焰经中心喷孔以及各周向喷孔进入主燃室，相同时刻下从中心喷孔喷射出的火焰贯穿长度要大于周向喷孔，上述燃烧室凹坑与敞口凹槽组合式活塞在相同压缩比下，可以增大燃烧室高度，从而提高活
塞底部的燃气利用率，同时由于燃烧室高度增加，火焰不会直接喷射到燃烧室凹坑底部，从而降低了燃烧室底部的热负荷，上述燃烧室面容比小于传统直口型活塞燃烧室，火焰传播距离短，可以减少爆震倾向，提高点火稳定性，同时相对散热面积小，热损失小，有助于提高热效率。
24.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
25.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。
26.图1为现有技术中的直口盆形燃烧室的结构示意图；图2为本发明实施例提供的燃烧室的活塞的半剖结构示意图；图3为本发明实施例提供的燃烧室的剖视图。
27.图1中：01为燃烧室凹坑；02为火焰传播低速区；03为火花塞；图2和图3中：1为活塞；2为燃烧室凹坑；201为第一过渡型线；202为第一凹坑壁面型线；203为第二过渡型线；204为第三过渡型线；205为第二凹坑壁面型线；206为第四过渡型线；3为敞口凹槽；301为凹槽型线；4为预燃室；401为周向喷孔；402为中心喷孔。
具体实施方式
28.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用于由柴油机改造成的气体发动机时能够适应预混燃烧模式，提高燃烧室内的火焰传播速度，降低爆震风险，提高点火稳定性。
29.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。
30.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。
31.请参阅图2和图3，图2为本发明实施例提供的燃烧室的活塞的半剖结构示意图；图3为本发明实施例提供的燃烧室的剖视图。
32.本发明实施例中公开了一种燃烧室，该燃烧室用于由柴油机改造成的气体发动机，该燃烧室包括主燃室以及预燃室4。
33.其中，主燃室由活塞1以及气缸盖围成，活塞1顶部设置燃烧室凹坑2，燃烧室凹坑2的底部设置敞口凹槽3；预燃室4设置于气缸盖并伸入主燃室内，预燃室4包括设置于预燃室
4底部的中心喷孔402以及设置于预燃室4周向侧壁的周向喷孔401，中心喷孔402竖直向下设置，中心喷孔402的轴线与预燃室4的轴线共线，周向喷孔401倾斜向下设置，周向喷孔401沿预燃室4的周向设置有多个，且各周向喷孔401可以绕预燃室4的周向均匀布置，也可以不均匀布置，围绕预燃室4的周向分布的一圈周向喷孔401一般为3~6个，当然根据需要也可以设置更多，周向喷孔401朝向燃烧室凹坑2的表面，上述中心喷孔402的孔径可以与周向喷孔401的孔径相同或不同，当然各个周向喷孔401的孔径也可以相同或不同，各个周向喷孔401的轴线与预燃室4的轴线的夹角也可以相同或不同，预燃室4能够通过中心喷孔402以及各周向喷孔401与主燃室流体连通，敞口凹槽3与中心喷孔402相对设置。
34.可以看出，与现有技术相比，本发明实施例提供的燃烧室在保证原气体发动机改动不大的情况下，采用弱滚流气道方案，预燃室4与主燃室连接通道设计有中心喷孔402，匹配在活塞1顶部燃烧室凹坑2的底部设置敞口凹槽3，并且该敞口凹槽3与预燃室4的中心喷孔402相对设置。在应用过程中，活塞1上行过程中起到压缩的作用，将主燃室内的燃气混合物经中心喷孔402以及各周向喷孔401挤入预燃室4，直至活塞1达到上止点位置。火花塞在预燃室4内进行点火，燃气混合物点燃形成的火焰经中心喷孔402以及各周向喷孔401进入主燃室，相同时刻下从中心喷孔402喷射出的火焰贯穿长度要大于周向喷孔401，上述燃烧室凹坑2与敞口凹槽3组合式活塞1在相同压缩比下，可以增大燃烧室高度，从而提高活塞1底部的燃气利用率，同时由于燃烧室高度增加，火焰不会直接喷射到燃烧室凹坑2底部，从而降低燃烧室底部的热负荷，上述燃烧室面容比小于传统直口型活塞1燃烧室，火焰传播距离短，可以减少爆震倾向，提高点火稳定性，同时相对散热面积小，热损失小，有助于提高热效率。
35.作为优选地，在本发明实施例中，燃烧室凹坑2的表面为圆滑曲面，和/或，敞口凹槽3的表面为圆滑曲面，利用燃烧室凹坑2的圆滑曲面结构，可以进一步引导气流在燃烧室内形成翻滚的气流运动，从而随着活塞1上行加强进入预燃室4内的可燃混合气的流速，增强预燃室4内的扫气，上述圆滑曲面可以由不同曲率的多段曲面圆滑连接构成，也可以采用曲率一致的完整曲面。
36.进一步优化上述技术方案，上述燃烧室凹坑2的表面为球面或椭球面，敞口凹槽3的表面为球面或椭球面，或者燃烧室凹坑2以及敞口凹槽3的表面为多个曲面的组合，即燃烧室凹坑2的表面可以由多个圆弧面相接构成，相似地，敞口凹槽3的表面也可以由多个圆弧面相接构成。
37.具体地，如图3所示，在本发明实施例中，燃烧室凹坑2的表面为球面，敞口凹槽3的表面为球面，燃烧室凹坑2的半径r1为活塞1的直径d的0.15倍~0.2倍，即r1=（0.15~0.2）
×
d，敞口凹槽3的半径r2为活塞1的直径d的0.15倍~0.2倍，即r2=（0.15~0.2）
×
d。
38.作为优选地，如图2所示，燃烧室凹坑2的表面与活塞1的顶面通过第一圆弧过渡面圆滑过渡连接，上述燃烧室凹坑2的表面与敞口凹槽3的表面通过第二圆弧过渡面圆滑过渡连接。
39.如图3所示，燃烧室凹坑2以及敞口凹槽3可以采用对称结构，也可以采用非对称结构，在本发明实施例中，燃烧室凹坑2为关于活塞1的纵向对称面对称的对称结构，和/或，敞口凹槽3为关于活塞1的纵向对称面对称的对称结构。
40.除此之外，燃烧室凹坑2和/或敞口凹槽3也可以采用非对称结构，即可以在燃烧室
的排气侧以及进气侧采用不同的形状。
41.如图2所示，在本发明实施例中，燃烧室凹坑2以及敞口凹槽3与活塞1的纵向对称面的交线包括依次平滑连接的第一过渡型线201（上述第一圆弧过渡面与活塞1的纵向对称面的交线）、第一凹坑壁面型线202（燃烧室凹坑2的表面与活塞1的纵向对称面的交线）、第二过渡型线203（第二圆弧过渡面与活塞1的纵向对称面的交线）、凹槽型线301（敞口凹槽3的表面与活塞1的纵向对称面的交线）、第三过渡型线204（第二圆弧过渡面与活塞1的纵向对称面的交线）、第二凹坑壁面型线205（燃烧室凹坑的表面与活塞1的纵向对称面的交线）以及第四过渡型线206（第一圆弧过渡面与活塞1的纵向对称面的交线），第一过渡型线201、第一凹坑壁面型线202、第二过渡型线203、凹槽型线301、第三过渡型线204、第二凹坑壁面型线205以及第四过渡型线206均为圆弧线段。
42.作为优选地，如图2所示，上述第一凹坑壁面型线202以及第二凹坑壁面型线205对称设置，第一凹坑壁面型线202以及第二凹坑壁面型线205的圆心可以重合或不重合，当燃烧室凹坑2的表面为一个完整的曲面时，第一凹坑壁面型线202以及第二凹坑壁面型线205的圆心重合。当燃烧室凹坑2的表面由多个曲面拼接而成时，第一凹坑壁面型线202以及第二凹坑壁面型线205的圆心也就不重合。
43.作为优选地，上述周向喷孔401的射流出口沿周向喷孔401的轴线方向至燃烧室凹坑2的表面的距离小于中心喷孔402的射流出口沿中心喷孔402的轴线方向至敞口凹槽3的表面的距离。
44.进一步优化上述技术方案，在本发明实施例中，周向喷孔401绕预燃室4的周向均匀间隔布置，比如可以在进气侧设置三个，同时在排气侧设置三个，各周向喷孔401之间的距离相等，当然，需要说明的是，在其他实施例中，周向喷孔401也可以绕预燃室4的周向不均匀分布，即可以使进气侧的周向喷孔401的数量大于排气侧的周向喷孔401的数量，以保证预燃室4内的进气量。在排气侧减少喷孔数量，可降低滚流对单侧扫气的影响。
45.作为优选地，进气侧的周向喷孔401的轴线与中心喷孔402的轴线的夹角，和排气侧的周向喷孔401的轴线与中心喷孔402的轴线的夹角可以相等也可以不等。在本发明实施例中，如图3所示，各个周向喷孔401的轴线与中心喷孔402的轴线的夹角均相同，而在其他实施例中，也可以使进气侧的周向喷孔401的轴线与中心喷孔402的轴线的夹角小于排气侧的周向喷孔401的轴线与中心喷孔402的轴线的夹角。
46.进一步优化上述技术方案，如图3所示，活塞顶面至燃烧室凹坑2的底部的直线距离h1为活塞1的直径d的0.15倍~0.25倍，燃烧室凹坑2的底部指燃烧室凹坑2与敞口凹槽3的开口连接处，即h1=（0.15~0.25）
×
d，活塞顶面至敞口凹槽3的底部的直线距离h2为活塞的直径d的0.2倍~0.3倍，即h2=（0.2~0.3）
×
d，也即敞口凹槽3的深度为活塞1的直径d的0.05倍。
47.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，因此该发动机的技术效果请参考上述实施例。
48.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。
49.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。
50.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。
51.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。
52.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。
53.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。
54.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。
55.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。