一种燃烧室及气体发动机

技术领域

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

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。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。

现有的气体机气缸盖一般直接采用柴油机气缸盖，气缸盖底面是平的，即，采用平顶型燃烧室结构，不利于缸内气流形成滚流。另外，现有的气体机活塞一般是在柴油机活塞基础上改造而成，活塞的燃烧室凹坑01多采用直口型结构，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，限制火焰传播速度及整机热效率的提升。

因此，如何优化气体机的燃烧室结构以提升发动机热效率，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

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，有利于在气缸内组织形成滚流，并提高湍动能，从而有利于提高火焰传播速度，提升发动机的热效率。

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进气道组合使用，所述燃烧室包括气缸盖底面以及位于活塞的顶部的燃烧室凹坑，所述燃烧室凹坑的表面为回转形的圆滑曲面，所述气缸盖底面包括位于所述燃烧室凹坑的上方的回转形的弧形缸盖凹坑，所述燃烧室凹坑的中心线相对所述弧形缸盖凹坑的中心线更靠近排气门。

优选地，所述弧形缸盖凹坑的表面和所述燃烧室凹坑的表面均为球弧面，且所述弧形缸盖凹坑的曲率半径大于所述燃烧室凹坑的曲率半径。

优选地，所述弧形缸盖凹坑的凹陷最深处为0～4mm，所述燃烧室凹坑的深度为所述活塞直径的0.2倍～0.5倍。

优选地，所述燃烧室凹坑的曲率半径为活塞直径的0.2倍～0.3倍。

优选地，所述燃烧室凹坑的上边缘的直径为所述活塞直径的0.5倍～0.75倍。

优选地，所述弧形缸盖凹坑的下边缘的直径大于等于所述燃烧室凹坑的上边缘的直径。

优选地，所述弧形缸盖凹坑的中心线与活塞中心线重合，所述燃烧室凹坑的中心线与所述活塞中心线平行布置。

优选地，所述燃烧室凹坑与所述弧形缸盖凹坑的中心连线方向与进排气门中心连线方向平行。

优选地，所述燃烧室凹坑的中心线与所述弧形缸盖凹坑的中心线的距离为0～4mm。

本发明提供的燃烧室，用于由柴油机改造成的气体发动机，所述燃烧室与弱滚流进气道组合使用，所述燃烧室包括气缸盖底面以及位于活塞的顶部的燃烧室凹坑，所述燃烧室凹坑的表面为回转形的圆滑曲面，所述气缸盖底面包括位于所述燃烧室凹坑的上方的回转形的弧形缸盖凹坑，所述燃烧室凹坑的中心线相对所述弧形缸盖凹坑的中心线更靠近排气门。

本发明的工作原理如下：

本发明在气缸盖底面设计有弧形缸盖凹坑，并且，将燃烧室凹坑设计为回转形的圆滑曲面凹坑，从而使得燃烧室具有较好的流线型曲面结构，有利于滚流的形成，同时，本发明将燃烧室凹坑与弧形缸盖凹坑采用非对称设计，在活塞到达上止点附近时，使得燃烧室凹坑内的滚流气流能够直接进入到弧形缸盖凹坑中，弧形缸盖凹坑内的滚流气流也能够直接进入到活塞凹坑中，从而能够减小滚流过程中的能量损失，滚流在压缩冲程的末期能够破碎成更多的小尺度湍流，进而增强燃烧室内的湍动能，提高火焰传播速度，提升发动机的热效率。

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

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。

图1为现有技术中的直口型活塞的结构示意图；

图2为本发明具体实施例中的燃烧室的剖视图；

图3为本发明具体实施例中的弧形缸盖凹坑与燃烧室凹坑的尺寸关系图；

图4为本发明具体实施例中的截面位置示意图；

图5为现有技术中的平顶型缸盖配合直口型活塞运行至上止点时的气流示意图；

图6为本发明具体实施例中的燃烧室在活塞运行至上止点时的气流示意图；

图7为现有技术与本发明的滚流比变化对比曲线图；

图8为现有技术与本发明的瞬时放热率变化对比曲线图。

图1至图8中的各项附图标记的含义如下：

01-燃烧室凹坑；

1-活塞、2-燃烧室凹坑、3-气缸盖、4-弧形缸盖凹坑、5-燃烧室凹坑中心线、6-弧形缸盖凹坑中心线、7-气缸盖底面、8-进气门、9-排气门、10-直口型活塞、11-平顶型气缸盖。

具体实施方式

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。

请参照图2至图8，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，该燃烧室与弱滚流进气道组合使用，可进一步提高气缸内的滚流强度，其中，弱滚流进气道请参照发明专利(“一种弱滚流快速燃烧系统与一种燃气发动机”，公开号为CN111287860A)中所述的进气道，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。该燃烧室对应的气缸盖结构由平顶型的柴油机气缸盖改造而成，其形成的燃烧室顶面(即气缸盖底面7)不再是平面结构，而是在缸盖底平面设计有具有一定弧度的弧形凹坑结构。具体的，该燃烧室包括气缸盖3的底面以及位于活塞1的顶部的燃烧室凹坑2，燃烧室凹坑2的表面为回转形的圆滑曲面，气缸盖底面7包括位于燃烧室凹坑2的上方的回转形的弧形缸盖凹坑4，燃烧室凹坑2的中心线(如图2中所示燃烧室凹坑中心线5)相对弧形缸盖凹坑4的中心线(如图2中所示弧形缸盖凹坑中心线6)更靠近排气门。其中，燃烧室凹坑2的底部也为圆滑曲面，从而可以使进入燃烧室凹坑2的气流平滑地流过凹坑侧壁以及凹坑底部表面。弧形缸盖凹坑4可以为铸造成型，也可以在平顶型气缸盖的底面通过机加工的方式加工出弧形缸盖凹坑4，等等。

本发明的工作原理如下：

进气时，大部分进气气流冲向排气门下方区域，从而由排气门侧的凹坑侧壁流入到燃烧室凹坑2内，然后，气流沿着燃烧室凹坑2的圆滑表面进一步流动，由于本发明在气缸盖底面7设计有弧形缸盖凹坑4，并且，将燃烧室凹坑2设计为回转形的圆滑曲面凹坑，从而使得燃烧室具有较好的流线型曲面结构，因此，有利于滚流的形成以及滚流强度的增强。同时，本发明将燃烧室凹坑2与弧形缸盖凹坑4采用非对称设计，在活塞1到达上止点附近时，使得燃烧室凹坑2内的滚流气流能够直接进入到弧形缸盖凹坑4中，弧形缸盖凹坑4内的滚流气流也能够直接进入到活塞1的燃烧室凹坑2中，从而能够减小滚流过程中的能量损失，滚流在压缩冲程的末期能够破碎成更多的小尺度湍流，进而增强燃烧室内的湍动能，提高火焰传播速度，提升发动机的热效率。

需要说明的是，燃烧室凹坑2的表面具体可以为球弧面或椭球弧面等圆滑曲面，弧形缸盖凹坑4的表面也可以为球弧面或椭球弧面等圆滑曲面，总之，本发明中的燃烧室凹坑2的表面以及弧形缸盖凹坑4的表面均为回转形的曲面，且在缸内滚流流动方向上呈圆滑过渡的曲面结构。在一种优选实施例方案中，弧形缸盖凹坑4的表面和燃烧室凹坑2的表面均为球弧面，且弧形缸盖凹坑4的曲率半径大于燃烧室凹坑2的曲率半径，具体的，如图2所示，经过燃烧室凹坑中心线5的并且与进排气门中心连线方向平行的平面为燃烧室纵向对称面，弧形缸盖凹坑4与燃烧室纵向对称面的交线为弧形缸盖凹坑型线，燃烧室凹坑2与燃烧室纵向对称面的交线为燃烧室凹坑型线，弧形缸盖凹坑型线和燃烧室凹坑型线均为圆弧线，且燃烧室凹坑型线的半径明显小于弧形缸盖凹坑型线的半径，燃烧室凹坑2的整体则形成了一个类似于半球形的凹坑结构。

优选地，弧形缸盖凹坑4的凹陷最深处(如图3中所示的深度H1)为0～4mm，燃烧室凹坑2的深度H2为活塞直径D1的0.2倍～0.5倍，即，H2＝(0.2～0.5)D1。

优选地，如图3所示，燃烧室凹坑2的曲率半径R1为活塞直径D1的0.2倍～0.3倍，即，R1＝(0.2～0.3)D1。由于燃烧室凹坑2和弧形缸盖凹坑4均为回转形的曲面结构，因此，燃烧室凹坑2的上边缘则形成一个圆形边缘，进一步优选地，燃烧室凹坑2的上边缘的直径D2为活塞直径D1的0.5倍～0.75倍，即，D2＝(0.5～0.75)D1。如此设置，可以保证活塞1满足压缩比要求，同时使燃烧室凹坑2具有足够的组织滚流的空间。

在一种优选实施例方案中，弧形缸盖凹坑4的下边缘的直径大于等于燃烧室凹坑2的上边缘的直径，如此设置，进气道进入气缸内的气体能够先沿着弧形缸盖凹坑4的表面流动到排气门侧的燃烧室凹坑2的上边缘，然后再沿燃烧室凹坑2的壁面向下以及向进气门方向流动，由燃烧室凹坑2的底部向上流出的气流还可以顺利进入到上方的弧形缸盖凹坑4内，从而加强滚流强度。

需要说明的是，弧形缸盖凹坑中心线6可以设计为与活塞中心线重合、或交叉、或平行等，燃烧室凹坑中心线5也可以设计为与活塞中心线重合、或交叉、或平行等，在一种优选实施例方案中，为了便于加工气缸盖3和活塞1，本方案中的弧形缸盖凹坑中心线6与活塞中心线重合布置，燃烧室凹坑中心线5与活塞中心线平行布置。

需要说明的是，燃烧室凹坑中心线5相对弧形缸盖凹坑中心线6更靠近排气门一侧，因此，燃烧室凹坑2的边缘位置比弧形缸盖凹坑4的边缘位置更靠近排气门一侧，其中，优选地，燃烧室凹坑2与弧形缸盖凹坑4的中心连线方向与进排气门中心连线方向平行，如此设置，可以使燃烧室凹坑2的引导气流方向与进气方向的滚动方向一致，从而有利于进一步提高缸内的滚流强度。

进一步优选地，燃烧室凹坑中心线5与弧形缸盖凹坑中心线6的距离Δd为0～4mm，如图3所示。

优选地，燃烧室凹坑2的上边缘与活塞上顶面的相接处为过渡圆角。如此设计，可以进一步减小气流在弧形缸盖凹坑4与燃烧室凹坑2之间流动时的阻力，保持较高的能量。

下面请结合图4至图6，详细介绍一下本发明的进气过程和压缩过程：

图5至图6示出了燃烧室的剖面图，其截面位置为如图4所示的A-A截面，可见，其应用的发动机气缸对应设置有两个进气门8和两个排气门9，图4中的两个空心箭头分别代表总进气方向和总排气方向。如图5所示，在进气过程中，现有技术中的直口型活塞10沿着图5中的空心箭头方向向上运行，当直口型活塞10到达上止点附近时，由于其燃烧室对应的气缸盖为平顶型气缸盖11，且配合直口型活塞10，使得燃烧室被压缩成一个类似于圆柱形的空间，该空间不利于滚流的形成，导致滚流强度较低。同时，由于进排气两侧的挤流强度一致，使得燃烧室中心的火花塞区域的气流湍动能较低，这不利于火焰的快速传播。

如图6所示，本方案将气缸盖底面7的局部设计为弧形凹坑结构，并配合球弧面的燃烧室凹坑2，使得燃烧室具有较好的流线型曲面结构，因此，当活塞1运行到上止点附近时，有利于滚流的形成以及滚流强度的增强。另外，由于弧形缸盖凹坑4与燃烧室凹坑2采用非对称设计，使得燃烧室凹坑2内的滚流气流能够直接进入到弧形缸盖凹坑4内，弧形缸盖凹坑4内的滚流气流也能够直接进入到燃烧室凹坑2内，从而能够减小滚流过程中的能量损失，滚流在压缩冲程的末期能够破碎成更多的小尺度湍流，进而增强燃烧室内的湍动能，提高火焰传播速度，提升发动机的热效率。

请参照图7和图8，图7为现有技术与本发明的滚流比变化对比曲线图；

图8为现有技术与本发明的瞬时放热率变化对比曲线图。

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(直口型活塞加平顶型气缸盖结构方案)与本方案(半球形凹坑加弧形凹坑气缸盖结构方案)的滚流比和瞬时放热率，对比结果如图7和图8所示，根据仿真结果，在点火时刻(曲轴转角-21°)，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在压缩末期破碎成小尺度湍流，能够有效增强缸内湍动能，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，从而提高气体机的热效率。具体的，如图7所示，与原方案相比，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，与原方案对应的滚流比趋于一致。如图8所示，原方案在低负荷工况下的排温过低，因此，导致后处理转化效率过低；与原方案相比，本方案前期燃烧速度明显提升而后期燃烧较慢，对于维持低负荷排气温度有利，同时，NOx生成量也会降低。

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。本发明设计的弧形凹坑气缸盖搭配半球形活塞凹坑的燃烧室结构，核心思想有三个：1)在弱滚流气道保持不变的情况下，本方案增强缸内滚流强度来加速燃烧，具体而言，气缸盖3的底面由原来的平面结构变为弧形浅凹坑结构，有利于缸内气流滚流的形成，增大活塞运行至上止点附近时的湍动能；2)活塞凹坑由传统的直口型变为圆滑曲面，优选设计为半球型凹坑结构，有利于在进气及压缩过程中组织进入到凹坑内的气流形成滚流，进而加强滚流强度；3)本方案将弧形缸盖凹坑4与燃烧室凹坑2采用非对称设计，活塞1的燃烧室凹坑2向排气门一侧偏移一定距离，引导燃烧室凹坑2内的滚流气流进入到气缸盖3底部的弧形缸盖凹坑4内，同时，也能够使弧形缸盖凹坑4中的滚流气流进入到下方的活塞凹坑2内，进而增强整体的滚流强度。

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。

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发明。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发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明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。