一种活塞及气体发动机

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种活塞及气体发动机。

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，另外，活塞顶部02为水平的，当其配合滚流气道时，活塞顶部02与滚流气流碰撞时会大幅度降低滚流强度，进而降低上止点附近的湍动能，使火焰传播速度降低，限制整机热效率的提升。

因此，如何优化气体机的活塞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。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种活塞及气体发动机，本发明通过优化活塞结构，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：

一种活塞，用于由柴油机改造成的气体发动机，所述活塞与弱滚流气缸盖结构组合使用，所述活塞包括燃烧室凹坑以及环绕所述燃烧室凹坑的周向的活塞顶面，所述燃烧室凹坑的表面为圆滑曲面，所述活塞顶面在沿所述活塞的径向由外向内的延伸方向上逐渐向下倾斜。

优选地，所述燃烧室凹坑与经过活塞中心线的平面的交线为凹坑型线，所述活塞顶面与经过所述活塞中心线的平面的交线为顶面型线，所述顶面型线包括直线段和/或弧线段，所述凹坑型线为向下凸出弯曲的弧线段。

优选地，所述活塞的顶部外边缘所在的平面为活塞顶平面，所述顶面型线为相对所述活塞顶平面倾斜布置的直线段。

优选地，所述顶面型线与所述活塞顶平面的夹角小于等于20°。

优选地，所述凹坑型线为圆弧线。

优选地，所述凹坑型线的半径为活塞直径的0.2倍～0.3倍，和/或，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，和/或，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，所述顶面型线与所述凹坑型线的相接处为过渡圆角。

优选地，所述过渡圆角的半径为所述凹坑型线的半径的0.05倍～0.1倍。

优选地，所述燃烧室凹坑的中心线与活塞中心线重合。

本发明的工作原理如下：

在进气过程中，进气气流冲撞到排气门一侧的活塞顶面时，气流顺着活塞顶面的倾斜方向顺利地进入到燃烧室凹坑内，燃烧室凹坑的圆滑表面会进一步引导气流形成滚流，当气流由燃烧室凹坑流出到进气门一侧的活塞顶面时会顺着活塞顶面继续向上运动，不会形成局部小涡流，减小了滚流过程中的能量损失。在压缩过程中，由于活塞顶面对气流的挤压作用是向活塞中心靠近的，排气门侧的滚流会顺着倾斜的活塞顶面流动进入到燃烧室凹坑中，进气门侧的滚流受到活塞顶面向活塞中心的推动作用，使得压缩过程中滚流强度进一步增强。在活塞运行到上止点附近时，滚流破碎，湍动能得以大大提高，进而能够提高火焰传播速度，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活塞的气体发动机。该气体发动机产生的有益效果的推导过程与上述活塞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活塞的剖视图；

图3为本发明具体实施例中的活塞顶面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为现有技术中的直口型活塞的进气过程中的气流示意图；

图6为本发明具体实施例中的进气过程中的气流示意图；

图7为现有技术中的直口型活塞的压缩过程中的气流示意图；

图8为本发明具体实施例中的压缩过程中的气流示意图；

图9为现有技术与本发明的滚流比变化对比曲线图；

图10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10中的各项附图标记的含义如下：

01-燃烧室凹坑、02-活塞顶部；

1-活塞顶面、2-燃烧室凹坑、3-活塞中心线、4-活塞顶平面、5-过渡圆角、6-顶面型线、7-凹坑型线、8-进气门、9-排气门。

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10，本发明提供了一种活塞，用于由柴油机改造成的气体发动机，活塞与弱滚流气缸盖结构组合使用，可进一步提高气缸内的滚流强度，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。具体的，本方案提供的活塞包括燃烧室凹坑2以及环绕燃烧室凹坑2的周向的活塞顶面1，燃烧室凹坑2的表面为圆滑曲面，活塞顶面1在沿活塞的径向由外向内的延伸方向上逐渐向下倾斜，如图2所示。

本发明的工作原理如下：

在进气过程中，进气气流冲撞到排气门一侧的活塞顶面1时，气流顺着活塞顶面1的倾斜方向顺利地进入到燃烧室凹坑2内，燃烧室凹坑2的圆滑表面会进一步引导气流形成滚流，当气流由燃烧室凹坑2流出到进气门一侧的活塞顶面1时会顺着活塞顶面1继续向上运动，不会形成局部小涡流，减小了滚流过程中的能量损失。在压缩过程中，由于活塞顶面1对气流的挤压作用是向活塞中心靠近的，排气门侧的滚流会顺着倾斜的活塞顶面1流动进入到燃烧室凹坑2中，进气门侧的滚流受到活塞顶面1向活塞中心的推动作用，使得压缩过程中滚流强度进一步增强。在活塞运行到上止点附近时，滚流破碎，湍动能得以大大提高，进而能够提高火焰传播速度，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，活塞顶面1具体为回转形曲面，活塞顶面1由活塞的顶部外边缘向下向内延伸至燃烧室凹坑2的上边缘，其回转形曲面的母线可以为直线或曲线等。具体的，如图2所示，燃烧室凹坑2与经过活塞中心线3的平面的交线为凹坑型线7，活塞顶面1与经过活塞中心线3的平面的交线为顶面型线6，顶面型线6包括直线段和/或弧线段，凹坑型线7为向下凸出弯曲的弧线段。

优选地，活塞的顶部外边缘所在的平面为活塞顶平面4，顶面型线6为相对活塞顶平面4倾斜布置的直线段，如图2和图3所示，进一步地，顶面型线6与活塞顶平面4的夹角θ≤20°，如此设置，活塞顶面1则形成环绕燃烧室凹坑2周向布置的锥面结构，不仅更加易于加工，而且还能更容易地引导气缸内的气流形成滚流。

优选地，上述凹坑型线7为圆弧线，如图2和图3所示，如此设置，燃烧室凹坑2的表面则形成向下凹陷的球弧面结构，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，燃烧室凹坑2的上边缘则形成一个圆形边缘，气流在进入到燃烧室凹坑2内部以及从燃烧室凹坑2流出时可以沿着球弧面形成大尺度滚流运动，并且能够保持较高的能量。

优选地，如图3所示，凹坑型线7的半径R1为活塞直径D1的0.2～0.3倍，即，R1＝(0.2～0.3)D1；和/或，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；和/或，燃烧室凹坑2的深度H为活塞直径D1的0.2倍～0.5倍，即，H＝(0.2～0.5)D1。通过上述尺寸设置，可以保证该活塞在满足一定压缩比条件下，使活塞顶面1与燃烧室凹坑2达到更好的结构配合，从而使气流更易于在气缸内形成滚流。

优选地，顶面型线6与凹坑型线7的相接处为过渡圆角5，如图2所示。进一步优选地，该过渡圆角5的半径R2为凹坑型线的半径R1的0.05倍～0.1倍，即，R2＝(0.05～0.1)R1。如此设置，可以使气流由活塞顶面1过渡到燃烧室凹坑2内时以及由燃烧室凹坑2流出到活塞顶面1避免气流发生流动分离，从而保持气流能量。

优选地，燃烧室凹坑2的中心线与活塞中心线3重合。当然，本发明中还可以将燃烧室凹坑2的中心线设计为相对活塞中心线3偏离一定距离，其同样能够实现上述加强滚流的作用，本文不再赘述。

下面请结合图4至图8，详细介绍一下本发明的进气过程和压缩过程：

图5至图8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，现有技术中的直口型活塞在进气过程中，由进气门8进入到气缸内的气流大部分先撞击到排气门9下方的活塞顶面(如图5中的B1虚线区域所示)，由于现有的排气门侧活塞顶面为水平面，进气气流冲撞到该侧活塞顶面后会形成与上方进气气流方向相反的回流，阻碍大部分进气气流进入到燃烧室凹坑内，同时，由于其燃烧室凹坑为直口型结构，不利于引导气流形成滚流，另外，进气门8下方的水平活塞顶面在下行过程中会导致局部压力降低，使得气流由燃烧室凹坑流向缸套一侧时形成小的涡流(如图5中的B2虚线区域所示)，增加了进气能量的损失，不利于后期湍动能的提高。

如图6所示，本方案将活塞顶面1设计为倾斜结构，在进气过程中，进气气流在撞击到排气门侧的活塞顶面1后，气流会沿着该侧的活塞顶面1顺利地进入到燃烧室凹坑2内，此时，排气门侧活塞顶面不会产生反向气流，而是会引导气流向下进一步运动(如图6中的C1虚线区域所示)，然后，由于燃烧室凹坑2的表面为球弧面，有利于引导气流进一步形成滚流，当气流由燃烧室凹坑2流出到进气门侧的活塞顶面1时，该侧的活塞顶面1会进一步引导气流向上运动(如图6中的C2虚线区域所示)，此时，进气门侧活塞顶面在下行过程中不会形成局部的小涡流，从而减小了滚流过程中的能量损失。

如图7所示，现有的直口型活塞在压缩过程中不断上行，此时进气门8和排气门9均关闭，由于现有直口型活塞的活塞顶面为水平的，因此，活塞顶部对气流的挤压作用是垂直向上的，排气门侧活塞顶面会形成与滚流方向相反的局部回流(如图7的B3虚线区域所示)，进气门侧滚流则受到活塞顶部向上的推动作用(如图7的B4虚线区域所示)。

如图8所示，本方案中的活塞在压缩过程中不断上行，由于活塞顶面1对气流的挤压作用是向活塞中心靠近的，排气门侧的滚流会顺着倾斜的活塞顶面1流动进入到半球形的燃烧室凹坑2中，不会产生局部回流(如图8的C3虚线区域所示)，进气门侧的滚流受到活塞顶面1向活塞中心的推动作用，使得压缩过程中滚流强度进一步增强(如图8的C4虚线区域所示)。最后，在活塞运行到上止点附近时，滚流破碎，湍动能得以大大提高，进而能够提高火焰传播速度，提升发动机的热效率。

请参照图9和图10，图9为现有技术与本发明的滚流比变化对比曲线图；

图10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(直口型凹坑加水平活塞顶面方案)与本方案(半球形凹坑加倾斜活塞顶面方案)的滚流比和瞬时放热率，对比结果如图9和图10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9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10所示，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。本发明设计的顶部倾斜的活塞结构，活塞顶面高度由外边缘向燃烧室凹坑逐渐降低，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，活塞顶部高度由外侧边缘向内部凹坑方向逐渐降低，使得活塞顶部变得倾斜，从而减小了排气门侧活塞顶面对滚流的阻挡作用，进而加强滚流；2)活塞顶面由水平变为倾斜，使得压缩过程中，活塞对气流的挤压作用由垂直向上变为向气缸中心倾斜，进而能够加强进气门侧活塞顶面对滚流气流的推动作用，进一步加强滚流强度；3)本方案将燃烧室凹坑设计为半球形凹坑结构，有利于进入到凹坑中的气流形成滚流，进而加强滚流强度，增强活塞运行到上止点附近时燃烧室内的湍动能分布，提升发动机热效率。

本发明还提供了一种包括上述任一种活塞的气体发动机。该气体发动机产生的有益效果的推导过程与上述活塞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。