一種燃燒室以及氣體發動機的製作方法
2024-04-12 09:21:05 2
1.本發明涉及發動機技術領域，特別涉及一種燃燒室以及氣體發動機。
背景技術：
2.與傳統的預混燃燒的天然氣發動機不同，缸內高壓直噴天然氣發動機是通過布置在氣缸頂部的噴射器，將燃氣通過高壓噴入氣缸內完成與空氣的混合和燃燒做功的過程，其工作過程更接近與柴油機。但由於噴射燃料由液體變為氣體，其噴射特性發生一定的變化，所以對燃燒室形狀的需求與柴油機不同。
3.現有技術中，如圖1所示為一種具有雙臺階的ω形燃燒室，該種燃燒室通過靠近燃燒室凹坑01的底部的第一臺階02對噴射的燃氣束進行分割，保證燃氣與整個燃燒室空間內所有新鮮空氣的接觸和混合，改善混合過程，進一步優化燃燒過程，同時在第一臺階02與第二臺階03之間增加一定傾斜角度的導流斜坡04，結合靠近燃燒室凹坑01的開口處的第二臺階03來實現對分流的燃氣的進一步引導和撞擊分離，保證燃燒室上部空間空氣的利用，進一步改善了整個燃燒室空間的空氣利用率。
4.上述雙臺階方案的燃燒室結構雖然能夠部分適應高壓氣體的流動特性，實現對於燃料的合理分配，以達到均勻的油氣混合過程，但是在部分區域，比如兩個臺階之間以及周邊區域，還存在著燃氣過濃的區域，不利於燃氣與空氣的混合，從而不利於整個燃燒過程的改善。
技術實現要素：
5.本發明的第一個目的在於提供一種燃燒室，以使其避免形成燃氣過濃區域，改善燃氣與空氣的混合效果，進而實現燃燒過程的改善，提高燃燒效率。
6.本發明的第二個目的在於提供一種包括上述燃燒室的氣體發動機。
7.為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：一種燃燒室，所述燃燒室包括位於活塞頂面的燃燒室凹坑，所述燃燒室凹坑的底部設置中心凸臺，所述燃燒室凹坑圍繞所述中心凸臺的周向側壁沿所述活塞頂面至所述燃燒室的底部方向依次設置波浪形連階段以及環形凸臺段，所述波浪形連階段與所述環形凸臺段之間通過環形錐面連接，所述環形錐面的兩端分別與所述環形凸臺段以及所述波浪形連階段圓滑過渡連接，所述環形錐面以及所述波浪形連階段沿所述活塞頂面至所述燃燒室的底部方向漸縮，所述波浪形連階段由至少兩個環狀圓弧曲面依次連接構成，所述環狀圓弧曲面向所述中心凸臺方向凸出，各所述環狀圓弧曲面之間圓滑過渡連接。
8.可選地，所述環狀圓弧曲面與經過所述活塞的中軸線的活塞對稱面的交線為圓弧曲面特徵線，所述圓弧曲面特徵線的半徑r滿足2mm≤r≤10mm。
9.可選地，所述環形凸臺段與所述燃燒室凹坑的底部之間沿所述活塞頂面至所述燃燒室的底部方向依次設置第一導向壁面以及第二導向壁面，所述第一導向壁面以及所述第二導向壁面之間圓滑過渡連接，所述第一導向壁面沿所述活塞頂面至所述燃燒室的底部方
向漸擴，所述第二導向壁面沿所述活塞頂面至所述燃燒室的底部方向漸縮。
10.可選地，所述第一導向壁面遠離所述第二導向壁面的一端與所述活塞的中軸線之間的距離為所述第一導向壁面的最小半徑r1，所述第一導向壁面的最小半徑r1滿足10mm≤r1≤85mm，所述第一導向壁面遠離所述第二導向壁面的一端與所述活塞頂面之間的距離h1滿足5mm≤h1≤35mm。
11.可選地，所述第二導向壁面連接所述第一導向壁面的一端與所述活塞的中軸線之間的距離為所述第二導向壁面的最大半徑r2，所述第二導向壁面的最大半徑r2滿足15mm≤r2≤70mm。
12.可選地，所述波浪形連階段由第一環狀圓弧曲面、第二環狀圓弧曲面以及第三環狀圓弧曲面依次連接構成，所述第一環狀圓弧曲面的下端與所述活塞頂面之間的距離為h2，所述第二環狀圓弧曲面的下端與所述活塞頂面之間的距離為h3，所述第三環狀圓弧曲面的下端與所述活塞頂面之間的距離為h4，且滿足2mm＜h2≤15mm，5mm≤h3≤18mm，5mm≤h4≤20mm。
13.可選地，所述第一環狀圓弧曲面的最小半徑為r3，所述第二環狀圓弧曲面的最小半徑為r4，所述第三環狀圓弧曲面的最小半徑為r5，且滿足15mm≤r3≤75mm，15mm≤r4≤50mm，15mm≤r5≤48mm。
14.可選地，所述燃燒室凹坑的底部與所述活塞頂面之間的距離h5滿足5mm≤h5≤35mm。
15.可選地，所述中心凸臺朝向所述燃燒室凹坑的開口的端面與所述活塞頂面之間的距離h6滿足5mm≤h6≤30mm，所述中心凸臺朝向所述燃燒室凹坑的開口的端面為圓形面，所述中心凸臺朝向所述燃燒室凹坑的開口的端面的半徑r6滿足5mm≤r6≤20mm。
16.可選地，所述中心凸臺朝向所述燃燒室凹坑的開口的端面與所述燃燒室凹坑的底部之間通過導向錐面連接，所述導向錐面與經過所述活塞的中軸線的活塞對稱面的交線為導向錐面特徵線，所述導向錐面特徵線與所述活塞的中軸線之間的夾角α滿足40
°
≤α≤80
°
。
17.可選地，所述環形錐面與經過所述活塞的中軸線的活塞對稱面的交線為環形錐面特徵線，所述環形錐面特徵線與水平面之間的夾角β滿足0
°
＜β≤20
°
。
18.一種氣體發動機，所述氣體發動機包括如上任意一項所述的燃燒室。
19.由以上技術方案可以看出，本發明中公開了一種燃燒室，該燃燒室包括位於活塞頂面的燃燒室凹坑，燃燒室凹坑的底部設置中心凸臺，燃燒室凹坑圍繞中心凸臺的周向側壁沿活塞頂面至燃燒室的底部方向依次設置波浪形連階段以及環形凸臺段，波浪形連階段與環形凸臺段之間通過環形錐面連接，環形錐面的兩端分別與環形凸臺段以及波浪形連階段圓滑過渡連接，環形錐面以及波浪形連階段沿活塞頂面至燃燒室的底部方向漸縮，波浪形連階段由至少兩個環狀圓弧曲面依次連接構成，環狀圓弧曲面向所述中心凸臺方向凸出，各環狀圓弧曲面之間圓滑過渡連接，每個環狀圓弧曲面的高度與圓弧半徑根據燃氣噴射的形態進行設計，環狀圓弧曲面的個數包括但不限於兩個，根據實際噴射特性進行設計。
20.在應用時，通過環形凸臺段對噴射的燃氣束進行分割，保證燃氣與整個燃燒室空間內所有新鮮空氣的接觸和混合，改善混合過程，進一步優化燃燒過程，利用波浪形連階段來實現對分流的燃氣的進一步引導和撞擊分離，保證燃燒室上部空間空氣的利用，進一步
改善整個燃燒室空間的空氣利用率，實現了對燃氣流動的合理引導，避免了流動死區；綜上所述，上述燃燒室利用環形凸臺段與波浪形連階段的設計，控制燃氣沿著波浪形連階段合理分配和導流，改善了燃氣與空氣混合過程，進而改善整個燃燒過程，提高燃燒效率，降低燃氣消耗率和碳煙排放，同時通過降低面容比降低了傳熱損失。
21.本發明還公開了一種氣體發動機，該氣體發動機包括上述燃燒室，由於該氣體發動機採用了上述燃燒室，因此該氣體發動機理應具有與燃燒室相同的有益效果，在此不再贅述。
附圖說明
22.為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
23.圖1為現有技術中雙臺階ω形燃燒室的結構示意圖；圖2為本發明實施例提供的燃燒室的結構示意圖；圖3為圖2中的a處局部放大示意圖。
24.圖1中：01為燃燒室凹坑；02為第一臺階；03為第二臺階；04為導流斜坡；圖2和圖3中：1為燃燒室凹坑；2為中心凸臺；3為第一環狀圓弧曲面；4為第二環狀圓弧曲面；5為第三環狀圓弧曲面；6為環形凸臺段；7為環形錐面；8為第一導向壁面；9為第二導向壁面；10為端面；11為導向錐面。
具體實施方式
25.本發明的核心之一是提供一種燃燒室，該燃燒室的結構設計使其能夠避免形成燃氣過濃區域，改善燃氣與空氣的混合效果，進而實現燃燒過程的改善，提高燃燒效率。
26.本發明的另一核心在於提供一種包括上述燃燒室的氣體發動機。
27.下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完
整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
28.請參閱圖2，圖2為本發明實施例提供的燃燒室的結構示意圖。
29.本發明實施例中公開了一種燃燒室，該燃燒室包括位於活塞頂面的燃燒室凹坑1，燃燒室凹坑1的底部設置中心凸臺2，燃燒室凹坑1圍繞中心凸臺2的周向側壁沿活塞頂面至燃燒室的底部方向依次設置波浪形連階段以及環形凸臺段6。
30.其中，波浪形連階段與環形凸臺段6之間通過環形錐面7連接，環形錐面7的兩端分別與環形凸臺段6以及波浪形連階段圓滑過渡連接，環形錐面7以及波浪形連階段沿活塞頂面至燃燒室的底部方向漸縮，波浪形連階段由至少兩個環狀圓弧曲面依次連接構成，環狀圓弧曲面向中心凸臺2方向凸出，各環狀圓弧曲面之間圓滑過渡連接，每個環狀圓弧曲面的高度以及圓弧半徑根據燃氣噴射的形態進行相應設計，環狀圓弧曲面的個數包括但不限於兩個，根據實際噴射特性進行設計。
31.需要說明的是，環形錐面7與波浪形連階段之間以及波浪形連階段的各個環狀圓弧曲面之間應當採用與經過活塞的中軸線的活塞對稱面的交線的圓弧線段的圓弧曲面進行過渡連接，根據設置位置的不同，不同位置處的圓弧曲面與活塞對稱面的交線的圓弧線段的半徑可以採用不同的取值，在本發明實施例中，不同位置處的圓弧曲面與活塞對稱面的交線的圓弧線段的半徑的取值範圍為2mm-8mm。
32.在應用時，通過環形凸臺段6對噴射的燃氣束進行分割，保證燃氣與整個燃燒室空間內所有新鮮空氣的接觸和混合，改善混合過程，進一步優化燃燒過程，利用波浪形連階段來實現對分流的燃氣的進一步引導和撞擊分離，保證燃燒室上部空間空氣的利用，進一步改善整個燃燒室空間的空氣利用率，實現了對燃氣流動的合理引導，避免了流動死區。
33.可以看出，與現有技術相比，本發明實施例提供的燃燒室利用環形凸臺段與波浪形連階段的設計，控制燃氣沿著波浪形連階段合理分配和導流，改善了燃氣與空氣混合過程，進而改善整個燃燒過程，提高燃燒效率，降低燃氣消耗率和碳煙排放，同時通過降低面容比降低了傳熱損失。
34.作為優選地，如圖2所示，環狀圓弧曲面與經過活塞的中軸線的活塞對稱面的交線為圓弧曲面特徵線，圓弧曲面特徵線的半徑r滿足2mm≤r≤10mm。
35.環形凸臺段6與燃燒室凹坑的底部之間沿活塞頂面至燃燒室的底部方向依次設置第一導向壁面8以及第二導向壁面9，第一導向壁面8以及第二導向壁面9之間圓滑過渡連接，第一導向壁面8沿活塞頂面至燃燒室的底部方向漸擴，第二導向壁面9沿活塞頂面至燃燒室的底部方向漸縮，上述第一導向壁面8構成了環形凸臺段6的下半部分，第一導向壁面8可以為錐面也可以為圓滑的曲面，即第一導向壁面8與活塞對稱面的交線形成第一導向特徵線，該第一導向特徵線為相對活塞的中軸線傾斜的直線段或者圓弧線段，第二導向壁面9為圓滑的曲面，從圖2中可以看出，第二導向壁面9與活塞對稱面的交線形成第二導向特徵線，該第二導向特徵線為圓弧線段。
36.具體地，在本發明實施例中，第一導向壁面8遠離第二導向壁面9的一端與活塞的中軸線之間的距離為第一導向壁面8的最小半徑r1，第一導向壁面8的最小半徑r1滿足10mm≤r1≤85mm，第一導向壁面8遠離第二導向壁面9的一端與活塞頂面之間的距離h1滿足5mm
≤h1≤35mm。
37.進一步地，第二導向壁面9連接第一導向壁面8的一端與活塞的中軸線之間的距離為第二導向壁面9的最大半徑r2，第二導向壁面9的最大半徑r2滿足15mm≤r2≤70mm，通過對上述參數的設計，能夠對進入燃燒室底部的氣流進行更好的導向，從而實現對整個燃燒室內部的空氣的利用，達到整個燃燒室內部較理想的當量比。
38.作為優選地，在本發明實施例中，如圖2所示，波浪形連階段由第一環狀圓弧曲面3、第二環狀圓弧曲面4以及第三環狀圓弧曲面5依次連接構成，第一環狀圓弧曲面3的下端與活塞頂面之間的距離為h2，第二環狀圓弧曲面4的下端與活塞頂面之間的距離為h3，第三環狀圓弧曲面5的下端與活塞頂面之間的距離為h4，且h2、h3以及h4滿足2mm＜h2≤15mm，5mm≤h3≤18mm，5mm≤h4≤20mm。
39.進一步地，如圖2所示，第一環狀圓弧曲面3的最小半徑為r3，第二環狀圓弧曲面4的最小半徑為r4，第三環狀圓弧曲面5的最小半徑為r5，即第一環狀圓弧曲面3、第二環狀圓弧曲面4以及第三環狀圓弧曲面5最靠近活塞的中軸線的一端與活塞的中軸線之間的距離，且r3、r4以及r5滿足15mm≤r3≤75mm，15mm≤r4≤50mm，15mm≤r5≤48mm。
40.作為優選地，在本發明實施例中，如圖2所示，燃燒室凹坑1的深度，燃燒室凹坑1的底部與活塞頂面之間的距離h5滿足5mm≤h5≤35mm。
41.進一步優化上述技術方案，在本發明實施例中，如圖2所示，中心凸臺2朝向燃燒室凹坑1的開口的端面10與活塞頂面之間的距離h6滿足5mm≤h6≤30mm，中心凸臺2朝向燃燒室凹坑1的開口的端面10為圓形面，中心凸臺2朝向燃燒室凹坑1的開口的端面10的半徑r6滿足5mm≤r6≤20mm。
42.作為優選地，如圖2所示，在本發明實施例中，中心凸臺2朝向燃燒室凹坑1的開口的端面10與燃燒室凹坑1的底部之間通過導向錐面11連接，導向錐面11與經過活塞的中軸線的活塞對稱面的交線為導向錐面特徵線，導向錐面特徵線與活塞的中軸線之間的夾角α滿足40
°
≤α≤80
°
，這樣，通過優化導向錐面特徵線與活塞的中軸線之間的夾角和第一導向壁面8遠離第二導向壁面9的一端與活塞頂面之間的距離來滿足不同噴射角度對燃氣與空氣混合的需求，結合環形凸臺段6將噴射出的燃氣分為上下兩部分，進而實現對整個燃燒室內的空氣利用，達到整個燃燒室內部較理想的當量比。
43.如圖3所示，在本發明實施例中，環形錐面7與經過活塞的中軸線的活塞對稱面的交線為環形錐面特徵線，環形錐面特徵線與水平面之間的夾角β滿足0
°
＜β≤20
°
。
44.本發明實施例還提供了一種氣體發動機，該氣體發動機包括如上述實施例所述的燃燒室，由於該氣體發動機採用了上述實施例中的燃燒室，因此該氣體發動機的技術效果請參考上述實施例。
45.需要說明的是，本說明書中的各個實施例均採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可。
46.應當理解，本技術中如若使用了「系統」、「裝置」、「單元」和/或「模塊」，僅是用於區分不同級別的不同組件、元件、部件、部分或裝配的一種方法。然而，如果其他詞語可實現相同的目的，則可通過其他表達來替換該詞語。
47.如本技術和權利要求書中所示，除非上下文明確提示例外情形，「一」、「一個」、「一種」和/或「該」等詞並非特指單數，也可包括複數。一般說來，術語「包括」與「包含」僅提示包
括已明確標識的步驟和元素，而這些步驟和元素不構成一個排它性的羅列，方法或者設備也可能包含其它的步驟或元素。由語句「包括一個
……」
限定的要素，並不排除在包括要素的過程、方法、商品或者設備中還存在另外的相同要素。
48.其中，在本技術實施例的描述中，除非另有說明，「/」表示或的意思，例如，a/b可以表示a或b；本文中的「和/或」僅僅是一種描述關聯對象的關聯關係，表示可以存在三種關係，例如，a和/或b，可以表示：單獨存在a，同時存在a和b，單獨存在b這三種情況。另外，在本技術實施例的描述中，「多個」是指兩個或多於兩個。
49.以下，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有「第一」、「第二」的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特徵。
50.本技術中如若使用了流程圖，則該流程圖是用來說明根據本技術的實施例的系統所執行的操作。應當理解的是，前面或後面操作不一定按照順序來精確地執行。相反，可以按照倒序或同時處理各個步驟。同時，也可以將其他操作添加到這些過程中，或從這些過程移除某一步或數步操作。
51.還需要說明的是，在本文中，諸如術語「包括」、「包含」或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括一個
……」
限定的要素，並不排除在包括上述要素的物品或者設備中還存在另外的相同要素。
52.本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的核心思想。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護範圍內。