一種壓燃式內燃機燃燒裝置的製作方法

2023-06-13 09:56:31 1

本發明涉及內燃機領域，特別涉及一種壓燃式內燃機燃燒裝置。

背景技術：

內燃機發展至今已有百餘年的歷程，仍然是熱效率最高、功率密度最大、可靠性最好的原動機，被廣泛應用於國民經濟和國防建設各個領域。由於過去40年石油資源的枯竭和環境汙染的嚴重性，且內燃機消耗全球約三分之二的石油資源，也是大氣汙染（氮氧化物、pm2.5等）和溫室氣體二氧化碳的最大排放源之一。據美國科學院等權威機構預測，「在可預見的未來，內燃機仍是汽車等動力裝置的主要原動機，石油仍是內燃機的主要燃料」。因此，加強內燃機領域節能減排，已成為內燃機創新性技術革命的一件迫在眉睫的大事，是我國亟待解決的重大課題。

在現有的內燃機節能減排技術中，燃燒技術創新是實現內燃機高效和清潔的最有效，最節約的途徑。近年來，為應對日益嚴格的排放法規和燃油經濟性法規，突破傳統內燃機燃燒控制理論的局限性和單一性，並減輕對後處理裝置的依賴性，湧現出諸如均質壓燃（hcci），部分預混合壓燃（ppc），部分燃料分層（pfs），汽油直噴壓燃（gci）及活性可控燃燒（rcci）等旨在實現發動機高效清潔燃燒的新型燃燒方式，它們都具有「預混合、壓燃和低溫燃燒」的本質特徵，尋求利用稀薄、大比例空氣或者廢氣稀釋，創造有利於燃燒過程控制的氛圍（溫度、壓力和氧濃度），通過主動燃料設計，意圖實現對燃料燃燒化學反應過程的優化控制，期望進一步強制性、有序控制整個燃燒路徑，從而有利於提高燃燒效率，兼顧低nox、低碳煙等汙染物排放的潛在優勢。大量的研究表明，這種以缸內淨化為主的低溫燃燒方式已被認為是傳統壓燃和點燃式內燃機最具潛力的替代燃燒方式；在採用該低溫燃燒方式的基礎上，為了加強內燃機領域的節能減排，如何進一步控制整個燃燒路徑，使得整個燃燒過程平緩柔和有序，提高燃燒效率，且控制燃燒的著火時刻，仍是現在急需解決的關鍵技術問題。

技術實現要素：

本發明的具體目的在於提供一種結構簡單而又有效解決這些問題的內燃機裝置。

有鑑於此，本發明實施例提供一種壓燃式內燃機燃燒裝置，包括缸蓋、燃燒室和第一噴油器，所述燃燒室包括第一區域和第二區域，所述第一區域設置在所述缸蓋內部；所述第一噴油器設置在所述第一區域內；所述第一區域的體積為所述燃燒室體積的10%~15%；與所述缸蓋和燃燒室相切的平面為第一平面，在所述第一平面內，與所述缸蓋的中心對稱軸線相垂直的直線為第一軸線；沿著所述第一軸線的方向，所述第一區域遠離所述第二區域的一側的寬度為第一寬度，所述第一區域靠近所述第二區域的一側的寬度為第二寬度，所述第一寬度小於所述第二寬度。

優選地，所述第一區域與所述第二區域之間設置有隔板，所述隔板上設置有至少3個通孔，所述通孔連通所述第一區域與所述第二區域。

優選地，在所述第一平面內，所述隔板與所述第一軸線平行設置。

優選地，在所述第一平面內，所述隔板為沿著靠近所述第二區域的方向凸起的圓弧。

優選地，所述第一區域設置在所述缸蓋的中心位置。

優選地，所述第一區域為圓拱形、梯形或者錐形。

優選地，所述第一區域的壁面為所述缸蓋的一部分，所述第一區域的壁面上設置有熱障塗層。

優選地，所述第一區域的壁面為所述缸蓋的一部分，所述第一區域的壁面的材料為保溫材料。

優選地，所述第二區域內設置有第二噴油器。

優選地，所述第一噴油器與所述第二噴油器噴射不同燃料。

本發明實施例提供的壓燃式內燃機燃燒裝置具有以下積極有益效果：

1.本發明的實施例提供的壓燃式內燃機燃燒裝置，燃燒室包括第一區域和第二區域，所述第一區域設置在所述缸蓋內部；所述第一噴油器設置在所述第一區域內；這樣的結構設計在壓縮行程末期，向第一區域內噴入適當的燃料，經過碰撞、飛濺、霧化、蒸發，形成較濃的預混合氣充量，使其處於易於壓燃的狀態。由於第一噴油器設置在第一區域內，且第一區域的體積僅佔燃燒室體積的10%~15%，當活塞接近於壓縮上止點時，氣缸中空氣被活塞擠壓，在第一區域形成高密度、高速旋流氣體，進一步促進第一區域內燃油與空氣的混合，第一區域內處於著火界限的混合氣，率先被壓燃且多點著火。之後，火焰衝入第二區域，由第一區域引燃第二區域；在燃燒室內設置第一區域，且由於第一區域的體積較小，第一區域先著火，引燃第二區域，控制燃燒的著火時刻，從而控制整個燃燒路徑，使得整個燃燒過程平緩柔和有序，提高燃燒效率。

2.本發明的實施例提供的壓燃式內燃機燃燒裝置，在第一區域與第二區域之間設置帶有通孔的隔板，可以使得當第一區域著火時，火焰以高溫高壓的射流形式，從第一區域衝入第二區域，與第二區域內的新鮮空氣或者另外一種燃料進行充分混合，並開始第二區域放熱及膨脹做功。相當於第一區域引燃第二區域通過多孔噴火的方式來進行；通孔的個數及形狀設計，可以控制第一區域向第二區域噴火的火束數量及火束的流動方向，這樣的結構設計能夠進一步提高燃燒的效率；且第一區域向第二區域噴多數火束，通過不同的火束引燃第二區域內不同區域的氣體燃燒，該第一區域相當於一個引燃火源，避免了傳統的單點著火，火焰傳播速度慢，熱效率低的缺點；可以拓展稀燃著火的界限，提高燃油經濟性；可以適應於更大的壓縮比，有利於熱效率的提高；避免了局部高溫、富氧區域，抑制了nox的排放。

3.本發明的實施例提供的壓燃式內燃機燃燒裝置，首先在燃燒室內設置第一區域，這樣的結構設計能夠使得第一噴油器噴射的燃料不會快速進入第二區域，能夠在第一區域形成一定濃度的聚集；其次，沿著所述第一軸線的方向，所述第一區域遠離所述第二區域的一側的寬度為第一寬度，所述第一區域靠近所述第二區域的一側的寬度為第二寬度，所述第一寬度小於所述第二寬度，這樣的結構設計方便活塞將第二區域的空氣或者另外一種燃料壓入第二區域內部；且在活塞的壓縮過程中，由於第一區域的體積較小，更容易實現燃料在第一區域的聚集，從而在第一區域形成較濃的預混合氣充量，使其處於易於壓燃的狀態，使得第一區域內的燃料先於第二區域的燃料著火，從而可以控制整個燃燒過程的著火時刻。

4.本發明的實施例提供的壓燃式內燃機燃燒裝置，所述第一區域的壁面的材料選擇保溫材料或者在第一區域的壁面上設置熱障塗層，這樣的結構設計使得第一區域的壁面為熱壁面，能夠促進第一區域內燃油的霧化和蒸發，加快混合氣的製備速度，有助於進一步控制第二區域的著火時刻發生。

5.本發明的實施例提供的壓燃式內燃機燃燒裝置，可在燃燒室的第二區域內加裝一個噴油器，噴入第二種燃料，形成雙燃料內燃機的概念，用射流室噴出的高溫高壓氣體，引燃外圍的第二種燃料混合氣，從而實現類似於rcci內燃機的燃燒理念，有助於提高燃燒效率，降低汙染物排放水平。

6.本發明的實施例提供的壓燃式內燃機燃燒裝置，第一噴油器選擇低沸點、高飽和蒸汽壓、高揮發性、高十六烷值燃料，比如二甲醚，可減小噴霧「溼壁」現象，提高燃油經濟性。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例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。

圖1是本發明實施例提供的一種壓燃式內燃機燃燒裝置的第一種結構示意圖；

圖2是本發明實施例提供的一種壓燃式內燃機燃燒裝置的第二種結構示意圖；

圖3是本發明實施例提供的一種壓燃式內燃機燃燒裝置的第三種結構示意圖；

圖4是本發明實施例提供的一種壓燃式內燃機燃燒裝置的第四種結構示意圖。

具體實施方式

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作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。

本發明實施例提供一種壓燃式內燃機燃燒裝置，如圖1所示，該燃燒裝置包括缸蓋1、燃燒室和第一噴油器2，所述燃燒室包括第一區域31和第二區域32，所述第一區域31設置在所述缸蓋1內部；所述第一噴油器2設置在所述第一區域31內；所述第一區域31的體積為所述燃燒室體積的10%~15%；與所述缸蓋1和燃燒室相切的平面為第一平面，在所述第一平面內，與所述缸蓋的中心對稱軸線4相垂直的直線為第一軸線5；沿著所述第一軸線5的方向，所述第一區域遠離所述第二區域的一側的寬度為第一寬度k1，所述第一區域靠近所述第二區域的一側的寬度為第二寬度k2，所述第一寬度k1小於所述第二寬度k2。該燃燒裝置還包括活塞6，進氣閥7和排氣閥8。本發明的實施例提供的壓燃式內燃機燃燒裝置，首先在燃燒室內設置第一區域31，這樣的結構設計能夠使得第一噴油器噴射2的燃料不會快速進入第二區域32，能夠在第一區域31形成一定濃度的聚集；其次，沿著所述第一軸線5的方向，所述第一寬度k1小於所述第二寬度k2，這樣的結構設計方便活塞6將第二區域32的空氣或者另外一種燃料壓入第二區域32內部；且在活塞6的壓縮過程中，由於第一區域31的體積較小，更容易實現燃料在第一區域31的聚集，從而在第一區域31形成較濃的預混合氣充量，使其處於易於壓燃的狀態，使得第一區域31內的燃料先於第二區域32的燃料著火，從而可以控制整個燃燒過程的著火時刻。

從圖1可以看出，本發明的實施例提供的壓燃式內燃機燃燒裝置，燃燒室包括第一區域31和第二區域32，所述第一區域31設置在所述缸蓋1內部；所述第一噴油器2設置在所述第一區域31內，這樣的結構設計在壓縮行程末期，向第一區域31內噴入適當的燃料，經過碰撞、飛濺、霧化、蒸發，形成較濃的預混合氣充量，使其處於易於壓燃的狀態。由於第一噴油器2設置在第一區域31內，且第一區域31的體積僅佔燃燒室體積的10%~15%，當活塞接近於壓縮上止點時，氣缸中空氣被活塞擠壓，在第一區域31形成高密度、高速旋流氣體，進一步促進第一區域31內燃油與空氣的混合，第一區域31內處於著火界限的混合氣，率先被壓燃且多點著火。之後，火焰衝入第二區域32，由第一區域31引燃第二區域32；在燃燒室內設置第一區域31，且由於第一區域31的體積較小，第一區域31先著火，引燃第二區域32，控制燃燒的著火時刻，從而控制整個燃燒路徑，使得整個燃燒過程平緩柔和有序，提高燃燒效率。

本發明實施例提供的壓燃式內燃機燃燒裝置，其實施方式還可以為，所述第一區域與所述第二區域之間設置有隔板，所述隔板上設置有至少3個通孔91，所述通孔連通所述第一區域與所述第二區域。圖2是本發明實施例提供的一種壓燃式內燃機燃燒裝置的第二種結構示意圖，如圖2所示，所述第一區域31與所述第二區域32之間設置有隔板9，所述隔板9上設置有至少3個通孔，所述通孔連通所述第一區域31與所述第二區域32。從圖2可以看出，在第一區域31與第二區域32之間設置帶有通孔91的隔板9，可以使得當第一區域31著火時，火焰以高溫高壓的射流形式，從第一區域31衝入第二區域32，與第二區域32內的新鮮空氣或者另外一種燃料進行充分混合，並開始第二區域32放熱及膨脹做功。相當於第一區域31引燃第二區域32通過多孔噴火的方式來進行；通孔的個數及形狀設計，可以控制第一區域31向第二區域32噴火的火束數量及火束的流動方向，這樣的結構設計能夠進一步提高燃燒的效率；且第一區域31向第二區域32噴多個火束，通過不同的火束引燃第二區域32內不同區域的氣體燃燒，該第一區域31相當於一個引燃火源，避免了傳統的單點著火，火焰傳播速度慢，熱效率低的缺點；可以拓展稀燃著火的界限，提高燃油經濟性；可以適應於更大的壓縮比，有利於熱效率的提高；避免了局部高溫、富氧區域，抑制了nox的排放。從圖2可以看出，在所述第一平面內，所述隔板9與所述第一軸線5平行設置，所述第一區域為圓拱形。所述第一區域設置在所述缸蓋的中心位置，這樣是為了燃料從中心往四周擴散，且使得燃料首先在中心進行集中，由中心位置的燃料燃燒，來引燃四周的燃料，這樣可以使得燃燒更為均勻完全。其中，通孔91的個數主要由活塞行程和氣缸直徑來確定。

本發明實施例提供的壓燃式內燃機燃燒裝置，其實施方式還可以為，在所述第一平面內，所述隔板為沿著靠近所述第二區域的方向凸起的圓弧；如圖3所示，所述隔板9為沿著靠近所述第二區域的方向凸起的圓弧；將隔板設置為圓弧的形狀是為了控制隔板上設置的通孔91的方向，使得當第一區域引燃時，向第二區域噴火，火束通過通孔91，沿著不同方向進入第二區域，使得第二區域內的燃料燃燒的更為完全。

本發明實施例提供的壓燃式內燃機燃燒裝置，其實施方式還可以為，所述第一區域為梯形或者錐形。

本發明實施例提供的壓燃式內燃機燃燒裝置，其實施方式還可以為，所述第一區域的壁面為所述缸蓋的一部分，所述第一區域的壁面上設置有熱障塗層。或者，所述第一區域的壁面為所述缸蓋的一部分，所述第一區域的壁面的材料為保溫材料；該內燃機的結構可以參考圖1，從圖1可以看出，本發明的實施例提供的壓燃式內燃機燃燒裝置，所述第一區域31的壁面的材料選擇保溫材料或者在第一區域31的壁面上設置熱障塗層，這樣的結構設計使得第一區域31的壁面為熱壁面，能夠促進第一區域31內燃油的霧化和蒸發，加快混合氣的製備速度，有助於進一步控制第二區域32的著火時刻發生。其中，熱障塗層的材料為陶瓷材料，起到了隔熱作用。如果所述第一區域的壁面的材料為保溫材料，該保溫材料為碳化矽等。

本發明實施例提供的壓燃式內燃機燃燒裝置，其實施方式還可以為，所述第二區域內設置有第二噴油器。圖4是本發明實施例提供的一種壓燃式內燃機燃燒裝置的第四種結構示意圖，從圖4可以看出，所述第二區域32內設置有第二噴油器10；所述第一噴油器2與所述第二噴油器10噴射不同燃料，形成雙燃料內燃機的概念，用第一區域31噴出的高溫高壓氣體，引燃外圍的第二種燃料混合氣，從而實現類似於rcci內燃機的燃燒理念，有助於提高燃燒效率，降低汙染物排放水平。本發明的實施例提供的壓燃式內燃機燃燒裝置，所述第一噴油器噴射高活性燃料，所述第二噴油器噴射低活性燃料；所述第一噴油器噴射的燃料為二甲醚，第一噴油器選擇低沸點、高飽和蒸汽壓、高揮發性、高十六烷值燃料，比如二甲醚，可減小噴霧「溼壁」現象，提高燃油經濟性。

本發明實施例提供的壓燃式內燃機燃燒裝置，其實施方式還可以為，第二噴油器與第一噴油器噴射相同的燃料，為避免第一噴油器噴射的燃料量有限，達不到發動機相應的輸出功率，須設置第二噴油器，依據發動機工況，來補充或增加燃料的噴射量，從而調控發動的有效運行工況範圍。這樣一方面，利用了射流引燃的概念，保證燃燒室內混合氣濃稀合理分布，第一區域先著火，蔓延至第二區域，由濃到稀，順序著火，燃燒平穩有序，另一方面，可實現分段、分區燃燒，相當於單噴油器多次噴射策略，可有效控制燃燒時刻及燃燒反應速度，降低汙染物的排放水平。

以上對本發明實施例所提供的一種壓燃式內燃機燃燒裝置進行了詳細介紹，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方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用範圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。