一種帶旋流的雙卷流燃燒系統的製作方法

2023-05-24 12:50:16 1

專利名稱：一種帶旋流的雙卷流燃燒系統的製作方法
一種帶旋流的雙卷流燃燒系統本發明涉及一種帶有進氣旋流的柴油機雙卷流燃燒系統，該系統在雙卷流燃燒室形成雙卷流的基礎上疊加進氣渦流，使燃油不僅可以在沿燃燒室軸線方向上的平面內分布更加均勻，而且由於渦流的存在，使燃油在燃燒室周向方向上分布得更加均勻，從而提高了混合氣的均勻度和空氣利用率，使燃燒放熱更快，在降低油耗、提高功率的同時，也改善了排放性能。
背景技術：
現代柴油機的油氣混合過程直接影響著燃燒性能及排放特性。因此，使燃油在整個燃燒室空間範圍內分布更廣，提高與空氣的混合速度，減小燃燒室中出現燃油的分布不均，都可以明顯改善柴油機的動力性、經濟性及排放性能。現代柴油機中應用了各種不同的燃燒室油、氣、室匹配方法來提高發動機燃燒及排放性能，但這些技術路線在一定程度上造成分布不均、空氣利用率不高。為了更好地說明，下面結合圖1、圖2分別分析幾種典型燃燒系統缺陷。圖1是ω型燃燒室的造型，圖2 是ω型燃燒室的俯視圖，圖1中1、2、3區以及圖2中的4區分別為燃燒室的不同空間位置， S為噴油霧注。ω型燃燒室內的油氣混合形式是典型的受限空間射流混合，一般採用多孔噴油器，較小的油束夾角，燃油噴注的軸線與燃燒室中心錐面的母線大致平行。通常燃油高壓噴射技術可以提高霧化質量，增加空氣卷吸，有利於油束S附近的油氣混合，但從圖1上可以看出，在靠近燃燒室中心的1區、燃燒室上側的2區以及頂隙3區燃油分布少，空氣利用率低，容易造成燃油在燃燒室喉口附近的扎堆現象。儘管可以採用進氣渦流改善圖2中 4區的燃油分布的均勻性，但此類燃燒系統無論採取何種措施(改變噴油壓力、噴孔孔徑及孔數、噴油定時等)，都無法改善1、2、3區的空氣利用率問題。而已有的雙卷流系統由於雙卷流存在使1、2、3區的空氣利用率得到提高，如圖3所示。但沒有匹配進氣渦流，4區的空氣仍然沒有得到很好地利用。綜上所述，目前這些燃燒系統只注重在燃燒室部分空間內的油氣混合，而沒有辦法實現整個燃燒室空間內燃油的均勻分布及空氣的充分利用。本發明的目的就是在雙卷流燃燒室的基礎上，加入進氣渦流，使燃油在雙卷流燃燒以及渦流的雙重作用下，在燃燒室軸向平面和周向上分布得更加均勻，從而更充分地利用燃燒室整個空間內的空氣，促進油氣快速混合，使燃燒更充分，改善柴油機的經濟性、動力性和有害物排放。本發明涉及的帶旋流的柴油機雙卷流燃燒系統，一方面，如圖3，高壓燃油從噴嘴噴出後接觸到雙卷流燃燒室的弧脊，在弧脊的作用下，一部分進入燃燒室內室與空氣混合， 一部分進入燃燒室外室與空氣混合，有利於1區、2區以及3區的油氣混合，擴大燃油在燃燒室軸向截面上的分布；另一方面，如圖4，通過在缸內組織渦流，燃油在其作用下，能夠在周向上擴大燃油與新鮮空氣的接觸面積，使4區的空氣得到充分利用，從而提高空氣利用率。 該燃燒系統的設計方式，使雙卷流燃燒室整個空間內的空氣得到有效利用，燃油在燃燒室空間內分布更均勻，因此燃燒速度更快，加大了其在上止點附近的放熱率及作功能力，排放性能也得到提高。該燃燒系統加工方便，在現有的雙卷流燃燒室的基礎上利用渦流氣道加入進氣渦流渦流即可實現。

發明內容
本發明的目的是提供一種帶旋流的柴油機雙卷流燃燒室系統，該燃燒系統可使燃油在雙卷流燃燒室弧脊作用下，在燃燒室軸向截面內與空氣的混合更均勻，同時在渦流的作用下，使燃油在燃燒室周向混合更均勻，即燃油在整個燃燒室空間內分布得更均勻。這就改善了燃油與空氣的混合效果，提高了空氣利用率，改善了燃燒過程，提高經濟性、動力性及排放性能指標。為了實現本發明的目的，提出了一種可以在某特殊結構的燃燒室基礎上加入空氣在氣缸內的周向流動，即旋流。其中，燃燒室為雙卷流燃燒室。在合適的曲軸轉角，高壓燃油經噴嘴噴出，與雙卷流燃燒室的弧脊相撞擊，油束被一分為二，內室形成順時針方向的燃油捲動，外室形成逆時針方向的燃油捲動，這樣燃油形成兩個方向上的卷流，燃燒室內軸向截面上空氣利用的效果好，這是雙卷流燃燒室優點。在雙卷流燃燒室基礎上，通過進氣過程中引導產生進氣渦流，燃油在渦流的作用下與空氣在燃燒室周向上充分混合。進氣渦流可由不同結構的氣道形成，如切向氣道，螺旋氣道，導氣屏。油束噴出一段距離出後，受到渦流的作用，已經蒸發的燃油及一些小的燃油油滴沿渦流旋轉方向發生一定的移動，油霧面積增大，從而擴大了油束在燃燒室周向上的分布。燃油與空氣的接觸面接增大，混合效果更好，即對周向的空氣利用效果好。這是加入進氣渦流的優點。燃油與空氣在氣缸軸向和周向的充分混合，使燃燒室整個空間內的油氣混合氣更加均勻。在本發明中，雙卷流燃燒室的設計和渦流比大小的匹配是關鍵。為了達到雙卷流燃燒室充分利用燃燒室內空氣的目的，燃燒室內、外室圓弧半徑、內外室容積比、弧脊的位置以及燃油油束夾角的匹配都是應該考慮的問題。當燃油油束在合適的發動機曲軸轉角位置噴出撞擊弧脊，並有一個合理的內外室燃油分配比例時，才是雙卷流燃燒室的最佳工作狀態。而渦流比的大小，決定了油束在燃燒室圓周方向的分布情況，渦流比過小，則混合效果不明顯，渦流比過大，會造成相鄰兩束燃油發生疊加，局部燃油濃度不均，混合效果惡化。採用本發明可使柴油機油氣混合更加均勻、燃燒速度加快。進氣過程中在缸內產生進氣渦流，燃油一方面在雙卷流燃燒室弧脊作用下在軸向混合較均勻，另一方面由於渦流的作用在燃燒室周向混合得較均勻，即在燃燒室整個空間內燃油分布較均勻，是對雙卷流燃燒系統的改進、擴展和延伸。本發明可在原有雙卷流燃燒室的基礎上進行匹配，簡便易行。


圖1為ω型燃燒室軸向截面油氣分區圖。圖2為無進氣渦流情況下ω型燃燒室周向油氣分區圖。圖3為雙卷流燃燒室軸向截面油氣分區圖。圖4為有進氣渦流情況下雙卷流燃燒室周向油氣分區圖。圖5為具體實施例中ω型燃燒室對應一個噴孔時的三維模型。圖6為具體實施例中雙卷流燃燒室對應一個噴孔時的三維模型。
圖7為CFD軟體中ω型燃燒室對應一個噴孔時的網格造型。圖8為CFD軟體中雙卷流燃燒室對應一個噴孔時的網格造型。圖9為ω型燃燒室對應不同渦流比下有效功率算結果。圖10為雙卷流燃燒室對應不同渦流比下有效功率的仿真計結果。圖11為ω型燃燒室無渦流、ω型燃燒室取最佳渦流比、雙卷流燃燒室無渦流，雙卷流燃燒室去最佳渦流比時有效功率仿真計算結果。圖12為376°C Α, ω型燃燒室SR = 0對應的燃空當量比軸向切片圖。圖13為376°C A，雙卷流燃燒室SR = 0. 8對應的速度場軸向切片圖。圖14為376°C Α, ω型燃燒室SR = 0對應的燃空當量比周向切片圖。圖15為376°C A，雙卷流燃燒室SR = 0. 8對應的燃空當量比周向切片。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步說明圖3為雙卷流燃燒室的邊界。圖中，高壓燃油噴出後很快抵達弧脊，燃油在弧脊作用下分別進入內室空間1和外室空間2。當噴油夾角與噴油提前角、弧脊位置相互匹配時， 燃油可以在適當的發動機曲軸轉角撞擊弧脊，燃油被一分為二，一部分在內室以順時針方向運動，另外一部分在外室以逆時針方向運動，這樣就形成兩個方向的燃油捲動，雙卷流燃燒室因此而得名。因此，通過弧脊的作用，可以將燃油以一定的比例分配到燃燒室的內、外室，燃燒室軸線方向上的空氣利用率大幅提高，油、氣混合速度和燃燒速率提高。在雙卷流燃燒室基礎上誘導產生進氣渦流，如圖4所示，燃油在渦流的吹拂下沿著渦流方向發生偏轉，燃油在燃燒室周向的覆蓋面積增大，即圖4中區域4的面積減少。燃油與新鮮空氣充分接觸，提高了空氣利用率。這樣，在雙卷流燃燒系統(DSCQ的基礎上在近期過程中誘導產生渦流(Swirl)，組成了帶進氣旋流的雙卷流燃燒系統(S-DSCQ，燃油油束在二者的綜合作用下可以在燃燒室整個範圍內均勻分布，提高了油氣混合氣的均勻度。具體實施例分別建立相同壓縮比條件下的ω型燃燒室和帶進氣渦流的雙卷流燃燒室的CFD 三維網格模型，進行仿真計算對比。燃燒室設計參數為缸徑132mm，衝程145mm，連杆長度沈2讓，餘隙高度1. 3mm。按照壓縮比17計算，ω燃燒室和雙卷流燃燒室體積應為106224mm3。實際造型中ω燃燒室和雙卷流燃燒室體積分別為106448mm3和106056mm3，偏差率分別為0. 21%和0. 16%。幾何體中，ω型燃燒室喉口直徑為99mm，雙卷流燃燒室外室喉口直徑為99mm，內室直徑為64mm。 雙卷流弧脊深度為10. 45mm,內室圓弧半徑為7. 2mm，外室圓弧半徑為9. 9mm。圖5、圖6分別為ω型燃燒室和雙卷流燃燒室在Pro/E軟體中對應單噴孔的造型圖。圖7、圖8分別為ω型燃燒室和雙卷流燃燒室在三維仿真軟體中的網格模型，由於計算採用的是8孔噴油器，根據計算結果的對稱性，只取1/8燃燒室進行網格劃分。根據先前的計算經驗，網格過大，則計算精度降低；網格過小，在得到相同計算精度下的情況下計算時間大大增加，使得計算效率降低，因此在模型中，網格尺度均約為1mm，這樣在保證計算精度的同時也縮短了計算時間。
兩種燃燒室在計算中的初始條件以及計算模型選取均相同。計算初始條件如下 轉速為2500轉/分，計算始點缸內平均壓力為3. 9bar，進氣溫度為333K，過量空氣係數為 1.8。噴油始點為346°CA，噴油結束時刻為384°CA，噴油持續期為38°CA。單孔循環供油量為33.%ig/cyc。噴油夾角為155°。渦流比計算公式SR ratio =缸內旋轉氣流速度/ 發動機轉速，因此，計算中通過設置缸內旋轉氣流速度的大小即可對渦流比進行調整，依次設定渦流比大小為0,0. 4,0. 8,1. 2,1. 6。圖9對應的是ω型燃燒室在不同渦流比下的有效功率Pe仿真計算結果。由圖可知，有效功率Pe隨著渦流比的增大先升高後降低，當SR = 1. 2時有效功率Pe達到最大，為 69. 3^W。圖10對應的是雙卷流燃燒室在不同渦流比下的有效功率Pe仿真計算結果。由圖可知，有效功率Pe隨著渦流比的增大先升高後降低，當SR = 0. 8時有效功率Pe取得最大值，達到了 85. 43kW。因此，加入渦流會提高雙卷流燃燒燃燒系統的性能，但其有一個最佳值 SR = 0.8，使性能達到最優。圖11為ω型燃燒室、雙卷流燃燒未加入渦流，ω型燃燒室對應最佳渦流比、雙卷流燃燒室對應最佳渦流比時的有效功率。由圖可知，加入渦流後，ω型燃燒室的性能比沒有渦流時的性能有所提高，說明加入渦流有助於提高發動機的性能，但提高的幅度有限，有效功率從65.06kW提高到了 69. 35kW，僅提升了 6.6%。同時可以看出，ω型燃燒室即使取最佳渦流比，其性能仍不及雙卷流燃燒室沒有渦流時的性能，說明ω型燃燒室伴隨著渦流的加入，周向空間內的燃油混合效果得到改善，但由於其自身結構的局限性，不能較大幅度的提高發動機的性能，即性能提升的潛力有限。當雙卷流燃燒室取最佳渦流比後，性能也較沒有渦流時得到了提高，有效功率Pe達到了 85. 43kW，較沒有渦流時提升了 21.8%，較ω型燃燒室提升了 31.3%，功率提升顯著。由此說明，雙卷流燃燒室加入渦流後，燃油不僅在軸向混合效果好，同時周向的油氣混合也得到了提升，可以顯著的提升發動機性能。圖12為ω型燃燒室算例376°C A燃空當量比軸向切片雲圖。圖13為雙卷流燃燒室在無渦流比條件下，376°C A時刻的速度場軸向切片圖。綜合這3張圖可以看出，ω型燃燒室中燃油較為集中地分布在燃燒室遠端深坑處，沒有充分地擴散，1區、2區和3區的空氣沒有得到充分的利用，油氣混合效果較差，降低了燃燒速度。在雙卷流燃燒室模型中，燃油在弧脊的作用下，一部分按順時針方向旋轉進入內室，一部分按照逆時針方向進入外室，這樣就有利於燃油利用內外室的空氣。圖14為雙卷流燃燒室無渦流時，376°C A時刻燃空當量比周向切片圖，圖15為雙卷流燃燒室在最佳渦流比下，376°C A時刻燃空當量比周向切片圖。從圖14、圖15可以看出，在雙卷流燃燒室的基礎上加入渦流以後，燃油在渦流的作用下，發生了移動和彎曲，燃油分布面積增大，混合效果較好。於此同時，從圖15也可以解釋為什麼當雙卷流燃燒室內的渦流比SR >0.8後有效功率Pe降低，原因在於當渦流比過大時，油束在渦流的作用下發生過多的偏轉，相鄰油束髮生重疊，造成局部混合器過濃，從而惡化了燃燒性能。因此，對於帶旋流的雙卷流燃燒系統，噴油器油束夾角、噴油時刻、燃燒室的尺寸以及與進氣渦流的大小匹配關係是本發明的關鍵。
權利要求
1.一種帶有進氣旋流的柴油雙卷流燃燒系統，用於提高燃燒室整個空間範圍內的空氣利用率，其特徵在於在原有雙卷流燃燒室基礎上製造缸內渦流。其中雙卷流燃燒室可保證燃油撞擊弧脊，形成兩個相反方向的氣流運動，而渦流可以在燃燒室周向方向上擴大燃油與空氣的接觸面積，進而使得燃燒室整個空間內的燃油分布得更加均勻，燃燒更加充分，提高發動機性能。
2.根據權利要求1所述的缸內渦流，其特徵在於，可以由多種結構產生，如切向氣道、 螺旋氣道、導氣屏。
全文摘要
本發明涉及一種帶有進氣旋流的雙卷流燃燒系統(S-DSCS)。採用本發明，一方面利用雙卷流燃燒室結構使燃油在燃燒室內、外室形成方向相反的卷流，提高燃燒室軸向空間內油氣混合氣的均勻度，另一方面利用進氣渦流使燃油在燃燒室周向空間內分布更均勻，這樣燃油在雙卷流以及渦流的雙重作用下，在燃燒室整個空間內分布得更加均勻，提高了空氣利用率，加快了燃燒放熱，在提高功率、降低油耗的同時，也改善了排放性能。該發明可在雙卷流燃燒室的基礎上加入進氣渦流而實現，簡便易行。
文檔編號F02B23/00GK102287260SQ20111011825
公開日2011年12月21日 申請日期2011年5月9日 優先權日2011年5月9日
發明者劉福水, 李向榮, 趙陸明 申請人:北京理工大學