一种强挤流高湍流离心式活塞燃烧室及燃烧系统的制作方法

专利查询2022-05-21  5



1.本实用新型涉及动力装备技术领域,尤其涉及一种强挤流高湍流离心式活塞燃烧室及燃烧系统。


背景技术:

2.以天然气、氢气、沼气、垃圾填埋气、富氢炼化尾气、生物质气等可燃气体为燃料的气体发动机,以其清洁、环保、高效等特点,已广泛的应用于发电、钻井、船舶、分布式能源等领域。这些气体发动机可以有效地实现高效燃烧和最大限度的降低污染物排放,而气体发动机缸内高效燃烧即燃烧室结构设计优化是实现发动机高热效率、强动力性、低排放性及高可靠性等性能指标的关键核心技术之一。气体发动机因受气体燃料特性、点火型式及能量、进排气门及气道等影响,其发动机的缸内燃烧结构型式的设计匹配要求越来越高。
3.现有的气体发动机的燃烧室一般采用扩口浅盆式、缩口浅盆式、直筒浅盆式等形式。随着国际社会对能源能效提高以及日益严峻的排放法规严峻要求,气体发动机也随之向更高效能、更强动力、更低排放及更高可靠性(简称“四高”)的目标发展,当前用于气体发动机的这种传统燃烧室结构已无法满足“四高”性能等要求。
4.传统的浅盆式活塞的燃烧室存在火焰传播慢、中心燃烧快周边燃烧慢、氮氧化物生成物高、局部燃烧温度过高及易爆震等一系列问题。这种燃烧室结构决定了其气体发动机存在效率不高、动力不足、排放较大等性能不高的关键“卡脖子”技术问题。


技术实现要素:

5.本实用新型要解决的技术问题是针对现有技术的上述不足,提供一种强挤流高湍流离心式活塞燃烧室及燃烧系统,采用高能量点火预燃室与强挤流高湍流离心式预燃室活塞相结合的技术,可以满足气体发动机高效稀薄燃烧、最低污染物排放及最佳动力等指标,具有适用范围广、实用性强的特点。
6.本实用新型采用的技术方案是:一种强挤流高湍流离心式活塞燃烧室,包括缸盖和活塞,所述的活塞与缸盖之间形成有燃烧室腔体,所述的燃烧室腔体包括燃烧室和挤流室,所述的燃烧室位于活塞的顶部,所述的挤流室位于活塞的顶部表面与缸盖的底部表面之间,所述的燃烧室与挤流室连通,所述的燃烧室由多个凹坑组成,多个所述的凹坑靠近活塞中心的一侧相互连通,多个所述的凹坑靠近活塞外缘的一侧相间隔布置。
7.作为进一步地改进,所述凹坑的顶面形状与底面形状一致,且所述凹坑的顶面面积大于底面面积。
8.进一步地,所述凹坑的顶面与底面之间通过弧形面衔接。
9.进一步地,所述凹坑的横向截面为叶片状,且所述凹坑的纵向截面积沿活塞的半径由内向外逐渐增大。
10.进一步地,所述凹坑的顶面轮廓包括第一圆弧、第一直线、第二圆弧和第二直线,所述的第一直线的两端分别与第一圆弧、第二圆弧的一端相切,所述第二直线的一端与第
二圆弧的另一端相切,相邻的两个所述凹坑均通过第三圆弧连接,且所述第三圆弧的两端分别与第一圆弧、第二直线的另一端相切。
11.进一步地,所述第一圆弧的半径大于第二圆弧的半径,且所述第二圆弧的半径大于第三圆弧的半径。
12.进一步地,所述凹坑上方的缸盖上设有带喷射孔的预燃室,所述的预燃室内设有点火装置,所述的预燃室位于燃烧室腔体的中心,每个所述的凹坑均对应一个喷射孔,且所述喷射孔的喷射方向与第一直线相交。
13.进一步地,多个所述第二圆弧的外切圆直径与活塞的直径之比为0.50~0.80,多个所述第三圆弧的内切圆直径与活塞的直径之比为0.15~0.30。
14.进一步地,所述凹坑外的活塞的顶面面积与整个活塞的顶面面积之比为 0.6~0.8。
15.一种强挤流高湍流离心式活塞燃烧系统,包括上述所述的一种强挤流高湍流离心式活塞燃烧室。
16.有益效果
17.本实用新型与现有技术相比,具有以下优点:
18.本实用新型的一种强挤流高湍流离心式活塞燃烧室及燃烧系统,主要由预燃室、燃烧室和挤流室组成,燃烧室可在离心式活塞到达上止点时形成较高的湍流强度,同时在燃烧室的每个凹坑中形成强涡流和滚流,配合预燃室的喷射火焰实现快速燃烧效果,挤流室在离心式活塞到达上止点时,可以有效的将离心式活塞顶面的混合气体通过强挤流的形式挤进燃烧室,并加速燃烧室混合气体的湍流,预燃室通过点火装置引燃周围的混合气体,以实现高能量火焰通过喷射孔引燃主燃烧室稀薄气体,实现稀薄燃烧,具有实用性强、适用范围广的特点。
附图说明
19.图1为本实用新型的俯视结构示意图;
20.图2为图1中a-a剖视结构示意图;
21.图3为图1中b-b剖视结构示意图。
22.其中:1-燃烧室、2-挤流室、3-预燃室、4-冷却腔、5-凹坑、6-点火装置、 7-挤流面、8-喷射火焰、9-缸盖、10-离心式活塞、11-缸筒、12-喷射孔、13
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第一圆弧、14-第一直线、15-第二圆弧、16-第二直线、17-第三圆弧、18-弧形面。
具体实施方式
23.下面结合附图中的具体实施例对本实用新型做进一步的说明。
24.参阅图1-3所示,本实用新型的一种强挤流高湍流离心式活塞燃烧室,包括缸盖9和活塞10,活塞10与缸盖9之间形成有燃烧室腔体,燃烧室腔体包括燃烧室1和挤流室2,燃烧室1位于活塞10的顶部,挤流室2位于活塞10的顶部表面与缸盖9的底部表面之间,燃烧室1与挤流室2连通,燃烧室1由多个凹坑5组成,多个凹坑5靠近活塞10中心的一侧相互连通,多个凹坑5靠近活塞10外缘的一侧相间隔布置,通过预燃室3中的点火装置6引燃周围的混合气体,以实现高能量火焰通过喷射孔12引燃燃烧室1稀薄气体,实现稀薄燃烧, 燃烧室1
可在活塞10到达上止点时形成较高的湍流强度,同时在燃烧室1的每个凹坑5中形成强涡流和滚流,配合预燃室3的喷射火焰8可实现快速燃烧效果,挤流室2是离心式活塞10在上行至上止点左右时,活塞10的顶部表面与缸盖9的底部表面之间形成的挤流室2为强挤流燃烧室,挤流室2在离心式活塞10到达上止点时,可以有效的将离心式活塞10顶面的混合气体通过强挤流的形式挤进燃烧室1中,加速燃烧室1中混合气体的湍流。
25.具体的,凹坑5的顶面形状与底面形状一致,且凹坑5的顶面面积大于底面面积,凹坑5的顶面与底面之间通过弧形面18衔接,当喷射孔12喷射的火焰到达凹坑5时,可以形成强涡流和滚流,燃烧效果更加好。
26.优选的,凹坑5的横向截面为叶片状,且凹坑5的纵向截面积沿活塞10的半径由内向外逐渐增大,凹坑5的横向截面是从俯视方向得出,凹坑5的横向截面从侧视方向得出,多个凹坑5与预燃室3的喷射孔12数量相等,且一一对应,喷射出来的高能量火焰沿凹坑5纵向中心和横向中心向外扩散燃烧,实现高速引燃,多个凹坑5为n个,n的取值为:2、3、4、5、6、7、8、9、10、 11、12。
27.进一步地,凹坑5的顶面轮廓包括第一圆弧13、第一直线14、第二圆弧15 和第二直线16,第一直线14的两端分别与第一圆弧13、第二圆弧15的一端相切,第二直线16的一端与第二圆弧15的另一端相切,相邻的两个凹坑5均通过第三圆弧17连接,且第三圆弧17的两端分别与第一圆弧13、第二直线16的另一端相切,多个凹坑5围成的区域呈梅花形状,使得燃烧火焰在梅花形状中发生较强的涡流和滚流。
28.进一步地,第一圆弧13的半径大于第二圆弧15的半径,且第二圆弧15的半径大于第三圆弧17的半径,凹坑5左右两边的弧度不一样,使得燃烧室1燃烧时,会产生离心的效果,使得燃烧更加的充分。
29.进一步地,凹坑5上方的缸盖9上设有带喷射孔12的预燃室3,预燃室3内设有点火装置6,预燃室3位于燃烧室腔体的中心,每个凹坑5均对应一个喷射孔12,且喷射孔12的喷射方向与第一直线14相交,喷射孔12的喷射火焰8喷向第一直线14,将火焰一分为二,左右两边的火焰迅速分开,将燃烧室1点燃,实现迅速扩散燃烧。
30.进一步地,多个第二圆弧15的外切圆直径与活塞10的直径之比为0.50~ 0.80,多个第三圆弧17的内切圆直径与活塞10的直径之比为0.15~0.30,凹坑 5外的活塞10的顶面面积与整个活塞10的顶面面积之比为0.6~0.8,挤流室2 高度与活塞10直径之比为0.005~0.01,根据实际的应用需求进行设计,设计不同的压缩比、挤流强度和湍流强度的燃烧室1,以实现不同燃料在稀薄燃烧状态下的最优的湍流、挤流和点火能量状态,进而加速火焰传播速度,使燃烧室1 中的混合气体加速湍流,提高燃烧效率,并达到降低污染物排放的目标要求,实现气体发动机经济性和排放性、动力性等综合指标最优,使混合气体可以进入燃烧室1中。
31.进一步地,凹坑5下部设有冷却腔4,实现对该离心式活塞10顶部燃烧室 1进行强制冷却,降低心燃烧室1的温度,以提高活塞的运行可靠性。
32.进一步地,喷射孔12的喷射角度γ范围为90
°
~160
°
,预燃室3在高能量点火开始时,预燃室3内高能量火焰迅速顺着喷孔角度γ将火焰喷向凹坑5 中心底部,并在凹坑5中沿横向中心和纵向中心周围迅速扩散燃烧。
33.一种强挤流高湍流离心式活塞燃烧系统,包括上述 的一种强挤流高湍流离心式
活塞燃烧室。
34.本实施例的一种强挤流高湍流离心式活塞燃烧室在使用时,通过预燃室3 中的点火装置6引燃周围的混合气体,以实现高能量火焰通过喷射孔12引燃燃烧室1稀薄气体,实现稀薄燃烧,燃烧室1可在离心式活塞10到达上止点时形成较高的湍流强度,同时在燃烧室1的每个凹坑5中形成强涡流和滚流,配合预燃室3喷射火焰可实现快速燃烧效果,挤流室2在活塞10到达上止点时,可以有效的将活塞10顶面的混合气体通过强挤流的形式挤进燃烧室1中,加速燃烧室1中混合气体的湍流,实现更好的燃烧效果。本实用新型一种强挤流高湍流离心式活塞燃烧室,通过燃烧室结构形状的创新设计、高能量点火技术匹配、燃烧室强冷却设计,其燃烧效率大大提高,进而实现气体发动机高效混合、稀薄燃烧、较低排放的设计需求,从而提升发动机的热效率、经济性、动力性及可靠性等指标。
35.以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式,应当指出对于本领域的技术人员来说,在不脱离本实用新型结构的前提下,还可以作出若干变形和改进,这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。

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