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雙燃料發動機中加工有燃燒室的活塞.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510478615.X

申請日:

2015.08.07

公開號:

CN104989544A

公開日:

2015.10.21

當前法律狀態:

撤回

有效性:

無權

法律詳情: 發明專利申請公布后的視為撤回IPC(主分類):F02F 3/26申請公布日:20151021|||實質審查的生效IPC(主分類):F02F 3/26申請日:20150807|||公開
IPC分類號: F02F3/26 主分類號: F02F3/26
申請人: 吉林大學
發明人: 王忠恕; 劉忠長; 楊舟; 李偉峰; 李慧
地址: 130012吉林省長春市前進大街2699號
優先權:
專利代理機構: 長春吉大專利代理有限責任公司22201 代理人: 齊安全; 胡景陽
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510478615.X

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.01.19|||2015.11.18|||2015.10.21

法律狀態類型:

發明專利申請公布后的視為撤回|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種雙燃料發動機中加工有燃燒室的活塞,旨在克服天然氣/柴油雙燃料發動機小負荷下由于混合氣濃度稀、缸內溫度低、火焰傳播速度慢等原因造成天然氣燃燒不完全、熱效率低、CH4排放過高的缺點,雙燃料發動機中加工有燃燒室的活塞即燃燒室式活塞(1)頂端的中心處設置一個四角啞鈴形燃燒室,四角啞鈴形燃燒室由上部的四角形柱體孔(2)、下部的啞鈴形回轉腔(3)及過度圓環曲面(4)組成;四角形柱體孔(2)是由四段矩形平面及四段圓柱面相間布置連接,啞鈴形回轉腔(3)由外圓環圓弧面、底圓環圓弧面與凸臺圓臺面依次連接而成,上部的四角形柱體孔(2)的底端與下部的啞鈴形回轉腔(3)的頂端采用過度圓環曲面(4)連接。

權利要求書

權利要求書
1.  一種雙燃料發動機中加工有燃燒室的活塞,其特征在于,所述的雙燃料發動機中加工有燃燒室的活塞即燃燒室式活塞(1)頂端的中心處設置一個四角啞鈴形燃燒室,四角啞鈴形燃燒室的對稱軸線與燃燒室式活塞(1)的對稱軸線共線;
所述的四角啞鈴形燃燒室是由上部的四角形柱體孔(2)、下部的啞鈴形回轉腔(3)及過度圓環曲面(4)組成;
上部的四角形柱體孔(2)的底端與下部的啞鈴形回轉腔(3)的頂端采用過度圓環曲面(4)連接。

2.  按照權利要求1所述的雙燃料發動機中加工有燃燒室的活塞,其特征在于,所述的四角形柱體孔(2)是由四段矩形平面及四段圓柱面組成,四段圓柱面與四段矩形平面相間布置,每段圓柱面與其兩側的矩形平面為相切連接,四角形柱體孔(2)的對稱中心線與燃燒室式活塞(1)的回轉中心線共線,四段矩形平面與燃燒室式活塞(1)的回轉中心線平行且距離相等,四段圓柱面的回轉中心線與燃燒室式活塞(1)的回轉中心線平行且距離相等。

3.  按照權利要求2所述的雙燃料發動機中加工有燃燒室的活塞,其特征在于,所述的四段矩形平面的長度為42mm~44mm,四段圓柱面的半徑為3mm~4mm,四角形柱體孔(2)的高度為3mm~4mm。

4.  按照權利要求1所述的雙燃料發動機中加工有燃燒室的活塞,其特征在于,所述的連接四角形柱體孔(2)底端與啞鈴形回轉腔(3)頂端的過度圓環曲面(4)的曲面半徑為3mm~4mm。

5.  按照權利要求1所述的雙燃料發動機中加工有燃燒室的活塞,其特征在于,所述的啞鈴形回轉腔(3)包括外圓環圓弧面、凸臺圓臺面與底圓環圓弧面;凸臺圓臺面位于啞鈴形回轉腔(3)的中心處,凸臺圓臺面的回轉軸線、啞鈴形回轉腔(3)的回轉軸線與燃燒室式活塞(1)的回轉軸線共線;
外圓環圓弧面的底端與底圓環圓弧面的外端連接,底圓環圓弧面的里端與凸臺圓臺面的底端連接。

6.  按照權利要求5所述的雙燃料發動機中加工有燃燒室的活塞,其特征在于,所述的底圓環圓弧面的里端與凸臺圓臺面的底端連接是指:采用小半徑圓環圓弧面將底圓環圓弧面的里端和凸臺圓臺面的底端連接。

7.  按照權利要求5所述的雙燃料發動機中加工有燃燒室的活塞,其特征在于,所述的啞鈴形回轉腔(3)的外圓環圓弧面的半徑為10mm~11mm,凸臺圓臺面的底端直徑為48mm~50mm,凸臺圓臺面的頂端直徑為10mm~12mm,凸臺圓臺面的頂端面距四角啞鈴形燃燒室頂部距離為4mm~5mm,底圓環圓弧面的半徑為40mm~42mm,底圓環圓弧面的回轉中心在啞鈴形回轉腔(3)的內側,小半徑圓 環圓弧面的半徑為6mm~8mm。

說明書

說明書雙燃料發動機中加工有燃燒室的活塞
技術領域
本發明涉及一種用于發動機中的活塞,更具體地說,本發明涉及一種用于天然氣/柴油雙燃料發動機中加工有燃燒室的活塞。
背景技術
石油資源的日益匱乏與環境污染的日益嚴重是制約汽車行業發展的主要因素。在這種趨勢下,天然氣以其資源豐富和排放友好得到了廣泛應用。按照目前天然氣發動機的使用狀況來看,主要分為天然氣點燃式和天然氣/柴油雙燃料壓燃式兩類。天然氣/柴油雙燃料發動機雖然目前還沒得到廣泛應用,但在節能與環保方面均體現出了優勢,具有良好的發展前景。它與傳統的柴油機相比,天然氣/柴油發動機可以同時降低NO和碳煙排放,使用天然氣還可以降低對石油的依賴性;與天然氣點燃式發動機相比,引燃柴油較多的火源加快了火焰的傳播速度,可以采用較大壓縮比,提高熱效率。
但是,天然氣/柴油雙燃料發動機不可避免的存在一些問題,其中較為突出的問題是在小負荷下由于混合氣濃度稀、缸內溫度低、火焰傳播速度慢等不利條件,易出現燃燒中斷現象,從而導致天然氣燃燒不完全,大量CH4沒經過燃燒就排出缸外,造成大量的CH4排放。尤其在高替代率下問題更加嚴重。為了解決這一問題,可以通過優化設計燃燒室的形狀,組織缸內湍流流動,提高混合氣燃燒速度,改善天然氣/柴油雙燃料發動機的燃燒過程。目前國內外沒有專門為天然氣/柴油雙燃料發動機設計的燃燒室,最常見的為沿用適用于柴油機的縮口ω形燃燒室。而天然氣/柴油雙燃料發動機兼具點燃式和壓燃式發動機兩方面特點,單純適用于汽油機、柴油機的燃燒室顯然不是雙燃料發動機的最佳選擇,因而需要重新設計燃燒室。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是克服了天然氣/柴油雙燃料發動機小負荷下由于混合氣濃度稀、缸內溫度低、火焰傳播速度慢等原因造成的天然氣燃燒不完全、熱效率低、CH4排放過高的缺點,提供一種用于天然氣/柴油雙燃料發動機中加工有燃燒室的活塞。
為解決上述技術問題,本發明是采用如下技術方案實現的:所述的雙燃料發動機中加工有燃燒室的活塞即燃燒室式活塞頂端的中心處設置一個四角啞鈴形燃燒室,四角啞鈴形燃燒室的對稱軸線與燃燒室式活塞的對稱軸線共線;
所述的四角啞鈴形燃燒室是由上部的四角形柱體孔、下部的啞鈴形回轉腔及過度圓環曲面組成;
上部的四角形柱體孔的底端與下部的啞鈴形回轉腔的頂端采用過度圓環曲面連接。
技術方案中所述的四角形柱體孔是由四段矩形平面及四段圓柱面組成,四段圓柱面與四段矩形平面相間布置,每段圓柱面與其兩側的矩形平面為相切連接,四角形柱體孔的對稱中心線與燃燒室式活塞的回轉中心線共線,四段矩形平面與燃燒室式活塞的回轉中心線平行且距離相等,四段圓柱面的回轉中心線與燃燒室式活塞的回轉中心線平行且距離相等。
技術方案中所述的四段矩形平面的長度為42mm~44mm,四段圓柱面的半徑為3mm~4mm,四角形柱體孔的高度為3mm~4mm。
技術方案中所述的連接四角形柱體孔底端與啞鈴形回轉腔頂端的過度圓環曲面的曲面半徑為3mm~4mm。
技術方案中所述的啞鈴形回轉腔包括外圓環圓弧面、凸臺圓臺面與底圓環圓弧面;凸臺圓臺面位于啞鈴形回轉腔的中心處,凸臺圓臺面的回轉軸線、啞鈴形回轉腔的回轉軸線與燃燒室式活塞的回轉軸線共線;外圓環圓弧面的底端與底圓環圓弧面的外端連接,底圓環圓弧面的里端與凸臺圓臺面的底端連接。
技術方案中所述的底圓環圓弧面的里端與凸臺圓臺面的底端連接是指:采用小半徑圓環圓弧面將底圓環圓弧面的里端和凸臺圓臺面的底端連接。
技術方案中所述的啞鈴形回轉腔的外圓環圓弧面的半徑為10mm~11mm,凸臺圓臺面的底端直徑為48mm~50mm,凸臺圓臺面的頂端直徑為10mm~12mm,凸臺圓臺面的頂端面距四角啞鈴形燃燒室頂部距離為4mm~5mm,底圓環圓弧面的半徑為40mm~42mm,底圓環圓弧面的回轉中心在啞鈴形回轉腔的內側,小半徑圓環圓弧面的半徑為6mm~8mm。
與現有技術相比本發明的有益效果是:
1.與本發明所述的雙燃料發動機中加工有燃燒室的活塞最為接近的是日本小松微渦流燃燒室,與本發明適用領域不同。并且小松微渦流燃燒室上部的四角形和下部圓形的連接處直接用圓弧過度,本發明所述的燃燒室上部是高度為3~4mm的四角形柱體,是上部直口形燃燒室,然后再用過度圓弧連接下部的圓形腔。小松微渦流燃燒室的凸臺形狀和大小也與本發明所述的燃燒室有很大不同,本發明所述的凸臺較小松微渦流燃燒室大,這樣的凸臺對柴油起到引流的作用。
2.本發明所述的雙燃料發動機中加工有燃燒室的活塞相比于原機可以改變引燃柴油的著火位置,從而使柴油的著火點分布合理。
3.本發明所述的雙燃料發動機中加工有四角啞鈴形燃燒室的活塞相比于原機一方面由于可以產生較強的擠流與逆擠流,另一方面上部四角形、下部啞鈴形截面變化引起的較強的渦流。兩者共同實現了提高缸內的平均湍動能,組織 缸內快速流動,提高天然氣火焰傳播速度的作用。
4.本發明所述的雙燃料發動機中加工有四角啞鈴形燃燒室的活塞在1335r/min、等能量25%負荷(與原柴油機25%負荷釋放的能量相同)與90%替代率(天然氣占總質量的90%)工況下進行數值模擬時,缸內最大爆發壓力比原機縮口ω形燃燒室提高9%左右,提高了動力性。
5.本發明所述的雙燃料發動機中加工有四角啞鈴形燃燒室的活塞在1335r/min、等能量25%負荷與90%替代率工況下進行數值模擬時,第一放熱率峰值和原機相當,第二放熱率峰值比原機高且對應的曲軸轉角提前。
6.本發明所述的雙燃料發動機中加工有四角啞鈴形燃燒室的活塞在1335r/min、等能量25%負荷與90%替代率工況下進行數值模擬時,原機天然氣剩余量接近30%,而用四角啞鈴形燃燒室天然氣剩余量為1%左右,大大降低了由于天然氣未完全燃燒引起的CH4排放高的現象。Soot排放較原機降低3倍,NO較原機提高10%。
7.本發明所述的雙燃料發動機中加工有四角啞鈴形燃燒室的活塞比之前本課題組發明的八瓣啞鈴形燃燒室性能稍差,但是加工工藝簡單,可以節約成本,實現雙燃料發動機燃燒室的合理匹配。
附圖說明
下面結合附圖對本發明作進一步的說明:
圖1為現有技術中加工有燃燒室的活塞的頂端中心處所設置的原機縮口ω形燃燒室的主視圖;
圖2為現有技術中加工有燃燒室的活塞的頂端中心處所設置的原機縮口ω形燃燒室的俯視圖;
圖3為本發明所述的雙燃料發動機中加工有燃燒室的活塞的頂端中心處所設置的四角啞鈴形燃燒室的主視圖;
圖4為本發明所述的雙燃料發動機中加工有燃燒室的活塞的頂端中心處所設置的四角啞鈴形燃燒室的俯視圖;
圖5為本發明所述的雙燃料發動機中加工有燃燒室的活塞的頂端所設置的四角啞鈴形燃燒室與原機縮口ω形燃燒室的缸內平均湍動能隨曲軸轉角的變化曲線;
圖6為本發明所述的雙燃料發動機中加工有燃燒室的活塞的頂端所設置的四角啞鈴形燃燒室與原機縮口ω形燃燒室的缸內平均壓力隨曲軸轉角的變化曲線;
圖7為本發明所述的雙燃料發動機中加工有燃燒室的活塞的頂端所設置的四角啞鈴形燃燒室與原機縮口ω形燃燒室的缸內溫度隨曲軸轉角的變化曲線;
圖8為本發明所述的雙燃料發動機中加工有燃燒室的活塞的頂端所設置的 四角啞鈴形燃燒室與原機縮口ω形燃燒室放熱率隨曲軸轉角的變化曲線;
圖9為本發明所述的雙燃料發動機中加工有燃燒室的活塞的頂端所設置的四角啞鈴形燃燒室與原機縮口ω形燃燒室燃料剩余百分比隨曲軸轉角的變化曲線;
圖中:1.燃燒室式活塞,2.四角形柱體孔,3.啞鈴形回轉腔,4.過度圓環曲面。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作詳細的描述:
參閱圖1至圖2,圖中為目前雙燃料發動機廣泛采用的頂端加工有縮口ω形燃燒室的活塞,該燃燒室上部為漸縮圓柱體形孔,底部為ω形回轉腔,兩者之間采用圓環曲面連接。
參閱圖3,本發明所述的雙燃料發動機中加工有燃燒室的活塞即燃燒室式活塞1與現有技術所采用的活塞結構形狀和尺寸是基本相同的,所不同的是現有技術中所述的活塞頭部加工一個縮口ω形燃燒室,而在本發明所述的雙燃料發動機中加工有燃燒室的活塞即燃燒室式活塞1頂端的中心處設置一個四角啞鈴形燃燒室,四角啞鈴形燃燒室的對稱軸線與燃燒室式活塞1的對稱軸線共線。
參閱圖3與圖4,本發明所述的雙燃料發動機中加工有燃燒室的活塞即燃燒室式活塞1上的四角啞鈴形燃燒室是由上部的四角形柱體孔2、下部的啞鈴形回轉腔3及兩者之間采用的過度圓環曲面4連接而成。
參閱圖4,所述的四角形柱體孔是由四段矩形平面及四段圓柱面組成,四段圓柱面與四段矩形平面相間布置,每段圓柱面與其兩側的矩形平面為相切連接,四角形柱體孔的對稱中心線與燃燒室式活塞的回轉中心線共線,四段矩形平面與燃燒室式活塞的回轉中心線平行且距離相等,四段圓柱面的回轉中心線與燃燒室式活塞的回轉中心線平行且距離相等。
所述的四段矩形平面長為42~44mm,四段圓柱面半徑為3~4mm,四角形柱體孔高為3~4mm,過高對渦流抑制作用過強,過低發揮不了上部四角形柱體孔的作用,同時四角形柱體孔可以產生小尺度渦流。
所述的連接上部的四角形柱體孔2底端與下部的啞鈴形回轉腔3頂端的過度圓環曲面4的曲面半徑為3~4mm,這樣不產生尖點,可以減輕熱負荷,同時還可以實現從上部的四角形柱體孔2到下部的圓形變截面的過度。
參閱圖3,所述的下部的啞鈴形回轉腔3由外圓環圓弧面、凸臺圓臺面與底圓環圓弧面構成;其中:凸臺即凸臺圓臺面位于四角啞鈴形燃燒室中啞鈴形回轉腔3的中心處,凸臺圓臺面的回轉軸線、四角啞鈴形燃燒室中啞鈴形回轉腔3的回轉軸線與燃燒室式活塞1的回轉軸線共線。
外圓環圓弧面的頂端采用過度圓環曲面4與上部的四角形柱體孔2的底端 圓滑連接,外圓環圓弧面的底端與底圓環圓弧面的外端圓滑連接,底圓環圓弧面的里端與凸臺圓臺面的底端相切連接,確切地說,底圓環圓弧面和凸臺圓臺面底端之間采用小半徑圓環圓弧面將底圓環圓弧面和凸臺圓臺面底端圓滑連接,防止熱負荷過重。
實施例中下部的啞鈴形回轉腔3的外圓環圓弧面的半徑為10~11mm,凸臺圓臺面的頂端直徑為10~12mm,凸臺圓臺面的底端直徑為48~50mm,凸臺圓臺面的頂端面距四角啞鈴形燃燒室頂部(即燃燒室式活塞1的頂端面的)距離為4~5mm,這樣大的凸臺圓臺面占據混合氣運動的死區,增加了混合氣的利用率,同時這樣大的凸臺圓臺面還迫使燃燒室內渦流運動加強,引導柴油火核向四角啞鈴形燃燒室底部運動,改變著火點位置。外圓環圓弧面和凸臺圓臺面之間用半徑為40~42mm的底圓環圓弧面連接。半徑為40~42mm的底圓環圓弧面的半徑回轉中心在啞鈴形回轉腔3的內側。半徑為40~42mmm的底圓環圓弧面和凸臺圓臺面之間采用半徑為6~8mm小半徑圓環圓弧面將兩者圓滑連接。
模擬試驗:
通過對CA6DL2-35E5RB天然氣/柴油雙燃料發動機進行試驗研究,對原機ω形燃燒室和本發明所述的四角啞鈴形燃燒室在1335r/min,等能量25%負荷,90%替代率工況下的工作過程進行了模擬分析。分析結果表明:
采用原機縮口ω形燃燒室使得燃燒末期燃燒室底部和氣缸中心附近剩余大量的天然氣。原機燃燒室底部沒燃燒主要由于柴油在原機燃燒室上部著火,原機燃燒室底部湍動能弱,引燃柴油火核不能向燃燒室底部傳播。而氣缸中心為火焰傳播末端,還沒來得及燃燒即排出缸外,兩者共同作用導致了大量的HC排放。總之,原機天然氣未完全燃燒是由于著火點分布不合理和燃燒室內湍動能太弱的緣故。
本發明所述的四角啞鈴形燃燒室即可同時實現理想的著火點分布和較強的湍動能分布。
本發明所述的四角啞鈴形燃燒室在著火階段,啞鈴形凸臺占據混合氣運動的死區,增加了混合氣的利用率,同時大的凸臺還迫使燃燒室內渦流向外運動,速度增大,較強的渦流引導柴油火核向燃燒室底部運動,改變著火點位置,從而使著火點分布合理。
本發明所述的四角啞鈴形燃燒室在火焰傳播階段,一方面由于四角形柱體孔可以產生較強的逆擠流和小尺度渦流,另一方面上部的四角形柱體孔、下部的啞鈴形回轉腔3圓形截面變化引起的較強的渦流,兩者共同作用造成湍動能分布范圍廣,并且長時間保持較高的水平,從而使天然氣火焰迅速傳播。
模擬試驗結果:
1.參閱圖5,所述的四角啞鈴形燃燒室相比于原機縮口ω形燃燒室缸內平均 湍動能大大提高。
2.參閱圖6至圖8,所述的四角啞鈴形燃燒室由于缸內平均湍動能增加,缸內最大爆發壓力比原機縮口ω形燃燒室提高9%左右,提高了動力性;缸內平均溫度峰值比原機縮口ω形燃燒室缸內平均溫度峰值高27%左右,改善了缸內的燃燒條件。
所述的四角啞鈴形燃燒室出現了兩個明顯的放熱率峰值。主要原因為四角啞鈴形燃燒室在火焰傳播的過程中缸內產生較大的湍動能促進了天然氣火焰的傳播速度,使天然氣作為主要燃料燃燒更完全。
3.參閱圖9,所述的四角啞鈴形燃燒室柴油著火后由于缸內流動增強,柴油與周圍混合氣混合充分,從而柴油著火點分布廣泛,引燃天然氣的火源多,分布在四角啞鈴形燃燒室的各個角落,同時較強的湍動能提高天然氣火焰傳播速度,促使原來燃燒室中未燃的天然氣完全燃燒,剩余量約1%,提高了經濟性,大大降低了由于天然氣未完全燃燒引起的CH4排放。Soot排放較原機降低3倍,NO較原機提高10%。

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燃料 發動機 加工 燃燒室 活塞
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