一种转子发动机旋涡燃烧室的制作方法

本发明属于内燃机燃烧技术领域，具体涉及在转子发动机燃烧室凹坑内增设前后钝体形成回流旋涡提高转子发动机燃烧效率的燃烧室改进设计。

背景技术：

与往复活塞式发动机相比，转子发动机无配气机构及往复运动机构，具有结构简单、运动平稳、振动噪声小高速性能好等优点，因而被广泛应用于无人机、小型便携发电机等军事领域以及增程器等民用领域。但是由于转子发动机燃烧室随转子一起做旋转运动，压缩到上止点后，缸内涡流完全破碎为随转子运动方向的单向流，平均湍动能降低，因而燃烧速率低，燃烧过程往往持续到膨胀阶段，定容度差，导致热效率低。高速的气流也加速了点火能量的散失，使失火率增加，燃料未经燃烧就排放到大气会导致大量的碳氢排放。此外由于混合气流速远大于火焰传播速度，火焰难以逆向传播，火焰在向燃烧室尾部传播过程中易淬熄，狭窄细长的燃烧室加剧了淬熄现象，碳氢及一氧化碳排放增加。

为克服上述缺点，人们不断改进燃烧室结构，目前主流的燃烧室设计是在转子上开设凹坑，凹坑设计大致分为三类，中置凹坑，前置凹坑和后置凹坑，中置凹坑燃烧室在压缩上止点时，由于短轴附近的流通截面积大，气流流速相对较低，这可以将火焰稳定在凹坑内，但气流流速仍大于火焰传播速度，火焰仍然不能逆向传播，燃烧室尾部的混合气不能充分燃烧，虽然采用前后双火花塞能解决尾部未燃碳氢问题，但这将使结构复杂，且后火花塞处于非等压区，相邻燃烧室间的漏气问题严重。前置凹坑燃烧室通过减少燃烧室尾部体积来减少燃烧速度慢的的混合气含量使燃烧及时，从而缓解了未燃碳氢排放问题，但由于短轴附近流通截面积较小，混合气流速大，火焰后锋面不易稳定。后置凹坑后置火花塞布置方案同样具有相邻燃烧室间的漏气问题，且绝大部分混合气要流过短轴，造成较大的流动损失和传热损失。除了改变转子结构，也有方案通过在气缸型面上开引火槽来达到稳定火焰后锋面的目的，但引火槽需要有一定的宽度，而转子径向密封片是线密封，因此这会加剧漏气。

虽然这些方案能在一定程度提高发动机性能，但由于单向流流场没有改变，因此无法从根本上实现高效燃烧。因为内燃机流场对燃料组分浓度和燃烧过程有着决定性影响，深刻地影响着发动机的动力性、经济性及有害排放。所以，有必要进一步改进燃烧室结构，组织有利于混合气形成及火焰快速传播的流场。但是转子发动机不能像往复活塞式发动机一样在进气初期就组织良好的涡流或滚流，并且组织的流场能在压缩过程得以保持，因为转子发动机特殊的运动方式决定了其流场特性，压缩过程必然伴随着进气初期的涡流或滚流向单向流的转变，这使得改善压缩终点流场特性显得很重要。

技术实现要素：

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种转子发动机旋涡燃烧室，利用钝体结构，使得在压缩上止点附近燃烧室内的纯单向流场发生改变，形成凹腔内的回流区和下游的高湍流强度区，从而加强油气掺混，提高火焰传播速度，实现高效燃烧。

本发明的技术方案如下：

一种转子发动机旋涡燃烧室，其特征在于：转子发动机燃烧室的转子凹坑内沿转子运动方向前后均布置有相互平行、且垂直于转子端面的前钝体和后钝体，所述前钝体与后钝体的两端均延伸至转子凹坑内端面上，所述前钝体与后钝体之间具有间隙，使前钝体、后钝体之间形成一个凹腔。

进一步地，所述前钝体朝向所述转子旋转方向后方的一端、所述后钝体朝向所述转子旋转方向的一端的端面为圆弧状。

进一步地，所述前钝体的截面轮廓为由一个半圆和以该半圆直径为一条边的矩形组成，所述前钝体端面为半圆形的一端朝向所述转子旋转方向后方；所述后钝体的截面轮廓为半圆形，所述后钝体半圆形端面朝向所述转子旋转方向。

进一步地，所述前钝体的宽度大于所述后钝体的宽度。

进一步地，所述前钝体截面的半圆直径D1为转子凹坑深度H的1/2～3/4；后钝体截面半圆的直径与前钝体直径之比D2/D1范围为0.5～0.7，前钝体截面的矩形长度与后钝体截面直径之比L/D2范围为1～2，前钝体与后钝体之间的间距S与后钝体截面半圆直径之比S/D2范围为0.2～1.2。

进一步地，所述前钝体、后钝体在凹坑内的位置为当所述转子旋转至上止点位置时，火花塞能够位于前钝体与后钝体之间的凹腔内部。

本发明的有益效果在于：

1.在前钝体、后钝体之间的凹腔内形成回流区，改变了上止点时的单向流流场，促进传热传质，使油气混合更加充分，改善了燃气分布，有利于完全燃烧。

2.在压缩上止点时，高速气流由于凹腔的存在，流向发生改变，火花塞附近的气流流速降低，失火率降低，点火更加稳定可靠，因此有更宽的可燃极限范围。

3.回流区的气旋可以起到稳定火焰的作用，保证燃烧室后部来的混合气达到凹腔处就被点燃，这有利于减少燃烧室尾部的未燃碳氢。

4.在后钝体下游，由于单向流绕流形成的涡街增强了湍流强度，火焰传播速度增大，使燃烧持续期缩短，燃烧定容度好，有利于提高热效率。

附图说明

图1为本发明所述转子中心对称面的截面图。

图2是正对转子中心的视图。

图3是本发明所述的转子及钝体在上止点时的流场效果图。

图中：

1-转子，2-凹坑，3-前钝体，4-后钝体。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1、图2所示，本发明所述的转子1发动机旋涡燃烧室，在转子1凹坑2内沿转子1运动方向前后均布置有相互平行、且垂直于转子1端面的前钝体3和后钝体4，所述前钝体3与后钝体4的两端均延伸至转子1凹坑2内端面上，所述前钝体3与后钝体4之间具有间隙，使前钝体3、后钝体4与所述转子1的凹坑2内壁围成一个凹腔。所述前钝体3、后钝体4在凹坑2内的位置为当所述转子1旋转至上止点位置时，火花塞能够位于前钝体3与后钝体4之间的凹腔内部。

所述前钝体3朝向所述转子1旋转方向后方的一端、所述后钝体4朝向所述转子1旋转方向的一端的端面为圆弧状。在本实施例中，所述前钝体3的截面轮廓为由一个半圆和以该半圆直径为一条边的矩形组成，所述前钝体3端面为半圆形的一端朝向所述转子1旋转方向后方；所述后钝体4的截面轮廓为半圆形，所述后钝体4半圆形端面朝向所述转子1旋转方向。所述前钝体3截面的半圆直径D1为转子1凹坑2深度H的1/2～3/4；后钝体4截面半圆的直径与前钝体3直径之比D2/D1范围为0.5～0.7，前钝体3截面的矩形长度与后钝体4截面直径之比L/D2范围为1～2，前钝体3与后钝体4之间的间距S与后钝体4截面半圆直径之比S/D2范围为0.2～1.2。

预混合燃烧时，燃烧主要发生在凹腔及后钝体4下游，如图3所示，压缩上止点附近时，主流以单向流流过钝体，由于后钝体4半径小于前钝体3，凹腔内的气体在主流的卷吸和粘性作用下，外侧的气体由主流带动流向燃烧室前部，由于凹腔内气体被带走，凹腔内部靠近前钝体3后端面的区域压力降低，因此靠近后钝体4前端面的气体在压力梯度作用下流向前钝体3，而该部分气体再次受到主流的卷吸和粘性作用，被主流带到燃烧室前部，从而使得凹腔内形成回流旋涡，形成正向分布的对称旋涡。火花塞把凹腔内的混合气点燃以后，一部分气体燃烧后产生高温燃气，这部分燃气具有较高的热量，在回流过程中，通过传热传质可以加热从燃烧室尾部流过的空气和燃料，并促进燃油蒸发形成可燃混合气，这部分可燃混合物在高温燃气的加热作用下达到着火温度发生燃烧，因为前钝体3的遮挡，凹腔内流速较低，混合气在凹腔内可稳定燃烧，从而形成稳定的值班火焰。另一方面，从热平衡观点看，热回流所含的热量超过点燃新鲜混合气所消耗的热量时，火焰就可以稳定在凹腔内，所以回流的高温燃气实际相当于一个稳定的点火源。燃烧室尾部的混合气在单向流作用下流经凹腔时被凹腔内的稳定火团点燃，从而克服了燃烧室尾部未燃碳氢多的问题。后钝体4下游为主燃区，凹腔内的混合气被点燃后，部分燃气由于卷吸作用被迅速带到后钝体4下游的主燃区点燃该区域的未燃混合气，由于该区域较为宽阔，使得燃烧室的大部分燃烧过程再此进行。由于燃烧室单向流流速很高，可达到100～200m/s,在高雷诺数下，混合气流过后钝体4时，发生边界层分离，在下游产生不稳定的旋转方向相反的对称旋涡，该旋涡系列一方面为未燃主流和已燃气体提供再次强化混合气传热传质的空间，促进混合气形成，以提高燃烧效率，另一方面增强了湍流强度，使火焰锋面褶皱增大，火焰传播更快，燃烧持续期缩短，热效率提高。

非预混燃烧时，压缩过程末期，和预混燃烧时类似，在前后钝体4之间的凹腔内会形成对称旋涡。由于后钝体4的阻挡，当喷油器逆流喷入燃料，燃料撞击后钝体4后被分成三部分，一部分正面冲击后钝体4，由于钝体表面温度较高，这部分燃料迅速蒸发，在主燃区形成可燃混合气，另外两部分燃料雾滴群从两侧绕过后钝体4流向燃烧室尾部，由于逆流，气流与雾滴之间的热质交换非常激烈，混合速度很高，混合好的可燃气体又沿着被卷吸入凹腔内，因此凹腔内形成了较浓的混合气，有利于提高点火成功率。这一结构实现了燃烧室形状、气流流动及喷雾形态的匹配，形成理想的混合气分布，从而改善了燃烧过程。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。