专利名称：复合卷流燃烧室的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种特殊设计及加工的柴油机燃烧室，此燃烧室在一种双卷流燃烧室的基础上叠加数量合适的侧卷流尖端分流造型，喷油器喷孔中喷出的燃油首先撞击双卷流弧脊，在内室和外室分别形成双向卷流，分向外室的燃油又撞击尖端分流造型而向分流造型两侧扩散形成两个侧向卷流。该燃烧室综合了双卷流燃烧室和侧卷流燃烧室空气利用率高的优点，通过两次卷流作用加速油气混合速率，达到改善柴油机燃烧性能及排放性能的目的。
背景技术：
现代柴油机的燃油破碎、油气混合过程直接影响着燃烧性能及排放特性。因此，使燃油喷雾在燃烧室空间范围内分布更广，提高与空气的混合速度，减少燃烧室中出现燃油的极浓极稀区，都可以明显改善柴油机的动力性和排放性能。现代柴油机中应用了各种不同的手段来提高发动机燃烧及排放性能，但这些技术路线在一定程度上造成燃油、空气与燃烧室不匹配。为了更好说明，下面结合图1分别分析几种典型的技术手段的缺陷。图1是典型的ω燃烧室的造型，1、2、3、4区分别为燃烧室中的不同空间位置。燃油高压喷射技术可使燃油喷出后在2区内快速雾化，更好地解决油气混合速度问题，但是燃烧室3区远端、4区及油束下面的1区空间仅有少量燃油，空气利用率偏低，即使增加喷油贯穿度或增大油束夹角，也仅会使得3、4区空气利用率有所提高；燃烧室与涡流优化匹配技术虽然可综合优化2区的油、气混合，但由于涡流使油束贯穿度减小导致3区、4区反而变差，1区内燃油几乎无法到达，活塞下移的过程中只靠燃油的扩散依然无法充分利用这些区域的空气；而涡轮增压中冷技术实际上依靠提高进气密度、供油系统增加循环喷油量从而达到增加功率、降低燃油消耗率等目的，空气密度的增加会导致喷油贯穿度的减小，从而燃烧室中3区远端及挤流区4区内的空气利用率下降，同样1区内由于燃油量很少，油气混合很差。综上所述，目前这些技术手段只注重在燃烧室某一空间内的油、气混合，而无法周全地考虑燃烧室全空间内燃油平均分布。本发明的目的就是通过在一种可充分利用燃烧室空间内空气的双卷流燃烧室的基础上，根据喷孔数叠加数量合适的侧卷流燃烧室尖端分流造型，使得双卷流燃烧室外室卷出的油束又能撞击尖端分流造型，形成侧向卷流，使燃烧室3区远端周向方向油气浓度更加均勻，双卷流燃烧室内室卷流使1区分配适量的燃油，从而整个燃烧室内油气混合及燃烧速度加快，发动机动力、排放性能得到改善。本发明涉及的复合卷流燃烧室通过燃油分别撞击燃烧室弧脊和尖端分流造型，加快燃烧室径向和周向方向上的燃油分布。当喷油器喷孔中喷出的燃油撞击双卷流燃烧室的弧脊时形成燃油的双卷流形态，向外室方向卷出的燃油撞击尖端分流造型时又会向侧向扩散燃油，这样就形成了发生两次卷流的燃油运动规律，称之为复合卷流运动状态，基于此造型得到的燃烧室即为复合卷流燃烧室。该燃烧室的应用可降低对进气涡流的要求，提高空气利用率，使用方便，在现有的双卷流燃烧室的基础上叠加尖端分流造型即可实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种可使燃油雾注与双卷流燃烧室弧脊碰撞后，外室燃油继续向前并与尖端分流造型碰撞分裂的柴油机燃烧室，以达到提高燃烧室远端空气利用率、 促进油气混合进而提高动力性、经济性及排放性能的目的。为了实现本发明的目的，提出了一种可以在某特殊结构的燃烧室基础上改造的燃烧室结构，其中基础燃烧室为双卷流燃烧室，然后在其上叠加侧卷流燃烧室尖端分流造型，尖端分流造型所属的侧卷流燃烧室直径D侧与双卷流燃烧室直径D双相等。在合适的曲轴转角时，油嘴喷孔中喷出的油束与双卷流燃烧室的弧脊相撞击，油束被一分为二，内室形成顺时针方向的燃油运动，外室形成逆时针方向的燃油运动，这样燃油便形成两个方向上的卷流，燃烧室内空间空气利用的效果较好，这是双卷流燃烧室优点。然后外室的部分燃油与尖端分流造型相撞，形成侧向卷流，燃烧室内周向方向上的燃油分布扩大，燃烧室远端的空气利用率提高。本发明中，为了达到双卷流燃烧室充分利用燃烧室内空气的目的，燃烧室内、外室圆弧半径、内外室容积比、弧脊的位置以及燃油油束与弧脊连线夹角与燃油油束夹角的匹配都应同时考虑。当燃油油束在合适的发动机曲轴转角位置喷出撞击弧脊，并有一个合理的内外室燃油分配比例时，才是双卷流燃烧室的最佳工作状态，而过早或过晚的时间完成上述动作时，会造成内外室油量比例失衡，局部过浓的现象无法避免。尖端分流造型叠加到双卷流燃烧室中时，也需考虑燃油撞击尖端分流造型的时机。当尖端分流造型的尖端过于靠近燃烧室中心时，外室燃油很快与尖端分流造型相撞，燃油被侧向分流，相邻油束间有可能发生干涉，这样侧向卷流的效果降低；而当尖端分流造型过于远离燃烧室中心时，油束有可能撞击不到尖端分流造型，这样尖端分流造型起不到应有的作用，自然也起不到使得燃油发生侧向卷流的效果。尖端分流造型中尖端部分距离喷孔的距离决定了燃油撞击尖端分流造型的时间。因此，基准双卷流燃烧室和尖端分流造型的几何尺寸、燃油油束夹角之间的匹配是本发明的关键。采用本发明可使柴油机油气混合及燃烧加快，在原有双卷流燃烧室的基础上叠加侧卷流尖端分流造型结构后，在原燃烧室内空间空气的利用率提高的基础上，外室燃油在合适的时刻撞击尖端分流造型，燃油发生侧向卷流，燃烧室远端的空气利用率提高，使得燃烧室周向方向上的燃油分布区域得以扩大，因此对进气涡流的要求也相应下降，综合了双卷流燃烧室和侧卷流燃烧室空气利用率高的优点，在燃烧室全空间范围内燃油分布扩大。 该发明可在原有双卷流燃烧室的基础上叠加尖端分流造型，简便易行。
图1为普通ω燃烧室空间分区图。图2为双卷流燃烧室示意图。图3为复合卷流燃烧室中外室燃油撞击尖端分流造型示意图。图4为图3中所示复合卷流燃烧室的A-O-A断面图。图5为复合卷流燃烧室俯视图中各主要参数示意图。
图6为复合卷流燃烧室外形图。图7为具体实施例中的复合卷流燃烧室一般视图。图8为具体实施例中的复合卷流燃烧室对应一个喷孔的三维模型。图9为CFD软件中的复合卷流燃烧室对应一个喷孔的网格造型。图10为CFD软件中的ω燃烧室对应一个喷孔的网格造型。图11为CFD软件中的双卷流燃烧室对应一个喷孔的网格造型。图12为CFD软件中的侧卷流燃烧室对应一个喷孔的网格造型。图13为四种燃烧室瞬时放热率比较。图14为四种燃烧室未燃当量比比较。图15为四种燃烧室指示功率比较。图16为四种燃烧室缸内碳烟质量分数比较图17为复合卷流燃烧室的纵截面未燃当量比云图。图18为复合卷流燃烧室的纵截面速度场云图。图19为复合卷流燃烧室的横截面未燃当量比云图。图20为复合卷流燃烧室的横截面速度场云图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步说明如图2所示，为本发明中的基础双卷流燃烧室。图中，1为双卷流燃烧室的弧脊位置，将弧脊与喷孔用直线连接起来，可以发现燃烧室被分成两个区域，其中2为内室空间，3 为外室空间。当喷油夹角与喷油提前角、弧脊位置相互匹配时，燃油可以在适当时刻撞击弧脊，燃油被一分为二，一部分燃油在内室以顺时针方向运动，另外一部分燃油在外室以逆时针方向运动，这样就形成两个方向的油气流运动，双卷流燃烧室因此而得名。两个方向的油气流卷动，可以将燃油以一定的比例分配到燃烧室的内外室，燃烧室空间内的空气利用率提高，油气混合和燃烧速率提高，但如果喷油系统与燃烧室匹配不当时，双卷流燃烧室的效果将削弱。如图3所示，为本发明中的复合卷流燃烧室中外室燃油撞击尖端分流造型示意图，该燃烧室中有16个小圆弧段，形成尖端分流造型，适合8喷孔喷油器，分向外室的燃油撞击尖端分流造型后向其两侧流动，形成侧向卷流，燃烧室远端的燃油扩散得到加强，空气利用率得到提高，对发动机的性能将有进一步的改善。图4为图3所示的复合卷流燃烧室A-O-A断面图，从图中可以看出尖端分流造型与基础双卷流燃烧室弧脊的位置关系。图5为侧卷流燃烧室俯视图中各主要参数示意图，D1为燃烧室直径，D2为尖端分流造型尖点所在圆的直径，D3为双卷流弧脊直径，r为尖端分流造型圆弧的半径，α为分流尖端间夹角。其中参数D1决定了燃烧室尺寸的大小，一般由喷嘴的喷油特性参数、油束夹角、 缸径确定；而D3由原双卷流燃烧室结构决定；由于要求尖端分流造型中的每个圆弧都与D1 所在圆相切，因此参数r与参数D1和&相关联；最后，参数&决定了尖端分流造型中尖点距离喷孔的距离，D2越大，尖点离喷孔越远。图6为侧卷流燃烧室外形图，可以看到燃烧室造型中含有16个小圆弧段。
具体实施例分别建立相同压缩比条件下的复合卷流燃烧室、ω燃烧室、双卷流燃烧室及侧卷流燃烧室的CFD三维网格模型，进行仿真计算对比。其中基础双卷流燃烧室、ω燃烧室、双卷流燃烧室及侧卷流燃烧室的结构都经过参数化设计确定。燃烧室设计参数及计算设置为八孔喷油器适用，缸径132mm，冲程145mm，连杆长度沈2讓，余隙高度2. 5mm。按照压缩比13. 5计算，复合卷流燃烧室体积应为107510mm3。实际造型体积为 106506mm3，偏差率为0.93%。几何尺寸中，中心锥尖角119°，锥尖高度为5. 4mm，外室深度为18. 4mm,内室深度为15. 3mm,弧脊深度为12. 8mm,弧脊直径为64mm，内室圆弧半径为8mm， 外室圆弧半径为9. 9mm，基础燃烧室双卷流燃烧室的燃烧室直径为100mm，挖去的16个尖端圆弧半径在直径为82. 4mm的圆上，小圆弧半径为8. 8mm。与其相比较的普通ω燃烧室造型体积为107132mm3，偏差率为0.35%，中心锥尖角为150°，锥尖高度为4. 3mm，燃烧室直径为100mm，圆弧半径为12mm。基础双卷流燃烧室造型体积为1076^mm3，偏差率为0. 11%, 中心锥尖角119°，锥尖高度为4. 6mm，外室深度为17. 6mm,内室深度为14. 2mm，弧脊深度为 11. 5mm，弧脊直径为64mm，燃烧室直径为100mm。侧卷流燃烧室造型体积106106mm3，偏差率为1. 31 %，中心锥尖角为150°，锥尖高度为5mm，圆弧半径为12mm，燃烧室直径100mm，挖去的16个尖端圆弧半径在直径为82. 4mm的圆上，小圆弧半径为8. 8mm。图7为复合卷流燃烧室在Pro/E软件中的一般视图。图8为复合卷流燃烧室在Pro/E软件中对应一个喷孔的三维造型。三维建模中建立近乎同等网格条件下的四种燃烧室进行计算加以比较，计算设置相同。图9、图10、图11、图12分别为复合卷流燃烧室、ω燃烧室、双卷流燃烧室、侧卷流燃烧室在三维流体仿真软件中的体网格造型。下止点时三种燃烧室的网格数同为22020个。计算要求过量空气系数为1. 9，一个喷孔对应的循环供油量为36mg。转速为2500 转/分，进气始点压力为5. ^bar，进气温度为401. I，喷油从346° CA到381° CA，喷油油束夹角为150°。经过多次计算比对，此提前角和喷油油束夹角对于四种燃烧室都是比较理
想的 ο图13-16分别为四种燃烧室的二维计算结果图线，依次为瞬时放热率、未燃当量比、指示功率和缸内碳烟质量分数。图13为不同燃烧室的瞬时放热率曲线，在燃烧放热初期四种燃烧室瞬时放热率差别不大，而从380° CA开始复合卷流燃烧室有一段较高的燃烧放热率，较高的燃烧放热率意味着较高的混合速率和较高的混合均勻性，同时意味着在相同时间内可放出更多的热量，也就是说热量做功的时效性提高，这对其性能的提高是十分重要的。图14是四种燃烧室未燃当量比的计算结果，燃烧初期侧卷流燃烧室未燃当量比较低，燃烧速度稍快，到中后期，复合卷流燃烧室燃烧速度有所提高，未燃当量比在四种燃烧室中最低，说明混合燃烧速度最快，这与图14瞬时放热率曲线的结果是一致的。图15是指示功率的计算结果，从进气门关闭到排气门打开的计算时间段内，ω燃烧室、双卷流燃烧室、侧卷流燃烧室和复合卷流燃烧室的指示功率分别为94. lkW、95. 2kW、 95. 4kff 和 96. 3kff0复合卷流燃烧室的指示功率比ω燃烧室高2. 3%，比双卷流燃烧室高1. 2%，比侧卷流燃烧室高1 %。主燃期较高的放热率是复合卷流燃烧室指示功率增大的主要影响因素。图16是缸内碳烟质量分数曲线，从图中可以看出，在燃烧后期复合卷流燃烧室缸内碳烟质量分数下降明显，当排气门打开时，复合卷流燃烧室排出的碳烟质量分数也是最低的。低的碳烟排放得益于复合卷流燃烧室综合利用了双卷流燃烧室和侧卷流燃烧室的优点，在缸内组织两次卷流，扩大了燃油在燃烧室空间的分布，减少了燃油极浓区。图17、图18分别为复合卷流燃烧室在376° CA时未燃当量比和速度场云图，由图可见，燃油射流在撞击到燃烧室中的弧脊位置时，发生第一次卷流，燃油一分为二，内室燃油形成顺时针卷流，外室燃油形成逆时针卷流，这样就扩大了燃油分布，提高了燃烧室内的空气利用率。图19、图20分别为复合卷流燃烧室在380° CA时的未燃当量比和速度场云图，图中显示外室燃油撞击尖端分流造型后分别向其两侧形成侧向卷流的情形。发生两次卷流的曲轴转角与复合卷流燃烧室放热率开始高于其他三种燃烧室时的角度接近，说明复合卷流燃烧室主燃期较高的放热率与两次卷流作用更好的利用燃烧室空间内空气密切相关。
权利要求
1.一种柴油机复合卷流燃烧室，用于扩大燃油空间分布、提高燃烧室全空间范围内的空气利用率，其特征在于在一种双卷流燃烧室上叠加一种侧卷流燃烧室的尖端分流造型， 燃油喷雾撞击双卷流燃烧室弧脊后，在内、外室形成两个方向相反的油气流运动，分向外室的油气流继续向前并撞击尖端分流造型后，又形成两个侧向卷流。
2.根据权利要求1所述的复合卷流燃烧室，其特征在于，构成复合卷流燃烧室的双卷流燃烧室直径D双与尖端分流造型所属的侧卷流燃烧室直径Dflj相等，即D双=Dfljo
全文摘要
本发明涉及一种复合卷流燃烧室结构，由基础双卷流燃烧室和在燃烧室外缘上叠加的侧卷流燃烧室尖端分流造型构成。采用本发明一方面利用双卷流燃烧室结构特性使燃油在内、外室形成方向相反的卷流，另一方面利用外室燃油撞击尖端分流造型，燃油又发生侧向卷流，加快燃油扩散到燃烧室全空间内，使油气混合更均匀，空气利用率提高，对进气涡流的要求可相应下降，发动机动力性、经济性、排放性能有一定程度改善。基准双卷流燃烧室和尖端分流造型的几何尺寸、燃油油束夹角之间的匹配是本发明的关键，叠加尖端分流造型简便易行。
文档编号F02B23/00GK102518504SQ20121000972
公开日2012年6月27日 申请日期2012年1月13日 优先权日2012年1月13日
发明者刘福水, 尚勇, 李向荣, 苏立旺, 赵陆明 申请人:北京理工大学