一种基于预燃室喷射旋流火焰促进缸内燃烧的供气系统的制作方法

1.本发明涉及一种促进缸内燃烧的供气系统，具体涉及一种基于预燃室喷射旋流火焰促进缸内燃烧的供气系统，属于天然气发动机燃烧技术领域。


背景技术：

2.相比于柴油机和汽油机，天然气发动机在经济性和排放性方面优势显著，也在燃烧稳定性方面劣势明显。因为天然气燃烧时火焰传播速度较慢，且天然气发动机为了提升热效率普遍使用稀薄燃烧，使缸内燃烧速率进一步减慢。这导致天然气发动机各循环间以及缸间循环差异明显，控制难度增大，且极易出现未燃hc和co的排放恶化。
3.增大点火能量有助于提高稀混合气的点火可靠性并加快缸内燃烧速度，因此预燃室点火系统被应用于天然气发动机，即在预燃室内组织较浓的混合气，经火花塞点燃后，预燃室内的压力和温度快速升高，经压强差的作用将预燃室内的高能物质送入燃烧室，分布式点燃燃烧室内的稀混合气，最终实现稳定的稀薄燃烧。但随着稀薄燃烧边界的拓宽，天然气发动机依然会在负荷增加和转速提高的情况下，循环间波动明显并使得运行稳定性下降。
4.公开号为cn108331658b的专利公开了一种基于预燃室加浓改善天然气发动机频响的供气系统，该专利的技术方案通过一套独立的进气喷射装置来加浓预燃室内的混合气浓度提高点火能量，增加天然气发动机在变工况下的燃烧稳定性。但该技术方案的控制过程较为复杂，且预燃室空间有限，增加引燃混合气的质量也对进气装置提出了更高的可靠性要求。
5.综上所述，现有天然气发动机的预燃室点火系统，一定程度上实现了对缸内稀薄混合气的可靠点燃，但仍需要针对预燃室点火系统进行优化，提高燃烧稳定性，以满足天然气发动机在动态工况下的稳定性要求。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为了解决现有技术中预燃室点火系统的控制过程复杂，天然气发动机在动态工况下运行稳定性低的问题。进而提供一种基于预燃室喷射旋流火焰促进缸内燃烧的供气系统。
7.本发明的技术方案是：一种基于预燃室喷射旋流火焰促进缸内燃烧的供气系统，包括进气道、进气门、汽缸盖、火花塞、排气道、排气门、活塞和汽缸套，进气门安装在进气道内，排气门安装在排气道内，火花塞垂直安装在气缸盖上，活塞安装在汽缸套内，且活塞与汽缸盖之间的腔体形成燃烧室；它还包括燃料喷射器、预燃室、和若干个导流叶片。
8.预燃室的纵截面为圆形，且预燃室纵截面的中轴线与燃烧室纵截面的中轴线重合；导流叶片以环形阵列的方式布置在预燃室的出口，且相邻两导流叶片之间的空隙形成射流孔，燃烧室通过射流孔与预燃室连通；燃料喷射器倾斜安装在气缸盖上。
9.进一步地，导流叶片的偏转角度α为5
°
～30
°
。
10.进一步地，燃料喷射器与预燃室纵截面中轴线的夹角为35
°
～55
°
。
11.本发明与现有技术相比具有以下效果：
12.1、本发明在进气道内形成稀薄的天然气混合气，经进气门2进入燃烧室9；预燃室6内的高浓混合气被火花塞点燃后，在导流叶片6-1的作用下形成沿着燃烧室9轴线旋转且同时沿着燃烧室9轴线向下运动的旋流火焰，旋流火焰点燃燃烧室9内的稀薄混合气，增强燃烧室9内混合气的湍动能，有助于促进缸内燃烧的集中放热，缩短燃烧持续期，提升天然气发动机在稀薄燃烧状态下的燃烧稳定性。
13.2、本发明的旋流火焰喷入燃烧室9后，强化缸内的燃烧放热，使天然气发动机的动态特性得到改善，有助于缩短功率提升的有效时间，减弱变工况下的转速波动；同时旋流火焰在燃烧室9内做旋流运动，产生更多的局部旋流强化传热，有助于天然气发动机拓宽稀薄燃烧的边界，获得更高的燃烧热效率。
14.3、本发明的射流孔6-2可广泛应用大缸径天然气发动机，利用旋流火焰加快火焰传播速度，减少大缸径天然气发动机燃烧不充分所产生的未燃hc和co的排放；相较于动态控制燃气浓度或者火花塞点火能量的方法，操作简单且普适性更强，有利于在同类机型上的推广使用，提升天然气发动机的经济性和排放性，有助于节省成本。
附图说明
15.图1是本发明的剖视图；
16.图2是图1中ⅰ处的局部放大图；
17.图3是本发明导流叶片6-1和射流孔6-2的轴测图；
18.图4是本发明导流叶片6-1和射流孔6-2的俯视图；
19.图5是图4中a向视图；
20.图6是本发明燃烧室9内产生涡旋气流纵截面示意图；
21.图7是本发明燃烧室9内旋流火焰的纵截面示意图；
22.图8是本发明燃烧室9内旋流火焰的横截面示意图；
23.图9是本发明燃烧室9内局部旋流的横截面示意图。
24.图中：1、进气道，2、进气门，3、汽缸盖，4、火花塞，5、燃料喷射器，6、预燃室，6-1、导流叶片，6-2、射流孔，7、排气道，8、排气门，9、燃烧室，10、活塞，11、汽缸套。
具体实施方式
25.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
26.具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的一种基于预燃室喷射旋流火焰促进缸内燃烧的供气系统包括进气道1、进气门2、汽缸盖3、火花塞4、排气道7、排气门8、活塞10和汽缸套11，进气门2安装在进气道1内，排气门8安装在排气道7内，火花塞4垂直安装在气缸盖3上，且火花塞4的头部伸入预燃室9内，活塞10安装在汽缸套11内，且活塞10与汽缸盖3之间的腔体形成燃烧室9；它还包括燃料喷射器5、预燃室6、和若干个导流叶片6-1。
27.预燃室6的纵截面为圆形，且预燃室6纵截面的中轴线与燃烧室9纵截面的中轴线重合；导流叶片6-1以环形阵列的方式布置在预燃室6的出口，且相邻两导流叶片6-1之间的
空隙形成射流孔6-2，燃烧室9通过射流孔6-2与预燃室6连通；燃料喷射器5倾斜安装在气缸盖3上，且燃料喷射器5的喷口伸入预燃室9内。
28.具体实施方式二：结合图3至图5说明本实施方式，本实施方式的导流叶片6-1的偏转角度α为5
°
～30
°
。如此设置，预燃室6内混合气被火花塞点燃后，在导流叶片6-1的作用下形成沿着燃烧室9轴线旋转的旋流火焰，增强燃烧室9内混合气的湍动能，有助于促进缸内燃烧的集中放热，缩短燃烧持续期，提升天然气发动机在稀薄燃烧状态下的燃烧稳定性。其他组成及连接关系与具体实施方式一相同。
29.具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的燃料喷射器5与预燃室6纵截面中轴线的夹角为35
°
～55
°
。其他组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
30.具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的燃料喷射器5采用高压喷射，优选地，喷射压力为3～5mpa。其他组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。
31.本实施方式中预燃室6内混合气的天然气浓度比进气道1内的天然气浓度高
32.具体实施方式五：结合1说明本实施方式，本实施方式的火花塞4与预燃室6纵截面的中轴线重合。其他组成及连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。
33.下面参照附图对本发明的具体实施例做进一步的描述：
34.实施例1：结合图1至图8说明本实施例，本实施例燃烧室9内实现燃烧经过以下过程：
35.步骤一：天然气和空气在进气道1内预混，并调整天然气和空气的进气流量，供给超过天然气当量燃烧的空气量，组织稀薄混合气，由进气门2进入燃烧室9；
36.步骤二：如图6所示，进气冲程结束后，进气门2关闭，活塞10上行，稀薄混合气在ω形燃烧室9的作用下，产生涡旋气流；
37.步骤三：随着活塞10上行，在活塞10靠近上止点前，燃料喷射器5将天然气和空气的混合气喷入预燃室6内；燃料喷射器5采用高压喷射，喷射压力为3～5mpa，且所喷射的混合气中天然气的浓度比进气道1内的天然气浓度高；
38.步骤四：4、火花塞4在上止点前15～45
°
范围内释放电火花，引燃预燃室6内的浓混合气，浓混合气快速燃烧，使预燃室6内的温度和压力迅速升高，与燃烧室9形成压强差；
39.步骤五：如图7所示，在压强差的作用下，预燃室6内的火焰由射流孔6-2进入燃烧室9内；
40.步骤六：如图5所示，导流叶片6-1的偏转角度α为5
°
～30
°
；进入燃烧室9内的火焰如图8所示，在导流叶片6-1的作用下形成沿燃烧室9轴线旋转的旋流火焰,射流孔6-1下部的稀薄混合气率先被引燃；
41.步骤七：如图9所示，旋流火焰在燃烧室9横截面内形成旋流运动，旋流运动与燃烧室9内的混合气旋流(即稀薄混合气的旋流)方向相反，即在燃烧室9的横剖面上存在两股方向相反的气流，使燃烧室9横剖面上形成许多局部旋流；
42.步骤八：局部旋流的存在强化了燃烧室9内的热传递现象，形成以旋流火焰区域为起点向燃烧室9的内壁和中心快速扩散的燃烧火焰；经旋流火焰对燃烧室9内火焰传播速度的改善，天然气发动机的缸内燃烧得到强化，集中放热得到促进，燃烧持续期有效缩短，并最终显著提升了天然气发动机在稀薄燃烧状态下的燃烧稳定性。
43.在此实施例中，旋流火焰在燃烧室9内做旋流运动，产生更多的局部旋流强化传
热，有助于天然气发动机拓宽稀薄燃烧的边界，获得更高的燃烧热效率；相较于动态控制燃气浓度或者火花塞点火能量的方法，操作简单且普适性更强，有利于在同类机型上的推广使用，提升天然气发动机的经济性和排放性，有助于节省成本。
44.工作原理
45.首先将各个部件按照具体实施方式一至具体实施方式七中的连接关系组装完毕。
46.进气道内形成稀薄的天然气混合气，经进气门2进入燃烧室9；预燃室6内的高浓混合气被火花塞点燃后，在导流叶片6-1的作用下形成沿着燃烧室9轴线旋转的旋流火焰，旋流火焰点燃燃烧室9内的稀薄混合气，增强燃烧室9内混合气的湍动能，强化缸内的燃烧放热，缩短燃烧持续期，提升天然气发动机在稀薄燃烧状态下的燃烧稳定性，使天然气发动机的动态特性得到改善，有助于缩短功率提升的有效时间，减弱变工况下的转速波动。
47.本发明已以较佳实施方式揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业技术人员，未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。