技术领域
[0001] 本
发明属于发动机技术领域，具体涉及一种具备高扰动复合通道的发动机点火室系统。
背景技术
[0002] 随着科技的不断发展，发动机的性能越来越先进，就目前而言，采用稀燃可以提高点燃式发动机热效率并降低有害排放物。但是，在发动机缸内实施稀燃存在两个难点：其一，稀薄混合气点火困难，因而需要采用高能点火装置；其二，稀薄混合气火焰传播速率低，容易造成不完全燃烧，降低发动机的效率，增加未燃
碳氢排放。尤其是对于大缸径的发动机而言，如缸径大于150mm的发动机，由于其所需的火焰传播距离更长，这些非正常燃烧现象出现的概率就更高。
[0003] 为了解决发动机尤其是大缸径发动机稀燃实施困难的问题，一种可行的方法是，在发动机的
气缸盖中设置一种通常被称为点火室或预燃室的小容量副室，由若干通道与主
燃烧室连通，使
流体工质可以在
主燃烧室和点火室之间自由流动。发动机工作时，在点火室中通过独立的
燃料供给形成适宜点燃的浓混合气，而在气缸内形成稀薄混合气，在压缩
上止点之前，由
火花塞点燃点火室内的浓混合气，随着点火室内的燃烧和热量释放，点火室内工质的压
力迅速升高，驱使点火室内的未燃的、部分燃烧的和已燃的工质经通道流入主燃烧室，形成
湍流火焰射流，起到高能点火装置的作用，点燃主燃烧室内的稀薄混合气，并在主燃烧室内形成一定程度的湍流激扰，
加速主燃烧室内火焰的传播，从而实现快速而充分的燃烧。这种方式，在以LNG、CNG和LPG等物质为燃料的大缸径的固定电站用发动机和船用发动机上已经得到了成功的应用。
[0004] 在此类点火室式发动机中，点火室系统的设计对发动机性能具有重要影响。例如，连接点火室与主燃烧室的通道，其几何结构的微小改变就可能使发动机缸内流动和燃烧特性产生很大的变化，进而影响发动机热效率等性能指标。
现有技术中，发动机点火室系统的通道一般采用圆形的孔状结构，此种通道结构的局限性在于，在一定的点火室湍流火焰射流速率下，向主燃烧室提供的湍流扰动强度有限，影响发动机的性能和排放。
发明内容
[0005] 针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种具备高扰动复合通道的发动机点火室系统，目的是为大缸径的点燃式发动机(缸径大于150mm)提供一种新的点火室系统，在一定的点火室射流速率下，提高点火室射流对主燃烧室的湍流扰动，以加速主燃烧室的燃烧，改善发动机性能和排放。
[0006] 为此，本发明采用了以下技术方案：
[0007] 一种具备高扰动复合通道的发动机点火室系统，包括壳体、壳体盖和点火室，所述壳体和壳体盖之间的内部空间构成所述点火室，所述壳体盖上设置了燃料供给装置和点火装置伸入点火室，所述壳体的底端伸进发动机主燃烧室，壳体底端附近设置了若干路通道，用于连通点火室和发动机主燃烧室；上述通道中，至少一路通道采用由N条子通道交叉汇聚而成的高扰动复合通道结构，这里N≥3；其中，第1条至第N-1条子通道连通点火室，构成高扰动复合通道的分流区；第N条子通道连通主燃烧室，构成高扰动复合通道的扰动区。
[0008] 优选地，所述子通道的壁面交界处采用圆
角过渡，所述子通道采用圆柱形或圆锥形结构。
[0009] 优选地，这里3≤N≤5。
[0010] 优选地，所述点火室的容积占气缸压缩容积的比例为0.5％-5.0％，所述气缸压缩容积为
活塞在上止点
位置时燃烧室的容积。
[0011] 优选地，所述高扰动复合通道的分流区中任意两条子通道的轴线之间的夹角的取值范围为5°-100°。
[0012] 优选地，所述高扰动复合通道的主燃烧室端的总流通面积与点火室端的总流通面积的比值为0.2-2.0。
[0013] 优选地，所述点火室所有通道的主燃烧室端的流通面积之和与活塞横截面积的比值为0.0004-0.002。
[0014] 优选地，所述点火室采用绝热技术，包括采用低
散热材料制作所述壳体，或在所述点火室和高扰动复合通道内壁进行绝热陶瓷涂覆。
[0015] 优选地，所述燃料供给装置采用单向
阀、电磁
控制阀或低压
喷嘴，所述点火装置采用火花塞、
等离子体点火器、
激光点火器或柴油喷射器。
[0016] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0017] (1)在压缩冲程中，气缸内的稀薄混合气经所述高扰动复合通道扰动区和分流区流入点火室，由于分流区多条子通道的分流作用，这些流入点火室的流体在点火室内形成了很强的湍流冲击扰动，有利于促进点火室内的加浓喷射燃料在点火装置附近形成比较均匀的混合气，确保点火室内的点火可靠性。
[0018] (2)当点火室内的混合气着火燃烧之后，点火室内的工质压力急剧升高，驱使点火室内的未燃混合气、燃烧中间产物活性自由基和高温的燃烧产物经所述高扰动复合通道的分流区和扰动区，以很高速率流入主燃烧室，形成湍流火焰射流，点燃主燃烧室内的混合气。
[0019] (3)由于来自所述高扰动复合通道分流区的数股高速流体在扰动区碰撞、掺混，诱导流体在扰动区产生了更加强烈的湍流扰动，这些高湍动强度的流体在喷射进入主燃烧室之后，不仅能够点燃主燃烧室内的稀薄混合气，而且其强湍流的特征还有利于促进火焰传播，加速燃烧，改善发动机性能。
[0020] (4)在一台缸径为320mm的
天然气燃料发动机上采用本发明所述的一种具备高扰动复合通道的发动机点火室系统，在合适的点火室高扰动复合通道设计下，与采用常规圆柱形点火室通道相比，同等射流速率条件下射流的湍
动能提高25％，发动机热效率提高6.1％，可稳定运行的
过量空气系数提高7.2％。
[0021] (5)燃烧更加充分，运行更加稳定，发动机热效率得到提高。
附图说明
[0022] 图1是本发明所提供的一种具备高扰动复合通道的发动机点火室系统的结构示意图，其中8路点火室通道均采用高扰动复合通道结构。
[0023] 图2是本发明所提供的一种具备高扰动复合通道的发动机点火室系统中高扰动复合通道的局部放大图。
[0024] 图3是本发明所提供的一种具备高扰动复合通道的发动机点火室系统的结构示意图，点火室具有8路通道，其中4路点火室通道采用高扰动复合通道结构，4路点火室通道采用单通道结构，高扰动复合通道与单通道间隔布置。
[0025] 图4是一种由3个子通道组成的高扰动复合通道的结构示意图，其中每个子通道均采用圆柱形结构。
[0026] 图5是一种由3个子通道组成的高扰动复合通道的结构示意图，其中每个子通道均采用圆锥形结构。
[0027] 图6是一种由4个子通道组成的高扰动复合通道的结构示意图。
[0028] 附图标记说明：1、气缸；2、活塞；3、缸盖；4、主燃烧室；5、壳体；51、壳体盖；6、点火室；7、高扰动复合通道；7a、汇流区；7b、分流区；71、第一子通道；72、第二子通道；73、第三子通道；74、第四子通道；7R、子通道壁面交界处的过渡圆角；7D、单通道；8、燃料供给装置；9、点火装置。
具体实施方式
[0029] 下面结合附图以及具体
实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
[0030] 如图1所示，本发明公开了一种具备高扰动复合通道的发动机点火室系统，主要包括壳体5、壳体盖51及二者内部空间所构成的点火室6，在壳体盖51上安装了点火室燃料供给装置8和点火装置9伸入点火室，在壳体5的底部设置了8路高扰动复合通道7。活塞2的顶部设有凹坑，其与气缸1和缸盖3之间围成的空间构成主燃烧室4，壳体5安装在发动机缸盖3上，壳体5的底端及高扰动复合通道7伸出缸盖3的底部，使流体可以经高扰动复合通道7在点火室6与主燃烧室4之间自由流动。
[0031] 具体地，如图2所示，高扰动复合通道7由第一子通道71、第二子通道72和第三子通道73交叉汇聚而形成，其中，第一子通道71和第二子通道72连通点火室6，构成高扰动复合通道7的分流区7b，第三子通道73连通主燃烧室4，构成高扰动复合通道的扰动区7a。
[0032] 所述高扰动复合通道7的主燃烧室端的流通面积与点火室端的流通面积之比在0.2-2.0的范围内。
[0033] 所述高扰动复合通道7的分流区7b中任意两条子通道轴线之间的夹角的取值范围为5°-100°。
[0034] 所述点火室6的容积占气缸压缩容积(活塞在上止点位置时燃烧室的容积)的比例在0.5％-5.0％范围内。
[0035] 所述点火室6的所有通道的主燃烧室端的流通面积之和与活塞2的横截面积之比在0.0004-0.002的范围内。
[0036] 所述点火室燃料供给装置8采用
单向阀、电磁控制阀或低压喷嘴，所述点火装置9采用火花塞、等离子体点火器或激光点火器，也可以采用柴油喷射器，用微量柴油喷射点燃点火室内的混合气。
[0037] 所述点火室6采用绝热技术，包括壳体5和/或壳体盖51采用
绝热材料制作，或在所述点火室6和高扰动复合通道7内壁进行绝热陶瓷涂覆。
[0038] 图3是另一种采用具备高扰动复合通道的点火室系统的发动机结构示意图，其点火室具有8路通道，其中4路点火室通道采用高扰动复合通道7，4路通道采用单通道7D，单通道7D与高扰动复合通道7间隔布置。
[0039] 图4给出了高扰动复合通道7的一种结构形式，采用圆柱形结构的第一子通道71、第二子通道72和第三子通道73交叉汇聚构成高扰动复合通道7，其中，连通主燃烧室4的第三子通道73构成高扰动复合通道的扰动区7a，连通点火室6的第一子通道71、第二子通道72构成高扰动复合通道7的分流区7b，第一子通道71、第二子通道72、第三子通道73壁面交界处采用圆角7R过渡。第一子通道71、第二子通道72和第三子通道73的轴线C1、C2和C3同面。
[0040] 图5给出了高扰动复合通道7的另一种结构形式，采用圆锥形结构的第一子通道71、第二子通道72和第三子通道73交叉汇聚构成高扰动复合通道7，其中，连通主燃烧室4的第三子通道73构成高扰动复合通道的扰动区7a，连通点火室6的第一子通道71、第二子通道
72构成高扰动复合通道7的分流区7b，第一子通道71、第二子通道72、第三子通道73壁面交界处采用圆角7R过渡。第一子通道71、第二子通道72和第三子通道73的轴线C1、C2和C3同面。
[0041] 图6给出了高扰动复合通道7的另一种结构形式，采用圆柱形结构的第一子通道71、第二子通道72、第三子通道73和第四子通道74交叉汇聚构成高扰动复合通道7，其中，连通主燃烧室4的第四子通道74构成高扰动复合通道7的扰动区7a，连通点火室6的第一子通道71、第二子通道72、第三子通道73构成高扰动复合通道7的分流区7b，第一子通道71、第二子通道72、第三子通道73和第四子通道74壁面交界处采用圆角7R过渡。第一子通道71、第二子通道72、第三子通道73和第四子通道74的轴线C1、C2、C3和C4异面。
[0042] 实施例
[0043] 下面以四冲程天然气发动机为例，说明本发明所提供的一种具备高扰动复合通道的发动机点火室系统的工作过程。
[0044] 在发动机的
进气冲程和/或压缩冲程早期，通过合适的燃料喷射策略，在主燃烧室4内形成稀薄混合气，所述主燃烧室4内稀薄混合气的过量空气系数λ的范围为1.8-2.2。
[0045] 在压缩冲程中，主燃烧室4内的稀薄混合气受活塞2
挤压，使主燃烧室4内的压力高于点火室6内的压力，因此，主燃烧室4内的稀薄混合气经高扰动复合通道7的扰动区7a和分流区7b，流入点火室6。
[0046] 在进气冲程晚期或压缩冲程早期，通过点火室燃料供给装置8向点火室6供给适量的天然气，使压缩冲程的后期点火室6内点火装置9附近形成适宜点燃的浓混合气，所述浓混合气的过量空气系数λ的范围为0.8-1.2。
[0047] 在压缩冲程后期，例如25°CA BTDC，通过点火装置9，点燃点火室6内的适宜点燃的浓混合气，使点火室6内的压力迅速升高，显著高于主燃烧室4内的压力，从而驱使点火室6内包含未然混合气、燃烧中间产物活性自由基和高温燃烧产物的流体经若干个高扰动复合通道7的分流区7b和扰动区7a，高速流入主燃烧室4，形成湍流火焰射流，点燃主燃烧室4内的稀薄混合气。在高扰动复合通道7中，由于来自分流区7b的多股流体在扰动区7a掺混碰撞，使射流产生了很高强度的湍流扰动，这种具备高强度湍流扰动的射流，有助于提高主燃烧室4内的稀薄混合气的火焰传播速率，从而改善发动机的燃烧，提高发动机的热效率。
[0048] 在一台缸径为320mm的天然气燃料发动机上，将原机点火室的圆形通道改为本发明所述的高扰动复合通道。研究发现，采用本发明所述的点火室系统后，点火室射流湍动能提高25％，发动机热效率提高6.1％，可稳定运行的过量空气系数提高7.2％。
[0049] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何
修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
