用于天然气发动机中的加工有燃烧室的活塞

摘要

本发明公开了一种用于天然气发动机中的加工有燃烧室的活塞。为克服存在的燃烧热效率与燃烧速度低的问题。方案是在活塞的顶面加工一个横剖面的内轮廓线为十字形曲线的向内凹的十字形燃烧室，燃烧室的对称线与活塞的对称线共线。十字形曲线包括四段直径为65～67mm的圆弧和四段形成燃烧室肋的半径为5～7mm的圆弧，每两段直径为65～67mm的圆弧之间放置一半径为5～7mm的圆弧，半径为5～7mm圆弧的圆心在直径为65～67mm圆弧的外侧，四段直径为65～67mm圆弧的圆心同心，直径为65～67mm圆弧和半径为5～7mm圆弧之间用半径为5mm圆弧连接。燃烧室深为25～27mm，底部用半径为6～8mm环形曲面连接。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于发动机中的活塞，更具体地说，它涉及一种用于天然气发动机中的加工有燃烧室的活塞。

背景技术

能源的匮乏和全球环境的恶化已成为世界关注的焦点。随着科技的进步和社会的发展，世界汽车保有量逐年增加，占用了大量有限的石油储备资源，同时加大了对大气的污染程度。“节能减排”是我国的基本国策；是贯彻落实科学发展观，构建社会主义和谐社会的重大举措。为此，国务院于2007年11月22日颁发了《国家环境保护“十一五”规划》，其中明确指出“大力开发和使用节能型和清洁燃料汽车，降低机动车污染物排放”。

天然气发动机以其排放特性好(几乎不产生微粒排放)、资源较为丰富、辛烷值高等优点，而得到了高度重视。为了充分提高天然气发动机的热效率及改善排放，就天然气发动机稀薄燃烧技术进行了深入研究。过量的空气可以提高燃烧终了混合气的绝热指数，有利于提高膨胀功；并且空气充足也使得燃烧效率提高；稀薄燃烧可以降低缸内的热负荷，允许采用更高的压缩比来提高热效率。但是必须妥善解决火焰传播速度慢的缺点，才能使稀薄燃烧技术得到充分的发展。

重型天然气发动机多是在柴油机的基础上开发的，天然气发动机的燃料供给方式和着火方式与柴油机有着本质的不同。天然气发动机多为进气道喷射火花点燃，由于天然气发动机着火稳定性差及火焰传播速度慢，决定了必须优化设计天然气发动机的燃烧室形状，来改善点燃式稀薄燃烧天然气发动机的燃烧过程。汽油的燃料特性决定了汽油机燃烧室一般在气缸盖上设计，而柴油机燃烧室一般在活塞上设计。天然气的特性与汽油类似，但是重型天然气发动机多是在柴油机的基础上开发的，所以只能在柴油机的活塞上设计燃烧室，这就给优化天然气发动机燃烧过程带来了难度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的燃烧热效率与燃烧速度低的问题，提供了一种用于天然气发动机中的设置有十字形空腔燃烧室的活塞。

为解决上述技术问题，本发明是采用了如下的技术方案实现的：在活塞顶面加工一个横剖面的内轮廓线为十字形曲线的向内凹的十字形空腔燃烧室，十字形空腔燃烧室的对称轴线与活塞的对称轴线共线。

技术方案中所述的反应十字形燃烧室径向范围大小的十字形曲线包括有四段直径为65～67mm的圆弧和四段形成燃烧室肋的半径为5～7mm的圆弧，四段直径为65～67mm的圆弧在横剖面的圆周方向为均布，每两段直径为65～67mm的圆弧之间放置一段半径为5～7mm的圆弧，半径为5～7mm圆弧的圆心在直径为65～67mm圆弧的外侧，四段直径为65～67mm圆弧的圆心同心，直径为65～67mm的圆弧和半径为5～7mm的圆弧之间用半径为5mm的圆弧过渡连接；所述的四段直径为65～67mm圆弧所对应的圆心角相等，四段半径为5～7mm圆弧所对应的圆心角相等；所述的横剖面的内轮廓线为十字形曲线的向内凹的十字形空腔燃烧室的深度为25～27mm，燃烧室的侧壁与燃烧室的底平面采用半径为6～8mm环形曲面过渡连接。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.对比试验

首先，利用本发明的具有十字形空腔燃烧室的活塞与原来具有圆柱孔形燃烧室的活塞进行了对比研究。

试验是在CA6SE1-21N天然气发动机上进行的，该发动机为缸外预混供气及火花点燃式单燃料天然气发动机，基本参数如表1所示：

表1    CA6SE1-21N天然气发动机基本参数

具体试验工况点如表2所示：

表2    试验工况点

参阅图5，图中所表示的是两种燃烧室所对应燃料消耗率万有特性的比较，从图中可以看出相同转速工况下，随着负荷的增加，燃料消耗率呈降低趋势，且十字形空腔燃烧室所对应的燃料消耗率比圆柱孔形燃烧室低，平均低幅为4％左右。这主要是由于采用十字形空腔燃烧室后，缸内湍流增强，使燃烧速度加快，燃烧放热率重心前移，热效率上升。

参阅图6，图中所表示的是两种燃烧室所对应空燃比万有特性的比较，从图中可以看出，在中高转速及中高负荷，空燃比相对较高，所有工况下十字形空腔燃烧室所对应的空燃比要高于圆柱孔形燃烧室。这主要是由于各个工况点所对应的空气消耗率基本不变，而燃料消耗率却有较大差异。

参阅图7，图中所表示的是两种燃烧室所对应排气温度万有特性的比较，从图中可以看出，在大负荷时排气温度较高，一般高于500℃，且十字形空腔燃烧室所对应的排气温度要低于圆柱孔形燃烧室排气温度，这主要是由于燃烧重心前移，燃烧充分所致。

参阅图8，图中所表示的是两种燃烧室所对应总碳氢(THC)排放万有特性的比较，从图中可以看出，各个工况下两种燃烧室所对应的THC排放相差不大。这主要是由于影响稀薄燃烧天然气发动机的排放的主要因素为循环变动，燃烧循环变动的大小直接决定了发动机的燃烧稳定性，同时也决定了THC的排放水平。

参阅图9，图中所表示的是两种燃烧室所对应氮氧化合物(NO_x)排放万有特性的比较，从图中可以看出，在低转速高负荷区域，NO_x排放较高，且在中高转速工况下，十字形空腔燃烧室所对应的NO_x排放要略高于圆柱孔形燃烧室。这主要是由于放热率重心前移，缸内平均燃烧温度上升所致。

2.结论即与现有技术相比本发明的有益效果

1)装置加工有十字形燃烧室的活塞的发动机所对应的燃料消耗量明显低于装置加工有圆柱孔形燃烧室的活塞的发动机，平均降低幅度为4％。

之所以有如此成果是由于活塞顶面十字形空腔燃烧室边角(肋)的存在，使气缸内产生了大量的小尺度的湍流，加大了缸内的湍流动能，从而提高混合气的燃烧速度。

2)装置加工有十字形空腔燃烧室的活塞的发动机所对应的排气温度要低于装置加工有圆柱孔形燃烧室的活塞的发动机的排气温度，平均降低的幅度为50℃，这说明采用加工有十字形空腔燃烧室的活塞的发动机燃烧质量较好，燃烧比较完全。

3)而装置加工有两种燃烧室的活塞的两种发动机所对应的THC排放值相差不大。

4)装置加工有十字形空腔燃烧室的活塞的发动机所对应的NO_x排放量要略高于装置加工有圆柱孔形燃烧室的活塞的发动机。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1是在活塞顶面设置有圆柱孔形燃烧室的活塞的主视图上的全剖视图；

图2是在活塞顶面设置有圆柱孔形燃烧室的活塞的俯视图；

图3是在活塞顶面设置有十字形空腔燃烧室的活塞的主视图上的全剖视图；

图4是在活塞顶面设置有十字形空腔燃烧室的活塞的俯视图；

图5a是两种燃烧室所对应燃料消耗率万有特性的对比中圆柱孔形燃烧室燃料消耗率的万有特性；

图5b是两种燃烧室所对应燃料消耗率万有特性的对比中十字形空腔燃烧室燃料消耗率的万有特性；

图6a是两种燃烧室所对应空燃比万有特性的对比中圆柱孔形燃烧室所对应空燃比万有特性；

图6b是两种燃烧室所对应空燃比万有特性的对比中十字形空腔燃烧室所对应空燃比万有特性；

图7a是两种燃烧室所对应排气温度万有特性的对比中圆柱孔形燃烧室所对应排气温度万有特性；

图7b是两种燃烧室所对应排气温度万有特性的对比中十字形空腔燃烧室所对应排气温度万有特性；

图8a是两种燃烧室所对应THC排放万有特性的对比中圆柱孔形燃烧室所对应THC排放万有特性；

图8b是两种燃烧室所对应THC排放万有特性的对比中十字形空腔燃烧室所对应THC排放万有特性；

图9a是两种燃烧室所对应NO_x排放万有特性的对比中圆柱孔形燃烧室所对应NO_x排放万有特性；

图9b是两种燃烧室所对应NO_x排放万有特性的对比中十字形空腔燃烧室所对应NO_x排放万有特性。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

火焰传播速度直接决定了燃烧速度，进而决定了热效率。研究表明：发动机缸内混合气浓度分布、热氛围、压力场分布、流场(速度场、涡流场和湍流场)分布、化学成分等因素直接决定了发动机火焰传播速度。

目前进气道喷射火花点燃式天然气发动机中的活塞头上的燃烧室形状多为圆柱孔形(或者更具体地说是圆柱孔形的凹坑或圆柱孔形盲孔)。然而经试验研究证明，活塞头上燃烧室的几何形状及结构尺寸对天然气发动机混合气的形成、燃烧、动力性和排放性等都有着重要的影响。

本发明通过在活塞头上采用十字形空腔燃烧室，改善缸内流场分布，从而提高了进气道喷射点燃式稀薄燃烧天然气发动机的燃烧热效率，起到了“节能减排”的效果。

本发明所述的活塞与现有技术所采用的活塞的结构形状和尺寸是基本相同的，所不同的现有技术所采用的活塞的活塞头部加工一个圆柱孔形的燃烧室，而在本发明所述的活塞的活塞头部顶面上加工一个横剖面的外轮廓线为一个圆，内轮廓线为十字形曲线的向内凹的十字形空腔燃烧室。十字形空腔燃烧室的对称轴线与活塞的对称轴线共线。也可以说，十字形空腔燃烧室是由若干段圆柱孔面和若干段圆柱面按照一定规律组合而成，各圆柱孔面的对称轴线和各圆柱面的对称轴线与活塞的对称轴线应该是共线或者是平行。

反应十字形空腔燃烧室空间大小的各项尺寸为：反应燃烧室径向范围大小的横剖面内轮廓线为十字形曲线，该十字形曲线包括有四段直径为65～67mm的圆弧和四段形成燃烧室肋的半径为5～7mm的圆弧，四段直径为65～67mm的圆弧在横剖面的圆周方向为均布，每两段直径为65～67mm的圆弧之间放置一段半径为5～7mm的圆弧，半径为5～7mm圆弧的圆心在直径为65～67mm圆弧的外侧，四段形成燃烧室肋的半径为5～7mm的圆弧在横剖面的圆周方向为均布，四段直径为65～67mm圆弧的圆心同心，并同在活塞的对称轴线上，直径为65～67mm的圆弧和半径为5～7mm的圆弧之间用半径为5mm的圆弧过渡连接，所述的四段直径为65～67mm圆弧所对应的圆心角相等，四段半径为5～7mm圆弧所对应的圆心角相等。所述的横剖面的内轮廓线为十字形曲线的向内凹的十字形空腔燃烧室的深度为25～27mm，燃烧室的侧壁与燃烧室的底平面采用半径为6～8mm环形曲面过渡连接。

实施例

前面所说的对比试验是在CA6SE1-21N天然气发动机上进行的，在其所采用的活塞上加工的十字形空腔燃烧室的具体结构尺寸为：

反应十字形空腔燃烧室径向范围大小和反应十字形空腔燃烧室结构的横剖面十字形内轮廓曲线包括有四段直径为66.4±0.05mm的圆弧和四段形成燃烧室肋的半径为6mm的圆弧，四段直径为66.4±0.05mm的圆弧在横剖面的圆周方向为均布，每两段直径为66.4±0.05mm的圆弧之间放置一段半径为6mm的圆弧，四段形成燃烧室肋的半径为6mm的圆弧在横剖面的圆周方向也为均布，半径为6mm圆弧的圆心在直径为66.4±0.05mm圆弧的外侧，四段直径为66.4±0.05mm圆弧的圆心同心，并同在活塞的对称轴线上，直径为66.4±0.05mm的圆弧和半径为6mm的圆弧之间用半径为5mm的圆弧过渡连接。所述的四段直径为66.4±0.05mm圆弧所对应的圆心角相等，四段半径为6mm圆弧所对应的圆心角也相等。十字形空腔燃烧室的深度为25.8±0.05mm。

前面已经说过，十字形空腔燃烧室是由若干段圆柱孔面和若干段圆柱面按照一定规律组合而成。在前面叙述的基础上，具体地说十字形空腔燃烧室是由四段相同的直径为66.4±0.05mm的圆柱孔面、四段相同的形成燃烧室肋的半径为6mm的圆柱面与八段相同的半径为5mm的圆柱孔面所围成。四段直径为66.4±0.05mm的圆柱孔面在横剖面的圆周方向为均布，四段相同的直径为66.4±0.05mm的圆柱孔面和四段相同的形成燃烧室肋的半径为6mm的圆柱面相间放置，四段形成燃烧室肋的半径为6mm的圆柱面在横剖面的圆周方向为均布，四段相同的形成燃烧室肋的半径为6mm圆柱面的圆心在直径为66.4±0.05mm圆柱孔面的外侧，四段相同的直径为66.4±0.05mm的圆柱孔面的对称轴线与活塞的对称轴线共线。八段相同的半径为5mm的圆柱孔面将四段相同的直径为66.4±0.05mm的圆柱孔面和四段相同的形成燃烧室肋的半径为6mm的圆柱面首尾连接起来，最终形成十字形空腔燃烧室。十字形空腔燃烧室的深度为25.8±0.05mm。十字形空腔燃烧室的侧壁与燃烧室的底平面采用半径为7mm环形曲面过渡连接。