一种具备椭圆锥形通道的发动机点火室系统的制作方法

本发明属于发动机技术领域，具体涉及一种具备椭圆锥形通道的发动机点火室系统。

背景技术：

采用稀燃是提高点燃式发动机热效率并降低有害排放物的一种重要途径。在大缸径的发动机(例如缸径大于150mm)上实施稀燃技术，为了提高点火可靠性和燃烧稳定性，通常采用点火室系统形成浓稀分层的混合气。具体而言，在小容积的点火室内形成接近化学计量比的适宜点燃的混合气，而绝大部分燃料在主燃烧室内形成稀薄混合气。点火室内的混合气由火花塞点燃着火燃烧后，形成湍流火焰射流，点燃主燃烧室内的稀薄混合气，并在主燃烧室内形成湍流扰动，加速稀薄混合气燃烧过程的火焰传播，使主燃烧室内的稀薄混合气快速、充分燃烧。

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，其几何结构的一些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主要采用圆柱形结构，这种结构工艺简单，但也存在一定的局限性，比如燃烧后产生的射流的湍流强度较低，容易造成燃烧不充分。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种具备椭圆锥形通道的发动机点火室系统，目的是进一步提高点火室式发动机工作过程中湍流火焰射流的湍流强度，加速火焰传播，使燃烧更加充分，改善发动机性能。

为此，本发明采用了以下技术方案：

一种具备椭圆锥形通道的发动机点火室系统，包括壳体和壳体盖，所述壳体和壳体盖内的空腔构成点火室，所述壳体盖位于点火室的顶端，壳体盖上设有燃料供给装置和点火装置，所述壳体安装在发动机的缸盖上，发动机的气缸、活塞以及缸盖围成的空间构成主燃烧室，所述壳体的底端伸进主燃烧室，壳体底端附近设置有若干条通道，所述通道连通点火室和主燃烧室；上述若干条通道中，至少有一条通道采用椭圆锥形结构，即该通道的横截面为椭圆形状、纵截面为锥形。

优选地，所述椭圆锥形通道与点火室的交界面满足以下方程：

其中，x轴表示椭圆锥形通道横截面椭圆长轴的方向，y轴表示椭圆锥形通道横截面椭圆短轴的方向，z轴表示椭圆锥形通道主轴的方向；xy平面为椭圆锥形通道的横截面；xz平面为椭圆锥形通道的长轴纵截面，即椭圆锥形通道横截面的椭圆长轴和主轴构成的平面；yz平面为椭圆锥形通道的短轴纵截面，即椭圆锥形通道横截面的椭圆短轴和主轴构成的平面；a表示椭圆锥形通道横截面椭圆长半轴的长度；b表示椭圆锥形通道横截面椭圆短半轴的长度；c表示椭圆锥形通道所在的椭圆锥面顶点到点火室内壁面的距离；l表示椭圆锥形通道的长度；这里，a＞b＞0。

优选地，所述椭圆锥形通道的横截面椭圆的长轴端点构成的两条母线的夹角为θ1，其取值范围为：0°≤θ1≤60°。

优选地，所述椭圆锥形通道的横截面椭圆的短轴端点构成的两条母线的夹角为θ2，其取值范围为：0°≤θ2≤30°。

优选地，所述椭圆锥形通道的长轴纵截面与点火室轴线的夹角为θ3，其取值范围为：0°≤θ3≤90°，这里长轴纵截面表示椭圆锥形通道横截面的椭圆长轴和主轴构成的平面。

优选地，所述点火室的容积与气缸压缩容积的比值在0.5％-5.0％的范围内，这里气缸压缩容积表示活塞在上止点位置时主燃烧室的容积。

优选地，所述通道与主燃烧室的交界处构成第一流通区域，所述通道与点火室交界处构成第二流通区域。

优选地，所述点火室的所有通道的第一流通区域的总面积与发动机活塞的横截面积的比值在0.0004-0.002的范围内；任意一条点火室通道的第一流通区域与第二流通区域的流通面积之比在0.2-5.0的范围内。

优选地，所述点火室采用绝热技术，包括构成点火室的壳体采用绝热材料制作或在点火室内壁进行绝热材料涂覆。

优选地，所述点火室系统应用于四冲程和二冲程的点燃式发动机；对于缸径大于500mm的二冲程点燃式发动机，每个气缸配备2-4套点火室系统。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)由于采用了椭圆锥形的通道，流体由点火室流向主燃烧室或由主燃烧室流向点火室时，可以形成扇形射流，产生比采用圆柱形通道更高的湍流强度，强化点火室内的混合气形成，加速了主燃烧室内稀薄混合气的火焰传播与燃烧过程。

(2)椭圆锥形的点火室通道使点火室燃后射流在通道内流动时不断加速，有利于强化主燃烧室内的湍流扰动。

(3)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椭圆锥形通道的发动机点火室系统，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19％，发动机热效率提高4.3％，可稳定运行的过量空气系数提高4.5％。

附图说明

图1是本发明所提供的一种具备椭圆锥形通道的发动机点火室系统的结构示意图。

图2是本发明所提供的一种具备椭圆锥形通道的发动机点火室系统中椭圆锥形通道附近的局部放大图。

图3是椭圆锥形通道的立体示意图。

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、椭圆锥形通道；7a、第一流通区域；7b、第二流通区域；8、燃料供给装置；9、点火装置。

具体实施方式

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。

如图1所示，本发明公开了一种具备椭圆锥形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，在壳体5的底部设置有若干条椭圆锥形通道7。壳体5安装在发动机缸盖3上，发动机的气缸1、活塞2以及缸盖3围成的空间构成主燃烧室4，壳体5的底端及椭圆锥形通道7伸出缸盖3的底部，使流体可以经椭圆锥形通道7在点火室6与主燃烧室4之间自由流动。

如图2和图3所示，椭圆锥形通道7与主燃烧室4的交界处构成第一流通区域7a，椭圆锥形通道7与点火室6交界处构成第二流通区域7b，椭圆锥形通道7的横截面呈椭圆形，且从其第二流通区域7b到第一流通区域7a呈渐缩的形状。

实施例

下面以四冲程天然气发动机为例，说明本发明所述一种具备椭圆锥形通道的发动机点火室系统的工作过程。

在发动机的进气和/或压缩冲程中，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。

在压缩冲程中，主燃烧室4内的稀薄混合气受活塞挤压，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内的稀薄混合气经椭圆锥形通道7流入点火室6。

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，使点火室6内在压缩冲程的后期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1.0-1.2。

在压缩冲程后期，例如上止点前25度曲轴转角，通过点火装置9，点燃点火室6内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椭圆锥形通道7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。

由于采用了椭圆锥形的通道，流体由点火室6流向主燃烧室4，或由主燃烧室4流向点火室6时，可以形成扇形射流，产生比采用圆柱形通道更高的湍流强度，强化点火室内的混合气形成，以及加速主燃烧室4内稀薄混合气的火焰传播与燃烧过程。

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椭圆锥形通道。研究表明，采用本发明所述发动机点火室系统后，同等射流速率条件下射流的湍动能提高19％，发动机热效率提高4.3％，可稳定运行的过量空气系数提高4.5％。

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。