一种螺旋涡流预燃室点火系统技术方案

本发明专利技术提供了一种螺旋涡流预燃室点火系统，其包括预燃室(1)、火花塞(2)、射流阀(3)、主燃烧室(4)、至少进气孔(5)和至少射流孔(6)；所述预燃室(1)设置在气缸(7)中心附近的主燃烧室(4)上方的缸盖(8)中；所述主燃烧室(4)由气缸(7)、缸盖(8)的下部底面和活塞(15)的顶面构成；所述预燃室(1)具有上部空间(11)和下部空间(12)；该点火系统在预燃室进气过程中通过在主燃烧室与所述预燃室之间建立较高的压差，使之产生高速进气气流，并建立螺旋涡流模型；所述模型使得火核产生、生长和火焰发展都得到充分的保证，解决了稀薄充量预燃室点火的稳定性、可控性和鲁棒性，防止早燃、熄火事件的发生。生。生。

【技术实现步骤摘要】
一种螺旋涡流预燃室点火系统


[0001]本专利技术涉及到一种内燃机点火技术，尤其涉及一种火花塞点燃预燃室稀薄混合气的点火技术，并通过预燃室稀薄混合气燃烧所产生的高温高压气体高速喷射进入主燃烧室，最终引燃稀薄主混合气的点火技术。

技术介绍

[0002]预燃室点火能够明显缩短主燃烧室混合气燃烧持续期，且能够点燃稀薄混合气，降低燃烧温度，减少Nox的排放，提高燃烧效率，降低内燃机油耗，这是全球对其展开研究的主要原因。
[0003]预燃室点火是指在内燃机预燃室中采用火花塞点燃先导混合气，并将高温高压气体通过预燃室与主燃烧室间的通道，形成射流气体，通过射流孔喷入主燃烧室，引燃主燃烧室混合气。预燃室点火包括主动式预燃室和被动式预燃室点火，其中，主动式预燃室是指预燃室内的混合气由独立管道从内燃机外部送入；被动式预燃室是指预燃室内的混合气被活塞从主燃烧室压入。
[0004]谈到稀薄混合气，主要有两种状态：一种混合气是远大于理论空气/燃料比，其过量空气系数λ远大于1，这种情况属于富氧燃烧，其产生的NOx化合物需要复杂而昂贵的后处理系统。另一种混合气是恒等于理论空气/燃料比，其过量空气系数λ恒等于1，但加入较多的已经燃烧的气体，这种气体通过废气再循环系统(EGR)加入到混合气中。其产生的NOx可以通过目前大量使用的低成本的三元催化器来处理。
[0005]对于被动式预燃室，其进入预燃室的先导混合气成分、浓度、气体流速、气体流动方向、温度和压力等受到主混合气的成分、浓度、气体流速、气体流动方向、温度和压力影响。为了提高内燃机效率，希望采用稀薄气体燃烧做功，这样的好处是可以极大地降低内燃机的热损失。但是困难随之而来：一是主燃烧室气体稀薄，在火花塞附近的燃料浓度难以达到一致性，火花塞难以对混合气进行有效点燃，并产生稳定的火核。二是主燃烧室空间较大，由气道和进气门形状形成的进气涡流和滚流在上止点附近破碎，导致混合气流动方向和速度发生不确定性变化，难以将已经生成的火核进行特定模式的生长和发展。三是随着稀薄程度的加深，主混合气燃烧速度大大降低，容易形成较大的燃烧循环波动。
[0006]简述之，预燃室稀薄混合气点火技术在以下方面都存在困难：形成火核、火核的生长、火核的发展、以及具有足够高焓能量喷射进入主燃烧室，使稀薄混合气加快完成燃烧等等。
[0007]因此，亟需提供一种能够对稀薄先导混合气进行点火，使其产生火核以后，以特定的模式促使火核生长和发展，顺利完成预燃室稀薄混合气的燃烧，产生预燃室高温高压气体对主燃烧室稀薄混合气执行射流点火的方式，从而实现主燃烧室稀薄混合气点火和燃烧。

技术实现思路

[0008]本专利技术提供了一种螺旋涡流预燃室点火系统，试图在预燃室中建立一个稳定的螺旋涡流模型，所述模型使得火核产生、成长和火焰发展得到充分的保证，因而解决了预燃室点火，特别是稀薄充量预燃室点火的稳定性、可控性和鲁棒性，防止早燃、熄火事件的发生，并减少燃烧循环波动。
[0009]本专利技术的技术方案是提供了一种螺旋涡流预燃室点火系统，其包括预燃室、火花塞、射流阀、主燃烧室、至少一个进气孔和至少一个射流孔；所述预燃室设置在气缸中心附近的主燃烧室上方的缸盖中；所述主燃烧室由气缸、缸盖的下部底面和活塞的顶面构成；所述预燃室具有上部空间和下部空间；其特征在于：
[0010]上部空间内壁和下部空间内壁的形状是沿所述预燃室中轴线旋转而成的旋转体，所述上部空间的内壁直径Φ自上而下逐渐减小并与所述下部空间的内壁直径ψ相连接，所述下部空间的内壁直径ψ为一个固定值或者自上而下逐渐减小，火花塞正负电极暴露于所述上部空间，所述进气孔布置于所述下部空间的轴向中间位置，所述进气孔沿下部空间的内壁圆周切线方向接入，所述进气孔能够使主燃烧室与所述预燃室之间气体通讯；所述下部空间的下端面设置一个压差控制的射流阀，所述射流孔设置在所述射流阀外周附近，所述射流孔能够将所述预燃室内的气体在所述射流阀开启后引入所述主燃烧室；
[0011]所述预燃室为被动式预燃室，在压缩冲程中，当活塞上行时，气缸内气体压力高于所述预燃室内气体压力，所述射流阀在压差作用下关闭同时，活塞压迫气缸内的主混合气沿所述进气孔，流入所述预燃室下部空间，所述气流沿所述下部空间的内壁圆周切线方向高速喷入，在所述下部空间内形成螺旋涡流；所述螺旋涡流前锋沿螺旋升角从所述下部空间向上部空间逐渐扩大的内壁圆周中旋转向上并逐渐减速，直至到达火花塞电极端面，然后所述螺旋涡流前锋反向流入所述窝心，转变为从上往下的轴向气流，所述火花塞正负电极之间的跳火位置设置在所述窝心位置，所述向下流动的轴向气流随着内壁圆周直径减小，流动速度加快，在到达所述下部空间的沿途，不断有轴向气流加入到其外周的螺旋涡流中，形成气流在所述预燃室内壁螺旋而上，在所述预燃室中轴线附近自窝心轴流而下，封闭的周而复始的气流运动模型，即螺旋涡流模型。
[0012]进一步地，在所述螺旋涡流模型的先导混合气中，所有气体成分，包括二氧化碳、氧气和氮气，以及燃料呈现均匀的分布，并构成均质混合气。
[0013]进一步地，在所述螺旋涡流模型中先导混合气的气流速度分布和气流运动方向分布稳定，不因内燃机的转速变化而变化。
[0014]进一步地，在所述预燃室中具有一个火核产生区F，所述火核产生区F为球体，所述球体位于所述螺旋涡流模型的窝心，所述窝心的区域的气流速度为所述预燃室内气流速度的最低区域，其气流速度不超过15米/秒，保证火花塞顺利点燃稀薄先导混合气，并成功形成火核，而不被气流吹熄。
[0015]进一步地，在所述预燃室中具有一个火核成长区G，所述火核成长区G处于火核产生区F的下方，在火核成长区G，气流速度由慢变快，从靠近火核产生区F的15米/秒加速到靠近所述下部空间的80米/秒以上，气体轴向加速向下流动，将火核的火焰前锋快速引导到更大的区域，并保证火核不会被气流吹熄，同时促使火核快速生长。
[0016]进一步地，在所述预燃室中具有一个火焰发展区D内壁的区域即为火焰发展区D；
在火焰发展区D，随着所述上部空间的内壁直径Φ的减小，火焰前锋向下的速度进一步加快，更多气流裹挟火焰前锋加入外周螺旋上升的高速涡旋中，此时气流速度高达100米/秒至1000米/秒，导致火焰前锋快速占领整个预燃室的空间。
[0017]进一步地，所述预燃室的进气孔的总流通面积在数值上等于所述缸径的0.5％至2％；在所述火花塞点火时，其预燃室压力为主燃烧室压力的25％至50％；所述主燃烧室与所述预燃室的高压差导致进气气流的高速度，所述进气气流速度为200米/秒至1000米/秒。
[0018]进一步地，所述射流孔总流通面积是进气孔总流通面积的3.5至6倍。
[0019]进一步地，所述预燃室喷射进入主燃烧室形成的射流火炬均布于主燃烧室的空间，使主混合气在多点同时引燃，缩短主混合气的燃烧持续期。
[0020]进一步地，所述系统适合于以下两种状态的混合气：第一种是所述混合气过量空气系数λ恒等于，而EGR率为0％至50％；第二种是或本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种螺旋涡流预燃室点火系统，其包括预燃室(1)、火花塞(2)、射流阀(3)、主燃烧室(4)、至少一个进气孔(5)和至少一个射流孔(6)；所述预燃室(1)设置在气缸(7)中心附近的主燃烧室(4)上方的缸盖(8)中；所述主燃烧室(4)由气缸(7)、缸盖(8)的下部底面和活塞(15)的顶面构成；所述预燃室(1)具有上部空间(11)和下部空间(12)；其特征在于：上部空间内壁(9)和下部空间内壁(14)的形状是沿所述预燃室中轴线(10)旋转而成的旋转体，所述上部空间(11)的内壁直径Φ自上而下逐渐减小并与所述下部空间(12)的内壁直径ψ相连接，所述下部空间(12)的内壁直径ψ为一个固定值或者自上而下逐渐减小，火花塞正负电极(13)暴露于所述上部空间(11)，所述进气孔(5)布置于所述下部空间(12)的轴向中间位置，所述进气孔(5)沿下部空间(12)的内壁(14)圆周切线方向接入，所述进气孔(5)能够使主燃烧室(4)与所述预燃室(1)之间气体通讯；所述下部空间(12)的下端面设置一个压差控制的射流阀(3)，所述射流孔(6)设置在所述射流阀(3)外周附近，所述射流孔(6)能够将所述预燃室(1)内的气体在所述射流阀(3)开启后引入所述主燃烧室(4)；所述预燃室(1)为被动式预燃室，在压缩冲程中，当活塞(15)上行时，气缸(7)内气体压力高于所述预燃室(1)内气体压力，所述射流阀(3)在压差作用下关闭，同时，活塞(15)压迫气缸(7)内的主混合气沿所述进气孔(5)，流入所述预燃室下部空间(12)，所述气流沿所述下部空间(12)的内壁(14)圆周切线方向高速喷入，在所述下部空间(12)内形成螺旋涡流(16)；所述螺旋涡流(16)前锋沿螺旋升角从所述下部空间(12)向上部空间(11)逐渐扩大的内壁(9)圆周中旋转向上并逐渐减速，直至到达火花塞电极端面(17)，然后所述螺旋涡流(16)前锋反向流入所述窝心(18)，转变为从上往下的轴向气流(19)，所述火花塞正负电极(13)之间的跳火位置设置在所述窝心(18)位置，所述向下流动的轴向气流(19)随着内壁(14)圆周直径减小，流动速度加快，在到达所述下部空间(12)的沿途，不断有轴向气流(19)加入到其外周的螺旋涡流(16)中，形成气流在所述预燃室内壁(14)螺旋而上，在所述预燃室中轴线(10)附近自窝心(18)轴流而下，封闭的周而复始的气流运动模型，即螺旋涡流模型。2.根据权利要求1所述的螺旋涡流预燃室点火系统，其特征在于：在所述螺旋涡流模型的先导混合气中，所有气体成分，包括二氧化碳、氧气和氮气，以及燃料呈现均匀的分布，并构成均质混合气。3.根据权利要求1所述的螺旋涡流预燃室点火系统，其特征在于：在所述螺旋涡流模型中先导混合气的气流速度分布和气流运动方向分布稳定，不因内燃机的转速变化而变化。4.根据权利要求1所述的一种螺旋涡流预燃室点火系统，其特征在于：在所述预燃室中具有一个火核产生区F，所述火核产生区F为球体，所述球体位于所述螺旋涡流模型的窝心(18)，所述窝心(18)的区域的气流速度为所述预燃室内气流速度的最低区域，其气流速度不超过15米/秒，保证火花塞(2)顺利点燃稀薄先导混合气，并成功形成火核，而不被气流吹熄。5.根据权利要求1所述的螺旋涡流预燃室点火系统，其特征在于：在所述预燃室中具有...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈大兹，谯俊豪，
申请(专利权)人：湖南大兹动力科技有限公司，
类型：发明
国别省市：