CN106870195B - 一种发动机点火机构及其发动机燃烧系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及内燃机技术领域，公开了一种发动机点火机构，包括火花塞与火焰加速腔道，火焰加速腔道设置于缸盖中，火花塞伸入火焰加速腔道的一端，火焰加速腔道的另一端与主燃烧室连通，火焰加速腔道内设有环形扰流板。本发明还公开一种发动机燃烧系统，包括缸盖部分与缸体部分，其中缸盖部分包括本发明的发动机点火机构、进气门与排气门，缸体部分包括缸套、活塞以及曲柄连杆机构，主燃烧室由缸盖底面、缸套和活塞围成，进气门和排气门与主燃烧室相连。本发明在火花塞和主燃烧室之间设置具有若干环形扰流板的火焰加速腔道，大幅加速主燃烧室内燃烧过程，燃烧等容度高、热效率高并且其设计结构简单、成本低廉和实用性高。
Description
技术领域
本发明涉及内燃机技术领域，特别是涉及一种发动机点火机构及其发动机燃烧系统。
背景技术
根据着火方式的不同，内燃机可分为点燃式和压燃式，二者均拥有可观的保有量和市场。其中，点燃式发动机需要由点火系统提供着火源，引发气缸内可燃混合气燃烧。利用火花塞进行单点火花点火是点燃式发动机采用的主流点火形式，火花塞通常布置在燃烧室上端面。
火花点火引发的燃烧呈现火焰传播状态，燃烧速度缓慢，等容度较低，且为避免爆震出现，点燃式发动机压缩比受限，导致其热效率难以达到较高水平。
在油耗法规不断加严的背景下，强化点火、加速燃烧是点燃式发动机提高热效率的必然需求。电晕点火、微波点火、激光点火等排除传统火花塞设计的新型点火系统迎合了上述需求，但存在设计复杂和成本高昂等问题，当前的实用性较低。
因此，如何基于火花塞点火的基本形式，设计具有强化点火并促进燃烧的新型发动机点火系统，已成为研究高效率点燃式发动机的一大关键课题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种发动机点火机构及其发动机燃烧系统，解决了传统点燃式发动机的燃烧速度缓慢，等容度较低，热效率低以及新型点火系统的设计复杂、成本高昂和实用性较低的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种发动机点火机构，包括火花塞与火焰加速腔道，所述火焰加速腔道设置于缸盖中，所述火花塞伸入所述火焰加速腔道的一端，所述火焰加速腔道的另一端与主燃烧室连通，所述火焰加速腔道内设有环形扰流板。
其中，所述环形扰流板为一个或多个。
其中，若所述环形扰流板为多个，所述环形扰流板在所述火焰加速腔道内沿轴向等分布置。
其中，若所述环形扰流板为多个，则所述环形扰流板的轴向长度占相邻所述环形扰流板间隔距离的5％-20％。
其中，若所述环形扰流板为多个，则相邻两个所述环形扰流板的间隔距离为所述火焰加速腔道的最大横截面对应直径的50％-200％。
其中，所述火焰加速腔道的容积不超过所述主燃烧室容积的10％。
其中，所述环形扰流板的横截流通面积占所述火焰加速腔道的最大横截面积的50％-95％。
本发明还公开一种发动机燃烧系统，其特征在于，包括缸盖部分与缸体部分，其中所述缸盖部分包括本发明的发动机点火机构、进气门与排气门，所述缸体部分包括缸套、活塞以及曲柄连杆机构，所述主燃烧室由所述缸盖底面、所述缸套和所述活塞围成，所述进气门和所述排气门与所述主燃烧室相连，所述活塞与曲轴通过连杆连接。
其中，所述火焰加速腔道的轴线与所述活塞表面相交。
(三)有益效果
本发明提供的一种发动机点火机构及其发动机燃烧系统，燃烧速度高、等容度高、热效率高并且其设计结构简单、成本低廉和实用性高。
附图说明
图1为本发明的一种发动机点火机构及其发动机燃烧系统的剖面图；
图中，1：火花塞；2：火焰加速腔道；3：进气道；4：进气门；5：主燃烧室；6：缸套；7：活塞；8：缸盖；9：环形扰流板；10：排气道；11：排气门；12：缸体；13：连杆；14：曲轴。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明公开一种发动机点火机构，包括火花塞1与火焰加速腔道2，所述火焰加速腔道2设置于缸盖8中，所述火花塞1伸入所述火焰加速腔道2的一端，所述火焰加速腔道2的另一端与主燃烧室5连通，所述火焰加速腔道2内设有环形扰流板9。
具体地，火焰加速腔道2的基本结构为圆形截面腔道，并在其内部连接有若干凸起的环形扰流板9。火焰加速腔道2顶端设置有火花塞1，其底端与主燃烧室5连接。点火机构工作过程为，由火花塞1放电，在火焰加速腔道2上部产生火核，火焰沿火焰加速腔道2快速发展，在主燃烧室内形成柱状火焰，引燃其他可燃混合气，相同时刻下，其燃烧范围明显大于传统点火燃烧方式。火焰加速腔道2内设置的环形扰流板9的内径小于火焰加速腔道2无环形扰流板9部分的内径，形成凸起的圆环形台阶，在火焰通过时，起到破碎火焰、加强湍流以加速火焰发展的作用。
依据本发明的点火机构，在快速压缩机平台上进行实验。其中本实验的工作原理是快速压缩机到达压缩上止点状态后由火花塞放电点火，火焰沿火焰加速腔道发展后进入主燃烧室引燃其内部可燃混合气，由压力传感器监测主燃烧室的燃烧压力，由高速相机拍摄主燃烧室的着火及燃烧情况。其中本实验的燃料选用甲烷，可燃混合气采用燃空当量比Φ＝1.0，稀释比3.76，稀释气体为氮气，压缩比9.5，达到上止点后点火时刻压力1.4MPa。则可得出实验结果，由高速相机拍摄，本发明的点火机构在主燃烧室内部快速产生柱状火焰，引燃其他可燃混合气，其燃烧范围明显大于传统点火燃烧方式；由压力传感器监测，本实施例的燃烧历时较传统点火燃烧方式缩短超过33％。
本发明通过在火花塞和主燃烧室之间设置火焰加速腔道，加快火焰发展速度，燃烧过程显著缩短，具备在实现相同燃烧相位的情况下，将点火时刻延后，降低压缩冲程负功，提高燃烧过程等容度，提高发动机热效率的能力，并且其设计结构简单、成本低廉和实用性高。
其中，轴向设置的所述环形扰流板9为一个或多个。优选的，轴向设置的环形扰流板9为2-3个。本领域技术人员可以根据实际情况进行设置不同数量的环形扰流板9以实现最佳的燃烧效果。
进一步地，若所述环形扰流板9为多个，所述环形扰流板9在火焰加速腔道2内沿轴向等分布置，以达到较优的火焰加速效果。
进一步地，所述环形扰流板9的横截流通面积占所述火焰加速腔道2的最大横截面积的50％-95％，火焰加速腔道2的最大横截面取为无环形扰流板9的腔道部分的圆形截面。
进一步地，若所述环形扰流板9为多个，则所述环形扰流板9的轴向长度占相邻所述环形扰流板9间隔距离的5％-20％，即环形扰流板9的轴向长度占整个火焰加速腔道2的一小部分，以达到较优的火焰加速效果。
其中，所述火焰加速腔道2的容积不超过所述主燃烧室5容积的10％，即火焰加速腔道2的长度和横截面积不宜过大，以避免火焰加速腔道2内部残余过多废气等不利影响。
其中，若所述环形扰流板9为多个，则相邻两个所述环形扰流板9的间隔距离为所述火焰加速腔道2的最大横截面对应直径的50％-200％，以达到较优的火焰加速效果。
本发明还公开一种发动机燃烧系统，包括缸盖部分8与缸体部分12，其中所述缸盖部分8包括本发明的发动机点火机构、进气门4与排气门11，所述缸体部分12包括缸套6、活塞7、连杆13与曲轴14所述主燃烧室5由所述缸盖8底面、所述缸套6和所述活塞7围成，所述进气门4和所述排气门11与所述主燃烧室相连，所述活塞7与所述曲轴14通过所述连杆13连接。
发动机燃烧系统的循环工作过程分为四个冲程，即进气冲程、压缩冲程、作功冲程以及排气冲程。进气冲程：进气门4开启，排气门11关闭，活塞7由上止点向下止点移动，活塞7上方的气缸容积增大，气缸内形成可燃混合气(对于进气道喷射式发动机，可燃混合气由进气道3通过进气门4进入气缸；对于缸内直喷式发动机，可燃混合气由通过进气门4进入气缸的空气和燃料直喷装置喷入气缸的燃料混合形成)。压缩冲程及作功冲程：进气门4和排气门11全部关闭，缸内混合气在压缩冲程被压缩，混合气温度升高，压力上升，在接近上止点时，由本发明的发动机点火机构中的火花塞放电产生火核，火焰经由本发明的点火机构中的火焰加速腔道迅速发展，在主燃烧室内快速形成柱状火焰，引燃其他可燃混合气。缸内压力和温度迅速上升，高温高压气体推动活塞向下止点移动，通过曲柄连杆机构对外作功。排气冲程：作功行程接近终了时，排气门11开启，高温废气迅速排出气缸。
其中，所述火焰加速腔道2的轴线与所述活塞7表面相交，即火焰加速腔道2的连通主燃烧室5的一端面对活塞7，实现最佳的燃烧效果。
本发明公开一种发动机点火机构及其发动机燃烧系统，在火花塞和主燃烧室之间加设一个火焰加速腔道，火焰加速腔道内轴向设置若干个环形扰流板，在火花塞放电点火后，火焰由缓慢火焰传播状态迅速变为快速发展状态，在主燃烧室内形成柱状火焰，引燃其他可燃混合气，燃烧过程显著缩短，具备在实现相同燃烧相位的情况下，将点火时刻延后，降低压缩冲程负功，提高燃烧过程等容度，提高发动机热效率的能力，并且其设计结构简单、成本低廉和实用性高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种发动机点火机构，其特征在于，包括火花塞(1)及火焰加速腔道(2)，所述火焰加速腔道(2)设置于缸盖(8)中，所述火花塞(1)伸入所述火焰加速腔道(2)的一端，所述火焰加速腔道(2)的另一端与主燃烧室(5)连通，所述火焰加速腔道(2)内设有环形扰流板(9)，所述环形扰流板(9)的内径小于所述火焰加速腔道(2)的内径，形成凸起的圆环形台阶；
所述环形扰流板(9)为多个，所述环形扰流板(9)在所述火焰加速腔道(2)内沿轴向等分布置。
2.如权利要求1所述的机构，其特征在于，则所述环形扰流板(9)的轴向长度占相邻所述环形扰流板(9)间隔距离的5％-20％。
3.如权利要求1所述的机构，其特征在于，若所述环形扰流板(9)为多个，则相邻两个所述环形扰流板(9)的间隔距离为所述火焰加速腔道(2)的最大横截面对应直径的50％-200％。
4.如权利要求1所述的机构，其特征在于，所述火焰加速腔道(2)的容积不超过所述主燃烧室(5)容积的10％。
5.如权利要求1所述的机构，其特征在于，所述环形扰流板(9)的横截流通面积占所述火焰加速腔道(2)的最大横截面积的50％-95％。
6.一种发动机燃烧系统，其特征在于，包括缸盖(8)部分与缸体(12)部分，其中所述缸盖部分包括权利要求1-5中任意一项的发动机点火机构、进气门(4)与排气门(11)，所述缸体部分包括缸套(6)、活塞(7)、连杆(13)与曲轴(14)，所述主燃烧室(5)由所述缸盖(8)底面、所述缸套(6)和所述活塞(7)围成，所述进气门(4)和所述排气门(11)与所述主燃烧室(5)相连，所述活塞(7)与所述曲轴(14)通过所述连杆(13)连接。
7.如权利要求6所述的发动机燃烧系统，其特征在于，所述火焰加速腔道(2)的轴线与所述活塞(7)表面相交。
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