СИСТЕМА БЫСТРОГО СГОРАНИЯ СО СЛАБЫМ ВЕРТИКАЛЬНЫМ ВИХРЕВЫМ ПОТОКОМ Российский патент 2021 года по МПК F02B19/08 F02F1/42 F02F3/26 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение касается технической области двигателей и, в частности, системы быстрого сгорания со слабым потоком и газового двигателя.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] В настоящее время двигатель на природном газе обычно модифицируют на основе дизельного двигателя, и головка цилиндра часто представляет собой головку цилиндра дизельного двигателя. Для дизельного двигателя режим сгорания является диффузионным сгоранием, и определенная степень завихрения помогает струе топлива смешиваться с воздухом, улучшая процесс сгорания и снижая вредные выбросы. Вихрь представляет собой организованное закручивающее движение газа вокруг оси цилиндра. Горение газового топлива является по существу горением предварительно смешанной среды, которое не требует высокой интенсивности вихрей, а требует слабого турбулентного движения с образованием изгибов пламени, что увеличивает скорость распространения пламени и улучшает тепловой КПД. Турбулентность представляет собой много маленьких завихрений с произвольными направлениями, возникающих в области течения, если скорость воздуха является высокой, что отличается от ламинарного течения.

[0003] Если двигатель на природном газе использует головку цилиндра от дизельного двигателя, образующийся вихрь может не распадаться в такте сжатия и рабочем такте, что не дает полного использования энергии движения воздуха, вызывает интенсификацию изменений цикла и вредно влияет на надежность всего двигателя. Как показано на фигуре 1, поршень 01 существующего газового двигателя обычно модифицирован на основе поршня дизельного двигателя, а камера сгорания 02 имеет, главным образом, структуру мелкого бассейна, которая имеет простую форму и хорошую технологичность. Камера сгорания 02 этой структуры может полностью использовать течение сжатия, увеличивая турбулентную кинетическую энергию в цилиндре, улучшая, тем самым, процесс сгорания. Течение сжатия представляет собой центростремительное движение, образованное поршнем, сжимающим газ возле края цилиндра в камеру сгорания в конце такта сжатия.

[0004] В современном решении, во время процесса впуска входной воздушный поток, впрыскиваемый из трубопровода, генерирует вихревое движение вокруг оси цилиндра, и при восходящем движении поршня данный вихрь сжимается в камеру сгорания, и интенсивность вихря непрерывно улучшается с помощью камеры сгорания со структурой мелкого бассейна, и в данном процессе вихрь может не распадаться на мелкую турбулентность. Однако для газовых двигателей мелкая турбулентность играет важную роль в распространении пламени, поэтому данное решение не подходит для сгорания газообразного топлива. При этом ограниченный малой скоростью распространения пламени двигатель имеет высокую тенденцию к детонации, и нельзя использовать поршень с высоким коэффициентом сжатия, чтобы дополнительно улучшить тепловой КПД.

[0005] Следовательно, техническая проблема, адресуемая сейчас к специалистам в данной области техники, заключается в улучшении параметров сгорания газа и увеличении теплового КПД газового двигателя.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0006] Ввиду этого, настоящее изобретение обеспечивает систему быстрого сгорания со слабым вертикальным вихревым потоком, которая может ускорять скорость распространения пламени, улучшать параметры сгорания, увеличивать величину утилизации газа и дополнительно улучшать тепловой КПД газового двигателя. Настоящее изобретение также обеспечивает газовый двигатель, включающий в себя упомянутую систему быстрого сгорания со слабым вертикальным вихревым потоком.

[0007] Следующие технические решения обеспечены согласно настоящему изобретению.

[0008] Система быстрого сгорания со слабым вертикальным вихревым потоком включает в себя поршень, головку цилиндра, впускной трубопровод и выпускной трубопровод. Камера сгорания образуется между вершиной поршня и головкой цилиндра, впускная горловина и выпускная горловина расположены на головке цилиндра, секция впускного трубопровода возле впускной горловины представляет собой направляющий вихрь трубопровод, ось направляющего вихрь трубопровода расположена наклонно относительно нижней поверхности головки цилиндра, а верхняя боковая поверхность направляющего вихрь трубопровода является нисходящей направляющей поверхностью, расположенной наклонно относительно нижней поверхности головки цилиндра, нижняя боковая поверхность направляющего вихрь трубопровода является дугообразной направляющей поверхностью, утопленной в направлении нижней поверхности головки цилиндра, эксцентрический желоб расположен у нижнего конца впускной горловины, и эксцентрическое направление эксцентрического желоба проходит вдоль направления линии, соединяющей центр впускной горловины с выпускной горловиной.

[0009] Предпочтительно, радиус кривизны дугообразной направляющей поверхности составляет 60-80 мм, и прилежащий угол между нисходящей направляющей поверхностью и нижней поверхностью головки цилиндра составляет 40 градусов - 80 градусов.

[0010] Предпочтительно, эксцентрическое расстояние эксцентрического желоба относительно впускной горловины составляет 1 мм - 3 мм.

[0011] Предпочтительно, данный поршень представляет собой поршень, имеющий чашеобразную камеру сгорания, чашеобразная структура обеспечена в верхней части поршня, имеющего чашеобразную камеру сгорания, и ширина сечения данной чашеобразной структуры снизу вверх постепенно увеличивается;

или данный поршень представляет собой поршень, имеющий проникающую камеру сгорания, проникающая структура обеспечена в верхней части поршня, имеющего проникающую камеру сгорания, и ширина сечения проникающей структуры снизу вверх постепенно уменьшается.

[0012] Предпочтительно, если данный поршень представляет собой поршень, имеющий чашеобразную камеру сгорания, боковая стенка чашеобразной структуры представляет собой коническую структуру, расположенную вокруг оси поршня, и угол наклона продольного сечения боковой стенки чашеобразной структуры относительно оси поршня составляет 10-15 градусов;

если данный поршень представляет собой поршень, имеющий проникающую камеру сгорания, отношение ширины верхнего отверстия проникающей структуры к внешнему диаметру поршня составляет 0,53.

[0013] Предпочтительно, впускной трубопровод включает в себя основной впускной трубопровод, внутренний впускной трубопровод и внешний впускной трубопровод. Внутренний впускной трубопровод и внешний впускной трубопровод ответвляются вниз по течению основного впускного трубопровода, входной воздушный порт основного впускного трубопровода сообщается со стабилизирующей полостью входа воздуха, внутренний впускной трубопровод находится ближе к стабилизирующей полости входа воздуха, чем внешний впускной трубопровод, и способность сообщения внутреннего впускного трубопровода больше, чем способность сообщения внешнего впускного трубопровода, впрыскивающее отверстие открывается на одной стороне внешнего впускного трубопровода или стороне, обращенной к стабилизирующей полости входа воздуха, основного впускного трубопровода, и данное впрыскивающее отверстие сообщается со стабилизирующей полостью входа воздуха через обводной трубопровод.

[0014] Предпочтительно, внешний впускной трубопровод представляет собой тангенциальный трубопровод, а внутренний впускной трубопровод представляет собой прямой трубопровод, и проекция распространяющегося направления прямого трубопровода на нижней поверхности головки цилиндра согласуется с направлением центральной соединяющей линии впускной горловины и выпускной горловины.

[0015] Предпочтительно, регулирующий поток клапан расположен на обводном трубопроводе.

[0016] Предпочтительно, эквивалентное сечение потока обводного трубопровода постепенно уменьшается от стабилизирующей полости входа воздуха к впрыскивающему отверстию.

[0017] Принцип работы системы быстрого сгорания со слабым вертикальным вихревым потоком, обеспеченной настоящим изобретением, является следующим:

когда цилиндр двигателя втягивает воздух, впускной клапан открывается, и входной воздушный поток во впускном трубопроводе поступает в цилиндр через впускную горловину. Когда входной воздушный поток проходит через направляющий вихрь трубопровод, нисходящая направляющая поверхность формирует воздушный поток в наклонном направлении, при этом дугообразная направляющая поверхность в нижней стороне направляющего вихрь трубопровода формирует вращение воздушного потока. Когда воздушный поток достигает впускной горловины, структура эксцентрического желоба у нижнего конца впускной горловины дополнительно направляет вихревой воздушный поток вниз и придает воздушному потоку форму течения с крупными вертикальными вихрями в цилиндре; В такте сжатия двигателя, когда поршень поднимается, газ со слабым вертикальным вихревым течением сжимается в камеру сгорания. В конце такта сжатия вертикальное вихревое течение разбивается на более мелкую турбулентность после сжатия поршнем. С увеличением мелкой турбулентности газ может генерировать более высокую турбулентную кинетическую энергию, увеличивая скорость распространения пламени и сокращая длительность сгорания, улучшая, таким образом, параметры сгорания, улучшая величину утилизации газа и тепловой КПД газового двигателя.

[0018] Характеристики быстрого сгорания системы быстрого сгорания со слабым вертикальным вихревым потоком настоящего изобретения проходят через узкое место детонации в традиционном режиме сгорания и могут позволять использовать поршни с более высокими коэффициентами сжатия (коэффициент сжатия может быть увеличен на 10%), и детонация происходит в определенном интервале; настоящее изобретение также улучшает величину утилизации топливного газа и снижает расход газа в обычных рабочих условиях в среднем на 2%~3%. Кроме того, рассматривая выполнимость продукта, настоящее изобретение генерирует соответствующее течение со слабым вертикальным вихревым потоком на основе существующего дизельного двигателя путем изменения структуры впускного трубопровода в головке цилиндра, так как настоящее изобретение нуждается только в модификации структуры впускного трубопровода, а структуры впускных клапанов, выпускного клапана, выпускного трубопровода и подобного не нуждаются в изменении, и положения отверстий крепежных болтов головки цилиндра и тела двигателя остаются неизменными, так что все внешние интерфейсы головки цилиндра могут оставаться неизменными, следовательно, можно гарантировать, что механизм распределения воздуха и воздушная система сохраняются, что сильно уменьшает стоимость изменений дизайна продукта и улучшает выполнимость продукта.

[0019] Настоящее изобретение также обеспечивает газовый двигатель, включающий в себя вышеуказанную систему быстрого сгорания со слабым вертикальным вихревым потоком. Способ получения преимущественных эффектов, создаваемых газовым двигателем, в общем аналогичен способу получения преимущественных эффектов, осуществляемых данной системой быстрого сгорания со слабым вертикальным вихревым потоком, так что его можно не повторять здесь.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0020] Чтобы более ясно проиллюстрировать технические решения согласно вариантам осуществления настоящего изобретения или обычной технологии, чертежи, используемые в описании обычной технологии или данных вариантов осуществления, кратко описываются здесь. Очевидно, что чертежи, описанные далее, являются только некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, и другие чертежи могут быть получены специалистами в данной области техники на основании данных чертежей без каких-либо творческих усилий.

[0021] Фигура 1 представляет собой схематичное изображение структуры поршня и камеры сгорания обычного газового двигателя;

[0022] Фигура 2 представляет собой схематичное изображение эксцентрического положения эксцентрического желоба в конкретном варианте осуществления настоящего изобретения;

[0023] Фигура 3 представляет собой схематичное структурное изображение направляющего вихрь трубопровода в конкретном варианте осуществления настоящего изобретения;

[0024] Фигура 4 представляет собой схематичное структурное изображение впускного трубопровода в конкретном варианте осуществления настоящего изобретения;

[0025] Фигура 5 представляет собой схематичное изображение рабочего состояния системы сгорания с поршнем, имеющим чашеобразную камеру сгорания в конкретном варианте осуществления настоящего изобретения;

[0026] Фигура 6 представляет собой схематичное изображение рабочего состояния системы сгорания с поршнем, имеющим проникающую камеру сгорания в конкретном варианте осуществления настоящего изобретения;

[0027] Фигура 7 представляет собой схематичное структурное изображение поршня, имеющего чашеобразную камеру сгорания в конкретном варианте осуществления настоящего изобретения;

[0028] Фигура 8 представляет собой схематичное структурное изображение поршня, имеющего проникающую камеру сгорания в конкретном варианте осуществления настоящего изобретения;

[0029] Фигура 9 представляет собой схематичное изображение структуры организации впускного трубопровода и обводного трубопровода в конкретном варианте осуществления настоящего изобретения;

[0030] Фигура 10 представляет собой сравнительное изображение результатов теста скорости тепловыделения и тепловыделения между системой быстрого сгорания со слабым вертикальным вихревым потоком и традиционной системой сгорания в конкретном варианте осуществления настоящего изобретения;

[0031] Фигура 11 представляет собой сравнительное изображение результатов теста расхода газа между газовым двигателем в конкретном варианте осуществления настоящего изобретения и традиционной моделью.

на фигуре 1:

01 поршень, 02 камера сгорания;

Численные обозначения на фигурах 2-11:

10 поршень, 11 головка цилиндра,

111 впускная горловина, 112 выпускная горловина,

113 эксцентрический желоб, 12 камера сгорания,

13 впускной клапан, 14 впускной трубопровод,

140 основной впускной трубопровод, 141 внутренний впускной трубопровод,

142 внешний впускной трубопровод, 15 выпускной клапан,

16 выпускной трубопровод, 17 направляющий вихрь трубопровод,

18 дугообразная направляющая поверхность, 19 нисходящая направляющая поверхность,

20 чашеобразная вогнутая структура, 21 впрыскивающее отверстие,

22 обводной трубопровод, 23 стабилизирующая полость входа воздуха,

24 проникающая вогнутая структура.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0032] Технические решения вариантов осуществления настоящего изобретения ясно и полностью описываются далее совместно с чертежами вариантов осуществления настоящего изобретения. Очевидно, варианты осуществления, описанные ниже, являются только некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, а не всеми вариантами осуществления. На основании данных вариантов осуществления настоящего изобретения все другие варианты осуществления, сделанные специалистами в данной области техники без каких-либо творческих усилий, попадают в объем защиты настоящего изобретения.

[0033] Обращаясь к фигурам 2-9, фигура 2 представляет собой схематичное изображение эксцентрического положения эксцентрического желоба в конкретном варианте осуществления настоящего изобретения; фигура 3 представляет собой схематичное структурное изображение направляющего вихрь трубопровода в конкретном варианте осуществления настоящего изобретения; фигура 4 представляет собой схематичное структурное изображение впускного трубопровода в конкретном варианте осуществления настоящего изобретения; фигура 5 и фигура 6 представляют собой схематичные изображения рабочего состояния системы сгорания с поршнем, имеющим чашеобразную камеру сгорания, и поршнем, имеющим проникающую камеру сгорания, в конкретном варианте осуществления настоящего изобретения соответственно; фигура 9 представляет собой схематичное изображение структуры организации впускного трубопровода и обводного трубопровода в конкретном варианте осуществления настоящего изобретения.

[0034] Как показано на фигурах 2-9, настоящее изобретение обеспечивает систему быстрого сгорания со слабым вертикальным вихревым потоком, которая включает в себя поршень 10, головку цилиндра 11, впускной трубопровод 14 и выпускной трубопровод 16. Камера сгорания 12 формируется между верхней частью поршня 10 и головкой цилиндра 11, впускная горловина 111 и выпускная горловина 112 находятся на головке цилиндра 11, впускная горловина 111 используется для взаимодействия с впускным клапаном 13, а выпускная горловина 112 используется для взаимодействия с выпускным клапаном 15. Секция впускного трубопровода 14, близкая к впускной горловине 111, представляет собой направляющий вихрь трубопровод 17, ось направляющего вихрь трубопровода 17 находится под наклоном относительно нижней поверхности головки цилиндра 11, а верхняя боковая поверхность направляющего вихрь трубопровода 17 представляет собой нисходящую направляющую поверхность 19, расположенную наклонно относительно нижней поверхности головки цилиндра 11, нижняя боковая поверхность направляющего вихрь трубопровода 17 является дугообразной направляющей поверхностью 18, утопленной в направлении нижней поверхности головки цилиндра 11 (данная форма подобна структуре рыбьего брюха), эксцентрический желоб 113 находится у нижнего конца впускной горловины 111, и эксцентрическое направление эксцентрического желоба 113 смещено вдоль направления линии, соединяющей центр впускной горловины 111 с выпускной горловиной 112.

[0035] Принцип работы системы быстрого сгорания со слабым вертикальным вихревым потоком, обеспеченной настоящим изобретением, является следующим:

когда цилиндр двигателя втягивает воздух, впускной клапан 13 открывается, и входной воздушный поток во впускном трубопроводе 14 поступает в цилиндр через впускную горловину 111. Когда входной воздушный поток проходит через направляющий вихрь трубопровод 17, нисходящая направляющая поверхность 19 формирует воздушный поток в наклонном направлении, при этом дугообразная направляющая поверхность 18 в нижней стороне направляющего вихрь трубопровода 17 формирует вращение воздушного потока. Когда воздушный поток достигает впускной горловины 111, эксцентрический желоб 113 у нижнего конца впускной горловины 111 дополнительно направляет вихревой воздушный поток вниз и придает воздушному потоку форму течения с крупными вертикальными вихрями в цилиндре; В такте сжатия двигателя, когда поршень 10 поднимается, газ со слабым вертикальным вихревым потоком сжимается в камеру сгорания 12. В конце такта сжатия вертикальное вихревое течение разбивается на более мелкую турбулентность после сжатия поршнем. С увеличением мелкой турбулентности газ может генерировать более высокую турбулентную кинетическую энергию, увеличивать скорость распространения пламени и сокращать длительность сгорания, улучшая, таким образом, параметры сгорания, улучшая величину утилизации газа и тепловой КПД газового двигателя.

[0036] Заметим, что специалист в данной области техники должен понимать, что вертикальный вихревой поток, описанный здесь, представляет собой вихревое движение газа вокруг направления, перпендикулярного оси цилиндра.

[0037] Заметим, что масштабное течение газа в цилиндре, описанном в этом решении, представляет собой слабый вертикальный вихревой поток, так как интенсивность вертикального вихревого течения, образованного с помощью этого решения, является относительно слабой, когда данное вихревое течение сравнивают с вихревым течением, образуемым тангенциальным трубопроводом бензинового двигателя с камерой сгорания сводчатого типа. Следовательно, оно определяется как слабый вертикальный вихревой поток.

[0038] Согласно фигуре 3, в другом варианте осуществления, предпочтительно, радиус кривизны R дугообразной направляющей поверхности 18 составляет от 60 мм до 80 мм; прилежащий угол Ɵ, образованный нисходящей направляющей поверхностью 19 нижней поверхностью цилиндрической головки 11, составляет от 40 градусов до 80 градусов.

[0039] Согласно фигуре 2, предпочтительно, эксцентрическое расстояние Δ эксцентрического желоба 113 относительно впускной горловины 111 составляет от 1 мм до 3 мм. Эксцентрическое расстояние Δ более конкретно представляет собой расстояние, на которое центр эксцентрического желоба 113 смещено от центра впускной горловины 111 вдоль центральной линии между впускной горловиной 111 и выпускной горловиной 112 в направлении выпускной горловины 112. Комбинация указанных параметров была протестирована и проверена в настоящем изобретении, и результаты могут дать систему сгорания, имеющую лучший эффект формирования и поддержания слабого вертикального вихревого потока, и заставлять слабый вертикальный вихревой поток распадаться в конце сжатия, генерируя более высокую кинетическую энергию, увеличивая скорость сгорания и делая сгорание газового топлива более полным.

[0040] Заметим, что радиус кривизны R, прилежащий угол Ɵ и эксцентрическое расстояние Δ должны быть внутри разумного интервала согласно принципу конструирования надежного продукта с учетом организации впускного трубопровода 14 двигателя. Вихревой коэффициент обычно должен быть в интервале от 1,0 до 1,5. Экспериментами было доказано, что слабый вихревой коэффициент имеет лучший эффект в этом интервале, и сгорание газового топлива является более полным и основательным. Так как формирование вертикального вихревого потока может приводить к снижению пропускной способности, требуется, чтобы снижение коэффициента расхода направляющего вихрь трубопровода 17 могло быть меньше чем 10% от оригинального трубопровода.

[0041] Заметим, что поршень в данном решении может быть сконструирован как поршень, имеющий чашеобразную камеру сгорания, или поршень, имеющий проникающую камеру сгорания, чашеобразная утопленная структура 20 находится в верхней части поршня, имеющего чашеобразную камеру сгорания, и ширина сечения чашеобразной утопленной структуры 20 постепенно увеличивается снизу вверх; проникающая утопленная структура 24 находится в верхней части поршня, имеющего проникающую камеру сгорания, и ширина сечения проникающей утопленной структуры 24 постепенно снижается снизу вверх. И поршень, имеющий чашеобразную камеру сгорания, и поршень, имеющий проникающую камеру сгорания, могут разрушать вертикальный вихревой поток в камере сгорания в мелкую турбулентность в конце сжатия, увеличивая скорость сгорания.

[0042] Заметим, что поршни делятся, главным образом, на две категории на основании их формы, то есть чашеобразной формы и проникающей формы. Основной причиной для формирования вертикального вихревого потока является то, что воздушные потоки на обеих сторонах впускного клапана 13 не равны. На одной стороне вдоль направления течения входной поток является относительно плавным, поэтому скорость потока велика, тогда как на противоположной стороне вдоль направления течения входной поток не является плавным, поэтому скорость потока мала. Эти неравные скорости течения на обеих сторонах впускного клапана могут способствовать формированию вертикального вихревого потока. Поршень, имеющий чашеобразную камеру сгорания, широко применяется в обычных бензиновых двигателях и подходит для впускной системы с вертикальным вихревым потоком. Причиной приспособления поршня, имеющего чашеобразную камеру сгорания, в настоящем изобретении является, главным образом, то, что входящий воздух устремляется в цилиндр после прохождения через направляющий вихрь трубопровод 17, в котором большая часть воздушного потока поступает в чашеобразную утопленную структуру 20 поршня 10 (направление течения большей части воздушного потока указано незакрашенными стрелками, указывающими вниз на фигуре 5), а небольшая часть воздушного потока ударяет в верхнюю поверхность поршня 10 (что показано незакрашенными стрелками, указывающими на верхнюю поверхность поршня 10 на обеих сторона фигуры 5). Поршень, имеющий чашеобразную камеру сгорания, может направлять вертикальный вихревой поток в наибольшей степени, так что входная энергия может запасаться в форме крупномасштабного вертикального вихревого потока, который разрушается на мелкую турбулентность в конце сжатия, увеличивая турбулентную кинетическую энергию, увеличивая скорость распространения пламени и, в итоге, улучшая тепловой КПД.

[0043] Согласно фигуре 7, предпочтительно, если поршень 10 представляет собой поршень, имеющий чашеобразную камеру сгорания, боковая стенка чашеобразной утопленной структуры 20 является конической поверхностью, расположенной вокруг оси поршня 10, и угол наклона α продольной секции боковой стенки чашеобразной утопленной структуры 20 относительно оси поршня 10 определяется как коэффициент раскрытия, и интервал величины α составляет 10°~15°. Коэффициент сжатия поршня 10 может быть увеличен на 10% посредством данного дизайна коэффициента раскрытия.

[0044] Согласно фигуре 6 и фигуре 8, поршень 10 настоящего изобретения также может использовать поршень, имеющий проникающую камеру сгорания. Параметры проникания описывается, главным образом, с помощью коэффициента проникания. В данном решении, отношение внешнего диаметра D поршня 10 к ширине верхнего отверстия d проникающей утопленной структуры 24 (т.е. D/d) определяется как коэффициент проникания. Чем больше коэффициент проникания, тем более заметна данная характеристика проникания. Поршень, имеющий проникающую камеру сгорания, часто применяется в системе сгорания дизельного двигателя и подходит для вихревой впускной системы. Сжимающее течение образуется в конце сжатия посредством характеристики проникания, что усиливает смешения топлива с газом и реализует процесс быстрого сгорания. Когда поршень, имеющий проникающую камеру сгорания, используется в решении настоящего изобретения, поршень, имеющий проникающую камеру сгорания, может увеличивать вероятность удара воздушного потока о верхнюю поверхность поршня 10, что может приводить к потере впускной энергии, а также снижать воздушный поток в проникающую утопленную структуру 24, что приводит к уменьшению средней турбулентной кинетической энергии, образованной после разрушения вертикального вихревого потока, но поршень, имеющий проникающую камеру сгорания, может формировать сжимающее течение, которое может сжимать окружающий воздушный поток в окрестность свечи зажигания, улучшая турбулентную кинетическую энергию возле свечи зажигания, что имеет замечательный эффект ускорения распространения пламени. Короче говоря, хотя поршень, имеющий проникающую камеру сгорания, вызывает ослабление вертикального вихревого течения, что, в свою очередь, уменьшает среднюю турбулентную кинетическую энергию в цилиндре в конце сжатия, сжимающее течение может быть использовано для увеличения турбулентной кинетической энергии вблизи свечи зажигания, что может также достигать быстрого сгорания и улучшать тепловой КПД. Важно заметить, что соответствующее отношение между тепловым КПД и коэффициентом проникания является немонотонным, то есть не верно, что чем сильнее параметры проникновения, тем выше тепловой КПД двигателя, и эти разные параметры вертикального вихревого потока необходимо подбирать и оптимизировать соответственно.

[0045] В предпочтительном решении дизайна, если поршень 10 представляет собой поршень, имеющий проникающую камеру сгорания, отношение ширины d верхнего отверстия проникающей утопленной структуры 24 к внешнему диаметру D поршня 10 (т.е. обратное вышеописанному коэффициенту проникания) составляет 0,53. При этой величине поршень, имеющий проникающую камеру сгорания, может максимизировать эффект быстрого сгорания в цилиндре и тепловой КПД двигателя.

[0046] Путем дизайна комбинации параметров из радиуса кривизны R дугообразной направляющей поверхности 18 впускного трубопровода 14, угла наклона Ɵ нисходящей направляющей поверхности 19, эксцентрического расстояния Δ эксцентрического желоба 113 и коэффициента раскрытия α поршня 10 настоящее изобретение провело тест моделирования. Эффект сгорания явно улучшается по сравнению с моделью традиционной системы сгорания. Согласно фигуре 10 и фигуре 11, фигура 10 представляет собой сравнительное изображение результатов тестирования скорости тепловыделения и тепловыделения между системой быстрого сгорания со слабым вертикальным вихревым потоком и традиционной системой сгорания в конкретном варианте осуществления настоящего изобретения; фигура 11 представляет собой сравнительное изображение результатов тестирования расхода газа между газовым двигателем в конкретном варианте осуществления настоящего изобретения и традиционной моделью. Из фигуры 10 можно ясно видеть, что и скорость мгновенного тепловыделения Q1, и суммарное тепловыделение I1 настоящего изобретения лучше по сравнению со скоростью мгновенного тепловыделения Q1 и величиной суммарного тепловыделения I1 традиционной системы сгорания в области нормальных рабочих условий, что показывает, что скорость сгорания настоящего изобретения ускорена по сравнению с традиционной системой сгорания. Между тем, по сравнению с традиционной системой сгорания, пиковая величина скорости мгновенного тепловыделения в данном решении снижается, что показывает, что система сгорания настоящего изобретения является выгодной для снижения пиковой величины температуры в цилиндре. Из фигуры 11 можно видеть, что решение настоящего изобретения имеет хорошее преимущество в снижении расхода газа в нормальных рабочих условиях, хотя в условиях высокой скорости и большой нагрузки (близко к расчетной точке) расход газа в решении настоящего изобретения эквивалентен расходу в исходном решении.

[0047] Кроме того, следует заметить, что вышеуказанная комбинация параметров для радиуса кривизны R дугообразной направляющей поверхности 18, острого угла Ɵ, образованного нисходящей направляющей поверхностью 19, эксцентрического расстояния Δ эксцентрического желоба 113 и коэффициента раскрытия α поршня 10 является только предпочтительной комбинацией, данной в настоящем изобретении, чтобы использовать в большинстве двигателей. В процессе реального применения могут быть сделаны соответствующие подстройки согласно фактическим требованиям.

[0048] Вообще говоря, впускной трубопровод 14 включает в себя основной впускной трубопровод 140, внутренний впускной трубопровод 141 и внешний впускной трубопровод 142. Внутренний впускной трубопровод 141 и внешний впускной трубопровод 142 ответвляются ниже по ходу от основного впускного трубопровода 140. Однако для внутреннего впускного трубопровода 141 и внешнего впускного трубопровода 142 есть несколько отличий в их пропускной способности, когда конструируют течение в трубопроводе. Например, различия в длине и направлении при расположении трубопроводов могут приводить к различиям в их пропускной способности. В данном решении воздушный входной порт основного впускного трубопровода 140 сообщается со стабилизирующей полостью входящего воздуха 23, и внутренний впускной трубопровод 141 находится ближе к стабилизирующей полости входящего воздуха 23, чем внешний впускной трубопровод 142, и пропускная способность внутреннего впускного трубопровода 141 больше, чем пропускная способность внешнего впускного трубопровода 142.

[0049] Заметим, что, когда двигатель работает с низкой скоростью и низкой нагрузкой, потребность во входящем воздухе меньше, поток газа во впускном трубопроводе 14 ниже, а мощность наддува двигателя слабее. Газ главным образом засасывается в цилиндр посредством отрицательного давления, возникающего, когда поршень 10 движется вниз, и распределение течения внутреннего и внешнего трубопроводов относительно сбалансировано. Однако, когда двигатель работает при высокой скорости и высокой нагрузке, входная потребность велика, поток газа во впускном трубопроводе 141 относительно высокий, и двигатель имеет сильную мощность наддува, и газ нагнетается в двигатель, поэтому различие в распределении потоков между внутренним и внешним трубопроводами увеличивается. В самом деле, формирование и поддержание слабого вертикального вихревого потока благоприятно, когда внутренний впускной трубопровод 141 и внешний впускной трубопровод 142 находятся в сбалансированном сообщении.

[0050] Следовательно, в настоящем изобретении впрыскивающее отверстие 21 формируют на одной стороне, обращенной к стабилизирующей полости входного воздуха 23, основного впускного трубопровода 140, и впрыскивающее отверстие 21 сообщается со стабилизирующей полостью входного воздуха 23 посредством обводного трубопровода 22. При таком расположении, во время процесса впуска воздуха, газ в стабилизирующей полости входного воздуха 23 впрыскивается из впрыскивающего отверстия 21 в основной впускной трубопровод 140 с помощью обводного трубопровода 22, и часть газа в основном впускном трубопроводе 140 уносится к другой стороне, дальней от стабилизирующей полости входного воздуха 23, то есть к стороне, соответствующей внешнему впускному трубопроводу 142. Следовательно, внешний впускной трубопровод 142, который исходно имел слабую пропускную способность, может наполняться большим потоком воздуха, способствуя более сбалансированному потоку газа между внутренним впускным трубопроводом 141 и внешним впускным трубопровод 142.

[0051] Конечно в этом решении впрыскивающее отверстие 21 может также непосредственно открываться на внешнем впускном трубопроводе 141 со слабой пропускной способностью, то есть впрыскивающее отверстие 21 обеспечивается на одной стороне внешнего впускного трубопровода 142. При таком расположении газ в стабилизирующей полости входного воздуха 23 может прямо пополняться в ответвленный трубопровод со слабой пропускной способностью через впрыскивающее отверстие 21, достигая баланса потоков между внутренним впускным трубопроводом 141 и внешним впускным трубопроводом 142, и формирование и поддержание слабого вертикального вихревого потока может быть легче реализовано.

[0052] Заметим, что в конкретном варианте осуществления внешний впускной трубопровод 142 является тангенциальным трубопроводом, а внутренний впускной трубопровод 141 является прямым трубопроводом, и проекция распространяющегося направления прямого трубопровода на нижнюю поверхность головки цилиндра 11 находится в том же направлении, как и центральная соединяющая линия впускной горловины 111 и выпускной горловины 112.

[0053] Более конкретно, структура головки цилиндра настоящего изобретения модифицирована относительно головки цилиндра дизельного двигателя. В вихревом трубопроводе головки цилиндра оригинального дизельного двигателя оригинальный внешний впускной трубопровод является тангенциальным трубопроводом, а оригинальный внутренний впускной трубопровод является спиральным трубопроводом. В данном решении оригинальный внутренний впускной трубопровод изменен в трубопровод слабого вертикального вихревого потока, так что спиральный признак оригинального внутреннего впускного трубопровода отсутствует, и это изменение во внутренний прямой трубопровод сделано, чтобы улучшить способность циркуляции. По сравнению со спиральным трубопроводом оригинального дизельного двигателя внутренний прямой трубопровод не имеет спирального признака и усиливает пропускную способность, тогда как внешний тангенциальный трубопровод имеет большую общую длину, чем прямой трубопровод, и воздушный поток, входящий в цилиндр, существенно зависит от изгибающего действия стенки цилиндра. Следовательно, пропускная способность внутреннего впускного трубопровода 141 больше, чем пропускная способность внешнего впускного трубопровода 142. В данном решении впрыскивающее отверстие 21 расположено близко к внутреннему прямому трубопроводу, и воздушный поток в стабилизирующей полости входного воздуха 23 вводится в основной впускной трубопровод 140 через обводной трубопровод 22 посредством впрыскивающего отверстия 21, и воздушный поток движется от стороны внутреннего впускного трубопровода 141 к стороне внешнего впускного трубопровода 142, увеличивая плотность воздушного потока внешнего впускного трубопровода 142 и существенно регулируя распределение потоков внутреннего и внешнего трубопроводов, делая их более сбалансированными.

[0054] Заметим, что обводной трубопровод 22 в данном решении может быть образован путем механической обработки или литья. В данном решении на обводном трубопроводе 22 также обеспечен регулирующий поток клапан, который используется для контроля и регулировки течения дополнительного воздушного потока из впрыскивающего отверстия 21 и регулировки открывания и закрывания обводного трубопровода 22. Заметим, что регулирующий поток клапан может быть сконструирован как механический или электронный регулирующий клапан. Согласно данному решению, входной воздушный поток может равномерно регулироваться путем регулировки открытия и закрытия регулирующего поток клапана, и дополнительный воздушный поток может регулироваться путем изменения открытия регулирующего поток клапана, так что регулировка баланса входного воздуха является более гибкой и точной.

[0055] Более конкретно, когда двигатель работает при низкой скорости и низкой нагрузке, впускная потребность невелика и распределение потоков между внутренним и внешним трубопроводами относительно сбалансировано. Следовательно, регулирующий поток клапан закрыт в это время, и никакой газ не поступает во впускной трубопровод 14 из впрыскивающего отверстия 21. Когда двигатель работает при высокой скорости и высокой нагрузке, впускная потребность велика, газовый поток во впускном трубопроводе 14 относительно высокий, и двигатель имеет большую мощность наддува и газ нагнетается в цилиндр, поэтому различие в распределении потоков между внутренним и внешним трубопроводами увеличивается. Следовательно, в это время регулирующий поток клапан открыт и газ входит в основной впускной трубопровод 140 из впрыскивающего отверстия 21, так что выходной поток внутреннего впускного трубопровода 141 уменьшается, тогда как выходной поток внешнего впускного трубопровода 142 увеличивается, уравновешивая потоки внутреннего и внешнего трубопроводов.

[0056] Предпочтительно, эквивалентное сечение потока обводного трубопровода 22 постепенно снижается от стабилизирующей полости входного воздуха 23 до впускного отверстия 21. При такой организации воздушный поток может впрыскиваться во впускной трубопровод 14 в ускоренном состоянии через обводной трубопровод 22, сечение которого сужается вдоль направления течения воздуха, и эффект сжатого впрыскивания из впрыскивающего отверстия 21 усиливается.

[0057] Суммируя, данное решение настоящего изобретения оптимизирует структуру оригинальной системы сгорания, формируя новое слабое вертикальное вихревое течение с целью обеспечения способности циркуляции. С поршнем, имеющим чашеобразную камеру сгорания, или поршнем, имеющим проникающую камеру сгорания, вертикальный вихревой поток может лучше формироваться и поддерживаться в такте впуска и такте сжатия. В конце такта сжатия вертикальный вихревой поток разбивается в мелкую турбулентность после сжатия поршнем. Усиление мелкой турбулентности увеличивает турбулентную кинетическую энергию смешанного газа, увеличивает скорость распространения пламени, сокращает продолжительность сгорания, улучшает параметры сгорания и общую стабильность, эффективно снижает вариацию цикла и улучшает величину утилизации газа. Между тем, параметры быстрого сгорания системы быстрого сгорания со слабым вертикальным вихревым потоком настоящего изобретения преодолевают узкое место детонации традиционного режима сгорания и могут позволять использовать поршни с более высоким коэффициентом сжатия (коэффициент сжатия может быть увеличен на 10%), и детонация находится в контролируемом диапазоне; настоящее изобретение также улучшает величину утилизации топливного газа и снижает расход газа в нормальных рабочих условиях в среднем на 2%-3%.

[0058] Кроме того, рассматривая выполнимость продуктов, настоящее изобретение генерирует соответствующий слабый вертикальный вихревой поток путем изменения путем изменения структуры впускного трубопровода в головке цилиндра на основе существующего дизельного двигателя и не нуждается в изменении огневой поверхности головки цилиндра от оригинального типа с плоским верхом в куполообразный тип. Преимущество этого преобразования состоит в том, что настоящее изобретение нуждается только в модификации структуры впускного трубопровода, а структуры впускного клапана, выпускного клапана, выпускного трубопровода и подобного не нуждаются в изменении, и положения отверстий крепежных болтов головки цилиндра и тела двигателя остаются неизменными, так что все внешние интерфейсы головки цилиндра могут оставаться неизменными, следовательно, можно гарантировать, что механизм распределения воздуха и воздушная система сохраняются, что сильно уменьшает стоимость изменений дизайна продукта и улучшает выполнимость продукта.

[0059] Настоящее изобретение также обеспечивает газовый двигатель, включающий в себя вышеуказанную систему быстрого сгорания со слабым вертикальным вихревым потоком. Способ получения преимущественных эффектов, создаваемых газовым двигателем, в общем аналогичен способу получения преимущественных эффектов, осуществляемых данной системой быстрого сгорания со слабым вертикальным вихревым потоком, так что его можно не повторять здесь.

[0060] Вышеприведенное описание раскрытых вариантов осуществления позволяет специалистам в данной области техники выполнить или использовать настоящее изобретение. Различные модификации к данным вариантам осуществления очевидны специалистам, и общие принципы изобретения могут быть выполнены в других вариантах осуществления без отклонения от сущности или объема настоящего изобретения. Следовательно, настоящее изобретение не будет ограничиваться описанными здесь вариантами осуществления, а должно рассматриваться в согласии с самым широким объемом, согласующимся с описанными здесь принципами и новыми признаками.

Обеспечена система быстрого сгорания со слабым вертикальным вихревым потоком. Впускная горловин и выпускная горловина обеспечены на головке цилиндра, секция впускного трубопровода возле впускной горловины представляет собой направляющий вихрь трубопровод, ось направляющего вихрь трубопровода расположена наклонно относительно нижней поверхности головки цилиндра, а верхняя боковая поверхность направляющего вихрь трубопровода является нисходящей направляющей поверхностью, расположенной наклонно относительно нижней поверхности головки цилиндра, нижняя боковая поверхность направляющего вихрь трубопровода является дугообразной направляющей поверхностью, утопленной в направлении нижней поверхности головки цилиндра, эксцентрический желоб расположен у нижнего конца впускной горловины, и эксцентрическое направление эксцентрического желоба проходит вдоль направления линии, соединяющей центр впускной горловины с выпускной горловиной. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Система быстрого сгорания со слабым вертикальным вихревым потоком, содержащая поршень (10), головку цилиндра (11), впускной трубопровод (14) и выпускной трубопровод (16), в которой камера сгорания (12) образована между вершиной поршня (10) и головкой цилиндра (11), впускная горловина (111) и выпускная горловина (112) расположены на головке цилиндра (11), секция впускного трубопровода (14) возле впускной горловины (111) представляет собой направляющий вихрь трубопровод (17), ось направляющего вихрь трубопровода (17) расположена наклонно относительно нижней поверхности головки цилиндра (11), а верхняя боковая поверхность направляющего вихрь трубопровода (17) является нисходящей направляющей поверхностью (19), расположенной наклонно относительно нижней поверхности головки цилиндра (11), нижняя боковая поверхность направляющего вихрь трубопровода (17) является дугообразной направляющей поверхностью (18), утопленной в направлении нижней поверхности головки цилиндра (11), при этом у нижнего конца впускной горловины (111) расположен эксцентрический желоб (113), причем эксцентрическое направление эксцентрического желоба (113) проходит со смещением вдоль направления линии, соединяющей центр впускной горловины (111) с выпускной горловиной (112).

2. Система быстрого сгорания со слабым вертикальным вихревым потоком по п. 1, в которой радиус кривизны дугообразной направляющей поверхности (18) составляет 60-80 мм, а прилежащий угол между нисходящей направляющей поверхностью (19) и нижней поверхностью головки цилиндра (11) составляет 40 градусов - 80 градусов.

3. Система быстрого сгорания со слабым вертикальным вихревым потоком по п. 1, в которой эксцентрическое расстояние эксцентрического желоба (113) относительно впускной горловины (111) составляет 1 мм - 3 мм.

4. Система быстрого сгорания со слабым вертикальным вихревым потоком по п. 1, в которой поршень (10) представляет собой поршень, имеющий чашеобразную камеру сгорания, чашеобразная утопленная структура (20) обеспечена в верхней части поршня, имеющего чашеобразную камеру сгорания, и ширина сечения чашеобразной утопленной структуры (20) снизу-вверх постепенно увеличивается;

или поршень (10) представляет собой поршень, имеющий проникающую камеру сгорания, проникающая утопленная структура (24) обеспечена в верхней части поршня, имеющего проникающую камеру сгорания, и ширина сечения проникающей утопленной структуры (24) снизу-вверх постепенно уменьшается.

5. Система быстрого сгорания со слабым вертикальным вихревым потоком по п. 4, в которой, если поршень (10) представляет собой поршень, имеющий чашеобразную камеру сгорания, боковая стенка чашеобразной утопленной структуры (20) представляет собой коническую структуру, расположенную вокруг оси поршня (10), и угол наклона продольного сечения боковой стенки чашеобразной утопленной структуры (20) относительно оси поршня (10) составляет 10-15 градусов;

если поршень (10) представляет собой поршень, имеющий проникающую камеру сгорания, отношение ширины верхнего отверстия проникающей утопленной структуры (24) к внешнему диаметру поршня (10) составляет 0,53.

6. Система быстрого сгорания со слабым вертикальным вихревым потоком по любому из пп. 1-5, в которой впускной трубопровод (14) содержит основной впускной трубопровод (140), внутренний впускной трубопровод (141) и внешний впускной трубопровод (142), и внутренний впускной трубопровод (141) и внешний впускной трубопровод (142) ответвляются снизу по потоку от основного впускного трубопровода (140), при этом входное воздушное отверстие основного впускного трубопровода (140) сообщается со стабилизирующей полостью входа воздуха (23), при этом внутренний впускной трубопровод (141) находится ближе к стабилизирующей полости входа воздуха (23), чем внешний впускной трубопровод (142), и способность сообщения внутреннего впускного трубопровода (141) больше, чем способность сообщения внешнего впускного трубопровода (142), впрыскивающее отверстие (21) открыто на одной стороне внешнего впускного трубопровода (142) или стороне, обращенной к стабилизирующей полости входа воздуха (23), основного впускного трубопровода (140), и впрыскивающее отверстие (21) сообщается со стабилизирующей полостью входа воздуха (23) через обводной трубопровод (22).

7. Система быстрого сгорания со слабым вертикальным вихревым потоком по п. 6, в которой внешний впускной трубопровод (142) представляет собой тангенциальный трубопровод, а внутренний впускной трубопровод (141) представляет собой прямой трубопровод, и проекция направления прохождения прямого трубопровода на нижнюю поверхность головки цилиндра (11) согласуется с направлением центральной соединяющей линии впускной горловины (111) и выпускной горловины (112).

8. Система быстрого сгорания со слабым вертикальным вихревым потоком по п. 6, в которой на обводном трубопроводе (22) обеспечен регулирующий поток клапан.

9. Система быстрого сгорания со слабым вертикальным вихревым потоком по п. 6, в которой эквивалентное сечение потока обводного трубопровода (22) постепенно уменьшается от стабилизирующей полости входа воздуха (23) к впрыскивающему отверстию (21).

10. Газовый двигатель, содержащий систему быстрого сгорания со слабым вертикальным вихревым потоком по любому из пп. 1-9.