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CN107829816B - 一种实现火焰加速传播抑制爆震的燃烧室 - Google Patents

一种实现火焰加速传播抑制爆震的燃烧室 Download PDF

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CN107829816B CN201711215648.0A CN201711215648A CN107829816B CN 107829816 B CN107829816 B CN 107829816B CN 201711215648 A CN201711215648 A CN 201711215648A CN 107829816 B CN107829816 B CN 107829816B
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江枭枭
卫海桥
齐家悦
康瑞
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Tianjin University
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Abstract

本发明公开了一种实现火焰加速传播抑制爆震的燃烧室，包括气缸壁、活塞、排气门和排气阀，所述燃烧室的顶部设置至少两个孔板，孔板上均匀布满有通孔，燃烧室通过所述孔板连接有预燃室，预燃室连接喷油器，喷油器喷入燃料后引燃预燃室内的可燃混合气，火焰经过孔板加速形成湍流火焰，使火焰在燃烧室内的末端气体自燃之前传播至末端区域，实现对爆震的抑制。本发明主要解决船用大缸径低速双燃料发动机爆震的抑制及后燃问题，预燃室内喷入少量柴油引燃天然气，天然气燃烧产生的火焰通过孔板加速传播到主燃烧室，形成高速湍流火焰，对主燃烧室的爆震和后燃进行有效地抑制，并有效提高发动机的负荷。

Description

一种实现火焰加速传播抑制爆震的燃烧室
技术领域
本发明涉及内燃机技术领域，特别是涉及大缸径低速内燃机主、预燃烧室之间的火焰传播，主要用于研究预燃室天然气燃烧后，火焰加速传播过程，高速湍流火焰对主燃烧室燃烧过程的影响，具体为一种实现火焰加速传播抑制爆震的燃烧室。
背景技术
随着船舶发动机的发展，排放污染越来越受到人们的关注，排放限值也逐渐增强。IMO(International Maritime Organization联合国国际海事组织)、EU、USA等地区都制定了相应的标准控制船舶的排放。按照IMO排放法规的新要求，TierⅡ阶段，NOx的排放限制从2011年起比2010年减少2.5g/kWh；Tier III阶段，从2016年起NOx在2010年的基础上降低80％。同时能源紧张一直是当前国际上面临的共同问题。所以发展清洁、储备量大的替代燃料迫在眉睫。天然气的主要成分是甲烷，甲烷在所有化石燃料中碳氢比最低，能有效降低CO2的排放，对NOx的排放它也具有明显的降低作用，同时能产生接近零的PM和碳烟排放。因此选用储备量丰富、清洁的天然气作为柴油的替代燃料是解决能源紧张及降低船机NOx排放的有效措施。
但是，由于低速船机具有缸径大、转速低、湍流弱的特点，在火焰向未燃区传播过程中，天然气燃烧的火焰传播速度比较慢，会导致末端混合气自燃导致发动机爆震，爆震成为了制约压缩比和增压压力进一步提高的主要因素，从而限制了天然气发动机热效率的提高。爆震发生时在正常火焰到来之前末端混合气发生自燃，产生较大的压力波和缸内压力震荡，对发动机造成一定程度的损害，严重的爆震还会使发动机的热效率和输出功率严重降低。
同时，当前船用天然气发动机普遍采用均质混合气燃烧方式，稀燃能力较差。因此开发新的燃烧系统，拓展稀燃能力，是提升相关产品性能的必由之路。预燃室结构的微小改变就有可能导致燃烧性能的很大差异，合适的预燃室结构可以实现天然气的快速燃烧；反之则会出现后燃严重及排温过高的现象，热效率下降。
当前国内外预燃室与主燃烧室通道大多采用多个等角度均布圆管设计方案，其能实现一定的火焰加速，但采用多个圆管设计方案，即预燃室和主燃烧室之间采用多个通道连接，结构复杂而且火焰加速效果有限。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种实现火焰加速传播抑制爆震的燃烧室，主要解决船用大缸径低速双燃料发动机爆震的抑制及后燃问题，预燃室内喷入少量柴油引燃天然气，天然气燃烧产生的火焰通过孔板加速传播到主燃烧室，形成高速湍流火焰，对主燃烧室的爆震和后燃进行有效地抑制，并有效提高发动机的负荷。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种实现火焰加速传播抑制爆震的燃烧室，包括气缸壁、活塞、排气门和排气阀，所述燃烧室的顶部设置至少两个孔板，孔板上均匀布满有通孔，燃烧室通过所述孔板连接有预燃室，预燃室连接喷油器，喷油器喷入燃料后引燃预燃室内的可燃混合气，火焰经过孔板加速形成湍流火焰，使火焰在燃烧室内的末端气体自燃之前传播至末端区域，实现对爆震的抑制。
所述预燃室为球形结构。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明将预燃室与主燃烧室之间通道设计成带有圆形通孔的孔板形式。一方面，能使主燃烧室进入预燃室的气体运动加速，在预燃室内产生高速湍流运动，有利于引燃柴油的雾化和燃烧，同时预燃室混合气燃烧产生的火焰是高速湍流火焰，有效抑制大负荷时主燃烧室爆震及后燃现象的发生，进一步提高热效率；另一方面，带有多孔孔板的预燃室中燃烧产生的火焰在经过孔板传播入主燃烧室时进一步加速，获得速度和强度更高的湍流火焰，即最终的火焰传播速度是两阶段加速共同作用的结果，加速效果十分理想，能有效抑制主燃烧室爆震和后燃现象的发生，能保证小负荷稳定性以及扩展部分负荷稀薄燃烧的极限，全方位提高船机的热效率以及提高燃油经济性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2-1至图2-3是预燃室和孔板在不同视角下的结构示意图。
图3-1至图3-3是孔板的结构示意图。
附图标记：1-预燃室，2-孔板，3-喷油器，4-燃烧室，5-排气门，6-排气阀，7-气缸壁，8-活塞
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
如图1至图3-3所示，本发明保护一种实现火焰加速传播抑制爆震的燃烧室，燃烧室4包括气缸壁、活塞8、排气门5和排气阀6，燃烧室4的顶部设置两个孔板2，孔板上均匀布满有通孔，燃烧室通过孔板2连接有球形的预燃室1，预燃室1连接喷油器3。
将本发明应用于船用双燃料发动机时，其基本工作过程在于：在船用双燃料发动机压缩过程中，以天然气为例，天然气经扫气箱进入内燃机缸内，在内燃机压缩冲程由缸内压入预燃室；内燃机压缩冲程将缸内由扫气箱进入缸内的天然气和空气混合气压入预燃室，混合气在预燃室有限空间以湍流形式运动，在压缩上止点前(大概5℃A)，柴油喷油器以300-360bar喷入微量柴油，喷油持续期为0.3℃A左右，引燃预燃室中高速运动的混合气，形成高速湍流火焰，而火焰经孔板进一步加速传播进主燃烧室，迅速燃烧主燃烧室中的可燃混合气。喷油器喷入微量柴油引燃预燃室内以湍流形式运动的可燃混合气，火焰经孔板通道加速，形成高速湍流火焰，在主燃烧室内高速传播，即在末端气体自燃之前火焰已经传播到末端区域，从而实现对爆震的抑制。
进一步讲，由于火焰传播速度快，天然气能够在上止点附近迅速燃烧，后燃现象能够得到抑制。
进一步讲，火焰经孔板加速后形成的是高速湍流火焰，天然气着火能够得到保障，因此相比较于传统均质混合气燃烧方式，其稀燃能力更强，能有效扩展稀燃界限。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种实现火焰加速传播抑制爆震的燃烧室，包括气缸壁、活塞、排气门和排气阀，其特征在于，所述燃烧室的顶部截面呈锥形，所述燃烧室的顶部设置至少两个孔板，所述孔板为平板，孔板上布满有多圈通孔，所述通孔呈放射状均布在所述孔板上；两个相邻放射线上的通孔之间形成供混合气流动的V字形区域，燃烧室通过所述孔板连接有预燃室，预燃室连接喷油器，喷油器喷入燃料后引燃预燃室内的可燃混合气，火焰经过孔板加速形成湍流火焰，使火焰在燃烧室内的末端气体自燃之前传播至末端区域，实现对爆震的抑制。
2.根据权利要求1所述一种实现火焰加速传播抑制爆震的燃烧室，其特征在于，所述预燃室为球形结构。
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