预燃室及点燃式发动机的制作方法

预燃室及点燃式发动机
1.本技术要求以下中国专利发明的优先权，其全部内容通过引用结合在本技术中。发明号：202211252837.6，申请日：2022年10月13日，申请人：潍柴动力股份有限公司，发明创造名称：预燃室及加工方法。
技术领域
2.本实用新型涉及内燃机技术领域，特别涉及一种预燃室及点燃式发动机。


背景技术：

3.预燃室的点火能量高出普通火花塞点火几个数量级，能够大幅降低爆震倾向，因此对提高点燃式发动机热效率具有明显的作用。
4.预燃室和主燃烧室存在双向的气体流动，在压缩行程，主燃烧室内的混合气在活塞的推动下经喷孔进入预燃室，由于喷孔孔径小，混合气进入喷孔后加速，其最高速度可以达到90m/s-100m/s；在做功行程，预燃室内着火后建立起与主燃烧室的压差，射流在压差的作用下高速喷入主燃烧室，其最高速度可以达到280m/s左右，因此，喷孔的表面特征对流动损失影响很大。
5.因此，如何降低预燃室喷孔的流动损失，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

6.本实用新型提出了一种预燃室及点燃式发动机，以降低预燃室喷孔的流动损失。
7.为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
8.第一方面，本实用新型公开了一种预燃室，包括设置于主燃烧室的头部，头部拐角处设置有的多个喷孔，喷孔还包括自预燃室的壳壁向喷孔凹陷的第一过渡圆角、第二过渡圆角和第三过渡圆角，其中，第一过渡圆角位于喷孔在预燃室的外侧壁的一端，第二过渡圆角和第三过渡圆角位于喷孔在预燃室的内侧壁的一端，且第二过渡圆角相较于第三过渡圆角靠近预燃室的底壁，第三过渡圆角相较于第二过渡圆角靠近预燃室的侧壁，第一过渡圆角、第二过渡圆角和第三过渡圆角的半径分别为r1、r2和r3，且满足r3》r2》r1。
9.本实用新型中的预燃室中，第一过渡圆角的半径r1与喷孔的孔径d满足：3％＜r1/d≤5％。
10.本实用新型中的预燃室中，第二过渡圆角的半径r2与喷孔的孔径d满足：5％＜r2/d＜10％。
11.本实用新型中的预燃室中，第三过渡圆角的半径r3与喷孔的孔径d满足：10％≤r3/d＜12％。
12.第二方面，本实用新型提供了一种预燃室加工方法，用于加工如上述任一项的预燃室，加工方法包括：
13.采用机械加工方式加工喷孔在预燃室外侧壁的一端的第一过渡圆角以及喷孔在
预燃室内侧壁的一端的两个基础过渡圆角，其中，两个基础过渡圆角的半径均等于第一过渡圆角的半径；
14.采用磨料流研磨工艺加工基础过渡圆角的表面分别形成第二过渡圆角和第三过渡圆角，第一过渡圆角、第二过渡圆角和第三过渡圆角的半径分别为r1、r2和r3，且满足r3》r2》r1。
15.本实用新型中的预燃室加工方法中，采用磨料流研磨工艺加工基础过渡圆角的表面分别形成第二过渡圆角和第三过渡圆角过程中，将磨料的作用力聚焦于喷孔。
16.本实用新型中的预燃室加工方法中，将磨料的作用力聚焦于喷孔包括：设置研磨导流锥，通过研磨导流锥将磨料引导至喷孔，并挤压喷孔的表面。
17.本实用新型中的预燃室加工方法中，机械加工方式为滚压的方式。
18.本实用新型中的预燃室加工方法中，所述第一过渡圆角的半径r1与喷孔的孔径d满足：3％＜r1/d≤5％。
19.本实用新型中的预燃室加工方法中，所述第二过渡圆角的半径r2与喷孔的孔径d满足：5％＜r2/d＜10％；
20.和/或所述第三过渡圆角的半径r3与喷孔的孔径d满足：10％≤r3/d＜12％。
21.本实用新型还公开了一种点燃式发动机，包括主燃烧室和预燃室，所述预燃室为上述任一项所述的预燃室。
22.由上述技术方案可以看出，本实用新型的预燃室头部喷孔处设置的第一过渡圆角、第二过渡圆角和第三过渡圆角的半径分别为r1、r2和r3，且满足r3》r2》r1。由于第三过渡圆角对流量系数产生较大的影响的，将第三过渡圆角的半径设计为最大，降低了对喷孔的流量系数影响，从而降低了预燃室喷孔的流动损失。
附图说明
23.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些示例或实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图，而且还可以根据提供的附图将本实用新型应用于其它类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。
24.图1为本实用新型实施例所提供的压缩行程预燃室和主燃烧室流场示意图；
25.图2为本实用新型实施例所提供的做功行程预燃室和主燃烧室流场示意图；
26.图3为本实用新型实施例所提供的一种预燃室的剖视示意图；
27.图4为图3中a部分的放大示意图；
28.图5为本实用新型实施例所提供的一种预燃室加工方法流程示意图；
29.图6a为本实用新型对比例所提供的预燃室热残余废气分布仿真示意图；
30.图6b为本实用新型实施例所提供的预燃室热残余废气分布仿真示意图；
31.图7a为本实用新型对比例所提供的预燃室湍动能分布仿真示意图；
32.图7b为本实用新型实施例所提供的预燃室湍动能分布仿真示意图；
33.图8a为本实用新型对比例所提供的预燃室射流的贯穿距仿真示意图；
34.图8b为本实用新型实施例所提供的预燃室射流的贯穿距仿真示意图；
35.其中，100为预燃室、101为头部、102为喷孔、1021为第一过渡圆角、1022为第二过渡圆角、1023为第三过渡圆角。
具体实施方式
36.相关术语解释：
37.预燃室：与主燃烧室相对应，在发动机中设计一个小的空间，利用其中的点火燃烧通过与主燃室的喷孔形成高速高温射流以点燃主燃室中的混合气。
38.点燃式发动机：由某种方式点燃混合气产生火焰传播实现发动机热功转换过程。
39.流量系数：流经截面的实际流量与理想条件下(无流动损失)流量之比。
40.预燃室的喷孔在压缩行程形成高速的扫气流，在做功行程高速射流从喷孔喷出引燃主燃烧室的混合气，因此存在双向的流动。研究表明，预燃室的喷孔总面积/容积比存在较优的范围，其值在0.003mm-0.006mm之间。预燃室的喷孔无论在压缩行程还是做功行程都类似于节流装置，其流动损失将对预燃室的性能产生较大影响。
41.参见图1，图1为压缩行程预燃室100和主燃烧室流场示意图，压缩行程混合气在活塞推动下运动，在进入喷孔102时由于强烈的缩口产生加速，其最高速度在90m/s左右，在喷孔102入口处，直角过渡使气流的进入方向发生比较明显的转折，影响了喷孔102流量系数。
42.参见图2，图2为做功行程预燃室100和主燃烧室流场示意图，在压差的推动下预燃室100内部的气流进入喷孔102，形成了高速射流，其最高速度在280m/s左右。气流在进入喷孔102上半部分时发生比较明显的转折，一部分与壁面分离，而在下半部分由于预燃室100底平面和喷孔102之间的过渡关系，气流运动较平滑，因此，喷孔102的上半部分过渡圆角对流量系数产生较大的影响，而下半部分的过渡圆角对流量系数产生的影响较小。
43.需要说明的是，喷孔102的上半部分为喷孔靠近预燃室100的侧壁的部分，喷孔102的下半部分为喷孔靠近预燃室100的底壁的部分。
44.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关实用新型，而非对该实用新型的限定。所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
45.本实用新型提供了一种预燃室，以降低预燃室100的喷孔102的流动损失。以下结合几个实施例具体介绍。
46.参阅图3和图4，本实用新型实施例所提供的预燃室100，包括设置于主燃烧室的头部101，头部101拐角处设置有的多个喷孔102，喷孔102还包括预燃室的壳壁向喷孔102凹陷的第一过渡圆角1021、第二过渡圆角1022和第三过渡圆角1023，其中，第一过渡圆角1021位于喷孔102在预燃室的外侧壁的一端，即喷孔102朝向图4中b侧的一端，第二过渡圆角1022和第三过渡圆角1023位于喷孔102在预燃室的内侧壁的一端，即喷孔102朝向图4中c侧的一端，且第二过渡圆角1022相较于第三过渡圆角1023靠近预燃室100的底壁，第三过渡圆角1023相较于第二过渡圆角1022靠近预燃室100的侧壁，第一过渡圆角1021、第二过渡圆角1022和第三过渡圆角1023的半径分别为r1、r2和r3，且满足r3》r2》r1。
47.本实用新型的预燃室100的头部101的喷孔102处设置的第一过渡圆角1021、第二过渡圆角1022和第三过渡圆角1023的半径分别为r1、r2和r3，且满足r3》r2》r1。由于第三过渡圆角1023对流量系数产生较大的影响，将第三过渡圆角1023的半径设计为最大，降低了对喷孔102的流量系数影响，从而降低了预燃室100的喷孔102的流动损失。
48.需要说明的是，图4中的b侧和c侧相对于预燃室100而言，喷孔102位于预燃室100外侧的部分为b侧，位于预燃室100内部的部分为c侧。
49.喷孔102的加工要求一般包括：圆角、表面粗糙度、倒锥角、圆度等，对于预燃室100的喷孔102，由于其喷射压力和速度较高压喷射柴油机低得多，介质为气体且孔径大，因此起主要作用的是圆角和表面粗糙度，且局部损失(过渡圆角)的重要性高于沿程损失(表面粗糙度)。流动损失最小化的本实用新型中的预燃室100中，第一过渡圆角1021的半径r1与喷孔102的孔径d满足：3％＜r1/d≤5％，优选的，r1/d＝5％。
50.本实用新型中的预燃室100中，第二过渡圆角1022的半径r2与喷孔102的孔径d满足：5％＜r2/d＜10％，优选的，r2/d＝8％。
51.本实用新型中的预燃室100中，第三过渡圆角1023的半径r3与喷孔102的孔径d满足：10％≤r3/d＜12％，优选的，r3/d＝10％。
52.参见图5，本实用新型提供了一种预燃室加工方法，用于加工如上述实施例中的预燃室100，预燃室加工方法包括：
53.步骤s1：采用机械加工方式加工喷孔102在预燃室100的外侧壁的一端的第一过渡圆角1021以及喷孔102在预燃室100的内侧壁的一端的两个基础过渡圆角，其中，两个基础过渡圆角的半径等于第一过渡圆角1021的半径。机械加工方式有多种，例如本实用新型实施例中采用滚压的方式，但是并不限于滚压的方式。
54.步骤s2：采用磨料流研磨工艺加工基础过渡圆角的表面分别形成第二过渡圆角1022和第三过渡圆角1023，第一过渡圆角1021、第二过渡圆角1022和第三过渡圆角1023的半径分别为r1、r2和r3，且满足r3》r2》r1。本实用新型中的预燃室加工方法中，采用磨料流研磨工艺加工基础过渡圆角的表面分别形成第二过渡圆角1022和第三过渡圆角1023过程中，将磨料的作用力聚焦于喷孔102，以使在磨料流研磨工艺加工过程中与第三过渡圆角1023对应的基础过渡圆角的半径逐渐大于与第二过渡圆角1022对应的基础过渡圆角的半径。本实用新型中的预燃室加工方法中，将磨料的作用力聚焦于喷孔102包括：设置研磨导流锥，通过研磨导流锥将磨料引导至喷孔102，并挤压喷孔102的表面。
55.参见图6a和图6b，其中，图6a为本实用新型对比例所提供的预燃室热残余废气分布仿真示意图；图6b为本实用新型实施例所提供的预燃室热残余废气分布仿真示意图。图6b与图6a相比，在压缩行程，扫气能量损耗减小，扫气流保持较高的轴向速度，火花塞电极附近的扫气得到改善。
56.参见图7a和图7b，其中，图7a为本实用新型对比例所提供的预燃室湍动能分布仿真示意图；图7b为本实用新型实施例所提供的预燃室湍动能分布仿真示意图；图7b与图7a相比，湍动能更高且分布更加合理，有利于预燃室点火。
57.参见图8a和图8b，其中，图8a为本实用新型对比例所提供的预燃室射流的贯穿距仿真示意图；图8b为本实用新型实施例所提供的预燃室射流的贯穿距仿真示意图；图8b与图8a相比，射流的贯穿距增加，促进了主燃烧室混合气着火和随后的火焰传播。
58.本实用新型还公开了一种点燃式发动机，包括主燃烧室和预燃室，由于上述预燃室具有以上有益效果，包括该预燃室的点燃式发动机具有相应的效果，此处不再赘述。
59.需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关实用新型相关的部分。在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
60.应当理解，本实用新型中使用的“系统”、“装置”、“单元”和/或“模块”是用于区分不同级别的不同组件、元件、部件、部分或装配的一种方法。然而，如果其他词语可实现相同的目的，则可通过其他表达来替换该词语。
61.如本实用新型和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
62.以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
63.本实用新型中使用了流程图用来说明根据本实用新型的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或后面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各个步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。
64.以上描述仅为本实用新型的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明而已，并不用于限制本实用新型。对于本领域技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。本实用新型中所涉及的实用新型范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述实用新型构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本实用新型中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

技术特征：
1.一种预燃室，包括设置于主燃烧室的头部，所述头部拐角处设置有的多个喷孔，其特征在于，所述喷孔还包括自所述预燃室的壳壁向所述喷孔凹陷的第一过渡圆角、第二过渡圆角和第三过渡圆角，其中，所述第一过渡圆角位于所述喷孔在所述预燃室的外侧壁的一端，所述第二过渡圆角和所述第三过渡圆角位于所述喷孔在所述预燃室的内侧壁的一端，且所述第二过渡圆角相较于所述第三过渡圆角靠近所述预燃室的底壁，所述第三过渡圆角相较于所述第二过渡圆角靠近所述预燃室的侧壁，所述第一过渡圆角、所述第二过渡圆角和所述第三过渡圆角的半径分别为r1、r2和r3，且满足r3>r2>r1。2.如权利要求1所述的预燃室，其特征在于，所述第一过渡圆角的半径r1与所述喷孔的孔径d满足：3％＜r1/d≤5％。3.如权利要求2所述的预燃室，其特征在于，所述第二过渡圆角的半径r2与所述喷孔的孔径d满足：5％＜r2/d＜10％。4.如权利要求2所述的预燃室，其特征在于，所述第三过渡圆角的半径r3与所述喷孔的孔径d满足：10％≤r3/d＜12％，。5.如权利要求2所述的预燃室，其特征在于，所述第一过渡圆角、第二过渡圆角和第三过渡圆角由机械加工方式加工而成。6.如权利要求5所述的预燃室，其特征在于，所述机械加工方式为滚压的方式。7.一种点燃式发动机，其特征在于，包括主燃烧室和预燃室，所述预燃室为权利要求1至6中任一项所述的预燃室。

技术总结
本实用新型公开了一种预燃室及点燃式发动机，预燃室包括设置于主燃烧室的头部，头部拐角处设置有的多个喷孔，喷孔还包括自预燃室的壳壁向喷孔凹陷的第一过渡圆角、第二过渡圆角和第三过渡圆角，其中，第一过渡圆角、第二过渡圆角和第三过渡圆角的半径分别为R1、R2和R3，且满足R3>R2>R1。由于第三过渡圆角对流量系数产生较大的影响的，将第三过渡圆角的半径设计为最大，降低了对喷孔的流量系数影响，从而降低了预燃室喷孔的流动损失。而降低了预燃室喷孔的流动损失。而降低了预燃室喷孔的流动损失。


技术研发人员：朱涛 谷允成 李卫 宿兴东
受保护的技术使用者：潍柴动力股份有限公司
技术研发日：2023.03.23
技术公布日：2023/9/20