一种减少内燃机预燃室传热的方法及预燃室及内燃机

1.本发明涉及内燃机技术领域，尤其是涉及一种减少内燃机预燃室传热的方法及预燃室及内燃机。


背景技术：

2.预燃室汽油机是当前提高汽油机热效率的技术手段之一。预燃室指安装在内燃机缸盖或缸体的一个小腔室，通过单个或数个小孔(射流孔)与内燃机缸体内部连接，内置有火花塞。根据预燃室内是否存在额外的油气供给装置，预燃室又分为主动预燃室和被动预燃室两种。预燃室内燃机的点火方法是在压缩冲程内将可燃混合气推入预燃室并用火花塞火花点燃，预燃室内燃烧产生的高温气流和火焰喷入主燃室，点燃主燃室内气体。相对传统汽油机火花塞点火方式，预燃室内燃机具有主燃烧室内高温射流多点点火、点火能量高的特点，有助于加快燃烧和扩大汽油机稀燃极限。
3.但是，目前的预燃室汽油机，特别是在低负荷时，存在失火现象。失火问题是限制被动预燃室汽油机大规模运用的重要障碍。失火指主燃室混合气未被预燃室点火后产生的射流点燃，这是因为在低负荷工况、高egr工况或稀燃工况中混合气燃烧放热较少、预燃室壁面温度较低，预燃室内化学反应释放能量下降且外界散热增加，导致预燃室内火焰在腔室或射流孔中淬熄，无法点燃主燃室内混合气。失火会导致发动机油耗和排放增加，动力性下降，发动机工作不稳定，是发动机正常运行中必须避免的现象。当前应对预燃室低负荷失火问题尚无普适有效的处理方法。扩大预燃室射流孔孔径可降低射流火焰在射流孔处淬熄的可能性，有利于缓解该问题，但该方法会降低预燃室发动机中高负荷的燃烧速度。
4.发明专利申请cn114961973a公开了一种预燃室和具有其的车辆，通过将预燃室的壁厚设置为大于或等于射流孔直径的10％，增大预燃室与周围环境的传热距离，来抑制预燃室与周围环境的热量交换。通过加厚包裹预燃室的壳体，避免出现由于预燃室内火焰温度过低，导致无法点燃主燃室内混合气的问题。但改变预燃室厚度需要重新设计预燃室和缸体的配合。由于预燃室腔室较小，如不希望更改缸体结构，维持预燃室外表面形状不变，增厚腔体可能需要压缩预燃室腔室体积，改变预燃室原本的设计结构。在材料不变的前提下，增厚壳体只能有限地减弱传热损失，而不能完全消除。在使用某些加工方法时，增厚壳体会增大射流孔长度，增加射流火焰通过射流孔时淬熄的风险。
5.实用新型专利cn217421369u公开了一种发动机及车辆，通过在预燃室外壁与缸盖之间施加填充物的方法来实现对预燃室结构的温度控制，此种填充物具有低温时呈现固态且体积小，高温时呈现液态且体积大的特性.低温时部分占据间隙空间，传热效果差，高温时全部充满间隙，传热效果好，从而实现对预燃室气体温度的控制。但这种添加填充物方法单纯依靠材料的物理性质，不添加温度传感器，很难实现对预燃室温度的准确控制。当填充物处于液态时，预燃室传热损失增加，会削减点火后预燃室内气体的压力升高率，降低预燃室火焰的喷射速度，这会对预燃室内燃机的燃烧速度以及经济性造成影响。
6.发明专利申请cn114746633a公开了具有预燃室点火系统的火花点火的往复活塞
式内燃机，其中预燃室腔室上部由导热率大于170w/(m*k)的导热率的材料构成，腔室下部由小于170w/(m*k)导热率的材料构成，上部导热率较大，可抑制大负荷工况由于该结构壁面温度过高导致的早燃或燃烧粗暴等问题，下部导热率较低，可在低负荷工况防止由射流火焰淬熄导致的失火。但这种使用不同导热率材料的方法需要将不同导热率的材料结合在一起，预燃室结构无法一体化成形，可能带来密封性或者强度上的隐患；此外该方法简单地以更换壁面材料的方法达到控制预燃室温度的目的，应用该方法可能需要根据材料不同重新设计加工过程，导致生产成本增加。


技术实现要素：

7.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种减少内燃机预燃室传热的方法，通过使用绝热材料制作预燃室，或在常规材料预燃室的内壁面或外壁面或内外壁面喷涂绝热层或镶嵌绝热材料，可降低预燃室内的传热损失，提升预燃室内部气体温度，从而提升预燃室内燃机的点火稳定性和燃烧速度。
8.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
9.本发明的第一个目的是提供一种减少内燃机预燃室传热的方法，采用绝热材料制作预燃室；或者在常规材料预燃室内壁面喷涂或镶嵌绝热层；或者在常规材料预燃室外壁面喷涂绝热层或镶嵌绝热层；或者在常规材料预燃室内壁面和外壁面喷涂绝热层或镶嵌绝热层；所述常规材料包括铁、铜、铝及其合金材料；所述绝热层包括绝热材料；所述绝热材料的导热率低于所述常规材料。
10.优选地，所述绝热材料为导热率低于常用金属及其合金的材料。
11.进一步优选地，所述绝热材料为氧化锆陶瓷或碳化硅陶瓷等耐火陶瓷。
12.进一步地，所述内燃机使用的工作燃料包括但不限于汽油、甲醇、乙醇、液态氨的一种或多种的组合。
13.优选地，所述液体燃料包括但不限于汽油、甲醇、乙醇中的一种或多种的组合；所述气体燃料为天然气、氢气、氨气中的一种或多种的组合。
14.进一步地，所述内燃机的燃烧为化学当量燃烧或非化学当量燃烧。
15.本发明的第二个目的是提供一种预燃室，所述预燃室包括点火电极、预燃室腔室、预燃室壁、射流孔；所述点火电极的一端设于预燃室腔室内；所述射流孔贯穿所述预燃室壁；所述预燃室采用上述的一种减少内燃机预燃室传热的方法。
16.优选地，所述预燃室壁的内壁设有内腔室绝热层；所述射流孔的内壁设有射流孔绝热层。
17.优选地，所述内腔室绝热层为导热率低于常用金属及其合金的材料；所述射流孔绝热层为导热率低于常用金属及其合金的材料。
18.进一步优选地，所述内腔室绝热层为氧化锆陶瓷或碳化硅陶瓷等耐火陶瓷；所述射流孔绝热层为氧化锆陶瓷或碳化硅陶瓷等耐火陶瓷。
19.本发明的第三个目的是提供一种内燃机，所述内燃机包括上述的一种预燃室，所述内燃机还包括缸盖、安装孔、主燃烧室和活塞；所述预燃室通过安装孔安装在缸盖上，所述预燃室的底部与主燃烧室连接；所述射流孔连通预燃室腔与主燃烧室。
20.进一步地，所述预燃室腔室内包括燃料空气混合气；所述主燃烧室内包括燃料空
气混合气。
21.申请人在构思历程中认为，本技术方案最核心的关键点在于使用含绝热材料、具有绝热功能的预燃室，降低传热损失，提升预燃室内气体温度，以提升低负荷点火稳定性及提升预燃室内燃机燃烧速度。
22.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
23.1)本技术方案所提供的减少内燃机预燃室传热的方法，通过使用含绝热材料、具有绝热功能的预燃室，可以有效地减少或避免预燃室内燃机低负荷失火现象，效果明显。
24.2)本技术方案所提供的减少内燃机预燃室传热的方法，只需要改变预燃室材料或者表面涂层即可实施，不需要改动原有结构，制造简单，容易实施，可行性高。
25.3)本技术方案所提供的减少内燃机预燃室传热的方法，相对于现有的需要重新设计预燃室或汽油机结构或具有复杂生产流程的预燃室温度控制技术而言，不需要重新设计结构或使用复杂的控制方法，稳定可靠，成本低廉。
26.4)本技术方案所提供的减少内燃机预燃室传热的方法，可针对不同的预燃室内燃机选择不同的绝热材料使用方法，适用性广。
附图说明
27.图1为本发明实施例中的发动机的结构示意图。
28.图2为本发明实施例中的预燃室的结构示意图。
29.图3为本发明的实施例中的预燃室绝热层的结构示意图。
30.图4为本发明的实施例中的非绝热预燃室和绝热预燃室的腔内气体放热率对比图。
31.图5为本发明的实施例中的非绝热预燃室和绝热预燃室温度对比图。
32.图6为本发明的实施例中的搭配非绝热预燃室和绝热预燃室的汽油机火焰图像对比图。
33.图7为本发明的实施例中的搭配非绝热预燃室和绝热预燃室的汽油机缸压曲线对比图。
34.图中标号所示：
35.1.缸盖；2.预燃室；3.安装孔；4.主燃烧室；5.活塞；6.点火电极；7.预燃室腔室；8.预燃室壁；9.射流孔；10.内腔室绝热层；20.射流孔绝热层。
具体实施方式
36.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本技术方案中如未明确说明的部件型号、材料名称、连接结构、控制方法等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。
37.一种减少内燃机预燃室传热的方法，采用绝热材料制作预燃室；或者在常规材料预燃室内壁面喷涂或镶嵌绝热层；或者在常规材料预燃室外壁面喷涂绝热层或镶嵌绝热层；或者在常规材料预燃室内壁面和外壁面喷涂绝热层或镶嵌绝热层；所述常规材料包括铁、铜、铝及其合金材料；所述绝热层包括绝热材料；所述绝热材料的导热率低于所述常规材料。
38.实施例
39.本实施例提供一种减少内燃机预燃室传热的方法，预燃室2由常规材料铁、铜、铝或其合金制成，预燃室壁8的内壁完全覆盖有内腔室绝热层10；射流孔9的内壁完全覆盖有射流孔绝热层20。内腔室绝热层10为耐火陶瓷材料；射流孔绝热层20为耐火陶瓷材料。
40.如图1～3所示，为本实施例中通过上述方法得到的预燃室(绝热预燃室)和包括该预燃室的内燃机(汽油机)，内燃机包括缸盖1、预燃室2、安装孔3、主燃烧室4和活塞5；预燃室2通过安装孔3安装在缸盖1上，预燃室2的底部与主燃烧室4连接；预燃室包括点火电极6、预燃室腔室7、预燃室壁8、射流孔9；点火电极6的一端设于预燃室腔室7内；射流孔9连通预燃室腔7与主燃烧室4。
41.本实施例的预燃室和包括该预燃室的内燃机(汽油机)，在一台典型的被动预燃室汽油机上经过详细数值模拟验证，效果明显。该被动预燃室汽油机搭配的预燃室(非绝热预燃室)有4个射流孔，由铸铁(导热率约为39w/(m*k))制成，实验和数值模拟都发现在典型低负荷工况下会发生失火现象。
42.在数值模拟中将预燃室内壁面的传热系数改为0(耐火陶瓷材料导热率可达到0.65w/(m*k)，其导热率只有铸铁的1.6％，申请人认为这是可以忽略不计的)，以模拟绝热预燃室，发现该绝热预燃室腔内气体在压缩上止点的温度明显提高，射流火焰的温度及能量也大幅提高，失火现象消失。
43.非绝热预燃室和绝热预燃室腔内混合气放热率对比如图4所示，点火时刻为6
°
，可见使用绝热条件有利于加快燃烧放热。非绝热预燃室和绝热预燃室点火后20
°
的温度分布云图如图5所示，可见使用绝热条件后，由于避免了传热损失，预燃室火焰和射流火焰温度明显上升。搭配非绝热预燃室和绝热预燃室的汽油机点火后24
°
的火焰图像对比如图6所示，可见非绝热预燃室火焰图像中上方的射流出现了失火现象，而绝热预燃室未出现失火，且火焰发展速度明显加快。搭配非绝热预燃室和绝热预燃室的汽油机缸压曲线对比如图7所示，绝热预燃室汽油机膨胀冲程内缸压明显较高，汽油机工作正常；而非绝热预燃室汽油机膨胀冲程内缸压很低，工作不正常。
44.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种减少内燃机预燃室传热的方法，其特征在于，采用绝热材料制作预燃室；或者在常规材料预燃室内壁面喷涂或镶嵌绝热层；或者在常规材料预燃室外壁面喷涂绝热层或镶嵌绝热层；或者在常规材料预燃室内壁面和外壁面喷涂绝热层或镶嵌绝热层；所述常规材料包括铁、铜、铝及其合金材料；所述绝热层包括绝热材料；所述绝热材料的导热率低于所述常规材料。2.根据权利要求1所述的一种减少内燃机预燃室传热的方法，其特征在于，所述绝热材料为氧化锆陶瓷或碳化硅陶瓷。3.根据权利要求1所述的一种减少内燃机预燃室传热的方法，其特征在于，所述内燃机使用的工作燃料为液体燃料、气体燃料的一种或多种的组合。4.根据权利要求3所述的一种减少内燃机预燃室传热的方法，其特征在于，所述液体燃料包括汽油、甲醇、乙醇、液态氨中的一种或多种的组合；所述气体燃料包括天然气、氢气、氨气中的一种或多种的组合。5.根据权利要求1所述的一种减少内燃机预燃室传热的方法，其特征在于，所述内燃机的燃烧为化学当量燃烧或非化学当量燃烧。6.一种预燃室，其特征在于，所述预燃室包括点火电极(6)、预燃室腔室(7)、预燃室壁(8)、射流孔(9)；所述点火电极(6)的一端设于预燃室腔室(7)内；所述射流孔(9)贯穿所述预燃室壁(8)；所述预燃室采用如权利要求1～5中任一项所述的一种减少内燃机预燃室传热的方法。7.根据权利要求8所述的一种减少内燃机预燃室传热的方法，其特征在于，所述预燃室壁(8)的内壁设有内腔室绝热层(10)；所述射流孔(9)的内壁设有射流孔绝热层(20)。8.根据权利要求7所述的一种减少内燃机预燃室传热的方法，其特征在于，所述内腔室绝热层(10)为氧化锆陶瓷或碳化硅陶瓷；所述射流孔绝热层(20)为氧化锆陶瓷或碳化硅陶瓷。9.一种内燃机，其特征在于，所述内燃机包括如权利要求6～8中任一项所述的一种预燃室(2)，所述内燃机还包括缸盖(1)、安装孔(3)、主燃烧室(4)和活塞(5)；所述预燃室(2)通过安装孔(3)安装在缸盖(1)上，所述预燃室(2)的底部与主燃烧室(4)连接；所述射流孔(9)连通预燃室腔(7)与主燃烧室(4)。10.根据权利要求9所述的一种减少内燃机预燃室传热的方法，其特征在于，所述预燃室腔室(7)内包括燃料空气混合气；所述主燃烧室(4)内包括燃料空气混合气。

技术总结
本发明涉及一种减少内燃机预燃室传热的方法及预燃室及内燃机，所述方法采用绝热材料制作预燃室；或者在常规材料预燃室内壁面喷涂或镶嵌绝热层；或者在常规材料预燃室外壁面喷涂绝热层或镶嵌绝热层；或者在常规材料预燃室内壁面和外壁面喷涂绝热层或镶嵌绝热层；所述常规材料包括铁、铜、铝及其合金材料；所述绝热层包括绝热材料；所述绝热材料的导热率低于所述常规材料。所述预燃室采用上述减少内燃机预燃室传热的方法，所述内燃机包括所述预燃室。与现有技术相比，本发明通过使用含绝热材料、具有绝热功能的预燃室，可以有效地减少或避免预燃室内燃机低负荷失火现象，效果明显。效果明显。效果明显。


技术研发人员：韩志玉 周昊 孟硕 姬费帆 刘晓祺
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2022.12.25
技术公布日：2023/5/16