燃烧系统、发动机及燃烧系统设计方法与流程

本发明涉及发动机，尤其涉及一种燃烧系统、发动机及燃烧系统设计方法。

背景技术：

1、高压直喷压燃式天然气发动机简称hpdi发动机，在压缩上止点前用5％的柴油喷入气缸引燃，95％的天然气以300bar的压力喷入到火焰中成为主燃料燃烧做功。hpdi发动机能够保持与原柴油机相同的功率和扭矩，其动力性与柴油机完全相同，比火花塞点燃式燃气发动机功率和扭矩提高20％。

2、现有技术中，部分hpdi发动机采用耦合式喷射器，即柴油喷射和天然气喷射由同一支喷油器完成，其布置形式如图1和图2所示，喷油器采用双排孔设计，其中，下层喷油孔为柴油喷射孔，上层喷射孔为天然气喷射孔，多个天然气喷射孔和多个柴油喷射孔均沿喷油器周向间隔布置，多个天然气喷射孔和多个柴油喷射孔一一对应分布，天然气喷射孔的中心轴线和所对应的柴油喷射孔的中心轴线位于同一平面且平行，柴油喷射孔喷射的柴油气束较天然气喷射孔喷射的天然气气束短。

3、上述采用耦合式喷射器的hpdi发动机，由于喷油器里的天然气通道需要用柴油密封，气轨的压力决定了柴油和天然气的喷射压力。受制于气轨制备难度，目前气轨压力较低，柴油用量较低，但整体喷射持续期较长，柴油雾化较差。

4、为此，现有技术提出了一种双喷射器燃烧系统，如图3所示，在燃烧室中心布置天然气喷射器1000＇，边缘布置燃油喷射器2000＇，将柴油喷射和天然气喷射独立开，以解决柴油喷射压力受天然气轨压的影响，达到提升柴油喷射压力，缩短喷射持续期以及提升喷油雾化效果的目的。

5、上述采用双喷射器的燃烧系统，由于燃油喷射器布置在边缘，只能在面向天然气的方向设置柴油喷射孔，而在背向天然气方向设置柴油喷射孔的话，不仅起不到引燃作用，还会导致柴油喷到缸套。如果通过较少的柴油气束引燃较多的天然气气束，必然会导致背向燃油喷射器一侧的天然气气束难以被引燃，从而导致换热效率较低，排放性能差。

6、因此，亟需一种燃烧系统，以解决上述技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种燃烧系统、发动机及燃烧系统设计方法，能够实现以最少的燃油雾束更好地引燃多个主燃料束的效果，缩短燃烧持续期，提升发动机的燃烧效率。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、燃烧系统，包括活塞、气缸盖、主燃料喷射器和两个燃油喷射器，所述主燃料喷射器为天然气喷射器或液氨喷射器，所述活塞和所述气缸盖之间围成有燃烧室，所述气缸盖上设有进气道，所述进气道被配置为使所述燃烧室内的气流沿所述燃烧室的周向以涡流的形式流动；所述主燃料喷射器与所述活塞同轴布置，所述主燃料喷射器上设有周向间隔布置的多个主燃料喷射孔；

4、两个所述燃油喷射器关于所述主燃料喷射器呈中心对称设置，所述燃油喷射器的中心轴线与第一预设平面的相交点为第一相交点，所述主燃料喷射器的中心轴线与所述第一预设平面的相交点为第二相交点，所述第一相交点和两个所述第二相交点的连线为基准线且所述基准线为直线，所述第一预设平面垂直于所述活塞的中心轴线；

5、垂直于所述基准线且与所述燃油喷射器的中心轴线共面的平面为第二预设平面；所述燃油喷射器上设有第一燃油喷射孔，所述第一燃油喷射孔位于对应所述第二预设平面靠近所述主燃料喷射器的一侧，位于同一所述燃油喷射器上的所述第一燃油喷射孔位于所述基准线的同一侧，所述第一燃油喷射孔的中心轴线与所述基准线呈夹角设置，所述第一燃油喷射孔的油束喷射方向与以涡流形式流动的气流流经所述燃油喷射器时的气流切向之间的夹角为锐角。

6、作为上述燃烧系统的一种优选技术方案，发动机的涡流比≥1.8，每个所述燃油喷射器仅设置有所述第一燃油喷射孔且为数量一个。

7、作为上述燃烧系统的一种优选技术方案，发动机的涡流比＜1.8，每个所述燃油喷射器上均设有第二燃油喷射孔，所述第二燃油喷射孔和与其位于同一所述燃油喷射器上的所述第一燃油喷射孔关于所述基准线对称设置。

8、作为上述燃烧系统的一种优选技术方案，所述第一燃油喷射孔的中心轴线与所述基准线之间的夹角为α，5°≤α≤60°。

9、作为上述燃烧系统的一种优选技术方案，所述第一燃油喷射孔与所述燃油喷射器的中心轴线之间夹角为喷射锥角θ，θ≤90°。

10、作为上述燃烧系统的一种优选技术方案，所述主燃料喷射孔的中心轴线与所述主燃料喷射器的中心轴线之间的夹角为β，60°≤β≤85°。

11、作为上述燃烧系统的一种优选技术方案，多个所述主燃料喷射孔沿所述主燃料喷射器周向均匀分布。

12、作为上述燃烧系统的一种优选技术方案，每个所述燃油喷射器上均设有两个第三燃油喷射孔，两个所述第三燃油喷射孔均位于所述第一燃油喷射孔和所述第二燃油喷射孔之间，且位于对应所述第二预设平面靠近所述主燃料喷射器的一侧，且关于所述基准线对称设置。

13、作为上述燃烧系统的一种优选技术方案，所述第一燃油喷射孔的中心轴线和与该所述第一燃油喷射孔位于所述基准线同一侧的所述第三燃油喷射孔的中心轴线之间的夹角为γ，30°≤γ≤40°。

14、作为上述燃烧系统的一种优选技术方案，所述第一燃油喷射孔的中心轴线与所述基准线之间的夹角为α，50°≤α≤60°。

15、作为上述燃烧系统的一种优选技术方案，每个所述燃油喷射器均设有第四燃油喷射孔，所述第四燃油喷射孔均位于所述第一燃油喷射孔和所述第二燃油喷射孔之间，且位于对应所述第二预设平面靠近所述主燃料喷射器的一侧；所述第四燃油喷射孔的中心轴线与所述基准线共面。

16、作为上述燃烧系统的一种优选技术方案，所述第一燃油喷射孔的中心轴线与所述基准线之间的夹角为α，40°≤α≤50°。

17、作为上述燃烧系统的一种优选技术方案，所述主燃料喷射孔的中心轴线与所述主燃料喷射器的中心轴线之间的夹角为β，65°≤β≤75°。

18、作为上述燃烧系统的一种优选技术方案，所述第一燃油喷射孔与所述燃油喷射器的中心轴线之间夹角均为喷射锥角θ，1°≤θ-β≤3°。

19、为了实现上述目的，本发明还提供了一种发动机，包括缸体及上述任一方案所述的燃烧系统，所述缸体上设有活塞孔，所述活塞滑动设于所述活塞孔内。

20、作为上述发动机的一种优选技术方案，垂直于所述基准线且与所述主燃料喷射器的中心轴线共面的平面为第三预设平面，所述燃烧室关于所述第三预设平面对称设置。

21、为了实现上述目的，本发明还提供了一种燃烧系统设计方法，应用于上述的燃烧系统，该燃烧系统设计方法包括以下步骤：

22、构建燃烧系统三维模型，并基于该燃烧系统的三维模型进行三维燃烧仿真；

23、若所述第一燃油喷射孔喷出的燃油形成燃油火焰未能引燃和与该燃油火焰位于所述基准线同一侧的所有主燃料束，则增大所述第一燃油喷射孔的孔径。

24、本发明有益效果：本发明提供的燃烧系统、发动机及燃烧系统设计方法，设置第一燃油喷射孔的油束喷射方向与以涡流形式流动的气流流经燃油喷射器时的气流切向之间的夹角为锐角，顺着涡流方向的燃油火焰，在燃油喷射力与缸内涡流的共同作用下，燃油火焰绕着主燃料喷射器进行旋转运行，燃油火焰在沿着涡流方向移动的过程中，燃油持续喷射，使燃油火焰逐渐变长，从而利用两个燃油喷射器的喷射燃油形成的燃油火焰引燃全部的主燃料束，实现燃油火焰的引燃效果达到最佳。如此能够实现利用最少的燃油雾束更好地引燃多个主燃料束的效果，提高燃烧室内的燃烧均匀性，缩短燃烧持续期，提升发动机的燃烧效率。