專利名稱：：用于天然氣發(fā)動機中的加工有燃燒室的活塞的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種用于發(fā)動機中的活塞，更具體地說，它涉及一種用于天然氣發(fā)動機中的加工有燃燒室的活塞。
背景技術(shù)：
：能源的匱乏和全球環(huán)境的惡化已成為世界關(guān)注的焦點。隨著科技的進步和社會的發(fā)展，世界汽車保有量逐年增加，占用了大量有限的石油儲備資源，同時加大了對大氣的污染程度。"節(jié)能減排"是我國的基本國策；是貫徹落實科學(xué)發(fā)展觀，構(gòu)建社會主義和諧社會的重大舉措。為此，國務(wù)院于2007年11月22日頒發(fā)了《國家環(huán)境保護"十一五"規(guī)劃》，其中明確指出"大力開發(fā)和使用節(jié)能型和清潔燃料汽車，降低機動車污染物排放"。天然氣發(fā)動機以其排放特性好(幾乎不產(chǎn)生微粒排放)、資源較為豐富、辛烷值高等優(yōu)點，而得到了高度重視。為了充分提高天然氣發(fā)動機的熱效率及改善排放，就天然氣發(fā)動機稀薄燃燒技術(shù)進行了深入研究。過量的空氣可以提高燃燒終了混合氣的絕熱指數(shù)，有利于提高膨脹功；并且空氣充足也使得燃燒效率提高；稀薄燃燒可以降低缸內(nèi)的熱負荷，允許采用更高的壓縮比來提高熱效率。但是必須妥善解決火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷娜秉c，才能使稀薄燃燒技術(shù)得到充分的發(fā)展。重型天然氣發(fā)動機多是在柴油機的基礎(chǔ)上開發(fā)的，天然氣發(fā)動機的燃料供給方式和著火方式與柴油機有著本質(zhì)的不同。天然氣發(fā)動機多為進氣道噴射火花點燃，由于天然氣發(fā)動機著火穩(wěn)定性差及火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷瑳Q定了必須優(yōu)化設(shè)計天然氣發(fā)動機的燃燒室形狀，來改善點燃式稀薄燃燒天然氣發(fā)動機的燃燒過程。汽油的燃料特性決定了汽油機燃燒室一般在氣缸蓋上設(shè)計，而柴油機燃燒室一般在活塞上設(shè)計。天然氣的特性與汽油類似，但是重型天然氣發(fā)動機多是在柴油機的基礎(chǔ)上開發(fā)的，所以只能在柴油機的活塞上設(shè)計燃燒室，這就給優(yōu)化天然氣發(fā)動機燃燒過程帶來了難度。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的燃燒熱效率與燃燒速度低的問題，提供了一種用于天然氣發(fā)動機中的設(shè)置有十字形空腔燃燒室的活塞。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是采用了如下的技術(shù)方案實現(xiàn)的在活塞頂面加工一個橫剖面的內(nèi)輪廊線為十字形曲線的向內(nèi)凹的十字形空腔燃燒室，十字形空腔燃燒室的對稱軸線與活塞的對稱軸線共線。技術(shù)方案中所述的反應(yīng)十字形燃燒室徑向范圍大小的十字形曲線包括有四段直徑為65~67mm的圓弧和四段形成燃燒室肋的半徑為5~7mm的圓弧，四段直徑為65~67mm的圓弧在^黃剖面的圓周方向為均布，每兩段直徑為65~67mm的圓弧之間;改置一^殳半徑為5~7mm的圓弧，半徑為5~7mm圓弧的圓心在直徑為65~67mm圓弧的外側(cè)，四#史直徑為65~67mm圓弧的圓心同心，直徑為65~67腿的圓弧和半徑為5~7mm的圓弧之間用半徑為5隱的圓弧過渡連接；所述的四段直徑為65~67mm圓弧所對應(yīng)的圓心角相等，四段半徑為5~7mm圓弧所對應(yīng)的圓心角相等；所述的橫剖面的內(nèi)輪廓線為十字形曲線的向內(nèi)凹的十字形空腔燃燒室的深度為25~27隱，燃燒室的側(cè)壁與燃燒室的底平面采用半徑為6~8隱環(huán)形曲面過渡連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的有益效果是1.對比試驗首先，利用本發(fā)明的具有十字形空腔燃燒室的活塞與原來具有圓柱孔形燃燒室的活塞進行了對比研究。試驗是在CA6SE1-21N天然氣發(fā)動機上進行的，該發(fā)動機為缸外預(yù)混供氣及火花點燃式單燃料天然氣發(fā)動機，基本參數(shù)如表l所示表1CA6SE1-21N天然氣發(fā)動機基本參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>2050168、335、503、6422300100、200、300、400、500、600及100%負荷參閱圖5,圖中所表示的是兩種燃燒室所對應(yīng)燃料消耗率萬有特性的比較，從圖中可以看出相同轉(zhuǎn)速工況下，隨著負荷的增加，燃料消耗率呈降低趨勢，且十字形空腔燃燒室所對應(yīng)的燃料消耗率比圓柱孔形燃燒室低，平均低幅為4%左右。這主要是由于采用十字形空腔燃燒室后，缸內(nèi)湍流增強，使燃燒速度加快，燃燒放熱率重心前移，熱效率上升。參閱圖6，圖中所表示的是兩種燃燒室所對應(yīng)空燃比萬有特性的比較，從圖中可以看出，在中高轉(zhuǎn)速及中高負荷，空燃比相對較高，所有工況下十字形空腔燃燒室所對應(yīng)的空燃比要高于圓柱孔形燃燒室。這主要是由于各個工況點所對應(yīng)的空氣消耗率基本不變，而燃料消耗率卻有較大差異。參閱圖7，圖中所表示的是兩種燃燒室所對應(yīng)排氣溫度萬有特性的比較，從圖中可以看出，在大負荷時排氣溫度較高，一般高于50(TC，且十字形空腔燃燒室所對應(yīng)的排氣溫度要低于圓柱孔形燃燒室排氣溫度，這主要是由于燃燒重心前移，燃燒充分所致。參閱圖8，圖中所表示的是兩種燃燒室所對應(yīng)總碳氫(THC)排放萬有特性的比較，從圖中可以看出，各個工況下兩種燃燒室所對應(yīng)的THC排放相差不大。這主要是由于影響稀薄燃燒天然氣發(fā)動機的排放的主要因素為循環(huán)變動，燃燒循環(huán)變動的大小直接決定了發(fā)動機的燃燒穩(wěn)定性，同時也決定了THC的排放水平。參閱圖9,圖中所表示的是兩種燃燒室所對應(yīng)氮氧化合物(NOx)排放萬有特性的比較，從圖中可以看出，在低轉(zhuǎn)速高負荷區(qū)域，NOx排放較高，且在中高轉(zhuǎn)速工況下，十字形空腔燃燒室所對應(yīng)的NOx排方文要略高于圓柱孔形燃燒室。這主要是由于放熱率重心前移，缸內(nèi)平均燃燒溫度上升所致。2.結(jié)論即與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的有益效果1)裝置加工有十字形燃燒室的活塞的發(fā)動機所對應(yīng)的燃料消耗量明顯低于裝置加工有圓柱孔形燃燒室的活塞的發(fā)動機，平均降低幅度為4%。之所以有如此成果是由于活塞頂面十字形空腔燃燒室邊角(肋)的存在，使氣缸內(nèi)產(chǎn)生了大量的小尺度的湍流，加大了缸內(nèi)的湍流動能，從而提高混合氣的燃燒速度。2)裝置加工有十字形空腔燃燒室的活塞的發(fā)動機所對應(yīng)的排氣溫度要低于裝置加工有圓柱孔形燃燒室的活塞的發(fā)動機的排氣溫度，平均降低的幅度為50。C,這說明采用加工有十字形空腔燃燒室的活塞的發(fā)動機燃燒質(zhì)量較好，燃燒比較完全。3)而裝置加工有兩種燃燒室的活塞的兩種發(fā)動機所對應(yīng)的THC排放值相差不大。4)裝置加工有十字形空腔燃燒室的活塞的發(fā)動機所對應(yīng)的N0,排放量要略高于裝置加工有圓柱孔形燃燒室的活塞的發(fā)動機。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明圖1是在活塞頂面設(shè)置有圓柱孔形燃燒室的活塞的主視圖上的全剖視圖2是在活塞頂面設(shè)置有圓柱孔形燃燒室的活塞的俯視圖3是在活塞頂面設(shè)置有十字形空腔燃燒室的活塞的主視圖上的全剖視圖4是在活塞頂面設(shè)置有十字形空腔燃燒室的活塞的俯視圖5a是兩種燃燒室所對應(yīng)燃料消耗率萬有特性的對比中圓柱孔形燃燒室燃料消耗率的萬有特性；圖5b是兩種燃燒室所對應(yīng)燃料消耗率萬有特性的對比中十字形空腔燃燒室燃料消耗率的萬有特性；圖6a是兩種燃燒室所對應(yīng)空燃比萬有特性的對比中圓柱孔形燃燒室所對應(yīng)空燃比萬有特性；圖6b是兩種燃燒室所對應(yīng)空燃比萬有特性的對比中十字形空腔燃燒室所對應(yīng)空燃比萬有特性；圖7a是兩種燃燒室所對應(yīng)排氣溫度萬有特性的對比中圓柱孔形燃燒室所對應(yīng)排氣溫度萬有特性；圖7b是兩種燃燒室所對應(yīng)排氣溫度萬有特性的對比中十字形空腔燃燒室所對應(yīng)排氣溫度萬有特性；圖8a是兩種燃燒室所對應(yīng)THC排^:萬有特性的對比中圓柱孔形燃燒室所對應(yīng)THC排放萬有特性；圖8b是兩種燃燒室所對應(yīng)THC排放萬有特性的對比中十字形空腔燃燒室所對應(yīng)THC排放萬有特性；圖9a是兩種燃燒室所對應(yīng)NOx排放萬有特性的對比中圓柱孔形燃燒室所對應(yīng)NOj非;Jt萬有特性；圖9b是兩種燃燒室所對應(yīng)N(X排放萬有特性的對比中十字形空腔燃燒室所對應(yīng)NO,排;汰萬有特性。具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細的描述火焰?zhèn)鞑ニ俣戎苯記Q定了燃燒速度，進而決定了熱效率。研究表明發(fā)動機缸內(nèi)混合氣濃度分布、熱氛圍、壓力場分布、流場(速度場、渴流場和湍流場)分布、化學(xué)成分等因素直接決定了發(fā)動機火焰?zhèn)鞑ニ俣?。目前進氣道噴射火花點燃式天然氣發(fā)動機中的活塞頭上的燃燒室形狀多為圓柱孔形(或者更具體地說是圓柱孔形的凹坑或圓柱孔形盲孔)。然而經(jīng)試驗研究證明，活塞頭上燃燒室的幾何形狀及結(jié)構(gòu)尺寸對天然氣發(fā)動機混合氣的形成、燃燒、動力性和排放性等都有著重要的影響。本發(fā)明通過在活塞頭上采用十字形空腔燃燒室，改善缸內(nèi)流場分布，從而提高了進氣道噴射點燃式稀薄燃燒天然氣發(fā)動機的燃燒熱效率，起到了"節(jié)能減排"的效果。本發(fā)明所述的活塞與現(xiàn)有技術(shù)所采用的活塞的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸是基本相同的，所不同的現(xiàn)有技術(shù)所采用的活塞的活塞頭部加工一個圓柱孔形的燃燒室，而在本發(fā)明所述的活塞的活塞頭部頂面上加工一個剖面的外4侖廓線為一個圓，內(nèi)輪廓線為十字形曲線的向內(nèi)凹的十字形空腔燃燒室。十字形空腔燃燒室的對稱軸線與活塞的對稱軸線共線。也可以說，十字形空腔燃燒室是由若干段圓柱孔面和若干段圓柱面按照一定規(guī)律組合而成，各圓柱孔面的對稱軸線和各圓柱面的對稱軸線與活塞的對稱軸線應(yīng)該是共線或者是平行。反應(yīng)十字形空腔燃燒室空間大小的各項尺寸為反應(yīng)燃燒室徑向范圍大小的橫剖面內(nèi)輪廓線為十字形曲線，該十字形曲線包括有四,炎直徑為6567mm的圓弧和四^爻形成燃燒室肋的半徑為5~7mm的圓《瓜，四^殳直徑為65~67mm的圓弧在橫剖面的圓周方向為均布，每兩段直徑為65~67腿的圓弧之間放置一段半徑為5~7mm的圓弧，半徑為5~7mm圓弧的圓心在直徑為65~67mm圓弧的外側(cè)，四段形成燃燒室肋的半徑為5~7mm的圓弧在橫剖面的圓周方向為均布，四段直徑為65~67mm圓弧的圓心同心，并同在活塞的對稱軸線上，直徑為65~67mm的圓弧和半徑為5~7mm的圓弧之間用半徑為5腿的圓弧過渡連接，所述的四段直徑為65~67mm圓弧所對應(yīng)的圓心角相等，四4炎半徑為5~7mm圓弧所對應(yīng)的圓心角相等。所述的橫剖面的內(nèi)輪廓線為十字形曲線的向內(nèi)凹的十字形空腔燃燒室的深度為25~27mm,燃燒室的側(cè)壁與燃燒室的底平面采用半徑為6~8mm環(huán)形曲面過渡連接。實施例前面所說的對比試驗是在CA6SE1-21N天然氣發(fā)動機上進行的，在其所采用的活塞上加工的十字形空腔燃燒室的具體結(jié)構(gòu)尺寸為反應(yīng)十字形空腔燃燒室徑向范圍大小和反應(yīng)十字形空腔燃燒室結(jié)構(gòu)的橫剖面十字形內(nèi)輪廓曲線包括有四段直徑為66.4±0.05隱的圓弧和四段形成燃燒室肋的半徑為6隨的圓弧，四段直徑為66.4±0.05mm的圓弧在橫剖面的圓周方向為均布，每兩段直徑為66.4±0.05mm的圓弧之間放置一段半徑為6mm的圓弧，四段形成燃燒室肋的半徑為6mm的圓弧在橫剖面的圓周方向也為均布，半徑為6mm圓弧的圓心在直徑為66.4±0.05ran圓弧的外側(cè)，四4爻直徑為66.4±0.05mm圓弧的圓心同心，并同在活塞的對稱軸線上，直徑為66.4±0.05醒的圓弧和半徑為6mm的圓弧之間用半徑為5mm的圓弧過渡連4妄。所述的四,史直徑為66.4±0.05mm圓弧所對應(yīng)的圓心角相等，四段半徑為6mm圓弧所對應(yīng)的圓心角也相等。十字形空腔燃燒室的深度為25.8±0.05mm。前面已經(jīng)說過，十字形空腔燃燒室是由若干段圓柱孔面和若干段圓柱面按照一定規(guī)律組合而成。在前面敘述的基礎(chǔ)上，具體地說十字形空腔燃燒室是由四段相同的直徑為66.4±0.05mm的圓柱孔面、四段相同的形成燃燒室肋的半徑為6mm的圓柱面與/V歐相同的半徑為5mm的圓柱孔面所圍成。四l殳直徑為66.4±0.05mm的圓柱孔面在橫剖面的圓周方向為均布，四段相同的直徑為66.4±0.05mm的圓柱孔面和四段相同的形成燃燒室肋的半徑為6mm的圓柱面相間放置，四段形成燃燒室肋的半徑為6mm的圓柱面在橫剖面的圓周方向為均布，四段相同的形成燃燒室肋的半徑為6mm圓柱面的圓心在直徑為66.4±0.05mm圓柱孔面的外側(cè)，四段相同的直徑為66.4±0.05mm的圓柱孔面的對稱軸線與活塞的對稱軸線共線。八段相同的半徑為5腿的圓柱孔面將四段相同的直徑為66.4±0.05mm的圓柱孔面和四段相同的形成燃燒室肋的半徑為6mm的圓柱面首尾連接起來，最終形成十字形空腔燃燒室。十字形空腔燃燒室的深度為25.8±0.05mm。十字形空腔燃燒室的側(cè)壁與燃燒室的底平面采用半徑為7mm環(huán)形曲面過渡連接。權(quán)利要求1.一種用于天然氣發(fā)動機中的加工有燃燒室的活塞，其特征是在活塞頂面加工一個橫剖面的內(nèi)輪廓線為十字形曲線的向內(nèi)凹的十字形空腔燃燒室，十字形空腔燃燒室的對稱軸線與活塞的對稱軸線共線。2.按照權(quán)利要求1所述的用于天然氣發(fā)動機中的加工有燃燒室的活塞，其特征是所述的反應(yīng)十字形燃燒室徑向范圍大小的十字形曲線包括有四段直徑為65~67mm的圓弧和四段形成燃燒室肋的半徑為5~7mm的圓弧，四段直徑為65~67mm的圓弧在斗黃剖面的圓周方向為均布，每兩^殳直徑為65~67mm的圓弧之間放置一段半徑為5~7mm的圓弧，半徑為5~7隱圓弧的圓心在直徑為65~67隱圓弧的外側(cè)，四^:直徑為65~67mm圓弧的圓心同心，并同在活塞的對稱軸線上，直徑為65~67mm的圓弧和半徑為5~7mm的圓弧之間用半徑為5瞧的圓弧過渡連接。3.按照權(quán)利要求2所述的用于天然氣發(fā)動機中的加工有燃燒室的活塞，其特征是所述的四段直徑為65~67隱圓弧所對應(yīng)的圓心角相等，四段半徑為5~7mm圓弧所對應(yīng)的圓心角相等。4.按照權(quán)利要求1所述的用于天然氣發(fā)動機中的加工有燃燒室的活塞，其特征是所述的橫剖面的內(nèi)輪廓線為十字形曲線的向內(nèi)凹的十字形空腔燃燒室的深度為25~27mm,燃燒室的側(cè)壁與燃燒室的底平面采用半徑為68mm環(huán)形曲面過渡連接。全文摘要本發(fā)明公開了一種用于天然氣發(fā)動機中的加工有燃燒室的活塞。為克服存在的燃燒熱效率與燃燒速度低的問題。方案是在活塞的頂面加工一個橫剖面的內(nèi)輪廓線為十字形曲線的向內(nèi)凹的十字形燃燒室，燃燒室的對稱線與活塞的對稱線共線。十字形曲線包括四段直徑為65～67mm的圓弧和四段形成燃燒室肋的半徑為5～7mm的圓弧，每兩段直徑為65～67mm的圓弧之間放置一半徑為5～7mm的圓弧，半徑為5～7mm圓弧的圓心在直徑為65～67mm圓弧的外側(cè)，四段直徑為65～67mm圓弧的圓心同心，直徑為65～67mm圓弧和半徑為5～7mm圓弧之間用半徑為5mm圓弧連接。燃燒室深為25～27mm，底部用半徑為6～8mm環(huán)形曲面連接。文檔編號F02F3/26GK101349214SQ20081021504公開日2009年1月21日申請日期2008年9月4日優(yōu)先權(quán)日2008年6月12日發(fā)明者劉忠長,孫萬臣,鵬李,王忠恕,竇慧莉,葛思非,允許,韓永強申請人:吉林大學(xué);中國第一汽車集團公司