[发明专利]一种用于气体燃料发动机的火焰多级加速装置及方法

说明书

本发明公开一种用于气体燃料发动机的火焰多级加速装置及方法，装置包括压紧件、上腔体、火花塞、燃料喷射器、冷却装置和火焰加速喷嘴；所述火花塞和燃料喷射器安装在上腔体内，压紧件套装于上腔体上部，并通过上腔体的阶梯槽将加速装置整体与气缸盖固定连接；上腔体的底部从上到下依次安装有喷嘴密封圈、火焰加速喷嘴和气缸盖密封圈；所述火焰加速喷嘴的空腔中设置有由环形板组成的环形障碍物。首先在火焰加速喷嘴空腔中喷射燃料获得均质混合气，随后由火花塞跳火点燃混合气形成火焰锋面。火焰锋面再经由多道环形障碍物与喷孔共同组成的多级加速装置不断提升传播速度。最终高速射流火焰由喷孔喷出用以点燃主燃烧室内部气体燃料混合气并加速其燃烧进程。

技术领域

本发明属于内燃机燃烧领域，特别是涉及一种用于气体燃料发动机的火焰多级加速装置及方法。

背景技术

随着全球温室效应，污染物排放以及能源危机等问题的不断加剧，因此关于替代燃料的研究受到越来越多的关注。其中气体燃料相关的研究也十分火热，目前发动机用气体燃料有氢气，天然气，氨气等。与传统液态燃料相比，气体燃料与空气的混合更加充分，因此其颗粒物排放很低。并且气体燃料中如天然气储量十分丰富，成本低。发动机燃用气体燃料不仅节约成本同时也缓解了我国的能源压力。而且其中的氨气与氢气等气体燃料不含碳元素，可以做到真正的零碳排放。但氢气由于储运的安全性与成本很难得到解决，因此关于氢发动机的实际量产有一定难度。而氨已经被广泛应用于农业与化工生产等领域，因此在生产、储运、供给方面均积累了丰富经验，安全保障措施较氢气也较为完善，因而同样具备推广应用的基础。

但燃用天然气及氨气的气体燃料发动机存在火焰传播速度慢，燃烧速率低等问题，并且氨气燃点高，更难着火。这导致此类气体燃料发动机在动力性以及经济性方面都不及传统燃用汽油或柴油的发动机。

而现有研究发现在管道中设立障碍物能在很大程度上实现火焰加速并在燃烧所形成的气流中促使湍流的生成。湍流能够增加火焰的表面积以及局部质量和能量的传递，导致了燃烧速率增加，随后火焰开始加速。Bychokov等指出障碍物之间的延迟燃烧诱发强射流，进而驱动火焰的加速。进一步，燃烧产物热膨胀引起的气流流动会增加火焰表面积，气流速度和火焰速度增加，又使表面积增加，形成积极反馈导致火焰加速。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，为了提升天然气及氨气等气体燃料发动机的着火稳定性并解决其火焰传播速度慢的问题，提出了一种基于环形障碍物的火焰加速装置及方法。通过所述环形障碍物的加速效果，可以在发动机主燃烧室喷出富含大量燃烧中间产物基团的高速射流及形成强度更高的湍流火焰，以加速此类气体燃料混合气的燃烧过程。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于气体燃料发动机的火焰多级加速装置，包括压紧件、上腔体、火花塞、燃料喷射器、冷却装置和火焰加速喷嘴；所述火花塞和燃料喷射器安装在所述上腔体内，所述压紧件套装于上腔体上部，并通过上腔体的阶梯槽将加速装置整体与气缸盖固定连接；所述上腔体的底部从上到下依次安装有喷嘴密封圈、火焰加速喷嘴和气缸盖密封圈；所述火焰加速喷嘴的空腔中设置有由多道环形板形成环形障碍物，喷嘴密封圈用于上腔体与火焰加速喷嘴之间的密封，气缸盖密封圈用于加速装置整体与气缸盖之间的密封。

进一步的，燃料喷射器在火焰加速喷嘴的空腔中喷射燃料，经火花塞点燃形成高速火焰锋面向前传播，之后火焰及燃烧中间产物经由多道环形障碍物与喷孔的多级加速后喷入主燃烧室，加快主燃烧室的燃烧速率。火焰加速喷嘴空腔中的燃料可以选择高反应活性，高层流火焰速度燃料，如氢气。也可以选择与主燃烧室相同的燃料。

进一步的，所述上腔体的内部设置有冷却液通道，冷却液能够从上腔体的一端流入，另一端流出。

本发明的使用方法如下：

一种用于气体燃料发动机的火焰多级加速装置及方法，首先通过进气管喷气阀将气体燃料与新鲜空气混合，随后进气门打开使混合工质进入主燃烧室内部；