一种具备扰流板式腔体的甲醇发动机主动预燃室装置

1.本发明涉及甲醇发动机的技术领域，特别涉及一种具备扰流板式腔体的甲醇发动机主动预燃室装置。


背景技术：

2.甲醇的理化性质与汽油相似，对比汽油，甲醇燃料可有效降低no
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及温室气体排放，在提高发动机热效率、拓宽稀薄燃烧极限方面同样具有很大的优势。目前甲醇燃料应用于发动机多以燃料添加剂和燃料改进剂的形式存在，主要包括m5(甲醇掺混5％)，m15(甲醇掺混15％)，m85(甲醇掺混85％)和m100(甲醇掺混100％)。随着石油能源紧张以及排放标准的提高，纯甲醇发动机同样得到了应用及发展。
3.对比燃用汽油、柴油，发动机燃用甲醇的一大问题就是非常规排放物甲醛、甲醇排放量的显著升高。作为燃料中未燃组分的甲醇排放，其在缸内的生成机理主要是由缝隙效应、缸内积碳以及壁面淬熄等因素造成。甲醇有一定毒性，可被皮肤吸收、鼻腔吸入蒸汽引发人类中毒，或刺激视神经导致失明。对比汽油机，甲醛排放量的增幅可达183％-255％。甲醛是一种无色有刺激性致癌物，可引发人类患鼻咽癌、鼻腔癌、白血病等。纯甲醇发动机工作过程中，甲醛排放主要由缸内燃烧过程中甲醇和碳氢的不完全燃烧形成。对于未燃甲醇排放,三元催化器能够起到较好的催化转化作用，然而催化器对甲醛的转化效果不佳。催化器对甲醛排放的催化转化效率受甲醇掺混比例影响较大。针对m30以下的掺混燃料，催化转化效率较高,催化效率在85％以上；针对m50以上的掺混燃料，甲醛排放的催化转化效率较低,催化效率可低于40％。催化转化效率还受工况影响明显,随转速、转矩的增加而增加。预燃室引燃技术(pre-chamber ignition system,pis)是一种预燃烧室内火花塞点火引燃主燃室内流体的燃烧增强技术。当预燃室体积与主燃室体积的比值φ设置在1％-2％内，可为发动机提供高温、活性自由基(h、oh等)含量丰富的缸内环境。当预燃室体积过大时，会产生两方面的不利影响：其一，在压缩后期预燃室喷孔处的节流作用太强，造成能量损失；其二，难以构建正向高压差，导致射流速较低，不利于缸内火焰发展，使后燃相对严重，热效率下降。而受到发动机布置以及加工的影响，在实际应用过程中φ通常在2％-10％内。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种具备扰流板式腔体的甲醇发动机主动预燃室装置，有利于促进其非常规排放物甲醛进一步氧化、加速燃烧过程、降低甲醛排放。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种具备扰流板式腔体的甲醇发动机主动预燃室装置，包括：
5.主燃室组件及与主燃室组件相通的预燃室组件；
6.预燃室组件包括预燃室壳体、用于封闭预燃室壳体的预燃室壳体盖及设置于预燃室壳体盖上的点火装置与燃料供给装置，该预燃室壳体与预燃室壳体盖形成一预燃室腔体，该预燃室腔体内固定有以等间距成螺旋上升式的扰流板组；
7.预燃室壳体远离预燃室壳体盖的一端上开设有多个火焰喷射通道，预燃室组件安装于主燃室组件上，且预燃室组件与主燃室组件之间通过火焰喷射通道连通；
8.预燃室壳体的结构呈喇叭状。
9.优选的，主燃室组件包括气缸壳体、设置于气缸壳体内的活塞及用于密封气缸壳体的气缸盖，通过气缸盖、气缸壳体及活塞形成一主燃室腔体。
10.优选的，气缸盖上插入式连接有预燃室壳体，且气缸盖位于预燃室壳体的两侧分别固接有气门与进排气管道，预燃室壳体设置有火焰喷射通道的一端延伸至主燃室腔体内，使得主燃室腔体与预燃室腔体相连通。
11.优选的，每个扰流板与预燃室腔体中轴线夹角为α，且α的取值范围为5
°
～15
°
。
12.优选的，主燃室腔体的体积为第一体积值，预燃室腔体的体积为第二体积值，第二体积值与第一体积值的比不超过10％。
13.一种具备扰流板式腔体的甲醇发动机主动预燃室装置的运行过程，包括以下步骤：
14.s1、将甲醇燃料通过燃料供给装置喷射入预燃室腔体，甲醇燃料与空气形成浓混合气；
15.s2、将点火装置按设定时刻点燃加浓混合气并使其快速燃烧；
16.s3、火焰在预燃室腔体内通过扰流板组螺旋上升，火焰在经过扰流板螺旋上升过程中瞬间完成加速过程，同时火焰前锋面经过扰流板时一定程度淬熄，射流产生高强度湍流，不断卷吸周围混合气，进一步生成与扩散活性自由基；
17.s4、射流通过均匀分布的火焰喷射通道使得活性自由基遍布整个主燃室腔体，诱使中间产物甲醛进一步的氧化为hco、co以及co2。
18.本发明与现有技术相比，其有益效果是：通过燃料供给装置与点火装置的配合引燃预燃室腔内浓混合气，通过扰流板组实现火焰加速，为大体积预燃室提供加速火焰射流。火焰射流通过通道引燃主燃室内混合气，较高速率较高能量的火焰射流可以有效缩短主燃室内燃烧持续期，形成高温、活性自由基o、h、oh含量丰富的缸内环境，通过促进甲醛进一步氧化的方式降低甲醛的排放量。
附图说明
19.图1为根据本发明的具备扰流板式腔体的甲醇发动机主动预燃室装置的单元结构示意图；
20.图2为根据本发明的具备扰流板式腔体的甲醇发动机主动预燃室装置的阵列示意图；
21.图3为根据本发明的具备扰流板式腔体的甲醇发动机主动预燃室装置的检测系统示意图。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
23.参照图1-3，一种具备扰流板式腔体的甲醇发动机主动预燃室装置，包括：主燃室组件及与主燃室组件相通的预燃室组件；
24.预燃室组件包括预燃室壳体1、用于封闭预燃室壳体1的预燃室壳体盖2及设置于预燃室壳体盖2上的点火装置3与燃料供给装置4，该点火装置3与燃料供给装置4均延伸至预燃室腔体5内，该预燃室壳体1与预燃室壳体盖2形成一预燃室腔体5，该预燃室腔体5内固定有以等间距成螺旋上升式的扰流板组6；预燃室壳体1远离预燃室壳体盖2的一端上开设有多个火焰喷射通道7，预燃室组件安装于主燃室组件上，且预燃室组件与主燃室组件之间通过火焰喷射通道7连通；预燃室壳体1的结构呈喇叭状。在运作过程中，燃料供给装置4以设定的当量比值向预燃室腔体5内喷射甲醇燃料。甲醇燃料与预燃室腔体5内的空气形成浓混合气。预燃室腔体5内的点火装置3按设定时刻点燃浓混合气使其快速燃烧，燃烧产生丰富的中间产物如h、oh等。火焰在预燃室腔体5内传播，经过扰流板组6，进行螺旋上升式火焰传播，燃烧引起的热膨胀使未反应混合气产生流动，扰流板促进了其附近的流动，诱导火焰快速发展，火焰发展又进一步使流动增强，火焰在经过扰流板螺旋上升的过程中瞬间完成加速过程；同时火焰前锋面经过扰流板时一定程度淬熄，射流产生高强度湍流，不断卷吸周围混合气，进一步生成与扩散活性自由基为o、h和oh。
25.进一步的，主燃室组件包括气缸壳体9、设置于气缸壳体9内的活塞10及用于密封气缸壳体9的气缸盖8，通过气缸盖8、气缸壳体9及活塞10形成一主燃室腔体11，气缸盖8上插入式连接有预燃室壳体1，且气缸盖8位于预燃室壳体1的两侧分别固接有气门12与进排气管道13，预燃室壳体1设置有火焰喷射通道7的一端延伸至主燃室腔体11内，使得主燃室腔体11与预燃室腔体5相连通。射流通过预燃室壳体1底部处均匀分布的火焰喷射通道7，火焰得到进一步的加速与一定程度的淬熄，使活性自由基遍布整个主燃室腔体11内，增强点火增益能量点燃主燃室内甲醇、空气的混合气，改善主燃室内燃烧特性，在高温、活性自由基丰富的条件下，促进中间产物甲醛进一步的氧化为hco、co以及co2，降低甲醇发动机甲醛的排放量。
26.进一步的，每个扰流板与预燃室腔体中轴线夹角为α，且α的取值范围为5
°
～15
°
。
27.进一步的，主燃室腔体11的体积为第一体积值，预燃室腔体5的体积为第二体积值，第二体积值与第一体积值的比不超过10％，在实际应用过程中预燃室腔体5体积与主燃室腔体11体积的比值φ设置在2％-10％内，而本技术通过火焰通过扰流板组6，燃烧引起的热膨胀使未反应混合气产生流动，障碍物促进其附近的流动，诱导火焰快速发展，火焰发展又进一步使流动增强。优化了在实际应用过程中由于预燃室体积过大使得φ设置在2％-10％内。
28.一种具备扰流板式腔体的甲醇发动机主动预燃室装置的运行过程，包括以下步骤：
29.s1、将甲醇燃料通过燃料供给装置4喷射入预燃室腔体5，甲醇燃料与空气形成浓混合气；
30.s2、将点火装置3按设定时刻点燃加浓混合气并使其快速燃烧；
31.s3、火焰在预燃室腔体内通过扰流板组6螺旋上升，火焰在经过扰流板螺旋上升过程中瞬间完成加速过程，同时火焰前锋面经过扰流板时一定程度淬熄，射流产生高强度湍
流，不断卷吸周围混合气，进一步生成与扩散活性自由基；
32.s4、射流通过均匀分布的火焰喷射通道7使得活性自由基遍布整个主燃室腔体11，诱使中间产物甲醛进一步的氧化为hco、co以及co2。如图2所示甲醇氧化反应路径，甲醇与活性基进行脱氢反应形成羟甲基，随后，羟甲基再经过二次脫氢生成甲醛，最后甲醛氧化形成一氧化碳及二氧化碳。
33.这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的，对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
34.尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

技术特征：
1.一种具备扰流板式腔体的甲醇发动机主动预燃室装置，其特征在于，包括：主燃室组件及与主燃室组件相通的预燃室组件；预燃室组件包括预燃室壳体(1)、用于封闭预燃室壳体(1)的预燃室壳体盖(2)及设置于预燃室壳体盖(2)上的点火装置(3)与燃料供给装置(4)，该预燃室壳体(1)与预燃室壳体盖(2)形成一预燃室腔体(5)，该预燃室腔体(5)内固定有以等间距成螺旋上升式的扰流板组(6)；预燃室壳体(1)远离预燃室壳体盖(2)的一端上开设有多个火焰喷射通道(7)，预燃室组件安装于主燃室组件上，且预燃室组件与主燃室组件之间通过火焰喷射通道(7)连通；预燃室壳体(1)的结构呈喇叭状。2.如权利要求1所述的一种具备扰流板式腔体的甲醇发动机主动预燃室装置，其特征在于，主燃室组件包括气缸壳体(9)、设置于气缸壳体(9)内的活塞(10)及用于密封气缸壳体(9)的气缸盖(8)，通过气缸盖(8)、气缸壳体(9)及活塞(10)形成一主燃室腔体(11)。3.如权利要求2所述的一种具备扰流板式腔体的甲醇发动机主动预燃室装置，其特征在于，气缸盖(8)上插入式连接有预燃室壳体(1)，且气缸盖(8)位于预燃室壳体(1)的两侧分别固接有气门(12)与进排气管道(13)，预燃室壳体(1)设置有火焰喷射通道(7)的一端延伸至主燃室腔体(11)内，使得主燃室腔体(11)与预燃室腔体(5)相连通。4.如权利要求1所述的一种具备扰流板式腔体的甲醇发动机主动预燃室装置，其特征在于，每个扰流板与预燃室腔体中轴线夹角为α，且α的取值范围为5
°
～15
°
。5.如权利要求3所述的一种具备扰流板式腔体的甲醇发动机主动预燃室装置，其特征在于，主燃室腔体(11)的体积为第一体积值，预燃室腔体(5)的体积为第二体积值，第二体积值与第一体积值的比不超过10％。6.如权利要求1所述的一种具备扰流板式腔体的甲醇发动机主动预燃室装置的运行过程，其特征在于，包括以下步骤：s1、将甲醇燃料通过燃料供给装置(4)喷射入预燃室腔体(5)，甲醇燃料与空气形成浓混合气；s2、将点火装置(3)按设定时刻点燃加浓混合气并使其快速燃烧；s3、火焰在预燃室腔体内通过扰流板组(6)螺旋上升，火焰在经过扰流板螺旋上升过程中瞬间完成加速过程，同时火焰前锋面经过扰流板时一定程度淬熄，射流产生高强度湍流，不断卷吸周围混合气，进一步生成扩散活性自由基；s4、射流通过均匀分布的火焰喷射通道(7)使得活性自由基遍布整个主燃室腔体(11)，诱使中间产物甲醛进一步的氧化为hco、co以及co2。

技术总结
本发明公开了一种具备扰流板式腔体的甲醇发动机主动预燃室装置，包括：主燃室组件及与主燃室组件相通的预燃室组件；预燃室组件包括预燃室壳体、用于封闭预燃室壳体的预燃室壳体盖及设置于预燃室壳体盖上的点火装置与燃料供给装置，该预燃室壳体与预燃室壳体盖形成一预燃室腔体，该预燃室腔体内固定有以等间距成螺旋上升式的扰流板组；预燃室壳体远离预燃室壳体盖的一端上开设有多个火焰喷射通道，预燃室组件安装于主燃室组件上，且预燃室组件与主燃室组件之间通过火焰喷射通道连通。根据本发明，有利于促进其非常规排放物甲醛进一步氧化、加速燃烧过程、降低甲醛排放。降低甲醛排放。降低甲醛排放。


技术研发人员：石秀勇 未建德 姜轶晓 钱伟伟 王浩宇
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/7/18