内燃机全流热面点火式燃烧过程及实现装置
阅读说明：本技术 内燃机全流热面点火式燃烧过程及实现装置 (Full flow hot surface ignition type combustion process of internal combustion engine and realizing device ) 是由 李晨天 于 2021-09-20 设计创作，主要内容包括：所述一种内燃机全流热面点火式燃烧过程是一个通过在内燃机气缸与燃烧室之间设置的槽型曲面通道将气缸流入燃烧室的空气气流塑成带状涡流,所述带状涡流将喷嘴喷出的燃料击碎成雾状与其混合后继续流动至设置在燃烧室内根据燃料的燃烧特性设定发热温度并恒定保持设定温度的发热装置的发热表面,所述发热装置的发热表面将到达所述发热表面的空气-燃料混合物,即所述裹挟了燃料雾滴的带状空气涡流,次第点燃而实现燃烧的燃烧过程实施所述全流热面点火式燃烧过程的内燃机可以无差别选用任何可以在一定温度下燃烧的气体或液体燃料为燃料。实施所述全流热面点火式燃烧过程的内燃机的压缩比的设定与燃料的燃烧特性无关,压缩比的设定不需要考虑燃料的抗爆性、自燃性、自燃温度、汽化热、辛烷值或十六烷值等理化特性和燃烧特性。(The full-flow hot-surface ignition combustion process of the internal combustion engine is characterized in that air flow flowing into a combustion chamber from a cylinder is shaped into a belt vortex through a groove-shaped curved surface channel arranged between the cylinder and the combustion chamber of the internal combustion engine, fuel sprayed out of a nozzle is smashed into a mist by the belt vortex and then continuously flows to a heating surface of a heating device which is arranged in the combustion chamber, the heating temperature is set according to the combustion characteristics of the fuel, the heating surface of the heating device constantly keeps the set temperature, and air-fuel mixture reaching the heating surface, namely the belt air vortex wrapped with fuel droplets, is ignited for the second time to realize the combustion process of the combustion. The compression ratio of the internal combustion engine in which the full-flow surface ignition combustion process is performed is set regardless of the combustion characteristics of the fuel, and the compression ratio is set without considering the physical and chemical characteristics of the fuel, such as antiknock property, spontaneous combustibility, autoignition temperature, heat of vaporization, octane number, or cetane number, and the combustion characteristics.)
技术领域
本项目的发明涉及一种内燃机的燃烧过程及实现装置，尤其涉及一种基于恒常热表面的，以“燃料喷射起始—全流恒常热表面引发燃烧”为特征的内燃机燃烧过程及实现装置，属于内燃发动机领域的技术范畴。
背景技术
目前内燃机的燃烧过程有两种：一种是以汽油机为代表的点燃式燃烧过程，这种燃烧过程是“火花起始—火花引发燃烧”，即燃烧的引发由火花塞放电引发，燃烧的起始时刻由火花塞首次放电的时刻决定，在这个过程中，内燃机的压缩行程压缩的是燃料和空气的混合物，压缩过程中的某个特定时刻，火花塞放电点火并引发混合物局部燃烧，燃烧过程随即开始，局部着火后的混合物通过火焰自发传播引燃其余未着火混合物，这个燃烧过程的一个显著特征是它包含两个燃烧阶段，即初始燃烧阶段和扩散燃烧阶段，所谓初始燃烧阶段，就是火花塞放电，空燃混合气体接触火花的部分被点燃燃烧，所谓扩散燃烧阶段，就是被火花塞点燃后的火焰引燃混合气体的其他部分燃烧的阶段。
这个燃烧过程的主要问题是：①要求燃料有良好的挥发性，因为只有具备良好的挥发性能，燃料才能与空气充分混合，燃料才能被正常燃烧，这就使得在这种燃烧过程模式下，只有与汽油的粘度和挥发性极其接近的燃料才能作为这种燃烧过程的燃料；②要求燃料有良好的抗爆性，也就是抵抗压缩过程自燃的能力，因为只有具备良好的抗爆性，燃料才不至于在压缩冲程中被点燃，出现“爆震“、”提前点火”现象；③要求供给的燃料必须在一定的温度范围内，低于这个温度时，燃料就因为无法挥发与空气混合而不能被正常点燃并完成燃烧过程，这其实就是目前常见的冷启动问题；④燃料的火花感度要达到一定的标准，低于这个标准的燃料就无法被火花塞发出的电火花点燃；⑤气缸的压缩比必须按标准设定，高于这个标准就会在非点火时刻点燃混合空气，产生提前点火的现象；⑥要求气缸内的温度要在一定范围内，低于这个温度，喷射的燃料将因为受热不足无法蒸发而不能被火花点燃；⑦要求燃料的燃烧速度必须达到一定的标准，否则会导致燃烧不完全、功率严重下降的现象等等。
上述问题的存在使点燃式燃烧过程基本只能选择汽油这种低闪点、高抗爆性（辛烷值）的燃料。
第二种是以柴油机为代表的压燃式燃烧过程：这种燃烧过程是“燃料喷射起始—压缩致热的热空气引发燃烧”，具体而言就是燃烧的引发由压缩致热的热空气引发，燃烧的起始时刻由燃料雾射流喷出的时刻决定。在这个过程中，内燃机的压缩行程压缩的是纯空气，压缩过程中的某个特定时刻，燃料喷射器喷射出燃料雾射流，燃料雾射流接触到周围由于压缩温度上升到燃料的燃点以上的热空气被引燃，燃烧过程随即起始。同样的，初期着火后的火焰自发传播引燃后面喷出的油雾，也就是说这个燃烧过程同样包含初始燃烧阶段和扩散燃烧阶段，只是这里的初始燃烧阶段，是压缩空气产生高温，喷出的油雾接触高温空气被点燃燃烧，这里的扩散燃烧阶段，就是被初始燃烧阶段产生的火焰引燃后面喷出的油雾燃烧的阶段。
这个燃烧过程的主要问题是：①要求燃料的自燃温度必须符合一定的标准，太高了即无法被温度一定的高温空气点燃；②燃料的温度必须达到一定标准，太低了即不能被点燃；③燃料的汽化热特性必须符合标准；④压缩比必须达到一定的要求，低于这个压缩比，空气被压缩后所具备的温度将不足以点燃燃料；④燃料的燃烧速度必须达到标准，否则会出现燃烧滞后、燃烧不充分进而导致功率严重下降甚至熄火的现象。
上述问题的存在决定，压燃式燃烧过程基本只适合柴油这种辛烷值较低，十六烷值较高的燃料。
上述两种燃烧过程基本只能选择汽油或柴油这两种污染较大的化石能源做燃料的情况，在目前高举环保旗帜，努力实现碳中和的时代，显然并不合适，因此开发一种可以以低碳排放，甚或“碳中和”的能源为燃料的燃烧过程及其装置，对实现环保战略目标，早日实现碳中和的环保目标具有非常重要的战略意义。
而本发明正是为解决上述问题而研发的一个应用技术方案。
发明内容
本发明提供一种内燃机全流热面点火式燃烧过程及实现装置；
所述一种内燃机全流热面点火式燃烧过程是一个通过在内燃机气缸与燃烧室之间设置的槽型曲面通道将气缸流入燃烧室的空气气流塑成带状涡流，所述带状涡流将喷嘴喷出的燃料击碎成雾状与其混合后继续流动至设置在燃烧室内根据燃料的燃烧特性设定发热温度并恒定保持设定温度的发热装置的发热表面，所述发热装置的发热表面将到达所述发热表面的空气-燃料混合物，即所述裹挟了燃料雾滴的带状空气涡流，次第点燃而实现燃烧的燃烧过程；
所述燃烧过程的所有燃料均由恒温发热装置的发热表面点燃完成燃烧，没有也不依赖初始燃烧后的扩散燃烧完成燃烧过程，此即为“全流热面点火”；
所述燃烧过程只有所述恒温发热装置的发热表面直接点燃发生的直接/初始燃烧，没有扩散燃烧；
所述燃烧过程在喷嘴喷出的燃料被所述带状涡流击碎与空气混合并引流至所述恒温发热装置的发热表面被点燃开始，在压缩冲程终止，涡流结束时结束，结束的时间与压缩冲程的结束时间完全一致，压缩冲程终止时，燃烧过程也同时终止；
所述燃烧过程中的燃料燃烧与否不受燃烧速度影响，与燃料的扩散燃烧速度无关，所有燃料均在所述带状涡流的裹挟下被带至所述恒温发热装置的发热表面后被次第点燃燃烧，此即为“燃料喷射起始—全流恒常热表面引发燃烧”；
所述燃烧过程中的燃料燃烧与被压缩的空气温度无关，压缩比的设定与燃料的燃烧特性无关，压缩比的设定不需要考虑燃料的抗爆性、自燃性、自燃温度和汽化热，不需要根据燃料的辛烷值或十六烷值设定内燃机的压缩比；
所述燃烧过程的燃料只需顺利喷入所述带状涡流即可，不需要特别考虑喷射角度和/或喷束的形态特征，也不需要特别考虑雾化的效果，即喷射出的燃料雾滴的粒度，喷嘴的安装位置没有必须遵循的特别技术要求，只要有利于喷射的燃料进入所述带状涡流即可；
所述燃烧过程的实现要素包括三个部分：①涡流发生和塑形通道；②恒温发热装置；③燃料喷射器：
所述涡流发生和塑形通道①是一个贯通内燃机气缸和燃烧室的一个具有一定形状的槽型曲面通道；
所述涡流发生和塑形通道①的宽度、表面积根据内燃机的有关技术要求设定；
所述涡流发生和塑形通道①的作用是将气缸活塞做压缩冲程时压缩至燃烧室的空气塑形为带状气流，并在压力作用下在燃烧室内形成带状涡流；
所述带状涡流应具备适当的宽度和速度，确保能在设计的时间内将后续喷出的燃料全部裹挟至所述发热装置的发热表面实现点火；
所述带状涡流将喷嘴喷出的燃料击碎成雾状燃料与空气混合并裹挟所述混合后的空燃混合物与所述发热装置的发热表面接触，接触的时候所述燃料被次第点燃燃烧。
所述恒温发热装置②是一个根据燃料自燃温度和燃烧特性设定发热温度并恒定保持设定温度的发热装置；
所述恒温发热装置②是一个与所述槽型曲面通道的曲面等宽且具有一定发热面积的发热装置，安装在气缸燃烧室内合适位置；
所述恒温发热装置②的蓄热量、发热功率等技术参数根据点燃过程所需要的热力学条件设定；
所述恒温发热装置②的作用是将带状涡流引流至所述恒温发热装置②表面的空燃混合气体点燃燃烧。
所述燃料喷射器③是一个能在给定时刻喷出一定量的燃料的阀门装置；
所述燃料喷射器③喷出燃料的时刻和时长根据所述内燃机的控制策略、技术要求和工况设定；
所述燃料喷射器③安装在所述内燃机燃烧室内合适位置；
所述燃料喷射器③向所述带状涡流喷射燃料，所述带状涡流将喷入的燃料击碎成雾状与气流中的空气混合。
所述内燃机全流热面点火式燃烧过程的基本工作过程是：
预热：内燃机起动前，恒温发热装置②开始工作加热，加热到预设温度后保持基本恒定的温度；
形成涡流：所述恒温发热装置②加热到设定温度后，发动机起动，内燃机压缩行程开始，气缸中的空气被活塞挤入燃烧室，挤入燃烧室的空气在所述涡流发生和塑形通道①的作用下，在燃烧室内部球腔中形成如图1条状虚线所示高速环形运动的带状空气涡流；
燃料喷射：内燃机压缩冲程进行中的某个预设时刻，燃料喷射器③在机械或电子装置的控制下，向燃烧室中喷射出一定量的燃料雾射流，喷出的所有燃料雾射流被前述空气涡流裹挟、混合形成如图1条状—点状复合虚线所示燃料雾-空气混合物；
燃烧过程的引发和结束：如图1所示，前述燃料雾-空气混合物形成后被继续裹挟到所述恒温发热装置②的高温热表面，随即被热表面引燃，燃烧过程开始，所有燃料均被所述恒温发热装置②次第点燃，当压缩冲程终止时，所有燃料均燃烧完结，燃烧过程随即终止。
实施本发明专利具有如下效果:
内燃机可以无差别选用任何可以在一定温度下燃烧的气体或液体燃料为燃料，这些燃料包括但不限于柴油、汽油、甲醇、乙醇、异丙醇、甲烷、LNG、LPG、CNG、沼气或其他任何适合在内燃机内雾化成空燃混合物的液体和/气体燃料。
内燃机点燃燃料的温度可以根据燃料的燃烧特性按需改变，按需设定。
改变燃料不需要改变内燃机的燃料供应系统和燃烧系统，不需要改变内燃机的点火方式，只需要修改恒温发热装置的温度即可。
燃料的温度不再是影响点火成功的因素，彻底解决内燃机的冷启动问题。
内燃机的燃烧中不再有因扩散燃烧速度不足导致的不完全燃烧及由此出现的冒黑烟、提前点火和滞后点火的现象。
内燃机的压缩比不再跟燃料的燃烧过程有直接关联，在设计上允许根据实际情况采用任何合理的压缩比。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种内燃机全流热面点火式燃烧过程的实现装置要素结构图，根据该图，本发明提供的内燃机全流热面点火式燃烧过程的实现装置包括三个部分：①涡流发生和塑形通道；②恒温发热装置；③燃料喷射器。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
以下进行详细说明。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中，在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其他实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其他实施例相结合。
本发明的说明书和权利要求书及所述附图中的任何有关数字如“①”、“②”、“③”…或“第一”、“第二”、“第三”…或其他任何类似数字在文中的出现，除非有明确的说明，都只是为了方便区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备，没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
参见图1，本发明所述一种基于恒常热表面的内燃机全流点火燃烧过程内燃机全流热面点火式燃烧过程的实现装置由三个部分组成，分别是：①涡流发生和塑形通道；②恒温发热装置；③燃料喷射器。：
所述涡流发生和塑形通道①是贯通内燃机气缸和燃烧室的槽型曲面通道；
所述涡流发生和塑形通道①的宽度、表面积根据气缸燃烧功率设定；
所述涡流发生和塑形通道①的作用是将气缸活塞做压缩冲程时压缩至燃烧室的空气塑形为带状气流，并在压力作用下在燃烧室内形成带状涡流；
所述带状涡流将喷嘴喷出的燃料发散成雾状燃料与空气混合并带着所述混合后的空燃混合物与所述发热体表面接触，接触的时候所述燃料被次第点燃燃烧。
所述恒温发热装置②是一个根据燃料自燃温度和燃烧特性设定发热温度并恒定保持设定温度的发热装置；
所述恒温发热装置②是一个与所述槽型曲面通道所发生的带状涡流将与之接触的表面等宽且具有一定发热面积的发热装置，安装在气缸燃烧室内合适位置；
所述恒温发热装置②的蓄热量、发热功率等技术参数根据点燃过程所需要的热力学条件设定；
所述恒温发热装置②的作用是将流动至其表面的空气-燃料混合物点燃，引发整个燃烧过程。
所述燃料喷射器③是一个能在给定时刻喷出一定量的燃料的阀门装置；
所述燃料喷射器③喷出燃料的时刻和时长根据所述内燃机的控制策略设定；
所述燃料喷射器③安装在所述内燃机燃烧室内合适位置；
所述燃料喷射器③向所述带状涡流喷射燃料，所述带状涡流将喷入的燃料击碎成雾状与气流中的空气混合。
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