具体实施方式

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。

请参照图2至图12，为了解决现有燃气发动机存在的问题，本发明提供了一种用于燃气发动机的燃烧室，该燃烧室与弱滚流快速燃烧系统的气缸盖结构组合使用，可以进一步提高气缸内的滚流强度，其中，弱滚流快速燃烧系统的气缸盖结构请参照发明专利（“一种弱滚流快速燃烧系统与一种燃气发动机”，公开号为CN111287860A）中所述的缸盖，该气缸盖结构由柴油机气缸盖改造而成，其形成的燃烧室顶面为平顶型结构，即，该气缸盖的气门杆沿平行于活塞轴向的方向布置，该气缸盖的进气道为弱滚流气道，具体是指气缸盖的进气道可以使进气气流在气缸内生成大尺度弱滚流运动，本文不再赘述其具体的弱滚流结构设计特征。具体的，本发明提供的燃烧室包括位于活塞1的顶部并相对活塞上顶面11向下凹陷的燃烧室凹坑，燃烧室凹坑包括由燃烧室凹坑的上侧周向边沿向底部中心区域14依次延伸布置的主导流曲面12和次导流曲面13，主导流曲面12包括沿燃烧室凹坑的周向分布的并且相对布置的第一主导流曲面121和第二主导流曲面122，第一主导流曲面121和第二主导流曲面122均为向下凹陷的球弧面，次导流曲面13包括由第一主导流曲面121的下侧边缘向底部中心区域14延伸的第一次导流曲面131以及由第二主导流曲面122的下侧边缘向底部中心区域14延伸的第二次导流曲面132，第一次导流曲面131和第二次导流曲面132均为向下凹陷的球弧面，底部中心区域14相对次导流曲面13向上凸出。

本发明的工作原理如下：

请参照图6，当燃气发动机进气时，进气门3打开，进气气流沿主导流曲面12进入燃烧室凹坑，在主导流曲面12的引导作用下生成大尺度滚流运动（如图6所示的滚流示意5），当气流运动至燃烧室凹坑底部附近区域时，由于次导流曲面13形成了围绕底部中心区域14的小型环形凹面特征，因此，次导流曲面13引导气流更容易形成围绕底部中心区域14的涡流运动，且旋转速度更高，有利于该区域湍动能的提高，因此，该燃烧室凹坑内形成大尺度滚流运动和涡流运动，有利于进气能量的维持，在压缩冲程的末期，有利于将气流破碎成小尺度湍流运动，进而提高了燃烧室内的湍动能，加快了火焰传播速度，达到快速燃烧的效果，提高了燃气发动机的热效率。

需要说明的是，发动机气缸内部的气流一般存在三种大尺度的流动形式：滚流、涡流与挤流，其中，涡流是指气体绕气缸的轴线方向有组织的旋流运动，滚流是指旋转中心轴线和气缸轴线方向垂直的气体旋流运动，挤流是指活塞表面的某一部分和气缸盖彼此靠近时产生的纵向和横向的气流运动。这三种流动形式在进气组织及燃烧过程中相互影响，对燃烧过程都有不同程度的影响。本发明通过合理分配不同的流动形式来达到改善燃烧、提升热效率的目的。

相比于现有的弱滚流气道配合直口型燃烧室结构的技术方案，本发明通过改变滚流及涡流的强度分配来加速燃烧，具体分为以下两个阶段进行：

第一阶段，在进气过程中形成大尺度的滚流与涡流，具体的，在弱滚流气道的导向作用下，进气气流的大部分流向燃烧室凹坑，由于主导流曲面12为球弧面，因此，能够引导气流形成大尺度滚流，并且，当气体流经燃烧室凹坑的底部中心区域14附近时，由于次导流曲面13形成围绕底部中心区域14的环形的球弧面，因此，气流在此处容易保持大尺度涡流运动，这样，在进气过程中就可以同时保持滚流及涡流具有较高的进气能量，有利于在压缩过程破碎成湍流；

第二阶段，在压缩过程中，随着活塞1上行，气缸内的空间逐渐变小，主导流曲面12在压缩气体过程中会进一步加强滚流强度，当活塞到达上止点附近时，即，到达压缩过程的末期时，滚流趋势仍然明显，当火花塞点火之后，滚流可以进一步持续破碎成湍流，有利于加快火焰传播速度，同时，燃烧室凹坑底部的涡流运动也会与滚流和湍流碰撞并破碎成湍流，从而进一步提高火花塞附近的火焰传播速度。

另外，请参照图11，图11为本发明提供的燃烧室与现有技术中的浅盆形燃烧室的压缩气流速度场对比图。图11左侧的一列由上而下的三个图为现有技术中的浅盆形燃烧室配合弱滚流气道结构时（即原方案）的气流速度场随压缩冲程的进行而变化的示意图，图11右侧的一列由上而下的三个图为本发明提供的燃烧室凹坑配合弱滚流气道结构时（即本方案）的气流速度场随压缩冲程的进行而变化的示意图，图11中每个燃烧室纵截面的右侧为进气侧，左侧为排气侧，燃烧室内的许多小箭头表示气流速度场。图11中由上而下的三行图分别表示压缩开始阶段的气流速度场、压缩过程前中期的气流速度场以及压缩末期的气流速度场。由图11可见，在压缩开始阶段（压缩上止点前150度），本方案形成的大尺度滚流运动趋势更加明显，对于进气能量的维持至关重要。在压缩过程中期（压缩上止点前90度），本方案继续加强滚流运动。在压缩末期（压缩上止点前24度），本方案滚流趋势仍然明显，在火焰传播过程中，滚流可以进一步持续破碎，对于加快火焰传播速度有利。

需要说明的是，第一主导流曲面121的半径R1和第二主导流曲面122的半径R2相等或不等；

和/或，第一次导流曲面131的半径R3和第二次导流曲面132的半径R4相等或不等。

优选地，主导流曲面的最小半径大于次导流曲面的最大半径。如此设置，可以利用半径较大的主导流曲面将气流引导形成大尺度滚流运动，并且利用半径较小的次导流曲面形成的环形球弧面将环绕活塞中心部位的气流组织成涡流运动。

优选地，第一主导流曲面121的半径R1和第二主导流曲面122的半径R2均为缸径D（如图4所示）的0.3~0.36倍，即，R1＝（0.3~0.36）D；R2＝（0.3~0.36）D；如图4所示，该特征通过控制主导流曲面12的两部分的半径大小来决定气流进入燃烧室凹坑时被导向的程度，从而影响滚流运动的方向；

和/或，第一次导流曲面131的半径R3和第二次导流曲面132的半径R4均为缸径D的0.2~0.26倍，即，R3＝（0.2~0.26）D，R4＝（0.2~0.26）D；如图5所示，次导流曲面13与主导流曲面12相切布置，R3和R4决定了气流在燃烧室凹坑内部翻滚的形式，R3和R4越大则气流翻滚约平滑，越小则翻滚越强烈。

优选地，第一主导流曲面121的球心（如图4中所示的第一球心123）和第二主导流曲面122的球心（如图4中所示的第二球心124）均位于活塞上顶面11的上方；和/或，第一次导流曲面131的球心（如图5中所示的第三球心133）和第二次导流曲面132的球心（如图5中所示的第四球心134）均位于活塞上顶面11的下方。

优选地，第一主导流曲面121的球心（第一球心123）与活塞上顶面11的距离H1以及第二主导流曲面122的球心（第二球心124）与活塞上顶面11的距离H2均为缸径D的0.04~0.08倍，即，H1＝（0.04~0.08）D，H2＝（0.04~0.08）D；H1和H2可以设计为相等或不相等；

和/或，第一次导流曲面131的球心（第三球心133）与活塞上顶面11的距离H3以及第二次导流曲面132的球心（第四球心134）与活塞上顶面11的距离H4均为缸径D的0.05~0.09倍，即，H3＝（0.05~0.09）D，H4＝（0.05~0.09）D。H3和H4可以设计为相等或不相等。

优选地，第一主导流曲面121的球心（第一球心123）和第二主导流曲面122的球心（第二球心124）重合布置或分离布置；

和/或，第一次导流曲面131的球心（第三球心133）和第二次导流曲面132的球心（第四球心134）重合布置或分离布置。

需要说明的是，上述第一球心123、第二球心124、第三球心133和第四球心134可以位于活塞1的轴线（活塞轴线2）上，也可以与活塞轴线2相距一段距离。在一种优选方案中，第一主导流曲面121的球心（第一球心123）和第二主导流曲面122的球心（第二球心124）重合布置并位于活塞1的轴线（活塞轴线2）上；

和/或，第一次导流曲面131的球心（第三球心133）和第二次导流曲面132的球心（第四球心134）重合布置并位于活塞轴线2上。

优选地，主导流曲面12的整体和/或次导流曲面13的整体为球弧面。即，第一主导流曲面121的半径R1与第二主导流曲面122的半径R2相等且第一球心123和第二球心124重合布置，和/或，第一次导流曲面131的半径R3与第二次导流曲面132的半径R4相等且第三球心133和第四球心134重合布置。如此布置，可以使燃烧室凹坑的加工难度降低。

在另一种优选方案中，第一主导流曲面121的球心（第一球心123）和第二主导流曲面122的球心（第二球心124）分别位于活塞轴线2的两侧；和/或，第一次导流曲面131的球心（第三球心133）和第二次导流曲面132的球心（第四球心134）分别位于活塞轴线2的两侧。

优选地，第一球心123和第二球心124的连线与进排气门连线平行布置；和/或，第三球心133和第四球心134的连线与进排气门连线平行布置。如此布置，可以使气流在进入主导流曲面12之后向排气门4下方流动。

需要说明的是，本方案中第一球心123和第二球心124分别与活塞轴线2的距离可以相同，也可以不同。当两者相同时，燃烧室凹坑的回转中心和活塞轴线2重合。当两者不同时，燃烧室凹坑的回转中心和活塞轴线2不重合，此时，可以设计燃烧室凹坑向一个方向偏移，从而利于有针对性的控制滚流的方向。

在一种优选方案中，第一球心123和第二球心124对称分布于活塞轴线2的两侧；和/或，第三球心133和第四球心134对称分布于活塞轴线2的两侧。在该方案中，第一球心123和第二球心124与活塞轴线2的距离相等，和/或，第三球心133和第四球心134与活塞轴线2的距离相等。

优选地，第一球心123与活塞轴线2的距离S1以及第二球心124与活塞轴线2的距离S2均为缸径D的0.04~0.07倍，即，S1＝（0.04~0.07）D，S2＝（0.04~0.07）D；

和/或，第三球心133与活塞轴线2的距离S3以及第四球心134与活塞轴线2的距离S4均为缸径D的0.06~0.11倍，即，S3＝（0.06~0.11）D，S4＝（0.06~0.11）D。

燃烧室凹坑的次导流曲面13与主导流曲面12相切布置，决定了气流进入燃烧室凹坑之后翻滚的形式，S3和S4配合S1和S2共同确定了燃烧室的整体结构和宽度。

进一步地，第一球心123和第二球心124之间的距离L1＝（0.08~0.13）D；如此设计的目的是控制燃烧室凹坑整体宽度，避免燃烧室凹坑过宽。第三球心133和第四球心134之间的距离L2＝（0.12~0.22）D。

下面，通过试验仿真来对比原方案与本发明方案，选择标定点（点火时刻为-25°CA）为计算工况，利用三维仿真计算软件对比原方案与本发明方案的仿真结果。请参照图7至图10，图7为标定点缸内滚流强度变化曲线；图8为标定点缸内涡流强度变化曲线；图9为标定点放热率变化曲线；图10为标定点缸压变化曲线。图7至图10中用带有圆点的实线或虚线来代表本发明方案（即本方案）的变化曲线，另一种不带有圆点的实线或虚线则代表现有技术（即原方案）的变化曲线。

由图7可见，在压缩过程中，本方案的滚流得以快速强化，在压缩冲程末期，滚流破碎，滚流比急剧降低。由图8可见，在进气阶段和压缩过程中，本方案均能维持较高强度的涡流运动。

由图9可见，本方案在燃烧初期的瞬时放热率明显高于原方案，即，本发明可以在燃烧初期提高燃烧速度，这是因为本发明增强的滚流以及较强的涡流在压缩末期能够有效增加缸内的小尺度湍流，对于火焰传播及燃烧速度的提升更加有利，而燃烧初期放热率的提升又直接提高了燃料总能量的利用率，即，本发明使得燃烧的主要放热阶段更多地处于做功过程。由图9还可见，在后期燃烧阶段（曲轴转角20°CA之后），本方案的后期燃烧较慢，对于维持低负荷排气温度有利，同时，可以提高后处理转化效率，NOx生成量也会降低。另外，请参照图12，图12为本发明提供的燃烧室与现有技术中的浅盆形燃烧室的火焰面对比图。图12中的火焰为1500K温度等值面的火焰示意，左侧一列为现有技术的浅盆形燃烧室方案（即原方案）的火焰面变化示意，右侧一列为本发明燃烧室凹坑方案（即本方案）的火焰面变化示意。由图12可见，在曲轴转角为0°CA~20°CA时，原方案的排气侧下方区域还在燃烧，燃烧室凹坑内还有较多火焰，而本方案排气侧下方区域与燃烧室凹坑内部基本燃烧完毕，大部分火焰已经到达活塞上方的燃烧室空间，可见，本方案在燃烧前期的燃烧速度更快。相比于原方案，本方案后期的燃烧速度较慢，即后燃迟滞，有利于维持排温，改善后处理效果。

由图10可见，本方案的缸压可达到13.42MPa（134.2bar），明显高于原方案的12.306MPa（123.06bar），这表示本发明可以进一步提升燃烧过程释放的压力，改善燃烧特性，提高发动机效率。

本发明具有以下有益效果：

1）通过主导流曲面加强滚流，并通过次导流曲面将涡轮强度维持在较高水平，有利于维持进气能量，打破了现有技术中涡流和滚流之间的此消彼长的规律；

2）本发明具有较高的适应性和通用性，能够适应目前主流的燃气发动机进气道（包括垂直型进气道和倾斜型进气道），对活塞的安装方向没有要求。

本发明还提供了一种包括如上所述的燃烧室的燃气发动机。该燃气发动机产生的有益效果的推导过程与上述燃烧室带来的有益效果的推导过程大体类似，故本文不再赘述。

需要说明的是，本文中所述的垂直型进气道具体是指，两进气门中心连线与曲轴轴线方向垂直布置或接近垂直布置；倾斜型进气道具体是指，两进气门中心连线与曲轴轴线方向存在一定的夹角。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。