CN109404156A - 直喷式柴油机的燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直喷式柴油机的燃烧室，其位于活塞本体的活塞顶面的中心或非中心，燃烧室包括上部台阶、缩口、底部圆弧以及中心凸台。上部台阶为燃烧室与活塞顶面圆弧接触的环形面，上部台阶的轴向截面包括自上而下的第一台阶直线段以及第二台阶直线段；缩口位于上部台阶的下方，缩口呈环状弧形凸出状，并与第二台阶直线段的下部光滑圆弧衔接；底部圆弧位于燃烧室的底部，底部圆弧与缩口的下部光滑圆弧衔接；中心凸台位于燃烧室的中心，中心凸台实质上呈圆台状，中心凸台包括自上而下堆砌的第一凸台、第二凸台以及第三凸台；第三凸台的下部与底部圆弧光滑圆弧衔接。借此，可以达到提高燃油经济性降低排放污染物的目的。

Description

直喷式柴油机的燃烧室

技术领域

本发明是关于柴油发动机制造领域，特别是关于一种直喷式柴油机的燃烧室。

背景技术

目前，国家法规真对柴油机的燃油经济性和尾气污染物排放限制要求不断提高，2020年7月全国范围将对柴油机动力的城市车辆实施严格的国六b排放法规，2019年7月我国将实行第三阶段的重型商用车辆燃料消耗量限值，第三阶段限值比第二阶段降低15％。因此，为满足法规要求必须设计高效清洁的燃烧***，其中燃烧室形状是柴油机燃烧***的关键之一，必须根据柴油机运行工况的特点合理组织缸内油气混合过程，从而达到充分燃烧、并抑制污染物生成的目的。

目前典型的直喷柴油机燃烧室形状是缩口的ω形状，请参见图1，及其变形形状，请参加图2。ω形状的燃烧室位于活塞本体1的活塞顶面2的中心或非中心处。图1-图2绘示的为位于中心处的实施例。

ω形燃烧室的特点是：燃烧室中心设有凸台3，凸台多为圆台形状而部分燃烧室凸台顶为球面，凸台侧面9向燃烧室底部延伸；燃烧室达到最大直径后形成下部燃烧室空间15，然后又向活塞顶面延伸时燃烧室直径逐渐减小直到最小值，使燃烧室形成一个缩口11，缩口也称为喉口，然后燃烧室直径保持不变或在到达活塞顶面2之前有倒角圆弧使燃烧室直径稍微增大。

缩口ω形的变形燃烧室的特点是：从缩口11向活塞顶面2延伸时，燃烧室直径再增大，在缩口11和活塞顶面2之间用一个台阶形状或者斜面形状形成上部燃烧室空间14。缩口的ω形燃烧室配合进气涡流，可以充分利用燃烧室内的空气组织燃烧；而有台阶或斜面过渡的变形ω形燃烧室增大了上部燃烧室空间14，改善缸内油气混合质量，提高燃烧经济性并降低碳烟排放。

典型的ω形燃烧室中心凸台的顶面为平面或球面，凸台侧面的母线是与燃烧室中心线成一定夹角并与燃烧室底部圆弧相切的直线。凸台的作用一方面是在燃油喷入燃烧室的阶段，将燃烧室中心的空气挤向两侧促进油气混合，另一方面是将进入燃烧室底部的混合气导流向燃烧室中心，并在活塞下行阶段继续导流。燃烧室深度决定着凸台侧面母线与燃烧室中心线的夹角，燃烧室深度越小，凸台侧面母线与燃烧室中心线的夹就越大，凸台侧面就越平缓，则进入凹坑的混合气越易向中心移动。

为了提高柴油机燃油经济性，提高压缩比是技术措施之一，而压缩比的提高意味着燃烧室容积需要减小。燃烧室容积可单独通过减小燃烧室深度或燃烧室直径来减小，也可通过同时减小燃烧室深度和燃烧室直径来减小。燃烧室深度减小后，使凸台的侧面距离喷油孔轴线更近，凸台侧面也变得变得平缓，进入燃烧室底部的混合气在凸台侧面导流下会与喷孔轴线方向形成的混合气汇合使混合气过浓，造成后燃期放热率降低，燃烧持续期加长，燃油经济性和碳烟排放恶化。减小燃烧室直径(包括大径和小径)可保持燃烧室深度不变，但这使得燃油蒸汽过早碰撞缩口壁面，而且进入燃烧室底部的混合气运动发展空间变小，到达凸台斜坡的路径变短，致使凹坑内混合气质量变差，混合气于更早时刻到达凸台侧面并开始爬升向燃烧室中心运动，也会造成后燃期放热率降低，燃烧持续增长，燃油经济性和碳烟排放恶化。同时减小燃烧室深度和燃烧室直径的方法，也无法消除上述混合气质量变差的现象，无法达到高压缩比燃烧室改善燃油经济性，抑制排放污染物的目的。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直喷式柴油机的燃烧室，其能够很好地克服上述现有技术的燃烧室存在的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供了一种直喷式柴油机的燃烧室，其位于活塞本体的活塞顶面的中心或非中心，且位于销孔的上方，燃烧室的径向呈圆形，轴向截面呈ω状，燃烧室包括上部台阶、缩口、底部圆弧以及中心凸台。上部台阶为燃烧室与活塞顶面圆弧接触的环形面，上部台阶的轴向截面包括自上而下的第一台阶直线段以及第二台阶直线段；缩口位于上部台阶的下方，缩口呈环状弧形凸出状，并与第二台阶直线段的下部光滑圆弧衔接；底部圆弧位于燃烧室的底部，底部圆弧与缩口的下部光滑圆弧衔接；中心凸台位于燃烧室的中心，中心凸台实质上呈圆台状，中心凸台包括自上而下堆砌的第一凸台、第二凸台以及第三凸台；第三凸台的下部与底部圆弧光滑圆弧衔接。

在一优选的实施方式中，第一台阶直线段与活塞顶面的夹角在53°～57°之间，第二台阶直线段与活塞顶面的夹角在18°～22°之间，第一台阶直线段与第二台阶直线段之间为光滑圆弧衔接。

在一优选的实施方式中，缩口的圆弧的圆心距活塞顶面的距离与燃烧室的深度之比在0.35～0.45之间；第一台阶直线段顶部的最大开口直径与缩口的最小直径之比在1.30～1.32之间。

在一优选的实施方式中，中心凸台的轴向截面包括自上而下的第一凸台侧面母线、第二凸台侧面台母线以及第三凸台侧面母线。

在一优选的实施方式中，第一凸台侧面母线与中心凸台的顶面通过凸台圆弧光滑过渡衔接；第三凸台侧面母线与底部圆弧光滑过渡衔接；第一凸台侧面母线与第二凸台侧面台母线通过第一母线过渡圆弧光滑过渡衔接；第二凸台侧面台母线与第三凸台侧面母线通过第二母线过渡圆弧光滑过渡衔接。

在一优选的实施方式中，第一凸台侧面母线与燃烧室中心线的夹角大于第二凸台侧面台母线与燃烧室中心线的夹角，第一凸台侧面母线与燃烧室中心线的夹角小于第三凸台侧面母线与燃烧室中心线的夹角。

在一优选的实施方式中，第一凸台侧面母线的延长线与第二凸台侧面台母线的延长线的交点距燃烧室中心线的距离与燃烧室下部空间的最大直径之比在0.05～0.095之间。

在一优选的实施方式中，中心凸台的顶面低于活塞顶面。

与现有技术相比，本发明的直喷式柴油机的燃烧室具有以下有益效果：燃烧室中心凸台由三个圆台堆砌构成，三个圆台的侧面母线通过之间的两段圆弧光滑过渡衔接，且自上而下的三段侧面母线与燃烧室中心线的夹角是第一段的夹角大于第二段的夹角，而第三段的夹角又大于第一段的夹角，这样的凸台结构，使进入燃烧室底部的燃油-空气混合气进行阶梯式爬升，向燃烧室中心及上部运动。再通过设计合理的缩口圆弧的圆心位置和圆弧半径、燃烧室上部开口直径、形成台阶面的两条台阶直线段的角度，使得喷入燃烧室上部的燃油蒸汽比例合理。该燃烧室既对挤流区空气利用较高，又不会使大量高温燃气运动到气缸壁面；因此，可改善后燃期混合气质量，提高燃烧放热率，促进缸内碳烟的氧化，抑制氮氧化物大量生成，达到提高燃油经济性降低排放污染物的目的。

附图说明

图1是现有技术一实施方式的燃烧室的轴向截面示意图。

图2是现有技术另一实施方式的燃烧室的轴向截面示意图。

图3是根据本发明一实施方式的燃烧室的轴向截面示意图。

图4是根据本发明一实施方式的燃烧室的喷入燃油运动示意图。

主要附图标记说明：

1-活塞本体，2-活塞顶面，3-中心凸台，4-凸台圆弧，5-第一凸台侧面母线，6-第一母线过渡圆弧，7-第二凸台侧面台母线，8-第二母线过渡圆弧，9-第三凸台侧面母线，10-底部圆弧，11-缩口，12-第二台阶直线段，13-第一台阶直线段，14-上部空间，15-下部空间，16-燃烧室中心线，α-第一凸台侧面母线与燃烧室中心线的夹角，β-第二凸台侧面台母线与燃烧室中心线的夹角，γ-第三凸台侧面母线与燃烧室中心线的夹角，α1-第一台阶直线段与活塞顶面的夹角，α2-第二台阶直线段与活塞顶面的夹角，D1-最带开口直径，D2-缩口最小直径(燃烧室小径)，D3-燃烧室下部空间的最大直径(燃烧室大径)，R-第一凸台侧面母线的延长线与第二凸台侧面台母线的延长线的交点距燃烧室中心线的距离，H-燃烧室深度，h-缩口的圆弧的圆心距活塞顶面的距离。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

如图3至图4所示，图3是根据本发明一实施方式的燃烧室的轴向截面示意图。图4是根据本发明一实施方式的燃烧室的喷入燃油运动示意图。根据本发明优选实施方式的一种直喷式柴油机的燃烧室，其位于活塞本体1的活塞顶面2的中心或非中心，且位于销孔的上方，燃烧室的径向呈圆形，轴向截面类似ω状，燃烧室实际是ω形状沿燃烧室中心线16回转形成，燃烧室包括上部台阶、缩口11、底部圆弧10以及中心凸台3。缩口11以上的区域形成上部空间14，缩口11以下的区域形成下部空间15。

在一些实施方式中，上部台阶为燃烧室与活塞顶面2通过圆弧接触的环形面，上部台阶的轴向截面包括自上而下的第一台阶直线段13以及第二台阶直线段12。第一台阶直线段13与活塞顶面2的夹角在53°～57°之间，第二台阶直线段12与活塞顶面2的夹角在18°～22°之间，第一台阶直线段13与第二台阶直线段12之间为光滑圆弧衔接。燃烧室的上部台阶的环形面实际是由第一台阶直线段13和第二台阶直线段12以及光滑圆弧衔接沿燃烧室中心线16回转形成。

在一些实施方式中，缩口11位于上部台阶的下方，缩口11呈环状弧形凸出状，并与第二台阶直线段12的下部光滑圆弧衔接。构成缩口11的圆弧位置决定了缩口直径D2(燃烧室小径)和缩口11相对活塞顶面2的距离h，缩口11的圆弧的圆心距活塞顶面2的距离h与燃烧室的深度H之比在0.35～0.45之间；第一台阶直线段13顶部的最大开口直径D1与缩口11的最小直径D2之比在1.30～1.32之间。

在一些实施方式中，底部圆弧10位于燃烧室的底部，底部圆弧10上与缩口11的下部光滑圆弧衔接，下与中心凸台3的第三凸台的下部光滑圆弧衔接。底部圆弧10向上延伸使燃烧室下部直径达到最大值(俗称燃烧室大径D3)后燃烧室直径开始缩小形成缩口11。

在一些实施方式中，中心凸台3位于燃烧室的中心，中心凸台3实质上呈圆台状，一般中心凸台3的顶面可以是平面，也可以是球面，本实施例绘示的是平面，但本发明并不以此为限。中心凸台3包括自上而下堆砌的第一凸台、第二凸台以及第三凸台；第三凸台的下部与底部圆弧10光滑圆弧衔接。中心凸台3的轴向截面包括自上而下的第一凸台侧面母线5、第二凸台侧面台母线7以及第三凸台侧面母线9。第一凸台侧面母线5与中心凸台3的顶面通过凸台圆弧4光滑过渡衔接；第三凸台侧面母线9与底部圆弧10光滑过渡衔接；第一凸台侧面母线5与第二凸台侧面台母线7通过第一母线过渡圆弧6光滑过渡衔接；第二凸台侧面台母线7与第三凸台侧面母线9通过第二母线过渡圆弧8光滑过渡衔接。第一凸台侧面母线5与燃烧室中心线16的夹角α大于第二凸台侧面台母线7与燃烧室中心线16的夹角β，第一凸台侧面母线5与燃烧室中心线16的夹角α小于第三凸台侧面母线9与燃烧室中心线16的夹角γ。

在一些实施方式中，第一凸台侧面母线5的延长线与第二凸台侧面台母线7的延长线的交点距燃烧室中心线16的距离R与燃烧室下部空间的最大直径D3之比在0.05～0.095之间。

在一些实施方式中，一般中心凸台3的顶面要低于活塞顶面2。

综上所述，本发明的直喷式柴油机的燃烧室与最接近的现有技术相比，本发明燃烧室的特点是设计由三个圆台堆砌构成燃烧室中心凸台，并通过缩口将燃烧室空间分为上下两个部分。对于燃烧室上部，通过设计合理的缩口圆弧的圆心位置和圆弧半径、燃烧室上部开口直径、形成台阶面的两条台阶直线段的角度，使得喷入燃烧室上部的燃油蒸汽比例合理。燃油蒸汽进入台阶面后，由第一台阶直线段形成的环面较宽，蒸汽有充分的运动空间，环面与活塞顶面20°左右的夹角保证蒸汽不会在台阶上滞留；由第二台阶直线段形成的环面与活塞顶面55°左右的夹角，对燃油蒸汽进入挤流区导流效果好，如图4所示，蒸汽在环面的导流下大部分冲向缸盖底面再返折进入挤流区，小部向燃烧室中心方向运动，剩余部分沿环面爬上活塞顶面向缸壁的方向运动。因此，本发明的燃烧室既对挤流区空气利用较高，又不会使大量高温燃气运动到气缸壁面。

本发明的燃烧室的中心凸台由三个圆台堆砌的结构，使凸台侧面的母线不再是单一直线段，而变为三段与燃烧室中心线夹角不同的直线段及过渡圆弧。凸台结构使进入燃烧室底部的燃油-空气混合气进行阶梯式爬升，向燃烧室中心及上部运动。如图4所示，与燃烧室底部圆弧相切的直线段与燃烧室中心线的夹角γ大于上圆台侧面母线与燃烧室中心线的夹角α，α取值为典型单一圆台结构凸台的角度值。γ>α使得下圆台的侧面距喷孔轴线的距离增大，降低了燃油蒸汽经燃烧室底部圆弧导流后沿下圆台侧面向上运动时与喷油器轴线方向的燃油蒸汽混合加浓的程度。将中圆台侧面母线与燃烧室中心线夹角β取值较小，可将沿下圆台侧面爬升上来的燃油蒸汽进一步抬升至上圆台顶面，充分利用燃烧室中心和上部的空气。阶梯式的凸台侧面也使燃油蒸汽运动的路径比斜坡式的侧面长，利于改善混合气质量。总之，本发明的燃烧室可改善后燃期混合气质量，提高燃烧放热率，促进缸内碳烟的氧化，抑制氮氧化物大量生成，达到提高燃油经济性降低排放污染物的目的。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (8)

1.一种直喷式柴油机的燃烧室，其位于活塞本体的活塞顶面的中心或非中心，且位于销孔的上方，其特征在于，所述燃烧室的径向呈圆形，轴向截面呈ω状，所述燃烧室包括：

上部台阶，其为所述燃烧室与所述活塞顶面圆弧接触的环形面，所述上部台阶的轴向截面包括自上而下的第一台阶直线段以及第二台阶直线段；

缩口，其位于所述上部台阶的下方，所述缩口呈环状弧形凸出状，并与所述第二台阶直线段的下部光滑圆弧衔接；

底部圆弧，其位于所述燃烧室的底部，所述底部圆弧与所述缩口的下部光滑圆弧衔接；以及

中心凸台，其位于所述燃烧室的中心，所述中心凸台实质上呈圆台状，所述中心凸台包括自上而下堆砌的第一凸台、第二凸台以及第三凸台；所述第三凸台的下部与所述底部圆弧光滑圆弧衔接。

2.如权利要求1所述的直喷式柴油机的燃烧室，其特征在于，所述第一台阶直线段与所述活塞顶面的夹角在53°～57°之间，所述第二台阶直线段与所述活塞顶面的夹角在18°～22°之间，所述第一台阶直线段与所述第二台阶直线段之间为光滑圆弧衔接。

3.如权利要求1所述的直喷式柴油机的燃烧室，其特征在于，所述缩口的圆弧的圆心距所述活塞顶面的距离与所述燃烧室的深度之比在0.35～0.45之间；所述第一台阶直线段顶部的最大开口直径与所述缩口的最小直径之比在1.30～1.32之间。

4.如权利要求1所述的直喷式柴油机的燃烧室，其特征在于，所述中心凸台的轴向截面包括自上而下的第一凸台侧面母线、第二凸台侧面台母线以及第三凸台侧面母线。

5.如权利要求4所述的直喷式柴油机的燃烧室，其特征在于，所述第一凸台侧面母线与所述中心凸台的顶面通过凸台圆弧光滑过渡衔接；所述第三凸台侧面母线与所述底部圆弧光滑过渡衔接；所述第一凸台侧面母线与所述第二凸台侧面台母线通过第一母线过渡圆弧光滑过渡衔接；所述第二凸台侧面台母线与所述第三凸台侧面母线通过第二母线过渡圆弧光滑过渡衔接。

6.如权利要求4所述的直喷式柴油机的燃烧室，其特征在于，所述第一凸台侧面母线与所述燃烧室中心线的夹角大于所述第二凸台侧面台母线与所述燃烧室中心线的夹角，所述第一凸台侧面母线与所述燃烧室中心线的夹角小于所述第三凸台侧面母线与所述燃烧室中心线的夹角。

7.如权利要求4所述的直喷式柴油机的燃烧室，其特征在于，所述第一凸台侧面母线的延长线与所述第二凸台侧面台母线的延长线的交点距所述燃烧室中心线的距离与燃烧室下部空间的最大直径之比在0.05～0.095之间。

8.如权利要求1所述的直喷式柴油机的燃烧室，其特征在于，所述中心凸台的顶面低于所述活塞顶面。