CN86108109A - 内燃机的燃烧室装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一个内燃机的燃烧室装置，该装置能使内燃机在任何负荷运转时获得稳定的发火性能和稳定的燃烧性能。该燃烧室装置包括一个活塞，该活塞有一个从其顶部轴向向下凹进部分而形成的燃烧室和一个在径向外延沿活塞深度方向的燃烧室周壁的凹进处形成的凹进部分，在凹进部分里产生的部分浓混合气改善了发火性能。同时适当浓度的混合气分散在燃烧室内，使凹进部分内产生的火焰可以传播到燃烧室内的混合气上。

Description

本发明涉及到一个内燃机的燃烧室装置，特别是涉及到可在任何运转负荷下使用如酒精和汽油之类低十六烷（setane）值燃料的内燃机燃烧室装置。

直喷式柴油机是内燃机的一种，它通常有一个具有高热效率和低油耗的燃烧室。如在日本新案No.59-81775公开的内容及图14和15所示就是这种内燃机。

在已有技术中，该装置包括一个燃油喷嘴b和几个灼热塞m，灼热塞m固定在气缸盖上，其加热部分m₁可以调到如图14所示的位置上，即在活塞h在上死点时，m₁在活塞h顶部i的燃烧室f里。

如图15所示，燃油喷嘴b包括一个构成外壳的喷嘴体j，和一个安置在喷嘴体j内可上下运动的针阀c。喷嘴体j有辅助喷孔d。当针阀c上升的值比预定的上升值小时，就通过喷孔d使燃料雾化和喷射。当针阀c上升的值比预定的上升值大时，则通过主喷孔e使燃料雾化和喷射。辅助喷孔d是在这样的方向上的，即当活塞h在上死点时，通过辅助喷孔d喷出的雾化燃油应朝向灼热塞m的加热部分m₁。此时，经主喷孔e喷出的雾化燃油则不朝向灼热塞m的加热部分m₁。此外，在所述的这种装置中，灼热塞m可有多个，并且主喷孔e和辅助喷孔d分别与灼热塞的数目相同。

在所述的燃烧室装置中，首先是辅助喷孔d将燃料（轻油）雾化喷出，由灼热塞m引燃，然后，主喷孔将燃料（轻油）雾化喷出，由扩散的火焰点燃。这样，所述的装置可以在油耗和输出功率方面获得好的燃烧性能，减少发火延迟期。

然而，在所提到的柴油机里使用的燃油仅限为轻油，而如酒精和汽油这样的低十六烷值和易挥发的燃油仍然是不能在这种发动机中使用的。

这是因为从燃油喷嘴的结构观点来看，发动机在低负荷运转时，通过辅助喷孔d喷出的燃油量相对于燃烧室的体积来说是很小的，并且燃油的挥发性过高，从而这些喷射的燃油在瞬间就被汽化了。

因此，在低负荷运转的发动机上，燃烧室内的空气和燃油的混合汽浓度变得过稀，在灼热塞周围也很难产生浓的混合汽。

本发明就是用来解决上述问题的。

本发明的目的是设置一个内燃机的燃烧室装置，它在内燃机包括起动的任何负荷下都能够使具有低十六烷值的挥发性燃油如轻油、酒精和汽油等也能发火，而没有失火现象。

为了达到此目的，根据本发明，内燃机的燃烧室具有下述结构。

活塞有一个沿轴向由顶端凹坑部分形成的燃烧室。活塞还有一个凹进部分，它是由活塞沿深度方向的燃烧室周壁的径向外凹形成的。火花塞装在这样的位置上;当活塞移动到上死点附近时，其放电部分处于活塞的凹进部分里。燃油喷嘴使燃油雾化，并把油喷入凹进部分和燃烧室内。

在工作过程中，用于燃烧的旋流空气进入活塞顶部的燃烧室内。在燃烧室内，旋流的空气产生一个涡流，它围绕燃烧室的中心轴旋转。由于流体惯性，涡流几乎无法进入到凹进部分。

同时，被燃油喷嘴雾化和喷射到凹进部分的燃油，由于燃烧室的内壁和压缩空气的加热，在凹进部分里部分地挥发，并与凹进部分里的空气相混，形成混合汽。由于涡流的存在，使凹进部分内产生的混合汽不能流入燃烧室内。因而在凹进部分的混合汽的浓度就可以适当的调节，即使燃油有高的挥发性，在凹进部分仍可产生浓混合汽，从而通过火花塞可以实现稳定的发火和燃烧。

另一方面，在燃烧室内雾化和喷射的燃油被燃烧室的压缩空气和燃烧室壁的热量汽化。因此，汽化了的燃油由涡流带动，与燃烧室的空气混合，从而浓度均匀的混合汽在燃烧室内扩散和分布。同时，当凹进部分内产生的火焰能量进入到燃烧室内，混合汽迅速燃烧。

附图说明

图1是本发明第一个实施例的内燃机的局部纵向剖视示意图。

图2是图1所示内燃机的顶视示意图。

图3是一个燃油喷嘴的局部剖视放大图。

图4至6是表示第一个实施例的内燃机燃烧室的燃烧状态简图。

图7是本发明的第二个实施例的内燃机燃烧室装置的局部纵向剖视示意图。

图8是图7所示的内燃机的顶视图。

图9、10和11分别是表示图7所示燃烧室装置里燃烧状态的顶视图、纵向剖视图和另一个顶视图。

图12和13是本发明不同实施例的顶视图。

图14是表示常规内燃机燃烧室装置的局部纵向剖视示意图。

图15是图14所示内燃机的燃油喷嘴的局部纵向剖视放大图。

现在参照图1至6对本发明的第一个实施例进行描述。

如图1所示，1表示活塞，2表示活塞1的顶部，3表示燃烧室，它是由在活塞1的顶部2、以活塞1的顶面2a为基准面轴向向下的凹坑构成的，5表示气缸盖。

旋转的进气流从涡流口（图中未示出）进入燃烧室3内，燃烧室有一个大致为圆形的、垂直于活塞1的轴向的横截面，因此这样的旋流产生一个涡流S₁，它围绕着燃烧室3的周壁3a旋转。

本发明的内燃机燃烧室装置的优点表现在：使用挥发性的燃料或低十六烷值的燃料（如汽油和酒精），即使是在低温起动的情况下也不会失火，保证很好的燃烧。

为实现这一优点，燃烧室3、用于雾化和输送燃料到燃烧室3内的燃料喷嘴和一个有利于发火的火花塞如下构造和安装：

燃烧室3的周壁3a在径向外延方向沿着深度的方向凹进以形成一个弧形的凹进部分4，它不允许涡流S₁很容易地进入其内。

换句话说，凹进部分4相对于圆形横截面的燃烧室3形成一个沿径向外延凸出的空间，火花塞19安置和固定在缸盖5上，其放电部分19a便可处于凹进部分4里。

本发明的实施例中所使用的燃油喷嘴9具有如图3所示的结构。

如图3所示，燃油喷嘴9包括一个圆柱形的喷嘴壳体10和一个针阀11，针阀安装在壳体10内可以上下移动。喷嘴壳体10有一个在靠近其底端处形成的阀座12，用来使针阀11的底座部分11a落座。喷嘴壳体10还有一个燃油喷射腔14，它由比阀座12更靠近底端的一部分形成。当针阀11的阀座部分11a从喷嘴体10的阀座12离开时，在针阀11一端的节流部分13相应开启，燃油喷射腔14即与一个燃油腔（图中未示出）相通。在阀座12上开有直径很小的单个辅助喷孔15，在构成燃油喷射腔14的喷嘴壳体10的底端16开有多个（在本实施例中其为3个）主喷孔17，它们在一圆形空间里是相互连通的。主喷孔17的直径d₁大于辅助喷孔15的直径d₂。18表示一个与针阀11的端部同轴相邻连接的导向部分，在针阀11达到预定升程之前它只允许辅助喷嘴孔15打开。因此，导向部分18的长度便确定了节流间隙，在此间隙里只有辅助喷孔15是打开的。

燃油喷嘴9为倒锥针副喷孔式喷嘴（Pintaux式喷嘴），在喷嘴中，当针阀11上升到预定升程时，只打开辅助喷孔15。只有在针阀11的上升值比预定值大时，主喷孔17才被打开。

具有上述结构的燃油喷嘴9（如前所述）是安装并固定在缸盖5上的。特别是，燃油喷嘴9基本上是位于燃烧室3的中心位置上的。近一步说，燃油喷嘴9是位于这样一个位置上，即：在活塞1压缩冲程快要终了时（也就是上死点附近），主喷孔17面对着燃烧室3的周壁3a，而辅助喷孔则面对涡流s₁的一部分，这一部分是在凹进部分4中的火花塞19的放电部分19a的上游的。

换句话说，主喷孔17是这样设置的：它能在不同的方向上将燃油雾化并喷入燃烧室3内，以获得浓度均匀的混合汽在燃烧室内的均匀分布，而辅助喷孔15则是这样设置的：它能将雾化燃油喷入到凹进部分4内，使凹进部分4内产生适当高的浓度和高的发火性能的混合汽。

下面对工作过程进行描述：

内燃机在起动或在低负荷运转下，内燃机的针阀11在非常低的速度范围工作时，如图3所示，燃油喷嘴9的针阀11响应喷嘴壳体10内的燃油的液体压力在上升的方向上运动（在打开喷嘴孔15、17的方向上），在针阀向上运动的同时，针阀11的底座部分11a离开阀座12，打开辅助喷孔15。

如图4和5所示，随着辅助喷孔15被打开，通过辅助喷孔15把雾化的燃油喷入凹进部分4。从辅助雾孔15喷出的雾化燃油F₁在燃烧室内部分地穿过涡流s₁，然后与周壁3a中确立凹进部分的壁面相撞。这部分雾化燃油F₁由于上述的碰撞被进一步雾化，并散射在凹进部分4内。

在这里，由于涡流S₁几乎不能进入凹进部分4里，散射的雾化燃油g₁是分布在凹进部分4中，并被凹进部分4的压缩空气加热汽化，也被燃烧室3的周壁加热汽化，因而与空气混合。同时雾化燃油F₁的剩余部分开始附着在周壁3a的凹进部分上，以形成一个薄的液体油膜，即燃油膜G₁，它逐渐地被从外部加热，并被压缩空气和燃烧室3的内壁加热汽化。

因此，来自燃油膜G₁的油汽和来自散射的雾化燃油g₁的油汽与凹进部分的空气混合，在凹进部分4内产生混合汽层H₁，由于涡流S₁的存在，防止了混合汽层H₁流进燃烧室内。同时，由于所喷射的是汽油或酒精之类低十六烷值和高挥发性的燃油，在凹进部分4里的混合汽浓度可以得到提高。

所以，当产生这种混合汽层H₁时，如果火花塞19的放电部分19a放电火花，则混合汽层H₁被迅速点燃。这种燃烧过程进行的比较快，当达到一个特定的压力时，在凹进部分4里产生燃烧气体和未燃烧的燃油流入燃烧室3内，并与燃烧室3内的空气混合，使它们再度燃烧。其结果是NO_X、HC和烟度值可以控制得较低，燃烧的噪音可以减小。

如图3所示，内燃机在中等或高负荷运转时，燃油喷嘴9的针阀11上升到高于预定升程，因此，除辅助喷孔15以外，多个主喷孔17也被打开。如图5和6所示，雾化的燃油从主喷孔17喷出，并朝对着主喷孔的周壁3a喷射。从主喷孔17中喷射出来的雾化燃油F₂、F₃、F₄穿过涡流S₁，并被压缩空气部分地加热汽化。同时，从主喷孔17喷出来的雾化燃油F₂、F₃、F₄的剩余部分有足够的向前冲的动力，使这些雾化燃油穿过涡流S₁到达周围内壁3a，并由于与周壁3a的碰撞，其中一部分进一步雾化。雾化燃油F₂、F₃、F₄的进一步雾化的部分被压缩空气和内壁加热汽化，并在燃烧室3里扩散。另一方面，雾化燃油F₂、F₃、F₄的剩余部分由于同周壁3a的碰撞而分别附着在对着主喷孔17的周壁3a的相应部分。因此，在周壁上述部分表面形成薄层油膜G₂，随后薄的燃油膜G₂被燃烧室3内的压缩空气和内壁加热汽化。

所以，在雾化状态下供给的雾化燃油F₂、F₃、F₄油膜部分G₂、和因与周壁3a碰撞而进一步雾化的雾化燃油F₂、F₃、F₄的剩余部分g₂在燃烧室3里被汽化，汽化的油汽被涡流S₁带动，并并在燃烧室3里均匀分布。因此，空气和燃烧室3的油汽彼此混合，产生一个向燃烧室3内的涡流S₁的下游流动的混合汽层H₂。换言之，即产生均匀浓度的混合汽，并分散在燃烧室内。

顺带说，因为发动机在中等或高负荷运转时，辅助喷孔15已经打开，凹进部分的燃烧过程也在进行，凹进部分4内产生的燃烧气体与未燃烧的燃油流入燃烧室3。结果，在燃烧室3内的混合汽层H₂被点燃。

同时，发动机在中等或高负荷运转时，从主喷嘴孔17喷出燃油的总量比发动机在低负荷运转时喷出燃油的总量要大，所以确定的混合汽层H₂的浓度对于燃烧来说是足够高的。

在本实施例的装置中唯一的一个辅助喷孔15的构造是为了确保相对于涡流S₁的冲击力，并在凹进部分4的空间里产生浓混合汽，即浓混合汽层H₁，当它由于火花塞19的放电而发火时产生一个有很强的火焰传播的浓混合汽层H₁。三个主喷孔17的构造是为了确保一个相对于涡流S₁的适当的冲击力。喷出的雾化燃油在主燃烧室3内均匀地散射，以保证混合汽层H₂的形成，并在燃烧时无失火现象。因此，可以得到燃料消耗性能和输出功率性能好的燃烧过程。

图7至11描述了按本发明的一个内燃机燃烧室装置的第二个实施例。

首先参阅图7和8。101表示一个活塞，102是活塞101的顶部，103是一个燃烧室，它是由在活塞101顶部102、以活塞101的顶面102a为基准面轴向向下的凹坑构成的，105表示气缸盖。

与前面所述的第一个实施例的燃烧室3类似，旋转的进气流从旋流口（图中未示出）进入燃烧室103。本实施例中，燃烧室103有一个大致为方形的、垂直于活塞101的轴向的横截面。因此旋流就形成绕燃烧室103中心轴O₂旋转的涡流S₂。

在具有大致为正方形横截面的燃烧室103的拐角部分，燃烧室103的周壁103a的直面之间通过曲面20彼此光滑地连接，曲面20具有一由涡流S₂的强度决定的曲率半径R。

因此，在燃烧室103中，涡流S₂是不容易进入到具有正方形截面燃烧室103的拐角部分的。这是因为涡流在靠近燃烧室103的周壁103a通过反复碰撞和反射得到调整，因而绕燃烧室103的中心轴O₂旋转。相应于前述第一个实施例凹进部分4，拐角部分形成了凹进部分104。在本实施例中，燃烧室103有四个同样的凹进部分。

本实施例采用了第一个实施例中所述的燃油喷射装置9（参见图3）和火花塞19。

当活塞101移动到靠近上死点位置时，安装并固定在气缸盖105上的火花塞19的放电部分可以在四个凹进部分104之中的一个内。

特别是，当活塞101移动到上死点位置附近时，火花塞19应处在这样的位置，即：使燃油喷射装置9的辅助喷孔15面向周壁103a的直面之中的一个，且该面沿着涡流S₂的方向在火花塞19放电部分19a的上游，而主喷孔17则面对周壁103a的其它直面。

下面对工作过程进行描述。

发动机带负荷工作时，燃油喷嘴9的工作与前述第一个实施例相同，因此略去相同的描述。

如图9所示，当活塞101移动到靠近上死点时，随着辅助喷孔15的开启，雾化燃油喷射到沿涡流S₂的方向。位于火花塞19所在的凹进部分104旁边上游的周壁103a的一个直面，从辅助喷孔15喷出的雾化燃油F₅中一部分穿过燃烧室103内的涡流S₂，并与确定凹进部分104的周壁103a的弯曲部分相碰撞。雾化燃油F₅经过这种碰撞进一步雾化，因而散布在凹进部分104内。

在有大致为正方形横截面的燃烧室103内，每一个凹进部分104构成一个空间，在燃烧室103产生的涡流S₂不易进入这些空间，以便在其内产生类似第一个实施例的浓混合汽。因此燃烧室截面形状就不限制为仅仅是正方形。例如燃烧室103沿深度方向周壁103a的一部分可以（如图12所示）在径向外延凹进，以形成凹进部分204，或者燃烧室也可以是一个与涡流S₄有关的有花瓣状凹进部分304的截面形状。在后一种情况下，凹进部分304通过燃烧室303的周壁303a与燃烧室303相通。

另外燃烧室的横截面形状不限为一个正方形或矩形，也可以是多边形，如五边形或六边形，其中火花塞19和燃油喷嘴9所处的位置与实施例1或实施例2类似。

如图9所示，涡流S₂不易进入凹进部分104内，分散的雾化燃油F₅分布在凹进部分104之内，被凹进部分104内的压缩空气和内壁加热汽化，并同空气混合。同时，送入凹进部分104内的雾化燃油F₅的剩余部分形成液体薄膜，即油膜G₃，附着在周壁103a上，该油膜从外层逐渐地被加热，并且被燃烧室103的周壁和压缩空气加热汽化。

油膜G₃和分散在凹进部分的雾化燃油F₅在凹进部分104内产生油汽，并均匀地散射在凹进部分104内。

因此，如图10所示，在燃烧室103内，在燃油蒸汽和空气混合处产生混合汽层H₃，由于涡流S₃的存在，可以防止混合汽层H₃流进燃烧室103中。这样，若所喷燃油为低十六烷值和高挥发性的汽油或酒精，在凹进部分104内混合的浓度可以增大。

当产生这样一种浓混合汽层H₃时，如果在火花塞19的放电部分19a放电，则混合汽层H₃很快被点燃。

发动机在中等或高负荷运转时，如图3所示，燃油喷嘴9的针阀11上升到高于预定升程，除辅助喷孔15外，主喷孔17的几个孔也打开。如图11所示，雾化燃油从主喷孔17向着与主喷孔17相对的燃烧室103周壁103a的各部分喷出。因此，从主喷孔喷出的雾化燃油F₆、F₇、F₈穿过涡流S₂，使其部分地被压缩空气加热并汽化。同时，主喷孔17喷出的雾化燃油F₆、F₇、F₈的剩余部分具有足够的冲击力，使它们能穿过涡流S₂到达周壁103a。雾化燃料F₆、F₇、F₈的剩余部分与周壁103a碰撞，其中一部分进一步雾化。雾化燃油F₆、F₇、F₈的这种进一步雾化部分接着被压缩空气和内壁加热汽化，并散射在燃烧室103内。另一方面，雾化燃油F₆、F₇、F₈的剩余部分由于与周壁103a的碰撞，附着在与主喷孔117相对的周壁103a的各个相应部分。因此，在周壁103a的每一部分上面形成一层薄油膜。此燃油膜由于燃烧室103内的压缩空气和内壁加热汽化。

以雾态供给的雾化燃油F₆、F₇、F₈、燃油薄膜G₄、和由于与周壁103a碰撞而进一步雾化的雾化燃油F₆、F₇、F₈的剩余部分在燃烧室103内汽化，且燃油的蒸汽由涡流S₂带动。燃油的蒸汽和在燃烧室103内的空气彼此混合。混合汽层H₄在燃烧室103内产生，并流向涡流S₂的下游。即在燃烧室103内产生浓度均匀的混合汽。

发动机在中等或高负荷运转时，辅助喷孔15已经打开，燃烧过程在凹进部分内进行，在凹进部分104内产生燃气与没有燃烧的燃油流入燃烧室103，结果，在燃烧室103内的混合汽层H₄被点燃。

同时，发动机在中等或高负荷运转时，从主喷孔17喷射燃油的总量比在低负荷运转时所喷射的总量要有所增加，所确定的混合汽层H₂的浓度对燃烧来说是足够的。

因此，通过上述的第二个实施例，也可以获得好的燃烧性能。

Claims (12)

1、一个内燃机燃烧室装置，它的特点是包括一个活塞，这个活塞有一个沿轴向由顶部凹坑形成的燃烧室，所述的活塞还有一个凹进部分，它是由活塞沿深度方向的燃烧室壁的径向外凹部分形成的；一个燃油喷嘴，以将燃油雾化并供给所述的凹进部分和所述的燃烧室；一个位于凹进部分之内的火花塞，以利于雾化燃油的发火。

2、根据权利要求1所述的内燃机燃烧室装置，其中所述凹进部分的容积比所述的燃烧室的容积要小，并其结构可以防止在所述的燃烧室内旋转的涡流进入该凹进部分。

3、根据权利要求1所述的内燃机燃烧室装置，其中所述的燃油喷嘴有一个具有较小喷孔面积的辅助喷孔和一个具有较大喷孔面积的主喷孔，辅助喷孔比主喷孔先打开。

4、根据权利要求1所述的内燃机燃烧室装置，其中所述的燃油喷嘴有一个辅助喷孔和主喷孔，辅助喷孔将燃油雾化并喷入凹进部分，而主喷孔则是将燃油雾化并喷入燃烧室。

5、根据权利要求1所述的内燃机燃烧室装置，其中所述的活塞有在圆周上彼此间隔的多个凹进部分，这些凹进部分是由沿着活塞深度方向的燃烧室周壁的凹进处形成的;所述的火花塞设置在几个凹进部分中的至少一个内;燃油喷嘴是设置在便于燃油雾化并喷入燃烧室和装有火花塞的凹进部分内。

6、根据权利要求1所述的内燃机燃烧室装置，其中燃油喷嘴配置并固定在内燃机的缸盖上。

7、根据权利要求1所述的内燃机燃烧室装置，其中火花塞是配置并固定在内燃机的缸盖上的。

8、根据权利要求1所述的内燃机燃烧室装置，其中燃烧室有一个垂直活塞轴向的多边形截面，其凹进部分是由多边形的每个拐角形成的。

9、根据权利要求8所述的内燃机燃烧室装置，其中燃烧室的横截面是一个正方形。

10、根据权利要求8所述的内燃机燃烧室装置，其中燃烧室的横截面是一个五边形。

11、根据权利要求8所述的内燃机燃烧室装置，其中燃烧室的横截面是一个六边形。

12、根据权利要求1所述的内燃机燃烧室装置，其中活塞的燃烧室有一个圆形横截面，所述的凹进部分是由沿着活塞的深度方向的燃烧室周壁在径向外延凹进形成的。

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