CN105909420A - 降低柴油机缸内碳烟的燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低柴油机缸内碳烟的燃烧室，该燃烧室设置在活塞头部，该燃烧室包括：凸台，该凸台设在燃烧室的底部中间位置；底槽，其为弧形槽，底槽围绕凸台设置在燃烧室的底部；喉口部，其呈环形凸起，喉口部设置在燃烧室的中上部，喉口部的下侧与底槽的上侧衔接，喉口部形成燃烧室的喉口；环状台阶，其设置在喉口部的上侧，环状台阶的台阶面向外倾斜，台阶面的下侧与喉口部的上侧衔接；以及环形导流面，其由台阶面的上边缘向上延伸至活塞头部的顶面而形成，进入气缸内的混合燃油由于环形导流面的导流而冲击不到靠近气缸壁面的区域。该燃烧室可以充分发挥高供油压力下增强油气混合以降低柴油机原始碳烟排放的能力。

Description

降低柴油机缸内碳烟的燃烧室

技术领域

本发明涉及活塞领域，特别涉及一种降低柴油机缸内碳烟的燃烧室。

背景技术

国家法规对柴油机性能和尾气排放要求的不断提高，这对燃烧系统核心部件之一的活塞燃烧室的要求也不断提高。这要求燃烧室在保证可靠性和耐久性的前提下，要根据柴油机运行工况的特点合理组织缸内气流运动，使燃油雾化蒸发形成的燃油蒸汽在燃烧室内合理分布，从而达到充分利用空气、降低缸内未燃碳氢和碳烟、提高燃油经济性的目的。

我国环保部针对非道路柴油机排气污染物限制已发布了四阶段限值标准。从第三阶段到第四阶段，主要降低颗粒物，根据发动机功率段不同，降低幅度约为50％-94％。为了满足第四阶段的要求，必须对柴油机的燃烧系统进行改进，其中燃烧室形状是燃烧系统的关键之一。第三阶段柴油机燃烧室多采用缩口ω形状，某些缩口ω形状会在缩口和活塞顶面之间使用一个小台阶过渡，使得燃烧室口径大于缩口直径，从而在接近活塞顶面的位置形成一个喉口。为了满足第四阶排气污染物限制要求，柴油机需要升级喷油系统的供油压力。较高的供油压力会使碳烟生成量有所降低，而大部分碳烟在活塞下行时被气流带出凹坑并被氧化掉，最终达到较低的碳烟排放。然而，由供油压力带来的碳烟降低贡献还无法满足第四阶段的碳烟降幅要求，其问题在于原缩口ω形状或带台阶过渡的缩口ω形状的燃烧室使燃油和碳烟在燃烧室内的分配比例不佳。较高的供油压力使燃油喷射速率提高，供油持续时间缩短，如果匹配第三阶段的缩口ω形状或带台阶过渡的缩口ω形状的燃烧室，那么分布到燃烧室凹坑内的燃油蒸汽的比例将增大，会使燃烧室凹坑内生成的碳烟的比例增大。另外，如果燃烧室形状不合理，即使提高供油压力，也无法降低碳烟，甚至会使碳烟排放恶化。

柴油机燃油系统的供油压力提高后，现有的带台阶过渡的缩口ω形状的燃烧室将难以与之良好匹配并获得满意的燃烧排放性能。因为，更高的供油压力会增大燃油喷射速率，从而缩短喷油持续时间，那么在燃油喷射期内与活塞运动相对应的油束落点偏向燃烧室下部的时间占比将增大，所以分布到燃烧室凹坑内的燃油蒸汽的比例将增大。这一方面会使燃烧室凹坑内生成的碳烟的比例增大，另一方面相对燃烧室顶面以上区域生成的碳烟，位于凹坑内的碳烟较难被氧化。如果在膨胀行程无法将缸内碳烟降低到一定程度的话，排气行程排除的废气所含的碳烟量就会超标。另外，分布到燃烧室凹坑内的燃油过多，会使凹坑内的混合气过浓，降低燃烧热效率。

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降低柴油机缸内碳烟的燃烧室，可以充分发挥高供油压力下增强油气混合以降低柴油机原始碳烟排放的能力。

为实现上述目的，本发明提供了一种降低柴油机缸内碳烟的燃烧室，该燃烧室设置在活塞头部，该燃烧室包括：凸台，该凸台设在燃烧室的底部中间位置；底槽，其为弧形槽，底槽围绕凸台设置在燃烧室的底部；喉口部，其呈环形凸起，喉口部设置在燃烧室的中上部，喉口部的下侧与底槽的上侧衔接，喉口部形成燃烧室的喉口；环状台阶，其设置在喉口部的上侧，环状台阶的台阶面向外倾斜，台阶面的下侧与喉口部的上侧衔接；以及环形导流面，其由台阶面的上边缘向上延伸至活塞头部的顶面而形成，进入气缸内的混合燃油由于环形导流面的导流而冲击不到靠近气缸壁面的区域。

优选地，喉口的圆心到顶面的距离为底槽的底部至顶面的距离的44％～45％，喉口的直径为燃烧室的开口直径的78.3％～80％。

优选地，环形导流面为圆弧面，圆弧面与台阶面的上边缘平滑过渡。

优选地，圆弧面的圆弧中心至顶面的距离为1.7mm～2.0mm。

优选地，台阶面与顶面的夹角度为30°-45°。

优选地，凸台的台面至顶面的距离为5.5mm～6mm。

优选地，燃烧室设于活塞头部的偏心部位。

优选地，凸台为圆锥台。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：通过环状台阶和喉口部将燃烧室外延分为上下两个区域，使得部分燃油既可以进入活塞顶面的挤流区，又不会让这些蒸汽距离气缸壁面太近，既可以改善底槽和环状台阶以上区域混合气质量还可以提高燃烧效率，从而提高燃油经济性。

附图说明

图1是根据本发明的降低柴油机缸内碳烟的燃烧室的剖视图；

图2是根据本发明的降低柴油机缸内碳烟的燃烧室的俯视图；

图3是根据本发明的降低柴油机缸内碳烟的燃烧室的使用示意图。

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1至图2所示，根据本发明具体实施方式的一种降低柴油机缸内碳烟的燃烧室，该燃烧室设置在活塞头部1，该燃烧室包括凸台7、底槽6、喉口部5、环状台阶4以及环形导流面3。其中凸台7设在燃烧室的底部中间位置，底槽6为弧形槽，底槽6围绕凸台7设置在燃烧室的底部，喉口部5呈环形凸起，喉口部5设置在燃烧室的中上部，喉口部5的下侧与底槽6的上侧衔接，喉口部5形成燃烧室的喉口，环状台阶4设置在喉口部5的上侧，环状台阶4的台阶面向外倾斜，台阶面的下侧与喉口部5的上侧衔接，环形导流面3由台阶面的上边缘向上延伸至活塞头部1的顶面而形成，该环形导流面使得进入气缸内的混合燃油由于该环形导流面的导流而冲击不到靠近气缸壁面的区域。

上述方案中，该柴油机的燃烧室设置于活塞头部1的顶面2上，燃烧室的下方为销孔。其中该燃烧室从活塞头部1的顶面2至燃烧室底部依次设有：环形导流面3、环状台阶4、喉口部5、底槽6以及凸台7。环形导流面3和环状台阶4位于燃烧室上部，喉口部5为位于燃烧室中上部，呈环状弧形凸起状，环状台阶4与环形导流面3和喉口部5平滑连接，喉口部5相对活塞头部1的顶面2的距离及环形导流面3相对活塞头部1的顶面2的距离决定了环状台阶4的台阶面相对顶面2的倾斜度。底槽6为位于燃烧室底部边缘的弧形槽，凸台7位于燃烧室底部的中央部位。进一步地，本实施例优选将环形导流面3与活塞头部1的顶面2之间、环状台阶4与喉口部5之间、喉口部5与底槽7之间、底槽6与凸台7之间以及凸台7的侧面与凸台7的顶面之间通过圆角过渡，过渡圆角R2mm～R6mm。

如图3显示，环状台阶4和喉口部5将燃烧室外延分为上下两个区域，燃油沿喷射方向进入燃烧室后蒸发形成燃油蒸汽，燃油蒸汽沿喷射方向向燃烧室壁面推进，燃油蒸汽到达喉口部5的弧形凸起处后将有两个流向，大部分燃油蒸汽沿圆弧壁面向底槽6流动，然后沿凸台7的侧面卷向燃烧室中部，另一部分燃油蒸汽沿环状台阶4向顶面2方向流动。在燃烧过程中燃油到达的区域才有生成碳烟的可能，通过喉口部5和环状台阶4优化燃烧室内部的燃油蒸汽的分布位置和比例，从而达到降低碳烟排放的目的。该设计可以组织合理的气流运动，优化燃烧室内混合气质量、加强发动机燃料充分燃烧，降低碳烟排放。

作为一种优选实施例，喉口的圆心到顶面2的距离为底槽6的底部至顶面2的距离的44％～45％，优选设计为44.2％，喉口的直径为燃烧室的开口直径的78.3％～80％。在本方案中，喉口的圆弧半径可以设计为3mm。

作为一种优选实施例，环形导流面3为圆弧面，圆弧面与台阶面的上边缘平滑过渡。

作为一种优选实施例，圆弧面的圆弧中心至顶面2的距离为1.7mm～2.0mm。

作为一种优选实施例，台阶面与顶面2的夹角度为30°-45°。优选设计为30°

作为一种优选实施例，凸台7的台面至顶面的距离为5.5mm～6mm。

作为一种优选实施例，燃烧室设于活塞头部1的偏心部位。本实施例中，燃烧室优选设于活塞头部1的顶面2的偏心部位(即燃烧室中心偏移活塞中心一定距离，参见图2)，也可以将燃烧室设于活塞头部1的顶面2的中心部位。参见图2，8为垂直活塞销孔轴线方向的燃烧室中心线，9为平行活塞销孔轴线方向的燃烧室中心线，10为平行活塞销孔轴线方向的活塞中心线，11为垂直活塞销孔轴线方向的活塞中心线。

本实施例的降低柴油机缸内碳烟的燃烧室，通过环状台阶4和喉口部5将燃烧室外延分为上下两个区域。喉口相对活塞头部1的顶面2的距离加大，使得高速喷射的燃油蒸汽在喉口位置分裂到底槽6和环状台阶4方向的比例合理，从而改善底槽6和环状台阶4以上区域的混合气质量。这样一方面可以降低燃烧过程中燃烧室内生成的碳烟总量，另一方面使得燃烧室底槽6和环状台阶4以上区域的碳烟比例合理。底槽6内的碳烟在底槽6和环状台阶4导流作用下向燃烧室中上部流动与高温氧化剂接触，大部分并被氧化。环状台阶4以上区域的碳烟在逆挤流作用下与高温氧化剂接触，大部分被氧化掉，最终可获得低的碳烟原始排放。

本方案中，由于环形导流面3的设置，一方面使得燃烧室的开口到活塞头部1径向外侧壁的距离a(参见图1)比较大，另一方面使得环状台阶4距离活塞头部1的顶面2有一定距离h，即环状台阶4有一定深度(参见图1)。最终，使得本燃烧室的口径较小，同时在喉口上侧形成第二涡流区，这一结构使得在喉口处分流流向环状台阶4的燃油蒸汽冲击那里的空气，油气混合气在环形导流面3的导流作用下在环状台阶4的台阶面以上区域形成纵向的涡流(参见图3)。这一纵向涡流的形成和发展的作用与燃油蒸汽沿底槽6的壁面冲击底槽内的空气形成的纵向涡流的作用相似，即促进台阶区域油气混合，改善燃烧过程，降低碳烟生成量。另外，燃烧室的开口到活塞头部1径向外侧壁的距离a(参见图1)比较大，污染物不易进入活塞环缝隙区。

综上，本实施例的降低柴油机缸内碳烟的燃烧室之所以如此设计燃室形状，使得部分燃油既可以进入活塞顶面的挤流区，又不会让这些蒸汽距离气缸壁面太近。因为在气缸壁面附近的燃油蒸汽燃烧效果不好，生成的碳烟不易于氧化，本方案中环形导流面3可以在以上两个要求之间达到平衡。既可以改善底槽和环状台阶4以上区域混合气质量还可以提高燃烧效率，从而提高燃油经济性。

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)

1.一种降低柴油机缸内碳烟的燃烧室，该燃烧室设置在活塞头部，其特征在于，该燃烧室包括：

凸台，该凸台设在所述燃烧室的底部中间位置；

底槽，其为弧形槽，所述底槽围绕所述凸台设置在所述燃烧室的底部；

喉口部，其呈环形凸起，所述喉口部设置在所述燃烧室的中上部，所述喉口部的下侧与所述底槽的上侧衔接，所述喉口部形成所述燃烧室的喉口；

环状台阶，其设置在所述喉口部的上侧，所述环状台阶的台阶面向外倾斜，所述台阶面的下侧与所述喉口部的上侧衔接；以及

环形导流面，其由所述台阶面的上边缘向上延伸至所述活塞头部的顶面而形成，进入气缸内的混合燃油由于所述环形导流面的导流而冲击不到靠近气缸壁面的区域。

2.根据权利要求1所述的降低柴油机缸内碳烟的燃烧室，其特征在于，所述喉口的圆心到所述顶面的距离为所述底槽的底部至所述顶面的距离的44％～45％，所述喉口的直径为所述燃烧室的开口直径的78.3％～80％。

3.根据权利要求1所述的降低柴油机缸内碳烟的燃烧室，其特征在于，所述环形导流面为圆弧面，所述圆弧面与所述台阶面的上边缘平滑过渡。

4.根据权利要求3所述的降低柴油机缸内碳烟的燃烧室，其特征在于，所述圆弧面的圆弧中心至所述顶面的距离为1.7mm～2.0mm。

5.根据权利要求1所述的降低柴油机缸内碳烟的燃烧室，其特征在于，所述台阶面与所述顶面的夹角度为30°-45°。

6.根据权利要求1所述的降低柴油机缸内碳烟的燃烧室，其特征在于，所述凸台的台面至所述顶面的距离为5.5mm～6mm。

7.根据权利要求1所述的降低柴油机缸内碳烟的燃烧室，其特征在于，所述燃烧室设于所述活塞头部的偏心部位。

8.根据权利要求1所述的降低柴油机缸内碳烟的燃烧室，其特征在于，所述凸台为圆锥台。