CN106460635B - 柴油发动机的燃烧室构造 - Google Patents

Abstract

直喷式柴油发动机(1)的活塞(4)具有凹腔型的空腔(6)，在其中心线上配置多喷孔的燃料喷射嘴(7)。空腔(6)的直径为最小的唇部(42)与活塞冠顶面(43)相比位于下方，该空腔在与唇部(42)相比的上方形成有型腔部(44)。型腔部(44)位于在内燃机怠速时在上止点前喷射的引燃喷射所指向的高度位置，以使喷雾前端不会强烈地碰撞的方式，设定壁面(45)的位置。引燃喷射的燃料在型腔部(44)暂时地滞留，由于之后的挤气流而流动至空腔(6)内。由此，抑制未燃HC的恶化。

Description

柴油发动机的燃烧室构造

技术领域

本发明涉及一种直喷式柴油发动机的燃烧室构造，该直喷式柴油发动机构成为在活塞冠顶面具有凹腔(reentrant)型空腔，并且在该空腔的中心线上配置有多喷孔的燃料喷射嘴。

背景技术

在直喷式柴油发动机中，已知下述技术，即，早于在上止点后的规定的喷射时机进行喷射的主喷射，作为所谓的引燃喷射而在上止点前喷射少量的燃料，在近几年，为了低负载区域中的噪音(所谓的柴油机爆震)的降低、燃烧稳定性改善，尝试着将引燃喷射进一步多级化。

如上所述，如果在怠速时等的低负载区域中将引燃喷射多级地喷射，则最开始的喷射在上止点前的缸内压力比较低的阶段进行。而且，每个的喷射量为微小量，因此燃料喷射嘴的针阀在不是全扬程的状态下喷射，因此喷射穿透力(渗透力或喷雾到达距离)变大。因此，在通常的凹腔型空腔中，引燃喷射的初期的喷雾与空腔内壁面碰撞。向空腔外飞散或者附着于空腔内壁面，从而未燃HC的恶化成为问题。

另一方面，考虑如上述的引燃喷射的喷射穿透力。如果设为将空腔的入口直径设定得较大的大口径型空腔燃烧室，则空腔必然被扁平化，因此上止点之后的空腔内的漩涡速度、挤压速度降低，在中高负载区域中，由于空腔内的混合不充分而容易发生碳烟的恶化。

此外，专利文献1公开有下述结构，即，在空腔的开口缘设置“挖出部”，从活塞顶面在下一层的位置形成有入口唇部，但该专利文献1是积极地使喷雾与在与唇部相比的上方的“挖出部”碰撞而朝向上方的技术，不是能够对由上述上止点前的引燃喷射导致的未燃HC的恶化进行改善的技术。

专利文献1：日本专利第4906055号公报

发明内容

作为本发明涉及的柴油发动机的燃烧室构造，该柴油发动机构成为具有：活塞，其在冠顶面具有凹腔型空腔；以及多喷孔的燃料喷射嘴，其配置在上述空腔的中心线上，其中，

在上述凹腔型空腔的入口部处直径为最小的唇部与开口缘相比位于下方，

在与上述唇部相比的上方且外周侧形成的型腔部，位于在怠速时在上止点前喷射的最早的喷雾所指向的高度位置，

以使在怠速时上述的最早的喷雾的前端进入上述型腔部内且不会与该型腔部的外周的壁面碰撞的方式，设定型腔部的外周的位置。

根据如上述的结构，在怠速时作为引燃喷射而在上止点前喷射的燃料不会与型腔部的壁面强烈地碰撞，在型腔部内停留。该型腔部内的燃料通过与之后的活塞的上升相伴从活塞冠顶面朝向空腔内的挤气流而被移送至空腔内。而且，由于通过在规定的喷射时机向空腔内喷射的主喷射而开始的主燃烧，从而进行再燃烧。因而，抑制由引燃喷射引起的未燃HC。

另外，唇部存在于型腔部的下方，与单纯地大口径化的扁平的凹腔型空腔相比较，能够将由空腔内的漩涡、挤压引起的气体流动维持为高等级，因此抑制中高负载区域中的碳烟的恶化。

在优选的一个方式中，空腔的开口缘处的入口直径相对于缸孔直径的比大于或等于58％，型腔部的容积相对于活塞上止点位置处的全燃烧室容积的比大于或等于3％且小于或等于13％。

进一步优选的是，从活塞冠顶面至上述唇部为止的活塞轴向的距离相对于从活塞冠顶面至空腔底部为止的高度的比大于或等于10％且小于或等于37％。

附图说明

图1是具有一个实施例的燃烧室构造的柴油发动机的结构说明图。

图2是表示该实施例的燃烧室构造的气缸及活塞的半剖视图。

图3是型腔部的壁面的形状的说明图。

图4是型腔部的各部分的尺寸的说明图。

图5是活塞上升过程中的挤气流的说明图。

图6是示出口径比(de/B)和HC排出量的关系的特性图。

图7是示出容积比例(vs/VC)和碳烟排出量的关系的特性图。

图8是示出高度的比(h2/h1)和碳烟排出量的关系的特性图。

图9是表示具有2个喷孔组的变形例的半剖视图。

图10是表示具有2个喷孔组的第2变形例的半剖视图。

图11是表示具有2个喷孔组的第3变形例的半剖视图。

具体实施方式

下面，基于附图，对本发明的一个实施例详细地进行说明。

图1是将本发明涉及的直喷式柴油发动机1与其进排气系统一起示出的结构说明图，在形成于气缸体2上的气缸3，以能够滑动的方式嵌合有活塞4，并且在该气缸体2的上表面固定的气缸盖5将气缸3的上端开口覆盖。

在上述活塞4的顶面处凹陷设置有凹腔型的空腔6。该空腔6呈以活塞4的中心轴线为中心的旋转体形状。即，在活塞4的俯视观察时呈正圆形，并且在活塞4的中心形成。另外，在上述气缸盖5侧，在与上述空腔6的中心相对应的气缸3的中心位置处配置有多喷孔的燃料喷射嘴7。在本实施例中，上述燃料喷射嘴7沿着气缸3的中心轴线进行配置，即垂直地进行配置。

在上述气缸盖5处配置有一对进气阀8以及一对进气阀9，分别对进气口10以及排气口11的前端开口部进行开闭。这些进气阀8以及进气阀9以各自的阀杆与气缸3的中心轴线平行的垂直姿态进行配置。另外，在气缸盖5，与燃料喷射嘴7相邻地配设有预热塞12。

各气缸的燃料喷射嘴7构成为，与示意地表示的共轨13分别连接，如果通过来自未图示的发动机控制单元的驱动信号而燃料喷射嘴7的针阀(未图示)上升，则通过高压燃料泵14供给至共轨13内的高压的燃料喷射。共轨13内的燃料压力经由调压阀15，通过发动机控制单元而调压为与运转条件对应的规定压力。

该实施例的柴油发动机1具有涡轮增压器18，该涡轮增压器18的涡轮19配置在排气通路21的通路中，压缩机20配置在进气通路22的通路中。在排气通路21的与涡轮19相比的下游侧，预催化转换器23以及主催化转换器24串联地配置。在进气通路22的与压缩机20相比的上游侧，设置有空气流量计25以及空气净化器26，在压缩机20和与其相比处于下游侧的集气部28之间配设有中冷器27。而且，作为排气回流装置，具有：排气回流通路29，其将排气通路21的比涡轮19靠上游侧的位置和进气集气部28连通；以及排气回流控制阀30，其为了将排气回流率控制为与内燃机运转条件对应的规定的排气回流率而设置。

图2示出上述空腔6的更具体的剖面形状。该空腔6作为凹腔型，在底面中央具有以山型鼓出的中央凸起部41，并且与中间附近的高度位置处的最大直径相比入口部分的直径相对较小。特别是，在该入口部处直径为最小的唇部42位于从以圆环状残留的活塞冠顶面43沿活塞轴向下方的位置，在与唇部42相比的上方，形成有由向活塞4的外周侧扩大或后退的空间构成的型腔部44。即，活塞冠顶面43中的型腔部44的开口缘44a的直径比唇部42的直径大，通过从该开口缘44至下方的唇部42的外周侧的壁面45形成有型腔部44。详细而言，如图4所示，在将唇部42前端与活塞4中心轴线平行地延长而形成的虚拟的圆筒面46和上述壁面45之间划分出的空间成为型腔部44。

该型腔部44位于在内燃机怠速时作为引燃喷射而在上止点前喷射的喷雾尤其是最早的喷雾所指向的高度位置。图中的虚拟线F表示该最早的喷雾的喷雾中心轴线。而且，如上所述，在上止点前喷射的引燃喷射的喷雾，如前述所示喷射穿透力比较大，但针对根据怠速时的对应的曲轴转角处的缸内压力、燃料喷射嘴7的针阀扬程量等确定的喷射穿透力，以最早的喷雾的前端进入上述型腔部44内且不会与外周的壁面45碰撞的方式，设定型腔部44的壁面45的位置。

上述壁面45形成为使从唇部42的上表面向外周侧延伸的倾斜面45a和从开口缘44a向活塞4的下方延伸的倾斜面45b通过中间的过渡部45c而顺滑地相连续的形状。特别是，如图3所示，形成为沿着将朝向型腔部44的喷雾中心轴线F作为中心而对称地扩展的圆弧或椭圆C的弯曲形状。

在具有上述的型腔部44的柴油发动机1中，在内燃机怠速时作为引燃喷射而在上止点前喷射的喷雾的燃料基本上不会与型腔部44的壁面45强烈地碰撞、扩散，在型腔部44内暂时地滞留。然后，如果活塞4朝向上止点上升，则存在于活塞冠顶面43和气缸盖5的下表面之间的间隙的空气成为挤气流S(参照图5)而向空腔6内流动。在型腔部44内滞留的引燃喷射的燃料由于该挤气流S而向空腔6内移动。然后，在空腔6内，在引燃喷射后的规定喷射时机喷射的主喷射引起的燃烧开始，引燃喷射的燃料通过该主燃烧而进行再燃烧。

如上所述，在上述实施例中，喷射穿透力大的引燃喷射的燃料不会过度地扩散或附着于空腔6的壁面，能够抑制由引燃喷射引起的怠速时未燃HC的增加。另外，型腔部44仅将空腔6的开口缘部分形成为大口径化的形状，其容积为所需最小限度，因此无需将空腔6本身的形状尤其是与唇部42相比靠下方的部分过度地扁平化，能够将由空腔6内部中的漩涡、挤气流引起的气体流动维持在高等级。因此，不会伴随有中高负载区域中的碳烟的恶化。

特别是，在上述实施例中，型腔部44的壁面45形成为以沿着将喷雾中心轴线F作为中心的圆弧或椭圆的弯曲形状凹陷，因此能够有效地避免与喷雾前端的碰撞，并且将型腔部44的容积设得较小。并且，即使假设喷雾碰撞，也不会向外周侧扩散。

如图4所示，上述型腔部44的开口缘44a的直径即入口直径de相对于气缸3的缸孔直径B的比(de/B)优选大于或等于58％，型腔部44的容积vs在活塞上止点位置处的全燃烧室容积VC之中所占的比例(vs/VC)优选大于或等于3％且小于或等于13％。此外，全燃烧室容积VC是活塞4和气缸盖5下表面之间的间隙容积与空腔6的容积相加而得到的空间整体的容积。

图6是汇总了针对各种发动机对前者的口径比(de/B)和怠速时的HC排出量的关系进行了实测的结果，如果口径比(de/B)大于或等于58％，则得到HC排出量充分降低的结果。这意味着，如果口径比(de/B)大于或等于58％，则引燃喷射的喷雾不会与型腔部44的壁面45强烈地碰撞。

另外，图7汇总了同样地针对各种发动机对后者的容积比例(vs/VC)和中高负载区域中的碳烟排出量的关系进行了实测的结果。如图示，如果型腔部44的容积大于13％，则由于恒定的压缩比的限制，必然空腔6变浅，因此，作为结果而导致碳烟的恶化。在小于3％的情况下，实质上接近于不具有型腔部44的较浅的空腔的形状，因此还是会发生碳烟的恶化。

因而，优选口径比(de/B)大于或等于58％、且容积比例(vs/VC)处在从3％至13％的范围内。

而且，作为对型腔部44进行规定的唇部42的高度位置(活塞轴向的位置)，如图4所示，优选从活塞冠顶面43至唇部42为止的活塞轴向的距离h2相对于从活塞冠顶面43至空腔6底部为止的高度h1的比大于或等于10％且小于或等于37％。

图8是汇总了同样地针对各种发动机对上述的高度的比(h2/h1)和中高负载区域中的碳烟排出量关系进行了实测的结果。如图示，如果高度的比(h2/h1)不处于从10％至37％的范围内，则出现碳烟的恶化。

图9～图11分别示出本发明的变形例。即，在上述实施例中，来自燃料喷射嘴7的多个喷孔的喷雾指向同一高度位置(气缸轴向的位置)，但图9～图11的各实施例是燃料喷射嘴7具有喷雾中心轴线F1相对地指向上侧的位置的第1喷孔组和喷雾中心轴线F2相对地指向下侧的位置的第2喷孔组。换言之，第1喷孔组和第2喷孔组相对于气缸中心轴线的倾斜角(所谓伞角)不同。

图9的实施例是第1喷孔组的喷孔直径和第2喷孔组的喷孔直径彼此相互的情况的例子，在该情况下，两者成为相同的喷射穿透力，因此构成为两者指向型腔部44。

图10的实施例是与第1喷孔组的喷孔直径相比较，第2喷孔组的喷孔直径大的情况的例子，在喷射量少的条件下，与第2喷孔组的喷射穿透力相比较，第1喷孔组的喷射穿透力变大。因此构成为，第1喷孔组指向型腔部44，而且第2喷孔组指向唇部42附近。

图11的实施例是与第1喷孔组的喷孔直径相比较，第2喷孔组的喷孔直径小的情况的例子，在喷射量少的条件下，与第1喷孔组的喷射穿透力相比较，第2喷孔组的喷射穿透力变大。因此与图9同样地，构成为两者指向型腔部44。

Claims (5)

1.一种柴油发动机的燃烧室构造，该柴油发动机构成为具有：活塞，其在冠顶面具有凹腔型空腔；以及多喷孔的燃料喷射嘴，其配置在上述空腔的中心线上，其中，

在上述凹腔型空腔的入口部处直径为最小的唇部与开口缘相比位于下方，

其特征在于，在与上述唇部相比的上方且外周侧形成的型腔部，位于在怠速时在上止点前喷射的最早的喷雾所指向的高度位置，

以使在怠速时上述的最早的喷雾的前端进入上述型腔部内且不会与该型腔部的壁面碰撞的方式，设定型腔部的壁面的位置。

2.根据权利要求1所述的柴油发动机的燃烧室构造，其中，

构成为在上述型腔部内保持的燃料由于与活塞上升相伴朝向空腔内的挤气流而流入空腔内。

3.根据权利要求1或2所述的柴油发动机的燃烧室构造，其中，

上述唇部的正上方处的型腔部的外周壁面的剖面呈圆弧形。

4.一种柴油发动机的燃烧室构造，该柴油发动机构成为具有：活塞，其在冠顶面具有凹腔型空腔；以及多喷孔的燃料喷射嘴，其配置在上述空腔的中心，其中，

在上述凹腔型空腔的入口部处直径为最小的唇部与开口缘相比位于下方，

其特征在于，在与上述唇部相比的上方且外周侧形成的型腔部，位于在怠速时在上止点前喷射的最早的喷雾所指向的高度位置，

上述空腔的开口缘处的入口直径相对于缸孔直径的比大于或等于58％，

上述型腔部的容积相对于活塞上止点位置处的全燃烧室容积的比大于或等于3％且小于或等于13％。

5.根据权利要求4所述的柴油发动机的燃烧室构造，其中，

从活塞冠顶面至上述唇部为止的活塞轴向的距离相对于从活塞冠顶面至空腔底部为止的高度的比大于或等于10％且小于或等于37％。