CN101379276A - 直喷式柴油机燃烧室结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用以增加废气的再循环量、尽量避免黑烟产生和耗油状态恶化的直喷式柴油机的燃烧室结构。在活塞9的顶面设有凹陷部10而构成燃烧室的大半，在从气缸腔顶部的中心向该凹陷部10内周面放射状喷射燃料而自燃的直喷式柴油机燃烧室结构中，凹陷部10开口的外周部设有相对于活塞9顶面凹下的阶状的抠出部24。该抠出部24底面的外周部径向地朝外侧上升而形成平缓曲面直至活塞9的顶面，并在活塞9的顶面下一台阶处形成入口唇部11，该入口唇部11由上述抠出部24的内周部和从凹陷部10底面上升的燃烧室壁面部12构成。

Description

直喷式柴油机燃烧室结构
技术领域
[0001]
本发明涉及直喷式柴油机的燃烧室结构。
背景技术
[0002]
历来，一些汽车的柴油发动机中采用了所谓的废气再循环(EGR)装置从排气侧将部分废气抽回到吸气侧，在吸气侧内被抽回的废气使柴油机内燃料燃烧得到抑制而降低燃烧温度，从而减少NOx的产生。
[0003]
图1表示一例设有废气再循环装置的柴油机，对于图中所示的柴油机1，流过废气2的排气通路3和吸气通路4之间通过EGR管5连接，此EGR管5中途所设的EGR阀6，将部分废气2和吸入空气7一并送入柴油机1的气缸内进行再循环，以通过降低燃烧温度而减少NOx的产生。
[0004]
并且，在柴油机1各气缸腔顶部(气缸腔顶部23)配备了向气缸内喷射汽油的多孔式喷嘴8，并在活塞9的顶面凹陷地设有凹陷部10而构成燃烧室的大半，燃料从喷嘴8的端部向该凹陷部10的内周面放射状地喷射，在压缩行程末期因气缸内部高温而自燃。
[0005]
上述凹陷部10的细节如图2所示，其中包括:形成凹陷部10开口的外缘部的入口唇部11；从该入口唇部11沿着平缓的S形曲线下降，自入口唇部11径向地朝外侧扩张的燃烧室壁面部12；从该燃烧室壁面部12径向地朝内侧形成平缓曲面的外侧曲面部13；以及从该外侧曲面部13下端部的整个周边往活塞中心O形成的扁平圆锥状中心锥体部14。
[0006]
图1所示的柴油机1的喷嘴8的喷射动作，能够由作为柴油机控制计算机(ECU:Electronic Control Unit(电子控制单元))的控制装置15发出的燃料喷射指令8a控制，在压缩上死点附近对上述喷嘴发出燃料喷射指令8a而使燃料喷射。
[0007]
输入上述控制装置15的信号包括加速器开度信号16a和转速信号17a等，前一信号来自加速器开度信号16a作为柴油机1的负荷检测的加速器传感器16(负荷传感器)，后一信号来自检测柴油机1转速的转速传感器17。为了实施各种发动机控制，对柴油机1的运行状态进行常时监测。
[0008]
再有，图1中示出了机轴18、排气口19、排气阀20、吸气口21、吸气阀22以及气缸腔顶部23。吸气阀22和排气阀20通过发动机驱动凸轮轴(未作图示)上的凸轮经由推杆和摇臂控制，在对应于各气缸行程的适当的定时执行开阀操作。
[0009]
关于这种直喷式柴油机的燃烧室结构的现有技术文献资料，见诸于例如下述的专利文献1和文献2等。
专利文献1:特开平6-212973号公报
专利文献2:特开平7-150944号公报
[0010]
然而，在图1所示的传统的直喷式柴油机中，通过废气2的再循环来减少NOx产生，与因气缸内燃烧不充分而产生黑烟这二者之间存在某种折衷关系。因此，若为实现NOx的大幅度减少而单纯增加废气2的再循环量会导致黑烟的产生和耗油状态的恶化等问题。
[0011]
因此，对于图2所示的现有燃烧室结构，发明人针对燃料喷雾的扩散状况作了持续的潜心研究后，发现了如图3(曲柄角8°)、图4
(曲柄角12°)、图5(曲柄角16°)、图6(曲柄角20°)、图7(曲柄角24°)依次所示的如下情况:在低速运转时的燃料的喷射期间，由于活塞9下降缓慢，在该活塞9充分下降前燃料就喷射完，如此，燃料喷雾的大部分被喷射进并停留在凹陷部10内。在该处局部形成燃料集中的区域而容易导致黑烟的产生。图中F所指的图线，示意地说明按浓度分布的喷射燃料的扩散状况，并示出了分布区域越处于内侧燃料浓度越高的状态。
[0012]
另一方面，发现了如图8(曲柄角8°)、图9(曲柄角20°)、图10(曲柄角24°)、图11(曲柄角28°)、图12(曲柄角40°)依次所示的如下情况:在高速运转时的燃料的喷射期间，由于活塞9下降快使得在燃料喷射的前半该活塞9就已过度下行，如此，燃料喷雾的大部分未进入凹陷部10而流向挤气区S(凹陷部10周围活塞9的顶面与气缸腔顶部23之间的区域)，并停留在衬套壁附近(挤气区S的最外侧部分)。在该处局部形成燃料集中的区域而容易导致黑烟的产生。
发明内容
[0013]
本发明鉴于上述的实际情况构思而成，其目的在于提供一种即使增加废气的再循环量也可避免黑烟的产生和耗油状态的恶化的直喷式柴油机的燃烧室结构。
[0014]
本发明的特征在于:具有在活塞的顶面设有构成燃烧室大半的凹陷部，从气缸腔顶部的中心向该凹陷部内放射状喷射燃料而自燃的直喷式柴油机燃烧室结构，其中，凹陷部开口外周部设有相对于活塞顶面以所要深度凹下而形成阶状的抠出部；该抠出部底面的外周部沿平缓曲面径向地向外侧上升而形成直至活塞的顶面，并在活塞顶面的下一台阶处形成入口唇部，该入口唇部由上述抠出部的内周部和从凹陷部底面上升的燃烧室壁面部构成。
[0015]
而且，在低速运转时的燃料喷射期间，由于活塞下降缓慢，在凹陷部内从气缸腔顶部的中心放射状地进行燃料喷射时，在该活塞充分下降前燃料就喷射完毕，但是，由于在活塞顶面的下一台阶处形成有入口唇部，在大部分的喷射期间燃料喷雾被吹到入口唇部附近而被分配成两部分，一部分流入凹陷部，一部分流入抠出部。
[0016]
然后，由于流向抠出部侧的燃料喷雾径向地朝外顺着曲面被引导而形成向上的气流，因此，在该上向气流的形成与活塞下降动作的共同作用下，抠出部附近会产生纵向漩涡，该漩涡促使燃料喷雾径向地朝内移动，并且，上述的上向气流中残留的喷射势头促使燃料喷雾向径向外侧移动，这样就可实现在挤压区形成良好的燃料雾化扩散。
[0017]
另一方面，被吹到入口唇部附近而流向凹陷部侧的燃料喷雾，沿着燃烧室壁面部向凹陷部底面下降，形成沿着该底面径向地朝内侧的气流，在因该下降而径向地朝向内侧的一连串气流之形成与活塞下降动作的共同作用下，凹陷部内产生纵向漩涡，该漩涡促使凹陷部内的燃料雾化扩散，并且，因已有部分燃料喷雾流入抠出部侧，燃料喷雾量变少而使之变得容易扩散，这样可避免凹陷部内局部地形成燃料集中区域之可能。
[0018]
另外，在高速运转时的燃料喷射期间，由于活塞下降快，从气缸腔顶部的中心向该凹陷部放射状地进行燃料喷射时，使得在燃料喷射的前半该活塞就已过度下行，但是，由于在活塞顶面的下一台阶处形成有入口唇部，在燃料喷射的初期燃料喷雾被吹到入口唇部附近而分配成两部分，一部分流入凹陷部，一部分流入抠出部。之后，燃料喷雾的大部分从入口唇部吹到上侧的抠出部，循着该抠出部曲面而形成向上的气流；以夹着该上向气流的状态产生在径向的内侧与外侧流向相反的涡流。由于这些涡流，可实现挤压区内良好的燃料雾化扩散，因此可避免挤压区的衬套壁附近局部地形成燃料集中区域。
[0019]
另外，被吹到入口唇部附近而流向凹陷部侧的燃料喷雾沿着燃烧室壁面部下降到凹陷部底面，从而形成沿着该底面径向地朝内的气流，在因该下降而径向地朝向内侧的一连串气流之形成与活塞下降动作的共同作用下，凹陷部内产生纵向漩涡，该漩涡促使凹陷部内的燃料雾化扩散。
[0020]
本发明中，燃料喷射的喷嘴锥角范围最好设为140°～160°，抠出部的径向尺寸范围最好设为入口唇部口径的9％以上19％以下。从活塞顶面起的入口唇部的深度可为其口径的4.5％以上9.5％以下。
[0021]
采用上述的本发明直喷式柴油机燃烧室结构，可取得如下良好效果:可避免低速运转时凹陷部内局部地形成燃料集中区域；能预防性地避免高速运转时挤压区的衬套壁附近局部地形成燃料集中区域；而且可使燃料喷雾在燃烧室大范围内尽量扩散并良好燃烧，并力避黑烟的产生及耗油状态的恶化；同时可将废气的再循环量增加到现有直喷式柴油机所不能达到的程度；还可取得比现有技术更好的减少NOx的效果。
附图说明
[0022]
图1为设有废气再循环装置的直喷式柴油机的略图。
图2为表示图1中凹陷部细节的剖面图。
图3表示现有技术中低速运转状态下曲柄角为8°时的燃料扩散状态。
图4表示现有技术中低速运转状态下曲柄角为12°时的燃料扩散状态。
图5表示现有技术中低速运转状态下曲柄角为16°时的燃料扩散状态。
图6表示现有技术中低速运转状态下曲柄角为20°时的燃料扩散状态。
图7表示现有技术中低速运转状态下曲柄角为24°时的燃料扩散状态。
图8表示现有技术中高速运转状态下曲柄角为8°时的燃料扩散状态。
图9表示现有技术中高速运转状态下曲柄角为20°时的燃料扩散状态。
图10表示现有技术中高速运转状态下曲柄角为24°时的燃料扩散状态。
图11表示现有技术中高速运转状态下曲柄角为28°时的燃料扩散状态。
图12表示现有技术中高速运转状态下曲柄角为40°时的燃料扩散状态。
图13是说明本发明一实施例的剖面图。
图14表示低速运转状态下曲柄角为8°时的燃料扩散状态。
图15表示低速运转状态下曲柄角为12°时的燃料扩散状态。
图16表示低速运转状态下曲柄角为16°时的燃料扩散状态。
图17表示低速运转状态下曲柄角为20°时的燃料扩散状态。
图18表示低速运转状态下曲柄角为24°时的燃料扩散状态。
图19表示高速运转状态下曲柄角为8°时的燃料扩散状态。
图20表示高速运转状态下曲柄角为20°时的燃料扩散状态。
图21表示高速运转状态下曲柄角为24°时的燃料扩散状态。
图22表示高速运转状态下曲柄角为28°时的燃料扩散状态。
图23表示高速运转状态下曲柄角为40°时的燃料扩散状态。
图24是表示发明人的验证实验结果的低速运转曲线图。
图25是表示发明人的验证实验结果的高速运转曲线图。
图26是说明抠出部径向宽度尺寸的最佳范围的曲线图。
图27是说明入口唇部深度尺寸的最佳范围的曲线图。
附图标记说明
[0023]
1  柴油机
9  活塞
10 凹陷部
11 入口唇部
12 燃烧室壁面部
23 气缸腔顶部
24 抠出部
L  抠出部径向宽度尺寸
d  入口唇部的口径
h  从活塞顶面到入口唇部的深度尺寸
具体实施方式
[0024]
下面参照附图解释本发明的实施方式。
图13～27表示本发明的一实施例。与图1与图2相同的附图标记表示同一部件。
[0025]
关于以上参照图1说明的直喷式柴油机1，在本实施例中，如图13所示，在活塞9的顶面凹陷地设置的凹陷部10开口的外周部设有相对于活塞9顶面凹下的阶状的抠出部24。该抠出部24底面的外周部沿平缓曲面径向地向外侧上升而形成直至活塞9的顶面，并在活塞9顶面的下一台阶处形成入口唇部11，该入口唇部11由上述抠出部24的内周部和从凹陷部10底面上升的燃烧室壁面部12构成。
[0026]
这里，入口唇部11下方的凹陷部10的形状，与以上参照图2说明的凹陷部10大致相同，其中包括:从入口唇部11沿着平缓的S形曲线下降，自入口唇部11径向地朝外侧扩张的燃烧室壁面部12；从该燃烧室壁面部12径向地朝内侧形成平缓曲面的外侧曲面部13；以及从该外侧曲面部13下端部的整个周边往活塞中心O形成的扁平圆锥状中心锥体部14。
[0027]
并且，当向气缸内喷射燃料(汽油)的气缸腔顶部23的喷嘴8(参照图1)的燃料喷射锥角规定在范围140°～160°时，抠出部24的径向宽度L为入口唇部11口径的9％以上19％以下，而且从活塞顶面到入口唇部的深度h为入口唇部11口径的4.5％以上9.5％以下。
[0028]
而且，在这样构成燃烧室时，如图14(曲柄角8°)、图15(曲柄角12°)、图16(曲柄角16°)、图17(曲柄角20°)、图18(曲柄角24°)依次所示，在低速运转时的燃料喷射期间，由于活塞9下降缓慢，在从气缸腔顶部23的中心向该凹陷部10内周面放射状地进行燃料喷射时，在该活塞9充分下降前燃料就喷射完，在本实施例中，由于在活塞9顶面的下一台阶处形成有入口唇部11，在大部分的喷射期间燃料喷雾被吹到入口唇部11附近而被分配成两部分，一部分流入凹陷部10，一部分流入抠出部24。
[0029]
然后，由于流向抠出部24侧的燃料喷雾径向地朝外顺着曲面被引导而形成向上的气流，因此，在该上向气流的形成与活塞9下降动作的共同作用下，抠出部24附近会产生纵向漩涡，该漩涡促使燃料喷雾径向地朝内移动，并且，上述的上向气流中残留的喷射势头促使燃料喷雾向径向外侧移动，这样就可实现在挤压区S(凹陷部10周围的活塞9顶面与气缸腔顶部间区域)形成良好的燃料雾化扩散。
[0030]
另一方面，被吹到入口唇部11附近而流向凹陷部10侧的燃料喷雾，沿着燃烧室壁面部12向凹陷部10底面下降，形成沿着该底面径向地朝内侧的气流，在因该下降而径向地朝向内侧的一连串气流之形成与活塞9下降动作的共同作用下，凹陷部10内产生纵向漩涡，该漩涡促使凹陷部10内的燃料雾化扩散，并且，因已有部分燃料喷雾流入抠出部24侧，燃料喷雾量变少而使之变得容易扩散，这样可避免凹陷部10内局部地形成燃料集中区域之可能。
[0031]
此外，如图19(曲柄角8°)、图20(曲柄角20°)、图21(曲柄角24°)、图22(曲柄角28°)、图23(曲柄角40°)依次所示，在高速运转时的燃料喷射期间，由于活塞9下降快，从气缸腔顶部23的中心向该凹陷部10放射状地进行燃料喷射时，使得在燃料喷射的前半该活塞9就已过度下行，但是，由于在活塞9顶面的下一台阶处形成有入口唇部11，在燃料喷射的初期燃料喷雾被吹到入口唇部11附近而分配成两部分，一部分流入凹陷部10，一部分流入抠出部24。之后，燃料喷雾的大部分从入口唇部11吹到上侧的抠出部24，循着该抠出部24曲面而形成向上的气流；以夹着该上向气流的状态产生在径向的内侧与外侧流向相反的涡流。由于这些涡流，可实现挤压区S内良好的燃料雾化扩散，因此可避免挤压区S的衬套壁附近(挤压区S的最外侧部分)局部地形成燃料集中区域。
[0032]
另一方面，被吹到入口唇部11附近流向凹陷部10侧的燃料喷雾沿着燃烧室壁面部12下降到凹陷部10底面，从而形成沿着该底面径向地朝内的气流，在因该下降而径向地朝向内侧的一连串气流之形成和活塞9下降动作的共同作用下，凹陷部10内产生纵向漩涡，该漩涡促使凹陷部10内的燃料雾化扩散。
[0033]
因此，根据上述实施例，可取得如下良好效果:可避免低速运转时凹陷部10内局部地形成燃料集中区域；能预防性地避免高速运转时挤压区S的衬套壁附近局部地形成燃料集中区域；而且可使燃料喷雾在燃烧室大范围内尽量扩散并良好燃烧，并力避黑烟的产生及耗油状态的恶化；同时可将废气2(参照图1)的再循环量增加到现有直喷式柴油机所不能达到的程度；还可取得比现有技术更好的减少NOx的效果。
[0034]
事实上，根据发明人的验证实验可知，如图24和25中分别用曲线表示的低速运转和高速运转的情况，与采用传统的燃烧室结构的情况相比，无论在黑烟发生还是耗油状态恶化方面都有所改善。
[0035]
在图24和25中，以采用传统燃烧室结构的实验结果为基准(100％)，用百分比来相对评价采用本实施例的燃烧室结构所得的试验结果。图中，横坐标表示NOx产生量，上部的纵坐标表示黑烟产生量，下部的纵坐标表示预定的功率输出所需的燃料消耗量。
[0036]
本实施例中，燃料喷射的喷嘴锥角范围规定为140°～160°，抠出部24的径向宽度尺寸为入口唇部11的口径d的9％以上19％以下。从活塞9顶面到入口唇部11的深度h为该入口唇部11口径d的4.5％以上9.5％以下，下面将详述选用这些尺寸的意义。
[0037]
根据图26的曲线可确认，在燃料喷射的喷嘴锥角范围规定为140°～160°的条件下，若低速运转时宽度L与口径d之比从0％开始变大，当变成9％以上时黑烟明显减少。
[0038]
可认为其原因是，由于抠出部24的宽度L变大，燃料喷雾容易向存有大量氧气的挤压区S(因气缸的外周侧比内周侧体积大，氧气也更多)扩散，空气利用率上升，促使煤烟的再次氧化，黑烟的发生明显受到抑制。
[0039]
但可确认，在高速运转时，当宽度L与口径d之比在21％以上时，黑烟产生的效果就急剧下降。可认为这是抠出部24宽度尺寸变得过大以致燃料喷雾到达衬套壁所致。
[0040]
综合考虑实验结果可得出如下结论:将范围规定成抠出部24的径向宽度L为入口唇部11口径d的9％以上19％以下是最佳的。在该范围内，低速运转时和高速运转时均可取得明显的黑烟减少效果。
[0041]
另外经确认，如图27中的曲线所示，在燃料喷射的喷嘴锥角范围规定在140°～160°范围的条件下，若在低速运转时深度h与口径d之比从0％开始变大，则在约4.5～12％范围内，黑烟明显减少。
[0042]
可认为其原因是，由于抠出部24的宽度L变大，燃料喷雾容易向存有大量氧气的挤压区S(因气缸的外周侧比内周侧体积大，氧气也更多)扩散，
可认为其原因是，由于入口唇部11的深度h的变大，燃料喷雾容易向存有大量氧气的挤压区S扩散，空气利用率上升，促使煤烟的再次氧化，黑烟的发生明显受到抑制。
[0043]
但是可确认，高速运转时深度h与口径d之比与低速运转时的情况一样，当比值成为约4.5％以上时黑烟减少效果就变得明显，到约10％以上时黑烟减少效果就急剧下降。可认为其原因是当入口唇部11的深度h变得过大而使抠出部24的容积过量增加，使燃烧室形状所应导致的空气流动(挤压)效果下降。
[0044]
综合考虑实验结果可得出如下结论:将范围规定成入口唇部11的口径d的4.5％以上9.5％以下是最佳的。在该范围内，低速运转时和高速运转时均可取得黑烟明显减少的效果。
[0045]
附带提及，在燃料喷射的喷嘴角在规定燃料喷射的喷嘴锥角范围为140°～160°的条件下进行宽度L与口径d之比和深度h与口径d之比的范围规定，其原因是:鉴于现有柴油机1中的喷嘴锥角约为155°，将来喷嘴锥角也有可能在140°～160°的范围内变更。
[0046]
尤其是，近年来存在这样的倾向，基于抑制NOx的考虑而将燃料喷射期延迟。若如此延迟燃料喷射期，则燃烧温度会由于因通过活塞9下降而导致的压力下降而受到抑制，从而可抑制NOx的产生。但是，燃料喷射结束的推迟从曲柄角上看就是曲柄角增大，尤其在高速运转时易发生喷射燃料直接冲击衬套壁而使油膜稀释，因此，考虑将喷嘴锥角缩小到低于传统值，以避免这种喷射燃料对衬套壁的直接冲击，据设想有可能缩小到140°左右。
[0047]
此外，在将燃料喷射的喷嘴锥角缩小到低于传统值的情况下，若照样采用传统的燃烧室结构，则低速运转时燃料喷雾的大部分流入凹陷部10的倾向会更加显著；不言而喻，在为减少NOx的产生而缩小喷嘴锥角的情况下，采用本实施例的燃烧室结构的意义更为重大。
[0048]
本发明的直喷式燃烧室结构不受限于本实施例，在图示的例中，设置成从入口唇部沿着平缓的S形曲线下降、自上述入口唇部径向地朝外侧扩张的燃烧室壁面部的凹腔型的凹陷部，但是也可设置成超环面型即设置成燃烧室壁面部以与入口唇部等径地直接垂直延伸的超环面型的凹陷部，当然，在不背离本发明主旨的范围内，还可进行各种各样的更改。

Claims (4)

1.一种直喷式柴油机燃烧室结构，其中，设有在活塞的顶面构成燃烧室大半的凹陷部，使燃料从气缸腔顶部的中心向所述凹陷部内放射状喷射而自燃；所述凹陷部开口的外周部上设有相对于活塞顶面以所要深度凹下而形成阶状的抠出部；所述抠出部底面的外周部沿平缓曲面径向地向外侧上升而形成直至活塞顶面，且由所述抠出部的底面的内周面和从所述凹陷部的底面上升的燃烧室壁面部在所述活塞顶面的下一台阶处形成入口唇部。
2.如权利要求1所述的直喷式柴油机燃烧室结构，其中，所述燃料喷射的喷嘴锥角设于140°～160°的范围，所述抠出部的径向宽度尺寸为所述入口唇部口径的9％以上19％以下。
3.如权利要求1所述的直喷式柴油机燃烧室结构，其中，所述燃料喷射的喷嘴锥角设于140°～160°的范围，从所述活塞顶面到所述入口唇部的深度尺寸为所述入口唇部的口径的4.5％以上9.5％以下。
4.如权利要求2所述的直喷式柴油机燃烧室结构，其中，所述燃料喷射的喷嘴锥角设于140°～160°的范围，从所述活塞顶面到所述入口唇部的深度尺寸为所述入口唇部的口径的4.5％以上9.5％以下。
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