CN101550887B - 一种柴油机燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种柴油机燃烧室，设置于活塞顶部，分成两个半燃烧室，两者在燃烧室对称面处连通，其中，一个半燃烧室与进气门凹坑连通，另一个半燃烧室与排气门凹坑连通，燃烧室外壁面由一组不同曲率的外弧面圆滑连接构成，且外壁面在活塞顶平面上的截交线凹向活塞中心；燃烧室内壁面由两个对称分布的扭曲螺旋锥状面构成；外壁面与内壁面相交，使燃烧室深度在活塞周向上自对称面向两翼减小、径向上自内侧向外侧增加。涡流室喷出的高速高温气流在燃烧室形成涡流的同时，易形成较强的挤流和紊流；更快、更充分地混合燃料和空气，提高火焰传播速度，使燃烧更为充分，提高柴油机经济性、动力性和排放性。

Description

一种柴油机燃烧室

本发明要求于2009年1月9日提交的申请号为200910000753.1、名称为“一种柴油机燃烧室”中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合于本发明之中。

技术领域

本发明涉及内燃发动机的燃烧室，特别涉及一种涡流室式柴油机的主燃烧室。

背景技术

柴油机采用压缩点火燃烧工作过程，在压缩冲程末气缸内的空气被压缩而温度升高并积聚在燃烧室内，喷油器向燃烧室内的高温气体喷入高压油束并雾化混合，继而着火燃烧。现有的燃烧室分直接喷射式和间接喷射式两大类，涡流室式燃烧室属于间接喷射式。其一般由主、副两部分组成，其中：副燃烧室也称涡流室，设置于柴油机气缸盖内；主燃烧室设置于活塞顶部，由活塞顶上的凹坑和气缸盖底面围成的空间组成；两者之间有一截面积较小的涡流室通道相连接。工作时，燃油喷进涡流室首先着火燃烧，然后通过涡流室通道进入主燃烧室继续混合燃烧。由于喷油雾化时间极短，缸内混合气很不均匀，从而降低燃烧的质量，进而影响柴油机的动力性、经济性和排放性；可见，要使油气均匀混合，就必须加强主副燃烧室内空气的流动速度。因此，主燃烧室的基本要求是：在压缩冲程中，将缸内空气通过涡流室通道强制导入涡流室内形成高速旋转涡流，以利于喷油初期涡流室内混合气的形成，同时在主燃烧室内形成扰动强烈的挤流；当柴油机着火后，涡流室内的炽热火焰裹带着未燃浓混合气喷出涡流室通道时，主燃烧室以特殊的形状引导其尽可能快速地均匀分布于主燃烧室内，促使未燃浓混合气与主燃烧室内的空气均匀迅速地二次混合并燃烧。

由此可见，主燃烧室在整个涡流室式柴油机的燃烧过程中起到极其重要的作用。特别是，在着火燃烧的初期，活塞尚处于上止点附近，构成主燃烧室容积的空间很小，通常只有气缸容积的2％-3％，而且其中有相当一部分被气体运动不良的气门凹坑占据着，所以如何加快涡流室通道所喷出的火焰及未燃浓混合气火焰在主燃烧室内包括气门凹坑内的运动速度和二次混合的质量，就成了涡流室式燃烧系统的技术目标。而主燃烧室的几何形状、尺寸以及与气门凹坑位置之间的匹配是改善油气混合和燃烧的核心所在。通常，涡流室式柴油机的主燃烧室采用所谓“铲击型”结构或“双涡坑型”结构。

请参见图1、图2，其中：图1是一现有柴油机“铲击型”燃烧室的俯视图；图2是图1的A-A剖视图。所述主燃烧室100，设置于柴油机活塞102的顶部，其侧壁由依次连接的圆弧面103、圆弧面104、圆弧面105、圆弧面106、圆弧面107围成；并且，所述圆弧面103、圆弧面104与圆弧面107、圆弧面105与圆弧面106分别关于燃烧室中心面101对称。如图2所示，底壁108为平面，两翼燃烧室末端侧边的圆弧面105、圆弧面106是与燃烧室底壁108相切的圆柱面，上述燃烧室侧壁、底壁与气缸盖底平面围合，形成所谓“铲击型”的燃烧室100。

该“铲击型”燃烧室，把涡流室喷出的燃烧气体及未燃浓混合气沿两翼的弧形槽导向气缸的周边，再相遇对撞而形成二次涡流，形成燃油与缸内剩余空气的混合和燃烧。由于其端部圆弧面与内圆弧面处形成缩口，挤流面积小，内圆弧面的导向作用较弱，压缩冲程末形成的挤流和紊流不足，加之涡流室喷出的高速燃气互相碰撞造成较大的能量损失；因此混合气品质不高，燃烧质量不尽人意，从而影响柴油机经济性、动力性、排放性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种柴油机燃烧室，可提高柴油机的经济性、动力性、排放性。

为解决以上技术问题，本发明提供一种柴油机燃烧室，设置于活塞顶部；以涡流室通道口中心线与活塞中心线所确定平面为燃烧室对称面，所述燃烧室分成两个半燃烧室，两者在燃烧室对称面处连通，其中，一个半燃烧室与进气门凹坑连通，另一个半燃烧室与排气门凹坑连通，其特征在于，所述燃烧室的外壁面由一组不同曲率的外弧面圆滑连接构成，且外壁面在活塞顶平面上的截交线凹向活塞中心；所述燃烧室的内壁面由两个对称分布的扭曲螺旋锥状面构成；外壁面与内壁面相交，使所述燃烧室深度在活塞周向上自对称面向两翼减小、在活塞径向上自内侧向外侧增加。

优选地，每个扭曲螺旋锥状面，由一端以两个半燃烧室内壁面交线与活塞顶平面的交点为导点、另一端以外壁面上的圆柱螺旋线为曲导线运动的直母线构成；并且，每个扭曲螺旋锥状面的起始素线为两个半燃烧室内壁面交线、终结素线为活塞顶平面与内壁面交线，外侧轮廓由内壁面与外壁面间的相贯线和过渡圆角构成。

优选地，每个半燃烧室外壁面的外弧面为三段；燃烧室对称面、每个半燃烧室外壁面的各外弧面、内壁面的扭曲螺旋锥状面分别与活塞顶平面相交，形成围合的对称面相交线、第一外弧线、第二外弧线、第三外弧线及内壁面轮廓线。

优选地，在活塞顶平面上，以活塞径向确定对称面相交线的方向，以0.11～0.2倍活塞直径确定对称面相交线的长度；延长对称面相交线至活塞中心确定第一活塞中心线，以过活塞中心的第一活塞中心线垂线确定第二活塞中心线；内壁面轮廓线与第一外弧线确定的第一交点、对称面相交线与第三外弧线确定的第二交点分别距活塞外周面的径向距离为5～8mm，且第一交点、第二交点与活塞中心连线的夹角为135～145°；第一外弧线的圆心为以活塞中心为圆心、进气门与活塞的中心距为半径所形成圆与第二活塞中心线的较远交点；第二外弧线为第一外弧线与第三外弧线的圆滑过渡线，半径为20～30mm；第三外弧线的圆心为以活塞中心为圆心、以0.03～0.05倍活塞直径为半径所形成圆与第一活塞中心线的较远交点；内壁面轮廓线为第一外弧线外端点与对称面相交线内端点的连线。

优选地，外壁面的坡度远大于内壁面的坡度。

与现有技术相比，本发明提供的涡流室式柴油机蟹钳形主燃烧室，可提高柴油机的经济性、动力性、排放性。这是因为，本发明的燃烧室由两个半燃烧室间结合面上的三维尖劈分成对称的两翼，且按扭曲螺旋锥状面沿径向由浅入深，沿周向由深到浅地延伸，这样既有利于压缩冲程后期形成气缸内的挤气效应，促进缸内空气的紊流程度，也有利于燃烧冲程初期时涡流室通道喷出的火焰和未燃浓混合气快速流向气缸两侧的高紊流区，并由渐浅的扭曲螺旋锥状面迅速导向两个气门凹坑，以充分利用燃烧室内容积，变气门凹坑死区容积为有利的燃烧室容积，同时完成两翼向中部和远端的包抄，最大程度地促进主燃烧室内的二次油气混合和快速扩散燃烧燃烧。因此，本发明不仅能够大大改善柴油机动力性、经济性和排放性能，而且由于空气和燃油混合均匀，同时还起到使柴油机工作更均匀，平稳和噪声更低的作用。

附图说明

图1是一现有柴油机“铲击型”燃烧室的俯视图；

图2是图1的A-A向剖视图；

图3是本发明柴油机燃烧室的立体图；

图4是图3的俯视图；

图5是图4的B-B向剖视图。

具体实施方式

本发明的基本构思是，将燃烧室设计为蟹钳形的两翼对称结构，利用燃烧室外壁面的轮廓和内壁面的螺旋扭曲锥状曲面所形成的挤气效应和燃气导向效果，在压缩冲程后期产生缸内空气强烈紊流，在燃烧做功冲程中加大燃气火焰和浓混合气的扩散混合燃烧速度，同时充分利用气门凹坑容积参与混合燃烧，从而提高燃烧质量，减小燃烧噪音。

下面结合附图与具体实施例进行说明。

请参见图3、图4、图5，图3是本发明柴油机燃烧室柴油机燃烧室的立体图；图4是图3的俯视图；图5是图4的B-B向剖视图。所述柴油机燃烧室100，设置于活塞顶部102，涡流室(图未示)下部；所述燃烧室100对称于涡流室通道口与活塞中心连线所确定平面，即燃烧室100由两个对称且连通的半燃烧室100a、100b组成：具体地，两者在燃烧室对称面处连通，其中一个半燃烧室与进气门凹坑连通，另一个半燃烧室与排气门凹坑连通。

特别地，所述燃烧室100的外壁面200由一组不同曲率的外弧面圆滑连接构成，且外壁面在活塞顶平面上的截交线凹向活塞中心；内壁面300由两个对称的扭曲螺旋锥状面构成；由此，外壁面200和内壁面300在活塞顶平面上的截交线轮廓呈蟹钳形。

外壁面200与内壁面300相交，由于扭曲螺旋锥状面的特性，使得燃烧室100的深度从对称面向两翼减小，在径向上呈中部浅外部深，即在径向上自内侧向外侧增加。

该蟹钳形燃烧室100的益处是：燃烧室由两个半燃烧室之间对称面(结合面)上的三维尖劈分成对称的两翼，且按扭曲螺旋锥状面形成蟹钳状，内、外壁面之间形成较大收口，内壁面300具有较好的导向作用，其挤流效果明显；沿径向由浅入深，沿周向由深到浅地延伸，这样既有利于压缩冲程后期发挥挤气效应，促进缸内空气的紊流程度，也有利于燃烧冲程初期时涡流室通道喷出的火焰和未燃浓混合气快速流向气缸两翼的高紊流区，并由渐浅的扭曲螺旋锥状面迅速导向两个气门凹坑，以充分利用燃烧室内容积，变气门凹坑死区容积为有利的燃烧室容积，同时完成两翼向中部和远端的包抄，伴随着燃烧室形状产生的逆挤流，最大程度地促进主燃烧室内的二次油气混合和快速扩散燃烧燃烧。因此能够大大改善柴油机动力性、经济性和排放性能，而且，由于空气和燃油混合均匀，同时还起到使柴油机工作更均匀而降低噪声。

具体地，构成所述半燃烧室内壁面300的扭曲螺旋锥状面，是由一条一端以燃烧室对称面上两半燃烧室内壁面交线与活塞顶平面的交点P2为导点，另一端沿外壁面200上圆柱螺旋线为曲导线作运动的直母线而构成的；并且，该曲面(扭曲螺旋锥状面)的起始素线为两半燃烧室内壁面交线，终结素线为活塞顶平面与内壁面的交线，该曲面的外轮廓由内壁面300、外壁面200间的相贯线和过渡圆角212(参见图5)构成。

具体地说，以交点P2为导点或顶点，对称面上两半燃烧室内壁面交线为母线，一端的顶点P2作不动点，另一端延长至与对称面上两半燃烧室内壁面交线等长，该端点沿一外壁面(类圆柱面)上的螺旋线移动，该母线所扫过的轨迹连续起来，就形成扭曲螺旋锥状面。该扭曲螺旋锥状面的优点是：可以圆滑且连续地实现半燃烧室由斜转平、由深转浅的转化，有利于气流的引导。

从活塞顶面看，每个半燃烧室100的外壁面200的弧面为三段组成，可以根据气流混合的需要灵活调整优化，既利于形成较大涡流，又不致对气流产生过大阻力，保证气流的较好导向。

下面以其中的半燃烧室100a为例进行说明。

如图4所示，两个半燃烧室间的结合面形成对称面相交线205；半燃烧室100a外壁面200的外弧面和构成内壁面的扭曲螺旋锥状面分别与活塞顶平面相交，分别形成对称分布的第一外弧线202、第二外弧线203、第三外弧线204及内壁轮廓线201，这四条线和对称面相交线205在活塞顶面的投影线围合，形成封闭的轮廓线。

如图4所示，半燃烧室100a的具体形状位置可按照以下方法确定，在活塞顶平面上：

对称面相交线205位于活塞的径向对称面上，即以活塞径向确定对称面相交线205的方向，其在活塞顶面上的投影长度为0.11～0.2倍活塞直径D，即确定对称面相交线205的长度；以对称面相交线205延长至活塞中心确定第一活塞中心线L1，过活塞中心作其垂线确定第二活塞中心线L2；

内壁面轮廓线201与第一外弧线202确定的第一交点P3、相交线205在活塞顶面上的投影与第三外弧线204确定的第二交点P1分别距活塞外周面径向距离5～8mm，且第一交点P3、第二交点P1与活塞中心连线的夹角A1为135～145°；

第一外弧线202的圆心在以活塞中心为圆心、进气门与活塞的中心距为半径所形成的圆211与第二活塞中心线的较远交点P5；

第二外弧线203为第一外弧线201与第三外弧线204的圆滑过渡线，半径R1为1/4～3/7倍活塞直径D(20～30mm)；

第三外弧线的圆心为以活塞中心为圆心、以0.03～0.05倍活塞直径D为半径所形成圆210与第一活塞中心线的较远交点P4；

内壁面轮廓线201为第一外弧线202外端点P3与相交线205内端点P2的连线。

对于半燃烧室100b，其内壁面轮廓线208、外弧线206、207、209亦按上述方式确定，其中外弧线207的半径R2，外弧线206、209所张圆心角A2参数亦与上同，在此不再赘述。

如图3所示，两个外半燃烧室结合部的深度大于其它部分的深度；即相交线205外端点处最深，而内壁面轮廓线201最浅，其间深度平滑过渡，保证较好的气流导向作用。

如图5所示，燃烧室100中，外壁面200与内壁面300间的宽度从上至下的逐渐减小；其中，外壁面200的坡度远大于内壁的坡度300，以利于突出扭曲螺旋锥状面的气流导向作用。

根据涡流室式柴油机的工作原理和设定的压缩比，可以优化确定蟹钳形燃烧室的容积，根据其容积可以按照上述原理和参数范围并通过实验调整进一步优化确定燃烧室的坡角和深度。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和调整，这些改进和调整也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种柴油机燃烧室，设置于活塞顶部；以涡流室通道口中心线与活塞中心线所确定平面为燃烧室对称面，所述燃烧室分成两个半燃烧室，两者在燃烧室对称面处连通，其中，一个半燃烧室与进气门凹坑连通，另一个半燃烧室与排气门凹坑连通，其特征在于，所述燃烧室的外壁面由一组不同曲率的外弧面圆滑连接构成，且外壁面在活塞顶平面上的截交线凹向活塞中心；所述燃烧室的内壁面由两个对称分布的扭曲螺旋锥状面构成；外壁面与内壁面相交，使所述燃烧室深度在活塞周向上自对称面向两翼减小、在活塞径向上自内侧向外侧增加。

2.如权利要求1所述的柴油机燃烧室，其特征在于，每个扭曲螺旋锥状面，由一端以两个半燃烧室内壁面交线与活塞顶平面的交点为导点、另一端以外壁面上的圆柱螺旋线为曲导线运动的直母线构成；并且，每个扭曲螺旋锥状面的起始素线为两个半燃烧室内壁面交线、终结素线为活塞顶平面与内壁面交线，外侧轮廓由内壁面与外壁面间的相贯线和过渡圆角构成。

3.如权利要求1所述的柴油机燃烧室，其特征在于，每个半燃烧室外壁面的外弧面为三段；燃烧室对称面、每个半燃烧室外壁面的各外弧面、内壁面的扭曲螺旋锥状面分别与活塞顶平面相交，形成围合的对称面相交线、第一外弧线、第二外弧线、第三外弧线及内壁面轮廓线。

4.如权利要求3所述的柴油机燃烧室，其特征在于，在活塞顶平面上，以活塞径向确定对称面相交线的方向，以0.11～0.2倍活塞直径确定对称面相交线的长度；延长对称面相交线至活塞中心确定第一活塞中心线，以过活塞中心的第一活塞中心线垂线确定第二活塞中心线；内壁面轮廓线与第一外弧线确定的第一交点、对称面相交线与第三外弧线确定的第二交点分别距活塞外周面的径向距离为5～8mm，且第一交点、第二交点与活塞中心连线的夹角为135～145°；第一外弧线的圆心为以活塞中心为圆心、进气门与活塞的中心距为半径所形成圆与第二活塞中心线的较远交点；第二外弧线为第一外弧线与第三外弧线的圆滑过渡线，半径为20～30mm；第三外弧线的圆心为以活塞中心为圆心、以0.03～0.05倍活塞直径为半径所形成圆与第一活塞中心线的较远交点；内壁面轮廓线为第一外弧线外端点与对称面相交线内端点的连线。

5.如权利要求1-4任一项所述的柴油机燃烧室，其特征在于，外壁面的坡度远大于内壁面的坡度。

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