CN103670661A

CN103670661A - 用于减少氮氧化物的直喷式柴油发动机的燃烧室

Info

Publication number: CN103670661A
Application number: CN201310418269.7A
Authority: CN
Inventors: 俞德根; 韩大成; 金忠珉; 安钟谟; 柳镇焕; 郑旭; 金得相
Original assignee: Doosan Infracore Co Ltd
Current assignee: Hyundai Doosan Infracore Co Ltd
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2013-09-13
Publication date: 2014-03-26
Also published as: EP2708714A3; EP2708714A2; EP2708714B1; US20140076275A1; KR20140036454A; US9284877B2; KR101996085B1

Abstract

本发明提供用于减少氮氧化物的直喷式柴油发动机的燃烧室。本发明的实施例涉及柴油发动机的燃烧室，该柴油发动机的燃烧室配置有凹陷形状的碗状物（Bowl），以使从喷油器（10）喷射的燃料能够产生涡流（Swirl）或挤流（Squish）并与空气混合，该柴油发动机的燃烧室的特征在于，包括：隆起部，其在所述碗状物的底面中央向所述喷油器凸出形成；肋部，其在所述碗状物的侧面向所述喷油器凸出形成；隔着所述肋部形成于所述肋部下部的主燃烧室和形成于所述肋部上部的副燃烧室，将所述副燃烧室的表面配置成平坦的形状或凹陷的碗状，所述副燃烧室的深度为0.8mm以下。

Description

用于减少氮氧化物的直喷式柴油发动机的燃烧室

技术领域

本发明的实施例涉及直喷式柴油发动机的燃烧室，更详细地讲，涉及如下的柴油发动机的燃烧室：优化柴油发动机燃烧室的形状，强化燃烧室内的挤流（Squish）或涡流（Swirl），从而提高燃料与空气的混合性。

背景技术

一般而言，汽油发动机的原理是在燃烧开始前使空气与燃料均匀地混合之后，利用火花塞点火并燃烧，柴油发动机的原理是只吸入空气，以高压缩比压缩之后，向其中高压喷射燃料，从而达到自点火燃烧。

尤其，普通的柴油发动机主要使用使喷油器喷射的燃料，在形成于活塞的燃烧室（碗状物）中涡旋（Swirl），从而使燃料与空气很好地混合并燃烧的方法。

这种柴油发动机的燃烧室应设计成低烟气且即使喷射时机延迟也能够维持烟气不恶化的状态。即，柴油发动机的燃烧室应能够使喷射燃料与燃烧室壁面碰撞而促进混合气体的形成，保持燃烧室内的涡流，抑制燃料蒸气向形成于活塞与气缸盖之间的挤流区域流动，使空气的流动活跃。

这种柴油发动机在适当时机向燃烧室内喷射燃料而与吸入的空气混合，促进燃烧，发挥发动机性能，此时，燃料在压缩行程末期开始喷射，从压缩行程末期至爆发行程初期，在燃烧室内借助于涡流而与空气混合并进行燃烧，之后借助于挤流，未燃烧烟气与活塞顶部的空气混合而进一步燃烧，从而抑制生成烟气。

因此，柴油发动机为了提高发动机性能并改善排出的废气，应优化燃烧室的形状，使得在燃烧室内能够实现空气与燃料的最佳混合。

图1是以往柴油发动机燃烧室的剖面图，在柴油发动机中配置有用于使从喷油器（3）喷射的燃料在所述活塞（1）的上部产生涡流和挤流的碗状的燃烧室（2）。

所述活塞（1）在气缸体的内周面滑动，并进行上下运动，从而使所述燃烧室（2）内的空气压缩或膨胀，与此同时，混合从所述喷油器（3）喷射的燃料。

因此，如果在通过进气道而吸入的空气，借助于活塞（1）的上升运动而被压缩的状态下，从喷油器（3）喷射高压的燃料，则从所述喷油器（3）喷射的燃料在形成于所述活塞（1）的上面的燃烧室中引起涡旋，并与形成湍流的空气混合。

可是，这种柴油发动机的燃烧室在低速运转区域运转的条件下，涡旋强度变弱，因而不仅发动机性能恶化，而且在排除的废气方面，存在PM（Particulate Matter，颗粒物质）及氮氧化物（NOx）增加的问题。

为了解决这种问题一直在进行如下努力：使得能够调节喷油器（燃料喷嘴）的高度，或如韩国专利公开第10-2005-0036098号的柴油发动机的活塞结构中所示，把燃烧室的形状配置成放射状。

但是，在这种柴油发动机的燃烧室中，由于燃料与空气的混合不顺畅，因此会发生流动停滞（flow stagnation），而由于这种流动停滞，会产生燃烧集中而导致温度局部增加，因而存在氮氧化物增加的问题。

【现有技术文献】

【专利文献】

（专利文献1）韩国专利公开第10-2005-0036098号

发明内容

要解决的技术问题

为了解决如上所述的问题，本发明的实施例提供如下的用于减少氮氧化物的直喷式柴油发动机的燃烧室：优化燃烧室的形状，使从喷油器喷射的燃料能够在燃烧室内均匀地产生涡流或挤流。

解决问题的技术方案

本发明实施例的直喷式柴油发动机的燃烧室包括：隆起部（57），其在碗状物的底面中央，向喷油器（10）凸出形成；肋部（55），其在所述碗状物的侧面，向所述喷油器（10）凸出形成；以及隔着所述肋部（55）形成于所述肋部（55）的下部的主燃烧室（50）和形成于所述肋部（55）的上部的副燃烧室（60），所述副燃烧室（60）的表面呈凹陷的碗状，所述副燃烧室（60）的深度为1.0mm以下。

另外，所述副燃烧室（60）的深度可以为0.8mm以下。

另外，所述副燃烧室（60）的深度可以为0.2mm至0.8mm。

另外，所述副燃烧室（60）的深度可以为0.1mm至0.2mm。

另外，所述肋部（55）的直径（D1）可以比所述主燃烧室（50）的最大直径（D2）小，所述主燃烧室（50）的最大直径（D2）可以比燃烧室入口直径（D3）小。

另外，所述主燃烧室（50）的燃烧室最大深度（H2）与所述肋部（55）的肋曲率中心深度（H1）的比率（H2/H1）可以为2.2至2.8。

另外，在所述喷油器（10）上可以形成有多个喷射孔，从所述喷射孔喷射的燃料喷射流（13）与气缸盖的水平面形成的角度（A）可以为10度至30度。

另外，本发明另一实施例的用于减少氮氧化物的直喷式柴油发动机的燃烧室可以包括：隆起部（57），其在碗状物的底面，中央向所述喷油器（10）凸出形成；肋部（55），其在所述碗状物的侧面，向所述喷油器（10）凸出形成；以及隔着所述肋部（55）而形成于所述肋部（55）下部的主燃烧室（50）和形成于所述肋部（55）上部的副燃烧室（60），所述副燃烧室（60）的表面呈平坦的形状，副燃烧室最高面（63）与副燃烧室最低面（61）相同。

发明效果

本发明实施例的用于减少氮氧化物的直喷式柴油发动机的燃烧室与现有技术相比，能够以简单的结构来提高燃料与空气的混合性，通过增加燃料与空气的混合性，能够提高发动机的效率，减少氮氧化物（NOx）的生成。

附图说明

图1是现有技术的直喷式柴油发动机的燃烧室剖面图，

图2是本发明实施例的直喷式柴油发动机的燃烧室剖面图，

图3是本发明实施例的直喷式柴油发动机的燃烧室和副燃烧室的说明图，

图4a和4b是副燃烧室的不同深度下的NOx变化量的说明图，

图5a和5b是关于副燃烧室的不同深度下的NOx变化量的图表和曲线图。

标号说明

10：喷油器 13：燃料喷射流

30：活塞 50：主燃烧室

55：肋部 57：隆起部

60：副燃烧室 61：副燃烧室最低面

63：副燃烧室最高面

D1：燃烧室肋部直径 D2：主燃烧室最大直径

D3：燃烧室入口直径 H1：肋部深度

H2：燃烧室最大深度

具体实施方式

下面，参照附图对本发明实施例的柴油发动机的燃烧室进行详细说明，以使本发明所属技术领域的技术人员能够容易地实施。本发明并不限定于此处说明的实施例，可以以多种不同的方式实施。

为了明确说明本发明的实施例，省略了与说明无关的部分，在整个说明书中对相同或类似的构成要素附上相同的参照标号。

图2示出本发明实施例的柴油发动机的燃烧室剖面。如图2所示，柴油发动机的燃烧室配置有用于空气流入的进气口（未示出）、用于排出废气的排气口（未示出），在燃烧室的上侧中央部分，形成有用于喷射燃料的喷油器（10），在所述喷油器（10）上通常形成有5～6个喷射孔，以便燃料能够向四面喷射。

在所述燃烧室中安装有用于压缩空气的活塞（30），在所述活塞（30）的上面配置有碗状的主燃烧室（50）和副燃烧室（60），以使从所述喷油器（10）喷射的燃料产生涡流和挤流。

即，如果在通过进气口（未示出）吸入的空气，借助于所述活塞（30）的上升而被压缩的状态下，从所述喷油器（10）喷射高压的燃料，则从所述喷油器（10）喷射的燃料，在形成于所述活塞（30）的上面的主燃烧室（50）及副燃烧室（60）中引起涡旋并形成湍流，与空气混合。

另外，在所述活塞（30）的上面中央部形成有隆起部（57），所述隆起部（57）如图2所示，从所述活塞（30）的上面向所述喷油器（10）凸出。

所述隆起部（57）的上端面形成得比所述活塞（30）的上端面低，因此，配置于所述隆起部（57）与气缸盖底面之间的燃烧室，比借助于所述活塞（30）的其它上端面而形成的燃烧室的深度浅。

所述燃烧室呈碗状，而且可以划分为环绕所述隆起部（57）的主燃烧室（50）和环绕所述主燃烧室（50）的副燃烧室（60）。

在所述主燃烧室（50）与副燃烧室（60）之间配置有肋部（55），所述肋部（55）向所述燃烧室的中央部或所述喷油器（10）凸出，能够区分所述主燃烧室（50）和副燃烧室（60）。

所述副燃烧室（60）的入口形状呈圆形或椭圆形状，从而能够获得一定的对称性，从而还能够消除对活塞的偏负载。

所述肋部（55）可以以与所述隆起部（57）相同的高度配置，根据情况也可以具有多个凸出部。另外，为了使从所述喷油器（10）喷射的燃料产生涡流，所述肋部（55）可以配置成与所述燃料喷射流（13）的喷射形态对应的形状，或以各种方式变形凸出部的形状，以便能够向所述主燃烧室（50）和副燃烧室（60）分配不同的量的从所述喷油器（10）喷射的燃料。

所述喷油器（10）喷射的燃料喷射流（13）一次性地碰撞所述肋部（55）后，碰撞到所述肋部（55）的燃料向所述主燃烧室（50）和副燃烧室（60）流动，因此所述燃烧室内的空气与燃料能够均一地混合。

配置在所述喷油器（10）的端部的多个喷射孔能够调节方向，以使燃料向所述肋部（55）喷射。另外，所述喷射孔的直径或喷射的流量可以各不相同。

所述喷油器（10）具有多个喷射孔，从所述喷射孔喷射的燃料喷射流（13）与气缸盖的水平面形成的角度（A）可以为10度至30度。

另外，通过将所述喷油器（10）配置成能够上下移动，从而能够调节从所述喷射孔喷射的燃料的流动方向，可以以各种方式变更所述喷射孔的喷射方向，以使所述燃料喷射流（13）与所述肋部（55）有效地碰撞，使喷射的燃料产生涡流和挤流。

另外，在所述喷油器（10）的内部配置有针阀（未示出），油路借助于所述针阀的上下滑动运动而开闭，从而还可以执行来自喷射孔的燃料喷雾以及停止喷雾。

图3用于说明本发明实施例的直喷式柴油发动机的燃烧室，以下，对燃烧室各自的结构的形状乃至大小进行指定的话如下。

设通过所述肋部（55）而形成的燃烧室肋部直径为D1、通过所述主燃烧室（50）而形成的主燃烧室最大直径为D2、燃烧室入口直径为D3。另外，设从燃烧室入口至肋部的肋深度为H1、燃烧室最大深度为H2。

因此，如图3所示，本发明实施例的柴油发动机的燃烧室具有D3>D2>D1的关系以及H2>H1的关系，根据情况，所述D1、D2、D3及H1、H2根据选择，其大小也可以以各种方式变形实施。

所述副燃烧室（60）通过所述肋部（55）而与所述主燃烧室（50）区分，所述副燃烧室（60）可以与所述主燃烧室（50）一样，呈凹陷的碗状，根据情况，可以呈平面。

即，为了所述副燃烧室（60）的表面呈平坦的形状，副燃烧室最高面（63）与副燃烧室最低面（61）应相同。

当所述副燃烧室（60）配置成碗状时，将副燃烧室的深度称为Th，所述副燃烧室深度（Th）可以为1mm以下。

如图3所示，所述副燃烧室深度（Th）是指在所述副燃烧室（60）与所述活塞上部面相交处连接所述肋部（55）的凸出部分的切线与所述副燃烧室（60）的最低底面之间的距离。

优选的是，副燃烧室最低面（61）与副燃烧室最高面（63）之间的大小也可以为0.8mm以下，以使所述副燃烧室深度（Th）具有0.8mm以下的深度。另外，所述副燃烧室深度（Th）也可以配置为0.2mm至0.8mm。另外，根据情况，所述副燃烧室的深度（Th）还可以配置为0.1mm至0.2mm。

另外，所述副燃烧室（60）的表面可以呈平坦的形状，以使副燃烧室最高面（63）与副燃烧室最低面（61）相同。

另外，无法测量所述副燃烧室（60）的深度（Th）的情况、即副燃烧室（60）的形状不是碗状而是构成为向燃烧室中央部凸出的形状的情况下，被配置成以往的燃烧室形状。这种以往的燃烧室形状存在的问题是空气与燃料没有充分混合，导致排出的废气较多。

由此，通过优化所述副燃烧室（60）的深度，从而增加空气与燃料的混合性，由于实现均匀燃烧，从而减少氮氧化物的产生量，这种效果通过显示申请人的试验结果的图4a和图4b而可知。

图4a示出把所述副燃烧室（60）的深度设置为1.2mm时的氮氧化物的产生量，如果观察虚线部分、即副燃烧室（60），则可知由于燃料与空气的流动停滞而燃烧集中，由此温度增加，氮氧化物的产生量增多。

相反，图4b是将所述副燃烧室（60）的深度设置为0.5mm的情况，可知在虚线部分、即在副燃烧室（60）中，空气与燃料很好地混合，燃烧均匀，由此氮氧化物的产生量明显减少。

图5a和图5b以图表和曲线图来示出上述试验的结果值。观察图5a的图表可知，如果使所述副燃烧室（60）的深度从1mm开始减小，则氮氧化物的产生量也一同减少。

另外，可知使所述副燃烧室的深度从1mm开始减小而从达到0.2mm的瞬间起，氮氧化物的产生量没有变化。因此，在所述副燃烧室（60）的深度为0.2mm时能够获得最佳效果。

如图5b所示，可知所述副燃烧室的深度与氮氧化物的产生量之间的关系成反比，同时可知，代表氮氧化物的减少程度的曲线图的倾斜度，在经过所述副燃烧室深度1.2mm的同时急剧上升。

另外可知，在所述副燃烧室的深度为0.8mm至0.2mm之间的区间，氮氧化物的减少程度几乎恒定地减少。不过，所述副燃烧室的深度从0.2mm开始，氮氧化物产生量没有变化，由此可知与氮氧化物的产生量之间没有关联性。

本发明并非限定于上述特定的优选实施例，在不超出在权利要求书中请求的本发明要旨的前提下，只要是本发明所属技术领域的技术人员，均能够以各种方式变形实施，这种变更属于权利要求书记载的范围内。

【工业上的可利用性】

本发明能够利用于优化柴油发动机燃烧室的形状而提高燃料与空气的混合性的柴油发动机的燃烧室中。

Claims

1.一种柴油发动机的燃烧室，其配置有凹陷形状的碗状物（Bowl），以使从喷油器（10）喷射的燃料能够与空气混合，该柴油发动机的燃烧室的特征在于，包括：

隆起部（57），其在所述碗状物的底面中央，向所述喷油器（10）凸出形成；

肋部（55），其在所述碗状物的侧面，向所述喷油器（10）凸出形成；以及

隔着所述肋部（55）形成于所述肋部（55）的下部的主燃烧室（50）和形成于所述肋部（55）的上部的副燃烧室（60），

所述副燃烧室（60）的表面呈凹陷的碗状，所述副燃烧室（60）的深度为1.0mm以下。

2.根据权利要求1所述的柴油发动机的燃烧室，其特征在于，

所述副燃烧室（60）的深度为0.8mm以下。

3.根据权利要求1所述的柴油发动机的燃烧室，其特征在于，

所述副燃烧室（60）的深度为0.2mm至0.8mm。

4.根据权利要求1所述的柴油发动机的燃烧室，其特征在于，

所述肋部（55）的直径（D1）比所述主燃烧室（50）的最大直径（D2）小，所述主燃烧室（50）的最大直径（D2）比燃烧室入口直径（D3）小。

5.根据权利要求1所述的柴油发动机的燃烧室，其特征在于，

所述主燃烧室（50）的燃烧室最大深度（H2）与所述肋部（55）的肋曲率中心深度（H1）的比率（H2/H1）为2.2至2.8。

6.根据权利要求1所述的柴油发动机的燃烧室，其特征在于，

在所述喷油器（10）上形成有多个喷射孔，从所述喷射孔喷射的燃料喷射流（13）与气缸盖的水平面形成的角度（A）为10度至30度。

7.根据权利要求1所述的柴油发动机的燃烧室，其特征在于，

所述副燃烧室（60）的深度为0.1mm至0.2mm。

8.一种柴油发动机的燃烧室，其配置有凹陷形状的碗状物（Bowl），以使从喷油器（10）喷射的燃料能够与空气混合，该柴油发动机的燃烧室的特征在于，包括：

隔着所述肋部（55）而形成于所述肋部（55）下部的主燃烧室（50）和形成于所述肋部（55）上部的副燃烧室（60），

所述副燃烧室（60）的表面呈平坦的形状，副燃烧室最高面（63）与副燃烧室最低面（61）相同。