CN103696870A - 一种柴油机气缸活塞及应用该燃烧室的柴油机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种柴油机气缸活塞，其顶面具有轴向截面外轮廓呈“ω”字形的燃烧室，所述燃烧室的外侧内壁具有内伸于容腔的弧脊，以所述弧脊的径向突出最高点形成的切线划分所述燃烧室为内侧常规区和凹槽区；所述燃烧室的喉口外沿处具有坡口，以形成与所述凹槽区连通的缓冲区，所述缓冲区的外轮廓自所述凹槽区至活塞顶面呈渐近的趋势变化。本发明通过对燃烧室的结构优化，可以调整上涡流走向，在满足提高热效率、降低油耗的基础上，能够有效规避缸盖底面热负荷较高的问题。在此基础上，本发明还提供一种应用该气缸活塞的柴油机。

Description

一种柴油机气缸活塞及应用该燃烧室的柴油机

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，具体涉及一种柴油机气缸活塞及应用该燃烧室的柴油机。

背景技术

随着燃油价格的不断上涨，在车用动力系统的竞争中，人们开始越来越多地关注发动机节能降耗问题。目前，如何能够在保证符合排放法规的基础上，实现较低的油耗，成为各大发动机厂家面临的严峻挑战。

传统的柴油机燃烧室形状大致呈“ω”形，请参见图1所示，该图示出了具有“ω”形燃烧室的活塞的轴向剖面图，中间的非阴影部分绕燃烧室的轴向旋转一周所形成的空腔容积即为该活塞的燃烧室凹坑，显然，其截面为类似于字母ω的形状。

为了使得燃油和空气能够更好的混合，降低缸内的浓度不均匀程度，在传统“ω”形燃烧室的基础上进行了改进，请参见图2所示。该“ω”形燃烧室的外侧内壁形成一突出弧脊10，以该弧脊外轮廓的最突出点形成与气缸中心线平行的分界线，将“ω”形燃烧室划分为内侧常规区A和外侧凹槽区B。在实际应用过程中，弧脊的分流作用能够将部分燃油上扬到上部空间进行混合，使得缸内浓度的不均匀度降低，能够有效降低SOOT排放。然而，受其自身结构的限制，凹槽区B的涡流过强，经过弧脊分流以后，卷到上部利用上部空气进行混合的空间很小，限制了油气的快速混合，只有等到活塞继续向下运动以后才能够较好的混合，而此时，燃烧降低油耗的最佳时期已经过去。显然，该燃烧室虽然改善了SOOT排放，但却无法使油耗同时得以有效控制。

另外，与传统“ω”形燃烧室相比，图2所示的燃烧室增加了利用上部空间混合的燃油比例，燃烧速燃期内在气缸盖底面附近的燃烧油气混合气比例也就增加了，这同时也带来了另外一个问题，就是缸盖底面热负荷升高。

有鉴于此，亟待针对现有该燃烧室进行性能优化设计，以有效控制油耗，同时克服缸盖底面热负荷较高的问题。

发明内容

针对上述缺陷，本发明解决的技术问题在于提供一种优化燃烧室结构的柴油机气缸活塞，以调整上涡流走向，在满足提高热效率、降低油耗的基础上，能够有效规避缸盖底面热负荷较高的问题。在此基础上，本发明还提供一种应用该气缸活塞的柴油机。

本发明提供的柴油机气缸活塞，其顶面具有轴向截面外轮廓呈“ω”字形的燃烧室，所述燃烧室的外侧内壁具有内伸于容腔的弧脊，以所述弧脊的径向突出最高点形成的切线划分所述燃烧室为内侧常规区和凹槽区；所述燃烧室的喉口外沿处具有坡口，以形成与所述凹槽区连通的缓冲区，所述缓冲区的外轮廓自所述凹槽区至活塞顶面呈渐近的趋势变化。

优选地，，所述凹槽区容积为所述燃烧室总容积的15%-20%。

优选地，在轴向截面内，所述燃烧室的喉口直径与所述活塞的直径之比为0.75-0.8，所述凹槽区的底面为直线段且与水平面之间的夹角为8°-10°，形成所述弧脊的下轮廓面为直线段且与所述活塞的顶面之间的夹角处于65°-75°之间，所述弧脊的外凸圆弧半径为4mm-5mm，所述弧脊的径向突出最高点至所述活塞中心线的距离与所述燃烧室的常规区最大直径的之比为0.7-0.75，所述弧脊的径向突出最高点至所述活塞的顶面距离与所述燃烧室的最低点至所述活塞的顶面距离之比为0.45-0.5。

优选地，形成所述缓冲区的所述坡口为斜面坡口。

优选地，所述缓冲区的外轮廓与所述凹槽区的外轮廓圆弧过渡。

优选地，所述凹槽区的与所述缓冲区邻接的外轮廓面为与所述活塞中心线平行的直线段。

本发明提供的柴油机，包括与气缸相适配的活塞，所述活塞具体为如前所述的柴油机气缸活塞。

优选地，所述气缸的直径为123mm-126mm。

与现有技术相比，本发明在燃烧室的喉口外沿处增设有坡口，以形成与燃烧室凹槽区连通的缓冲区，该缓冲区的外轮廓自凹槽区至活塞顶面呈渐近的趋势变化。如此设置，增加了上止点附近的上涡流区混合空间，同时，减弱了燃油在凹槽区向上倒流的作用下直接冲到缸盖底面的趋势，由此使得燃油在上涡流区向扁平方向发展，有利于上止点附近工作区间内油气的充分混合，从而大大提高热效率，降低油耗并且降低原燃烧室缸盖底面热负荷增加的风险。也就是说，通过在燃烧室喉口处增加一个缓冲区调整上涡流走向，在满足提高热效率、降低油耗的基础上，能够有效规避缸盖底面热负荷较高的问题。

在本发明的优选方案中，进一步结合了优选的参数组合，经生产试验数据表明，采用本方案燃烧室结构的油耗等高线所覆盖的转速和扭矩范围相比现有技术大很多，由此，在满足降低SOOT排放的同时，能够获得更加稳定的降低油耗的目的。

附图说明

图1为现有技术中一种典型“ω”形燃烧室的活塞轴向剖面图；

图2为现有技术中一种具有弧脊的活塞轴向剖面图；

图3为第一实施例所述柴油机活塞的轴向剖面图；

图4为图3中所示燃烧室的局部放大示意图；

图5为具体实施方式所述燃烧室的燃油分布图；

图6为第二实施例所述燃烧室的局部放大示意图；

图7为具体实施方式所述燃烧室与图2所示燃烧室的油耗对比示意。

图中：

弧脊1、坡口2、活塞顶面3、直线段4、直线段5、直线段6。

具体实施方式

本发明的核心是针对柴油机气缸活塞的燃烧室进行结构优化，通过调整上涡流的走向，在满足提高热效率、降低油耗的基础上，能够有效规避缸盖底面热负荷较高的问题。下面结合说明书附图进行详细说明。

请参见图3和图4，其中，图3为第一实施例所述柴油机气缸活塞的轴向截面示意图，图4为图3中所示燃烧室的局部放大示意图。

该柴油机气缸活塞的顶面具有轴向截面外轮廓呈“ω”字形的燃烧室，该燃烧室的基本形状与现有技术大致相同。燃烧室的外侧内壁具有内伸于容腔的弧脊1，以该弧脊1的径向突出最高点形成的切线划分燃烧室为内侧常规区A和凹槽区B，也就是说，自该最高点向上形成的切线段将“ω”字形的燃烧室分割形成两个分区；同时，该燃烧室的喉口外沿处具有坡口2，以形成与凹槽区B连通的缓冲区C，该缓冲区C的外轮廓自凹槽区B至活塞顶面3呈渐近的趋势变化。

如此设置，增加了上止点附近的上涡流区混合空间，请一并参见图5所示的燃烧室的燃油分布图。经过弧脊1分流以后，减弱了燃油在凹槽区向上倒流的作用下直接冲到缸盖底面的趋势，由此使得燃油在上涡流区向扁平方向发展，有利于上止点附近工作区间内油气的充分混合，从而大大提高热效率，降低油耗并且降低原燃烧室缸盖底面热负荷增加的风险。也就是说，通过在燃烧室喉口处增加一个缓冲区C调整上涡流走向，在满足提高热效率、降低油耗的基础上，能够有效规避缸盖底面热负荷较高的问题。

显然，缓冲区C位于喉口处，增加了斜面坡口以后燃烧室上部容积增加，为了保持总体容积不变，需要适当对下涡流区的容积进行调整，优选地，凹槽区B容积为燃烧室总容积的15%-20%，即可满足前述功能需要。

需要说明的是，燃烧室是一个由很多个参数共同构成的几何形状，每一个参数在对燃烧室特性的影响上都是不同的，对于降低油耗而言，各参数变化的影响均不相同。本实施例中，该弧脊1的外凸圆弧直径较大，该外凸圆弧直接与缓冲区C的坡口2及常规区A的外轮廓圆滑过渡连接。另外，本方案形成缓冲区C的坡口2为斜面坡口。

当然也可以是这样的设计，请参见图6所示的第二实施例所述燃烧室的局部放大示意图，为了清楚示出两者的区别联系，图中相同结构采用相同的标记进行标示。

本实施例的基本设计与第一实施例相同，区别仅在于，该弧脊1的外凸圆弧的一侧依次通过直线段4（凹槽区B的底面）、与活塞中心线平行的直线段5（凹槽区B的与缓冲区C邻接的外轮廓面）与缓冲区C的坡口2圆滑过渡连接，另一侧通过直线段6（形成弧脊1的下轮廓面）与常规区A的外轮廓圆滑过渡连接。在满足降低SOOT排放的同时，为了获得更加稳定的降低油耗的目的，可以进一步采用下述优选的参数组合。

在轴向截面内，该燃烧室的喉口直径d与活塞D的直径之比为0.75-0.8，凹槽区B的底面为直线段4且与水平面之间的夹角α为8°-10°，形成弧脊1的下轮廓面为直线段6且与所述活塞的顶面之间的夹角γ处于65°-75°之间（斜度减小），弧脊1的外凸圆弧半径R为4mm-5mm（半径更大），弧脊1的径向突出最高点至活塞中心线的距离l与燃烧室的常规区A最大直径L的之比为0.7-0.75（弧脊更加突出），弧脊1的径向突出最高点至活塞顶面3距离h与燃烧室的最低点至活塞顶面2的距离H之比为0.45-0.5（凹槽区更深）。

以上述参数组合进行生产试验，与图2所示现有技术所示燃烧室的油耗进行对比如图7所示，图中，横坐标为柴油机转速，单位r/min，纵坐标为扭矩，单位N.m。

图7中所示，黑色虚线为图2所示燃烧室原方案对应的油耗等高线，黑色实线为本方案燃烧室对应油耗等高线，其中，加粗两条线分别为图2所示方案和本方案191g/kW.h油耗等高线。由图可以明显看出，本方案191g/kW.h等高线所覆盖的转速和扭矩范围相比现有技术方案大很多，进而表明其优越的节省效果。

除前述柴油机气缸活塞外，本实施方式还提供一种应用该柴油机气缸活塞的柴油机，优选地，气缸的直径为123mm-126mm采用上述柴油机气缸活塞的结构技术效果更加突出。应当理解，该柴油机的其他功能部件可以采用现有技术实现，本文不再赘述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种柴油机气缸活塞，其顶面具有轴向截面外轮廓呈“ω”字形的燃烧室，所述燃烧室的外侧内壁具有内伸于容腔的弧脊，以所述弧脊的径向突出最高点形成的切线划分所述燃烧室为内侧常规区和凹槽区；其特征在于，所述燃烧室的喉口外沿处具有坡口，以形成与所述凹槽区连通的缓冲区，所述缓冲区的外轮廓自所述凹槽区至活塞顶面呈渐近的趋势变化。

2.根据权利要求1所述的柴油机气缸活塞，其特征在于，所述凹槽区容积为所述燃烧室总容积的15%-20%。

3.根据权利要求2所述的柴油机气缸活塞，其特征在于，在轴向截面内，所述燃烧室的喉口直径与所述活塞的直径之比为0.75-0.8，所述凹槽区的底面为直线段且与水平面之间的夹角为8°-10°，形成所述弧脊的下轮廓面为直线段且与所述活塞的顶面之间的夹角处于65°-75°之间，所述弧脊的外凸圆弧半径为4mm-5mm，所述弧脊的径向突出最高点至所述活塞中心线的距离与所述燃烧室的常规区最大直径的之比为0.7-0.75，所述弧脊的径向突出最高点至所述活塞的顶面距离与所述燃烧室的最低点至所述活塞的顶面距离之比为0.45-0.5。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的柴油机气缸活塞，其特征在于，形成所述缓冲区的所述坡口为斜面坡口。

5.根据权利要求4所述的柴油机气缸活塞，其特征在于，所述缓冲区的外轮廓与所述凹槽区的外轮廓圆弧过渡。

6.根据权利要求5所述的柴油机气缸活塞，其特征在于，所述凹槽区的与所述缓冲区邻接的外轮廓面为与所述活塞中心线平行的直线段。

7.柴油机，包括与气缸相适配的活塞，其特征在于，所述活塞具体为如权利要求1至6中任一项所述的柴油机气缸活塞。

8.根据权利要求7所述的柴油机，其特征在于，所述气缸的直径为123mm-126mm。

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