CN1048313C - 柴油机等压燃烧室 - Google Patents

Abstract

一种柴油机等压燃烧室，包括缸盖1、缸套5、活塞6、凹坑7、凹坑喉口8、大凸台2。连通凹坑7和活塞6顶上空间13的倾斜通道9及其出口10、缸盖1上的小凸台12、喷油嘴3。工作循环含有燃烧能量先积蓄后释放过程，当活塞运动到上止点时，大凸台2和小凸台12分别封闭凹坑喉口8和出口10而形成燃烧副室，将分隔式的特点融入到直喷式燃烧室中，能全面提高小型高速柴油机的综合性能。

Description

柴油机等压燃烧室

本发明涉及活塞式内燃机，特别是涉及以燃烧室形状和结构改善燃烧质量的小型高速柴油机。

小型高速柴油机的燃烧室，现有技术基本上都是直喷式或分隔式的，两者各有长处和不足。直喷式由活塞、缸盖和缸套三部件围成统一封闭空间用作燃烧室，高压燃油从油嘴直接喷入室内与受压缩空气混合燃烧。采用直喷式燃烧室的柴油机经济性较好，容易起动，但振动和噪声较大，氮氧化合物(NOx)排放量较多，容易产生黑烟，缸盖内往往要设置涡流进气道，这除了容易导致鼻梁区热应力过大外，还同时增大泵气功损失。分隔式包括主燃烧室和副燃烧室。主室由活塞、缸盖和缸套围成，容积较小的副室通常设置在缸盖内部。在副室内喷油燃烧，过浓混合气经连络主、副室的通道或喷孔，从副室高速喷入主室，在主室内进行燃油同空气的再混合并继续燃烧。采用分隔式燃烧室的柴油机振动和噪声都较小，污染物排放量也少，不用设置涡流进气道，对燃料适应性强，工作转速范围宽。但是，它的燃烧室总面积大，副室表面直接受冷却介质作用，加上连络通道的节流损失等，使运行经济性能和起动性能都较差。如中国专利CN 1058464A所公开的文件中，虽然解决了传统发动机中缸内流场不利于混合气形成问题，但该设计仍存在难以精确做到，而且满意的燃烧过程难以覆盖全部速度范围。

本发明的目的在于避免上述现有技术的不足之处而提供一种将分隔式燃烧室特点融入直喷式燃烧室中，在两者优势互补的基础上辅之以燃烧能量积蓄与释放控制手段的等压燃烧室技术，并且在工艺上比较容易实现，从而使小型柴油机综合性能全面提高。

等压燃烧过程作为直喷式柴油机的理想燃烧过程之一受到极大重视，其主要优点是在限定运动件承受最大机械负荷(相应于最大缸内压力)的条件下，柴油机有最好的经济性，同时能减小运动件及传动轴承受到的冲击，减小振动和噪声。

就气缸内压力及活塞所承受和传递的缸内气体合作用力而言，现有技术直喷式柴油机的燃烧过程和等压燃烧过程在如下三个阶段有较大差异：第一阶段，燃烧开始至压缩上止点，燃烧急剧放热使缸内压力高于纯压缩过程压力值，活塞所承受缸内气体合作用力因而大大高于纯压缩过程的对应值；第二阶段，压缩上止点至缸内压力达到最大值时，活塞下行，缸内容积增大，但缸内压力不是保持恒定，而因为快速燃烧继续升高，活塞所承受气体合作用力相应地不断增大；第三阶段，缸内压力达到最大值至燃烧结束，活塞迅速下行使缸内压力不能保持恒定而急剧下降，活塞所受气体合作用力也急剧变小。

归纳上述三个阶段差异特点，其实质在于：①第一、二阶段内燃烧能量过多；②第三阶段内燃烧速度太慢。针对这样分析，消除上述差异，实现直喷式柴油机等压燃烧过程的主要思路是：在所述第一、二阶段，将直喷式燃烧室临时地分隔成主、副燃烧室，使活塞承受的气体合作用力主要由主室内的气体压力决定。副室内先开始燃烧，燃烧能量大部分积蓄起来，使主室内气体压力不因燃烧而过份升高。第三阶段前期，向主室释放所蓄能量，同时为提高后期燃烧速度准备条件，如在主室内均匀分布燃料，把副室内的过浓混合气和主室空气迅速混合以及制造高湍流强度的涡旋气流等。第三阶段后期，缸内主、副室分隔消失，发生高速度扩散燃烧。从而保证燃烧结束前缸内压力不改变。

于是，本发明目的可以通过采取以下措施来实现：创造一种柴油机等压燃烧室，包括缸盖、缸套和活塞，活塞顶部有凹坑，它们围成所述燃烧室，缸盖下表面有一和凹坑的喉口在位置、形状上相匹配的大凸台：喷油嘴设在大凸台上。工作循环含有燃烧能量先积蓄后释放过程，大凸台当活塞运动至上止点时嵌入并基本封闭该喉口；在活塞内有将凹坑和活塞顶上空间连通的倾斜通道，在缸盖下表面还有和倾斜通道在活塞顶面的出口在位置、形状上也相匹配的小凸台，小凸台当活塞运动至上止点时嵌入并基本封闭该出口。

附图的图面说明如下：

图1是本发明燃烧室一个最佳实施例的局部纵向剖视图；

图2是同一实施例活塞的俯视图。

以下结合附图所示之最佳实施例作进一步详述：如图1所示，一种柴油机等压燃烧室，其结构包括缸盖1、缸套5和活塞6，活塞6顶部有凹坑7，它们围成所述燃烧室。考虑到上述第一、二阶段对应的曲轴转角范围较小，对于压缩上止点有一定角度的对称性，以及缸盖与活塞间距离小的特点，在直喷式柴油机缸盖1下表面设有一和凹坑7的喉口8在位置、形状上相匹配的大凸台2：喷油嘴3设在大凸台2上。工作循环含有燃烧能量先积蓄后释放过程，所述大凸台2当活塞6运动至上止点附近时嵌入并基本封闭喉口8，选择该大凸台2的高度，使它得以周期地在上止点前后曲轴转角12°～34°范围内因活塞6移近而伸进凹坑喉口8内，将缸内空间临时地分隔成容积较小的凹坑7内的副室和活塞6顶上的主室两部分。即燃烧前期，大凸台2嵌入喉口8内，缸内空间被凸台2分隔，燃烧能量积蓄在凹坑7内：燃烧后期，大凸台2远离活塞6，上述分隔消失，燃烧能量释放到整个缸内空间推动活塞6作功。所以本发明燃烧室在每一工作循环中，阶段性地又具有分隔式燃烧室的特点，且副室在活塞6的凹坑7内，位置较接近气缸中心线，可缩短燃油与空气间的平均距离。本发明的燃烧室在活塞6内设置若干将凹坑7和活塞6顶上空间13连通的倾斜通道9，见图1和图2。所述通道9在活塞6内圆周方向上的布置是偏心的，它要保证在凹坑7内的出口11的中心线位于以凹坑7中心线上的点为圆心的圆的切线方向上。通道9在活塞6顶面的出口10避开气阀下方位置，其周向分布及径向位置有利于燃油充分利用活塞6顶面以上空间的空气，尤其是靠近缸套5一侧的空气进行燃烧，以及有利于产生较强的切向涡流。于是，在为副室内的过浓混合气运动扩散到新鲜空气较富余的主室进行混合燃烧提供短捷、周向分布较均匀的路径的路径的同时，还利用这些通道为其内部的高速喷流导向，在主室内形成切向涡流，在副室内形成旋转轴相互垂直的切向涡流和滚动涡流，为高速进行后续扩散燃烧创造条件。本发明所设倾斜通道9的总流动面积可比现有技术分隔式燃烧室的连络通道面积大得多，能最大限度地避免节流损失。

本发明燃烧室在缸盖1下表面还有和倾斜通道9在活塞顶面的出口10在位置、形状上也相匹配的小凸台12，小凸台12当活塞6运动至上止点附近时嵌入并基本封闭出口10。选择该小凸台12的高度，使它得以周期地在缸内空间被大凸台2分隔为主、副室后，在上止点前后曲轴转角共约6°～24°(各通道9之间可以有差别)范围内也伸进通道9在活塞6的顶面出口10内，堵塞经过通道9的气体流动，使燃烧前期释放的能量大部分积蓄在副室内。通道9在压缩上止点后恢复畅通，在主、副室气体压力差驱动下，副室内过浓混合气经通道9高速喷入主室。设计合适的通道9出口10的位置，能引导上述过浓混合气在主室空间内较均匀分布，同时大量卷吸主室内的新鲜空气进行强烈再混合燃烧。由此，通过小凸台12、倾斜通道9以及燃烧室壁面三者的配合，可达到如下效果：①燃烧能量先积蓄后释放；②副室内过浓混合气在主室空间的快速均匀分布及与主室空气的强烈再混合燃烧；③为后续的主、副室分隔消失后的缸内一体化扩散燃烧提供高湍流强度的切向涡流和滚动涡流并存的流场。

本发明燃烧室活塞6的凹坑7底部采用凸台隆起结构，可配合通道9的导向作用，使凹坑7内空气更集中于方便被燃料利用的通道9的出口11附近的区域。

所有以上措施保证本发明能近似实现直喷式柴油机的等压燃烧过程，使运动件及传动轴承承受的机械负荷同等压燃烧过程基本一样。

同现有技术相比，本发明的等压燃烧室能全面提高小型高速柴油机的综合性能：

1、运行经济性方面

1).指示热效率提高。

①采用更大的压缩比；

②燃烧持续角缩短，循环定容度提高。主要原因是，周向分布较均匀的短捷通道9缩短了燃料与空气间的平均距离，燃油空间分布均匀度改善，过浓混合气由副室向主室喷射促进了燃油与空气的混合，较高的湍流强度和较强的切向涡流及滚动涡流加快了主、后燃期的扩散燃烧速度。

2).机械效率提高。

①不需要组织进气涡流，泵气功损失小；

②高压油泵耗功减少，主要原因是对燃油喷射要求降低，可调低喷射压力；

③活塞6与缸套5之间摩擦损失减少，主要原因是活塞6运行至与缸套5之间润滑条件较差的压缩上止点附近，主燃室内压力不因燃烧而升得太高，温度也比较低，减少了活塞6与缸套5之间的摩擦损失。

2、运动件及传动轴承受到的冲击减小，使发动机的振动和噪声都大幅度下降。主要原因是运动件和传动轴承所承受的机械负荷与直喷式柴油机等压燃烧过程的情况相同。

3、对环境的污染减轻

1)NOx排放减少，主要是局部高温区减少，缸内温度均匀性较好，高温区延续时间短。

①压缩过程后期，大凸台2对缸内空间的分隔及小凸台12对通道9的堵塞，使副室内气体受到压缩的程度减轻，有助于降低副室内达到的最高温度和最大压力；

②副室向主室的喷射，能使高温燃烧产物和周围温度较低的空气迅速混合，减少了局部高温区及其延续时间；

③强烈的切向涡流和滚动涡流迅速吹散了高温燃烧产物。

2)黑烟排放少，主要原因是缺氧造成的燃料裂化减少，燃烧过程中生成的炭烟也有较多机会和时间在排出气缸前烧掉。

①不组织进气涡流使充气效率提高，缸内新鲜空气较多；

②燃油在缸内空间分布的均匀度提高，它不仅借助于喷射能够较均匀地分布于副室中，还能通过短捷的通道9比较均匀地分布于活塞6顶平面以上空间13中；

③燃油与空气的混合条件改善，副室向主室的喷射流动促进燃油与空气混合，造成主、后燃期缸内的高湍流强度，以及强切向涡流和滚动涡流的作用。

4、可靠性提高，制造成本下降

1)缸盖1不再需要设置涡流进气道；

2)燃油系统可采用成本较低的分隔式燃烧室类型的系统。

5.高、低速性能容易匹配，工作转速范围广。主要原因是，缸内涡流是燃烧室自造的，对转速不敏感；又因不用产生进气涡流，从而使充气效率比较有保证。

鉴于上述诸多优点，本发明在各种车用、产业机器用柴油机上都有广泛的应用前景，在军用柴油机上更有独特优点：如用于战车柴油机，能大幅度减少散热量，缩小战车的红外目标，提高其战场生存能力；用于潜艇柴油机上时，能大幅度降低发动机引起的潜艇振动、噪声，既改善乘员生活环境，还提高了潜艇的隐蔽性。另外，如用火花塞取代喷油嘴，本发明还可作为汽油机燃烧室，能显著抑制爆震，提高经济性。

Claims (6)

1.一种柴油机等压燃烧室，包括缸盖(1)、缸套(5)和活塞(6)，活塞(6)顶部有凹坑(7)，它们围成所述燃烧室，缸盖(1)下表面有一和凹坑(7)的喉口(8)在位置、形状上相匹配的大凸台(2)，喷油嘴(3)设在其上，其特征在于：工作循环含有燃烧能量先积蓄后释放过程，所述大凸台(2)当活塞(6)运动至上止点时嵌入并基本封闭喉口(8)；在活塞(6)内有将凹坑(7)和活塞(6)顶上空间(13)连通的倾斜通道(9)，在缸盖(1)下表面还有和通道(9)在活塞(6)顶面的出口(10)在位置、形状上也相匹配的小凸台(12)，小凸台(12)当活塞(6)运动至上止点时嵌入并基本封闭出口(10)。

2.按照权利要求1所述的柴油机等压燃烧室，其特征在于：选择所述大凸台(2)的高度，使它得以周期地在上止点前后曲轴转角12°～34°范围内伸进凹坑喉口(8)内，将缸内空间临时的分隔成凹坑(7)内的副室和活塞(6)顶上的主室。

3.按照权利要求1所述的柴油机等压燃烧室，其特征在于：选择所述小凸台(12)的高度，使它得以周期地在上止点前后曲轴转角6°～24°范围内伸进通道(9)在活塞(6)的顶面出口(10)内。

4.按照权利要求1所述的柴油机等压燃烧室，其特征在于：所述倾斜通道(9)在活塞(6)内圆周方向上的布置是偏心的，它要保证在凹坑(7)内的出口(11)的中心线位于以凹坑(7)中心线上点为圆心的圆的切线方向上。

5.按照权利要求1所述的柴油机等压燃烧室，其特征在于：所述通道(9)在活塞(6)顶面的出口(10)避开气阀下方位置。

6.按照权利要求1所述的柴油机等压燃烧室，其特征在于：所述活塞(6)的凹坑(7)，其底部采用凸台隆起结构。

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