CN109162804A - 一种低热损柴油机燃烧室结构 - Google Patents

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Abstract

一种低热损柴油机燃烧室结构，包括气缸活塞，所述气缸活塞的顶部同轴开设有斜坡导流锥面和下涡流槽；下涡流槽与斜坡导流锥面之间设置有导流台阶面，导流台阶面与斜坡导流锥面之间的夹角α为120º‑165º；所述导流台阶面与气缸活塞的顶面之间的夹角ø为0º‑30º；所述气缸活塞顶部下涡流槽的外部开设有上涡流槽，所述导流台阶面在气缸活塞的顶面上的投影宽度H为1mm‑6mm；所述斜坡导流锥面通过第一导流弧与导流台阶面的内圆周相连接，所述导流台阶面的外圆周通过第二导流弧与下涡流槽相连接。本设计不仅能够使燃油和火焰向燃烧室的中部扩展、使燃油充分燃烧，而且使活塞底部的高温区域向燃烧室中部移动降低燃烧室的热负荷和传热损失。

Description

一种低热损柴油机燃烧室结构
技术领域
本发明涉及发动机领域，尤其涉及一种低热损柴油机燃烧室结构，具体适用于降低缸内传热损失，提高发动机热效率、改善燃油经济性。
背景技术
随着燃油价格上涨和排放法规的升级，对柴油机的经济性排放要求越来越高。燃烧室作为柴油机的一个关键零部件，燃烧室形状对柴油机缸内气流运动、混合气的形成和燃烧具有重要影响。通过燃烧室结构优化来促进油、气的充分混合，并提高空气利用率，对提高柴油机热效率、改善燃油动力性和经济性、降低排放具有重要意义。
现代直喷式柴油机燃烧室一般是ω形的燃烧室，由燃烧室喉口、中央凸台、燃烧室圆弧组成。该类燃烧室的喉口的最突出点形成与气缸中心线平行的分界线，将ω形燃烧室划分为上部的凹槽区和下部的常规区。在实际应用过程中，喉口的分流作用能够将燃油一部分向上分流至凹槽区，形成上涡流；另一部分向下分流至常规区，形成下涡流。通过涡流的卷吸作用促进了缸内的油气混合，能够有效降低碳烟排放。
传统柴油机燃烧室受自身结构的限制，仍存在不少瑕疵：燃烧室常规区容积比凹槽区容积大很多，但常规区燃烧室中间的空气未得到更加充分的利用，而燃烧室中柴油燃烧主要集中在活塞凹坑处，活塞热负荷依旧较高；流经燃烧室凹坑的下涡流未得到充分利用，不能有效降低活塞处热损失以提高柴油机的热效率、改善油耗。
中国专利公告号为CN101952567A，公告日为2011年1月19日的发明专利公开了一种用于内燃机尤其是柴油机的活塞,包括由裙部侧向地界定的活塞体,该活塞体能与具有回转轴线C的气缸的壁配合,该活塞能在该气缸中沿所述轴线C滑动,所述活塞包括前表面,该前表面包括中心凸部、外围冠状环和具有回转轴线B的碗部,该回转轴线B从该中心凸部伸向与该中心凸部在厚度为Ep的唇状部处相连的外围冠状环,所述碗部包括基本越过该唇状部的环面,该环面优选为半拱形轮廓并具有最大半径Rt,该环面能将喷射到该唇状部下的凹入区域R的燃料引向所述中心凸部,该中心凸部具有分开的上斜面和下斜面,上斜面比下斜面更平缓。虽然该发明能使减少氮氧化物和颗粒物的排放，但其仍存在以下缺陷：
该发明中的撞壁分流效果不明显，燃油主要集中在常规区，挤流区空气利用率较差，下斜面比上斜面的斜率更大，这样的结构空气利用率没有提高，且不利于燃油和火焰向燃烧室中心扩展，造成燃油堆积在碗部，容易造成燃油燃烧不充分，增大碳烟的排放，同时增大了燃烧室的热负荷和传热损失，降低了柴油机的热效率。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的燃烧室的热负荷和传热损失大的问题，提供了一种降低燃烧室的热负荷和传热损失的低热损柴油机燃烧室结构。
为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：
一种低热损柴油机燃烧室，包括气缸活塞，所述气缸活塞的顶部同轴设有斜坡导流锥面和下涡流槽；
所述下涡流槽与斜坡导流锥面之间设置有导流台阶面，所述导流台阶面与斜坡导流锥面之间的夹角α为120度-165度。
所述导流台阶面与气缸活塞顶面之间的夹角ø为0度-30度。
所述斜坡导流锥面的顶部设置有球冠凸台，所述斜坡导流锥面与球冠凸台的底部弧面相切，所述球冠凸台所在的球面半径为6mm-20mm。
所述气缸活塞顶部开设有上涡流槽，所述上涡流槽与下涡流槽同轴设置。
所述上涡流槽依次通过第三导流弧、导流直壁与下涡流槽相连接，所述导流直壁为垂直于气缸活塞顶面的圆周壁，所述导流直壁的下端与下涡流槽的外侧弧面相切，所述导流直壁的上端与第三导流弧的内侧弧面相切，所述第三导流弧的外侧弧面与上涡流槽底部弧面相切。
所述下涡流槽与气缸活塞顶面之间最大的距离为V1，所述导流台阶面与气缸活塞顶面之间最大的距离为V2，所述球冠凸台与气缸活塞顶面之间最小的距离为V3，V1与V2之间的比值为1.05-1.5，V2与V3之间的比值为1.3-2.5。
所述导流台阶面在气缸活塞顶面上的投影宽度H为1mm-6mm。
所述斜坡导流锥面通过第一导流弧与导流台阶面的内圆周相连接，所述导流台阶面的外圆周通过第二导流弧与下涡流槽相连接。
所述第一导流弧的内侧弧面与斜坡导流锥面的相切，所述第一导流弧的外侧弧面与导流台阶相切，所述第一导流弧的截面所在圆周的半径R2为1mm-6mm；
所述第二导流弧的内侧弧面与导流台阶的相切，所述第二导流弧的外侧弧面与下涡流槽的内侧弧面相切，所述第二导流弧的截面所在圆周的半径R1为1mm-6mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明一种低热损柴油机燃烧室结构中导流台阶面使油束在进入和离开导流台阶面时形成两次分流，一部分未燃油气在向燃烧室中部空间扩展的过程中与空气混合，有利于火焰向燃烧室的中部扩展，从而使活塞底部的高温区域向燃烧室中部移动，降低了活塞壁面的热损失，有利于提高热效率；另一部分气流则通过斜坡面和中央凸台与空气进一步混合，促进燃烧，同时减少了下涡流槽内燃油的堆积，在减小了凹坑壁面的传热损失的同时减少碳烟的生成。因此，本设计中导流台阶面的结构有助于燃油和火焰向燃烧室的中部扩展，不仅促进燃油充分燃烧，而且能够降低燃烧室的热负荷和传热损失。
2、本发明一种低热损柴油机燃烧室结构中上涡流槽的结构使油束撞壁后形成向缸盖下端面运动的上涡流，进一步提高燃烧效率。因此，本设计为双卷流结构，能够进一步提高燃油利用率。
3、本发明一种低热损柴油机燃烧室结构中的通过控制燃烧室深度、导流台阶面高度和球冠凸台高度三者之间的关系，来改变油雾的运动方向使得燃烧室内形成沿下涡流槽、导流台阶面、斜坡导流锥面和球冠凸台的下涡流，结合燃烧室顶部的上涡流，有助于促进新鲜空气和燃油之间的混合，获得更均匀的混合气和更快的燃烧速度，从而获得更好的燃油经济性和排放。因此，本设计能够促进油气混合均匀，有效提高燃烧效率和空气利用率。
4、本发明一种低热损柴油机燃烧室结构中通过调整导流台阶面的角度以及第一导流弧和第二导流弧半径的大小，来控制分流后燃油流向燃烧室中部的动量，进而有利于火焰中心远离燃烧室凹坑壁面，减小壁面的传热损失。因此，本设计结构设计合理，有效降低壁面的传热损失。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明燃烧室内的油气走向示意图。
图3是本发明的实施例1。
图4是本发明的实施例2。
图中：气缸活塞1、斜坡导流锥面2、球冠凸台21、第一导流弧22、导流台阶面3、导流台阶面3、第二导流弧31、下涡流槽4、导流直壁41、第三导流弧42、上涡流槽5。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1至图4，一种低热损柴油机燃烧室，包括气缸活塞1，所述气缸活塞1的顶部同轴设有斜坡导流锥面2和下涡流槽4；
所述下涡流槽4与斜坡导流锥面2之间设置有导流台阶面3，所述导流台阶面3与斜坡导流锥面2之间的夹角α为120度-165度。
所述导流台阶面3与气缸活塞1顶面之间的夹角ø为0度-30度。
所述斜坡导流锥面2的顶部设置有球冠凸台21，所述斜坡导流锥面2与球冠凸台21的底部弧面相切，所述球冠凸台21所在的球面半径为6mm-20mm。
所述气缸活塞1顶部开设有上涡流槽5，所述上涡流槽5与下涡流槽4同轴设置。
所述上涡流槽5依次通过第三导流弧42、导流直壁41与下涡流槽4相连接，所述导流直壁41为垂直于气缸活塞1顶面的圆周壁，所述导流直壁41的下端与下涡流槽4的外侧弧面相切，所述导流直壁41的上端与第三导流弧42的内侧弧面相切，所述第三导流弧42的外侧弧面与上涡流槽5底部弧面相切。
所述下涡流槽4与气缸活塞1顶面之间最大的距离为V1，所述导流台阶面3与气缸活塞1顶面之间最大的距离为V2，所述球冠凸台21与气缸活塞1顶面之间最小的距离为V3，V1与V2之间的比值为1.05-1.5，V2与V3之间的比值为1.3-2.5。
所述导流台阶面3在气缸活塞1顶面上的投影宽度H为1mm-6mm。
所述斜坡导流锥面2通过第一导流弧22与导流台阶面3的内圆周相连接，所述导流台阶面3的外圆周通过第二导流弧31与下涡流槽4相连接。
所述第一导流弧22的内侧弧面与斜坡导流锥面2的相切，所述第一导流弧22的外侧弧面与导流台阶3相切，所述第一导流弧22的截面所在圆周的半径R2为1mm-6mm；
所述第二导流弧31的内侧弧面与导流台阶3的相切，所述第二导流弧31的外侧弧面与下涡流槽4的内侧弧面相切，所述第二导流弧31的截面所在圆周的半径R1为1mm-6mm。
本发明的原理说明如下：
本设计的核心是针对柴油机气缸活塞的燃烧室进行结构优化，通过调整下涡流的走向，使燃油和火焰向燃烧室的中心扩展，降低活塞壁面的热损失，从而有效地提高热效率、降低油耗和排放。
参见图2，燃油从喷嘴以雾状形式喷出，油雾油束喷向第三导流弧42和导流直壁41的上端后被第一次分流，一部分向上流动进入上涡流槽5形成上涡流，另一部分向下流动经过导流直壁41进入下涡流槽4形成下涡流；油雾继续前进通过第二导流弧31被第二次分流，部分形成台阶回流流向下涡流槽4的上方进一步与空气混合，不仅促进了油气混合，提高了燃烧效率；且使得这部分油气混合气离开活塞壁面向燃烧室中部空间扩展，使燃油和火焰向燃烧室的中部扩展，从而使活塞底部的高温区域向燃烧室中部移动，降低了活塞壁面的传热损失，有利于提高热效率；剩下部分通过导流台阶面3流向第一导流弧22被第三次分流，一部分向上沿斜坡导流锥面2和球冠凸台21与空气进一步混合、促进油气混合，另一部分被第一导流弧22导流与燃烧室中部的空气混合，有利于燃油和火焰向燃烧室的中心扩展，即进一步降低活塞壁面处的热损失。
本设计使得更多的未燃燃油向空气更为充足燃烧室中部扩展，加强了燃油与空气之间的混合，有助于降低排放和油耗。由于此燃烧室使得更多的燃油和火焰向燃烧室的中心扩展，这将容许通过调整燃油碰壁位置使更多的燃油进入燃烧室常规区，减少上涡流区的燃油。因此，本设计可以有效防止燃油直接喷射到缸套上，降低了缸套的热负荷和烧机油的风险。
仿真结果表明，在全负荷工况下，活塞壁面传热损失明显降低，燃烧室总传热损失可降低约5%，氮氧化物排放减少约10%。在部分负荷工况下，燃烧室指示热效率最大可提高1%，指示比油耗最大可改善3g/kw.h。
实施例1：
一种低热损柴油机燃烧室，包括气缸活塞1，所述气缸活塞1的顶部同轴设有斜坡导流锥面2和下涡流槽4；所述下涡流槽4与斜坡导流锥面2之间设置有导流台阶面3，所述导流台阶面3与斜坡导流锥面2之间的夹角α为120度-165度；所述下涡流槽4与气缸活塞1顶面之间最大的距离为V1，所述导流台阶面3与气缸活塞1顶面之间最大的距离为V2，所述球冠凸台21与气缸活塞1顶面之间最小的距离为V3，V1与V2之间的比值为1.05-1.5，V2与V3之间的比值为1.3-2.5；所述导流台阶面3在气缸活塞1顶面上的投影宽度H为1mm-6mm；所述斜坡导流锥面2通过第一导流弧22与导流台阶面3的内圆周相连接，所述导流台阶面3的外圆周通过第二导流弧31与下涡流槽4相连接。
实施例2：
实施例2与实施例1基本相同，其不同之处在于：
所述导流台阶面3与气缸活塞1顶面之间的夹角ø为0度-30度；所述第一导流弧22的内侧弧面与斜坡导流锥面2的相切，所述第一导流弧22的外侧弧面与导流台阶3相切，所述第一导流弧22的截面所在圆周的半径R2为1mm-6mm；所述第二导流弧31的内侧弧面与导流台阶3的相切，所述第二导流弧31的外侧弧面与下涡流槽4的内侧弧面相切，所述第二导流弧31的截面所在圆周的半径R1为1mm-6mm。
实施例3：
实施例3与实施例2基本相同，其不同之处在于：
所述导流台阶面3与气缸活塞1的顶面相平行。
实施例4：
实施例4与实施例2基本相同，其不同之处在于：
所述斜坡导流锥面2的顶部设置有球冠凸台21，所述斜坡导流锥面2与球冠凸台21的底部弧面相切，所述球冠凸台21所在的球面半径为6mm-20mm。
实施例5：
实施例5与实施例4基本相同，其不同之处在于：
所述气缸活塞1顶部开设有上涡流槽5，所述上涡流槽5与下涡流槽4同轴设置；所述上涡流槽5依次通过第三导流弧42、导流直壁41与下涡流槽4相连接，所述导流直壁41为垂直于气缸活塞1顶面的圆周壁，所述导流直壁41的下端与下涡流槽4的外侧弧面相切，所述导流直壁41的上端与第三导流弧42的内侧弧面相切，所述第三导流弧42的外侧弧面与上涡流槽5底部弧面相切。

Claims (10)

1.一种低热损柴油机燃烧室，包括气缸活塞(1)，所述气缸活塞(1)的顶部同轴设有斜坡导流锥面(2)和下涡流槽(4)，其特征在于：
所述下涡流槽(4)与斜坡导流锥面(2)之间设置有导流台阶面(3)，所述导流台阶面(3)与斜坡导流锥面(2)之间的夹角α为120度-165度。
2.根据权利要求1所述的一种低热损柴油机燃烧室，其特征在于：
所述导流台阶面(3)与气缸活塞(1)顶面之间的夹角为0度-30度。
3.根据权利要求2所述的一种低热损柴油机燃烧室，其特征在于：
所述斜坡导流锥面(2)的顶部设置有球冠凸台(21)，所述斜坡导流锥面(2)与球冠凸台(21)的底部弧面相切，所述球冠凸台(21)所在的球面半径为6mm-20mm。
4.根据权利要求3所述的一种低热损柴油机燃烧室，其特征在于：
所述气缸活塞(1)顶部开设有上涡流槽(5)，所述上涡流槽(5)与下涡流槽(4)同轴设置。
5.根据权利要求4所述的一种低热损柴油机燃烧室，其特征在于：
所述上涡流槽(5)依次通过第三导流弧(42)、导流直壁(41)与下涡流槽(4)相连接，所述导流直壁(41)为垂直于气缸活塞(1)顶面的圆周壁，所述导流直壁(41)的下端与下涡流槽(4)的外侧弧面相切，所述导流直壁(41)的上端与第三导流弧(42)的内侧弧面相切，所述第三导流弧(42)的外侧弧面与上涡流槽(5)底部弧面相切。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种低热损柴油机燃烧室，其特征在于：
所述下涡流槽(4)与气缸活塞(1)顶面之间最大的距离为V1，所述导流台阶面(3)与气缸活塞(1)顶面之间最大的距离为V2，所述球冠凸台(21)与气缸活塞(1)顶面之间最小的距离为V3，V1与V2之间的比值为1.05-1.5，V2与V3之间的比值为1.3-2.5。
7.根据权利要求6所述的一种低热损柴油机燃烧室，其特征在于：
所述导流台阶面(3)在气缸活塞(1)顶面上的投影宽度H为1mm-6mm。
8.根据权利要求7所述的一种低热损柴油机燃烧室，其特征在于：
所述斜坡导流锥面(2)通过第一导流弧(22)与导流台阶面(3)的内圆周相连接，所述导流台阶面(3)的外圆周通过第二导流弧(31)与下涡流槽(4)相连接。
9.根据权利要求8所述的一种低热损柴油机燃烧室，其特征在于：
所述第一导流弧(22)的内侧弧面与斜坡导流锥面(2)的相切，所述第一导流弧(22)的外侧弧面与导流台阶(3)相切，所述第一导流弧(22)的截面所在圆周的半径R2为1mm-6mm。
10.根据权利要求8所述的一种低热损柴油机燃烧室，其特征在于：
所述第二导流弧(31)的内侧弧面与导流台阶(3)的相切，所述第二导流弧(31)的外侧弧面与下涡流槽(4)的内侧弧面相切，所述第二导流弧(31)的截面所在圆周的半径R1为1mm-6mm。
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